旧式走査電子顕微鏡用デジタル画像撮影装置の製作

全文

(1)Title. 旧式走査電子顕微鏡用デジタル画像撮影装置の製作. Author(s). 松原, 尚志. Citation. 北海道教育大学紀要. 自然科学編, 70(1): 17-26. Issue Date. 2019-08. URL. http://s-ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/10519. Rights. Hokkaido University of Education.

(2) 北海道教育大学紀要（自然科学編）第70巻第１号 Journal of Hokkaido University of Education（Natural Sciences）Vol. 70, No.1. 令和元年８月 August, 2019. 旧式走査電子顕微鏡用デジタル画像撮影装置の製作松原尚志北海道教育大学釧路校地学研究室. How to Make a Digital Image Capturing Device for an Older Model of Scanning Electron Microscope (SEM) MATSUBARA Takashi Laboratory of Earth Sciences, Kushiro Campus, Hokkaido University of Education, 1-15-55 Shiroyama, Kushiro 085-8580, Japan. ABSTRACT This study introduces a blueprint design and manufacture method for a digital image capturing device for an older model of scanning electron microscope (SEM; JEOL JSM-T330A), which was installed on the Kushiro Campus, Hokkaido University of Education (HUE) in 1993. The device is composed mainly of a DSLR camera (Canon EOS Kiss X8i), some photographic instruments, and materials available from DIY stores, and can be easily made using DIY tools. The captured digital image data (JPG format) have an enough quality (about 4,670 x 3,527 pixels) for scientific and educational uses, and are higher than the image data (1,280 x 1,040 pixels) captured by a newer Tabletop SEM (Hitachi Miniscope® TM-3000) installed in 2011. The introduction of this device can update the same older SEM model on other HUE campuses and at other universities and institutes, and can once again promote the use and application of the older model of SEMs for scientific studies and science teacher education.. はじめに. た。SEMによる試料の拡大像は観察用CRT （cathode-ray tube：陰極線管；＝ブラウン管）. 走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope:. モニタに映し出され，以前は観察用CRTモニタ. SEM）は，光学顕微鏡で用いる可視光線の代わ. に併設される撮影用CRTモニタ上の走査線画像. りに収束させた電子線を用いることにより，試料. を中判ロールフィルムやインスタントフィルムに. 表面を高解像度・広被写界深度で観察可能とした. よる撮影装置で撮影する方法が採られていた。そ. 顕微鏡で，日本においては1960年代以降，工学，. の後，2000年代前半にはこれらのアナログ撮影装. 医学，自然科学などの分野で広く用いられてき. 置をデジタルカメラに置き換えたデジタル画像撮. 17.

(3) 松原尚志. 図１．SEM用画像撮影装置の基本構成．A：JEOL T220-CSI1 中判フィルム画像撮影装置．B：JEOL T220-CSI2 ポラロイド画像撮影装置．C：今回，製作したデジタル画像撮影装置．. 影装置や（日本電子データム株式会社，2004），. カメラで置き換えたデジタル画像撮影装置の製作. 検出器からのデジタルデータを直接，PCに取り. 方法が公表されている（市川ほか，2005；吉田・. 込み，表示するための装置・ソフトが開発された. 西本，2006；阿部，2015）。しかしながら，当校. （日本電子株式会社，2007）。しかしながら，こ. と同一の機種のデジタル画像撮影装置はこれまで. れらの装置は2010年代前半に販売終了となってい. に開発されていない。本研究では，当校を含む同. る。さらに，同時期に旧式SEM自体がメーカー. 型の旧式SEMの再利活用を目的に，デジタル画. のサポート対象機種から除外されたため，それま. 像撮影装置を設計・製作した。本論ではその製作. でにデジタル画像撮影装置を導入しなかった旧式. 方法を紹介するとともに，撮影したデジタル画像. SEMは，今日ではほとんど使用されていないか. の研究・教育上の有用性について考察を行う。. 小型かつ操作が容易な新式の卓上型SEMに更新されているものと推察される。北海道教育大学釧路校においても1993年度に導入された旧式SEM. 撮影装置の基本構造と設計. （JEOL JSM-T330A）は今日においても十分な. 当校の旧式SEMに付属する２種類のアナログ. 性能を有しているものの，撮影装置がアナログ. 撮影装置（T220-CSI1；中判フィルム撮影装置;. であることと，2011年に卓上型SEM（日立. T220-CSI2：ポラロイド撮影装置）の基本構造は. ®. Miniscope TM-3000）が導入されたことにより. 大まかには１）撮影装置接続部品，2）撮影装置. ほとんど使用されていない状況にある。一方，旧. と付属品，および，3）遮光部品の3つから構成. 式SEMのアナログ撮影装置をデジタル一眼レフ. されている（図１A，B）。また，アナログ撮影装. 18.

(4) 旧式SEM用デジタル画像撮影装置の製作. 置は特製のヒンジ金具とロック金具でSEM本体と接続する仕様となっている。. カメラ側は光学用つや消し黒塗料で塗装する。 ⑸ 部品Aのカメラ側に下塗り後，光学用つや消. 他機種に対する先行研究（吉田・西本，2006；. し黒で塗装したアルミチャンネル材1〜3およ. 市川ほか，2005）を参考として，日本電子製. び遮光用アングル材を強力両面テープで貼り付. JSM-T330A用のデジタル画像撮影装置の設計を. ける（図３-５，図３-６）。. 行った。基本設計にあたっては，1）SEM本体. ⑹ 部品B（＝図２B）に穴開け加工を行った補. の加工が不要であること，2）市販されている撮. 強材（アルミチャンネル材）2本をキャップボ. 影用品を可能な限り使用し，材料の加工は最小限. ルトM3で固定する。. とすること，3）ホームセンター等で入手可能な. ⑺ 部品A，BをL字型金具，M8ボルト，ワッ. 工具で製作可能であること，4）現状回復が可能. シャ，M4皿ネジ等を用いて接続する（図４-. であること，の４点を考慮した。撮影装置にはズー. １）。. ムレンズ付のデジタル一眼レフカメラ（Canon. ⑻ ユニバーサルレンズフードの内側の金属部を. EOS Kiss X8i）を，接続部品にはアルミ板2枚，. 光学用つや消し黒塗料で塗装後，M3ネジ，ナッ. L字型金具とフォーカシングレールを，遮光部品. ト，ワッシャ，段付きローレットナットで部品. には市川ほか（2005）でも採用されている蛇腹フー. Aに固定する（図４-２）。. ドを用いた（図１C）。４mm厚のアルミ板を加工して作製する接続部品（A，B）の設計図を図2に，製作に必要な物品一覧を表1に示す。尚，SEM本体とデジタル一眼レフカメラのシャッターの同期ケーブルの製作（吉田・西本， 2006）は本研究では行っていない。. ⑼ 1/4”ネジ・ナットを用いてフォーカシングレールを部品Bに固定する（図４-３）。 ⑽ カメラレンズにアダプターリングを取り付ける。 ⑾ SEM本体に上記 ⑺ で組み合わせた接続部品・遮光部品を取り付ける（図４-４）。 ⑿ フォーカシングレールにカメラを固定後，. 製作手順. フォーカシングレールの前後左右の微動つまみを回して位置を調節し，フードとレンズに取り. デジタル画像撮影装置の製作手順は以下のとお. 付けたアダプターリングを接続する（図４-. りである。. ５）。SEM本体に取り付けたデジタル画像撮影. ⑴ ２枚のアルミ板を金切り鋸，電動ドリル，金. 装置を図４-６に示す。. 属用ヤスリ，タップなどを用いて図2のとおり加工する（図３-１，３-２）。尚，部品A（＝図２A）の窓部をアナログ撮影装置と同じ直径 10 cmの円形（図２Aの点線部；図３-１，３-２）. ⒀ 部品Aと蛇腹フードとの間の隙間を芝生用除草シートで覆う。 ⒁ 振動によるブレを防ぐためユニバーサルコピースタンドで撮影装置を支える。. とすると，撮影した画像の四隅にケラレを生じることが判明したため，穴の形を長方形に改修. 試料と撮影方法. している（図３-５）。 ⑵ 加工した2つの部品の裏表両面に下塗りを行. １．試料. い（図３-３），乾燥後，つや消し黒スプレーで. 今回，撮影用試料として用いたのは琉球列島産. 塗装する（図３-４）。. の星砂を構成する大型有孔虫の殻である。大型有. ⑶ 部品Aにアナログ撮影装置から取り外したヒンジ金具・ロック金具を取り付ける（図３-５）。 ⑷ 部品AのCRTモニタ側に植毛紙を貼り付け，. 孔虫の各個体は双眼実体顕微鏡（Olympus SZ61）下で導電性両面テープを貼り付けた試料台に接着後，乾燥させ，イオンコータ（JEOL JFC-. 19.

(5) 松原尚志. 図２．接続部品（A，B）の設計図．. 20.

(6) 旧式SEM用デジタル画像撮影装置の製作. 表１．デジタル画像撮影装置の製作に必要な物品．１．撮影装置接続部品メーカー・品名アズワンアルミ板. サイズ・規格 150×200×４mm. 数量２. ヒンジ・ロック金具，皿ネジ. —. １式. Kenko 2WAYフォーカシングレール. —. １. 備考図2のとおり加工アナログ画像撮影装置より転用. ネジ. 1/4"×20. １. フォーカシングレール固定用. ナット. 1/4". １. フォーカシングレール固定用. 国際光器植毛紙. —. ニッペホームペイントメタル用下塗りスプレーつやなし. —. ニッペホームペイントアルミカラースプレーつやなしブラック. —. SCOPE LIFE 光学用つや消し塗料. —. １. マイストカチオン電着塗装取付金具 L字タイプ. 厚さ３mm，幅25 mm，長さ75×49 mm. ２. 部品A, B接続用. 六角ボルト. M8×20. ２. 部品A・L字型金具接続用. 平ワッシャ. M8. ２. 部品A・L字型金具接続用. ナット. M8. ２. 部品A・L字型金具接続用. 皿ネジ. M4×15. ８. 部品B・L字型金具接続用. 平ワッシャ. M4. ８. 部品B・L字型金具接続用. ナット. M4. ８. 部品B・L字型金具接続用. アルミチャンネル材. 10×10 mm，長さ200 mm. ２. 補強用．指定の長さに切断. アルミチャンネル材１. 15×15 mm，長さ130 mm. １. フード固定用．指定の長さに切断. アルミチャンネル材２. 15×15 mm，長さ88 mm. １. フード固定用．指定の長さに切断. アルミチャンネル材３. 15×15 mm，長さ80 mm. １. フード固定用．指定の長さに切断. アルミアングル材. 15×15 mm，長さ80 mm. １. 遮光用．指定の長さに切断. キャップボルト. M3×5. ６. アルミチャンネル材固定用. ニチバン両面テープ 03 強力タイプ. 10 mm×18 m. １. アルミチャンネル材・アングル材接着用. —. １. 撮影装置の振動防止用. LPL ユニバーサルカメラスタンド UCS-10. １１１. ２. 撮影装置メーカー・品名. サイズ・規格. 数量. Canon EOS Kiss X8i EF-S18-55 STMレンズキット＋SDカードセット. —. Canon ACアダプター AC-E6N. —. １. Canon DCカプラー DR-E18. —. １. Canon リモートスイッチ RS-60E3. —. １. 備考. １. ３. 遮光用部品メーカー・品名. サイズ・規格. Kenko LEEユニバーサルレンズフード U-1. —. Kenko LEE アダプターリング 58mm広角レンズ用. —. 数量１. 備考四隅にΦ3.5 mmの穴開け加工. １. ネジ. M3×35. ４. ナット. M3. ８. 平ワッシャ. M3. ８. 段付きローレットナット. M3. ３. 芝生用除草シート. 1000×125 mm. １. 部品A・フード間の遮光用. 21.

(7) 松原尚志. 図３．撮影装置の製作過程⑴．１：部品Aの加工の様子．大きな穴を開ける際には穴の線の内側に沿って電動ドリルで多数の穴を開けてから糸鋸で切断すると良い．２：穴の加工の様子．アルミ板を万力に固定し，ヤスリによって滑らかに整える．３：下塗りの終わった部品A，B．４：つや消し黒で塗装した部品A，B．５：部品Aおよびこれに取り付ける金具等．試写の結果を踏まえ，穴が長方形に再加工されていることに注意．６：金具等を取り付けた部品Aと部品Bおよび接続用ネジおよびナット等．. 22.

(8) 旧式SEM用デジタル画像撮影装置の製作. 6 図４．デジタル画像撮影装置の製作過程⑵．１：接続した部品AとＢ．部品Bの底面の補強金具の取り付け方を示す．２：蛇腹フードの固定法．３：組み立て終わった接続部品および遮光部品．４：接続部品・遮光部品をSEMに取り付けた様子．５：デジタル画像撮影装置の全景．デジタルカメラの装着方法を示す．６：デジタル画像撮影装置を取り付けたSEMの操作盤．. 23.

(9) 松原尚志. 1100E）でAuの蒸着を行った。その後，試料台. Utilityを用いて画像データをPCに取り込み，. をSEMの試料室内のステージに固定し，撮影を. デジタルカメラの電源を切る。. 行った。. ⑻ 取扱説明書に従い，SEMを停止する。. ２．撮影方法. 結果と考察. 冷却水のコックを開いてからSEMの電源を入れ，試料撮影の準備を行う。SEM自体の操作手. 撮影した大型有孔虫標本のうち，Calcarina. 順については取扱説明書に従うものとし，ここで. gaudichaudii d'Orbigny タイヨウノスナ（図. は触れない。. 5-A，5-B）とBaculogypsina sphaerulata（Parker. 撮影手順は以下の通りである。. & Jones）ホシズナ（図５-C，５-D）それぞれの. ⑴ 撮影装置のデジタルカメラの電源を入れ，本. 1個体の全体と，倍率を上げて一部を拡大した画. 体・レンズとも絞り優先のマニュアルモード，. 像を示す。また，比較のために卓上型SEM（日. 感度をISO100，画質をモノクロ，露出時間は. 立Miniscope® TM-3000）で撮影した同一個体の. B（バルブ），液晶モニタの表示をライブビュー. 画像を示す（図５-E，５-F）。これらの結果から，. モードとする。. 今回開発したデジタル画像撮影装置による画像. ⑵ SEM本体のシャッターボタンを押し，デジ. データは卓上SEMによるものと遜色ないことが. タルカメラの液晶モニタに映る走査線を見なが. 理解できる。. らズームリングと焦点リングを回して，CRT. 本デジタル画像撮影装置で用いたデジタル一眼. モニタ全体が撮影範囲に収まるよう調整する。. レフカメラ（Canon EOS Kiss X8i）の画像の解. ⑶ もう一度SEMのシャッターボタンを押し，. 像度は幅6,000 pixel× 高さ4,000 pixel（2,400万. ライブビューモードでCRTモニタ上の走査線. pixel）である。古生物学関連の学術誌において. 像を拡大してピントを合わせる。これを数回繰. 必要とされる画像解像度300 dpi 〜600 dpiとした. り返し，撮影範囲とピントを調節する。尚，撮. 場合，1inch＝2.54 cmであるから，それぞれの. 影範囲をCRTモニタ全体と完全に一致させた. 解像度でのサイズは以下のとおりとなる。. 場合にはモニタ周辺の像にゆがみが生じるた. 300 dpiの場合:. め，やや小さめにすると良い。. 幅：6,000 pixel÷300 dpi＝20 inch . ⑷ 試写を行う。SEM本体の撮影時間の設定は. ＝20×2.54＝50.8 cm. 「Normal」とする。SEMのシャッターボタン. 高さ：4,000 pixel÷300 dpi＝13.33 inch. を押すと同時にカメラのリモートスイッチの. ＝13.33×2.54＝33.9 cm. シャッターボタンを押して画像を撮影する。. 600 dpiの場合:. 尚，Bモードでの露出時間は1分32秒であった。. 幅：6,000 pixel÷600 dpi＝10 inch . ⑸ 撮影した画像をデジタルカメラの液晶モニタで確認し，画質に問題がある場合にはSEM本. . ＝10×2.54 cm＝25.4 cm 高さ：4,000 pixel÷600 dpi＝6.67 inch. . 体のスポットサイズ，コントラスト，ブライト. ＝6.67×2.54 cm＝16.9 cm。. ネス，フォーカス等を調整するとともに，カメ. ただし，歪みを除去するため，撮影画像におい. ラの感度やレンズの絞り値を替えて数回撮影. てCRTモニタが占める範囲はデジタルカメラに. し，もっともシャープな画像が得られるよう調. よる真の撮影範囲よりもやや小さい（幅77.8 %，. 整する。. 高さ88.2 %）ため，解像度は幅が約4,670 pixel，. ⑹ 任意の倍率で試料の撮影を行う。. 高さが約3,527 pixel（約1,647万 pixel）となり，. ⑺ 撮影が終わったらアプリケーションEOS. これに伴い，300 dpiおよび600 dpiそれぞれの解. 24.

(10) 旧式SEM用デジタル画像撮影装置の製作. 図５．今回製作したデジタル画像撮影装置で撮影した大型有孔虫．A，B：Calcarina gaudichaudii d’Orbigny タイヨウノスナ．A：x15．B：x75．C，D：Baculogypsina sphaerulata（Parker & Jones）ホシズナ．C：x35．D： x200．それぞれ同一標本を使用．E，F: 卓上型SEM（日立 Miniscope® TM-3000）で撮影した大型有孔虫．E： Baculogypsina sphaerulata（Parker & Jones）ホシズナ．x40．図５-Cと同一個体を同じアングルで撮影．F： Calcarina gaudichaudii d’Orbigny タイヨウノスナ．x100．図５-Bと同一個体をほぼ同じアングルで撮影．. 25.

(11) 松原尚志. 像度での実際の幅と高さは39.5 cm，29.9 cmおよ. の作製方法および使用方法について紹介するとと. び19.8 cm，14.9 cmとなる。. もに，撮影結果から，十分な画質を有しているこ. 一般的なA4サイズの学術誌での図の幅は17 cm. とが示された。本撮影装置の開発により，新式の. 前後であり，また，1枚の画像をフルサイズで掲. 卓上型SEMの導入以降，ほとんど利活用されて. 載することはないことから，入稿用データとして. いなかった旧式SEMが再び研究・教育に活用で. は必要以上の画像解像度を有していることが分か. きるようになった。本撮影装置を導入することに. る。. より，当校と同機種の旧式ＳＥＭ（日本電子製 ®. TM-3000）. JSM-T330A）が設置されている他キャンパスや. の画像データの解像度は幅1,280 pixel，高さ1,040. 他の研究機関においても，再び学術研究や理科教. pixel（約133万 pixel）である。同様にサイズを計. 員養成での利活用が図られるようになることが期. 算すると，以下のとおりとなる。. 待される。. 尚，卓上型SEM（日立Miniscope. 300 dpiの場合：幅：1280 pixel÷300 dpi＝4.27 inch . 謝辞. ＝4.27×2.54＝10.8 cm 高さ：1040 pixel÷300 dpi＝3.47 inch. . ＝3.47×2.54＝8.8 cm。. 本研究には平成28年度北海道教育大学学長裁量経費を使用した。記して感謝する。. 600 dpiの場合：幅：1280 pixel÷600 dpi＝2.13 inch . 文献. ＝2.13×2.54＝5.4 cm 高さ：1040 pixel÷600 dpi＝1.73 inch. . ＝1.73×2.54＝4.4 cm。これらの値は同一解像度において，今回，開発. 阿部勲．2015．SEM用ポラロイドカメラのデジタルカメラ化．工業教育資料，no. 362，25-28. 市川貴之・龍田雅夫・上野素裕・中川浩希．2005．走査型電子顕微鏡撮影装置へのデジタルカメラの導入につ. したデジタル画像撮影装置による画像の大きさの約1/3〜1/4であるが，実用上は問題のないもので. いて．技術職員による技術報告集，no. 13，74-77. 日本電子データム株式会社．2004．SEM 製品紹介アナログSEMの写真をデジタルデータで撮影！ MP35080D. ある。本デジタル画像撮影装置による画像データは PCに取り込み後，卓上型SEMによる画像データ. デジタル撮影装置．JEOL Analytical News, no. 60, 8. 日本電子株式会社．2007．SEM 製品紹介走査電子顕微鏡の観察像をデジタル画像で: SEM画像のデジタル化. ®. と同様に，Adobe Photoshop などの画像処理ソ. DIGI CAPTURE．JEOL Analytical News, no. 73, 10-. フトを用いて，画像解像度・サイズの変更や明る. 11.. さ・コントラストの調整およびトリミングが可能. 吉田大一郎・西本弘之．2006．走査型電子顕微鏡用デジタル画像取り込み装置の製作．平成18年度分析分科会. である。このことにより，従来のアナログ画像撮. 討論会及び検討会発表原稿．12 pp．（https://www.. 影装置で撮影したポラロイド写真またはフィルム. nmij.jp/~collab/bb_kai/NEN-KAI/h18/18%20tottori-. をデジタル化する場合に必要であったスキャン作. yosida.pdf）. 業は一切不要となり，撮影後は極めて効率よく画像データの調整や加工を行うことが可能となった。. おわりに以上，本研究で開発したデジタル画像撮影装置. 26. . （釧路校准教授）.

(12)