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Machine learning-based noise filtering for rapid scan STEM image and its application to in-situ 3D dislocation observation

Research Project

Project/Area Number 21K20491
Research Category

Grant-in-Aid for Research Activity Start-up

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section 0401:Materials engineering, chemical engineering, and related fields
Research InstitutionKyushu University

Principal Investigator

Ihara Shiro  九州大学, 先導物質化学研究所, 助教 (60909745)

Project Period (FY) 2021-08-30 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords走査透過電子顕微鏡法 / 深層学習 / その場観察 / 転位 / STEM / 機械学習 / 結晶塑性
Outline of Research at the Start

金属材料の変形や破壊を詳細に理解するためには格子欠陥の挙動を捉える必要があり,本研究ではこのための技術開発およびその実施を行う.高速で格子欠陥の挙動を捉えるためには,高速で電子顕微鏡観察を行う必要があるが,高速で撮影を行うと像にノイズが多く含まれてしまう.そこで,機械学習を用いて像の改善を行い,これまで未解明な点が多かった変形中に変化する格子欠陥の詳細を可視化することを試みる.

Outline of Final Research Achievements

Fast imaging adaptable to in situ observation by using scanning transmission electron microscopy (STEM) yields STEM-specific noise and image distorion. This study developed the image distortion scheme and performed deep learning to restore the quality of STEM images acquired by fast scanning. The developed series of scheme was also utilized to in situ observation.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

STEMはTEMで扱える範囲よりも厚い試料を観察可能である等,広く用いられているTEMよりも優れた点が多いものの,高速撮像には不向きであったことから,これまでその場観察に用いられることは少なかった.本研究で開発した手法によって,高速かつ高品質な像取得が可能となり,STEMを用いたその場観察をより実用化に近づけられた.今後,ナノスケールにおける動的な現象の解明に貢献し得ると考えられる.

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (6 results) (of which Invited: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Deep learning-based noise filtering toward millisecond order imaging by using scanning transmission electron microscopy2022

    • Author(s)
      Shiro Ihara, Hikaru Saito, Mizumo Yoshinaga, Lavakumar Avala, Mitsuhiro Murayama
    • Journal Title

      Scientific reports

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 13462-13462

    • DOI

      10.1038/s41598-022-17360-3

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Application of STEM observation aided by Machine Learning-based noise filtering2021

    • Author(s)
      IHARA Shiro、SAITO Hikaru、CHO Ichiho、KOIKE Suguru、NAKAMA Rikuto、YOSHINAGA Mizumo、MITSUHARA Masatoshi、HATA Satoshi、MURAYAMA Mitsuhiro
    • Journal Title

      The Proceedings of The Computational Mechanics Conference

      Volume: 2021.34 Issue: 0 Pages: 150

    • DOI

      10.1299/jsmecmd.2021.34.150

    • ISSN
      2424-2799
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Journal Article] High definition of high-speed scanning transmission electron microscope (STEM) images by noise filtering based on machine learning2021

    • Author(s)
      YOSHINAGA Mizumo、IHARA Shiro、SAITO Hikaru、MURAYAMA Mitsuhiro
    • Journal Title

      The Proceedings of The Computational Mechanics Conference

      Volume: 2021.34 Issue: 0 Pages: 185

    • DOI

      10.1299/jsmecmd.2021.34.185

    • ISSN
      2424-2799
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] STEM を用いた加熱その場観察における機械学習の応用2023

    • Author(s)
      井原史朗
    • Organizer
      2022年度日本顕微鏡学会超高分解能顕微鏡法分科会研究討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] その場観察に向けた高速STEM撮像における深層学習ノイズフィルタの開発2022

    • Author(s)
      井原史朗,斉藤光,義永瑞雲,村山光宏
    • Organizer
      日本顕微鏡学会第78回学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 高速STEM撮像における深層学習ノイズフィルタの開発およびその「その場観察」への応用2022

    • Author(s)
      井原史朗,斉藤光,義永瑞雲,Lavakumar Avala,村山光宏
    • Organizer
      辻チーム研究会:若手研究発表
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 機械学習ノイズフィルタリングによる 高速走査透過電子顕微鏡(STEM)像の高精細化2021

    • Author(s)
      義永瑞雲,井原史朗,斉藤光,村山光宏
    • Organizer
      日本機械学会第34回計算力学講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 機械学習ノイズフィルタリングを援用した走査透過電子顕微鏡(STEM)観察の応用2021

    • Author(s)
      井原史朗,斉藤光,趙一方,鯉池卓,仲間陸人,義永瑞雲,光原昌寿,波多聰,村山光宏
    • Organizer
      日本機械学会第34回計算力学講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 機械学習を活用した電子顕微鏡観察手法の開発と実践2021

    • Author(s)
      井原史朗
    • Organizer
      第56高エネルギー速度加工分科会-第24回爆発衝撃加工専門部会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited
  • [Remarks] Scientific Reportsから論文が出版されました

    • URL

      https://microscopy.cm.kyushu-u.ac.jp/2022/08/05/scientific-reports%e3%81%8b%e3%82%89%e8%ab%96%e6%96%87%e3%81%8c%e5%87%ba%e7%89%88%e3%81%95%e3%82%8c%e3%81%be%e3%81%97%e3%81%9f/

    • Related Report
      2022 Annual Research Report

URL: 

Published: 2021-10-22   Modified: 2024-01-30  

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