JP2004325355A - 三次元座標測定装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】計測方向によって測定精度が変動する異方性形状計測を用いた三次元形状計測であっても、各測定方向の精度に著しい相違の現れない三次元座標測定装置を提供すること。
【解決手段】像形成光学系１０により対象物９に投影されるビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、対象物９の第１及び第２の中立軸方向に調整して、対象物９について第１及び第２のステレオ画像を形成可能に調整する第１の入射角度調整部２１及び第２の入射角度調整部２２と、第１及び第２のステレオ画像における第１及び第２の中立軸と略直交する方向を第１及び第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索するマッチング処理部３０と、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物９の三次元座標データを求める形状測定部３４とを備えている。
【選択図】 図１
【解決手段】像形成光学系１０により対象物９に投影されるビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、対象物９の第１及び第２の中立軸方向に調整して、対象物９について第１及び第２のステレオ画像を形成可能に調整する第１の入射角度調整部２１及び第２の入射角度調整部２２と、第１及び第２のステレオ画像における第１及び第２の中立軸と略直交する方向を第１及び第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索するマッチング処理部３０と、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物９の三次元座標データを求める形状測定部３４とを備えている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば撮影機器として電子顕微鏡や光学式顕微鏡に接眼されたカメラを用いる場合に、観察対象となる対象物を傾斜させたり、或いは観察対象物を観察する電子線や光線などのビームを分割または傾斜させて左右画像を撮影し、左右画像に撮影された対象物の二次元又は三次元計測を行う画像測定装置及び画像測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の場合には試料を傾斜させ、異なる傾斜角度の透過画像を得て、これを左右画像としてステレオ観察が行われている。また、例えば非特許文献１で示すように、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の場合には試料を傾斜させたり、電子線を傾斜させたりして、異なる傾斜角度の反射画像を得て、これを左右画像としてステレオ観察が行われている。そして、例えば特許文献１、２で示すように、半導体製造装置の分野において、電子顕微鏡から得られたステレオの検出データを適切に処理して、試料像を正確に精度よく立体観察可能とし、かつこれに基づき三次元形状計測を行うことができる電子線装置や電子線装置用データ処理装置が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２７０１２６号公報 ［０００５］、図３、図１５
【特許文献２】
特開２００２−２７０１２７号公報 ［０００５］、図３、図１５
【非特許文献１】
「医学・生物学電子顕微鏡観察法」 第２７８頁〜第２９９頁、１９８２年刊行
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特に半導体チップやシリコンウェーハのような試料を計測しようとした場合、三次元形状計測に用いるデータ処理方法によっては、計測方向によって測定精度が変動することがある。一般に、計測対象となる半導体チップやシリコンウェーハに形成された凸凹パターンや配線パターン等のパターンには、面内方向に関する水平方向と、この水平方向と面内垂直のラインが多い。他方、上述の特許文献１、２で説明する左右画像を用いたステレオ観察法では、例えば計測対象となる半導体チップを、ホルダ回転軸を中心として回転させたり、電子線ビームの入射角を振ることで、電子顕微鏡の電子ビームの入射角度を左右画像の撮影方向に変更させて、半導体チップの左右画像を得ている。そして、ある三次元形状計測においては、ホルダ回転軸方向と直交する面内方向（例えば、計測対象となる半導体チップの垂直パターン方向）に感度軸を有し、他方ホルダ回転軸方向と同一方向（例えば、計測対象となる半導体チップの水平パターン方向）には計測感度を有しない無感度軸を有する場合がある。すると、半導体チップの左右画像を用いても感度軸方向には正確な計測が行なえるが、無感度軸方向には計測が行なえなくなるという課題があった。なお、このような感度軸と無感度軸を有する三次元形状計測方法を、以下「異方性形状計測」と呼ぶ。
【０００５】
また、半導体チップやシリコンウェーハには、エッチングや多層積層配線によって表面に凸凹（面外方向）が形成されているが、この凸凹の厚さ分布も正確に計測する必要がある。図２６は、表面に凸凹が形成されている半導体チップやシリコンウェーハの左右画像の被写体に関する説明図である。半導体チップやシリコンウェーハは、エッチング、化学蒸着法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリング等によって表面に凸凹を形成しているが、表面に形成された凸凹の厚さ方向の傾きは急峻である。そこで、平行投影であるため、凸凹斜面の傾斜角度によっては、ある斜面が左右画像の一方の画像に写っていても、他方の画像には写っていない。この場合には、左右画像を用いて当該斜面の対応点を決定することができず、三次元形状計測装置では面外方向の表面形状が正確に計測できないという課題もあった。
【０００６】
本発明は、上述する課題を解決したもので、第１の目的は対象物の面内の計測方向によって測定精度が変動する異方性形状計測を用いた三次元形状計測であっても、各測定方向の精度に著しい相違の現れない三次元座標測定装置及び三次元座標測定方法を提供することである。第２の目的は対象物の面外方向に凸凹の起伏が存在している場合でも、正確に起伏の寸法を測定できる三次元座標測定装置及び三次元座標測定方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の三次元座標測定装置は、例えば図１に示すように、ビーム７を対象物９のヨー軸方向へ略平行投影して、対象物９の像を形成する像形成光学系１０と、対象物９の姿勢を第１の中立軸方向に調整して、像形成光学系１０により対象物９に投影されるビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第１のステレオ画像を形成可能にする第１の入射角度調整部２１と、第１の入射角度調整部２１により前記入射角度が調整されて、像形成光学系１０により対象物９に関して形成された第１のステレオ画像を受け取る第１画像検出部２６と、対象物９の姿勢を面内傾斜軸方向を含んで形成された第２の中立軸方向に調整して、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第２のステレオ画像を形成可能にする第２の入射角度調整部２２と、第２の入射角度調整部２２により前記入射角度が調整されて、像形成光学系１０により対象物９に関して形成された第２のステレオ画像を受け取る第２画像検出部２８と、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索すると共に、前記第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索するマッチング処理部３０と、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物９の三次元座標データを求める形状測定部３４とを備えている。
【０００８】
ここで、発明の理解を容易にするために、対象物９に対する第１のステレオ画像及び第２のステレオ画像の関係について予め説明する。図２は、対象物９に対する第１のステレオ画像における左右画像と、左右画像における対象物の傾斜角の説明図で、対象物として例えばウェーハを用いている。図２（Ａ）はウェーハ平面の左画像、（Ｂ）はウェーハ平面の右画像、（Ｃ）は左画像に対するウェーハのＹ−Ｙ方向側面図、（Ｄ）は右画像に対するウェーハのＹ−Ｙ方向側面図を示している。ウェーハ９に付帯する直交座標系としてＸ軸とＹ軸が設けられている。またウェーハ９を載置するホルダ３の座標系としてホルダ回転軸Ｒと、このホルダ回転軸Ｒと直交する傾斜中心軸Ｓが存在している。ここで、傾斜中心軸Ｓは、異方性形状計測における感度軸に相当している。また、異方性形状計測の無感度軸には、ホルダ回転軸Ｒが相当している。
【０００９】
図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第１のステレオ画像では、ホルダ回転軸Ｒとウェーハ９のＸ軸を一致させている。このようなホルダ回転軸Ｒとウェーハ９の姿勢関係を、例えば水平方向傾斜と呼ぶ。そして、傾斜角度がゼロ度であれば、傾斜中心軸Ｓとウェーハ９のＹ軸が一致している。図２（Ａ）に示す場合には、ウェーハ平面の左画像２４Ｌにおいて、ビーム走査方向７ＤＬはホルダ回転軸Ｒと一致する方向となっている。テンプレート画像２９は、ウェーハのＸ−Ｘ方向に移動して、ウェーハ９画像において捜索対象となる画素の位置を抽出する。また、図２（Ｂ）に示す場合には、ウェーハ平面の右画像２４Ｒにおいて、ビーム走査方向７ＤＲはホルダ回転軸Ｒと一致する方向となっている。テンプレート画像２９は、ウェーハのＸ−Ｘ方向に移動して、ウェーハ９画像において捜索対象となる画素の位置を抽出する。なお、ビーム走査はウェーハ９の画像を取得するのが目的である為、ビーム走査方向７ＤＬ、７ＤＲはホルダ回転軸Ｒと一致する方向に限らず、ウェーハ９の面内方向であれば任意に選択できる。
【００１０】
図２（Ｃ）に示すように、ウェーハ９Ｌは、ウェーハ平面の左画像２４Ｌの撮影に適合するように、ホルダ回転軸Ｒに対して時計回り方向ＣＷに角度ω１だけ傾斜している。また、図２（Ｄ）に示すように、ウェーハ９Ｒは、ウェーハ平面の右画像２４Ｒの撮影に適合するように、ホルダ回転軸Ｒに対して反時計回り方向ＣＣＷに角度−ω１だけ傾斜している。
【００１１】
次に、ホルダ回転軸Ｒとウェーハ９のＸ軸を一致させた姿勢の第１のステレオ画像に対して、異方性形状計測に用いるテンプレート処理を施す。図３は、テンプレート処理後の水平方向傾斜による第１のステレオ画像の説明図である。図３に示すように、傾斜中心軸Ｓと一致するウェーハ９のＹ軸方向の線分は正確に抽出されているが、ホルダ回転軸Ｒと一致するウェーハ９のＸ軸方向の線分の抽出が旨く行なわれていない。
【００１２】
図４は、対象物９に対する第２のステレオ画像における左右画像と、左右画像における対象物の傾斜角の説明図である。図４（Ａ）はウェーハ平面の左画像、（Ｂ）はウェーハ平面の右画像、（Ｃ）は左画像に対するウェーハのＸ−Ｘ方向側面図、（Ｄ）は右画像に対するウェーハのＸ−Ｘ方向側面図を示している。第２のステレオ画像では、一例として第１のステレオ画像における対象物の姿勢に対して面内に９０度回転させて垂直方向傾斜としている。即ち、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第２のステレオ画像では、ホルダ回転軸Ｒとウェーハ９のＹ軸を一致させている。そこで、傾斜角度がゼロ度であれば、傾斜中心軸Ｓとウェーハ９のＸ軸が一致している。
【００１３】
図４（Ａ）に示す場合には、ウェーハ平面の左画像２４Ｌ２において、ビーム走査方向７ＤＬはホルダ回転軸Ｒと一致する方向となっている。テンプレート画像２９は、ウェーハのＹ−Ｙ方向に移動して、ウェーハ９画像において捜索対象となる画素の位置を抽出する。また、図４（Ｂ）に示す場合には、ウェーハ平面の右画像２４Ｒ２において、ビーム走査方向７ＤＲはホルダ回転軸Ｒと一致する方向となっている。テンプレート画像２９は、ウェーハのＹ−Ｙ方向に移動して、ウェーハ９画像において捜索対象となる画素の位置を抽出する。なお、ビーム走査はウェーハ９の画像を取得するのが目的である為、ビーム走査方向７ＤＬ、７ＤＲはホルダ回転軸Ｒと一致する方向に限らず、ウェーハ９の面内方向であれば任意に選択できる。
【００１４】
図４（Ｃ）に示すように、ウェーハ９Ｌ２は、ウェーハ平面の左画像２４Ｌ２の撮影に適合するように、ホルダ回転軸Ｒに対して時計回り方向ＣＷに角度φ１だけ傾斜している。また、図４（Ｄ）に示すように、ウェーハ９Ｒ２は、ウェーハ平面の右画像２４Ｒ２の撮影に適合するように、ホルダ回転軸Ｒに対して反時計回り方向ＣＣＷに角度−φ１だけ傾斜している。
【００１５】
次に、ホルダ回転軸Ｒとウェーハ９のＹ軸を一致させた姿勢の第２のステレオ画像に対して、異方性形状計測に用いるテンプレート処理を施す。図５は、テンプレート処理後の垂直方向傾斜による第２のステレオ画像の説明図である。図５に示すように、傾斜中心軸Ｓと一致するウェーハ９のＸ軸方向の線分は正確に抽出されているが、ホルダ回転軸Ｒと一致するウェーハ９のＹ軸方向の線分の抽出が旨く行なわれていない。
【００１６】
次に、このように構成された装置の動作を、上述の図１及び図２〜図５を参照して説明する。像形成光学系１０は、ビーム７を対象物９のヨー軸（Ｚ軸）方向へ略平行投影して、対象物９の像を形成する。第１の入射角度調整部２１は、対象物９の姿勢を第１の中立軸（Ｘ軸）方向に調整し、像形成光学系１０により対象物９に投影されるビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第１のステレオ画像を形成可能にする。第１画像検出部２６では、第１の入射角度調整部２１により、例えばホルダ回転軸Ｒとウェーハ９のＸ軸を一致させて、像形成光学系１０により対象物９に関して形成された第１のステレオ画像を受け取る。
【００１７】
第２の入射角度調整部２２は、対象物９の姿勢を面内傾斜軸（Ｙ軸）方向を含んで形成された第２の中立軸方向に調整し、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第２のステレオ画像を形成可能にする。例えば、図４の説例では、第２の中立軸方向がＹ軸と一致している。第２画像検出部２８は、第２の入射角度調整部２２及び像形成光学系１０により、例えばホルダ回転軸Ｒとウェーハ９のＹ軸を一致させて、対象物９に関して形成された第２のステレオ画像を受け取る。マッチング処理部３０は、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索すると共に、前記第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索する。形状測定部３４は、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物９の三次元座標データを求める。
【００１８】
好ましくは、本発明の三次元座標測定装置において、第２の入射角度調整部２２は、対象物９の姿勢を面内傾斜軸方向と第１の中立軸方向から定まる面内で、前記第１の中立軸と異なる方向に形成された第２の中立軸方向に調整する構成とするとよい。すると、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、第２のステレオ画像を形成する際に、第２の中立軸方向を適切に設定することで、異方性形状計測の死角を防止できる。
【００１９】
好ましくは、本発明の三次元座標測定装置において、第２の入射角度調整部２２は、対象物９の姿勢を面内傾斜軸方向に形成された第２の中立軸方向に調整する構成とするとよい。すると、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、第２のステレオ画像を形成する際に、対象物９に関して第１の中立軸方向と第２の中立軸方向が大略直交するので、異方性形状計測の計測感度が感度軸に対して概ね４５度程度傾斜している方向にも充分確保されている場合には、対象物９の面内回転方向が第１の中立軸方向と第２の中立軸方向の２方向で、異方性形状計測の死角を防止できる。
【００２０】
好ましくは、本発明の三次元座標測定装置において、さらに、像形成光学系１０又は第１画像検出部２６により形成される対象物の像に含まれる直線画像成分を抽出して、第１及び第２のステレオ画像の傾斜中心軸方向となるべき方向を演算する傾斜中心軸方向設定部３８を備える構成とすると、異方性形状計測の感度の方向依存性に配慮しながら、対象物の性状に適合する対象物９に対する第１の中立軸方向と第２の中立軸方向が設定できる。
【００２１】
好ましくは、本発明の三次元座標測定装置において、例えば図１に示すように、像形成光学系１０が電子レンズ部で形成され、第１及び第２の入射角度調整部（２１、２２）は、電子銃からの電子線を偏向する偏向器に制御信号を送る偏向器制御ユニットを用いて形成された走査型電子顕微鏡に用いられる構成とするとよい。なお、像形成光学系１０はテレセントリック系で形成されていてもよい。
【００２２】
上記目的を達成する本発明の三次元座標測定方法は、例えば図６に示すように、第１の入射角度調整部２１によって対象物９の姿勢を第１の中立軸方向に調整し（Ｓ１０３）、像形成光学系１０により対象物９のヨー軸方向に略平行投影されるビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第１のステレオ画像を形成し（Ｓ１０４、Ｓ１０６）、形成された第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ１０８）、第２の入射角度調整部２２により対象物９の姿勢を面内傾斜軸方向を含んで形成された第２の中立軸方向に調整し（Ｓ１１０）、第２の入射角度調整部２２によりビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第２のステレオ画像を形成し（Ｓ１１２、Ｓ１１４）、形成された第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ１１６）、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物の三次元座標データを求める（Ｓ１２２）各工程をコンピュータに実行させるものである。
【００２３】
上記目的を達成する本発明の三次元座標測定装置は、例えば図２４に示すように、ビーム７を対象物９のヨー軸方向へ略平行投影して、当該対象物９の像を形成する像形成光学系１０と、像形成光学系１０により形成される対象物９の像に含まれる直線画像成分を抽出して、対象物９についての第１及び第２のステレオ画像に対する第１及び第２の中立軸方向を演算する中立軸方向設定部８３と、対象物９の姿勢を第１の中立軸方向に調整し、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、対象物９について第１のステレオ画像を形成可能に調整する第１中立軸調整部８１と、第１中立軸調整部８１により入射角度が調整されて、像形成光学系１０により対象物９に関して形成された第１のステレオ画像を受け取る第１画像検出部８６と、対象物９の姿勢を第２の中立軸方向に調整し、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、対象物９について第２のステレオ画像を形成可能に調整する第２中立軸調整部８２と、第２中立軸調整部８２により前記入射角度が調整されて、像形成光学系１０により対象物９に関して形成された第２のステレオ画像を受け取る第２画像検出部８８と、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索すると共に、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索するマッチング処理部９０と、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物９の三次元座標データを求める形状測定部９３を備えている。
【００２４】
上記目的を達成する本発明の三次元座標測定方法は、例えば図２５に示すように、像形成光学系１０により形成される対象物９の像に含まれる直線画像成分を抽出して、対象物９の第１及び第２のステレオ画像に対する第１及び第２の中立軸方向を演算し（Ｓ４０６）、対象物９の姿勢を第１中立軸調整部８１によって前記第１の中立軸方向に調整し（Ｓ４１０）、像形成光学系１０により対象物９のヨー軸方向に略平行投影されるビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第１のステレオ画像を形成し（Ｓ４１２）、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ４１４）する。次に、対象物９の姿勢を第２中立軸調整部８２によって前記第２の中立軸方向に調整し（Ｓ４１６）、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第２のステレオ画像を形成し（Ｓ４１８）、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ４２０）、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物９の三次元座標データを求める（Ｓ４２６）各工程をコンピュータに実行させるものである。
【００２５】
上記目的を達成する本発明の三次元座標測定装置は、例えば図２７に示すように、ビーム７を対象物１００のヨー軸方向へ略平行投影して、当該対象物１００の像を形成する像形成光学系１０と、像形成光学系１０により形成される対象物１００の像に含まれる直線画像成分を抽出して、対象物１００についての第１及び第２のステレオ画像に対する第１及び第２の中立軸方向を演算する中立軸方向設定部８３と、対象物１００の斜面の傾斜方向に応じた多段の対象物の傾斜角度を、前記第１及び第２の中立軸方向の少なくとも一方に設定する傾斜角度多段設定部９５と、対象物１００の姿勢を第１の中立軸方向に調整し、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を調整して、一段又は前記多段の対象物の傾斜角度により撮影された画像を用いて、対象物１００について第１のステレオ画像を形成可能に調整する第１中立軸調整部８１と、第１中立軸調整部８１により入射角度が調整されて、像形成光学系１０により対象物１００に関して形成された第１のステレオ画像を受け取る第１画像検出部８６と、対象物１００の姿勢を第２の中立軸方向に調整し、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を調整して、一段又は前記多段の対象物の傾斜角度により撮影された画像を用いて、対象物１００について第２のステレオ画像を形成可能に調整する第２中立軸調整部８２と、第２中立軸調整部８２により前記入射角度が調整されて、像形成光学系１０により対象物１００に関して形成された第２のステレオ画像を受け取る第２画像検出部８８と、第１画像検出部８６又は第２画像検出部８８に格納されている画像であって、前記多段の対象物の傾斜角度により撮影された画像のうち、三次元形状計測に適合するように対象物１００の斜面が撮影されている画像を抽出する斜面画像抽出部９６と、斜面画像抽出部９６で抽出された第１のステレオ画像又は第２のステレオ画像に対して、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索すると共に、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索するマッチング処理部９０と、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物１００の三次元座標データを求める形状測定部９３を備えている。
【００２６】
上記目的を達成する本発明の三次元座標測定方法は、例えば図２９に示すように、像形成光学系１０により形成される対象物１００の像に含まれる直線画像成分を抽出して、対象物１００の第１及び第２のステレオ画像に対する第１及び第２の中立軸方向を演算し（Ｓ５０６）、対象物１００の斜面の傾斜方向に応じた多段の対象物の傾斜角度を、第１及び第２の中立軸方向の少なくとも一方に設定し（Ｓ５０７）、対象物１００の姿勢を第１中立軸調整部８１によって前記第１の中立軸方向に調整し（Ｓ５１０）、像形成光学系１０により対象物１００のヨー軸方向に略平行投影されるビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を調整して、対象物１００について第１のステレオ画像を形成し（Ｓ５１２）、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ５１４）する。次に、対象物１００の姿勢を第２中立軸調整部８２によって前記第２の中立軸方向に調整し（Ｓ５１６）、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を調整して、対象物１００について第２のステレオ画像を形成し（Ｓ５１８）、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ５２０）、第１のステレオ画像又は前記第２のステレオ画像であって、前記多段の対象物の傾斜角度により撮影された画像のうち、三次元形状計測に適合するように対象物１００の斜面が撮影されている画像を抽出し（Ｓ５２５）、前記抽出された斜面画像を含む第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物１００の三次元座標データを求める（Ｓ５２６）各工程をコンピュータに実行させるものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を図面により説明する。図１は本発明の第１の実施の形態を説明する構成ブロック図で、対象物を保持するホルダの回転角を調整して対象物の傾斜角を調整することで、ステレオ画像を得る場合を示している。図において、像形成光学系としての電子線装置１０（走査型顕微鏡）は、電子線７を放射する電子線源１、ビームとしての電子線７を対象物９に照射する電子光学系２、対象物９を傾斜可能に保持する試料ホルダ３、電子光学系２の倍率を変える倍率変更部６、倍率変更部６に電力を供給する走査電源６ａ、電子線７を検出する検出器４、試料ホルダ３を傾斜制御する傾斜制御部５としてのホルダ傾斜制御部５ｂ、対象物９から出射される二次電子のエネルギを減衰させて検出器４に反射させる２次電子変換ターゲット８を備えている。なお、電子線７を傾斜制御する傾斜制御部５としてのビーム傾斜制御部５ａは、第１の実施の形態で用いないが、後で説明する第２の実施の形態で用いる。
【００２８】
電子光学系２は、電子線源１から放射された電子線７の電子流密度、開き角、照射面積等を変えるコンデンサレンズ２ａ、電子線７の試料面上の入射角度を制御する偏向レンズ２ｂ、細かく絞られた電子線７を偏向して試料面上を二次元的に走査させる走査レンズ２ｃ、最終段縮小レンズの働きと共に試料面上での入射プローブの焦点合わせを行う対物レンズ２ｄを備えている。倍率変更部６の倍率変更命令に従って、走査レンズ２ｃにより電子線７を走査する試料面上の領域が定まる。ビーム傾斜制御部５ｂは試料ホルダ３に傾斜制御信号を送り、試料ホルダ３と照射電子線７とが第１の相対的傾斜角度をなす第１の姿勢の試料ホルダ３Ｌと、第２の相対的傾斜角度をなす第２の姿勢の試料ホルダ３Ｒとで切替えている。
【００２９】
第１の姿勢の試料ホルダ３Ｌに載置される対象物９の三次元座標系ＣＬは、電子線装置１０側を固定座標系として表すと、（ＸＬ，ＹＬ，ＺＬ）となる。たま、第２の姿勢の試料ホルダ３Ｒに載置される対象物９の三次元座標系ＣＲは、電子線装置１０側を固定座標系として表すと、（ＸＲ，ＹＲ，ＺＲ）となる。なお、ホルダ傾斜制御部５ｂによる試料ホルダ３と照射電子線７の相対的傾斜角度は、ここでは右側上がりＲと左側上がりＬの二通りに切替えて設定する場合を図示しているが、２段に限らず多段に設定してよいが、ステレオの検出データを得る為には最小２段必要である。対象物９の三次元座標系として、例えばヨー軸、ピッチ軸、ロール軸を設定した場合に、ヨー軸がＺ軸、ピッチ軸がＸ軸、ロール軸がＹ軸に対応する。そして、例えば図２（Ａ）、（Ｂ）の場合には、ピッチ軸（Ｘ軸）が中立軸に対応し、ロール軸（Ｙ軸）が面内傾斜軸に対応する。
【００３０】
対象物９は、例えばシリコン半導体やガリウム・ヒ素半導体のような半導体のチップであるが、電力用トランジスタ、ダイオード、サイリスタのような電子部品でもよく、また液晶パネルや有機ＥＬパネルのようなガラスを用いた表示装置用部品でもよい。典型的な走査型顕微鏡の観察条件では、電子線源１は−３ｋＶ、対象物９は−２．４ｋＶに印加されている。対象物９から放出された二次電子は、２次電子変換ターゲット８に衝突して、エネルギが弱められて検出器４で検出される。なお、対象物９をマースポテンシャルにした場合には、二次電子は霧のように振る舞いエネルギが弱く、検出器４で直接検出することができ、２次電子変換ターゲット８は不要である。
【００３１】
データ処理装置２０は、第１の入射角度調整部２１、第２の入射角度調整部２２、画像形成部２４、第１画像検出部２６、第２画像検出部２８、マッチング処理部３０、測定点・対応点データベース３２、形状測定部３４、三次元座標データベース３６並びに傾斜中心軸方向設定部３８を有している。データ処理装置２０は、例えばワークステーションのような高度の演算機能を有するコンピュータと、電子線装置１０との間で信号を授受する入出力インターフェースを備えている。
【００３２】
第１の入射角度調整部２１は、対象物９の姿勢を第１の中立軸方向に調整して、電子線装置１０により対象物９に投影されるビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、対象物９について第１のステレオ画像を形成可能に調整する。即ち、第１の入射角度調整部２１は、ホルダ傾斜制御部５ｂに制御信号を送って、対象物９の姿勢を第１の中立軸方向に調整している。そして、第１の入射角度調整部２１は、ホルダ傾斜制御部５ｂに制御信号を送って、電子線源１から放射されるビーム７の走査する基準面を調整して、第１のステレオ画像を形成するのに必要とされる左右画像を形成可能としている。第１の入射角度調整部２１によるビーム入射角度の調整は、少なくとも一対のステレオ画像（一次元の画像も可）を形成するように行なわれるもので、例えば図２（Ａ）、（Ｂ）や図４（Ａ）、（Ｂ）に示すような左右画像に対して、左画像用の第１の入射角度と右画像用の第２の入射角度のように、少なくとも２つの入射角度となるように、ビームの入射角度又は対象物の傾斜角度を調整する。
【００３３】
第２の入射角度調整部２２は、ホルダ傾斜制御部５ｂに制御信号を送って、対象物９の姿勢を面内傾斜軸方向を含んで形成された第２の中立軸方向に調整している。そして、第２の入射角度調整部２２は、ホルダ傾斜制御部５ｂに制御信号を送って、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、第２のステレオ画像を形成可能に調整する。第２の中立軸は、対象物９の面内傾斜軸方向と第１の中立軸方向から定まる面内に形成するのが良く、好ましくは図４に示したように、対象物９の面内傾斜軸方向、即ち第１のステレオ画像における対象物９のホルダ回転軸Ｒと直交する方向に形成する。
【００３４】
画像形成部２４は、走査レンズ２ｃにより電子線７が試料面上の領域を走査する際に、検出器４で検出される二次電子線を用いて、試料面上の画像を作成する。表示装置２５は画像形成部２４で作成された画像をオペレータが観察できるように表示するもので、例えばＣＲＴや液晶パネルが用いられる。表示装置２５は通常の一画面モニタでもよく、ステレオ表示可能なモニタでもよく、或いは両方備えていてもよい。
【００３５】
第１画像検出部２６は、第１の入射角度調整部２１によりビーム７と対象物９との相対的な入射角度が調整された場合に、画像形成部２４を用いて電子線装置１０により対象物９に関して形成された第１のステレオ画像を受け取る。第２画像検出部２８は、第２の入射角度調整部２２によりビーム７と対象物９との相対的な入射角度が調整された場合に、画像形成部２４を用いて電子線装置１０により対象物９に関して形成された第２のステレオ画像を受け取る。
【００３６】
マッチング処理部３０は、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索すると共に、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索する。マッチング処理部３０の処理内容は、後で詳細に説明するように、異方性形状計測としての性質を有している。ここで、測定点は対象物９に定義された点であり、対応点は一対のステレオ画像に現れた前記測定点と対応する画像上の点でもよい。或いは、測定点は一対のステレオ画像の一方に定義された基準画像の基準点であり、対応点は一対のステレオ画像の他方に定義された測定点と対応する画像上の点でもよい。また、マッチング処理部３０では、第１のステレオ画像と第２のステレオ画像を合成して合成画像３１を生成する機能を有する。そこで、異方性形状計測により検出できない方向の線分に関しても、マッチング処理部３０により合成画像３１を生成することで、マッチング処理部３０は全ての方向の線分を検出する感度を備えるに至る。
【００３７】
測定点・対応点データベース３２は、マッチング処理部３０の処理で用いられるもので、例えば左画像に測定点を設定すると、右画像の対応点がマッチング処理部３０の処理により求められる。また、第１のステレオ画像と第２のステレオ画像における測定点と対応点の位置対応関係も含ませるとよい。形状測定部３４は、測定点・対応点データベース３２に記録される第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から、対象物９の三次元座標データを求めるもので、各測定点と対応点の三次元座標データは三次元座標データベース３６に記録される。測定点・対応点データベース３２と三次元座標データベース３６は、例えばオラクル社やＩＢＭから提供されるリレーショナル・データベースシステムを用いて構成されている。
【００３８】
傾斜中心軸方向設定部３８は、電子線装置１０又は第１画像検出部２６により形成される対象物の像に含まれる直線画像成分を抽出して、第１及び第２のステレオ画像の傾斜中心軸方向となるべき方向を演算する。また、形状測定部３４によって、第１及び第２のステレオ画像の両方を用いても、測定点と対応点の対応が確保できない領域があると判断された場合にも、傾斜中心軸方向設定部３８によって、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、残存領域での測定点と対応点の対応が確保できる方向となる新たな第２の中立軸方向を演算する。
【００３９】
このように構成された装置の動作を説明する。図６は図１の装置の動作を説明するフローチャートである。まず、像形成光学系としての電子線装置１０による対象物９の三次元画像計測を開始する（Ｓ１００）。そこで、電子線装置１０のビーム７による対象物９のヨー軸方向への略平行投影を開始する（Ｓ１０２）。そして、第１の入射角度調整部２１がホルダ傾斜制御部５ｂに姿勢制御信号を送って、対象物９の姿勢を第１の中立軸方向に調整をする（Ｓ１０３）。次に、第１の入射角度調整部２１が、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、ホルダ傾斜制御部５ｂによって第１のステレオ画像の左画像に対応するように調整し、画像形成部２４により対象物画像を取得する（Ｓ１０４）。続いて、第１の入射角度調整部２１が、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、ホルダ傾斜制御部５ｂによって第１のステレオ画像の右画像に対応するように調整し、画像形成部２４により対象物画像を取得する（Ｓ１０６）。そして、マッチング処理部３０によって、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ１０８）、探索結果を例えば測定点・対応点データベース３２に記録する。
【００４０】
続いて、第２の入射角度調整部２２がホルダ傾斜制御部５ｂに姿勢制御信号を送って、対象物９の姿勢を面内傾斜軸方向を含んで形成された第２の中立軸方向に調整する（Ｓ１１０）。例えば、対象物９を載置するホルダ３の回転軸を、対象物９の第１の中立軸方向から第２の中立軸方向に調整する。そして、第２の入射角度調整部２２が、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、ホルダ傾斜制御部５ｂによって第２のステレオ画像の左画像に対応するように調整し、画像形成部２４により対象物画像を取得する（Ｓ１１２）。次に、第２の入射角度調整部２２が、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、ホルダ傾斜制御部５ｂによって第２のステレオ画像の右画像に対応するように調整し、画像形成部２４により対象物画像を取得する（Ｓ１１４）。そして、マッチング処理部３０によって、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ１１６）、探索結果を例えば測定点・対応点データベース３２に記録する。
【００４１】
そして、形状測定部３４によって、第１及び第２のステレオ画像の両方を用いても、測定点と対応点の対応が確保できない領域があるか判断する（Ｓ１１８）。Ｓ１１８で、測定点と対応点の対応が確保できない領域が残存していると判断される場合には、傾斜中心軸方向設定部３８によって、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、残存領域での測定点と対応点の対応が確保できる方向に第２の中立軸方向を再度設定して（Ｓ１２０）、Ｓ１１２に戻る。Ｓ１１８で、測定点と対応点の対応が全ての領域で確保されていると判断される場合には、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係を用いて、合成画像３１について形状測定部３４により対象物の三次元座標データを求める（Ｓ１２２）。この求めた三次元座標データは、三次元座標データベース３６に格納する。そして、対象物９の三次元画像計測が終了して、リターンとなる。
【００４２】
図７は図１の装置により処理される第１及び第２のステレオ画像の関係を説明する図で、（Ａ）は原画像、（Ｂ）は第１の中立軸にかかる第１のステレオ画像より抽出された処理画像、（Ｃ）は（Ｂ）の対象物Ｙ−Ｙ側面図、（Ｄ）は第２の中立軸にかかる第２のステレオ画像より抽出された処理画像、（Ｅ）は（Ｄ）の対象物Ｙ−Ｙ側面図、（Ｇ）は（Ｂ）と（Ｄ）の処理画像を合成した画像である。なお、図７において前出の図２〜図５の記載と重複する部分は説明を省略する。
【００４３】
ここでは、説明を簡単にするために、原画像に矩形のパターンが描かれているとする。矩形図形は、対象物９のＸ軸とＹ軸に沿う方向の直線より構成されているものとする。すると、第１のステレオ画像より抽出された処理画像では、図７（Ｂ）に示すようにＹ軸方向の線分は検出できている。しかし、Ｘ軸方向の線分はホルダ回転軸Ｒと一致しているため、異方性形状計測の無感度軸と一致するから、マッチング処理部３０の処理では検出できていない。また、第２のステレオ画像より抽出された処理画像では、図７（Ｄ）に示すようにＸ軸方向の線分は検出できている。しかし、Ｙ軸方向の線分はホルダ回転軸Ｒと一致しているため、異方性形状計測の無感度軸と一致するから、マッチング処理部３０の処理では検出できていない。
【００４４】
そこで、マッチング処理部３０により、第１のステレオ画像より抽出された処理画像と第２のステレオ画像より抽出された処理画像を、論理和形式で合成することによって、異方性形状計測の無感度軸と一致する方向の線分が検出できない不利益を補償して、対象物９に描かれた矩形のパターンを完全に再現できるようにしている。また、マッチング処理部３０では、第１及び第２のステレオ画像より重複して抽出された領域の処理画像に関しては、両者の平均により合成画像３１とすることによって、ノイズ成分の少ない信頼性の高い三次元画像計測用の処理画像が作成できる。
【００４５】
図８は、図７で説明した第１及び第２のステレオ画像より抽出された処理画像により合成された画像の一例を示す図である。図８で示す合成画像は、図３で示した第１の中立軸にかかる第１のステレオ画像より抽出された処理画像と、図５で示した第２の中立軸にかかる第２のステレオ画像より抽出された処理画像を合成したものである。図３及び図５において、ホルダ回転軸Ｒと一致する方向の線分は、異方性形状計測の無感度軸と一致するから、マッチング処理部３０の処理では検出できていない。しかし、マッチング処理部３０の画像合成機能により作成された合成画像３１によれば、異方性形状計測の感度方向依存性によって検出できない方向はなくなって、全ての方向の線分が検出されている。
【００４６】
図９は、対象物の表面に形成されるパターンの一例を示す図である。パターンは、図７で説明したような矩形に限られるものではなく、図９（Ａ）に示すような五角形のように、ホルダ回転軸Ｒと一致する方向の線分に加えて、ホルダ回転軸Ｒに対して任意の方向を向いた線分も存在している。この場合、図９（Ｂ）に示すように、対象物９の姿勢を９０度反転させても、異方性形状計測の感度方向依存性によって検出できない方向、即ちホルダ回転軸Ｒと一致する方向の線分は残存する。
【００４７】
図１０は、傾斜中心軸方向設定部３８による変形実施例の説明図である。上記実施例においては、第２の入射角度調整部２２により対象物９を第２の中立軸方向に調整して、第１の入射角度調整部２１により第２のステレオ画像を形成可能としていた。しかし、図９に示すような図面の面内方向で各種の傾斜を有するパターンの場合には、第１及び第２のステレオ画像より合成画像３１を生成しただけでは、異方性形状計測の感度方向依存性に起因して、三次元画像計測の精度が充分得られない事態も予想される。そこで、傾斜中心軸方向設定部３８により第３、第４の中立軸方向を設定する。すると、第２の入射角度調整部２２により対象物９を第３、第４の中立軸方向に調整して、第１の入射角度調整部２１により第３、第４のステレオ画像を形成することによって、多数画像の積重ね処理に起因するノイズ低減効果が発揮でき、信頼性の高い三次元画像計測が行なえる。
【００４８】
［平行投影に関する補足説明］
ステレオ画像を用いた三次元画像計測において、電子顕微鏡の電子ビームで撮影する場合は平行投影となるため、航空写真測量やディジタルカメラを用いたステレオ撮影に相当する中心投影とは、事情が異なる。即ち、中心投影であれば、例えば左画像を基準画像として探索画像としての右画像の対応点を探索する場合に、左右画像で縦視差をあわせて立体視できる状態にした時、仮に左右画像のパターンがホルダ回転軸方向と一致していても、左右画像における平行直線には中心投影に起因する角度が形成される。そこで、異方性形状計測による三次元形状計測装置であっても、電子ビームの入射角度を左右画像の撮影方向に応じて変更させることで、画像処理装置により左右画像の対応点の探索ができて、左右画像の被写体に関する三次元座標が計測できる。
【００４９】
しかし、平行投影であれば、例えば左画像を基準画像として探索画像としての右画像の対応点を探索する場合に、左右画像で縦視差をあわせて立体視できる状態にした時、仮に左右画像のパターンがホルダ回転軸方向と一致していると、平行投影であるため左右画像における平行直線は左右平行となる。そこで、異方性形状計測による三次元形状計測装置の場合には、電子ビームの入射角度を左右画像の撮影方向に応じて変更させても、画像処理装置による左右画像の対応点の探索が不可能となり、左右画像の被写体に関する三次元座標が計測できなくなる。即ち、左右画像のパターンがホルダ回転軸方向と一致していると、異方性形状計測では三次元座標の計測できない。これが異方性形状計測における異方性を生じる原因である。
【００５０】
［異方性形状計測の説明］
図１１は異方性形状計測の一例としての、粗密探索法とバックマッチング法を組合せた画像測定装置を説明する全体構成ブロック図である。図において、半導体や生体組織・細胞のような対象物４１がテーブル（図示せず）等に載置されており、同一の光学的特性を有するカメラ４２ａ、４２ｂによって撮影される。像形成光学系としてのカメラ４２ａ、４２ｂは焦点距離が既知で、レンズ収差が補償されるものであり、対象物４１が左右のステレオカメラ４２ａ、４２ｂで同一解像度で撮影されるように配置されている。左右のステレオカメラ４２ａ、４２ｂは、対象物４１に対して、例えば８０％程度以上の高い重複率で撮影した、一対のステレオ撮影画像データ４３を生成する。カメラは、汎用の印画紙を用いた光学式カメラでもよく、またＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）のような電子式でもよい。画像処理を円滑に行なう為には、ステレオ撮影画像データ４３は電磁気記録情報としてフレキシブル・ディスク、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等に記憶させておくと良い。
【００５１】
標定処理部４４は、左右のステレオカメラ４２ａ、４２ｂで撮影されたステレオ撮影画像データ４３に対して、内部標定と外部標定を行ない、ステレオマッチング処理を可能とする。内部標定とは、撮影したカメラや結像面（フィルム）に関連した内部幾何構造の補正・キャリブレーションを行なうもので、例えばレンズの歪み、レンズとフィルムの偏心のような位置関係、フィルムの平面性の補正を行なう。外部標定とは、撮影した時のカメラの位置・姿勢を決定するもので、例えば共線条件式を用いて定式化されている。共線条件式は投影中心・フィルム上の位置、対象物は一直線上にあるという関係式である。標定処理部４４で標定された左右一対のステレオ画像４６は、ステレオ画像記録部４５に記憶される。ステレオ画像記録部４５は、例えばフレキシブル・ディスク、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等のように画像情報を電磁気情報として記憶する媒体である。標定処理は、予め装置のパラメータとして事前に求めておいても良いし、画像を計測して求めても良い。なお、ここでいうレンズには、電子顕微鏡の電子レンズも含まれる。
【００５２】
画像測定装置５０は、概略位置測定部５１、画像形成部５２、画像処理部５５、探索データブロック設定部５６、捜索対応検出部５９、逆対応判別部６１、測定部６４、画像再構築部６５、左右画像対応関係データベース６８を備えている。また、画像測定装置５０で取扱われるデータとしては、基準画像５３、捜索画像５４、基準データブロック５７、捜索データブロック５８、対応捜索画像領域６０、逆対応データブロック６２がある。画像測定装置５０には、演算処理機能の高いパソコンやワークステーションのようなコンピュータが使用される。画像測定装置５０の各構成要素は、アプリケーション・ソフトウェアやＡＳＩＣのような高度に集積した電子回路にて構成されている。
【００５３】
概略位置測定部５１は、一対のステレオ画像４６中のマーク又は特徴点を抽出し、抽出されたマーク又は特徴点を用いて射影変換処理によりステレオ画像中のマーク又は特徴点の概略位置を求める機能を有する。
【００５４】
画像形成部５２は、一対のステレオ画像４６に対する基準画像５３と捜索画像５４を生成するもので、高い解像度のものから低い解像度のものに順次基準画像５３ａ、５３ｂと捜索画像５４ａ、５４ｂを生成する。典型的には、一対のステレオ画像４６のうち、左画像に基準画像５３が生成されると、捜索画像５４は基準画像が生成された他方の画像、即ち右画像に生成される。画像の解像度は、画像の木目細やかな表現力を定めるパラメータとなっており、低い解像度では粗い解像度、高い解像度では密な解像度が得られる。画像に含まれるデータ量は莫大であり、ステレオマッチングでの演算量を削減するために、低い解像度の画像で大まかな対応点の位置を抽出し、順次高い解像度の画像で詳細な対応点の位置を抽出してゆく。典型的には、第１解像度としての低解像度と、第２解像度としての高解像度の２階層で画像を生成すればよい。画像解像度に関する階層構造は、粗密探索法（Ｃｏａｒｓｅ Ｔｏ Ｆｉｎｅ法）に関連するもので、詳細は後で説明する。なお、画像形成部５２で生成する基準画像５３と捜索画像５４は、３階層以上であってもよい。
【００５５】
画像処理部５５は、画像形成部５２で取扱う、一対のステレオ画像４６、基準画像５３、捜索画像５４を鮮鋭化させたり、コントラスト強調、エッジ強調を行ったり、解像度の異なる画像を作成する際に必要な画像データの補間や圧縮を行なったり、画像データから特徴抽出を行ったりする。
【００５６】
探索データブロック設定部５６は、基準画像５３に対する基準データブロック５７と、捜索画像５４に対する捜索データブロック５８を設定する。画像形成部５２で生成される基準画像５３と捜索画像５４が、低解像度と高解像度の２階層で生成される場合には、探索データブロック設定部５６は、基準データブロック５７と捜索データブロック５８も低解像度と高解像度の２階層として生成する。画像形成部５２で生成される基準画像５３と捜索画像５４が３階層の解像度で生成される場合には、探索データブロック設定部５６は、基準データブロック５７と捜索データブロック５８も３階層の解像度で生成する。捜索データブロック５８は基準データブロック５７の捜索する範囲を限定するもので、捜索画像５４全体より小さく、基準データブロック５７より大きくするのが良い。
【００５７】
捜索対応検出部５９は、基準画像５３に設けられた基準データブロック５７に対応する捜索データブロック５８を捜索画像５４上で捜索する。画像データを取扱うので、同じ解像度での基準画像５３と捜索画像５４との間で、基準データブロック５７と同一又は同一性のある捜索データブロック５８を探す。従って、捜索対応検出部５９は、異なる解像度の基準画像５３と捜索画像５４との間での捜索対応検出は行なわない。具体的には、捜索対応検出部５９は、第１捜索画像５４ａ中の第１捜索データブロック５８ａにおいて、第１基準データブロック５７ａと対応関係となる第１対応捜索画像領域６０ａを求め、第２捜索画像５４ｂ中の第２捜索データブロック５８ｂにおいて、第２基準データブロック５７ｂと対応関係となる第２対応捜索画像領域６０ｂを求める。第１対応捜索画像領域６０ａは、第１捜索データブロック５８ａにおいて、第１基準データブロック５７ａと相関関係が最も高く、従って対応画像領域の存在する位置を画像座標情報によって表せば数値演算による画像処理が簡便に行なえる。画像座標情報とすると、画素単位で位置関係を表すことができ、対応点の位置表現が詳細に行なえる。第２対応捜索画像領域６０ｂに関しても、第１対応捜索画像領域６０ａと同様である。
【００５８】
逆対応判別部６１は、基準画像５３と捜索画像５４との間で、ステレオマッチング処理をした結果の対応点が真であるか、偽であるか判別する。具体的には、逆対応判別部６１は、第２対応捜索画像領域６０ｂを用いて第２捜索画像５４ｂ中に第２基準データブロック５７ｂに相当する逆対応データブロック６２を設定し、第２基準画像５３ｂにおいて逆対応データブロック６２と対応関係となる逆対応基準画像領域６３を求め、第２基準画像５３ｂにおいて逆対応基準画像領域６３と第２基準データブロック５７ｂとが一致するか判定する。詳細は後で説明する。
【００５９】
測定部６４では、逆対応判別部６１で逆対応基準画像領域６３と第２基準データブロック５７ｂとが一致すると判定された第２対応捜索画像領域６０ｂを用いて、第２基準画像５３ｂと第２捜索画像５４ｂとの位置関係を求められる。さらに、測定部６４では、求められた位置関係を利用して一対のステレオ画像に撮影された対象物の測定を行なう。
【００６０】
画像再構築部６５は、画像測定装置５０で得られた、一対のステレオ画像４６に撮影された対象物の測定結果から、対象物の二次元又は三次元の画像を再構築する。再構築画像６６には、三次元鳥瞰図や正射写真図等の各種の画像がある。左右画像対応関係データベース６８は、一対のステレオ画像４６に撮影されている左右画像の対応点に関する情報が格納されるもので、概略位置測定部５１、画像形成部５２、画像処理部５５、探索データブロック設定部５６、捜索対応検出部５９、逆対応判別部６１、測定部６４、画像再構築部６５に対して共通のデータベースとして用いられる。
【００６１】
次に、各構成要素の作用について図面を参照して、さらに詳細に説明する。図１２は粗密探索法の階層構造を説明する構成図である。捜索対応検出部５９での画像相関演算時間を最適化するために、画像を異なる解像度の多層階層とする。この場合、画像相関演算による対応点を確実に検出するために、ピラミッド構造型の多層階層による捜索を利用する。ピラミッド構造では、粗い解像度の最上層で概略重ね合わせを行ってから、密の解像度で詳細重ね合わせを行う為、画像相関演算における画像の重ねあわせでバックトラックを必要としない。そこで、画像相関演算を短縮すると同時に、各解像度の画像におけるマッチング結果の統合判断が可能となる為、誤対応が低減できる。ピラミッド構造型の多層階層では、図１２に示すように、予め画像解像度の異なる画像を低解像度層（第一基準画像）、第２層（第二基準画像）、…、高解像度層（第Ｌ基準画像）、低解像度層（第一捜索画像）、第２層（第二捜索画像）、…、高解像度層（第Ｌ捜索画像）というふうに作成する。高解像度層は、例えば基準画像５３や捜索画像５４の画素密度と等倍とし、以下一層毎に画素解像度を１／２（縮小解像度を２倍）にするとよい。
【００６２】
即ち、上述の基準画像や捜索画像のピラミッド構造は、画像処理部５５や画像形成部５２により（式１）を適用することで、第１層から第Ｌ層（最下層を第Ｌ’層とする）まで構築される。ここでは、第Ｌ層が
【数１】
ここでｘ，ｙ ＝ ０，１，・・・・・２Ｋ−（Ｌ’−Ｌ）−１である。Ｌ＝３とすると、総階層数は３階層となる。もし、２階層に対して第３階層を付加するという立場で説明する場合、第３解像度としての第２解像度よりも高い高解像度を設けてもよく、また第４解像度としての第１解像度と第２解像度の中間解像度でもよい。
【００６３】
図１３は基準画像５３に設定される基準データブロック５７と、捜索画像５４に設定される捜索データブロック５８の説明図である。探索データブロック設定部５６は、基準画像５３に設定される基準データブロック５７に比較して、捜索画像５４に設定される捜索データブロック５８の領域を広く取っている。これにより、捜索データブロック５８内の領域に、基準データブロック５７との相関係数の高い領域が存在する可能性が高くなる。なお、基準データブロック５７と捜索データブロック５８は、画像を構成する全ての画素に対して定義することができる。全ての画素に対して定義すると、パターン配線前の半導体ウェハのように画像情報に顕著なパターンが表れない場合でも、全体的な色調や明度のパターンから、位置の判別が可能な場所が出現してくる。しかし、一定間隔や対応点・特徴点のように位置対応が判別できる程度の濃淡や形状・輪郭を含む画像情報に限って、基準データブロック５７と捜索データブロック５８を設定してもよい。
【００６４】
次に、正規化相関係数によるマッチング法を、図１３を参照して説明する。図１３において、右画像を基準画像５３、左画像を捜索画像５４とする。基準データブロック５７は、Ｎ個のデータから構成されるとし、捜索データブロック５８は画像座標（Ｕ、Ｖ）を起点とする。正規化相関係数によるマッチング法では、基準データブロック５７を捜索データブロック５８の中を左から右に動かし、捜索データブロック５８の右端まで行くと下がって左端に戻り、また基準データブロック５７を左から右に動かすラスタ走査を行いながら、各位置で式２による演算処理を行なう。
Ｍ＝Ｍ（Ｘｉ，Ｙｉ） （１≦ｉ≦Ｎ） ・・・（２）
Ｉ＝Ｉ（Ｕ＋Ｘｉ，Ｖ＋Ｙｉ）
とする。ここで、Ｍは基準データブロック５７の正規化数値、Ｉは捜索データブロック５８の正規化数値とする。
【００６５】
すると、基準データブロック５７と捜索データブロック５８の類似度は、次の正規化相関係数Ｒ（Ｕ、Ｖ）で与えられる。
【数２】
ここで、正規化相関係数Ｒの値は常に−１から１までの範囲の値をとる。正規化相関係数値Ｒが１の場合には、テンプレートとしての基準データブロック５７と捜索データブロック５８中の対応画像が完全に一致した事になる。そこで捜索対応検出部５９により、相関係数値の最大の位置を探せば、捜索データブロック５８中において、基準データブロック５７に最も類似した画像の場所を示す対応捜索画像領域６０を探す事ができる。
【００６６】
捜索データブロック５８中に、基準データブロック５７と類似している点が無かった場合は、正規化相関係数値Ｒの最大値が小さく（例えば０．１）なるので、対応捜索画像領域６０の探索は失敗とする。しかし探索を行う際に、捜索対応検出部５９は、正規化相関係数値Ｒが最大となった座標値を対応捜索画像領域６０の座標値としている。そこで、Ｒ＝０．１とノイズに近い場合でも、低い正規化相関係数値の座標値が対応捜索画像領域６０の座標値となってしまうことがある。従って正規化相関係数値Ｒの最大値があまりに小さく、設定したしきい値（例えば０．２〜０．３）以下の場合は、対応捜索画像領域６０の探索は失敗とする。
【００６７】
図１４は、逆対応判別部６１によるバックマッチング法の説明図で、（Ａ）は探索された対応点が真（ＯＫ）の場合、（Ｂ）は偽（ＮＧ）の場合を示している。逆対応判別部６１では、基準画像５３の基準データブロック５７から捜索画像５４の捜索データブロック５８の対応する対応捜索画像領域６０を捜索する。次に、逆対応判別部６１は、捜索された捜索データブロック５８上の対応捜索画像領域６０を逆対応データブロック６２として設定する。そして、逆対応判別部６１は、基準画像５３において逆対応データブロック６２と対応関係となる逆対応基準画像領域６３を求め、基準画像５３において逆対応基準画像領域６３と基準データブロック５７とが一致するか判定する。そして、逆対応基準画像領域６３と基準データブロック５７が一致していれば、探索した対応捜索画像領域６０は真とし、不一致であれば偽（マッチング失敗）とする。逆対応判別部６１で偽に相当する対応捜索画像領域６０を除去することで、誤対応点を除去することが可能となる、
【００６８】
図１５は、逆対応判別部６１によるバックマッチングを説明するフローチャートである。以下、図１４と図１５に従って逆対応判別部６１によるバックマッチングの手順を説明する。なお、図１４では説明を単純にするために、基準画像５３と捜索画像５４の同一ライン上の領域に、基準データブロック５７と捜索データブロック５８が存在しているとする。まず、バックマッチングが開始される（Ｓ２００）と、逆対応判別部６１は基準画像５３のＯＫ領域を基準データブロック５７として設定する（Ｓ２０２）。次に、逆対応判別部６１は、基準データブロック５７を用いて、捜索画像５４内の捜索データブロック５８上を探す（Ｓ２０４）。捜索画像５４内の捜索データブロック５８で相関係数の高い対応捜索画像領域６０を見付けたら、対応捜索画像領域６０を逆対応データブロック６２に設定する（Ｓ２０６）。
【００６９】
逆対応データブロック６２は基準データブロック５７と同様に処理されるもので、逆対応基準画像領域６３が対応捜索画像領域６０に対応している。そこで、逆対応判別部６１は、逆対応データブロック６２を用いて、基準画像５３中の基準データブロック５７と同一ライン上を捜索する（Ｓ２０８）。相関係数が最大となる逆対応基準画像領域６３が見つかると、逆対応判別部６１は、逆対応基準画像領域６３が当初の基準データブロック５７であるＯＫ領域と一致しているか判断する（Ｓ２１０）。逆対応基準画像領域６３がＯＫ領域を探し出せれば、逆対応判別部６１はマッチング成功と判断する（Ｓ２１２）。逆対応基準画像領域６３がＯＫ領域ではなく、他の場所（ＮＧ領域）を探し出した場合は、逆対応判別部６１はマッチングが失敗と判断する（Ｓ２１４）。
【００７０】
続いて、このように構成された装置の動作について説明する。図１６は一対のステレオ画像に対する三次元画像計測処理全体を説明するフローチャートである。まず、左右のステレオカメラ４２ａ、４２ｂを用いて、対象物４１の左右のカメラ画像を取得する（Ｓ２３０）。左右のカメラ画像は、ステレオ撮影画像データ４３として、標定処理部４４により画像を補正する（同時に縦視差を除去する）。作成されたステレオ画像は、一対のステレオ画像４６としてステレオ画像記録部４５に記憶される。一対のステレオ画像４６に対して、ステレオ・マッチング処理が行なわれる（Ｓ２３４）。ステレオ・マッチング処理が行なわれた一対のステレオ画像４６を用いて、ステレオ画像４６に撮影された対象物４１の三次元座標計測が行なわれる（Ｓ２３６）。また、必要に応じて態様で、対象物４１の三次元画像を再構築する（Ｓ２３８）。
【００７１】
続いて、図１７を用いて図１１の画像測定装置の動作を説明する。図１７のフローチャートでは、粗密探索法とバックマッチングを組合せた動作について説明する。まず、画像形成部５２が、一対のステレオ画像４６に関して第１解像度の第１基準画像５３ａと第１捜索画像５４ａを形成する（Ｓ３００）。次に、探索データブロック設定部５６が第１基準画像５３ａに、第１解像度に対応する画素データを有する第１基準データブロック５７ａを設定する（Ｓ３０２）。また、探索データブロック設定部５６は、第１捜索画像５４ａに、第１解像度に対応する画素データを有する第１捜索データブロック５８ａを設定する（Ｓ３０４）。そして、捜索対応検出部５９が第１捜索画像５４ａ中の第１捜索データブロック５８ａにおいて、第１基準データブロック５７ａと対応関係となる第１対応捜索画像領域６０ａを求める（Ｓ３０６）。
【００７２】
次に、画像形成部５２が一対のステレオ画像４６に関して、第１解像度より高い第２解像度の第２基準画像５３ｂと第２捜索画像５４ｂを形成する（Ｓ３０８）。また、探索データブロック設定部５６が第２基準画像５３ｂに、第２解像度に対応する画素データを有する第２基準データブロック５７ｂを設定する（Ｓ３１０）。探索データブロック設定部５６が、第２捜索画像５４ｂに、第２解像度に対応する画素データを有する第２捜索データブロック５８ｂを設定する（Ｓ３１２）。この第２捜索データブロック５８ｂの設定には、第１対応捜索画像領域６０ａの情報が用いられる。第１捜索画像５４ａと第２捜索画像５４ｂには、粗密探索法の階層構造が用いられている為、第１対応捜索画像領域６０ａの位置情報は有用な為である。そして、捜索対応検出部５９が第２捜索画像５４ｂ中の第２捜索データブロック５８ｂにおいて、第２基準データブロック５７ｂと対応関係となる第２対応捜索画像領域６０ｂを求める（Ｓ３５４）。
【００７３】
次に、バックマッチングによる検証が行なわれる。まず、逆対応判別部６１が第２対応捜索画像領域６０ｂを用いて第２捜索画像５４ｂ中に、第２基準データブロック５７ｂに相当する逆対応データブロック６２を設定する（Ｓ３１６）。次に、逆対応判別部６１が第２基準画像５３ｂにおいて逆対応データブロック６２と対応関係となる逆対応基準画像領域６３を求める（Ｓ３１８）。そして、逆対応判別部６１は、第２基準画像５３ｂにおいて逆対応基準画像領域６３と第２基準データブロック５７ｂとが一致するか判定する（Ｓ３２０）。一致していれば、捜索対応検出部５９が捜索した第２対応捜索画像領域６０ｂは真である（Ｓ３２２）。Ｓ３２０で不一致であれば、捜索対応検出部５９が捜索した第２対応捜索画像領域６０ｂは偽である（Ｓ３２４）。
【００７４】
そこで、Ｓ３２２にて逆対応基準画像領域６３と第２基準データブロック５７ｂとが一致すると判定された第２対応捜索画像領域６０ｂを用いて、第２基準画像５３ｂと第２捜索画像５４ｂとの位置関係が求められる（Ｓ３２６）。そして、測定部６４によって、一対のステレオ画像４６に撮影された対象物の測定を行なう（Ｓ３２８）。
【００７５】
次に、画像処理部で行なわれる鮮鋭化処理について説明する。画像処理部５５によって、一対のステレオ画像４６に対する画像前処理として画像鮮鋭化、コントラスト強調、エッジ強調等を行っておくと、基準画像５３と捜索画像５４に対して適用される相関係数値が高くなり、確実に対応点座標の検出が可能になる。画像前処理には公知の多種多様な処理が存在するが、代表的な処理としてラプラシアンフィルタを用いた画像鮮鋭化処理を説明する。
【００７６】
図１８はラプラシアンオペーレタの一例を示す構成図である。ラプラシアンオペーレタは３ｘ３の画素に対する数値演算を施すもので、中央画素（２、２）に対する係数が『５』、中央画素に対して縦横画素（２、１）、（２、３）、（１、２）、（３、２）に対する係数が『−１』、中央画素に対して斜め画素（１、１）、（１、３）、（３、１）、（３、３）に対する係数が『０』になっている。ラプラシアンオペーレタを利用することにより、鮮鋭化処理された画像を得ることができる。
【００７７】
ラプラシアンオペーレタの基本式を、式４に示す。
ｇ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｉ、ｊ）−∇２ｆ（ｉ，ｊ） ・・・（４）
ここで、ｇ（ｉ，ｊ）は鮮鋭化画像であり、ｆ（ｉ，ｊ）は入力画像である。∇２ｆ（ｉ，ｊ）は入力画像のラプラシアンとなっており、例えば上述した図１８に示す係数のものや、各種重み付けや画素数の微分オペレータが存在する。また、ラプラシアンに加えてガウシアンを施したものでもよい。
【００７８】
また、式５に示すような、計算処理によって求めてもよい。式５は、鮮鋭化処理として計算処理的なガウシアンを施したものである。
【数３】
ここでσはガウス関数のパラメータである。すると、差分は式６で表される。
ｇ（ｘ，ｙ）＝ｆ（ｘ、ｙ）−∇２Ｇ（ｘ，ｙ） ・・・（６）
ここで、ｇ（ｘ，ｙ）は鮮鋭化画像、ｆ（ｘ，ｙ）は入力画像、∇２Ｇ（ｘ，ｙ）は入力画像のラプラシアンガウシアンとなっている。また、左右画像の撮影時において、ピントのあった状態（式６のｆ（ｘ、ｙ）に相当）とピントの合っていない状態（式６の∇２Ｇ（ｘ，ｙ）に相当）の同一画像を撮影し、その差分画像を得ることによって、鮮鋭化処理を行なっても良い。
【００７９】
また、鮮鋭化処理の一態様として、エッジ抽出処理がある。図１９は、線検出オペーレタの一例を示す構成図である。線検出オペーレタは、縦方向の画素に対して係数『１』を作用させ、横方向に隣接する画素に対しては縦方向に係数『−１／２』を作用させて、縦方向の線分を検出している。そこで、検出したい方向の線検出オペレータを、画像に畳み込み処理して、エッジ抽出処理ができる。
【００８０】
なお、画像処理部で鮮鋭化処理された画像からエッジ抽出を行うこともできる。即ち、エッジ抽出処理は、鮮鋭化画像の濃度値のゼロ交差点をエッジと設定することで、エッジ抽出ができる。そこで、ゼロとなった点のみを画像化する、あるいはゼロを境にしてプラス領域を白、マイナス領域を黒とすることにより画像化される。
【００８１】
図２０は鮮鋭化処理とエッジ抽出処理の一例を示す図で、（Ａ）は原画像、（Ｂ）は鮮鋭化処理画像を示している。原画像は、例えば半導体のＳＥＭ画像で、パターンの線分がぼやけている。しかし、鮮鋭化処理画像では、鮮鋭化処理とエッジ抽出処理によってパターンの線分が明瞭に抽出されている。パターンの線分を明瞭化することで、基準画像と探索画像との位置対応を求めることが容易になる。
【００８２】
粗密探索法の総階層数が３層の場合を例に、画像測定方法を説明する。図２１は、粗密探索法の総階層数が３層の場合における基準画像、捜索画像並びにバックマッチングの説明図で、（Ａ）は低解像度層、（Ｂ）は中間解像度層、（Ｃ）は高解像度層を示している。図２２は、粗密探索法の総階層数が３層の場合における画像測定方法を説明するフローチャートである。
【００８３】
まず、画像形成部５２により、例えば式１を用いて、基準画像５３と捜索画像５４に関して３階層のピラミッド構造を構築する（Ｓ２６０）。構築される画像は、画像の縮小解像度を基準として低解像度層（ピラミッド構造の最上層）、中間解像度層、高解像度層（ピラミッド構造の最下層）の３階層に対応して設けられる。低解像度層に対して、基準画像５３ａと捜索画像５４ａとする。高解像度層に対して、基準画像５３ｂと捜索画像５４ｂとする。ここで、最下層の基準画像５３ｂにおける基準データブロック５７はＮ１×Ｎ１画素（Ｎ１＝２Ｎ）とする。また、最下層において、捜索画像５４ｂと捜索データブロック５８ｂは同じもので、Ｍ１×Ｍ１画素（Ｍ１＝２Ｍ）とするが、捜索画像５４ｂよりも小さな捜索データブロック５８ｂを設けても良い。中間解像度層に対して、基準画像５３ｄと捜索画像５４ｄとする。
【００８４】
次に、基準画像５３と捜索画像５４に関して、画像処理部５５により画像前処理を行なう（Ｓ２６２）。画像前処理には、画像鮮鋭化、コントラスト強調、エッジ強調等の処理が含まれる。画像前処理の対象は、基準画像５３ａ、５３ｂ、５３ｃと捜索画像５４ａ、５４ｂ、５４ｃである。画像前処理によって、基準画像５３と捜索画像５４の対応点を捜索するマッチング処理が確実なものになる。
【００８５】
次に、低解像度層についてマッチング処理を行い、正規化相関の係数を保存する（Ｓ２６４）。マッチング処理の詳細は、上述の図１８で説明したように、探索データブロック設定部５６による基準画像５３ａでの基準データブロック５７ａ設定、捜索画像５４ａでの捜索データブロック５８ａ設定、並びに捜索対応検出部５９による捜索データブロック５８ａに関して、基準データブロック５７ｂと対応関係となる対応捜索画像領域６０ａを求めることである。対応捜索画像領域６０ａは、マッチング処理では対応点に相当している。ここで、第Ｌ層の探索範囲｛［Ｍ１／２（Ｌ’−Ｌ ）−［Ｎ１／２（Ｌ’−Ｌ ）＋１］２内で、残差が最小になる第Ｌ層の基準データブロック５７の左上位置を（ｉ，ｊ）とすると、対応点位置は（ｉ，ｊ）によって表される。捜索対応検出部５９での対応捜索画像領域６０ａに対する相関係数は、左右画像対応関係データベース６８に一旦保存される。
【００８６】
続いて、低解像度層に対して直近の階層に移り、最下層に該当しているか判断する。ここでは、中間解像度層なので、低解像度層での対応点位置座標を基準として、１階層上の対応点位置座標（２ｉ，２ｊ）を中心とし、５ｘ５画素を捜索範囲として画像の重ねあわせ（マッチング処理）を行なう（Ｓ２６６）。ここで、捜索範囲内で残差が最小になるテンプレート画像の左上位置、即ち正規化相関の係数が最大値をとる対応点位置（ｉ，ｊ）を保存する。
【００８７】
次に、中間解像度層に対して直近の階層に移り、最下層に該当しているか判断する。ここでは、最下層なので、中間解像度層での対応点位置座標を基準として、１階層上の対応点位置座標（２ｉ，２ｊ）を中心とし、３ｘ３画素を捜索範囲として画像の重ねあわせ（マッチング処理）を行なう（Ｓ２６８）。ここで、捜索範囲内で残差が最小になるテンプレート画像の左上位置、即ち正規化相関の係数が最大値をとる対応点位置（２ｉ，２ｊ）を保存する。
【００８８】
そして、最下層に関して、最も正規化相関の係数が高い位置を求めることで、類似度の高い対応点を得ることができ、捜索画像５４ｂにおける基準画像５３ｂの位置対応点が高精度に求める（Ｓ２７０）。
【００８９】
次に、逆対応判別部６１は、マッチング処理で求めた位置対応点を用いて、捜索画像５４ｂの逆対応データブロック６２を作成する。この位置対応点は、逆対応データブロック６２のＸ座標として利用される。そして、逆対応判別部６１により、逆対応データブロック６２のバックマッチングを行ない、基準画像５３ｂに写像された逆対応基準画像領域が当初の基準画像５３ｂと一致したか判断する（Ｓ２７２）。バックマッチングで、逆対応基準画像領域が当初の基準画像５３ｂと一致すれば、位置対応点は真であり（Ｓ２７４）、マッチング処理は成功とする。Ｓ２７２で不一致であれば、位置対応点は偽であり（Ｓ２７６）、マッチング処理は失敗とする。
【００９０】
なお、上記異方性形状計測の一例においては、第１層、第２層と順次高解像度の画像についてマッチング処理を行ない、バックマッチングは最終段階の画像に関して実施する場合を説明したが、バックマッチングは各階層のマッチング処理ごとに行ってもよい。また、基準データブロック５７の画素数として５ｘ５画素や３ｘ３画素を例に説明しているが、基準データブロック５７の画素数は適宜に選定することができ、例えば基準画像５３の１走査線分であってもよい。さらに、マッチング処理の判定として正規化相関係数による場合を例に説明しているが、逐次残差法（ＳＳＤＡ）や他の面積相関法を用いてもよい。さらに、バックマッチングと特徴抽出法を組合せたものでもよい。
【００９１】
［第２の実施の形態］
図２３は本発明の第２の実施の形態を説明する構成ブロック図で、ステレオ画像を得る場合に、ホルダを傾斜させるのではなく、走査型顕微鏡の電子線を偏向させてステレオ画像を得る場合を示している。ここでは、図２３において、図１と共通する構成要素について同一符号を付して説明を省略する。ここでは、電子線７を傾斜制御する傾斜制御部５としてのビーム傾斜制御部５ａが設けられている。ビーム傾斜制御部５ａは偏向レンズ２ｂに傾斜制御信号を送り、試料ホルダ３と照射電子線７とが第１の相対的傾斜角度をなす電子線７Ｒと、第２の相対的傾斜角度をなす電子線７Ｌとで切替えている。なお、ビーム傾斜制御部５ａによる試料ホルダ３と照射電子線７の相対的傾斜角度は、２個に限らず多段に設定してよいが、ステレオの検出データを得る為には最小２個必要である。
【００９２】
そして、ビーム傾斜の場合にも、第１の実施の形態で説明したホルダ回転軸Ｒに相当する中立軸として、電子線７Ｒと電子線７Ｌが交差するビーム交差軸が存在している。そこで、第１のステレオ画像に必要な第１の中立軸と、第２のステレオ画像に必要な第２の中立軸は、第１の実施の形態におけるホルダ回転軸Ｒの記載を、ビーム交差軸に読替えて設定すればよい。
【００９３】
［第３の実施の形態］
第１の実施の形態、第２の実施の形態においては、まず第１の入射角度調整部２１で対象物９の第１の中立軸方向を定め、次に第２の入射角度調整部２２で対象物９の第２の中立軸方向を定める場合を示している。更に、第１の実施の形態、第２の実施の形態においては、必要に応じて、設定された第２の中立軸方向を傾斜中心軸方向設定部３８により修正して、新たな第２の中立軸方向を設定し、或いは傾斜中心軸方向設定部３８により新たな第３、第４の中立軸方向を設定する場合を示している。しかし、異方性形状計測と対象物のパターン形状との処理の相性が判っていれば、画像処理部で得た画像から傾斜中心軸方向設定部３８により第１、第２の中立軸方向を設定することで、演算負荷の大きなステレオ画像作成の回数を最適化することが可能である。第３の実施の形態は、異方性形状計測と対象物のパターン形状との処理の相性が判っている場合に用いて好適な実施の形態である。
【００９４】
図２４は本発明の第３の実施の形態を説明する全体構成ブロック図である。なお、図２４において図１と同一作用をする構成要素に関しては同一符号を付して説明を省略する。データ処理装置８０は、第１中立軸調整部８１、第２中立軸調整部８２、中立軸方向設定部８３、画像形成部８４、第１画像検出部８６、第２画像検出部８８、マッチング処理部９０、測定点・対応点データベース９２、形状測定部９３並びに三次元座標データベース９４を有している。データ処理装置８０、画像形成部８４、第１画像検出部８６、第２画像検出部８８、マッチング処理部９０、測定点・対応点データベース９２、形状測定部９３並びに三次元座標データベース９４は、性質に反しない限り、データ処理装置２０、画像形成部２４、第１画像検出部２６、第２画像検出部２８、マッチング処理部３０、測定点・対応点データベース３２、形状測定部３４並びに三次元座標データベース３６の第１の実施の形態における説明を援用する。
【００９５】
画像形成部８４は、走査レンズ２ｃにより電子線７が試料面上の領域を走査する際に、検出器４で検出される二次電子線を用いて、試料面上の画像を作成する。中立軸方向設定部８３は、異方性形状計測により検出できない方向の線分に関する情報と、画像形成部８４で取得した対象物９のモノラル画像を用いて、第１及び第２のステレオ画像の中立軸方向となるべき方向を演算して、第１中立軸調整部８１及び第２中立軸調整部８２に設定する。
【００９６】
第１中立軸調整部８１は、ホルダ傾斜制御部５ｂを用いて、対象物９の姿勢を第１の中立軸方向に調整して、電子線装置１０により対象物９に投影されるビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、対象物９について第１のステレオ画像を形成可能に調整する。即ち、第１中立軸調整部８１は、電子光学系２に制御信号を送って、電子線源１から放射されるビーム７の走査する基準面を調整している。第２中立軸調整部８２は、ホルダ傾斜制御部５ｂを用いて、対象物９の姿勢を面内傾斜軸方向を含んで形成された第２の中立軸方向に調整して、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、第２のステレオ画像を形成可能に調整する。
【００９７】
第１画像検出部８６は、第１中立軸調整部８１により入射角度が調整された場合に、画像形成部８４を用いて電子線装置１０により対象物９に関して形成された第１のステレオ画像を受け取る。第２画像検出部８８は、第２中立軸調整部８２により入射角度が調整された場合に、画像形成部８４を用いて電子線装置１０により対象物９に関して形成された第２のステレオ画像を受け取る。
【００９８】
このように構成された装置の動作を説明する。図２５は第３の実施の形態における装置の動作を説明するフローチャートである。まず、像形成光学系としての電子線装置１０による対象物９の三次元画像計測を開始する（Ｓ４００）。そこで、電子線装置１０のビーム７による対象物９のヨー軸方向への略平行投影を開始する（Ｓ４０２）。そして、画像形成部８４が対象物９のモノラル画像を形成する（Ｓ４０４）。形成された対象物９のモノラル画像を用いて、中立軸方向設定部８３は、異方性形状計測により検出できない方向の線分に関する情報も考慮して、第１及び第２のステレオ画像の中立軸方向となるべき方向を演算する（Ｓ４０６）。中立軸方向設定部８３は、第１の中立軸方向を第１中立軸調整部８１に設定し、第２の中立軸方向を第２中立軸調整部８２に設定する（Ｓ４０８）。
【００９９】
次に、第１中立軸調整部８１がホルダ傾斜制御部５ｂに姿勢制御信号を送って、対象物９の姿勢が対象物９の第１の中立軸方向に調整される（Ｓ４１０）。そして、第１中立軸調整部８１によって、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、第１のステレオ画像の左画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する（Ｓ４１２）。続いて、第１中立軸調整部８１によって、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、第１のステレオ画像の右画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する。そして、マッチング処理部９０によって、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ４１４）、探索結果を例えば測定点・対応点データベース９２に記録する。
【０１００】
続いて、第２中立軸調整部８２がホルダ傾斜制御部５ｂに姿勢制御信号を送って、対象物９の姿勢が第２の中立軸方向に調整される（Ｓ４１６）。そして、第２中立軸調整部８２によって、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、第２のステレオ画像の左画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する（Ｓ４１８）。次に、第２中立軸調整部８２によって、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、第２のステレオ画像の右画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する。そして、マッチング処理部９０によって、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ４２０）、探索結果を例えば測定点・対応点データベース９２に記録する。
【０１０１】
そして、第１及び第２のステレオ画像の両方を用いても、測定点と対応点の対応が確保できない領域があるか判断する（Ｓ４２２）。Ｓ４２２で、測定点と対応点の対応が確保できない領域が残存していると判断される場合には、中立軸方向設定部８３によって、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、残存領域での測定点と対応点の対応が確保できる方向に第３の中立軸方向を設定して（Ｓ４２４）、Ｓ４１８に戻り、対象物を第２の中立軸方向に代えて第３の中立軸方向に調整して、ステレオ画像のマッチング処理を行なう。Ｓ４２２で、測定点と対応点の対応が全ての領域で確保されていると判断される場合には、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点を用いて、合成画像９１について形状測定部９３により対象物の三次元座標データを求める（Ｓ４２６）。この求めた三次元座標データは、三次元座標データベース９４に格納する。そして、合成画像９１を用いて対象物９の三次元画像計測が終了して、リターンとなる。
【０１０２】
［第４の実施の形態］
対象物が、表面の凸凹により斜面が急峻である場合にも、第３の実施の形態を変形して適用することで、三次元画像計測を正確に行なうことができる。図２６は、表面の凸凹により斜面が急峻である場合の三次元画像計測の説明図で、（Ａ）はホルダ回転軸Ｒ回りに角度−φ傾斜させた場合の平面図、（Ｂ）はホルダ回転軸Ｒ回りに角度φ傾斜させた場合の平面図、（Ｃ）はホルダ回転軸Ｒ回りに角度−φ傾斜させた場合のＸ−Ｘ軸方向側面図、（Ｄ）はホルダ回転軸Ｒ回りに角度φ傾斜させた場合のＸ−Ｘ軸方向側面図である。
【０１０３】
対象物１００は、Ｘ−Ｘ軸方向にそって隆起している頂面１０１を有しており、頂面１０１にはＹ軸に沿って斜面１０２、１０３が形成されている。ステレオ画像を作成するために、ホルダ回転軸ＲをＹ軸方向に設けて、対象物１００をホルダ回転軸Ｒ回りに角度±φ傾斜させて、左右画像を撮影している。斜面１０２、１０３が急峻である為に、斜面１０２、１０３の映像がステレオ画像の左右画像のうち一方にしか撮影されていない。そこで、対象物表面の凸凹により斜面が急峻である場合には、斜面１０２、１０３の形状を正確に三次元画像計測をすることが困難になるという課題がある。
【０１０４】
図２７は本発明の第４の実施の形態を説明する全体構成ブロック図である。なお、図２７において図２５と同一作用をする構成要素に関しては同一符号を付して説明を省略する。図において、データ処理装置８０には、第３の実施の形態のものに加えて、傾斜角度多段設定部９５と斜面画像抽出部９６が追加されている。傾斜角度多段設定部９５は、対象物１００の斜面形状を測定したい場合に、斜面１０２、１０３の傾斜方向に応じた多段の傾斜角度を、中立軸方向設定部８３で演算された第１及び第２のステレオ画像の中立軸方向となるべき方向に対して、ホルダ回転軸Ｒ回りの傾斜角度φを設定する。設定する傾斜角度φは、対象物１００の斜面形状に応じて定める。斜面画像抽出部９６は、傾斜角度多段設定部９５で設定されたホルダ回転軸Ｒ回りの傾斜角度φで撮影された画像であって、第１画像検出部８６又は第２画像検出部８８に格納されている画像のうち、三次元形状計測に適合するように斜面が撮影されている画像を抽出する。斜面画像抽出部９６で抽出された画像は、マッチング処理部９０により処理されて合成画像９１に変換される。
【０１０５】
図２８は、対象物表面の斜面形状を正確に測定する手順を説明する図である。ステレオ画像を作成する際に、傾斜角度多段設定部９５を用いて対象物１００をホルダ回転軸Ｒ回りに角度φ１、φ２、φ３、φ４のように多数の異なる角度を設定する。そして、第１中立軸調整部８１や第２中立軸調整部８２を用いて、対象物１００を傾斜させて、電子線装置１０により対象物１００について複数組の左右画像を撮影している。ホルダ回転軸Ｒ回りの傾斜角度φを多数選定して、画像撮影を行うことで、斜面１０２、１０３の映像がステレオ画像の左右画像の双方に撮影されている画像が存在している。そこで、斜面画像抽出部９６により第１画像検出部８６又は第２画像検出部８８に格納されている画像のうち、三次元形状計測に適合するように斜面が撮影されている画像を抽出して、ステレオ画像を構成する左右画像の組を選定できる。
【０１０６】
このように構成された装置の動作を説明する。図２９は第４の実施の形態における装置の動作を説明するフローチャートである。まず、像形成光学系としての電子線装置１０による対象物１００の三次元画像計測を開始する（Ｓ５００）。そこで、電子線装置１０のビーム７による対象物１００のヨー軸方向への略平行投影を開始する（Ｓ５０２）。そして、画像形成部８４が対象物１００のモノラル画像を形成する（Ｓ５０４）。形成された対象物１００のモノラル画像を用いて、中立軸方向設定部８３は、異方性形状計測により検出できない方向の線分に関する情報も考慮して、第１及び第２のステレオ画像の中立軸方向となるべき方向を演算する（Ｓ５０６）。傾斜角度多段設定部９５は、対象物１００の斜面の傾斜方向に応じた多段の対象物の傾斜角度を、第１及び第２の中立軸方向の少なくとも一方に設定する（Ｓ５０７）。中立軸方向設定部８３は、第１の中立軸方向を第１中立軸調整部８１に設定し、第２の中立軸方向を第２中立軸調整部８２に設定する（Ｓ５０８）。この際に、傾斜角度多段設定部９５によって多段の対象物の傾斜角度が設定されている場合は、この多段の設定情報も第１中立軸調整部８１又は第２中立軸調整部に設定される。
【０１０７】
次に、対象物１００の姿勢が、第１中立軸調整部８１によって対象物１００の第１の中立軸方向に調整される（Ｓ５１０）。そして、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を、第１のステレオ画像の左画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する（Ｓ５１２）。続いて、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を、第１のステレオ画像の右画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する。そして、マッチング処理部９０によって、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ５１４）、探索結果を例えば測定点・対応点データベース９２に記録する。
【０１０８】
続いて、対象物１００の姿勢が、第２中立軸調整部８２によって対象物１００の第２の中立軸方向に調整される（Ｓ５１６）。そして、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を、第２のステレオ画像の左画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する（Ｓ５１８）。次に、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を、第２のステレオ画像の右画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する。そして、マッチング処理部９０によって、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ５２０）、探索結果を例えば測定点・対応点データベース９２に記録する。
【０１０９】
そして、第１及び第２のステレオ画像の両方を用いても、測定点と対応点の対応が確保できない領域があるか判断する（Ｓ５２２）。Ｓ５２２で、測定点と対応点の対応が確保できない領域が残存している場合には、中立軸方向設定部８３によって、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を、残存領域での測定点と対応点の対応が確保できる方向に第３の中立軸方向を設定して（Ｓ５２４）、Ｓ５１８に戻り、対象物を第２の中立軸方向に代えて第３の中立軸方向に調整して、ステレオ画像のマッチング処理を行なう。Ｓ５２２で、測定点と対応点の対応が全ての領域で確保されている場合には、斜面画像抽出部９６により、第１のステレオ画像又は第２のステレオ画像であって、多段の対象物の傾斜角度により撮影された画像のうち、三次元形状計測に適合するように対象物１００の斜面が撮影されている画像を抽出する（Ｓ５２５）。そして、Ｓ５２５で抽出された斜面画像を含む第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点を用いて、合成画像９１について形状測定部９３により対象物の三次元座標データを求める（Ｓ５２６）。この求めた三次元座標データは、三次元座標データベース９４に格納する。そして、合成画像９１を用いて対象物１００の三次元画像計測が終了して、リターンとなる。
【０１１０】
なお、上記実施の形態では、ビームとして電子線の場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ビームは光束であってもよい。この場合には、像形成光学系としての電子線装置に代えて、投影光学系や反射光学系を用いるとよく、例えばテレセントリック系（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ ｓｙｓｔｅｍ）を用いたチップ検査装置に適用してもよい。図３０は、テレセントリック系を説明する構成図で、像側テレセントリック関係の場合を示してある。テレセントリック系は、入射瞳と射出瞳のいずれかが無限遠に存在する光学系のことで、開口絞り（テレセン絞り）を像空間、物空間焦平面またはそれらに共役な位置に置けば実現される。テレセントリック系は、テレセン絞り又は入射瞳が投影レンズの物体側焦点位置付近に設置されていれば、像側で結像に寄与する光束の主光線が光軸と略平行となり（いわゆる、像側テレセントリック関係）、受光面の位置に対して結像位置がずれても像の正しい大きさを読取ることができる。また、テレセントリック系において、テレセン絞りが投影レンズの像側焦点位置付近に設置されていれば（図示せず）、物体側で結像に寄与する光束の主光線が光軸と略平行となり（いわゆる、物体側テレセントリック関係）、物体を正しい位置に置かなくても正しい位置に置いたときと等しくなる。
【０１１１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の三次元座標測定装置によれば、対象物の面内の計測方向によって測定精度が変動する異方性形状計測を用いた三次元形状計測であっても、各測定方向の精度に著しい相違の現れない。また、本発明の第４の実施の形態で示す三次元座標測定装置によれば、対象物の面外方向に凸凹の起伏が存在している場合でも、正確に起伏の寸法を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を説明する全体構成ブロック図である。
【図２】対象物に対する第１のステレオ画像における左右画像と、左右画像における対象物の傾斜角の説明図である。
【図３】テンプレート処理後の水平方向傾斜による第１のステレオ画像の説明図である。
【図４】対象物に対する第２のステレオ画像における左右画像と、左右画像における対象物の傾斜角の説明図である。
【図５】テンプレート処理後の垂直方向傾斜による第２のステレオ画像の説明図である。
【図６】図１の装置の動作を説明するフローチャートである。
【図７】図１の装置により処理される第１及び第２のステレオ画像の関係を説明する図である。
【図８】図７で説明した第１及び第２のステレオ画像より抽出された処理画像により合成された画像の一例を示す図である。
【図９】対象物の表面に形成されるパターンの一例を示す図である。
【図１０】傾斜中心軸方向設定部３８による変形実施例の説明図である。
【図１１】異方性形状計測の一例としての、粗密探索法とバックマッチング法を組合せた画像測定装置を説明する全体構成ブロック図である。
【図１２】粗密探索法の階層構造を説明する構成図である。
【図１３】基準画像５３に設定される基準データブロック５７と、捜索画像５４に設定される捜索データブロック５８の説明図である。
【図１４】逆対応判別部６１によるバックマッチング法の説明図である。
【図１５】逆対応判別部６１によるバックマッチングを説明するフローチャートである。
【図１６】一対のステレオ画像に対する三次元画像計測処理全体を説明するフローチャートである。
【図１７】本発明の第１の実施の形態を説明するフローチャートである。
【図１８】ラプラシアンオペーレタの一例を示す構成図である。
【図１９】線検出オペーレタの一例を示す構成図である。
【図２０】鮮鋭化処理の一例を示す図で、（Ａ）は原画像、（Ｂ）は鮮鋭化処理画像を示している。
【図２１】粗密探索法の総階層数が３層の場合における基準画像、捜索画像並びにバックマッチングの説明図である。
【図２２】粗密探索法の総階層数が３層の場合における画像測定方法を説明するフローチャートである。
【図２３】本発明の第２の実施の形態を説明する全体構成ブロック図である。
【図２４】本発明の第３の実施の形態を説明する全体構成ブロック図である。
【図２５】第３の実施の形態における装置の動作を説明するフローチャートである
【図２６】表面の凸凹により斜面が急峻である場合の三次元画像計測の説明図である。
【図２７】本発明の第４の実施の形態を説明する全体構成ブロック図である。
【図２８】対象物表面の斜面形状を正確に測定する手順を説明する図である。
【図２９】第４の実施の形態における装置の動作を説明するフローチャートである。
【図３０】テレセントリック系を説明する構成図である。
【符号の説明】
１０ 像形成光学系（電子線装置）
２０ データ処理装置
２１ 入射角度調整部
２２ 第２の入射角度調整部
２６ 第１画像検出部
２８ 第２画像検出部
３０ マッチング処理部
３２ 測定点・対応点データベース
３４ 形状測定部
３８ 傾斜中心軸方向設定部
８１ 第１中立軸調整部
８２ 第２中立軸調整部
８３ 中立軸方向設定部
９５ 傾斜角度多段設定部
９６ 斜面画像抽出部
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば撮影機器として電子顕微鏡や光学式顕微鏡に接眼されたカメラを用いる場合に、観察対象となる対象物を傾斜させたり、或いは観察対象物を観察する電子線や光線などのビームを分割または傾斜させて左右画像を撮影し、左右画像に撮影された対象物の二次元又は三次元計測を行う画像測定装置及び画像測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の場合には試料を傾斜させ、異なる傾斜角度の透過画像を得て、これを左右画像としてステレオ観察が行われている。また、例えば非特許文献１で示すように、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の場合には試料を傾斜させたり、電子線を傾斜させたりして、異なる傾斜角度の反射画像を得て、これを左右画像としてステレオ観察が行われている。そして、例えば特許文献１、２で示すように、半導体製造装置の分野において、電子顕微鏡から得られたステレオの検出データを適切に処理して、試料像を正確に精度よく立体観察可能とし、かつこれに基づき三次元形状計測を行うことができる電子線装置や電子線装置用データ処理装置が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２７０１２６号公報 ［０００５］、図３、図１５
【特許文献２】
特開２００２−２７０１２７号公報 ［０００５］、図３、図１５
【非特許文献１】
「医学・生物学電子顕微鏡観察法」 第２７８頁〜第２９９頁、１９８２年刊行
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特に半導体チップやシリコンウェーハのような試料を計測しようとした場合、三次元形状計測に用いるデータ処理方法によっては、計測方向によって測定精度が変動することがある。一般に、計測対象となる半導体チップやシリコンウェーハに形成された凸凹パターンや配線パターン等のパターンには、面内方向に関する水平方向と、この水平方向と面内垂直のラインが多い。他方、上述の特許文献１、２で説明する左右画像を用いたステレオ観察法では、例えば計測対象となる半導体チップを、ホルダ回転軸を中心として回転させたり、電子線ビームの入射角を振ることで、電子顕微鏡の電子ビームの入射角度を左右画像の撮影方向に変更させて、半導体チップの左右画像を得ている。そして、ある三次元形状計測においては、ホルダ回転軸方向と直交する面内方向（例えば、計測対象となる半導体チップの垂直パターン方向）に感度軸を有し、他方ホルダ回転軸方向と同一方向（例えば、計測対象となる半導体チップの水平パターン方向）には計測感度を有しない無感度軸を有する場合がある。すると、半導体チップの左右画像を用いても感度軸方向には正確な計測が行なえるが、無感度軸方向には計測が行なえなくなるという課題があった。なお、このような感度軸と無感度軸を有する三次元形状計測方法を、以下「異方性形状計測」と呼ぶ。
【０００５】
また、半導体チップやシリコンウェーハには、エッチングや多層積層配線によって表面に凸凹（面外方向）が形成されているが、この凸凹の厚さ分布も正確に計測する必要がある。図２６は、表面に凸凹が形成されている半導体チップやシリコンウェーハの左右画像の被写体に関する説明図である。半導体チップやシリコンウェーハは、エッチング、化学蒸着法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリング等によって表面に凸凹を形成しているが、表面に形成された凸凹の厚さ方向の傾きは急峻である。そこで、平行投影であるため、凸凹斜面の傾斜角度によっては、ある斜面が左右画像の一方の画像に写っていても、他方の画像には写っていない。この場合には、左右画像を用いて当該斜面の対応点を決定することができず、三次元形状計測装置では面外方向の表面形状が正確に計測できないという課題もあった。
【０００６】
本発明は、上述する課題を解決したもので、第１の目的は対象物の面内の計測方向によって測定精度が変動する異方性形状計測を用いた三次元形状計測であっても、各測定方向の精度に著しい相違の現れない三次元座標測定装置及び三次元座標測定方法を提供することである。第２の目的は対象物の面外方向に凸凹の起伏が存在している場合でも、正確に起伏の寸法を測定できる三次元座標測定装置及び三次元座標測定方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の三次元座標測定装置は、例えば図１に示すように、ビーム７を対象物９のヨー軸方向へ略平行投影して、対象物９の像を形成する像形成光学系１０と、対象物９の姿勢を第１の中立軸方向に調整して、像形成光学系１０により対象物９に投影されるビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第１のステレオ画像を形成可能にする第１の入射角度調整部２１と、第１の入射角度調整部２１により前記入射角度が調整されて、像形成光学系１０により対象物９に関して形成された第１のステレオ画像を受け取る第１画像検出部２６と、対象物９の姿勢を面内傾斜軸方向を含んで形成された第２の中立軸方向に調整して、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第２のステレオ画像を形成可能にする第２の入射角度調整部２２と、第２の入射角度調整部２２により前記入射角度が調整されて、像形成光学系１０により対象物９に関して形成された第２のステレオ画像を受け取る第２画像検出部２８と、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索すると共に、前記第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索するマッチング処理部３０と、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物９の三次元座標データを求める形状測定部３４とを備えている。
【０００８】
ここで、発明の理解を容易にするために、対象物９に対する第１のステレオ画像及び第２のステレオ画像の関係について予め説明する。図２は、対象物９に対する第１のステレオ画像における左右画像と、左右画像における対象物の傾斜角の説明図で、対象物として例えばウェーハを用いている。図２（Ａ）はウェーハ平面の左画像、（Ｂ）はウェーハ平面の右画像、（Ｃ）は左画像に対するウェーハのＹ−Ｙ方向側面図、（Ｄ）は右画像に対するウェーハのＹ−Ｙ方向側面図を示している。ウェーハ９に付帯する直交座標系としてＸ軸とＹ軸が設けられている。またウェーハ９を載置するホルダ３の座標系としてホルダ回転軸Ｒと、このホルダ回転軸Ｒと直交する傾斜中心軸Ｓが存在している。ここで、傾斜中心軸Ｓは、異方性形状計測における感度軸に相当している。また、異方性形状計測の無感度軸には、ホルダ回転軸Ｒが相当している。
【０００９】
図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第１のステレオ画像では、ホルダ回転軸Ｒとウェーハ９のＸ軸を一致させている。このようなホルダ回転軸Ｒとウェーハ９の姿勢関係を、例えば水平方向傾斜と呼ぶ。そして、傾斜角度がゼロ度であれば、傾斜中心軸Ｓとウェーハ９のＹ軸が一致している。図２（Ａ）に示す場合には、ウェーハ平面の左画像２４Ｌにおいて、ビーム走査方向７ＤＬはホルダ回転軸Ｒと一致する方向となっている。テンプレート画像２９は、ウェーハのＸ−Ｘ方向に移動して、ウェーハ９画像において捜索対象となる画素の位置を抽出する。また、図２（Ｂ）に示す場合には、ウェーハ平面の右画像２４Ｒにおいて、ビーム走査方向７ＤＲはホルダ回転軸Ｒと一致する方向となっている。テンプレート画像２９は、ウェーハのＸ−Ｘ方向に移動して、ウェーハ９画像において捜索対象となる画素の位置を抽出する。なお、ビーム走査はウェーハ９の画像を取得するのが目的である為、ビーム走査方向７ＤＬ、７ＤＲはホルダ回転軸Ｒと一致する方向に限らず、ウェーハ９の面内方向であれば任意に選択できる。
【００１０】
図２（Ｃ）に示すように、ウェーハ９Ｌは、ウェーハ平面の左画像２４Ｌの撮影に適合するように、ホルダ回転軸Ｒに対して時計回り方向ＣＷに角度ω１だけ傾斜している。また、図２（Ｄ）に示すように、ウェーハ９Ｒは、ウェーハ平面の右画像２４Ｒの撮影に適合するように、ホルダ回転軸Ｒに対して反時計回り方向ＣＣＷに角度−ω１だけ傾斜している。
【００１１】
次に、ホルダ回転軸Ｒとウェーハ９のＸ軸を一致させた姿勢の第１のステレオ画像に対して、異方性形状計測に用いるテンプレート処理を施す。図３は、テンプレート処理後の水平方向傾斜による第１のステレオ画像の説明図である。図３に示すように、傾斜中心軸Ｓと一致するウェーハ９のＹ軸方向の線分は正確に抽出されているが、ホルダ回転軸Ｒと一致するウェーハ９のＸ軸方向の線分の抽出が旨く行なわれていない。
【００１２】
図４は、対象物９に対する第２のステレオ画像における左右画像と、左右画像における対象物の傾斜角の説明図である。図４（Ａ）はウェーハ平面の左画像、（Ｂ）はウェーハ平面の右画像、（Ｃ）は左画像に対するウェーハのＸ−Ｘ方向側面図、（Ｄ）は右画像に対するウェーハのＸ−Ｘ方向側面図を示している。第２のステレオ画像では、一例として第１のステレオ画像における対象物の姿勢に対して面内に９０度回転させて垂直方向傾斜としている。即ち、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第２のステレオ画像では、ホルダ回転軸Ｒとウェーハ９のＹ軸を一致させている。そこで、傾斜角度がゼロ度であれば、傾斜中心軸Ｓとウェーハ９のＸ軸が一致している。
【００１３】
図４（Ａ）に示す場合には、ウェーハ平面の左画像２４Ｌ２において、ビーム走査方向７ＤＬはホルダ回転軸Ｒと一致する方向となっている。テンプレート画像２９は、ウェーハのＹ−Ｙ方向に移動して、ウェーハ９画像において捜索対象となる画素の位置を抽出する。また、図４（Ｂ）に示す場合には、ウェーハ平面の右画像２４Ｒ２において、ビーム走査方向７ＤＲはホルダ回転軸Ｒと一致する方向となっている。テンプレート画像２９は、ウェーハのＹ−Ｙ方向に移動して、ウェーハ９画像において捜索対象となる画素の位置を抽出する。なお、ビーム走査はウェーハ９の画像を取得するのが目的である為、ビーム走査方向７ＤＬ、７ＤＲはホルダ回転軸Ｒと一致する方向に限らず、ウェーハ９の面内方向であれば任意に選択できる。
【００１４】
図４（Ｃ）に示すように、ウェーハ９Ｌ２は、ウェーハ平面の左画像２４Ｌ２の撮影に適合するように、ホルダ回転軸Ｒに対して時計回り方向ＣＷに角度φ１だけ傾斜している。また、図４（Ｄ）に示すように、ウェーハ９Ｒ２は、ウェーハ平面の右画像２４Ｒ２の撮影に適合するように、ホルダ回転軸Ｒに対して反時計回り方向ＣＣＷに角度−φ１だけ傾斜している。
【００１５】
次に、ホルダ回転軸Ｒとウェーハ９のＹ軸を一致させた姿勢の第２のステレオ画像に対して、異方性形状計測に用いるテンプレート処理を施す。図５は、テンプレート処理後の垂直方向傾斜による第２のステレオ画像の説明図である。図５に示すように、傾斜中心軸Ｓと一致するウェーハ９のＸ軸方向の線分は正確に抽出されているが、ホルダ回転軸Ｒと一致するウェーハ９のＹ軸方向の線分の抽出が旨く行なわれていない。
【００１６】
次に、このように構成された装置の動作を、上述の図１及び図２〜図５を参照して説明する。像形成光学系１０は、ビーム７を対象物９のヨー軸（Ｚ軸）方向へ略平行投影して、対象物９の像を形成する。第１の入射角度調整部２１は、対象物９の姿勢を第１の中立軸（Ｘ軸）方向に調整し、像形成光学系１０により対象物９に投影されるビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第１のステレオ画像を形成可能にする。第１画像検出部２６では、第１の入射角度調整部２１により、例えばホルダ回転軸Ｒとウェーハ９のＸ軸を一致させて、像形成光学系１０により対象物９に関して形成された第１のステレオ画像を受け取る。
【００１７】
第２の入射角度調整部２２は、対象物９の姿勢を面内傾斜軸（Ｙ軸）方向を含んで形成された第２の中立軸方向に調整し、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第２のステレオ画像を形成可能にする。例えば、図４の説例では、第２の中立軸方向がＹ軸と一致している。第２画像検出部２８は、第２の入射角度調整部２２及び像形成光学系１０により、例えばホルダ回転軸Ｒとウェーハ９のＹ軸を一致させて、対象物９に関して形成された第２のステレオ画像を受け取る。マッチング処理部３０は、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索すると共に、前記第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索する。形状測定部３４は、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物９の三次元座標データを求める。
【００１８】
好ましくは、本発明の三次元座標測定装置において、第２の入射角度調整部２２は、対象物９の姿勢を面内傾斜軸方向と第１の中立軸方向から定まる面内で、前記第１の中立軸と異なる方向に形成された第２の中立軸方向に調整する構成とするとよい。すると、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、第２のステレオ画像を形成する際に、第２の中立軸方向を適切に設定することで、異方性形状計測の死角を防止できる。
【００１９】
好ましくは、本発明の三次元座標測定装置において、第２の入射角度調整部２２は、対象物９の姿勢を面内傾斜軸方向に形成された第２の中立軸方向に調整する構成とするとよい。すると、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、第２のステレオ画像を形成する際に、対象物９に関して第１の中立軸方向と第２の中立軸方向が大略直交するので、異方性形状計測の計測感度が感度軸に対して概ね４５度程度傾斜している方向にも充分確保されている場合には、対象物９の面内回転方向が第１の中立軸方向と第２の中立軸方向の２方向で、異方性形状計測の死角を防止できる。
【００２０】
好ましくは、本発明の三次元座標測定装置において、さらに、像形成光学系１０又は第１画像検出部２６により形成される対象物の像に含まれる直線画像成分を抽出して、第１及び第２のステレオ画像の傾斜中心軸方向となるべき方向を演算する傾斜中心軸方向設定部３８を備える構成とすると、異方性形状計測の感度の方向依存性に配慮しながら、対象物の性状に適合する対象物９に対する第１の中立軸方向と第２の中立軸方向が設定できる。
【００２１】
好ましくは、本発明の三次元座標測定装置において、例えば図１に示すように、像形成光学系１０が電子レンズ部で形成され、第１及び第２の入射角度調整部（２１、２２）は、電子銃からの電子線を偏向する偏向器に制御信号を送る偏向器制御ユニットを用いて形成された走査型電子顕微鏡に用いられる構成とするとよい。なお、像形成光学系１０はテレセントリック系で形成されていてもよい。
【００２２】
上記目的を達成する本発明の三次元座標測定方法は、例えば図６に示すように、第１の入射角度調整部２１によって対象物９の姿勢を第１の中立軸方向に調整し（Ｓ１０３）、像形成光学系１０により対象物９のヨー軸方向に略平行投影されるビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第１のステレオ画像を形成し（Ｓ１０４、Ｓ１０６）、形成された第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ１０８）、第２の入射角度調整部２２により対象物９の姿勢を面内傾斜軸方向を含んで形成された第２の中立軸方向に調整し（Ｓ１１０）、第２の入射角度調整部２２によりビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第２のステレオ画像を形成し（Ｓ１１２、Ｓ１１４）、形成された第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ１１６）、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物の三次元座標データを求める（Ｓ１２２）各工程をコンピュータに実行させるものである。
【００２３】
上記目的を達成する本発明の三次元座標測定装置は、例えば図２４に示すように、ビーム７を対象物９のヨー軸方向へ略平行投影して、当該対象物９の像を形成する像形成光学系１０と、像形成光学系１０により形成される対象物９の像に含まれる直線画像成分を抽出して、対象物９についての第１及び第２のステレオ画像に対する第１及び第２の中立軸方向を演算する中立軸方向設定部８３と、対象物９の姿勢を第１の中立軸方向に調整し、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、対象物９について第１のステレオ画像を形成可能に調整する第１中立軸調整部８１と、第１中立軸調整部８１により入射角度が調整されて、像形成光学系１０により対象物９に関して形成された第１のステレオ画像を受け取る第１画像検出部８６と、対象物９の姿勢を第２の中立軸方向に調整し、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、対象物９について第２のステレオ画像を形成可能に調整する第２中立軸調整部８２と、第２中立軸調整部８２により前記入射角度が調整されて、像形成光学系１０により対象物９に関して形成された第２のステレオ画像を受け取る第２画像検出部８８と、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索すると共に、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索するマッチング処理部９０と、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物９の三次元座標データを求める形状測定部９３を備えている。
【００２４】
上記目的を達成する本発明の三次元座標測定方法は、例えば図２５に示すように、像形成光学系１０により形成される対象物９の像に含まれる直線画像成分を抽出して、対象物９の第１及び第２のステレオ画像に対する第１及び第２の中立軸方向を演算し（Ｓ４０６）、対象物９の姿勢を第１中立軸調整部８１によって前記第１の中立軸方向に調整し（Ｓ４１０）、像形成光学系１０により対象物９のヨー軸方向に略平行投影されるビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第１のステレオ画像を形成し（Ｓ４１２）、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ４１４）する。次に、対象物９の姿勢を第２中立軸調整部８２によって前記第２の中立軸方向に調整し（Ｓ４１６）、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を調整して、対象物９について第２のステレオ画像を形成し（Ｓ４１８）、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ４２０）、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物９の三次元座標データを求める（Ｓ４２６）各工程をコンピュータに実行させるものである。
【００２５】
上記目的を達成する本発明の三次元座標測定装置は、例えば図２７に示すように、ビーム７を対象物１００のヨー軸方向へ略平行投影して、当該対象物１００の像を形成する像形成光学系１０と、像形成光学系１０により形成される対象物１００の像に含まれる直線画像成分を抽出して、対象物１００についての第１及び第２のステレオ画像に対する第１及び第２の中立軸方向を演算する中立軸方向設定部８３と、対象物１００の斜面の傾斜方向に応じた多段の対象物の傾斜角度を、前記第１及び第２の中立軸方向の少なくとも一方に設定する傾斜角度多段設定部９５と、対象物１００の姿勢を第１の中立軸方向に調整し、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を調整して、一段又は前記多段の対象物の傾斜角度により撮影された画像を用いて、対象物１００について第１のステレオ画像を形成可能に調整する第１中立軸調整部８１と、第１中立軸調整部８１により入射角度が調整されて、像形成光学系１０により対象物１００に関して形成された第１のステレオ画像を受け取る第１画像検出部８６と、対象物１００の姿勢を第２の中立軸方向に調整し、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を調整して、一段又は前記多段の対象物の傾斜角度により撮影された画像を用いて、対象物１００について第２のステレオ画像を形成可能に調整する第２中立軸調整部８２と、第２中立軸調整部８２により前記入射角度が調整されて、像形成光学系１０により対象物１００に関して形成された第２のステレオ画像を受け取る第２画像検出部８８と、第１画像検出部８６又は第２画像検出部８８に格納されている画像であって、前記多段の対象物の傾斜角度により撮影された画像のうち、三次元形状計測に適合するように対象物１００の斜面が撮影されている画像を抽出する斜面画像抽出部９６と、斜面画像抽出部９６で抽出された第１のステレオ画像又は第２のステレオ画像に対して、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索すると共に、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索するマッチング処理部９０と、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物１００の三次元座標データを求める形状測定部９３を備えている。
【００２６】
上記目的を達成する本発明の三次元座標測定方法は、例えば図２９に示すように、像形成光学系１０により形成される対象物１００の像に含まれる直線画像成分を抽出して、対象物１００の第１及び第２のステレオ画像に対する第１及び第２の中立軸方向を演算し（Ｓ５０６）、対象物１００の斜面の傾斜方向に応じた多段の対象物の傾斜角度を、第１及び第２の中立軸方向の少なくとも一方に設定し（Ｓ５０７）、対象物１００の姿勢を第１中立軸調整部８１によって前記第１の中立軸方向に調整し（Ｓ５１０）、像形成光学系１０により対象物１００のヨー軸方向に略平行投影されるビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を調整して、対象物１００について第１のステレオ画像を形成し（Ｓ５１２）、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ５１４）する。次に、対象物１００の姿勢を第２中立軸調整部８２によって前記第２の中立軸方向に調整し（Ｓ５１６）、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を調整して、対象物１００について第２のステレオ画像を形成し（Ｓ５１８）、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ５２０）、第１のステレオ画像又は前記第２のステレオ画像であって、前記多段の対象物の傾斜角度により撮影された画像のうち、三次元形状計測に適合するように対象物１００の斜面が撮影されている画像を抽出し（Ｓ５２５）、前記抽出された斜面画像を含む第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物１００の三次元座標データを求める（Ｓ５２６）各工程をコンピュータに実行させるものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を図面により説明する。図１は本発明の第１の実施の形態を説明する構成ブロック図で、対象物を保持するホルダの回転角を調整して対象物の傾斜角を調整することで、ステレオ画像を得る場合を示している。図において、像形成光学系としての電子線装置１０（走査型顕微鏡）は、電子線７を放射する電子線源１、ビームとしての電子線７を対象物９に照射する電子光学系２、対象物９を傾斜可能に保持する試料ホルダ３、電子光学系２の倍率を変える倍率変更部６、倍率変更部６に電力を供給する走査電源６ａ、電子線７を検出する検出器４、試料ホルダ３を傾斜制御する傾斜制御部５としてのホルダ傾斜制御部５ｂ、対象物９から出射される二次電子のエネルギを減衰させて検出器４に反射させる２次電子変換ターゲット８を備えている。なお、電子線７を傾斜制御する傾斜制御部５としてのビーム傾斜制御部５ａは、第１の実施の形態で用いないが、後で説明する第２の実施の形態で用いる。
【００２８】
電子光学系２は、電子線源１から放射された電子線７の電子流密度、開き角、照射面積等を変えるコンデンサレンズ２ａ、電子線７の試料面上の入射角度を制御する偏向レンズ２ｂ、細かく絞られた電子線７を偏向して試料面上を二次元的に走査させる走査レンズ２ｃ、最終段縮小レンズの働きと共に試料面上での入射プローブの焦点合わせを行う対物レンズ２ｄを備えている。倍率変更部６の倍率変更命令に従って、走査レンズ２ｃにより電子線７を走査する試料面上の領域が定まる。ビーム傾斜制御部５ｂは試料ホルダ３に傾斜制御信号を送り、試料ホルダ３と照射電子線７とが第１の相対的傾斜角度をなす第１の姿勢の試料ホルダ３Ｌと、第２の相対的傾斜角度をなす第２の姿勢の試料ホルダ３Ｒとで切替えている。
【００２９】
第１の姿勢の試料ホルダ３Ｌに載置される対象物９の三次元座標系ＣＬは、電子線装置１０側を固定座標系として表すと、（ＸＬ，ＹＬ，ＺＬ）となる。たま、第２の姿勢の試料ホルダ３Ｒに載置される対象物９の三次元座標系ＣＲは、電子線装置１０側を固定座標系として表すと、（ＸＲ，ＹＲ，ＺＲ）となる。なお、ホルダ傾斜制御部５ｂによる試料ホルダ３と照射電子線７の相対的傾斜角度は、ここでは右側上がりＲと左側上がりＬの二通りに切替えて設定する場合を図示しているが、２段に限らず多段に設定してよいが、ステレオの検出データを得る為には最小２段必要である。対象物９の三次元座標系として、例えばヨー軸、ピッチ軸、ロール軸を設定した場合に、ヨー軸がＺ軸、ピッチ軸がＸ軸、ロール軸がＹ軸に対応する。そして、例えば図２（Ａ）、（Ｂ）の場合には、ピッチ軸（Ｘ軸）が中立軸に対応し、ロール軸（Ｙ軸）が面内傾斜軸に対応する。
【００３０】
対象物９は、例えばシリコン半導体やガリウム・ヒ素半導体のような半導体のチップであるが、電力用トランジスタ、ダイオード、サイリスタのような電子部品でもよく、また液晶パネルや有機ＥＬパネルのようなガラスを用いた表示装置用部品でもよい。典型的な走査型顕微鏡の観察条件では、電子線源１は−３ｋＶ、対象物９は−２．４ｋＶに印加されている。対象物９から放出された二次電子は、２次電子変換ターゲット８に衝突して、エネルギが弱められて検出器４で検出される。なお、対象物９をマースポテンシャルにした場合には、二次電子は霧のように振る舞いエネルギが弱く、検出器４で直接検出することができ、２次電子変換ターゲット８は不要である。
【００３１】
データ処理装置２０は、第１の入射角度調整部２１、第２の入射角度調整部２２、画像形成部２４、第１画像検出部２６、第２画像検出部２８、マッチング処理部３０、測定点・対応点データベース３２、形状測定部３４、三次元座標データベース３６並びに傾斜中心軸方向設定部３８を有している。データ処理装置２０は、例えばワークステーションのような高度の演算機能を有するコンピュータと、電子線装置１０との間で信号を授受する入出力インターフェースを備えている。
【００３２】
第１の入射角度調整部２１は、対象物９の姿勢を第１の中立軸方向に調整して、電子線装置１０により対象物９に投影されるビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、対象物９について第１のステレオ画像を形成可能に調整する。即ち、第１の入射角度調整部２１は、ホルダ傾斜制御部５ｂに制御信号を送って、対象物９の姿勢を第１の中立軸方向に調整している。そして、第１の入射角度調整部２１は、ホルダ傾斜制御部５ｂに制御信号を送って、電子線源１から放射されるビーム７の走査する基準面を調整して、第１のステレオ画像を形成するのに必要とされる左右画像を形成可能としている。第１の入射角度調整部２１によるビーム入射角度の調整は、少なくとも一対のステレオ画像（一次元の画像も可）を形成するように行なわれるもので、例えば図２（Ａ）、（Ｂ）や図４（Ａ）、（Ｂ）に示すような左右画像に対して、左画像用の第１の入射角度と右画像用の第２の入射角度のように、少なくとも２つの入射角度となるように、ビームの入射角度又は対象物の傾斜角度を調整する。
【００３３】
第２の入射角度調整部２２は、ホルダ傾斜制御部５ｂに制御信号を送って、対象物９の姿勢を面内傾斜軸方向を含んで形成された第２の中立軸方向に調整している。そして、第２の入射角度調整部２２は、ホルダ傾斜制御部５ｂに制御信号を送って、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、第２のステレオ画像を形成可能に調整する。第２の中立軸は、対象物９の面内傾斜軸方向と第１の中立軸方向から定まる面内に形成するのが良く、好ましくは図４に示したように、対象物９の面内傾斜軸方向、即ち第１のステレオ画像における対象物９のホルダ回転軸Ｒと直交する方向に形成する。
【００３４】
画像形成部２４は、走査レンズ２ｃにより電子線７が試料面上の領域を走査する際に、検出器４で検出される二次電子線を用いて、試料面上の画像を作成する。表示装置２５は画像形成部２４で作成された画像をオペレータが観察できるように表示するもので、例えばＣＲＴや液晶パネルが用いられる。表示装置２５は通常の一画面モニタでもよく、ステレオ表示可能なモニタでもよく、或いは両方備えていてもよい。
【００３５】
第１画像検出部２６は、第１の入射角度調整部２１によりビーム７と対象物９との相対的な入射角度が調整された場合に、画像形成部２４を用いて電子線装置１０により対象物９に関して形成された第１のステレオ画像を受け取る。第２画像検出部２８は、第２の入射角度調整部２２によりビーム７と対象物９との相対的な入射角度が調整された場合に、画像形成部２４を用いて電子線装置１０により対象物９に関して形成された第２のステレオ画像を受け取る。
【００３６】
マッチング処理部３０は、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索すると共に、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索する。マッチング処理部３０の処理内容は、後で詳細に説明するように、異方性形状計測としての性質を有している。ここで、測定点は対象物９に定義された点であり、対応点は一対のステレオ画像に現れた前記測定点と対応する画像上の点でもよい。或いは、測定点は一対のステレオ画像の一方に定義された基準画像の基準点であり、対応点は一対のステレオ画像の他方に定義された測定点と対応する画像上の点でもよい。また、マッチング処理部３０では、第１のステレオ画像と第２のステレオ画像を合成して合成画像３１を生成する機能を有する。そこで、異方性形状計測により検出できない方向の線分に関しても、マッチング処理部３０により合成画像３１を生成することで、マッチング処理部３０は全ての方向の線分を検出する感度を備えるに至る。
【００３７】
測定点・対応点データベース３２は、マッチング処理部３０の処理で用いられるもので、例えば左画像に測定点を設定すると、右画像の対応点がマッチング処理部３０の処理により求められる。また、第１のステレオ画像と第２のステレオ画像における測定点と対応点の位置対応関係も含ませるとよい。形状測定部３４は、測定点・対応点データベース３２に記録される第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から、対象物９の三次元座標データを求めるもので、各測定点と対応点の三次元座標データは三次元座標データベース３６に記録される。測定点・対応点データベース３２と三次元座標データベース３６は、例えばオラクル社やＩＢＭから提供されるリレーショナル・データベースシステムを用いて構成されている。
【００３８】
傾斜中心軸方向設定部３８は、電子線装置１０又は第１画像検出部２６により形成される対象物の像に含まれる直線画像成分を抽出して、第１及び第２のステレオ画像の傾斜中心軸方向となるべき方向を演算する。また、形状測定部３４によって、第１及び第２のステレオ画像の両方を用いても、測定点と対応点の対応が確保できない領域があると判断された場合にも、傾斜中心軸方向設定部３８によって、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、残存領域での測定点と対応点の対応が確保できる方向となる新たな第２の中立軸方向を演算する。
【００３９】
このように構成された装置の動作を説明する。図６は図１の装置の動作を説明するフローチャートである。まず、像形成光学系としての電子線装置１０による対象物９の三次元画像計測を開始する（Ｓ１００）。そこで、電子線装置１０のビーム７による対象物９のヨー軸方向への略平行投影を開始する（Ｓ１０２）。そして、第１の入射角度調整部２１がホルダ傾斜制御部５ｂに姿勢制御信号を送って、対象物９の姿勢を第１の中立軸方向に調整をする（Ｓ１０３）。次に、第１の入射角度調整部２１が、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、ホルダ傾斜制御部５ｂによって第１のステレオ画像の左画像に対応するように調整し、画像形成部２４により対象物画像を取得する（Ｓ１０４）。続いて、第１の入射角度調整部２１が、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、ホルダ傾斜制御部５ｂによって第１のステレオ画像の右画像に対応するように調整し、画像形成部２４により対象物画像を取得する（Ｓ１０６）。そして、マッチング処理部３０によって、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ１０８）、探索結果を例えば測定点・対応点データベース３２に記録する。
【００４０】
続いて、第２の入射角度調整部２２がホルダ傾斜制御部５ｂに姿勢制御信号を送って、対象物９の姿勢を面内傾斜軸方向を含んで形成された第２の中立軸方向に調整する（Ｓ１１０）。例えば、対象物９を載置するホルダ３の回転軸を、対象物９の第１の中立軸方向から第２の中立軸方向に調整する。そして、第２の入射角度調整部２２が、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、ホルダ傾斜制御部５ｂによって第２のステレオ画像の左画像に対応するように調整し、画像形成部２４により対象物画像を取得する（Ｓ１１２）。次に、第２の入射角度調整部２２が、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、ホルダ傾斜制御部５ｂによって第２のステレオ画像の右画像に対応するように調整し、画像形成部２４により対象物画像を取得する（Ｓ１１４）。そして、マッチング処理部３０によって、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ１１６）、探索結果を例えば測定点・対応点データベース３２に記録する。
【００４１】
そして、形状測定部３４によって、第１及び第２のステレオ画像の両方を用いても、測定点と対応点の対応が確保できない領域があるか判断する（Ｓ１１８）。Ｓ１１８で、測定点と対応点の対応が確保できない領域が残存していると判断される場合には、傾斜中心軸方向設定部３８によって、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、残存領域での測定点と対応点の対応が確保できる方向に第２の中立軸方向を再度設定して（Ｓ１２０）、Ｓ１１２に戻る。Ｓ１１８で、測定点と対応点の対応が全ての領域で確保されていると判断される場合には、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係を用いて、合成画像３１について形状測定部３４により対象物の三次元座標データを求める（Ｓ１２２）。この求めた三次元座標データは、三次元座標データベース３６に格納する。そして、対象物９の三次元画像計測が終了して、リターンとなる。
【００４２】
図７は図１の装置により処理される第１及び第２のステレオ画像の関係を説明する図で、（Ａ）は原画像、（Ｂ）は第１の中立軸にかかる第１のステレオ画像より抽出された処理画像、（Ｃ）は（Ｂ）の対象物Ｙ−Ｙ側面図、（Ｄ）は第２の中立軸にかかる第２のステレオ画像より抽出された処理画像、（Ｅ）は（Ｄ）の対象物Ｙ−Ｙ側面図、（Ｇ）は（Ｂ）と（Ｄ）の処理画像を合成した画像である。なお、図７において前出の図２〜図５の記載と重複する部分は説明を省略する。
【００４３】
ここでは、説明を簡単にするために、原画像に矩形のパターンが描かれているとする。矩形図形は、対象物９のＸ軸とＹ軸に沿う方向の直線より構成されているものとする。すると、第１のステレオ画像より抽出された処理画像では、図７（Ｂ）に示すようにＹ軸方向の線分は検出できている。しかし、Ｘ軸方向の線分はホルダ回転軸Ｒと一致しているため、異方性形状計測の無感度軸と一致するから、マッチング処理部３０の処理では検出できていない。また、第２のステレオ画像より抽出された処理画像では、図７（Ｄ）に示すようにＸ軸方向の線分は検出できている。しかし、Ｙ軸方向の線分はホルダ回転軸Ｒと一致しているため、異方性形状計測の無感度軸と一致するから、マッチング処理部３０の処理では検出できていない。
【００４４】
そこで、マッチング処理部３０により、第１のステレオ画像より抽出された処理画像と第２のステレオ画像より抽出された処理画像を、論理和形式で合成することによって、異方性形状計測の無感度軸と一致する方向の線分が検出できない不利益を補償して、対象物９に描かれた矩形のパターンを完全に再現できるようにしている。また、マッチング処理部３０では、第１及び第２のステレオ画像より重複して抽出された領域の処理画像に関しては、両者の平均により合成画像３１とすることによって、ノイズ成分の少ない信頼性の高い三次元画像計測用の処理画像が作成できる。
【００４５】
図８は、図７で説明した第１及び第２のステレオ画像より抽出された処理画像により合成された画像の一例を示す図である。図８で示す合成画像は、図３で示した第１の中立軸にかかる第１のステレオ画像より抽出された処理画像と、図５で示した第２の中立軸にかかる第２のステレオ画像より抽出された処理画像を合成したものである。図３及び図５において、ホルダ回転軸Ｒと一致する方向の線分は、異方性形状計測の無感度軸と一致するから、マッチング処理部３０の処理では検出できていない。しかし、マッチング処理部３０の画像合成機能により作成された合成画像３１によれば、異方性形状計測の感度方向依存性によって検出できない方向はなくなって、全ての方向の線分が検出されている。
【００４６】
図９は、対象物の表面に形成されるパターンの一例を示す図である。パターンは、図７で説明したような矩形に限られるものではなく、図９（Ａ）に示すような五角形のように、ホルダ回転軸Ｒと一致する方向の線分に加えて、ホルダ回転軸Ｒに対して任意の方向を向いた線分も存在している。この場合、図９（Ｂ）に示すように、対象物９の姿勢を９０度反転させても、異方性形状計測の感度方向依存性によって検出できない方向、即ちホルダ回転軸Ｒと一致する方向の線分は残存する。
【００４７】
図１０は、傾斜中心軸方向設定部３８による変形実施例の説明図である。上記実施例においては、第２の入射角度調整部２２により対象物９を第２の中立軸方向に調整して、第１の入射角度調整部２１により第２のステレオ画像を形成可能としていた。しかし、図９に示すような図面の面内方向で各種の傾斜を有するパターンの場合には、第１及び第２のステレオ画像より合成画像３１を生成しただけでは、異方性形状計測の感度方向依存性に起因して、三次元画像計測の精度が充分得られない事態も予想される。そこで、傾斜中心軸方向設定部３８により第３、第４の中立軸方向を設定する。すると、第２の入射角度調整部２２により対象物９を第３、第４の中立軸方向に調整して、第１の入射角度調整部２１により第３、第４のステレオ画像を形成することによって、多数画像の積重ね処理に起因するノイズ低減効果が発揮でき、信頼性の高い三次元画像計測が行なえる。
【００４８】
［平行投影に関する補足説明］
ステレオ画像を用いた三次元画像計測において、電子顕微鏡の電子ビームで撮影する場合は平行投影となるため、航空写真測量やディジタルカメラを用いたステレオ撮影に相当する中心投影とは、事情が異なる。即ち、中心投影であれば、例えば左画像を基準画像として探索画像としての右画像の対応点を探索する場合に、左右画像で縦視差をあわせて立体視できる状態にした時、仮に左右画像のパターンがホルダ回転軸方向と一致していても、左右画像における平行直線には中心投影に起因する角度が形成される。そこで、異方性形状計測による三次元形状計測装置であっても、電子ビームの入射角度を左右画像の撮影方向に応じて変更させることで、画像処理装置により左右画像の対応点の探索ができて、左右画像の被写体に関する三次元座標が計測できる。
【００４９】
しかし、平行投影であれば、例えば左画像を基準画像として探索画像としての右画像の対応点を探索する場合に、左右画像で縦視差をあわせて立体視できる状態にした時、仮に左右画像のパターンがホルダ回転軸方向と一致していると、平行投影であるため左右画像における平行直線は左右平行となる。そこで、異方性形状計測による三次元形状計測装置の場合には、電子ビームの入射角度を左右画像の撮影方向に応じて変更させても、画像処理装置による左右画像の対応点の探索が不可能となり、左右画像の被写体に関する三次元座標が計測できなくなる。即ち、左右画像のパターンがホルダ回転軸方向と一致していると、異方性形状計測では三次元座標の計測できない。これが異方性形状計測における異方性を生じる原因である。
【００５０】
［異方性形状計測の説明］
図１１は異方性形状計測の一例としての、粗密探索法とバックマッチング法を組合せた画像測定装置を説明する全体構成ブロック図である。図において、半導体や生体組織・細胞のような対象物４１がテーブル（図示せず）等に載置されており、同一の光学的特性を有するカメラ４２ａ、４２ｂによって撮影される。像形成光学系としてのカメラ４２ａ、４２ｂは焦点距離が既知で、レンズ収差が補償されるものであり、対象物４１が左右のステレオカメラ４２ａ、４２ｂで同一解像度で撮影されるように配置されている。左右のステレオカメラ４２ａ、４２ｂは、対象物４１に対して、例えば８０％程度以上の高い重複率で撮影した、一対のステレオ撮影画像データ４３を生成する。カメラは、汎用の印画紙を用いた光学式カメラでもよく、またＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）のような電子式でもよい。画像処理を円滑に行なう為には、ステレオ撮影画像データ４３は電磁気記録情報としてフレキシブル・ディスク、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等に記憶させておくと良い。
【００５１】
標定処理部４４は、左右のステレオカメラ４２ａ、４２ｂで撮影されたステレオ撮影画像データ４３に対して、内部標定と外部標定を行ない、ステレオマッチング処理を可能とする。内部標定とは、撮影したカメラや結像面（フィルム）に関連した内部幾何構造の補正・キャリブレーションを行なうもので、例えばレンズの歪み、レンズとフィルムの偏心のような位置関係、フィルムの平面性の補正を行なう。外部標定とは、撮影した時のカメラの位置・姿勢を決定するもので、例えば共線条件式を用いて定式化されている。共線条件式は投影中心・フィルム上の位置、対象物は一直線上にあるという関係式である。標定処理部４４で標定された左右一対のステレオ画像４６は、ステレオ画像記録部４５に記憶される。ステレオ画像記録部４５は、例えばフレキシブル・ディスク、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等のように画像情報を電磁気情報として記憶する媒体である。標定処理は、予め装置のパラメータとして事前に求めておいても良いし、画像を計測して求めても良い。なお、ここでいうレンズには、電子顕微鏡の電子レンズも含まれる。
【００５２】
画像測定装置５０は、概略位置測定部５１、画像形成部５２、画像処理部５５、探索データブロック設定部５６、捜索対応検出部５９、逆対応判別部６１、測定部６４、画像再構築部６５、左右画像対応関係データベース６８を備えている。また、画像測定装置５０で取扱われるデータとしては、基準画像５３、捜索画像５４、基準データブロック５７、捜索データブロック５８、対応捜索画像領域６０、逆対応データブロック６２がある。画像測定装置５０には、演算処理機能の高いパソコンやワークステーションのようなコンピュータが使用される。画像測定装置５０の各構成要素は、アプリケーション・ソフトウェアやＡＳＩＣのような高度に集積した電子回路にて構成されている。
【００５３】
概略位置測定部５１は、一対のステレオ画像４６中のマーク又は特徴点を抽出し、抽出されたマーク又は特徴点を用いて射影変換処理によりステレオ画像中のマーク又は特徴点の概略位置を求める機能を有する。
【００５４】
画像形成部５２は、一対のステレオ画像４６に対する基準画像５３と捜索画像５４を生成するもので、高い解像度のものから低い解像度のものに順次基準画像５３ａ、５３ｂと捜索画像５４ａ、５４ｂを生成する。典型的には、一対のステレオ画像４６のうち、左画像に基準画像５３が生成されると、捜索画像５４は基準画像が生成された他方の画像、即ち右画像に生成される。画像の解像度は、画像の木目細やかな表現力を定めるパラメータとなっており、低い解像度では粗い解像度、高い解像度では密な解像度が得られる。画像に含まれるデータ量は莫大であり、ステレオマッチングでの演算量を削減するために、低い解像度の画像で大まかな対応点の位置を抽出し、順次高い解像度の画像で詳細な対応点の位置を抽出してゆく。典型的には、第１解像度としての低解像度と、第２解像度としての高解像度の２階層で画像を生成すればよい。画像解像度に関する階層構造は、粗密探索法（Ｃｏａｒｓｅ Ｔｏ Ｆｉｎｅ法）に関連するもので、詳細は後で説明する。なお、画像形成部５２で生成する基準画像５３と捜索画像５４は、３階層以上であってもよい。
【００５５】
画像処理部５５は、画像形成部５２で取扱う、一対のステレオ画像４６、基準画像５３、捜索画像５４を鮮鋭化させたり、コントラスト強調、エッジ強調を行ったり、解像度の異なる画像を作成する際に必要な画像データの補間や圧縮を行なったり、画像データから特徴抽出を行ったりする。
【００５６】
探索データブロック設定部５６は、基準画像５３に対する基準データブロック５７と、捜索画像５４に対する捜索データブロック５８を設定する。画像形成部５２で生成される基準画像５３と捜索画像５４が、低解像度と高解像度の２階層で生成される場合には、探索データブロック設定部５６は、基準データブロック５７と捜索データブロック５８も低解像度と高解像度の２階層として生成する。画像形成部５２で生成される基準画像５３と捜索画像５４が３階層の解像度で生成される場合には、探索データブロック設定部５６は、基準データブロック５７と捜索データブロック５８も３階層の解像度で生成する。捜索データブロック５８は基準データブロック５７の捜索する範囲を限定するもので、捜索画像５４全体より小さく、基準データブロック５７より大きくするのが良い。
【００５７】
捜索対応検出部５９は、基準画像５３に設けられた基準データブロック５７に対応する捜索データブロック５８を捜索画像５４上で捜索する。画像データを取扱うので、同じ解像度での基準画像５３と捜索画像５４との間で、基準データブロック５７と同一又は同一性のある捜索データブロック５８を探す。従って、捜索対応検出部５９は、異なる解像度の基準画像５３と捜索画像５４との間での捜索対応検出は行なわない。具体的には、捜索対応検出部５９は、第１捜索画像５４ａ中の第１捜索データブロック５８ａにおいて、第１基準データブロック５７ａと対応関係となる第１対応捜索画像領域６０ａを求め、第２捜索画像５４ｂ中の第２捜索データブロック５８ｂにおいて、第２基準データブロック５７ｂと対応関係となる第２対応捜索画像領域６０ｂを求める。第１対応捜索画像領域６０ａは、第１捜索データブロック５８ａにおいて、第１基準データブロック５７ａと相関関係が最も高く、従って対応画像領域の存在する位置を画像座標情報によって表せば数値演算による画像処理が簡便に行なえる。画像座標情報とすると、画素単位で位置関係を表すことができ、対応点の位置表現が詳細に行なえる。第２対応捜索画像領域６０ｂに関しても、第１対応捜索画像領域６０ａと同様である。
【００５８】
逆対応判別部６１は、基準画像５３と捜索画像５４との間で、ステレオマッチング処理をした結果の対応点が真であるか、偽であるか判別する。具体的には、逆対応判別部６１は、第２対応捜索画像領域６０ｂを用いて第２捜索画像５４ｂ中に第２基準データブロック５７ｂに相当する逆対応データブロック６２を設定し、第２基準画像５３ｂにおいて逆対応データブロック６２と対応関係となる逆対応基準画像領域６３を求め、第２基準画像５３ｂにおいて逆対応基準画像領域６３と第２基準データブロック５７ｂとが一致するか判定する。詳細は後で説明する。
【００５９】
測定部６４では、逆対応判別部６１で逆対応基準画像領域６３と第２基準データブロック５７ｂとが一致すると判定された第２対応捜索画像領域６０ｂを用いて、第２基準画像５３ｂと第２捜索画像５４ｂとの位置関係を求められる。さらに、測定部６４では、求められた位置関係を利用して一対のステレオ画像に撮影された対象物の測定を行なう。
【００６０】
画像再構築部６５は、画像測定装置５０で得られた、一対のステレオ画像４６に撮影された対象物の測定結果から、対象物の二次元又は三次元の画像を再構築する。再構築画像６６には、三次元鳥瞰図や正射写真図等の各種の画像がある。左右画像対応関係データベース６８は、一対のステレオ画像４６に撮影されている左右画像の対応点に関する情報が格納されるもので、概略位置測定部５１、画像形成部５２、画像処理部５５、探索データブロック設定部５６、捜索対応検出部５９、逆対応判別部６１、測定部６４、画像再構築部６５に対して共通のデータベースとして用いられる。
【００６１】
次に、各構成要素の作用について図面を参照して、さらに詳細に説明する。図１２は粗密探索法の階層構造を説明する構成図である。捜索対応検出部５９での画像相関演算時間を最適化するために、画像を異なる解像度の多層階層とする。この場合、画像相関演算による対応点を確実に検出するために、ピラミッド構造型の多層階層による捜索を利用する。ピラミッド構造では、粗い解像度の最上層で概略重ね合わせを行ってから、密の解像度で詳細重ね合わせを行う為、画像相関演算における画像の重ねあわせでバックトラックを必要としない。そこで、画像相関演算を短縮すると同時に、各解像度の画像におけるマッチング結果の統合判断が可能となる為、誤対応が低減できる。ピラミッド構造型の多層階層では、図１２に示すように、予め画像解像度の異なる画像を低解像度層（第一基準画像）、第２層（第二基準画像）、…、高解像度層（第Ｌ基準画像）、低解像度層（第一捜索画像）、第２層（第二捜索画像）、…、高解像度層（第Ｌ捜索画像）というふうに作成する。高解像度層は、例えば基準画像５３や捜索画像５４の画素密度と等倍とし、以下一層毎に画素解像度を１／２（縮小解像度を２倍）にするとよい。
【００６２】
即ち、上述の基準画像や捜索画像のピラミッド構造は、画像処理部５５や画像形成部５２により（式１）を適用することで、第１層から第Ｌ層（最下層を第Ｌ’層とする）まで構築される。ここでは、第Ｌ層が
【数１】
【００６３】
図１３は基準画像５３に設定される基準データブロック５７と、捜索画像５４に設定される捜索データブロック５８の説明図である。探索データブロック設定部５６は、基準画像５３に設定される基準データブロック５７に比較して、捜索画像５４に設定される捜索データブロック５８の領域を広く取っている。これにより、捜索データブロック５８内の領域に、基準データブロック５７との相関係数の高い領域が存在する可能性が高くなる。なお、基準データブロック５７と捜索データブロック５８は、画像を構成する全ての画素に対して定義することができる。全ての画素に対して定義すると、パターン配線前の半導体ウェハのように画像情報に顕著なパターンが表れない場合でも、全体的な色調や明度のパターンから、位置の判別が可能な場所が出現してくる。しかし、一定間隔や対応点・特徴点のように位置対応が判別できる程度の濃淡や形状・輪郭を含む画像情報に限って、基準データブロック５７と捜索データブロック５８を設定してもよい。
【００６４】
次に、正規化相関係数によるマッチング法を、図１３を参照して説明する。図１３において、右画像を基準画像５３、左画像を捜索画像５４とする。基準データブロック５７は、Ｎ個のデータから構成されるとし、捜索データブロック５８は画像座標（Ｕ、Ｖ）を起点とする。正規化相関係数によるマッチング法では、基準データブロック５７を捜索データブロック５８の中を左から右に動かし、捜索データブロック５８の右端まで行くと下がって左端に戻り、また基準データブロック５７を左から右に動かすラスタ走査を行いながら、各位置で式２による演算処理を行なう。
Ｍ＝Ｍ（Ｘｉ，Ｙｉ） （１≦ｉ≦Ｎ） ・・・（２）
Ｉ＝Ｉ（Ｕ＋Ｘｉ，Ｖ＋Ｙｉ）
とする。ここで、Ｍは基準データブロック５７の正規化数値、Ｉは捜索データブロック５８の正規化数値とする。
【００６５】
すると、基準データブロック５７と捜索データブロック５８の類似度は、次の正規化相関係数Ｒ（Ｕ、Ｖ）で与えられる。
【数２】
【００６６】
捜索データブロック５８中に、基準データブロック５７と類似している点が無かった場合は、正規化相関係数値Ｒの最大値が小さく（例えば０．１）なるので、対応捜索画像領域６０の探索は失敗とする。しかし探索を行う際に、捜索対応検出部５９は、正規化相関係数値Ｒが最大となった座標値を対応捜索画像領域６０の座標値としている。そこで、Ｒ＝０．１とノイズに近い場合でも、低い正規化相関係数値の座標値が対応捜索画像領域６０の座標値となってしまうことがある。従って正規化相関係数値Ｒの最大値があまりに小さく、設定したしきい値（例えば０．２〜０．３）以下の場合は、対応捜索画像領域６０の探索は失敗とする。
【００６７】
図１４は、逆対応判別部６１によるバックマッチング法の説明図で、（Ａ）は探索された対応点が真（ＯＫ）の場合、（Ｂ）は偽（ＮＧ）の場合を示している。逆対応判別部６１では、基準画像５３の基準データブロック５７から捜索画像５４の捜索データブロック５８の対応する対応捜索画像領域６０を捜索する。次に、逆対応判別部６１は、捜索された捜索データブロック５８上の対応捜索画像領域６０を逆対応データブロック６２として設定する。そして、逆対応判別部６１は、基準画像５３において逆対応データブロック６２と対応関係となる逆対応基準画像領域６３を求め、基準画像５３において逆対応基準画像領域６３と基準データブロック５７とが一致するか判定する。そして、逆対応基準画像領域６３と基準データブロック５７が一致していれば、探索した対応捜索画像領域６０は真とし、不一致であれば偽（マッチング失敗）とする。逆対応判別部６１で偽に相当する対応捜索画像領域６０を除去することで、誤対応点を除去することが可能となる、
【００６８】
図１５は、逆対応判別部６１によるバックマッチングを説明するフローチャートである。以下、図１４と図１５に従って逆対応判別部６１によるバックマッチングの手順を説明する。なお、図１４では説明を単純にするために、基準画像５３と捜索画像５４の同一ライン上の領域に、基準データブロック５７と捜索データブロック５８が存在しているとする。まず、バックマッチングが開始される（Ｓ２００）と、逆対応判別部６１は基準画像５３のＯＫ領域を基準データブロック５７として設定する（Ｓ２０２）。次に、逆対応判別部６１は、基準データブロック５７を用いて、捜索画像５４内の捜索データブロック５８上を探す（Ｓ２０４）。捜索画像５４内の捜索データブロック５８で相関係数の高い対応捜索画像領域６０を見付けたら、対応捜索画像領域６０を逆対応データブロック６２に設定する（Ｓ２０６）。
【００６９】
逆対応データブロック６２は基準データブロック５７と同様に処理されるもので、逆対応基準画像領域６３が対応捜索画像領域６０に対応している。そこで、逆対応判別部６１は、逆対応データブロック６２を用いて、基準画像５３中の基準データブロック５７と同一ライン上を捜索する（Ｓ２０８）。相関係数が最大となる逆対応基準画像領域６３が見つかると、逆対応判別部６１は、逆対応基準画像領域６３が当初の基準データブロック５７であるＯＫ領域と一致しているか判断する（Ｓ２１０）。逆対応基準画像領域６３がＯＫ領域を探し出せれば、逆対応判別部６１はマッチング成功と判断する（Ｓ２１２）。逆対応基準画像領域６３がＯＫ領域ではなく、他の場所（ＮＧ領域）を探し出した場合は、逆対応判別部６１はマッチングが失敗と判断する（Ｓ２１４）。
【００７０】
続いて、このように構成された装置の動作について説明する。図１６は一対のステレオ画像に対する三次元画像計測処理全体を説明するフローチャートである。まず、左右のステレオカメラ４２ａ、４２ｂを用いて、対象物４１の左右のカメラ画像を取得する（Ｓ２３０）。左右のカメラ画像は、ステレオ撮影画像データ４３として、標定処理部４４により画像を補正する（同時に縦視差を除去する）。作成されたステレオ画像は、一対のステレオ画像４６としてステレオ画像記録部４５に記憶される。一対のステレオ画像４６に対して、ステレオ・マッチング処理が行なわれる（Ｓ２３４）。ステレオ・マッチング処理が行なわれた一対のステレオ画像４６を用いて、ステレオ画像４６に撮影された対象物４１の三次元座標計測が行なわれる（Ｓ２３６）。また、必要に応じて態様で、対象物４１の三次元画像を再構築する（Ｓ２３８）。
【００７１】
続いて、図１７を用いて図１１の画像測定装置の動作を説明する。図１７のフローチャートでは、粗密探索法とバックマッチングを組合せた動作について説明する。まず、画像形成部５２が、一対のステレオ画像４６に関して第１解像度の第１基準画像５３ａと第１捜索画像５４ａを形成する（Ｓ３００）。次に、探索データブロック設定部５６が第１基準画像５３ａに、第１解像度に対応する画素データを有する第１基準データブロック５７ａを設定する（Ｓ３０２）。また、探索データブロック設定部５６は、第１捜索画像５４ａに、第１解像度に対応する画素データを有する第１捜索データブロック５８ａを設定する（Ｓ３０４）。そして、捜索対応検出部５９が第１捜索画像５４ａ中の第１捜索データブロック５８ａにおいて、第１基準データブロック５７ａと対応関係となる第１対応捜索画像領域６０ａを求める（Ｓ３０６）。
【００７２】
次に、画像形成部５２が一対のステレオ画像４６に関して、第１解像度より高い第２解像度の第２基準画像５３ｂと第２捜索画像５４ｂを形成する（Ｓ３０８）。また、探索データブロック設定部５６が第２基準画像５３ｂに、第２解像度に対応する画素データを有する第２基準データブロック５７ｂを設定する（Ｓ３１０）。探索データブロック設定部５６が、第２捜索画像５４ｂに、第２解像度に対応する画素データを有する第２捜索データブロック５８ｂを設定する（Ｓ３１２）。この第２捜索データブロック５８ｂの設定には、第１対応捜索画像領域６０ａの情報が用いられる。第１捜索画像５４ａと第２捜索画像５４ｂには、粗密探索法の階層構造が用いられている為、第１対応捜索画像領域６０ａの位置情報は有用な為である。そして、捜索対応検出部５９が第２捜索画像５４ｂ中の第２捜索データブロック５８ｂにおいて、第２基準データブロック５７ｂと対応関係となる第２対応捜索画像領域６０ｂを求める（Ｓ３５４）。
【００７３】
次に、バックマッチングによる検証が行なわれる。まず、逆対応判別部６１が第２対応捜索画像領域６０ｂを用いて第２捜索画像５４ｂ中に、第２基準データブロック５７ｂに相当する逆対応データブロック６２を設定する（Ｓ３１６）。次に、逆対応判別部６１が第２基準画像５３ｂにおいて逆対応データブロック６２と対応関係となる逆対応基準画像領域６３を求める（Ｓ３１８）。そして、逆対応判別部６１は、第２基準画像５３ｂにおいて逆対応基準画像領域６３と第２基準データブロック５７ｂとが一致するか判定する（Ｓ３２０）。一致していれば、捜索対応検出部５９が捜索した第２対応捜索画像領域６０ｂは真である（Ｓ３２２）。Ｓ３２０で不一致であれば、捜索対応検出部５９が捜索した第２対応捜索画像領域６０ｂは偽である（Ｓ３２４）。
【００７４】
そこで、Ｓ３２２にて逆対応基準画像領域６３と第２基準データブロック５７ｂとが一致すると判定された第２対応捜索画像領域６０ｂを用いて、第２基準画像５３ｂと第２捜索画像５４ｂとの位置関係が求められる（Ｓ３２６）。そして、測定部６４によって、一対のステレオ画像４６に撮影された対象物の測定を行なう（Ｓ３２８）。
【００７５】
次に、画像処理部で行なわれる鮮鋭化処理について説明する。画像処理部５５によって、一対のステレオ画像４６に対する画像前処理として画像鮮鋭化、コントラスト強調、エッジ強調等を行っておくと、基準画像５３と捜索画像５４に対して適用される相関係数値が高くなり、確実に対応点座標の検出が可能になる。画像前処理には公知の多種多様な処理が存在するが、代表的な処理としてラプラシアンフィルタを用いた画像鮮鋭化処理を説明する。
【００７６】
図１８はラプラシアンオペーレタの一例を示す構成図である。ラプラシアンオペーレタは３ｘ３の画素に対する数値演算を施すもので、中央画素（２、２）に対する係数が『５』、中央画素に対して縦横画素（２、１）、（２、３）、（１、２）、（３、２）に対する係数が『−１』、中央画素に対して斜め画素（１、１）、（１、３）、（３、１）、（３、３）に対する係数が『０』になっている。ラプラシアンオペーレタを利用することにより、鮮鋭化処理された画像を得ることができる。
【００７７】
ラプラシアンオペーレタの基本式を、式４に示す。
ｇ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｉ、ｊ）−∇２ｆ（ｉ，ｊ） ・・・（４）
ここで、ｇ（ｉ，ｊ）は鮮鋭化画像であり、ｆ（ｉ，ｊ）は入力画像である。∇２ｆ（ｉ，ｊ）は入力画像のラプラシアンとなっており、例えば上述した図１８に示す係数のものや、各種重み付けや画素数の微分オペレータが存在する。また、ラプラシアンに加えてガウシアンを施したものでもよい。
【００７８】
また、式５に示すような、計算処理によって求めてもよい。式５は、鮮鋭化処理として計算処理的なガウシアンを施したものである。
【数３】
ｇ（ｘ，ｙ）＝ｆ（ｘ、ｙ）−∇２Ｇ（ｘ，ｙ） ・・・（６）
ここで、ｇ（ｘ，ｙ）は鮮鋭化画像、ｆ（ｘ，ｙ）は入力画像、∇２Ｇ（ｘ，ｙ）は入力画像のラプラシアンガウシアンとなっている。また、左右画像の撮影時において、ピントのあった状態（式６のｆ（ｘ、ｙ）に相当）とピントの合っていない状態（式６の∇２Ｇ（ｘ，ｙ）に相当）の同一画像を撮影し、その差分画像を得ることによって、鮮鋭化処理を行なっても良い。
【００７９】
また、鮮鋭化処理の一態様として、エッジ抽出処理がある。図１９は、線検出オペーレタの一例を示す構成図である。線検出オペーレタは、縦方向の画素に対して係数『１』を作用させ、横方向に隣接する画素に対しては縦方向に係数『−１／２』を作用させて、縦方向の線分を検出している。そこで、検出したい方向の線検出オペレータを、画像に畳み込み処理して、エッジ抽出処理ができる。
【００８０】
なお、画像処理部で鮮鋭化処理された画像からエッジ抽出を行うこともできる。即ち、エッジ抽出処理は、鮮鋭化画像の濃度値のゼロ交差点をエッジと設定することで、エッジ抽出ができる。そこで、ゼロとなった点のみを画像化する、あるいはゼロを境にしてプラス領域を白、マイナス領域を黒とすることにより画像化される。
【００８１】
図２０は鮮鋭化処理とエッジ抽出処理の一例を示す図で、（Ａ）は原画像、（Ｂ）は鮮鋭化処理画像を示している。原画像は、例えば半導体のＳＥＭ画像で、パターンの線分がぼやけている。しかし、鮮鋭化処理画像では、鮮鋭化処理とエッジ抽出処理によってパターンの線分が明瞭に抽出されている。パターンの線分を明瞭化することで、基準画像と探索画像との位置対応を求めることが容易になる。
【００８２】
粗密探索法の総階層数が３層の場合を例に、画像測定方法を説明する。図２１は、粗密探索法の総階層数が３層の場合における基準画像、捜索画像並びにバックマッチングの説明図で、（Ａ）は低解像度層、（Ｂ）は中間解像度層、（Ｃ）は高解像度層を示している。図２２は、粗密探索法の総階層数が３層の場合における画像測定方法を説明するフローチャートである。
【００８３】
まず、画像形成部５２により、例えば式１を用いて、基準画像５３と捜索画像５４に関して３階層のピラミッド構造を構築する（Ｓ２６０）。構築される画像は、画像の縮小解像度を基準として低解像度層（ピラミッド構造の最上層）、中間解像度層、高解像度層（ピラミッド構造の最下層）の３階層に対応して設けられる。低解像度層に対して、基準画像５３ａと捜索画像５４ａとする。高解像度層に対して、基準画像５３ｂと捜索画像５４ｂとする。ここで、最下層の基準画像５３ｂにおける基準データブロック５７はＮ１×Ｎ１画素（Ｎ１＝２Ｎ）とする。また、最下層において、捜索画像５４ｂと捜索データブロック５８ｂは同じもので、Ｍ１×Ｍ１画素（Ｍ１＝２Ｍ）とするが、捜索画像５４ｂよりも小さな捜索データブロック５８ｂを設けても良い。中間解像度層に対して、基準画像５３ｄと捜索画像５４ｄとする。
【００８４】
次に、基準画像５３と捜索画像５４に関して、画像処理部５５により画像前処理を行なう（Ｓ２６２）。画像前処理には、画像鮮鋭化、コントラスト強調、エッジ強調等の処理が含まれる。画像前処理の対象は、基準画像５３ａ、５３ｂ、５３ｃと捜索画像５４ａ、５４ｂ、５４ｃである。画像前処理によって、基準画像５３と捜索画像５４の対応点を捜索するマッチング処理が確実なものになる。
【００８５】
次に、低解像度層についてマッチング処理を行い、正規化相関の係数を保存する（Ｓ２６４）。マッチング処理の詳細は、上述の図１８で説明したように、探索データブロック設定部５６による基準画像５３ａでの基準データブロック５７ａ設定、捜索画像５４ａでの捜索データブロック５８ａ設定、並びに捜索対応検出部５９による捜索データブロック５８ａに関して、基準データブロック５７ｂと対応関係となる対応捜索画像領域６０ａを求めることである。対応捜索画像領域６０ａは、マッチング処理では対応点に相当している。ここで、第Ｌ層の探索範囲｛［Ｍ１／２（Ｌ’−Ｌ ）−［Ｎ１／２（Ｌ’−Ｌ ）＋１］２内で、残差が最小になる第Ｌ層の基準データブロック５７の左上位置を（ｉ，ｊ）とすると、対応点位置は（ｉ，ｊ）によって表される。捜索対応検出部５９での対応捜索画像領域６０ａに対する相関係数は、左右画像対応関係データベース６８に一旦保存される。
【００８６】
続いて、低解像度層に対して直近の階層に移り、最下層に該当しているか判断する。ここでは、中間解像度層なので、低解像度層での対応点位置座標を基準として、１階層上の対応点位置座標（２ｉ，２ｊ）を中心とし、５ｘ５画素を捜索範囲として画像の重ねあわせ（マッチング処理）を行なう（Ｓ２６６）。ここで、捜索範囲内で残差が最小になるテンプレート画像の左上位置、即ち正規化相関の係数が最大値をとる対応点位置（ｉ，ｊ）を保存する。
【００８７】
次に、中間解像度層に対して直近の階層に移り、最下層に該当しているか判断する。ここでは、最下層なので、中間解像度層での対応点位置座標を基準として、１階層上の対応点位置座標（２ｉ，２ｊ）を中心とし、３ｘ３画素を捜索範囲として画像の重ねあわせ（マッチング処理）を行なう（Ｓ２６８）。ここで、捜索範囲内で残差が最小になるテンプレート画像の左上位置、即ち正規化相関の係数が最大値をとる対応点位置（２ｉ，２ｊ）を保存する。
【００８８】
そして、最下層に関して、最も正規化相関の係数が高い位置を求めることで、類似度の高い対応点を得ることができ、捜索画像５４ｂにおける基準画像５３ｂの位置対応点が高精度に求める（Ｓ２７０）。
【００８９】
次に、逆対応判別部６１は、マッチング処理で求めた位置対応点を用いて、捜索画像５４ｂの逆対応データブロック６２を作成する。この位置対応点は、逆対応データブロック６２のＸ座標として利用される。そして、逆対応判別部６１により、逆対応データブロック６２のバックマッチングを行ない、基準画像５３ｂに写像された逆対応基準画像領域が当初の基準画像５３ｂと一致したか判断する（Ｓ２７２）。バックマッチングで、逆対応基準画像領域が当初の基準画像５３ｂと一致すれば、位置対応点は真であり（Ｓ２７４）、マッチング処理は成功とする。Ｓ２７２で不一致であれば、位置対応点は偽であり（Ｓ２７６）、マッチング処理は失敗とする。
【００９０】
なお、上記異方性形状計測の一例においては、第１層、第２層と順次高解像度の画像についてマッチング処理を行ない、バックマッチングは最終段階の画像に関して実施する場合を説明したが、バックマッチングは各階層のマッチング処理ごとに行ってもよい。また、基準データブロック５７の画素数として５ｘ５画素や３ｘ３画素を例に説明しているが、基準データブロック５７の画素数は適宜に選定することができ、例えば基準画像５３の１走査線分であってもよい。さらに、マッチング処理の判定として正規化相関係数による場合を例に説明しているが、逐次残差法（ＳＳＤＡ）や他の面積相関法を用いてもよい。さらに、バックマッチングと特徴抽出法を組合せたものでもよい。
【００９１】
［第２の実施の形態］
図２３は本発明の第２の実施の形態を説明する構成ブロック図で、ステレオ画像を得る場合に、ホルダを傾斜させるのではなく、走査型顕微鏡の電子線を偏向させてステレオ画像を得る場合を示している。ここでは、図２３において、図１と共通する構成要素について同一符号を付して説明を省略する。ここでは、電子線７を傾斜制御する傾斜制御部５としてのビーム傾斜制御部５ａが設けられている。ビーム傾斜制御部５ａは偏向レンズ２ｂに傾斜制御信号を送り、試料ホルダ３と照射電子線７とが第１の相対的傾斜角度をなす電子線７Ｒと、第２の相対的傾斜角度をなす電子線７Ｌとで切替えている。なお、ビーム傾斜制御部５ａによる試料ホルダ３と照射電子線７の相対的傾斜角度は、２個に限らず多段に設定してよいが、ステレオの検出データを得る為には最小２個必要である。
【００９２】
そして、ビーム傾斜の場合にも、第１の実施の形態で説明したホルダ回転軸Ｒに相当する中立軸として、電子線７Ｒと電子線７Ｌが交差するビーム交差軸が存在している。そこで、第１のステレオ画像に必要な第１の中立軸と、第２のステレオ画像に必要な第２の中立軸は、第１の実施の形態におけるホルダ回転軸Ｒの記載を、ビーム交差軸に読替えて設定すればよい。
【００９３】
［第３の実施の形態］
第１の実施の形態、第２の実施の形態においては、まず第１の入射角度調整部２１で対象物９の第１の中立軸方向を定め、次に第２の入射角度調整部２２で対象物９の第２の中立軸方向を定める場合を示している。更に、第１の実施の形態、第２の実施の形態においては、必要に応じて、設定された第２の中立軸方向を傾斜中心軸方向設定部３８により修正して、新たな第２の中立軸方向を設定し、或いは傾斜中心軸方向設定部３８により新たな第３、第４の中立軸方向を設定する場合を示している。しかし、異方性形状計測と対象物のパターン形状との処理の相性が判っていれば、画像処理部で得た画像から傾斜中心軸方向設定部３８により第１、第２の中立軸方向を設定することで、演算負荷の大きなステレオ画像作成の回数を最適化することが可能である。第３の実施の形態は、異方性形状計測と対象物のパターン形状との処理の相性が判っている場合に用いて好適な実施の形態である。
【００９４】
図２４は本発明の第３の実施の形態を説明する全体構成ブロック図である。なお、図２４において図１と同一作用をする構成要素に関しては同一符号を付して説明を省略する。データ処理装置８０は、第１中立軸調整部８１、第２中立軸調整部８２、中立軸方向設定部８３、画像形成部８４、第１画像検出部８６、第２画像検出部８８、マッチング処理部９０、測定点・対応点データベース９２、形状測定部９３並びに三次元座標データベース９４を有している。データ処理装置８０、画像形成部８４、第１画像検出部８６、第２画像検出部８８、マッチング処理部９０、測定点・対応点データベース９２、形状測定部９３並びに三次元座標データベース９４は、性質に反しない限り、データ処理装置２０、画像形成部２４、第１画像検出部２６、第２画像検出部２８、マッチング処理部３０、測定点・対応点データベース３２、形状測定部３４並びに三次元座標データベース３６の第１の実施の形態における説明を援用する。
【００９５】
画像形成部８４は、走査レンズ２ｃにより電子線７が試料面上の領域を走査する際に、検出器４で検出される二次電子線を用いて、試料面上の画像を作成する。中立軸方向設定部８３は、異方性形状計測により検出できない方向の線分に関する情報と、画像形成部８４で取得した対象物９のモノラル画像を用いて、第１及び第２のステレオ画像の中立軸方向となるべき方向を演算して、第１中立軸調整部８１及び第２中立軸調整部８２に設定する。
【００９６】
第１中立軸調整部８１は、ホルダ傾斜制御部５ｂを用いて、対象物９の姿勢を第１の中立軸方向に調整して、電子線装置１０により対象物９に投影されるビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、対象物９について第１のステレオ画像を形成可能に調整する。即ち、第１中立軸調整部８１は、電子光学系２に制御信号を送って、電子線源１から放射されるビーム７の走査する基準面を調整している。第２中立軸調整部８２は、ホルダ傾斜制御部５ｂを用いて、対象物９の姿勢を面内傾斜軸方向を含んで形成された第２の中立軸方向に調整して、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、第２のステレオ画像を形成可能に調整する。
【００９７】
第１画像検出部８６は、第１中立軸調整部８１により入射角度が調整された場合に、画像形成部８４を用いて電子線装置１０により対象物９に関して形成された第１のステレオ画像を受け取る。第２画像検出部８８は、第２中立軸調整部８２により入射角度が調整された場合に、画像形成部８４を用いて電子線装置１０により対象物９に関して形成された第２のステレオ画像を受け取る。
【００９８】
このように構成された装置の動作を説明する。図２５は第３の実施の形態における装置の動作を説明するフローチャートである。まず、像形成光学系としての電子線装置１０による対象物９の三次元画像計測を開始する（Ｓ４００）。そこで、電子線装置１０のビーム７による対象物９のヨー軸方向への略平行投影を開始する（Ｓ４０２）。そして、画像形成部８４が対象物９のモノラル画像を形成する（Ｓ４０４）。形成された対象物９のモノラル画像を用いて、中立軸方向設定部８３は、異方性形状計測により検出できない方向の線分に関する情報も考慮して、第１及び第２のステレオ画像の中立軸方向となるべき方向を演算する（Ｓ４０６）。中立軸方向設定部８３は、第１の中立軸方向を第１中立軸調整部８１に設定し、第２の中立軸方向を第２中立軸調整部８２に設定する（Ｓ４０８）。
【００９９】
次に、第１中立軸調整部８１がホルダ傾斜制御部５ｂに姿勢制御信号を送って、対象物９の姿勢が対象物９の第１の中立軸方向に調整される（Ｓ４１０）。そして、第１中立軸調整部８１によって、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、第１のステレオ画像の左画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する（Ｓ４１２）。続いて、第１中立軸調整部８１によって、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、第１のステレオ画像の右画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する。そして、マッチング処理部９０によって、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ４１４）、探索結果を例えば測定点・対応点データベース９２に記録する。
【０１００】
続いて、第２中立軸調整部８２がホルダ傾斜制御部５ｂに姿勢制御信号を送って、対象物９の姿勢が第２の中立軸方向に調整される（Ｓ４１６）。そして、第２中立軸調整部８２によって、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、第２のステレオ画像の左画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する（Ｓ４１８）。次に、第２中立軸調整部８２によって、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、第２のステレオ画像の右画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する。そして、マッチング処理部９０によって、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ４２０）、探索結果を例えば測定点・対応点データベース９２に記録する。
【０１０１】
そして、第１及び第２のステレオ画像の両方を用いても、測定点と対応点の対応が確保できない領域があるか判断する（Ｓ４２２）。Ｓ４２２で、測定点と対応点の対応が確保できない領域が残存していると判断される場合には、中立軸方向設定部８３によって、ビーム７と対象物９との相対的な入射角度を、残存領域での測定点と対応点の対応が確保できる方向に第３の中立軸方向を設定して（Ｓ４２４）、Ｓ４１８に戻り、対象物を第２の中立軸方向に代えて第３の中立軸方向に調整して、ステレオ画像のマッチング処理を行なう。Ｓ４２２で、測定点と対応点の対応が全ての領域で確保されていると判断される場合には、第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点を用いて、合成画像９１について形状測定部９３により対象物の三次元座標データを求める（Ｓ４２６）。この求めた三次元座標データは、三次元座標データベース９４に格納する。そして、合成画像９１を用いて対象物９の三次元画像計測が終了して、リターンとなる。
【０１０２】
［第４の実施の形態］
対象物が、表面の凸凹により斜面が急峻である場合にも、第３の実施の形態を変形して適用することで、三次元画像計測を正確に行なうことができる。図２６は、表面の凸凹により斜面が急峻である場合の三次元画像計測の説明図で、（Ａ）はホルダ回転軸Ｒ回りに角度−φ傾斜させた場合の平面図、（Ｂ）はホルダ回転軸Ｒ回りに角度φ傾斜させた場合の平面図、（Ｃ）はホルダ回転軸Ｒ回りに角度−φ傾斜させた場合のＸ−Ｘ軸方向側面図、（Ｄ）はホルダ回転軸Ｒ回りに角度φ傾斜させた場合のＸ−Ｘ軸方向側面図である。
【０１０３】
対象物１００は、Ｘ−Ｘ軸方向にそって隆起している頂面１０１を有しており、頂面１０１にはＹ軸に沿って斜面１０２、１０３が形成されている。ステレオ画像を作成するために、ホルダ回転軸ＲをＹ軸方向に設けて、対象物１００をホルダ回転軸Ｒ回りに角度±φ傾斜させて、左右画像を撮影している。斜面１０２、１０３が急峻である為に、斜面１０２、１０３の映像がステレオ画像の左右画像のうち一方にしか撮影されていない。そこで、対象物表面の凸凹により斜面が急峻である場合には、斜面１０２、１０３の形状を正確に三次元画像計測をすることが困難になるという課題がある。
【０１０４】
図２７は本発明の第４の実施の形態を説明する全体構成ブロック図である。なお、図２７において図２５と同一作用をする構成要素に関しては同一符号を付して説明を省略する。図において、データ処理装置８０には、第３の実施の形態のものに加えて、傾斜角度多段設定部９５と斜面画像抽出部９６が追加されている。傾斜角度多段設定部９５は、対象物１００の斜面形状を測定したい場合に、斜面１０２、１０３の傾斜方向に応じた多段の傾斜角度を、中立軸方向設定部８３で演算された第１及び第２のステレオ画像の中立軸方向となるべき方向に対して、ホルダ回転軸Ｒ回りの傾斜角度φを設定する。設定する傾斜角度φは、対象物１００の斜面形状に応じて定める。斜面画像抽出部９６は、傾斜角度多段設定部９５で設定されたホルダ回転軸Ｒ回りの傾斜角度φで撮影された画像であって、第１画像検出部８６又は第２画像検出部８８に格納されている画像のうち、三次元形状計測に適合するように斜面が撮影されている画像を抽出する。斜面画像抽出部９６で抽出された画像は、マッチング処理部９０により処理されて合成画像９１に変換される。
【０１０５】
図２８は、対象物表面の斜面形状を正確に測定する手順を説明する図である。ステレオ画像を作成する際に、傾斜角度多段設定部９５を用いて対象物１００をホルダ回転軸Ｒ回りに角度φ１、φ２、φ３、φ４のように多数の異なる角度を設定する。そして、第１中立軸調整部８１や第２中立軸調整部８２を用いて、対象物１００を傾斜させて、電子線装置１０により対象物１００について複数組の左右画像を撮影している。ホルダ回転軸Ｒ回りの傾斜角度φを多数選定して、画像撮影を行うことで、斜面１０２、１０３の映像がステレオ画像の左右画像の双方に撮影されている画像が存在している。そこで、斜面画像抽出部９６により第１画像検出部８６又は第２画像検出部８８に格納されている画像のうち、三次元形状計測に適合するように斜面が撮影されている画像を抽出して、ステレオ画像を構成する左右画像の組を選定できる。
【０１０６】
このように構成された装置の動作を説明する。図２９は第４の実施の形態における装置の動作を説明するフローチャートである。まず、像形成光学系としての電子線装置１０による対象物１００の三次元画像計測を開始する（Ｓ５００）。そこで、電子線装置１０のビーム７による対象物１００のヨー軸方向への略平行投影を開始する（Ｓ５０２）。そして、画像形成部８４が対象物１００のモノラル画像を形成する（Ｓ５０４）。形成された対象物１００のモノラル画像を用いて、中立軸方向設定部８３は、異方性形状計測により検出できない方向の線分に関する情報も考慮して、第１及び第２のステレオ画像の中立軸方向となるべき方向を演算する（Ｓ５０６）。傾斜角度多段設定部９５は、対象物１００の斜面の傾斜方向に応じた多段の対象物の傾斜角度を、第１及び第２の中立軸方向の少なくとも一方に設定する（Ｓ５０７）。中立軸方向設定部８３は、第１の中立軸方向を第１中立軸調整部８１に設定し、第２の中立軸方向を第２中立軸調整部８２に設定する（Ｓ５０８）。この際に、傾斜角度多段設定部９５によって多段の対象物の傾斜角度が設定されている場合は、この多段の設定情報も第１中立軸調整部８１又は第２中立軸調整部に設定される。
【０１０７】
次に、対象物１００の姿勢が、第１中立軸調整部８１によって対象物１００の第１の中立軸方向に調整される（Ｓ５１０）。そして、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を、第１のステレオ画像の左画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する（Ｓ５１２）。続いて、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を、第１のステレオ画像の右画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する。そして、マッチング処理部９０によって、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ５１４）、探索結果を例えば測定点・対応点データベース９２に記録する。
【０１０８】
続いて、対象物１００の姿勢が、第２中立軸調整部８２によって対象物１００の第２の中立軸方向に調整される（Ｓ５１６）。そして、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を、第２のステレオ画像の左画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する（Ｓ５１８）。次に、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を、第２のステレオ画像の右画像に対応するように調整し、画像形成部８４により対象物画像を取得する。そして、マッチング処理部９０によって、第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し（Ｓ５２０）、探索結果を例えば測定点・対応点データベース９２に記録する。
【０１０９】
そして、第１及び第２のステレオ画像の両方を用いても、測定点と対応点の対応が確保できない領域があるか判断する（Ｓ５２２）。Ｓ５２２で、測定点と対応点の対応が確保できない領域が残存している場合には、中立軸方向設定部８３によって、ビーム７と対象物１００との相対的な入射角度を、残存領域での測定点と対応点の対応が確保できる方向に第３の中立軸方向を設定して（Ｓ５２４）、Ｓ５１８に戻り、対象物を第２の中立軸方向に代えて第３の中立軸方向に調整して、ステレオ画像のマッチング処理を行なう。Ｓ５２２で、測定点と対応点の対応が全ての領域で確保されている場合には、斜面画像抽出部９６により、第１のステレオ画像又は第２のステレオ画像であって、多段の対象物の傾斜角度により撮影された画像のうち、三次元形状計測に適合するように対象物１００の斜面が撮影されている画像を抽出する（Ｓ５２５）。そして、Ｓ５２５で抽出された斜面画像を含む第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点を用いて、合成画像９１について形状測定部９３により対象物の三次元座標データを求める（Ｓ５２６）。この求めた三次元座標データは、三次元座標データベース９４に格納する。そして、合成画像９１を用いて対象物１００の三次元画像計測が終了して、リターンとなる。
【０１１０】
なお、上記実施の形態では、ビームとして電子線の場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ビームは光束であってもよい。この場合には、像形成光学系としての電子線装置に代えて、投影光学系や反射光学系を用いるとよく、例えばテレセントリック系（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ ｓｙｓｔｅｍ）を用いたチップ検査装置に適用してもよい。図３０は、テレセントリック系を説明する構成図で、像側テレセントリック関係の場合を示してある。テレセントリック系は、入射瞳と射出瞳のいずれかが無限遠に存在する光学系のことで、開口絞り（テレセン絞り）を像空間、物空間焦平面またはそれらに共役な位置に置けば実現される。テレセントリック系は、テレセン絞り又は入射瞳が投影レンズの物体側焦点位置付近に設置されていれば、像側で結像に寄与する光束の主光線が光軸と略平行となり（いわゆる、像側テレセントリック関係）、受光面の位置に対して結像位置がずれても像の正しい大きさを読取ることができる。また、テレセントリック系において、テレセン絞りが投影レンズの像側焦点位置付近に設置されていれば（図示せず）、物体側で結像に寄与する光束の主光線が光軸と略平行となり（いわゆる、物体側テレセントリック関係）、物体を正しい位置に置かなくても正しい位置に置いたときと等しくなる。
【０１１１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の三次元座標測定装置によれば、対象物の面内の計測方向によって測定精度が変動する異方性形状計測を用いた三次元形状計測であっても、各測定方向の精度に著しい相違の現れない。また、本発明の第４の実施の形態で示す三次元座標測定装置によれば、対象物の面外方向に凸凹の起伏が存在している場合でも、正確に起伏の寸法を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を説明する全体構成ブロック図である。
【図２】対象物に対する第１のステレオ画像における左右画像と、左右画像における対象物の傾斜角の説明図である。
【図３】テンプレート処理後の水平方向傾斜による第１のステレオ画像の説明図である。
【図４】対象物に対する第２のステレオ画像における左右画像と、左右画像における対象物の傾斜角の説明図である。
【図５】テンプレート処理後の垂直方向傾斜による第２のステレオ画像の説明図である。
【図６】図１の装置の動作を説明するフローチャートである。
【図７】図１の装置により処理される第１及び第２のステレオ画像の関係を説明する図である。
【図８】図７で説明した第１及び第２のステレオ画像より抽出された処理画像により合成された画像の一例を示す図である。
【図９】対象物の表面に形成されるパターンの一例を示す図である。
【図１０】傾斜中心軸方向設定部３８による変形実施例の説明図である。
【図１１】異方性形状計測の一例としての、粗密探索法とバックマッチング法を組合せた画像測定装置を説明する全体構成ブロック図である。
【図１２】粗密探索法の階層構造を説明する構成図である。
【図１３】基準画像５３に設定される基準データブロック５７と、捜索画像５４に設定される捜索データブロック５８の説明図である。
【図１４】逆対応判別部６１によるバックマッチング法の説明図である。
【図１５】逆対応判別部６１によるバックマッチングを説明するフローチャートである。
【図１６】一対のステレオ画像に対する三次元画像計測処理全体を説明するフローチャートである。
【図１７】本発明の第１の実施の形態を説明するフローチャートである。
【図１８】ラプラシアンオペーレタの一例を示す構成図である。
【図１９】線検出オペーレタの一例を示す構成図である。
【図２０】鮮鋭化処理の一例を示す図で、（Ａ）は原画像、（Ｂ）は鮮鋭化処理画像を示している。
【図２１】粗密探索法の総階層数が３層の場合における基準画像、捜索画像並びにバックマッチングの説明図である。
【図２２】粗密探索法の総階層数が３層の場合における画像測定方法を説明するフローチャートである。
【図２３】本発明の第２の実施の形態を説明する全体構成ブロック図である。
【図２４】本発明の第３の実施の形態を説明する全体構成ブロック図である。
【図２５】第３の実施の形態における装置の動作を説明するフローチャートである
【図２６】表面の凸凹により斜面が急峻である場合の三次元画像計測の説明図である。
【図２７】本発明の第４の実施の形態を説明する全体構成ブロック図である。
【図２８】対象物表面の斜面形状を正確に測定する手順を説明する図である。
【図２９】第４の実施の形態における装置の動作を説明するフローチャートである。
【図３０】テレセントリック系を説明する構成図である。
【符号の説明】
１０ 像形成光学系（電子線装置）
２０ データ処理装置
２１ 入射角度調整部
２２ 第２の入射角度調整部
２６ 第１画像検出部
２８ 第２画像検出部
３０ マッチング処理部
３２ 測定点・対応点データベース
３４ 形状測定部
３８ 傾斜中心軸方向設定部
８１ 第１中立軸調整部
８２ 第２中立軸調整部
８３ 中立軸方向設定部
９５ 傾斜角度多段設定部
９６ 斜面画像抽出部
Claims (11)
- ビームを対象物のヨー軸方向へ略平行投影して、当該対象物の像を形成する像形成光学系と；
前記対象物の姿勢を第１の中立軸方向に調整し、前記ビームと前記対象物との相対的な入射角度を調整して、前記対象物について第１のステレオ画像を形成可能にする第１の入射角度調整部と；
前記第１の入射角度調整部により前記入射角度が調整されて、前記像形成光学系により前記対象物に関して形成された第１のステレオ画像を受け取る第１画像検出部と；
前記対象物の姿勢を面内傾斜軸方向を含んで形成された第２の中立軸方向に調整し、前記ビームと前記対象物との相対的な入射角度を調整して、前記対象物について第２のステレオ画像を形成可能にする第２の入射角度調整部と；
前記第２の入射角度調整部により前記入射角度が調整されて、前記像形成光学系により前記対象物に関して形成された第２のステレオ画像を受け取る第２画像検出部と；
前記第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索すると共に、前記第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索するマッチング処理部と；
前記第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物の三次元座標データを求める形状測定部と；
を備える三次元座標測定装置。 - 前記第２の入射角度調整部は、前記対象物の姿勢を前記対象物の面内傾斜軸方向と第１の中立軸方向から定まる面内で、前記第１の中立軸と異なる方向に形成された第２の中立軸方向に調整する請求項１記載の三次元座標測定装置。
- 前記第２の入射角度調整部は、前記対象物の姿勢を前記対象物の面内傾斜軸方向と一致するに形成された第２の中立軸方向に調整する請求項２記載の三次元座標測定装置。
- 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の三次元座標測定装置において、さらに；
前記像形成光学系又は前記第１画像検出部により形成される対象物の像に含まれる直線画像成分を抽出して、前記第１及び第２のステレオ画像の傾斜中心軸方向となるべき方向を演算する傾斜中心軸方向設定部を備える三次元座標測定装置。 - 前記像形成光学系が電子レンズ部で形成され；
前記第１及び第２の入射角度調整部は、電子銃からの電子線を偏向する偏向器に制御信号を送る偏向器制御ユニットを用いて形成された；
走査型電子顕微鏡に用いられる請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の記載の三次元座標測定装置。 - 前記像形成光学系がテレセントリック系で形成され；
前記第１及び第２の入射角度調整部は、電子銃からの電子線を偏向する偏向器に制御信号を送る偏向器制御ユニットを用いて形成された；
走査型電子顕微鏡に用いられる請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の記載の三次元座標測定装置。 - 第１の入射角度調整部によって前記対象物の姿勢を第１の中立軸方向に調整し；
像形成光学系により対象物のヨー軸方向に略平行投影されるビームと前記対象物との相対的な入射角度を調整して、前記対象物について第１のステレオ画像を形成し；
前記第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し；
第２の入射角度調整部により、前記対象物の姿勢を前記対象物の面内傾斜軸方向を含んで形成された第２の中立軸方向に調整し；
前記ビームと前記対象物との相対的な入射角度を調整して、前記対象物について第２のステレオ画像を形成し；
前記第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し；
前記第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物の三次元座標データを求める；
各工程をコンピュータに実行させる三次元座標測定方法。 - ビームを対象物のヨー軸方向へ略平行投影して、当該対象物の像を形成する像形成光学系と；
前記像形成光学系により形成される対象物の像に含まれる直線画像成分を抽出して、当該対象物についての第１及び第２のステレオ画像に対する第１及び第２の中立軸方向を演算する中立軸方向設定部と；
前記対象物の姿勢を前記第１の中立軸方向に調整して、前記ビームと前記対象物との相対的な入射角度を、前記対象物について第１のステレオ画像を形成可能に調整する第１中立軸調整部と；
前記第１中立軸調整部により前記入射角度が調整されて、前記像形成光学系により前記対象物に関して形成された第１のステレオ画像を受け取る第１画像検出部と；
前記対象物の姿勢を前記第２の中立軸方向に調整して、前記ビームと前記対象物との相対的な入射角度を、前記対象物について第２のステレオ画像を形成可能に調整する第２中立軸調整部と；
前記第２中立軸調整部により前記入射角度が調整されて、前記像形成光学系により前記対象物に関して形成された第２のステレオ画像を受け取る第２画像検出部と；
前記第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索すると共に、前記第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索するマッチング処理部と；
前記第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物の三次元座標データを求める形状測定部と；
を備える三次元座標測定装置。 - 像形成光学系により形成される対象物の像に含まれる直線画像成分を抽出して、対象物の第１及び第２のステレオ画像に対する第１及び第２の中立軸方向を演算し；
前記対象物の姿勢を第１中立軸調整部によって前記第１の中立軸方向に調整し；
前記像形成光学系により対象物のヨー軸方向に略平行投影されるビームと前記対象物との相対的な入射角度を調整して、前記対象物について第１のステレオ画像を形成し；
前記第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し；
前記対象物の姿勢を第２中立軸調整部によって前記第２の中立軸方向に調整し；
前記ビームと前記対象物との相対的な入射角度を調整して、前記対象物について第２のステレオ画像を形成し；
前記第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し；
前記第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物の三次元座標データを求める；
各工程をコンピュータに実行させる三次元座標測定方法。 - ビームを対象物のヨー軸方向へ略平行投影して、当該対象物の像を形成する像形成光学系と；
前記像形成光学系により形成される対象物の像に含まれる直線画像成分を抽出して、当該対象物についての第１及び第２のステレオ画像に対する第１及び第２の中立軸方向を演算する中立軸方向設定部と；
前記対象物の斜面の傾斜方向に応じた多段の対象物の傾斜角度を、前記第１及び第２の中立軸方向の少なくとも一方に設定する傾斜角度多段設定部と；
前記対象物の姿勢を前記第１の中立軸方向に調整し、前記ビームと前記対象物との相対的な入射角度を調整して、一段又は前記多段の対象物の傾斜角度により撮影された画像を用いて、前記対象物について第１のステレオ画像を形成可能とする第１中立軸調整部と；
前記第１中立軸調整部により前記入射角度が調整されて、前記像形成光学系により前記対象物に関して形成された第１のステレオ画像を受け取る第１画像検出部と；
前記対象物の姿勢を前記第２の中立軸方向に調整し、前記ビームと前記対象物との相対的な入射角度を調整して、一段又は前記多段の対象物の傾斜角度により撮影された画像を用いて、前記対象物について第２のステレオ画像を形成可能に調整する第２中立軸調整部と；
前記第２中立軸調整部により前記入射角度が調整されて、前記像形成光学系により前記対象物に関して形成された第２のステレオ画像を受け取る第２画像検出部と；
前記第１画像検出部又は前記第２画像検出部に格納されている画像であって、前記多段の対象物の傾斜角度により撮影された画像のうち、三次元形状計測に適合するように前記対象物の斜面が撮影されている画像を抽出する斜面画像抽出部と；
前記斜面画像抽出部で抽出された第１のステレオ画像又は第２のステレオ画像に対して、第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索すると共に、前記第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索するマッチング処理部と；
前記第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物の三次元座標データを求める形状測定部と；
を備える三次元座標測定装置。 - 像形成光学系により形成される対象物の像に含まれる直線画像成分を抽出して、対象物の第１及び第２のステレオ画像に対する第１及び第２の中立軸方向を演算し；
前記対象物の斜面の傾斜方向に応じた多段の対象物の傾斜角度を、前記第１及び第２の中立軸方向の少なくとも一方に設定し；
前記対象物の姿勢を第１中立軸調整部によって前記第１の中立軸方向に調整し；
前記像形成光学系により対象物のヨー軸方向に略平行投影されるビームと前記対象物との相対的な入射角度を調整して、前記対象物について第１のステレオ画像を形成し；
前記第１のステレオ画像における第１の中立軸と略直交する方向を第１の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し；
前記対象物の姿勢を第２中立軸調整部によって前記第２の中立軸方向に調整し；
前記ビームと前記対象物との相対的な入射角度を調整して、前記対象物について第２のステレオ画像を形成し；
前記第２のステレオ画像における第２の中立軸と略直交する方向を第２の捜索方向として、測定点に対応する対応点を捜索し；
前記第１のステレオ画像又は前記第２のステレオ画像であって、前記多段の対象物の傾斜角度により撮影された画像のうち、三次元形状計測に適合するように前記対象物の斜面が撮影されている画像を抽出し；
前記抽出された斜面画像を含む第１及び第２のステレオ画像における測定点と対応点の関係から対象物の三次元座標データを求める；
各工程をコンピュータに実行させる三次元座標測定方法。
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