JP4409861B2 - 三次元座標測定装置及び方法 - Google Patents
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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】
本発明は、上述する課題を解決したもので、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を目的とする。
【０００６】
【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、第１画像検出部２６で検出された第１のステレオ画像を表示する画像表示部２７と、画像表示部２７で表示されたステレオ画像に基づいて定められた、入射角度調整方向の指示信号を出力する角度調整指示部２３と、前記入射角度調整方向の指示信号に従い、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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
次に、このように構成された装置の作用を、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。
【００１６】
次に、角度調整指示部２３は、入射角度調整方向の指示信号を出力して、対象物９の姿勢を第２の中立軸方向としての垂直方向傾斜とさせている。入射角度調整方向は、画像表示部２７で表示されたステレオ画像に基づいて定められるもので、例えばオペレータがマニュアルで設定入力する。第２の入射角度調整部２２は、対象物９の姿勢を入射角度調整方向の指示信号に従って調整する。入射角度調整方向は、例えば面内傾斜軸（Ｙ軸）方向を含んで形成された第２の中立軸方向と一致していても良い。更に、第２の入射角度調整部２２は、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。
【００１７】
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。また、第１画像検出部２６と第２画像検出部２８は、対象物９に関して電子線装置１０で取得される画像を形成する画像形成部２４を共通に有していてもよい。
【００１８】
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１のステレオ画像を画像表示部２７にて表示し（Ｓ１０９Ａ）、表示されたステレオ画像に基づき定められた入射角度調整方向の指示信号を角度調整指示部２３から入力し（Ｓ１０９Ｂ）、入射角度調整方向の指示信号に従い、第２の入射角度調整部２２によって対象物９の姿勢を第２の中立軸方向に調整し（Ｓ１０９Ｃ）、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。
【００１９】
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、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、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、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９の三次元座標データを求める形状測定部３４と、第１画像検出部２６で受取った第１のステレオ画像に対して、形状測定部３４による三次元座標データを求められない領域が存在するか判定する測定不能領域検出部３７と、測定不能領域検出部３７で測定不能と判定された領域に関して、形状測定部３４による三次元座標データを測定可能となるように、第２の中立軸方向を演算する入射角度指示演算部３９と、対象物９の姿勢を入射角度指示演算部３９で演算された第２の中立軸方向に調整して、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、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３０とを備えている。
【００２０】
次に、このように構成された装置においては、測定不能領域検出部３７が、第１画像検出部２６で受取った第１のステレオ画像に対して、形状測定部３４による三次元座標データを求められない領域が存在するか判定する。入射角度指示演算部３９は、測定不能領域検出部３７で測定不能と判定された領域に関して、形状測定部３４による三次元座標データを測定可能となるように、第２の中立軸方向を演算する。第２の入射角度調整部２２は、対象物９の姿勢を入射角度指示演算部３９で演算された第２の中立軸方向に調整して、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。このようにして、オペレータが第２の入射角度調整部２２に対して第２の中立軸方向を指示しなくても、測定不能領域検出部３７と入射角度指示演算部３９により、第２の入射角度調整部２２に対する第２の中立軸方向の指示がなされる。
【００２１】
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、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（Ｓ６０３）、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（Ｓ６０４、Ｓ６０６）、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（Ｓ６０８）、前記第１のステレオ画像に対して、形状測定部３４による三次元座標データを求められない領域が存在するか判定し（Ｓ６０９）、前記三次元座標データが測定不能と判定された領域に関して、形状測定部３４による三次元座標データを測定可能となるように、対象物９の姿勢を第２の中立軸方向に調整し（Ｓ６１０）、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（Ｓ６１２、Ｓ６１４）、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（Ｓ６１６）、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（Ｓ６２２）各工程をコンピュータに実行させるものである。
【００２２】
【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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、角度調整指示部２３、画像形成部２４、第１画像検出部２６、画像表示部２７、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。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。
【００２９】
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、角度調整指示部２３から入力された入射角度調整方向の指示信号に従い、対象物９の姿勢を第２の中立軸方向に調整し、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。
【００３０】
画像表示部２７は、第１画像検出部２６で検出された第１のステレオ画像を表示すると共に、第２画像検出部２８で検出された第２のステレオ画像を表示するもので、例えばＣＲＴや液晶パネルが用いられる。画像表示部２７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く、要するに第１のステレオ画像及び第２のステレオ画像をオペレータが観察できるように表示するものであればよい。角度調整指示部２３は、画像表示部２７で表示されたステレオ画像に基づいて定められた、入射角度調整方向の指示信号を出力するもので、この指示信号は例えばオペレータによって入力される。入射角度調整方向の指示信号は、典型的には第１のステレオ画像をオペレータが観察して、オペレータにより指示された第２のステレオ画像を取得すべき第２の中立軸方向に基づいて定められるが、今回の第２のステレオ画像をオペレータが観察して、改めてオペレータにより指示される次回の第２のステレオ画像を取得すべき第２の中立軸方向に基づいて定められてもよい。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
また、Ｓ１０６にて取得された対象物画像を用いて、第１画像検出部２６により第１のステレオ画像として検出する。そして、この第１のステレオ画像を、画像表示部２７にて表示する（Ｓ１０９Ａ）。すると、オペレータは第１のステレオ画像を観察して、異方性形状計測に基づく無感度軸の方向を感知し、この無感度軸の方向が感度軸方向となるように、対象物９の姿勢として必要な第２の中立軸を決定する。角度調整指示部２３には、オペレータによって対象物９の姿勢として必要な第２の中立軸方向が入力される。すると、角度調整指示部２３では、入力された第２の中立軸方向に対応する入射角度調整方向の指示信号が、第２の入射角度調整部２２に出力される。
【００３５】
すると、第２の入射角度調整部２２では、表示されたステレオ画像に基づき定められた入射角度調整方向の指示信号を角度調整指示部２３から入力する（Ｓ１０９Ｂ）。そして、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、入射角度調整方向の指示信号に従い、対象物９の姿勢を第２の中立軸方向に調整する（Ｓ１０９Ｃ）。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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、オペレータが第２の入射角度調整部２２を用いて、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。オペレータが第２の入射角度調整部２２を用いる手順は、例えば次のようになる。まず、Ｓ１１６にて取得された対象物画像を用いて、第２画像検出部２８により第２のステレオ画像として検出する。そして、この第２のステレオ画像を、画像表示部２７にて表示する。すると、オペレータは第２のステレオ画像を観察して、異方性形状計測に基づく無感度軸の方向を感知し、この無感度軸の方向が感度軸方向となるように、対象物９の姿勢として必要な新たな第２の中立軸を決定する。角度調整指示部２３には、オペレータによって対象物９の姿勢として必要な新たな第２の中立軸方向が入力される。すると、角度調整指示部２３では、入力された第２の中立軸方向に対応する新たな入射角度調整方向の指示信号が、第２の入射角度調整部２２に出力される。第２の入射角度調整部２２では、表示されたステレオ画像に基づき定められた新たな入射角度調整方向の指示信号を角度調整指示部２３から入力する。そして、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、入射角度調整方向の指示信号に従い、対象物９の姿勢を新たな第２の中立軸方向に調整する。
【００３８】
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。
【００３９】
図７は画像表示部にて表示される画像と、対象物の姿勢が調整される中立軸方向との関係を説明する図で、（Ａ）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、（Ｂ）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、（Ｃ）は別の第２の中立軸方向にかかる第２のステレオ画像より抽出された処理画像を示している。図７（Ａ）の場合には、対象物９がＸＹ座標系により定義されており、第１の中立軸がＸ−Ｘ軸と一致するＲ１−Ｒ１軸に設定されている。そこで、第１のステレオ画像の処理画像には、第１の中立軸と一致する方向の線分が旨く写っていない。
【００４０】
次に、図７（Ｂ）に示すように、オペレータが第２の中立軸方向として、Ｙ−Ｙ軸と一致するＲ２−Ｒ２軸を指定すると、角度調整指示部２３と第２の入射角度調整部２２によって、対象物９の姿勢が第２の中立軸方向に調整される。すると、第２のステレオ画像の処理画像には、第１の中立軸と一致する方向の線分は旨く写っているが、第２の中立軸と一致する方向の線分が旨く写っていない。
【００４１】
続いて、図７（Ｃ）に示すように、オペレータが別の第２の中立軸方向として、ＸＹ軸と斜めの角度をなすＲ３−Ｒ３軸を指定すると、角度調整指示部２３と第２の入射角度調整部２２によって、対象物９の姿勢が今回指定された第２の中立軸方向に調整される。すると、第２のステレオ画像の処理画像には、第１の中立軸及び前回の第２の中立軸と一致する方向の線分が旨く写っているが、今回の第２の中立軸と一致する方向の線分が旨く写っていない。しかし、これら３種類のステレオ画像の処理画像を合成することで、全ての方向の線分が旨く写っている画像を取得できる。
【００４２】
次に、２種類の中立軸方向から適切なステレオ画像の処理画像を取得できる場合を説明する。図８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側面図を示している。図９は図８（Ｂ）と図８（Ｄ）の処理画像を合成した画像である。なお、図８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８（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。
【００４４】
また、対象物９の姿勢をオペレータにより指定された第２の中立軸方向として取得した第２のステレオ画像より抽出された処理画像では、図８（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。
【００４５】
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。
【００４６】
図１０は、図９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１０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。
【００４７】
［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。
【００４８】
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。
【００４９】
［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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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、
【００６７】
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）。
【００６８】
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）。
【００６９】
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）。
【００７０】
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）。
【００７１】
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）。
【００７２】
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）。
【００７３】
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）。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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）。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
また、上記第１の実施の形態では、オペレータが第２の中立軸方向を設定するのに際して、従前に観察した画像から感知して選択する場合を示した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、オペレータが設定する対象物の姿勢を定める中立軸の方向として、図７に示すような少なくとも３種類以上の多様な対象物の中立軸方向によるステレオ画像の処理画像を表示して、合成の対象となる中立軸方向を選定するようにしても良い。このように多数の中立軸方向の画像を用いると、オペレータが視覚的に確認しながら検査したい方向について検討できるので、適切な中立軸方向の設定ができる。また、対象物の全面にわたって精度よく画像計測する場合にも、３種類以上の多様な対象物の中立軸方向によるステレオ画像の処理画像を合成することで、正確な対象物の画像を取得して画像三次元計測することができる。さらに、対象物画像において検出能力の弱い方向は、例えば補間したデータで表示して、その領域を明確に表示すれば、オペレータは検出能力の弱い領域のデータを判断・考慮にいれながら対象物を計測して、三次元計測の結果を検討することができる。
【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］
次に、本発明の第３の実施の形態に関して説明する。第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、対象物の姿勢として第１の中立軸から第２の中立軸を設定する場合に、オペレータが画像表示部２７に表示された第１のステレオ画像を観察して、第２の中立軸となるべき方向を感知して、角度調整指示部２３を用いて第２の入射角度調整部に入射角度調整方向の指示信号を出力する場合を示している。しかし、オペレータの行っている機能を、第３の実施の形態では、三次元座標測定装置で行っている。
【００９４】
図２４は本発明の第３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）とデータ処理装置２０を示してある。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、画像表示部２５、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、測定不能領域検出部３７、並びに入射角度指示演算部３９を有している。ここでは、第１の実施の形態で説明された構成要素に関しては、同一符号を付して説明を省略する。画像表示部２５は、前述の画像表示部２７と同様である。
【００９５】
測定不能領域検出部３７は、第１画像検出部２６で受取った第１のステレオ画像に対して、形状測定部３４による三次元座標データを求められない領域が存在するか判定する。入射角度指示演算部３９は、測定不能領域検出部３７で測定不能と判定された領域に関して、形状測定部３４による三次元座標データを測定可能となるように、第２の中立軸方向を演算する。第２の入射角度調整部２２は、対象物９の姿勢を入射角度指示演算部３９で演算された第２の中立軸方向に調整して、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。
【００９６】
このように構成された装置の動作を説明する。図２５は図２４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（Ｓ６００）。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（Ｓ６０２）。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（Ｓ６０３）。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（Ｓ６０４）。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（Ｓ６０６）。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（Ｓ６０８）、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。
【００９７】
測定不能領域検出部３７が、第１画像検出部２６で受取った第１のステレオ画像に対して、形状測定部３４による三次元座標データを求められない領域が存在するか判定する（Ｓ６０９）。Ｓ６０９にて、測定不能領域検出部３７で測定不能と判定された領域に関して、入射角度指示演算部３９が、形状測定部３４による三次元座標データを測定可能となるように第２の中立軸方向を演算し、第２の入射角度調整部２２が、対象物９の姿勢を入射角度指示演算部３９で演算された第２の中立軸方向に調整して、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（Ｓ６１０）。Ｓ６０９にて、測定不能領域検出部３７で測定不能と判定された領域がない場合は、Ｓ６２２に飛ぶ。
【００９８】
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（Ｓ６１２）。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（Ｓ６１４）。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（Ｓ６１６）、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。
【００９９】
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（Ｓ６１８）。Ｓ６１８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、測定不能領域検出部３７、入射角度指示演算部３９、並びに第２の入射角度調整部２２を用いて、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（Ｓ６２０）、Ｓ６１２に戻る。
【０１００】
Ｓ６１８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（Ｓ６２２）。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。
【０１０１】
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２６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。
【０１０２】
【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、オペレータが従前に設定された第１の中立軸から取得された第１のステレオ画像を観察して、適切に第２の中立軸として設定すべき入射角度調整方向が指示されるので、対象物を三次元画像計測する場合にも各測定方向の精度に著しい相違の現れない。
【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】 画像表示部にて表示される画像と、対象物の姿勢が調整される中立軸方向との関係を説明する図である。
【図８】 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９】 図８（Ｂ）と図８（Ｄ）の処理画像を合成した画像である。
【図１０】 図８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】 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
２３ 角度調整指示部
２６ 第１画像検出部
２７ 画像表示部
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
３７ 測定不能領域検出部
３９ 入射角度指示演算部
【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】
本発明は、上述する課題を解決したもので、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を目的とする。
【０００６】
【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、第１画像検出部２６で検出された第１のステレオ画像を表示する画像表示部２７と、画像表示部２７で表示されたステレオ画像に基づいて定められた、入射角度調整方向の指示信号を出力する角度調整指示部２３と、前記入射角度調整方向の指示信号に従い、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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
次に、このように構成された装置の作用を、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。
【００１６】
次に、角度調整指示部２３は、入射角度調整方向の指示信号を出力して、対象物９の姿勢を第２の中立軸方向としての垂直方向傾斜とさせている。入射角度調整方向は、画像表示部２７で表示されたステレオ画像に基づいて定められるもので、例えばオペレータがマニュアルで設定入力する。第２の入射角度調整部２２は、対象物９の姿勢を入射角度調整方向の指示信号に従って調整する。入射角度調整方向は、例えば面内傾斜軸（Ｙ軸）方向を含んで形成された第２の中立軸方向と一致していても良い。更に、第２の入射角度調整部２２は、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。
【００１７】
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。また、第１画像検出部２６と第２画像検出部２８は、対象物９に関して電子線装置１０で取得される画像を形成する画像形成部２４を共通に有していてもよい。
【００１８】
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１のステレオ画像を画像表示部２７にて表示し（Ｓ１０９Ａ）、表示されたステレオ画像に基づき定められた入射角度調整方向の指示信号を角度調整指示部２３から入力し（Ｓ１０９Ｂ）、入射角度調整方向の指示信号に従い、第２の入射角度調整部２２によって対象物９の姿勢を第２の中立軸方向に調整し（Ｓ１０９Ｃ）、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。
【００１９】
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、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、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、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９の三次元座標データを求める形状測定部３４と、第１画像検出部２６で受取った第１のステレオ画像に対して、形状測定部３４による三次元座標データを求められない領域が存在するか判定する測定不能領域検出部３７と、測定不能領域検出部３７で測定不能と判定された領域に関して、形状測定部３４による三次元座標データを測定可能となるように、第２の中立軸方向を演算する入射角度指示演算部３９と、対象物９の姿勢を入射角度指示演算部３９で演算された第２の中立軸方向に調整して、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、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３０とを備えている。
【００２０】
次に、このように構成された装置においては、測定不能領域検出部３７が、第１画像検出部２６で受取った第１のステレオ画像に対して、形状測定部３４による三次元座標データを求められない領域が存在するか判定する。入射角度指示演算部３９は、測定不能領域検出部３７で測定不能と判定された領域に関して、形状測定部３４による三次元座標データを測定可能となるように、第２の中立軸方向を演算する。第２の入射角度調整部２２は、対象物９の姿勢を入射角度指示演算部３９で演算された第２の中立軸方向に調整して、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。このようにして、オペレータが第２の入射角度調整部２２に対して第２の中立軸方向を指示しなくても、測定不能領域検出部３７と入射角度指示演算部３９により、第２の入射角度調整部２２に対する第２の中立軸方向の指示がなされる。
【００２１】
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、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（Ｓ６０３）、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（Ｓ６０４、Ｓ６０６）、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（Ｓ６０８）、前記第１のステレオ画像に対して、形状測定部３４による三次元座標データを求められない領域が存在するか判定し（Ｓ６０９）、前記三次元座標データが測定不能と判定された領域に関して、形状測定部３４による三次元座標データを測定可能となるように、対象物９の姿勢を第２の中立軸方向に調整し（Ｓ６１０）、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（Ｓ６１２、Ｓ６１４）、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（Ｓ６１６）、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（Ｓ６２２）各工程をコンピュータに実行させるものである。
【００２２】
【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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、角度調整指示部２３、画像形成部２４、第１画像検出部２６、画像表示部２７、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。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。
【００２９】
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、角度調整指示部２３から入力された入射角度調整方向の指示信号に従い、対象物９の姿勢を第２の中立軸方向に調整し、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。
【００３０】
画像表示部２７は、第１画像検出部２６で検出された第１のステレオ画像を表示すると共に、第２画像検出部２８で検出された第２のステレオ画像を表示するもので、例えばＣＲＴや液晶パネルが用いられる。画像表示部２７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く、要するに第１のステレオ画像及び第２のステレオ画像をオペレータが観察できるように表示するものであればよい。角度調整指示部２３は、画像表示部２７で表示されたステレオ画像に基づいて定められた、入射角度調整方向の指示信号を出力するもので、この指示信号は例えばオペレータによって入力される。入射角度調整方向の指示信号は、典型的には第１のステレオ画像をオペレータが観察して、オペレータにより指示された第２のステレオ画像を取得すべき第２の中立軸方向に基づいて定められるが、今回の第２のステレオ画像をオペレータが観察して、改めてオペレータにより指示される次回の第２のステレオ画像を取得すべき第２の中立軸方向に基づいて定められてもよい。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
また、Ｓ１０６にて取得された対象物画像を用いて、第１画像検出部２６により第１のステレオ画像として検出する。そして、この第１のステレオ画像を、画像表示部２７にて表示する（Ｓ１０９Ａ）。すると、オペレータは第１のステレオ画像を観察して、異方性形状計測に基づく無感度軸の方向を感知し、この無感度軸の方向が感度軸方向となるように、対象物９の姿勢として必要な第２の中立軸を決定する。角度調整指示部２３には、オペレータによって対象物９の姿勢として必要な第２の中立軸方向が入力される。すると、角度調整指示部２３では、入力された第２の中立軸方向に対応する入射角度調整方向の指示信号が、第２の入射角度調整部２２に出力される。
【００３５】
すると、第２の入射角度調整部２２では、表示されたステレオ画像に基づき定められた入射角度調整方向の指示信号を角度調整指示部２３から入力する（Ｓ１０９Ｂ）。そして、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、入射角度調整方向の指示信号に従い、対象物９の姿勢を第２の中立軸方向に調整する（Ｓ１０９Ｃ）。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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、オペレータが第２の入射角度調整部２２を用いて、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。オペレータが第２の入射角度調整部２２を用いる手順は、例えば次のようになる。まず、Ｓ１１６にて取得された対象物画像を用いて、第２画像検出部２８により第２のステレオ画像として検出する。そして、この第２のステレオ画像を、画像表示部２７にて表示する。すると、オペレータは第２のステレオ画像を観察して、異方性形状計測に基づく無感度軸の方向を感知し、この無感度軸の方向が感度軸方向となるように、対象物９の姿勢として必要な新たな第２の中立軸を決定する。角度調整指示部２３には、オペレータによって対象物９の姿勢として必要な新たな第２の中立軸方向が入力される。すると、角度調整指示部２３では、入力された第２の中立軸方向に対応する新たな入射角度調整方向の指示信号が、第２の入射角度調整部２２に出力される。第２の入射角度調整部２２では、表示されたステレオ画像に基づき定められた新たな入射角度調整方向の指示信号を角度調整指示部２３から入力する。そして、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、入射角度調整方向の指示信号に従い、対象物９の姿勢を新たな第２の中立軸方向に調整する。
【００３８】
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。
【００３９】
図７は画像表示部にて表示される画像と、対象物の姿勢が調整される中立軸方向との関係を説明する図で、（Ａ）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、（Ｂ）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、（Ｃ）は別の第２の中立軸方向にかかる第２のステレオ画像より抽出された処理画像を示している。図７（Ａ）の場合には、対象物９がＸＹ座標系により定義されており、第１の中立軸がＸ−Ｘ軸と一致するＲ１−Ｒ１軸に設定されている。そこで、第１のステレオ画像の処理画像には、第１の中立軸と一致する方向の線分が旨く写っていない。
【００４０】
次に、図７（Ｂ）に示すように、オペレータが第２の中立軸方向として、Ｙ−Ｙ軸と一致するＲ２−Ｒ２軸を指定すると、角度調整指示部２３と第２の入射角度調整部２２によって、対象物９の姿勢が第２の中立軸方向に調整される。すると、第２のステレオ画像の処理画像には、第１の中立軸と一致する方向の線分は旨く写っているが、第２の中立軸と一致する方向の線分が旨く写っていない。
【００４１】
続いて、図７（Ｃ）に示すように、オペレータが別の第２の中立軸方向として、ＸＹ軸と斜めの角度をなすＲ３−Ｒ３軸を指定すると、角度調整指示部２３と第２の入射角度調整部２２によって、対象物９の姿勢が今回指定された第２の中立軸方向に調整される。すると、第２のステレオ画像の処理画像には、第１の中立軸及び前回の第２の中立軸と一致する方向の線分が旨く写っているが、今回の第２の中立軸と一致する方向の線分が旨く写っていない。しかし、これら３種類のステレオ画像の処理画像を合成することで、全ての方向の線分が旨く写っている画像を取得できる。
【００４２】
次に、２種類の中立軸方向から適切なステレオ画像の処理画像を取得できる場合を説明する。図８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側面図を示している。図９は図８（Ｂ）と図８（Ｄ）の処理画像を合成した画像である。なお、図８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８（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。
【００４４】
また、対象物９の姿勢をオペレータにより指定された第２の中立軸方向として取得した第２のステレオ画像より抽出された処理画像では、図８（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。
【００４５】
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。
【００４６】
図１０は、図９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１０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。
【００４７】
［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。
【００４８】
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。
【００４９】
［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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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】
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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】
【００６５】
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。
【００６６】
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、
【００６７】
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）。
【００６８】
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）。
【００６９】
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）。
【００７０】
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）。
【００７１】
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）。
【００７２】
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）。
【００７３】
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）。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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）。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
また、上記第１の実施の形態では、オペレータが第２の中立軸方向を設定するのに際して、従前に観察した画像から感知して選択する場合を示した。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、オペレータが設定する対象物の姿勢を定める中立軸の方向として、図７に示すような少なくとも３種類以上の多様な対象物の中立軸方向によるステレオ画像の処理画像を表示して、合成の対象となる中立軸方向を選定するようにしても良い。このように多数の中立軸方向の画像を用いると、オペレータが視覚的に確認しながら検査したい方向について検討できるので、適切な中立軸方向の設定ができる。また、対象物の全面にわたって精度よく画像計測する場合にも、３種類以上の多様な対象物の中立軸方向によるステレオ画像の処理画像を合成することで、正確な対象物の画像を取得して画像三次元計測することができる。さらに、対象物画像において検出能力の弱い方向は、例えば補間したデータで表示して、その領域を明確に表示すれば、オペレータは検出能力の弱い領域のデータを判断・考慮にいれながら対象物を計測して、三次元計測の結果を検討することができる。
【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］
次に、本発明の第３の実施の形態に関して説明する。第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、対象物の姿勢として第１の中立軸から第２の中立軸を設定する場合に、オペレータが画像表示部２７に表示された第１のステレオ画像を観察して、第２の中立軸となるべき方向を感知して、角度調整指示部２３を用いて第２の入射角度調整部に入射角度調整方向の指示信号を出力する場合を示している。しかし、オペレータの行っている機能を、第３の実施の形態では、三次元座標測定装置で行っている。
【００９４】
図２４は本発明の第３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）とデータ処理装置２０を示してある。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、画像表示部２５、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、測定不能領域検出部３７、並びに入射角度指示演算部３９を有している。ここでは、第１の実施の形態で説明された構成要素に関しては、同一符号を付して説明を省略する。画像表示部２５は、前述の画像表示部２７と同様である。
【００９５】
測定不能領域検出部３７は、第１画像検出部２６で受取った第１のステレオ画像に対して、形状測定部３４による三次元座標データを求められない領域が存在するか判定する。入射角度指示演算部３９は、測定不能領域検出部３７で測定不能と判定された領域に関して、形状測定部３４による三次元座標データを測定可能となるように、第２の中立軸方向を演算する。第２の入射角度調整部２２は、対象物９の姿勢を入射角度指示演算部３９で演算された第２の中立軸方向に調整して、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。
【００９６】
このように構成された装置の動作を説明する。図２５は図２４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（Ｓ６００）。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（Ｓ６０２）。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（Ｓ６０３）。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（Ｓ６０４）。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（Ｓ６０６）。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（Ｓ６０８）、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。
【００９７】
測定不能領域検出部３７が、第１画像検出部２６で受取った第１のステレオ画像に対して、形状測定部３４による三次元座標データを求められない領域が存在するか判定する（Ｓ６０９）。Ｓ６０９にて、測定不能領域検出部３７で測定不能と判定された領域に関して、入射角度指示演算部３９が、形状測定部３４による三次元座標データを測定可能となるように第２の中立軸方向を演算し、第２の入射角度調整部２２が、対象物９の姿勢を入射角度指示演算部３９で演算された第２の中立軸方向に調整して、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（Ｓ６１０）。Ｓ６０９にて、測定不能領域検出部３７で測定不能と判定された領域がない場合は、Ｓ６２２に飛ぶ。
【００９８】
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（Ｓ６１２）。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（Ｓ６１４）。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（Ｓ６１６）、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。
【００９９】
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（Ｓ６１８）。Ｓ６１８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、測定不能領域検出部３７、入射角度指示演算部３９、並びに第２の入射角度調整部２２を用いて、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（Ｓ６２０）、Ｓ６１２に戻る。
【０１００】
Ｓ６１８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（Ｓ６２２）。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。
【０１０１】
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２６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。
【０１０２】
【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、オペレータが従前に設定された第１の中立軸から取得された第１のステレオ画像を観察して、適切に第２の中立軸として設定すべき入射角度調整方向が指示されるので、対象物を三次元画像計測する場合にも各測定方向の精度に著しい相違の現れない。
【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】 画像表示部にて表示される画像と、対象物の姿勢が調整される中立軸方向との関係を説明する図である。
【図８】 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９】 図８（Ｂ）と図８（Ｄ）の処理画像を合成した画像である。
【図１０】 図８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】 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
２３ 角度調整指示部
２６ 第１画像検出部
２７ 画像表示部
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
３７ 測定不能領域検出部
３９ 入射角度指示演算部
Claims (5)
- 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；
前記ビームに対する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；
前記第１画像検出部で検出された第１のステレオ画像を表示する画像表示部と；
第２の中立軸を入力可能な角度調整指示部であって、前記画像表示部で表示されたステレオ画像に基づいて、無感度軸が感度軸となるように入力された前記第２の中立軸方向に対応する、入射角度調整方向の指示信号を出力する角度調整指示部と；
前記角度調整指示部から出力された前記入射角度調整方向の指示信号に従い、前記ビームに対する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、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残存領域が存在するかの判断を行い、前記残存領域が存在していないと判断された場合に、前記第１及び第２のステレオ画像における対応が確保された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。 - 前記形状測定部にて前記残存領域が存在していると判断された際に、前記第２の入射角度調整部は、該残存領域での測定点と対応点の対応が確保できる方向であって、オペレータにより前記角度調整指示部に入力された新たな第２の中立軸方向に第２の中立軸方向を再度設定する；
請求項１に記載の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または請求項２に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または請求項２に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ビームに対する対象物の姿勢を第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；
前記第１のステレオ画像を画像表示部にて表示し；
前記表示されたステレオ画像に基づき、無感度軸が感度軸となるように入力された第２の中立軸方向に対応する、入射角度調整方向の指示信号を出力し；
前記入射角度調整方向の指示信号に従い、第２の入射角度調整部によって前記ビームに対する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、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前記第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残存領域が存在するかの判断を行い；
前記残存領域が存在していないと判断された場合に、前記第１及び第２のステレオ画像における対応が確保された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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