(57)【要約】      （修正有）【課題】合焦させるために撮像素子や光学素子を移動させることなく、撮像素子の撮像面から試料の表面までの距離を推定可能な測長装置および測長方法を提供する。【解決手段】駆動部１０４を調整して合焦した凹凸面の一部の範囲を検出して、そのときのスケール１０５の位置を読み取り、読み取ったスケール１０５の位置は、撮像素子１０２の撮像面から試料１１０の合焦した凹凸面までの実測距離ｚｎとそれに対応する画像ｉｎを参照データとして記憶部に出力する。駆動部１０４を調整して同一の領域内で少なくとも一部が合焦するような距離に変更して撮影した画像Ｉｍを対象データとして記憶部に出力する。画像Ｉｍに対して参照データセットの全ての画像ｉｎ（ｎ＝１〜Ｎ）との一致度Ｃｎｍを画像処理部で計算する。最小の一致度Ｃｎｍ＿ｍｉｎを求め、推定部において推定距離Ｚ’ｍを推定する。【選択図】図１
2016050857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子と、
前記撮像素子と台との距離を変更可能な駆動部と、
前記撮像素子の撮像面と前記台上に設置された試料の被測定表面との距離を測定するスケールと、
前記台上に設置された前記試料の被測定表面を前記撮像素子によって撮影した、前記試料の被測定表面の少なくとも一部に合焦している画像および前記試料の被測定表面の少なくとも一部に合焦している画像が撮影されたときの前記スケールで測定された実測距離値を含む２以上の参照データ、ならびに前記撮像素子が前記試料の被測定表面を撮影した画像を少なくとも含む１以上の対象データを格納する記憶部と、
前記記憶部に格納された前記参照データの各画像と前記対象データの各画像との任意の画像処理範囲について、並進および回転移動させながら、前記参照データの各画像と前記対象データの各画像との重なり領域における階調値の差の２乗平均を算出し、並進および回転移動した中で最小の前記２乗平均を前記参照データの各画像と前記対象データの各画像との一致度とし、前記対象データの各画像を撮影したときの前記撮像素子から前記試料の被測定表面までの推定距離値を前記参照データの各画像との前記一致度および対応する前記参照データの実測距離値に基づき推定する、計算部と、
を備えたことを特徴とする測長装置。
【請求項２】
前記対象データは、前記対象データの各画像を撮影したときの前記スケールで測定された実測距離値を含み、
前記計算部は、前記推定距離値と、対応する前記対象データの実測距離値との差として前記試料の被測定表面の位置の変位を計算することを特徴とする請求項１に記載の測長装置。
【請求項３】
前記計算部は、前記試料の被測定表面の位置の変位を、前記各対象データの前記実測距離値が前記各対象データの前記推定距離値と前記試料の被測定表面の位置の変位との和と等しいとして回帰分析を行うことで計算することを特徴とする請求項２に記載の測長装置。
【請求項４】
前記参照データの前記実測距離値の範囲がｚ１からｚ２であるとき、前記対象データの各画像は、前記スケールで測定される距離がｚ１からｚ２の間にある位置で撮影されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の測長装置。
【請求項５】
前記試料は、前記被測定表面とは異なる基準面を含み、
前記スケールは、前記基準面をゼロ基準として前記撮像素子の撮像面と前記試料の被測定表面との距離を算出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の測長装置。
【請求項６】
前記計算部は、前記各対象データの前記推定距離値を、前記一致度が最も小さい画像を有する前記参照データの前記実測距離値とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の測長装置。
【請求項７】
前記計算部は、前記各対象データの前記推定距離値を、前記各参照データの前記実測距離値を前記一致度によって重み付けして足し合わせることにより算出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の測長装置。
【請求項８】
撮像素子と、前記撮像素子と台との距離を変更可能な駆動部と、前記撮像素子の撮像面と前記台上に設置された試料の被測定表面との距離を測定するスケールと、前記撮像素子で撮影された画像および前記スケールで測定された実測距離値を格納する記憶部と、前記画像および前記実測距離値から前記撮像素子の撮像面と前記試料の被測定表面との距離を推定する計算部とを備えた測長装置における測長方法であって、
前記試料の被測定表面を前記撮像素子によって撮影した、前記試料の被測定表面の少なくとも一部に合焦している画像および前記試料の被測定表面の少なくとも一部に合焦している画像が撮影されたときの前記スケールで測定された実測距離値を含む２以上の参照データを前記記憶部に格納するステップと、
前記撮像素子が前記試料の被測定表面を撮影した画像を少なくとも含む１以上の対象データを前記記憶部に格納するステップと、
前記記憶部に格納された前記参照データの画像と前記対象データの画像とについて任意の画像処理範囲を規定するステップと、
前記参照データの各画像と前記対象データの各画像とについて、前記画像処理範囲を並進および回転移動させながら、前記参照データの各画像と前記対象データの各画像との重なり領域における階調値の差の２乗平均値を算出し、並進および回転移動した中から最小の前記２乗平均値を求めて前記参照データの各画像と前記対象データの各画像との一致度とするステップと、
前記対象データの各画像を撮影したときの前記撮像素子から前記試料の被測定表面までの推定距離値を前記参照データの各画像との前記一致度および対応する前記参照データの実測距離値に基づき推定するステップと、
を有することを特徴とする測長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測長装置および測長方法に関し、特に、試料表面の凹凸形状や経時変化・熱膨張収縮・膨潤などによる位置変化を推定する測長装置および測長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料の形状や位置を測定する装置として、ＣＣＤなどの撮像素子を備えた顕微鏡やレーザ変位計がある。図７に、従来の測長装置の構成を示す。この測長装置７００は、光源７０１とセンサ７０２と駆動部７０３とスケール７０４とを備えている。
【０００３】
測長装置７００としては、例えば、撮像素子を備えた顕微鏡の場合、光源７０１からの入力光として照明光を用い、センサ７０２としてＣＣＤなどの撮像素子を備え、駆動部７０３としてレンズを含む光学系を試料に対して近づけたり遠ざけたりするようにＺ方向に動かす機構を備えている。
【０００４】
センサ７０２で得られた画像のコントラストを算出して評価量とし、この値が最大となるように試料７１０とセンサ７０２との距離を駆動部７０３で変化させる。尚、対物レンズなどの光学素子を備えている場合は、それらを駆動させて光学距離を変化させてもよいし、センサ７０２が搭載されている機構を移動させてもよい。評価量が最大となるときの距離をスケールから読み取ることで、試料７１０表面とセンサ７０２の撮像面との距離を測定できる。これを試料７１０の面内方向に繰り返すことで試料７１０の表面形状を測定することができる。
【０００５】
また、レーザ変位計の場合、光源７０１として単一波長光を出力するレーザを用い、センサ７０２としてピンホールを前面に備えたフォトディテクタ、駆動部７０３としてレンズを備えている（非特許文献２参照）。試料７１０表面で反射されて戻ってきた光がピンホールを経由してセンサ７０２に検出されたときの光量を評価量とする。この評価量が最大となるように試料７１０表面とセンサ７０２の撮像面との距離を駆動部７０３で変化させる。この場合も、レンズを駆動し試料表面で焦点を結ぶようにしたときに評価量が最大となる。このときのレンズの位置を読み取ることで、試料７１０表面とセンサ７０２の撮像面の距離を測定できる。試料７１０を搭載した台をレーザ光進行方向に垂直な面内方向に移動させることで形状を測定することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】久米秀尚、「縮退続くデジカメ市場  虎の子技術導入で反転へ」、日経エレクトロニクス、８−９頁、２０１４年３月３日号
【非特許文献２】「コンフォーカル（共焦点）光学系の原理」、［online］、レーザーテック株式会社、［平成２６年８月２０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.lasertec.co.jp/products/principle/principle2.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の測定方法では、凹凸を有する粗面にこれらの方法を適用した場合は測定精度が劣化するという課題がある。
【０００８】
例えば、顕微鏡を用いた場合、面が平坦であれば図８（ａ）のようにＺ方向の移動量に対して画像のコントラストの値がピークをもつような曲線となり、ピーク値は１つである。しかし、試料７１０表面のセンサ７０２に写る範囲に複数の凹凸がある場合、図８（ｂ）のように各凹凸に対応するコントラストが極大となる複数の距離が存在し、それら複数の極大値の中から対象の１つの凹凸に対応する極大値を選ぶことは困難である。したがって、個々の凹凸との距離を測定するのではなく、センサ７０２に写る範囲の面単位の凹凸程度の測定精度しか得られない。
【０００９】
同様にレーザ変位系についても、凹凸面のどの部分で合焦させるかに依存し、レーザのビーム径内に含まれる凹凸程度以上の精度は得られない。また、凹凸面であるため入力光は散乱されてしまいセンサ７０２へ戻る光量が小さくセンサ７０２の検出精度を低下させている。
【００１０】
さらに、レーザなどで局所的に合焦させ凹凸面水平方向にスキャンしてもよいが、各点で合焦させるために駆動部を調整する必要があるため、凹凸面全体に適用するには精度が落ち時間がかかるという課題がある。
【００１１】
また、測定に時間がかかると、測定中に測定装置や試料がドリフトしたり熱変形したりしてさらに精度が劣化するという課題がある。
【００１２】
以上から、従来技術では凹凸面を備えた試料の高さや距離の正確な値を得ることが難しかった。したがって、経時変化・熱膨張収縮・膨潤などによる形状や位置変化をしたことを表面の変位で捉えようとしても、凹凸面で局所的に合焦させれば高さは測定できるが、面全体としてどのように変位したかを高精度に測定することは困難であった。
【００１３】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、合焦させるために撮像素子や光学素子を移動させることなく、撮像素子の撮像面から試料の表面までの距離を推定可能な測長装置および測長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明は、測長装置であって、撮像素子と、前記撮像素子と台との距離を変更可能な駆動部と、前記撮像素子の撮像面と前記台上に設置された試料の被測定表面との距離を測定するスケールと、前記台上に設置された前記試料の被測定表面を前記撮像素子によって撮影した、前記試料の被測定表面の少なくとも一部に合焦している画像および前記試料の被測定表面の少なくとも一部に合焦している画像が撮影されたときの前記スケールで測定された実測距離値を含む２以上の参照データ、ならびに前記撮像素子が前記試料の被測定表面を撮影した画像を少なくとも含む１以上の対象データを格納する記憶部と、前記記憶部に格納された前記参照データの各画像と前記対象データの各画像との任意の画像処理範囲について、並進および回転移動させながら、前記参照データの各画像と前記対象データの各画像との重なり領域における階調値の差の２乗平均を算出し、並進および回転移動した中で最小の前記２乗平均を前記参照データの各画像と前記対象データの各画像との一致度とし、前記対象データの各画像を撮影したときの前記撮像素子から前記試料の被測定表面までの推定距離値を前記参照データの各画像との前記一致度および対応する前記参照データの実測距離値に基づき推定する、計算部と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の測長装置において、前記対象データは、前記対象データの各画像を撮影したときの前記スケールで測定された実測距離値を含み、前記計算部は、前記推定距離値と、対応する前記対象データの実測距離値との差として前記試料の被測定表面の位置の変位を計算することを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の測長装置において、前記計算部は、前記試料の被測定表面の位置の変位を、前記各対象データの前記実測距離値が前記各対象データの前記推定距離値と前記試料の被測定表面の位置の変位との和と等しいとして回帰分析を行うことで計算することを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の測長装置において、前記参照データの前記実測距離値の範囲がｚ１からｚ２であるとき、前記対象データの各画像は、前記スケールで測定される距離がｚ１からｚ２の間にある位置で撮影されたことを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の測長装置において、前記試料は、前記被測定表面とは異なる基準面を含み、前記スケールは、前記基準面をゼロ基準として前記撮像素子の撮像面と前記試料の被測定表面との距離を算出することを特徴とする。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の測長装置において、前記計算部は、前記各対象データの前記推定距離値を、前記一致度が最も小さい画像を有する前記参照データの前記実測距離値とすることを特徴とする。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の測長装置において、前記計算部は、前記各対象データの前記推定距離値を、前記各参照データの前記実測距離値を前記一致度によって重み付けして足し合わせることにより算出することを特徴とする。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、撮像素子と、前記撮像素子と台との距離を変更可能な駆動部と、前記撮像素子の撮像面と前記台上に設置された試料の被測定表面との距離を測定するスケールと、前記撮像素子で撮影された画像および前記スケールで測定された実測距離値を格納する記憶部と、前記画像および前記実測距離値から前記撮像素子の撮像面と前記試料の被測定表面との距離を推定する計算部とを備えた測長装置における測長方法であって、前記試料の被測定表面を前記撮像素子によって撮影した、前記試料の被測定表面の少なくとも一部に合焦している画像および前記試料の被測定表面の少なくとも一部に合焦している画像が撮影されたときの前記スケールで測定された実測距離値を含む２以上の参照データを前記記憶部に格納するステップと、前記撮像素子が前記試料の被測定表面を撮影した画像を少なくとも含む１以上の対象データを前記記憶部に格納するステップと、前記記憶部に格納された前記参照データの画像と前記対象データの画像とについて任意の画像処理範囲を規定するステップと、前記参照データの各画像と前記対象データの各画像とについて、前記画像処理範囲を並進および回転移動させながら、前記参照データの各画像と前記対象データの各画像との重なり領域における階調値の差の２乗平均値を算出し、並進および回転移動した中から最小の前記２乗平均値を求めて前記参照データの各画像と前記対象データの各画像との一致度とするステップと、前記対象データの各画像を撮影したときの前記撮像素子から前記試料の被測定表面までの推定距離値を前記参照データの各画像との前記一致度および対応する前記参照データの実測距離値に基づき推定するステップと、を有することを特徴とする測長方法。
【発明の効果】
【００２２】
本実施の形態によれば、対象とする試料の領域全体で合焦している必要はなく、合焦させるために駆動部を調整する必要はない。駆動部により試料との距離を変化させて画像を取得するだけであるので短時間で測定が完了し、試料の初期の画像と距離測定値をもとに試料の距離推定値を高い精度で得ることができる。
【００２３】
また、負荷試験などを実施して経時変化後の試料の距離の測定値を得ることで、経時変化による凹凸面の位置変化、すなわち試料の形状変化を高い精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態１に係る測長装置の構成を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、試料表面の画像を示す図である。
【図３】本発明の実施形態１における推定距離の算出工程を示す図である。
【図４】本実施形態の画像処理部における処理工程を示す図である。
【図５】本発明の実施形態２に係る試料形状の変形量の算出工程を示す図である。
【図６】本発明の実施形態３に係る測長装置の構成を示す図である。
【図７】従来の測長装置の構成を示す図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、Ｚ方向の移動量に対する画像のコントラストを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。・・・
【００２６】
［実施形態１］
図１に、本発明の実施形態１に係る測長装置の構成を示す。図１では、光源１０１、撮像素子１０２、光学素子１０３、駆動部１０４、スケール１０５とからなる装置を示している。光源１０１および撮像素子１０２と試料１１０との間の光路上には、レンズなどの光学素子１０３を適宜配置している。光源１０１、撮像素子１０２、光学素子１０３は、駆動部１０４を介して台１０６に接続されている。
【００２７】
測定する試料１１０は台１０６に搭載され、その表面は光源１０１からの光で明るくされ、試料１１０からの反射光が結像した画像は撮像素子１０２により記録される。光源１０１と撮像素子１０２は、台１０６対して固定された駆動部１０４によって台面に対して鉛直なｚ方向に駆動可能とされており、移動した位置をスケール１０５により記録する。スケール１０５の位置は撮像素子１０２の撮像面と台１０６の台面との距離を示すが、台１０６上の試料１１０の厚さが変化しない場合は、撮像素子１０２の撮像面の試料表面に対する距離を相対的に示していることになる。
【００２８】
撮像素子１０２により得られた画像や、スケール１０５により測定された位置の情報は、図示されていないが、電子データとして記憶部に記録され計算機で画像処理・推定・比較などの処理がなされる。
【００２９】
試料１１０の表面は、数μｍから数１０μｍ程度の凹凸が複数存在する凹凸面である。凹凸面の所定の領域を画像として記録するが、凹凸面であるため領域内全域で焦点が合うことはない。領域内の少なくとも一部が合焦するように距離を調整し、そのときの距離をｚ＝ｚ１とする。
【００３０】
例えば、図１（ａ）のように表面の凹凸のうち凸部に合焦させるようにｚ＝ｚ１を設定して撮像すると、図２（ａ）のような画像が得られる。図２（ａ）は例えばデジタル化された電子ファイルであり、約０．１μｍ角がピクセル１つに対応し、４８０ピクセル×６００ピクセルは４８μｍ×６０μｍの領域に相当する。ピクセルの画素位置情報に対応して、例えばグレースケールで８ビットの階調値を有している。図２（ａ）において、領域Ａは合焦しておらず画像は不明瞭だが領域Ｂでは合焦していて画像が明瞭であることがわかる。
【００３１】
次に、同一の画像の他の部分領域で合焦するように距離を調整し、そのときの距離をｚ＝ｚ２とする。例えば、図１（ｂ）のように表面の凹凸のうち凹部に合焦させるようにｚ＝ｚ２を設定して撮像すると、図２（ｂ）のような画像が得られる。図２（ａ）とは異なり、図２（ｂ）では、領域Ａにおいて合焦し明瞭な画像が得られる。
【００３２】
このときのｚ＝ｚ１の値とそのときの画像、同様にｚ＝ｚ２の値とそのときの画像を参照データセットとして記録する。
【００３３】
その後、同一の領域内で少なくとも一部が合焦するような距離に変更して画像を取得し、これを対象データセットとする。ｚ＝ｚ１およびｚ＝ｚ２での参照データセットを取得した後に連続的に画像を取得してもよいし、台１０６上から試料を一度外して他の測定や環境負荷試験を実施した後に再度台上に搭載して画像を取得してもよい。また、光源と撮像措置と駆動部とを備え、スケール１０５を備えていない測定装置で画像を取得してもよい。同じ領域内で少なくとも一部が合焦するので、そのときの距離ｚ＝Ｚ’３はｚ１＞Ｚ’３＞ｚ２となっている。
【００３４】
このときに図２（ｃ）に示す画像が得られる。その後、画像の一致度からＺ’３の値を推定する。（以下、推定値には「’」を付記することとする。）
ここで、一致度の算出方法について説明する。先ず、２枚の画像間で画素位置が対応するピクセルの階調値の差をとって２乗し、それを全ピクセルにわたって足し合わせた後にピクセル数で割ることで得られる２乗平均値を求める。そして、一方の画像を他方の画像に対して並進移動または回転させ、２乗平均値の最小値を求め、得られた最小２乗平均値を一致度とする。
【００３５】
対象データセットの画像と、参照データセットの画像のうちの１つとの一致度を計算して２乗平均値が小さいほど、両画像が一致していることになる。例えば、対象データセットの画像である図２（ｃ）と、参照データセットの１つである画像図２（ａ）の一致度Ｃ１２を求めると、５９であった。一方、画像図２（ｃ）と画像図２（ｂ）との一致度Ｃ２２は２５３であった。このことから、Ｚ’３はｚ２よりもｚ１に近くＺ’３≒ｚ１であることが推定できる。さらに、例えば距離を一致度で重みづけし、Ｚ’３＝（Ｃ１×ｚ２＋Ｃ２×ｚ１）／（Ｃ１＋Ｃ２）や、Ｚ’３＝（Ｃ１２×ｚ２＋Ｃ２２×ｚ１）／（Ｃ１２＋Ｃ２２）と推定してもよい。
【００３６】
これらの計算は、画像が電子ファイルとして保存されていれば測定と同時に実施する必要はなく、別々に実施することができる。また、上述の説明では参照データセットを２個とし、対象データセットを１個としたが、参照データセットはＮ個（Ｎ≧２）、対象データセットはＭ個（Ｍ≧１）であってもよい。
【００３７】
以上のようにして、画像から、それが撮像された距離を推定することが可能となる。凹凸面であるため、従来技術では領域全体で合焦することができず測定された距離が測定のたびにｚ２からｚ１の間でばらついていた。また、レーザなどで局所的に合焦させ凹凸面水平方向にスキャンしてもよいが、各点で合焦させるために駆動部を調整するため、凹凸面全体に適用するには精度が落ち、時間がかかるという課題があった。また、測定に時間がかかると、測定中に測定装置や試料がドリフトしたり熱変形したりして、さらに精度が劣化するという課題があった。
【００３８】
しかし、本実施の形態によれば、領域全体で合焦している必要はなく、一部の領域で合焦しているだけでも十分で、合焦させるために駆動部を調整する必要はなく、合焦の有無に関わらず距離を変化させて画像を取得するだけであるので、試料の距離の正確な値を短時間の測定で推定することができる、という効果が得られる。
【００３９】
短時間の測定が可能なので、測定装置のドリフトや熱変形によりスケールが変形して精度が劣化する、ということがない。また、参照データセットにおける撮像素子と台との距離の関係は、試料固有の高さの相対的な位置関係に置き換えることができ、さらに、これを画像と対応づけることで測定装置に依らない試料固有のデータセットとすることができる。したがって、スケールを備えず、光源と撮像装置と駆動部とを備えた他の測定装置でも対象データセットを取得することができ、これにより距離を推定することができる。
【００４０】
図３に、本発明の実施形態１における推定距離の算出工程を示す。この工程は、主に光源１０１、撮像素子１０２、光学素子１０３、駆動部１０４、スケール１０５の光学系が行う工程と、主に処理部や記憶部を備える計算機が行う工程とからなる。
【００４１】
先ず試料１１０を台１０６にセットし（Ｓ３０１）、駆動部１０４を調整して合焦した凹凸面の一部の範囲を検出して、そのときのスケール１０５の位置を読み取り、読み取ったスケール１０５の位置は、撮像素子１０２の撮像面から試料１１０の合焦した凹凸面までの実測距離ｚｎとそれに対応する画像ｉｎを参照データとして記憶部に出力する（Ｓ３０２）。参照データが所望の数であるＮ個に達するまでＳ３０３を繰り返す（Ｓ３０３）。尚、駆動部１０４の調整範囲の下限および上限の距離を各々ｚａおよびｚｂとすると、参照データセットは、距離ｚａ≦ｚ１＜ｚ２＜．．．＜ｚｎ＜．．．＜ｚＮ≦ｚｂを満たすＮ個の実測距離と、各実測距離に対応する画像ｉ１、ｉ２、．．．ｉｎ、．．．ｉＮとなる。
【００４２】
参照データを所望の数まで取得し終えると、必要に応じて試料１１０に負荷試験を行い、その後試料１１０を台１０６に再設置する（Ｓ３０４）。駆動部１０４を調整して同一の領域内で少なくとも一部が合焦するような距離に変更して撮影した画像Ｉｍを対象データとして記憶部に出力する（Ｓ３０５）。対象データが所望の数であるＭ個に達するまでＳ３０６を繰り返す（Ｓ３０６）。
【００４３】
対象データを所望の数まで取得し終えると、画像処理部において、画像Ｉｍに対して参照データセットの全ての画像ｉｎ（ｎ＝１〜Ｎ）との一致度Ｃｎｍを画像処理部で計算する（Ｓ３０７）。画像Ｉｍに関するＮ個の一致度Ｃ１ｍ〜ＣＮｍの内、最小の一致度Ｃｎｍ＿ｍｉｎを求め、推定部において推定距離Ｚ’ｍを推定する（Ｓ３０８）。推定距離Ｚ’ｍは、Ｚ’ｍ≒ｚｎ＿ｍｉｎとしたり、２個の場合と同様に、距離ｚｎに一致度Ｃｎｍで重みづけをしたりして推定してもよい。
【００４４】
図４に、本実施形態の画像処理部における処理工程を示す。画像処理部は、入力部、変換部、抽出部、一致度計算部、判定部、出力部から構成される。入力部では画像内で画像処理する領域を指定する（Ｓ４０１）。変換部では、画像の指定された領域を並進および回転移動する（Ｓ４０２）。抽出部では、参照データと対象データとの２枚の画像を重ね合わせ、重なり領域を抽出する（Ｓ４０３）。一致度計算部では、２枚の画像の階調差から一致度を計算する（Ｓ４０４）。例えば、２枚の画像の対応する画素位置での階調差の２乗を求め、Ｓ４０１で指定した領域内で平均する。判定部は、一致度を定義した画像処理範囲で実施完了したかどうかを判定する（Ｓ４０５）。完了した場合、出力部で一致度が最小となるときの、一致度ならびに並進および回転移動量を推定部に出力する（Ｓ ４０６）。
【００４５】
［実施形態２］
実施形態２は、実施形態１と比較して、対象データセットとして画像のほかに実測距離を取得する点が異なる。同じような画像であっても、経時変化・熱膨張収縮・膨潤などによって試料の厚さや形状が変化し、実測距離が変化する場合がある。
【００４６】
例えば、図２と同様に、参照データセットしてｚ＝ｚ１で図２（ａ）、ｚ＝ｚ２で図２（ｂ）が得られたとし、試料を環境負荷試験にかけた後に対象データの測定を行い、対象データセットとしてｚ＝Ｚ３で図２（ａ）と同じ画像が得られたとする。この場合、図２（ａ）の画像は同一であるから表面は同じだが、測定された距離ｚは異なる。したがって、Ｚ３−ｚ１が環境負荷試験によって凹凸面の位置が変位した量であると考えられる。このように、対象データを測定する際にも距離を実測することにより、試料１１０の厚さなどの形状の変形量を検出できる。
【００４７】
一般には、図２（ａ）のように同一の画像が得られることは少ないので、実施形態１と同様に一致度から対象データセットの画像が得られた距離Ｚ’３を推定する。例えば、Ｚ’３＝（Ｃ１×ｚ２＋Ｃ２×ｚ１）／（Ｃ１＋Ｃ２）である。これからＺ３−Ｚ’３を求めると変化量が得られる。なお、参照データセットは参照データがＮ個（Ｎ≧２）であってもよい。
【００４８】
参照データセットは実施形態１と同様の構成であるが、対象データセットは、Ｍ個（Ｍ≧１）の画像Ｉ１、Ｉ２、．．．、Ｉｍ、．．．ＩＭに加えて、それらに対応する実測距離Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、．．．、Ｚｍ、．．．ＺＭを含む。実施形態１と同様に推定距離Ｚ’ｍを推定し、推定距離Ｚ’ｍと実測距離Ｚｍとの差から試料１１０の変化量を推定する。
【００４９】
試料１１０の変化量は、例えば、各々の距離の間隔が一定値Δｚであるように参照データセットｚ１、ｚ２、．．．、ｚｎ、．．．、ｚＮを取得すれば、少なくともΔｚの精度での推定が可能となる。また、推定値は対象データの数だけ（Ｍ個）算出できるので、対象データの数を増やして推定値を増やして、各推定値に基づいて算出された変化量を平均することで、変化量の推定精度を向上させることができる。
【００５０】
また、参照データセットのｚ１、ｚ２、．．．ｚｎ、．．．ｚＮは、各々の距離の間隔が異なっていてもよい。この場合は、任意のｍに対して、最小一致度Ｃｎｍ＿ｍｉｎとそれに対応する距離ｚｎ＿ｍｉｎを求め推定値Ｚ’ｍを求め、対象データセットの測定値（Ｚ１、Ｚ２、．．．、Ｚｍ、．．．、ＺＭ）に、画像からの推定値（Ｚ’１、Ｚ’２、．．．、Ｚ’ｍ、．．．、Ｚ’Ｍ）を対応させ、両者をＺ（ｍ）＝Ｚ’（ｍ）＋ｃとなるように定数ｃを回帰分析により推定する。この定数ｃは、試料形状の変形量である。Ｍ個のデータ同士を用いた回帰分析を行うことで推定精度を向上させることができる。
【００５１】
図５に、本発明の実施形態２に係る試料形状の変形量の算出工程を示す。実施形態１との違いは、負荷試験後に試料１１０を台１０６に再設置した（Ｓ５０４）後、Ｓ５０５で、対象データとして画像Ｉｍに加えて実測距離Ｚｍを記憶部に記録する点と、Ｓ５０９で、新たに追加された比較部で、推定距離Ｚ’ｍと実測距離Ｚｍの差を取り、凹凸面の位置の変位を計算する点である。Ｓ５０１〜Ｓ５０４、Ｓ５０７、Ｓ５０８は、実施形態１のＳ３０１〜３０５、Ｓ３０７、Ｓ３０８と同じである。
【００５２】
このように、本実施形態では、対象データセットとして距離も実測しているので、参照データセット取得時と、対象データセット取得時の間で起きる試料１１０の凹凸面の経時変化量を推定することが可能となる。
【００５３】
［実施形態３］
図６に、本発明の実施形態３に係る測長装置の構成を示す。本実施形態では、実測距離や推定距離のゼロ基準を基準面に取ることができる。
【００５４】
図６においては、台１０６上に試料１１０として、凹凸面を有する測定対象１１１に加えて平坦面を有する基準１１２を備え、スケール１０５は基準１１２の平坦面をゼロ基準としている。環境負荷試験などにより測定対象１１１の凹凸面の位置が変化した場合でも基準１１２の平坦面の位置は変化しないとする。基準１１２の平坦面上にパターンがある場合は、平坦面の画像のコントラストを最大化する位置に光源１０１と撮像素子１０２の位置を調整することで、基準１１２の平坦面の位置を測定することができる。
【００５５】
また基準１１２の平坦面上にパターンがない場合でも、レーザ光とフォトディテクタを備え、基準１１２の平坦面で反射されて戻ってきた光がフォトディテクタで検出されるときの光量を最大化する位置に調整することで、基準１１２の平坦面の位置を測定することができる。
【００５６】
実施形態１および２ではゼロ基準が装置側にあったが、本実施の形態では試料側にある。装置は光源１０１や撮像素子１０２は駆動部１０４など複雑で異なる材料や機構から成るため、基準１１２を有する試料１１０に比べると、環境や経時変化の影響を受けやすい。装置よりも経時変化の小さい基準１１２を試料１１０に設けることで、より高精度な測定を行うことができる。
【符号の説明】
【００５７】
１００  測長装置
１０１  光源
１０２  撮像素子
１０３  光学素子
１０４  駆動部
１０５  スケール
１０６  台
１１０  試料
１１１  測定対象
１１２  基準
７００  測長装置
７０１  光源
７０２  センサ
７０３  駆動部
７０４  スケール
７１０  試料
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図２】
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