JP2008224417A - 計測方法および計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測画像のばらつきになどに起因にする誤計測や計測失敗が生じるのを低減して安定した計測を可能にする。
【解決手段】計測画像２３と、特徴的なパターン１７を含む第１のテンプレート画像１６とを、テンプレートマッチングした後、更に、サーチ範囲を限定して、第１のテンプレート画像１６の部分画像であって、計測すべきパターン１８を含む第２のテンプレート画像２０をテンプレートマッチングして計測位置を求めるようにしている。
【選択図】図５

Description

本発明は、例えば、基板や部品などの計測対象を撮像した計測画像とテンプレート画像とをテンプレートマッチングさせて位置や寸法などの計測を行う計測方法および計測装置に関する。

計測対象を撮像した画像データに基づいて画像処理を行うことにより、計測対象を測定・評価する装置がある（例えば、特許文献１参照）。

計測対象、例えば、液晶パネルのガラス基板を撮像して、その計測画像からガラス基板上のパターンの寸法を計測する計測装置においては、予め教示用画像を用いて計測位置の教示が行われる。

教示用画像は、例えば、図７に示すように、基板の一部である計測領域、この例では、特徴的なパターンである円形のパターン１７および直径Ｄを計測すべきパターン１８を含む基板の一部を予め撮像した画像であり、この教示用画像としては、例えば、パターンの形状などが同等であるものが多数存在する計測対象を撮像した画像を用いるのが好ましい。

この教示用画像に対して、例えば、図８に示すような特徴的な円形のパターン１７を含む予め登録されているテンプレート画像１６を用いて、図９に示すように、テンプレートマッチングを行い、マッチングしたときの位置を基準として、計測すべきパターン１８の矢符で示される計測位置を指定するのに必要なパラメータを入力することにより、これらパラメータおよびテンプレート画像１６を含む計測レシピが作成されて登録され、教示が終了する。

実際の計測においては、基板の計測領域を撮像し、その計測画像と、予め教示された前記計測レシピのテンプレート画像１６とを、テンプレートマッチングし、マッチングしたときの位置を基準として、計測レシピのパラメータに従って計測画像におけるパターン１８の計測位置を検出し、その直径Ｄを計測する。
特許３７６５０６１号公報

しかしながら、実際の計測対象である基板は、例えば、製造プロセスのばらつきなどに起因して基板上に形成される薄膜のパターンの位置や形状などが異なる場合がある。例えば、図１０の計測画像２３に示すように、特徴的な円形のパターン１７と、直径Ｄを計測すべき円形のパターン１８との距離が、上述の図７の教示用画像１９とは異なる場合があり、かかる場合には、上述のテンプレート画像１６でテンプレートマッチングしたときに、図１１に示すように計測位置がずれてしまい、計測すべきパターン１８の直径Ｄが計測されないことになる。

このため、テンプレート画像として、図１２に示すように、計測すべき円形のパターン１８のみを含む画像を用いることが考えられるが、かかるテンプレート画像２０では、特徴的なパターンを含まないために、計測すべきパターンと同様のパターンが存在するような場合には、図１３に示すように、テンプレート画像２０が、計測すべき円形のパターン１８とは別のパターン１７にマッチングされてしまい、計測すべき円形のパターン１８の直径が計測できないといった課題がある。

本発明は、上述のような点に鑑みて為されたものであって、誤計測や計測失敗が生じるのを低減して安定な計測を行えるようにすることを目的とする。

（１）本発明の計測方法は、計測対象を撮像した計測画像と、予め登録されているテンプレート画像とを、マッチングさせて計測位置を求めて計測を行う方法であって、少なくとも第１，第２の前記テンプレート画像を予め登録し、前記計測画像と前記第１のテンプレート画像とのマッチングを行った後、サーチ範囲を限定して前記第２のテンプレート画像とのマッチングを行うものである。

計測対象とは、位置や寸法などを計測する対象をいい、例えば、基板、部品などをいう。

マッチングは、正規化相関法やその他の公知の方法を用いることができる。

テンプレート画像は、計測対象を撮像した画像から切り出されるのが好ましく、この計測対象は、同等のものが多数存在するものから選択されるのが好ましい。

第２のテンプレート画像は、第１のテンプレート画像の一部の画像であってもよいし、別の画像であってもよい。

サーチ範囲は、第２のテンプレート画像が誤った位置にマッチングされないように限定するのが好ましい。

第２のテンプレート画像でマッチングした後、更に、サーチ範囲を限定し、第３のテンプレート画像でマッチングしてもよく、同様に、第４以降のテンプレート画像で更にマッチングするようにしてもよい。

本発明の計測方法によれば、第１のテンプレート画像を用いたマッチングによって、第１段階の位置決めを行い、この位置決めした位置から、サーチ範囲を限定して第２のテンプレート画像を用いたマッチングを行うことによって、第２段階の位置決めを行なって計測位置を求めるといったことが可能となる。 これによって、１回のテンプレートマッチングだけでは、計測位置にずれが生じて正しく計測できないような場合であっても、少なくとも第２段階の位置決めを行なって計測位置を求めることによって、計測位置のずれを解消して精度よく計測することが可能となり、誤計測や計測失敗を低減して計測の安定性を高めることができる。

（２）本発明の計測方法の一つの実施形態では、前記サーチ範囲を限定して前記第２のテンプレート画像をマッチングさせた画像に基づいて、前記計測位置を求めるようにしてもよい。

第２のテンプレート画像は、計測位置を含む画像であってもよいし、含まない画像であってもよい。

この実施形態によると、第１のテンプレート画像を用いたマッチングと、サーチ範囲を限定した第２のテンプレート画像を用いたマッチングとの２回のテンプレートマッチングによって、計測位置を求めて計測することができる。

（３）本発明の計測方法の他の実施形態では、前記第１のテンプレート画像は、特徴的なパターンを含む画像であり、前記第２のテンプレート画像は、前記第１のテンプレート画像の部分画像である。

特徴的なパターンは、計測画像の他の部分とは異なる特別なパターンであるのが好ましいが、同様のパターンを含んでもよい。

この実施形態によると、第１のテンプレート画像は、特徴的なパターンを含んでいるので、誤った位置にマッチングされるのを回避できる一方、第２のテンプレート画像は、第１のテンプレート画像の部分画像であるので、第１のテンプレート画像がマッチングされた範囲およびその近傍をサーチ範囲として効率的にマッチングを行うことができる。

（４）上記（３）の実施形態では、前記部分画像には、前記計測位置を含むようにしてもよい。

この実施形態によると、例えば、特徴的なパターンと計測位置との距離が、教示用画像とは異なるような計測画像であっても、特徴的なパターンを含む第１のテンプレート画像でテンプレートマッチングした後に、計測位置を含む第２のテンプレート画像でテンプレートマッチングするので、第２のテンプレート画像をマッチングさせた画像から計測位置を精度よく求めることができる。

（５）上記（３）または（４）の実施形態では、前記サーチ範囲を、前記計測画像の前記第１のテンプレート画像がマッチングされた範囲の一部であって、かつ、前記部分画像を含む範囲に限定してもよい。

この実施形態によると、サーチ範囲を、計測画像の第１のテンプレート画像がマッチングされた範囲の一部に限定しているので、第２のテンプレート画像が誤った位置にマッチングされるのを回避できるとともに、効率的なマッチングが可能となる。

（６）本発明の計測装置は、計測対象を撮像する撮像部と、予めテンプレート画像が登録される記憶部と、前記計測対象を撮像した前記撮像部からの計測画像と前記テンプレート画像とのマッチングを行うマッチング部と、マッチング結果に基づいて、計測位置を求めて計測を行う計測部とを備え、前記記憶部には、少なくとも第１，第２の前記テンプレート画像が登録され、前記マッチング部は、前記計測画像と前記第１のテンプレート画像とのマッチングを行った後、サーチ範囲を限定して前記第２のテンプレート画像とのマッチングを行うものである。

本発明の計測装置によれば、第１のテンプレート画像を用いたマッチングによって、第１段階の位置決めを行い、この位置決めした位置から、サーチ範囲を限定して第２のテンプレート画像を用いたマッチングによって、第２段階の位置決めを行なって計測位置を求めるといったことが可能となり、これによって、１回のテンプレートマッチングによって計測位置を求める構成に比べて、誤計測や計測失敗を低減して計測の安定性を高めることができる。

（７）本発明の計測装置の他の実施形態では、前記計測部は、前記サーチ範囲を限定して前記第２のテンプレート画像をマッチングさせた画像に基づいて、前記計測位置を求めて計測を行うようにしてもよい。

この実施形態によると、第１のテンプレート画像を用いたマッチングと、サーチ範囲を限定した第２のテンプレート画像を用いたマッチングとの２回のテンプレートマッチングによって、計測位置を求めて計測することができる。

（８）本発明の計測装置の一つの実施形態では、前記第１のテンプレート画像は、特徴的なパターンを含む画像であり、前記第２のテンプレート画像は、前記第１のテンプレート画像の部分画像である。

この実施形態によると、第１のテンプレート画像は、特徴的なパターンを含んでいるので、誤った位置にマッチングされるのを回避できる一方、第２のテンプレート画像は、第１のテンプレート画像の部分画像であるので、第１のテンプレート画像がマッチングされた範囲およびその近傍をサーチ範囲として効率的にマッチングを行うことができる。

（９）上記（８）の実施形態では、前記部分画像には、前記計測位置を含むようにしてもよい。

この実施形態によると、例えば、特徴的なパターンと計測位置との距離が、教示用画像とは異なるような計測画像であっても、特徴的なパターンを含む第１のテンプレート画像でテンプレートマッチングした後に、計測位置を含む第２のテンプレート画像でテンプレートマッチングするので、第２のテンプレート画像をマッチングさせた画像から計測位置を精度よく求めることができる。

（１０）上記（８）または（９）の実施形態では、前記計測部は、前記サーチ範囲を、前記計測画像の前記第１のテンプレート画像がマッチングされた範囲の一部であって、かつ、前記部分画像を含む範囲に限定してもよい。

この実施形態によると、サーチ範囲を、計測画像の第１のテンプレート画像がマッチングされた範囲の一部に限定しているので、第２のテンプレート画像が誤った位置にマッチングされるのを回避できるとともに、効率的なマッチングが可能となる。

本発明によれば、計測画像と第１のテンプレート画像とのマッチングを行った後、その状態でサーチ範囲を限定して第２のテンプレート画像とのマッチングを行うので、１回のテンプレートマッチングによって計測位置を求める構成に比べて、テンプレートマッチングの精度が向上し、誤計測や計測失敗を低減して計測の安定性を高めることができる。

以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。

（実施の形態１）
以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一つの実施の形態に係る計測装置の概略構成を示す斜視図である。

この実施形態の計測装置１は、計測対象である基板２の計測領域を撮像して画像を取り込むための画像取り込み装置３と、この画像取り込み装置３に相互に情報伝送可能に接続されて、取り込んだ画像を処理して計測を行なうととともに、各部の制御を行なう制御装置４とを備えており、制御装置４は、画像取り込み装置３を制御する制御プログラムを実行するコンピュータを内蔵している。

画像取り込み装置３は、基台５と、その上に設置された一対のガイドレール６に沿って移動可能なテーブル７と、このテーブル７を跨ぐ形で基台５上の固定位置に架設された門型の架台８と、この架台８内に設けられた図示しないカメラ移動機構と、カメラ移動機構に支持された撮像部としてのカメラ９とを備えている。

矩形板状のテーブル７は、図示しないリニアモータなどの駆動機構によって図のｙ方向に移動可能である。カメラは、ｙ方向に直交する図のｘ方向を可動方向とするカメラ移動機構によって、ｘ方向に移動可能である。

基台５上には、テーブル７の移動方向であるｙ方向に沿って延びるリニアスケール１０が設けられる一方、テーブル７には、該テーブル７と一体的に移動する図示しないエンコーダヘッドが設置されており、リニアスケール１０とエンコーダヘッドとによって、テーブル７のｙ方向の移動量を測定するリニアエンコーダが構成される。

各エンコーダヘッドには、投光部と受光部とが備えられ、投光部から出射されてリニアスケール１０で変調された反射光を受光部で受けることにより、テーブルの移動量に応じた数のパルス信号を得ることができる。また、各リニアスケール１０の１箇所には原点パターンが設けられていることにより、テーブル位置の原点信号を得ることもできる。

架台８に内蔵されるカメラ移動機構は、テーブル７上に載置された基板２を撮像するカメラ９を、ｘ方向に移動させるものである。このカメラ移動機構は、リニアエンコーダを備えており、このリニアエンコーダでカメラ９のｘ方向の移動量を測定しながら、制御装置４から指令されたｘ座標にカメラ９を移動させる。

カメラ９は、顕微鏡のように対物レンズを有する構成となっており、２次元ＣＣＤ撮像素子を備える。対物レンズの交換により撮像倍率を変更できるようになっている。

制御装置４は、キーボードやマウスなどの入力装置とディスプレイなどの出力装置とを備えており、画像取り込み装置３に対してリアルタイムに指令を送ったり、画像取り込み装置３で撮像した画像を観察したり、画像取り込み装置３を制御するプログラムを入力したりできるようになっている。画像取り込み装置３を制御するプログラムは、ネットワークを経由して、外部からダウンロードすることもできる。

図２は、図１の計測装置１の要部の構成を示すブロック図であり、図１に対応する部分には、同一の参照符号を付す。

制御装置４は、カメラ９からの画像信号が入力される入力部１１と、テンプレート画像を含む計測レシピおよび制御プログラムなどが記憶される記憶部１２と、入力部１１からの計測画像と記憶部１２のテンプレート画像とのテンプレートマッチングおよびそれに基づく計測演算などを行うとともに、テーブル７やカメラ移動機構を制御するための演算を行う演算部１３と、演算部１３の演算結果に基づいて、ディスプレイ等の出力装置１４に計測結果などを表示出力するとともに、テーブル７やカメラ９の移動機構１５への制御出力を与える出力部１６とを備えている。

この実施形態では、計測対象である基板２上の薄膜のパターンの位置や形状などのばらつきに起因して誤計測や計測失敗が生じるのを低減して、安定な計測を行えるようにするために次のように構成している。

すなわち、この実施形態では、予め、第１，第２のテンプレート画像および対応するパラメータを含む計測レシピを計測装置１に登録し、実際の計測画像に対して、先ず、第１のテンプレート画像をマッチングさせ、その後、マッチングさせた画像に対して、サーチ範囲を限定して、第２のテンプレート画像をマッチングさせて計測位置を検出し、計測を行うものである。

この実施形態では、第１のテンプレート画像１６は、上述の従来例と同様の図８に示す特徴的なパターン１７および直径Ｄを計測すべき円形のパターン１８を含む画像であり、この第１のテンプレート画像１６は、上述の図７に示される教示用画像１９から切り出されたものである。

また、第２のテンプレート画像２０は、上述の図１２に示すように、第１のテンプレート画像１６の部分画像であって、特徴的なパターン１７を含まず、直径を計測すべき円形のパターン１８を含む画像である。

この第２のテンプレート画像２０と計測画像とのテンプレートマッチングは、計測画像と第１のテンプレート画像１６とのテンプレートマッチングを行なった後、その状態からサーチ範囲を限定して行う。

この実施形態では、サーチ範囲は、計測画像に第１のテンプレート画像をマッチングさせた状態において、図３に示すように、第１のテンプレート画像１６の、第２のテンプレート画像２０（上記部分画像）を含む範囲であって、特徴的なパターン１７を殆ど含まない矩形の範囲２１に限定される。

この実施形態では、予め、各テンプレート画像１６，２０および教示用画像を用いて、限定するサーチ範囲や計測位置の教示が行われる。

すなわち、図７の教示用画像１９に対して、第１のテンプレート画像１６をテンプレートマッチングしたときの位置を基準として、第２のテンプレート画像２０によるサーチ範囲を指定するのに必要なパラメータを入力することにより、パラメータおよび第１のテンプレート画像１６を含む計測レシピが作成されて登録され、更に、第２のテンプレート画像２０を、限定されたサーチ範囲でサーチして教示用画像１９にテンプレートマッチングさせたときの位置を基準として、計測すべきパターン１８の計測位置を指定するのに必要なパラメータを入力することにより、パラメータおよび第２のテンプレート画像２０を含む計測レシピが作成されて登録される。

次に、実際の計測時には、テーブル７上に、計測対象である基板２を載置し、カメラ９の視野内に、基板２の計測領域が収まるように、カメラ移動機構によってカメラ９をｘ方向に移動させるとともに、テーブル７をｙ方向に移動させて基板２の計測領域を撮像して計測画像を取り込む。

この実施形態では、取り込んだ計測画像と、予め登録した第１のテンプレート画像１６とをテンプレートマッチングし、そのマッチングした状態からサーチ範囲を限定して第２のテンプレート画像２０をテンプレートマッチングし、このマッチングした画像に基づいて、計測レシピのパラメータに従って計測位置を検出して従来と同様に直径の計測を行う。

図４は、この実施形態のテンプレートマッチングの手順を示す図である。

計測対象である基板２の計測領域を撮像して得られた同図(ａ)の計測画像２２に対して、予め登録している同図(ｂ)の第１のテンプレート画像１６を、同図(ｃ)に示すようにテンプレートマッチングし、その後、上述のようにサーチ範囲を限定して、同図(ｄ)の第２のテンプレート画像２０を、同図(ｅ)に示すようにマッチングさせ、このマッチングさせた画像に基づいて、計測レシピのパラメータに従って矢符で示される計測位置が検出されて直径Ｄの計測が行われる。

図５は、上述の図７の教示用画像１９に比べて、図５(ａ)に示すように、特徴的なパターン１７と計測すべきパターン１８との距離が離れている計測画像２３に対するテンプレートマッチングを示す図である。

この計測画像２３に対して、予め登録している同図(ｂ)の第１のテンプレート画像１６を、同図(ｃ)に示すようにテンプレートマッチングする。この状態では、第１のテンプレート画像１６における計測すべきパターン１８と、計測画像２３の実際の計測すべきパターン１８との位置がずれており、正しく計測することはできない。

この実施形態では、この状態から、サーチ範囲を限定して、同図(ｄ)の第２のテンプレート画像２０をマッチングさせるので、第２のテンプレート画像２０に含まれる計測すべきパターン１８を、実際の計測画像２３の計測すべきパターン１８に正確にマッチングさせることができ、これによって、計測レシピのパラメータに従って矢符で示される計測位置を検出して直径Ｄの計測を行うことができる。

図６は、この実施形態の動作説明に供するフローチャートである。

先ず、予め登録されている計測レシピから第１のテンプレート画像１６を読み出し(ステップｎ１)、計測画像とテンプレートマッチングし(ステップｎ２)、次に、計測レシピから第２のテンプレート画像２０を読み出し(ステップｎ３)、第１のテンプレート画像１６でマッチングした計測画像に対して、サーチ範囲を限定して、第２のテンプレート画像をテンプレートマッチングし（ステップｎ４）、マッチングした画像に基づいて、計測位置を検出して直径を計測し(ステップｎ５)、計測に成功したか否かを判断し(ステップｎ６)、成功したときには、認識成功とし(ステップｎ７)、失敗したときには、認識失敗(ステップｎ８)として、例えば、表示出力する。

本発明は、テンプレートマッチングを用いて位置や寸法などを計測する計測装置などに有用である。

本発明の実施形態に係る計測装置の概略構成を示す斜視図である。 図１の計測装置の要部の構成を示すブロック図である。 限定したサーチ範囲を示す図である。 テンプレートマッチングの手順を説明するための図である。 テンプレートマッチングの手順を説明するための図である。 動作説明に供するフローチャートである。 教示画像を示す図である。 テンプレート画像を示す図である。 テンプレートマッチングの状態を示す図である。 計測画像を示す図である。 テンプレートマッチングの状態を示す図である。 テンプレート画像を示す図である。 テンプレートマッチングの状態を示す図である。

符号の説明

１ 計測装置
２ 基板
３ 画像取り込み装置
４ 制御装置
９ カメラ

Claims (10)

1. 計測対象を撮像した計測画像と、予め登録されているテンプレート画像とを、マッチングさせて計測位置を求めて計測を行う方法であって、
   少なくとも第１，第２の前記テンプレート画像を予め登録し、
   前記計測画像と前記第１のテンプレート画像とのマッチングを行った後、サーチ範囲を限定して前記第２のテンプレート画像とのマッチングを行うことを特徴とする計測方法。
2. 前記サーチ範囲を限定して前記第２のテンプレート画像をマッチングさせた画像に基づいて、前記計測位置を求める請求項１に記載の計測方法。
3. 前記第１のテンプレート画像は、特徴的なパターンを含む画像であり、
   前記第２のテンプレート画像は、前記第１のテンプレート画像の部分画像である請求項１または２に記載の計測方法。
4. 前記部分画像には、前記計測位置を含む請求項３に記載の計測方法。
5. 前記サーチ範囲を、前記計測画像の前記第１のテンプレート画像がマッチングされた範囲の一部であって、かつ、前記部分画像を含む範囲に限定する請求項３または４に記載の計測方法。
6. 計測対象を撮像する撮像部と、予めテンプレート画像が登録される記憶部と、前記計測対象を撮像した前記撮像部からの計測画像と前記テンプレート画像とのマッチングを行うマッチング部と、マッチング結果に基づいて、計測位置を求めて計測を行う計測部とを備え、
   前記記憶部には、少なくとも第１，第２の前記テンプレート画像が登録され、
   前記マッチング部は、前記計測画像と前記第１のテンプレート画像とのマッチングを行った後、サーチ範囲を限定して前記第２のテンプレート画像とのマッチングを行うことを特徴とする計測装置。
7. 前記計測部は、前記サーチ範囲を限定して前記第２のテンプレート画像をマッチングさせた画像に基づいて、前記計測位置を求めて計測を行う請求項６に記載の計測装置。
8. 前記第１のテンプレート画像は、特徴的なパターンを含む画像であり、
   前記第２のテンプレート画像は、前記第１のテンプレート画像の部分画像である請求項６または７に記載の計測装置。
9. 前記部分画像には、前記計測位置を含む請求項８に記載の計測装置。
10. 前記計測部は、前記サーチ範囲を、前記計測画像の前記第１のテンプレート画像がマッチングされた範囲の一部であって、かつ、前記部分画像を含む範囲に限定する請求項８または９に記載の計測装置。

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