JP3614529B2 - 計測装置の演算パラメータ計測方法、および計測装置 - Google Patents
計測装置の演算パラメータ計測方法、および計測装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は計測装置の演算パラメータ計測方法、および計測装置に関し、特に、対象物の位置、寸法、面積などを計測する計測装置において演算制御手段の演算に必要なパラメータを計測する方法、およびそのような計測方法が採用された計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、画像処理装置により対象物の位置や寸法を検出し、さらに駆動装置を用いて対象物を移動させることにより、対象物のアライメント、寸法の計測、検査などを行なうアライメントシステムが知られている（図１参照）。このようなアライメントシステムは、たとえば液晶ガラス基板やプリント基板の高い位置精度でのアライメント作業（位置合わせ作業）や精密な寸法計測作業、検査作業に使用される。
【０００３】
ところで、このようなアライメントシステムでは、実際に使用する前に、
（１） 画像処理装置内の座標系から駆動装置の座標系への座標変換に必要な係数の計測、
（２） 画像処理装置に入力される画像入力装置の駆動装置上での取付位置の計測、
（３） 画像入力装置や駆動装置の非線形な歪み量の計測、
を行なうことが必要である。
【０００４】
これらの計測より求められるデータは、主に対象物のアライメント作業に用いられる。つまり、（１）で計測されるデータは画像処理装置の位置データを駆動装置の移動量に変換する際に必要とされる。（２）で計測されるデータは対象物の回転方向に対するアライメント移動量を算出する際に用いられる。（３）で計測されるデータは、光学系や駆動装置の非線形歪みがアライメント後の位置決め精度に及ぼす影響を軽減するために用いられる。
【０００５】
なお、これらの計測データは、アライメント作業のみではなく画像処理装置を利用した寸法計測や対象物の形状の検査などの用途に応用することも可能である。
【０００６】
以下、従来の上記（１）〜（３）の計測方法について説明する。
（１）の計測について
従来の、画像処理装置内の座標系から駆動装置の座標系への座標変換に必要な係数の計測方法では、画像処理装置内の座標系の座標軸と駆動装置の座標系の座標軸に沿った方向の寸法の倍率（ａ，ｂ）と、２つの座標系のなす傾き角度θとを係数として各々を別々に計測していた。
【０００７】
具体的には、図１０に示すように、既知の寸法（横ｘ，縦ｙ）の対象物（物体）３０の画像を画像処理装置に入力し、画像処理装置により得られる寸法情報（横ｈ，縦ｖ）との比（ｘ／ｈ，ｙ／ｖ）を変換係数（ａ，ｂ）として求めたり、図１１に示すように、光学倍率を自由に変えられる光学系により既知の寸法の対象物３０の画像を画像処理装置に入力し、画像処理装置により得られる寸法情報（ｈ，ｖ）が既知の寸法と一致するように光学系を調整したりしていた。
【０００８】
また、２つの座標系のなす傾き角度θの情報を得るためには、図１２に示すように、駆動装置の座標軸に平行となる対象物３１の画像を画像処理装置に入力し、画像の傾きから画像処理装置の座標系の傾きを求めたり、機械的に２つの座標系の傾きをなくすため駆動装置の座標軸と平行となる対象物３１の画像を画像処理装置に入力し光学系などの取付状態を２つの座標系が平行になるように調整したりしていた。
【０００９】
（２）の計測について
また、従来の画像入力装置の駆動装置上での取付位置の計測方法では、装置の設計情報を基に取付位置を算出していた。
【００１０】
（３）の計測について
また、従来の画像入力装置や駆動装置の非線形な歪み量の計測方法では、それぞれ専用の計測機器を用いて、光学装置の光学的な歪みの計測を行なったり、駆動装置の機械的な位置決め精度の計測を行なっていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の上記（１）〜（３）の計測方法には、以下の問題があった。
【００１２】
（１）の計測について
従来の、画像処理装置内の座標系から駆動装置の座標系への座標変換に必要な係数の計測方法には、▲１▼変換係数算出のための演算を行なう必要がある、▲２▼得られた変換係数を検証するのが困難である、▲３▼光学倍率を変更することにより撮像される範囲が調整の過程で変化する、▲４▼光学倍率を正確に調整することが難しい、▲５▼取付状態を精密に調整する必要があり、それに伴い調整機構が必要となる（特に光学倍率が高くなるほど困難となる）、▲６▼それらの計測の大前提として光学系光軸と駆動装置軸とを正確に直交させる必要があり、それに伴い調整機構が必要となる、などの問題があった。
【００１３】
（２）の計測について
また、従来の、画像入力装置の駆動装置上での取付位置の計測方法には、設計上のデータから得られる位置と実際の位置は一致しないのが普通であり、もし、設計上のデータから得られる位置と実際の位置を一致させようとするなら、取付位置を精密に調整するための機構が必要となる、という問題があった。
【００１４】
（３）の計測について
また、従来の、画像入力装置や駆動装置の非線形な歪み量の計測方法では、計測のための特別な装置が別途必要になり、その歪み量の影響を除去するためには光学的な歪みがない光学系や高い位置決め精度を持つ駆動機構を用いなければならない、という問題があった。
【００１５】
このように、従来の計測方法では、主に対象物を固定した状態で計測を行ない、また、光学系などの機械的な調整を行なっていた。したがって、計測に手間を要し、計測結果の検証が難しかった。また、機械的な調整が難しく、そのために特別な機構を設けなくてはならなかった。
【００１６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、座標変換係数などの計測および計測結果の検証が簡単で、機械的な調整機構が不要な計測装置の演算パラメータ計測方法、および計測装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る計測装置の演算パラメータ計測方法、および計測装置では、ｘｙθテーブルによって対象物を既知の方向に既知の距離だけ移動させ、その既知の方向および距離と画像処理手段の検出出力から得られる対象物の移動方向および移動距離とに基づいて、画像処理手段内の２次元座標系からｘｙθテーブルの２次元座標系への座標変換に必要な係数を計測する。
【００１８】
したがって、この方法および装置では、対象物を移動させて座標変換係数を計測するので、計測および計測結果の検証が従来より簡単になり、機械的な調整機構が不要となる。
【００１９】
また、この計測装置の演算パラメータ、および計測装置では、ｘｙθテーブルによって対象物を所定の角度だけ回転させ、その回転角度と画像処理手段の検出出力から得られる対象物の移動方向および出力距離とに基づいて、ｘｙθテーブルの２次元座標系内における撮像手段の取付位置を計測する。
【００２０】
したがって、この方法および装置では、対象物を移動させてｘｙθテーブルの２次元座標系内における撮像手段の取付位置を計測するので、計測および計測結果の検証が従来より簡単になり、機械的な調整機構が不要となる。
【００２１】
また、この計測装置の演算パラメータ計測方法、および計測装置では、対象物を移動させずに対象物の位置を検出した後、ｘｙθテーブルによって対象物をｘ方向に既知の第１の距離だけ移動させるとともにｙ方向に既知の第２の距離だけ移動させて対象物の位置を検出し、検出結果に基づいて対象物のｘ方向の移動距離およびｙ方向の移動距離を算出し、算出結果と第１および第２の距離とに基づいて対象物の移動後の位置におけるｘｙθテーブルおよび撮像手段の非線形な歪み量を計測する。
【００２２】
したがって、この方法および装置では、対象物を移動させてｘｙθテーブルおよび撮像手段の非線形な歪み量を計測するので、計測および計測結果の検証が従来より簡単になり、機械的な調整機構が不要となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施の形態によるアライメントシステムの構成を示すブロック図である。図１において、このアライメントシステムは、駆動装置１、画像入力装置３、画像処理装置４および制御装置５を備える。駆動装置１は、制御装置５から出力された移動情報に従って、対象物２を水平面内（２次元座標系内）の任意の位置に移動させ、回転させる。画像入力装置３は、駆動装置１の上方のある位置に固定され、対象物２を撮像するための光学系を備え、画像信号を出力する。画像処理装置４は、画像入力装置３から出力された画像信号に基づいて、画像の位置情報を出力する。制御装置５は、画像処理装置４から出力された位置情報に基づいて、駆動装置１へ移動情報を出力する。
【００２５】
図２は、図１に示したアライメントシステムの具体的な構成を例示する斜視図である。図２において、このアライメントシステムは、図１の駆動装置１となるｘｙθテーブル６と、図１の画像入力装置３となるＣＣＤカメラ１０と、画像処理装置４と、図１の制御装置５となるホストコンピュータ１１、アライメントコントローラ１２およびドライバユニット１３とを備える。
【００２６】
ｘｙθテーブル６は、固定台７と、固定台７上に移動可能に設けられた移動テーブル８と、固定台７の端部に固定された３つのアクチュエータ９とを含む。対象物２は移動テーブル８上に載置される。アクチュエータ９は、アライメントコントローラ１２およびドライバユニット１３の出力で制御され、移動テーブル８をｘ軸およびｙ軸方向に平行移動させるとともに、任意の座標を中心軸として移動テーブル８を回転させる。
【００２７】
ＣＣＤカメラ１０は、ｘｙθテーブル６の上方のある位置に固定され、２次元の輝度信号を順に電気信号に変換して画像処理装置４へ出力する。画像処理装置４は、ＣＣＤカメラ１０からの電気信号に基づいて画像の位置情報を求め、その位置情報をホストコンピュータ１１に与える。
【００２８】
ホストコンピュータ１１は、システム全体を制御し、情報の処理を行なう。アライメントコントローラ１２およびドライバユニット１３は、ホストコンピュータ１１によって制御され、ｘｙθテーブル６のアクチュエータ９を駆動させる。
【００２９】
以下、このアライメントシステムにおける上記（１）〜（３）の計測について説明する。計測用のプログラムは、図１の制御装置５（図２ではホストコンピュータ１１）内に格納されている。
【００３０】
（１）の計測について
図３は、画像処理装置４内の座標系から駆動装置１の座標系への座標変換の係数の計測方法を説明するための説明図、図４はその計測方法を示すフローチャートである。
【００３１】
図３において、駆動装置１の座標系はＸ軸Ｙ軸方向であり、画像処理装置４内の座標系はＨ軸Ｖ軸方向である。また、Ｈ軸方向からＸ軸方向になす角度をθとする。
【００３２】
一般に画像処理装置４内の座標系から駆動装置１の座標系への座標変換は行列式により以下のように表わされる。
【００３３】
【数１】
【００３４】
行列式により表わされる１番目の座標変換の行列要素は−θ°の回転移動を意味しており、画像処理装置４内の座標系の軸と駆動装置１の座標系の軸とのなす傾き分を座標変換する。２番目の座標変換の行列要素はそれぞれの軸に沿った比例倍を意味しており、２つの座標系の２つの軸それぞれの単位長さの比を係数として座標変換する。３番目の座標変換の行列要素はＶ軸の向きを反転しＹ軸の方向と一致させる座標変換を意味している。
【００３５】
３つの座標変換を合成した座標変換が画像処理装置４内の座標系から駆動装置１の座標系への座標変換であり、それらの行列要素をα，β，γ，δとし、これらを変換マトリックスの要素と呼ぶことにする。
【００３６】
座標変換係数の計測においては、まず作業者は、制御装置５（図２ではホストコンピュータ１１）を用いてシステムを座標変換係数計測モードに設定する。次いで、作業者は、対象物２上の測定点２ａ（たとえば液晶ガラス基板の位置合わせマーク）は画像処理装置４で座標計測が可能な範囲で移動しなくはならないため、Ｘ軸に沿った適当な移動量Δｘと、Ｙ軸に沿った適当な移動量Δｙとを制御装置５に入力する。ただし、制御装置５が元々の画像の位置と光学系の倍率などから移動量Δｘ，Δｙを概算し自動的に設定するようにプログラムすることも可能である。
【００３７】
移動量Δｘ，Δｙが入力されると、制御装置５は、座標変換係数の計測を自動的に行なう。すなわち、制御装置５は、ステップＳ１，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ７において原点（０，０）から（＋Δｘ／２，０），（−Δｘ／２，０），（０，＋Δｙ／２），（０，−Δｙ／２）へと駆動装置１で対象物２を順次移動させ、ステップＳ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８において移動後の測定点２ａの位置（ｃ，ｄ），（ｅ，ｆ），（ｇ，ｈ），（ｉ，ｊ）を画像処理装置４で計測し記憶していく。このとき計測される位置は画像処理装置４内の座標系上の座標値となる。
【００３８】
最後に、制御装置５は、ステップＳ９において４つの座標値を用い次の式を用いて変換マトリックスの要素を算出する。
【００３９】
α＝ｎΔＸ／Ｄ，β＝−ｍΔＸ／Ｄ，γ＝−ｌΔＹ／Ｄ，Δ＝ｋΔＹ／Ｄ
ただし、Ｄ＝ｋｎ−ｌｍ≠０，ｋ＝ｃ−ｅ，ｌ＝ｄ−ｆ，ｍ＝ｇ−ｉ，ｎ＝ｈ−ｊである。
【００４０】
以上の手順により、画像処理装置４内の座標系から駆動装置２の座標系への座標変換マトリックスの要素が求められる。
【００４１】
なお、変換マトリックスの要素値からさらに２つの座標系の傾きθと座標軸の倍率ａ，ｂを以下の式により算出することが可能である。
【００４２】
θ１ ＝ｔａｎ−１（−γ／α），θ２ ＝ｔａｎ−１（＋β／Δ）
ａ＝α／ｃｏｓθ＝−γ／ｓｉｎθ，ｂ＝−Δ／ｃｏｓθ＝−β／ｓｉｎθ
ａ２ ＝α２ ＋γ２ ，ｂ２ ＝β２ ＋Δ２
ここで、傾きθはθ１ ，θ２ の２通りの算出方法があり、理論的にはどちらの値も一致するのであるが、位置計測の計測誤差の影響により一致しない場合がある。実際にはアークタンジェントの分母の数値の絶対値が大きい値の方が誤差の影響を受けにくい。また、倍率ａ，ｂも同様に位置計測誤差の影響を受けやすい場合がある。
【００４３】
（２）の計測について
図５は、画像入力装置３の駆動装置１上での取付位置の計測方法を説明するための説明図、図６はその計測方法を示すフローチャートである。
【００４４】
この計測では、まず作業者が、制御装置５を用いてシステムを取付位置計測モードに設定し制御装置５に回転角Δθを入力する。Δθだけ対象物２を回転移動させたとき画像処理装置４でその位置を検出できなくてはならないので、Δθの値はそのことを考慮して設定する。ただし、制御装置５が画像の位置の情報と回転角との関係からΔθの値を自動的に設定するようにプログラムすることも可能である。
【００４５】
回転角Δθが入力されると、制御装置５は、取付位置の計測を自動的に行なう。すなわち、制御装置５は、ステップＳ１１において対象物２上の測定点２ａの現在地Ａ（Ａｘ ，Ａｙ ）を画像処理装置４で計測し、記憶する。次いで、制御装置５は、ステップＳ１２において駆動装置１で対象物２をΔθだけ回転移動させ、ステップＳ１３において対象物２上の測定点２ａの移動後の位置Ｂ（Ｂｘ ，Ｂｙ ）を計測し、記憶する。
【００４６】
最後に、制御装置５は、ステップＳ１４において２つの位置情報を用いて画像入力装置３の取付位置を次の方法で算出する。
【００４７】
点Ａ，Ｂは回転の中心点Ｏ（図２ではｘｙθテーブル６の移動テーブル８の中心点）を中心とする同じ円周上に存在するので、点Ｏは線分ＡＢの垂直二等分線上に存在する。この垂直二等分線をＬとし、ＬのＸ軸とのなす角度をθとすると、点Ａの座標は次の式で表わされる。
【００４８】
Ａｘ ＝Ｒ・ｃｏｓ（θ−Δθ／２），Ａｙ ＝Ｒ・ｓｉｎ（θ−Δθ／２）…（式１）
また点Ｏから点Ａまでの距離Ｒは、
【００４９】
【数２】
【００５０】
となる。ここで、Δｘ，Δｙは、対象物２をΔθだけ回転移動させた際の位置の変動量である。
【００５１】
次に、この位置の変動量を駆動装置１の座標系のデータに変換する。距離Ｒを上式１に代入することにより点Ａの座標は次式で求められる。
【００５２】
【数３】
【００５３】
ここで、θの値はΔｘ，Δｙより容易に算出可能である。また、回転移動量ΔθとΔｘ，Δｙから回転中心を原点とする点Ａの座標が求められる。回転中心は駆動装置１上の既知の点なので、点Ａの駆動装置１上での座標すなわち画像入力装置３の取付位置が算出される。
【００５４】
（３）の計測について
図７は、画像入力装置３や駆動装置１の非線形な歪み量（以下、補正量と称す）の計測方法を説明するための説明図、図８はその計測方法を示すフローチャートである。
【００５５】
補正量は、対象物２をある既知の量（Δｘ，Δｙ）だけ駆動装置１で移動させたときに、移動前と移動後の画像処理装置４の位置の情報より計測される移動量と既知の量（Δｘ，Δｙ）の差を求めることにより計測される。
【００５６】
この計測では、まず作業者が、制御装置５を用いてシステムを補正量計測モードに設定し、次いで、移動量（Δｘ，Δｙ）すなわち補正量を計測したい位置を入力する。この量を適当に変えながら多数点の計測を行なえば、図９に示すような位置と補正量の関係のグラフを得ることができる。このグラフにおいて、補正量の大きさは実際の値を１０倍して示されている。
【００５７】
移動量（Δｘ，Δｙ）が入力されると、まず制御装置５は、ステップＳ２１において対象物２を移動させないで対象物２の測定点２ａの位置を計測する。この位置Ａ（Ａｘ ，Ａｙ ）が基準（原点）となる。次に、制御装置５は、ステップＳ２２において駆動装置１を（Δｘ，Δｙ）だけ移動させ、移動後の対象物２の測定点２ａの位置Ｂ（Ｂｘ ，Ｂｙ ）を計測する。
【００５８】
最後に、制御装置５は、ステップＳ２４において位置情報（Ａｘ ，Ａｙ ），（Ｂｘ ，Ｂｙ ）から補正量Ｃ（ｘ，ｙ）を次式で求める。
【００５９】
ｘ＝Δｘ−（Ｂｘ −Ａｘ ），ｙ＝Δｙ−（Ｂｙ −Ａｙ ）
対象物２の測定点２ａの位置を計測したとき、その位置に対する補正量が予め計測されていればそのまま計測データに補正データを加えれば、非線形歪みの影響を除去した計測結果が得られる。
【００６０】
もし、その位置に対する補正量が予め計測されていない場合は、予め計測されている補正量の中からその位置に最近接する位置に対する補正量を利用したり、その近傍の補正量を利用して補正量の推定値を算出し補正量として加える方法がある。
【００６１】
この実施の形態では、制御装置４の内部に座標変換係数などの計測手順をプログラミングしたので、従来に比べ計測を短時間で終えることができ、かつ繰り返し計測を行なってその統計データをとることにより計測結果の検証も容易に行なうことができる。
【００６２】
また、従来必要不可欠であった機械的な微調整を行なわなくてもよいので、そのための特別な機構を設ける必要がない。
【００６３】
また、座標変換係数などの計測はアライメントを行なう際に必要不可欠な計測であるため、アライメント作業の段取り替えが容易に行なえるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態によるアライメントシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示したアライメントシステムの具体的な構成を例示する斜視図である。
【図３】図１に示したアライメントシステムにおける座標変換係数の計測方法を説明するための説明図である。
【図４】図３で説明した座標変換係数の計測方法のフローチャートである。
【図５】図１に示したアライメントシステムにおける画像入力装置の取付位置の計測方法を説明するための説明図である。
【図６】図５で説明した画像入力装置の取付位置の計測方法のフローチャートである。
【図７】図１に示したアライメントシステムにおける補正量の計測方法を説明するための説明図である。
【図８】図７で説明した補正量の計測方法のフローチャートである。
【図９】図７で説明した方法で計測した補正量を例示する図である。
【図１０】従来のアライメントシステムにおける画像処理装置内の座標系の座標軸と駆動装置の座標系の座標軸に沿った方向の寸法の倍率を計測する方法を説明するための説明図である。
【図１１】従来のアライメントシステムにおける画像処理装置内の座標系の座標軸と駆動装置の座標系の座標軸に沿った方向の寸法を一致させる方法を説明するための説明図である。
【図１２】従来のアライメントシステムにおける画像処理装置内の座標系と駆動装置の座標系とがなす傾き角度を計測する方法を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ 駆動装置
２，３０，３１ 対象物
３ 画像入力装置
４ 画像処理装置
５ 制御装置
６ ｘｙθテーブル
１０ ＣＣＤカメラ
１１ ホストコンピュータ
１２ アライメントコントローラ
１３ ドライバユニット
【発明の属する技術分野】
この発明は計測装置の演算パラメータ計測方法、および計測装置に関し、特に、対象物の位置、寸法、面積などを計測する計測装置において演算制御手段の演算に必要なパラメータを計測する方法、およびそのような計測方法が採用された計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、画像処理装置により対象物の位置や寸法を検出し、さらに駆動装置を用いて対象物を移動させることにより、対象物のアライメント、寸法の計測、検査などを行なうアライメントシステムが知られている（図１参照）。このようなアライメントシステムは、たとえば液晶ガラス基板やプリント基板の高い位置精度でのアライメント作業（位置合わせ作業）や精密な寸法計測作業、検査作業に使用される。
【０００３】
ところで、このようなアライメントシステムでは、実際に使用する前に、
（１） 画像処理装置内の座標系から駆動装置の座標系への座標変換に必要な係数の計測、
（２） 画像処理装置に入力される画像入力装置の駆動装置上での取付位置の計測、
（３） 画像入力装置や駆動装置の非線形な歪み量の計測、
を行なうことが必要である。
【０００４】
これらの計測より求められるデータは、主に対象物のアライメント作業に用いられる。つまり、（１）で計測されるデータは画像処理装置の位置データを駆動装置の移動量に変換する際に必要とされる。（２）で計測されるデータは対象物の回転方向に対するアライメント移動量を算出する際に用いられる。（３）で計測されるデータは、光学系や駆動装置の非線形歪みがアライメント後の位置決め精度に及ぼす影響を軽減するために用いられる。
【０００５】
なお、これらの計測データは、アライメント作業のみではなく画像処理装置を利用した寸法計測や対象物の形状の検査などの用途に応用することも可能である。
【０００６】
以下、従来の上記（１）〜（３）の計測方法について説明する。
（１）の計測について
従来の、画像処理装置内の座標系から駆動装置の座標系への座標変換に必要な係数の計測方法では、画像処理装置内の座標系の座標軸と駆動装置の座標系の座標軸に沿った方向の寸法の倍率（ａ，ｂ）と、２つの座標系のなす傾き角度θとを係数として各々を別々に計測していた。
【０００７】
具体的には、図１０に示すように、既知の寸法（横ｘ，縦ｙ）の対象物（物体）３０の画像を画像処理装置に入力し、画像処理装置により得られる寸法情報（横ｈ，縦ｖ）との比（ｘ／ｈ，ｙ／ｖ）を変換係数（ａ，ｂ）として求めたり、図１１に示すように、光学倍率を自由に変えられる光学系により既知の寸法の対象物３０の画像を画像処理装置に入力し、画像処理装置により得られる寸法情報（ｈ，ｖ）が既知の寸法と一致するように光学系を調整したりしていた。
【０００８】
また、２つの座標系のなす傾き角度θの情報を得るためには、図１２に示すように、駆動装置の座標軸に平行となる対象物３１の画像を画像処理装置に入力し、画像の傾きから画像処理装置の座標系の傾きを求めたり、機械的に２つの座標系の傾きをなくすため駆動装置の座標軸と平行となる対象物３１の画像を画像処理装置に入力し光学系などの取付状態を２つの座標系が平行になるように調整したりしていた。
【０００９】
（２）の計測について
また、従来の画像入力装置の駆動装置上での取付位置の計測方法では、装置の設計情報を基に取付位置を算出していた。
【００１０】
（３）の計測について
また、従来の画像入力装置や駆動装置の非線形な歪み量の計測方法では、それぞれ専用の計測機器を用いて、光学装置の光学的な歪みの計測を行なったり、駆動装置の機械的な位置決め精度の計測を行なっていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の上記（１）〜（３）の計測方法には、以下の問題があった。
【００１２】
（１）の計測について
従来の、画像処理装置内の座標系から駆動装置の座標系への座標変換に必要な係数の計測方法には、▲１▼変換係数算出のための演算を行なう必要がある、▲２▼得られた変換係数を検証するのが困難である、▲３▼光学倍率を変更することにより撮像される範囲が調整の過程で変化する、▲４▼光学倍率を正確に調整することが難しい、▲５▼取付状態を精密に調整する必要があり、それに伴い調整機構が必要となる（特に光学倍率が高くなるほど困難となる）、▲６▼それらの計測の大前提として光学系光軸と駆動装置軸とを正確に直交させる必要があり、それに伴い調整機構が必要となる、などの問題があった。
【００１３】
（２）の計測について
また、従来の、画像入力装置の駆動装置上での取付位置の計測方法には、設計上のデータから得られる位置と実際の位置は一致しないのが普通であり、もし、設計上のデータから得られる位置と実際の位置を一致させようとするなら、取付位置を精密に調整するための機構が必要となる、という問題があった。
【００１４】
（３）の計測について
また、従来の、画像入力装置や駆動装置の非線形な歪み量の計測方法では、計測のための特別な装置が別途必要になり、その歪み量の影響を除去するためには光学的な歪みがない光学系や高い位置決め精度を持つ駆動機構を用いなければならない、という問題があった。
【００１５】
このように、従来の計測方法では、主に対象物を固定した状態で計測を行ない、また、光学系などの機械的な調整を行なっていた。したがって、計測に手間を要し、計測結果の検証が難しかった。また、機械的な調整が難しく、そのために特別な機構を設けなくてはならなかった。
【００１６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、座標変換係数などの計測および計測結果の検証が簡単で、機械的な調整機構が不要な計測装置の演算パラメータ計測方法、および計測装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る計測装置の演算パラメータ計測方法、および計測装置では、ｘｙθテーブルによって対象物を既知の方向に既知の距離だけ移動させ、その既知の方向および距離と画像処理手段の検出出力から得られる対象物の移動方向および移動距離とに基づいて、画像処理手段内の２次元座標系からｘｙθテーブルの２次元座標系への座標変換に必要な係数を計測する。
【００１８】
したがって、この方法および装置では、対象物を移動させて座標変換係数を計測するので、計測および計測結果の検証が従来より簡単になり、機械的な調整機構が不要となる。
【００１９】
また、この計測装置の演算パラメータ、および計測装置では、ｘｙθテーブルによって対象物を所定の角度だけ回転させ、その回転角度と画像処理手段の検出出力から得られる対象物の移動方向および出力距離とに基づいて、ｘｙθテーブルの２次元座標系内における撮像手段の取付位置を計測する。
【００２０】
したがって、この方法および装置では、対象物を移動させてｘｙθテーブルの２次元座標系内における撮像手段の取付位置を計測するので、計測および計測結果の検証が従来より簡単になり、機械的な調整機構が不要となる。
【００２１】
また、この計測装置の演算パラメータ計測方法、および計測装置では、対象物を移動させずに対象物の位置を検出した後、ｘｙθテーブルによって対象物をｘ方向に既知の第１の距離だけ移動させるとともにｙ方向に既知の第２の距離だけ移動させて対象物の位置を検出し、検出結果に基づいて対象物のｘ方向の移動距離およびｙ方向の移動距離を算出し、算出結果と第１および第２の距離とに基づいて対象物の移動後の位置におけるｘｙθテーブルおよび撮像手段の非線形な歪み量を計測する。
【００２２】
したがって、この方法および装置では、対象物を移動させてｘｙθテーブルおよび撮像手段の非線形な歪み量を計測するので、計測および計測結果の検証が従来より簡単になり、機械的な調整機構が不要となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施の形態によるアライメントシステムの構成を示すブロック図である。図１において、このアライメントシステムは、駆動装置１、画像入力装置３、画像処理装置４および制御装置５を備える。駆動装置１は、制御装置５から出力された移動情報に従って、対象物２を水平面内（２次元座標系内）の任意の位置に移動させ、回転させる。画像入力装置３は、駆動装置１の上方のある位置に固定され、対象物２を撮像するための光学系を備え、画像信号を出力する。画像処理装置４は、画像入力装置３から出力された画像信号に基づいて、画像の位置情報を出力する。制御装置５は、画像処理装置４から出力された位置情報に基づいて、駆動装置１へ移動情報を出力する。
【００２５】
図２は、図１に示したアライメントシステムの具体的な構成を例示する斜視図である。図２において、このアライメントシステムは、図１の駆動装置１となるｘｙθテーブル６と、図１の画像入力装置３となるＣＣＤカメラ１０と、画像処理装置４と、図１の制御装置５となるホストコンピュータ１１、アライメントコントローラ１２およびドライバユニット１３とを備える。
【００２６】
ｘｙθテーブル６は、固定台７と、固定台７上に移動可能に設けられた移動テーブル８と、固定台７の端部に固定された３つのアクチュエータ９とを含む。対象物２は移動テーブル８上に載置される。アクチュエータ９は、アライメントコントローラ１２およびドライバユニット１３の出力で制御され、移動テーブル８をｘ軸およびｙ軸方向に平行移動させるとともに、任意の座標を中心軸として移動テーブル８を回転させる。
【００２７】
ＣＣＤカメラ１０は、ｘｙθテーブル６の上方のある位置に固定され、２次元の輝度信号を順に電気信号に変換して画像処理装置４へ出力する。画像処理装置４は、ＣＣＤカメラ１０からの電気信号に基づいて画像の位置情報を求め、その位置情報をホストコンピュータ１１に与える。
【００２８】
ホストコンピュータ１１は、システム全体を制御し、情報の処理を行なう。アライメントコントローラ１２およびドライバユニット１３は、ホストコンピュータ１１によって制御され、ｘｙθテーブル６のアクチュエータ９を駆動させる。
【００２９】
以下、このアライメントシステムにおける上記（１）〜（３）の計測について説明する。計測用のプログラムは、図１の制御装置５（図２ではホストコンピュータ１１）内に格納されている。
【００３０】
（１）の計測について
図３は、画像処理装置４内の座標系から駆動装置１の座標系への座標変換の係数の計測方法を説明するための説明図、図４はその計測方法を示すフローチャートである。
【００３１】
図３において、駆動装置１の座標系はＸ軸Ｙ軸方向であり、画像処理装置４内の座標系はＨ軸Ｖ軸方向である。また、Ｈ軸方向からＸ軸方向になす角度をθとする。
【００３２】
一般に画像処理装置４内の座標系から駆動装置１の座標系への座標変換は行列式により以下のように表わされる。
【００３３】
【数１】
行列式により表わされる１番目の座標変換の行列要素は−θ°の回転移動を意味しており、画像処理装置４内の座標系の軸と駆動装置１の座標系の軸とのなす傾き分を座標変換する。２番目の座標変換の行列要素はそれぞれの軸に沿った比例倍を意味しており、２つの座標系の２つの軸それぞれの単位長さの比を係数として座標変換する。３番目の座標変換の行列要素はＶ軸の向きを反転しＹ軸の方向と一致させる座標変換を意味している。
【００３５】
３つの座標変換を合成した座標変換が画像処理装置４内の座標系から駆動装置１の座標系への座標変換であり、それらの行列要素をα，β，γ，δとし、これらを変換マトリックスの要素と呼ぶことにする。
【００３６】
座標変換係数の計測においては、まず作業者は、制御装置５（図２ではホストコンピュータ１１）を用いてシステムを座標変換係数計測モードに設定する。次いで、作業者は、対象物２上の測定点２ａ（たとえば液晶ガラス基板の位置合わせマーク）は画像処理装置４で座標計測が可能な範囲で移動しなくはならないため、Ｘ軸に沿った適当な移動量Δｘと、Ｙ軸に沿った適当な移動量Δｙとを制御装置５に入力する。ただし、制御装置５が元々の画像の位置と光学系の倍率などから移動量Δｘ，Δｙを概算し自動的に設定するようにプログラムすることも可能である。
【００３７】
移動量Δｘ，Δｙが入力されると、制御装置５は、座標変換係数の計測を自動的に行なう。すなわち、制御装置５は、ステップＳ１，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ７において原点（０，０）から（＋Δｘ／２，０），（−Δｘ／２，０），（０，＋Δｙ／２），（０，−Δｙ／２）へと駆動装置１で対象物２を順次移動させ、ステップＳ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８において移動後の測定点２ａの位置（ｃ，ｄ），（ｅ，ｆ），（ｇ，ｈ），（ｉ，ｊ）を画像処理装置４で計測し記憶していく。このとき計測される位置は画像処理装置４内の座標系上の座標値となる。
【００３８】
最後に、制御装置５は、ステップＳ９において４つの座標値を用い次の式を用いて変換マトリックスの要素を算出する。
【００３９】
α＝ｎΔＸ／Ｄ，β＝−ｍΔＸ／Ｄ，γ＝−ｌΔＹ／Ｄ，Δ＝ｋΔＹ／Ｄ
ただし、Ｄ＝ｋｎ−ｌｍ≠０，ｋ＝ｃ−ｅ，ｌ＝ｄ−ｆ，ｍ＝ｇ−ｉ，ｎ＝ｈ−ｊである。
【００４０】
以上の手順により、画像処理装置４内の座標系から駆動装置２の座標系への座標変換マトリックスの要素が求められる。
【００４１】
なお、変換マトリックスの要素値からさらに２つの座標系の傾きθと座標軸の倍率ａ，ｂを以下の式により算出することが可能である。
【００４２】
θ１ ＝ｔａｎ−１（−γ／α），θ２ ＝ｔａｎ−１（＋β／Δ）
ａ＝α／ｃｏｓθ＝−γ／ｓｉｎθ，ｂ＝−Δ／ｃｏｓθ＝−β／ｓｉｎθ
ａ２ ＝α２ ＋γ２ ，ｂ２ ＝β２ ＋Δ２
ここで、傾きθはθ１ ，θ２ の２通りの算出方法があり、理論的にはどちらの値も一致するのであるが、位置計測の計測誤差の影響により一致しない場合がある。実際にはアークタンジェントの分母の数値の絶対値が大きい値の方が誤差の影響を受けにくい。また、倍率ａ，ｂも同様に位置計測誤差の影響を受けやすい場合がある。
【００４３】
（２）の計測について
図５は、画像入力装置３の駆動装置１上での取付位置の計測方法を説明するための説明図、図６はその計測方法を示すフローチャートである。
【００４４】
この計測では、まず作業者が、制御装置５を用いてシステムを取付位置計測モードに設定し制御装置５に回転角Δθを入力する。Δθだけ対象物２を回転移動させたとき画像処理装置４でその位置を検出できなくてはならないので、Δθの値はそのことを考慮して設定する。ただし、制御装置５が画像の位置の情報と回転角との関係からΔθの値を自動的に設定するようにプログラムすることも可能である。
【００４５】
回転角Δθが入力されると、制御装置５は、取付位置の計測を自動的に行なう。すなわち、制御装置５は、ステップＳ１１において対象物２上の測定点２ａの現在地Ａ（Ａｘ ，Ａｙ ）を画像処理装置４で計測し、記憶する。次いで、制御装置５は、ステップＳ１２において駆動装置１で対象物２をΔθだけ回転移動させ、ステップＳ１３において対象物２上の測定点２ａの移動後の位置Ｂ（Ｂｘ ，Ｂｙ ）を計測し、記憶する。
【００４６】
最後に、制御装置５は、ステップＳ１４において２つの位置情報を用いて画像入力装置３の取付位置を次の方法で算出する。
【００４７】
点Ａ，Ｂは回転の中心点Ｏ（図２ではｘｙθテーブル６の移動テーブル８の中心点）を中心とする同じ円周上に存在するので、点Ｏは線分ＡＢの垂直二等分線上に存在する。この垂直二等分線をＬとし、ＬのＸ軸とのなす角度をθとすると、点Ａの座標は次の式で表わされる。
【００４８】
Ａｘ ＝Ｒ・ｃｏｓ（θ−Δθ／２），Ａｙ ＝Ｒ・ｓｉｎ（θ−Δθ／２）…（式１）
また点Ｏから点Ａまでの距離Ｒは、
【００４９】
【数２】
となる。ここで、Δｘ，Δｙは、対象物２をΔθだけ回転移動させた際の位置の変動量である。
【００５１】
次に、この位置の変動量を駆動装置１の座標系のデータに変換する。距離Ｒを上式１に代入することにより点Ａの座標は次式で求められる。
【００５２】
【数３】
ここで、θの値はΔｘ，Δｙより容易に算出可能である。また、回転移動量ΔθとΔｘ，Δｙから回転中心を原点とする点Ａの座標が求められる。回転中心は駆動装置１上の既知の点なので、点Ａの駆動装置１上での座標すなわち画像入力装置３の取付位置が算出される。
【００５４】
（３）の計測について
図７は、画像入力装置３や駆動装置１の非線形な歪み量（以下、補正量と称す）の計測方法を説明するための説明図、図８はその計測方法を示すフローチャートである。
【００５５】
補正量は、対象物２をある既知の量（Δｘ，Δｙ）だけ駆動装置１で移動させたときに、移動前と移動後の画像処理装置４の位置の情報より計測される移動量と既知の量（Δｘ，Δｙ）の差を求めることにより計測される。
【００５６】
この計測では、まず作業者が、制御装置５を用いてシステムを補正量計測モードに設定し、次いで、移動量（Δｘ，Δｙ）すなわち補正量を計測したい位置を入力する。この量を適当に変えながら多数点の計測を行なえば、図９に示すような位置と補正量の関係のグラフを得ることができる。このグラフにおいて、補正量の大きさは実際の値を１０倍して示されている。
【００５７】
移動量（Δｘ，Δｙ）が入力されると、まず制御装置５は、ステップＳ２１において対象物２を移動させないで対象物２の測定点２ａの位置を計測する。この位置Ａ（Ａｘ ，Ａｙ ）が基準（原点）となる。次に、制御装置５は、ステップＳ２２において駆動装置１を（Δｘ，Δｙ）だけ移動させ、移動後の対象物２の測定点２ａの位置Ｂ（Ｂｘ ，Ｂｙ ）を計測する。
【００５８】
最後に、制御装置５は、ステップＳ２４において位置情報（Ａｘ ，Ａｙ ），（Ｂｘ ，Ｂｙ ）から補正量Ｃ（ｘ，ｙ）を次式で求める。
【００５９】
ｘ＝Δｘ−（Ｂｘ −Ａｘ ），ｙ＝Δｙ−（Ｂｙ −Ａｙ ）
対象物２の測定点２ａの位置を計測したとき、その位置に対する補正量が予め計測されていればそのまま計測データに補正データを加えれば、非線形歪みの影響を除去した計測結果が得られる。
【００６０】
もし、その位置に対する補正量が予め計測されていない場合は、予め計測されている補正量の中からその位置に最近接する位置に対する補正量を利用したり、その近傍の補正量を利用して補正量の推定値を算出し補正量として加える方法がある。
【００６１】
この実施の形態では、制御装置４の内部に座標変換係数などの計測手順をプログラミングしたので、従来に比べ計測を短時間で終えることができ、かつ繰り返し計測を行なってその統計データをとることにより計測結果の検証も容易に行なうことができる。
【００６２】
また、従来必要不可欠であった機械的な微調整を行なわなくてもよいので、そのための特別な機構を設ける必要がない。
【００６３】
また、座標変換係数などの計測はアライメントを行なう際に必要不可欠な計測であるため、アライメント作業の段取り替えが容易に行なえるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態によるアライメントシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示したアライメントシステムの具体的な構成を例示する斜視図である。
【図３】図１に示したアライメントシステムにおける座標変換係数の計測方法を説明するための説明図である。
【図４】図３で説明した座標変換係数の計測方法のフローチャートである。
【図５】図１に示したアライメントシステムにおける画像入力装置の取付位置の計測方法を説明するための説明図である。
【図６】図５で説明した画像入力装置の取付位置の計測方法のフローチャートである。
【図７】図１に示したアライメントシステムにおける補正量の計測方法を説明するための説明図である。
【図８】図７で説明した補正量の計測方法のフローチャートである。
【図９】図７で説明した方法で計測した補正量を例示する図である。
【図１０】従来のアライメントシステムにおける画像処理装置内の座標系の座標軸と駆動装置の座標系の座標軸に沿った方向の寸法の倍率を計測する方法を説明するための説明図である。
【図１１】従来のアライメントシステムにおける画像処理装置内の座標系の座標軸と駆動装置の座標系の座標軸に沿った方向の寸法を一致させる方法を説明するための説明図である。
【図１２】従来のアライメントシステムにおける画像処理装置内の座標系と駆動装置の座標系とがなす傾き角度を計測する方法を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ 駆動装置
２，３０，３１ 対象物
３ 画像入力装置
４ 画像処理装置
５ 制御装置
６ ｘｙθテーブル
１０ ＣＣＤカメラ
１１ ホストコンピュータ
１２ アライメントコントローラ
１３ ドライバユニット
Claims (2)
- 対象物を２次元座標系内で平行移動および回転させるためのｘｙθテーブル、
前記対象物を撮像するための撮像手段、
前記撮像手段の撮像出力に基づいて、前記対象物の２次元座標系内における位置を検出するための画像処理手段、および
前記画像処理手段の検出出力に基づいて演算処理を行なうとともに前記各手段を制御する演算制御手段を備え、
前記対象物の位置、寸法、面積などを計測する計測装置において、前記演算制御手段の演算に必要なパラメータを計測する方法であって、
前記ｘｙθテーブルによって前記対象物を既知の方向に既知の距離だけ移動させ、その既知の方向および距離と前記画像処理手段の検出出力から得られる前記対象物の移動方向および移動距離とに基づいて、前記画像処理手段内の２次元座標系から前記ｘｙθテーブルの２次元座標系への座標変換に必要な係数を計測し、
前記ｘｙθテーブルによって前記対象物を所定の角度だけ回転させ、その回転角度と前記画像処理手段の検出出力から得られる前記対象物の移動方向および移動距離とに基づいて、前記撮像手段の前記ｘｙθテーブルの２次元座標系内における取付位置を計測し、
前記対象物を移動させずに前記対象物の位置を検出した後、前記ｘｙθテーブルによって前記対象物をｘ方向に既知の第１の距離だけ移動させるとともにｙ方向に既知の第２の距離だけ移動させて前記対象物の位置を検出し、検出結果に基づいて前記対象物の前記ｘ方向の移動距離および前記ｙ方向の移動距離を算出し、算出結果と前記第１および第２の距離とに基づいて前記対象物の移動後の位置における前記ｘｙθテーブルおよび前記撮像手段の非線形な歪み量を計測することを特徴とする、計測装置の演算パラメータ計測方法。 - 対象物を２次元座標系内で平行移動および回転させるためのｘｙθテーブル、
前記対象物を撮像するための撮像手段、
前記撮像手段の撮像出力に基づいて、前記対象物の２次元座標系内における位置を検出するための画像処理手段、および
前記画像処理手段の検出出力に基づいて演算処理を行なうとともに前記各手段を制御する演算制御手段を備え、
前記対象物の位置、寸法、面積などを計測する計測装置において、
前記演算制御手段は、前記ｘｙθテーブルによって前記対象物を既知の方向に既知の距離だけ移動させ、その既知の方向および距離と前記画像処理手段の検出出力から得られる前記対象物の移動方向および移動距離とに基づいて、前記画像処理手段内の２次元座標系から前記ｘｙθテーブルの２次元座標系への座標変換に必要な係数を計測し、
前記ｘｙθテーブルによって前記対象物を所定の角度だけ回転させ、その回転角度と前記画像処理手段の検出出力から得られる前記対象物の移動方向および移動距離とに基づいて、前記撮像手段の前記ｘｙθテーブルの２次元座標系内における取付位置を計測し、
前記対象物を移動させずに前記対象物の位置を検出した後、前記ｘｙθテーブルによって前記対象物をｘ方向に既知の第１の距離だけ移動させるとともにｙ方向に既知の第２の距離だけ移動させて前記対象物の位置を検出し、検出結果に基づいて前記対象物の前記ｘ方向の移動距離および前記ｙ方向の移動距離を算出し、算出結果と前記第１および第２の距離とに基づいて前記対象物の移動後の位置における前記ｘｙθテーブルおよび前記撮像手段の非線形な歪み量を計測することを特徴とする、計測装置。
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