(57)【要約】【課題】  画像処理によりマークの位置を検出する方法は、処理に時間を要するため、高周波の位置変動を捉えることができない。【解決手段】  （ａ）移動する目標物を撮像すると共に、該目標物の加速度を測定する。（ｂ）前記目標物を撮像して得られた画像データに基づいて、該画像データが取得された時刻における該目標物の位置を求める。（ｃ）前記目標物の加速度に基づいて得られる位置情報と、前記画像データが取得された時刻における該目標物の位置とに基づいて、該目標物の位置の時間変化を求める。【選択図】  図４
2010133711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）移動する目標物を撮像すると共に、該目標物の加速度を測定する工程と、
（ｂ）前記目標物を撮像して得られた画像データに基づいて、該画像データが取得された時刻における該目標物の位置を求める工程と、
（ｃ）前記目標物の加速度に基づいて得られる位置情報と、前記画像データが取得された時刻における該目標物の位置とに基づいて、該目標物の位置の時間変化を求める工程と
を有する目標物の位置の時間変化計測方法。
【請求項２】
前記工程（ａ）において、
第１の時間刻み幅で、前記目標物を撮像し、該第１の時間刻み幅よりも短い第２の時間刻み幅で、該目標物の加速度を測定し、
前記工程（ｃ）において、
前記画像データが取得されている時刻において、前記加速度から求められた位置情報を、前記画像データから求められた位置に一致するように補正し、次の画像データが取得されている時刻までの時間帯においては、前記加速度から求められた位置情報を補正して、前記目標物の位置とする請求項１に記載の目標物の位置の時間変化計測方法。
【請求項３】
前記工程（ｃ）が、
該画像データから求められた位置の時間変化に、第１のローパスフィルタを適用して第１の位置の時間変化を算出する工程と、
前記加速度の時間変化に第２のローパスフィルタを適用して第２の位置の時間変化を算出する工程と、
前記第１の時間変化と前記第２の位置の時間変化とを加え合わせることにより、前記目標物の位置の時間変化とする工程と
を含む請求項１に記載の目標物の位置の時間変化計測方法。
【請求項４】
ラプラス演算子をｓとして、前記第１のローパスフィルタの伝達関数と、前記第２のローパスフィルタの伝達関数にｓ２を乗じた伝達関数との和が１である請求項３に記載の目標物の位置の時間変化計測方法。
【請求項５】
目標物を撮像する撮像装置と、
目標物の加速度を測定する加速度センサと、
前記撮像装置で撮像された画像データ、及び前記加速度センサで測定された加速度データが入力される制御装置と
を有し、該制御装置は
（ａ）移動する目標物を、第１の時間刻み幅で撮像すると共に、該第１の時間刻み幅よりも短い第２の時間刻み幅で、該目標物の加速度を測定する工程と、
（ｂ）前記目標物を撮像して得られた画像データに基づいて、該画像データが取得された時刻における該目標物の位置を求める工程と、
（ｃ）前記目標物の加速度に基づいて得られる位置情報と、前記画像データが取得された時刻における該目標物の位置とに基づいて、該目標物の位置の時間変化を求める工程と
を有する目標物の位置の時間変化計測装置。
【請求項６】
前記工程（ｃ）において、
前記画像データが取得されている時刻において、前記加速度から求められた位置情報を、前記画像データから求められた位置に一致するように補正し、次の画像データが取得されている時刻までの時間帯においては、前記加速度から求められた位置情報を補正して、前記目標物の位置とする請求項５に記載の目標物の位置の時間変化計測装置。
【請求項７】
前記工程（ｃ）が、
該画像データから求められた位置の時間変化に、第１のローパスフィルタを適用して第１の位置の時間変化を算出する工程と、
前記加速度の時間変化に第２のローパスフィルタを適用して第２の位置の時間変化を算出する工程と、
前記第１の時間変化と前記第２の位置の時間変化とを加え合わせることにより、前記目標物の位置の時間変化とする工程と
を含む請求項５に記載の目標物の位置の時間変化計測装置。
【請求項８】
ラプラス演算子をｓとして、前記第１のローパスフィルタの伝達関数と、前記第２のローパスフィルタの伝達関数にｓ２を乗じた伝達関数との和が１である請求項７に記載の目標物の位置の時間変化計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、目標物を撮像して、その位置の時間変化を計測する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセス等において、観察対象物に付されたアライメントマークを撮像装置で撮像し、得られた画像データからマークの位置を検出する方法が広く採用されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
構造体に取り付けられて横方向に移動するトロリーの下面に設けられた画像センサで、吊り具に設けられているマークを検出し、吊り具の振れ変位と速度が検出される（特許文献２）。構造体に取り付けられた加速度センサが構造体の振動（変位等）を検出する。構造体の変位と、吊り具の振れ変位等に基づいて、トロリーの速度制御が行われる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２６４４０４号公報
【特許文献２】特開平８−２９０８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
画像処理によりマークの位置を検出する方法は、処理に時間を要するため、高周波の位置変動を捉えることができない。加速度センサから得られた加速度を２階積分して位置を算出することができる。ところが、加速度の２階積分値はドリフトを伴うため、加速度に基づいて算出された位置が、真の位置から徐々にずれてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一観点によると、
（ａ）移動する目標物を撮像すると共に、該目標物の加速度を測定する工程と、
（ｂ）前記目標物を撮像して得られた画像データに基づいて、該画像データが取得された時刻における該目標物の位置を求める工程と、
（ｃ）前記目標物の加速度に基づいて得られる位置情報と、前記画像データが取得された時刻における該目標物の位置とに基づいて、該目標物の位置の時間変化を求める工程と
を有する目標物の位置の時間変化計測方法が提供される。
【０００７】
本発明の他の観点によると、
目標物を撮像する撮像装置と、
目標物の加速度を測定する加速度センサと、
前記撮像装置で撮像された画像データ、及び前記加速度センサで測定された加速度データが入力される制御装置と
を有し、該制御装置は
（ａ）移動する目標物を、第１の時間刻み幅で撮像すると共に、該第１の時間刻み幅よりも短い第２の時間刻み幅で、該目標物の加速度を測定する工程と、
（ｂ）前記目標物を撮像して得られた画像データに基づいて、該画像データが取得された時刻における該目標物の位置を求める工程と、
（ｃ）前記目標物の加速度に基づいて得られる位置情報と、前記画像データが取得された時刻における該目標物の位置とに基づいて、該目標物の位置の時間変化を求める工程と
を有する目標物の位置の時間変化計測装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
画像データが取得されない時間帯の位置を、加速度に基づいて決定することができる。加速度に基づいて得られた位置と、画像データに基づいて得られた位置との両方に基づいて、目標物の決定するため、加速度センサのノイズに起因する誤差が累積されることを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図面を参照しながら、実施例について説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１Ａに、実施例１による位置の時間変化計測装置の概略図を示す。平面を画定するベース１０の上に、ワーク２０及び基準部材１５が配置されている。ワーク２０は、例えばステージ装置の移動体であり、ベース１０の上を２次元方向に並進移動する。基準部材１５は、ベース１０に固定されている。基準部材１５の上面に、基準マークＲｏ、Ｒｘ、及びＲｙが表示されている。基準マークＲｏを原点とし、基準マークＲｏからＲｘに向かう向きをＸ軸の正の向きとし、基準マークＲｏからＲｙに向かう向きをＹ軸の正の向きとするＸＹ直交座標系（基準座標系）が定義される。ワーク２０に、目標物（ターゲット）１１が固定されている。目標物１１の上面に、目標マークＰが表示されている。
【００１１】
図１Ｂに示すように、目標物１１内に加速度センサ１２が格納されている。加速度センサ１２は、Ｘ方向及びＹ方向の加速度を測定し、測定結果を制御装置４０に入力する。
【００１２】
ベース１０の上方に撮像装置３０が配置されている。撮像装置３０は、受光部３２と、テレセントリックレンズ系３３とを含む。光源３５から放射された照明光が、光ファイバ３６を経由して、テレセントリックレンズ系３３まで導光され、ベース１０に照射される。受光部３２の受像面に、ＵＶ直交座標系（カメラ座標系）が定義される。ベース１０上の基準マークＲｏ、Ｒｘ、Ｒｙ、及び目標マークＰが、受像面に投影される。受像面に投影された像は、画像データとして制御装置４０に入力される。
【００１３】
図２に、実施例による位置の時間変化計測方法のフローチャートを示す。まず、ワーク２０に、目標物１１を取り付けて固定する。
【００１４】
ステップＳＴ１において、撮像装置３０でベース１０上の画像を取得する。ＵＶカメラ座標系において、基準マークＲｏ、Ｒｘ、Ｒｙの位置を検出する。これにより、ＸＹ基準座標系と、ＵＶカメラ座標系との対応関係が得られる。
【００１５】
以下、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、基準マークＲｏの位置検出方法の一例について説明する。なお、他の基準マークＲｘ、Ｒｙ、及び目標マークＰの位置検出も同様の方法で行われる。
【００１６】
図３Ａに示すように、ＵＶカメラ座標が定義された受像面に、基準部材１５、基準マークＲｏ、Ｒｘ、Ｒｙ、ワーク２０、目標物１１、及び目標マークＰの像が投影されている。まず、画像データから、基準マークＲｏを含む正方形または長方形の分析対象領域５０を切り出す。分析対象領域５０のＵＶカメラ座標内の位置、例えば図３Ａにおいて左下の頂点５１のＵＶ座標を記憶する。
【００１７】
図３Ｂに、分析対象領域５０の平面図を示す。分析対象領域５０内の画像データに対し、低域通過フィルタ処理または収縮膨張操作を行うことにより、ノイズを除去する。ノイズが除去された画像データに基づいて、重心演算またはピーク値検出を行うことにより、分析対象領域５０内における基準マークＲｏの位置を検出する。重心演算を行う場合には、画像信号強度にしきい値を設定しておき、このしきい値以上の画像信号を重心演算の対象とする。しきい値未満の画像信号が演算の対象とならないため、背景の影響を受けにくくなる。
【００１８】
基準マークＲｏ等は、故意にピントがずれた状態にしておいてもよい。ピントがずれた状態にしておくと、基準マークＲｏ等の外周線の形状の微小なゆらぎや、背景の微細な濃淡の影響を受けにくくなる。
【００１９】
カメラ座標内における分析対象領域５０の位置と、分析対象領域５０内における基準マークＲｏの位置とに基づいて、カメラ座標系内における基準マークＲｏのＵＶ座標を算出する。
【００２０】
次に、図２のステップＳＴ２において、加速度センサ１２の校正（キャリブレーション）を行う。具体的には、ワーク２０を所定の距離だけ移動させ、加速度センサ１２の出力から移動距離を算出する。実際に移動した距離は、撮像装置３０からの画像データから算出することができる。実際に移動した距離と、加速度センサ１２の出力から算出された移動距離とが等しくなるように、加速度センサ１２を較正しておく。なお、このときの移動距離は、加速度センサ１２で測定された加速度のノイズ成分が累積されることに起因して生ずる移動距離の誤差が無視できる程度に設定しておく。
【００２１】
ステップＳＴ３において、ワーク２０を移動させながら、撮像装置３０により画像データを収集するとともに、加速度センサ１２により加速度データを収集する。画像データの収集は、時間刻み幅Δｔｃで行い、加速度データの収集は、時間刻み幅Δｔａで行う。加速度データを収集する時間刻み幅Δｔａは、画像データを収集する時間刻み幅Δｔｃよりも短い。
【００２２】
図４に、実施例１における位置の時間変化計測方法のブロック図を示す。ステップＳＴ３においては、撮像装置３０が、時間刻み幅Δｔｃで、目標マークＰを含む画像データＩ（ｔ）を生成する。制御装置４０は、画像データＩ（ｔ）の画像処理を行い、画像データが取得された時刻における目標マークＰのカメラ座標（Ｕｃ，Ｖｃ）を求める。加速度センサ１２が、時間刻み幅Δｔａで、加速度（ａｘ，ａｙ）を出力する。ここで、ａｘ及びａｙは、それぞれＸ方向及びＹ方向の加速度である。
【００２３】
ステップＳＴ４において、図４に示すように、目標マークＰのカメラ座標における位置（Ｕｃ，Ｖｃ）を、基準座標系における位置（Ｘｃ，Ｙｃ）に変換する。
【００２４】
図５Ａに、目標マークＰの位置（Ｘｃ，Ｙｃ）の時間変化の一例を示す。目標マークＰの実際の軌跡を破線で示している。図５Ａの時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２、・・・に示した黒丸記号が、画像データに基づいて得られた位置（Ｘｃ，Ｙｃ）を示す。時間刻み幅ｔ１−ｔ０、ｔ２−ｔ１、ｔ３−ｔ２、・・・はΔｔｃに等しい。撮像装置３０のシャッタースピードの制約により、時間刻み幅Δｔｃよりも短い刻み幅で画像データを取得することはできない。
【００２５】
ステップＳＴ５において、図４に示すように、加速度（ａｘ，ａｙ）の時間変化（時系列信号）を２階積分することにより、目標マークＰの位置（Ｘａ，Ｙａ）を算出する。
【００２６】
図５Ｂに、加速度に基づいて算出された目標マークＰの位置（Ｘａ，Ｙａ）の時間変化（時系列信号）を示す。実際には、時間刻み幅Δｔａごとに位置（Ｘａ，Ｙａ）が算出されるが、時間刻み幅Δｔａは、時間刻み幅Δｔｃよりも十分短いため、図５Ｂでは、位置（Ｘａ，Ｙａ）の時間変化を連続線で表している。なお、目標マークＰの実際の軌跡を破線で示している。
【００２７】
加速度から求めた位置には、加速度センサのノイズに起因する誤差が累積されるため、時間が経過するに従って、算出された位置と実際の位置との差が大きくなる。
【００２８】
ステップＳＴ６において、図４に示すように、画像データから求めた位置（Ｘｃ，Ｙｃ）と、加速度から求めた位置（Ｘａ，Ｙａ）とに基づいて、目標マークＰの位置（Ｘｐ，Ｙｐ）の時間変化を求める。以下、目標マークＰの位置（Ｘｐ，Ｙｐ）の時間変化を求める方法について説明する。
【００２９】
図５Ｃに示すように、時刻ｔ０において、加速度から求められた位置（Ｘａ０，Ｙａ０）が、画像データから求められた位置（Ｘｃ０，Ｙｃ０）に一致するように、加速度から求められた位置（Ｘａ，Ｙａ）に補正Ａ０を加える（Ｘ座標及びＹ座標を増減させる）。時刻ｔ０からｔ１までの目標マークＰの位置（Ｘｐ，Ｙｐ）として、補正後の位置（Ｘａ，Ｙａ）を採用する。時刻ｔ１における補正後の位置（Ｘａ１，Ｙａ１）は、加速度センサのノイズ成分の蓄積により、画像データから求められた位置（Ｘｃ１，Ｙｃ１）に一致しない。
【００３０】
時刻ｔ１において、加速度から求められた補正後の位置（Ｘａ１，Ｙａ１）が、画像データから求められた位置（Ｘｃ１，Ｙｃ１）に一致するように、加速度から求められた位置（Ｘａ，Ｙａ）に、さらに補正Ａ１を加える。時刻ｔ１からｔ２までの目標マークＰの位置（Ｘｐ，Ｙｐ）として、補正Ａ１を加えた後の位置（Ｘａ，Ｙａ）を採用する。時刻ｔ２以降も、同様に加速度から求められた位置（Ｘａ，Ｙａ）を、画像データから求められた位置（Ｘｃ，Ｙｃ）に基づいて順次補正することにより、目標マークＰの位置（Ｘｐ，Ｙｐ）を決定する。
【００３１】
一般的に、加速度データは、画像データよりも短い周期で取得することが可能である。加速度と画像データとを併用することにより、画像データが得られない期間にも、目標マークの位置Ｐを求めることができる。また、加速度から求められた位置（Ｘａ，Ｙａ）を、時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２、・・・の時点で、画像データから求められた位置（Ｘｃ，Ｙｃ）に一致するように補正することにより、加速度センサのノイズ成分が蓄積されることにより発生する誤差の累積を抑制することができる。
【００３２】
上記実施例１では、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３・・・において、目標マークＰの位置が不連続に変化する。時刻ｔ１−０における位置（Ｘｐ，Ｙｐ）が、時刻ｔ１＋０における位置（Ｘｐ，Ｙｐ）に一致するように、時刻ｔ０−０における位置（Ｘｐ，Ｙｐ）を修正してもよい。このとき、時刻ｔ０とｔ１との中間の時刻における位置（Ｘｐ，Ｙｐ）は、補間演算により修正すればよい。
【実施例２】
【００３３】
次に、図６を参照して実施例２による位置の時間変化計測方法について説明する。実施例２による方法のフローチャートは、図２に示した実施例１による方法のフローチャートと同一であり、ステップＳＴ５の具体的な実行方法が、実施例１と実施例２とで異なる。
【００３４】
図６に、実施例２による位置の時間変化計測方法のブロック図を示す。画像データに基づいて、位置（Ｘｃ，Ｙｃ）を求める処理、及び加速度に基づいて位置（Ｘａ，Ｙａ）を求める処理は、実施例１の場合と同一である。
【００３５】
実施例２では、画像データから求められた位置（Ｘｃ，Ｙｃ）に第１のローパスフィルタＬＰＦ１を適用する。第１のローパスフィルタＬＰＦ１の伝達関数ＦＬは、以下の通りである。
【００３６】
【数１】
2010133711.tif 000003
【００３７】
加速度から求められた位置（Ｘａ，Ｙａ）に、ハイパスフィルタＨＰＦを適用する。ハイパスフィルタＨＰＦの伝達関数ＦＨは、以下の通りである。
【００３８】
【数２】
2010133711.tif 000004
【００３９】
ここで、ｓは、ラプラス演算子（微分演算子）を表し、ωはカットオフ角周波数を表し、ζは減衰率を表す。カットオフ角周波数ωは、撮像装置３０の撮像周波数よりも低く設定する。減衰率ζは、一例として０．８とする。
【００４０】
なお、加速度の２階積分処理（伝達関数１／ｓ２）と、ハイパスフィルタＨＰＦとは、１つの第２のローパスフィルタＬＰＦ２に置き換えることができる。第２のローパスフィルタＬＰＦ２の伝達関数ＦＬ２は、以下の通りである。
【００４１】
【数３】
2010133711.tif 000005
【００４２】
第１のローパスフィルタＬＰＦ１を適用した後の位置（ＦＬＸｃ，ＦＬＹｃ）に、第２のローパスフィルタＬＰＦ２を適用した後の位置（ＦＬ２ａＸ、ＦＬ２ａＹ）を加え合わせることにより、目標マークＰの位置（Ｘｐ，Ｙｐ）を算出する。
【００４３】
目標マークＰの実際の位置を（Ｘ，Ｙ）とすると、加速度センサ１２の出力（ａＸ，ａＹ）は、加速度センサ１２のノイズ成分を（ΔａＸ，ΔａＹ）として、下記のように表される。
【００４４】
【数４】
2010133711.tif 000006
【００４５】
また、画像データから得られる位置（Ｘｃ，Ｙｃ）には、ノイズ成分（ΔＸｃ、ΔＹｃ）が重畳されていると仮定する。目標マークＰの位置（Ｘｐ，Ｙｐ）は、下記のように表される。
【００４６】
【数５】
2010133711.tif 000007
【００４７】
上述の式において、画像データから得られる位置に含まれる誤差（ΔＸｃ、ΔＹｃ）は、ローパスフィルタ処理により減衰する。加速度センサのノイズ成分（ΔａＸ，ΔａＹ）には、結果的にローパスフィルタ処理が適用されるため、累積されて大きな誤差を生ずることはない。
【００４８】
このように、加速度から、位置の時系列信号の高周波成分が取得され、画像データから位置の時系列信号の低周波成分が取得され、両者が重ね合わされる。加速度と画像データとを併用することにより、画像データが得られない期間にも、目標マークの位置Ｐを求めることができる。また、加速度センサのノイズ成分が累積されることによる誤差の増大を防止することができる。
【００４９】
第１のローパスフィルタＬＰＦ１と第２のローパスフィルタＬＰＦ２の伝達関数は、上記のものに限定されない。第１のローパスフィルタＬＰＦ１の伝達関数ＦＬと、第２のローパスフィルタＬＰＦ２の伝達関数ＦＬ２にｓ２を乗じた伝達関数との和が１になるように、両者の伝達関数を選択すればよい。
【００５０】
実施例２において、画像データから求められる座標（Ｘｃ，Ｙｃ）及び加速度（ａＸ，ａＹ）の全ての時系列データを取得した後に、これらのデータを第１のローパスフィルタＬＰＦ１及び第２のローパスフィルタＬＰＦ２に入力してもよい。また、時系列データを取得している期間、すなわちワーク２０が移動している最中に、取得中の時系列データを第１のローパスフィルタＬＰＦ１及び第２のローパスフィルタＬＰＦ２に入力してもよい。この方法では、ワーク２０の移動中に位置の計測を行うことができる。このため、位置の計測結果を、ワーク２０の移動制御にフィードバックすることができる。
【００５１】
上記実施例１及び実施例２によって計測された位置データを使って、移動体（ステージ）の位置を制御することができる。また、半導体製造装置に、このステージを採用することが可能である。
【００５２】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】（１Ａ）は、実施例１による位置の時間変化計測装置の概略斜視図であり、（１Ｂ）は、その目標物の斜視図である。
【図２】実施例１による位置の時間変化計測方法のフローチャートである。
【図３】（３Ａ）は、基準部材とワークの平面図であり、（３Ｂ）は、受像面内の基準マークの像を示す図である。
【図４】実施例１による位置の時間変化計測方法を示すブロック図である。
【図５】（５Ａ）は、画像データから得られる位置の時間変化を示すグラフであり、（５Ｂ）は、加速度から得られる位置の時間変化を示すグラフであり、（５Ｃ）は、実施例１による方法で得られる位置の時間変化を示すグラフである。
【図６】実施例２による位置の時間変化計測方法を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  ベース
１１  目標物（ターゲット）
１２  加速度センサ
１５  基準部材
２０  ワーク
３０  撮像装置
３２  受光器
３３  テレセントリックレンズ系
３５  光源
３６  光ファイバ
４０  制御装置
５０  分析対象領域
５１  頂点
ＬＰＦ１  第１のローパスフィルタ
ＬＰＦ２  第２のローパスフィルタ
Ｒｏ、Ｒｘ、Ｒｙ  基準マーク
Ｐ  目標マーク
ＸＹ  基準座標系
ＵＶ  カメラ座標系
【図１】
2010133711.tif 000008
【図２】
2010133711.tif 000009
【図３】
2010133711.tif 000010
【図４】
2010133711.tif 000011
【図５】
2010133711.tif 000012
【図６】
2010133711.tif 000013