(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面上に配置された特定の結晶体を第一のカメラで撮像し、
得られた画像から結晶体の輪郭像を抽出して、この輪郭像を基に結晶体の載置方向を特定し、
所定の載置方向であった結晶体のみを保持具で取り出し、
保持具で保持した状態で結晶体を下方から第二のカメラで撮像し、
得られた画像から第二のカメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面の像を抽出して、この結晶面の欠陥の有無を識別し、
この結晶面に欠陥がない結晶体を選別することを特徴とする結晶体の自動選別方法。
【請求項２】
複数の結晶体を予め平面上の所定位置に整列して各結晶体の位置データを把握しておき、
第一のカメラを各結晶体の位置データに基づいて操作して、特定の結晶体を撮像することを特徴とする請求項１記載の結晶体の自動選別方法。
【請求項３】
任意の位置に配置された複数の結晶体を第三のカメラで撮像し、
得られた画像から各結晶体の位置データを抽出し、
この位置データに基づいて特定の結晶体を第一のカメラで撮像することを特徴とする請求項１記載の結晶体の自動選別方法。
【請求項４】
第三のカメラを用いて得た特定の結晶体の位置データに基づいて第一のカメラと特定の結晶体との相対的な位置を制御し、
第一のカメラで撮像した特定の結晶体の輪郭像からその重心を演算すると共に重心の位置データを抽出し、
この重心の位置データと第一のカメラの画面の中心とが一致するように結晶体の位置データを修正し、
この修正した位置データに基づいて保持具を制御することを特徴とする請求項３記載の結晶体の自動選別方法。
【請求項５】
結晶体の輪郭像から輪郭を構成する各辺のなす角度を求め、
この角度を結晶体のもつ幾何学的理論値と比較して結晶体の載置方向を特定することを特徴とする請求項１記載の結晶体の自動選別方法。
【請求項６】
第二のカメラでこれと同軸の落射照明を用いて結晶体を撮像し、
さらに偏光フィルタを用いて同様の撮像を行って、
得られた両画像より第二のカメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面の像を得ることを特徴とする請求項１記載の結晶体の自動選別方法。
【請求項７】
平面上に配置された特定の結晶体を撮像する第一のカメラと、
得られた画像から結晶体の輪郭を抽出して、この輪郭像を基に結晶体の載置方向を特定する手段と、
所定の載置方向であった結晶体のみを取り出す保持具と、
偏光フィルタを具えると共に保持具で保持した状態で結晶体を下方から撮像する第二のカメラと、
第二のカメラにより得られた画像から、第二のカメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面像を抽出する手段と、
抽出された結晶面の欠陥の有無を判定する手段とを具えることを特徴とする結晶体の自動選別手段。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は結晶体を自動で選別する方法および装置に関するものである。特に、温度差法による結晶成長のためのダイヤモンド種結晶を選別し、所定位置に整列して貼り付けることに好適な方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶ダイヤモンドの結晶成長をする際、その種結晶を所定位置に貼り付ける作業を行う。通常、この作業は目視により行われている。すなわち、ダイヤモンド種結晶の成長面となる面の向きを確認し、ピンセットで種結晶を挾んで所定位置に整列して貼り付けていくのである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、目視による作業では、目の疲れやピンセットを用いた微細作業に伴う精神的・肉体的疲労が避けられない。そのため、貼り付け方向の判断ミスや貼り付け作業の効率低下といった問題があった。
従って、本発明の主目的は、このような整列作業を自動でかつ確実に行える方法および装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明方法は、平面上に配置された特定の結晶体を第一のカメラで撮像し、得られた画像から結晶体の輪郭像を抽出して、この輪郭像を基に結晶体の載置方向を特定し、所定の載置方向であった結晶体のみを保持具で取り出し、保持具で保持した状態で結晶体を下方から第二のカメラで撮像し、得られた画像から第二のカメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面の像を抽出して、この結晶面の欠陥の有無を識別し、この結晶面に欠陥がない結晶体を選別することを特徴とする。
【０００５】
多数の結晶体の中から特定の結晶体を第一のカメラで撮像するには、次の２つの方法がある。
▲１▼複数の結晶体を予め平面上の所定位置に整列して各結晶体の位置データを把握しておき、各結晶体の位置データに基づいて第一のカメラを制御して、特定の結晶体を撮像する。
▲２▼任意の位置に配置された複数の結晶体を第三のカメラで撮像し、得られた画像から各結晶体の位置データを抽出し、この位置データに基づいて第一のカメラを制御して特定の結晶体を撮像する。
【０００６】
特に、上記▲２▼の方法においては、さらに第一のカメラにより結晶体の位置データの修正を行って保持具を制御することが好ましい。すなわち、第三のカメラを用いて得た特定の結晶体の位置データに基づいて第一のカメラと特定の結晶体との位置を制御し、第一のカメラで撮像した特定の結晶体の輪郭像からその重心を演算すると共に重心の位置データを抽出する。そして、この重心の位置データと第一のカメラの画面の中心とのずれを修正し、この修正した位置データに基づいて保持具を制御する。
【０００７】
また、上記の各方法において、結晶体の載置方向を特定するには次のように行うことが好適である。
結晶体の輪郭像から輪郭を構成する各辺のなす角度を求め、この角度を結晶体のもつ幾何学的理論値と比較して結晶体の載置方向を特定する。この載置方向とは、結晶体がどの結晶面を上（または下）にして平面上に載置されているかということである。
【０００８】
さらに、第二のカメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面の像は次の方法により得ることが望ましい。
第二のカメラでこれと同軸の落射照明を用いて結晶体を撮像し、さらに偏光フィルタを用いて同様の撮像を行う。そして、得られた両画像の比較により第二のカメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面の像を得る。
【０００９】
また、本発明装置は、平面上に配置された特定の結晶体を撮像する第一のカメラと、得られた画像から結晶体の輪郭を抽出して、この輪郭像を基に結晶体の載置方向を特定する手段と、所定の載置方向であった結晶体のみを取り出す保持具と、偏光フィルタを具えると共に保持具で保持した状態で結晶体を下方から撮像する第二のカメラと、第二のカメラにより得られた画像から、第二のカメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面像を抽出する手段と、抽出された結晶面の欠陥の有無を判定する手段とを具えることを特徴とする。
【００１０】
ここで、保持具で特定の結晶体を取り出すには、次の構成のいずれかを具えることが好適である。
▲１▼平面上に配置された複数の結晶体の位置データを記憶するメモリと、この位置データにより、特定の結晶体を撮像するように第一のカメラを制御する手段と、同位置データにより、特定の結晶体を保持するように保持具を制御する手段。
▲２▼平面上に配置された複数の結晶体を撮像する第三のカメラと、このカメラで撮像した画像から各結晶体の重心を演算する手段と、得られた重心の位置データに基づいて特定の結晶体を撮像するように第一のカメラを制御する手段と、前記位置データに基づいて特定の結晶体を保持するように保持具を制御する手段。
【００１１】
特に、前記▲２▼の手段を具える場合、第一のカメラで撮像した特定の結晶体の画像からその輪郭像を抽出してこの輪郭像の重心を演算する手段と、この重心の位置データと第一のカメラの画面の中心との差分を演算する手段と、この差分だけ第三のカメラで得られた特定の結晶体の位置データを修正する手段を具えることが好適である。そして、修正後のデータに基づいて結晶体の保持具を制御する。
【００１３】
また、載置方向が所定の向きであった結晶載置方向を特定する手段は、結晶体の輪郭を構成する各辺のなす角度の幾何学的理論値を記憶するメモリと、結晶体の輪郭像から輪郭を構成する各辺のなす角度を演算する手段と、演算により求められた角度と前記メモリから読み出された幾何学的理論値とを比較する手段とを具えることをが好適である。
【００１４】
さらに、第二のカメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面像を抽出する手段は、第二のカメラで撮像した結晶体の下方像の画像データを記憶するメモリと、第二のカメラで偏光フィルタを用いて撮像した結晶体の下方像のうちカメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面以外の画像データを記憶するメモリと、これらの両画像データからカメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面の画像データを抽出する手段とを具える。
【００１５】
そして、抽出された結晶面の欠陥の有無を判定する手段は、第二のカメラで撮像した下方像の画像データからその輪郭像を抽出して輪郭像の重心を演算する手段と、カメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面の画像データからその結晶面の重心を演算する手段と、演算された両重心を比較し、所定値以上のずれがある場合に結晶面に欠陥があると判断する手段とを具える。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を説明する。
ここでは、多数のダイヤモンド結晶から所定のダイヤモンドを選別し、選別されたダイヤモンドを種結晶としてパレットに整列して貼り付ける場合について説明する。図１は本発明方法を用いる装置の概略斜視図である。
【００１７】
この装置は、３台のカメラ１，２，３と、吸着コレット４と、これらの移動機構５，６と、供給・貼付の各テーブル７，８を主な構成とする。
カメラは、上面検査用カメラ１（第一のカメラ）、下面検査用カメラ２（第二のカメラ）、粗位置検出カメラ３（第三のカメラ）で構成される。いずれもＣＣＤカメラなどを用いることが好適である。上面検査カメラ１は移動機構５によってＸ軸方向に移動することができる。下面検査カメラ２には偏光フィルタが取り付けられ、結晶からの所定の光成分のみを抽出した画像を得ることができる。この下面検査カメラ２にはカメラ２と同軸の落射照明も具えられている。また、下面検査カメラ２や粗位置検出カメラ３も移動機構（図示せず）を具えている。そして、各カメラ１，２，３は画像処理装置（図示せず）に接続され、さらにこの画像処理装置は得られた画像と選別結果とを表示するモニター（図示せず）に接続されている。
【００１８】
吸着コレット４（保持具）はダイヤモンドを吸着して供給テーブル７から貼付テーブル８へと搬送する保持具である。これは、上面検査カメラ１の移動機構５によりＸ軸方向に移動できると共に、移動機構６によってＺ軸方向にも移動できる。
各カメラ１，２，３と吸着コレット４の移動機構５，６は、モータ９,10 でボールねじ11,12 を回転させ、このボールねじ11,12 に螺合されたスライダ13,14 を移動させる機構である。
【００１９】
各テーブル７，８はスライダ15,16 を具え、その表面に供給パレット17と貼付パレット18が取り付けられている。供給パレット17には選別前のダイヤモンドD1が載置され、貼付パレット18には選別後のダイヤモンドD2が貼り付けられる。供給テーブル17にはパーツフィーダ19が設けられ、供給パレット上にダイヤモンドD1を供給する。また、同テーブル７には透過照明（図示せず）が内蔵されており、供給パレット上のダイヤモンドD1を下から照らして、上面検査カメラ１で投影像が得られるように構成されている。各テーブル７，８は各パレット17,18 の移動機構を具えている。この移動機構もカメラや吸着コレットの移動機構５，６と同様で、スライダ15,16 に螺合したボールねじ20,21 を具え、モータ22,23 でボールねじ20,21 を回転させて各パレット17,18 をボールねじ20,21 の軸方向に移動させる。
【００２０】
このような装置を用いたダイヤモンドの選別には、上面検査カメラ１により結晶の載置方向を判別する段階と、下面検査カメラ２により成長面を検査する段階との２つの段階がある。
まず、パーツフィーダ19で供給パレット上にダイヤモンドD1の種結晶をばらまく。
粗位置検出カメラ３で複数の種結晶を撮像する。その画像を画像処理装置に取り込んで二値化し、二値化画像を基に各種結晶の重心を演算する。得られた重心の位置データに基づいて上面検査カメラ１または供給側テーブル７を制御し、一つの種結晶を撮像できるように移動させる。
【００２１】
次に、上面検査カメラ１で一つの種結晶を撮像する。このとき、供給側テーブル７の透過照明を用いて投影像が得られるようにする。得られた投影像を画像処理装置に取り込んで二値化処理し、二値化画像におけるダイヤモンドの輪郭点を抽出する。この輪郭点のデータから輪郭像の各辺のなす角度を求める。例えば、抽出された輪郭点から直線成分を抽出するためにハフ変換を用い、輪郭を構成する直線群を抽出する。抽出した直線群からそれらの交点を求め、多角形の輪郭像に近似する。この近似処理により各直線群のなす角度を求める。そして、この角度を幾何学的理論値と照合して載置方向を特定する。
【００２２】
ダイヤモンド結晶の一例を図２に示す。図２（Ａ）のダイヤモンドＤが(100) 面30を上面とした載置方向の場合、図２（Ｂ）に示す輪郭像が得られ、(111) 面31を上面とした場合、図２（Ｃ）に示す輪郭像が得られる。前者の場合、輪郭を構成する直線がなす幾何学的理論値は９０°であり、後者の場合は１２０°となる。従って、予め幾何学的理論値をメモリに登録しておき、輪郭像を基に演算された角度がメモリから出力された理論値のいずれかに適合すれば、載置方向を特定することができる。そして、所定の載置方向である結晶のみを吸着コレット４により取り出す。
【００２３】
このとき、上面検査カメラ１により得られた輪郭像の重心も演算し、結晶体の正確な位置データを求め、この重心と上面検査カメラの画面の中心とが一致するように位置データを修正する。吸着コレット４の制御はこの修正された位置データに基づいて行う。
なお、判定の結果、所定の載置方向でなかったり、輪郭を構成する各辺のなす角度がいずれの理論値とも適合しなかった場合は、別の種結晶について上面検査カメラ１を用いた上記の操作を繰り返す。
【００２４】
次に、吸着コレット４で種結晶を保持した状態で下面検査カメラ２をその直下に移動させ、種結晶の下方を撮像する。このとき、落射照明と偏光フィルタを用いる。すなわち、偏光フィルタの偏光特性を用いた撮像と、用いない撮像の２通りを行う。例えば、結晶の載置方向が図２（Ａ）の八角面を上（下）面としている場合、偏光特性を用いることなく撮像して、同図（Ｂ）のような下方像を得る。次に、偏光フィルタを操作して、下面以外の面（図２Ｂの像における４隅の三角面）のみの下方像を得る。各下方像のデータをメモリに記憶し、画像データ間演算により前者の下方像から後者の下方像を差し引くことで下面検査カメラ２の光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面のみの画像を抽出する。
【００２５】
抽出された結晶面の画像を二値化処理する。得られた二値化画像から前記輪郭像の場合と同様に輪郭データの抽出を行い、この結晶面に欠けなどの欠陥がないかどうかを例えば次のようにして判定する。結晶面に欠けが存在すれば落射光により欠け部分は反射しない。従って、輪郭像と抽出された結晶面像において各々の重心を演算し、両者に一定値以上の乖離を生じれば結晶面に欠けがあると判断できる。欠けがあると判断されれば、欠陥のない種結晶を選別するまで別の種結晶について上記手順を繰り返す。
【００２６】
この判定の結果、欠陥のなかった種結晶を吸着コレット４でＸ軸方向に搬送し、さらにＺ軸方向に下降させて貼付パレット18に貼り付ける。この搬送は、予め設定したダイヤモンドの貼り付け位置データに基づいて制御すればよい。上記の検査手順を繰り返すことで、所定の成長面をもつ種結晶のみを所定間隔に整列して貼り付けることができる。
例えば、結晶体の(111) 面をダイヤモンドの成長面とする場合、上面検査カメラ１で(111) 面が上面となった載置方向の結晶体のみを抽出する。そして、その結晶体の下面に欠けなどの欠陥のないものを下面検査カメラ２を用いた画像処理で選別し、パレット18に貼り付けていく。
【００２７】
以上の説明では、種結晶を供給パレット上に適当にばらまき、各種結晶の位置がわかっていない状態から選別を開始したが、予め種結晶を所定の位置に整列しておいてもよい。各種結晶の位置データがわかっていれば、このデータを基に上面検査カメラや保持具を特定の種結晶上に位置合わせすることができる。つまり、粗位置検出カメラ３がなくても種結晶の選別を行うことができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明方法によれば、従来目視により行っていた結晶体の選別作業を自動的に行うことができる。特に、確実かつ連続的に結晶体の選別が行えるため、作業の効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を用いた装置の概略斜視図。
【図２】（Ａ）はダイヤモンドの斜視図、（Ｂ）は(100) 面を上面としたダイヤモンドの下面図、（Ｃ）は(111) 面を上面としたダイヤモンドの下面図。
【符号の説明】
１  上面検査カメラ  ２  下面検査カメラ  ３  粗位置検出カメラ
４  吸着コレット  ５，６  移動機構  ７  供給テーブル  ８  貼付テーブル９,10 モータ  11,12 ボールねじ  13,14,15,16 スライダ  17  供給パレット
18  貼付パレット  19  パーツフィーダ  20,21 ボールネジ  22,23 モータ
30  (100) 面  31  (111) 面
【図１】
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【図２】
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