(57)【要約】【課題】画像解析によるエッジ検出において、加工対象物の位置を高精度に検出することができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ加工装置１００は、レーザビームＬを加工対象物ｗに照射するレーザ照射手段１と、前記加工対象物ｗを保持した状態で移動可能なステージ手段２と、画像解析を用いたエッジ検出により加工対象物ｗの位置検出を行うエッジ検出手段３とを備え、エッジ検出手段３は、画像撮影用の撮像手段３１と、撮像手段３１の撮像範囲Ａを照明する照明手段３２と、撮像手段３１との間に加工対象物ｗを介在させた状態に配置し照明光Ｓを反射して加工対象物ｗをその背後から照射する反射板３３と、撮像範囲Ａにおける反射板３３の表面を新生面に配置可能な反射面清浄化機構と、撮像手段３１により得られた画像から加工対象物ｗのエッジ位置を検出する画像処理手段３６とを備える【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを加工対象物に照射するレーザ照射手段と、前記加工対象物を保持した状態で移動可能なステージ手段と、画像解析を用いたエッジ検出により加工対象物の位置検出を行うエッジ検出手段とを備えるレーザ加工装置であって、前記エッジ検出手段は、画像撮影用の撮像手段と、前記撮像手段の撮像範囲を照明する照明手段と、前記撮像手段との間に加工対象物を介在させた状態に配置し前記照明手段の照明光を反射して該加工対象物をその背後から照射する反射板と、前記撮像範囲における前記反射板の表面を新生面に配置可能な反射面清浄化機構と、前記撮像手段により得られた画像から前記加工対象物のエッジ位置を検出する画像処理手段とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記反射面清浄化機構は、前記反射板を移動させることにより前記新生面を前記撮像手段の撮像範囲に配置する移動機構によって構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記反射面清浄化機構は、前記反射板に付着した汚れを拭き取るクリーニング機構により構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
アライメント調整毎に前記反射板にアライメントマークを形成するアライメントマーク描画手段が設けられており、前記アライメントマーク描画手段により形成された最新のアライメントマークの位置と前記画像処理手段により検出された加工対象物のエッジ位置とに基づいて、前記加工対象物の加工位置を算出する構成とされていることを特徴とするセ請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記アライメントマーク描画手段は、前記レーザ照射手段により前記アライメントマークを形成する構成とされることを特徴とする請求項４記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像解析を用いたエッジ（外形）検出により加工対象物の位置検出を行うレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なレーザ加工装置では、画像解析によるエッジ検出を行うものが知られている。
例えば特許文献１には、照明光を複数方向から照射させることによりエッジ位置（加工対象物の外形位置）を検出して被測定物（基板）の位置ずれを補正することが記載されている。
また、特許文献２には、被測定物の背後からバックライトによる照明を行い撮影した画像に基づいて被測定物の外形を検出することも知られている。
さらに、特許文献３には、校正用治具（基準球）の背後に反射板を設けた状態で基準球の画像測定を行うことが記載されている。この場合、背後に配置された反射板によって基準球上方からの照明光が散乱され、基準球のエッジを明確に特定できるようになっている。したがって、オフセット位置を正確に算出できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３７９５８２０号公報
【特許文献２】特許第４３１２４７４号公報
【特許文献３】特許第４７９１１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、画像解析によるエッジ検出を行う場合には、照明光の回り込みによって正確なエッジの判定が難しく、加工対象物の正確な位置検出を行うことが困難である。
また、特許文献２に示すようなバックライトを、例えばレーザ加工装置に適用した場合においては、加工位置で観察を行う際にバックライトを損傷させてしまうおそれがあり、加工位置以外で観察を行う際には、加工位置と観察位置との正確な相対位置の確認が必要となり、作業性が低下することとなる。
さらに、特許文献３のように反射板を設ける場合においても、照明光の回り込みを回避するためには、反射板を加工対象物に近づけて配置することが必要となる。また、加工対象物の背後に反射板を配置した場合、加工対象物の加工時に反射板が汚れたり、反射板に傷が付いたりすることがある。この場合、反射板による照明光の反射率が低下することから、得られる画像の輝度差（コントラスト）が小さくなり、加工対象物のエッジ位置の判定が不安定になるおそれがある。このため、加工対象物の位置を正確に把握できなくなり、加工対象物の加工精度の低下に繋がることがある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、画像解析によるエッジ検出において、加工対象物の位置を高精度に検出することができるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、レーザビームを加工対象物に照射するレーザ照射手段と、前記加工対象物を保持した状態で移動可能なステージ手段と、画像解析を用いたエッジ検出により加工対象物の位置検出を行うエッジ検出手段とを備えるレーザ加工装置であって、前記エッジ検出手段は、画像撮影用の撮像手段と、前記撮像手段の撮像範囲を照明する照明手段と、前記撮像手段との間に加工対象物を介在させた状態に配置し前記照明手段の照明光を反射して該加工対象物をその背後から照射する反射板と、前記撮像範囲における前記反射板の表面を新生面に配置可能な反射面清浄化機構と、前記撮像手段により得られた画像から前記加工対象物のエッジ位置を検出する画像処理手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明のレーザ加工装置においては、反射面清浄化機構によって反射板の汚れ等が付着した表面部分を新生面に差し換えることにより、反射板による照明光の反射率を維持することができ、撮像された画像の加工対象物以外の部位の輝度が低下するのを防止することができる。これにより、高コントラストの画像が得られ、加工対象物の位置を高精度に検出することが可能となる。
【０００８】
本発明のレーザ加工装置の前記反射面清浄化機構は、前記反射板を移動させることにより前記新生面を前記撮像手段の撮像範囲に配置する移動機構によって構成することができる。
この場合、反射板の汚れが付着した表面部分を撮像範囲から退避移動させるとともに、汚れが付着していない新生面を撮像範囲に配置することで、反射板による照明光の反射率を維持することができる。
また、前記反射面清浄化機構は、前記反射板に付着した汚れを拭き取るクリーニング機構によっても構成することができる。
【０００９】
本発明のレーザ加工装置は、アライメント調整毎に前記反射板にアライメントマークを形成するアライメントマーク描画手段が設けられており、前記アライメントマーク描画手段により形成された最新のアライメントマークの位置と前記画像処理手段により検出された加工対象物のエッジ位置とに基づいて、前記加工対象物の加工位置を算出する構成とされていることを特徴とする。
【００１０】
アライメントマークは、アライメント調整毎に反射板自体に直接刻まれる構成とされていることから、反射板を移動させても移動後の反射板の表面に新たなアライメントマークを形成することができるので、測定の基準となるアライメントマークが常に同じ位置に配置されることになる。したがって、測定の基準となるアライメントマークの位置を調整毎に高精度で補正することができる。
【００１１】
また、前記アライメントマーク描画手段は、前記レーザ照射手段により前記アライメントマークを形成する構成とすることができる。
この場合、アライメントマークがレーザビームの照射位置の直下に配置されることになる。このため、アライメントマークの形成位置とレーザビームの照射位置とが常に同じ位置に配置されることから、アライメントマークの位置を高精度に補正することはレーザ加工位置を高精度に補正することとなり、アライメントマークとエッジ位置との相対位置を算出することによって、高精度の加工が可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、画像解析によるエッジ検出において、加工対象物の位置を高精度に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置を示す全体構成図である。
【図２】反射板の移動機構を説明する模式図であり、（ａ）が側面図、（ｂ）が上面図である。
【図３】反射板のクリーニング機構を説明する模式図であり、（ａ）が側面図、（ｂ）が上面図である。
【図４】アライメントマークの顕微鏡画像を示す。
【図５】反射板を用いて行ったエッジ判定の結果を説明する図であり、（ａ）が画像処理前の撮影された画像、（ｂ）が（ａ）の画像を二値化処理してエッジを検出させた１回目の結果を示す画像、（ｃ）が（ａ）の画像を二値化処理してエッジを検出させた２回目の結果を示す画像である。
【図６】反射板を用いずに行ったエッジ判定の結果を説明する図であり、（ａ）が画像処理前の撮影された画像、（ｂ）が（ａ）の画像を二値化処理してエッジを検出させた１回目の結果を示す画像、（ｃ）が（ａ）の画像を二値化処理してエッジを検出させた２回目の結果を示す画像である。
【図７】本発明に係るレーザ加工装置の他の実施形態を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係るレーザ加工装置の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
本実施形態のレーザ加工装置１００は、図１に示すように、加工対象物ｗにレーザビームＬを照射して加工する装置であり、加工対象物ｗにレーザビームＬを照射するレーザ照射手段１と、加工対象物ｗを保持した状態で移動可能なステージ手段２と、画像解析を用いたエッジ検出により加工対象物ｗの位置検出を行うエッジ検出手段３と、これらを制御する制御手段４とを備える。
【００１５】
レーザ照射手段１は、例えばレーザビームＬを一定の繰り返し周波数でパルス発振するレーザ光源１１と、レーザビームＬの広がりを調整するビーム調整部１２と、レーザビームＬをスポット状に集光する集光レンズ１３とを備え、ミラーｍ１〜ｍ３を介して加工対象物ｗにレーザビームＬが照射されるようになっている。
レーザ光源１１には、１９０ｎｍ〜１１００ｎｍの波長のレーザ光を照射できる光源を使用することができ、例えば本実施形態では、波長３５５ｎｍのレーザ光を発振して出射できるものを用いている。
【００１６】
ステージ手段２は、加工対象物ｗをｘ‐ｙ‐ｚの各方向に並進移動できる機構を有している。具体的には、水平面に平行なｘ方向に移動可能なｘ軸ステージ部２１ｘと、そのｘ軸ステージ部２１ｘの下に設けられｘ方向に対して垂直で、かつ水平面に平行なｙ方向に移動可能なｙ軸ステージ部２１ｙと、ｙ軸ステージ部２１ｙの下に設けられ水平面に対して垂直方向に移動可能なｚ軸ステージ部２１ｚとを備える構成とされている。また、これらステージ部２１ｘ〜２１ｚを制御するステージ制御部２２が備えられている。
【００１７】
エッジ検出手段３は、画像撮影用の撮像手段３１と、撮像手段３１の撮像範囲Ａを照明するための照明手段３２と、撮像手段３１との間に加工対象物ｗを介在させた状態に配置し照明光Ｓを反射して加工対象物ｗをその背後から照射する反射板３３と、反射板３３を水平方向に移動する移動機構３４と、反射板３３の表面の汚れを拭き取るクリーニング機構３５と、撮像手段３１により得られた画像から加工対象物ｗのエッジ位置を検出する画像処理手段３６とを備える。
【００１８】
撮像手段３１には、例えばＣＣＤカメラ等の撮像機器を用いることができる。そして、撮像手段３１は、加工対象物ｗ及び反射板３３の上方に設けられている。また、撮像手段３１の撮像範囲は、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に符号Ａで示すように反射板３３の一部に設定されている。また、撮像手段３１の撮像焦点位置とレーザビームＬの加工焦点位置とが、一致するように設けられている。
そして、撮像手段３１の撮像範囲Ａを照明する照明手段３２には、ハロゲンランプやＬＥＤ照明等の光源を用いることができる。また、照明手段３２は、その照明光Ｓを、ミラーｍ４を介して加工対象物ｗに対してレーザビームＬの照射方向と同軸方向から照明するように構成されており、レーザビームＬ及び照明光Ｓの照射方向と、撮像手段３１の撮影方向とは、一致するように設けられている。
【００１９】
反射板３３は、ガラス、プラスチックフィルム、セラミックス等により形成され、移動機構３４上に固定されている。また、反射板３３の表面は、照明光Ｓを正反射するように仕上げられており、加工対象物ｗの背後から照明光Ｓを照射できるようになっている。
【００２０】
移動機構３４は、撮像手段３１の撮像範囲Ａにおける反射板３３の表面を新生面に配置し直すものであり、例えば図２（ｂ）に矢印θ１で示すように、反射板３３を回転移動するステージにより構成することができる。また、図３（ｂ）に矢印Ｘ１，Ｙ１で示すように、反射板３３をｘ方向とｙ方向に水平移動するステージにより構成することもできる。
【００２１】
クリーニング機構３５は、布や紙等で形成されたクリーニング部３７を有し、例えば図２（ａ）及び図３（ａ）に示すように、撮像範囲Ａの外部で反射板３３の表面にクリーニング部３７を接触させることにより、移動機構３４の駆動に伴って反射板３３が移動する際に、その表面をクリーニング部３７が摺動するようになり、表面に付着した汚れを除去することができるようになっている。なお、図３（ａ）に示すように、クリーニング部３７は、使用時にのみ反射板３３と接触する構成とすることができ、図３に示す例では、二点鎖線で示すように、未使用時には退避させておくことができる。
【００２２】
また、本発明でいうアライメントマーク描画手段は、レーザ加工装置１００では、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、レーザ照射手段１により反射板３３の表面にアライメントマークＰを形成するものであり、制御手段４によって制御される。
アライメントマークＰは、レーザ加工装置１００において加工基準位置（原点）を示すものであり、アライメントマークＰの位置に基づいて、レーザビームＬやステージ手段２が制御され、加工対象物ｗに加工が施される。
なお、レーザ加工装置１００では、アライメントマークＰがレーザビームＬの照射位置の直下に配置されることになる。
【００２３】
図１に示すレーザ加工装置１００を用いて加工対象物ｗのエッジ（外形）を検出する方法について説明する。
（アライメントマークの検出）
まず、ステージ部２１ｘ，２１ｙにより加工対象物ｗを、レーザビームＬの加工範囲外に退避させておく。また、反射板３３の表面に、レーザビームＬの加工焦点位置及び撮像手段３１の撮影焦点位置を合わせるようにｚステージ部２１ｚを移動する。そして、画像処理手段３６により、撮像範囲Ａ内（反射板３３のみ）の輝度を判定し、予め設定された輝度となるように照明手段３２の光量調整を行う。
次に、レーザ照射手段１によって、反射板３３の表面に、例えば図４に示すような十字状のアライメントマークＰを加工し、撮像手段３１によりアライメントマークＰを含む撮像範囲Ａの撮影を行う。そして、得られた画像（図４）に、二値化処理等の画像処理を施し、アライメントマークＰの位置を検出する。
アライメントマークＰの位置を記憶した後で、撮像範囲Ａ内にアライメントマークＰや加工痕、その他の反射面３３に付着した汚れが映り込むことがないように、反射板３３を移動機構３４により移動させて、反射板３３の新生面を撮像範囲Ａ内に配置する。このとき、クリーニング機構３５によって反射板３３の表面に付着した汚れを除去することにより、新生面を構成することもできる。
【００２４】
（エッジ検出）
ステージ部２１ｘ〜２１ｚにより、加工対象物ｗを、レーザビームＬの加工範囲内に配置する。すなわち、加工対象物ｗの表面に、レーザビームＬの加工焦点位置及び撮像手段３１の撮影焦点位置を合わせるようにステージ部２１ｘ〜２１ｚを移動する。
次に、画像処理手段３６により、撮像範囲Ａ内の加工対象物ｗ以外の部分（反射板３３の部分）の輝度を判定し、予め設定された輝度となるように照明手段３２の光量調節を行ったうえで、撮像範囲Ａの撮影を行う。そして、得られた画像（例えば図５（ａ））に、図５（ｂ），（ｃ）に示すように二値化処理等の画像処理を施し、加工対象物ｗのエッジ位置（外形位置）を検出する。
これにより、予め記憶したアライメントマークＰの位置に対して、エッジ検出に伴う移動量が算出され、アライメントマークＰとエッジ位置との相対位置が記憶される。
【００２５】
（加工）
画像解析結果により得られたアライメントマークＰの位置を基準として、そのアライメントマークＰの位置と加工対象物ｗのエッジ位置との相対位置との関係で決まる加工位置の演算を行い、その結果に基づいてレーザビームＬとステージ部２１ｘ〜２１ｚとを制御して加工対象物ｗを所望の形状に加工する。
また、反射板３３が汚れる等して表面の反射率が低下し、画像処理手段３６により撮影範囲Ａ内の加工対象物ｗ以外の部分（反射板３３の部分）の輝度が照明手段３２の光量調節では予め設定された輝度とならない場合には、レーザ照射時に生じた加工痕等が撮像範囲Ａに映り込まないように反射板３３の新生面を配置する。これにより、反射板３３による照明光Ｓの反射率を維持することができるので、続けて次の加工対象物ｗの加工を行うことができる。
【００２６】
（アライメント調整）
移動機構３４を駆動して、反射板３３の新生面を撮像手段３１の撮像範囲Ａに配置する。そして、レーザ照射手段１によって、反射板３３の表面に新たなアライメントマークＰを形成して、その最新のアライメントマークＰの位置を検出する。また、検出した最新のアライメントマークＰの位置を記憶し、その最新のアライメントマークＰの位置を基準として、加工対象物ｗの加工を行う。
なお、アライメント調整は、必ずしも加工対象物ｗ毎に行う必要はない。予め設定された加工対象物ｗの加工個数や使用期間等の限度設定値を基準として、一定期間ごとにアライメント調整を行うことで、レーザ加工装置１００の加工基準の位置（アライメントマークＰの位置）を校正することができる。
【００２７】
本実施形態のレーザ加工装置１００においては、反射板３３の汚れが付着した表面部分を新生面に差し換えることにより、反射板３３による照明光Ｓの反射率を維持することができ、撮像された画像の加工対象物ｗ以外の部位の輝度が低下するのを防止することができる。これにより、高コントラストの画像が得られ、加工対象物ｗの位置を高精度に検出することが可能となる。
【００２８】
また、アライメントマークＰは、アライメント調整毎に反射板３３自体に直接刻まれる構成とされていることから、反射板３３を移動させても、移動後の反射板３３の表面に新たなアライメントマークＰを形成することができるので、測定の基準となるアライメントマークＰを画像撮像時において常に同じ位置に配置するように補正することが可能となる。
【００２９】
また、本実施形態においては、レーザ照射手段１によりアライメントマークＰを反射板３３に直接形成することとしたので、アライメントマークＰがレーザビームＬの直下に配置されることになる。このため、アライメント調整時において、アライメントマークＰの形成位置とレーザビームＬの照射位置とが常に同じ位置に配置されるようになる。したがって、アライメントマークＰの位置を高精度に補正することはレーザ加工位置を高精度に補正することとなり、アライメントメークＰとエッジ位置との相対位置を正確に算出することによって、高精度の加工が可能となる。
【００３０】
なお、上記実施形態においては、反射板３３を移動する移動機構３４と、反射板３３の表面にクリーニング部３７が接触するクリーニング機構３５との両機構により、反射板３３の表面を清浄化する反射面清浄化機構を構成したが、クリーニング機構３５を反射板３３に対して移動可能に構成することで反射面清浄化機構を構成してもよい。また、クリーニング機構３５を設けずに、移動機構３４のみで反射面清浄化機構を構成することも可能である。移動機構３４のみでも、反射板３３を移動して、反射板３３の汚れ等が付着した表面部分を順次新生面に差し換えることにより対応することができ、反射板３３の表面が全体的に汚れたら別の反射板３３と交換すればよい。
【００３１】
次に、本発明の効果を確認するために、実験を行った。
図１に示すレーザ加工装置１００を用いて、円筒状の加工対象物ｗを撮影した際の反射板３３の有無及びバックライト方式による画像解析結果の違いを確認した。
図５（ａ）は反射板３３を用いて撮影した加工対象物ｗの画像の一部であり、この画像について二値化処理を行った結果を図５（ｂ），（ｃ）に示す。また、図６（ａ）は反射板３３を用いずに撮影した加工対象物ｗの画像の一部であり、この画像について二値化処理を行った結果を図６（ｂ），（ｃ）に示す。
なお、図５（ｂ），（ｃ）及び図６（ｂ），（ｃ）に示す「＋」マークは、画像処理手段３６により検出されたエッジの位置を示している。また、それぞれの方式で得られた画像に対して３０回の測定を行い、検出されたエッジ位置のデータを表１に示す。
【００３２】
【表１】
2014121727.tif 000003
【００３３】
表１に示すように、反射板３３を用いた場合には、反射板を用いない場合やバックライト方式よりも高精度で検出することができ、３０回の測定においてエッジ検出位置は±０．５μｍ以下の精度で検出することができた。一方で、反射板を用いずに撮影した場合は、図６（ｂ），（ｃ）に示すように、エッジの検出位置が大きく異なる位置をエッジと判定する認識間違いを起こしており、エッジの判定箇所が安定しない結果となった。
【００３４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、図７に示すレーザ加工装置２００のように、２枚のガルバノミラーｍ５，ｍ６とｆ‐θレンズ１４とからなるガルバノスキャナ３８を構成して、レーザビームＬを走査する構成とすることもできる。
【符号の説明】
【００３５】
１  レーザ照射手段
２  ステージ手段
３  エッジ検出手段
４  制御手段
１１  レーザ光源
１２  ビーム調整部
１３  集光レンズ
１４  ｆ‐θレンズ
２１ｘ〜２１ｙ  ステージ部
２２  ステージ制御部
３１  撮像手段
３２  照明手段
３３  反射板
３４  移動機構
３５  クリーニング機構
３６  画像処理手段
３７  クリーニング部
３８  ガルバノスキャナ
１００  レーザ加工装置
Ａ  撮像範囲
Ｌ  レーザビーム
Ｐ  アライメントマーク
Ｓ  照明光
ｗ  加工対象物
ｍ１〜ｍ６  ミラー
【図１】
2014121727.tif 000004
【図２】
2014121727.tif 000005
【図３】
2014121727.tif 000006
【図４】
2014121727.tif 000007
【図５】
2014121727.tif 000008
【図６】
2014121727.tif 000009
【図７】
2014121727.tif 000010