(57)【要約】【課題】視認度の高い電気光学液晶マーカをワークに取り付け、ワークの目的にあわせて微細な加工ができるパターン認識を利用した液晶精密制御装置を提供する。【解決手段】本発明によれば、発光源となる電気光学液晶表示マーカが１次元又は２次元配列されて所定パターンを形成し、これを画像認識することによって位置を検出して、位置決めを行うことを特徴とする液晶精密位置制御装置が提供される。発光源のプレート（液晶表示基板）２７がステージ１９、２４上にセットされ、基板２７のパターンを制御して、レーザ加工する場所を近傍乃至その定位置をマーキング（点灯）させて、決定する。決定位置を集光レンズ１８を介して撮像素子１７によって画像情報として、メモリ上に順番に格納する。格納されたメモリ上の画像データのパターンと予め取り込まれたパターンとの照合を行い、そのパターンがマッチするように、モーションコントロール部２１よりＸステージモータ２６とＹステージモータ２３を駆動させるために各電源ドライバ駆動２５、２２に指示を送信する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光源となる電気光学液晶表示マーカが１次元又は２次元配列されて所定パターンを形成し、これを画像認識することによって位置を検出して、位置決めを行うことを特徴とする液晶精密位置制御装置。
【請求項２】
電源を投入後、発光源を順番に点灯させて、その点灯番号を画像認識によって検出することによって、自らの現在位置を知る手段を有する請求項１記載の液晶精密位置制御装置。
【請求項３】
１・２次元パターンを構成する要素の形状が任意の形状であり、画像認識することによってその位置を検出して、所定の位置に順次移動することによって、所要の工程を基板上で実施する請求項１に記載の液晶精密位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光源によって形成されたパターンを画像認識により検出して位置合わせをする装置に関する。本発明によるこのような装置は、有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）による表示素子の作製、レーザ描画装置、レジスト感光用精密位置決めレーザ感光装置、細胞切断レーザマイクロカッタ、ＤＮＡ、１塩基置換による遺伝子の多型性を用いたＳＮＰチップ（マイクロアレー）の製造等に利用することができる。
【０００２】
また、本発明による装置は、表示装置のカラーフィルタや透明電極（例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ））パターンやプリント回路板のパターンの配線の修正のためのレーザリペア装置、シリコンやガラスプレート上の微細穴に生体細胞や核や精子等を冷凍保存するための省エネ型保存小型チップ、感光レジストの微細加工装置、レーザ描画装置、レーザスキャナ装置、ミニラボ写真プリント装置、レーザピンセット装置、細胞や核に刺すマイクロニードルを移動位置決めするための装置、レーザ工作加工装置、レーザマーキング装置、蛍光等を発光する生体や化学物質の位置のナノレベル検出装置、プロテオニクス分析装置、μ−ＴＡＳ（マイクロトータルアナリシス分析器）やμ化学ファクトリ用の溝加工や部品組立て用位置制御装置へ利用することもできる。
【０００３】
【従来の技術】
ＰＬＥＤ（ポリマー有機エレクトロルミネッセンス素子）等に代表される次世代ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）の製作においては、レジストで２次元上に構成されたスペースに正確に材料をスポットする製作装置や、各素子の発光状態を確認して、その良否を判定する検査装置等が必要とされている。
【０００４】
また、テーラメード医療薬として細胞内のたんぱく質を参考にして、細胞受容体を増殖因子よりブロックするための分子認識薬を選定する場合には、たんぱく質の種類や薬との組み合わせを検討する必要があり、そのためには個人の細胞内のたんぱく質を取り出すためのレーザマイクロカッター装置や、組み合わせを評価するためのマイクロアレー作製装置等が必要であり、その検査装置を実現するためには精密な位置制御装置が不可欠である。現在は、サブミクロンレベルの精密な細胞レーザカットやマイクロスポットを配列させる作製工程のタクトタイムと精密度が医療薬開発を進める上でのネックとなっている。位置あわせのためのメカトロ精度に頼る傾向が今後、益々高くなる。
【０００５】
ところで、通常、マイクロ以下のステージ制御をする場合は、ステージの移動量や現在地を直接把握するために、磁気目盛りや光学目盛りやレーザ干渉等を利用した測長器をステージに取り付け、測長器からの信号をモーションコントロール部にフィードバックするフルクローズド制御を採らなければ、位置制御は殆ど不可能である。また、直接、試料細胞や検体位置を捉える必要性から、今後は、２次元上の目標とする絶対位置に精密にステージを移動制御する方法が望まれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ステージのコントロールを精密に行っても、例えば、ワークの熱膨張との差による誤差が生じたりすると、ワークの定位置を絶えずおさえることは、フルクローズド制御といえどもできない。そのため、熱膨張率の近い材質を使ったり、温度補償を行うための環境センサを別途、設けたりするという対症療法的に複雑化乃至制約が生じる。
【０００７】
また、ワークそれぞれの個体差は当然発生する。従って、ワークの個体差にあわせて、ステージの制御位置を設定する必要があるので、自動化による歩留まり上、この点が最も大きな問題となる。ワーク作りそのものに同等の精度が要求される等現実的ではない。
【０００８】
また、１軸駆動モータを採用すると、当然、ＸＹの２軸のモータが必要となり、必然的に測長器は複数（例えば、ＸＹΘ等）が必要とされる。そのため、誤差が必然的に累積されるので、アライメント精度がより厳しくなり、高コスト化が避けられない。従って、本来、直接ワークそのものを観測しながら、そのワークの希望する位置に合わせるのが理想的であるし、その位置情報を制御系に与えるなら、ワークの位置あわせそのものを精密に行うことが可能である。従って、歩留まりの向上は当然期待できる。
【０００９】
半導体やバイオチップ等の集積度の高いものを製作する場合は、ステージに載せたワークを２次元的に捉えるのが最もコストパフォーマンスにすぐれた方法である。そのため、最近、マシンビジョン方式が盛んに採入れれられようとしている。対象物への照明の照射方法を工夫したり、目標を確認しやすい工夫をしたりしているが、しかし、輝度が高く、高コントラストの視認度の高い解決方法は、従来、知られていない。また、パターンをコード化して管理するというデータベースを新たに考慮しなければならなかった。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、発光源によって形成されたパターンを画像認識によって検出して位置合わせをする装置を提供することを目的とする。即ち、本発明によれば、このように視認度の高いマーカ（画像処理においてエンハンス等の処理を全く必要としないコントラストの高いマーカ）をワークに取り付け、ワークの目的にあわせて微細な加工ができるパターンマッチングのためのパターン画像認識を利用することを目的とし、従来の高価な測長スケールを全く必要としないより高精度なフルクローズド制御装置とそれを用いて製作したワークを実現することを目的とするものである。
【００１１】
例えば、ＤＮＡ等のバイオチップや化学マイクロ工場チップにおいて、半導体技術と同じように単位面積あたりの集積密度が高くなればなるほど、１枚からとれるチップの数が増えるため、ローコスト化にはスポット密度を高くすることが当然要求される。また、基板１枚１枚の加工後（例えば、スポッティング）の良否判定もパターン認識で自動確認検査しながら進めることで、生産性も向上して、コストにはメリットがでる。ところで、これまでのＤＮＡアレイの基本は、一枚のチップ上に複数遺伝子をスポットして解析を行うことであった。最近は、特定遺伝子に対して複数試料の遺伝子解析を行える技術をも必要だと考えられている。このような技術は、臨床において遺伝子多型（ＳＮＰ）と病気の発病の因果を知ることに繋がると考えられる。
【００１２】
即ち、ＤＮＡチップの現在の検査工程が変わって、スポット一つ一つにそれぞれ異なったハイブリダイゼーションを行うことで診断時間の短縮化が要求されることも考えられるので、スポットと同様の位置にハイブリダイゼーションを行う位置決めが必要とされる可能性もある。これらは、従来は診断用の電軸のＸＹステージ等のメカトロ精度に頼らざるを得なかったが、現実にはワークの診断基板の各々の個体差にあわせた位置あわせ精度が重要となっている。
【００１３】
同様に、小型化学実験室等に必要とされる実験用プレートにも、色々な試薬を決められた位置に正確にスポットする技術が必要となってくるので、プレート個々のカスタマイズや再現性の高い生産性の向上のためには、ワークそのものの位置を各々精密に判定して処理し、メカトロ本体のステージに頼らない構造の方が望ましいとされている。即ち、基板上に誘導灯を点灯させて、その位置に正確に加工プローブを着地させるようなことを行うのである。
【００１４】
そのためには、ワークのスポット部分をスポッタの任意の位置（例えば、中央に）位置あわせする技術とスポッティング後の状態を良否を判別する技術を兼ね備えた方法が最も望ましい。そのようにすれば、メカトロステージの保守や校正等の煩わしさはなくなり、作製装置自体の精度要求が軽減されて、製作コストが格段に軽減できる。
【００１５】
例えば、メカトロステージをサブマイクロ程度の精度で制御するには、従来は、必ず、光学式又は磁気式スケールの指示値を読み取り、それをメカトロに返すためのエンコーダが必要であったが、それが不要となる。特に、μＤＮＡチップやＭＥＭＳ応用の化学ファクトリの生産基板には、必ず２次元（ＸＹ）のステージの移動が要求されるので、スケール付きメカトロ系が２組必要であって、非常に高価なものとなっていた。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するには、マシンビジョン等で使用されるパターン認識によるモーションコントロールが最も適切である。ワーク各々を撮像装置（ＣＣＤカメラや赤外線ビジコンカメラ等）によって捉えて、細部の位置を認識しながら、ステージを駆動させて、位置を制御することによって、メカトロの負担は軽減され、また、ファクトリ用の基板そのものの精密度が向上して、歩留まりがよくなる結果、システムコストとランニングコストを大幅に低減することが可能となる。
【００１７】
しかし、パターン認識を利用して任意の位置を正確に合わせるためには、基板上に任意の位置を知らせるパターンをライブで表示する必要がある。また、精密度と認識速度を向上させるためには、エンファンス（増幅）等の画像処理を必要としないような視認度の高い標識（マーキング）が必要とされる。
【００１８】
このような課題を解決するため、本発明によれば、発光源によって所定パターンを形成する手段と、形成されたパターンを認識する手段と、認識手段によって認識された位置に基づき、発光源を所定位置に移動させる移動手段とを備えた精密位置制御装置が提供される。即ち、本発明によれば、発光源となる電気光学液晶表示マーカが１次元又は２次元配列されて所定パターンを形成し、これを画像認識することによって位置を検出して、位置決めを行うことを特徴とする液晶精密位置制御装置が提供される。
【００１９】
ここで、発光源は、例えば、電気的、化学的、光又は磁気的に励起されて、その際に電気光学効果を生じる液晶、電子ペーパに用いられれるコロイド粒子、又は蛍光を発するエレクトロルミネッセンス素子、燐光を発する素子、又はレーザスポットや光シャッタアレー等のプロジェクタ素子によって光のスポットを表示させる素子等を用いることができる。
【００２０】
このような発光源を用いれば、視認度が非常に高いので、精密な位置あわせが可能である。また、自ら発光するので、照明を当てずに、レーザカット後の細胞の状態やスポッティングやその他の試薬による描画結果を実時間で確認することが可能である。
【００２１】
また、ＤＮＡチップ等の場合は、プレートそのものが発光させることができるので、蛍光や燐光の光源にもなる。また、発光箇所を任意に指定することができるので、指定された場所の発光パターンの認識のみをすることによって、診断作業性を格段に高めることもできる。各スポットに照射する蛍光の励起光の波長をカラーフィルタ等を使うことも可能である。また、パターン認識そのものを軸においた設計であるので、チップの作製→ハイブリダイゼーション→蛍光パターン認識それぞれにカスタムメイドが可能になり、且つ、一つの装置で全工程を行うことができるオールインワン装置の実現が可能になる。
【００２２】
この液晶基板は、底面にはバックライト光源があり、下部ガラス基板、液晶層、上部ガラス等の基板からなる。上部ガラス基板には、ＤＮＡオリゴ等がスポッティングされるために、接触角（濡れ性）の調整をするためのカップリング剤等による表面処理等の前処理がなされていたり、耐薬品性のためのフッ素コーティングがなされていてもよい。
【００２３】
また、ガラス基板自体がそのような耐薬品性を有していてもよく、赤外光をよく通す材質や紫外光をよく通す材質からなるものであってもよい。逆に、ガラス基板上の試料にレーザ加工を加えるために、ガラス基板そのものに耐レーザ光コーティングがなされたものであってもよい。また、上部基板に直接、μみぞ等のエッチング処理がなさたものを用いてもよいし、ピットのアレイのような窪みのマトリクスを既に作製されたような感光性のガラス基材のものであってもよい。いずれにしても、上部下部基板の裏側には、液晶を駆動させるための一対の電極が設置されている。
【００２４】
また、この電極部分のうち、上部基板の液晶界面側には、遮光を目的としたクロム蒸着膜やクロムエッチング膜や金印刷等のパターンニングが施されていてもよく、液晶に接触しない基板面に金属膜がコーティングされていてもよい。また、液晶表示基板を駆動させるために、配線が基板に取り付けられていなくともよい。リードピンがステージ側にセットされており、液晶表示基板のＩＴＯ端子や金属端子にステージ固定時にコンタクトがとれるような構造であってもよいし、液晶基板そのものに表示駆動ＩＣ光源駆動ＩＣ等が実装されたチップオンガラス（ＣＯＧ）タイプのものであってもよい、カード式のコネクタを備えた基板タイプのものであってもよい。
【００２５】
また、今後、ワイヤレス化が進むので、受信装置の付いたＩＣをガラス基板に設けることもできる。そのような液晶表示パネルをカード化乃至スティック化し、装置ドライブに挿入して、メカステージ制御が始まり、そのスティックがバイオチップ等に変換されるような構成とすることもできる。
【００２６】
ここでは、液晶を例に挙げて説明したが、今後、電子励起発光、エレクトロルミネッセンス、電子励起燐光、レーザダイオード、発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用した有機・無機素材や電子励起燐光素材等のより視認性の高い材料を用いても基本的に同様の使い方によって目的を達成することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による装置において用いる認識マーカが施された基板の構造を示す。図１中、（Ａ）は液晶パネルの断面図を示し、（Ｂ）は液晶パネルの上部表面を示し、（Ｃ）は液晶パネルの上部基板の液晶界面側を示し、（Ｄ）は液晶パネルの下部基板の液晶界面側を示す。また、図２は、マイクロレーザカッタ加工装置の構成例を示す。以下の説明において、「パターン」とは、液晶で表示されるマークの形状を指す。また、上記液晶の表示パターンを撮像素子で収集してアナログ信号を得、このアナログ信号をデアダク処理して、画像認識データとし、この画像認識データが画像メモリ上にマトリクスとしてストアされる。このようにストアされた画像メモリの最小単位をピクセルという。
【００２８】
液晶パネル１０は、上部基板６と下部基板９の間に液晶８が挟まれて構成されている。上部基板６にはクロム蒸着や金印刷部７によって遮光部２が形成されていると共に、光透過部１として四角乃至丸型のパターンが形成されている。
【００２９】
また、上部基板６の液晶界面側には、透明導電性コーティングＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）層３が施されており、それとマトリクスを形成するように下部基板９の液晶界面側にも透明な電極層４が形成されており、任意の光透過部のところのオン・オフ動作が可能な状態になっている。通電によって上下基板に挟まれた液晶８が駆動して、図１の基板の底面に設置させたバックライト（図示せず）の光を透過させて点灯させることによって、そのパターンが点灯できるようになる。
【００３０】
図１の基板１０と同じプレート２７が図２の装置のステージ１９、２４上にセットされる。装置制御部１３にＣＰＵ（中央演算装置）１６から制御信号を送信し、液晶表示基板２７のパターンを制御して、レーザスポットする場所の近傍をマーキング（点灯）させる。点灯位置はパターンのセンターにあたる画像メモリのピクセル座標を入力する方法でもいいし、もともと走査する（順次点灯させる）順番やタイミングをストアしていてもよいし、タブレットやキータッチパネルやマウス１１等で実際にプレート２７、ＣＲＴ（ブラウン管）１２を見ながら、ポインタで指定した位置を点灯させるような描画機構を設けてもよい。パターンから更なる精密制御については後述の図３のフロー図の説明においても述べる。
【００３１】
点灯させた位置を集光レンズ１８を介して撮像素子１７によって画像情報として、一画素ごとに明るさ強度を電圧に変換し、連続したアナログ電圧信号として出力したものを、画像取り込みボード２０がＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器によって連続したアナログ電圧信号を時間軸で分割し、デジタル信号に変換し、メモリ上に順番に格納する。格納されたメモリ上の画像データのパターンと予め取り込まれたパターンとの照合を行い、そのパターンがマッチするように、モーションコントロール部２１よりＸステージモータ２６とＹステージモータ２３を駆動させるために各電源ドライバ駆動２５、２２に指示を送信する。パターンが視野中央に設置されたことをカメラ１７によって確認して後、レーザ照射装置１５に制御部１４を介して指示を送信してポイントされる。
【００３２】
パターンの具体的な認識が図３に示したフローチャートによって処理をする。図４に液晶パターンと画像ピクセルの関係を示す。即ち、複数のピクセル３１からなるエリア（縦横のピクセルの集団）３２を決めて、エリア３２中に形成された液晶パターン３０（図４中、斜線部で示す。）を選択する。認識ピクセルの大きさは４０×４０ピクセル〜２００×２００ピクセル程度が望ましい。
【００３３】
画像メモリ上にはこのエリア３２の画像情報がストアされている。おのおののピクセル３１はそれぞれ２５６諧調の数値が割り当てられている。エリア３２を選択し、決定するとは、縦×横×各ピクセルの諧調度の３次元データをメモリに取り込むことを指す。このデータと同じものを６４０×４８０ピクセル中の画像全体中からある認識率でマッチするエリアを探し、そのエリアの重心、中点、中心座標等を決定する。
【００３４】
そして、そのセンターの座標３３と６４０×４８０のピクセルマトリクスの目標位置、例えば、中央座標（３４０，２４０）までの距離を算出する。その距離を予め校正しておいた１ピクセル当たり距離からステージ上の物理長を換算、置き換えて、モーションコントロール部（図２の２１）に距離を送信して、モータを動作させるパルスをモーションコントロール部２１よりドライバ２２に更に送信する。それによりステージが目的位置にパターンがくるように移動する。
【００３５】
次に、図３のフロー図における液晶パターンの動きを図５において説明する。原点４０からマーカである液晶パターンがカメラによって画像としてとらえる位置まで、ステージを粗く動作させる。カメラの視野（画像メモリ６４０×４８０ピクセル）４３内に液晶パターン４１が認識エリア４２として検出されると、その正確な位置が予め格納されたＣＰＵ内のテーブルと参照され、採用されると同時に視野４３上の相対位置を算出する。目標４４の座標と液晶パターン４１の現在位置より移動に必要な相対移動量を画像ピクセル数として算出した後、それをモーションコントローラ内にて距離からパルスに置き換え、モータドライバに伝えて、パターンと目標位置が一致するまで、画像として確認しながら位置制御を行う。
【００３６】
モーションコントロール部２１からドライバに送信されるパルスのミスカウントがあり、目的位置に到達しない場合は、再度、目標とパターンとの相対距離をライブでモニターして、最終的に落ちつくまで、パターン認識→モータ微動が繰り返される。位置決めができた時点で図２ではレーザ加工が行われる。
【００３７】
ところで、図２に示した撮像装置１７は、視認度が上がるようであれば、感度波長を変えてもよい。例えば、赤外線ビジコンカメラ等を用いてもよいし、ＣＣＤにインテンシファイヤ（光倍増管）を取り付けてもよい。熱画像カメラによってステージをコントロールしてもよい。また、高速シャッタカメラを用いたり、ハイスピードカメラのような高速フレームレートにのものを用いて、メカ制御してもよい。例えば、ビジコンカメラを用いれば、スポッティングの状態がより鮮明に確認できる場合があるので、波長フィルタを自動交換すれば、位置制御と検査が同時に可能である。液晶によって近赤外光のオンオフが可能であるから、バックライトに近赤外ＬＥＤ光源を用いてもよい。場合によっては、液晶を用いずに、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を使った有機・無機材料を用いても、任意のパターンや位置が点灯できる。勿論、蛍光の励起光を発する発光体マトリクスによる位置制御方式でもよい。
【００３８】
また、反射ミラーアレーを利用して、プロジェクタのようにステージ上のワークに光を照射投影する方法でスポットをパターン認識する方法も用いることができる。現在、発光パターンの微細化が可能な最も有望なデバイスの一は液晶表示パネルであり、５μｍ角のパターン（セグメント）まで可能である。今後、発光表示素子の微細化が進めば、それを利用することもできる。
【００３９】
【発明の効果】
制御精度の点からみると、従来の方式の場合、エンコーダの１目盛りずつの測長結果がモータ移動のパルス数に相当するので、目盛り間に相当なばらつきがあるとき、モータに送るパルスとメモリから読む測長結果の値がちぐはぐとなり、ところによっては、ハンチングが大きいところが生じて、制御位置が定まらないところがでてくる。従って、メカを停止させても、繰り返し制御精度が著しく劣化することが避けられない。
【００４０】
しかし、本発明によれば、撮像素子の１ピクセルが側長目盛りに相当する。認識するパターン間の距離にばらつきが生じても、測長誤差には反映されない。最近のＣＣＤの各画素間の誤差はコンマ数％であるから、画像メモリーにストアされる視野の１ピクセルが１マイクロの場合、誤差は数ナノメータとなる。従って、ハンチングを限りなく小さくできる。
【００４１】
また、ある光学倍率を設定した後、レーザヘテロダイン等で精密に測定した距離と撮像素子との関係を一度計算すれば、校正は完了したことになる。従って、パターンを認識するエリア内の相対的位置関係（パターンの形状に依存し、例えば、重心位置等）がノイズ（ハンチング）リミットとなり、パターン間の距離のばらつきはハンチングや精度劣化の原因とはならず、かくして、パターン間の校正も不要となる。
【００４２】
応用面から触れるに、例えば、細胞輪郭をレーザにより切り取る例を挙げればレーザ照射用試料台の精密位置あわせが非常に簡単にできる。また、ＤＮＡチップ等の作製やハイブリダイゼーション後の蛍光認識については、任意の位置の蛍光を励起できるので、ＤＮＡチップの蛍光認識も同時に行うようなことも可能である。このように一連の作業が同一装置内でできるので、作業効率がよく、装置コストや導入コストが格段に軽減できる。
【００４３】
以上のことから、本発明の装置を用いれば、従来、コスト高の一つの原因となっていたロータリーエンコーダやリニアエンコーダといったものをステージに設置することなく、非常に精密なステージ等の位置決めが可能となる。
【００４４】
また、従来のパターン認識を用いた延長上の技術では、認識させるパターンを予めメモリしておかねば、位置決めの目的が達成できないので、マッチング精度を挙げるためにはパターンが必然的に複雑化するが、しかし、本発明の装置によれば、単一のパターンのみで絶対位置を指定してメカトロ制御するので、これまでにないアブソリュートなフルクローズド制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置における基板の構成図である。
【図２】本発明の装置全体の構成図である。
【図３】本発明の装置の作動を示すフローチャートである。
【図４】液晶パターンと画像ピクセルの関係図である。
【図５】図３のフローチャートに示す液晶パターンの動きを説明する図である。
【符号の説明】
１…光透過部
２…遮光部
３…リード線
４…各セグメント
６…上部基板
８…液晶
９…下部基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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