(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体像を拡大する顕微鏡と、該拡大された被写体像の焦点を合わせるために該顕微鏡の焦点位置を上下に移動する機構部と、該拡大された被写体像を映像信号としてとらえる撮像装置と、該映像信号の画像処理を行う画像処理装置とを有し、前記被写体像について寸法測定等の画像処理を行う画像処理システムにおいて、前記撮像装置でとらえた全エリア内の被写体像に基いて粗焦点合わせを行ない、寸法測定対象被写体とは異なる位置の、該寸法測定対象被写体と同一高さ位置の焦点検出用被写体像を焦点検出エリアとして、予め登録された寸法測定対象被写体と同一高さ位置の焦点検出用被写体像のデータから自動認識することによって画像処理により検出し、検出された焦点検出用被写体像の映像信号を抽出し、該抽出された映像信号から合焦点位置を検出し、該検出された合焦点位置を前記寸法測定対象被写体の合焦点位置とすることを特徴とする自動焦点検出方法。
【請求項２】
請求項１に記載の自動焦点検出方法において、前記登録された寸法測定対象被写体と同一高さ位置の焦点検出用被写体像のデータは、測定等の種類に応じた、基準パターン画像、合焦点エリア、測定エリアのデータであることを特徴とする自動焦点検出方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかに記載の自動焦点検出方法において、合焦点位置の検出手段として、前記焦点検出用被写体像の映像信号から濃淡エッジが最も急俊となる焦点位置を合焦点位置とする微分成分抽出方式を採用したことを特徴とする自動焦点検出方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２のいずれかに記載の自動焦点検出方法おいて、合焦点位置の検出手段として、前記焦点検出用被写体像の映像信号の微分成分を抽出し、この微分成分の絶対値信号の積分を行い、積分信号が最大となる焦点位置を合焦点位置として検出することを特徴とする自動焦点検出方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の自動焦点検出方法において、合焦点位置の検出手段として、ある任意の高さ範囲で焦点位置を上下サ−チし、その高さ範囲内で前記焦点検出用被写体像の映像信号から濃淡エッジが最も急俊となる焦点位置を合焦点位置とするようにしたことを特徴とする自動焦点検出方法。
【請求項６】
被写体像を拡大する顕微鏡と、該拡大された被写体像の焦点を合わせるために該顕微鏡の焦点位置を上下に移動する機構部と、該拡大された被写体像を映像信号としてとらえる撮像装置と、該映像信号の画像処理を行う画像処理装置とを有し、前記被写体像について寸法測定等の画像処理を行う画像処理システムにおける自動焦点検出装置において、前記画像処理装置は、前記撮像装置によってとらえた全エリア内の被写体像基づいて前記機構部を制御して粗焦点合わせを行い、該粗焦点合わせ後の全エリア内の被写体像の映像信号と予め登録された寸法測定対象被写体と同一高さ位置の焦点検出用被写体像のデータから、対象被写体像と同一高さ位置の焦点検出用被写体像を前記焦点検出エリアとして自動認識し、その位置情報を出力する画像処理装置であって、前記画像処理装置の位置情報に応じて前記映像信号から焦点検出用被写体像の映像信号を抽出する映像切換回路と、該抽出された映像信号の微分成分を検出し、該微分成分の絶対値を出力する微分処理部と、該絶対値の積分を行う積分回路と、合焦点制御を行うために前記機構部を制御し、前記積分値に基づいて前記焦点検出用被写体像の焦点高さ位置を前記顕微鏡の合焦点位置として検出する制御部とを備えたことを特徴とする自動焦点検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載の自動焦点検出装置において、前記登録された寸法測定対象被写体と同一高さ位置の焦点検出用被写体像のデータは、測定等の種類に応じた、基準パターン画像、合焦点エリア、測定エリアのデータであることを特徴とする自動焦点検出装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７のいずれかに記載の自動焦点検出装置において、前記制御部は、前記機構部を制御して前記顕微鏡の焦点位置を上下に移動させ、前記積分の値を求め、求めた積分の値が最大となる焦点位置を検出し、該焦点位置を前記寸法測定対象被写体の合焦点位置とすることを特徴とする自動焦点検出装置。
【請求項９】
請求項６乃至請求項８のいずれか１つに記載の自動焦点検出装置において、前記機構部は、前記制御部からの制御に応じて焦点高さ位置を上下に移動し、前記撮像装置は該移動した焦点位置高さで撮像された被写体像の映像信号をそれぞれ出力し、前記制御部は、該それぞれの映像信号に基づいて検出した合焦点位置のうち、前記積分の値が最大となるときの焦点位置を前記寸法測定対象被写体の合焦点位置とすることを特徴とする自動焦点検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕微鏡と顕微鏡による拡大被写体像を撮像するテレビカメラ等エリアセンサとを組み合わせた寸法測定等の画像処理を行う装置において、エリアセンサが撮像した被写体像の輝度レベル差すなわち微分成分を検出し、自動焦点を行う自動焦点検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばＴＦＴ（Thin Film Transistor）液晶パネルの製造工程において、各画素ごとに形成される薄膜トランジスタのパターンの線幅等の寸法が高精度で測定され、管理されることは製品の歩留まり、性能の向上を図る上で極めて重要である。そのため、上記のように顕微鏡とテレビカメラ等を組み合わせて画像処理により測定を行う場合、測定対象部分の正確な焦点位置検出が不可欠となる。
【０００３】
従来の焦点検出技術の１つとしては、顕微鏡の光軸上に投入されたレ−ザ−光または被写体像の反射光を合焦点位置前後に実装されたラインセンサやエリアセンサ等の受光素子で受光し、前ピンと後ピン位置の受光範囲や受光光強度により合焦点検出を行う一般的にボケ方式と称する自動焦点検出装置がある。
【０００４】
さらに、顕微鏡に組み合わされたラインセンサやエリアセンサ等の受光素子で得られる被写体像の輝度レベル差または微分成分レベルを検出し、輝度レベル差が最も急俊となる位置又は微分成分レベルが最大となる位置を合焦点位置として検出する微分成分抽出方式の自動焦点検出装置がある。
【０００５】
図２により、微分成分抽出方式の原理を説明する。図２（１）のように白地に黒地の被写体が撮像されている場合の映像信号波形を図２（２）に、以下、微分波形を図２（３）、絶対値処理波形を図２（４）、積分波形を図２（５）に示す。この積分波形は焦点検出動作中の被写体と顕微鏡対物レンズの位置関係（間隔）の一時点における積分レベルを示すものである。図２（６）は被写体の対物レンズに対する位置を変化させた場合の上記積分レベルの変化を連続的に示すものであり、積分レベルが最大となる位置を合焦点位置としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術であるボケ方式では、レ−ザ−光を使用した場合、レ−ザ−光が照射する被写体部のスポット範囲の位置に対して、また、被写体像の反射光強度を受光する受光素子の範囲に対して、焦点を合わせてしまう。また、被写体像の微分成分抽出方式でも、同様に被写体像の反射光を受光する受光素子の範囲全ての微分成分の積分された位置に焦点を合わせてしまう。従って、これらの方式では被写体が平面の場合には問題ないが、凹凸があり複雑な被写体像において、寸法測定等の画像処理を行う場合に、処理を行う対象の被写体部だけに焦点を合わせることが困難である。本発明は、これらの欠点を除去し、凹凸があり、複雑な被写体像においても処理を行う対象の被写体部に、常に、焦点を合わせ、自動寸法測定等における測定精度を向上させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、被写体を撮像するエリアセンサを使用し、光電変換された被写体像すなわち映像信号から寸法測定等画像処理を行う対象被写体部と、同焦点位置にある他の被写体像を焦点検出エリアとして検出し、そのエリア内の映像信号だけを抽出し、その範囲内の微分成分により合焦点位置を検出するようにしたものである。
【０００８】
【作用】
その結果、対象被写体部の範囲内又は周辺に凹凸があり複雑であっても対象被写体像と同焦点位置にある他の被写体像を画像処理により位置を自動認識し、その位置に対応した映像信号だけを抽出し、その範囲内の微分成分を検出することにより寸法測定等の画像処理を行う被写体部に対して、常に焦点を合わせることができ、自動寸法測定等における焦点検出誤差が低減でき、測定精度が向上できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施例を図１により説明する。被写体１の像は顕微鏡３の対物レンズ２で拡大され、テレビカメラ４にて被写体像を映像信号としてとらえられる。通常、寸法測定等を行う画像処理システムにおいては、顕微鏡３に被写体１を搭載した状態では焦点が合ってなく、対象となる被写体像の位置を検出することができないため、前記従来の技術方式であるテレビカメラでとらえた全エリア内の被写体像すなわち映像信号から微分成分を検出して粗焦点位置合わせを行う。ここで、被写体１は、例えばＴＦＴ液晶パネルにおける薄膜トランジスタを構成するパターンとパターンの間隙の部分であるものとする。なお、上記パネルにおける寸法測定等のパターン幅又は間隙は数μｍ〜数十μｍ、層構成による段差は２〜６μｍ／層で例えば６層から構成されている。
【００１０】
次に、画像処理装置５において、被写体部の対象被写体像と同焦点位置の被写体像を焦点被写体像として画像処理により位置を自動認識し、その位置情報から映像切換回路６により焦点被写体像の映像信号だけを抽出し、次段の微分回路７により濃淡エッジ部の微分成分を検出し、絶対値回路８にて負の微分成分の絶対値信号を得て、積分回路９にて微分信号の積分を行い、ＣＰＵ１１にて合焦点制御を行うためＡ／Ｄ変換回路１０にて積分信号レベルをデジタル変換する。
【００１１】
ＣＰＵ１１では顕微鏡３の焦点移動機構部１３をモ−タ駆動回路１２を介して駆動し、焦点位置を対物レンズ２の倍率に対応した範囲で上下方向に移動させながら移動範囲内で焦点制御信号である積分信号が最大になる位置を合焦点位置として検出することにより、寸法測定等画像処理を行う被写体像の焦点位置に対して焦点を合わせることができる。
【００１２】
図３により、実際に３層からなる段差のあるパタ−ンの被写体に対して説明する。図３（１）に示す被写体画像において、測定する対象被写体像１４が、各パタ−ン上の最上部に成形されているものとすると、対象被写体像の段面ライン１５上の段面は図３（２）に、また、映像信号は図３（４）に示すようになる。実際に寸法測定等画像処理する範囲、対象被写体像の段面１９間の寸法Ｘを測定する場合、従来技術の方式では、図３（２）において被写体の段面部Ｈａ、Ｈｂ、Ｈｃにおける段差の部分の映像信号は図３（４）のようになり、この範囲にて微分成分を抽出し積分した場合、積分信号レベルと焦点位置の関係は、例えば図３（６）の実線波形２０のようになる。これは、段面Ｈａ、Ｈｂ、Ｈｃの段差が対物レンズ２の焦点深度よりも十分に大きい場合である。ＨａとＨｂの段差が焦点深度以内の場合、積分信号レベルと焦点位置の関係は図３（６）の破線波形２１のようになる。従って、各段面Ｈａ、Ｈｂ、Ｈｃにおける微分成分レベルの強弱によって検出する焦点位置が異なってしまい、対象被写体像１４に対して焦点検出も一定しなくなる。
【００１３】
これを解決するために、本発明では図３（１）のように、対象被写体像の段面１９（図３（２））と同一高さ位置すなわち同焦点位置で形成された別の位置の比較的単純な焦点検出用被写体像１６を焦点検出用に利用する。焦点検出用被写体像１６は、寸法測定等画像処理を行う対象被写体像１４と同一段面にあり、焦点検出用段面ライン１８上の段面は図３（３）のようになっている。寸法測定等の画像処理を行う画像処理装置にて焦点検出用被写体像１６の位置を自動認識する。自動認識した位置から映像信号内の焦点検出用映像エリア１７を設定する。この時のエリア内の映像信号は、図３（５）になり、この焦点検出用映像エリア１７内の映像信号を上記の処理により焦点を検出するための微分成分さらに積分信号を抽出し、焦点位置を対物レンズ２の倍率に対応した範囲で上下方向にサ−チ移動させながらサ−チ範囲内で積分信号レベルが最大になる位置を合焦点位置として検出する。この時の積分信号レベルと焦点位置の関係は、映像エリア内に１段差しかないため、図３（６）の点線波形２２の特性になる。
【００１４】
なお、上記寸法測定等のための焦点検出は、工程単位に行われるため、測定対象被写体部と同一高さ位置の焦点検出用被写体部は必ず存在する。
【００１５】
また、焦点検出用被写体像１６の位置は測定等の種類に応じて、基準パターン画像、合焦点エリア、測定エリアについてデータを登録しておくことにより自動認識することが出来る。
【００１６】
本発明をＴＦＴ液晶パネルのパターン寸法測定に適用することにより測定精度を従来の０.１μｍから０.０２μｍへ向上させることが出来た。
【００１７】
【発明の効果】
顕微鏡と被写体を撮像するテレビカメラ等のエリアセンサとを組み合わせ、エリアセンサから得られる被写体像すなわち映像信号から寸法測定等を行う画像処理装置において、凹凸があり、複雑な被写体部の対象被写体像に対して合焦点位置を検出する場合、対象被写体像と同焦点位置にある他の焦点検出用被写体像を焦点検出エリアとし、焦点検出用被写体像の位置を画像処理により自動認識し、その位置に対応した映像信号だけを抽出し、その範囲内の微分成分を検出し、合焦点位置を検出するようにしたので、寸法測定等画像処理を行う時、段差のある複雑な被写体像に対しても、常に最良の焦点位置に合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の全体構成を示すブロック図である。
【図２】  従来技術である微分方式の原理図である。
【図３】  本発明の実施例の段差のある被写体に対する説明図である。
【符号の説明】
１  被写体
２  対物レンズ
３  顕微鏡
４  テレビカメラ
５  画像処理装置
６  映像切換回路
７  微分回路
８  絶対値回路
９  積分回路
１０  Ａ／Ｄ変換回路
１１  ＣＰＵ
１２  モ−タ駆動回路
１３  焦点移動用機構部
１４  対象被写体像
１５  対象被写体像の段面ライン
１６  焦点検出用被写体像
１７  焦点検出用映像エリア
１８  焦点検出用段面ライン
１９  対象被写体像の段面
２０  実線波形
２１  破線波形
２２  点線波形
【図１】
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【図２】
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【図３】
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