JP2009008468A - 画像取得方法、撮像装置および検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像取得のタクト時間を増やすことなく分解能を向上させて高精細な画像を取得する撮像方法及び撮像装置、ひいては検査装置を提供することを課題とした。
【解決手段】被写体の光学像を二つに分割する光分割手段と、画素がライン状に配列した二つの撮像素子を有する撮像手段と、被写体を撮像手段に対して相対的に移動させる被写体移動手段と、撮像手段から転送される取得画像を合成及び結合し、統合画像を生成する画像処理手段とを有し、撮像手段は、二つの撮像素子が受光する光学像が画素の配列方向に対して画素の半ピッチ分だけ相互にずれる構成となっていることを特徴とする撮像装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、カラーフィルタ、表示装置パネル、配線基板、各種マスク等の高精細パターンの検査観察において、容易に高精細な対象画像を取得し、検査時間の短縮を実現するための撮像方法、撮像装置および検査装置に係る。

カラーフィルタ産業をはじめとするディスプレイ産業分野においては、表示装置のパネルサイズの大型化、需要の増大に伴うプロセス時間の短縮が課題となっている。

現在の検査装置の構成は、検査対象（被写体）の上部にライン状に画素を配置したカメラを複数配置し、カメラ群と被写体の相対位置を変えて連続的に撮像することにより被写体検査領域の画像を取得し、取得画像を解析する手法が一般的である。上記のようにパネルが大型化している中でこれに対応する方法としては以下の３つの手法が考えられる。
ａ）カメラ台数を増やす
ｂ）被写体、もしくはカメラ群を往復運動させて撮像する
ｃ）１カメラあたりの撮像視野を広げる
ａの方法は容易に想到できる手法であるが、カメラ台数を増やすためにカメラの配置を千鳥型、つまりジグザグに配置するような場合、台数分のコストが掛かるだけでなく、装置の複雑化、検査時間が掛かる等の種々の問題がある。
ｂの方法では往復により単純計算でも２倍以上の検査時間が掛かることから検査時間の増大が問題となり、また往復運動のための機構が必要となるために装置構成が複雑となってしまう。
ｃの方法では１カメラあたりの撮像視野を広げることで、同じ台数のカメラでも検査領域を広げることができるため、好ましい手法であると言える。しかしながら、撮像視野を広げるためには、有効画素数を増やすことが必要となってくる。撮像領域が広がる分、検査パターンを捉えるためには撮像素子においてより高い解像度が要求されるためである。一方撮像装置としては、画素数が大きくなるほどコストが高くなり、また通常レンズとカメラのマウントは規格化されており、このため撮像素子のセンサー長には装置的に制限があるため、一画素当たりの大きさを小さくせざるを得ない。しかしながら、画素の有効受光面積が小さくなれば、それだけ画素の受光感度は低下してしまう。このため、ノイズ等の影響を受けやすく、検査装置に用いたときの検出精度の低下につながる。

以下に関連する先行文献を掲げる。
特開２００５−１５６３９６ 特開平９−１０１２３６

以上のような従来技術の問題を鑑みて、本発明では分解能を低下させることなく撮像視野を広げることで検査時間を短縮し、被写体の大型化に対応することが可能な撮像方法及び撮像装置、ひいては検査装置の提供を課題とする。

上記課題を解決するために為された第一の発明は、被写体の光学像を二つに分割する光分割手段と、二つの撮像素子を有する撮像手段と、前記撮像手段から転送される取得画像を合成し、統合画像を生成する画像処理手段とを有し、前記撮像手段は、前記二つの撮像素子が受光する光学像が撮像素子を構成する画素の半ピッチ分だけ相互にずれる構成となっていることを特徴とする撮像装置とすることができる。
撮像素子を構成する画素の画素幅の半分だけずらして撮像することにより、単位検査領域あたりの画素数を２倍に増加させ、分解能を向上させた撮像装置とすることができる。つまり、撮像視野を拡げた場合であっても、従来の撮像装置と同等の分解能を保てることから、感度を低下させることなく撮像することが可能となる。また一度で撮像できる検査領域が広がることから、高速な撮像が可能となる。

第二の発明は、被写体の光学像を二つに分割する光分割手段と、画素がライン状に配列した二つの撮像素子を有する撮像手段と、前記被写体を撮像手段に対して相対的に移動させる被写体移動手段と、前記撮像手段から転送される取得画像を合成及び結合し、統合画像を生成する画像処理手段とを有し、前記撮像手段は、前記二つの撮像素子が受光する光学像が前記画素の配列方向に対して前記画素の半画素幅分だけ相互にずれる構成となっていることを特徴とする撮像装置である。
撮像素子としてラインカメラを用いることで、被写体の撮像領域幅を拡げることができ、被写体の大型化に対応することができる。画素の配列方向に対しては複数の画素を用いることで、また配列の直交方向に対しては搬送速度又は取り込みレートの制御により取得画像の分解能を向上させることが可能となる。

また、第三の発明は、上記撮像装置を有することを特徴とする検査装置である。このような検査装置により、従来よりも高精細な検査対象の画像を得ることが可能であるために検査精度が向上し、かつ検査タクトを短縮することが可能となる。

さらに撮像方法に係る発明として第四の発明は、被写体の光学像を、光分割手段により二つに分割する工程と、画素の配列からなる二つの撮像素子において、相互に前記画素の半画素幅分だけずれた光学像を撮像する撮像工程と、撮像された画像を合成し、統合画像を生成する画像処理工程とを有する撮像方法である。対となる２つの撮像素子を用いることによって、分解能を向上させることができた。従って、同一の撮像素子を用いた従来の撮像装置と比較すると、同様な分解能であればより広い撮像視野を得ることが可能であり、あるいは画素幅の大きな撮像素子を用いて同程度の分解能を実現できるため、一画素での有効受光面積を増やすことができるため、感度の良い撮像装置が実現可能となった。

第五の発明は、被写体の光学像を、光分割手段により二つに分割する工程と、画素がライン状に配列した二つの撮像素子において、相互に前記画素の半ピッチ分だけ画素の配列方向にずれた光学像を撮像する撮像工程と、前記画素の配列方向に直交する方向に相対的に被写体を移動させて、前記撮像工程を繰り返す連続撮像工程と、撮像された画像を合成及び結合し、統合画像を生成する画像処理工程とを有する撮像方法である。画素としてラインカメラを用いることで、画素の配列方向に対しては複数の画素を用いることで、また配列の直交方向に対しては搬送速度の制御により取得画像の分解能を向上させることが可能となる。

さらに第六の発明は、第五の発明において、画素の撮像領域幅をｒとしたとき、連続する二つの前記撮像工程において、被写体の相対的な撮像位置がｒ／２だけ被写体の移動方向にずれていることを特徴とする請求項５に記載の画像取得方法である。第六の発明によれば、画素の配列方向と、直交方向の単位あたりの画素数が一致することにより、結果的に生成される統合画像の縦横比が被写体の実際の比率に一致するため、歪みのない撮像画像を得ることができる。

第七の発明は、上記高精細画像取得方法の発明において、一の撮像素子によって撮像された画像のデータと、他方の撮像素子によって撮像された画像のデータとを交互に格納することにより、画像を合成することを特徴とする画像取得方法である。格納される配列は、検査領域の位置関係に対応するため、２つの取得画像を容易に合成することができる。

本発明の撮像素子及び撮像方法を用いて検査等行うことにより、感度及び分解能を維持しつつ撮像領域を広げることができるため、撮像時間を短縮することが可能となった。さらには、本発明の検査装置を用いることにより、製品検査において検査精度を向上させ、なおかつ検査時間を短縮することが可能となった。

＜撮像装置＞
図１は本発明撮像装置の具体的な構成例である。本発明の撮像装置は、少なくとも二つの撮像素子１及び３を含む撮像手段と、被写体４０からの光学像を二つに分割する光分割手段１１と、図１では図示していないが撮像手段に接続された画像処理手段を有する。また、被写体を走査撮像するために、撮像手段に対して相対的に移動させる被写体移動手段を備えるものである。以下、各要素について詳細に説明する。

本発明の光分離手段１１は、被写体からの光学像を二つの光路に分離するためのものである。光分離手段としては、通常の光学装置に用いられるハーフミラーを使用することができる。

光分離手段１０により分割された光学像は、それぞれ撮像手段を構成する撮像素子１及び２に入射する。ここで図２は撮像素子１及び３を含む撮像手段の構成及び光学像の光路を示した模式図である。二つの撮像素子１及び３は、それぞれ光分離手段１０により分割された被写体の光学像を受光する位置に配置されている。現在用いられている撮像素子では、ライン状に画素が配列した構成のラインカメラと、二次元的に画素が配列したエリアカメラが存在するが、いずれの種類の撮像素子も公知のものを本発明の撮像素子として用いることが可能である。なお画素を構成するイメージセンサとしては、通常の光学装置・検査装置で用いられるＣＣＤ受光素子等を使用することができる。しかしエリアカメラを用いた場合には被写体の撮像視野が面状であるのにたいしてラインカメラの場合には撮像視野がライン状のため、被写体を走査して撮像することが必要である。

まずエリアカメラ及びラインカメラで共通する部分について説明する。上述のように、光分離手段１０により分割された光学像は、それぞれ撮像手段を構成する撮像素子１及び２に入射し、各画素が受光することにより、輝度値の画像データとして画像処理手段に送られる。ここで本発明では、受光した光学像は、撮像素子１及び２において、配列した画素の半画素幅分だけシフトしている。つまり、画素のピッチサイズ（素子幅）がｐの場合、ｐ／２だけずれた構成となっている。具体的には、光学像シフト手段として、一の撮像素子を他の撮像素子に対して半画素幅だけずらすか、あるいは半画素幅だけずらずための導光路を光路上に設置することによっても実現することができる。

半画素幅分だけずらして撮像することにより、単位検査領域あたりの画素数を２倍に増加させ、また一つの撮像素子により撮像した場合の画素間の領域を補償することとなるので、分解能を向上させた撮像素子とすることができる。つまり、撮像視野を拡げた場合であっても、従来の撮像装置と同等の分解能を保てることから、感度を低下させることなく撮像することが可能となる。また複数の撮像素子を用いることで、画素数を増大にも関わらず撮像に掛かる時間を低下させることがなく、また一度で撮像できる検査領域が広がることから、高速かつ高分解能な撮像が可能となる。

２つの撮像素子がラインカメラである場合、各撮像素子の画素はそれぞれライン状に配列することにより構成されている。ラインカメラでは、エリアカメラと比較して一方向（配列方向）での画素数を大きくすることができ、大面積での高精細画像の取得に適している。また、走査方向に対して照明ムラが発生しないという利点がある。

２つの撮像素子を構成する画素群２及び４の配列方向は、互いに平行となるように配置され、撮像素子１及び３は対となっている。そして、上述のように光分離手段１１から導かれた被写体の光学像を受光する。受光した光学像は、撮像素子１及び２では、画素の配列方向に対して前記画素の半画素幅分だけシフトしている。つまり、図２において、ライン状に配列した画素のライン方向での画素幅のピッチがｐの場合、ｐ／２だけずれた構成となっている。

ラインカメラでは、その配列方向に対して直交する方向に走査することにより、被写体を撮像する。従って、画素に対して相対的に移動させる被写体移動手段が必要となる。被写体を搬送する公知の搬送機構、あるいは撮像素子の移動機構である。本発明装置では、対となる撮像素子に対してそれぞれ直交するように、被写体移動手段が設けられる。また、後述するように被写体の搬送スピードと、光学像の撮り込みレートの関係により移動方向における被写体の単位長さあたりの撮像画素数が決定されるため、搬送スピードの制御手段を有することが好ましい。

撮像手段によって得られた取得画像は、画像処理手段を有する画像処理部へと送られる。本発明の撮像素子においては２つの装置を有するため、一時に半ピッチだけずれた２つの画像データが転送される。また、撮り込みレートに従って経時的に画像データが転送される。従って、上記画像処理手段は、２つの画像データを合成する画像合成手段と、レート毎に転送される画像データを結合する画像結合手段を有する。また、各画素間の値を補完する画像補間手段を備えていてもよい。これらの画像処理手段の具体例については撮像方法と共に説明する。

また、被写体４０と光分離手段１１との間に光学像拡大のためのレンズ３０を設置することができる。さらには取得画像から被写体検査のための画像処理手段、また欠陥判定手段等と組み合わせて、本発明の撮像装置を有する検査装置とすることができる。この検査装置は、膜厚測定、分光装置等を用いて異物や中抜けなどを検出する外観検査装置と組み合わせて用いることが可能である。複数の手法により検査測定を行うことにより、精度の高い品質制御が可能となる。

＜撮像方法＞
次に撮像方法について説明する。本発明の撮像方法は、一対の撮像素子からなる撮像手段による撮像工程と、被写体を走査し、経時的に撮像工程を繰り返す連続撮像工程と、撮像工程により取得した画像を合成及び結合し、統合画像を生成する画像処理工程とからなる。以下に各工程について詳細に説明する。

図２では、被写体４０の撮像視野領域から光学像が光分離手段１１を介し、撮像素子１及び３に入射する様子を示している。被写体の実線及び破線の枠は、一つの画素により受光される被写体の領域を示している。ｒは画素の配列方向における撮像領域幅となる。撮像領域幅ｒは、画素幅ｐに対してレンズ等による拡大率によって変化するが、撮像素子１の画素群２の各撮像領域（実線枠）に対して、撮像素子３の画素群４の各撮像領域（破線枠）は半ピッチ分だけずれている。従来の撮像素子では、各画素では受光した各撮像領域内の総光エネルギーが撮像領域での平均の輝度値に変換されるため、撮像領域の大きさ以下の分解能を得ることは物理的に不可能であった。そこで本発明では対となる２つの撮像素子を用いることによって、画素領域内での輝度変化を相互に補償し、分解能を向上させることが可能となった。このとき撮像領域を違えて撮像することが重要であるが、画素を半ピッチ分ずらしたときに最も補償効果が大きくなる。

各撮像素子で撮像された取得画像は、画像処理手段を有する画像処理部へと送られ、画像データとしてデータメモリに格納される。この工程において（或いは別工程としてもよい）、画像処理手段により、撮像素子１及び３から送られる取得画像データを合成する。当該画像合成工程における具体的な画像合成方法の一例としては、例えば図３に示したように、撮像素子１の画素から送られる画像データと、撮像素子２の画素から送られる画像データを、各画素の配列順に、画素ごとに交互に格納することにより合成画像を得ることができる。格納される配列は、検査領域の位置関係に対応するため、２つの取得画像を容易に合成することができる。また結果として、画素の配列方向に関して、一つの画素で撮像した場合と比較すると同じ撮像領域で２倍の画素数を得ることとなる。このため上述したように、実際上の分解能を向上させることができる。従って、同一の撮像素子を用いた従来の撮像装置と比較すると、同様な分解能であればより広い撮像視野を得ることが可能であり、あるいは画素幅の大きな撮像素子を用いて同程度の分解能を実現できるため、一画素での有効受光面積を増やすことができるため、感度の良い撮像装置が実現できる。

次にラインカメラを撮像素子として用いた場合には、対となる画素の配列に直交する方向（以下単に直交方向）に走査し、連続的に被写体の撮像工程を繰り返す。図４は連続撮像工程の説明図である。直交方向での各画素の撮像領域幅がｒ、画素の取り込み周波数がｆとすると、単位長さあたりの直交方向での画素数は、ｆとｒ、及び被写体の撮像位置との関係で決定される。本発明の撮像方法においては、画素の配列に直交している搬送方向において、ｎ回目の撮像工程における被写体の撮像位置と、ｎ＋１回目の撮像工程における被写体の撮像位置がｒ／２だけずれていることが好ましい。これは、配列方向と、直交方向の単位長さあたりの画素数が一致することにより、結果的に生成される統合画像の縦横比が被写体の実際の比率に一致するためである。従って、搬送速度がＶで連続的に移動するとすればＶ＝ｒ×ｆ／２となる。また、撮像時には、取り込み周波数に同期させて、移動を停止させても良い。移動によるブレがなくなるため、より高精細な画像を得られるためである。

最終的に、図３に示すように矢印ｓ方向に経時的に画像データが格納されることにより撮像工程の取得画像は結合され、統合画像が生成される。

本発明によれば、分解能の低い画素を組み合わせて用いることにより、より高分解能な撮像が可能となった。結果として、低コストでかつ小型化された撮像素子を実現できた。さらに、検査装置として用いることにより検査精度の向上、検査タクトの短縮を図ることが可能となった。

本発明撮像素子の外観概略図 撮像手段の構成を示した模式図 取得画像の合成工程の説明図 連続撮像工程の説明図

符号の説明

１…撮像素子１
２…撮像素子１の画素
３…撮像素子２
４…撮像素子２の画素
１０…ハーフミラー付きブロックユニット
１１…ハーフミラー（光分離手段）
２０…画素１−ハーフミラー付きブロックユニット接続用鏡筒
２１…画素２−ハーフミラー付きブロックユニット接続用鏡筒
２２…レンズ−ハーフミラー付きブロックユニット接続用鏡筒
３０…レンズ
４０…被写体
５０…撮像視野
６０…撮像手段

Claims (7)

1. 被写体の光学像を二つに分割する光分割手段と、
   二つの撮像素子を有する撮像手段と、
   前記撮像手段から転送される取得画像を合成し、統合画像を生成する画像処理手段とを有し、
   前記撮像手段は、前記二つの撮像素子が受光する光学像が、撮像素子を構成する画素の半画素幅分だけ相互にずれる構成となっていることを特徴とする撮像装置。
2. 被写体の光学像を二つに分割する光分割手段と、
   画素がライン状に配列した二つの撮像素子を有する撮像手段と、
   前記被写体を撮像手段に対して相対的に移動させる被写体移動手段と、
   前記撮像手段から転送される取得画像を合成及び結合し、統合画像を生成する画像処理手段とを有し、
   前記撮像手段は、前記二つの撮像素子が受光する光学像が前記画素の配列方向に対して半画素幅分だけ相互にずれる構成となっていることを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１又は２に記載の撮像装置を有することを特徴とする検査装置。
4. 被写体の光学像を、光分割手段により二つに分割する工程と、
   画素の配列からなる二つの撮像素子において、相互に前記画素の半画素幅分だけずれた光学像を撮像する撮像工程と、
   撮像された画像を合成し、統合画像を生成する画像処理工程と、
   を有する撮像方法。
5. 被写体の光学像を、光分割手段により二つに分割する工程と、
   画素がライン状に配列した二つの撮像素子において、相互に前記画素の半画素幅分だけ画素の配列方向にずれた光学像を撮像する撮像工程と、
   前記画素の配列方向に直交する方向に相対的に被写体を移動させて、前記撮像工程を繰り返す連続撮像工程と、
   撮像された画像を合成及び結合し、統合画像を生成する画像処理工程と、
   を有する撮像方法。
6. 画素の撮像領域幅をｒとしたとき、連続する二つの前記撮像工程において、被写体の相対的な撮像位置がｒ／２だけ被写体の移動方向にずれていることを特徴とする請求項５に記載の高精細画像取得方法。
7. 一の撮像素子によって撮像された画像のデータと、他方の撮像素子によって撮像された画像のデータとを画素ごとに交互に格納することにより、画像を合成することを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の高精細画像取得方法。