JP2749401B2

JP2749401B2 - 測長方法およびこれに使用する測長装置

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Publication number: JP2749401B2
Application number: JP1304693A
Authority: JP
Inventors: 潔長澤; 吉弘星野; 耕三小野
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1989-11-27
Filing date: 1989-11-27
Publication date: 1998-05-13
Anticipated expiration: 2013-05-13
Also published as: JPH03167403A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、微小な長さを高精度で測定する測長方法お
よびこれに使用する測長装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、各種技術分野においては装置が微小化又は高精
度化され、これに伴い装置の製造時における各部の寸法
も厳格な管理が必要となり、このため、サブμｍオーダ
の精度で測定可能な測長装置が要望されるようになつ
た。ここで、上記のように高精度の測長が必要である対
象物として、テレビジヨン、コンピユータの表示等に使
用される液晶表示装置を例示して説明する。

第４図は液晶表示装置の電極の配置図である。図で、
１は基板、２は基板１上に縦横に多数配置された電極で
ある。例えば、図で横方向の長さが400mmの基板１上に
電極２が横方向１列に6700個配列されている。これら各
電極２は互いに正確な間隔で配置される必要がある。即
ち、第４図に示す隣接する電極２間の寸法x₁,y₁は正確
でなければならない。したがつて、このような電極パタ
ーンを製造するための原板（マスク）における上記寸法
x₁,y₁は厳格に管理されなければならない。そして、こ
のためには、高精度の測長装置が必要である。例えば、
上記の例では、寸法x₁は60μであるので、測長装置とし
てはサブμｍオーダの精度のものが要望される。このよ
うな装置の測定に使用される測長装置を第５図により説
明する。

第５図は従来の測長装置の系統図である。図で、５は
図示しない空気定盤上に支持されたステージ、６はステ
ージ５上を図で左右に移動可能な移動台、７は移動台６
を駆動するモータである。移動台６は、モータ７の回転
軸に連結され周面に螺旋状のねじが形成されている軸
（螺軸）に螺合する螺子を有し、モータ７の回転により
左右に移動する構成となつている。８は移動台６に固定
されたテーブル、９はテーブル８上に載置された被測長
対象物である原板を示す。9pは第４図に示す電極２を作
成するため原板９に構成された電極パターンである。電
極パターン9pは第４図に示す電極２の配置に等しく配置
されている。10はこれら電極パターン9pを観察する顕微
鏡、11は顕微鏡10を支持するスタンド、12は原板９を照
明する光源、13は光源12を支持すると共に光を顕微鏡10
に導く導光管である。14は顕微鏡10の視野内の像を撮影
するCCDカメラであり、像に応じた電気信号を出力す
る。

15はリニアエンコーダであり、スケール15aおよびセ
ンサ15bで構成される。スケール15aはテーブル８の側面
に配置された多数の反射膜で構成されている。この反射
膜は、例えば５μｍの巾を有し５μｍ間隔で配置されて
いる。センサ15bは発光素子スリツト板および受光素子
より成り、反射膜で反射された発光素子からの光を、ス
リツト板を介して受光素子で受光する構成となつてい
る。このリニアエンコーダ15によりテーブル８の移動距
離がサブμｍオーダの精度で測定できる。このようなリ
ニアエンコーダは周知である。

16は画像処理装置を示し、画像処理部16a、表示部16b
および記憶部16cで構成されている。画像処理部16aはカ
メラ14からの信号に基づき顕微鏡10の視野内の像を表示
部16bに表示する処理を行なうとともに、後述するよう
にその像についての種々の処理を実行する。表示部16b
は等間隔に縦横に配列された微粒子（画素）で構成され
ている。これらの画素は表示部16bにおける発光単位で
あり、各画素が選択的に発光することにより、映像が形
成表示される。各画素は、記憶部16cのアドレスに対応
せしめられている。どの画素を発光させるかの選択は、
カメラ14の信号に基づいて画像処理部16aで行なわれ
る。17は測長装置における所定の演算制御を行なう制御
装置である。

次に、上記測長装置の動作を第６図（ａ），（ｂ）に
示す画像処理装置の表示像を参照しながら説明する。ま
ず、原板９をテーブル８上にセツトし、顕微鏡10の倍率
を電極パターン9pの全体像やその周辺が把握可能な程度
（例えば５倍）に低くする。次いで、カメラ14に撮影さ
れ表示部16bに表示された顕微鏡10の視野を観察しなが
ら、制御装置17を介して（又は手動で）テーブル８を移
動させ、最端部の電極パターン9p（この電極パターンを
9p₁とする）を顕微鏡10の視野にとらえる。この状態で
顕微鏡10の倍率を高倍率（例えば200倍）とする。この
とき、表示部16bに表示された顕微鏡10の視野内の映像
が第６図（ａ）に示されている。第６図（ａ）で、Ａは
顕微鏡10の視野、Ｃは顕微鏡10の中心線に対応する中心
線、9p₁′は電極パターン9p₁の映像である。

電極パターン9p₁は顕微鏡10で拡大されているため、
その映像9p₁′は電極パターン9p₁の極く一部であり、か
つ、その縁部（エツジ）は図示のように凹凸となつて現
われる。ところで、原板９における測長は、各電極パタ
ーン9pのエツジ間を測定するのであるから、エツジに凹
凸が存在していては測定不可能となる。このため、何等
かの手段によりエツジを確定する必要がある。このエツ
ジの確定は、画像処理部16aにおいて、映像9p₁′の縁部
の発光画素の位置、即ち、記憶部16cにおける発光画素
に対応するアドレスを取出し、それらの位置の平均値を
演算することにより行なわれる。第６図（ａ）に、確定
したエツジが符号Ｅで示されている。画像処理部16aは
中心縁ＣとエツジＥとの間隔l₁を、その間の画素数をカ
ウントする（記憶部16cのアドレスの差を演算する）こ
とにより求め、その値l₁を制御装置17に出力する。

次に、制御装置17はモータ７に指令信号を出力し、テ
ーブル８を移動して次の電極パターン9p（この電極パタ
ーンを9p₂とする。）を顕微鏡10の視野に入れ、これを
表示部16bに表示する。このときのテーブル８の移動量
ｌはリニアエンコーダ15により検出され、制御装置17に
出力される。第６図（ｂ）に電極パターン9p₂が視野に
入つたときの状態が示されている。第６図（ｂ）で第６
図（ａ）と同一部分には同一符号が付してある。9p₂′
は電極パターン9p₂の映像を示す。電極パターン9p₂の映
像9p₂′に対しても、電極パターン9p₁の映像9p₁′と全
く同様にしてエツジＥが確定され、中心線Ｃとの間隔l₂
が求められ、この値l₂が制御装置17に出力される。ここ
で、リニアエンコーダ15で検出された移動量ｌは、最初
の視野において顕微鏡10の中心線に対向する原板９上の
位置と、次の視野において顕微鏡10の中心線に対向する
原板９上の位置との間の間隔に等しい。したがつて、第
６図（ａ），（ｂ）に示す視野の場合、制御装置17は入
力された値l₁,l₂,lを加算して測定値Ｌ（Ｌ＝l₁＋l₂＋
ｌ）を得る。各電極パターン9pの間隔は、第４図に示す
電極２の間隔x₁,x₂,x₃………と同じように、最端部の電
極パターン（9p₁）のエツジＥを基準とし、上述のよう
な方法で当該エツジＥからの間隔として測定される。

上記測長方向と直交する方向における各電極パターン
９の間隔の測定は、テーブル８から一旦原板９を外し、
載置方向を90゜変更して再度テーブル８に載置すること
により行なわれるが、このような手間を省くため、ステ
ージ５の下に移動方向が直交するステージを重ね、リニ
アエンコーダ15が配置されている側面と隣接する側面に
さらに他のリニアエンコーダを設けて２軸（Ｘ軸,Y軸）
の測長装置を構成してもよい。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記測長装置においては、その測定動作中のエツジの
確定の精度が測定精度を左右する大きな要因の１つとな
る。そして、このエツジの確定の精度は像の分解能によ
り定まる。これを第７図（ａ）〜（ｃ）および第８図に
より説明する。

第７図（ａ）はCCDカメラ14の撮像平面を示す図であ
る。符号Ｆでこの平面が示されている。平面Ｆの具体的
数値例として、縦6.6mm、横8.8mmが示されている。この
撮像平面Ｆは顕微鏡10で拡大される。第７図（ｂ）は撮
像平面Ｆを顕微鏡で拡大したときの顕微鏡像を示す図で
ある。符号F_sは第７図（ａ）に示す撮像平面Ｆの一部分
を示すものであり、顕微鏡10の倍率を例えば200倍とし
たとき、部分F_sは撮像平面Ｆの1/200の面積となる。第
７図（ｂ）に示される顕微鏡像F_sは、前記各具体的数値
例にしたがうと、縦33μｍ（6.6mm/200）、横44μｍ
（8.8mm/200）となる。

第７図（ｃ）は画像処理装置16の表示部16bにおける
発光面を示す図である。この発光面の具体的数値例とし
て、縦240画素、横320画素が図示されている。結局、CC
Dカメラ14で撮像され、顕微鏡10で拡大された像F_sが表
示部16bに表示された状態をみたとき、上記数値例では
（33μmm×44μｍ）の像が（240画素×320画素）の画面
に表示されることになる。そして、記憶部16cに記憶さ
れるデータは、画像処理部16aによつて、表示部16bの１
画素の発光レベルが、ある定められた値（例えば１画素
の最大発光量の1/2）以上のとき「１」、定められた値
未満のとき「０」とされる。このことから、像の分解能
は、0.14μｍ（33μm/240、44μm/320）となる。

第８図は表示部16bの一部の拡大平面図である。図
で、四角形で示される領域は１画素を示し、又、ハツチ
ング部分は像の表示部分（発光部分）を示す。上記数値
例では、１画素は0.14μｍに相当することとなる。ここ
で、図示の画素J₁についてみると、画素J₁の発光レベル
は前記所定レベル以上であるので、記憶部16cにはこの
画素J₁のデータとして「１」が記憶されている。又、図
示の画素J₂のデータは「０」である。今、線Ｋを基準と
して像のエツジをみると、画素J₁における実際のエツジ
は基準線Ｋから（0.14μｍ＋ａμｍ）の距離にあるにも
かかわらず、画像処理部16aでは（0.14μｍ＋0.14μ
ｍ）として処理され、又、画素J₂における実際のエツジ
は基準線から（0.14μｍ＋ｂμｍ）の距離にあるにもか
かわらず0.14μｍとして処理され、それらがエツジ確定
処理における各エツジの数値として採用されることにな
る。

このように、従来の測長装置にあっては、エツジ確定
の精度は像の分解能で限定され、それ以上の精度でエツ
ジ確定を行なうことはできず、これにより測長装置の測
定精度の向上にも限界があつた。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決
し、エツジ確定の精度を向上させることができ、ひいて
は測定精度を向上させることができる測長方法およびこ
れに使用する測長装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、被測長物の顕
微鏡像を撮像し、この撮像した像を、第１の状態からこ
れとは異なる第２の状態に変化する条件が定められてい
る多数の画素より成る表示部と当該各画素に対応させ、
これら各画素の状態に基づいて撮像した像の縁部を確定
し、この縁部を基準として所要の長さを測定する測長方
法において、所定の画素の状態を変化させるまで被測長
物を移動させ、その移動距離を測定し、前記所定の画素
の状態の変化が生じた位置から当該移動の方向と逆方向
の前記移動距離にある位置を前記撮像した像の縁部とす
ることを特徴とする。

又、本発明は、被測長物を載置する台と、この台に対
向し前記被測長物を視る顕微鏡と、この顕微鏡の視野の
像を撮像するカメラと、前記台を移動させる移動機構
と、前記台の移動量を測定する測定手段と、第１の状態
からこれとは異なる第２の状態に変化する条件が定めら
れている多数の画素より成り前記カメラの像を表示する
表示部と、この表示部の前記各画素の状態を記憶する記
憶部とを備えた測長装置において、前記移動機構に移動
指令を出力する移動指令手段と、前記記憶部において所
定の画素の状態が変化したとき前記移動機構を停止させ
る停止手段と、この停止手段により停止せしめられた前
記移動機構の停止位置から当該移動方向と逆方向におけ
る前記測定手段により測定された移動距離にある位置を
前記カメラの像の縁部として演算する演算手段とを設け
たことを特徴とする。

〔作用〕

縁部の確定は、所定の画素の状態が現在の状態から変
化するまで被測長物を移動させ、この変化した位置か
ら、当該移動の方向とは逆方向に当該移動距離だけ離れ
た位置を縁部とすることにより行う。この処理を、第１
の状態にある画素と第２の状態にある画素とが隣接する
部分の全て又はこれら部分のうちの選択された部分につ
いて行い、全体の縁部を確定する。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係る測長方法に使用する測
長装置の系統図である。図で、第５図に示す部分と同一
部分には同一符号を付して説明を省略する。Ｘは座標軸
を示す。18は移動台６とテーブル８との間に設けられた
微動機構である。この微動機構18の構成は第２図により
詳細に説明する。19は微動機構18の駆動を制御する微動
コントローラである。なお、本実施例における画像処理
部16aは、後述するように従来の画像処理部とは異なる
処理手段を有する。

ここで、第１図に示す微動機構18の構成を説明する。
第２図は微動機構の斜視図である。図で、25は剛性の高
い部材より成る中心剛体部、26aは中心剛体部25からＹ
軸方向に張出した張出し部、26bは中心剛体部25から張
出し部26aと反対向きに張出した張出し部、27aは中心剛
体部25からＸ軸方向に張出した張出し部、27bは中心剛
体部25から張出し部27aと反対向きに張出した張出し部
である。28a,28bはそれぞれ張出し部26a,26bの端部下端
に設けられ移動台６に固定される固定部、29a,29bはそ
れぞれ張出し部27a,27bの端部上端に設けられテーブル
８を連結するテーブル連結部である。

張出し部26a,26b,27a,27b、固定部28a,28b、およびテ
ーブル連結部29a,29bはそれぞれ中心剛体部25と同じ部
材で構成され、中心剛体部25とともに１つのブロツクか
ら加工成形される。

26F_xa,26F_xbはそれぞれ張出し部26a,26bに構成された
平行たわみ梁変位機構（平行たわみ梁変位機構について
は後述する。）であり、互いに中心剛体部25に対して対
称的に構成されている。平行たわみ梁変位機構26F_xa,26
F_xbは共働してＸ軸方向の並進変位（中心剛体部25のＸ
軸方向の変位）を発生する。27F_ya,27F_ybはそれぞれ張
出し部27a,27bに構成された平行たわみ梁変位機構であ
り、互いに中心剛体部25に対して対称的に構成されてい
る。平行たわみ梁変位機構27F_ya,27F_ybは共働してＹ軸
方向の並進変位（中心剛体部25のＹ軸方向の変位）を発
生する。上記平行たわみ梁変位機構26F_xa,26F_xb,27F_ya,
27F_ybは各張出し部26a,26b,27a,27bの所定個所に所定の
貫通孔を形成することにより構成される。

平行たわみ梁変位機構26F_xaは、貫通孔30を形成する
ことにより構成される２つの互いに平行な平板状のたわ
み梁31、および貫通孔30内に中心剛体部25と張出部26a
から突出した突起間に装架された圧電アクチユエータ3
2、ならびにたわみ梁31の所定個所に貼着されたひずみ
ゲージＧで構成される。他の平行たわみ梁変位機構26F
_xb,27F_ya,27F_ybも同様な構成を有する。なお、平行たわ
み梁変位機構の構成および動作については、例えば特開
昭61−209846号公報に提示されている。

次に、この微動機構の動作を説明する。今、平行たわ
み梁変位機構26F_xa,26F_xbの各圧電アクチユエータ32に
等しい電圧を印加すると、その平行たわみ梁31が印加電
圧に応じて変形し、微動機構はＸ軸方向に並進変化す
る。この変位は中心剛体部25、平行たわみ梁変位機構27
F_ya,27F_yb、および固定部29a,29bを介してテーブル８に
伝達され、テーブル８は同量だけＸ軸方向に並進変位す
る。同様に、平行たわみ梁変位機構27F_ya,27F_ybの圧電
アクチユエータに同一電圧を印加した場合、テーブル８
はＹ軸方向に並進変位する。これら並進変位の変位量の
最小変位量は、例えば0.01μｍという微小量である。な
お、本実施例では用いないが、これら各平行たわみ梁変
位機構を同時に駆動すると、合成された並進変位を得る
ことができる。上記の変位作動中、各ひずみゲージＧは
たわみ梁31のたわみを検出することにより微動機構の実
際の変位量を検出する。したがつて、この検出された変
位量に基づいてフイードバツク制御を行なえば、微動機
構の正確な変位を実施することができる。

以上、微動機構18の構成および動作について説明し
た。次に、第１図に示す本実施例の測長装置を用いたエ
ツジ確定方法について、第３図を参照しながら説明す
る。第３図は表示部16bの発光面の一部を示す図であ
る。図で、J₁₁,J₁₂,J₂₁,J₂₂はそれぞれ画素を示し、か
つ、斜線の部分は像を示す。記憶部16cには、前述のよ
うに各画素に対応するアドレスに像のデータが格納され
ている。第３図に示す状態において、画素J₁₁では像の
パターンが画素の半分以上を占めるので、これに対応す
るアドレスA₁₁にはデータ「１」が格納され、又、画素J
₂₂では像のパターンが画素の半分未満であるので、これ
に対応するアドレスA₂₂にはデータ「０」が格納されて
いる。画素J₁₂に対応するアドレスA₁₂にはデータ「０」
が、又、画素J₂₁に対応するアドレスA₂₁にはデータ
「１」が格納されているのは明らかである。

ここで、データ「１」である画素に隣接するデータ
「０」の画素、即ち、第３図に湿す例の場合は画素J₁₂,
J₂₂において、その中心線分をK₀とし、中心線分K₀から
画素の境界線までの距離をk₀とする。又、画素J₁₁の境
界線と像のエツジとの間の距離をｂ、画素J₂₁の境界線
と像のエツジとの間の距離をａとする。

今、像の全データが格納された状態において、画素J
₁₁の像に着目する。画像処理部16aが微動コントローラ1
9に指令信号を出力し、微動機構18をその最小変位量ず
つ変位させてゆくと、これに従つて第３図に斜線で示さ
れる像も図の方向に変位してゆき、当然エツジもこれと
同時に右方向に変位してゆく。この動作が継続され、エ
ツジが画素J₁₂内に入り、その線分K₀に達すると（実際
にはエツジの平均値が線分K₀に一致すると）画素J₁₂が
発光し、記憶部16cのアドレスA₁₂のデータが「０」から
「１」に変化する。画像処理部16aは、微動コントロー
ラに最小変位量の指令信号を出力する毎にその出力回路
をカウントするとともに、アドレスA₁₂のデータを監視
しており、これが「０」から「１」に変化したとき微動
コントローラ19への指令信号出力を停止する。

次いで、画像処理部16aは指令信号の出力回数のカウ
ント値に基づいて微動機構の変位量、即ちエツジの変位
量を演算する。図示の例の場合、その変位量は（ｂ＋
k₀）となる。次いで、この変位量から値k₀（この値は既
知である）を減算すると、値ｂが得られる。したがつ
て、画像処理部16aは、アドレスA₁₁のデータ「１」によ
り示されているエツジが、実際には画素J₁₁上において
画素J₁₂との境界線から距離ｂの位置にあると判断し、
このデータを所定の記憶部（画像処理部16a自身が有す
る記憶部又は記憶部16cにおける不使用領域）に記憶さ
せる。

画素J₂₁の像についても同様の処理がなされ、画像処
理部でその変位量（k₁−ａ）が演算される。さらに、こ
の変位量から値k₀が減算され、値（−ａ）が得られる。
この場合、得られた値の負号は、エツジが画素J₂₁でな
く画素J₂₂に存在することを示す。したがつて、画像処
理部16aは、アドレスA₂₁のデータ「１」により示されて
いるエツジが、実際にはデータ「０」のアドレスA₂₂に
対応する画素J₂₂上において、画素J₂₁との境界線から距
離ａの位置にあると判断し、このデータを記憶させる。

以上の処理を行なうことにより、従来、記憶部16cに
おいてデータ「０」と隣接するデータ「１」のアドレス
に相当する位置をエツジ位置と判断する手段に比べて、
遥かに正確なエツジ位置を得ることができ、各画素のす
べてのエツジについて同様の処理を行ない、得られた値
を平均することにより、極めて正確なエツジＥを得るこ
とができる。

なお、上記実施例の説明では、記憶部にデータ「１」
として格納されるのは１画素の最大発光量の1/2以上の
場合として説明したが、これに限ることはなく、他の値
を選択することもできる。この場合、その選択された値
に応じて線分K₀が変化するのは明らかである。又、微動
機構による１回の指令信号の変位量は、必ずしも最小変
位量でなくてもよい。さらに、エツジ確定の処理は全エ
ツジ画素について行なうことなく、所定数のエツジ画素
について行なつてもよい。又、リニアエンコーダに代え
てレーザ測長器を用いることもできる。又、前述のよう
に、モータの駆動によるテーブルの移動量はサブμｍオ
ーダの精度で測定できるので、精度の低下を許容すれば
微動機構を使用せず上記モータを用いることもできる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、被測長物を移動させ
て、所定の画素の状態が変化したとき、当該被測長物の
移動量と既知の寸法とに基づいてエツジを確定するよう
にしたので、エツジ確定の精度を従来装置に比べて大幅
に向上せしめることができ、ひいては、測定精度を向上
せしめることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る測長装置の系統図、第２図は第１
図に示す微動機構の斜視図、第３図は第１図に示す表示
部の一部の拡大平面図、第４図は液晶表示装置の電極の
配置図、第５図は従来の測長装置の系統図、第６図
（ａ），（ｂ）は画像処理装置の表示部の表示を示す
図、第７図（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれCCDカメ
ラ撮像面、顕微鏡像面および表示部表示面を示す図、第
８図は表示部表示面の一部の拡大平面図である。６……台、８……テーブル、９……原板、10……顕微
鏡、14……CCDカメラ、15……リニアエンコーダ、16…
…画像処理装置、16a……画像処理部、16b……表示部、
16c……記憶部、18……微動機構。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−214702（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−52113（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−45908（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01B 9/00 - 9/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被測長物の顕微鏡像を撮像し、この撮像し
た像を、第１の状態からこれとは異なる第２の状態に変
化する条件が定められている多数の画素より成る表示部
の当該各画素に対応させ、これら各画素の状態に基づい
て撮像した像の縁部を確定し、この縁部を基準として所
要の長さを測定する測長方法において、所定の画素の状
態を変化させるまで被測長物を移動させ、その移動距離
を測定し、前記所定の画素の状態の変化が生じた位置か
ら当該移動の方向と逆方向の前記移動距離にある位置を
前記撮像した像の縁部とすることを特徴とする測長方
法。
【請求項２】被測長物を載置する台と、この台に対向し
前記被測長物を視る顕微鏡と、この顕微鏡の視野の像を
撮像するカメラと、前記台を移動させる移動機構と、前
記台の移動量を測定する測定手段と、第１の状態からこ
れとは異なる第２の状態に変化する条件が定められてい
る多数の画素より成り前記カメラの像を表示する表示部
と、この表示部の前記各画素の状態を記憶する記憶部と
を備えた測長装置において、前記移動機構に移動指令を
出力する移動指令手段と、前記記憶部において所定の画
素の状態が変化したとき前記移動機構を停止させる停止
手段と、この停止手段により停止せしめられた前記移動
機構の停止位置から当該移動方向と逆方向における前記
測定手段により測定された移動距離にある位置を前記カ
メラの像の縁部として演算する演算手段とを設けたこと
を特徴とする測長装置。