JP3439529B2

JP3439529B2 - 線幅測定方法

Info

Publication number: JP3439529B2
Application number: JP12560794A
Authority: JP
Inventors: 和久河野; 猪春岡田; 幸三高橋
Original assignee: Nikon Corp; East Japan Railway Co
Current assignee: Nikon Corp; East Japan Railway Co
Priority date: 1994-06-08
Filing date: 1994-06-08
Publication date: 2003-08-25
Anticipated expiration: 2018-08-25
Also published as: JPH07332932A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気信号による線幅の
測定、例えばテレビ画面上の細線の幅をコンピュータを
用いて測定する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】今日、プリント基板に形成する線幅の測
定及び検査や、鋼材などの生産ラインにおける鋼材の幅
や厚みの自動検査、さらには鉄道におけるレールの継ぎ
目幅や架線の幅の測定など、種々の分野で画像処理によ
り線幅を測定することが行われるようになってきた。

【０００３】そして、例えばレールの遊間を測定する場
合、車輌の下部または側面にレーザ光などの発光手段
と、レールからのレーザ光の反射を受光して遊間を検知
する検知手段と、検知手段が遊間を検知したときにレー
ルを撮像するＣＣＤカメラなどの撮像手段とを設けた検
査装置が用いられるようになってきた（例えば特開平４
−３４６０１０号）。

【０００４】この検査装置では、検知手段が遊間を検出
したとき、この遊間の影像を撮像手段で１コマ録画し、
この録画された画像データを処理するに際しては、５図
に示すように、パーソナルコンピュータ15により１コマ
録画及び再生可能なビデオ再生装置11を制御し、遊間の
影像を録画したビデオテープを再生することにより画像
処理装置13に１フレーム分または１フィールド分を画像
データをデジタル画像データとして取り込み、この画像
データによる影像をモニタテレビ17に写し出すととも
に、図６のフローチャートに示すように、画像処理装置
13において正規化相関などの画像処理を行って特定の画
像における遊間の位置を検索し、且つ、この画像におけ
る遊間の幅を測定し、この画像における遊間の幅の測定
が終わるとパーソナルコンピュータ15からビデオ再生装
置11及び画像処理装置13にコマ送りの指示がなされるこ
とにより、次の画像データを画像処理装置13に取り込
み、同様の処理を繰り返して各画像における遊間の検索
及び幅の測定を行い、遊間が見つからない画面が数コマ
続いたときは最終画像の処理が終了したとものとしてデ
ータをセーブするものである。

【０００５】そして、この画像処理に際しては、図７の
Ａに示すように、レール21とレール21との間に形成され
る遊間の幅が標準となる画像データや、図７Ｂに示すよ
うに、遊間の幅が狭いもの、又、図７のＣに示すように
遊間の幅が広いものなど、遊間の幅に変化をもたせた複
数の遊間像23を表す画像データを予め参照画像として画
像処理装置に記憶させておき、正規化相関処理により取
り込んだ画像データと参照画像データとを比較して遊間
の有無を検索する。

【０００６】そして相関値の最も高い位置を遊間中心25
とし、図８に示すように、遊間中心25を基準としてレー
ル21における長手方向についての複数ライン位置の画像
データに基づいて線幅の測定を行うものである。この線
幅の測定は、図９のＡに示すように、デジタル画像デー
タから測定対象である細線に直交する所定領域の強度信
号を一次微分し、図９のＢに示すように電気信号の変化
点を明確とする微分信号を形成し、さらに二次微分を行
って図９のＣに示すような二次微分信号を形成し、この
二次微分信号の例えば最小値の位置をエッジ位置Ｌ0，
Ｌ1とし、遊間中心25の左右に位置する両エッジの位置
Ｌ0，Ｌ1の座標からエッジ幅Ｗを算出している。

【０００７】なお、一次微分の極大値及び極小値からエ
ッジ位置の座標を求めてエッジ幅Ｗを算出することもあ
る。このようにして画像上の線幅Ｗを求めた後、更に画
像上の座標と実物の大きさとの比に基づく換算を行って
遊間幅Ｌのデータを記録している。また、プリント基板
の検査ではＣＣＤラインセンサを用い、レーザ干渉計に
よりプリント基板を載置した可動ステージの移動量を測
定制御しつつ可動ステージをＣＣＤラインセンサの長手
方向と直交する方向に微小距離だけ移動させることを繰
り返してプリント基板の画像を形成し、この画像データ
に基づいて配線などの線幅を同様に一次微分や二次微分
を用いて測定することがあり、さらに、プリント基板上
の特定の線の線幅を測定する場合には、図１０に示すよ
うに、レーザ発振装置を含む発振光学系35からのレーザ
光37をハーフミラー41や対物レンズ43により試料33とし
たプリント基板などの上面に集光して微小スポット39を
形成し、試料33であるプリント基板を固定した可動ステ
ージ31を微小移動させ、この可動ステージ31の移動量を
レーザ干渉計などにより測定しつつ受光系45により反射
光の強度を読み取り、図１１に示すように微小スポット
39がラインパターン49と直交する方向に移動するときの
反射光強度と試料33の移動量とを記録して図１２に示す
ような電気信号を形成し、この信号を波形信号処理装置
47で前記と同様に一次微分や二次微分を施して線幅を測
定する場合や、図１２に示したように境界値ＨMを定
め、この境界値ＨMと電気信号のレベルとを比較してエ
ッジ位置Ｌ0，Ｌ1を求めることにより線幅Ｗを測定する
ことが行なわれている。

【０００８】尚、図１２のＢに示すように、電気信号の
レベルが境界値ＨMに達しないときは線幅の測定を不能
または０としていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前記レールの遊間検査
は、撮像手段を固定している車輌の車体が揺れるため、
撮像手段の視野を広く設定して常にレールの影像を撮像
できるようにしなければならず、遊間が画像上極めて細
い線となることがある。また、前記した一次微分や二次
微分により算出された遊間の大きさは、遊間幅が広いと
きは正確な数値が測定結果として算出されるも、遊間幅
が細くなったとき、モニタテレビの画面では、僅かに異
なって細く見える線幅を測定した数値が、二次微分に基
づく測定結果としては数値に差が生じないことがあり、
正確な測定が行えない場合が生じる。

【００１０】このような正確な測定ができない原因とし
ては、アナログ画像データを解析したところ、画像上の
線幅が広い場合は、図９のＡや図１２のＡに示したよう
に、アナログビデオ信号において明度差を有する区間Ｗ
の幅が線幅Ｌの変化に対応して変化するも、この線幅Ｌ
が細くなったときには、線幅の変化に対して図１３に示
すＬ0，Ｌ1の位置、即ち明度差を有する区間Ｗ0の幅が
ほぼ一定となって周囲との明度差Ｈ0が変化することが
判明した。

【００１１】このように、アナログビデオ信号では、細
い線の画像データは線幅がほぼ一定となり、影像を淡く
して視覚的により細く見せているため、この画像データ
を微分処理して求めた線幅は、細線の場合には不正確と
なる欠点が生じる。また、前記レーザー光の微小スポッ
トをプリント基板に照射して特定の線の幅を測定する場
合においても、線幅Ｌがスポットの直径よりも充分大き
い場合は、図１２のＡに示すように、線幅Ｌに応じた明
度差の幅Ｗが生じるも、線幅Ｌがスポットの直径に近
く、またはスポットの直径よりも小さくなると図１２の
Ｂに示したように、明度差が小さくなるも、明度差を有
する区間の幅Ｗは線幅Ｌに比例して細くはならない現象
が生じていることも判明した。

【００１２】そして、このような極めて細い線は、微分
処理などにより電気信号の変化があることにより細線の
存在は確認し得るも、その線の幅を測定することは不可
能とされ、この線の幅を知る必要があるときは、プロー
ブその他測定装置としてより分解能の高い機種を用いな
ければならない欠点があった。本願発明は、このような
欠点を排除してより正確な細線の幅を測定することがで
きる方法を提供するものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、測定対象であ
る細線に略直交する所定領域からの反射光に基づき、前
記直交方向の位置と反射光強度との関係を表す電気信号
を求め、この電気信号から前記細線部分とその周辺との
反射光強度の違いにより生じる信号レベルの変化位置を
求め、該信号レベルの変化位置に基づいて前記細線の線
幅を測定する線幅測定方法において、前記細線部分の前
記信号レベルの変化量を前記電気信号から検出し、予め
記憶された前記細線部分の信号レベルの変化量と細線の
線幅との関係から、前記検出した前記細線部分の信号レ
ベルの変化量に対する線幅を求め、この線幅を測定結果
とすることとする。

【００１４】また、前記細線部分の信号レベルの変化位
置に基づいて測定した線幅が所定値以下のときに前記細
線部分の信号レベルの変化量を検出し、予め記憶された
前記細線部分の信号レベルの変化量と細線の線幅との関
係から前記細線部分の信号レベルの変化量に対する線幅
を求め、この線幅を測定結果とすることもある。そし
て、予め複数の幅の異なる細線を測定し、複数の対象物
において前記細線部分の信号レベルの変化量が同一とな
ったとき、前記細線部分の信号レベルの変化量が同一と
なった対象物の内の線幅が最小となる対称物の幅の値を
所定値として予め設定しておくことがある。

【００１５】更に、細線と直行する位置移動に対応して
反射光の強度を示す電気信号に基づいた細線幅の測定を
するに際し、予め複数の細い対称物を測定して前記細線
部分の信号レベルの変化量と線幅との関数を求め、線幅
の値に所定値を定めると共に、線幅の値が所定値よりも
小さい場合の前記細線部分の信号レベルの変化量と線幅
との関数を予め設定し、測定値が所定値よりも大きいと
きは測定値を測定結果とし、測定値が所定値以下のとき
は、このときの前記細線部分の信号レベルの変化量を前
記関数に対応させて測定結果を算出することがある。

【００１６】又、細線と直行する位置移動に対応して反
射光の強度を示す電気信号に基づいた細線幅の測定をす
るに際し、予め複数の細い対称物を測定して信号レベル
の変化量と線幅との関数を求め、線幅の値に所定値を定
めると共に、所定値以下の線幅を等分する前記細線部分
の信号レベルの変化量の値を定めて設定レベル値とし、
線幅の測定値が所定値よりも大きいときは測定値を測定
結果とし、測定値が所定値以下のときは、線位置の信号
レベルの変化量を求め、測定した前記細線部分の信号レ
ベルの値と設定レベル値とを対応させて線幅を求めるこ
ととする。

【００１７】

【作用】本発明は、電気信号における線位置の信号レベ
ルの変化量を検出する故、電気信号の変化点の幅が実物
の線幅に応じて変化しない細線のデータにおける変化情
報を検知することができ、予め記憶させた線位置の信号
レベルの変化量と線幅との関係から線幅を求める故、電
気信号における線幅変化と実物における線幅の変化とが
一致しない微細な線幅の測定を正確に行うことができ
る。

【００１８】また、細線の線幅が所定値以下の細い場合
に前記細線部分の信号レベルの変化量を検出する方法
は、線幅が細く、画像データなどの電気信号における線
幅を示す位置の変化が実物の変化に比例しない領域を所
定値により定めることができ、測定結果が電気信号にお
ける線幅を示す位置の変化と実物における線幅の変化と
が対応しない微細な線幅であるか否かを知ることがで
き、実物の線幅の変化に電気信号の変化位置が対応しな
い微細な線幅である場合の測定を正確に行うことができ
る。

【００１９】そして、複数の対象物の測定結果により同
一信号レベルとなった対象物の内の最も細い線の値を所
定値とする方法は、測定値と現実の線幅との誤差が生じ
ない限界を容易に知ることができ、所定値の設定を容易
に行うことができる。さらに、予め線位置の信号レベル
の変化量と線幅との関数を測定により求めて設定すると
ともに、この関数に基づいて所定値を定める方法は、電
気信号における線幅を示す位置の変化が実物の幅の変化
に対応しなくなる値を所定値として定めることができ、
対応しない領域の数値を測定したときは、前記関数に基
づいて必要な修正演算を行い、正確な線幅を求めること
ができる。

【００２０】また、予め線位置の信号レベルの変化量と
線幅との関数を測定により求めて所定値を定めるととも
に、所定値以下の線幅を等分する線位置の信号レベルの
変化量をも設定する方法は、所定値以下の修正を行う必
要がある線幅に関し、設定レベル値と測定した信号レベ
ル値との比較により容易に線幅の修正を行うことができ
る。

【００２１】

【実施例】本発明の実施例は、図１に示すように、画像
処理に際して微分による線幅測定の結果である測定値Ｗ
が所定値ＷL以下の場合には濃度による測定を行うもの
である。即ち、従来と同様にビデオテープを再生し、画
像データをデジタル画像データとした後、正規化相関に
より遊間を検索し、遊間を発見したときは更に遊間と直
交する所定領域の信号に一次微分及び二次微分の微分処
理を施して遊間の幅を一旦求めるものである。

【００２２】そして、本実施例では、この微分処理によ
り算出された遊間幅Ｗが、所定の値ＷLよりも大きいと
きは、この算出した遊間の測定値Ｗを測定結果として次
の画像処理を行うも、測定値Ｗが所定値ＷL以下の場合
は、さらに信号レベルＨに基づいて濃度差による測定値
Ｗの修正を行うものである。この濃度差による測定値Ｗ
の修正は、実際の遊間の測定値を実測した多数のサンプ
ル画像データを用意し、図２に示すように、この各画像
データに基づく電気信号の信号レベルの変化量Ｈ0を計
測し、画像データの遊間幅Ｗと信号レベルの変化量Ｈ0
の関係に基づいて図３に示す如きグラフを作成する。

【００２３】このグラフにおいて、信号レベルの変化量
Ｈ0が一定となるＡ領域は、画像データの幅Ｗと遊間の
幅Ｌとが比例する領域であり、信号レベルが変化するＢ
領域は、画像データとしては線幅Ｗが変化せず、影像の
濃度変化を淡くして画面上の線を視覚的には細く見せて
いる領域である。従って、このＢ領域の実測値に基づ
き、最小２乗法により近似直線を求め、この直線の関数
ｙ＝ａｘ＋ｂを予め測定装置に記憶させ、且つ、この近
似直線がＡ領域の一定値に達する点の遊間幅の値を所定
値ＷLとして測定装置に記憶させておくものであり、測
定幅Ｗが所定値ＷLよりも小さいときは測定対象である
遊間の影像に基づく電気信号の変化量Ｈ0を求め、近似
直線の関数ｙ＝ａｘ＋ｂにより変化量Ｈ0から線幅Ｗを
算出するものである。

【００２４】なお、この関数は線幅Ｗが０のときに信号
レベルＨが０となるグラフの原点を通る関数とはならな
いこともあるが、線幅が極めて０に近い位置ではノイズ
などにより電気信号の変化レベル自体が測定不能とな
り、微分処理などにより細線の存在は確認されてもその
幅は測定不能、即ち測定値を０としても一般には不都合
が生じない範囲とされるものである。

【００２５】また、測定精度が所定の許容範囲内であれ
ば足りるとされるときは、遊間幅を所要数に等分し、前
記関数ｙ＝ａｘ＋ｂにより、各区間の境界値となる信号
レベルの変化量を設定レベル値Ｈ1，Ｈ2，Ｈ3…として
記憶させ、測定された信号レベルの変化量Ｈ0と設定レ
ベル値Ｈ1，Ｈ2，Ｈ3…とを比較して線幅Ｗを求めるこ
ともある。

【００２６】本実施例は、このように画像データの線幅
Ｗと実物の線幅Ｌとが比例しない細線の画像データから
信号レベルの変化量Ｈ0により正確に線幅Ｗを測定して
実物の線幅Ｌを得る測定方法であり、所定値ＷLを定め
ることにより画像データの線幅Ｗと実物の線幅Ｌとが比
例する領域Ａと比例しない領域Ｂとを区別し、比例する
領域Ａは一次微分などの信号レベルの変化位置を求める
ことにより線幅Ｗを測定して測定結果とし、測定値が所
定値ＷL以下となるときは変化量により線幅Ｗを測定す
る故、細い線から太い線までの各種の線幅Ｗを正確に測
定することができるものである。

【００２７】なお、所定値ＷLを設定するに際しては、
一定の撮像条件で対称物を撮像して形成した電気信号を
サンプル画像データとし、複数のサンプル画像データに
よる信号レベルの変化量Ｈ0を測定し、同一変化量の内
の線幅Ｌが最も細い線を測定したときの線幅Ｗを所定値
ＷLとすることも可能であり、また、関数も、この所定
値と原点とを単純に直線で結ぶ関数として近似値を定め
ることもでき、サンプル画像データの数を増してより詳
細な実測値による関数を求めることもある。

【００２８】さらに、画像データはレールの遊間に限る
ものでなく、プリント基板の影像などアナログ画像デー
タや多値の画像データによる各種の線幅の測定に際して
測定を正確に行うことができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、細線の幅を測定するに際し、
細線に直交する所定領域から反射強度と位置とを表す電
気信号を求め、反射光強度の変化位置により線幅を測定
する方法において、前記細線部分の電気信号のレベル変
化量を検出し、予め記憶した前記細線部分のレベル変化
量と線幅との関数から線幅を算出する故、実体の変化に
対応しない画像データから正確な線幅を検出測定するこ
とができる。

【００３０】従って、画像処理の一部を変更するだけで
測定装置の分解能以上の測定が可能となる利点を有する
ものである。また、反射光強度の変化位置により線幅を
測定し、測定線幅が所定値以下の場合に前記細線部分の
レベル変化量により線幅の算出を行う方法は、所定値を
定めることにより画像データの線幅が実体に比例しなく
なる細い線幅を正確な測定値に修正し、画像データから
常に線幅を正確に測定することを可能とするものであ
る。

【００３１】そして、予め複数の対象物を測定し、前記
細線部分の電気信号のレベル変化が同一となる最小幅を
所定値とする方法は、画像データにおける線幅の変化が
実体の線幅変化に対応しなくなる値を容易に設定し得る
ものである。さらに、所定値と所定値以下の線幅と前記
細線部分の信号レベルの変化量との関数を予め記憶して
おく方法は、線幅と画像データにおける前記細線部分の
レベル変化との関係を実体に即した関数により演算を行
って線幅を求める故、正確な線幅の測定が可能となる。

【００３２】また、所定値と所定値以下の線幅を等分す
る前記細線部分の信号レベル変化量の値とを予め設定す
る方法は、画像データの線幅が実体の線幅に対応しない
場合に必要とされる精度の測定を可能としつつ計測処理
を迅速に行うことができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の全体を示すフローチャート。

【図２】画像データの電気信号の例を示す図。

【図３】本願発明に用いる所定値及び所定値以下の関数
を示す図。

【図４】本願発明における設定レベル値の例を示す図。

【図５】本願発明を実施する装置の概要ブロック図。

【図６】従来の測定方法を示すフローチャート

【図７】参照画像の一例を示す図。

【図８】従来の測定例を示す図。

【図９】従来の信号処理の例を示す図。

【図１０】レーザ式線幅測定装置の概要を示す図。

【図１１】レーザビームの照射例を示す図。

【図１２】レーザ反射強度の信号例を示す図。

【図１３】電気信号の要部拡大図。

【符号の説明】

１１ビデオ再生装置１３画像処理装
置１５パーソナルコンピュータ１７モニタテレ
ビ２１レール像２３遊間像２５遊間中心３１可動ステー
ジ３３試料３５発振光学系３７レーザ光３９微小スポッ
ト４１ハーフミラー４３対物レンズ４５受光系４７波形信号処
理装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋幸三東京都千代田区丸の内３−２−３株式会社ニコン内 (56)参考文献特開平５−248822（ＪＰ，Ａ) 特開平４−346010（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−102506（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象である細線にほぼ直交する所定
領域からの反射光に基づき、前記直交方向の位置と前記
反射光強度との関係を表す電気信号を求め、該電気信号
から、前記細線部分とその周辺との反射光強度の違いに
より生じる信号レベルの変化位置を求め、該信号レベル
の変化位置に基づいて前記細線の線幅を測定する線幅測
定方法において、前記細線部分の前記信号レベルの変化量を前記電気信号
から検出し、予め記憶された、前記細線部分の前記信号レベルの変化
量と前記細線の線幅との関係から、前記検出した前記細
線部分の信号レベルの変化量に対する前記細線の線幅を
求め、該線幅を測定結果とすることを特徴とする線幅測
定方法。
【請求項２】測定対象である細線にほぼ直交する所定
領域からの反射光に基づき、前記直交方向の位置と前記
反射光強度との関係を表す電気信号を求め、該電気信号
から、前記細線部分とその周辺との反射光強度の違いに
より生じる信号レベルの変化位置を求め、該信号レベル
の変化位置に基づいて前記細線の線幅を測定する線幅測
定方法において、前記細線部分の前記信号レベルの変化位置に基づいて測
定した前記細線の線幅が所定値以下の場合に、前記細線
部分の前記信号レベルの変化量を前記電気信号から検出
し、予め記憶された、前記細線部分の前記信号レベルの変化
量と前記細線の線幅との関係から、前記検出した前記細
線部分の信号レベルの変化量に対する前記細線の線幅を
求め、該線幅を測定結果とすることを特徴とする線幅測
定方法。
【請求項３】予め複数の幅の異なる細い対象物を測定
し、前記複数の対象物において前記細線部分の信号レベ
ルの変化量が同一となったとき、同一変化量を有する対
象物における線幅の最小値を所定値として設定すること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載した線幅測定
方法。
【請求項４】測定対象である細線にほぼ直交する所定
領域からの反射光に基づき、前記直交方向の位置と前記
反射光強度との関係を表す電気信号を求め、該電気信号
から、前記細線部分とその周辺との反射光強度の違いに
より生じる信号レベルの変化位置を求め、該信号レベル
の変化位置に基づいて前記細線の線幅を測定する線幅測
定方法において、予め複数の細い対象物を測定して前記細線部分の信号レ
ベルの変化量と線幅との関数を求め、この関数に基づい
て測定幅の値における所定値を定めるとともに、この所
定値以下の線幅と前記細線部分の信号レベルの変化量と
の前記関数を予め設定し、測定を行うに際して線幅の測
定値が前記所定値よりも大きいときはこの測定値を測定
結果とし、測定値が前記所定値以下のときは前記細線部
分の信号レベルの変化量を予め記録した前記関数に対応
させて測定結果を算出することを特徴とする線幅測定方
法。
【請求項５】測定対象である細線にほぼ直交する所定
領域からの反射光に基づき、前記直交方向の位置と前記
反射光強度との関係を表す電気信号を求め、該電気信号
から、前記細線部分とその周辺との反射光強度の違いに
より生じる信号レベルの変化位置を求め、該信号レベル
の変化位置に基づいて前記細線の線幅を測定する線幅測
定方法において、予め複数の細い対象物を測定して前記細線部分の信号レ
ベルの変化量と線幅との関数を求め、この関数に基づい
て測定幅の値における所定値を定めるとともに、この所
定値以下の線幅と前記細線部分の信号レベルの変化量と
の前記関数に基づいて前記所定値以下の線幅を等分する
前記細線部分の信号レベルの変化量の値を予め設定し、
測定を行うに際して線幅の測定値が前記所定値よりも大
きいときはこの測定値を測定結果とし、測定値が前記所
定値以下のときはこの測定した前記細線部分の信号レベ
ルの変化量と予め設定したレベル変化量の値と比較して
線幅を求めることを特徴とする線幅測定方法。