JP5090121B2 - 調整装置、レーザ加工装置、調整方法、および調整プログラム - Google Patents
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Description
特許文献1に記載のレーザ加工装置は、レーザビームを照射する対象である加工パターンの画像上の座標位置と、レーザビームが照射される点の画像上の座標位置とを求めて、両者の位置ずれ量を算出する。そして、位置ずれ量を、ステージを移動するための補正量に換算してステージを移動させ、レーザビームの照射位置に加工パターンの位置が一致するように調整する。
特許文献2の標本観察システムでは、ある種の回転ずれや歪みが考慮される。このシステムは、顕微鏡にレーザ走査装置と画像取得装置が取り付けられた構成である。このシステムでは、レーザ走査装置によって照射されたレーザ光の照射位置が、画像取得装置で取得された画像から測定される。そして、この測定により得られた照射位置と、レーザ走査装置に対して指示されたレーザ光照射の照射指示位置との差異を示す情報に基づいて校正と調整が行われる。
また、上記の特許文献1〜3では、キャリブレーションのためにステージを移動させたり、複数の点に順次レーザ光を照射したりする必要があり、時間がかかる。そこで本発明は、キャリブレーションを効率的に行うことも目的とする。
また、本発明によれば、1つのキャリブレーションパターンから変換パラメータが算出されるので、変換パラメータを得るための光の照射は1回のみで十分であり、従来のように照射と構造物の機械的な移動とを繰り返す必要がない。したがって、本発明によれば、効率的にキャリブレーションを行い、光の照射を調整することができる。
図1のレーザ加工装置100は、ステージ101の上に載置された被加工物102を、レーザ発振器103から出射されたレーザ光によって加工する装置である。レーザ加工装置100は、溶融、切断、絵や文字等の焼き付け、露光、または回路パターンの修復(リペア)など、何らかの加工を被加工物102に対して行う。なお、以下では簡単のため、ステージ101の上面は鉛直方向に対して垂直であると仮定する。
レーザ発振器103から出射されたレーザ光は、ハーフミラー104を透過し、ミラー105で反射され、DMD106に入射する。
また、レーザ加工装置100は、照明用光源111とCCD(Charge Coupled Device;電化結合素子)カメラ112を備える。撮像に照明光が必要な場合は、照明用光源111からの照明光がハーフミラー109で反射され、対物レンズ110を介して被加工物102の表面に照射される。なお、CCDカメラ112の代わりに、CMOS(Complementary Mental-Oxide Semiconductor;相補型金属酸化物半導体)カメラ等の撮像装置を用いてもよい。
制御部113はレーザ加工装置100の全体を制御する。操作部114は、キーボードやポインティングデバイスなどの入力機器により実現される。操作部114から入力された指示は、制御部113に送られる。
制御部113への入力は操作部114からの指示と、CCDカメラ112から画像データである。制御部113により制御されるのはステージ101、レーザ発振器103、DMD106、モニタ115、LED光源116である。
図2は、第1実施形態における制御部113の機能を示す機能ブロック図である。
制御部113は、CCDカメラ112から画像を取り込む取込部201と、キャリブレーションを行う算出部202と、キャリブレーションの結果に基づいて光の照射を調整する調整部203と、DMD106を制御する空間変調制御部204と、ステージ101を制御するステージ制御部205と、レーザ発振器103またはLED光源116の一方を光源として選択する選択部206とを備える。本発明による調整装置を第1実施形態において実現するのは、取込部201と算出部202と調整部203である。
そこで、算出部202は、入力パターンを出力パターンに変換する変換パラメータを算出する。以下の各実施形態において、キャリブレーションとは変換パラメータの算出のことである。変換パラメータの具体例は実施形態により異なるので、詳細は後述する。
図3は、レーザ加工装置100に存在するずれや歪みに起因する照射パターンの変形、すなわち入力パターンから出力パターンへの変形を例示する図である。
x=u,y=v
なる関係があるものとする。微小ミラーを適当に配置し、uv座標系の原点を適当に定めるだけで、この関係は成立するので、以下の説明の一般性は失われない。
u<0 または 640≦u または v<0 または 480≦v
なる範囲にある場合、DMD転送用データ320を表す画像の位置(u,v)における色は黒である。
図3において、DMD転送用データ320は、マージン以外は照射パターン310と同じである。よって、照射パターン310は事実上、DMD106に指定される入力パターンと言える。そして、ライブ画像330は、その入力パターンに対応して、何も調整されずに変形を受けたレーザ光が被加工物102上に照射される場合に画像に生じる出力パターンである。したがって、照射パターン310からライブ画像330への変形は、上記入力パターンから上記出力パターンへの変換によるものと見なせる。
つまり、変換行列Tを算出することにより、平行移動、回転、拡大、縮小、および剪断ひずみを考慮に入れたキャリブレーションが可能となる。そこで、次に変換行列Tを算出する方法について説明する。
点aの座標を (xa, ya)T
点bの座標を (xb, yb)T
点cの座標を (xc, yc)T
点a’の座標を(xa’,ya’)T
点b’の座標を(xb’,yb’)T
点c’の座標を(xc’,yc’)T
なる列ベクトルで表す。ここで、上記の上付き文字の「T」は転置を表す。すると、点a、b、cと点a’、b’、c’の座標を使って、下記の式(14)により表される行列Pと下記の式(15)により表される行列Qを定義することができる。
である。3点a、b、cの位置を適当に選べば、行列Pは正則となり、逆行列P−1が存在する。そこで、両辺の右から、逆行列P−1をかけて式(17)が得られる。
よって、算出部202は、式(17)から変換行列Tを算出することができる。すなわち、行列Pが正則となるような適当な位置の3点a、b、cを定め、その3点が変換行列Tにより写像された点a’、b’、c’の位置を知ることができれば、変換行列Tは算出可能である。本実施形態では、点a’、b’、c’の位置を知るためにキャリブレーションパターンにしたがったLED光の照射が行われる。
キャリブレーションパターンはDMD106への入力パターンの一種であるから、図3と同様に、オン状態を示す白と、オフ状態を示す黒との2値画像として表すことができる。また、図3で説明したように、本実施形態においてuv座標系はxy座標系と同一であると見なせるので、図4にはx軸とy軸を図示した。
図5は、第1実施形態における変換パラメータとしての変換行列Tの算出手順を示すフローチャートである。
例えば、図4のキャリブレーションパターン340の場合、算出部202は、画像認識処理により、キャリブレーションパターンから「白」の円を3つ認識し、認識した3つの円の中心(すなわち重心)の座標をそれぞれ算出して取得する。これら3つの座標が、点a、b、cの座標である。
本実施形態では、取込部201が取り込んだ画像はグレースケール画像である。もちろん、他の実施形態においては、カラー画像を撮像するCCDカメラ112を用いてもよいが、その場合も下記と同様にして、算出部202は3点a’、b’、c’の座標を取得する。
最後に、ステップS107で算出部202は、変換行列Tからその逆行列である逆変換行列T’(=T−1)を算出する。逆変換行列T’は、変換パラメータとしての変換行列Tによる変換の逆変換を表す逆変換パラメータである。算出部202は、逆変換行列T’のデータも、記憶装置に格納する。
図6の照射パターン310とDMD転送用データ320は図3と同様である。また、図6は、図3と同様の変換行列Tを用いて説明する図である。
また、調整部203が、操作部114から照射パターン310を受け取り、DMD転送用データ320を生成する。調整部203はさらに、DMD転送用データ320を逆変換行列T’によって変換してDMD転送用データ321を生成し、空間変調制御部204に出力する。
u<0 または 640≦u または v<0 または 480≦v
なる範囲にはみ出す可能性がある。そのため、本実施形態では、照射パターン310を表す画像の画素数(例えば640×480画素)よりも多い(例えば800×600個の)微小ミラーを備えたDMD106が用いられる。この場合、図3や図6に示すように、DMD106に指定される入力パターンであるDMD転送用データ320を表す画像は、照射パターン310を表す画像の周りを黒い(すなわち光を照射しないことを示す)マージンで囲んだ画像である。
図8は、第2実施形態における制御部113の機能を示す機能ブロック図である。第1実施形態を示す図2と比較すると、制御部113が取込部201、算出部202、調整部203、空間変調制御部204、ステージ制御部205、選択部206を備える点で、図8は図2と同様である。
図8に示したステージ制御部205がステージ101の動きを制御することにより、レーザ加工装置100の光学系とステージ101との相対位置が変化する。制御可能なステージ101の動きの種類は実施形態によって異なっていてよいが、第2実施形態では、ステージ制御部205は、以下のような種類のステージ101の動きを制御する。
(b)鉛直軸に水平な平面内における平行移動
(c)鉛直軸に水平な平面内における回転
(d)ステージ101の上面と鉛直軸とのなす角を変える動き
すなわち、第2実施形態においては、これらの種類の動きを可能とする不図示の駆動モータおよび/またはアクチュエータがステージ101に取り付けられている。ステージ制御部205は、駆動モータおよび/またはアクチュエータを制御してステージ101を動かす。
なお、変換行列Tにしたがってステージ101を動かすために必要な制御パラメータの値は、実験的に決定してもよく、レーザ加工装置100の仕様などから計算してもよい。
次に、図10と図11を参照して、第3実施形態における調整方法を説明する。第3実施形態では、調整部203が画像処理によって調整を行う。
図11において、画像302は、CCDカメラ112が撮像し、取込部201がCCDカメラ112から取り込んだ画像である。図7や図10の画像300と同様の3本の回路パターンの線が画像302にも写っている。
点aの座標を (xa, ya)T
点bの座標を (xb, yb)T
点a’の座標を(xa’,ya’)T
点b’の座標を(xb’,yb’)T
なる列ベクトルで表す。第4実施形態では、算出部202が、これら4つの座標から、
x方向の平行移動の量:
d1=xa’−xa (18)
y方向の平行移動の量:
d2=ya’−ya (19)
回転の量:
θ=tan−1{(yb’−ya’)/(xb’−xa’)}−
tan−1{(yb −ya) /(xb −xa)} (20)
という3つの変換パラメータを算出する。これらの変換パラメータは、第1実施形態と同様に式(2)の変換行列Tの形で表すこともできる。すなわち、
a1= cosθ (21)
b1=−sinθ (22)
a2= sinθ (23)
b2= cosθ (24)
と式(2)に代入すればよい。このようにして算出部202が変換行列Tを算出した後のレーザ加工装置100の動作は、第1実施形態と同様である。
点aの座標を (xa, ya)T
点a’の座標を(xa’,ya’)T
なる列ベクトルで表す。第5実施形態では、算出部202が、これら2つの座標から、第4実施形態と同様に、式(18)と(19)によって、x方向の平行移動の量d1とy方向の平行移動の量d2という2つの変換パラメータを算出する。これらの変換パラメータは、第1実施形態と同様に式(2)の変換行列Tの形で表すこともできる。すなわち、
a1=1 (25)
b1=0 (26)
a2=0 (27)
b1=1 (28)
と式(2)に代入すればよい。このようにして算出部202が変換行列Tを算出した後のレーザ加工装置100の動作は、第1実施形態と同様である。
点aの座標を (xa, ya)T
点bの座標を (xb, yb)T
点cの座標を (xc, yc)T
点a’の座標を(xa’,ya’)T
点b’の座標を(xb’,yb’)T
点c’の座標を(xc’,yc’)T
なる列ベクトルで表す。また、同様に、
点dの座標を (xd, yd)T
点d’の座標を(xd’,yd’)T
なる列ベクトルで表す。
4点a、b、c、dの位置を適当に選べば、行列Pは正則となり、逆行列P−1が存在するので、式(33)より、式(34)が得られる。
よって、式(34)から算出部202は変換行列Tを算出することができる。また、算出部202は変換行列Tから逆変換行列T’を算出することもできる。
なお、ここで(xi,yi)Tはキャリブレーションパターンに表されたi番目の点の座標を示す列ベクトルであり、(xi’,yi’)Tは、そのi番目の点の出力パターンにおける座標を示す列ベクトルである。
一般に、被加工物102の表面上に立体的な3次元形状、すなわち凹凸があると、キャリブレーションの精度が低下することがある。なぜなら、キャリブレーションパターンに対応する出力パターンの形状が、凹凸の影響や表面の材料の反射率等の影響で歪んでいる可能性があるためである。
まず、作成部207は、適当な3点a〜cを選択し、点a〜cを互いに区別可能な形状の予備キャリブレーションパターンを作成する。ここで、点a〜cの座標をそれぞれ、
(xa,ya)T と (xb,yb)T と (xc,yc)T
なる列ベクトルで表す。そして、この予備キャリブレーションパターンを使った予備的なキャリブレーションが実行される。
算出部202は、予備キャリブレーションパターンに対応して画像上に生じた出力パターン上において、点a、b、cにそれぞれ対応する点a’、b’、c’の座標を算出する。算出された座標をそれぞれ、
(xa’,ya’)T と (xb’,yb’)T と (xc’,yc’)T
なる列ベクトルで表す。また、予備キャリブレーションパターンを規定する3点a、b、cの座標が、作成部207から算出部202へ出力される。
(xa, ya)T と (xb, yb)T と (xc, yc)T と
(xa’,ya’)T と (xb’,yb’)T と (xc’,yc’)T
に基づいて、変換行列T1を算出する。また、算出部202は、変換行列T1を作成部207に出力する。
以上の処理が、予備的なキャリブレーションである。予備的なキャリブレーションにおいては、上記のとおり、被加工物102上の凹凸の影響で、無視することができない程度の誤差を、算出された点a’、b’、c’の座標、変換行列T1、および逆変換行列T1’が含む場合もある。しかし、変換行列T1は、最終的に取得するべき変換行列と大きくかけ離れているわけでもないので、予備的な調整に使うには十分に有効である。
例えば、作成部207は、背景検出用画像にぼかしフィルタをかけて、背景検出用画像に写った被加工物102上の凹凸(例えば回路パターン)の像を消去した背景画像を取得する。そして、作成部207は、画素ごとに背景検出用画像における画素値と背景画像における画素値との差分を算出する。
さらに、作成部207は、検出された背景領域に属する適当な3点d1、e1、f1を選択する。3点d1、e1、f1の座標をそれぞれ、
(xd1,yd1)T と (xe1,ye1)T と (xf1,yf1)T
なる列ベクトルで表す。
(xd,yd)T と (xe,ye)T と (xf,yf)T
なる列ベクトルで表す。キャリブレーションパターンはこれら3つの座標を表すパターンである。
例えば、光を照射することを示す部分がすべて背景領域に含まれるように、作成部207は暫定的パターンを作成する。また、暫定的パターンは、光を照射することを示す部分の非背景領域からの距離がなるべく閾値以上となるように、作成部207によって、形状および位置が決められる。
(xd’,yd’)T と (xe’,ye’)T と (xf’,yf’)T
を算出する。さらに算出部202は、点d、e、fの座標と点d’、e’、f’の座標から、第1実施形態と同様にして、変換行列T2とその逆行列である逆変換行列T2’=T2 −1を算出する。変換行列T2と逆変換行列T2’の算出によってキャリブレーションは終了する。
ところで、上記の第1〜第7実施形態では、加工用のレーザ光とは別のLED光をキャリブレーションに用いていた。その理由は、キャリブレーションのための光の照射によって被加工物102に影響を与えないようにするためである。
・光源としてLED光源116を選択した状態での入力パターンから出力パターンへの変換はアフィン変換である。
・光源としてLED光源116が選択された状態で、ある入力パターンに対応する第1の出力パターンと、光源としてレーザ発振器103が選択された状態で、同じ入力パターンに対応する第2の出力パターンにはずれがある。このずれもアフィン変換によりモデル化される。
変換行列Rと逆変換行列R’を取得する第2のキャリブレーションは次のように行われる。まず、第2算出部208が適当な3点a、b、cを選択し、3点a、b、cを互いに区別可能なキャリブレーションパターンを作成する。このキャリブレーションパターンも、図4の例と同様でもよい。以下、第2のキャリブレーションにおけるキャリブレーションパターンを、第1のキャリブレーションにおけるキャリブレーションパターン特別するため、「試験パターン」という。
(xa,ya)T と (xb,yb)T と (xc,yc)T
なる列ベクトルで表す。
(xa’,ya’)T と (xb’,yb’)T と (xc’,yc’)T
なる列ベクトルで表す。
(xa”,ya”)T と (xb”,yb”)T と (xc”,yc”)T
なる列ベクトルで表す。
ここで、光源としてレーザ発振器103を選択したときに、入力パターンにおける座標(xp2,yp2)Tに対応する出力パターン上の点の座標を(xp3,yp3)Tとする。すると、式(37)と式(38)から式(39)が導かれる。
=RT(xp2,yp2,1)T
=RTT’R’(xp1,yp1,1)T
=(xp1,yp1,1)T (39)
すなわち、調整部203による調整の結果、レーザ光が照射されるべきであると照射パターンにおいて指定された座標と、実際にレーザ光が照射された位置を示す出力パターン上の座標とが一致し、レーザ光は所望の位置に正しく照射された。
レーザ加工装置100の物理的な構成は図1に例示した構成に限らない。例えば、反射型の空間変調素子であるDMD106の代わりに、液晶を用いた透過型の空間変調素子を用いてもよい。すなわち、調整して照射すべき第1の光と、調整に必要なデータを得るためのキャリブレーションに使われる第2光とが、ともに空間変調素子で空間変調されて被加工物102上に照射され、被加工物102を撮像することが可能な構成であれば、レーザ加工装置100の具体的な構成は実施形態に応じて異なっていてよい。また、第1の光と第2の光は、異なっていてもよく、同じでもよい。
・被加工物102上の凹凸を避けるキャリブレーションパターンを作成する第7実施形態において、
・レーザ光とLED光の光軸のずれもキャリブレーションの対象とする第8実施形態と類似の第2算出部208を追加し、
・数学的モデルとして第6実施形態の擬似アフィン変換を採用し、
・その数学的モデルのもとで、第8実施形態と類似の方法により、レーザ光とLED光の光軸のずれを考慮するための変換行列Rと逆変換行列R’を第2算出部208が算出し、
・調整部203は、空間変調制御部204に与えるDMD転送用データを調整する代わりに、第3実施形態と同様にして、照射パターンを指定するための画像を変形することによって調整を行う。
例えば、ステップS102の処理と、ステップS103〜ステップS105の処理は、独立に並行して実行することができる。よって、ステップS102の処理と同時にステップS103〜ステップS105の処理を実行してもよく、ステップS103、S104、S105、S102の順で処理を実行してもよい。
以上、様々な実施形態について説明したが、上記の実施形態に共通の効果について概観すると、以下のとおりである。
101 ステージ
102 被加工物
103 レーザ発振器
104、107、109 ハーフミラー
105 ミラー
106 DMD
108 結像レンズ
110 対物レンズ
111 照明用光源
112 CCDカメラ
113 制御部
114 操作部
115 モニタ
116 LED光源
201 取込部
202 算出部
203 調整部
204 空間変調制御部
205 ステージ制御部
206 選択部
207 作成部
208 第2算出部
300〜304 画像
310〜312 照射パターン
320、321 DMD転送用データ
330〜334 ライブ画像
340〜342 キャリブレーションパターン
401 基板
402 回路パターン
403〜405 円
Claims (13)
- 指定された入力パターンにしたがって空間変調素子により空間変調された光の、対象 物への照射を調整する調整装置であって、
前記空間変調素子により空間変調された光が照射された前記対象物を撮像した画像を 取り込む取込手段と、
前記画像上に前記入力パターンに対応して生じる出力パターンへと、前記入力パター ンを変換する変換パラメータを算出する算出手段と、
前記入力パターンとしてキャリブレーションパターンを用いたときに前記算出手段が 算出した前記変換パラメータに基づいて、指定された照射パターンにしたがった前記対 象物への光の照射を調整する調整手段と、
を備える調整装置。 - 前記調整手段が、前記変換パラメータによる変換の逆変換を表す逆変換パラメータ を算出し、前記逆変換パラメータに基づいて調整を行うことを特徴とする請求項1に記 載の調整装置。
- 前記調整手段が、前記照射パターンを前記逆変換パラメータで変換した第2の照射パ ターンを、前記入力パターンとして指定することによって調整を行うことを特徴とする 請求項2に記載の調整装置。
- 前記調整手段が、前記対象物を撮像した第1の画像を前記逆変換パラメータで変換し て第2の画像を取得し、前記照射パターンを指定するための位置を表すのに使われる画 像として前記第2の画像を提供することによって、調整を行うことを特徴とする請求項 2に記載の調整装置。
- 前記調整手段が、前記空間変調素子の位置と方向の少なくとも一方を前記逆変換パラ メータに基づいて調整することを特徴とする請求項2に記載の調整装置。
- 前記調整手段が、前記対象物の位置と方向の少なくとも一方を前記変換パラメータに 基づいて調整することを特徴とする請求項1に記載の調整装置。
- 前記変換パラメータは行列により表されることを特徴とする請求項1に記載の調整装 置。
- 前記キャリブレーションパターンが前記入力パターンとして指定されたときに、前記 対象物の表面の背景部に前記光が照射されるように、前記対象物の前記表面の情報に基 づいて前記キャリブレーションパターンを作成する作成手段をさらに備えることを特徴 とする請求項1に記載の調整装置。
- 前記作成手段は、
予備キャリブレーションパターンを前記入力パターンとして指定して、前記算出手段 に第2の変換パラメータを算出させ、
前記第2の変換パラメータにより表される変換の逆変換を表す第2の逆変換パラメー タを算出し、
前記対象物を撮像した背景検出用画像において前記背景部が写った背景領域を検出し 、
前記背景領域に基づいて、前記背景部に光が照射されるように、前記第2の逆変換パ ラメータを用いて前記キャリブレーションパターンを作成する、
ことを特徴とする請求項8に記載の調整装置。 - 第1の光源と第2の光源のうち一方から出射された光が前記空間変調素子に入射され るように、前記第1の光源と前記第2の光源のうち一方を選択する選択手段と、
前記入力パターンとして試験パターンが指定されたとき、前記第1の光源と前記第2 の光源のいずれが選択されているかによって前記出力パターンに生じるずれを表すずれ パラメータを算出する第2の算出手段と、をさらに備え、
前記選択手段は、前記キャリブレーションパターンにしたがって照射する光の光源と して前記第1の光源を選択し、
前記第2の光源が選択された状態で、前記調整手段が、前記変換パラメータと前記ず れパラメータの両者に基づいて、前記第2の光源から前記対象物への前記照射パターン にしたがった光の照射を調整する、
ことを特徴とする請求項1に記載の調整装置。 - レーザ光源から出射されたレーザ光を対象物上に導く光学系と、
前記レーザ光源から前記対象物への光路上に設けられ、入射光を空間変調する空間変 調素子と、
請求項1に記載の前記調整装置とを備え、
請求項1に記載の前記照射パターンにしたがって前記対象物へ照射される光として前 記レーザ光を用い、
前記対象物への前記レーザ光の照射を前記調整装置により調整して、前記対象物を加 工する、
ことを特徴とするレーザ加工装置。 - コンピュータが、
指定されたキャリブレーションパターンにしたがって空間変調素子により空間変調さ れた光が照射された対象物を撮像した画像を取り込み、
前記画像上に前記キャリブレーションパターンに対応して生じるパターンへと、前記 キャリブレーションパターンを変換する変換パラメータを算出し、
指定された照射パターンにしたがった前記対象物への光の照射を、前記変換パラメー タに基づいて調整する、
ことを特徴とする調整方法。 - 指定されたキャリブレーションパターンにしたがって空間変調素子により空間変調さ れた光が照射された対象物を撮像した画像を取り込むステップと、
前記画像上に前記キャリブレーションパターンに対応して生じるパターンへと、前記 キャリブレーションパターンを変換する変換パラメータを算出するステップと、
指定された照射パターンにしたがった前記対象物への光の照射を、前記変換パラメー タに基づいて調整するステップと、
をコンピュータに実行させることを特徴とする調整プログラム。
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