JP6252906B2 - Opening pattern design method, image restoration method, and image restoration apparatus - Google Patents

Opening pattern design method, image restoration method, and image restoration apparatus Download PDF

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Description

本発明は、画像復元に利用される開口パターンを設計する技術に関連する。   The present invention relates to a technique for designing an opening pattern used for image restoration.

検査装置や位置合わせ装置等において、対象物を撮像する撮像部では、一般的に、オートフォーカス機能が搭載される。これにより、対象物の表面に合焦位置を合わせて画像を取得することが可能となる。しかしながら、対象物の表面に自動的に合焦位置を合わせるオートフォーカス動作が何らかの原因で適切に行われない場合、合焦位置が対象物の表面からずれた状態にて撮像が行われ、非合焦画像であるボケ画像が取得されてしまう。   In an inspection device, an alignment device, and the like, an image pickup unit that picks up an object generally has an autofocus function. Thereby, it becomes possible to acquire an image by aligning the in-focus position with the surface of the object. However, if the autofocus operation that automatically adjusts the focus position to the surface of the object is not performed properly for some reason, imaging is performed with the focus position shifted from the surface of the object. A blurred image that is a focused image is acquired.

ボケ画像が取得されると、例えば、検査装置では、検査を精度よく行うことができなくなる。描画装置にてアライメントマークのボケ画像が取得されると、対象物の位置合わせに失敗したり、描画精度が低下するという問題が生じる。   When the blurred image is acquired, for example, the inspection apparatus cannot perform inspection accurately. When a blurred image of the alignment mark is acquired by the drawing apparatus, there arises a problem that the alignment of the object fails or the drawing accuracy is lowered.

そこで、ボケ画像から真の画像を復元する技術の開発が進められている。画像復元では、ボケ画像と、その撮像時におけるデフォーカス量に対応した点広がり関数(PSF:Point Spread Function)との逆畳み込みを行うことにより、合焦画像が推定される。このとき、復元画像にリンギングと呼ばれるノイズが生じやすい。そこで、符号化開口または符号化絞りと呼ばれる特殊な開口パターンを有する開口絞りを設けることが提案されている。符号化開口によりPSFを変化させ、逆畳み込みの精度を高めることにより、リンギングの低減が図られる(例えば、特許文献1および2参照)。また、非特許文献1では、自然画像の周波数特性であるパワースペクトルが1/fに従うという前提の下で、画像の復元精度を向上するための開口パターンが開示されている。   Therefore, development of a technique for restoring a true image from a blurred image is underway. In the image restoration, a focused image is estimated by performing a deconvolution of a blurred image and a point spread function (PSF) corresponding to a defocus amount at the time of imaging. At this time, noise called ringing is likely to occur in the restored image. Therefore, it has been proposed to provide an aperture stop having a special aperture pattern called a coded aperture or a coded stop. Ringing can be reduced by changing the PSF with the coded aperture and increasing the accuracy of deconvolution (see, for example, Patent Documents 1 and 2). Non-Patent Document 1 discloses an opening pattern for improving the restoration accuracy of an image under the assumption that the power spectrum, which is the frequency characteristic of a natural image, follows 1 / f.

特開2010−81460号公報JP 2010-81460 A 特開2012−22308号公報JP 2012-22308 A

Changyin Zhou、外1名、“What are Good Apertures for Defocus Deblurring?”、[online]、2009年、Columbia University、[平成25年4月17日検索]、インターネット<URL:http://www1.cs.columbia.edu/~changyin/files/ZhouICCP2009.pdf>Changyin Zhou, 1 other, “What are Good Apertures for Defocus Deblurring?”, [Online], 2009, Columbia University, [April 17, 2013 search], Internet <URL: http: //www1.cs .columbia.edu / ~ changyin / files / ZhouICCP2009.pdf>

ところで、従来より、画像復元の研究は自然画像に対して行われてきた。この場合、PSFの形状は符号化開口の形状にほぼ従う。そのため、非特許文献1に示されるように、符号化開口のパターンを求める際に、開口パターンとPSFとが同一であるとの前提で演算が行われてきた。具体的には、PSFが、符号化開口と同一の二値のパターンとして扱われる。   By the way, conventionally, research on image restoration has been performed on natural images. In this case, the shape of the PSF substantially follows the shape of the coding aperture. Therefore, as shown in Non-Patent Document 1, when obtaining the pattern of the coded aperture, the calculation has been performed on the assumption that the aperture pattern and the PSF are the same. Specifically, the PSF is treated as the same binary pattern as the coded aperture.

しかし、実際には、PSFは多値の画像パターンであり、二値のPSFと多値のPSFとの差異が原因で、求めた符号化開口を用いても十分な画像復元性能が発揮されない場合がある。特に、自然画像の撮像とは異なり、波長帯の狭い光で撮像を行う場合、符号化開口とPSFとの差異が大きくなり、画像復元性能の低下は著しくなる。   However, the PSF is actually a multi-value image pattern, and due to the difference between the binary PSF and the multi-value PSF, sufficient image restoration performance is not exhibited even if the obtained coded aperture is used. There is. In particular, unlike natural image capturing, when image capturing is performed with light having a narrow wavelength band, the difference between the coded aperture and the PSF increases, and the image restoration performance is significantly degraded.

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、狭い波長帯の光にて撮像を行う場合であっても、良好な画像復元を実現することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize good image restoration even when imaging is performed with light in a narrow wavelength band.

請求項1に記載の発明は、画像復元装置の撮像部にて利用される開口パターンの設計方法であって、a)開口パターンである複数の候補パターンを準備する工程と、b)予め定められた位置に点光源が配置された場合に、前記複数の候補パターンのそれぞれを介して前記撮像部にて取得され、かつ、エアリーパターンが現れる点広がり関数を、多階調の画像として取得する工程と、c)前記予め定められた位置に撮像対象を配置した場合に得られるボケ画像を、前記b)工程にて得られた複数の点広がり関数のそれぞれを用いて復元する際の精度を示す評価値を取得する工程と、d)前記c)工程にて得られた複数の評価値に基づいて、前記複数の候補パターンの1つを選択する工程とを備える。   The invention described in claim 1 is a method for designing an opening pattern used in an imaging unit of an image restoration device, wherein a) a step of preparing a plurality of candidate patterns which are opening patterns, and b) a predetermined method. A step of acquiring a point spread function obtained by the imaging unit through each of the plurality of candidate patterns and having an Airy pattern as a multi-gradation image when a point light source is disposed at a predetermined position. And c) the accuracy when the blurred image obtained when the imaging target is arranged at the predetermined position is restored using each of the plurality of point spread functions obtained in the step b). A step of obtaining an evaluation value; and d) a step of selecting one of the plurality of candidate patterns based on the plurality of evaluation values obtained in the step c).

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の開口パターンの設計方法であって、前記b)工程において、前記点広がり関数が、仮想的な点光源から出射される光に対して光線追跡を行うことにより取得される。   The invention according to claim 2 is the opening pattern design method according to claim 1, wherein in the step b), the point spread function is a light beam for light emitted from a virtual point light source. Obtained by tracking.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の開口パターンの設計方法であって、前記c)工程にて求められる評価値が、一のカテゴリに属する複数の撮像対象を示す複数の画像のスペクトルから求められる代表スペクトルを用いて求められる。   A third aspect of the present invention is the opening pattern design method according to the first or second aspect, wherein the evaluation value obtained in step c) indicates a plurality of imaging targets belonging to one category. It is obtained using a representative spectrum obtained from the spectrum of the image.

請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の開口パターンの設計方法であって、周波数をξ、前記代表スペクトルをSξ、候補パターンに対応するPSFをフーリエ変換したものをKξ、ノイズレベルをσとして、前記候補パターンの前記評価値Rが、数1により求められる。 The invention according to claim 4 is the opening pattern design method according to claim 3, wherein the frequency is ξ, the representative spectrum is S ξ , and the PSF corresponding to the candidate pattern is subjected to Fourier transform, K ξ , With the noise level as σ, the evaluation value R of the candidate pattern is obtained by Equation 1.

請求項5に記載の発明は、画像の復元方法であって、請求項1ないし4のいずれかに記載の開口パターンの設計方法にて決定された開口パターンを有する開口絞りが設けられた前記撮像部により、前記点光源から出射される光と同じ波長または同じ波長帯の光が照射される撮像対象を撮像して画像を取得する工程と、前記開口パターンに対応する多階調の点広がり関数を用いて、前記画像から復元画像を取得する工程とを備える。   The invention according to claim 5 is an image restoration method, wherein the imaging is provided with an aperture stop having an aperture pattern determined by the aperture pattern design method according to any one of claims 1 to 4. Capturing an image of an imaging target irradiated with light having the same wavelength or the same wavelength band as the light emitted from the point light source, and a multi-tone point spread function corresponding to the opening pattern And a step of acquiring a restored image from the image.

請求項6に記載の発明は、画像復元装置であって、請求項1ないし4のいずれかに記載の開口パターンの設計方法にて決定された開口パターンを有する開口絞りが設けられた撮像部と、前記点光源から出射される光と同じ波長または同じ波長帯の光を撮像対象に照射する照明部と、前記撮像部により前記撮像対象を撮像して取得される画像から、前記開口パターンに対応する多階調の点広がり関数を用いて復元画像を取得する画像復元部とを備える。   An invention according to claim 6 is an image restoration apparatus, and an imaging unit provided with an aperture stop having an aperture pattern determined by the aperture pattern design method according to any one of claims 1 to 4; Corresponding to the aperture pattern from an illumination unit that irradiates the imaging target with light having the same wavelength or the same wavelength band as the light emitted from the point light source, and an image acquired by imaging the imaging target by the imaging unit An image restoration unit that obtains a restored image using a multi-gradation point spread function.

請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の画像復元装置であって、前記照明部が、光源として、レーザ、発光ダイオード、または、白色光源と狭帯域バンドパスフィルタとの組みあわせを含む。   A seventh aspect of the present invention is the image restoration device according to the sixth aspect, wherein the illumination unit uses a laser, a light emitting diode, or a combination of a white light source and a narrow bandpass filter as a light source. Including.

請求項8に記載の発明は、請求項6または7に記載の画像復元装置であって、アライメントマークである前記撮像対象の前記復元画像と、テンプレート画像とのパターンマッチングにより、前記撮像対象の基準位置からの位置ずれ量を求める位置ずれ量取得部をさらに備える。   The invention according to claim 8 is the image restoration device according to claim 6 or 7, wherein the reference of the imaging target is obtained by pattern matching between the restored image of the imaging target that is an alignment mark and a template image. A positional deviation amount obtaining unit for obtaining a positional deviation amount from the position is further provided.

本発明によれば、狭い波長帯の光にて撮像を行う場合であっても、良好な画像復元を実現することができる。   According to the present invention, good image restoration can be realized even when imaging is performed with light of a narrow wavelength band.

位置合わせ装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the alignment apparatus. コンピュータが実現する機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the function structure which a computer implement | achieves. 開口パターンの設計に係る処理の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the process which concerns on the design of an opening pattern. 開口パターン決定処理の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of an opening pattern determination process. 最適化パターンの例を示す図である。It is a figure which shows the example of an optimization pattern. 基板の位置合わせ処理の流れを示す図である。It is a figure which shows the flow of the alignment process of a board | substrate. アライメントマークを示す図である。It is a figure which shows an alignment mark. 開口パターンの例を示す図である。It is a figure which shows the example of an opening pattern. 多値画像であるPSFの例を示す図である。It is a figure which shows the example of PSF which is a multi-value image. 開口パターンとPSFのパワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the power spectrum of an opening pattern and PSF. ボケ画像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a blurred image. リンギングを有する復元画像を示す図である。It is a figure which shows the decompression | restoration image which has ringing. 白色光によるPSFを示す図である。It is a figure which shows PSF by white light. エアリーパターンを含むPSFを示す図である。It is a figure which shows PSF containing an Airy pattern. アライメントマークの検出位置の誤差を示す図である。It is a figure which shows the error of the detection position of an alignment mark. 合焦画像の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a focused image. 円形の開口絞りを介して取得されたボケ画像を示す図である。It is a figure which shows the blur image acquired via the circular aperture stop. 二値のPSFを用いて復元された画像を示す図である。It is a figure which shows the image decompress | restored using binary PSF. 先行技術による開口絞りを介して取得されたボケ画像を示す図である。It is a figure which shows the blur image acquired via the aperture stop by a prior art. 二値のPSFを用いて復元された画像を示す図である。It is a figure which shows the image decompress | restored using binary PSF. 本実施の形態に係る開口絞りを介して取得されたボケ画像を示す図である。It is a figure which shows the blur image acquired through the aperture stop concerning this Embodiment. 多階調のPSFを用いて復元された画像を示す図である。It is a figure which shows the image decompress | restored using multi-gradation PSF. 開口パターンの例を示す図である。It is a figure which shows the example of an opening pattern. 実際に取得されたPSFを示す図である。It is a figure which shows PSF actually acquired. 演算により求められたPSFを示す図である。It is a figure which shows PSF calculated | required by calculation. 図17.Aないし図17.Cのパワースペクトルを示す図である。FIG. A thru | or FIG. It is a figure which shows the power spectrum of C.

図1は本発明の一の実施の形態に係る位置合わせ装置1の構成を示す図である。位置合わせ装置1は、半導体基板やガラス基板等の基板9を基準位置に配置する装置である。位置合わせ装置1は、検査装置や描画装等に設けられ、基板9が基準位置に配置されることにより、検査装置におけるパターンの検査や、描画装置におけるパターンの描画等を精度よく行うことが実現される。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an alignment apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. The alignment apparatus 1 is an apparatus that arranges a substrate 9 such as a semiconductor substrate or a glass substrate at a reference position. The alignment device 1 is provided in an inspection device, a drawing device, and the like, and the substrate 9 is arranged at a reference position, thereby realizing a pattern inspection in the inspection device, a pattern drawing in the drawing device, and the like with high accuracy. Is done.

位置合わせ装置1は、基板9上に形成されたアライメントマークを撮像する撮像部2、撮像部2に対して基板9を移動する移動機構3、および、撮像部2からの画像データが入力されるコンピュータ4を備える。撮像部2は、照明光を出射する照明部21、基板9に照明光を導くとともに基板9からの光が入射する光学系22、および、光学系22により結像された基板9の像を電気信号に変換する撮像素子23(ラインセンサまたはエリアセンサ)を有する。照明部21は、光源として、レーザを含む。照明部21は、光源として、発光ダイオード、または、白色光源と狭帯域バンドパスフィルタとの組みあわせを含んでもよい。照明光の波長範囲は狭い。発光ダイオードと狭帯域バンドパスフィルタとの組合せが光源に利用されてもよい。   The alignment apparatus 1 receives an image pickup unit 2 that picks up an alignment mark formed on the substrate 9, a moving mechanism 3 that moves the substrate 9 relative to the image pickup unit 2, and image data from the image pickup unit 2. A computer 4 is provided. The imaging unit 2 electrically outputs an illumination unit 21 that emits illumination light, an optical system 22 that guides illumination light to the substrate 9 and receives light from the substrate 9, and an image of the substrate 9 formed by the optical system 22. It has an image sensor 23 (line sensor or area sensor) that converts it into a signal. The illumination unit 21 includes a laser as a light source. The illumination unit 21 may include a light emitting diode or a combination of a white light source and a narrow bandpass filter as a light source. The wavelength range of illumination light is narrow. A combination of a light emitting diode and a narrow bandpass filter may be used for the light source.

光学系22は、後述の開口パターンが形成された開口絞り221を有する。開口絞り221は「符号化絞り」とも呼ばれ、その開口パターンは「符号化開口」とも呼ばれる。移動機構3は、基板9を保持するステージ31、ステージ31を図1中のZ方向に平行な軸を中心として回動する回動機構32、ステージ31をY方向に移動するY方向移動機構33、並びに、ステージ31をX方向に移動するX方向移動機構34を有する。X方向、Y方向およびZ方向は互いに垂直である。   The optical system 22 has an aperture stop 221 in which an aperture pattern described later is formed. The aperture stop 221 is also referred to as a “coded aperture”, and the aperture pattern is also referred to as a “coded aperture”. The moving mechanism 3 includes a stage 31 that holds the substrate 9, a rotating mechanism 32 that rotates the stage 31 around an axis parallel to the Z direction in FIG. 1, and a Y direction moving mechanism 33 that moves the stage 31 in the Y direction. And an X-direction moving mechanism 34 for moving the stage 31 in the X direction. The X direction, the Y direction, and the Z direction are perpendicular to each other.

図2は、コンピュータ4が実現する機能構成を示すブロック図である。図2では、撮像部2および移動機構3も破線のブロックにて示している。コンピュータ4は、各種演算を行う演算部41、および、位置合わせ装置1の全体制御を担う制御部42を備える。演算部41は、後述の画像復元部411および位置ずれ量取得部412を有する。演算部41の機能は専用の電気回路により構築されてもよく、部分的に専用の電気回路が利用されてもよい。   FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration realized by the computer 4. In FIG. 2, the imaging unit 2 and the moving mechanism 3 are also indicated by broken-line blocks. The computer 4 includes a calculation unit 41 that performs various calculations and a control unit 42 that performs overall control of the alignment apparatus 1. The calculation unit 41 includes an image restoration unit 411 and a positional deviation amount acquisition unit 412 described later. The function of the calculation unit 41 may be constructed by a dedicated electric circuit, or a dedicated electric circuit may be partially used.

既述のように、位置合わせ装置1の撮像部2では、基板9における撮像対象に応じた形状の開口パターンを有する開口絞り221が予め設計および作製されて取り付けられる。また、後述する基板9の位置合わせ処理において利用される情報であるPSF(点広がり関数)も、当該開口パターンに対応して事前に取得される。以下、基板9の位置合わせ処理の事前準備として行われる、開口パターンの設計に係る処理、すなわち、開口パターンの設計および作製処理、並びに、点広がり関数の取得処理について、図3を参照して説明する。   As described above, in the imaging unit 2 of the alignment apparatus 1, the aperture stop 221 having an aperture pattern having a shape corresponding to the imaging target on the substrate 9 is designed and manufactured in advance. Further, PSF (point spread function) which is information used in the alignment process of the substrate 9 described later is also acquired in advance corresponding to the opening pattern. Hereinafter, the process related to the opening pattern design, that is, the opening pattern design and manufacturing process, and the point spread function acquisition process performed as a preliminary preparation for the alignment process of the substrate 9 will be described with reference to FIG. To do.

開口パターンの設計に係る処理では、まず、互いに形状が相違する複数種類のアライメントマークを示す複数の画像が準備される(ステップS11)。ここでは、複数種類のアライメントマークが形成された複数の基板(後述の位置合わせ処理における基板9と区別するため、以下、「参照基板」という。)が準備される。位置合わせ装置1において複数の参照基板におけるアライメントマークが撮像され、複数の画像(の信号)が取得される。   In the process related to the opening pattern design, first, a plurality of images showing a plurality of types of alignment marks having different shapes are prepared (step S11). Here, a plurality of substrates on which a plurality of types of alignment marks are formed (hereinafter referred to as “reference substrates” in order to be distinguished from a substrate 9 in an alignment process described later) are prepared. In the alignment apparatus 1, the alignment marks on the plurality of reference substrates are imaged, and a plurality of images (signals thereof) are acquired.

このとき、アライメントマークにフォーカスが合うように、撮像部2におけるフォーカス機能が調整される。また、撮像部2における開口絞り221の開口として、一般的な略円形の開口領域を有するものが用いられる。各アライメントマークは、互いに直交する方向に伸びる複数の線状部を含み、異方性を有する。複数の画像において、これらの線状部は、ほぼ同じ方向を向いている。なお、複数種類のアライメントマークを示す複数の画像は、他の撮像部にて取得されてもよい。また、ステージ31をZ方向に移動する機構を設けることにより、参照基板の表面にフォーカスが合わされてもよい。   At this time, the focus function in the imaging unit 2 is adjusted so that the alignment mark is focused. In addition, as the aperture of the aperture stop 221 in the imaging unit 2, an aperture having a general substantially circular aperture region is used. Each alignment mark includes a plurality of linear portions extending in directions orthogonal to each other and has anisotropy. In a plurality of images, these linear portions are oriented in substantially the same direction. Note that a plurality of images indicating a plurality of types of alignment marks may be acquired by other imaging units. Further, the surface of the reference substrate may be focused by providing a mechanism for moving the stage 31 in the Z direction.

複数の画像が準備されると、演算部41では、当該複数の画像のそれぞれをフーリエ変換することにより、当該画像中の各方向に関するパワースペクトルが取得される。これにより、各方向に関して、複数の画像における複数のパワースペクトルが取得される(ステップS12)。続いて、当該各方向に関して、各周波数における当該複数のパワースペクトルの値の代表値が求められる。ここで、代表値とは、各周波数における複数のパワースペクトルの値が分布する範囲の中央近傍を示す値であり、平均値や中央値等である。そして、各周波数における代表値にて表現されるスペクトルが、当該各方向の代表スペクトルとして取得される(ステップS13)。   When a plurality of images are prepared, the calculation unit 41 acquires a power spectrum for each direction in the image by performing a Fourier transform on each of the plurality of images. Thereby, a plurality of power spectra in a plurality of images are acquired for each direction (step S12). Subsequently, for each direction, a representative value of the values of the plurality of power spectra at each frequency is obtained. Here, the representative value is a value indicating the vicinity of the center of the range in which the values of a plurality of power spectra at each frequency are distributed, such as an average value or a median value. And the spectrum expressed by the representative value in each frequency is acquired as a representative spectrum in each direction (step S13).

代表スペクトルは、各方向に関して、複数の画像のパワースペクトルを代表するものとして捉えることができる。各方向の代表スペクトルは、ステップS11にて準備される複数の画像から複数のパワースペクトル画像を取得し、当該複数のパワースペクトル画像の互いに対応する画素の値の代表値を求めることにより取得されてよい。   The representative spectrum can be regarded as representing the power spectrum of a plurality of images in each direction. The representative spectrum in each direction is acquired by acquiring a plurality of power spectrum images from the plurality of images prepared in step S11 and obtaining representative values of pixel values corresponding to each other in the plurality of power spectrum images. Good.

また、位置合わせ装置1では、撮像部2の撮像素子23におけるノイズレベル(ここでは、ノイズの標準偏差)が測定される(ステップS14)。例えば、撮像部2の対物レンズに光を遮蔽する蓋を設けた状態にて撮像素子23における出力を取得することにより、ノイズレベルが測定される。撮像部2にて取得される画像(例えば、ステップS11の処理にて取得された画像)からノイズレベルが演算により求められてもよい。   Further, in the alignment apparatus 1, a noise level (here, standard deviation of noise) in the image pickup device 23 of the image pickup unit 2 is measured (step S14). For example, the noise level is measured by acquiring the output from the image sensor 23 in a state where the objective lens of the imaging unit 2 is provided with a lid that shields light. The noise level may be obtained by calculation from an image acquired by the imaging unit 2 (for example, an image acquired by the process of step S11).

続いて、撮像部2におけるノイズレベルおよび代表スペクトルを用いて、撮像部2にて利用される開口パターンが決定される(ステップS15)。本実施の形態における開口パターン決定処理では、非特許文献1の表1に記載される、遺伝的アルゴリズムを用いた手法が利用される。   Subsequently, an aperture pattern used in the imaging unit 2 is determined using the noise level and the representative spectrum in the imaging unit 2 (step S15). In the opening pattern determination process in the present embodiment, a method using a genetic algorithm described in Table 1 of Non-Patent Document 1 is used.

図4は、開口パターン決定処理の流れを示す図であり、図3のステップS15にて行われる処理を示す。ここでは、開口パターンの形状を、各要素に「1」または「0」を割り当てたN行N列の行列として捉える。「1」は開口領域に対応し、「0」は遮光領域に対応する。本実施の形態では、Nは13であるが、Nの値は様々に変更可能である。以下の説明では、当該行列を、長さ(N×N)の2進数列(以下、「シーケンス」という。)にて表現する。シーケンスと開口パターンとは実質的に同義である。   FIG. 4 is a diagram showing the flow of the opening pattern determination process, and shows the process performed in step S15 of FIG. Here, the shape of the opening pattern is regarded as a matrix of N rows and N columns in which “1” or “0” is assigned to each element. “1” corresponds to the opening region, and “0” corresponds to the light shielding region. In this embodiment, N is 13, but the value of N can be variously changed. In the following description, the matrix is represented by a binary sequence (hereinafter referred to as “sequence”) having a length (N × N). The sequence and the opening pattern are substantially synonymous.

開口パターン決定処理では、まず、シーケンスの(N×N)個の要素位置に「1」または「0」を不規則に割り当てることにより、互いに相違するR個のシーケンス(以下、「初期シーケンス」という。)が生成される(ステップS21)。次に、初期シーケンスが示す開口パターンを利用して仮に取得した場合のPSFを、光線追跡法等による演算により多階調の画像(以下、「多値画像」という。)として取得する(ステップS22)。すなわち、仮想的に、予め定められた位置に点光源が配置された場合に、開口パターンを介して撮像部2にて取得されるPSFを、多値画像として取得する。   In the opening pattern determination process, first, “1” or “0” is irregularly assigned to (N × N) element positions of a sequence, thereby making R sequences different from each other (hereinafter referred to as “initial sequence”). .) Is generated (step S21). Next, the PSF when provisionally obtained using the opening pattern indicated by the initial sequence is obtained as a multi-gradation image (hereinafter referred to as “multi-valued image”) by calculation using a ray tracing method or the like (step S22). ). That is, when a point light source is virtually arranged at a predetermined position, the PSF acquired by the imaging unit 2 via the opening pattern is acquired as a multi-value image.

例えば、光学設計ソフトウェアであるZEMAX(ZEMAX社、ワシントン州、米国)に、光の波長、レンズデータ(レンズの素材や径、レンズ間の距離等)、絞りの開口形状等を入力してPSFが求められる。もちろん、他のソフトウェア、例えば、codeV(synopsys社、カルフォルニア州、米国)が使用されてもよく、他のシミュレーション方式によりPSFが求められてもよい。   For example, the optical design software ZEMAX (ZEMAX, Washington, USA) can be used to input the light wavelength, lens data (lens material and diameter, distance between lenses, etc.), aperture shape of the aperture, etc. Desired. Of course, other software such as codeV (synopsys, California, USA) may be used, and the PSF may be obtained by other simulation methods.

続いて、各初期シーケンスが示す開口パターンを利用して、仮に画像を撮像した場合に、当該画像から復元される画像の復元精度(例えば、真の画像と復元される画像との差)を示す評価値が、各方向に対して求められる(ステップS23)。具体的には、周波数をξ、当該各方向の代表スペクトルをSξ、各初期シーケンスに対応するPSFを当該各方向に関してフーリエ変換したものをKξ、撮像部2のノイズレベルをσとして、当該初期シーケンスの当該各方向の評価値Rが、非特許文献1の式12に準じて数2を用いて求められる。 Subsequently, when an image is captured using the opening pattern indicated by each initial sequence, the restoration accuracy of the image restored from the image (for example, the difference between the true image and the restored image) is shown. An evaluation value is obtained for each direction (step S23). Specifically, the frequency is ξ, the representative spectrum in each direction is S ξ , the PSF corresponding to each initial sequence is Fourier transformed with respect to each direction, K ξ , and the noise level of the imaging unit 2 is σ. The evaluation value R in each direction of the initial sequence is obtained using Equation 2 according to Equation 12 of Non-Patent Document 1.

非特許文献1では、白色光で照明される自然画像を対象とするため、開口パターンとPSFとが一致するものとみなしている。そのため、開口パターンをフーリエ変換したものをKξとして用いて評価値の演算が行われる。しかし、本実施の形態では、PSFは多値画像であるものとして数2の演算を行い、評価値が求められる。 In Non-Patent Document 1, since an object is a natural image illuminated with white light, it is considered that the aperture pattern and the PSF match. Therefore, calculation of evaluation values with those of the opening pattern and the Fourier transform as K xi] is performed. However, in the present embodiment, the PSF is assumed to be a multi-valued image, the calculation of Equation 2 is performed, and the evaluation value is obtained.

その後、各初期シーケンスに対する複数の方向(正確には、演算対象となる全ての方向)の評価値の和がさらに求められ、R個の初期シーケンスのうち、1ないしM番目(ただし、Mは2以上かつRよりも小さい。)に評価値の和が小さいM個の初期シーケンスのそれぞれが、候補シーケンスとして選択される(ステップS24)。   Thereafter, a sum of evaluation values in a plurality of directions (more precisely, all directions to be calculated) for each initial sequence is further obtained, and 1st to Mth (where M is 2) among the R initial sequences. Each of the M initial sequences having a small sum of evaluation values is selected as a candidate sequence (step S24).

続いて、M個の候補シーケンスのうち、2つの候補シーケンスが不規則に選択されて複製され、2つの複製シーケンスが準備される(ステップS25)。所定の確率c1(例えば、0.2)でシーケンスにおける要素位置が選択され、当該2つの複製シーケンスにおける当該要素位置の値が交換されて、新たな2つのシーケンスが取得される。すなわち、2つの数列における同じ位置の値を交換する「交叉」が行われる(ステップS26)。また、当該2つのシーケンスのそれぞれにおいて、所定の確率c2(例えば、0.05)でシーケンスの要素位置が選択され、当該要素位置の値「1」が「0」に、または、「0」が「1」に反転される。すなわち、選択された要素位置の値を変化させる「突然変異」が行われる。生成された新たな2つの候補シーケンスは、上記M個の候補シーケンスに追加される(ステップS27)。上記ステップS25〜S27は、候補シーケンスの個数がRになるまで繰り返される(ステップS28)。   Subsequently, of the M candidate sequences, two candidate sequences are randomly selected and duplicated to prepare two duplicate sequences (step S25). Element positions in the sequence are selected with a predetermined probability c1 (for example, 0.2), and the values of the element positions in the two duplicate sequences are exchanged to obtain two new sequences. That is, “crossover” is performed to exchange values at the same position in two number sequences (step S26). In each of the two sequences, the element position of the sequence is selected with a predetermined probability c2 (for example, 0.05), and the value “1” of the element position is set to “0” or “0” is set. Inverted to “1”. That is, “mutation” is performed to change the value of the selected element position. The generated two new candidate sequences are added to the M candidate sequences (step S27). Steps S25 to S27 are repeated until the number of candidate sequences becomes R (step S28).

続いて、直前のステップS27にて取得されたR個の候補シーケンスをR個の初期シーケンスとして、上記ステップS22〜S28の処理が繰り返される(ステップS29)。すなわち、世代を更新して処理が繰り返される。ステップS29による処理の繰り返しは、直前のステップS27にて取得されたR個の候補シーケンスをR個の初期シーケンスとしつつ、予め定められた(G−1)回行われる。これにより、(R×G)個の候補シーケンス、すなわち、開口パターンの(R×G)個の候補パターンが準備される。   Subsequently, the processes in steps S22 to S28 are repeated with the R candidate sequences acquired in the immediately preceding step S27 as R initial sequences (step S29). In other words, the generation is updated and the process is repeated. The process in step S29 is repeated (G-1) times in advance, with the R candidate sequences acquired in the immediately preceding step S27 as R initial sequences. Thereby, (R × G) candidate sequences, that is, (R × G) candidate patterns of the opening pattern are prepared.

そして、ステップS23と同様に、(R×G)個の候補パターンのそれぞれの各方向に対する評価値Rが数2から求められる。ただし、評価値が既に求められている候補パターンについては、当該評価値が用いられてよい。各候補パターンに対して、全ての方向の評価値の和が最終的な評価値として求められ、最終的な評価値が最も低い1つの候補パターンが、撮像部2にて利用される開口パターンを示す最適化パターンとして決定される(ステップS30)。最終的な評価値は、全ての方向の評価値に基づく他の値、例えば、平均値、中央値、最大値、あるいは、最小値等であってもよい。ステップS24における候補シーケンスの選択においても同様である。   Then, as in step S23, the evaluation value R for each direction of the (R × G) candidate patterns is obtained from Equation 2. However, the evaluation value may be used for the candidate pattern for which the evaluation value has already been obtained. For each candidate pattern, the sum of evaluation values in all directions is obtained as a final evaluation value, and one candidate pattern with the lowest final evaluation value is an aperture pattern used in the imaging unit 2. It determines as an optimization pattern to show (step S30). The final evaluation value may be another value based on the evaluation values in all directions, for example, an average value, a median value, a maximum value, or a minimum value. The same applies to the selection of candidate sequences in step S24.

図5は、最適化パターンの一例である開口パターン8を示す図である。暗い四角は開口領域の要素81を示し、白色の四角は遮光領域の要素82を示す。開口パターンに従って、開口絞り221は作製される(ステップS16)。開口絞り221は、円形の開口領域を有する開口絞りに替えて撮像部2の光学系22に取り付けられる(ステップS17)。   FIG. 5 is a diagram illustrating an opening pattern 8 which is an example of an optimization pattern. The dark square indicates the element 81 in the opening area, and the white square indicates the element 82 in the light shielding area. The aperture stop 221 is produced according to the aperture pattern (step S16). The aperture stop 221 is attached to the optical system 22 of the imaging unit 2 in place of the aperture stop having a circular aperture region (step S17).

位置合わせ装置1では、撮像部2を用いて、点光源の多値画像がPSFとして取得される(ステップS18)。ここでは、撮像対象である点光源と、理想的な合焦位置との間の光軸上の距離をデフォーカス量として、複数のデフォーカス量のそれぞれにおいてPSFが取得される。PSFは、演算部41にて記憶される。複数のPSFは、光線追跡法等を利用して演算により求められてもよい。以上の処理により、基板9の位置合わせ処理の事前準備である、開口パターンの設計に係る処理が完了する。   In the alignment apparatus 1, a multivalued image of a point light source is acquired as a PSF using the imaging unit 2 (step S18). Here, the PSF is acquired for each of the plurality of defocus amounts, with the distance on the optical axis between the point light source that is the imaging target and the ideal in-focus position as the defocus amount. The PSF is stored in the calculation unit 41. The plurality of PSFs may be obtained by calculation using a ray tracing method or the like. With the above process, the process related to the opening pattern design, which is a preliminary preparation for the alignment process of the substrate 9, is completed.

上記処理における代表パワースペクトルの取得および開口パターンの決定は、コンピュータ4とは異なる他のコンピュータにより実行されてもよい。   The acquisition of the representative power spectrum and the determination of the aperture pattern in the above processing may be executed by another computer different from the computer 4.

図6は、位置合わせ装置1における基板9の位置合わせ処理の流れを示す図である。位置合わせ装置1では、まず、ステージ31上に載置された基板9が撮像部2により撮像され、画像(以下、「対象画像」という。)が取得される(ステップS41)。このとき、照明部21からは、PSFの取得の際に利用された波長帯と同じ波長帯の光が出射される。もちろん、この波長帯は、開口パターンの設計時に設定された波長帯と同じである。対象画像はコンピュータ4の演算部41に出力される。基板9上には、例えば、図7に示すアライメントマーク91が形成されており、撮像部2による基板9上の撮像領域には、撮像対象であるアライメントマーク91が含まれる。すなわち、ステップS41の処理では、図3のステップS11の処理にて準備された複数の画像と同一カテゴリの撮像対象を示す対象画像が取得される。   FIG. 6 is a diagram showing the flow of the alignment process for the substrate 9 in the alignment apparatus 1. In the alignment apparatus 1, first, the substrate 9 placed on the stage 31 is imaged by the imaging unit 2, and an image (hereinafter referred to as “target image”) is acquired (step S41). At this time, the illumination unit 21 emits light in the same wavelength band as the wavelength band used when acquiring the PSF. Of course, this wavelength band is the same as the wavelength band set when the aperture pattern was designed. The target image is output to the calculation unit 41 of the computer 4. For example, the alignment mark 91 shown in FIG. 7 is formed on the substrate 9, and the imaging region on the substrate 9 by the imaging unit 2 includes the alignment mark 91 that is an imaging target. That is, in the process of step S41, a target image indicating an imaging target of the same category as the plurality of images prepared in the process of step S11 of FIG. 3 is acquired.

画像復元部411では、例えば、対象画像のコントラストや、画素値のヒストグラムの広がり等に基づいて、対象画像がボケ画像であるか否かが判定される。そして、対象画像がボケ画像である場合に、ステップS18にて予め準備されたPSFを用いて、対象画像から復元画像が取得される(ステップS42)。復元画像の取得では、例えば、周知のウィナー逆畳込み(Wiener deconvolution)が利用される。ここでは、デフォーカス量およびノイズレベルのそれぞれを複数通りに変更しつつ複数の復元画像候補がウィナー逆畳込みにより取得され、複数の復元画像候補のうちコントラストが最大のものが、復元画像として決定される。すなわち、復元画像の取得と同時に、デフォーカス量およびノイズレベルが取得される。   The image restoration unit 411 determines whether or not the target image is a blurred image based on, for example, the contrast of the target image, the spread of the histogram of pixel values, and the like. When the target image is a blurred image, a restored image is acquired from the target image using the PSF prepared in advance in step S18 (step S42). In obtaining the restored image, for example, the well-known Wiener deconvolution is used. Here, a plurality of restored image candidates are acquired by Wiener deconvolution while changing each of the defocus amount and the noise level in a plurality of ways, and the one with the highest contrast among the plurality of restored image candidates is determined as the restored image. Is done. That is, the defocus amount and the noise level are acquired simultaneously with the acquisition of the restored image.

復元画像の取得において、ステップS14にて取得されたノイズレベルが用いられてもよい。また、位置合わせ装置1において、レーザ測長器が設けられ、レーザ測長器の測定結果から求められるデフォーカス量、すなわち、合焦位置からの距離を利用して復元画像が取得されてもよい。デフォーカス量は、画像処理等の他の方法により取得されてもよい。   In acquiring the restored image, the noise level acquired in step S14 may be used. Further, the alignment apparatus 1 may be provided with a laser length measuring device, and a restored image may be acquired using a defocus amount obtained from a measurement result of the laser length measuring device, that is, a distance from the in-focus position. . The defocus amount may be acquired by other methods such as image processing.

復元画像が取得されると、位置ずれ量取得部412において、アライメントマーク91を含む復元画像と、理想的なアライメントマークを示すテンプレート画像とのパターンマッチングにより、復元画像中のアライメントマーク91の位置が特定される。撮像部2による撮像領域と、位置合わせ装置1において予め定められた基準位置との位置関係、すなわち、撮像領域と基準位置との間のX方向およびY方向の距離は既知であるため、当該距離および復元画像中のアライメントマーク91の位置を利用して、基板9上のアライメントマーク91の基準位置からの位置ずれ量が求められる(ステップS43)。このとき、基板9上のアライメントマーク91の向きも特定される。   When the restored image is acquired, the position deviation amount acquisition unit 412 determines the position of the alignment mark 91 in the restored image by pattern matching between the restored image including the alignment mark 91 and the template image indicating the ideal alignment mark. Identified. Since the positional relationship between the imaging region by the imaging unit 2 and a reference position predetermined in the alignment apparatus 1, that is, the distance in the X direction and the Y direction between the imaging region and the reference position is known, the distance And the position shift amount from the reference position of the alignment mark 91 on the substrate 9 is obtained using the position of the alignment mark 91 in the restored image (step S43). At this time, the direction of the alignment mark 91 on the substrate 9 is also specified.

なお、アライメントマーク91の向きは、XY平面上の所定の基準方向に対する傾斜角であり、通常、基板9は、ある程度向きが調整され、かつ、位置決めされてステージ31上に載置されるため、当該傾斜角は微小である。   The orientation of the alignment mark 91 is an inclination angle with respect to a predetermined reference direction on the XY plane. Usually, the substrate 9 is adjusted to some extent and positioned and placed on the stage 31. The inclination angle is very small.

制御部42は、当該位置ずれ量およびアライメントマーク91の向きに基づいて移動機構3を制御することにより基板9が移動および回動し、アライメントマーク91が所定の向きにて基準位置に配置される(ステップS44)。これにより、基板9に対する各種処理を精度よく行うことが可能となる。   The control unit 42 controls the moving mechanism 3 based on the amount of misalignment and the orientation of the alignment mark 91, whereby the substrate 9 moves and rotates, and the alignment mark 91 is arranged at the reference position in a predetermined orientation. (Step S44). This makes it possible to perform various processes on the substrate 9 with high accuracy.

次に、PSFとして多値画像を利用する場合の効果について説明する。既述のように、従来、白色光の照明光を用いて取得された自然画像に対して画像復元の研究が行われてきた。この場合、PSFと開口パターンとは非常に類似し、二値の開口パターンをPSFとみなして演算を行うことができる。非特許文献1では、開口パターンの最適化を行う際に、開口領域を「1」、遮光領域を「0」とする行列とし、開口絞りを実装したときのPSFを、開口絞りの開口パターンと同一であると仮定し、評価値を求めている。   Next, the effect when using a multi-valued image as the PSF will be described. As described above, conventionally, research on image restoration has been performed on natural images acquired using white illumination light. In this case, the PSF and the opening pattern are very similar, and the calculation can be performed by regarding the binary opening pattern as the PSF. In Non-Patent Document 1, when the aperture pattern is optimized, the aperture area is set to “1” and the light shielding area is set to “0”, and the PSF when the aperture stop is mounted is defined as the aperture pattern of the aperture stop. Assume that they are the same, and obtain an evaluation value.

しかし、照明光の波長帯が狭い場合、PSFと開口パターンとは大きく相違する場合がある。このとき、PSFは二値画像とみなすことができない多値画像となる。例えば、図8.Aに示す二値の開口パターンを用いて狭帯域の光でPSFを取得すると、図8.Bに示す多値画像が取得される。図8.Bでは、点光源は、合焦位置から僅かにずれた位置に配置される。   However, when the wavelength band of the illumination light is narrow, the PSF and the aperture pattern may differ greatly. At this time, the PSF is a multi-valued image that cannot be regarded as a binary image. For example, FIG. When a PSF is acquired with narrow-band light using the binary aperture pattern shown in FIG. A multi-valued image shown in B is acquired. FIG. In B, the point light source is arranged at a position slightly shifted from the in-focus position.

図9は、図8.Aの画像のパワースペクトル51と、図8.Bの画像のパワースペクトル52とを示す図である。これらのスペクトルはY=0、すなわち、中心を通って左右に延びる直線上におけるものである。破線51にて示すように、開口パターンは、そのパワースペクトルが0に近い値を含まないように設計されるが、実線52にて示すように、実際のPSFでは、0に近い値が含まれる。その結果、逆畳み込み演算における誤差が大きくなり、復元画像にリンギングと呼ばれるノイズが現れる。図10.Aはボケ画像の例を示し、図10.Bは図10.Aから得られる復元画像を示す。復元画像では、黒い線の周囲にリンギングが現れる。リンギングは、狭い波長帯の照明光を利用する場合に顕著となる。   9 is similar to FIG. A power spectrum 51 of the image of A, FIG. It is a figure which shows the power spectrum 52 of the image of B. These spectra are Y = 0, that is, on a straight line extending left and right through the center. As shown by the broken line 51, the aperture pattern is designed so that its power spectrum does not include a value close to 0. However, as shown by the solid line 52, the actual PSF includes a value close to 0. . As a result, an error in the deconvolution operation increases, and noise called ringing appears in the restored image. FIG. A shows an example of a blurred image, and FIG. B is FIG. A restored image obtained from A is shown. In the restored image, ringing appears around the black line. Ringing becomes noticeable when illumination light with a narrow wavelength band is used.

図11.Aおよび図11.Bは、狭い波長帯の光の場合に、PSFを二値画像として表現すべきではない他の例を示す図である。図11.Aは、円形の開口絞りを用いて白色点光源を撮像して得られるPSFを示す図である。図11.Bは、円形の開口絞りを用いて、波長(620±10)nmの狭い波長帯の点光源を撮像して得られるPSFを示す図である。白色光源の場合、ムラの少ないPSFが得られるが、狭い範囲の波長の光の場合、回折の影響により、PSFにエアリーパターンと呼ばれる縞模様が現れる。ステップS22にて求められるPSFには、このようなエアリーパターンが現れ、二値画像では表現できないPSFとなる。換言すれば、多階調のPSFは、回折の影響を考慮したPSFである。なお、多階調のPSFには、回折の影響以外のレンズ等の光学素子の影響も反映させることも可能である。   FIG. A and FIG. B is a diagram showing another example in which PSF should not be expressed as a binary image in the case of light in a narrow wavelength band. FIG. A is a diagram showing a PSF obtained by imaging a white point light source using a circular aperture stop. FIG. B is a diagram showing a PSF obtained by imaging a point light source in a narrow wavelength band with a wavelength (620 ± 10) nm using a circular aperture stop. In the case of a white light source, a PSF with little unevenness is obtained, but in the case of light with a narrow wavelength range, a striped pattern called an Airy pattern appears in the PSF due to the influence of diffraction. Such an Airy pattern appears in the PSF obtained in step S22, and becomes a PSF that cannot be expressed by a binary image. In other words, the multi-gradation PSF is a PSF in consideration of the influence of diffraction. Note that the multi-tone PSF can also reflect the influence of an optical element such as a lens other than the influence of diffraction.

狭い波長帯の光は、レンズの性能を発揮させるために産業用の撮像装置にて多く用いられており、多階調のPSFは、産業用の装置において特に適している。近年、半導体回路を含むデバイスの製造装置では、パターンが極めて微細化しており、撮像部の被写界深度が狭くなっている。そのため、極めて高い精度の位置決めが求められる装置において多階調PSFの画像復元への利用は適している。   Light in a narrow wavelength band is often used in industrial imaging devices in order to exhibit lens performance, and multi-tone PSFs are particularly suitable for industrial devices. In recent years, in a device manufacturing apparatus including a semiconductor circuit, a pattern is extremely fine, and a depth of field of an imaging unit is narrowed. Therefore, it is suitable for use in multi-tone PSF image restoration in an apparatus that requires extremely high precision positioning.

また、回路基板に凹凸が存在する場合、検査対象はある程度の奥行きを有し、被写界深度不足が懸念される。この場合、撮像部を検査対象に向かう方向へと移動して複数回撮像を行うか、合焦位置までの距離が異なる複数の撮像部にて撮像を行う必要がある。しかし、上記実施の形態では、画像復元により仮想的に被写界深度を拡大することができるため、1つの撮像部2にて1回撮像するのみで、リンギングを低減した適切な画像を取得することができる。   When the circuit board is uneven, the inspection target has a certain depth, and there is a concern that the depth of field is insufficient. In this case, it is necessary to move the imaging unit in the direction toward the inspection object and perform imaging a plurality of times, or to perform imaging with a plurality of imaging units having different distances to the in-focus position. However, in the above embodiment, since the depth of field can be virtually expanded by image restoration, an appropriate image with reduced ringing can be acquired only by imaging once with one imaging unit 2. be able to.

符号化開口を利用する技術は、ハードウェアとしては撮像部の瞳の位置(すなわち、開口位置)に設計された開口絞り221を挿入するだけであるため、様々な装置に容易に導入することができる。   Since the technology using the coded aperture simply inserts the aperture stop 221 designed at the position of the pupil of the imaging unit (that is, the aperture position) as hardware, it can be easily introduced into various devices. it can.

次に、本実施の形態の手法による画像復元の効果を示す実験例について説明する。まず、本実施の形態の手法により、開口パターンを設計した。このとき、合焦位置からデフォーカス量(+100)μmだけずれた位置、すなわち、撮像部から合焦位置よりも100μm離れた位置に点光源が存在する場合のPSFを用いた。また、デフォーカス量(−300)μmから(+300)μmまで100μmピッチにて、設計された開口パターンに対応するPSFを演算により求めた。非特許文献1に関しても、開口パターンの設計および複数のPSFの算出を行い、円形開口の場合における複数のPSFの取得も行った。   Next, an experimental example showing the effect of image restoration by the method of the present embodiment will be described. First, an opening pattern was designed by the method of the present embodiment. At this time, the PSF in the case where the point light source exists at a position shifted from the in-focus position by a defocus amount (+100) μm, that is, at a position 100 μm away from the in-focus position from the imaging unit was used. Further, PSF corresponding to the designed opening pattern was obtained by calculation at a pitch of 100 μm from the defocus amount (−300) μm to (+300) μm. Regarding Non-Patent Document 1, an aperture pattern was designed and a plurality of PSFs were calculated, and a plurality of PSFs were obtained in the case of a circular aperture.

円形の開口絞り、非特許文献1の手法による開口絞り、本実施の形態に係る開口絞りを順に撮像部2に取り付け、デフォーカス量(−300)μmから(+300)μmまで100μmピッチにて、アライメントマークを撮像した。得られた画像を、対応するPSFを用いて復元した。ここでは、デフォーカス量は既知であるものとしている。復元画像からアライメントマークの検出位置の誤差、すなわち、真値からのユークリッド距離を評価した。   A circular aperture stop, an aperture stop according to the method of Non-Patent Document 1, and an aperture stop according to the present embodiment are attached to the imaging unit 2 in order, and the defocus amount (−300) μm to (+300) μm at a pitch of 100 μm, The alignment mark was imaged. The obtained image was restored using the corresponding PSF. Here, it is assumed that the defocus amount is known. The error of the detection position of the alignment mark from the restored image, that is, the Euclidean distance from the true value was evaluated.

図12は、評価結果を示す図である。白い菱形は円形の開口絞りに対応し、白い正方形は非特許文献1の開口絞りに対応し、黒い丸は本実施の形態の手法の開口絞りに対応する。デフォーカス量(+300)μmの場合を除き、本実施の形態の手法により、他の手法よりも高い精度にて位置が検出されることが判る。また、本実施の形態の手法により、0.5画素以下の検出位置の誤差が実現される。   FIG. 12 is a diagram showing the evaluation results. The white diamond corresponds to a circular aperture stop, the white square corresponds to the aperture stop of Non-Patent Document 1, and the black circle corresponds to the aperture stop of the method of the present embodiment. Except for the case of the defocus amount (+300) μm, it can be seen that the position of the present embodiment can be detected with higher accuracy than the other methods. Further, the detection position error of 0.5 pixels or less is realized by the method of the present embodiment.

図13は、評価に用いたアライメントマークの合焦画像を示す図である。図14.Aは、円形の開口絞りを介して取得された、デフォーカス量(+300)μmでのボケ画像、すなわち、非合焦画像を示す図である。図14.Bは、PSFを二値の円形とみなして図14.Aの画像を復元した画像を示す図である。図15.Aは、非特許文献1の手法にて得られた開口パターンを介して得られた、デフォーカス量(+300)μmでのボケ画像を示す図である。図15.Bは、PSFを二値の開口パターンと同一であるとみなして復元された画像を示す図である。図16.Aは、本実施の形態の手法にて得られた開口パターンを介して得られた、デフォーカス量(+300)μmでのボケ画像を示す図である。図16.Bは、多値画像であるPSFを用いて復元された画像を示す図である。図14.B、図15.Bおよび図16.Bに示すように、図16.Bにおいて最もエッジがはっきりと現れ、リンギングも少なく、画質がよいことが判る。   FIG. 13 is a view showing a focused image of the alignment mark used for the evaluation. FIG. A is a view showing a blurred image with a defocus amount (+300) μm, that is, an out-of-focus image, acquired through a circular aperture stop. FIG. B considers the PSF as a binary circle and FIG. It is a figure which shows the image which restored the image of A. FIG. FIG. A is a diagram showing a blurred image with a defocus amount (+300) μm obtained through an aperture pattern obtained by the method of Non-Patent Document 1. FIG. FIG. B is a diagram illustrating an image restored by regarding PSF as being identical to a binary opening pattern. FIG. A is a diagram showing a blurred image with a defocus amount (+300) μm obtained through the opening pattern obtained by the method of the present embodiment. FIG. B is a diagram illustrating an image restored using PSF, which is a multi-valued image. FIG. B, FIG. B and FIG. As shown in FIG. It can be seen that the edge appears most clearly in B, ringing is small, and the image quality is good.

図17.Aは、上記評価実験における、本実施の形態の手法により設計された開口パターンを示す図であり、図5と同様である。図17.Bは、デフォーカス量(+100)μmの位置に点光源を実際に配置して取得されたPSFを示す図である。図17.Cは、演算により求められたPSFを示す図である。図17.Bおよび図17.Cに示すように、実際のPSFと演算によりシミュレートレされたPSFとは類似している。   FIG. A is a figure which shows the opening pattern designed by the method of this Embodiment in the said evaluation experiment, and is the same as that of FIG. FIG. B is a diagram showing a PSF obtained by actually placing a point light source at a position of a defocus amount (+100) μm. FIG. C is a diagram showing a PSF obtained by calculation. FIG. B and FIG. As shown in C, the actual PSF and the PSF simulated by computation are similar.

図18は、図17.Aないし図17.Cに示す画像のY=0、すなわち、中心を通って左右に延びる直線上におけるパワースペクトルを示す図である。破線53は図17.Aに対応し、実線54は図17.Bに対応し、実線55は図17.Cに対応する。図18においても、演算により多値画像として求められたPSFのスペクトルは、開口パターンのスペクトルよりも実際のPSFのスペクトルに近い。また、図9に例示した場合と異なり、実際のPSFおよび多値画像のPSFのスペクトルは、0に近い値を含まない。   18 is similar to FIG. A thru | or FIG. It is a figure which shows the power spectrum on the straight line extended to Y = 0 of the image shown to C, ie, right and left through a center. The broken line 53 is shown in FIG. A solid line 54 corresponds to FIG. Corresponding to B, the solid line 55 is shown in FIG. Corresponds to C. Also in FIG. 18, the PSF spectrum obtained as a multivalued image by calculation is closer to the actual PSF spectrum than the aperture pattern spectrum. Unlike the case illustrated in FIG. 9, the spectrum of the actual PSF and the PSF of the multi-value image does not include a value close to 0.

以上のように、本実施の形態に係る画像復元により、光源からの光の波長帯が狭い場合であっても、良好な画像復元を実現することができる。   As described above, the image restoration according to the present embodiment can realize a good image restoration even when the wavelength band of light from the light source is narrow.

上記開口パターンの設計では、複数のアライメントマークをそれぞれ示す複数の画像が準備され、各方向に関して、当該複数の画像における複数のパワースペクトルが求められる。そして、複数のパワースペクトルから代表スペクトルが取得される。また、複数の候補パターンが準備され、各候補パターンを利用して撮像される画像の復元精度を示す評価値が、撮像部2におけるノイズレベルおよび代表スペクトルを用いて当該各方向に対して求められる。その後、各候補パターンに対して複数の方向の評価値から最終的な評価値を求めることにより、複数の候補パターンから撮像部2にて利用される開口パターンが決定される。   In the design of the opening pattern, a plurality of images each indicating a plurality of alignment marks are prepared, and a plurality of power spectra in the plurality of images are obtained for each direction. Then, the representative spectrum is acquired from the plurality of power spectra. A plurality of candidate patterns are prepared, and an evaluation value indicating the restoration accuracy of an image captured using each candidate pattern is obtained for each direction using the noise level and the representative spectrum in the imaging unit 2. . Thereafter, by obtaining final evaluation values from evaluation values in a plurality of directions for each candidate pattern, an opening pattern used in the imaging unit 2 is determined from the plurality of candidate patterns.

これにより、アライメントマークに特化した開口パターンを決定することができる。その結果、当該開口パターン221が撮像部2に設けられた位置合わせ装置1が、画像復元装置として画像を精度よく復元することができ、基板9上のアライメントマーク91を基準位置に精度よく配置することが可能となる。   Thereby, an opening pattern specialized for the alignment mark can be determined. As a result, the alignment device 1 in which the opening pattern 221 is provided in the imaging unit 2 can accurately restore an image as an image restoration device, and the alignment mark 91 on the substrate 9 is accurately arranged at the reference position. It becomes possible.

また、開口パターンの設計において、撮像部2の撮像素子23に対して測定されたノイズレベルを用いて評価値を求めることにより、開口パターンをより適切に決定することが可能となる。   In designing the aperture pattern, the aperture pattern can be determined more appropriately by obtaining the evaluation value using the noise level measured for the image sensor 23 of the imaging unit 2.

上記開口パターンの設計における撮像対象は、アライメントマーク以外であってもよく、撮像対象が形成される対象物も基板以外であってよい。他のカテゴリの撮像対象の場合、図3の開口パターンの設計に係る処理では、ステップS11において当該他のカテゴリの複数の画像が準備される。他の処理は、上記と同様であり、これにより、当該他のカテゴリに特化した開口パターンを決定することができる。以上のように、開口パターンの設計に係る処理では、ステップS11において同一カテゴリに属する複数の撮像対象をそれぞれ示す複数の画像を準備することにより、当該カテゴリに応じた適切な開口パターンを決定することができる。その結果、撮像部2および画像復元部411を含む画像復元装置において、当該カテゴリに属する撮像対象を撮像した画像から復元画像を精度よく取得することができる。   The imaging target in the opening pattern design may be other than the alignment mark, and the target on which the imaging target is formed may be other than the substrate. In the case of an imaging target of another category, in the process relating to the design of the opening pattern in FIG. 3, a plurality of images of the other category are prepared in step S11. The other processes are the same as described above, and thereby, an opening pattern specialized for the other category can be determined. As described above, in the process related to the design of the opening pattern, by preparing a plurality of images respectively indicating a plurality of imaging objects belonging to the same category in step S11, determining an appropriate opening pattern according to the category. Can do. As a result, in the image restoration apparatus including the imaging unit 2 and the image restoration unit 411, a restored image can be accurately acquired from an image obtained by imaging an imaging target belonging to the category.

もちろん、カテゴリが特定されない撮像対象に対して、多階調のPSFを利用する上記画像復元が用いられてもよい。   Of course, the above-described image restoration using a multi-tone PSF may be used for an imaging target whose category is not specified.

上記画像復元は、狭い波長帯の照明光が利用される産業用の装置に適している。そのため、多くの場合、撮像対象は人工的なものであり、対象となる画像は、明領域と暗領域とが存在する実質的に二値のパターンを示す。   The image restoration is suitable for industrial devices that use illumination light in a narrow wavelength band. Therefore, in many cases, the imaging target is an artificial object, and the target image shows a substantially binary pattern in which a bright region and a dark region exist.

上記実施の形態では、点光源や照明部21から出射される光の波長は、単波長とみなすことができるほど波長の範囲が狭くてもよい。波長の範囲は、PSFにエアリーパターンが現れるほど狭く、半値幅は、好ましくは40nm以下、さらに好ましくは20nm以下である。エアリーパターンは、その存在が認識できる程度であればよく、明瞭に現れる必要はない。   In the above embodiment, the wavelength range of the light emitted from the point light source or the illumination unit 21 may be so narrow that it can be regarded as a single wavelength. The wavelength range is so narrow that an Airy pattern appears in the PSF, and the half width is preferably 40 nm or less, more preferably 20 nm or less. The Airy pattern only needs to be recognized so that it does not need to appear clearly.

上記実施の形態では、1つのデフォーカス量に対応する開口パターンを有する開口絞り221が、他のデフォーカス量にて得られたボケ画像の復元にも利用される。この場合、開口パターンを決定する際に点光源が配置されると想定された予め定められた位置に撮像対象は位置するとは限らない。位置合わせ装置1では、当該予め定められた位置またはその近傍に撮像対象が配置される。   In the above embodiment, the aperture stop 221 having an aperture pattern corresponding to one defocus amount is also used for restoring a blurred image obtained with another defocus amount. In this case, the imaging target is not necessarily located at a predetermined position where it is assumed that the point light source is arranged when the opening pattern is determined. In the alignment apparatus 1, the imaging target is arranged at the predetermined position or in the vicinity thereof.

一方、デフォーカス量毎に開口パターンを準備されてもよい。この場合、複数の開口絞り221が切り替えられてもよく、液晶アレイである可変開口絞りが撮像部2に設けられてもよい。複数の開口パターンが利用される場合、撮像の際にデフォーカス量が取得されてもよい。デフォーカス量は測定されてもよく、取得画像から推定されてもよく、複数の画像復元結果から求められてもよい。   On the other hand, an opening pattern may be prepared for each defocus amount. In this case, a plurality of aperture stops 221 may be switched, and a variable aperture stop that is a liquid crystal array may be provided in the imaging unit 2. When a plurality of opening patterns are used, the defocus amount may be acquired at the time of imaging. The defocus amount may be measured, estimated from the acquired image, or obtained from a plurality of image restoration results.

数2を適宜修正した式、あるいは、数2とは異なる式を用いて、各候補パターンに対する評価値が求められてもよい。代表スペクトルは、一のカテゴリに属する撮像対象を示す1つの画像から取得されてもよく、この場合、当該1つの画像における各方向のパワースペクトルが代表スペクトルとして取得される。上記評価値の算出では、全ての方向における代表スペクトルを求めているが、一部の方向における代表スペクトルだけが評価値の算出に利用されてもよい。   The evaluation value for each candidate pattern may be obtained by using an expression obtained by appropriately correcting Expression 2 or an expression different from Expression 2. The representative spectrum may be acquired from one image indicating the imaging target belonging to one category. In this case, the power spectrum in each direction in the one image is acquired as the representative spectrum. In the calculation of the evaluation value, representative spectra in all directions are obtained, but only representative spectra in some directions may be used for calculation of evaluation values.

評価値としてさらに他のものが利用されてもよい。例えば、PSFのパワースペクトルの最小値が評価値として用いられてもよい。この場合、最小値が大きいほど、高い評価となる。一般的に表現すれば、予め定められた位置に撮像対象を配置した場合に得られるボケ画像を、ステップS22にて得られた複数の点広がり関数のそれぞれを用いて復元する際の精度を示すものであれば、様々な評価値が利用可能である。   Other evaluation values may be used. For example, the minimum value of the power spectrum of PSF may be used as the evaluation value. In this case, the higher the minimum value, the higher the evaluation. In general terms, this indicates accuracy when a blurred image obtained when an imaging target is placed at a predetermined position using each of the plurality of point spread functions obtained in step S22. If it is a thing, various evaluation values can be used.

評価値に基づいて複数の候補パターンから1つの開口パターンが選択されるのであれば、その手法として様々なものが採用されてよい。上記実施の形態では、候補パターンの選択と評価値の算出とが実質的に同時に行われるが、例えば、単純にランダムに多数の候補パターンを作成し、各候補パターンの評価値を求め、評価値に基づいて1つの候補パターンが選択されてもよい。   As long as one opening pattern is selected from a plurality of candidate patterns based on the evaluation value, various methods may be employed. In the above embodiment, selection of candidate patterns and calculation of evaluation values are performed substantially simultaneously. For example, a large number of candidate patterns are simply created at random, and evaluation values for each candidate pattern are obtained. One candidate pattern may be selected based on.

上記実施の形態では、候補パターンに対応するPSFを演算により効率よく求めているが、候補パターンを有する多数の開口絞り221を実際に作成し、点光源を用いてPSFが取得されてもよい。符号化開口を有する開口絞り221は、紙や金属板等から切り出されてもよく、液晶シャッタが絞りとして用いられてもよい。   In the above embodiment, the PSF corresponding to the candidate pattern is efficiently obtained by calculation. However, a large number of aperture stops 221 having the candidate pattern may be actually created, and the PSF may be acquired using a point light source. The aperture stop 221 having a coded opening may be cut out from paper, a metal plate, or the like, and a liquid crystal shutter may be used as the stop.

上記実施の形態では、アライメントマークは基板からの反射光を利用して撮像されるが、ガラス基板等の場合、基板からの透過光を利用してアライメントマークの撮像が行われてもよい。上記位置合わせ装置1は、検査装置や描画装置以外の様々な装置に利用可能である。例えば、高精度な印刷装置にも利用可能である。また、撮像部2および画像復元部411を有する画像復元装置は、位置合わせ装置1以外に、画像の取得を行う他の装置(例えば、検査装置)に設けられてよい。   In the above embodiment, the alignment mark is imaged using reflected light from the substrate. However, in the case of a glass substrate or the like, the alignment mark may be imaged using transmitted light from the substrate. The alignment apparatus 1 can be used for various apparatuses other than the inspection apparatus and the drawing apparatus. For example, it can be used for a high-precision printing apparatus. Further, the image restoration apparatus including the imaging unit 2 and the image restoration unit 411 may be provided in another apparatus (for example, an inspection apparatus) that acquires an image in addition to the alignment apparatus 1.

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。   The configurations in the above-described embodiments and modifications may be combined as appropriate as long as they do not contradict each other.

1 位置合わせ装置(画像復元装置)
2 撮像部
21 照明部
91 アライメントマーク(撮像対象)
221 開口絞り
411 画像復元部
412 位置ずれ量取得部
S11〜S18,S21〜S30,S41〜S44 ステップ
1 Positioning device (image restoration device)
2 Imaging unit 21 Illumination unit 91 Alignment mark (imaging target)
221 Aperture stop 411 Image restoration unit 412 Position shift amount acquisition unit S11 to S18, S21 to S30, S41 to S44 Steps

Claims (8)

画像復元装置の撮像部にて利用される開口パターンの設計方法であって、
a)開口パターンである複数の候補パターンを準備する工程と、
b)予め定められた位置に点光源が配置された場合に、前記複数の候補パターンのそれぞれを介して前記撮像部にて取得され、かつ、エアリーパターンが現れる点広がり関数を、多階調の画像として取得する工程と、
c)前記予め定められた位置に撮像対象を配置した場合に得られるボケ画像を、前記b)工程にて得られた複数の点広がり関数のそれぞれを用いて復元する際の精度を示す評価値を取得する工程と、
d)前記c)工程にて得られた複数の評価値に基づいて、前記複数の候補パターンの1つを選択する工程と、
を備えることを特徴とする開口パターンの設計方法。
A method of designing an aperture pattern used in an imaging unit of an image restoration device,
a) preparing a plurality of candidate patterns which are opening patterns;
b) When a point light source is arranged at a predetermined position, a point spread function that is acquired by the imaging unit via each of the plurality of candidate patterns and in which an Airy pattern appears is expressed as a multi-tone Acquiring as an image;
c) Evaluation value indicating accuracy when a blurred image obtained when the imaging target is placed at the predetermined position is restored using each of the plurality of point spread functions obtained in the step b). A process of obtaining
d) selecting one of the plurality of candidate patterns based on the plurality of evaluation values obtained in the step c);
A method for designing an opening pattern, comprising:
請求項1に記載の開口パターンの設計方法であって、
前記b)工程において、前記点広がり関数が、仮想的な点光源から出射される光に対して光線追跡を行うことにより取得されることを特徴とする開口パターンの設計方法。
A method for designing an opening pattern according to claim 1,
In the step b), the point spread function is acquired by performing ray tracing on light emitted from a virtual point light source.
請求項1または2に記載の開口パターンの設計方法であって、
前記c)工程にて求められる評価値が、一のカテゴリに属する複数の撮像対象を示す複数の画像のスペクトルから求められる代表スペクトルを用いて求められることを特徴とする開口パターンの設計方法。
An opening pattern design method according to claim 1 or 2,
A method for designing an aperture pattern, wherein the evaluation value obtained in the step c) is obtained using a representative spectrum obtained from a spectrum of a plurality of images indicating a plurality of imaging objects belonging to one category.
請求項3に記載の開口パターンの設計方法であって、
周波数をξ、前記代表スペクトルをSξ、候補パターンに対応するPSFをフーリエ変換したものをKξ、ノイズレベルをσとして、前記候補パターンの前記評価値Rが、
により求められることを特徴とする開口パターンの設計方法。
A method for designing an opening pattern according to claim 3,
When the frequency is ξ, the representative spectrum is S ξ , the Fourier transform of the PSF corresponding to the candidate pattern is K ξ , and the noise level is σ, the evaluation value R of the candidate pattern is
A method for designing an opening pattern, characterized in that
画像の復元方法であって、
請求項1ないし4のいずれかに記載の開口パターンの設計方法にて決定された開口パターンを有する開口絞りが設けられた前記撮像部により、前記点光源から出射される光と同じ波長または同じ波長帯の光が照射される撮像対象を撮像して画像を取得する工程と、
前記開口パターンに対応する多階調の点広がり関数を用いて、前記画像から復元画像を取得する工程と、
を備えることを特徴とする画像の復元方法。
An image restoration method,
The same wavelength as the light emitted from the point light source or the same wavelength by the imaging unit provided with an aperture stop having an aperture pattern determined by the aperture pattern design method according to claim 1. Capturing an image of an imaging target irradiated with a band of light, and obtaining an image;
Using the multi-tone point spread function corresponding to the opening pattern to obtain a restored image from the image;
An image restoration method comprising:
画像復元装置であって、
請求項1ないし4のいずれかに記載の開口パターンの設計方法にて決定された開口パターンを有する開口絞りが設けられた撮像部と、
前記点光源から出射される光と同じ波長または同じ波長帯の光を撮像対象に照射する照明部と、
前記撮像部により前記撮像対象を撮像して取得される画像から、前記開口パターンに対応する多階調の点広がり関数を用いて復元画像を取得する画像復元部と、
を備えることを特徴とする画像復元装置。
An image restoration device,
An imaging unit provided with an aperture stop having an aperture pattern determined by the aperture pattern design method according to any one of claims 1 to 4,
An illumination unit that irradiates the imaging target with light having the same wavelength as the light emitted from the point light source
An image restoration unit that obtains a restored image using a multi-tone point spread function corresponding to the aperture pattern from an image obtained by imaging the imaging target by the imaging unit;
An image restoration apparatus comprising:
請求項6に記載の画像復元装置であって、
前記照明部が、光源として、レーザ、発光ダイオード、または、白色光源と狭帯域バンドパスフィルタとの組みあわせを含むことを特徴とする画像復元装置。
The image restoration device according to claim 6,
The image restoration device, wherein the illumination unit includes a laser, a light emitting diode, or a combination of a white light source and a narrow band-pass filter as a light source.
請求項6または7に記載の画像復元装置であって、
アライメントマークである前記撮像対象の前記復元画像と、テンプレート画像とのパターンマッチングにより、前記撮像対象の基準位置からの位置ずれ量を求める位置ずれ量取得部をさらに備えることを特徴とする画像復元装置。
The image restoration device according to claim 6 or 7,
An image restoration apparatus, further comprising: a positional deviation amount acquisition unit that obtains a positional deviation amount from a reference position of the imaging target by pattern matching between the restored image of the imaging target that is an alignment mark and a template image. .
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