JP6941978B2 - 位置合せ方法、位置合せ装置および検査装置 - Google Patents

Description

この発明は、回転対称な外形を有する主面に対して刻印やノッチなどの特定部位が設けられた、ワークを撮像して得られる検査画像を予め取得された参照画像と位置合させる位置合せ技術、ならびに当該位置合せ技術を利用して上記ワークを検査する検査装置に関するものである。なお、「回転対称な外形」とは、円形やｎ回対称以外に、半導体ウエハ等のようにノッチなどの特定部位を有するものの特定部位はワーク全体よりも十分に小さく実質的に円形やｎ回対称であるものを含んでいる。

産業部品などの検査対象（以下「ワーク」という）に傷などの欠陥が無いかどうかを検査するために、ワークを撮像して得られる検査画像を、欠陥が含まれていないワークを撮像して取得しておいた参照画像と比較し、その差異から各種欠陥の検査を行う検査技術が従来より提案されている。この検査手法を採用する場合、位置ズレによる誤検出を防ぐために、検査画像と参照画像との位置合せを精度良く行う必要がある。

そこで、例えば特許文献１に記載の位置合せ技術を利用することが検討されている。この装置では、ワークの検査画像と参照画像をそれぞれ複数領域に分割し、該分割された領域毎における検査画像と参照画像との間で位置ずれ情報を算出する。そして、これら複数の位置ずれ情報のうち、信頼性の高い複数個、もしくは１つの位置ずれ情報のみを用いて画像全体にわたって検査画像と参照画像との位置ずれ量を決定し、これに基づいて位置合せを行っている。

特許第４１０１４８９号

しかしながら、上記従来装置では、回転対称な外形を有する主面に対してロット管理用刻印やノッチなどの特定部位が設けられたワーク、特に主面の面積に対して特定部位が十分に小さい場合には、うまく位置合せができない場合がある。つまり、特定部位により位置ズレ量を算出できれば位置合せを良好に行うことができるが、逆に特定部位以外の部位で位置ズレ量を算出してしまうと、位置合せを良好に行うことができなくなる。このように従来技術では、位置合せの精度が低かった。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、回転対称な外形を有する主面に特定部位が設けられたワークを高精度に位置合せすることができる技術を提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、回転対称な外形を有する主面に特定部位が設けられた、ワークを撮像して得られる検査画像を予め取得された参照画像と位置合させる位置合せ方法であって、検査画像の回転対称の中心を参照画像の回転対称の中心と一致させる第１位置合せ処理を行う第１工程と、第１位置合せ処理を受けた検査画像を回転対称の中心まわりに回転させて検査画像に含まれる特定部位の像を参照画像に含まれる特定部位の像に一致させるのに必要な回転角を求める第２工程と、第１位置合せ処理を受けた検査画像を回転角だけ回転対称の中心まわりに回転させて特定部位の像同士を一致させる第２位置合せ処理を行う第３工程とを備え、第２工程は、第１位置合せ処理を受けた検査画像における特定部位の像の中心位置を検査側中心位置として求める工程と、参照画像における特定部位の像の中心位置を参照側中心位置として求める工程と、検査側中心位置および参照側中心位置に基づいて回転角を求める工程とを有することを特徴としている。

また、本発明の第２態様は、位置合せ装置であって、回転対称な外形を有する主面に特定部位が設けられたワークを撮像して得られる検査画像の回転対称の中心を、予め取得された参照画像の回転対称の中心と一致させる第１位置合せ処理を実行する第１位置合せ部と、第１位置合せ処理を受けた検査画像を回転対称の中心まわりに回転させて第１位置合せ処理を受けた検査画像に含まれる特定部位の像を参照画像に含まれる特定部位の像に一致させるのに必要な回転角を求める回転角算出部と、第１位置合せ処理を受けた検査画像を回転対称の中心まわりに回転角だけ回転させて特定部位の像同士を一致させる第２位置合せ処理を行う第２位置合せ部と、を備え、回転角算出部は、第１位置合せ処理を受けた検査画像における特定部位の像の中心位置を検査側中心位置として求め、参照画像における特定部位の像の中心位置を参照側中心位置として求め、検査側中心位置および参照側中心位置に基づいて回転角を求めることを特徴としている。

さらに、本発明の第３態様は、回転対称な外形を有する主面に特定部位が設けられたワークを検査する撮像して得られる検査画像と予め取得された参照画像とに基づいてワークを検査する検査装置であって、上記位置合せ装置と、位置合せ装置により参照画像に対して位置合せされた検査画像を参照画像と比較してワークを検査する検査部とを備えることを特徴としている。

このように構成された発明では、２段階の位置合せ処理によって参照画像に対する検査画像の位置合せが行われる。まず第１位置合せ処理により、検査画像の回転対称の中心が参照画像の回転対称の中心と一致する。そして、第１位置合せ処理を受けた検査画像を回転対称の中心まわりに回転させると、特定部位の位置ズレ量に対応する回転角だけ回転させると、当該検査画像に含まれる特定部位の像が参照画像に含まれる特定部位の像と一致する。そこで、本発明では、第２位置合せ処理として、第１位置合せ処理を受けた検査画像を回転対称の中心まわりに上記回転角だけ回転させて特定部位の像同士を一致させる。これによって、参照画像に対する検査画像の位置合せが高精度に行われる。

以上のように、本発明によれば、上記した第１位置合せ処理と第２位置合せ処理を行うことで回転対称な外形を有する主面に特定部位が設けられたワークを高精度に位置合せすることができる。

本発明に係る位置合せ装置の一実施形態を装備する検査装置の構成を示す図である。 図１に示す検査装置の本体を示す平面図である。 検査装置における検査処理の流れを示す図である。 検査処理において実行される参照画像に対する検査画像の位置合せを模式的に示す図である。

図１は本発明に係る位置合せ装置の一実施形態を装備する検査装置の構成を示す図である。図２は図１に示す検査装置の本体を示す平面図である。検査装置１は、回転対称な外形を有する主面Ｗ１に対して特定部位Ｗ２が設けられた、円盤形状のワークＷを撮像して得られる検査画像を予め取得された参照画像と位置合させ、それらの画像を比較することでワークＷを検査する装置である。ワークＷとしては、例えば鍛造や鋳造により形成された金属部品であり、その表面にはロット管理用刻印が特定部位Ｗ２として設けられている。

図１に示すように、検査装置１は、本体１１と、コンピュータにより構成される制御ユニット１２とを備えている。本体１１は、ステージ２と、撮像ユニット３と、光源ユニット４とを備える。ワークＷはステージ２上に載置される。本体１１には、外部の光がステージ２上に到達することを防止する図示省略の遮光カバーが設けられ、ステージ２、撮像ユニット３および光源ユニット４は、遮光カバー内に設けられている。

図１および図２に示すように、撮像ユニット３は、１個の上方撮像部３１と、４個の斜方撮像部３２と、４個の側方撮像部３３とを備えている。図２では、上方撮像部３１の図示を省略している（後述の上方光源部４１において同様）。上方撮像部３１は、ステージ２の上方にてステージ２の中心から鉛直上方に延びる中心軸Ｊ１上に配置されている。上方撮像部３１によりステージ２上のワークＷの主面Ｗ１を真上から撮像した検査画像を制御ユニット１２に出力する。

図２に示すように、上側から下方を向いて本体１１を見た場合に（すなわち、本体１１を平面視した場合に）、４個の斜方撮像部３２はステージ２の周囲に配置されている。４個の斜方撮像部３２は、中心軸Ｊ１を中心とする周方向に９０°の角度間隔（ピッチ）にて配列されている。各斜方撮像部３２の撮像光軸Ｋ２と中心軸Ｊ１とを含む面において（図１参照）、撮像光軸Ｋ２と中心軸Ｊ１とがなす角度θ２は、およそ４５°である。各斜方撮像部３２によりステージ２上のワークＷを斜め上から撮像した画像が取得可能である。

本体１１を平面視した場合に、４個の側方撮像部３３も、４個の斜方撮像部３２と同様にステージ２の周囲に配置されている。４個の側方撮像部３３は、中心軸Ｊ１を中心とする周方向に９０°の角度間隔にて配列されている。各側方撮像部３３の撮像光軸Ｋ３と中心軸Ｊ１とを含む面において、撮像光軸Ｋ３と中心軸Ｊ１とがなす角度θ３は、およそ９０°である。各側方撮像部３３によりステージ２上のワークＷを横から撮像した画像が取得可能である。上方撮像部３１、斜方撮像部３２および側方撮像部３３は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）等を有し、多階調の画像が取得される。上方撮像部３１、斜方撮像部３２および側方撮像部３３は、図示省略の支持部により支持されている。

光源ユニット４は、１個の上方光源部４１と、８個の斜方光源部４２と、８個の側方光源部４３とを備える。上方光源部４１は、中心軸Ｊ１を中心とするリング状に複数のＬＥＤ（発光ダイオード）が配列された光源部である。リング状の上方光源部４１は上方撮像部３１の周囲を囲むように、上方撮像部３１に固定されている。上方光源部４１によりステージ２上のワークＷに対して真上から中心軸Ｊ１に平行な方向に沿って光が照射可能である。

本体１１を平面視した場合に、８個の斜方光源部４２はステージ２の周囲に配置されている。８個の斜方光源部４２は、中心軸Ｊ１を中心とする周方向に４５°の角度間隔にて配列されている。各斜方光源部４２は、中心軸Ｊ１を中心とする円周の接線方向に伸びるバー状に複数のＬＥＤが配列された光源部である。各斜方光源部４２の出射面の中央とワークＷ（の中心）とを結ぶ線を「照明軸」と呼ぶと、当該斜方光源部４２の照明軸と中心軸Ｊ１とを含む面において、当該照明軸と中心軸Ｊ１とがなす角度は、およそ４５°である。各斜方光源部４２では、ステージ２上のワークＷに対して斜め上から当該照明軸に沿って光が照射可能である。検査装置１では、８個の斜方光源部４２のうち４個の斜方光源部４２は４個の斜方撮像部３２にそれぞれ固定され、残りの４個の斜方光源部４２は、図示省略の支持部により支持されている。

本体１１を平面視した場合に、８個の側方光源部４３はステージ２の周囲に配置されている。８個の側方光源部４３は、中心軸Ｊ１を中心とする周方向に４５°の角度間隔にて配列されている。各側方光源部４３は、中心軸Ｊ１を中心とする円周の接線方向に伸びるバー状に複数のＬＥＤが配列された光源部である。斜方光源部４２と同様に、各側方光源部４３の出射面の中央とワークＷとを結ぶ線を「照明軸」と呼ぶと、当該側方光源部４３の照明軸と中心軸Ｊ１とを含む面において、当該照明軸と中心軸Ｊ１とがなす角度は、およそ９０°である。各側方光源部４３では、ステージ２上のワークＷに対して横から当該照明軸に沿って光が照射可能である。検査装置１では、８個の側方光源部４３のうち４個の側方光源部４３は４個の側方撮像部３３にそれぞれ固定され、残りの４個の側方光源部４３は、図示省略の支持部により支持されている。

例えば、上方撮像部３１および上方光源部４１とワークＷとの間の距離は、約５５ｃｍ（センチメートル）である。また、斜方撮像部３２および斜方光源部４２とワークＷとの間の距離は約５０ｃｍであり、側方撮像部３３および側方光源部４３とワークＷとの間の距離は約４０ｃｍである。上方光源部４１、斜方光源部４２および側方光源部４３では、ＬＥＤ以外の種類の光源が用いられてよい。

本実施形態では、本体１１の各部を制御するとともに後で説明するようにワークＷの検査画像を参照画像と位置合せさせ、さらに検査を行うために制御ユニット１２が設けられている。制御ユニット１２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）により構成される演算処理部５と、参照画像データなどの各種データやプログラムなどを記憶する記憶部６を備えている。演算処理部５は上記プログラムにしたがって装置各部を制御することで参照画像に対する検査画像の位置合せ（＝第１位置合せ処理、回転角度算出処理および第２位置合せ処理）および両画像の比較によるワークＷの検査を行う。このように本実施形態では、演算処理部５は、第１位置合せ部５１、回転角算出部５２、第２位置合せ部５３および検査部５４として機能する。以下、参照画像に対する検査画像の位置合せおよびワークＷの検査について図３および図４を参照しつつ説明する。

図３は検査装置における検査処理の流れを示す図である。また、図４は検査処理において実行される参照画像に対する検査画像の位置合せを模式的に示す図である。まず、ステージ２上に検査対象のワークＷが載置される（ステップＳ１）。ステージ２上には、例えばワークＷの形状や大きさなどに適合する保持部（図示省略）が設けられており、ワークＷの主面Ｗ１を鉛直上方に向けた状態でステージ２上の所定位置にワークＷを保持する。続いて、制御ユニット１２では、操作者による入力等に基づいて、ステージ２上のワークＷに対する撮像設定情報が取得される（ステップＳ２）。ここで、撮像設定情報は、撮像ユニット３において使用する撮像部（以下、「選択撮像部」という。）と、当該選択撮像部による撮影画像の取得の際に光源ユニット４において点灯する光源部とを示す。例えばワークＷの主面Ｗ１を検査する場合には、撮像設定情報は上方撮像部３１を選択撮像部として使用する旨、およびワークＷの主面Ｗ１を均一に照明するために上方光源部４１および全ての斜方光源部４２を光源部として点灯させる旨を含んでいる。なお、光源部の点灯態様はこれに限定されるものではなく、ワークＷの種類などによって上方光源部４１のみ、あるいは斜方光源部４２のみを点灯させてもよい。

ワークＷに対する撮像設定情報が取得されると、それに基づいて上方光源部４１および斜方光源部４２を点灯しつつ、ワークＷの主面Ｗ１が上方撮像部３１により撮像され、ワークＷの検査画像が取得される（ステップＳ３）。すなわち、例えば図４の（ａ）欄中の破線で示されたような撮影画像が検査画像Ｉａとして演算処理部５に与えられる。そして、演算処理部５が当該検査画像Ｉａのデータ、つまり検査画像データを用いて参照画像との位置合せや検査を実行する。なお、符号Ｉａｃは検査画像Ｉａに含まれる特定部位Ｗ２の像を示し、符号Ｃａは検査画像Ｉａの回転対称の中心を示している。

次に、演算処理部５は参照画像Ｉｂ（図４）に対する検査画像Ｉａの位置合せを行うために予め記憶部６に記憶されているワークＷの参照画像Ｉｂのデータ、つまり参照画像データを記憶部６から読み出す（ステップＳ４）。なお、参照画像Ｉｂは傷などの欠陥のないワークＷの主面Ｗ１を撮像設定情報に基づいて撮像して得られる撮影画像であり、検査前に取得され、記憶部６に記憶されている。

そして、演算処理部５は、次に説明する第１位置合せ処理、回転角算出処理および第２位置合せ処理を実行して参照画像Ｉｂに対して検査画像Ｉａの位置合せを行う。すなわち、第１位置合せ処理を実行することで、図４の（ａ）欄に示すように検査画像Ｉａの回転対称の中心Ｃａを参照画像Ｉｂの回転対称の中心Ｃｂと一致させている（ステップＳ５）。より具体的には、ワークＷの外形に関する情報に基づくパターンマッチングの第１モデル（本実施形態では、正規化相互相関：Normalized Cross-Correlation）を準備しておき、これによって第１位置合せ処理を行っている。これによって、検査画像Ｉａの外形を参照画像Ｉｂの外形と一致させることができる。もちろん、その他の位置合せ技術を用いて第１位置合せ処理を行ってもよい。なお、第１位置合せ処理後においては、外形が一致しているものの、特定部位の像Ｉａｃが特定部位の像Ｉｂｃと一致していることは保障されていない。したがって、検査画像Ｉａを参照画像Ｉｂに位置合せさせるためには、さらに特定部位の像Ｉａｃを特定部位の像Ｉｂｃと一致させることが必要である。ここで、本実施形態では、ワークＷの主面Ｗ１は中心Ｃａまわりに回転対称であるため、第１位置合せ処理を受けた検査画像Ｉａ１（図４の（ａ）、（ｂ）欄参照）を回転対称の中心Ｃａまわりに回転させることで特定部位の像Ｉａｃを特定部位の像Ｉｂｃと一致させて参照画像Ｉｂに対する検査画像Ｉａの位置合せを完成させることができる。

そこで、演算処理部５は、図４の（ｂ）欄に示すように、第１位置合せ処理を受けた検査画像Ｉａ１における特定部位の像Ｉａｃの中心位置Ｃａｃと、参照画像Ｉｂにおける特定部位の像Ｉｂｃの中心位置Ｃｂｃとを求める（ステップＳ６）。ここで、第１位置合せ処理を受けた検査画像Ｉａ１から特定部位の像Ｉａｃを抽出するために、本実施形態では特定部位Ｗ２に関する情報に基づくパターンマッチングの第２モデル（本実施形態では、正規化相互相関）を準備しておき、これによって用いている。ただし、その他の方法により特定部位の像Ｉａｃを抽出し、その中心位置を求めてもよい。一方、参照画像Ｉｂ側の中心位置Ｃｂｃについては検査毎に求める必要はなく、予め記憶させておけばよい。

両中心位置Ｃａｃ、Ｃｂｃが求まると、演算処理部５はそれらに基づいて検査画像Ｉａ１を回転対称の中心Ｃａまわりに回転させて特定部位の像Ｉａｃを特定部位の像Ｉｂｃに一致させるのに必要な回転角φを求める（ステップＳ７）。そして、演算処理部５は、検査画像データのデータ処理により、図４の（ｃ）欄に示すように、回転対称の中心Ｃａ、Ｃｂを一致させながら検査画像Ｉａ１を回転対称の中心Ｃａまわりに角度φだけ回転させる（ステップＳ８）。これによって、参照画像Ｉｂに対する検査画像Ｉａの位置合せが高精度に行われる。そして、最後に、演算処理部５は位置合せ済の検査画像Ｉａ２と参照画像Ｉｂを比較してワークＷに傷などの欠陥が存在するか否かを検査する（ステップＳ９）。

以上のように、本実施形態によれば、図４の（ａ）欄に示す第１位置合せ処理と、図４の（ｃ）欄に示す第２位置合せ処理とを実行して参照画像Ｉｂに対する検査画像Ｉａの位置合せを行っている。このため、回転対称な外形を有する主面Ｗ１に特定部位Ｗ２が設けられたワークＷを高精度に位置合せすることができる。

このように本実施形態では、ステップＳ５、Ｓ８がそれぞれ本発明の「第１工程」および「第３工程」の一例に相当するとともに、ステップＳ６、Ｓ７を含む工程が本発明の「第２工程」の一例に相当している。また、第１位置合せ部５１、回転角算出部５２および第２位置合せ部５３としての機能を有する演算処理部５が本発明の「位置合せ装置」の一例に相当している。さらに、中心位置Ｃａｃ、Ｃｂｃがそれぞれ本発明の「検査側中心位置」および「参照側中心位置」の一例に相当している。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば円盤型外形を有するワークＷを位置合せおよび検査対象としているが、半導体ウエハのような略円盤形状の外形を有するワークやワッシャーなどの円環型外形のワークに対しても本発明を適用することができる。また、本発明を適用することができるワークとしては、上記以外に、いわゆるｎ回対称の外形を有する主面に刻印などの特定部位が設けられたワークに対しても適用することができる。

また、上記実施形態では、検査装置１に対して位置合せ技術を適用しているが、検査装置１以外の装置に対して本発明に係る位置合せ方法および装置を適用してもよい。

この発明は、回転対称な外形を有する主面に対して特定部位が設けられた、ワークを撮像して得られる検査画像を予め取得された参照画像と位置合させる位置合せ技術全般、ならびに当該位置合せ技術を利用して上記ワークを検査する検査装置に適用することができる。

１…検査装置
５…演算処理部（位置合せ装置）
５１…第１位置合せ部
５２…回転角算出部
５３…第２位置合せ部
５４…検査部
Ｃａ…（検査画像の回転対称の）中心
Ｃｂ…（参照画像の回転対称の）中心
Ｉａ…検査画像
Ｉａ１…（第１位置合せ処理を受けた）検査画像
Ｉａ２…（第２位置合せ処理を受けた）検査画像
Ｉａｃ，Ｉｂｃ…（特定部位の）像
Ｉｂ…参照画像
Ｗ１…（ワークの）主面
Ｗ２…特定部位
φ…回転角

Claims (5)

1. 回転対称な外形を有する主面に特定部位が設けられた、ワークを撮像して得られる検査画像を予め取得された参照画像と位置合させる位置合せ方法であって、
   前記検査画像の回転対称の中心を前記参照画像の回転対称の中心と一致させる第１位置合せ処理を行う第１工程と、
   前記第１位置合せ処理を受けた前記検査画像を前記回転対称の中心まわりに回転させて前記検査画像に含まれる前記特定部位の像を前記参照画像に含まれる前記特定部位の像に一致させるのに必要な回転角を求める第２工程と、
   前記第１位置合せ処理を受けた前記検査画像を前記回転角だけ前記回転対称の中心まわりに回転させて前記特定部位の像同士を一致させる第２位置合せ処理を行う第３工程と
   を備え、
   前記第２工程は、
   前記第１位置合せ処理を受けた前記検査画像における前記特定部位の像の中心位置を検査側中心位置として求める工程と、
   前記参照画像における前記特定部位の像の中心位置を参照側中心位置として求める工程と、
   前記検査側中心位置および前記参照側中心位置に基づいて前記回転角を求める工程と
   を有する
   ことを特徴とする位置合せ方法。
2. 請求項１に記載の位置合せ方法であって、
   前記第１工程は、前記参照画像の外形に基づくパターンマッチングの第１モデルによって前記検査画像の回転対称の中心を前記参照画像の回転対称の中心と一致させる工程を含む位置合せ方法。
3. 請求項１または２に記載の位置合せ方法であって、
   前記第２工程は、前記参照画像に含まれる前記特定部位の像から求められるパターンマッチングの第２モデルによって前記第１位置合せ処理を受けた前記検査画像における前記特定部位を検出し、前記検査側中心位置を求める工程を含む位置合せ方法。
4. 回転対称な外形を有する主面に特定部位が設けられたワークを撮像して得られる検査画像の回転対称の中心を、予め取得された参照画像の回転対称の中心と一致させる第１位置合せ処理を実行する第１位置合せ部と、
   前記第１位置合せ処理を受けた前記検査画像を前記回転対称の中心まわりに回転させて前記第１位置合せ処理を受けた前記検査画像に含まれる前記特定部位の像を前記参照画像に含まれる前記特定部位の像に一致させるのに必要な回転角を求める回転角算出部と、
   前記第１位置合せ処理を受けた前記検査画像を前記回転対称の中心まわりに前記回転角だけ回転させて前記特定部位の像同士を一致させる第２位置合せ処理を行う第２位置合せ部と、
   を備え、
   前記回転角算出部は、
   前記第１位置合せ処理を受けた前記検査画像における前記特定部位の像の中心位置を検査側中心位置として求め、
   前記参照画像における前記特定部位の像の中心位置を参照側中心位置として求め、
   前記検査側中心位置および前記参照側中心位置に基づいて前記回転角を求める
   ことを特徴とする位置合せ装置。
5. 回転対称な外形を有する主面に特定部位が設けられたワークを検査する撮像して得られる検査画像と予め取得された参照画像とに基づいて前記ワークを検査する検査装置であって、
   請求項４に記載の位置合せ装置と、
   前記位置合せ装置により前記参照画像に対して位置合せされた前記検査画像を前記参照画像と比較して前記ワークを検査する検査部と
   を備えることを特徴とする検査装置。

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