JPH11287618A - 画像処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 凹凸対象物の表面を一度に観察できるような
画像処理装置を提供する。 【解決手段】 凹凸対象物１の高さ方向に異なる焦点位
置に対して光学系２１で結像し、結像した画像をＣＣＤ
カメラ２２で撮像し、画像処理装置３によってその画像
を処理して凹凸対象物１の高さを検出し、検出された観
察範囲内における各位置ごとの高さ情報を基に各位置に
おける合焦している画像情報を合成処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は画像処理装置に関
し、特に、観察部分に高さ方向の段差や傾きがある対象
物、たとえば積層構造を持つ半導体素子，グレーティン
グ処理された光学素子，プラズマディスプレイ基板，凹
凸のある表面を持つ生体物や凹凸面を移動する生体物な
どを光学顕微鏡などの光学系を利用して観察する際に、
対象物の高さ方向の段差や傾きがその光学系の焦点深度
よりも大きい場合に利用可能な画像処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光学顕微鏡などの光学系を利用し
て高さ方向に段差や傾きのある対象物（以下、凹凸対象
物と称する）を観察する場合、観察範囲内の対象物のあ
る位置で焦点を合わせても凹凸のある別の位置では焦点
が合わず、つまり像がぼやけた状態になり、観察範囲全
面で焦点が合った像を観察することは不可能である。

【０００３】図８はプラズマディスプレイ基板の一部分
を一般的な光学顕微鏡で観察した画像を示す。プラズマ
ディスプレイ基板には通常リブ（隔壁）と呼ばれる基板
面から高さ約１５０〜２００μｍ，幅数十μｍの壁が存
在する。図８はこのリブの焦点に焦点を合わせた状態で
撮影した写真であり、焦点の合っている図８下側部分の
リブの頂点のようすはよくわかるが、頂点から底の部分
にかけてや底の表面の状態はぼやけていてはっきりと観
察できない。なお、図８の右側部分に斜め方向に糸状の
塵が付着している。観察面は５０倍の対物レンズを用い
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】顕微鏡などの光学系の
利用において拡大率を上げようとして倍率の高い対物レ
ンズを用いると、焦点が合う高さ方向の余裕つまり焦点
深度が浅くなる。これは焦点深度はレンズのＦナンバー
に比例して浅くなる特性があり、通常倍率が高いレンズ
ほどＦナンバーが小さくなるからである。

【０００５】高倍率で観察範囲内に焦点深度以上の凹凸
のある表面もしくは反射面を持つ凹凸対象物を観察しよ
うとしてある部分について焦点を合わせると、他の部分
では焦点がずれてしまい、観察範囲内をすべて焦点が合
った状態で観察することができない。この場合、焦点位
置をずらしながら観察するか、焦点がずれた部分につい
ては詳細な観察を諦めるしかない。

【０００６】それゆえに、この発明の主たる目的は、凹
凸対象物の表面を一度に観察できるような画像処理装置
を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
表面に凹凸を有する観察物の画像を取込んで処理するた
めの画像処理装置であって、観察物の高さ方向に異なる
焦点位置に対して結像する光学系と、光学系の結像した
画像を撮像する画像撮像手段と、観察物の高さを検出す
る検出手段と、撮像手段からの信号を取込み、検出手段
によって検出された観察範囲内における位置ごとの高さ
情報を基に各位置における合焦している画像を合成する
画像処理手段とを備えて構成される。

【０００８】請求項２に係る発明では、請求項１の検出
手段は、画像撮像手段によって撮像された画像の状態か
ら画像の鮮明度を評価する算出式を定義し、焦点位置の
異なる複数の画像の鮮明度と焦点位置との関係から観察
物の高さ情報を算出する。

【０００９】請求項３に係る発明では、請求項１の画像
処理手段は、検出手段によって検出された高さ情報に基
づいて異なる焦点位置で撮像された複数の画像において
その画像内で合焦している部分画像を判定し、それらを
繋ぎ合わせて画像を合成する。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の一実施形態を示
すブロック図である。図１において、ＣＣＤカメラ２２
は光学系２１を介して凹凸対象物１を撮像する。光学系
２１とＣＣＤカメラ２２は高さ方向に移動して異なる焦
点位置における凹凸対象物１の画像を撮像するために、
ｚ軸移動装置２０に取付けられている。ＣＣＤカメラ２
２からの画像信号は画像処理装置（ＣＰＵ）３に入力さ
れ、この画像処理装置３内に設けられている記憶装置に
記憶され、また記憶装置上に合成した画像を画像信号と
して出力する。

【００１１】画像信号を入力する場合、画像信号は１画
面あたり横方向に６４０点，縦方向に４８０点の都合３
０７２００点の各点における輝度の情報に変換され、画
像情報として記憶装置内に記憶される。彩度の情報は最
も明るい場合を２５５，最も暗い場合を０とする２５６
階調により表わされる。画像信号を出力する場合は、記
憶装置内の同じく各点における輝度値により画像信号に
変換される。なお、記憶装置内に記憶した画像情報につ
いてはＣＰＵにより演算が可能である。さらに、画像処
理装置３は焦点位置の異なる画像を撮像できるようにｚ
軸移動装置２０への位置制御信号も出力する。画像処理
装置３で処理された画像信号はモニタ４に与えられ、そ
の画像を観察可能にされている。

【００１２】図２は図１に示した画像処理装置の処理手
順を示すフローチャートであり、図３は画面を合成面に
分割する様子を示す図であり、図４は画面を合成する様
子を示す図である。

【００１３】次に、図１〜図４を参照して、この発明の
一実施形態の具体的な動作について説明する。

【００１４】まず、処理を行なう際、予め画像処理装置
３にｚ軸移動装置２０の移動開始位置，移動終了位置，
焦点深度を設定して記憶させておく。移動開始，終了位
置は凹凸対象物１の高さ方向の変位量をカバーすれば厳
密に設定する必要はない。

【００１５】まず、ｚ軸移動装置２０を移動開始位置へ
移動する。移動が完了したところで、現在の移動位置が
移動終了位置であるか否かを判別し、移動終了位置でな
い場合はＣＣＤカメラ２２により撮像された凹凸対象物
１の画像を画像処理装置３内の記憶装置に記憶し、記憶
が完了したところで、焦点深度分だけｚ軸移動装置２０
に移動指令を与えてｚ軸を移動する。この動作を繰返し
処理が終了した時点で各焦点位置における複数の画像が
画像処理装置３内の記憶装置に記憶される。画像処理装
置３は図３に示すように、画像を縦１６画素，横１６画
素を１組として全画面を縦３０組，横４０組の都合１２
００組に分割して取扱う。以後、分割された部分画像を
合成面と呼ぶ。

【００１６】次に、画像処理装置３は各合成面における
高さ方向の情報を記憶装置に記憶されている複数の画像
内の合成面に対応する部分から算出し、記憶装置内にそ
の情報を記憶する。この処理の手順については後述の図
５で説明する。画像処理装置３は高さ情報を全合成面に
ついて得た後、記憶装置内の高さ方向情報を参照し、同
じく記憶装置内にある各焦点位置における複数の画像情
報を中からそれぞれの合成面ごとに最も適している焦点
位置の画像内の合成面に対応する部分を取出し、出力用
に用意されている記憶装置上に合成画像情報を記憶す
る。その様子を図４に示す。最後に合成画像を全合成面
について作成したところで、画像をモニタ４に出力して
処理を終了する。

【００１７】図５は高さ方向の情報を各焦点位置の画像
から算出する手順を示すフローチャートである。

【００１８】この図５に示した処理もすべて画像処理装
置３によって行なわれる。初期化処理した後、すべての
合成面について処理を終了したか否かが判別され、終了
していなければ記憶装置内にある各焦点位置における画
像から合成面に対応する画像部分を取出し、それぞれ別
に記憶装置内に記憶する。次に、それぞれの画像部分ご
とに第（１）式に示す方法でフォーカスデータＦＤを算
出し、それぞれを記憶する。

【００１９】

【数１】

【００２０】フォーカスデータＦＤは部分画像内の隣り
合う画素間の差分データのばらつき具合を意味してお
り、この値が大きいほど鮮明な画像であることを意味し
ている。つまり、記憶されているフォーカスデータＦＤ
の中で最もその値が大きい部分画像が最も焦点が合って
いる高さ方向の位置であると判別できる。このようにし
て、すべての合成面について高さ方向の情報を算出し、
記憶装置に情報を記憶する。

【００２１】図６はこの発明の一実施形態でプラズマデ
ィスプレイ基板について処理を行なった結果の観察画像
を示す図である。図６では画像の境界部分に面している
１３８点の合成面については処理を行なっていないが、
これは境界処理を省いたためである。従来例で説明した
図８と図６を比較すると、 リブの頂点部分から底の部分にかけて高さが急激に
変化しているため、図８ではその表面の様子が観察でき
ないのに対して、図６ではリブの横面の様子も観察でき
る。

【００２２】 底の部分の表面がざらついている様子
も図６でははっきり確認できる。 糸状の塵が付着している部分もその周辺の輝度が暗
くなり、状況が変化している様子を伺うことができる。

【００２３】このように、従来の光学系では観察範囲内
を一度に観察することが不可能であった凹凸対象物１の
表面の様子を、この発明の一実施形態を用いれば容易に
観察可能であることが処理結果から明らかである。

【００２４】図７はこの発明の一実施形態を微細加工装
置に応用した例を示す図である。図７に示すように、図
１に示した構成のｚ軸移動装置２０と光学系２１とＣＣ
Ｄカメラ２２と画像処理装置３とモニタ４とが設けら
れ、凹凸対象物１はＸＹテーブル２３上に載置される。
微細加工装置では、作業者などが対象物を観察しながら
加工位置を判断したり、加工結果の良否を判定する必要
がある。凹凸対象物１を対象物とする場合、この発明の
一実施形態を用いることによって観察範囲全体に焦点が
合った（鮮明な）画像を観察できるので、加工位置の判
断や加工結果の判定が容易かつ正しく行なうことが可能
となる。

【００２５】なお、図１に示した実施形態では、光学系
２１により結像される像を画像処理装置３が取扱う形に
変換するためにＣＣＤカメラ２２を用いるようにしてい
るが、その他の撮像装置を用いるようにしてもよい。

【００２６】また、実施形態では、異なる焦点位置の画
像を得るために、ｚ軸移動装置２０を用いているが、光
学系２１をミラーなどで分岐して異なる焦点位置の画像
を同時に複数台のＣＣＤカメラで撮像できるようにして
もよい。

【００２７】さらに、この発明の実施形態では、合成面
ごとの高さ情報を得るために画像情報を用いるようにし
たが、たとえばレーザ光などの光学的特性を利用して高
さを計測するようにしてもよい。

【００２８】さらに、図３に示すように、画像を均等に
分割して合成面を定義するようにしたが、処理速度をな
どを考慮して分割方法を変えるようにしてもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、観察
物の高さ方向に異なる焦点位置に対して光学系で結像し
た画像を撮像し、観察物の高さを検出し、撮像した画像
を取込み、検出された観察範囲内における位置の高さ情
報を基に各位置における合焦している画像を構成するよ
うにしたので、凹凸対象物表面を一度に観察することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態を示すブロック図であ
る。

【図２】図１に示した画像処理装置の処理手順を示すフ
ローチャートである。

【図３】画面を合成面へ分割する様子を示す図である。

【図４】画面を合成する様子を示す図である。

【図５】高さ方向の情報を各焦点位置の画像から算出す
る手順を示すフローチャートである。

【図６】この発明の一実施形態でプラズマディスプレイ
基板について処理を行なった結果の観察画像を示す図で
ある。

【図７】この発明の一実施形態を微細加工装置に適用し
た例を示す図である。

【図８】プラズマディスプレイ基板の一部分を一般的な
光学顕微鏡で観察した画像を示す図である。

【符号の説明】

１ 凹凸対象物 ３ 画像処理装置 ４ モニタ ２０ ｚ軸移動装置 ２１ 光学系 ２２ ＣＣＤカメラ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に凹凸を有する観察物の画像を取込
   んで処理するための画像処理装置であって、 前記観察物の高さ方向に異なる焦点位置に対して結像す
   る光学系、 前記光学系の結像した画像を撮像する画像撮像手段、 前記観察物の高さを検出する検出手段、および前記撮像
   手段からの信号を取込み、前記検出手段によって検出さ
   れた観察範囲内における位置ごとの高さ情報を基に各位
   置における合焦している画像を合成する画像処理手段を
   備えた、画像処理装置。
2. 【請求項２】 前記検出手段は、前記画像撮像手段によ
   って撮像された画像の状態から画像の鮮明度を評価する
   算出式を定義し、焦点位置の異なる複数の画像の鮮明度
   と焦点位置の関係とから前記観察物の高さ情報を算出す
   ることを特徴とする、請求項１に記載の画像処理装置。
3. 【請求項３】 前記画像処理手段は、前記検出手段によ
   って検出された高さ情報に基づいて異なる焦点位置で撮
   像された複数の画像においてその画像内で合焦している
   部分画像を判定し、それらを繋ぎ合わせて画像を合成す
   ることを特徴とする、請求項１に記載の画像処理装置。