張鐵軼，余道平，王 野，劉超強(qiáng)，張 祥

（北京京東方顯示技術(shù)有限公司，北京100176）

1 引 言

自20 世 紀(jì)70 年 代 起，彩 膜（Color Filter，CF）作為液晶面板的主要組成部分在液晶顯示器已經(jīng)歷的TN、STN、a－Si TFT（TN 模式）、大型TFT（IPS、MVA、OCB等模式）等4個(gè)發(fā)展階段，成功地解決彩膜擴(kuò)大開口率、增大畫面尺寸、擴(kuò)大色域等問(wèn)題，從而使液晶面板在其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展［1］。

彩膜是由大量的像素矩陣組成的，在生產(chǎn)過(guò)程中容易產(chǎn)生像素壞點(diǎn)，一旦做成液晶屏之后，這些存在的壞點(diǎn)是無(wú)法修復(fù)的，只能更換整個(gè)液晶面板才能夠解決?！皦狞c(diǎn)”是指存在故障的像素點(diǎn)，通常分為兩類：“暗點(diǎn)”與“亮點(diǎn)”；其中“暗點(diǎn)”是無(wú)論液晶屏顯示圖像如何變化都無(wú)法顯示的“黑點(diǎn)”，而最令人討厭的則是那種只要開機(jī)便一直發(fā)光的“亮點(diǎn)”。彩膜技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，仍然無(wú)法從根本上克服生產(chǎn)中這一難關(guān)。隨著競(jìng)爭(zhēng)加劇，彩膜生產(chǎn)廠家不僅提高生產(chǎn)技術(shù)水平的同時(shí)，也要進(jìn)一步加強(qiáng)生產(chǎn)和檢測(cè)等內(nèi)部質(zhì)量管控，進(jìn)而減少缺陷率，從而保證液晶屏的良率。

生產(chǎn)規(guī)模海量化給在線的生產(chǎn)質(zhì)量控制與檢測(cè)帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。目前TFT－LCD 使用的檢查手法主要分為光學(xué)檢查、電氣檢查以及目視檢查。光學(xué)檢查最為常見，其利用光學(xué)成像取得產(chǎn)品的表面狀態(tài)，以影像處理來(lái)確定異?，F(xiàn)象；因?qū)俜墙佑|式，故可在各工藝檢查半成品。自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)（AOI）被大量地運(yùn)用在液晶面板的生產(chǎn)線上。AOI系統(tǒng)的應(yīng)用克服了人工檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度高、眼睛易疲勞、漏驗(yàn)率高、人為因素影響大等弊端，從而大大提高了檢測(cè)速度、質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。但AOI檢測(cè)系統(tǒng)也對(duì)圖像采集、算法等提出了較高的要求［2］，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高速度檢測(cè)。高質(zhì)量的運(yùn)算方法與硬件配置能夠縮短后續(xù)工藝流程處理時(shí)間，以達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求。

2 彩膜AOI工作原理及現(xiàn)狀

2.1 界面的能量方程

以透過(guò)體為例，多層透過(guò)體的某一界面任一透過(guò)體至少有兩層界面，本例以兩層界面為例。此透過(guò)體的某一界面K，接受從K－1層界面或外界來(lái)的輻射能量GK，如圖1所示。由于到達(dá)界面后傳輸介質(zhì)的改變，于是光線發(fā)生折射。設(shè)ρK是界面K 的反射率，則GK中的一部分——（1－ρK）GK穿過(guò)界面繼續(xù)前進(jìn)，另外一部分ρK·GK被界面反射折回。與此同時(shí)，由K＋1層界面射來(lái)的反射光到達(dá)K 界面時(shí)為FK′，這部份光線也由于傳輸介質(zhì)的改變，（1－ρK）FK穿過(guò)K 界面與ρK·GK匯合成為FK射出。另一部份ρK·FK′被界面反射與（1－ρK）GK匯合成為GK′再射向K＋1界面。

圖1 界面能量輻射圖Fig.1 energy radiation pattern of interfacial

綜上所述，對(duì)于K 界面有如下能量平衡方程式：

即：射向界面的能量總和＝界面射出的能量總和。

由（2）式可得

上式取倒數(shù)，令

把αK二稱作K 界面的界面總透過(guò)率。它反映光線經(jīng)過(guò)界面后造成的衰減。1－αK表示K界面造成的界面損失。

由（1）式得

等式兩邊同除GK，

βK 可以看作是由界面反向射出的能量和正向射入的能量之比。當(dāng)界面完全不透明為一灰體時(shí)，βK＝1－α（α 為白光譜下界面的吸收率）。βK所以值將因界面介質(zhì)的不同而有差異［3］。

2.2 AOI工作原理

目前應(yīng)用于彩膜檢查的AOI技術(shù)具有高精度、高速度、非接觸、數(shù)字化、智能化等技術(shù)特點(diǎn)；利用光電檢測(cè)中的反射與透射對(duì)被測(cè)物體的光輻射進(jìn)行檢測(cè)，即通過(guò)光電檢測(cè)器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；具有對(duì)被測(cè)物體的面積、長(zhǎng)度、位置、形狀、類型等幾何量輸出功能。如圖2所示，AOI檢查系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 AOI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of AOI system

彩膜AOI基本使用的是五點(diǎn)比較的計(jì)算邏輯，其中的一種算法為：設(shè)定檢查閾值β［4］。如圖3：檢查灰階值為a的A 點(diǎn)是否為異常點(diǎn)，根據(jù)比較Pitch找出的4點(diǎn)A1、A2、A3、A4，其灰階值分別是a1、a2、a3、a4。對(duì)五點(diǎn)的灰階值根據(jù)大小順序進(jìn)行排序：a1＜a2＜a3＜a4＜a，定義由排序的出的中間值a3為參照值，取灰階值a與灰階值a3的差值β1。設(shè)定檢查閾值β，由β1 與β的大小進(jìn)行比較，確認(rèn)A 點(diǎn)是否為異常點(diǎn)。

當(dāng)｜β1｜＝｜a－a3｜＞β時(shí)，點(diǎn)A 為異常點(diǎn)。

當(dāng)｜β1｜＝｜a－a3｜≤β時(shí)，點(diǎn)A 為正常點(diǎn)。

AOI分別采用反射、透射獨(dú)立的檢查光源通過(guò)各自對(duì)應(yīng)的CCD 構(gòu)成光學(xué)檢查系統(tǒng)。由于CCD傳感器接受光照時(shí)，對(duì)應(yīng)位置的光電元件產(chǎn)生負(fù)電荷，同時(shí)CCD的半導(dǎo)體感光元件只能感應(yīng)光強(qiáng)，而無(wú)法反應(yīng)光線的顏色，所以CCD 對(duì)光線最終讀出后會(huì)產(chǎn)生一張灰白圖片，如圖2：五點(diǎn)比較示例中的灰白圖片。反射用CCD 所捕捉的畫像，經(jīng)過(guò)數(shù)字處理計(jì)算后，可得出兩種缺陷，分別是：

圖3 五點(diǎn)比較Fig.3 Five point comparison

RB（Reflection Black：反射黑）、RW（Reflection White：反射白）；

同樣透射單元檢出的兩種缺陷是TB（Transmission Black：透 射 黑）、TW （Transmission White：透射白）。綜上，AOI檢出的缺陷類型為：RB、RW、TB、TW 4種。

3 分區(qū)檢測(cè)的提出

3.1 彩膜AOI工作現(xiàn)狀

彩膜是由紅綠藍(lán)三基色組成，在經(jīng)過(guò)AOI燈源的照射下，作為光的傳輸介質(zhì)的紅綠藍(lán)部分發(fā)生透射或折射的光能量不同，紅綠藍(lán)各個(gè)區(qū)域反射、透過(guò)的光量就會(huì)不同，檢查用CCD 從彩膜的紅綠藍(lán)3個(gè)不同的區(qū)域獲取的灰階值不同，彩膜在透射 光 情 況 下 的CCD 成 像 效 果［5－9］。由CCD成像效果轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，如圖4所示。

圖4 數(shù)字信號(hào)Fig.4 Signal of digit

有圖4可知在紅綠藍(lán)區(qū)域，各自的灰階值擁有不同的灰階區(qū)域；假設(shè)一個(gè)異物A 分別落在紅綠藍(lán)區(qū)域上，設(shè)這個(gè)異物的灰值為55，設(shè)定檢查閾值β為30，參照?qǐng)D4提出紅綠藍(lán)的灰階值并計(jì)算灰階差值β1 見表1模擬數(shù)字運(yùn)算。

表1 模擬數(shù)字運(yùn)算Tab.1 Operation of analog digital

根據(jù)AOI的運(yùn)算規(guī)則，由表1 可知，若上述異物落在紅區(qū)域上，那么此點(diǎn)被認(rèn)為正常點(diǎn)；但是如果改變閾值β小于23，此異物可以被認(rèn)為異常點(diǎn)。這種問(wèn)題所引發(fā)的困擾主要在以下兩個(gè)方面：

（1）彩膜是逐工序作業(yè)，假設(shè)工序是按照R（紅色工藝）G（綠色工藝）B（藍(lán)色工藝）逐步進(jìn)行，當(dāng)R 線的AOI按照R 層的灰階調(diào)整完好，無(wú)過(guò)檢和漏檢；當(dāng)產(chǎn)品運(yùn)行G 線的時(shí)候，R 線產(chǎn)生的缺陷會(huì)在G 線再次檢測(cè)一遍，由于R 顏色和G 顏色在同樣透射／反射光下灰階值是不一樣的，就導(dǎo)致表1所呈現(xiàn)的結(jié)果，R 線檢出的真實(shí)缺陷在G線AOI不認(rèn)為是缺陷。

（2）假設(shè)再繼續(xù)生產(chǎn)B 工序，同樣會(huì)過(guò)濾掉前面工序產(chǎn)生的真實(shí)缺陷，或者將前工序漏檢的缺陷又檢出來(lái)，卻被AOI判定是本工序產(chǎn)生的缺陷，誤導(dǎo)工程師的判定和改善。這樣，AOI檢測(cè)就顧此失彼，無(wú)法保證正常檢出。

3.2 分區(qū)檢測(cè)的提出

分區(qū)檢測(cè)是針對(duì)彩膜不同顏色不同灰階提出的，目的是消除誤檢。其主要理論是不同的工藝、不同的圖形，分區(qū)比較，分區(qū)設(shè)定［10］，根據(jù)各分區(qū)的基本灰階設(shè)定閾值［11］，從根源上解決因顏色或圖形帶來(lái)的困擾。分區(qū)示意圖如圖6所示。

分區(qū)即是根據(jù)紅綠藍(lán)各區(qū)域參照值設(shè)定劃分不同的檢測(cè)區(qū)域，可以抓取各分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)圖像灰階值來(lái)建立，分區(qū)完成后再針對(duì)不分別落在這三個(gè)不同的區(qū)域上，設(shè)定不同的判定閾值；如圖7所示，0起點(diǎn)至250終點(diǎn)的直線L，根據(jù)參照點(diǎn)的灰階值設(shè)定3個(gè)不同的區(qū)域，使紅、綠、藍(lán)分別落在這3個(gè)不同的區(qū)域上，設(shè)定不同的閾值；在直線L以下且超出所設(shè)定的閾值的點(diǎn)被認(rèn)為是Black Defect（黑缺陷），在直線L 以上且超出所設(shè)定的閾值的點(diǎn)被認(rèn)為是White Defect（白缺陷）。

圖6 分區(qū)示意圖Fig.6 Schematic diagram of partition

圖7 分區(qū)域設(shè)定閾值Fig.7 Threshold setting by partition

4 分區(qū)效果及判定

4.1 分區(qū)檢測(cè)的效果

在判定異物A 是否為異常點(diǎn)的過(guò)程中，如果使用分區(qū)設(shè)定閾值，針對(duì)紅、綠、藍(lán)3個(gè)區(qū)域設(shè)定3個(gè)不同的閾值，其結(jié)果是異物A 在每個(gè)區(qū)域均被認(rèn)為是異常點(diǎn)。從而提高AOI檢出缺陷的準(zhǔn)確率。

通過(guò)分區(qū)，在不同的區(qū)域設(shè)定不同的閾值之后，同一種異物均作為異常點(diǎn)被被檢出。根據(jù)AOI檢出的四種缺陷類型，將不同類型的缺陷按對(duì)應(yīng)的面積大小分為S（Small）、M（Middle）、L（Large）3種大小不同的級(jí)別，用于缺陷的管理。見表3。

表2 分區(qū)模擬數(shù)字運(yùn)算Tab.2 Partition operation of analog digital

表3 缺陷的分級(jí)Tab.3 Defect classification （μm2）

4.2 缺陷的分區(qū)判定

在經(jīng)過(guò)分區(qū)檢查后，提高了缺陷檢出的準(zhǔn)確度，而AOI所檢出的缺陷信息主要提供給修補(bǔ)設(shè)備使用；所以需要對(duì)缺陷進(jìn)一步細(xì)化再判定，區(qū)分出影響彩膜質(zhì)量的缺陷，在保證缺陷檢出準(zhǔn)確度的同時(shí)，還要保證缺陷在修補(bǔ)設(shè)備處是否有修補(bǔ)的價(jià)值。對(duì)AOI檢出的缺陷做出進(jìn)一步的分類與判定主要是對(duì)已有被檢出的缺陷根據(jù)SIZE 和灰階差再分類，這種方法需要有對(duì)彩膜各種缺陷的檢出類別有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)資深工程師完成。例：RB－S缺陷根據(jù)β1 的大小進(jìn)一步進(jìn)行區(qū)分判定，如圖8所示，對(duì)RB－S的缺陷分別做了U、P、G、O的判定，修補(bǔ)設(shè)備可以根據(jù)這些信息做出不同的動(dòng)作或不做動(dòng)作。判定完成，將缺陷信息輸出到AOI缺陷文件以供工程師分析及修補(bǔ)設(shè)備使用進(jìn)行修補(bǔ)。主要輸出內(nèi)容如表4。

圖8 缺陷判定Fig.8 Defect judgement

表4 缺陷判定Tab.4 Defect judge

5 結(jié) 論

本文基于AOI的邏輯運(yùn)算詳細(xì)分析了彩膜呈現(xiàn)出不同區(qū)域呈現(xiàn)出不同灰階對(duì)檢查效果的影響；從而提出分區(qū)檢查的方案，以及對(duì)缺陷檢出后的進(jìn)一步分類與判定，最終提高AOI在彩膜檢查過(guò)程中的準(zhǔn)確度至99.6%以上，為修補(bǔ)設(shè)備提供更詳細(xì)準(zhǔn)確的信息。目前，該方案已經(jīng)應(yīng)用在某彩膜工廠中，該廠的良率一直保持在99.9%以上。

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