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        自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)的彩膜分區(qū)檢查與判定

        2014-03-21 09:59:24張鐵軼余道平劉超強(qiáng)
        液晶與顯示 2014年1期
        關(guān)鍵詞:灰階異物分區(qū)

        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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