显示器检测中光学器件、照明和图像处理三者间的权衡

商品ID：1006-6268（200 6) 07-0029-06显示器检查中的光学，照明和图像处理之间的权衡Lewis Collie（DCIAcquis ition Corp.，Nooseck Hill Roa d，英国）重要：如果合理选择了显示检测系统的光学设备，则只要正确选择照明和图像处理方法，无论光学设备的相关特性如何，都可以获得接近理想的系统性能。 ：硅上的液晶；微电子机械系统；自动光学检查中文图书馆分类号：TN27文件标识码：光学照明设备，显示设备制造商：Le wis Collie（DCIAcquisition Corp.，Nooseck Hill Roa d，Engla nd） ）绝对值：如果显示显示器的光学性能接近正确，则可以校正选择的照明，重新获得相对特性的光学元件关键词：液体结晶硅（LCO） S）;微机电系统（MEMS）;自动光学检测（AOI）随着显示器显示功能尺寸的减小，显示器检查必须能够检测出微米级的缺陷。

由于人眼无法检测到微米级的缺陷，因此必须使用自动光学检查（AOI）系统在制造过程和最终显示器的最终检查中检测和定位此类缺陷。在设计或选择AOI系统时，可以在光学设备和图像处理之间进行权衡，以达到实际检测此类缺陷的目的。它可以细分为许多类别。此类缺陷的范围从硅上液晶（LCOS）或微机电系统（MEMS）微型显示器，液晶显示器（LCD）面板子像素彩色滤光片上的污染物，到显示基板的颗粒以及掩模上印刷错误的灵活显示。投影显示器受左右缺陷的影响与其放大倍数成反比，即使它小于单个像素尺寸的1％。尽管用户可能无法观察到彩色滤光片上几微米大小的缺陷，但其检测对于过程的统计控制非常重要。柔性基板的检查要求可能更高，因为亚微米缺陷的检查将影响互连线或电路的印刷。就AOI系统的颜色或时间响应而言，要检测的缺陷和材料是高保真度测量，但是这种类型的测量比单个像素覆盖更大的面积。换句话说，基于此类传感器的性能和覆盖范围，它们通常不用于检测微米级缺陷。即使可以使用特殊的照明过程来检测细微的缺陷，但扫描平滑的小型和微型显示器所需的时间也是无法接受的。

基于摄像机的AOI系统还提供了用于检查和分类细微缺陷的解决方案。图片显示了MEMS器件上的单个缺陷像素。请注意，每个电荷耦合器件（CCD）相机像素大约都可以观察到镜的结构，并且还可以通过测量其结构来确定是否存在缺陷。图片显示了聚合物薄膜上的划痕。在此示例中，每个CCD摄像机像素代表大约10μ，在图中将其放大，以便可以区分缺陷的细节。接下来，我们将分别讨论照明，光学和相机传感器。但是，应共同设计或选择这些方面，以实现所需的功能。聚合物薄膜上的划痕示例。在此示例中，CCD相机的像素约为10μm，并且被放大了，以便可以区分出缺陷的细节。照明一旦确定了可能的缺陷，就可以确定AOI系统的照明。照明源用于增强缺陷的光学图像。所选照明必须在缺陷与表面的其余部分之间提供足够的对比度，以便可以在图像处理过程中检测到缺陷。同样，选择的照明一定不能消除缺陷。可以考虑两种基本类型的照明来进行显示检测：明场照明和暗场照明。它显示了明场和暗场之间的差异。通常，明场照明依赖于直接反射回相机的光，而暗场照明依赖于向各个方向倾斜反射并进入传感器的光。只能用于透明材料和显示器的背光可以看作是明场的一种特殊情况，因为我们希望它发出的光通过显示器进入传感器，而不是通过散射到达传感器。

为了讨论检查照明的问题，由于在直接照明输出的变化中检测到缺陷，自发光（OLED）也可以用作明场检查目标。 MEMS器件上的单个缺陷像素。请注意，每个电荷耦合器件（CCD）摄像机像素大约都是一个像素，因此您甚至可以观察反射镜的结构，还可以通过测量其结构来确定明场照明和暗场照明是否存在缺陷。 。 ，沿某个角度发射的光沿相反的角度镜像。对于光滑的发光表面，大多数入射光将被反射掉。沿镜面角度安装相机，相机可以接收材料的明场或图像信息。固体材料（例如一块玻璃）中的缺陷会破坏该完美的亮场，从而在图像中产生阴影区域。对于根据掩模制备的材料，例如互连线，使用明场照明来生成掩模的图像，从而可以对图像进行处理以发现缺陷。该图显示了具有共线照明的无动力MEMS器件。明场照明用于检测缺陷（在不良图像暗场照明中，光源通常相对于表面倾斜放置，并且摄像机安装在表面的法线上或靠近表面的位置）照明角度：这将生成常规的暗场图像，因为预期光线会反弹并且不会进入相机；材料中的缺陷可能会导致光散射到相机中，从而导致常规的暗场图像中出现明亮区域。如果使用暗场照明，请在图片中使用亮场。照明所看到的缺陷可能看起来是深色背景上的亮点。

如果使用两种照明方法来突出缺陷，则暗场照明所需的光水平大约比明场照明所需的光高一个数量级。无论采用哪种照明方式，目标都是以最快的速度在足够大的动态范围内提供足够的光线，以使曝光时间最小化。对于固体表面上的简单缺陷，可以使用任何方法（取决于缺陷的特性）来增加常规背景和缺陷之间的对比度。对于掩模图案的检测，需要明场照明，因为如果使用暗场照明，则掩模图案本身可能会引起一些不确定的反射图像。相机动态范围的大小会影响图像处理，因为通常对比度越高，图像处理就越容易。但是，照明也会受到光学设备的影响。云纹图案。无论如何处理图像，丢失的缺陷信息都无法恢复。在图中，正确的光学器件用于获取设备的清晰图像，这为检测图像处理中的缺陷提供了更多机会。如果使用的光学设备不合适，则会导致严重的莫尔纹。当使用正确的光学设备时，可以获得该设备的清晰图像。任何AOI系统光学设备的鉴定都需要进行一系列测试。为了确保光学系统的高质量”，显示器的检查必须考虑一些独特的要求。例如，像素周期可能会导致图中所示的莫尔图案出现。这些指标的比较有助于在显示测试中选择光学器件。

有许多评估镜头系统的指标，例如调制传递函数（MTF），畸变和消色差显示。光学设备尽管光学设备与照明密切相关，但是很明显，所使用的光学设备还必须符合一些基本特性。 Otto Schade提出了将图像比率从被测目标传输到图像的能力的测量方法。在较高的空间频率下，MTF越高，系统发现微米级缺陷的可能性就越大。通常使用带有交替黑白条的测试目标来测量MTF，以每毫米的行数为单位。然而，由于照相机本身的周期性分布的像素间距，使用离散传感器（例如CCD照相机）来实现这一点更加困难。有必要考虑消除MTF测量中传感器像素的影响。可以使用单个稍微倾斜的刀口方法来克服此限制，并且可以使用变频测试目标来生成边缘清晰的图像。如图所示，有一个软件包可以完成此测试。该图的右上角显示了带有水平条纹的变频测试目标的图像。测试目标特意略微倾斜，因此在条纹的位置沿着窗口的长度至少发生一个像素偏移。这为每个条纹提供了高分辨率采样，并且摆脱了CCD像素间距的影响。分析边缘扩展功能（ESF）与测试窗口的列扫描相结合，位于图的左下角。然后使用ESF计算光学系统的MTF，如图右下角所示。

垂直绿线表示CCD相机的系统关闭点，即相机的分辨率极限。成像时进行非线性映射。透镜中的严重光畸变会影响显示像素定位过程的准确性，尤其是靠近图像边界的像素，因为通常，最大畸变更可能发生在光学元件的边缘（因此靠近光学元件的边缘）。图片）。精确的几何位置对于子像素缺陷的精确定位和缺陷尺寸的确定非常重要。但是，较大的失真可能会导致错误。失真还可以显示光能通过传感器像素的拖尾效应。光学系统中的几何畸变可以通过如图所示的垂直条纹或水平条纹来测量。计算光栅每一侧的坐标，并将其与一行直线匹配。每一侧与直线之间的偏差可用于估计透镜的一阶和二阶射线畸变参数。由于最大畸变通常发生在图像的拐角处，因此这些参数可用于计算由CCD传感器形成的图像拐角处的最大畸变。消色差消色差测量用于确保所有可见波长光学设备功能的一致性。镜头的消色差畸变将导致焦距随图像的不同光谱分量而变化，这又将导致图像内容模糊。如果透镜是消色差透镜，则在使用不同波长的照明来检测缺陷时应格大约是蓝色（400〜500 nm），绿色（500〜600 nm）和红色（600〜700 nm）。

如果使用单色照明，则可以相应地调整光学组件的焦点。如果使用宽带照明，可能会出现焦距问题，从而偏离最佳聚焦波长。最后要说的是，如果使用宽范围的光谱照明（例如氙气闪光灯），那么焦距可能是紧接在光源的光谱响应之后的一个大问题。消色差测试包括使用焦距测量来确定沿着相机的每种颜色的光。使用MTF评估程序时，可以通过使用一系列垂直或水平条纹在聚焦后测量镜头来测量光学系统的几何畸变。对于色差透镜，用蓝光或红光聚焦后的焦距减小值应小于某个值，并且该值由焦距测量的灵敏度确定。该图显示了测量参数示例的概述。图中的上方三个曲线代表给定目标针对蓝，绿和红光的焦距测量曲线。对于特定的焦距测量方法，当焦距从焦距的最高值下降到最大值的一半时，可以将镜头某种颜色的景深视为轴上两点之间的距离测量。图的底部显示了给定目标的绿光和红光的焦距曲线。红光的焦距测量降低了。这种轴上分离的大小取决于测量焦距时所使用的测量方法的精确灵敏度。对于基板和玻璃顶盖，图中列出的缺陷可能更常见。无论哪种情况，缺陷的存在和位置都是首要考虑因素。然后，除了过程控制反馈内，可以指出，图像的AOI在显示器的成功应用中起着至关重要的作用，光学设备在相当稳定的环境中不会发生变化，并且照明也不会发生变化。该变化可以控制在1％之内，因此，图像处理过程必须能够为AOI机器提供杠杆作用，该图像处理过程包括使用所谓的或固定参考目标，并基于此固定参考目标生成基本期望值。另一方面，图像处理还承担着操纵AOI系统的可重复性的责任。图像处理的可重复性对于将AOI应用于显示器至关重要。显示器的AOI系统检测显示器的方式可能不是最终方式。

平板LCD测试可以使用直接查看模式，但是可能会使用比人工测试所需的放大倍率更高的放大率。但是，在测试投影微型显示器时，不会使用最终构成投影机核心的光学系统。在任何情况下，图像处理都必须能够产生与监视器的最终终端显示屏链接的结果。 LCD中的微米缺陷的检测必须与某些机构观察到的缺陷有关。类似地，对于投影设备，必须建立阈值。当某个尺寸和亮度以下的缺陷达到此阈值时，则认为显示器已损坏，并且该缺陷顺利通过了检查。 AOI系统的信誉基于图像处理的可重复性。比较了两个方面。该项目的最终目标是开发一种既可以快速检测缺陷，又可以检测较小（1μm）尺寸缺陷的透镜。预想的结果是，要实现此目标，需要更好的MTF失真和颜色质量。尽管新镜头在MTF测试中具有明显更好的结果，但其检测缺陷的能力没有显着差异。因此，在该示例中，图像处理对低性能光学器件具有良好的抗干扰能力。从中获得的经验是，在AOI系统中还必须考虑图像处理。仅阅读光学和照明手册可能无法告诉我们这种系统可以提供的所有性能。总结对于用于检测显示器和相关材料中的微米级缺陷的AOI系统，其性能在很大程度上受到AOI系统选择的光学组件，显示器或相关材料的照明以及由AOI系统执行的图像处理方法的影响。系统。全面的影响。

如果为当前项目选择的光学组件不合适或要求所选的光学组件完成太多任务，那么将没有太多的图像处理方法可以使系统的性能令人满意。照明必须与光学器件和要同时检测的缺陷相匹配。但是，只要光学设备的选择合理，那么无论光学设备的相关特性如何，选择正确的照明和图像处理方法都可以获得近乎完美的性能。作者简介：DCIAcquisition公司的Le Collier（公司名称：LCollie r @ Dis playChe，本文引用的部分结果为MDAMDA972-93-或DAAD19-02-0001。（南开大学SID2006“信息显示” 1） / 200 6） 7. 2称重和比较无论如何，图像处理在检查系统的整体性能中起着重要作用，如前所述，不能使用错误的光线

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