CN103559344A - 一种用于激光直接成像的版图预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光直接成像的版图预处理方法，包括如下步骤：步骤a：读取版图文件，根据版图文件格式，选择正确的版图解析模块；步骤b：解析出版图数据得到预处理数据，解析出预处理数据中图层和每个图层内的所有图形元素，按原始图层顺序在内存创建图层实例；步骤c、按图层实例顺序将图形元素多边形化；步骤d、按图层实例顺序将图层网格化，构建多边形索引；步骤e、按图层顺序存储预处理数据中的所有图层数据到外存空间。通过上述方式，本发明所述的版图预处理方法生产的预处理数据文件无论是存储还是读取都很简单，读取效率高，多边形、单元格间双向查询效率高，提高了激光直接成像的生产效率。

Description

一种用于激光直接成像的版图预处理方法

技术领域

本发明涉及激光成像技术领域，具体涉及一种用于激光直接成像(LDI)的版图预处理方法。

背景技术

LDI是一种非接触(NON Contact)式直接成像技术，它通过对CAD版图进行预处理，输出前处理数据，驱动激光成像系统，在涂覆有光刻胶的基底上直接图形成像的技术。目前，LDI设备的应用领域是印刷电路板成像和半导体集成电路成像。印刷电路板常用的版图格式是RS274X(Gerber)和ODB++；半导体常用版图格式是GDSII。在印刷电路板和半导体领域内，LDI是相对较新的技术，目前还没有专用的版图格式。现有技术中的激光直接成像中版图加工的完整处理过程请参考附图1。LDI设备不能实时解析和栅格化现有的版图格式，主要原因为：一、现有版图格式均为矢量图，LDI设备中的成像装置只支持栅格化图像(位图，BITMAP)的直接成像，需要增加解析和栅格化过程；二、每次打开版图，需要等待漫长的版图解析过程，无论是校对程序还是曝光程序都不允许如此长的解析加载时间的，一般会采用离线解析方案；三、版图数据一般由CAD软件导出，用于设计与生产间的数据交换，由于版图设计方法和版图导出程序的原因，版图常存在设计、精度、语义或语法错误。因此需要校对预处理数据，以免发生生产停顿或产品缺陷等严重后果。一般地，解析程序会尝试修复各类错误，但自动修复无法保证完全符合设计者意图，故解析结果仍需要校对；四、不同的版图类型，其图形元素定义方法不同。版图结构常采用层次、重复等结构表示复杂的版图结构。图形元素之间常存在几何关系，如叠加、剪除、反色、镜像、平移、旋转等。如圆环，可表示为两个同心圆的差。具有复杂结构和复杂关系的版图不利于栅格化的快速进行。校对程序浏览版图、扫描曝光程序从版图分割出STRIP，栅格化设备从STRIP分割出BLOCK都是截窗(Windowing)过程。如果没有预处理数据，软件需要先按层查找出与该截窗相接触(含相交、包含或被包含等关系)的所有图形元素，然后，将这些图形元素多边形化，再按这些图形元素之间的关系，计算出截窗内的最终几何图案，最后，再对最终几何图案进行栅格化处理。对于用户浏览操作来说，该栅格化过程不会引起用户操作上延迟的感受。但对于设备成像来说，该效率是极其低下的。

综上述所，版图格式不适合于LDI曝光时的输入数据格式，但由于以下原因，直接将版图离线栅格化为位图也不是可取的解决方案，原因如下：一、由于栅格化精度不同，栅格化出的位图数据量也不同。在实际应用中，在PCB加工中，例如一张600×800毫米的Gerber版图，线宽30微米，细分精度2.0微米栅格化，加工时间一般不应超过1分钟。按上述参数栅格化后位图的分辨率为300,000×400,000，数据量约110G(8位)或14G(1位，单色位图)。按单色位图计算，在千兆网上传输，传输约140秒。这是无法满足生产的，同时这也是普通硬盘输入的瓶颈。二、由于成本原因，LDI设备不使用转动台，而是应用对位技术，通过找到基板图案与待加工图形的关系，得出变换矩阵，对待加工版图进行数学变换，从而达到旋转、平移和缩放等目的。但上述举例中栅格化图像的变换操作不仅是相当耗时，而且内存需求量也极大，同时还会产生不必要的精度损失。三、如此庞大的位图也不利于校对程序加载和浏览。

因此，原始版图和位图均不适合于LDI的直接输入数据。需要一种介于两者之间的中间格式数据，以便于克服这两种数据格式中存在的问题。

发明内容

根据上述现有技术中的不足，为了达到在激光直接成像过程中易于读取、易于查找图形且空间占用较小、精度损失少、栅格化效率高并利于数学变换、有利于校对的目的，本发明提供了一种激光直接成像中应用的版图预处理方法。

为了实现上述目的，本发明公开的技术方案为：一种用于激光直接成像的版图预处理方法，包括如下步骤：步骤a：读取版图文件，根据版图文件格式，选择正确的版图解析模块；步骤b：解析出版图数据得到预处理数据，解析出预处理数据中图层和每个图层内的所有图形元素，按原始图层顺序在内存创建图层实例；步骤c、按图层实例顺序将图形元素多边形化；步骤d、按图层实例顺序将图层网格化，构建多边形索引；步骤e、按图层顺序存储预处理数据中的所有图层数据到外存空间。

优选的，所述步骤c中，图形元素多边形化的规则是：所述多边形由外边界顶点和孔组成，各孔间互不相交，外边界顶点与各孔也不相交。本发明中所述的孔是不再包含孔的多边形，孔边界的顶点组成。所述的多边形中发生自交现象时，需使用自交消除算法消除。

优选的，所述步骤d中，图层网格化的过程为：以图层外接矩形的左下顶点位置为网格起点，根据图层外接矩形宽度和单元格宽度计算出单元格列数；根据图层外接矩形高度和单元格高度计算出单元格行数；再计算出单元格总数；最后创建单元格总数个单元格实例，并为单元单元格编号。

优选的，所述单元格编号的操作为：单元格从0开始编号，依次加1；网格的行号从0开始，从下往上依次加1编号至单元格行数减1，网格的列号也从0开始，从左往右依次加1编号至单元格列数减1。

优选的，所述步骤d中，图层网格化后，所述网格中第i行第j列的单元格所覆盖的区域为：x∈[i·w，(i+1)·w)，y∈[j·h，(j+1)·h)，i∈[0，c)，j∈[0，r)，单元格的编号k＝c·i+j，其中，(w，h)是单元格尺寸，r是单元格行数，c是单元格列数。

优选的，所述步骤d中的构建多边形索引的过程为：首先算出所述多边形的外接矩形；然后算出所述多边形的外接矩形的左下顶点(x₀，y₀)和右上顶点(x₁，y₁)；再分别计算左下顶点和右上顶点所在的单元格行号和单元格列号，计算方法为：

r₀＝[y₀/h]，c₀＝[x₀/w]，r₁＝[y₁/h]，c₁＝[x₁/w]，其中[]表示取整；

再依次判断所述多边形是否与第i行第j列的单元格(i∈[r₀，r₁]，j[c₀，c₁])相交；如果相交，则记录该多边形编号至i单元格中。

优选的，所述步骤e中将所有图层数据存储到外存空间时的外存格式是二进制数据格式、数据库或XML文件格式中的至少一种。

针对现有技术中的版图和栅格化图存在的问题，本发明版图预处理方法将各种不同版图定义的图形元素全部转换成统一格式的多边形，然后按层建立网格，接着按单元格建立多边形索引，最后将预处理数据存储到文件，完成预处理过程。该处理方法生成的预处理数据文件无论是存储还是读取都很简单，读取效率高，多边形、单元格间双向查询效率高，提高了激光直接成像的生产效率。

综上所述，本发明的有益效果是：数据提供了多边形快速索引的网格，提高了截窗、区域划分和栅格化效率；矢量数据便于数学变换；单元格布局合理，方便计算，利于单元格和多边形间的相互查找；相比栅格化图像，数据量显著减少。

附图说明

图1为现有技术中的激光直接成像中版图加工的完整处理过程；

图2为本发明所述的一种激光直接成像中应用的版图预处理方法的处理过程；

图3为本发明所述的激光直接成像中应用的版图预处理方法中网格化处理后单元格编号分布示意图；

图4为本发明所述的激光直接成像中应用的版图预处理方法的数据结果组织结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。

请参考图2、图3及图4，本发明实施例：一种用于激光直接成像的版图预处理方法，包括如下步骤：

步骤a：读取版图文件，根据版图文件格式，选择正确的版图解析模块；在该操作步骤中是由用户或由软件智能判断数据格式，选择正确的版图解析模块。如RS274X是GERBER格式，其后缀常为.gbx或gbr。

步骤b：解析出版图数据得到预处理数据，解析出预处理数据中图层和每个图层内的所有图形元素，按原始图层顺序在内存创建图层实例；

步骤c、按图层实例顺序将图形元素多边形化；本发明所述步骤c中，图形元素多边形化的规则是：所述多边形由外边界顶点和孔组成，各孔间互不相交，外边界顶点与各孔也不相交。孔是不再包含孔的多边形，孔边界的顶点组成。

步骤d、按图层实例顺序将图层网格化，构建多边形索引；本发明所述步骤d中，图层网格化后，所述网格中第i行第j列的单元格所覆盖的区域为：x∈[i·w，(i+1)·w)，y∈[j·h，(j+1)·h)，i∈[0，c)，j∈[0，r)，单元格的编号k＝c·i+j，其中，(w，h)是单元格尺寸，r是单元格行数，c是单元格列数。本发明所述步骤d中的构建多边形索引的过程为：首先算出所述多边形的外接矩形；然后算出所述多边形的外接矩形的左下顶点(x₀，y₀)和右上顶点(x₁，y₁)；再分别计算左下顶点和右上顶点所在的单元格行号和单元格列号，计算方法为：

r₀＝[y₀/h]，c₀＝[x₀/w]，r₁＝[y₁/h]，c₁＝[x₁/w]，其中[]表示取整；

再依次判断所述多边形是否与第i行第j列的单元格(i∈[r₀，r₁]，j∈[c₀，c₁])相交；如果相交，则记录该多边形编号至i单元格中。

步骤e、按图层顺序存储预处理数据中的所有图层数据到外存空间。

本实施例中，定义多边形的数据格式为：

[总长度，编号，孔数，边界顶点数，边界各顶点，孔1顶点数，孔1各顶点，...]

矩形的定义方法可以有很多种，如方法一(左下坐标，宽，高)，方法二(中心坐标，宽，高)等。如按方法一定义的矩形(1，1，10，20)，经多边形化后，数据实例为：[56，id，0，4，(1，1)(11，1)(11，21)(21，1)(1，1)]，其中，56为多边形总数据长度，id为多边形唯一序号，0表示该多边形不包含孔，4表示多边形共有四个顶点，(1，1)分别是多边形的起点和终点。

圆环的定义方法常见为：(圆心，外径，内径)，如(0，0，10，5)，多边形化后转换成正六边形的实例为：[244，id，1，6，(10，0)(5，8.660254)(-5，8.660254)(-10，0)(-5，-8.660254)(5，-8.660254)(10，0)，6，(5，0)(2.5，4.330127)(-2.5，4.330127)(-5，0)(-2.5，-4.330127)(2.5，-4.330127)(5，0)]。

本实施例中所述的步骤d中所述的按图层实例顺序将图层网格化的具体过程为：

以图层的起点位置，即以图层外接矩形的左下顶点位置为网格起点，根据图层外接矩形的宽度和单元格宽度计算出单元格列数；根据图层外接矩形的高度和单元格高度计算出单元格行数；再计算出单元格总数；最后创建单元格总数个单元格实例，并为单元格编号。其中，单元格从0开始编号，依次加1。图3为单元格编号分布图，阴影为图层部分。网格的行号从0开始，从下往上依次加1编号至(单元格行数减1)，网格的列号也从0开始，从左往右依次加1编号至(单元格列数减1)。

本实施例中，设图层的外接矩形为(x₀，y₀，W，H)，单元格尺寸为(w，h)，单元格行数

，单元格列数，单元格总数为T＝r×c，其中，[]表示向上取整，0＜δ＜h，0＜ε＜w。

则根据上述规定，对于任意点(x₀，y₀)，该点所在的网格行号为：i＝[y₀/h]该点所在的网格列号为：j＝[x₀/w]由此计算得单元格编号为：k＝c·i+j。

本实施例中，所述步骤e中将所有图层数据存储到外存空间时的外存格式是二进制数据格式。其中，二进制数据文件组织格式如下：

二进制数据内容由文件头，层头列表和层列表组成。数据格式为：

数据文件长度 $L=L^{f-\mathrm{header}}+\underset{0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i^{l-\mathrm{header}}+\underset{0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i^{\mathrm{body}}.$

其中，版图数据文件的文件头用于描述整个PSF文件的版图属性。所述版图属性包括PSF格式的版本号、长度单位、角度单位、多边形化精度、图层总数、版图极性、源文件名称、多边形总数、版图变换量和保留描述区域组成。文件头的存储结构为：

文件头元数据长度L^f-header＝512。

其中，二进制文件的层头是图层的描述信息。由层号、名称、多边形数量、图层极性、起点坐标、图层的物理尺寸、层体数据长度、层体偏移位置组成。其存储结构为：

层号	整数	4bytes
			层名称	字符串元数据	64bytes
层内多边形数量	整数	4bytes
			层极性	整数	4bytes
层的起点坐标	顶点元数据	8bytes
			层的物理尺寸	尺寸元数据	8bytes
层体的数据长度	无符号整数	8bytes
			层体的偏移位置	无符号整数	8bytes

层头元数据总长度L^l-header＝108。

其中，二进制文件的层体由多个多边形组成。多边形总数由层头给定。层体数据长度为网格数据长度与所有多边形数据长度之和。层体的存储结构为：

层体数据总长度

其中L^grid为网格数据长度，

为层内从0开始计算的第i个多边形的数据长度，n为层内多边形个数。

其中，层体中的网格存储结构为：

网格数据总长度n为单元格总数，

为编号为i的单元格的数据长度。其中，层体中的多边形的存储结构为：

多边形数据总长度(字节数)

其中，L^boundary为外边界的数据长度，

为孔的数据长度，n为孔的总数。

其中，多边形中孔的存储结构为：

孔的数据总长度(字节数)L^ring＝4+(n+1)·8，其中，n为环的顶点数。

在本发明的另一个较佳实施例中，步骤e中将所有图层数据存储到外存空间时的外存格式是数据库文件格式。

在本发明的另一个较佳实施例中，步骤e中将所有图层数据存储到外存空间时的外存格式是XML文件格式。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于激光直接成像的版图预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a：读取版图文件，根据版图文件格式，选择正确的版图解析模块；

步骤b：解析出版图数据得到预处理数据，解析出预处理数据中图层和每个图层内的所有图形元素，按原始图层顺序在内存创建图层实例；

步骤c、按图层实例顺序将图形元素多边形化；

步骤d、按图层实例顺序将图层网格化，构建多边形索引；

步骤e、按图层顺序存储预处理数据中的所有图层数据到外存空间。

2.根据权利要求1所述的用于激光直接成像的版图预处理方法，其特征在于，所述步骤c中，图形元素多边形化的规则是：所述多边形由外边界顶点和孔组成，各孔间互不相交，外边界顶点与各孔也不相交。

3.根据权利要求1所述的用于激光直接成像的版图预处理方法，其特征在于，所述步骤d中，图层网格化的过程为：以图层外接矩形的左下顶点位置为网格起点，根据图层外接矩形宽度和单元格宽度计算出单元格列数；根据图层外接矩形高度和单元格高度计算出单元格行数；再计算出单元格总数；最后创建单元格总数个单元格实例，并为单元单元格编号。

4.根据权利要求3所述的用于激光直接成像的版图预处理方法，其特征在于，所述单元格编号的操作为：单元格从0开始编号，依次加1；网格的行号从0开始，从下往上依次加1编号至单元格行数减1，网格的列号也从0开始，从左往右依次加1编号至单元格列数减1。

5.根据权利要求1所述的用于激光直接成像的版图预处理方法，其特征在于，所述步骤d中，图层网格化后，所述网格中第i行第j列的单元格所覆盖的区域为：x∈[i·w，(i+1)·w)，y∈[j·h，(j+1)·h)，i∈[0，c)，j∈[0，r)，单元格的编号k＝c·i+j，其中，(w，h)是单元格尺寸，r是单元格行数，c是单元格列数。

6.根据权利要求1所述的用于激光直接成像的版图预处理方法，其特征在于，所述步骤d中的构建多边形索引的过程为：首先算出所述多边形的外接矩形；然后算出所述多边形的外接矩形的左下顶点(x₀，y₀)和右上顶点(x₁，y₁)；再分别计算左下顶点和右上顶点所在的单元格行号和单元格列号，计算方法为：

r₀＝[y₀/h]，c₀＝[x₀/w]，r₁＝[y₁/h]，c₁＝[x₁/w]，其中[]表示取整；

再依次判断所述多边形是否与第i行第j列的单元格(i∈[r₀，r₁]，j∈[c₀，c₁])相交；如果相交，则记录该多边形编号至i单元格中。

7.根据权利要求1所述的用于激光直接成像的版图预处理方法，其特征在于，所述步骤e中将所有图层数据存储到外存空间时的外存格式是二进制数据格式、数据库或XML文件格式中的至少一种。

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