DE69327601T2

DE69327601T2 - Methode und Apparat zur Inspektion von Gegenständen oder Oberflächen

Info

Publication number: DE69327601T2
Application number: DE69327601T
Authority: DE
Inventors: Robert Bishop; Richard Damon
Original assignee: Beltronics Inc
Current assignee: Beltronics Inc
Priority date: 1992-03-12
Filing date: 1993-03-08
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2013-03-09
Also published as: TW277165B; TW277164B; JPH0643103A; DE69327601D1; CN1077028A; CA2089332A1; EP0560565B1; KR930020153A; US5524152A; EP0560565A2; EP0560565A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine automatische Inspektion von Gegenständen oder Oberflächen, die Licht reflektieren, beispielsweise bei der Bildabtastung, wobei sich die Erfindung spezieller, aber nicht ausschließlich auf solche Anwendungen richtet, wie die Inspektion oder Überwachung von Defekten in Wafern oder Substraten oder Leiterplatten für elektronische Schaltkreise usw.

Hintergrund der Erfindung

Wird zunächst die beispielhafte oder illustrierende Anwendung einer Inspektion oder Überwachung von Defekten betrachtet, so läßt sich feststellen, daß zahlreiche bekannte Systeme und Techniken verwendet wurden, und zwar für das Abtasten derartiger Wafer, Leiterplatten oder anderer Oberflächen, wobei die Bilder, die durch Lichtreflektion von derartigen Flächen erzeugt werden, analysiert werden, und zwar einschließlich von Maskenvergleichen mit gewünschten oder "guten" Oberflächenstrukturen und von Techniken zum Lernen von "guten" Muster-Merkmalen und Formen sowie zum Auffinden von ungewöhnlichen Formen während der Abtastung oder Inspektion, wie dies z. B. in den US-Patenten 4,589,140 und 4,893,346 beschrieben ist und wie durch den gemeinsamen Rechtsnachfolger entwickelt und in dem ersten Modell B 2000 von Beltronics Inc. Massachusetts und in jüngster Zeit in den Nikon-Modellen Al 1020 von Nikon Japan realisiert ist. Unter den Varianten dieser Techniken, wie sie in den genannten Patenten beschrieben werden, ist auch die Verwendung von codiertem Licht, und zwar einschließlich einer Farbcodierung, um durchgehendes Licht von reflektiertem Licht zu unterscheiden, was speziell in Verbindung mit Durchlässen (Vias) oder anderen Öffnungen oder Ausnehmungen in Leiterplatten oder anderen Objekten oder Oberflächen, die inspiziert werden, nützlich ist.
In jüngster Zeit wurden sehr unterschiedliche Anstrengungen bezüglich eines Inspektionsverfahrens unternommen , und zwar speziell für solche verfahren, die in Verbindung mit Wafern und anderen Typen von Oberflächen oder Objekten brauchbar sind, die ähnliche Charakteristiken aufweisen, und zwar angewendet in dem "Beltronics Microscan"-Modell, welches eine intelligente Bild-Verkleinerungs- und Vergrößerungstechnologie aufweist, um die Inspektion von Abschnitten der lichtreflektierenden Bilder von Oberflächen in Verbindung mit der Art oder den Charakteristiken von Umgebungsmaterial der Oberfläche zu ermöglichen und um so eine vergrößerte Unterscheidbarkeit und Zuverlässigkeit bei der Inspektion zu erreichen, wie dies in der anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 636,413, angemeldet am 31. Dezember 1990, für ein "Verfahren und eine Vorrichtung zur Inspektion von geometrischen Strukturen unter Verwendung einer intelligenten Bildmusterverkleinerung, Vergrößerung und Verarbeitung, um vorbestimmte Merkmale und Toleranzen zu identifizieren" beschrieben ist.
Als weiterer representativer Stand der Technik kann Bezug genommen werden auf IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 30, Nr. 4, September 1987, Armonk New York, USA, Seiten 1647 bis 1649, und US-AA 205 752.
Der Stand der Technik beschreibt ein Verfahren zur Inspizierung von Gegenständen durch Aquisition verschiedener Bilder eines Gegenstandes unter unterschiedlichen äußeren Bedingungen und durch mathematisches Kombinieren der Bilder, um so den Umfang der Information zu erhöhen, die von dem Visionssystem geliefert wird. Das letztgenannte Dokument behandelt ein Verfahren zur automatischen Inspektion und Differenzierung unterschiedlich gefärbter Objekte oder Oberflächen, die durch eine an diesen reflektiertes Licht eluminiert sind, wobei das Verfahren eine unterschiedliche optische Farbfilterung des reflektierten Lichtes vorsieht, um Signale zu erzeugen, die den Spektralcharakteristiken der Filterung entsprechen. Diese Signale werden mit Wertungskoeffizienten multipliziert, die den Signalkontrast zwischen den unterschiedlichen gefilterten Farben optimieren.
Alle oben genannten Systeme haben in einer oder mehrfacher Hinsicht gewisse Nachteile, da sie in kritischer Weise eine gleichförmige oder geeignete Lichtintensität für die Beleuchtung der zu inspektierenden Oberfläche oder des zu inspizierenden Objektes erfordern und substantielle Änderungen in der Beleuchtung unweigerlich eine zufriedenstellende Arbeitsweise des Inspektionssystems beeinträchtigen, so daß die genannten Systeme eine sorgfältige Einstellung und Nachjustierung fordern.
Die vorliegende Erfindung basiert hingegen auf der Entwicklung einer Technik, die solcher Probleme und Einschränkungen in einer bemerkenswerten Weise vermeidet, speziell auch dort, wo die Oberfläche oder das zu inspizierende Objekt mehrfarbig sind, wie beispielsweise bei Wafern, wo unterschiedliche Komponenten oder Elemente in verschiedenen Farben und Farbtönen oder Farbkomponenten erscheinen. Die vorliegende Erfindung macht in der Tat nicht nur das Inspektionssystem weniger anfällig in Bezug auf Bedienungs- oder Arbeitsprobleme, die aus Änderungen der Intensität des Beleuchtungslichtes resultieren, wie dies bei Sytemen des Standes der Technik der Fall ist, sondern die Erfindung verbessert synergetisch signifikant auch die Unterscheidungsmöglichkeit des Inspektionsverfahrens.

Aufgabe der Erfindung

Es ist daher eine grundsätzliche Aufgabe der Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren sowie eine neue verbesserte Vorrichtung für die Bildverarbeitungsinspektion von mehrfarbigen Oberflächen und Objekten zu schaffen, und zwar ohne die bisherige Abhängigkeit von einer gleichförmigen Beleuchtungsintensität oder ohne die Befindlichkeit von Änderungen der Lichtintensität, um auch die Unterscheidbarkeit bei der Inspektion signifikant zu verbessern.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine solche neuartige Inspektionsvorrichtung zu schaffen, die speziell für eine Inspektion von Oberflächen von Festkörperwafern oder anderen Objekten geeignet ist, die ähnliche oder analoge vielfarbige Komponenten oder Bereiche aufweisen.
Andere und weitere Aspekte werden nachstehend erläutert und sind spezieller in den beigefügten Ansprüchen angegeben.

Zusammenfassung

Zusammenfassend und unter einem breiteren Gesichtspunkte umfaßt die Erfindung ein Verfahren zur automatischen Inspektion und Differenzierung unterschiedlich gefärbter Bereiche eines beleuchteten Objektes oder einer beleuchteten Fläche unter Verwendung eines hiervon reflektierten Lichtes, wobei das Verfahren umfaßt das getrennte Empfangen und elektronische Detektieren der reflektierten Bilder des Objektes oder der Oberfläche an einer Vielzahl von getrennten Orten, die unterschiedliche optische Farbfilterung der Bilder an jedem Ort, um durch das Detektieren unterschiedliche Signale zu erzeugen, die den unterschiedlichen spektralen Charakteristiken der jeweiligen Filterung entsprechen, wobei jedes der Signale mit unterschiedlichen Wertungskoeffizienten multipliziert wird, die mit unterschiedlichen Koeffizienten oder Vorzeichen von gegengesetzter positiver/negativer Polarität für unterschiedlich gefärbte benachbarte Regionen ausgewählt sind, um den Signalkontrast zwischen unterschiedlich gefilterten Farben zu optimieren, und wobei die multiplizierten Signale linear summiert werden, um ein elektronisch gefiltertes Ausgangs- oder Ergebnissignal mit einem genügenden Signalkontrastbereich und einer genügenden Farbunterscheidung zu erhalten, und zwar unabhängig von einer Änderung der Lichtintensität in einem breiten Bereich und unabhängig von einer Änderung der Farbe bei der Ver- und Bearbeitung des Objektes oder der Oberfläche in einem breiten Bereich.
Bevorzugte und beste Ausführungen und Details werden nachstehend präsentiert.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, von denen
die Fig. 1 ein kombiniertes Block- und Schaltdiagramm ist, welches die Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform illustriert;
die Fig. 2 den Verlauf eines verarbeiteten Ergebnis-Signals wiedergibt, und zwar entwickelt in Übereinstimmung mit der Erfindung und als Funktion der Farbfrequenz;
die Fig. 3A und 3B ebenfalls Verläufe von verschiedenen, erhaltenen Spektralsignalen von unterschiedlich gefärbten Bereichen des Objektes oder der inspizierten Fläche sind;
die Fig. 4A und 4B Diagramme eines mehr verallgemeinerten Vielfarbendiskriminationssystems ähnlich der Fig. 1 sind und die Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Schaltkreises für die Identifizierung des Materials von den unterschiedlich gefärbten Bereichen ist.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Es wird angenommen, daß es für ein Verständnis der grundlegenden Unterschiede der Erfindung von bekannten allgemeinen Farbfiltertechniken, die bisher in einer Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen für die Unterscheidung bestimmter Farbreflexionen von Objekten verwendet wurden, hilfreich ist, die Einschränkungen und Nachteile solcher Versuche auch hinsichtlich der Auswirkungen von Änderungen der Beleuchtungsintensität sowie von bei der Verarbeitung auftretenden Änderungen der Objektfarbe zu erläutern.

Einschränkungen bei allgemeinen optischen Filter- und Signalverarbeitungs- Techniken

Herkömmliche Systeme für die Analyse vielspektraler oder vielfarbiger Bilder verwenden typischerweise Farbfilter. Das einfachste System kann beispielsweise zwischen verschiedenen Farben unterscheiden, und zwar unter Verwendung; einer Grau-Skala oder -Wert-Kamera, die mit einem Filter entsprechend einer speziellen Farbe versehen ist, die detektiert werden soll, so daß das Ausgangssignal einer solchen Kamera hoch ist, wenn die interessierende Farbe vorhanden ist, ansonsten aber niedrig ist. Abhängig von den Farben, die zu unterscheiden oder zu bestimmen sind, kann die Wahl der Filter entweder sehr einfach oder aber auch sehr komplex sein. Falls die Farben extrem unterschiedlich sind, beispielsweise Blau und Rot, ist die Aufgabe in der Tat einfach. Falls jedoch die Farben in dem Spektral band dichter aneinanderliegen, wie beispielsweise bei Gold (hauptsächlich gelb) und Pink (hauptsächlich rot) der Fall ist, oder eine Überlappung in den Farben bis zu einem gewissen Grad besteht, wie dies bei einigen Festkörperwafern der Fall ist, wo goldene Leiterbahnen, die inspiziert werden müssen, sich auf einem mehrlagigen Substrat befinden, welches als pinkfarbener oder blauer Hintergrund erscheint, ist der Kontrast, der durch Ausfilterung aus einer roten Basiskomponente erreicht werden kann, nicht sehr groß, manchmal wird nur ein 10%iger Signalunterschied zwischen den Farben erreicht.
Bei der Inspektion derartiger Wafer durch Menschen werden mit dem Auge und dem Gehirn die goldfarbenen Leiterlinien verfolgt, und zwar unter Berücksichtigung des Umstandes, daß der pinkfarbene Bereich um den Leiter ein Nicht-Leiter ist und demnach Nicht-Teil des elektronischen Schaltkreises ist. Eine Maschine, die diese Gold-Linie inspiziert, muß mit einer ähnlichen Möglichkeit ausgestattet werden, um klar zwischen der Gold-Linie und dem pinkfarbenen Substrat in der Nachbarschaft um den betreffenden Bereich zu unterscheiden. Der vorbeschriebene exemplarische 10%ige Signalkontrast oder der selbst im besten Fall erreichbare 20%igen Signalkontrast liefert eine 10%ige oder 20%ige Änderung der Lichtintensität mit dem Problem, daß die Maschine nicht unterscheiden kann, ob das reduzierte Signal aus einem Lichtabfall oder tatsächlich aus einer Änderung von einer Farbe zu einer anderen Farbe resultiert. Darüber hinaus treten im Prozeß sowie bei der Verarbeitung von Muster zu Muster gewisse Änderungen auf, die zu Änderungen in den Reflexionseigenschaften der speziellen Farbe führen, und zwar beispielsweise in der Größenordnung von 10 bis 20%, daß auch hier wiederum die Maschine nicht unterscheiden kann zwischen Änderungen der Farbe oder Änderungen der Beleuchtung und dementsprechend nicht in der Lage ist, adäquat das Gold von dem pinkfarbenen Bereich zu unterscheiden, wodurch eine zuverlässige Verfolgung oder Abtastung des interessierenden Leiters nicht möglich ist.
Selbst dort, wo bekannte Versuche die Verwendung von Mehrfachkameras und Mehfachfiltern vorschlagen mögen, um die Unterscheidung einer speziellen Farbe oder spezieller Farben zu verbessern, verbleibt das Problem, daß dann, wenn die Farbdifferenz klein ist und wenn die Beleuchtung oder die Farbstärken von Muster zu Muster variieren können, die Vorrichtung nach wie vor nicht adäquat und zuverlässig aufgrund der elektrischen Signale bestimmen kann, welche Signale nun aus tatsächlichen Unterschieden in den Bauelementoberflächen oder in Abschnitten hiervon herrühren und welche Signale nur auf Änderungen oder Abweichungen in der Prozeß- oder Herstellungsfarbe oder auf Änderungen der Beleuchtung zurückzuführen sind.

Grundlegender Gedanke der Erfindung

Der Gedanke der vorliegenden Erfindung, der zu deren neuen Resultaten führt, besteht in der Verwendung einer im wesentlichen linearen Kombination von gewichteten Farben unter Verwendung von mehreren Kameras, von denen jede Kamera mit einem optischen Filter einer unterschiedlichen Farbe versehen ist, um ein neues Grausignal zu erzeugen, welches eine lineare Kombination der Bildsignale dieser Vielfachfarbkamera ist, wobei die Farbe verwendet wird, um die Grauwertinformation zu verbessern. Obwohl dies teils nachstehend noch erläutert wird, kann für den gegenwärtigen Zweck festgestellt werden, daß bei Abwesenheit von Rauschen eine 100%ige Änderung der Lichtintensität vorgenommen werden kann, ohne daß dadurch die Möglichkeit für die Farbunterscheidung zwischen zwei Bereichen beeinträchtigt wird, beispielsweise zwischen den vorstehend illustrativ erwähnten goldfarbigen und pinkfarbigen Waferbereichen. Diese gleichen Bereiche würden bei einem konventioneller Kamerasystem und konventioneller Filter-Anwendung lediglich eine Änderung in Licht und Farbe von weniger als 10%, höchstens 20% zulassen, womit überzeugend die Stärke der erfindungsgemäßen Technik illustriert wird sowie ihre extreme Nützlichkeit als ein idealer Vorprozessor für Inspektionssysteme einer großen Vielzahl, einschließlich komplexer Raum- und Musterüberwachungssysteme, die die speziellen Bereiche analysieren.

Implementierung

In der Fig. 1 ist ein Strahlspalter BS dargestellt, der das Licht einer Beleuchtungsquelle (nicht dargestellt) aufteilt, welches von der zu inspizierenden Oberfläche oder von dem zu inspizierenden Objekt reflektiert wird, und zwar in zwei Strahlen, wobei ein horizontal dargestellter Strahl an einen ersten Detektor 1 geleitet wird, beispielsweise an eine CCD-Grauwertkamera oder dergleichen, und zwar beispielsweise des Typs, wie in den erwähnten Patenten beschrieben ist, und ein vertikaler Strahl zu einem ähnlichen Detektor oder einer ähnlichen Kamera 2 an einem unterschiedlichen Ort.
Auf jeder Kamera ist ein unterschiedlicher Farbfilter entsprechend unterschiedlichen Farbsegmenten oder Regionen der Oberfläche oder des Objektes vorgesehen, die durch die Bezeichnungen f1 (w) und f2 (w) dargestellt sind. Die optischen filter sind jedoch hinsichtlich ihrer Eigenschaften begrenzt, wie scharf sie andere Farben oder Frequenzen (oder Wellenlängen) ausfiltern können, und sie besitzen eine Lichttransmissionscharakteristik mit einem Verlauf, der repräsentiert ist durch 0 ≤ f(w) ≤ 1. Die ideale oder theoretische Situation wäre selbstverständlich ein Spektralbereich mit einem Maximum von 1, wobei der gesamte Rest der Frequenz 0 ist. Die begrenzte Schärfe und das Erfordernis nach einer genügenden Bandbreite, um genug Lichtenergie für das Detektieren zu haben (die Detektoren setzen in der Praxis ein Signal-Rausch-Verhältnis) ermöglichen aber kein derartiges Ergebnis.
In Übereinstimmung mit der Erfindung werden die Ausgangssignale der entsprechenden Detektoren 1 und 2 dann gewichtet, und zwar durch geeignete ausgewählte Multiplikationskoeffizienten a und b, wie dies später beschrieben ist, und die Ausgangssignale der beiden Multiplexer x1 und x2 werden linear bei X summiert, um ein Netz- oder Ergebnissignal S zu erhalten.
Mathematisch gesehen gilt, falls S (w) die Lichtspektrumleistung als Funktion der Farbfrequenz (oder Wellenlänge) ist, daß das Ausgangssignal des Multiplexers zur Maximierung des Verhältnisses zwischen den Signalen dargestellt werden kann, als
M1 = a f1(w) S(w) und
M2 = b f2(w) PS(w); (1)
wobei das summierte Ausgangssignal ist:
S = [a f1(w) + b f2(w)] S(w), (2)
wobei das Ausgangssummensignal vereinfachter dargestellt werden kann durch
S = f(w) S(w). (3).
Es ist festzuhalten, daß es durch diese Technik nicht notwendig ist, daß für f(w) 0 ≤ f(w) ≤ 1 gilt, wie dies entsprechend den vorstehenden Ausführungen für ein gewöhnliches optisches Filter gilt, sondern die vorgenannte Beziehung sehr frei gewählt werden kann, um den Kontrast basierend auf einer Farbe zu erhöhen. Was tatsächlich getan werden muß, ist hingegen, eine effektive opto-elektronische Filterung zu schaffen und ein Verarbeitungssystem, welches ein neues Grauwert-Bild erzeugt, und zwar entsprechend der obigen Funktion (3), wobei die Zwänge von optischen Filter in der Praxis signifikant entspannt werden, und zwar durch die Verwendung der Farbspektralinformation im Bild in einer optimaleren Weise.
Kehren wir zurück zum Vergleich mit herkömmlichen Filtertechniken, wie sie vorstehend diskutiert wurden. Angenommen, das Filter f1(w) wird eliminiert und das Farbfilter f2(w) wird mit der Kamera 2 verwendet, um die entsprechende Farbe in der Bildreflexion zu unterscheiden. Für Bereiche des beleuchteten Objektes oder der Oberfläche mit schwacher Farbabsorbtiondifferenzen und niedrigem Kontrast wurde darauf hingewiesen, daß Variationen in der Beleuchtung eine genaue Unterscheidung schwierig machen können. Während die bekannte Diskrimination mit einem einzigen Filter bei einer 10%igen Änderung des Kontrastes ein Signal erzeugt, dessen Ausgangswert zwischen 0,9 und 1 variieren kann, erlaubt die elektronische Filtertechnik der Fig. 1 Variationen insgesamt zwischen -1 bis + 1, und zwar abhängig von der jeweiligen Spektralfarbe. Im Fall, daß überhaupt keine Farbe vorhanden ist (d. h. ein schwarzer Bereich), ist das Ausgangssignal Null. Wegen des hohen Kontrastes, der bei der Technik der Erfindung möglich ist, kann die Lichtintensität der Beleuchtung sehr dramatisch schwanken, und zwar bis zu 100% und das Signal kann immer noch zuverlässig detektiert werden.
In der Praxis ist aber auch die Betrachtung des Signal-Rausch-Verhältnis notwendig. In der herkömmlichen einfachen Filtertechnik nach dem Stand der Technik würde, falls ein Spektralbereich ein Ausgangssignal von 1 und ein anderer Spektralbereich, wie vorstehend diskutiert, einen Wert von 0,9 aufweist, ein gewisser Anteil an Rauschen, beispielsweise 0,05 toleriert. Bei der Anwesenheit von Rauschen könnte sich der Wert 1 auf 0,95 reduzieren und der Wert 0,9 auf 0,95 erhöhen und die beiden Werte wären dann nicht unterscheidbar und es bestünde keine Möglichkeit, diese Werte zu unterscheiden oder zu differenzieren. Das Rauschen muß daher kleiner als 0,05 sein, oder aber das Signal-Rausch-Verhältnis muß wenigstens 20/1 betragen.
In dem System der Fig. 1 gilt aber, daß dann, wenn eine 100%ige Änderung des Lichtes angenommen wird (was selbstverständlich eine extreme Annahme und unrealistisch ist) das System dies tatsächlich verarbeiten kann, aber ein Signal-Rausch- Verhältnis von ungefähr 43/1 erforderlich ist.
Bei Verwendung von zwei unterschiedlichen Farbfiltern f1(w) und f2(w) von denen jedes an den separaten Detektionsorten der Kameras 1 und 2 der Fig. 1 vorgesehen ist, kann nachgewiesen werden, daß mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von lediglich 27/1 (vergleichbar mit dem oben erwähnten Verhältnis 20/l) eine 100%ige Änderung im Licht zu einem Bereich von + 1 zu -1 Signalen führt. Dies ist aber immer noch nicht praktikabel und es ist auf die spezielle Auswahl der vorstehend erwähnten Gewichtungskoeffizienten a und b zurückzuführen, daß das Signal S optimiert werden kann, und zwar im Bezug auf den besten Kompromiß zwischen dem praktischen Signal-Rausch-Verhältnis und einem sehr großen, tolerierbaren oder komfortablen Bereich von Lichtänderungen oder prozeßbedingten Farbänderungen, und zwar mit einer exzellenten Kontrast- und Farbdifferenziation.

Bestimmung der Gewichtungskoeffizienten

Einer der besonderen Vorteile der Erfindung besteht in der Tatsache, daß abweichend von einem herkömmlichen Filter, dessen Bandbreite zwischen 0 und 1 verläuft, und zwar Null, falls es für eine bestimmte Farbe nicht durchlässig ist, und 1, falls es eine 100%ige Durchlässigkeit aufweist, das elektronische Filter der Erfindung effektiv viel allgemeiner ist. In der Tat kann der Ausgang negativ oder positiv sein, und zwar als Funktion der Frequenz, wie dies in der Charakteristik oder dem Ausgangssignal des elektronischen Filters der Fig. 2 dargestellt ist, die (Fig. 2) f(w) der obigen Gleichung (3) über der Farbfrequenz (w) zeigt. Die Spitzenamplitude des Filterausgangs ist mit der Größe a dargestellt, und der Unterschied zwischen diesem Spitzenwert und dem Minimum (d. h. der maximale Unterschied) ist mit dem Wert -b bezeichnet. Es sind diese Koeffizienten a und b, die als die Multiplikationskoeffizienten für die Multiplexer x1 und x2 der Fig. 1 dienen.
Um zu illustrieren, wie diese Koeffizienten für den Zweck der Erfindung bestimmt werden, ist es hilfreich, auf das Beispiel der Fig. 3A und 3B Bezug zu nehmen, und zwar für den beispielhaften Fall der Spektralsignale für die beiden vorstehend bereits diskutierten, interessierenden Farben, nämlich für Gold und einen Hintergrund, der blau oder bläulich in der Farbe ist, und zwar in der Weise, daß der Rotanteil in seinem Spektrum weniger Rot als das Gold aufweist, und zwar tendierend zu einem bläulichen Farbton. Ein Vergleich der Fig. 3A und 3B zeigt, daß das spektrale Signal im Bereich der unteren Frequenz R1 ziemlich ähnlich dem spektralen Verlauf von Gold ist. Für die höheren Frequenzen bzw. für die Bereiche R2 gilt jedoch, daß der blaue Anteil eine etwas geringere Wert als Gold aufweist und dies ist daher der Bereich, der die Spektralausgangssignale für Gold und für die bläulichen Bereiche des Objektes oder der Oberfläche unterscheidet.
Falls ähnliche Werte der Signalamplituden im Bereich R1 von Gold und bläulichen Regionen des Objektes oder der Oberfläche mit dem Symbol c bezeichnet werden und die Größe in den höheren Frequenzbereichen R2 von Gold mit d, Fig. 3A, kann der reduzierte bläuliche Anteil im Bereich R2 der Fig. 3B mit d e dargestellt werden, wobei e der Absorbtions- oder Dämpfungskoeffizient für das Material des bläulichen Bereichs ist, d. h. die gleiche ursprünglich detektierte Amplitude in dem goldenen Bereich multipliziert mit diesem Koeffizienten e des bläulichen Materials. Die virtuelle oder elektronische Filterwirkung, die für f (w) gewünscht wird, bewirkt eine Maximierung des Signalunterschiedes zwischen S1 der Fig. 3A und S2 der Fig. 3B. Dies erfordert, daß das Ausgangssignal beim Detektieren der bläulichen Bereiche oder des bläulichen Bereichs 1 ist, und zwar im Gegensatz zu der relativ schmalen Diskrimination, die, wie vorstehend diskutiert, bei bekannten Filtertechniken zur Verfügung steht (beispielsweise 10%). Falls der Wert von f (w) in dem Bereich R1 mit x1 dargestellt wird und der Wert in dem Bereich R2 mit x2, führt dies zu folgenden Gleichungen:
für S1, cx1 + dx2 = -1; und
für S2, cx1 + dex2 = 1. (4)
Da c und d einfach gemessen werden können (dies ist das Ausgangssignal der Reflektion von den Goldbereichen bei niedrigen und hohen Frequenzen) und da e der Dämpfungskoeffizient ist, der ebenfalls gemessen werden kann und daher bekannt ist, können die entsprechenden Werte von x1 und x2 in einfacher Weise bestimmt werden:
x1 = (1 + e)/c (1 - e) und
x2 = -2/d (1- e).
Beträgt beispielsweise der Wert von c und d 1 und ist der Dämpfungskoeffizient e 0,9, so liefern die Gleichungen 5 einen Filterwert x1 von 19 und einen Filterwert x2 von -20. Die Gewichtungskoeffizienten, die in die Architektur der Erfindung eingefügt werden müssen, sind somit bestimmt, wobei a gleich dem Spitzenwert des Filterwertes (19 wie vorstehend errechnet), und b gleich der Differenz zwischen dem negativen Spitzenwert des Filters und dem positiven Spitzenwert ist (-20 - 19 = -39, wie vorstehend angenommen).
Werden nun diese auf diese Weise bestimmten Gewichtungskoeffizienten a und b in das System der Fig. 1 und in die obigen Gleichungen 4 eingesetzt, so führt dies zu dem gewünschten Signal 51 für die Goldfarbe von -1 und dem Signal S2 von 1 für die bläuliche Farbe, mit einem Delta von 2. Ohne das System der Erfindung würde sich, wie vorstehend erwähnt, für S1 ein Wert 1 und für S2 ein Wert von 0,9 ergeben. Eine 10%igen Abweichung oder Änderung der Beleuchtung der abzutastenden Oberfläche oder des abzutastenden Objektes führt, wie vorstehend ausgeführt, beim Stand der Technik dazu, daß S1 auf 0,9 reduziert und S2 zu 0,3, was leicht zu einer Farbkonfusion führen kann, während bei der vorliegenden Erfindung sich S1 auf 0,9 und S2 auf -0,9 reduzieren, womit, was wohl völlig abweichend von dem Vorgenannten ist, ein weiter Bereich von detektierbarer Kontrast- und Farbdifferenziation erreicht wird, und zwar selbst dann, wenn die Lichtänderung bis zu 100% beträgt, wie dies vorstehend erläutert wurde. Ähnliches gilt, wie vorstehend erwähnt wurde, auch bezüglich der Änderung der Farbe bei der Verarbeitung des Objektes oder der Oberfläche.
Bei der praktischen Verwendung der Technik nach der Erfindung ist es wichtig, daß die Bilder von den unterschiedlichen gefilterten Kameras präzise deckungsgleich sind. Dies kann leicht durch die Verwendung von überlappenden breiteren Markierungen oder dergleichen erreicht werden.
In gleicher Weise wie die Erfindung vorstehend illustrativ im Zusammenhang mit einer Zweifarbenanwendung beschrieben wurde, kann sie auch auf andere Vielfach-Farb- Systeme ausgedehnt werden, wie dies spezieller in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4A und 4B beschrieben ist. Das reflektierte Bild passiert nach dieser Darstellung eine Serie von Strahlteilern 1 - N und dann entsprechende, unterschiedlich gefärbte Filter 1 - N, die an entsprechenden Kameras oder Detektoren Det1...... N vorgesehen sind, die Ausgangssignale D1 - DN liefern Fig. 4A. In der gleichen Weise, wie dies in Verbindung mit dem Zwei-Farben-System der Fig. 1 erläutert wurde, wird die beste lineare Kombination für die Detektierung bzw. Diskrimination für jede Farbe gesucht, und zwar durch Selektion oder Auswahl geeigneter entsprechender Gewichtungskoeffizienten, wie a1, b1, c1...21 für die Multiplikation der entsprechenden Signale D1...DN der ersten Farbe, für das lineare Summieren aller dieser Werte, um ein Signal C1 zu erhalten, und zwar mit einem optionalen oder maximalen Wert beim Betrachten der ersten Farbe, wie in der Fig. 4B ganz rechts gezeigt ist.
In der gleichen Art und Weise werden die Ausgänge D1... DN mit geeigneten Gewichtungskoeffizienten a2, b2, c2...22 multipliziert und summiert (Fig. 4b Mitte). Um das optimale maximale Ausgangssignal für eine zweite Farbe bis für die n-tFarbe zu erhalten, bei der die Gewichtungskoeffizienten an, bn, cn... zn mit den entsprechenden Signalen d1...DN multipliziert und diese Werte summiert werden (Fig. 4B, linke Seite), und zwar für das größte Ausgangssignal der n-tFarbe. In einem solchen Fall kann noch eine etwas größere Intelligenz eingeführt werden, und zwar im Hinblick auf die Tatsache, daß das Muster zusammengesetzt ist aus C1, C2...Cn, und zwar derart, daß die stärkste Farbe die Farbe eines speziellen Bereichs repräsentiert. Dies beruht darauf, daß diese Signale durch die Wertungskoeffizienten bereits optimiert wurden, so daß es bereits a priori bekannt ist, daß das Ausgangssignal einer bestimmten Farbe definitiv die anderen Ausgangssignale dominiert, und zwar für den gewünschten Bereich.
Bei komplexeren Problemen können die Signale C1 und Cn in Kombination analysiert werden, um zu bestimmen, welches Material vorliegt. So können die Signale C1 bis Cn beispielsweise in Vielfach-Bits digitalisiert werden, sofern nicht bereits eine digitale Form vorliegt und den Adressenleitungen von einem Random Access Memory RAM zugeführt werden oder einem Read Only Memory ROM, wie es in der Fig. 5 dargestellt ist. Das RAM oder ROM kann so programmiert werden, daß dessen Ausgänge anzeigen oder identifizieren, welches Material vorliegt, und zwar durch Speichern in seinem Speicher, wobei die Kombination der Signale C1 bis Cn einem speziellen Materialtyp entspricht, exemplarischer dargestellt als Materialen 1...n, wie beispielsweise Aluminium, Gold, Quarz usw.
Im Falle von Festkörperwavern sind die verschiedenen Farben, die üblicherweise betroffen sind, die Leiterbahnen in Gold, das Pink der Substratbereiche und das Blau bzw. Gelb der unterschiedlichen bearbeiteten Bereiche im Halbleiter. Es sind dabei relativ dichte Memorystrukturen in dem Bauteil vorgesehen, die diese unterschiedlichen Farben aufweisen. Unterschiedliche Schichten können geprüft werden, und zwar jeweils eine zu einer Zeit, wobei zunächst die obere Schicht einer vorgegebenen Farbe gewählt wird und diese von benachbarten Farben unterschieden und differenziert wird. Für die Verwendung der erfindungsgemäßen Technik bei Leiterplatten liefern die Kupferleiter eine etwa goldbraune Farbe und der Epoxi- Hintergrund erscheint allgemein grün, wobei das Lot auf dem Kupfer silberfarben wirkt. Bei maschinellen Inspektionsanwendungen ist es gewünscht, die Grüßen von Elementen zu messen, wobei diese Elemente Leiter, Linien oder Leiterbahnen usw. sind. Dies erfordert aber die Möglichkeit, die Anwesenheit derartiger Elemente zu detektieren und zu unterscheiden. Die vorliegende Erfindung mit ihrer Verbesserung hinsichtlich des Kontrastes während der multispektralen oder vielfarbigen elektronischen Bildfilterung bei der Bildabtastung verbessert speziell den zur Verfügung stehenden Kontrast solcher Linien und Strukturen und ermöglicht damit eine verbesserte Messung der Größe und anderer Charakteristiken.
Wie vorstehend ausgeführt wurde, ist die Erfindung aber auch für die Inspektion anderer Arten von vielfarbigen Objekten oder Oberflächen in gleicher Weise geeignet, und zwar beispielsweise in anderen Anwendungen, wie bei der Inspektion der Oberfläche von Nahrungsmitteln, wo die Farbunterscheidung die Qualitätskontrolle unterstützen und/oder das Auffinden von verbrauchter oder verdorbener Ware unterstützen kann (beispielsweise roter, gewünschter Qualitätszustand von Erdbeeren oder Tomaten, mit braunen fehlerhaften oder geschädigten Bereichen). Es gibt selbstverständlich eine Unzahl weiterer Arten von Systemen, bei denen es ebenfalls notwendig ist, mit hohem Kontrast und relativer Unempfindlichkeit gegenüber Änderungen in der Beleuchtung oder der im Verfahren erzielten Farbgebung Bereiche einer Farbe von benachbarten, angrenzenden oder umgebenden Bereichen unterschiedlicher Farbe zu unterscheiden.

Claims

1. Verfahren zur automatischen Inspektion und Differenzierung unterschiedlich gefärbter Bereiche eines beleuchteten Objektes oder einer beleuchteten Fläche unter Verwendung des hiervon reflektierten Lichtes, wobei das Verfahren umfaßt, das getrennte Empfangen und elektronische Detektieren der reflektierten Lichtbilder des Objektes oder der Oberfläche an einer Vielzahl von getrennten Orten (1, 2), die unterschiedliche optische Farbfilterung der Bilder an jedem Ort, um durch das Detektieren unterschiedliche Signale (x&sub1;, x2y) zu erzeugen, die den unterschiedlichen spektralen Charakteristiken der jeweiligen Filterung entsprechen, gekennzeichnet durch Multiplizieren jedes der Signale mit unterschiedllichen Wertungskoeffizienten (a, b), die mit unterschiedlichen Koeffizienten von entgegengesetzter positiver/negativer Polarität für unterschiedlich gefärbte benachbarte Regionen ausgewählt sind, um den Signalkontrast zwischen unterschiedlich gefilterten Farben zu optimieren, und durch liniare Summierung (Σ) der multiplizierten Signale, um ein elektronisch gefiltertes Ergebnissignal (S) mit einem genügenden Signalkontrastbereich und eine Farbunterscheidung zu erzielen, und zwar unabhängig von einer breiten Änderung der Lichtintensität und der Farbe bei der Herstellung des Objektes oder der Oberfläche.

2. Ein Verfahren, wie im Anspruch 1 beansprucht und bei dem das Empfangen und Detektieren der Bildern in zwei Scanning-Kameras (1, 2) erfolgt, wobei jede Kamera mit einem optischen Filter einer unterschiedlichen Farbe entsprechend einen unterschiedlichen Bereich des Objektes oder der Oberfläche, die das Licht mit der Farbe reflektiert, versehen ist, und bei dem die Selektion des Gewichtungskoeffizienten mit der entgegengesetzten positiven/negativen Polarität ausgeführt wird, um das Verhältnis zwischen den Ergebnissen der Filterung an den beiden Kameras (1, 2) zu maximieren.

3. Ein Verfahren, wie in Anspruch 2 beansprucht und bei dem das Objekt ein Festkörperwaver ist, dessen Leiterbereich goldfarben um die Umgebung hiervon im wesentlichen pink, blau oder gelb ist, wobei die unterschiedliche Farbfilterung so gewählt ist, daß sie den Leiterbereich und wenigstens einer Farbe der Umgebung entspricht.

4. Ein Verfahren, wie in Anspruch 2 beansprucht und bei dem das Objekt eine Printplatte ist, deren Leiterbereich kupferfarben und die Umgebung hiervon eine grünliche Färbung aufweist, wobei die in der Farbe unterschiedliche Filterung so ausgewählt ist, daß sie der Farbe des Leiterbereichs sowie der Umgebung entspricht.

5. Ein Verfahren, wie im Anspruch 1 beansprucht und bei dem weitere Schritte der Identifizierung des Materials der unterschiedlichen betrachteten Bereichen aus den Signalen durchgeführt werden.

6. Ein Verfahren, wie im Anspruch 5 beansprucht und bei dem die erwähnte Identifizierung durch Speicherung von Kombinationen der Signale entsprechend den speziellen Materialbereichen und durch Bestimmung des Materials als Ergebnis der Detektion solcher Kombinationen von Signalen durchgeführt werden.

7. Vorrichtung zur automatischen Inspektion oder Differenzierung von unterschiedlich gefärbten Bereichen eines beleuchteten Objektes oder einer beleuchteten Oberfläche unter Verwendung des reflektieren Lichtes, wobei die Vorrichtung aufweist

eine Vielzahl von separaten Lichtbild-Detektormittel (1, 2), beispielsweise Scanning- Kameras für die Erzeugung von elektrischen Signalen (x&sub1;, x&sub2;) entsprechend den empfangenen Lichtbildern;

Mittel (BX) zum Richten der von dem Objekt oder der Oberfläche reflektieren Lichtbilder auf die einzelnen Detektormittel (1, 2);

optische Filtermittel, die vor jedem der Detektormittel angeordnet sind und die jedes jeweils einer der unterschiedlich gefärbten Bereiche des Objektes oder der Oberfläche, die inspiziert werden soll, entspricht, gekennzeichnet durch Mittel zur Mulitplikation der Signale (x&sub1;, x&sub2;), die von jedem Detektormittel (1, 2) gebildet sind, mit entsprechenden unterschiedlichen Gewichtungskoeffizienten, die mit Koeffizienten von entgegengesetzter positiver/negativer Polarität für unterschiedlich gefärbte benachbarte Bereiche ausgewählt sind, um den Signalkontrast zwischen den unterschiedlichen Filterfarben zu optimieren, und zwar durch Maximieren der Verhältnisse zwischen den verschiedenen Filterergebnissen, und durch Mittel (Σ) für eine lineare Summierung der multiplizierten Signale, um ein elektronisch gefiltertes Ergebnissignal (S) mit genügendem Signalkontrastbereich für eine Farbunterscheidung zu erhalten, und zwar unabhängig von einer breiten Variation der Lichtintensität und Farbvariation bei der Produktion des Objektes oder der Oberfläche.

8. Vorrichtung, wie in Anspruch 7 beansprucht und bei der Mittel vorgesehen sind, um die reflektieren Lichtbilder jeweils auf die Detektormittel (1, 2) auszurichten.

9. Vorrichtung, wie im Anspruch 7 beansprucht und bei der die Vielzahl der Detektormittel (1, 2) wenigstens ein Paar von elektronischen Kameras, wie beispielsweise CCD-Kameras aufweist, und zwar mit einer vorgegebenen Grau- Scalierung oder -Einteilung, und bei dem die entsprechenden Paare von optischen Filtern dementsprechend zwei unterschiedlich gefärbten Bereichen des Objektes oder der bei der Ispektion zu differenzierenden Oberflächen entsprechen, wobei die Gewichtungskoeffizienten mit der entgegengesetzten positiven/negativen Polarität ausgewählt sind, um das Verhältnis zwischen den Paaren der Filterspektralergebnissen zu maximieren, wobei das resultierende Signal (S) eine unterschiedliche Grauwertbildantwort erzeugt, die die Farbspektralinformation in der Bildverarbeitung und in einer optischen Weise enthält, die Beeinträchtigungen durch die Beleuchtung oder andere Verschlechterungen des Kontrastes verhindert.

10. Vorrichtung, wie im Anspruch 9 beansprucht und bei der das Objekt ein Festkörperwaver ist, dessen Leiterbereich eine Farbe und die Umgebung eine andere Farbe aufweist, und wobei das Paar der optischen Filter so ausgewählt ist, daß es der einen und der anderen Farbe entspricht.

11. Vorrichtung, wie in Anspruch 10 beansprucht und bei der die eine Farbe gold und die andere Farbe im wesentlichen pink, blau oder gleb ist.

12. Vorrichtung, wie im Anspruch 11 beansprucht und bei der die Gewichtungskoeffizienten, die die Signale von den entsprechenden Kameras, die das goldgefilterte Gold und die gefilterte andere Farbe multiplizieren etwa 19 bzw. - 39 sind.

13. Vorrichtung, wie im Anspruch 9 beansprucht und bei der das Objekt eine Printplatte ist, deren Leiterbereich kupferfarben ist und bei der die entsprechende Umgebung grünlich gefärbt ist, und bei der das Paar der optischen Filter so ausgewählt ist, daß diese der Farbe des Leiterbereichs und der Umgebung entsprechen.

14. Vorrichtung, wie im Anspruch 13 beansprucht und bei der ein weiterer Bereich, der dem kupferfarbenen Leiterbereich benachbart ist, silberfarbenes Lot aufweist, wobei für eines der Detektormittel ein optisches Filter vorgesehen ist, welches eine Filterung der Silberfarbe vornimmt.

15. Vorrichtung, wie in Anspruch 9 beansprucht und bei der das Objekt ein Nahrungsmittel ist, dessen Qualitätszustand eine Farbe und bei dem eine Abweichung hiervon, beispielsweise ein verdorbener Zustand einer anderen Farbe entspricht, und bei der das Paar von optischen Filtern so ausgewählt ist, daß diese den einen und den anderen Zustand entsprechen.

16. Vorrichtung, wie im Anspruch 7 beansprucht und bei der Mittel vorgesehen sind, um aus den Signalen das Material der unterschiedlichen untersuchten Bereiche zu identifizieren.