JP2013505465A - High-speed, high-resolution 3D solar cell inspection system - Google Patents
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Abstract
光学検査システム及び方法が提供される。加工対象物輸送機構が加工対象物(12)をノンストップで移動させる。照明装置(40)が、ライトパイプを含み、第一及び第二のストロボ照明野タイプを提供するように構成されている。第一(3)及び第二(5)のカメラ(2)アレイが、加工対象物(12)の立体画像化を提供するために配設されている。第一のカメラアレイ(3)は、第一の照明野を用いて加工対象物(12)の第一の複数の画像を生成し、第二の照明野を用いて加工対象物(12)の第二の複数の画像を生成するように構成されている。第二のカメラアレイ(5)は、第一の照明野を用いて加工対象物(12)の第三の複数の画像を生成し、第二の照明野を用いて加工対象物(12)の第四の複数の画像を生成するように構成されている。処理装置が、第一、第二、第三及び第四の複数の画像の少なくともいくつかを記憶し、他の装置に提供する。Optical inspection systems and methods are provided. The workpiece transport mechanism moves the workpiece (12) non-stop. The lighting device (40) includes a light pipe and is configured to provide first and second strobe lighting field types. First (3) and second (5) cameras (2) arrays are arranged to provide stereoscopic imaging of the workpiece (12). The first camera array (3) generates a first plurality of images of the processing object (12) using the first illumination field, and uses the second illumination field for the processing object (12). A second plurality of images is configured to be generated. The second camera array (5) generates a third plurality of images of the workpiece (12) using the first illumination field, and uses the second illumination field to A fourth plurality of images are configured to be generated. The processing device stores at least some of the first, second, third and fourth plurality of images and provides them to other devices.
Description
背景
自動化太陽電池製造における進歩は、より高いスループット、収率及び電池変換効率を可能にしている。たとえば、結晶系シリコン太陽電池に導電層を適用するための市販の自動化機器は、通常、1秒あたりセル1個の速度でメタライゼーションをスクリーンプリントする。メタライゼーション層の正確な位置合わせを要する、セル変換効率を改善するための比較的新しい技術、たとえば選択的エミッタ法、メタルラップスルー法及びプリントオンプリント法が採用されている。セル効率はまた、太陽電池によって生成された電流を集めるメタライズされたコレクタフィンガの高さ:幅比によっても影響される。これらのフィンガは、セル作用面積の不必要な日射遮蔽を避けるために幅狭くプリントされなければならないが、導電率を高めるために背高くプリントされなければならない。また、薄いシリコン太陽電池の壊れやすさ及び製造中に反ろうとするそれらの傾向が、自動化取り扱い機器にとって、欠けや亀裂を避けるために難題を呈する。反ったウェーハは、たとえば、数多くの製造工程のいずれかの間に真空固定されるとき、又はスクリーンプリント工程中に圧力が加えられるとき、割れるおそれがある。これらの工業的要求を考慮すると、高い工程収率を保証するために、太陽電池製造工程の至る所に分散される自動化光学検査システムの必要性が生じた。精密位置合わせ、より狭く、高い形体及びウェーハ反りの検出の必要性の増大を考えると、従来技術よりも速いだけでなく、より高解像度の二次元及び三次元の太陽電池検査をより良く提供することができる自動化光学検査システムを提供することが有益であろう。
Background Advances in automated solar cell manufacturing have enabled higher throughput, yield and cell conversion efficiency. For example, commercially available automated equipment for applying conductive layers to crystalline silicon solar cells typically screen prints metallization at a rate of one cell per second. Relatively new techniques for improving cell conversion efficiency that require precise alignment of the metallization layer, such as selective emitter, metal wrap-through and print-on-print methods have been employed. Cell efficiency is also affected by the height: width ratio of the metallized collector finger that collects the current generated by the solar cell. These fingers must be printed narrowly to avoid unnecessary solar shielding of the cell working area, but they must be printed tall to increase conductivity. Also, the fragility of thin silicon solar cells and their tendency to warp during manufacture present challenges for automated handling equipment to avoid chipping and cracking. A warped wafer can crack, for example, when vacuumed during any of a number of manufacturing processes, or when pressure is applied during a screen printing process. In view of these industrial requirements, a need has arisen for automated optical inspection systems that are distributed throughout the solar cell manufacturing process to ensure high process yields. Given the increased need for precision alignment, narrower, higher feature and wafer warpage detection, it is not only faster than the prior art, but also better provides
概要
光学検査システム及び方法が提供される。加工対象物輸送機構が、加工対象物をノンストップで輸送するように構成されている。照明装置が、第一のストロボ照明野タイプ及び第二のストロボ照明野タイプを提供するように構成されている。照明装置は、加工対象物に近い第一端及び第一端とは反対側にあり、第一端から離間した第二端を有するライトパイプを含む。ライトパイプはまた、少なくとも一つの反射性側壁を有する。第一端は出口アパーチャを有し、第二端は少なくとも一つの第二端アパーチャを有して、それらを通して加工対象物の視認を提供する。第一のカメラアレイが、加工対象物をデジタル式に画像化するように構成されている。第一のカメラアレイは、第一の照明野を用いて加工対象物の第一の複数の画像を生成し、第二の照明野を用いて形体の第二の複数の画像を生成するように構成されている。第二のカメラアレイが、加工対象物をデジタル式に画像化するように構成されている。第二のカメラアレイは、第一の照明野を用いて加工対象物の第三の複数の画像を生成し、第二の照明野を用いて形体の第四の複数の画像を生成するように構成されている。第一及び第二のカメラアレイは、加工対象物の立体的画像化を提供するように構成されている。処理装置が照明装置ならびに第一及び第二のカメラアレイに操作可能に結合されている。処理装置は、第一、第二、第三及び第四の複数の画像の少なくともいくつかを記憶し、第一、第二、第三及び第四の複数の画像を他の装置に提供するように構成されている。
SUMMARY Optical inspection systems and methods are provided. A workpiece transport mechanism is configured to transport the workpiece in a non-stop manner. The lighting device is configured to provide a first strobe illumination field type and a second strobe illumination field type. The lighting device includes a light pipe having a first end close to the workpiece and a side opposite to the first end and having a second end spaced from the first end. The light pipe also has at least one reflective sidewall. The first end has an exit aperture and the second end has at least one second end aperture to provide a view of the workpiece through them. The first camera array is configured to digitally image the workpiece. The first camera array generates a first plurality of images of the workpiece using the first illumination field, and generates a second plurality of images of the feature using the second illumination field. It is configured. A second camera array is configured to digitally image the workpiece. The second camera array generates a third plurality of images of the workpiece using the first illumination field, and a fourth plurality of images of the feature using the second illumination field. It is configured. The first and second camera arrays are configured to provide stereoscopic imaging of the workpiece. A processing device is operably coupled to the illumination device and the first and second camera arrays. The processing device stores at least some of the first, second, third and fourth images and provides the first, second, third and fourth images to other devices. It is configured.
例示的実施態様の詳細な説明
本発明の実施態様は一般に、高価で精巧な動作制御ハードウェアの必要なしに多重照明二次元及び三次元画像の高速取得を行うコンパクトな検査システム及び方法を提供する。異なる照明タイプを用いて取得された画像の処理が検査能力及び結果をかなり高めることができる。
DETAILED DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Embodiments of the present invention generally provide a compact inspection system and method for fast acquisition of multi-illuminated 2D and 3D images without the need for expensive and sophisticated motion control hardware. . Processing of images acquired using different illumination types can significantly enhance inspection capabilities and results.
図1は、本発明の実施態様の、自動化検査に適した、加工対象物の高コントラスト高速デジタル画像を生成するためのシステムの立断面図を示す。カメラアレイ4は、好ましくは等間隔に配設されたカメラ2A〜2Hからなる。各カメラ2A〜2Hは、加工対象物がカメラ2A〜2Hに対して相対動を起こすとき、同時に加工対象物又は基材、たとえばシリコン太陽電池12上の長方形区域を画像化し、デジタル化する。照明装置45が、ストロボ照明と呼ばれる、一連のパルス化短期間照明野を提供する。各照明野の短い期間が太陽電池12の画像を効果的に「フリーズ」させて動きのぶれを抑える。カメラアレイ4により、露光ごとに異なる照明野タイプを用いて、太陽電池12上の位置ごとに二つ以上の画像セットが生成される。検査しなければならない太陽電池12上の特定の形体に依存して、異なる照明野タイプを用いて生成された反射画像の連結処理によって検査結果をかなり高めることもできる。照明装置45のさらなる詳細は、図21及び22の詳述において提供する。
FIG. 1 shows an elevational cross-sectional view of a system for generating a high-contrast, high-speed digital image of a workpiece suitable for automated inspection according to an embodiment of the present invention. The camera array 4 is preferably composed of
加工対象物輸送コンベヤ26が太陽電池12をX方向にノンストップモードで並進移動させて、カメラアレイ4による太陽電池12の高速画像化を提供する。コンベヤ26は、モータ18によって駆動されるベルト14を含む。場合によって用いられるエンコーダ20がモータのシャフト位置を計測し、ひいては、太陽電池12が移動した概算距離を計算することができる。太陽電池12が移動した距離を計測し、コード化する他の方法としては、時間ベース、音ベース又は視覚ベースのコード化法がある。ストロボ照明を使用し、太陽電池12を停止させないことにより、カメラアレイ4による画像化の前に加速し、減速し、定着させる時間浪費的な輸送ステップが除かれる。二つの照明野タイプで156mm×156mmの寸法の太陽電池12の完全な80メガピクセル画像2枚を完全に捕獲するために要する時間は約1秒以下で達成することができると考えられる。
A
図2は、カメラ2A〜2Hによってそれぞれ画像化される太陽電池12上の各視野30A〜30HのY次元位置を示す。太陽電池12上のすべての位置を完全に画像化するために、隣り合う視野の間にわずかな重複がある。検査工程中、別々の視野30A〜30Hの画像は重複領域において一つの連続的な画像へとデジタル式に併合、すなわち縫合される。別々のカメラの一次元アレイとして配設された例示的なカメラアレイ4が図1及び2に示されている。図示するように、カメラ2A〜2Hは、非テレセントリック的に画像化するように構成されている。これは、視野30A〜30Hを重複させることができる利点を有する。しかし、非テレセントリック画像化システムの倍率、すなわち有効解像度は、太陽電池12の厚さ及び反りの量が変化するとともに変化する。太陽電池12の反り、厚さ変化及び他のカメラ整列誤差の影響は、画像縫合によって補正することができる。もう一つの実施態様において、カメラアレイを二次元アレイに配設することもできる。たとえば、別々のカメラを、隣り合う視野どうしが重複する1列4台で2列のカメラアレイに配設することもできる。検査システムの費用、速度及び性能目標に依存して、視野どうしが重複しないアレイをも含め、カメラアレイの他の配設が有利であることもある。たとえば、テレセントリック画像化システムを備えた互い違いに位置するカメラアレイを使用することもできる。
FIG. 2 shows the Y-dimensional position of each field of
図3は検査システム92のブロック図である。検査アプリケーションプログラム71は、好ましくは、システムコンピュータ76上で稼働する。検査プログラム71への入力としては、たとえば、太陽電池12ジオメトリ、メタライゼーションプリントジオメトリならびにプリント欠陥、色欠陥、縁の欠け、微小亀裂サイズ及びソーマークの検査許容限界がある。照明及びカメラ校正データを検査プログラム71に入力することもできる。
FIG. 3 is a block diagram of the
検査プログラム71は、コンベヤインタフェース72を介して太陽電池12の輸送方向及び速度によってプログラマブルロジックコントローラ22を構成する。検査プログラム71はまた、PCI Expressインタフェースを介して、カメラアレイ4の後続の各画像取得の間のエンコード20のカウント数によって主エレクトロニクスボード80を構成する。あるいはまた、太陽電池12の既知の速度に基づいて時間ベースの画像取得シーケンスを実行することもできる。検査プログラム71はまた、個々のフラッシュランプ出力レベルを有するストロボボード84だけでなく、検査の前に適切な構成パラメータをカメラ2A〜2Hの中にプログラム又は他のやり方でセットする。
The inspection program 71 configures the programmable logic controller 22 according to the transport direction and speed of the
パネルセンサ24は、検査システム92に装填されるときの太陽電池12の縁を感知し、この信号が主ボード80に送られて画像取得シーケンスを開始させる。主ボード80は、適切な信号を生成してカメラアレイ4による各画像露光を開始させ、ストロボボード84に命令して適切なフラッシュランプ87及び88を正しいタイミングで付勢させる。ストロボモニタ86が、フラッシュランプ87及び88によって放出された光の一部分を感知し、このデータは、わずかなフラッシュランプ出力変動に関して画像データを補正するために主エレクトロニクスボード80によって使用されることもできる。画像メモリ82が提供され、好ましくは、少なくとも一つの太陽電池12に関して生成されたすべての画像を記憶するのに十分な容量を含む。たとえば、一つの実施態様において、カメラアレイ中の各カメラは約5メガピクセルの解像度を有し、メモリ82は約2.0ギガバイトの容量を有する。カメラ2A〜2Hからの画像データは、各カメラが速やかに後続の露光に備えることができるよう、画像メモリバッファ82に高速で転送することができる。これが、太陽電池12を検査システム92に通してノンストップで輸送し、少なくとも二つの異なる照明野タイプを用いて太陽電池12上の各位置の画像を生成することを可能にする。画像データは、最初の画像がメモリ82に転送されるとただちに、PCI Express(PCIe)のような高速電気インタフェースを介して画像メモリ82から読み出されてPCメモリに読み込まれ始めることができる。同様に、検査プログラム71は、画像データがPCメモリ中で利用可能になるとただちに検査結果を計算し始めることができる。
The
以下、図4〜6を参照して画像取得工程をさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the image acquisition process will be described in more detail with reference to FIGS.
図4は、輸送コンベヤ26及び太陽電池12の平面図を示す。カメラ2A〜2Hが重複する視野30A〜30Hをそれぞれ画像化して、カメラアレイ4の有効視野32を生成する。視野32は、第一のストロボ照明野タイプを用いて取得される。太陽電池12はコンベヤ26によってX方向にノンストップで輸送される。太陽電池12は、好ましくは、画像取得工程中に5%未満しか変動しない速度で移動するが、より大きな速度変動及び加速を受け入れることもできる。
FIG. 4 shows a plan view of the
一つの好ましい実施態様において、各視野30A〜30Hは約500万の画素を有し、画素解像度は17ミクロンであり、範囲はX方向に34mm、Y方向に45mmである。各視野30A〜30Hは、隣り合う視野とでY方向に約3mm分だけ重複して、各カメラ2A〜2Hの中心間距離はY方向に42mmである。もう一つの実施態様において、カメラアレイ4は四つのカメラ2A〜2Dのみからなる。この実施態様において、カメラアレイ視野32は、約5:1の、X方向に比べてY方向に大きなアスペクト比を有する。
In one preferred embodiment, each field of
図5は、図4に示すその位置からプラスのX方向に移動した位置にある太陽電池12を示す。たとえば、太陽電池12は、図4におけるその位置から約15mm前進していることができる。有効視野33は、重複する視野30A〜30Dで構成され、第二の照明野タイプを用いて取得される。
FIG. 5 shows the
図6A〜6Dは、第一及び第二の照明野タイプを交互に用いて取得されたカメラアレイ視野31、33、34及び35の時間シーケンスを示す。太陽電池12はX方向にノンストップで移動していることが理解されよう。図6Aは、太陽電池12全体に関して画像取得中の一つのX位置における太陽電池12を示す。視野31は、図4を参照して詳述したように第一のストロボ照明野タイプを用いて取得される。図6Bは、X方向にさらに移動した太陽電池12及び図5を参照して詳述したように第二のストロボ照明野タイプを用いて取得された視野33を示す。図6Cは、X方向にさらに移動した太陽電池12及び第一の照明野タイプを用いて取得された視野34を示し、図6Dは、X方向にさらに移動した太陽電池12及び第二の照明野タイプを用いて取得された視野35を示す。
6A-6D show a time sequence of camera array fields 31, 33, 34 and 35 acquired using alternating first and second illumination field types. It will be appreciated that the
第一の照明野タイプを用いて取得された画像どうしを位置合わせし、デジタル式に併合、すなわち縫合するのに十分な重複画像情報を有するために、視野31と視野34との間にはX次元に小さな重複がある。また、第二の照明野タイプを用いて取得された画像どうしを位置合わせし、デジタル式に併合するのに十分な重複画像情報を有するために、視野33と視野35との間にはX次元に小さな重複がある。X方向に33mmの範囲を有する視野30A〜30Hの実施態様においては、同じ照明野タイプを用いて取得された視野どうしの間でX方向に約5mmの重複が効果的であることがわかった。さらに、異なる照明タイプを用いて取得された視野どうしの間ではX方向に約15mmの変位が好ましい。
In order to align the images acquired using the first illumination field type and have enough overlap image information to digitally merge, i.e., stitch, X between the
収集される視野の数を増し、同じ照明野タイプを用いて生成された画像どうしを位置合わせし、デジタル式に併合、すなわち縫合するのに十分な画像重複を保証することにより、太陽電池12上の各形体の画像を二つ以上の照明野タイプを用いて取得することもできる。最後に、照明タイプごとに生成された縫合画像を互いに対して位置合わせすることができる。好ましい実施態様において、システム費用を減らすため、加工対象物輸送コンベヤ26は、検査要求基準よりも低い位置精度を有する。たとえば、エンコーダ20は100ミクロンの解像度を有することができ、コンベヤ26は0.5mm以上の位置精度を有することができる。X方向における視野の画像縫合が太陽電池12の位置誤差を補正する。
On the
各照明野が空間的に均一であり、一貫した角度から照明することが望ましい。また、照明システムがコンパクトであり、高い効率を有することが望ましい。図7〜9を参照して、二つの従来技術照明システムである線光源及びリング光源の問題点を論じる。線光源は、高い効率を有するが、投射光の方位角における均一性に劣る。リング光源は、投射光の方位角において良好な均一性を有するが、コンパクトではなく、大きなアスペクト比のカメラアレイとで使用される場合、効率が劣る。 Each illumination field is spatially uniform and it is desirable to illuminate from a consistent angle. It is also desirable that the lighting system is compact and has high efficiency. With reference to FIGS. 7-9, the problems of two prior art illumination systems, a line light source and a ring light source, will be discussed. A linear light source has high efficiency but is inferior in uniformity in the azimuth angle of projection light. Ring light sources have good uniformity in the azimuth of the projected light, but are not compact and are less efficient when used with large aspect ratio camera arrays.
図7は照明の座標系を画定する。方向Zは太陽電池12に対して垂直であり、方向X及びYは、太陽電池12又は他の加工対象物上の水平位置を画定する。角度βは照明の仰角を画定する。角度γは、法線に対する照明光線角度を冗長に画定する。角度αは光線の方位角である。ほぼすべての方位角及び仰角からの照明は曇天照明と呼ばれる。主に水平に近い低い仰角βからの照明は暗視野照明と呼ばれる。主に垂直に近い高い仰角βからの照明は明視野照明と呼ばれる。良好な汎用照明システムは、視野全体にかけて均一な放射照度を有する光照射野を作り出し(空間均一性)、視野全体にかけて一貫した角度から照明する(角度均一性)。
FIG. 7 defines an illumination coordinate system. The direction Z is perpendicular to the
図8は、カメラアレイ視野32を照明する公知の線光源48を示す。線光源48は、LEDアレイ46を使用して、光を狭い長方形の視野32に効率的に集中させることができる。線光源48を使用する欠点は、標的が、光源に面する二つの方向から対称な照明を受けるが、視野の長軸に面する方向からは光を受けないということである。
FIG. 8 shows a known line
図9は、二つの線光源の照明方向を示す二軸極座標プロットである。極座標プロットは、光源48にもっとも近い方向(0°及び180°の方位角)から強い照明がカメラアレイ視野32によって受けられ、90°及び270°の方位角からは照明が受けられないことを示す。方位角が0°と90°の間で変化するとき、光源仰角は低下し、光源はより小さな角度に対面し、より少ない光しか受けられなくなる。カメラアレイ視野32は、方位角とともに強さ及び仰角が変化する光を受ける。線光源48は視野32を効率的に照明するが、方位角における均一性が劣る。対照的に、公知のリング光は、方位角において良好な均一性を有するが、大きなアスペクト比のカメラ視野32にとって許容可能な空間均一性を提供するために大きく作られなければならない。
FIG. 9 is a biaxial polar coordinate plot showing the illumination directions of two line light sources. The polar plot shows that intense illumination is received by the camera array field of
リング光は、方位角において許容可能な均一性を提供するために使用することができるが、Y方向に約170mmのカメラ視野32の場合、リング光は、許容可能な空間均一性を提供するためには非常に大きくならなければならない。一般的な検査用途の場合、十分な空間均一性を提供するためには、リング光は直径500mmを超える必要があると考えられる。この大きすぎるリングは、いくつかの点で市場ニーズを満たすことができない。大きなサイズがアセンブリライン上の貴重な空間を消費し、大きな光源は、構築するのに費用を要し、照明角が作業の場全体で一貫せず、非常に非効率的である。光出力が500mm円の有意な部分で散乱する一方、実際には太陽電池の細い長方形しか画像化されない。 Ring light can be used to provide acceptable uniformity in azimuth, but for a camera field of view of approximately 170 mm in the Y direction, the ring light provides acceptable spatial uniformity. To be very big. For general inspection applications, the ring light would need to exceed 500 mm in diameter to provide sufficient spatial uniformity. This too large ring cannot meet market needs in several ways. The large size consumes valuable space on the assembly line, the large light source is expensive to build, the illumination angle is not consistent across the work field and is very inefficient. While the light output scatters in a significant part of the 500 mm circle, in practice only a thin rectangle of the solar cell is imaged.
ライトパイプと呼ばれる光学装置を使用すると、照明のための非常に均一な光照射野を生成することができる。たとえば、米国特許第1,577,388号は、フィルムゲートを背面照明するために使用されるライトパイプを記載している。しかし、従来のライトパイプは、均一な照明を提供するためには物理的に長くなる必要がある。 The use of an optical device called a light pipe can produce a very uniform light field for illumination. For example, U.S. Pat. No. 1,577,388 describes a light pipe used for backlighting a film gate. However, conventional light pipes need to be physically long to provide uniform illumination.
図10〜12を参照してライトパイプ原理の簡単な説明を提供する。その後、図13〜17を参照して、均一な照明に求められるライトパイプの長さを有意に減らす本発明の実施態様を説明する。一つの実施態様において、ライトパイプの内壁は、光を一方向だけに散乱させる反射材で構築されている。本発明のもう一つの実施態様において、ライトパイプは、均一かつ効率的に照明された加工対象物の画像を取得するためにカメラアレイの簡単な組み込みを可能にする入力及び出力ポートで構成されている。 A brief description of the light pipe principle is provided with reference to FIGS. Then, with reference to FIGS. 13-17, an embodiment of the present invention will be described that significantly reduces the length of the light pipe required for uniform illumination. In one embodiment, the inner wall of the light pipe is constructed of a reflective material that scatters light in only one direction. In another embodiment of the invention, the light pipe is comprised of input and output ports that allow simple integration of the camera array to acquire a uniformly and efficiently illuminated image of the workpiece. Yes.
図10は、光源60及びライトパイプ64からなる照明装置65を示す。中空の箱形ライトパイプ64が、記載されるように使用されると、均一な暗視野照明パターンを生成する。カメラ2が、ライトパイプの両端のアパーチャ67及び69を通してライトパイプ64の長手方向に加工対象物11を見おろす。光源60、たとえば放物線状反射板中のアーク灯が、光が所望の仰角で下降するような内反射面を有するライトパイプ64の入口アパーチャ67の中に光を投射するように配設されている。あるいはまた、光源仰角の範囲が加工対象物11における所望の仰角範囲に一致する限り、レンズ付きLED又は他の光源を使用することもできる。光源は、ストロボ照明型又は連続型のいずれであってもよい。光源60からの扇形の光線は、最後に側壁の一つに衝突するまでパイプを横切って下方に進む。扇形の光線はパイプの角で方位角方向に分割され、拡がるが、仰角は保存される。その後、この拡大した扇形の光線は拡がり、多くの異なる側壁部分に衝突して、そこで方位角方向にさらに拡がり、ランダム化されるが、仰角においてはほとんど変化しない。数多くの反射ののち、出口アパーチャ68及び加工対象物11においてはすべての方位角が存在する。したがって、標的上のすべての地点が、すべての方位角からの光によって照明されるが、元の光源に存在した仰角からの光によってしか照明されない。加えて、加工対象物11における照明野は空間的に均一である。空間的に均一な照明の条件の場合にリング光に必要なサイズとは対照的に、ライトパイプ64の横方向の大きさが視野よりもわずかに大きいだけであることに注目すること。
FIG. 10 shows an illuminating
図11は、小さな範囲の仰角及び方位角からのほぼ平行な光線束である光源における照明方向の極座標プロットを示す。 FIG. 11 shows a polar coordinate plot of the illumination direction in a light source that is a nearly parallel bundle of rays from a small range of elevation and azimuth angles.
図12は、加工対象物11における光線の極座標プロットであり、光源の角度的拡がりが比較のために含まれている。加工対象物11においてはすべての方位角が存在するが、光源の仰角は保存されている。
FIG. 12 is a polar coordinate plot of the light beam on the
照明装置65を出る光の仰角は光源60に存在するものと同じであるため、この角度を特定の用途に合わせて調節することは相対的に容易である。より低い照明仰角が望まれるならば、光源をより水平線に近く照準すればよい。光は、ライトパイプの下縁よりも低い角度からは標的に到達することができないため、照明角の下限はライトパイプ下縁の離間距離によって決まる。照明方位角をランダム化、すなわち均一化するためには何回かの反射が必要であるため、照明仰角の上限はライトパイプ66の長さによって決まる。所与の長さのライトパイプ64の場合、仰角が増すにつれ、加工対象物11に到達するまでの跳ね返りの回数は減る。
Since the elevation angle of the light exiting the
多角形ライトパイプホモジナイザはその角でしか新たな方位角を形成せず、したがって、均一な出力を得るためには多数回の反射が必要である。ライトパイプ側壁のすべての部分が光パターンを方位角方向に拡げる、又はランダム化することができるならば、より少ない回数の反射しか要らず、Z方向のライトパイプの長さを減らして、照明装置をより短く及び/又はY方向により幅広にすることができるであろう。 Polygonal light pipe homogenizers form a new azimuth only at that corner, and therefore require multiple reflections to obtain a uniform output. If all parts of the side wall of the light pipe can spread or randomize the light pattern in the azimuth direction, fewer light reflections are required, reducing the length of the light pipe in the Z direction, Could be shorter and / or wider in the Y direction.
図13及び14は、光を一軸のみに拡散又は散乱させるライトパイプ側壁を有する本発明の実施態様を示す。この実施態様においては、仰角を維持しながらも光束の方位角が反射のたびに拡がることが好ましい。これは、図13に示すような湾曲したファセット付き反射面70をライトパイプ側壁66の内面に加えることによって達成される。側壁66の断面図が図14A及び14Bに示されている。図14Aは、平行な光線束62が反射面70上の円柱形湾曲の軸に対して垂直に拡がる様子を示す。図14Bにおいて、光線束62の反射の角度は反射面70上の円柱形湾曲の軸に沿って維持されている。したがって、反射面70の各地点の表面法線がZ成分を有しないため、光源の仰角は維持される。反射面70の湾曲した、すなわちファセット付きの表面は、ライトパイプ壁66の全面にわたって反射のたびに一定範囲の新たな方位角を作り出し、したがって、光源の方位角は速やかにランダム化される。本発明の実施態様は、屈折面、回折面及び反射面の組み合わせをライトパイプ側壁66の内面に使用して実現することができる。
FIGS. 13 and 14 show an embodiment of the present invention having a light pipe sidewall that diffuses or scatters light in only one axis. In this embodiment, it is preferable that the azimuth angle of the light beam expands each time it is reflected while maintaining the elevation angle. This is accomplished by adding a curved faceted
一つの態様において、反射面70は円柱の切片において湾曲している。これが、一次元ランベルト面を近似しながら入射光を一つの軸には均等に拡げるが、他方の軸には拡げない。この形状はまた、シートメタルにおいて形成しやすい。もう一つの態様において、反射面70は正弦波形状を有する。しかし、正弦波形状は、山と谷がより多くの湾曲を有し、斜辺においては湾曲が小さいため、光束62の角度の拡がりは、斜辺よりも山と谷において強くなる。
In one embodiment, the
図15A及び15Bは、カメラアレイ4のためのライトパイプ照明装置41の内面に適用された湾曲した反射面を示す。ライトパイプ照明装置は側壁66及び光源87を含む。一次元拡散反射面70が、平面的な反射性内面で構成されたライトパイプよりも速やかに方位角をランダム化する。これが、よりコンパクトなライトパイプを使用することを可能にし、それが、カメラアレイ4をより加工対象物に近づけることを可能にする。図15Bは、数回の反射ののち光線が方位角においてランダム化される様子を示す。
15A and 15B show a curved reflective surface applied to the inner surface of the
多数の光源が使用されるならば、ライトパイプ照明装置42は、照明装置41に比べてZ方向に短縮することができる。多数の光源、たとえば平行なLEDの列は、空間的に均一な光源を達成するために必要な合計反射回数を減らし、ひいては、必要なライトパイプ長さを減らす。照明装置42は、同じくストロボ式アーク灯光源であることができる光源87A〜87Eによって照明される。
If a large number of light sources are used, the light
図17A〜17Bに示す本発明のもう一つの態様において、照明装置43は、光源87からの入力ビームの部分を所望の光源仰角に反射させるミラー67を含む。多光源の実施態様と同様に、これもまた、比較的短いライトパイプの中で空間的に均一な光照射野を生じさせる。ミラー67は、標的の視認を妨げないようにカメラとカメラとの間に配置され、また、各ミラーが光源67からの光の一部分を遮るように異なる高さで配置されている。ミラー67は、光を所望の仰角でライトパイプ側壁66に向けて反射させるように成形されており、ライトパイプ側壁において、湾曲した反射面70が光源方位角方向を速やかにランダム化する。ミラー67の断面図が図17Bに示されている。ミラー67は、たとえば、一連のシェブロンに形成されている平坦なミラーであることができる。
In another embodiment of the invention shown in FIGS. 17A-17B, the
本発明のもう一つの実施態様において、図18及び19は、カメラアレイ4とで一体化された照明装置44を示す。光は、光源88により、ミラー54及び55、上アパーチャ板58及び拡散板52によって画定された光混合チャンバ57の中に注入される。54、55及び58の内面は反射性であるが、拡散板52は、好ましくは、半透明の光拡散材料で構成されている。上板58にはアパーチャ56が設けられ、拡散板52にはアパーチャ50が設けられて、カメラ2が遮られずに加工対象物を見ることができるようにしている。拡散板52及びアパーチャ50をより見やすくするために、図18と比べて、図19においてはミラー55が除かれている。
In another embodiment of the invention, FIGS. 18 and 19 show a
光源88によって投射された光はミラー54及び55ならびにアパーチャ板58によって反射される。光が混合チャンバ57中で反射するとき、拡散板52もまた、この光の一部分を反射させ、混合チャンバ57の中に戻す。混合チャンバ57内での複数回の反射ののち、拡散板52は均一に照明される。拡散板52を通って伝達された光は、図13及び14を参照して詳述したような、反射面70で構成されている照明装置44の下寄り区分の中に放出される。反射面70は、拡散板52によって放出された照明仰角を保存する。結果は、加工対象物12における空間的に均一な照明野である。図20は、照明装置44の出力照明方向を示す極座標プロットである。照明装置44は、照明がほぼすべての仰角及び方位角からほぼ等しいために曇天と呼ばれる、図20に示すような出力光照射野を作り出す。しかし、出力仰角の範囲は、拡散板52の拡散性によって制御することができる。
The light projected by the
図21は、光学検査センサ94のもう一つの実施態様を示す。光学検査センサ94は、カメラアレイ4及び組み込まれた照明装置45を含む。照明装置45は、独立制御される曇天照明及び暗視野照明を容易にする。光源87を付勢することによって暗視野照明場が太陽電池12上に生成される。光源88を付勢することによって曇天照明場が太陽電池12上に生成される。図22は曇天照明及び暗視野照明の極座標プロット及び照明方向を示す。一つの態様において、光源87及び88は、太陽電池12のノンストップ輸送による動きのぶれ効果を抑えるためにストロボ照明する。
FIG. 21 shows another embodiment of the
様々な物体形体の画像コントラストが、形体ジオメトリ、色、反射性及び各形体に入射する照明の角スペクトルを含むいくつかの要因に依存して異なるということが当業者によって理解されよう。各カメラアレイの視野は、異なる照明要件を有する多種多様な形体を含むことがあるため、本発明の実施態様は、加工対象物12上の各形体及び位置を二回以上画像化することによってこの難題に取り組み、これらの画像それぞれは、異なる照明条件下で捕獲されたのち、デジタルメモリに記憶される。一般に、異なる照明場タイプを用いて取得された二つ以上の画像からの物体形体データを使用することにより、検査性能を改善することができる。
It will be appreciated by those skilled in the art that the image contrast of various object features will vary depending on several factors including feature geometry, color, reflectivity and the angular spectrum of illumination incident on each feature. Because the field of view of each camera array may include a wide variety of features with different lighting requirements, embodiments of the present invention may do this by imaging each feature and position on the
本発明の実施態様は、暗視野照明場及び曇天照明場のような二つの照明タイプに限定されず、特定の照明装置構成にも限定されないということが理解されよう。光源は、加工対象物12に対して直接投射することもできる。光源はまた、様々な波長、すなわち色を有することができ、加工対象物12に対して様々な角度に配置されることができる。光源を加工対象物12の周囲に様々な方位角で配置して、様々な四半分から照明を提供することもできる。光源は、加工対象物12の動きを「フリーズ」させ、画像における動きのぶれを抑えるのに十分なエネルギーの光パルスを放出する多数の高出力LEDであることもできる。明視野照明場を生成する、又は加工対象物12の基材を透過して、検査される形体を背面照明する光源を含む数多くの他の照明構成が本発明の範囲内である。たとえば、シリコンは近赤外波長において半透明であるため、基材中の微小亀裂及び穴を検査するために太陽電池12をストロボ近赤外光で背面照明するのに特に効果的である。
It will be appreciated that embodiments of the present invention are not limited to two illumination types, such as a dark field illumination field and a cloudy illumination field, and are not limited to a particular illumination device configuration. The light source can also be projected directly onto the
いくつかの太陽電池検査要件が、三次元画像データを全速生産速度で捕獲する必要を強いる。これらの要件としては、メタライゼーションプリント高さ及びウェーハの反りを計測することがある。コレクタフィンガの輪郭のような三次元情報は、たとえば周知のレーザ三角測量、位相プロフィロメトリー又はモアレ法を使用して計測することもできる。本発明に譲受人に譲渡された米国特許第6,577,405号(Kranzら)は、代表的な三次元画像化システムを記載している。立体視ベースのシステムもまた、高速三次元画像データを生成することができる。 Several solar cell inspection requirements force the need to capture 3D image data at full production rates. These requirements include measuring metallization print height and wafer bow. Three-dimensional information such as the contour of the collector finger can also be measured using, for example, the well-known laser triangulation, phase profilometry or moire method. US Pat. No. 6,577,405 (Kranz et al.), Assigned to the assignee of the present invention, describes a representative three-dimensional imaging system. Stereovision-based systems can also generate high-speed 3D image data.
立体視システムは周知である。市販の立体システムは19世紀の立体鏡までさかのぼる。近年には、二つのカメラ立体画像対(Scharstein及びSzeliskiによる「A Taxonomy and Evaluation of Dense Two-Frame Stereo Correspondence Algorithms」)又は多数のカメラ(Robert T. Collinsによる「A Space-Sweep Approach to True Multi-Image Matching」)を評価するためのかなりの量の作業がコンピュータの使用において実施されている。この最後の参考文献は、航空偵察のために標的に対して動かされる一つのカメラに言及している。 Stereoscopic systems are well known. Commercially available 3D systems date back to 19th century stereoscopic mirrors. In recent years, two camera stereo image pairs ("A Taxonomy and Evaluation of Dense Two-Frame Stereo Correspondence Algorithms" by Scharstein and Szeliski) or many cameras ("A Space-Sweep Approach to True Multi-" by Robert T. Collins) A considerable amount of work has been done in the use of computers to evaluate "Image Matching"). This last reference refers to one camera that is moved relative to the target for air reconnaissance.
代替の立体視システムは、反射光パターンにおける明白なテキスチャを作り出すために、構造化された光パターンを標的、すなわち加工対象物に投射する(Sing Bing Kang、Jon A. Webb、C. Lawrence Zitnick及びTakeo Kanadeによる「Multibaseline Stereo System with Active Illumination and Real-time Image Acquisition」)。 An alternative stereo vision system projects a structured light pattern onto a target, i.e., a workpiece, to create a clear texture in the reflected light pattern (Sing Bing Kang, Jon A. Webb, C. Lawrence Zitnick and “Multibaseline Stereo System with Active Illumination and Real-time Image Acquisition” by Takeo Kanade).
太陽電池検査要件を満たすための高速二次元及び三次元画像データを取得するために、多数のカメラアレイを、カメラアレイ視野を重複させながら、立体配置に配設することができる。そして、太陽電池をカメラアレイに対してノンストップで移動させることができる。多数のストロボ照明野が太陽電池の画像を効果的に「フリーズ」させて動きのぶれを抑える。
In order to acquire
図23は、立体配置に配設されたカメラアレイ6及び7を示す。カメラアレイ6及び7は、重複するカメラアレイ視野37によって太陽電池12を画像化する。見やすくするため、照明システムは除かれている。
FIG. 23 shows the
図24は、立体画像データの高速取得のための、照明装置40を組み込まれた光学検査センサ98の切り欠き斜視図である。カメラアレイ3及び5が、太陽電池12における視野が重複する状態で、立体配置に配設されている。太陽電池12は、検査センサ98に対してノンストップで移動する。カメラアレイ3及び5の視野36が遮られないよう、上アパーチャ板59はアパーチャ56を含み、半透明な拡散板53はアパーチャ50を含む。光源88の付勢が太陽電池12上に曇天照明野タイプを作り出し、光源87の付勢が暗視野照明野タイプを作り出す。太陽電池12を透過する、又はその縁を通過する光がカメラアレイ3及び5によって捕獲されるようなストロボ照明装置の適当な配設により、背面照明のような他の照明野タイプを達成することもできる。画像取得シーケンスは、たとえば、ストロボ曇天、暗視野及び背面照明野タイプを交番させながら両方のカメラアレイ3及び5によって同時に捕獲される一連の重複画像であることができる。
FIG. 24 is a cutaway perspective view of an
再びブロック図3を参照すると、光学検査センサ98の機能ブロック図は光学検査センサ94のブロック図に非常に似ている。しかし、光学検査センサ98の場合、カメラアレイ4は除かれ、カメラアレイ3及び5によって取って代わられ、このカメラアレイ3及び4が他方で主エレクトロニクスボード80にインタフェースされている。画像メモリ82は、好ましくは、一つの太陽電池12に関してカメラアレイ3及び5によって生成されたすべての画像を記憶するのに十分な容量を含む。画像データは、画像メモリ82から読み出され、PCI Express(PCIe)のような高速電気インタフェースを介してシステムコンピュータ76に転送される。
Referring again to block diagram 3, the functional block diagram of
アプリケーション検査プログラム71が、カメラアレイ3及び5からの画像データの間の画像形体の不一致又はオフセットを使用する公知の立体法によって三次元画像データを計算する。太陽電池ウェーハ12の性質及び欠陥、たとえばウェーハジオメトリ、縁の欠け、穴、亀裂、微小亀裂、表面検査、反り、ソーマーク及び色に関してアプリケーションプログラム71によって検査結果が計算される。位置、厚さ、幅、長さ及び途切れに関するプリント検査結果もまた、アプリケーションプログラム71によって計算することができる。また、基準点、たとえば太陽電池12の表面上にレーザエッチングされたものを計測することにより、メタライズされたプリントの位置合わせを高めることもできる。これらの基準点は、多くの場合、暗視野照明画像において良好なコントラストを示し、位置合わせを計測するための座標系を確立するために使用することができる。二次元及び/又は三次元画像データの組み合わせをこれらの検査計算のいずれにも使用することができる。
An application inspection program 71 calculates the three-dimensional image data by a known stereo method using image feature mismatch or offset between the image data from the
図25は、カメラアレイ6及び7が、太陽電池12におけるカメラアレイ視野37が重複する状態で立体配置に配設されているもう一つの実施態様を示す。見やすくするために、組み込まれた曇天及び暗視野照明装置は除かれている。立体視システムは、物体上に観測可能な構造が存在しない場合、働かないことがある。これを解決する方法は、立体配置に配設されたカメラによって見ることができる人工的構造又は「テキスチャ」をパターン化された光源によって表面に加えることである。構造化された投光器8がカメラアレイ視野37の上方でストロボ光パターンを太陽電池12に投射する。光パターンは、たとえば、レーザ縞、一連のレーザ縞又はランダムなドットパターンであることができる。カメラアレイ6及び7によって見られる投射パターンの不一致をアプリケーションプログラム71によって使用して三次元画像データを計算することができる。画像取得シーケンスは、ストロボ曇天、暗視野及び構造化された光パターン照明野タイプを交番させながらカメラアレイ6及び7によって同時に捕獲される一連の重複画像であることができる。
FIG. 25 shows another embodiment in which the
図26は、立体配置に配設されたカメラアレイ6及び7ならびに構造化された投光器8を有するもう一つの実施態様を示す。見やすくするために、組み込まれた曇天及び暗視野照明装置は除かれている。太陽電池12形体の二次元計測を改善するために、カメラアレイ6は、太陽電池を垂直方向から見、図25に示すように斜めからは見ないように配設されている。
FIG. 26 shows another embodiment with
図27は、太陽電池12上のカメラアレイ視野38を見るように配設されたカメラアレイ6を有するもう一つの実施態様を示す。構造化された投光器8がカメラアレイ視野38の上方でストロボ光パターンを太陽電池12に投射する。光パターンは、たとえば、レーザ縞、一連のレーザ縞、正弦波パターン又はランダムなドットパターンであることができる。公知の方法により、カメラアレイ6によって観測される投射光パターンの位置を計測することによって太陽電池12までの射程及びその形体が計算される。見やすくするため、場合によって用いられる曇天、暗視野、明視野、背面照明又は他の光源は示されていない。
FIG. 27 shows another embodiment having a
好ましい実施態様を参照して本発明を説明したが、当業者は、本発明の真意及び範囲を逸脱することなく、形態及び詳細において変更を加えることができることを理解するであろう。 Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, workers skilled in the art will recognize that changes may be made in form and detail without departing from the spirit and scope of the invention.
Claims (47)
第一のストロボ照明野タイプ及び第二のストロボ照明野タイプを提供するように構成された照明装置であって、照明装置が、前記加工対象物に近い第一端及び前記第一端とは反対側にあり、前記第一端から離間した第二端を有するライトパイプを含み、ライトパイプが、少なくとも一つの反射性側壁を有し、前記第一端が出口アパーチャを有し、前記第二端が少なくとも一つの第二端アパーチャを有して、それらを通して前記加工対象物の視認を提供する、照明装置、
前記加工対象物をデジタル式に画像化するように構成された第一のカメラアレイであって、第一のカメラアレイが、第一の照明野を用いて前記加工対象物の第一の複数の画像を生成し、第二の照明野を用いて前記加工対象物の第二の複数の画像を生成するように構成された、第一のカメラアレイ、
前記加工対象物をデジタル式に画像化するように構成された第二のカメラアレイであって、第二のカメラアレイが、前記第一の照明野を用いて前記加工対象物の第三の複数の画像を生成し、前記第二の照明野を用いて前記加工対象物の第四の複数の画像を生成するように構成され、前記第一及び第二のカメラアレイが、前記加工対象物の立体的画像化を提供するように構成されている、第二のカメラアレイ、及び
前記照明装置ならびに前記第一及び第二のカメラアレイに操作可能に結合された処理装置であって、処理装置が、前記第一、第二、第三及び第四の複数の画像の少なくともいくつかを他の装置に提供するように構成されている、処理装置
を含む光学検査システム。 Workpiece transport mechanism configured to transport workpieces non-stop,
A lighting device configured to provide a first strobe lighting field type and a second strobe lighting field type, wherein the lighting device is opposite the first end and the first end close to the workpiece. And a light pipe having a second end spaced apart from the first end, the light pipe having at least one reflective sidewall, the first end having an exit aperture, and the second end. A lighting device having at least one second end aperture for providing a view of the workpiece through them,
A first camera array configured to digitally image the workpiece, the first camera array using a first illumination field and a first plurality of the workpieces. A first camera array configured to generate an image and generate a second plurality of images of the workpiece using a second illumination field;
A second camera array configured to digitally image the workpiece, wherein the second camera array uses the first illumination field to provide a third plurality of the workpieces. And generating a fourth plurality of images of the object to be processed using the second illumination field, wherein the first and second camera arrays are formed of the object to be processed. A second camera array configured to provide stereoscopic imaging; and a processing device operably coupled to the illumination device and the first and second camera arrays, the processing device comprising: An optical inspection system including a processing device configured to provide at least some of the first, second, third and fourth plurality of images to another device.
テレセントリック光学素子を有する第三のカメラアレイをさらに含み、前記第三のカメラアレイのカメラが、加工対象物移動方向に対して垂直な軸に沿って互いに整列しており、互いに重複しない視野を有し、前記第一及び第三のカメラアレイが、互い違いに位置する視野を有し、
前記第二のカメラアレイがテレセントリック光学素子を有し、前記第二のカメラアレイのカメラが、加工対象物移動方向に対して垂直な軸に沿って互いに整列しており、互いに重複しない視野を有し、
テレセントリック光学素子を有する第四のカメラアレイをさらに含み、前記第四のカメラアレイのカメラが、加工対象物移動方向に対して垂直な軸に沿って互いに整列しており、互いに重複しない視野を有し、前記第二及び第四のカメラアレイが、互い違いに位置する視野を有する、請求項1記載の光学検査システム。 The first camera array has a telecentric optical element, and the cameras of the first camera array are aligned with each other along an axis perpendicular to the moving direction of the workpiece, and have fields of view that do not overlap each other. And
A third camera array having telecentric optical elements, wherein the cameras of the third camera array are aligned with each other along an axis perpendicular to the moving direction of the workpiece, and have non-overlapping fields of view. The first and third camera arrays have staggered fields of view;
The second camera array has a telecentric optical element, and the cameras of the second camera array are aligned with each other along an axis perpendicular to the moving direction of the workpiece, and have non-overlapping fields of view. And
A fourth camera array having telecentric optical elements, wherein the cameras of the fourth camera array are aligned with each other along an axis perpendicular to the moving direction of the workpiece, and have non-overlapping fields of view. The optical inspection system of claim 1, wherein the second and fourth camera arrays have staggered fields of view.
製品と、一対のカメラアレイとの間に相対動を生じさせること、
前記相対動の間に、前記製品に対して第一の照明野タイプをストロボ照明しながら同時に前記一対のカメラアレイの第一のカメラアレイからライトパイプを介して第一の画像セットを取得すること、
取得された第一の画像セットによって少なくとも第一の縫合画像を生成すること、
前記製品に対して前記第一の照明野タイプをストロボ照明しながら第二のカメラアレイから前記ライトパイプを介して第二の画像セットを取得すること、
前記第二のカメラアレイから取得された前記第二の画像セットから少なくとも第二の縫合画像を生成すること、及び
少なくとも部分的に前記第一及び第二の縫合画像に基づいて前記製品に関する検査結果を決定すること
を含む方法。 A method for inspecting a product,
Creating a relative movement between the product and a pair of camera arrays;
Acquiring a first set of images from a first camera array of the pair of camera arrays via a light pipe while strobe illuminating a first illumination field type on the product during the relative movement. ,
Generating at least a first stitched image with the acquired first image set;
Acquiring a second set of images from the second camera array via the light pipe while strobe lighting the first illumination field type for the product;
Generating at least a second stitched image from the second set of images acquired from the second camera array, and an inspection result for the product based at least in part on the first and second stitched images A method comprising determining.
取得された第三の画像セットによって少なくとも第三の縫合画像を生成すること、
前記製品に対して前記第二の照明野タイプをストロボ照明しながら前記第二のカメラアレイから前記ライトパイプを介して第四の画像セットを取得すること、
前記第二のカメラアレイから取得された前記第四の画像セットから少なくとも第四の縫合画像を生成すること、及び
少なくとも部分的に前記第一、第二、第三及び第四の縫合画像に基づいて前記製品に関する検査結果を決定すること
をさらに含む、請求項27記載の方法。 During the relative movement, a third image set is acquired from the first camera array of the pair of camera arrays via a light pipe while simultaneously strobe illuminating a second illumination field type on the product. about,
Generating at least a third stitched image with the acquired third image set;
Acquiring a fourth set of images from the second camera array via the light pipe while strobe lighting the second illumination field type for the product;
Generating at least a fourth stitched image from the fourth set of images acquired from the second camera array, and based at least in part on the first, second, third and fourth stitched images 28. The method of claim 27, further comprising: determining test results for the product.
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