JP4411588B2 - 欠陥検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、フラットパネルディスプレイなどの表示装置やカラーフィルタなど部材の欠陥検査装置に関し、詳しくは、カラーの欠陥検査における高分解能化と検査時間の高速化のための改良に関するものである。

従来、フラットパネルディスプレイなどの表示装置やカラーフィルタなど部材の欠陥検査装置には、検査対象のディスプレイに表示させた検査パターンやカラーフィルタを透過した光信号をＣＣＤカメラで撮像し、撮像により得られる画像データに基づいて欠陥の検出を行うものがある（例えば、特許文献１参照。）。

図１１は、従来の欠陥検査装置の一例を示した構成図である。ここでは、検査対象としてフラットパネルディスプレイを例に用いるものとする。
検査対象１は、液晶パネルディスプレイやプラズマディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ装置であり、全表面に黒色表示や白色表示などの表示パターンを表示する。ＣＣＤ（電荷結合素子）カメラ等の撮像部２は、表示された画像を撮像し、画像処理部４に画像信号を出力する。信号発生部３は画像処理部４の制御下で検査対象に画像を表示させるための表示パターン信号を出力する。画像処理部４は、信号発生部３に対して、所定の表示パターン信号を発生させるための表示データや表示タイミングを制御するタイミング制御信号を出力すると共に、検査対象画面の撮像画像から黒点（未発光欠陥）、白点（輝点欠陥）等の表示欠陥を検出する。表示部５は検査結果を表示又は印字するディスプレイやプリンタ等である。操作部６はキーボードやタッチパネルなどから成り、作業者がこの検査装置を操作する部分である。

このような、欠陥検査装置に用いられる撮像部２に対して、点欠陥（黒点、輝点）のように小さい欠陥を検出するために、高い解像度のカメラを必要とする検査と、表示むらのように、欠陥は大きいが、輝度変化が微小である欠陥を検出するために、輝度値に対して高い分解能のカメラを必要とする検査がある。これらの検査を１台のカメラで実施しようとすると、高解像度、かつ高分解能の撮像が可能なものが必要となり、高価なカメラを用いることになる。

このため、標準的な解像度を有する複数のカメラから成るカメラアレイで高分解能を実現して点欠陥を検出し、別のカメラで輝度ムラなどの画像むらを検出するようにして、安価に構成した欠陥検査装置もある（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００３−６１１１５号公報 特開平９−１０１２３６号公報

一方で、カラー画像の検査には撮像部２に３ＣＣＤカメラを用いた検査装置が一般的である。３ＣＣＤカメラでは一度にＲ（赤）,Ｇ（緑）,Ｂ（青）の画像を取得することができ、可動部も無いため高速に撮像が可能である。またＲ,Ｇ,Ｂの各画素が空間的に同一の点を撮像するので検査の精度も高い。
しかし、高解像度になると３つのＣＣＤの位置合わせが著しく難しくなるという技術的な問題から３ＣＣＤカメラは現時点ではおよそ２００万画素程度の解像度のものしか存在しない。

検査対象の色ムラ、輝度ムラなどの比較的空間周波数の低い（マクロの）欠陥の検査の場合には検査対象の解像度と同程度やそれ以下の解像度の３ＣＣＤカメラでも適用できるが、ディスプレイの１画素レベルの欠陥検査を行う場合には、サンプリングの定理より被測定対象物の画素数に対して、検査用カメラの画素数は縦横各２倍、トータル４倍以上の画素数が必要である。
このため、検査対象の４倍以上の高解像度のものが実現できる白黒のＣＣＤを用いた図１２に示すような構成の撮像部が採用されている。

図１２は、従来の欠陥検査装置の撮像部の一例を示した構成図である。
図１２において、カラーフィルタ７ａ,７ｂ,７ｃ（７ｃは図示せず）はフィルタホイール８に取り付けられ、撮像レンズ１０と白黒の撮像素子（ＣＣＤ）９の間に設置される。このフィルタホイール８が回転することによりカラーフィルタのいずれか１つが選択され、ＣＣＤに入射する光信号の透過波長範囲を切替える。また、シャッタ１１の開閉によりＣＣＤへの光信号の入射をＯＮ／ＯＦＦ制御する。

検査対象（図示ぜず）を検査する場合、検査対象の画像を撮像レンズ１０でＣＣＤ９に結像させて、カラーフィルタ７ａ,７ｂ,７ｃを切り替えながら例えばＲ,Ｇ,Ｂの３つの色域で透過してきた像をそれぞれ取得する。それらの３つの画像を単独で、あるいは演算した後に画像処理を施すことにより、１画素レベルでの画素欠陥の色の特定や輝度のムラや色のムラを測定することができるようになっている。

しかしながら、図１２に示した撮像部を用いた従来の欠陥検査装置では、カラー画像の欠陥検査を行う場合、撮像部に回転機構のついたフィルタを設置しなければならないため、構造が複雑になる。
また、撮像時にフィルタの回転に時間を要すると共に、色ムラ、輝度ムラなどの比較的空間周波数の低い検査にも高解像度のＣＣＤを使用しなければならないため、カラー画像１枚を得るための撮像と撮像データの転送を３回繰り返えす必要がある。従って、検査に時間がかかるという問題があった。

本発明は、このような従来の欠陥検査装置が有していた問題を解決しようとするものであり、カメラ内部にカラーフィルタの回転機構を不要にして、フィルタの回転待ち時間が無くなるようにすると共に、高解像度カメラの画像撮像と撮像データ転送は最小限にし、検査時間の短縮を実現した欠陥検査装置を提供することを目的とする。

本発明は次の通りの構成になった欠陥検査装置である。

（１）フラットパネルディスプレイの欠陥検査を行う欠陥検査装置において、
前記フラットパネルディスプレイを撮像し、欠陥を検出する高解像度の白黒カメラと、
前記フラットパネルディスプレイを撮像し、前記欠陥の色を特定する低解像度のカラーカメラと、
位置の基準となるマーカーとして前記フラットパネルディスプレイに所定の間隔で輝点を表示させると共に、前記マーカーの位置情報に基づき前記高解像度の白黒カメラの撮像した欠陥の位置をこの欠陥を囲む４点のマーカーに対する相対位置として求め、射影の関係から、前記低解像度のカラーカメラの撮像した欠陥の位置を前記４点のマーカーに対する相対位置として求める画像処理部と、
を有することを特徴とする欠陥検査装置。

（２）前記カメラのいずれか１台を、光軸が前記フラットパネルディスレイの中心線に一致するように設置することを特徴とする（１）に記載の欠陥検査装置。

（３）前記マーカーと欠陥とが重なる場合には、隣接したマーカーを代用して欠陥の位置を求めることを特徴とする（１）または（２）に記載の欠陥検査装置。

（４）前記マーカーを既知の輝度により表示し、輝点欠陥の輝度を検出する際のリファレンスとすることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の欠陥検査装置。

本発明によれば、以下のような効果がある。

請求項１に記載の発明によれば、フラットパネルディスプレイに位置検出用のマーカーを設けることにより、高分解能カメラの撮像した欠陥の位置と低分解能カメラの撮像した欠陥の位置を整合させることができる。
また、高解像度のカメラで微小な点欠陥を検出し、低解像度のカラーカメラでその欠陥の色を特定するので、構造が簡単となり、撮像時間も短く、検査時間を短縮することができる。

請求項２に記載の発明によれば、液晶ディスプレイのような視野角特性をもった検査対象の場合に検査対象の中心軸上にカメラを設置することにより、視野角特性に影響されずに検査を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、マーカーと欠陥が重なった場合にも、欠陥の位置検出をすることができる。

請求項４に記載の発明によれば、位置検出用のマーカーを既知の輝度で表示させることにより、このマーカーを輝度のリファレンスとして用いて輝点欠陥の輝度を求めることができる。

以下図面を用いて本発明を詳細に説明する。図１は本発明の欠陥検査装置の一実施例を示す構成図である。なお、前出の図と同等部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
また、ここでは、検査対象としてフラットパネルディスプレイを例に用いており、カラーフィルタなどを検査する場合には、カラーフィルタの背後から照明を当てて透過してきた光信号を撮像するようにする。

図１において、検査対象２０はフラットパネルディスプレイである。３ＣＣＤカラーカメラ２１には３ＣＣＤカラーカメラ用の撮像レンズ２２が付いている。高解像度カメラ２３には高解像度カメラ用の撮像レンズ２４が付いている。３ＣＣＤカラーカメラ２１と高解像度カメラ２３は検査対象２０の表示部全体を撮像できるように設置しておく。

３ＣＣＤカラーカメラ２１または高解像度カメラ２３の光軸は検査対象の中心線２５に一致するよう設置するが、いずれかのカメラ（図１では高解像度カメラ２３）は中心線上に設置することができない。その場合、撮像レンズの主点がＣＣＤとディスプレイの中心を結ぶ直線上にほぼ一致するように撮像レンズを移動させるのがよい。本実施例では高解像度カメラ撮像レンズ２４をシフトさせている。

それぞれのカメラの撮像信号は、画像処理部４ａに取り込まれ処理される。画像処理部４ａは、信号発生部３に対して、所定の表示パターン信号を発生させるための表示データや表示タイミングを制御するタイミング制御信号を出力すると共に、検査対象画面の撮像画像から黒点（未発光欠陥）、白点（輝点欠陥）等の表示欠陥を検出すると共に、その欠陥の色の特定を行う。また、欠陥の位置、大きさ、輝度などの測定を行う。
なお、この画像処理部４ａは、画像入力ボードを経由してカメラの信号を取り込むようにした少なくとも１台のコンピュータで構成しても良い。

ここで、本実施例において、検査対象２０の解像度がＸＧＡ（横１０２４×縦７６８ピクセル）の場合を考える。カラーディスプレイの場合、１ピクセルの中にＲＧＢの３つの表示単位が入っているが、ここではＲＧＢのセットを１ピクセルと定義する。

この場合、高解像度カメラ２３には縦横の解像度が被検査ディスプレイの２倍で若干のマージンのピクセル数を持つカメラ、すなわち２１５０×１６００ピクセル付近の解像度のカメラが望ましい。３ＣＣＤカラーカメラ３には被検査ディスプレイと同程度で若干のマージンがある解像度１０７５×８００ピクセル程度のものを選ぶ。

これらのカメラを図１に示すように設置する。このとき、検査対象と高解像度カメラの位置決めの誤差や高解像度カメラ用撮像レンズの収差のために、検査対象の１ピクセルと高解像度カメラのＣＣＤの４ピクセルを完全に一致させることは困難である。これは３ＣＣＤカラーカメラについても同じで、検査対象２０の１ピクセルと３ＣＣＤカラーカメラの１ピクセルを完全に一致させることはできない。

したがって、高解像度カメラと３ＣＣＤカラーカメラの画素位置にもズレが生じることになる。輝点欠陥のコントラストが高く、欠陥の数も少ない場合には高解像度カメラと３ＣＣＤカラーカメラのピクセル位置にズレがあっても輝点の位置と色の検出はさほど難しくはないが、欠陥のコントラストが低く、欠陥の数が多い場合には高解像度カメラと３ＣＣＤカラーカメラのピクセル位置の整合が重要になる。

以下に図を用いてピクセル位置の整合について説明する。
図２は検査対象の表示エリアにおける輝点欠陥を示した表示例である。輝点欠陥３０は検査対象２０の表示エリア３１で発生した黒表示の際に明るく輝く点の欠陥（輝点欠陥）である。

検査対象２０に図３に示すように１ピクセルの大きさの輝点（マーカー）を、例えば１０ピクセルなど一定の間隔で表示する。
図３は、検査対象の表示エリアにマーカーを表示させた表示例である。
輝点３２が表示した輝点、輝点３３が輝点欠陥である。この例では輝点欠陥は右から３列目と４列目の間、上から２行目と３行目の間に存在することが分かる。そこで、その部分を高解像度カメラで撮像した場合の画像の模式図を図４に、３ＣＣＤカラーカメラで撮像した場合の画像の模式図を図５に示す。

図４,図５のグリッドは各カメラのＣＣＤの画素を示している。
図４においてＡ,Ｂ,Ｃ,Ｄの各点は検査対象２０に表示した輝点であり、Ｐ点は輝点欠陥である。Ａ,Ｂ,Ｃ,Ｄの各点は検査対象２０上では１０ピクセル間隔で１ピクセルの大きさで表示されているが、高解像度ＣＣＤ上では約２０ピクセル間隔で４ピクセルの大きさになっている。また、ＣＣＤの画素位置に必ずしも一致しているわけでは無い。

図５においてＡ１,Ｂ１,Ｃ１,Ｄ１の各点は検査対象２０に表示した輝点である。Ｐ１点は輝点欠陥の位置であるが、３ＣＣＤカラーカメラの画像では明確に輝点として判別できないものとする。こちらの場合はＡ,Ｂ,Ｃ,Ｄの各点は検査対象２０上での表示と同じで約１０ピクセル間隔で約１ピクセルの大きさで表示されている。

図４と図５は射影の関係になっているので、図４中のＰ点の位置をＡ,Ｂ,Ｃ,Ｄ点からの相対位置として求めれば、図５中のＰ１点の位置をＡ１,Ｂ１,Ｃ１,Ｄ１点からの相対位置として求めることができる。この時、図４、図５の各点の位置は輝点の重心位置を求めることにより、１ピクセル以下の分解能で求めることができる。このようにして、高解像度カメラで検出できた輝点欠陥の色を３ＣＣＤカラーカメラの画像から求めることができる。

具体的な処理手順は次のようになる。
図４の画像で、Ｐの座標を高解像度カメラのＣＣＤ上の座標で表す。この座標を（ｘｐ，ｙｐ）とする。ここで、ＣＣＤ上の画像の座標系は左上を原点（０，０）とし、右方向をｘの正方向、下方向をｙの正方向とし、画素を単位としたｘｙ座標系とする。
図４において□ＡＢＣＤ（点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを頂点とする四角形を示す）を単位正方形とし、Ａを原点とした座標系を（ｌ，ｍ）とし、上記の（ｘ，ｙ）座標系との関係を求める。求めた変換行列をＫとすると

と表すことができる。
輝点欠陥Ｐの（ｌ，ｍ）座標系での座標（ｌｐ，ｍｐ）は（１）式を用いて求めることができる。

同様に、図５の画像で３ＣＣＤカラーカメラのＣＣＤ上の座標（ｘ１，ｙ１）と□Ａ１Ｂ１Ｃ１Ｄ１を単位正方形としＡ１を原点とした座標系（ｌ１，ｍ１）との関係を求める。求めた変換行列をＫ１とすると

と表すことができる。

（２）式を変形すると

（１）式で求めた輝点欠陥の座標（ｌｐ，ｍｐ）を（３）式に代入すると、輝点欠陥の３ＣＣＤカラーカメラＣＣＤ上の座標（ｘｐ１，ｙｐ１）を求めることができる。図５の画像で（ｘｐ１，ｙｐ１）の色を調べることによって、輝点欠陥の色を特定できる。

このとき、輝点欠陥が表示する輝点と重なる場合には、隣接する別の表示輝点で代用することができる。
このことを、図を用いて説明する。
図６は、検査対象２０に黒均一画面を表示した場合の輝点欠陥Ｐの周辺を高解像度カメラで撮像した画像の例を示している。グリッドは高解像度カメラのＣＣＤの１画素を示す。図７は図６とほぼ同一の部分を低解像度３ＣＣＤカラーカメラで撮像した場合の画像の例を示している。グリッドは３ＣＣＤカメラのＣＣＤの１画素を示す。

次に、被検査ディスプレイに等間隔（例えば１０画素おき）で輝点を表示させる。図８はその時の図６と同一部分を高解像度カメラで撮像した画像の例を示している。図９は図７と同一部分を低解像度３ＣＣＤカラーカメラで撮像した場合の画像の例を示している。
この例では輝点欠陥Ｐが、表示させた輝点Ｄとほぼ同一部分にあり重なっている。表示させる輝点と輝点欠陥との重なりは、ＣＣＤ上の座標により判定できるので、そのような場合には高解像度カメラと３ＣＣＤカラーカメラのピクセル位置の整合に用いる輝点を通常用いる□ＡＢＤＣの代わりに□ＡＥＩＧに変更する。

なお、表示輝点の４点の選択は、□ＡＥＩＧに限らず□ＢＣＨＦのように欠陥を囲むように配置された４点で、この４点を結んだ四角形の中に欠陥があればよい。
また、カラーフィルタなどの部材の欠陥検査を行う場合には、無色透明なシートの既知の位置にマーカーが印刷されたものなどを用意して、カラーフィルタと重ねあわせて撮像し、同様に欠陥の検査を行う。
さらに、輝度ムラ、線欠陥、色ムラなどは３ＣＣＤカメラの画像を用いて検査する。

図１０は、本実施例に基づいて検査時間をシミュレーションした結果を示している。
従来例の検査装置用カメラの場合と本発明の欠陥検査装置の場合について、撮像の時間の比較をしたものである。従来例の検査用カメラは、白黒３４４万画素カメラとＲＧＢのカラーフィルタを用いて同一のカメラで欠陥検査と色ムラ、輝度ムラなどのカラー画像検査を行う構成である。これに対して、本発明は欠陥検査用に白黒３４４万画素カメラを用い、色むら、輝度ムラ検査には８６万画素の３ＣＣＤカメラを用いるものである。

ここで、検査用に１０回の撮像が必要で有ると仮定すると、そのうち高解像度画像とカラー画像が最低３枚ずつ必要で、それ以外の４枚の画像はどちらのカメラで撮影しても良いため、できるだけ短時間になるように割り当てる。従って、従来例ではカラー画像３回に白黒画像７回の撮影であり、本発明ではカラー画像７回に白黒画像３回の撮影としている。カメラのデータ転送クロックは１０ＭＨｚでパラレルにデータの転送が可能とする。露光時間は１００ｍｓｅｃ一定とする。

この結果、検査に要するトータル時間は、従来例では８３９０ｍｓｅｃ、本発明では２６２２ｍｓｅｃとなっており、従来例の１／３以下になっている。実際には、これに画像処理の時間も加わることになるが、画像処理時間は画素数にほぼ比例するため従来例と本発明に対しては同じくらいの比率になると思われる。

なお、実施例では高解像度カメラを光軸からシフトさせて用いているが、高解像度カメラを軸上にして、３ＣＣＤカラーカメラをシフトさせて用いることもできる。
また、本実施例では図３の輝点の表示を２つのカメラのピクセルの関係を整合させるためにのみ用いたが、輝度が既知の輝点を表示させることにより、輝点欠陥の輝度レベルと表示輝点の輝度レベルの比により、輝点欠陥の輝度を求めることができる。従って、輝度のリファレンスとして用いることもできる。

さらに、本実施例では高解像度の白黒カメラとそれよりも解像度の低い３ＣＣＤカラーカメラの組み合わせで検査システムを構成しているが、解像度の異なるカラーカメラ同士あるいは解像度の異なる白黒カメラ同士を組み合わせて、検査内容に応じて使用するカメラを使い分けることも可能である。微小なキズなどの欠陥検査と、色ムラ、輝度ムラなどの比較的大きな欠陥検査が混在する場合には非常に有効である。

加えて、本実施例では検査対象に、そのつど輝点を表示して、２つのカメラのＣＣＤのピクセル座標の整合を取っているが、２つのカメラの相対位置や検査対象とカメラの結像倍率が変化しないのであれば、検査装置を設置した際に被検査面全面に渡って、２つのカメラのピクセル座標の整合を取り、そのデータを装置の固有データとして保持し、検査時にそのデータを用いてピクセル間の整合を取ることもできる。

また、例えば液晶ディスプレイの製造ラインは単一の品種のみ生産しているわけではなく、そのときの需要に応じて、様々なサイズ、解像度の液晶パネルを生産しており、品種が切り替わった際には検査するエリアの面積を速やかに変更できることが要求される。

このような要求に対して、従来技術で説明したカメラアレイにより高解像度を実現した場合では、次のような調整が必要となる。
カメラアレイを構成している各カメラの間隔をそれぞれ広げる。各カメラの視野が少しの重なりを持ってパネルの全表示エリアをカバーするように、カメラアレイ全体を被検査パネルから遠ざける。または、各カメラにズームレンズを搭載しておき、それぞれのズームを上記の条件になるように調整する。各カメラのフォーカスをそれぞれ調整する。カメラアレイを構成するカメラの数にもよるが、このような調整を手動で行うには多大な時間を必要とする。

また、自動で行う場合には各カメラにＸＹＺステージ、自動フォーカス調整機構を用意する必要があり、カメラが低価格であったとしても、本発明の高解像度カメラを用意するよりもコストアップになる。

これに対して本発明は、高解像度カメラを用いて点欠陥検査を行うため、カメラを遠ざけて、フォーカスを調整するという作業で足りるため、カメラアレイのようなカメラの数の増加による調整の複雑化を招くことが無く、調整時間が増加することはない。同様に自動調整を構築する場合にも１軸のステージと１個のフォーカス調整機構が有ればよいので、費用もカメラアレイより安価である。

さらに、検査対象の液晶ディスプレイには視野角特性があり、視野角特性による明るさのムラとムラ欠陥を分離するためには、ムラ検査用のカメラの視野角も点欠陥検査用のカメラと同じくできるだけ小さくしなければならない。このため、ムラ検査用のカメラをディスプレイの中心軸上に設置しなければならない。

従って、カメラアレイを用いた場合には、遠くに位置するムラ検査用のカメラをディス
プレイの近くに設置されたカメラアレイに視野を邪魔されないようにディスプレイの中心軸上に設置するのは困難だが、本発明では実施例にも示したように、ムラ検査用の３ＣＣＤカメラをディスプレイの中心軸上に設置することが容易である。

なお、本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。

本発明の欠陥検査装置の一実施例を示す構成図である。 検査対象の表示エリアにおける輝点欠陥を示した表示例である。 検査対象の表示エリアにマーカーを表示させた表示例である。 高解像度ＣＣＤの画素および輝点欠陥の位置を示した説明図である。 ３ＣＣＤカメラのＣＣＤの画素および輝点欠陥の位置を示した説明図である。 検査対象に黒均一画面を表示した場合の輝点欠陥の周辺を高解像度カメラで撮像した画像の例を示した図である。 図６とほぼ同一の部分を低解像度３ＣＣＤカラーカメラで撮像した場合の画像の例を示した図である。 マーカーを表させたときの図６と同一部分を高解像度カメラで撮像した画像の例を示した図である。 マーカーを表させたときの図７と同一部分を３ＣＣＤカメラで撮像した画像の例を示した図である。 本実施例に基づいて検査時間をシミュレーションした結果を示した図である。 従来の欠陥検査装置の一例を示した構成図である。 従来の欠陥検査装置の撮像部の一例を示した構成図である。

符号の説明

３ 信号発生部
４ａ 画像処理部
６ 操作部
７ 表示部
２０ 検査対象
２１ ３ＣＣＤカラーカメラ
２２ 撮像レンズ
２３ 高解像度カメラ
２４ 撮像レンズ

Claims (4)

1. フラットパネルディスプレイの欠陥検査を行う欠陥検査装置において、
   前記フラットパネルディスプレイを撮像し、欠陥を検出する高解像度の白黒カメラと、
   前記フラットパネルディスプレイを撮像し、前記欠陥の色を特定する低解像度のカラーカメラと、
   位置の基準となるマーカーとして前記フラットパネルディスプレイに所定の間隔で輝点を表示させると共に、前記マーカーの位置情報に基づき前記高解像度の白黒カメラの撮像した欠陥の位置をこの欠陥を囲む４点のマーカーに対する相対位置として求め、射影の関係から、前記低解像度のカラーカメラの撮像した欠陥の位置を前記４点のマーカーに対する相対位置として求める画像処理部と、
   を有することを特徴とする欠陥検査装置。
2. 前記カメラのいずれか１台を、光軸が前記フラットパネルディスレイの中心線に一致するように設置することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
3. 前記マーカーと欠陥とが重なる場合には、隣接したマーカーを代用して欠陥の位置を求めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の欠陥検査装置。
4. 前記マーカーを既知の輝度により表示し、輝点欠陥の輝度を検出する際のリファレンスとすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の欠陥検査装置。

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