KR101772673B1 - 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템에 관한 것으로, 반도체 소재 및 디스플레이 소재 분야의 다양한 형태와 사이즈를 가진 샘플 제품에 대하여 진동 저감을 위한 Air Cylinder 구조의 방진 설비와 스테이지 유닛 이송 모듈과 기구부를 포함하는 검사 장비에서, 광학 조명과 비전 검사 시스템을 사용하여 검사 대상 제품의 표면 결함(이물, 스크래치, 패턴 오류 등)을 검출하고 양불 여부를 판단하여 생산 공정에서 제품 불량을 줄이는 효과가 있다.

Description

멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템{Multiple optics vision inspection system}
본 발명은 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 소재 및 디스플레이 소재 분야의 다양한 형태와 사이즈를 가진 샘플 제품에 대하여 진동 저감을 위한 Air Cylinder 구조의 방진 설비와 스테이지 유닛 이송 모듈과 기구부를 포함하는 검사 장비에서 광학 조명과 비전 검사 시스템을 사용하여 검사 대상 제품에 대해 표면 결함(이물, 스크래치, 패턴 오류 등)을 검출하고 양불 여부를 판단하여 생산 공정에서 제품 불량을 줄이기 위한, 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템에 관한 것이다.
글로벌 머신 비전 검사 시스템 및 부품의 전체 시장은 각 부문 중 광학 조명(LED 또는 할로겐 조명), 멀티 카메라를 갖는 고해상도 Line Scan 카메라 또는 Area Scan 카메라, 프레임 그래버(frame grabber), 산업용 PC에서 I/O와 모션 제어(motion control)를 담당하는 비전 보드(하드웨어), 산업용 PC의 비전 영상 처리 소프트웨어, 비전 검사 시스템, 스텝 모터(step motor)와 스텝 모터 드라이버(step motor driver), 센서 관련 부품으로 이루어진 시장이 5년간 CAGR 10%로 이와 관련된 머신 비전 산업 분야의 시장이 급성장할 것으로 예상된다.
한국의 반도체와 LCD, PDP 디스플레이 산업은 세계 1위의 한국경제를 지탱하는 주요 산업 전략 수출품목의 하나로써, LCD, PDP 평판 디스플레이 분야에서 삼성 디스프레이와 LG 디스플레이 전 세계 LCD 시장의 47%를 차지하고 있으며, LCD 검사 장비와 비전 시스템의 국산화가 필요하다.
미국, 캐나다, 일본 등의 선진국의 주요 기업의 LCD, PDP 디스플레이 검사 장비와 검사(inspection)와 측정(measurement)을 위한 비전 시스템을 사용하고 있으며, 국내 기업은 기존 디스플레이 검사장비의 신뢰성이 LCD 업체에서 요구하는 기준에 못미치는 실정이다.
LCD, PDP 디스플레이 패널의 대량 생산시에 대면적 디스플레이 검사는 매뉴얼에 의존하여 검사가 마이크로 단위 정밀 측정이 요구되므로 공장 자동화 공정에서 사람이 직접 눈으로 결함을 일일이 검사하던 분야를 산업용 카메라 등을 활용해 검사함으로써 자동화 공정 육안 검사의 어려움으로 인해 로봇과 기계 소프트웨어 기술이 융합된 머신 비전과 컴퓨터 비전 시스템을 사용한 제품 표면의 결함 검출 및 패턴 검사 장비 및 비전 검사 시스템 소프트웨어가 구비된 대면적 디스플레이 검사장비와 비전 검사 시스템의 개발이 중요한 과제로 부각되고 있다.
국내의 경우, 머신비전(machine vision) 도입 자체가 미국이나 일본 등의 선진국에 비해 늦었지만, 최근 몇 년 동안 산업현장에서 머신비전의 적용이 급속히 증가하고 있으며 정밀 측정이 가능한 고품질 머신 비전 제품의 기술확보가 필요하다.
머신 비전(MV, machine vision)은 로봇, 기계, 비전 시스템의 소프트웨어 기술이 융합된 기술로써 산업체의 공장 자동화(FA, Factory Automation) 공정에서 디스플레이나 반도체 복합 소재 분야까지 여러 분야에서 제품 표면 결함 검사, PCB 검사, LED chip package, 기타 제품의 불량을 걸러내는 검사 장비와 비전 검사 시스템으로 사용되며, 대량 생산되는 제품 표면의 결함을 검사 및 측정하여 제품의 불량을 줄이는데 사용된다.
대면적 LCD 디스플레이 검사는 대면적 LCD 디스플레이 화면의 일부분 샘플링 검사가 아닌 LCD Panel 전면 검사를 해야 하며 수십 마이크로 미터 수준의 해상도가 요구되고, 특히 대량 생산 공정에서 많은 양의 정보를 고속으로 처리해야 되며, 영상처리 할 경우 대량의 데이터를 실시간으로 처리하는 고속의 영상처리 시스템이 요구되며, 영상 자체의 데이터가 크고 실제 사용하는 영상 특징(image feature)을 추출하려면 여러 연산을 수행해야 하므로 고속 영상처리(image processing) 및 결함 검출 알고리즘을 연구하여 제품 불량을 줄이는 검사 장비와 비전 검사 시스템이 필요하다.
제조업체에서 대량 생산되는 반도체 소재, 패키지, 디스플레이 등의 제품의 표면 결함을 검출하는 검사 장비와 비전 검사 시스템을 구비하는 대면적 디스플레이 패널용 20㎛급 초정밀 비전 검사 시스템 개발 필요하다.
비전 검사 시스템은 대부분 규모가 크고, 고가의 부속 모듈이 사용되기 때문에 초기 제작뿐만 아니라 완성 후 검사 환경을 수정하는 데에도 또한 많은 비용이 소요된다.
그러나, LCD 검사 장비 등의 비전 검사 시스템은 수요처 납품 전 많은 테스트를 진행하고 분석하여 시스템을 구축한다고 하도 수요처의 요구사항 변동 등 많은 변수로 인해 검사 환경 수정이 불가피하게 필요한 경우가 많이 발생한다.
이러한 경우를 대비하여 처음부터 유동적으로 검사 환경을 조정할 수 있는 시스템을 제작한다면 추후 기구 수정에 소요될 고비용의 손실을 막을 수 있다는 점에 착안하여 비전 검사 장비를 제작해야 한다.
기존 비전 검사 시스템은 한 가지 검사 대상의 특성에 따라 조명 및 광학카메라의 광학 검사 환경이 고정적으로 제작되어 특성이 다른 소재에 대해서는 검사가 어렵고, 검사 환경을 변경하더라도 좁은 범위 내에서 가능했던 단점이 존재하며, 검사 대상 제품의 규모가 크게 변하면 검사가 불가능하기도 했던 문제점이 있었다.
종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 반도체 소재 및 디스플레이 소재 분야의 다양한 형태와 사이즈를 가진 샘플 제품에 대하여 진동 저감을 위한 Air Cylinder 구조의 방진 설비와 스테이지 유닛 이송 모듈과 기구부를 포함하는 검사 장비에서 광학 조명과 비전 검사 시스템을 사용하여 검사 대상 제품에 대해 표면 결함(이물 스크래치, 패턴 오류 등)을 검출하고 양불 여부를 판단하여 생산 공정에서 제품 불량을 줄이기 위한, 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템은 외면 케이스가 하우징되는 기구부, 상기 기구부의 정면에는 복수의 컴퓨터와 모니터, 하단에 키보드 마우스를 구비하며, 고정된 지지대에 고해상도 멀티 카메라가 구비된 카메라부와, 카메라부 하단에 설치된 광학 조명부와, 카메라부와 광학조명부 하단에 위치되며 검사 대상체가 XY-스테이지에 놓이는 검사 스테이지와, 상기 검사 스테이지가 놓이는 베이스와, 비전 검사 장비 좌우를 지지하는 프레임, XYZ 위치 이동을 제어하는 스테이지 유닛 이송 모듈을 포함하며,
상기 카메라부는 고정된 지지대에 구비된 멀티 카메라가 카메라 인터페이스를 통해 각각 하나의 카메라가 각각 하나의 PC에 연결되고, 각각의 PC는 네트워크 허브를 통해 LAN과 TCP/IP를 통해 메인 서버 컴퓨터에 연결되며, 상기 메인 서버 컴퓨터는 네트워크 허브를 통해 LAN과 TCP/IP를 통해 엔코더/분배기와 연결되며, 상기 엔코더/분배기는 상기 멀티 카메라에 연결되고,
상기 카메라부는 상기 멀티 카메라들을 구비하며, 각각의 카메라는 제품 표면 결함의 정밀 측정을 위해 일반 CCD 카메라보다 100배 정도 향상된 고해상도 10~100㎛(pixel size)의 정밀 측정이 가능한 TDI 카메라를 사용하며,
상기 기구부는 공장 자동화 공정에서 생산 라인의 컨베이어 벨트로 이송된 검사 대상체, 또는 검사 대상체 이송 로봇의 로더(loader)에 의해 상기 검사 스테이지에 놓인 제품의 ID를 제품에 부착된 DPM 코드, 또는 1D 또는 2D 코드를 판독하여 제어 컴퓨터로 검출된 제품ID를 전송하는 ID 리더기를 더 포함하며,
상기 스테이지 유닛 이송 모듈은 상기 검사 대상체를 광학 카메라가 촬영할 수 있게 상기 검사 스테이지로 이송하는 로더(loader)를 구비하는 상기 검사 대상체 이송 로봇 인 리니어 로봇을 더 포함하고,
상기 스테이지 유닛 이송 모듈은 제어 컴퓨터에 연동된 모터 구동부에 의해 모터의 속도와 이동 위치를 제어하여 작동되는 X, Y, Z1, Z2, Z3 축의 리니어 모터를 사용하며, 리니어 모터에 의해 X축 방향으로 라인 스캔 카메라가 이동하고, 리니어 모터에 의해 Y축 방향으로 검사 스테이지의 위치 이동, 리니어 모터에 의해 Z1, Z2, Z3축 상하 방향으로 카메라부가 이동되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템은 반도체 소재 및 디스플레이 소재 분야의 다양한 형태와 사이즈를 가진 샘플 제품에 대하여 진동 저감을 위한 Air Cylinder 구조의 방진 설비와 스테이지 유닛 이송 모듈과 기구부를 포함하는 검사 장비에서 광학 조명과 비전 검사 시스템을 사용하여 검사 대상 제품에 대해 표면 결함(이물, 스크래치, 패턴 오류 등)을 검출하고 양불 여부를 판단하여 생산 공정에서 제품 불량을 줄이는 효과가 있다.
본 제품은 디스플레이 대기업에서 대량 생산되는 LCD, AMOLED, 디스플레이용 필름, 차세대 디스플레이에 대하여 대면적 디스플레이 소재 분야에서 고해상도 카메라를 사용하여 10~100㎛ 이하의 패턴의 이물, 스크래치, 패턴 오류, 결함 발생 위치 정밀 측정 등의 제품의 표면 결함을 검출하는 검사 장비와 비전 검사 시스템을 구비하는 대면적 디스플레이 패널용 20㎛급 초정밀 비전 검사 시스템으로 사용이 가능하다.
멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템은 디스플레이 패널 검사 10~20㎛급 초정밀 비전 검사 시스템으로 상용화하여, 국내 디스플레이 대기업의 공장 자동화 공정에서 생산 라인의 제품 표면 결함 검사 장비로 사용이 가능하며, 삼성디스플레이, LG디스플레이, 대만 AUO, 중국 BOE의 협력사와 협력하여 비전 검사 장비 개발후 있으며, 품질인증, 특허등록, 해외수출 시장 확보를 위한 해외 마케팅 전략과 국내 디스플레이 대기업 공급을 위한 시장개척 방안과 적용기업 및 수요기관과의 협력 체계를 구축하여, 실용적인 네트워크 구축을 통한 마케팅 4P와 STP 전략에 따라 제품 포지셔닝 및 서비스 포지셔닝에 의해 마케팅을 통해 국내외 시장을 개척하여 매출을 증대시키는 효과가 있다.
또한, 로봇과 기계와 소프트웨어 기술이 융합된 머신 비전과 비전 시스템 기술을 조기에 확보하고, 광학조명과 고해상도 멀티 카메라를 구비하는 Line scan 카메라 또는 Area scan 카메라와 연동된 비전 검사 시스템으로써 대면적 디스플레이 소재 분야에서 제조 공정에서 발생하는 10~100㎛ 이하의 패턴의 이물, 스크래치, 패턴 오류, 결함 발생 위치 정밀 측정, 정상 이미지와 검사 이미지를 비교 분석하여 제품 표면 결함을 검출하는 2D 비전, 스테레오 비전, 3D 비전 검사 시스템과 영상처리 소프트웨어 기술의 국산화와 R&D 연구 인력 양성, 지적재산권 확보와 국내 기술 경쟁력 확보하여 향후 스마트 카메라를 사용한 임베디드 비전의 신규 산업을 창출하며 스마트 팩토리(smart factory) 구축을 위한 기초 기술로 사용된다.
도 1은 제품 정보, 검사 정보, 결함 정보를 설정하고 로더(Loader)에 의해 제품을 로딩하고 기계적인 정열, 비전 정렬, 제품 비전 인식, 라인 스캔 카메라/에어리어 스캔 카메라를 구성하는 고해상도 멀티 카메라로부터 이미지 획득, 이미지 프로세싱, 결과 데이터 보고, 결함 검출, 로더에 의해 제품을 언로딩하는 과정을 나타낸 제품의 표면 결함, 이물, 스크래치, 패턴 오류 검출 과정을 나타낸 순서도이다.
도 2는 Wafer/chip/package 반도체 소재, 디스플레이 소재 분야의 TSP 생산, Cover Glass 생산 과정의 글래스/판넬 등의 다양한 형태와 사이즈를 가진 샘플, 또는 PCB를 나타낸 사진이다.
도 3은 멀티 광학 모듈 비전 검사 장비의 외관 설계시의 정면도(front view)와 측면도(side view)이다.
도 4a는 멀티 광학 모듈 비전 검사 장비의 외형 구조의 사시도(ISO View), 배면도(back view), 정면도(front view), 및 측면도(side view)이다.
도 4b는 멀티 광학 모듈 비전 검사 장비의 기구 매트릭스, 도 4c는 사시도, 도 4d는 정면도, 도 4e는 좌측면도, 도 4f는 우측면도, 도 4g는 배면도, 도 4h는 저면도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 멀티 광학 모듈 비전 검사 장비의 세부 설계 시의 기구 내부 구조의 사시도(ISO View), 배면도(back view), 정면도(front view), 및 측면도(side view)이다.
도 5b는 멀티 광학 모듈 비전 검사 장비의 기구 내부 구조의 사시도(ISO View)를 확대한 도면이다.
도 6은 멀티 광학 모듈 비전 검사 장비의 세부 설계 시의 기구 내부 구조의 레이아웃을 나타낸 도면이다.
도 7은 기구 내부 구조의 사시도(perspective view)이다.
도 8은 리니어 서보 모터, 로봇(X), 로봇(Z1, Z2, Z3), 모션 제어기(Motion Controller)의 하드웨어 사양을 나타낸 도면이다.
도 9는 라인 스캔 카메라에 사용되는 멀티 카메라들에 대하여 일 실시예로 사용된 CMOS 이미지 센서와 렌즈의 제품 사양을 나타낸 도면이다.
도 10은 비전 검사 시스템의 광학 조명으로 사용되는 동축 조명 및 경사 조명과 LED 광원의 제품 사양을 나타낸 도면이다.
도 11은 에어리어 스캔 카메라와 렌즈의 제품 사양을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템 구성도이다.
도 13은 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템의 LED 광학 조명과 라인 스캔 카메라를 사용하는 경우 비전 검사 시스템 구성도이다.
도 14는 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템에서 라인 스캔 카메라 멀티 카메라로부터 제품 표면의 영상을 획득하여 이물, 스크래치, 패턴 오류 등의 제품 표면의 결함을 검사하는 비전 검사 시스템의 이미지 프로세싱 과정을 나타낸 도면이다.
도 15는 카메라로 촬영된 영상 평면 상의 (x,y) 한점과 영상 배열(Image Array)를 비교한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실실예로 LCD 결함 검출 자동 검색(auto search) 알고리즘을 나타낸 순서도이다.
도 17은 디스플레이 패널 패턴 결함을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성을 상세하게 설명한다.
도 1은 제품 정보, 검사 정보, 결함 정보를 설정하고 로더(Loader)에 의해 제품을 로딩하고 기계적인 정열, 비전 정렬, 제품 비전 인식, 라인 스캔 카메라/에어리어 스캔 카메라를 구성하는 고해상도 멀티 카메라로부터 이미지 획득, 이미지 프로세싱, 결과 데이터 보고, 결함 검출, 로더에 의해 제품을 언로딩하는 과정을 나타낸 제품의 표면 결함, 이물, 스크래치, 패턴 오류 검출 과정을 나타낸 순서도이다.
도 2는 Wafer/chip/package 반도체 소재, 디스플레이 소재 분야의 TSP 생산, Cover Glass 생산 과정의 글래스/판넬 등의 다양한 형태와 사이즈를 가진 샘플, 또는 PCB를 나타낸 사진이다.
□ 기능
1) 디스플레이 패널 및 반도체 샘플/제품 정밀 촬영(비전 검사)
2) 결함 검출 및 양불 판정 Review
3) 광학 카메라 및 조명 제어
4) 검사 스테이지 유닛 이송 제어
5) 비상 상황 시 알람 발생 기능
□ 특징
- 다양한 제품에 대한 테스트가 가능
- Line Scan 및 Area scan 카메라 대응 가능
- 리니어 모터의 최대 400 mm/s의 이송속도에 대한 테스트 가능
- Linear Motor를 채용하여 Line Scan 검사 시 속도 오차에 의한 영상 오류를 최소화
- 동축 조명 및 경사, 투과 조명에 대응 가능한 시스템으로 제작
- Sample Size는 최대폭 400 mm까지 가능
도 3은 멀티 광학 모듈 비전 검사 장비의 외관 설계시의 정면도(front view)와 측면도(side view)이다.
도 4a는 멀티 광학 모듈 비전 검사 장비의 외형 구조의 사시도(ISO View), 배면도(back view), 정면도(front view), 및 측면도(side view)이다.
도 4b는 멀티 광학 모듈 비전 검사 장비의 기구 매트릭스, 도 4c는 사시도, 도 4d는 정면도, 도 4e는 좌측면도, 도 4f는 우측면도, 도 4g는 배면도, 도 4h는 저면도이다.
1. 외관 설계
- 멀티 광학 모듈 비전 검사 장비의 기구 규모(mm) : 2663 x 1756 x 2000
기구부 구성 : 광학 조명 모듈, 이송 모듈, 서버/클라이언트 PC(영상처리 및 Review), 제어전장부
도 5a는 멀티 광학 모듈 비전 검사 장비의 세부 설계 시의 기구 내부 구조의 사시도(ISO View), 배면도(back view), 정면도(front view), 및 측면도(side view)이다. 도 5b는 멀티 광학 모듈 비전 검사 장비의 기구 내부 구조의 사시도(ISO View)를 확대한 도면이다.
멀티 광학 모듈 비전 검사 장비의 기구부의 외형 전장부를 구비하며, 정면에는 2대의 컴퓨터와 모니터, 그 하단에 키보드 마우스를 구비한다. 일 실시예에서는 케이블 덕트(cable duct)에 구비된 4대의 카메라는 지지대에 고정하고, 리니어 모터에 의해 검사 스테이지의 LCD 패널을 이동시키며, 두 프레임이 절곡되는 카메라의 구조를 가지며 다른 실시예에서는, 필요에 따라 카메라가 X,Y,Z 상하좌우 이동이 가능하게 유동적으로 설계될 수 있다.
도 6은 멀티 광학 모듈 비전 검사 장비의 세부 설계 시의 기구 내부 구조의 레이아웃, 도 7은 기구 내부 구조의 사시도(perspective view)이다.
멀티 광학 모듈 비전 검사 장비에서 광학 조명 모듈, 이송 모듈, 전장부는 개폐식 도어를 통해 외관 프레임이 감싸고 있으며, 기구 후면에 설치되는 PC의 입출력장치를 통해 기구 내부 모듈을 제어하고 제품 표면 영상의 결함 검사 결과를 확인한다.
멀티 광학 모듈 비전 검사 장비는 외면 케이스가 하우징되는 기구부, 상기 기구부의 정면에는 2대의 컴퓨터와 모니터, 하단에 키보드 마우스를 구비하며, 고정된 지지대에 라인 스캔 카메라 또는 에어리어 스캔 카메라를 구성하는 고해상도 멀티 카메라가 구비된 카메라부와, 카메라부 하단에 설치된 광학 조명부와, 카메라부와 광학조명부 하단에 위치되며 피검사체가 XY-스테이지에 놓이는 검사 스테이지와, 상기 검사 스테이지가 놓이는 베이스와, 베이스 밑에 진동 저감 Air Cylinder 구조의 방진 설비, 비전 검사 장비 좌우를 지지하는 프레임, XYZ 위치 이동을 제어하는 스테이지 유닛 이송 모듈을 포함하며,
상기 카메라부는 고정된 지지대에 라인 스캔 카메라 또는 에어리어 스캔 카메라를 구성하는 멀티 카메라가 카메라 인터페이스를 통해 각각 하나의 카메라가 각각 하나의 PC에 연결되고, 각각의 PC는 네트워크 허브를 통해 LAN과 TCP/IP를 통해 메인 서버 컴퓨터에 연결되며, 상기 메인 서버 컴퓨터는 네트워크 허브를 통해 LAN과 TCP/IP를 통해 엔코더/분배기와 연결되며, 상기 엔코더/분배기는 라인 스캔 카메라 또는 에어리어 스캔 카메라를 구성하는 멀티 카메라에 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 라인 스캔 카메라는 프레임 그래버를 사용하는 경우 카메라 링크를 사용하며, 상기 에어리어 스캔 카메라는 기가비트 이더넷(GigE)을 많이 사용한다.
상기 기구부는 로더(loader)에 의해 검사 스테이지(XY 스테이지)의 놓는 검사 대상체 이송 로봇을 더 포함할 수 있다.
상기 기구부는 공장 자동화 공정에서 생산 라인의 컨베이어 벨트로 이송된 검사 대상체, 또는 검사 대상체 이송 로봇의 로더(loader)에 의해 검사 스테이지(XY 스테이지)의 놓인 제품의 ID를 제품에 부착된 DPM 코드, 또는 1D 또는 2D 코드를 판독하여 컴퓨터로 검출된 제품ID를 전송하는 ID 리더기를 더 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 스테이지 유닛 이송 모듈은 X, Y, Z1, Z2, Z3 축의 리니어 모터를 사용하여 Line Scan 비전 검사 시 속도 오차에 의한 영상 오류를 최소화하며, Y축은 유효 스트로크 길이가 1400mm이며, 검사 대상체를 광학 카메라가 촬영할 수 있게 검사부로 이송하는 로더(loader)를 구비하는 리니어 로봇을 구비하고, 리니어 모터의 최대 400 mm/s의 이송 속도로 검사하며, 온도 등 외부 환경 요인에 따른 변형을 줄이기 위해 이송부 프레임을 스틸 소재가 아닌 석재로 사용하여 구축하였다.
상기 스테이지 유닛 이송 모듈은 리니어 모터에 의해 X축 방향으로 라인 스캔 카메라가 이동하고, 리니어 모터에 의해 Y축 방향으로 검사 스테이지의 위치 이동, Z1, Z2, Z3축 상하 방향으로 카메라부가 이동되는 것을 특징으로 한다.
상기 리니어 모터는 제어 컴퓨터에 연동된 모터 구동부에 의해 작동되며, 모터의 속도와 이동 위치를 제어하기 위해 PID 제어를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 방진 설비는 10~100㎛ pixel size의 정밀 측정을 위한 Line Scan 또는 Area scan 카메라를 사용한 비전 검사 시스템의 정밀 측정시 진동을 저감시키기 위해 상기 베이스 밑에 격자보 하단의 Air Cylinder 구조를 이용한 방진 시스템을 사용하였으며, 즉, 석정반과 Isolator를 설치하여 외부 진동에 대한 차단 및 내부 진동을 방지하는 것을 특징으로 한다.
2. 세부 설계
▷ 검사 대상체의 특성에 따라 검사 조건을 유동적으로 변경할 수 있는 광학 모듈 구조를 나타낸다.
- 최대 9대까지 필요한 대수만큼 종류별(Line Scan/Area) 카메라를 장착할 수 있음
- 카메라 상하좌우 이동 가능
- 검사 대상체의 크기는 최대 폭 400 mm 까지 가능하도록 설계
▷ 영상 오류 최소화를 위한 스테이지 유닛 이송 모듈
- X, Y, Z1, Z2, Z3 축의 리니어 모터를 채용하여 Line Scan 검사 시 속도 오차에 의한 영상 오류를 최소화.
- Y축 : 유효 스트로크 길이가 1400mm이며, 검사 대상체를 광학 카메라가 촬영할 수 있게 검사부로 이송하는 로더(loader)를 구비하는 리니어 로봇
- 리니어 모터의 최대 400 mm/s의 이송 속도로 검사
- 온도 등 외부 환경 요인에 따른 변형을 줄이기 위해 이송부 프레임을 스틸 소재가 아닌 석재로 이용하여 구축
▷ 검사 대상체의 특성에 따른 타입별 조명 장착 가능한 시스템 구조
- 동축/경사/투과 조명에 대응 가능한 시스템으로 설계
- 광학 조명 형태별 Jig를 제작하여 장착 가능
도 8은 리니어 서보 모터, 로봇(X), 로봇(Z1, Z2, Z3), 모션 제어기(Motion Controller)의 하드웨어 사양을 나타낸 도면이다.
라인 스캔 카메라 또는 에어리어 스캔 카메라는 멀티 카메라를 구비하며, 각 카메라 1대당 제어 클라이언트 카메라 인터페이스(frame grabber, GigE, )를 통해 연결되는 PC 1대가 필요하며, 영상 통합 처리 및 제어를 위한 1대의 서버 PC로 구성된다.
○ 영상데이터 동기화/정합화 기술
- 비전 장치 검사 동기화 프로그램: 일정한 검사영역 내에서 카메라를 통해서 얻어진 정보는 카메라 각각에 연결된 PC를 통해 영상데이터를 취득하고, 네트워크 허브를 통해 메인 서버컴퓨터로 전송되어 한 장의 영상정보로 변환된 두 정상 이미지 데이터와 오류 이미지 데이터를 비교하는 과정을 통해 제품 표면의 결함을 검출한다.
- 네트워크 통신 프로그램 개발 : 이 과정에서 네트워크 허브를 통하여 LAN과 TCP/IP 네트워크 통신 프로그램(TCP/IP sokcet program)을 개발하고, 영상데이터 최종 저장을 위한 데이터베이스 처리 프로그램을 개발하였다.
- 비전 검사 정합화 프로그램 개발 : 이 과정에서 일정 영역내의 영상 소프트웨어의 위치 정보와 하드웨어의 위치 이동에 따른 영상 정보의 실제 위치에 대한 정확한 정보 입력이 중요하며, 이를 근거로 제품 표면 이미지의 오류패턴의 위치, 스크래치의 위치, 퍼짐 위치 등에 위치 정보를 최종적으로 비전 영상 처리(image processing)를 통해 제품 결함을 검출한다.
도 9는 라인 스캔 카메라에 사용되는 멀티 카메라들에 대하여 일 실시예로 사용된 CMOS 이미지 센서와 렌즈의 제품 사양을 나타낸 도면이다.
도 10은 비전 검사 시스템의 광학 조명으로 사용되는 동축 조명 및 경사 조명과 LED 광원의 제품 사양을 나타낸 도면이다.
도 11은 에어리어 스캔 카메라와 렌즈의 제품 사양을 나타낸 도면이다.
Figure 112017045519714-pat00001
표 1은 검사 스테이지 상의 글래스(Glass) 상에 상부에서 동축 조명과 글래스 하부에서 투과 조명을 사용하여 인쇄, Crack, Chipping, Pinhole, 이물, LOGO, ICON, IR, Camera hole을 검사하는 Vision1(상부 검사1), 상부에서 반사 조명을 사용하여 스크래치, 찍힘, 이물을 검사하는 Vision2(상부 검사2), 하부에서 반사 조명을 사용하여 스크래치, 찍힘, 이물을 검사하는 Vision3(배면 검사), 글래스 상부에서 투과 조명과 하부의 동축 조명을 사용하여 인쇄, 크랙, Chipping을 검사하는 Vision4(배면 검사)의 검사 환경을 나타낸다.
검사 샘플의 특성을 고려하여 카메라, 조명의 배치와 조사 방식을 다양하게 적용한 환경을 구축하고 시험 테스트를 진행함으로써 아래와 같은 조건 사항을 선택하고 보다 안정적이고 정확한 영상을 얻을 수 있는 최적의 검사 솔루션을 도출하였다.
- 카메라와 렌즈의 다양한 해상도, 배율 및 촬영 각도 조정
- 카메라와 샘플 간의 거리, 각도 또는 조명의 조도 조정
- 동축, 투과, 반사 등의 광학계 적용
- Line Scan 카메라 / Area scan 카메라 선택
광학 조명은 타 광원이 차단된 암실에서 1대의 에어리어 카메라를 사용하여 고정되어 있는 샘플을 대상으로 두 종류의 조명을 조사하여 테스트하는 과정으로 테스트 결과로 제품 표면의 영상을 확인하여 제품 표면 결함을 검사한다.
멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템은 검사 환경의 유연성을 제공하여 기존 비전 검사 시스템과 차별되는 점은 검사 환경을 유동적으로 변경하여 검사 대상의 소재가 달라져도 검사가 가능하며, 특히 비전 검사 시스템에서 중요한 광학 카메라와 조명 조건의 설정 폭이 넓어 쉽게 조정할 수 있다.
- 광학 카메라의 종류 및 대수 변경 가능
- 광학 카메라의 상하좌우 이동 : WD(Working Distance, 피사체와의 거리), FOV(Field of View, 카메라 시야 폭) 조정
- 조명의 제품 및 위치 변경 가능
- 광원의 조사각, 조사 방식(동축/투과/반사), 조도 조정 가능
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템 구성도이다. 도 13은 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템의 LED 광학 조명과 라인 스캔 카메라를 사용하는 경우 비전 검사 시스템 구성도이다.
대면적 디스플레이 패널용 20㎛급 초정밀 비전 검사 시스템은 10 ~ 100㎛ 범위의 디스플레이 패널의 결함을 빠른 디스플레이 제조 공정시간 내에 정밀 측정과 비전 검사 시스템을 사용하여 조명 및 비전 검사 광학 모듈, 결함 검출 알고리즘11 광학 카메라를 이용하여 취득한 제품의 이미지 상에서 결함을 찾아내는 알고리즘과 자동검사 기능을 갖는 통합 제어 시스템의 개발하며 최종적으로 디스플레이의 표면의 20㎛ 이내의 Defect 검출(이물, 스크래치, 패턴 오류 등)하고 결함 위치를 측정하여 제품의 불량을 줄이는 비전 검사 시스템을 개발하였다.
대면적 디스플레이 패널용 20㎛급 초정밀 비전 검사 시스템은 LCD, PDP, 차세대 디스플레이 검사 장비 이외에 다른 머신 비전 검사 장비에 적용되도록 진동 저감을 위한 방진 구조를 갖는 외관 케이스를 갖는 대면적 디스플레이 패널용 초정밀 검사용 Vision Inspection System 기구를 설계 제작하고, 격자보 하단의 진동 저감 방진 구조로 제작하며, 초정밀 구동을 위한 기구부 및 모터 구동/제어부 개발하여 멀티카메라 검사부, 모터 구동 장치부 그리고 외관 케이스 및 유공압 장치부로 구성되며, 이를 제어하기 위한 제어부를 포함하는 구조이며, 정밀 측정이 가능한 고해상도 멀티 카메라를 구비하는 Line scan 카메라 또는 Area Scan 카메라의 멀티 카메라 정밀 구동을 위한 X-Y 위치 구동부를 포함하는 구조로 제작하며, 멀티카메라 영상정보를 하드웨어와 연동하여 처리하기 위한 동기화/정합/영상처리/결함 검출 알고리즘을 가진 영상처리(image processing)와 결함 검출 알고리즘을 가진 소프트웨어를 설계 및 개발하였다.
멀티 카메라 구동부는 전체적으로 리니어 모터 및 서보 모터를 사용하여 베이스 패널과 멀티카메라 부분이 별도로 움직이도록 하는 기구적 특성을 갖도록 해 영상 검사 시간을 최소한의 검사시간으로 측정이 가능하도록 X-Y 위치 이송기구와 감속기 그리고 모터 제어보드로 구성된다.
멀티 광학 모듈 비전 검사 장비 내에서 검사 스테이지 상에 설치된 광학 조명(LED 또는 할로겐 조명)과 일반 CCD 카메라 보다 감도가 100배 향상된 고해상도 멀티 카메라(TDI 카메라)를 구비하는 일련의 Progressive Line Scan Camera 또는 Area Scan Camera를 포함하는 비전 검사 시스템을 사용하여 산업용 PC에 장착된 비전 보드(제어 보드)의 I/O 및 모션 제어(motion control)를 통해 스텝 모터 드라이버와 모터를 구동하여 정밀 측정을 위해 피드백 제어에 의해 모터의 속도와 위치를 조정하여 멀티 카메라로 촬영된 머신 비전(machine vision) 기술과 비전 검사 시스템(vision inspection system)의 카메라 동기화/영상 정합/영상 처리(Image Processing) 및 결함 검출 알고리즘 기술에 의해 멀티 카메라의 이미지들을 정합하고, 정상 이미지와 측정된 검사 이미지의 특징을 추출(Feature Extraction)하여 정상 이미지와 검사 이미지의 특징값을 비교하여 디스플레이의 표면의 비전 인식에서 10~100㎛ 이하의 패턴의 이물, 결함 발생 위치 정밀 측정하여 이물질, 스크래치, 패턴 오류 등의 결함을 검출하고 결함 위치를 측정하여 제품 불량 여부를 판단한다.
PC 기반의 머신 비전 검사 시스템은 광학 조명, 카메라, 카메라 인터페이스(Frame Grabber, Gigabit Ethernet(GigE), IEEE1394, 카메라 링크, USB 3.0), 컴퓨터에 탑재되는 비전 영상처리를 위한 비전 보드가 구비된 비전 검사 시스템, 비전 검사 영상처리 소프트웨어에 의한 획득된 이미지의 검사(inspection)를 위한 이미지 프로세싱(image processing)를 통해 제품 표면의 이물, 스크래치, 패턴 오류를 검출한다.
비전 검사 영상 처리 소프트웨어는 이미지 획득(frame grabbing)/이미지 처리(imgae processing)/특징 추출(feature extraction)/결함 검출과 제어 기능을 제공하며, 멀티 카메라를 구비하는 Line scan camera 또는 Area scan camera과 연동된 컴퓨터의 비전 검사 시스템을 사용하여 제품 표면 결함을 검사하여 영상 처리(image processing)와 결함 검출 알고리즘을 가진 소프트웨어에 의해 정상 이미지와 검사 이미지의 특징값을 비교하여 이물질, 스크래치, 패턴 오류, 찍힘성 결함을 검출하고 결함 위치를 측정하여 제품 불량을 검출한다.
Line Scan 카메라를 사용하여 획득된 영상이 카메라 인터페이스를 통해 산업용 PC에서 획득된 TFT-LCD의 이미지는 대용량이기 때문에 생산 공정에서 적용하기 위해 빠른 영상 처리 시간이 요구된다. TFT-LCD 영상은 반복되는 패턴을 갖고 있기 인접 패턴과의 영상차를 이용하여 쉽게 LCD 불량 영역이 검출된다.
비전 검사 시스템은 마이크로 단위 정밀 측정을 위해 고해상도, 고속화를 대용량 데이터를 고속으로 처리하기 위한 GigE, CoaXpres 등의 인터페이스가 시장에서 증가하고 있으며. 특히 기가비트 이더넷(GigE)을 통해 프레임 그래버, 비디오, 카메라 등 기존 영상 매체에서 획득한 영상신호를 컴퓨터에서 처리 가능한 디지털 신호로 변환 또는 저장해서 기본적인 영상처리를 가능하게 해주는 장치를 사용하지 않고 시스템을 구성하는 추세이며, 이를 통해 시스템 구축비용을 낮추고 성능을 높이고 있다. 표 2는 멀티 광학 모듈 비전 검사 장비의 정량적 목표 항목이다.
- 정량적 목표 항목
평가 항목
(주요성능
Spec 1 ) ) 		단위 전체 항목
에서 차지하는
비중 2 )
(%) 		세계최고 수준(보유국/
보유기업) 		연구개발 전 국내수준 개발 목표치 평가 방법 3 )
성능수준 성능수준 1차
년도 		2차
년도 		3차
년도
1. 검출Defect크기 ㎛ 30 일본/휴브레인
/30㎛		 30 30 25 10 자체 평가
2. 결함 검출률 % 20 이스라엘/
Orbotech/
85%		 80 80 90 95 자체 평가
3. 로봇위치정밀도 ㎛ 10 이스라엘/
Orbotech/1㎛		 5 5 3 1 자체 평가
4. 시스템 진동율 Hz 5 미국/August
/10Hz		 15 15 10 10 자체 평가
5. 2D 광학계 분해능 ㎛ 5 독일/바슬러
10㎛		 10 10 5 3.5 자체평가
6. 2D 과검률 % 10 이스라엘/
Orbotech/5%		 10 10 5 5 자체평가
7. 검사속도(2D) mm/s 5 이스라엘/
Orbotech/50mm/s		 50 50 60 80 자체평가
8. Stage 평탄도 ㎛ 5 일본/테크노스/20㎛ 20 30 20 20 자체평가
9. 3D 광학계 수직분해능 ㎛ 10 일본/니콘/
0.001㎛		 0.1 0.1 0.01 0.005 자체평가
o 대면적 디스플레이 패널용 20㎛급 초정밀 비전 검사 시스템의 요소 기술
- 비전 인식에서 10~100㎛ 이하의 패턴의 이물, 결함 발생 위치 정밀 측정
- 광학 조명과 고해상도 광학 카메라를 사용한 기구부와 대면적 디스플레이 패널용 20㎛급 초정밀 비전 검사 시스템 구축한다.
예를들면, 대면적 디스플레이의 표면의 검사 스테이지(X-Y 스테이지)에 놓인 피검사체의 특성에 따라 광학 조명과 고해상도 카메라와 광원의 배치 및 기구부를 설계 제작하고 최적 검사 환경을 구축한다.
- 2D 검사 광학 모듈 개발 : 대면적 디스플레이 패널용 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템은 광학 조명과 정밀 측정을 위한 고해상도 멀티 카메라(TDI 카메라)를 구비하는 일련의 Progressive Line Scan Camera 또는 Area Scan Camera를 포함하는 비전 검사 시스템의 모션 제어 프로그램을 사용하여 산업용 PC에 장착된 비전 보드(제어 보드)의 I/O 및 모션 제어(motion control)를 통해 스텝 모터 드라이버와 모터를 구동하여 XY 위치를 이송 제어하여 카메라 구동부를 이동하며 촬영하는 머신 비전(machine vision) 기술과 비전 검사 시스템의 카메라 동기화, 영상 정합 및 영상 처리(image processing) 기술과 결함 검출 알고리즘을 사용한 SW 기술 융합에 의해 다양한 형태와 사이즈를 가진 디스플레이의 표면의 10~100㎛ 이하의 패턴의 이물, 스크래치, 패턴 오류를 검출하고 결함 발생 위치 정밀 측정하여 제품 양불 판정한다.
- 진동 저감을 위한 지자기 로봇 이송 기구부 개발 : 초정밀 고해상도 카메라의 비전 인식 오류 최소화를 위한 진동 저감 방진 기구와 이송 지자기 로봇 설계 및 제작
- 대면적 초정밀 검사용 Vision System 기구 및 모터 구동/제어부 개발 : 멀멀티 카메라를 정밀하게 구동하기 위한 초정밀 모터 구동 장치 및 제어 프로그램 설계 및 제작
- 멀티 영상정보 처리용 정합/동기화 프로그램 개발 : 멀티카메라 영상정보를 하드웨어와 연동하여 처리하기 위한 동기화/정합/영상처리/결함 검출 알고리즘을 가진 영상처리(image processing)와 결함 검출 알고리즘을 가진 소프트웨어 설계 및 개발
- 실시간 측정 결과, 라인효율 분석(수율 분석) 모니터링 GUI 기능 구현 : 비전 검사 중 실시간 측정 영상 모니터링 기능 및 수율, 가동률 등 공정능력 모니터링 기능 구현
1) ID 리더기(제품에 부착된 DPM 코드, 또는 1D 또는 2D 코드 판독): 공장 자동화 공정에서 생산 라인의 컨베이어 벨트로 이송된 검사 대상체, 또는 검사 대상체 이송 로봇의 로더(loader)에 의해 검사 스테이지(XY 스테이지)의 놓인 제품의 ID를 판독하여 컴퓨터로 검출된 제품ID를 전송한다.
2) 광학 조명(illumination): 비전 검사 시스템에서 광학 조명은 흰색 또는 적색 LED 조명, 또는 광섬유 가이드를 가지는 할로겐 조명 사용하며, 본 발명의 실시예에서는 LED를 사용하였다.
LED 조명을 사용하는 경우, 일렬로 배열된 white LED와 조명 콘트롤러, 또는 카메라 렌즈 주위를 둘러싼 많은 LED들로 구성된 링 LED와 조명 콘트롤러 사용한다.
머신 비전을 위한 정밀 조명을 비추기 위해 Line 또는 Area 마이크로 스캔 시에 사용되도록 어레이 조명 타입, Line Scan 카메라를 위한 바 라이트(bar light), Area Scan 카메라를 위한 링 라이트(ring light), 검사 스테이지 하단과 둘레의 백라이트(back light) 타입-검사 스테이지의 바닥 후방 조명, 피검사체의 둘레 조명-이 있다. 카메라의 정밀 조명을 비추기 위해 고품질의 LED 조명은 DC 전원을 사용하므로 깜빡임 현상이 없고, 백색광에 비해 렌즈에서 단일색 수차가 훨씬 작으므로 정확한 측정이 가능하다.
또한, 광학조명은 LED 조명을 사용하는 대신에 광섬유 가이드 할로겐 조명을 사용할 수 있다. 참고로, 할로겐 조명은 광원으로부터 광섬유를 통해 균일한 밝기의 빛을 라인 형태로 구조화 된 조명으로 제작된다.
광학 조명은 조명 자체의 밝기로 고해상도 멀티 카메라로 촬영된 영상의 밝기를 잘 보이도록 조절 가능하다.
비전 검사를 위한 고속 스캔 마이크로 단위 정밀 조명시에, 광학조명으로 진동이 있거나 또는 LED의 밝기가 너무 약하면 고해상도 카메라(10~100㎛의 정밀 측정이 가능한 TDI camera)는 획득된 영상이 흐려짐 비전 검사 영상처리 소프트웨어 에러가 발생한다.
3) 카메라: 라인 스캔 카메라 또는 에어리어 스캔 카메라는 멀티 카메라들을 구비하며, 각각의 카메라는 제품 표면 결함의 정밀 측정을 위해 일반 CCD 카메라보다 100배 정도 향상된 고해상도 10~100㎛(pixel size)의 정밀 측정이 가능한 TDI camera를 사용한다.
정밀 측정이 요구되지 않는 경우, TDI 카메라 보다 해상도가 낮은 일반 CCD 카메라, 또는 CMOS 이미지 센서(CIS, CMOS Image Sensor)를 사용할 수 있다.
최근 CMOS 이미지 센서는 pixel size가 10~100㎛ 이하의 정밀 측정이 가능한 TDI 카메라 급이 출시되고 있으므로 검사 장비의 요구 조건에 따라 이를 사용할 수 있다.
카메라는 반도체 소재, LCD, AMOLED, 디스플레이용 필름, LED 패키지 등에 대하여 pixel size가 10~100㎛ 이하의 정밀하게 측정 및 촬영하여, 카메라 인터페이스를 통해 각각의 PC에 연결되어 이미지 프로세싱(image processing)을 통해 10~100㎛ 이하(pixel size)의 패턴의 이물, 스크래치, 패턴 오류, 결함 발생 위치를 검출한다.
Line scan 카메라 또는 Area scan 카메라(카메라 구동부): 산업체의 공장 자동화 공정에서 제조업체의 생산 라인에서 서버모터에 의해 작동되는 컨베이어 벨트 시스템에 적합한 고해상도 고분해능 및 고속 CCD 카메라(TDI camera)를 사용한다. 비전 카메라의 사양, 구조 및 배치는 멀티 카메라 구조를 갖도록 설계하며, 멀티 고속 Line Scan 카메라가 카메라 인터페이스를 통해 컴퓨터와 연동되어 있고, 2D 비전 검사의 정밀 측정을 위해 일반 CCD 카메라 보다 감도가 100배 향상된 10~20㎛ 단위(pixel size)까지 정밀 측정이 가능한 고해상도의 TDI 카메라를 사용하여 고품질의 검사 영상을 정밀 촬영한다.
Line scan 카메라 또는 Area scan 카메라를 구성하는 카메라는 일반 CCD 카메라 보다 감도가 100배 향상된 10~20㎛ 단위까지 정밀 측정이 가능한 고해상도의 TDI 카메라를 사용한다.
카메라와 PC를 연결하는 카메라 인터페이스는 프레임 그래버, Gigabit Ethernet(GigE), IEEE 1394a, IEEE 1394b, 카메라 링크, USB 3.0를 사용한다.
표 3은 머신 비전 카메라 인터페이스를 나타낸다.
구분 Gigabit Ethernet(GigE) IEEE 1394a IEEE 1394b 카메라 링크
케이블 길이 100m 4.5m(리피터를 사용하는 경우 72m까지 가능) 4.5m(리피터를 사용하는 경우 72m까지 가능) 최대 15m
밴드위스 100 Mb/s 32 Mbytes/s 64 Mbytes/s 255Mbytes/s(base configuration)
680Mbytes/s(full
configuration)
Bit rate 1000 Mb/s 400 Mb/s 800 Mb/s > 2000 Mb/s
표준 GigE Vision Standard IEEE 1394 Trade
Association DCAM
Standard		 IEEE 1394 Trade
Association DCAM
Standard		 AIA 카메라 링크 표준
인터페이스 보드 기가비트 이더넷 보드 IEEE 1394a 보드 특별한 프레임 그래버
카메라 최대수 제한 없음 16대 (DCAM) 16대 (DCAM) 프레임 그래버당
2대
Plug & Play ability Yes Yes Yes No
케이블 Industrial and consumer Industrial and consumer Industrial and consumer Industrial
구비하는 Line Scan 카메라 또는 Area Scan 카메라는 고정된 지지대에 컨베이어 벨트 상에 이동되는 제품의 이미지를 검사(실시예1), 이와 달리 공장 자동화 상황에 따라 검사 스테이지(X-Y 스테이지) 위에 검사 제품이 고정적으로 놓이고 Line Scan 카메라가 이동되는 경우가 존재한다(실시예 2).
4) 프레임 그래버(Frame Grabber): Line Scan 카메라 또는 Area Scan 카메라의 각각의 고해상도 카메라(TDI 카메라)로부터 획득된 디지털 영상을 PCIe 카드(디지털 I/O)가 내장된 컴퓨터로 전송하여 컴퓨터의 메모리에 저장하고, 비전 검사 시스템의 영상처리 소프트웨어에 의해 비전 검사를 위한 이미지 프로세싱(image processing)을 통해 디스플레이 표면의 결함을 검출한다.
각각의 카메라는 각각의 프레임 그래버와 연결되고, 각각의 프레임 그래버는 각각의 컴퓨터와 연결된다.
하나의 프레임 그래버(Frame Grabber)는 제품의 종류에 따라 1대의 컴퓨터를 연결하거나 또는 2대의 컴퓨터가 연결될 수도 있다.
프레임 그래버를 사용하지 않고 카메라와 컴퓨터 인터페이스의 경우, 예를 들면, 프레임 그래버를 사용하지 않고 기가비트 이더넷(GigE)을 사용하는 경우, Line scan 카메라 또는 Area scan 카메라에서 각각의 고해상도 카메라는 촬영된 영상을 각각 고속으로 전송하는 기가비트 이더넷(GigE)을 통해 기가비트 이더넷 보드(Gigabit Ethernet board)가 탑재된 컴퓨터와 연결된다. 이 경우, 별도의 비전 영상 처리 소프트웨어에 프레임 그래버 기능이 포함된다.
최근, 카메라 인터페이스로 프레임 그래버(frame grabber)를 사용하는 대신에 고속 전송을 위해 기기비트 이더넷(GigE)을 대부분 사용하는 추세이다.
5) 엔코더(Encoder)
산업체의 공장 자동화 공정에서 컴퓨터와 연결된 스텝 모터 드라이버(Step Motor Driver)와 스텝 모터(Step Motor, 서보 모터)의 구동에 의해 동작되는 컨베이어 벨트 시스템 위에서 지지대에 고정된 상태에서 광학 조명과 고해상도 멀티 카메라를 구비하는 Line scan 카메라 또는 Area scan 카메라가 설치된 상황에서,
엔코더(Encoder)는 공장의 생산 라인에서 컨베이어 벨트(conveyor belt)를 동작시키는 경우, 서보 모터의 정확한 이송량을 측정한다.
실시예1에서는 산업체의 컨베이버 벨트로 생산 라인을 구동하는 공장 자동화 공정에서 엔코더(Encoder)의 회전당 펄스수가 x ppr, 엔코더가 1회전하는데 가는 거리가 실제 1펄스 신호당 이동 거리이며, 컨베이어 벨트의 최대 이송 속도 400mm/s, 라인 레이트는 18kHz, 컨베이어 벨트 시스템의 라인 레이트는 카메라의 최대 라인 레이트를 벗어나지 않는다.
* 비전 검사 시스템의 피검사체의 제품 불량 판정(컨베이어 벨트 사용시)
진동에 대한 차단 및 내부 진동을 방지하였다. 10~100㎛ pixel size의 정밀 측정을 위한 Line Scan Camera를 사용한 고속 검사 시스템에 적합한 진동 저감을 위해 격자보 하단에 Air Cylinder 구조를 이용한 방진 시스템을 사용하였다.
도 14는 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템에서 라인 스캔 카메라 멀티 카메라로부터 제품 표면의 영상을 획득하여 이물, 스크래치, 패턴 오류 등의 제품 표면의 결함을 검사하는 비전 검사 시스템의 이미지 프로세싱 과정을 나타낸 도면이다.
멀티비전 패턴 검사 모듈 구성 : 비전 카메라 사양, 구조 및 배치는 그림과 같이 멀티카메라 구조를 갖도록 설계하며, 멀티카메라가 연동되어 있고, 각 1대의 카메라에 1대의 PC를 연결하여 컴퓨터가 동시에 영상 정보를 받아들이도록 함으로 전체 공정시간을 최소한으로 작업을 수행하도록 설계함
멀티카메라 영상측정 방법 - 실제 위치 및 영상 정보의 정합성 일치 : 멀티 카메라의 각각의 카메라가 동기화 되어 동시에 영상정보를 취득하고, 취득된 영상 정보를 각각의 영상을 담당하는 컴퓨터로 전송한 후, 이를 메인 컴퓨터로 다시 영상을 보내 저장하고 패널 한 장당 한 개의 영상정보로 최종 취합한 후, 정상 이미지와 측정 이미지를 비교하여 비전 검사 결과를 출력하며 다음의 측정 위치로 이동하는 장치의 특성을 가지고 있다.
따라서, 카메라 영상정보와 정밀 모터 구동 시스템과의 위치 정합성이 중요한 설계 요소이며, 이를 통해 제품 표면의 스크래치, 퍼짐, 패턴의 오류를 사전에 입력된 정보와 비교하여 분석하는 과정을 거쳐 최종 불량의 위치를 판단한다.
머신 비전은 로봇, 기계, 비전 검사 시스템의 비전 영상처리 소프트웨어가 융합된 기술로써, 산업체의 공장 자동화 공정에서 온라인/인 프로세스(in-process) 또는 온라인/포스트 프로세스(post-process)로 자동화 검사가 진행되며, 광학 조명하에서 ID 검출기에 의해 부품을 식별(part identification)하여 Line Scan 카메라 또는 Area scan 카메라에 구비된 멀티 카메라에서 동기화되어 촬영된 영상 데이터를 컴퓨터의 비전 검사 시스템에 의해 영상 처리(image processing)[(1) 영상 획득, (2) 영상 이진화, (3) 영상 처리, (4) 영상 분석, (5)영상 해석]를 통해 제품 표면의 디스플레이의 이물, 스크래치, 패턴 오류 등의 결함의 위치와 부품상의 구멍의 위치, 구멍 수, 빠진 구멍 유무 등의 결함을 분석하여 제품의 불량을 검출한다.
또한, 머신 비전 시스템에 로봇 자동화 시스템이 적용되며, 부품의 방향에 대한 정보는 주로 특정한 방법으로 말단장치가 부품을 집어올릴 때 사용된다. 비전 시스템은 집어서 제품의 위치와 방향을 정확하게 옮기기(pick and place) 작업을 위해 그리퍼를 구동하여 적절하게 파지하기 위한 정보와 데이터를 제공할 수 있다. 검사 대상 부품의 위치는 x, y 좌표상에 무작위로 놓여 있는 물체의 위치를 파악하기 위해 사용된다. 비전 시스템은 x, y 거리를 계측하고 카메라의 중심이 무작위로 놓여진 부품의 중심과 일치해야 된다.
라인 스캔 카메라 또는 에어리어 스캔 카메라를 구성하는 멀티 카메라는 마이크로 단위 정밀 측정 시에 디스플레이 제품 표면의 영상 획득시에 진동이 없어야 된다. 진동 시에 Line Scan 카메라 또는 Area Scan 카메라를 구성하는 마이크로 단위 정밀 측정이 요구되는 멀티 카메라의 흔들림에 의해 마이크로 단위 검사 스테이지(X-Y 스테이지) 위에 제품 표면의 검사 이미지가 왜곡되어 흐릿해지고 마이크로 단위 이물, 스크래치, 패턴 오류가 흔들림에 의해 크기가 확대되며 결함 위치의 정확한 측정 오류가 발생되며 정상이 제품이 오류로 판정된다.
머신 비전은 기구부와 라인 스캔 카메라 또는 에어리어 스캔 카메라와 연동된 카메라 인터페이스(Frame Grabber, Gigabit Ethernet(GigE), IEEE 1394a, IEEE 1394b, 카메라 링크, USB 3.0)를 통해 연결된 컴퓨터의 비전 검사용 영상처리 알고리즘이 영상 처리(image processing)[(1) 영상 획득, (2) 영상 이진화, (3) 영상 처리, (4) 영상 분석, (5)영상 해석]를 통해 제품 표면의 디스플레이의 이물, 스크래치, 패턴 오류, 도 15에 도시된 바와 같이 결함의 위치 측정 등의 결함을 분석하여 제품의 불량을 걸러낸다.
도 16은 본 발명의 일 실실예로 LCD 결함 검출 자동 검색(auto search) 알고리즘을 나타낸 순서도이다.
도 17은 디스플레이 패널 패턴 결함을 나타낸 도면이다.
예를들면, 실제 TFT-LCD 제조공정에서, LCD 디스플레이 표면의 결함 위치와 크기를 자동으로 추출하여 결함을 검출하는 TFT-LCD 결함 검출 알고리즘(Defect Cell Extraction for TFT-LCD System)은 영상의 에지부분에서 존재할 수 있는 샘플링에러(sampling error) 보정을 위해 명암 형태학적 처리(gray-scale morphological processing)를 사용하여 Rmax와 Rmin 영상을 생성한다.
정상 이미지(기준 영상)와 측정 이미지(검사 영상)가 흑백영상이면 D(x,y)도 흑백영상이고, 기준영상과 검사영상이 칼라영상이면 D(x,y)도 칼라 영상이다. 이러한 D(x,y) 영상에서 결함이 있는 부분은 비교적 큰 값을 가지게 되고, 결함이 없는 부분은 0에 가까운 값을 가지게 된다.
- 영상 특징 패턴을 이용한 기준점 찾기
블록 정합 알고리즘(block matching algorithm)은 검사할 영상이 주어졌을 때 미리 등록된 LCD 디바이스의 특징 템플리트(template) 영상(검사할 영상 내에서 찾고자 하는 특징점을 포함한 블록패턴)을 이용하여 검사할 영상 내부에 있는 유사한 영상패턴을 찾아낼 수 있다. 블록정합 기준 함수 중에서 대표적인 블록정합 기준치 함수로는 MAD(Mean Absolute Difference), MSE(Mean Square Error) 등이 있다. MAD와 MSE를 사용하지 않고 이진영상에 사용할 수 있는 강인한 외곽선 정합 기준치(robust shape matching criterion, AND 연산)를 사용할 수 있다. MAD와 MSE는 그레이 영상에 적용되는 비교 기준치이지만, AND 기준치를 적용하기 위해 먼저 모든 영상을 이진화(binarization)하여 결함을 검출한다.
에지검출을 위해 각각 Laplacian 에지검출기와 Sobel 에지검출기에 대한 실험결과 영상에서 Sobel 연산자가 Laplacian 에지검출기 보다는 에지강도와 상관없이 노이즈가 적음을 알 수 있다.
비전 검사 시스템의 영상처리 알고리즘은 기본적으로 Gray 영상을 가지고 처리하나, 최근 Color 영상에서 지폐 감별 또는 유리조각 색상 선별과 같은 정밀한 영상 감별에 HSV 모델을 응용한 다양한 알고리즘이 연구되고 있다. 일 실시예에서는 Gray, RGB 영상의 각 Plane(R, G, B)뿐 아니라 HSV 영상의 각 Plane(H, S, V, HS)을 선택할 수 있다. 비전 검사의 정확도를 높이기 위해 Otsu의 임계값 결정법[(그레이 변환, 필터링, 히스토그램, 히스토그램 평활화, 임계치 적용 클러스터링/이진화, 모폴로지 연산, 레이블링, 자동정렬, 특징 투출, 매칭 검사)을 응용한 Gray Scale Auto Selection 기능은 영상처리시에 Gray 영상에서 디스플레이 표면 결함을 검출한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 외면 케이스가 하우징되는 기구부, 상기 기구부의 정면에는 복수의 컴퓨터와 모니터, 하단에 키보드 마우스를 구비하며, 고정된 지지대에 고해상도 멀티 카메라가 구비된 카메라부와, 카메라부 하단에 설치된 광학 조명부와, 카메라부와 광학조명부 하단에 위치되며 검사 대상체가 XY-스테이지에 놓이는 검사 스테이지와, 상기 검사 스테이지가 놓이는 베이스와, 비전 검사 장비 좌우를 지지하는 프레임, XYZ 위치 이동을 제어하는 스테이지 유닛 이송 모듈을 포함하며,
    상기 카메라부는 고정된 지지대에 구비된 멀티 카메라가 카메라 인터페이스를 통해 각각 하나의 카메라가 각각 하나의 PC에 연결되고, 각각의 PC는 네트워크 허브를 통해 LAN과 TCP/IP를 통해 메인 서버 컴퓨터에 연결되며, 상기 메인 서버 컴퓨터는 네트워크 허브를 통해 LAN과 TCP/IP를 통해 엔코더/분배기와 연결되며, 상기 엔코더/분배기는 상기 멀티 카메라에 연결되며,
    상기 카메라부는 상기 멀티 카메라들을 구비하며, 각각의 카메라는 제품 표면 결함의 정밀 측정을 위해 일반 CCD 카메라보다 100배 정도 향상된 고해상도 10~100㎛(pixel size)의 정밀 측정이 가능한 TDI 카메라를 사용하며,
    상기 기구부는 공장 자동화 공정에서 생산 라인의 컨베이어 벨트로 이송된 검사 대상체, 또는 검사 대상체 이송 로봇의 로더(loader)에 의해 상기 검사 스테이지에 놓인 제품의 ID를 제품에 부착된 DPM 코드, 또는 1D 또는 2D 코드를 판독하여 제어 컴퓨터로 검출된 제품ID를 전송하는 ID 리더기를 더 포함하며,
    상기 스테이지 유닛 이송 모듈은 상기 검사 대상체를 광학 카메라가 촬영할 수 있게 상기 검사 스테이지로 이송하는 상기 로더(loader)를 구비하는 상기 검사 대상체 이송 로봇 인 리니어 로봇을 더 포함하고,
    상기 스테이지 유닛 이송 모듈은 제어 컴퓨터에 연동된 모터 구동부에 의해 모터의 속도와 이동 위치를 제어하여 작동되는 X, Y, Z1, Z2, Z3 축의 리니어 모터를 사용하며, 리니어 모터에 의해 X축 방향으로 라인 스캔 카메라가 이동하고, 리니어 모터에 의해 Y축 방향으로 검사 스테이지의 위치 이동, 리니어 모터에 의해 Z1, Z2, Z3축 상하 방향으로 카메라부가 이동되는 것을 특징으로 하는 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 멀티 카메라와 PC를 연결하는 카메라 인터페이스는 기가비트 이더넷(GigE), IEEE 1394a, IEEE 1394b, 카메라 링크, USB 3.0를 사용하는 것을 특징으로 하는 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스테이지 유닛 이송 모듈은
    X, Y, Z1, Z2, Z3 축의 리니어 모터를 사용하여 Line Scan 비전 검사 시 속도 오차에 의한 영상 오류를 최소화하며, Y축은 유효 스트로크 길이가 1400mm이며, 리니어 모터의 최대 400 mm/s의 이송 속도로 검사하며, 온도의 외부 환경 요인에 따른 변형을 줄이기 위해 이송부 프레임을 스틸 소재가 아닌 석재를 사용하는 것을 특징으로 하는 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 리니어 모터는 상기 제어 컴퓨터에 연동된 상기 모터 구동부에 의해 작동되며, 모터의 속도와 이동 위치를 제어하기 위해 PID 제어를 사용하는 것을 특징으로 하는 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기구부는 상기 검사 대상체의 특성에 따라 검사 조건을 유동적으로 변경할 수 있는 광학 모듈을 구비하며, 상기 멀티 카메라는 상하좌우 이동이 가능하고, 검사 대상체의 크기는 최대 폭 400 mm까지 가능하도록 설계된 것을 특징으로 하는 멀티 광학 모듈 비전 검사 시스템.
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