TWI843820B - 使用多種波長之光單色成像的顏色檢查方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係包括用於取得例如為電子元件之目標物之高解析度影像之系統及方法。本發明之系統包括單色相機及三種不同波長之光源(例如,紅光源、藍光源及綠光源)。相機連續地擷取目標物之紅光影像、藍光影像及綠光影像。處理器將紅光影像、藍光影像及綠光影像結合為單一高解析度全彩影像。因為各影像係從獨立光源取得,所以解析度不會被拜爾(RGB)色彩模組限制。本發明之系統十分適用於對光源基於其波長而可有不同反應之由不同材料組成之材料。

Description

使用多種波長之光單色成像的顏色檢查方法
本發明係關於用於成像(imaging)之系統及方法,特別是關於利用從單色相機(monochrome camera)取得之多重影像及多種波長之光生成橫跨寬視場(field of view,FOV)之高解析度影像的系統及方法。
多種應用需要在寬視場(FOV)上進行高解析度成像。在高精準度製程中,須對目標物進行檢查以確保沒有缺陷或不正常處。由於此類檢查涉及檢測各元件上小但重要的特徵,所以高解析度成像係極為重要。舉例來說,自動光學檢查(Automated Optical Inspection,AOI)系統常被用於分析及評估包括平板顯示器、積體電路、晶片載體及印刷電路板等電路。
習知的成像方法係使用彩色相機及白光以擷取(capture)目標物。這種方式會被用於處理影像的硬體所限制。大的空間帶寬乘積(space-bandwidth product)需使用更高放大倍率且更大之鏡頭。影像感測器也隨著更高的像素數被做的更大。在替代態樣中,可在維持大型有效面積下使用具有較小像素間距之 影像感測器。然而,較大的元件係昂貴且使得系統笨重且繁瑣。更甚,此類系統對工業使用上係緩慢且不實用。
因此,需要一種系統及方法以克服習知的高解析度成像系統之缺陷。特別是,需要一種改進的系統及方法以取得目標物之表面的高解析度影像以進行檢查。此種系統需提供高解析度影像且能偵測由不同材料組成之基板上的缺陷及不正常處。
下列內容係用以促進理解本文實施例獨特的新穎技術特徵,並非用以進行完整敘述。對本文揭露的各面向的具體實施例將藉由參考本文之說明書全文、申請專利範圍、圖式及摘要的整體內容而理解之。
本發明之實施態樣包括一種用於取得目標物之高解析度影像之系統,包括:(a)單色相機、(b)處理單元、(c)紅光源、(d)藍光源以及(e)綠光源。該單色相機可擷取該目標物之紅光影像、藍光影像及綠光影像。該處理器可將該紅光影像、該藍光影像及該綠光影像結合為單一高解析度影像。
該目標物之該表面可由多於一種類型之材料構成(例如,積體電路(IC)封裝件)。該處理器可將該紅光影像、該藍光影像及該綠光影像從RGB轉換為HSI。該處理器還可調整該紅光影像、該藍光影像及/或該綠光影像之各者之該白平衡。
本發明之實施態樣還包括一種取得目標物之高解析度影像之方法,包括以下步驟:(a)以紅光源照亮目標物、(b)擷取該目標物之紅光影像、(c)以藍光源照亮該目標物、(d)擷取該目標物之藍光影像、(e)以綠光源照亮該目標 物、(f)擷取該目標物之綠光影像、(g)將該紅光影像、該藍光影像及該綠光影像結合為高解析度影像以及(h)分析該高解析度影像之缺陷。本發明之方法可包括調整白平衡、從RGB轉換至HSI及/或偵測該目標物之不正常處及/或表面缺陷之步驟。
介紹
本發明之第一面向係取得目標物之高解析度影像以用於檢測及/或識別表面缺陷之系統及方法。
本發明之第二面向係使用多種不同波長之光源取得目標物之高解析度影像之系統及方法。
本發明之第三面向係將以不同波長之光擷取之二或更多影像結合為單一高解析度影像之方法。
本發明之第四面向係在沒有拜爾濾光器之限制下取得目標物之高解析度影像之方法。
本發明之第五面向係相較於習知作法以更快速度及更高敏感度檢測小目標物上之特徵之方法。
定義
名詞「拜爾濾色鏡(Bayer filter)」或「拜爾影像(Bayer image)」意指用於在光感測器之方形網格上佈置RGB色彩濾色器的彩色濾波器陣列(color filter array,CFA)。其色彩濾色器的特定佈置方式在用於產生彩色影像之數位相機、攝錄像機、及掃瞄器之單晶片數位影像感測器中係為常見的。濾色器模式係為50%綠色、25%紅色及25%藍色,故因而亦稱為BGGR、RGBG、GRGB或RGGB。
名詞「色彩模型(color model)」意指定義電腦螢幕或紙張上色彩之方式。常見的色彩模型包括RGB(紅、綠、藍)及CMYK(青、洋紅、黃、黑)、HSI cone(錐)及CIELAB。
名詞「漫反射(diffuse reflection)」意指來自表面之光或其他波或粒子之反射,以使入射到表面的光線以許多角度散射,而不是像鏡面反射一樣僅以一個角度反射。理想的漫反射表面據說係呈現朗伯反射(Lambertian reflection),意味著從與表面相鄰的半空間中的所有方向來看時亮度皆相同。
光學和攝影領域中的名詞「濾色器(filter)」意指選擇性傳輸不同波長之光的裝置,通常被實作為在光路徑中之平面玻璃或塑膠裝置,其係被染色或具有干涉塗層。
名詞「HSI色彩空間(HSI color space)」意指用於影像處理應用的模型,其係呈現與人眼感知色彩相似之色彩。HSI色彩模型以三種要件呈現每種色彩:色調(H)、飽和度(S)、強度(I)。
名詞「全色(panchromatic)」意指包含所有(可見)波長之光的相片或影像。
名詞「四面扁平封裝件(Quad Flat Package)」或「QFP」意指具有從四側各自延伸之「鷗翼(gull wing)」引線的表面黏著式積體電路封裝件。
名詞「RGB色彩模型(RGB color model)」意指將紅、綠及藍光加在一起以重新生成色彩的加成色彩模型。其名稱來自三種加成原色(紅色、綠色及藍色)之縮寫。在將三種光束加在一起並且將它們的光譜按波長對波長方式相加以構成最終色彩光譜的意義上來說,RGB色彩模型係為加成的。
本文使用之名詞「半導體晶片」意指積體電路或單片積體電路(亦稱做IC、晶片或微晶片),其係在一個半導體材料(通常為矽)的小板(「晶片」)上的一組電路。
名詞「薄小外形封裝件(Thin Small Outline Package)」或「TSOP」意指一種表面黏著式積體電路(IC)封裝件。它們一般具有在兩側上的引線,且由於其高接腳數及小體積而通常被用於RAM或快閃記憶體IC。
名詞「白平衡(White balance)」意指將不真實的色偏(color cast)移除之程序,以致使現場呈現白色之物件在照片中亦呈現白色。
105:目標物
120:相機
130:光源
142:光源、第一光源
144:光源、第二光源
146:光源、第三光源
200:步驟流程圖
205~245:步驟
310~340:步驟
本文所揭露之圖式僅用於說明特定具體實施例,並非說明全部可能的實作態樣且並非用於限制本文的範籌。
第1A圖係圖示用於取得目標物影像之習知系統的元件配置。
第1B圖係圖示基於本發明一面向之使用多種光源取得目標物之高解析度影像的系統之元件配置。
第2A圖係圖示習知成像作法中使用的白光波長。
第2B圖係圖示RGB色彩模型之插值(interpolation)方法。
第3A圖係圖示基於本發明一面向之全彩成像所使用之三種光源的波長。
第3B係圖係圖示基於本發明一面向之結合三種影像之製程,其影像之各者係自單一波長之光取得。
第4圖係基於本發明一面向之使用多種不同波長之光源取得目標物之高解析度影像的程序之步驟流程圖。
第5圖係基於本發明一面向之合併(consolidating)高解析度影像以生成單一高解析度全彩影像(true color image)的程序之步驟流程圖。
本發明之目標係以相較習知作法更高靈敏度之方式生成小目標物之高解析度影像的系統及方法。更進一步的,藉由使用不同波長之光,可對不同材料進行視覺化並檢查。
第1A圖係圖示用於記錄目標物(例如,電性元件)的影像之習知系統。目標物105係置於視場(FOV)中。一或更多之光源130照亮目標物。一般來說,光源係白光。反射光係以例如相機120之感測器偵測。
在習知基於鏡頭的成像系統中,大空間帶寬乘積的目標物需要更高放大倍率且更大之鏡頭。影像感測器亦隨著更高像素數被做的更大。在替代態樣中,可在維持大型有效面積下使用具有較小像素間距之影像感測器。然而,較大的元件係昂貴且使得系統笨重且繁瑣。再者,此類系統對工業使用上係緩慢且不實用。更甚,結合不同影像之習知方法時常有相關的未對準之問題。
另一個限制是使用「RGB色彩模型」之技術。為了使用RGB形成色彩,三種光束係疊加在一起。在以三種光束被疊加在一起以構成最終色彩光譜的意義上來說,RGB色彩模型是加成(additive)的。
第1B圖係圖示基於本發明之一面向之用於記錄目標物之高解析度影像的系統。一或多個光源(142、144、146)係照亮目標物(105)。光源係包括多種波長的光。使用個別的光源(例如,紅、綠及藍)。舉例來說,第一(紅)光源142係具有690nm之波長。第二(綠)光源144係具有540nm之波長及第三(藍)光源146係具有470nm之波長。
生成高解析度全彩影像
反射光係以例如相機120之感測器偵測。在此,單色(即,黑與白)相機及彩色光係用於生成目標物之高解析度影像。當每個光源閃光至目標物(即,三種情況)時,影像即被擷取。三張影像係以灰階(grey-scale)方式獲得,但各影像之光源係紅、綠或藍之其中一者。此些影像接著可被合併為單一高解析度影像。雖然影像係單色,由於影像之光源係紅、綠及藍光,故本文中係將此類影像描述為「高解析度全彩影像(true color image)」。
第2A圖及第2B圖係圖示RGB色彩模型之限制。第2A圖係圖示白光之波長。此波長係橫跨330nm至510nm的寬範圍。數位成像之習知作法一般係依賴此模型以滿足一般的觀看及其他視覺目的。使用如第2B圖所示之插值方法計算色彩像素。在以三種光束被加在一起以構成最終色彩光譜的意義上來說,RGB色彩模型是加成的。最終色彩影像係藉由儲存在每像素24位元之資料中的拜爾估算公式(Bayer estimation formula)獲得。當把數位影像視為以「RGB」特徵化之情況下,各像素係R、G、B之其中一者。像素在被觀看時由於人眼之空間整合而將以單一色彩呈現。這固有地限制了影像的解析度,因為影像解析度有一半係歸功於綠色色彩通道(color channel)的精準測量、而紅色或藍色色彩通道係佔有影像解析度的四分之一。
第3A圖及第3B圖係根據本發明一具體實施例之揭示生成高解析度全彩影像之流程。第3A圖係圖示三種光源(即,紅、綠及藍)之波長。有別於白光,各個彩色光源具有獨特且窄之波長。此些光源包括多種波長之光。第3B圖係圖示三種獨立的影像,其各者係使用此些光源之其中一者。各個影像(例如,擷取(capture))可接著被結合以生成最終影像。色彩像素係使用色彩資訊之完整細節計算。最終影像係使用每像素24位元之資料中儲存之全彩資訊。雖然為單色,但此處之最終影像可被稱作「高解析度全彩影像」。
在將拜爾影像與高解析度全彩影像比較時,後者的邊緣大致將呈現地更清晰。高解析度全彩影像中之邊緣可更精準呈現三種色彩。反之,在拜爾影像中,邊緣可能由於拜爾核心濾色器之插值而受到色彩雜訊(color artifact)影響。並非每個像素都具有這三種顏色的資訊。
混合材料之目標物的成像
由於本發明之一個優點是較高的解析度,所以其亦可允許使用不同波長之光以用於對不同材料成像。被成像之材料可能對所有波長之光不會具有相同的特性。舉例來說,球柵陣列封裝件(Ball Grid Array,BGA)通常同時具有金屬及塑膠元件。使用單一波長之光成像BGA可能導致影像品質不良,因為其各元件可能對光之波長的反應不同。當使用單一光源時,不同的材料可能變得難以區別。可以使用不同波長之光所記錄之影像進行比較或合併。然而,使用具有不同波長之光的多次掃描可能會增加完成掃描所需的時間,且可能導致各掃描之間的機械偏差造成的錯誤。本文所描述的作法將克服此限制。
第4圖係列出產生目標物之高解析度全彩影像之較佳方法之步驟的步驟流程圖200。首先,目標物係放置於相機視場中205。目標物被紅光源照 亮210並記錄影像215。目標物接著被綠光源照亮220並記錄影像225。目標物被藍光源照亮230並記錄影像235。此些影像接著被合併(consolidate)240。單一高解析度全彩影像係被產生245。
第5圖係列出合併影像以生成單一高解析度全彩影像之較佳方法之步驟的步驟流程圖200。首先,影像係被記錄(215、225、235)。接著,使用白平衡以移除色偏(color cast)310。接著,此些影像從RGB被轉換至HSI 315。施加第一色彩濾色器320及第二色彩濾色器325。接著可選擇色彩通道330,然後選擇閾值(threshold)335。然後可以使用影像分析目標物之缺陷340。
本發明之系統可包括電腦及安裝於其上之軟體或可被電腦執行之軟體,以處理影像感測器之感測器輸出所輸出之原始影像。影像可使用習知連接線被傳送至電腦或以無線方式傳輸至電腦。軟體可包括本文以下所述之重建演算法,其係以MATLAB®或其他程式(例如,C語言)實作之。軟體係由電腦中所內含之一或多個處理器來執行。為了增進效能,電腦可包括圖形處理器(GPU)之一部分的處理器以加速影像重建程序。電腦可包括個人電腦、伺服器、筆記型電腦或類似者。電腦也可被耦接至或是包含顯示器及一或多個周邊裝置(例如,滑鼠、鍵盤或類似者)。影像可在顯示器上被顯示給使用者。
可行實施例
TSOP之高解析度成像及檢測
「薄小外型包裝(Thin Small Outline Package)」或「TSOP」係一種表面黏著式積體電路(IC)包裝。高解析度全彩成像可用於檢測TSOP之表面的不正常處或缺陷。在此實施例中,獲取影像以用於檢測。
TSOP約為8x13mm,並帶有大約30x100μm之缺陷大小(銅)。TSOP被RGB圓頂及同軸光源照亮。25百萬像素數位相機係與固定鏡頭配合使用。
在短時間內記錄三個影像。第一影像係以第一波長之光(例如,690nm之紅光)記錄。第二影像係以第二波長之光(例如,540nm之綠光)記錄。第三影像係以第三波長之光(例如,470nm之藍光)記錄。
獲得以下結果。解析度為10μm/像素,而視場(FOV)係50 x 50mm。
本發明之系統非常能適應基板表面上的反射率變化。其還具有光譜掃描的優勢,因為不同材料對不同波長之光有不同之反應。可以檢測到的最小缺陷不應小於30μm。
本發明之系統允許分析材料之變化(而不僅是形狀)。舉例來說,晶片在其表面上可能具有薄層之鐵。此作法允許偵測到使用習知的光成像方法時可能不會呈現信號(資訊)之缺陷/瑕疵。目標物中與波長相關的傳輸、吸收或散射特徵可加強影像之信號(資訊)並揭露化學及/或物理特性。
將理解的是,以上揭露內容及其他特徵與功能之變化或其替代方案可被結合至其他系統或應用中。並且,以上可被本領域具通常知識者隨後完成之各種無法預見或無法預期之替代方案、修改方案、變化方案或改進方案皆為欲涵蓋在以下申請專利範圍之內者。
雖然已全面描述了本發明之實施例,以相當詳盡地涵蓋本發明之可能面向,但本領域具通常知識者當理解到本發明之其他版本亦為有可能的。
105:目標物
120:相機
142:光源、第一光源
144:光源、第二光源
146:光源、第三光源

Claims (7)

  1. 一種用於取得目標物之高解析度影像之系統,包括:a)紅光源;b)藍光源;c)綠光源;d)單色相機;以及e)處理單元;其中,該單色相機係擷取該目標物之紅光影像、該目標物之藍光影像以及該目標物之綠光影像;以及其中,該處理單元係調整該紅光影像、該藍光影像及該綠光影像之白平衡,其中,使用該白平衡以移除色偏;其中,該處理單元係將該紅光影像、該藍光影像及該綠光影像從RGB轉換至HSI影像;其中,該處理單元係將該紅光影像、該藍光影像及該綠光影像結合為單一高解析度影像;以及其中,施加第一色彩濾色器及第二色彩濾色器並選擇通道以獲取該單一高解析度影像。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之系統,其中,該目標物之表面係由多於一種類型之材料構成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之系統,其中,該目標物係晶圓或積體電路(IC)封裝件。
  4. 一種取得目標物之高解析度影像以用於檢測缺陷之方法,係包含以下步驟:a)以紅光源照亮該目標物;b)以相機擷取該目標物之紅光影像;c)以藍光源照亮該目標物;d)以該相機擷取該目標物之藍光影像;e)以綠光源照亮該目標物;f)以該相機擷取該目標物之綠光影像;g)調整該紅光影像、該藍光影像及該綠光影像之白平衡,其中,使用該白平衡以移除色偏;h)將該紅光影像、該藍光影像及該綠光影像從RGB轉換至HSI影像;i)藉由施加第一色彩濾色器及第二色彩濾色器並選擇通道以將該紅光影像、該藍光影像及該綠光影像結合為單一高解析度影像;以及j)分析該高解析度影像之缺陷。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法,其中,該目標物之表面係由多於一種之材料構成。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之方法,其中,該目標物係晶圓或積體電路(IC)封裝件。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之方法,其中,該缺陷為該目標物上之不正常處及/或表面缺陷。
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