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Dokumentenidentifikation DE102006000946B4 15.11.2007
Titel Verfahren und System zur Inspektion einer periodischen Struktur
Anmelder ISRA Vision Systems AG, 64297 Darmstadt, DE
Erfinder Ersü, Enis, 64297 Darmstadt, DE;
Laux, Wolfram, Dr., 64342 Seeheim-Jugenheim, DE
Vertreter Keil & Schaafhausen Patentanwälte, 60322 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 07.01.2006
DE-Aktenzeichen 102006000946
Offenlegungstag 12.07.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse G01N 21/956(2006.01)A, F, I, 20060107, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G06K 9/03(2006.01)A, L, I, 20060107, B, H, DE   
Zusammenfassung Es werden ein Verfahren und ein System zur Inspektion einer periodischen Struktur (1) durch einen optischen Bildaufnehmer mit einer Pixelstruktur (2) beschrieben, dessen aufgenommenes Bild (6) mit einem fehlerfreien Referenzbild (4) der periodischen Struktur (1) verglichen wird. Um die Fehler mit einfachen Mitteln zuverlässig erkennen zu können, wird in dem Referenzbild (4) an mindestens einer Position (X, Y) die Phasenlage (Phase X, Phase Y) der periodischen Struktur (1) zu der Pixelstruktur (2) des optischen Bildaufnehmers ermittelt. Das aufgenommene Bild (6) wird in Inspektionsbereiche (7) eingeteilt und für jeden Inspektionsbereich (7) wird die Phasenlage (Phase X, Phase Y) der periodischen Struktur (1) zu der Pixelstruktur (2) des optischen Bildaufnehmers ermittelt. Für den Vergleich eines Inspektionsbereichs (7) mit dem Referenzbild (4) wird dann ein Referenzbildbereich (8) ausgewählt, dessen Phasenlage (Phase X, Phase Y) mit dem Inspektionsbereich (7) korrespondiert.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Inspektion einer periodischen Struktur durch einen optischen Bildaufnehmer mit einer Pixelstruktur, dessen aufgenommenes Bild insbesondere mittels einer an sich bekannten Bildauswertung mit einem fehlerfreien Referenzbild der periodischen Struktur verglichen wird, um beispielsweise Fehler in der periodischen Struktur des aufgenommenen Bildes zu ermitteln.

Die Erfindung kann zur Inspektion von sehr feinen periodischen Strukturen mit einer insbesondere im Vergleich zu der Gesamtfläche der zu überprüfenden Oberfläche kleinen Periode verwendet werden. Ein Beispiel hierfür ist die Überprüfung von Farbfiltern für LCD-Bildschirme bei denen in periodischer Reihenfolge nebeneinander rote, gelbe und grüne Filterelemente angeordnet sind, durch deren selektive Hinterleuchtung für den Betrachter ein farbiges Bild erzeugt werden kann.

Derartige Strukturen sollen häufig noch während des Produktionsprozesses auf Fehlstellen untersucht werden. Ein hierzu bekanntes Verfahren besteht darin, die zu überprüfenden Strukturen aufzunehmen und mittels einer entsprechende Bildverarbeitung mit fehlerfreien Referenzbildern dieser Strukturen zu vergleichen.

Die zur Bildaufnahme verwendeten optischen Bildaufnehmer, beispielsweise CCD-Kameras, weisen aufgrund ihres Aufbaus selbst eine periodische Pixelstruktur auf, auf der das aufzunehmende Bild mit der periodischen Struktur abgebildet und in Pixel zerlegt digitalisiert wird. Solange eine aufzunehmende periodische Struktur groß im Vergleich zu der Pixelauflösung des optischen Bildaufnehmers ist, können Übergänge der periodischen Struktur in dem aufgenommenen Bild einfach identifiziert werden, da ein in der Aufnahme gleich erscheinender Bereich innerhalb der Periode der aufzunehmenden Struktur auf einer großen Anzahl von Pixeln des Bildaufnehmers abgebildet wird und ein Übergang in der periodischen Struktur in einer im Vergleich dazu kleinen Anzahl von Pixeln erfolgt. Die periodische Struktur wird also mit einer hohen Auflösung aufgenommen.

Wenn jedoch eine große Fläche mit einer im Verhältnis zu der Flächenausdehnung kleinen periodischen Struktur aufgenommen werden soll, lässt sich eine für eine optimale Bildauswertung erforderliche hohe Auflösung des optischen Bildaufnehmers nur mit erheblichem gerätetechnischem Aufwand erreichen, dessen Kosten meist nicht im Verhältnis zu der gewünschten Überwachungsaufgabe stehen.

Daher werden in der Praxis für die Überwachung großflächiger Muster mit kleinen periodischen Strukturen in der Regel optische Aufnahmeeinrichtungen mit einer geringeren Auflösung eingesetzt, so dass mit einer Aufnahmeeinrichtung große Teile des zu inspizierenden Musters auf einmal erfasst werden können. Dies hat jedoch zur Folge, dass ein Strukturelement der zu inspizierenden periodischen Struktur auf einer in derselben Größenordnung liegenden Anzahl von Pixeln der Aufnahmeeinrichtung abgebildet wird, beispielsweise ein Strukturelement auf drei bis vier Pixeln. Durch die Überlagerung der zu inspizierenden Struktur mit der ebenfalls periodischen Pixelstruktur entstehen somit in dem aufgenommenen Bild Artefakte durch Sub-Pixel-Verschiebungen, wenn das Periodenverhältnis der zu inspizierenden periodischen Struktur und der Pixelstruktur nicht exakt ganzzahlig sind und die Phasenlage nicht exakt konstant ist. Da sich derartige Bedingungen in der Praxis kaum oder nur mit immensem Aufwand erfüllen lassen, hängt der Wert in einem Pixel des aufgenommenen Bildes also stark von der Phasenlage bei der Aufnahme ab, so dass ein unmittelbarer Vergleich mit einem Referenzbild keine hinreichend genaue Aussage über das Vorliegen eines Fehlers in der zu inspizierenden periodischen Struktur erlaubt.

Aus der DE 101 61 737 C1 ist ein Verfahren für eine Erfassung eines Fehlers in einer periodischen Oberflächenstruktur bekannt, bei dem der gemessene Ursprungswert wenigstens eines aktuellen Abschnitts einer Periode mit wenigstens zwei weiteren gemessenen Ursprungswerten von entsprechenden Abschnitten anderer Perioden der zu untersuchenden Struktur verglichen wird. Dabei wird der Median der betrachteten Ursprungswerte ermittelt und in einem Abbild als Wert des dem aktuellen Abschnitt entsprechenden Abschnitts der periodischen Struktur gesetzt. Dadurch wird aus Vergleichsabschnitten ein Abbild der periodischen Struktur geschaffen, das im Wesentlichen einer idealen periodischen Struktur entspricht, weil ein möglicher Fehler durch den Austausch der ihn enthaltenen Abschnitte mit solchen Abschnitten, die einer fehlerfreien Struktur entsprechen, ausgeblendet wird. Aus dem so erzeugten idealen Abbild und den Ursprungswerten des aufgenommenen Bildes wird ein Differenzbild gebildet, um Fehler in der Struktur zu identifizieren.

Durch die Bildung des Medians werden Probleme aufgrund der Ermittlung der Phasenlage teilweise herausgemittelt. Allein aufgrund der Phasenbeziehung zwischen der periodischen Struktur und Pixelstruktur bei der Aufnahme werden in der Praxis jedoch vermeintliche Fehler identifiziert, die in der realen periodischen Struktur nicht vorkommen.

In der US 5,513,275 A ist beschrieben, bei dem für den Vergleich des aufgenommenen Bildes mit einem Referenzbild kein durch eine optische Aufnahmeeinrichtung aufgenommenes Referenzbild verwendet, sondern nach der Erfassung eines Musters dessen periodische Struktur rechnerisch bestimmt. Dies erfordert jedoch einen sehr hohen Rechenaufwand.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige Möglichkeit für die Inspektion einer kleinen periodischen Struktur auf einer großen Fläche zu schaffen, mit der Fehler in der periodischen Struktur zuverlässig erkannt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein System gemäß den Ansprüchen 1 und 11 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass in dem Referenzbild an mindestens einer oder vorzugsweise mehreren Positionen die Phasenlage der in dem Referenzbild abgebildeten periodischen Struktur zu der Pixelstruktur des optischen Bildaufnehmers ermittelt und vorzugsweise zusammen mit dem Referenzbild abgespeichert wird. Das aufgenommene Bild der zu inspizierenden Oberfläche wird dann in Inspektionsbereiche eingeteilt. Für jeden Inspektionsbereich wird die Phasenlage der in dem Inspektionsbereich abgebildeten periodischen Struktur zu der Pixelstruktur des Bildaufnehmers ermittelt, mit dem insbesondere auch in vergleichbarer Anordnung das Referenzbild aufgenommen sein kann. Für einen Vergleich eines Inspektionsbereichs mit dem Referenzbild wird ein entsprechender Referenzbildbereich ausgewählt, dessen Phasenlage mit der Phasenlage des Inspektionsbereichs korrespondiert. Die Größe des Referenzbildbereichs wird dabei vorzugsweise an die Größe des Inspektionsbereichs angepasst.

Durch die Ermittlung der Phasenlage der in einem Inspektionsbereich abgebildeten periodischen Struktur zu der Pixelstruktur des optischen Bildaufnehmers, die mit dem Fachmann geläufigen Verfahren durchgeführt werden kann, ist es möglich, einen Referenzbildbereich in dem Referenzbild auszuwählen, der die gleiche oder zumindest eine sehr ähnliche Phasenlage hat. Dadurch werden die Einflüsse der unterschiedlicher Phasenlagen zwischen der Pixelstruktur und der zu inspizierenden periodischen Struktur bei dem Vergleich des aufgenommenen Bilds mit dem Referenzbild auf einfache Weise ohne großen Aufwand eliminiert, so dass Fehler mit großer Zuverlässigkeit erkannt werden können.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass zur Auswahl des Referenzbildbereichs eine Position des Referenzbilds ausgewählt wird, deren Phasenlage die kleinste Phasendifferenz zu der Phasenlage des Inspektionsbereichs aufweist. Dabei können je nach Beschaffenheit der zu inspizierenden Struktur die verschiedenen Phasenrichtungen, bspw. in X-Richtung und Y-Richtung, unterschiedlich gewichtet werden, insbesondere wenn scharfe Konturen in einer Phasenrichtung vorliegen, die einen großen Effekt auf die Auswertung der Pixel haben. Grundsätzlich können die verschiedenen Phasenrichtungen in dem Bild jedoch auch gleich gewichtet werden.

Wenn ein Inspektionsbereich und ein Referenzbildbereich immer gleich groß gewählt werden, können an jeder Position, an welcher die Phasenlage der periodischen Struktur in dem Referenzbild bestimmt wird, ein entsprechender Referenzbildbereich als Bild und/oder Position in einem Bild und die dazugehörige Phasenlage abgespeichert werden. Wenn diese Informationen in einem Speicher abrufbar sind, kann die für den Vergleich benötigte Zeit verkürzt und damit die Inspektionsgeschwindigkeit insgesamt erhöht werden.

Zur Speicherung des Referenzbildbereichs und der Phasenlage ist es insbesondere vorteilhaft, eine Tabelle abzuspeichern, in welche die Phasenlagen in verschiedenen Phasenrichtungen und die Position eines definierten Punkts aus dem Referenzbildbereich, beispielsweise eine definierte Ecke, gespeichert werden. Die Tabelle kann suchoptimiert so organisiert sein, dass die Suche nach den Tabelleneinträgen mit den kleinsten Phasendifferenzen in den verschiedenen Phasenrichtungen, insbesondere der X- und der Y-Richtung, mit minimaler Suchzeit gelingt. Eine derartige, diskrete Tabelle erlaubt eine besonders schnelle Zuordnung geeigneter Referenzbildbereiche zu einem Inspektionsbereich.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn in dem Referenzbild die Phasenlage der periodischen Struktur zu der Pixelstruktur an jeder sich wiederholenden Periode der periodischen Struktur ermittelt wird. Dadurch wird das gesamte Referenzbild abgedeckt, so dass die Ermittlung nahezu aller praktisch vorkommenden Phasenlagen möglich wird und eine sehr gute Übereinstimmung der Phasenlagen zwischen Referenzbildbereich und Inspektionsbereich erreicht werden kann. Grundsätzlich wäre es zwar auch möglich, nach einer einmaligen Bestimmung der Phasenlage in einem Referenzbild die Phasenlage an jeder Periode der periodischen Struktur zu berechnen. Da es in der Praxis zusätzlich jedoch auch nicht-periodische Phasenschwankungen gibt, die beispielsweise durch Ungenauigkeiten beim Transportsystem während des Bildeinzugs entstehen können, ist es vorteilhaft, die Phasenlagen an jeder Periode gesondert zu bestimmen.

Um bspw. Abbildungsfehler des optischen Bildaufnehmers zu minimieren, kann ein Referenzbildbereich zum Vergleich mit dem Inspektionsbereich herangezogen werden, der insbesondere bezogen auf den Bildausschnitt des durch den Bildaufnehmer aufgenommenen Gesamtbilds in räumlicher Nähe zu dem Inspektionsbereich liegt. Diese Auswahl kommt vorzugsweise dann zum Tragen, wenn für einen Inspektionsbereich mehrere Referenzbildbereiche mit vergleichbar guter Phasenlage zur Verfügung stehen. Der prinzipiell vorteilhaften Vorgabe einer möglichst unmittelbaren räumlichen Nachbarschaft von Referenzbildbereich und Inspektionsbereich in dem Gesamtbild wird zugunsten der Phasengenauigkeit erfindungsgemäß jedoch eine niedrigere Gewichtung gegeben. Eine gemeinsame Bewertung der Phasenübereinstimmung mit untergeordneter Gewichtung der räumlichen Nachbarschaft der zu vergleichenden Bereiche kann durch Definition einer Qualitätsfunktion erfolgen.

Es ist grundsätzlich vorteilhaft, wenn der Inspektionsbereich nicht das gesamte aufgenommene Bild abdeckt, sondern einen Ausschnitt des aufgenommenen Bilds auswählt, weil sich in kleineren Bildausschnitten optische Abbildungsfehler des Bildaufnehmers oder nicht-periodische Phasenschwankungen beispielsweise aufgrund von Ungenauigkeiten bei dem Transportsystem weniger stark auswirken, so dass für diese Inspektionsbereiche konstante Verhältnisse angenommen werden können.

Wenn der Inspektionsbereich deutlich kleiner gewählt wird als der Ausschnitt des aufgenommenen Bilds, können der Referenzbildbereich und der Inspektionsbereich erfindungsgemäß auch aus demselben aufgenommenen Bild stammen.

Um eine Fehlerfreiheit der Referenzbildbereiche sicherstellen zu können, kann erfindungsgemäß vorgesehen werden, dass ein Referenzbildbereich durch Vergleich mit anderen Referenzbildbereichen entsprechend dem vorbeschriebenen Verfahren auf Fehlerfreiheit überprüft wird. Dies ist besonders vorteilhaft, weil bei dem oben beschriebenen Verfahren auch ein aufgenommenes Referenzbild nicht frei von lokalen Fehlern sein muss. Die Prüfung kann beispielsweise derart durchgeführt werden, dass nach Erzeugung einer Referenz-Phasentabelle mit den abgespeicherten Referenzbildbereichen eine Selbstprüfung jedes Referenzbilds analog zu einer normalen Inspektion durchgeführt wird. Im Falle eines lokalen Defekts kann in einem weiteren Vergleich dann die genaue Position des lokalen Defekts festgestellt und so der Ausschnitt des Referenzbilds, der den lokalen Defekt enthält, von der Referenz-Phasentabelle gelöscht werden. Auf diese Weise kann eine Fehlerfreiheit der verwendeten Referenzbildbereiche erreicht werden.

Um eine dynamische Referenzbildbereichsverwaltung zu erreichen, können erfindungsgemäß auch als fehlerfrei erkannte Inspektionsbereiche anschließend als Referenzbildbereiche verwendet und insbesondere mit der Phaselage beispielsweise in der Referenz-Phasentabelle abgespeichert werden. Um im Vergleich jeweils möglichst aktuelle Referenzbildbereiche heranzuziehen, kann die Verwaltung in Form eines First-In-First-Out-Speichers (FIFO) organisiert sein, so dass jeweils ältere Referenzbildbereiche sukzessive mit dem Auffüllen im laufenden Inspektionsbetrieb gelöscht werden. Eine dynamische Referenzbild-Verwaltung erlaubt auch einen Start des erfindungsgemäßen Inspektionssystems mit nur wenigen gespeicherten Referenzbildbereichen und einem selbstlernenden System.

Alternativ oder zusätzlich zu der Aufnahme eines Referenzbilds kann ein Referenzbild auch aus mehreren, insbesondere aufgenommenen Referenzbildbereichen berechnet werden. Dies kann so erfolgen, dass aus mehreren aufgenommenen Referenzbildern bzw. Referenzbildbereichen in verschiedener Phasenlage ein mathematisches Modell für den Zusammenhang zwischen Phasenlage und entsprechendem Bild berechnet wird. Dann kann bei der Inspektion für jede tatsächlich auftretende Phasenlage das Referenzbild berechnet werden, um eine vergleichbare Phasenlage zwischen dem Referenzbildbereich und dem Inspektionsbereich zu erhalten. In diesem Fall kann in dem Referenzbild die Phasenlage der optischen Struktur zu der Pixelstruktur des optischen Bildaufnehmers an einer Position also durch Berechnung ermittelt und für den Vergleich mit dem Inspektionsbereich herangezogen werden.

Der eigentliche Bildvergleich eines Inspektionsbereichs mit einem Referenzbildbereich erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise durch eine Subtraktion oder Division der gleichgroßen, in ihrer Phasenlage übereinstimmenden Bereiche. Dann ist das Resultat ein Bild gleicher Intensität, das nur bei Vorliegen lokaler Defekte Abweichungen zeigt, die mit bekannten Methoden der Bildverarbeitung einfach erkannt und weiter verarbeitet werden können.

Erfindungsgemäß bezieht sich die Erfindung auch auf ein System zur Inspektion einer periodischen Struktur mit einem optischen Bildaufnehmer mit einer Pixelstruktur zur Aufnahme von Bildern der periodischen Struktur und einer Bildverarbeitung mit Speicher. Die Bildverarbeitung ist erfindungsgemäß derart eingerichtet, dass in einem insbesondere aufgenommenen Referenzbild an mindestens einer oder mehreren Positionen die Phasenlage der optischen Struktur zu der Pixelstruktur des optischen Bildaufnehmers ermittelt wird, dass das aufgenommene Bild in Inspektionsbereiche eingeteilt und für jeden Inspektionsbereich die Phasenlage der periodischen Struktur zu der Pixelstruktur des optischen Bildaufnehmers ermittelt wird und dass für den Vergleich eines Inspektionsbereichs mit dem Referenzbild ein Referenzbildbereich ausgewählt wird, dessen Phasenlage mit der Phasenlage des Inspektionsbereichs korrespondiert. Natürlich können erfindungsgemäß in der Bildverarbeitung auch die weiteren Verfahrensschritte und -varianten des vorbeschriebenen Verfahrens implementiert sein.

Dazu kann die Bildverarbeitung ein Field-Programmable-Gate-Array (FPGA) aufweisen, in dem die einzelnen Verfahrensschritte berechnet werden. Die Referenzbilder und/oder Referenzbildbereiche können dann beispielsweise in einem direkt mit den Field-Programmable-Gate-Array verbundenen Speicher abgelegt sein. Eine Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit kann dadurch erreicht werden, dass die Referenzbilder und/oder Referenzbildbereiche mit der zugehörigen Phasenlage in den Field-Programmable-Gate-Array selbst mit abgespeichert sind, weil dadurch die Zugriffszeiten insgesamt verkürzt werden. Dabei ist es besonders platzsparend, wenn die Bilddaten des Referenzbildes nur genau einmal und die Referenzbildbereiche durch Angabe der Position (X, Y) gespeichert werden, welche mit den Pixeln in dem Referenzbild korreliert sind. Aus der Position (X, Y) und der gewünschten Größe des Bereichs kann der Referenzbildbereich dann einfach in dem gespeicherten Referenzbild ausgewählt werden.

Der besondere Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt also darin, dass bei dem Vergleich zwischen einem aufgenommenen Inspektionsbereich mit einem Referenzbildbereich die Phasenlage zwischen der zu untersuchenden periodischen Struktur und der Pixelstruktur des Bildaufnehmers berücksichtigt wird, so dass unterschiedliche Phasenlagen in dem Referenzbildbereich und dem Inspektionsbereich nicht mehr zu Artefakten führen, die fälschlicher Weise vermeintliche Fehlstellen in der periodischen Struktur anzeigen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.

Es zeigen:

1 das Bild einer zu inspizierenden periodischen Struktur und einer zugeordneten Bildzeile eines optischen Bildaufnehmers;

2 ein Referenzbild gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem die Phasenlage zwischen der zu inspizierenden periodischen Struktur und der Pixelstruktur des Bildaufnehmers bestimmt wird;

3 die Zuordnung von Referenzbildbereichen zu Inspektionsbereichen in einem aufgenommenen Bild und

4 eine aufgenommene Bildzeile einer periodischen Struktur mit dem Vergleich eines bekannten Auswerteverfahrens zu dem erfindungsgemäßen Auswerteverfahren.

In 1 ist eine periodische Struktur 1 dargestellt, die durch einen optischen Bildaufnehmer inspiziert werden soll. In horizontaler Richtung weist die periodische Struktur P1 bis Pn Perioden auf, die im Vergleich zu der Gesamtfläche des zu inspizierenden Musters mit der periodischen Struktur 1 klein ist. Der optische Bildaufnehmer, mit dem die periodische Struktur 1 aufgenommen ist, weist seinerseits eine Pixelstruktur 2 auf, die seiner Auflösung entspricht. Ein Pixel ist durch die Breite eines Eintrags in der Pixelstruktur 2 gegeben. Die dargestellte Pixelstruktur 2 entspricht einer horizontalen Bildzeile 3 in der periodischen Struktur 1.

Die periodische Struktur 1 besteht aus drei benachbarten Bereichen B1, B2 und B3 unterschiedlicher Helligkeit, die sich mit der Periode Pi, i = 1 bis n wiederholen. Diese Bereiche B1, B2 und B3 finden sich in der als Intensitätsdarstellung gezeigten Pixelstruktur 2 durch Peaks unterschiedlicher Höhe, die sich im Wesentlichen periodisch wiederholen.

Eine bekannte, klassische Methode zur Inspektion derartiger Strukturen 1 liegt in einem Vergleich mit einem abgespeicherten Sollmuster. Dies ist jedoch dann sehr schwer zu realisieren, wenn feine Strukturen von beispielsweise wenigen um Größe auf vergleichsweise großen Flächen von 1 bis 2 m2 aufgebracht sind, weil dann eine sehr große Datenmenge abgespeichert werden müsste. Deshalb wurden für periodische Strukturen Verfahren entwickelt, bei denen die umliegenden Strukturelemente als Muster für das zu inspizierende Strukturelement benutzt werden, damit nicht das gesamte Muster als Referenzbild abgespeichert werden.

Der klassische Algorithmus für diese Inspektion ist ein Vergleich jedes einzelnen Pixels mit dem Mittelwert der beiden mit dem Periodenabstand P korrespondierenden Pixel der vorangehenden bzw. nachfolgenden Periode. Dabei wird beispielsweise ein Fehler angenommen, wenn das zu überprüfende Pixel zu stark von diesem Mittelwert abweicht. Betrachtet man die Pixelstruktur 2 in 1 genauer, ist festzustellen, dass in den einzelnen Perioden P1 bis Pn Unterschiede in der Struktur der den Bereichen B1, B2 und B3 entsprechenden Peaks vorliegen. Diese kommen daher, dass die Phasenlage der zu inspizierenden periodischen Struktur P1 und die Pixelstruktur 2 in jeder Periode P1 bis Pn unterschiedlich ist. Die Pixelstruktur 2 ist durch die Auflösung des optischen Bildaufnehmers vorgegeben, welche in der Pixelstruktur 2 durch die Länge des kleinsten horizontalen Eintrags in dem Intensitätsverlauf abzulesen ist.

Die Intensität eines Pixels bei dem Übergang von einem Bereich B1 in einen Bereich B2 hängt davon ab, wie weit das eine Pixel der Pixelstruktur 2 noch dem jeweiligen Bereich zugeordnet werden kann bzw. bereits in einem Zwischenbereich liegt. Wenn ein phasenrichtig aufgenommenes Bild als Referenzbild vorliegen würde oder eine Transformation in die richtige Phasenlage durchgeführt würde, könnte die Inspektion durch einen einfachen Vergleich zwischen dem Referenzbild und dem aufgenommenen Bild erreicht werden. Dies wird mit dem durch die Erfindung vorgeschlagenen Verfahren bzw. einem entsprechenden System umgesetzt und nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert.

In 2 ist ein Referenzbild 4 mit der periodischen Struktur 1 dargestellt, bei dem an mehreren Positionen X, Y die Phasenlage Phase X, Phase Y der periodischen Struktur 1 relativ zu der Pixelstruktur 2 des optischen Bildaufnehmers ermittelt wird. Die Ermittlung der Phasenlage eines Bildes relativ zu einer durch das Bild aufgenommenen Struktur kann der Fachmann mit an sich bekannten, gängigen Verfahren durchführen, so dass diese nicht näher erläutert werden müssen. Dabei werden die Positionen X, Y derart ausgewählt, dass die Phasenlage der periodischen Struktur 1 an jeder Periode P1, P2, P3, usw. in X-Richtung ermittelt wird. Entsprechendes gilt für die Phasenlage in der Y-Richtung.

Die ermittelten Werte werden in eine Referenz-Phasentabelle 5 eingetragen, die die Positionen X, Y in dem Referenzbild 4 zusammen mit den zugehörigen Phasen Phase X, Phase Y in X- und Y-Richtung aufweist, so dass das Referenzbild 4 an jeder Periode Pi auf die tatsächlich auftretenden, sub-pixeligen Phasenverschiebungen in X- und Y-Richtung untersucht wird. Sämtliche ermittelten Phasenverschiebungen werden in einer Referenz-Phasentabelle gespeichert, so dass mit dem zusätzlich in dem Speicher der Bildverarbeitung hinterlegten Referenzbild 4 an den in der Tabelle aufgeführten Positionen X und Y beliebig große Referenzbildbereiche aus dem Referenzbild 4 mit bekannter Phasenlage extrahiert werden können.

Dies wird, wie in 3 dargestellt, für die eigentliche Inspektion der periodischen Struktur 1 verwendet. In 3 ist ein aufgenommenes Bild 6 mit der zu untersuchenden periodischen Struktur 1 dargestellt. In dem aufgenommenen Bild 6 sind mit geringer Überlappung Inspektionsbereiche 7 definiert, die nacheinander jeweils einzeln inspiziert werden. Die Größe der Inspektionsbereiche 7 ist dabei derart angepasst, dass für die Größe des Inspektionsbereichs 7 konstante optische Verhältnisse angenommen werden können.

Bei der Durchführung der Inspektion wird zunächst für jeden Inspektionsbereich 7 die Phasenlage (Phase X, Phase Y) der in dem Inspektionsbereich 7 abgebildeten periodischen Struktur 1 zu der Pixelstruktur 2 des optischen Bildaufnehmers ermittelt. Abhängig von dieser Phasenlage wird in der Referenz-Phasentabelle 5 für den Vergleich des Inspektionsbereichs 7 mit dem Referenzbild 4 ein Referenzbildbereich 8 ausgewählt, der die gleiche Größe wie der Inspektionsbereich 7 aufweist und dessen Phasenlage mit der Phasenlage des Inspektionsbereichs 7 korrespondiert. Dazu wird aus der Referenz-Phasentabelle 5 ein Phasenpaar Phase X, Phase Y ausgewählt, welches die kleinste Phasendifferenz zu der Phasenlage Phase X, Phase Y des Inspektionsbereichs 7 aufweist. Die Zuordnung einzelner Referenzbildbereiche 8 zu den jeweiligen Inspektionsbereichen 7 ist in 3 dargestellt.

Zur Inspektion der periodischen Struktur werden die einander zugeordneten Inspektionsbereiche 7 und Referenzbildbereiche 8 jeweils voneinander abgezogen. Aufgrund der nahezu identischen Phasenlage der beiden Bereiche 7, 8 ergibt sich ein Vergleichsbild mit nahezu konstanter Intensität, in dem einzelne Fehler einfach identifiziert werden können.

Die Vorzüge des vorbeschriebenen Verfahrens gegenüber einem Verfahren, in dem die Pixelwerte einfach mit dem Mittelwert der korrespondierenden Pixel der vorausgehenden Phase P(i – 1) und der nachfolgenden Phase P(i + 1) verglichen werden, ist in 4 dargestellt.

Diese zeigt in 4a einen Ausschnitt aus der in 1 dargestellten Pixelstruktur 2 entlang der Bildzeile 3. Im Bereich des Pixels Nr. 30 ist ein Fehler (Defect) eingezeichnet.

4b zeigt ein Differenzbild, bei dem 4a von einem Abbild abgezogen wird, in dem jeweils die Mittelwerte der Pixel der vorausgehenden und nachfolgenden Perioden eingetragen sind. Da an den Übergängen der jeweiligen Bereiche B1, B2, B3 der periodischen Struktur 1 aufgrund der verschiedenen Phasenlage zwischen dem aufgenommenen Bild 6 und dem Referenzbild 4 Intensitätsschwankungen auftreten, kann der Fehler bei Pixel Nr. 30 kaum identifiziert werden.

Im Vergleich dazu ist in der in 4c dargestellten Intensitätsverteilung der Defekt bei Pixel Nr. 30 deutlich zu erkennen.

Diese Intensitätsverteilung wurde durch die vorbeschriebene Inspektion periodischer Strukturen mit einem phasengenauen Vergleich durch eine Subtraktion von dem aufgenommenen Bild 6 und dem Referenzbild 4 erzeugt. Daher kann mit der vorliegenden Erfindung eine periodische Struktur sehr zuverlässig auf Fehler untersucht werden.

1
periodische Struktur
2
Pixelstruktur
3
Bildzeile
4
Referenzbild
5
Referenz-Phasentabelle
6
aufgenommenes Bild
7
Inspektionsbereich
8
Referenzbildbereich
P1 bis Pn
Periode
B1, B2, B3
Bereiche
X, Y
Position


Anspruch[de]
Verfahren zur Inspektion einer periodischen Struktur (1) durch einen optischen Bildaufnehmer mit einer Pixelstruktur (2), dessen aufgenommenes Bild (6) mit einem fehlerfreien Referenzbild (4) der periodischen Struktur (1) verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Referenzbild (4) an mindestens einer Position (X, Y) die Phasenlage (Phase X, Phase Y) der periodischen Struktur (1) zu der Pixelstruktur (2) des optischen Bildaufnehmers ermittelt wird, dass das aufgenommene Bild (6) in Inspektionsbereiche (7) eingeteilt und für jeden Inspektionsbereich (7) die Phasenlage (Phase X, Phase Y) der periodischen Struktur (1) zu der Pixelstruktur (2) des optischen Bildaufnehmers ermittelt wird und dass für den Vergleich eines Inspektionsbereichs (7) mit dem Referenzbild (4) ein Referenzbildbereich (8) ausgewählt wird, dessen Phasenlage (Phase X, Phase Y) mit dem Inspektionsbereich (7) korrespondiert. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswahl des Referenzbildbereichs (8) eine Position (X, Y) des Referenzbilds (4) ausgewählt wird, deren Phasenlage (Phase X, Phase Y) die kleinste Phasendifferenz zu der Phasenlage (Phase X, Phase Y) des Inspektionsbereichs (7) aufweist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Position (X, Y), an welcher die Phasenlage (Phase X, Phase Y) in dem Referenzbildes (4) bestimmt wird, ein Referenzbildbereich (8) und die Phasenlage (Phase X, Phase Y) abgespeichert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage (Phase X, Phase Y) der periodischen Struktur (1) zu der Pixelstruktur (2) an jeder Periode (P) der periodischen Struktur (1) ermittelt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzbildbereich (8) zum Vergleich mit dem Inspektionsbereich (7) herangezogen wird, der in räumlicher Nähe zu dem Inspektionsbereich (7) liegt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzbildbereich (8) ein von dem Inspektionsbereich (8) verschiedener Ausschnitt aus dem aufgenommenen Bild (6) ist. Verfahren nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzbildbereich (8) durch Vergleich mit anderen Referenzbildbereichen (8) auf Fehlerfreiheit überprüft wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als fehlerfrei erkannte Inspektionsbereiche (7) als Referenzbildbereiche (8) verwendet werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzbild (4) aus mehreren Referenzbereichen (8) berechnet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich eines Inspektionsbereichs (7) mit einem Referenzbildbereich (8) durch eine Subtraktion oder Division der gleichgroßen Bereiche (7, 8) erfolgt. System zur Inspektion einer periodischen Struktur (1) mit einem eine Pixelstruktur (2) aufweisenden optischen Bildaufnehmer zur Aufnahme von Bildern der periodischen Struktur (1) und einer Bildverarbeitung mit Speicher, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitung derart eingerichtet ist, dass in einem Referenzbild (4) an mindestens einer Position (X, Y) die Phasenlage (Phase X, Phase Y) der periodischen Struktur (1) zu der Pixelstruktur (2) des optischen Bildaufnehmers ermittelt wird, dass ein aufgenommenes Bild (6) in Inspektionsbereiche (7) eingeteilt und für jeden Inspektionsbereich (7) die Phasenlage (Phase X, Phase Y) der periodischen Struktur (1) zu der Pixelstruktur (2) des optischen Bildaufnehmers ermittelt wird und dass für den Vergleich eines Inspektionsbereichs (7) mit dem Referenzbild (4) ein Referenzbildbereich (8) ausgewählt wird, dessen Phasenlage (Phase X, Phase Y) mit dem Inspektionsbereich (7) korrespondiert. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitung einen Field-Programmable-Gate-Array aufweist, in dem die einzelnen Verfahrensschritte berechnet werden. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzbilder (4) und/oder Referenzbildbereiche (8) mit der zugehörigen Phasenlage (Phase X, Phase Y) in dem Field-Programmable-Gate-Array gespeichert sind.






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