液晶面板暈開缺陷的電子限度樣本設(shè)計與應(yīng)用

薄膜晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，TFT-LCD）在生產(chǎn)制造過程中受環(huán)境潔凈度影響，異物類缺陷頻繁發(fā)生，部分尺寸較大的異物會改變面板間的盒厚，形成暈開缺陷（Particle Gap），其形態(tài)為異物核周邊帶有“暈”。行業(yè)內(nèi)Particle Gap缺陷發(fā)生率約為1.0%［1-2］，但并非所有Particle Gap缺陷面板都是報廢品。針對不同嚴(yán)重程度的Particle Gap，需要根據(jù)規(guī)格來區(qū)分判定，以滿足不同客戶需求。液晶面板檢測方法有人工視覺檢測法、電學(xué)參數(shù)檢測法、自動光學(xué)檢測法等［3-5］。電學(xué)參數(shù)法是通過測試電信號的變化來檢測膜層或線路的好壞，一般用于面板陣列工藝檢測，優(yōu)點是測試靈敏且效率高，但無法檢測非電學(xué)性缺陷。自動光學(xué)檢測是通過相機拍照圖像，與周邊或正常區(qū)域?qū)Ρ葋頇z出缺陷，優(yōu)點是檢出能力強，自動化程度高，但準(zhǔn)確區(qū)分缺陷嚴(yán)重程度的能力較差。因此，人工視覺檢測仍占據(jù)重要地位，特別是產(chǎn)品在出貨前，一般需要人工視覺檢測進行最終復(fù)核。Particle Gap屬于畫面顯示不均類缺陷，常用檢查方法是自動光學(xué)設(shè)備檢出缺陷+人工視覺檢測評價等級。對于人工視覺檢測Particle Gap缺陷，判定的等級準(zhǔn)確率是越高越好，這就要求檢測規(guī)格足夠準(zhǔn)確（能夠量化）、穩(wěn)定（不受環(huán)境影響）、操作性強（規(guī)則簡單，便于操作）。

Particle Gap由核和暈組成，目前行業(yè)內(nèi)評價其嚴(yán)重等級普遍采用的方法是結(jié)合核和暈的最重級別判定。區(qū)分核的級別是依據(jù)其直徑，直徑越大，級別越重，判定結(jié)果越準(zhǔn)確。而暈的大小、形狀、濃度深淺變化不一，在實際生產(chǎn)過程中如何準(zhǔn)確判定暈的等級是難點，也是本文研究工作的重點。目前暈的判定方法主要有限度樣本法、濾光片法、尺寸測定法。

限度樣本法是結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與客戶要求，挑選合適的Particle Gap缺陷作為限度樣本。比較缺陷和限度樣本的暈濃度，比限度樣本輕的判定為良品，比限度樣本重的判定為不良品。此方法使用的限度樣本是真實缺陷，客戶接受度高。為確保標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，限度樣本面板一般設(shè)置1~2張，而檢測基臺可達(dá)數(shù)十個。在實際作業(yè)時，檢測員首先需要在“異地”（如限度樣本室）觀看實物限度樣本，然后到基臺檢測，將缺陷與記憶的限度樣本做對比。由于檢測視角、距離、記憶力差異，判定結(jié)果穩(wěn)定性、重復(fù)性和均一性較差。

濾光片法是將濾光片置于缺陷上方約2~3 cm處，透過濾光片目視觀察Particle Gap的暈［6］，若可見判定為不良品，不可見則判定為良品。此方法優(yōu)點是操作簡單方便，缺點是受檢測員視覺差異影響，不同人員判定結(jié)果可能存在差異，客戶接受度一般。

尺寸測定法是直接測量缺陷的最大直徑，大于基準(zhǔn)值判定為不良品，小于或等于基準(zhǔn)值判定為良品。此方法優(yōu)點是規(guī)則簡單，操作性強，缺點是忽略了Particle Gap缺陷的暈濃度，不能準(zhǔn)確反映缺陷輕重，客戶接受度較差。

另一方面，當(dāng)前LCD成盒檢測使用的視頻信號發(fā)生器（Pattern Generator）最高支持8K（分辨率7 680 PPI×4 320 PPI）圖像輸出［7］，這為缺陷限度樣本通過圖像直接顯示于面板提供了可能。

有關(guān)LCD缺陷圖像的研究目前主要集中于缺陷自動檢測方面，設(shè)計并優(yōu)化檢測算法對真實缺陷圖像進行識別與處理以實現(xiàn)對缺陷的準(zhǔn)確檢測［8-10］。針對缺陷圖像的模擬與繪制，液晶面板行業(yè)尚無相關(guān)的應(yīng)用實例。本文首先對Particle Gap缺陷進行分類，分析了暈的顏色分布；然后利用繪圖軟件建立了Particle Gap缺陷模型，對模型進行修正與調(diào)試后制作出缺陷電子限度樣本圖像；最后經(jīng)過視頻信號發(fā)生器解析后顯示在面板上，并測試了檢測準(zhǔn)確率。

2 Particle Gap缺陷與檢測設(shè)備

2.1　Particle Gap缺陷

圖1是一個典型的Particle Gap缺陷（背景畫面為灰階127），點燈樣品為某款1 651 mm（65 in）超高清（Ultra High Definition，UHD，分辨率：3 840 PPI×2 160 PPI）液晶面板，背光亮度約為7 000 cd/m2。缺陷一般呈圓形，直徑為數(shù)毫米到幾厘米不等；中心有核，核直徑一般約0.1~1 mm，大多數(shù)為棕色或褐色；核周邊為暈，一般呈黃色、淺黃色，個別嚴(yán)重的為棕黃色或褐色，中心顏色最深，距離中心越遠(yuǎn)，顏色越淺，最終與正常區(qū)域相同。在工廠檢測中，通常根據(jù)核的大小和暈的濃度來評價缺陷等級。

圖1  L127灰階畫面Particle Gap圖片

Fig.1  Particle Gap defect of 127 gray level

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Particle Gap缺陷形成原因是盒內(nèi)異物引起的盒厚增加，經(jīng)過薄膜晶體管層的偏振光穿過偏厚液晶層后的偏振方向與正常盒厚不同，在透射彩膜層后顏色異常，形成以異物為中心的光暈［11-12］，因此缺陷主要表現(xiàn)為顏色顯示異常，其次亮度也有變化。

2.2　檢測設(shè)備

電子限度樣本所應(yīng)用的檢測設(shè)備主要由背光、面板、面板承載基臺、視頻信號發(fā)生器、點燈治具（用于傳輸信號）組成，如圖2所示。視頻信號發(fā)生器使用的是武漢精測的GS330N-F型號，可以將位圖（Bitmap，BMP）圖像解析后輸出至點燈畫面上。首先利用圖像編輯軟件制作電子缺陷圖像，然后經(jīng)過信號發(fā)生器解析、點燈治具傳輸至液晶面板，最后在面板上顯示出缺陷高清圖像。

圖2  檢測設(shè)備示意圖

Fig.2  Schematic of test equipment

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3 Particle Gap類型與顏色分析

3.1　Particle Gap缺陷分類

合肥H工廠每月生產(chǎn)1 651 mm（65 in）液晶面板約50萬張，Particle Gap平均發(fā)生率約1.0%。從某月份生產(chǎn)的含有Particle Gap缺陷的面板中隨機選擇1 000張作為研究對象。按照缺陷形貌可分為4類：（1）圓形無核，如圖3（a）~（d）所示，整體呈圓形，中心的核目視不可見，暈顏色較淺；（2）圓形有核，如圖3（e）~（h）所示，整體呈圓形，核目視可見，暈深淺變化范圍很大；（3）圓形多環(huán)，如圖3（i）和（j）所示，整體呈圓形，暈為多層彩色同心環(huán)；（4）不規(guī)則形，如圖3（k）和（l）所示，圖3（k）由于異物位于面板邊緣，暈為不完整圓形，圖3（l）由于異物尺寸大且形狀不規(guī)則，暈也呈現(xiàn)不規(guī)則形態(tài)。4類缺陷數(shù)量如表1所示?？梢钥闯鰣A形無核和圓形有核兩類總計94.2%，圓形多環(huán)和不規(guī)則形分別占比3.8%和2.0%。

圖3  Particle Gap缺陷的典型形貌。（a）~（d）圓形無核；（e）~（h）圓形有核；（i），（j）圓形多環(huán)；（k），（l）不規(guī)則形。

Fig.3  Morphology of typical Particle Gap. （a）~（d） Circular without nuclear； （e）~（h） Circular with nuclear； （i）， （j） Multiple ring； （k）， （l） Irregularp.

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表1  不同類型與等級Particle Gap的數(shù)量

Tab.1  Quantity of Particle Gap of different types and grades

等級 缺陷數(shù)量/個 總計

圓形無核 圓形有核 圓形多環(huán) 不規(guī)則形

A 101 88 0 2 191

B 150 129 0 5 284

C 92 186 0 11 289

D 47 149 38 2 236

總計 390 552 38 20 1 000

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Particle Gap缺陷形狀大多為圓形的主要原因是中心異物的直徑與周邊的暈相比一般很小，處于不同數(shù)量級，可以將其簡化為一個無形狀的點。中心點兩側(cè)玻璃基板受異物擠壓后發(fā)生形變，盒厚增大，然后向四周逐漸降低。由于玻璃基板形變無方向性，周邊盒厚變化也無方向性，形成的暈表現(xiàn)為各向同性，最終缺陷整體呈現(xiàn)圓形。

綜合產(chǎn)品生產(chǎn)成本、行業(yè)檢測標(biāo)準(zhǔn)與客戶要求，根據(jù)Particle Gap缺陷輕重，將1 000張面板粗略劃分成A、B、C、D四個等級（A等級最優(yōu)，B等級次之，C等級較差，D等級最差），數(shù)量分布見表1。可以看出，圓形多環(huán)類缺陷均是D等級，這是因為此類缺陷中心的異物尺寸大，盒厚變化很大形成多層同心圓環(huán)，根據(jù)形態(tài)可以直接判定為D等級。其他3類在不同等級中均有分布。

3.2　Particle Gap缺陷顏色分析

設(shè)計Particle Gap缺陷模型的前提是明確缺陷的顏色分布，這也是工作的難點。使用CA410色彩分析儀對缺陷顏色進行測定。由于CA410的測試探頭口徑較大（10 mm），而缺陷直徑一般為2 cm左右，所以對測試探頭進行改造，增加輔助探頭，可將測試范圍縮小至2 mm，如圖4所示。

圖4  CA410色彩分析儀示意圖

Fig.4  CA410 color analyzer

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Particle Gap缺陷的嚴(yán)重度變化主要表現(xiàn)為暈的色彩、濃度和亮度不同，對應(yīng)色彩學(xué)的色相（Hue，H）、飽和度（Saturation，S）和明度（Brightness，B）。其中色相變化相對較小，缺陷的輕重變化主要在于飽和度和明度不同，因此選擇HSB顏色模式來表征暈的顏色。色相H是大腦對色彩的直覺感知，比如黃色、綠色、淺藍(lán)等，單位是（°），選擇范圍為0~360，如圖5所示。

圖5  色相環(huán)

Fig.5  Hue ring

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飽和度S的單位是%，選擇范圍為0~100，飽和度越小，彩色越淺，圖像越灰；明度B的單位是%，選擇范圍為0~100，明度越小，圖像越暗。制作電子限度樣本時首先選定色相，然后逐漸改變飽和度與明度，以調(diào)試出不同輕重的缺陷圖像。

由于色彩分析儀測得的顏色值是紅綠藍(lán)（Red/Green/Blue，RGB）顏色模式，需要轉(zhuǎn)換為HSB模式，HSB顏色模式與RGB轉(zhuǎn)換關(guān)系如公式（1）~式（9）所示［13］。

R'=R/255

 ， （1）

G'=G/255

 ， （2）

B'=B/255

 ， （3）

Cmax=max (R',G',B')

 ， （4）

Cmin=min (R',G',B')

 ， （5）

Δ=Cmax?Cmin

 ， （6）

H=???????????????????0°                                              Δ=0      60°×(G'?B'Δmod6),  Cmax=R'60°×(B'?R'Δ+2),     Cmax=G'60°×(R'?G'Δ+4),    Cmax=B'

 ， （7）

S={0,    Cmax=0ΔCmax,  Cmax≠0

 ， （8）

B=Cmax

 . （9）

為分析缺陷顏色的對稱性，從圓形無核和圓形有核兩類缺陷中隨機選擇30個缺陷樣本進行測量。沿著逆時針方向分為0°、90°、180°、270°四個角度，每個角度從缺陷中心附近到邊緣，以2 mm等間距取5個點，直徑不足20 mm的缺陷仍按2 mm距離正常取點，如圖6所示。將背光亮度調(diào)至7 000 cd/m2，面板點亮并保持灰階127畫面，使用色彩分析儀測定所有缺陷測點的顏色值。根據(jù)飽和度S和明度B隨測點距離的變化規(guī)律不同，可以分為兩類：（1）均勻漸變類，缺陷現(xiàn)象較輕，從中心至邊緣，飽和度和明度均勻降低至0%和50%，如圖7所示的缺陷1~3。（2）非均勻漸變類，缺陷現(xiàn)象較重，從中心至測點2，飽和度和明度降低幅度較??；從測點2至測點5，降低幅度較大且均勻降低至0%和50%，如圖6所示的缺陷4和缺陷5。

圖6  缺陷測量點示意圖

Fig.6  Defect’s color measurement

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圖7  Particle Gap缺陷的顏色變化。（a）~（c）缺陷1；（d）~（f）缺陷2；（g）~（i）缺陷3；（j）~（l）缺陷4；（m）~（o）缺陷5。

Fig.7  Color variation of Particle Gap. （a）~（c） No.1 defect； （d）~（f） No.2 defect； （g）~（i） No.3 defect； （j）~（l） No.4 defect； （m）~（o） No.5 defect.

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從圖7可以看出，4個角度與中心等距的測點顏色值基本相同。從缺陷中心至邊緣，色相H變化很小。為方便電子缺陷制作，可以認(rèn)為圓形無核和圓形有核Particle Gap缺陷的顏色分布是各向同性，從中心至邊緣，色相H變化很小，飽和度S和明度B逐漸降低，直至與背景色（色相是0°~360°之間的任意值，飽和度是0%，明度是50%）相同。因此可以采用中心附近測點1的顏色值來表征缺陷的輕重（下文用缺陷顏色值代指測點1位置的顏色值）。

對所有圓形無核和圓形有核類缺陷的顏色值進行測定，結(jié)果如圖8所示。可以看出，缺陷等級的高低與色相H相關(guān)性較小。隨著等級降低，飽和度S增加，明度B先升高后降低。因此可以利用飽和度S值對缺陷等級進行更客觀的劃分：A等級，S≤18%；B等級，18%<S≤31%；C等級，31%<S≤42%；D等級，S>42%。從圖8還可以看出，缺陷顏色值分布范圍為：H∈［30°，45°］，S∈［2%，56%］，B∈［15%，66%］。

圖8  不同等級的Particle Gap缺陷顏色值分布。（a）~（c） A等級缺陷；（d）~（f） B等級缺陷；（g）~（i） C等級缺陷；（j）~（l） D等級缺陷。

Fig.8  Color distribution of different defects. （a）~（c） Defects of grade A； （d）~（f） Defects of grade B； （g）~（i） Defects of grade C； （j）~（l） Defects of grade D.

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4 Particle Gap電子限度樣本制作與測試

4.1　Particle Gap電子模型設(shè)計

基于Particle Gap形態(tài)與顏色分布的分析結(jié)果，利用圖像處理軟件（Photo Shop）建立缺陷電子模型。選定款1 651 mm（65 in） UHD產(chǎn)品進行缺陷模型設(shè)計，背景灰階設(shè)定為127，圖像分辨率為3 840×2 160 PPI。選擇數(shù)量占比最高的圓形有核類缺陷作為模擬對象，繪制Particle Gap模型。中心小圓點作為缺陷中心的異物，由中心向四周為圓形漸變結(jié)構(gòu)，顏色逐漸由深變淺，最終與背景色相同，根據(jù)顏色漸變類型分為均勻漸變和非均勻漸變兩種模型。中心圓點顏色設(shè)置為棕色（HSB：47°，62%，37%），暈中心附近顏色設(shè)置為黃色（HSB：40°，44%，65%），背景色為灰色（HSB：0°，0%，50%），建立初始Particle Gap模型，如圖9所示。根據(jù)3.1和3.2節(jié)可知，Particle Gap缺陷等級僅與暈的顏色相關(guān)，與形狀無關(guān)，因此圓形有核模型也適用于圓形無核和不規(guī)則兩類缺陷。在評價缺陷等級時，只需對比缺陷的暈與電子限度樣本的輕重，形狀差異可忽略。

圖9  電子Particle Gap模型

Fig.9  Electronic model of Particle Gap

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4.2　電子限度樣本制作與測試

按照A、B、C、D 4個等級評價缺陷共需要3個限度樣本，分別是區(qū)分A和B等級的A/B限度樣本、區(qū)分B和C等級的B/C限度樣本、區(qū)分C和D等級的C/D限度樣本。A、B等級的缺陷現(xiàn)象較輕，選擇模型（Ⅰ）作為限度樣本模型；C、D等級的缺陷相對較重，選擇模型（Ⅱ）作為限度樣本模型。以缺陷電子模型為基礎(chǔ)，將圖8相鄰等級交界處的缺陷顏色值應(yīng)用于模型，制作電子限度樣本BMP格式圖像。然后將圖像輸入信號發(fā)生器，經(jīng)過解析后顯示于待檢測面板，如圖10所示。分別改變飽和度與明度，各設(shè)置5組條件進行驗證。使用電子限度樣本方法對962個缺陷（多環(huán)類除外）進行等級判定，檢測準(zhǔn)確率結(jié)果見表2、表3和表4。

圖10  Particle Gap電子限度測試過程示意圖

Fig.10  Testing process of Particle Gap electronic limit sample

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表2  A/B限度樣本實驗結(jié)果

Tab.2  Experimental conditions and results of A/B electronic limit sample

限度樣本編號 （H，S，B） 缺陷測試數(shù)量/個 檢測準(zhǔn)確率/%

1 （40°，10%，55%） 962 88

2 （40°，10%，50%） 962 91

3 （40°，15%，50%） 962 85

4 （40°，20%，50%） 962 83

5 （40°，20%，45%） 962 80

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表3  B/C限度樣本實驗結(jié)果

Tab.3  Experimental conditions and results of B/C electronic limit sample

限度樣本編號 （H，S，B） 缺陷測試數(shù)量/個 檢測準(zhǔn)確率/%

1 （40°，25%，55%） 962 92

2 （40°，25%，50%） 962 84

3 （40°，30%，50%） 962 80

4 （40°，35%，50%） 962 80

5 （40°，35%，45%） 962 88

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表4  C/D限度樣本實驗結(jié)果

Tab.4  Experimental conditions and results of C/D electronic limit sample

限度樣本編號 （H，S，B） 缺陷測試數(shù)量/個 檢測準(zhǔn)確率/%

1 （38°，35%，35%） 962 76

2 （38°，35%，30%） 962 86

3 （38°，40%，30%） 962 71

4 （38°，45%，30%） 962 83

5 （38°，45%，25%） 962 80

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以3.2節(jié)根據(jù)飽和度S值評定的等級作為標(biāo)準(zhǔn)，將使用電子限度樣本方法判定的等級與標(biāo)準(zhǔn)等級做對比，如果等級相同，表示準(zhǔn)確；如果高于標(biāo)準(zhǔn)等級，表示提級；如果低于標(biāo)準(zhǔn)等級，表示降級。

可以看出，3個Particle Gap缺陷電子限度樣本的精準(zhǔn)HSB值分別為A/B限度樣本（40°，10%，50%）、B/C限度樣本（40°，25%，55%）和C/D限度樣本（38°，35%，30%），在H工廠使用此組限度樣本批量檢測款1 651 mm（65 in） UHD產(chǎn)品，結(jié)果如圖11所示。與傳統(tǒng)的實物限度樣本方法相比，A/B等級判定準(zhǔn)確率上升10.9%，B/C等級判定準(zhǔn)確率上升7.1%，C/D等級判定準(zhǔn)確率上升8.1%。

圖11  電子限度樣本檢測準(zhǔn)確率

Fig.11  Accuracy of detection for electronic limit sample

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5 Particle Gap顏色變化規(guī)律

為了更方便快速地制作與調(diào)試電子限度樣本，還需研究缺陷顏色值隨嚴(yán)重程度的變化規(guī)律。從圓形無核和圓形有核兩類缺陷中選擇50個不同輕重程度的Particle Gap缺陷，按照從輕到重排序，HSB顏色值變化如圖12所示。

圖12  Particle Gap顏色值與缺陷嚴(yán)重程度關(guān)系

Fig.12  Color variation of Particle Gap with the severity

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Particle Gap缺陷在灰階127畫面下，輕重不同主要在于飽和度S和明度B的變化，色相H變化較小。隨著缺陷由輕變重，色相總體呈減小趨勢，飽和度逐漸增大，明度先增大后降低。

利用此變化規(guī)律與3.4節(jié)得出的Particle Gap缺陷色域H∈［30°，45°］，S∈［2%，56%］，B∈［15%，66%］，制作電子限度樣本無需再測定實物缺陷的顏色值，只需根據(jù)客戶出貨要求在色域范圍內(nèi)選定電子限度樣本的初始HSB值，然后采取折中法或步進法修正并測試準(zhǔn)確率以找出精準(zhǔn)的限度樣本。需要說明的是，此色域僅是通過測定真實缺陷數(shù)據(jù)得出的理論顏色值，利用上述色域和規(guī)律制作的限度樣本，實際顯示效果與理論計算值會有一定偏差，因此需要根據(jù)檢測結(jié)果反復(fù)驗證后方可應(yīng)用于生產(chǎn)線。

6 結(jié)論

本文基于灰階127畫面下實物Particle Gap缺陷的形態(tài)與顏色，建立了缺陷電子模型，并通過對比實驗，得出以下結(jié)論：

（1）通過分析Particle Gap缺陷的形態(tài)與顏色分布特征，成功建立并驗證了Particle Gap缺陷圖像模型在制作電子限度樣本方面的可行性與適用性。

（2）使用HSB顏色模式，微調(diào)Particle Gap缺陷電子限度樣本的色相H，同步調(diào)試飽和度S與明度B，得出了H面板工廠款1 651 mm（65 in） UHD產(chǎn)品精準(zhǔn)限度的HSB顏色值：A/B等級限度（40°，10%，50%）、B/C等級限度（40°，25%，55%）和C/D等級限度（38°，35%，30%）。電子限度經(jīng)過視頻信號發(fā)生器解析后顯示于待檢測面板，可以將限度與缺陷同時呈現(xiàn)給檢測人員。上線使用后A/B等級、B/C等級、C/D等級檢測準(zhǔn)確率分別提升10.9%、7.1%和8.1%。

（3）Particle Gap缺陷在灰階127畫面下，HSB顏色值色域為H∈［30°，45°］，S∈［2%，56%］，B∈［15%，66%］，隨著缺陷由輕變重，色相H總體呈減小趨勢，飽和度S逐漸增大，明度B先升高后降低。利用此色域和變化規(guī)律，可通過步進法或折中法制作精準(zhǔn)的電子限度樣本。