Entwicklung einer Fully-Convolutional-Netzwerkarchitektur für die Detektion von defekten LED-Chips in Photolumineszenzbildern

Nowadays, light-emitting diodes (LEDs) can be found in a large variety of applications, from standard LEDs in domestic lighting solutions to advanced chip designs in automobiles, smart watches and video walls. The advances in chip design also affect the test processes, where the execution of certain contact measurements is exacerbated by ever decreasing chip dimensions or even rendered impossible due to the chip design. As an instance, wafer probing determines the electrical and optical properties of all LED chips on a wafer by contacting each and every chip with a prober needle. Chip designs without a contact pad on the surface, however, elude wafer probing and while electrical and optical properties can be determined by sample measurements, defective LED chips are distributed randomly over the wafer. Here, advanced data analysis methods provide a new approach to gather defect information from already available non-contact measurements. Photoluminescence measurements, for example, record a brightness image of an LED wafer, where conspicuous brightness values indicate defective chips. To extract these defect information from photoluminescence images, a computer-vision algorithm is required that transforms photoluminescence images into defect maps. In other words, each and every pixel of a photoluminescence image must be classifed into a class category via semantic segmentation, where so-called fully-convolutional-network algorithms represent the state-of-the-art method. However, the aforementioned task poses several challenges: on the one hand, each pixel in a photoluminescence image represents an LED chip and thus, pixel-fine output resolution is required. On the other hand, photoluminescence images show a variety of brightness values from wafer to wafer in addition to local areas of differing brightness. Additionally, clusters of defective chips assume various shapes, sizes and brightness gradients and thus, the algorithm must reliably recognise objects at multiple scales. Finally, not all salient brightness values correspond to defective LED chips, requiring the algorithm to distinguish salient brightness values corresponding to measurement artefacts, non-defect structures and defects, respectively. In this dissertation, a novel fully-convolutional-network architecture was developed that allows the accurate segmentation of defective LED chips in highly variable photoluminescence wafer images. For this purpose, the basic fully-convolutional-network architecture was modifed with regard to the given application and advanced architectural concepts were incorporated so as to enable a pixel-fine output resolution and a reliable segmentation of multiple scaled defect structures. Altogether, the developed dense ASPP Vaughan architecture achieved a pixel accuracy of 97.5 %, mean pixel accuracy of 96.2% and defect-class accuracy of 92.0 %, trained on a dataset of 136 input-label pairs and hereby showed that fully-convolutional-network algorithms can be a valuable contribution to data analysis in industrial manufacturing.Leuchtdioden (LEDs) werden heutzutage in einer Vielzahl von Anwendungen verbaut, angefangen bei Standard-LEDs in der Hausbeleuchtung bis hin zu technisch fortgeschrittenen Chip-Designs in Automobilen, Smartwatches und Videowänden. Die Weiterentwicklungen im Chip-Design beeinflussen auch die Testprozesse: Hierbei wird die Durchführung bestimmter Kontaktmessungen durch zunehmend verringerte Chip-Dimensionen entweder erschwert oder ist aufgrund des Chip-Designs unmöglich. Die sogenannteWafer-Prober-Messung beispielsweise ermittelt die elektrischen und optischen Eigenschaften aller LED-Chips auf einem Wafer, indem jeder einzelne Chip mit einer Messnadel kontaktiert und vermessen wird; Chip-Designs ohne Kontaktpad auf der Oberfläche können daher nicht durch die Wafer-Prober-Messung charakterisiert werden. Während die elektrischen und optischen Chip-Eigenschaften auch mittels Stichprobenmessungen bestimmt werden können, verteilen sich defekte LED-Chips zufällig über die Waferfläche. Fortgeschrittene Datenanalysemethoden ermöglichen hierbei einen neuen Ansatz, Defektinformationen aus bereits vorhandenen, berührungslosen Messungen zu gewinnen. Photolumineszenzmessungen, beispielsweise, erfassen ein Helligkeitsbild des LEDWafers, in dem auffällige Helligkeitswerte auf defekte LED-Chips hinweisen. Ein Bildverarbeitungsalgorithmus, der diese Defektinformationen aus Photolumineszenzbildern extrahiert und ein Defektabbild erstellt, muss hierzu jeden einzelnen Bildpunkt mittels semantischer Segmentation klassifizieren, eine Technik bei der sogenannte Fully-Convolutional-Netzwerke den Stand der Technik darstellen. Die beschriebene Aufgabe wird jedoch durch mehrere Faktoren erschwert: Einerseits entspricht jeder Bildpunkt eines Photolumineszenzbildes einem LED-Chip, so dass eine bildpunktfeine Auflösung der Netzwerkausgabe notwendig ist. Andererseits weisen Photolumineszenzbilder sowohl stark variierende Helligkeitswerte von Wafer zu Wafer als auch lokal begrenzte Helligkeitsabweichungen auf. Zusätzlich nehmen Defektanhäufungen unterschiedliche Formen, Größen und Helligkeitsgradienten an, weswegen der Algorithmus Objekte verschiedener Abmessungen zuverlässig erkennen können muss. Schlussendlich weisen nicht alle auffälligen Helligkeitswerte auf defekte LED-Chips hin, so dass der Algorithmus in der Lage sein muss zu unterscheiden, ob auffällige Helligkeitswerte mit Messartefakten, defekten LED-Chips oder defektfreien Strukturen korrelieren. In dieser Dissertation wurde eine neuartige Fully-Convolutional-Netzwerkarchitektur entwickelt, die die akkurate Segmentierung defekter LED-Chips in stark variierenden Photolumineszenzbildern von LED-Wafern ermöglicht. Zu diesem Zweck wurde die klassische Fully-Convolutional-Netzwerkarchitektur hinsichtlich der beschriebenen Anwendung angepasst und fortgeschrittene architektonische Konzepte eingearbeitet, um eine bildpunktfeine Ausgabeauflösung und eine zuverlässige Sementierung verschieden großer Defektstrukturen umzusetzen. Insgesamt erzielt die entwickelte dense-ASPP-Vaughan-Architektur eine Pixelgenauigkeit von 97,5 %, durchschnittliche Pixelgenauigkeit von 96,2% und eine Defektklassengenauigkeit von 92,0 %, trainiert mit einem Datensatz von 136 Bildern. Hiermit konnte gezeigt werden, dass Fully-Convolutional-Netzwerke eine wertvolle Erweiterung der Datenanalysemethoden sein können, die in der industriellen Fertigung eingesetzt werden

Learning Visual Representations for Transfer Learning by Suppressing Texture

Recent literature has shown that features obtained from supervised training of CNNs may over-emphasize texture rather than encoding high-level information. In self-supervised learning in particular, texture as a low-level cue may provide shortcuts that prevent the network from learning higher level representations. To address these problems we propose to use classic methods based on anisotropic diffusion to augment training using images with suppressed texture. This simple method helps retain important edge information and suppress texture at the same time. We empirically show that our method achieves state-of-the-art results on object detection and image classification with eight diverse datasets in either supervised or self-supervised learning tasks such as MoCoV2 and Jigsaw. Our method is particularly effective for transfer learning tasks and we observed improved performance on five standard transfer learning datasets. The large improvements (up to 11.49\%) on the Sketch-ImageNet dataset, DTD dataset and additional visual analyses with saliency maps suggest that our approach helps in learning better representations that better transfer

Brain Tumor Classification Using Hit-or-Miss Capsule Layers

The job of classifying or annotating brain tumors from MRI images can be time-consuming and difficult, even for radiologists. To increase the survival chances of a patient, medical practitioners desire a means for quick and accurate diagnosis. While datasets like CIFAR, ImageNet, and SVHN have tens of thousands, hundreds of thousands, or millions of samples, an MRI dataset may not have the same luxury of receiving accurate labels for each image containing a tumor. This work covers three models that classify brain tumors using a combination of convolutional neural networks and of the concept of capsule layers. Each network utilizes a hit-or-miss capsule layer to relate classes to capsule vectors in a one-to-one relationship. Additionally, this work proposes the use of deep active learning for picking the samples that can give the best model, PSP-HitNet, the most information when adding mini-batches of unlabeled data into the master, labeled training dataset. By using an uncertainty estimated querying strategy, PSP-HitNet approaches the best validation accuracy possible within the first 12-24% of added data from the unlabeled dataset, whereas random choosing takes until 30-50% of the unlabeled to reach the same performance