一种适用于喷墨打印的飞行墨滴检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于喷墨打印视觉检测技术领域，并公开了一种适用于喷墨打印的飞行墨滴检测装置，其包括视觉模块、控制模块、机械辅助模块，其中视觉模块包括两台相机、镜头、频闪光源，两台相机方向垂直；控制模块包括主控制器，用以对两套视觉硬件的触发信号时序进行控制，以及两个光源控制器；机械辅助模块包括机架及微调机构、墨液收集装置。本发明专利技术还公开了相应的检测方法及涉及多个检测参数的优化算法。通过本发明专利技术，能够多方位测量飞行墨滴多个参数并估算落点位置，测量更准确，且能实现高频喷射观测和阵列化飞行墨滴检测。

A Flying Ink Drop Detection Device and Method for Inkjet Printing

The invention belongs to the field of inkjet printing visual detection technology, and discloses a flying ink drop detection device suitable for inkjet printing, which includes visual module, control module and mechanical auxiliary module, in which the visual module includes two cameras, lenses, stroboscopic light source, two cameras are perpendicular in direction, and the control module includes a main controller for triggering signals of two sets of visual hardware. Time sequence control and two light source controllers; mechanical auxiliary module includes rack and fine-tuning mechanism, ink collecting device. The invention also discloses a corresponding detection method and an optimization algorithm involving multiple detection parameters. The invention can measure multiple parameters of flying ink droplets in many directions and estimate the landing position, and measure more accurately, and can realize high frequency jet observation and array flying ink droplet detection.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于喷墨打印的飞行墨滴检测装置及方法
本专利技术属于喷墨打印视觉检测
，更具体地，涉及一种适用于喷墨打印的飞行墨滴检测装置及方法。
技术介绍
喷墨打印技术正应用于制造显示屏、柔性传感器等领域，相比于传统的蒸镀等技术，具有工艺简单、打印分辨率高、材料浪费少等优点。常见的喷墨打印技术包括压电喷印技术和电流体喷印技术，压电喷印技术是通过压电陶瓷在电压的作用下变形，将墨水从墨腔挤出，一般可得到皮升级的类球形墨滴；电流体喷印技术通过高压电场将墨水拉出，体积更小可达皮升甚至飞升级别，且形状不规则呈射流状态。使用喷墨打印技术按需喷印，喷射墨滴形成图案化器件或均匀致密的封装层，而墨滴的体积、速度等参数对喷印效果有很大影响，需要重点进行检测。现有技术中已经提出了一些关于喷射状态的检测方案。例如，一种通过检测压电喷头喷射时的自感电压从而判断喷射状态的方法，被用于阵列化压电喷嘴的实时检测，但它只能粗略判断是否喷射而无法定量测量。也提出了一种收集大量墨滴进行称重的测量方法，但只能在喷射完成后计算墨滴平均体积，无法实时测量。此外，一部分文献中公开了采用频闪拍照的方法观测压电喷印中的飞行墨滴，然而对其进行分析可知，它们通常只在一个方向进行观测，得到墨滴在一个平面内投影的面积、速度和轨迹。特别是对于电流体喷印的观测，目前只有对泰勒锥形态的观测，几乎没有关于飞行墨滴观测的研究。相应地，考虑到墨滴形态不规则的情况，如何设计一种新的观测方案，实现从多个方向对飞行墨滴多个参数的在线精确测量，正构成为本领域亟待解决的关键技术需求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种适用于喷墨打印的飞行墨滴检测装置及方法，其中通过设计多方位观测的视觉系统，并对不同方位的相机光源进行同步控制，相应与现有技术相比，可有效弥补现有压电喷印观测方法只能观测一个投影面的缺陷，以及电流体喷印飞行墨滴观测的空缺，实现对喷墨打印飞行墨滴参数的更高精度检测，同时还适用于阵列化飞行墨滴的快速观测应用场合。按照本专利技术的一个方面，提供了一种适用于喷墨打印的飞行墨滴检测装置，其特征在于，它包括视觉模块、控制模块和机械辅助模块，其中：所述视觉模块包括采用两套均采用频闪光源的相机，也即采用第一频闪光源的第一相机和采用第二频闪光源的第二相机，其中该第一相机和该第二相机被布置在同一高度上且相互保持垂直，并用于通过其配备的镜头分别采集由喷嘴喷射出的飞行墨滴在两个相互垂直投影面内的图像，并且两个方向上的所述镜头到观测位置的距离保持为相等；所述控制模块包括主控制器、第一光源控制器和第二光源控制器，其中该主控制器用于在喷嘴喷射时对两个所述相机的曝光信号进行控制；该第一、第二光源控制器对应于所述第一、第二相机配套使用，并基于所述主控制器的指令，分别控制对应的所述第一、第二频闪光源的闪光信号，由此执行间歇式点亮；所述机械辅助模块包括机架、墨液收集单元和微调机构，其中该机架具有两个相互垂直的悬臂，并分别在其上安装一套所述采用频闪光源的相机；该墨液收集单元布置在所述相机的下方，并用于收集从喷嘴喷射的墨液；该微调机构对应于所述第一、第二相机而设置，并分别基于所述视觉模块的实时检测结果反馈，对所述相机及镜头的实际位置进行调节。作为进一步优选地，对于第一相机或第二相机而言，它的曝光信号被设定为滞后于喷嘴的喷射信号，并且滞后时间独立可调；相应地，对于第一频闪光源或第二频闪光源而言，它的闪光信号被设定为包含于所述曝光信号，也即其脉冲宽度小于所述曝光信号，且其滞后时间同样独立可调。作为进一步优选地，优选采用以下方式执行对飞行墨滴的体积的测量过程：首先通过所述主控制器实现两套所述相机的同时曝光采图，并以一定的阈值对墨滴在两个互相垂直方向上的投影图像进行边缘检测，计算墨滴高度h及两个方向的最大宽度a、b；接着将墨滴离散成厚度均为△h的n个切片层沿高度方向叠加，并将各切片层横截面拟合为椭圆，在一个方向的投影图像中计算各切片层宽度即椭圆长轴，在另一方向的投影图像中计算各切片层宽度即椭圆短轴；继续引入一个异于前述阈值的新阈值对两个方向的投影图像进行边缘检测，相应基于以下表达式来计算墨滴的实际体积V：其中，λ表示加权系数且0≤λ≤1，可由实验测得；ai、bi分别表示用第一阈值进行边缘检测，编号为i的切片层横截面上椭圆的长轴和短轴，并且i＝1,2,…,n；a′j、bj′分别表示用第二阈值进行边缘检测，编号为j的切片层横截面上椭圆的长轴和短轴，并且j＝1,2,…,n′。作为进一步优选地，优选采用以下方式对飞行墨滴的瞬时速度进行测量：首先所述主控制器控制两套所述相机以一定时间差t6-t5曝光采图，分别计算每个时刻的飞行墨滴参数，然后根据两个时刻的墨滴图像高度差，相应计算出飞行墨滴在竖直方向上的瞬时速度。作为进一步优选地，优选采用以下方式执行高频喷射场合下的检测过程：首先所述主控制器控制两套所述相机异步采图，并使得等效采图周期Te＝t6-t5<T，T为所述第一或第二相机自身的采图周期，故一个控制信号周期内获得两个时刻的图像，相应执行高频喷射场合下的检测。作为进一步优选地，优选采用以下方式对飞行墨滴在三维空间的位置进行测量：首先所述主控制器发出指令，使得两套所述相机以初始滞后时间t同时采图，经图像处理，在两幅图像中分别得到位置(x1,z1)和(y1,z1)；然后通过所述主控制器修改所述视觉系统的触发信号相对于喷射信号的滞后时间，下一个采图周期中使得两套所述相机以滞后时间t′同时采图，经图像处理，在两幅图像中分别得到位置(x2,z2)和(y2,z2)，至此得到墨滴在以上两个时刻的空间位置。作为进一步优选地，优选进一步采用以下表达式对飞行墨滴在三维空间的喷射角度(α，β)、以及墨滴空间速度(vx,vy,vz)进行测量：其中，将t时刻飞行墨滴在三维空间的位置定义为P1(x1,y1,z1)，t′时刻飞行墨滴在所述两个相互垂直投影面内的位置定义为P2(x1,y2,z2)和P3(x2,y1,z2)，将和在空间坐标系中进行矢量合成得P4(x2,y2,z2)即t′时刻墨滴在三维空间的位置；此外，水平纵向方向被定义为X轴方向，水平横向方向被定义为Y轴方向，而竖直向上方向被定义为Z轴方向。作为进一步优选地，通过取多个不同的滞后时间，相应得到墨滴的多个位置并可绘制其轨迹；由于计算墨滴位置时墨滴在不同时刻可能形态会发生变化，故取图像重心表示整个墨滴的位置；此外，优选采用以下表达式对飞行墨滴的重点坐标(ic,jc)进行计算：其中，表示所述相机采集的图像的零阶矩；分别表示所述相机采集的图像的一阶矩。作为进一步优选地，优选采用以下方式估算飞行墨滴在基板上的降落位置：首先将所述主控制器控制采图相对于喷射的滞后时间设定为tP，设此滞后时间对应的墨滴位置为P，墨滴在此观测位置的速度为(vx,vy,vz)，重力和电场力作用下的加速度为a，此外设喷射高度为H，全程下落时间为tH，同时设基板的运动速度为(ux,uy)，在下落时间段内喷孔位置A在基板上的投影点B运动至B1处，墨滴落点位置C相对于B1的位置向量为Lx和Ly，则采用以下表达式对飞行墨滴在基板上的降落位置(Lx,Ly)进行估算：按照本专利技术的另一方面，还提供给了相应的飞行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于喷墨打印的飞行墨滴检测装置，其特征在于，它包括视觉模块、控制模块和机械辅助模块，其中：所述视觉模块包括采用两套均采用频闪光源的相机，也即采用第一频闪光源的第一相机和采用第二频闪光源的第二相机，其中该第一相机和该第二相机被布置在同一高度上且相互保持垂直，并用于通过其配备的镜头分别采集由喷嘴喷射出的飞行墨滴在两个相互垂直投影面内的图像，并且两个方向上的所述镜头到观测位置的距离保持为相等；所述控制模块包括主控制器、第一光源控制器和第二光源控制器，其中该主控制器用于在喷嘴喷射时对两个所述相机的曝光信号进行控制；该第一、第二光源控制器对应于所述第一、第二相机配套使用，并基于所述主控制器的指令，分别控制对应的所述第一、第二频闪光源的闪光信号，由此执行间歇式点亮；所述机械辅助模块包括机架、墨液收集单元和微调机构，其中该机架具有两个相互垂直的悬臂，并分别在其上安装一套所述采用频闪光源的相机；该墨液收集单元布置在所述相机的下方，并用于收集从喷嘴喷射的墨液；该微调机构对应于所述第一、第二相机而设置，并分别基于所述视觉模块的实时检测结果反馈，对所述相机及镜头的实际位置进行调节。

【技术特征摘要】
1.一种适用于喷墨打印的飞行墨滴检测装置，其特征在于，它包括视觉模块、控制模块和机械辅助模块，其中：所述视觉模块包括采用两套均采用频闪光源的相机，也即采用第一频闪光源的第一相机和采用第二频闪光源的第二相机，其中该第一相机和该第二相机被布置在同一高度上且相互保持垂直，并用于通过其配备的镜头分别采集由喷嘴喷射出的飞行墨滴在两个相互垂直投影面内的图像，并且两个方向上的所述镜头到观测位置的距离保持为相等；所述控制模块包括主控制器、第一光源控制器和第二光源控制器，其中该主控制器用于在喷嘴喷射时对两个所述相机的曝光信号进行控制；该第一、第二光源控制器对应于所述第一、第二相机配套使用，并基于所述主控制器的指令，分别控制对应的所述第一、第二频闪光源的闪光信号，由此执行间歇式点亮；所述机械辅助模块包括机架、墨液收集单元和微调机构，其中该机架具有两个相互垂直的悬臂，并分别在其上安装一套所述采用频闪光源的相机；该墨液收集单元布置在所述相机的下方，并用于收集从喷嘴喷射的墨液；该微调机构对应于所述第一、第二相机而设置，并分别基于所述视觉模块的实时检测结果反馈，对所述相机及镜头的实际位置进行调节。2.如权利要求1所述的飞行墨滴检测装置，其特征在于，对于第一相机或第二相机而言，它的曝光信号被设定为滞后于喷嘴的喷射信号，并且滞后时间独立可调；相应地，对于第一频闪光源或第二频闪光源而言，它的闪光信号被设定为包含于所述曝光信号，也即其脉冲宽度小于所述曝光信号，且其滞后时间同样独立可调。3.如权利要求1或2所述的飞行墨滴检测装置，其特征在于，优选采用以下方式执行对飞行墨滴的体积的测量过程：首先通过所述主控制器实现两套所述相机的同时曝光采图，并以一定的阈值对墨滴在两个互相垂直方向上的投影图像进行边缘检测，计算墨滴高度h及两个方向的最大宽度a、b；接着将墨滴离散成厚度均为△h的n个切片层沿高度方向叠加，并将各切片层横截面拟合为椭圆，在一个方向的投影图像中计算各切片层宽度即椭圆长轴，在另一方向的投影图像中计算各切片层宽度即椭圆短轴；继续引入一个异于前述阈值的新阈值对两个方向的投影图像进行边缘检测，相应基于以下表达式来计算墨滴的实际体积V：其中，λ表示加权系数且0≤λ≤1，可由实验测得；ai、bi分别表示用第一阈值进行边缘检测，编号为i的切片层横截面上椭圆的长轴和短轴，并且i＝1,2,…,n；a′j、bj′分别表示用第二阈值进行边缘检测，编号为j的切片层横截面上椭圆的长轴和短轴，并且j＝1,2,…,n′。4.如权利要求1-3任意一项所述的飞行墨滴检测装置，其特征在于，优选采用以下方式对飞行墨滴的瞬时速度进行测量：首先所述主控制器控制两套所述相机以一定时间差t6-t5曝光采图，分别计算每个时刻的飞行墨滴参数，然后根据两个时刻的墨滴图像高度差，相应计算出飞行墨滴在竖直方向上的瞬时速度。5.如权利要求4所述的飞行墨滴检测装置，其特征在于，优选采用以下方式执行高频喷射场合下的检测过程：首先所述主控制器控制两套所述相机异步采图，并使得等效采图周期Te＝t6-t5<T，T为所述第一或第二相机自身的采图周期，故一个控制信号周期内获得两个时刻的图像...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建魁，尹周平，刘强强，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42