一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其将光学图像识别技术应用于微纳三维打印过程中，实现简便且可靠的打印过程精准控制。经由光学系统，实时观测并量化微纳三维打印过程中微管内溶液与试样表面间形成的液柱的尺寸及形状，并经由反馈系统，控制微管和试样间相对位移速率，从而确保液柱尺寸及结构不变或者按照预设值改变，从而实现微纳三维物件的稳定及精确打印。

A method of controlling micro nano 3D printing process based on optical image recognition technology

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法
本专利技术涉及仪器仪表控制的
，具体为一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法。
技术介绍
近年来基于中空微管的微纳三维打印技术受到产业界和学术界的广泛关注，如基于弯液面控制的微纳电化学金属沉积技术，基于直接拉伸的聚合物纳米线直写技术等。在这些微纳三维打印过程中，中空微管和沉积表面逼近过程中两者间距的精准控制以及微纳结构打印过程中中空微管移动速率的实时调控决定了打印物件的尺寸和精度。在微纳电化学沉积过程中，通常经由对电镀电流的控制来对微管和沉积表面间距的调控以及随后电镀过程中微管和试样表面相对移动速率的调控。结合原子力显微镜的成像工艺，经由中空微管和试样表面间作用力的精细调控，同样也可实现微管和试样表面间距以及沉积速率的调控。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供了一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其将光学图像识别技术应用于微纳三维打印过程中，实现简便且可靠的打印过程精准控制。一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其特征在于：经由光学系统，实时观测并量化微纳三维打印过程中微管内溶液与试样表面间形成的液柱的尺寸及形状，并经由反馈系统，控制微管和试样间相对位移速率，从而确保液柱尺寸及结构不变或者按照预设值改变，从而实现微纳三维物件的稳定及精确打印。其进一步特征在于：光学系统包括物镜、目镜或CCD、镜筒、光源，所述镜筒方向平行于试样表面布置或与试样表面成一定夹角；当光学系统包括有目镜时，由人工观测并确定液柱尺寸及形状，并经由手工调控逼近过程及打印过程中液柱尺寸及形状，进而控制打印物件的尺寸及精度；但经由人工观测及调控存在反馈时间慢、精度差的缺点，容易导致反馈不及时或过度反馈；当光学系统包括有CCD时，光学图像可直接由电脑实时采集，并经由对应的软件算法开发，由电脑系统实时确定液柱尺寸及形状，并经由反馈设置控制压电或马达位移台，调节微管和试样表面相对位移速率，从而最终实现对打印物件尺寸和精度的精细调控；其所适用的微纳三维打印系统包括基于填充有各类溶液的中空微管或MEMS微管阵列来进行三维打印的各类系统；根据微纳三维打印系统操作原理的差异，微管与试样表面间距的控制经由电动马达、压电驱动器或其它任何可行的位移装置来实现；中空微管直径介于毫米至几百纳米之间，可由各类材质加工而成，微管具体为普通玻璃或石英玻璃的毛细管，如需要可采用熔融拉伸工艺进一步实现毛细管尖端锐化；微管具体为多个微管组成的微管阵列、具体细化为采用微电子MEMS工艺制备的微管阵列；其包括中空微管与试样表面逼近过程中间距的光学图像识别调控，以及在随后打印过程中打印物件尺寸及精度的光学图像识别调控；中空微管与试样表面逼近过程中间距的光学图像识别调控过程具体如下：中空微管内填充打印所需的溶液，随后根据三维微纳打印原理所需位移精度的要求，经由电动马达或是压电驱动器调控中空微管和试样表面间距，使得两者逐渐靠近；在两者距离较远时，由于中空微管的毛细作用力，管内填充溶液收缩在微管内，随着微管和试样表面间距的进一步减小，小的间隙引起毛细作用力，微管内溶液在该毛细力作用下由微管尖端伸出，在微管尖端与试样表面间形成微纳尺寸的液柱，经由光学显微镜，可观测到该液柱的存在，并确定其尺寸；随着微管尖端与试样表面间距进一步减小，液柱直径进一步增加，形状发生改变，这些变化过程同样由光学显微镜跟踪并进行图像采集和量化运算；故经由光学显微镜确定液柱形状和尺寸，精确控制微管和试样表面间距，避免过度逼近导致的试样和微管尖端的损坏；随后打印过程中打印物件尺寸及精度的光学图像识别调控的过程具体如下：在逼近完成后的三维微纳物件的打印过程中，光学图像识别功能同样起到调控作用；打印过程是否连续可经由光学图像采集和运算来判断液柱是否稳定来识别控制；由于所打印物件的尺寸和精度由液柱尺寸来控制，因而可通过光学图像识别判断打印过程中液柱尺寸的变化，并经由电路反馈调控马达或压电驱动器的位移速率，保证打印过程中液柱尺寸不变或是按照预设条件改变，实现打印物件尺寸的精确调控。本专利技术适用于所有采用溶液填充的中空微管来实现三维微纳结构打印功能的仪器设备。该专利技术的具体实现可分为中空微管与试样表面逼近过程中间距的光学图像识别调控，以及在随后打印过程中打印物件尺寸及精度的光学图像识别调控；其和之前通过对电镀电流的控制来对微管和沉积表面间距的调控以及随后电镀过程中微管和试样表面相对移动速率的调控的原理不同，将光学图像识别技术集成到微纳三维打印技术中，经由中空微管和试样表面间液滴的形状及尺寸控制微管和实验表面间距以及沉积速率，实现打印物件尺寸的精确调控。附图说明图1为溶液填充的微管靠近试样表面时液柱的形成及扩展。图a是距离较远、液柱未形成；图b所示为距离稍近时在毛细力作用下液柱形成；由c至d，微管与试样表面距离进一步减小，液柱尺寸增加；图2为在光学图像识别过程中光学系统与微纳三维打印系统的配置模式一，图a所示为经由人眼观测确定液柱尺寸并手动实现液柱尺寸调控；图b所示为开发图像识别算法，经由软件系统实时调控液柱尺寸及形状；图3为在光学图像识别过程中光学系统与微纳三维打印系统的配置模式二，图a所示为经由人眼观测确定液柱尺寸并手动实现液柱尺寸调控；图b所示为开发图像识别算法，经由软件系统实时调控液柱尺寸及形状；图4为灌注有0.05M硫酸铜溶液的毛细管逐渐靠近沉积有100nm金层的载玻片上，液柱的形成及展宽过程，由图a至图d，毛细管尖端与试样表面逐渐靠近；图5为经由微纳三维电化学沉积技术以及光学图像识别及反馈控制算法，实现铜纳米线生长过程的示意图；图中序号所对应的名称如下：物镜1、目镜2、CCD3、镜筒4、试样5、电脑6、微管7、位移台8、液柱9、微管尖端10、电镀液11、铜层12。具体实施方式一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法：经由光学系统，实时观测并量化微纳三维打印过程中微管内溶液与试样表面间形成的液柱的尺寸及形状，并经由反馈系统，控制微管和试样间相对位移速率，从而确保液柱尺寸及结构不变或者按照预设值改变，从而实现微纳三维物件的稳定及精确打印。光学系统包括物镜1、目镜2或CCD3、镜筒4、光源(图中未画出、属于现有成熟技术)，所述镜筒4方向平行于试样5表面布置或与试样5表面成一定夹角；当光学系统包括有目镜时、见图2a、图3a：由人工观测并确定液柱尺寸及形状，并经由手工调控逼近过程及打印过程中液柱尺寸及形状，进而控制打印物件的尺寸及精度；但经由人工观测及调控存在反馈时间慢、精度差的缺点，容易导致反馈不及时或过度反馈当光学系统包括有CCD时、见图2b、图3b：光学图像可直接由电脑6实时采集，并经由对应的软件算法开发，由电脑系统实时确定液柱尺寸及形状，并经由反馈设置控制压电或马达位移台，调节微管和试样表面相对位移速率，从而最终实现对打印物件尺寸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其特征在于：经由光学系统，实时观测并量化微纳三维打印过程中微管内溶液与试样表面间形成的液柱的尺寸及形状，并经由反馈系统，控制微管和试样间相对位移速率，从而确保液柱尺寸及结构不变或者按照预设值改变，从而实现微纳三维物件的稳定及精确打印。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其特征在于：经由光学系统，实时观测并量化微纳三维打印过程中微管内溶液与试样表面间形成的液柱的尺寸及形状，并经由反馈系统，控制微管和试样间相对位移速率，从而确保液柱尺寸及结构不变或者按照预设值改变，从而实现微纳三维物件的稳定及精确打印。


2.如权利要求1所述的一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其特征在于：光学系统包括物镜、目镜或CCD、镜筒、光源，所述镜筒方向平行于试样表面布置或与试样表面成一定夹角。


3.如权利要求2所述的一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其特征在于：当光学系统包括有目镜时，由人工观测并确定液柱尺寸及形状，并经由手工调控逼近过程及打印过程中液柱尺寸及形状，进而控制打印物件的尺寸及精度；但经由人工观测及调控存在反馈时间慢、精度差的缺点，容易导致反馈不及时或过度反馈。


4.如权利要求2所述的一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其特征在于：当光学系统包括有CCD时，光学图像可直接由电脑实时采集，并经由对应的软件算法开发，由电脑系统实时确定液柱尺寸及形状，并经由反馈设置控制压电或马达位移台，调节微管和试样表面相对位移速率，从而最终实现对打印物件尺寸和精度的精细调控。


5.如权利要求1所述的一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其特征在于：其所适用的微纳三维打印系统包括基于填充有各类溶液的中空微管或MEMS微管阵列来进行三维打印的各类系统。


6.如权利要求1所述的一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其特征在于：根据微纳三维打印系统操作原理的差异，微管与试样表面间距的控制经由电动马达、压电驱动器或其它任何可行的位移装置来实现。


7.如权利要求1所述的一种基于光学图像识别技术控制微纳三维打印过程的方法，其特征在于：中空微管直径介于毫米至几百纳米之间，由各类材质...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱国栋，龚大卫，
申请(专利权)人：张家港博发纳米材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32