CN113947660A - 一种适用于喷墨打印的微墨滴沉积过程观测方法及装置 - Google Patents

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CN113947660A CN202111121064.3A CN202111121064A CN113947660A CN 113947660 A CN113947660 A CN 113947660A CN 202111121064 A CN202111121064 A CN 202111121064A CN 113947660 A CN113947660 A CN 113947660A
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Abstract

本发明公开了一种适用于喷墨打印的微墨滴沉积过程观测方法，具体为：将微墨滴的沉积过程按时间顺序分为多个状态，针对每个状态设定对应的相机曝光时间及延时；向基板喷印微墨滴，启用双目相机采集预定状态下的微墨滴沉积图像，启用下视相机采集微墨滴沉积铺展后图像，得到喷印过程完整图像序列；对完整图像序列提取运动目标，进而进行三维重建，由此完成微墨滴沉积过程观测。本发明还提供了实现上述方法的装置。通过本发明，可以实现普通工业相机高帧率采图，完成多角度的微墨滴高动态实时观测与捕捉、微墨滴撞击像素坑的均匀成膜过程捕获，实现了低成本、高精度的微墨滴高动态变化的沉积过程观测。

Description

一种适用于喷墨打印的微墨滴沉积过程观测方法及装置
技术领域
本发明属于喷墨打印视觉检测领域，更具体地，这是一种适用于喷墨打印的微墨滴沉积过程观测的装置及方法。
背景技术
喷墨打印不同于传统的模板印刷技术，喷墨打印属于非接触式打印，通过数字技术将指定图案直接打印在基板上，整个工艺过程相比较传统的模板印刷无污染、高效率、生产周期相对较短等优势。随着喷墨打印技术在OLED制造行业的广泛应用，也暴露了越来越多的问题，在实际的OLED喷印制造过程中，由于单滴微墨滴在像素坑中沉积、铺展和变形，多滴微墨滴之间发生碰撞的高速动态变化过程会直接影响相邻像素坑粘连等缺陷，因此需要对微墨滴的沉积过程进行实时观测。
在实际的微墨滴沉积过程中，最终的沉积铺展效果受墨滴材料特性、壁面条件、液滴运动参数等多种因素影响，因此无法对微墨滴的沉积过程进行定性分析，所以大部分学者主要停留在仿真阶段，并未进行实验进行验证，所得出的结论也缺乏实验验证依据。同时由于喷墨打印技术为新兴的OLED面板制造工艺技术，国内外对于此的研究相对较少，目前还没有一种相对可行的微墨滴沉积观测实验方案。
现有研究仅仅停留在利用高速相机进行mm级液滴沉积观测，不过由于喷墨打印中的微墨滴沉积的实际工况条件比较苛刻，喷墨打印中的微墨滴沉积的墨滴直径一般在10～50um，速度在4～6m/s，微墨滴沉积、铺展的运动窗口期在100～300us，由于常规视觉系统的空间分辨率和时间分辨率之间的矛盾，无法在极短的时间内对um级的墨滴清晰成像。因此如何实现微墨滴的高动态实时观测与捕捉、微墨滴撞击像素坑的均匀成膜过程捕获与分析成为了该领域的研究重点之一。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于喷墨打印的微墨滴沉积观测装置，其目的在于，解决观测过程中的微墨滴沉积过程检测问题，通过普通工业相机高帧率采图，完成多角度的微墨滴高动态实时观测与捕捉、微墨滴撞击像素坑的均匀成膜过程捕获，实现了低成本、高精度的微墨滴高动态变化的沉积过程观测。
一种适用于喷墨打印的微墨滴沉积过程观测方法，包括以下步骤：
(1)将双目相机与基板布置在同一平面，下视相机布置在基板上方；
(2)将微墨滴在基板上的沉积过程按时间顺序分为多个状态，针对每个状态设定对应的相机曝光时间及延时；
(3)向基板喷印微墨滴，启用双目相机采集预定状态下的微墨滴沉积图像，启用下视相机采集微墨滴沉积铺展后图像，得到喷印过程完整图像序列；
(4)对完整图像序列提取运动目标，进而依据目标图像序列进行三维重建，由此完成微墨滴沉积过程观测。
进一步的，所述相机曝光时间及延时按照如下方式设定：
曝光时间
Figure BDA0003277174410000031
式中，D0、Dsize和v分别表示相机感光芯片的物理尺寸、分辨率以及墨滴飞行速度，α表示成像系数，0<α<1；
光源延时
Figure BDA0003277174410000032
式中，t0表示所观测的微墨滴在空中的飞行时间，m表示微墨滴沉积过程的第m个状态，m>1，H表示预获取的图像序列的帧率。
进一步的，所述下视相机、双目相机的焦点通过相机标定重合，同时通过像素坑的对位与基板像素坑位置重合。
进一步的，所述步骤(4)按照如下方式提取目标：
(41)获取初始相机光晕背景模型，记作
Figure BDA0003277174410000033
(42)将当前微墨滴沉积图像与当前背景模型进行差分，得到微墨滴运动区域标识图
Figure BDA0003277174410000034
Figure BDA0003277174410000035
其中的σδ(Fi(x,y))采用如下公式计算：
Figure BDA0003277174410000036
式中，
Figure BDA0003277174410000037
表示经过背景差分后的微墨滴运动区域标识图，Fi(x,y)表示当前帧微墨滴沉积图像，
Figure BDA0003277174410000038
表示当前相机光晕背景模型；M和T分别是背景差分阈值和邻域相似性阈值；
σδ(Fi(x,y))函数评估当前像素点δ邻域范围内的像素值相似性，式中的x*和x分别表示像素点(x+i,y+j)和像素点(x,y)；
(43)根据微墨滴背景差分结果更新相机光晕背景模型：
Figure BDA0003277174410000041
Figure BDA0003277174410000042
(44)根据所述微墨滴运动区域标识图提取微墨滴运动区域，获得去背景的微墨滴沉积图像
Figure BDA0003277174410000043
进一步的，按如下方式提取微墨滴沉积过程的初始相机光晕背景模型
Figure BDA0003277174410000044
(411)对微墨滴图像序列相邻帧间进行差分，差分结果如果有孔洞则进行孔洞填充为运动区域：
Figure BDA0003277174410000045
式中，Si(x,y)＝1表示是微墨滴运动区域，0表示非运动区域；
(412)逐像素分析并累积记录非运动区域像素值信息：
Figure BDA0003277174410000046
(413)生成初始相机光晕背景模型
Figure BDA0003277174410000047
Figure BDA0003277174410000048
式中，N(x,y)表示点(x,y)是非运动区域的累计次数。
进一步的，还包括(5)沉积参数规律估计步骤，具体为：
(51)在微墨滴沉积运动图像中测量每滴墨滴在ti时刻的沉积铺展直径，记作di；
(52)将di作为样本，使用非线性模型进行参数拟合：
d″+ad′+bd＝0
并且利用差分法对di进行微分计算d′i和d″i；
(53)通过n个代数误差和最小计算拟合方程的系数解向量h＝[1；a；b]：
Figure BDA0003277174410000051
式中的ai＝[d″i,d′i,di]；
(54)根据(53)求得的系数求解该微分方程得到解d＝f(t,C1,C2)，通过对样本数据进行线性拟合便可以确定解中的待定系数C1和C2，得到沉积过程中的微墨滴沉积铺展直径规律d＝f(t)；
(55)测量ti时刻微墨滴沉积高度hi，重复步骤(51)-(54)，得到微墨滴沉积高度规律变化h＝f(t)；
(56)通过下视相机测量得到的Ni滴微墨滴沉积后的铺展面积Si，重复步骤(51)-(54)，得到微墨滴沉积铺展面积的变化规律S＝f(N)。
实现上述方法的微墨滴沉积过程观测装置，包括：
视觉观测单元，包括一组双目相机和配套的光源，以及一台下视相机及其配套的同轴光源；双目相机采用两套使用频闪光源的相机，用于采集预定状态下的微墨滴沉积图像；下视相机用于采集微墨滴沉积铺展后图像；
信号控制单元，包括同步触发卡、光源控制器和上位机，同步触发卡用于输出光源控制器和相机的同步控制信号，上位机用于输出同步触发卡的控制信号以及相机的曝光时间和延迟时间；
三维重建单元，用于对采集的图像序列提取运动目标，进而依据目标图像序列进行三维重建，由此完成微墨滴沉积过程观测。
进一步的，还包括位置编码器，用于将基板像素坑位置反馈给喷头主板，喷头主板判定像素坑到达预定位置后输出喷射信号，所述同步触发卡以所述喷射信号为触发源。
进一步的，还包括机械辅助单元，包括相机镜头支架、光源调节支架、微调平台，所述相机镜头通过相机镜头安装支架安装在所述微调平台上，透过所述微调平台对所述相机镜头调焦；所述的配套LED光源安装在所述光源调节支架上，通过光源调节支架实现所述LED光源的自由角度调整。
进一步的，还包括运动单元，其包括基板四轴运动平台、喷头三轴运动平台、安装底板两轴运动平台和运动电机；其中，所述基板四轴运动平台用于放置和调整基板位置；所述喷头三轴运动平台用于放置和调整喷头以及所述下视相机及其配套同轴光源的位置和姿态；所述安装底板运动平台用于整个双目相机组的两轴运动；所述运动电机布置在各运动轴上实现各运动轴的独立运动。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的优点：
1、本发明提出的微墨滴沉积过程观测方法及装置，采用普通工业相机对微墨滴的沉积过程进行观测，结合微墨滴沉积过程的可重复性，通过设计观测系统的信号时序以及光源曝光时间，调整光源和相机相对于喷墨打印的滞后时间达到高帧率、高分辨率采图，实现了微墨滴高动态沉积过程的瞬时形态捕获，实时跟踪观测微墨滴撞击像素坑的均匀成膜的过程。相比于采用高速工业相机进行观测，实际观测的帧率和分辨率更高，并且极大程度上降低了装置成本，经济可行。
2、本发明设计微墨滴沉积过程观测方法及装置，使用双目相机从水平面不同角度对微墨滴沉积过程进行观测，可获取多角度的微墨滴沉积高度、铺展直径等信息，实现三维重建。利用下视相机观测像素坑测算不同数量的微墨滴沉积铺展面积。同时可以通过调整基板四轴运动平台的旋转自由度适应不同形状尺寸的像素坑基板；
3、作为优选地，本发明通过位置编码器将基板平台的位置信息实时的传递给喷头控制卡，实现喷头的位置触发喷射，严格保证了在每次光源频闪时基板像素坑、微墨滴位姿信息一致，可以极大程度地减少由于光源重复频闪时墨滴位置不重合所造成的图像重影，大幅度的提高成像质量以及实验观测可行性；
4、作为优选地，本发明还提出了相应的微墨滴运动目标提取算法以及沉积参数运动规律拟合算法，考虑相邻短时间内背景光照、噪声等因素的影响，设计了实时更新的背景模型，并且采用背景差分的方法，解决了微墨滴运动目标检测问题，使得后续沉积参数计算更加精确。通过对去背景后的微墨滴运动目标进行沉积参数的计算，并进行非线性拟合，获取了微墨滴沉积高度、铺展直径的时间变化规律以及不同数量的微墨滴铺展面积变化规律。
附图说明
图1是本发明微墨滴沉积过程观测方法整体流程图；
图2是示范性地说明本发明微墨滴运动目标提取流程图；
图3是示范性地说明本发明微墨滴沉积参数规律估计流程图；
图4是本发明所构建的喷墨打印的微墨滴沉积过程观测装置的整体构造图；
图5是本发明所微墨滴沉积观测信号控制单元信号输出示意图；
图6是示范性地说明微墨滴沉积过程观测的图像序列示意图；
图7是本发明像素坑对位流程；
图8是本发明频闪原理和控制信号波形图；
图9是本发明微墨滴沉积过程观测的频闪采图流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实例仅仅用于解释本发明，并用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间为构成冲突就可以相互结合。
图1是本发明微墨滴沉积过程观测方法整体流程图，包括以下步骤：
(1)将双目相机与基板布置在同一平面，下视相机布置在基板上方；
(2)将微墨滴在基板上的沉积过程按时间顺序分为多个状态，针对每个状态设定对应的相机曝光时间及延时；
(3)向基板喷印微墨滴，启用双目相机采集预定状态下的微墨滴沉积图像，启用下视相机采集微墨滴沉积铺展后图像，得到喷印过程完整图像序列；
(4)对完整图像序列提取运动目标，进而依据目标图像序列进行三维重建，由此完成微墨滴沉积过程观测。
更具体地，相机曝光时间及延时按照如下方式设定：
曝光时间
Figure BDA0003277174410000091
式中，D0、Dsize和v分别表示相机感光芯片的物理尺寸、分辨率以及墨滴飞行速度，α表示成像系数，0<α<1；
光源延时
Figure BDA0003277174410000092
式中，t0表示所观测的微墨滴在空中的飞行时间，m表示微墨滴沉积过程的第m个状态，m>1，H表示预获取的图像序列的帧率。
图2是示范性地说明本发明微墨滴运动目标提取流程图，所述步骤(4)按照如下方式提取微墨滴运动目标，去除背景图像相机光晕的干扰，具体为：
(41)获取初始相机光晕背景模型，记作
Figure BDA0003277174410000093
(42)将当前微墨滴沉积图像与当前背景模型进行差分，得到微墨滴运动区域标识图
Figure BDA0003277174410000094
根据差分结果来区分微墨滴运动目标和相机光晕背景。
Figure BDA0003277174410000095
其中的σδ(Fi(x,y))采用如下公式计算：
Figure BDA0003277174410000096
式中，
Figure BDA0003277174410000097
表示经过背景差分后的微墨滴运动区域标识图，Fi(x,y)表示当前帧微墨滴沉积图像，
Figure BDA0003277174410000101
表示当前相机光晕背景模型；M和T分别是背景差分阈值和邻域相似性阈值；
σδ(Fi(x,y))函数评估当前像素点δ邻域范围内的像素值相似性，主要用来去除噪声的干扰，式中的x*和x分别表示像素点(x+i,y+j)和像素点(x,y)。M和T分别是背景差分阈值和邻域相似性阈值，M越大，受到的背景像素的干扰越小，但是会破坏运动区域像素，反之亦然。T越大，对噪声点的筛除效果越好，但是对飞溅的微小墨滴分辨能力下降，反之亦然，M和T参考值为100<M<150，7000<T<7500；σ表示尺度参数，一般取1。
(43)根据微墨滴背景差分结果更新相机光晕背景模型：
Figure BDA0003277174410000102
Figure BDA0003277174410000103
更新相机光晕背景模型主要考虑的因素是由光源引起的图像整体亮度变化，通过求取非微墨滴运动区域中的图像亮度差均值来反映图像整体亮度变化，并实时更新背景图像。
(44)根据所述微墨滴运动区域标识图提取微墨滴运动区域，获得去背景的微墨滴沉积图像
Figure BDA0003277174410000104
依次取下一帧图片，按照(41)-(44)过程重复进行直至图像序列帧处理完毕，最终获取图像序列帧
Figure BDA0003277174410000105
按照本发明的一种优选实施方式，按如下方式提取微墨滴沉积过程的初始相机光晕背景模型
Figure BDA0003277174410000106
(411)对微墨滴图像序列相邻帧间进行差分，差分结果如果有孔洞则进行孔洞填充为运动区域：
Figure BDA0003277174410000111
式中，Si(x,y)＝1表示是微墨滴运动区域，0表示非运动区域；
(412)逐像素分析并累积记录非运动区域像素值信息：
Figure BDA0003277174410000112
Fi(x,y)表示当前微墨滴沉积图像像素点的像素值；σδ(Fi(x,y))、M和T的计算公式及取值范围同上。
(413)生成初始相机光晕背景模型
Figure BDA0003277174410000113
Figure BDA0003277174410000114
式中，N(x,y)表示点(x,y)是非运动区域的累计次数。
在提取算法中，通过采集到的微墨滴图像创建初始的相机光晕背景模型
Figure BDA0003277174410000115
在实际差分过程中设计σδ(Fn(x,y))函数来评估领域像素值相似性，去除噪声干扰，并且根据图像的亮度变化对背景模型进行实时更新，完成了较高精度的微墨滴运动目标提取。
图3是示范性地说明本发明微墨滴沉积参数规律估计流程图。还包括(5)沉积参数规律估计步骤，优选采用以下方式进行沉积参数规律估计：
(51)在微墨滴沉积运动图像中测量每滴墨滴在ti时刻的沉积铺展直径，记作di；
(52)考虑到墨滴沉积铺展模型未知，因此准备使用非线性模型进行参数拟合。将di作为样本，使用非线性模型进行参数拟合：
d″+ad′+bd＝0
并且利用差分法对di进行微分计算d′i和d″i；
(53)通过n个代数误差和最小计算拟合方程的系数解向量h＝[1；a；b]：
Figure BDA0003277174410000121
式中的ai＝[d″i,d′i,di]；
(54)根据(53)求得的系数求解该微分方程得到解d＝f(t,C1,C2)，通过对样本数据进行线性拟合便可以确定解中的待定系数C1和C2，得到沉积过程中的微墨滴沉积铺展直径规律d＝f(t)；
(55)测量ti时刻微墨滴沉积高度hi，重复步骤(51)-(54)，得到微墨滴沉积高度规律变化h＝f(t)；
(56)通过下视相机测量得到的Ni滴微墨滴沉积后的铺展面积Si，重复步骤(51)-(54)，得到微墨滴沉积铺展面积的变化规律S＝f(N)。
更具体地参考图3所示，由于微墨滴沉积过程中的沉积高度h、铺展直径d以及铺展面积S变化规律模型未知，而对于大多数由初等函数通过四则运算复合得到的函数都可以利用二阶线性微分方程表示。因此本方法中采用此方程作为非线性拟合模型，并通过差分法和代数误差和
Figure BDA0003277174410000122
最小进行模型参数求解h＝[1；a；b]，最后通过线性拟合的手段获取微分方程解中的待定系数C1和C2，最终拟合得到沉积参数变化规律d＝f(t)、h＝f(t)和S＝f(N)。
图4是按照本发明构建的适用于喷墨打印中的微墨滴沉积过程观测装置的整体构造图，该微墨滴沉积过程观测装置主要包括视觉观测单元、信号控制单元、机械辅助单元和运动单元，下面将对其逐一进行具体解释说明。
所述视觉观测单元包括一组双目相机和镜头及其两套配套的LED光源和一台下视相机及其配套的同轴光源，双目相机采用了两套使用频闪光源的相机，即第一相机和第二相机都被布置在同一高度并且保证一定角度，下视相机及其配套同轴光源布置在基板上方，与喷头联动。
图5是本发明所微墨滴沉积观测信号控制单元信号输出示意图。所述信号控制单元包括位置编码器、喷头主板、同步触发卡、光源控制器、运动控制器和上位机，其中位置编码器布置在基板运动平台上；喷头主板控制喷墨并且输出喷墨信号；同步触发卡用于控制输出光源控制器和相机的控制信号；运动控制器主要用于控制相应运动轴运动；上位机主要设置同步触发卡的控制信号以及所述相机的曝光时间。
所述机械辅助单元包括安装底板和两组光源调节支架、微调平台、微调平台限位块、相机镜头支架等，所述微调平台和光源调节支架直接布置在所述安装底板上；所述相机镜头通过相机镜头安装支架安装在所述微调平台上，透过所述微调平台对所述相机镜头调焦；所述的配套LED光源安装在所述光源调节支架上，通过光源调节支架可以实现所述LED光源的自由角度调整，在较大的角度范围内实现相机对光。
所述运动单元包括基板四轴运动平台、喷头三轴运动平台、安装底板两轴运动平台和运动电机。其中所述基板四轴运动平台布置在所述的安装底板上，主要用于放置基板；所述喷头三轴运动平台主要用于放置喷头以及所述下视相机及其配套同轴光源；所述安装底板运动平台主要用于整个双目相机组的两轴运动；所述运动电机布置在各运动轴上实现各运动轴的独立运动。
更具体地，参看图4所示，视觉观测单元包括一组双目相机11及其配套光源12和一组下视相机13及其配套同轴光源14，其中双目相机成一定角度布置在同一平面内，外部触发模式，下视相机布置在竖直平面内；信号控制单元包括位置编码器21、光源控制器22、喷头主板23、同步触发卡24、上位机25和运动控制器26，信号连接参照图1所示；机械辅助单元包括两组光源调节支架31、微调平台32、微调平台限位块33、相机镜头支架34和安装底板35等。运动单元包括基板四轴运动平台41、喷头三轴运动平台42及安装底板运动平台其相应地驱动电机。
按照本发明地一个优选实施方式，所述双目相机组及其配套LED光源头和待观测的基板布置在同一平面，通过所述的同步触发卡进行频闪触发，从不同角度观测基板的像素坑内的墨滴动态沉积变化过程，并且进行不同角度的沉积高度和铺展直径测量；所述下视相机及其配套的同轴光源与喷头联动，布置在基板的上方，主要进行基板的像素坑定位、观测相邻像素坑是否粘连并且测量不同数量微墨滴沉积铺展面积；针对不同形状尺寸的像素坑，可以通过基板四轴运动平台旋转自由度来观测不同角度的像素坑内的沉积过程。
按照本发明地另一个优选实施方式，为保证微墨滴的在像素坑内的落点位置严格相同，所述喷头主板接收所述位置编码器实时反馈的基板位置信息，实现喷孔的位置触发喷射，并输出喷射信号；同时为控制水平面上的双目相机和光源的曝光信号，所述同步触发卡接收喷射信号作为触发源，并且输出相应的相机和光源的控制信号；所述上位机通过所述同步触发卡与所述双目相机及其配套LED光源控制器保持信号连接，独立的设定所述双目相机和LED光源的控制信号相对于触发源的滞后时间、脉宽以及分频系数等参数，所述上位机还可以直接设置所述相机的曝光时间。
更具体地参考图4所示，喷头主板23接收位置编码器21的位置信号，实现位置触发喷射；同时同步触发卡24以喷射信号为触发源，接收上位机25的控制信号实现4路独立信号输出，完成对光源控制器22以及双目相机11的独立信号控制；此外，上位机25直接控制双目相机11和下视相机13的曝光时间。
按照本发明地另一个优选实施方式，通过下列方法步骤完成微墨滴沉积观测：①相机标定：首先进行双目相机图像大小、亮度信息以及高度位置标定，然后再进行下视相机、双目相机和喷头相对位置标定，让下视相机与双目相机的焦点重合，并记录此时的位置信息S0；②硬件参数设定：根据观测条件确定观测视场以及相机放大倍数；③计算光源曝光时间Δt及延时tm：根据待观测的微墨滴数、芯片尺寸以及墨滴飞行速度计算需设定的光源曝光时间及延时；④像素坑定位：调整双目相机、喷头和指定像素坑位置，使得双目相机的焦点与像素坑位置重合，喷头处于指定像素坑正上方，并记录基板此时的位置为初始位置S1；⑤频闪采图：双目相机基于频闪采图方案采集当前墨滴在t1时刻的状态图像，下视相机采集当前墨滴沉积铺展后图像；⑥不断地将基板移动到起始位置S1，重复⑤过程获取全部微墨滴在tn,1(n＝1,2……)时刻的状态图像Fn,1(n＝1,2……)(tn,m表示第n滴墨滴的第m个状态，对应的图像记作Fn,m)；⑦修改延时tm，不断更换基板并且重复④～⑥过程，获得沉积过程完整图像序列Fn,m(n＝1,2……,m＝1,2……)，图6是示范性地说明微墨滴沉积过程观测的图像序列示意图；⑧运动目标提取：对获取的完整图像序列Fn,m进行运动目标的提取，并且重新进行排序；⑨沉积过程三维重建：通过对⑧获得的完整双目相机图像序列进行墨滴沉积过程三维重建；⑩沉积参数规律估计：根据⑧获取得到的完整图像序列，测量铺展直径、沉积高度以及铺展面积并且进行相关拟合，获取微墨滴沉积铺展过程的沉积参数运动规律。
整个观测流程主要分作三个部分：①准备阶段：该阶段主要完成相机标定，硬件参数设定以及曝光延时等参数地计算；②观测阶段：该阶段主要基于频闪采图完成微墨滴沉积全过程观测，采集沉积全过程图像序列Pn,m(表示共n滴墨滴，每滴墨滴m个状态)；③图像后处理阶段：该阶段主要进行微墨滴运动目标提取、沉积过程三维重建以及沉积参数规律拟合。采用上述观测方法最终将获取微墨滴沉积全过程的高动态图像序列以及沉积参数规律。
按照本发明地一个优选实施方式，优先采用以下方式进行像素坑的定位：a)双目相机、下视相机移动到上述步骤①标定的位置，并且根据标定的结果确定下视相机与选定喷孔相对距离，记作Δx0；b)通过控制下视相机的运动轴，将下视相机移动到指定的像素坑，记录下视相机的移动距离Δx1；c)移动下视相机和喷头运动轴运动Δx0,使选定喷孔对准指定的像素坑，并且记录此时像素坑基板的位置信息S1；d)移动双目相机Δx1的距离让双目相机焦点与指定像素坑重合。
更具体地参考图7所示，由于沉积观测中的像素坑和微墨滴都是um级，在正式观测前必须将调整双目相机的焦点与指定像素坑重合，而由于双目相机景深限制，无法从水平方向看到像素坑形貌，因此必须通过相机标定将双目相机与下视相机焦点重合，再通过图7所示步骤完成像素坑的对位。
按照本发明地另一个优选实施方式，优选采用以下方式进行频闪采图：a)通过上位机设定好双目相机及其配套光源相对于同步触发卡的触发信号的延时tm和脉宽以及相机的曝光时间Δt；b)基板四轴平台开始运动，每运动到一个像素坑，喷头便接收位置编码器信号喷出1滴墨滴；c)双目相机和光源接收到同步触发卡的触发信号延时触发一次；d)重复b和c过程，直到相机完成一次曝光，在这期间光源多次频闪，采集到墨滴在tm时刻的状态图像。
图8是频闪原理以及控制信号波形图，其中S1、S2和S3分别表示运动物体的运动信号、光源频闪信号以及相机曝光信号。从图中可以直观的看出在一个相机曝光时间内光源频闪了多次，并且每次频闪都记录了可重复运动的物体在同一时刻的状态信息，最后曝光结束，多次采集到的信息叠加后便等效的得到了运动物体在某一时刻的状态图像。在实际地微墨滴沉积观测中，为了保证微墨滴沉积地稳态可重复，需要精确保证微墨滴在像素坑地落点位置，因此这里增加了一组信号S0，S0表示的是平台的运动位置信息，由位置编码器实时记录，每一个波的上升沿表示平台运动到了指定像素坑，可以保证每次墨滴相对于像素坑的落点位置相同，实现微墨滴沉积的稳态可重复，保证观测方法可行性。图9是频闪观测的主要流程图，通过在一个相机曝光时间内，记录微墨滴在不同像素坑的相同时刻tm图像信息，等效获得微墨滴在tm时刻的瞬时图像。
综上所述，按照本发明的墨滴沉积过程观测的装置及方法，可以实现对高动态的微墨滴沉积过程进行高分辨率、高帧率的多角度捕获。解决了高速相机高帧率下分辨率较低的问题以及普通工业相机帧率较低的问题，在一定程度上填补了观测微墨滴沉积过程实验装置的空白，同时提出了微墨滴沉积过程中运动目标提取方法以及沉积参数变化规律拟合方法，可以获取去背景后的微墨滴运动图像，并拟合得到沉积参数变化规律d＝f(t)、h＝f(t)和S＝f(N)。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含再本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于喷墨打印的微墨滴沉积过程观测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将双目相机与基板布置在同一平面，下视相机布置在基板上方；
(2)将微墨滴在基板上的沉积过程按时间顺序分为多个状态，针对每个状态设定对应的相机曝光时间及延时；
(3)向基板喷印微墨滴，启用双目相机采集预定状态下的微墨滴沉积图像，启用下视相机采集微墨滴沉积铺展后图像，得到喷印过程完整图像序列；
(4)对完整图像序列提取运动目标，进而依据目标图像序列进行三维重建，由此完成微墨滴沉积过程观测。
2.根据权利要求1所述的微墨滴沉积过程观测方法，其特征在于，所述相机曝光时间及延时按照如下方式设定：
曝光时间
Figure FDA0003277174400000011
式中，D0、Dsize和v分别表示相机感光芯片的物理尺寸、分辨率以及墨滴飞行速度，α表示成像系数，0<α<1；
光源延时
Figure FDA0003277174400000012
式中，t0表示所观测的微墨滴在空中的飞行时间，m表示微墨滴沉积过程的第m个状态，m>1，H表示预获取的图像序列的帧率。
3.根据权利要求1所述的微墨滴沉积过程观测方法，其特征在于，所述下视相机、双目相机的焦点通过相机标定重合，同时通过像素坑的对位与基板像素坑位置重合。
4.根据权利要求1或2或3所述的微墨滴沉积过程观测方法，其特征在于，所述步骤(4)按照如下方式提取目标：
(41)获取初始相机光晕背景模型，记作
Figure FDA0003277174400000021
(42)将当前微墨滴沉积图像与当前背景模型进行差分，得到微墨滴运动区域标识图
Figure FDA0003277174400000022
Figure FDA0003277174400000023
其中的σδ(Fi(x,y))采用如下公式计算：
Figure FDA0003277174400000024
式中，
Figure FDA0003277174400000025
表示经过背景差分后的微墨滴运动区域标识图，Fi(x,y)表示当前帧微墨滴沉积图像，
Figure FDA0003277174400000026
表示当前相机光晕背景模型；M和T分别是背景差分阈值和邻域相似性阈值；
σδ(Fi(x,y))函数评估当前像素点δ邻域范围内的像素值相似性，式中的x*和x分别表示像素点(x+i,y+j)和像素点(x,y)；
(43)根据微墨滴背景差分结果更新相机光晕背景模型：
Figure FDA0003277174400000027
Figure FDA0003277174400000028
(44)根据所述微墨滴运动区域标识图提取微墨滴运动区域，获得去背景的微墨滴沉积图像
Figure FDA0003277174400000029
5.根据权利要求4所述的微墨滴沉积过程观测方法，其特征在于，按如下方式提取微墨滴沉积过程的初始相机光晕背景模型
Figure FDA00032771744000000210
(411)对微墨滴图像序列相邻帧间进行差分，差分结果如果有孔洞则进行孔洞填充为运动区域：
Figure FDA0003277174400000031
式中，Si(x,y)＝1表示是微墨滴运动区域，0表示非运动区域；
(412)逐像素分析并累积记录非运动区域像素值信息：
Figure FDA0003277174400000032
(413)生成初始相机光晕背景模型
Figure FDA0003277174400000033
Figure FDA0003277174400000034
式中，N(x,y)表示点(x,y)是非运动区域的累计次数。
6.根据权利要求4所述的微墨滴沉积过程观测方法，其特征在于，还包括(5)沉积参数规律估计步骤，具体为：
(51)在微墨滴沉积运动图像中测量每滴墨滴在ti时刻的沉积铺展直径，记作di；
(52)将di作为样本，使用非线性模型进行参数拟合：
d″+ad′+bd＝0
并且利用差分法对di进行微分计算d′i和d″i；
(53)通过n个代数误差和最小计算拟合方程的系数解向量h＝[1；a；b]：
Figure FDA0003277174400000035
式中的ai＝[d″i,d′i,di]；
(54)根据(53)求得的系数求解该微分方程得到解d＝f(t,C1,C2)，通过对样本数据进行线性拟合便可以确定解中的待定系数C1和C2，得到沉积过程中的微墨滴沉积铺展直径规律d＝f(t)；
(55)测量ti时刻微墨滴沉积高度hi，重复步骤(51)-(54)，得到微墨滴沉积高度规律变化h＝f(t)；
(56)通过下视相机测量得到的Ni滴微墨滴沉积后的铺展面积Si，重复步骤(51)-(54)，得到微墨滴沉积铺展面积的变化规律S＝f(N)。
7.一种实现权利要求1-6任意一项方法所述的微墨滴沉积过程观测装置，其特征在于，包括：
视觉观测单元，包括一组双目相机和配套的光源，以及一台下视相机及其配套的同轴光源；双目相机采用两套使用频闪光源的相机，用于采集预定状态下的微墨滴沉积图像；下视相机用于采集微墨滴沉积铺展后图像；
信号控制单元，包括同步触发卡、光源控制器和上位机，同步触发卡用于输出光源控制器和相机的同步控制信号，上位机用于输出同步触发卡的控制信号以及相机的曝光时间和延迟时间；
三维重建单元，用于对采集的图像序列提取运动目标，进而依据目标图像序列进行三维重建，由此完成微墨滴沉积过程观测。
8.根据权利要求7所述的微墨滴沉积过程观测装置，其特征在于，还包括位置编码器，用于将基板像素坑位置反馈给喷头主板，喷头主板判定像素坑到达预定位置后输出喷射信号，所述同步触发卡以所述喷射信号为触发源。
9.根据权利要求7或8所述的微墨滴沉积过程观测装置，其特征在于，还包括机械辅助单元，包括相机镜头支架、光源调节支架、微调平台，所述相机镜头通过相机镜头安装支架安装在所述微调平台上，透过所述微调平台对所述相机镜头调焦；所述的配套LED光源安装在所述光源调节支架上，通过光源调节支架实现所述LED光源的自由角度调整。
10.根据权利要求7或8所述的微墨滴沉积过程观测装置，其特征在于，还包括运动单元，其包括基板四轴运动平台、喷头三轴运动平台、安装底板两轴运动平台和运动电机；其中，所述基板四轴运动平台用于放置和调整基板位置；所述喷头三轴运动平台用于放置和调整喷头以及所述下视相机及其配套同轴光源的位置和姿态；所述安装底板运动平台用于整个双目相机组的两轴运动；所述运动电机布置在各运动轴上实现各运动轴的独立运动。
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CN115071275A (zh) * 2022-05-25 2022-09-20 复旦大学 一种墨滴观测仪位置校准方法及系统

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