JP2014522481A - 射出されたインクの撮像 - Google Patents

Abstract

一般的に、１つの態様において、レーザが、インクジェットのオリフィスから射出されたインクを撮像する際に用いられる、射出されたインクを照明するコヒーレント光を生じ、射出されたインクの撮像におけるコヒーレント光によって生じるスペックルの影響を低減するための装置が用いられる。

Description

関連出願への相互参照

本願は、２０１１年５月１１日に出願された米国特許出願第１３／１０５，３７３号による優先権を主張するものであり、その内容全体を本願に組み込む。

本記載は、射出されたインクの撮像に関する。

インクジェットヘッドのオリフィス（ノズルとも呼ばれる）から射出され基体に向かうインクを撮像することは、例えば、ヘッドを設計または構築する際や、インクを射出するための動作プロトコルを定めるまたは変える際に、有用であり得る。

本発明は、インクジェットのオリフィスから射出されたインクを撮像することを課題とする。

本願明細書に記載される、射出されたインクの撮像は、以下の態様、特徴および実装例等の１以上を特徴とする。

一般的に、１つの態様において、レーザが、インクジェットのオリフィスから射出されたインクを撮像する際に用いられる、該射出されたインクを照明するコヒーレント光を生じ、この射出されたインクの撮像におけるコヒーレント光によって生じるスペックルの影響を低減するための装置が用いられる。

実装例は、以下の特徴の１以上を含み得る。スペックルの影響を低減する装置は、コヒーレント光を少なくとも部分的にインコヒーレントにする装置を含む。スペックルの影響を低減する装置は、コヒーレント光の波面の位相の性状を変えるよう構成される。変えられる波面の位相の性状は、時間的、空間的、または時間的かつ空間的なものである。スペックルの影響を低減する装置は、コヒーレント光が通過するディフューザを含む。

撮像における回折効果を低減する要素が設けられる。この要素はレンズを含む。レンズはシリンドリカルレンズを含む。レンズは、射出されたインクの軸に対して概ね平行な光軸を有する。レーザは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを含む。トリガが、コヒーレント光を射出されたインクと同期させる。スペックルの影響を低減する装置はディフューザを含む。回折効果を低減するためのシリンドリカルレンズも設けられる。シリンドリカルレンズはフレネルレンズを含む。撮像のためのビデオカメラも設けられる。

コヒーレント光のフラッシュは、少なくとも１０メートル／秒の速度で移動する射出されたインクのモーションブラーのない撮像を可能にするのに十分短いものである。レーザは、３マイクロメートル未満の関心特徴部を有する射出されたインクの撮像を可能にする明るさのコヒーレント光を生じる。撮像はビデオを含む。撮像は単一の画像を含む。撮像は、１５Ｈｚまでの周波数（または、幾つかのケースでは１５Ｈｚより高い周波数）でキャプチャされた一連の画像を含む。撮像は、実像の２０倍までの（または、幾つかのケースでは実像の３５倍までの、またはそれより高い）光学倍率を含む。

一般的には、１つの態様において、インクジェットのオリフィスからインクが射出され、移動中の射出されたインクにレーザからのコヒーレント光が照射され、移動中の射出されたインクが撮像され、撮像された射出されたインクに対する、コヒーレント光によって生じるスペックルの影響が低減される。

実装例は、以下の特徴の１以上を含み得る。スペックルの影響を低減することは、コヒーレント光を少なくとも部分的にインコヒーレントにすることを含む。スペックルの影響を低減することは、コヒーレント光の波面の位相の性状を変えることを含む。位相の性状を変えることは、位相の時間的若しくは空間的性状、または時間的性状および空間的性状を変えることを含む。コヒーレント光のフラッシュは、射出されたインクの動きと同期される。撮像は、単一の画像、一連の画像またはビデオをキャプチャすることを含む。撮像は、撮像における射出されたインクを実像の少なくとも１０倍に拡大することを含む。コヒーレント光のフラッシュは、少なくとも１０メートル／秒の速度で移動する射出されたインクのモーションブラーのない撮像を可能にするのに十分短いものである。３マイクロメートル未満の関心特徴部を有する射出されたインクの撮像を可能にする明るさのコヒーレント光を生じる。

上記および他の特徴および態様、並びにそれらの組み合わせは、機能やビジネス方法等を実施するためのシステム、構成要素、装置、方法、手段または工程として表現され得る。

他の特徴、態様、実装例および長所は、本明細書の記載および特許請求の範囲から自明である。

インクの射出の模式的な斜視図 光学的構成の模式的な斜視図 光学的構成の模式的な斜視図 一連の画像を示す図 画像を示す図 画像を示す図

図１に示されるように、インクジェットプリント中に、インクジェットプリントヘッド１０（模式的に図示されている）のオリフィスプレート２５のオリフィス２０から射出されたインク５は、最初はインク流１１として、オリフィスから射出軸３０に沿って放出される。インク流は、目標の基体８０（例えば、印刷が行われる紙、布または他の媒体）に向かって小さい間隙７０（図面では縮尺通りではない）を通過する際に、急速に（数マイクロ秒以内に）複雑な変形を経て、例えば１以上のインク液滴６０を形成する。この変形の詳細は図３に示されており、以下で論じる。ここで用いるインクの射出という用語は、広い意味で、例えば、ノズルまたはオリフィスから液体を任意の方法で推進させることを指す。

幾つかの実装例では、各インク液滴６０は、数マイクロメートル（例えば、３０μｍ未満、２０μｍ未満、１０μｍ未満、５μｍ未満）の直径と、１０ピコリットル（１０^−１２ｌ）台またはそれ未満（例えば、約２ピコリットル）の体積とを有する。幾つかのケースでは、インク流の変形の際に、インクの１以上のサテライト液滴６５も形成される。各サテライト液滴６５は、例えば、主たるインク液滴６０の後方または前方に生じ得る。各サテライト液滴６５は、例えば、約２μｍの小さい直径と数フェムトリットル（１０^−１５ｌ）の体積とを有し得る。

射出されたインクのインク流１１、液滴６０、およびサテライト液滴６５の全ては、本明細書において、射出インク特徴部と呼ぶものを表す。インクを射出して基体へと送出する過程において、他の形状、サイズ、体積、および数の射出インク特徴部も形成され得る。

図１に模式的に示されるように、インクの射出は、一組（一般的に各オリフィスにつき１つずつ）のアクチュエータ１５に電気波形または信号１３を送信する波形発生器１２によってトリガされて制御される。インクジェットの設計および構成（例えば、オリフィス、インクチャンバおよびアクチュエータの形状）並びにアクチュエータ１５に印加される波形は、インクの射出の特性に影響する。これらの特性は、インクがオリフィスから出る速度、射出されたインクの体積、インク流の形状、インクが射出された際に形成される射出インク特徴部の数、サイズ、形状および体積、射出されたインクが基体に向かって移動する際のインクの経時的変形等を含み得る。特に、サテライト液滴をなくすことができ、または所望のインク液滴プロファイルを得ることができる。

インクジェットヘッドおよび関連する装置を設計、製造および運転する際、インクの射出における所望の特性を達成するためにインクを選択および設計する際、並びにインクの射出における故障モード（サテライト液滴の発生、射出方向性問題、液滴形成の不安定性、射出周波数および／または発射ジェット数やジェット・デス（jet death）等の関数としての液滴出力の変化等）を理解する際に、射出されたインクおよびそのインクの射出開始から基体に至るまでの非常に短い時間におけるインクの変化の詳細の画像、一連の画像およびビデオを生成し、格納し、分析し、追跡し、使用することは有用である。ジェット・デスとは、完全に機能を停止したジェットを指す。機能しているジェットから機能しないジェットへの遷移を観察可能な場合もあり、これは故障モードに関する情報を提供する。

ここで用いる撮像という用語は、非常に広くは、例えば、瞬間、近接した一連の時間または離間した時間における、画像、一連の画像、ビデオまたは他の任意の種類の視覚的または図式的表現をキャプチャする任意の技術や機器、並びにそのような視覚的または図式的な表現の解析、追跡、操作、処理、再生、格納、結合または分離を行うための任意の技術や機器を含む。

特に、射出されたインクを撮像することは、インクジェットプリントヘッドの性能の最適化、液滴の挙動の研究、波形の設計、射出の故障モードの理解、様々な異なるインクジェット設計の研究、および入力波形に対するインクジェットの応答の評価の補助となる。（ここで用いるインクジェットという用語は、例えば、特に、液体が射出されるオリフィスと、波形に応答してオリフィスから液体を射出させる要素とを有する装置を含む。）
また、射出されたインクを撮像することは、液滴形成（例えば、後尾部の分裂、サテライト形成）およびオリフィスにおけるメニスカス形成の研究の補助となる。後尾部の分裂とは、例えば、インク流の後端部（ノズルに近い部分）の切断点におけるインク流の切断を指し、それによりインク流の（切断点のノズル側とは反対側の）部分が合体して略球形のインク液滴を形成する。サテライト形成とは、例えば、（主たる）インク液滴より小さい（例えば、２０分の１より小さい、１０分の１より小さい、５分の１より小さい、２分の１より小さい）１以上のインク液滴の形成を指す。射出されたインクは非常に速く（２５メートル／秒台で）移動し得るため、および射出されたインクが目標の基体に向かって移動する際に形成されるインク液滴および他の特徴部は非常に小さいもの（フェムトリットル台）であり得るため、射出されたインクおよび特徴部の画像の形成には多くの光が必要である。

小さいインク特徴部（マイクロメートル台のサイズ及び数フェムトリットル〜数ピコリットルの体積を有する）を良好に撮像するには、高い倍率と、そのための比較的高強度の光とが必要である。

更に、露光時間が長過ぎると、射出されたインクの（例えば、１０ｍ／ｓ、１５ｍ／ｓ、２０ｍ／ｓまたは２５ｍ／ｓより高い）高速度により、キャプチャされた画像にモーションブラーが生じ得る。例えば、露光が、インク液滴がその直径に等しい距離を移動する時間にわたる場合には、得られる画像は、多数の位置のインク液滴の画像の重ね合わせによって生じるモーションブラーを示す（即ち、スメアが生じた画像）。このことは、短い露光時間の必要性を示唆している。

一方、射出されたインクの一連のフレームのハイスピード動画またはビデオをキャプチャする際には、カメラは高いシャッターレート（１秒当たりのシャッターサイクル数、例えば５０ＭＨｚ以上）で操作される。この場合、各フレームの「シャッター開放」時間は、少なくとも比較的低強度の光源を用いた場合には、各フレームにおいて射出されたインクの十分な撮像を行うには短過ぎるものとなり得る。

画像の露光時間は、撮像装置（例えば、デジタルビデオカメラ）のシャッターが開いている長さによって、またはシャッターが開いている間に露光に用いられるフラッシュ光の持続時間によって、またはそれらの組み合わせによって決定され得る。ムービーカメラまたはビデオカメラの機械的または電子的シャッターが開いた後に閉じることができる速さには限度がある。

たとえ、可能な最も短いシャッター開放時間でも、モーションブラーを防止するには長過ぎ、シャッターが開いている時間よりも短いパルス光またはフラッシュ光を送出できる光源を用いることによって、モーションブラーを低減または解消できる。光源は、複数の画像を（例えば、順々に）生成するための一連のシャッター開放と同期して、繰り返しパルス動作を行う。強く短いフラッシュ光を用いることで、必要な程度の倍率を可能にするための十分な照明を提供しつつ、モーションブラーを低減することが可能になる。２５ｍ／ｓで移動する、直径が１μｍのインク液滴は、その直径に等しい距離を４０ｎｓで移動する。得られる画像のモーションブラーを解消するには、光源は、４０ｎｓ未満のパルス幅が可能なものであるべきである。

発光ダイオード（ＬＥＤ）をパルス動作させて、４０ｎｓ未満のパルス幅を有するパルス光を得ることができるが、出力強度は比較的低い。アルゴンまたはキセノンフラッシュランプは、２００μｓ台の比較的長いパルス幅の高強度の光を提供する（しかし、少なくとも１つのベンダーは、ノミナルのパルス幅が４０ｎｓのアルゴンフラッシュランプを製造している）。

パルスレーザ源は、高強度で短いパルス幅の光を提供できる。コヒーレントレーザ光（それ自体または別の光源と空間的および／または時間的に特定の位相関係を有する点でコヒーレントであるレーザ光）では、コヒーレント光のそれぞれ異なる部分が干渉して、一組の波面の相互干渉によって生じる干渉縞（ランダムな強度のいわゆるスペックルパターン等）を生じ得る。スペックルを低減する１つの方法は、コヒーレント光を分割し、分割されたコヒーレント光を、それぞれ異なる光路長を有する複数の光学要素を介して平行して送り、その後、それらの光学要素を通過した光を再びコリメートすることである。

射出されたインクの撮像の幾つかの例では、蛍光色素要素を含むディフューザをコヒーレントレーザ光のビーム経路に配置し、コヒーレントレーザ光のコヒーレンスを低減または解消する。一般的に、ここで用いるディフューザという用語は、例えば、光を拡散または散乱させて、ソフトな光と呼ばれ得るものにする任意の装置を指す。幾つかの例では、蛍光色素ディフューザは、ディフューザに入射したコヒーレントレーザ光を吸収して、非コヒーレントな、入射光に対してシフトされた波長を有する特定の色の光の二次的なバーストを発する。

幾つかの実施形態では、ディフューザとして、ＬａＶｉｓｉｏｎの高効率ディフューザ光学素子（部品番号１１０８４１７）が用いられる。このディフューザの高い効率（５３２ｎｍから５５０〜６００ｎｍへの変換効率が３０％）により、射出されたインクに届く光量は高いままであり、撮像倍率は、例えば、公知のシステムの倍率の１０倍という高い倍率になり得る。ＬａＶｉｓｉｏｎの高効率ディフューザ光学素子からの出力光の直径は１２０ｍｍである。可能な倍率の上限は、画像の観察および解析に必要な撮像検出器に記録される最小画像コントラストに基づいて決定される。

図２において、インクジェットプリントヘッド１０のオリフィス（例えば、ノズル２０）から射出されたインクを照明するための照明系３００は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ３２０を駆動および制御するために接続（３１１）されたレーザ増幅器およびコントローラ３１０を含む。レーザは、ビーム３２１を蛍光色素ディフューザ３３０へと送出する。光ファイバ３４０の一端部３４１はディフューザ３３０に接続されており、他端部３４３はビームコリメータ３５０に接続されている。ここで用いるビームコリメータという用語は、例えば、ビームの伝搬方向を或る方向（例えば、コリメートされた、即ち平行な方向）により揃えさせる任意の装置を含む。コリメートされた光のビームは、例えばほぼ平行な光線を有するため、ビームが伝搬するにつれてゆっくりと広がる。

ビームコリメータ３５０から出た光３４９はコヒーレントではなく、例えば１２０ｍｍの直径を有する。この出力光は、線形レンズ３６０（例えば、シリンドリカルレンズ）によって、オリフィスの１つによって射出されたインク３４７上に集束される。一般的に、レンズは、光を透過および反射し、光のビームを収束または発散させる光学素子である。線形レンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）は、光を１つの次元（このケースでは次元Ｃ）のみにおいて収束または発散させる。図２に示されている例では、集束した光の垂直方向の長さが、射出されたインクの射出軸３０に沿った長さの一部のみをカバーしている。別の構成では、長い線形レンズからの集束した照明によって、全長を照らすことも可能である。

線形レンズ３６０から出た光（照明光４０として示されている）は、射出インク特徴部６０を照明する。集束した照明の照射野から反射され送られた光は、光検出器５０（例えば、射出されたインクの画像をキャプチャするセンサ５１を有するデジタルカメラまたはデジタルビデオカメラ）によって検出される。検出器５０は、単一の画像を記録することに加え、一連の画像や動画も記録できる。

幾つかの実施形態では、ＬａＶｉｓｉｏｎのＮｄ：ＹＡＧデュアルキャビティ・パルスレーザ（部品番号１１０３０３２）からディフューザに、５３２ｎｍのレーザ光のビームが、各パルスが５ｎｓのパルス幅を有する３０ｍＪのパルスとして、１５Ｈｚの繰り返し数で送出される。このＬａＶｉｓｉｏｎのレーザは、レーザヘッド３２０と、コントロールパネル３０５が統合された単一の電源３０６とを含む。

セントラルタイマーモジュール（ＣＴＭ）２０１は、検出器５０に送信されるトリガ信号２０５およびトリガ信号２１０を調和させる（同期させる）。レーザ増幅器およびコントローラ３１０には分割信号２１２が送信される。トリガ信号２１０は、レーザヘッド３２０からレーザパルスのフラッシュが発せられる２００μｓ前に、検出器５０にそのシャッターを開かせる。この２００μｓの遅延は、レーザ増幅器３１０に関連するＱスイッチ遅延を考慮したものである。Ｑスイッチとは、レーザがパルス出力ビームを生じることができるようにする技術である。レーザ増幅器およびコントローラ３１０（例えば、ＬａＶｉｓｉｏｎレーザ）は、ＣＴＭ２０１からの入力（例えば、分割信号２１２）に基づき、各パルスを発射することができる。ＣＴＭ２０１は３つの信号（２０２、２０５および２１０）を生成し（それらの関係はソフトウェアによって制御される）、これらの信号は、検出器５０およびレーザの電源３０６の入力を駆動する。トリガ信号２０５（「ストロボ」出力）は、信号２０２（「発射」パルス）の開始後の液滴の観察が所望される時間だけ、信号２０２（「発射」出力）に対して遅延される。トリガ信号２１０（「カメラ」出力）は、検出器５０のシャッターをトリガすると共に、レーザの発射を開始させる（Ｑスイッチの最適時間は比較的一定であるため、これは「ストロボ」出力でのレーザのＱスイッチより一定時間（約２００μｓ）前に生じる）。

図２Ｂは、図２Ａとは異なり、ＬＥＤストロボ２１１が、レーザ増幅器およびコントローラ３１０と同じ方法でトリガ信号２０５（「ストロボ」出力）に接続されている。幾つかの実装例では、ＬＥＤストロボ２１１は、レーザを含まないシステムで用いられる。幾つかの実装例では、適切な場合には、レーザシステムおよびＬＥＤストロボ２１１が共に用いられる。ＬＥＤストロボを用いる場合には、検出器５０における数マイクロ秒の信号伝搬遅延のため、ＬＥＤストロボ２１１からフラッシュが発せられるより僅かに前に検出器５０のシャッターを開くのが有利である。また、ＣＴＭ２０１は、波形発生器１２（図１）を含むプリントヘッド増幅器１７に信号２０２を送信する。プリントヘッド増幅器１７は、プリントヘッド１０に信号２０３を送信して、アクチュエータにノズル２０からインクを射出させる。

スペックルパターンのない高強度の短いパルスを生じる際のディフューザ３３０の高い効率によって可能となる高い倍率では、画像に対する撮像光学系の回折効果がより目立つようになる。回折効果は、射出インク特徴部の周囲の光のハローを含み得る。撮像の光路にシリンドリカルレンズ３６０（例えば図２）を追加すると、観察される回折効果が実質的に低減される。シリンドリカルレンズが光を集束させる軸３６２を、射出されたインクが移動する方向３０に対して平行に揃えることにより、液滴や他の射出インク特徴部の長さに沿った回折を実質的に低減できる。

シリンドリカルレンズを用いる際には、コリメータ３５０の縁部（ビームの中心経路３５３から離れた光路３５１および３５２を有する）からの光が、画像５５のエッジ５６の鮮鋭度を低下させる可能性がある。一般的に、照明源の開口数（ＮＡ）は、検出器５０におけるカメラ５０のレンズのＮＡと一致する（例えば、等しいものである）べきである。

幾つかの実施形態では、シリンドリカルレンズの代わりに、適切な集光レンズ（例えば、球面レンズ）が用いられ得る。幾つかの実施形態では、シリンドリカルレンズはフレネルレンズである。幾つかの実施形態では、６インチ（１５．２４ｃｍ）の焦点距離を有するＥｄｍｕｎｄｓＯｐｔｉｃｓのＮＴ４６−１１４フレネルレンズを用いることができる。

再び図１の模式的な例を参照すると、撮像光４０は、ノズルプレート２５の平面２６に対して角度θをなす光路４５に沿って、サテライト液滴６５およびインク液滴６０を照明する。軸３０は、インクが射出される方向を示す（インクジェットヘッドは基体に向かって下方向に射出が生じるよう配向されることが多いため、インクが落下する方向とも言う）。軸３０は、ノズルプレート２０の平面２５に対して垂直である。撮像光４０は、ノズル表面から反射され、検出器５０によってキャプチャされる。或いは、光路は、光が光源から直接検出器へと移動するように、ノズル表面に対して本質的に平行であってもよい。検出器５０は、ズームレンズおよび対物レンズ等の撮像光学系を含み得る。射出インク特徴部６０は照明光４０を遮り、その影が検出器５０に投影される。或いは、同軸照明の場合には、照明が射出インク特徴部６０から反射されて検出器５０によって撮像され得る。同軸照明は、検出器５０に取り付けられた光学系にビームスプリッタを配置して、検出器に戻る光が辿る経路と同じ経路に沿って（但し反対方向に）光を進ませることができるようにすることを含む。

図１において、ノズルは、ノズルプレート２０にグリッドパターン２１で配列されている。しかし、他の配列も可能である。幾つかの実施形態では、各ノズル２０は、２２μｍの寸法を有する。幾つかの実施形態では、角度θは約１５°であり得る。撮像光学系の焦点深度および照明光の入射角によっては、意図せずまたは意図的に、２以上のノズルから射出されたインクが画像にキャプチャされ得る。幾つかの実施形態では、検出器５０は、外部トリガモードで動作するＳｏｎｙのＸＣＤ−Ｘ７１０ビデオカメラである。外部トリガモードは、ビデオカメラをインクの射出と同期させることを可能にするものである。検出器５０は、ＯｐｔｅｍのＺｏｏｍ７０ＸＬズームレンズおよびＭｉｔｕｔｏｙｏのＭ Ｐｌａｎ ＡＰＯ１０Ｘ対物レンズを含み得る。

射出をビデオカメラと同期させるために、先に図２を参照して説明したように、インクの射出をトリガするために波形発生器１２からアクチュエータ２５に送信される信号１３が、ビデオカメラにも供給される。これらの信号１３は、カメラに、各信号１３の受信から一定時間後に、（例えば、撮像のために光をキャプチャするためにカメラのシャッターを開くことにより）連続した画像フレームの各々の画像データの取得を開始させる。同じ信号または関連する信号を、レーザからのパルスの発射をトリガするために用いることもできる。

幾つかの実施形態では、レーザパルスは５ｎｓのパルス幅を有し、カメラの露光時間は、Ｑスイッチ遅延を考慮して、２０ｎｓより長く、または２００μｓより長く設定され得る。実際には、幾つかの実装例では、露光時間は、１／５秒または約２００ｍｓであり得る１／フレームレートであり得る。同期された動作モードでは、レーザパルスを、ノズル２０から出る射出されたインクを照明する時に選択的に発射することができ、ビデオカメラはこの画像をキャプチャするようタイミング合わせされる。露光時間は、少なくとも部分的にはレーザパルスの長さによって決定される。例えば、レーザパルスの全幅の光によって生成される画像をキャプチャするためには、露光時間はレーザパルスのフラッシュより長く設定される。しかし、非常に短いレーザパルス（例えば、約５ｎｓ）の場合には、シャッター速度の限度により、カメラの露光時間はレーザパルスより長くなる。長いカメラの露光時間が迷光のキャプチャにつながる状況を除き、レーザパルス幅と比較して長いカメラの露光時間は、画像のキャプチャには幾分不適切である。

図３の、ノズル２０から射出されているインクの一続きの画像Ａ〜Ｓは、約２０ｘの光学倍率および２０ｎｓ未満の各露光で記録されたものである。撮像のフレームレートは５Ｈｚとした。このフレームレートでの撮像では、ビデオ表示を直接観察した際の液滴の画像は、人間の視覚系（例えば、目または脳）における画像のレイテンシーによって平均化されない。この一続きの画像の各画像は、それぞれ異なる発射パルスによって生成された異なる液滴のものである。このように、たとえ一連の画像が同じ液滴の画像でなくても、射出されたインクの特徴を研究するために、液滴形成の再現性に依存することができる。インクが１５ｋＨｚで射出され、撮像のフレームレートが５Ｈｚである幾つかの実装例では、画像間で３０００の液滴が発射される。この次々と発射される射出されたインクの再現性は、圧電インクジェット技術の特性である。

この例の一続きの画像では、インク５は、まずインク流１１としてノズル２０から射出された。次に、例えば、インク流１１の下部１６において、インクの１以上の液滴が形成された。インク流１１の上端３０４（インク流の「後尾部」ともいう）が切断点３０５において切断されると、切断されたインク流３０７の上部３０６に球形の液滴３３１が形成された。インク流の後端部３０８には、１以上のサテライトインク液滴６５も形成された。画像の縮尺比およびトリガパルスに対する画像の撮影時間がわかっているため、単一の画像における液滴サイズおよび液滴速度を決定できる。

画像Ａは、ノズル２０からインクを射出するための電気波形がアクチュエータ１５に印加される前にキャプチャされたものである。画像Ｂは、ノズル２０から出るインク３０２の体積をキャプチャしたものである。ノズルの上方にあるように示されているインクの体積の部分３０１は、ノズルの下方にあるインクの体積３０２の光学的反射である。画像Ｃ〜Ｄは、射出されたインクの初期速度に起因する運動量およびインクの表面張力の影響下で、細くなるインク流１１として延びているインクの体積を示す。画像Ｅ〜Ｉでは、インク流は延び続けている。この期間においては、インクの表面張力および射出されたインクの初期速度により、インク流の下部１６に発生期の球形の液滴１４が形成され始める。

画像Ｉがキャプチャされた後、インク流の下部は撮像構成の視野（ＦＯＶ）から出た。ここで用いるＦＯＶという用語は、撮像構成によってキャプチャ可能な空間の範囲を含む。画像Ｋでは、ノズル２０から出たインク流が終端し始め、インク流がより細くなった。画像Ｍに示されるように、インク流の最上部３０３は球形の形状をとり始めた。画像Ｎでは、インク流が分裂し、球形の形状を有するインク流の上部が、残りのインク流３２０から離れて終端した。切断されたインク流３０７の最上部は、インクの表面張力により、より球形になり続けた。画像Ｏは、サテライト液滴またはミストと呼ばれる液滴として分裂した残りのインク流３２０を示している。画像ＣおよびＤのサテライト液滴は、前の液滴射出事象で生じたものであり、小さいサテライト液滴がゆっくりと移動して（０に近い速度を有し得る）、ＦＯＶから出るのに長い時間がかかる。サテライト液滴は、一般的に、次の液滴射出事象のインク液滴に取り込まれる。サテライト液滴の位置には大きなばらつきがあり、インク液滴の発射から時間が経つほど、ばらつきが大きくなる。例えば、インクが１０ｋＨｚで射出される場合には、サテライト液滴は約１００μｓの間漂い得る。サテライト形成は、主たる液滴（例えば、球形の液滴３３１）の形成よりも再現性が遥かに低いため、一般的に、サテライト液滴を画像Ｏ〜Ｓのフレーム毎に追跡することはできない。（図３に示されている一続きの画像のように）１μｓの間隔で同じ液滴を見るとしたら、１ＭＨｚのフレームレートを有する検出器が必要となる。

図４Ａおよび図４Ｂにおいては、線形レンズ３６０（例えば、シリンドリカルレンズ）を含む図２および図３の構成を用いて取得された画像は、回折の影響を受けている。シリンドリカルレンズ３６０（図２）は、照明光４０を、軸３０（図２）に沿ったより狭いプロファイルを有するように集束させる。図４Ａに示されているノズル２０は、２２μｍの幅を有する。ノズル２０は正方形であるが、照明光４０が例えば１５度の浅い角度で入射しているため、一方向において縮小されている。シリンドリカルレンズ３６０を用いた結果、射出されたインク５００は鮮鋭な輪郭を有している。射出されたインク５００は、上部の小さい球形の部分５０１がインク柱５０２によって下部の大きい球形の部分５０３に接続された形状を有している。射出されたインクの速度および表面張力によっては、上部および下部の球形の部分５０１および５０３並びにインク柱５０２が合体して、略球形の液滴を形成する。

図４Ｂは、シリンドリカルレンズを用いていない検出器における画像である。図４Ｂにおける倍率は、図４Ａにおける倍率の約半分である。最上部の長方形の構造体２４は、２２μｍの長さを有する同じノズル２０である。インク液滴５１０の左側の明るい光の縁部５１２は回折によるものである。この回折の存在は、この画像の倍率を更に高くしても、データ解析に有用ではないことを示唆している。より高い倍率では、回折によるアーチファクトの存在により、射出されたインクの特徴がますます不明瞭になる。

他の実装例も、以下の特許請求の範囲に含まれる。

５ インク
１０ インクジェットプリントヘッド
１１ インク流
１２ 波形発生器
１３ 信号
１５ アクチュエータ
１７ プリントヘッド増幅器
２０ オリフィス（ノズル）
３０ 射出軸
４０ 撮像光
５０ 光検出器
６０ インク液滴（射出インク特徴部）
６５ サテライト液滴
２１１ ＬＥＤストロボ
２１２ 分割信号
３００ 照明系
３１０ レーザ増幅器およびコントローラ
３２０ レーザ
３２１ ビーム
３３０ ディフューザ
３４７ インク
３５０ ビームコリメータ
３６０ 線形レンズ（シリンドリカルレンズ）

Claims (31)

1. インクジェットのオリフィスから射出されたインクを撮像する際に用いられる、該射出されたインクを照明するコヒーレント光を生じるレーザと、
   前記射出されたインクの撮像における前記コヒーレント光によって生じるスペックルの影響を低減する装置と、
   を備えることを特徴とする装置。
2. 前記スペックルの影響を低減する前記装置が、前記コヒーレント光を少なくとも部分的にインコヒーレントにする装置を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記スペックルの影響を低減する前記装置が、前記コヒーレント光の波面の位相の性状を変えるよう構成されることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記波面の位相の性状が、時間的に、空間的に、または時間的かつ空間的に変えられることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 前記スペックルの影響を低減する前記装置が、前記コヒーレント光が通過するディフューザを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 前記撮像における回折効果を低減する要素を備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 前記要素がレンズを含むことを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記レンズがシリンドリカルレンズを含むことを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 前記レンズが、前記射出されたインクの軸に対して平行な光軸を有することを特徴とする請求項７記載の装置。
10. 前記レーザがＮｄ：ＹＡＧレーザを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
11. 前記コヒーレント光を前記射出されたインクと同期させるトリガを備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
12. 前記スペックルの影響を低減する前記装置がディフューザを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
13. シリンドリカルレンズを備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
14. 前記シリンドリカルレンズがフレネルレンズを含むことを特徴とする請求項１３記載の装置。
15. 前記撮像のためのビデオカメラを備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
16. 前記レーザが、少なくとも１０メートル／秒の速度で移動する射出されたインクのモーションブラーのない撮像を可能にするのに十分短い前記コヒーレント光のフラッシュを送出するよう構成されることを特徴とする請求項１記載の装置。
17. 前記レーザが、３マイクロメートル未満の関心特徴部を有する射出されたインクの撮像を可能にする強度の前記コヒーレント光を生じるよう構成されることを特徴とする請求項１記載の装置。
18. 前記撮像がビデオを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
19. 前記撮像が単一の画像を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
20. 前記撮像が、１５Ｈｚまでの周波数でキャプチャされた一連の画像を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
21. 前記撮像が、実像の２０倍までの、またはそれより高い光学倍率を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
22. インクジェットのオリフィスから射出されたインクを撮像する際に用いられる、前記射出されたインクを照明するコヒーレント光であって、３マイクロメートル未満の関心特徴部を有する射出されたインクの撮像を可能にする強度を有する前記コヒーレント光を生じるレーザと、
    前記コヒーレント光を少なくとも部分的にインコヒーレントにすることにより、前記射出されたインクの前記撮像における前記コヒーレント光によって生じるスペックルの影響を低減する装置と、
    前記コヒーレント光を前記射出されたインクと同期させると共に、該コヒーレント光のフラッシュが少なくとも１０メートル／秒の速度で移動する射出されたインクのモーションブラーのない撮像を可能にするのに十分短くなるようにするトリガと、
    前記撮像のためのカメラと、
    を備えることを特徴とする装置。
23. インクジェットのオリフィスからインクを射出する工程と、
    レーザからのコヒーレント光を、移動中の前記射出されたインクに照射する工程と、
    移動中の前記射出されたインクを撮像する工程と、
    前記撮像された射出されたインクに対する、前記コヒーレント光によって生じるスペックルの影響を低減する工程と
    を備えることを特徴とする方法。
24. 前記スペックルの影響を低減する前記工程が、前記コヒーレント光を少なくとも部分的にインコヒーレントにすることを含むことを特徴とする請求項２３記載の方法。
25. 前記スペックルの影響を低減する前記工程が、前記コヒーレント光の波面の位相の性状を変える工程を含むことを特徴とする請求項２４記載の方法。
26. 前記変える工程が、前記位相の時間的若しくは空間的性状、または時間的性状および空間的性状を変えることを含むことを特徴とする請求項２５記載の方法。
27. 前記コヒーレント光のフラッシュを、前記射出されたインクの動きと同期させる工程を備えることを特徴とする請求項２３記載の方法。
28. 前記撮像が、単一の画像、一連の画像またはビデオをキャプチャすることを含むことを特徴とする請求項２３記載の方法。
29. 前記撮像が、該撮像における前記射出されたインクを実像の少なくとも１０倍に拡大することを含むことを特徴とする請求項２３記載の方法。
30. 前記コヒーレント光のフラッシュを、少なくとも１０メートル／秒の速度で移動する射出されたインクのモーションブラーのない撮像を可能にするのに十分短いものにすることを含むことを特徴とする請求項２３記載の方法。
31. ３マイクロメートル未満の関心特徴部を有する射出されたインクの撮像を可能にする明るさの前記コヒーレント光を生じることを含むことを特徴とする請求項２３記載の方法。

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