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注意间隔机器视觉於喷墨列印之应用
 

【作者: 兆鎂新提供】2018年06月19日 星期二

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自1970年代喷墨印刷在商业上广泛应用後,许多学者便持续地在这项技术上研发耕耘。喷墨印刷为一项无接触方式,将色彩精确且有效率地喷射於列印的媒介上。进一步解释,喷墨列印为一种增材制造(AM)的过程,常用於电子列印、直接列印、陶瓷、纺织等,甚至可运用在一些实验性质的液体或基质上,如生物建构过程中需要的人类干细胞列印、有机半导体及有机发光二极体等。


西瑞士科技应用大学工程系所iPrint研究室(The Institute for Printing)於2015年开始提供喷墨列印技术的相关课程,诚如iPrint在官网所表示:「喷墨列印(研究)本来就需要结合许多不同领域的知识与研究,特别是机械工程、化学,以及奈米科技。」在为期一星期的课程中,各领域的专家们齐聚一堂研习喷墨印表机系统相关的理论及其实际应用。


在课程中,iPrint使用The Imaging Source兆镁新DMK33GP031黑白工业相机。iPrint表示会挑选DMK 33GP031相机来辅助教学的原因,在於iPrint的喷墨印表机系统用来与相机连接的软体是Matlab、IC-Capture、IC-Measure。


高效能驱动程式组合使整合变得更简单且更有效率。偶尔,Matlab介面在展示较长时间的预览程式中,如搭配较低效能的电脑可能会产生一些问题。在这些情况下,进行测量前,就会使用IC Capture来替代,并且在「设定」中,我们也可将现时预览转换成Matlab。至於IC Capture为一项有用的工具,可轻松纪录影像结果,可用於测试相机设定及表现,iPrint将IC Measure与显微系统联用,由於极隹及多元的测量能力及相容性,IC Measure非常适用於显微系统中。


iPrint的喷墨印表机系统主要藉由Matlab驱动,而DMK 33GP031符合市面上所有驱动程式的要求,如同步化、解析度、色彩深度及帧速率等所有喷墨印刷分析所需要的元素。


对於很多喷墨列印分析而言,特别是体积的测量及须使用多种独立色版来完成的测量,需同时运用多台相机,而乙太网路介面能够事半功倍,以最小力气来装备所有控制装置。



图1 :  iPrint's 喷墨列印技术教育训练,DMK 33GP031 GigE黑白工业相机用於喷墨监测印刷分析。
图1 : iPrint's 喷墨列印技术教育训练,DMK 33GP031 GigE黑白工业相机用於喷墨监测印刷分析。

在课堂中,叁与人员学习到在列印过程中,决定列印品质的一个关键要素便是列印喷头本身。在模拟过程中关於喷墨有几个重要的控制因素:墨水的速度、方向、喷墨後分散的墨水位置以及墨水量,而操作人员必须即时且严谨地控制及调整这些因素,以达到及维持整个应用过程的准确性。


机器视觉可於列印过程中纪录喷墨的影像,进而帮助测量上述的控制因素,而此过程便是普遍熟知的喷墨监测分析(dropwatching)。喷墨监测分析有许多成像配置方式,各有其优点,例如喷孔片分析(nozzle plate analysis)、多台相机之喷墨监测(multi-camera dropwatching)、重叠成像(overlaid imaging)、多光波成像(multi-wavelength dropwatching)、以及列印间隔分析(dropwatching in the printing gap)等。


此外,在课堂中,DMK33GP031无论选择哪种方式进行分析,对於最隹化列印品质、列印系统(喷头)分析、品质认证、可靠性验证以及整个列印过程监控等,喷墨监测分析都极为关键。


相机的特殊用途

在喷墨印刷技术教育训练中,使用DMK 33GP031来协助进行喷墨监测分析(Dropwatching)。使用FPGA控制器整合相机曝光、液滴产生器以及瞬态电压抑制二极体。喷墨的速度约为1秒1至20公尺,需要极短的闪光反应时间,以便在最小的动态模糊状态下捕捉到最细微的高速喷墨。


闪光时间控制在一微秒;喷墨速度控制在10公尺/秒;则呈现的影像可延伸至10微米。透过控制闪光时间,便可重叠记录数滴喷墨,当喷墨喷出时,在不同的时间点照明同一喷墨两次,喷墨的速度及其喷出的角度便可从影响喷墨速度的背景波动中测出来(时基误差)。



图2 : 喷墨监测分析:由DMK 33GP031 GigE黑白工业相机拍摄纪录之喷墨时基误差影像。
图2 : 喷墨监测分析:由DMK 33GP031 GigE黑白工业相机拍摄纪录之喷墨时基误差影像。

为了要捕捉及测量每滴喷墨形成的细节,需要大约1~2.5微米/画素的解析度。DMK 33GP031的画素解析度细微,可测量至2.2微米的画素。因此可使用一般标准镜头,搭配最小范围的放大功能,来达到所需要的解析度。此外,色彩对於描绘喷墨形状或重叠测量极具价值,12位元的色彩深度使DMK 33GP031提供大部分的喷墨分析足够的色彩资讯,而即便在高解析度的情况下,透过500万画素还是可以看到大范围的影像。



图3 : 亮度份布图(闪光重叠)
图3 : 亮度份布图(闪光重叠)

DMK 33GP031具有12位元色彩深度,可达到较高的帧速率;透过外触发(可简单有效率地相容於iPrint的分析系统),DMK 33GP031支援可控制的曝光次数。此款相机另一项优点为当缩小至特定区域(ROI)观测时,仍可达到相当高值的画面播放速率。在2592 x 24画素情况下,此款相机可供达500Hz的帧速率;当使用两台相机及加叠的测量技术时,可使用超过10kHz的频率来校验所有的喷墨。


至於从相机里所取得的影像资料能够针对影印系统或影印机进行调整,追求更高列印品质及增加列印效率。因为每一台Piezo喷头都需稍微不同的电压来达到一样的喷墨速度,喷头制造商会设定一虚电压,以求达到假定的喷墨大小与速度。


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