一种新型显示喷印制造中飞行墨滴快速检测方法

本发明属于喷墨打印视觉检测领域，更具体地，涉及一种新型显示喷印制造中飞行墨滴快速检测方法。

背景技术：

1、喷墨打印技术是新型显示制造工艺的关键技术，因其具备无接触、无需模板的制造特点而与接触式印刷技术区别开来，它能够在常温常压条件下完成数字化柔性印刷，可满足大批量大面积的生产要求，能够有效实现柔性电子制造。喷墨打印过程中，由于喷头阵列中喷孔状态、墨水性质、打印环境等工艺参数的影响，可能存在喷孔堵塞、墨滴飞行偏斜、飞行墨滴、拖尾、墨滴体积及速度异常等不正常现象，降落在基板上将形成打印缺陷。喷墨打印大尺寸基板时，通常需要喷头阵列内多个喷头同时工作，待检测喷头数量巨大，因此需要高效率检测手段对飞行墨滴精确测量，有效控制打印质量。

2、现有喷墨打印墨滴测量方法主要有称重法、感应法、激光干涉法、视觉测量等方法。称重法只能对墨滴体积有较高的测量精度，无法检测飞行墨滴的速度和角度，只适合作为验证方法；感应法用于阵列化压电喷嘴的实时检测时，只能粗略判断是否喷射而无法定量测量飞行墨滴参数；激光干涉法主要利用相位多普勒原理，通过干涉信号分析飞行墨滴参数，但成本较高；传统视觉测量主要基于频闪拍照方法对飞行墨滴进行观测，但通常只能单次检测单个喷孔，效率低下。考虑到实际生产中喷头阵列内多个喷头同时工作，且对工作节拍有实际要求的情况，如何设计一种新的墨滴快速检测系统，实现对阵列化飞行墨滴的高效率高精度检测，正构成为本领域亟待解决的关键技术需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种新型显示喷印制造中飞行墨滴快速检测方法，其目的在于提高新型显示喷印制造中多喷头喷印场景下阵列化飞行墨滴的检测效率和精度。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种新型显示喷印制造中飞行墨滴快速检测方法，包括：

3、控制激光以垂直于墨滴飞行的方向准直打向待观测区域；控制喷头移动，依次使各喷孔所喷射飞行墨滴经过所述待观测区域，采用光电探测器采集经每个喷孔所喷射飞行墨滴阻挡后的激光信号并将其转换为电信号；

4、计算所有喷孔所喷射飞行墨滴之间的平均飞行速度和平均体积，其中，根据飞行墨滴的喷射时刻和电信号中该飞行墨滴所对应的波形突变时刻，结合对应喷孔至激光光束的垂直距离，计算每个喷孔所喷射飞行墨滴的飞行速度；根据飞行墨滴阻挡激光信号的面积与其对应电信号的大小关系，确定飞行墨滴的半径，以计算每个喷孔所喷射飞行墨滴的体积；

5、根据每个喷孔所喷射墨滴的飞行速度偏离所述平均飞行速度的程度以及体积偏离所述平均体积的程度，综合判断该喷孔异常与否；采用视觉观测的方式，抽样采集每个正常喷孔所喷射的飞行墨滴图像，用以确定正常喷孔所喷射飞行墨滴参数，完成新型显示喷印制造中飞行墨滴快速检测。

6、进一步，所述电信号为电压波形。

7、进一步，所述根据喷射墨滴阻挡激光信号的面积与其对应电信号的大小关系，确定该喷孔喷射墨滴的半径，具体为：

8、根据h＝λπr2，确定该墨滴的半径r，式中，h表示电信号中该墨滴对应的波形突变幅度，λ为关系系数。

9、进一步，所述综合判断该喷孔异常与否的方式为：

10、根据每个喷孔所喷射墨滴的飞行速度偏离所述平均飞行速度的程度以及体积偏离所述平均体积的程度进行加权求和，作为该喷孔与其它喷孔保持一致性的程度，表示为：

11、

12、式中，vi为第i个喷孔所喷射墨滴的飞行速度，为所述平均飞行速度，vi为第i个喷孔所喷射墨滴的体积，为所述平均体积，λ1和λ2分别为前后两项目的加权系数；

13、若所述加权求和δii的结果超过阈值，则判定为异常喷孔。

14、进一步，所述阈值为其中，α为飞行速度偏离平均飞行速度的阈值，β为体积偏离平均体积的阈值，根据不同任务需要，设定不同的α和β取值。

15、进一步，每个正常喷孔所喷射飞行墨滴参数的确定方式为：

16、对该正常喷孔所喷射的飞行墨滴图像进行图像粗分割，得到包含所有墨滴的墨滴区域图像；对墨滴区域图像进行噪声滤波，之后进行进一步图像分割，得到多个单墨滴区域图像；对每个单墨滴区域图像进行图像形态学处理，提取并拟合经形态学处理后的各单墨滴区域图像中墨滴轮廓，用以计算该正常喷孔所喷射飞行墨滴的体积、飞行速度和飞行角度；

17、其中，提取并拟合经形态学处理后的单墨滴区域图像中墨滴轮廓的实现方式为：使用边缘检测算法，提取单墨滴区域图像中的墨滴边缘；采用二次曲线分段拟合方法，对墨滴边缘进行多段拟合，得到多段拟合边缘；修剪并合并所述多段拟合边缘，以得到连续光滑的墨滴轮廓。

18、进一步，第i个正常喷孔所喷射飞行墨滴的体积的计算方式为：

19、将第j个单墨滴区域图像中的墨滴沿高度z方向切片离散成厚度为δh的圆柱体，将切片横截面视为直径为dj,k的圆；

20、基于下式计算第i个喷孔所喷射飞行墨滴的体积vi：

21、

22、其中，j表示采集到的该正常喷孔所喷射的飞行墨滴图像中第j个墨滴的编号，j∈{1,2,…,l}，l为由飞行墨滴图像分割得到的单墨滴区域图像总个数，k表示将单个墨滴离散成第k个切片的编号，k∈{1,2,…,m}，m为单个墨滴离散成的切片的总个数。

23、进一步，第i个正常喷孔所喷射飞行墨滴的飞行速度和飞行角度的计算方式为：

24、合并l个单墨滴区域图像，确定合并后各墨滴区域的形心坐标(x1,z1)、(x2,z2)…(xl,zl)，使用线性拟合，将各墨滴区域形心位置拟合在一条线性函数z＝kx+b中，基于公式以及ωi＝tan-1k，计算第i个正常喷孔所喷射飞行墨滴的飞行速度vi和飞行角度ωi。

25、本发明还提供一种新型显示喷印制造中飞行墨滴快速检测系统，用于执行如上所述的一种新型显示喷印制造中飞行墨滴快速检测方法，包括：激光观测装置，视觉观测装置，运动单元，信号控制单元，以及处理器；

26、所述运动单元用于在所述信号控制单元的控制下调整喷印喷头、激光观测装置和视觉观测装置的位置；

27、所述激光观测装置用于以垂直于墨滴飞行的方向准直打向待观测区域，采集经每个喷孔所喷射飞行墨滴阻挡后的激光信号并将其转换为电信号；

28、所述视觉观测装置用于在所述信号控制单元的控制下抽样采集每个正常喷孔所喷射的飞行墨滴图像；

29、所述处理器用于计算所有喷孔所喷射飞行墨滴之间的平均飞行速度和平均体积，其中，根据飞行墨滴的喷射时刻和电信号中该飞行墨滴所对应的波形突变时刻，结合对应喷孔至激光光束的垂直距离，计算每个喷孔所喷射飞行墨滴的飞行速度；根据飞行墨滴阻挡激光信号的面积与其对应电信号的大小关系，确定飞行墨滴的半径，以计算每个喷孔所喷射飞行墨滴的体积；根据每个喷孔所喷射墨滴的飞行速度偏离所述平均飞行速度的程度以及体积偏离所述平均体积的程度，综合判断该喷孔异常与否；还用于根据飞行墨滴图像，确定正常喷孔所喷射飞行墨滴参数。

30、进一步，所述激光观测装置包括光电探测器、分光镜、准直器和面发射激光器；所述视觉观测装置包括一台相机及其配套镜头、所述分光镜、所述准直器和所述面发射激光器；所述分光镜、所述准直器、所述面发射激光器为两种观测装置共用；所述相机及其配套镜头、所述光电探测器、所述分光镜、所述准直器和所述面发射激光器布置在同一水平面，且以同轴照明的方式设置所述相机及其配套镜头与所述分光镜、所述准直器和所述面发射激光器的相对位置关系。

31、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

32、(1)本方法引入激光观测和视觉观测两种观测方式，其中采用激光观测筛选正常喷孔，剔除异常喷孔，具体筛选方式为将激光准直打向观测区域，采用光电探测器探测经飞行墨滴阻挡后的光信号并转换为电信号，利用电信号提取单个飞行墨滴的体积和速度，以此计算所有喷头喷孔整体的喷射墨滴平均速度和平均体积，在此基础上量化每个喷孔所喷射墨滴的飞行速度和体积与平均值的偏离程度，以偏离程度为判断指标，判断该喷孔异常与否。也就是，本方法采用电信号，提取喷孔喷射墨滴的信息，该种方式极大提高了新型显示喷印制造中大量阵列化喷孔的异常判断。在筛选出正常喷孔后，再采用视觉观测的方式，通过抽样采集几个正常喷孔的所喷射墨滴的参数，然后作为所有正常喷孔所喷射飞行墨滴参数，实现新型显示喷印制造种飞行墨滴的快速高精检测。整体上，本发明引入激光观测和视觉观测，分别实现对异常喷孔快速筛除和对飞行墨滴进行高精度墨滴观测的功能，与现有技术相比，在保持对飞行墨滴的高精度测量的同时提高了观测效率。

33、(2)本发明还具体提出了一种喷孔状态判别算法，通过设置不同的阈值参数，可以实现对不同工作条件下异常喷孔的快速鉴别。

34、(3)本发明针对飞行墨滴形状不规则的问题，在不增加观测设备的情况下，进一步设计了一种计算墨滴体积方法，传统将飞行墨滴简化为球或轴对称形状的方法，只简单得将墨滴轮廓近似粗暴拟合，而本发明提供方法则将墨滴轮廓使用二次曲线分段拟合，将体积离散化计算，具有更高的体积计算精度。

35、(4)本发明的装置整体结构紧凑，将两种观测装置集成在一套系统中，且共用激光光源、准直器、分光镜等部件，简化装置零部件个数，提高装置集成度，节约喷墨打印设备工作空间，尤其适用于要求高效率高精度的喷墨打印装备实际生产应用中。