喷墨打印微制造技术：图像处理及液滴信息提取

使用LED灯延迟调整，通过CCD照相机可以获得在触发延迟时间的图像，如图9.5a所示。对所获取的图像进行处理，提取液滴信息。

图9.5 一个液滴灰度图像的二值化

a）灰度图像 b）二值图像

通常情况下，从CCD照相机获得的图像有8位图像像素，根据图像的亮度，可以显示为值的范围为0～255的灰度图像。大多数的图像处理技术，着重从液滴图像提取液滴的位置和尺寸信息。在一般情况下，最常见的图像处理方法是基于二元液滴图像。请注意，液滴图像可能会比背景图像暗。因此，提取基于转换的二进制图像的液滴信息，最好选择液滴值为1，背景值为0。因此，建议在二进制转换图像中，图像值高于二进制转换阈值的映射到0，图像值低于阈值的映射到1，如图9.5b所示。需要注意的是，除了墨滴图像，其他结构，如头部的喷墨头或夹具部分，可以选择值为1，如图9.5b显示。另外，当液滴图像的中心部分比液滴图像外缘部分亮时，液滴转换后的二进制图像在中心可能有一个孔，如图9.5b所示。如果液滴的大小是通过计算图像值为1的像素的数量，那么二进制图像上的孔可能导致液滴尺寸的错误。为了解决这些问题，可以采取两个步骤从液滴图像中提取相应的信息。首先，只用图像上所感兴趣的区域（ROI），这样就可以通过排除图像上其他没有液滴结构的部分而只分析ROI区域，如图9.6所示^[2]。其次，对二进制图像可以通过填补液滴图像上的孔得到完善来准确地测量液滴的信息，如图9.7所示。

图9.6 ROI

图9.7 二值图像的形态学处理

从二值图像的分析中可以得到液滴的数量，包括主液滴和卫星区。一个液滴的位置是根据CCD照相机图像的像素位置确定的。假设喷射方向向下，在y方向上像素位置P_y可用于表示液滴的位置。请注意，该像素点的位置不代表真正的距离。因此，代表液滴位置的像素距需要乘以一个转换因子F（米每像素单元）获得实际的距离。

测量液滴喷射速度时，液滴图像的位置必须从在LED相对于喷射信号触发延迟时间t₁和t₂获得的两个液滴图像中获得。然后，喷射速度v可以通过下式计算：

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图9.8 从两个图像中测量喷射速度

a）t₁ b）t2

除喷射速度外，液滴的体积也经常通过视觉来进行测量。测量液滴的体积时，必须设想液滴的三维（3D）形状，而喷射速度的测量只需要知道液滴的位置。在三维液滴形状假设的基础上（例如球形），液滴的体积可以从二维（2D）液滴的图像计算得到。可以注意到，如果液滴有长尾巴，那么液滴的体积将不容易测得。最近，Hutchings等人^[4]已经开发出图像处理技术可以获得带有尾巴的液滴的体积。带有尾巴的液滴图像的横向切片宽度用于液滴体积的测量，如图9.9所示。请注意，这个圆筒状切片的直径大小沿喷射方向变化，这个直径可以从图像上切片位置的水平长度得到，如图9.9所示。液滴体积可以通过各个圆柱形切片体积的求和计算得到。使用这种方法也可以计算非球形液滴的体积。

应该正确测量液滴的体积，因为当喷墨技术用在印制电子应用中时，功能材料的用量与设备的性能相关联。然而，由于CCD照相机具有有限的像素分辨率，很难准确测量液滴体积。因此，测得的液滴尺寸和位置可能存在错误。为了理解像素分辨率的影响，对图9.6所示的液滴图像进行放大如图9.10所示。图9.10显示了由于光学分辨率而导致在确定液滴尺寸时的不确定性。

图9.9 拥有长韧带的液滴体积测量[4]

图9.10 放大的液滴灰度图像

除了像素分辨率，灰度图像转换过程对测得的液滴的大小也会有显著的影响。如图9.10所示，在液滴图像和背景的边界附近图像值平滑过渡。图像值的平滑过渡取决于诸如照明亮度和透镜聚焦的各种因素。因此，得到的液滴尺寸将随着二值转换阈值的不同而不同。图9.11显示的二进制图像是从图9.10中的灰度图像转换而来的，在图9.10中，对两个不同的阈值进行了比较。当阈值25进行二值转换时，液滴的直径可以确定为20像素。另一方面，阈值75可以确定直径为24像素。因此，从图像中精确测量喷墨液滴体积（或面积）是困难的。如图9.11所示，二进制的转换带来的错误要比CCD照相机的每一像素的分辨率大得多。

图9.11 阈值效应对液滴尺寸的影响

a）阈值为25 b）阈值为75

为了减少测量误差，可以使用更高放大倍数的光学透镜。如果与液滴相比每一像素的大小非常小，那么与像素相关的误差可以被最小化。然而，高放大倍数可能不利于测量液滴的形成，因为它可能会聚焦在一个非常小的面积而缩小图像视图。一个高分辨率的照相机可以减少像素误差。然而，使用高分辨率的照相机会有成本问题。