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注意間隔—機器視覺於噴墨列印之應用
 

【作者: 兆鎂新提供】   2018年06月19日 星期二

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自1970年代噴墨印刷在商業上廣泛應用後,許多學者便持續地在這項技術上研發耕耘。噴墨印刷為一項無接觸方式,將色彩精確且有效率地噴射於列印的媒介上。進一步解釋,噴墨列印為一種增材製造(AM)的過程,常用於電子列印、直接列印、陶瓷、紡織等,甚至可運用在一些實驗性質的液體或基質上,如生物建構過程中需要的人類幹細胞列印、有機半導體及有機發光二極體等。


西瑞士科技應用大學工程系所iPrint研究室(The Institute for Printing)於2015年開始提供噴墨列印技術的相關課程,誠如iPrint在官網所表示:「噴墨列印(研究)本來就需要結合許多不同領域的知識與研究,特別是機械工程、化學,以及奈米科技。」在為期一星期的課程中,各領域的專家們齊聚一堂研習噴墨印表機系統相關的理論及其實際應用。


在課程中,iPrint使用The Imaging Source兆鎂新DMK33GP031黑白工業相機。iPrint表示會挑選DMK 33GP031相機來輔助教學的原因,在於iPrint的噴墨印表機系統用來與相機連接的軟體是Matlab、IC-Capture、IC-Measure。


高效能驅動程式組合使整合變得更簡單且更有效率。偶爾,Matlab介面在展示較長時間的預覽程式中,如搭配較低效能的電腦可能會產生一些問題。在這些情況下,進行測量前,就會使用IC Capture來替代,並且在「設定」中,我們也可將現時預覽轉換成Matlab。至於IC Capture為一項有用的工具,可輕鬆紀錄影像結果,可用於測試相機設定及表現,iPrint將IC Measure與顯微系統聯用,由於極佳及多元的測量能力及相容性,IC Measure非常適用於顯微系統中。


iPrint的噴墨印表機系統主要藉由Matlab驅動,而DMK 33GP031符合市面上所有驅動程式的要求,如同步化、解析度、色彩深度及幀速率等所有噴墨印刷分析所需要的元素。


對於很多噴墨列印分析而言,特別是體積的測量及須使用多種獨立色版來完成的測量,需同時運用多台相機,而乙太網路介面能夠事半功倍,以最小力氣來裝備所有控制裝置。



圖1 :  iPrint's 噴墨列印技術教育訓練,DMK 33GP031 GigE黑白工業相機用於噴墨監測印刷分析。
圖1 : iPrint's 噴墨列印技術教育訓練,DMK 33GP031 GigE黑白工業相機用於噴墨監測印刷分析。

在課堂中,參與人員學習到在列印過程中,決定列印品質的一個關鍵要素便是列印噴頭本身。在模擬過程中關於噴墨有幾個重要的控制因素:墨水的速度、方向、噴墨後分散的墨水位置以及墨水量,而操作人員必須即時且嚴謹地控制及調整這些因素,以達到及維持整個應用過程的準確性。


機器視覺可於列印過程中紀錄噴墨的影像,進而幫助測量上述的控制因素,而此過程便是普遍熟知的噴墨監測分析(dropwatching)。噴墨監測分析有許多成像配置方式,各有其優點,例如噴孔片分析(nozzle plate analysis)、多台相機之噴墨監測(multi-camera dropwatching)、重疊成像(overlaid imaging)、多光波成像(multi-wavelength dropwatching)、以及列印間隔分析(dropwatching in the printing gap)等。


此外,在課堂中,DMK33GP031無論選擇哪種方式進行分析,對於最佳化列印品質、列印系統(噴頭)分析、品質認證、可靠性驗證以及整個列印過程監控等,噴墨監測分析都極為關鍵。


相機的特殊用途

在噴墨印刷技術教育訓練中,使用DMK 33GP031來協助進行噴墨監測分析(Dropwatching)。使用FPGA控制器整合相機曝光、液滴產生器以及瞬態電壓抑制二極體。噴墨的速度約為1秒1至20公尺,需要極短的閃光反應時間,以便在最小的動態模糊狀態下捕捉到最細微的高速噴墨。


閃光時間控制在一微秒;噴墨速度控制在10公尺/秒;則呈現的影像可延伸至10微米。透過控制閃光時間,便可重疊記錄數滴噴墨,當噴墨噴出時,在不同的時間點照明同一噴墨兩次,噴墨的速度及其噴出的角度便可從影響噴墨速度的背景波動中測出來(時基誤差)。



圖2 : 噴墨監測分析:由DMK 33GP031 GigE黑白工業相機拍攝紀錄之噴墨時基誤差影像。
圖2 : 噴墨監測分析:由DMK 33GP031 GigE黑白工業相機拍攝紀錄之噴墨時基誤差影像。

為了要捕捉及測量每滴噴墨形成的細節,需要大約1~2.5微米/畫素的解析度。DMK 33GP031的畫素解析度細微,可測量至2.2微米的畫素。因此可使用一般標準鏡頭,搭配最小範圍的放大功能,來達到所需要的解析度。此外,色彩對於描繪噴墨形狀或重疊測量極具價值,12位元的色彩深度使DMK 33GP031提供大部分的噴墨分析足夠的色彩資訊,而即便在高解析度的情況下,透過500萬畫素還是可以看到大範圍的影像。



圖3 : 亮度份佈圖(閃光重疊)
圖3 : 亮度份佈圖(閃光重疊)

DMK 33GP031具有12位元色彩深度,可達到較高的幀速率;透過外觸發(可簡單有效率地相容於iPrint的分析系統),DMK 33GP031支援可控制的曝光次數。此款相機另一項優點為當縮小至特定區域(ROI)觀測時,仍可達到相當高值的畫面播放速率。在2592 x 24畫素情況下,此款相機可供達500Hz的幀速率;當使用兩台相機及加疊的測量技術時,可使用超過10kHz的頻率來校驗所有的噴墨。


至於從相機裡所取得的影像資料能夠針對影印系統或影印機進行調整,追求更高列印品質及增加列印效率。因為每一台Piezo噴頭都需稍微不同的電壓來達到一樣的噴墨速度,噴頭製造商會設定一虛電壓,以求達到假定的噴墨大小與速度。


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