喷墨印刷设备 基于成像飞行中液滴体积测量的主要考虑因素.pdfVIP

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附录A

（资料性）

飞行中液滴体积测量的主要考虑因素

A.1印刷电子中的喷射液滴体积

A.1.1总则

在印刷电子应用中，精确测量喷射液滴体积是一个重要问题，因为沉积在基材上的材料量直接关系

到器件性能。喷墨打印的液滴量在多个喷嘴的喷头中宜保持一致（均匀），以确保设备的均匀性。这就

要求我们在印刷电子应用中，能够随时对所有喷嘴的液滴体积进行可靠的测量。然而，目前测量的喷墨

液滴体积可能并不准确，也无法与任何国家标准相对应。接下来，我们将讨论液滴分析系统中出现的液

滴体积测量问题。

A.1.2图像分辨率

市场对能够生成更小液滴并具备更高打印频率的技术有着强烈的需求。然而，除非用于捕获较小液

滴图像的数码相机在像素分辨率上得到相应的提升，否则，我们越来越难准确测量这些微小液滴的体积。

以生成直径为20微米液滴的喷墨打印头为例，若典型的图像分辨率设置为1μm/像素，则液滴的灰度图

像宽度将仅有20个像素。图A.1（针对直径为28像素的液滴）展示了由于图像分辨率导致的单像素误差，

造成液滴直径的不确定性。

图A.1放大的液滴灰度图像

对于直径为20像素的液滴，因分辨率的限制造成了单像素的误差意味着直径误差最小为±5%，体积

误差最小为±15%；在印刷电子应用中，这些误差对于喷墨液滴体积的测定是完全不可接受的。即便是

用于比较目的，喷墨液滴图像宜具有比图A.1更多的像素/直径（即更高的分辨率和/或更高的光学放大

率），以及更高的原始背景灰度级（即更高的强度或更长的闪光持续时间或更低的光学放大率），图A.1

明显显示了单个方形像素。此外，准确的液滴分析系统也宜使用亚像素技术而非单像素技术来提取准确

的液滴直径。

为了减少测量误差，可以使用更高放大倍数的光学镜头。如果单个像素的尺寸与液滴相比显著较小，

那么与像素相关的误差就可以最小化。然而，高放大倍数（M）可能并不利于液滴体积的测量，因为图

像强度与放大倍数（1/M2）成正比，而图像噪声也会随着放大倍数的增加而增加，从而改变确定边界

的条件。可以使用更灵敏、更高分辨率的相机来减少像素误差。但是，这样做会带来成本问题，并且在

使用这种相机时，图像的采集率（每秒帧数）可能会下降。因此，通常需要在这些因素之间进行权衡。

光线照射这些直径通常为20微米的飞行中液滴时，成像液滴表观的直径会受到其他物理效应的影

响，这主要源于光线在（半透明）液体周围发生的（以及通过其折射的）光学衍射效应。然而，在工业

应用中，当使用相对尺寸校准时，这些效应（通常）被忽略不计。

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A.1.3灰度到二进制图像转换

采用灰度液滴尺寸（如图1所示）的喷墨打印技术，能够在基材上精确形成预定的材料沉积图案。

然而，在喷墨液滴图像处理领域，即使液滴尺寸在名义上完全相同，灰度图像到二值图像的转换（比如

从图A.1到图A.2）对于准确测定液滴体积也是至关重要的。

一个8位灰度图像的每个像素值都根据图像的亮度从0到255变化。这个灰度图像可以转换成二值图

像，其中像素值只包含0或1。二值图像可以通过设置一个适当的阈值来获得，其中高于阈值的值被映射

为1（或0），而低于阈值的值被映射为0（或1）。利用二值图像，可以通过粒子分析或其他方法提取和

分析墨滴。在这里，通过适当地设置一个离散化的阈值，墨滴的像素值被设置为0（或1），而背景值则

被设置为1（或0）。当使用二值图像来测量液滴体积时，灰度到二值图像的转换过程会显著影响测量到

的液滴尺寸。如图A.1所示，在液滴图像与较亮背景的分界处，图像值有一个相对平滑的过渡。这种平

滑过渡受到多种条件的影响，如照明亮度和镜头焦距。因此，在将图像转换为二值时，所选的阈值会直

接影响确定的液滴尺寸（以及液滴体积）。图A.2展示了从相似的液滴转换