印刷基板光学运动感测和点时钟生成的制作方法

本公开涉及移动基板上的印刷，更具体地讲，涉及基于基板的运动生成点时钟。

背景技术：

基板的直接印刷包括印刷头在正确位置处将油墨沉积在基板上。这意味着印刷机需要知道基板的位置和速度，以便触发印刷头在正确的时间和正确的位置中沉积油墨以形成图像。

当印刷机准确地限制基板时，如在台式和办公室印刷机中所熟知的封闭馈纸系统中，印刷机通常通过测量与基板接合抵靠的辊或带的运动来跟踪基板运动。这可以是移动基板的带或辊，或者是由基板移动的单独的辊。基板运动也可以通过对用于驱动移动基板的辊或带的步进电机的步数进行计数来推断。辊运动测量通常是由编码器和编码器轮组成的光学编码器进行的。仅作为示例，印刷机可具有旋转编码器轮和在辊上将基板馈送到印刷机中的编码器。编码器轮在其表面上将包含标记图案。编码器部分通常包括光源和光传感器，以在允许系统确定基板的速度并且允许控制印刷处理的速率下检测标记的存在或不存在。基板的运动可以称为印刷或处理方向。

一些印刷机具有固定组的一个或多个印刷头，该一个或多个印刷头在横截面处理(横向)方向上覆盖印刷图像的整个宽度。台式印刷机通常使用在基板上横向穿梭的(多个)较小印刷头。为了跟踪印刷头的横向运动，可以使用线性编码器。线性编码器的工作原理类似于旋转编码器，但是编码器条通常是聚酯或其他含有标记的材料的线性片。光源和光传感器可以被安装到印刷头并且相对于条移动。这允许控制器知道印刷头正在行进的速度，并且允许印刷头在正确的时间印刷油墨。

使用两个编码器和两种编码器图案可能提高印刷机的成本。如美国专利6,246,050中所示，一个实施方案使用印刷机本身的固定特征的图像而不是图案化的条，以允许确定印刷头的位置及其运动。然而，这种类型的方法对于实际印刷使用来说不够精确。

对于其中正在印刷时基板不包含在外壳或壳体内的较大系统而言，位置和移动检测变得更加困难。正如在硬纸板盒上印刷，一种方法依赖于传送带的速度，基板在传送带上移动经过印刷头进行印刷。在另一种方法中，当盒经过印刷头的前部时，弹簧加载的编码器辊抵靠盒滚动。

技术实现要素：

根据本文所示方面，提供了一种在印刷基板上直接印刷的系统，该系统包括：印刷头；至少一个光学图像传感器，该至少一个光学图像传感器被布置成邻近印刷基板，其中印刷基板将在处理方向上移动经过印刷头；远心透镜，该远心透镜被布置在印刷基板和图像传感器之间；和控制电路，该控制电路电连接到光学图像传感器和印刷头，该控制电路基于来自图像传感器的识别印刷基板的位置的数据生成点时钟，以使印刷头印刷到基板上。

根据本文所示方面，提供了一种在移动基板上印刷的方法，该方法包括：从图像传感器获取印刷基板的图像数据；使用图像数据来确定印刷基板的速度；基于印刷基板的速度生成点时钟；和将点时钟传输到印刷头，以使印刷头将油墨施配到印刷基板上。

附图说明

图1示出了具有印刷基板跟踪系统的印刷头的实施方案。

图2示出了定位成邻近印刷头的印刷基板跟踪系统的实施方案。

图3示出了用于将印刷基板成像到图像传感器上的远心透镜的光圈。

图4示出了具有伸长像素的图像传感器的实施方案。

图5示出了作为印刷基板跟踪系统的部分的两个照明源的实施方案。

图6示出了照明源强度与时间曲线的关系。

图7示出了跟踪印刷基板的方法的实施方案的流程图。

具体实施方式

本文实施方案由几个部件的组合组成。部件可以包括线性光学图像传感器、将印刷基板的图像投射到图像传感器上的透镜、由图像传感器观察到的基板的一部分的照明，以及响应于图像传感器数据生成点时钟的电子设备。图像传感器、透镜和照明的组合可以被称为印刷基板跟踪系统，或者仅称为跟踪系统。跟踪系统通常将被安装成邻近印刷头。

“处理方向”是在其中基板在印刷头下方或前方移动的方向。“横截面处理方向”是基本上垂直于处理方向的方向。术语“印刷基板”包括可在其上沉积油墨的任何可移动表面。

术语“印刷头”通常包括墨滴生成器，诸如喷射器堆。喷射器堆通常由一堆具有歧管的板组成，以将油墨引导至喷嘴阵列，当接收到信号时，该喷嘴阵列根据图像数据选择性施配油墨。信号由点时钟生成器生成。如本文使用，术语“点时钟”是发送到喷射器堆或其他墨滴生成器的信号，以造成喷射器堆或墨滴生成器中的选定喷嘴施配墨点。

应注意，印刷头、印刷基板跟踪系统和印刷基板在本文以不同的取向示出。不期望也不得暗示对任何特定取向的限制。

图1示出了印刷头12的实施方案，该印刷头具有印刷基板跟踪系统14作为集成系统10。印刷基板跟踪系统通常被安装成邻近印刷头。印刷头包括喷射器堆或其他墨滴生成器18，其可包括喷射器或喷嘴19的阵列。用于跟踪系统的电子设备20可以集成到印刷系统的控制电子设备中，或者可以是仅用于跟踪系统的单独控制电子设备。电子设备从传感器接收图像数据，并且使用该数据生成点时钟，然后该点时钟将提供信号以使墨滴生成器在基板16上施配油墨。该系统可以在印刷头的相对侧上具有诸如14的一个跟踪系统，或者具有诸如14和15的两个跟踪系统。在使用一个图像传感器的情况下，它可以位于相对于印刷头的数个位置之一中。或者，可只有仅配备一套电子设备的两个成像系统。

图2和图3显示了系统10的更详细的视图。图2示出了没有基板的印刷头12，以给出喷射器堆18和喷嘴19的阵列的更好视图。图3示出了图像传感器基座17和基板16之间的远心透镜22及其光圈26的更近视图。

通常，图1的跟踪系统14将包括四个部件：线性光学图像传感器、远心透镜、照明和响应图像传感器数据生成点时钟的电子设备。在该实施方案中，跟踪系统包括远心透镜22、至少一个照明源24，以及图像传感器28及其基座17。如图3所示，远心透镜22可以包括位于其他透镜元件内部或外部的光圈26。具有或不具有光圈26的透镜22向图像传感器提供印刷基板16的图像。

线性图像传感器28可以具有高纵横比像素。如图4所示，像素诸如30在横截面处理方向上更长，并且在处理方向上更短。处理方向如箭头32所示，并且横截面处理方向如箭头34所示。伸长的像素收集更多的光、改进信噪比，并且降低对不完全平行于图像传感器的处理方向轴的基板运动的灵敏度。在一个实施方案中，长宽比约为50:1。

图像传感器还需要相当高的帧(行)速率。它不需要高于点时钟频率。例如，在一个实施方案中，图像传感器使用6khz的帧速率来生成64khz的点时钟。6khz通常将足够快来跟踪印刷基板的速度变化。测得的速度馈送给速度生成器，形成64khz的点时钟。点时钟将随着印刷基板的速度的变化而从64khz开始变化。这有助于保持印刷的点位置。

透镜可以包括远心透镜，这意味着其入射光瞳在其物体空间中是在无限远处。在这种情况下，物体空间是透镜的印刷基板侧，使得光学放大率与基板到透镜的距离无关。这改进了对基板翘曲或放置误差的容忍度。基板到透镜距离的变化对应于基板到印刷头距离的变化，因此应合理地加以控制以保持印刷质量。透镜的远心精度不需要太高，使透镜成本保持为低。只要图像传感器到透镜的距离是精确的，就不需要透镜是双远心的，尽管这也可能是一种选项。

即使使用远心透镜，透镜到基板距离的变化也会造成聚焦误差，即所谓的模糊。较慢的透镜意味着较小的光圈，将增加景深，但是聚集较少的光。对于本文的实施方案，沿着运动轴或处理方向聚焦是重要的，但是沿着其中图像传感器像素伸长的垂直轴聚焦就不那么重要。为了优化景深和聚光两者，狭缝光圈可以更好地工作，其中狭缝宽度沿运动轴或处理方向比垂直于运动方向或横截面处理方向的狭缝高度更短。如图3所示，光圈是分开的，但是通常是透镜组件的部分。

如图5所示，跟踪系统可以包括至少一个照明源，并且可以以如照明源24所示的掠射角布置。掠射照明将印刷基板16上的物理纹理转换成光学纹理。对于精确编码，掠射角照明必须采用平行光线，或者至少在跨越成像区的入射光线角度的分布是均匀的。否则，纹理阴影的角度随基板位置而变化，这使光学纹理根据角度变化的方向比印刷基板移动得更快或更慢。如在照明源36中，从更陡的角度照明，更接近垂直于基板表面，大幅降低了对平行光线的需要，但是也降低了典型印刷基板的图像对比度。在原型中，浅照明角度和陡照明角度两者是可接受的。强度均匀性不如角度均匀性重要。基于初始校准，可以利用电子设备中的像素值缩放来校正强度变化。

照明可以以图像传感器帧速率选通。基板可以将像素从一帧移动到下一帧，最多移动到某个数量的帧。在一个实施方案中，多达51个像素从一帧移动到下一帧。对于准确的速度测量来说，这是过度的运动模糊。一定程度的运动模糊具有优势，诸如去除图像传感器的奈奎斯特空间频率以上的空间频率。照明选通脉冲宽度可以基于预期的或测量的速度来调整，以导致来自运动模糊的低通滤波的最佳量。简单的开/关照明脉冲将导致矩形脉冲响应滤波器，通常称为“矩形窗(box-car)”滤波器。控制高斯强度与时间曲线中的照明亮度将导致高斯图像模糊。这种方法工作有效，但是实施方式的复杂度更高。高斯滤波器可以用简单的开/关控制和占空比调制来逼近。

这三种照明选项的强度与时间曲线图如图6所示。矩形窗照明选通选项(顶部迹线)可能足以用于许多应用。高斯(中间迹线)或仿真高斯(第三迹线)将进一步降低奈奎斯特混叠，以获得最高精度。

来自图1的电子设备20将处理来自传感器的图像数据，响应于印刷基板的运动生成点时钟。在一个实施方案中，电子设备包括模数(adc)转换器和现场可编程门阵列(fpga)，以及围绕它们的常规支持电路，诸如时钟振荡器、dc供应电压、旁路电容器等。

线性图像传感器通常在曝光时窗完成后顺序输出像素值，通常与下一帧的曝光窗同时输出。为了最小化延迟，电子设备可以在每个新像素值到来时对其进行处理，在从传感器读取图像帧的最后一个像素之后提供更新的位置和速度信息。降低的延迟提供了对印刷基板速度变化的更快响应，将印刷墨滴放置误差最小化。

图7示出了跟踪印刷基板的一般方法的实施方案的流程图。最初，在40处，图像传感器向控制电子设备提供图像数据。然后，在42处，控制电子设备处理图像数据以确定印刷基板的速度。使用该速度，控制电子设备在44处生成点时钟。然后在46处，点时钟从电子设备传输到墨滴生成器。然后，在48处，墨滴生成器将油墨施配到基板上。

这个过程可能包含数个子过程。例如，电子设备可以应用补偿，诸如补偿图像传感器黑电平模式噪声的每像素减去黑色偏移。电子设备还可以应用每像素缩放来补偿图像传感器灵敏度和照明空间变化。

此外，图像数据可以经过滤波。例如，该过程可以对图像或像素数据应用高通滤波器。在一个实施方案中，通过将每个像素除以其相邻像素的高斯加权平均来应用滤波器。在一个实施方案中，使用64个相邻像素，每侧32个。除以加权平均而不是将其减去，会降低对如可能由印刷基板翘曲所造成的照明强度局部变化的灵敏度。它还消除了全局照明变化，诸如来自led电力供应器噪声的变化。

来自传感器的图像数据可以通过内插图像数据来提高其分辨率。在一个实施方案中，使用高斯低通内插滤波器将数据内插8次。然后，该过程存储整数像素位置值，用于与下一帧相关。在一个实施方案中，即使它们在非内插像素位置，这些值仍在加权平均低通滤波器之后。这使得内插像素值和整数像素值之间的频率响应保持一致。

然后，该过程计算某个预定数量，诸如32，传入像素值和从前一帧存储的像素值之间的“粗略”相关。在一个实施方案中，相关是差平方和，而不是真实相关。这些“粗略”相关是在传入行图像和存储的前一行图像之间的位置偏移处完成的，例如-10到+52像素。负偏移不需要包括在内，但是便于测试。

然后，该过程找到粗略相关的最大相关，在一个实施方案中，这意味着差平方和最小。这可以通过将抛物线拟合到该最小值及其相邻的两个相关来实现，每侧一个。该过程可以通过抛物线最小值的位置来确定粗略速度，这意味着从前一图像帧到该帧的位置变化。

然后，该过程可以计算传入内插像素值和从前一帧存储的像素值之间的预定数量的“精准”相关。同样，相关可能是差平方和，而不是真实相关。这些“精准”相关可以在子像素偏移处完成，诸如居中在以上为前一帧确定的粗略相关位置附近的1/8像素位置偏移。该过程不使用当前帧的粗略相关，因为直到该帧的所有像素数据都被读取后才知道该当前帧的粗略相关。使用前一帧的粗略相关位置允许在像素数据进入时进行精准相关处理，从而降低延迟。

该过程然后重复使用以上抛物线分析寻找最大相关，但是现在应用于精准相关。这导致通过抛物线最小值的位置来确定从前一图像帧到该帧的精准速度、位置变化。该过程可以添加相对于前一帧的粗略偏移，用于定位该组精准相关的像素偏移范围。可选地，该过程可以对精准速度值应用低通滤波器，以使速度值中的任何抖动平滑，但是这种滤波确实会增加延迟。

在速率生成器中使用精准速度或过滤的精准速度产生点时钟来触发印刷头墨滴喷射。例如，以固定速率(例如72mhz)将精准速度值添加到累加器。每次累加器溢出时，该过程输出一个点时钟，并且从累加器中减去一个点间距常量。点间距常量与印刷点之间所需的间距成正比。例如，如果图像传感器帧时间是n个72mhz时钟，那么假设透镜放大率为1:1，点间距常量n将在与图像传感器像素间距相同的间距处生成点时钟。2n的点间距常量将生成两倍于图像传感器像素间距的点时钟。

应注意，精准速度将有分数像素位。累加器和常量需要具有相同的小数位。点时钟间距不限于图像传感器像素间距的整数比。

在以上实施方案中，粗略相关和精准相关的数量可以更少，每个32个。该过程还可以跳过粗略相关，使用前一帧的精准相关位置来将当前帧的精准相关范围居中。该实施方案可能需要一种初始化精准相关范围的方法，诸如在每个新的图像基板进入视野后进行扫描搜索。

除了生成点时钟之外，图像传感器还可以用于检测印刷基板的存在。当基板不存在时，照明将不会与经过正常印刷基板位置的任何表面对齐，因此只有很少的光将到达图像传感器。这种黑暗状况表明没有印刷基板。在一个实施方案中，该特征正被用于感测每个印刷基板的开始，以触发新图像的开始。

在权利要求的范围内存在并且包含许多变化和修改。例如，期望在靠近印刷头的位置处感测印刷基板运动。这使得每个基板末端处的未印刷边缘最小化。可以在接近印刷基板的光路中添加小镜子，允许机构的其余部分枢转离开印刷头。

如果有更多的未印刷边缘，光学传感器可以位于(多个)印刷头的上方或下方。这是针对具有水平印刷运动或水平处理方向的垂直印刷基板定向的情况而描述的。如上所述，其他取向也是同样可行的，诸如水平印刷基板和(多个)向下拍摄印刷头。

为了搭配使用薄的印刷基板，诸如在被折叠成盒之前的纸板，该传感器可以从相对于印刷头的相对侧观察印刷基板。只要没有显著的图像渗色发生，至少直到基板移动经过传感器之后，感测可以直接位于(多个)印刷头后面。

另一种降低未印刷边缘的选项是使用两个传感器，印刷头两侧各一个。两个传感器可各为其本身的跟踪系统的一部分，或者在它们之间共享电子设备和/或其他部件。当基板移动经过印刷头时，点时钟生成器的速度输入将从一个传感器切换到另一个传感器。切换可以基于哪个传感器检测到更高的平均图像强度，作为哪个传感器具有印刷基板的完整图像的指示。

作为远心透镜的小型低成本透镜的替代，包括微透镜阵列的可以是可行的。由于透镜元件的间隔，它可能具有运动伪影，但是这种伪影对于某些应用来说可以是可容忍的。

在一个实施方案中，远心透镜由一对面对面联接的35mm幻灯机透镜组成，并且组合使其位于物体侧远心的光圈。该透镜组件可能比最终系统需要使用的大得多。其从透镜到基板具有80mm间隙的大透镜在一些应用中可以是有利的，但是可以使用任何尺寸的透镜，并且这些透镜在权利要求的范围内。

以这种方式，可以实现具有印刷基板跟踪的高效率、低延迟的印刷系统。跟踪系统可以使其电子设备与图像传感器和透镜物理集成，或者可以与印刷系统的其他部分共享电子设备。

应当理解的是，以上公开的和其他的特征和功能的变型或其另选方案可以被组合到许多其他不同的系统或应用中。本领域的技术人员随后可以做出各种目前未预见或未预料到的替换、修改、变化或改进，这些也旨在被所附权利要求书所涵盖。