第 1 章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
在人类社会的发展进程中，由于化石能源的储量减少并且消耗量增大，使得能源问题已成为一个不可忽视的严重问题。为了解决这一影响人类生存的至关重要的问题，使得越来越多的科研人员加入到了新能源（风能、水能、太阳能等）的开发和利用的行列当中。虽然太阳能作为新能源具有非常丰富的资源，并且供应十分均衡，但是如果没有适当的储能器件储存太阳能的话，该能源也没有十分广阔的应用前景。而化学电池因其可以重复使用被广泛应用于汽车、发电站等部门。并且化学电池作为一种能源储存的重要器件，在能源利用与环境保护等方面有至关重要的作用。 综合考虑到化学电池的储能功能以及太阳能因天气规律无法全天候供应的缺点，太阳能电池在这一背景下被制造出来。世界上许多国家都提供各种优惠政策以利于太阳能电池的发展。在优惠政策的推动下，制造太阳电池栅线的技术也在不断地革新[1,2]。 目前，商业化的晶硅电池制备电极的主要方法是丝网印刷技术。该技术诞生自 20 世纪 70 年代，是晶硅光伏电池制造中较为成熟的专业技术。但随着光伏产业在发展方向提出的高效、低成本的要求，对光伏电池的转换效率提出了更高的要求。在电池正表面电极栅线制备方面，可以通过减小正电极细线宽度达到减少光遮挡面积，增加电池表面对光的吸收能力的作用；而通过增加正极栅线的数量，可在一定程度上减少晶硅电池少数载流子的复合损失。以上这两途径都可以很好的提高光电转换效率。所以光伏电池正电极栅线正朝着超致密方向发展。但是，丝网印刷技术在印刷过程中容易受印刷浆料颗粒体积的大小和印刷网孔的制约，烧结后的细栅线宽度很难低于 50um，且高宽比很难控制。由浆料中银颗粒较大，烧结后很难形成致密结构，形成较大的接触电阻，造成电能损耗。因此，丝网印刷技术已经很难满足光伏电池对转换效率的要求。
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1.2 3D 打印电子技术概述
“3D 打印电子技术”即印制电子(All Printable Electronic)技术，是指利用各种印刷技术通过导电聚合物及纳米金属墨水制成的电路，被称为“电子制造业的革命性工艺”[4,5]。 印制电子技术指的是采用数字喷墨打印技术高速、高效地在基材上形成导电图像的过程。数字喷印技术是利用加成法将上位机中预先绘制好的图形采用非接触式的方法将导电材料喷印到基材上，形成与原图像完全一致的图像。采用该技术可以避免蚀刻法所造成的材料浪费，从而提高原材料的利用率，降低生产成本。更为重要的是，因数字喷印制备技术对材料的节约可以满足可持续发展的大环境要求。基于上述原因，3D 打印电子技术成为栅线制备中炙手可热的研究方向，优势十分明显。 首先，3D 打印电子技术使用加成法制备，避免了大量蚀刻铜，这样就避免了采用蚀刻时处理溶液的费用，极大地降低了生产成本。其次，3D 打印电子技术的加成法制备的制备工序比减成法明显有所减少，简化了栅线制备的制造工序，提高了制备效率。更为重要的是避免了因产品档次升高所带来的工序复杂的恶性循环。再者，利用该技术可以将电子器件及电子线路完整的喷印在一起，构成一个完整的整体，使电子器件性能更加完善。最后，3D 打印电子技术喷印制备的产品可以是柔性的、适合各种空间形状的要求，这样就极大的扩展了 3D 打印电子制备的应用市场，具有广阔的市场前景。
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第 2 章 系统总体设计
3D 打印电子技术是非接触式的喷印制备技术，在计算机人机交互界面的控制下，微小的纳米金属颗粒连续快速地喷射到承受基体上。该技术首先将打开的图像信息利用计算机转换之后传至打印系统，然后喷印控制软件系统控制喷头快速产生墨滴并使墨滴以一定速度直接喷射到基板上，在基板上形成稳定的图像信息。 喷印制备超细栅电池栅线，就是采用较为传统的数字喷墨打印制备方法以加成法的制备原则将纳米银颗粒按需要喷印在基板衬底表面，之后经由固化灯烧结固化而成。面向超细栅电极制备的电子打印设备不同于常规的打印设备，对系统软硬件都有较为严格的要求。 同时，为了简单直接地观测喷印制备过程中的墨滴状态，我们需要设计一个该系统专用的图像观测系统。 下面就本课题中所设计到的制备平台、控制系统及观测系统进行简单地介绍。
2.1 超细栅电极喷印制备平台
超细栅电极制备栅线利用喷墨打印加成法的制备方式，打印时需要历经数据处理、喷墨打印、烧结固化等一系列的工艺过程。喷墨打印制备超细栅电极作为一种新的电池制备工艺，它并不是为了达到视觉上的某种效果，而是能够更加高效、精准、安全地喷印制备出所需要的电池栅线，也就是说它对产品的电学性能的要求非常严格。因此，用于喷墨打印超细栅电极的喷印设备也远远地区别于传统印刷行业的印刷设备。下面，将对喷墨打印超细栅电池栅线的喷印设备平台构成进行简要的介绍。由上位 PC 机发送运动控制信息到运动控制板，运动控制板控制伺服电机带动喷头板、吸附台、固化灯运动到既定位置；同时，上位机发送转换好的图像喷印数据到喷头驱动板，控制喷头完成纳米银颗粒的喷印。CCD 位置检测模块实时监测喷头板、吸附台、固化灯的位置并反馈给上位 PC 机。喷头状态检测模块对喷头状态，并将喷头状况进行实时监测，并将信息反馈给上位机[14,15]。
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2.2 纳米银微滴喷印控制系统
纳米银颗粒微滴精密喷射控制系统主要包括 USB 通信模块、数据解析模块以及运动控制模块。USB 通信模块的主要功能是完成控制命令及喷印数据的发送和返回数据的接收[19]。 在该模块中，我们采用 Cypress Suite USB3.4.7 来实现 win7 环境下控制系统与上位机数据之间的通信。控制系统通过对 PC 机发过来的控制命令进行识别，以完成数据发送、喷印、运动等功能。下面对 USB 通信协议制定及实现进行简单的介绍。USB 通信协议的基本单元由 512 个字节组成，也就是说上位机每次对下位机发送的控制指令或者打印文件数据都需要保证达到 512 个字节，如果命令或数据的位数不足，则需要用零补充。如表 2.2 所示，传输协议包含由 16 个 0XAA 字节组成的前导字符；一个 0XA5 字节的起始符；紧跟其后的是 1 个字节的控制命令和 128 个字节的控制参数，且控制参数随控制命令的不同而发生相应的变化；在命令参数后的是一个 0X0D 字节的结束标识符及补足字节所添加的 0X00。其中控制命令有许多不同的意义，例如值为 0X02 时表示执行打印；值为 0X03 时执行 X 轴动作，控制系统根据后几位的控制参数来确定 X 轴行走的距离等。
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第 3 章 超细栅电极喷印数据解析处理系统 ............ 29
3.1 文件解析 ........ 29
3.2 基于多喷头阵列的数据转换技术 ...... 33
3.3 多喷头喷印数据处理系统 ............ 35
3.4 本章小结 ........ 38
第 4 章 微滴图像处理及检测系统 ........... 39
4.1 液滴图像处理方法 ......... 39
4.1.1 液滴图像预处理方法 ............ 40
4.1.2 灰度化处理 ........... 41
4.1.3 微滴图像的阈值分割与特征提取 ........... 42
4.2 超细栅电极喷印制备缺陷在线检测 .... 44
4.3 本章小结 ......... 60
第 4 章 微滴图像处理及检测系统
为了便于对喷头喷射出的纳米银墨滴进行观测，进行缺陷的检测，本章中主要介绍了液滴图像的处理方法及超细栅电极喷印制备缺陷在线检测系统。
4.1 液滴图像处理方法
喷印栅线的液滴图像的处理，是对运动物体进行图像处理的一种。而早在 20世纪 60 年代，科研人员就已经开始了对运动物体的图像进行获取及处理的研究。截止到目前，对运动物体的图像处理已被广泛地应用于卫星图像处理、导弹跟踪、汽车号牌识别以及智能机器人的路径规划等各个行业中[23]。 现在，图像差分法（Image Difference Method）和光流法（Optical Flow Method）是运动物体的图像处理中比较成熟的检测方法。图像差分法之中又包含两个具体的处理方法，一是背景差法—将当前获取的即时图像与固定的背景图像进行相差运算；再一是帧差法—将获取的当前获取的即时图像与上一帧早已获取并保存的图像进行取差运算。两种处理算法有明显的区别，帧差法处理的图像是背景不断变化的，而背景差法处理的图像要求环境干扰要小。光流法是在目标运动特征的基础上，计算图像每一个位置像素的速度矢量，之后根据每一个矢量特征对图像进行分析，并检测出运动物体的位置。 作为图像分析与模式识别中至关重要的一个步骤，图像分割的准确性将对图像分析与处理的结果产生直接的影响。图像分割的目的是将所需目标从图像中提取出来，在提取之前需要按照某一规则将图像进行划分。
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结论
在能源日益短缺的大环境下，人们加大了对新能源—尤其是太阳能的研究与开发力度。科研人员在将大部分精力用于研究太阳能的转换与利用的同时发现，传统的丝网印刷制备电池栅线的技术难以满足现在制造太阳电池的要求。为了可以弥补丝网印刷在制备电池栅线中缺陷，科研人员提出了利用 3D 打印电子技术来制备超细栅电池栅线。3D 打印电子技术是近些年来新兴的一种制造技术，尽管目前还没有得到产业化的应用，但因其良好的发展前景而倍受科研工作者的青睐。3D 打印电子技术不仅具有生产环保、经济高效等优点，更重要的是该技术制备电池栅线可以实现柔性化制造。这样的技术给超细栅电池栅线的制备提供了极大的提升空间。 本文基于课题组“喷墨打印制备超细栅电极及优化关键技术研发”及“面向3D 打印电子器件的纳米微滴检测与智能优化”，以超细栅电极制备的液滴观测为研究背景，设计了一套液滴图像处理及检测系统。本系统主要包含对液滴图像的灰度化处理、阈值分割与特征提取。 本文的主要研究工作如下：
1) 本文首先对 3D 打印电子技术与太阳电池超细栅电极制备工艺进行了简单的介绍，并介绍了利用该技术制备电池栅线的优势及面临的问题。
2) 本文介绍了实验平台及系统的构成，并对控制系统的三个部分（USB 通信模块、数据解析模块以及运动控制模块）进行了简单介绍。
3) 本文介绍了打印文件 prt 数据的解析及转换的介绍，主要包括文件解析、数据转换原理及喷印数据的处理与控制三个方面。
4) 本文重点介绍了液滴图像的处理方法及超细栅电极喷印制备缺陷的在线检测。第一部分包含液滴图像预处理方法、液滴图像的灰度化处理以及微滴图像的阈值分割与特征提取等内容。第二部分包含微滴图像的获取与预处理、微滴图像的缺陷检测、功能模块与算法的集成设计以及实际应用案例。
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参考文献（略）