WO2015058927A1 - Optisches verfahren und optische vorrichtung zur bestimmung einer eigenschaft eines teilweise transparenten objektes auf einer teilweise reflektierenden auflagefläche, und computerlesbares medium - Google Patents

Optisches verfahren und optische vorrichtung zur bestimmung einer eigenschaft eines teilweise transparenten objektes auf einer teilweise reflektierenden auflagefläche, und computerlesbares medium Download PDF

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WO2015058927A1
WO2015058927A1 PCT/EP2014/070743 EP2014070743W WO2015058927A1 WO 2015058927 A1 WO2015058927 A1 WO 2015058927A1 EP 2014070743 W EP2014070743 W EP 2014070743W WO 2015058927 A1 WO2015058927 A1 WO 2015058927A1
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WO
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light
support surface
detected
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reflected
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PCT/EP2014/070743
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Manuel Lorenz
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Technische Universität München
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    • G—PHYSICS
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    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G01N13/02—Investigating surface tension of liquids
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    • G01N13/02—Investigating surface tension of liquids
    • G01N2013/0208—Investigating surface tension of liquids by measuring contact angle

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for determining a property of an object such as a drop of liquid, in particular a geometric property, such as a contact angle between the object and a support surface on which the object is arranged.
  • Determining the wettability of surfaces with liquids plays an important role in various technical areas, such as printing technology, materials science or condensation processes in energy technology.
  • the wettability can be determined via the forming contact angle between a drop of liquid and a horizontal level bearing surface.
  • EP 0 919 801 A1 discloses a contact angle measuring device for measuring the contact angle formed by a drop to a surface of a sample body.
  • the measuring device has a camera, which images the transition region between the drop and the surface of the sample body in a side view.
  • Disadvantage of such methods is that they are difficult to automate and allow only the detection of individual drops.
  • the optical detection of the baseline ie the laterally projected support surface, associated with a relatively large inaccuracy.
  • EP 2 093 557 A2 discloses a method for determining the contact angle between a sample surface, a gaseous environment and a drop arranged on the sample surface.
  • an object is imaged based on the reflection properties of the surface of the drop, the position of the object being to the optical axis of an optical measuring system and the position of the object to the sample surface are known.
  • the symmetry axis of the drop is located in or near the optical axis.
  • only one drop can be measured simultaneously.
  • the radius of curvature or the contact angle can be determined with the method, but not further geometric information, such as the drop volume. Rather, the drop volume must be known by other methods, for example by an accurate dosage during the application, in order to be able to determine the contact angle at all.
  • the invention provides a method in which at least one object, such as a drop, is arranged on an at least partially reflecting support surface and light is irradiated onto the support surface and the at least one object arranged thereon. A first light component of the incident light is reflected on a curved surface of the at least one object and subsequently detected.
  • a second light portion of the incident light is refracted when penetrating the object at the curved surface, is then reflected at an interface between the object and the support surface, refracted upon exiting the object at the curved surface, and is subsequently detected. At least one property of the object is determined based on the detected first light portion and the detected second light portion.
  • the method thus makes it possible to determine a property of the object, such as, for example, a contact angle between the object and the support surface or of the object volume in a single measurement process.
  • the courses of two light components are detected: a first light component is reflected directly on the curved surface of the object and detected, for example, with an optical sensor.
  • a second portion of light initially enters the object, wherein the second portion of light is refracted upon entering the object due to the different refractive indices of the object and the surrounding medium when entering the object.
  • the second portion of light then strikes the interface between the object and the support surface, where it is reflected back into the object.
  • the second light component again passes through the curved surface of the object, where it is refracted again.
  • the second light component is then detected, for example, with the same sensor.
  • the image picked up by the optical sensor includes a bright surface having a position and a shape.
  • the term form does not only include qualitative typing such as e.g. circular or angular, but also quantitative parameters, such as a radius of a circular in the image light component.
  • the at least one property of the object is determined. For example, the positions at which the first light share and the second portion of light on the sensor surface of the camera meet determined to determine the radius of curvature or the contact angle of the object. In particular, the distance of the positions at which the first light component and the second light component strike the sensor surface of the camera can be determined for this purpose.
  • the shapes of the lights in the captured image can be detected. In particular, with light components which at least partially follow a circular line in the recorded image, the radii of the light components in the recorded image can be detected.
  • the light can be radiated from above and also the observation from above, the objects are not disturbed in their training and their behavior by the measurement. For example, objects can be examined in ongoing condensation experiments without the tests being disturbed by the measuring method. Moreover, the method according to the invention also provides reliable and accurate results even at contact angles between object and contact surface of 90 ° and more.
  • the object may be liquid, solid or gaseous or contain two or more liquid, solid and / or gaseous components.
  • the object may be, for example, a drop, in particular a drop of liquid.
  • the object can be formed from a solid, for example from a solidified liquid.
  • the object may be gaseous or comprise a gas.
  • the object may be, for example, a bubble in a surrounding solid or a surrounding liquid.
  • the method can also be used for objects that consists of a mixture of several liquids, gases and / or solids. It is only necessary in this context for the screened surface of the object to define an interface between media having different refractive indices, such as between the object and the surrounding media surrounding the object.
  • the object at the curved surface may be adjacent to a surrounding medium having a different index of refraction than the object or a portion of the object adjacent to the curved surface.
  • the surrounding medium may be a gas, such as air.
  • the surrounding medium may be a liquid or a solid.
  • the surrounding medium may have the same or a different state of aggregation than the object.
  • the light can be radiated in a fixed angle relative to the support surface. In this way, all parts of the light are irradiated at an equal angle relative to the support surface.
  • the support surface and the at least one object may alternatively or additionally be arranged such that the first light component after the reflection on the at least one object runs approximately parallel and that the second light component after the refraction when leaving the object runs approximately parallel.
  • the at least one object is transparent at least at one wavelength or in at least one wavelength range of the incident light.
  • the second light portion of the irradiated light can thus at least partially penetrate into the object.
  • the irradiated light may include, for example, light in the visible wavelength range.
  • light having a wavelength or a wavelength range tuned to the at least one object may be used.
  • a wide range of object properties can be determined with the method according to the invention.
  • any property which has an influence on the reflection at the curved surface of the object, the refraction on the curved surface and / or the reflection at the interface between object and bearing surface can be determined.
  • a refractive index of the object can be determined.
  • the object geometry is unknown.
  • the inventive method can be used to determine the object geometry.
  • the at least one property of the object is a geometric property of the object, in particular a radius of curvature, a contact angle to the support surface or an object volume.
  • the ob- jektvolumen be determined, for example, to evaluate a metering device for the objects, such as drops, and possibly to adjust.
  • the light is radiated by a light source, which extends in an annular manner about an axis or has a plurality of light-emitting regions arranged around an axis, in particular equidistant from the axis.
  • the annular light source may in particular be defined by a circular line which runs concentrically around the axis.
  • the axis may in some cases be an axis of symmetry of the light source. Alternatively or additionally, the axis can run perpendicular to a plane defined by the light source and / or run through a geometric center of the light source.
  • the axis is aligned perpendicular to the support surface.
  • the shapes of the detected light components in the recorded image essentially have a similar shape to that of the light source.
  • the distribution of the first and second light components in the case of a symmetrical object shape is likewise approximately annular.
  • the distribution of the light components corresponds to the shape of the light source even more, if in addition the axis of the light source is aligned perpendicular to the support surface.
  • the radii of the detected first and second light components, for example, in an image recorded by an optical sensor can be easily determined in order to determine therefrom the at least one property of the object, as will be described in detail below. In this way, the automated determination of the object property, in particular when examining a large number of objects, is simplified.
  • the first and second light components are detected in a region around the optical axis of the light source.
  • the first and second light components can be detected with an optical sensor which detects light coming from the contact surface along the axis of the light source.
  • the optical sensor can be aligned along the axis of the light source.
  • the axis of the light source can run, for example, through a sensor surface of the optical sensor.
  • it can be provided between the support surface and the optical sensor, an optics along the axis of the support surface coming light directed to a sensor surface of the optical sensor.
  • At least the first and the second light component are irradiated in an approximately constant angle within an observation area of the support surface onto the support surface with the at least one object arranged thereon.
  • An angle can be considered, for example, as approximately constant when the angular deviation of the beam paths of the light components is less than 4 °.
  • the light portions reflected within an observation area of the support surface are detected, wherein the observation area has a diameter, and wherein a distance between the light source and the support surface is at least five times, in particular at least ten times larger than the diameter of the observation area.
  • a distance between an optical sensor which detects the first and the second light component, or an objective arranged in the optical path in front of the optical sensor and the support surface is at least five times, in particular at least ten times, larger than the diameter of the observation region.
  • the irradiated light components approximately within the observation area at an equal angle to the support surface so that, for example, a plurality of objects can be examined simultaneously under approximately the same angular conditions.
  • the observation area describes the entire bearing surface or a subarea thereof, including the at least one object arranged thereon.
  • the diameter of the observation area may be, for example, 5 cm when raindrops are to be examined on a disk, wherein the distance between the light source and the support surface and the distance between the lens and support surface may be about 1 m.
  • the light is radiated at an angle between 5 ° and 60 °, in particular between 10 ° and 30 ° and preferably between 15 ° and 25 ° relative to the axis.
  • angles of incidence it is achieved in the case of many object materials that a first light component is reflected at the curved surface of the object and a second light component is refracted.
  • too low or too steep angles of incidence would have the disadvantage that, depending on the object geometry, the first or second light component can no longer be detected since the reflection and refraction conditions of a beam path from the light source to the sensor are no longer met.
  • a shutter is provided in the beam path between the support surface and the optical sensor.
  • stray light and other light which does not correspond to the light components to be detected, can be prevented from reaching the optical sensor. It is preferred that the rays strike the optical sensor or the lens almost perpendicularly and / or with almost the same angle.
  • a diaphragm is used which determines which sensor angles of incidence can still be detected.
  • Light source causes a wide-open aperture the image of the light source as two relatively wide circular lines.
  • a closed aperture there are two sharp thin circle lines.
  • a closed diaphragm is preferred because in this case there are fewer possible beam paths from the light source to the optical sensor and a higher measurement accuracy can be achieved. Irrespective of the diaphragm, the choice of the correct distance from the light source or optical sensor or objective from the support surface or the choice of a smaller observation region makes it possible for the angular proportions of the light components to be similar for the entire observation region.
  • a third light component of the irradiated light is reflected outside the at least one object on the support surface, reflected on the curved surface of the object and subsequently detected, wherein the property of the object is further determined based on the detected third light component.
  • a further information about the properties such as a geometric shape of the object is determined.
  • various calculation methods can be used, each based on one or two of these three lights, and the results can then be compared.
  • an average of the values calculated for the geometric property by means of the different calculation methods can be determined. In this way, the measurement accuracy for the geometric property is further improved.
  • the positions or shapes of the three lights can be captured and evaluated to more than one property 0743
  • the radius of curvature, object volume and contact angle can be determined simultaneously.
  • a plurality of objects are arranged on the support surface, wherein the first and second light portions reflected at the plurality of objects are detected simultaneously, and the at least one property for each of the plurality of objects based on the detected first and second objects second light components is determined.
  • This embodiment enables the rapid determination of one or more properties of a plurality of objects in a single measurement operation. In this way, for example, a statistical distribution of the property (s) can be efficiently determined, which would require a large number of successively performed measurement processes in conventional measuring methods for determining the contact angle.
  • This is particularly advantageous in embodiments in which the geometric property is determined at different points in time, as will be explained below.
  • the plurality of objects may for example comprise at least 5, in particular at least 100 and preferably at least 1000 objects.
  • the first and the second light component are each detected at at least two times, and the property of the object at the at least two times is determined based on the detected first light component and the detected second light component.
  • the temporal evolution of the object property can be determined.
  • the third light component can be detected at the same points in time as the first and the second light component. It can further be provided that, based on the object properties determined for the at least two times, a change of the at least one object, a type of the at least one object and / or an environmental condition is ascertained.
  • the first and the second light component are respectively detected periodically and the property of the object is determined at the times based on the periodically detected first light component and the periodically detected second light component.
  • the times may have a constant time interval, the for example less than five minutes, in particular less than one minute and preferably about 10 s.
  • the method is not limited to a specific time interval.
  • the light components can be recorded in very short time intervals and evaluated either in real time or with a time offset or only after completion of the measurement in order to determine the at least one property.
  • the method further comprises placing the at least one object on the support surface by spraying.
  • the at least one object can be arranged by condensation on the support surface.
  • the at least one object is arranged with a tool, such as a needle on the support surface.
  • the invention provides an apparatus.
  • the device comprises a receptacle which is set up to receive a support element with an at least partially reflective support surface on which at least one object is arranged or can be arranged, and a light source which is configured to directly or indirectly light it to illuminate an observation area of the support surface.
  • the apparatus further comprises an optical sensor arranged to take an image of the observation area, the image comprising a first portion of the incident light reflected at a curved surface of the at least one object and a second portion of the incident light which is refracted when penetrating the object at the curved surface, reflected at an interface between the object and the support surface, and refracted upon exiting the object at the curved surface.
  • the device comprises an evaluation circuit coupled to the optical sensor, which is designed to detect a position or shape of the first light component and a position or shape of the second light component in the recorded image, and at least one property of the object based on the detected one Determine positions or shapes.
  • the optical sensor may comprise, for example, an image sensor, in particular a camera, for example a CCD camera or a CMOS camera.
  • the optical sensor can record the image, for example, after the interaction of the light components coming from the observation area with an optical system, for example a lens.
  • the observation area corresponds to the subarea of the bearing surface, which is shown in the image taken by the optical sensor.
  • the evaluation circuit includes an output for outputting the at least one characteristic.
  • the Von-direction may further comprise a memory coupled to the evaluation circuit to store therein the at least one certain property.
  • the device may comprise a display device coupled to the evaluation circuit in order to indicate the specific property.
  • the at least one property of the object is a geometric property of the object, in particular a radius of curvature, a contact angle to the support surface or an object volume.
  • the light source extends in an annular manner about an axis or has a plurality of light-emitting regions arranged around an axis, in particular equidistant from the axis.
  • the light emitting areas can be spatially separated from each other. It is particularly preferred that the light source surrounds the optical sensor or a detection axis of the optical sensor.
  • the detection axis of the optical sensor can be parallel to the axis of the light source and in particular be identical to this.
  • the optical sensor is arranged such that it detects light components coming from the observation area along the axis of the light source.
  • the optical sensor can be arranged, for example, along the axis of the light source.
  • a sensor surface can intersect the axis and be arranged, for example, perpendicular to the axis.
  • an optical system is provided between the support surface and the optical sensor, which directs light components coming from the observation region along the axis of the light source to the optical sensor and / or images it, such as an objective.
  • the axis of the light source is oriented substantially perpendicular to the support surface.
  • a detection axis of the optical sensor which is possibly provided by an optical system, be aligned substantially perpendicular to the support surface.
  • An axis is substantially perpendicular to the support surface when it includes an area normal of the support surface an angle of less than 10 °, in particular less than 5 ° and preferably less than 1 °.
  • a lens is arranged in the beam path in front of the optical sensor.
  • the objective may, for example, be convex in order to achieve a strong magnification of the recorded image of the observation area.
  • the lens may be a long-distance lens that allows a large working distance to the object with a focal length in the range of several centimeters, for example 8 to 50 cm.
  • the magnifications are then in the range of 0.1 to 10 and can, for example, the adaptation of the observation area on the size of the camera chip, which is only a few square millimeters large serve.
  • Harsh Environment Conditions such as Harsh Environment Conditions.
  • a transparent screen such as a protective glass
  • the optical sensor, the support surface, the light source and the at least one object are further arranged such that the captured image moreover a third portion of the incident light reflected outside the at least one object on the support surface and on the curved surface of the object is reflected, captured.
  • the evaluation circuit is further configured to detect a position or shape of the third light portion in the captured image and to further determine the property of the object based on the detected position or shape of the third light portion.
  • a distance between the light source and the support surface is at least ten times larger than a diameter of the observation region and a distance between the optical sensor or a lens arranged in front of the optical path and the support surface is at least five times, in particular at least ten times larger than a diameter of the observation area.
  • the optical sensor is adapted to record images of the observation area at at least two successive time intervals
  • the evaluation circuit is further configured to detect the positions or shapes of at least the first and second light components in the at least two recorded images and the Property of the object at the at least two times based on the detected positions or shapes to determine.
  • the evaluation circuit may be configured to store the properties of the object or of the plurality of objects determined at the different time intervals in the memory.
  • the evaluation circuit can also be set up to determine a temporal change of the object, a type of the object and / or an environmental condition based on the object properties determined at the at least two points in time.
  • a plurality of objects are arranged on the support surface and the evaluation circuit is adapted to the positions or shapes of the first and second reflected on the plurality of objects
  • the device further comprises a support member received in the receptacle with an at least partially reflective support surface for at least one object.
  • the support surface may be formed, for example, hydrophobic or hydrophilic.
  • the support surface may have a recess for receiving the at least one object.
  • a computer-readable medium for use with a device.
  • the device comprises a receptacle which is adapted to provide a support element with an at least partially reflective support. surface, on which at least one object is arranged or can be arranged, and a light source which is configured to directly or indirectly irradiate light into an observation area of the support surface.
  • the apparatus further comprises an optical sensor arranged to capture an image of the observation area, the image comprising a first portion of the incident light reflected at a curved surface of the at least one object and a second portion of the incident light is refracted when penetrating the object at the curved surface, is reflected at an interface between the object and the support surface, and is refracted upon exiting the object at the curved surface.
  • the device may in particular be a device of the type described above.
  • the computer-readable medium has instructions stored thereon which, when executed by a processor, cause the processor to receive an image captured by the optical sensor and a position or shape of the first portion of light and a position or shape of the second portion of light capture the captured image, and determine at least one property of the object based on the detected positions or shapes.
  • the computer-readable medium may include, for example, a semiconductor memory such as a dynamic random access memory (DRAM), a static random access memory (SRAM), an EPROM, or an EEPROM.
  • the computer-readable medium may include a magnetic and / or optical storage medium such as a hard disk, a memory card, a CD-ROM, a DVD, a USB memory, or the like.
  • the stored instructions when executed by the processor, further cause the processor to evaluate the image captured by the optical sensor by the processor determining a position or shape of a third portion of light reflected from the light source in the observation area which is reflected outside the at least one object on the support surface and reflected by the surface of the object, detects the captured image and further determines the at least one property of the object based on the detected position or shape of the third light component.
  • the optical sensor of the device is configured to display images of the observation area on at least two successive points in time 0743
  • the stored instructions when executed by the processor, further cause the processor to detect the positions or shapes of at least the first and second light portions in the at least two captured images and the property of the object at the at least two time points based on the determined positions or shapes.
  • the stored instructions when executed by the processor, cause the processor to further determine, for each object of a plurality of objects disposed on the support surface within the viewing area, the positions or shapes of the first and second portions of light capture the captured image and determine, for each object of the plurality of objects, the at least one property based on the positions or shapes of the detected first and second lights.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the device according to an embodiment in a cross-sectional view
  • FIG. 3 shows the relationship between the contact angle of an object and the ratio of the radii of the ring-shaped detected light components in a captured image according to one embodiment.
  • FIG. The marked end points of the curve indicate the detectable measuring range dependent on the angle of incidence of the light source.
  • FIG. 4 shows images on which the positions and shapes of the first, second and third detected light components are visible, and cross-sectional views of the droplet at different times, wherein the droplet is arranged on a polycarbonate surface
  • Fig. 5 shows the contact angle to the images of Fig. 4 as a function of time
  • FIG. 6 shows images on which the positions and shapes of the first, second and third detected light components are visible, as well as cross-sectional views of the droplet. at different times, the drop being arranged on a hydrophobic surface,
  • Fig. 7 shows the contact angle to the images of FIG. 6 as a function of time
  • FIG. 8 shows images in which the positions and shapes of the first, second and third detected light components are visible, and cross-sectional views of the droplet at different times, wherein the droplet is arranged on a hydrophilic surface
  • Fig. 9 shows the contact angle to the images of Fig. 8 as a function of time, with the
  • FIG. 10 shows images on which the positions and shapes of the first, second and third detected light components are visible, and cross-sectional views of the droplet at different times, wherein the droplet was arranged on a hydrophobic surface.
  • the drop in this experiment had a size in which the influence of gravity was pronounced.
  • FIG. 10 shows the contact angle to the images of FIG. 10 as a function of the time measured by the method according to an embodiment with consideration of the influence of gravity and the method known from the prior art, FIG.
  • Fig. 12 is a diagram on which the positions and shapes of the first and second at a
  • FIG. 13 shows a bar chart of the statistical distribution of the contact angle measured with a method according to an embodiment in a condensation test on a polycarbonate surface with subsequent defrosting and
  • Fig. 14 which is determined by the experienced according to an embodiment and normalized
  • the method according to the invention makes it possible to determine one or more properties, in particular geometric properties, of one or more objects. For example, the contact angle and / or the volume of a large number of objects be determined at the same time low metrological effort when using the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the device according to the invention according to an embodiment in a cross-sectional view.
  • an objective 2 is installed vertically above one or more objects 6 which are arranged on an at least partially reflecting support surface 7.
  • an annular light source 3 Coaxial with the axis 4 of the objective 2 is an annular light source 3 with a defined diameter D and distance A to the support surface 7 is installed.
  • the light source 3 irradiates light 5 on an observation area of the support surface 7 with objects 6 arranged thereon.
  • the observation area is indicated schematically in FIG. 1 by the reference numeral 8 has a diameter B.
  • the light 5 is reflected at the curved surface of the objects 6 or after refraction on the curved surface on the support surface 7, and then extends substantially along the axis 4 to the lens 2.
  • an optical sensor 1 is arranged which detects the light coming from the observation area and takes a picture of the observation area.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of an object, for example one of the objects 6 in the observation area 8 of FIG. 1, with illustrative beam paths of the light incident into the objective with the beam angles ⁇ 1 ⁇ , ⁇ 2 ⁇ and ⁇ 3tl .
  • an object a drop is shown in FIG.
  • the properties of other objects can also be determined by the method according to the invention.
  • the distance A and the distance of the objective from the observation area be large in relation to the diameter B of the observation area.
  • the light from the annular light source then arrives at each point of the observation area approximately at the constant angle of incidence a a ⁇ 2 a, 3 a ⁇ atan (-0.5 -D / A) and also leaves the observation area in the direction of objective 2 and optical sensor 1 Approximately constant angle ⁇ " ⁇ ⁇ 1 ⁇ , 2 ⁇ , 3 ⁇ ⁇ 0.
  • an evaluation circuit (not shown) is coupled to the optical sensor 1.
  • the evaluation circuit may be, for example, a processor that is operated with a calculation software for determining one or more object properties.
  • the image taken by the optical sensor 1 can first be stored in a memory and then evaluated, for example, on a computer.
  • Fig. 2 is for better clarity, only one possible beam path per reflection, ie per detected light component of the incident light, and not the mirrored at the axis 4 beam path.
  • the always observable reflection C 1 is formed by direct reflection of the light beam at the curved object surface 61 and corresponds to a first light component 51 of the light irradiated by the light source 3.
  • the reflection C 2 is formed by entry and refraction of the light beam at the object surface 61, reflection of the beam at the support surface 7 and exit from the object 6 with renewed refraction at the object surface 61.
  • the reflection C 2 thus corresponds to a second light component 52.
  • a third reflection C 3 may still be observable, which is produced by reflection of the light beam at the support surface 7 outside the object 6 and subsequent reflection at the object surface 61.
  • the third reflection C 3 corresponds to a third light component 53.
  • the optical sensor 1 in FIG. 1 is arranged such that the image taken by it captures the first, second and third light portions 51, 52, 53. From reflection and refraction law as well as from the contact angle and volume-dependent shape of the object 6, geometric relationships between the occurring reflection points or circles, ie the observable positions or shapes of the light components 51, 52, 53 in the image of the optical sensor, and derive the properties of the object 6. This means that from the observable and measured radii of Q and C 2, for example, the contact angle and the volume of the object 6 can be calculated. With the help of reflection C 3 as an additional measure, the result could even be validated at large contact angles.
  • the general geometric shape of an axisymmetric object 6 under the influence of gravity can be described by the Young-Laplace differential equation extended by the gravitational term:
  • ⁇ [N m “2 ] is the surface tension
  • Rj and R 2 [m] are the principal radii of curvature of the object surface 61
  • ⁇ [kg m “ 3 ] is the density difference between gas and liquid phases
  • z [m] is the vertical coordinate from the highest Point of the object
  • g [N kg "1 ] the acceleration of gravity
  • Ro [m] the radius of the radius at the highest point of the object
  • the equation can be simplified for axisymmetric objects and converted into a 1st order differential equation system.
  • the object profile is described by the coordinates x, z and ⁇ (see FIG. 2) as a function of the path length s [m] on the object surface and for a specific RQ:
  • the shape of the object 6 can be determined as a function of Ro. Only for a given R 0 and a certain height Ii of the object are the two measured reflection and refraction conditions fulfilled.
  • the profile of the object 6 can be determined from the size of the reflection or from its distance from the object axis. From the profile of the object and the height, the volume find of the contact angle of the object can then be calculated.
  • the dimensionless bond number Bo [-] describes the ratio of gravitational force to surface force and is usually formed with RQ as the characteristic length measure:
  • V ⁇ 2 R - (14)
  • the radii of the reflections Ci and C 2 can be determined by an automated image analysis from the images taken by the optical sensor.
  • the theoretically evaluable range of contact angles and object shapes is shown in FIG. 3 and depends on the angle of incidence a . Outside this range, the reflection C 2 is not observable.
  • the maximum deviation of the two measuring methods is about 1 °. This is within the scope of the estimated measurement accuracy of the conventional method. It should be noted, however, that even the conventional measurement of the contact angle is associated with a certain measurement error, resulting on the one hand by the manual evaluation of each image and on the other hand that the self-adjusting contact angle along the circumference, for example the inhomogeneous contact angle hysteresis is not necessarily constant. Due to the lateral projection of the 14,070,743
  • the contact angle for the conventional method can only be determined for two points. Since the curve of the method according to the invention has less fluctuations, with the method according to the invention, possibly even a higher measuring accuracy can be achieved than with the conventional method.
  • the accuracy of the method according to the invention is limited only by the inaccuracies in the geometric arrangement of the beam path, the simplification of the ideal shape of the object and the resolution accuracy of the microscope or the camera.
  • Fig. 4 shows images of a drop on a polycarbonate surface.
  • images of the droplet taken by the optical sensor 1 of FIG. 1 are shown, in which the reflections Cj and C 2 and partly also C 3 can be seen, ie the positions and shapes of the first, second and third detected light components
  • images of the droplet can be seen from the side, which were used to determine the contact angle according to the method known from the prior art.
  • the distance between the light source and the support surface and the distance between the support surface and the objective were 80 mm in FIG. 4 as well as in the following FIGS. 6, 8, 10 and 12.
  • FIG. 6 shows images similar to FIG. 4, on which the positions and shapes of the first, second and third detected light components are visible, as well as cross-sectional views of the droplet at different times, wherein the droplet is arranged on a hydrophobic surface.
  • FIG. 7 shows the contact angle with the images of FIG. 6 as a function of time, which were measured by the method according to one embodiment and the measuring method known from the prior art.
  • Fig. 7 shows that the invention also Verfaliren contact angle ⁇ > 90 ° can be applied, as long as the condition for the beam path of the reflection is fulfilled C 2, and this can be observed.
  • the measurement series for a drop on a hydrophilic surface shown in FIG. 9 likewise shows a very good agreement for small contact angles.
  • the automatic evaluation is only up to a contact angle of about 30 ° possible. To determine even smaller contact angles, the angle of incidence of the light source a a would have to be increased.
  • FIG. 10 shows images of a droplet under pronounced gravitational influence on a hydrophobic surface.
  • images of the droplet taken by the optical sensor 1 of FIG. 1 are shown, in which the reflections Ci ; C 2 and C 3 are visible, ie the positions and shapes of the first, second and third detected light components.
  • pictures of the drop can be seen from the side.
  • the course of the contact angle in the case of the droplet of FIG. 10 is shown comparatively for both methods, taking into account the influence of gravity during the evaluation on the hydrophobic surface.
  • the fiction, contemporary measurement method is suitable for determining the contact angle of a single object.
  • it has the advantage that objects can be measured even if they are located on concave supports, in depressions or in closed apparatus with a small optical access.
  • Another advantage of the method is that a large number of individual objects that are located in the observation area can be detected simultaneously by a numerical evaluation.
  • the object size distribution and the geometry of all present in the observation area and thus located in the captured image objects can be determined.
  • the specific condensation rate per area or the specific interface liquid-gas and liquid-solid can be determined in a condensation experiment.
  • An exemplary condensation test took place on a 2 mm thick disk of 50 ⁇ 50 mm polycarbonate, which was cooled at the bottom by an ethanol / water mixture at a temperature of -5 °.
  • the disc was overflowed with conditioned air (20 ° C, 40% rh) at a flow rate of 0.4 m / s in a small flow channel with a cross section of 60 x 50 mm.
  • the cooling water was turned off and the air velocity was increased to 15 m / s to defrost the disc.
  • the reflections Q and C 2 ie the first and second light portions 51, 52 were detected in the test evaluation by an automatic image recognition algorithm based on the software Matlab ® .
  • Each drop was assigned the inner reflection Ci and the outer reflection C 2 , ie the first and second light portions reflected or refracted at each drop were detected.
  • the bright ring-shaped or horseshoe-shaped Flexions correspond to the positions and shapes of the first and second light portions 51, 52 in the captured image.
  • the horseshoe shape is created by a partial occlusion of the annular illumination source and allows a good automation of the algorithm.
  • the reflection C ⁇ C compared to the reflection mirror 2, which is understandable based on the beam path in Fig. 2. This fact allows a distinction between the reflections and facilitates the correct assignment of the detected light components.
  • FIG. 13 shows a bar chart of the statistical distribution of the contact angle determined by the method according to the invention in the case of the above-described condensation test with a subsequent defrosting process on a polycarbonate surface.
  • the method according to the invention Since with the method according to the invention an at least as good measuring accuracy as with conventional methods can be achieved and the measuring error can be further reduced by multiple parallel measurements and averaging, a large part of the contact angle measurements made in the field of science and development could work with the method according to the invention. Since a lower technical complexity is required for the measuring method in comparison to conventional measuring methods, the method according to the invention also offers further technical advantages.
  • the vertical view of the one or more objects also creates new and simpler forms of application. This includes the quantitative analysis of the droplet condensation as shown in Fig. 14, which may play an important role especially in the observation of condensation processes in power plant technology. There can be achieved by drop condensation in contrast to the film condensation, a much higher efficiency of the capacitor. Furthermore, the fogging behavior of discs and other surfaces can be examined very closely. This is relevant, for example, in the examination of surfaces for refrigerated showcases, spectacles, or in the automotive industry, where the fogging of the disks is undesirable. reference numeral

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Abstract

Ein Verfahren wird beschrieben, bei dem zumindest ein Objekt auf einer zumindest teilweise reflektierenden Auflagefläche angeordnet ist und Licht auf die Auflagefläche und das zumindest eine darauf angeordnete Objekt eingestrahlt wird. Ein erster Lichtanteil des eingestrahlten Lichts wird an einer gelcrümmten Oberfläche des zumindest einen Objekts reflektiert und anschließend erfasst. Ein zweiter Lichtanteil des eingestrahlten Lichts wird an der gekrümmten Oberfläche beim Eindringen in das Objekt gebrochen, an der Grenzfläche zwischen dem Objekt und der Auflagefläche reflektiert, an der gekrümmten Oberfläche beim Austreten aus dem Objekt erneut gebrochen und anschließend erfasst. Eine Eigenschaft des Objekts, wie beispielsweise ein Kontaktwinkel zwischen dem Objekt und der Auflagefläche, wird basierend auf dem erfassten ersten Lichtanteil und dem erfassten zweiten Lichtanteil bestimmt. Bei dem Objekt kann es sich beispielsweise um einen Tropfen oder eine Blase handeln. Eine Vorrichtung und ein computerlesebares Medium werden ebenfalls beschrieben.

Description

OPTISCHES VERFAHREN UND OPTISCHE VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG EINER EIGENSCHAFT EINES TEILWEISE TRANSPARENTEN OBJEKTES AUF EINER TEILWEISE REFLEKTIERENDEN AUFLAGEFLÄCHE, UND COMPUTERLESBARES MEDIUM
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Objekts wie beispielsweise eines Flüssigkeitstropfens, insbesondere einer geometrischen Eigenschaft, wie beispielsweise eines Kontaktwinkels zwischen dem Objekt und einer Auflagefläche, auf welcher das Objekt angeordnet ist.
Die Ermittlung der Benetzbarkeit von Oberflächen mit Flüssigkeiten spielt in diversen technischen Bereichen wie der Drucktechnik, der Material Wissenschaft oder bei Kondensationsprozessen in der Energietechnik eine wichtige Rolle. Die Benetzbarkeit kann dabei über den sich ausbildenden Kontaktwinke] zwischen einem Flüssigkeitstropfen und einer horizontalen ebe- nen Auflagefläche ermittelt werden.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekam t, bei denen ein Tropfen von der Seite betrachtet wird und eine direkte Messung des Kontaktwinkels zwischen der Auflagefläche und der Tropfensilhouette durchgeführt wird. Beispielsweise offenbart die EP 0 919 801 AI eine Kontaktwinkel-Messvorrichtung zum Messen des Kontaktwinkels, den ein Tropfen zu einer Oberfläche eines Probenkörpers ausbildet. Die Messvorrichtung weist eine Kamera auf, die den Übergangsbereich zwischen dem Tropfen und der Oberfläche des Probenkörpers in Seitenansicht abbildet. Nachteil bei derartigen Verfahren ist allerdings, dass sie nur schwierig automatisierbar sind und nur die Erfassung einzelner Tropfen ermöglichen. Weiterhin ist bei Kontaktwinkeln nahe 90° die optische Erfassung der Basislinie, d.h. der seitlich projizierten Auflagefläche, mit einer relativ großen Messungenauigkeit verbunden. Es wurden daher in der Vergangenheit schon Verfahren entwickelt, die mit einer senkrechten Blickrichtung auf den Tropfen arbeiten, sowie mit der Reflexion von Licht auf der Tropfenoberfläche. Beispielsweise offenbart die EP 2 093 557 A2 ein Verfahren zur Bestimmung des Kontaktwinkels zwischen einer Probenoberfläche, einer gasförmigen Umgebung und einem auf der Probenoberfläche angeordneten Tropfen. Bei dem Verfahren wird ein Objekt aufgrund der Reflexionseigenschaften der Oberfläche des Tropfens abgebildet, wobei die Lage des Ob- jekts zu der optischen Achse eines optischen Messsystems und die Lage des Objekts zu der Probenoberfläche bekannt sind. Die Symmetrieachse des Tropfens ist in oder nahe bei der optischen Achse angeordnet. Allerdings kann auch bei einem derartigen Verfahren nur ein Tropfen gleichzeitig vermessen werden. Darüber hinaus kann mit dem Verfahren nur der Krümmungsradius bzw. der Kontaktwinkel ermittelt werden, nicht jedoch weitergehende geometrische Informationen, wie beispielsweise das Tropfenvolumen. Vielmehr muss das Tropfenvolumen mit anderen Verfahren, beispielsweise durch eine genaue Dosierung bei der Aufbringung, bekannt sein, um den Kontaktwinkel überhaupt bestimmen zu können.
Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung des Kontaktwinkels ist in der US 4,688,938 A offenbart. Dabei wird ein paralleler Primärlichtstrahl senkrecht zu der Auflagefläche eingestrahlt und interagiert mit dem Tropfen und der Auflagefläche, um zumindest einen Sekundärlichtstrahl zu erzeugen. Der Sekundärlichtstrahl wird dabei durch einfache Reflexion des Primärstrahls an der konvexen Oberfläche des Tropfens, durch Reflexion des Primärstrahls an der konvexen Oberfläche des Tropfens bei anschließendem Durchgang durch das transparente Substrat, durch Reflexion des Primärstrahls an der konvexen Oberfläche des Tropfens und anschließende Reflexion an dem Substrat oder durch die Linsenwirkung des Tropfens bei anschließendem Durchgang durch das transparente Substrat erzeugt. Allerdings muss auch bei diesem Verfahren jeder Tropfen einzeln vermessen werden. Darüber hinaus sind nur einzelne geometrische Eigenschaften, wie beispielsweise der Kontaktwinkel, bestimmbar.
Nachteil der bisher bescliriebenen Methoden ist somit, dass jeweils nur ein Tropfen gleichzeitig vermessen werden kann und die Messung nur die Bestimmung des Kontaktwinkels oder des Krümmungsradius ermöglicht. Darüber hinaus können Kontaktwinkel nahe 90° mit den bekannten Verfahren nur mit relativ großer Messungenauigkeit bestimmt werden.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Bestimmung einer größeren Anzahl von Eigenschaften eines Objekts auf einer Auflagefläche mit hoher Messgenauigkeit in einem großen Kontaktwinkelbereich und mit geringem messtechnischen Aufwand zu ermöglichen, wobei die Eigenschaft für eine große Anzahl von Objekten gleichzeitig bestimmt werden kann. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 , die Vorrichtung gemäß Anspruch 11 sowie das computerlesbare Medium gemäß Anspruch 23 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. In einem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren bereit, bei dem zumindest ein Objekt, wie beispielsweise ein Tropfen, auf einer zumindest teilweise reflektierenden Auflagefläche angeordnet ist und Licht auf die Auflagefläche und das zumindest eine darauf angeordnete Objekt eingestrahlt wird. Ein erster Lichtanteil des eingestrahlten Lichts wird an einer gekrümmten Oberfläche des zumindest einen Objekts reflektiert und anschließend erfasst. Ein zweiter Lichtanteil des eingestrahlten Lichts wird beim Eindringen in das Objekt an der gekrümmten Oberfläche gebrochen, wird dann an einer Grenzfläche zwischen dem Objekt und der Auflagefläche reflektiert, beim Austreten aus dem Objekt an der gekrümmten Oberfläche erneut gebrochen, und wird anschließend erfasst. Zumindest eine Eigenschaft des Objekts wird basierend auf dem erfassten ersten Lichtanteil und dem erfassten zweiten Lichtanteil bestimmt.
Das Verfahren ermöglicht somit die Bestimmung einer Eigenschaft des Objekts, wie beispielsweise eines Kontaktwinkels zwischen dem Objekt und der Auflagefläche oder des Ob- jektvolumens in einem einzigen Messvorgang. Hierzu werden die Verläufe von zwei Lichtanteilen erfasst: ein erster Lichtanteil wird direkt an der gekrümmten Oberfläche des Objekts reflektiert und beispielsweise mit einem optischen Sensor erfasst. Ein zweiter Lichtanteil dringt zunächst in das Objekt ein, wobei der zweite Lichtanteil beim Eintritt in den Objekt aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes des Objekts und des Umgebungsmediums beim Eintritt in das Objekt gebrochen wird. Der zweite Lichtanteil trifft anschließend auf die Grenzfläche zwischen dem Objekt und der Auflagefläche, wo er zurück in das Objekt reflektiert wird. Anschließend tritt der zweite Lichtanteil erneut durch die gekrümmte Oberfläche des Objekts, wo er erneut gebrochen wird. Der zweite Lichtanteil wird daraufhin, beispielsweise mit dem gleichen Sensor, erfasst.
Durch jeden in dem Bild erfassten Lichtanteil enthält das von dem optischen Sensor aufgenommene Bild eine helle Fläche, die eine Position und eine Form aufweist. Der Begriff der Form umfasst dabei nicht nur eine qualitative Typisierung wie z.B. kreisförmig oder eckig, sondern auch quantitative Parameter, wie beispielsweise einen Radius eines in dem Bild kreislinienförmigen Lichtanteils.
Indem die Positionen oder Formen des ersten Lichtanteils und des zweiten Lichtanteils in einem von der Kamera aufgenommenen Bild erfasst werden, wird die zumindest eine Eigenschaft des Objekts bestimmt. Beispielsweise können die Positionen, an denen der erste Licht- anteil und der zweite Lichtanteil auf die Sensorfläche der Kamera treffen, bestimmt werden, um daraus den Krümmungsradius oder den Kontaktwinkel des Objekts zu bestimmen. Insbesondere kann hierzu der Abstand der Positionen, an denen der erste Lichtanteil und der zweite Lichtanteil auf die Sensorfläche der Kamera treffen, bestimmt werden. Alternativ können die Formen der Lichtanteile in dem aufgenommenen Bild erfasst werden. Insbesondere können bei Lichtanteilen, die in dem aufgenommenen Bild zumindest teilweise einer Kreislinie folgen, die Radien der Lichtanteile in dem aufgenommenen Bild erfasst werden.
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Licht von oben eingestrahlt werden kann und auch die Beobachtung von oben erfolgt, werden die Objekte in ihrer Ausbildung und ihrem Verhalten nicht durch die Messung gestört. Beispielsweise können Objekte in laufenden Kondensationsversuchen untersucht werden, ohne dass die Versuche durch das Messverfahren gestört werden. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert darüber hinaus auch bei Kontaktwinkeln zwischen Objekt und Auflagefläche von 90° und mehr zuverlässige und genaue Ergeb- nisse.
Das Objekt kann flüssig, fest oder gasförmig sein oder zwei oder mehr flüssige, feste und/oder gasförmige Komponenten enthalten. Bei dem Objekt kann es sich beispielsweise um einen Tropfen, insbesondere um einen Flüssigkeitstropfen handeln. Alternativ kann das Ob- jekt aus einem Festkörper gebildet sein, beispielsweise aus einer erstarrten Flüssigkeit. Gemäß einer weiteren Alternative kann das Objekt gasförmig sein oder ein Gas umfassen. Dabei kann das Objekt beispielsweise eine Blase in einem umgebenden Festkörper oder einer umgebenden Flüssigkeit sein. Das Verfahren kann allerdings auch bei Objekten eingesetzt werden, die aus einer Mischung aus mehreren Flüssigkeiten, Gasen und/oder Festkörpern besteht. Es ist in diesem Zusammenhang lediglich erforderlich, dass die gel ümmte Oberfläche des Objekts eine Grenzfläche zwischen Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes definiert, wie beispielsweise zwischen dem Objekt und dem das Objekt umgebenden Umgebungsmedium. Während des Verfahrens kann das Objekt an der gekrümmten Oberfläche an ein Umgebungsmedium angrenzen, das einen anderen Brechungsindex aufweist als das Objekt oder ein Teilbereich des Objekts, der an die gekrümmte Oberfläche grenzt. Das Umgebungsmedium kann ein Gas, wie beispielsweise Luft sein. In alternativen Ausführungsformen kann das Umgebungsmedium eine Flüssigkeit oder ein Festkörper sein. Das Umgebungsmedium kann den gleichen oder einen anderen Aggregatzustand als das Objekt aufweisen. Das Licht wird unter einem Winkel zu der Auflagefläche eingestrahlt, bei dem ein erster Teil des eingestrahlten Lichts an der gekrümmten Oberfläche des Objekts reflektiert wird, während ein zweiter Teil des eingestrahlten Lichts an der gel rümmten Oberfläche des Objekts gebrochen wird, wie es oben beschrieben wurde. Das Licht kann beispielsweise als kollimier- tes Licht eingestrahlt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Licht in einem festen Winkel relativ zu der Auflagefläche eingestrahlt werden. Auf diese Weise werden alle Teile des Lichts in einem gleichen Winkel relativ zur Auflagefläche eingestrahlt. Die Auflagefläche und das zumindest eine Objekt können alternativ oder zusätzlich so angeordnet sein, dass der erste Lichtanteil nach der Reflektion an dem zumindest einen Objekt annähernd parallel ver- läuft und dass der zweite Lichtanteil nach der Brechung beim Austreten aus dem Objekt annähernd parallel verläuft.
Das zumindest eine Objekt ist wenigstens bei einer Wellenlänge oder in wenigstens einem Wellenlängenbereich des eingestrahlten Lichts transparent. Der zweite Lichtanteil des einge- strahlten Lichts kann somit zumindest teilweise in das Objekt eindringen. Das eingestrahlte Licht kann beispielsweise Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich umfassen. Alternativ kann Licht mit einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich verwendet werden, die bzw. der auf das zumindest eine Objekt abgestimmt ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit eine große Bandbreite an Objekteigenschaften bestimmt werden. Insbesondere kann jede Eigenschaft bestimmt werden, die einen Einfluss auf die Reflektion an der gekrümmten Oberfläche des Objekts, die Brechung an der gelcrümmten Oberfläche und/oder die Reflektion an der Grenzfläche zwischen Objekt und Auflagefläche hat. Beispielsweise lässt sich, wenn die Objektgeometrie bereits anderweitig bekannt ist, ein Brechungsindex des Objekts ermitteln.
In vielen Fällen ist jedoch die Objektgeometrie unbekannt. In diesen Fällen kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu verwendet werden, die Objektgeometrie zu ermitteln. Es ist somit bevorzugt, dass die zumindest eine Eigenschaft des Objekts eine geometrische Eigen- schaft des Objekts, insbesondere ein Krümmungsradius, ein Kontaktwinkel zu der Auflagefläche oder ein Objektvolumen ist. Wie eingangs erwähnt wurde, kann beispielsweise von dem Kontaktwinkel auf die Benetzbarkeit der Auflagefläche geschlossen werden, die für viele industrielle Anwendungen von großer Bedeutung ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Ob- jektvolumen bestimmt werden, um beispielsweise eine Dosiervorrichtung für die Objekte, wie beispielsweise Tropfen, zu evaluieren und ggf. zu justieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Licht von einer Lichtquelle eingestrahlt, die ringförmig um eine Achse verläuft oder mehrere um eine Achse, insbesondere äquidistant zu der Achse angeordnete lichtemittierende Bereiche aufweist. Die ringförmige Lichtquelle kann insbesondere durch eine Kreislinie definiert sein, die konzentrisch um die Achse herum verläuft. Die Achse kann in einigen Fällen eine Symmetrieachse der Lichtquelle sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Achse senkrecht zu einer von der Lichtquelle definierten Ebene verlaufen und/oder durch eine geometrische Mitte der Lichtquelle verlaufen.
Es ist besonders bevorzugt, dass die Achse senkrecht zu der Auflagefläche ausgerichtet ist. Hierdurch weisen bei einer symmetrischen Objektoberfläche die Formen der erfassten Lichtanteile in dem aufgenommenen Bild im Wesentlichen eine ähnliche Form auf wie die Lichtquelle.
Bei einer ringförmigen Lichtquelle ist beispielsweise auch die Verteilung des ersten und zweiten Lichtanteils bei symmetrischer Objektform ebenfalls am ähernd ringförmig. Die Verteilung der Lichtanteile entspricht der Form der Lichtquelle noch mehr, wenn zusätzlich die Achse der Lichtquelle senkrecht zur Auflagefläche ausgerichtet ist. Auf diese Weise können die Radien des erfassten ersten und zweiten Lichtanteils beispielsweise in einem von einem optischen Sensor aufgenommenen Bild leicht ermittelt werden, um hieraus die zumindest eine Eigenschaft des Objekts zu bestimmen, wie es weiter unten noch im Detail beschrieben werden wird. Auf diese Weise wird die automatisierte Bestimmung der Objekteigenschaft, insbe- sondere bei der Untersuchung einer Vielzahl von Objekten, vereinfacht.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden der erste und der zweite Lichtanteil in einem Bereich um die optische Achse der Lichtquelle herum erfasst. Beispielsweise können der erste und zweite Lichtanteil mit einem optischen Sensor erfasst werden, der entlang der Achse der Lichtquelle von der Auflagefläche kommendes Licht erfasst. Hierzu kann der optische Sensor entlang der Achse der Lichtquelle ausgerichtet sein. Die Achse der Lichtquelle kann beispielsweise durch eine Sensorfläche des optischen Sensors verlaufen. Alternativ kann zwischen der Auflagefläche und dem optischen Sensor eine Optik vorgesehen sein, die entlang der Achse von der Auflagefläche kommendes Licht auf eine Sensorfläche des optischen Sensors lenkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform werden zumindest der erste und der zweite Lichtanteil in einem innerhalb eines Beobachtungsgebiets der Auflagefläche annähernd konstanten Winkel auf die Auflagefläche mit dem zumindest einen darauf angeordneten Objekt eingestrahlt. Ein Winkel kann dabei beispielsweise als annähernd konstant gelten, wenn die Winkelabweichung der Strahlengänge der Lichtanteile geringer als 4° ist. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die innerhalb eines Beobachtungsgebiets der Auflagefläche reflektierten Lichtanteile erfasst werden, wobei das Beobachtungsgebiet einen Durchmesser aufweist, und wobei ein Abstand zwischen der Lichtquelle und der Auflagefläche mindestens fünfmal, insbesondere mindestens zehnmal größer als der Durchmesser des Beobachtungsgebiets ist. Alternativ oder zusätzlich kann ein Abstand zwischen einem optischen Sensor, der den ersten und den zweiten Lichtanteil erfasst, oder einem im Lichtweg vor dem optischen Sensor ange- ordneten Objektiv und der Auflagefläche mindestens fünfmal, insbesondere mindestens zehnmal größer als der Durchmesser des Beobachtungsgebiets ist. Hierdurch verlaufen die eingestrahlten Lichtanteile annähernd innerhalb des Beobachtungsgebiets in einem gleichen Winkel zur Auflagefläche, so dass beispielsweise eine Vielzahl von Objekten gleichzeitig unter annähernd gleichen Winkelbedingungen untersucht werden kann. Das Beobachtungsge- biet beschreibt dabei die gesamte Auflagefläche oder einen Teilbereich davon, einschließlich des zumindest einen darauf angeordneten Objekts. Der Durchmesser des Beobachtungsgebietes kann beispielsweise 5 cm betragen, wenn Regentropfen auf einer Scheibe zu untersuchen sind, wobei der Abstand zwischen Lichtquelle und Auflagefläche und der Abstand zwischen Objektiv und Auflagefläche ca. 1 m betragen können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Licht in einem Winkel zwischen 5° und 60°, insbesondere zwischen 10° und 30° und bevorzugt zwischen 15° und 25° relativ zu der Achse eingestrahlt. Bei derartigen Einstrahlwinkeln wird bei vielen Objektmaterialien erreicht, dass ein erster Lichtanteil an der gelcrümmten Oberfläche des Objekts reflektiert und ein zweiter Lichtanteil gebrochen wird. Zu flache oder zu steile Einfallswinkel hätten beispielsweise den Nachteil, dass je nach Objektgeometrie der erste oder zweite Lichtanteil nicht mehr erfasst werden können, da die Reflektions- und Brechungsbedingungen eines Strahlengangs von der Lichtquelle zum Sensor nicht mehr erfüllt sind. Ferner verlaufen die ersten und 4 070743
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zweiten Lichtanteile nach der Reflektion bzw. Brechung an dem Objekt annähernd senkrecht zur Auflagefläche.
In einigen Ausführungsformen ist eine Blende im Strahlengang zwischen der Auflagefläche und dem optischen Sensor vorgesehen. Hierdurch kann Streulicht und anderes Licht, das nicht den zu erfassenden Lichtanteilen entspricht, daran gehindert werden, zu dem optischen Sensor zu gelangen. Es ist dabei bevorzugt, dass die Strahlen nahezu senkrecht und/oder mit nahezu gleichem Winkel auf den optischen Sensor bzw. das Objektiv auftreffen. Hierzu kann z.B. eine Blende verwendet werden, die bestimmt, welche Sensoreinfallswinkel noch erfasst wer- den können. Bei der unten beschriebenen Ausführungsform mit einer kreislinienförmigen
Lichtquelle bewirkt eine weit geöffnete Blende die Abbildung der Lichtquelle als zwei relativ breite Kreislinien. Bei einer geschlossenen Blende ergeben sich hingegen zwei scharfe dünne Kreislinien. Bevorzugt ist somit eine geschlossene Blende, weil es in diesem Fall weniger mögliche Strahlengänge von der Lichtquelle zum optischen Sensor gibt und eine höhere Messgenauigkeit erreicht werden kann. Unabhängig von der Blende kann durch die Wahl des richtigen Abstands von Lichtquelle bzw. optischem Sensor oder Objektiv von der Auflagefläche oder durch die Wahl eines kleineren Beobachtungsgebiets erreicht werden, dass die Winkelverhältnisse der Lichtanteile für das gesamte Beobachtungsgebiet ähnlich sind. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform wird ein dritter Lichtanteil des eingestrahlten Lichts außerhalb des zumindest einen Objekts an der Auflagefläche reflektiert, auf der gekrümmten Oberfläche des Objekts reflektiert und anschließend erfasst, wobei die Eigenschaft des Objekts ferner basierend auf dem erfassten dritten Lichtanteil bestimmt wird. Durch den dritten Lichtanteil wird eine weitere Information über die Eigenschaften, wie beispielsweise eine geometrische Form des Objekts ermittelt. Somit stehen nunmehr die Verläufe von drei verschiedenen Lichtanteilen, die jeweils an verschiedenen Stellen reflektiert worden sind, zur Verfügung, um die Eigenschaft zu bestimmen. Beispielsweise können verschiedene Berechnungsmethoden eingesetzt werden, die jeweils auf ein oder zwei dieser drei Lichtanteile beruhen, und die Ergebnisse können anschließend miteinander verglichen werden. Insbesondere kann ein Durchschnitt der mittels der verschiedenen Berechnungsmethoden berechneten Werte für die geometrische Eigenschaft ermittelt werden. Auf diese Weise wird die Messgenauigkeit für die geometrische Eigenschaft weiter verbessert. Alternativ können die Positionen oder Formen der drei Lichtanteile erfasst und ausgewertet werden, um mehr als eine Eigenschaft 0743
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des Objekts zu bestimmen. Beispielsweise können Krümmungsradius, Objektvolumen und Kontaktwinkel gleichzeitig bestimmt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Objekten auf der Auflagefläche angeordnet, wobei die an der Mehrzahl von Objekten reflektierten bzw. gebrochenen ersten und zweiten Lichtanteile gleichzeitig erfasst werden, und die zumindest eine Eigenschaft für jeden der Mehrzahl von Objekten basierend auf den erfassten ersten und zweiten Lichtanteilen bestimmt wird. Diese Ausführungsform ermöglicht die schnelle Bestimmung einer oder mehrerer Eigenschaften einer Mehrzahl von Objekten in nur einem Messvorgang. Auf diese Weise kann beispielsweise eine statistische Verteilung der Eigenschaft(en) effizient ermittelt werden, die bei herkömmlichen Messverfahren zur Kontaktwinkelbestimmung eine große Anzahl von nacheinander durchgeführten Messvorgängen erfordern würde. Dies ist insbesondere in Ausführungsformen vorteilhaft, in denen die geometrische Eigenschaft an verschiedenen Zeitpunkten bestimmt wird, wie weiter unten noch erläutert werden wird. Somit ist es möglich, nicht nur ein einziges Objekt, sondern eine statistisch erhebliche Gesamtzahl von Objekten im Zeitverlauf zu untersuchen. Die Mehrzahl von Objekten kann beispielsweise mindestens 5, insbesondere mindestens 100 und bevorzugt mindestens 1000 Objekte umfassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform werden der erste und der zweite Lichtanteil jeweils an zumindest zwei Zeitpunkten erfasst, und die Eigenschaft des Objekts an den zumindest zwei Zeitpunkten wird basierend auf dem erfassten ersten Lichtanteil und dem erfassten zweiten Lichtanteil bestimmt. Somit kann die zeitliche Entwicklung der Objekteigenschaft bestimmt werden. In Ausführungsformen, in denen auch ein dritter Lichtanteil erfasst wird, kann der dritte Lichtanteil zu den gleichen Zeitpunkten wie der erste und der zweite Lichtanteil erfasst werden. Es kann ferner vorgesehen sein, dass basierend auf den zu den zumindest zwei Zeitpunkten bestimmten Objekteigenschaften eine Veränderung des zumindest einen Objekts, ein Typ des zumindest einen Objekts und/oder eine Umweltbedingung festgestellt wird.
Es ist besonders bevorzugt, dass der erste und der zweite Lichtanteil jeweils periodisch erfasst werden und die Eigenschaft des Objekts an den Zeitpunkten basierend auf dem periodisch erfassten ersten Lichtanteil und dem periodisch erfassten zweiten Lichtanteil bestimmt wird. Beispielsweise können die Zeitpunkte einen konstanten zeitlichen Abstand aufweisen, der beispielsweise geringer als fünf Minuten, insbesondere geringer als eine Minute und bevorzugt ca. 10 s ist. Das Verfahren ist jedoch nicht auf einen bestimmten zeitlichen Abstand eingeschränkt. Beispielsweise können die Lichtanteile in sehr kurzen Zeitabständen aufgenommen werden und entweder in Echtzeit oder mit einem zeitlichen Versatz oder erst nach Ab- schluss der Messung ausgewertet werden, um die zumindest eine Eigenschaft zu bestimmen.
Auch eine Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der zumindest einen Eigenschaft in Echtzeit ist hierdurch möglich. In einigen Ausführungsformen werden der erste und der zweite Lichtanteil laufend in Echtzeit erfasst, und ein zeitlicher Verlauf der Eigenschaft des zumindest einen Objekts wird basierend auf dem erfassten ersten Lichtanteil und dem erfassten zweiten Lichtanteil bestimmt. in einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner, dass das zumindest eine Objekt durch Aufsprühen auf der Auflagefläche angeordnet wird. Alternativ kann das zumindest eine Objekt durch Kondensieren auf der Auflagefläche angeordnet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine Objekt mit einem Werkzeug, wie beispielsweise einer Nadel auf der Auflagefläche angeordnet wird.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung bereit. Die Vorrichtung ura- fasst eine Aufnahme, die dazu eingerichtet ist, ein Auflageelement mit einer zumindest teilweise reflektierenden Auflagefläche, auf der zumindest ein Objekt angeordnet oder anorden- bar ist, aufzunehmen, sowie eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, direkt oder indirekt Licht in ein Beobachtungsgebiet der Auflagefläche einzustrahlen. Die Vorrichtung umfasst ferner einen optischen Sensor, der angeordnet ist, um ein Bild des Beobachtungsgebiets auf- zunehmen, wobei das Bild einen ersten Lichtanteil des eingestrahlten Lichts, der an einer gekrümmten Oberfläche des zumindest einen Objekts reflektiert wird, und einen zweiten Lichtanteil des eingestrahlten Lichts, der beim Eindringen in das Objekt an der gekrümmten Oberfläche gebrochen wird, an einer Grenzfläche zwischen dem Objekt und der Auflagefläche reflektiert wird und beim Austreten aus dem Objekt an der gekrümmten Oberfläche erneut gebrochen wird, erfasst. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine mit dem optischen Sensor gekoppelte Auswerteschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine Position oder Form des ersten Lichtanteils und eine Position oder Form des zweiten Lichtanteils in dem aufgenommenen Bild zu erfassen, und zumindest eine Eigenschaft des Objekts basierend auf den erfassten Positionen oder Formen zu bestimmen. Der optische Sensor kann beispielsweise einen Bildsensor, insbesondere eine Kamera, z.B. eine CCD-Kamera oder eine CMOS-Kamera umfassen. Der optische Sensor kann das Bild z.B. nach Wechselwirkung der aus dem Beobachtungsgebiet kommenden Lichtanteile mit einer Optik, beispielsweise einem Objektiv, aufnehmen. Das Beobachtungsgebiet entspricht dabei dem Teilbereich der Auflagefläche, der in dem von dem optischen Sensor aufgenommenen Bild abgebildet ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die Auswerteschaltung einen Ausgang zum Ausgeben der zumindest einen Eigenschaft. Die Von-ichtung kann ferner einen mit der Auswerteschaltung gekoppelten Speicher umfassen, um darin die zumindest eine bestimme Eigenschaft zu speichern. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung eine mit der Auswerteschaltung gekoppelte Anzeigevorrichtung umfassen, um die bestimmte Eigenschaft anzuzeigen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die zumindest eine Eigenschaft des Objekts eine geometrische Eigenschaft des Objekts, insbesondere ein Krümmungsradius, ein Kon- taktwinkel zu der Auflagefläche oder ein Objektvolumen.
In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die Lichtquelle ringförmig um eine Achse oder weist mehrere um eine Achse, insbesondere äquidistant zu der Achse angeordnete licht- emittierende Bereiche auf. Die lichtemittierenden Bereiche können dabei räumlich voneinander getrennt sein. Es ist dabei besonders bevorzugt, dass die Lichtquelle den optischen Sensor oder eine Erfassungsachse des optischen Sensors umgibt. Die Erfassungsachse des optischen Sensors kann parallel zu der Achse der Lichtquelle verlaufen und insbesondere identisch mit dieser sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der optische Sensor derart angeordnet, dass er entlang der Achse der Lichtquelle aus dem Beobachtungsgebiet kommende Lichtanteile er- fasst. Der optische Sensor kann beispielsweise entlang der Achse der Lichtquelle angeordnet sein. Eine Sensorfläche kann die Achse schneiden und z.B. senkrecht zu der Achse angeord- net sein. Bevorzugt ist jedoch, dass eine Optik zwischen Auflagefläche und optischem Sensor vorgesehen ist, welche entlang der Achse der Lichtquelle aus dem Beobachtungsgebiet kommende Lichtanteile zu dem optischen Sensor lenkt und/oder auf diesen abbildet, wie z.B. ein Objektiv. In einer bevorzugten Ausfülirungsform ist die Achse der Lichtquelle im Wesentlichen senkrecht zu der Auflagefläche ausgerichtet. Alternativ oder zusätzlich kann eine Erfassungsachse des optischen Sensors, die ggf. durch eine Optik bereitgestellt wird, im Wesentlichen senkrecht zu der Auflagefläche ausgerichtet sein. Eine Achse ist dabei im Wesentlichen senkrecht zu der Auflagefläche, wenn sie mit einer Flächennormalen der Auflagefläche einen Winkel von weniger als 10°, insbesondere weniger als 5° und bevorzugt weniger als 1 ° einschließt.
Gemäß einer bevorzugten Ausfülirungsform ist im Strahlengang vor dem optischen Sensor ein Objektiv angeordnet. Das Objektiv kann beispielsweise konvex sein, um eine starke Ver- größerung des aufgenommenen Bildes des Beobachtungsgebiets zu erreichen.
Beispielsweise kann das Objektiv ein Long-Distance-Objektiv sein, das mit einer Brennweite im Bereich mehrerer Zentimeter, beispielsweise 8 bis 50 cm, einen großen Arbeitsabstand zum Objekt ermöglicht. Die Vergrößerungen liegen dann im Bereich 0,1 bis 10 und können beispielsweise der Anpassung des Beobachtungsgebiets auf die Größe des Kamerachips, der nur wenige Quadratmillimeter groß ist, dienen. Ferner ermöglicht eine derartige Ausgestaltung die Anwendung der Vorrichtung unter extremen Umweltbedingungen, in Fachkreisen Harsh Environment Conditions genannt. Bei einem größeren Abstand zwischen Objektiv und Auflagefläche, beispielsweise im Bereich von 8 bis 50 cm, können zumindest das Objektiv und der optische Sensor sowie in einigen Ausführungsformen auch die Lichtquelle hinter einem transparenten Schirm, beispielsweise einem Schutzglas angeordnet sein, um beispielsweise die Objekteigenschaften in einer Klimakammer zu bestimmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der optische Sensor, die Auflagefläche, die Lichtquelle und das zumindest eine Objekt ferner derart angeordnet, dass das aufgenommene Bild darüber hinaus einen dritten Lichtanteil des eingestrahlten Lichts, der außerhalb des zumindest einen Objekts an der Auflagefläche reflektiert wird und auf der gekrümmten Oberfläche des Objekts reflektiert wird, erfasst. In dieser Ausführungsform ist die Auswerteschaltung ferner dazu ausgelegt, eine Position oder Form der dritten Lichtanteils in dem aufgenomme- nen Bild zu erfassen und die Eigenschaft des Objekts ferner basierend auf der erfassten Position oder Form des dritten Lichtanteils zu bestimmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausfülirungsform ist ein Abstand zwischen der Lichtquelle und der Auflagefläche mindestens zehnmal größer als ein Durchmesser des Beobachtungsgebiets und ein Abstand zwischen dem optischen Sensor oder einem im Strahlengang davor angeordneten Objektiv und der Auflagefläche ist mindestens fünfmal, insbesondere mindestens zehnmal größer als ein Durchmesser des Beobachtungsgebiets. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der optische Sensor dazu eingerichtet, an zumindest zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunlcten Bilder des Beobachtungsgebiets aufzunehmen, und die Auswerteschaltung ist ferner dazu eingerichtet, die Positionen oder Formen zumindest des ersten und des zweiten Lichtanteils in den zumindest zwei aufgenommenen Bildern zu erfassen und die Eigenschaft des Objekts an den zumindest zwei Zeitpunkten basierend auf den erfassten Positionen oder Formen zu bestimmen. In Ausführungsformen, in denen die Auswerteschaltung an einen Speicher der Vorrichtung gekoppelt ist, kann die Auswerteschaltung dazu eingerichtet sein, die an den verschiedenen Zeitpunlcten bestimmten Eigenschaften des Objekts oder der Mehrzahl von Objekten in dem Speicher abzuspeichern. Die Auswerteschaltung kann ferner dazu eingerichtet sein, basierend auf den an den zumindest zwei Zeit- punkten bestimmten Objekteigenschaften eine zeitliche Veränderung des Objekts, ein Typ des Objekts und/oder eine Umweltbedingung festzustellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Objekten auf der Auflagefläche angeordnet und die Auswerteschaltung ist dazu eingerichtet, die Positionen oder For- men der an der Mehrzahl von Objekten reflektierten bzw. gebrochenen ersten und zweiten
Lichtanteile in dem aufgenommenen Bild zu erfassen und die Eigenschaft für jeden der Mehrzahl von Objekten basierend auf den erfassten Positionen oder Formen zu bestimmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner ein in die Aufnahme aufgenommenes Auflageelement mit einer zumindest teilweise reflektierenden Auflagefläche für zumindest ein Objekt. Die Auflagefläche kann beispielsweise hydrophob oder hydrophil ausgebildet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die Auflagefläche eine Vertiefung zur Aufnahme des zumin- dest einen Objekts aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein computerlesbares Medium zur Verwendung mit einer Vorrichtung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Aufnahme, die dazu eingerichtet ist, ein Auflageelement mit einer zumindest teilweise reflektierenden Aufla- gefläche, auf der zumindest ein Objekt angeordnet oder anordenbar ist, aufzunehmen, und eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, direkt oder indirekt Licht in ein Beobachtungsgebiet der Auflagefläche einzustrahlen. Die Vorrichtung umfasst ferner einen optischen Sensor, der angeordnet ist, um ein Bild des Beobachtungsgebiets aufzunehmen, wobei das Bild einen ersten Lichtanteil des eingestrahlten Lichts, der an einer gekrümmten Oberfläche des zumindest einen Objekts reflektiert wird, und einen zweiten Lichtanteil des eingestrahlten Lichts, der beim Eindringen in das Objekt an der gekrümmten Oberfläche gebrochen wird, an einer Grenzfläche zwischen dem Objekt und der Auflagefläche reflektiert wird, und beim Austreten aus dem Objekt an der gekrümmten Oberfläche erneut gebrochen wird, erfasst. Bei der Vor- richtung kann es sich insbesondere um eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art handeln. Das computerlesbare Medium weist darauf gespeicherte Instruktionen auf, die, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor dazu veranlassen, ein von dem optischen Sensor aufgenommenes Bild zu empfangen und eine Position oder Form des ersten Lichtanteils und eine Position oder Form des zweiten Lichtanteils in dem aufgenommenen Bild zu erfassen, und zumindest eine Eigenschaft des Objekts basierend auf den erfassten Positionen oder Formen zu bestimmen.
Das computerlesbare Medium kann beispielsweise einen Llalbleiterspeicher, wie einen Dynamic Random Access Memory (DRAM), einen Static Random Access Memory (SRAM), einen EPROM oder einen EEPROM umfassen. Alternativ kann das computerlesbare Medium ein magnetisches und/oder optisches Speichermedium, wie beispielsweise eine Festplatte, eine Speicherkarte, eine CD-ROM, eine DVD, einen USB-Speicher oder Ähnliches umfassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform veranlassen die gespeicherten Instruktionen, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor ferner dazu, das von dem optischen Sensor aufgenommene Bild auszuwerten, indem der Prozessor eine Position oder Form eines dritten im Beobachtungsgebiet reflektierten Lichtanteils des von der Lichtquelle eingestrahlten Lichts, der außerhalb des zumindest einen Objekts an der Auflagefläche reflektiert wird und von der Oberfläche des Objekts reflektiert wird, in dem aufgenommenen Bild erfasst und die zumindest eine Eigenschaft des Objekts ferner basierend auf der erfassten Position oder Form des dritten Lichtanteils bestimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der optische Sensor der Vorrichtung dazu eingerichtet, an zumindest zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten Bilder des Beobachtungsgebiets 0743
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aufzunehmen. Die gespeicherten Instruktionen veranlassen, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor ferner dazu, die Positionen oder Formen zumindest des ersten und des zweiten Lichtanteils in den zumindest zwei aufgenommenen Bildern zu erfassen und die Eigenschaft des Objekts an den zumindest zwei Zeitpunkten basierend auf den erfassten Positionen oder Formen zu bestimmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform veranlassen die gespeicherten Instruktionen, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor femer dazu, für jedes Objekt einer Mehrzahl von Objekten, die auf der Auflagefläche innerhalb des Beobachtungsgebiets angeordnet sind, die Positionen oder Formen des ersten und zweiten Lichtanteils in dem aufgenommenen Bild zu erfassen und für jedes Objekt der Mehrzahl von Objekten die zumindest eine Eigenschaft basierend auf den Positionen oder Formen der erfassten ersten und zweiten Lichtanteile zu bestimmen.
Weitere Merlanale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Abbildungen ersichtlich. Darin zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform in einer Querschnittsansicht,
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Objekts mit veranschaulichenden Strahlenverläufen, Fig. 3 den Zusammenhang zwischen dem Kontaktwinkel eines Objekts und dem Verhältnis der Radien der ringförmig verlaufenden erfassten Lichtanteile in einem aufgenommenen Bild gemäß einer Ausführungsform. Die markierten Endpunkte der Kurve deuten dabei den vom Einfallswinkel der Lichtquelle abhängigen erfassbaren Messbereich an.
Fig. 4 Bilder, auf denen die Positionen und Formen der ersten, zweiten und dritten erfassten Lichtanteile sichtbar sind, sowie Querschnittsansichten des Tropfens zu verschiedenen Zeitpunkten, wobei der Tropfen auf einer Polycarbonatoberfläche angeordnet ist,
Fig. 5 den Kontaktwinkel zu den Bildern der Fig. 4 in Abhängigkeit der Zeit, der mit dem
Verfahren gemäß einer Ausführungsform und einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gemessen wurde,
Fig. 6 Bilder, auf denen die Positionen und Formen der ersten, zweiten und dritten erfassten Lichtanteile sichtbar sind, sowie Querschnitts ansichten des Tropfens zu ver- schiedenen Zeitpunkten, wobei der Tropfen auf einer hydrophoben Oberfläche angeordnet ist,
Fig. 7 den Kontaktwinkel zu den Bildern der Fig. 6 in Abhängigkeit der Zeit, der mit dem
Verfahren gemäß einer Ausführungsform und dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gemessen wurde,
Fig. 8 Bilder, auf denen die Positionen und Formen der ersten, zweiten und dritten erfass- ten Lichtanteile sichtbar sind, sowie Querschnittsansichten des Tropfens zu verschiedenen Zeitpunkten, wobei der Tropfen auf einer hydrophilen Oberfläche angeordnet ist,
Fig. 9 den Kontaktwinkel zu den Bildern der Fig. 8 in Abhängigkeit der Zeit, der mit dem
Verfahren gemäß einer Ausführungsform und dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gemessen wurde,
Fig. 10 Bilder, auf denen die Positionen und Formen der ersten, zweiten und dritten erfass- ten Lichtanteile sichtbar sind, sowie Querschnittsansichten des Tropfens zu verschiedenen Zeitpunkten, wobei der Tropfen auf einer hydrophoben Oberfläche angeordnet war. Der Tropfen hatte in diesem Versuch eine Größe, bei der der Schwerkrafteinfluss deutlich ausgeprägt war.
Fig. 1 1 den Kontaktwinkel zu den Bildern der Fig. 10 in Abhängigkeit der Zeit, der mit dem Verfahren gemäß einer Ausführungsform mit Berücksichtigung des Schwerkrafteinflusses und dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gemessen wurde,
Fig. 12 eine Abbildung, auf der die Positionen und Formen der ersten und zweiten an einer
Vielzahl von Tropfen reflektierten bzw. gebrochenen Lichtanteile sichtbar sind, wobei die Tropfen auf einer Polycarbonatoberfläche angeordnet sind,
Fig. 13 ein Balkendiagramm der statistischen Verteilung des mit einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform gemessenen Kontaktwinkels bei einem Kondensationsversuch auf einer Polycarbonatoberfläche mit anschließendem Abtauvorgang und
Fig. 14 das durch das erfahren gemäß einer Ausführungsform bestimmte und normierte
Tropfenvolumen in Abhängigkeit der Zeit während eines Kondensationsversuchs.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bestimmung einer oder mehrerer Eigenschaften, insbesondere geometrischer Eigenschaften, eines oder mehrerer Objekte. Beispielsweise können der Kontaktwinkel und/oder das Volumen einer großen Anzahl von Objekten bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei gleichzeitig geringem messtechnischem Aufwand bestimmt werden.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform in einer Querschnittsansicht. Dabei ist ein Objektiv 2 senkrecht über einem oder mehreren Objekten 6, die auf einer zumindest teilweise reflektierenden Auflagefläche 7 angeordnet sind, installiert. Koaxial zur Achse 4 des Objektivs 2 ist eine ringförmige Lichtquelle 3 mit definiertem Durchmesser D und Abstand A zur Auflagefläche 7 installiert. Die Lichtquelle 3 strahlt Licht 5 auf ein Beobachtungsgebiet der Auflagefläche 7 mit darauf ange- ordneten Objekten 6 ein. Das Beobachtungsgebiet ist in Fig. 1 schematisch mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnet weist einen Durchmesser B auf. Das Licht 5 wird an der gekrümmten Oberfläche der Objekte 6 oder nach Brechung an der gekrümmten Oberfläche an der Auflagefläche 7 reflektiert, und verläuft anschließend im Wesentlichen entlang der Achse 4 zu dem Objektiv 2. Im Strahlengang hinter dem Objektiv ist ein optischer Sensor 1 angeordnet, der das aus dem Beobachtungsgebiet kommende Licht erfasst und ein Bild des Beobachtungsgebiets aufnimmt.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Objekts, beispielsweise eines der Objekte 6 im Beobachtungsgebiet 8 der Fig. 1 , mit veranschaulichenden Strahlenverläufen des ins Objektiv einfallenden Lichts mit den Strahlwinkeln α1η, α2η und a3tl. Als Beispiel für ein Objekt ist in Fig. 2 ein Tropfen dargestellt. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass auch die Eigenschaften anderer Objekte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt werden können. Damit sich im gesamten Beobachtungsgebiet näherungsweise identische Winkelbeziehungen ergeben, ist es erforderlich, dass der Abstand A und der Abstand des Objektivs von dem Be- obachtungsgebiet im Verhältnis zum Durchmesser B des Beobachtungsgebiets groß ist. Das Licht aus der ringförmigen Lichtquelle trifft dann an jedem Punkt des Beobachtungsgebiets näherungsweise mit dem konstanten Einfallswinkel aa ~ 2a, 3a ~ atan (-0.5 -D/A) ein und verlässt das Beobachtungsgebiet in Richtung Objektiv 2 und optischem Sensor 1 mit ebenfalls näherungsweise konstantem Winkel α„ ~ α1 η, 2η, 3η ~ 0. Zur automatisierten Auswertung ist eine Auswerteschaltung (nicht gezeigt) mit dem optischen Sensor 1 gekoppelt. Die Auswerteschaltung kann beispielsweise ein Prozessor sein, der mit einer Berechnungssoftware zur Bestimmung einer oder mehrerer Objekteigenschaften betrieben wird. Alternativ kann das von dem optischen Sensor 1 aufgenommene Bild zunächst in einem Speicher abgespeichert werden und anschließend beispielsweise an einem Computer ausgewertet werden. Je nach Kontaktwinkel des Objekts 6 existieren unterschiedliche Strahlengänge am und im Objekt 6, welche die Winkelbeziehungen der auftretenden Reflexionen erfüllen. In Fig. 2 ist zu besseren Übersichtlichkeit nur jeweils ein möglicher Strahlengang pro Reflexion, d.h. pro erfasstem Lichtanteil des eingestrahlten Lichts, dargestellt und nicht der an der Achse 4 gespiegelte Strahlengang.
Die stets beobachtbare Reflexion C\ entsteht durch direkte Reflexion des Lichtstrahls an der gekrümmten Objektoberfläche 61 und entspricht einem ersten Lichtanteil 51 des von der Lichtquelle 3 eingestrahlten Lichts.
Die Reflexion C2 entsteht durch Eintritt und Brechung des Lichtstrahls an der Objektoberfläche 61, Reflektion des Strahls an der Auflagefläche 7 sowie Austritt aus dem Objekt 6 mit erneuter Brechung an der Objektoberfläche 61. Die Reflexion C2 entspricht somit einem zweiten Lichtanteil 52.
Zudem kann bei großen Kontaktwinkeln noch eine dritte Reflexion C3 beobachtbar sein, welche durch Reflektion des Lichtstrahls an der Auflagefläche 7 außerhalb des Objekts 6 und anschließender Reflektion an der Objektoberfläche 61 entsteht. Die dritte Reflexion C3 ent- spricht einem dritten Lichtanteil 53.
Der optische Sensor 1 in Fig. 1 ist derart angeordnet, dass das von ihm aufgenommene Bild die ersten, zweiten und dritten Lichtanteile 51 , 52, 53 erfasst. Aus Reflexions- und Brechungsgesetz sowie aus der kontaktwinkel- und volumenabhängigen Form des Objekts 6 lassen sich geometrische Beziehungen zwischen den auftretenden Refle- xionspunkten bzw. Kreisen, d.h. den beobachtbaren Positionen oder Formen der Lichtanteile 51 , 52, 53 in dem Bild des optischen Sensors, und den Eigenschaften des Objekts 6 ableiten. Dies bedeutet, dass aus den beobachtbaren und gemessenen Radien von Q und C2 beispiels- weise der Kontaktwinkel und das Volumen des Objekts 6 berechnet werden kann. Mit Hilfe der Reflexion C3 als zusätzlicher Messgröße ließe sich das Ergebnis bei großen Kontaktwinkeln sogar noch validieren. Die allgemeine geometrische Form eines achsensymmetrischen Objekts 6 unter Schwerkraft- einfluss lässt sich durch die um den Schwerkraftterm erweiterte Young-Laplace Differenzial- gleichung beschreiben:
Figure imgf000021_0001
Dabei ist γ [N m"2] die Oberflächenspannung, Rj und R2 [m] die Hauptlalimmungsradien der Objektoberfläche 61 , Δρ [kg m"3] der Dichteunterschied zwischen Gas- und Flüssigkeitsphase, z [m] der vertikale Koordinate ausgehend vom höchsten Punkt des Objekts, g [N kg"1] die Erdbeschleunigung und Ro [m] der Kiiimmungsradius im höchsten Punkt des Objekts. Wie allgemein üblich geben die Ausdrücke in eckigen Klammern dabei die Einheiten der bezeichneten physikalischen Größen an.
Für diese Gleichung ist keine analytische Lösung bekannt, aber sie kann numerisch gelöst werden. Die Gleichung kann für achsensymmetrische Objekte vereinfacht werden und in ein Differentialgleichungssystem 1. Ordnung überführt werden. Das Objektprofil wird dabei durch die Koordinaten x, z und φ (siehe Fig. 2) in Abhängigkeit der Weglänge s [m] auf der Objektoberfläche und für ein bestimmtes RQ beschrieben:
cos φ (2) sin φ (3) 2 Ap g sin ^
+ (4)
γ x
Diese Gleichungen können mit Hilfe folgender Randbedingungen als Anfangswertproblem integriert werden: x(0) = z(0) = φ(0) = 0 (5)
Mit Hilfe der numerischen Lösung dieser Gleichung lässt sich die Form des Objekts 6 in Abhängigkeit von Ro bestimmen. Nur für ein bestimmtes R0 und eine bestimmte Höhe Ii des Objekts werden die beiden gemessenen Reflexions- und Brechungsbedingungen erfüllt. Hier- durch lässt sich aus der Größe der Reflexion bzw. aus deren Abstand zur Objektachse das Profil des Objekts 6 bestimmen. Aus dem Profil des Objekts und der Höhe können anschließend das Volumen Fund der Kontaktwinkel des Objekts berechnet werden.
Die dimensionslose Bond-Zahl Bo [-] beschreibt das Verhältnis von Gravitationskraft zu Oberflächenkraft und wird meistens mit RQ als charakteristisches Längenmaß gebildet:
r
Die Geometrie kleiner Objekte, bei denen der Einfluss der Schwerkraft im Vergleich zur Kraft aus Oberflächenspannung (kleine Bond-Zahl) sowie die Kontaktwinkelhysterese gering bzw. achsensymmetrisch ist, kann durch den Abschnitt einer Kugel, d.h. eine Kugelkalotte, approximiert werden. Die Geometrie eines solchen liegenden Objekts wird durch den Kugeldurchmesser R und den Kontaktwinkel Θ [°] vollständig beschrieben. Hierbei vereinfachen sich die geometrischen Beziehungen, wie folgt (zur Nomenklatur siehe Fig. 2): v = aia+gl" (7)
Figure imgf000022_0001
v2b = sin"1 (^ ) (9) a2c = v2b - sin- = -a2b (10)
Figure imgf000022_0002
sin(v2a - 2a) = sin(v2a - a2b) (11) H = γ [2 - (cos v2a + cos v2b + cot a2c (sin v2a - sin v2b ))] ( 12)
Θ = cos"1 [(cos v2a + cos v2h + cot a2c (sin v2a - sin v2b ))] (13)
V = πΗ2 R - (14)
Bis auf die Gleichung (11) sind dabei alle Gleichungen explizit nach der benötigten Variable lösbar und Kontaktwinkel Θ sowie Objektvolumen V [m3] lassen sich als Funktion der beobachtbaren Reflexionsradien von Q und C2 [m], die den Formen der Lichtanteile 51, 52 in dem aufgenommenen Bild entsprechen, sowie bekannten Parametern, wie dem Brechungsin- T EP2014/070743
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dex n [-] und den Winkeln des einfallenden und austretenden Lichts bestimmen. Die Radien der Reflexionen Ci und C2 lassen sich durch eine automatisierte Bildauswertung aus den von dem optischen Sensor aufgenommenen Bildern ermitteln. Der theoretisch auswertbare Bereich von Kontaktwinkeln und Objektformen ist in Fig. 3 dargestellt und hängt vom Einfalls- winkel a ab. Außerhalb dieses Bereichs ist die Reflexion C2 nicht beobachtbar. Je größer I aa I , desto kleinere Kontaktwinkel und umgekehrt, je kleiner | aa | , desto größere Kontaktwinkel können gemessen werden.
Zur Validierung wurden synchrone Messungen eines Einzeltropfens mit einer aus dem Stand der Technik bekannten, d.h. konventionellen Messmethode sowie dem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durchgeführt. Bei der etablierten Drop-Shape-Analysis- Methode nach Rothenberg, wie z.B. in Y. Rothenberg et al.,„Determination of Surface Tension and Contact Angle from the Shapes", Journal of Colloid and Interface Science, pp. 169- 183, 01.05.1983 beschrieben, wird das Profil des Tropfens anhand von 15 Punkten auf der Silhouette des Tropfens sowie den zwei sichtbaren Basispunkten, nämlich den Schnittpunkten des Tropfenprofils mit der Auflagefläche, approximiert. Dabei wird numerisch das Tropfen- profil des Differentialgleichungssystems (2-6) gefunden, welches die geringste quadratische Abweichung zu den Punkten auf der Silhouette aufweist. Aus dem Schnittpunkt des Profils mit der Basislinie wurde der Kontaktwinkel berechnet. Für kleine Bondzahlen, d.h. Bo < = 0,25, wurde das Berechnungs verfahren vereinfacht und das am besten zum Tropfenprofil passende Kreisprofil ermittelt. Bei den Messungen wurde ein kleiner Tropfen reinen Wassers durch eine Spritze auf verschiedene hydrophile und hydrophobe Trägermaterialien aufgebracht. Da der Tropfen, der in direkter Einwirkung der umgebenden Luft und Raumtemperatur steht, langsam verdampft, kann eine dynamische Reduzierung des Kontaktwinkels durch die auftretende Kontaktwinkelhysterese beobachtet werden.
Bei allen Messungen konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den beiden Messtechniken beobachtet werden. Die maximale Abweichung der beiden Messmethoden liegt bei etwa 1 °. Dies liegt im Rahmen der abgeschätzten Messgenauigkeit der konventionellen Metho- de. Hierbei muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass selbst die konventionelle Messung des Kontaktwinkels mit einem gewissen Messfehler behaftet ist, der sich zum einen durch die manuelle Auswertung jedes einzelnen Bildes ergibt und zum anderen daraus, dass der sich einstellende Kontaktwinkel entlang des Umfangs, bspw. aufgrund der inhomogenen Kontaktwinkelhysterese, nicht zwangsläufig konstant ist. Durch die seitliche Projektion des Trop- 14 070743
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fens lässt sich der Kontaktwinkel bei der konventionellen Methode nur für zwei Punkte bestimmen. Da der Kurvenverlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens weniger Sch wankungen aufweist, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglicherweise sogar noch eine höhere Messgenauigkeit erzielt werden als mit der konventionellen Methode. Die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird lediglich durch die Ungenauigkeiten in der geometrischen Anordnung des Strahlengangs, der Vereinfachung der idealen Form des Objekts sowie der Auflösungsgenauigkeit des Mikroskops bzw. der Kamera limitiert.
Fig. 4 zeigt Bilder eines Tropfens auf einer Polycarbonatoberfläche. In der oberen Reihe sind von dem optischen Sensor 1 der Fig. 1 aufgenommene Bilder des Tropfens gezeigt, in denen die Reflexionen Cj und C2 und teilweise auch C3 zu sehen sind, d.h. die Positionen und Formen der ersten, zweiten und dritten erfassten Lichtanteile. In der unteren Reihe sind Aufnahmen des Tropfens von der Seite zu sehen, die zur Ermittlung des Kontaktwinkels gemäß dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verwendet wurden. Fig. 4 zeigt den Tropfen dabei zu fünf verschiedenen Zeitpunkten, nämlich t = 0 s, 40 s, 80 s, 120 s und 160 s nach dem Aufbringen des Objekts auf die Auflagefläche. Die Bondzahl bei t = 0 s in Fig. 4 beträgt Bo = 0,09. Der Abstand zwischen Lichtquelle und Auflagefläche sowie der Abstand zwischen Auflagefläche und Objektiv betrug in Fig. 4 sowie in den folgenden Fig. 6, 8, 10 und 12 jeweils 80 mm.
In Fig. 5 ist der Verlauf des Kontaktwinkels vergleichend für beide Verfahren auf einer Polycarbonatoberfläche dargestellt, auf der sich mittlere Kontaktwinkel von knapp unter 90° einstellen. Aus der Messreihe ist ersichtlich, dass für große Kontaktwinkel Θ > ~ 78° auch die Reflexion C3, d.h. der dritte oben beschriebene Lichtanteil 53 beobachtbar ist. Diese wird in der hier dargestellten Auswertung zwar nicht verwendet, kann aber alternativ zur Überprüfung des Ergebnisses oder zur Bestimmung einer weiteren Eigenschaft des Objekts verwendet werden.
Eine ähnlich gute Übereinstimmung zwischen beiden Messmethoden kann auch für Kontakt- winkel auf einem hydrophoben Trägermaterial erzielt werden. Fig. 6 zeigt hierzu Bilder ähnlich zur Fig. 4, auf denen die Positionen und Formen der ersten, zweiten und dritten erfassten Lichtanteile sichtbar sind, sowie Querschnittsansichten des Tropfens zu verschiedenen Zeitpunkten, wobei der Tropfen auf einer hydrophoben Oberfläche angeordnet ist. Die Bondzahl bei t = 0 s in Fig. 6 beträgt Bo = 0,12. Fig. 7 zeigt den Kontaktwinkel zu den Bildern der Fig. 6 in Abhängigkeit der Zeit, die mit dem Verfahren gemäß einer Ausführungsform und dem aus dem Stand der Technik bekannten Messverfahren gemessen wurden. Fig. 7 zeigt, dass das erfindungsgemäße Verfaliren auch für Kontaktwinkel Θ > 90° angewandt werden kann, solange die Bedingung für den Strahlengang der Reflexion C2 erfüllt wird und diese beobachtbar ist.
Die in Fig. 9 gezeigte Messreihe für einen Tropfen auf einer hydrophilen Oberfläche zeigt ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung für kleine Kontaktwinkel. Die Tropfen selbst sind in Fig. 8 auf eine Weise ähnlich zu den Fig. 4 und 6 dargestellt, wobei hier die Bondzahl bei t = 0 s in Fig. 8 Bo = 0,25 beträgt. In Fig. 9 ist sichtbar, dass eine größere Aufweitung der Reflexion C2 aufgrund einer höheren Winkelsensitivität entsteht. Ab einem bestimmten Kontaktwinkel verschwindet die Reflexion C2 in guter Übereinstimmung mit der theoretischen Abschätzung, nämlich bei Θ < x>mm = 25,6°, siehe Fig. 3. Die automatische Auswertung ist dabei nur bis zu einem Kontaktwinkel von ca. 30° möglich. Zur Bestimmung noch kleinerer Kontaktwinkel müsste der Einstrahlwinkel der Lichtquelle aa vergrößert werden.
Fig. 10 zeigt Bilder eines Tropfens unter ausgeprägtem Schwerkrafteinfluss auf einer hydrophoben Oberfläche. In der oberen Reihe sind von dem optischen Sensor 1 der Fig. 1 aufgenommene Bilder des Tropfens gezeigt, in denen die Reflexionen Ci; C2 und C3 zu sehen sind, d.h. die Positionen und Formen der ersten, zweiten und dritten erfassten Lichtanteile. In der unteren Reihe sind Aufnahmen des Tropfens von der Seite zu sehen. Fig. 10 zeigt den Tropfen dabei zu fünf verschiedenen Zeitpunkten, nämlich t = 0 s, 180 s, 360 s, 540 s und 720 s. Die Bondzahl bei t = 0 s in Fig. 1 0 beträgt Bo = 1 ,7. In Fig. 1 1 ist der Verlauf des Kontaktwinkels bei dem Tropfen der Fig. 10 vergleichend für beide Verfahren unter Berücksichti- gung des Schwerkrafteinflusses bei der Auswertung auf der hydrophoben Oberfläche dargestellt.
Für Tropfen unter ausgeprägtem Einfluss der Schwerkraft muss das aufwändigere Verfahren zur Bestimmung der Form durch Lösung des Differentialgleichungssystems (2-6) angewandt werden. Da der Tropfen im Vergleich zu den oben aufgeführten Messungen wesentlich größer war, musste das Zeitintervall zwischen den Messpunkten vergrößert werden, um eine Kontaktwinkeländerung beobachten zu können, und ein anderer Zoomfaktor verwendet werden. Letzteres führt dazu, dass die Bedingung„A viel größer als B" nicht mehr optimal erfüllt wurde. Hierdurch kommt es zu geringen Winkelabweichungen des ein- und ausfallenden 14 070743
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Lichts, die eine relativ starke Verfälschung des Messwerts bewirkten. Da die Tropfenachse mit der optischen Achse übereinstimmte und die Strahlungswege von Lichtquelle und Mikroskop bekannt waren, konnten jedoch die exakten Ein- und Ausfallswinkel a ,2a und ι,1:2η berechnet werden. Dies fühlte, wie in Fig. 1 1 dargestellt, wiederum zu einer sehr guten Über- einstimmung zwischen der Messmethode nach Rothenberg und dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Das erfindungs gemäße Messverfahren eignet sich zur Bestimmung des Kontaktwinkels eines Einzelobjekts. Hierbei weist es, im Unterschied zu Verfahren, die einen Tropfen seitlich be- trachten, den Vorteil auf, dass Objekte selbst dann vermessen werden können, wenn sie sich auf konkaven Trägern, in Vertiefungen oder in geschlossenen Apparaturen mit kleinem optischem Zugang befinden.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass eine Vielzahl an Einzel Objekten, die sich im Be- obachtungsgebiet befinden, durch eine numerische Auswertung gleichzeitig erfasst werden können. So kann die Objektgrößenverteilung und die Geometrie aller im Beobachtungsgebiet vorhandenen und somit im aufgenommenen Bild befindlichen Objekte ermittelt werden. Hierdurch kann in einem Kondensationsversuch beispielsweise die spezifische Kondensationsrate pro Fläche oder die spezifische Grenzfläche Flüssigkeit-Gas und Flüssigkeit-Feststoff bestimmt werden.
Ein beispielhafter Kondensationsversuch fand auf einer 2 mm dicken Scheibe aus Polycarbo- nat von 50 x 50 mm statt, welche an der Unterseite durch ein Ethanol- Wasser-Gemisch bei einer Temperatur von -5° gekühlt wurde. An der Oberseite wurde die Scheibe mit konditio- nierter Luft (20°C, 40% rF) bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,4 m/s in einem kleinen Strömungskanal mit einem Querschnitt von 60 x 50 mm überströmt. Nach 1200 s wurde der Kühlwasser ström abgestellt und die Luftgeschwindigkeit auf 15 m/s erhöht, um ein Abtauen der Scheibe zu erreichen. Der Kondensationsprozess wurde von oben mit einer Kamera mit einer Periode von 10 s aufgezeichnet, wobei in Fig. 12 die Tropfen nach t = 1320 s gezeigt sind. Die Reflexionen Q und C2, d.h. die ersten und zweiten Lichtanteile 51 , 52 wurden bei der Versuchsauswertung durch einen automatischen Bilderkennungsalgorithmus auf Basis der Software Matlab® detektiert. Jedem Tropfen wurde die innere Reflexion Ci und die äußere Reflexion C2 zugeordnet, d.h. es wurden die an jedem Tropfen reflektierten bzw. gebrochenen ersten und zweiten Lichtanteile erfasst. Die hellen ringförmigen bzw. hufeisenförmigen Re- Flexionen entsprechen den Positionen und Formen der ersten und zweiten Lichtanteile 51 , 52 in dem aufgenommen Bild. Die Hufeisenform entsteht durch eine partielle Verdeckung der ringförmigen Beleuchtungsquelle und ermöglicht eine gute Automatisierbarkeit des Algorithmus. Hierbei ist erkennbar, dass die Reflexion C\ gegenüber der Reflexion C2 gespiegelt wird, was anhand des Strahlengangs in Fig. 2 nachvollziehbar ist. Diese Tatsache ermöglicht eine Unterscheidung zwischen den Reflexionen und erleichtert die korrekte Zuordnung der detektierten Lichtanteile.
Fig. 13 zeigt ein Balkendiagramm der statistischen Verteilung des mit dem erfindungsgemä- ßen Verfahren bestimmten Kontaktwinkels bei oben beschriebenem Kondensationsversuch mit anschließendem Abtauvorgang auf einer Polycarbonatoberfläche. Der maximal auftretende Tropfenradius Ro=0,12 mm entspricht einer Bondzahl von Bo = 0,02. Fig. 14 zeigt das mit dem Verfahren gemäß einer Ausführungsform bestimmte Volumen aller erfasster Tropfen in Abhängigkeit der Zeit, wobei die Abtauphase bei t = 1200 s beginnt.
Da sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine mindestens ebenso gute Messgenauigkeit wie mit herkömmlichen Verfahren erreichen lässt und der Messfehler durch multiple parallele Messungen und Mittelung weiter reduziert werden kann, könnte ein Großteil der im Wissenschafts- und Entwicklungsbereich durchgeführten Kontaktwinkelmessungen mit dem erfin- dungsgemäßen Verfahren arbeiten. Da für das Messverfahren ein geringerer technischer Aufwand erforderlich ist im Vergleich zu herkömmlichen Messverfahren, bietet das erfindungsgemäße Verfahren darüber hinaus weitere technische Vorteile. Durch die senkrechte Betrachtungsweise des einen oder der mehreren Objekte entstehen außerdem neue und einfachere Anwendungsformen. Hierzu zählt die quantitative Analyse der Tropfenkondensation wie in Fig. 14 gezeigt, welche insbesondere bei der Beobachtung von Kondensationsvorgängen in der Kraftwerkstechnik eine wichtige Rolle spielen kann. Dort kann durch Tropfenkondensation im Gegensatz zur Filmkondensation eine wesentlich höhere Effizienz des Kondensators erzielt werden. Weiterhin kann das Beschlagverhalten von Scheiben und anderen Oberflächen sehr genau untersucht werden. Dies ist beispielsweise relevant bei der Untersuchung von Oberflächen für Kühlvitrinen, Brillen, oder im Automobilbau, wo das Beschlagen der Scheiben unerwünscht ist. Bezugszeichen
1 optischer Sensor
2 Objektiv
3 Lichtquelle
4 Achse
5 Licht
51 , 52, 53 Lichtanteile
6 Objekt
61 gekrümmte Objektoberfläche
7 Auflagefläche
8 Beobachtungsgebiet
A Abstand zwischen Lichtquelle 3 und Auflagefläche 7
B Durchmesser des Beobachtungsgebiets
D Durchmesser der Lichtquelle 3

Claims

ANSPRÜCHE
Verfahren, bei dem zumindest ein Objekt (6), insbesondere ein Tropfen, auf einer zumindest teilweise reflektierenden Auflagefläche (7) angeordnet ist und Licht (5) auf die Auflagefläche (7) und das zumindest eine darauf angeordnete Objekt (6) eingestrahlt wird, wobei ein erster Lichtanteil (51 ) des eingestrahlten Lichts (5) an einer gekrümmten Oberfläche (61) des zumindest einen Objekts (6) reflektiert wird und anschließend erfasst wird, und wobei ein zweiter Lichtanteil (52) des eingestrahlten Lichts (5) beim Eindringen in das Objekt (6) an der gekrümmten Oberfläche (61) gebrochen wird, an einer Grenzfläche zwischen dem Objekt (6) und der Auflagefläche (7) reflektiert wird, beim Austreten aus dem Objekt (6) an der gekrümmten Oberfläche (61) erneut gebrochen wird, und anschließend erfasst wird, wobei zumindest eine Eigenschaft des Objekts (6) basierend auf dem erfassten ersten Lichtanteil (51) und dem erfassten zweiten Lichtanteil (52) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zumindest eine Eigenschaft des Objekts (6) eine geometrische Eigenschaft des Objekts (6), insbesondere ein Krümmungsradius, ein Kontaktwinkel zu der Auflagefläche (7) oder ein Volumen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Licht (5) von einer Lichtquelle (3) eingestrahlt wird, die ringförmig um eine Achse verläuft oder mehrere um eine Achse, insbesondere äquidistant zu der Achse angeordnete lichtemittierende Bereiche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Achse der Lichtquelle (3) senkrecht zu der Auflagefläche (7) ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei dem der erste und der zweite Lichtanteil (51, 52) in einem Bereich um die optische Achse der Lichtquelle (3) herum erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem zumindest der erste und der zweite Lichtanteil (51 , 52) in einem innerhalb eines Beobachtungsgebiets der Auflagefläche an- nähernd konstanten Winkel auf die Auflagefläche (7) mit dem zumindest einen darauf angeordneten Objekt (6) eingestrahlt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem das Licht in einem Winkel von zwischen 5° und 60°, insbesondere zwischen 10° und 30° und bevorzugt zwischen 15° und 25° relativ zu der Achse eingestrahlt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein dritter Lichtanteil (53) des eingestrahlten Lichts (5) außerhalb des zumindest einen Objekts (6) an der Auflage- fläche (7) reflektiert wird, auf der gekrümmten Oberfläche (61 ) des Objekts (6) reflektiert wird und anschließend erfasst wird, und wobei die Eigenschaft des Objekts (6) ferner basierend auf dem erfassten dritten Lichtanteil (53) bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Mehrzahl von Objek- ten (6) auf der Auflagefläche (7) angeordnet ist, wobei die an der Melirzahl von Objekten
(6) reflektierten bzw. gebrochenen ersten und zweiten Lichtanteile (51, 52) gleichzeitig erfasst werden, und wobei die zumindest eine Eigenschaft für jedes der Mehrzahl von Objekten (6) basierend auf den erfassten ersten und zweiten Lichtanteilen (51 , 52) bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste und der zweite Lichtanteil (51, 52) jeweils an zumindest zwei Zeitpunkten erfasst werden und die Eigenschaft des Objekts (6) an den zumindest zwei Zeitpunkten basierend auf dem erfassten ersten Lichtanteil (51) und dem erfassten zweiten Lichtanteil (52) bestimmt wird.
1 1. Vorrichtung, die Folgendes umfasst:
eine Aufnahme, die dazu eingerichtet ist, ein Auflageelement mit einer zumindest teilweise reflektierenden Auflagefläche (7), auf der zumindest ein Objekt (6) angeordnet oder anordenbar ist, aufzunehmen,
eine Lichtquelle (3), die dazu eingerichtet ist, direkt oder indirekt Licht (5) in ein Beobachtungsgebiet der Auflagefläche (7) einzustrahlen,
einen optischen Sensor (1), der angeordnet ist, um ein Bild des Beobachtungsgebiets aufzunehmen, wobei das Bild einen ersten Lichtanteil (51 ) des eingestrahlten Lichts (5), der an einer gekrümmten Oberfläche (61 ) des zumindest einen Objekts (6) reflektiert wird, und einen zweiten Lichtanteil (52) des eingestrahlten Lichts (5), der beim Eindringen in das Objekt (6) an der gekrümmten Oberfläche (61) gebrochen wird, an einer Grenzfläche zwischen dem Objekt (6) und der Auflagefläche (7) reflektiert wird, und beim Austreten aus dem Objekt (6) an der gekrümmten Oberfläche (61) erneut gebrochen wird, erfasst, eine mit dem optischen Sensor (1) gekoppelte Auswerteschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine Position oder eine Form des ersten Lichtanteils (51) und eine Position oder eine Form des zweiten Lichtanteils (52) in dem aufgenommenen Bild zu erfassen, und zumindest eine Eigenschaft des Objekts (6) basierend auf den erfassten Positionen oder Formen zu bestimmen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1, bei dem die zumindest eine Eigenschaft des Objekts (6) eine geometrische Eigenschaft des Objekts (6), insbesondere ein Krümmungsradius, ein Kontaktwinke] zu der Auflagefläche (7) oder ein Volumen ist. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, bei der die Lichtquelle (3) ringförmig um eine Achse verläuft oder mehrere um eine Achse, insbesondere äquidistant zu der Achse angeordnete lichtemittierende Bereiche aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11 , 12 oder 13, bei welcher der optische Sensor (1) derart angeordnet ist, dass er entlang der Achse der Lichtquelle (3) aus dem Beobachtungsgebiet kommende Lichtanteile (51, 52, 53) erfasst.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, bei der die Achse der Lichtquelle (3) im Wesentlichen senkrecht zu der Auflagefläche (7) ausgerichtet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 15, bei der im Strahlengang vor dem optischen Sensor (1) ein Objektiv (2) angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei welcher der optische Sensor (1), die Auflagefläche (7), die Lichtquelle (3) und das zumindest eine Objekt (6) ferner derart angeordnet sind, dass das aufgenommene Bild darüber hinaus einen dritten Lichtanteil (53) des eingestrahlten Lichts (5), der außerhalb des zumindest einen Objekts (6) an der Auflagefläche (7) reflektiert wird und auf der geki-ümmten Oberfläche (61) des Objekts (6) reflektiert wird, erfasst, und bei welcher die Auswerteschaltung ferner dazu ausgelegt ist, eine Position oder Form des dritten Lichtanteils (53) in dem aufgenommenen Bild zu erfassen und die Eigenschaft des Objekts (6) ferner basierend auf der erfassten Position oder Form des dritten Lichtanteils (53) zu bestimmen. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei der ein Abstand (A) zwischen der Lichtquelle (3) und der Auflagefläche (7) mindestens fünfmal, insbesondere mindestens zehnmal größer als ein Durchmesser (B) des Beobachtungsgebiets ist, und wobei ein Abstand zwischen dem optischen Sensor (3) oder einem im Lichtweg davor angeordneten Objektiv (2) und der Auflagefläche (7) mindestens fünfmal, insbesondere mindestens zehnmal größer als ein Durchmesser (B) des Beobachtungsgebiets ist.
19. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 18, bei welcher der optische Sensor (1) dazu eingerichtet ist, an zumindest zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten Bilder des Beobachtungsgebiets aufzunehmen, und bei welcher die Auswerteschaltung ferner dazu ein- gerichtet ist, die Positionen oder Formen zumindest des ersten und des zweiten Lichtanteils (51 , 52) in den zumindest zwei aufgenommenen Bildern zu erfassen und die Eigenschaft des Objekts (6) an den zumindest zwei Zeitpunkten basierend auf den erfassten Positionen oder Formen zu bestimmen. 20. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 19, bei der eine Mehrzahl von Objekten
(6) auf der Auflagefläche (7) angeordnet ist, und bei der die Auswerteschaltung dazu eingerichtet ist, die Positionen oder Formen der an der Mehrzahl von Objekten (6) reflektierten bzw. gebrochenen ersten und zweiten Lichtanteile (51, 52) in dem aufgenommenen Bild zu erfassen und die Eigenschaft für jedes der Mehrzahl von Objekten (6) basierend auf den erfassten Positionen oder Formen zu bestimmen.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 20, die ferner ein in die Aufnahme aufgenommenes Auflageelement mit einer zumindest teilweise reflektierenden Auflagefläche
(7) für zumindest ein Objekt (6) umfasst.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , wobei die Auflagefläche eine Vertiefung zur Aufnahme des zumindest einen Objekts (6) aufweist.
23. Computerlesbares Medium zur Verwendung mit einer Vorrichtung, die Folgendes um- fasst:
eine Aufnahme, die dazu eingerichtet ist, ein Auflageelement mit einer zumindest teilweise reflektierenden Auflagefiäche (7), auf der zumindest ein Objekt (6) ange- ordnet oder anordenbar ist, aufzunehmen,
eine Lichtquelle (3), die dazu eingerichtet ist, direkt oder indirekt Licht (5) in ein Beobachtungsgebiet der Auflagefiäche (7) einzustrahlen,
einen optischen Sensor (1), der angeordnet ist, um ein Bild des Beobachtungsgebiets aufzunehmen, wobei das Bild einen ersten Lichtanteil (51) des eingestrahlten Lichts (5), der an einer gekrümmten Oberfläche (61) des zumindest einen Objekts
(6) reflektiert wird, und einen zweiten Lichtanteil (52) des eingestrahlten Lichts (5), der beim Eindringen in das Objekt (6) an der gekrümmten Oberfläche (61) gebrochen wird, an einer Grenzfläche zwischen dem Objekt (6) und der Auflagefläche
(7) reflektiert wird, und beim Austreten aus dem Objekt (6) an der gekrümmten Oberfläche (61) erneut gebrochen wird, erfasst,
wobei das computerlesbare Medium darauf gespeicherte Instruktionen aufweist, die, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor dazu veranlassen, ein von dem optischen Sensor (1) aufgenommenes Bild zu empfangen und eine Position oder Form des ersten Lichtanteils (51) und eine Position oder Form des zweiten Lichtanteils (52) in dem aufgenommenen Bild zu erfassen, und zumindest eine Eigenschaft des Objekts (6) basierend auf den erfassten Positionen oder Formen zu bestimmen.
24. Computerlesbares Medium nach Anspruch 23, wobei die gespeicherten Instruktionen, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor ferner dazu veranlassen, das von dem optischen Sensor (1) aufgenommene Bild auszuwerten, indem der Prozessor eine Position oder Form eines dritten im Beobachtungsgebiet reflektierten Lichtanteils (53) des von der Lichtquelle (3) eingestrahlten Lichts (5), der außerhalb des zumindest einen Objekts (6) an der Auflagefläche (7) reflektiert wird und von der Oberfläche (61) des Objekts (6) reflektiert wird, in dem aufgenommenen Bild erfasst und die zumindest eine Eigenschaft des Objekts (6) ferner basierend auf der erfassten Position oder Form des dritten Lichtanteils (53) bestimmt.
25. Computerlesbares Medium nach Anspruch 23 oder 24, wobei der optische Sensor (1) der Vorrichtung dazu eingerichtet ist, an zumindest zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten Bilder des Beobachtungsgebiets aufzunehmen, und wobei die gespeicherten Instruktionen, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor ferner dazu veranlassen, die Positionen oder Formen zumindest des ersten und des zweiten Lichtanteils (51, 52) in den zumindest zwei aufgenommenen Bildern zu erfassen und die Eigenschaft des Objekts
(6) an den zumindest zwei Zeitpunkten basierend auf den erfassten Positionen oder Formen zu bestimmen.
26. Computerlesbares Medium nach Anspruch 23, 24 oder 25, wobei die gespeicherten Instruktionen, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor ferner dazu veranlassen, für jedes Objekt (6) einer Mehrzahl von Objekten, die auf der Auflagefläche
(7) innerhalb des Beobachtungsgebiets angeordnet sind, die Positionen oder Formen des ersten und zweiten Lichtanteils (51 , 52) in dem aufgenommenen Bild zu erfassen und für jedes Objekt (6) der Mehrzahl von Objekten die zumindest eine Eigenschaft basierend auf den Positionen oder Formen der erfassten ersten und zweiten Lichtanteile (51, 52) zu bestimmen.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106092828A (zh) * 2016-06-08 2016-11-09 清华大学 基于显微镜聚焦的接触角光学测量方法
US20210356372A1 (en) * 2020-05-14 2021-11-18 Krüss GmbH, Wissenschaftliche Laborgeräte Method and device for analyzing the interaction between a surface of a sample and a liquid
US20220364854A1 (en) * 2021-05-11 2022-11-17 Xiamen University Of Technology Contact angle measuring device

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2053390A1 (de) * 1970-10-30 1972-05-04 Deutsche Forschungsgesellschaft für Druck und Reproduktionstechnik e.V., 8000 München Verfahren zur Bestimmung der Benetzbarkeit einer Oberfläche
DE2910201A1 (de) * 1979-03-15 1980-09-18 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zur automatischen messung der oberflaechenspannung und des benetzungswinkels fluessiger stoffe
US5080484A (en) * 1988-04-29 1992-01-14 Texas Instruments Deutschland Gmbh Method of measuring the contact angle of wetting liquid on a solid surface
US5106183A (en) * 1987-11-25 1992-04-21 Taunton Technologies, Inc. Topography measuring apparatus
DE19947878C1 (de) * 1999-10-05 2001-04-05 Hahn Schickard Ges Vorrichtung und Verfahren zur Qualitätskontrolle von auf ein transparentes Substrat aufgebrachten Mikrotröpfchen
US6700656B1 (en) * 2002-09-17 2004-03-02 The United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration Flow visualization and characterization of evaporating liquid drops
EP2093557A2 (de) * 2008-01-07 2009-08-26 Krüss GmbH Wissenschaftliche Laborgeräte Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Kontaktwinkels aus dem Tropfenkrümmungsradius durch optische Distanzmessung

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2574180B1 (fr) 1984-12-04 1987-02-13 Centre Nat Rech Scient Procede et dispositif pour determiner l'angle de contact d'une goutte de liquide posee sur un substrat horizontal solide ou liquide
GB9205655D0 (en) * 1992-03-14 1992-04-29 Roke Manor Research Improvements in or relating to surface curvature measurement
DE19754765C1 (de) 1997-11-28 1999-07-01 Kruess Gmbh Wissenschaftliche Kontaktwinkel-Meßvorrichtung
WO2009116447A1 (ja) * 2008-03-19 2009-09-24 コニカミノルタオプト株式会社 ウエハレンズの製造方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2053390A1 (de) * 1970-10-30 1972-05-04 Deutsche Forschungsgesellschaft für Druck und Reproduktionstechnik e.V., 8000 München Verfahren zur Bestimmung der Benetzbarkeit einer Oberfläche
DE2910201A1 (de) * 1979-03-15 1980-09-18 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zur automatischen messung der oberflaechenspannung und des benetzungswinkels fluessiger stoffe
US5106183A (en) * 1987-11-25 1992-04-21 Taunton Technologies, Inc. Topography measuring apparatus
US5080484A (en) * 1988-04-29 1992-01-14 Texas Instruments Deutschland Gmbh Method of measuring the contact angle of wetting liquid on a solid surface
DE19947878C1 (de) * 1999-10-05 2001-04-05 Hahn Schickard Ges Vorrichtung und Verfahren zur Qualitätskontrolle von auf ein transparentes Substrat aufgebrachten Mikrotröpfchen
US6700656B1 (en) * 2002-09-17 2004-03-02 The United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration Flow visualization and characterization of evaporating liquid drops
EP2093557A2 (de) * 2008-01-07 2009-08-26 Krüss GmbH Wissenschaftliche Laborgeräte Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Kontaktwinkels aus dem Tropfenkrümmungsradius durch optische Distanzmessung

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106092828A (zh) * 2016-06-08 2016-11-09 清华大学 基于显微镜聚焦的接触角光学测量方法
US20210356372A1 (en) * 2020-05-14 2021-11-18 Krüss GmbH, Wissenschaftliche Laborgeräte Method and device for analyzing the interaction between a surface of a sample and a liquid
US11644403B2 (en) * 2020-05-14 2023-05-09 Kruss GmbH, Wissenschaftliche Laborgerate Method and device for analyzing the interaction between a surface of a sample and a liquid
US20220364854A1 (en) * 2021-05-11 2022-11-17 Xiamen University Of Technology Contact angle measuring device
US11940268B2 (en) * 2021-05-11 2024-03-26 Xiamen University Of Technology Contact angle measuring device

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