基于顯微鏡聚焦的接觸角光學(xué)測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種接觸角的光學(xué)測量方法，包括：選取一帶有待測液滴的基底平面；調(diào)節(jié)顯微鏡的聚焦平面，分別得到基底平面的高度和基底平面經(jīng)待測液滴折射后所形成的虛像面的高度，兩者相減得到高度差Δh；測得待測液滴在基底平面上的沿與基底平面垂直的方向上的投影區(qū)域的俯視直徑d；結(jié)合光的折射定律和高度差Δh、俯視直徑d與接觸角θ之間的幾何關(guān)系綜合得出接觸角θ。本發(fā)明可以在俯視觀察的條件下簡單、精確地測量出待測小液滴的接觸角，能夠彌補常見的通過側(cè)面觀察測量接觸角的方法的不足之處。
【專利說明】
基于顯微鏡聚焦的接觸角光學(xué)測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測量領(lǐng)域，特別涉及接觸角的光學(xué)測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 接觸角是反映固體材料和液體材料間潤濕性能的基本參數(shù)之一，因此需要進行精 確而又簡便地測量。有很多種測量接觸角的方法，例如量角法、測力法、長度法、透過法等等 (參考文獻1: 丁曉峰，管蓉，陳沛智.接觸角測量技術(shù)的最新進展[J].理化檢驗(物理分冊）， 2008，02:84-89.)。其中較優(yōu)的測量液滴接觸角的方法是從側(cè)面觀察液滴輪廓，利用圖像處 理分析形狀得到接觸角(參考文獻2:張佩，碩士畢業(yè)論文，基于圖像分析技術(shù)的接觸角測量 方法研究，華東理工大學(xué)，2014年）。側(cè)面輪廓分析法具有簡單準(zhǔn)確等多種優(yōu)點，因而被廣泛 用于商業(yè)的接觸角測量儀上(例如德國Data Physics公司的0CA20型接觸角測量儀）。
[0003] 但是，側(cè)面輪廓分析法同時也有很多局限性。例如，對于幾十微米以下的小液滴， 由于基底不完全平整及光的衍射等問題，此時從側(cè)面很難觀察清楚小液滴的輪廓;在冷凝 實驗研究中，當(dāng)基底表面密集分布很多液滴時，由于液滴相互遮擋，從側(cè)面也難以觀察到單 個液滴的完整輪廓;在液滴接觸角動態(tài)研究中，液滴在平面上運動中，從側(cè)面觀察既不利于 觀察到液滴的二維運動情況，又會由于運動位置的變化導(dǎo)致液滴離開側(cè)面顯微鏡的焦平 面，從而得不到清晰的輪廓。總之，有許多應(yīng)用場景不適合從側(cè)面觀察液滴輪廓，因而迫切 需要一些直接從上方俯視觀察液滴就能測量出接觸角的方法。
[0004] 目前文獻中已經(jīng)報道了一些用俯視觀察液滴的方式測量接觸角的方法(參考文獻 3：Surface science techniques[Μ]. Springer Science&Business Media，2013:P22_ 29.)。這些俯視測量的方法主要包括以下幾種：
[0005] 1)環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)傾斜觀察，即介于側(cè)面觀察和俯視觀察之間的傾斜 方向，利用ESEM的高分辨率，觀察到液滴的斜向輪廓，再結(jié)合計算分析得到小液滴的接觸 角；
[0006] 2)原子力顯微鏡(AFM)掃描形貌，要求所使用的液體材料可以凍結(jié)或固化，然后用 AFM掃描其三維形貌，從而得到其接觸角；
[0007] 3)納米液體分發(fā)系統(tǒng)(NADIS)，即利用NADIS產(chǎn)生指定體積的液滴，待液滴蒸發(fā)干 后，再用AFM測出蒸發(fā)后殘留印跡的輪廓，通過體積和殘印輪廓推算液滴的接觸角；
[0008] 4)移液管+光學(xué)顯微鏡，適用于毫米到幾十微米的尺度，即利用移液管產(chǎn)生預(yù)定體 積的液滴，再使用光學(xué)顯微鏡俯視觀察得到液滴與基底的俯視投影直徑，通過體積和俯視 投影直徑推算出液滴的接觸角（參考文獻4:Dutra G，Martelli C，Canning J.Simple top down imaging measurement of contact angle for practical assessment of hydrophilic surfaces[C].Fifth Asia Pacific Optical Sensors Conference. International Society for Optics and Photonics，2015:96550S_96550S_ 4.)；
[0009] 5)激光共聚焦顯微鏡(LSCM)，即在液體中加入可發(fā)熒光的染料，再利用LSCM掃描 出熒光的三維分布圖，從而推算出液滴的接觸角；
[0010] 6)干涉顯微鏡，即對于接觸角很小(〈30°)的液滴，在顯微鏡單色光照明下，整個液 滴會由于牛頓環(huán)效應(yīng)產(chǎn)生干涉條紋，通過對干涉條紋進行計數(shù)，得到小液滴高度，再結(jié)合液 滴的平面輪廓計算出液滴的接觸角（參考文獻5: Sundberg M, Minsson.A，T_emdS. Contact angle measurements by confocal microscopy for non-destructive microscale surface characterization[J].Journal of colloid and interface science,2007,313 (2):454-460.)〇
[0011] 除文獻中的報道外，也有少量專利使用俯視觀察的方式進行液滴接觸角測量的光 學(xué)方法。例如，通過觀察液滴表面對多個固定間距的點光源反射像的方法，推算液滴表面曲 率半徑，結(jié)合液滴與基底接觸輪廓推算接觸角（參考文獻6:美國專利號US 2009/ 0180106.Friedrich B，F(xiàn)rerichs J G,Kortz E.Method and device for contact angle determination from radius of curvature of drop by optical distance measurement:U.S.Patent 7,952,698[P]·2011-5-31·)。然而這種方法只適用于大液滴，對 于小液滴而言是觀察不到表面對宏觀點光源所成的反射像的。
[0012] 綜上，目前為止，雖然已經(jīng)有了不少方法可以通過俯視觀察的方式測量出液滴接 觸角，但這些方法或者涉及大型昂貴儀器，或者要求材料有特殊性質(zhì)，或者要加入染色劑， 或者測量的接觸角范圍有限，或者不適用于小液滴等等。因此，仍然需要研發(fā)新的測量方 法，以彌補或改進目前種種方法的局限性或者不足之處。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提出了一種可以簡單、精確地測量出小液滴的 接觸角的光學(xué)測量方法，以彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足之處。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明提供的接觸角的光學(xué)測量方法，包括：
[0015] 選取一帶有待測液滴的基底平面；
[0016] 調(diào)節(jié)顯微鏡的聚焦平面，分別得到基底平面的高度和基底平面經(jīng)待測液滴折射后 所形成的虛像面的高度，兩者相減得到基底平面與基底平面經(jīng)待測液滴折射后所形成的虛 像面之間的高度差A(yù)h;
[0017] 測得待測液滴在基底平面上的沿與基底平面垂直的方向上的投影區(qū)域的俯視直 徑d;
[0018] 結(jié)合光的折射定律和高度差△ h、俯視直徑d與接觸角Θ之間的幾何關(guān)系綜合得出 接觸角Θ。
[0019] 在一些實施方案中，接觸角Θ由以下公式得出：
[0021] 其中，η為已知的待測液滴的折射率。
[0022] 在一些實施方案中，接觸角Θ還可由以下公式得出：
[0024] 其中，仏吧^為中間參數(shù)；
[0025] N. A.為顯微鏡的數(shù)值孔徑。
[0026] 在一些實施方案中，高度差A(yù)h為多次測量結(jié)果的平均值或加權(quán)平均值。
[0027]在一些實施方案中，顯微鏡還包括顯微物鏡、成像單元以及位移裝置，位移裝置至 少與顯微物鏡、成像單元和基底平面中的一個相連，以實現(xiàn)位移裝置能夠帶動顯微鏡將聚 焦平面改變到不同位置。
[0028]在一些實施方案中，顯微鏡的個數(shù)為一個。
[0029] 在一些實施方案中，待測液滴的俯視直徑d小于等于10_。
[0030] 在一些實施方案中，待測液滴的俯視直徑d小于等于1_。
[0031 ]在一些實施方案中，待測液滴的俯視直徑d小于等于0.1_。
[0032] 在一些實施方案中，接觸角的光學(xué)測量方法還包括考慮到待測液滴自身重力的影 響對接觸角Θ的值進行進一步修正。
[0033] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有操作簡便、儀器成本低、適用范圍廣等優(yōu)點。本發(fā)明 通過調(diào)節(jié)顯微鏡的聚焦平面位置，先后聚焦到基底平面和基底平面經(jīng)待測液滴折射后所成 虛像面，得到基底平面與基底平面經(jīng)待測液滴折射后所成虛像面的高度差，再結(jié)合光的折 射規(guī)律推算出待測液滴的高度信息，本發(fā)明可以簡單、精確地測量出待測小液滴的接觸角。 同時，本發(fā)明還進一步地給出了接觸角的修正算法，從而大大提高了接觸角的測量精度。另 外，本發(fā)明還可以通過簡單地給普通顯微鏡增加一些位移裝置來實現(xiàn)測量，或者給傳統(tǒng)的 商用接觸角測量儀以配件形式增加俯視觀察測量功能。
【附圖說明】
[0034] 在下文中將基于實施例并參考附圖來對本發(fā)明進行更詳細(xì)的描述。其中：
[0035]圖1是接觸角的示意圖；
[0036] 圖2是應(yīng)用顯微鏡進行光學(xué)測量的原理圖；
[0037] 圖3是根據(jù)近軸光近似計算出的聚焦平面的相對高度差與接觸角之間的關(guān)系曲 線；
[0038] 圖4是根據(jù)光的折射理論計算出的聚焦平面的相對高度差的最大遠(yuǎn)軸光線誤差與 接觸角之間的關(guān)系。
[0039] 在附圖中，相同的部件使用相同的附圖標(biāo)記。附圖并未按照實際的比例繪制。
【具體實施方式】
[0040] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0041] 這里所介紹的細(xì)節(jié)是示例性的，并僅用來對本發(fā)明的實施例進行例證性討論，它 們的存在是為了提供被認(rèn)為是對本發(fā)明的原理和概念方面的最有用和最易理解的描述。關(guān) 于這一點，這里并沒有試圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)作超出于基本理解本發(fā)明所需的程度的介 紹，本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過說明書及其附圖可以清楚地理解如何在實踐中實施本發(fā)明的幾 種形式。
[0042] 本發(fā)明提供的接觸角的光學(xué)測量方法，包括以下步驟：
[0043]步驟一:如圖1所示，選取一帶有待測液滴20的基底平面11;
[0044]步驟二:結(jié)合圖2所示，調(diào)節(jié)顯微鏡的聚焦平面，分別得到基底平面11的高度和基 底平面11經(jīng)待測液滴20折射后所形成的虛像面的高度，從而得到基底平面11與基底平面11 經(jīng)待測液滴20折射后所形成的虛像面之間的高度差A(yù)h，其中基底平面11的高度和基底平 面11經(jīng)待測液滴20折射后所形成的虛像面的高度之差即為Ah的值；
[0045]步驟三:測得待測液滴20在基底平面11上的沿與基底平面11垂直的方向上的投影 區(qū)域的俯視直徑d;
[0046]步驟四：結(jié)合光的折射定律和高度差△ h、俯視直徑d與接觸角Θ之間的幾何關(guān)系綜 合得出接觸角Θ。
[0047]可以理解的是，Ah的值和俯視直徑d的值均為得到接觸角Θ所必須的值，因此步驟 二和步驟三的順序也可以相互交換。
[0048]根據(jù)本發(fā)明，如圖1所示，當(dāng)一個待測液滴20位于基底平面11上時，由于表面張力 的作用，待測液滴20會收縮成球冠狀;從側(cè)面觀察時，待測液滴20的側(cè)面輪廓成圓弧狀，圓 弧在固、液、氣三相交界點處的切線與基底平面11所成的夾角就是待測液滴20在這個基底 平面11上的接觸角Θ。
[0049] 在步驟三中，待測液滴20的俯視直徑d指在基底平面11上的沿與基底平面11垂直 的方向上的投影區(qū)域的直徑或等效平均直徑。本發(fā)明由于采用顯微鏡俯視觀察的方法，所 以測量待測液滴20的俯視直徑d是很容易的。通過顯微鏡獲取的俯視圖像，進一步人工測量 或自動化的圖像處理都可以獲得待測液滴20的俯視直徑d。例如，通過CCD光學(xué)成像元件獲 取待測液滴的顯微圖像后，將圖像傳輸?shù)诫娔X，如果待測液滴20的俯視直徑d的投影區(qū)域較 圓，可以直接人工測量投影圓直徑所占的圖像像素數(shù)，再根據(jù)顯微鏡的標(biāo)尺換算出接觸圓 直徑對應(yīng)的真實長度。另外，現(xiàn)有技術(shù)也給出了用軟件自動化圖像處理擬合出投影圓直徑 的具體算法(例如，參考文獻7:賀璽.基于圖像處理的煙嘴棒圓度檢測研究[D].武漢工程大 學(xué)，2012.)，本發(fā)明中不再具體闡述。
[0050]根據(jù)本發(fā)明，在步驟四中，由于待測液滴在表面張力的作用下會收縮成球冠狀，照 明光線由空氣進入待測液滴時會在待測液滴表面處發(fā)生折射，結(jié)合光的折射定律和高度差 A h、俯視直徑d與接觸角Θ之間的幾何關(guān)系綜合得出接觸角Θ，接觸角Θ由以下公式得出：
[0052]其中，η為待測液滴的折射率。
[0053]上述方程是考慮到待測液滴20可以等效為理想球冠的情況下，結(jié)合近軸光近似給 出的四個變量間依賴關(guān)系。近軸光近似指的是只考慮由基底發(fā)出光線中非?？拷饴分行?軸的一小部分光線。上述方程是一個隱式方程，但是經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖兓罂梢郧蟮蔑@式解，但 在實際操作中也可以不求顯式解，直接使用Matlab等計算軟件求得數(shù)值解。圖3所示曲線是 相對高度差#和接觸角Θ之間的對應(yīng)關(guān)系曲線，其中三條曲線分別代表待測液滴折射率η a 為1.23、1.33(水）、1.43的情況。圖3內(nèi)的小插圖是將曲線在0° < θ <90°的部分在縱坐標(biāo)方 向放大后的圖。由曲線可以看出，兩者之間的映射關(guān)系并不是一一對應(yīng)的。在接觸角〇°<θ Μ <90°的范圍內(nèi)，對于每個測量出來的相對高度差y有兩個可能的接觸角Θ值，這就要求在 d 實際的測量中還需要預(yù)先估計一個接觸角的大致范圍才能最終確定測出的接觸角數(shù)值。在 接觸角90° < Θ < 180°的范圍內(nèi)，兩者是一一對應(yīng)的映射關(guān)系，可以直接由測量出來的相對 高度差#得到對應(yīng)的接觸角Θ值。該解法具有簡單易解的優(yōu)點，但由于未考慮到球面成像 (I 誤差，求解結(jié)果的誤差可能較大。
[0054] 值得注意的是，由高度差Δ h、折射率n、待測液滴20的俯視直徑d這三項信息已足 以推算出接觸角Θ。具體的推算方法并不是唯一的，可以根據(jù)建立的模型、所需的精度、待測 液滴的大小、接觸角的可能范圍等有所變化。
[0055] 優(yōu)選地，為了進一步提高測量精度，本發(fā)明進一步給出一種改進的推算方法，直接 根據(jù)光的折射定律計算，這樣可以進一步考慮到偏離光路中心軸較遠(yuǎn)（即較為發(fā)散）的光 線，從而能夠修正成像的球面誤差帶來的影響。接觸角Θ進一步由以下公式得出：
[0057] 其中，仏吧^為中間參數(shù)；
[0058] N.A.為顯微鏡的數(shù)值孔徑。
[0059]以此為自變量，三個中間參數(shù)均可以根據(jù)方程組用β2表示出來;相對高度 池 差γ也可以由β2和Θ共同表示出來;根據(jù)顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑N.A.確定β2的取值范圍；對 a Ah 于每一個給定的接觸角θ就可以計算出一個相對高度差4的取值范圍；將接觸角θ在〇~ a 180°的范圍內(nèi)劃分為一系列數(shù)值，同時將待測液滴俯視投影直徑d在測量可能發(fā)生的范圍 內(nèi)（例如0.01~10mm)劃分為一系列數(shù)值;對于劃分的每一個接觸角Θ和待測液滴20的俯視 直徑d計算出對應(yīng)的高度差△ h在理論上的取值范圍；根據(jù)高度差△ h的理論范圍取加權(quán)平 均值得到Ah的理論計算值與接觸角Θ、待測液滴20的俯視直徑d的對應(yīng)關(guān)系表，其中求加權(quán) 平均的方式可以是簡單地取理論范圍上下限的平均值，也可以是根據(jù)出射光線的強度取加 權(quán)值，或者是其它的更接近于真實值的加權(quán)方式;最后由實際測得的虛實高度差A(yù) h、俯視 直徑d查表得到接觸角測量值Θ。例如，如圖4所示，可根據(jù)方程組計算出來：在折射率η為 1.33(水）、顯微物鏡數(shù)值孔徑Ν.Α.為0.14時，偏離光軸最遠(yuǎn)的遠(yuǎn)軸光線相對于近軸光帶來 Ah 的成像誤差所造成的相對高度差γ的誤差與接觸角θ有著對應(yīng)的關(guān)線曲線。這種改進的推 d 算方法犧牲了求解的顯式特性并較為復(fù)雜，但是相對提高了測量精度，特別是對于數(shù)值孔 徑較大的顯微物鏡。
[0060]根據(jù)本發(fā)明，如圖2所示，顯微鏡還包括顯微物鏡12、成像單元13以及位移裝置（圖 中未示出），位移裝置至少與顯微物鏡12、成像單元13和基底平面11中的一個相連，以實現(xiàn) 位移裝置能夠帶動顯微鏡將聚焦平面改變到不同位置。
[0061 ] 如圖2所示，待測液滴20的高度為h，待測液滴20的俯視直徑為d?；灼矫?1上的0 點位于固液接觸區(qū)域的中心，0點發(fā)出的光線經(jīng)待測液滴20的表面折射后形成虛像點0'。0 點和虛像點0'之間的高度差為Ah。首先將顯微鏡的焦平面調(diào)節(jié)至0'點所處的高度處，然后 將顯微鏡的聚焦位置調(diào)節(jié)到待測液滴20邊緣處(或者邊緣位置附近），并調(diào)節(jié)聚焦平面所處 的高度直至顯微鏡能清晰成像，記錄下此時顯微鏡聚焦平面在高度方向上的變化值即為A h。圖中虛線化的顯微物鏡和成像單元是指移動后的顯微鏡所處的位置。在實際操作過程 中，如果顯微鏡的移動方向與基底略不平行，可以在待測液滴20邊緣的前后左右?guī)讉€方向 多取幾個點進行聚焦平面高度差的測量，最后取平均值或加權(quán)平均值即可。
[0062]值得注意的是，顯微鏡的個數(shù)為一個，通過先后順序地聚焦到不同的物平面或虛 像面，而不是同時使用兩個顯微鏡聚焦到不同表面。這樣做的原因是一般待測液滴相對于 顯微鏡很小，不足以在俯視觀察的方向放置兩個或更多數(shù)量的顯微鏡。由于大多數(shù)被測待 測液滴20都是透明的，待測液滴20頂部的反光率較低，無法形成明顯的成像面，因而一般很 難將顯微鏡聚焦到待測液滴20的頂部。然而，由于待測液滴20表面是凸?fàn)钋?，待測液滴20 所在的基底平面11表面發(fā)出的光線經(jīng)過待測液滴20曲面時會由于折射效應(yīng)形成一個扭曲 的虛像。本發(fā)明從實際觀察經(jīng)驗中受到啟發(fā)，巧妙地根據(jù)基底平面11經(jīng)待測液滴20形成的 折射虛像的高度信息反推待測液滴20的高度信息?；诠獾恼凵涑上褚?guī)律，由觀察到的虛 實高度差結(jié)合待測液滴20折射率及俯視直徑d可以進一步推算出接觸角Θ。
[0063]在本發(fā)明的接觸角的光學(xué)測量方法中，隨著待測液滴20的尺寸減小，所展現(xiàn)出來 的測量優(yōu)勢會逐漸增大，特別是相對于傳統(tǒng)的從側(cè)面觀察的測量方法。優(yōu)選地，其可適用的 待測液滴的俯視直徑d小于等于10mm。再優(yōu)選地，待測液滴的俯視直徑d小于等于1mm。進一 步優(yōu)選地，待測液滴的俯視直徑d小于等于0.1mm。
[0064]此外，接觸角的光學(xué)測量方法還包括考慮到待測液滴自身重力的影響對所述接觸 角Θ的值進行進一步修正。具體的修正方法有很多，例如，根據(jù)文獻報道(參考文獻8:鄭泉 水，呂存景，郝鵬飛.一種固體表面液滴接觸角的測量方法及裝置[P].北京:CN101539502， 2009-09-23.)，液滴的側(cè)面輪廓線上的任一點坐標(biāo)(r，w)符合下列公式：
[0066] 其中r為橫坐標(biāo)變量，w為縱坐標(biāo)變量，P為液體密度（常數(shù)），g為重力加速度（常 數(shù)），Ylv為液體表面張力系數(shù)(常數(shù)），ΔΡο為液滴的內(nèi)外壓強差。由公式可見，對于給定的 A Ρο就可以計算得到對應(yīng)的液滴輪廓線方程。對于一個液滴輪廓線方程，設(shè)定縱坐標(biāo)w的取 值范圍（最大值對應(yīng)于液滴高度h)就可以得到對應(yīng)的液滴輪廓線;此時橫坐標(biāo)的最大取值 范圍（最大值與最小值之差）即為液滴的俯視直徑d。由此，可以預(yù)先計算出一系列(有限數(shù) 量)的液滴輪廓線方程，每個輪廓線方程取一系列(有限數(shù)量)的縱坐標(biāo)w的取值范圍，得到 一組輪廓線庫。對于每個輪廓線可以用Matlab等計算軟件編程求解光線經(jīng)該輪廓線時的折 射路徑(根據(jù)光的折射定律），從而計算液滴所在的基底平面經(jīng)折射后所成虛像面與基度平 面之間的虛實高度差A(yù)h，對比前述虛實高度差的實際測量值，求得差值Error( △ h);同時 對比由該輪廓線計算出來的俯視直徑d和前述俯視直徑的實際測量值，求得差值Err〇r(d)。 在輪廓線庫中尋找出Error(Ah)和Error(d)的均方根最小的輪廓線。為了提高測量精度， 還可以在該輪廓線附近再次取一組更精細(xì)的輪廓線庫進行迭代求解，從而得到更精確的輪 廓線。由最終求解得到的最接近輪廓線進一步可得到液滴接觸角Θ(即輪廓線最低點的斜率 w'的反正切值，注意求得的反正切值為負(fù)時應(yīng)加上180度）。
[0067] 為了闡明本發(fā)明相對于傳統(tǒng)側(cè)面輪廓法的突出技術(shù)進步效果，現(xiàn)以一個典型的小 液滴為例對比測量誤差。對于一個位于基底平面上的小液滴，設(shè)其俯視直徑d = 50μπι、高度h =6.7μπι(對應(yīng)接觸角為30度左右），此時采用傳統(tǒng)側(cè)面輪廓法測量時，由于常見的基底都會 略不平整或有一定粗糙度，這會導(dǎo)致固液分界線模糊不清，由此帶來直徑測量誤差Α (1 = 5μ m、高度測量誤差△ (h) = 3ym，由此計算出接觸角測量誤差高達13.1度;若采用本發(fā)明所述 方法，由于俯視時可以清楚地觀察到液滴輪廓，直徑測量誤差Α (1 = 0.5μπι、聚焦獲得相對高 度差的測量誤差八（八1〇=0.以111，此時接觸角測量誤差僅為2.4度。
[0068] 本發(fā)明通過調(diào)節(jié)顯微鏡的聚焦平面位置，先后聚焦到基底平面和基底平面經(jīng)待測 液滴折射后所成虛像面，得到基底平面與折射虛像面的高度差A(yù)h，再結(jié)合光的折射規(guī)律推 算出待測液滴20的高度信息，本發(fā)明可以簡單、精確地測量出待測小液滴的接觸角Θ。與現(xiàn) 有技術(shù)相比，本發(fā)明具有操作簡便、儀器成本低、適用范圍廣等優(yōu)點。同時，本發(fā)明還進一步 地給出了接觸角Θ的修正算法，從而大大提高了接觸角Θ的測量精度。另外，本發(fā)明還可以通 過簡單地給普通顯微鏡增加一些位移裝置來實現(xiàn)測量，或者給傳統(tǒng)的商用接觸角測量儀以 配件形式增加俯視觀察測量功能。
[0069] 應(yīng)注意的是，前面所述的例子僅以解釋為目的，而不能認(rèn)為是限制了本發(fā)明。雖然 已經(jīng)根據(jù)示例性實施例對本發(fā)明進行了描述，然而應(yīng)當(dāng)理解，這里使用的是描述性和說明 性的語言，而不是限制性的語言。在當(dāng)前所述的和修改的所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，在不脫離 本發(fā)明精神的范圍中，可以對本發(fā)明進行改變。盡管這里已經(jīng)根據(jù)特定的方式、材料和實施 例對本發(fā)明進行了描述，但本發(fā)明并不僅限于這里公開的細(xì)節(jié);相反，本發(fā)明可擴展到例如 在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有等同功能的結(jié)構(gòu)、方法和應(yīng)用。
【主權(quán)項】
1. 一種基于顯微鏡聚焦的接觸角光學(xué)測量方法，包括： 選取一帶有待測液滴的基底平面； 調(diào)節(jié)所述顯微鏡的聚焦平面，分別得到基底平面的高度和基底平面經(jīng)待測液滴折射后 所形成的虛像面的高度，從而得到基底平面與基底平面經(jīng)待測液滴折射后所形成的虛像面 之間的高度差A(yù)h; 測得待測液滴在所述基底平面上的沿與所述基底平面垂直的方向上的投影區(qū)域的俯 視直徑d; 結(jié)合光的折射定律和高度差A(yù) h、俯視直徑d與接觸角Θ之間的幾何關(guān)系綜合得出接觸 角白。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸角光學(xué)測量方法，其特征在于，所述接觸角Θ由W下公式 得出：其中，η為待測液滴的折射率。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的接觸角光學(xué)測量方法，其特征在于，所述接觸角Θ還可由W 下公式得出：其中，曰1、曰2、執(zhí)、02為中間參數(shù)； Ν. A.為所述顯微鏡的數(shù)值孔徑。4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的接觸角光學(xué)測量方法，其特征在于，所述高度差 A h為多次測量結(jié)果的平均值或加權(quán)平均值。5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的接觸角光學(xué)測量方法，其特征在于，所述顯微鏡 還包括顯微物鏡、成像單元W及位移裝置，所述位移裝置至少與所述顯微物鏡、所述成像單 元和所述基底平面中的一個相連，W實現(xiàn)所述位移裝置能夠帶動所述顯微鏡將聚焦平面改 變到不同位置。6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的接觸角光學(xué)測量方法，其特征在于，所述顯微鏡 的個數(shù)為一個。7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的接觸角光學(xué)測量方法，其特征在于，所述待測液 滴的俯視直徑d小于等于10mm。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的接觸角光學(xué)測量方法，其特征在于，所述待測液滴的俯視直徑 d小于等于1mm。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的接觸角光學(xué)測量方法，其特征在于，所述待測液滴的俯視直徑 d小于等于0.1mm。10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的接觸角光學(xué)測量方法，其特征在于，還包括考慮 到待測液滴自身重力的影響對所述接觸角Θ的值進行進一步修正。
【文檔編號】G01N13/00GK106092828SQ201610404116
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】董華來, 鄭泉水, 楊興, 張東暉
【申請人】清華大學(xué)