基于干涉的接触角光学测量方法技术

本发明专利技术公开了一种测量接触角的光学测量方法，包括：选取一带有待测液滴的基底平面；应用可变波长的单色光源对待测液滴进行照明，从而在待测液滴表面产生干涉条纹；在可变波长的单色光源发出的单色光的波长从λ变化到λ+Δλ的时间间隔内，对条纹的移动个数k进行计数；通过条纹的移动个数k、待测液滴的折射率n和光源的波长λ得出待测液滴的高度h；测得待测液滴在基底平面上的沿与基底平面垂直的方向上的投影区域的俯视直径d；通过待测液滴的高度h与俯视直径d得出待测液滴的接触角θ。本发明专利技术可以在俯视观察的条件下简单、精确地测量出小液滴的接触角，能够弥补常见的通过侧面观察测量接触角的方法的不足之处。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学测量领域，特别涉及一种接触角的光学测量方法。
技术介绍
接触角是反映固体材料和液体材料间润湿性能的基本参数之一，因此需要进行精确而又简便地测量。有很多种测量接触角的方法，例如量角法、测力法、长度法、透过法等等(参考文献1：丁晓峰,管蓉,陈沛智.接触角测量技术的最新进展[J].理化检验(物理分册),2008,02:84-89.)。其中较优的测量液滴接触角的方法是从侧面观察液滴轮廓，利用图像处理分析形状得到接触角(参考文献2：张佩，硕士毕业论文，基于图像分析技术的接触角测量方法研究，华东理工大学，2014年)。侧面轮廓分析法具有简单准确等多种优点，因而被广泛用于商业的接触角测量仪上(例如德国Data Physics公司的OCA20型接触角测量仪)。但是，侧面轮廓分析法同时也有很多局限性。例如，对于几十微米以下的小液滴，由于基底不完全平整及光的衍射等问题，此时从侧面很难观察清楚小液滴的轮廓；在冷凝实验研究中，当基底表面密集分布很多液滴时，由于液滴相互遮挡，从侧面也难以观察到单个液滴的完整轮廓；在液滴接触角动态研究中，液滴在平面上运动中，从侧面观察既不利于观察到液滴的二维运动情况，又会由于运动位置的变化导致液滴离开侧面显微镜的焦平面，从而得不到清晰的轮廓。总之，有许多应用场景不适合从侧面观察液滴轮廓，因而迫切需要一些直接从上方俯视观察液滴就能测量出接触角的方法。目前文献中已经报道了一些用俯视观察液滴的方式测量接触角的方法(参考文献3：Surface science techniques[M].Springer Science&Business Media,2013:P22-29.)。这些俯视测量的方法主要包括以下几种：1)环境扫描电子显微镜(ESEM)倾斜观察，即介于侧面观察和俯视观察之间的倾斜方向，利用ESEM的高分辨率，观察到液滴的斜向轮廓，再结合计算分析得到小液滴的接触角；2)原子力显微镜(AFM)扫描形貌，要求所使用的液体材料可以冻结或固化，然后用AFM扫描其三维形貌，从而得到其接触角；3)纳米液体分发系统(NADIS)，即利用NADIS产生指定体积的液滴，待液滴蒸发干后，再用AFM测出蒸发后残留印迹的轮廓，通过体积和残印轮廓推算液滴的接触角；4)移液管+光学显微镜，适用于毫米到几十微米的尺度，即利用移液管产生预定体积的液滴，再使用光学显微镜俯视观察得到液滴与基底的俯视投影直径，通过体积和俯视投影直径推算出液滴的接触角(参考文献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.)；5)激光共聚焦显微镜(LSCM)，即在液体中加入可发荧光的染料，再利用LSCM扫描出荧光的三维分布图，从而推算出液滴的接触角；6)干涉显微镜，即对于接触角很小(<30°)的液滴，在显微镜单色光照明下，整个液滴会由于牛顿环效应产生干涉条纹，通过对干涉条纹进行计数，得到小液滴高度，再结合液滴的平面轮廓计算出液滴的接触角(参考文献5：Sundberg M,A,S.Contact angle measurements by confocal microscopy for non-destructive microscale surface characterization[J].Journal of colloid and interface science,2007,313(2):454-460.)。除文献中的报道外，也有少量专利使用俯视观察的方式进行液滴接触角测量的光学方法。例如，通过观察液滴表面对多个固定间距的点光源反射像的方法，推算液滴表面曲率半径，结合液滴与基底接触轮廓推算接触角(参考文献6：美国专利号US 2009/0180106.Friedrich B,Frerichs 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.)。然而这种方法只适用于大液滴，对于小液滴而言是观察不到表面对宏观点光源所成的反射像的。综上，目前为止，虽然已经有了不少方法可以通过俯视观察的方式测量出液滴接触角，但这些方法或者涉及大型昂贵仪器，或者要求材料有特殊性质，或者要加入染色剂，或者测量的接触角范围有限，或者不适用于小液滴等等。因此，仍然需要研发新的测量方法，以弥补或改进目前种种方法的局限性或者不足之处。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足之处，提出了一种可以简单、精确地测量出待测小液滴接触角的光学测量方法，以弥补现有技术的不足之处。根据本专利技术提供的一种测量接触角的光学测量方法，包括：选取一带有待测液滴的基底平面；应用可变波长的单色光源对待测液滴进行照明，从而在待测液滴表面产生干涉条纹；在可变波长的单色光源发出的单色光的波长从λ变化到λ+Δλ的时间间隔内，对条纹的移动个数k进行计数；通过条纹的移动个数k、待测液滴的折射率n和光源的波长λ、波长变化量Δλ得出待测液滴的高度h；测得待测液滴在基底平面上的沿与基底平面垂直的方向上的投影区域的俯视直径d；通过待测液滴的高度h与俯视直径d得出待测液滴的接触角θ。在一些实施方案中，待测液滴的高度h由以下公式得出： h = k λ ( λ + Δ λ ) 2 n · Δ λ ]]>其中，λ为单色照明光源的初始波长；Δλ为波长变化量；n为待测液滴的折射率；k为条纹的移动个数。在一些实施方案中，待测液滴的高度h通过下列修正公式得到： h = k λ ( λ + Δ λ ) 2 n · Δ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于干涉的接触角光学测量方法，包括：选取一带有待测液滴的基底平面；应用可变波长的单色光源对所述待测液滴进行照明，从而在所述待测液滴表面产生干涉条纹；在所述可变波长的单色光源发出的单色光的波长从λ变化到λ+Δλ的时间间隔内，对所述条纹的移动个数k进行计数；通过条纹的移动个数k、待测液滴的折射率n和光源的波长λ、波长变化量Δλ得出待测液滴的高度h；测得待测液滴在所述基底平面上的沿与所述基底平面垂直的方向上的投影区域的俯视直径d；通过待测液滴的高度h与俯视直径d得出待测液滴的接触角θ。

【技术特征摘要】
1.一种基于干涉的接触角光学测量方法，包括：选取一带有待测液滴的基底平面；应用可变波长的单色光源对所述待测液滴进行照明，从而在所述待测液滴表面产生干涉条纹；在所述可变波长的单色光源发出的单色光的波长从λ变化到λ+Δλ的时间间隔内，对所述条纹的移动个数k进行计数；通过条纹的移动个数k、待测液滴的折射率n和光源的波长λ、波长变化量Δλ得出待测液滴的高度h；测得待测液滴在所述基底平面上的沿与所述基底平面垂直的方向上的投影区域的俯视直径d；通过待测液滴的高度h与俯视直径d得出待测液滴的接触角θ。2.根据权利要求1所述的接触角光学测量方法，其特征在于，所述待测液滴的高度h由以下公式得出： h = k λ ( λ + Δ λ ) 2 n · Δ λ ]]>其中，λ为单色照明光源的初始波长；Δλ为波长变化量；n为待测液滴的折射率；k为条纹的移动个数。3.根据权利要求1或2所述的接触角光学测量方法，其特征在于，所述待测液滴的高度h通过下列公式得出： h = k λ ( λ + Δ λ ) ...

【专利技术属性】
技术研发人员：董华来，杨兴，郑泉水，宋一鸣，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11