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一种接触 角测量系统

阅读：180发布：2021-08-01

专利汇可以提供一种接触角测量系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明的一种接触角测量系统及其测量方法，具体涉及一种用于测量液体对固体的接触角，即液体对固体的浸润性的仪器，以及这种仪器的测量方法。所述接触角测量系统及其测量方法包括背景光源、样品台、液体进样模块、成像模块和图像分析软件模块构成，通过不同背光照明模式下的成像测量液体对固体边界的平均位置获得高精度测量液体对固体边界及接触角。本发明削减了白光色散现象、白光衍射、环境杂散光对接触角测量的成像精度的影响。，下面是一种接触角测量系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.接触角测量系统及其测量方法，其特征在于：提供复合光背景光源和单色光背景光源，通过不同背光照明模式下的成像测量液体对固体边界的平均位置获得的高精度成像测量液体对固体边界。
2.根据权利要求1所述接触角测量系统，其特征在于：所述接触角测量系统包括背景光源、样品台、液体进样模块、成像模块和图像分析软件模块构成。
3.根据权利要求2所述背景光源，其特征在于：所述背景光源包括复合光背景光源和单色光背景光源，所述单色光背景光源为由可见光红光波段发光二极管灯、红外波段发光二极管灯、可见光绿色波段发光二极管灯、可见光蓝色波段发光二极管中的一种或几种构成。
4.根据权利要求2所述成像模块包括(但不限于)连续变倍显微镜镜头与红外感光增强的电荷耦合器摄像机等。
5.根据权利要求2所述图像分析软件模块包括(但不限于)具有将不同背景光源条件下将测量液体对固体边界进行重叠，以测量液体对固体边界平均位置所为获得的高精度边界的功能。
6.根据权利要求2所述图像分析软件模块包括(但不限于)具有将不同红外背景光源条件下将测量液体对固体边界与不同背景光源条件下测量液体对固体边界平均位置所为获得的边界进行图像匹配，降低环境杂散光被测液滴上产生的散射光、反射光对摄像机中成像的液滴边界模糊作用的功能。

说明书全文

一种接触 角测量系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种接触角测量系统及其测量方法，具体涉及一种用于测量液体对固体的接触角，即液体对固体的浸润性的仪器，以及这种仪器的测量方法。

背景技术

[0002] 接触角测量仪，主要用于测量液体对固体的接触角，即液体对固体的浸润性。该仪器能测量各种液体对各种材料的接触角。该仪器对石油，印染，医药，喷涂，选矿等行业的科
研生产有非常重要的作用。

[0003] 接触角测量仪一般由背景光源、样品台、液体进样模块、成像模块和图像分析软件模块构成。其中背景光源一般采用可调亮度的单色冷光发光二极管背光光源，成像模块一
般采用标准电荷耦合器摄像机和连续变倍显微镜镜头。成像精度、图像处理算法是接触角
测量系统精度的重要决定因素。随着微小尺度液体对固体的接触角的测量需求的发展，通
过放大1000倍-1500倍的光学显微镜头准确测量微小尺度下液体对固体的接触角需要更高
的测量精度。在高精度测量标准下，背景光源的强度、波长非常影响被测样品的成像精度。
随着光源选择的变化，成像系统对图像检测精度的影响不同。

[0004] 在传统的接触角测量仪中，在白光源背光照明模式下，未被液滴遮挡的白光源的光直接经过连续变倍显微镜头在标准电荷耦合器摄像机中成像；被液滴遮挡的白光源的光
则需要经过被测液滴折射后再经过连续变倍显微镜头在标准电荷耦合器摄像机中成像。首
先由于不同波长的光在被测液体中的折射率不同，从而被测液滴折射的不同波长的光在电
荷耦合器摄像机的成像位置不同，并因而在电荷耦合器摄像机中成像的液滴边界处存在边
界模糊区域。这种色散现象影响了高精度接触角测量的成像精度，尤其是影响微米数量级
精度的固体表面被测液体样品的成像精度。其次在白光源背光照明模式下白光经过液滴边
缘产生白光衍射，由于白光由各种可见光复合而成的复色光，每种光的波长都不相同，所以
衍射的条纹宽度也不同，经过连续变倍显微镜头在标准电荷耦合器摄像机中产生间隔较密
的彩色衍射条纹，使得电荷耦合器摄像机中的成像失去清晰的轮廓。此外，环境杂散光被测
液滴上产生的散射光、反射光，也进一步模糊了在电荷耦合器摄像机中成像的液滴边界。

[0005] 因而，改进现有接触角测量系统，消除上述边界模糊的因素，实现高精度接触角测量，特别是微小尺度下液体对固体的接触角高精度测量具有一定科研、生产的意义。

发明内容

[0006] 针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种通过改进的背光光源、成像模块和图像分析软件模块的接触角测量系统及其测量方法。本发明的目的之一就是科学、高精度地
获取液体对固体的成像，高精度地实现接触角测量，尤其是高精度地获取微米数量级精度
的固体表面被测液体样品的成像及对应的接触角测量。

[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种接触角测量系统及其测量方法，所述接触角测量系统包括背景光源、样品台、液体进样模块、成像模块和图像分析软件
模块构成。

[0008] 所述背景光源为高精度接触角测量系统成像提供复合光背景光源和单色光背景光源，所述单色光背景光源为由可见光红光波段发光二极管灯、红外波段发光二极管灯、可
见光绿色波段发光二极管灯、可见光蓝色波段发光二极管等构成；

[0009] 所述成像模块为连续变倍显微镜镜头与红外感光增强的摄像机构成。

[0010] 所述样品台为常规接触角测量仪所述样品台，为行业共识。

[0011] 所述液体进样模块为常规接触角测量仪所述液体进样模块，为行业共识。

[0012] 所述图像分析软件模块与上述背景光源、样品台、液体进样模块、成像模块相配合，科学、高精度地获取液体对固体的成像，并高精度地实现接触角测量。

[0013] 本发明的接触角测量系统的测量方法为：

[0014] 步骤A、通过液体进样模块在样品台滴注被测液滴。

[0015] 步骤B、通过背景光源，轮流向被测液滴提供白光背光照明、红外波段背光照明、可见光红光背光照明、可见光绿光背光照明、可见光蓝光照明。

[0016] 步骤C、在步骤B所述的五种背光照明模式下，被测液滴经过连续变倍显微镜头在摄像机分别成像。

[0017] 步骤D、图像分析软件模块对基于五种背光照明模式下的成像进行图像处理，分别获得五种背光照明模式下的成像测量液体对固体边界。

[0018] 步骤E、将步骤D获得的白光背光照明、可见光红光背光照明、可见光绿光背光照明、可见光蓝光照明下的四种成像中的测量液体对固体边界进行重叠，以四种成像中的测
量液体对固体边界平均位置所为获得的高精度边界。本步骤的理论依据在于可见光以及近
红外光谱条件下，波长越长折射率越大，可知白光背光照明模式因其为复色光，从而在液滴
边存在色散现象，进而相对于红外波段背光照明、可见光红光背光照明、可见光绿光背光照
明、可见光蓝光照明模式下摄像机中成像的液滴边界相对模糊；同样，根据在可见光以及近
红外光谱条件下，波长越长折射率越大的原则，红外波段背光照明、可见光红光背光照明、
可见光绿光背光照明、可见光蓝光照明模式下摄像机中对应四种成像中液滴边界逐步收
拢。而且在白光源背光照明模式下白光经过液滴边缘产生白光衍射，由于白光由各种可见
光复合而成的复色光，每种光的波长都不相同，所以衍射的条纹宽度也不同，经过连续变倍
显微镜头在摄像机中产生间隔较密的彩色衍射条纹，而在可见光红光背光照明、可见光绿
光背光照明、可见光蓝光照明模式下摄像机中对应三种成像中液滴边界产生衍射条纹间隔
较大。其中可见光红光背光照明、可见光绿光背光照明、可见光蓝光照明模式下摄像机中对
应三种成像中液滴边界，应该分别位于白光背光照明下的成像中的测量液体对固体边界的
外沿、中间和内沿。所以白光背光照明、可见光红光背光照明、可见光绿光背光照明、可见光
蓝光照明下的四种成像中的测量液体对固体边界进行重叠，以四种成像中的测量液体对固
体边界平均位置所为获得的高精度边界。

[0019] 步骤F、将步骤E获得的测量液体对固体边界与步骤D获得的红外波段背光照明下的成像中的测量液体对固体边界进行图像匹配，降低环境杂散光被测液滴上产生的散射
光、反射光对摄像机中成像的液滴边界模糊作用。本步骤的理论基于在于接触角测量中，由
于被测环境中的杂散光为可见光，这些被测环境中的杂散可见光在被测液滴上产生的散射
光、反射光在摄像机的成像中产生亮斑、噪音和模糊的边界。而在红外波段背光照明下，未
被液滴遮挡的红外光源的光直接经过连续变倍显微镜头在红外感光增强的摄像机中产生
红外感光增强的图像；被测环境中的杂散可见光经过被测液滴反射后再经过连续变倍显微
镜头在标准摄像机中成像相对弱化，因而步骤D获得的红外波段背光照明下的成像质量相
对提高，步骤D获得的红外波段背光照明下的成像中测量液体对固体边界相对清晰。以步骤
D获得的红外波段背光照明下的成像中测量液体对固体边界为模板与将步骤E获得的测量
液体对固体边界进行图像匹配，可降低环境杂散光被测液滴上产生的散射光、反射光对摄
像机中成像的液滴边界模糊作用。

[0020] 本发明至少包括以下有益效果：

[0021] 本发明削减了白光背光照明模式下白光色散现象对接触角测量的成像精度的影响；本发明削减了在白光源背光照明模式下白光经过液滴边缘产生白光衍射对接触角测量
的成像精度的影响；本发明削减了环境杂散光被测液滴上产生的散射光、反射光对接触角
测量的成像精度的影响。
附图说明

[0022] 图1为本发明所述的接触角测量系统的主要结构示意图。其中1为被测液体，2为背景光源向被测液体发出的背景光。

[0023] 图2为本发明所述的接触角测量系统的背景光源的前视图。其中1为红光发光二极管线段，2为绿光发光二极管线段，3为均光板，4为红外发光二极管线段，5为蓝光发光二极
管线段

[0024] 图3为本发明所述的接触角测量系统的背景光源的左视图。其中1为红光发光二极管线段，2为均光板，3为蓝光发光二极管线段，4为红外发光二极管线段，5为白光发光二极
管矩阵。

具体实施方式

[0025] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

[0026] 需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵
向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，
并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因
此不能理解为对本发明的限制。

[0027] 实例：

[0028] 如图1所示，本发明提供一种接触角测量系统及其训练方法实例，包括：

[0029] 一种接触角测量系统，该系统包括背景光源、样品台、液体进样模块、成像模块和图像分析软件模块构成。

[0030] 如图2所示，所述背景光源置于样品台、成像模块之间，所述背景光源包含一块边长为5厘米的矩形匀光板；在匀光板的上沿安装8颗红光发光二极管构成的总长为4厘米的
发光二极管线段，每颗红光发光二极管的功率为0.12瓦；在匀光板的下沿安装8颗红外发光
二极管构成的总长为4厘米的发光二极管线段，每颗红外光发光二极管的功率为0.12瓦；在
匀光板的左沿安装8颗蓝光发光二极管构成的总长为4厘米的发光二极管线段，每颗蓝光发
光二极管的功率为0.12瓦；在匀光板的右沿安装8颗绿光发光二极管构成的总长为4厘米的
发光二极管线段，每颗绿光发光二极管的功率为0.12瓦；

[0031] 如图3所示，在匀光板背后安装16颗白光发光二极管构成的边长为4厘米发光二极管矩阵，每颗白光发光二极管的功率为0.06瓦。

[0032] 所述样品台为通用的接触角测量中使用的三维样品台，可进行工作台上下、左右、前后等方向移动。实现微量进样及上下、左右精密移动。

[0033] 液体进样模块为通用的接触角测量中使用微量进样器，调整液滴的量，使在针头形成液滴，转动旋钮使工作台上移，让试样表面与液滴接触，再下移工作台，试样上即可留
下液滴。

[0034] 所述成像模块为具有红外感光增强数字摄像机，并安装了1000倍变焦连续变倍显微镜镜头。

[0035] 图像分析软件模块为一台安装了图像分析软件的微型计算机，该图像分析软件模块通过通信线缆获得成像模块所获得的图像信号，并通过计算机程序进行图像处理、分析、
测量和接触角计算。

[0036] 本发明的接触角测量系统的测量方法为：

[0037] 步骤A、通过液体进样模块在样品台滴注被测液滴。

[0038] 步骤B、单独点亮白光发光二极管矩阵1秒钟，然后熄灭；单独点亮红外波段发光二极管线段，然后熄灭；单独点亮可见光红光发光二极管线段，然后熄灭；单独点亮可见光绿
光发光二极管线段，然后熄灭；单独点亮可见光蓝光发光二极管线段，然后熄灭。

[0039] 步骤C、在步骤B所述的单独点亮白光发光二极管矩阵1秒钟期间，被测液滴经过连续变倍显微镜头在标准电荷耦合器摄像机中成像，该像命名为像1；在步骤B所述的单独点
亮红外波段发光二极管线段1秒钟期间，被测液滴经过连续变倍显微镜头在标准电荷耦合
器摄像机中成像，该像命名为像2；在步骤B所述的单独点亮可见光红光发光二极管线段1秒
钟期间，被测液滴经过连续变倍显微镜头在标准电荷耦合器摄像机中成像，该像命名为像
3；在步骤B所述的单独点亮可见光绿光发光二极管线段1秒钟期间，被测液滴经过连续变倍
显微镜头在标准电荷耦合器摄像机中成像，该像命名为像4；在步骤B所述的单独点亮可见
光蓝光发光二极管线段1秒钟期间，被测液滴经过连续变倍显微镜头在标准电荷耦合器摄
像机中成像，该像命名为像5；

[0040] 步骤D、图像分析软件模块对像1、像2、像3、像4、像5进行图像处理，分别获得对应的测量液体对固体的边界1、分别获得对应的测量液体对固体的边界2、分别获得对应的测
量液体对固体的边界3、分别获得对应的测量液体对固体的边界4、分别获得对应的测量液
体对固体的边界5。

[0041] 步骤E、将步骤D获得的边界1、边界3、边界4、边界5进行重叠，以边界1、边界3、边界4、边界5的平均位置所为获得的高精度边界，命名为边界6。本步骤的理论依据在于可见光
以及近红外光谱条件下，波长越长折射率越大，可知白光背光照明模式因其为复色光，从而
在液滴边存在色散现象，进而相对于红外波段背光照明、可见光红光背光照明、可见光绿光
背光照明、可见光蓝光照明模式下电荷耦合器摄像机中成像的液滴边界相对模糊；同样，根
据在可见光以及近红外光谱条件下，波长越长折射率越大的原则，红外波段背光照明、可见
光红光背光照明、可见光绿光背光照明、可见光蓝光照明模式下电荷耦合器摄像机中对应
四种成像中液滴边界逐步收拢。而且在白光源背光照明模式下白光经过液滴边缘产生白光
衍射，由于白光由各种可见光复合而成的复色光，每种光的波长都不相同，所以衍射的条纹
宽度也不同，经过连续变倍显微镜头在标准电荷耦合器摄像机中产生间隔较密的彩色衍射
条纹，而在可见光红光背光照明、可见光绿光背光照明、可见光蓝光照明模式下电荷耦合器
摄像机中对应三种成像中液滴边界产生衍射条纹间隔较大。其中可见光红光背光照明、可
见光绿光背光照明、可见光蓝光照明模式下电荷耦合器摄像机中对应三种成像中液滴边
界，应该分别位于白光背光照明下的成像中的测量液体对固体边界的外沿、中间和内沿。所
以白光背光照明、可见光红光背光照明、可见光绿光背光照明、可见光蓝光照明下的四种成
像中的测量液体对固体边界进行重叠，以四种成像中的测量液体对固体边界平均位置所为
获得的高精度边界。

[0042] 步骤F、将步骤E获得的边界6与步骤D获得的边界2进行图像匹配，进一步降低环境杂散光被测液滴上产生的散射光、反射光对边界6的模糊作用。本步骤的理论基于在于接触
角测量中，由于被测环境中的杂散光为可见光，这些被测环境中的杂散可见光在被测液滴
上产生的散射光、反射光在电荷耦合器摄像机的成像中产生亮斑、噪音和模糊的边界。而在
红外波段背光照明下，未被液滴遮挡的红外光源的光直接经过连续变倍显微镜头在红外感
光增强的电荷耦合器摄像机中产生红外感光增强的图像；被测环境中的杂散可见光经过被
测液滴反射后再经过连续变倍显微镜头在标准电荷耦合器摄像机中成像相对弱化，因而步
骤D获得的红外波段背光照明下的成像质量相对提高，步骤D获得的红外波段背光照明下的
成像中测量液体对固体边界相对清晰。以步骤D获得的红外波段背光照明下的成像中测量
液体对固体边界为模板与将步骤E获得的测量液体对固体边界进行图像匹配，可降低环境
杂散光被测液滴上产生的散射光、反射光对电荷耦合器摄像机中成像的液滴边界模糊作
用。

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