光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量精度影響因素

是指采用界面化學(xué)原理中方程及其變體，采用液體作為探針物體，采用光學(xué)攝像的原理對(duì)固體材料進(jìn)行物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析的分析儀器，分析的結(jié)果以接觸角、表面自由能、粘附功等數(shù)值呈現(xiàn)。區(qū)別于普通的數(shù)碼量角器的簡(jiǎn)單的圓擬合、橢圓擬合或切線法等幾何算法的光學(xué)測(cè)量?jī)x器的是，接觸角測(cè)量?jī)x具有非常顯著的基礎(chǔ)，即通過(guò)分析液滴輪廓并擬合至方程曲線，分析得到接觸角值。

因而，普通的數(shù)碼量角器僅僅是量測(cè)幾何意義上的輪廓的切線夾角角度，不考慮界面化學(xué)性質(zhì)以及重力影響等顯然存在的因素，因而具有測(cè)值理論參考依據(jù)不足、測(cè)值重復(fù)性差、精度差等明顯的缺陷。事實(shí)上，低價(jià)的所謂的“接觸角測(cè)量?jī)x”目前均以數(shù)碼量角器為主，而不是根本意義上的接觸角分析與測(cè)量。

一、接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量精度影響因素
1、從材料本身來(lái)講，很難找到表面不存在粗糙度、化學(xué)多樣性的樣品。而正是由于這些因素的影響，很難出現(xiàn)接觸角液滴從頂視時(shí)呈現(xiàn)正圓的圖像。

2、3D接觸角測(cè)量是表征材料物理化學(xué)性質(zhì)的方法。而3D接觸角的基本的要求是能夠分析接觸角值的左、右區(qū)別。

3、通過(guò)阿莎算法對(duì)于左、右角度值的評(píng)估，可以判斷材料本身的接觸角滯后現(xiàn)象或3D接觸角現(xiàn)象。

4、樣品臺(tái)或樣品上表面的傾斜情況同樣會(huì)影響液滴左、右角度值的變化。因而，從硬件要求來(lái)講，樣品臺(tái)面獨(dú)立調(diào)整水平的要求度會(huì)非常高，而不能夠僅僅通過(guò)簡(jiǎn)單的四腳調(diào)整水平功能實(shí)現(xiàn)樣品臺(tái)面的調(diào)整，這個(gè)是*不講科學(xué)的做法。

5、頂視法的應(yīng)用局限性在于無(wú)法準(zhǔn)確采用哪個(gè)位置的直徑或相關(guān)參數(shù)估算出邊界條件中的體積值，因而，常規(guī)的平均體積法原則或小二乘后體積估算原則在分析ADSA-D算法的接觸角值時(shí)存在一定的缺陷。ADSA-D是理想條件下的接觸角分析。與常規(guī)的Young-Laplace方程擬合法(軸對(duì)稱或ADSA-P)一樣，無(wú)法作為接觸角算法來(lái)對(duì)待。

6、從目前為止來(lái)講，鏡頭俯視以樣品臺(tái)面的傾斜均會(huì)明顯影響接觸角分析結(jié)果6-9%高。而二維條件的玻璃校準(zhǔn)板無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)出3D狀態(tài)下的接觸角測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確性，同時(shí)，大部分接觸角測(cè)量?jī)x即使采用了3D紅寶石球工具校準(zhǔn)儀器，但由于缺少如上4所提及的樣品臺(tái)面以及鏡頭各自獨(dú)立的微分頭控制二維水平調(diào)整結(jié)構(gòu)，因而，這些儀器是根本無(wú)法校準(zhǔn)。只能是加工成什么精度就是什么精度，且這個(gè)精度無(wú)從考評(píng)，無(wú)法保證其他什么。

二、如何改善接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)值精度
接觸角測(cè)量?jī)x用于測(cè)試和表征固體材料的界面化學(xué)領(lǐng)域的物理化學(xué)性質(zhì)。從這層意義上講，接觸角測(cè)量?jī)x用于測(cè)試固體接觸角值的如何確保儀器的測(cè)值精度方面需要注意如下幾點(diǎn)：

1、接觸角測(cè)量?jī)x的測(cè)試算法是測(cè)值精度的保證
接觸角測(cè)量或水滴角測(cè)量時(shí)，只能采用表面張力、重力、界面張力參與分析的測(cè)試算法才是力的工具。而圓擬合、橢圓擬合或切線法根本無(wú)法視為接觸角測(cè)量的工具，只能視為量角器。圓擬合或橢圓擬合、切線法無(wú)沒(méi)有很好的重現(xiàn)性，且受測(cè)試條件(圖像質(zhì)量、軸對(duì)稱、重力、液滴量等)影響非常大。

目前算法為阿莎算法(法，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修正重力系數(shù)，可以綜合分析表面張力影響條件下的接觸角值，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)各種條件下(如靜態(tài)接觸角、非軸對(duì)稱接觸角、前進(jìn)后退角的分析)，是一種萬(wàn)能接觸角測(cè)試算法。

接觸角測(cè)量的基本算法為算法，但其缺陷在于測(cè)試條件必須為軸對(duì)稱，同時(shí)測(cè)試時(shí)盡量避免近圓圖像。

2、彩色攝像機(jī)是接觸角測(cè)量或水滴角測(cè)量的硬件基礎(chǔ)
不像黑白攝像機(jī)存在水滴圖像從黑到深灰、淺灰、白的過(guò)渡一樣，彩色攝像機(jī)通常僅有從藍(lán)到灰或黑地直接轉(zhuǎn)換，因而，測(cè)值精度方面更高。并且，彩色攝像機(jī)可以清晰的表征出來(lái)過(guò)渡色，可以表征出更多細(xì)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的接觸角測(cè)值或界面張力、表面張力測(cè)值。

3、接觸角測(cè)量?jī)x樣品臺(tái)以及鏡頭分析調(diào)整水平度的精度決定了測(cè)量的精度
目前精度的控制，成本較低的方案為微分頭控制的二維水平調(diào)整機(jī)構(gòu)?？梢詫?shí)現(xiàn)多維度方面的高精度水平，特別對(duì)于樣品表面不平整的樣品，可以調(diào)整平整度。同時(shí)，可以高精度調(diào)整鏡頭的俯視角度。

4、接觸角測(cè)量?jī)x的光源和鏡頭系統(tǒng)是直接決定測(cè)值精度結(jié)果的要素
光源和鏡頭的方案為平行光源系統(tǒng)。平行光源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)直接切輪廓，大景深的目標(biāo)。目前，僅品智創(chuàng)思提供的PZ-200SD系列提供了本硬件支持。同時(shí)，平行光源的缺陷是對(duì)于表面不平整的樣品的不友好，即成像時(shí)無(wú)法判斷清表面分界。而PZ-200SD創(chuàng)造性的雙效光源，采用石英玻璃柔光板，實(shí)現(xiàn)了平行光源效果。