DE102013111780A1

DE102013111780A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Objekts

Info

Publication number: DE102013111780A1
Application number: DE201310111780
Authority: DE
Inventors: Manuel Lorenz
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2033-10-26
Also published as: DE102013111780B4; WO2015058927A1

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 gekrümmten 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

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 Materialwissenschaft oder bei Kondensationsprozessen in der Energietechnik eine wichtige Rolle. Die Benetzbarkeit kann dabei über den sich ausbildenden Kontaktwinkel zwischen einem Flüssigkeitstropfen und einer horizontalen ebenen Auflagefläche ermittelt werden.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, 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 A1 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 Objekts 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 beschriebenen 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 Objektvolumens 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 Lichtanteil 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 Ergebnisse.
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 Objekt 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 gekrümmte 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 gekrümmten Oberfläche des Objekts gebrochen wird, wie es oben beschrieben wurde. Das Licht kann beispielsweise als kollimiertes 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 verläuft 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 eingestrahlten 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 gekrümmten 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 Eigenschaft 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 Objektvolumen 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 annähernd 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, insbesondere 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 Ausführungsform 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 angeordneten 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 Beobachtungsgebiet 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 gekrümmten 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 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 werden 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 Ausführungsform 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 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 Ausführungsform 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 Abschluss 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 umfasst eine Aufnahme, die dazu eingerichtet ist, ein Auflageelement mit einer zumindest teilweise reflektierenden Auflagefläche, auf der zumindest ein Objekt angeordnet oder anordenbar 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 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. 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 Vorrichtung 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 Kontaktwinkel 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 lichtemittierende 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 erfasst. 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 angeordnet 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 Ausführungsform 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 Ausführungsform ist im Strahlengang vor dem optischen Sensor ein Objektiv angeordnet. Das Objektiv kann beispielsweise konvex sein, um eine starke Vergrößerung 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 aufgenommenen Bild zu erfassen und die Eigenschaft des Objekts ferner basierend auf der erfassten Position oder Form des dritten Lichtanteils zu bestimmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform 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 Zeitpunkten 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 Zeitpunkten 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 Zeitpunkten 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 Formen 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 zumindest 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 Auflagefläche, 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 Vorrichtung 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 Halbleiterspeicher, 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 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 ferner 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 Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Abbildungen ersichtlich. Darin zeigt
1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform in einer Querschnittsansicht,
2 eine Querschnittsansicht eines Objekts mit veranschaulichenden Strahlenverläufen,
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.
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,
5 den Kontaktwinkel zu den Bildern der 4 in Abhängigkeit der Zeit, der mit dem Verfahren gemäß einer Ausführungsform und einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gemessen wurde,
6 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 hydrophoben Oberfläche angeordnet ist,
7 den Kontaktwinkel zu den Bildern der 6 in Abhängigkeit der Zeit, der mit dem Verfahren gemäß einer Ausführungsform und dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gemessen wurde,
8 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 hydrophoben Oberfläche angeordnet ist,
9 den Kontaktwinkel zu den Bildern der 8 in Abhängigkeit der Zeit, der mit dem Verfahren gemäß einer Ausführungsform und dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren gemessen wurde,
10 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 hydrophoben Oberfläche angeordnet war. Der Tropfen hatte in diesem Versuch eine Größe, bei der der Schwerkrafteinfluss deutlich ausgeprägt war.
11 den Kontaktwinkel zu den Bildern der 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,
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,
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
14 das durch das Verfahren 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.
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 angeordneten Objekten 6 ein. Das Beobachtungsgebiet ist in 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.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Objekts, beispielsweise eines der Objekte 6 im Beobachtungsgebiet 8 der 1, mit veranschaulichenden Strahlenverläufen des ins Objektiv einfallenden Lichts mit den Strahlwinkeln α_1n, α_2n und α_3n. Als Beispiel für ein Objekt ist in 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 Beobachtungsgebiet 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 α_a ≈ α_1a,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_n ≈ α_1n,2n,3n ≈ 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 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 C₁ 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 entspricht einem dritten Lichtanteil 53.
Der optische Sensor 1 in 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 Reflexionspunkten 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 C₁ und C₂ beispielsweise 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 Schwerkrafteinfluss lässt sich durch die um den Schwerkraftterm erweiterte Young-Laplace Differenzialgleichung beschreiben:
Dabei ist γ [Nm²] die Oberflächenspannung, R₁ und R₂ [m] die Hauptkrümmungsradien der Objektoberfläche 61, Δρ [kgm^–3] der Dichteunterschied zwischen Gas- und Flüssigkeitsphase, z [m] der vertikale Koordinate ausgehend vom höchsten Punkt des Objekts, g [Nkg^–1] die Erdbeschleunigung und R₀ [m] der Krümmungsradius 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 2) in Abhängigkeit der Weglänge s [m] auf der Objektoberfläche und für ein bestimmtes R₀ beschrieben: dx / ds = cosφ (2) dz / ds = sinφ (3) dφ / ds = 2 / R₀ + Δρg / γ – sinφ / x (4)
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 R₀ bestimmen. Nur für ein bestimmtes R₀ und eine bestimmte Höhe H des Objekts werden die beiden gemessenen Reflexions- und Brechungsbedingungen erfüllt. Hierdurch lässt sich aus der Größe der Reflexion bzw. aus deren Abstand zur Objektachse das Prof” des Objekts 6 bestimmen. Aus dem Profit des Objekts und der Höhe können anschließend das Volumen V und der Kontaktwinkel des Objekts berechnet werden.
Die dimensionslose Bond-Zahl Bo [–] beschreibt das Verhältnis von Gravitationskraft zu Oberflächenkraft und wird meistens mit R₀ als charakteristisches Längenmaß gebildet:
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 2):
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 C₁ und C₂ [m], die den Formen der Lichtanteile 51, 52 in dem aufgenommenen Bild entsprechen, sowie bekannten Parametern, wie dem Brechungsindex n [–] und den Winkeln des einfallenden und austretenden Lichts bestimmen. Die Radien der Reflexionen C₁ 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 3 dargestellt und hängt vom Einfallswinkel α_α ab. Außerhalb dieses Bereichs ist die Reflexion C₂ nicht beobachtbar. Je größer |α_α|, desto kleinere Kontaktwinkel und umgekehrt, je kleiner |α_α|, 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 Tropfenprofil 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 Berechnungsverfahren 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 Methode. 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 Tropfens lässt sich der Kontaktwinkel bei der konventionellen Methode nur für zwei Punkte bestimmen. Da der Kurvenverlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens weniger Schwankungen 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.
4 zeigt Bilder eines Tropfens auf einer Polycarbonatoberfläche. In der oberen Reihe sind von dem optischen Sensor 1 der 1 aufgenommene Bilder des Tropfens gezeigt, in denen die Reflexionen C₁ 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. 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 4 beträgt Bo = 0,09. Der Abstand zwischen Lichtquelle und Auflagefläche sowie der Abstand zwischen Auflagefläche und Objektiv betrug in 4 sowie in den folgenden 6, 8, 10 und 12 jeweils 80 mm.
In 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 Kontaktwinkel auf einem hydrophoben Trägermaterial erzielt werden. 6 zeigt hierzu Bilder ähnlich zur 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 6 beträgt Bo = 0,12. 7 zeigt den Kontaktwinkel zu den Bildern der 6 in Abhängigkeit der Zeit, die mit dem Verfahren gemäß einer Ausführungsform und dem aus dem Stand der Technik bekannten Messverfahren gemessen wurden. 7 zeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren 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 9 gezeigte Messreihe für einen Tropfen auf einer hydrophilen Oberfläche zeigt ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung für kleine Kontaktwinkel. Die Tropfen selbst sind in 8 auf eine Weise ähnlich zu den 4 und 6 dargestellt, wobei hier die Bondzahl bei t = 0 s in 8 Bo = 0,25 beträgt. In 9 ist sichtbar, dass eine größere Aufwertung 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 < υ_min = 25,6°, siehe 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 α_a vergrößert werden.
10 zeigt Bilder eines Tropfens unter ausgeprägtem Schwerkrafteinfluss auf einer hydrophoben Oberfläche. In der oberen Reihe sind von dem optischen Sensor 1 der 1 aufgenommene Bilder des Tropfens gezeigt, in denen die Reflexionen C₁, 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. 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 10 beträgt Bo = 1,7. In 11 ist der Verlauf des Kontaktwinkels bei dem Tropfen der 10 vergleichend für beide Verfahren unter Berücksichtigung 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 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 α_1a,2a und α_1n,2n berechnet werden. Dies führte, wie in 11 dargestellt, wiederum zu einer sehr guten Übereinstimmung zwischen der Messmethode nach Rothenberg und dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Das erfindungsgemäße Messverfahren eignet sich zur Bestimmung des Kontaktwinkels eines Einzelobjekts. Hierbei weist es, im Unterschied zu Verfahren, die einen Tropfen seitlich betrachten, 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 Einzelobjekten, die sich im Beobachtungsgebiet 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 Polycarbonat von 50 × 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 konditionierter Luft (20°C, 40% rF) bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,4 m/s in einem kleinen Strömungskanal mit einem Querschnitt von 60 × 50 mm überströmt. Nach 1200 s wurde der Kühlwasserstrom 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 12 die Tropfen nach t = 1320 s gezeigt sind. Die Reflexionen C₁ 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 C₁ 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 Reflexionen 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 C₁ gegenüber der Reflexion C₂ gespiegelt wird, was anhand des Strahlengangs in 2 nachvollziehbar ist. Diese Tatsache ermöglicht eine Unterscheidung zwischen den Reflexionen und erleichtert die korrekte Zuordnung der detektierten Lichtanteile.
13 zeigt ein Balkendiagramm der statistischen Verteilung des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Kontaktwinkels bei oben beschriebenem Kondensationsversuch mit anschließendem Abtauvorgang auf einer Polycarbonatoberfläche. Der maximal auftretende Tropfenradius R₀ = 0,12 mm entspricht einer Bondzahl von Bo = 0,02. 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 Wissenscharts- und Entwicklungsbereich durchgeführten Kontaktwinkelmessungen mit dem erfindungsgemäßen 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 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.
Bezugszeichenliste

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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0919801 A1 [0003]
EP 2093557 A2 [0005]
US 4688938 A [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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 [0083]

Claims

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 annähernd konstanten Winkel auf die Auflagefläche (7) mit dem zumindest einen darauf angeordneten Objekt (6) eingestrahlt werden.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein dritter Lichtanteil (53) des eingestrahlten Lichts (5) außerhalb des zumindest einen Objekts (6) an der Auflagefläche (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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Mehrzahl von Objekten (6) auf der Auflagefläche (7) angeordnet ist, wobei die an der Mehrzahl 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.
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.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 11, 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.
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.
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.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der die Achse der Lichtquelle (3) im Wesentlichen senkrecht zu der Auflagefläche (7) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei der im Strahlengang vor dem optischen Sensor (1) ein Objektiv (2) angeordnet ist.
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 gekrümmten 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.
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.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 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 eingerichtet 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.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 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.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, die ferner ein in die Aufnahme aufgenommenes Auflageelement mit einer zumindest teilweise reflektierenden Auflagefläche (7) für zumindest ein Objekt (6) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Auflagefläche eine Vertiefung zur Aufnahme des zumindest einen Objekts (6) aufweist.
Computerlesbares Medium zur Verwendung mit einer 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, 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.
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.
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.
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.