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Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Verfahren und Apparate, mit denen es möglich ist, Oberflächen zu
erkennen und Flüssigkeitstropfen
auf der Oberfläche
zu positionieren, um anschließend Kontaktwinkelmessungen
nach der Tropfenanalyse durchführen
zu können.
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Hintergrund
und Stand der Technik
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Es ist bekannt, dass die Eigenschaften
von Oberflächen
durch Kontaktwinkelmessungen mit Hilfe von Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche bestimmt
werden können.
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Der Kontaktwinkel ist definiert als
der Winkel, der von der betrachteten Oberfläche und der Oberfläche des
Tropfens am Kontaktpunkt gebildet wird (siehe 1). Dieser Winkel wird u. a. durch das Gleichgewicht
der Oberflächenspannung
des flüssigen
Tropfens, der Oberflächenenergie
der betrachteten Probenoberfläche
und der Grenzflächenwechselwirkungen
zwischen diesen bestimmt. Dadurch dass die gemessenen Kontaktwinkel
von einer oder mehreren Flüssigkeiten
bekannter Oberflächeneigenschaften
analysiert werden, können
nützliche
Informationen über
die Eigenschaften der Probenoberfläche abgeleitet werden.
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Gegenwärtig basieren die meisten auf
dem Markt verfügbaren
optischen Kontaktwinkelmessgeräte
auf Apparaten und Computersoftware. Sie umfassen Beleuchtungsquelle,
Probentisch (entweder manuell oder motorbetrieben), Flüssigdosiereinheiten
(entweder manuell oder motorbetriebene), optische Bildsysteme (typischerweise
beinhalten diese optische Linsen, Videokamera und A/D-Konverter), Computer
und Software, welche das Gerät
steuern, Videobilder weiterverarbeiten, Tropfenbildkonturen analysieren
und die Kontaktwinkel mit oder ohne Eingriff des Benutzers bestimmen
(siehe 2).
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Einer der wichtigsten und kritischsten
Schritte in der Verwendung dieser Geräte ist es, einen Tropfen abzusetzen
und diesen auf der untersuchten Probenoberfläche zu bilden. Unabhängig von
dem Anwendungsfeld gibt es einige wiederkehrende Anforderungen für diesen
Schritt: Es sollte in einer steuerbaren, reproduzierbaren und einfachen
Weise geschehen, idealerweise ohne Eingriff des Bedieners.
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Gegenwärtig verwenden die meisten
Geräte ein
Kapillarrohr, das mit einer Spritze (die manuelle oder motorisch
betrieben wird) für
die Dosierung von Flüssigkeiten
verbunden ist. Durch den Einsatz dieser Ausrüstung gibt es grundsätzlich drei
Wege, einen flüssigen
Tropfen auf die Probenoberfläche
aufzubringen:
- (1) Das Kapillarrohr ist weit genug von der
Probenoberfläche
entfernt angeordnet, der Flüssigkeitstropfen
wird unterhalb der Kapillarrohrspitze durch Dosierung gebildet.
Er wird dann entweder durch Schütteln mittels
geeigneter externer Impulse oder auf Grund des eigenen Gewichtes
abgerissen, um auf die Probenoberfläche zu fallen.
- (2) Ein Flüssigkeitstropfen
des gewünschten
Volumens wird unterhalb der Kapillarrohrspitze gebildet und das
Kapillarrohr wird dann mit der Probenoberfläche in Kontakt gebracht. Durch
den Kontakt wird der Flüssigkeitstropfen
auf die Probenoberfläche übertragen.
- (3) Vor der Dosierung wird das Kapillarrohr dicht genug zur
Probenoberfläche
gebracht, um dann zu dosieren. Die dosierte Flüssigkeit (oder der wachsende Tropfen)
berührt
die Probenoberfläche
und der Tropfen bildet sich auf ihr.
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Einer der Nachteile in der Anwendung
der Prozedur (1) ist die geringe Kontrolle beim exakten Plazieren
des Tropfens auf eine definierte Stelle der Oberfläche. Außerdem ist
zusätzliche
Hardware notwendig, um einen Tropfen von der Spitze abzuschütteln oder
der Tropfen muß groß genug
sein, dass er durch sein eigenes Gewicht abreißt. Im letztgenannten Fall
können
geringe Mengen Flüssigkeit
an der Kanülenspitze
zurückbleiben,
so dass die Kontrolle der Dosiergenauigkeit und der Reproduzierbarkeit schwierig
ist. Zusätzlich
verhindert die letztgenannte Methode das Absetzen von sehr kleinen
Flüssigkeitstropfen,
weil diese nicht durch ihr eigenes Gewicht herunterfallen.
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Damit die Verfahren nach (2) und
(3) verwendet werden können,
bedarf es einer Methode, die das Kapillarrohr nahe genug an die
Probenoberfläche bringt,
ohne dass es zu einer Berührung
kommt, welche zur Beschädigung
der empfindlichen Oberfläche führen könnte. Gegenwärtig wird
dieser Schritt entweder manuell durch die permanente Beobachtung der
Bedieners oder automatisch durchgeführt, falls die (z-)Position
des Kapillarrohres oder des Probentisches zuvor bestimmt und mit
Hilfe eines Teach-In zuvor programmiert wurde. Die Nachteile der
manuellen Durchführung
sind offensichtlich: Es ist arbeitsintensiv, langsam und es kann
nicht automatisiert werden. Die Methode des Teach-In ist nur anwendbar,
falls die Probendicke von Probe zu Probe seit dem letzten Teach-In
konstant bleibt. Andernfalls müssen
die programmierten Positionen erneut angepaßt werden. Für Proben
mit uneinheitlicher Dicke (z. B. mit einer 3-D-Topographie) müssen die
Positionen Punkt für
Punkt mit erheblichem Zeitbedarf und weniger Flexibilität eingeteached
oder einprogrammiert werden.
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In letzter Zeit wurden Kontaktwinkelmessgeräte auf breiter
Front zur On-Line Prozessqualitätssteuerung
und -sicherung in Produktionsstätten
eingeführt
(wie z. B. der Halbleitersektor, Papierfabriken, LCD-Hersteller,
etc.). In einigen dieser zunehmend wichtigeren Anwendungsfeldern
wie die Waferindustrie, wird oft verlangt, dass eine sehr kleine Flüssigkeitsmenge
zur Messung des Kontaktwinkels verwendet werden kann. Dies ist begründet in
den begrenzten Abmessungen der untersuchten Oberfläche (z.
B. eine vorbereitete Oberfläche
mit speziellen Mustern oder Strukturen) oder geschieht aufgrund der
Anforderung, dass die Flüssigkeit
nach den Messungen durch Verdampfung so schnell wie möglich entfernt
werden kann, um die Probenoberfläche
nach den Messungen für
den nächsten
Schritt in der Verarbeitung vorzubereiten. In diesen Fällen ist
die gewünschte
Flüssigkeitsmenge
so klein, dass der gebildete Tropfen unterhalb der Kapillarspitze
nicht groß genug
ist, um durch sein eigenes Gewicht abgerissen zu werden und wird
nicht auf die Probenoberfläche herunterfallen.
Deshalb müssen
entweder Kapillaren verwendet werden, die klein genug sein (falls
möglich)
oder der Tropfen muß durch
direkten Kontakt des Flüssigkeitstropfen
mit der Oberfläche
auf die Oberfläche übertragen
werden (sogenanntes "Absetzen über
Kontakt"). Im letztgenannten Fall müssen die Kapillarspitze und
die Oberfläche
nahe genug zueinander gebracht werden, so dass der Flüssigkeitstropfen
(der gebildet wurde oder gebildet wird) die Probenoberfläche "berührt". Im
Fall von Kontaktwinkelmessungen, die an wohl definierten Stellen
mit begrenzten Abmessungen durchgeführt werden sollen, bildet die
Methode "Absetzen über
Kontakt" verglichen mit der Methode, sehr kleine Kapillaren zu verwenden,
den bevorzugtem Weg, weil die Absetzstelle sehr genau gesteuert
werden kann.
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Daher ist eine der Anforderungen
an die Herstellung eines vollautomatischen Gerätes die, einen automatischen
Weg zu finden, mit Hilfe dessen das Gerät in der Lage ist, das flüssigkeitsspendende Rohr
und die Oberfläche
präzise
und nahe genug zueinander zu bringen, um einen Flüssigkeitstropfen
erfolgreich auf der Probenoberfläche
abzusetzen.
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Einer der denkbaren Wege, diese Anforderung
zu erfüllen,
besteht darin, einen Abstandssensor mit hoher Auflösung, wie
z. B. einen Laser zu verwenden (eine Auflösung besser als 0,1 mm ist
erforderlich). Der Sensor muß kompakt
genug sein, so dass er direkt neben dem Kapillarrohr angebracht werden
kann. Eine der Nachteile hierbei ist die Tatsache, dass der Abstand
der Sensorposition gegenüber der
tatsächlichen
Position des Kapillarrohres vor der Messung bekannt und während der
ganzen Messreihe konstant gehalten werden muß. Ein anderer Nachteil ist
die Abhängigkeit
der Genauigkeit und Auflösung
dieser Art von Sensoren von der physikalischen und chemischen Natur
der Probenoberflächen.
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Die Aufgabe dieser Erfindung ist
es, ein Verfahren und einen Apparat zu entwickeln, die es ermöglichen,
dass eine flüssigkeitsspendende
Einheit automatisch die Probenoberfläche lokalisiert und einen Flüssigkeitstropfen
auf dieser absetzt. Diese Arbeit sollte bevorzugt für die meisten
Probenoberflächen
funktionieren, unabhängig
von deren physikalischen und chemischen Natur.
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Beschreibung
der Erfindung
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Wie in 2 gezeigt,
sind die Lichtquelle, die Probentisch und die Optik so angeordnet,
dass die untersuchte Probe von hinten beleuchtet wird. Außerdem ist
das optische System so justiert, dass der Aufsichtswinkel von ca.
0 bis 3 Grad beträgt.
Aufgrund der Hintergrundbeleuchtung und des kleinen Aufsichtswinkels,
kann bei den meisten glatten Oberflächen, unabhängig von der Farbe, sowie der
chemischen und physikalischen Eigenschaften bei der optischen Anordnung
ein Spiegelbild beobachtet werden, wenn sich ein Objekt von oben
nahe genug der Oberfläche
nähert.
Wie gut ein Spiegelbild und bei welcher Entfernung ein Spiegelbild
beobachtet werden kann, hängt
hauptsächlich
von den physikalischen Eigenschaften (Lichtreflexion, Glätte, etc.)
und topologischen Eigenschaften der Oberfläche ab. Die meisten glatten
Oberflächen
sind markant genug, um mit Hilfe des gewöhnlichen Bilderkennungsalgorithmus
erkannt zu werden. Dies gilt sogar für einen Abstand von einem bis
zu mehreren Millimetern. Je dichter sich ein Objekt der Oberfläche nähert, desto deutlicher
wird das auftauchende Spiegelbild (siehe 3).
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Damit die Erfindung, die auf der
in 2 dargestellten Ausrüstung beruht,
funktioniert, muß einer
der folgenden Fälle
gegeben sein:
- 1. Während der Messung bleibt die
z-Position der Probentisch fixiert, wohingegen das Kapillarrohr sich
nach unten zur Probenoberfläche
bewegt. In diesem Fall muß die
z-Position der Probenoberfläche innerhalb
des Gesichtsfeldes des Abbildungssystems plaziert sein und einen
angemessenen minimalen Abstand von der Oberkante des Bildes haben
(normalerweise unterhalb der oberen 1/3-Linie, wie in 3b angedeutet).
- 2. Während
der Messung bleibt die z-Position des Kapillarrohres fixiert, wohingegen
die z-Position der Probentisch sich nach oben zur Spitze des Kapillarrohres
bewegt. In diesem Fall muß die z-Position
des Kapillarrohres so justiert werden, dass die Spitze sichtbar
ist und einen minimalen Abstand zur Unterkante des Bildes behält (normalerweise
oberhalb der oberen 2/3-Linie, wie in 3b angedeutet).
Außerdem
ist es vorzuziehen, die Kapillare in der Mitte des Horizontes im Gesichtsfeld
des Abbildungssystems zu plazieren.
- 3. Während
der Messung werden sowohl die z-Position des Kapillarrohres und
der Probentisch verändert.
In diesem Fall wird die Position des Kapillarrohrs zunächst automatisch
mit Hilfe der Software so angepaßt, dass es im Gesichtsfeld des
Abbildungssystems erscheint und vertikal oberhalb der oberen 1/3-Linie
(siehe 3b) und horizontal
in der Nähe
der mittleren Position plaziert ist.
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Im folgenden Abschnitt findet sich
eine detaillierte Beschreibung, die sich auf die bevorzugte Anordnung
gemäß Fall 1
konzentriert.
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Stufe 1: Vor Start eine Messung wird
die untersuchte Probenoberfläche
auf den Probentisch gelegt, welcher dann in eine Position bewegt
wird, bei der die Probenoberfläche
innerhalb des optischen Bildfeldes und unterhalb der oberen 1/3-Linie
liegt (3a). Das Kapillarrohr
kann oder kann nicht dabei sichtbar sein.
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Wenn die Messung gestartet wird nimmt
die Software zunächst
ein Bild auf, speichert dieses, um es später für die Objekterkennung und ggf.
für die Trennung
von dem Hintergrund zu verwenden. Wie in 3a gezeigt kann ein Teil des Bildes abhängig von
der Natur der Probenoberfläche
ungleichmäßig schattiert
sein.
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Stufe 2: Die Software skannt das
Bild und versucht das Kapillarrohr innerhalb des optischen Bildfeldes
zu lokalisieren. Falls es nicht gefunden wird, gibt die Software
den Befehl, das Kapillarrohr bis zur obersten Position zu bewegen,
um dieses anschließend
langsam in diskreten Schritten nach unten zu fahren. An jeder diskreten
vertikalen (z-) Position wird das Kapillarrohr von der äußersten
linken Position bis zur äußersten
rechten Position oder in umgekehrter Richtung bewegt, um sicherzustellen, dass
es nicht aufgrund einer möglichen
Fehlpositionierung in horizontaler Position im optischen Bildfeld übersehen
wird. Diese Prozedur wird solange fortgesetzt bis das Kapillarrohr
im optischen Bildfeld auftaucht und es zu einer vernünftigen
oberen und mittleren Position gebracht wird, wie in 3b gezeigt. Diese Position wird gespeichert
für zukünftige Messungen,
so dass die Scanning-Prozedur nicht wiederholt werden muß.
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Stufe 3: Eine gewünschte Menge Flüssigkeit kann
abgegeben werden, um einen Tropfen zu bilden, der an der Kapillarrohrspitze
hängen
bleibt (3c).
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Stufe 4: Das Kapillarrohr wird mit
oder ohne anhängendem
Tropfen mit anpassbarer Geschwindigkeit zwischen ca. 0,025 bis ca.
2 mm/s nach unten zur Probenoberfläche gefahren. Die Geschwindigkeit ist
zu Beginn hoch und wird erniedrigt, wenn sich die Probenoberfläche nähert. Von
Beginn an ist das bildaufnehmende Gerät (imaging device) im Live-Bild-Modus
und die Bilder werden nahezu in Echtzeit verarbeitet. Die Software
verfolgt die Bewegung der Unterkante des Kapillarrohres falls kein
Tropfen gebildet wurde oder verfolgt die Bewegung der Unterkante
eines kleinen hängenden
Tropfens, falls solch ein Tropfen in Stufe 3 gebildet wurde (siehe 3d). Die Software sucht
und versucht jegliche offensichtlichen Veränderungen, die innerhalb der
unteren Region unterhalb der sich bewegenden Kantenlinie stattfinden,
zu detektieren (siehe die Linie ML in 3c und 3d). Zu diesem Zweck sucht
die Software die aktuellen Bilddaten innerhalb dieser Region und
vergleicht sie (in dieser Stufe noch grob) mit dem Original des
Hintergrundbildes, das zu Beginn der Messung aufgenommen und gespeichert
wurde (siehe Stufe 1).
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Stufe 5: Sobald die Software eine
merkbare Veränderung
im unteren Bereich des Bildes detektiert wird die Geschwindigkeit
des Kapillarrohres reduziert und die Software beginnt, das Bild
präziser
zu analysieren. Wenn die Software ein Objekt entdeckt, das ähnliche
horizontale Abmessungen wie die des Kapillarrohres (oder des anhängenden
Tropfens) besitzt und in der unteren Bildregion auftaucht, wobei die
Objektfront in Richtung des realen Bildes wandert, stellt die Software
fest, dass das Spiegelbild des Kapillarrohres (oder des anhängenden
Tropfens) aufgetaucht ist. Aus dem Abstand zwischen der Unterkante
des Kapillarrohres (oder des anhängenden Tropfens)
und der Frontkante des Spiegelbildes (siehe 3e und 3f)
schätzt
die Software den tatsächlichen
Abstand des Kapillarrohres (oder des anhängenden Tropfens) von der Probenoberfläche. Falls
dieser Abstand unterhalb des gewünschten Wertes
fällt,
welcher ein anpassbarer Wert in der Software ist, wird die Bewegung
des Kapillarrohres sofort gestoppt. Falls notwendig kann der Abstand
an dieser Stelle erneut eingestellt werden.
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Stufe 6: Die gewünschte Menge Flüssigkeit (oder
der Rest davon, falls zuvor ein kleiner Tropfen geformt wurde) kann
nun abgegeben werden. Der resultierende Tropfen sollte die Probenoberfläche berühren können. Dies
kann dadurch gewährleistet werden,
dass ein geeigneter Abstandswert ausgewählt wird. Der Tropfen wird
dadurch plaziert oder vorsichtig und präzise auf die Probenoberfläche übertragen
(3g). Das Kapillarrohr
kann dann von der Probenoberfläche
fort bewegt werden und die Messung des Kontaktwinkels kann am resultierenden
Tropfen durchgeführt
werden.
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Für
den Fall, dass die gewünschte
Menge Flüssigkeit
bereits in Stufe 3 in Form eines am Kapillarrohr klebenden Tropfens
abgegeben wurde, kann der Abstand der Kapillarspitze zur Probenoberfläche so angepaßt werden,
dass der Tropfen die Probenoberfläche in der letzten Phase der
Stufe 5 berührt. Dadurch
wird der Tropfen von der Kapillarspitze bezüglich der Flüssigkeitsmenge
und des Abgabeortes vorsichtig und präzise auf die Probenoberfläche übertragen.
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Falls kein Spiegelbild verfügbar ist
oder das Spiegelbild zu unklar ist, um es verläßlich zu detektieren, müssen einige
der Stufen in der obigen Prozedur wie folgt leicht angepaßt werden:
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Stufe 1 und 2: Diese Stufen bleiben
unverändert.
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Stufe 3: Hier ist es zu bevorzugen,
einen kleinen Tropfen zu bilden, der nur einen kleinen Anteil des
komplett zu dosierenden Volumens ausmacht (4c). Solch ein kleiner an der Kapillarspitze
hängender
Tropfen wirkt als Puffer- (oder Brücken-)zone zwischen der realen
Rohrspitze und der Probenoberfläche.
Diese Prozedur verhindert, dass sich die reale Rohrspitze und die
Probenoberfläche
direkt berühren,
wenn die sich nahe kommen.
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Stufe 4: Kleinere Geschwindigkeiten
werden im allgemeinen hier benutzt. Mit Hilfe der quasi Echtzeitbildverarbeitung
von Live-Bildern verfolgt die Software die Bewegung des Kapillarrohres
in Richtung der Probenoberfläche
und skannt die Existenz einer (hellen) freien Lücke unterhalb der sich bewegenden
Unterkante des Kapillarrohres (mit anhängenden Tropfen) (siehe 4d). Die Geschwindigkeit
des Kapillarrohres wird angepaßt
während
sich die freie Lücke
unterhalb der sich bewegenden Kante des Kapillarrohres (mit anhängendem
Tropfen) verkleinert.
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Stufe 5: Sobald die Software feststellt,
dass der Abstand des Kapillarrohres (mit anhängendem Tropfen) zum dunklem
Hintergrund unterhalb des gewünschten
Wertes fällt
oder dass die freie Lücke
unterhalb der sich bewegenden Unterkante des Kapillarrohres (mit
anhängendem
Tropfen) ganz verschwindet (d. h. das Kapillarrohr ist in der dunklen Zone
des Hintergrundes eingetaucht) oder dass sich die Gestalt des anhängenden
Tropfens signifikant verändert,
stoppt die Software sofort die Bewegung des Kapillarrohres (siehe 4f).
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Stufe 6: Die Software registriert
die gegenwärtige
z-Position des Kapillarrohres und beginnt das gewünschte Volumen
der Flüssigkeit
oder den Rest davon abzugeben. In vielen Fällen wird der resultierende
Tropfen in der Lage sein, die Probenoberfläche zu berühren, weil sie zuvor so nahe
zueinander gebracht wurden. Dadurch kann der Tropfen auf die Probenoberfläche übertragen
werden. Das Kapillarrohr kann dann von der Probenoberfläche fort
bewegt werden und die Messung des Kontaktwinkels am Tropfen kann
durchgeführt
werden. Falls nach der Entfernung des Kapillarrohres von der Oberfläche von
der Software ein Tropfen von erheblicher Größe detektiert wird, kann die
Software, falls gewünscht, das
Rohr zu einer z-Position fahren, die ungefähr 2/3 der Tropfenhöhe tiefer
liegt als die registrierte, ursprüngliche z-Position. Dadurch
wird sichergestellt, dass der Tropfen die Oberfläche berührt und auf die Oberfläche vollständig übertragen
wird.
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Die Kalibrierung der Bildskalen,
welche es erlaubt, Abmessungen von Bildern (z. B. als Pixel) in reale
Abmessungen wie Millimeter zu übertragen, kann
entweder mit Hilfe des Durchmessers des Kapillarrohres, welcher
vor Start der Messung bekannt ist, erfolgen oder erfolgt durch den
Gebrauch der wirklichen Abmessungen der Schrittweite der Motorbewegung
entlang der z-Achse. In beiden Fällen
werden die Abmessungen der Bilder oder ihre Veränderungen mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen bestimmt
und mit den korrespondierenden realen Abmessungen oder Veränderungen
verglichen.
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Durch den Gebrauch einer Standard-Videokamera
und eines Computers dauert die Erkennungs- und die Abgabeprozedur
ungefähr
5 bis 20 Sekunden abhängig
von den Eigenschaften der Probenoberflächen, der Verfügbarkeit
eines Spiegelbildes und den Voreinstellungen des Gerätes. Für typische
Proben mit wohl definierter und konstanter Geometrie und Topologie
kann eine Anwendung die Fähigkeit,
die mit der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird benutzen,
um eine Probenoberfläche
im ersten Schritt zu scannen und die auf der Probenoberfläche gefundenen
z-Positionen aufzuzeichnen bzw. zu speichern (diese können an
verschiedenen (x,y)-Positionen unterschiedlich sein). Die Anwendung
kann dann die gespeicherten Positionen benutzen, um direkt die Messungen
für eine
Serie von den gleichen Proben durchzuführen, ohne dass die automatische
Erkennungsprozedur für
jede zu vermessende Probe und für
jede Position wiederholt werden muß. Das erlaubt es der Anwendung,
eine vollautomatische Teach-In-Prozedur durchzuführen und die benötigte Zeit
für die
folgenden Messungen zu reduzieren.
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Der Kerngedanke der vorliegenden
Erfindung kann dadurch weiter ausgebaut werden, dass er von einer
Anwendung verwendet wird oder dass er eine Anwendung mit sehr wertvollen
Informationen zur verläßlicheren
und genaueren Bestimmung von Dreiphasenkontaktpunkten (innerhalb
der Bildfokussierungsebene) zwischen dem Tropfen, der Probenoberfläche und
der Umgebung unterstützt.
Eine verläßliche und
genaue Bestimmung der Dreiphasenkontaktpunkte in der Bildfokussierungsebene
ist eine Voraussetzung für
die genaue Berechnung der Kontaktwinkel aus dem Tropfenbild, weil
die Kontaktwinkel über
die Probenoberfläche
und die Oberfläche des
Tropfens an der Peripherie der Dreiphasenkante definiert sind. Diese
besteht aus Dreiphasenkontaktpunkten (siehe 1). Wie in 5 gezeigt,
muß die
durch die beiden Dreiphasenkontaktpunkte verlaufende Linie in der
Bildfokussierungsebene zwischen der Unterkante des wirklichen Bildes
und der Vorderkante des spiegelbildlichen Gegenstückes liegen.
Daher kann diese Linie mit Hilfe der Erkennung dieser beiden Kanten
abgeschätzt
werden. Falls die Spiegelbilder zu unscharf sind, um das Profil
der Vorderkanten verläßlich zu
bestimmen, kann die abgeschätzte
ungefähre
Position der möglichen
3-Phasenkontaktpunkte immer noch eine Anwendung zusammen mit anderen
Datenquellen (z. B. der Tropfengestalt) mit sehr hilfreichen Informationen
für eine weitere
genauere Beurteilung versorgen.
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Obwohl die obige Beschreibung auf
einer Anwendungssituation basiert, in der das Kapillarrohr nach
unten zur Probenoberfläche,
die auf einem während
einer Messung (d. h. Fall 1 auf Seite 8) (z-Achsen-)fixierten Bühnentisch
gefahren wird, funktionieren die Prozeduren genau so für die beiden anderen
Fälle (siehe
Seite 8), möglicherweise
mit geringfügigen
Modifikationen.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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1:
Querschnittsansicht eines Tropfens auf einer Probenoberfläche zur
Veranschaulichung der Definition des Kontaktwinkels 8.
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2:
Zeichnung der Ausrüstungskonfiguration
der Erfindung:
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- 1
- Lichtquelle
- 2
- Probentisch,
die entlang der z-Achse beweglich ist, manuell oder motorisch betrieben.
- 3
- Untersuchte
Probe
- 4
- Kapillarrohr
(z. B. Stahlkanüle),
die entlang der z-Achse beweglich ist (motorisch betrieben) und
die mit einer flüssigkeitsspendenden
Einheit (FE) mittels Rohrleitung verbunden ist.
- 5
- flüssigkeitsspendenden
Einheit (FE)
- 6
- Optik
- 7
- (elektronische)
Bildverarbeitungskomponente, die optische Bildinformationen in elektronische Signale
verarbeitet (z. B. Videokamera mit einem digitalen Ausgang, oder
eine analoge Videokamera, die mit einem digitalem Bildverarbeitungssystem
wie einem Framegrabber oder einem anderen Video Analog/Digital-Konverter verbunden
ist) und die mit dem Computer verbunden ist (9).
- 8
- Gerätesteuerkasten, über den
das Gerät
mit dem Computer (9) verbunden und durch die Software gesteuert
wird.
- 9
- Computer
mit einer speziellen, installierten Anwendungssoftware.
-
3:
Skizze der Schritte eines Verfahrens für die automatische Erkennung
und das automatische Absetzen (mit verfügbarem Spiegelbild):
- (a) Vor dem Start wird die Probenoberfläche in das
Kamerasichtfeld gebracht. Dieses Bild wird aufgezeichnet und für spätere Verwendung
behalten.
- (b) Das Kapillarrohr wird jetzt durch die Software in die obere
mittlere Position gebracht.
- (c) Ein Flüssigkeitstropfen
kann an dieser Stelle gebildet werden, bevor das Kapillarrohr nach
unten gefahren wird.
- (d) Das Kapillarrohr wird jetzt nach unten zur Probenoberfläche gefahren.
Die Software verfolgt ihre Bewegung und überprüft das Auftauchen eines Spiegelbildes
im unteren Bereich des Bildes (unterhalb der tatsächlichen
Position des sich bewegenden Kapillarrohres mit oder ohne dort anhängenden
Tropfen) unterhalb der Linie ML wie in der Zeichnung angedeutet.
- (e) Das Spiegelbild taucht auf und wird durch die Software detektiert.
Die Geschwindigkeit des Kapillarrohres wird angepaßt und der
Platz zwischen dem realen Bild und dem Spiegelbild und damit der
Abstand zwischen dem Rohr und der Probenoberfläche kann bestimmt werden.
- (f) Sobald der Abstand zwischen dem Kapillarrohr und der Probenoberfläche unterhalb
eines gewünschten
Wertes fällt,
wird die Bewegung des Rohres gestoppt (und der Abstand kann an dieser Stelle
wieder überprüft bzw.
angepaßt
werden).
- (g) Die gewünschte
Menge Flüssigkeit
(oder der Rest, falls zuvor ein kleiner Tropfen gebildet wurde)
wird dosiert und der resultierende Tropfen sollte die Probenoberfläche berühren. Dies
kann durch die Steuerung des gewünschten
Abstandwertes erfolgen, wodurch die Flüssigkeitsmenge auf die Probenoberfläche übertragen
wird.
- (h) Das Kapillarrohr wird von der Oberfläche fort bewegt und die Kontaktwinkelmessungen
werden an dem gebildeten Tropfen durchgeführt.
-
4:
Skizze der Schritte eines Verfahrens für die automatische Erkennung
und das automatische Absetzen (mit nicht verfügbarem Spiegelbild):
- (a) Vor dem Start wird die Probenoberfläche in das
Sichtfeld bewegt. Dieses Bild wird zunächst aufgezeichnet und für spätere Verwendung
behalten.
- (b) Das Kapillarrohr wird jetzt durch die Software in die obere
mittlere Position gebracht.
- (c) Ein Flüssigkeitstropfen
wird an dieser Stelle gebildet, bevor das Kapillarrohr nach unten
gefahren wird.
- (d) Das Kapillarrohr wird jetzt nach unten zur Probenoberfläche gefahren.
Die Software verfolgt ihren Bewegungsverlauf und überprüft die Existenz einer
(hellen) freien Lücke
unterhalb der sich bewegenden Unterkante (siehe die Linie ML in
der Zeichnung) des Kapillarrohres (mit anhängendem Tropfen).
- (e) Die Geschwindigkeit des Kapillarrohres wird angepaßt, wenn
sich die freie Lücke
unterhalb der Unterkante des Kapillarrohres (mit anhängendem Tropfen)
verkleinert.
- (f) Sobald der Abstand zwischen dem Kapillarrohr (mit anhängendem
Tropfen) und dem dunklen Hintergrund unterhalb des gewünschten
Wertes fällt,
oder die freie Lücke
unterhalb der Unterkante (mit anhängendem Tropfen) verschwindet,
wird die Bewegung des Rohres gestoppt.
- (g) Die gewünschte
Menge Flüssigkeit
(oder der Rest, falls zuvor ein kleiner Tropfen gebildet wurde)
wird dosiert.
- (h) Das Kapillarrohr wird von der Oberfläche fort bewegt und die Kontaktwinkelmessungen
werden an dem gebildeten Tropfen durchgeführt.
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5:
Querschnittsansicht des Kapillarrohres, seines Spiegelbildes und
der ungefähren
Position der Probenoberflächenkante
in der gleichen Bildfokussebene.