DE10214439A1 - Verfahren zur automatischen Erkennung der Position einer Oberfläche - Google Patents

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Abstract

Das Absetzen eines Flüssigkeitstropfens auf einer Oberfläche ist ein wichtiger Schritt in der Messung von Kontaktwinkeln. Heutzutage geschieht dies überwiegend durch vorsichtige manuelle Beobachtung, durch Teach-In oder mithilfe zusätzlicher Ausrüstung, die nicht flexibel genug ist, um vollständig automatisiert zu werden. DOLLAR A Die Erfindung soll die automatische Detektion von Oberflächenpositionen und das nachfolgende automatische Absetzen eines Tropfens auf dieser Oberfläche erlauben. DOLLAR A Für die Erfindung sind lediglich die Komponenten eines Standardkontaktwinkelgerätes erforderlich. Um die Oberfläche zu detektieren, scannt und detektiert die Software das Auftreten eines Spiegelbildes eines Kapillarrohres oder das Verschwinden einer freien Lücke unterhalb des Kappilarrohres, wenn dieses sich der Oberfläche langsam nähert, und bringt das Kapillarrohr und die Oberfläche in einen vordefinierten Abstand zueinander. Ein Flüssigkeitstropfen wird dann auf der Oberfläche abgesetzt und die Messung beginnt. DOLLAR A Die Erfindung kann zur Bestimmung von Kontaktwinkeln mithilfe von videobasierten Instrumenten genutzt werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • 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.
  • Hintergrund und Stand der Technik
  • Es ist bekannt, dass die Eigenschaften von Oberflächen durch Kontaktwinkelmessungen mit Hilfe von Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche bestimmt werden können.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Beschreibung der Erfindung
  • 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).
  • 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.
  • Im folgenden Abschnitt findet sich eine detaillierte Beschreibung, die sich auf die bevorzugte Anordnung gemäß Fall 1 konzentriert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Stufe 3: Eine gewünschte Menge Flüssigkeit kann abgegeben werden, um einen Tropfen zu bilden, der an der Kapillarrohrspitze hängen bleibt (3c).
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
  • Stufe 1 und 2: Diese Stufen bleiben unverändert.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • 1: Querschnittsansicht eines Tropfens auf einer Probenoberfläche zur Veranschaulichung der Definition des Kontaktwinkels 8.
  • 2: Zeichnung der Ausrüstungskonfiguration der Erfindung:
  • 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.
  • 5: Querschnittsansicht des Kapillarrohres, seines Spiegelbildes und der ungefähren Position der Probenoberflächenkante in der gleichen Bildfokussebene.

Claims (10)

  1. Ein Verfahren zur Positionierung einer flüssigkeitsspendenden Einheit (FE) über einer Oberfläche für die Messung von Kontaktwinkeln charakterisiert dadurch, dass die Position der Oberfläche automatisch mit Hilfe einer Software detektiert wird, welche mit Hilfe eines digitalen Bildverarbeitungssystems (basierend auf einem Bild-A/D-Wandlers) die Bewegung verfolgt und steuert, sowie entweder das Auftauchen eines Spiegelbildes der FE oder das Verschwinden einer freien Lücke unterhalb der Unterkante der FE skannt und detektiert.
  2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch charakterisiert, dass die FE in Form eines Kapillarrohres realisiert wird.
  3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch charakterisiert, dass während des Verfahrens nur das Kapillarrohr bewegt wird und die Oberfläche zuvor in die unteren 2/3 des Bildfeldes gebracht wurde.
  4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch charakterisiert, dass während des Verfahrens nur die Oberfläche bewegt wird und das Kapillarrohr zuvor in die oberen 2/3 des Bildfeldes gebracht.
  5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch charakterisiert, dass während des Verfahrens das Kapillarrohr und die Oberfläche bewegt werden und das Kapillarrohr zuvor in die obere Hälfte des Bildfeldes gebracht wird.
  6. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch charakterisiert, dass ein Apparat benutzt wird, welcher die folgenden Komponenten beinhaltet: – eine Lichtquelle für die Beleuchtung; – ein optisches Abbildungssystem, um die Probenoberflächen mit Hilfe eines an einen PC angeschlossenen Bild-A/D-Konverters zu betrachten; – eine motorisierte Steuereinheit für den Abstand zwischen Probe und Kapillarrohr. Der Motor ist mit einem PC verbunden und kann über die Software ferngesteuert werden; – Mittel, um Objekte (vor dem Hintergrund) mit Hilfe eines Bildverarbeitungsalgorithmusses zu erkennen; – Mittel, um eine motorbetriebene Achse fernzusteuern.
  7. Ein Apparat gemäß Anspruch 6, dadurch charakterisiert, dass er ein Hilfswerkzeug für die Dosierung einer Flüssigkeit (manuell oder motorisch betrieben) beinhaltet welches mit dem Kapillarrohr verbunden ist.
  8. Ein Apparat gemäß Anspruch 7, dadurch charakterisiert, dass er zum automatischen Absetzen von Flüssigkeitstropfen auf einer Probenoberfläche verwendet wird, ohne dass dafür die Position der Probenoberfläche zuvor programmiert sein muß.
  9. Ein Apparat gemäß Anspruch 7, dadurch charakterisiert, dass er zum automatischen Absetzen von Flüssigkeitstropfen auf einer Probenoberfläche zur Kontaktwinkelmessung basierend auf der Analyse der Tropfenform verwendet wird.
  10. Ein Apparat gemäß Anspruch 7, dadurch charakterisiert, dass er für die automatische Erkennung der Oberflächenkante in der Bildschärfenebene verwendet wird, wobei die Information außerdem zur Identifizierung der Basislinie eines Flüssigkeitstropfens auf einer Probenoberfläche verwendet wird. Letzteres ist notwendig, um den Kontaktwinkel des Tropfens auf der Oberfläche zu bestimmen.
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