建筑光学的光学测量

视频光学接触角测量仪是基于视频光学法测量静态接触角、动态接触角、滚动角、固体表面自由能和表界面张力的测量设备，视频光学法是通过直接观测液体在固体表面形成的液滴的测量方法，通过测量液滴的形状，尤其是其与固体表面相接触处的液面形状，来确定液体在固体表面的接触角θ。

接触角θ的数值标志着液体在固体表面的润湿性：

若θ<90°，则固体表面是亲水性的，即液体较易润湿固体，其角度越小，表示润湿性越好；当θ=0°，时，表示完全润湿；

若θ>90°，则固体表面是疏水性的，即液体不容易润湿固体，其角度越大，表示润湿性越差；

当θ=180°，表示完全不润湿。

当润湿性界于很好与很差之间时，液体在固体表面可以有限度地铺展开来，形成介于0°~ 180°之间的接触角。这一有限的接触角值是体系中各个不同的相互作用力的平衡，也是体系趋向低能量的结果。涉及的相互作用力包括：

- 液体自身的表面张力：这一值越大，液体越倾向于聚集在一起、包成一团，而不愿意在固体表面上铺展开来；

- 固体自身的表面张力或表面自由能：这一值越大，固体表面的能量位越高，越希望有能量较低的液体层能够在其上面铺展开来而覆盖它，以降低体系的能量；

- 液体/固体表面-界面的相互作用力：这一值越小，固体表面对液体的吸引力越大，液体越能够在其上面铺展开来，导致较低的接触角值。

所以，如果希望液体能够较好地润湿固体表面：液体的表面张力值越低、固体的表面能值越高、液体/固体表面-界面的相互作用力越强就越有利；反之，如果希望液体不要润湿固体表面：液体的表面张力值越高、固体的表面能值越低、液体/固体表面-界面的相互作用力越弱就越有可能。

( 本文内容得到授权所有者的授权许可).

光学接触角测量仪广泛应用于各个行业领域，比如表面活性剂、手机制造、涂料油墨、造纸印刷，纺织纤维、生物医学等领域，接触角测量仪已经成为了一项评估表界面性能的重要仪器。

• 液体在固体表面的接触角：静态接触角，动态接触角（前进/后退接触角）、滚动角、单一纤维接触角、粉末/多孔材料的接触角

• 液体在固体表面的铺展/扩展、渗透/吸收过程分析；

• 固体表面自由能的测量，以及根据理论模型作出各种不同液体在固体表面的润湿性和粘结力的分析和评估；

• 液滴在固体表面的粘附力及滞留力的测量

• 液体（静态/动态）表面张力的测量，包括高粘度液体（如高分子熔体）表面张力的测量 ；

• 液/液-体系在各种温度下的静态/动态界面张力测量；

• 液体表面张力值的极性、非极性等组分的测量；

• 研究影响表面/界面张力的各种因数，如浓度/组成、时间、温度、压力、电场等对表/界面张力的影响；

• 表面活性物质（如表面活性剂）临界胶团溶度（CMC）的测量；

• 表面活性物质分子在表面/界面的吸附以及相关的各种表面/界面参数的测量和计算

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德国LAUDA Scientific公司生产的视频光学接触角测量仪不仅可以准确可靠地完成接触角、滚动角、表面自由能和表界面张力等常用的测量任务，而且在高速动态、多功能测量方面显示出其独特的优势。

滞留力测量功能是LAUDA Scientific视频光学接触角测量仪独特的标志性测量功能。此外LAUDA Scientific光学接触角测量仪选配相应的附件测量模块可以完成单一纤维接触角测量，俯视法接触角测量，界面扩张流变测量，全自动临界胶束浓度测量（CMC）等特殊任务。LAUDA Scientific光学接触角测量仪所涉及的详细测量功能如下：

1. 自动测量接触角

软件具有成像清晰度判别功能，测量接触角时能够自动寻找基线、自动拟合轮廓。支持捕获气泡法测量模式。选用程序模板操作时软件显示操作向导，可以完成一键测量。对于材料表面特殊形状或结构形成的弯曲基线，可使用手动模式测量。

2. 动态接触角的测量

可以选用插针法或倾斜台法测量前进角和后退角，使用专用的Truedrop算法能够更加准确的测量不对称液滴的接触角。

3. 滞留力和动态接触角同步测量

LAUDA Scientific光学接触角测量仪配置滞留力旋转台时固体材料固定在旋转台之上，在快速旋转状态下置于材料表面上的液滴，受离心力驱动产生横向水平滑动的趋势，迫使液滴形状发生变化。当离心驱动力达到Z大滞留力数值的时候，液滴沿材料表面发生横向水平滑动。在这一动态过程中，仪器利用视频同步触发技术准确的抓拍到液滴形状和位置变化的一系列照片并记录相对应的旋转速度，通过软件自动处理得到滞留力数据以及前进接触角和后退接触角的变化曲线和Z大值。滞留力能够直接反映液体和固体之间界面上的相互作用力。

利用滞留力和动态接触角同步测量功能，可以分析滑动过程中滞留力和液滴形状变化等因素之间的相互关系。

4. 非接触式注射功能

LAUDA Scientific光学接触角测量仪能够利用注射泵推进时产生的脉冲推射液体，使液滴直接落到材料表面上。这种注液方式避免了液滴在注射针头上的粘附，解决了向超疏水材料表面转移液滴的问题。

5. 全自动倾斜台测量滚动角

 全自动倾斜台和视频系统由软件控制，自动记录倾斜过程中液滴的形状变化，倾斜角度和位置移动，自动测量滚动角、前进角和后退角等相关参数。

6. 测量单一纤维的接触角

单一纤维润湿接触角的测量经常应用在复合材料和特殊功能材料领域。不同于微升级液滴在平面材料上的接触角测量，单一纤维测量需要特殊的理论计算方法和高放大倍数的显微光学镜头等特殊附件。LAUDA Scientific视频光学接触角测量仪可以在同一台仪器上完成普通平面材料和单一纤维材料的润湿接触角测量。

7. 记录并分析粉末或多孔材料对液体的吸收过程

高速视频系统可以完成粉末或多孔材料对液体吸收过程的连续录像，并自动计算全过程的接触角变化数值。
8. 俯视法测量接触角

在已知液体表面张力和密度的前提下，LAUDA Scientific视频光学接触角测量仪能够准确控制液滴体积并利用俯视模块从正上方向下对液滴成像，能精确测量三相接触线或液滴Z大直径处周边线的形状尺寸，利用Laplace-Young模型计算得到接触角数值。

俯视法和传统侧视法联用可以同时对同一液滴进行接触角测量。俯视法解决了凹表面接触角和超亲表面极小接触角测量的难题，并在各向异性材料接触角测量和多角度润湿动态行为观察方面具有明显优势。

9. 表面能的计算和粘附功的分析

固体表面自由能测量软件包括了多种表面自由能数值及其组成计算方法，粘附功分析软件可以进一步分析粘附功。涉及到一般表面、低能表面、高能表面、等离子体处理表面等实际应用。

 
10. 双液滴接触角测量

在测量固体表面能的时候往往需要至少两种不同的标准液体，LAUDA Scientific接触角测量仪具备两种液体同时注射，一键式测量接触角的功能，这明显提高了进行大量固体材料表面能测量实验的工作效率。

11.测量表面张力

LAUDA Scientific接触角测量仪使用悬滴法对液体的表面张力或界面张力进行测量。测量方法符合国际标准ISO 19403-3/ISO 19403-4和德国工业标准DIN 55660-3。软件使用优化的Young-Laplace算法全自动计算张力，具有更快的动态计算速度，与高速注射单元联用时能对极短寿命的界面进行动态张力测量。
12. 振荡滴方式测量界面扩张流变

界面扩张流变研究是对表面活性物质界面可溶膜实施规律性的扰动，记录界面张力响应，测量粘弹模量等参数，通过数据处理和理论分析，Z终获得界面膜性质的丰富信息。LAUDA Scientific光学接触角测量仪既可以做液-液界面的振荡又可以做气-液界面的气泡振荡。

13. 全自动临界胶束浓度（CMC）测量

LAUDA Scientific接触角测量仪配置两个连续注射单元时可使用表面张力法进行全自动临界胶束浓度的测量，其中一个注射单元进行不同浓度溶液的配置，另一个注射单元连续形成液滴，测量全过程在程序自动控制下工作，而且避免使用吊片法测量时活性剂分子在铂金片上吸附时产生的影响，是测量临界胶束浓度的理想方法。

LAUDA Scientific接触角测量仪以其强大的测量功能，广泛应用于材料科学、界面化学和胶体化学等专业实验室，是科研工作者的有力工具。

       LSA100光学接触角测量仪是一款高性价比且功能全面的多功能型视频光学接触角张力测量设备，它不仅具备接触角测量、滚动角测量、表面自由能测量和表界面张力测量等常用的测量功能，还可以配备特殊附件模块完成滞留力测量、单一纤维接触角测量、俯视法接触 角测量、界面扩张流变测量、全自动临界胶束浓度(CMC)测量等特殊测量任务。

LSA100 光学接触角测量仪的基础配置及基础功能：

- 1.9 倍变焦视频系统(可选更高配置) 

- X 轴精确导轨定位视频调焦台 

- X/Y/Z 三轴精确导轨定位样品台 

- X/Y/Z 三轴精确导轨定位注射平台 

-自动注射单元或微分头手动注射单元 

- SurfaceMeter 专业测量软件 

-静态/动态接触角测量 

-表面自由能测量和粘附功计算 

-视频法粉末或多孔材料的吸收过程分析

LSA100 的选配附件及扩展性测量功能：

- 6.5/8.6/12.9/45 倍变焦高速视频系统 

- 温度控制单元 

- 全自动倾斜台，测量滚动角和动态接触角 

- 俯视法测量模块，俯视法测量接触角 

- 表面界面张力测量功能 

- 滞留力旋转台，实现滞留力测量功能，且同步测量滞留力和动态接触角 

- 非接触式注射功能，解决向疏水材料表面转移液滴的问题 

- 双液滴注射功能，两种液体同时注射，一键式测量接触角，大大提高了固体表面自由能 的测量效率东方德菲知识分享

- 单一纤维接触角测量模块，完成单一纤维润湿接触角测量 

- 振荡滴扩张流变模块，测量界面扩张流变

- 全自动临界胶束浓度测量模块，全自动测量临界胶束浓度 

- 粉末/多孔介质模块(POM)，测量粉末及多孔材料的润湿性

LSA100 光学接触角测量仪 LSA100 广泛应用于材料科学、界面化学与胶体化学、以及 液滴流体动力学等专业实验室，是科研工作者的有力工具。

德国LAUDA光学接触角测量仪、表面界面张力仪可用于直接测量液/气/固 ̶̶ 三相界面体系的接触角和液/流  ̶̶ 界面的表面/界面张力，以及考察液体在固体表面上的润湿、铺展、粘附、吸附、渗透/吸收等现象和过程，测量和评估固体表面经不同过程处理或清洗后取得的效果等。主要测量性能如下：

1. 液体在固体表面的接触角：静态接触角，动态接触角（前进角/后退角），接触角滞后性，接触角动力学等；

2. 液体在固体表面的铺展/扩展、渗透/吸收过程分析：过程机理和速率，如铺展面积/直径、液体吸收体积、接触角等随时间的变化；

3. 固体表面自由能的间接测量，以及根据理论模型作出各种不同液体在固体表面的润湿性和粘结力的分析和评估；

4. 液滴在固体表面的粘结力，滚动角以及滞留力；

5. 液体的表面张力测量：包括高粘度液体（如高分子熔体）的表面张力的测量；

6. 液/液-体系在各种温度下的静态/动态界面张力测量；

7. 液体表面张力值的极性、非极性等组分的测量；

8. 研究影响表面/界面张力的各种参数，如浓度/组成、时间、温度、压力、电场等；

9. 表面活性物质（如表面活性剂）临界胶束浓度（CMC）的测量；

10. 表面活性物质分子在表面/界面的吸附以及相关的各种表面/界面参数的测量和计算；

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       对于材料和加工工业中广泛使用的纸制品、树脂产品、金属镀膜等，表面形貌和表面粗糙度测量在防止故障或质量控制中起重要作用。尤其，当多层薄膜出现不良产品时，需要确定是表面，界面或是层内哪个部位出现了问题。在大多数情况下，是进行切割以确定异常部位。但是，某些样品是不能进行切割的，无损检测就变得极为重要。纳米尺度3D光学干涉测量系统VS1800，可同时满足上述高精度的表面形貌测量及对多层膜的无损测量，在材料和加工工业中实现了广泛的应用。

下面就以两个实例来对多层膜无损测量分析的功能进行介绍。

1.透明样品：金属镀膜分析

       以下是对金属透明镀膜进行无损测量分析的一个实例，从分析数据中可以得到表面，界面三维形貌，以及厚度分布的三维图像，对于大范围的面分析以及厚度参差不齐有一个更为直观和清晰的认识。

2.不透明样品：名片印字部分分析

       以下是对名片印字部分进行无损测量分析的一个实例，从分析数据中可以得到表面三维形貌，并且可以观察到碳粉和纸之间的分界面，从而可以测量碳粉的厚度，如图所以，红色部分碳粉的厚度为2.6㎛。

       综上所述，使用日立纳米尺度3D测量系统，针对透明、半透明样品甚至某些特殊的不透明样品，尝试内部结构的无损测量，得到多层结构每层厚度、内部缺陷、每层界面粗糙程度等等信息。为相关领域客户提供了一个快速简便的解决方案。

前言：确定关键部件的表面质量，即与预期形状的偏差，无论是平面还是球面等，是高精度制造的关键。当光束照射到有疵病的光学元件表面时, 会产生杂散光。在光学系统中, 影响其性能的主要原因是由系统内部产生的大量散射光造成的, 即使整个光学系统设计得再好, 如果内部光学元件的质量不过关, 那么构成的系统也不能正常工作。

干涉仪测量方法

传统的检测方法由干涉仪组成，例如Twyman-Green干涉仪（如下图所示），将测试光与参考光学进行比较。干涉仪的两个臂之间的光程差会在光电探测器的光屏上形成干涉条纹（通常为CCD阵列）。在参考光和测试光之间引入小的倾斜度会产生干涉图样，其中与均匀间隔的直线条纹的任何偏差都意味着测试组件中的像差，如下所示。

虽然许多移相干涉仪都使用HeNe激光器作为光源，但使用外腔可调谐激光器（例如Newport的TLB-6700）却具有明显的优势。首先，当光学元件镀有对633 nm的抗反膜时，可选择与光学元件的工作波长完全匹配的光。其次，通过不平衡的两臂和改变激光波长可以实现时变相移，从而无需线性驱动器对参考光进行平移。

Newport可调谐激光器

Newport的TLB-6700系列可调谐激光器，调谐速度快，范围宽-Z高达 100 nm，调谐波长范围可从407-2450nm。除以上提及应用也可以用作诸如微腔谐振器和原子光谱等方面。

具有非常zhuo越的特性：

·可保证在整个指定的波长范围内实现单模、无跳模调谐。

·电动和压电控制可实现宽范围扫描和微调

·低噪声，窄线宽--是市面上ECDL激光器中线宽Z窄的·集成的光纤耦合

可选型号：

       当将表面活性剂连续添加到溶液中时，溶液的某些物理性质，例如表面张力、电导率等，会随着溶液中表面活性剂浓度的增加而明显变化。这些变化是由于游离表面活性剂分子的增加导致的，游离表面活性剂分子以游离物质的形式存在于溶液中和/或吸附在表面/界面层。开始时，添加的表面活性剂分子优先吸附在表面/界面上，以减小表面/界面（以及整个系统）的自由能；随着浓度继续增加，表面活性剂分子的表面/界面覆盖率逐渐接近其饱和度。当表面活性剂浓度达到这个水平时，额外添加的表面活性剂分子开始在溶液中自发形成胶束，以降低系统的总能量。临界胶束浓度（CMC）是胶束开始形成、并且所有额外添加的表面活性剂都会形成胶束的，那一点的表面活性剂浓度。

       在到达CMC之前，表面张力受表面活性剂浓度的强烈影响。达到CMC之后，即便进一步增加表面活性剂的浓度，表面张力也相对稳定。CMC是用于测量和表征表面活性剂的重要参数，必须通过实验来确定。 其值还取决于温度、压力以及其他表面活性物质和电解质的存在。通常采用筛选程序来寻找到特定条件下的ZJ配方。

       在可用于测定CMC的方法中，最常用的是基于表面/界面张力（IFT）测量的方法。通常使用基于Du Noüy环法或Wilhelmy板法的力学张力仪，来测定IFT。然而，无论是Wilhelmy板法还是Du Noüy环法都不适合于测量含有表面活性剂的溶液。板法遇到的问题是表面活性剂分子会吸附在Wilhelmy板金属（通常是铂金）表面上，这会引起明显的测量误差，甚至可能会影响溶液中表面活性剂的浓度。环法原则上仅适用于单组分（即纯净）液体。当样品包含表面活性剂时，通常难以彻底清洁环，此外，也不可能获得与特定的动态或平衡状态相对应的表面张力值。

       与这些传统方法形成鲜明对比的是，LAUDA Scientific光学接触角测量仪采用光学悬滴分析(PDA)法测量临界胶束浓度(CMC)，光学悬滴分析方法在准确性、可靠性、方便性和对包含各种表面活性剂的溶液的适用性，以及自动化程度方面，都显示出明显的优势。这是与测定CMC有关的一些功能：

1) 较高的JD和相对精密度：0.1%（JD）或0.01%（相对）；

2) 非常广泛的测量范围：从约10-3到几千mN/m；

3) WM的适用于测量表面和界面张力；

4) 涵盖了一个巨大的时间跨度：从界面形成后不久（约50毫秒）到几乎无限。所有与时间相关的（IFT）值都可以从单个液滴/界面获得； 

5) 形成的液体界面与固体载体表面之间的接触面积很小（可忽略），这大大减少了由于表面活性剂分子吸附到固体表面上而引起的问题；

6) 可进行全自动测量：全自动悬滴分析（faPDA）。

LAUDA Scientific光学接触角测量仪是基于视频光学图像分析测量原理的接触角、表面张力/表面能、润湿性和其它相关表面属性的分析测量仪器，按性能、功能、自动化程度、可扩展性和方法原理分为LSA60，LSA100和LSA200以及LSA MOB-X四大系列。

LAUDA Scientific光学接触角测量仪可以提供如下测量：

Ø 液体在固体表面接触角的测量，包括静态接触角，动态接触角(前进角/后退角)；

Ø 液体在固体表面滚动角的测量；

Ø 表面张力测量：液体(包括熔融液体)在各种温度下的静态/动态表面张力；

Ø 界面张力测量：液/液-体系在各种温度下的静态/动态界面张力；

Ø 液体表面张力值的极性、非极性等组分的测量；

Ø 临界胶束浓度(CMC)的测量：各种不同表面活性剂体系的CMC测量，包括动态和静态CMC；

Ø 液体在固体表面的润湿、铺展、渗透/吸收等属性的测量和表征；

Ø 液体在多孔性固体表面(包括在高分子薄膜和矿物质表面)的润湿、铺展、渗透 / 吸收等属性的测量和表征；

Ø 液体在固体表面的粘附力测量；

Ø 液体在固体表面的滞留力测量；

Ø 固体表面自由能及其各组分(极性、非极性、…)的测量；

Ø 固体表面对各种不同液体的润湿性和粘附力的分析和评估；

Ø 表面的清洁度、表面均匀性的测量和评估；

Ø 低至0度的接触角的准确测量；

Ø 凹表面处接触角的无损害测量；

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LAUDA Scientific光学接触角测量仪广泛应用于各个行业领域，比如表面活性剂、手机制造、涂料油墨、造纸印刷，纺织纤维、生物医学等领域，接触角测量仪已经成为了一项评估表界面性能的重要仪器。