JPH02287236A - 下地の上に置かれた液滴の４５゜未満の接触角を測定する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、固体または液体の水平な下地の上に置かれた
液滴の接触角の測定に関する。

液滴と、それを支えている水平な下地面の間の接触角の
値から、特には下地の湿潤性や表面状態のような、下地
についての、基礎研究や応用研究において有用な幾つか
の特性が求められる。

［従来の技術］ 科学研究の国立センター（Ｃｅｎｔｒｅ　Ｎａｔｉｏｎ
ａｌｅ　ｄｅｌａ　Ｒｅｃｈｅｒｃｈｅ　Ｓｃｉｅｎｔ
ｉｆｉｇｕｅ）によるフランス特許第２５７４１８０号
は、接触角測定の主要な応用と関連しているものであり
、そこに、固体または液体の水平な下地の上に置かれた
液滴の接触角を測定するための方法と装置の記述がある
。それによれば、 液滴と水平な下地とで形成されるアセンブリーの１つの
領域（その領域は、液滴の周縁と下地の間の界面を含む
）を照射するように、下地に垂直な方向に平行な一次の
光ビームを指向させ、液滴や下地との相互作用によって
二次のビームを発生させ、そして、 液滴の周縁に対応した二次のビームによって表わされる
照射光転換の広がり範囲を、その二次ビームを遮る１つ
の受光面上において測定する。

しかし、上記特許の方法と装置は、この場合つや消し面
である受光面を目視観察するのであれば一般に満足すべ
き結果を生むが、照射光の転換を表示するためにカメラ
を用いる場合には、どんな液滴と下地の組合せでも正確
な測定を可能とするものではない、特に、液滴と下地面
の間の接触角が、例えば４５°に近いというように比較
的に大きい場合、および／または下地が大いに散乱性で
ある場合にそう言える。

実際に、第１図に示すように接触角が小さい場合には、
上記特許第２５７４１８０号に記載のタイプの装置を用
いて、目視観測の代りにカメラＣで撮影された写真イメ
ージを得ることが可能であるが、第２図に示すように接
触角が４５＠に近い場合には、もはやそのようなことは
可能でない。それは次の理由による。

第１図と第２図は上記特許の第８図を、簡単にはしてい
るが、実質上再現している。

これら第１．２図においては、 １で示すのは水平で平行な光ビーム２を放射するレーザ
であり、 ３で示すのは、ビーム２を、より幅の広い、しかしやは
り水平で平行な光ビーム４へと広げる無限焦点の光学系
であり、この無限焦点の光学系は、第１図ではすべてを
示しであるように、平凹レンズ３ａと平凸レンズ３ｂを
含んでいる。

５で示すのは、垂直方向に対して４５°傾いた反射鏡で
あって、これは、観察されるアセンブリー上の１つの領
域７を照射する垂直方向の平行な光ビーム６を生ぜしめ
る。そこでその領域７は、液滴９の周縁８と下地１１の
水平な面ｌＯの“間の界面を含んでおり、下地１１は例
えば固体であってサンプルホルダー１２によって移動可
能に担持されている。そして、１３で示すのは、一次の
ビームと液滴９や下地１１の相互作用の結果として生ず
る二次のビーム１４を遮る受光面である。

第１図と第２図の中で、特には液滴９の周縁８へと指向
された一次の光ビーム６と、液滴の周縁から、つまり、
液滴と下地の界面から出た二次ビームの光線１４で示さ
れているように、二次ビームの光線１４の垂直方向に対
しての角度、つまり対応する一次ビームの光線６に対し
ての角度は、液滴と下地の接触の角度θの２倍（２θ）
になる。

第１図のように接触角θが比較的に小さい（例えば１０
＠〜２０°を超えない）場合ならば、カメラＣは、受光
面１３から出ていて液滴９の周縁８からの二次ビームの
光線１４に対応している１５で示すような光線の大部分
を受光し得るが、第２図のように接触角が比較的に４５
°に近い場合、例えばそれが約４０°、したがって角度
２θは約８０°であるという場合には、もはやそのよう
にはならない。何故ならばこの場合には、カメラＣは、
受光面１３から出ていて液滴９の周縁８からの二次ビー
ムの光線１４に対応している光線１５°を全然受光する
ことができないからである。

したがって、第１図の場合ならば、液滴９の周縁８に対
応している照射光の転換は、面１３から出る多数の光線
を受光するカメラＣによって容易に検出され得るが、第
２図の場合には、面１３から出る光線のうちの少ししか
受光できないカメラＣを用いていることとなり、照射光
の転換を観測することは困難である。

接触角が約４５°に達するように比較的に大きい場合で
あっても、液滴の周縁に対応している照射光の転換を、
カメラを用いての最もよい条件下で観測するためには、
本発明によるならば、二次のビームを受光する面を散乱
反射性の表面で形成し、この受光面から出る光をカメラ
の方へと反射させることで、二次のビームを形成してい
て特に液滴の周縁に対応している光線の、少くとも大部
分をカメラの対物鏡に集合させるように反射面を配置す
る。

［発明が解決しようとする課題とその解決手段］本発明
の目的は先ず第１に、下地の上に置かれた液滴の、４５
°未満であればどうであってもよい接触角を測定する方
法を提供することにあって、その方法は、液滴の周縁と
下地の間の界面を含む領域を照射するように、平行な一
次の光ビームを下地に垂直な方向に指向させ、一次のビ
ームと液滴や下地との相互作用の結果として生ずる二次
のビームによって表わされる照射光転換の広がり範囲を
、このビームを遮る少くとも１つの受光面上で測定する
ことを含む方法において、前記受光面を散乱反射性の面
とし、その散乱反射性の面から来る光線を反射させろた
めの反射面を前記の散乱性受光面の内側に設け、前記反
射面で反射された光線をカメラによって集光する、とい
うことを特徴とする方法である。

本発明の目的はなお、上記の方法を実施するための装置
であって、その装置は、液滴が置かれる下地を水平に保
持するのに適したサポートと、下地に垂直な方向に指向
される平行な一次の光ビームを形成するための光学的手
段が組合っている光源と、一次のビームと液滴や下地と
の相互作用によって生じた逆向きの二次ビームを遮るよ
うに下地を包囲している少くとも１つの受光面を含む装
置において、前記受光面が散乱反射性の面で形成されて
おり、その散乱反射性の面で反射された光ビームを反射
させるための反射面が前記の散乱性受光面の内側に設け
られており、前記反射面で反射された光線を集光するた
めに設けられたカメラがあることを特徴とする装置であ
る。

［実施例］ どんな場合であろうと、本発明は、以降の補足的な説明
と添付の図面によって、よく理解されよう、以降の補足
的説明と添付の図面が例示であることはもちろんである
。

本発明、より特定的に言うならば本発明の適用のされ方
や、本発明の中の望ましいと考えられる種々の部分の実
施態様によるならば、例えば、下地の上に置かれた液滴
の接触角を測定する方法や装置を改善したいと欲する場
合、為されるべき手順は次のとおり、またはそれに類似
のものとなる。

本発明による装置の第１の実施例を第３図に示しである
。

第３図において、ここでもやはり、水平で平行な光ビー
ム２を放射するレーザ１があり、光ビーム２は、無限焦
点の光学系３によって、幅がより広いがやはり水平で平
行である光ビーム４へと広げられる。

垂直な方向に対して４５＠傾いた反射面５ｂを有するプ
リズム５ａが、水平なビーム４を反射させて垂直方向の
平行な光ビーム６に変える。この光ビーム６は、液滴９
の周ｌｉ８と下地１１の水平な面１０の間の界面を含む
１つの領域７を照射する。下地１１は、サポートつまり
サンプルホルダー１２によって移動可能に担持されてい
る。

本発明の第１の特質として、液滴９と下地１１の間の界
面から出て、垂直方向すなわち光線６の方向と２０に等
しい角度をなす二次ビームの光線１４は、散乱反射性の
材料でできていて反射面１３ｂを有している受光要素１
３に到達する。特に言えば、要素１３ａは、アルミニウ
ムのシートまたはフォイルで作られていて、それの表面
１３ｂが白色の塗装をされている。

要素１３ａは、円錐頂角がカメラＣの視野角度に対応し
ている切頭円錐の形をなしているのが望ましい。

この反射面１３ｂがあることにより、二次ビームの光線
１４は反射されて光線１６となる０円錐面１３ａには、
ビーム４が通るための開口１３ｃが明けられている。

本発明の第２の特質として、光線１６を反射させて光線
１８に変える反射面を形成している鏡１７が設けられて
いて、光線１８は、特に、要素１３ａで形成された円錐
頂角がカメラの視野に対応し、切頭円錐の小さい方の底
面の周縁がカメラＣを包囲し、大きい方の底面が鏡１７
で形成された反射面を包囲しているときには、その大部
分がカメラＣに到達する。

第３図に示しているように、一方では、円錐形の要素１
３ａの散乱反射性の表面１３ｂ、他方では鏡１７を含ん
でいる装置構造の故に、カメラＣが光ビーム１４の大部
分を２回の反射の後に受光することが知られる。

光線４と１８が問題なし通過できるように、反射プリズ
ム５ａは三脚１９で担持されている。

第３図に示したレーザ１．無限焦点の光学系３、および
反射プリズム５で形成された組立体の代りに、変形とし
て第４図に示すように、３本の金属性ロッドで形成され
た三脚１９の上に、径の小さいレーザダイオードＬａ（
コリメーション手段があるが図示せず）を単純に、直接
的に取付けてよい、この場合は、散乱性の円錐形要素１
３ａに孔を明ける必要がない。

上述の変形以外は、第４図の実施例は第３図の実施例と
全く同様であって、したがって参照番号６以降は第４図
と第３図で同じくなっている。

第４図の実施例においては、第３図の実施例と同様に、
カメラＣは、二次ビームの光線１４の大部分を、要素１
３ａの反射面１３ｂからと鏡１７からの反射の後の光線
１８として受光する。

前述したフランス特許２５７４１８０号による方法や装
置を用いる場合に起るさらに別の問題は、サンプル１１
の上側の水平な面１０が大いに散乱性である場合に、そ
の面上で起る散乱に起因する問題であって、この場合、
液滴の周縁に対応する二次のビームで表わされる照射光
転換の広がり範囲を観測することが極めて困難になる。

この現象を第５図で示している。第５図において、液滴
９の周縁８を含む領域７に到達している平行で垂直方向
の一次のビーム６と、下地１１の上側の平らで水平な面
１０が示されている。この図の中では二次ビームの光線
１４も示されている。

下地１１の面１０での散乱現象は、一次の光ビーム６の
面１０からの反射の結果として生ずる副次的光線２０ａ
と２０ｂで示されている。この場合、表面１０に直接に
当る光線６だけでなく、液滴９を通過する光線６もある
ので、それぞれの副次的光線を２０ａと２０ｂで示しで
ある。

本発明の補足的な特質として、下地が大いに散乱性であ
る場合に起るこの問題を克服するためには、液滴９の周
縁８を環状のビームで照射する。

これにより、副次的な散乱が制限される。

このことが第６図に示されている。第６図において、下
地１１の面１０の上に置かれた液滴９の周縁８のレベル
に到達する環状の一次ビームは、それの最も外側／内側
の光線６ａで示されている。ここでも、二次ビームの光
線１４が示されている。

ところが、第５図における２０ａと２０ｂのタイプの散
乱光線は示されていない、それは、環状の一次ビームを
用いている第６図の場合には、そのような光線は実際上
存在しないからである。

第７図に本発明の１つの実施例を示しているが、これは
、第３図のものの改善だけでなく、第６図の算段をも含
んだものである。

この実施例においては、第１．２および３図の実施例と
同様に、レーザ１が、コヒーレントな光での水平で平行
な光ビーム２を放射する。

ところが第７図の装置においては、無限焦点の光学系（
第１．２および３図において参照番号３で示したタイプ
のもの）がなく、その代り、互に平行な面を有する厚い
プレート２１があって、このプレート２１は、それの回
転軸線２２に対して傾いていて、その軸線の回りで（図
示していない手段によって）回転させられる。軸線２２
の回りで回転させられている間にプレート２１は、ビー
ム２から環状のビーム４ａを生成する（第７図において
は、そこに示した時点で実際にある光線を実線で示し、
プレート３ａの回転中の他の時点に生成される光線を破
線で示しである）。

環状のビーム４ａの平均の光線は、式 ％式％） によって与えられる。ここで、γはプレートの傾きの角
度、ｅはそれの厚さ、モしてｎはプレートを構成するガ
ラスの屈折率であり、それは例えば１．５である。プレ
ート２１のそれの回転軸線２２に対しての傾きを変える
ことにより、Ｒが変わるから、それを液滴９の大きさに
適合させることができる。

水平方向の軸線を有する環状ビーム４ａは、円錐形要素
１３ａに明けられた開口１３ｃを通過した後、プリズム
５ａの、垂直方向に対して４５゜傾いた面５ｂによって
反射され、垂直方向の軸線を有して液滴９と下地１１の
接触領域に当る環状の一次ビーム６ａを形成する。第６
図は実は、第７図における光線６ａが液滴９の周縁に到
達する部分を拡大して示したものである。

第３図の実施例の場合と同様に、光線６ａは反射されて
光線１４となり、次いで反射面１３ｂによって反射され
た光線１６となり、最後には鏡１７によって反射され、
光線１８としてカメラＣによって受光される。

第７図の実施例によれば、固体または液体の水平な下地
の上に置かれた液滴の接触角を測定するための汎用性あ
る装置が得られることが明らかである。何故ならば、こ
れによれば、接触角が４５＠に近いまで大きくとも、ま
た、下地が散乱性であっても、満足すべき結果が得られ
るからであり、それは、接触角が大きくても、有効な二
次ビームの光線１４の大部分を、アセンブリーからの光
線１８のようにしてカメラＣが受光できるし、下地が大
いに散乱性である場合に散乱によって起り得る副次的な
（第５図の２０ａ、２０ｂのタイプの）光線を、カメラ
Ｃは実際上受光ニないからである。

明白なことがあるが、本発明は、以上において特に示し
た適用の仕方や実施例に限定されるものではなく、それ
らのすべての変形をも含むものである。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は、前述したように、前述のフランス特
許の第８図による装置を用いて、二次ビームを受光する
面を観測するためにカメラを用いた場合に起る問題を、
接触角が比較的に小さい場合と接触角が比較的に大きい
場合のそれぞれについて説明する概略図であり、 第３図は、本発明による改善を含んだ装置の１つの実施
例を示す図、第４図は第３図の実施例の変形を示す図、
第５図は、前述のフランス特許による装置や、本発明を
適用した第３図や第４図の実施例を用いる場合に下地が
散乱性の材料でできていたならば起る問題を説明する図
、第６図は。 この問題が本発明の補足的特質を用いることによってい
かに回避されるかを説明する概略図、そして第７図は、
本発明による装置に第６図に示す特質を適用したもの、
すなわち第３図の１つの変形を示す図である。 １．１ａ・・・光源（レーザ）、２・・・光ビーム（光
源からの）、３−・・光学系、５ａ、５ｂ・・・プリズ
ム、６．６８・・・一次の光ビーム、１１・・・下地、
１２・・・サポート（サンプルホルダー）、１３ａ・・
・円錐形要素、１３ｂ−・・受光面、１４・・・二次の
光ビーム、１７・・・反射面（鏡）、１６．１８・・・
光線、２１・・・プレート、２２・・・回転軸線（２１
の）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、下地の上に置かれた液滴の４５°未満の接触角を測
   定するために、液滴の周縁と下地との間の界面を含む領
   域を照射するように、平行な一次の光ビームを下地に垂
   直な方向に指向させ、一次のビームと液滴や下地との相
   互作用の結果として生ずる二次のビームによって表わさ
   れる照射光転換の広がり範囲を、このビームを遮る少く
   とも１つの受光面上で測定すすることを含む方法におい
   て、前記受光面を散乱反射性の面とし、その散乱反射性
   の面から来る光線を反射させるための反射面を前記の散
   乱性受光面の内側に設け、前記反射面で反射された光線
   をカメラによって集光する、とうことを特徴とする、下
   地の上に置かれた液滴の４５°未満の接触角を測定する
   方法。 ２、一次のビームが環状であるようにする、請求項１記
   載の方法。 ３、請求項１に記載の方法を実施するために、液滴（９
   ）が置かれる下地（１１）を水平に保持するのに適した
   サポート（１２）と、下地に垂直な方法に指向される平
   行な一次の光ビーム（６、６ａ）を形成するための光学
   的手段（３、５ａ、５ｂ：１、２１、５ａ、５ｂ）が組
   合っている光源（１、１ａ）と、一次のビームと液滴や
   下地との相互作用によって生じた逆向きの二次ビーム（
   １４）を遮るように下地を包囲している少くとも１つの
   受光面（１３ａ、１３ｂ）を含む装置において、前記受
   光面（１３ａ、１３ｂ）が散乱反射性の面で形成されて
   おり、その散乱反射性の面で反射された光ビーム（１６
   ）を反射させるための反射面（１７）が前記の散乱性受
   光面の内側に設けられており、前記反射面で反射された
   光線（１８）を集光するために設けられたカメラ（Ｃ）
   があることを特徴とする、下地の上に置かれた液滴の４
   ５°未満の接触角を測定する装置。 ４、散乱性受光面（１３ａ、１３ｂ）が、小さい方の底
   面の周縁はカメラ（Ｃ）を包囲し、大きい方の底面の周
   縁は前記反射面（１７）を包囲し、円錐頂角はカメラの
   視野角度に対応するような、中空の切頭円錐の形をなし
   ている、請求項３に記載の装置。 ５、請求項２に記載の方法を実施するために、光源（１
   ）から放射された光ビームを、環状で、後にやはり環状
   の一次のビーム（６ａ）となるビームに転換するための
   手段（２１）を含んでいる、請求項３または４に記載の
   装置。 ６、光源から放射された前記光ビームを環状のビームに
   転換するための前記手段が、光源（１）から受ける光ビ
   ームの方向に平行な１つの軸線の回りで回転できてその
   軸線に対しこの傾きが得られ得るような、互に平行な面
   を有する１枚のプレートと、その互に平行な面を有する
   プレートをそれの回転の軸線の回りで回転させるための
   手段を含んでいる、請求項５に記載の装置。 ７、散乱性受光面（１３ａ、１３ｂ）が白色の塗装をさ
   れたアルミニウムでできている、請求項３ないし６のい
   ずれか１項に記載の装置。