上海梭伦获3D接触角测量仪的3D镜头ZL技术

2018年5月1日，中国知识产权局公布了上海梭伦申请的3D接触角测量仪装置中3D镜头的实用新型ZL，同时，上海梭伦申请的3D接触角镜头的发明ZL进入实审阶段。

ZL号：201721317403 .4，ZL名称：一种采用多棱镜折转光路的3D接触角测试装置

3D接触角作为分析水滴角、液体探针固体接触角的最新技术，是分析固体材料基本物理化学性质的最新技术。目前而言，绝大多数的研究单位（学校或科研院所）以及商业化的“接触角测量仪”厂商的接触角测量仪均是基于二维空间的接触角测量。从测试接触角的视角条件而言，通常接触角或水滴角的测量均采用侧视法条件为主。虽然基于ADSA-D算法的顶视法接触角测量仪在专业学界有一定的知名度，但是由于此种算法将体积作为边界条件使用，而体积的计算在实际的操作运用中存在很大的缺陷，这主要是由于材料本身客观存在的表面粗糙度、化学多样性、异构性（含晶体生成结构的方向性）等原因，在顶视条件下绝少部分样品呈现规则的圆形结构。此时，体积的计算本身即存在困难，并由此造成接触角计算的误差。

3D接触角镜头或3D接触角的概念正因如上提及的表面粗糙度、化学多样性、异构性的存在而提出的。3D接触角或3D水滴角的概念是现代界面化学分析的全新工具，即重要性体现为：

1、从真正意义上评估固体材料的真实的物理化学性质；

2、全面提升了固体材料物理化学性质表征的手段的科学性；

3、为实际应用如芯片制造、半导体、LED或OLED行业、电子、新材料特别是仿生材料的研究提供的全新的技术路线。比如，如何有效利用粗糙度以及化学多样性实现定向问题，分子或晶体如何定向的，如何高效快速评估表面的化学多样性，如何提一步优化仿生材料的表面结构等等。这些均是我们应当重视、注意的新课题。

而从专业角度来评估，接触角测量仪的历史通常而言包括：

1、简单的量角器阶段：20世纪40年代至80年代左右，自Zisman教授团队提出可采用量角器（Goniometer)的方法简单的评估接触角角度后，采用测量学意义上的量角器被一直采用于接触角的测量。虽然随着计算机技术的进步，出现了圆拟合、椭圆拟合、切线法（一次、二次、多次曲线方程或复合曲线方程），但是，这些测量方法均是长期停留在量角器阶段，最多只是数码量角器阶段。测值的结果受各种实际条件影响非常大。这些实际条件包括：

（1）重力的影响？

（2）滴液精度的控制？

（3）水滴的轴对称要求？

（4）曲线的拟合度问题？

等等。

目前，绝大多数的商业化的所谓的“接触角测量仪”或水滴角测量仪厂商，特别是中国的水滴角测量仪厂商仍停留在这个阶段。不仅技术落后，测值精度不保证，测值结果可信度不高，而且，大大影响了后续的研发实际的数据应用。

2、基于Young-Laplace方程拟合的接触角测量阶段：20世纪80年代，A.W.Neumann团队提出的Young-Laplace方程拟合技术，结合计算机图像分析算法，可用于分析表面张力值。同时，在测试过程中，可以得到相应的接触角值。同一时期，包括SongBihai、Hensen等团队同时提出了各自的Young-Laplace方程拟合技术，用于分析液体的表面张力值。

注意的是，这些科研人员提出Young-Laplace方程的初衷在于分析液体的表面张力值，其假设均是液-固之间的接触后形成的液滴是轴对称的。但是，上海梭伦已经证明，在表征固体样品时，固体材料却不因Young-Laplace方程的轴对称假设而进行更改，固体材料本身的化学多样性、表面粗糙度、异构性等客观存在因素，导致侧视条件下固体的接触角值很少是轴对称的。

因而，很明显地，Young-Laplace方程拟合用于分析液体表面或界面张力值时是有效的，但是其无法应用于实际的接触角测量或水滴角测量。

所以，从专业角度而言，Young-Laplace方程拟合的接触角分析或水滴角测量仪只能视为“接触角测量仪"或”水滴角测量仪“的初级阶段，或是从数码量角器向真正接触角测量或分析的过渡。

3、基于阿莎算法（ADSA-RealDrop）的真正接触角测量仪或3D接触角阶段。

阿莎算法基于表征固体材料物理化学的非轴对称性特征，在算法上进行了全面改进。将Young-Laplace方程拟合算法的基础部分Select plane部分的缺陷进行了合理、科学的革新，采用2次拟合液滴轮廓曲线的算法进行了基于真实液滴的轮廓拟合。通过基于Young-Laplace方程的非轴对称接触角分析，为接触角测量仪或水滴角测量仪进入3D接触角或3D水滴角测量提供了可能。

为配合阿莎算法，上海梭伦的3D接触角测量仪器或普通的接触角测量仪器的设计核心硬件技术包括：

1、3D接触角镜头或3D接触角测量平台；

2、样品台微米级微分头控制二维水平调整机构；

3、镜头和相机二维微分头控制机构；

4、微米级红宝石球3D接触角校准工具。

因而，结论可能有点残酷，但也是非常简单，对于事实上存在的表面粗糙度、化学多样性和异构性条件下的真实地固体材料的物理化学性质（表面张力、接触角、界面张力、表面自由能）的评估，我们只能是：

第一，必须采用阿莎算法或类似的基于Young-Laplace方程的非轴对分析算法；

第二、必须拥有如上1-4项硬件结构。

除此之外或者把这些核心零件拿掉后，剩下的硬件部分只能视为普通的量角器而不能作为评估固体材料接触角所用的专业界面化学分析仪器。

而，量角器在某宝上可以查找很多，如采用平整度分析仪、卧式显微镜作为关键词，很容易找到一堆。通常的价格为1000-2000元左右。再购买300元左右的光源、购买500元或1000元左右的相机。下载网络上的量角器软件即可完成目前中国产所谓的”接触角测量仪“或‘水滴角测量仪"的搭建。5000元都没有用到。

所以，我们应当基于科学原理，以工匠精神来评估如何准确、科学评估接触角测量仪及其应用，而不能简单地从主观上已经认为接触角测量仪很简单，这样极可能被一些生产显微镜或量角器的厂商所误导，最终不仅浪费了研发时间，也浪费了成本，最终却完不成研究需要，得不偿失。