Eine derartige Vorrichtung ist in JP 60-085 353 A in Patent Abstracts of Japan, Section P, Vol. 9/No. 227 (1985) P-388 angegeben. Bei dieser bekannten Vor- richtung wird mittels einer optischen Abbildung der Randwinkel eines auf einer Unterlage in Form einer Probenoberfläche aufgebrachten Testtropfens aus einer Seitenansicht bestimmt. Für die optische Abbildung wird z. B. eine Kamera eingesetzt ; die Auswertung erfolgt mit einem Bildverarbeitungssystem in Verbindung mit einem Rechner. Der Tropfen wird auf einen in einem Geräteteil untergebrachten Träger aufgebracht, der Rechner mit angeschlossenem Bild- schirm ist außerhalb des Geräteteils aufgestellt.

Ähnliche Vorrichtungen sind auch aus der JP 01-126523 A in Patent Abstracts of Japan, Section P, Vol. 13/No. 370 (1989) P-920, JP 05-232009 A in Patent Abstracts of Japan, Section P, Vol. 17/No. 681 (1993) P-1660, JP 08-050088 A in Patent Abstracts of Japan (1996) sowie DE 34 41 317 A1 bekannt.

Nachteile der heutigen Verfahren und Vorrichtungen sind der Aufwand zur Aus- richtung der Probe und zur Anordnung und Justierung der Vorrichtung.

Vorteile der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs ge- nannten Art bereit zu stellen, mit der der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht und die Handhabung bei der Messung erleichtert wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit diesen Maßnahmen wird eine mobile, kompakte, leicht handhabbare Mess- einheit erhalten, mit der ohne Schwierigkeiten Messungen an unterschiedlichen Unterlagen vorgenommen werden können. Infolge der Anbringung der Kompo- nenten in dem Handgerät sind dabei die Justierung und die Handhabung einfach.

Eine Messung in kleinen Räumen ist möglich, da beispielsweise eine Bauhöhe von unter 200 mm, eine Bautiefe von 90 mm und eine Breite von 120 mm er- reicht werden können.

Der kompakte Aufbau und die einfache Handhabung werden wesentlich dadurch begünstigt, dass die Kamera als intelligente Kamera mit integriertem Prozessor zur Bildauswertung, Speicher und Ein-und Ausgabeeinheiten ausgebildet ist. Zu einer einfachen Handhabung und reproduzierbaren und schnellen Durch- führung von Messungen tragen wesentlich die Maßnahmen bei, dass das Trage- gerüst oder Gehäuse mit einer Aufsetzvorrichtung zum stabilen Aufsetzen auf der Unterlage (1) und Einhalten eines vorgegebenen oder vorgebbaren Arbeits- abstands zwischen der Oberfläche mit dem Tropfen (2) und einem Kamera- objektiv (4a) versehen ist. Eine günstige Ausbildung besteht dabei darin, dass die Aufsetzvorrichtung einen Rahmen mit in Form eines Dreibeins angeodneten Füßen (9) aufweist. Die Einhaltung eines vorbestimmten oder vorbestimmbaren Abstandes wird dadurch begünstigt, dass zum Einhalten eines bestimmten Ab- standes an dem Tragegerüst oder Gehäuse Abstandsstifte (10) vorgesehen sind.

Für eine platzsparende Ausbildung und einen geringen Energieverbrauch ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Beleuchtungseinrichtung (6) eine Leuchtdioden- anordnung (6.1) aufweist. Verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen der Beleuchtungseinrichtung für eine gleichmäßige Ausleuchtung des Tropfens be- stehen darin, dass zum Lenken des Lichts der Beleuchtungseinrichtung (6) auf den Tropfen (2) ein schräggestellter, teildurchlässiger Spiegel vorgesehen ist oder dass zur Beleuchtung eine Ringlichtanordnung vorgesehen ist.

Der kompakte Aufbau wird weiterhin dadurch begünstigt, dass die Dosierein- richtung (3) eine Piezo-Pumpe des Tropfen-auf-Anforderung- (Drop on Demand-) Typs aufweist oder eine Pumpe des Ausstoß-auf-Anforderung- (Jet on Demand- ) Typs aufweist. Mit diesen Maßnahmen werden mechanisch bewegte Teile im Wesentlichen vermieden, und es ergeben sich definierte Tropfen bei einfacher Steuerbarkeit. Eine günstige Ausbildung besteht dabei darin, dass die Piezo- Pumpe ein System mit mikromechanisch bearbeitetem Silizium mit eingebettetem Piezoelement aufweist. Für eine genaue Messung sind weiterhin die Maßnahmen vorteilhaft, dass die Betätigung der Dosiereinrichtung (3) und die Bildaufnahme mit der Kamera (4) mittels einer Steuereinrichtung zeitgesteuert aufeinander abgestimmt sind.

Eine genaue Messung wird weiterhin dadurch begünstigt, dass zum Einstellen eines Abstandes zwischen einem Kameraobjektiv (4a) und dem Tropfen (2) eine automatisch gesteuerte Abstandsjustiervorrichtung vorgesehen ist.

Bei der Auswertung ist es günstig, den Umstand auszunutzen, dass kleine Tropfen eine nahezu ideale Kugelkalotte bilden. Damit kann aus je einer der gemäß Fig. 3 zu beobachtenden geometrischen Größen (Basisdurchmesser, Kugeldurchmesser oder Höhe) eines aufgesetzten Testtropfens mit bekanntem Volumen (z. B. 2, ul) mittels der für Kugelkalotten gültigen geometrisch- trigonometrischen Beziehungen (vgl. Fig. 4a) der Randwinkel bestimmt werden.

Mit erhöhtem mathematischem Aufwand ist dies auch noch bei einer Abwei- chung des Tropfens von der Idealform einer Kugelkalotte möglich.

Besonders vorteilhaft ist die Bestimmung des Randwinkeis aus dem in Draufsicht von oben-bei durchsichtigen Proben auch von unten-zu beobachtenden Basis- durchmesser. Neben der einfachen Art der Beobachtung, die zu einem flexibel einsetzbaren Gerät führt, nutzt man das überraschende Phänomen, dass ein auf der Unterlage, z. B. auf einer Glasscheibe, aufgesetzter Tropfen seinen Aus- gangs-Basisdurchmesser auch während des Verdunstungsvorganges bis knapp vor dem Verschwinden des Tropfens beibehält, so dass er der Messung zeit- unkritisch zur Verfügung steht. Dies gilt für die in der Praxis am häufigsten auftretenden Fälle mit Randwinklen unter 90°.

Für Randwinkel über 90° ist der in Draufsicht zu beobachtende Durchmesser nicht mehr der Basisdurchmesser der Kalotte, sondern deren Kugeldurchmesser.

Dies wird bei dem Auswertealgorithmus berücksichtigt. Hier sind für den zeitlichen Abstand zwischen Tropfensetzen und Messen die gleichen Vorgaben zu beachten wie bei den vormals üblichen Verfahren.

Mittels Bildauswerte-Software wird für den mit gutem Kontrast abgebildeten Testtropfen der Durchmesser bestimmt und mittels des im Rechner hinterlegten Algorithmus der Randwinkel berechnet und zur Anzeige gebracht und gegebe- nenfalls auch weiter verarbeitet.

Falls sich aufgrund gelegentlich nicht auszuschließender leichter Inhomogeni- täten einer Probenoberfläche Abweichungen von einer idealen, kreisrunden Konturlinie der Kalottenbasis ergeben, liefert die Auswertung vorteilhafterweise durch eine Bestkreisanpassung einen im Bereich der Tropfengröße gemittelten Randwinkel, was in der Praxis im allgemeinen auch erwünscht ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Messung bis zu gewissen Grenzen auch auf geneigten und nicht planen Probenflächen, z. B. Windschutzscheiben an Kraft- fahrzeugen durchgeführt werden kann.

Neben der Ermittlung des Basisdurchmessers und des Kugeldurchmessers für Randwinkel über 90° aus der Draufsicht kann dafür auch eine Seitenansicht des Testtropfens verwendet werden. Die Seitenansicht erlaubt auch die Ermittlung der Tropfenhöhe und des Kugeldurchmessers für Randwinkel unter 90°. Jede dieser Größen für sich kann wiederum zusammen mit dem bekannten Tropfenvo- lumen zur Berechnung des Randwinkels verwendet werden. Bei bekannter Trop- fenform, z. B. im Näherungsbereich für Kugelkalotten, kann auch ohne Kenntnis des genauen Tropfenvolumens aus jeweils zwei separat ermittelten Geometrie- größen, z. B. Höhe und Basisdurchmesser, der Randwinkel berechnet werden. Zur näheren Erläuterung. sind in den anliegenden Fig. Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Messgerätes zur Bestimmung eines Randwinkels eines Tropfens, Fig. 2a und 2b eine weitere Darstellung des Messgeräts in seitlicher Ansicht bzw. in Vorderansicht, Fig. 3 eine seitliche Ansicht eines auf einer Unterlage aufliegenden Tropfens, Fig. 4a und 4b Diagramme zu dem Zusammenhang zwischen dem Randwinkel und weiteren geometrischen Daten eines Tropfens und Fig. 5 eine schematische Anordnung einer Vorrichtung zum Aufbringen eines Tropfens und zur Bestimmung des Randwinkels.

Fig. 3 zeigt die Definition eines Randwinkels y eines auf einer Unterlage 1 aufgebrachten kugelkalottenförmigen Tropfens 2 sowie als geometrische Größen des Tropfens 2 dessen Basisdurchmesser dBa im Bereich der Grenzfläche zwi- schen Tropfen und Unterlage, dessen Höhe h sowie einen Hinweis auf dessen Kugeldurchmesser dKU. Der Randwinkel y beträgt hierbei weniger als 90°.

In Fig. 4a sind der Basisdurchmesser dBa sowie der Kugeldurchmesser dKU eines kugelkalottenförmigen Tropfens sowie dessen Höhe h als Funktion des Rand- winkels y dargestellt. Das Diagramm zeigt in Fig. 4b den Zusammenhang zwischen dem an dem Test- tropfen 2 in Aufsicht gemessenen Durchmesser und dem daraus berechneten Randwinkel y. Bis zu einem Randwinkel y von 90° wird der Basisdurchmesser dBa der Tropfenkalotte verwendet, während für Winkel größer als 90° der Kugeldurchmesser dKU des kalottenförmigen Tropfens 2 verwendet wird.

In Fig. 5 ist eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Randwinkels y in einer grundsätzlichen Anordnung der Ausführungsform mit einer"intelligenten Ka- mera", bei der eine Kamera und ein Bildauswertesystem kombiniert sind, sche- matisch dargestellt. Der mittels einer Dosiereinrichtung 3 z. B. von Hand oder automatisch aufgebrachte Tropfen 2 mit einem genau vorgegebenen Tropfen- volumen wird mittels eines herkömmlichen oder telezentrischen Objektivs 4a und einer intelligenten Kamera 4 abgebildet. Bei Verwendung einer einfachen Kamera 4 befindet sich zwischen der Kamera 4 und einer Anzeigeeinheit 5 noch ein nicht dargestellter externer Rechner zur Auswertung.

In einer Auswerteeinheit wird der Randwinkel aus dem vorgegebenen Volumen und den erfassten Geometriedaten Basisdurchmesser dBa, Kugeldurchmesser d und Höhe h ermittelt, indem zwei dieser Größen kombiniert werden.

Die Anzeigeeinheit 5 zeigt schematisch das Bild eines Tropfens in Draufsicht und darunter den berechneten Randwinkel y.

Zusätzlich verfügt die Messvorrichtung noch über eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Tropfens 2, vgl. Fig. 1 und 2a, 2b, bevorzugt von der Draufsicht des Tropfens 2, bei durchsichtigen Unterlagen kann die Beleuchtung auch von der Rück- (Unter-) Seite aus erfolgen.

Die Fig. 1, 2a und 2b zeigen schematische Darstellungen der als Handgerät ausgebildeten Vorrichtung zum Bestimmen des Randwinkels des Tropfens 2. In einem nicht im Einzelnen gezeigten Tragegerüst oder Gehäuse, das auf der den Tropfen 2 tragenden Unterlage 1 aufgesetzt ist, sind die Dosiereinrichtung 3, die Kamera 4 mit dem Kamerobjektiv 4a, eine flache Anzeigeeinheit 5, z. B. eine schwenkbare LCD-Anzeige, die Beleuchtungseinrichtung 6 mit einer Leuchtdio- denanordnung 6.1, ein halbdurchlässiger Spiegel 8 einerseits zum Lenken des Lichts auf den Tropfen 2 und andererseits zum Beobachten des Tropfens 2 mit der Kamera 4, sowie eine Aufsetzvorrichtung mit in Form eines Dreibeins an einem Rahmen angeordneten Füßen 9 als Einheit angebracht. Wie aus den Fig.

2a und 2b aus zwei verschiedenen Seitenansichten ersichtlich, weist das so gebildete Handgerät zusätzlich noch eine Elektronik 7 und eine weitere Elek- tronik 7.1 auf, die z. B. Teil einer Steuereinrichtung sind, die weiterhin einen in der als Kamera 4 integrierten Prozessor bzw. Rechner aufweist. Die Kamera 4 ist als intelligente Kamera ausgebildet. Um zu gewährleisten, dass im Bereich des Tropfens 2 beispielsweise bei einer gewölbten Unterlage 1 ein Arbeitsabstand sicher eingehalten wird, können in diesem Bereich zusätzlich Abstandsstifte 10 vorgesehen sein. Die Füße 9 und die Abstandsstifte 10 können verstellbar sein.

Wesentliche Komponente des Handgeräts ist die genannte intelligente Kamera 4, die eine Kombination aus Kamera 4, Kameraoptik 4a und dem integrierten Rechner zur Bildauswertung darstellt. Außerdem kann auch die Beleuchtungs- einrichtung 6 unmittelbar an der Kamera angebracht sein.

Die Beleuchtungseinrichtung dient zur Herstellung reproduzierbarer Beleuch- tungsverhältnisse für eine rundum schatten-und reflexfreie Beleuchtung des Tropfens 2. Dies wird in vorteilhafter Weise mit einer seitlich über dem teildurchlässigen Spiegel 8, z. B. einer um 45° geneigten Planglasscheibe, eingespiegelten Leuchtdiodenanordnung erreicht, die neben geringen Ab- messungen auch einen geringen Leistungsbedarf hat. Alternativ kann auch eine Ringlichtandordnung vorgesehen sein.

Die Dosiereinrichtung 3 zum Aufbringen von Tropfen 2 mit definiertem Volumen weist vorteilhaft eine Piezo-Pumpe des Tropfen-auf-Anforderung- (Drop on Demand-) Typs auf, mit der das geforderte Volumen mit einer Genauigkeit von +/-2% dosiert werden kann. Hierbei ist es nicht nötig, den Tropfen 2 abzusetzen, vielmehr kann er über eine Distanz von bis zu 15 mm im freien Strahl punktgenau dosiert werden. Prinzipiell einsatzfähig sind auch andere Freistrahlsysteme, beispielsweise des Ausstoß-auf-Anforderung- (Jet on Demand-) Typs. Jedoch ist bei einem solchen Freistrahlsystem darauf zu achten, dass die durch die Dosierung in den liegenden Tropfen 2 eingebrachte kine- tische Energie so gering ist, dass keine Beeinflussung der Tropfenkontur erfolgt.

Bei dem Drop on Demand-Typ ist diese Gefahr bauartbedingt durch die sehr kleinen Tropfen deutlich geringer.

Ein Drop on Demand-System besteht vorteilhaft aus mikromechanisch bearbeite- tem Silizium mit eingebettetem Piezo-Element. Ein Aufbringen einer bestimmten Spannung auf dieses Element führt zu einer Verformung und zu einem Druck- anstieg in einer vorzugsweisen kleinen Vorratskammer (z. B. 800 nl) und zu einem Austritt eines Tropfens mit einem Volumen von ca. 1 nl an der Spitze der Pumpe. Eine angeschlossene Steuereinheit steuert diese Pumpe, die seinerseits von der intelligenten Kamera 4 mittels der Steuereinrichtung automatisch ange- sprochen werden kann.

Mit diesem Aufbau sind keinerlei mechanisch bewegliche Teile innerhalb des Handgerätes notwendig, und die Größe des Handgerätes kann sehr kompakt gehalten werden, da die Abmessungen der Pumpe 20 mm nicht überschreiten.

Das Flüssigkeitsreservoir soll möglichst in Höhe einer Auslassspitze angebracht sein und wird mit Vorteil als Schlauch ausgebildet, um ein Auslaufen beim Transport durch die Bindung der Flüssigkeit mit Hilfe der Kapillarkräfte des Schlauchs zu verhindern. Damit sind ohne Nachfüllung ca. 100 Messungen mit einem Tropfenvolumen von 2*pi möglich.

Denkbar ist alternativ auch eine Dosiereinrichtung 3 mit einem konventionellen Messkolben. Dieser kann von Hand betätigbar sein oder mit einem vorgesehenen Servosystem gesteuert betrieben werden.

Der Aufbau des Handgeräts wird besonders kompakt, wenn aufgrund einer ent- sprechenden Mechanik zur Regelung des Abstandes auf eine telezentrische Optik verzichtet und eine kompakte herkömmliche Optik eingesetzt wird. Jedoch ist in diesem Fall eine Justierung des Abstandes zur Probe notwendig. Vor- teilhaft ist eine automatische Justierung vorgesehen. Es können mechanische und/oder elektrische Regelungen eingesetzt werden, wobei eine Ausführung mit platzsparenden Blattfedern vorteilhaft ist.