專利名稱：一種測量鍍膜玻璃薄膜光學參數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量鍍膜玻璃薄膜光學參數(shù)的方法，尤其涉及利用可見光透射、反射光譜擬和來獲得薄膜光學參數(shù)的方法，屬于材料加工工程參數(shù)測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鍍膜玻璃是在玻璃表面涂鍍一層或多層金屬、金屬氧化物或其他無機材料，以改變玻璃的光學性能，滿足某些特定要求。因此測量鍍膜玻璃薄膜的光學參數(shù)，即厚度、折射率和消光系數(shù)，對于檢測鍍膜玻璃質(zhì)量、改善鍍膜控制工藝、提高鍍膜玻璃性能，實現(xiàn)薄膜性能與工藝參數(shù)互動的自動化控制以及膜層與性能的優(yōu)化設(shè)計都具有重要的現(xiàn)實意義。
有多種方法可以用來測量薄膜的光學參數(shù)，尤以光學方法最為普遍，例如干涉法、橢偏法、反射光譜和透射光譜法。干涉法能夠利用光譜曲線上出現(xiàn)的多個峰谷值較為方便的估算薄膜的厚度和折射率，但是薄膜厚度一般要在幾百納米以上才會出現(xiàn)多個干涉峰谷，因此對于膜層厚度一般為一百納米左右的鍍膜玻璃，如陽光控制鍍膜玻璃，則不適用。橢偏法的測量結(jié)果快速準確，但是測量手段復雜，實驗條件要求苛刻，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡單易行，適用范圍廣，受外界影響小的測量鍍膜玻璃薄膜光學參數(shù)的方法。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)解決方案的思路是建立薄膜光學參數(shù)與鍍膜玻璃透射、反射光譜的數(shù)學關(guān)系，獲得問題的數(shù)學模型，通過求解數(shù)學模型獲得鍍膜玻璃薄膜光學參數(shù)。
具體步驟如下測量鍍膜玻璃在可見光垂直入射狀態(tài)下的透射和反射光譜，分別記為Tm、Rm，利用矩陣法獲得垂直入射狀態(tài)下的薄膜透射和反射光譜關(guān)于n、k和薄膜厚度h的參數(shù)式，記為Tc(n，k，h)、Rc(n，k，h)，并將n和k展開為入射光波長λ的函數(shù)，建立Tc(n，k，h)、Rc(n，k，h)與Tm、Rm最小二乘形式的擬和參數(shù)式，如式(1)所示，f(n,k,h)=Σλ[(Tc(n,k,h)-Tm)2+(Rc(n,k,h)-Rm)2]---(1)]]>
求解式(1)，得到使f(n，k，h)為最小值的一組參數(shù)n，k和h，就是測量獲得的鍍膜玻璃薄膜光學參數(shù)。
求解式(1)，可以采用傳統(tǒng)的迭代方法。由于薄膜光學計算涉及大量的非線性元，為了快速準確的求解式(1)，以采用模擬退火法和牛頓迭代法相結(jié)合的兩步法來求解為好，具體步驟如下1)使用模擬退火法在較弱收斂條件下求解式(1)，獲得一組參數(shù)n，k和h的值；2)以步驟1)獲得的n，k和h作為牛頓迭代法的計算初值，再次求解式(1)；3)重復步驟1)、2)M次，M＝1，2，…正整數(shù)，在獲得M個結(jié)果中，獲取使f(n，k，h)值最小的一組參數(shù)n，k和h。
本發(fā)明使用垂直入射條件下測量獲得的透射、反射光譜，測量結(jié)果受外界影響小，測量值穩(wěn)定。模型建立簡單可靠，測試方法成本低廉，是一種有效的測量薄膜光學參數(shù)的手段。


圖1是鍍膜玻璃結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是垂直入射狀態(tài)下的鍍膜玻璃可見光透射Tm和反射光譜Rm曲線及擬和的Tc和Rc曲線；圖3是使用本發(fā)明所述方法獲得的樣品折射率n和消光系數(shù)k的曲線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
以在線陽光控制鍍膜玻璃為例，膜層1為硅系薄膜，襯底2為普通白玻，如附圖1所示，圖中I為入射光，R為反射光，T為透射光。測量鍍膜玻璃垂直入射狀態(tài)下的可見光透射Tm和反射光譜Rm如圖2所示，圓點與方塊點分別表示Tm和Rm。矩陣法計算垂直入射到薄膜表面光線的透射率Tc和反射率Rc如下公式Tc(λ)=4nsn0|n0(cos(2πhn′λ)+insn′sin(2πhn′λ))+nscos(2πhn′λ)+in′sin(2πhn′λ)|2---(2)]]>Rc(λ)=|n0(cos(2πhn′λ)+insn′sin(2πhn′λ))-nscos(2πhn′λ)+in′sin(2πhn′λ)|2|n0(cos(2πhn′λ)+insn′sin(2πhn′λ))+nscos(2πhn′λ)+in′sin(2πhn′λ)|2---(3)]]>其中空氣折射率no和玻璃折射率ns，n’是薄膜復數(shù)形式折射率，即n’＝n-ik，h為薄膜厚度。對硅系薄膜采用Forouhi-Bloomer模型將n和k展開為入射光子能量E的函數(shù)n(E)=n(∞)+B0E+C0E2-BE+C]]>k(E)=A(E-EG)2E2-BE+C---(4)]]>其中B0=AQ[-12B2+EGB-EG2+C]]]>C0=AQ[12B(EG2+C)-2EGC]---(5)]]>Q=12(4C-B2)1/2]]>式中A、B、C、EG是常數(shù)，而且4C-B2＞0。E是入射光子能量，有E＝2πq/λ，q為普朗克常數(shù)。n(∞)是E無限大時的折射率。
以最小二乘形式構(gòu)建Tc、Rc和Tm、Rm的曲線擬合參數(shù)式，如式(1)所示，f(n,k,h)=Σλ[(Tc(n,k,h)-Tm)2+(Rc(n,k,h)-Rm)2]---(1)]]>將公式(2-5)以及Tm和Rm代入式(1)就得到完整的曲線擬和問題的數(shù)學形式，其中常數(shù)A、B、C、EG、n(∞)、h為待定參數(shù)。
模擬退火法中，待定參數(shù)的初值任意選取，如取A＝0，B＝2，C＝2，EG＝0，n(∞)＝1.5，h＝100，以隨機抽樣產(chǎn)生待定參數(shù)值的擾動，在較弱收斂條件下進行全局優(yōu)化計算，如連續(xù)100次隨機抽樣沒有獲得更優(yōu)待定參數(shù)值則結(jié)束計算。將模擬退火法獲得的待定參數(shù)值作為初值，使用牛頓迭代法針對式(1)的曲線擬和問題進行局部優(yōu)化計算，獲得更優(yōu)的待定參數(shù)值。重復上述計算過程24次，從中選擇使f(n，k，h)值最小的一組參數(shù)作為最終的擬和結(jié)果，得到A＝4.30，B＝2.49，C＝38.02，EG＝0.68，n(∞)＝2.43，h＝126.92nm，對應的透射、反射光譜擬和曲線如圖2中實線所示。將A、B、C、EG、n(∞)等參數(shù)代入公式(4)，獲得薄膜的折射率n和消光系數(shù)k，如圖3所示。該樣品使用橢偏儀測量其厚度為118.28nm，與本發(fā)明的測量值偏差6.8％。
權(quán)利要求
1.一種測量鍍膜玻璃薄膜光學參數(shù)的方法，其特征是步驟如下測量鍍膜玻璃在可見光垂直入射狀態(tài)下的透射和反射光譜，分別記為Tm、Rm，利用矩陣法獲得垂直入射狀態(tài)下的薄膜透射和反射光譜關(guān)于n、k和薄膜厚度h的參數(shù)式，記為Tc(n，k，h)、Rc(n，k，h)，并將n和k展開為入射光波長λ的函數(shù)，建立Tc(n，k，h)、Rc(n，k，h)與Tm、Rm最小二乘形式的擬和參數(shù)式，如式(1)所示，f(n,k,h)=Σλ[(Tc(n,k,h)-Tm)2+(Rc(n,k,h)-Rm)2]---(1)]]>求解式(1)，得到使f(n，k，h)為最小值的一組參數(shù)n，k和h，就是測量獲得的鍍膜玻璃薄膜光學參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的測量鍍膜玻璃薄膜光學參數(shù)的方法，其特征是求解式(1)采用模擬退火法和牛頓迭代法相結(jié)合的兩步法求解，具體步驟如下1)使用模擬退火法在較弱收斂條件下求解式(1)，獲得一組參數(shù)n，k和h的值；2)以步驟1)獲得的n，k和h作為牛頓迭代法的計算初值，再次求解式(1)；3)重復步驟1)、2)M次，M＝1，2，…正整數(shù)，在獲得M個結(jié)果中，獲取使f(n，k，h)值為最小的一組參數(shù)n，k和h。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量鍍膜玻璃薄膜光學參數(shù)的方法，包括如下步驟建立薄膜厚度h、折射率n、消光系數(shù)k與薄膜透射率、反射率的函數(shù)關(guān)系，與實測鍍膜玻璃的可見光透射、反射光譜聯(lián)立構(gòu)成曲線擬和問題，利用模擬退火法、牛頓迭代法相結(jié)合的兩步法求解這個曲線擬和問題，從而獲得薄膜光學參數(shù)的測量結(jié)果。本發(fā)明與已有的相應技術(shù)相比，更適于鍍膜玻璃薄膜的測量，具有快速準確的測量效果，測量結(jié)果穩(wěn)定，而且方法簡便易行，成本低廉。
文檔編號G01M11/02GK1963460SQ20061005395
公開日2007年5月16日 申請日期2006年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月25日
發(fā)明者韓高榮, 劉涌, 宋晨路, 汪劍勛, 劉軍波, 劉起英 申請人:浙江大學