CN101334269A - 多层介质材料多参量测量方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种通过一次测量同时获取多层材料的多电磁参量方法，通过一次电磁反射角谱的实验测量，并以反射角谱中最小(或最大)反射时的角度为依据，经优化计算，实现对多层介质材料各层厚度和折射率的同时精确确定。在本发明中，入射到多层材料系统某一工作频率的电磁波能量，在各层材料界面透射和反射，入射表面的反射电磁波能量被测量接收器接收。不断调整入射波的角度和接收器的角度，使得反射能量达到一个极值。设该入射角为已知值，利用模拟退火算法对多层材料的各参量进行优化搜索，结果即是被测多参量的结果。该方法可应用于遥感参量反演、激光表面等离子体测量等领域，也可推广到声学多层材料的多参量测量领域，具有高效准确的特点。

Description

多层介质材料多参量测量方法与系统

技术领域

本发明涉及一种新型的多层介质材料的多参量测量方法与系统，用于获取该多层介质材料的厚度和折射率等物理参量的测量。

背景技术

多层材料的厚度、折射率等参量的精确测定在遥感应用、光通讯、光电探测器、化学及生物传感器、纳米器件等领域有着广泛的应用，在这些应用中，层状材料的电磁特性(折射率和厚度)是至关重要的参量，如何通过一次简单测量就可以高精度地确定多层材料电磁特性一直是一个重要的研究课题。

目前的各种的测量方法中，都只能针对多层材料的某一个未知的参数进行测量，即通过测量多层介质材料的随着不同入射角度电磁波的能量角谱曲线，可以得到特征角，然后通过对未知参数进行扫描，计算出每个参数对应的入射角度一反射能量角谱曲线图，然后找出对应的能量极值对应的特征角，并与测量结果比较：如果吻合，则计算中的参数即是被测的结果；否则，需改变参数重新计算并判断。这种方法虽然可以很可以得到准确的测量结果，但只能应用于多层介质材料中只有一个未知参量的情形，对于同时测量多参量的问题则无法解决，且效率低下。

在多层介质材料的多参量测量方法与系统中，要求通过测量的入射角-反射能量曲线得到多层介质材料的多参量。由于模拟退火算法高效而独特的多参数全局优化搜索能力，非常适合于各种多参数优化问题，故可用来求解前述多参数问题。同时，在入射角-反射能量曲线中的极值点对应的角度(特征角)受到各层介质材料的厚度和折射率影响很大，非常灵敏，这一特定可以用于目标函数的建立之中。

发明内容

本发明涉及一种新型的多层介质材料的多参量测量方法与系统，用于获取该多层介质材料的厚度和折射率等物理参量的测量。该方法和系统通过电磁波(包括所有的电磁波段)发射装置发射某一单频的电磁波束，向多层介质材料表面入射，并测量介质材料表面的反射电磁波能量，记录下入射角从0°～90°范围内的反射能量曲线。通过曲线中获取某一极小(或极大)反射能量值所对应的特征角，以此特征角为已知量，结合模拟退火算法对多层介质材料的与反射能量系数相关的各参量进行优化搜索，得到满足反射能量最小(或最大)的一组参量，即可得到被测多层介质膜的各参量。

本发明主要通过实际测量与模拟退火反演算法相结合的方法得到多层介质材料的多参量，具体采用如下技术方案：

发明提出如图1所示的多层介质材料的电磁波反射系数特性测量系统和图2所示的基于模拟退火算法的多参量反演计算方法，来共同实现对该多层介质材料的各折射率和厚度的测量计算，主要包括电磁波发射和接收子系统，转动平台子系统和模拟退火多参量反演计算操作三部分，各个部分先后协同工作，共同完成多层介质材料的多参量测量。在本发明中，各部分说明如下：

(1)电磁波发射与接收子系统：这里的电磁波的含义是广义的，包括了射频，微波，毫米波，太赫兹波，红外波段，可见光波段甚至更短的电磁波，通过特定的发射装置对多层介质材料进行辐射(照射)，接收装置通过相应的天线或探测器接收从多层材料表面反射的电磁波能量并转化为电信号，从而测出多层材料系统的能量反射角谱。

(2)多层介质材料：这里的多层介质膜可以是各类多层薄膜材料，地表各种植被分层系统等，图1中的待测介质材料的第零层可为折射率已知的空气和其它透明介质，如图4采用玻璃，第N+1层亦是如此。

(3)旋转台子系统：旋转台子系统是包括了前述多层介质材料和用于旋转被测材料的旋转台。通过设置旋转台的位置，使得电磁波入射角在0°～90°范围内，以间隔不低于0.05°不断变化，并探测记录每个反射角时电磁波的能量，得到入射角-反射能量(反射系数的模方)曲线图。

(4)模拟退火目标函数：目标函数的选择标准是使通过理论计算得到的入射角-反射能量曲线图中的极值(极小或极大)与实验曲线的极值(极小或极大)一致，由于曲线中反射能量的极值对应的入射角对材料的电磁特性(折射率和厚度)非常灵敏，为提高对多层介质材料的多参量搜索效率，可仅选择能量的极值作为优化的目标函数。

(5)优化搜索自变量定义域：在通过模拟退火算法对多层介质材料的各参量(即自变量)进行搜索满足极值的过程中，其自变量受到实际情况的约束，各层材料的厚度和折射率都是与具体材料及其特性相关而限制某一取值范围内。

本发明的主要特色：通过实验，只需测量对某频率的电磁波的一组入射角-反射系数曲线，可以利用模拟退火算法进行反演求解出多层介质材料的各参量，相对传统只能求解一个参量的方法和系统，本发明简单、高效并且准确。

本发明的效益与应用前景：(1)主要用于主动遥感中多层遥感目标的多参量反演；(2)激光表面等离子体的多层薄膜材料的光学特性测量；(3)光栅的优化设计；(4)光学滤波器的优化设计等。

附图说明

图1为本发明多层介质材料的反射能量角谱测量系统图

图2为本发明模拟退火算法反演求解多参量流程图

图3为本发明实施方案中测量系统图

图4为本发明实施方案中基于棱镜测量旋转台子系统图

图5为本发明实施方案中基于半圆镜测量旋转台子系统图

图6为本发明实施方案中入射角-反射能量角谱曲线图。

具体实施方式

实施方案1

图3所示为激光表面等离子体薄膜特性测量的实施方案：由电磁波发射和接收子系统，旋转台子系统所构成的实验测量系统图。如图4和图5所示，本实施方案中多层介质膜依次是由K9玻璃层14和18，银膜15，二氧化硅薄膜16和空气层17组成，本实施方案主要目的是测量全部介质的折射率，以及银膜和二氧化硅薄膜的厚度。具体过程如下：激光器4发射出的窄线宽激光束经过调制器5被调制，再经过偏振片6起偏，在进入旋转台子系统8前通过透镜7聚焦，焦点位于被测多层薄膜的中心位置；激光光束在多层薄膜表面反射，反射的能量受到各层薄膜的厚度和折射率控制；被反射的光束被另一个聚焦透镜7聚焦到PIN光子探测器9上，感应产生的光电流通过低噪放大器10放大后输入到计算机11中存储和记录；计算机11还发出控制信号通过所想放大器12来控制旋转台8和驱动电源13。计算机11发出一个指令，旋转台开始转过0.1°，同时驱动电源13驱动光调制器5使得激光光束通过调制器5，该光束经过整个系统后最终被PIN探测器9探测到并被低噪放大器10所放大，最终在计算机中可记录下该对应角度下的反射光能量；设置入射角从0°开始，重返上述过程，直到入射角变为90°，即得到了入射角-反射能量角谱曲线图，从而可得最小反射系数所对应特征角。

根据图2所示的多参量反演计算方法，取能量的极值作为优化的目标函数，设置程序计算的初始参数和各层薄膜的厚度和折射率的初始值，并设定最终算法结束的条件，通过反复的模拟退火计算，最终得到所需的隔层薄膜的折射率和厚度值。

在图3对应的实施方案中测量系统中，旋转台子系统可以有图4和图5两中方式，图4中采用半圆玻璃透镜作为测量系统的第零层介质，图5中则采用三角棱镜作为测量系统的第零层介质，实施方案中二者的材料均为K9玻璃构成。图6给出了一组理论计算结果曲线，其中激光波长为632.8nm，K9玻璃折射率为1.5148，银膜折射率为复数0.0501+4.1955i，厚度为55.0nm，二氧化硅折射率为1.550，空气折射率为1.0。通过设定不同的二氧化硅的厚度d分别为0.0nm，5.0nm，15.0nm，25.0nm，可计算得到特征角分别为42.86°，43.35°，44.58°，46.26°，由此也可看出其特征角与各层膜的厚度密切相关。

Claims (6)

1.一种针对多层介质材料的多参量测量方法和系统，其主要特征是：所述的多层介质材料的多参量测量系统由电磁波发射与接收子系统、夹载固定在转动平台之上的被测多层介质材料和转动平台组成的旋转台子系统组成，其具体测量方法包括两个步骤：(1)实际测量，即旋转台子系统，使得入射波角度在0°～90°范围变化，测量相应的反射波能量，得到一组入射角-反射能量曲线；(2)反演计算，即以最小(或最大)反射能量所对应的入射角为已知值，根据多层材料的反射能量计算公示，应用模拟退火算法的多参量反演计算，得到多层介质材料各层的厚度和折射率。

2.根据权利要求1，所述电磁波发射与接收子系统的发射部分是由可工作在可见光到微波波段的波束辐射源(如天线、激光器等)，及其相应的接收设备组成，分别向多层介质材料辐射能量和接收经介质材料反射的电磁波能量。

3.根据权利要求1，所述的旋转台子系统由高角度分辨率的精密转动平台和放置在该平台上的待测的多层介质材料组成，转动平台至少要保证入射角可在0°～90°范围连续变化，精度高于0.05°。

4.根据权利要求1，所述的测量得到的入射角-反射能量曲线与多层介质材料的每个参量密切相关，不同的参量组合对应某个特征角度时存在最小反射率，且利用该特征角度可反演计算得到多层介质材料的各个特征参量。

5.根据权利要求1，所述的多层介质材料的多参量反演计算是指根据权利要求4所述的特征角，利用模拟退火算法对多层介质膜的各参量进行优化搜索，找出满足理论计算特征值与测量的特征角一致的一组参量，即是所需的多参量测量结果。

6.根据权利要求5，所述的反演计算中的介质材料的多参量(包括折射率和厚度)的取值范围是受到介质材料总厚度和各介质材料实际折射率取值范围条件的约束，且优化计算中以反射能量最小(或最大)为优化的目标函数。

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