CN105675511B - 透明介质膜层均匀性在线测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明介质膜层均匀性在线测量方法及其装置，该测量方法包括：获得各点膜面反射光谱；对各点膜面反射光谱进行光学性能分析；获得膜层折射率及膜层平均厚度；进行均匀性分析后得到膜层厚度均匀性分布结果。本发明还公开了一种在线光谱测量装置，包括支架，所述支架上设有导轨，所述导轨上设有测量探头，所述导轨一侧的支架上设有第一位置传感器，另一侧的支架上设有第二位置传感器，当第一位置传感器和第二位置传感器同时检测到被测镀膜样品时，所述测量探头在被测镀膜样品上方沿导轨步进运动逐点扫描测试，用于测试被测镀膜样品的各点膜面反射光谱。本发明能够同时获得膜层折射率及平均厚度，不受膜层种类影响，具有通用性能。

Description

透明介质膜层均匀性在线测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及镀膜玻璃领域，特别涉及一种透明介质膜层均匀性在线测量方法及及其装置。

背景技术

离线Low-E(低辐射)镀膜玻璃因其具有良好的节能性能已得到广泛应用，目前生产Low-E镀膜玻璃采用磁控溅射方法，由玻璃依次经过安装有不同靶材的磁控溅射阴极沉积生产相应的膜层，最终构成Low-E镀膜膜系。目前能够生产镀膜玻璃的最大宽度为3300mm，阴极尺寸要比玻璃宽度大200mm以上。离线Low-E镀膜玻璃膜系结构复杂，膜层在5层以上，各阴极及各层工艺在宽度方向的均匀性对最终膜系产品的均匀性起到至关重要的影响，产品的均匀性问题主要体现在不同位置间存在色差现象，按照GB/T 18915.2-2002要求色差△E不应大于2.5CIELAB(CIELAB表示这个数值是国际照明组织CIE，定义的LAB表示颜色方法计算出来的)。

Low-E膜系透过率、反射率、颜色等光学性能是各膜层光学匹配的整体体现，在膜系中经常用到的SiN_x、SnO_x、TiO_x等透明介质膜层主要起到对低辐射功能Ag膜层的保护及产品膜系颜色调节作用，因此该类膜层的均匀性最终影响到产品的均匀性。而各介质膜层均匀性问题主要由于阴极各位置的溅射效率及工艺气体分布不均导致的薄膜沉积速率不同，体现出在玻璃宽度方向薄膜厚度随位置而变化，因此测量膜层各点的厚度是衡量阴极性能及调整工艺气体分布的主要依据。

中国专利00224940提出了一种在线检测薄膜厚度均匀性的装置，该装置仅使用650nm或800nm的光波，分析被测膜层的透过光强的相对变化获得薄膜厚度相对分布，而非各点出厚度的绝对值，另外由于薄膜的干涉现象，在某个光波长点的透过强度会随厚度变化呈现周期性变化，因此该方法只能用于同一干涉周期中的相对厚度分析，存在局限性；中国专利93117694同样提出了一种监测薄膜厚度的方法和装置，用于衡量透明涂层的均匀性，该专利是利用400～480nm和580～750nm两个范围中的各一个波长点，测量这两波长点的反射光强与设定的阈值比较，得到的是膜层相对厚度变化，而且需要根据不同性能的膜层及其颜色特点选择不同的分析方式，该方法不具有通用性，另外操作复杂，不利于在生产企业中推广。

发明内容

本发明实施例的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供一种能够同时获得膜层折射率及平均厚度，不受膜层种类影响，具有通用性能的透明介质膜层均匀性在线测量方法及其装置。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：

一种透明介质膜层均匀性在线测量方法，包括：

S101：获得各点膜面反射光谱：

将镀制透明介质膜层的被测镀膜样品利用在线光谱测量装置测量各点预定波长范围的膜面反射光谱，得到各点膜面反射光谱数据；

S102：对各点膜面反射光谱进行光学性能分析：

根据各点膜面反射光谱计算平均膜面反射光谱和各点膜面反射颜色，根据各点膜面反射颜色得到膜面反射颜色范围；

S103：获得膜层折射率及膜层平均厚度：

根据平均膜面反射光谱建立柯西光学模型，利用遗传算法得到膜层折射率，通过平均膜面反射光谱获得膜层平均厚度；

S104：进行均匀性分析：

根据膜层折射率和膜层平均厚度获得厚度与颜色线性关系，得到膜层厚度均匀性分布结果。

所述步骤S103包括：

S1031：获取初始值：

根据平均膜面反射光谱特点及柯西模型中各参数对折射率色散关系的影响进行厚度及柯西模型参数初始设置，形成初始值；

S1031：生成初始种群：

利用遗传算法，通过初始值为起点生成初始种群；

S1032：导纳矩阵光谱计算：

初始种群根据光学模型及导纳矩阵光谱计算方法获得种群中个体的计算光谱，并与实际测量得到的平均膜面反射光谱按照评价函数进行比较排序；所述评价函数为计算光谱RfJ(λ)和测量光谱RfC(λ)之间的均方差MSE：

S1032：遗传终止条件：遗传过程若满足MSE小于10^-3或40次迭代任意一个条件就终止遗传过程，即获得此时的膜层折射率及膜层平均厚度，若满足遗传终止条件，即获得此时的膜层折射率及膜层平均厚度，若不满足，则继续进行遗传过程，遗传过程由遗传算法参数设置的种群大小、迭代次数、精英数量、交叉比例参数来确定，并生成新种群，再进行导纳矩阵光谱计算，直至满足评价函数要求的终止条件，并获得膜层折射率及膜层平均厚度。

所述步骤S104包括：

S1041：设置膜层厚度范围：

以膜层平均厚度为中心设置膜层厚度范围；

S1042：设定厚度范围内各厚度：

在膜层厚度范围内，每隔0.5-1.5nm获得每个膜层的厚度；

S1043：导纳矩阵光谱计算：

将设定厚度范围内各膜层厚度及膜层折射率利用导纳矩阵光谱计算获得设定厚度范围内各厚度对应膜面反射光谱及设定厚度范围内各厚度对应膜面反射颜色；从而可知设定厚度颜色范围，并获得厚度与颜色线性关系；

S1044：获得膜层厚度均匀性分布结果：

通过实测的膜面反射颜色范围与设定厚度颜色范围比较，若设定厚度颜色范围≥膜面反射颜色范围，将根据各点膜面反射颜色及厚度与颜色线性关系插值获得各点膜面厚度值，并形成膜层厚度均匀性分布结果。

所述步骤S1041中，设置膜层厚度范围为膜层平均厚度的95％-105％。

所述预定波长范围为380～780nm。

本发明还提供一种透明介质膜层均匀性在线测量装置，包括支架，所述支架上设有导轨，所述导轨上设有测量探头，所述导轨一侧的支架上设有第一位置传感器，另一侧的支架上设有第二位置传感器，当第一位置传感器和第二位置传感器同时检测到被测镀膜样品时，所述测量探头在被测镀膜样品上方沿导轨步进运动逐点扫描测试，用于测试被测镀膜样品的各点膜面反射光谱。

所述导轨下方设有多个输送辊，所述多个输送辊用于输送放置在其上的被测镀膜样品。

本发明还提供一种透明介质膜层均匀性在线测量装置，包括上述在线光谱测量装置；还包括：

光学性能分析模块：用于对各点膜面反射光谱进行光学性能分析，计算得到平均膜面反射光谱和各点膜面反射颜色，根据各点膜面反射颜色得到膜面反射颜色范围；

折射率、厚度分析模块：用于根据平均膜面反射光谱建立柯西光学模型，利用遗传算法得到膜层折射率，通过平均膜面反射光谱获得膜层平均厚度；

均匀性分析模块：用于对膜面进行均匀性分析，根据膜层折射率和膜层平均厚度获得厚度与颜色线性关系，得到膜层厚度均匀性分布结果。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

1.采用本发明的在线光谱测量装置，该装置安装于镀膜设备产品出口端，采用CCD光谱测量技术，测量探头在镀膜玻璃宽度方向连续运行，可以测量24个位置的380nm～780nm范围全光谱，每测量位置点所需时间小于260毫秒。

2.本发明利用膜层膜面反射光谱作为分析依据，避免由于建筑浮法玻璃的吸收对结果的影响，更能体现膜层本质的光学特征。

3.能够同时获得膜层折射率及平均厚度，不受膜层种类影响，具有通用性能。

4.根据膜层平均厚度及颜色分布可以明确膜层厚度范围，避免由于干涉周期变化导致的分析失误。

5.采用自动数据采集及智能化数据分析过程，操作简单，易于推广应用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的在线光谱测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的透明介质膜层均匀性分析流程图；

图3为本发明实施例提供的光学性能分析模块的分析流程图；

图4为本发明实施例提供的折射率、厚度分析模块的分析流程图；

图5为本发明实施例提供的均匀性分析模块的分析流程图；

图6为本发明实施例提供的SiN_x膜层平均膜面反射光谱图；

图7为本发明实施例提供的SiN_x膜层各点膜面反射颜色b*分布图；

图8为本发明实施例提供的柯西(Cauchy)模型得到的不同折射率相同厚度薄膜的反射光谱图；

图9为本发明实施例提供的SiN_x介质膜层膜面反射光谱随厚度的变化图；

图10为本发明实施例提供的SiN_x介质膜层折射率图；

图11为本发明实施例提供的SiN_x介质膜层在75-85nm范围内与颜色b*线性关系图；

图12为本发明实施例提供的SiN_x膜层各点厚度值分布图；

图13为本发明实施例提供的SiN_x膜层各点厚度相对平均值的偏离百分比图；

图14为本发明实施例提供的SiN_x膜层1～85nm范围内与颜色b*关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，一种在线光谱测量装置，包括支架1-3，支架1-3上设有导轨1-4，导轨1-4上设有测量探头1-5，导轨1-4一侧的支架1-3上设有第一位置传感器1-6，另一侧的支架1-3上设有第二位置传感器1-7，当第一位置传感器1-6和第二位置传感器1-6同时检测到被测镀膜样品1-2时，测量探头1-5在被测镀膜样品1-2上方沿导轨1-4步进运动逐点扫描测试，用于测试被测镀膜样品1-2的各点膜面反射光谱。

本发明的测量装置安装在离线Low-E镀膜生产线镀膜腔外部产品出片端，被测镀膜样品为生产完成后的镀膜样品；当被测镀膜样品1-2被传输到第一位置传感器1-6时，在线测量装置即发出进行系统光学、位置校准的信号，对在线测量装置进行系统自动检测，以避免因装置故障所造成的测量不准确；当被测镀膜样品1-2传输到第二位置传感器1-7，同时第一位置传感器1-6有信号情况下，说明测量探头下有被测镀膜样品，此时测量探头1-5在被测镀膜样品1-2上方沿导轨1-4步进运动逐点扫描测试；测量装置由支架1-3系围护，给予固定、保护。

本发明可应用于离线Low-E节能镀膜玻璃生产领域，能够准确、快速的分析Low-E膜系中介质膜层均匀性，在镀膜设备安装调试及维护时可用于检查磁控溅射阴极性能的均匀性，在生产过程中进行改善产品均匀性的工艺调试时提供分析依据。本发明采用快速测量方法及智能化数据分析过程，避免了繁琐仪器操作及数据处理过程，降低了生产企业设备购置、维护及人员成本，适应于工厂设备维护、连续规模生产对数据准确、快速分析的需求。

优选地，导轨下方设有多个输送辊1-1，所述多个输送辊用于输送放置在其上的被测镀膜样品。

输送辊1-1为连接镀膜腔的玻璃水平传输辊道，用于输送生产完成后的镀膜样品，使其位于导轨下方，方便测量探头的检测。

镀膜生产线以连续方式每45～60秒完成一片玻璃镀膜生产，最大面积可达3300×3660mm²，一般为2440×3660mm²。由于连续生产速度快，因此对产品性能的测试及分析速度提出了很高的要求；测量探头1-5能够以测量产品宽度方向透过率光谱和8°方向玻面、膜面反射光谱，该装置采用CCD光谱测量技术，同时测量全光谱范围内各波长的光强度，测量速度远优于分光光度计测量方式，测量膜层380nm～780nm范围光谱所需时间小于260毫秒；测量探头1-5可以以等间距方式逐点扫描被测镀膜样品1-2光谱，一般以100mm为间隔，扫描测试24个位置处的光谱数据。

由于离线Low-E镀膜玻璃使用的建筑浮法玻璃均有微弱的吸收，从而对透过及玻面反射光谱构成一定影响，因此膜面反射光谱(Rf)能够更好体现膜层本质的光学性能，本发明利用在线测量装置2-2实测获得各点膜面反射光谱2-3。

参见图2，本发明还提供一种透明介质膜层均匀性在线测量装置，包括上述在线光谱测量装置；还包括：

光学性能分析模块2-4：用于对各点膜面反射光谱进行光学性能分析，计算得到平均膜面反射光谱和各点膜面反射颜色，根据各点膜面反射颜色得到膜面反射颜色范围；

折射率、厚度分析模块2-5：用于根据平均膜面反射光谱建立柯西光学模型，利用遗传算法得到膜层折射率，通过平均膜面反射光谱获得膜层平均厚度；

均匀性分析模块2-6：用于对膜面进行均匀性分析，根据膜层折射率和膜层平均厚度获得厚度与颜色线性关系，得到膜层厚度均匀性分布结果2-7。

本发明根据膜层平均厚度及颜色分布可以明确膜层厚度范围，能够避免由于干涉周期变化导致的分析失误。

参见图2，一种透明介质膜层均匀性在线测量方法，包括：

S101：获得各点膜面反射光谱2-3：

将镀制透明介质膜层的被测镀膜样品1-2利用在线光谱测量装置2-2测量各点预定波长范围的膜面反射光谱，得到各点膜面反射光谱2-3数据；预定波长范围为380～780nm；

S102：利用光学性能分析模块2-4对各点膜面反射光谱进行光学性能分析：

参见图3，根据各点膜面反射光谱2-3计算平均膜面反射光谱3-1和各点膜面反射颜色3-2，根据各点膜面反射颜色3-2得到膜面反射颜色范围3-3；

S103：利用折射率、厚度分析模块2-5获得膜层折射率4-9及膜层平均厚度4-10：

根据平均膜面反射光谱3-1建立柯西光学模型，利用遗传算法得到膜层折射率4-9，通过平均膜面反射光谱3-1获得膜层平均厚度4-10；

参见图4，具体包括：

S1031：生成初始种群4-3：

利用遗传算法，通过初始值4-1为起点生成初始种群4-3；

S1032：导纳矩阵光谱计算4-4：

初始种群4-3根据光学模型及导纳矩阵光谱计算方法获得种群中个体的计算光谱，并与实际测量得到的平均膜面反射光谱3-1按照评价函数4-5进行比较排序；

所述评价函数为计算光谱RfJ(λ)和测量光谱RfC(λ)之间的均方差MSE：

S1032：遗传终止条件4-6：

遗传过程若满足MSE小于10^-3或40次迭代任意一个条件就终止遗传过程，即获得此时的膜层折射率及膜层平均厚度，若满足终止条件，即获得此时的膜层折射率4-9及膜层平均厚度4-10，若不满足，则继续进行遗传过程4-7，遗传过程4-7由遗传算法参数设置4-2的种群大小、迭代次数、精英数量、交叉比例参数来确定，并生成新种群4-8，再进行导纳矩阵光谱计算4-4，直至满足评价函数4-5要求的终止条件，并获得膜层折射率4-9及膜层平均厚度4-10。

本发明折射率、厚度分析2-5根据反射光谱建立柯西光学模型，利用遗传算法智能分析膜层折射率及厚度。对于在Low-E膜系中经常用到的SiN_x、SnO_x、TiO_x等透明介质膜层的光学常数中消光系数k＝0，折射率n随波长的色散关系可以用柯西(Cauchy)模型表示(如式1)，其中An体现了折射率的最小值，Bn、Cn体现了折射率随波长的变化情况，其值越大，折射率在短波方向增加的越明显。

(λ为波长，对于可见光范围取值380～780nm) (1)

根据平均膜面反射光谱3-1特点及柯西光学模型中各参数对折射率色散关系的影响进行厚度及柯西模型参数初始设置，从而形成初始值4-1，初始值是遗传算法搜寻最佳值的起点，对收敛的方向起到重要的影响。遗传算法有其固有的编程方式，通过初始值4-1为起点生成初始种群4-3，通过遗传算法4-2参数设置控制遗传过程4-7，参数包括：种群大小、遗传过程通过种群大小、迭代次数、精英数量、交叉比例设定，这些参数直接影响运算量及收敛速度。

本发明的平均膜面反射光谱特点主要是指反射光谱的最大值及最大值所处的峰位，参见图9，可以看出厚度越厚反射光谱最大值对应的波长越大；柯西光学模型各参数的影响体现在对折射率大小的影响，参见图8，可以看出系数越大，折射率越大；色散关系是指折射率随波长的变化关系。

遗传算法实质是一种迭代循环过程最终得到膜层折射率4-9，通过平均光谱获得的膜层平均厚度4-10最佳值。在图4遗传算法的分析循环过程中，初始种群4-3根据光学模型及导纳矩阵光谱计算4-4获得种群中个体的计算光谱，并与实际测量得到的平均膜面反射光谱3-1按照评价函数4-5进行比较排序，评价函数4-5以计算光谱RfJ(λ)和测量光谱RfC(λ)之间的均方差(MSE)为依据(如式2)，MSE越小结果精度越高。

遗传终止条件4-6是MSE的目标值，目标值是MSE小于10^-3，或者遗传迭代最大次数为40次，避免无效的循环计算，若满足终止条件4-6即获得此时的膜层折射率4-9、膜层平均厚度4-10，若不满足则继续进行遗传过程4-7，遗传过程由遗传算法4-2设置的种群大小、迭代次数、精英数量、交叉比例参数确定，并生成新种群4-8，开始新的一次循环直至满足评价函数4-5要求的终止条件4-6并获得膜层折射率4-9、膜层平均厚度4-10。

遗传算法是一种在最优组合搜索应用中高效搜索算法，但是只有根据具体的物理模型和实际产品状态进行遗传过程及初始参数设置，才能得到有意义的正确结果。本发明结合使用的柯西光学膜系及Low-E膜系中介质膜层的光学性能分析获得种群大小为35个个体、遗传迭代40次、精英数量为8个，交叉因素0.2为最高效的遗传条件。

本发明同样可以根据各点膜面反射光谱2-3循环利用折射率、厚度分析模块2-5，直接获得各点厚度及折射率，分析膜层厚度均匀性，但该过程运算次数多、效率低，不适合于生产实际对数据快速分析的需求，如有24个测量点，全部利用折射率、厚度分析模块2-5，将循环使用24次折射率、厚度分析模块2-5，每次运行折射率、厚度分析模块2-5是涉及到含有35个个体的种群、40次迭代的运算，总运算个体光谱的数量达到33600个(24测量点×35个个体×40次迭代)。由于在实际生产中同种膜层材料的折射率变化幅度极小，主要为沉积速率导致的厚度变化，因此本发明采用膜面平均反射光谱获得膜层折射率4-9能够反应膜层材料本质性能特点；另外均匀性主要体现为颜色的差异，颜色为一定厚度膜层干涉的结果，因此本发明依据膜层厚度与颜色的关系分析膜层均匀性，膜层平均厚度4-10作为均匀性分析模块2-6的一个依据。

S104：利用均匀性分析模块2-6进行均匀性分析：

参见图5，根据膜层折射率4-9及膜层平均厚度4-10获得厚度与颜色线性关系5-6，得到膜层厚度均匀性分布结果2-7。

具体包括：

S1041：设置膜层厚度范围5-1：

以膜层平均厚度4-10为中心设置膜层厚度范围5-1，根据实际生产对均匀性要求厚度范围为平均厚度的±5％，一般超过±2％均匀性即为不合格；即设置膜层厚度范围为膜层平均厚度的95％-105％。

S1042：设定厚度范围内各厚度5-2：

在膜层厚度范围5-1内，每隔0.5-1.5nm获得每个膜层的厚度，优选每隔1nm获得每个膜层的厚度；

S1043：导纳矩阵光谱计算4-4：

将设定厚度范围内各厚度5-2及膜层折射率利用导纳矩阵光谱计算4-4获得设定厚度范围内各膜层厚度对应膜面反射光谱5-3及设定厚度范围内各膜层厚度对应膜面反射颜色5-4；从而可知设定厚度颜色范围5-5，并获得厚度与颜色线性关系5-6；

S1044：获得膜层厚度均匀性分布结果2-7：

通过实测的膜面反射颜色范围3-3与设定厚度颜色范围5-5比较，若设定厚度颜色范围5-5≥膜面反射颜色范围3-3，将根据各点膜面反射颜色3-2及厚度与颜色插值运算获得各点膜面厚度值，并形成膜层厚度均匀性分布结果2-7。可以以绝对厚度值表示或者相当于平均厚度波动百分比表示。

在均匀性分析模块2-6中依据膜层平均厚度4-10为中心设置5-1膜层厚度范围，一般生产中需要将膜层厚度均匀控制在±5％，因此厚度范围设置为平均厚度上下偏离至少＞5％，以便获得全部分析厚度，同时每隔1nm形成设定厚度范围内各厚度5-2，将每个膜层厚度及膜层折射率4-9利用导纳矩阵光谱计算4-4获得设定厚度范围内各厚度对于膜面反射光谱5-3及设定厚度范围内各厚度对于膜面反射颜色5-4，从而可知设定厚度颜色范围5-5，由于膜面光谱及颜色是一定膜层厚度下干涉的结果，因此在不超过同一干涉周期时厚度和颜色存在对应关系，在厚度范围较小时可以认为是线性关系，因此可以根据生产实际进行设置膜层厚度范围5-1，获得较为合理的厚度与颜色线性关系5-6。在以上流程中若平均厚度为70nm，厚度范围可以设置为60～80nm，每个1nm，将计算21个光谱形成厚度与颜色线性关系5-6，综合折射率、厚度分析模块2-5，计算光谱个数仅为1421个(35个个体×40次迭代+21个设定反射内厚度光谱)，因此采用该方法可以极大提高数据分析效率。

下面通过一个具体的测试例对本发明做进一步的说明：

以SiN_x膜层为例，采用SiAl靶材镀膜SiN_x膜层，样品宽度2540mm，经过在线光谱测量装置2-2，每间隔100mm测试一位置处膜面反射光谱，共得到24个测试点的膜面反射光谱，将该SiN_x膜层的各点膜面反射光谱2-3传入光学性能分析模块2-4，得到平均膜面反射光谱3-1，各点膜面反射颜色3-2，颜色数据按照CIE1972规定方法分析，利用Lab颜色空间表示，(L*、a*、b*是表示颜色的三个值,Lab可理解为一种特定称谓)在不同的厚度范围，a*、b*对厚度的敏感程度不同，可以首先利用b*分析均匀性，图6为由SiN_x膜层的各点膜面反射光谱2-3分析获得的SiN_x膜层平均膜面反射光谱3-1，图7为SiN_x膜层的各点膜面反射颜色b*分布图，膜面反射颜色b*分布范围为5.51至9.25。

由获得的SiN_x平均膜面反射光谱3-1及膜面反射光谱特征(参见图8和图9)，设定初始值4-1，即可进行膜层折射率、厚度分析，本发明根据光线膜系及Low-E膜系膜层特点设置遗传过程种群大小为35个个体、遗传迭代40次、精英数量为8个，交叉因素0.2为最佳的遗传条件。

本发明根据实际生产控制要求设置MSE小于10^-3和迭代最大40次，除遗传控制过程参数外，初始值影响到收敛的方向，给定遗传算法的初始值与测量真值越接近，计算光谱结果越接近实际测量结果，精度越高，因此需要根据实际测量情况估算合理初始值。膜层的膜面反射光谱特征主要由光学厚度即折射率及厚度决定，如图8为Cauchy(柯西)模型得到不同折射率相同厚度薄膜的反射光谱，可以看出折射率越高反射率越高，A_n、B_n、C_n对反射率大小的影响作用依次减小；由于Low-E膜系中使用的介质层折射率均高于玻璃，因此反射率大于玻璃本身反射率，而反射光谱随厚度增加呈现出正弦曲线的变化形式。由于Low-E膜系光学性能需求，以及工艺及设备限制，介质层单层厚度一般不超过80nm，图9为氮化硅SiN_x膜层膜面反射光谱随厚度的变化情况，根据干涉原理，在同一干涉周期下随着厚度增加干涉产生的反射率最大位置向长波方向移动。因此可利用图9所示特征，通过调整玻璃运动速度，可以估计薄膜在50～80nm范围内的厚度大小，同时利用图8所示特征根据反射率大小可以合理设定Cauchy各系数大小。

结合图6SiNx膜层平均膜面反射光谱最大值波长点及大小，设定初始厚度70nm，柯西模型参数初值为An＝2.0、Bn＝0.001，C_n＝0.0001，通过折射率、厚度分析模块2-5，获得膜层平均厚度78.32nm，A_n＝1.99609，B_n＝0.00026757，C_n＝0.00110583，由此柯西系数确定SiN_x膜层折射率如图10所示。

根据SiNx膜层膜面反射颜色3-3b*分布范围为5.51至9.25，以及平均厚度78.32nm，设置膜层厚度范围5-1为75-85nm，每1nm形成设置厚度范围5-2内各厚度，共11个厚度点，根据图10分析获得的膜层折射率，利用导纳矩阵光谱计算4-4，按照均匀性分析模块2-6获得在此厚度范围内厚度颜色线性关系5-6，如图11所示。

由图11可以看出SiN_x膜层设定厚度颜色范围5-5为4.36至10.39，大于膜面反射颜色3-3b*分布范围为5.51至9.25，可以对SiN_x膜层各点膜面反射颜色3-2b*依据厚度与颜色线性关系5-6进行插值运算，得到SiN_x膜层膜层厚度均匀性分布结果2-7，如图12所示为各点厚度值分布，图13为各点厚度相对平均值的偏离百分比。

由图13可以看出在第9、10、11、24数据点位置，膜层均匀性超过了±2％的控制目标，需要通过工艺气氛调整沉积速率或调整阴极磁场分布改善溅射均匀性。

在设定厚度颜色范围5-5时需要根据生产膜层的实际状况，如图14为SiNx膜层1～85nm范围内与颜色b*关系，可以看出在此厚度范围内不能近似为线性关系，由于干涉原因变化趋势在厚度30nm左右发生转变，而且30nm附件b*随厚度变化不够敏感，而且为了折射率、厚度分析的准确性，一般通过玻璃运动速度的调整将薄膜厚度控制在50～80nm范围内，而且只有在具有一定厚度的条件下才能更好的体现膜层的均匀性。

综上所述，本发明利用在线光谱测量系统快速检测介质膜层样品各点膜面反射光谱，在此基础上采用遗传算法基于柯西光学模型分析Low-E膜系中透明介质膜层的折射率及平均厚度，再结合各点颜色分布分析膜层均匀性，能够满足实际生产对均匀性准确、快速的分析需求；遗传算法中遗传过程参数存在合理范围，本发明设定种群大小为35个个体、遗传迭代40次、精英数量为8个，交叉因素0.2为最高效的遗传条件；根据实际生产的膜层膜面反射光谱特征估算膜层厚度及柯西模型系数，设立合理的初始值，将使结果更准确。根据Low-E膜系介质膜层生产特点及颜色表现，将样品厚度50～80nm范围内，利用膜面b*数据更有助于分析膜层厚度均匀性。

本发明能够同时获得膜层折射率及膜层平均厚度，不受膜层种类影响，具有通用性能，根据平均厚度及颜色分布可以明确膜层厚度范围，避免由于干涉周期变化导致的分析失误。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种透明介质膜层均匀性在线测量方法，其特征在于，包括：

S101：获得各点膜面反射光谱：

将镀制透明介质膜层的被测镀膜样品利用在线光谱测量装置测量各点预定波长范围的膜面反射光谱，得到各点膜面反射光谱数据；

S102：对各点膜面反射光谱进行光学性能分析：

对各点膜面反射光谱进行光学性能分析，计算得到平均膜面反射光谱和各点膜面反射颜色，根据各点膜面反射颜色得到膜面反射颜色范围；

S103：获得膜层折射率及膜层平均厚度：

根据平均膜面反射光谱建立柯西光学模型，利用遗传算法得到膜层折射率，通过平均膜面反射光谱获得膜层平均厚度；

S104：进行均匀性分析：

根据膜层折射率和膜层平均厚度获得在50～80nm范围内的厚度与颜色线性关系，得到膜层厚度均匀性分布结果；

所述步骤S104包括：

S1041：设置膜层厚度范围：

以膜层平均厚度为中心设置膜层厚度范围；

S1042：设定厚度范围内各厚度：

在膜层厚度范围内，每隔0.5-1.5nm获得每个膜层的厚度；

S1043：导纳矩阵光谱计算：

将设定厚度范围内各膜层厚度及膜层折射率利用导纳矩阵光谱计算获得设定厚度范围内各厚度对应膜面反射光谱及设定厚度范围内各厚度对应膜面反射颜色；从而可知设定厚度颜色范围，并获得厚度与颜色线性关系；

S1044：获得膜层厚度均匀性分布结果：

通过实测的膜面反射颜色范围与设定厚度颜色范围比较，若设定厚度颜色范围≥膜面反射颜色范围，将根据各点膜面反射颜色及厚度与颜色线性关系插值运算，获得各点膜面厚度值，并形成膜层厚度均匀性分布结果。

2.根据权利要求1所述的一种透明介质膜层均匀性在线测量方法，其特征在于，所述步骤S103包括：

S1031：获取初始值：

根据平均膜面反射光谱特点及柯西模型中各参数对折射率色散关系的影响进行厚度及柯西模型参数初始设置，形成初始值；

S1032：生成初始种群：

利用遗传算法，通过初始值为起点生成初始种群；

S1033：导纳矩阵光谱计算：

初始种群根据光学模型及导纳矩阵光谱计算方法获得种群中个体的计算光谱，并与实际测量得到的平均膜面反射光谱按照评价函数进行比较排序；所述评价函数为计算光谱RfJ(λ)和测量光谱RfC(λ)之间的均方差MSE：

S1034：遗传终止条件：遗传过程若满足MSE小于10^-3或40次迭代，就终止遗传过程，即获得此时的膜层折射率及膜层平均厚度，若不满足，则继续进行遗传过程，遗传过程由遗传算法参数设置的种群大小、迭代次数、精英数量、交叉比例参数来确定，并生成新种群，再进行导纳矩阵光谱计算，直至满足评价函数要求的终止条件，并获得膜层折射率及膜层平均厚度。

3.根据权利要求1所述的一种透明介质膜层均匀性在线测量方法，其特征在于，所述步骤S1041中，设置膜层厚度范围为膜层平均厚度的95％-105％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种透明介质膜层均匀性在线测量方法，其特征在于，所述预定波长范围为380～780nm。

5.一种透明介质膜层均匀性在线测量装置，其特征在于，包括：

在线光谱测量装置，所述在线光谱测量装置包括支架，所述支架上设有导轨，所述导轨上设有测量探头，所述导轨一侧的支架上设有第一位置传感器，另一侧的支架上设有第二位置传感器，当第一位置传感器和第二位置传感器同时检测到被测镀膜样品时，所述测量探头在被测镀膜样品上方沿导轨步进运动逐点扫描测试，用于测试被测镀膜样品的各点膜面反射光谱；

光学性能分析模块：用于对各点膜面反射光谱进行光学性能分析，计算得到平均膜面反射光谱和各点膜面反射颜色，根据各点膜面反射颜色得到膜面反射颜色范围；

折射率、厚度分析模块：用于根据平均膜面反射光谱建立柯西光学模型，利用遗传算法得到膜层折射率，通过平均膜面反射光谱获得膜层平均厚度；

均匀性分析模块：用于对膜面进行均匀性分析，根据膜层折射率和膜层平均厚度获得在50～80nm范围内的厚度与颜色线性关系，得到膜层厚度均匀性分布结果。