CN106199952B - 一种减少观察角度变化产生色差的膜系设计及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种减少观察角度变化产生色差的膜系设计及制备方法，其设计方法包括以下步骤:1)根据产品性能综合要求及生产条件建立膜系厚度合理设计范围；2)根据产品性能进行膜层初始设置，形成初始值，建立导纳矩阵光学模型；3)利用遗传算法分析膜系在不同观察角条件下玻面反射光谱及颜色，获得角度变化时色差最小的膜系结构。本发明避免反复的产品调试、性能测试过程，能够快速获得设计结果，优化产品性能，减少产品设计开发成本，缩短了产品开发周期。

Description

一种减少观察角度变化产生色差的膜系设计及制备方法
技术领域
本发明涉及一种膜系设计及制备方法，特别是涉及一种减少观察角度变化产生色差的膜系设计及制备方法。
背景技术
改善材料的光学性能是对材料表面进行镀膜的主要目的之一，离线低辐射Low-E镀膜玻璃就是利用磁控溅射镀膜方法在玻璃表面镀制多层薄膜，使建筑浮法玻璃具有低辐射、遮阳并满足建筑外观色彩设计要求，并由辐射率、可见光透过率、太阳光透过率、颜色等指标对其光学性能进行评价，这些光学性能是膜系各膜层干涉的结果，直接体现为产品的透射、反射光谱数据，由光谱数据再根据各性能分析标准方法得到相应的性能结果。
由于各膜层干涉结果是由膜层光学厚度决定，与0度观察角观察相比，其他观察角条件下相当于膜层的光学厚度增加，因此不可避免带来干涉结果变化，表现出随观察角度变化观察者获得的颜色不同，另外对于大面积镀膜产品，由于工艺条件的局限性各膜层的厚度在大面积内存在波动，当观察角变大时，膜层厚度的波动也被放大，因此在大角度下观察时就会加剧颜色均匀性问题。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种新型的减少观察角度变化产生色差的膜系设计及制备方法，所要解决的技术问题是使其避免反复的产品调试、性能测试过程，能够快速获得设计结果，优化产品性能，减少产品设计开发成本，缩短产品开发周期，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，包括以下步骤:
1)根据产品性能综合要求及生产条件建立膜系厚度合理设计范围；
2)根据产品性能进行膜层初始设置，形成初始值，建立导纳矩阵光学模型；
3)利用遗传算法分析膜系在不同观察角条件下玻面反射光谱及颜色，获得角度变化时色差最小的膜系结构。
优选的，前述的减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，其中所述的反射光谱为380-780nm波长范围光谱数据决定的。
优选的，前述的减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，其中所述的产品性能包括颜色、辐射率、可见光透过率、太阳光透过率、耐酸碱、抗划伤和抗氧化能要求。
优选的，前述的减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，其中所述的步骤3)包括：
利用遗传算法，通过初始值为搜索起点生成初始种群；
根据导纳矩阵光谱计算方法，得到反射光谱和颜色数值，并由色差分析函数比较不同观察角时色差数值ΔE：
若满足ΔE＜1或迭代≥50次任一条件，就终止遗传过程，即获得角度色差最小膜系结构；
若ΔE≥1且迭代＜50次，则继续进行遗传过程。
优选的，前述的减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，其中所述的遗传算法的参数包括种群大小、迭代次数、精英数量和交叉比例。
优选的，前述的减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，其中所述的遗传算法的参数设置为：
种群中个体数量为30-50个；
迭代次数为25-50次；
精英数量不小于3个，且不大于种群大小的一半；
交叉比例为0.2-0.8。
优选的，前述的减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，其中所述的遗传算法的参数设置为：
种群中个体数量为35个；
迭代次数为40次；
精英数量不小于5个；
交叉比例为0.3。
优选的，前述的减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，其中所述的不同观察角时色差数值ΔE的色差分析函数为：
其中，所述L* 0、a* 0、b* 0为0度观察角时的颜色数值，L* 45、a* 45、b* 45为45°观察角时颜色数值，L* 60、a* 60、b* 60为60°观察角时颜色数值。
依据本发明提出的一种减少观察角度变化产生色差的膜系的制备方法，是根据权利要求1-8任一项所述的设计方法通过磁控溅射镀膜方法制备。
优选的，前述的减少观察角度变化产生色差的膜系的制备方法，其中所述膜系层数大于1。
借由上述技术方案，本发明一种减少观察角度变化产生色差的膜系设计及制备方法至少具有下列优点：避免反复的产品调试、性能测试过程，能够快速获得设计结果，优化产品性能，减少产品设计开发成本，缩短产品开发周期。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明减少观察角度变化产生色差的膜系设计分析流程。
图2是本发明实施例1最外层SiNx厚度20-30nm范围45°、60°与0°观察角色差。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种减少观察角度变化产生色差的膜系设计及制备方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本发明的一个实施例提出的一种减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，包括以下步骤:
1)根据产品性能综合要求及生产条件建立膜系厚度合理设计范围；
2)根据产品性能进行膜层初始设置，形成初始值，建立导纳矩阵光学模型；
3)利用遗传算法分析膜系在不同观察角条件下玻面反射光谱及颜色，获得角度变化时色差最小的膜系结构。
本发明的膜系设计分析流程如图1所示，对于大面积磁控溅射镀膜过程，基片是依次经过相应靶材镀制相应薄膜，因此能够镀制的产品膜系类型主要受生产线配置影响，由生产线配置的靶位靶材顺序决定膜层顺序，膜层光学常数数据是镀制的相应膜层的基本物理性能，光学常数包括折射率和消光系数，折射率和膜层厚度的乘积即为该膜层的光学厚度；对于实际产品除颜色指标外还包括其它多项性能，如离线低辐射Low-E镀膜玻璃、辐射率、可见光透过率、太阳光透过率、耐酸碱、抗划伤、抗氧化能要求，因此需要综合各项指标对各膜层厚度确定产品性能约束条件，如按《GB/T18915.2-2002镀膜玻璃：低辐射镀膜玻璃》要求离线低辐射镀膜玻璃辐射率应该小于0.15，为保证这一要求，在生产控制中需要将低辐射功能层Ag膜层厚度控制在10nm以上。因此根据综合各性能需求进行膜层厚度初始设置，在明确膜层顺序、膜层光学常数，完成膜层厚度初始设置条件下即初步确定了膜系结构，并建立膜系导纳矩阵模型，如离线低辐射Low-E镀膜玻璃建立膜系导纳矩阵模型，将玻璃基片和各薄膜的膜层顺序、膜层光学常数，膜层厚度初始设置的转化为特征矩阵，通过玻璃和各薄膜的组合特征矩阵计算膜系的透过率和反射率光谱数据。对于包含m层薄膜的情况，整个膜系的组合特征矩阵为各层薄膜和玻璃的特征矩阵的乘积：
其中ηj＝Nj/cosθj(对p偏振)，ηj＝Njcosθj(对s偏振)为各薄膜的有效导纳，ηm+1为玻璃的有效导纳，θj为入射角，Nj为第j层膜的折射率，dj为第j层膜厚度，λ为光谱的波长点，薄膜和玻璃基片的组合导纳为：
Y＝C/B (2)
波长λ反射率为：
本发明主要涉及角度变化时的观察颜色，颜色结果仅由380-780nm波长范围光谱数据决定，因此本发明按照步长5nm依次分析380-780nm波长λ范围反射率光谱数据。对于离线低辐射镀膜玻璃安装使用后一般观察角均大于0°观察角，而且由于离线低辐射镀膜玻璃使用特点一般玻璃面为室外被观察表面，因此不同角度反射光谱可以分别计算入射角为0°和45°或0°和60°两个不同角度的光谱，将各光谱数据按照国际照明委员会(CIE，Commission Internationale de L'Eclairage)制定的CIE 1976L*a*b*颜色空间的规范方法分析获得相应的不同角度反射颜色数据L*、a*、b*。评价函数即为0°和45°或0°和60°两个不同角度之间的色差分析函数，如式(4)为0°和45°两个角度之间的色差分析函数，(5)为0°和60°两个角度之间的色差分析函数，L* 0、a* 0、b* 0为0°观察角时的颜色数值，L* 45、a* 45、b* 45为45°观察角时颜色数值，L* 60、a* 60、b* 60为60°观察角时颜色数值。
本发明采用的遗传算法实质是一种迭代循环过程，若循环过程满足遗传终止条件，即得到角度色差最小膜系结构，若不满足遗传终止条件，则继续进行遗传过程，遗传过程由遗传过程控制参数设置种群大小、迭代次数、精英数量、交叉比例参数来确定，并生成膜系厚度新种群，遗传过程的种群中每个个体即为一组膜系的厚度组合，新种群中各膜层厚度的范围受产品性能约束条件限制；生成的膜系厚度新种群再进行上述膜系结构、膜系导纳矩阵模型、不同角度反射光谱、不同角度反射颜色数据、评价函数、遗传终止条件过程，直至满足遗传终止条件过程要求的终止条件，并获得此时的角度色差最小膜系结构。
本发明设定要求的终止条件为满足ΔE小于1或50次迭代的任意一个条件就终止遗传过程，此时即获得角度色差最小膜系结构。遗传算法有其固有的编程方式，通过膜层厚度初始设置的初始值生产初始种群，通过遗传算法参数设置控制遗传过程，遗传算法参数包括：种群大小、迭代次数、精英数量、交叉比例，本发明通过运算量及收敛速度分析遗传算法参数设置范围为：种群大小即种群中个体数量不大于50个、不小于30个；迭代次数不大于50次、不小于25次(该条件即为遗传终止条件之一)；精英数量不大于种群大小的一半、不小于3个；交叉比例不大于0.8、不小于0.2。本发明优选遗传算法参数为种群大小为35个个体、遗传迭代40次、精英数量为5个，交叉比例0.3。
实施例1
本发明的一个实施例提出的一种减少观察角度变化产生色差的膜系设计及制备方法，以磁控溅射镀制大面积双银离线低辐射镀膜玻璃为例，表1为生产线配置的靶位、靶材配置，及其决定的膜层顺序，基片为建筑用浮法玻璃厚度5.86mm；利用磁控溅射镀制低辐射镀膜玻璃的膜层时，利用Si:Al、Zn:Al、Zn:Sn合金靶材反应溅射生成相应的膜层SiNx、ZnOx、ZnSnOx，利用金属靶材溅射沉积相应的膜层Ag、NiCr。
表1生产线双银配置靶位靶材及相应膜层顺序
顺序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
靶材 Si:Al Zn:Al Ag NiCr Zn:Sn Zn:Al Ag NiCr Zn:Sn Si:Al
膜层 SiN<sub>x</sub> ZnAlO<sub>x</sub> Ag NiCr ZnSnO<sub>x</sub> ZnAlO<sub>x</sub> Ag NiCr ZnSnO<sub>x</sub> SiNx
表1中各膜层有其相应的膜层光学常数数据，光学常数数据可通过椭偏测试分析或材料性能手册中查询得到；由产品性能约束条件确定膜层厚度初始设置，如表2所示。
表2双银膜层厚度初始设置(厚度：nm)
产品性能约束条件主要包括可见光透过率、太阳光透过率、色调、抗划伤、抗氧化性能，可见光是太阳光谱范围的一部分，而对于性能优异的低辐射镀膜玻璃要求可见光透过率高、太阳光透过率低，这一性能主要由Ag薄膜的厚度决定；NiCr薄膜在膜系中起到抗氧化、提高附着力的作用，对于可钢化产品的开发膜层要经过高温钢化过程，对NiCr的临界厚度有明确要求，最外层NiCr厚度至少大于1nm，但由于其金属对光的吸收作用，NiCr膜层厚度越厚透过率就越低；SiNx、ZnOx、ZnSnOx膜层厚度影响到产品的颜色，而对于最外层SiNx膜层对膜系抗划伤性能起到决定性作用，一般要求其厚度在20nm以上；另外各膜层的最大厚度受到生产效率要求的约束，由于设备靶位数量固定，溅射功率存在上限，生产效率要求越高，玻璃在靶材下运动速度越快，在最大功率下相应的薄膜最大厚度就越薄。表2膜系中个膜层厚度为针对可见光透过率大于60％，太阳光透过率小于40％，产品玻面颜色蓝灰色调，玻璃基片运动速度2.5m/min条件下进行的初步设计结果，最外层SiNx膜层在20-30nm范围满足抗划伤、生产效率、蓝灰色调的设计要求。
由薄膜的膜层顺序、膜层光学常数，膜层厚度初始设置就构成了膜系结构的数据输入，按照式(1)将膜系的物理性能特征转化建立膜系导纳矩阵模型，通过玻璃和各薄膜的组合特征矩阵计算膜系的反射率光谱数据。本发明主要分析角度变化时的观察颜色，颜色结果仅由380-780nm波长λ范围光谱数据决定，因此本发明按照步长5nm依次分析380-780nm波长λ范围反射率光谱数据。可以分别计算θj为入射角为0°和45°或0°和60°两个不同角度的反射光谱，本案例计算分析0°和45°两个不同角度的光谱数据，将光谱数据按照国际照明委员会(CIE，Commission Internationale de L'Eclairage)制定的CIE 1976L*a*b*颜色空间的规范方法分析获得相应的不同角度反射颜色数据L*、a*、b*。由于本案例以0°和45°两个不同角度的光谱、颜色数据进行说明，所以评价函数为式(4)，即0°和45°两个角度之间的色差分析函数。根据评价函数结果若循环过程满足遗传终止条件，即得到角度色差最小膜系结构，若不满足遗传终止条件，则进行遗传过程，本案例遗传终止条件为满足ΔE小于1或50次迭代的任意一个条件就终止遗传过程。
遗传过程由遗传过程控制参数设置种群大小、迭代次数、精英数量、交叉比例参数来确定，并生成膜系厚度新种群，本案例遗传算法参数为种群大小为35个个体、遗传迭代40次、精英数量为5个，交叉比例0.3。遗传过程的种群中每个个体即为一组膜系的厚度组合，各膜层厚度的搜索范围受产品性能约束条件限制，本案例最外层SiNx厚度约束范围20～30nm；生成的膜系厚度新种群再进行上述过程，直至满足要求的终止条件，并获得此时的角度色差最小膜系结构。因此在表1、表2所示的生产线配置靶位靶材、相应膜层顺序、膜层厚度初始设置条件下，通过遗传过程，满足要求的终止条件时，角度色差最小膜系结构如表3所示。
表3角度色差最小双银膜系结构(厚度：nm)
根据表2膜层厚度初始设置和最外层SiNx厚度范围20-30nm的产品性能约束条件限制，本案例选取最外层SiNx厚度为25nm的膜系结构，与表3分析获得的角度色差最小膜系结构进行性能对比。表4为对比分析膜系结构，其中A(最佳)、B(对比)膜系分别为分析获得的角度色差最小膜系结构和最外层SiNx厚度为25nm的膜系结构。
表4对比分析膜系结构(厚度：nm)
表5为A(最佳)、B(对比)膜系0°、45°、60°观察角下玻面颜色结果及45°、60°与0°观察角间的色差，表6为A(最佳)、B(对比)膜系可见光透过、反射率及太阳光直接透过、反射率结果，从表5中可以看出本发明案例分析获得的A(最佳)膜系产品玻面颜色蓝灰色调，最外层SiNx厚度满足产品性能约束条件限制要求，与B(对比)膜系相比在对可见光、太阳光光谱范围方面具有相似的光学性能，但A(最佳)膜系产品在大观察角下具有更小的色差变化，其45°与0°之间玻面颜色之间色差△E为2.0CIELAB，满足《GB/T 18915.2-2002镀膜玻璃：低辐射镀膜玻璃》标准要求产品玻面色差△E不应大于2.5CIELAB的要求。
表5A(最佳)、B(对比)不同观察角下玻面颜色结果及之间的色差
表6A(最佳)、B(对比)可见光透过率、反射率及太阳光直接透过率
为说明本案例的正确性，按照最外层SiNx厚度20-30nm每1nm构成膜系结构，分别计算分析最外层SiNx厚度20-30nm范围内各膜系对应45°、60°与0°观察角色差，图2所示为分析结果。可以看出最外层厚度变化到27nm附近45°、60°与0°观察角色差最小，说明采用本发明方法能够智能、快速获得正确结果，采用45°、0°间观察角色差与60°、0°间观察角色差分析对于获得最佳膜系结构具有一致性。
实施例2
本发明的一个实施例提出的一种减少观察角度变化产生色差的膜系设计及制备方法，以磁控溅射镀制大面积单银离线低辐射镀膜玻璃为例，利用本发明提出的减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，对膜系性能进行优化设计，为表7为一种透过率大于50％蓝灰色系单银镀膜玻璃生产线配置的靶位、靶材配置及膜系结构初始设计。表8为该初始设计单银膜系性能结果。
表7生产线单银配置靶位、靶材及膜系初始设计(厚度：nm)
表8初始设计单银膜系性能
针对该单银膜系辐射率、遮阳性能及抗氧化性能要求，不改变初始设计Ag及NiCr膜层厚度,根据膜系抗划伤性能要求最外层SiNx膜层厚度设计限制最小值为25nm，根据膜系附着力要求最内侧SiNx膜层厚度设计限制最小值为15nm，根据生产线最大生产能力最外层SiNx膜层厚度设计限制最大值为40nm、最内侧SiNx膜层厚度设计限制最大值为25nm，表9为本发明对该单银产品进行减少观察角度变化产生色差优化设计时厚度及其范围初始设置。
表9生产线单银配置靶位、靶材及膜系初始设置(厚度：nm)
在表9所示的初始设置条件下，按照图1所示流程进行减少观察角度变化产生色差优化设计，表10为在表9所示的初始设置条件下的优化设计结果，表11为对应的膜系性能结果，可以看出与初始设计相比，该优化设计45°与0°观察角直接的色差由1.6减少为1.33；同时也可以看出优化结果的最内侧SiNx膜层厚度已达到厚度设置的最大值，若将最内侧SiNx膜层厚度限制最大值设置为35nm，再按照图1所示流程进行减少观察角度变化产生色差优化设计，表12为最内侧SiNx膜层厚度限制最大值设置为35nm条件下的优化设计结果，表13为对应的膜系性能结果，可以看出该优化设计45°与0°观察角之间的色差减少为0.70，该设计的观察角变化产生的色差得到了大幅度降低，但受到最内侧SiNx膜层最大生产能力的限制。
表10单银膜系减少观察角度变化产生色差优化设计结果一(厚度：nm)
表11单银膜系优化设计结果一性能
表12单银膜系减少观察角度变化产生色差优化设计结果二(厚度：nm)
表13单银膜系优化设计结果二性能
通过以上案例说明本发明能够综合产品性能要求及生产条件进行减少观察角度变化产生色差的膜系设计，避免反复的产品调试、性能测试过程，能够快速获得设计结果，优化产品性能，减少产品设计开发成本，缩短产品开发周期。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，其特征在于：包括以下步骤:
1)根据产品性能综合要求及生产条件建立膜系厚度合理设计范围；
2)根据产品性能进行膜层初始设置，形成初始值，建立导纳矩阵光学模型；
3)利用遗传算法分析膜系在不同观察角条件下玻面反射光谱及颜色，获得角度变化时色差最小的膜系结构，其包括：
利用遗传算法，通过初始值为搜索起点生成初始种群；
根据导纳矩阵光谱计算方法，得到反射光谱和颜色数据，并由色差分析函数比较不同观察角时色差数值ΔE；
若满足ΔE＜1或迭代≥50次任一条件，就终止遗传过程，即获得角度色差最小膜系结构；
若ΔE≥1且迭代＜50次，则继续进行遗传过程。
2.根据权利要求1所述的减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，其特征在于，所述的反射光谱为380-780nm波长范围光谱数据决定的。
3.根据权利要求1所述的减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，其特征在于，所述的产品性能包括颜色、辐射率、可见光透过率、太阳光透过率、耐酸碱、抗划伤和抗氧化要求。
4.根据权利要求1所述的减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，其特征在于，所述的遗传算法的参数包括种群大小、迭代次数、精英数量和交叉比例。
5.根据权利要求4所述的减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，其特征在于，所述的遗传算法的参数设置为：
种群中个体数量为30-50个；
迭代次数为25-50次；
精英数量不小于3个，且不大于种群大小的一半；
交叉比例为0.2-0.8。
6.根据权利要求5所述的减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，其特征在于，所述的遗传算法的参数设置为：
种群中个体数量为35个；
迭代次数为40次；
精英数量不小于5个；
交叉比例为0.3。
7.根据权利要求1所述的减少观察角度变化产生色差的膜系设计方法，其特征在于，所述的不同观察角时色差数值ΔE的色差分析函数为：
其中，所述L* 0、a* 0、b* 0为0度观察角时的颜色数值，L* 45、a* 45、b* 45为45°观察角时颜色数值，L* 60、a* 60、b* 60为60°观察角时颜色数值。
8.一种减少观察角度变化产生色差的膜系的制备方法，是根据权利要求1-7任一项所述的设计方法通过磁控溅射镀膜方法制备。
9.根据权利要求8所述的减少观察角度变化产生色差的膜系的制备方法，其特征在于，所述膜系层数大于1。
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