CN117109643B - 应用透射式角度传感器件的测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及角度传感技术领域，具体提供一种应用透射式角度传感器件的测试方法及系统，包括：获取多层薄膜结构中所使用的材料在目标波长范围内的折射率数值；利用传输矩阵建立多层薄膜结构透射率的理论计算方法；建立入射光角度与电荷耦合器件探测结果的对应关系；确定结构参数的总自由度，确定入射光角度形成的自由度组合参数；在结构参数资源库中进行科学评估，实现可区分和大角度探测范围以及高角度分辨精度的结构参数。本发明提出的测试方法，具有易集成、易加工和宽波长下工作，可以实现大角度探测范围，高角度分辨率精度的特性。
Description
技术领域
本发明涉及角度传感技术领域，具体提供一种应用透射式角度传感器件的测试方法及系统。
背景技术
光场具有波长、强度、偏振、相位等多个维度的信息，在实际应用中，光场的角度信息在波前传感器、腹腔镜手术以及自动驾驶等多个领域有着重要的作用。传统的角度传感装置（如光场相机）具有多维光场信息获取的能力，可以将不同入射角下的光重聚焦进而获得不同位置处的图像信息。现有技术中一般将光学元件与光探测像素进行结合实现光束入射角的测量，随着科技的发展以及成像系统的缩放趋势，对传统光学元件提出了更高的要求。而光场成像设备的缺点在于体积大、成本高难以满足当下体积小型化，集成化的目标要求。
同时由于传统光学元件（如透镜）随着尺寸的减少，导致衍射增强和精度下降使得它们不能无限制的小型化。但是应用超构表面却可以满足小型化、集成化的需求，随着纳米加工技术的快速发展，利用超构表面实现角度信息探测其具有一定的发展优势。
超构表面在众多领域具有出众的光学调控能力，超材料中的超表面，其光学响应不依赖于自然界中材料本身的光学参数（如：介电常数，磁导率等），而是通过在亚波长尺度下设计微结构来设计光学响应。光子晶体通过利用本身局域的谐振或非谐振模式来调控光场的相关参量，进而调控光场的整体性质。将超构表面应用于角度传感领域可以极大的缩小整体结构的体积，有利于小型化和集成化。例如，基于两根平行靠近的双硅纳米线结构的角度传感，由于双硅纳米线对不同角度下入射电磁波的不同耦合强度，通过测量双硅纳米线内不同能量，实现对电磁波入射角度的传感，但是其角度分辨率不够高，不能测量完整方位角，现有技术仅展示了在单波长下进行工作。基于介质层内的倾斜金属光栅结构可用于角度传感，利用布儒斯特角效应的原理实现了P极化光特定角度照射下的无反射全透射和无反射全吸收的特定入射角度的角度传感，但仅能针对特定的角度实现这一特性，同时缺乏一个大的角度探测范围和高的角度分辨率。基于CMOS像素化超表面结构，通过计算四象限内不同的入射能量比来实现角度传感，但是存在着探测角度范围小，探测精度低的特点，同时受到加工精度、加工难度、加工时间、加工面积、加工成本等多方面的限制，这些限制阻碍了角度传感在场景感知和目标识别等方面的进一步应用。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种应用透射式角度传感器件的测试方法及系统。
本发明提供的内容具体包括：一种应用透射式角度传感器件的测试方法，测试方法包括：
利用椭偏仪测量材料获取在目标波长范围内的折射率数值；
利用传输矩阵建立多层薄膜结构的结构参数以及材料折射率参数计算结构透射率的理论计算模型，以及确入射光角度的情况下，建立多层薄膜结构的结构透射率的理论计算方法；
根据理论计算方法建立多个入射光角度与电荷耦合器件的探测结果的对应关系；
根据入射光角度与电荷耦合器件的探测结果的对应关系确定结构参数的总自由度，设定预设入射光角度的目标入射角度和预期的目标光谱特性，确定每个入射光角度形成的结构参数的自由度组合参数；
根据预设的入射光角度，在目标入射角度下的预期的目标光谱特性，由结构参数的自由度组合参数经集合产生结构参数资源库，在结构参数资源库中进行结构制备难度以及结构稳定性的科学评估，选取满足科学评估中预设条件的结构制备难度以及结构稳定性实现可区分和大角度探测范围以及高角度分辨精度的结构参数。
优选的，在通过传输矩阵法建立相关多层薄膜结构的结构参数的理论计算模型中，测试方法包括：
结构参数至少包括结构材料分布、厚度分布、基底的材料、入射光偏振态；
利用磁控溅射方法制备不同厚度的多层薄膜依预设的堆叠顺序在主成分为熔融石英的基底上形成多层薄膜结构，其中多层薄膜结构的上限为13层，单层厚度上限为250纳米，多层薄膜结构的介质材料至少包括二氧化硅和二氧化钛，工作波段为400-800纳米。
优选的，测试方法包括：
计算并选取结构参数中的结构材料分布、厚度分布、基底的材料和入射光偏振态的在其中至少一变因通过不同入射光角度下形成的透射光谱；
将透射光谱分别与人眼的三色敏感曲线进行重叠积分计算所对应的XYZ颜色空间的XYZ颜色数值；
将XYZ颜色数值转化为RGB颜色空间所对应的RGB颜色数值；
利用电荷耦合器件接收不同入射光角度入射样品之后的出射光，通过电荷耦合器件，读取接收面上关联于像素的RGB颜色数值；
将入射光角度与实验探测的RGB颜色数值结果进行对应，确定了入射光角度与电荷耦合器件上实验探测数值结果进行一一对应的理论计算方法。
优选的，测试方法包括：
采用所述传输矩阵法结合全局优化算法对多层薄膜结构的结构参数的阻抗、层数、厚度进行进一步优化总自由度，令预设的不同入射光角度之间探测结果的差异最大化，提取在不同加工难度的条件下能够实现特定目标的结构参数；
根据特定目标的结构参数的自由度组合参数集合产生结构参数资源库建立结构库。
优选的，测试方法包括：
利用全局优化算法对多层薄膜结构的结构参数进行优化，实现目标入射光角度在多层薄膜结构的平面0°- 180°或多层薄膜结构的平面法向量的正负90o的大入射角度探测范围；
通过全局优化算法优化薄膜堆叠的材料分布顺序和厚度，在可探测多层薄膜结构的平面0°- 180°或多层薄膜结构的平面法向量的正负90o的大入射角度之内，设定高角度分辨精度达0.01°为角度传感的间隔；
对间隔相邻数值的两个入射光角度对应的电荷耦合器件上理论的探测结果差值进行求和，设定求和后的探测结果差值作为优化算法的目标函数，其中目标函数为：
；
其中，color为对应光入射角度下所述电荷耦合器件上的理论RGB颜色探测结果，n为结构中各层材料参数分布，d为结构各层厚度的数值分布，λ为应用可探测的入射光角度的波段范围。、/>、/>、/>……为需要实现角度传感对应的角度。
本发明提供的，具体还包括：一种应用透射式角度传感器件的测试系统，适用于一种应用透射式角度传感器件的测试方法，测试系统包括：
光源，包括处理器；
多层薄膜结构，通过椭偏仪在目标波长范围内的测量得到多层薄膜结构的材料光学参数；
处理器通过传输矩阵法建立相关多层薄膜结构的结构参数和材料折射率参数的结构透射率的理论计算模型，以及确定入射光角度的情况下，建立多层薄膜结构的结构透射率的理论计算方法；
电荷耦合器件，处理器根据理论计算方法建立多个入射光角度与电荷耦合器件的探测结果的对应关系；
处理器根据入射光角度与电荷耦合器件的探测结果的对应关系确定结构参数的总自由度，设定预设入射光角度的目标入射角度和预期的目标光谱特性，确定每个入射光角度形成的结构参数的自由度组合参数；
处理器根据预设入射光角度，在目标入射角度下的预期的目标光谱特性，根据结构参数的自由度组合参数经集合产生结构参数资源库，在结构参数资源库中进行结构制备难度以及结构稳定性的科学评估，选取满足科学评估中预设条件的结构制备难度以及结构稳定性实现可区分和大角度探测范围以及高角度分辨精度的结构参数。
优选的，测试系统还包括：
基底，利用磁控溅射方法制备不同厚度的多层薄膜依预设的堆叠顺序在主成分为熔融石英的基底上形成多层薄膜结构，其中多层薄膜结构的上限为13层，单层厚度上限为250纳米，多层薄膜结构的介质材料至少包括二氧化硅和二氧化钛，工作波段为400-800纳米
其中，结构参数至少包括结构材料分布、厚度分布、基底的材料、入射光偏振态。
优选的，处理器计算并选取结构参数中的结构材料分布、厚度分布、基底的材料和入射光偏振态的在其中至少一变因通过不同入射光角度下形成的透射光谱；
处理器将透射光谱分别与人眼的三色敏感曲线进行重叠积分计算所对应的XYZ颜色空间的XYZ颜色数值；
处理器将XYZ颜色数值转化为RGB颜色空间所对应的RGB颜色数值；
处理器利用电荷耦合器件接收不同入射光角度入射样品之后的出射光，通过电荷耦合器件读取接收面上关联于像素的RGB颜色数值；
处理器将入射光角度与实验探测的RGB颜色数值结果进行对应，确定了入射光角度与电荷耦合器件上实验探测数值结果进行一一对应的理论计算方法。
优选的，处理器采用传输矩阵法结合全局优化算法对多层薄膜结构的结构参数的阻抗、层数、厚度进行进一步优化总自由度，令预设的不同入射光角度之间探测结果的差异最大化，提取在不同加工难度的条件下能够实现特定目标的结构参数；由处理器特定目标的结构参数的自由度组合参数集合产生结构参数资源库建立结构库。
优选的，处理器利用全局优化算法对多层薄膜结构的结构参数进行优化，实现目标入射光角度在多层薄膜结构的平面0°- 180°或多层薄膜结构的平面法向量的正负90o的大入射角度探测范围；
处理器通过全局优化算法优化薄膜堆叠的材料分布顺序和厚度，在可探测的多层薄膜结构的平面0°- 180°或多层薄膜结构的平面法向量的正负90o的大入射角度之内，设定高角度分辨精度达0.01°为角度传感的间隔；
处理器对间隔相邻数值的两个入射光角度对应的电荷耦合器件上理论的探测结果差值进行求和，设定求和后的探测结果差值作为优化算法的目标函数，其中目标函数为：
；
其中，color为对应光入射角度下电荷耦合器件的理论RGB颜色数值探测结果，n为结构各层材料参数分布，d为结构各层厚度的数值分布，λ为应用可探测的入射光角度的波段范围，、/>、/>、/>……为需要实现角度传感对应的角度。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：本发明提供一种应用透射式角度传感器件的测试方法，包括：获取多层薄膜结构在目标波长范围内的折射率数值；通过传输矩阵法建立多层薄膜结构的透射率的理论计算方法；建立入射光角度与电荷耦合器件的探测结果的对应关系；确定结构参数的总自由度，确定入射光角度形成的自由度组合参数；在结构参数资源库中进行科学评估，实现可区分和大角度探测范围以及高角度分辨精度的结构参数。本申请提出的测试方法，具有易集成、易加工、宽波长下工作，可以实现大角度探测范围和高角度分辨率精度的特性，实现角度感测样品的加工难度与制作成本相对较低。其中，本申请提出一种可实现大角度探测范围，高角度分辨精度的角度探测多层薄膜及其设计方法。因此提出采用多层薄膜结构（可称为多层薄膜滤波片），其由具有不同折射率参数的多种材料堆叠而成，通过设计不同材料的不同厚度排布，利用界面和层间的反射、透射、干涉和局域谐振等光学作用，调控结构阻抗进而调控其光学响应。本申请提供一种可在亚波长或宏观尺度量级下工作，可用于角度探测的薄膜设计方法，多层薄膜滤波片的超构表面仅使用无光刻多层薄膜堆叠，多层薄膜滤波片的设计方法包括设计所使用的材料的堆叠顺序以及堆叠材料的厚度，通过对多层薄膜的透射特性与电荷耦合器件的光谱敏感特性的联合复用，实现电荷耦合器件上的探测结果与入射光角度之间的一一映射，从而实现角度信息的探测，实现高分辨率，宽探测范围应用与作为多层薄膜滤波片的角度传感器件。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试方法的方法流程图；
图2是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试方法的另一方法流程图；
图3是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试方法的又一方法流程图；
图4是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试系统的多层薄膜结构的入射角度与其透射率的对应关系；
图5是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试系统的多层薄膜结构的入射角度与颜色探测结果的对应关系；
图6是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试系统的多层薄膜结构的示意图；
图7是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试系统的多层薄膜用于角度传感器件的实验光路示意图；
图8是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试系统的应用多层薄膜的角度传感器件的示意图。
其中的附图标记包括：1g-光源；2h-多层薄膜滤波片；3b-成像探测器；3a-基底。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
请同时参阅图1-图3、图6-图7，图1是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试方法的方法流程图，图2是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试方法的另一方法流程图，图3是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试方法的又一方法流程图。图6是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试系统的多层薄膜结构的示意图，图7是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试系统的多层薄膜用于角度传感器件的实验光路示意图。
请看图1、图4-图7，本申请提出一种应用透射式角度传感器件的测试方法，所述测试方法包括：
S1、利用椭偏仪测量材料获取在可见光波段范围的折射率数值。
其中，椭偏仪是独立于光源1g之外的一个设备，通过接收材料的反射光用来估算材料的折射。电子装置（图未示，电子装置例如笔记本电脑、桌上型电脑、智能手机）通过有线或无线方式控制光源1g发出超连续激光，并利用椭偏仪测量材料获取对于多层薄膜滤波片2h（可称为多层薄膜结构，包括超构表面）在第一预设波长范围内（例如工作波段为400-800纳米）的第一折射率数值。接着由电子装置的处理器确定通过理论计算方法获取多层薄膜结构在第二预设波长范围内的第二折射率数值。需说明的是，第一预设波长范围可以包含于第二预设波长范围之内，换言之，通过理论计算方法所获取的多层薄膜结构在第二预设波长范围可以大于第一预设波长范围，以增加测试的波长范围。需说明的是，上述关于其中第一预设波长范围和第二预设波长范围，例如，实际只进行一次目标波长范围的测量即可，先测量一个大范围（即第一预设波长范围），然后再根据需要进行提取和丰富细化数据个数（即第二预设波长范围）。
其中，图4是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试系统的多层薄膜结构的入射角度与其透射率的对应关系，显示了所设计多层薄膜结构在自然光下，透射率峰值随入射角增大而规律变化，具有强角度敏感性。图5是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试系统的多层薄膜结构的入射角度与颜色探测结果的对应关系，显示了成像探测器3b（可称为电荷耦合器件）测量显示的颜色与入射角度之间的对应关系。另外，本申请优化得到了由8层二氧化硅、二氧化钛薄膜和熔融石英基底组成的结构，其透射率随入射角度变化的伪色彩图如图4所示，在其他实施例中二氧化硅、二氧化钛薄膜和熔融石英基底组成的结构的层数可以为2-50层，依照光学特性而相对调整。
S2、通过传输矩阵法建立相关于所述多层薄膜结构的结构参数和材料折射率的结构透射率的理论计算模型，以及确定入射光角度的情况下，建立所述多层薄膜结构的结构透射率的理论计算方法。
在一实施例中，结构参数至少包括结构材料分布、厚度分布、基底的材料、入射光偏振态等光学元件特性参数，本申请通过利用磁控溅射方法制备不同厚度的多层薄膜依预设的堆叠顺序在主成分为熔融石英的基底3a上形成多层薄膜结构。通过传输矩阵法（TMM,transfer matrix，可用于计算具有任意分布光栅结构的透射谱）建立相关于多层薄膜结构的结构参数，由光源1g内建的处理器或是电子装置的处理器根据多层薄膜结构的结构参数的第一折射率数值或第二折射率数值计算其中相关的理论计算模型，在确定预设的入射光角度（例如对多层薄膜结构平面的0°- 180°大入射角度探测范围）的情况下，建立关于此确定预设的入射光角度在多层薄膜结构的透射率的理论计算方法，例如，入射光角度可为多层薄膜结构的透射率的理论计算方法里的自变因子。例如，多层薄膜结构的上限为13层（13层仅为较佳实施例，由用户自定义或电子装置的自控模式可根据激光特性及薄膜结构特性调整多层薄膜结构的层数），单层厚度上限为250纳米，多层薄膜的介质材料至少包括二氧化硅和二氧化钛，工作波段为400-840纳米。
在图6-图8显示的多层薄膜滤波片2h，以下说明多层薄膜滤波片2h的工作原理，提供了具体的实例为二氧化硅、二氧化钛薄膜叠放的角度传感器。可称为主成分为熔融石英的基底3a作为衬底材料，接着可以选择二氧化硅、熔融石英等在工作波段具有高透射率的材料。换言之，利用全局优化算法对多层薄膜结构的参数进行优化，可以实现多层薄膜结构的平面0°- 180°或多层薄膜结构的平面法向量的正负90o的大入射角度探测范围，高角度分辨精度达0.01°的角度传感。为降低加工难度，首先确定使用的薄膜材料为二氧化硅/二氧化钛为主材料，工作波段为400-840 nm，将膜层总层数的上限设置为13 层，单层厚度上限为250 nm。图7中，光源1g可选择工作波长为可见光部分的超连续激光经多层薄膜滤波片2h照射至成像探测器3b（例如为CCD电荷耦合器件），超连续激光也可以使用普通的氙灯或者卤素灯等光源来替代，本申请不加以限制。多层薄膜滤波片2h可选用的介质材料如二氧化硅、二氧化钛、非晶硅，二氧化铪，金属银，氮化硅，氟化镁等。
S3、根据所述理论计算方法建立多个入射光角度与电荷耦合器件的探测结果的对应关系，以下为S3、进一步说明：
S31、由理论计算方法计算并选取所述结构参数中的所述结构材料分布、所述厚度分布、所述基底材料和所述入射光偏振态的在其中至少一变因通过不同入射光角度下形成的透射光谱；
S32、将所述透射光谱分别与人眼的三色敏感曲线进行重叠积分计算所对应的XYZ颜色空间的XYZ颜色数值；
S33、将XYZ颜色数值转化为RGB颜色空间所对应的RGB颜色数值；
S34、利用所述电荷耦合器件接收不同入射光角度入射样品之后的出射光，通过所述电荷耦合器件读取接收面上关联于像素的RGB颜色数值；
S35、将入射光角度与实验探测的所述RGB颜色数值结果进行对应，确定了入射光角度与所述电荷耦合器件上实验探测数值结果（RGB颜色数值）进行一一对应的理论计算方法，由其建立多个入射光角度与电荷耦合器件的探测结果的对应关系。
在一实施例中，根据理论计算方法计算并选取结构参数中的结构材料分布、厚度分布、基底的材料和入射光偏振态的在其中至少一变数因子通过不同入射光角度下在电荷耦合器件上形成的透射光谱，其分别与人眼的三色敏感曲线进行重叠积分计算所对应的XYZ颜色空间的XYZ颜色数值，接着将XYZ颜色空间的XYZ颜色数值转化为RGB颜色空间对应的RGB颜色数值，利用电荷耦合器件接收不同入射光角度入射样品之后的出射光，通过读取电荷耦合器件的接收面上关联于像素的RGB颜色数值，将入射光角度与实验探测的RGB颜色数值结果进行对应，确定了入射光角度与电荷耦合器件上实验探测数值结果（例如RGB颜色数值）进行一一对应的理论计算方法。换言之，多层薄膜滤波片2h中各层堆叠的角度依赖性源于入射波、反射波和透射平面波的横波阻抗随角度的缩放，由此导致了依赖于角度的响应，且透射系数随角度的变化与薄膜结构的参数相关。同时由于不同二氧化硅和二氧化钛界面处的反射波/透射波之间的干涉效应，界面之间的多次反射产生比单个界面更强的角度依赖性。在目标样品不同角度下的透射率与对应的颜色敏感曲线分别进行重叠积分计算可以在理论上得到不同的颜色数值，利用电荷耦合器件（可称为成像探测器3b）得到的图像进行像素颜色数值提取，可以得到实验上的不同颜色数值的探测结果。利用透射率作为中间变量，将入射角度与RGB探测结果进行一一映射，建立本申请提出的应用透射式角度传感器件的测试方法对于角度探测的理论机制。
S4、根据所述入射光角度与所述电荷耦合器件的探测结果的对应关系确定所述结构参数的总自由度，设定预设入射光角度的目标入射角度和预期的目标光谱特性，确定每个入射光角度对应的所述结构参数的自由度组合参数。以下为对S4、进一步说明：
S40、采用所述传输矩阵法结合全局优化算法对所述多层薄膜结构的所述结构参数的阻抗、层数、厚度进行进一步优化所述总自由度，令预设的不同入射光角度之间探测结果的差异最大化，提取在不同加工难度的条件下能够实现特定目标的结构参数，根据所述入射光角度与所述电荷耦合器件的探测结果的对应关系确定所述结构参数的总自由度。
S41、利用全局优化算法对所述多层薄膜结构的结构参数进行优化，实现所述目标入射角度在多层薄膜结构的平面0°- 180°或多层薄膜结构的平面法向量的正负90o的大入射角度探测范围。
S42、通过所述全局优化算法优化薄膜堆叠的材料分布顺序和厚度，在可探测的多层薄膜结构的平面0°- 180°或多层薄膜结构的平面法向量的正负90o的大入射角度之内，设定高角度分辨精度达0.01°为角度传感的间隔，设定预设入射光角度的目标入射角度和预期的目标光谱特性。
S43、确定多个中的每个入射光角度形成的自由度组合参数，对所述间隔相邻数值的两个入射光角度对应的所述电荷耦合器件上理论的探测结果差值进行求和，设定求和后的探测结果差值作为优化算法的目标函数，其中所述目标函数为：
；
其中，color为对应光入射角度下所述电荷耦合器件的RGB理论探测结果，n为结构各层材料参数分布，d为结构各层厚度的数值分布，λ为应用可探测的入射光角度的波段范围。、/>、/>、/>……为需要实现角度传感对应的角度。其中，优化算法可以选用粒子群算法、遗传算法、人工鱼群算法、蚁群优化算法、萤火虫算法等，本实施案例中选用遗传优化算法。另一方面来说，本申请采用传输矩阵结合全局优化算法，对薄膜整体结构组成的多层薄膜滤波片2h的阻抗、层数、厚度进行进一步优化，令预设的不同入射光角度之间探测结果的差异最大化，提取在不同加工难度的条件下能够实现特定目标的包括材料，参考厚度的分布参数，获得在目标透射光谱下，满足上述要求的材料组合（如二氧化硅、二氧化钛、非晶硅，二氧化铪，金属银，氮化硅，氟化镁等）及对应厚度（如数纳米到数百纳米）的参数范围，建立结构参数数据资源库。
S5、根据所述预设入射光角度，在目标入射角度下的所述预期的目标光谱特性，由所述结构参数的自由度组合参数经集合产生结构参数资源库，在所述结构参数资源库中进行结构制备难度以及结构稳定性的科学评估，选取满足科学评估中预设条件的结构制备难度以及结构稳定性实现可区分和大角度探测范围以及高角度分辨精度的结构参数。
换言之，根据用户自定义的预设入射光角度的在目标入射角度下的预期的目标光谱特性，由结构参数的自由度组合参数可由矩阵方式经加权相加或相乘方式集合产生结构参数资源库，并存储在电子装置的存储器（例如FLASH）内。本申请利用全局优化算法对多层薄膜结构的参数进行优化，可实现全平面大入射角度探测范围，超高精角度分辨精度的角度传感。在结构参数资源库中进行结构制备难度以及结构稳定性的（多阶段）科学评估，选取满足科学评估中预设条件的结构制备难度以及结构稳定性实现可区分和/或大角度探测范围以及高角度分辨精度的结构参数的探测结果，其中多层薄膜结构主材料二氧化硅、二氧化钛薄膜交互堆叠分布顺序和厚度调整，在可探测的入射角度范围（如0-180度）之内，以最小角度（如0.01度）分辨率精度为间隔，对相邻数值的两个入射角对应的电荷耦合器件上理论的探测结果差值求和作为优化算法的目标函数，提升精确性。
请同时参阅图4-图8，图4是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试系统的多层薄膜结构的入射角度与其透射率的对应关系，图5是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试系统的多层薄膜结构的入射角度与颜色探测结果的对应关系，图8是根据本发明实施例提供的应用透射式角度传感器件的测试系统的应用多层薄膜的角度传感器件的示意图。本申请提出一种应用透射式角度传感器件的测试系统，适用于一种应用透射式角度传感器件的测试方法，测试系统700包括：
光源1g，至少包括处理器（图未示）；
多层薄膜结构2h，所述光源1g利用椭偏仪测量材料获取对于多层薄膜结构中所使用材料在目标波长范围内的折射率数据，多层薄膜滤波片2h（可称为多层薄膜结构）在第一预设波长范围内的第一折射率数值，并确定通过理论计算方法获取所述多层薄膜结构2h在第二预设波长范围内的第二折射率数值；
光源1g的处理器通过传输矩阵法建立相关于所述多层薄膜结构的结构参数的第一折射率数值和/或第二折射率数值的理论计算模型，以及确定入射光角度的情况下，建立所述多层薄膜结构的透射率的理论计算方法；
光源1的处理器根据所述理论计算方法建立多个入射光角度与电荷耦合器件的探测结果的对应关系；
成像探测器3b（可称为电荷耦合器件）,光源1g的处理器根据所述入射光角度与所述成像探测器3b的探测结果的对应关系确定所述结构参数的总自由度，设定预设入射光角度的目标入射角度和预期的目标光谱特性，确定多个中的每个入射光角度形成的所述结构参数的自由度组合参数；
光源1g的处理器根据所述预设入射光角度的在目标入射角度下的所述预期的目标光谱特性，由所述结构参数的自由度组合参数经集合产生结构参数资源库，在所述结构参数资源库中进行结构制备难度以及结构稳定性的科学评估，选取满足科学评估中预设条件的结构制备难度以及结构稳定性实现可区分和大角度探测范围以及高角度分辨精度的结构参数的探测结果。
在一实施例中，可利用磁控溅射方法制备不同厚度的多层薄膜依预设的堆叠顺序在主成分为熔融石英的基底3a上形成所述多层薄膜结构，其中多层薄膜滤波片2h的上限为13层，单层厚度上限为250纳米，多层薄膜滤波片2h的多层薄膜的介质材料至少包括二氧化硅和二氧化钛，工作波段为400-800纳米；其中，结构参数至少包括结构材料分布、厚度分布、基底3a的材料、入射光偏振态。
在一实施例中，光源1g的处理器计算并选取所述结构参数中的结构材料分布、厚度分布、基底3a的材料和入射光偏振态的在其中至少一变因通过不同入射光角度下形成的透射光谱；由光源1g的处理器将透射光谱分别与人眼的三色敏感曲线行重叠积分计算所对应的XYZ颜色空间的XYZ颜色数值；光源1g的处理器将XYZ颜色数值转化为RGB颜色空间所对应的RGB颜色数值；光源1g的处理器利用所述成像探测器3b接收不同入射光角度入射样品之后的出射光，通过所述成像探测器3b读取接收面上关联于像素的RGB颜色数值；光源1g的处理器将入射光角度与实验探测的所述RGB颜色数值结果进行对应，确定了入射光角度与成像探测器3b上实验探测数值结果（RGB颜色数值）进行一一对应的理论计算方法。
在一实施例中，光源1g的处理器采用传输矩阵法结合全局优化算法对多层薄膜结构2h的所述结构参数的阻抗、层数、厚度进行进一步优化所述总自由度，令预设的不同入射光角度之间探测结果的差异最大化，提取在不同加工难度的条件下能够实现特定目标的结构参数；光源1g的处理器所述特定目标的结构参数的自由度组合参数集合产生所述结构参数资源库建立结构库。
在一实施例中，光源1g的处理器利用全局优化算法对所述多层薄膜结构的结构参数进行优化，实现所述目标入射角度在多层薄膜结构的平面0°- 180°或多层薄膜结构的平面法向量的正负90o的大入射角度探测范围；光源1g的处理器通过全局优化算法优化薄膜堆叠的材料分布顺序和厚度，在可探测的多层薄膜结构的平面0°- 180°或多层薄膜结构的平面法向量的正负90o的大入射角度之内，设定高角度分辨精度达0.01°的角度传感为间隔；光源1g的处理器对所述间隔相邻数值的两个入射光角度对应的成像探测器3b上理论的探测结果差值进行求和，设定求和后的探测结果差值作为优化算法的目标函数，其中目标函数为：
；
其中，color为对应光入射角度下所述电荷耦合器件的理论RGB颜色探测结果，n为结构各层材料参数分布，d为结构各层厚度的数值分布，λ为应用可探测的入射光角度的波段范围。、/>、/>、/>……为需要实现角度传感对应的角度。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种应用透射式角度传感器件的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：
利用椭偏仪测量材料获取在可见光波段范围的折射率数值；
利用传输矩阵法建立关于多层薄膜结构的结构参数和材料折射率的结构透射率的理论计算模型，以及确定入射光角度的情况下，建立所述结构透射率的理论计算方法；
根据所述理论计算方法建立多个所述入射光角度与电荷耦合器件的探测结果的对应关系；具体包括如下步骤：
计算并选取结构材料分布、厚度分布、基底的材料和入射光偏振态，在其中至少一变因通过不同所述入射光角度下形成的透射光谱；
将所述透射光谱分别与人眼的三色敏感曲线进行重叠积分计算所对应的XYZ颜色空间中的XYZ颜色数值；
将所述XYZ颜色数值转化为RGB颜色空间所对应的RGB颜色数值；
利用所述电荷耦合器件接收不同所述入射光角度入射样品之后的出射光，通过所述电荷耦合器件读取接收像面上关联于像素的所述RGB颜色数值；
将所述入射光角度与实验探测的所述RGB颜色数值结果进行对应，确定了所述入射光角度与所述电荷耦合器件上实验探测数值结果进行一一对应的理论计算方法；
根据所述入射光角度与所述电荷耦合器件的探测结果的对应关系确定所述结构参数的总自由度，设定预设入射光角度的目标入射角度和预期的目标光谱特性，确定每个所述预设入射光角度对应的所述结构参数的自由度组合参数；
根据所述预设入射光角度，在所述目标入射角度下的所述预期的目标光谱特性，由所述自由度组合参数经集合产生结构参数资源库，在所述结构参数资源库中进行结构制备难度以及结构稳定性的科学评估，选取满足科学评估中预设条件的结构制备难度以及结构稳定性实现可区分和大角度探测范围以及高角度分辨精度的结构参数。
2.如权利要求1所述的应用透射式角度传感器件的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：
所述结构参数至少包括结构材料分布、厚度分布、基底的材料、入射光偏振态；
利用磁控溅射方法制备不同厚度的多层薄膜，依预设的堆叠顺序在主成分为熔融石英的所述基底上形成所述多层薄膜结构，其中所述多层薄膜结构的上限为13层，单层厚度上限为250纳米，所述多层薄膜结构的介质材料至少包括二氧化硅和二氧化钛，工作波段为400-800纳米。
3.如权利要求1所述的应用透射式角度传感器件的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：
用所述传输矩阵法结合全局优化算法对所述多层薄膜结构的所述结构参数的阻抗、层数、厚度进行进一步优化所述总自由度，令预设的不同所述入射光角度之间探测结果的差异最大化，提取在不同加工难度的条件下能够实现特定目标的所述结构参数；
根据特定目标的所述结构参数的自由度组合参数集合产生所述结构参数资源库建立结构库。
4.如权利要求3所述的应用透射式角度传感器件的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：
利用所述全局优化算法对所述多层薄膜结构的所述结构参数进行优化，实现所述目标入射角度在所述多层薄膜结构的平面0°- 180°或所述多层薄膜结构的平面法向量的正负90o的大入射角度探测范围；
通过所述全局优化算法优化薄膜堆叠的材料分布顺序和厚度，在可探测的所述多层薄膜结构的平面0°- 180°或所述多层薄膜结构的平面法向量的正负90o的大入射角度之内，设定高角度分辨精度达0.01°的角度传感为间隔；
对间隔相邻数值的两个所述入射光角度对应的所述电荷耦合器件上理论的探测结果差值进行求和，设定求和后的探测结果差值最小化作为优化算法的目标函数，其中所述目标函数为：
；
其中，color为对应所述入射光角度下所述电荷耦合器件的理论RGB颜色探测结果，n为结构各层材料参数分布，d为结构各层厚度的数值分布，λ为应用可探测的所述入射光角度的波段范围，、/>、/>、/>……为需要实现角度传感对应的角度。
5.一种应用透射式角度传感器件的测试系统，适用于如权利要求1所述的应用透射式角度传感器件的测试方法，其特征在于，所述测试系统包括：
光源，至少包括处理器；
利用椭偏仪测量多层薄膜结构中所使用材料在目标波长范围内的折射率数据；
所述处理器通过传输矩阵法建立在确定入射光角度的情况下，所述多层薄膜结构的结构透射率的理论计算方法；
电荷耦合器件，所述处理器根据所述理论计算方法建立多个所述入射光角度与所述电荷耦合器件的探测结果的对应关系；
所述处理器根据预设入射光角度与所述电荷耦合器件的探测结果的对应关系确定结构参数的总自由度，设定所述预设入射光角度的目标入射角度和预期的目标光谱特性，确定每个所述入射光角度形成的所述结构参数的自由度组合参数；
所述处理器根据所述预设入射光角度的在所述目标入射角度下的所述预期的目标光谱特性，由所述自由度组合参数经集合产生结构参数资源库，在所述结构参数资源库中进行结构制备难度以及结构稳定性的科学评估，选取满足科学评估中预设条件的结构制备难度以及结构稳定性实现可区分和大角度探测范围以及高角度分辨精度的结构参数。
6.如权利要求5所述的应用透射式角度传感器件的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括：
基底，利用磁控溅射方法制备不同厚度的多层薄膜依预设的堆叠顺序在主成分为熔融石英的所述基底上形成所述多层薄膜结构，其中所述多层薄膜结构的上限为13层，单层厚度上限为250纳米，所述多层薄膜结构的介质材料至少包括二氧化硅和二氧化钛，工作波段为400-800纳米；
其中，所述结构参数至少包括结构材料分布、厚度分布、所述基底的材料、入射光偏振态。
7.如权利要求6所述的应用透射式角度传感器件的测试系统，其特征在于，所述处理器计算并选取所述结构参数中的所述结构材料分布、所述厚度分布、所述基底的材料和所述入射光偏振态的在其中至少一变因通过不同所述入射光角度下形成的透射光谱；
所述处理器将所述透射光谱分别与人眼的三色敏感曲线进行重叠积分计算所对应的XYZ颜色空间的XYZ颜色数值；
所述处理器将所述XYZ颜色数值转化为RGB颜色空间所对应的RGB颜色数值；
所述处理器利用所述电荷耦合器件接收不同所述入射光角度入射样品之后的出射光，通过所述电荷耦合器件读取接收面上关联于像素的所述RGB颜色数值；
所述处理器将所述入射光角度与实验探测的所述RGB颜色数值结果进行对应，确定了所述入射光角度与所述电荷耦合器件上实验探测数值结果进行一一对应的理论计算方法。
8.如权利要求5所述的应用透射式角度传感器件的测试系统，其特征在于，所述处理器采用所述传输矩阵法结合全局优化算法对所述多层薄膜结构的所述结构参数的阻抗、层数和厚度进行进一步优化所述总自由度，令预设的不同所述入射光角度之间探测结果的差异最大化，提取在不同加工难度的条件下能够实现特定目标的所述结构参数；所述处理器根据所述结构参数的自由度组合参数集合产生所述结构参数资源库建立结构库。
9.如权利要求8所述的应用透射式角度传感器件的测试系统，其特征在于，所述处理器利用所述全局优化算法对所述结构参数进行优化，实现所述目标入射光角度在所述多层薄膜结构的平面0°- 180°或所述多层薄膜结构的平面法向量的正负90o的大入射角度探测范围；
所述处理器通过所述全局优化算法优化薄膜堆叠的材料分布顺序和厚度，在可探测所述多层薄膜结构的平面0°- 180°或所述多层薄膜结构的平面法向量的正负90o的大入射角度之内，设定高角度分辨精度达0.01°的角度传感间隔；
所述处理器对间隔相邻数值的两个所述入射光角度对应的所述电荷耦合器件上理论的探测结果差值进行求和，设定求和后的探测结果差值作为优化算法的目标函数，其中所述目标函数为：
；
其中，color为对应所述入射光角度下所述电荷耦合器件的RGB理论探测结果，n为结构各层材料参数分布，d为结构各层厚度的数值分布，λ为应用可探测的所述入射光角度的波段范围，、/>、/>、/>……为需要实现角度传感对应的角度。
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| Publication number | Publication date |
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