一种基于色品坐标测量获得薄膜厚度的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于色品坐标测量获得薄膜厚度的方法。本发明专利技术采用光纤导光、光栅以及面阵列探测模式，获取样品的光谱信号，根据反射谱与色品坐标的换算关系，计算出待测样品的色品坐标。通过理论计算获得薄膜的色品坐标与厚度的完整映射关系，对比实测色品坐标与理论映射关系中的色品坐标，可以准确获得薄膜样品的厚度信息。本发明专利技术克服了传统光谱测色方式在测量过程中需要旋转光栅或者棱镜进行波长扫描的缺点，实现单次全谱测量，缩短了测量所需的时间。同时，相较传统测量时的波长间隔，本发明专利技术采用更密集的光谱获取，从而更加准确的获取色度信息，基于此快速准确地获得了纳米薄膜的厚度信息。的厚度信息。的厚度信息。

【技术实现步骤摘要】
一种基于色品坐标测量获得薄膜厚度的方法


[0001]本专利技术属于光学电子器件
，具体涉及一种基于色品坐标测量获得薄膜厚度的方法。

技术介绍

[0002]颜色的测量对于许多产品的制造商和用户都很重要，例如普通照明灯、发光二极管(LED)、显示器、交通信号灯、标志、印刷、油漆、塑料、织物等。颜色的物理测量基于CIE色度系统中三刺激值的获取。任何物体或光源的颜色都由光谱决定，光谱决定了三刺激值。物体的三刺激值可以通过两种方式进行物理测量：一种是三刺激色度计，另一种是使用颜色匹配功能进行光谱计算的光谱仪。三刺激色度计的优点是快速、方便且价格低廉，适用于生产控制和测量色差。但是，三刺激色度计不可避免地会出现光谱失配误差，一般不适用于光谱分布不同的各种光源或各种不同物体颜色的高精度绝对颜色测量。相反，基于光谱仪的光谱测色方法理论上不存在这个问题，并且能更准确地对不同颜色进行测量。光谱测色法也可以提供比三刺激色度计更多的信息，例如光源的显色指数等。
[0003]物体的颜色信息由其光谱决定，而物体的光谱通常由物体本身的性质或结构决定，因此，可以通过色品坐标的测量获取物体的结构信息。例如，在半导体与微电子领域，准确地获取各类薄膜的厚度与结构极其关键。在较早时期，人们会根据薄膜的颜色推断其厚度，这种方法准确度不高，但映射关系较为简单，方便快捷。椭圆偏振光谱法具有灵敏度高、非接触、非破坏性的优点，因此常用于薄膜的厚度监控系统中。但这种方法是一种间接测量手段，需要对原始数据进行拟合后才能够获得厚度，所以映射关系往往较为复杂，比较依赖技术人员的专业程度与经验。因此，利用光谱测色法代替人眼估计，既能够准确获取薄膜的色度信息，又可以通过颜色与厚度的映射关系，直接获得薄膜的厚度，是一种简单准确的测量方法。但传统光谱测色系统依赖波长扫描式的光栅光谱仪，这种基于机械扫描的测量模式速度较慢，对于某些需要大量高速测量的场景并不适用。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提出一种基于色品坐标测量获得薄膜厚度的方法。本专利技术涉及的方法基于光谱测色法。与现有技术相比，本专利技术采用光纤导光、光栅以及面阵列探测模式，获取光谱信号，克服了传统光谱测色方式在测量过程中需要旋转光栅或者棱镜进行波长扫描的缺点，实现单次全谱测量，缩短了测量所需的时间。同时，相较传统测量时的波长间隔，本专利技术采用更密集的光谱获取，从而更加准确地获取色度信息。在厚度获取过程中，首先理论上建立薄膜厚度与色品坐标的映射关系，再对薄膜进行光谱测色，在测量过程中无机械转动，光谱在二维探测器阵列成像，对二维探测器各像素点数据进行读取并处理，得到薄膜的色度信息，直接与先前建立的映射关系对照，可以获得薄膜的厚度信息，实现快速、直接、准确的测量，克服了传统光学测量手段复杂、低速的缺点。
[0005]本专利技术的技术方案具体介绍如下。
[0006]本专利技术提供一种基于色品坐标测量获得薄膜厚度的方法，包括以下步骤：
[0007](1)通过基于面阵列光谱探测的色度信息获取系统对待测薄膜样品进行测量得到反射谱R
s
(λ)；所述基于面阵列光谱探测的色度信息获取系统包括光源、样品台、光纤、光纤适配器和光栅光谱仪，光源采用连续辐射光源，光纤探头用于接收反射光，光纤适配器将反射光信号耦合入光栅光谱仪中，光栅光谱仪由面阵列探测器接收并采集读取光信号；具体方法如下：
[0008]①
首先将光纤旋转至角度θ(为保证较高的厚度分辨率，建议角度取值在0～40
°
之间)，由连续辐射光源发出的光入射到厚度已知的薄膜参考样品上，反射后进入光纤，传输到光栅光谱仪中，获得反射光谱I
r
(λ)；
[0009]②
计算入射光源的光谱强度I0(λ)：
[0010]I0(λ)＝I
r
(λ)/R
r
(λ)
[0011]其中：R
r
(λ)为薄膜参考样品在θ角下的反射谱R
r
(λ)，其由光学薄膜原理计算得到；
[0012]③
将待测薄膜样品放在样品台上，在入射角θ下，利用光纤与光栅光谱仪获取反射光谱I
s
(λ)；
[0013]④
计算待测薄膜样品在θ角下的反射谱R
s
(λ)：
[0014]R
s
(λ)＝I
s
(λ)/I0(λ)；
[0015](2)将反射谱R
s
(λ)代入D65光源的光谱数据与CIE1931标准光谱三刺激值，与色品坐标进行换算得到薄膜的实验测得L*a*b*色品坐标；
[0016](3)基于薄膜传输矩阵与反射定律的理论模型，建立薄膜厚度值与理论L*a*b*色品坐标的映射关系，计算不同厚度值时的理论L*a*b*色品坐标。将实验测得L*a*b*色品坐标与理论L*a*b*色品坐标进行对比，最小化二者的色差，获得薄膜厚度的最优解，求出待测薄膜样品的厚度。
[0017]上述步骤
①
中，连续辐射光源发出的光的波长范围为：380
‑
780纳米，波长间隔为Δλ(取值范围一般为0.1～1纳米，例如0.45纳米)，此时可以实现单次采集全光谱数据的快速测量；对不同光栅与面阵探测器，波长间隔可作调整。
[0018]上述步骤(2)中，D65标准光源的光谱分布与CIE1931标准光谱三刺激值的波长范围为380
‑
780纳米，D65标准光源的光谱分布与CIE1931标准光谱三刺激值的波长间隔被插值为Δλ(取值范围一般为0.1～1纳米，例如0.45纳米)；薄膜的实验测得L*a*b*色品坐标(L*
exp
，a*
exp
，b*
exp
)通过下式获得：
[0019]L*
exp
＝116f(Y
exp
/Y
n
)
‑
16
[0020]a*
exp
＝500[f(X
exp
/X
n
)
‑
f(Y
exp
/Y
n
)][0021]b*
exp
＝200[f(Y
exp
/Y
n
)
‑
f(Z
exp
/Z
n
)][0022]其中，(X
n
，Y
n
，Z
n
)为光源色的三刺激值，对于D65标准光源，X
n
＝95.04，Y
n
＝100，Z
n
＝108.89，f(q)由下式获得：
[0023][0024](X
exp
，Y
exp
，Z
exp
)为样品色的三刺激值，由下式获得：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于色品坐标测量获得薄膜厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过基于面阵列光谱探测的色度信息获取系统对待测薄膜样品进行测量得到反射谱R
s
(λ)；所述基于面阵列光谱探测的色度信息获取系统包括光源、样品台、光纤、光纤适配器和光栅光谱仪，光源采用连续辐射光源，光纤用于接收反射光，光纤适配器将反射光信号耦合入光栅光谱仪中，光栅光谱仪由面阵列探测器接收并采集读取光信号；具体方法如下：
①
首先将光纤旋转至角度θ，由连续辐射光源发出的光入射到厚度已知的薄膜参考样品上，反射后进入光纤，经光纤传输，由光纤适配器进入光栅光谱仪中，获得反射光谱I
r
(λ)；
②
计算入射光源的光谱强度I0(λ)：I0(λ)＝I
r
(λ)/R
r
(λ)其中：R
r
(λ)为薄膜参考样品在θ角下的反射谱R
r
(λ)，其由光学薄膜原理计算得到；
③
将待测薄膜样品放在样品台上，在入射角θ下，利用光纤与光栅光谱仪获取反射光谱I
s
(λ)；
④
计算待测薄膜样品在θ角下的反射谱R
s
(λ)：R
s
(λ)＝I
s
(λ)/I0(λ)；(2)将反射谱R
s
(λ)代入D65光源的光谱数据与CIE1931标准光谱三刺激值，与色品坐标进行换算得到薄膜的实验测得L*a*b*色品坐标；(3)基于薄膜传输矩阵与反射定律的理论模型，建立薄膜厚度值与理论L*a*b*色品坐标的映射关系，计算不同厚度值时的理论L*a*b*色品坐标；将实验测得L*a*b*色品坐标与理论L*a*b*色品坐标进行对比，最小化二者的色差，获得薄膜厚度的最优解，求出待测薄膜样品的厚度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤
①
中，连续辐射光源发出的光的波长范围为：380
‑
780纳米，波长间隔为Δλ，Δλ在0.1～1纳米之间；角度θ在0～40
°
之间。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，D65标准光源的光谱分布与CIE1931标准光谱三刺激值的波长范围为380
‑
780纳米，D65标准光源的光谱分布与CIE1931标准光谱三刺激值的波长间隔被插值为Δλ；薄膜的实验测得L*a*b*色品坐标(L*
exp
，a*
exp
，b*
exp
)通过下式获得：L*
exp
＝116f(Y
exp
/Y
n
)
‑
16a*
exp
＝500[f(X
exp
/X
n
)
‑
f(Y
exp
/Y
n
)]b*
exp
＝200[f(Y
exp
/Y
n
)
‑
f(Z
exp
/Z
n
)]其中，(X
n
，Y
n
，Z
n
)为光源色的三刺激值，对于D65标准光源，X
n
＝95.04，Y
n
＝100，Z
n
＝108.89，f(q)由下式获得：(X
exp
，Y
exp
，Z
exp
)为样品色的三刺激值，由下式获得：
其中，R<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张昊天，郑玉祥，陈良尧，张荣君，王松有，李晶，杨月梅，
申请(专利权)人：复旦大学义乌研究院，
类型：发明
国别省市：