一种复合材料层的参数拟合计算方法及系统与流程

1.本发明涉及光学/材料领域的有效介质理论计算领域，更具体地，涉及一种复合材料层的参数拟合计算方法及系统。


背景技术：

2.在光谱测量领域中，材料参数的测量基本原理过程主要包括以下步骤：
3.1、自然光通过偏振片或偏振片以及(旋转)波片后得到偏振光。
4.2、偏振光经过样品材料的反射或者透射得到的新的偏振光。
5.3、新的偏振光经过检偏器的(旋转)波片、检偏片后得到变化的光强信息。
6.4、对光强变化信息进行处理，得到材料的厚度以及材料的复折射率(或介电常数)，其中，复折射率和介电常数之间存在特定的转换关系表达式。
7.其中，在对光强信息处理时，需要拟合材料的复折射率，即要计算材料的介电常数ε。实际情况下，每层薄膜可能是复合材料，里面包含多种成分，因此需要计算材料的有效介质(ema)，其基本思想是将混合介质当作一种在特定的光谱范围内具有单一有效介电常量张量的有效介质，即计算有效介电常数ε。
8.材料的有效介质(ema)理论包含了许多不同的模型，其中最常见的五种为：线性模型、反比例模型、maxwell-garnett模型、lorentz
–
lorenz模型以及bruggeman模型。在过往的研究中，为了方便统一这五种模型的表达式以及计算，已经提出了二元ema的通用公式。但随着材料的复杂性增加，越来越多的不同材料掺杂在一起，二元ema的公式已经不能满足现在的需求，因此多元ema的模型需要被加入到材料有效介质的拟合过程中，但现有的多元ema模型复杂程度高，且只能适用于固定的多个模型，拟合的准确性差。


技术实现要素：

9.本发明针对现有技术中存在的技术问题，为了有效的提高拟合的准确性，因此提出了多元ema的通用公式，提供了一种复合材料层的参数拟合计算方法及系统。
10.根据本发明的第一方面，提供了一种复合材料层的参数拟合计算方法，包括：
11.a、获取待测样品的测量光谱，所述待测样品包括复合材料层；
12.b、根据所述复合材料层的参数，基于有效介质ema通用模型拟合计算所述待测样品的拟合光谱；
13.c、若所述拟合光谱达到所述测量光谱的精度要求，则获取所述复合材料层的参数；若所述拟合光谱未达到所述测量光谱的精度要求，则调整所述复合材料层的参数，重复执行b和c进行迭代，直到所述拟合光谱达到所述测量光谱的精度要求，获取所述复合材料层的参数；
14.其中，所述复合材料层的参数至少包括所述复合材料层的材料成分数量、主要材料成分介电常数、每一种材料成分的介电常数、每一种材料成分的体积占比、所述复合材料层的厚度和所述复合材料层的退极化因子，所述退极化因子表征所述复合材料层的形状。
15.根据本发明的第二方面，提供一种复合材料层的参数拟合计算系统，包括：
16.获取模块，用于获取待测样品的测量光谱，所述待测样品包括复合材料层；
17.拟合计算模块，用于根据所述复合材料层的参数，基于有效介质ema通用模型拟合计算所述待测样品的拟合光谱；
18.迭代模块，用于若所述拟合光谱达到所述测量光谱的精度要求，则获取拟合的所述复合材料层的参数；若所述拟合光谱未达到所述测量光谱的精度要求，则调整所述复合材料层的参数，重复执行所述拟合计算模块和迭代模块，直到所述拟合光谱达到所述测量光谱的精度要求，获取所述复合材料层的参数；
19.其中，所述复合材料层的参数至少包括所述复合材料层的材料成分数量、主要材料成分介电常数、每一种材料成分的介电常数、每一种材料成分的体积占比、所述复合材料的厚度和所述复合材料的退极化因子，所述退极化因子表征所述复合材料层的形状。
20.本发明提供的一种复合材料层的参数拟合计算方法及系统，构建有效介质ema通用模型，不局限于某一种模型或者有限的多种模型，通过调整复合材料层的任何参数，来迭代计算待测样品的拟合光谱，调整参数时不因为某一种或几种具体模型的限制，可适用于包含任何复合材料层的待测样品参数的获取。
附图说明
21.图1为本发明提供的一种复合材料层的参数拟合计算方法流程图；
22.图2-1为maxwell-garnett模型适用的复合材料层的结构示意图；
23.图2-2为bruggeman模型适用的复合材料层的结构示意图；
24.图2-3为线性模型适用的复合材料层的结构示意图；
25.图2-4为反比例模型适用的复合材料层的结构示意图；
26.图3为一种复合材料层的参数拟合计算方法的整体流程示意图；
27.图4为本发明提供的一种复合材料层的参数拟合计算系统的结构示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
29.实施例一
30.一种复合材料层的参数拟合计算方法，参见图1，该参数拟合计算方法主要包括以下步骤：
31.a、获取待测样品的测量光谱，所述待测样品包括复合材料层。
32.可以理解的是，可以利用反射仪、透射仪以及椭偏仪等光学测量仪器，获得待测样品的光强变化信息。通过光强变化信息的傅里叶变换可以计算出待测样品的穆勒矩阵，从而得到样品的光谱信息，也就是待测样品的测量光谱。其中，本发明实施例中的待测样品包括复合材料层，复合材料层包括多种不同的材料成分，每一种材料成分的厚度、体积占比、介电常数以及分布结构均不同，因此，复合材料层的整体结构相对比较复杂。
33.b、根据所述复合材料层的参数，基于有效介质ema通用模型拟合计算所述待测样品的拟合光谱。
34.作为实施例，b中根据所述复合材料层的参数，基于有效介质ema通用模型拟合所述待测样品的拟合光谱，包括：根据所述复合材料的材料成分数量、主要材料成分介电常数、每一种材料成分的介电常数、每一种材料成分的体积占比和复合材料的退极化因子，基于有效介质ema通用模型拟合复合材料层的有效介电常数，获得复合材料层的拟合有效介电常数；根据复合材料层的拟合有效介电常数和复合材料层的拟合厚度，计算待测样品的拟合光谱。
35.可以理解的是，传统的复合材料层的有效介质ema模型为一种特定的模型或者某几种特定的模型，只适用于模拟相对结构简单的复合材料层，具有较大的局限性。
36.本发明实施例面对结构复杂的复合材料层，提出了一种通用的有效介质ema模型来对复合材料层的有效介电常数进行拟合，以下称为拟合有效介电常数，具体的，根据设定的复合材料层的材料成分数量、主要成分介电常数、每一种材料成分的介电常数、每一种材料成分的体积占比和复合材料的退极化因子，基于有效介质ema通用模型拟合复合材料层的有效介电常数，获得拟合有效介电常数。待测样品的拟合光谱与复合材料层的厚度也相关，因此，在对待测样品的光谱进行拟合时，需要对复合材料层的厚度进行拟合，然后根据拟合有效介电常数和复合材料层的拟合厚度，计算得到复合材料层的拟合光谱。
37.c、若所述拟合光谱达到所述测量光谱的精度要求，则获取所述复合材料层的参数；若所述拟合光谱未达到所述测量光谱的精度要求，则调整所述复合材料层的的参数，重复执行b和c进行迭代，直到所述拟合光谱达到所述测量光谱的精度要求，获取所述复合材料层的参数；其中，所述复合材料层的参数至少包括所述复合材料层的材料成分数量、主要材料成分介电常数、每一种材料成分的介电常数、每一种材料成分的体积占比、复合材料层的厚度以及复合材料层的退极化因子。
38.可以理解的是，上述a中通过仪器测量得到待测样品的测量光谱，b中通过有效介质ema通用模型拟合计算出复合材料层的拟合光谱，将拟合光谱和测量光谱进行比较，如果拟合光谱达到测量光谱的精度要求，则可以认为拟合的复合材料层的主要成分介电常数、每一种材料成分的介电常数、每一种材料成分的体积占比以及复合材料的厚度为待测样品复合材料层实际的参数，结束拟合流程。如果拟合光谱未达到测量光谱的精度要求，则需要调整复合材料层的参数，即调整复合材料层的材料成分数量、主要材料成分介电常数、每一种材料成分的介电常数、每一种材料成分的体积占比、复合材料层的厚度和复合材料层的退极化因子中的一种多多种，重新通过有效介质ema通用模型来对复合材料层的有效介电常数进行拟合计算，重复调整复合材料层的参数进行迭代拟合待测样品的拟合光谱，直到拟合光谱达到测量光谱的精度要求，或者迭代次数达到设定的最大迭代次数，获取此时复合材料层的参数，主要包括待测样品复合材料的有效介电常数和复合材料层的厚度。
39.作为实施例，调整所述复合材料层的材料成分数量、主要材料成分介电常数、每一种材料成分的介电常数、每一种材料成分的体积占比、复合材料层的厚度和退极化因子中的一种或多种，包括：以预先提供的待测样品的复合材料层的构成参数为依据，调整所述复合材料层的材料成分数量、主要材料成分介电常数、每一种材料成分的介电常数、每一种材料成分的体积占比、复合材料层的厚度和退极化因子中的一种多多种，所述复合材料层的构成参数包括复合材料层包含的材料成分数量和每一种材料成分的材料属性。
40.可以理解的是，在迭代拟合待测样品的拟合光谱的过程中，如何调整待测样品复
合材料层的参数，会关系到有效介质ema通用模型的迭代效率和准确性。由于待测样品提供商会预先提供待测样品的一套参考参数，主要包括复合材料层的构成参数，复合材料层的构成参数包括复合材料层的材料成分的数量和每一种材料成分的材料属性。本发明实施例可以以提供商预先提供待测样品的一套参考参数为依据，来调整复合材料层的参数。这样在一个参考范围内调整复合材料层的参数，会更优依据性，使得迭代过程更有效率，迭代的结果也更具准确性。
41.作为实施例，根据复合材料层的材料成分数量、主要材料成分介电常数、退极化因子、每一种材料成分的体积占比以及每一种材料成分的介电常数，构建复合材料层的有效介质ema通用模型。
42.其中，有效介质ema通用模型的表达式为：
[0043][0044]
其中，
[0045]
其中m1≠m2；
[0046]
其中m1≠m2≠m3，第n-1阶时，1阶时，其中m1≠m2≠...≠mn-1；
[0047][0048]
其中m1≠m2；
[0049]
其中m1≠m2≠m3，第n-1阶时，
[0050][0051]
其中，n≥2且为复合材料层的材料成分数量，m1、m2...m
n-1
分别表示第m1、m2...m
n-1
个材料成分，取值范围为1到n，(n-1)为阶数，n的取值范围为2到n，并且m1≠m2≠...≠m
n-1
，εh为主要材料成分介电常数，退偏系数κ＝(1-q)/q，q为退极化因子；表示第m1种材料成分的体积占比，种材料成分的体积占比，表示第m1种材料成分的介电常数。
[0052]
根据上述有效介质ema通用模型的表达式，有效介质ema通用模型与复合材料层的每一种材料成分的介电常数、主要材料成分介电常数、每一种材料成分的体积占比以及设定的退极化因子有关系，因此，在基于有效介质ema通用模型进行迭代求解待测样品复合材料层的有效介电常数时，需要对这些参数进行调整。
[0053]
其中，需要说明的是，根据待测样品复合材料层的结构以及设定的退极化因子，有效介质ema通用模型可进行简化，比如，通常可根据复合材料层的主要材料成分介电常数以及退极化因子，有效介质ema通用模型能够简化为maxwell-garnett模型、bruggeman模型、线性模型、反比例模型或者lorentz
–
lorenz模型。
[0054]
其中，具体的是，当复合材料层中只有一种材料成分为主要材料成分(可参见图2-1，b材料成分为复合材料层的主要材料成分)，且退极化因子q＝1/3时，有效介质ema通用模型为maxwell-garnett模型，其表达式为：
[0055][0056]
其中，εh＝ε
m1
，ε
m1
为主要材料成分介电常数，此种模型适合复合材料中只有一种材料成分占主导地位的情形。
[0057]
当复合材料层中没有主要材料成分占主导地位(可参见图2-2，复合材料的a材料成分和b材料成分均不占主导地位)，且退极化因子q＝1/3时，所述有效介质ema通用模型为bruggeman模型，其表达式为：
[0058][0059]
其中，εh＝ε表示主要材料成分的介质常数为复合材料层的有效介质常数，此种模型适合复合材料层中没有占主导地位的材料成分的情形。
[0060]
当复合材料层的多层材料成分按照左右层次布置，且每层材料成分之间均独立(可参见图2-3，材料成分a和材料成分b为左右布置，且材料成分a和材料成分b之间完全独立无交叠)时，此种情形表示退极化因子q趋近于0，但是不等于0，常常记为q＝0,包括q＝0
+
和q＝0-两种情况，分别代表q大于零且趋近于0以及q小于零且趋近于0，有效介质ema通用模型为线性模型，其表达式为：
[0061]
ε＝f
m1
ε
m1
+f
m2
ε
m2
+...+f
mn
ε
mn
。
[0062]
当复合材料层的多层材料成分按照上下层次布置，且每层材料成分之间均独立(可参见图2-4，材料成分a和材料成分b为上下布置，且材料成分a和材料成分b之间完全独立无交叠)时，此种情形表示退极化因子q＝1，有效介质ema通用模型为反比例模型，其表达式为：
[0063][0064]
当所述复合材料层的主要材料成分介电常数为空气介电常数，且退极化因子q＝1/3时，所述有效介质ema通用模型为lorentz
–
lorenz模型，其表达式为：
[0065][0066]
其中，εh＝1表示主要材料成分介质常数为空气介电常数。
[0067]
可以理解的是，当待测样品复合材料层的主要材料成分满足上述几种情形中的一种时，可基于上述其中一种简化模型来拟合计算待测样品复合材料层的有效介电常数。另外，上述仅仅提供了5中简化模型，在实际中，可根据复合材料层的构成和退极化因子，还可
以将有效介质ema通用模型简化为更多的模型。
[0068]
另外，在使用有效介质ema通用模型时，可以改变退极化因子q值来计算maxwell-garnett、lorentz
–
lorenz以及bruggeman模型在非1/3情况的介电常数，也可以改变复合材料层有效介电常数εh，即复合材料层的主要材料成分介电常数，使其计算纯数学解。
[0069]
作为实施例，b中根据复合材料层的参数，基于有效介质ema通用模型拟合计算待测样品的拟合光谱，包括：通过调整复合材料层的主要成分介电常数和退极化因子，确定有效介质ema通用模型对应的具体模型；基于具体模型，根据复合材料层的参数，拟合计算待测样品的拟合光谱。
[0070]
其中，如果复合材料层的构成及退极化因子的设定，不能满足上述提供的任一种简化模型，那么此时则基于原始的有效介质ema通用模型来对复合材料层的有效介电常数进行拟合。在拟合的过程中，可主要调整复合材料层的材料成分数量、主要材料成分介电常数和退极化因子，也可以适当调整复合材料层的每一种材料成分的介电常数和每一种材料成分的体积占比，以及调整复合材料层的厚度，通过多参数的调整，来迭代拟合计算待测样品的拟合光谱，直到待测样品的拟合光谱达到测量光谱的精度要求。基于提供的有效介质ema通用模型对待测样品进行光谱迭代拟合的过程中，可调整上述的任一个参数，不局限于上述某一种模型的调整参数的限制，具体很广的普适性，可适用于任何不同构成复合材料层的拟合光谱的拟合计算。
[0071]
实施例二
[0072]
一种复合材料层的参数拟合计算方法，参见图3，为该参数拟合计算方法的整体流程图，主要包括以下步骤：
[0073]
step1，可以利用反射仪、透射仪以及椭偏仪等光学测量仪器，获得待测样品的光强变化信息，通过光强信息的傅里叶变换可以计算出待测样品的穆勒矩阵，从而得到样品的光谱信息，即待测样品的测量光谱。
[0074]
step2，需要提供待测样品复合材料层的层数以及每层材料成分的材料属性。
[0075]
其中，样品包括复合材料层，复合材料层的数量可以为一层或多层，复合材料层的材料属性包括材料的种类以及材料的数量。对于每一层复合材料层，都要分别基于本实施例提供的有效介质ema通用公式模型最终获得相应的复合材料层的参数。
[0076]
在一些实施例中，样品还包括单一材料层，单一材料层的厚度和介电常数(或复折射率)的计算为现有技术，在此不再赘述。
[0077]
step3，待测样品的每层薄膜厚度以及材料的介电常数或复折射率为拟合目标值，其中每层材料成分的介电常数或复折射率可以由实验测量列表、振子模型或者ema等模型提供。使用有效介质ema通用公式模型时，可以在拟合时开放退极化因子q与主要成分介电常数εh来迭代出不同的ema模型结果，即待测样品不同的拟合光谱。在迭代的过程中，可调整的参数包括复合材料层的材料成分数量、每一种材料成分的介电常数、每一种材料成分的体积占比、主要材料成分介电常数、复合材料的厚度和退极化因子中的一种或多种，拟合迭代参数的实现方法包括但不限于levenberg-marquardt方法、牛顿法、梯度下降法、共轭梯度法等。
[0078]
step4，计算仿真光谱和测量光谱之间的差异，如果达到精度要求，则认为ema模型中拟合的待测样品复合材料层的每层厚度以及介电常数或复折射率为待测样品实际数值，
输出拟合复合材料层厚度、以及复合材料层的介电常数或复折射率，完成测量；否则调整各层膜厚或者材料的成分构成、振子模型以及ema模型的拟合参数初值，直到拟合光谱和测量光谱之间差异满足精度要求或者迭代次数达到最高迭代次数为止。
[0079]
step5，迭代停止后，输出待测样品复合材料层的厚度和复合材料层的有效介电常数。
[0080]
本发明实施例提供的通用性的有效介质ema模型，与传统ema固定的多个模式或二元ema通用公式计算相比，多元ema可以兼容多元ema的固定模式与二元ema通用公式，并且可以更加灵活的调整退极化因子q与主要成分介电常数εh值来计算复合材料层有效介电常数ε。
[0081]
实施例三
[0082]
一种复合材料层的参数拟合计算系统，参见图4，该参数拟合计算系统包括获取模块41、拟合计算模块42和迭代模块43，其中：
[0083]
获取模块41，用于获取待测样品的测量光谱，所述待测样品包括复合材料层；拟合计算模块42，用于根据所述复合材料层的参数，基于有效介质ema通用模型拟合计算所述待测样品的拟合光谱；迭代模块43，用于若所述拟合光谱达到所述测量光谱的精度要求，则获取拟合的所述复合材料层的参数；若所述拟合光谱未达到所述测量光谱的精度要求，则调整所述复合材料层的参数，重复执行所述拟合计算模块42和迭代模块43，直到所述拟合光谱达到所述测量光谱的精度要求，获取所述复合材料层的参数；其中，所述复合材料层的参数至少包括所述复合材料层的材料成分数量、主要材料成分介电常数、每一种材料成分的介电常数、每一种材料成分的体积占比、所述复合材料的厚度和所述复合材料的退极化因子，所述退极化因子表征所述复合材料层的形状。
[0084]
可以理解的是，本发明提供的一种复合材料层的参数拟合计算系统与前述各实施例提供的复合材料层的参数拟合计算方法相对应，复合材料层的参数拟合计算系统的相关技术特征可参考复合材料层的参数拟合计算方法的相关技术特征，在此不再赘述。
[0085]
本发明实施例提供的一种复合材料层的参数拟合计算方法及系统，构建有效介质ema通用模型，不局限于某一种模型或者有限的多种模型，通过调整复合材料层的任何参数，来迭代计算待测样品的拟合光谱，调整参数时不因为某一种或几种具体模型的限制，可适用于任何复合材料层待测样品参数的获取。
[0086]
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0087]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0088]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产
生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0089]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0090]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0091]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0092]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。