（光学工程专业论文）光学薄膜特性多维计算、设计、测试与分析综合软件.pdf

摘要 光学薄膜特性多维计算、设计、测试与分析综合软件 专业：光学工程 硕士生：潘洪昌 指导教师：江绍基教授 摘要 随着镀膜工业技术水平的迅速提高，光学薄膜设计软件在镀膜领域广泛应 用。多功能、综合性是光学薄膜软件的发展趋势。目前该类软件为国外所垄断， 因此，开发具有自主知识产权的多功能、综合性的光学薄膜设计与分析软件对促 进我国光学薄膜技术与产业的发展具有重要的应用意义。 论文对国内外同类光学薄膜软件进行较全面的介绍和分析，根据目前光学薄 膜软件的发展现状并结合实验室的软硬件资源，以光学薄膜设计分析理论为基 础，使用刚b 嬲i c 6 o 开发出一套具有自主知识产权的多功能、综合性的光学 薄膜特性多维设计与分析软件“s y s uo t f l a b 光学薄膜设计软件v 1 o ”。 该软件能计算光学薄膜的各种基本特性( 透射率、反射率、相移、电场分布、 等效光学导纳、等效位相厚度等1 ；能使用针法、遗传算法等多种优化算法优化 已有膜系，提高膜系性能；能对薄膜沉积过程进行仿真分析；并创新性的实现光 学薄膜多维分析计算功能，为使用者提供一个多角度多参数的光学薄膜多维分析 工具。此外配合实验室的仪器资源，该软件能对镀膜过程中光学薄膜的厚度进行 实时宽光谱监控，并能对器件的光谱特性进行测量。 论文以软件工程思想为指导对光学薄膜软件的开发提出了一些新的解决方 案，如：使用单个顺序文件开发材料数据库；将常用函数编译为动态链接库提高 代码重用率；采用混合编程把复杂优化运算交托m a t l a b 后台处理；使用第三方 显示控件对光学薄膜分析结果进行二维或三维的图形显示。同时论文运用虚拟仪 器技术，自主研发光学镀膜宽光谱监控仪，实现对镀制任意厚度光学薄膜的监控； v i l 中山人学硕i ：学位论文 并二次丌发全自动光栅光谱仪、光源光谱特性测试系统，实现器件光谱特性的测 量。 关键字：光学薄膜；多维分析；软件工程；动态链接库：混合编程；虚拟仪器 v i i i a b s t r a c t s y n t h e t i c a l s o f t w a r eo fo p t i c a lt h i n l i l mc h a r a c t e r i s t i c s m u l t i d i m e n s i o n a lc a l c u l a t i o n ，d e s i g n ，t e s t i n ga n da n a l y s i s m a j o r ：o p t i c a le n g i n 一n g n a m e ：h o g - c h a n gp a n s u p e i v i s o r ：p i o f s h a o - j ij i a n g a b s t r a c t w i t ht 1 1 er 印i dd e v e l o p m e n to fc o a t i n gt e c l l i l o l o g y o p t i c a lt l l i i lf i l ms o f a r ei s 谢d e l y u s e di nt l l ec o a t i n gi n d u s t 阱m u l t i 丘m c t i o n 锄ds y n t h e t i c 骶t h et r e n do fo p t i c a lt h i n f i l ms o f 时a r ed e v e l o p m e n t n o w a d a y s ，m o s to ft h e s ek i n d so fs o r 戳鹏a r ed e v e l o p e d b yf o r e i g nc o m p a i l i e s t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gam u l t i 如n c t i 伽l a l 觚ds ) ，i l t h e t i co p t i c a l t h i n f i l ms o f h 硼r e ，w i n li n 出：p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r 哆r i g h t s ，h a si m p o r t a n t 印p l i c a t i o ns i g n i f i c a n c et op r o m o t et l l ec h i n e s eo p t i c a ln l i l lf i l mt e c l l l l o l o g ya i l d i r l d 咖i a lp r o g r e s s a tt 1 1 eb e g i 衄i n go fm i sp a p e r ag e n e r a li n t r o d u c t i o n 觚da i l a l y s i so fo p t i c a lt l l i nf i l i l l s o r w a r ea th o m e锄d加a da r em e n t i o n e d t h i ma c c o r d i n gt 0t h ec u r r e m d e v e l o p m e n to fo p t i c a lt h i nf i h ns o 行w a r ea l l dc o m b 诚f 培谢t l lt h er e s o u r c e so ft l l e l a b o m t o am u l t i f 衄c t i o n a la n ds y n t h e t i cs o 脚a r eu s e di nm u l t i d i m e n s i o n 甜a n a l y s i s 锄dd e s i 盟o fo p t i c a lt l l i nf i l mc h a r a c t e r i s t i c s ，c a l l e d “s y s u 二p t f l a bo p t i c a l 眦n f i l md e s i g ns o 自= 、) 船v1 0 ”，i sd e v e l o p e d t h i ss o r w a f ew h i c hh 勰b e e na p p l i e d f o rs o 肌a r ec o p yr i 出i sb 缴do nt h et h e o f yo fo p t i c a lm i nf i l m 觚dd e v e l o p e d b y v i s l 墙lb a s i c 6 0 1 1 l i ss o f 【w a r ec a i lc a l c u l a t eb a s i cc h 蹦坨t e r i s t i c so fo p t i c a lm i nf i l m ；c a no p t i m i z e d e s i 龃b yu s i n gv a r i e t ) ro f0 p t i m i z a t i o na l g o r i t l l i i l ；c 锄s i i n u l a t i o na l l a l y s e t h e d e p o s i t i o np r o c e s s o fo p t i c a l 仳nf i l i l l i ta l s 0 i n n o v a t i v e l yp r o v i d e s a m u l t i d i m e n s i o n a la i l dm u l t i p a r a m 鼬e rt o o lt 0c a l c u l a t e 褫d 强a l y m ec h a r a c t e r i s t i c l x 中山人学硕 ：学位论文 o fo p t i c a lt h i nf i l m b e s i d e s ，c o m b i n i n gw i mi n s t m m e n to ft h el a b o r a t o r y ，i tc a n r e a l - t i m em o n i t o rt h eo p t i c a lf i l mt h i c l m e s sw i t hw i d e b a r l ds p e c t m m g u i d e db ys o r 、v a r ee n g i n e e r i n g ，an 啪b e ro fn e ws o i u t i o n sa r ep r o p o s e df o ro p t i c a l t h i nf i l ms o f b a r ed e v e l o p m e n t ：u s i n gas e q l l e n t i a lf i l et 0d e v e l o pm a t e r i a l sd a t a b a s e ； c o m p i l i n gc o m m o n 如n c t i o n st od y n a m i cl i l l | 【l i b r a r i e si no r d e rt oi n c r e a s ec o d er e u s e r a ：t e ；u s i n gm a t l a bt op r o c e s so p t i m i z a t i o na l g o r i t l l mi nb a c k 铲o u n d ；u s i n g 也i r dp a r t y c o m p o n e n t st od i s p l a y2 do r3 d 铲印h i c s m o r e o v e r ，c o m b i n i n gw i t hv i n u a l i n s t n l i n e n t 弛j h n o l o g y ，ar e a l t i m em o n i t o r i n gs y s 锄no fo p t i c a lt h i nf i l mt h i c k n e s s w i t hw i d e b 锄ds p e c t m mi sd e v e l o p e d 锄da 危u n ei sb u i l tt o i n t e g r a t et l e s p e c t r o p h o t o m e t e ra n ds p e c t n 班lt e s t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：o p t i c a lt h i nf i l m ；m u l t i d i m e n s i o n a la n a l y s i s ；s o r 、v a r ee n g i n e e r i n g ； v i r t l 阻li n s t m m e n t ；d y n a m i ci i n kl i b r a r y ；m i x e dp r o g r a u n i n g x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下 及同学的协助下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复 制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位 论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：禹形) 1 马 导师签名：沙? 垛 日期：7 闪3 年6 月 川，瓦。= 2 瓦2 舞，且 觐 赫 以= t 如，厂 2 。3 7 r 砭( 矗酞一厂) ( 矗酞一) ，厂 p m = t 心，尽厶v g 2 。3 8 五。表示种群最大适应度值；厶表示种群平均适应度值；厂表示在要交叉 两个个体中较大的适应度值；表示要变异的个体适应度值。这里，k 1 ，l ( 2 ，k 3 和k 4 是在0 到l 之间取值的常数，其中l ( 2 和k 4 较大 从公式( 2 - 3 7 ) 、( 2 - 3 8 ) 中可以看出，如果个体较差( 其适应度值小于平均适应 度值) ，对其就给予较大的交叉概率和变异概率；如果个体较优良( 其适应度值大 于平均适应度值) ，则依据其优良程度线性地赋予此个体相应交叉概率和变异概 率适应度值越接近最大适应度值，个体交叉概率和变异概率就越小，当等于 最大适应度时，交叉概率和变异概率为零。 二、改进型自适应遗传算法 目前对参数k l ，l 【2 ，k 3 ，k 4 的选取还未见系统的报道，通常是根据设计经 验手动选择。但是在缺乏一定的设计经验的情况下，手动选择k l ，k 2 ，k 3 ，k 4 总是显得被动和低效，而且，不能对参数进行更精确的调节。如果能让计算机自 动计算选择使适应度最高的一组参数值，则上述问题就可以得到相对满意的答 第二章光学薄膜特性的计算理论 案。 一般k 2 和k 4 取值较大，故设定k 2 和k 4 在【0 5 ，1 】区间内变化，k l 和k 3 在【o ，0 5 】区间内变化，将k l ，k 2 ，k 3 ，k 4 参数的初始值设为0 5 。先固定其中 三个参数，在程序中选取其中剩下的参数( 比如k 1 ) 作循环，让它在取值范围内从 小到大取值，计算对应的适应度值，然后作出适应度参数图，找到使适应度最 大的k l 值。以此k l 值代入，再固定k 3 和k 4 的值，循环k 2 ，找到使适应度最 大的k 2 值，代入k 1 和k 2 值，固定k 4 值，循环k 3 。依此类推，逐步逼近能达 到全局最优值的四个参数值。这种逐步寻优法能够逐步地接近可获得最大适应度 的参数，使a g a 能更快地接近优化目标。下图是改进型自适应遗传算法流程图： 确定成， 上j 遗传算法 图2 7 改进型自适应遗传算法流程图 2 4 4 精英选择自适应遗传算法 - 1 7 中山人学硕1 ：学位论文 改进型的遗传算法一般对优化过程中的控制参数进行自适应调整，即在算法 的运行过程中对变异概率、交叉概率进行自适应调整，从而很大程度上改善了传 统遗传算法的缺点。精英选择自适应变异遗传算法也应用到自适应的思想， 但是它不是对控制参数的自适应调整，而是变异操作边界条件会随着群体的进化 而进行自适应变化，这样既使得群体保持了多样性，也使得群体在后期优化过程 保持很快的收敛速度。精英选择自适应遗传算法如下： 一、编码与群体的产生 实数编码遗传算法在连续问题的优化中方便、有效【2 0 l 。几何厚度可用浮点 数表示，每个浮点数代表一个优化参数，一个解需要脚维的向量表示 x = 【西，哇，以】。一般情况下，我们可以对搜索的空间边界做一定的约束， 所以群体中个体的每个基因可以用一个浮点数表示为： d ( g ) = 4 ( g ) + ( 吃( g ) 一珥( g ) ) ， ( 2 - 3 9 ) 式中，是一个大于0 小于1 的随机实数，珥( g ) 与吃( 口) 分别为设定的每层膜的边 界厚度。按照( 2 3 9 ) 式的方法，可随机产生个符合边界条件的个体形成初始群 体。 二、选择操作 首先需确定个体的适应度值，我们定义个体的适应度值与评价函数的关系 为： y(x)=一f(x)(2-40) 在遗传算法中，选择操作都遵循一个基本原则，即适应度值高的个体被选作 父代或进入下一代的几率大。在这个原则基础上，可以存在许多的选择方法。本 文采用如下的精英选择机制，在下一代的群体中，百分之只的个体直接选择产生； 百分之的个体由交叉产生；百分之巴的个体由变异产生，即当前群体中具有 较高适应度值的m = 只( 是群体规模) 个个体直接被复制到下一代；下一代 中的m = 个体由当前群体中依据个体适应度值选择产生的父群体交叉产生； 以= 艺个体由变异产生。 第二章光学薄膜特性的计算理论 三、交叉操作 本算法采用随机多点均匀交叉操作。该操作的过程如下，首先产生一个随机 整数l 【。仇】，其中怫为个体的变量数目，。是需要进行交叉操作的变量 的最小数，一般选取。= 仉2 ，确定了进行交叉操作的变量数目后，随机产生 交叉位置并在该位置进行基因值交换，如此由父代个体产生f = 个体进入到 下一代群体当中。 四、变异操作 自适应变异操作跟初始化群体操作过程完全一样，随机产生辨= 己个体 进入到下一代，但不同的是产生个体的边晃条件随着群体的进化而改变。新的边 界条件由下式给出： d 二一。( g ) = 屯u 一。( g ) 一c ( d 厶一。( 9 ) 一( g ) )( 2 - 4 1 ) 或“，- ，( g ) = d 厶一，( g ) + c ( ( 口) 一d 厶一，( g ) ) ( 2 - 4 2 ) 式中( g ) 为当前群体中所有个体基因d ( g ) 的平均值，0 c 0 舯髂5 6 ) ，r - 9 0 3 3 ( 匕) ( y 7 鲰0 0 8 8 5 6 ) ( 2 - 5 1 ) 甜= 1 3 c ( “一搿。) ，矿= 1 3 r ( ，l ，。) 、。 式( 2 5 1 ) 中】，为颜色样品的三刺激值；匕为完全反射漫射体的三刺激值；甜， ，。为样品的c m l 9 7 6 u c s 色品坐标；，为完全反射漫射体的色度坐标。结 果r 称为明度指数；甜，称为色品指数。用此空间计算两个颜色之间的色差丝 为： 皈= 【( 应) 2 + ( 硝) 2 + ( 订】l 2 ( 2 5 2 ) 它近似等于在c i e l 9 7 6 ( r ，甜+ ，矿) 色空间中两色品点之间的距离。心，z f ， ，分别代表两个色刺激的做标r ，甜，之差。 二、c i e l 9 7 6 ( r ，口，6 ) 色空间及色差公式 这个空间也是三维直角坐标系统： ；羔器笛誉。筠，i 茅篡唰培邯俐， 陪5 3 ， 口= 5 0 0 ( x 咒) 3 一( 】，艺) 3 】，矿= 2 0 0 【( 】，k ) 3 一( z z j ) 3 】 、7 式( 2 5 3 ) 中x 、j ，、z 代表颜色样品的三刺激值；以、磊代表完全反 射漫射体的三刺激值。结果r 称为明度指数；口，矿称为色品指数。如果x 以、 】，匕、z 乙三项中有比值小于o 0 0 8 8 5 6 的项，则这一项用下式代替： 7 7 8 7 f + 1 6 1 1 6 ( 2 5 4 ) f 代表x 以、】，、z 乙。用此空间计算两个颜色之间的色差衄为： 峨= 【( 应) 2 + ( 血) 2 + ( 6 ) 2 】l 2 ( 2 - 5 5 ) 2 5 4 色温 人们用黑体加热到不同温度所发出的不同光色来表达一个光源的颜色，称作 光源的颜色温度，简称色温。色温的计算可以采用黑体轨迹和等温线法和色温公 式法求得。 一、黑体轨迹和等温线法 在c i e l 9 3 1 色度图上，黑体轨迹上各个温度点不一定按等距分布的，计算 中山大学硕b 学位论文 光谱色温时，利用c i e l 9 6 0 u c s 图黑体轨迹和等温线。根据待测光源的材、v 值 通过附录4 ( 黑体轨迹和等温线色度坐标) 寻找最接近黑体轨迹等和温线的点的色 温。 二、色温公式法 根据相关色温公式( m c c 锄y ，l9 9 2 ) ： 丁= 4 3 7 刀3 + 3 6 0 1 刀2 6 8 6 l 门+ 5 5 1 4 3 l ，2 = ( x o 3 3 2 0 ) ( j ，一0 1 8 5 8 ) ( 2 5 6 ) 式( 2 5 6 ) 中x 、y 代表待测光源的c i e l 9 3l x y z 色度坐标。 2 5 5 显色指数 1 9 6 5 年c i e 制定一种评价光源显色性的方法，简称“测验法”，这个方法 是用一个显色指数量值表示光源的显色性。光源对某一个颜色样品的显色指数称 为特殊显色指数r ，光源对特定8 颜色样品的平均显色指数称为一般显色指数 尺。 显色指数的计算方法如下： ( 1 ) 通过待定光源的相对光功率谱分布s ( a ) 求出色度坐标、v o 和相关色温z 。 ( 2 ) 根据相关色温7 选择最接近此色温的参照照明体参数，通过参照照明体参数 简便计算方法，计算l 8 类颜色样品的色度指数u ：、嵋和明度指数畈。 所= 1 0 4 丁，厂= 口+ 6 ，”+ a 卯2( 2 5 7 ) 式( 2 - 5 7 ) 中厂为参照照明体的以、圪、暇；口、6 、c 通过“参照照明体项目 公式参数表”查得。 ( 3 ) 计算待测光源下颜色样品l 8 的三刺激值k ，、圪 ，、乙，和色度坐标，、 f o 在计算过程中须引入c i e 计算光源显色指数用的1 8 号颜色样品光谱亮度 因素( 五) ，即如式妒( 五) = ( 旯) s ( 五) 。l 8 号颜色样品光谱亮度因素( 五) 通过查 表得到。 ( 4 ) 通过下式计算待测光源下l 8 号颜色样品的以 f 、眨，、k ，。 形，= 2 5 砭j m 1 7 ，u i = 1 3 肜女( j 一) ，y ，= 1 3 形i ，f ( h j 一) ( 2 5 8 ) ，6 第一二章光学薄膜特性的计算理论 ( 5 ) 计算待测光源下与参照照明体下l 8 号颜色样品的色差，如下式： 她= 【( 矿。厂矿，j ) 2 + ( 以j 一矿“) 2 + ( 吒厂旷j ) 2 】l 2 ( 6 ) 计算各个颜色样品的特殊显示指数r r = 1 0 0 4 6 蛆 ( 7 ) 计算r 的平均值求得一般显示指数兄 尼= 吉喜r ( 2 - 5 9 ) ( 2 6 0 ) ( 2 - 6 1 ) 2 6 本章小结 本章以光学薄膜分析理论为基础，运用单层薄膜干涉矩阵的结论，详细分析 了光学多层薄膜特性的计算理论，阐述了光学多层薄膜内电场强度的分布，以及 弱吸收薄膜光学常数的确定方法。通过对理论的消化吸收将公式结论转化为程序 流程图，为采用计算机语言实现多层薄膜特性计算打下了基础。 然后阐述了膜系自动设计的相关理论。重点讨论了遗传算法及其改进算法 ( 自适应遗传算法、精英选择自适应遗传算法、整体遗传算法) 的知识概念，并采 用程序流程图描述各个算法的原理。 最后，本章还讨论了色度学有关参数的计算方法。 中山人学颂i j 学位论文 第三章综合性光学薄膜软件的总体设计 本课题的目标是丌发一套包括光学薄膜基本特征计算，三维图形分析，膜系 自动设计，薄膜沉积仿真，镀膜监控以及光学薄膜特性测试在内的能体现光学薄 膜一个完整生命周期的综合软件。其功能特点如下图所示： 图3 1 综合软件设计目标 通过不断研究与丌发希望令该综合软件成为具有推广应用价值的，国内综合 功能最强的光学薄膜设计软件，并且与国外同类相比具有自己的特点和创新性。 3 1 综合软件的设计要求 为达到以上丌发目标，通过横向比较国内外光学薄膜设计软件的优缺点，纵 向分析光学薄膜设计软件的发展趋势，课题所丌发的综合软件包括以下功能： 1 、具有完善的材料数据库，对各种金属、介质材料的n 、k 值进行保存； 2 、能计算一个给定膜系的各种性能参数，包括反射率、透射率、相移等； 3 、能使用多种优化算法优化已有膜系，达到提高其性能的目的； 4 、能进行光学薄膜特性的三维分析计算，为用户提供多角度多参数的分析工具； 5 、能对薄膜沉积过程进行仿真，为实际镀膜提过理论指导； 6 、能计算光源或无源器件的颜色参数。 为了整合中【l j 大学镀膜室现有的仪器硬件资源，达到光学镀膜监控与测试自 动控制的最终目标，综合软件能： 第三章综合性光学薄膜软件的总体设计 l 、结合自主研发的光学镀膜宽光谱监控仪，实现镀制任意厚度光学薄膜的监控； 2 、二次开发现有的光谱测试系统，实现对有源器件特征光谱的测量分析； 3 、二次开发分光光度计，实现对无源器件特性的测量。 同时，为了消除光学薄膜工作者对薄膜光学理论了解深浅的差异，提高本综 合软件的使用普遍性和推广应用价值，让其真正走出实验室进入实际光学镀膜工 作环境，综合软件应： l 、操作简单( 基本已菜单操作为主) ，不涉及具体技术细节； 2 、人机界面友好，能图形显示计算结果，数据输入输出文件保存读取功能齐全； 3 、采用全中文显示，并具有完备的帮助文档。 最后为了将光学薄膜的新理论、光学薄膜设计的新方法以及实验室的新研究 成果集成在该综合软件中，保证软件的灵活性兼容性及可持续发展，软件在开发 过程中必须注意： 1 、核心代码编译为动态链接库，提高代码的重用率； 2 、开放式设计，功能模块化； 3 、采用通用标准的接口开发仪器硬件； 4 、完善的说明、开发文档，以及代码修改维护记录。 3 2 综合软件的开发环境 本课题所开发的光学薄膜综合软件是在s u a lb a s i c 6 o 平台上开发的。 砌b 嬲i c l o 是在1 9 9 1 年美国微软公司推出的。自v b l 0 后，微软公司 相继推出v b 2 0 ，v b 3 o ，v b 4 0 ，这些版本主要用于w i n d o w s 3 x 环境中1 6 位 应用程序的开发。1 9 9 7 年微软推出v b 5 o ，它是一个3 2 位应用程序的开发工具， 可运行在w i n d o w s 9 x 或者w i n d o w sn t 中。v b 6 o 是微软在1 9 9 8 年发布【2 5 之6 】。 s 础意即可视的、可见的，指的是开发像w i n d o w s 操作系统的图形用户 界面( g 豫p l l i cu s e ri n t e r f a c e ，g u i ) 的方法，它不需要编写大量代码去描述界面元素 的外观和位置，只要把预先建立好的对象拖放到屏幕上相应的位置即可。b a s i c 实际上是一个短语的缩写，这个短语就是b e g i 姗e r sa l l j u 印o s es y m b o l i c 咖c t i o nc o d e ，其中文意思为“初始者通用符号指令代码语言。 v b 的功能十分强大，它可以实现w i n d o w s 的绝大部分功能，如多任务、多 中山大学硕l ：学位论文 文档界面( m d i ) 、动态链接库( d l l ) 、对象的链接与世隔嵌入( o l e ) 、开放式数据 连接( o d b c ) 等技术，尤其是动态链接技术，使得v b 可以调用w i n d o w s 系统的 各种资源。应用v b 可以方便地完成各种任务，从小型应用程序到大型的数据库 应用系统和多媒体信息处理系统，甚至通过i n t e r n e t 访问遍及全球的分布式应用 程序等。 3 3 综合软件的软件架构 为了使综合软件具有良好灵活性、可扩展性和兼容性，便于日后根据需要进 行程序功能的扩充、修改和维护，在软件开发过程中根据系统的特点把一些基本 计算功能封装为功能模块。通过这些模块的不同组合分别构成了系统软件的五大 功能：基本计算、三维分析、优化设计、镀膜监控以及特性测试。 在软件架构方面，综合软件由下至上分为4 个逻辑平面，它们分别是底层、 接口层，应用层和用户层。底层包括了仪器硬件以及材料库等常用数据参数；接 口层包括仪器硬件的物理接口( 总线及i o 接口) ，仪器硬件的驱动接口，核心模 块与应用层的交互接口，外部应用程序接口；应用层包含了综合软件的所用应用 功能；用户层负责使用者与综合软件的信息交换。各层结构如图3 2 所示。 第三章综合性光学薄膜软件的总体设计 3 3 1 底层 底层中包括仪器硬件、外部程序和数据库三部分： ( 1 ) 仪器硬件有光学镀膜宽光谱监控仪、全自动光栅光谱仪、光源光谱特性 测试系统、分光光度计。本章第4 节将对这四套系统的原理作用及硬件组成进行 介绍； ( 2 ) 为了提高优化算法的运算效率，综合软件中所采用的优化计算都交给外 部程序m a t l a b 后台处理； ( 3 ) 数据库保存了光学薄膜特性计算所用到的各种材料的折射率数据以及 色度参数计算中所用到的各种常数。 3 3 2 核心模块 为了提高系统的开放性，代码的重用性及可读性，在软件开发过程中将常用 的函数代码段编译成为4 个基于类的“动态连接库，有关这些核心模块的功能 及设计将在第四章作详细的解释阐述。 3 3 3 接口层 接口层承担着仪器控制，外部程序调用，以及应用层与核心模块数据交互等 重要工作，是综合软件的“脊柱骨。有关综合软件如何实现与仪器、外部程序、 核心模块的i o 操作等问题将在第五章作详细讨论。 3 3 4 应用层 通过接口层，应用层调用底层硬件设备、外部程序和核心功能模块，为使用 者提供各种光学薄膜有关的计算及操作。本综合软件分为“基本计算 、“三维分 析 “优化设计”“镀膜监控”、“特征测试 五大逻辑模块。其具体功能见下表， 表3 1 综合平台的软件功能 逻辑模块功能 备注 l 、显示、添加、修改、删除材料n 、k 值； 基本计算材料库2 、查看材料n 、k 谱线； 3 、导入导出材料。 颜色库l 、标准照明体a 、b 、c 、d 6 5 的相对光功 率谱； 知黑体轨迹等温线色度坐标； 4 、1 8 号颜色样品光谱辐射亮度因数； 中山大学硕 ：学位论文 5 、参照照明体项目公式参数。 l 、公式编辑输入，如( h l ) 33 h 2 l ； 膜系输入 2 、表格形式输入多种材料组成的膜系。 l 、可选用波长、波数为x 轴参数； 介质材料特征计算 2 、计算膜系的反射率、透射率、吸收率、 色散材料特征计算 损耗、反射和透射的相移、等效折射率、 等效位相厚度： 3 、计算结果可选用、d b 、l n 为单位； 4 、当倾斜入射时可以对s 偏振光和p 偏振 金属材料特征计算 光和a v e 分别计算； 5 、特征数据可以单独或叠加二维显示、并 保存。 光学、物理厚度换算 l 、通过材料的透射曲线计算其折射率； 2 、计算该薄膜的物理厚度； 包络法求材料折射率 3 、局限使用于弱吸收材料的单层薄膜： 4 、导入的透射谱线需要滤波除毛刺。 l 、c l e1 9 3 1 ，1 9 6 0 ，1 9 7 6 ，三个色度学坐标； 2 、在c j e 色度图上显示坐标颜色； 色度参数计算 3 、计算亮度因素、主波长、兴奋纯度、亮 度纯度、色温与显色系数。 电场强度分布 计算某一波长多层膜内的电场强度分布。 计算某一波长在多层膜镀制过程中透射率 薄膜沉积仿真 或者反射率的变化趋势。 l 、入射角； 可以提供的光学 x 轴 2 、单层膜的光学厚度物理厚度： 薄膜三维特征计算多 3 、多层膜系中某层的光学厚度。 达：y 轴 l 、波长； 3 x 2 8 3 x 3 = 4 3 2 2 、归化频率。 基本上满足了薄 l 、反射率； 三维分析 2 、透射率；计算显示p 、 膜三维分析的需要，可 以让薄膜研究人员跳 3 、吸收率；s 、a v e 分 离繁重的编程工作，专z 轴 4 、损耗：量； 注于薄膜特性的研究 5 、反射相移； 数值单位可 6 、透射相移；以取d b 、 和分析。 7 、等效光学导纳；、l n 。 8 、等效位相厚度。 优化设计遗传算法 l 、采用混合编程的方法，将优化算法部分 交与m a t l a b 做后台运算，提高了运算效率； 模拟退火遗传算法 第三章综合性光学薄膜软件的总体设计 自适应遗传算法 2 、只能优化介质材料。 精英自适应遗传算法 针法优化 宽光谱膜厚监控 l 、采用c c d 结合a d 卡开发该套系统； 镀膜监控 2 、可用目视法、评价函数法进行蒸镀判停。 色度坐标膜厚监控在宽光谱监控的基础上软件实现。 有源发光器件测试 卓立汉光s b p 3 0 0 结合数据采集器d c s1 0 2 器件测试 等硬件构成该套系统。 识别l a m d a 9 0 0 分光光度计测试数据进行 无源器件的测试 相关运算。 关于综合平台软件中以上功能的操作界面及其使用方法将在第六章有详细 说明。 3 3 5 用户层 用户层主要负责用户与综合软件的信息交互，其中包括：参数指令输入， 计算结果显示，曲线图形显示保存，文件保存读取，系统状态显示等。由于本 综合软件完全基于w i n d o w s 开发，所以具有人机界面友好、操作简单、图表显 示直观等优点。 3 4 综合软件的硬件组成 本综合软件除了能够完成光学薄膜特性计算、优化设计、仿真等工作外，还 开发整合了中山大学镀膜室现有的硬件测试系统资源，实现了光学薄膜镀膜膜厚 监控以及有源无源光学器件的光谱特性测试工作。 综合软件整合的硬件资源有四套，它们分别是：光学镀膜宽光谱膜厚监控系 统、全自动光栅光谱仪、光源光谱特性测试系统、无源器件特性测试系统。下面 对这四套系统的工作原理及硬件组成进行简单的介绍，而如何整合这三套独立系 统进入综合软件等技术问题将在第五章作出解答。 3 3 1 光学镀膜宽光谱膜厚监控系统 一、光学镀膜宽光谱膜厚监控的原理【2 7 之8 】 光学镀膜宽光谱监控光路如图3 3 所示：从光源发出的光进入真空室照射到 监控片上，透过真空室经导光光纤入射到改造好的光栅单色仪；经光栅衍射后的 中山人学坝i ：学位论文 宽光谱入射到c c d 上；c c d 采集到各谱线对应的光强通过c c d 驱动电路、放 火和a d 转换电路后输入计算机：计算机监控软件对光谱数据进行处理并将处 理结果和理论曲线通过评价函数作蒸镀的判停。 光栅单伊。仪 图3 3 光学镀膜宽光谱膜厚监控系统原理图 二、光学镀膜宽光谱膜厚监控的硬件组成 系统所用到的硬件实物如下图所示： 冬噩圈固 多色仪 c c dc c d 控制电路板a d 数据采集卡 图3 4 光学镀膜宽光谱膜厚监控系统硬件实物图 ( 1 ) 多色仪：订制的多色仪部分参数如下表， 表3 2 多色仪特性参数 出射波长 38 俨一7 8 0 n m 焦距5 0 m m 光谱面长度 2 6 8 m m 光谱半宽度3 n m ( 狭缝宽度为o 2 m m 时) 外形尺寸6 8 7 5 5 6 m m ( 2 ) c c d ：系统采用东芝公司线阵c c d ，型号为t c d l 2 5 l u d ，是一种高灵 敏度、低暗电流、2 5 0 0 像元的线阵c c d 图像传感器【2 9 1 。 ( 3 ) a d 卡：系统采用a d a l l g h p c i 数据采集卡是与线阵c c d 驱动系列配 合的高速a d 数据采集卡，支持多种黑白和彩色线阵c c d 驱动器。卡上自带大 第二三章综合性光学薄膜软件的总体设计 容量静态缓存，适用于各种测量、测试和分析应用场合【3 0 1 。 采用以上硬件装配起来的光学镀膜宽光谱监控系统如下图所示： 图3 5光学镀膜宽光谱膜厚监控系统硬件装配图 3 3 2 全自动光栅光谱系统 全自动光栅光谱系统主要由斩波器、w d g 3 0 单色仪、步迸马达、锁相放大 器和计算机组成。其系统原理如下图所示： 图3 6 全自动光栅光谱系统 系统硬件实物如下图所示： 一嘲 锁褶放大器步遂马达 熏一 鞘矧 w d g 3 0 荤色彀斩浚器 图3 7 全自动光栅光谱系统硬件实物图 系统所采用的锁相放大器是由中山大学光电材料与技术国家重点实验室自 行开发研制的，在使用时光谱仪后面板的接线如下【3 1 】： 中山人学f 吹i j 学位论文 图3 8 全自动光栅光谱仪后面板 3 3 3 光源光谱特性测试系统 表3 3 全自动光栅光谱仪接线表 编号名称连接对象 3三插电源插头2 2 0 v 交流电 5可见输入可见光探头输出 6参考输入斩波器参考输出 7串行接口p c 机 9马达驱动步进马达 l 1键盘接口标准p c 键盘 一、光源光谱特性测试系统的工作原理 光源特性测试系统如图3 9 所示，主要由聚光装置，滤光片轮，单色仪，光 电探测器，数据采集器，光谱仪控制器与计算机等组成。 被测光源发出的辐射经过聚光装置，会聚到单色仪的狭缝处，进入单色仪。 单色仪中，由狭缝处发出的光束经准直 物镜后变成平行光束投向色散系统( 光 栅) ，此时入射的复合光分解为光谱，成 像系统将空i 刨上色散丌的各波长的光束 会聚在成像物镜的焦平面上，然后光电 探测器将成像系统焦平面上的光谱能量 接收，并检测光谱的强度、波长位置， 作为数据输出。数据经计算机处理后， 成为所要求的被测光源的光谱。 二、光源光谱特性测试系统的硬件组成 系统硬件实物如下图所示： 被劫l 光掘 图3 9 光源特性测试系统 函冒豳 光栅单色仪数据采集嚣 畦光电撂测器涟光片轮 图3 1o 光源光谱特性测试系统硬件实物图 ( 1 ) s b p 3 0 0 光栅单色仪：卓立汉光s b p 3 0 0 三光栅单色仪【3 2 】采用c t 式光学 结构，光栅台可同时安装三块光栅，微机控制自动更换光栅和进行波长扫描，覆 第三章综合忡光学薄膜软件的总体改汁 盖波长范围宽。 ( 2 ) 数据采集器：系统采用d c s l 0 2 数据采集器f 3 3 1 ，把光电探测器输出的电 信号进行处理，并输入至计算机作为数据数据输出。 ( 3 ) 硅光电探测器：系统中选用d s i 2 0 0 硅光电探测器f 3 4 】。 ( 4 ) s d 滤光片轮：本系统中使用了s d 滤光片轮1 3 5 】。滤光片轮可以实现扫描 过程中的滤光片自动更换，免除了同一衍射角度，多个不同波长衍射级次辐射叠 加对光谱测量引起的干扰。 3 3 4 无源器件光谱特性测试系统的硬件组成 无源器件特性测试系统主要是通过软件对l a n l d a 9 0 0 分光光度计进行二次数 据处理。 图3 1 1l a m d a 9 0 0 分光光度计 l 锄d a 9 0 0 分光光度训3 6 】主要由光源、单色器、狭缝、样品池，检测器系统 五部分组成。其整体外观如上图所示，其主要使用指标如下表所示。 表3 4l 锄d a 9 0 0 分光光度计的主要指标 参数指标 波长范围 i9 0 1 1 1 1 1 3 2 0 0 n m 光度测量系统使用双光线，正比例测量系统 光源5 0 w 卤灯 毕色仪单色仪光栅式双单色仪 1 、光电倍增管r 9 2 8 用于紫外可见区2 、p b s 光电管 探测器 用于近红外 试样隔室内部尺寸1 5 0 w 2 6 0 d 1 1 0 h m m 光线间距1 0 0 m m 环境温度1 5 一3 5 环境湿度 4 5 8 0 ( 当温度三3 0 时，应 7 0 ) 中山人学硕一l ：学位论文 3 6 本章小结 本章首先从功能、性能等方面论述综合软件的设计要求。根据设计要求确定 使用v i s u a lb a s i c 6 0 软件开发平台，并对该开发平台进行了简单的介绍。 然后详细阐述了课题所开发的综合软件的软件构架。分析说明了组成综合软 件的4 个逻辑平面：底层、接口层，应用层和用户层，并讨论各层在软件中所起 的作用及意义。 最后，本章还介绍了综合软件中四套硬件系统：光学镀膜宽光谱监控系统、 全自动光栅光谱系统、光源光谱特性测试系统、无源器件特性测试系统，分析说 明了它们的工作原理和硬件组成。 第p q 章综合性光学薄膜软件的核心模块 第四章综合性光学薄膜软件的核心模块 为了提高综合软件系统的开放性，代码重用率及可读性，方便日后实验室其 他人员使用自己熟悉的语言或c a s e 工具继续进行软件功能的添加和再开发。本 课题在软件开发过程中将常用的函数代码段编译成为4 个基于类的“动态链接 库”。本章对动态链接库相关技术作介绍后，重点阐述分析这4 个类的功能以及 函数表示形式。 4 1 动态链接库技术 动态链接库( d l l ，d y n a i i l i cl i n kl i b r a r y ) 是作为共享函数库的可执行文件。 动态链接提供了一种方法，使进程可以调用不属于其可执行代码的函数。函数的 可执行代码位于一个d l l 中，该d l l 包含一个或多个已被编译、链接并与使 用它们的进程分开存储的函数。d l l 还有助于共享数据和资源。多个应用程序 可同时访问内存中单个d l l 副本的内容。 4 1 1 动态链接库的优势 动态链接库( d l l ) 作为w 砌o w s 操作系统的基础，它与静态库相比具有以下 优越的应用性能： 表4 - l动态链接库( d l l ) 的优势 优势说明 应用程序能够在运行时确定需要执行什么操 d l l 扩展了应用系统的特性 作，然后才装入相应的代码； 例如用v b 来编写应用程序界面，用c c + + d l l 可以用多种语言进行编写 来编写诸如算法、通讯协议之类的底层操作； 在软件开发过程中不同的工作小组在不同的 d l l 可以简化软件项目的管理模块上工作，通过d l l 进行项目管理会比较容 易； d l l 可以包含对话框模板、字符串、图标等 d l l 有助于资源的共享资源，多个应用程序能够使用d l l 来共享这些资 源； 只包含代码而不包含用户界面组件的应用程 d l l 可以实现应用程序本地化 序可以加载包含本地化用户界面组件的d l l ； 应用程序就能将d l l 加载到其他w i n d o w s d l l 可以解决系统平台差异 老版本上，成功实现调用该函数。 中山人学坝l j 学位论义 4 1 2 用开发动态链接库 v b 采用a c t i v e xd l l 技术来实现编译d l l 的任务，这科，方法建矗：的d l l 是真j 下的d l l ，完成时它具有扩展名d l l ，