西安工業大學北方信息工程學院畢業設計（論文）開題報告題目:基于遺傳算法確定薄膜參數的研究業業業業業業業業********系業************專業業業業業業業業業業不不不不不不不不不業業業業業業業業業業業業業業業不不不不不不不不不不業業業業業業

不不不不不不2011年11月24日畢業設計（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內外相關研究情況）1.1課題背景很多情況下，薄膜的光學參數和厚度對薄膜器件的性能有著很大的影響，薄膜的厚度（d）和光學參數（折射率n，消光系數k）決定了薄膜各種光學性能⑴。因此，準確地測量薄膜的厚度和光學常數在薄膜的制備和應用中起著關鍵的作用⑵。隨著薄膜及薄膜器件在科研和實際應用中的普及，用非破壞性的方法簡單快速地測量薄膜的光學參數成為一個重要課題。1.2研究意義及國內外相關研究目前有多種方法來確定膜層的光學常數，各種方法各有利弊；目前，薄膜光學常數的測量方法主要有光譜法、橢圓偏振法，光度測量法，阿貝法，探針測量法等⑶。下面結合這幾類方法的發展現狀分別予以介紹。（1）光譜法又分為反射光譜法和透射光譜法⑷。對一個實際的透明薄膜來說，往往是同時存在著色散、弱吸收甚至折射率非均勻性。這時，一般要求同時測出寬波段上的透射率或反射率，然后用計算機進行計算或迭代擬合（2）橢圓偏振法⑸是一種測量薄膜和基片光學常數非常有效的方法。它是以測量光線的偏振狀態為基礎的測試方法，它已成功地用來測量介質膜、金屬膜、有機膜和半導體膜的光學常數及膜厚，尤其適合超薄薄膜的測量。這種方法的優點，同時也造成其缺點，即該方法極強的表面靈敏性，使得薄膜表面非常薄的污染層也會引起光學常數測量的較大變化，近年來，橢圓偏振法擺脫了傳統的反射測量模式，實現了透射測量模式。（3）光度測量法的原理⑹是利用薄膜的復折射率和厚度與薄膜樣片反射率和折射率的關系，通過測量薄膜透射率、膜側入射光的總反射率和基片側入射光的總反射率三個物理量，采用作圖法或電子計算機作逐次逼近，從而求出薄膜的光學常數和厚度，該方法簡單易行。（4）阿貝法是根據薄膜的布魯斯特（Brewster）角來進行測量的⑺。即把基片一部分鍍有薄膜，如能找到一個入射角使之與從膜表面和基片表面反射的偏振光的反射率相等，就能根據布魯斯定律求出薄膜的折射率。這個方法的優點在于求薄膜的折射率時，與膜厚及基片折射率沒有關系，但這種方法一般只用于測量透明薄膜。（5）探針測量法⑻是一種典型的物理測量方法，通過一個高精度的機械觸針在物體表面運動來感知表面輪廓的變化。優點是分辨力高，測量范圍大，這種技術不僅可以用來測量物體的表面輪廓，也可以應用于薄膜厚度的測量。臺階儀就是這種方法的應用實例.盡管方法穩定性高，使用范圍廣，但是測量過程中會給薄膜造成損害，而且有時需要對薄膜進行二次加工，限制了此方法的使用⑼。隨著近代計算機技術和現代優化計算方法的迅速發展，越來越多的研究工作者投身于全光譜擬合法和橢偏法中光譜計算的研究，以尋求快速、準確的計算方法。光譜法和橢偏法，因為能同時測量薄膜的厚度和光學常數，及其非破壞性優點，成為薄膜主要的光學測量方法；橢圓偏振測量術測量精度高［10］，具有非破壞性和非擾動性，被廣泛應用于各個領域，但是由于測量數據的兩個橢偏角求解薄膜參數的橢偏方程非常復雜，它是一個超越方程，不能直接得到解析解，需采用一定的反演算法進行求解。光譜擬合法是利用光譜儀測量薄膜樣品在一定波長范圍內的透射率或反射率，然后進行分析計算樣品的厚度和折射率。光譜擬合法測量十分方便［11］，適用范圍廣。此方法最大的難點［14］就是因為光學薄膜參數n,k,d與透射或反射光譜之間的關系式是隱函數，不易顯化，所以不能直接根據T的測量值求解，從而大大增加了問題的難度，由于只能利用迭代計算，所以該方法很大程度上取決于選擇的算法。目前利用透射光譜法對單層薄膜測厚的算法已經較為完善［12］，如基于邊緣檢測和包絡計算等方法。通過神經網絡算法，模擬退火算法，遺傳算法等對光譜擬合也實現了單層薄膜厚度和折射率的快速測量。遺傳算法(GeneticAlgorithm-GA)［13］是模擬生物在自然環境中的遺傳進化過程而形成的一種自適應優化搜索算法。通過遺傳變異進行迭代計算從而優化解，它不但避免了接觸式測量對樣品的破壞，而且相對于其它算法簡單清晰,在保證準確度的同時，具有良好的穩定性［14］；其基本思想是美國科學家J.H.Holland在60年代首先提出的，采用自然進化機制來表現復雜的現象，能快速可靠地求解非常困難的問題，且具有固有的并行性和擴展性，與其他算法具有較好的兼容性，到80年代初期［15］，伴隨著人工精神網絡和機器學習理論的發展以及計算機的容量與速度的不斷提高，它的應用才逐步引起了國際學術界的重視。本課題研究的主要內容和擬采用的研究方案、研究方法或措施2.1研究的主要內容<1>、了解光學常數和膜層厚度對寬帶膜厚監控精度的影響，提出基于遺傳

算法確定薄膜的光學常數及厚度方案；<2>、基于Matlab語言，確定遺傳算法相關參數，對單層膜的光學常數與厚度進行擬合，并給出擬合結果，并進行數據分析。<3>、查閱一篇與設計相關的外文文獻，并進行翻譯。薄膜透射光譜曲線通過遺傳算法進行反演2.2擬采用的研究方案、措施建立數學模型一遺傳算法，確定遺傳算法相關參數獲得各個波長點的薄膜參數對單層膜的光學常數及厚度進行擬合圖1總體設計框圖設計方案：薄膜透射光譜曲線通過遺傳算法進行反演獲得各個波長點的薄膜參數對單層膜的光學常數及厚度進行擬合<1>利用光譜儀測量薄膜樣品在一定波長范圍內的透射率，得到透射光譜曲線<2>建立數學模型——確定遺傳算法相關參數<3>通過遺傳算法進行反演，并與所得透射光譜曲線進行擬合，進行全局最優值搜索<4>確定薄膜參數（n,k,d）本課題研究的重點及難點，前期已開展工作3.1研究的重點與難點重點：提出確切的實施方案，以遺傳算法進行反演求解薄膜參數（n，k,d）；難點：〈1〉利用遺傳算法時，怎樣確定其相關參數；〈2〉由于n,k,d不是互相獨立的，而且厚度所引起的光波相位的變化是周期性的，因而要考慮測量結果的多值性；<3>怎樣才可以提高測量精度。3.2前期已開展工作查閱相關材料，構思并確定實施方案；簡單了解遺傳算法以及設計所用到的軟件Matlab。完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫）第1-3周查閱資料，提出確定薄膜的光學常數及厚度方案，進行

參考文獻盧進軍，劉衛國.光學薄膜技術[M].西北工業大學出版社,2004.劉鵬，劉玉玲,余飛鴻，等.自適應模擬退火結合共軛梯度法解薄膜厚度.光電工程，2005,32(6):93296.張子業，周東平，張鳳山.三半波帶通濾光片的制作與膜厚分析[J].光子學報,2005,34(5):7102712.MANIFACIERJC,GASIOTJ,FILLARDJP.Asimplemethodthedeterminationoftheopticalconstantsn,kandthethicknessofaweaklyabsorbingthinfilm[J].J.Phys.E,1976,9(11):1002-100.沈偉東，劉旭葉輝，顧培夫.確定薄膜厚度和光學常數的一種新方法.光學學報，2004,24(7)，885-889.LVeQUEG,VILLACHON"RENARDY.Determinationofopticalconstantsofthinfilmfromreflectancespectra[J].APPLIEDOPTICS,1990,29(22),3207-3212.劉洪祥熊勝明，李凌輝，等.離子束濺射沉積Ta2O5光學薄膜的實驗研究.光學工程.2004,313(3):41-44.季一勤，劉華松，張艷敏.光學薄膜闡述的測試與分析.天津津航技術物理研究所，2003.吳家英，鄭金華.遺傳算法的研究與發展動向[J].橫陽師范學院學報，2003.韓禎祥，文福栓，模擬進化優化方法及其應用-遺傳算法.計算機科學.1995，22(2):47-56.SWANEPOELR.Determinationofthethicknessandopticalconstantsofamorphoussilicon[J].J.Phys.E