本发明涉及精密检测领域，特别涉及一种测量液膜的厚度分布和折射率色散曲线的方法。
背景技术：
1、液体薄膜（简称液膜）在环境保护、石油化工、化学仿生、医药卫生、有机合成、分析化学、气体分离等众多领域具有重要应用。液膜广泛用于机械密封和轴承润滑，能够起到提高密封性，减小摩擦，延长机械装置使用寿命的作用；液膜还常用于保护固体表面免受氧化，改善固体表面的光学和机械特性，用于防水、隔热保温和防紫外线；液膜传质速率快，分子选择性好，常用于气体分子的选择性吸收和分离；液膜在生物体中具有重要作用，例如，眼泪在角膜表面形成均匀液膜，起到减少散光，提升视觉效率；液膜在生化传感领域也具有重要应用，利用液膜作为敏感膜具有成膜简单、易于更新、基底可重复使用、可提高传感器选择性等优点。例如，利用离子液体薄膜作为传感器敏感膜可实现对重金属汞离子的特异性探测。液膜也是化学方法制备固态薄膜过程中不可或缺的一种前期状态，是化学制膜技术研究领域的一个重要研究对象。厚度分布和折射率色散曲线是液膜的两个重要参数指标，准确测量液膜的厚度及其二维分布有助于建立液膜的可控制备方法和优化液膜在不同应用中的性能，对液膜的折射率色散曲线的准确测量可有效评估液膜在使用过程中的光学特性和化学成分的变化。对液膜厚度分布及其折射率色散曲线的同步测量将能够使我们更加全面地分析掌握液膜在使用过程中的物理和化学特性。
2、光学测量方法具有准确、快速、无损、易于实施等优点，是测量液膜厚度及其折射率的主要方法。目前，常用于测量液体折射率的光学仪器包括椭偏仪、阿贝折射仪、光波导传感器以及spr传感器。这些光学仪器灵敏度高，能够精确测定液膜厚度或液膜折射率，但它们功能单一，不适合同时测定液膜的厚度和折射率，更不能用于同时测定液膜厚度的二维分布和液膜的折射率色散曲线。现实生活中缺乏能够同步测量液膜的厚度分布及其折射率色散曲线的先进方法和工具。
技术实现思路
1、有鉴于此，为了解决上述问题，提出了一种测量液膜的厚度分布与折射率色散曲线的方法。
2、作为本发明的一个方面，提供了一种测量液膜的液膜厚度分布与折射率色散曲线的方法，所述方法基于高光谱spr成像装置实现，所述高光谱spr成像装置包括spr传感模块，所述方法包括：
3、将液膜覆盖在spr传感模块上；
4、将宽光谱线偏振平行光束照射至所述spr传感模块上并发生全反射，得到反射光，所述宽光谱线偏振平行光束通过全反射在spr传感模块上激励spr模式和/或pwr模式，所述反射光通过所述spr模式和/或pwr模式与所述液膜的相互作用携带所述液膜的信息；其中，所述反射光被高光谱成像仪接收，得到高光谱图像，所述高光谱图像中的像素与所述液膜上的位置一一对应；
5、根据所述高光谱图像，确定与目标像素对应的目标位置处的至少三个实测共振波长，所述目标位置处的实测共振波长为spr模式和/或pwr模式的共振波长；
6、根据所述目标位置处的至少三个实测共振波长得到所述目标位置处的液膜厚度和所述液膜的折射率色散曲线；
7、根据所述液膜的折射率色散曲线以及每个其它位置处的实测共振波长得到所述其它位置处的液膜厚度，所述其它位置为所述液膜上除了所述目标位置以外的任一位置；
8、根据所述液膜在所有位置的液膜厚度得到所述液膜的厚度分布。
9、根据本发明的实施例，所述spr传感模块包括基底和位于所述基底上的金属薄膜，所述基底为棱镜，所述金属薄膜沉积在所述棱镜的底面；或者
10、所述基底为棱镜和与所述棱镜的底面紧密接触的透明基片的组合体，所述金属薄膜沉积在所述透明基片的远离所述棱镜的表面；
11、所述液膜设置于所述金属薄膜的表面；
12、所述spr模式在所述金属薄膜与所述基底的界面处被激励；
13、所述pwr模式在所述液膜内被激励。
14、根据本发明的实施例，所述液膜上还形成有覆盖层；
15、根据所述目标位置处的至少三个实测共振波长得到所述目标位置处的液膜厚度和所述液膜的折射率色散曲线，包括：
16、将所述基底的折射率、所述金属薄膜的折射率和厚度、以及所述液膜上方覆盖层的折射率带入四层结构的菲涅尔反射公式中，对所述液膜在所述目标位置处的至少三个实测共振波长进行仿真拟合，得到所述目标位置处的每个实测共振波长下的第一关系曲线，其中，所述第一关系曲线为所述液膜折射率与所述目标位置处的液膜厚度的关系曲线，至少三个实测共振波长对应至少三条所述第一曲线；
17、根据柯西色散公式和所述液膜在所述目标位置处的至少三条第一关系曲线，得到所述目标位置处的液膜厚度以及所述液膜的折射率色散曲线。
18、根据本发明的实施例，根据所述液膜的折射率色散曲线以及每个其它位置处的实测共振波长，得到所述其它位置处的液膜厚度，包括：
19、利用所述高光谱图像获得所述其它位置处的实测共振波长；
20、根据所述液膜的折射率色散曲线，确定所述液膜在所述其它位置处的实测共振波长下的折射率；
21、根据所述液膜在所述其它位置处的实测共振波长下的折射率以及所述四层结构的菲涅尔反射公式，得到所述其它位置处的液膜厚度。
22、根据本发明的实施例，所述柯西色散公式表示如下：
23、
24、其中，、为参数，表示所述液膜在波长λ处的折射率；
25、根据柯西色散公式和所述液膜在所述目标位置处的至少三条第一关系曲线，得到所述目标位置处的液膜厚度以及所述液膜的折射率色散曲线，包括：
26、根据柯西色散公式和所述至少三条第一关系曲线，得到所述目标位置处的至少两条第二关系曲线，所述第二关系曲线为所述参数b与所述目标位置处的液膜厚度的关系曲线，所有的所述第二曲线交于一点；
27、求取至少两条第二关系曲线的交点得到所述参数b的值和所述目标位置处的液膜厚度；
28、根据所述参数b的值和所述目标位置处的液膜厚度，结合所述至少三条第一关系曲线中的任意一条，得到参数a的值；将所述参数a和参数b的值带入所述柯西色散公式，得到所述液膜的折射率色散曲线。
29、根据本发明的实施例，所述四层结构的菲涅尔反射公式表示如下：
30、r= r1234·r1234*
31、
32、
33、
34、其中，r表示由所述基底、所述金属薄膜、所述液膜和所述覆盖层组成的四层结构的反射率，所述基底、所述金属薄膜、所述液膜和所述覆盖层自下而上分别为第1层，第2层，第3层和第4层，r1234表示所述四层结构的反射系数、r1234*表示r1234的复共轭，d2为第2层的厚度，d3为第3层的厚度，k2和k3分别表示宽光谱线偏振平行光束在第2层和第3层中传播常数的垂直分量；r234表示光在由第2层、第3层、第4层组成的三层结构的反射系数，rij表示第i层与第j层的界面反射系数，i=1、2或3，j=2、3或4，λ为光在真空中的波长，ni表示在波长λ下第i层的折射率。
35、根据本发明的实施例，所述宽光谱线偏振平行光束为s偏振光或p偏振光或可分解为s偏振分量和p偏振分量的其它线偏振光。
36、根据本发明的实施例，当所述宽光谱线偏振平行光束为s偏振光时，rij由下式获得：
37、
38、当所述宽光谱线偏振平行光束为p偏振光时，rij由下式获得：
39、
40、其中，θi和θj分别代表宽光谱线偏振光由第i层射到第j层时对应的入射角和折射角，nj第j层的折射率，ki和kj分别表示光在第i层和第j层传播常数的垂直分量。
41、根据本发明的实施例，所述金属薄膜，当被所述液膜覆盖后不发生脱落，也不发生物理和化学特性的变化；并且所述液膜在测试时间内保持稳定。
42、根据本发明的实施例，所述目标位置处的至少三个实测共振波长，通过一次高光谱成像测量获得或通过在不同条件下多次高光谱成像测量获得。
43、本发明实施例中用于测量液膜厚度及液膜折射率的基本方法是表面等离子体共振（spr）传感方法和等离子体波导共振(pwr)传感方法。spr是一种成熟的高灵敏生化传感方法。然而spr传感器的探测深度较小，在可见光波段，最多只能探测到300nm厚的液膜。随着液膜厚度的增加（几百纳米至微米级），液膜中会逐步产生pwr模式。因此可以利用pwr模式测量较厚（微米级厚度）的液膜，利用spr模式测量较薄（几纳米~几十纳米厚度）的液膜。
44、根据本发明的实施例，液膜的厚度和折射率色散曲线包括多个未知量，因此在对液膜的厚度分布和折射率色散曲线进行同步测量时，需要确定多个未知量，这就要求实验获取高光谱图像中目标像素对应的目标位置处的至少三个spr模式和/或pwr模式的共振波长，针对目标像素，其得到的三个实测共振波长可以作为已知量实现目标位置处的液膜厚度和折射率色线曲线的测量。液膜的厚度随着位置的变化而变化，但是液膜的色散曲线并不随着位置的变化而变化，目标位置处的折射率色散曲线即为液膜的折射率色散曲线。液膜上的每个其他位置处只需要测定一个未知量，即厚度。因此，针对于液膜的其它位置，利用该位置的实测共振波长和折射率色散曲线即能够实现该位置处的液膜厚度测量。因此，本发明实施例能够实现液膜的厚度分布和液膜折射率色散曲线的同时测量。