一種用于大口徑曲率半徑比透鏡的光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種用于大口徑曲率半徑比透鏡的光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)方法，為優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的性能，需要在大口徑曲率半徑比的透鏡上制備光譜性能一致性良好的光學(xué)薄膜，為此需要全局優(yōu)化光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者理論分析確定大口徑曲率半徑比的透鏡上光學(xué)薄膜厚度分布。其次，按照大口徑曲率半徑比透鏡上各個(gè)位置處光線(xiàn)入射角以及光譜性能要求，采用數(shù)值計(jì)算方法全局優(yōu)化光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)方法相比，本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)同時(shí)兼顧了大口徑曲率半徑比透鏡上薄膜厚度和光線(xiàn)入射角，特別適用于各種尺寸的大口徑曲率半徑比的透鏡上光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)涉及光學(xué)薄膜元件設(shè)計(jì)制備領(lǐng)域，尤其是一種用于大口徑曲率半徑比透鏡 的光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)介紹
隨著光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)日益精密，為滿(mǎn)足光學(xué)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，光學(xué)系統(tǒng)中使用越來(lái) 越多的大口徑曲率半徑比的透鏡，并且需要在大口徑曲率半徑比透鏡表面鍍制高性能的增 透膜，進(jìn)而提高光學(xué)系統(tǒng)的性能。通常大口徑曲率半徑比透鏡的表面剩余反射會(huì)造成兩個(gè) 嚴(yán)重的后果：第一，光能量損失，使像的亮度降低；第二，表面反射光經(jīng)過(guò)多次反射或者漫 射，有一部分成為雜散光，一旦雜散光到達(dá)像平面，使得像的襯度降低，從而影響系統(tǒng)的成 像質(zhì)量。總之，沒(méi)有鍍制增透膜的大口徑曲率半徑比透鏡在光學(xué)系統(tǒng)中是不能使用的。 -般用于在大口徑曲率半徑比透鏡上制備光學(xué)薄膜的技術(shù)主要可分為物理氣相 沉積和化學(xué)氣相沉積。而物理氣相沉積是一種在真空條件下，通過(guò)蒸發(fā)或?yàn)R射薄膜材料，并 在大口徑曲率半徑比透鏡表面沉積形成光學(xué)薄膜的工藝過(guò)程（Hany H. Bauer, "Advanced broadband AR coatings in the visible - a comparative study of different deposition technologies, " SPIE, 2776 (1996) : 138-143.)。通常物理氣相沉積技術(shù)制 備的光學(xué)薄膜在大口徑曲率半徑比透鏡表面的厚度分布均勻性較差。另外，在光學(xué)系統(tǒng) 應(yīng)用過(guò)程中大口徑曲率半徑比透鏡表面上光線(xiàn)入射角分布范圍較寬，且各個(gè)位置處光線(xiàn) 入射角差異較大。這些因素都將嚴(yán)重地影響大口徑曲率半徑比透鏡表面鍍制的增透膜光 譜性會(huì)k (D. Isfort, D. Tonova, M. Sundermann, T. Koch, "Optimization of the spectral performance of multilayer coatings oncomplex optics in plasma assisted deposition processes, " SPIE,9131 (2014):913109.)〇 當(dāng)前，針對(duì)大口徑曲率半徑比透鏡表面光學(xué)薄膜存在嚴(yán)重厚度非均勻性的問(wèn)題， 可采用擋板技術(shù)選擇性?xún)?yōu)化薄膜材料沉積分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑曲率半徑比透鏡表面光學(xué)薄 膜厚度非均勻性校正（李斌成、郭春、孔明東和柳存定，中國(guó)專(zhuān)利技術(shù)專(zhuān)利"一種用于鍍膜機(jī)行 星系統(tǒng)中控制球形光學(xué)元件膜厚分布的擋板設(shè)計(jì)方法"，申請(qǐng)?zhí)?201210407852. 3)。但該方 法僅對(duì)幾何尺寸足夠大的大口徑曲率半徑比透鏡有效，對(duì)幾何尺寸較小的透鏡，擋板修正 薄膜厚度分布非均勻性基本不可能實(shí)現(xiàn)。另一方面，針對(duì)大口徑曲率半徑比透鏡表面光線(xiàn) 入射角范圍較大的問(wèn)題，常用的商用軟件（如〇ptilayer，Macleod，F(xiàn)ilmWizard和TFC等） 都能實(shí)現(xiàn)寬入射角條件下的高性能增透膜設(shè)計(jì)。然而，所有的光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)軟件都沒(méi) 有考慮到大口徑曲率半徑比透鏡表面膜厚非均勻性對(duì)增透膜性能的影響。因此，需要更加 可靠的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)大口徑曲率半徑比透鏡的光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)要解決的技術(shù)問(wèn)題為：克服大口徑曲率半徑比的透鏡上光學(xué)薄膜厚度均 勻性差和光線(xiàn)入射角分布范圍寬，給大口徑曲率半徑比透鏡的光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)帶來(lái)的困 難。通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者理論分析確定大口徑曲率半徑比的透鏡上光學(xué)薄膜厚度分布；結(jié)合大口 徑曲率半徑比透鏡上各個(gè)位置處光線(xiàn)入射角以及光譜性能要求，采用數(shù)值計(jì)算方法全局優(yōu) 化光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)，提高大口徑曲率半徑比透鏡光譜性能。 本專(zhuān)利技術(shù)解決上述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案為：一種用于大口徑曲率半徑比透鏡的 光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)方法，該方法包括如下步驟： 步驟（1)、依據(jù)真空鍍膜機(jī)配置和大口徑曲率半徑比透鏡的幾何形狀，建立大口徑 曲率半徑比的透鏡上光學(xué)薄膜厚度分布模型，理論分析確定大口徑曲率半徑比的透鏡上各 個(gè)鍍膜點(diǎn)的光學(xué)薄膜厚度分布；或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量確定大口徑曲率半徑比的透鏡上各個(gè)鍍 膜點(diǎn)的光學(xué)薄膜厚度分布； 所述的大口徑曲率半徑比的透鏡上光學(xué)薄膜厚度分布模型為： 式中，矢量r為蒸發(fā)或?yàn)R射源-大口徑曲率半徑比透鏡組合系統(tǒng)中坐標(biāo)原點(diǎn)和蒸 發(fā)或?yàn)R射源表面上坐標(biāo)點(diǎn)（x，y，z)的連線(xiàn)；矢量^為坐標(biāo)原點(diǎn)和大口徑曲率半徑比透鏡 鍍膜面上坐標(biāo)點(diǎn)O^yuZi)的連線(xiàn)；蒸發(fā)或?yàn)R射源和大口徑曲率半徑比透鏡的表面函數(shù)分 別為S(x, y, z) = 0和P(Xi, y:，zD = 0 ; 和p = W5//|W5|分別為蒸發(fā)或?yàn)R射源 表面上坐標(biāo)點(diǎn)（x，y，z)和大口徑曲率半徑比透鏡鍍膜面上坐標(biāo)點(diǎn)（Xl，yi， Zl)的單位法向 量;wCr，;^) = s ? (rfr)和uCr，;^) = p ? (r-rj分別為蒸發(fā)或派射源函數(shù)和大口徑曲 率半徑比透鏡函數(shù);A(x，y)為蒸發(fā)或?yàn)R射源表面函數(shù)S(x，y，z) =0的面元函數(shù)，定義為： J(.v,>?) = ' 2 ; F (x，y)為蒸發(fā)或?yàn)R射源表面函數(shù)S (x，y，z) = 0在x-y 平面上的投影；|r_ri|為蒸發(fā)或?yàn)R射源表面上坐標(biāo)點(diǎn)（x，y，z)和大口徑曲率半徑比透鏡鍍 膜面上坐標(biāo)點(diǎn)O^yDZi)的距離；j為蒸發(fā)或?yàn)R射源特性參量；B(r，ri)為被蒸發(fā)或?yàn)R射膜 料沉積角校正函數(shù)，定義為： 步驟（2)、結(jié)合步驟（1)確定的光學(xué)薄膜厚度分布，根據(jù)大口徑曲率半徑比的透 鏡上各個(gè)鍍膜點(diǎn)光線(xiàn)入射角和光譜性能要求，采用數(shù)值計(jì)算方法全局優(yōu)化光學(xué)薄膜膜系設(shè) 計(jì)。 所述的大口徑曲率半徑比透鏡的鍍膜面可以是凸面或者凹面。 所述的蒸發(fā)或?yàn)R射特性j可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量大口徑曲率半徑比透鏡上光學(xué)薄膜 厚度分布，并由光學(xué)薄膜厚度分布模型擬合確定，其取值范圍在〇 - 4。 所述的用于光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)的數(shù)值計(jì)算方法可以是針形算法、模擬退火算法、 牛頓算法、粒子群算法、遺傳算法或者其它的隨機(jī)優(yōu)化算法。 本專(zhuān)利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1.本專(zhuān)利技術(shù)，與以往的膜 系設(shè)計(jì)方法相比，同時(shí)兼顧大口徑曲率半徑比透鏡上薄膜厚度和光線(xiàn)入射角分布，全局優(yōu) 化膜系設(shè)計(jì)，能顯著提高大口徑曲率半徑比透鏡的光譜性能。 2.本專(zhuān)利技術(shù)，只需正確獲 取大口徑曲率半徑比透鏡上薄膜厚度分布，而不用校正薄膜厚度分布非均勻性，該過(guò)程執(zhí) 行簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)。【附圖說(shuō)明】 圖1是大口徑曲率半徑比透鏡上光線(xiàn)分布示意圖。 圖2是通光口徑和曲率半徑均為50mm的凸透鏡上光學(xué)薄膜厚度和光線(xiàn)入射角分 布圖。 圖3是采用傳統(tǒng)的兩種膜系設(shè)計(jì)方法和本專(zhuān)利技術(shù)提出的方法分別優(yōu)化通光口徑和 曲率半徑均為50mm的凸透鏡上多個(gè)鍍膜點(diǎn)在480nm-700nm波段的平均透過(guò)率。 圖4是采用傳統(tǒng)的兩種膜系設(shè)計(jì)方法和本專(zhuān)利技術(shù)提出的方法分別優(yōu)化通光口徑和 曲率半徑均為50mm的凸透鏡上多個(gè)鍍膜點(diǎn)在460nm-740nm波段的透過(guò)率光譜曲線(xiàn)，其中圖 4 (a)為矢高0mm鍍膜點(diǎn)；圖4 (b)為矢高5mm鍍膜點(diǎn)；圖4 (c)為矢高10mm鍍膜當(dāng)前第1頁(yè)1 2 本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于大口徑曲率半徑比透鏡的光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)方法，其特征在于：該方法包括如下步驟：步驟(1)、依據(jù)真空鍍膜機(jī)配置和大口徑曲率半徑比透鏡的幾何形狀，建立大口徑曲率半徑比的透鏡上光學(xué)薄膜厚度分布模型，理論分析確定大口徑曲率半徑比透鏡上各個(gè)鍍膜點(diǎn)的光學(xué)薄膜厚度分布；或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量確定大口徑曲率半徑比透鏡上各個(gè)鍍膜點(diǎn)的光學(xué)薄膜厚度分布；所述的大口徑曲率半徑比透鏡上光學(xué)薄膜厚度分布模型為：d(r1)=∫∫F(x,y)u(r,r1)wj(r,r1)B(r,r1)A(x,y)|r-r1|j+3dxdy---(1)]]>式中，矢量r為蒸發(fā)或?yàn)R射源?大口徑曲率半徑比透鏡組合系統(tǒng)中坐標(biāo)原點(diǎn)和蒸發(fā)或?yàn)R射源表面上坐標(biāo)點(diǎn)(x,y,z)的連線(xiàn)；矢量r1為坐標(biāo)原點(diǎn)和大口徑曲率半徑比透鏡鍍膜面上坐標(biāo)點(diǎn)(x1,y1,z1)的連線(xiàn)；蒸發(fā)或?yàn)R射源和大口徑曲率半徑比透鏡的表面函數(shù)分別為S(x,y,z)＝0和和分別為蒸發(fā)或?yàn)R射源表面上坐標(biāo)點(diǎn)(x,y,z)和大口徑曲率半徑比透鏡鍍膜面上坐標(biāo)點(diǎn)(x1,y1,z1)的單位法向量；w(r,r1)＝s·(r1?r)和u(r,r1)＝p·(r?r1)分別為蒸發(fā)或?yàn)R射源函數(shù)和大口徑曲率半徑比透鏡函數(shù)；A(x,y)為蒸發(fā)或?yàn)R射源表面函數(shù)S(x,y,z)＝0的面元函數(shù)，定義為：F(x,y)為蒸發(fā)或?yàn)R射源表面函數(shù)S(x,y,z)＝0在x?y平面上的投影；|r?r1|為蒸發(fā)或?yàn)R射源表面上坐標(biāo)點(diǎn)(x,y,z)和大口徑曲率半徑比透鏡鍍膜面上坐標(biāo)點(diǎn)(x1,y1,z1)的距離；j為蒸發(fā)或?yàn)R射源特性參量；B(r,r1)為被蒸發(fā)或?yàn)R射膜料沉積角校正函數(shù)，定義為：步驟(2)、結(jié)合步驟(1)確定的光學(xué)薄膜厚度分布，根據(jù)大口徑曲率半徑比透鏡上各個(gè)鍍膜點(diǎn)光線(xiàn)入射角和光譜性能要求，采用數(shù)值計(jì)算方法全局優(yōu)化光學(xué)薄膜膜系設(shè)計(jì)。...

【技術(shù)特征摘要】

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：郭春，李斌成，孔明東，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：四川;51