一种用于大口径曲率半径比透镜的光学薄膜膜系设计方法技术

本发明专利技术公开了一种用于大口径曲率半径比透镜的光学薄膜膜系设计方法，为优化光学系统的性能，需要在大口径曲率半径比的透镜上制备光谱性能一致性良好的光学薄膜，为此需要全局优化光学薄膜膜系设计。本发明专利技术首先通过实验或者理论分析确定大口径曲率半径比的透镜上光学薄膜厚度分布。其次，按照大口径曲率半径比透镜上各个位置处光线入射角以及光谱性能要求，采用数值计算方法全局优化光学薄膜膜系设计。与传统的光学薄膜膜系设计方法相比，本发明专利技术同时兼顾了大口径曲率半径比透镜上薄膜厚度和光线入射角，特别适用于各种尺寸的大口径曲率半径比的透镜上光学薄膜膜系设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学薄膜元件设计制备领域，尤其是一种用于大口径曲率半径比透镜 的光学薄膜膜系设计方法。
技术介绍
随着光学系统设计日益精密，为满足光学系统的性能指标，光学系统中使用越来 越多的大口径曲率半径比的透镜，并且需要在大口径曲率半径比透镜表面镀制高性能的增 透膜，进而提高光学系统的性能。通常大口径曲率半径比透镜的表面剩余反射会造成两个 严重的后果：第一，光能量损失，使像的亮度降低；第二，表面反射光经过多次反射或者漫 射，有一部分成为杂散光，一旦杂散光到达像平面，使得像的衬度降低，从而影响系统的成 像质量。总之，没有镀制增透膜的大口径曲率半径比透镜在光学系统中是不能使用的。 -般用于在大口径曲率半径比透镜上制备光学薄膜的技术主要可分为物理气相 沉积和化学气相沉积。而物理气相沉积是一种在真空条件下，通过蒸发或溅射薄膜材料，并 在大口径曲率半径比透镜表面沉积形成光学薄膜的工艺过程（Hany H. Bauer, "Advanced broadband AR coatings in the visible - a comparative study of different deposition technologies, " SPIE, 2776 (1996) : 138-143.)。通常物理气相沉积技术制 备的光学薄膜在大口径曲率半径比透镜表面的厚度分布均匀性较差。另外，在光学系统 应用过程中大口径曲率半径比透镜表面上光线入射角分布范围较宽，且各个位置处光线 入射角差异较大。这些因素都将严重地影响大口径曲率半径比透镜表面镀制的增透膜光 谱性會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 当前，针对大口径曲率半径比透镜表面光学薄膜存在严重厚度非均匀性的问题， 可采用挡板技术选择性优化薄膜材料沉积分布，实现对大口径曲率半径比透镜表面光学薄 膜厚度非均匀性校正（李斌成、郭春、孔明东和柳存定，中国专利技术专利"一种用于镀膜机行 星系统中控制球形光学元件膜厚分布的挡板设计方法"，申请号=201210407852. 3)。但该方 法仅对几何尺寸足够大的大口径曲率半径比透镜有效，对几何尺寸较小的透镜，挡板修正 薄膜厚度分布非均匀性基本不可能实现。另一方面，针对大口径曲率半径比透镜表面光线 入射角范围较大的问题，常用的商用软件（如〇ptilayer，Macleod，FilmWizard和TFC等） 都能实现宽入射角条件下的高性能增透膜设计。然而，所有的光学薄膜膜系设计软件都没 有考虑到大口径曲率半径比透镜表面膜厚非均匀性对增透膜性能的影响。因此，需要更加 可靠的方法来实现大口径曲率半径比透镜的光学薄膜膜系设计。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：克服大口径曲率半径比的透镜上光学薄膜厚度均 匀性差和光线入射角分布范围宽，给大口径曲率半径比透镜的光学薄膜膜系设计带来的困 难。通过实验或者理论分析确定大口径曲率半径比的透镜上光学薄膜厚度分布；结合大口 径曲率半径比透镜上各个位置处光线入射角以及光谱性能要求，采用数值计算方法全局优 化光学薄膜膜系设计，提高大口径曲率半径比透镜光谱性能。 本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种用于大口径曲率半径比透镜的 光学薄膜膜系设计方法，该方法包括如下步骤： 步骤（1)、依据真空镀膜机配置和大口径曲率半径比透镜的几何形状，建立大口径 曲率半径比的透镜上光学薄膜厚度分布模型，理论分析确定大口径曲率半径比的透镜上各 个镀膜点的光学薄膜厚度分布；或者通过实验测量确定大口径曲率半径比的透镜上各个镀 膜点的光学薄膜厚度分布； 所述的大口径曲率半径比的透镜上光学薄膜厚度分布模型为： 式中，矢量r为蒸发或溅射源-大口径曲率半径比透镜组合系统中坐标原点和蒸 发或溅射源表面上坐标点（x，y，z)的连线；矢量^为坐标原点和大口径曲率半径比透镜 镀膜面上坐标点O^yuZi)的连线；蒸发或溅射源和大口径曲率半径比透镜的表面函数分 别为S(x, y, z) = 0和P(Xi, y:，zD = 0 ; 和p = W5//|W5|分别为蒸发或溅射源 表面上坐标点（x，y，z)和大口径曲率半径比透镜镀膜面上坐标点（Xl，yi， Zl)的单位法向 量;wCr，;^) = s ? (rfr)和uCr，;^) = p ? (r-rj分别为蒸发或派射源函数和大口径曲 率半径比透镜函数;A(x，y)为蒸发或溅射源表面函数S(x，y，z) =0的面元函数，定义为： J(.v,>?) = ' 2 ; F (x，y)为蒸发或溅射源表面函数S (x，y，z) = 0在x-y 平面上的投影；|r_ri|为蒸发或溅射源表面上坐标点（x，y，z)和大口径曲率半径比透镜镀 膜面上坐标点O^yDZi)的距离；j为蒸发或溅射源特性参量；B(r，ri)为被蒸发或溅射膜 料沉积角校正函数，定义为： 步骤（2)、结合步骤（1)确定的光学薄膜厚度分布，根据大口径曲率半径比的透 镜上各个镀膜点光线入射角和光谱性能要求，采用数值计算方法全局优化光学薄膜膜系设 计。 所述的大口径曲率半径比透镜的镀膜面可以是凸面或者凹面。 所述的蒸发或溅射特性j可以通过实验测量大口径曲率半径比透镜上光学薄膜 厚度分布，并由光学薄膜厚度分布模型拟合确定，其取值范围在〇 - 4。 所述的用于光学薄膜膜系设计的数值计算方法可以是针形算法、模拟退火算法、 牛顿算法、粒子群算法、遗传算法或者其它的随机优化算法。 本专利技术与现有技术相比具有如下优点： 1.本专利技术，与以往的膜 系设计方法相比，同时兼顾大口径曲率半径比透镜上薄膜厚度和光线入射角分布，全局优 化膜系设计，能显著提高大口径曲率半径比透镜的光谱性能。 2.本专利技术，只需正确获 取大口径曲率半径比透镜上薄膜厚度分布，而不用校正薄膜厚度分布非均匀性，该过程执 行简便，易于实现。【附图说明】 图1是大口径曲率半径比透镜上光线分布示意图。 图2是通光口径和曲率半径均为50mm的凸透镜上光学薄膜厚度和光线入射角分 布图。 图3是采用传统的两种膜系设计方法和本专利技术提出的方法分别优化通光口径和 曲率半径均为50mm的凸透镜上多个镀膜点在480nm-700nm波段的平均透过率。 图4是采用传统的两种膜系设计方法和本专利技术提出的方法分别优化通光口径和 曲率半径均为50mm的凸透镜上多个镀膜点在460nm-740nm波段的透过率光谱曲线，其中图 4 (a)为矢高0mm镀膜点；图4 (b)为矢高5mm镀膜点；图4 (c)为矢高10mm镀膜当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于大口径曲率半径比透镜的光学薄膜膜系设计方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤(1)、依据真空镀膜机配置和大口径曲率半径比透镜的几何形状，建立大口径曲率半径比的透镜上光学薄膜厚度分布模型，理论分析确定大口径曲率半径比透镜上各个镀膜点的光学薄膜厚度分布；或者通过实验测量确定大口径曲率半径比透镜上各个镀膜点的光学薄膜厚度分布；所述的大口径曲率半径比透镜上光学薄膜厚度分布模型为：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为蒸发或溅射源‑大口径曲率半径比透镜组合系统中坐标原点和蒸发或溅射源表面上坐标点(x,y,z)的连线；矢量r1为坐标原点和大口径曲率半径比透镜镀膜面上坐标点(x1,y1,z1)的连线；蒸发或溅射源和大口径曲率半径比透镜的表面函数分别为S(x,y,z)＝0和和分别为蒸发或溅射源表面上坐标点(x,y,z)和大口径曲率半径比透镜镀膜面上坐标点(x1,y1,z1)的单位法向量；w(r,r1)＝s·(r1‑r)和u(r,r1)＝p·(r‑r1)分别为蒸发或溅射源函数和大口径曲率半径比透镜函数；A(x,y)为蒸发或溅射源表面函数S(x,y,z)＝0的面元函数，定义为：F(x,y)为蒸发或溅射源表面函数S(x,y,z)＝0在x‑y平面上的投影；|r‑r1|为蒸发或溅射源表面上坐标点(x,y,z)和大口径曲率半径比透镜镀膜面上坐标点(x1,y1,z1)的距离；j为蒸发或溅射源特性参量；B(r,r1)为被蒸发或溅射膜料沉积角校正函数，定义为：步骤(2)、结合步骤(1)确定的光学薄膜厚度分布，根据大口径曲率半径比透镜上各个镀膜点光线入射角和光谱性能要求，采用数值计算方法全局优化光学薄膜膜系设计。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭春，李斌成，孔明东，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51