AR Coating Design in Zemax.pdf

ZEMAX Coating Design by MANG2004, 20110430 1 原创原创原创原创：：：：用用用用 ZEMAX 设计光学设计光学设计光学设计光学薄膜薄膜薄膜薄膜应用举例应用举例应用举例应用举例---增透膜增透膜增透膜增透膜 摘要：光学薄膜的设计分析功能是 ZEMAX 亮点之一作为一个应用例子，本笔记总结了三年前我用 V2005 版作的一个 4 层增透膜设计， 涵盖了 AR 膜系的分析，优化及公差， 现分享给光行论坛，抛砖引玉，希望与同好一起探讨 MANG2004, 20110429. 要求要求要求要求：：：：设计一个增透膜，用于可见波长 430nm~ 670nm 激光窗口，石英基底，通光口径~Ф20，厚 3，入射角 0~2°，剩余反射小于 0.5% 设计步骤设计步骤设计步骤设计步骤：：：：建模，分析，优化，公差，结论详细如下： • 在 COATING.DAT 中定义膜系材料 SIO2 和 TIO2 的光学常数(n, k)， 如图 1 图 1 ZEMAX Coating Design by MANG2004, 20110430 2 • 在 COATING.DAT 中定义膜系 mang2004，结构为 1|LHLH|G, 各膜层物理厚度初始化值均为 20nm， 如图 2。

各膜层的厚度将在稍后进行优化 图 2 • 在 ZEMAX 中建一个石英基底平-平透镜，通光口径 Ф20，外径 Ф22，厚 3，入射角0~2°，选取图 3 所示波长 图 3 ZEMAX Coating Design by MANG2004, 20110430 3 • 1）设置第 2 面为 mang2004 镀膜；2）选中 Use Layer Multiplier；3）选择 All Variable 使所有膜层物理厚度成为变量，如图 4 图 4 • 如图 5： 1）绘制反射率-波长曲线：可以看出剩余反射~20%，没有达到要求，膜系需要优化2）编辑评价函数及边界条件：用操作数 CODA 定义评价函数---0°视场处波长#1#2#3#4 透过率目标值为 100%，用操作数 CMGT, CMLT 定义膜层厚度的边界条件>10nm, <180nm，权重均为 1 图 5 ZEMAX Coating Design by MANG2004, 20110430 4 • 图 6：1）用全局搜索算法优化，这个过程需要点耐心；2）某个优化结果：镀膜面四个波长透过率的标称值分别为 0.9976，0.9985，0.9994，0.9962。

图 6 • 进一步研究图 6 的数据，1）选择适当比例绘制 0°和 2°反射率-波长曲线，可看出剩余反射标称值均小于 0.5%；2）编辑公差表操作数 TCMU，从 Nominal 栏提取到膜系结构为: 0.0876L0.11336H0.0352L0.01292H, 如图 7 目前的设计标称值是不错的！如果考虑制造公差因素，这个结果是否满足工作要求？随后的公差分析，将助于我们对此有更明确的了解 图 7 ZEMAX Coating Design by MANG2004, 20110430 5 • 公差分析的准备：1）设置边界条件操作数 CMGT, CMLT 的权重均为 02）一般而言，膜厚制造公差约 3%, 所以将膜层物理厚度的公差初始值设为+/-3%，如图 8 图 8 • 图 9 是公差分析一种可能的选项 图 9 ZEMAX Coating Design by MANG2004, 20110430 6 • 图 10-1 是公差分析可能出现的结果，可以看出膜厚+/-3%公差使剩余反射相当勉强地满足小于 0.5%的要求，图 10-2 是膜厚公差紧缩至+/-2%的分析，这个结果显然让人放心多了，---当然，最终的公差还是要和生产厂家协定的。

图 10-1 图 10-2 ZEMAX Coating Design by MANG2004, 20110430 7 • 到此为止，用于可见波长 430nm~ 670nm 激光窗口的增透膜设计完成，其格式为: COAT mang2004o SIO2 0.0876 1 TIO2 0.11336 1 SIO2 0.0352 1 TIO2 0.01292 1 总结总结总结总结：：：：介绍了运用 ZEMAX 设计一个石英基底激光窗口增透膜的详细过程，有关背景知识请大家参考相关的书籍及手册 虽然 ZEMAX 不是一款专业薄膜设计软件，但其基本的光学薄膜功能还是实用的，尤其在2005 之后版本中，加进了诸多的膜系计算优化及公差操作数，使薄膜设计分析更有效和容易，本人将在适当的时候分享一些用 ZEMAX 做的高反，分色，偏振薄膜 。