[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

一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,“Advancedbroadband AR coatings in the visible–a comparative study of differentdeposition 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能(D.Isfort,D.Tonova,M.Sundermann,T.Koch,“Optimization of the spectralperformance of multilayer coatings oncomplex optics in plasma assisteddeposition processes,”SPIE,9131(2014):913109.)。

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，中国发明专利“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Optilayer，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。

发明内容

本发明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。

本发明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：