单反相机五棱镜表面的高反射膜的设计毕业论文

2020-02-14 19:03:25

摘要

光学薄膜应用广泛，市场前景潜力巨大。本文对全介质宽带高反射膜进行了研究，通过对光学薄膜的发展历程、研究现状及理论基础知识的回顾和运用，分析了多层膜的光学特性，设计了镀制在单反相机取景器中的五棱镜上的可见光波段的高反射膜。

对于该可见光波段的全介质高反射薄膜，设计了三种解决方案来实现满足要求的高反射膜系统，通过Essential Macleod膜系设计软件作为辅助对这三个方案进行了膜系的仿真，并且从带宽、光谱特性及制备可行性三个方面对这三个方案进行了优劣的比较，设计出了中心波长在510nm到550nm之间，可见光区域峰值反射率大于99%，可见光区域外的背景峰值透射率小于10%的宽带全介质高反射膜，且由于其顶层高折射率薄膜材料为二氧化钛，使得五棱镜具有一定的自清洁能力。

关键词：膜系设计；高反射膜；介质

Abstract

Optical thin films are widely used and have great potential in the market. In this paper, all-dielectric broadband high-reflection film is studied. By reviewing and applying the development history, research status and theoretical basis of optical film, the optical properties of multilayer film are analyzed, and the visible-light-band high-reflection film plated on pentaprism of Single-lens reflex camera viewfinder is designed.

Three schemes are designed for the visible-light-band all-dielectric high-reflection film to achieve the required high-reflection film system. The three schemes are simulated by using Essential Macleod film system design software as an assistant. The advantages and disadvantages of the three schemes are compared from three aspects: bandwidth, spectral characteristics and preparation feasibility. The central wavelength of is designed from 510 to 550 nm, the peak reflectance in the visible region is more than 99%, and the background peak transmittance outside the visible region is less than 10% of the broadband all-dielectric high-reflection film. Because the top layer of the high-refraction film is titanium dioxide, the pentaprism has a certain self-cleaning ability.

Key Words：Design of film system；High-reflection film；Dielectric

第一章绪论 1

1.1 光学薄膜的发展进程和研究现状 1

1.2 光学薄膜的应用领域 2

1.3 研究目的和意义 3

1.4 本文内容结构 3

第二章多层薄膜的光谱特性 4

2.1 电磁理论基础 4

2.2 单层膜的光谱特性 5

2.3 多层膜的光谱特性 8

第三章单反相机五棱镜的高反射膜的设计 10

3.1 单层高反射膜的设计 10

3.2 多层高反射膜的设计 11

3.3 多层高反射膜的的展宽 12

第四章单反相机五棱镜的高反射膜的软件仿真 14

4.1 方案一 14

4.2 方案二 16

4.3 方案三 17

第五章结论与展望 22

5.1 工作总结 22

5.2 展望 22

参考文献 23

致谢 25

绪论

随着生产生活的大繁荣和大发展，大量现代光学系统随之出现并且得到广泛的应用^[1]，在目前的受到广泛应用的现代光学系统比如光纤系统，激光系统，光学摄影系统中都有光学薄膜的参与，光学薄膜是一种光学装置或其他设备的表面所镀的薄膜，它会选择性吸收某些波长的光，改变一些波长的光的偏振状态或相位以满足人们的需求。光学薄膜作为一种重要的光学器件，在现代科技的更新及发展中占有了非常重要的地位，比如说波分复用技术中的滤光片，太阳能电池组成中的减反射膜以及单反相机五棱镜上镀的高反射膜等。

光学薄膜的发展进程和研究现状

我相信你经常看到在阳光下的肥皂泡上浮现着一层五颜六色的光，在薄膜研究历史上早在17世纪的科学家们就提出了一些解释这类现象的假设。但那时的理论基础还不能对此类现象做出圆满的解释^[2]。直到英国物理学家托马斯·杨在十九世纪初第一次介绍了光的干涉原理，此后，这类光学现象也就是“牛顿环”才被解释。

从1817年德国物理学家夫琅禾费用浓硫酸或者硝酸来腐化玻璃，预料之外地制出了减反射膜开始算起，光学薄膜已经有了接近两百年的历史。之后，各种光学薄膜在蒸气和化学溶液中沉积制备出来。

1873年伟大的英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦完成了《电磁通论》这本经典的电磁理论的著作，这本书建立了一个完整的电磁理论体系。众所周知光波也是电磁波的一种，这本巨著极大地推进了波动光学的发展和进步，也为薄膜光学的研究打好了牢固的基础^[3]。

但直到19世纪末期，当时的科学家们都还困惑于薄膜膜系的系统的计算和设计的方法以及可行的沉积各种薄膜的工艺^[3]。因此薄膜光学的进步以20世纪为界，20世纪之前都是薄膜光学发展的初期阶段^[4]。

1930年真空蒸发设备和油扩散泵的出现,使薄膜领域的飞速发展和光学薄膜的工业生产成为可能^[5]，之后，各种光学薄膜在蒸气和化学溶液中沉积制备出来。使得光学薄膜成为了真正作为一类在光学系统中受到广泛应用的光学元件。

1937 年，德国人首次制备了医用的抗磨蚀硬铑膜被视为反射膜研究的巨大进步。

1953年，德国科学家奥瓦特申请了用反应蒸发来镀制光学薄膜的专利，并且提出了用离子化的气体增加化学反应性的建议^[6]。

1955年，维纳提出高频溅射技术后，溅射镀膜工艺获得了飞速的进步，成为了薄膜的镀制的重要方法之一^[7]。

1964年，马塔科思在前人求索的肩膀上提出了离子镀膜系统^[5]。

二十世纪七十年代以后，薄膜膜系设计在计算机辅助设计的帮助下其结构日趋复杂，同时性能也得到了极大的提高，同时薄膜的工业化生产也得到了显著的进步^[8]。

1992年，俄罗斯的科学家提出了Needle膜系设计方法，虽然说计算机的运算能力在飞速进步中推动了膜系的计算机辅助设计，但膜系的优化设计始终还是一个难点，传统的优化方法比如梯度法等都有容易陷入局部极值的缺点，Needle法通过连续的寻优过程不去寻找全局极小值，而是找出一个局部极小值用来满足设计的需求^[9]。

从根本上说光学薄膜是以多光束干涉原理为基础的。光波在通过介质时，各个界面的反射光、透射光在光的反射及入射方向会存在光的干涉，人们根据该现象，通过改变材料及其厚度等条件来产生光的干涉，依使用要求来将光能重新分配^[5]。

光学薄膜的种类很多，它们加强了光学元件各方面的光学性能，加强了光学仪器的质量。

传统的光学薄膜一般分为有反射膜，增透膜，偏振膜等，但伴随着现代的科学技术尤其是信息光学以及激光技术的发展，光学薄膜不再止步于用于纯光学器件，而是在光通信器件和光电器件上也得到了广泛的应用^[10]。总而言之光学薄膜朝着其材料日益复杂化，工作环境和性能要求的苛刻化，薄膜功能的多元化的趋势进行发展^[5]。许许多多新型光学薄膜和制备技术相继迸发，比如说金刚石及类金刚石膜这类采用离子束工艺或等离子体沉淀技术制备的一类碳膜，莫氏硬度可达到8级^[11]，可以用于增强被镀膜光学元件的环境耐受力，使得光学系统的应用范围得到大大的拓宽

学薄膜的应用领域

光学薄膜作为一类重要的光学器件，在很多重要的技术领域中得到了广泛的应用，比如现代社会人人都离不开的智能手机的屏幕，个人电脑的屏幕都有光学薄膜的参与作用。

由于社会的不断进步，激光器的应用越来越广泛，对其功率的需求也越来越高，由于激光器的出射功率与组成谐振腔反射镜的反射率息息相关，同时高功率的激光在谐振腔中来回反射以获得更高能量的同时不可避免的会造成反射镜上所镀膜的损耗，因此在高功率激光器的谐振腔上镀一个抗损耗的高反射膜已经成为了最近的研究热门。

光学薄膜的应用领域不可不提的就是传统的光学仪器，比如望远镜，摄像镜头上所镀的增透膜，可以减少射到镜头上的光的过大的反射，提高透光率。

薄膜光学不仅应用在一般的光学领域，在农业生产方面也有了广泛的应用，现在为了抵抗不可预测的天气和季节的变换造成了很多的大棚蔬菜和水果的出现，为了能更好地利用光照，科学家们研制出了一种节能膜，当外界温度过高，由于镀膜的作用大棚会反射掉一些红外辐射，减少外界光的透射，当外界温度过低，遮阳膜会反射大棚内部地表所发出的热能，尽量保持大棚内部的恒温，也达到了节约能源的作用。

研究目的和意义

在本次毕业设计中要求设计一个镀制在单反相机五棱镜上的覆盖可见光波段（400~800nm）的宽带全介质高反射膜，正如上文所述高反射膜在众多领域都有广泛的应用，五棱镜是也就是我们通常所说的单反相机的取景器的主要构成部分，虽然说目前已经有了电子取景器的出现，但和通过纯光学结构获取取景视野的光学取景器相比，取景视野的亮度和清晰度都要打个折扣，其功能是对调焦屏上由左向右倒转的图像进行校正，使观看图像的位置与直接看到的场景的位置完全相同，使操作者能够正确地观看和调焦。

因此本次毕业设计针对可见光波段的高反射膜的膜系设计和仿真进行了研究，但五棱镜的反射率虽然说理想情况能达到100%，但因为生产时对玻璃的打磨不可能完全精确，在使用过程中相机的磕磕碰碰也会影响到五棱镜取景器的取景效果，所以本次主要是目的是设计一个峰值反射率尽量接近100%的镀制在折射率为1.52的玻璃上的高反射膜，通过镀膜的方式使反射率在需求波段和理想情况接近，以尽力处理上文提到的单反相机五棱镜的一些不足之处。