OAS 光学分析软件 | OAS 如何给非序列结构添加镀膜和散射

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在非序列模式下，我们经常需要将散射模型或镀膜应用到物体的特定表面。这些属性可以在 3D 非序列物体的任何表面上定义。本文讨论了如何在 OAS 中设置这些属性，并说明了在此过程中可能出现的一些问题。(联系我们领取附件）

简介

当模拟光在非序列模式下的传播时，为了在分析过程中获得最高的精度，每个物体必须有精确的膜层和散射定义。OAS 为用户提供了物体“表面”的这种能力。用户可以渲染预加载到程序(参数化物体)或手动导入( CAD 数据文件)的 3D 模型。这些 3D 物体有分配给不同表面的编号，使用户能够单独编辑膜层和散射数据。
在本文中，我们将讨论如何在表面上设置膜层和散射函数，并说明如何为这两种物体类型定义这些表面。

参数化物体

参数化物体：例如在 OAS 中可以根据需要自行定义元件的前曲率半径、后曲率半径、中心厚度以及径向孔径。OAS 提供了大量的参数化物体，包含全息、衍射、圆柱体以及双锥体等等。在参数化物体中，面的定义通常很简单。例如，一个标准镜头很容易被理解为有一个前抛光面，一个后抛光面，和一个粗糙的，未抛光的圆柱体连接两个抛光面。
假设一个透镜结构共有3个面，分别为前表面、后表面和边缘，其结构图如下图1和图2所示：

图1

图2

对于任何物体，帮助文件描述该物体的表面，镀膜/散射标签列出表面的名称。一旦你选择了一个表面，你可以选择五种不同的方式让光线与它交互，如下图3所示。

图3

如果选择“无膜层”，则该表面的反射率由该物体玻璃材料的折射率、该表面另一侧的物质折射率、表面上面的镀膜、入射光波长、偏振态以及入射角决定。也可在该表面上定义散射属性。

如果选择“菲涅尔反射膜层”，则该表面的表面属性满足菲涅尔反射原理，光线入射到该表面之后，一部分光线发生反射的现象，这一现象可用菲涅尔方程来描述，其中包括了入射角、反射角以及介质的折射率等因素。除此之外，镀膜与散射分布的效应都和往常一样处理。

如果选择“全透射膜层”，则该表面的表面属性为全透射。不论光线从这个表面的哪一侧接触，都只会被透射。除此之外，镀膜与散射分布的效应都和往常一样处理。

如果选择“全反射膜层”，则该表面的表面属性类似于“镜面”。不论光线从这个表面的哪一侧接触，都只会被反射。除此之外，镀膜与散射分布的效应都和往常一样处理。

如果选择“全吸收膜层”，则任意一条入射的光线入射到该表面后都会停止追迹。不会应用镀膜以及散射模型。

除上述五种可用膜层，用户还可自行创建所需的膜层，如下图4所示。

图4

本文我们都选择“无膜层”。

选择好表面后，任何载入到系统中的镀膜都可以通过膜层选项进行设置。OAS 有完整的偏振光线追迹以及分析功能。任何偏振态的光源都可以设定，OAS 会考虑透射、反射、吸收、偏振态、双向衰减以及相位延迟。

镀膜是由任意层数、任意材料组成的，每一层材料都有各自的复折射率以及完整的色散模型。基底材料可以是玻璃、金属也可以由使用者自己设置。OAS 可以直接从“The Essential Macleod”软件的薄膜文件直接放入在OAS安装路径下的文件中，具体路径为“OAS>Databases>Macleod”。OAS 会自动在光线从空气到材料以及从材料到空气两种情况之间逆转膜层的顺序，使用者不需要额外定义“镜像”的膜层。

如果无法取得原始的镀膜，我们也可以通过输入不同波长、不同入射角效率的表格信息来定义镀膜。或是使用理想膜层来简化定义所有角度与波长的反射与透射。在有详细膜层信息后，我们就可以根据入射光的偏振态、波长以及角度来推算双向衰减率、相位、相位延迟、反射、透射或是吸收等信息。

设定好镀膜后，我们还需要设定散射模型。在 OAS 中，可用的散射模型包括 ABG、Harvey、White、Glue、BareSteel、PolishedSteel、Titan 以及 BlackPaint，用户也可根据需求进行新建散射模型，如下图5和图6所示。

图5

图6

举例来说，透镜的前表面应该具有良好抛光，而且为了抗反射前表面应该有一层四分之一波长的 MgF2 镀膜。在 OAS 预设中就有这样的一个镀膜“AR”。如要在透镜前表面上面设置  AR ，可以按下图设置：

首先在 OAS 的膜层库中添加所需的 AR 膜层，如下图7所示

图7

接下来将添加的 AR 膜层设置在前后表面，透镜 .front 和透镜 .back 代表透镜的前后表面，如图8所示。

图8

透镜 .edge 代表边缘，通常会是无抛光，并且没有镀膜，因此我们可以有如下设置，如图9所示：

图9

CAD 物体

由导入的数据文件定义的物体：一种基于文件的物体包括常见的 CAD 物体(如 STEP、IGES、SAT、STL 等格式)。这些物体有可能是多面体也可能是平滑连续曲面（或是两者皆有分布在不同区域）。当用数据文件定义物体时，定义“表面”通常更复杂。当涉及复杂的 CAD 物体时，我们可能要处理许多兆字节的数据，包括平面、曲线、样条等段。

有几点值得注意：第一，CAD 文件一般很大，仿真中使用的 CAD 文件越多、越大则计算时间越长。第二，CAD 软件导出的数据的表面的顺序经常是混乱的，所以大概需要额外的步骤将有意义的表面挑出。

尽管存在更复杂的例子，但我们的讨论还是聚焦于透镜支架的 CAD 文件，如图10所示。

图10

该物体包含102个独立的 CAD 表面，这些表面是 CAD 程序用来描述物体的基本单元。更糟糕的是，它们没有按任何顺序列出，所以即使知道 CAD 表面45在哪里，也无法知道 CAD 表面46的位置。

透镜支架或光学系统中的大多数其他机械部件，往往不能用相同的表面特性来表示。在这个例子中，让我们假设内部和侧面有低反射/散射(也许它们是黑色的阳极氧化铝)，而外部表面是未抛光的(也许它可以用朗伯散射模型来模拟)。为了做到这一点，我们需要将正确的散射属性应用到102个表面。

在这个案例下，我只想使用两种表面处理来定义镀膜/散射特性:一种是抛光良好，低散射，抗反射镀层，另一种是未镀膜，高散射。为此，打开工具中的多表面编辑，如下图11所示，选择102个 CAD 表面添加 HARVEY 模型，如图12和图13所示。

图11

图12

图13

其他基于文件类型的物体

虽然 CAD 物体可能是最重要的，但它们并不是 OAS 支持的唯一基于文件的物体。OAS 还支持由数据文件定义的多边形物体和表格物体。尽管有些物体，如菲涅耳物体，是旋转的物体，但这些物体通常也是多面物体。