摘 要

本文以光学薄膜的通带特性计算为研究目的，首先从薄膜滤波器的主要参数开始介绍，分析这些参数对多层薄膜滤波器性能的影响，总结出在不同参数条件下，多层薄膜滤波器的通带特性的规律；以麦克斯韦方程及电磁场理论作为研究的理论基础，分析并推导在光的传播过程中，光学薄膜的反射、透射特性，实现了对光学多层膜的通带特性的理论计算；结合Matlab编程仿真技术，利用其便捷及强大的计算功能，通过编程并不断的优化代码，实现对不同材料、不同层数、不同厚度等的光学薄膜，在不同的光的入射条件下的通带特性的快速计算。将以上研究内容作为基础，进一步明析多层薄膜滤波器的设计理论及现代科技的制备技术，结合当下在汽车驾驶等领域对防眩目问题的要求，设计有利于解决眩目问题的并且可实际应用的防眩目滤光片。

关键词：光学薄膜；通带特性；Matlab编程；滤波器设计

Abstract

This paper takes the calculation of the passband characteristics of optical films as the research purpose. First, it introduces the main parameters of the film filter, analyzes the impact of these parameters on the performance of the multilayer film filter, and summarizes the multilayer film filter under different parameter conditions, the law of the passband characteristics of the optical fiber. Taking Maxwell's equations and electromagnetic field theory as the theoretical basis for the study, analyzing and deriving the reflection and transmission characteristics of the optical film during the propagation of light, the theory of the passband characteristics of the optical multilayer film is realized Calculation. Combined with Matlab programming simulation technology, using its convenient and powerful calculation function, through programming and continuous optimization of code, to achieve the optical film of different materials, different layers, different thicknesses, etc. under different light incidence conditions fast calculation of the passband characteristics; Based on the above research content, further analysis of the design theory of multilayer thin-film filters and the preparation technology of modern technology, combined with the current requirements for anti-glare problems in the field of automobile driving, the design is conducive to an anti-glare filter that solves the problem of dazzle and is practically applicable.

Keywords: optical film; passband characteristics; Matlab programming; filter design

目录

摘 要 I

Abstract II

绪论 1

第1章 光学薄膜的理论基础 3

1.1 麦克斯韦方程 3

1.2反射定律和折射定律 4

1.3光学薄膜特性计算理论分析 6

1.3.1单层薄膜特征矩阵 6

1.3.2多层薄膜通带特性分析 8

第2章 薄膜滤波器通带特性计算 10

2.1 减反射膜 10

2.1.1单层减反射膜 10

2.1.2双层减反射膜 11

2.1.3多层减反射膜 12

2.2 高反射膜 13

2.2.1 金属膜 13

2.2.2多层介质高反射膜 14

2.3 干涉截止滤光片 15

第3章 光学薄膜通带特性仿真 17

3.1 仿真平台介绍 17

3.2 光学薄膜通带特性计算步骤 18

3.3 减反射膜仿真分析 19

3.4 高反射膜仿真分析 20

第4章 薄膜滤波器的设计 21

4.1 设计理论及制备工艺 21

4.1.1 矢量作图法 21

4.1.2 特定折射率薄膜制备 22

4.2 防眩光滤光片的设计 23

4.3 防眩光滤光片的仿真 24

结论 25

参考文献 26

致谢 27

绪论

要研究光学薄膜，首先从它的发展历史开始了解。在18世纪的时候，人类发现了一种现象，即“牛顿环”现象，基于这一基础，光的干涉理论也得到问世，并进行详细的解释。这些理论为薄膜光学的发展打下了坚实的基础。到了19世纪后期，电磁场理论不断的发展和完善，成为了薄膜光学的又一重要理论支撑。光的干涉理论和电磁场理论，这两大理论极大的促进了人类对薄膜光学的研究，并为其发展奠定了极其重要的基础。

对于光学薄膜的研究现状，这项技术已经深入到当今快速发展的众多技术方面。早在19世纪前期首个减反射膜就诞生了，但是薄膜的制备技术得到进一步的发展是在20世纪，在扩散泵的出现以后。有了这一技术，结合电磁场理论及光的干涉理论，薄膜光学得到了实实在在的发展，并且随着薄膜制备技术的日趋完善，使光学薄膜在众多领域得到应用。其应用的广泛性显而易见，纵观当今快速发展的众多科技领域，光学薄膜无处不在，它的应用，可以为光学系统改善很多特性，提高相应的性能。光学薄膜能够调整光在传播过程中，在不同介质界面处的反射及透射的多少，从而得到不同的光学效果，实现不同的功能。对于一些光学系统，甚至对光的偏振方向有特殊要求，而有些光学系统还会要求光束进行分解与合成，这些功能的实现都依赖与光学薄膜。近些年来，光学薄膜快速发展，且与众多其他科技领域相结合，与传感器结合的应用，得到了广泛的推广，并且有重要的意义；另外，在探测系统、显示系统的应用也尤为广泛深入，为这些系统带来众多优越的性能。大多涉及到光电的系统，都离不开光学薄膜技术，并且大多以此为基础，进行不断的发展与提高，这一项技术已经广泛深入到当今新兴科技的众多领域，各种新型微结构功能薄膜的相继出现对光学与光电子薄膜技术的发展起到了重要的推动作用。在光学与光电子薄膜技术发展的热潮中，我国也积极参与，加大投入，在薄膜设计方面追求创新，在薄膜制备技术及工艺控制方面力争精细，在薄膜的开发与应用方面具有良好的前景，取得了可喜的成绩。另外对于制备技术、薄膜厚度检测技术、薄膜材料的研究及新方向的应用等方面积极探索新概念、新材料、新应用，进行了卓有成效的工作，形成了一定的产业规模，在设备的提升和产业化队伍的建设方面取得了重大进展，光学与光电子薄膜产业得到了前所未有的发展。激光技术发展到现在已经具有一定规模，且对当今社会的发展起到重要作用，而且同时作为薄膜光学发展的重要影响因素，极大推动了现在光学薄膜的发展，而波分复用技术，作为通信领域的至关重要的技术，也对薄膜光学起到积极作用。我国凭借雄厚的科研实力和当下的产业化基础，积极投身到国际化的竞争浪潮中，国际上光学薄膜器件的生产重心正在逐步向我国转移，为我国带来了重要机遇。

光学薄膜应用广泛，且具有较为显著的使用效果，在实际应用中，光学薄膜可分为较多种类，如减反射膜、高反射膜、干涉截止滤光片、带通滤波片和特殊膜系等等，下面主要对前三种光学薄膜展开介绍：

1. 减反射膜

减反射膜顾名思义，即可以减小光在传播过程中，在不同介质分界面上发生的反射现象，光的反射对于一些系统来说会产生消极的影响，比如用于成像的有效光能量的减少等等，因此，在这样的场景就需要用到这一薄膜，来改善由于大量反射造成的能量的损失。基于这一功能，减反射膜在日常生活中得到了广泛的应用，并且是作为一种比较基础的光学薄膜的应用，在其基础上，发展了更多具有丰富功能的其他薄膜，因此其对光学薄膜的发展有重要的作用。

1. 高反射膜

在薄膜光学的发展中扮演着重要角色的另外一种薄膜即是高反射膜。与减反射膜的作用相反，高反射膜可以增加反射，在光的传播过程，遇到折射率不同的介质分界面，一部分光会发生反射，一部分光会发生折射，这一薄膜的作用，可以使在界面发生反射的光增加，同时在界面发生折射的光同时也就减少了，因此也就有了不同的应用方面，增加反射的光对于要求高反射的系统很友好，满足了其高反射的要求，而对于低折射的光线，正好符合放曝光系统的性能要求。

1. 干涉截止滤光片

截止意味着对于某波段的光具有抑制作用，干涉截止滤光片可以按照波段对光进行选择，对于特定波段的光可以顺利通过，而对于这一波段之外的其他波段的光则表现出阻碍作用，即不允许其通过。对于波段的选择，可以是允许长波波段的光通过，也可以是让波长较短的光波通过，这样灵活的选择，让干涉截止滤光片得到了广泛的应用，它巧妙的选择作用使一些系统的性能得到较大提高，另外，考察干涉截止滤光片性能的重要一点是其对于波长选择的灵敏性。