2012-2013学年第1学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（A 卷） 参考答案及评分标准 一、填空题 （每空1分，共24分） 1、在折射率为3.5的基底表面镀单层减反射膜，对于4000nm 的光波，理论上能 达到最佳减反射效果的薄膜折射率为： 1.8708 ，需要镀制的薄膜光学厚度 为 1000 nm 。 2、若薄膜的折射率为n ，光线在薄膜内的折射角为θ，则s 、p 光的修正导纳分 别为 ncos θ 、 n/cos θ 。 3、对于波长为λ的光来说，单层膜的光学厚度每增加 λ/4 ，薄膜的反 射率就会出现一次极值变化。当薄膜的折射率小于基底折射率时，出现的第一个 反射率极值是 极小 （极大、极小）值。 4、虚设层的形成条件是： 薄膜的光学厚度等于半波长的整数倍 。 5、周期性对称膜系(pqp)s 的等效折射率和 基本周期/pqp 的等效折射率完 全相同，其等效位相厚度等于 基本周期的s 倍 。 6、折射率为n 1，光学厚度为λ0/4，基底的折射率为n s ，那么，该单层膜与基底 的组合导纳为： s n n Y 21 7、介质高反射膜的波数宽度仅与两种膜料的 折射率 有关，折射率 差值越大 ， 高反射带越宽。 8、热偶真空规是通过测量温度达到间接测量 真空 的目的。 9、镀膜室内真空度高表明气体压强 小 ，真空度低则气体压强 大 。 10、薄膜几何厚度的监控通常用 石英晶振 膜厚仪来实现，光学厚度常常采 用 光电 膜厚仪来监控。 11、采用PVD 技术制造薄膜器件时，薄膜折射率的误差主要来自三个方面： 膜 层的聚集密度 、 膜层的微观组织物理结构 、 膜层的化学成分 。 12、改善膜层厚度均匀性的措施包括 旋转夹具 和 膜层厚度调节板 。 13、采用光电极值法监控膜厚，如果需要镀制光学厚度为900nm 的薄膜，在 500-700nm 范围内，可以选取的监控波长为 600 和 514.3 nm 。
平面部分反射镜材料K9(FS)，熔石英尺寸公差+0/-0.2mm 厚度公差±0.2mm 通光孔径>90%面型/8@632.8nm λ表面质量镀膜60/40一面镀介质部分反射膜，反面镀增透膜损伤阈值>10J/20ns 20Hz @1064nm ，，，cm 2R T 分光精度单波长3%5%±，宽带±t R T 平行度<1分常用波长355532632.865078085098010301064nm 450-650nm 650-900nm 900-1200nm ，，，，，，，，，，T e T c R фS1S2T e фT c S1R S2 球面部分反射镜部分反射镜BSP K925.4350/5045°S+P 1064BSP -材料直径厚度透射率反射率入射角设计偏振波长---T/R--- S+P S P ：，：：针对S和P求平均设计只针对S光设计只针对P光设计T=(Ts+Tp)/2R=(Rs+Rp)/2，订购信息技术参数32K9K9FS ：：熔石英
材料K9(FS) ，熔石英尺寸公差+0/-0.2mm 厚度公差±0.2mm 通光孔径>90% 面型/4@632.8nm λ表面质量镀膜60/40 S1S2面镀介质部分反射膜，面镀增透膜损伤阈值>10J/20ns 20Hz @1064nm ，，，cm 2分光精度单波长±，宽带±3%5%中心偏<3分 常用波长3555321030104710531064nm ，，，，，材料K9，熔石英(FS) 尺寸公差+0/-0.2mm 厚度公差±0.2mm 通光孔径>90%面型/8@632.8nm λ表面质量镀膜60/40 一面镀二向色性分色膜，反面镀增透膜 反射波长，透过波长R>99.5%T>85% 损伤阈值>10J/20ns 20Hz @1064nm ，，，cm 2平行度<1分 常用波长1064/532nm 分色镜λ1λ2技术参数 订购信息 BST PCV K925.43100010/900°1064BST-PCV -材料直径中心厚度曲率半径透射率反射率入射角波长----/--T R PCV PCX ：：平凹平凸33技术参数 订购信息 DIM K925.43R1064/T532BST 45° BST-DIM -材料直径厚度反射波长透过波长入射角 ---/-R T K9K9 FS ：：熔石英
光学薄膜概论 光学薄膜 光学薄膜泛指在光学器件或光电子元器件表面用物理化学等方法沉积的、利用光的干涉现象以改变其光学特性来产生增透、反射、分光、分色、带通或截止等光学现象的各类膜系。它可分为增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振与消偏振膜等。光学薄膜的应用始于20世纪30年代。现代，光学薄膜已广泛用于光学和光电子技术领域，制造各种光学仪器。 光学薄膜的特点是：表面光滑，膜层之间的界面呈几何分割；膜层的折射率在界面上可以发生跃变，但在膜层内是连续的；可以是透明介质，也可以是吸收介质；可以是法向均匀的，也可以是法向不均匀的。 光学薄膜的基本原理: 1.利用光线的干涉效应，当光线入射於不同折射系数物质所镀成的薄膜，产生某种特殊光学特性。 分类：光学薄膜就其所镀材料之不同，大体可分为金属膜和非金属膜。 a.金属膜：主要是作为反射镜和半反射镜用。在各种平面或曲面反射镜，或各式稜镜等，都可依所需镀上Al、Ag、Au、Cu等各种不同的材料。不同的材料在光谱上有不同的特性。AI的反射率在紫外光、可见光、近红外光有良好的反射率，是镀反射镜最常使用的材料之一。Ag膜在可见光和近红外光部份的反射率比AI膜更高，但因其易氧化而失去光泽，只能短暂的维持高反射率，所以只能用在内层反射用，或另加保护膜。 b.非金属膜:用途非常广泛，例如抗反射镜片．单一波长滤光片、长或短波长通过滤光片、热光镜、冷光镜、各种雷射镜片等，都是利用多种不同的非金属材料，蒸镀在研磨好之镜杯上，层数由单层到数十、百层不等，视需要的不同，而有不同的设计和方法。目前这些薄膜中被应用得最广泛，最商业化，也是一般人接触到最多的，就是抗反射膜。例如眼镜、照相机镜头、显微镜等等都是在镜片上镀抗反射膜。因为若是不加以抗反射无法得到清晰明亮的影像了，因此如何增加其透射光线就是一个非常重要的课题。 2.利用光波干涉原理，在镜片的表面镀上一层薄膜，厚度为1/4 波长的光学厚度，使光线不再只被玻璃—空气界面反射，而是空气—薄膜、薄膜—玻璃二个界面反射，因此产生干涉现象，可使反射光减少。若镀二层的抗反射膜，使反射率更低，但是镀一层或二层都有缺点：低反射率的波带不移宽，不能在可见光范围都达到低反射率。1961年Cox、Hass和 Thelen 三位首先发表以1/4一1/2一1/4波长光学厚度作三层抗反射膜可以得到宽波带低反射率的抗反射膜。多层抗反射膜除了宽波带的，也可做到窄波带的。也就是针对其一波长如氨氟雷射632.8nm波长，要求极高的透射，可使63Z.8nm这一波长透射率高达99.8%以上，用之於雷射仪器。但若需要对某一波长的光线有看极高的反射率需要用高低不同折射系数的材料反覆蒸镀数十层才可达到此效果。 光学薄膜的制造方式：热电阻式、电子枪式和溅射方式。最普通的方式为热电阻式，是将蒸镀材料在真空蒸镀机内置於电阻丝或片上，在高真空的情况下，加热使材料成为蒸气，直接镀於镜片上。由於有许多高熔点的材料，不易使用此种方式使之熔化、蒸镀。而以电子枪改进此缺点，其方法是以高压电子束直接打击材料，由於能量集中可以蒸镀高熔点的材料。另一方式为溅射方式，是以高压使惰性气体离子化，打击材料使之直接溅射至镜片，以此方式
典型膜系介绍 根据其作用可以将光学薄膜的类型简单的分为： 1、减反射膜或者叫增透膜 2、分束膜 3、反射膜 4、滤光片 5、其他特殊应用的薄膜 一. 减反射膜（增透膜） 在众多的光学系统中，一个相当重要的组成部分是镜片上能降低反射的镀膜。在很多应用领域中，增透膜是不可缺少的，否则，无法达到应用的要求。 就拿一个由18块透镜组成的35mm 的自动变焦的照相机来说，假定每个玻璃和空气的界面有4%的反射，没有增透的镜头光透过率为23%，镀有一层膜（剩余的反射为%）的镜头光透过率为%，镀多层膜（剩余的反射为%）的为%。 大功率激光系统要求某些元件有极低的表面反射，以避免敏感元件受到不需要的反射光的破坏。此外，宽带增透膜可以提高象质量、色平衡和作用距离，而使系统的全部性能增强。 当光线从折射率为n0的介质射入折射率为n1的另一介质时，在两介质的分界面上就会产生光的反射， 如果介质没有吸收，分界面是一光学表面，光线又是垂直入射，则反射率R 为： 例，折射率为的冕牌玻璃，每个表面的反射约为%，折射率较高的火石玻璃表面的反射更为显著。 这种表面反射造成了两个严重的后果： ①光能量损失，使像的亮度降低； ②表面反射光经过多次反射或漫射，有一部分成为杂散光，最后也达到像平面，使像的衬度降低，分辨率下降，从而影响光学系统的成像质量。 减反射膜，又称增透膜，它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。 最简单的增透膜是单层膜，它是镀在光学零件光学表面上的一层折射率较低 的介于空气折射率和光学元件折射率之间的薄膜。以使某些颜色的单色光在表面 R T n n n n R -=???? ??+-=12 1010透射率
第三章薄膜制造技术 光学薄膜可以采用物理汽相沉积（PVD)和化学液相沉积（CLD)两种工艺来获得。CLD工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差，较难获得多层膜，废水废气对环境造成污染，已很少使用。 PVD需要使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度能够精确控制，膜层强度好，目前已广泛使用。 PVD分为热蒸发、溅射、离子镀、及离子辅助镀等。 制作薄膜所必需的有关真空设备的基础知识 用物理方法制作薄膜，概括起来就是给制作薄膜的物质加上热能或动量，使它分解为原子、分子或少数几个原子、分子的集合体（从广义来说，就是使其蒸发），并使它们在其他位置重新结合或凝聚。 在这个过程中，如果大气与蒸发中的物质同时存在，那就会产生如下一些问题： ①蒸发物质的直线前进受妨碍而形成雾状微粒，难以制得均匀平整的薄膜； ②空气分子进入薄膜而形成杂质； ③空气中的活性分子与薄膜形成化合物； ④蒸发用的加热器及蒸发物质等与空气分子发生反应形成 化合物，从而不能进行正常的蒸发等等。 因此，必须把空气分子从制作薄膜的设备中排除出去，这个 过程称为抽气。空气压力低于一个大气压的状态称为真空， 而把产生真空的装置叫做真空泵，抽成真空的容器叫做真空 室，把包括真空泵和真空室在内的设备叫做真空设备。制作 薄膜最重要的装备是真空设备． 真空设备大致可分为两类：高真空设备和超高真空设备。二 者真空度不同，这两种真空设备的抽气系统基本上是相同 的，但所用的真空泵和真空阀不同，而且用于真空室和抽气 系统的材料也不同，下图是典型的高真空设备的原理图，制 作薄膜所用的高真空设备大多都属于这一类。 下图是超高真空设备的原理图，在原理上，它与高真空设备 没有什么不同，但是，为了稍稍改善抽气时空气的流动性， 超高真空设备不太使用管子，多数将超高真空用的真空泵直 接与真空室连接，一般还要装上辅助真空泵（如钛吸气泵） 来辅助超高真空泵。 3.1 高真空镀膜机 1.真空系统 现代的光学薄膜制备都是在真空下获得的。普通所说的 真空镀膜，基本都是在高真空中进行的。 先进行(1)然后进行(2)。因为所有的（超）高真空泵只有在真空室的压力降低到一定程度时才能进行工作，而且在高真空泵（如油扩散泵）中，要把空气之类的分子排出，就必须使排气口的气体压力降低到一定程度。 小型镀膜机的真空系统 低真空机械泵+高真空油扩散泵+低温冷阱
3-1 #平面镜#平面反射镜，曲率半径无穷大，它是唯一能成完善像的最简单的光学元件。 #镜像#使一个右（或左）手坐标系的物体经光学系统后成左（或右）手坐标系的像，这种像叫镜像。 #一致像#与物坐标系一致的像，简称一致像。 #连续一次像#双平面镜成像时，依次通过两个反射面所成的像。 3-2 #平行平板#由两个相互平行的折射平面构成的光学元件。 3-3 #反射棱镜#将一个或多个反射面磨制在同一块玻璃上形成的光学元件。 #棱镜光轴#光学系统的光轴在棱镜中的部分称为棱镜的光轴，一般为折线。 #主截面#工作面之间的交线构成棱，垂直于棱的平面。 #简单棱镜#只有一个主截面，所有工作面都与主截面垂直。 #屋脊棱镜#交线位于棱镜光轴面内的两个相互垂直的反射面构成屋脊面，具有屋脊面的棱镜称为屋脊棱镜。 #立方角锥棱镜#三个反射面相互垂直，底面是一个等腰三角形，为入射面和出射面，光线从任意方向从底面入射，经三个直角面反射后，出射光线始终平行于入射光线。 #复合棱镜#由两个以上棱镜组合起来形成复合棱镜。 #成像方向判断#根据一定的规则判断棱镜系统的成像方向。 #棱镜展开#利用一等效平行玻璃平板来取代光线在反射棱镜两折射面之间的光路。 3-4 #折射棱镜#工作面由两个折射面构成的棱镜。
#光楔#折射角很小的折射棱镜。 #色散#由于同一透明介质对于不同波长的单色光具有不同的折射率，白光经过棱镜后将被分解为各种不同颜色的光，在棱镜后将会看到各种颜色，这种现象称为色散。 3-5 #平均折射率#在夫朗和费谱线中D光波长处的折射率。 #平均色散#夫朗和费谱线中F光波长和C光波长处的折射率之差。 #阿贝常数# 定义为(n D-1)/(n F-n C) #部分色散#任意一对谱线的折射率之差。 #相对色散#部分色散与平均色散之比。
多面反射镜的超精密切削 一、多面反射镜 过去多面反射镜只用作测量角度的标准光学元件，在一般情况下，是用它作为测量回 转工作台分度精度的角度标准。随着科学技术的发展，多面反射镜的用途也在不断地扩 大，目前广泛地用于激光扫描的装置中，即让多面反射镜高速回转，使照射在多面反射镜上的激光束进行扫描。利用多面反射镜制作的激光扫描装置用途很广，例如在激光打印 机上使激光通过多面反射镜在感光鼓筒上进行扫描，而实现高速印刷。除此之外，还在检查轧制钢板的表面缺陷及检查胶片等的缺陷，零件、物品等的识别，用a岛激光淬火、焊接等装置上都要使用多面反射镜。在上述的各种用途中，以用在激光打印机上的多面反 射镜精度最高、最有代表性。图7-20所示是激光打印机的原理图。多面反射镜是构成激 光打印机的核心零件，只有多面反射镜的精度高，反射率高，打印机才能有高的析像度，像汉字、画像这样复杂的图像才能高速地印刷。因此要求多面反射镜的几何形状精度高，反 射镜面的粗糙度R。值低。图7—21所示是激光打印机用多面反射镜的技术要求。从图中225 可以看出，镜体的平行度和平面度精度均为0．5f,tm，镜面的角度误差在1“～y，而镜面所 要求的粗糙度为R，0．01,ttm，平面度要求为A／5～2／10(Ne—Ni激光A=0．682 8『』m)c 在一般情况下，作为激光反射镜必须满足 的加 工精度是：形状精度(平面度)低于0．1“m， 表面粗 糙度R。0．01弘m，表面反射率大于85％， 而且没有 散乱光和衍射光。
过去因多面反射镜形状复杂，对几何形状精度和表面粗糙度的要求很高，故多采用研磨的方法进行加工。图7—22为其工艺路线，因为加工工艺复杂，效率较低，所以成本很高。 近来由于多面反射镜用途的不断扩大，用研臃方法进行加工已远远满足不了要求，因而开发了丹j 铜及铜铝系合金等软金属以及塑料等材料，采用金刚石刀具超精密切削加工出多面反射镜的技术，其工艺路线见图7-23。 加工多面反射镜采用超精密切削与采用研磨 相比，可以看出：采用超精密切削，工艺路线大大地 l一感光滚筒：2一激比发振器； 3～数字信号：4一电fi十算机； 5一变调器；6-一激光束放大器； 7一多【酊反射镜；8一壤焦透镜。
《薄膜光学与技术》期末测验试题A答案
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2012-2013学年第1学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（A 卷） 参考答案及评分标准 一、填空题 （每空1分，共24分） 1、在折射率为3.5的基底表面镀单层减反射膜，对于4000nm 的光波，理论上能达到最佳减反射效果的薄膜折射率为： 1.8708 ，需要镀制的薄膜光学厚度为 1000 nm 。 2、若薄膜的折射率为n ，光线在薄膜内的折射角为θ，则s 、p 光的修正导纳分别为 ncos θ 、 n/cos θ 。 3、对于波长为λ的光来说，单层膜的光学厚度每增加 λ/4 ，薄膜的反射率就会出现一次极值变化。当薄膜的折射率小于基底折射率时，出现的第一个反射率极值是 极小 （极大、极小）值。 4、虚设层的形成条件是： 薄膜的光学厚度等于半波长的整数倍 。 5、周期性对称膜系(pqp)s 的等效折射率和 基本周期/pqp 的等效折射率完全相同，其等效位相厚度等于 基本周期的s 倍 。 6、折射率为n 1，光学厚度为λ0/4，基底的折射率为n s ，那么，该单层膜与基底的组合导纳为： s n n Y 21 7、介质高反射膜的波数宽度仅与两种膜料的 折射率 有关，折射率 差值越大 ，高反射带越宽。 8、热偶真空规是通过测量温度达到间接测量 真空 的目的。 9、镀膜室内真空度高表明气体压强 小 ，真空度低则气体压强 大 。 10、薄膜几何厚度的监控通常用 石英晶振 膜厚仪来实现，光学厚度常常采用 光电 膜厚仪来监控。 11、采用PVD 技术制造薄膜器件时，薄膜折射率的误差主要来自三个方面： 膜层的聚集密度 、 膜层的微观组织物理结构 、 膜层的化学成分 。 12、改善膜层厚度均匀性的措施包括 旋转夹具 和 膜层厚度调节板 。 13、采用光电极值法监控膜厚，如果需要镀制光学厚度为900nm 的薄膜，在
河南工业职业技术学院 Henan Polytechnic Institute 毕业设计 题目高精度平面光学零件加工工艺系别光电工程系 专业精密机械技术 班级 姓名 学号 指导教师 日期
毕业设计任务书 设计题目： 高精密平面光学零件加工工艺 设计要求： 1.熟悉高精度平面光学零件加工的工艺，达到图纸的设计要求。 设计任务： 1．画出高精度平面光学零件加工原理图； 2.根据图纸要求选用合适的加工方法； 3．写出详细毕业设计说明书（10000字以上），要求字迹工整，原理叙述正确，会计算主要元器件的一些参数，并选择元器件。 设计进度要求： 第一、二周：收集选题资料；在图书馆查看书籍，在实践中听取师傅的教导，在网上查找各类相关资料尽量使资料完整、精确。 第三、四周：熟悉相关技术，将收集到的资料仔细整理分类，及时与导师进行沟通。将设计的雏形确立起来 第五、六周：根据毕业设计格式确定、撰写毕业设计； 第七、八周：准备答辩 指导教师（签名）：
摘要 光学平面零件是指由光学平面作为工作面的光学零件。它包括平晶、平行平板、平面反射镜、光楔、滤光片及棱镜等。由两个互相平行的光学平面构成的光学零件系统称为平行平板。 通常以平面光学零件的面形精度和角度精度来衡量平面制造的精度，并以此将平面光学零件区分为高精度零件、中精度零件和一般精度零件。 平面面形精度为N＝o．5～o．1，△ N＝o．1以上；角度精度为20〞～ 5〞以上的零件，称为高精度平面光学零件。属于这类的光学零件有平面平行零件、平面样板、棱镜、多面体等。高精度平面的抛光除需要很好地解决加工中的装夹变形、热变形、应力变形、重力变形等问题外，还应采用先进的加工技术和精密的测试手段。 这篇设计主要介绍，高精度平面零件的加工过程，指出加工过程中存在的问题，总结经验以及所得到的体会。 关键词：：平面零件、加工要求、抛光、精度
一、金相实验室 ? Leica DM/RM 光学显微镜 主要特性：用于金相显微分析，可直观检测金属材料的微观组织，如原材料缺陷、偏析、初生碳化物、脱碳层、氮化层及焊接、冷加工、铸造、锻造、热处理等等不同状态下的组织组成，从而判断材质优劣。须进行样品制备工作，最大放大倍数约1400倍。 ? Leica 体视显微镜 主要特性：1、用于观察材料的表面低倍形貌，初步判断材质缺陷； 2、观察断口的宏观断裂形貌，初步判断裂纹起源。 ?热振光模拟显微镜 ?图象分析仪 ?莱卡DM/RM 显微镜附 CCD数码照相装置 二、电子显微镜实验室 ?扫描电子显微镜(附电子探针) (JEOL JSM5200，JOEL JSM820，JEOL JSM6335) 主要特性： 1、用于断裂分析、断口的高倍显微形貌分析，如解理断裂、疲劳断裂（疲劳辉纹）、晶间断裂（氢脆、应力腐蚀、蠕变、高温回火脆性、起源于晶界的脆性物、析出物等）、侵蚀形貌、侵蚀产物分析及焊缝分析。 2、附带能谱，用于微区成分分析及较小样品的成分分析、晶体学分析，测量点阵参数/合金相、夹杂物分析、浓度梯度测定等。 3、用于金属、半导体、电子陶瓷、电容器的失效分析及材质检验、放大倍率：10X—300,000X；样品尺寸：0.1mm—10cm；分辩率:1—50nm。 ?透射电子显微镜（菲利蒲 CM-20,CM-200） 主要特性： 1、需进行试样制备为金属薄膜，试样厚度须<200nm。用于薄膜表面科学分析，带能谱，可进行化学成分分析。 2、有三种衍射花样：斑点花样、菊池线花样、会聚束花样。斑点花样用于确定第二相、孪晶、有序化、调幅结构、取向关系、成象衍射条件。菊池线花样用于衬度分析、结构分析、相变分析以及晶体精确取向、布拉格位移矢量、电子波长测定。会聚束花样用于测定晶体试样厚度、强度分布、取向、点群、空间群及晶体缺陷。 三、X射线衍射实验室 ? XRD-Siemens500—X射线衍射仪 主要特性： 1、专用于测定粉末样品的晶体结构（如密排六方，体心立方，面心立方等），晶型，点阵类型，晶面指数，衍射角，布拉格位移矢量，已及用于各组成相的含量及类型的测定。测试时间约需1小时。 2、可升温（加热）使用。 ? XRD-Philips X’Pert MRD—X射线衍射仪 主要特性： 1、分辨率衍射仪，主要用于材料科学的研究工作，如半导体材料等，其重现性精度达万分之一度。 2、具备物相分析（定性、定量、物相晶粒度测定；点阵参数测定），残余应力及织构的测定；薄膜物相鉴定、薄膜厚度、粗糙度测定；非平整样品物相分析、小角度散射分析等功能。 3、用于快速定性定量测定各类材料（包括金属、陶瓷、半导体材料）的化学成分组成及元素含量。如：Si、P、S 、Mn、Cr、Mo、Ni、V、Fe、Co、W等等，精确度为0.1%。 4、同时可观察样品的显微形貌，进行显微选区成分分析。
光学薄膜技术复习提纲 、典型膜系 减反射膜（增透膜） 1、减反射膜的主要功能是什么？ 是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量, 减少或消除系统的杂散光。 ★ 2、单层减反射膜的最低反射率公式并计算 厂 宀 >2 llo —111 /11；#-1 R= ------------ <山+爲沁+/ ★ 3、掌握常见的多层膜系表达，例如 G| H L | A 代表什么？ G| 2 H L | A ? ★ 4、什么是规整膜系？非规整膜系？ 把全部由入0/4整数倍厚度组成的膜系称为规整膜系，反之为非规整膜系。 ★ 5、单层减反射膜只能对某个波长和它附近的较窄波段内的光波起增透作用。 为了在较宽的 光谱范围达到更有效的增透效果，常采用双层、三层甚至更多层数的减反射膜。 ★ 6 V 形膜、W 形膜的膜系结构以及它们的特征曲线。P16-17 ㈡高反射膜 ★ 1、镀制金属反射膜常用的材料有铝（AI ）、银（Ag ）、金（Au ）、铬等。 ★ 2、金属反射膜四点特性。P29 ① 高反射波段非常宽阔，可以覆盖几乎全部光谱范围，当然，就每一种具体的金属而言，它 都有自己最佳的反射波段。 V --G I HL| A / M |=! !膜 / fix 一上 —\ >< WG | 2HL | A 0 400 450 500 550 600 650 700 VUavelsnqth (rm ) 43 2
②各种金属膜层与基底的附着能力有较大差距。如Al、Cr、Ni （镍）与玻璃附着牢固；而Au、 Ag与玻璃附着能力很差。 ③金属膜层的化学稳定性较差，易被环境气体腐蚀。 ④膜层软，易划伤。 ㈢分光膜 1什么是分光膜？ 中性分束镜能够在一定波段内把一束光按比例分成光谱成分相同的两束光，也即它在一定的 波长区域内，如可见区内，对各波长具有相同的透射率和反射率之比值一一透反比。因而反射光和透射光不带有颜色，呈色中性。 ★2、归纳金属、介质分束镜的优缺点： 金属分束镜p32 优点：中性好，光谱范围宽，偏振效应小，制作简单 缺点：吸收大，分光效率低。 使用注意事项：光的入射方向 介质分束镜p30 优点：吸收小，几乎可以忽略，分光效率高。 缺点：光谱范围窄，偏振分离明显，色散明显。 5、偏振中性分束棱镜是利用斜入射时光的偏振，实现50/50中性分光。 ㈣、截止滤光片 ★1、什么是截止滤光片？什么是长波通、短波通滤光片？p33 截止滤光片是指要求某一波长范围的光束高效透射，而偏离这一波长的光束骤然变化为高反 射的干涉截止滤光片。 抑制短波区、透射长波区的截止滤光片称为长波通滤光片。 抑制长波区、透射短波区的截止滤光片称为短波通滤光片。 2、截止光滤片的应用：彩色分光膜。P51 ①图2.4.13分光原理；②解决棱镜式分光元件偏振效应的方法是合理设计分光棱镜的形式，尽可能减小光束在膜面上的入射角。 ㈤、带通滤光片 ★1、什么是带通滤光片？P58
第18卷 第12期 2010年12月 光学精密工程 O ptics and Precision Enginee ring V ol .18 N o .12 Dec .2010 收稿日期:2010-09-25;修订日期:2010-10-27. 基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(N o .61036015) 文章编号 1004-924X (2010)12-2557-07 高精度离轴凸非球面反射镜的加工及检测 张 峰 (中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术中国科学院重点实验室,吉林长春130033) 摘要:为了提高离轴凸非球面反射镜的面形精度和光轴精度,研究了离轴凸非球面反射镜的加工与检测技术。首先,描述了离轴三反消像散(TM A )光学系统以及作为该光学系统次镜的离轴凸非球面反射镜的光学参数和技术指标。然后,介绍了非球面计算机控制光学表面成型(CCOS )技术及FSG J 非球面数控加工设备。最后,给出了非球面研磨阶段检测用的轮廓测量法和离轴凸非球面抛光阶段检测用的背部透射零位补偿检测法,并对背部透射零位补偿检测中离轴凸非球面反射镜光轴精度的控制技术进行了研究。检测结果表明:采用背部透射零位补偿检测法检测得到的离轴凸非球面反射镜的面形精度为0.017λ(均方根值,λ=0.6328μm );用Leica 经纬仪测量反射镜的光轴精度其结果达到9.4″,满足光学设计技术指标要求。 关 键 词:凸离轴非球面;计算机控制光学表面成型;轮廓测量;背部透射零位补偿检测;光轴精度中图分类号:T H703;T Q 171.68 文献标识码:A doi :10.3788/O P E .20101812.2557 Fabrication and testing of precise off -axis convex aspheric mirror ZH ANG Feng (K ey Laboratory of Optical S ystem Ad vanced Manu f acturing Technology ,Changchun I nstitute of Optics ,Fine Mechanics and P hysics ,Chinese Academy o f Sciences ,Changchun 130033,China )A bstract :To im pro ve the fine surface figure accuracy and optical axis accuracy of an o ff -axis co nvex aspheric mirro r ,the fabricatio n and testing techno logies o f the off -axis convex aspheric mirror w ere studied .Firstly ,a Three Mirror Anastig mat (TM A )o ptical sy stem and the specification requirements of the seco nd off -axis convex aspheric mirror in the TM A optical system w ere presented .Then ,the technique of Computer -controlled Optical S urfacing (CCOS )fo r manufacturing the asphe ric mirror and the FSGJ num erical control machine fo r processing asphe ric surface w ere introduced .Finally ,the con -to ur testing in a lapping stage and the back transmission null testing in a polishing stage for the co nvex aspheric mirro r w ere described ,and the co ntro lling technolo gy fo r the optical axis accuracy of off -axis convex aspheric mirro r w as studied .The testing results indicate that the surface fig ure accuracy and the o ptical axis accuracy of the off -axis convex aspheric mir ro r are 0.017λRMS and 9.4″,respectively .All the specificatio ns of the off -axis convex aspheric mir ro r can meet the requirements of the optical desig n .Key words :off -axis convex aspheric surface ;Computer -co ntrolled Optical Surfacing (CCOS );contour testing ;back transmissio n null testing ;optical axis accuracy
光学薄膜技术复习提纲 闭卷考试 120分钟 考试时间：17周周三下午3:00---5:00（12月30号）题型：选择题（10*2）填空题（10题24分）判断题（10题）简答题（4题24分）综合题（2题22分,计算1题，论述1题）考试内容包含课本与课件，简答和综合题包含作业和例题 1、判断题 1. 光束斜入射到膜堆时，S－偏振光的反射率总是比p－偏振光的反射率高（正确） 2. 对称膜系可以完全等效单层膜（错误，仅在通带中有类似特性） 3. 对于吸收介质，只要引入复折射率，进行复数运算，那么就可以完全使用无吸收 时的公式（正确） 4. 膜层的特征矩阵有两种表达方式：导纳矩阵和菲涅尔系数矩阵（错误） 5. 简单周期性多层膜，在其透射带内R<<1（错误） 6. 在斜入射情况下，带通滤光片S－偏振光的带宽比p－偏振光的带宽为大（正确） 7. 在包含吸收介质时，光在正反两个入射方向上的透过率是一样的（正确） 8. 发生全反射时，光的能量将不进入第二介质（错误） 9. 斜入射时，银反射膜的偏振效应比铝反射膜大（Al：0.64-i5.50，Ag：0.050- i2.87）（错误，因为银的折射率远小于铝） 10. 高反射介质膜的截止深度是指在截止波长处的反射率（错误，是指截止带中心处 的反射率） 第1章薄膜光学特性计算基础 1、干涉原理：同频率光波的复振幅矢量叠加。 2、产生干涉的条件：频率相同、振动方向一致、位相相同或位相 差恒定。 3、薄膜干涉原理：层状物质的平行界面对光的多次反射和折 射，导致同频率光波的多光束干涉叠加。 4、光学薄膜：薄到可以产生干涉现象的膜层、膜堆或膜系。 5、麦克斯韦方程组： 6、物质方程： 7、光学导纳： 8、菲涅尔系数：菲涅尔系数就是界面上的振幅反射系数和振幅 透射系数。 9、特征矩阵：表征薄膜特性的矩阵，仅包含薄膜的特征参数 10、虚设层：当膜层厚度对于中心波长来说是或其整数倍时，该 层存在对于中心波长处的透过率/反射率无影响，因此称为虚 设层。但该层其他波长处的透过率/反射率还是有影响的。
本技术公开了一种基于平面反射镜的物体全方位三维测量方法，首先是搭建摄像机和投影仪组成的条纹投影轮廓术系统，将贴附有标定纸条的左平面反射镜和右平面反射镜设置在被测物体后面，使用投影仪向被测物体投出相移条纹，并触发摄像机同步采图，将缠绕相位图解算为绝对相位图，由绝对相位得到被测物体的三维点云数据，并用标定纸条对平面反射镜进行标定，实现通过单次测量即可得到物体全方位的三维点云数据，最后利用ICP迭代算法对点云进行配准，使点云之间相同的部分尽可能地重合。本技术具有低成本，简单高效，高精度的优势。 技术要求 1.一种基于平面反射镜的物体全方位三维测量方法，其特征在于步骤如下： 步骤一：搭建基于平面反射镜的条纹投影轮廓术系统，首先搭建摄像机和投影仪组成的条纹投影轮廓术系统，然后将贴附有标定纸条的左平面反射镜和右平面反射镜设置在被测物体后面，调节贴有标定纸条的平面反射镜的位置，通过平面反射镜的反射作用，摄像机同时观察到被测物体的三个视角的信息； 步骤二：投影相移条纹并采图，使用投影仪向被测物体投出相移条纹，并触发摄像机同步采图； 步骤三：求解相位并重构点云，对于步骤二中采集到的条纹图案，采用基于条纹投影的相移轮廓术解算出不同频率条纹下的缠绕相位图，随后利用时域相位解缠算法，将缠绕相位图解算为绝对相位图，利用投影仪和摄像机的标定参数，由绝对相位得到被测物体的三维点云数据； 步骤四：用标定纸条对平面反射镜进行标定，即利用步骤二和步骤三中的方法对平面反射镜上面的标定纸条的三维信息进行重构，得到标定纸条的三维空间姿态信息，并进行平面拟合，用以近似代替平面反射镜的空间姿态信息，计算拟合平面的单位法向量以及世界坐标系原点到拟合平面的距离，完成两块平面反射镜的标定工作； 步骤五：三维点云的转换，根据步骤四得到的平面反射镜的标定参数，计算得到左右平面镜反射镜中三维点云数据到真实世界坐标系的转换矩阵，从而将左右平面镜中的三维点云数据转化到物体实际所在的统一的世界坐标系下，以此方式实现通过单次测量即可得到物体全方位的三维点云数据； 步骤六：三维点云的配准，利用ICP迭代算法对点云进行配准，使点云之间相同的部分尽可能地重合。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤一中，一块标定纸条贴附在左平面反射镜的下部偏左部位，另一块标定纸条贴附在右平面反射镜的下部偏右部位，调节平面反射镜的位置，使两块平面反射镜的交线正对被测物体和投影仪，左平面反射镜、右平面反射镜的夹角在115°-125°之间，以摄像机观察到的三个像均匀分布在视场中，互不重合，且三个像不被标定纸条遮挡。 3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤二中，利用基于条纹投影的相移轮廓术，使用投影仪向被测物体投出一系列正弦条纹图案，经过物体漫反射后被摄像机同步采集，采集到的光强表示为：
全方位反射镜（1D ） 对1D 光子晶体，在立体空间中有完全带隙结构，在不同方向传播的光子的带隙有重合部分，使在一定的频率范围内的光子以不同的入射角度射向光子晶体时都被高反射啦，无法透过光子晶体。 物理属性： 1.平行波矢在任何平行于层的界面上都是守恒的，只要照射的光源足够远，在平行方向上结构的平移对称性就不会受到破坏。 2.从空气中入射的光要满足条件w>c|K |||,即在the light line 上面，对应于其上的自有传播模式，而在其下方是从远光源无法到达反射镜的消失模（指数衰减场）。 图15： YZ ：入射平面 Y 方向：平行于层 Z 方向：垂直于层； 两种可能的极化： TM 波（S 极化）：电场垂直于YZ 平面 TE 波（p 极化）：电场在平面内，磁场垂直与平面； 2:132:1=εε，λ4 1堆结构。 w 与ky 关系，能带图： 绿色和蓝色都是传播态。 空白处是消失态（带隙） 红线是the light line ，w=cKy 黄色区域：Ky=0（正入射）全角度反射带（对于给定的频率）。TM 波和TE 波在正入射时反射带是重合的，但随着入射角度变化也会分离；
随着入射角的增大，TM 波和TE 波的反射带向着高频方向移动，并逐渐分离； p 极化在布鲁斯特角（B 点）时对任何频率都出现了透射带，B 出现在两种材料的接口，无反射，两条带相交。 但全向反射不是1D 的一般性质，两个必要条件： 1. 两种介质材料介电常数比要足够大； 2. 其中较小的介电常数还要比周围环境介电常数要大（所以图15选择的介电常数是2不是1，比空气介电常数大） 图16： λ4 1堆结构，图中显示的是全向带隙大小与a εεεε212,的函数关系。 光线是从介电常数为a ε的介质中入射的；2ε>1ε;粉色阴影区是非零全向带隙区。 λ4 1堆结构并不一定可以使全向带隙最大； 若不使用λ4 1堆结构，通过最优化层间距，那图中等高线的位移会小于2%（？）； 若界面不平坦，或有物体靠近界面，平行波失不再守恒，此时，光通常会与晶体中传播的扩展模式耦合，并一起被传输；但可以通过其他对称性，比如旋转对称性代替平移对称性，使光可以在内部定位，同样可以呈现指数衰减模式。
光学薄膜技术及其应用 张三1409074201 摘要：介绍了传统光学薄膜的原理，根据薄膜干涉的基本原理及其特点，介绍了光学薄膜的性能、制备技术，研究了光学薄膜在的应用和今后的发展趋势。 关键词：光学薄膜、薄膜干涉、应用、薄膜制备 引言： 光学薄膜是指在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面上镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的强度、偏振状态和相位变化的光学元件，是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分。 光学薄膜技术的发展对促进和推动科学技术现代化和仪器微型化起着十分重要的作用，光学薄膜在各个新兴科学技术中都得到了广泛的应用。 本文在简单叙述薄膜干涉的一些相关原理的基础上，介绍了光学薄膜常见的几种制备方法，研究了光学薄膜技术的相关应用，并且展望了光学薄膜研究的广阔前景。 正文： 1.光学薄膜的原理 光学薄膜的直接理论基础是薄膜光学, 它是建立在光的干涉效应基础上的、论述光在分层介质中传播行为。一列光波照射到透明薄膜上，从膜的前、后表面或上、下表面分别反射出两列光波，这两列相干光波相遇后叠加产生干涉。该理论可以比较准确地描述光在数十微米层、纳米层甚至原子层厚的薄膜中的传播行为,由此设计出不同波长、不同性能、适应不同要求的光学薄膜元件。 2.光学薄膜的性质及功能 光学薄膜最基本的功能是反射、减反射和光谱调控。依靠反射功能, 它可以把光束按不同的要求折转到空间各个方位；依靠减反射功能，它可以将光束在元件表面或界面的损耗减少到极致, 完美地实现现代光学仪器和光学系统的设计功能；依靠它的光谱调控功能, 实现光学系统中的色度变换, 获得五彩缤纷的颜色世界。 不仅如此, 光学薄膜又是光学系统中的偏振调控、相位调控以及光电、光热和光声等功能调控元件, 光学薄膜的这些功能, 在激光技术、光电子技术、光通信技术、光显示技术和光存储技术等现代光学技术中得到充分的应用, 促进了相关技术和学科的发展。 3.传统光学薄膜和新型光学薄膜 3.1传统光学薄膜 传统的光学薄膜是以光的干涉为基础。光波是一种电磁波，根据其波长的不同可分成红外线、可见光和紫外线等，当光波投射到物体上时，有一部分在它表面上被反射，其余部分经折射进入到该物体中，其中有一部分被吸收变为热能，剩的部分透射。不同的物质对光有不同的反射、吸收、透射性能，光学薄膜就是利用材料对光的这种性能，并根据实际需要制造的。 传统光学薄膜就是利用材料的这种特性，对光线产生特异性行为。传统光学薄膜有反射膜、增透膜、滤光膜、纳米光学薄膜、偏振膜、分光膜、和位相膜等。 3.2新型光学薄膜 现代科学技术特别是激光技术和信息光学的发展，光学薄膜不仅用于纯光学器件，在光电器件、光通信器件上也得到广泛的应用。近代信息光学、光电子技术及光子技术的发展，对光学薄膜产品的长寿命、高可靠性及高强度的要求越来越高，从而发展了一系列新型光学薄膜及其制备技术，并为解决光学薄膜产业化面临的问题提供了全面的解决方案，包括高强度激光器、金刚石及类金刚石膜、软Ｘ射线多层膜、太阳能选择性吸收膜和光通信用光学膜等。
2012-2013学年第1学期《薄膜光学与技术》期末考试试题（A 卷） 参考答案及评分标准 一、 填空题 （每空1分，共24分） 1、在折射率为3.5的基底表面镀单层减反射膜，对于4000nm 的光波，理论上能达到最佳减反射效果的薄膜折射率为： 1.8708 ，需要镀制的薄膜光学厚度为 1000 nm 。 2、若薄膜的折射率为n ，光线在薄膜内的折射角为θ，则s 、p 光的修正导纳分别为 ncos θ 、 n/cos θ 。 3、对于波长为λ的光来说，单层膜的光学厚度每增加 λ/4 ，薄膜的反射率就会出现一次极值变化。当薄膜的折射率小于基底折射率时，出现的第一个反射率极值是 极小 （极大、极小）值。 4、虚设层的形成条件是： 薄膜的光学厚度等于半波长的整数倍 。 5、周期性对称膜系(pqp)s 的等效折射率和 基本周期/pqp 的等效折射率完全相同，其等效位相厚度等于 基本周期的s 倍 。 6、折射率为n 1，光学厚度为λ0/4，基底的折射率为n s ，那么，该单层膜与基底的组合导纳为： s n Y 21 7、介质高反射膜的波数宽度仅与两种膜料的 折射率 有关，折射率 差值越大 ，高反射带越宽。 8、热偶真空规是通过测量温度达到间接测量 真空 的目的。 9、镀膜室内真空度高表明气体压强 小 ，真空度低则气体压强 大 。 10、薄膜几何厚度的监控通常用 石英晶振 膜厚仪来实现，光学厚度常常采用 光电 膜厚仪来监控。 11、采用PVD 技术制造薄膜器件时，薄膜折射率的误差主要来自三个方面： 膜层的聚集密度 、 膜层的微观组织物理结构 、 膜层的化学成分 。 12、改善膜层厚度均匀性的措施包括 旋转夹具 和 膜层厚度调节板 。