宽视角减反射膜设计

论文总字数：20523字

摘 要

本文用基于matlab谢菲尔德遗传算法工具箱而编译的遗传算法（GA），优化了宽视角减反射膜的设计过程。

对于宽视角减反射膜的设计，要考虑到薄膜层数、每层薄膜材料的折射率、不同的厚度以及入射光角度等对反射结果的影响。本文的设计是在以硅玻璃为基底，以空气为入射环境的前提下进行的。主要目标为在可见光波段，于60°的入射范围内实现平均反射率低于1.2%。通过将上述各种参数编译为基因链，通过编码、选择、交叉、编译等手段，模拟遗传进化过程，根据相应适应度的计算，逐步淘汰劣质个体，在多代之后，即可获得表现型良好的个体，也就是最终得到的膜系结构设计。

实验表明，通过使用遗传算法，有效地减少了设计时间，提高了全局最优解的检索能力。

关键词：宽视角，减反射，遗传算法，平均反射率

A DESIGN OF WIDE-ANGLE OPTICAL ANTI-REFLECTION COATINGS

Abstract

In this thesis, a Genetic Algorithm(GA) based on the Sheffield genetic algorithm toolbox is used to optimize the process of wide-angel antireflection coatings design.

Many elements should be taken into consideration, including numbers of coating layers, refractive index of each layer and influence caused by different thickness of layers or various incident angle. The design of this thesis is based on silicon glass substrate and with the enviroment of air. The main purpose of this thesis is to realize a coating system that performs mean reflectance lower than 1.2% with incident angle range from 0 to 60 and wavelenth from 400nm to 700nm. The general method is compiling elements above into binary gene strand. After selection, cross, mutation, the next generation is gotten. Repeat this process, we can get a best-perform individual and that is the coatings design that we need.

The experiment shows that, by GA, time of design is shorten and the ability of searching for globally optimal solution is improved.

KEY WORDS: wide angle, anti-reflection, genetic algorithm, average reflectance.

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 2

1.1 引言 2

1.2 光学减反射薄膜研究历史与现状 2

1.3 减反射薄膜的应用 3

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 5

第二章 原理说明 6

2.1 遗传算法 6

图2-1 7

2.1.1 种群 7

2.1.2 选择 9

2.1.3 交叉 11

2.1.4 变异 13

2.1.5 重插入 14

2.1.6 适应度计算 14

2.1.7 移民算子 17

2.2 薄膜反射率 18

2.2.1 单层减反射薄膜 20

2.2.2 双层减反射薄膜 20

2.2.3 多层减反射薄膜 21

2.2.4 平均反射率 22

第三章 算法与仿真结果 23

3.1 参数选择 23

第四章 镀膜实验 27

总结 29

致谢 30

参考文献（References） 31

1. 绪 论

1.1 引言

在我们日常生活中，常见的普通硅玻璃的垂直入射反射率在10%左右，而这一数值还会随着入射角度变化而变化，一般来说入射角越大，反射比越高。这种性质在实际应用中给我们带来了不少的困扰，而解决这一问题的方法有很多，其中，光学减反射薄膜无疑是一种比较常见的性价比高的选择。光学薄膜已经有了将近200年的历史，镀膜的方式也从最早的化学溶液镀膜发展到真空镀膜，再到现在的等离子体工艺。而技术的进步也为我们带来了更丰富的等效折射率的结构选择，这也是本文设计的减反射膜系的基础之一。

本文采用的遗传算法是以自然选择和遗传理论为基础，通过模仿自然界生物进化过程中的适者生存法则，与种群内染色体配对交叉交换遗传信息的机制相结合，组成了一套高效的全局寻优搜索算法。遗传算法将问题的可能解编译为一条条符号串，由多条符号串组成一个群体，并对这个群体进行模仿遗传学的操作，包括选择、交叉、变异等。之后由一个评价函数，对每个个体符号串进行适应性的评估，依据适者生存、优胜劣汰的自然法则，不断得到新的群体，同时，以并行形式进行全局最优个体的搜索，从而得到满足要求的优化解。

本文的设计方案是在MATLAB上实现的，MATLAB集数值运算。矩阵运算、信号处理和图形显示为一体，提供了一个方便且界面友好的用户环境，它强大的科学运算和灵活的程序设计流程，为课题设计带来了很大的便利。

1.2 光学减反射薄膜研究历史与现状

薄膜物理气相沉积方法大致分为热蒸发和溅射两种，热蒸发是将原子可控地从一个加热源转移到基片上，并在基片上生长成薄膜。在这个过程中，一部分的热能转移到固态或者液态的材料原子上，使原子温度达到蒸发或升华的温度。而溅射则是在室温下通过气体离子撞击靶材从而溅射出靶材原子。对于这两种薄膜沉积方法的研究，可以追溯到19世纪。1852年，Grove在辉光放电实验中，通过溅射阴极观察到了金属沉积。1857年，Faraday在惰性气体中点燃金属线，蒸发金属制备出薄膜。到了19世纪60年代晚期，热蒸发以高沉积速率、高真空度、清洁的环境和广泛适用的各类膜料这些优势，超越了溅射技术成为优选的薄膜沉积技术。而在微电子领域和磁学领域，需要严格化学计量比的合金薄膜，这一需求推动了溅射技术的发展和应用。发展的化学气相沉积技术，用来沉积非金属硬质薄膜、介质薄膜和单晶半导体薄膜。

如今，光学薄膜已经形成了包括理论、设计、计算、测量等在内的完整的体系。光学薄膜从功能上可以分成以下几个大类：减反射膜（增透膜）、增反射膜、分光膜、带通滤光片等。其中，减反射薄膜的应用在光学薄膜应用中是最多的膜系之一。 第一批减反射膜是由约瑟夫·夫琅禾费（J`Frauhofer）于1817年用酸腐蚀法制备而成的。到了1866年，英国物理学家Lord Rayleigh发现，由于玻璃表面上产生了一层薄膜，导致了失去光泽的冕玻璃反射率要比刚刚完成抛光的玻璃更低，而且它的折射率低于基地玻璃的折射率。1891年，在发现失泽玻璃表面的薄膜增加了望远镜物镜透射率之后，Dennis Tayler致力于使用腐蚀的方法让玻璃表面人工失泽，以此来减小折射界面的反射。1937-1947年间，减反射膜系以及干涉单色滤光片的多层膜理论接踵诞生，Abeles提出了薄膜系统的矩阵算法，用光的电磁理论对分层介质作了最普遍的处理。二十世纪五十年代，光学薄膜的相关理论教程一一问世。

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