作者:Mark Nicholson
译者:Michael Cheng
摘要:在Zemax OpticStudio中计算考虑偏振并通过薄膜的光线追迹时,OpticStudio回报的反射、穿透以及相位资料是以 “ray” 以及 “field” 係数表示的。这些是什么?他们有什么不同?以及我应该使用哪一个?
什么是Field以及Ray係数
常常使用者在这个主题上会有一些混乱,因为薄膜理论以及相关的设计软体程式,通常以不同的观点来处理这个问题,而这个观点与光线追迹的程式有很大的不同。在薄膜光学中,我们通常处理光的场 (field),一般来说即是所谓的平面波。然而,光线的处理方式在本质上有很大不同,光线是局部的、无限小的且带有能量的一点,拥有位置以及传播方向等资讯。光线所看到的世界与薄膜的世界是不同的。
举例来说,让我们探讨一下 “光线与表面交会于一点” 这个概念。在一个没有镀膜的光学面上,定义一条光线可以非常简单:
但是,现在让我们思考另一个状况:四分之一波长厚度的膜层 (我们另外设定一个0.25倍波长厚的物件,位于前述物件表面之上)。如果我们放大来检视这个四分之一波长物件的话,我们会看到:
现在,在这个图中,我们有了几个疑问:
(1) 入射的光线交会于这个表面的 “哪裡”?
(2) 光线在 “哪裡” 分裂的?
(3) “哪一条” 光线是入射光? “哪一条” 是反射光?又 “哪一条” 是穿透光?
上面图表描绘了用 “场 (field)” 来处理薄膜光学的概念。某个角度的一道入射平面波会在下面两个介面中反覆交错无数次:空气到膜层介面以及膜层到基板介面。在每一次的交错中,就相应产生一道穿透以及一道反射光场,最后这些光场会在同调的假设下相加。经过一番如魔术般建设性以及破坏性干涉后,最后的结果可以用巨观的反射以及穿透係数来表示。入射光的电场并非用单一个点来描述,相对的,我们会假设该电场比多重光束干涉发生的区域更大许多。
在Zemax OpticStudio中,我们使用field係数来表示这个结果,这些係数已经被薄膜膜层的程式验证过许多次。薄膜理论的惯例是计算平面法向量方向上的相位变化,这表示其假设了一个虚拟的平面波从薄膜最外层一路传播到基板。这个惯例暗示了相位变化在正向入射上为最大,并且随着入射角变大、相对应余弦值变小而相位变化也渐渐变小。但光线追迹上,我们是使用不同的方法来描述的。
光线追迹的处理方式是如同上面第一张图表的。过程中只有叁条光线:入射、穿透以及反射。你可以随意的放大检视,永远只有叁条线。膜层本身不用光线追迹来处理,而用不同的函数来操作。
对于光线追迹,光学相位的超前或延迟都是沿着光线观察的。Zemax OpticStudio直接追迹光线到基板的位置,忽略中间的膜层及其厚度。膜层被假设镀在基板表面之前。正确计算光线的相位需要把电场逆向传播到薄膜起始的位置,并且修正薄膜的相位计算方式为沿着光线方向,而不是表面法向量方向。Zemax OpticStudio把这些称之为 “ray” 係数。因为光路径长是沿着光线方向计算的,并且光线长度在薄膜中会随着角度增加,因此光线的相位会以 1/cos(theta) 的变化方式近似,这样才是增加膜层相位的光路径长时,正确表示方式。
请注意Zemax OpticStudio在偏振追迹中,会同时回报 “ray” 以及 “field” 两种係数,因而使用者可以同时查看两者。当使用者需要增加膜层相位到光路径长时,就使用ray係数。而当使用者要与薄膜程式交叉比对时,则field係数可以让这个步骤变得较为方便。请注意不论使用哪一个计算方式,S与P偏振的相位差都是一样的
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