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LightTools 模拟不同折射率介质间光学界面的反射率和透射率问题

对于指定表面的反射率和透射率(包括偏振),用户涂层通常使用波长与入射角度的关系来定义。在界面任何一边的折射率均不同于涂层定义的折射率,这样一来增加了模拟的复杂性。下面实例描述当界面上的折射率相比于入射(或测量)折射率数据改变时,如何处理涂层。 入射介质的测量折射率已指定(在文件标题第四行)参数“Index”或“Incident Index”。 当光线从折射率不同的介质中入射时,这个参数允许LightTools使用涂层文件数据。
由于界面两边折射率不同,导致光线可以从任意一个方向穿过界面,因此,当应用一个涂层文件到指定表面时,该涂层定义是不充分的。为了处理这种情况,LightTools应用一个基于折射定律的校正方式,将入射角度转换成在指定介质(折射率)下的入射角度。
下面例子显示已经应用到表面的涂层信息。

入射(或测量)介质折射率是1.0(空气)。绿色光线从涂层表面26.2度入射。根据折射定律,该绿色光线通过折射后在介质中16.90度出射。洋红色光线从涂层表面16.90度入射。对于一个透明的单一介质界面,光线在界面上一定是可逆的,因此,两条光线在界面上具有相同的表面透过率93.39%。对于绿色光线,从空气中入射,透射率是通过涂层文件上的26.20度计算得到的(插值)。对于洋红色光线而言,介质(n=1.518)中的16.90度入射角通过折射定律被转换成相等的在空气中26.20度入射角(或涂层文件中的入射折射率是1)。
折射定律校正是为了当涂层性能被测量和计算时,指定的入射材料折射率可以被应用,但如果改变入射材料折射率时,它不能用于模拟所有可能的效果。例如,如果轴上R/T值发生变化时,意味着入射折射率也发生变化,比如当创建一个金属涂层,单一的涂层文件是无法满足的,应该考虑下面替代方法(如:薄膜stack或使用具有菲涅尔损耗的色散材料)。
应用涂层到相应界面下面例子显示光线追迹通过简单的浸没金属涂层表面,并添加额外的方法来提高精度,比如菲涅尔损耗(反射)模式和薄膜选项。
模型显示立方体浸没于一个球体里,两个实体具有不同的折射率。立方体的浸没表面(LeftSurface)镀有金属涂层(金)。 

金涂层使用折射率=1,该折射率是被定义的入射(或测量)的介质

模拟菲涅尔损耗     当球体不追迹光线时,光线是在空气中击中金属涂层。当球体可追迹光线时,光线是在介质中击中金属涂层,折射率=2.5。在这些条件下,反射率可以遵循菲涅尔公式计算,如下图所示:

这个数据是用于立方体材料定义的模拟。用于计算的数据从LightTools实用工具库中的薄膜编辑器中提取。折射率实部和光学密度是通过折射率虚部计算得来的,用于定义材料。表面光学属性在分界面(LeftSurface)上设置为菲涅尔损耗,允许它自动计算反射功率。(SeeNotes About Calculating Optical Density).
材料属性
光学属性(表面)
更换菲涅尔计算为涂层下图显示第二次模拟结果,使用涂层文件而不是菲涅尔损耗设置。将涂层文件应用到界面上(LeftSurface)。 立方体材料未使用反射率计算。

正如你所看到的,当光线从空气中(n=1.0)击中涂层表面时,此次结果和预期的数据结果一致;当n=2.5时,结果不再正确。这是预料中的,因为在涂层文件中折射率定义就是n=1.0,并且对于这个案例也没有切实可行的办法来自动计算当n=2.5时的正确结果。
其他办法来模拟浸没涂层非常准确的方法来模拟真实涂层使用涂层stack定义。

薄膜编辑功能允许你根据涂层stack定义一个涂层;入射折射率在此案例中就变的无关紧要了,因为LightTools可以在光线追迹过程中自动检测入射折射率。

当你应用薄膜属性后,你就可以选择你自己的涂层stack数据或使用默认材料。此次实例中,我们需要使用金材料,而默认的数据中就有这种材料,所以我们可以直接使用。

然后选择金,点击Apply To Zone 按钮来应用该数据。
应用薄膜光学属性到界面(LeftSurface),运行一次模拟,结果如下图所示:

基于这次结果,你可以得到下面结论:
· 简单的方法来模拟一个浸没表面反射率问题就是使用菲涅尔损耗表面属性。
· 薄膜选项允许使用全面的方法来模拟不同介质间的涂层问题。
应用涂层到胶合或光学接触表面当光学界面创建使用胶合或光学接触设置,那么所产生的界面具有两种相同效果,如下图所示:

当模拟这种类型的界面时,在某些情况下使用折射定律进行校正可能还不够,就像穿过一个界面R / T的比值会随着光线是从B面到A面还是从A面到B面而改变。对于这种情况,建议的办法是使用两种涂层文件—每一个涂层对应一个表面—需要在涂层文件中设置适当的入射折射率。入射光线会根据入射方向和材料的不同使用正确的涂层文件。
说明:关于光学密度计算对于给定的虚部折射率值可以通过下面公式计算得到光学密度,其中“k”是折射率虚部:

例如– 金(Au) 550 nm

Material
Index (real)
Index (Imaginary)
Optical Density
Polished Gold
0.348295
2.71774
26967.42




JumpStart 库函数 “OpticalDensityFromK()” 可以用于根据虚部指数计算光学密度。

Excel中一个简单的光学密度计算实例:
Excel中数据:

计算通过Visual Basic for Applications (VBA), 获取列数 “O” (15):

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 更新时间:2014-8-23  【打印此页】  【关闭

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