（电气工程专业论文）透过率均变密度片及控制装置研究.pdf

沈阳工业大学硕十学位论文 摘要 本文从项目的由来开始逐步阐述了透过率渐变滤光片在各种光学仪器的重大作用以 及研究和开发此种产品对提升我国在光学镀膜领域技术水平的深远意义 再而探讨其理 论实现方法并从实践中做了初步的尝试 本文的重点在于讲述产品的实现过程 透过率渐变滤光片是采用真空镀膜工艺制造出来的 所以制造之前必需先进行光学 薄膜设计 首先必需利用光学薄膜的理论知识 推导出光密度的计算公式 然后根据这 些公式编写出相应的计算程序 根据程序计算得出膜厚的变化规律一非线性连续单增 变化 完成薄膜设计工作 为实现膜料按规律变化而设计了一个往复运动的机构 机构 中唯一运动部件 挡板的速度是连续变化而且变化非常大 为驱动这个机构 我f f 参 考了多种电机 最后采用了步进电机 步进电机需要专门的电路来驱动 在此 我f 门选 用了l 2 9 7 l 2 9 8 的芯片组合 而控制部分则采用了8 0 5 1 单片机 为驱动步进电机 我 们把挡板的运动进行了离散化处理 为防止步进电机失步我们还对边界进行了过渡处 理 进而编写出带按键控制和显示输出的控制程序 由于镀膜设备和镀膜工艺的原因 膜料的分布并不能按假设的均匀分布 因此按理论推算规律来控制挡板的运动得出的产 品透过率线性不好 需要对挡板的速度进行调整以改善产品的线性 步进电机的速度调 整采用的是线性迭代的方法 不过为减少计算量我们只对斜率差别较大的区域进行迭 代 然后利用e x c e t l 的多项式拟和的方法取得新的延时参数 关键词 透过率渐变滤光片 光学薄膜 步进电机 单片机 线性迭代 沈阳t 业人学硕十学位论文 r e s e a r c ho f v a r i a b l et r a n s p a r e n c ef h t e r sa n dc o n t r o le q u i p m e n t a b s t r a c t s t a r t i n gf r o mt h ep r o j e c to r i g i n t h i st h e s i se l a b o r a t c sg r a d u a l l yt h es i g n i f i c a n t c d o no f v a r i a b l et r a n s p a r e n e ef i l t e r si nm a n yo p t i c a li n s t r u m e n t s a n dt h ep r o f o u n ds i g n i f i c a n c eo f s t u d y i n ga n dd e v e l o p i n gt l l e s ep r o d u c t st op r o m o t co n rc o u n t r y st e c h n i c a ll e v e li nt h eo p t i c s c o a t i n gd o m a i n w er e s e a r c ht h er e a l i z a t i o nm e t h o di nt h e o r ya n da t t e m p tt or e a l i z et h e s e p r o d u c t si np r a c t i c e 8 0t h ek e yp o i n to ft h i sa r t i c l el i e si nn a r r a t i n gt h er e a l i z a t i o np r o c e s so f v a r i a b l et r a n s p a r e n c ef i l t e r s v a r i a b l et r a n s p a r e n c ef i l t e r sa r em a d ei nv a c u u mc o a t i n gc r a f t t h e r e f o r ed e s i g no f o p t i c s t h i nf i l mm u s tb ec a r d e do l lb e f o r em a n u f a c t u r ep r o d u c t s t h eo p t i c sf i l mt h e o r yi st h eb a s eo f v a d l u mt h i nf i l mc o a t i n gt h a tt h ef o r m u l a so fl i g h td e n s i t yi n f e r r e df r o m a c c o r d i n gt ot h e s e f o r m u l a sac o m p u t a t i o n a lp r o 蹲韧mi sp r o g r a m m e d a n dt h ed i s t r i b u t i n go f t h i nf i l mo nt h eb a s e i so b t a i n e d t h et h i nf i l mi n c r e a s e sc o n t i n u o u s l yb u tn o n l i n e a r i t yo nt h eb a s e s oam e c h a n i c a l s e tm u s tb ed e s i g nt om a k et h ef i l mm a t e r i a ld i s t r i b u t ea c c o r d i n gt ot h er o l e t h eo n l y m o v e m e n tp a r t b a m ep l a t ei nt h i sm e c h a n i c a ls e tr u n ss l o w l ya n dq u i c k l ya 1 1a l o n g t h a ta d r i v e rm o t o rw h o s ev e l o c i t yc a nb em o d u l a t e di nb i gr a n g ei sn e e d e d w eh a v er e f e r r e dt o m a n yk i n d so f e l e c t r i c a lm o t o r b u t as t e p m o t o ri su s e di nt h em e c h a n i c a ls e tf i n a l l y as p e c i a lo r c u i ti sn e e d e dt od r i v et h es t e p m o t o r t h e r ea r es om a n yw a y st ob u i l ds u c h c i r c u i tb u ti tm a yb ee a s i e ru s i n gs p e c i a lc h i p so fs t e p m o t o ri ns u c hc i r c u i t l 2 9 7i i l c o m b i n a t i o n 谢t 1 1l 2 9 8i san i c cs o l u t i o n m c s 一8 0 5 1s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ri sa d o p t e dt o 西v eo u tc o n t r o lp u l s et ol 2 9 7 l 2 9 8 sd r i v e rc i r c u i t t w oe x t e r i o ri n t e r r u p t sf o r m e df r o mt w o b u t t o n si sd e s i g n e dt oc o n v e n i e n tf o ru s e rc o n t r 0 1 a n de i g h t7 s e g m e n t sl e d sa l eu s e dt o d i s p l a ys o m e u s e f u l d a t a w h e n m c s 一8 0 5 1i s r u n n i n g as t e p m o t o rc a nb u tr e c e i v ed i g i t a ls i g n a l a n dt 1 1 ev e l o c i t yo fb a f i l ep l a t ec h a n g e s c o n t i n u a l l y s ob a f n ep l a t e sv e l o c i t ym u s tb ed o n ead i g i t a lc o n v e r s i o n a n df u r t h e r m o r e t o a v o i dl o s i n gs t e p sat r a n s i t i o nt r e a t m e n th a sb e e nd o n ew h e nt h es t e p m o t o rt u n sa tt l l e m a x i m u mv d o c i t y a l lt h e s em u s tb ed o n eb e f o r ec o m p o s i n gt h ec o n t r o lp r o g r a m t h ee i g h t7 s e g m e n t sl e d sa n dt o wk e y sa l s on e e db e e ni n v o l v e di nt h ec o n t r o lp r o g r a m ni sw e l lk n o w nt h a taf i l mc o a t i n gm a c h i n ec a l l tp l a t eu n i f o r m l yi ns t r i c t l ys p e a k i n g a n d i ti sd i f f e r e n tb e t w e e ne a c hf i l mc o a t i n p 甄s t i ti si nc o n f l i c tw i t ht h et h e o r yb a s eo f t h i st h e s i r 岫i f b 衄d i s t r i b n t i o no ff i l mm a t c h a 1 f o rt h a t t r a n s p a r e n tl i n e a r i t yi st o ob a dt om e e tt h e d e s i r e o n ew a vt oj i n p r o v et h el i n e a r i t yi sa d j u s t i n gt h es p e e do f b a f f i ep l a t e a d j u s t i n gt h es p e e do fs t e p m o t o r l i n ei t e r a t i o ni su s e d b u ti t e r a t i o nw i l lb ed o n eo n l y w h e nt h es l o p eo f t r a n s p a r e n td e p a r t u r et o om u c h t h em i c r o s o f te x c e l l2 0 0 3i se 伍c a c i o u st o d ot h i sc a l c u l a t i o n m u l t i n o m i a lf i t t i n gc 锄g i v eo u tan e e d s m o o t hd e l a yt i m e sc n r v e b yt h i s w a y u a n s p a r e n tl i n e a r i t yi si m p r o v e do b s e r v a b l y k e yw o r d s v a r i a b l et r a n s p a r e n c ef i l t e r s o p t i c a lt h i nf i l m s t e p m o t o r s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e r l i n e a ri t e r a t i o n 独创性说明 本人郑重声明 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方 外 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果 也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意 签名 3 鲢日期 翌堕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公 布论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论 文 保密的论文在解密后应遵循此规定 签名 盎殛导师签名 望趁壑 日期 川 f 7 沈阳工业大学硕士学位论文 1 课题背景及目标 1 1 光学仪器及其用途 分析化学是表征与测量的科学 也是研究分析方法的科学 它可以向人们提供物 质的结构信息和物质的化学组成 含量等信息 分析化学包括化学分析和仪器分析两 大部分 所谓仪器分析是指借助仪器进行的化学分析 通常在食品 卫生 化学 环 境等领域用于分析物质的化学特性和含量等 仪器分析的方法有多种 而光学分析 o p t i c a la n a l y s i s 是仪器分析的一个重要分支 应用光学原理达到观察 分析及测量目的的器具或装置 统称为光学仪器 光学 仪器按其应用目的可分为四类 光学成像仪器 光谱分析仪器 光学计量仪器和光学 测试仪器 光学仪器的特点 1 1 大多数光学仪器设计难度大 设计周期长 2 1 品种多 批量少 精确度要求高 加工调试复杂 价格昂贵 3 1 由于新技术 新材料 新工艺的应用 使一些产品更新速度加快 4 仪器的应用领域广 但要求操作人员有一定的专业知识 才能正确操作和合 理使用 5 怕振动冲击 怕潮湿和温度突变 怕尘埃和腐蚀性气体 要求在规定条件下 使用 6 光谱仪器和光学计量仪器都含有某种测量基准 用于测量相应的量值 7 光学仪器必须严格按产品标准检验合格 并经质量认证机关核定后才可投入 使用 为保证仪器准确度 使用过程中应进行定期标定 光学分析是通过测量物质的光学特性来确定其化学成分 含量或结构 它是建立 在物质与电磁辐射互相作用的基础上 具体包括 辐射的发射 辐射的吸收 辐射的 散射 辐射的折射 辐射的衍射和辐射的转动 根据这些物质与电磁辐射互相作用的 相关规律光学分析有这样几种 原子发射光谱法 原子吸收光谱法 紫外一可见吸收 光谱法 红外吸收光谱法 核磁共振波谱法和荧光光谱法 原子发射光谱或原子吸收 光谱法常用于定量金属的测定 紫外 可见光谱法和荧光光谱法可用于金属 非金属 和有机物质的测定 红外吸收光谱 拉曼光谱 核磁共振波谱和穆斯堡尔谱法可测定 纯化合物的性质和结构 旋光和圆二向色法为研究分子的立体结构和电子结构提供了 l 沈阳1 业大学硕十学位论文 重要的信息 总之 光学分析法在定性 定量和化学结构的研究方面起着及其重要的 作用 在目前应用最广泛的就是辐射的吸收 这类仪器的典型代表就是紫外一可见分光 光度计和各类牛化仪器 它们在医疗领域和环境领域应用的最为广泛 1 2 分光光度计的组成 分光光度计由于使用范围不同和测量方法不同其组成结构也大大不同 结 构简单其用途也就窄 结构复杂其功能也就要全 分光光度计紫外 可见光谱区的分 光光度计包括紫外 可见分光光度计与原子吸收分光光度计 本文只关注紫外 可见分 光光度计 紫外 可见分光光度计是利用朗勃 比尔定律来检测物质的浓度 为了从某 种物质的吸收光谱获得其浓度 可以用一个连续谱的光束通过充满该物质的吸收池 透过光束经透镜会聚到光谱仪 单色器 的入口狭缝 并由光电检测器检测 实验表 明 当一束强度为i o 的光穿过充满介质的吸收池后 其强度会因为分子吸收而衰减 光衰减的程度满足朗勃一比尔定律 爿 l g 争 枷c 式中 爿 吸光度 卜出射光光强 厶 入射光光强 e 痒尔吸光系数 单位为向o l c m 1 p 分子摩尔浓度 6 吸收池长度 单位为c n l 理论上a 与缆线性关系 但事实上由于比尔定律本身的局限性 溶液的化学因素 杂散光 入射光的非单色性以及噪声和温度等原因 测试结果通常要偏离比尔定律 紫外 可见分光光度计可分为单波长和双波长两种 而单波长又有单光束和双光 束之分 单波长单光束分光光度计是分别两次测量光路上安置与不安置被测物时的光 度 每次改变波长都需要取下被测物用于调百线 透过率1 0 0 现代自动分析的分 光光度计多采用双光束方式 即用两束光分别通过样品池与参照池 然后用探测器进 行比较测量 单波长单光束分光光度计的组成结构如图1 1 2 沈阳1 业大学硕士学位论文 豳 怜 巨 巨眶 衰减片吸收池 图1 1 分光光度计组成框图 f i g1 1c o n s t r u c t i o no f s p e c t r o p h o t o m e t e r 1 2 1 光源和照明系统 在上面的光学测试系统中 光源的作用非常重要 光源的光谱范围决定了系统的 测量范围 另外光源光谱能量的分布也会影响光探测器的响应 在1 9 0 3 6 0 h m 的紫 外区 常用光源为氢弧灯 简称氢灯 氘弧灯 简称氘灯 氘灯的光谱分布与氢灯 类似 但光强比氢灯强3 5 倍 在3 6 0 2 5 0 0 n t o 波长去常用钨丝灯 简称钨灯 和碘 钨灯等 由于卤钨灯的光谱范围为紫外到近红外 所以卤钨灯被应用到许多光学系统 中 4 卤钨灯的光谱能量分布如图1 2 所示 6 34 倒 馒 篱 罂2 02 6 1 1 1l o1 4 0 1 11 8 0 02 2 0 02 6 0 0 渡长 m 图1 2 卤素灯在不同温度下的光谱能量分布 f i g1 2e n e r g yd i s t r i b u t i n ga td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 1 2 2 单色器 各类分光光度计的核心部分 仪器的主要光学特性和工作特性基本上由单色器决 定 光栅单色器分三种 沈目1 1 业大学硕十学位论文 平面光栅单色器 单色器是将复杂光谱或连续光谱的光束分离成不同波长的单色 光的仪器 单色器应能保证入射光以最小的损失经过色散后射出 单色器的光路结构 很多 现在广泛使用的是切尔尼 特纳 c t 光栅单色器 凹面光栅单色器 这是采用凹面光栅为色散元件的单色器 由凹面光栅聚焦条件 的一般解得出的装置类型 该系统的入射狭缝和出射狭缝位置不动 仪绕光栅中心转 动光栅就能进行光谱扫描 在短波时能以狭缝弯曲来补偿部分像差 现在已专门设计 出用于这种装置的肖像散全息光栅 克服了像散大及长波段子午像差大的缺点 双单色器 双单色器是把两个单色器组成整体使用 第一个单色器的出射狭缝即 为第二台单色器入射狭缝 若两光栅的转动方向相同 则称色散相加型双联单色器 其总理论分辨率是单台单色器分辨率的2 倍 若两光栅转动方向相反 则称色散相减 型双联单色器 其总理论分辨率等于一台单色器的分辨率 但可获得更 纯 的单色 光和更强抑制杂散光能力 单色器的主要性能 1 工作波长范围 表明单色器输出的 能满足工作要求的单色光所能覆盖的波 长范围 2 分辨率 指仪器可分辨相邻谱峰 吸收或反射 的最小波长间隔 单色器输 出的光束单色性即与色散有关 也与出射狭缝宽度有关 在实际工作中可用 光谱宽度 大致为线色散率倒数与狭缝宽度的乘积 表征光谱纯度 3 波长准确度 指仪器指示的波长值与此时输出的实际波长值之间的符合程 度 可用两者之差来衡量 4 波长重复性 指进行多次测量时在同一个吸收带或发射带峰值波长测定结果 的一致程度 通常取测量数据中的最大值与最小值之差作为重复性误差 5 杂散光 是指出射光束中所需光谱范围以外其它波长的光辐射量 杂散光强 度与波长四次方成反比 来源有两个 一是仪器本身的漫射光 二是光源照 明系统调节不当引起的杂散光 正确地调整仪器可减小杂散光 还可采用适 当的滤光片 但最好的方法是用双单色器 1 2 3 光探测器 光探测器是将光子信号转变成为电子信号的关键器件 有两种工作机理 一种是 4 沈阿11 业大学硕士学位论文 利用材料的光电特性将光信号直接转变为电信号实现光探测 另一种是通过吸收光能 转变热能 然后通过热电 热释电或光化学反应等方式转换成电信号实现光探测 光 探测器的工作波段有紫外 可见和红外光波段 光探测器材料大多是元素周期表主族 第 族化合物半导体材料 锗 硅元素半导体材料以及热释电材料等 按工作方式和 探测机理分类 光探测器可分为光子探测器 光电导探测器 光热探测器 光成像探 测器四类 光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器 在常见的光子探测器有光电二极管 雪崩光电二极管 光电三极管 光电管 光电倍 增管等 光子探测器的特性参量 1 响应率 用以表征探测器将入射光信号转换为电信号的能力 2 量子效率 定义为一个入射光子照在器件上并产生一个对探测电流有贡献的 光电载流子对的概率 探测器的效率越高越好 3 噪声等效功率 在实际的光电探测系统中 即使在探测器不加任何辐射信号 时 探测器仍有一定的输出 这是因为探测器本身存在着噪声 这种噪声的 存在 限制了探测器对微弱光信号的探测能力 使探测器能探测到的最小入 射光功率才受到限制 探测器输出的信号功率与噪声功率之比为1 时 入射 到探测器上的信号功率称为噪声等效功率 n e p 或最小可探测功率 4 光谱响应 指不同波长的光辐射照射到探测器光敏面时 探测器的响应率等 特征参量随光辐射波长而变化的特性 5 截止波长 指响应率下降到峰值的5 0 处所对应的波长 有时也采用响应率 降到1 0 处的波长作为截止波长 6 响应时间 响应速度是描述探测器对入射辐射响应快慢的一个特性参量 探 测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间叫做探测器的 响应时间 在各种感光器件中 光电倍增管 p h o t o m u l t i p l i e r p m t 是性能最好的一种 其 灵敏度 噪声系数以及动态范围都遥遥领先于其它感光器件 更难能可贵的是 它的 输出信号在相当大范围内保持着高度的线性输出 使输出信号几乎不用作任何修改就 可以获得准确的色彩还原 光电倍增管的光谱响应范围宽 从紫外 可见直到进红外 5 沈刚丁 业大学硕十学位论文 均可覆盖 同时 光电倍增管的温度系数极低 可以忽略不计 因此它几乎不受环境 温度的影响 所以在分光光度计中通常应该选用低噪声 高灵敏与时间响应快的光电 倍增管 菩 v 世 摇 嘣 熟 巢 囊 雹 图i 3 光电倍增管的光谱响应特性曲线 f i g1 3r e s p o n dc u r v eo f p h o t o m u l t i c i l i e r s 1 2 4 衰减片 衰减片有金属和玻璃的两种 金属材质的衰减片一般是通过在金属片上加工各式 各样的通孑l 通过改变通孔所占面积的多少来调节衰减片透光量的大小 受制造成本 和机加水平的限制 金属衰减片的衰减量无法做到很大 小而密的孔难以加工 5 1 所以本文不予讨论 玻璃材质的衰减片是通过在光学玻璃表面镀制金属薄膜的方法 使通过它的光被部分吸收和部分反射达到衰减的目的 由于金属材料的折射率和吸收 系数都很大 所以只需在玻璃表面镀制一层较薄的薄膜就能得到很大的衰减量 玻璃材质的衰减片按衰减量的变化情况可分为四类有 连续渐变密度滤光片 阶 梯密度滤光片 固定密度滤光片和径向渐变密度滤光片 衰减片的形状一般有圆形和 条形两种 图1 4 为常见的几种衰减片 沈阳工业大学硕士学位论文 a 圆形阶梯b 圆形渐变c 径向增加d 径向减小 e 条形阶梯 g 圆形 占i 定 f 条形渐变 h 方形同定 图1 4 常见的几种衰减片 f i g1 4f a m i l i a r n e u t r a ld e n s i t yf i l t e r s 在图1 1 所示的最简分光光度计中 光探测器给出的是一个电信号 这个电信号 需要经过解调 检波嘲 放大和显示才能方便地被我们所观察和研究 光探测器输出 的电信号是探测器对光信号的一个响应 它对波长非常敏感 任何一种光探测器都有 其光谱响应范围 在其光谱响应范围内 探测器能够给出适当信号输出 在光谱响应 范围的两端 探测器的输出要比其最大响应波长处的输出要小数倍甚至数十倍 为使 光学仪器使用范围尽可能宽 在设计放大器的时候可以从响应小的地方着手 而在响 应大的波段可以使用衰减器对光进行适当的衰减以避免放大器过饱和 另外 在双光 束分光光度计中 当被测量物的吸收较大时就会造成测量光束能量小而参考光束能量 7 沈r 江业人学硕士学位论文 大 那么被测物的吸收稍有变化时输出信号的变化非常小 不能准确反映被测物的变 化 针对这种情况 我们可以在参考光路中使用一个衰减器使参考光束减小 那么 被测物发生微小变化时 输出信号的相对变化会大许多 有利于考察被测物的变化情 况 1 3 课题目标 从上面的阐述中可以看出 在光学仪器中 衰减器由两大作用 当光信号太强 时减小光通量以避免探测器或放大器饱和 在双光路系统中 调节参考光束的大小以 提高测量精度 在很多光学仪器中通常使用连续渐变的中性密度滤光片 简称 变密 度滤光片 作衰减器 其优点是变密度滤光片的调节范围广 线性良好 中性良好 另外 玻璃材质的衰减器在尺寸方面有很大优势 玻璃材质的衰减器可以直接生产 出小尺寸的产品 而且还可以通过切割的方法将大片划成所需的尺寸 玻璃材质的衰减器由于是通过在光学玻璃表面镀制金属薄膜的方法得到 由于金 属膜层的吸收特性 在强激光下膜层容易吸光过热损伤薄膜 而密度片的吸收与光的 入射方向有关 光从空气侧 金属薄膜侧 入射时的吸收比从玻璃侧入射时的吸收要 小得多 所以在使用时要正确安置 变密度滤光片通过吸收和反射来达到对光的衰减 图1 5 为条形变密度滤光片实 际样式和滤光片光密度与位置线性曲线 它的光学特性是光密度基本不随波长变化 而且光密度值随位置线性变化 即 0 d k x 1 2 其中0 d 为密度值 x 为位置 k 为斜率 光密度o d 的定义为 o d 一l o g t 1 1 3 根据1 1 和1 2 式可以得出透过率与位置的关系 t 1 0 却 1 4 图1 5 为一最大密度值为0 d 3 的变密度滤光片的密度值和透过率对应曲线图 式 1 2 和式 1 4 是变密度滤光片调节机构设计的基本依据 在日常牛活和 生产中我们最常见的各种仪表表盘以及各种调节机构的标尺都是等间距的 这些等间 距的标尺和表盘在使用的时候非常方便 可以非常容易地读出当前指示值 在指示的 沈阳t 业大学硕士学位论文 基础上还可以进行更精确的估算 但是在有些地方也可以看到非均匀刻画的表盘和标 尺 例如 指针式万用表的电阻档和指针式真空计 非均匀的表盘读数很大程度依靠 人的经验和估算能力 因而非均匀的表盘在读数的时候误差较大 变密度片在使用的时候 如果我们用到的是它的密度值 o d 那么用于调节密 度值的调解机构非常容易制作 我们只需设计一个线性的调节机构 然后标尺按o d 进行等间隔刻划即可 在很多时候我们还需要使用到变密度片的透过率值 例如在光 路中需要将光能衰减5 0 那么就需要把变密度片的透过率调节到t 5 0 的位置 要把变密度片的透过率调到所需要的值有三种方法 第一 可以使用刚才提到的 0 d 标尺的线性调节机构 我们想得到某一t 值就必需将机构调节到t 所对应的0 d 位 置 按式 1 3 换算 很显然 对数换算不是很直接 需要使用对数表或者使用计 算器 这个计算很麻烦 第二 我们还是使用线性的调节机构 只不过标尺是按t 进行对数刻划 刻划自然是非均匀的 采用这种方法的结果是在读数时会有较大的误 差 第三 我们可以设计一个特殊的调节机构使得标尺可以按t 进行等间距刻划 很 显然这样的一个调节机构在设计和制造方面都很困难 很不合算 从上面的三种方法来看 变密度滤光片如果要使用透过率在使用过程中有很不方 便 而且很不精确 另外 根据图1 6 变密度片在刚开始的一段区域内其透过率随 位置的变化率非常快 而后面的那一段变化率又非常小 这种情况对我们的精确使用 极为不利 所以我们很希望能让滤光片的透过率 t 随位置线性变化 条形变密度片光密度与位置的线 眭关系 图1 5 条形变密度片及其光密度线性特性 9 沈日j 工业大学硕士学位论文 图1 6l 司一变密度片的o d t 曲线 f i g1 6o p t i c a l d e n s i t ya n dt r a n s p a r e n c ec u r v eo fal v n d f 我们把这种透过率随位置线性变化的滤光片称为变透过滤光片 变透过滤光片的 透过率随位置的线性关系应该像图1 7 所示 通过对比我们可以看出 虽然这两种滤 光片在外观上看起来很相像 但是它们的内部却存在巨大差别 按照图1 6 我们可 以写出变透过滤光片的透过率与位置的关系式 t 1 一k x 1 5 变密度滤光片和变透过滤光片的制造是通过在玻璃表面镀制一层金属膜来实现 的 在这个镀金属膜的玻璃基片上既存在有吸收又有反射 我们需要调节玻璃基片表 面的金属膜厚度分布来使得反射和吸收合理搭配以实现透过率随位置线性变化 图 1 7 为变透过滤光片膜层的示意图 图1 7 只是示意和夸大地表示了膜厚随位置的变化情况 其实这个膜厚规律是未 知的 也是要本课题需要解决的目标之一 求解出膜厚分布规律只是完成了课题的一 部分 求解分布规律的最终目的是想办法实现之 本课题的另一目的就是设计一个解 决方案做出变透过滤光片 0 沈阳丁业人学硕士学位论文 条形变密度 变透过率光片透过率随位置的变化关系 图1 7 变密度片和变透过片透过率对比 f i g1 7t r a n s p a r e n c ec u r v e so fl v n d t l v t f 图1 8 变透过率光片膜层示意图 f i g1 8d i a g r a m m a t i cs k e t c ho fl v t ff il m 沈阳丁业大学硕十学何论文 2 薄膜分布规律的推算 目前可供选择的金属膜料有很多种 然而就其光学 机械和化学性质全面考虑我 们能过使用的材料却并不多 铬膜在可见光区的分光特性几乎呈中性 玻璃上的铬膜 哪怕是极薄的半透明膜也非常牢固 故铬膜常用作中性衰减膜 在目标 度盘和光栅 中也常用镀铬的方法来获得线条 即所谓的真空着色法 铬在可见区的反射率为5 0 8 0 对半透明铬膜来说 一般可见光区短波侧的 透射率较低 在7 0 0 n m 的透射率比4 0 0 n m 高大约1 0 铬膜的吸收较大 对r t 1 的铬膜 吸收率达4 0 真空度在1 1 0 2 也 1 0 4 p a 范围内变化时 铬膜的光学常数不会有多大的差异 淀积速率由9 5 a s 增加到3 0 0 a s 时 吸收几乎保持不变 基板温度增加 由于铬对 残余气体的吸附减少 抑制了氧化铬的形成 因而反射率提高 淀积在3 0 0 基板上 的铬膜 其反射率比室温淀积率高2 0 对铬膜进行为期5 6 个月的时效处理 发 现它的光学常数极其稳定 8 我选用的材料是n i c r f e 与f e c r a i 的混合料 由于n i 较软 单用n i c r f e 膜 层有时会因为硬度不够而不牢固 所以在其中掺入适当的f e c r a i 会增加膜层的硬 度 提高牢固度 2 1 薄膜光学的基本定律和概念 前面我们已经讲过变透过滤光片是通过在玻璃表面镀制一层金属膜来实现的 那 么在这个膜层和玻璃的组合体上存在着反射 透射和吸收三种现象 要找出膜厚分布 规律就必先计算出透过率与厚度的关系 这里涉及到光学薄膜理论和光学薄膜特性分 析 所以我们先了解一下薄膜光学的一些知识 光波同无线电波一样 也是一种电磁 波 并且是一种电磁扰动的传播 按照麦克斯韦电磁理论 可以这样来理解变化的电 磁场在空间传播 设在空间某一区域中的电场发生变化 在它邻近的区域就会产牛变 化的磁场 接着在更远的区域产牛变化的磁场 如此继续下去 变化的电场和变化的 磁场不断地相瓦转化 并由近及远地传播下去 这种变化的电磁场在空间以一定的速 度传播的过程叫做电磁波 这个理论还说明 光波也包括在电磁波之中 从而把光现 象和电磁现象联系起来 研究薄膜系统的光学特性 从理论观点来说 就是研究平面电磁波通过分层介质 1 2 沈陬j 工业大学硕士学位论文 的传播 因此 处理薄膜问题的最有效的方法是解麦克斯韦方程 对于各向同性的介 质 这些方程是 l p 击24 p 辫p m p 存 o 肛扛丢睁露 锨分式l 或 协蕊 釉o 去务赢 其中 d 电位移矢量 v d 4 f f p v 雪 0 v 雷 一 塑 微分形式 c 蕊 v 豆 冬c 7 无 c p 空间自由电荷密度 豆 磁感应强度矢量豆 电场强度矢量 豆 磁场强度矢量 7 位移电流密度矢量 v 微分算符 j 传输电流密度矢量 c 五 专詈 v 呈i 昙罗 昙 o x 砂 应 电磁场是运动电荷所激发的 此外 还需要考虑到介质对电磁场的影响 在麦克斯 韦的理论中 无须考虑物质的微观结构 而是应用表征介质特性的量 即介电常数占 导磁率 和导电率仃来描述介质对电磁场的影响 因此在场方程组中 还须加上联系电 磁场基本矢量间关系的物质方程 即 d 占e b h j 盯e 不导电均匀介质的折射率定义 电磁波在真空中的速度c 与在介质中的速度v 之比 即 露 吾 再 2 1 其中s 为介电常数 为磁导率 在光频条件下 一般物质的 都与1 相近 z 1 沈阳i 业人学硕十学位论文 因此 阼 吖e 2 2 导电均匀介质 金属 的复折射率 光学导纳 由于电导率盯 0 所以导电介 质的折射率为复数 我们仍就定义 2 歹c 由于n 为复数 则令n 1 1 j k n 为折 射率 k 为吸收系数 n 和k 均大于等于0 此时 2 一k 2 e u e 2 3 2 n k 4 p s 2 4 t o 其中t o 为光的圆频率 电磁波从一种介质进入另一种介质时在两介质的交界面时边界条件 i x e l 一琶 0 p 哆一d 1 j 0 2 5 i i 慢一旦j 0 z 霞一只 o 其中i i 为界面上法线方向的单位矢量 折射定律 光从一种介质入射到另一种介质时 n os i n 0 1s i n o r 2 6 介质n 和n 可以是不导电介质 也可以是到电介质 但是暂用复折射率表示 n 栉一弦 不导电介质时k 等于0 导电介质时k 不等于0 菲涅尔公式 垂直情况下的菲涅尔振幅反射系数 n o n i 2 7 n o n l 垂直情况下的菲涅尔振幅透射系数 f 妥 2 8 n o n 倾斜入射时的p 偏振光修正光学导纳 1 4 沈阳1 业大学硕士学位论文 饰2 磊孬 n 偏振光修正光学导纳 q s n c o s 8 n n 1 给 2 9 2 1 0 图2 1 单一界面的反射与透射 f i g2 1r e f l e c t t r a n s m i s s i o no f as i g n a li n t e r f a c e 倾斜入射时菲涅尔反射系数公式 垫二堑 nocoso r n cosor sin or 8i 2 1 1 q o s m sn oc o s e l n lc o s o rs i n 9 t e 1 丛业一no cosot ni cosor tg or 0 2 1 2 q o p 吼pn o c o s o l n i c o s 0 tt g e t j r e l 倾斜入射时菲涅尔透射系数公式 2 7 0 2 q o s 哺 2j i石2iniio cojs丽01 瑞sin 2 1 3 q b s sn o s 8 l nl c o s 8 t婶r 8 f 1 a n 日c o s o o v tw o v i 面万万丙而 砑 倾斜入射时的能量反射率 岛 盯 r r s 1 5 2 1 4 2 1 5 帕i 瞄b 忑桊 一 j一 研一岛 二 鲤协 n n 虬一 轧 沈阿1t 业大学硕士学位论文 驯叫2 r p 糍矧 倾斜入射时的能量透射率 五2 丽i v ic o s o t n 2 端 耳2 糌h 卜丽硒s i n 2 0 翮7 s i n 2 0 r 总体 r t 1 r s r p 1 t t s t p 2 r r s rp j2 疋 l i 2 1 6 2 1 7 2 1 8 2 1 9 2 2 0 2 2 1 2 2 2 2 2 3 2 2 单层膜的相干 2 2 i 单层膜的双光束干涉 干涉现象是波动过程的基本特征之一 但是 只有频率相同 振动方向相同 相 位相同或相位差保持恒定的两个相干光源所发出的波才是相干波 5 1 如果使一光源 上同一点发出的光 沿着两条不同的路径传播 然后再使它们相遇 这时 每一个波 列都分成两个频率相同 振动方向相同 相位差恒定的波列 这两个波列在相遇区域 中就能产生干涉现象 图2 2 为单层膜的双光束干涉示意图 图中折射率为n 2 的光 学基片上有一层厚度均匀的薄膜 膜的折射率为n l 几何厚度为d l 入射介质的折 射率为n o 光以入射角0o 进入介质 l 那么在薄膜上下两界面将产生反射和折射 反射光l 和反射光2 的光程差为 a a b c a d 2 n l d l c o s q 2 2 4 我们把 2 称为薄膜的光学厚度 而把 万 华n l d l c o s 只 2 2 5 l 称为薄膜的位相厚度 薄膜的位相厚度用于表征薄膜厚薄 它包含了几何厚度 折射 1 6 沈阳丁业大学硕士学位论文 率 光波波长及入射角这几个基本参量 它是薄膜计算的基础 a 入 e n 2 b 图2 2 单层膜的双光束干涉 f i g2 2d o u b l eb e a mi n t e r f e r e n c e 2 2 单层膜的多光束干涉 弋 夕夕夕夕 n 1 毋 v 小 d 1 n 2 心 f 图2 3 单层膜的多光束干涉 f i g2 3m u l t i p l eb e a mi n t e r f e r e n c e 当光束照射到平行平面薄膜上时 光束在薄膜两表面上要多次反射 因而产生一 组反射光束和一组透射光束 当薄膜表面的反射系数不高时 我们只考虑头两束光的 作用 忽略反射两次以上的光束 把多光束干涉作为双光束t 涉来处理 但是当薄膜 表面反射率较高时 这样处理是不严格的 必须考虑一组反射光s i s 2 s 3 之 间或透射光s l s 2 s 3 之间的多光束干涉 在大多情况下 薄膜干涉是多束光的干涉 如图2 3 那么在这两个界面上存在 下面的几个透射与反射 根据2 7 和2 8 式可以计算其反射系数和透射系数 当一束 自然光垂直入射在薄膜上时 所有方向的偏振光相对于薄膜来说都是一样的 因而具 有相同的反射率和透射率 也即反射光合透射光依然是自然光 但当倾斜入射时 在 一般情况下 反射光和透射光都是部分偏振光 为了处理问题方便起见 我们把自然 光分解为电矢量垂直入射面的分量 称为s 分量 及电矢量平行入射面的分量 称 为p 分量 下面的公式是s 偏振光和p 偏振光的公用公式 具体计算时把相应的修正光学导 纳 2 9 和 2 1 0 式 代入即可 在界面l 有 1 7 沈m i 业大学硕士学位论文 从n 到n 的反射 反射系数 矿 叠二丑 哺 从n 到n 的透射 透射系数 f 望o c p 偏振 c c o s 一 o s 偏振 萨1 仇 c o s u i 从n 到n 的反射 反射系数 一 堕二堑 仇 从m 到n 的透射 透射系数 f q p 偏振 q c o s o 竺r s 偏振 a 1 lc o s v o 在界面2 上 从i l 到n 的反射 反射系数 才 堕二坠 r i 2 从n 到n 的透射 透射系数 f 二址c p 偏振 c 竺粤 s 偏振 c 1 编 r 2c o s 2 从n 到n 的反射 反射系数 丝二丑 r i 从n 到n 的透射 透射系数 j 譬q p 偏振 q 堕争 s 偏振 c 1 协 仇c o s 对比上面几个系数可以得出 r 一 一 2 2 6 寸 彳 1 2 而4 r o 订r 1 2 2 7 彳 一巧 2 2 8 l 瞳r2 器 2 z 9 谢入射光檬幅为e 刚各次反射 的振幅为 e l 彳民 易 t r t l e j 2 d te o 沈阳t 业大学硕士学位论文 e 3 t j k r t ie 1 l e o e t 哇 哇t i 哇t ie j 6 d e o 反射光的合成振幅为 b 喜巨 业磐辨 器昂 s 振幅反射系数为 e 岛r 1 r t r 尹e m 丁 2 3 1 其中6 为膜层的位相厚度 t i p 五 车n d q l 能量反射率r 为 r 州 而r l 2 譬r 2 2 石 2 r l 丽 r z c o s 2 a 5 2 3 2 同样 可以得到透射光的合成振幅透射系数 f 墨 骘 2 3 3 岛l 彳咖一 2 4 能量透射率t 为 酬2 删n 2c o s 吼0 2 揣 而l 1 2 c o 0 2 2 3 4 上面我们所求的振幅反射系数和振幅透射系数实际是一个向量 它们包含有实际 的振幅模值和复角 所以反射光和透射光可以表示为下面的两个式子 我们的目的是 求取反射光和透射光的相位移 芦 讳 鬲r l 磊r e 万 j 2 d 2 3 5 仍为反射光相位移 表示反射光波相位落后入射光波的大小 酬e 咖 黯 2 3 6 1 9 沈阳t 业大学硕士学位论文 识为透射光相位移 表示透射光波相位落后入射光波的大小 可以求出 一嘲而转蒜赫 2 3 7 一心留 篇纠 c z s s 2 3 倾斜入射时单层金属膜的反射与透射 变透过滤光片的结构见图2 4 即玻璃基片上镀制一层金属膜 金属膜的复折射 率为 1 l l 一豇 此时折射定律 s i n o o ls i n 0 仍然成立 只是因为m 是