ZEMAX | 如何在 OpticStudio 中定义金属材料

Creseda · 发表于 2023-2-27 19:20:49

本周为大家带来的是
如何在 OpticStudio 中定义金属材料

概述

这篇文章介绍了如何在 OpticStudio 中添加金属材料，并将它们应用在序列模式表面或非序列物体表面上。

介绍

在 OpticStudio 中有两种定义材料的方式：

1、使用材料库 (Materials Catalog)

2、使用镀膜文件 (Coating File)

材料可以在材料库或镀膜文件中进行定义，但对于定义金属材料来说，最简单的方法是用镀膜文件进行定义。光线在金属表面发生的交互作用绝大多数只发生在表面以下几微米的深度内，因此在这样的深度下使用镀膜来模拟一个金属薄层是非常有效的方法。

这篇文章讲述了如何在 OpticStudio 的膜层文件中定义一种新的金属材料，以及如何将这种材料应用到任意相关物体的相关表面。

定义金属膜层

对于像玻璃这样的介质材料，介质的折射率只由实部组成，其虚部为零。然而对于金属来说，其折射率为复数。OpticStudio 使用下式描述金属的复折射率：

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其中，n 为折射率；k 为消光系数 (extinction coefficient)。在 OpticStudio 中，当消光系数 k 为负数时表示吸收材料。举例来说，在 OpticStudio 中铝材料的折射率可由下式近似表示：

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OpticStudio 使用文本文件定义所有的膜层数据。同时，OpticStudio 还提供了膜层数据的示例文件，该文件位于 Zemax 根目录下的 Coatings 文件夹中，在定义新透镜时系统默认使用该膜层文件。您可以定义多个膜层文件并将它们保存在相同的路径下，然而同一时刻只能使用一个膜层文件。所使用的文件名称可在系统选项 (System Explorer) 中的文件 (File) 菜单中选择。当您对COATING.DAT文件进行了修改后，我们强烈建议您将文件另存为一个新的名称，这样在后续OpticStudio版本更新对COATING.DAT文件进行覆盖时不会影响到您的膜层文件。

在膜层文件中，有许多关键词用来定义不同类型的膜层文件，这包括：
MATE （用来定义材料）

TAPR （用来定义渐厚膜层）

COAT （用来定义镀膜）

TABLE （使用数据点表格定义膜层）

IDEAL （用来定义理想膜层）

IDEAL2 （用来定义第二类理想膜层）

所有用于定义材料和渐厚膜层的关键词都位于起始定义行，膜层数据跟随在定义行之后。

如果想创建一种新的材料，则必须先使用 MATE 关键词，MATE 关键词的语法如下所示：

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其中，波长 (wavelength) 总是以微米为单位的，并且当存在多个波长的数据时所有数据行必须以波长的升序进行排列；实部 (real) 为材料在对应波长下的折射率；虚部 (imaginary) 为消光系数。

以下为默认膜层文件 COATING.DAT 中的两个示例：

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在 MATE 数据部分中定义的材料可以在 COAT 数据部分引用。非理想的 COAT 膜层数据部分的语法如下所示：

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当膜层文件第一次被读取时，OpticStudio 将检查每个膜层数据中包含的材料是否已经在材料数据部分中定义。如果所引用的材料没有被定义，则会提示错误。

膜层的厚度可以是介质中相对于主波长的厚度，也可以是以微米为单位的绝对厚度。如果使用相对厚度，则膜层厚度由下式定义：

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其中 λ0 为以微米为单位的主波长值；n0 为膜层在主波长下折射率的实部；T为膜层文件中定义的膜层光学厚度。如果 “is_absolute” 标识为0，则厚度为相对厚度；否则厚度为以微米为单位的绝对厚度。

参数 “loop_index” 是用来复制膜层的速记语法。如需使用该参数，请阅读帮助系统 “Defining replicated groups of coating layers” 中的内容。

如果定义行中没有 “is_absolute”、“loop_index”、“tapername” 这些参数，则 OpticStudio 将默认其为零。

综上，如果想添加一层厚度以波长为单位的膜层，其语法如下所示：

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以下为默认膜层文件中的示例：

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编辑膜层文件

您可以点击数据库选项卡 (Library Tab) > 膜层工具 (Coatings Tools) > 编辑膜层文件 (Edit Coating File) 打开膜层文件：

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点击确定将膜层文件保存一个新的文件名：

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将文件以 “COATING_Edited.DAT” 为名保存在Zemax根目录下的 Coatings 文件夹中。另存为之后系统会提示在修改文件后重新加载镀膜文件以确保数据准确：

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随后，膜层文件将以文本文件的格式在 OpticStudio 的 UI界面中打开：

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首先，使用关键词 MATE 在材料数据部分定义材料，以下为建立新材料的示例：

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使用关键词 COAT 在膜层数据部分定义膜层。需要注意的是，在定义 COAT 膜层数据之前必须先定义 MATE 材料数据。

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当您完成了新材料定义后，点击保存将更改保存在 COATING_Edited.DAT 文件中。在系统选项中的文件菜单中选择新的膜层文件并加载到系统中：

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如果想在序列模式表面上使用该膜层文件，点击透镜编辑器中该表面的表面属性，在膜层标签下的膜层文件下拉菜单中选择相应的膜层：

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如果想在非序列物体上使用这种材料，点击非序列元件编辑器中的物体属性，在膜层/散射 (Coat/Scatter) 选项卡下选择相应的膜层文件。该膜层可以应用在物体的不同表面上。

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非序列模式使用注意

如果想在非序列模式下查看膜层带来的影响，在光线追迹以及其他分析时需要在设置中勾选“使用偏振 (Use Polarization)”选项。如果您需要同时追迹和分析反射及透射光线，则您还需要勾选“NSC 光线分裂 (Split NSC Ray)”选项。

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举例来说，在 NSC 布局图中您需要勾选“使用偏振”和“NSC 光线分裂”两个选项以正确显示反射及透射光线。

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小结

这篇文章介绍了在 OpticStudio 中使用膜层文件定义金属材料和膜层的详细步骤。

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