薄膜設計與優化的案例
基于計算機輔助的光學薄膜優化設計方法
基于計算機輔助的光學薄膜優化設計方法
金揚利，馬勉軍，陳壽，王濟洲，蘭州物理研究所
摘要：概述了光學薄膜優化設計的發展和原理，介紹了當前光學薄膜優化設計中集中常用方法，預測了優化設計方法的趨勢。
關鍵詞：光學薄膜，優化設計，計算機輔助
論文簡介
1.引言：光學薄膜作為一門學科，已經走上百年的路程。如今，光學薄膜在光學、激光、航天等領域都得到了廣泛的應用。隨著新的精密光學儀器的不斷涌現，對鍍膜光學元件的光譜性能要求也越來越高，常規解析法設計的光學薄膜膜系結構已不能完全滿足使用要求。
計算機技術的飛速發展為數值方法應用于光學薄膜設計提供了便利，如今，基于計算機輔助的光學 薄膜優化設計已經成為一種廣泛應用的膜系設計方法。
2.光學薄膜優化設計的發展
3.光學薄膜優化設計的原理和評價函數
3.1光學薄膜優化設計的原理
3.2評價函數
4 幾種常用的光學薄膜優化設計方法
4.1 單純形法
4.2 模擬退火法
4.3 針形法
4.4 遺傳算法
4.5優化方法的改進
5 總結和發展趨勢
基于計算機輔助的光學薄膜優化設計方法.pdf
展開 RP 系列激光分析設計軟件 | 薄膜偏振器
圖2:基于兩個45°棱鏡之間薄膜涂層的偏振立方體。
由于多層膜中的干涉效應與波長有關，薄膜偏振器只能在有限的波長范圍和角度范圍內工作。不過，通過對薄膜設計的適當優化，可以在幾十甚至幾百納米的范圍內工作。然而，這種寬帶偏振器不能實現窄帶偏振器(激光線偏振器)的非常高的性能，窄帶偏振器針對窄波長范圍進行了優化。圖3顯示了中等工作帶寬為50nm的示例。
圖3：基于 TiO2/SiO2的薄膜偏振片立方體的反射率，使用 RP Coating 軟件進行設計，工作波段為600–650nm。
對于薄膜偏振器的涂層優化，類似的數值技術可以用于設計寬帶分束器或二向色鏡，例如。
薄膜偏振器的一個優點是它們可以制造出相當大的尺寸，這對于晶體(雙折射)偏振器來說更加困難。因此，可以在非常高的峰值功率電平下使用激光脈沖來操作這種高功率或高能設備。
展開 優化設計分析系列（一）:靜力學優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
展開 CODE 薄膜分析設計軟件
CODE是一款薄膜分析設計軟件，適用于 Windows 7/8/10 操作系統。它基于SCOUT 薄膜分析軟件 — 包含 SCOUT 的所有功能。此外，CODE 還具有其它一些重要的光學薄膜設計附加功能。
達到一定的反射率或透射率值，或在波長范圍內達到一定的形狀。在很多情況下，優化的目標是獲得一定的技術性能數據。例如，光學濾鏡得到某個需要的顏色。或者一種太陽能吸收涂有助于吸收盡可能多的陽光。CODE根據當前光學模型計算顏色值或平均吸收值，并嘗試通過參數擬合使與目標值的差異最小化。
CODE 被大量用于建筑和汽車玻璃優化。CODE 可用于材料研究，例如，研究光學常量與鍍膜機械沉積設置的依賴關系。以這種方式獲得的知識，在設計階段就能確定最佳的涂層方案。最后，CODE 可以用來實時比較當前的涂層性能，并對沉積條件的變化提出建議，以找到理想產品并保持。這類生產控制的全自動化解決方案是使用 BREIN軟件。
CODE 功能
CODE 可計算包括：
? 顏色坐標(X,Y,Z, X,Y,Z, L,a,b, L*，a*，b*)
? 基于厚度波動的顏色變化，如“color cloud”包括目標色盒的可視化
? 顏色變化最小化
? 基于入射角變化的顏色變化，匹配所需的自動涂層優化
? 主波長和純度
? 在屏幕上顯示顏色
? 透光率和反射率
? 太陽光直接透過率和反射率
? 發射率
? 建筑玻璃的U和g值
? 薄層電阻
? 太陽光在活躍層生成的電流密度
? 頻譜積(模擬頻譜和自定義數據集乘積的積分)
? 虛擬高層建筑
所有的數量都隨模型變化即時更新，也與鼠標滑塊調整參數變化相結合。這是一個非常強大的功能，可以深入了解層厚度等參數對產品性能的影響。
展開 
VirtualLab Unity光學薄膜設計流程演示
courseId=4480541
PC端：請點擊視頻連接觀看
二、 圖文操作演示
摘要
VirtualLab Unity中的光學薄膜設計套裝專注于光學薄膜的分析與設計。該套裝可用于分析各種薄膜的光學性能，并根據設計要求提供最優解決方案。
在本案例中，將通過設計一個典型的長波通濾光片，演示 VirtualLab Unity 中的光學薄膜設計流程，包括光學性能評估、優化、誤差分析與靈敏度分析。
初始結構與指標
設計一個長波通濾光膜，初始結構為典型的對稱周期長波通濾光片。設計目標是在0°入射角下實現400–600?nm波段內平均透射率低于1%，在670–1100?nm波段內平均透射率高于99%。
創建項目
1、在開始選項卡中，用戶可以創建一個光學薄膜設計項目。
2、為新項目命名并確認后，將創建一個新的光學薄膜設計項目。
3、創建的新項目只有一層，用戶可以在此窗口中定義所需的膜系結構。
配置項目
1、在工具選項卡中，用戶可以通過公式工具來配置項目。
2、選擇TiO2作為高折射率，SiO2為低折射率材料。
3、在下方輸入框中輸入公式: (0.5H L 0.5H)10 。
4、點擊“創建新的”按鈕。
5、通過公式工具配置的膜系。
光譜圖分析
1、在分析選項卡中，用戶可以使用光譜圖分析功能。點擊 打開設置窗口。
2、將橫坐標最小值和最大值分別設置為400 nm和1100 nm。
3、點擊“繪圖”按鈕繪制光譜圖。
4、當前的截止帶位置和寬度均不符合設計要求，接下來將通過調整動態參數及合并項目來優化設計。
動態參數
1、動態參數面板位于圖表下方。
展開 結構優化設計分析系列（三）：APDL在Workbench中的優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
展開 Techwiz LCD 1D：光學薄膜設計與分析
偏光片是用二向色染料染色聚乙烯醇基薄膜，然后拉伸制成的。然后，TAC(三乙酰纖維素)附著在偏光片的頂部作為保護膜。PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)作為TAC薄膜的替代品，雖然性價比高，但它存在嚴重的光學問題，如色差和高遲滯性。為了解決這些問題，我們使用Techwiz LCD 1D提供基于相差的顏色分析。
VirtualLab Unity光學薄膜設計流程演示
鑒于篇幅，全文內容，請點此下載： VirtualLab Unity光學薄膜設計流程演示.pdf
Techwiz LCD 1D：光學薄膜設計與分析
OLED比LCD具有更快的響應時間和更高的對比度，因此OLED被廣泛的應用與手機、筆記本和TV。此外，OLED沒有背光因為它是自發光的。但是，來自外部光源和陽光反射的顏色是很嚴重的問題。為了解決這個問題，我們提供光學分析功能，用于分析外部光源的反射率
和顏色輪廓圖。
結構優化設計分析系列（二）：熱固耦合優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
ANSYS Workbench 結構優化分析工具有5種，即 Direct Optimization(直接優化工具)、Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具)、Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具)、Response Surface(響應曲面優化分析工具)及Six Sigma Analysis(六西格瑪優化分析工具)。
(1)Direct Optimization(直接優化工具):設置優化目標，利用默認參數進行優化分析，從中得到期望的組合方案。
(2)Goal Driven Optimization(多目標驅動優化分析工具):從給定的一組樣本中得到最佳的設計點。
(3)Parameters Correlation(參數相關性優化分析工具):可以得出某一輸入參數對響應曲面的影響的大小。
展開 Techwiz LCD 1D：光學薄膜設計與分析
OLED比LCD具有更快的響應時間和更高的對比度，因此OLED被廣泛的應用與手機、筆記本和TV。此外，OLED沒有背光因為它是自發光的。但是，來自外部光源和陽光反射的顏色是很嚴重的問題。為了解決這個問題，我們提供光學分析功能，用于分析外部光源的反射率
和顏色輪廓圖。
薄膜型聲學超表面設計與可調節性研究
而低頻噪聲由于具有波長大、穿透性強、傳播距離遠等特點，根據質量作用定律，傳統的隔聲材料需要通過不斷增加材料的重量、體積來提升低頻隔聲效果，一方面顯著增加了隔聲成本，另一方面也占用了大量有效空間，因此，如何在不顯著增加材料重量和體積的前提下提升低頻隔聲效果(即打破質量作用定律的限制)是隔聲領域中研究難點
研究內容：
結合薄膜型聲學超材料與聲學超表面在低頻降噪領域的優越性，設計一種薄膜型聲學超表面，研究超寬帶低頻隔聲的可能性。致力于實現低頻寬帶隔聲降噪并實現隔聲帶的可調節性。
圖1. 薄膜型聲學超表面的結構示意圖
技術路線：
在COMSOL軟件中對薄膜型聲學超表面的隔聲特性進行仿真分析。首先建立有限元仿真幾何模型，然后設置變量和定義材料屬性，建立圓柱形空氣域，對入射口出射口積分，計算入射、出射聲功率。設置薄膜的預應力，模型框架設置邊界固定條件，并劃分自由四面體網格。在采用壓力聲學頻域和固體力學兩個物理場接口。
建立薄膜聲學超表面的幾何模型并完成網格的劃分：
圖2.幾何模型的構建
圖3.網格的劃分
圖4.薄膜聲學超表面的預應力對隔聲損失的影響
圖5.論文中的預應力對隔聲損失的影響
基于以上分析，可改變參數對其參數化掃描，即可得到薄膜型聲學超表面的結構化參數的影響。
最后,有相關需求歡迎通過公眾號"320科技工作室"與我們聯絡
展開 結構優化設計分析系列（四）：模態分析優化設計 ￥9
1.1 優化設計概述
所謂優化，是指最大化或最小化，而優化設計是指尋找一種方案以滿足所有的設計要求，并且需要的支出最少。
優化設計有兩種分析方法:解析法--通過求解微分與極值，求解出最小值;數值法--借助計算機和有限元，通過反復迭代逼近，求解出最小值。解析法需要列方程并求解微分方程，然而針對復雜的問題列方程和求解微分方程都是比較困難的，因此解析法常用于理論研究，很少應用于工程中。
隨著計算機的發展，結構優化算法取得了較大的發展。根據設計變量的類型不同，結構優化已由較低層次的尺寸優化發展到較高層次的結構形狀優化，進而發展到更高層次的拓撲優化。優化算法也由簡單的準則法發展到數學規劃法，進而發展到遺傳算法等。
在保證產品達到某些性能目標并滿足一定的約束條件的前提下，通過改變某些允許改變的設計變量，使產品的指標或性能達到最期望的目標，就是優化方法。
1.2 優化分析工具
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