OptiLayer 光学镀膜软件

OptiLayer：设计，评估，预生产误差分析， 生产过程监控及实现计算制造；

OptiChar：基于分光光度计及椭偏仪检测数 据，分析膜层光学特性；

OptiRE：基于检测数据，对已镀制膜层反演 分析计算。

OptiReOpt 函数库主要用于在薄膜生产制备过程 中，实时分析薄膜特性参数并对其进行重复优化。 它要求沉积装置带有分光光度计和椭偏仪等监测仪器。

OptiLayer 可在有装Ｗindows XP SP3， Windows Vista，Windows 7，Windows 8 及 8.1 的计算机上流畅的运行；

OptiLayer 具有良好的用户界面，易于使用；

程序安装简便，安装过程只需数分钟；

OptiLayer 带有上下文关联的帮助系统以及高 阶用户手册。

安装包含有一系列设计实例，它能够快速的让 用户掌握 OptiLayer 的设计理念。

安装包包含基底及膜层材料目录。

OptiLayer 软件包含两种模式：光谱模式和角度模 式。原则上，软件可以工作在任意角度或者光谱范 围内，并且数据取样点间隔实际可以认为是无限小 的。在这两种模式下，设计目标值和测量数据都能 够按照光谱参数和角域来设定。

光谱参数单位为微米（um），纳米（nm），埃 （A），波数（cm-1），电子伏特（eV），太赫 兹（THz）及吉赫（GHz）。角度参数单位可以是 度或者弧度（rad）。对于 X 射线方面的应用而 言，可以用掠射角代替标准入射角。

OptiLayer 可以设计几乎所有类型的光学薄膜：

• 减反膜：包括窄带、宽带、单（多）通频带或 者全方位减反膜；

• 高反射器；

• 镜面：冷光镜和热反射镜，二向色镜，啁啾 镜，色散镜，超快镜；

• 各型滤光片：

• 分束镜（任意分光比）；

• 偏光器；

• 彩色膜，二向色滤光镜；

• 褶皱膜或者类褶皱膜；

  以及其它给定光谱特性的各种膜系。

OptiLayer 软件将解决特定问题的数据分别存储在 不同目录中以避免混淆。同时，也能够方便的在各 目录间转移数据文件。

OptiLayer 提供了一个目录 （Catalog）用来存放玻璃，薄膜材料以及标准光 源和探测器的光学参数，并且这些参数都带有注 释，以指明数据来源。

OptiLayer 软件各模块都有一套独特的编辑选项， 能够方便快速的输入各种数值和符号。它们包括：

• 线性和非线性网格生成器；

• 列编辑器，生成列数据；

• 复 制，插入和删除选项；

• 页编辑器，生成大的数据阵列；

• 通用数据导入选项，可以容易的从双列数据文 件或者外部 ASCII 文件导入数据；

• 利用 Windows 剪切板**粘贴数据。

  

OptiLayer 软件能够从各种格式的数据文件中提取 数据，这些文件格式常见于知名的光谱仪和椭偏仪中。另外它还能与很多商用薄膜软件和透镜设计程 序交换数据。你可以一键式导入下列程序产生的数据：

• Perkin Elmer,

• JCAMP-DX,

• Woollam,

• Agilent Cary,

• Sopra,

• Horiba,

• Sentech,

• SPEKTRUM,

• Leybold monitoring spreadsheets,

• TFCalc,

• Essential Macleod,

• FilmStar,

• ZEMAX 一系列导入选项使得 OptiLayer 能够兼容所有的 商用及自主开发的软件包。

OptiLayer 的图表选项可以实现如下功能： • 控制所有图元的显示和外观；

• 标记区域，线及数据点；

• 坐标轴的刻度及外观控制；

• 标题，脚注及图例的位置和外观控制；

• 比较不同设计的光谱特性及其它。

  

OptiLayer 的结果以图表形式以及各种包含数据和 文本注释的报表给出。你可以打印和保存所有图表 窗口和报告。图表窗口可以保存为：

• VTC2 文件（它可由 OptiLayer 的图形插件 Plot Engine 打开使用），

• BMP, JPG, WMF, PCX, GIF, TIFF, PNG, EPS, SVG, VML 及 PDF 格式。

图表数据可以保存为 Text, XML, HTML 及 Excel 格式。报告可以保存为 ASCII 文件或者直接导出到Excel。

OptiLayer 能够将结果直接导入到主流透镜设计软 件中，如 ZEMAX, CODE V, FRED, OPTIS SPEOS, OpTaLiX。

OptiLayer 的 Plot Engine 支持 OLE（Object Linking and Embedding）。

OptiLayer 能够评估各种光学薄膜特性：

• S 偏光，P 偏光及非偏光的反射率，透射率，吸收率；

• 反射及透射引起的 S 偏光和 P 偏光相移；

• 反射和透射的相位差；

• 透射及反射光的群延迟（GD）及群延迟色散 （GDD）；

• 用户自定义的特性，例如，S 和 P 偏光反射/ 透射之间的差值；

• 椭偏角 psi（Ψ）和 delta（Δ）；

• 膜内电场分布；

• 导纳图。

所有特性都能够从基底的正面后背面开始评估。

能够采用几乎所有现有的颜色坐标系统，以任意光 源和探测器，任意偏振态的反射或者透射光，来计 算薄膜的颜色坐标及其它颜色特性。这些颜色坐标 系统包括：CIE XYZ 1931, CIE YUV(UCS 1960), CIE LUV, CIE LAB, CIE YU’V ’(UCS 1976), Hunter Lab, 主/互补波长和激发纯度等。

 OptiLayer 提供与各种颜色坐标系统相对应的色彩 图，包括：CIE xyz(1931)，CIE UCS(1976)，CIE C*hs(uv)及 CIE H0LC。你可以在不同色彩图以及 包含颜色坐标数值的电子表格之间切换。可以根据 指定的角度范围，在图表上绘制颜色坐标轨迹。

OptiLayer 能 够 计 算相关 色 温 (CCT)和显色性 (CRI)。最多可以对 14 个样本进行 CRI 评估。可 利用 CIEDE2000 色差公式进行颜色分析。

基于其先进的数学算法，OptiLayer 是唯一能够精 确评估和设计含有群延迟和群延迟色散特性薄膜的 软件。它使得 OptiLayer 成为超快膜系（色散 镜，输出耦合器等）设计的强大工具。这也为 40Gb/s 和 Tb/s 高速传输中的薄膜 WDM 技术提 供了强有力的分析能力。

结合其出色的设计能力和独特的 WDM 分析选 项，OptiLayer 成为了 WDM 新技术开发方面最 优秀的工具。

OptiLayer 能够对顺序堆叠的基底/介质的光谱特 性进行评估，并且可以选择在介质之间增加膜层。 每个基底/介质可以是平行（所有反射光都需要考 虑）或者带楔角的（反射光偏离光路，不需要考虑）。

各种评估模式都有一系列方便实用的选项，你可以：

• 计算任意光谱或者（和）角度范围内薄膜特性 的平均值；

• 找到指定光谱和角度范围内各个特性的最大最 小值；

• 为一系列广泛使用的谱权重函数或者用户自定 义的权重函数计算光谱特性的加权值；

• 从评估图上的任意坐标点拾取准确的数值；

• 以最方便的方式改变图表的外观和数量；

• 打开数个独立的评估窗口用于绘制不同刻度和 范围内的特性图。

OptiLayer 给出了：

• 导纳图，

• 膜内电场图，

• 物理/光学厚度上的消光系数和折射率图，

• 柱状图形式的折射率分布。 

OptiLayer 拥有一系列光学薄膜产前误差分析选 项。可以对下列问题进行评估：

• 膜厚误差，

• 折射率误差，

• 膜层不均匀性，

• 界面粗糙度，

• 与监测装置校准误差相关的系统参数偏差。

OptiLayer 能评价各膜层对参数误差的灵敏度，并 据此分级排序。

如果生产中使用单色或宽频光学监控，OptiLayer 能在投产前对膜厚误差进行评估。

OptiLayer 是唯一能够对给定设计预期产出率做出 评估的薄膜软件。专门有一些范围指标用于产出率 评估。当综合考虑各类生产误差时，这些指标指定 了光谱特性容差。

各种设计方法结合针式优化技术，使 OptiLayer 具备了出众的设计能力。OptiLayer 独特的专利技 术让其他薄膜设计软件难以匹敌。

OptiLayer 的 Design 模式可以考察四类指标，即 常 规 指 标 (Conventional targets) ， 综 合 指 标 (Integral targets), 颜色指标(Color targets)和 EFI（电场强度）指标。常规指标包括所有可能的 光谱特性，例如反射率，透射率，相位特性等，也 包括几乎所有由各种薄膜光谱特性组合而成的用户 自定义指标。综合指标允许指定大量的以薄膜光谱 特性综合值为表征的其它指标要求，例如，给定光 谱区域内的加权平均特征值。Color targets 几乎 可 以 不 受 限 制 的 设 定 膜 颜 色 特 性 要 求 。 EFI targets 允许设计那些对膜内电场强度有额外要求的膜系。

OptiLayer的 Refinement 模式采用了最强大的一 阶，二阶和更高阶的优化例程。OptiLayer 是唯一 一款其分析算法都是基于计算评价函数的梯度和 Hesse 矩阵的软件。这些算法是 OptiLayer 开发 者的专利技术。它们具有卓越的收敛速度和足够的 精度。

即使设计者缺乏经验，自动针式优化算法也能够为 最复杂的设计问题提供解决方案。手动针式优化模 式满足了顶级设计者的需要，允许他们在设计过程 中充分运用自身的设计经验。起始设计的选择对针 式优化设计过程来讲不是最重要的。可以从任意的 初始设计，例如单层膜，开始进行优化。对于初始 设计而言，最重要的一个参数就是总光学厚度。增 加该厚度值就可以得到一系列膜层数增加，评价函数值下降的设计。这样，设计者就可以在膜层数和评价函数值之间找到折中点，选出实用的设计。

OptiLayer 的渐进演化算法能够自动生成一系列设 计，而无需任何初始设计。这些设计具有不同评价 函数值 MF，膜层数 N 和总光学厚度 TOT。设计 者可以根据他们的需要选出 MF，N 和 TOT 最佳 组合的设计。

OptiLayer 除了空前的设计能力外，还给了设计者 许多挑选最实用设计的机会。通过增加专门的设计 算法以及一系列辅助选项，提高了设计的可行性。 随机优化算法能得到多个不同 MF，N和 TOT 组合的设计 。这些好的设计储存在 一个专门的Collection 数据库，你可以轻松的读取它。

薄层去除和设计清理程序（Thin Layer Removal and Design Cleaner ）能够将薄层从设计中移 除，减少膜层数。

另外有个特殊的 Trapping 功能，它通过限制膜层 厚度来提高设计的可行性。如果激活此功能，膜层 厚度就被限制在给定值内，这避免了膜厚增长超出 合理值，同时也避免了薄层数的增加。

非均匀性 / 层间细化（ Inhomogeneity/ Interlayers Refinement）允许在设计时，将与膜 层厚度和粗糙度相关的折射率考虑进来。它为设计 从紫外到近红外，以及深紫外（EUV）和 X 射线 应用方面的高质量光学薄膜提供了新的机会。 非均匀细化算法对解决特殊优化问题，如增益均衡 滤波器或复杂的线阵滤波器，及其有用。

新的面向灵敏度的细化算法（Sentivity-Directed Refinement）使得在设计边缘或者阻塞型滤波器 时，能够合成由 1/4 或者准 1/4 波长膜系组成的 滤波器。

专 用 的 褶 皱 和 约 束 优 化 算 法 （ Rugate and Constrained）在设计具有特殊光谱属性的薄膜方面，例如，带扩展透射区和抑制反射旁瓣的高反射 膜，是非常强大的工具。

约束公式优化算法（ Formula Constrained Optimization）允许按照给定的公式进行设计。 这是为了方便设计者按照传统的基于等效层理论的 设计方法进行设计。

OptiLayer 允许按给定的颜色指标进行设计。你可 以在各种现有颜色坐标系统中拾取目标色，在设计 过程中，考虑了光源和探测器。色彩图（Color diagrams） 则用 来跟 踪当 前 设计 的色 坐标 。 OptiLayer 给出了一个参考白点，你也可以根据需 要创建自定义参考白点。可以规定，由给定角度和 参数计算出的颜色与当前颜色之间的最小相对变 化。为此，提出了锚点色（Anchor Color）这个 概念。

针对 WDM 滤波器设计，OptiLayer 提供了一个 特殊选项。这是一项 OptiLayer 设计者专享的功 能，其它薄膜设计软件则不具备。该选项结合了最 强大的经典设计理念和特有的整体程序优化方法。 在一个简单的交互式对话框内，你可以根据自己的 理论知识按照指标要求创建一个滤波器原型。通过 高效的 OptiLayer 优化例程，你可以得到一个在 高透射区具有优异的透射性能的最终设计。WDM 滤波器选项能够成功的应用于设计传统的窄带滤波 器。

OptiLayer 允许结合基底/介质（两介质间可以包 含膜层）进行膜系设计。在进行这样的设计时， OptiLayer 的所以设计功能都是可用的。

借 由 灵 活 的 环 境 管 理 器 （ Environment Manager），OptiLayer 能够设计同时应用到不 同环境中的薄膜。对每一个环境，可以定义不同的 指标，材料，光源，探测器，入射介质，基底，基 底厚度，以及是否带有内层膜等等。

OptiLayer 的 Taper 功能允许在设计过程中，考 虑厚度的不均匀性。可以指定多达 32 个系数，以 控制沉积仓内的厚度分布。在进行大尺寸表面沉积 时很有用处。

OptiLayer 提 供 了 各 种 算 法 （ refinement ， needle optimization， gradual evolution 等） 的稳定版本。稳定的算法能够帮助用户找到那些稳 定的设计方案。可以指定厚度误差，系统和随机折 射率误差。

OptiLayer 将包含设计过程不同阶段的结果记录在 专门的数据库中。这一特点增加了设计的灵活性， 设计者可以方便的返回到先前的设计步骤，并采用 其它方法优化设计。

OptiLayer 强大的计算能力和不断增加的设计工 具，使其拥有远超其它设计程序的优越性能。 OptiLayer 数秒钟就能完成的工作，在其它设计软 件上实现同样的设计，需要花费数天时间，甚至有 一些设计在其它软件上根本无法实现。

OptiLayer 可以根据各种类型的直接或者间接单色 光监测仪生产相应的监控电子表格。简便的图形界 面和一系列辅助选项能够帮助镀膜工程师选择合适 的监控波长。当某一个波长被选定后，相应的监控 等级，信号极值，波动和终止条件在电子表格内会 实时更新。

为某一膜系生成监控电子表格是一项需要实际经验 的复杂任务。为了最小化监控波长个数，结合单色 光监控方法方面的多年经验，OptiLayer 突破性的引进了一个极具创新性的选项来自动生成监控电子 表单。这个新选项赋予了监控表格如下能力：

• 考虑到沉积过程中监控波长变换次数最少；

• 满足指定输入输出信号波动值；

• 满足给定信号的振幅条件（最大最小值之差）；

• 满足从触发点开始到下一个拐点之间的间距条件；

监控表单自动生成器还带有一个辅助功能，就是检 查生成的表格是否包含错误监控条件。

OptiLayer 建议利用其它功能，比如基于最敏感波 长点监控策略或者最小化厚度误差累计效应的监控 策略，来实现自动生成监控电子表格。

计算制造是在生产前研究设计可行性的强有力的工 具。计算制造实验模拟了在单色光或者宽光谱光学 监控技术条件下的生产运行情况。由于采用了极其 高效的数学算法，这样的实验比实际沉积要快千百 倍。这为开始新的薄膜制备和选择最稳定设计方案 所必须的试验沉积过程开辟了一条新途径。所以计 算制造设置，相应都有灵活方便设置对话框。

OptiLayer 计算制造选项能够评估预期的生产率， 并且揭示了哪些膜层对成功的生产比较关键，需要 严格控制。

在计算制造试验过程中，可以仿真那些由于沉积工 艺造成的典型误差因素。这些因素包括：

• 不稳定的沉积速率，

• 在膜层沉积收尾阶段产生的随机和系统误差 （闸门延迟）

• 膜层在沉积仓内的折射率和理论值的偏差

• 与波长相关的折射率偏差

• 沉积层的不均匀性

• 在线测量的噪声影响

• 监控信号的实时波动，

• 监控设备的校准偏差。

OptiLayer 有一系列选项， 可以在投产前对 1/4 波长及其整数倍光学厚度的 WDM 膜和窄通带薄 膜进行分析。这些计算制造试验模拟了带拐点监控 装置的薄膜生产过程，同时还可以评估和比较各种 WDM 设计的生产率。

OptiChar 模块是为基于分光光度计或者椭偏仪测 量数据的膜层光学特性分析而精心准备的。测量数 据来自于各种光谱仪和椭偏仪（如 Agilent Cary, Perkin Elmer, Woollam 等）以及双列数据文件 和任何能够导入到 OptiChar 的 ASCII 文件。

OptiChar 提供了基于专门数学方法的各种灵活特 性分析选项。其方便友好的用户界面甚至能够让初 学者很容易的进行特性分析，并从中获得详细可靠的信息。

使用 OptiChar 可描述下列薄膜的特性:

• 电介质膜

• 金属膜

• 金属-电介质复合膜

• ITO, TCO 膜

• 各种混合膜

OptiChar 提供了一套模型集，包括吸收和无吸收 膜的模型，与各种常用波长对应的折射率和消光系 数。根据薄膜光学参数的先验知识，可以限定这些 参数的范围。当输入的测量数据有略微改变或者存 在 好 的 薄 膜 参 数 近 似 值 ， 膜 层 优 化 （ Layer Refinement）选项可以帮助进一步优化结果。

OptiChar 是唯一提供独特的折射率和消光系数非 参数化模型的特性分析软件。当光学常数无法由简 单模型给出时，这种非参数化模型就显得非常有 用。它还能够用在金属薄膜，金属电介质复合膜， ITO 膜等的特性分析上。当在宽光谱范围内进行特 性分析，应该应用这种模型。

程序中的体不均匀性（Bulk Inhomogeneity） 和 面不均匀性（Surface Inhomogeneity）这两个 选项用来研究折射率和薄膜厚度的相关性。最简单 的情况就是，找到体不均匀性和表面覆盖物厚度的 相关程度。另外也可以更精确的研究其它光学参数 与厚度之间的相关性。

Porosity 和 Mixture 选项允许在等效介质理论框 架下研究薄膜。Porosity 用来设置膜层堆积密 度，Mixture 帮助找到膜层材料的混合比。

在分析椭偏特性时，可以引入退偏因子。它为使用 从未经过特殊准备的样片获得的测量数据提供了可能。

OptiChar 不仅能分析薄膜特性，还能用来分析基 底。基底特性（Substrate Characterization）选 项为其特性分析提供了与薄膜一样的模型集。

总损耗图表（100%-R-T）帮助判定膜内吸收情况 和评估测量数据的准确性。

在同一张图表内，可以对由特性分析得到的光学常 数和设计目录中的常数进行比较。你也可以将这些 常数保存到膜层材料数据库中，以备后用。

部分偏离图给出了试验数据和模型数据之间的偏 差。它们在椭偏特性分析时特别有用，因为在宽角 度范围内 Delta 量会有明显的不同。

OptiChar 能够灵活操作测量数据集。Modify Measurement 和 Add to loaded 选项能将不同 的 数 据 文 件 合 并 到 一 起 。 Preprocess Measurements Data 选项可以将转换后的数据加 载到内存，例如去除可疑光谱范围内的数据，减少 样点数，设置容差及归一化数据（相对于基底）。

OptiRE 是为利用分光光度计/椭偏仪测量数据进行 光学反演而开发的。由 Agilent Cary, Perkin Elmer, Woollam, Horiba 等公司仪器测量得到的 数据能够方便的导入到 OptiRE。它还能够分析薄 膜制备过程中由单色光检测和宽光谱检测两种方法 得到的在线数据，前者通过 Response Data 项输 入，后者通过 Multi-Scan 项输入。

工程反演是现代化设计-制造链的重要组成部分， 它为沉积过程提供了反馈信息。OptiRE 的主要目 的是为了发现膜层沉积造成的薄膜参数系统和随机 误差，从而提升工艺水平。

Systematic Errors 项能够帮助找到膜厚的系统误 差。这个结果以修正因子（correction factors） 的形式给出，它是相对于每个特定材料的理论厚度 而言的。它对时间监控，石英晶体监控或者间接光 学监控等方法的校准是很方便的。

Indices Correction 主要是用来校正膜层的名义折 射率（理论值）。由于各种原因，多层膜系中的薄 膜折射率与单层膜的折射率不一样，而后者则是设 计时所用的折射率。Indices Correction 能找到实 际折射率与名义值之间的偏差，该值以定常漂移量 （offsets）或者随厚度呈线性和指数漂移的形式 给出。当怀疑折射率色散行为正确性时，就需要给 定膜层折射率模型，而相关的参数则是由工程反演 得到。

Random Errors 选项实现了膜厚随机误差的搜 索。这是一个多参量反求解问题，因此它的解是不 唯一的。OptiRE 的特殊算法使你能获得可靠的结果。

Quasi-Random Errors 项结合了系统误差和随机 误差的特征。这些算法考虑了各个材料膜厚误差之 间的可能相关性。

在某些情况下，考虑膜层不均匀性是绝对必要的。 因为如果忽略了相关影响，会降低反演的精确度。OptiRE可以对其进行研究分析。

OptiRE 高级选项允许同时搜索膜厚误差，膜层折 射率误差和不均匀度。它可以用在最复杂的反演问 题上。

所有分光光度计在校正之后，其测量数据都存在一 定程度的漂移。为了修正与此相关的可能误差，OptiRE 可以启动特殊的自动校准程序。

OptiRE 反演结果以图表及相应的电子表格形式给 出。它们也能以报告形式给出，并且可以保存或者 导出到 Microsoft Excel 软件。这些结果可以是 膜厚误差，修正后的折射率和消光系数，不均匀度，试验数据与模型数据的匹配结果等。

OptiRE 能 够 灵 活 操 作 测 量 数 据 集 。 Modify Measurement，Add to loaded 及 Preprocess Measurements Data 选项能够合并不同数据文 件，转换测量数据，去除不要需的数据，减少样点 数，设置容差及归一化数据。

OptiRE 支持软件自动化（Automation）技术， 这使得它能够被集成到生产控制软件中，实现在线 控制。

可以从任何其它程序调用 OptiRE 并返回处理结 果。唯一的要求就是，所用的开发工具必须支持 COM 自动化，如 Visual Basic, Visual Basic for Applications, Visual C++, C#, Embarcadero C++, Delphi, LabVIEW 等。

OptiLayer 软件包中带有 Visual Basic, Delphi 和 LabView 开发实例，它能够帮助薄膜工程师将 OptiRE 应用到自己的设计-制造链中。

OptiReOpt 主要是用来实时支持安装有在线监控 设备的光学薄膜生产。OptiReOpt 在沉积过程中 控制膜层厚度，也可以用于制造误差的在线补偿。

OptiReOpt 以动态链接库（DLL）的形式提供， 因此它能够被嵌入到支持 DLL 调用的环境中，包括：

Microsoft Visual Studio version 6.0 (C++, Visual Basic)

Microsoft Visual Studio .NET 2003, 2005, 2008, 2010, 2012, 2013 (C++, C#, Visual Basic)

Borland, Embarcadero C++ Builder(任一版本)

Borland Delphi (V5.0 版或更高), Embarcadero Delphi 2007, 2009, 2010, XE, XE2-XE6

LabVIEW V5.xx-8.xx 及更新版本

利用 COM 接口来调用函数，增强了 OptiReOpt 使用的灵活性。此外，COM 接口还增加了参数检 查功能，从而简化了沉积工艺控制软件的开发。

OptiReOpt 能够在安有在线分光光度计和椭偏仪 的沉积装置中，被任何支持 DLL 调用的控制软件 所使用。由于多数控制软件是基于 LabView 开发 的，所以如何在 LabView 环境下方便的使用它这 方面，则受到了特别的重视。

OptiReOpt DLL 函数提供了对 OptiLayer 算法的 访问，基于这点，OptiReOpt 展示了其出色的计 算效率。甚至在计算几十层膜时， 依然可以快速 准确的确定沉积膜层的相关参数，并且在不中断沉 积工艺的情况对参数进行优化。