TFCalc

薄膜设计软件

功能强大

★TFCalc 是一个光学薄膜设计和分析的通用工具，这里有按顺序排列介绍了 TFC 的功能：吸收、 有效镀膜、角度匹配、双锥形的穿透、黑体光源、色彩优化、约束、继续优化目标、派生目标、探测器、散射公式、电场强度、同等折射率、同等堆叠、获得材质、全局优化、组优化、发光体、膜层敏感性、局部优化、多重环境、针优化、光学监控、光学密度、相位移动、psi、发光分布、折射 率的确定、反射、敏感度分析、堆叠公式、综合、穿透率、隧道效应、可变材料。

创新

★TFCalc  软件是膜系设计软件中提供创新方法的领导者。例如，TFCalc 允许活动材料-材料的折射 率随着外部影响而改变。这个功能是其它商业软件没有的功能。

容易使用

★TFCalc  是标准的 windows 和苹果机程序；薄膜设计工程师利用菜单、对话框和窗口来输入并显示结果。

★Software Spectra  努力让 TFCalc 软件尽可能的容易使用，特别是对仅仅偶尔使用软件的工程师来 说这一点更加重要。TFCalc  软件包中包含了大量的设计实例。

价格

★TFCalc  软件每套售价 1.6 万元人民币，包含一年的升级和技术支持服务。量大和教学会有一定的 折扣优惠。

多种平台

TFCalc 可以在以下计算机和操作系统下工作：

★运行 windows 3.1  ，3.11， 95，98，2000，XP 的 PC。

★运行 System 7 或更新版本的苹果电脑。

★TFCalc  所输出的文件格式兼容这两个平台，让你和同时可以共享数据。

TFCalc 3.80 功能概要

TFCalc 是一款具有多种强大功能的软件。这个概要并没有列出它的所有功能。要想了解 TFCalc

的所有功能，可以阅读 TFCalc  用户手册。另外一种学习 TFCalc 软件的方法就是使用它的演示版本。

薄膜

★基层的两侧可以达到 5000 层

★膜层可以手动的添加，也可以使用堆叠公式自动创建，例如（HL）^5 1.2(HL)^5

★膜层可以具有可变的折射率

★膜层可以是两种材料的混合体

★膜层的厚度可以用物理的或波长的四分之一作为厚度输入值

★膜层的厚度可以被束缚

★厚度可以根据角度值做调整

★一个膜层可以被等效膜层的（HLH）或者（LHL）的堆叠所代替

★膜层可以成组的对称保存或者按顺序移动

★折痕的镀膜也可以模拟

★膜层可以由活动性和增益性材料组成

分析

★计算反射、穿透、吸收、光学密度、损耗、相位改变、psi、组延迟（GD）、组延迟散射（GDD）、

TOD 和电场强度

★计算反射或穿透颜色（CIE 和 LAB）

★计算连续膜层的等价折射率（Herpin）

★计算反射、投射、吸收、光学密度、损耗、相位改变和正常生产中的公差（厚度和折射率）的敏 感度

★计算膜层的敏感度

★计算反射，穿透、吸收、密度和用户自定义的损耗平均锥角（也叫做 biconical）

★交互式的分析可以用来决定影响表现的参数的改变

★使用交互式的功能可以创造生动的结果

★生产分析可以让用户决定一个膜层的生产

★Muller 或 Abeles 相位改变的定义都可以选定

★模拟光的监控器的输出

优化

★三个局部方法：可变的公制、梯度和单一的

★全局搜索可以用来找到最佳的镀膜设计

★针优化（带有隧道效应的）用来针对综合的非寻常设计

★厚度和折射率都可以设为变量

★膜层的厚度可以在优化过程中被束缚

★背离和折射率的轮廓可以在优化过程中显示出来

★灵活的评价函数

★同时地优化前后层

★优化组因子

★敏感度也可以被优化

★零厚度的层看可以能在优化过程中自动地移出

★可以输入照明和探测功能，这样对于膜层在特定环境下的优化成为可能

★产品的 R*T 能够被优化

★膜层两侧的表现都可以被优化

★锥角平均值可以被优化

★极端快速量可以被优化（GD、GDD、TOD）

★使用原型方法自动设计带通滤波器

优化目标

★优化目标可以为反射、穿透、吸收、密度、颜色、照明、相位移动、组延迟、组延迟散射、TOD

和任意波长、偏振以及角度的 psi

★目标可以是不连续的（单一波长）、连续的（一段波长）或者锥角平均（对于锥形角）

★这些量的第一、第一和第三派生都可以作为变量

★目标可以手动的、一般情况是自动的或者从文件读取

★一般情况下目标是波长、波数或者对数的形式

★目标值可以是不等的

★最多可以设定 5000 个目标

★针对多种环境的目标

★等波纹的目标

★目标值可以用 dB 的形式输入

结果

★结果可以用数字和图片的方式显示

★所有的表格和图片都可以打印

★结果可以保存到文件中，让其他程序使用

★结果可以灵活的保存

★五个膜系设计的结果可以同时显示在一张图片中

★两个结果，例如反射和投射可以同时在一张图片中涵盖

★屏幕上有一个指针，用户可以利用它在图片上读出数值

★对于随机的结果可以计算出统计值

光学数据

★材料、基质、光源、探测器和辐射文件的数值没有限制

★折射率可以用表格或散射公式的形式输入

★对于基质，内部穿透率可以读出

★使用填写功能（interpolation）可以增加丢失的 N 或 K 数值

★折射率可以从频谱或椭圆偏振光中计算出

★材料和基质数据可以产生吸收和散射

★一个膜层的反射和投射可以保存为一个发光体

★ 每个文件都可以保存注释

★数据可以从文本文件中读取

★可以建立黑体发光体

★数据文件可以保存为苹果电脑和 IBM-PC 的兼容格式

镀膜文件

★包含膜层、目标、注释、可变材料等等的所有信息

★方便的将一个膜层的部分复制到其它文件中

★镀膜文件兼容苹果电脑和 IBM-PC

精确而快速

★所有的计算都是 16 位浮点算法

★在优化过程中，TFCalc 可以计算 50 万层/接近计算机的最好水平

用户界面

★容易使用，标准 Windows  或苹果用户界面

★和 Windows 一样的菜单、对话框、表格

★非常容易编辑和重新计算

TFCalc 3.80  的更新

重要的新功能

★ 交互式的分析

★ 灵活的保存

★ 生产分析

★ 极限快速表现计算

★ 分析参数的交互式设定

★ 等效膜层的散射

★ 敏感度分析：各折射率独立变化

★ 带锥角的敏感度分析

★ 极限快速量的优化

★ 锥角目标优化

★ 带通滤波器的自动设计

★ 材料的混合

★ 结构参数存储在每一个设计中

有很多升级在本文档中没有提及，这里提到的更新只是针对 Windows 版本的；除了以下 bug 被修 正外，苹果电脑版本没有其它改变。

分析

★ 交互式的分析这个功能可以让设计者改变参数，并且立刻看到这个改变对系统表现所造成的影响。以下参数可以改变：膜层厚度(QWOT 或物理的)、组因子、折射率（N or K）、入射角度、入射波长、电场波长、 监测波长、混合比和可变材料因子。每一次使用者改变参数的时候，下面的窗口都会自动刷新：图 形、表格、电场、色彩曲线和监测曲线。对话框显示如下。

在这个例子中，用户可以使用上下的按钮改变入射角，或者输入数字到按钮之间的文本框。在更改

之后，所有的窗口将自动升级。可以同时打开 5 个交互式窗口。如果你选择“Show Recording Controls” 按钮，所有交互式的分析将会灵活的保存。在点击“start”按钮之后，你的每个更改都将保存为一 个图片。参考下面的图片：

★ 灵活的保存

当 TFCalc 创建一系列图片的时候，图片会按顺序存储到一个 GIF 格式的文件中-一个存储图片的流 行的格式。创建这种灵活保存有两种方法：（1）使用交互式分析保存图形、EFI 图形、色彩或监控窗口的内容 （2）分析角度和波长的膜层。

接下来在图形菜单选项中会有一个新的命令：Save Animation to File。GIF 文件可以在浏览器中查看。

★ 生产分析 这个功能能够帮助决定镀膜设计的制造。用户必须指定公差表现的不同目标，然后生产分析使用这些参数进行随机的公差扰动。生产就是这些随机公差分析结果的百分比。生产分析会给出一个图形 结果，可以看出是哪个波长对公差失败贡献最大。图片显示如下，在这个例子中，公差输入了两个连续的目标。

只有所有设计膜层的厚度都是波长的四分之一的整数倍，才有可能用 TFCalc  优化对话框中的 “optimize sensitivity”选项来提高设计的生产。

★ 极限快速表现计算

TFCalc 可以计算一个极限快速表现量 GD(组延迟),GDD(组延迟散射)和 TOD（三阶散射）。随着波 数的相位的改变，仅有一阶、二阶和三阶派生。 单位是 ps（picosecond）、ps^2 和 ps^3。这些量可 以用于反射和穿透、P 和 S 的偏振光以及不同于 P-S 的光。这些量使用数值派生来计算。用户可以 通过选择图形参数和表格参数对话框来显示它们。

★后方项位 现在可以通过反面镀膜来计算和优化相位的移动。这个功能在前后膜层都要控制的时候经常使用。

★ 分析参数的交互式设定

有两种方式来分析膜层的质量：准直光或者锥角光。在以前的 TFCalc 版本中，软件不能够记录膜 层是如何分析的。现在，这些准直光和锥角光的参数都定义在带有三个面板的一个对话框中，第一 个面板是：

第二个面板是针对锥形角的：

进行锥角的计算很少会选择底部的对话框。第三个对话面板是针对相位和颜色计算的。以前这些参

数是针对所有膜层进行设定和应用的。

★相位可以用一个发光体存储 一个发光体的数据可以包含波长函数的相位改变。相位的信息对于设计膜层来控制相位的改变和它 的派生来说非常重要。如果光源的相位的改变不重要，应该将它设定为零。

★ 等效膜层的散射

当一个膜层被一个等效膜层所替代的时候，有时候需要知道这个等效膜层的散射是什么样的。在 “Compute Equivalent Stack”对话框中，散射对于所有的 HLH 和 LHL 算法进行计算。

★四个活动材料 现在使用四个活动材料取代原来的三个。

★最小波长是 0.1  埃

这一点对于 X 光镀膜的设计者来说非常重要。

★ 敏感度分析：各折射率独立变化 在敏感度对话框中，用户可以选择折射率各自独立的变化。此前，材料的折射率已经是变量；同一 层的材料要有相同的折射率。

★ 带锥角的敏感度分析

当计算锥角平均（Compute Cone-Angle Average）的时候，选择“Analysis Parameters  ”对话框，然 后敏感度的计算会使用一个锥角光的计算。注意这样会使分析的时间显著增加。

★敏感度的改变 在敏感度对话框中，最小允许的相对公差为 0.0001%。

优化

★ 锥角目标优化

TFCalc 具有锥角照明的膜层计算的功能已经很多年了。现在设计者仍然使用这一功能来优化锥角光 的镀膜。使用这个优化，设计者必须在窗口中输入锥角的目标，如下所示：

这个窗口可以通过从“Modify”菜单中选择“Targets-Cone Angle”来打开

★极限快速量的优化

在“Targets-Discrete”窗口中的一个新的选项是“Generate ultra-fast targets”。它可以让设计者增加

GD、GDD 和 TOD 的目标

★不同的目标和公差可以在一个文本文件中读取 以前，所有的目标都是在各自得文件中读取。现在一个目标文件具有三个栏：波长（wavelength）、 目标值（target value）和公差（tolerance）。如果没有公差栏，公差将使用 1.0。下面为一个公差文件 的部分实例：

500.0> 45.0

500.0< 55.0

550.0   100.0     0.1

注意波长可以出现多次。在这个例子中的前两个目标的公差默认为 1.0;第三个目标公差为 0.1。

★等效波纹目标

在“Targets-Discrete”窗口中的新的命令选项是“Generate equal-ripple targets”。这个功能在设计等 效的带通滤波器的时候会使用到。

★带通滤波器的自动设计

在膜层前窗口新的“More Options”菜单上，有三个命令可以最多创建 25 个通道的带通滤波器。用 户可以选择通道的数量、带宽、波纹和 H 以及 L 的材料。三个命令可以使用户（1）创建一个原型 带通滤波器 （2）将原型滤波器转换为包含一些变量的中间设计（3）利用等效膜层替代变量材料 将中间设计转换为一个真实的设计。

★用dB的形式输入目标

在离散的目标、连续的目标和锥角目标窗口中，优化目标可以使用 dB 的方式输入。这可以用一个 负数的形式输入。例如，-0.5 将会转换为 89.1251%。

材料

★ 材料的混合

在“Modify”菜单上，有一个新的命令“Mixture Materials”显示如下：

窗口可以让用户输入两种材料，从而得到混合材料，还可以设定各自材料的百分比。这种混合仅仅 是线性的混合。窗口也会给出混合后的材料针对参考波长的折射率。混合材料在至少两个方面是非 常重要的：（1）决定膜层上混合物的影响（2）创造特定性质的材料。使用交互式分析选项，用户 可以改变混合材料的百分比，随时看到混合材料对膜层的影响。

★删除了散射公式的限制

在以前的 TFCalc 中，大多数散射公式的参数都被限制为正数。现在这些限制在遇到散射公式符合 测量数据的时候就被删除掉。如果用户想要限制这些参数，他们可以在“Constraints”对话框中设 定它们。

★首先查找变量和混合材料

当 TFCalc 打开一个新的设计的时候，现在它在规定的材料列表前就在可变材料和混合材料中搜索 材料的名字。当设计者进行其它设计的时候，这个功能比免了使用现有的变量或混合材料的问题。

★变量材料因子

当使用一个变量材料设计原型带通滤波器的时候，有时要求调整带通滤波器的宽度。这一点可以通

过使用一个因子增加让所有的折射率有小于 1 而变为大于 1。TFCalc  的新的交互式分析功能，让用

户可以容易的找到正确的因子；用户仅仅打开一个交互式分析对话框，选择“variable material factor”,

同时调整它到一个符合滤波图形的值即可。

★用户可以由黑到白改变窗口的背景颜色

用户界面

在一些计算机上，灰色背景显得太黑了。尽管白色比较亮，但是可以使窗口中的数字更加清晰。在 “Misc”菜单上选择“Windows Options”选项可以实现这一功能。

★图形复制到剪贴板中具有白色背景 以前，灰色背景复制到剪贴板中，现在通常是白色的。

★检测器彩色打印机

如果图形打印使用的是彩色打印机，TFCalc 将使用固体线而不使用冲撞线。

★打开文件探测

当 TFCalc 要打开一个正在被其他程序使用的文件的时候，会出现一个警告信息。以前 TFCalc 是不 能读取这样的文件的，也不给出警告信息。

★无线按钮自动选择 当用户使用无线按钮改变关联文本的时候，这个按钮将会自动选择。

集合

★结构参数存储在每一个设计中。

每一个设计文件都会存储结构的设定（波长单位、厚度优先权、色彩观察、相位变换等等）。

自动目标实例

下面的五个例子在 TFCalc 光盘的 AUTOTARG 路径下。这些例子举例说明了使用连续的目标去解决镀膜设计问题非常容易。

使用连续目标有两个原因：（1）方便输入优化目标-特别是在一定波段内有多个入射角或存在偏振的情况；（2）用连续波段来控制镀膜的性能，而不是用离散的波长；如果使用离散的目标，会有一种 情况：目标波长之间的膜层表现将会下降。

使用连续目标优化的唯一缺点就是在一定情况下优化速度很慢，但是因为整个波长的波段都被控 制，使用连续优化可以获得一个好的设计结果；使用离散目标，要不断去调整目标，做许多次优化 才能得到一个好的设计。

文件名：4LAYER.TFD

这是一个简单的在玻璃上四层的增透镀膜，连续目标显示在 450nm—650nm 之间。

文件名：CONTEST.TFD

在锗上进行“AR”镀膜是 1987 年 P.W.Baumeister 提出的问题。他建议在 7700nm 到 12300nm 使用

47 个等效的空间。我们可以通过连续目标使用这些目标。

文件名：EDGE.TFD

边缘滤波器在 Laser Focus World  的文章中有定义。它的目标是在 500nm 到 550nm 波段有很低的反 射，在 700nm 到 1000nm 有较高的反射。以单层膜和两个连续目标为开始，隧道和针优化用来实现。

文件名：POLAR_BS.TFD

这个偏振分光器用来设计 525nm 到 565nm 的入射为 56.5 度。使用两个连续目标，Ts=0 和 Tp=100%。 采用一个单层膜作为起始点，隧道和针优化来实现这个设计。

文件名：RAMP.TFD

这个非凡的设计要随着波长范围 400nm 到 500nm 将反射率从 0 到 100%连续的变化。使用一个连续 目标。单层膜层作为起始点，隧道和针优化来实现这个设计。

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