作品编号______光学薄膜模拟设计自由软体之研制昆山科技大学叶.DOC

作品編號：____________ 光學薄膜模擬設計自由軟體之研製 崑山科技大學 葉倍宏老師 光電工程系 助理教授 yehcai@.tw 聯絡電話：06-2050521-2565 吳東穎 光電工程系 st851011@.tw, gamaxet032@.tw, iticilnestio@.tw, r7220277@.tw, t9517538683@.tw 摘要 本作品使用MATLAB自製研發的光學薄膜模擬設計自由軟體，主要項目包括有計算、模擬分析、優化、合成設計，將商用套裝軟體程式碼不公開的方式予以改良為開放方式，初步以光學薄膜特徵矩陣的計算核心為公用函式，透過呼叫或建構函式的步驟逐漸充實完成整套模擬系統的使用者介面功能；換言之，本研發主題便是將以往昂貴並且只能單一使用用途的光學薄膜模擬軟體，透過自由開放與有志發展自需功能的合作整合，達成未來研發資源共享的服務與應用，進而奠定深厚的專業知能，強化團隊合作能力，落實多元化學習技能等三項的科專院校專題製作訓練與要求目標。 一、前言 由於程式語言技術的進步與教學學習上的需要，電腦模擬便成為很重要的課程。對光電工程系而言，光學模擬軟體實習就是對應這種目的所設定的課程，但是在實際實施教學時發現諸多不便利的問題。因為這些市售商用套裝的光學模擬軟體，售價都非常昂貴，教育單位根本無法負擔電腦教室一人一機一套的配置，變通的做法通常是只購買一套，充當教學示範或研究使用，實習的練習都是下載試用版來替代使用。試用版有若干功能被限制，無礙於實習的實施，但只能勉強達成教學與學習的目標。 此外，市售商用的模擬軟體，皆著眼於分析與設計的應用端，對於基本原理與延伸應用的學習，只有消極的輔助學習效果。因此，透過目前廣為使用的MATLAB數值分析軟體，配合使用者介面的安排，嘗試將光學薄膜的基本原理轉化為運算的函式單元，初步可以達成奠定深厚的專業知能的教育目標。接續前述初階運算函式的建立，進階尋找、結合相關的研究、應用主題，比照處理成使用者介面的函式功能，使能強化落實團隊合作能力與多元化學習技能的跨領域訓練與要求目標。 更重要的，此套使用MATLAB自製研發的光學薄膜模擬分析與設計軟體，將設定為自由開放軟體，意即公開所有函式程式碼，並且計畫邀請有志一同的教學、研究團隊加入共同開發的行列，以跨校團隊合作的方式[1]，期使改善市售商用套裝軟體缺乏彈性與適性發展的缺點，讓自製研發的光學薄膜模擬軟體，不僅在教學學習的教育端，或研究發展的應用端，乃至於可能成為更適用於教育與研究的商用端，皆有實質的貢獻。 為了能夠更加符合教育單位在實際操作方面的狀況，未來將規劃使用免費使用的Microsoft Visual系列軟體取代MATLAB[2] [3]的可能性，例如Visual Basic[4]、Visual C++[5]或Visual C#[6]，畢竟功能強大的MATLAB軟體同樣售價不便宜。 二、商用套裝軟體探討 2.1 ThinFilmViewDemo 此套光學薄膜模擬分析與設計軟體[7]，有繁體中文版，Demo代表試用版，其主系統設計安排畫面如圖一所示。 圖一、ThinFilmViewDemo版本的主系統畫面 主要功能項目有 ：波長曲線圖 ：入射角曲線圖 ：波長、入射角複合圖表 ：波長曲線圖 ：蒸鍍控制曲線圖 ：電場強度曲線圖 ：顏色計算圖 ：製造誤差解析圖 ：設計最適化 ：由單層膜測定值做分散的解析 系統功能表項目有 檔案：如圖二所示 圖二、檔案的項目 編輯：如圖三所示 圖三、編輯的項目 表示：如圖四所示 圖四、表示的項目 工具：如圖五所示 圖五、工具的項目 表示說明：如圖六所示 圖六、表示說明的項目 ThinFilmView的各項模擬功能，屬最適化設計最為特殊，其模式有標準與手動兩種，如圖七所示。 圖七、表示說明的項目 舉手動模式為例，選取畫面如圖八所示，直接以滑鼠點取曲線拖曳優化、畫面如圖九所示。 圖八、手動模式的選取 圖九、手動模式的直接拖曳優化 ThinFilmView雖然有繁體中文版的使用者介面，但是售價昂貴，選為課程實習軟體並不合適。 2.2 TFCalc 此套光學薄膜模擬分析與設計軟體[8]，沒有繁體中文版，其主系統設計安排畫面如圖十所示。 圖十、TFCalc的主系統畫面 相關膜層設定與波長光譜圖，分別如圖十一、圖十二所示。 圖十一、TFCalc的膜層設定畫面 圖十二、TFCalc的波長光譜圖畫面 其特點有 (1) 功能強大TFCalc 是一個光學薄膜設計和分析的通用工具，這裏有按順序排列介紹了TFC 的功能：吸收、有效鍍膜、角度匹配、雙錐形的穿透、黑體光源、色彩優化、約束、繼續優化目標、派生目標、探測器、散射公式、電場強度、同等折射率、同等堆疊、獲得材質、全局優化、組優化、發光體、膜