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ブラッグミラー

ブラッグミラー(Bragg reflector)は、光ファイバーなどの導波路で使用される反射鏡です。これは、屈折率が変化する、または誘電体導波路の特性(高さなど)の周期的な変化によって、ガイドの実効屈折率が周期的に変化する、交互の材料の複数の層から形成される構造です。波長が層の光学的厚さの4倍に近いと、多層膜は高品質の反射器として機能します。

繰り返しの層数を増やすと、ミラーの反射率が増加し、各層の屈折率差が増加すると、反射率と帯域幅の両方が増加します。

このブラッグミラーをシリコン(Silicon)とシリコン酸化膜(SiO2)の多層膜で設計してみます。

設計波長を600nmとします。

シリコン(Silicon)の膜厚は、設計波長の1/4をシリコンの屈折率(n=3.943@600nm)で割った値、つまり600/4/3.943=38.04nm≒38nmとなります。

シリコン酸化膜(SiO2)の膜厚は、設計波長の1/4をシリコンの屈折率(n=1.548@600nm)で割った値、つまり600/4/1.548=96.89nm≒97nmとなります。

このパラメータを光学薄膜シミュレータに設定します。

https://share.streamlit.io/horiems/filmsimulator/app.py

一旦、層数を9層として以下のように入力します。

ブラッグミラーの膜構造の例

反射率スペクトルのシミュレーション結果は、以下のようになります。

ブラッグミラーのシミュレーション例(設計波長600nm)

また、そのときのXYZ色度座標と色は以下のようになります。

XYZ色度座標

また、入射角30度になると以下のように反射スペクトルになることがわかります。

入射角30度でのブラッグミラーのスペクトル
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光学薄膜シミュレータ

光学薄膜の反射スペクトルと干渉色を計算するWebアプリを公開します。使用するには以下のリンクをクリックしてください。

https://share.streamlit.io/horiems/filmsimulator/app.py

物理現象の説明はWikipedia 薄膜干渉の項を参照してください。

薄膜干渉は、薄膜の上下の境界で反射された光波が互いに干渉し、特定の波長の反射光を増強または低減させる自然現象である。

ウィキペディア

特徴

  • 入射角を変えて100層までの多層膜の分光反射率を計算
  • 839種の材料の屈折率データ
  • D65光源下での色度座標およびRGB値を計算
  • 結果はCSV形式でダウンロード可能
  • Webアプリなので端末を問わず利用可能
  • インタラクティブな操作

使い方

  • 左のサイドバーで、入射角(0度が垂直入射),波長範囲[nm],波長間隔[nm]を指定します。
  • 画面右上のFilm stackでフィルムの層数を入力した後、上層から順に各層の材料名と膜厚を入力します。
  • パラメータを設定すると、分光反射率とD65標準光源下での色度座標値(XYZ)を表示します。
  • 必要に応じて、最下段のダウンロードボタンを押して、結果を保存します。

画面

  • 照明条件の設定
入射角度,波長範囲,波長間隔,媒質の屈折率を指定
  • 膜構造の設定
層数と各層の材質名,膜厚[nm],基板の材質名を設定
  • 反射スペクトル
分光反射率の表示(画像の保存および指定領域の拡大可能)
  • 反射色と色度座標の表示
反射色と色度値の計算

更新情報

  • 2022.02.19 グラフ表示をmatplotlibからplotlyに変更
    不具合修正(媒質の屈折率の未反映)