一.
薄膜设计中数理概念的引入
mBw2 `^O'V}T 光学薄膜设计的重大变革：Philip Baumeister于1958年提出将设计问题转换为优化问题来考虑。
rDpe_varA UqD5
A~w 而优化问题则由一系列设计
参数（通常为层厚度）构成的评价函数来表达，使评价函数最小化则为膜系设计的目标。
3cmbK 
re7!p(W?, V[#6yMU @ 二.针式算法的引入及其数理思想：
Vil@?Y" YH6snC$u 对于一膜系设计，已完成优化后，则层数和厚度已固定。若仍没有达到预计设计目标（即评价函数并不是足够小），此时一般优化方法难以再进一步进行优化(此时再优化还是会返回原优化状态)。针式优化则通过在膜系中插入一薄层（针式层）来改变层数，从而达到进一步优化的目的。
@ ) V^j3y`K 莫斯科大学的亚历山大教授于1982年发明了针式优化技术，这一核心技术使得
Optilayer运算速度比同时期的任何一款设计软件都要快数百倍。
b0y-H/d/} t@X M /=d 下图中图1为一优化后的三层膜的折射率剖面图，其用一般优化已无法再进一步进行优化。故而通过插入一针式层来优化，如图2所示：
Zn?8\ 
#uQrJh1o8 图1. z方向为厚度，n(z)为折射率。
.?A'6 
Xfj )gPt} 图2. 在薄膜中某一厚度位置插入一折射率为n的狭长薄膜层。
x2Ha& 
]a8 e Dy 上图中最左侧为基底折射率，最右侧为入射媒介，两阴影区为针式变量(needle varition)。
Y3D3.T6Q fW(; 物理上引入针式层后，数学上必然会引起评价函数值的变化。通过利用评价函数对新层厚度求偏导，考察当针式变量发生于多层膜内z点处且新层折射率为
时(见图2)，评价函数(merit function)的变化为：
,xYg 
x<8\- 4\v~ HFsv 其中，函数
被称为微扰函数(perturbation function)
cvxIp#FbW Xe)Pg)J1 由上式可看出由于新层厚度
为正且方程右边第二项为
的高阶微小量，故而在上式中评价函数的变化极大程度上取决于微扰函数的正负。即微扰函数为负时，评价函数减小。
QDP-E[ JAN|aCzD 通过数学方法能在不插入新层的情况下计算微扰函数，从而得出评价函数值。
VcP:}a< B\ P1$f}K} 针式优化原理：当某点处微扰函数为负值时，插入一针式变量（保证新层厚度
足够小，以使得的
高阶微小量足够小）将能使得评价函数减小。
A5+q^t} 
DQcWq'yY^ Yi[4DfA 如上图所示，在微扰函数最低点插入针式变量将能获得评价函数最大的减小量。
X@cSP7b
j|ozGO 针式算法思路：不断于扰动函数最低点(且为负值)处插入针式变量至微扰函数无负值区时优化过程终止。其过程如下图：
*}7U`Aa 
(yfXMp ,x @?m+Z"o|z 三.OptiLayer针式算法的优点：
Sq<3Rw Rb?~ Rs\ 1.计算速度上：
@#A!w;bz 9g96 d- 针式算法通过不断于微扰函数最低点(且为负值)处插入针式变量从而不断获得评价函数最大的减小量，所以针式算法是一种阶越性的能极快地使评价函数最小化的算法。
-7&?@M,u (p^S~Ax 针式算法与一般算法的优化进程示意图如下：
u9BjgK(M 
R<>tDwsZGa Q@3B{ 针式算法(黑线)和一般算法(红线)的优化进程示意图
R#D#{ cC( ;e2Ij 图中横轴为计算时间，纵轴为评价函数值
("b*? : B V>AS%lXj 由上图中优化进程示意图的比较，我们可以看出针式算法运算速度明显优于一般算法，因而使得OptiLayer软件具有比一般设计软件快数百倍的计算速度。
2g0K76=Co: XYMxG: 2.优化效果上：
[Q|M/|mnR1 +eC3?B8rN 针式优化通过插入新层使得再优化成为可能。从而使得OptiLayer软件能达到更好的优化效果。
