在這篇文章中，我們簡要介紹了使用SYNOPSYS設計衍射光學元件（DOE）的過程。本文討論了衍射光學元件（DOE）在SYNOPSYS的不同類型以及相應的設計過程和案例。主要目的是為剛接觸這個課題的設計者提供一個起點，看看SYNOPSYS有哪些DOE面型可使用。

下載

聯系工作人員獲取附件

什么是衍射光學元件（DOE）?

衍射光學元件(DOE, Diffractive Optical Element)是近幾年蓬勃發展的新興光學元件。衍射光學元件是通常采用微納刻蝕工藝構成二維分布的衍射單元，每個衍射單元可以有特定的形貌、折射率等，對激光波前位相分布進行精細調控。激光經過每個衍射單元后發生衍射，并在一定距離（通常為無窮遠或透鏡焦平面）處產生干涉，形成特定的光強分布。

衍射光學元件不僅具有體積小、重量輕的優點，并且在傳統光學元件的基礎上又多了許多新的特點：

1.衍射效率高：作為一種純相位調制的光學器件，若衍射光學元件表面浮雕結構的位相是連續的，則具有高衍射效率的性能。研究者通常將這種連續的位相通過二進制量化來獲得多臺階位相，盡可能地接近連續位相值。

2.色散性好：當用多色光照射衍射光學元件時，其呈現的色散特性與傳統折射型器件相反。因此可以將衍射光學元件放到傳統的光學系統里，構成混合光學系統，這種系統可以有效的消除色差，改善成像質量。

3.設計自由度大：在設計傳統折射光學元件時，一般僅通過改變其曲率或材料來得到期望的光斑，因此傳統元件僅能夠設計較為簡單的輸出面光斑。而衍射光學元件可以通過改變浮雕結構、深度等得到任意形狀的輸出面光斑。因此衍射光學元件在設計自由度上優于傳統光學元件。

4.材料可選性多：可以將衍射光學元件的面形結構刻蝕在石英材料、電介質、金屬材料和一些光學性質不理想紅外材料上，而傳統光學一般不會選擇這些半導體材料。此外，衍射光學元件還可以利用這些紅外材料在寬波段上消除色差。

5.光學功能多：衍射光學元件可以產生球面、非球面、環形面、錐形面等任意期望的波面。與傳統光學器件相比，大大增加了應用功能。 眾所周知，如果在鏡頭里面使用 DOE面型，可以校正透鏡的色差。所以可以通過使用 DOE 來改善鏡頭的性能，或者設計具有較少元件但性能與復雜設計相當的鏡頭。如果能夠以低成本生產 DOE，則所得到的鏡片的制造成本可能更低。為了實現這一持續發展，SYNOPSYS提供了 ADA 功能，該功能將檢查當前鏡頭，并自動判斷將DOE面設置在哪個面，可以讓系統性能更好。本文展示了如何將鏡頭表面轉換為DOE，可以顯著提高圖像質量，或者讓您以更少的元件獲得所需的成像質量。

SYNOPSYS中有多少種DOE？

在SYNOPSYS里面共有四種類型的DOE面型,包括簡單DOE(Simple DOE,USS 16)、多層DOE(Multilayer DOE,USS 20)、擴展的簡單DOE(Extended simple DOE, USS 25)和三層DOE(3-layer DOE,USS 26)。下面我將簡單介紹這四種DOE面型。

1.簡單DOE

這種類型將一個表面定義為衍射光學元件(DOE)的簡單形式。USS Type 16不太通用，但更容易使用。表面完全由數據輸入表單輸入的系數描述，并且在展開多項式中只包含偶數次冪，只能描述旋轉對稱的形狀。

2.多層DOE

和USS 16一樣是旋轉對稱的DOE，但USS20類型的DOE是由兩個部分組成的，不同的材料，具有相同的OPD和形狀功能，但結構波長不同。這些部分安裝得非常接近，所以區域幾乎是接觸的，在這種配置下，衍射效率可以比簡單DOE的情況高得多。

膜層不能被應用到該USS表面，并且在任何一邊的材料必須是真正的玻璃或塑料，而不是GLM模型玻璃。在該表面類型的任意一側指定為空氣或在兩側為相同的材料都是錯誤的。

3.擴展的簡單DOE

這種類型將表面定義為衍射光學元件(DOE)的擴展形式。USS 16型與之類似，但只允許旋轉對稱的OPD項；而這種形式允許各種非對稱項，因此更普遍。這種形式的基礎形狀總是平面。非球面項，包括OPD展開多項式中X和Y的偶數次冪，以及交叉積，都可以添加到形狀中。

DOE區域的形狀取決于哪一邊的折射率更高。不能在兩邊指定相同的材料。如果DOE是浸液式的，這意味著兩邊都不是空氣折射率，則必須聲明HIN PICKUP(通過命令腳本)。程序將非空氣端的折射率傳遞給DOE。可以在SPS的表面類型編輯器中聲明它為反射。膜層可以應用于該USS面型。

4.三層DOE

該面型和USS 20一樣是旋轉對稱的，但這種類型的DOE是由三種材料制成的，而不是兩種材料，組件之間的空間被某種塑料填充。DOE的第一層和最后一層由不同的材料制成，具有相同的OPD和形狀功能，但結構波長不同。在這種結構中，衍射效率可以高于USS 16和USS 20。膜層不能應用于該USS面型，且DOE兩邊材料必須是真正的玻璃或塑料，而不是玻璃模型。

SYNOPSYS中如何設計DOE?

1.簡單 DOE

在SYNOPSYS中設計DOE元件需要先有兩個鏡片以上的鏡頭，我們這里使用DSEARCH搜索一個5片式鏡頭，搜索宏文件“C23m1.MAC”和鏡頭文件“C23m1.RLE”的PAD圖如下圖所示：

優化宏前面加上指令ADA 5 QUIET,即“C23m1_OPT.MAC”，ADA的意思是Automatic DOE Assignment，即自動衍射光學元件分配，該功能將檢查當前鏡頭，并自動判斷將DOE面設置在哪個面。由下圖可知，衍射面加在了第9個表面。

接下來查看DOE面的數據，在命令窗口輸入ASY，利用DMASK 9 PROFILE可以查看DOE面的形狀。

2.多層 DOE

這是多層DOE的例子，鏡頭文件“USS 20.RLE”的PAD圖如下，這兩個部分是由丙烯酸和苯乙烯構成，都是平面，但有衍射帶，由XDD 3中的兩項給出。該系統在波長0.45um和0.7 um具有高效率。輸入指令PLOT TRANS FOR WAVL = .4 TO .8 查看不同波長的透過率，這個會比USS 16的更高。

3.擴展的簡單DOE

這是擴展的簡單DOE的例子，鏡頭文件“USS 25.RLE”的PAD如下圖所示，輸入ASY查看特殊表面數據。按以下優化宏文件“USS 25_OPT.MAC”對鏡頭進行優化。

輸入ASY查看特殊表面數據。下面是優化完成的鏡頭，利用指令DMASK 1 GREY 500查看DOE面。

4.三層 DOE

這是三層DOE的例子，鏡頭文件“USS 26.RLE”的PAD如下圖所示，該系統是平面結構，在DOE上具有5個波長的OPD函數。后焦距離接近20000 mm, OPD誤差可以忽略不計。

輸入PLOT TRANS FOR WAVL = .35 TO .8，查看波長透過率。這種類型會比USS 20更高。