如何在SYNOPSYS中设计衍射光学元件（DOE）

在这篇文章中，我们简要介绍了使用SYNOPSYS设计衍射光学元件（DOE）的过程。本文讨论了衍射光学元件（DOE）在SYNOPSYS的不同类型以及相应的设计过程和案例。主要目的是为刚接触这个课题的设计者提供一个起点，看看SYNOPSYS有哪些DOE面型可使用。
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什么是衍射光学元件（DOE）?
衍射光学元件(DOE, Diffractive Optical Element)是近几年蓬勃发展的新兴光学元件。衍射光学元件是通常采用微纳刻蚀工艺构成二维分布的衍射单元，每个衍射单元可以有特定的形貌、折射率等，对激光波前位相分布进行精细调控。激光经过每个衍射单元后发生衍射，并在一定距离（通常为无穷远或透镜焦平面）处产生干涉，形成特定的光强分布。
衍射光学元件不仅具有体积小、重量轻的优点，并且在传统光学元件的基础上又多了许多新的特点：
1.衍射效率高：作为一种纯相位调制的光学器件，若衍射光学元件表面浮雕结构的位相是连续的，则具有高衍射效率的性能。研究者通常将这种连续的位相通过二进制量化来获得多台阶位相，尽可能地接近连续位相值。
2.色散性好：当用多色光照射衍射光学元件时，其呈现的色散特性与传统折射型器件相反。因此可以将衍射光学元件放到传统的光学系统里，构成混合光学系统，这种系统可以有效的消除色差，改善成像质量。
3.设计自由度大：在设计传统折射光学元件时，一般仅通过改变其曲率或材料来得到期望的光斑，因此传统元件仅能够设计较为简单的输出面光斑。而衍射光学元件可以通过改变浮雕结构、深度等得到任意形状的输出面光斑。因此衍射光学元件在设计自由度上优于传统光学元件。
4.材料可选性多：可以将衍射光学元件的面形结构刻蚀在石英材料、电介质、金属材料和一些光学性质不理想红外材料上，而传统光学一般不会选择这些半导体材料。此外，衍射光学元件还可以利用这些红外材料在宽波段上消除色差。
5.光学功能多：衍射光学元件可以产生球面、非球面、环形面、锥形面等任意期望的波面。与传统光学器件相比，大大增加了应用功能。众所周知，如果在镜头里面使用 DOE面型，可以校正透镜的色差。所以可以通过使用 DOE 来改善镜头的性能，或者设计具有较少元件但性能与复杂设计相当的镜头。如果能够以低成本生产 DOE，则所得到的镜片的制造成本可能更低。为了实现这一持续发展，SYNOPSYS提供了 ADA 功能，该功能将检查当前镜头，并自动判断将DOE面设置在哪个面，可以让系统性能更好。本文展示了如何将镜头表面转换为DOE，可以显著提高图像质量，或者让您以更少的元件获得所需的成像质量。

SYNOPSYS中有多少种DOE？
在SYNOPSYS里面共有四种类型的DOE面型,包括简单DOE(Simple DOE,USS 16)、多层DOE(Multilayer DOE,USS 20)、扩展的简单DOE(Extended simple DOE, USS 25)和三层DOE(3-layer DOE,USS 26)。下面我将简单介绍这四种DOE面型。
1.简单DOE
这种类型将一个表面定义为衍射光学元件(DOE)的简单形式。USS Type 16不太通用，但更容易使用。表面完全由数据输入表单输入的系数描述，并且在展开多项式中只包含偶数次幂，只能描述旋转对称的形状。
2.多层DOE
和USS 16一样是旋转对称的DOE，但USS20类型的DOE是由两个部分组成的，不同的材料，具有相同的OPD和形状功能，但结构波长不同。这些部分安装得非常接近，所以区域几乎是接触的，在这种配置下，衍射效率可以比简单DOE的情况高得多。
膜层不能被应用到该USS表面，并且在任何一边的材料必须是真正的玻璃或塑料，而不是GLM模型玻璃。在该表面类型的任意一侧指定为空气或在两侧为相同的材料都是错误的。
3.扩展的简单DOE
这种类型将表面定义为衍射光学元件(DOE)的扩展形式。USS 16型与之类似，但只允许旋转对称的OPD项；而这种形式允许各种非对称项，因此更普遍。这种形式的基础形状总是平面。非球面项，包括OPD展开多项式中X和Y的偶数次幂，以及交叉积，都可以添加到形状中。
DOE区域的形状取决于哪一边的折射率更高。不能在两边指定相同的材料。如果DOE是浸液式的，这意味着两边都不是空气折射率，则必须声明HIN PICKUP(通过命令脚本)。程序将非空气端的折射率传递给DOE。可以在SPS的表面类型编辑器中声明它为反射。膜层可以应用于该USS面型。
4.三层DOE
该面型和USS 20一样是旋转对称的，但这种类型的DOE是由三种材料制成的，而不是两种材料，组件之间的空间被某种塑料填充。DOE的第一层和最后一层由不同的材料制成，具有相同的OPD和形状功能，但结构波长不同。在这种结构中，衍射效率可以高于USS 16和USS 20。膜层不能应用于该USS面型，且DOE两边材料必须是真正的玻璃或塑料，而不是玻璃模型。

SYNOPSYS中如何设计DOE?
1.简单 DOE
在SYNOPSYS中设计DOE元件需要先有两个镜片以上的镜头，我们这里使用DSEARCH搜索一个5片式镜头，搜索宏文件“C23m1.MAC”和镜头文件“C23m1.RLE”的PAD图如下图所示：

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优化宏前面加上指令ADA 5 QUIET,即“C23m1_OPT.MAC”，ADA的意思是Automatic DOE Assignment，即自动衍射光学元件分配，该功能将检查当前镜头，并自动判断将DOE面设置在哪个面。由下图可知，衍射面加在了第9个表面。

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接下来查看DOE面的数据，在命令窗口输入ASY，利用DMASK 9 PROFILE可以查看DOE面的形状。

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2.多层 DOE
这是多层DOE的例子，镜头文件“USS 20.RLE”的PAD图如下，这两个部分是由丙烯酸和苯乙烯构成，都是平面，但有衍射带，由XDD 3中的两项给出。该系统在波长0.45um和0.7 um具有高效率。输入指令PLOT TRANS FOR WAVL = .4 TO .8 查看不同波长的透过率，这个会比USS 16的更高。

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3.扩展的简单DOE
这是扩展的简单DOE的例子，镜头文件“USS 25.RLE”的PAD如下图所示，输入ASY查看特殊表面数据。按以下优化宏文件“USS 25_OPT.MAC”对镜头进行优化。

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输入ASY查看特殊表面数据。下面是优化完成的镜头，利用指令DMASK 1 GREY 500查看DOE面。

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4.三层 DOE
这是三层DOE的例子，镜头文件“USS 26.RLE”的PAD如下图所示，该系统是平面结构，在DOE上具有5个波长的OPD函数。后焦距离接近20000 mm, OPD误差可以忽略不计。

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输入PLOT TRANS FOR WAVL = .35 TO .8，查看波长透过率。这种类型会比USS 20更高。

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