在這篇文章中，我們簡(jiǎn)要介紹了使用SYNOPSYS設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件（DOE）的過程。本文討論了衍射光學(xué)元件（DOE）在SYNOPSYS的不同類型以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)過程和案例。主要目的是為剛接觸這個(gè)課題的設(shè)計(jì)者提供一個(gè)起點(diǎn)，看看SYNOPSYS有哪些DOE面型可使用。 ,N(Yjq"R  
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什么是衍射光學(xué)元件（DOE）? $$m0mK
  
衍射光學(xué)元件(DOE, Diffractive Optical Element)是近幾年蓬勃發(fā)展的新興光學(xué)元件。衍射光學(xué)元件是通常采用微納刻蝕工藝構(gòu)成二維分布的衍射單元，每個(gè)衍射單元可以有特定的形貌、折射率等，對(duì)激光波前位相分布進(jìn)行精細(xì)調(diào)控。激光經(jīng)過每個(gè)衍射單元后發(fā)生衍射，并在一定距離（通常為無窮遠(yuǎn)或透鏡焦平面）處產(chǎn)生干涉，形成特定的光強(qiáng)分布。 ~wDXjn"U&  
衍射光學(xué)元件不僅具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，并且在傳統(tǒng)光學(xué)元件的基礎(chǔ)上又多了許多新的特點(diǎn)： **h4M2'C  
1.衍射效率高：作為一種純相位調(diào)制的光學(xué)器件，若衍射光學(xué)元件表面浮雕結(jié)構(gòu)的位相是連續(xù)的，則具有高衍射效率的性能。研究者通常將這種連續(xù)的位相通過二進(jìn)制量化來獲得多臺(tái)階位相，盡可能地接近連續(xù)位相值。 Qa_V
 
2.色散性好：當(dāng)用多色光照射衍射光學(xué)元件時(shí)，其呈現(xiàn)的色散特性與傳統(tǒng)折射型器件相反。因此可以將衍射光學(xué)元件放到傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)里，構(gòu)成混合光學(xué)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以有效的消除色差，改善成像質(zhì)量。 R#hy2kA  
3.設(shè)計(jì)自由度大：在設(shè)計(jì)傳統(tǒng)折射光學(xué)元件時(shí)，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(tǒng)元件僅能夠設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單的輸出面光斑。而衍射光學(xué)元件可以通過改變浮雕結(jié)構(gòu)、深度等得到任意形狀的輸出面光斑。因此衍射光學(xué)元件在設(shè)計(jì)自由度上優(yōu)于傳統(tǒng)光學(xué)元件。 _dm0*T ?  
4.材料可選性多：可以將衍射光學(xué)元件的面形結(jié)構(gòu)刻蝕在石英材料、電介質(zhì)、金屬材料和一些光學(xué)性質(zhì)不理想紅外材料上，而傳統(tǒng)光學(xué)一般不會(huì)選擇這些半導(dǎo)體材料。此外，衍射光學(xué)元件還可以利用這些紅外材料在寬波段上消除色差。 ?{ExBZNa  
5.光學(xué)功能多：衍射光學(xué)元件可以產(chǎn)生球面、非球面、環(huán)形面、錐形面等任意期望的波面。與傳統(tǒng)光學(xué)器件相比，大大增加了應(yīng)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(shè)計(jì)具有較少元件但性能與復(fù)雜設(shè)計(jì)相當(dāng)?shù)溺R頭。如果能夠以低成本生產(chǎn) DOE，則所得到的鏡片的制造成本可能更低。為了實(shí)現(xiàn)這一持續(xù)發(fā)展，SYNOPSYS提供了 ADA 功能，該功能將檢查當(dāng)前鏡頭，并自動(dòng)判斷將DOE面設(shè)置在哪個(gè)面，可以讓系統(tǒng)性能更好。本文展示了如何將鏡頭表面轉(zhuǎn)換為DOE，可以顯著提高圖像質(zhì)量，或者讓您以更少的元件獲得所需的成像質(zhì)量。 FJZ'P;3  
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SYNOPSYS中有多少種DOE？ 7G_<+rn  
在SYNOPSYS里面共有四種類型的DOE面型,包括簡(jiǎn)單DOE(Simple DOE,USS 16)、多層DOE(Multilayer DOE,USS 20)、擴(kuò)展的簡(jiǎn)單DOE(Extended simple DOE, USS 25)和三層DOE(3-layer DOE,USS 26)。下面我將簡(jiǎn)單介紹這四種DOE面型。 I.3~ctzu  
1.簡(jiǎn)單DOE '{2]:  
這種類型將一個(gè)表面定義為衍射光學(xué)元件(DOE)的簡(jiǎn)單形式。USS Type 16不太通用，但更容易使用。表面完全由數(shù)據(jù)輸入表單輸入的系數(shù)描述，并且在展開多項(xiàng)式中只包含偶數(shù)次冪，只能描述旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的形狀。 8Ij<t{Lps  
2.多層DOE 7{}E{/  
和USS 16一樣是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的DOE，但USS20類型的DOE是由兩個(gè)部分組成的，不同的材料，具有相同的OPD和形狀功能，但結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)不同。這些部分安裝得非常接近，所以區(qū)域幾乎是接觸的，在這種配置下，衍射效率可以比簡(jiǎn)單DOE的情況高得多。 @
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膜層不能被應(yīng)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(cè)指定為空氣或在兩側(cè)為相同的材料都是錯(cuò)誤的。 <Ja&z M  
3.擴(kuò)展的簡(jiǎn)單DOE j<~Wp$\i7>  
這種類型將表面定義為衍射光學(xué)元件(DOE)的擴(kuò)展形式。USS 16型與之類似，但只允許旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的OPD項(xiàng)；而這種形式允許各種非對(duì)稱項(xiàng)，因此更普遍。這種形式的基礎(chǔ)形狀總是平面。非球面項(xiàng)，包括OPD展開多項(xiàng)式中X和Y的偶數(shù)次冪，以及交叉積，都可以添加到形狀中。 !*:g??[T  
DOE區(qū)域的形狀取決于哪一邊的折射率更高。不能在兩邊指定相同的材料。如果DOE是浸液式的，這意味著兩邊都不是空氣折射率，則必須聲明HIN PICKUP(通過命令腳本)。程序?qū)⒎强諝舛说恼凵渎蕚鬟f給DOE�？梢栽赟PS的表面類型編輯器中聲明它為反射。膜層可以應(yīng)用于該USS面型。 Ge`7`D>L  
4.三層DOE j_2g*lQ7a  
該面型和USS 20一樣是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，但這種類型的DOE是由三種材料制成的，而不是兩種材料，組件之間的空間被某種塑料填充。DOE的第一層和最后一層由不同的材料制成，具有相同的OPD和形狀功能，但結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)不同。在這種結(jié)構(gòu)中，衍射效率可以高于USS 16和USS 20。膜層不能應(yīng)用于該USS面型，且DOE兩邊材料必須是真正的玻璃或塑料，而不是玻璃模型。 X\Bl? F   
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SYNOPSYS中如何設(shè)計(jì)DOE? \eKXsO"d  
1.簡(jiǎn)單 DOE +4%~.,<_to  
在SYNOPSYS中設(shè)計(jì)DOE元件需要先有兩個(gè)鏡片以上的鏡頭，我們這里使用DSEARCH搜索一個(gè)5片式鏡頭，搜索宏文件“C23m1.MAC”和鏡頭文件“C23m1.RLE”的PAD圖如下圖所示： OY{fxBb  
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優(yōu)化宏前面加上指令A(yù)DA 5 QUIET,即“C23m1_OPT.MAC”，ADA的意思是Automatic DOE Assignment，即自動(dòng)衍射光學(xué)元件分配，該功能將檢查當(dāng)前鏡頭，并自動(dòng)判斷將DOE面設(shè)置在哪個(gè)面。由下圖可知，衍射面加在了第9個(gè)表面。 ,A{Bx`o?  
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接下來查看DOE面的數(shù)據(jù)，在命令窗口輸入ASY，利用DMASK 9 PROFILE可以查看DOE面的形狀。 h,Hr0^?  
2.多層 DOE Cw(e7K7&  
這是多層DOE的例子，鏡頭文件“USS 20.RLE”的PAD圖如下，這兩個(gè)部分是由丙烯酸和苯乙烯構(gòu)成，都是平面，但有衍射帶，由XDD 3中的兩項(xiàng)給出。該系統(tǒng)在波長(zhǎng)0.45um和0.7 um具有高效率。輸入指令PLOT TRANS FOR WAVL = .4 TO .8 查看不同波長(zhǎng)的透過率，這個(gè)會(huì)比USS 16的更高。 MOQ6&C`7q  
3.擴(kuò)展的簡(jiǎn)單DOE i6V$m