如何在SYNOPSYS中设计衍射光学元件（DOE）

本文简要介绍了使用Synopsys设计衍射光学元件（DOE）的流程，以及探讨了Synopsys提供的不同类型的DOE及其设计过程和应用案例。主要目标是为初学者提供一个起点，了解利用Synopsys设计DOE的可能性。我们首先探讨了DOE的定义及其新兴的重要地位。




什么是衍射光学元件（DOE）

衍射光学元件(DOE, Diffractive Optical Element)是近年来备受瞩目的光学元件，它们通过在二维分布的衍射单元上采用微纳刻蚀工艺实现特定形貌和折射率，从而精细调控激光波前的相位分布。激光在经过这些衍射单元后经历衍射过程，并在一定距离（通常为无穷远或透镜焦平面）处发生干涉，产生特定的光强分布。与传统光学元件相比，DOE具有体积小、重量轻、高衍射效率、优秀的色散性能、较大的设计自由度以及丰富的材料选择性，使其在反射率上性能更加优越，并能在传统光学系统的色彩一致性上发挥显著优势。

DOE的特性与优势

1. 高衍射效率：作为一种基于纯粹相位调制的光学元件，DOE表面浮雕结构的位置连续性赋予其高效率性能。研究者通常通过二进制量化来获取多台阶相位，以尽可能接近连续的相位值。

2. 良好的色散特性：在多色光照射下，DOE展现出与传统折射型器件相反的色散特性，这使DOE能够在传统光学系统中构建混合光学系统，有效地消除色差，改善成像质量。

3. 设计自由度大：相较于传统折射光学元件仅通过改变曲率或材料来获得理想光斑，DOE的设计更为灵活，可以通过调整浮雕结构、深度等参数产生任意形状的输出面光斑。

4. 多样化材料选择：除了石英材料、电介质、金属材料外，DOE还可利用光学性质不理想的红外材料，且可利用这些材料广泛基于波段上消除色差的功能。

5. 多样的光学功能：DOE能够产生球面、非球面、环形面、锥形面等丰富波面，与传统光学器件相比，在应用功能上有着显著拓展。

设计实践与Synopsys工具

对于利用Synopsys设计DOE的实践，Synopsys提供了一套完整的解决方案，包括专业化的设计工具和宏文件，以简化DOE的整合与优化过程。例如：

1. 简单DOE：通过预先设计的宏文件，自动化将DOE元件整合到现有镜片组中，本文提供了具体的示例过程和优化宏文件使用方法。

2. 多层DOE、扩展的简单DOE与三层DOE：每种类型的DOE具有不同的设计和构建特征，Synopsys提供了相应的宏文件和数据查看工具，以便设计者精雕细琢，实现不同场景下最优的光学性能。

Synopsys的DOE支持

Synopsys提供了名为ADA的功能，该功能在设计过程中自动评估并选择将DOE面型设置在哪个表面，以期望实现最佳系统的性能表现。通过详细的示例，本文展示了将镜头表面转换为DOE的应用实例，以及如何利用不同类型的DOE优化图像质量。例如，对特定镜头文件进行分析、应用优化宏、可视化DOE面型，并与标定的镜片组性能对比，以突出DOE技术在现代光学系统设计中的重要作用。

Synopsys DOE类型概览

Synopsys中涵盖四种类型的衍射光学元件（DOE）面型，具体分为简单DOE、多层DOE、扩展的简单DOE和三层DOE：

简单DOE：以USS 16标准创建表面DOE，仅针对旋转对称形状进行设计。

多层DOE：USS 20面型允许两种材料，以相同的相位调制特征呈现，但性能和效率提升显著。

扩展的简单DOE：USS 25实例允许更广泛的非旋转对称功能及形状设计。

三层DOE：USS 26面型由三层材料组成，进一步提高衍射效率，适用于复杂光路设计。

综上所述，Synopsys不仅提供了高效、灵活、高精度的DOE设计工具，还支持不同类型的DOE应用，旨在为设计者创造更为丰富的光学解决方案。