专利名称：单片式光学元件以及单片式衍射光学元件的设计方法
技术领域：
本发明涉及光学领域，更具体地说，本发明涉及一种单片式光学元件以及单片式衍射光学元件的设计方法。
背景技术：
太阳能是一种无污染、取之不尽的可再生能源，对太阳能利用的一种重要方式就是采用太阳能电池把光能转化成电能。太阳能电池的主要原理，以半导体为例，是利用半导体材料的光伏效应去吸收太阳光的能量并转换成电能。当前制约太阳能广泛利用的两个主要因素就是低光电转换效率和高成本。目前，主要通过对太阳光进行聚焦以减少使用昂贵的太阳能电池材料的方式来降低成本。而在实际的使用中，由于不同半导体材料具有的带隙结构不同，能量低于带隙的光无法被吸收转换成电能，能量高于带隙的光虽然被吸收，但超过带隙的那部分能量将以热的形式被浪费掉，因此，采用单一带隙的半导体材料的太阳能电池转换效率较低。为此，还需采用分色方案，即采用不同带隙的半导体材料来分别吸收转换太阳光各个波段的能量，是实现高光电转换效率的重要途径。
基于以上思想，对太阳光进行分色和聚焦，是实现太阳能高效率、低成本的重要途径。就分色而言，目前世界上主要有两类研究方案，即串联(又称为“级联”)和并联(又称为 “横向”)方式。在串联结构中，沿垂直方向自下往上依次生长不同的半导体材料，它们的带隙能量逐渐增加，这种方式在业界通常称为“串联多结电池”。同时，还需要再提供一个高倍聚焦的光学系统以降低成本。这种“串联”方案的缺点在于，不同半导体层之间需要考虑晶格匹配，不仅材料选择性降低，而且材料之间需要具有隧道结，这需要采用分子束外延等技术进行生长，对工艺要求很高；此外，由于不同带隙的半导体之间串联连接，在实际工作时还需要电流匹配，效率亦有所损失。并联结构能够克服上述缺点，因而得到了更多关注。并联结构是指采用光学系统对太阳光同时实现分色和聚焦，使不同波段的太阳光聚焦到不同的区域，然后在对应区域上放置对该波段能量转换效率最高的半导体材料，各半导体材料独立工作。
目前已知的并联结构实现方案主要有两种，第一种是利用二相色镜(Dichroic mirror)对太阳光进行分色，将太阳光分成长波和短波两个波段成分。为获得较高的分色效率，这种二相色镜通常需要镀膜达到十几层、甚至几十层，技术上很困难。第二种是用透镜加棱镜组合分光的方案，这种方案使得光学器件体积庞大。目前存在的并联结构缺点在于光学系统的成本会非常高。
本申请人在中国发明专利申请No. 201110351978. 9的题为“一种衍射光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用”中公开了一种能够对包含多个波长的入射光同时进行分色和聚焦的衍射光学元件的设计方法，其中使用了所谓的“厚度优化算法”来提高所设计的衍射光学元件的衍射效率。在此也全文引入该申请作为参考。该设计方法包括
步骤一对于每一个波长计算衍射光学元件当前采样点处的针对该波长的调制厚度；由此对于多个波长相应地获得多个调制厚度；4
步骤_.:对于每个调制厚度获得一系列相互等效的备选调制厚度；
步骤三从每个波长的备选调制厚度中选择一个调制厚度，根据所选的对应所述多个波长的多个调制厚度来确定衍射光学元件的当前采样点的设计调制厚度。
其中的步骤二和步骤三就是“厚度优化算法”，其实质上是扩展了调制厚度的可选范围，并在扩展的可选范围内选择一个能够更好地对多个波长进行折衷的设计调制厚度。
在该专利申请中，在步骤一中需要利用杨顾算法等方法来获得调制厚度，这通常需要设计复杂的计算机程序并通过大量的迭代过程来实现，这是一个非常耗时的过程。而且，其计算过程和结果还可能受到迭代过程的初始赋值的影响。发明内容
为了克服上述现有技术中的至少一个缺陷，本发明的一个目的是在于提供一种单片式光学元件。本发明的另一个目的在于提供一种基于该单片式光学元件设计单片式衍射光学元件的方法。本发明的又一个目的是提供一种基于常规光学元件设计衍射光学元件的方法。
按照本发明的一个方面，提供了一种单片式光学元件，用于对包含多个波长的入射光进行分色和聚焦，其包括一体成型的用于对所述入射光进行分色的光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的聚焦透镜的组合。
优选地，所述光栅为透射式闪耀光栅，并且所述透射式闪耀光栅构造成将各个波长的入射光分别集中在预定的单个衍射级上。
所述光栅可以以光刻的方式成形在所述聚焦透镜的一侧。
按照本发明的另一个方面，提供了一种单片式衍射光学元件的设计方法，基于用于对包含多个波长的入射光进行分色的光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的聚焦透镜的多个采样点处的厚度来获得所述单片式衍射光学元件的对应多个采样点处的设计调制厚度；所述单片式衍射光学元件具有与所述光栅和所述聚焦透镜的组合基本相同的光学功能；
对于所述光栅和所述聚焦透镜的每个采样点，所述设计方法包括
步骤一对于所述多个波长中的每一个波长，根据当前采样点处所述聚焦透镜的厚度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制厚度，所述等效调制厚度在衍射光学元件尺度范围内；由此，对于所述多个波长，对应地获得多个等效调制厚度；
步骤二 将所述多个等效调制厚度分别加上当前采样点处所述光栅的厚度，以对应地获得当前采样点处的多个初始调制厚度；
步骤三对所述多个初始调制厚度采用厚度优化算法确定所述单片式衍射光学元件的对应采样点处的设计调制厚度。
按照本发明的又一个方面，提供了一种单片式衍射光学元件的设计方法，基于用于对包含多个波长的入射光进行分色的光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的聚焦透镜的多个采样点处的厚度来获得所述单片式衍射光学元件的对应多个采样点处的设计调制厚度；所述单片式衍射光学元件具有与所述光栅和所述聚焦透镜的组合基本相同的光学功能；
对于所述光栅和所述聚焦透镜的每个采样点，所述设计方法包括
步骤一对于所述多个波长中的每一个波长，根据当前采样点处所述聚焦透镜的厚度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制厚度，所述等效调制厚度在衍射光学元件尺度范围内；由此，对于所述多个波长，对应地获得多个等效调制厚度；
步骤二 对所述多个等效调制厚度采用厚度优化算法确定透镜设计调制厚度；
步骤三将所述透镜设计调制厚度加上当前采样点处所述光栅的厚度以获得所述单片式衍射光学元件的对应采样点处的设计调制厚度。在上述的设计方法中，所述等效调制 厚度针对对应波长的调制相位的范围为
在上述的设计方法中，所述聚焦透镜可以为多个，分别用于对所述多个波长中对应波长的入射光进行聚焦。
在一种实施方式中，所述厚度优化算法包括根据每一所述初始调制厚度获得对应的一系列备选调制厚度；其中，所述备选调制厚度被限制在预定的厚度范围内。
在一种实施方式中，所述厚度优化算法包括根据每一所述等效调制厚度获得对应的一系列备选调制厚度；其中，所述备选调制厚度被限制在预定的厚度范围内。
在上述的设计方法中，所述预定的厚度范围可以根据光刻加工工艺水平来确定。 所述光栅可以为透射式闪耀光栅，其将各个波长的入射光分别集中在预定的单个衍射级上。
按照本发明的再一个方面，提供了一种上述设计方法设计的单片式衍射光学元件。作为优选，所述单片式衍射光学元件是用光刻方法制成的。
本发明还提供了一种太阳能电池，包括上述单片式光学元件或者上述的单片式衍射光学兀件。
本发明也还提供了一种基于常规光学元件设计衍射光学元件的方法，用于根据所述常规光学元件的多个采样点处的厚度获得所述衍射光学元件的对应多个采样点处的设计调制厚度；所述常规光学元件具有对包含多个波长的入射光进行调制以获得具有所需光学分布的出射光的光学功能，所述衍射光学元件具有与所述常规光学元件基本相同的光学功能；
对于所述常规光学元件的每个采样点，所述方法包括
步骤一对于所述多个波长中的每一个波长，根据所述常规光学元件的当前采样点处的厚度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制厚度，所述等效调制厚度在衍射光学元件尺度范围内；由此，对于所述多个波长，对应地获得多个等效调制厚度；
步骤二 对所述多个等效调制厚度采用厚度优化算法确定所述衍射光学元件的对应采样点处的设计调制厚度。
在一种实施方式中，所述常规光学元件是由对包含多个波长的入射光进行分色的光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的聚焦透镜构成的单片式光学元件。所述常规光学元件当前采样点处的厚度可以为当前采样点处所述聚焦透镜的厚度加上当前采样点处所述光栅的厚度。
作为优选，所述等效调制厚度针对对应波长的调制相位的范围为
在上述的方法中，所述厚度优化算法可以包括根据所述等效调制厚度获得一系列备选调制厚度；其中，所述备选调制厚度可以被限制在预定的厚度范围内。所述预定的厚度范围可以根据光刻加工工艺水平来选择。
所述常规光学元件可以包括用于对所述多个波长的入射光进行聚焦的聚焦透镜。
所述光栅可以为透射式闪耀光栅，其将各个波长的入射光分别集中在预定的单个衍射级上。
本发明实施例至少存在以下技术效果
I)本发明的单片式光学元件通过将透镜与光栅结合为一体，能够很好地对入射光实现高效率分色聚焦，避免了采用两个独立的光学元件而使得整个光学系统过于复杂、操作不便。
2)按照本发明，可以基于已有的常规聚焦透镜和闪耀光栅设计出具有基本相同的分色聚焦功能的单片式衍射光学元件，突破了现有技术中常规光学元件自身厚度的限制， 使得设计的衍射光学元件可以应用到更多的场合中，特别是太阳能电池中。而且，按照本发明，可以将现有技术中任意的对多个波长进行处理的常规光学元件变薄为衍射光学元件， 在实现相同的光学功能的基础上保持较高的衍射效率。这样的设计方法，相比于中国发明专利申请No. 201110351978. 9中提出的衍射光学元件设计方法，可以充分地利用现有的常规光学元件的成熟且可靠的设计成果和结果，极大地降低了计算量和工作量。进一步，按照本发明设计的单片式衍射光学元件，其对多个波长分别都具有很高的衍射效率。
3)由于按照本发明设计的单片式衍射光学元件其厚度有更大的选择范围，可根据实际需要任意控制，使得变薄后的单片式衍射光学元件的厚度控制在一定的范围之内，这样就便于通过现代光刻技术加工母版，然后应用压印技术进行大批量生产，因而成本大大降低。
4)由于按照本发明的单片式衍射光学元件能够极大地提升光学效率，在太阳能电池中的应用有了实际意义。再结合之前所述的能够通过现代光刻技术大批量生产，这为太阳能利用提供一种高效和廉价的途径。
图I示出了聚焦透镜将平行入射光聚焦到焦点的示意图。
图2示出了入射的平行光经透射式闪耀光栅透射后相干，某一波长的主要能量将集中某单一衍射级上，从而不同的波长会分开到不同方向上。
图3示出了聚焦透镜和透射式闪耀光栅组合在一起成为单片式光学元件，对入射光同时实现分色和聚焦功能。
图4示出了按照本发明的方法将聚焦透镜设计为衍射光学元件的示意图。
图5 (a)示出了聚焦透镜与闪耀光栅组合的示意图。
图5 (b) - Cd)分别示出了聚集透镜分别针对三个波长变薄后与闪耀光栅组合的示意图。
图6 Ca)示出了本发明的单片式衍射光学元件厚度取32级量化的一维浮雕结构剖面图。
图6 (b)示出了图6 Ca)中单片式衍射光学元件局部三维浮雕结构图。
图7示出了三个波长经图6所示的单片式衍射光学元件后在出射面板上的光强分布图。
图8示出了本发明的单片式衍射光学元件实物图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进一步详细描述。本申请的发明人发现，中国发明专利申请No. 201110351978. 9提出的是一种纯粹 基于衍射理论的衍射光学元件设计方法，其存在着计算复杂、耗时，且可能受初始赋值影响 等问题。而实际上，在常规光学元件设计领域，已经有一些成熟的设计方法能够获得具有比 较令人满意的光学功能的常规光学元件，例如用于对多波长入射光进行聚焦的常规聚焦透 镜。本发明人进一步发现，一方面，在一些情况下可以直接对这些已有的常规光学元件进行 改造；另一方面，利用现有技术中这些已有的常规光学元件的成熟且可靠的设计成果和结 果，还有可能实现一种更简化且更可靠的衍射光学元件设计方法。现有光学元件的描述为了便于表述光学元件的厚度分布，可以建立这样的坐标系，即入射光线的方向 设为z方向，垂直于入射光线的平面设为x_y平面。图1示出了透镜聚焦的原理，波长为\ a的入射平行光从输入平面Pi经透镜聚焦 到位于输出平面匕的一个焦点上。理想聚焦透镜可以根据等光程原理给出，设其焦距为山 口径为2L，对于波长为\ a的光，其折射率为n (入a)，考虑一维情形下聚焦透镜的厚度分 布
权利要求
1.一种单片式衍射光学元件的设计方法，基于用于对包含多个波长的入射光进行分色的光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的聚焦透镜的多个采样点处的厚度来获得所述单片式衍射光学元件的对应多个采样点处的设计调制厚度；所述单片式衍射光学元件具有与所述光栅和所述聚焦透镜的组合基本相同的光学功能； 对于所述光栅和所述聚焦透镜的每个采样点，所述设计方法包括 步骤一对于所述多个波长中的每ー个波长，根据当前采样点处所述聚焦透镜的厚度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制厚度，所述等效调制厚度在衍射光学元件尺度范围内；由此，对于所述多个波长，对应地获得多个等效调制厚度； 步骤ニ 将所述多个等效调制厚度分别加上当前采样点处所述光栅的厚度，以对应地获得当前采样点处的多个初始调制厚度； 步骤三对所述多个初始调制厚度采用厚度优化算法确定所述单片式衍射光学元件的对应采样点处的设计调制厚度。
2.一种单片式衍射光学元件的设计方法，基于用于对包含多个波长的入射光进行分色的光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的聚焦透镜的多个采样点处的厚度来获得所述单片式衍射光学元件的对应多个采样点处的设计调制厚度；所述单片式衍射光学元件具有与所述光栅和所述聚焦透镜的组合基本相同的光学功能； 对于所述光栅和所述聚焦透镜的每个采样点，所述设计方法包括 步骤一对于所述多个波长中的每ー个波长，根据当前采样点处所述聚焦透镜的厚度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制厚度，所述等效调制厚度在衍射光学元件尺度范围内；由此，对于所述多个波长，对应地获得多个等效调制厚度； 步骤ニ 对所述多个等效调制厚度采用厚度优化算法确定透镜设计调制厚度； 步骤三将所述透镜设计调制厚度加上当前采样点处所述光栅的厚度以获得所述单片式衍射光学元件的对应采样点处的设计调制厚度。
3.根据权利要求I或2所述的设计方法，其特征在于，所述等效调制厚度针对对应波长的调制相位的范围为[0,2π )。
4.根据权利要求I所述的设计方法，其特征在于，所述厚度优化算法包括根据每一所述初始调制厚度获得对应的一系列备选调制厚度；其中，所述备选调制厚度被限制在预定的厚度范围内。
5.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在干，所述厚度优化算法包括根据每一所述等效调制厚度获得对应的一系列备选调制厚度；其中，所述备选调制厚度被限制在预定的厚度范围内。
6.根据权利要求4或5所述的设计方法，其特征在于，所述预定的厚度范围根据光刻加エエ艺水平来确定。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的设计方法，其特征在于，所述光栅为透射式闪耀光栅，其将各个波长的入射光分别集中在预定的单个衍射级上。
8.根据权利要求I或2所述的设计方法，其特征在于，所述聚焦透镜为多个，分别用于对所述多个波长中对应波长的入射光进行聚焦。
9.ー种按照权利要求1-8中任一项所述的设计方法设计的单片式衍射光学元件。
10.根据权利要求9所述的单片式衍射光学元件，其特征在于，所述单片式衍射光学元件是用光刻方法制成的。
11.一种单片式光学元件，用于对包含多个波长的入射光进行分色和聚焦，其包括一体成型的用于对所述入射光进行分色的光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的聚焦透镜的组合。
12.根据权利要求11所述的单片式光学元件，其特征在于，所述光栅为透射式闪耀光栅，并且所述透射式闪耀光栅构造成将各个波长的入射光分别集中在预定的单个衍射级上。
13.根据权利要求11或12所述的单片式光学元件，其特征在于，所述光栅以光刻的方式成形在所述透镜的ー侧。
14.ー种太阳能电池，包括如权利要求9或10所述的单片式衍射光学元件或如权利要求11-13中任一项所述的单片式光学元件。
全文摘要
本发明公开了一种单片式光学元件以及单片式衍射光学元件的设计方法。所述单片式光学元件，用于对包含多个波长的入射光进行分色和聚焦，其包括一体成型的用于对所述入射光进行分色的光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的聚焦透镜的组合。本发明的单片式光学元件通过将透镜与光栅结合为一体，能够很好地对入射光实现高效率的分色聚焦，避免了采用两个独立的光学元件，整个光学系统过于复杂、操作不便。本发明基于聚焦透镜和闪耀光栅设计成具有基本相同的分色聚焦功能的单片式衍射光学元件，突破了现有技术中常规光学元件自身厚度的限制，使得设计的单片式衍射光学元件可以应用到更多的场合中，特别适合应用在太阳能电池中。
文档编号H01L31/052GK102981194SQ20121048043
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者杨国桢, 王进泽, 叶佳声, 黄庆礼, 孟庆波, 张岩, 张东香, 张秋琳 申请人:中国科学院物理研究所