CN103645530A - 反射式光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反射式光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用。所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法基于用于对所述包含多个波长的入射光进行分色的反射光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的深度来获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度。按照本发明的反射式光学元件的相位调制比透射式结构强，使得本发明的反射式光学元件的加工难度相比更低。并且本发明的反射式光学元件的材料选取范围广，且成本低，如各类金属均可。

Description

反射式光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用

技术领域

本发明涉及光学领域，特别是涉及一种用于分色聚焦的反射式光学元件及其设计方法和在太阳能电池中的应用。

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（Dichroicmirror）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；

步骤二：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。

发明内容

本申请的发明人发现，尽管根据中国专利No.201110351978.9提出的透射式结构的衍射光学元件对包含多波长的入射光已经有了很高衍射效率并且有较薄的器件厚度，但是在衍射效率和器件厚度方面还有进一步提高的空间。而且，本申请的发明人还发现，这样的透射式结构的衍射光学元件在分色聚焦后具有色差等问题。本发明人巧妙地发现，基于反射结构来设计分色聚焦的反射式光学元件并将现有技术中的厚度优化算法用来优化反射结构中的设计深度，这样可以很好地一次性地解决上述问题。

本发明的一个目的是要提供一种用于分色聚焦的反射式光学元件，提高分色聚焦的光学效率。本发明的另一个目的是提供一种反射式光学元件的设计方法。本发明的再一个目的在于提供一种应用反射式光学元件的太阳能电池。

按照本发明的一个方面，提供了一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法用于获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度，对于所述反射面的每个采样点，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，采用相位恢复算法获得所述反射式光学元件的当前采样点处的针对该波长的调制深度；对于所述多个波长，相应地获得多个调制深度；

步骤二：将所述调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。

本发明提供了又一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法基于用于对所述包含多个波长的入射光进行分色的反射光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的深度来获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度；

对于所述反射面的每个采样点，所述设计方法包括：

步骤一：将当前采样点处所述反射光栅的深度与所述反射聚焦镜的深度之和作为所述反射式光学元件的初始深度；

步骤二：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反射式光学元件的所述初始深度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制深度；所述等效调制深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深度；

步骤三：将所述等效调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。

本发明还提供了再一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法基于用于对所述包含多个波长的入射光进行分色的反射光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的深度来获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度；

对于所述反射面的每个采样点，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反射聚焦镜的深度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制深度，所述等效调制深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深度；

步骤二：将所述等效调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射聚焦镜的对应采样点处的设计调制深度；

步骤三：将所述反射聚焦镜的设计调制深度加上当前采样点处所述反射光栅的深度以获得所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。

本发明也还提供了另一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法基于用于对所述包含多个波长的入射光进行分色的反射光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的深度来获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度；

对于所述反射面的每个采样点，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反射聚焦镜的深度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制深度，所述等效调制深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深度；

步骤二：将所述多个等效调制深度分别加上当前采样点处所述反射光栅的深度，以对应地获得当前采样点处的多个初始调制深度；

步骤三：将所述初始调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。

在上述的设计方法中，可以根据所述调制深度或根据所述等效调制深度针对对应波长的调制相位的范围为[0，2π）。

所述厚度优化算法可以包括根据所述调制深度、或根据所述等效调制深度、或根据所述初始调制深度获得一系列备选调制深度；所述一系列备选调制深度对应的一系列调制相位相互之间相差2π的整数倍；其中，所述备选调制深度被限制在预定的深度范围内。所述预定的深度范围可以根据微加工工艺水平来选择。

在一种实施方式中，所述反射光栅可以为反射式闪耀光栅，其将所述多个波长中的各个波长的入射光分别集中在预定的单个衍射级上。

按照本发明的又一个方面，提供了一种上述设计方法设计的反射式光学元件。作为优选，所述反射式光学元件是用微加工方法制成的。这里的微加工方法例如可以是直接用微加工技术制成，可以是通过现代微加工技术加工母版，然后应用压印技术进行大批量生产。

本发明还提供了另一种反射式光学元件，用于对包含有多个波长的入射光进行分色聚焦，所述反射式光学元件由在反射聚焦镜的反射面上沿深度方向刻蚀出一反射式闪耀光栅形成。

按照本发明的再一个方面，提供了一种太阳能电池，包括：前述的反射式光学元件，用于将太阳光按照选定的多个波长分色且聚焦到一输出面上；

与所述选定的多个波长对应的多种半导体材料，每一种半导体用于吸收对应波长附近的太阳光，所述多种半导体材料分别设置在所述输出面的对应波长的聚焦区域处。

本发明具有如下有益效果：

1）本发明的反射式光学元件可以基于反射聚焦镜与反射光栅获得，能够很好地对入射光实现分色聚焦，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）由于按照本发明的反射式光学元件能够进一步地提高分色聚焦的光学效率，从而进一步提升了其在太阳能电池中应用的实际意义。

3）按照本发明的反射式光学元件的反射式结构比现有的透射式结构的相位调制能力更强，使得本发明的反射式光学元件的加工难度相比透射式结构更低。并且本发明的反射式光学元件的材料选取范围广，且成本低，如各类金属均可使用。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1（a）和图1（b）分别示出了透射式结构和反射式结构对相位调制的光程示意图。

图2示出了反射聚焦镜将平行入射光聚焦到焦点的示意图。

图3示出了入射的平行光经反射式闪耀光栅反射后相干，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4示出了按照本发明一个实施例的方法获得的反射式光学元件对入射光同时实现分色和聚焦功能的示意图。

图5示出了按照本发明另一个实施例的方法获得的反射式光学元件的剖面示意图。

图6示出了利用本发明又一个实施例的方法获得的反射式光学元件的反射面的形貌图。

图7示出了三个波长经图6所示的反射式光学元件的反射面反射后在出射面板上的光强分布图。

图8示出了三个波长经图4所示的反射式光学元件反射后在出射面板上的光强分布图。

具体实施方式

图1（a）和图1（b）分别示出了透射式结构和反射式结构对相位调制的光程示意图。对于厚度为h的透射式结构，其对波长为λ_α的入射光的相位调制为ΔΦ=2π（n_α-1）h/λ_α，而对于深度（从基准面到反射面的距离）为h的反射式结构，其对波长为λ_α的入射光的相位调制为ΔΦ=2π·2h/λ_α，对于相同的厚度或深度，反射式结构调制的相位为透射式结构的2/(n_α-1)倍。例如透射式结构基体通常采用n_α=1.46的石英透明材料，那么反射式结构相位调制能力为透射式结构的4.35倍。如果在图1（b）所示的反射式结构深度的表面，例如在反射面与基准面之间，沉积上折射率为n₂(>1)的保护层，则反射式结构的调制能力为透射式结构的2n₂·2/(n_α-1)倍。例如透射式结构基体采用n_α=1.46的透明材料，保护层采用n₂=1.65的透明材料，那么反射式结构相位调制能力为透射式结构的7.18倍。由于光学元件的光学效率正相关于光学元件对光波波前的相位调制能力，因此，反射式结构相比于透射式结构具有更高的衍射效率。并且，采用光刻或压印制备工艺制备时，为了达到相同的相位调制能力，反射式结构比透射式结构需要的刻蚀深度更浅，这样有利于减少光刻或压印的工序，降低加工难度。此外，对于透射式结构，入射光在传播过程中会经过光学元件的前入射面和后出射面两个界面，并在该两个界面处不可避免地发生所不希望有的部分反射，使得最终从该透射式结构出射的出射光具有较多的能量损失，例如通常透射式结构的透光率为93%甚至更低。而对于反射式结构，由于入射光在传播过程中只在光学元件的一个反射面发生所希望的反射，该反射式结构的反射面反射的反射光具有较少的能量损失，例如采用金属材料作为反射面的话，反射率可以达到95%以上。因此，相比于透射式结构，反射式结构从理论上和实践上都具有更高的分色聚焦光学效率。

在本发明中，反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长λ_α（α=1，2，3，...，N_λ，N_λ表示不同波长的数量）的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，该反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面。本发明的目的在于获得反射面的多个采样点处的深度分布。这里的深度分布是在采用光刻或是压印技术制备反射式光学元件时，反射式光学元件的反射面上的每一个采样点基于基准面向深度方向凹入的距离。

为了便于表述光学元件的深度分布，考虑一维情况下，可以建立这样的坐标系：光学元件的长度方向设为x方向，与光学元件的长度方向垂直的深度方向设为y方向，入射光沿y方向入射。

图2示出了常规的反射聚焦镜聚焦的原理，入射平行光经反射聚焦镜聚焦到一个焦点上。反射聚焦镜可以根据等光程原理给出，设其焦距为f，口径为D，对于波长为λ_α的光，考虑一维情形下反射聚焦镜的深度分布

$h_c\left(x\right)=\frac{{(D/2)}^2-x^2}{4f}---\left(1\right)$

从公式（1）可以看出，反射聚焦镜的形貌为一个抛物镜。

应当理解，这里描述的或现有技术中已有的其它的关于常规的反射聚焦镜的设计方法是本领域技术人员所熟知的。

图3中示出的常规的反射式闪耀光栅，其由作为重复单元的一系列小三棱镜组成，这在图3中表示为沿竖向排列的一系列直角三角形。图3的右上角示出了一个放大的直角三角形，其中闪耀角为β，三角形深度方向的尺寸为a=λ/2，其光栅周期为a×cot(β)，这里的λ可以选择为任意一个波长，或所要处理的多个波长中的任意一个波长，优选为多个波长的中心波长或平均波长λ₀，即a=λ₀/2。如此构造的反射式闪耀光栅能够将多个波长λ_α的入射光进行分色，并且分别集中在预定的+1级或-1级的衍射级上（若需要将能量集中到其它单一级别的衍射级上或者对于非正入射的情形，可以根据基本的理论推算使得出射衍射的单缝衍射因子与多缝衍射因子相干增强的a的取值）。如图3所示，三种波长λ₁、λ₂和λ₃的入射光从反射式闪耀光栅的反射面反射到输出平面上，三个波长的主要能量分别集中在单个衍射级次上，从而将三个波长的出射光分开到不同方向上。

考虑一维情形，反射式闪耀光栅的深度分布h_s(x)可以由下式给出

h_s(x)=Mod((D/2-x)*tan(β)，λ₀/2)        （2）

其中D为光栅的口径，Mod(x，a)函数的效果是（设a>0）将x通过加整数L个a而使得（x+L*a）在0到a之间，这里取a=λ₀/2。

应当理解，这里描述的或现有技术中已有的其它的关于常规的反射式闪耀光栅的设计方法是本领域技术人员所熟知的。

在例如前述的并联结构的太阳能电池的应用场合中，最好在对多个波长的入射光分色时尽可能地将更多能量集中在一个衍射级上。本发明人发现前述的反射式闪耀光栅可以很好地实现该功能。多个波长λ_α的入射光由如图3所示的反射式闪耀光栅分色后，再通过如图2所示的反射聚焦镜对该反射式闪耀光栅分出的多个波长λ_α的光分别聚焦，就可以达到很好的分色聚焦效果。但如果在太阳能电池领域中，采用两个独立的光学元件一起实现分色聚焦的功能，整个光学系统会过于复杂，操作起来不是很便利。本发明人发现如果按照相位调制思想，将前述两个元件的深度表达式直接叠加，理论计算表明，这样叠加也可以实现分色聚焦功能，并且是作为一个单片式的反射式结构的元件，使用起来会非常方便。

根据公式（1）和（2），具备分色聚焦功能的反射式光学元件的深度h(x)分布可以由下式给出

h(x)=h_s(x)+h_c(x)        （3）

由公式（3）确定的反射式光学元件，可以用于对包含多个波长λ_α的入射光进行分色和聚焦。图4示出了根据本发明的基于反射聚焦镜和反射式闪耀光栅的组合获得的反射式光学元件，对入射光同时实现分色聚焦的示意图。该反射式光学元件实质上是由在对多个波长的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的反射面上沿深度方向刻蚀出一个对多个波长的入射光进行分色的反射式闪耀光栅形成。或者说是在对多个波长的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的反射面上再刻蚀掉一定深度使得总体深度满足公式（3）给出的深度分布。从图4可以看出，三种不同波长λ_α（α=1，2，3）的入射光经反射式光学元件反射后汇聚到焦平面的不同位置处。图中λ₁、λ₂和λ₃所在位置分别表示对应波长的光在输出平面上的聚焦位置或区域。图8示出了三个波长λ₁=450nm，λ₂=550nm，λ₃=650nm的入射光经图4所示的反射式光学元件反射后的光强分布。从图8可以看出，三个波长的入射光分别聚焦在三个不同位置处，表明该反射式光学元件分色聚焦的效果很好。此外，在加工上述的反射式光学元件时，也可以根据公式（3）确定的各点的深度进行加工。

图4所示出的反射式光学元件的深度通常是比较深的。例如比较常见的情形，取f=800mm，D=21mm，λ₀=550nm，按照公式（1）可以得到反射聚焦镜的最大深度为34.4μm，按照公式（2）可知反射式闪耀光栅的最大深度为0.55μm，这样，反射式光学元件的最大深度为34.95μm，如图5所示。图中为了清楚地显示深度（即y轴方向数值）的分布情况，y轴标尺比x轴标尺缩小了1000多倍。这样的反射式光学元件对微加工技术水平要求较高，并会导致其应用场合中受到限制。如果能够将其深度变浅，基本达到衍射光学元件的尺度，并且基本保持相同的光学功能，那么就可以运用现代微加工技术对其进行加工和批量复制，光学系统的成本也会降低很多。

另外，对于图5所示的反射式光学元件，其对加工工艺的要求较高，因此加工成本也较高。如果能够将其深度变浅，也同样地会降低对加工工艺的要求并降低加工成本。

为了便于区分，可以将式（3）确定的h(x)称为初始深度分布。根据光学原理，对于反射式光学元件初始深度为h的采样点，其对波长为λ_α的入射光的相位调制为ΔΦ=4πh/λ_α，当h增减整数个Δh_α=λ_α/2时，调制相位相应地发生整数个2π的变化，这在相位调制方面是等效的，不会影响反射式光学元件对该波长的分色聚焦效果。这样，在本发明中，可以将初始深度h缩减整数个Δh_α，直至将初始深度h变浅至衍射光学元件尺度的范围内。该采样点变浅后的深度h_α可以称为等效调制深度。

在一个实施例中，该等效调制深度h_α可以按照公式（4）计算得到

h_α=Mod(h，Δh_α)          （4）

由公式（4）获得的等效调制深度h_α所对应的调制相位Φ_α的范围为0≤Φ_α<2π。且反射式光学元件的每个采样点的最大深度不超过λ_α/2。在其它实施例中，h_α也可以选择为使其对应的调制相位Φ_α在2π的几倍的范围内。

在实际设计中，为了计算的方便，可以在反射式光学元件的反射面上设置多个代表性采样点。当对每个采样点都获取到其等效调制深度后，可以获得整个反射式光学元件针对波长λ_α变浅后的等效调制深度分布h_α(x)。当对N_λ个波长都进行上述变浅操作后，即可得到与N_λ个波长分别对应的N_λ个变浅后反射式光学元件的等效调制深度分布。

此时，对于反射式光学元件的反射面的每个采样点，都获得了与N_λ个波长分别对应的N_λ个等效调制深度h_α（α=1～N_λ）。最后，对于这N_λ个等效调制深度h_α采用厚度优化算法来确定所需的反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度h_D。在采用厚度优化算法时，可以将上述等效调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度来确定反射式光学元件的设计调制深度。当遍及所有采样点后，即可获得该反射式光学元件的整个设计调制深度分布h_DOE1(x)。

在本发明中采用厚度优化算法时，可以包括根据等效调制深度获得一系列备选调制深度；一系列备选调制深度对应的一系列调制相位相互之间相差2π的整数倍；其中，备选调制深度被限制在预定的深度范围内。更具体的算法可参见中国专利No.201110351978.9，在此不再赘述。

在一个更具体的实施例中，按照前述方法针对三个波长λ₁=450nm，λ₂=550nm，λ₃=650nm的入射光来设计本发明的反射式光学元件，中心波长取λ₀=550nm，在进行厚度优化算法时，需要根据每一等效调制深度获得对应的一系列备选调制深度，可以根据微加工工艺水平将备选调制深度被限制在预定的深度范围内。在本实施例中，可以限制该反射式光学元件对中心波长λ₀的最大调制相位为12π，也就是限制了该反射式光学元件的最大可能深度，由此获得的反射式光学元件的最大深度约为1.65μm。这时反射式光学元件对于三个波长的分色聚焦的光学效率理论上分别为72%，85%，83%。

图6示出了刻蚀后获得的反射式光学元件的反射面的形貌图，其最大深度在1.65μm左右。该反射式光学元件的有效区域约2cm×1cm，可以十分方便地应用于各种需要分色聚焦的场合。图7示出了这三个波长的入射光经该反射式光学元件的反射面反射后在出射面板上的光强分布图。三个波长的入射光分别聚焦在三个不同位置，表明该反射式光学元件分色聚焦的效果很好。

上述方法的第一实施例中，实际上是根据现有技术中已知的常规反射聚焦镜和常规反射式闪耀光栅的设计参数，如公式（1）和（2）所示的深度分布，获得按照本发明的反射式光学元件的整体的初始深度分布，如公式（3）所示。然后，再针对每一个波长，由该初始深度分布获得在相位调制方面等效的等效调制深度，如公式（4）所示；即将反射式光学元件整体上“变浅”。最后，对多个波长的多个等效调制深度用“厚度优化算法”进行优化，以获得最终的设计调制深度。

在按照本发明方法的第二实施例中，也可以基于相位恢复算法如杨顾算法等，根据预定的入射光和所要求的出射光分布（该出射光分布在本发明中为分色且聚焦），通过数值迭代运算，求得各个采样点x处的调制相位Φ_1α，再根据反射式光学元件的调制相位与调制深度之间的关系：

Φ=4πh/λ_α           （5）

则可获得调制深度分布h_α(x)。具体可以参考中国专利No.201110351978.9中公开的计算调制厚度的方法，本发明中的调制深度对应于该专利中的调制厚度。在利用相位恢复算法获得调制深度之后，将该调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度h_DOE2(x)。相比于第一实施例，该实施例中实际上是用基于相位恢复算法获得的调制深度来替代第一实施例中根据已知光学元件的设计参数获得的等效调制深度。

需要理解的是，在该第二实施例中，基于相位恢复算法获得的调制相位Φ_1α通常已经在[0，2π）的范围内，这样的调制相位针对对应波长的调制深度已经符合公式（4）的要求，因此不再需要像第一实施例中那样再利用公式（4）获得对应的等效调制深度。换句话说，在第二实施例中的调制深度已经等同于第一实施例中的等效调制深度。

在第二实施例中进行厚度优化算法时，是根据所获得的调制深度h_α(x)进而获得一系列备选调制深度，并且这一系列备选调制深度对应的一系列调制相位相互之间相差2π的整数倍。这一系列备选调制深度可以被限制在预定的深度范围内。

在按照本发明的第三实施例中，也可以基于公式（1）确定的反射聚焦镜的深度分布h_c(x)，按公式（4）的方式将其变浅获得针对反射聚焦镜的等效调制深度分布h_αc(x)，然后将等效调制深度h_αc作为厚度优化算法中的调制厚度并通过厚度优化算法获得针对反射聚焦镜的设计调制深度分布h_cD(x)。最后，将该反射聚焦镜的设计深度分布h_cD(x)与由公式（2）确定的反射式闪耀光栅的深度分布h_s(x)进行组合，即可得到所需的反射式光学元件的设计调制深度分布h_DOE3(x)=h_s(x)+h_cD(x)。相比于在第一实施例中将常规反射聚焦镜和常规反射式闪耀光栅的深度作为一个整体进行变浅，该实施例中是先将深度较深的常规反射聚焦镜的深度变浅，再将其深度用厚度优化算法进行优化，最后再加上原本已经较浅的常规反射式闪耀光栅的深度组合作为所需的反射式光学元件的设计调制深度。

在第三实施例中进行厚度优化算法时，是根据所获得的反射聚焦镜的等效调制深度h_αc(x)进而获得一系列备选调制深度，并且这一系列备选调制深度对应的一系列调制相位相互之间相差2π的整数倍。这一系列备选调制深度可以被限制在预定的深度范围内。

在按照本发明的第四实施例中，还可以基于公式（1）确定的反射聚焦镜的深度分布h_c(x)，按公式（4）的方式将其变浅获得针对反射聚焦镜的等效调制深度分布h_αc(x)，然后将针对反射聚焦镜的该等效调制深度分布h_αc(x)与由公式（2）确定的反射式闪耀光栅的深度分布h_s(x)进行组合，即可得到所需的反射式光学元件的初始调制深度分布h₀(x)=h_s(x)+h_cD(x)。再将初始调制深度h₀作为厚度优化算法中的调制厚度并通过厚度优化算法获得设计调制深度分布h_DOE4(x)。相比于第三实施例中，在本实施例中实际上是将反射聚焦镜变浅后的深度与反射式闪耀光栅的深度进行组合之后再对组合的深度用厚度优化算法进行优化。

在第四实施例中进行厚度优化算法时，是根据所获得的初始调制深度h₀(x)进而获得一系列备选调制深度，并且这一系列备选调制深度对应的一系列调制相位相互之间相差2π的整数倍。这一系列备选调制深度可以被限制在预定的深度范围内。

在上述各个实施例中进行厚度优化算法时，用于限制备选调制深度的预定的深度范围可以如第一实施例那样根据微加工工艺水平来选择。

在本发明中，反射式光学元件的反射面可以由多类金属材料制成，如银、铝、铜等。可以在反射面的凸凹表面上沉积一层透明保护层，用于增强其分色聚焦的稳定性，同时还可以提高反射式结构的相位调制能力。在一个实施例中，也可以通过在普通材料的表面刻蚀具有设计调制深度分布的凸凹表面，并在该凸凹表面镀制一层反射膜作为反射式光学元件的反射面。

在仪器设备中，信号的分色和聚焦是一个基本功能需求，一般采用多个元件组合来实现信号的分离。按照本方案，采用单个元件实现对信号的分离并聚焦到空间不同位置，对于实现器件集成化、微型化有非常重要的作用。

按照本发明的方法设计的反射式光学元件进行分色和聚焦时，分析表明，在可见光波段，按照本发明各个实施例所获得的反射式光学元件，其平均分色聚焦效率至少达到80%以上甚至可以达到89%。这比中国专利No.201110351978.9公开的透射式结构的衍射光学元件的理论衍射效率为79%（此处的理论衍射效率并没有考虑反射损失，实际的衍射效率应该低于79%）相比，进一步提高了分色聚焦的光学效率。因此使得可以有更多的太阳能被利用，从而使得分色聚焦的反射式光学元件在太阳能电池中有了进一步的应用价值。

在本发明的太阳能电池中，反射式光学元件用于将入射太阳光按照选定的多个波长（λ_α，α=1-N_λ）分色且聚焦到同一输出平面不同位置。多种半导体材料放置在输出平面上相应聚焦位置，这些半导体材料分别用于吸收对应波段的太阳光。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (12)

1.一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法用于获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度，对于所述反射面的每个采样点，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，采用相位恢复算法获得所述反射式光学元件的当前采样点处的针对该波长的调制深度；对于所述多个波长，相应地获得多个调制深度；

步骤二：将所述调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。

2.一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法基于用于对所述包含多个波长的入射光进行分色的反射光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的深度来获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度；

对于所述反射面的每个采样点，所述设计方法包括：

步骤一：将当前采样点处所述反射光栅的深度与所述反射聚焦镜的深度之和作为所述反射式光学元件的初始深度；

步骤二：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反射式光学元件的所述初始深度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制深度；所述等效调制深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深度；

步骤三：将所述等效调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。

3.一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法基于用于对所述包含多个波长的入射光进行分色的反射光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的深度来获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度；

对于所述反射面的每个采样点，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反射聚焦镜的深度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制深度，所述等效调制深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深度；

步骤二：将所述等效调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射聚焦镜的对应采样点处的设计调制深度；

步骤三：将所述反射聚焦镜的设计调制深度加上当前采样点处所述反射光栅的深度以获得所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。

4.一种用于分色聚焦的反射式光学元件的设计方法，所述反射式光学元件具有一能够对包含有多个波长的入射光按照波长进行分色且聚焦的反射面，所述反射面为从一基准面向下凹入不同深度的凸凹表面；所述设计方法基于用于对所述包含多个波长的入射光进行分色的反射光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的反射聚焦镜的深度来获得所述反射面的多个采样点处的设计调制深度；

对于所述反射面的每个采样点，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反射聚焦镜的深度获得针对对应波长在相位调制方面等效的等效调制深度，所述等效调制深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深度；

步骤二：将所述多个等效调制深度分别加上当前采样点处所述反射光栅的深度，以对应地获得当前采样点处的多个初始调制深度；

步骤三：将所述初始调制深度作为厚度优化算法中的调制厚度并利用厚度优化算法确定所述反射式光学元件的对应采样点处的设计调制深度。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的设计方法，其特征在于，根据权利要求1中的所述调制深度或根据权利要求2-4中的所述等效调制深度针对对应波长的调制相位的范围为[0，2π）。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的设计方法，其特征在于，所述厚度优化算法包括根据权利要求1中的所述调制深度、或根据权利要求2和3中的所述等效调制深度、或根据权利要求4中的所述初始调制深度获得一系列备选调制深度；所述一系列备选调制深度对应的一系列调制相位相互之间相差2π的整数倍；其中，所述备选调制深度被限制在预定的深度范围内。

7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述预定的深度范围根据微加工工艺水平来选择。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的设计方法，其特征在于，所述反射光栅为反射式闪耀光栅，其将所述多个波长中的各个波长的入射光分别集中在预定的单个衍射级上。

9.一种按照权利要求1-8中任一项所述的设计方法设计的反射式光学元件。

10.根据权利要求9所述的反射式光学元件，其特征在于，所述反射式光学元件是用微加工方法制成的。

11.一种反射式光学元件，用于对包含有多个波长的入射光进行分色聚焦，所述反射式光学元件由在反射聚焦镜的反射面上沿深度方向刻蚀出一反射式闪耀光栅形成。

12.一种太阳能电池，包括：

如权利要求9-11中任一项所述的反射式光学元件，用于将太阳光按照选定的多个波长分色且聚焦到一输出面上；

与所述选定的多个波长对应的多种半导体材料，每一种半导体用于吸收对应波长附近的太阳光，所述多种半导体材料分别设置在所述输出面的对应波长的聚焦区域处。

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