CN106443851B - 一种分色聚焦位置独立可调的衍射光学元件及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分色聚焦位置可调的衍射光学元件及其设计方法，涉及光学领域。本发明的设计方法包括：对于每一个波长，根据当前采样点处聚焦透镜的厚度获得针对对应波长的等效调制厚度；将多个等效调制厚度分别加上当前采样点处光栅的厚度，获得多个初始调制厚度；所述光栅均为对于每一个波长的相应的闪耀光栅，所述光栅对于每一个波长设计不同的棱镜角度，所述棱镜角度的值根据每一个波长的聚焦位置获得；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。本发明提供的衍射光学元件，物理模型简单、计算快速且普遍适用，可以提高光学聚焦效率，在输出平面上，可任意调控分色聚焦位置。

Description

一种分色聚焦位置独立可调的衍射光学元件及其设计方法

技术领域

本发明涉及光学领域，特别是涉及一种分色聚焦位置可调的衍射光学元件及其设计方法。

背景技术

太阳能电池作为太阳能利用的重要载体，其原理是利用光伏材料吸收太阳光将光能转化为电能。每节光伏电池都有其特定的光谱响应，主要是由光伏材料本身决定的。当入射光子的能量大于光伏材料的能带隙时，能带隙将部分光能转换为电荷载流子，超出能带隙的能量将以热量的形式消耗；当入射光子的能量小于光伏材料的能带隙时，入射光子不能被材料吸收，转换效率为零。一般来说，市场上大规模应用的太阳能电池多为基于晶体硅材料制作的单节太阳能电池，由于单结电池只能对能量与其能带隙对应的光子实现有效转换，因此转换效率不高，电池效率大约在11～15％，且系统笨重，占地面积大。新一代太阳能电池一一多结叠层电池，按照光伏材料的能带隙由高到低的顺序将各子电池自上而下的串联组成，通过对太阳光谱进行分波段吸收，其效率比单结太阳能电池效率提高了近3倍。由于多节叠层太阳能电池的制作成本非常昂贵，难以实现地面上大规模的应用，目前主要应用于太空领域。造成多结叠层太阳能电池价格昂贵的主要原因有以下两点。第一：不同多晶材料在堆叠的过程中需要严格的晶格匹配，加工工艺复杂，且对材料的选择造成极大的限制；第二：串联子电池间需要严格的电流匹配。

为了进一步提高太阳能电池的转换效率，降低太阳能电池的生产成本，近年来，人们提出了一种横向多结电池。通过将太阳光谱分成不同波段并分别照射到并排放置的光伏材料上，可以实现太阳能电池对整个太阳光谱的分波段高效吸收。与多结叠层电池自上而下垂直堆叠的结构不同的是，横向多结电池采用的是并排放置的结构，无需考虑晶格匹配和电流匹配，同时，由于材料可选性的增多，其光电转换效率也得到了进一步的提高。在多结横向太阳能电池中，通过加入分色光学元件，将太阳光谱分成多个波段。常见的分色元件包括：棱镜、二向色镜、滤波器、全息镜、衍射光学元件等。实际上，除了对太阳光谱进行分色之外，如能对入射的太阳光进行聚焦，可减少昂贵电池材料的使用，节约太阳能电池的成本。在上述所提到的分光元件中，衍射光学元件可以同时实现分色和聚焦两个功能，从而克服了由于多个光学元件的组合所带来的光学损失和对准误差。

本申请人在中国发明专利申请No.201210482517.X的题为“基于常规光学元件设计衍射光学元件的方法”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“厚度优厚算法”来提高所设计的衍射光学元件的衍射效率。在此，也全文引用该申请作为参考。该设计方法包括：

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。

其中所谓的“厚度优厚算法”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，其设计的衍射光学元件的光学聚焦效率仍需要进一步提高，以进一步提高太阳能电池的转换效率，降低太阳能电池的生产成本。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种分色聚焦位置可调的衍射光学元件，以进一步提高光学聚焦效率，进而提高太阳能电池的转换效率，降低太阳能电池的生产成本。

本发明的另一个目的是要提供一种分色聚焦位置可调的衍射光学元件的设计方法。

特别地，本发明提供了一种分色聚焦位置可调的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衍射光学元件的对应多个采样点处的设计调制厚度；所述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；所述光栅均为对于所述多个波长中的每一个波长的相应的闪耀光栅，所述光栅对于所述多个波长中的每一个波长设计不同的棱镜角度，所述棱镜角度的值根据所述多个波长中的每一个波长的聚焦位置获得；

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。

进一步地，所述衍射光学元件是由对所述多个波长中的每一个波长的入射光进行分色的具有预设棱镜角度的闪耀光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的菲涅耳透镜构成的光学元件。

进一步地，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)。

进一步地，入射光中所述多个波长中的每一个波长的光在输出面上的聚焦位置为：

x_i(λ_i)＝ftan[arcsin(n(λ_i)sinθ(λ_i))-θ(λ_i)]

其中θ(λ_i)表示对应于波长为λ_i的入射光的棱镜角度，x_i(λ_i)表示对应于波长为λ_i的入射光的横向位置坐标，n(λ_i)表示波长为λ_i(i＝1，2，3，...)时棱镜的折射率，f表示棱镜的焦距。

进一步地，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。

进一步地，所述衍射光学元件采用的二元掩膜技术进行曝光，并利用光刻技术进行刻蚀，形成台阶状的轮廓分布。

进一步地，所述预定的厚度范围根据光刻加工工艺水平来确定。

本发明还提供了一种按照如前所述的设计方法设计的分色聚焦位置可调的衍射光学元件。

进一步地，所述衍射光学元件是用光刻方法制成的。

进一步地，所述衍射光学元件是由对所述多个波长中的每一个波长的入射光进行分色的具有预设棱镜角度的闪耀光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的菲涅耳透镜的组合。

本发明提供的衍射光学元件对入射光中的每个设计波长，独立设计其闪耀光栅，从而各设计波长的分色聚焦位置可以任意独立调控，且对每个设计波长，闪耀光栅均具有100％的衍射效率，经过厚度优化算法综合的衍射光学元件可望获得更高的光学聚焦效率，进而提高太阳能电池的转换效率，降低太阳能电池的生产成本。

本发明提供的设计高效率分色聚焦衍射光学元件的方法，物理模型简单、计算快速且普遍适用。模拟计算结果表明，利用本发明所设计的衍射光学元件不仅成功实现了预定的分色和聚焦的功能，而且还获得了超高的衍射聚焦效率。相比于现有的设计方法，本发明具有以下两点优势：第一，元件的聚焦效率得到了很大的提高；第二，在输出平面上，可任意调控分色聚焦位置。由于所设计的分色聚焦衍射光学元件可以利用现代光刻技术进行加工，可望在高效率太阳能电池、消色差系统及光互联系统中得到广泛的运用。

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是按照本发明的方法将块体棱镜和透镜设计为分色聚焦光学元件的示意图；

图2是按照本发明的方法将菲涅耳透镜和闪耀光栅设计为分色聚焦光学元件的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的闪耀光栅的角度分别为θ(λ₂)＝0，的衍射光学元件的表面轮廓示意图；

图4是根据图3所示的衍射光学元件输出平面上的光强分布图；

图5是对所有设计波长采用同一闪耀光栅，闪耀光栅的角度为：β＝π/120 的衍射光学元件的表面轮廓示意图；

图6是根据图5所示的衍射光学元件输出平面上的光强分布图；

图7是根据本发明一个实施例的闪耀光栅的角度分别为：θ(λ₁)＝-π/800，θ(λ₂)＝π/600，θ(λ₃)＝0的衍射光学元件的表面轮廓示意图；

图8是根据图7所示的衍射光学元件输出平面上的光强分布图。

具体实施方式

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。

本发明提供的一种分色聚焦位置可调的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衍射光学元件的对应多个采样点处的设计调制厚度；所述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；所述光栅均为对于所述多个波长中的每一个波长的相应的闪耀光栅，所述光栅对于所述多个波长中的每一个波长设计不同的棱镜角度，所述棱镜角度的值根据所述多个波长中的每一个波长的聚焦位置获得；

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。

图1是按照本发明的方法将块体棱镜和透镜设计为分色聚焦光学元件的示意图。如图1所示为分束聚焦衍射光学元件的设计概念图，众所周知，透镜能够实现光束聚焦，棱镜能够产生一个倾斜的相位因子，导致光束的离轴聚焦，实现分色功能。透镜的厚度表示为

h_r(x，λ_i)＝-x²/{2[n(λ_i)-1]f} (1)

其中，x表示横向位置坐标，n(λ_i)表示波长为λ_i(i＝1，2，3，...)时透镜的折射率，f表示透镜的焦距。棱镜的厚度表示为

h_p(x，λ_i)＝tan[θ(λ_i)]x (2)

其中θ(λ_i)表示棱镜的倾斜角度。通过改变棱镜的倾斜角度来控制不同波长入射光的聚焦位置。根据公式(1)和公式(2)，对波长为λ_i的入射光来说，组合后的分色聚焦光学元件的厚度可以表示为：

h_b(x，λ_i)＝h_r(x，λ_i)+h_p(x，λ_i) (3)

在图1中对于三个设计波长λ_i(i＝1，2，3，...)，任意选取三个不同的倾斜角度θ(λ_i)，这三个波长的光将分别聚焦在输出面上的不同位置。当然地，本发明并不限于这三个设计波长的倾斜角，其可以是对入射光中所述多个波长中的每一个波长分别选取适当的倾斜角度，所述棱镜的倾斜角度(即棱镜角度) 的值根据所述多个波长中的每一个波长的聚焦位置获得。

根据几何光学，波长为λ_i的入射光，其在输出面上的横向聚焦位置为：

x_i(λ_i)＝ftan[arcsin(n(λ_i)sinθ(λ_i))-θ(λ_i)] (4)

其中θ(λ_i)表示对应于波长为λ_i的入射光的棱镜角度，x_i(λ_i)表示对应于波长为λ_i的入射光的横向位置坐标，n(λ_i)表示波长为λ_i(i＝1，2，3，...)时棱镜的折射率，f表示棱镜的焦距。特别地，当θ(λ_i)＝0时，即不加棱镜，输出面上的聚焦位置为x_i(λ_i)＝0。

在衍射光学中，由于超过2π的相位对于元件的性能并无实质影响，即可以将厚透镜变薄为菲涅耳透镜，将棱镜变薄为闪耀光栅。在本发明中的衍射光学元件是由对所述多个波长中的每一个波长的入射光进行分色的具有预设棱镜角度的闪耀光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的菲涅耳透镜构成的光学元件，当然地，也可以是未进行变薄处理的厚透镜和棱镜构成的光学元件，只是其厚度较厚，加工更加困难。

在将厚透镜变薄为菲涅耳透镜，将棱镜变薄为闪耀光栅过程中，对于波长为λ_i的入射光来说，2π相位所对应的调制厚度为Δh_i＝λ_i/[n(λ_i)-1]。将透镜和棱镜中超过Δh_i的厚度去掉后，可以得到菲涅耳透镜厚度及闪耀光栅厚度，分别为：

h_F1(x，λ_i)＝mod[(h_b)，Δh_i)]，

h_g(x，λ_i)＝mod[h_p(x，λ_i)，Δh_i)]，

其中，mod[A，B]表示求余函数，其计算结果应在[0，B]的范围内。此时，两者叠加而成的元件厚度在[0，2*Δh_i]的范围之内，如图2所示。图2即为按照本发明的方法将菲涅耳透镜和闪耀光栅设计为分色聚焦光学元件的示意图。

当然，我们还可以将图2中的衍射光学元件进一步变薄，得到波长为λ_i的入射光的初始厚度为：

与图1中的元件相比，变薄后的元件可以实现完全相同的光学功能，但厚度大大减小，即为衍射光学元件。

由于太阳能系统是一个多色系统，针对多个设计波长而言，需要将公式(5) 中的多个初始厚度综合成衍射光学元件的唯一最优厚度。如果衍射光学元件的最大允许厚度为h_max，该数值通常由加工技术决定。本发明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。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。

对每一个设计波长λ_i，根据其在当前采样点处的厚度通过增加2π相位对应的厚度Δh_i可以获得一组等效的调制厚度l＝1，2，3，...且 l的最大值满足h_i≤h_max。对于m个设计波长来说，可以获得m组等效调制厚度。在每一组调制厚度中任意选取一个厚度，一共可得到m个厚度，其中任意两个厚度之间的误差为Δ_ij＝|h_i-h_j|。为找出最优化的m个调制厚度，定义误差函数并求出该误差函数的最小值，此时得到的 h₁，h₂，...h_m之间的差异最小。优化后的衍射光学元件的厚度为

在公式(6)中，h_c可能为任何连续的数值，故称为连续厚度分布。该分色聚焦衍射光学元件，通常采用的二元掩膜技术进行曝光，并利用光刻技术进行刻蚀，形成台阶状的轮廓分布。假设衍射光学元件的最大厚度是h_max，量化的级数为N，，则每一级台阶的刻蚀深度为Δh＝h_max/N，量化后的元件厚度为

其中Int(R)表示不大于实数R的最大整数。

一旦完成了衍射光学元件的设计，即其厚度分布确定h_q时，输入平面的光场分布为：

其中，x₁表示输入平面上采样点的横向位置坐标，n(λ_i)为元件的折射率，h_q(x₁)表示衍射光学元件的厚度。需要注意的是，这里我们忽略了衍射光学元件表面的反射损失。当输出面的距离足够远时，由菲涅尔衍射积分公式可得到输出平面的场分布：

其中，x₂表示输出平面上采样点的横向位置坐标，为菲涅尔衍射积分因子，

为定量表征分色聚焦衍射光学元件的性能，对波长为λ_i的入射光，定义其衍射聚焦效率为输出面的聚焦区域内的光功率与输入面上的入射光功率之比，即：其中x_i表示波长为λ_i的入射光所对应的分色聚焦位置，可由公式(4)得到，而d则表示聚焦区域的宽度。所以，衍射光学元件的平均光学聚焦效率可表示为：

本发明提供的衍射光学元件对入射光中的每个设计波长，独立设计其闪耀光栅，从而各设计波长的分色聚焦位置可以任意独立调控，且对每个设计波长，闪耀光栅均具有100％的衍射效率，经过厚度优化算法综合的衍射光学元件可望获得更高的光学聚焦效率，进而提高太阳能电池的转换效率，降低太阳能电池的生产成本。

本发明还提供了最终按照前述设计方法设计的分色聚焦位置可调的衍射光学元件。所述衍射光学元件是由对所述多个波长中的每一个波长的入射光进行分色的具有预设棱镜角度的闪耀光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的菲涅耳透镜的组合。所述衍射光学元件是用光刻方法制成的。

为验证本发明提供的衍射光学元件相对于现有技术中未分别考虑光栅倾斜角度的衍射光学元件的优势，选定如下参数设计了分色聚焦衍射光学元件。

三个设计波长依次为：λ₁。0.45μm，λ₂＝0.55μm，λ₃＝0.65μm；中心波长为：λ₀＝0.55μm；总波长数m＝3；输出平面与输入平面之间的距离为： f＝800mm；定义长度单位为输入平面与输出平面的尺寸为32l₀≈21.23mm，且均分为2048个采样点，每个采样点的尺寸为 21.23mm÷2048＝10.36μm。为了让两种方法得到的结果具备可比性，假定两种情况下输出面上三个设计波长之间分开的距离相同，均为1.75mm.为此，在新的设计方法中，光栅角度分别选为：θ(λ₁)＝π/660，θ(λ₂)＝0，θ(λ₃)＝-π/660；在原来的设计方法中，光栅的角度选为：β＝π/120；衍射光学元件的材料为熔融石英，折射率为n＝1.46，聚焦区域的积分宽度为： d＝2×l₀＝1.32mm，衍射光学元件的量化级次为32级，最大允许相位(相对于中心波长)为12π。

首先，利用上述设计方法对衍射光学元件进行了设计，其表面轮廓如图3 所示，其中插图放大了局部轮廓。然后，利用菲涅尔衍射积分公式计算了各设计波长入射情况下输出平面上的光强强度分布，其中点划线、虚线和实线分别对应入射波长为0.45μm，0.55μm和0.65μm的情况，如图4所示，其中|U₂|²表示输出平面的强度分布；X₂表示输出平面上横向位置坐标。从图中可以看出，在输出平面上，三个设计波长都能很好地实现聚焦功能，且聚焦光斑彼此分开。数值计算结果表明，对0.45μm，0.55μm和0.65μm的入射光，实际聚焦位置分别为1.75mm，0.00mm和-1.75mm，与设定的聚焦位置相同；三个波长的衍射聚焦效率分别为：58.65％，68.27％和76.51％，平均聚焦效率为： 67.81％。

与之形成对比的是，利用原来的设计方法设计了分色聚焦衍射光学元件，其表面轮廓如图5所示，其中插图放大了局部轮廓。图6给出了输出平面上的光强分布图，其中点划线、虚线和实线分别对应入射波长为0.45μm，0.55μ m和0.65μm的情况，它们的实际聚焦位置分别为：-7.88，-9.63和-11.38mm，三个波长之间分开的距离为1.75mm，三个波长对应的衍射聚焦效率分别为： 49.11％，62.91％和61.63％，元件的平均聚焦效率为：57.88％.很显然，相对于采用原来方法设计的衍射光学元件，采用新方法设计的分色聚焦衍射光学元件在聚焦效率上提高了67.81％-57.88％＝9.93％。对比图4和图6可以看出，相对于原来方法所设计的衍射光学元件，利用本发明所设计的衍射光学元件在输出平面上具有更大的峰值光强。

为验证利用新方法设计的衍射光学元件可以实现聚焦位置任意可调，对设计波长λ₁＝0.45μm，λ₂＝0.55μm，λ₃＝0.65μm，对应的光栅倾角分别选定为θ(λ₁)＝-π/800，θ(λ₂)＝π/600，θ(λ₃)＝0.图7为所设计的衍射光学元件轮廓示意图，其中的插图为局部轮廓放大图。对所设计的分色聚焦衍射光学元件，采用菲涅耳衍射积分方法对其性能进行了模拟，图8给出了输出平面上的光强分布图。数值计算结果表明，波长为0.45μm，0.55μm，0.65μm的入射光在输出平面上的聚焦位置分别为：-1.45mm，1.93mm，0mm，这与由公式(4) 计算的预定聚焦位置完全一致；三个入射波长对应的聚焦效率分别为：76.68％， 59.93％和54.94％，衍射光学元件的平均聚焦效率为63.85％.从模拟计算结果可以看出，采用新方法所设计的衍射光学元件，一方面，输出平面上的分色聚焦位置不再按照波长顺序排列；另一方面，各波长所对应的分色聚焦位置之间的距离也不再相等，而是可以任意调控。

本发明提供的设计高效率分色聚焦衍射光学元件的方法，物理模型简单、计算快速且普遍适用。模拟计算结果表明，利用本发明所设计的衍射光学元件不仅成功实现了预定的分色和聚焦的功能，而且还获得了超高的衍射聚焦效率。相比于现有的设计方法，本发明具有以下两点优势：第一，元件的聚焦效率得到了很大的提高；第二，在输出平面上，可任意调控分色聚焦位置。由于所设计的分色聚焦衍射光学元件可以利用现代光刻技术进行加工，可望在高效率太阳能电池、消色差系统及光互联系统中得到广泛的运用。

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 (10)

1.一种分色聚焦位置独立可调的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衍射光学元件的对应多个采样点处的设计调制厚度；所述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；所述光栅均为对于所述多个波长中的每一个波长的相应的闪耀光栅，所述光栅对于所述多个波长中的每一个波长设计不同的棱镜角度，所述棱镜角度的值根据所述多个波长中的每一个波长的聚焦位置独立获得；

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衍射光学元件的对应采样点处的设计调制厚度。

2.根据权利要求1所述的衍射光学元件的设计方法，其特征在于，所述衍射光学元件是由对所述多个波长中的每一个波长的入射光进行分色的具有预设棱镜角度的闪耀光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的菲涅耳透镜构成的光学元件。

3.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件的设计方法，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1或2所述的衍射光学元件的设计方法，其特征在于，入射光中所述多个波长中的每一个波长的光在输出面上的聚焦位置为：

x_i(λ_i)＝f tan[arcsin(n(λ_i)sinθ(λ_i))-θ(λ_i)]

其中θ(λ_i)表示对应于波长为λ_i的入射光的棱镜角度，x_i(λ_i)表示对应于波长为λ_i的入射光的横向位置坐标，n(λ_i)表示波长为λ_i(i＝1，2，3...)时棱镜的折射率，f表示棱镜的焦距。

5.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件的设计方法，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。

6.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件的设计方法，其特征在于，所述衍射光学元件采用的二元掩膜技术进行曝光，并利用光刻技术进行刻蚀，形成台阶状的轮廓分布。

7.根据权利要求5所述的衍射光学元件的设计方法，其特征在于，所述预定的厚度范围根据光刻加工工艺水平来确定。

8.一种按照权利要求1所述的设计方法设计的分色聚焦位置独立可调的衍射光学元件。

9.根据权利要求8所述的衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件是用光刻方法制成的。

10.根据权利要求8或9所述的衍射光学元件，其特征在于，所述衍射光学元件是由对所述多个波长中的每一个波长的入射光进行分色的具有预设棱镜角度的闪耀光栅和用于对分色后的入射光进行聚焦的菲涅耳透镜的组合。