[發(fā)明專利]單片式光學(xué)元件以及單片式衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210480434.7
• 申請(qǐng)日: 2012-11-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102981194A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊國(guó)楨;王進(jìn)澤;葉佳聲;黃慶禮;孟慶波;張巖;張東香;張秋琳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院物理研究所
• 主分類號(hào): G02B5/18
• 分類號(hào): G02B5/18;G02B27/00;H01L31/052
• 代理公司: 北京智匯東方知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11391
• 代理人: 范曉斌;張群峰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種單片式光學(xué)元件以及單片式衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

太陽(yáng)能是一種無(wú)污染、取之不盡的可再生能源，對(duì)太陽(yáng)能利用的一種重要方式就是采用太陽(yáng)能電池把光能轉(zhuǎn)化成電能。太陽(yáng)能電池的主要原理，以半導(dǎo)體為例，是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)去吸收太陽(yáng)光的能量并轉(zhuǎn)換成電能。當(dāng)前制約太陽(yáng)能廣泛利用的兩個(gè)主要因素就是低光電轉(zhuǎn)換效率和高成本。目前，主要通過(guò)對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行聚焦以減少使用昂貴的太陽(yáng)能電池材料的方式來(lái)降低成本。而在實(shí)際的使用中，由于不同半導(dǎo)體材料具有的帶隙結(jié)構(gòu)不同，能量低于帶隙的光無(wú)法被吸收轉(zhuǎn)換成電能，能量高于帶隙的光雖然被吸收，但超過(guò)帶隙的那部分能量將以熱的形式被浪費(fèi)掉，因此，采用單一帶隙的半導(dǎo)體材料的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率較低。為此，還需采用分色方案，即采用不同帶隙的半導(dǎo)體材料來(lái)分別吸收轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光各個(gè)波段的能量，是實(shí)現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)換效率的重要途徑。

基于以上思想，對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行分色和聚焦，是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能高效率、低成本的重要途徑。就分色而言，目前世界上主要有兩類研究方案，即串聯(lián)（又稱為“級(jí)聯(lián)”）和并聯(lián)（又稱為“橫向”）方式。在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，沿垂直方向自下往上依次生長(zhǎng)不同的半導(dǎo)體材料，它們的帶隙能量逐漸增加，這種方式在業(yè)界通常稱為“串聯(lián)多結(jié)電池”。同時(shí)，還需要再提供一個(gè)高倍聚焦的光學(xué)系統(tǒng)以降低成本。這種“串聯(lián)”方案的缺點(diǎn)在于，不同半導(dǎo)體層之間需要考慮晶格匹配，不僅材料選擇性降低，而且材料之間需要具有隧道結(jié)，這需要采用分子束外延等技術(shù)進(jìn)行生長(zhǎng)，對(duì)工藝要求很高；此外，由于不同帶隙的半導(dǎo)體之間串聯(lián)連接，在實(shí)際工作時(shí)還需要電流匹配，效率亦有所損失。并聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠克服上述缺點(diǎn)，因而得到了更多關(guān)注。并聯(lián)結(jié)構(gòu)是指采用光學(xué)系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)光同時(shí)實(shí)現(xiàn)分色和聚焦，使不同波段的太陽(yáng)光聚焦到不同的區(qū)域，然后在對(duì)應(yīng)區(qū)域上放置對(duì)該波段能量轉(zhuǎn)換效率最高的半導(dǎo)體材料，各半導(dǎo)體材料獨(dú)立工作。

目前已知的并聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案主要有兩種，第一種是利用二相色鏡（Dichroic?mirror）對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行分色，將太陽(yáng)光分成長(zhǎng)波和短波兩個(gè)波段成分。為獲得較高的分色效率，這種二相色鏡通常需要鍍膜達(dá)到十幾層、甚至幾十層，技術(shù)上很困難。第二種是用透鏡加棱鏡組合分光的方案，這種方案使得光學(xué)器件體積龐大。目前存在的并聯(lián)結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)在于光學(xué)系統(tǒng)的成本會(huì)非常高。

本申請(qǐng)人在中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)No.201110351978.9的題為“一種衍射光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法和在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用”中公開(kāi)了一種能夠?qū)Π鄠€(gè)波長(zhǎng)的入射光同時(shí)進(jìn)行分色和聚焦的衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其中使用了所謂的“厚度優(yōu)化算法”來(lái)提高所設(shè)計(jì)的衍射光學(xué)元件的衍射效率。在此也全文引入該申請(qǐng)作為參考。該設(shè)計(jì)方法包括：

步驟一：對(duì)于每一個(gè)波長(zhǎng)計(jì)算衍射光學(xué)元件當(dāng)前采樣點(diǎn)處的針對(duì)該波長(zhǎng)的調(diào)制厚度；由此對(duì)于多個(gè)波長(zhǎng)相應(yīng)地獲得多個(gè)調(diào)制厚度；

步驟二：對(duì)于每個(gè)調(diào)制厚度獲得一系列相互等效的備選調(diào)制厚度；

步驟三：從每個(gè)波長(zhǎng)的備選調(diào)制厚度中選擇一個(gè)調(diào)制厚度，根據(jù)所選的對(duì)應(yīng)所述多個(gè)波長(zhǎng)的多個(gè)調(diào)制厚度來(lái)確定衍射光學(xué)元件的當(dāng)前采樣點(diǎn)的設(shè)計(jì)調(diào)制厚度。

其中的步驟二和步驟三就是“厚度優(yōu)化算法”，其實(shí)質(zhì)上是擴(kuò)展了調(diào)制厚度的可選范圍，并在擴(kuò)展的可選范圍內(nèi)選擇一個(gè)能夠更好地對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行折衷的設(shè)計(jì)調(diào)制厚度。

在該專利申請(qǐng)中，在步驟一中需要利用楊顧算法等方法來(lái)獲得調(diào)制厚度，這通常需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序并通過(guò)大量的迭代過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是一個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程。而且，其計(jì)算過(guò)程和結(jié)果還可能受到迭代過(guò)程的初始賦值的影響。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的至少一個(gè)缺陷，本發(fā)明的一個(gè)目的是在于提供一種單片式光學(xué)元件。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于該單片式光學(xué)元件設(shè)計(jì)單片式衍射光學(xué)元件的方法。本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種基于常規(guī)光學(xué)元件設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件的方法。

按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種單片式光學(xué)元件，用于對(duì)包含多個(gè)波長(zhǎng)的入射光進(jìn)行分色和聚焦，其包括一體成型的用于對(duì)所述入射光進(jìn)行分色的光柵和用于對(duì)分色后的入射光進(jìn)行聚焦的聚焦透鏡的組合。

優(yōu)選地，所述光柵為透射式閃耀光柵，并且所述透射式閃耀光柵構(gòu)造成將各個(gè)波長(zhǎng)的入射光分別集中在預(yù)定的單個(gè)衍射級(jí)上。

所述光柵可以以光刻的方式成形在所述聚焦透鏡的一側(cè)。