用于使光源指向瞄準(zhǔn)的設(shè)備和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用以提供用于使光從光源轉(zhuǎn)向到目標(biāo)上的目的的控制系統(tǒng)的設(shè)備和方法。本發(fā)明意識(shí)到，用于由定日鏡衍射和轉(zhuǎn)向的光的衍射圖案依據(jù)光轉(zhuǎn)向元件如何瞄準(zhǔn)而變化。這意味著，一旦衍射光的瞄準(zhǔn)是已知的，便可精確地確定光轉(zhuǎn)向元件的瞄準(zhǔn)。有利地，指示衍射光瞄準(zhǔn)程度的衍射光的特性可通過(guò)其中傳感器處在不適當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)下的聚集照射區(qū)的之外的位置來(lái)確定。而這意味著，可在安全位置處檢測(cè)衍射光特性，然后，可用此信息來(lái)幫助使光轉(zhuǎn)向元件精確地瞄準(zhǔn)到期望的目標(biāo)（諸如CSP系統(tǒng)中的接收器）上。因此，衍射光的瞄準(zhǔn)是對(duì)瞄準(zhǔn)在接收器處的光束的精確替換。
【專利說(shuō)明】用于使光源指向瞄準(zhǔn)的設(shè)備和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2011 年 3 月 14 日提交的題為 “ROOFTOP CENTRALIZED CONCENTRATEDSOLAR POWER COLLECTION SYSTEM (屋頂集中聚集太陽(yáng)能收集系統(tǒng))”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第 61/465，171 號(hào)、2011 年 3 月 14 日提交的題為 “APPARATUS AND METHOD FOR POINTINGLIGHT SOURCES (用于使光源指向瞄準(zhǔn)的設(shè)備和方法)”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/465，165號(hào)、以及2011年3月16日提交的題為“TIP-TILT TRACKER (翻轉(zhuǎn)-傾斜跟蹤器)”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/465，216號(hào)的權(quán)益，出于所有的目的通過(guò)引用將這些專利申請(qǐng)中的每個(gè)分別以其整體結(jié)合于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及使用衍射信息來(lái)幫助使光轉(zhuǎn)向元件瞄準(zhǔn)在期望的一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)上的控制系統(tǒng)。更具體地，這些策略用于在聚光太陽(yáng)能發(fā)電(CSP, concentrating solarpower)領(lǐng)域中可控制地使定日鏡(heliostat)貓準(zhǔn)。
【背景技術(shù)】
[0004]在現(xiàn)有技術(shù)中，很好地建立了定日鏡在聚集太陽(yáng)能(CSP)領(lǐng)域中的使用。典型的CSP系統(tǒng)包括至少一個(gè)中心塔以及對(duì)應(yīng)于每個(gè)中心塔的多個(gè)定日鏡。該塔以這樣的方式集中，即塔充當(dāng)焦點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的多個(gè)定日鏡在該焦點(diǎn)上共同地將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向并聚集到與塔相關(guān)的目標(biāo)(也稱作焦點(diǎn)或接收器)上。因此，太陽(yáng)光在塔接收器處的聚集在一定的基本限度上直接與和塔相關(guān)的定日鏡的數(shù)量有關(guān)。此種方法將太陽(yáng)能聚集到非常高的等級(jí)，例如為大約1000X或更大的數(shù)量級(jí)(如果期望的話)。在實(shí)際應(yīng)用中，許多系統(tǒng)在50X至5000X的范圍內(nèi)聚集太陽(yáng)光。高度聚集的太陽(yáng)能通過(guò)塔轉(zhuǎn)換成其他有用的能量形式。一種實(shí)踐模式將聚集的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成待直接地或間接地使用的熱(諸如通過(guò)產(chǎn)生蒸汽)，以對(duì)發(fā)電機(jī)、工業(yè)設(shè)備等提供動(dòng)力。在其他實(shí)踐模式中，通過(guò)使用任意數(shù)量的光電裝置(也稱作太陽(yáng)能電池)將聚集的太陽(yáng)能直接地轉(zhuǎn)換成電。
[0005]定日鏡通常包括用于使太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向的鏡或其他適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)裝置、用于保持鏡并允許鏡接合(articulate)的支撐結(jié)構(gòu)、以及用于實(shí)現(xiàn)接合的諸如電機(jī)的致動(dòng)器。在最低限度上，定日鏡必須提供兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，以便使太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向到固定的塔焦點(diǎn)上。定日鏡的鏡可為平的，但是可具有更復(fù)雜的形狀。定日鏡的接合可遵循方位角/仰角方案，鏡通過(guò)該方案圍繞垂直于地球表面的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)方位角并且然后圍繞平行于地球表面的仰角軸線旋轉(zhuǎn)。仰角軸線與方位角旋轉(zhuǎn)耦合，使得仰角的方向是方位角的函數(shù)?？商鎿Q地，定日鏡可利用翻轉(zhuǎn)/傾斜方案接合，其中鏡圍繞平行于地球表面的固定的翻轉(zhuǎn)軸線和另一傾斜軸線旋轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)軸線通常與傾斜軸線正交，但是其旋轉(zhuǎn)軸線根據(jù)翻轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)而傾斜。當(dāng)定日鏡的鏡法向向量(vector,矢量)平行于地球表面的法向向量時(shí)，傾斜軸線平行于地球表面。
[0006]定日鏡指向瞄準(zhǔn)成使得反射的太陽(yáng)光撞擊在中央塔接收器上，該中央塔接收器相對(duì)于定日鏡通常固定在適當(dāng)位置。由于在白天太陽(yáng)相對(duì)于定日鏡的位置而移動(dòng)，因而定日鏡反射器必須適當(dāng)?shù)馗櫶?yáng)以便使所反射的光隨著太陽(yáng)移動(dòng)而瞄準(zhǔn)在接收器上。
[0007]圖1示意性示出了典型的CSP系統(tǒng)403。CSP系統(tǒng)403具有帶有聚焦區(qū)域407的塔405以及將所反射的太陽(yáng)光瞄準(zhǔn)在區(qū)域407上的多個(gè)對(duì)應(yīng)的定日鏡409 (出于說(shuō)明的目的僅不出了其中一個(gè))。由向量411表不的太陽(yáng)光反射離開以由向量415表不的表面法向定向的定日鏡的鏡413。鏡413準(zhǔn)確地瞄準(zhǔn)，使得根據(jù)向量417的反射的太陽(yáng)光大體上沿著定日鏡焦距向量419瞄準(zhǔn)在焦點(diǎn)407上，焦距向量為從定日鏡的鏡413與塔焦點(diǎn)407的瞄準(zhǔn)線。如果鏡413不恰當(dāng)?shù)孛闇?zhǔn)使得向量417未瞄準(zhǔn)在焦點(diǎn)407上，則這兩個(gè)向量將偏離。因此，所反射的光417撞擊在塔焦點(diǎn)407上。為了實(shí)現(xiàn)這樣的狀況，反射定律要求形成在太陽(yáng)光向量411與鏡的法向415之間角度必須等于形成在向量419與鏡法向415之間的角度。此外，全部三個(gè)向量411、415、和419必須位于相同的平面上。利用向量代數(shù)可不出，對(duì)于給定的太陽(yáng)光向量411與焦點(diǎn)向量419而言，存在對(duì)于鏡的法向415的唯一的解，即僅僅為向量411與419的標(biāo)準(zhǔn)平均。
[0008]許多控制策略利用開環(huán)控制、閉環(huán)控制、或者其組合。許多定日鏡控制系統(tǒng)利用基于系統(tǒng)幾何學(xué)與太陽(yáng)位置計(jì)算器的開環(huán)算法，以便確定太陽(yáng)和定日鏡-焦點(diǎn)向量與時(shí)間的關(guān)系。這些計(jì)算產(chǎn)生對(duì)于每個(gè)定日鏡裝置的方位角/仰角或者翻轉(zhuǎn)/傾斜的指令。這樣的控制系統(tǒng)通常假設(shè)定日鏡的位置是靜止的且很好地限定的和/或另外依靠周期性的校準(zhǔn)維護(hù)以校正穩(wěn)定性(settling)以及其他由服役期限導(dǎo)致的移位和偏移。開環(huán)解決方案是有利的，因?yàn)槠洳恍枰魏畏答亗鞲衅鱽?lái)檢測(cè)每個(gè)定日鏡指向瞄準(zhǔn)的確切程度。這些系統(tǒng)僅僅指示每個(gè)定日鏡如何瞄準(zhǔn)并且假設(shè)定日鏡正確地指向瞄準(zhǔn)。主要的缺點(diǎn)在于如果要實(shí)現(xiàn)精度的話開環(huán)系統(tǒng)要求部件以高精度制成。將精度結(jié)合到系統(tǒng)部件中是非常昂貴的。另夕卜，進(jìn)行以足夠的準(zhǔn)確度執(zhí)行開環(huán)計(jì)算所需的精確測(cè)量可能會(huì)是成本過(guò)高的。精度和測(cè)量的花費(fèi)隨著定日鏡場(chǎng)中定日鏡的數(shù)量增加而增大。因此，僅依賴于開環(huán)控制的系統(tǒng)傾向于過(guò)于昂貴。
[0009]閉環(huán)定日鏡控制依賴于來(lái)自能夠測(cè)量期望狀況與實(shí)際狀況之間的區(qū)別或誤差的一個(gè)或多個(gè)傳感器的反饋。然后這些誤差被處理成對(duì)于用于接合(articulate)定日鏡的定日鏡致動(dòng)器的補(bǔ)償信號(hào)，使得反射的太陽(yáng)光撞擊在塔焦點(diǎn)上。閉環(huán)指向瞄準(zhǔn)具有無(wú)需精確的部件或裝置或者系統(tǒng)幾何學(xué)知識(shí)的優(yōu)點(diǎn)。還可使該系統(tǒng)對(duì)服役期移位不那么敏感。對(duì)精度較低的要求意味著這些系統(tǒng)比僅依賴于開環(huán)控制的系統(tǒng)更便宜。對(duì)于較小規(guī)模、商業(yè)屋頂CSP應(yīng)用而言這些優(yōu)點(diǎn)變得更加重要。由于對(duì)在不增加維護(hù)需求的情況下維持隨著時(shí)間的準(zhǔn)確開環(huán)控制的重力負(fù)載的限制的原因，因而這樣的裝置不能提供足夠穩(wěn)定的安裝表面。因此，高度期望的是，這樣的小規(guī)模商業(yè)屋頂裝置利用至少一些程度的閉環(huán)技術(shù)來(lái)跟蹤太陽(yáng)以便是成本有效的并且另外是實(shí)用的。閉環(huán)系統(tǒng)提供使用控制軟件而非主要使用精度的潛在可能性，并且控制比精度低廉得多地執(zhí)行。
[0010]在CSP系統(tǒng)上應(yīng)用閉環(huán)指向瞄準(zhǔn)方法的困難在于，指向瞄準(zhǔn)條件要求兩個(gè)向量的等分而非對(duì)準(zhǔn)單個(gè)向量。這是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樵陬~定(nominal，標(biāo)稱)瞄準(zhǔn)點(diǎn)(即圖1中的鏡法向415)處沒有可用的光學(xué)信號(hào)。CSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)者已設(shè)想反饋傳感器的理想位置是將傳感器布置在反射光束的路徑中，諸如在塔焦點(diǎn)407處。遺憾的是這是不可行的，因?yàn)椴淮嬖诳捎玫膫鞲衅髂軌蚪?jīng)受由于高度聚集的太陽(yáng)光而導(dǎo)致的極端溫度或UV量。這對(duì)在不能跟蹤光束的情況下如何跟蹤和校正光束的瞄準(zhǔn)帶來(lái)了顯著的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，存在著對(duì)于允許閉環(huán)指向瞄準(zhǔn)可行的技術(shù)的強(qiáng)烈需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明涉及用以提供用于使光從光源轉(zhuǎn)向到目標(biāo)上的目的的閉環(huán)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)備和方法。然而，在此披露的本發(fā)明的原理在聚集太陽(yáng)能的背景下提出，所述設(shè)備和方法通?？蓱?yīng)用于其中使光轉(zhuǎn)向到一個(gè)或多個(gè)固定和/或移動(dòng)目標(biāo)上的任何瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。
[0012]本發(fā)明認(rèn)識(shí)到，用于由定日鏡衍射和轉(zhuǎn)向的光的衍射圖案依據(jù)光轉(zhuǎn)向元件瞄準(zhǔn)程度而變化。這意味著，一旦衍射光的瞄準(zhǔn)是已知的，光轉(zhuǎn)向元件的瞄準(zhǔn)便可精確地確定。有利地，指示衍射光瞄準(zhǔn)程度的衍射光的特性可通過(guò)其中傳感器處在不適當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)下的聚集照射區(qū)的之外的位置來(lái)確定。這進(jìn)而意味著，衍射光特性可在安全位置處檢測(cè)到，并且該信息然后可以用于幫助使光轉(zhuǎn)向元件精確地瞄準(zhǔn)在期望的目標(biāo)(諸如CSP系統(tǒng)中的接收器)上。衍射光的瞄準(zhǔn)因此是用于使光束瞄準(zhǔn)在接收器上的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。
[0013]有利地，可使用一個(gè)或多個(gè)中心傳感器來(lái)使多個(gè)光轉(zhuǎn)向兀件貓準(zhǔn)。這意味著，常用傳感器(或多個(gè)傳感器)可檢測(cè)多個(gè)定日鏡的衍射特性。這極大地促進(jìn)了控制系統(tǒng)在大型或小型定日鏡陣列(其中該陣列配置在大區(qū)域或小區(qū)域的上方)中的簡(jiǎn)單執(zhí)行。
[0014]該系統(tǒng)極其精確。例如，太陽(yáng)直徑通常橫跨天空的大約1/2度。在更優(yōu)選的實(shí)施例中，本發(fā)明的瞄準(zhǔn)控制系統(tǒng)可提供至少1/20度的精確度，因此太陽(yáng)(而非該系統(tǒng))是對(duì)于精確度的限定因素。
[0015]衍射光具有為光轉(zhuǎn)向元件瞄準(zhǔn)程度的函數(shù)的不同特性。這些特性包括波長(zhǎng)(顏色或頻率)、強(qiáng)度、衍射級(jí)、它們的組合等。本發(fā)明可檢測(cè)這些衍射特性并且使用其中的一個(gè)或多個(gè)以利用閉環(huán)控制使光轉(zhuǎn)向元件瞄準(zhǔn)。在效用級(jí)(Utility-Scale)CSP裝置中，包括閉環(huán)策略的控制系統(tǒng)有利地利于大量小的定日鏡的有成本效益的配置。如果每個(gè)單個(gè)的定日鏡均要求仔細(xì)的安裝、對(duì)準(zhǔn)、以及校準(zhǔn)，則該結(jié)構(gòu)將是成本過(guò)高的。本發(fā)明的使用較小定日鏡的實(shí)施例有利地更易于操作和安裝，致使成本進(jìn)一步降低。
[0016]在優(yōu)選的時(shí)間模式中，本發(fā)明教導(dǎo),撞擊在光轉(zhuǎn)向兀件上的入射光的一部分可衍射成一個(gè)或多個(gè)衍射級(jí)。此外，衍射光可由諸如成像系統(tǒng)的合適傳感器(或多個(gè)傳感器)檢測(cè)，所述傳感器鄰近接收器目標(biāo)(額定目標(biāo)位置)但與額定目標(biāo)充分間隔開，使得所述傳感器(或多個(gè)傳感器)處于與傳感器損壞的不適當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的聚集照射區(qū)之外。衍射光的檢測(cè)到的性能(或多個(gè)性能)(包括波長(zhǎng)和強(qiáng)度)可被控制系統(tǒng)用來(lái)確定光轉(zhuǎn)向元件是否定向成使得非衍射的轉(zhuǎn)向光大致撞擊在額定目標(biāo)上。此外，控制系統(tǒng)使用檢測(cè)到的衍射信息(諸如波長(zhǎng)和強(qiáng)度信息)來(lái)了解當(dāng)轉(zhuǎn)向光并未大致撞擊在目標(biāo)位置上時(shí)如何接合光轉(zhuǎn)向元件并校正其瞄準(zhǔn)。
[0017]本發(fā)明教導(dǎo)，撞擊在光轉(zhuǎn)向兀件上的入射光的一部分可利用各種不同的技術(shù)來(lái)衍射。例如，入射光的一部分可利用一個(gè)或多個(gè)衍射光柵來(lái)衍射。由于將光分離成其組分的波長(zhǎng)或顏色的能力的原因，衍射光柵在光譜學(xué)領(lǐng)域中是眾所周知的。盡管線性(一維)光柵可用在在本發(fā)明的實(shí)踐中，但其是次級(jí)優(yōu)選的；本發(fā)明教導(dǎo)，諸如圓形(結(jié)合有同心環(huán))或螺旋形(結(jié)合有單個(gè)或多個(gè)螺旋特征)光柵的固有二維結(jié)構(gòu)對(duì)于定日鏡跟蹤是特別有利的。這樣的結(jié)構(gòu)能夠以二維的方式衍射，由此將光廣闊地傳播成三維的形式。
[0018]光柵可在特征之間具有相同的間隔或者可具有依據(jù)光柵上的位置而變化的間隔變化。光柵線的定向和間隔兩者影響光柵的衍射性能，從而允許對(duì)于特定應(yīng)用而對(duì)光柵進(jìn)行調(diào)諧。
[0019]盡管本發(fā)明可使用標(biāo)準(zhǔn)的線性光柵，然而與2-D光柵相比，單個(gè)線性光柵提供了更有限的效用。舉例而言，當(dāng)在非分散方向上用于感測(cè)太陽(yáng)的指向瞄準(zhǔn)(pointing)時(shí)，單個(gè)線性光柵僅在略微小于1/2度(太陽(yáng)的寬度)的非常狹窄的角度上傳播光。兩個(gè)線性光柵可以彼此相差1/2度的定向設(shè)置，以提供I度的傳播角。類似地，四個(gè)線性光柵可設(shè)置成提供2度的傳播角，等等。
[0020]由于許多實(shí)際應(yīng)用需要90至360度的傳播角，因而可能需要大量的線性光柵以提供足夠的傳播角。出于這樣的原因，就本發(fā)明而言諸如圓形或螺旋形的二維光柵是優(yōu)選的。
[0021]在其他實(shí)施例中，本發(fā)明教導(dǎo)，撞擊在光轉(zhuǎn)向元件上的入射光的一部分可利用結(jié)合有一個(gè)或多個(gè)衍射光柵的呈壓印或以其他方式制造的片(包括層壓片)的形式的一個(gè)或多個(gè)衍射元件來(lái)衍射，其中，在一些實(shí)踐模式中，已使用與用于制造通常出于安全和認(rèn)證而用在商業(yè)應(yīng)用中的全息貼紙的技術(shù)類似的技術(shù)來(lái)制造這樣的片。在一些實(shí)施例中，所述片可具有結(jié)合到兩個(gè)或更多個(gè)子元件中的衍射特征。例如，這樣的片可包括具有多個(gè)螺旋形或圓形衍射光柵的陣列。這樣的制造技術(shù)容易地實(shí)現(xiàn)衍射光學(xué)器件并且與科學(xué)級(jí)別的衍射光柵相比可低廉地產(chǎn)生復(fù)雜的衍射圖案。利用用于制造全息貼紙的技術(shù)制成的片可易于批量生產(chǎn)并且可于在此披露的系統(tǒng)中提供有成本效益的衍射元件。
[0022]本發(fā)明教導(dǎo)，衍射元件可與反射性和/或透射性光轉(zhuǎn)向元件一起使用。對(duì)于反射性光轉(zhuǎn)向元件的情形，撞擊衍射元件的入射光還會(huì)通過(guò)衍射元件根據(jù)反射定律而部分地反射。形成的衍射級(jí)的圖案產(chǎn)生出來(lái)并且以相對(duì)于待瞄準(zhǔn)在期望目標(biāo)上的反射光線的向量精確地關(guān)聯(lián)的方式來(lái)定位。這樣的反射光線在此也稱為O衍射級(jí)。
[0023]對(duì)于透射性光轉(zhuǎn)向元件的情形，入射光由衍射元件折射和衍射并且由光轉(zhuǎn)向元件折射或者以其他方式改變。示例性折射性光轉(zhuǎn)向元件是諸如透鏡的折射型光學(xué)器件。
[0024]本發(fā)明教導(dǎo)，可使用多個(gè)衍射元件。每個(gè)衍射元件均可用于產(chǎn)生相對(duì)于特定的光轉(zhuǎn)向元件的不同衍射性能。這可出于擴(kuò)展反饋系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和/或消除與對(duì)稱性(諸如正衍射級(jí)和負(fù)衍射級(jí)以及多個(gè)旋轉(zhuǎn)軸)相關(guān)的不明確性的目的來(lái)完成。
[0025]本發(fā)明教導(dǎo)，對(duì)于特定的光轉(zhuǎn)向元件而言可使用單個(gè)衍射元件，其中，該衍射元件結(jié)合有多個(gè)子元件。這同樣可出于擴(kuò)展反饋系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和/或消除與對(duì)稱性(諸如正衍射級(jí)和負(fù)衍射級(jí)以及多個(gè)旋轉(zhuǎn)軸)相關(guān)的不明確性的目的來(lái)提供不同的衍射性能。
[0026]本發(fā)明教導(dǎo)，用于檢測(cè)衍射特性的檢測(cè)特征可呈鄰近接收器目標(biāo)但位于安全距離處使得檢測(cè)特征免受不適當(dāng)?shù)谋┞吨辆奂獾娘L(fēng)險(xiǎn)的成像系統(tǒng)的形式。成像系統(tǒng)可包括多個(gè)成像裝置，諸如為相機(jī)，并且更具體地為能夠在空間上及光譜上對(duì)機(jī)械地耦接至光轉(zhuǎn)向元件的衍射元件進(jìn)行解析的數(shù)字相機(jī)。每個(gè)成像裝置的視場(chǎng)均優(yōu)選地為固定的。可替換地，視場(chǎng)可通過(guò)諸如全景及傾斜致動(dòng)和/或縮放功能性的致動(dòng)能力來(lái)調(diào)節(jié)。類似地，特定的成像裝置的總的凈視場(chǎng)可包括系統(tǒng)中的衍射元件的全部集合或其子集。無(wú)論給定的成像裝置的視場(chǎng)限定如何，成像系統(tǒng)作為整體理想地具有共同充分地遍及所使用的衍射元件的視場(chǎng)以用于瞄準(zhǔn)控制。
[0027]在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種聚集太陽(yáng)光的方法，包括步驟:
[0028]a)使太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向并衍射；以及[0029]b)觀察衍射太陽(yáng)光；以及
[0030]c)在閉環(huán)控制系統(tǒng)中利用所觀察到的衍射太陽(yáng)光，從而以使太陽(yáng)光聚集到至少一個(gè)目標(biāo)上的方式能控制地致動(dòng)多個(gè)光轉(zhuǎn)向元件。
[0031]在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種使轉(zhuǎn)向太陽(yáng)光瞄準(zhǔn)的方法，包括使用太陽(yáng)光的衍射特性使太陽(yáng)光瞄準(zhǔn)到一目標(biāo)上的步驟。
[0032]在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于使太陽(yáng)光聚集到中心目標(biāo)上的系統(tǒng)，包括:
[0033]a)多個(gè)定日鏡，每個(gè)定日鏡均包括:
[0034]1.轉(zhuǎn)向元件，使入射太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向；
[0035]i1.衍射元件，使入射太陽(yáng)光衍射，其中，所衍射和轉(zhuǎn)向的太陽(yáng)光的特性指示通過(guò)轉(zhuǎn)向元件而轉(zhuǎn)向的太陽(yáng)光的定向；
[0036]b)觀察衍射元件的裝置；以及
[0037]c)控制系統(tǒng)，使用所觀察到的衍射光來(lái)確定接合轉(zhuǎn)向元件以使轉(zhuǎn)向太陽(yáng)光聚集到中心目標(biāo)上的補(bǔ)償。
[0038]在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種使太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向的定日鏡，包括:
[0039]a)轉(zhuǎn)向元件，使入射太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向；以及
[0040]b)衍射元件,使入射在定日鏡上的太陽(yáng)光的一部分發(fā)生衍射,所述衍射元件耦接至轉(zhuǎn)向元件使得所衍射的太陽(yáng)光的特性指示通過(guò)轉(zhuǎn)向元件而轉(zhuǎn)向的太陽(yáng)光的定向。
[0041]在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于使太陽(yáng)光聚集到一目標(biāo)上的定日鏡系統(tǒng)，包括:
[0042]a)多個(gè)定日鏡，使太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向、衍射、并且聚集到第一中心目標(biāo)上；每個(gè)定日鏡均包括:
[0043]1.轉(zhuǎn)向元件，使入射光轉(zhuǎn)向到中心目標(biāo)上；以及
[0044]i1.至少一個(gè)衍射元件，設(shè)置在轉(zhuǎn)向元件上；
[0045]b)成像裝置，包括觀察衍射元件的視場(chǎng)；以及
[0046]c)控制系統(tǒng)，使用所觀察到的衍射元件的特性來(lái)確定接合轉(zhuǎn)向元件以使轉(zhuǎn)向太陽(yáng)光聚集到中心目標(biāo)上的補(bǔ)償。
[0047]在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種閉合環(huán)指向瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，控制多個(gè)定日鏡的指向瞄準(zhǔn)以使光聚集到中心目標(biāo)上，包括:
[0048]a)多個(gè)定日鏡，使入射在定日鏡上的太陽(yáng)光衍射并轉(zhuǎn)向；以及
[0049]b)控制系統(tǒng)，使用衍射太陽(yáng)光來(lái)控制定日鏡的接合以使轉(zhuǎn)向太陽(yáng)光聚集到中心目標(biāo)上。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0050]圖1是示例性聚集太陽(yáng)能系統(tǒng)的簡(jiǎn)化立體圖；
[0051]圖2A是應(yīng)用于聚集太陽(yáng)能系統(tǒng)的本發(fā)明示例性實(shí)施例的立體圖；
[0052]圖2B是應(yīng)用于聚集太陽(yáng)能系統(tǒng)的本發(fā)明示例性成像子系統(tǒng)的立體圖；
[0053]圖2C是本發(fā)明的具有示例性衍射元件的示例性定日鏡的立體圖；
[0054]圖3是示例性定日鏡的立體圖；
[0055]圖4A至圖4D示意性示出了本發(fā)明的安裝有示例性衍射元件的示例性反射元件的前視圖；
[0056]圖5示意性示出了線性衍射光柵的前視圖；
[0057]圖6A是通過(guò)正軸光線照射的圖5的線性衍射光柵的側(cè)視圖；
[0058]圖6B是通過(guò)與衍射線正交的離軸光線照射的圖5的線性衍射光柵的側(cè)視圖；
[0059]圖7A-圖7C是包括同心或螺旋衍射線的示例性衍射元件的前視圖；
[0060]圖8A是包括多個(gè)同心或螺旋衍射線的示例性衍射元件的前視圖；
[0061]圖SB是示出了所觀察到的示例性衍射元件的光譜的前視圖；
[0062]圖9A-圖9C是示例性分層式衍射元件的立體圖；
[0063]圖1Oa示出了示例性成像裝置的立體圖；
[0064]圖1Ob示出了圖1Oa的成像裝置的分解立體圖；
[0065]圖11是結(jié)合有成像子系統(tǒng)的示例性跟蹤控制系統(tǒng)的示意性圖示；
[0066]圖12a是示例性成像子系統(tǒng)的示意性圖示；
[0067]圖12b是示例性成像子系統(tǒng)的示意性圖示；
[0068]圖13a是示例性接合子系統(tǒng)的示意性圖示；
[0069]圖13b是示例性接合子系統(tǒng)的示意性圖示；
[0070]圖14A-至圖14B是示例性計(jì)算子系統(tǒng)的示意性圖示；
[0071]圖15是可替換的示例性計(jì)算子系統(tǒng)的示意性圖示；
[0072]圖16A-圖16C是衍射元件的示例性2D光線跡線；
[0073]圖17是衍射元件的示例性立體光線跡線；
[0074]圖18是從兩個(gè)觀察點(diǎn)得到的衍射元件的示例性立體光線跡線；
[0075]圖19是從兩個(gè)觀察點(diǎn)得到的衍射元件的示例性立體光線跡線；
[0076]圖20是從兩個(gè)觀察點(diǎn)得到的衍射元件的示例性立體光線跡線；
[0077]圖21是從三個(gè)觀察點(diǎn)得到的衍射元件的示例性立體光線跡線；
[0078]圖22是具有單個(gè)目標(biāo)的示例性跟蹤系統(tǒng)；
[0079]圖23是具有多個(gè)目標(biāo)的不例性跟蹤系統(tǒng)；以及
[0080]圖24是具有多個(gè)目標(biāo)的示例性跟蹤系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0081]在此提出的設(shè)備和方法描述了利用光的衍射特性來(lái)感測(cè)定向并且以優(yōu)選的方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)光轉(zhuǎn)向元件的接合的閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)。在此描述的實(shí)施例是示例性的并且不代表由本發(fā)明所教導(dǎo)的原理的全部可能實(shí)施例。特別地，本發(fā)明實(shí)施例在聚集太陽(yáng)能(特別是包括使用定日鏡以將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向在固定焦點(diǎn)上的聚集太陽(yáng)能，聚集的太陽(yáng)光可在該固定焦點(diǎn)中轉(zhuǎn)換成諸如熱能或電能的其他形式的能量)領(lǐng)域具有直接的應(yīng)用。然而，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員可將在此描述的裝置和方法應(yīng)用并適用在可替換應(yīng)用中，在可替換應(yīng)用中來(lái)自光源的光(特別是來(lái)自非固定的光源的光)必須轉(zhuǎn)向到多個(gè)目標(biāo)上。
[0082]圖2A-圖2C及圖3示出了結(jié)合有本發(fā)明原理的示例性CSP系統(tǒng)1，出于說(shuō)明的目的而將其配置在安裝表面21上，在一些實(shí)施例中安裝表面可為建筑物的頂部。CSP系統(tǒng)I包括將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向并聚集到塔5的聚焦區(qū)域7上的定日鏡陣列9。成像子系統(tǒng)11安裝至塔
5,以檢測(cè)由定日鏡9產(chǎn)生的衍射信息。[0083]控制系統(tǒng)(未示出)利用在閉環(huán)控制系統(tǒng)中檢測(cè)到的衍射信息來(lái)接合，并且由此將來(lái)自定日鏡9的轉(zhuǎn)向的太陽(yáng)光瞄準(zhǔn)在聚焦區(qū)域7上。控制系統(tǒng)理想地包括電耦接至成像子系統(tǒng)11和定日鏡9的多個(gè)計(jì)算裝置(未示出)?？刂葡到y(tǒng)包括用以處理由成像子系統(tǒng)11獲取的衍射信息的軟件，以便實(shí)現(xiàn)多個(gè)定日鏡9的接合，以用于可控制地將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向到系統(tǒng)聚焦區(qū)域7上的目的。
[0084]每個(gè)定日鏡9通常包括衍射元件23，為反射元件25的形式的光轉(zhuǎn)向元件，以及包括樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)27和31、機(jī)械支撐件33、以及基部35的支撐結(jié)構(gòu)。衍射元件23及其相關(guān)的反射元件25形成一組件，該組件接合成使得該組件可跟蹤太陽(yáng)并且將轉(zhuǎn)向的太陽(yáng)光瞄準(zhǔn)在塔5的聚焦區(qū)域上。衍射元件23耦接至反射元件25，使得由衍射元件25產(chǎn)生的衍射信息可用于通過(guò)瞄準(zhǔn)策略而可控制地瞄準(zhǔn)光轉(zhuǎn)向元件25，所述的瞄準(zhǔn)策略包括可選地與其他控制策略(例如開環(huán)控制和/或前饋技術(shù))結(jié)合的閉環(huán)控制技術(shù)。特別地，成像子系統(tǒng)11檢測(cè)由衍射元件23產(chǎn)生的衍射信息。該信息與其中反射元件25瞄準(zhǔn)的方式相關(guān)。因此，該信息可用于以有效地校正和/或保持轉(zhuǎn)向光瞄準(zhǔn)在聚焦區(qū)域7上的方式接合反射元件25。
[0085]樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)31機(jī)械地耦接至支撐結(jié)構(gòu)34并且結(jié)合有翻轉(zhuǎn)軸線33，使得翻轉(zhuǎn)軸線33相對(duì)于支撐結(jié)構(gòu)34的定向是固定的。樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)27可樞轉(zhuǎn)地耦接到樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)31并且可致動(dòng)以在翻轉(zhuǎn)軸線33上樞轉(zhuǎn)。樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)27結(jié)合有傾斜軸線29，使得傾斜軸線29具有是樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)31圍繞翻轉(zhuǎn)軸線33的旋轉(zhuǎn)的變量的定向。反射元件25可樞轉(zhuǎn)地耦接至樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)27，并且可致動(dòng)成在傾斜軸線29上樞轉(zhuǎn)。樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)27和31分別提供圍繞軸線29和33的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，以便接合反射元件25與衍射元件23。因此，反射元件25和衍射元件23的定向和位置受到由翻轉(zhuǎn)軸線33和傾斜軸線29兩者提供的旋轉(zhuǎn)自由度的影響。在所示實(shí)施例中，傾斜軸線29與翻轉(zhuǎn)軸線33大致彼此正交但是并不位于相同的平面上。圍繞軸線29和33的部件的接合允許反射元件25可控制地瞄準(zhǔn)在聚焦區(qū)域7上。
[0086]在圖2A-圖2C及圖3中示出的定日鏡9的實(shí)施例結(jié)合有用于接合衍射元件23和反射元件25的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。在可替換實(shí)施例中，衍射元件23和反射元件25的定向與位置可受到零個(gè)或更多個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度以及一個(gè)或多個(gè)平移自由度的影響。在又一個(gè)可替換實(shí)施例中，衍射元件23和反射元件25的定向與位置可受到一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度以及零個(gè)或更多個(gè)平移自由度的影響。
[0087]衍射元件23優(yōu)選地以這樣的方式定位在反射元件25上，即，使得無(wú)論反射元件25的定向如何，衍射元件23均可在定日鏡9的整個(gè)功能性接合范圍上通過(guò)成像子系統(tǒng)11來(lái)觀察。出于描述的目的，圖2c示出了沿著反射元件25的頂部邊緣居中地定位的衍射元件
23?？墒褂闷渌亩ㄎ徊呗?，諸如以下就圖4A-圖4D所描述的。
[0088]除了單個(gè)定日鏡裝置9的功能性接合范圍以外，通過(guò)成像子系統(tǒng)11觀察衍射元件23的能力受到定日鏡9相對(duì)于成像子系統(tǒng)11的位置與定向以及定日鏡9彼此鄰近狀態(tài)的影響。因此，在一些實(shí)施例中可能的是，從成像子系統(tǒng)11的觀察點(diǎn)來(lái)看，反射元件25的一部分可能被其他定日鏡9的一個(gè)或多個(gè)其他反射元件25遮擋。因此，在一些實(shí)施例中，在反射表面25上可能存在將衍射元件23定位于其中是不實(shí)際的區(qū)域。
[0089]優(yōu)選地，衍射元件23具有足夠的尺寸，使得衍射元件23可在定日鏡9的整個(gè)功能性接合范圍上由成像子系統(tǒng)11分辨(resolve,解析)。同時(shí),還優(yōu)選地是使衍射元件或多個(gè)衍射元件23的面積最小，使得其占據(jù)反射元件25的總面積的一小部分。這在其中效率受到定日鏡9的凈反射面積的影響的聚集太陽(yáng)能系統(tǒng)的情形中是特別正確的。因此，衍射元件23的最小尺寸取決于成像子系統(tǒng)11的分辨率、以及衍射元件23相對(duì)于成像子系統(tǒng)11的位置。作為限制性因素，衍射元件23的最小面積通過(guò)成像子系統(tǒng)11的分辨率以及系統(tǒng)3中的最遠(yuǎn)的定日鏡9的位置來(lái)確定。
[0090]在跟蹤控制系統(tǒng)I的一個(gè)實(shí)施例中，在定日鏡9或定日鏡9的特定子集中的全部衍射元件23具有量級(jí)大致相同的面積。使所有衍射元件在尺寸上大致相同有利地降低了制造復(fù)雜性并且在安裝定日鏡9時(shí)需要較少的特殊性來(lái)確保定日鏡9相對(duì)于成像子系統(tǒng)11正確地定位。該實(shí)施例的缺點(diǎn)是可通過(guò)給定的CSP系統(tǒng)產(chǎn)生的能量的量未被最大化，這是因?yàn)檠苌湓?3中的一些將比所需的更大，以確保陣列中的所有元件23無(wú)論與子系統(tǒng)11的距離如何均可由成像子系統(tǒng)11分辨。
[0091]可替換實(shí)施例結(jié)合有具有多種尺寸的衍射元件23，使得衍射元件23的面積與其相距成像子系統(tǒng)11的距離相關(guān)(例如成反比)。該實(shí)施例具有的優(yōu)點(diǎn)在于，其可設(shè)計(jì)成使得處于成像子系統(tǒng)11的成像空間中的衍射元件23的有效面積大致相同。另外，該實(shí)施例通過(guò)使來(lái)自相對(duì)于一些定日鏡9而言太大的衍射元件23的寄生損失最小化而增加了 CSP系統(tǒng)的總生產(chǎn)量。該實(shí)施例的主要缺點(diǎn)在于制造和安裝復(fù)雜性增大。
[0092]如所示出的衍射元件23的形狀為大致方形的，但可使用各種形狀。在可替換實(shí)施例中，衍射元件23的形狀可具有大致長(zhǎng)方形的形狀。在又一個(gè)可替換實(shí)施例中，衍射元件23的形狀可為大致圓形的。在又一個(gè)可替換實(shí)施例中，衍射元件23的形狀可具有任意的輪廓。本發(fā)明的其他實(shí)施例可包括具有多種形狀的衍射元件23。
[0093]成像子系統(tǒng)11用于檢測(cè)或者捕捉由衍射元件23產(chǎn)生的衍射信息。子系統(tǒng)11能夠檢測(cè)、感測(cè)、觀察、或捕捉包括但不限于由衍射元件23反射、散射、或衍射的光的強(qiáng)度和顏色的衍射信息。衍射信息與反射元件25的瞄準(zhǔn)相關(guān)，并且因此可被控制系統(tǒng)使用以將來(lái)自定日鏡9的轉(zhuǎn)向的太陽(yáng)光瞄準(zhǔn)并聚集到聚焦區(qū)域7上。
[0094]成像子系統(tǒng)11通常包括優(yōu)選地為成像裝置28的形式的多個(gè)傳感器。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)成像裝置28均為商業(yè)上可獲得的數(shù)字相機(jī)裝置。在可替換實(shí)施例中，成像裝置28為不同程度上的定制裝置。成像裝置28機(jī)械地耦接至支撐結(jié)構(gòu)30并且鄰近聚焦區(qū)域7布置。支撐結(jié)構(gòu)30機(jī)械地耦接至塔5且鄰近聚焦區(qū)域7。在另一個(gè)實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)30機(jī)械地耦接至聚焦區(qū)域7。在另一個(gè)實(shí)施例中，支撐結(jié)構(gòu)30安裝至除了塔5之外的單獨(dú)的結(jié)構(gòu)。
[0095]如所示出的，成像裝置28以大體徑向?qū)ΨQ的方式布置在焦點(diǎn)7周圍。可使用其他布置。例如，成像子系統(tǒng)11的可替換實(shí)施例包括以大體線性對(duì)稱的方式布置在焦點(diǎn)7周圍的多個(gè)成像裝置28。在可替換實(shí)施例中，成像子系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)30為大致獨(dú)立式的，其獨(dú)立地機(jī)械地耦接至安裝表面21。成像裝置28充分地靠近聚焦區(qū)域7，使得檢測(cè)到的衍射信息可用在閉環(huán)控制系統(tǒng)中以促使反射元件25瞄準(zhǔn)在聚焦區(qū)域7上。然而，裝置28與聚焦區(qū)域7相距足夠遠(yuǎn)，以避免裝置28由于聚集的太陽(yáng)光而損壞的不期望的風(fēng)險(xiǎn)。
[0096]成像子系統(tǒng)11包括具有合適視場(chǎng)特性的多個(gè)成像裝置28，所述多個(gè)衍射元件23通過(guò)所述視場(chǎng)特性來(lái)觀察。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，每個(gè)成像裝置28均具有有效的視場(chǎng)，使得其可靜態(tài)地或者通過(guò)使用允許多個(gè)視場(chǎng)的光學(xué)-機(jī)械機(jī)構(gòu)或其他致動(dòng)技術(shù)來(lái)觀察全部的所述多個(gè)衍射元件23。在可替換實(shí)施例中，單個(gè)成像裝置28具有用以靜態(tài)地或者通過(guò)使用允許多個(gè)視場(chǎng)的光學(xué)-機(jī)械機(jī)構(gòu)來(lái)觀察所述多個(gè)衍射元件23的子集的有效視場(chǎng)。在這樣的實(shí)施例中，多個(gè)視場(chǎng)的并集包括全部的所述多個(gè)衍射元件23。在另一個(gè)可替換實(shí)施例中，成像裝置28的多個(gè)子集具有有效的視場(chǎng)，使得可觀察的衍射元件的這些有效視場(chǎng)的交集和并集等同于給定的子集和/或全部有效視場(chǎng)的并集包括全部的所述多個(gè)衍射元件23。
[0097]通常，理想的是，成像裝置28提供具有足夠的光譜分辨率的顏色成像功能，以測(cè)量衍射元件23的定向在反射元件25的致動(dòng)的一度的范圍內(nèi)變化。所需光譜分辨率依據(jù)衍射元件23的衍射特性而變化。在衍射元件23的一些實(shí)施例中，所需光譜分辨率使得10比特顏色成像裝置提供足以測(cè)量衍射元件23的定向的分辨率。這樣的實(shí)施例有利地降低了成像裝置28的成本。在衍射元件23的其他實(shí)施例中，所需光譜分辨率使得24比特顏色成像裝置提供足以測(cè)量衍射元件23的定向的分辨率。
[0098]除了提供足夠的光譜分辨率以外，成像裝置28還必須提供衍射元件23的包括在相應(yīng)視場(chǎng)或視野內(nèi)的足夠的空間分辨率。成像裝置28的空間分辨率受到由焦面陣列131提供的像素的尺寸、以及透鏡127的光學(xué)性能的影響。給定的衍射元件23能否充分地解析取決于這些因素，還取決于衍射元件23的物理尺寸、衍射元件23在視場(chǎng)內(nèi)的位置、以及衍射元件23與成像裝置28之間的距離。對(duì)于處于成像裝置28的有效視場(chǎng)內(nèi)的給定的衍射元件23而言，最小的空間分辨率優(yōu)選地使得衍射元件23能分辨成像裝置28的成像空間中的至少單個(gè)像素。由于衍射元件23相對(duì)于成像裝置28的定向是不固定的而是可在其相關(guān)的接合機(jī)構(gòu)的范圍內(nèi)變化的，因而處于成像裝置28的成像空間中的衍射元件23的尺寸是不固定的而是依據(jù)衍射元件23的定向而變化。因此，成像裝置28的空間分辨率必須足以在衍射元件23的整個(gè)定向范圍上使衍射元件23解析到成像空間中的至少單個(gè)像素。
[0099]在一個(gè)實(shí)施例中，成像裝置28的空間分辨率使得對(duì)于包括在有效視場(chǎng)中的每個(gè)衍射元件23而言，在成像空間中的最小相對(duì)尺寸為在整個(gè)接合定向范圍上的單個(gè)像素。這樣的實(shí)施例有利地使得成像裝置28所需的分辨率最小化，并且因此使得裝置成本降低，因?yàn)槌杀就ǔＥc空間分辨率直接地成比例。
[0100]在可替換實(shí)施例中，成像裝置28的空間分辨率使得對(duì)于包括在有效視場(chǎng)中的每個(gè)衍射元件23而言，在成像空間中的最小相對(duì)尺寸為在整個(gè)接合定向的范圍上的nXm陣列像素，其中η和m為整數(shù)，其中至少一個(gè)整數(shù)大于I。這樣的實(shí)施例無(wú)需使成像裝置28的空間分辨率最小化，然而，其有利地提供了分辨率裕度。另外，這樣的實(shí)施例使成像裝置28能夠配置在具有不同的拓?fù)洳⑶揖哂胁煌瑪?shù)量的帶有其有效視場(chǎng)的多個(gè)衍射元件23的跟足示控制系統(tǒng)I中。
[0101]圖4A至圖4D示意性示出了本發(fā)明的安裝有示例性衍射元件的示例性反射元件的前視圖。圖4a示出了根據(jù)圖2的定日鏡9的位于反射元件25上的衍射元件23的實(shí)施例，使得衍射元件23在水平方向上為大致對(duì)中的并且大致沿著反射元件25的頂部邊緣。衍射元件23的這樣的定位在聚集太陽(yáng)能系統(tǒng)中是有利的，這是因?yàn)槠涫沟醚苌湓?3在整個(gè)功能性接合的范圍上被相鄰定日鏡遮擋的風(fēng)險(xiǎn)最小化。
[0102]圖4b示出了大致靠近反射元件26的中央的衍射元件24。該實(shí)施例可允許衍射元件24的無(wú)障礙觀察，但可能對(duì)CSP系統(tǒng)提出最小空間的要求。如果元件24定位成鄰近一個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線，則該實(shí)施例可提供使得衍射元件24的根據(jù)元件26和24圍繞翻轉(zhuǎn)軸線和傾斜軸線的旋轉(zhuǎn)的位移最小的優(yōu)點(diǎn)。[0103]在圖4c的又一個(gè)可替換實(shí)施例中，多個(gè)衍射元件32設(shè)置在反射元件38上。衍射元件32的定位使得至少一個(gè)衍射元件32在整個(gè)功能性接合范圍上不被遮擋。這樣的示例性實(shí)施例包括將兩個(gè)衍射元件32定位成大致鄰近反射元件38的相鄰轉(zhuǎn)角。圖4d示出了其中衍射元件37定位在反射元件36的相對(duì)轉(zhuǎn)角處的類似實(shí)施例。另外的其他可替換實(shí)施例可在對(duì)應(yīng)的反射元件上定位任何數(shù)量的衍射元件。
[0104]為了理解衍射元件在本發(fā)明的實(shí)踐中的使用，我們將回顧線性衍射光柵的操作。圖5示出了具有規(guī)則地間隔開的光柵線53的線性衍射光柵51。衍射光柵早已用在諸如分光儀的裝置中，以將復(fù)合光分解成其組分顏色，從而辨別光源或反射/吸收該光的材料。存在各種類型的線性衍射光柵，但是原則上其通常結(jié)合有一組平行凹槽或線，所述平行凹槽或線尺寸適當(dāng)設(shè)計(jì)且適當(dāng)間隔開以用于以例如在波長(zhǎng)的量級(jí)或者甚至以待衍射的光帶的10倍或更多來(lái)進(jìn)行衍射。凹槽的間隔建立相長(zhǎng)干涉(constructive interference)和相消干涉(destructive interference),這些干涉導(dǎo)致不同波長(zhǎng)的光以相對(duì)于入射光束的不同角度進(jìn)行相長(zhǎng)干涉。因此，穿過(guò)透射光柵或者反射離開反射光柵的白光將產(chǎn)生與彩虹的效果類似的顏色的光譜。衍射角是線間距、衍射光的波長(zhǎng)、以及光柵上的入射角的函數(shù)。下面的等式給出了衍射角θπ、凹槽間距d、入射角QiW及波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系。由于干涉最大值是周期性的，因此該等式具有多種解(solution)。整數(shù)m是衍射量級(jí)并且可為正數(shù)、負(fù)數(shù)、或者O。
[0105]d (sin ( Θ m)+sin ( Θ J) =m λ (I)
[0106]m=0的衍射或者O級(jí)衍射是特殊的情形并且等于在反射光柵的情形下的反射角或者在透射光柵的情形下的折射角。
[0107]圖6A示出了在邊緣上觀察并且由撞擊在與其平面垂直的衍射光柵51上的單個(gè)多色光線55照射的圖5的反射線性衍射光柵51。光柵反射光線57并且還使光衍射成多個(gè)衍射級(jí)59至65。每個(gè)衍射級(jí)由三條單色光線示意性表示。角度67表示O級(jí)反射光線57與I級(jí)衍射光線59之間的角度。通過(guò)上面的等式我們看出，角度67與入射角無(wú)關(guān)。這意味著，檢測(cè)到光線59至65的任一者均提供關(guān)于反射光線57的位置的信息。
[0108]圖6B不出了以非法向入射而撞擊在圖5的光柵51上的入射光線55。反射的O級(jí)光線57以等于光線55的入射角的角度從光柵51反射。無(wú)論光線55的入射角如何，I級(jí)衍射光線59保持與-1級(jí)光線61相同的相對(duì)于O級(jí)反射光線的角度間隔67。對(duì)于較高級(jí)衍射光線63和65而言,這同樣是正確的。
[0109]參照?qǐng)D6A和圖6B，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是，從線性光柵51衍射的光線僅以一個(gè)維度分散成狹窄的平面。對(duì)于如太陽(yáng)一樣的尺寸小于1/2度的光源，分散的光將局限于狹窄的1/2度空間區(qū)域。
[0110]該結(jié)果的進(jìn)一步考慮表明線性衍射光柵雖然有用但對(duì)于充當(dāng)本發(fā)明的更加優(yōu)選的衍射元件23而言并不是最佳的，這是因?yàn)檠苌涔獬乔『梦挥谒霆M窄的1/2度空間區(qū)域中否則并不能通過(guò)成像檢測(cè)器28來(lái)觀察，并且僅在最幸運(yùn)的情況下可被多于一個(gè)檢測(cè)器28容易地檢測(cè)。此外，由于在白天期間太陽(yáng)在天空中移動(dòng)并且光轉(zhuǎn)向元件25改變角度，因而該1/2度的空間區(qū)域廣闊地移動(dòng)橫過(guò)天空。
[0111]為解決該問題，本發(fā)明的更優(yōu)選實(shí)施例引入具有二維結(jié)構(gòu)的衍射元件的使用，該衍射元件將光廣闊地散播成三維的，使得鄰近目標(biāo)7的大的二維區(qū)域(包括至少包含成像檢測(cè)器28的區(qū)域)被散播的光照射。
[0112]本發(fā)明教導(dǎo)，衍射元件的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合有圓形或螺旋形光柵。例如，圖7a示出了具有由同心環(huán)93形成的圓形光柵的衍射元件91。圖7b示出了具有螺旋形光柵95的衍射元件94。其他次級(jí)優(yōu)選的實(shí)施例可使用疊加的線性光柵和/或線性光柵的陣列，這與進(jìn)一步次級(jí)優(yōu)選的實(shí)施例(其中僅使用單個(gè)線性光柵)相比增加了用于觀察衍射效果的視窗。
[0113]上述實(shí)施例描述了包括具有均勻間隔開的衍射線的子元件的衍射元件。可替換實(shí)施例可包括具有非均勻間隔開的衍射線的子元件。同樣地，可替換實(shí)施例可包括多個(gè)子元件，所述多個(gè)子元件具有布置成使得相應(yīng)的線是平行的但具有不同的間距的衍射線。包括具有多個(gè)線間距的子元件的衍射元件有利地允許衍射元件通過(guò)將衍射級(jí)調(diào)諧成重疊而提供更大的動(dòng)態(tài)范圍(dynamic range)。
[0114]有利地，圓形光柵和螺旋形光柵有效地提供圍繞其中心點(diǎn)的一組連續(xù)的線性光柵。這在圖7c中示意性示出?？紤]衍射元件91的狹窄部分97 (圖7a)。該部分97接近具有水平線的線性光柵并且因此在被與水平軸線105正交的光照射時(shí)將產(chǎn)生衍射光譜。同樣地，部分99、101、和103分別接近具有與橫截面的角度分別正交的衍射軸102、104、及108的線性衍射光柵。在橫截面的寬度趨近零的限度內(nèi)，存在具有完全填充0°到360°的衍射軸的無(wú)數(shù)多的線性衍射光柵。圓形光柵和螺旋形光柵提供相同的益處。有利地，圓形或螺旋形光柵克服線性光柵遇到的非線性效果的問題并且是更優(yōu)選的。
[0115]然而，單個(gè)圓形或螺旋形光柵具有這樣的缺點(diǎn)，即，觀察到的光譜的寬度局限于與光源的角寬度成比例的窄線。因此，這樣的光柵可要求比用于觀察跟蹤控制系統(tǒng)I中的所有衍射元件的衍射光譜所可能期望的更高的分辨率的成像子系統(tǒng)。因此，為了克服單個(gè)圓形光柵或螺旋形光柵的分辨率的限制，更優(yōu)選的衍射元件的可替換實(shí)施例優(yōu)選地包括布置成二維陣列的多個(gè)圓形或螺旋形光柵。例如，參照?qǐng)D8a，衍射元件112包括多個(gè)圓形或螺旋形光柵子元件115。每個(gè)子元件115均能夠使入射光在所有衍射軸上進(jìn)行衍射，當(dāng)從相對(duì)近的觀察點(diǎn)觀察時(shí)其可被解析為如在圖8B中所示的一組平行光譜117，例如，圖8a中的每個(gè)光譜對(duì)應(yīng)于一個(gè)子元件115。當(dāng)從相對(duì)遠(yuǎn)處觀察時(shí)，圖SB的該組平行光譜117被解析為單個(gè)光譜。
[0116]衍射元件的其他實(shí)施例使用結(jié)合有衍射光柵的片(與用于制造全息貼紙的技術(shù)類似)以比使用其他種類的線性、螺旋形、和/或圓形光柵更為成本有效的方式來(lái)產(chǎn)生衍射信息。這些片可為單層或者為兩個(gè)或更多個(gè)層的層壓件。特別地，全息制造技術(shù)可產(chǎn)生用于衍射性能的高級(jí)別的控制的特定的點(diǎn)陣圖案，這接近于在此描述的線性和圓形光柵的效果。有利地，全息制造技術(shù)有利地提供低成本的方法來(lái)制造大量衍射元件，如通過(guò)通常出于安全和認(rèn)證的目的而用在消費(fèi)品和包裝上的易于獲得的低成本全息貼紙所證實(shí)的。
[0117]為了對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明，圖9A至圖9C示意性示出了衍射元件106的另一個(gè)實(shí)施例，該衍射元件包括具有衍射層107的多個(gè)層。衍射層107是呈結(jié)合有一個(gè)或多個(gè)衍射光柵的壓印的或以其他方式制造的片(包括層壓片)的形式。理想地，在一些實(shí)踐模式中，已利用與用于制造全息貼紙的技術(shù)類似的技術(shù)來(lái)制造所述片。元件106還包括粘結(jié)層109。衍射層107提供任何上述衍射性能，而粘結(jié)層109提供將衍射元件106機(jī)械地耦接至反射元件或相關(guān)結(jié)構(gòu)的機(jī)制。衍射元件106可包括防止衍射元件106過(guò)早地粘附至其他實(shí)體的可移除的背襯層111。這有利地允許衍射元件106在移除背襯層111并于裝配過(guò)程中耦接至反射元件之前大量制造、存儲(chǔ)、以及有效進(jìn)行操作?？蛇x地，衍射元件106可包括施加在衍射層107上的抗UV層113，這在暴露至UV劑量時(shí)(如在戶外暴露于太陽(yáng)的情形)增加衍射元件23的使用壽命。作為另一個(gè)選擇，衍射層107自身可包括諸如染料的抗UV成分，其提高在戶外暴露于太陽(yáng)下的壽命。此外，衍射元件106可以額外的層，這些額外的層提供額外的衍射層，和/或機(jī)械優(yōu)點(diǎn)(諸如剛性)以提高制造或裝配過(guò)程期間的可重復(fù)性。
[0118]圖1Oa和圖1Ob示出了適用于本發(fā)明的實(shí)踐中的示例性成像裝置120。成像裝置120包括機(jī)械殼體121、透鏡殼體123、以及電子互連件125。機(jī)械殼體121提供成像電子件129的通常的結(jié)構(gòu)支撐和環(huán)境保護(hù)。同樣地，透鏡殼體123安置并保護(hù)一個(gè)或多個(gè)透鏡127。成像電子件129包括焦面陣列131，透鏡127使處于成像裝置120的視場(chǎng)內(nèi)的物體成像到該焦面陣列上。
[0119]圖11示出了圖2A和圖2B中示出的成像子系統(tǒng)11可如何結(jié)合到本發(fā)明的跟蹤控制系統(tǒng)150中。跟蹤控制系統(tǒng)150包括成像子系統(tǒng)11、計(jì)算子系統(tǒng)151、以及多個(gè)接合子系統(tǒng)153。成像子系統(tǒng)通過(guò)互連件155電耦接至計(jì)算子系統(tǒng)151，計(jì)算子系統(tǒng)151通過(guò)該互連件來(lái)獲取圖像信息。同樣地，計(jì)算子系統(tǒng)151通過(guò)互連件157電耦接至多個(gè)接合子系統(tǒng)153，計(jì)算子系統(tǒng)151通過(guò)該互連件將指向瞄準(zhǔn)指令傳送到接合子系統(tǒng)153并接收來(lái)自接合子系統(tǒng)的狀態(tài)遙測(cè)。電子互連件155和157可通過(guò)有線和/或無(wú)線通信拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)。接合子系統(tǒng)153致動(dòng)相應(yīng)的定日鏡(未不出)以使轉(zhuǎn)向的光貓準(zhǔn)在期望的目標(biāo)上。
[0120]圖12a和圖12b示出了成像子系統(tǒng)11的示例性實(shí)施例。參照?qǐng)D12a，成像子系統(tǒng)11包括獨(dú)立地或通過(guò)共用電子總線155連接至計(jì)算子系統(tǒng)151 (圖11中示出)的多個(gè)成像裝置152。在圖12b的可替換實(shí)施例中，成像子系統(tǒng)11還包括通過(guò)多個(gè)互連件161電耦接至多個(gè)成像裝置152的圖像處理控制器159?；ミB件161包括有線和/或無(wú)線的通信拓?fù)?。圖像處理控制器159提供了一個(gè)或多個(gè)以下功能的局部協(xié)調(diào):圖像獲取、圖像預(yù)處理、以及通過(guò)互連件155對(duì)計(jì)算子系統(tǒng)151 (圖11)的圖像傳送。
[0121]圖13a和圖13b示出了接合子系統(tǒng)153的示意性實(shí)施例。參照?qǐng)D13a，接合子系統(tǒng)153包括通過(guò)互連件165電耦接至接合機(jī)構(gòu)167的接合處理器163。機(jī)構(gòu)167機(jī)械地耦接至衍射元件(未示出)。接合處理器163通過(guò)互連件157接收來(lái)自計(jì)算子系統(tǒng)的151(圖11)的指向瞄準(zhǔn)指令，以實(shí)現(xiàn)接合機(jī)構(gòu)167與對(duì)應(yīng)的衍射元件的接合。在圖13b中示出的可替換實(shí)施例中，接合處理器163通過(guò)多個(gè)互連件165電耦接至多個(gè)接合結(jié)構(gòu)167。互連件165可以是獨(dú)特的互連件，或者結(jié)合在一個(gè)或多個(gè)總線拓?fù)渲小?br> [0122]圖14a更詳細(xì)地示出了計(jì)算系統(tǒng)151 (圖11)的實(shí)施例。計(jì)算子系統(tǒng)151包括多個(gè)平行處理器169。平行處理器169通過(guò)互連件155電耦接至成像系統(tǒng)11，并且通過(guò)互連件157電耦接至多個(gè)接合子系統(tǒng)155。在一些實(shí)施例中，平行處理器169耦接成使得互連件155和互連件157是獨(dú)特的邏輯和/或物理總線。在可替換實(shí)施例(諸如在圖14b中所示的)中，互連件155與157結(jié)合成單個(gè)邏輯和/或物理總線。
[0123]圖15更加詳細(xì)地示出了計(jì)算系統(tǒng)151 (圖11)的可替換實(shí)施例。計(jì)算子系統(tǒng)151包括主處理器(master processor)171以及通過(guò)互連件177電稱接的多個(gè)從處理器(slaveprocessor)173和179。主處理器171提供對(duì)多個(gè)從處理器173和179的管理控制，包括但不限于計(jì)時(shí)及外部診斷界面連接。從處理器179通過(guò)互連件155提供圖像獲取和處理，而從處理器173通過(guò)互連件157提供接合控制。[0124]根據(jù)本發(fā)明的衍射元件的光學(xué)性能有利地提供了一種方法，與計(jì)算子系統(tǒng)151(圖11)結(jié)合的成像子系統(tǒng)11 (圖11)由此能夠使用觀察到的衍射信息來(lái)感測(cè)并確定O級(jí)反射光束相對(duì)于觀察點(diǎn)的角位移。圖16a至圖16c相對(duì)于圖2a至圖2c和圖3的CSP系統(tǒng)對(duì)此進(jìn)行了示意性圖示。參照?qǐng)D16a，衍射元件23由遠(yuǎn)處的多色光源照射，使得撞擊衍射元件23的入射光線201大致平行。成像裝置28通過(guò)其透鏡孔127接收由衍射元件23散射、反射、或衍射的光。由邊緣光線203表示的收集的光線束通過(guò)成像裝置聚焦到焦面陣列131上。聚焦的光線束由邊緣光線205表示。如在圖16c中所示,形成的圖像219包括衍射元件23的子圖像225。在其中成像裝置28相對(duì)于衍射元件23的尺寸而言大致遠(yuǎn)離衍射元件23的情形中，收集的光線203的角延量(angular extent)相對(duì)小。在這些情況下,我們僅利用中央光線接近光學(xué)器件。由成像裝置28獲得的示例性圖像219具有子圖像225，該子圖像為衍射元件23到圖像空間中的映射。由子圖像225表示的衍射元件23在圖像空間中的位置通過(guò)橫坐標(biāo)221和縱坐標(biāo)223給定。
[0125]圖16b示出了衍射信息可如何用于幫助確定轉(zhuǎn)向光的位置向量。在圖16b中，源光線207撞擊在衍射元件23上。反射光線211相對(duì)于衍射元件法向212形成角度213。由成像裝置28觀察的中央收集光線209相對(duì)于反射光線211形成角度215。角度217表示衍射元件23在成像裝置27的視場(chǎng)中的額定角位置。由于衍射元件23的光學(xué)效果；子圖像225(圖16b)的顏色依據(jù)角度215而變化。在角度215位于衍射元件23的一個(gè)非零衍射級(jí)中的情形中，子圖像225將為大致單色的。在角度215為0°的情形中(與反射的光束一致)，子圖像225將為光源的圖像并且大致為光源的顏色。在角度215介于可見光的O與±1衍射級(jí)之間的情形中，子圖像225將為衍射元件23的漫散圖像，通常將存在一定程度的朗伯散射。
[0126]特別關(guān)心的是其中角度215位于非零衍射級(jí)的可視部分內(nèi)的情形。在該情況下，子圖像225的顏色提供了關(guān)于角度215的可能量級(jí)的信息。圖17更加詳細(xì)地對(duì)此進(jìn)行示意性示出。參照?qǐng)D17，成像裝置28從極其遠(yuǎn)的距離處觀察被大致對(duì)準(zhǔn)的白色光源(未示出)照射的衍射元件23，使得子圖像225 (圖16c)為大致單色的并且可特征性地具有中間波長(zhǎng)入。對(duì)于給定的衍射元件23的特定衍射性能以及觀察到的波長(zhǎng)λ，在元件23和成像裝置28之間的視線231與O級(jí)反射光線之間的角度Θ m被限定為對(duì)應(yīng)于該波長(zhǎng)的角度集合中的成員；每個(gè)角度對(duì)應(yīng)一個(gè)可能的衍射級(jí)。示出了兩個(gè)這種可能的角0_i233和θ_2235并且它們分別對(duì)應(yīng)于示例性反射光線237和239的-1級(jí)和-2級(jí)光線。應(yīng)當(dāng)注意的是，這些角度和級(jí)是示例性的且并不代表對(duì)于給定的觀察到的波長(zhǎng)λ而言可能的角度的全部集合。
[0127]此外，對(duì)于用于觀察到的波長(zhǎng)λ的每個(gè)可能的角度的解而言，實(shí)際上存在沿著具有頂角2 θ m的圓錐的表面定位的無(wú)窮多的可能的反射光線向量。該圓錐組共用與視線向量231 —致的公共軸線。圓錐分別由它們對(duì)應(yīng)于角度233和235的圓形基部241和243表示。對(duì)于給定的用于觀察到的波長(zhǎng)的可能的反射向量的集合，利用反射定律也可確定可能的入射光向量的集合。所有可能的入射光向量的集合沿著具有公共軸線236并且具有頂角245和247的圓錐的集合定位，該公共軸線為成像裝置28的視線231的反射(遠(yuǎn)離衍射元件23)。在示例性解中，這些圓錐由其圓形基部249和251表示。根據(jù)反射定律，角度245等于角度233，并且角度247等于角度235。因此，觀察到的衍射信息允許反射光的候選向量(candidate vector)的位置向后傳送來(lái)確定候選入射光向量。候選解的集合通常在衍射元件23處形成具有頂點(diǎn)的圓錐、為成像裝置視線231的反射的主軸236、以及可由觀察到的衍射信息確定的圓錐頂角。
[0128]而來(lái)自單個(gè)觀察點(diǎn)(諸如由單個(gè)成像裝置提供)的衍射元件23的圖像可提供關(guān)于反射光線的定向的一些信息，多個(gè)觀察點(diǎn)提供更多具體的信息。這允許反射和入射光向量通過(guò)衍射信息來(lái)精確地識(shí)別。候選解的軌跡可非常準(zhǔn)確地縮小至單個(gè)解。
[0129]例如，兩個(gè)觀察點(diǎn)的實(shí)施例提供足夠的信息，通過(guò)這些信息將反射光線定向限定至最多兩個(gè)可能的向量，并且在一些限制性的情形中，可唯一地限定反射光線定向。圖18對(duì)此進(jìn)行示意性示出。參照?qǐng)D18,衍射元件由具有法向量265的點(diǎn)261表示,該法向量位于平面285中并且穿過(guò)平面285和287的相交處。具有由點(diǎn)269和271表示的觀察點(diǎn)的成像裝置位于平面285上處于與平面287的相交處。光線273入射在表示衍射元件的點(diǎn)261上并且處于平面285上。反射與折射光線275也處于平面285上并且在點(diǎn)267處穿過(guò)平面287。起初，光線275的位置是未知的，但是該位置可根據(jù)本發(fā)明的原理通過(guò)衍射信息來(lái)確定。視線277和279分別與反射光線279形成角291與292，產(chǎn)生觀察到的衍射信息，例如，衍射元件261的每個(gè)觀察點(diǎn)所觀察到的顏色。圓281和283分別表示在觀察點(diǎn)267和271處產(chǎn)生的觀察到的顏色的可能的反射光線的軌跡。281與283的相交處為單個(gè)點(diǎn)267，這對(duì)于這兩個(gè)觀察點(diǎn)的觀察而言實(shí)際上是唯一的解。因此，在本描述中，利用兩個(gè)觀察點(diǎn)來(lái)精確地確定對(duì)應(yīng)于光線275的向量。
[0130]圖19示出了其中兩個(gè)觀察點(diǎn)提供單個(gè)解的另一個(gè)實(shí)例。參照?qǐng)D19，顯示了類似的兩個(gè)觀察點(diǎn)的限定，其中入射光線273從衍射元件261反射和衍射，使得反射和衍射光線275處于平面285上并且在點(diǎn)267處與平面287相交。在該實(shí)例中，交點(diǎn)267的定位成使得其并不位于觀察點(diǎn)269與271之間，盡管點(diǎn)267的位置起初是未知的，但是可利用本發(fā)明的原理來(lái)確定。在該實(shí)例中，由圓283表示的對(duì)應(yīng)于觀察點(diǎn)271的恒定顏色光線的軌跡被對(duì)應(yīng)于觀察點(diǎn)269的恒定顏色光線281的軌跡包圍。該兩個(gè)軌跡具有單個(gè)交點(diǎn)267。這是由從位置269和271觀察到的衍射信息提供的用于反射光線275的唯一的解。實(shí)際上，可能示出的是，對(duì)于沿著平面285定位的任何反射光線275而言，來(lái)自觀察點(diǎn)269和271的恒定的顏色點(diǎn)的跡線具有單個(gè)交點(diǎn)267。這允許精確地確定反射光線275的位置。
[0131]然而,在許多情形中，入射面和反射面不與平面285 (該平面為衍射元件與觀察點(diǎn)之間的視線平面)共面，并且僅利用兩個(gè)觀察點(diǎn)并不存在唯一的軌跡交點(diǎn)。然而，利用本發(fā)明的原理從多于兩個(gè)觀察點(diǎn)來(lái)觀察衍射信息在該情形中提供唯一的解。三個(gè)觀察點(diǎn)是足夠的。四個(gè)觀察點(diǎn)允許具有非常高的精確度以及用于多余的附加信息的唯一的解。可使用多于四個(gè)，但是可能不需要。在圖20中對(duì)此進(jìn)行示出。
[0132]參照?qǐng)D20，入射光線273和反射光線275位于不與平面285共面的平面291中。形成的分別用于觀察點(diǎn)269和271的恒定的顏色軌跡281與283在沿著反射光線275定位的點(diǎn)267處相交。此外，軌跡281與283在點(diǎn)293處具有二次相交。該相交代表會(huì)產(chǎn)生從兩個(gè)觀察點(diǎn)269和271的觀察到的顏色的相同集合的可替換反射光線。起初，在多種情形中并不知道哪種解是正確的。因此，僅僅從兩個(gè)觀察點(diǎn)觀察衍射元件261不提供唯一確定的反射光線向量275。在一些可能的實(shí)施例中，一些限定的存在可提供充分的認(rèn)識(shí)以克服與兩個(gè)觀察點(diǎn)的觀察相關(guān)的上述的不明確性。一種這樣的限定包括光源位置上的限定。特別地，對(duì)于聚集太陽(yáng)能系統(tǒng)，兩個(gè)可能的解267和293中的一個(gè)可能是不可行的，因?yàn)檫@意指太陽(yáng)的位置位于水平線下方。在可替換應(yīng)用中，可使用各種其他的限定以決定這兩個(gè)可能的解中哪個(gè)是正確的。
[0133]解決對(duì)于兩個(gè)觀察點(diǎn)的觀察而言的可能的不明確性的另一種方法是步驟與觀察法。該方法使用根據(jù)衍射元件261的定向的多個(gè)觀察來(lái)確定兩個(gè)解中的哪個(gè)(267或293)描述了真實(shí)的反射光線275。實(shí)際上，這增加了額外的觀察點(diǎn)，從而允許該解決方案被解決。
[0134]此外，用于克服存在于兩個(gè)觀察點(diǎn)觀察中的歧義的另一個(gè)方法是增加至少第三觀察點(diǎn)。在圖21中對(duì)此進(jìn)行示出。參照?qǐng)D21，增加了第三觀察點(diǎn)295，該觀察點(diǎn)具有到點(diǎn)261的視線297。觀察點(diǎn)295位于平面287中來(lái)觀察衍射信息，諸如顏色，其依據(jù)在視線297與反射光線275之間形成的角度而變化。對(duì)應(yīng)于觀察點(diǎn)295的恒定顏色的軌跡由圓299表示。點(diǎn)293表示確切地為兩個(gè)跡線圓283/281與283/299之間的交點(diǎn)的集合。相反地，點(diǎn)267表示所有三個(gè)跡線圓281、283、與299的唯一的交點(diǎn)。因此，來(lái)自三個(gè)獨(dú)特的觀察點(diǎn)269、271、與295的顏色觀察提供對(duì)應(yīng)于反射光線275的向量的唯一確定。
[0135]因此，三個(gè)獨(dú)特的觀察點(diǎn)足以唯一地確定源于空間中的已知點(diǎn)(例如圖18-圖20中的點(diǎn)261)的反射光線向量的定向。一般而言，可使用四個(gè)或更多個(gè)獨(dú)特的觀察點(diǎn)。在這樣的實(shí)施例中，超過(guò)三個(gè)的觀察點(diǎn)可提供多余的功能，其可能是有用的，例如，在特定的觀察點(diǎn)被遮擋的情況下。
[0136]圖18-圖20中的用于說(shuō)明目的的衍射信息為顏色。在本發(fā)明的控制系統(tǒng)中可單獨(dú)地使用或組合地使用各種不同種類的衍射信息。例如，除了作為從多個(gè)觀察點(diǎn)觀察到的衍射元件261的顏色之外或 作為其替換，觀察到的光的相對(duì)強(qiáng)度也提供可用于確定反射光線的定向的信息。特別地，相對(duì)強(qiáng)度對(duì)于確定兩個(gè)或更多個(gè)觀察點(diǎn)觀察對(duì)應(yīng)于相同或是不同的衍射級(jí)而言是有用的。
[0137]圖20-圖21及對(duì)應(yīng)的討論示出了三個(gè)或更多個(gè)獨(dú)特的觀察點(diǎn)是如何提供從觀察點(diǎn)261反射的光線275的定向的唯一評(píng)定的。該關(guān)系可由等式2表示:
[0138]Ci=A1.Ri (2)
[0139]其中，Ci是使元件對(duì)應(yīng)于從第i個(gè)衍射元件23觀察到的顏色的向量，Ri是對(duì)應(yīng)于反射和衍射光線275用于第i個(gè)衍射元件26的相對(duì)于已知參考坐標(biāo)空間的定向的單位向量，并且Ai是將反射光線單位向量映射成用于第i個(gè)衍射元件261的顏色向量的轉(zhuǎn)換矩陣。對(duì)于給定的來(lái)自三個(gè)或更多個(gè)觀察點(diǎn)的顏色觀察以及轉(zhuǎn)換Ai，可通過(guò)使用等式2的逆等式來(lái)確定反射光線的定向:
[0140]Rj=Ai 1 -Cj(3)
[0141]此外，參照?qǐng)D22，在典型的實(shí)踐模式中，諸如參照?qǐng)D2A-圖2C及圖3的CSP系統(tǒng)I，期望的是，光轉(zhuǎn)向元件25以這樣的方式定向，即，使得由入射光線303形成的來(lái)自每個(gè)光轉(zhuǎn)向元件25的反射光線305在它們以如所期望的方式瞄準(zhǔn)以聚集太陽(yáng)光時(shí)與在此稱為光轉(zhuǎn)向元件25的額定目標(biāo)301的已知空間點(diǎn)大致相交。在圖2A-圖2C中，這對(duì)應(yīng)于聚焦區(qū)域7。因此，對(duì)于每個(gè)光轉(zhuǎn)向元件25而言，存在描述反射光線305的從光轉(zhuǎn)向元件25到額定軌跡點(diǎn)301的期望定向的向量。圖22示出了用于全部的所述多個(gè)光轉(zhuǎn)向元件25的單個(gè)額定軌跡點(diǎn)301，并且該額定軌跡點(diǎn)301優(yōu)選地相對(duì)于控制系統(tǒng)大致固定在適當(dāng)?shù)奈恢弥小?br> [0142]參照?qǐng)D23，在可替換實(shí)施例中，可存在多個(gè)額定軌跡點(diǎn)301。在該可替換實(shí)施例中，每個(gè)額定軌跡點(diǎn)301可與多個(gè)光轉(zhuǎn)向元件25的子集相關(guān)。[0143]參照?qǐng)D24，在另一個(gè)可替換實(shí)施例中，額定軌跡點(diǎn)301在一段時(shí)間內(nèi)是大致固定的，并且然后在另一段時(shí)間內(nèi)移動(dòng)至另一個(gè)位置309。在跡線點(diǎn)移動(dòng)至位置309之后，新的瞄準(zhǔn)向量307產(chǎn)生。固定位置的數(shù)量和各個(gè)期間的持續(xù)時(shí)間不受限定。在又一個(gè)可替換實(shí)施例中，額定軌跡點(diǎn)的位置大致依據(jù)時(shí)間而連續(xù)變化。
[0144]在示意性實(shí)踐模式中，在給定的時(shí)間瞬間，存在與單個(gè)光轉(zhuǎn)向元件相關(guān)的大致固定的額定軌跡點(diǎn)，通過(guò)該固定的額定軌跡點(diǎn)可確定期望的反射光線向量rw，使得反射光線大體上與期望的額定軌跡點(diǎn)相交。因此，根據(jù)等式2，存在表示該期望的反射光線向量的顏色觀察向量C。。對(duì)于與第i個(gè)衍射元件以由單位額定法向向量η。表示的已知定向的多觀察點(diǎn)觀察對(duì)應(yīng)的給定的顏色觀察單位法線的值依據(jù)與衍射元件相關(guān)的接合機(jī)構(gòu)的定向而變化。在數(shù)學(xué)上，衍射元件的單位法線可通過(guò)以下向量等式來(lái)描述:
[0145]Ni=B.Xi (4)
[0146]其中，Ni是第i個(gè)衍射元件的單位法線，Xi是描述接合機(jī)構(gòu)的每個(gè)自由度的量的向量，并且B是將接合坐標(biāo)映射成衍射元件單位法線的轉(zhuǎn)換矩陣。
[0147]執(zhí)行多個(gè)接合衍射元件的閉環(huán)跟蹤以便使反射光線與已知位置大致相交的示例性方法包括以下步驟，理想地在控制系統(tǒng)的范圍內(nèi)對(duì)每個(gè)衍射元件和光轉(zhuǎn)向元件實(shí)施這些步驟。程序I如下:
[0148]1.對(duì)包括作為向量元素的從多個(gè)獨(dú)特觀察點(diǎn)觀察到的顏色的顏色向量Ci進(jìn)行取樣。
[0149]2.計(jì)算觀察到的顏色向量Ci與在此稱為Λ Ci的目標(biāo)顏色向量Citl的額定之間的差。
[0150]3.計(jì)算接合補(bǔ)償向量Λ Xi，使得AX1 = O。
[0151]4.將Λ Xi應(yīng)用于接合機(jī)構(gòu)。
[0152]5.重復(fù)步驟I至4。
[0153]執(zhí)行多個(gè)接合衍射元件的閉環(huán)跟蹤以使反射光線與已知位置大致相交的可替換方法包括根據(jù)程序2的用于每個(gè)衍射元件的以下步驟:
[0154]1.基于地理空間坐標(biāo)、當(dāng)?shù)厝掌诤蜁r(shí)間、以及相對(duì)于目標(biāo)位置的位置來(lái)計(jì)算開環(huán)接合坐標(biāo)Xi。
[0155]2.將開環(huán)接合坐標(biāo)Xi應(yīng)用于接合機(jī)構(gòu)。
[0156]3.對(duì)包括作為向量元素的從多個(gè)獨(dú)特觀察點(diǎn)觀察到的顏色的顏色向量Ci進(jìn)行取樣。
[0157]4.計(jì)算觀察到的顏色向量Ci與在此稱為Λ Ci的目標(biāo)顏色向量Citl的額定之間的差。
[0158]5.計(jì)算接合補(bǔ)償向量AXi，使得]in}(,AX| =0 °
[0159]6.將AXi應(yīng)用于接合機(jī)構(gòu)。
[0160]7.重復(fù)步驟I至6。
[0161]又一個(gè)可替換方法根據(jù)程序3包括以下步驟:
[0162]1.生成接合坐標(biāo)XJt]的查找表，其中，t是當(dāng)?shù)氐漠?dāng)日時(shí)間，使得XJt]為在時(shí)間t時(shí)最后得知的大致正確的目標(biāo)接合坐標(biāo)。[0163]2.插入基于查找表的對(duì)應(yīng)于當(dāng)前時(shí)間的Xi坐標(biāo)。
[0164]3.應(yīng)用插入的基于查找表的對(duì)應(yīng)于當(dāng)前時(shí)間的Xi坐標(biāo)。
[0165]4.對(duì)包括作為向量元素的從多個(gè)獨(dú)特觀察點(diǎn)觀察到的顏色的顏色向量Ci進(jìn)行取樣。
[0166]5.計(jì)算觀察到的顏色向量Ci與在此稱為Λ Ci的目標(biāo)顏色向量Citl的額定之間的差。
[0167]6.計(jì)算接合補(bǔ)償向量AXi，使得
【權(quán)利要求】
1.一種聚集太陽(yáng)光的方法，包括以下步驟: d)使太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向并發(fā)生衍射；以及 e)觀察衍射的太陽(yáng)光；以及 f)在閉環(huán)控制系統(tǒng)中利用所觀察到的衍射太陽(yáng)光從而以使太陽(yáng)光聚集到至少一個(gè)目標(biāo)上的方式能控制地驅(qū)動(dòng)多個(gè)光轉(zhuǎn)向元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多個(gè)光轉(zhuǎn)向元件支撐在具有第一旋轉(zhuǎn)自由度和第二旋轉(zhuǎn)自由度的結(jié)構(gòu)上，所述第一旋轉(zhuǎn)自由度具有大體上平行于安裝面的固定旋轉(zhuǎn)軸線，所述第二旋轉(zhuǎn)自由度具有根據(jù)所述固定軸線的旋轉(zhuǎn)而翻轉(zhuǎn)的軸線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟(a)包括使用多個(gè)定日鏡，每個(gè)定日鏡均包括光轉(zhuǎn)向元件以及至少一個(gè)衍射元件，所述光轉(zhuǎn)向元件能夠被能控制地接合以使太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向到所述目標(biāo)上，所述衍射元件與所述光轉(zhuǎn)向元件連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，將所述衍射元件以這樣的方式與所述光轉(zhuǎn)向元件連接，使得所述衍射元件產(chǎn)生的光學(xué)信息表示所述光轉(zhuǎn)向元件的瞄準(zhǔn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述光轉(zhuǎn)向元件具有反射面，并且，所述衍射元件與所述反射面連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述衍射元件與所述衍射元件的中央?yún)^(qū)域連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述衍射元件包括多個(gè)衍射子元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求3 所述的方法，其中，所述衍射元件包括多個(gè)衍射子元件，所述衍射子元件具有使得所述子元件產(chǎn)生不同衍射信息的相應(yīng)的多個(gè)衍射特性。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述衍射元件包括多個(gè)衍射子元件，所述衍射子元件包括多個(gè)線性衍射光柵。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述衍射元件包括圓形衍射特征。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述衍射元件包括多個(gè)子元件，每個(gè)子元件均包括多個(gè)圓形衍射特征。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述衍射元件包括螺旋形衍射特征。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述衍射元件包括多個(gè)子元件，每個(gè)子元件均包括螺旋形衍射特征。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟(a)包括使用片來(lái)衍射太陽(yáng)光，所述片結(jié)合有至少一個(gè)衍射光柵。
15.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述片包括多個(gè)螺旋形衍射光柵。
16.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在所述目標(biāo)附近定位有成像裝置，所述成像裝置具有包括所述衍射元件的視場(chǎng)，并且其中，步驟(b)包括以這樣的方式使用所述成像裝置來(lái)觀察衍射元件，即，使得所觀察到的衍射元件的衍射特性用于與對(duì)應(yīng)的光轉(zhuǎn)向元件能控制地接合，從而所述光轉(zhuǎn)向元件將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向到所述目標(biāo)上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述成像裝置具有包括多個(gè)定日鏡的視場(chǎng)，并且其中，步驟(b)包括以這樣的方式使用所述成像裝置來(lái)觀察位于多個(gè)光轉(zhuǎn)向元件上的多個(gè)衍射元件，即，使得所觀察到的衍射元件的衍射特性用于能控制地接合所述對(duì)應(yīng)的光轉(zhuǎn)向元件，以使所述光轉(zhuǎn)向元件將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向并聚集到所述目標(biāo)上。
18.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述目標(biāo)在塔上，將一結(jié)構(gòu)安裝至所述塔，并且，將多個(gè)成像裝置安裝至所述結(jié)構(gòu)，并且，其中，步驟(b)包括，以這樣的方式使用所述成像裝置來(lái)觀察多個(gè)光轉(zhuǎn)向元件上的多個(gè)衍射元件，即，使得觀察到的衍射元件的光學(xué)特性用于與對(duì)應(yīng)的光轉(zhuǎn)向元件能控制地接合，從而所述光轉(zhuǎn)向元件將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向并聚集到所述目標(biāo)上。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，步驟(b)包括，使用所觀察到的衍射元件的顏色特性來(lái)能控制地接合所述對(duì)應(yīng)的光轉(zhuǎn)向元件。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，步驟(b)包括，使用所觀察到的衍射元件的強(qiáng)度特性來(lái)能控制地接合所述對(duì)應(yīng)的光轉(zhuǎn)向元件。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟(b)包括，使用至少三個(gè)角度的衍射信息來(lái)能控制地驅(qū)動(dòng)光轉(zhuǎn)向元件。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟(b)包括，使用閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)能控制地接合光轉(zhuǎn)向兀件。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述成像裝置的視場(chǎng)中的所有的所述衍射元件具有統(tǒng)一的實(shí)際尺寸。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述成像裝置的視場(chǎng)中的所述衍射元件具有多種實(shí)際尺寸。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟(b)包括，確定轉(zhuǎn)向太陽(yáng)光的向量，計(jì)算使所述轉(zhuǎn)向太陽(yáng)光的向量撞擊所述目標(biāo)的接合補(bǔ)償，以及應(yīng)用所述補(bǔ)償以接合轉(zhuǎn)向元件。
26.—種使轉(zhuǎn)向太陽(yáng)光貓準(zhǔn)的方法,包括使用所述轉(zhuǎn)向太陽(yáng)光的衍射特性使太陽(yáng)光貓準(zhǔn)到一目標(biāo)上的步驟。
27.一種用于將太陽(yáng)光聚集在中心目標(biāo)上的系統(tǒng)，包括: d)多個(gè)定日鏡，每個(gè)定日鏡均包括: i.轉(zhuǎn)向元件，使入射太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向； ii.衍射元件，使入射太陽(yáng)光衍射，其中，所衍射和轉(zhuǎn)向的太陽(yáng)光的特性表示被所述轉(zhuǎn)向元件轉(zhuǎn)向的太陽(yáng)光的定向； e)觀察所述衍射元件的裝置；以及 f)控制系統(tǒng)，使用所觀察到的衍射光來(lái)確定使所述轉(zhuǎn)向元件接合以將所述轉(zhuǎn)向太陽(yáng)光聚集在所述中心目標(biāo)上的補(bǔ)償。
28.—種使太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向的定日鏡,包括: c)轉(zhuǎn)向元件,使入射太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向；以及 d)衍射元件,使入射在所述定日鏡上的太陽(yáng)光的一部分發(fā)生衍射,所述衍射元件與所述轉(zhuǎn)向元件連接使得所衍射的太陽(yáng)光的特性表示被所述轉(zhuǎn)向元件轉(zhuǎn)向的太陽(yáng)光的定向。
29.—種用于將太陽(yáng)光聚集在一目標(biāo)上的定日鏡系統(tǒng),包括: d)多個(gè)定日鏡，使太陽(yáng)光轉(zhuǎn)向、發(fā)生衍射、并且聚集在第一中心目標(biāo)上；每個(gè)定日鏡均包括: i.轉(zhuǎn)向元件，使入射光轉(zhuǎn)向到所述中心目標(biāo)上；以及 ii.至少一個(gè)衍射元件，設(shè)置在所述轉(zhuǎn)向元件上； e)成像裝置，包括觀察所述衍射元件的視場(chǎng)；以及 f )控制系統(tǒng)，使用所觀察到的衍射元件的特性來(lái)確定使所述轉(zhuǎn)向元件接合以將所述轉(zhuǎn)向太陽(yáng)光聚集在所述中心目標(biāo)上的補(bǔ)償。
30.一種閉環(huán)指向瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，控制多個(gè)定日鏡的指向瞄準(zhǔn)以將光聚集在中心目標(biāo)上，所述系統(tǒng)包括: c)多個(gè)定日鏡，使入射在所述定日鏡上的太陽(yáng)光發(fā)生衍射并轉(zhuǎn)向；以及 d)控制系統(tǒng)，使用衍射太陽(yáng)光來(lái)控制所述定日鏡的接合，使得轉(zhuǎn)向的太陽(yáng)光聚集在所述中心目標(biāo)上。`
【文檔編號(hào)】F24J2/38GK103635758SQ201280020541
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2012年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月14日
【發(fā)明者】布拉登·E·海因斯, 理查德·L·約翰遜 申請(qǐng)人:日光儲(chǔ)備有限公司