CN103635758A

CN103635758A - 用于使光源指向瞄准的设备和方法

Info

Publication number: CN103635758A
Application number: CN201280020541.XA
Authority: CN
Inventors: 布拉登·E·海因斯; 理查德·L·约翰逊
Original assignee: THERMATA Inc
Current assignee: Sunlight Reserve Technology Co., Ltd.
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2032-03-14
Also published as: US20140110560A1; EP2686620A2; MX2013010562A; MX348026B; WO2012125751A3; AU2012229906A1; AU2012229906B2; EP2686620A4; WO2012125751A2; US9910127B2; PE20141731A1; ZA201306897B; CL2013002658A1; CN103635758B

Abstract

本发明涉及用以提供用于使光从光源转向到目标上的目的的控制系统的设备和方法。本发明意识到，用于由定日镜衍射和转向的光的衍射图案依据光转向元件如何瞄准而变化。这意味着，一旦衍射光的瞄准是已知的，便可精确地确定光转向元件的瞄准。有利地，指示衍射光瞄准程度的衍射光的特性可通过其中传感器处在不适当风险下的聚集照射区的之外的位置来确定。而这意味着，可在安全位置处检测衍射光特性，然后，可用此信息来帮助使光转向元件精确地瞄准到期望的目标（诸如CSP系统中的接收器）上。因此，衍射光的瞄准是对瞄准在接收器处的光束的精确替换。

Description

用于使光源指向瞄准的设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年3月14日提交的题为“ROOFTOP CENTRALIZEDCONCENTRATED SOLAR POWER COLLECTION SYSTEM（屋顶集中聚集太阳能收集系统）”的美国临时专利申请第61/465,171号、2011年3月14日提交的题为“APPARATUS AND METHOD FOR POINTING LIGHTSOURCES（用于使光源指向瞄准的设备和方法）”的美国临时专利申请第61/465,165号、以及2011年3月16日提交的题为“TIP-TILT TRACKER（翻转-倾斜跟踪器）”的美国临时专利申请第61/465,216号的权益，出于所有的目的通过引用将这些专利申请中的每个分别以其整体结合于此。

技术领域

本发明涉及使用衍射信息来帮助使光转向元件瞄准在期望的一个或多个目标上的控制系统。更具体地，这些策略用于在聚光太阳能发电（CSP，concentrating solar power）领域中可控制地使定日镜（heliostat）瞄准。

背景技术

在现有技术中，很好地建立了定日镜在聚集太阳能（CSP）领域中的使用。典型的CSP系统包括至少一个中心塔以及对应于每个中心塔的多个定日镜。该塔以这样的方式集中，即塔充当焦点，对应的多个定日镜在该焦点上共同地将太阳光转向并聚集到与塔相关的目标（也称作焦点或接收器）上。因此，太阳光在塔接收器处的聚集在一定的基本限度上直接与和塔相关的定日镜的数量有关。此种方法将太阳能聚集到非常高的等级，例如为大约1000X或更大的数量级（如果期望的话）。在实际应用中，许多系统在50X至5000X的范围内聚集太阳光。高度聚集的太阳能通过塔转换成其他有用的能量形式。一种实践模式将聚集的太阳能转换成待直接地或间接地使用的热（诸如通过产生蒸汽），以对发电机、工业设备等提供动力。在其他实践模式中，通过使用任意数量的光电装置（也称作太阳能电池）将聚集的太阳能直接地转换成电。

定日镜通常包括用于使太阳光转向的镜或其他适当的光学装置、用于保持镜并允许镜接合（articulate）的支撑结构、以及用于实现接合的诸如电机的致动器。在最低限度上，定日镜必须提供两个旋转自由度，以便使太阳光转向到固定的塔焦点上。定日镜的镜可为平的，但是可具有更复杂的形状。定日镜的接合可遵循方位角/仰角方案，镜通过该方案围绕垂直于地球表面的轴线转动方位角并且然后围绕平行于地球表面的仰角轴线旋转。仰角轴线与方位角旋转耦合，使得仰角的方向是方位角的函数。可替换地，定日镜可利用翻转/倾斜方案接合，其中镜围绕平行于地球表面的固定的翻转轴线和另一倾斜轴线旋转。翻转轴线通常与倾斜轴线正交，但是其旋转轴线根据翻转轴线旋转而倾斜。当定日镜的镜法向向量（vector，矢量）平行于地球表面的法向向量时，倾斜轴线平行于地球表面。

定日镜指向瞄准成使得反射的太阳光撞击在中央塔接收器上，该中央塔接收器相对于定日镜通常固定在适当位置。由于在白天太阳相对于定日镜的位置而移动，因而定日镜反射器必须适当地跟踪太阳以便使所反射的光随着太阳移动而瞄准在接收器上。

图1示意性示出了典型的CSP系统403。CSP系统403具有带有聚焦区域407的塔405以及将所反射的太阳光瞄准在区域407上的多个对应的定日镜409（出于说明的目的仅示出了其中一个）。由向量411表示的太阳光反射离开以由向量415表示的表面法向定向的定日镜的镜413。镜413准确地瞄准，使得根据向量417的反射的太阳光大体上沿着定日镜焦距向量419瞄准在焦点407上，焦距向量为从定日镜的镜413与塔焦点407的瞄准线。如果镜413不恰当地瞄准使得向量417未瞄准在焦点407上，则这两个向量将偏离。因此，所反射的光417撞击在塔焦点407上。为了实现这样的状况，反射定律要求形成在太阳光向量411与镜的法向415之间角度必须等于形成在向量419与镜法向415之间的角度。此外，全部三个向量411、415、和419必须位于相同的平面上。利用向量代数可示出，对于给定的太阳光向量411与焦点向量419而言，存在对于镜的法向415的唯一的解，即仅仅为向量411与419的标准平均。

许多控制策略利用开环控制、闭环控制、或者其组合。许多定日镜控制系统利用基于系统几何学与太阳位置计算器的开环算法，以便确定太阳和定日镜-焦点向量与时间的关系。这些计算产生对于每个定日镜装置的方位角/仰角或者翻转/倾斜的指令。这样的控制系统通常假设定日镜的位置是静止的且很好地限定的和/或另外依靠周期性的校准维护以校正稳定性（settling）以及其他由服役期限导致的移位和偏移。开环解决方案是有利的，因为其不需要任何反馈传感器来检测每个定日镜指向瞄准的确切程度。这些系统仅仅指示每个定日镜如何瞄准并且假设定日镜正确地指向瞄准。主要的缺点在于如果要实现精度的话开环系统要求部件以高精度制成。将精度结合到系统部件中是非常昂贵的。另外，进行以足够的准确度执行开环计算所需的精确测量可能会是成本过高的。精度和测量的花费随着定日镜场中定日镜的数量增加而增大。因此，仅依赖于开环控制的系统倾向于过于昂贵。

闭环定日镜控制依赖于来自能够测量期望状况与实际状况之间的区别或误差的一个或多个传感器的反馈。然后这些误差被处理成对于用于接合（articulate）定日镜的定日镜致动器的补偿信号，使得反射的太阳光撞击在塔焦点上。闭环指向瞄准具有无需精确的部件或装置或者系统几何学知识的优点。还可使该系统对服役期移位不那么敏感。对精度较低的要求意味着这些系统比仅依赖于开环控制的系统更便宜。对于较小规模、商业屋顶CSP应用而言这些优点变得更加重要。由于对在不增加维护需求的情况下维持随着时间的准确开环控制的重力负载的限制的原因，因而这样的装置不能提供足够稳定的安装表面。因此，高度期望的是，这样的小规模商业屋顶装置利用至少一些程度的闭环技术来跟踪太阳以便是成本有效的并且另外是实用的。闭环系统提供使用控制软件而非主要使用精度的潜在可能性，并且控制比精度低廉得多地执行。

在CSP系统上应用闭环指向瞄准方法的困难在于，指向瞄准条件要求两个向量的等分而非对准单个向量。这是具有挑战性的，因为在额定（nominal，标称）瞄准点（即图1中的镜法向415）处没有可用的光学信号。CSP系统设计者已设想反馈传感器的理想位置是将传感器布置在反射光束的路径中，诸如在塔焦点407处。遗憾的是这是不可行的，因为不存在可用的传感器能够经受由于高度聚集的太阳光而导致的极端温度或UV量。这对在不能跟踪光束的情况下如何跟踪和校正光束的瞄准带来了显著的技术挑战。因此，存在着对于允许闭环指向瞄准可行的技术的强烈需求。

发明内容

本发明涉及用以提供用于使光从光源转向到目标上的目的的闭环瞄准系统的设备和方法。然而，在此披露的本发明的原理在聚集太阳能的背景下提出，所述设备和方法通常可应用于其中使光转向到一个或多个固定和/或移动目标上的任何瞄准系统。

本发明认识到，用于由定日镜衍射和转向的光的衍射图案依据光转向元件瞄准程度而变化。这意味着，一旦衍射光的瞄准是已知的，光转向元件的瞄准便可精确地确定。有利地，指示衍射光瞄准程度的衍射光的特性可通过其中传感器处在不适当风险下的聚集照射区的之外的位置来确定。这进而意味着，衍射光特性可在安全位置处检测到，并且该信息然后可以用于帮助使光转向元件精确地瞄准在期望的目标（诸如CSP系统中的接收器）上。衍射光的瞄准因此是用于使光束瞄准在接收器上的准确对应。

有利地，可使用一个或多个中心传感器来使多个光转向元件瞄准。这意味着，常用传感器（或多个传感器）可检测多个定日镜的衍射特性。这极大地促进了控制系统在大型或小型定日镜阵列（其中该阵列配置在大区域或小区域的上方）中的简单执行。

该系统极其精确。例如，太阳直径通常横跨天空的大约1/2度。在更优选的实施例中，本发明的瞄准控制系统可提供至少1/20度的精确度，因此太阳（而非该系统）是对于精确度的限定因素。

衍射光具有为光转向元件瞄准程度的函数的不同特性。这些特性包括波长（颜色或频率）、强度、衍射级、它们的组合等。本发明可检测这些衍射特性并且使用其中的一个或多个以利用闭环控制使光转向元件瞄准。在效用级（utility-scale）CSP装置中，包括闭环策略的控制系统有利地利于大量小的定日镜的有成本效益的配置。如果每个单个的定日镜均要求仔细的安装、对准、以及校准，则该结构将是成本过高的。本发明的使用较小定日镜的实施例有利地更易于操作和安装，致使成本进一步降低。

在优选的时间模式中，本发明教导，撞击在光转向元件上的入射光的一部分可衍射成一个或多个衍射级。此外，衍射光可由诸如成像系统的合适传感器（或多个传感器）检测，所述传感器邻近接收器目标（额定目标位置）但与额定目标充分间隔开，使得所述传感器（或多个传感器）处于与传感器损坏的不适当风险相关的聚集照射区之外。衍射光的检测到的性能（或多个性能）（包括波长和强度）可被控制系统用来确定光转向元件是否定向成使得非衍射的转向光大致撞击在额定目标上。此外，控制系统使用检测到的衍射信息（诸如波长和强度信息）来了解当转向光并未大致撞击在目标位置上时如何接合光转向元件并校正其瞄准。

本发明教导，撞击在光转向元件上的入射光的一部分可利用各种不同的技术来衍射。例如，入射光的一部分可利用一个或多个衍射光栅来衍射。由于将光分离成其组分的波长或颜色的能力的原因，衍射光栅在光谱学领域中是众所周知的。尽管线性（一维）光栅可用在在本发明的实践中，但其是次级优选的；本发明教导，诸如圆形（结合有同心环）或螺旋形（结合有单个或多个螺旋特征）光栅的固有二维结构对于定日镜跟踪是特别有利的。这样的结构能够以二维的方式衍射，由此将光广阔地传播成三维的形式。

光栅可在特征之间具有相同的间隔或者可具有依据光栅上的位置而变化的间隔变化。光栅线的定向和间隔两者影响光栅的衍射性能，从而允许对于特定应用而对光栅进行调谐。

尽管本发明可使用标准的线性光栅，然而与2-D光栅相比，单个线性光栅提供了更有限的效用。举例而言，当在非分散方向上用于感测太阳的指向瞄准（pointing）时，单个线性光栅仅在略微小于1/2度（太阳的宽度）的非常狭窄的角度上传播光。两个线性光栅可以彼此相差1/2度的定向设置，以提供1度的传播角。类似地，四个线性光栅可设置成提供2度的传播角，等等。

由于许多实际应用需要90至360度的传播角，因而可能需要大量的线性光栅以提供足够的传播角。出于这样的原因，就本发明而言诸如圆形或螺旋形的二维光栅是优选的。

在其他实施例中，本发明教导，撞击在光转向元件上的入射光的一部分可利用结合有一个或多个衍射光栅的呈压印或以其他方式制造的片（包括层压片）的形式的一个或多个衍射元件来衍射，其中，在一些实践模式中，已使用与用于制造通常出于安全和认证而用在商业应用中的全息贴纸的技术类似的技术来制造这样的片。在一些实施例中，所述片可具有结合到两个或更多个子元件中的衍射特征。例如，这样的片可包括具有多个螺旋形或圆形衍射光栅的阵列。这样的制造技术容易地实现衍射光学器件并且与科学级别的衍射光栅相比可低廉地产生复杂的衍射图案。利用用于制造全息贴纸的技术制成的片可易于批量生产并且可于在此披露的系统中提供有成本效益的衍射元件。

本发明教导，衍射元件可与反射性和/或透射性光转向元件一起使用。对于反射性光转向元件的情形，撞击衍射元件的入射光还会通过衍射元件根据反射定律而部分地反射。形成的衍射级的图案产生出来并且以相对于待瞄准在期望目标上的反射光线的向量精确地关联的方式来定位。这样的反射光线在此也称为0衍射级。

对于透射性光转向元件的情形，入射光由衍射元件折射和衍射并且由光转向元件折射或者以其他方式改变。示例性折射性光转向元件是诸如透镜的折射型光学器件。

本发明教导，可使用多个衍射元件。每个衍射元件均可用于产生相对于特定的光转向元件的不同衍射性能。这可出于扩展反馈系统的动态范围和/或消除与对称性（诸如正衍射级和负衍射级以及多个旋转轴）相关的不明确性的目的来完成。

本发明教导，对于特定的光转向元件而言可使用单个衍射元件，其中，该衍射元件结合有多个子元件。这同样可出于扩展反馈系统的动态范围和/或消除与对称性（诸如正衍射级和负衍射级以及多个旋转轴）相关的不明确性的目的来提供不同的衍射性能。

本发明教导，用于检测衍射特性的检测特征可呈邻近接收器目标但位于安全距离处使得检测特征免受不适当的暴露至聚集光的风险的成像系统的形式。成像系统可包括多个成像装置，诸如为相机，并且更具体地为能够在空间上及光谱上对机械地耦接至光转向元件的衍射元件进行解析的数字相机。每个成像装置的视场均优选地为固定的。可替换地，视场可通过诸如全景及倾斜致动和/或缩放功能性的致动能力来调节。类似地，特定的成像装置的总的净视场可包括系统中的衍射元件的全部集合或其子集。无论给定的成像装置的视场限定如何，成像系统作为整体理想地具有共同充分地遍及所使用的衍射元件的视场以用于瞄准控制。

在一个方面，本发明涉及一种聚集太阳光的方法，包括步骤：

a）使太阳光转向并衍射；以及

b）观察衍射太阳光；以及

c）在闭环控制系统中利用所观察到的衍射太阳光，从而以使太阳光聚集到至少一个目标上的方式能控制地致动多个光转向元件。

在另一个方面，本发明涉及一种使转向太阳光瞄准的方法，包括使用太阳光的衍射特性使太阳光瞄准到一目标上的步骤。

在另一个方面，本发明涉及一种用于使太阳光聚集到中心目标上的系统，包括：

a）多个定日镜，每个定日镜均包括：

i.转向元件，使入射太阳光转向；

ii.衍射元件，使入射太阳光衍射，其中，所衍射和转向的太阳光的特性指示通过转向元件而转向的太阳光的定向；

b）观察衍射元件的装置；以及

c）控制系统，使用所观察到的衍射光来确定接合转向元件以使转向太阳光聚集到中心目标上的补偿。

在另一个方面，本发明涉及一种使太阳光转向的定日镜，包括：

a）转向元件，使入射太阳光转向；以及

b）衍射元件，使入射在定日镜上的太阳光的一部分发生衍射，所述衍射元件耦接至转向元件使得所衍射的太阳光的特性指示通过转向元件而转向的太阳光的定向。

在另一个方面，本发明涉及一种用于使太阳光聚集到一目标上的定日镜系统，包括：

a）多个定日镜，使太阳光转向、衍射、并且聚集到第一中心目标上；每个定日镜均包括：

i.转向元件，使入射光转向到中心目标上；以及

ii.至少一个衍射元件，设置在转向元件上；

b）成像装置，包括观察衍射元件的视场；以及

c）控制系统，使用所观察到的衍射元件的特性来确定接合转向元件以使转向太阳光聚集到中心目标上的补偿。

在另一个方面，本发明涉及一种闭合环指向瞄准系统，控制多个定日镜的指向瞄准以使光聚集到中心目标上，包括：

a）多个定日镜，使入射在定日镜上的太阳光衍射并转向；以及

b）控制系统，使用衍射太阳光来控制定日镜的接合以使转向太阳光聚集到中心目标上。

附图说明

图1是示例性聚集太阳能系统的简化立体图；

图2A是应用于聚集太阳能系统的本发明示例性实施例的立体图；

图2B是应用于聚集太阳能系统的本发明示例性成像子系统的立体图；

图2C是本发明的具有示例性衍射元件的示例性定日镜的立体图；

图3是示例性定日镜的立体图；

图4A至图4D示意性示出了本发明的安装有示例性衍射元件的示例性反射元件的前视图；

图5示意性示出了线性衍射光栅的前视图；

图6A是通过正轴光线照射的图5的线性衍射光栅的侧视图；

图6B是通过与衍射线正交的离轴光线照射的图5的线性衍射光栅的侧视图；

图7A-图7C是包括同心或螺旋衍射线的示例性衍射元件的前视图；

图8A是包括多个同心或螺旋衍射线的示例性衍射元件的前视图；

图8B是示出了所观察到的示例性衍射元件的光谱的前视图；

图9A-图9C是示例性分层式衍射元件的立体图；

图10a示出了示例性成像装置的立体图；

图10b示出了图10a的成像装置的分解立体图；

图11是结合有成像子系统的示例性跟踪控制系统的示意性图示；

图12a是示例性成像子系统的示意性图示；

图12b是示例性成像子系统的示意性图示；

图13a是示例性接合子系统的示意性图示；

图13b是示例性接合子系统的示意性图示；

图14A-至图14B是示例性计算子系统的示意性图示；

图15是可替换的示例性计算子系统的示意性图示；

图16A-图16C是衍射元件的示例性2D光线迹线；

图17是衍射元件的示例性立体光线迹线；

图18是从两个观察点得到的衍射元件的示例性立体光线迹线；

图19是从两个观察点得到的衍射元件的示例性立体光线迹线；

图20是从两个观察点得到的衍射元件的示例性立体光线迹线；

图21是从三个观察点得到的衍射元件的示例性立体光线迹线；

图22是具有单个目标的示例性跟踪系统；

图23是具有多个目标的示例性跟踪系统；以及

图24是具有多个目标的示例性跟踪系统。

具体实施方式

在此提出的设备和方法描述了利用光的衍射特性来感测定向并且以优选的方式实现多个光转向元件的接合的闭环跟踪系统。在此描述的实施例是示例性的并且不代表由本发明所教导的原理的全部可能实施例。特别地，本发明实施例在聚集太阳能（特别是包括使用定日镜以将太阳光转向在固定焦点上的聚集太阳能，聚集的太阳光可在该固定焦点中转换成诸如热能或电能的其他形式的能量）领域具有直接的应用。然而，本领域中的技术人员可将在此描述的装置和方法应用并适用在可替换应用中，在可替换应用中来自光源的光（特别是来自非固定的光源的光）必须转向到多个目标上。

图2A-图2C及图3示出了结合有本发明原理的示例性CSP系统1，出于说明的目的而将其配置在安装表面21上，在一些实施例中安装表面可为建筑物的顶部。CSP系统1包括将太阳光转向并聚集到塔5的聚焦区域7上的定日镜阵列9。成像子系统11安装至塔5，以检测由定日镜9产生的衍射信息。

控制系统（未示出）利用在闭环控制系统中检测到的衍射信息来接合，并且由此将来自定日镜9的转向的太阳光瞄准在聚焦区域7上。控制系统理想地包括电耦接至成像子系统11和定日镜9的多个计算装置（未示出）。控制系统包括用以处理由成像子系统11获取的衍射信息的软件，以便实现多个定日镜9的接合，以用于可控制地将太阳光转向到系统聚焦区域7上的目的。

每个定日镜9通常包括衍射元件23，为反射元件25的形式的光转向元件，以及包括枢转机构27和31、机械支撑件33、以及基部35的支撑结构。衍射元件23及其相关的反射元件25形成一组件，该组件接合成使得该组件可跟踪太阳并且将转向的太阳光瞄准在塔5的聚焦区域上。衍射元件23耦接至反射元件25，使得由衍射元件25产生的衍射信息可用于通过瞄准策略而可控制地瞄准光转向元件25，所述的瞄准策略包括可选地与其他控制策略（例如开环控制和/或前馈技术）结合的闭环控制技术。特别地，成像子系统11检测由衍射元件23产生的衍射信息。该信息与其中反射元件25瞄准的方式相关。因此，该信息可用于以有效地校正和/或保持转向光瞄准在聚焦区域7上的方式接合反射元件25。

枢转机构31机械地耦接至支撑结构34并且结合有翻转轴线33，使得翻转轴线33相对于支撑结构34的定向是固定的。枢转机构27可枢转地耦接到枢转机构31并且可致动以在翻转轴线33上枢转。枢转机构27结合有倾斜轴线29，使得倾斜轴线29具有是枢转机构31围绕翻转轴线33的旋转的变量的定向。反射元件25可枢转地耦接至枢转机构27，并且可致动成在倾斜轴线29上枢转。枢转机构27和31分别提供围绕轴线29和33的两个旋转自由度，以便接合反射元件25与衍射元件23。因此，反射元件25和衍射元件23的定向和位置受到由翻转轴线33和倾斜轴线29两者提供的旋转自由度的影响。在所示实施例中，倾斜轴线29与翻转轴线33大致彼此正交但是并不位于相同的平面上。围绕轴线29和33的部件的接合允许反射元件25可控制地瞄准在聚焦区域7上。

在图2A-图2C及图3中示出的定日镜9的实施例结合有用于接合衍射元件23和反射元件25的两个旋转自由度。在可替换实施例中，衍射元件23和反射元件25的定向与位置可受到零个或更多个旋转自由度以及一个或多个平移自由度的影响。在又一个可替换实施例中，衍射元件23和反射元件25的定向与位置可受到一个或多个旋转自由度以及零个或更多个平移自由度的影响。

衍射元件23优选地以这样的方式定位在反射元件25上，即，使得无论反射元件25的定向如何，衍射元件23均可在定日镜9的整个功能性接合范围上通过成像子系统11来观察。出于描述的目的，图2c示出了沿着反射元件25的顶部边缘居中地定位的衍射元件23。可使用其他的定位策略，诸如以下就图4A-图4D所描述的。

除了单个定日镜装置9的功能性接合范围以外，通过成像子系统11观察衍射元件23的能力受到定日镜9相对于成像子系统11的位置与定向以及定日镜9彼此邻近状态的影响。因此，在一些实施例中可能的是，从成像子系统11的观察点来看，反射元件25的一部分可能被其他定日镜9的一个或多个其他反射元件25遮挡。因此，在一些实施例中，在反射表面25上可能存在将衍射元件23定位于其中是不实际的区域。

优选地，衍射元件23具有足够的尺寸，使得衍射元件23可在定日镜9的整个功能性接合范围上由成像子系统11分辨（resolve，解析）。同时，还优选地是使衍射元件或多个衍射元件23的面积最小，使得其占据反射元件25的总面积的一小部分。这在其中效率受到定日镜9的净反射面积的影响的聚集太阳能系统的情形中是特别正确的。因此，衍射元件23的最小尺寸取决于成像子系统11的分辨率、以及衍射元件23相对于成像子系统11的位置。作为限制性因素，衍射元件23的最小面积通过成像子系统11的分辨率以及系统3中的最远的定日镜9的位置来确定。

在跟踪控制系统1的一个实施例中，在定日镜9或定日镜9的特定子集中的全部衍射元件23具有量级大致相同的面积。使所有衍射元件在尺寸上大致相同有利地降低了制造复杂性并且在安装定日镜9时需要较少的特殊性来确保定日镜9相对于成像子系统11正确地定位。该实施例的缺点是可通过给定的CSP系统产生的能量的量未被最大化，这是因为衍射元件23中的一些将比所需的更大，以确保阵列中的所有元件23无论与子系统11的距离如何均可由成像子系统11分辨。

可替换实施例结合有具有多种尺寸的衍射元件23，使得衍射元件23的面积与其相距成像子系统11的距离相关（例如成反比）。该实施例具有的优点在于，其可设计成使得处于成像子系统11的成像空间中的衍射元件23的有效面积大致相同。另外，该实施例通过使来自相对于一些定日镜9而言太大的衍射元件23的寄生损失最小化而增加了CSP系统的总生产量。该实施例的主要缺点在于制造和安装复杂性增大。

如所示出的衍射元件23的形状为大致方形的，但可使用各种形状。在可替换实施例中，衍射元件23的形状可具有大致长方形的形状。在又一个可替换实施例中，衍射元件23的形状可为大致圆形的。在又一个可替换实施例中，衍射元件23的形状可具有任意的轮廓。本发明的其他实施例可包括具有多种形状的衍射元件23。

成像子系统11用于检测或者捕捉由衍射元件23产生的衍射信息。子系统11能够检测、感测、观察、或捕捉包括但不限于由衍射元件23反射、散射、或衍射的光的强度和颜色的衍射信息。衍射信息与反射元件25的瞄准相关，并且因此可被控制系统使用以将来自定日镜9的转向的太阳光瞄准并聚集到聚焦区域7上。

成像子系统11通常包括优选地为成像装置28的形式的多个传感器。在一个实施例中，每个成像装置28均为商业上可获得的数字相机装置。在可替换实施例中，成像装置28为不同程度上的定制装置。成像装置28机械地耦接至支撑结构30并且邻近聚焦区域7布置。支撑结构30机械地耦接至塔5且邻近聚焦区域7。在另一个实施例中，支撑结构30机械地耦接至聚焦区域7。在另一个实施例中，支撑结构30安装至除了塔5之外的单独的结构。

如所示出的，成像装置28以大体径向对称的方式布置在焦点7周围。可使用其他布置。例如，成像子系统11的可替换实施例包括以大体线性对称的方式布置在焦点7周围的多个成像装置28。在可替换实施例中，成像子系统支撑结构30为大致独立式的，其独立地机械地耦接至安装表面21。成像装置28充分地靠近聚焦区域7，使得检测到的衍射信息可用在闭环控制系统中以促使反射元件25瞄准在聚焦区域7上。然而，装置28与聚焦区域7相距足够远，以避免装置28由于聚集的太阳光而损坏的不期望的风险。

成像子系统11包括具有合适视场特性的多个成像装置28，所述多个衍射元件23通过所述视场特性来观察。在一个示例性实施例中，每个成像装置28均具有有效的视场，使得其可静态地或者通过使用允许多个视场的光学-机械机构或其他致动技术来观察全部的所述多个衍射元件23。在可替换实施例中，单个成像装置28具有用以静态地或者通过使用允许多个视场的光学-机械机构来观察所述多个衍射元件23的子集的有效视场。在这样的实施例中，多个视场的并集包括全部的所述多个衍射元件23。在另一个可替换实施例中，成像装置28的多个子集具有有效的视场，使得可观察的衍射元件的这些有效视场的交集和并集等同于给定的子集和/或全部有效视场的并集包括全部的所述多个衍射元件23。

通常，理想的是，成像装置28提供具有足够的光谱分辨率的颜色成像功能，以测量衍射元件23的定向在反射元件25的致动的一度的范围内变化。所需光谱分辨率依据衍射元件23的衍射特性而变化。在衍射元件23的一些实施例中，所需光谱分辨率使得10比特颜色成像装置提供足以测量衍射元件23的定向的分辨率。这样的实施例有利地降低了成像装置28的成本。在衍射元件23的其他实施例中，所需光谱分辨率使得24比特颜色成像装置提供足以测量衍射元件23的定向的分辨率。

除了提供足够的光谱分辨率以外，成像装置28还必须提供衍射元件23的包括在相应视场或视野内的足够的空间分辨率。成像装置28的空间分辨率受到由焦面阵列131提供的像素的尺寸、以及透镜127的光学性能的影响。给定的衍射元件23能否充分地解析取决于这些因素，还取决于衍射元件23的物理尺寸、衍射元件23在视场内的位置、以及衍射元件23与成像装置28之间的距离。对于处于成像装置28的有效视场内的给定的衍射元件23而言，最小的空间分辨率优选地使得衍射元件23能分辨成像装置28的成像空间中的至少单个像素。由于衍射元件23相对于成像装置28的定向是不固定的而是可在其相关的接合机构的范围内变化的，因而处于成像装置28的成像空间中的衍射元件23的尺寸是不固定的而是依据衍射元件23的定向而变化。因此，成像装置28的空间分辨率必须足以在衍射元件23的整个定向范围上使衍射元件23解析到成像空间中的至少单个像素。

在一个实施例中，成像装置28的空间分辨率使得对于包括在有效视场中的每个衍射元件23而言，在成像空间中的最小相对尺寸为在整个接合定向范围上的单个像素。这样的实施例有利地使得成像装置28所需的分辨率最小化，并且因此使得装置成本降低，因为成本通常与空间分辨率直接地成比例。

在可替换实施例中，成像装置28的空间分辨率使得对于包括在有效视场中的每个衍射元件23而言，在成像空间中的最小相对尺寸为在整个接合定向的范围上的n×m阵列像素，其中n和m为整数，其中至少一个整数大于1。这样的实施例无需使成像装置28的空间分辨率最小化，然而，其有利地提供了分辨率裕度。另外，这样的实施例使成像装置28能够配置在具有不同的拓扑并且具有不同数量的带有其有效视场的多个衍射元件23的跟踪控制系统1中。

图4A至图4D示意性示出了本发明的安装有示例性衍射元件的示例性反射元件的前视图。图4a示出了根据图2的定日镜9的位于反射元件25上的衍射元件23的实施例，使得衍射元件23在水平方向上为大致对中的并且大致沿着反射元件25的顶部边缘。衍射元件23的这样的定位在聚集太阳能系统中是有利的，这是因为其使得衍射元件23在整个功能性接合的范围上被相邻定日镜遮挡的风险最小化。

图4b示出了大致靠近反射元件26的中央的衍射元件24。该实施例可允许衍射元件24的无障碍观察，但可能对CSP系统提出最小空间的要求。如果元件24定位成邻近一个或多个旋转轴线，则该实施例可提供使得衍射元件24的根据元件26和24围绕翻转轴线和倾斜轴线的旋转的位移最小的优点。

在图4c的又一个可替换实施例中，多个衍射元件32设置在反射元件38上。衍射元件32的定位使得至少一个衍射元件32在整个功能性接合范围上不被遮挡。这样的示例性实施例包括将两个衍射元件32定位成大致邻近反射元件38的相邻转角。图4d示出了其中衍射元件37定位在反射元件36的相对转角处的类似实施例。另外的其他可替换实施例可在对应的反射元件上定位任何数量的衍射元件。

为了理解衍射元件在本发明的实践中的使用，我们将回顾线性衍射光栅的操作。图5示出了具有规则地间隔开的光栅线53的线性衍射光栅51。衍射光栅早已用在诸如分光仪的装置中，以将复合光分解成其组分颜色，从而辨别光源或反射/吸收该光的材料。存在各种类型的线性衍射光栅，但是原则上其通常结合有一组平行凹槽或线，所述平行凹槽或线尺寸适当设计且适当间隔开以用于以例如在波长的量级或者甚至以待衍射的光带的10倍或更多来进行衍射。凹槽的间隔建立相长干涉（constructiveinterference）和相消干涉（destructive interference），这些干涉导致不同波长的光以相对于入射光束的不同角度进行相长干涉。因此，穿过透射光栅或者反射离开反射光栅的白光将产生与彩虹的效果类似的颜色的光谱。衍射角是线间距、衍射光的波长、以及光栅上的入射角的函数。下面的等式给出了衍射角θ_m、凹槽间距d、入射角θ_i以及波长λ之间的关系。由于干涉最大值是周期性的，因此该等式具有多种解（solution）。整数m是衍射量级并且可为正数、负数、或者0。

d(sin(θ_m)+sin(θ_i))=mλ(1)

m=0的衍射或者0级衍射是特殊的情形并且等于在反射光栅的情形下的反射角或者在透射光栅的情形下的折射角。

图6A示出了在边缘上观察并且由撞击在与其平面垂直的衍射光栅51上的单个多色光线55照射的图5的反射线性衍射光栅51。光栅反射光线57并且还使光衍射成多个衍射级59至65。每个衍射级由三条单色光线示意性表示。角度67表示0级反射光线57与1级衍射光线59之间的角度。通过上面的等式我们看出，角度67与入射角无关。这意味着，检测到光线59至65的任一者均提供关于反射光线57的位置的信息。

图6B示出了以非法向入射而撞击在图5的光栅51上的入射光线55。反射的0级光线57以等于光线55的入射角的角度从光栅51反射。无论光线55的入射角如何，1级衍射光线59保持与-1级光线61相同的相对于0级反射光线的角度间隔67。对于较高级衍射光线63和65而言，这同样是正确的。

参照图6A和图6B，本领域技术人员应当认识到的是，从线性光栅51衍射的光线仅以一个维度分散成狭窄的平面。对于如太阳一样的尺寸小于1/2度的光源，分散的光将局限于狭窄的1/2度空间区域。

该结果的进一步考虑表明线性衍射光栅虽然有用但对于充当本发明的更加优选的衍射元件23而言并不是最佳的，这是因为衍射光除非恰好位于所述狭窄的1/2度空间区域中否则并不能通过成像检测器28来观察，并且仅在最幸运的情况下可被多于一个检测器28容易地检测。此外，由于在白天期间太阳在天空中移动并且光转向元件25改变角度，因而该1/2度的空间区域广阔地移动横过天空。

为解决该问题，本发明的更优选实施例引入具有二维结构的衍射元件的使用，该衍射元件将光广阔地散播成三维的，使得邻近目标7的大的二维区域（包括至少包含成像检测器28的区域）被散播的光照射。

本发明教导，衍射元件的优选实施例结合有圆形或螺旋形光栅。例如，图7a示出了具有由同心环93形成的圆形光栅的衍射元件91。图7b示出了具有螺旋形光栅95的衍射元件94。其他次级优选的实施例可使用叠加的线性光栅和/或线性光栅的阵列，这与进一步次级优选的实施例（其中仅使用单个线性光栅）相比增加了用于观察衍射效果的视窗。

上述实施例描述了包括具有均匀间隔开的衍射线的子元件的衍射元件。可替换实施例可包括具有非均匀间隔开的衍射线的子元件。同样地，可替换实施例可包括多个子元件，所述多个子元件具有布置成使得相应的线是平行的但具有不同的间距的衍射线。包括具有多个线间距的子元件的衍射元件有利地允许衍射元件通过将衍射级调谐成重叠而提供更大的动态范围（dynamic range）。

有利地，圆形光栅和螺旋形光栅有效地提供围绕其中心点的一组连续的线性光栅。这在图7c中示意性示出。考虑衍射元件91的狭窄部分97（图7a）。该部分97接近具有水平线的线性光栅并且因此在被与水平轴线105正交的光照射时将产生衍射光谱。同样地，部分99、101、和103分别接近具有与横截面的角度分别正交的衍射轴102、104、及108的线性衍射光栅。在横截面的宽度趋近零的限度内，存在具有完全填充0°到360°的衍射轴的无数多的线性衍射光栅。圆形光栅和螺旋形光栅提供相同的益处。有利地，圆形或螺旋形光栅克服线性光栅遇到的非线性效果的问题并且是更优选的。

然而，单个圆形或螺旋形光栅具有这样的缺点，即，观察到的光谱的宽度局限于与光源的角宽度成比例的窄线。因此，这样的光栅可要求比用于观察跟踪控制系统1中的所有衍射元件的衍射光谱所可能期望的更高的分辨率的成像子系统。因此，为了克服单个圆形光栅或螺旋形光栅的分辨率的限制，更优选的衍射元件的可替换实施例优选地包括布置成二维阵列的多个圆形或螺旋形光栅。例如，参照图8a，衍射元件112包括多个圆形或螺旋形光栅子元件115。每个子元件115均能够使入射光在所有衍射轴上进行衍射，当从相对近的观察点观察时其可被解析为如在图8B中所示的一组平行光谱117，例如，图8a中的每个光谱对应于一个子元件115。当从相对远处观察时，图8B的该组平行光谱117被解析为单个光谱。

衍射元件的其他实施例使用结合有衍射光栅的片（与用于制造全息贴纸的技术类似）以比使用其他种类的线性、螺旋形、和/或圆形光栅更为成本有效的方式来产生衍射信息。这些片可为单层或者为两个或更多个层的层压件。特别地，全息制造技术可产生用于衍射性能的高级别的控制的特定的点阵图案，这接近于在此描述的线性和圆形光栅的效果。有利地，全息制造技术有利地提供低成本的方法来制造大量衍射元件，如通过通常出于安全和认证的目的而用在消费品和包装上的易于获得的低成本全息贴纸所证实的。

为了对此进行说明，图9A至图9C示意性示出了衍射元件106的另一个实施例，该衍射元件包括具有衍射层107的多个层。衍射层107是呈结合有一个或多个衍射光栅的压印的或以其他方式制造的片（包括层压片）的形式。理想地，在一些实践模式中，已利用与用于制造全息贴纸的技术类似的技术来制造所述片。元件106还包括粘结层109。衍射层107提供任何上述衍射性能，而粘结层109提供将衍射元件106机械地耦接至反射元件或相关结构的机制。衍射元件106可包括防止衍射元件106过早地粘附至其他实体的可移除的背衬层111。这有利地允许衍射元件106在移除背衬层111并于装配过程中耦接至反射元件之前大量制造、存储、以及有效进行操作。可选地，衍射元件106可包括施加在衍射层107上的抗UV层113，这在暴露至UV剂量时（如在户外暴露于太阳的情形）增加衍射元件23的使用寿命。作为另一个选择，衍射层107自身可包括诸如染料的抗UV成分，其提高在户外暴露于太阳下的寿命。此外，衍射元件106可以额外的层，这些额外的层提供额外的衍射层，和/或机械优点（诸如刚性）以提高制造或装配过程期间的可重复性。

图10a和图10b示出了适用于本发明的实践中的示例性成像装置120。成像装置120包括机械壳体121、透镜壳体123、以及电子互连件125。机械壳体121提供成像电子件129的通常的结构支撑和环境保护。同样地，透镜壳体123安置并保护一个或多个透镜127。成像电子件129包括焦面阵列131，透镜127使处于成像装置120的视场内的物体成像到该焦面阵列上。

图11示出了图2A和图2B中示出的成像子系统11可如何结合到本发明的跟踪控制系统150中。跟踪控制系统150包括成像子系统11、计算子系统151、以及多个接合子系统153。成像子系统通过互连件155电耦接至计算子系统151，计算子系统151通过该互连件来获取图像信息。同样地，计算子系统151通过互连件157电耦接至多个接合子系统153，计算子系统151通过该互连件将指向瞄准指令传送到接合子系统153并接收来自接合子系统的状态遥测。电子互连件155和157可通过有线和/或无线通信拓扑实现。接合子系统153致动相应的定日镜（未示出）以使转向的光瞄准在期望的目标上。

图12a和图12b示出了成像子系统11的示例性实施例。参照图12a，成像子系统11包括独立地或通过共用电子总线155连接至计算子系统151（图11中示出）的多个成像装置152。在图12b的可替换实施例中，成像子系统11还包括通过多个互连件161电耦接至多个成像装置152的图像处理控制器159。互连件161包括有线和/或无线的通信拓扑。图像处理控制器159提供了一个或多个以下功能的局部协调：图像获取、图像预处理、以及通过互连件155对计算子系统151（图11）的图像传送。

图13a和图13b示出了接合子系统153的示意性实施例。参照图13a，接合子系统153包括通过互连件165电耦接至接合机构167的接合处理器163。机构167机械地耦接至衍射元件（未示出）。接合处理器163通过互连件157接收来自计算子系统的151（图11）的指向瞄准指令，以实现接合机构167与对应的衍射元件的接合。在图13b中示出的可替换实施例中，接合处理器163通过多个互连件165电耦接至多个接合结构167。互连件165可以是独特的互连件，或者结合在一个或多个总线拓扑中。

图14a更详细地示出了计算系统151（图11）的实施例。计算子系统151包括多个平行处理器169。平行处理器169通过互连件155电耦接至成像系统11，并且通过互连件157电耦接至多个接合子系统155。在一些实施例中，平行处理器169耦接成使得互连件155和互连件157是独特的逻辑和/或物理总线。在可替换实施例（诸如在图14b中所示的）中，互连件155与157结合成单个逻辑和/或物理总线。

图15更加详细地示出了计算系统151（图11）的可替换实施例。计算子系统151包括主处理器（master processor）171以及通过互连件177电耦接的多个从处理器（slave processor）173和179。主处理器171提供对多个从处理器173和179的管理控制，包括但不限于计时及外部诊断界面连接。从处理器179通过互连件155提供图像获取和处理，而从处理器173通过互连件157提供接合控制。

根据本发明的衍射元件的光学性能有利地提供了一种方法，与计算子系统151（图11）结合的成像子系统11（图11）由此能够使用观察到的衍射信息来感测并确定0级反射光束相对于观察点的角位移。图16a至图16c相对于图2a至图2c和图3的CSP系统对此进行了示意性图示。参照图16a，衍射元件23由远处的多色光源照射，使得撞击衍射元件23的入射光线201大致平行。成像装置28通过其透镜孔127接收由衍射元件23散射、反射、或衍射的光。由边缘光线203表示的收集的光线束通过成像装置聚焦到焦面阵列131上。聚焦的光线束由边缘光线205表示。如在图16c中所示，形成的图像219包括衍射元件23的子图像225。在其中成像装置28相对于衍射元件23的尺寸而言大致远离衍射元件23的情形中，收集的光线203的角延量（angular extent）相对小。在这些情况下，我们仅利用中央光线接近光学器件。由成像装置28获得的示例性图像219具有子图像225，该子图像为衍射元件23到图像空间中的映射。由子图像225表示的衍射元件23在图像空间中的位置通过横坐标221和纵坐标223给定。

图16b示出了衍射信息可如何用于帮助确定转向光的位置向量。在图16b中，源光线207撞击在衍射元件23上。反射光线211相对于衍射元件法向212形成角度213。由成像装置28观察的中央收集光线209相对于反射光线211形成角度215。角度217表示衍射元件23在成像装置27的视场中的额定角位置。由于衍射元件23的光学效果；子图像225（图16b）的颜色依据角度215而变化。在角度215位于衍射元件23的一个非零衍射级中的情形中，子图像225将为大致单色的。在角度215为0°的情形中（与反射的光束一致），子图像225将为光源的图像并且大致为光源的颜色。在角度215介于可见光的0与±1衍射级之间的情形中，子图像225将为衍射元件23的漫散图像，通常将存在一定程度的朗伯散射。

特别关心的是其中角度215位于非零衍射级的可视部分内的情形。在该情况下，子图像225的颜色提供了关于角度215的可能量级的信息。图17更加详细地对此进行示意性示出。参照图17，成像装置28从极其远的距离处观察被大致对准的白色光源（未示出）照射的衍射元件23，使得子图像225（图16c）为大致单色的并且可特征性地具有中间波长λ。对于给定的衍射元件23的特定衍射性能以及观察到的波长λ，在元件23和成像装置28之间的视线231与0级反射光线之间的角度θ_m被限定为对应于该波长的角度集合中的成员；每个角度对应一个可能的衍射级。示出了两个这种可能的角θ_-1233和θ_-2235并且它们分别对应于示例性反射光线237和239的-1级和-2级光线。应当注意的是，这些角度和级是示例性的且并不代表对于给定的观察到的波长λ而言可能的角度的全部集合。

此外，对于用于观察到的波长λ的每个可能的角度的解而言，实际上存在沿着具有顶角2θ_m的圆锥的表面定位的无穷多的可能的反射光线向量。该圆锥组共用与视线向量231一致的公共轴线。圆锥分别由它们对应于角度233和235的圆形基部241和243表示。对于给定的用于观察到的波长的可能的反射向量的集合，利用反射定律也可确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着具有公共轴线236并且具有顶角245和247的圆锥的集合定位，该公共轴线为成像装置28的视线231的反射（远离衍射元件23）。在示例性解中，这些圆锥由其圆形基部249和251表示。根据反射定律，角度245等于角度233，并且角度247等于角度235。因此，观察到的衍射信息允许反射光的候选向量（candidatevector）的位置向后传送来确定候选入射光向量。候选解的集合通常在衍射元件23处形成具有顶点的圆锥、为成像装置视线231的反射的主轴236、以及可由观察到的衍射信息确定的圆锥顶角。

而来自单个观察点（诸如由单个成像装置提供）的衍射元件23的图像可提供关于反射光线的定向的一些信息，多个观察点提供更多具体的信息。这允许反射和入射光向量通过衍射信息来精确地识别。候选解的轨迹可非常准确地缩小至单个解。

例如，两个观察点的实施例提供足够的信息，通过这些信息将反射光线定向限定至最多两个可能的向量，并且在一些限制性的情形中，可唯一地限定反射光线定向。图18对此进行示意性示出。参照图18，衍射元件由具有法向量265的点261表示，该法向量位于平面285中并且穿过平面285和287的相交处。具有由点269和271表示的观察点的成像装置位于平面285上处于与平面287的相交处。光线273入射在表示衍射元件的点261上并且处于平面285上。反射与折射光线275也处于平面285上并且在点267处穿过平面287。起初，光线275的位置是未知的，但是该位置可根据本发明的原理通过衍射信息来确定。视线277和279分别与反射光线279形成角291与292，产生观察到的衍射信息，例如，衍射元件261的每个观察点所观察到的颜色。圆281和283分别表示在观察点267和271处产生的观察到的颜色的可能的反射光线的轨迹。281与283的相交处为单个点267，这对于这两个观察点的观察而言实际上是唯一的解。因此，在本描述中，利用两个观察点来精确地确定对应于光线275的向量。

图19示出了其中两个观察点提供单个解的另一个实例。参照图19，显示了类似的两个观察点的限定，其中入射光线273从衍射元件261反射和衍射，使得反射和衍射光线275处于平面285上并且在点267处与平面287相交。在该实例中，交点267的定位成使得其并不位于观察点269与271之间，尽管点267的位置起初是未知的，但是可利用本发明的原理来确定。在该实例中，由圆283表示的对应于观察点271的恒定颜色光线的轨迹被对应于观察点269的恒定颜色光线281的轨迹包围。该两个轨迹具有单个交点267。这是由从位置269和271观察到的衍射信息提供的用于反射光线275的唯一的解。实际上，可能示出的是，对于沿着平面285定位的任何反射光线275而言，来自观察点269和271的恒定的颜色点的迹线具有单个交点267。这允许精确地确定反射光线275的位置。

然而，在许多情形中，入射面和反射面不与平面285（该平面为衍射元件与观察点之间的视线平面）共面，并且仅利用两个观察点并不存在唯一的轨迹交点。然而，利用本发明的原理从多于两个观察点来观察衍射信息在该情形中提供唯一的解。三个观察点是足够的。四个观察点允许具有非常高的精确度以及用于多余的附加信息的唯一的解。可使用多于四个，但是可能不需要。在图20中对此进行示出。

参照图20，入射光线273和反射光线275位于不与平面285共面的平面291中。形成的分别用于观察点269和271的恒定的颜色轨迹281与283在沿着反射光线275定位的点267处相交。此外，轨迹281与283在点293处具有二次相交。该相交代表会产生从两个观察点269和271的观察到的颜色的相同集合的可替换反射光线。起初，在多种情形中并不知道哪种解是正确的。因此，仅仅从两个观察点观察衍射元件261不提供唯一确定的反射光线向量275。在一些可能的实施例中，一些限定的存在可提供充分的认识以克服与两个观察点的观察相关的上述的不明确性。一种这样的限定包括光源位置上的限定。特别地，对于聚集太阳能系统，两个可能的解267和293中的一个可能是不可行的，因为这意指太阳的位置位于水平线下方。在可替换应用中，可使用各种其他的限定以决定这两个可能的解中哪个是正确的。

解决对于两个观察点的观察而言的可能的不明确性的另一种方法是步骤与观察法。该方法使用根据衍射元件261的定向的多个观察来确定两个解中的哪个（267或293）描述了真实的反射光线275。实际上，这增加了额外的观察点，从而允许该解决方案被解决。

此外，用于克服存在于两个观察点观察中的歧义的另一个方法是增加至少第三观察点。在图21中对此进行示出。参照图21，增加了第三观察点295，该观察点具有到点261的视线297。观察点295位于平面287中来观察衍射信息，诸如颜色，其依据在视线297与反射光线275之间形成的角度而变化。对应于观察点295的恒定颜色的轨迹由圆299表示。点293表示确切地为两个迹线圆283/281与283/299之间的交点的集合。相反地，点267表示所有三个迹线圆281、283、与299的唯一的交点。因此，来自三个独特的观察点269、271、与295的颜色观察提供对应于反射光线275的向量的唯一确定。

因此，三个独特的观察点足以唯一地确定源于空间中的已知点（例如图18-图20中的点261）的反射光线向量的定向。一般而言，可使用四个或更多个独特的观察点。在这样的实施例中，超过三个的观察点可提供多余的功能，其可能是有用的，例如，在特定的观察点被遮挡的情况下。

图18-图20中的用于说明目的的衍射信息为颜色。在本发明的控制系统中可单独地使用或组合地使用各种不同种类的衍射信息。例如，除了作为从多个观察点观察到的衍射元件261的颜色之外或作为其替换，观察到的光的相对强度也提供可用于确定反射光线的定向的信息。特别地，相对强度对于确定两个或更多个观察点观察对应于相同或是不同的衍射级而言是有用的。

图20-图21及对应的讨论示出了三个或更多个独特的观察点是如何提供从观察点261反射的光线275的定向的唯一评定的。该关系可由等式2表示：

C_i=A_i·R_i（2）

其中，C_i是使元件对应于从第i个衍射元件23观察到的颜色的向量，R_i是对应于反射和衍射光线275用于第i个衍射元件26的相对于已知参考坐标空间的定向的单位向量，并且A_i是将反射光线单位向量映射成用于第i个衍射元件261的颜色向量的转换矩阵。对于给定的来自三个或更多个观察点的颜色观察以及转换A_i，可通过使用等式2的逆等式来确定反射光线的定向：

R_{i} = A_{i}^{- 1} \cdot C_{i} - - - (3)

此外，参照图22，在典型的实践模式中，诸如参照图2A-图2C及图3的CSP系统1，期望的是，光转向元件25以这样的方式定向，即，使得由入射光线303形成的来自每个光转向元件25的反射光线305在它们以如所期望的方式瞄准以聚集太阳光时与在此称为光转向元件25的额定目标301的已知空间点大致相交。在图2A-图2C中，这对应于聚焦区域7。因此，对于每个光转向元件25而言，存在描述反射光线305的从光转向元件25到额定轨迹点301的期望定向的向量。图22示出了用于全部的所述多个光转向元件25的单个额定轨迹点301，并且该额定轨迹点301优选地相对于控制系统大致固定在适当的位置中。

参照图23，在可替换实施例中，可存在多个额定轨迹点301。在该可替换实施例中，每个额定轨迹点301可与多个光转向元件25的子集相关。

参照图24，在另一个可替换实施例中，额定轨迹点301在一段时间内是大致固定的，并且然后在另一段时间内移动至另一个位置309。在迹线点移动至位置309之后，新的瞄准向量307产生。固定位置的数量和各个期间的持续时间不受限定。在又一个可替换实施例中，额定轨迹点的位置大致依据时间而连续变化。

在示意性实践模式中，在给定的时间瞬间，存在与单个光转向元件相关的大致固定的额定轨迹点，通过该固定的额定轨迹点可确定期望的反射光线向量r_i,0，使得反射光线大体上与期望的额定轨迹点相交。因此，根据等式2，存在表示该期望的反射光线向量的颜色观察向量c_i,0。对于与第i个衍射元件以由单位额定法向向量n_i,j表示的已知定向的多观察点观察对应的给定的颜色观察c_i,j，单位法线的值依据与衍射元件相关的接合机构的定向而变化。在数学上，衍射元件的单位法线可通过以下向量等式来描述：

Ni=B·X_i（4）

其中，N_i是第i个衍射元件的单位法线，X_i是描述接合机构的每个自由度的量的向量，并且B是将接合坐标映射成衍射元件单位法线的转换矩阵。

执行多个接合衍射元件的闭环跟踪以便使反射光线与已知位置大致相交的示例性方法包括以下步骤，理想地在控制系统的范围内对每个衍射元件和光转向元件实施这些步骤。程序1如下：

1.对包括作为向量元素的从多个独特观察点观察到的颜色的颜色向量C_i进行取样。

2.计算观察到的颜色向量C_i与在此称为ΔC_i的目标颜色向量C_i0的额定之间的差。

3.计算接合补偿向量ΔX_i，使得

4.将ΔX_i应用于接合机构。

5.重复步骤1至4。

执行多个接合衍射元件的闭环跟踪以使反射光线与已知位置大致相交的可替换方法包括根据程序2的用于每个衍射元件的以下步骤：

1.基于地理空间坐标、当地日期和时间、以及相对于目标位置的位置来计算开环接合坐标X_i。

2.将开环接合坐标X_i应用于接合机构。

3.对包括作为向量元素的从多个独特观察点观察到的颜色的颜色向量C_i进行取样。

4.计算观察到的颜色向量C_i与在此称为ΔC_i的目标颜色向量C_i0的额定之间的差。

5.计算接合补偿向量ΔX_i，使得

6.将ΔX_i应用于接合机构。

7.重复步骤1至6。

又一个可替换方法根据程序3包括以下步骤：

1.生成接合坐标X_i[t]的查找表，其中，t是当地的当日时间，使得X_i[t]为在时间t时最后得知的大致正确的目标接合坐标。

2.插入基于查找表的对应于当前时间的X_i坐标。

3.应用插入的基于查找表的对应于当前时间的X_i坐标。

4.对包括作为向量元素的从多个独特观察点观察到的颜色的颜色向量C_i进行取样。

5.计算观察到的颜色向量C_i与在此称为ΔC_i的目标颜色向量C_i0的额定之间的差。

6.计算接合补偿向量ΔX_i，使得

7.将ΔX_i应用于接合机构。

8.重复步骤2至6。

在示意性实践模式中，程序1至3中的任一者用在其中多个定日镜将太阳光聚集到一个或多个目标上的CSP系统中。定日镜包括允许太阳光转向的光转向元件。光转向元件机械地耦接至允许光转向元件的受控接合的接合机构。对应的衍射元件耦接至光转向元件，使得由衍射元件产生的衍射信息指示光转向元件瞄准得如何。该系统包括具有一个或多个成像装置的成像子系统，该成像子系统处于有效地观察由衍射元件产生的衍射信息（指示对应的光转向元件的瞄准）的位置中。优选地，成像装置机械地耦接至支撑结构并且邻近一个或多个目标地布置。包括一个或多个计算装置的计算子系统可操作地耦接至成像装置，使得由成像装置捕捉的衍射信息可用于可控制地使光转向元件瞄准在期望目标上。

将在此引用的专利、专利文献、技术论文、以及其他公开物的完整公开内容以正如每个被单独地结合的方式通过引证以其整体结合于此。在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对本发明进行的各种修改和替换对于本领域技术人员而言将是显而易见的。应当理解的是，本发明并非旨在被在此阐述的示意性实施例和实例不适当地限制，并且这样的实例和实施例仅以实例的方式来呈现，其中本发明的范围旨在仅由在此阐述的所附权利要求限定。

Claims

1.一种聚集太阳光的方法，包括以下步骤：

d）使太阳光转向并发生衍射；以及

e）观察衍射的太阳光；以及

f）在闭环控制系统中利用所观察到的衍射太阳光从而以使太阳光聚集到至少一个目标上的方式能控制地驱动多个光转向元件。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个光转向元件支撑在具有第一旋转自由度和第二旋转自由度的结构上，所述第一旋转自由度具有大体上平行于安装面的固定旋转轴线，所述第二旋转自由度具有根据所述固定轴线的旋转而翻转的轴线。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（a）包括使用多个定日镜，每个定日镜均包括光转向元件以及至少一个衍射元件，所述光转向元件能够被能控制地接合以使太阳光转向到所述目标上，所述衍射元件与所述光转向元件连接。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，将所述衍射元件以这样的方式与所述光转向元件连接，使得所述衍射元件产生的光学信息表示所述光转向元件的瞄准。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述光转向元件具有反射面，并且，所述衍射元件与所述反射面连接。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述衍射元件与所述衍射元件的中央区域连接。

7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述衍射元件包括多个衍射子元件。

8.根据权利要求3所述的方法，其中，所述衍射元件包括多个衍射子元件，所述衍射子元件具有使得所述子元件产生不同衍射信息的相应的多个衍射特性。

9.根据权利要求3所述的方法，其中，所述衍射元件包括多个衍射子元件，所述衍射子元件包括多个线性衍射光栅。

10.根据权利要求3所述的方法，其中，所述衍射元件包括圆形衍射特征。

11.根据权利要求3所述的方法，其中，所述衍射元件包括多个子元件，每个子元件均包括多个圆形衍射特征。

12.根据权利要求3所述的方法，其中，所述衍射元件包括螺旋形衍射特征。

13.根据权利要求3所述的方法，其中，所述衍射元件包括多个子元件，每个子元件均包括螺旋形衍射特征。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（a）包括使用片来衍射太阳光，所述片结合有至少一个衍射光栅。

15.根据权利要求3所述的方法，其中，所述片包括多个螺旋形衍射光栅。

16.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述目标附近定位有成像装置，所述成像装置具有包括所述衍射元件的视场，并且其中，步骤（b）包括以这样的方式使用所述成像装置来观察衍射元件，即，使得所观察到的衍射元件的衍射特性用于与对应的光转向元件能控制地接合，从而所述光转向元件将太阳光转向到所述目标上。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述成像装置具有包括多个定日镜的视场，并且其中，步骤（b）包括以这样的方式使用所述成像装置来观察位于多个光转向元件上的多个衍射元件，即，使得所观察到的衍射元件的衍射特性用于能控制地接合所述对应的光转向元件，以使所述光转向元件将太阳光转向并聚集到所述目标上。

18.根据权利要求3所述的方法，其中，所述目标在塔上，将一结构安装至所述塔，并且，将多个成像装置安装至所述结构，并且，其中，步骤（b）包括，以这样的方式使用所述成像装置来观察多个光转向元件上的多个衍射元件，即，使得观察到的衍射元件的光学特性用于与对应的光转向元件能控制地接合，从而所述光转向元件将太阳光转向并聚集到所述目标上。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，步骤（b）包括，使用所观察到的衍射元件的颜色特性来能控制地接合所述对应的光转向元件。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，步骤（b）包括，使用所观察到的衍射元件的强度特性来能控制地接合所述对应的光转向元件。

21.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（b）包括，使用至少三个角度的衍射信息来能控制地驱动光转向元件。

22.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（b）包括，使用闭环控制系统来能控制地接合光转向元件。

23.根据权利要求16所述的方法，其中，所述成像装置的视场中的所有的所述衍射元件具有统一的实际尺寸。

24.根据权利要求16所述的方法，其中，所述成像装置的视场中的所述衍射元件具有多种实际尺寸。

25.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤（b）包括，确定转向太阳光的向量，计算使所述转向太阳光的向量撞击所述目标的接合补偿，以及应用所述补偿以接合转向元件。

26.一种使转向太阳光瞄准的方法，包括使用所述转向太阳光的衍射特性使太阳光瞄准到一目标上的步骤。

27.一种用于将太阳光聚集在中心目标上的系统，包括：

d）多个定日镜，每个定日镜均包括：

i.转向元件，使入射太阳光转向；

ii.衍射元件，使入射太阳光衍射，其中，所衍射和转向的太阳光的特性表示被所述转向元件转向的太阳光的定向；

e）观察所述衍射元件的装置；以及

f）控制系统，使用所观察到的衍射光来确定使所述转向元件接合以将所述转向太阳光聚集在所述中心目标上的补偿。

28.一种使太阳光转向的定日镜，包括：

c）转向元件，使入射太阳光转向；以及

d）衍射元件，使入射在所述定日镜上的太阳光的一部分发生衍射，所述衍射元件与所述转向元件连接使得所衍射的太阳光的特性表示被所述转向元件转向的太阳光的定向。

29.一种用于将太阳光聚集在一目标上的定日镜系统，包括：

d）多个定日镜，使太阳光转向、发生衍射、并且聚集在第一中心目标上；每个定日镜均包括：

i.转向元件，使入射光转向到所述中心目标上；以及

ii.至少一个衍射元件，设置在所述转向元件上；

e）成像装置，包括观察所述衍射元件的视场；以及

f）控制系统，使用所观察到的衍射元件的特性来确定使所述转向元件接合以将所述转向太阳光聚集在所述中心目标上的补偿。

30.一种闭环指向瞄准系统，控制多个定日镜的指向瞄准以将光聚集在中心目标上，所述系统包括：

c）多个定日镜，使入射在所述定日镜上的太阳光发生衍射并转向；以及

d）控制系统，使用衍射太阳光来控制所述定日镜的接合，使得转向的太阳光聚集在所述中心目标上。