CN103874891A - 用于感测并指向瞄准光源的光学替换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及为了使来自光源的光转向到目标上而提供控制系统的设备和方法。本发明意识到，改变和/或分布（例如，通过衍射、漫射、或一些其他处理）、及通过定日镜转向的光的光学特性可以根据如何瞄准光转向元件而变化。这意味着，一旦知道改变和/或分布的光的瞄准，便可精确确定光转向元件的瞄准。有利地，可根据聚集照明区域外部的位置，确定表示如何瞄准光的改变和/或分布的光特性，在该区域中，传感器处于不适当的危险中。而这意味着，可在安全的位置检测改变和/或分布的光特性，然后，可用此信息来帮助将光转向元件精确地瞄准到所需目标（例如，CSP系统中的接收器）上。因此，改变和/或分布的光的瞄准是对瞄准在接收器处的光束的精确替换。

Description

用于感测并指向瞄准光源的光学替换装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年11月22日提交的名为“OPTICAL PROXY FORSENSING AND POINTING OF LIGHT SOURCES（用于感测并指向瞄准光源的光学替换装置）”的美国临时申请第61/562,962号和2011年3月14日提交的名为“APPARATUS AND METHOD FOR POINTING LIGHTSOURCES（用于指向瞄准光源的设备和方法）”的美国临时申请第61/465,165号的权益，为了所有目的，这两篇申请各自全部内容通过引用的方式结合于此。

技术领域

本发明涉及用来自分散（例如，非集中的或传播的）光束的光的特性来帮助将光转向元件瞄准所需目标的控制系统。更特别地，在聚光太阳能发电（CSP，concentrating solar power，聚光光热发电）的领域中，用这些策略来能控制地瞄准定日镜。

背景技术

在现有技术中，在聚光太阳能发电（CSP）的领域中使用定日镜是众所周知的。一种典型的CSP系统包括至少一个聚集塔以及与每个聚集塔对应的多个定日镜。在塔用作焦点的意义上，该塔被集中，对应的多个定日镜共同将太阳光转向到该焦点上，并将太阳光聚集在与塔相关的目标（也叫做焦点或接收器）上。因此，太阳光在塔接收器处的聚集与和塔相关的定日镜的数量（一直到一定的基本限度）直接相关。此方法将太阳能聚集至非常高的等级，例如，必要时，1000X或更大的等级。在实际应用中，许多系统在从50X到5000X的范围内聚集太阳光。用塔将高集中的太阳能转换成其他有用形式的能量。一种实践模式将聚集的太阳能转换成热量，直接或间接地（例如，通过产生蒸汽）用该热量对发电机、工业设备等供电。在其他实践模式中，通过使用任意数量的光电装置（也叫做太阳能电池），将聚集的太阳能直接转换成电。

定日镜通常包括使太阳光转向的镜子或其他适当的光学装置、支撑镜子并允许镜子铰接的支撑结构、以及实现铰接的执行机构（例如电动机）。最少地，定日镜必须提供两个旋转自由度，以将太阳光转向到固定的塔焦点上。定日镜可能是平的，但是，可能具有更多复杂的形状。定日镜接合可遵循方位角/仰角方案，按照该方案，镜子围绕与地表面垂直的轴线旋转一方位角，然后，围绕与地表面平行的仰角轴线旋转。将仰角轴与方位角旋转结合，使得仰角方向是方位角的函数。或者，定日镜可用翻转/倾斜方案来接合，在该方案中，镜子围绕平行于地表面的固定翻转轴线和另一倾斜轴线而旋转。通常，翻转轴线与倾斜轴线正交，但是，其旋转轴线根据翻转轴线旋转而翻转。当定日镜镜子法向量与地表面的法向量平行时，倾斜轴线与地表面平行。其他方案（例如，极性（polar）跟踪和许多其他方案）也是可能的；本发明可应用于这些方案中的任何方案。

瞄准定日镜，使得反射的太阳光撞击中心塔接收器，通常，中心塔接收器相对于定日镜固定在空间中。因为太阳在白天时会相对于定日镜的位置移动，所以，定日镜反射器必须适当地跟踪太阳，从而，随着太阳移动来使反射的光瞄准接收器。

图1示意性地示出了一种典型的CSP系统403。CSP系统403具有塔405，其具有聚焦区域407和将反射的太阳光瞄准到区域407的多个相应的定日镜409（为了说明的目的，仅示出了其中一个）。用向量411表示的太阳光从定日镜413反射走，将定日镜413定向为，用向量415表示其曲面法线。精确地瞄准镜子413，使得按照向量417反射的太阳光通常沿着定日镜聚焦向量419（其是从定日镜413和塔焦点407看的线）瞄准在焦点407上。如果不适当地对准镜子413，使得向量417未在焦点407对准，那么，这两个向量将偏离。因此，反射的光417撞击塔焦点407。为了实现这种状态，反射定律要求，形成于太阳光向量411和镜法线415之间的角度必须等于形成于向量419和镜法线415之间的角度。此外，所有三个向量411，415和419必须位于相同的平面上。可用向量代数表明，已知太阳光向量411和焦点向量419，对于镜法线415存在唯一解，其只是向量411和419的标准化平均值。

许多控制策略使用开环控制、闭环控制、或二者的组合。许多定日镜控制系统使用基于系统几何形状和太阳位置计算器的开环算法，以根据时间确定太阳和定日镜-焦点向量。这些计算对每个定日镜装置产生方位角/仰角或翻转/倾斜命令。这种控制系统通常假设，定日镜的位置是静态的且是被限定好的，和/或另外依赖于周期校正维护，以校正稳定性和其他由服役期限导致的偏离和偏移。开环解决方案的有利之处在于，其不需要任何反馈传感器来检测每个定日镜的瞄准有多好。这些系统简单地指示每个定日镜如何瞄准，并假设定日镜正确地瞄准。一个主要缺点是，如果要实现准确度，那么，开环系统需要用高精度制造的部件。使系统部件具有精密度是非常昂贵的。另外，执行以足够精度执行开环计算所需的精确测量的成本很高。随着定日镜场中的定日镜的数量增加，精度和测量的代价逐渐上升。因此，仅依赖于开环控制的系统趋向于过于昂贵。

闭环定日镜控制依赖于来自一个或多个传感器的反馈，该传感器能够测量所需状态和实际状态之间的差异或误差。然后，将这些误差处理成对接合镜子的定日镜执行机构的补偿信号，使得反射的太阳光撞击塔焦点。闭环瞄准的优点是，其不需要精确的部件或安装，或系统几何形状的知识。还可将该系统制造成，对服役期引起的偏离（lifetime drifts）不太敏感。对精度的更小的要求意味着，这些系统比仅依赖于开环控制的系统便宜得多。闭环系统使得可以使用控制软件，而不是使用主要精度，并且，与精度相比，执行控制便宜得多。

由于需要平分两个向量（而不是与一个向量对准）的瞄准状况，使得难于对CSP系统应用闭环瞄准方法。也就是说，如图1所示，在正常操作的过程中，定日镜413本身不特别瞄准任何东西，相反，其必须在太阳411和目标407之间的方向415上瞄准，并且，随着太阳的移动，焦点随着时间而移动。名义上地，在该方向上，除了空的天空以外，没有任何东西，因此，对于传统的闭环跟踪系统来说，镜子不对准任何东西。

理想的闭环定日镜跟踪系统应感测反射的太阳光向量417和视线向量419之间的差异，并努力将该差异控制至零。因此，CSP和聚光光伏发电（CPV，concentrating photovoltaic）系统设计者已经考虑到，反馈传感器的理想位置将是，将传感器放在反射光束的路径中，例如，放在塔焦点407。不幸地，这并不可行，因为没有实际的传感器可承受由高度聚集的太阳光所产生的极端温度或UV量。这提出了，如果无法跟踪光束，那么如何跟踪并校正光束的目标的重要的技术挑战。

其他方案也是可能的，尽管不太令人满意。例如，一种现有技术系统（http://www.heliostat.us/howitworks.htm）公开了一种控制太阳光向量417以与第三向量对准的传感器，该第三向量是传感器的靠近定日镜的轴线。在安装该系统的过程中，将传感器与视线向量419对准。因此，系统的精度取决于此对准的精度，并取决于对准保持不变。然而，在大型CSP系统中，这由于几个原因而可能是不够的；例如，塔405可能在风中摇摆，或者，经历热膨胀或收缩。成本也可能是一个问题，因为每个定日镜都需要单独的传感器。

现有技术中常见的第二种类型的“闭环”定日镜系统是这样的系统，其感测定日镜轴线相对于定日镜底座的方向。也就是说，参考图3，这种系统可能提供测量轴线29和33的旋转的编码器。然后，控制系统对在这些轴线的方向上检测到的任何误差提供校正。此类型的系统减小定日镜的齿轮系中的误差或误差，但是，其完全感测不到太阳光向量417，因此，在此向量中容易遇到任何看不见的误差，并且，看不到太阳光向量417与视线419的对准中的任何误差。因此，同样地，此系统可能对塔的运动和长期偏移敏感。实际的系统趋向于，包括精密的校正方案以处理这些问题。还会影响成本，因为，对于每个定日镜的每条轴线来说，都需要编码器。

因此，仍强烈地需要将使得闭环瞄准可行的技术。

发明内容

本发明涉及为了将光从光源转向至目标上而提供闭环瞄准系统的设备和方法。然而，在聚光太阳能发电的上下文中给出了这里公开的发明的原理，该设备和方法通常可用于任何瞄准系统，在该系统中，将光转向至一个或多个固定和/或移动目标上。

申请人的共同待决（处于审理中的）申请61/465,165中的实施方式教导了一种与光转向器机械连接的衍射元件。本发明教导到，除了衍射光学元件外，可以使用产生信号的任何光学元件，该信号是转向的光束的“光学替换装置（optical proxy）”。光学替换装置信号是具有以下特性的信号：

1.光学替换装置产生具有这样的特性的光束，该特性对转向的光束具有确定的关系。例如，如图26所示，光学替换光束的光线18具有的强度、波长、偏振或其他特性是和根据其与转向的主光束17的主光线的分离角度的变化成确定关系的。用数学方法，如果转向光束的角度是Φ，那么，光学替换光束18的一些特性p应是函数p(Φ)。为了说明，将图26所示的替换光束描述为是这样的光束，随着与转向的主光束17的主光线分离的角度的增加，该光束的强度减小。优选地，光学替换装置23在主光线17周围的整个角度空间中分配来自光源的光。

2.光学替换光束中的光的光源是与光转向器所转向的光源相同的光源。例如，如图26所示，入射的太阳光由镜子25转向，并且，也由光学替换装置23分配。

3.光学替换装置将光广泛地分配至三个维度中，分配至转向光束近端的宽圆锥中。也就是说，所分配的光束（注意，特性p可能是此强度，但是，其同样可能是一些其他特性）的强度I是这样的，使得可在较宽范围的角度内检测特性p。实际上，强度是关于视线的角偏移Φ和旋转角θ的函数I(Φ,θ)，并且，光学替换装置必须对较宽范围的角度Φ（最多是θ的值）提供有效强度。参考图2A，当将定日镜9在右侧大体方向上瞄准时（例如，在一些实施方式中，使得反射的太阳光在目标7的45度内），用传播的光照亮目标7近端的大的二维区域，该二维区域至少包括具有成像检测器28的区域。

在许多优选实施方式中，优选地，来自光学替换光束的光与转向光束成基本上最近的角度，促使光学替换光束的检测器位于彼此附近并位于转向光的目标附近，并有助于将替换装置光束检测系统的成本减到最小。

在优选实施方式中，函数p(Φ)变化，并且，函数I(Φ,θ)在角度Φ和θ的大连续范围内，具有基本上的非零值，使得光学替换装置在两个角度的大连续范围内起作用。

在一些实施方式中，一些特性p可能是θ和Φ的函数，从而提供与转向的主光束的方向相关的额外信息。在又一些实施方式中，特性p可能只是θ的函数。在又一些实施方式中，可以以组合方式提供光学替换装置，其中，一些是θ的函数，一些是Φ的函数，或是其任何有用的组合。

申请人的共同待决的申请61/465,165中的实施方式教导了一种与光转向器机械连接的衍射元件。本发明教导到：可以将任何类型的光学替换装置与光转向器机械连接。其还教导到，可以将光学替换装置与光转向器制成一体；例如，可将光学替换装置雕刻或浮雕在镜子的前表面或后表面上，或者，在将光学替换装置附接至镜子的光学衬底之前，将其雕刻或浮雕在镜子的反射涂层中。

在一个相关的实施方式中，光学替换装置可能是不同的元件，但是，整体地封装在光转向器内，例如，有利地，保护其免受元件的影响。在一个这种实施方式中（其中，光转向器是镜子），在对镜子进行涂覆之前，将光学替换装置附接至镜子衬底的背面，从而将光学替换装置封装在镜子衬底和镜子涂层之间。

在一些实施方式中，与光转向器相比，光学替换装置相对较小，并将其基本上定位在光转向器的孔内。在其他实施方式中，光学替换装置可以与光转向器的孔偏离。为了将通过量增到最大，当与使基本上所有的光（这些光将光学替换装置照射成替换装置光束）转向的光学替换装置（例如，一些光漫射器（optical diffuser，光散射体））一起使用时，这些实施方式趋于是优选的。其他类型的替换装置（包括但不限于，有意制造的低效率的衍射光栅）仅将少量光引导至替换装置光束中。

在一些实施方式中，优选地，具有相对低的效率（例如20%或更小的效率）的光学替换装置可以填充光转向器的孔的大部分或基本上所有部分，有利地，使光学替换装置体积变大，从而更容易用中心成像子系统成像。

本发明的其他实施方式提供基本上覆盖光转向元件的所有表面的光学替换装置。这有利地减小了成像系统检测来自光学替换装置的信号所需的分辨率。在这种实施方式中，优选地，光学替换装置的效率非常低，例如，1%或更低的效率，使得大多数光仍由光转向元件转向。

在这种实施方式中，优选地，光学替换装置通常是透光元件，使得光能够通过光学替换装置，到达光转向元件。然而，在一些实施方式中，光学替换装置可以是反射元件。在此情况中，光学替换装置包含光转向元件的光学功能。在一些这种实施方式中，光学替换装置是应用于光转向元件的下层玻璃衬底的薄反射膜。

本发明教导了，特别有用的光学替换装置是光漫射器，例如，毛玻璃漫射器（或磨砂玻璃散射片）。此类型的漫射器在来自光转向器的主光线周围以名义上的高斯轮廓分配替换光。

本发明进一步教导到，另一种有用的光学替换装置是包括多个单独的光学元件的复合元件。其还教导到，可一起使用光的多个特性，来实现额外的用途；例如，可以同时使用光的强度和波长。

在一个方面中，本发明涉及一种聚集太阳光的方法，包括以下步骤：

a)使太阳光转向；

b)用光学替换装置来光学地改变和/或分配一部分太阳光；

c)观察光学上改变的太阳光；并且

d)使用观察到的光学上改变的太阳光，以将转向的太阳光聚集在至少一个目标上的方式能控制地驱动多个光转向元件。

在另一方面中，本发明涉及一种瞄准转向的太阳光的方法，包括以下步骤：提供光学替换装置，该光学替换装置以与光转向元件的瞄准相应的方式光学上改变和/或分配太阳光；观察光学替换装置，以确定光学替换装置所产生的光学信息；并用该光学信息将转向的太阳光瞄准到目标上。

在另一方面中，本发明涉及一种用于将太阳光聚集在中心目标上的系统，包括：

a)多个定日镜，每个定日镜包括：

i.使入射太阳光转向的转向元件；

ii.光学上改变入射太阳光的光学替换装置；

b)观察光学元件的装置；以及

c)控制系统，使用观察到的光学替换装置的光学特性来确定使转向元件接合以将转向的太阳光聚集在中心目标上的补偿（调整）。

在另一方面中，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)光学替换装置，光学上改变入射在定日镜上的一部分太阳光，所述光学替换装置与转向元件接合，使得，光学上改变的太阳光的特性表示被转向元件转向的太阳光的方向。

在另一方面中，本发明涉及一种用于将太阳光聚集在目标上的定日镜系统，包括：

a)多个定日镜，使太阳光转向，并光学上改变，且将太阳光聚集在第一中心目标上；每个定日镜包括：

i.转向元件，将入射光转向至中心目标上；以及

ii.至少一个光学替换装置，设置于转向元件上；

b)成像装置，包括观察光学替换装置的视场；以及

c)控制系统，使用观察到的光学替换装置的特性来确定使转向元件接合以将转向的太阳光聚集在中心目标上的补偿。

在另一方面中，本发明涉及一种闭环瞄准系统，该系统控制多个定日镜的瞄准，以将光聚集在中心目标上，包括：

a)多个定日镜，光学上改变入射在定日镜上的太阳光，并使太阳光转向；以及

b)控制系统，使用光学上改变的太阳光来控制定日镜的接合，使得转向的太阳光聚集在中心目标上。

在另一方面中，本发明涉及一种跟踪控制系统，包括：

a)多个光学替换装置，与多个光转向元件接合，其中，将光转向元件与多个接合装置机械连接；

b)成像子系统，包括至少一个成像装置，所述系统具有包含有光学替换装置的视场；

c)计算子系统，包括与成像子系统和接合装置电连接的多个计算装置；并且

其中，用计算子系统来处理成像子系统观察到的光学替换装置的结果，以用接合装置来实现光转向元件的接合。

在另一方面中，本发明涉及一种太阳跟踪控制系统，其通过这样的方法来控制反射太阳光向量和视线向量之间的差异，该方法包括：使用与光转向元件接合的光学替换装置，该光学替换装置提供与反射太阳光向量的瞄准相应的光学信息。

附图说明

图1是一种示例性的聚光太阳能发电系统的简化立体图；

图2A是应用于聚光太阳能发电系统的本发明的示例性的实施方式的立体图；

图2B是应用于聚光太阳能发电系统的本发明的示例性成像子系统的立体图；

图2C是具有本发明的示例性的光学替换装置的示例性的定日镜的立体图；

图3是示例性定日镜的立体图；

图4A至图4D示意性地示出了装配有本发明的示例性的光替换元件的示例性的反射元件的主视图；

图5示意性地示出了直线衍射光栅的主视图；

图6A是用轴内光线照亮的图5的直线衍射光栅的侧视图；

图6B是用与衍射线正交的轴外光线照亮的图5的直线衍射光栅的侧视图；

图7A至图7C是包括同心或螺旋衍射线的示例性衍射元件的主视图；

图8A是包括多个同心或螺旋衍射线的示例性衍射元件的主视图；

图8B是观察到的示例性衍射元件的光谱的主视图；

图9A至图9C是示例性多层光替换元件的立体图；

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是包含成像子系统的示例性跟踪控制系统的示意图；

图12a是示例性成像子系统的示意图；

图12b是示例性成像子系统的示意图；

图13a是示例性接合子系统的示意图；

图13b是示例性接合子系统的示意图；

图14A至图14B是示例性计算子系统的示意图；

图15是替代的示例性计算子系统的示意图；

图16A至图16C是光替换元件的示例性2D光线轨迹；

图17是光替换元件的示例性立体光线轨迹；

图18是从两个视点看的光替换元件的示例性立体光线轨迹；

图19是从两个视点看的光替换元件的示例性立体光线轨迹；

图20是从两个视点看的光替换元件的示例性立体光线轨迹；

图21是从三个视点看的光替换元件的示例性立体光线轨迹；

图22是具有一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；

图24是具有多个目标的示例性跟踪系统；

图25是示出了投射数字方格图案的光学替换装置的图示；

图26是具有将光传播至替换光束中的示例性光学替换装置的示例性定日镜的立体图；

图27是具有与其背面制成一体的光替换元件的光转向元件的视图；

图28是两个光学元件表面轮廓重叠以产生一个复合光学替换装置的图示；以及

图29是具有一体的光学替换装置的光转向元件的图示。

具体实施方式

这里提出的设备和方法描述了闭环跟踪系统，其使用分配光和/或改变光的一个或多个特性（例如，波长、强度、偏振、或任何其他有用的特性），以用优选的方式感测多个光转向元件的方向并实现其接合的装置。这里描述的实施方式是示例性的，并不代表本发明所教导的原理的所有可能的实施方式。特别地，本发明的实施方式在聚光太阳能发电的领域中有直接应用，特别是，包括用定日镜使太阳光转向到固定焦点上的聚光太阳能发电，在该固定焦点中，可以将聚集的太阳光转换成其他形式的能量，例如，热能或电能。然而，本领域中的技术人员可应用并使用这里描述的设备和方法，以在替代应用场合中使用，在该替代应用场合中，必须使来自光源的光（特别是来自非固定的光源的光）转向到多个目标上。

图2A至图2C和图3示出了包含本发明原理的示例性的CSP系统1，为了图示目的，将该系统设置在安装面21上，在一些实施方式中，安装面21可能是建筑物的屋顶。为了图示的目的，关于使用衍射元件形式的光学替换装置23，描述了CSP系统1。在系统1或其他实践模式中，可以使用下面描述的其他类型的光学替换装置。CSP系统1包括定日镜9阵列，其使太阳光转向并将其聚集在塔5的聚焦区域7上。将包括成像检测器28的成像子系统11安装至塔5，以检测定日镜9所产生的衍射信息。

控制系统（未示出）使用来自闭环控制系统中的光学替换装置的检测到的光学信息来接合，从而，将从定日镜9转向的太阳光瞄准在聚焦区域7上。希望控制系统包括多个计算装置（未示出），其与成像子系统11和定日镜9电连接。为了使太阳光能控制地转向到系统聚焦区域7上而实现多个定日镜9的接合，控制系统包括处理成像子系统11获得的衍射信息的软件。

通常，每个定日镜9包括：至少一个光学替换装置23；反射元件25的形式的光转向元件；以及包括枢转机构21和31、机械支撑部33和底座35的支撑结构。光学替换装置23及其相关的反射元件25形成组件，该组件接合，使得组件可跟踪太阳，并将转向的太阳光瞄准在塔5的聚焦区域上。将光学替换装置23与反射元件25连接，使得，可用从光学替换装置23产生的光学信息，通过瞄准策略来能控制地瞄准光转向元件25，该瞄准策略包括闭环控制技术，可选地，与其他控制策略组合，例如，开环控制和/或前馈技术。特别地，成像子系统11检测由光学替换装置23产生的光学信息。该信息与瞄准反射元件25的方式相关。因此，可用该信息以可有效地校正和/或保持转向的光在聚焦区域7上的对准的方式接合反射元件25。

枢转机构31与支撑结构34机械连接并包含翻转轴线33，使翻转轴线33相对于支撑结构34的方向固定。将枢转机构27枢转地连接至枢转机构31，并可驱动枢转机构27，以翻转轴线33为枢轴而转动。枢转机构27包含倾斜轴线29，使得倾斜轴线29具有这样的方向，该方向是枢转机构31围绕翻转轴线33旋转的函数。将反射元件25枢转地连接至枢转机构27，并可驱动反射元件25，以围绕倾斜轴线29枢转。枢转机构27和31围绕轴线29和33分别提供两个旋转自由度，用于接合反射元件25和光学替换装置23。因此，由翻转轴线33和倾斜轴线29提供的旋转自由度会影响反射元件25和光学替换装置23的方向和位置。在所示实施方式中，倾斜轴线29和翻转轴线33基本上彼此正交，但是，并不位于相同的平面上。部件在轴线29和33周围的接合允许反射元件25能控制地对准聚焦区域7。

图2A至图2C和图3所示的定日镜9的实施方式包含两个旋转自由度，用于使光学替换装置23和反射元件25接合。在一个替代实施方式中，光学替换装置23和反射元件25的方向和位置可能被零个或多个旋转自由度和一个或多个平移自由度影响。在又一替代实施方式中，光学替换装置23和反射元件25的方向和位置可能由一个或多个旋转自由度和零个或多个平移自由度影响。

优选地，光学替换装置23以这样的方式，即，使得不管反射元件25在定日镜9的功能接合（functional articulation）范围内的方向如何，通过成像子系统11都可观察到光学替换装置23，位于反射元件25上，。为了图示的目的，图2c示出了沿着反射元件25的顶边缘位于中心的光学替换装置23。可以使用其他定位策略，例如，下面参照图4A至图4D描述的那些。

除了各个定日镜装置9的功能接合范围以外，定日镜9相对于成像子系统11的位置和方向以及定日镜9彼此的接近性，会影响成像子系统11观察光学替换装置23的能力。因此，在一些实施方式中，从成像子系统11的视点看，反射元件25的一部分可能会被其他定日镜9的一个或多个其他反射元件25遮挡。由于这个原因，在一些实施方式中，在反射面25上可能存在光学替换装置23实际上并不处于的区域。

优选地，光学替换装置23具有足够的尺寸，使得，在定日镜9的功能接合范围内，成像子系统11可以分辨光学替换装置23。同时，优选地，通常将光学替换装置或多个替换装置23的面积减到最小，使得，其占据反射元件25的总面积的一小部分。在定日镜9的净反射面积影响效率的聚光太阳能发电系统的情况中，这是特别正确的。因此，光学替换装置23的最小尺寸取决于成像子系统11的分辨率以及光学替换装置23相对于成像子系统11的位置。作为限制因素，光学替换装置23的最小面积由成像子系统11的分辨率和最远的定日镜9在系统3中的位置来决定。

在跟踪控制系统1的一个实施方式中，定日镜9或定日镜9的一个特定子组中的所有光学替换装置23具有大小基本上均匀的面积。使所有光学替换装置的大小基本上均匀可有利地减小制造复杂性，并且，当安装定日镜9以确保定日镜9相对于成像子系统11位于适当的地方时，需要更少的特殊性。此实施方式的一个缺点是，不能将给定的CSP系统所产生的功率的量增到最大，因为部分光学替换装置23将比所需要的大，以确保，不管离子系统11的距离多大，成像子系统11都可分辨阵列中的所有元件23。

一个替代实施方式包含光学替换装置23，其具有多种尺寸，使得，光学替换装置23的面积与其离成像子系统11的距离相关，例如，成反比。该实施方式的优点是，其可以被设计成，光学替换装置23在成像子系统11的图像空间中的有效面积是基本上均匀的。另外，此实施方式通过将相对于部分定日镜9过大的光学替换装置23的寄生损失减到最小，来增加CSP系统的总吞吐量。此实施方式的主要缺点是，增加了制造和安装复杂性。

图2A至图2C和图3示出了占据光转向元件25的面积的相对小的部分的光学替换装置23。替代实施方式可以容许光学替换装置相对于在其上安装一个或多个光学替换装置的光转向元件具有更多面积。在光转向元件是镜子的一些实施方式中，光学替换装置也是基本上反射的，从而是类似镜子的，并可能覆盖镜面的大部分（例如，大于20%，大于50%，甚至大于75%，甚至是基本上全部）。这种大面积的替换装置可能具有低效率，例如，20%或更低，或者，甚至10%或更低，或者，甚至1%或更低的效率。因此，光学替换装置仅作用于入射光的一部分。光学替换装置的存在不会改变来自光源（例如太阳）的光的剩余部分，光的剩余部分会反射或传播至镜子，以使其转向用于太阳能聚集。这使得容易使用大的光学替换装置，并相应地更容易进行图像检测，而不会明显牺牲光转向元件的总吞吐量。这还有利地减小了检测来自光学替换装置的信号所需的成像系统的分辨率。在这种实施方式中，光学替换装置的效率优选地非常低，例如，1%或更低的效率，使得大部分光仍是通过光转向元件转向。

在这种实施方式中，通常，光学替换装置优选地是透射光学元件，使得，光能够通过光学替换装置，到达光转向元件。然而，在一些实施方式中，光学替换装置可以是反射元件。在此情况中，光学替换装置包含光转向元件的光学功能。在一些这种实施方式中，光学替换装置是应用于光转向元件的下层玻璃衬底的薄反射膜。

图2A至图2C和图3示出了光学替换装置23，其中，元件23是安装至光转向元件25的单独的部件。在一些实施方式中，可以将部分或所有光学替换装置与光转向元件制成一体。例如，如图29所示，光转向元件25的表面可以包括光学替换装置317的所需表面轮廓315。可以将这里描述的光学替换装置的任何替代光学功能包含到替换装置317中，包括但不限于，衍射、漫射、偏振等。元件25可以包含多个替换装置，其可以是不同种类的元件，这些元件包括多个多种类型的子元件和/或基于重叠的复合元件。

如图27所示，在光学替换装置与光转向器25制成一体或封装于其中的许多实施方式中，优选地，光学替换装置集成至、附接至、或嵌在光转向器的背面319。“背面”表示转向器25的保护其免受元件或紫外辐射影响的一侧。转向器25和替换装置仍被定位成与入射光光学地相互作用。图27示出了光转向器，其是镜子，具有背面反射涂层321。其他实施方式将光学替换装置放在前侧上，并包括透明保护涂层，以帮助防止光学替换装置老化。

在光转向器是反射性的实施方式中，光学替换装置可以是反射性的或透射性的。在任一种情况中，希望光学替换光束也是反射光束；光学替换装置可提供其自己的反射面，或者，其可依赖于光转向器的反射面。如果使用光转向器的反射面，那么，光将通过透射光学替换装置两次，产生增值效果，这在一些情况中可能是有利的。在许多具有透射性的光转向器的实施方式中，光学替换装置也是透射性的。通过实例，光转向器的一个实例可能是具有透明玻璃盖的聚光灯，并且，光学替换装置可以是透光的衍射光栅。

如图4A至图4C所示的光学替换装置23的形状是基本上正方形的，但是，也可能使用各种形状。在替代实施方式中，光学替换装置23可能具有基本上矩形的形状。在又一替代实施方式中，光学替换装置23的形状可能是基本上圆形的。在又一替代实施方式中，光学替换装置23的形状可能具有任意的轮廓。本发明的其他实施方式可能包括具有多种形状的光学替换装置23。

虽然许多实施方式考虑到使用基本上平的光转向器，例如平面镜，但是，本发明也可与弯曲的或另外具有更复杂的形状的光转向器（在这里也叫做光转向元件）一起使用。本领域中的技术人员将理解，将旨在用于平面的光学替换装置应用于曲面，将导致光学替换光束某种程度上的模糊。当在这种系统中使用时，存在各种替代实施方式。一些实施方式提供了可在其中放置光学替换装置的平面区域。其他实施方式通过适应光学替换装置的表面轮廓而得以补偿，来补偿非平面的影响。第三种类型的实施方式对非平面不作特殊改造；通过实例，这种实施方式可以在成像子系统11中以软件形式对模糊提供补偿，而在另一实施方式中，从模糊的光学替换光束产生的角测量精度是足够的，不用任何补偿。

用成像子系统11来检测或另外捕获光学替换装置23所产生的光学信息。子系统11能够检测、感测、观察、或另外捕获光学信息，光学信息包括但不限于，光学替换装置23反射、散射或衍射的光的强度和颜色。光学信息与反射元件25的瞄准相关，因此，控制系统可用其将从定日镜9转向的太阳光瞄准并聚集在聚焦区域7上。

成像子系统11通常包括多个传感器，优选地，是成像装置28的形式。在一个实施方式中，每个成像装置28是商业上可获得的数字照相机。在一个替代实施方式中，成像装置28为不同程度上的定制装置。将成像装置28与支撑结构30机械连接，并将成像装置布置在聚焦区域7的附近，例如，在一些实施方式中，在聚焦区域7的100米内，或甚至更少，例如，近至5米，这取决于CSP系统的整体设计。将支撑结构30在聚焦区域7的附近与塔5机械连接。在另一实施方式中，将支撑结构30与聚焦区域7机械连接。在另一实施方式中，将支撑结构30安装至除了塔5以外的单独结构上。

在一些实施方式中，可以用多个成像子系统11和/或在多个塔5上实现系统1中使用的跟踪控制系统，同时仍保持一个焦点7或多个焦点（未示出）。优选地，每个成像子系统负责跟踪定日镜场9的一部分。当一些定日镜9离焦点7非常远时，这种结构可能是有利的。通过将额外的塔和成像子系统放在定日镜区域中的较远位置，可以改进感测能力。这种实施方式的缺点是，需要多个塔和成像子系统，并且，需要使其在几何学上保持全部配合。在一些实施方式中，为了备份的目的，可能提供多个成像子系统。在这种实施方式中，可以将成像子系统的视场设计为有意重叠。

如所示出的，将成像装置28以通常径向对称的方式布置在焦点7的周围。可以使用其他布置。例如，成像子系统11的一个替代实施方式包括多个以大体上线性对称的方式布置在焦点7周围的成像装置28。在一个替代实施方式中，成像子系统支撑结构30基本上是独立式的，与安装面21独立地机械连接。成像装置28离聚焦区域7足够近，使得可在闭环控制系统中使用检测到的衍射信息，以驱动反射元件25瞄准聚焦区域7。然而，装置28离聚焦区域7足够远，以避免装置28将被聚集的太阳光损坏的不适当的危险。在优选实施方式中，将成像子系统11与中心塔5机械连接，但是，可以将其布置在任何便于机械安装的地方。在一些实施方式中，例如，可以将成像子系统安装在到中心塔5大约一半的地方。在一些实施方式中，可以提供单独的塔。

成像子系统11包括多个具有适当视场特性的成像装置28，通过其可观察到多个衍射元件23。在一个代表性实施方式中，每个成像装置28具有有效视场，使得，其可静态地或通过使用光机机构或其他允许多个视场的驱动技术，观察到全部的多个光学替换装置23。在一个替代实施方式中，各个成像装置28具有有效视场，以静态地或通过使用允许多个视场的光机机构观察到多个光学替换装置23中的子集。在这种实施方式中，该多个视场的并集包括全部的多个光学替换装置23。在另一替代实施方式中，多组成像装置28具有有效视场，使得可观察到的衍射元件的交集和并集与给定的子集等价，和/或全部有效视场的并集包括全部的多个光学替换装置23。

进一步参考图2B，在一些实施方式中，用一些其他形式的感测系统代替成像子系统11，该感测系统感测光学替换光束的一些特性，可用该特性帮助确定来自光转向元件的主光线17的方向。通过实例，可使用感测光学替换光束的传播时间的相位感测系统。

图4A至图4D示意性地示出了装配有本发明的示例性光学替换装置的示例性反射元件的主视图。图4a示出了衍射元件的实施方式，例如，是根据图2c的定日镜9的反射元件25上的光学替换装置23的类型，使得，光学替换装置23基本上位于水平方向的中心，并基本上沿着反射元件25的顶边缘。光学替换装置23的这种位置在聚光太阳能发电系统中是有利的，因为其将光学替换装置23在整个功能接合的范围中被相邻定日镜阻挡的危险减到最小。

图4b示出了基本上靠近反射元件26的中心的光学替换装置24。此实施方式可能允许无阻碍地观察光学替换装置24，但是，可能影响CSP系统上最小间隔要求。假设替换装置24位于一条或多条旋转轴线的近端，此实施方式可能提供以下优点：根据元件26和24围绕翻转和倾斜轴线的旋转而将光学替换装置24的位移减到最小。

在图4c的又一替代实施方式中，在反射元件38上设置多个光学替换装置32。光学替换装置32的位置被设置成在功能接合范围内至少一个光学替换装置32不会被阻挡。这种示例性实施方式包括，将两个光学替换装置32基本上定位在反射元件38的相邻转角的近端。图4d示出了一个相似的实施方式，其中，将光学替换装置37定位在反射元件36的对角处。其他替代实施方式可以将任意数量的光学替换装置定位在相应的反射元件上。

在其他实施方式中，一个或多个光学替换装置23被放在反射元件25的区域的外部，但是，通过支撑结构与其机械连接。通过实例，可将光学替换装置放在这样的位置，在该位置中，其沿着反射元件25的顶边缘基本上位于中心，但是，位于反射元件的顶边缘的上方，有利地，不阻挡反射元件25的任何区域，同时，还避免阻挡附近的定日镜。

其他替代实施方式可以将任意数量的光学替换装置23放在反射元件25上且放在反射元件25上的任何地方。

除了衍射元件以外或与其组合，在本发明的实践中，可以将大范围的光学元件作为光学替换装置。例如，本发明教导到，另一特别有用的光学替换装置是漫射器。与将反射主光线的角度偏移编码成颜色的衍射元件相比，优选的漫射器趋向于将角度偏移编码成强度级别，强度在低角度偏移时最高，在高角度偏移时最低。这在图26中概念地示出，其中，光线18的箭头的长度的旨在表示每条光线的相对强度。一种有用类型的漫射器是毛玻璃漫射器，其趋向于具有强度与角度偏移的函数，角度偏移是高斯函数，p(Φ)=a exp(-Φ²/2c²)。

其他实施方式可能包括具有替代轮廓的漫射器。例如，可将所谓的工程漫射器设计为多种轮廓。例如，与高斯漫射器相比，其强度随着角度的倒数而变化（p(Φ)=f/Φ）或随着角度的平方的倒数而变化（p(Φ)=a/Φ²）的轮廓具有有利的特性，随着漫射器远离成像子系统11，其亮度趋向于保持更恒定，从而有助于更容易在距离成像子系统较大范围处使用相同的漫射器。

在其他实施方式中，应用重叠原理允许将多个光学元件“堆叠”在一个复合元件中。这将多个光学元件的功能结合到公共的覆盖区中。当一个实施方式在一个元件中包括不止一个光学替换装置或多个子元件时，这些元件可以是相同的类型（例如，所有都可以是衍射元件）或不同的类型（例如，部分可以是衍射元件，而部分可以是漫射元件）。

例如，图28示出了如何将光学元件303的表面轮廓301和光学元件307的表面轮廓305结合在复合元件309的一个表面轮廓311中，然后，这将两个元件的功能组合在一个元件中。

在一个示例性实施方式中，用重叠原理将圆形衍射光栅和具有反向正方形强度轮廓的工程漫射器结合在一个复合光学替换装置中。其他实施方式可以包括多于两个的重叠轮廓，并可以结合任意所需的多个光学元件。替代实施方式使任意类型（不只是名义上的平面）的光学装置重叠。通过实例，可以使元件的表面轮廓在轴锥体（axicon，能量再分配器，一种光学元件）上重叠，或在透镜的表面上重叠，产生复合元件。偏振（polarizing）元件是另一类型的适合于用作光学替换装置的光学元件。

申请人的共同的处于审理中的申请61/465,165“Apparatus and Methodfor Pointing Light Sources（用于瞄准光源的设备和方法）”公开了许多种瞄准光源的技术，这些技术用衍射光学元件瞄准光源以感测转向的光源的方向，然后根据需要重新定位光转向器以控制转向的光的方向。

在一些使用衍射元件的实施方式中，可以提供多个包括几个具有不同间距的衍射光栅的元件，以产生多种具有不同角分布的光学替换光束。同样地，使用漫射元件的实施方式可以包括多个漫射器，以产生多种具有不同角分布的光束。

在用漫射器作为一个或多个光学替换装置的实施方式中，漫射器分配的光的颜色的任意的，因为漫射器将角度偏移编码成强度，而不是颜色。虽然大多数明显的选择是无色漫射器（观察者最可能识别为“白色”），但是，部分实施方式可以使用带颜色的漫射器，或者，可以将漫射器与滤色片串联放置，使得漫射器分配的光带颜色。

有利地，这种实施方式有助于将漫射器与背景区分开。例如，在少云的天气，白色的漫射器可能难以区分在镜子25中看到的背景云。因此，本发明的一些实施方式使用有颜色的漫射器，其可轻易地与云的白色背景区分开。

特别地，优选实施方式趋向于使用红色漫射器，因为红色漫射器也可有利地与蓝色天空背景轻易地区分开。替代实施方式可以使用任何合适的颜色或颜色的组合，包括不可见的颜色。通过实例，一些实施方式可以使用红外漫射器。这种红外漫射器对肉眼实际上可能呈现出黑色，但是，对于单色的硅基成像照相机来说将容易看到这种红外漫射器，并且，这种红外漫射器容易将与云和天空区分开。

为了不同的目的，一些实施方式也将结合不同的光学替换装置的原理应用到漫射器颜色的概念中。例如，可将具有窄角度强度分布的红色漫射器与具有宽角度强度分布的绿色漫射器一起使用。红色漫射器将趋向于具有高精度，而绿色漫射器将提供宽检测角，并且，二者很轻易被成像子系统11区分开。

类似地，一些实施方式可改变衍射光栅的强度或偏振现象，以改进系统的一些特性。参考图16b，通常，利用光的一个参数将相对于主光线211的角度偏移215进行编码的实施方式可以根据需要使用光的其他参数，以执行其他有用的功能。

在包括单独使用或与其他衍射元件或其他类型的光学元件组合使用的衍射元件的那些实施方式中，可以将多种衍射元件用于本发明的实践中。

为了理解衍射元件在本发明的实践中的用途，我们将回顾直线衍射光栅的操作。图5示出了具有规则间隔开的光栅线53的直线衍射光栅51。在诸如分光计的装置中，已经长期使用衍射光栅来将多色的光分成其组成颜色，以表现光源或反射/吸收光的材料的特征。存在多种类型的直线衍射光栅，但是，原则上，其通常包含一组为了衍射而具有适当尺寸和间隔的平行凹槽或线路，例如，待衍射的光带的波长或甚至该波长的10倍或更大的等级。凹槽的间隔产生相长干涉（constructive interference）和相消干涉（destructive interference），其使得不同波长的光相对于入射光束以不同角度相长干涉。因此，通过透射光栅或从反射光栅反射走的白光将产生与彩虹的效果类似的颜色的光谱。衍射角是衍射光的行间隔、波长与光栅上的入射角的函数。以下等式给出了衍射角θ_m、凹槽间隔d、入射角θ_i和波长λ之间的关系。该等式具有多个解，因为干涉最大值是周期性的。整数m是衍射级，并且，可以是正的、负的、或0。

d(sin(θ_m)+sin(θ_i))=mλ   （1）

m=0，或者，第0级衍射是特殊情况，并且，在反射光栅的情况中等于反射角，在透射光栅的情况中等于折射角。

图6A示出了图5的反射直线衍射光栅51，该光栅可以在边缘上看到并用一条垂直于其平面撞击衍射光栅51的多色光线55显示。光栅将光反射到光线57中，并使光衍射成多个衍射级59至65。每个衍射级用三条单色光线示意性地示出。角度67代表第0级反射光线57和第1级衍射光线59之间的角度。从以上等式中，我们看到，角度67与入射角无关。这意味着，对光线59至65中的任何光线的检测可提供与反射光线57的位置相关的信息。

图6B示出了以非垂直入射撞击图5的光栅51的入射光线55。反射的第0级光线57从光栅51以一定的角度反射，该角度等于光线55的入射角。和第-1级光线61一样，不管光线55的入射角如何，第1级衍射光线59相对于第0级反射光线保持相同的角距67。对于更高级的衍射光线63和65来说，也是如此。

参考图6A和图6B，本领域中的技术人员将理解，从直线光栅51衍射的光线仅在一个维度上分散入窄平面中。在类似太阳的尺寸上小于1/2度的光源的情况中，分散的光将限制于空间的窄的1/2-度区域中。

进一步考虑此结果表明，尽管有用，但是，直线衍射光栅并非可最佳地用作本发明的更优选的衍射元件23，因为用成像检测器28观察不到衍射光，除非其碰巧位于空间的该窄的1/2-度区域中，并且，仅在最偶然的情况中，容易被多于一个的检测器28检测到。此外，当太阳在白天通过天空且光转向元件25改变角度时，空间的此1/2-度区域在天空中移动很远的距离，通常远离成像系统11。

为了解决此问题，本发明的更优选的基于衍射的实施方式提出使用在两个维度上具有结构的衍射元件，由此可将光宽泛地传播到三个维度中，从而，用传播的光照亮目标7附近的大的二维区域（包括至少包含成像检测器28的区域）。

本发明教导，衍射元件的优选实施方式包含圆形或螺旋形光栅。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。其他不太优选的实施方式可以使用重叠的和/或直线光栅阵列，与另一不太优选的实施方式相比，其增加了用于观察衍射效果的窗口，其中，仅使用一个直线光栅。

虽然本发明可使用标准的直线光栅，但是，与2D光栅相比，单独的直线光栅的作用更有限。通过实例，当用来感测太阳的瞄准时，在非分散方向上，一个直线光栅仅在非常窄的角度上传播光，该角度稍微小于1/2度（太阳的宽度）。可以提供两个直线光栅，彼此的方向相差1/2度，以提供1度的传播角。类似地，可以提供四个直线光栅，以提供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，所以，可能需要许多直线光栅来提供足够的传播角。由于这个原因，本发明优选二维光栅，例如，圆形或螺旋形的。

有利地，圆形和螺旋形光栅有效地在其中心点周围提供一组连续的直线光栅。这在图7c中示意性地示出。考虑衍射元件91（图7a）的窄部分97。此部分97接近具有水平线的直线光栅，从而，当由垂直于水平轴线105的光照亮时，将产生衍射光谱。同样地，部分99、101和103分别接近直线衍射光栅，它们分别具有垂直于横截面的角度的衍射轴线102、104和108。在横截面的宽度接近于零的限制中，具有不定数量的直线衍射光栅，其具有完全填充0°至360°的衍射轴线。圆形和螺旋形光栅提供相同的好处。有利地，圆形或螺旋形光栅克服了直线光栅所遇到的非直线效果的问题，并且，是更优选的。

然而，一个圆形或螺旋形的光栅具有这样的缺点：观察到的光谱的宽度被限制于与照明源的角宽度成比例的窄线。因此，这种光栅需要的成像子系统的分辨率比可能所需的更高，以观察跟踪控制系统1中所有衍射元件的衍射光谱。因此，为了克服一个圆形或螺旋形光栅的分辨率限制，更优选的衍射元件的替代实施方式优选地包括多个布置在二维阵列中的圆形或螺旋形光栅。例如，参考图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能够使入射光在所有衍射轴线上衍射，当从相对近的观察点观察时，可将其分辨为一组平行光谱117，如图8B所示，例如，代表图8a中的每个子元件115的一个光谱。当从相对远的地方观察时，将图8B的这组平行光谱117分辨为一个光谱。

一些上述实施方式描述了包括具有均匀隔开的衍射线的子元件的衍射元件。替代实施方式可能包括具有不均匀隔开的衍射线的子元件。同样地，替代实施方式可能包括多个具有衍射线的子元件，其中，衍射线布置成，相应的线平行，但是具有不同的间隔。有利地，包括具有多个线间隔的子元件的衍射元件允许衍射元件通过调节衍射级以使其重叠，而提供更大的动态范围。

一个光学替换装置可以包括多个单独的光学元件。在一些包括多个不同类型的元件的实施方式中，可为了不同的目的而优化这些元件。在一个实施方式中，例如，可提供多个使光以不同角度衍射的衍射元件，产生更宽的光分散，增加角度范围，在该角度范围上，反射元件25及其光学替换装置可接合，同时仍可轻易地被成像子系统11检测到。在另一实施方式中，由于类似的原因，可提供多个衍射元件。在另一实施方式中，可提供衍射和漫射元件。此类型的实施方式在耐用性方面具有优点；例如，漫射元件可能具有本质上宽的传播角，但是，晨露的额外漫射效果会对其精度产生不利的影响，同时，衍射元件可能具有窄传播角，但是，其波长分散的精度将不会被露水影响。

这些实施方式可能包括多个光学替换装置，其可以包括任意数量的不同元件，包括但不限于，衍射光栅或其他衍射元件、轴锥体、漫射器、偏光器以及这些的组合。在一些实践模式中，这些的一部分可能是漫射元件，一部分可能是衍射元件，一部分可能是偏振元件，等等。光学替换装置可以包括任意数量的布置成任何合意形状的光学元件。

光学替换装置的其他实施方式使用包含光学功能层的薄片。可能用连辊（roll-to-roll）制造或用与用来制造全息贴纸的技术类似的技术，来制造这些薄片。光学功能层可提供所需的光学效果，例如，衍射、漫射、偏振、或这些的组合。该薄片可能是一层，或者，两层或多层的层压物。特别地，全息贴纸制造技术可能产生特殊的点阵图案，以更好地控制接近于这里描述的直线和圆形光栅的效果的衍射特性。有利地，全息贴纸制造技术有利地提供了一种制造大体积的光学有源元件的低成本方法，如通过一般用于消费品和包装的安全和验证目的的容易获得的低成本全息贴纸所显而易见的。

为了说明这一点，图9A至图9C示意性地示出了光学替换装置106的另一实施方式，其包括多个包括衍射层107的层。光学功能层107是浮雕的或以其他方式制造的包含一个或多个光学功能的薄片（包括层压薄片）的形式。在一些实践模式中，希望用与制造全息贴纸的技术相似的技术来制造该薄片。光学替换装置106进一步包括粘结层109。光学功能层107提供上述光学特性中的任意特性，而粘结层109提供这样的机构，通过该机构，将光学替换装置106与反射元件或相关结构机械地连接。光学替换装置106可能包括可去除的衬里层111，其防止衍射元件106持久地粘附至其他实体。有利地，这允许在去除衬里层111之前批量制造、储存并有效地处理光学替换装置106，并在装配过程中与反射元件连接。可选地，光学替换装置106可以包括施加在光学功能层107上的防紫外层113，当暴露于和户外阳光照射的情况相同的紫外线剂量下时，防紫外层增加了光学替换装置106的使用寿命。作为另一选择，光学功能层107本身可以包括防紫外成分，例如，增加户外太阳照射下的使用寿命的染料。此外，光学替换装置106可能包括额外的层，其提供额外的衍射层和/或机械优点（例如硬度），以在制造或装配过程中改进可重复性。

图10a和图10b示出了适于本发明的实践的示例性成像装置120。成像装置120包括机械壳体121、镜头壳体123、电子互连件125。机械壳体121对成像电子元件129提供一般的结构支撑和环境保护。同样地，镜头壳体123定位并保护一个或多个透镜127。成像电子元件129包括焦平面阵列131，在成像装置120的视场内，透镜127在焦平面上使物体成像。

在一个实施方式中，成像装置120是商业上可获得的数字照相机装置。在一个替代实施方式中，成像装置120是不同程度上的定制装置。在用光的颜色来编码角度偏移的实施方式中，希望成像装置120是彩色数字照相机装置。其他实施方式可能需要同样专用的光学装置。通过实例，使用偏振来编码角度偏移的实施方式将趋向于，包括作为成像装置120的一部分的偏振操作光学元件。

优选地，成像装置120包括足够位的分辨率，以区分需要系统检测的角度偏移的最小变化。通过实例，在CSP系统中，可能希望将反射太阳光的角度偏移感测至1毫弧度或更好的精度。对于漫射器形式的光学替换装置，12位或16位的单色照相机可能是优选的，而对于衍射光栅形式的光学替换装置，24位的彩色照相机可能是优选的。

同样地，成像装置120必须也提供足够的空间分辨率，以适当地感测包括在其相应的视场或多个视场内的光学替换装置。由多个焦平面阵列131提供的像素的数量和透镜127的光学特性，会影响成像装置120的空间分辨率。是否可足够地分辨给定的光学替换装置取决于这些因素、以及光学替换装置的物理尺寸、光学替换装置在视场内的位置、以及光学替换装置和成像装置120之间的距离。对于成像装置120的有效视场内的给定的光学替换装置，最小的空间分辨率优选地是这样的，使得，光学替换装置120可分辨成像装置120的图像空间中的至少一个像素。因为光学替换装置相对于成像装置120的方向不是固定的，而是可在其相关的接合机构的范围内变化，所以，成像装置120的图像空间中的光学替换装置的尺寸不是固定的，而是根据光学替换装置的方向而变化。因此，优选地，成像装置120的空间分辨率足以在光学替换装置方向的整个范围上，将光学替换装置分辨至图像空间中的一个像素的最小值。

在一个实施方式中，成像装置28的空间分辨率是这样的，使得，对于包括在有效视场内的每个光学替换装置23，在接合方向的范围内，图像空间中的最小的相应尺寸是一个像素。有利地，这种实施方式将成像装置28所需的分辨率减到最小，从而将装置的成本也减到最小，因为成本通常与空间分辨率直接成正比。

在一个替代实施方式中，成像装置120的空间分辨率是这样的，使得，对于包括在有效视场中的每个光学替换装置，在接合方向的范围内，图像空间中的最小的相应尺寸是n x m的像素阵列，其中，n和m是整数，其中，至少一个大于或等于1。这种实施方式不必将成像装置120的空间分辨率减到最小，然而，有利地，其提供分辨率边界。另外，这种实施方式使得能够将成像装置120布置在跟踪控制系统1中，跟踪控制系统1在其有效视场内具有可变的布局和多个光学替换装置120。

在不同的实施方式中，成像装置120可以具有许多种结构。在一个实施方式中，提供多个焦平面检测器131，每个检测器是2D阵列传感器，例如，典型的数字照相机CCD或CMOS传感器。

在替代实施方式中，提供行扫描（1维）检测器与扫描镜，例如，存在于典型的影印机或桌面扫描仪中的。有利地，以帧频和增加移动部件为代价，这种检测器可以提供非常高的分辨率。

其他实施方式将多个2D检测器与行扫描检测器组合。

因为物体在图像中表现出来的尺寸取决于离物体的距离，所以，可以看到，定日镜场在成像装置120的焦平面131上的额定映射（nominalmapping，标称映射）随着离定日镜9的距离的改变而改变。距离较远的定日镜占据相对少的像素，而靠近的定日镜占据大量像素。

为了更有效地使用传感器，一些实施方式在透镜127的前面提供场压缩光学装置（filed compression optic）或将该装置作为其的一部分。此场压缩透镜提供了定日镜场的可变放大率，使得，更近的定日镜放大的程度更小，而更远的定日镜放大的程度更大，从而，使得更好地使用检测器131的像素，允许用成像装置120使更大的定日镜场成像。

场压缩光学装置的一个特别有用的实施方式是仅提供垂直轴线的扭曲的透镜，因为，在一些实施方式中，垂直轴线上的分辨率趋向于限制约束定日镜场尺寸。场扭曲光学装置可以是镜子或透镜或任何适当的光学元件。

图11示出了如何将图2A和图2B所示的成像子系统11包含在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、和多个接合子系统153。成像子系统经由互连件155与计算子系统151电连接，计算子系统151通过互连件可获得图像数据。同样地，计算子系统151经由互连件157与多个接合子系统153电连接，计算子系统151通过互连件对接合子系统153发送瞄准指令，并从接合子系统接收状态遥测。可以通过有线和/或无线通信拓扑来实现电子互连件155和157。接合子系统153驱动相应的定日镜（未示出），以将转向的光瞄准所需目标。可以通过有线和/或无线通信拓扑来实现电子互连件155和157。在一些优选实施方式中，无线通信系统是Zigbee网状网络。

图12a和图12b示出了成像子系统11的说明性的实施方式。参考图12a，成像子系统11包括多个成像装置152，其与计算子系统151（图11所示）独立地连接或通过公共的电子总线155连接。在图12b的一个替代实施方式中，成像子系统11进一步包括图像处理控制器159，其经由多个互连件161与多个成像装置152电连接。互连件161包括有线和/或无线通信拓扑。图像处理控制器159提供一个或多个以下功能的局部配合，这些功能包括图像获取、图像预处理、以及经由互连件155将图像传输给计算子系统151（图11）。

图13a和图13b示出了接合子系统153的说明性的实施方式。参考图13a，接合子系统153包括接合处理器163，其经由互连件165与接合机构167电连接。将机构167与衍射元件（未示出）机械连接。接合处理器163经由互连件157从计算子系统151（图11）接收瞄准指令，以实现接合机构167与相应的衍射元件的连接。在图13b所示的一个替代实施方式中，接合处理器163经由多个互连件165与多个接合机构167电连接。互连件165可能是不同的互连件，或者，被组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）的实施方式。计算子系统151包括多个并联处理器169。并联处理器169经由互连件155与成像子系统11电连接，并经由互连件157与多个接合子系统155电连接。在一些实施方式中，将并联处理器169接合，使得互连件155和互连件157是不同的逻辑总线和/或物理总线。在例如图14b所示的替代实施方式中，将互连件155和157接合在一条逻辑总线和/或物理总线中。

图15更详细地示出了计算系统151（图11）的替代实施方式。计算子系统151包括主处理器171和经由互连件177电连接的多个从属处理器173及179。主处理器171对该多个从属处理器173和179提供监控，包括但不限于，同步和外部诊断连接。从属处理器179经由互连件155提供图像获取和处理，而从属处理器173经由互连件157提供接合控制。

有利地，根据本发明的光学替换装置的光学特性提供一种方法，通过该方法，与计算子系统151（图11）结合的成像子系统11（图11）能够使用观察到的由光学替换装置产生的光学信息来感测并确定主反射光束相对于观察点的角位移。为了说明的目的，图16a至图16c相对于图2a至图2c和图3的CSP系统1示意性地示出了这一点，其中，光学替换装置包括衍射功能。也将类似的原理应用到光学替换装置使用其他光学功能的情况中。

成像子系统的目标是，从成像装置28所记录的图像推导出主反射光线211的方向。实现此目标的第一个步骤是，判断一个成像装置28所记录的图像的性质。

有利地，光学替换装置23的光学特性提供一种方法，通过该方法，与计算子系统151结合的成像子系统11能够使用观察到的光的特性来感测反射的主光线211相对于成像装置28处的观察点的角度偏移215。参考图16，用光源照亮光学替换装置23，使得撞击光学替换装置23的光线201基本上是平行的。成像装置28通过其透镜孔55接收由光学替换装置23分布的光。用成像装置将由边缘光线203代表的所收集的光束聚焦在焦平面阵列131上。用边缘光线205代表聚焦的光束。产生的图像219包含光学替换装置23的子图像225。在成像装置28相对于光学替换装置23的尺寸离光学替换装置23很远的情况中，所收集的光线203的角度范围相对较小。在这些条件下，我们只用中心光线来模拟光束。

源光线207撞击光学替换装置23。反射光线211相对于光学替换光束的光线209具有角度偏移215。同样地由成像装置28观察到的光线209相对于主反射光线211具有角度215。角度213代表光学替换装置23在成像装置28的视场中的额定角位置。由成像装置28获得的代表性图像219具有子图像225，其是光学替换装置23在图像空间中的映射。用水平坐标221和垂直坐标223给出由子图像225所代表的光学替换装置23在图像空间中的位置。由于光学替换装置23的光学效果的原因，子图像225的颜色、强度或一些其他特性是角度215的函数。

子图像225的光学特性提供了与角度215可能的大小相关的信息。参考图17，成像子系统11中的一个成像装置28观察由基本上校准的光源照亮的光学替换装置23。给定光学替换装置23和观察到的子图像255的特定光学特性，将照相机-元件线的位置231和主反射光线209之间的角度θm限制成是一组与成像子系统28在子图像255中测量的光的特性值相应的角度中的一个。通过实例，如果使用衍射传感器，那么，子图像255将测量光线209的颜色。示出了两个这种可能的角度θ-1233和θ-2235，并且，其分别与示例性反射光线237和239相应。注意，这些角度和顺序是示例性的，并不代表全部可能的可由观察到的子图像255测量的角度。

通过来自一个成像装置28的信息，当试图使用来自子图像255的信息推断主反射光线211的方向时，实际上，存在任意数量的可能产生的沿着具有顶角2θm的圆锥体的表面的反射光线向量。这组圆锥体共用与位置向量线231重合的公共轴线。该圆锥体由它们的分别用于角度233和235的圆形底部241和243代表。

为了完整性，对子图像255中观察到的光的特性给定这组可能的反射向量，使用众所周知的反射定律，可确定这组可能的入射光向量。这组全部可能的入射光向量都沿着具有公共轴线236的圆锥体组延伸，公共轴线236是成像装置28的视线231的映像（从光学替换装置23反射走），并具有顶角245和247。在示例性方案中，这些圆锥体由其圆形底部249和251所表示。按照反射定律，角度245等于角度233，角度247等于角度235。因此，观察到的光学替换装置信息允许向后传播反射光的候选向量位置，以确定候选入射光向量。这组候选解决方案（solution，解）形成这样的圆锥体，其具有在光学替换装置23处的顶点，具有主轴236（其是成像装置视线231的映像），并具有锥顶角（可从观察到的光学替换装置信息确定该锥顶角）。

然而，从一个视点看的光学替换装置23的图像（例如，由一个成像装置28提供）可部分地限制主反射光线211的方向解（solution），来自多个成像装置28的多个视点可提供更特定的信息，以完全限制一个向量的解。

特别地，双视点实施方式提供了足够的信息，通过该信息，将反射光线的方向限制于最多两个可能的向量，并且，在一些有限制的情况中，会唯一地限制反射光线的方向。参考图18，将光学替换装置23表示为点261，其具有位于平面285中的法向量265。成像装置28具有用位于平面285上的点269和271代表的视点。光线273入射在光学替换装置23的点261上，并沿着平面285延伸。主反射光线275也沿着平面285延伸，并在点267处与平面287相交。在两个视点269和271的每个视点处的视线277和279与反射光线275形成角度偏移，对感兴趣的光学替换装置23的光学特性产生唯一的值。圆281和283代表将产生分别在视点267和271处观察到的光学替换装置23的光学特性的可能反射的光线的位置。281和283的交点是一个点267，实际上，其是两个视点观察的唯一解。

参考图19，示出了两个相似的视点约束，其中，入射光线273在点261处从光学替换装置23反射走，使得反射光线275在点267处与平面287相交。在此实例中，相交位置是这样的，使得其并不位于视点269和271之间。在此情况中，由视点271的圆283代表的可能的光线的位置被视点269的可能的光线281的位置包围，并且，具有一个交点267，其是反射光线275的唯一解，给出光学替换装置23的观察到的光学特性。已经确定，对于沿着平面285延伸的任何反射光线275，相对于具有一个交点267的视点269和271产生可能点的位置。

然而，在入射平面与平面285不共面的情况中，不存在唯一的位置交点。参考图20，入射光线273和反射光线275沿着平面291延伸，平面291与平面285不共面。分别对视点269和271产生的可能的主光线位置281和283在点267相交，点267位于沿着反射光线275的地方。另外，位置281和283在点293处具有第二交点。此交点代表替代的反射光线，其将产生从两个视点269和271观察到的相同的一组光学特性。因此，仅从两个视点观察光学替换装置23无法唯一地确定反射光线向量。在一些可能的实施方式中，某些约束的存在可能提供足够的信息，以克服上述与两个视点观察相关的不定性（或模糊性）。一个这种约束包括光源位置的约束。特别地，在聚光太阳能发电系统的情况中，两个可能的解中的一个解可能并不可行，因为其将表示地平线下方的太阳位置。在替代应用场合中，可能用多种其他约束来分辨两个可能的解中哪个是正确的。

另一种用两个视点观察来分辨可能的不定性的方法是分步观察法。此方法使用多个根据光学替换装置23的方向的观察结果，来确定两个解中的哪个描述了实际的反射光线。

又一种克服两个视点观察中存在的不定性的方法是，增加第三视点。参考图21，具有到光学替换装置23上的点261的视线297并且位于平面287中的第三视点295，从光学替换装置观察光学特性，其是视线297和反射光线275之间的角度偏移。用圆299代表视点295的可能的主光线的位置。点293代表正好两个位置圆之间的交点组。点267代表所有三个位置圆281，283和299的唯一交点。因此，从三个不同视点269，271和295的观察提供了反射光线向量275的唯一解。

然而，三个不同的视点足以唯一地确定来自空间已知点的反射光线向量的方向，通常，可以使用四个或更多个不同的视点。在这种实施方式中，超过三个的视点可以提供备份，或者，可以提供与反射主光线的解的精度相关的信息。

除了从多个视点观察到的光学替换装置23的主要光学特性以外，观察到的光的其他特性提供可能用于确定反射光线的方向的信息。特别地，相对强度用于确定，使用衍射光学替换装置时，两个或多个视点观察结果与相同的衍射级相应，还是与不同的衍射级相应。

之前的段落详细描述了从三个或多个不同视点观察光学替换装置23是如何提供反射光线275的方向的唯一特征的。可用等式2表示该关系：

C_i=A_i﹒R_i   （2）

其中，C_i是具有与第i个光学替换装置23观察到的光学特性相应的元素的向量，R_i是与第i个光学替换装置23的反射光线275相对于已知的参考坐标空间的方向相应的单位向量，A_i是将反射光线单位向量映射到对第i个光学替换装置23观察到的特性向量中的变换矩阵。给定从三个或多个视点的观察结果和变换A_i，可以通过使用等式2的反换式来确定反射光线的方向：

R_i=A_i ^-1﹒C_i   （3）

此外，参考图22，在一种典型的实践模式中，例如，相对于图2A至图2C和图3的CSP系统1，希望以这样的方式使光转向元件25定向，使得，当根据需要瞄准光转向元件25以聚集太阳光时，从入射光线303产生的来自每个光转向元件25的反射光线305基本上与空间中的已知点（在这里叫做光转向元件25的额定目标301）相交。在图2A至图2C中，这对应于聚焦区域7。因此，对于每个光转向元件25，存在描述从光转向元件25反射到额定目标301的光线305的所需方向的向量。图22示出了用于全部光转向元件25的一个额定目标301，优选地，此额定目标301的位置相对于控制系统基本上固定。

参考图23，在替代实施方式中，可能存在多个额定目标301。在这种替代实施方式中，每个额定目标301都可以与多个光转向元件25的子集相关。

参考图24，在另一替代实施方式中，额定目标301在一段时间内基本上固定，然后，移动至另一位置309放置另一段时间。在将目标移动至位置309之后，产生新的瞄准向量307。并不约束固定位置的数量和相应周期的持续时间。在又一替代实施方式中，额定目标的位置是时间的基本上连续的函数。

在说明性的实践模式中，在给定的瞬时，存在基本上固定的与一个光学替换装置23相关的额定跟踪点，从中可确定所需的反射光线向量r_i,0，使得，反射光线通常与额定目标301相交。因此，根据等式2，存在代表此所需的反射光线向量的观察向量c_i,0。给定在用单位法向量n_i,j代表的已知方向与第i个光学替换装置23的多视点观察相应的观察结果c_i,j，单位法向量的值是与光学替换装置相关的接合机构的方向的函数。在数学上，可用以下向量等式来描述光学替换装置23的单位法向量：

N_i=B﹒X_i   （4）

其中，N_i是第i个光学替换装置的单位法向量，X_i是描述每个接合机构的自由度的量的向量，B是将接合坐标映射到光学替换装置单位法向量中的变换矩阵。

一种执行多个接合光学替换装置的闭环跟踪以使反射光线与已知位置基本上相交的示例性方法包括以下希望在控制系统的范围内对每个光学替换装置和光转向元件执行的步骤。

过程1如下所述：

1.对观察向量C_i采样，该向量包括作为向量元素的从多个不同视点观察到的感兴趣的光学替换装置的光学特性值。

2.计算观察到的向量C_i和额定目标向量C_i0之间的差，在这里叫做ΔC_i。

3.计算接合补偿向量ΔX_i，使得，lim_ΔCi→0ΔX_i=0

4.对接合机构应用ΔX_i。

5.重复步骤1-4。

执行多个接合光学替换装置的闭环跟踪以使反射光线与已知位置基本上相交的替代方法包括根据过程2对每个光学替换装置执行以下步骤：

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

2.对接合机构应用开环接合坐标X_i。

3.对观察向量C_i采样，该向量包括作为向量元素的从多个不同视点观察到的感兴趣的光学替换装置的光学特性值。

4.计算观察到的向量C_i和额定目标向量C_i0之间的差，在这里叫做ΔC_i。

5.计算接合补偿向量ΔX_i，使得，lim_ΔCi→0ΔX_i=0

6.对接合机构应用ΔX_i。

7.重复步骤1-6。

又一替代方法包括以下根据过程3的步骤：

1.产生接合坐标X_i[t]的查询表，其中，t是白天的本地时间，使得，X_i[t]是在时间t时基本上最后知道的目标接合坐标。

2.基于查询表插入当前时间的X_i坐标。

3.基于查询表应用当前时间的插入的X_i坐标。

4.对向量C_i采样，该向量包括作为向量元素的从多个不同视点观察到的感兴趣的光学替换装置的光学特性值。

5.计算观察到的向量C_i和额定目标向量C_i0之间的差，在这里叫做ΔC_i。

6.计算接合补偿向量ΔX_i，使得，lim_ΔCi→0ΔX_i=0

7.对接合机构应用ΔX_i。

8.重复步骤2-6。

在说明性的实践模式中，在CSP系统中使用过程1至3中的任何过程，在该系统中，多个定日镜将太阳光聚集在一个或多个目标上。定日镜包括允许使太阳光转向的光转向元件。将光转向元件与接合机构机械连接，允许控制光转向元件的接合。将相应的光学替换装置与光转向元件接合，使得，由光学替换装置产生的光学信息表示如何瞄准光转向元件。该系统包括成像子系统，其在可有效地观察由光学替换装置产生的光学信息（其表示相应光转向元件的瞄准）的位置中，包括一个或多个成像装置。优选地，将成像装置与支撑结构机械连接，并邻近该一个或多个目标布置成像装置。将包括一个或多个计算装置的计算子系统与成像装置操作地连接，使得，可用成像装置所捕获的光学信息来能控制地使光转向元件瞄准所需目标。

许多光学替换装置提供本质上类似（感兴趣的特性随着角度平稳地变化，或者说，感兴趣的特性的导数是连续的）的光学替换光束。然而，一些实施方式包括这样的光学替换装置，其提供与转向光束的主光线211角度分离的数字编码。参考图25，一个简单的实施方式将是全息光学替换装置323，其在天空上投射方格图案325。当成像子系统11观察这种替换装置时，将观察到，随着其光转向元件的移动，替换装置看起来在闪烁。在一个这种实施方式中，控制系统可计算闪烁，并将替换装置的角运动推断为数字。一个更实际的实施方式将包括一对偏移的方格图案替换装置，使得能够对光转向器的角运动进行求积分检测（quadrature detection）。

数字编码的其他实施方式将条形码、QR码、或其他数字编码的全息图像朝着成像传感器投射，允许直接推导出从光学替换光束209检测的光线和转向光束的主光线211之间的绝对角度215。

这些数字光学替换装置实施方式中的一些在一个复杂全息图中对数值进行编码，而其他实施方式可使用几张更简单的全息图来做。

本领域中的技术人员将理解，许多使用全息数字编码的实施方式将使用窄带滤光器，来改进全息图的空间分辨率，以帮助减少使用具有宽带光源的全息图时会出现的模糊（混乱）。

这里引证的专利、专利文献、技术文章和其他公开物的全部内容整体通过引用结合于此，好像每篇都被单独包含一样。对于本领域中的技术人员来说，在不背离本发明的范围和实质的前提下，对本发明的各种改进和改变将变得显而易见。应理解，本发明的目的并不是由这里阐述的说明性的实施方式和实例过度地限制，并理解，仅在旨在由以下阐述的权利要求限制的本发明的范围内，通过实例给出这种实例和实施方式。

Claims (43)

1.一种聚集太阳光的方法，包括以下步骤：

a)使太阳光转向；

b)用光学替换装置来光学地改变和/或分配一部分太阳光

c)观察光学上改变和/或分配的太阳光；并且

d)使用观察到的光学上改变和/或分配的太阳光，以将转向的太阳光聚集在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，将所述多个光转向元件分别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，每个定日镜包括光转向元件和至少一个光学替换装置，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，并且，所述光学替换装置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，将所述光学替换装置以这样的方式与所述光转向元件连接，使得所述光学替换装置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，所述光学替换装置与所述反射面连接。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，将所述光学替换装置与所述光转向元件制成一体。

7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述光学替换装置包括多个光学子元件。

8.根据权利要求3所述的方法，其中，所述光学替换装置包括多个重叠的光学元件。

9.根据权利要求3所述的方法，其中，所述光学替换装置包括具有漫射功能的至少一个光学替换装置和具有衍射功能的至少一个光学替换装置。

10.根据权利要求3所述的方法，其中，所述光学替换装置包括光学漫射功能。

11.根据权利要求3所述的方法，其中，邻近所述目标定位一成像装置，所述成像装置具有包括光学替换装置的视场，并且，其中，步骤(c)包括，以这样的方式使用所述成像装置来观察所述光学替换装置，即，使得在步骤(d)中使用观察到的光学替换装置的光学特性来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。

12.根据权利要求11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(c)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光学替换装置，即，使得在步骤(d)中使用所述观察到的光学替换装置的光学特性来与所述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。

13.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(c)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光学替换装置，即，使得在步骤(d)中使用观察到的光学替换装置的光学特性来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。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，步骤(c)包括，使用观察到的光学替换装置的颜色特性，以在步骤(d)中能控制地接合对应的光转向元件。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述光学元件包括光学漫射功能，步骤(c)包括，使用观察到的光学元件的强度特性，以在步骤(d)中能控制地接合对应的光转向元件。

16.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)包括，使用至少三个角度的光学信息，以在步骤(d)中能控制地驱动光转向元件。

17.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)包括，使用闭环控制系统，以在步骤(d)中能控制地接合光转向元件。

18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述成像装置的视场中的所有光学替换装置具有统一的实际尺寸。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述成像装置的视场中的所述光学替换装置具有多种实际尺寸。

20.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(d)包括，确定转向的太阳光的向量，计算导致所转向的太阳光向量撞击所述目标的接合补偿，并应用所述补偿，以接合转向元件。

21.一种使转向的太阳光瞄准的方法，包括以下步骤：提供光学替换装置，所述光学替换装置以与光转向元件的瞄准对应的方式光学上改变和/或分配太阳光；观察所述光学替换装置，以确定所述光学替换装置产生的光学信息；以及利用所述光学信息将转向的太阳光瞄准到目标上。

22.一种用于将太阳光聚集在中心目标上的系统，包括：

a)多个定日镜，每个定日镜包括：

i.转向元件，使入射太阳光转向；

ii.光学替换装置，光学上改变和/或分布入射太阳光；

b)观察所述光学元件的装置；以及

c)控制系统，使用观察到的光学替换装置的光学特性来确定使所述转向元件接合以将转向的太阳光聚集在所述中心目标上的补偿。

23.一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)光学替换装置，光学上改变和/或分布入射在所述定日镜上的一部分太阳光，所述光学替换装置与所述转向元件接合，使光学上改变和/或分布的太阳光的特性表示被所述转向元件转向的太阳光的方向。

24.一种用于将太阳光聚集在目标上的定日镜系统，包括：

a)多个定日镜，使太阳光转向，并光学上改变和/或分布太阳光且将太阳光聚集在第一中心目标上；每个定日镜包括：

i.转向元件，将入射光转向至所述中心目标上；以及

ii.至少一个光学替换装置，设置于所述转向元件上；

b)成像装置，包括观察所述光学替换装置的视场；以及

c)控制系统，使用观察到的光学替换装置的特性来确定使所述转向元件接合以将转向的太阳光聚集在所述中心目标上的补偿。

25.一种闭环指向瞄准系统，所述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：

a)多个定日镜，光学上改变和/或分布入射在定日镜上的太阳光，并使所述太阳光转向；以及

b)控制系统，使用光学上改变和/或分布的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。

26.一种跟踪控制系统，包括：

a)多个光学替换装置，所述多个光学替换装置与多个光转向元件接合，其中，所述光转向元件与多个接合装置机械连接；

b)成像子系统，所述成像子系统包括至少一个成像装置，所述系统具有包含有所述光学替换装置的视场；

c)计算子系统，所述计算子系统包括与所述成像子系统和接合装置电连接的多个计算装置；并且

其中，用所述计算子系统来处理所述成像子系统观察到的光学替换装置的结果，以用所述接合装置来实现所述光转向元件的接合。

27.根据权利要求26所述的跟踪控制系统，其中，所述跟踪控制系统包括在聚光太阳能发电系统中。

28.根据权利要求26所述的跟踪控制系统，其中，所述光学替换装置包括衍射元件。

29.根据权利要求26所述的跟踪控制系统，其中，所述光学替换装置包括光学漫射器。

30.根据权利要求26所述的跟踪控制系统，其中，至少一个光学替换装置包括多个光学元件。

31.根据权利要求30所述的跟踪控制系统，其中，所述多个光学元件包括衍射元件、漫射器、轴锥体和偏振器中的至少两个。

32.根据权利要求29所述的跟踪控制系统，其中，所述光学漫射器是带颜色的。

33.根据权利要求26所述的跟踪控制系统，其中，所述光转向元件包括反射光学装置。

34.根据权利要求26所述的跟踪控制系统，其中，所述光转向元件包括透射光学装置。

35.一种太阳光跟踪控制系统，所述系统通过这样的方法来控制反射太阳光向量和视线向量之间的差异，所述方法包括：使用与光转向元件接合的至少一个光学替换装置，所述光学替换装置提供与所述反射太阳光向量的瞄准对应的光学信息。

36.根据权利要求35所述的跟踪控制系统，其中，至少一个光学替换装置集成在至少一个光转向元件中。

37.根据权利要求35所述的跟踪控制系统，其中，至少一个光学替换装置是复合光学元件。

38.根据权利要求35所述的跟踪控制系统，其中，至少一个光学替换装置位于所述光转向元件的顶部中心附近。

39.根据权利要求35所述的跟踪控制系统，其中，至少一个光学替换装置位于所述光转向元件的孔的外部。

40.根据权利要求35所述的跟踪控制系统，其中，一个光学替换装置或多个光学替换装置一起基本上填充所述光转向元件的孔。

41.根据权利要求35所述的跟踪控制系统，其中，所述光转向元件与翻转-倾斜机构接合。

42.根据权利要求35所述的跟踪控制系统，其中，多个光学替换装置元件提供多种光传播图案，所述传播图案提供多个光学替换光束。

43.根据权利要求13所述的方法，其中，所述多个成像装置中的至少一个成像装置包括场失真光学装置。

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