CN104718418B - 用于光源感测和指向的位置编码的光学代理元件 - Google Patents

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Abstract

本发明是针对利用代理装置的系统、装置和方法，所述代理装置通过在此代理装置上的一个或多个方向或坐标中的一个或多个经转向的光束的位置而指示来自对应光转向元件的经转向的光的方向性方面。从所述代理装置经转向的光的位置特性相关于与所述代理元件相关联的所述光转向元件的瞄准。这允许准确使用代理元件信息来确定和控制所述光转向元件的所述瞄准。

Description

用于光源感测和指向的位置编码的光学代理元件
技术领域
本发明涉及代理元件和相关联系统，所述系统使用至少一个代理元件上的光的位置特性来帮助将从光转向元件转向的光瞄准到目标上。更确切地说，这些策略用以可控制地瞄准聚光太阳能发电(CSP)的场中的定日镜。
背景技术
聚光太阳能发电(CSP)的场中的定日镜的使用在现有技术中是明确的。典型的CSP系统包括至少一个中央塔和对应于每一中央塔的多个定日镜。所述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日光聚集到与塔相关联的目标(还被称作焦点或接收器)上。日光在塔接收器处的聚集因此直接有关于与塔相关联的定日镜或其它聚集器的数目(直到某些基本限制)。此方法可聚集太阳能达极高水平，例如在需要时约1000倍或更高。在实际应用中，许多系统在从50倍到5000倍的范围内聚集日光。太阳能的高度聚集可随后由塔接收器转换为其它有用形式的能量。一个实践模式将聚集的太阳能转换成待直接或间接使用的热(诸如通过产生蒸汽)，以对发电机、工业设备等提供动力。在其它实践模式中，聚集的太阳能可通过使用任何数目的光伏装置(也被称作太阳能电池)直接转换为电。
定日镜大体上包括光转向元件(例如，镜子或其它合适的光学装置)以将日光转向到目标。定日镜通常还包括支撑结构以用于保持所述镜子且允许所述镜子接合(articulate)，例如在例如马达的致动器的控制下实现接合。至少，定日镜合意地提供两个旋转自由度，以便将日光转向到固定的塔焦点上。定日镜可为平面的，但可能具有更复杂的形状。
定日镜接合可遵循方位角/仰角方案，通过此方案，镜子围绕垂直于地球表面的用于方位角的固定轴线旋转并且随后围绕平行于地球表面的仰角轴旋转。仰角轴耦合到方位角旋转上使得仰角的方向随着方位角而变。
可替换地，定日镜可使用倾侧(tip)/倾斜(tilt)方案来接合，其中所述镜子围绕平行于地球表面的固定的倾侧轴线和另一倾斜轴线旋转。所述倾侧轴线常常正交于所述倾斜轴线，但所述倾斜旋转轴基于倾侧轴线旋转而倾侧。当定日镜法向向量平行于地球表面的法向向量时，所述倾斜轴线平行于地球表面。还可以是其它方案，例如极轴(polar)跟踪和许多其它方案。
在典型操作中，定日镜经指向使得反射日光入射在例如中央塔接收器的目标上，所述目标常常相对于定日镜在空间中固定。因为太阳在白天期间相对于定日镜位点移动，所以定日镜反射器常常适当地跟踪太阳以在太阳移动时保持反射光瞄准接收器。
图1示意性地示出典型CSP系统403。CSP系统403具有塔405，其具有焦点区域407以及多个对应定日镜409(出于说明的目的仅展示其中的一者)中将反射日光瞄准于区域407的一个。由向量411表示的日光在镜子413以由向量415表示的表面法线定向时从定日镜413反射离开。镜413经准确瞄准使得根据向量417的反射日光大体上沿着定日镜焦点向量419瞄准于焦点407，所述向量419是从定日镜413到塔焦点407的视线。如果镜子413经不恰当地瞄准使得向量417不瞄准于焦点407，那么这两个向量417和419将彼此发散。为了使反射光417入射在塔焦点407上，反射定律要求在日光向量411与镜子法向向量415之间形成的角度必须等于在定日镜焦点向量419与镜子法向向量415之间形成的角度。此外，所有三个向量411、415和419必须位于同一平面中。可使用向量代数展示在给定日光向量411和所要焦点向量419的情况下，存在简单地为向量411和419的归一化平均的镜子法向向量415的唯一解决方案。
大体上，控制策略使用开环控制、闭环控制或其组合。但许多定日镜控制系统采用基于系统几何形状和太阳位置计算器的开环算法，以便随着时间而变确定太阳和定日镜焦点向量。这些计算向每一定日镜装置产生方位角/仰角或倾侧/倾斜指令。此类控制系统通常假设定日镜的位置是静态的并且良好界定，和/或以其它方式依赖于定期校准维护以校正沉降以及其它使用期引起的漂移和偏移。开环解决方案的有利性在于它们不需要任何反馈传感器来检测每一定日镜指向的良好程度。这些系统简单地告知每个定日镜如何指向并且假定定日镜正确地指向。主要缺点在于开环系统需要以高精度制成的组件(如果将实现准确性)。将精确度并入到系统组件中可为极昂贵的。另外，执行定日镜位置的精确勘察可为昂贵的，以充分准确性执行开环计算需要所述勘察。精确度和勘察的费用随着定日镜场中的定日镜的数目增加而逐步增加。因此，仅依赖于开环控制的系统趋于太昂贵。此类系统也趋于使用更小数目的极大型定日镜，以便保持勘察费用低且最小化所需的精确度组件和精确度操作的数目。
闭环控制策略通常证实难以适用于定日镜系统。闭环定日镜控制将需要依赖于来自能够测量所要条件与实际条件之间的差或误差的一个或多个传感器的反馈。这些误差随后经处理为到定日镜致动器的补偿信号以接合所述镜子，使得反射日光入射在目标或塔焦点上。闭环指向具有的优点在于其并不需要精确组件或安装或系统几何形状的了解。也可使所述系统对使用期限飘移较不敏感。对精确度的较少需求意味着这些系统与单独依赖于开环控制的系统相比便宜得多。闭环系统提供使用控制软件而不是主要精确度技术的可能，且控制与精确度技术相比实施起来较不昂贵。
对CSP系统应用闭环指向方法的困难由例如上述指向条件产生，其需要两个向量的对等分而不是对准到单个向量。也就是说，如图1所示，在额定(nominal，标称)操作期间定日镜413自身不特定指向任何内容，而是，其必须在太阳411与目标407之间的方向415上指向，且方向415在太阳移动时随着时间改变。名义上，在此方向上不存在任何事物而只有空旷的天空，对于传统的闭环跟踪系统，其不将镜子指向任何事物。
理想闭环定日镜跟踪系统应感测反射日光向量417与视线向量419之间的差异，且致力于将所述差异控制为零。因此，CSP和聚集的光伏(CPV)系统设计者预期用于反馈传感器的理想位置将为将所述传感器置放在反射光束的路径中，例如在塔焦点407处。不幸的是，这是不可行的，因为没有实际传感器可承受由高度聚集的日光引起的极端温度或UV剂量。这引起在无法安全地感测光束的情况下如何感测且校正光束的瞄准的大量技术挑战。
其它方案是可能的，但较不合意。例如，一个现有技术系统(http://www.heliostat.us/howitworks.htm)公开了控制反射日光向量417以与第三向量对准的传感器，所述第三向量是靠近定日镜的传感器的轴线。在系统的安装期间，传感器与视线向量419对准。因此，系统的准确性取决于此对准的准确性以及保持不变的对准。然而，在大型CSP系统中，这由于一些原因可为不足的；举例来说，塔405在风中可能摇摆或经历热膨胀或收缩。成本也可能是问题，因为每一定日镜需要单独的传感器，且因为每一传感器必须个别地对准到塔。
在现有技术中常见的第二种类型的“闭环”定日镜系统是感测定日镜轴相对于定日镜底座的定向的系统。控制系统随后对在这些轴的定向中任何检测的误差提供校正。此类型的系统减轻在定日镜的齿轮系中的误差，但是其完全不感测反射日光向量417。此系统对此向量中的任何不可见误差敏感，且其无视于反射日光向量417到视线419的对准中的任何误差。因此，此系统还可能对塔的运动以及长期的飘移敏感。实际的系统往往会包含精密的校准方案以应对这些问题。成本也会受影响，因为每一定日镜的每一轴都需要编码器。
申请人2012年3月14日申请且标题为“OPTICAL PROXY FOR SENSING ANDPOINTING OF LIGHT SOURCES(用于光源感测和指向的光学代理元件)”的共同待决申请案PCT/US12/29106公开了闭环指向系统，其使用一个或多个光学代理元件来分配和/或修改光的一个或多个性质，例如强度特性，从而帮助提供可用以感测来自光转向元件的光的方向的信号。还参见申请人2012年3月14日申请且标题为“APPARATUS AND METHOD FORPOINTING LIGHT SOURCES(用于指向光源的设备和方法)”的共同待决PCT申请案PCT/US12/29110。通过引用将PCT申请案PCT/US12/29110和PCT/US12/29106中的每一个的相应的全文完全地结合在此。
然而在一些条件下，会难以评估强度特性。因此，仍存在对将允许定日镜系统的闭环控制更可行的额外技术的强烈需要，例如使用其它类型的反馈信息来沿着视线419将反射日光向量417指向到目标407。
发明内容
本发明涉及用以提供闭环指向系统用于将光从源转向到目标上的目的的设备和方法。鉴于本文所揭示的本发明的原理是在聚光太阳能发电的上下文中呈现，所述设备和方法大体上适用于其中光经转向到一个或多个固定和/或移动目标上的任何指向系统。
本发明了解到，相对于合适的表面可容易测量的经转向的光的一个有用性质是当从特定观察点查看或另外感测时所述经转向的光似乎从所述表面放射的位置。因此，此观测或另外感测到的放射点表现为所述表面上的光点的位置。所述表面上的光点的观测位置因此是经转向的光的特性。
因此表面相对于光源(在定日镜系统的情况下是太阳)接合，且当从同一观察点查看时，所述表面上的光点的观测位置可以与所述表面的形状有关的方式对应地移动。因此，本发明了解到，所述表面上的光点的观测位置可用以确定所述表面相对于光源和/或一个或多个目标如何接合，即瞄准。在定日镜系统的情况下，目标常常是经转向的日光从定日镜场聚集到其上的塔上的接收器。
本发明进一步了解到，此表面可用作与一个或多个光转向元件相关联的光学代理装置，以使得从至少一个视点感测的所述代理装置上的光点的位置相关于与所述光学代理装置相关联的光转向元件的瞄准。
这允许代理装置上的光点的位置在反馈控制系统中使用以准确确定且控制与所述代理装置相关联的光转向元件的瞄准。所述系统允许动态实时控制，以使得可在一天进行时随着太阳移动通过天空而按需要调整定日镜的瞄准。虽然由于在聚集的日光的路径中放置传感器的不实际而难以直接感测光转向元件的经转向的日光，但从更实际的观察点感测由所述代理元件(proxy，代用元件)产生的光信息实际得多。随后代理元件信息用以瞄准光转向元件。因此，本文中描述了本发明的系统、装置和方法，其利用闭环跟踪系统用于控制到焦点的经转向的(例如，反射)光。
本发明可并入用于聚光太阳能发电的广泛范围的定日镜系统。示例性系统包括其中定日镜反射器通过方位角/仰角技术、倾侧/倾斜技术、这些技术的组合及类似者来致动的那些系统。
在一个方面中，本发明涉及一种定日镜系统，其包括：
(a)多个定日镜，每一定日镜包括：
i)光转向元件，所述光转向元件使入射日光转向；
ⅱ)与所述光转向元件相关联的至少一个光学代理元件，其中，从至少一个视点所感测的所述代理元件装置上的光的位置特性相关于与所述代理元件相关联的所述光转向元件的瞄准；以及
(b)控制系统，其使用所述光学代理元件上的光的所述位置特性将所述经转向的日光瞄准且聚集到至少一个目标上。
在另一方面中，本发明涉及一种聚集日光的方法，其包括以下步骤：
(a)提供光转向元件；
(b)提供与所述光转向元件相关联的至少一个光学代理元件，其中，从视点所感测的所述至少一个光学代理元件上的光的位置特性相关于与所述代理元件相关联的所述光转向元件的瞄准；
(c)感测所述至少一个光学代理元件上的光的所述位置特性；
(d)使用所述所感测的信息以将所述日光转向于目标的方式瞄准所述光转向元件；以及
(e)针对至少一个额外光转向元件和与所述至少一个额外光转向元件相关联的至少一个额外光学代理元件重复步骤(a)到(d)。
在另一方面中，本发明涉及一种转向日光的方法，其包括以下步骤：
(a)获得指示至少一个光学代理元件上的光的位置的信息；以及
(b)使用所述位置信息以将所述日光转向于目标的方式瞄准与所述至少一个光学代理元件相关联的至少一个光转向元件。
在另一方面中，本发明涉及一种定日镜，其包括：
(a)光转向元件；以及
(b)与所述光转向元件相关联的至少一个光学代理元件，其中从至少一个视点所感测的所述代理装置上的光的位置特性相关于与所述代理元件相关联的所述光转向元件的瞄准。
在另一方面中，本发明涉及一种位置光学代理元件，用于用作光转向元件的角度定位的指示器，所述位置光学代理元件包括光学表面，其中所述光学表面包括第一表面部分，所述第一表面部分在第一方向上倾斜以使得在光入射在所述第一表面部分上时，由在第一方向上基于所述代理元件相对于观测装置的角位置的斜率界定的位置中将产生视觉指示；并且进一步地，其中所述光学表面包括第二表面部分，所述第二表面部分在第二方向上倾斜以便基于所述代理元件相对于观测装置的角位置而在第二方向上传播经转向的光，
借此所述位置光学代理元件可以操作性地与光转向元件及其移动相关联，以便提供通过光对所述光学代理元件的照射而产生的所述光转向元件的角度位置信息。
在另一方面中，本发明涉及一种光转向装置和光学代理装置组合，用于与包含用于提供至少一个角移动轴线的机构的支撑结构相结合，所述光转向装置和光学代理装置组合包括：
(a)光反射表面，其用于基于所述光转向元件的角位置而方向性地反射光；
(b)其中，所述光学代理装置包括位置光学代理元件，所述位置光学代理元件操作性地与所述光转向装置及其移动相关联且与所述光转向装置及其移动成确定的关系，所述位置光学代理元件包括多个光学表面部分，其中，至少两个光学表面部分在第一方向上但以不同角度倾斜使得在光入射在所述光学表面部分上时，基于所述代理元件的角位置并且因此基于所述光转向元件的角位置，由所述部分中的至少一个在所述第一方向上的斜率界定的位置中将产生视觉指示。
在另一方面中，本发明涉及一种对准光转向装置的方法，所述光转向装置连接到包含用于提供至少一个角移动轴线的机构的支撑结构，且其中所述光转向元件包括用于基于所述光转向装置的角位置而方向性地反射光的光反射表面，所述方法包含步骤：
(a)通过成像装置查看位置光学代理元件，所述位置光学代理元件以操作方式与所述光转向装置及其移动相关联且与所述光转向装置及其移动成确定的关系；
(b)确定从所述位置光学代理元件反射的反射光点的位置；
(c)基于由所述成像装置拍摄的图像内所述位置光学代理元件的所述反射光点的第一位置，确定所述光反射表面的角定向信息，并且因此确定所述光转向装置的角定向信息；
(d)围绕至少一个角移动轴线移动所述光转向装置；以及
(e)通过所述成像装置第二次查看所述位置光学代理元件，且基于由所述成像装置拍摄的新图像内所述位置光学代理元件的所述反射光点的第二位置，确定所述光反射表面的新角定向信息，并且因此确定所述光转向装置的新角定向信息。
附图说明
图1示出典型现有技术的聚光太阳能发电系统。
图2是根据本发明的受限位置光学代理元件，其中出于清楚起见稍微放大垂直维度。
图3示出来自光源的光取决于其照射在受限位置光学代理元件上的何处而如何反射到不同角度，其中出于清楚起见稍微放大所述受限代理元件的垂直维度。
图4示出观测来自受限位置光学代理元件的反射光的一组相机。出于清楚起见稍微放大所述受限代理元件的垂直维度。
图5示出观测来自受限位置光学代理元件的反射光的单个相机，其中受限代理元件处于第一角度。出于清楚起见稍微放大所述受限代理元件的垂直维度。
图6展示由观测来自所述受限位置光学代理元件的反射光的相机观测到的图像的一部分，其中所述受限代理元件处于第一角度。
图7示出观测来自受限位置光学代理元件的反射光的单个相机，其中所述受限代理元件处于第二角度。出于清楚起见稍微放大所述受限代理元件的垂直维度。
图8展示由观测来自受限位置光学代理元件的反射光的相机观测到的图像的一部分，其中所述受限代理元件处于第二角度。
图9示出观测来自受限位置光学代理元件的反射光的单个相机，其中所述受限代理元件处于第三角度。出于清楚起见稍微放大所述受限代理元件的垂直维度。
图10展示由观测来自所述受限位置光学代理元件的反射光的相机观测到的图像的一部分，其中所述受限代理元件处于第三角度。
图11展示大体上圆形位置光学代理元件的截面图。出于清楚起见稍微放大所述光学代理元件的垂直维度。
图12展示将光分布到三个维度中的大体上圆形位置光学代理元件，其中光的明显来源随反射光线的角度而变。
图13展示具有位置光学代理元件的定日镜，所述位置光学代理元件将日光反射到目标且将光学代理元件光反射到感测相机。出于清楚起见极大地放大所述定日镜和代理元件的大小。
图14展示具有位置光学代理元件的定日镜，所述位置光学代理元件反射日光以使得其错过目标，其中光学代理元件光正反射到感测相机。出于清楚起见极大地放大定日镜和代理元件的大小。
图15展示对于图13的情况由感测相机见到的图像的一部分。
图16展示对于图14的情况由感测相机见到的图像的一部分。
图17展示凹抛物线位置光学代理元件。出于清楚起见放大所述光学代理元件的垂直维度。
图18展示凸位置光学代理元件。出于清楚起见放大所述光学代理元件的垂直维度。
图19是凸位置光学代理元件的菲涅耳式版本的截面图。出于清楚起见稍微放大所述光学代理元件的垂直维度。
图20是具有随角度而变的位置的非线性编码的凹位置光学代理元件。出于清楚起见放大所述光学代理元件的垂直维度。
图21是具有随角度而变的位置的非线性编码的凹位置光学代理元件的菲涅耳式版本的截面图。出于清楚起见稍微放大所述光学代理元件的垂直维度。
图22是具有呈栅格状布局的刻面的位置光学代理元件。出于清楚起见稍微放大所述光学代理元件的垂直维度。
图23是具有平坦刻面的位置光学代理元件。出于清楚起见稍微放大所述光学代理元件的垂直维度。
图24是完全一维光学代理元件结构。出于清楚起见稍微放大所述光学代理元件的垂直维度。
图25展示具有不对称操作范围的光学代理元件。出于清楚起见稍微放大所述光学代理元件的垂直维度。
图26展示具有线性区域和非线性区域两者的光学代理元件。出于清楚起见稍微放大所述光学代理元件的垂直维度。
图27展示使用扭曲来对y方向中的倾斜进行编码的光学代理元件。出于清楚起见稍微放大所述光学代理元件的垂直维度。
图28展示向下倾斜的定日镜上的光学代理元件。
图29展示由查看图28的场景的感测相机见到的图像的一部分。
图30展示朝上倾斜的定日镜上的光学代理元件。
图31展示由查看图30的场景的感测相机见到的图像的一部分。
图32展示使用扭曲来对角度进行编码且在x方向中具有宽操作范围的光学代理元件。出于清楚起见稍微放大所述光学代理元件的垂直维度。
图33展示由查看一对水平定向光学代理元件的感测相机见到的图像的一部分。
图34展示具有一对光学代理元件的镜子，所述一对光学代理元件的范围水平地部分重叠。
图35展示具有一对光学代理元件的镜子，所述一对光学代理元件的范围水平地重叠，其中所述代理元件中的一者的有效范围相对于另一代理元件水平地偏移。
图36展示彼此成120度定向的三个光学代理元件。
图37展示对彼此成120度定向的轴线进行编码的三个水平光学代理元件。出于清楚起见稍微放大所述光学代理元件的垂直维度。
图38展示彼此正交安装的一对光学代理元件。
图39展示水平地安装在镜子的上部拐角中的两对光学代理元件。
图40展示正交地安装在镜子的上部拐角中的两对光学代理元件。
图41展示具有直尺标记的光学代理元件。
图42展示具有光学位置参考指示器的光学代理元件。
图43展示具有较不尖锐拐角的双侧菲涅耳式光学代理元件。出于清楚起见稍微放大所述光学代理元件的垂直维度。
图44展示具有刻面的菲涅耳式光学代理元件，所述刻面在y方向中重新布置以帮助制作较不尖锐的拐角。出于清楚起见稍微放大所述光学代理元件的垂直维度。
图45展示具有在y方向中为凹的刻面的光学代理元件。出于清楚起见稍微放大所述光学代理元件的垂直维度。
图46展示具有在y方向中在凸与凹之间交替的刻面的光学代理元件。出于清楚起见稍微放大所述光学代理元件的垂直维度。
图47展示由抛物线表面阵列形成的参考元件。
图48展示反射器上的代理元件放置的优选实施例。
图49展示具有反射器上的代理元件放置的优选实施例的定日镜，所述优选实施例解决缩短影响。
具体实施方式
本文中所描述的实施例是示例性的并且并不表示通过本发明所教示的原理的所有可能实施例。确切地说，本发明的实施例直接应用于聚光太阳能发电的领域中，尤其是包括使用定日镜以将日光转向到固定的焦点上的聚光太阳能发电，其中经聚集的日光可以转化成其它的能量形式，例如热能或电能。然而，本文所描述的设备和方法可由所属领域的技术人员应用且调适供用于替代的应用中，其中来自源的光必须经转向到一或多个目标上，尤其是来自不静止的源的光。
示例性CSP系统可包括使日光转向且聚集到塔的聚焦区域上的定日镜阵列。包括例如相机的成像检测器的成像子系统可安装到塔以检测来自如下文所描述一个或多个光学代理元件的反射光的位置性质。反射光的瞄准与代理元件上的光点的位置相关。因此，控制系统(未示出)利用来自闭环控制系统中的光学代理元件的检测到的光位置性质信息进行接合，且进而将来自定日镜的经转向的日光瞄准到聚焦区域上。控制系统合意地包括电耦接至成像子系统和定日镜的一个或多个计算装置(未示出)。控制系统可包括软件以处理例如由成像子系统获取的位置性质信息以便实现多个定日镜中的一个或多个的接合，以用于将日光可控制地转向到系统聚焦区域上。
在利用本发明的一方面的CSP系统内，每一定日镜优选地包括至少一个光学代理装置、连同呈例如镜子的反射元件的形式的至少一个光转向元件以及包括枢转机构的支撑结构。光学代理元件及其相关联反射元件形成组合件，所述组合件可被接合使得所述组合件可跟踪太阳且将转向的日光瞄准到例如由塔上的目标(例如，接收器)提供的聚焦区域上。光学代理元件优选地耦接到反射元件，使得从光学代理元件产生的光学信息可用以确定由反射元件反射的光的角度。这允许反射元件经由瞄准策略可控制地瞄准，所述策略包括任选地结合其它控制策略的闭环控制技术，例如开环控制和/或前馈技术。具体来说，提供可包括一个或多个相机的成像子系统以检测光学信息，例如由光学代理元件产生的光的位置性质。
图2中示出的根据本发明的第一方面为包括有刻面的反射光学代理元件1。实际上，反射器1安装在对应光转向元件(未示出)或另外与其相关联的元件上，以充当用于所述光转向元件的光学代理元件。图2的有刻面的代理元件1是根据本发明的一方面的位置光学代理元件的局限性版本，因为所述反射器大体上在空间中在平面上反射光，意味着此类反射光仅从围绕所述代理元件的受限角范围可见。在此角范围内，光点在代理元件1上可见，且反射器1上的光点的位置与光导引元件的瞄准相关。确定反射器1上的光点的位置允许根据需要确定且校正光转向元件的瞄准。下文描述的代理装置的其它实施例允许从较大范围的角度查看反射光。
图2中所示的代理元件1包括表面3，其斜率靠近中心是零且随着距所述中心的距离增加而大体上单调增加。在图2中所示的实施例中，表面3包括一组刻面5。本发明不需要刻面，但应理解，刻面可帮助制作较平坦的光学代理元件，例如其具有从侧面看较低的轮廓，这可具有显著的优势。
图3示出在远处的光源以光线7、13和19的照射下的受限位置光学代理元件1，所述光线分别照射在点9、15和21上，从而产生反射光线11、17和23。虽然来自远处的光源的传入光线可为大体上平行的，但受限光学代理元件1的反射表面的变化斜率意味着反射光线趋于具有角度分集。
图4是图3的经缩小视图(出于清楚起见省略入射光线7、13和19)，其示出此光学元件在基本方面中作为光学代理元件如何起作用。例如，示出了三个相机25、27和29以便从某一距离观测光学代理元件1。相机25从其视点能够观测似乎从点9放射的光线11。同样，相机27观测从点15放射的光线17，且相机29观测从点21放射的光线23。
因此，虽然所有三个相机查看同一光源的反射，但所述光源的反射的x位置似乎取决于相机位于何处而移动。如果光源(未示出)将移动，那么点9、15和21的位置也将不同。
图5展示图4的简化视图，其中仅展示单一相机29。从相机29的角度，光源似乎为光学代理元件1上的点21。图6中进一步示出此位置的一方面，其代表由相机29查看或拍摄的图像的矩形部分31。代理元件1经成像为检测器中的矩形片，且见到从点21放射的光的明亮的光点33。未检测到来自点9或15的光。
图7和图8展示代理元件1在其倾斜时如何操作。图7展示代理元件1正围绕以角度35横向于代理装置1的轴线旋转，其同样致使反射光线11、17和23的旋转。在图中，代理元件1展示为旋转一量以使得相机29现在看到似乎从点15放射的反射光线17，而不是反射光线23。图8示出由图7的倾斜代理元件1的相机29见到的图像的同一矩形部分31。代理元件1的图像由于其倾斜而呈现与之前相比略短，且现在见到从点15放射的光的明亮的点37。
图9和图10展示当代理元件1从图7的位置进一步倾斜且以类似方式倾斜到角度39时的结果。在此情况下，相机29现在看到反射光线11，且如图10中示出，其似乎放射自点9。
因此，显然位置代理元件1的倾斜是由所述代理元件上的光点的位置编码，以表示零倾斜的点21开始至表示倾斜角度39的点9。
如上，应指出如上文所论述的受限光学代理元件1作为受限的位置光学代理装置起作用，因为虽然其对一个方向上的倾斜敏感，但其在正交倾斜方向上具有窄的操作角度。为了提供从较多观看角度具有较大范围的可见度的光学代理元件，优选地提供本发明的光学位置代理元件，其在两个维度中具有非平坦结构，例如凹或凸的碗状或如下文所描述的其它表面形状，以便将光更宽广地投射到三个维度中。举例来说，此类代理元件可在圆锥体中朝外传播反射光，并且因此在代理元件上检测到的反射光的位置与对应的反射器在三个维度中的瞄准相关。
在图11中以截面视图展示了根据此原理的一个示例性反射器43，其包括同心的一组大体上圆形凹槽45，一起形成表面47，所述表面47的斜率优选地在靠近中心处为零且随着距所述中心半径增加而大体上单调增加。应理解此类反射器在具有随着相对于代理元件上的参考轨迹距离增加而斜率增加的刻面的方面类似于菲涅耳透镜，且因此在下文称为“菲涅耳式”反射器。反射器已为菲涅耳式的，以便帮助保持其大体上平坦，这对于本发明的某些用途是有利的。
图12示出此光学代理元件包括附接到光转向元件49的反射器43。当来自远处的源的入射光照在此类反射器43及其下伏光转向元件49上时，反射器43在两个轴中的角度的连续区上转向光，以经转向的光填充三维空间中的圆锥体，由其表面部分中的每一个的斜率控制，使得所述反射器的不同部分基于反射器43上的位置以不同角度转向光。借助于实例，展示代理元件光线51以角度55从位置53反射，同时展示代理元件光线57以角度61从位置59反射。
图13和图14在目标63和例如感测相机65等成像或图像拍摄装置的上下文中展示此过程。在这些图式中，出于清楚起见，展示了相对于所述目标极大地放大了大小的镜子69和代理元件81。在图13中，当来自镜子69的主光线67与目标对准时，感测相机65看到从代理元件81上的位置73反射的代理元件光线71。另一方面，图14展示其中主光线67未正确地与目标对准的情况，因此感测相机65改为看到从代理元件81上的位置79反射的代理元件光线77。
使用此信息，从感测相机65读取图像的控制系统可通过观测其观测代理元件光线所放射的明显位置(例如位置73或位置79)确定主光线67的角度，且可使用此信息来控制镜子69的指向以将主光线67引导到所要目标。
从感测相机65的视点，相机65看到位于光学代理元件81上的光点，其位置在光转向元件69接合时确定性地到处移动。因此，光转向元件69的倾侧和倾斜角度是作为相机65查看的光点的x和y位置的某一组合而编码，因为此光点是在代理元件自身连同其附着到的光导引元件69的表面接合时在位置代理元件81的表面上看到。在对应于图13和图14中的情况的图15和图16中展示此情形。图15和图16是针对图13和图14的两个不同情况由感测相机65见到的图像的矩形区域83的表示。图15示出来源是位置73的明亮的光点，而图14示出明显来源是位置79的明亮的光点。
就此而言，预期凹槽不需要为圆形，但可为椭圆或覆盖两个维度的任何其它方便的形状。
用于位置代理元件反射器及其凹槽的一个特别优选的是形状是菲涅耳式抛物线的形状。抛物线表面具有其斜率与距所述抛物线的基底的距离成比例的性质。因为反射光束的反射角度是所述表面的斜率的反正切的两倍，且因为对于较小角度来说tan(θ)≈θ，所以菲涅耳式抛物线将到经转向的光束的主光线的角度编码为所述角度的近似线性函数。
在一些实施例中，透射光学代理元件可为优选的。菲涅耳透镜是当在透射模式中使用时将类似于菲涅耳式反射器在反射模式中起作用的光学代理元件的实例。借助于实例，透射菲涅耳透镜可用作具有光投射装置的代理元件，例如电影院聚光灯。虽然主发射光束将照射例如位于台上的对象的目标，但从透射菲涅耳透镜代理元件折射的代理元件光束可由远离所述台的感测相机检测。如感测相机所见到的，代理元件光点将呈现为在聚光灯接合时在菲涅耳透镜的表面上到处移动。
迄今所揭示的实施例已示出直接附接到其相关联光转向元件的光学代理元件。然而，进一步预期替代实施例可将代理元件放置在其它地方，例如附接到用于光转向元件的支撑框架，例如定日镜的下伏支撑结构。此外，迄今所揭示的代理元件大体上展示为平行于光转向元件的表面安装，但它们可安装在任何有用角度。可使用任何有效安装点和角度以使得所述代理元件连同光转向元件一起接合。实际上，因为感测相机大体上从目标偏移，所以代理元件中的某一量的静态倾斜是常常优选的。这可通过倾斜安装代理元件或通过对菲涅耳式代理元件的个别刻面添加角度或通过任何有效技术来提供。
在一些实施例中，所述代理元件甚至不需要刚性地附接到光转向元件或其支撑框架。本发明教示了所述代理元件可使用任何有效附接或机构而附接，只要代理元件的角度维持与光转向元件的角度的确定的关系，使得感测所述代理元件的角度的感测和控制系统可容易计算经转向的光束的角度即可。
进一步预期位置光学代理元件的替代实施例不需要包含菲涅耳式表面。举例来说，图17展示具有表面87的抛物线镜代理元件85，所述表面87的斜率在每一点大体上匹配有刻面的光学代理元件81的斜率。代理元件81和85将展现基本上类似的性能。然而，在许多实施例中，代理元件81的平坦轮廓对代理元件85的三维形状是优选的，因为在许多实施例中，所述代理元件可与基本上平坦的镜子合意地集成。
虽然代理元件81和85示出凹的镜子形状，但凸的形状同样有用，其等效于凹形状但以相反正负号来表现。图18示出具有抛物线表面89的凸圆顶镜光学代理元件88，而图19示出具有实施表面89的等效物的刻面93的凸圆顶镜光学代理元件91的菲涅耳式版本。再次，大体上抛物线形状对于线性可为优选的，但任何有效形状将可用。
以上呈现的实施例包括随着距中心的距离大体上单调增加表面角度，其导致随着反射代理元件光束的位置的反射主光线角度的大体上单调编码。然而，虽然单调编码趋于为优选的，但可使用任何有效功能。所有所需的是主反射光线角度到代理元件光点位置的映射为确定性的。
还预期位置代理装置的其它实施例可将反射主光线角度编码为多个光点，每一光点具有其自身的随反射主光线角度而变的位置。进一步实施例可提供除简单光点外的不同形状的反射。
角度的非线性编码在许多情况下是优选的。借助于实例，在图14中，感测相机65可放置在目标63的几度内，因此光学代理元件大体上在仅几度的范围上使用。借助于实例，所述角度可小于10度，或甚至小于5度。
随后优选实施例可选择编码少于5度或10度的角度，从而帮助提供那些受限范围上的较高分辨率。然而，当光转向元件显著错误指向时此光学代理元件的效用可受限。
本发明的一些实施例还可提供在宽角度上的辅助低准确性指向能力，以补充窄角度上的高准确性指向能力。举例来说，一些优选实施例可使用低准确性开环指向系统来将光转向元件指向到所期望的目标向量的5度或10度内，在所述点处光学代理元件可开始提供用于较高分辨率闭环控制的有用信号。
在其它实施例中，光学代理元件可合意地编码较大范围的角度，例如多达±45度或甚至±90度。然而应了解，当额定操作在中心的5度到10度内时，可不必提供用于较大角度的特别准确的角度编码。就此而言，预期控制的较高分辨率可针对受限临界范围内的精细调整而完成，而较低分辨率控制可用于粗调整。
因此，一些优选实施例提供位置的非线性的编码对反射主光线角度。图20示出具有反射表面97的光学代理元件95，所述反射表面在其内部为相对平缓地倾斜抛物线，但其斜率朝向外围快速增加。这有助于提供一光学代理元件，其编码在中心附近具有较大灵敏度，但越靠近所述场的边缘越不敏感。这提供大的有效范围。图21展示具有同一反射表面97的菲涅耳式版本101的光学代理元件99。可使用凹或凸的表面以及单调或非单调编码。
迄今描述且推荐的实施例名义上对称。然而，不对称代理元件在许多情况下可为优选的。举例来说，当感测相机65如图13和图14中示出安装在目标63下方时，主要反射光线67在跟踪操作期间将大体上从来自位置代理装置的代理元件光束垂直地偏移。因此，优选实施例可提供位置的不对称编码对角度。借助于实例，如果相机65在目标63下方标称5度，那么相关联光学代理元件可能选择在-2度到+12度的垂直角范围上提供高分辨率，因此在典型操作的范围内提供对称(以±7度)的高分辨率区域，同时提供所述典型区域之外的非线性的较不精确的编码。
其它位置代理元件装置可连续地而不是逐步地改变编码的分辨率，从而提供较靠近预期操作点的区域中的增加分辨率。还可使用具有任何其它所期望的分辨率性质的其它实施例。恰因为代理元件光点位置的编码对反射光线角度不需要为单调或线性的，所以在操作范围上的分辨率变化不需要为单调或线性的。同样，编码或分辨率变化甚至不需要提供其相应的空间的完全覆盖。
在一些实践模式中，可提供光学代理元件作为多个独特的组件。举例来说，对从-12度到+12度的区域进行编码的代理元件可由对-12度到0度进行编码的一个组件以及对0度到12度进行编码的另一个组件提供。在一些实施例中，所述组件可提供重叠范围。举例来说，代理元件可具备对-12度到+2度进行编码的一个组件以及对-1度到12度进行编码的另一组件。
此原理的一个尤其有用的应用是提供具有对称响应的代理元件。也就是说，对-12度到+12度进行编码的代理元件可由各自对0到12度进行编码的两个相同组件构成。通过在相反定向中放置所述组件，一个可对0到12度进行编码，而另一个对-12度到0度进行编码。同样，对低分辨率范围和高分辨率范围进行编码的代理元件可被分成低分辨率组件和高分辨率组件。本发明教示可使用任何方便的组件分解。
基本上圆形的菲涅耳式结构是产生根据本发明的基本上平坦的光学代理元件的一个方法。可使用产生反射光线角度到代理元件光点位置的所期望的映射的任一种有刻面的表面。
借助于实例，鉴于以上描述且推荐的表面已经根据径向布局组织，其它实施例可使用刻面的较栅格状布置。图22中展示具有栅格状布局的光学代理元件103。图22中的光学代理元件103包括矩形刻面105，其提供具有与图13至图16中的光学代理元件81基本上类似功能的表面。应理解重要的是表面的斜率随位置而变，且除菲涅耳式过程引入的短暂不连续以外，光学代理元件81和103的表面基本上是相同的。
在上述实施例中，已大体上描述刻面为弯曲表面的片段，例如抛物面。也就是说，虽然所述片段可呈现为近似地平坦，但它们各自针对其实施的曲线的区域在适当时实施少量曲率。
然而，其它优选实施例可实施实际上平坦的片段。本发明了解到，当与使阳光转向的系统一起使用时，光学代理元件的所需的精确度是太阳的角直径的某一分数。借助于实例，如果太阳的直径是0.55度，那么用于光学代理元件的有用准确性可在0.01度到0.1度的范围内。以此所要准确性水平，将光学代理元件的刻面的斜率量化到对应水平可为可接受的。因此，一些光学代理元件可提供一连串平坦刻面，其中每一刻面的斜率在所要准确性内匹配于理想斜率，例如在0.01度内。
图23中展示此实施例，其示出具有平坦刻面108、109、110等的光学代理元件107。在其中表面角度几乎平坦的代理元件的内部中，刻面可比在外围中更大，因为平坦刻面与弯曲刻面之间的斜率差异在内部中按区域较小。
到目前为止呈现的实施例基本上是二维的，用于在倾侧和倾斜两者中以相等精确度对指向偏移进行编码。其它优选实施例可为显著不对称的，(例如)提供在一个方向上的较高分辨率和/或较宽广范围，同时在另一方向上提供较低分辨率和/或较窄范围。
进一步的实施例在一些情况下可具有完全一维的结构；虽然此类一维实施例往往会导致受限光学代理元件，但其在与充分宽广的光源一起使用时可能够充当光学代理元件。举例来说，如果光源是具有10度锥角的聚光灯，那么根据本发明的一维光学代理元件将把光宽广地传播到至少10度圆锥体中。因此，对于充分宽广的光源，一维结构仍可适合于用作位置光学代理元件。
图24示出根据本发明的一维光学代理元件结构111。其具有在其内部区域113中实施近似抛物线形状的刻面112，其中斜率在其外围区域115中非线性地增加。如所示的代理元件具有±5度的线性区域，以及±20度的总操作范围。
当与具有良好精确度的辅助指向系统一起使用时，此类代理元件可具有用于太阳跟踪的效用。举例来说，对于0.55度的日轮直径，代理元件将在其非编码方向(图24中标记为“y”)中在0.55度角度上投射光。当与太阳一起使用时，图24的代理元件将因此具有40°x0.55°的有效范围，其在辅助指向系统准确达0.25度左右的情况下可为充分的。也就是说，有用光学代理元件应将光“宽广地”投射到三个维度中的程度与包含任何辅助指向系统存在的精确度的因素有关且与正经转向的光源的角度大小有关。在其中辅助指向系统具有比光源的角度大小严格的精确度的情况下，具有一维结构的代理元件可为充分的。
然而在大多数情况下，期望通过并入二维结构来加宽代理元件的有效范围。借助于实例，图25展示具有40x3度的范围的光学代理元件115，其在其内部区域117中在x方向上实施抛物线表面的基本上一维行迹，同时还通过在y方向上提供曲率而在未经编码的y方向上提供±1.5度的范围，如刻面119、121和123的增加角度所示。
应注意，在其中光学代理元件在本质上是反射的情况下，实际表面轮廓包括有效反射光束区域的角度的一半。借助于实例，非编码方向中的有效区域的±1.5度将趋于包括所述方向中的±0.75度的表面角度。
恰如长的编码方向中，窄的非编码方向可为非线性的，其中代理元件区域的块致力于标称操作角度附近的角度，但仍然具有较小区域致力于较宽范围的角度。来自这些较宽角度的代理元件信号将趋于较弱，但这趋于为可接受的，因为远离标称操作点常常不需要精度。
图26中展示根据此原理的另一优选的光学代理元件。图26展示具有20x3度的线性有效区域(由轮廓127内部的区域指示)和延伸以盖40x40度的非线性的有效区域的光学代理元件125，其中有效的x方向上的编码与非有效的y方向上的编码相比更精确(且因此物理上范围更大)。
除图24的代理元件之外，基本上一维光学代理元件结构的进一步的实施例是可能的。鉴于图24通过菲涅耳化“碗”形状对角度对位置进行编码，图27示出具有菲涅耳化“扭曲”形状的编码131的光学代理元件129。鉴于所述碗状在代理元件的长x方向中对角度进行编码，扭曲形状对正交y方向进行编码。这在图28至图31中展示。图28展示水平地附接到光转向元件133的扭曲型光学代理元件135，光转向元件133在第一更向下的观察方向上定向，如弯曲箭头指示。这导致图29中所示的相机传感器65见到的矩形图像区域137，其中代理元件135在位置139展示明亮的光点。图30展示同一扭曲型代理元件135，其中光转向元件133在第二更朝上的观察方向上定向，如弯曲箭头指示。图31展示相机传感器65见到的对应图像区域137，其中代理元件135展示明亮的光点已移动到位置141。
还预期延伸此类代理元件的范围，使得其将光宽广地分布到三个维度中，因此产生根据本发明的非受限完全功能光学代理元件。对于此的一个优选的方法是提供多个平行的行的扭曲刻面，其中净左右倾斜施加到连续行，如图32中示出。图32示出使用扭曲技术来产生具有3x40度范围的光学代理元件的代理元件143，其随x而变扭曲以提供y方向上的编码，同时围绕y倾斜整个条带以提供x上的某个范围。图中易于见到所述扭曲，因为你在x上从左到右移动时刻面旋转。来自不同行的刻面在x方向上还具有不同倾斜以便提供x范围。这可通过比较正面行中的刻面148与背面行中的刻面150而见到。虽然两者具有相同的y倾斜，但它们展现不同的x倾斜，如分别平行于刻面148和150的边缘的箭头144和146的非平行度指示。
图26和图32中所示的类型的大体上矩形光学代理元件趋于比图11中所示的类型的大体上圆形光学代理元件更优选，因为它们在其托管光转向元件上占据较少区域。通过使用矩形代理元件中的两者，每一个对一个轴线进行编码，可实现与大体上圆形代理元件相同的功能性，同时消耗较少区域。优选实施例因此提供两个或两个以上矩形代理元件。
然而，因为图26的“菲涅耳碗”代理元件和图32的“扭曲代理元件”对正交方向进行编码，所以它们可均水平地或均垂直地或在任何有效定向中并排放置以便提供具有宽的有效区域的二维角度空间的高精度编码，同时在结构上一起大部分为一维的，且因此有利地占据光转向元件上的相对极少空间。
当根据此原理两个代理元件靠近在一起放置时，感测相机65(参见图14)将理想地具有充分的分辨率以能够在它们之间明确地区分。也就是说，虽然所述代理元件本身可潜在地比在其非编码方向中的单个像素更薄，但它们优选地由至少一个像素间隔开以便能够在来自所述两个代理元件中的每一个的光点之间进行区分。图33中展示此情形，其为由在矩形图像区域153中具有像素栅格151的感测相机65查看的水平放置在镜149上的水平编码代理元件145和垂直编码代理元件147的图像。包括至少一行像素的间隙155存在。在图中，代理元件已经标记有角度指示器以说明作为位置的角度编码。如所展示，对于由代理元件产生的光点157和159，应理解镜149的主反射光线从相机观看角度是在水平地+5度且垂直地+2度的角度处。
在光学代理元件的放置方面的第二考虑是图像的模糊。模糊可造成由一个或多个像素标称间隔开的代理元件的图像仍然彼此合并。模糊可由与感测相机相关联的光学系统(例如，通过脱焦或通过提供具有不足以解析个别像素的分辨率的镜头)、由大气湍流、雾或其它物理现象引起。许多优选实施例因此提供代理元件之间的充分空间使得包括预期模糊的代理元件图像由至少一个像素间隔开。
然而，一些实施例可包括放置甚至比一个像素更靠近在一起的两个代理元件。这将导致其中存在来自似乎为单个代理元件的事物的两个代理元件光点的情形。
应对此情形的一个方法是使代理元件中的一个或两个的零点移位，使得在标称操作条件中，所述两个光点保持相异。这在图34中展示。如图33中，提供两个水平定向的光学代理元件，其中代理元件161对水平角度进行编码且代理元件163对垂直角度进行编码。但在此情况下，代理元件163水平地以一偏移放置。在此情形下，所述两个光点可保持在标称操作角度处良好分离，但代理元件163的部分167与代理元件161的部分171水平地重叠，在标称操作条件下，代理元件光点通常预期在区域169和173中，因此它们可被区分。
进一步实施例使用如图34中的同一方法，但使用“卷绕(wrap around)”的代理元件来实现偏移而不是提供物理偏移，如图35中所示。从图34开始，代理元件部分169与镜子分离，且在图35中代理元件部分169移动为直接在代理元件161的部分173下方，从而形成在新布置中包括代理元件163的所述两个部分的新代理元件175。所得代理元件175在其作为位置的角度编码中具有不连续性，但这并不存在任何特定问题。
在许多其它实施例中，提供多组光学代理元件，且可能具有多个定向。借助于实例，图36示出具有彼此成120度定向的三个相同代理元件177的镜子179。每一者对其自身的方向进行编码。虽然两个此类代理元件大体上足以确定经转向的光束的角度，但可使用第三代理元件来提供可用以评估代理元件测量的准确性的冗余信息。
图37示出具有三个水平定向的代理元件的镜子181的类似情形。代理元件183对水平方向进行编码，而代理元件185和187对与所述方向成±120度的方向进行编码。此图中的实施例了解到预期代理元件可对任何方便的方向中的任何角度进行编码。虽然图26的代理元件展示主要对x轴线进行编码的代理元件，且图32的代理元件主要对y轴线进行编码，但可制作对所述轴线的任何方便的组合进行编码的代理元件，包含与水平成120度定向的组合。
图38示出具有两个相同代理元件191的镜子189，一个水平地安装且一个垂直地安装，使得一个对水平方向进行编码且一个对垂直方向进行编码。
在反射器阵列的某些情形中，镜子可偶尔由其它镜子或由发电厂的其它障碍遮蔽。在此类情形中，可优选的是具有多组光学代理元件以便帮助在白天的大部分时间提供至少一个不受遮蔽的代理元件。
图39示出可尤其有用于倾侧-倾斜定日镜场的多个代理元件的一个优选实施例。因为来自邻近反射镜的阴影趋于从左侧或右侧侵入(但两者不同时)，且因为镜的顶部趋于具有到感测相机65的不受阻的视线，所以一个优选的配置是在镜193的左上方部分中提供一对水平定向的代理元件195和197，且在所述镜的右上方部分中提供另一对199和201。如图中示出，代理元件195和199对水平角度进行编码，而197和201对垂直角度进行编码。
图40示出用于应对遮蔽的另一优选实施例，其中在镜子203的左侧上具有一对代理元件205和207，且在所述镜子的右侧上具有另一对209和211。代理元件207和209对水平方向进行编码，而代理元件205和211对垂直方向进行编码。
光学代理元件可放置在光转向元件上或后方，或可附接到支撐光导引元件的框架。
在反射代理元件的情况下，所述代理元件可提供其自身的反射层，或其可通过封装在镜子涂层内而利用主镜的反射材料。
反射代理元件可为正面或背面反射器。适合根据本发明使用的光学代理元件并不必须展现太阳镜本身通常所需的超高反射性，且因此可容易包括多种材料和构造。举例来说，汽车行业中使用的类型的较低功效镜在低成本下具有极好的使用期限性质。
在一些实施例中，可在代理元件光学器件的前侧上设置菲涅耳式曲线，且还可在所述前侧上设置反射涂层。这有助于使得能够从原本将对紫外线损害敏感的材料(例如低成本塑料)构造所述代理元件。
在其它实施例中，可在代理元件光学器件的背侧上设置菲涅耳式曲线。一些实施例可使用模制玻璃的较薄代理元件。在太阳镜的情况下，这些有利地帮助匹配主镜玻璃的热膨胀系数，耐受紫外辐射，且与现有镜子的制造工艺化学相容，从而允许在镜涂层内的容易封装。
在再一些实施例中，代理元件的菲涅耳式曲线可直接压印到光转向元件的正面或背面中。对于太阳镜，特别优选的实施例在镀银之前将代理元件形状压印到镜的背面。
根据本发明的优选的代理元件的一个优点是其角度到位置的编码大部分不受太阳的亮度变化或天空中的云或镜子的污渍的影响。虽然这些因素可将微小量的随机噪声引入测量中，但它们并不趋于引入许多的系统偏置，且用以测量代理元件光点的位置的定心过程本质上精度较高，其中可容易实现子像素精度。出于确定(例如)球面光点以及其它形状的准确中心的目的，定心过程本身是很好理解的。然而，子像素位置参考也可为合意的，以便完整利用准确质心测量的优势。
也就是说，返回参看图33，光学代理元件标记有角度指示器以便帮助正确地示出位置对角度的编码。
在一个实施例中，标记可沿着代理元件的边提供，恰类似于直尺，如图41中示出，其中每一标记指示一定量的角度。图41示出具有代理元件215的镜子213，所述代理元件具有紧靠其的标记。代理元件215提供位置对角度的非线性的编码，其中标记217指示零角度，而标记219指示1度、标记221指示2度、标记223指示4度且标记225指示8度。
实际上，很可能不必提供如此多的标记。如果代理元件的结构是已知的，那么仅需要知道所述“直尺”的端点。
一个优选实施例使用较小明亮的光点来为光学代理元件“直尺”提供参考标记，如图42中示出。镜子227托管代理元件229和指示器231和233。指示器231和233为代理元件229提供对称位置参考，代理元件229的中心标称放置在其之间的中点。
在一些实施例中，位置参考指示器可为实际光源，例如LED。在优选实施例中，位置参考可为较小窄角光漫射器。这种类型的漫射器指示器由光源(例如太阳)照射且趋于在光转向元件接近其标称操作角度时变为明亮的。在远离标称的角度，位置参考漫射器可为暗淡的或甚至看不见的，但这通常将不是重要的，因为在那些角度经常不需要精确度。但在光转向元件接近标称时，光点明亮地发光且提供可以高准确性定心的尖锐位置参考。
借助于另一实例，光学代理元件可具备±2度的高精度区域。这是从此类位置代理元件极高性能可为合意的区域。通过提供具有4度的半幅值全宽的高斯强度分布的参考漫射器，当在此高精度区域中操作时将产生极明亮且清晰的参考标记。
还预期的另一种类的参考标记是回射器。在此情况下，回射材料(常常为薄膜或贴纸)可放置在光转向元件上且由靠近感测相机65放置的有效源照射。
包括暗标记的其它类型的指示器标记也是可能的，或任何其它有效指示器。
参考标记的优选实施例可具有一个或多个有利结构和性质。举例来说，可能需要具有其强度在一观看角度范围上相对恒定但随后在所述范围外部小得多或甚至为零的参考标记。借助在所述活动范围外部具有较小强度或甚至零强度，所述标记将主要仅在界定的活动范围内分配光。这有助于当在所述活动范围内查看时使参考标记尽可能明亮。
具有此性质的参考的一个实施例在对应于其上将分布光的角度的范围上具有表面斜率的均匀分布，这是根据公式
m＝tan(θ/2)
其中m是反射表面相对于相关联的光反射元件的斜率，且θ是在相对于光反射元件的垂直入射下反射光的角度。在一范围上具有斜率的均匀分布的一个表面是其中斜率根据以下表达式以线性方式连续地改变的表面：
m(x)＝ax
其中a是任意常数。随后，注意以下事实，表面的斜率m等于在平移x的改变上的表面高度z的改变，所述表达式可根据以下公式以导数记法书写：
对此导数进行积分展示实施此性质的一个表面是抛物线：
这使用偏导数延伸到二维表面，根据以下公式给出表面：
最后，给定仅在一角度范围上分配光的需要，此等式可根据以下表达式受限：
且
这导致三维表面，其形状包括椭圆抛物面的区。此抛物面形状可为凹的或凸的。
包含此抛物面形状的参考反射器在本发明的许多实践模式中是合意的。此反射器具有其在其表面上方具有角度的均匀分布的有用性质。并且，其具有光学代理元件的一些性质在于从此表面反射离开的明显来源随着入射光的入射角变化而变化。虽然此性质在光学代理元件中是合意的，但其在功能是提供固定位置参考的参考标记中较不合意。所属领域的技术人员将感测装置的提供系统测量误差的此性质称为在其提供的测量中引入“偏置”。
为了帮助减轻此偏置影响，各自具有凸椭圆形抛物面形状的多个反射器元件可布置在阵列中，例如图47的10x10阵列302示意性地展示。所得阵列类似于包括大量这些反射元件304的“华夫饼(waffle)”表面，其已经按比例缩放到小尺寸以使得所述阵列的总面积具有针对参考标记所要的所要累积表面积。在图47中，每一元件304在每一维度中是单一单元参考标记的单元大小的10％，或单一单元参考标记面积的1％。
此参考标记将产生100次反射。集合反射的明显位置将为那些反射的平均位置。在入射光的角度改变时，100个光点的运动将为对于单一单元参考标记的情况的1/10，从而将偏置减少10倍。包括多个这些元件304的表面因此可帮助提供参考标记，所述参考标记的集合反射具有比由单个元件形成的同一累积面积的标记小的位置变化。
尽管如此，两种参考标记均可为有用实施例。一方面，多单元实施例趋于提供较小位置变化。另一方面，单个单元实施例将趋于产生更亮的聚焦光点，其可帮助观测器能够更容易区分光点与背景。
华夫饼表面上的另一变化可甚至更多地减小偏置影响，几乎大体上将其消除。首先，本发明教示除包括多个凸反射元件的华夫饼设计之外，还有提供包括多个凹反射元件的阵列的实施例也将起作用。此外，提供凸和凹的反射圆锥的混合体的实施例也将为合适的。有利地，本发明教示以大体上相等数目提供凸和凹圆锥的实施例将导致来自参考标记的强度质心中的大体上零净位置变化，因为由凸圆锥引入的偏置往往会由来自凹圆锥的相等且相反偏置补偿。因此一个特别优选的实施例以棋盘图案提供交替的凸和凹元件。此表面具有的优点是仅包括少量单元(少达四个或甚至两个)的阵列可产生不具有质心位置净变化的表面。
对于定日镜应用，在图48中展示了包括参考标记的反射器600上的代理元件放置的一个特别优选的实施例。代理元件602水平地靠近顶部边缘604安装。代理元件606和608垂直地安装。间隙610存在于代理元件602与元件606和608的顶部末端612和614之间。本发明的实施例在垂直定向中提供代理元件606和608以对垂直角度进行编码。
参考标记614和616靠近顶部边缘604提供。参考标记618和620提供于元件606和608下方。如所示的布局准许参考标记在代理元件当中的共享。参考标记614由代理元件602和606共享，而标记616由代理元件602和608共享。标记618和620是不共享的。
图48的布局在太阳能发电厂的一些实施例中是优选的，因为所述布局往往会提供极好的遮影(shadowing)性能。首先，代理元件602、606和608全部大体上定位于反射器600的上部部分中。这帮助代理元件对感测相机(未示出)可见，感测相机在许多实施例中在塔(未示出)上位于比目标(未示出)更低处。相机可能不会一直具有反射器600的底部的不受阻的视图。
遮影研究已展示在反射器的顶部的窄条带在整年的几乎全部白天时间对感测相机几乎始终可见。此实施例因此在此区域中放置水平代理元件。一般来说，遮影研究还展示了反射器600的左半部或右半部大部分时间不被遮影，但在一些极端角度处遮影发生。尽管如此，一个在左侧且一个在右侧的一对代理元件的大体概念是优选的布局。在倾侧-倾斜定日镜场中，垂直代理元件606和608可有时当反射器600在极端角度倾斜时均被遮蔽，但研究展示极少能量产生往往会在这些角度处发生，其趋于对应于当天中的极早或极晚时间。
存在此类位置光学代理元件的进一步变化形式，其利用光的其它光学性质来提供替代的或额外编码。举例来说，通过将具有变化行间距的衍射光栅添加到光学代理元件，代理元件光束的颜色将连同其位置一起变化，从而提供可以用于任何合意目的(例如校准或改进精确度)的额外信号。
同样，通过提供用于有刻面的代理元件的有色刻面可实现相同效果，其中所提供颜色随着角度而变。
可替换地，颜色可用以区别原本可能彼此混淆的代理元件。举例来说，在如图35中示出的靠近隔开的代理元件的情况下，可使它们提供不同有色反射(例如一个红且一个蓝)，从而使得容易区分所述两个代理元件，不管其物理符合性如何。
另一形式的代理元件在多个角度提供刻面以使得所述代理元件在其接合时似乎闪烁接通和断开，因此形成数字光学编码器。借助于实例，旨在以0度、1度、2度等反射光的具有刻面的代理元件将在用于太阳应用中时近似地每半度闪烁接通和断开。当与具有处于0.5、1.5、2.5度等的反射刻面的第二代理元件配对时，可形成正交编码器，且使用标准正交技术进行相当高精度角度测量变成可能的。
其它数字编码技术也是可能的，包括例如条形码等的任意方案。
因为光学代理元件可附接到在一些实践模式中移动的定日镜，所以在定日镜接合时代理元件对观测器呈现不同的明显形状。举例来说，当定日镜几乎放置在其背面上时，垂直地安装在定日镜上的光学代理元件将呈现为比它们实际上的情况更短。由于此缩短影响，垂直代理元件呈现为明显短于反射器上的水平代理元件。给定具有某一解析能力的代理元件观测系统，此缩短在此情况下将减小其确定定日镜的垂直角度的能力。在一些应用中，可良好地耐受此情形。缩短研究指示严重的缩短在正常使用中是不常见的。研究进一步指示当缩短存在时，其影响垂直方向比水平方向多得多。
但在其它应用中，缩短影响的一些缓解是合意的，尤其对于垂直代理元件。图49中展示应对此影响的定日镜500的一个实施例。定日镜500包含镜子502、水平代理元件504、垂直代理元件506、放置于镜子502中间的超长垂直代理元件508和参考标记510。
如所示的代理元件508如此长使得当缩短时其明显长度可甚至长于无缩短的水平代理元件504。此长度程度在许多系统中是不必要的，但经展示以帮助示出可能的实施例的范围。此超长代理元件508因此可帮助提供与水平代理元件504提供的分辨率相当的垂直分辨率的程度，不管缩短如何。超长代理元件508具有不同于垂直代理元件506的这两个性质。代理元件508在镜502的中心，且其延伸进入镜502的下半部。在其它实施例中，垂直代理元件不放置于镜的此部分中，因为镜下半部经常对代理元件相机不可见，因为其视图由其它定日镜阻断。并且，镜的中心经常被遮蔽。
然而，缩短情形的具体研究揭露了当垂直缩短发生时，镜子的全部往往会变为对代理元件相机可见，因此镜的底部一半变成可用于放置代理元件。并且，当垂直缩短发生时，镜子的中心往往会不被遮蔽，因此镜的中心变成放置代理元件的极好位置。因此，图49中所示的实施例甚至在存在缩短的情况下也提供持续高准确性代理元件感测。
利用往往会在缩短期间不被遮蔽的镜区的许多其它定日镜实施例是可能的。任何方便的代理元件位置和形状将起作用。举例来说，水平“扭曲”型代理元件(例如图39的代理元件201)可替代超长代理元件508放置于中镜502的中心。这将以水平光学器件提供垂直角度感测。
因为太阳是如此明亮的，所以太阳的明亮的光与由光学代理元件和参考标记产生的光信息竞争。这在一些情况下可使得难以从代理元件和参考标记获得光学信息。因此，本发明优选地实施窄带观察技术，用于观测代理元件和/或参考标记信息以便使所述系统更耐受背景光的变化。举例来说，过滤技术可用以选择性阻挡背景光或其它干扰光源，从而使代理元件和参考标记更容易看见。因为天空是蓝的，所以许多优选实施例可在感测相机65的前方提供红或红外有色过滤器，因此用以抑制背景蓝天空同时传递来自代理元件和参考标记的光学信息的强图像。
可使用广泛范围的过滤器。示例性过滤器是仅选择性地传递光谱的部分的那些过滤器，所述部分具有从窄达1nm到宽达200nm的带宽，优选地窄达1nm到宽达100nm，更优选地窄达1nm到宽达30nm。由过滤器以充分窄的带宽传递的光可开始接近激光以用于一些目的，其可具有许多有用性质。尤其，几乎为单色有助于实现以单色光起作用的光学元件和技术的使用。
用于太阳跟踪应用的本发明的优选实施例提供在红或近红外波长中具有通带的过滤器，例如在从600nm到1000nm的区域中具有中心波长。借助于实例，本发明的一个尤其有用实施例在代理元件感测相机的前方提供具有1nm到100nm(优选地10nm)的通带(在900nm波长上位于中心)的光学过滤器，例如来自纽波特(Newport)公司的型号20BPF10-900过滤器。虽然窄带过滤器的透射通常较低(例如对于Newport 20BPF10-900为45％)，但这在具有大量的光子的太阳跟踪应用中不是问题。
从600nm到1000nm的波长区域具有几个合意的性质。首先，天空在这些波长是大体上暗的，从而帮助代理元件感测相机不被蓝天空混淆。第二，所述波长可由典型硅相机检测器检测。这是有利的，因为此类检测器和相机趋于以低成本可用。
使用窄带过滤器(在任何波长)的一个优点是设计光学系统(例如相机镜头)以在窄的波长带(例如900nm±5nm)上良好执行比在整个可见光谱(400nm-700nm)上容易得多。这转化为显著较低的成本。具体来说，在极窄的带宽处，通常仅可用于激光光学器件(例如菲涅耳透镜和波带片)的选择可递送合理的质量的图像。本发明的一些实施例在其成像透镜中使用菲涅耳透镜和/或波带片。这可帮助通过减少包含本发明的定日镜系统中的成像元件的成本来实现较低成本的系统。
虽然红和近红外波长是优选的，但其它窄带过滤器(例如蓝、绿或黄)仍可为有用实施例，因为它们仍供应更简单或较低成本光学器件的机会以及对天空背景的一部分的抑制。并且，在非太阳跟踪应用中，其它波长可为优选的。
还注意到图中所示的菲涅耳式光学器件的尖锐边缘可对以精确度进行制造带来挑战。虽然本发明大体上高度耐受这些特征的软化，但避免尖锐边缘的实施例在某些情况下仍然可为合意的。
基于图34和图35中所示的概念，本发明了解，提供其位置对角度的编码不唯一(也就是说，同一位置可能编码两个不同角度)的光学代理元件可为可接受的。如果由所述位置编码的角度宽广地分开，那么很可能一些辅助信息可用以容易地将所述角度区分开。
图43中展示根据此原理的受限一维代理元件。所述受限代理元件235包括三组刻面，标记为237、239和241。刻面组237与图2的受限代理元件1的刻面5大体上相同，且功能相同。然而，与图1的受限代理元件1相比，受限代理元件235具有成角的齿而非垂直齿，使得替代于垂直壁，存在额外成角的刻面239，其趋于向右方远处反射光，以及成角的刻面237，其趋于向左方远处反射光。
在光学代理元件的优选实施例中，刻面趋于具有相当小的尺寸，例如小达1mm或甚至较小，常常小于由代理元件形成的图像的大小。当光似乎来自代理元件235的某一区域(例如由虚线指示的区域243)时，其可趋于横跨多个刻面，且确切分辨其来自哪一刻面可为不可能的。
因此，来自区域243的光可为来自刻面237中的一些或来自刻面239中的一些；因此，位置243对光源的两个可能的位置进行编码，对应于刻面239的一者是到远右方，而对应于刻面237的另一者是稍微到左方。
返回参看图25的优选的光学代理元件，本发明教示代理元件115的刻面随x位置而变的角度是用于控制角度到位置中的编码的关键参数。另一方面，可简单地提供例如119、121和123等刻面在y方向上的对准以提供代理元件在y方向上的较宽操作范围。实际上，对于图25中所示的结构，代理元件115依据情况提供由于刻面119、121和123的单调增加斜率的y方向上的倾斜(即围绕x轴线)的低分辨率编码，以及其在x方向上的倾斜(即围绕y轴线)的既定编码，但此依据情况的编码不是特别需要的。实际上，如果在y中存在任何系统变化，例如刻面的亮度，那么其可在x编码中导致较小偏置误差。偏置误差也可由此类代理元件的x和y响应的耦合引起。
因此本发明教示使刻面在y方向上的次序随机化可为优选的。此外，遵循与图43的论述相关联的可能需要在设计中避免尖锐边缘的教示，本发明教示可能需要在y方向上交替“上”和“下”刻面。图44中展示此代理元件245。在x方向中，提供常见刻面结构用于编码角度对位置，如刻面247、249、251等表示。
在y方向上，刻面247、249和251具有标称平坦的区域，帮助代理元件以标称零y倾斜产生信号。
同样，刻面247、253、255、257和259全部可具有相同标称x倾斜，从而在代理元件上的所述点处提供所要的位置对角度的编码。然而，这些刻面全部可具有不同y倾斜以在y倾斜角度上提供宽操作范围。虽然不是本发明所需的，但此实施例提供匹配的正/负对的刻面。刻面253和255的y斜率具有相同量值但相反正负号。类似地，刻面257和259具有第二量值的斜率，但再次具有相反正负号。通过将这些对收集在一起，在y方向上避免尖锐边缘，且刻面在y方向上稍微“搅动”以帮助开始消除当y倾斜发生时在y方向上的光束的系统运动。
尽管如此，对于此实施例一些系统运动仍可发生，因此本发明教示一些合意的实施例改为使刻面在y方向上的次序随机化，从而提供所需的y倾斜的全范围，但是以随机次序提供，其中所述随机次序甚至也可能随x位置而变化，以便完全“搅动”刻面，从而带来系统运动的消除。
图45中由代理元件261展示y倾斜角度的另一布置。此实施例包括平行于彼此布置的多个完全功能个别代理元件263、265和267等。在许多实施例中，这些个别代理元件在y方向上可为非常窄的，窄达1厘米，或甚至窄达1毫米或甚至更窄。所述代理元件在x方向上在其刻面中实施x编码，如刻面271、275等的x倾斜和曲率证明。它们通过对其刻面提供y曲率而实施所要y倾斜范围，如边缘269和273的曲率证明。每一刻面因此类似于窄的槽。如果个别代理元件的y尺寸较小，那么所述代理元件的厚度可保持较小，即使个别代理元件在y方向中不是有刻面的也是如此。
当结合在一起时，个别代理元件263、265和267形成集合代理元件261，具有在y方向上基本上为周期性的结构，其中边缘279基本上等同于边缘269等。
考虑例如个别代理元件263等个别代理元件，由于代理元件在y上倾斜，因此光源的位置似乎在y方向上仅在所述刻面自身内移动。举例来说，当从x角度查看以使得照射边缘269时，来自刻面271的反射将趋于沿着边缘269来回移动，因为个别代理元件在y上倾斜。然而，如果个别代理元件在y方向上的大小较小，那么此物理运动也较小。在许多优选实施例中，此运动实际上是感觉不到的，比感测相机65见到的像素小得多。
此外，当来自个别代理元件263的光点与来自个别代理元件265、267等的光点组合时，所得光点将呈现为线(极端放大率下除外)。因此集合代理元件的净效果是反射垂直线，其x位置在代理元件在x上倾斜(即围绕y轴线)时移动。
图45展示在x和y两者中是凹的各种刻面的形状。然而，可使用凸或凹的刻面的任何组合。使刻面在y上凸对代理元件的功能不具有可辨别的影响，而使刻面在x上凸简单地使代理元件的编码的正负号反转。
虽然不是重要问题，但如果可能在设计中减小尖锐拐角的数目也仍然是合意的。本发明教示在y方向上刻面之间的尖锐拐角可通过在y方向上在凸与凹的刻面之间交替而消除，如图46中展示。图46示出光学代理元件281，在y上具有交替的凹/凸刻面。刻面283展示为在y上凹，无缝连接到在y上凸的刻面285，刻面285无缝连接到再次在y上凹的刻面287，以此类推。
实际上，虽然图出于清楚起见展示283、285和287为个别刻面，但其之间不存在分离，且它们实际上恰好形成在y方向中具有波状表面的一个大型“超刻面(superfacet)”。关于在y方向上的此凸/凹交替，本发明教示，与上文所论述的华夫饼参考标记相关联的偏置缓解教示同样适用于图46中所示的类型的代理元件。首先，通过在y方向上引入大量这些凸/凹刻面可减少偏置。第二，通过在y方向上提供相等数目的凸和凹刻面可几乎消除偏置，包含少达一个凹刻面和一个凸刻面。因此优选实施例提供相等数目的凸和凹刻面。应注意刻面不需要为完全完整的，一个优选实施例提供一凸刻面的一半，紧靠一个完整凹刻面，接着是一凸刻面的另一半。
在本文中引用的所有专利、专利申请案和公开案如同个别地并入而以引用的方式并入。除非另有说明，否则所有的份数和百分比都以重量计，并且所有分子量都是数目平均分子量。仅为了清楚地理解而已经提供前文的具体实施方式。不应从其理解为不必要的限制。本发明不限于所展示和描述的确切细节，因为所属领域的技术人员所显而易见的变化形式将包含在由权利要求书所界定的本发明内。

Claims (61)

1.一种转向和聚焦入射日光到目标上的定日镜系统，包括：
(a)多个定日镜，每一定日镜包括：
i)光转向元件，所述光转向元件使入射日光的第一部分转向；
ⅱ)与所述光转向元件相关联的至少一个光学代理元件以便所述光学代理元件与所述光转向元件接合在一起，其中所述光学代理元件转向入射日光的第二部分以作为经转向的所述入射日光的第一部分的代理；所述光学代理元件包括光转向的第一和第二光学表面部分，所述第一和第二光学表面部分相对于入射日光以不同角度倾斜以便经转向的所述入射日光的第二部分似乎从所述第一和第二光学表面部分的观测位置放射，所述光学代理元件相关于与所述光学代理元件相关联的所述光转向元件的瞄准；以及
(b)控制系统，使用所述光学代理元件上的经转向的所述入射日光的第二部分的位置以将经转向的日光瞄准到所述目标上。
2.一种聚集日光的方法，包括以下步骤：
(a)提供用于使入射日光的第一部分转向的光转向元件；
(b)提供与所述光转向元件相关联的至少一个光学代理元件以便所述光学代理元件与所述光转向元件接合在一起，其中所述光学代理元件转向入射日光的第二部分以作为经转向的所述入射日光的第一部分的代理；所述光学代理元件包括光转向的第一和第二光学表面部分，所述第一和第二光学表面部分相对于入射日光以不同角度倾斜以便经转向的所述入射日光的第二部分似乎从所述第一和第二光学表面部分的观测位置放射，所述至少一个光学代理元件相关于与所述光学代理元件相关联的所述光转向元件的瞄准；
(c)感测所述至少一个光学代理元件上的光的位置特性；
(d)使用所感测的信息以将所述日光转向于目标的方式瞄准所述光转向元件；以及
(e)针对至少一个额外光转向元件和与所述至少一个额外光转向元件相关联的至少一个额外光学代理元件重复步骤(a)到(d)。
3.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件包括表面，所述表面包括多个倾斜刻面，其中，所述刻面的斜率随着所述刻面距所述表面的内表面部分的距离的增加而增加。
4.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件包括表面，所述表面具有第一表面部分和多个额外表面部分，所述多个额外表面部分的斜率随着距所述第一表面部分的距离的增加而增加。
5.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件围绕横向于所述光学代理元件的长度的轴线的旋转度数上的改变使所述光学代理元件上的光点的位置改变。
6.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件具有表面，所述表面具有内表面部分，并且其中，所述表面的斜率随着从所述内表面部分的半径增加而从所述内表面部分朝外增加。
7.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件包括多个同心表面刻面，每一刻面具有随着距所述光学代理元件的内表面部分的距离的增加而增加的斜率。
8.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件具有包括凹或凸的碗状的表面。
9.根据权利要求8所述的方法或系统，其中，所述表面包括椭圆形抛物面形状。
10.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件直接附接到所述光转向元件。
11.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件包括多个凹面部分。
12.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件包括多个凸面部分。
13.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件包括至少一个凸面部分和至少一个凹面部分。
14.根据权利要求13所述的方法或系统，其中，所述光学代理元件包括相等数目的凸面部分和凹面部分。
15.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件包括表面，所述表面有效地基于所述光学代理元件上的光的位置特性对所述光转向元件的所述瞄准进行非线性编码。
16.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件包括第一光学代理组件和第二光学代理组件，其中，所述第一光学代理组件对第一观看角度范围进行编码且所述第二光学代理组件对第二观看角度范围进行编码，并且其中，所述第一观看角度范围和所述第二观看角度范围任选地重叠。
17.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件包括表面刻面的阵列。
18.根据权利要求17所述的方法或系统，其中，所述表面刻面包括不同的斜率。
19.根据权利要求17所述的方法或系统，其中，所述光学代理元件包括多个表面刻面，所述多个表面刻面基于所述光学代理元件上的位置而不同地倾斜。
20.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件包括具有多个表面部分的表面，所述多个表面部分有效地相对于第一轴线和第二轴线对所述相关联的光转向元件的所述瞄准进行编码。
21.根据权利要求20所述的方法或系统，其中，所述第一轴线和所述第二轴线分别对应于倾侧轴线和倾斜轴线。
22.根据权利要求20所述的方法或系统，其中，所述第一轴线和所述第二轴线分别对应于方位角轴线和仰角轴线。
23.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件包括具有扭曲轮廓的表面。
24.根据权利要求23所述的方法或系统，其中，所述表面是有刻面的。
25.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件包括具有扭曲表面轮廓的多个行。
26.根据权利要求25所述的方法或系统，其中，所述行中的至少一个包括有刻面的表面。
27.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，第一光学代理元件和第二光学代理元件以一方式安装在所述光转向元件上使得所述第一光学代理元件相对于第一轴线对所述光转向元件的所述瞄准进行编码且所述第二光学代理元件相对于第二轴线对所述光转向元件的所述瞄准进行编码。
28.根据权利要求27所述的方法或系统，其中，所述第一光学代理元件与所述第二光学代理元件平行。
29.根据权利要求27所述的方法或系统，其中，所述第一光学代理元件与所述第二光学代理元件垂直。
30.根据权利要求29所述的方法或系统，其中，所述第二光学代理元件长于所述第一光学代理元件。
31.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，第一光学代理元件平行且接近于所述光转向元件的顶部边缘安装在所述光转向元件上；并且第二光学代理元件和第三光学代理元件不平行于所述第一光学代理元件安装在所述光转向元件上。
32.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，第一光学代理元件平行且接近于所述光转向元件的顶部边缘安装在所述光转向元件上；并且第二光学代理元件、第三光学代理元件和第四光学代理元件不平行于所述第一光学代理元件安装在所述光转向元件上，其中，所述第四光学代理元件具有大于所述第一光学代理元件、所述第二光学代理元件和所述第三光学代理元件中的任一个的长度。
33.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，所述光学代理元件的表面是菲涅耳式的。
34.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，进一步包括多个参考标记，并且所述方法进一步包括使用所述参考标记帮助感测至少一个光学代理元件上的位置信息。
35.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，参考标记包括表面轮廓，所述表面轮廓包括椭圆形抛物面形状。
36.根据权利要求35所述的方法或系统，其中，所述椭圆形抛物面形状是凹的。
37.根据权利要求35所述的方法或系统，其中，所述椭圆形抛物面形状是凸的。
38.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，参考标记包括元件的阵列。
39.根据权利要求38所述的方法或系统，其中，所述阵列包括多个凹元件。
40.根据权利要求38所述的方法或系统，其中，所述阵列包括多个凸元件。
41.根据权利要求38所述的方法或系统，其中，所述阵列包括至少一个凸元件和至少一个凹元件。
42.根据权利要求41所述的方法或系统，其中，所述阵列包括相等数目的凸元件和凹元件。
43.根据权利要求30所述的方法或系统，其中，所述第二光学代理元件的部分在所述光转向元件的上半部和下半部中。
44.根据权利要求1所述的系统或权利要求2所述的方法，其中，包括通过过滤器观测所述光学代理元件，所述过滤器选择性地传递经转向的日光的一个或多个光谱带宽部分。
45.根据权利要求44所述的方法或系统，其中，所述过滤器以一方式选择性地传递经转向的日光使得光学代理元件上的光学信息比来自至少一个其它来源的光学信息更亮。
46.根据权利要求44所述的方法或系统，其中，所述过滤器选择性地传递构成600nm到1000nm的全部或一部分的波长范围中的光谱带宽部分。
47.一种使日光转向的方法，包括以下步骤：
(a)提供用于使入射日光的第一部分转向的光转向元件；
(b)提供与所述光转向元件相关联的至少一个光学代理元件以便所述光学代理元件与所述光转向元件接合在一起，其中所述光学代理元件转向入射日光的第二部分以作为经转向的所述入射日光的第一部分的代理；所述光学代理元件包括光转向的第一和第二光学表面部分，所述第一和第二光学表面部分相对于入射日光以不同角度倾斜以便经转向的所述入射日光的第二部分似乎从所述第一和第二光学表面部分的观测位置放射，所述至少一个光学代理元件相关于与所述光学代理元件相关联的所述光转向元件的瞄准；
(c)获得指示至少一个光学代理元件上的光点的位置的信息；以及
(d)使用所述位置信息以将所述日光转向于目标的方式瞄准与所述至少一个光学代理元件相关联的至少一个光转向元件。
48.一种定日镜，包括：
(a)光转向元件，所述光转向元件使入射日光的第一部分转向；以及
(b)与所述光转向元件相关联的至少一个光学代理元件以便所述光学代理元件与所述光转向元件接合在一起，其中所述光学代理元件转向入射日光的第二部分以作为经转向的所述入射日光的第一部分的代理；所述光学代理元件包括光转向的第一和第二光学表面部分，所述第一和第二光学表面部分相对于入射日光以不同角度倾斜以便经转向的所述入射日光的第二部分似乎从所述第一和第二光学表面部分的观测位置放射，所述至少一个光学代理元件相关于与所述光学代理元件相关联的所述光转向元件的瞄准。
49.一种光转向装置和光学代理装置组合，用于与包括用于提供至少一个角移动轴线的机构的支撑结构相结合，所述光转向装置和光学代理装置组合包括：
光反射表面，用于基于所述光转向装置的角位置而方向性地反射入射日光的第一部分；
其中，所述光学代理装置包括位置光学代理元件，所述位置光学代理元件操作性地与所述光转向装置及其移动相关联并且与所述光转向装置及其移动成确定的关系以便所述光学代理装置与所述光转向装置接合在一起，其中所述光学代理装置转向入射日光的第二部分以作为经转向的所述入射日光的第一部分的代理，所述光学代理装置包括多个光学表面部分，其中，至少两个光学表面部分处于第一方向上但以不同角度倾斜，使得在光入射在所述光学表面部分上时，基于所述位置光学代理元件的角位置并且因此基于所述光转向装置的角位置，由所述光学表面部分中的至少一个在所述第一方向上的斜率界定的位置中将产生视觉指示。
50.根据权利要求49所述的组合，其中，所述光学表面部分还在第二方向上倾斜以便在所述第二方向上有效地传播光。
51.根据权利要求49所述的组合，其中，所述光学表面部分由具有在所述第一方向上倾斜的至少一个刻面和在第二方向上倾斜的第二刻面的一连串刻面形成。
52.根据权利要求51所述的组合，其中，多个刻面是弯曲表面的菲涅耳部分。
53.根据权利要求49所述的组合，包括在所述第一方向和第二方向两个方向上倾斜的至少一个刻面。
54.根据权利要求49所述的组合，其中，至少一个刻面弯曲以便在所述第一方向和第二方向两个方向上倾斜。
55.根据权利要求49所述的组合，其中，所述光学表面部分由多行刻面形成。
56.根据权利要求55所述的组合，其中，一个行中的刻面在所述第一方向上倾斜并且另一行中的刻面在第二方向上倾斜。
57.根据权利要求55所述的组合，其中，一个行中的刻面包括在所述第一方向上倾斜的刻面和在第二方向上倾斜的其它刻面。
58.根据权利要求55所述的组合，其中，至少一个刻面相对于第二刻面扭曲。
59.根据权利要求49所述的组合，其中，所述位置光学代理元件是圆形形状。
60.根据权利要求49所述的组合，其中，所述位置光学代理元件是矩形形状并且包括多行刻面的条带。
61.一种对准光转向装置的方法，所述光转向装置连接到包括用于提供至少一个角移动轴线的机构的支撑结构，并且其中，所述光转向装置包括用于基于所述光转向装置的角位置而方向性地反射光的光反射表面，所述方法包括以下步骤：
提供与所述光转向装置相关联的至少一个光学代理元件以便所述光学代理元件与所述光转向装置接合在一起，其中所述光学代理元件转向入射日光的第二部分以作为经转向的所述入射日光的第一部分的代理；所述光学代理元件包括光转向的第一和第二光学表面部分，所述第一和第二光学表面部分相对于入射日光以不同角度倾斜以便经转向的所述入射日光的第二部分似乎从所述第一和第二光学表面部分的观测位置放射，所述至少一个光学代理元件相关于与所述光学代理元件相关联的所述光转向元件的瞄准；
通过成像装置查看所述光学代理元件；
确定从所述光学代理元件反射的反射光点的位置；
基于由所述成像装置拍摄的图像内所述光学代理元件的所述反射光点的第一位置，确定所述光反射表面的角定向信息，并且因此确定所述光转向装置的瞄准；
围绕至少一个角移动轴线移动所述光转向装置；以及
通过所述成像装置第二次查看所述光学代理元件，并且基于由所述成像装置拍摄的新图像内所述光学代理元件的第二反射光点的第二位置，确定所述光反射表面的新角定向信息，并且因此确定所述光转向装置的瞄准。
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