CN118633040A

CN118633040A - 双对焦均质器

Info

Publication number: CN118633040A
Application number: CN202280089590.2A
Authority: CN
Inventors: T·J·小纽金特
Original assignee: Laser Power Co
Current assignee: Laser Power Co
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2022-11-18
Publication date: 2024-09-10
Also published as: EP4433851A1; JP2024542495A; WO2023092092A9; WO2023092092A1

Abstract

功率接收机包括束均质器，其取得功率束的各部分并且对它们进行扩散以均覆盖功率转换器表面的大部分(或全部)。束均质器可以缺少反射侧壁并且可以具有如2至5那样低的纵横比率。在表面处的束辐照的标准化偏差可以被减小到1/5至2/1或更小。

Description

双对焦均质器

背景技术

功率束射(power beaming)是一种通过如下来将功率传输到难以或不便使用布线接入的地方的新兴方法：将电磁能量束传输到特殊设计的接收机，该接收机将电磁能量束转换成电。功率束射系统可以是自由空间的(其中束被发送经过大气、真空、液体或其它非光学设计介质)或光纤上功率的(“PoF”)(其中功率经过光纤传输)。后者在一些状况下可能与布线共享某些缺点，但是也可以提供增加的传输效率、电隔离和/或安全性。自由空间功率束射可以更灵活，但是其也可能针对接收机的准确瞄准和避免诸如反射和侵入在功率束上的物体等隐患带来更多挑战。

背景技术部分中讨论的所有主题未必是现有技术并且不应当仅因为其在背景技术部分中讨论而被假定为现有技术。按这些方针，除非明确声明为现有技术，否则在背景技术部分中讨论的现有技术中的问题或与这样的主题关联的任何认知都不应当被当作现有技术。相反，在背景技术部分中的任何主题的讨论应当被当作发明人对于特定问题的方法的部分，在其中以及其本身也可以是有创造性的。

发明内容

在一个方面中，束均质器包括复合透镜，其被配置为对入射功率束进行重整形。复合透镜包括第一光学表面和第二光学表面，第一光学表面被配置为在焦距处聚焦入射功率束，第二光学表面包括多个光学元件。多个光学元件中的每个光学元件被配置为将被聚焦的功率束的相应部分朝向光聚集区域扩展，并且被聚焦的功率束的被引导部分在光聚集区域处彼此重叠以形成均质化功率束。在相关的方面中，功率接收机包括上面描述的束均质器和功率转换器，功率转换器被定位以接收均质化功率束。

在另一方面中，对功率束进行均质化的方法包括接收入射功率束，将接收的束分裂成多个束部分，并且将每个束部分引导朝向束目标区域。引导每个束部分包括将在目标区域处的束部分的大小改变成所选择的大小。多个束部分在目标区域处彼此重叠。

附图说明

绘制的各图通过只是示例的方式而不是通过限制的方式描绘了根据本教导的一个或多个实现。在各图中，相似的参考标号指代相同或相似的要素。更进一步地，应当理解的是，绘制未必按比例。

图1是功率束射发射机和接收机的示意图。

图2是图1的功率束射发射机的功能图，示出了发射机的各组件之间的相互关系。

图3是图1的功率接收机的功能图，示出了接收机的各组件之间的相互关系。

图4是示出了均质化透镜的操作原理的示意图。

图5是第一级混合均质化透镜。

图6是包括由于如下而不同于图4的透镜的均质化透镜的示意图：使用凸(会聚)小透镜而不是凹(发散)小透镜。

图7示出了当光离轴地进入时图6的透镜的响应。

图8示出了包括均质化透镜和集中器的模块。

图9是二次多边形集中器，其在大小上匹配PV单元并且依赖于掠入射角处的单个反射来最小化损耗。

图10(a)示出了具有高斯轮廓的进入准直束。图10(b)示出了恰在束进入集中器之前的束，以及图10(c)示出了恰在束进入PV单元之前的束。这三个图可以在本文中被共同地称为图10。

图11(a)示出了具有高斯轮廓的进入准直束，在其进入图8中示出的模块之前其是关于模块的光轴显著偏移的。图11(b)示出了恰在束进入集中器之前的束，以及图11(c)示出了恰在束进入PV单元之前的束。这三个图可以在本文中被共同地称为图11。

图12(a)示出了进入图8中示出的模块的3x3反射折射阵列的具有高斯轮廓的进入准直束。图12(b)示出了恰在束进入集中器之前的束，以及图12(c)示出了恰在束进入PV单元之前的束。这三个图可以在本文中被共同地称为图12。

图13(a)示出了进入图8中示出的模块的3x3反射折射阵列的具有高斯轮廓的进入准直束，其不同于在图12(a)中示出的束之处仅在于其是从阵列的中心偏离的。图13(b)示出了恰在束进入集中器之前的束，以及图13(c)示出了恰在束进入PV单元之前的束。这三个图可以在本文中被共同地称为图13。

具体实施方式

在以下详细描述中，通过示例的方式阐述了众多具体细节，以便提供对相关教导的透彻理解。然而，应当显而易见的是，本教导可以在没有这样的细节的情况下进行实践。在其它实例中，已经以相对高的水平在没有细节的情况下描述了熟知的方法、过程、组件和/或电路，以便避免不必要地模糊本教导的各方面。然而，本领域技术人员将理解这些方法、过程、组件和/或电路的特征以及它们可以如何在下面的描述中使用。其它相关材料可以在以下的其它专利和申请中找到：

这些相关申请和专利中的每个在不与本文中不一致的程度上通过引用并入与此。

如上面讨论的那样，在其中不便于或难以使布线行进的情形下，功率束射正成为一种为物体供电的可行方法。例如，自由空间功率束射可以被用于经由基于地面的功率发射机传送电功率以向远程传感器供电、以向电池再充电、或者以向诸如无人驾驶直升机的无人航空载具(UAV)供电，这允许后者在飞行中停留延长的时间段。光纤上功率(PoF)系统通常要求光纤(或等同物)从功率源行进到接收机，但是较之于承载电而不是光的传统铜布线，光纤上功率(PoF)系统可以依然提供电隔离和/或其它优点。

将理解的是，术语“光源”旨在涵盖可以被用于传输能量的所有形式的电磁辐射，并且不仅是可见光。例如，光源(例如，二极管激光器、光纤激光器、发光二极管、磁控管或速调管)可以发射紫外光、可见光、红外光、毫米波、微波、无线电波和/或其它电磁波，其中的任何一种可以在本文中被一般地称为“光”。术语“功率束”在本文中与“光束”可互换地使用，以意味着一般本质上是定向的高辐照传输，其可以是相干或非相干的单个波长或多个波长，并且是脉冲的或连续的。功率束可以是自由空间的、PoF、或可以包括每个的组件。例如，发射机可以向接收机表面传输自由空间功率束，发射机可以将其作为光在光纤之上传导到将其转换成电的光伏(PV)单元。出于可读性的目的，本描述可以使用术语“激光器”来描述光源；然而，除非上下文另外规定，否则也可以设想诸如(但是不限制于)发光二极管、磁控管或速调管的其它源。

对于许多应用而言，功率接收机被布置以接收自由空间或PoF功率束并且例如使用PV单元或用于将光转换成电的其它组件(例如，用于转换微波功率的整流天线或用于将由光束生成的热量转换成电的热引擎)将功率束转换成电。出于可读性的目的，本申请可以在如下理解的情况下提及“PV单元”：具有相似功能的其它组件(诸如但是不限制于上面列出的那些)可以在不脱离本申请的范围的情况下被代替。

功率束射系统

图1是功率束发射机102和接收机104的示意图。激光器106将功率束108(贯穿该图作为点线示出)引导朝向光学器件单元110，光学器件单元110将束引导到束调控组装，诸如镜组装112。光学器件单元110可以包括各种透镜、镜和其它光学元件，如下面进一步讨论的那样。对镜组装112的调控将功率束108引导到功率接收机104。可选的冷却器114被示出为连接到激光器106，但是发射机102的其它组件也可以按要求具有独立的或连接的热管理系统。在图1中还作为发射机102的部分示出了追踪系统116和安全系统118。在图中这些系统被示出为在光学器件单元110内部，但是本领域普通技术人员将认识到，在一些实现中，它们可以在光学器件单元110外部，是对镜组装112进行调控的部分或在发射机系统中的其它地方。还示出了TX控制器120、用户界面122和TX通信单元124，所有的这些在下面与图2相关地进一步讨论。将理解的是，发射机102可以包括其它元件，诸如束整形器、防护束或其它适宜的附件元件，出于图示的简单性的目的，这些已经被从图1省略。在下面在图2中示意性地示出了这些元件中的一些，但是本领域普通技术人员将理解如何在功率发射机中组合光学和控制元件。

接收机104包括PV阵列130，PV阵列130包括多个单独的PV单元132(为了避免不必要地使图混乱，并未标明所有的PV单元)。PV单元132将进入的功率束108转换成电，如下面进一步描述的那样。接收机104还示出了追踪发射器134，在一些实现中其可以被追踪系统116使用以监控PV阵列130的位置以用于束追踪或用于其它目的。接收机104还示出了安全发射器136，在一些实现中其可以被安全系统118使用以针对潜在的侵入、反射或其它安全隐患监控功率束108。RX通信单元138与TX通信单元124通信(如由虚线指示的那样)，并且可以被用于安全、追踪、遥测、反馈控制或任何其它目的，针对这些目的，对于发射机102和接收机104而言进行通信可以是合期望的。虽然图示的实施例提供了跨诸如发射机102和接收机104之间的无线电链路的分离信道的通信，但是还设想的是通信可以经由对功率束108的调制、追踪发射器134、安全发射器136或功率束射系统的其它存在组件来实现。接收机104还可以包括在下面与图3有关地进一步描述的可选的RX传感器140。如在图1中示出的那样，PV阵列130被安装在可选的杆142上，杆142可以升高接收机104以允许功率束108避开人类或其它障碍。

图2是示出发射机的组件之间的功能关系的抽象图。发射机102包括激光器106，但是将理解的是，在一些实现中诸如LED或磁控管的其它光生成组件可以代替激光器106。激光器106被连接到控制器120、功率供给单元(PSU)202(其进而被连接到输入功率204)和热管理系统(冷却器)114。贯穿图2和图3，热量流动由粗点线标示，而功率束108由粗实线标示，传感器信号由粗虚线标示，数据和/或控制信号由点划线标示，以及电功率由细实线指示。出于清楚的目的，未示出所有的内部电连接。

控制器120控制激光器106的操作，并且取决于系统的设计约束，其可以是手动的(例如，使用用户界面122)、部分自动的或完全自动的。特别是，控制器120可以接收来自安全系统的输入，例如如在共同拥有的美国专利No.10,634,813和10,816,694、美国专利申请No.15,574,659和16/079,073、国际专利申请No.PCT/US20/34104以及美国临时申请No.63/140,236中描述的那样。安全系统可以被设计为调低或关闭束，例如当不能确保从发射机102到接收机104的不中断的光学路径时或者当其它隐患条件可能与继续束射功率关联时。控制器120可以接收来自其它组件的输入(数据)，例如以监控激光器的状况和温度。PSU202从输入功率204汲取功率并且将其供给到激光器106，输入功率204可以是例如电网、发电机或电池。在图中，控制器120和冷却器114被直接连接到输入功率204，但是在其它实施例中，这些组件或其它组件可以从功率供给单元202接收功率。冷却器114监控激光器106(和/或按需要而监控发射机的其它组件)的温度并且确保其不超过安全值。

如在图2中示出的那样，功率束108从光源106出现并且进入光学器件单元110。将理解的是，虽然光108贯穿图2保持相同的参考标号，但是光108的特性可以在其通过不同的光学器件和其它组件时以各种方式(例如，偏振、会聚/发散角度、束轮廓或强度)改变。光学器件单元110可以包括束集成器206和其它光学器件，诸如透镜、镜、相控阵列或任何其它适宜的组件，用于管理光的方向、发散和束辐照轮廓或者用于合并不同的光功率束和/或信号。束集成器206一般将被选取以匹配光源106的波长域，并且可以被用于改变功率束的大小、形状或强度分布。例如，当向接收机束射功率时，在一些实现中可以合期望的是使束宽度匹配于接收机的大小，并且可能地“平坦化”束辐照轮廓以使其跨接收机的表面相对均匀，例如将实质上高斯束轮廓转换成“高顶礼帽(top hat)”或超高斯轮廓。在共同未决和共同拥有的国际专利申请No.PCT/US20/34095中更详细地讨论了束方向和束轮廓整形。特别是，在其中描述的用于监控功率束在接收机上的放置和使用所监控的数据以向控制器120和/或调控组装112反馈的机制可以被并入到本系统中。

调控组装112可以包括调控光学器件210和/或传感器212，其在一些实现中可以被用于提供反馈信息以用于追踪接收机并且使束指向接收机，被用于测量诸如方向或辐照轮廓的束特性，或者被用于监控到光路径中的潜在侵入。调控组装112还可以包括合并光学器件。合并光学器件一般被用于组合多个光学路径，或者当光学流动处于相反方向时可能地用于分离多个光学路径。例如，用于传输功率的外出功率束108可以被与用于追踪接收机的进入光学信标208组合，如在图中示出的那样。如图示的那样，信标被使用在调控组装112处用于追踪，但是在其它实现中，信号208可以传播到光学器件单元110或超出光学器件单元110。

发射机102还可以被提供有传感器214，传感器214可以被用于监控周边条件。传感器212、214可以被用于调整束集成器206和/或调控光学器件210。例如，传感器212可以监控聚焦透镜或其它光学组件在调控组装112中的位置，而传感器214可以被用于监控周边和/或其它组件温度。来自传感器212、214的数据可以被反馈到控制器120中以例如出于安全考虑调整激光器106，或者以控制调控光学器件210和/或调控组装112以将束108引导到接收机上。控制和数据信号可以在控制器120和其它组件之间通过，如在图2中由点划线示出的那样，并且控制器120可以例如使用发射机通信单元124来控制与接收机的通信。

在通过光学器件单元110之后，功率束108被由调控组装112在期望的方向引导远离发射机102。在一些实现中，调控组装112可以包括调控光学器件210、用于调整镜或其它组件的马达(未示出)和/或更多整形光学器件(未示出)。本领域普通技术人员将理解，不同的实现可以要求不同的光学元件布置(诸如光通过的组件的顺序)而不改变发射机系统的基础本质。

图3示出了诸如在图1中示出的接收机的功率接收机104的各组件之间的功能关系。图示的接收机104包括功率转换器302，其包括PV单元132的PV阵列130。功率转换器302被配置为将来自激光器106的功率束108转换成电(或者，在一些实现中，转换成能量的另外的有用形式)。接收机104还可以包括光学器件304，其可以在所接收的束到达PV阵列130之前对其进行整形或修改，例如如在国际申请No.PCT/US20/34093中描述的那样。在许多实现中，PV阵列130包括热管理系统306。该系统可以包括无源或有源冷却，并且其可以被配置为如果PV阵列130的任何部分超过了安全温度限制则(例如，经由RX通信单元138)将信号发送回发射机102。

功率转换器302可以进一步被连接到功率管理和分布(PMAD)系统308。PMAD系统308可以向用户设备310、功率总线312和/或能量存储设备314供电。PMAD系统308可以被连接到控制器316，控制器316可以经由传感器140监控PV阵列130，例如监控单独的光伏单元、单元组、或整个阵列的电压、电流和/或温度、PMAD或单独的负载的电压和/或电流。控制器316还可以包括针对PV阵列130的最大功率点追踪(MPPT)，或者MPPT可以由PMAD系统308处理。PMAD系统308还可以包括DC/DC转换器，例如以在优选的电压和电流特性的情况下向设备310、312、314提供功率。遥测单元318可以例如经RX通信单元138将任何或所有的上面的数据发送回发射机以用于在控制光束108中使用。在一些实现中，控制器316可以与接收机用户界面320进行通信，用户界面320可以允许由功率接收机的用户本地察看和/或控制接收机操作。

在图3中还可见的是信号208(例如，光学信号)被接收机104发送回发射机102，其可以被沿着与功率束108相同的路径发送，如示出的那样。在一些实现中，例如，信号208可以包括安全信号，其被用于确保从发射机102到接收机104的不中断的路径。在一些实现中，该信号可以被从安全发射器136发送。关于安全系统的更多细节可以在例如共同拥有的美国专利No.10,580,921、10,634,813、10,816,694和11,105,954、美国专利申请No.16/079,073以及国际专利申请No.PCT/US20/34104中找到。在一些实现中，信号208可以包括追踪信号，其被用于在功率转换器302上定位功率束108，追踪信号诸如为从追踪发射器134发送的信号。虽然如在图中示出的信号208是“有源”信号，但是在其它实现中，发射器134、136可以由通过发射机102或通过功率传输系统中的其它适宜的组件标识的基准标记(未示出)来替代。

如果期望的话，则可以由功率转换器302(直接地或经由PMAD 308)向要求功率的任何接收机组件供电，例如但是不限制于热管理系统306、RX通信单元138、PMAD系统308、控制器316、遥测单元318和/或用户界面320。如果各组件由转换器302供电，则系统可以包括电池(作为能量存储314的部分或作为分离的组件)以在启动期间或在当转换器302不供给功率时的其它时间向这些组件供电。

束重整形

虽然优选的是在接收机处传送具有超高斯或接近于“高顶礼帽”强度轮廓的束，但是在一些情况下，例如由于到接收机的距离，可能替代地传送“平”高斯束。甚至超高斯束在它们的强度轮廓中具有“拖尾”，这可能限制阵列性能，因为PV阵列的周界附近的PV单元可能接收很少的光或接收不到光。过度填充阵列以将光放置在所有单元上由于浪费光而降低了效率，并且由于光溢出过接收机而潜在地引起安全隐患。各单元具有每单元的输入功率水平，在该水平之上它们损失效率并且可能最终过热，并且因此束的峰值功率强度(通常在束的中心附近)可能驱动针对给定功率输出所要求的单元的总数。更进一步地，闪烁可能引起单独的PV单元配准在标称强度之上和之下这两者的快速并且宽泛地变化的强度，这可能由于各种原因而使效率劣化。本设计至少部分地使束均质化，从而通过将一些光偏移到最外面的单元来有效地减小在阵列中的单独的单元上的强度的范围，这使得能够实现针对给定数量的单元的更高的阵列功率输出。

图4是为了理解本发明的目的的示意图。角度和距离未必按比例。如示出的那样，组装400包括方形复合折射透镜402(在图4中以横截面示出并且在图5中以透视示出)，其接收(例如来自激光功率束的)进入的准直光404。透镜402具有d的宽度并且其上表面具有凸形状，该凸形状具有f的焦距(并且因此f/d的f数(f-number))。因此，不考虑底表面的影响，透镜402将使光404聚焦到在远离透镜的距离f处的表面406上，如由粗虚线408示出的那样。在图4中示出的示例中，焦距f和工作距离L是相等的，但是如将在下面讨论的那样，这并非是要求。在其它实现中工作距离L可以不同于焦距，并且顶部形状可以是任何合适的形状(例如，球形、非球形或自由形状)。在图4中示出的实现中，透镜402的下表面平铺有方形凹小透镜的布置，方形凹小透镜具有大约与顶表面的f数相同量值的负f数。这些透镜的每个因此在远离透镜的距离L的平面处将光扩散回近似原始束的宽度，如由点线和点划线对410、412、414示出的那样。该组合有效地将束均质化，因为底表面的小透镜中的每个扩散跨整个(或接近于整个)目标平面的进入束的部分，因为来自每个单独小透镜的束部分由于其从第一表面的折射而有角度地朝向目标表面406的中心。因此，整个小透镜阵列的效果是平坦化束轮廓并且减轻闪烁或其它束非均质性的影响。明显地，非常少的光逃离从透镜402的横截面向下投影的直圆柱的宽度，即使没有提供侧反射器，并且到达目标平面处的光与其将在标准漫射器系统的情况下(这倾向于使束扩散)相比更靠近平面的法线。这是重要的，因为PV单元可能具有针对光的受限制的接受角度，或者至少当光尽可能靠近PV单元的表面法线时可以具有改进的效率。在一些实现中，凹小透镜的f数可以稍微更大，从而光发散得更缓慢但是仍然到达在工作距离L处的重叠区域。如图示的那样，目标表面406具有大约与透镜402相同的宽度，但是当然在一些实现中，其可以更窄，只要其至少足够宽以捕获大多数或所有的进入束。

在一些实现中，目标表面406可以稍微大于或小于透镜402，但是其仍然被根据相同的原理整形，所述原理为每个小透镜跨重叠的目标区域扩散其自身部分的进入光404，如在图4中图示那样重叠的目标区域几乎与透镜402一样大。在一些实现中，目标区域是目标表面406的宽度的至少25％、至少50％、至少75％、至少90％或至少95％。目标区域406还可以比透镜402宽(例如，110％或125％)，但是在这些情况下，均质化的程度将在目标表面406的外周处稍微降低，并且可能更难以组装如下面与图12和图13相关地讨论的多个模块。

图6示出了组装600，其包括替代的折射透镜602，替代的折射透镜602在其底表面上使用凸小透镜。上表面仍然具有相同的焦距(现在标记为f₁)，但是小透镜具有更小的正焦距f₂，焦距f₂被选择从而来自每个小透镜(610、612、614)的光正是在到达目标表面406之前会聚成点，然后发散以跨表面的相同的目标区域扩散。在该图示中，f₂被选取以到达比在图4中示出的小的重叠区域，大约为目标表面406的宽度的35％(从而大约区域的12％)。对于本领域普通技术人员来说将显而易见的是，在未改变本发明的原理的情况下，不同的实现可以包括以不同程度集中(如图示的那样)或扩散进入光。

本领域普通技术人员将进一步理解如何选择透镜402、602的f数以包含在目标表面406上的光，将其均匀地跨目标平面扩散，同时不使边缘损失光。虽然在如图4至图6中示出的透镜的上下文中这是最容易图示和理解的，但是本领域普通技术人员还将领会，相同的原理可以适用于反射光学器件或适用于衍射光学元件(DOE)，其可以提供更轻和/或更紧凑的系统，并且还可以改进针对系统的光引发的损坏阈值。与典型的微透镜相比小透镜可以稍微更大，例如大约0.1-3cm跨度。该系统的优点在于，准直光404进入系统的角度上的适度改变使投影光在目标表面406上的位置偏移，但是保持重叠区域，如可以在图7中更清楚地看到的那样。透镜602具有与在图6中相同的形状，但是进入光404已经从竖向上偏移开三度。这种改变引起目标区域向左偏移，但是小透镜中的每个仍然跨目标区域扩散其部分的束。因为在图7中在目标表面406的平面处的束的大小小于目标表面406的完整宽度，所以偏移的束不溢出目标表面406，因为在束位置上的这种偏移小于空白/未照射区域的宽度，所以由此使得系统能够容纳一些量的指向误差。下面与图11相关地图示束的位置(而不是其角度)上的偏移。

图8示出了模块800，其包括透镜402、一组集中器802(出于清楚的目的，未对所有集中器进行标号)和PV单元132。图示的集中器是复合抛物面集中器(CPC)，但是也设想其它非成像集中器。进入光404进入透镜402并且被引导朝向集中器802，集中器802被放置在与如上面描述的目标表面406等同的位置处，并且集中器802将光404集中朝向PV单元132，相似于在共同未决和共同拥有的美国专利申请No.17/613,015中描述的束分裂装置。在图9中示出一个集中器802的横截面。其是中空的部分，具有多边形几何形状，例如方形或六边形横截面，在一些优选的实现中其可以被密集地填装。在一些实现中，针对集中器802的输出角度可以被选择以对应于PV单元132的最大接受角度，以用于改进的耦合。已经选取在图9中示出的中空反射轮廓以减小接收机的质量并且协助内部辐射冷却，但是在本发明的范围内还设想其它类型的集中器。图8还包括在光404传播经过透镜402并且传播到PV单元132时跨过光404的路径的三条线A、B、C。这些线表示在下面描述的图10至图13中的察看平面。

有效性度量

图10示出了在光移动经过模块800时辐照如何改变。在图10(a)中示出了在图8的线A处的进入高斯光束。该图包括具有(以任意单位)示出了束辐照的叠加的恒值线(contour line)的热映射和在最高强度点处沿着单个线的辐照图。图10(b)示出了恰在光束进入集中器之前光束的轮廓已如何在线B处被均质化，以及图10(c)示出了恰在光进入PV单元之前光在线C处的分布。(图10至图13的每个示出了具有各恒值的热映射和沿着每个部分中最高强度的线的2D图的相同组合，除了位置C处的轮廓省略了各恒值以改进各图的清楚性)。可以清楚地看到的是，光被系统实质上均质化并且相对于在没有均质器时将出现的情况在PV单元中的每个上的光功率已是定性地相等的。下面给出均质化程度的定量分析。

图11示出了系统如何响应于稍微偏离中心的束。图11(a)示出了进入束，其在x方向和y方向上偏离100mm方形模块的中心25mm。图11(b)示出了恰在光束进入集中器之前光束的轮廓已如何在线B处被均质化，以及图11(c)示出了恰在光进入PV单元之前光在线C处的分布。虽然当束沿着光轴居中时进入束的空间均质化可以被通过复合透镜优化，但是光学器件的固有的偏移不变性质可以依然减轻偏心并且确保第二级光学器件的均匀填充。将看到的是，即便在光学元件的仅一部分接收光的情况下(参见图11(a))，在光到达PV单元时光仍然跨目标平面的大部分相当均匀地扩散(参见图11(c))。

在一些实现中，在图8中示出的完整光学元件可以包括多个在图8中示出的模块800，例如在3x3或4x4阵列中。在一些实现中，每个微透镜阵列可以被整形为在图4至图6中图示和讨论的那样，而在其它实现中，小透镜可以被整形从而每个小透镜跨目标表面的更大的部分扩散其相应部分的光404。在这样的实现中，来自上面描述的多个模块的不同元件的光可以在目标表面处重叠。前者布置的优点是各模块800可以都是实质上相同的，提供构造上的效率。后者布置的优点是进入光可以是跨整个平面更充分地相等的。为了简单起见，以下讨论假定每个模块800是实质上相同的，但是本领域普通技术人员将理解可以如何布置阵列内部中的模块以将光扩散到邻近的模块以进一步使所收获的束相等。

模块化阵列设计是反射折射的并且包括以3x3模式布置的九个方形光学模块的阵列，每个模块包括如在图8中示出的组装800。在PV单元处的每个模块的均匀性是在两级中实现的：第一级折射光学器件(例如透镜402)在到第二级的入口处提供光学辐射的(除了均质化之外)一些弱集中，并且二级非成像光学器件802(例如中空集中器、科勒(Kohler)集中器或简单透镜)将光集中到单独的PV单元上。分级的光学器件的功能是将准准直的激光输入整形成与二级非成像光学器件匹配的角度接受限制内的在空间上均质化的束，这确保了在每个单独的PV单元处的最终集中比率。

图12示出了系统对于填充3x3孔径的反射折射阵列的大部分的居中高功率高斯束的响应。对于300x300 mm阵列而言，束具有119mm的半高全宽。非常少的光从PV阵列的边缘溢出，并且九个第一级光学器件中的每个均质化其部分的进入束。图12(a)示出了在束进入阵列(线A)时的束辐照，图12(b)示出了在束进入集中器(线B)的束辐照，以及图12(c)示出了在束到达PV单元(线C)时的束辐照。

即便当进入束并未在阵列上居中时，系统也在形成模块化阵列的每个单独模块内创建PV单元的均匀辐照，如在图13中示出的那样。图13(a)示出了在束进入阵列(线A)时的束辐照，图13(b)示出了在束进入集中器(线B)时的束辐照，以及图13(c)示出了在束到达PV单元(线C)时的束辐照。

定性地，最高效并且成本有效的激光功率传输系统将倾向于使光相对均匀地跨阵列扩散，其中大多数PV单元接收大约相同量的光并且其中很少的光完全错过阵列或者以如下这样的高角度进入：该角度使得PV单元不会高效地将光转换成能量。可以通过对跨阵列测量的辐照的标准偏差进行建模来评估阵列以了解它们匹配该定性描述的程度。通过如下来将该参数变换成无量纲的标准化偏差：移除任意单位来将该参数除以平均辐照。对于在之前部分中描述的系统而言，可以关于进入光束作出各种假定来针对单个模块对标准化偏差进行建模(例如在图10中建模的4x4阵列的PV单元和均质化透镜)。可以计算在其中光进入集中器的点处的标准化偏差。

标准化偏差将取决于被引导在模块处的束轮廓而变化。图10基于在100mm的阵列宽度上具有39.25mm的半高全宽的居中高斯束，而图11示出了在x轴和y轴的每个上从阵列中心偏离25mm的相同大小的束。报告了在图8中的平面A和B处的针对居中束和针对偏离束这两者的标准化偏差。在表1的前两行中示出了结果数据。通过束均质器，辐照的标准化偏差被至少减少至四分之一。

表1—针对不同束参数的标准化偏差(无单位)

对于在图12(和图13)中示出的模块的阵列而言，针对到达完整阵列处的高斯束，(在整个阵列上取平均的)标准化偏差将典型地更高，因为每个模块倾向于将入射光的大部分引导到其自身的PV单元阵列，并且因此不同模块可以处于显著不同的辐照水平。在图12中，这些差异是定性地显而易见的。在一些实现中，差异可能意味着针对阵列的不同模块使用不同的PV单元、电子器件和/或其它组件是更高效或更成本有效的。出于这些原因，针对每个模块的标准化偏差是更易处理的度量。对于100mm方形模块的3x3阵列和具有119mm半高全宽的大小的居中高斯束而言，如在图12中示出的那样，为这九个模块中的三个计算标准化偏差：在中心处的单个模块、在边缘处的四个模块(正交地相邻于中心模块)之一以及在角部处的四个模块(对角地相邻于中心模块)之一。由于整体系统的对称性，其它六个将具有实质上相同的值，因此不对它们分离地建模。在表1中标明为“大束”的栏中报告了这些数据。将看到的是，对于中心模块而言，均质器使束稍微不太均匀(因为均质器稍微减小了束区域，但是“暗边缘”被包括在标准化偏差的计算中)，而对于边缘模块和角部模块(其具有不太均质的初始辐照分布)而言，均质器使标准化偏差减小至大约三分之一或四分之一。

还通过对进入单个模块中的每个PV单元的功率的量(在居中束和偏离束这两者的情况下)进行建模来确认集中器802并未负面地影响PV单元处的辐照。对于居中束而言，在每个PV单元处的标准化光通量(一个PV单元处的总功率除以所有PV单元上的平均功率)范围从角部中的0.832到针对中心四个单元的1.29，具有0.177的标准化偏差。对于偏离束而言，标准化光通量范围从最小的0.679到最大的1.38，具有0.210的标准化偏差。这种相对窄的范围意味着与在没有均质器的情况下(其中在居中时标准化偏差将是1.215并且在偏离时是1.475)相比PV单元之间的失配更小，由此改进了PV单元的利用和效率。

在一些实现中，在图12和图13中示出的模块的PV单元可以是以串并联布置布线的，如在共同未决和共同拥有的国际申请No.PCT/US22/13570中讨论的那样，但是在其它实现中，跨每个模块的均质化可以使这种类型的布线不是必要的。

上面建模和描述的相同光学功能还可以利用DOE(例如次波长DOE)实现，DOE可以更薄并且因此更轻得多。在两透镜科勒样式光学器件(其并未跨多个PV单元均质化束)的一个实现中，功率束接收机模块(10cm x 10cm)包括重228克的光学器件，并且金属支承框架重附加的363克，总共591克。估计利用上面描述的两级替代光学器件和安装器件将使质量减小至每模块～115克，减小至五分之一。

在以下中，按项描述进一步的特征、特性和优点：

项1：一种束均质器，包括复合透镜，复合透镜被配置为对入射功率束重整形。复合透镜包括第一光学表面和第二光学表面，第一光学表面被配置为在焦距处聚焦入射功率束，第二光学表面包括多个光学元件。多个光学元件中的每个光学元件被配置为将所聚焦的功率束的相应部分朝向光聚集区域扩展，并且所聚焦的功率束的被引导的部分均在光聚集区域处彼此重叠以形成均质化功率束。

项2：根据项1所述的束均质器，其中复合透镜具有宽度，并且其中复合透镜被定位在距光聚集区域在大约一半的宽度和大约六倍的宽度之间的距离处。

项3：根据项2所述的束均质器，其中复合透镜被定位在距光聚集区域在大约所述宽度和大约四倍的宽度之间的距离处。

项4：根据项3所述的束均质器，其中复合透镜被定位在距光聚集区域在大约两倍的宽度和大约三倍的宽度之间的距离处。

项5：根据项1所述的束均质器，其中复合透镜具有轴，均质化功率束具有最终宽度，最终宽度小于复合透镜的宽度，并且光聚集区域足够宽使得当入射功率束与轴形成小于2度的角度时均质化功率束被定位在光聚集区域内。

项6：根据项5所述的束均质器，其中光聚集区域足够宽使得当入射功率束与轴形成小于5度的角度时均质化功率束被定位在光聚集区域内。

项7：根据项5所述的束均质器，其中光聚集区域足够宽使得当入射功率束与轴形成小于10度的角度时均质化功率束被定位在光聚集区域内。

项8：根据项1所述的束均质器，其中入射功率束具有未整形的束辐照轮廓并且均质化功率束具有重整形的束辐照轮廓，以及其中与未整形的束辐照轮廓相比重整形的束辐照轮廓更平坦。

项9：根据项8所述的束均质器，其中未整形的束辐照轮廓是近似高斯的。

项10：根据项9所述的束均质器，其中重整形的束辐照轮廓是跨至少一半的光聚集区域近似平坦的。

项11：根据项8所述的束均质器，其中重整形的束辐照轮廓具有标准化偏差，标准化偏差小于未整形的束辐照轮廓的标准化偏差的一半。

项12：根据项11所述的束均质器，其中重整形的束辐照轮廓的标准化偏差小于0.3倍的未整形的束辐照轮廓的标准化偏差。

项13：根据项11所述的束均质器，其中重整形的束辐照轮廓的标准化偏差小于0.25倍的未整形的束辐照轮廓的标准化偏差。

项14：根据项11所述的束均质器，其中重整形的束辐照轮廓的标准化偏差小于0.2倍的未整形的束辐照轮廓的标准化偏差。

项15：根据项1所述的束均质器，其中光学元件具有束均质器的宽度的大约十二分之一的宽度。

项16：根据项1所述的束均质器，其中光学元件具有束均质器的宽度的大约十分之一的宽度。

项17：根据项1所述的束均质器，其中光学元件具有束均质器的宽度的大约五分之一的宽度。

项18：根据项1所述的束均质器，其中光学元件具有小于1mm的宽度。

项19：根据项1所述的束均质器，其中光学元件具有小于5mm的宽度。

项20：根据项1所述的束均质器，其中光学元件具有小于20mm的宽度。

项21：根据项1所述的束均质器，其中光学元件是凸的。

项22：根据项1所述的束均质器，其中光学元件是凹的。

项23：根据项1所述的束均质器，其中光学元件是小透镜。

项24：根据项1所述的束均质器，其中第一侧具有第一f数并且第二侧具有第二f数，以及第一f数和第二f数具有彼此10％内的绝对值。

项25：一种功率接收机，包括根据项1所述的束均质器和功率转换器，功率转换器被定位以接收均质化功率束。

项26：根据项25所述的功率接收机，进一步包括集中器，集中器被定位以将至少部分的均质化功率束引导朝向功率转换器。

项27：根据项26所述的功率接收机，其中集中器是反射集中器。

项28：根据项26所述的功率接收机，其中集中器具有小于或等于功率转换器的最大接受角度的输出角度。

项29：根据项25所述的功率接收机，进一步包括多个集中器，每个集中器被布置以将至少部分的重整形的功率束引导朝向光聚集区域中的特定位置。

项30：根据项29所述的功率接收机，其中多个集中器被填装在一起以收集至少90％的重整形的功率束。

项31：根据项25所述的功率接收机，其中功率转换器包括光伏(PV)单元。

项32：根据项25所述的功率接收机，其中功率转换器包括多个PV单元。

项33：根据项32所述的功率接收机，其中功率接收机包括多个集中器，每个被定位以接收至少部分的均质化功率束，并且每个集中器被定位以将其相应部分的均质化功率束引导朝向至少一个PV单元。

项34：一种对功率束进行均质化的方法，包括接收入射功率束、将接收的束分裂成多个束部分并且将每个束部分引导朝向束目标区域。引导每个束部分包括将束部分的大小在目标区域处改变成所选择的大小，并且多个束部分在目标区域处彼此重叠。

项35：根据项34所述的方法，其中将束分裂成多个束部分和将每个束部分引导朝向束目标区域包括使功率束通过复合透镜。

项36：根据项35所述的方法，其中复合透镜具有入表面和出表面，并且其中出表面包括多个小透镜。

项37：根据项36所述的方法，其中小透镜是凸的。

项38：根据项36所述的方法，其中小透镜是凹的。

项39：根据项36所述的方法，其中入表面是非球面的。

项40：根据项36所述的方法，其中入表面具有第一f数并且出侧具有第二f数，以及第一f数和第二f数具有彼此10％内的绝对值。

项41：根据项34所述的方法，其中入射功率束具有束辐照的入射标准化偏差，在目标区域处的重叠的多个束部分具有束辐照的均质化标准化偏差，以及均质化标准化偏差与入射标准化偏差的比率小于1/2。

项42：根据项41所述的方法，其中均质化标准化偏差与入射标准化偏差的比率小于1/3。

项43：根据项41所述的方法，其中均质化标准化偏差与入射标准化偏差的比率小于1/4。

项44：根据项41所述的方法，其中均质化标准化偏差与入射标准化偏差的比率小于1/5。

项45：根据项34所述的方法，其中多个束部分包括9-10,000个束部分。

项46：根据项34所述的方法，其中多个束部分包括25-400个束部分。

项47：根据项34所述的方法，其中多个束部分包括64-225个束部分。

项48：根据项34所述的方法，其中重叠的束部分形成均质化束。

项49：根据项48所述的方法，进一步包括集中至少部分的均质化束。

项50：根据项49所述的方法，进一步包括将被集中的部分的均质化束引导到功率转换器。

项51：根据项50所述的方法，其中集中至少部分的功率束包括使束通过集中器，集中器具有小于或等于功率转换器的最大接受角度的输出角度。

项52：根据项34所述的方法，进一步包括将均质化功率束引导到功率转换器。

项53：根据项52所述的方法，其中功率转换器包括光伏(PV)单元。

项54：根据项52所述的方法，其中功率转换器包括多个PV单元。

虽然前述已经描述了什么被认为是最佳模式和/或其它示例，但是理解的是可以在其中作出各种修改，并且本文中公开的主题可以被以各种形式和示例实现，并且本教导可以适用于许多应用，本文中仅描述了其中的一些。通过以下权利要求旨在要求保护落入本教导的真实范围内的任何和所有应用、修改和变化。

除非另外声明，否则在本说明书中包括在以下权利要求中阐述的所有测量、值、定额、位置、量值、大小和其它规格是近似的而不是确切的。它们旨在具有合理的范围，该范围与它们涉及的功能以及与它们涉及的领域中的习惯的内容一致。

保护的范围仅受现在随后的权利要求限制。范围旨在是与当根据本说明书和随后的审查进程解释时权利要求中使用的语言的普通含义相一致地宽泛的，并且旨在涵盖所有结构和功能的等同物。虽然如此，没有权利要求旨在包含未能满足《专利法》第101、102或103部分的要求的主题，也不应当以这样的方式对它们进行解释。由此不承认对这样的主题的任何不意图的包含。

除了在之前段落中声明的以外，已经声明或图示的内容均不意图或不应当被解释为引起任何组件、步骤、特征、对象、益处、优点或等同物对公众的贡献，无论其是否在权利要求中被记载。

将理解的是，本文中使用的术语和表述除了已经在本文中另外阐述的特定含义之外具有与其对应的相应的调查和研究领域相关的这样的术语和表述相一致的普通含义。诸如第一和第二等的关系术语可以仅被用于区分一个实体与另一个实体，而未必暗示这样的实体之间的任何关系或顺序。术语“包含”和“包括”在其所有语法形式中旨在覆盖非排它性包括，从而包括或包括有要素列表的处理、方法、制品、装置或物质组分也可以包括未明确列出的其它要素。在没有进一步约束的情况下，以“一”或“一个”开头的要素不排除附加的相同或相似要素的存在。

提供本公开的摘要以允许读者快速确认本技术公开的实质。在如下的理解下提交该摘要：其将不被用于解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在前述详细描述中可以看到的是，出于解释的清楚性的目的，可以在各种示例中将各种特征分组在一起。该公开方法不被解释为反映如下意图：权利要求要求比在每项权利要求中明确记载的特征更多的特征。更进一步地，在不脱离本申请的整体范围和精神的情况下，来自一个示例的特征可以被自由地包括在另一示例中或彼此代替。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种束均质器，包括：

复合透镜，其被配置为对入射功率束重整形，复合透镜包括：

第一光学表面，其被配置为在焦距处聚焦入射功率束；以及

第二光学表面，其包括多个光学元件，所述多个光学元件被平铺以实质上覆盖第二光学表面，其中：

所述多个光学元件中的每个光学元件被配置为将所聚焦的功率束的相应部分朝向光聚集区域扩展；以及

所聚焦的功率束的被扩展的部分均在光聚集区域处彼此重叠以形成均质化功率束。

2.根据权利要求1所述的束均质器，其中复合透镜具有宽度，并且其中复合透镜被定位在距光聚集区域在大约一半的宽度和大约六倍的宽度之间的距离处。

3.根据权利要求2所述的束均质器，其中复合透镜被定位在距光聚集区域在大约所述宽度和大约四倍的宽度之间的距离处。

4.根据权利要求3所述的束均质器，其中复合透镜被定位在距光聚集区域在大约两倍的宽度和大约三倍的宽度之间的距离处。

5.根据权利要求1所述的束均质器，其中

复合透镜具有轴；

均质化功率束具有最终宽度，最终宽度小于复合透镜的宽度；以及

光聚集区域足够宽使得当入射功率束与轴形成小于2度的角度时均质化功率束被定位在光聚集区域内。

6.根据权利要求5所述的束均质器，其中光聚集区域足够宽使得当入射功率束与轴形成小于5度的角度时均质化功率束被定位在光聚集区域内。

7.根据权利要求5所述的束均质器，其中光聚集区域足够宽使得当入射功率束与轴形成小于10度的角度时均质化功率束被定位在光聚集区域内。

8.根据权利要求1所述的束均质器，其中入射功率束具有未整形的束辐照轮廓并且均质化功率束具有重整形的束辐照轮廓，以及其中与未整形的束辐照轮廓相比重整形的束辐照轮廓更平坦。

9.根据权利要求8所述的束均质器，其中未整形的束辐照轮廓是近似高斯的。

10.根据权利要求9所述的束均质器，其中重整形的束辐照轮廓是跨至少一半的光聚集区域近似平坦的。

11.根据权利要求8所述的束均质器，其中重整形的束辐照轮廓具有标准化偏差，标准化偏差小于未整形的束辐照轮廓的标准化偏差的一半。

12.根据权利要求11所述的束均质器，其中重整形的束辐照轮廓的标准化偏差小于0.3倍的未整形的束辐照轮廓的标准化偏差。

13.根据权利要求11所述的束均质器，其中重整形的束辐照轮廓的标准化偏差小于0.25倍的未整形的束辐照轮廓的标准化偏差。

14.根据权利要求11所述的束均质器，其中重整形的束辐照轮廓的标准化偏差小于0.2倍的未整形的束辐照轮廓的标准化偏差。

15.根据权利要求1所述的束均质器，其中光学元件具有束均质器的宽度的大约十二分之一的宽度。

16.根据权利要求1所述的束均质器，其中光学元件具有束均质器的宽度的大约十分之一的宽度。

17.根据权利要求1所述的束均质器，其中光学元件具有束均质器的宽度的大约五分之一的宽度。

18.根据权利要求1所述的束均质器，其中光学元件具有小于1mm的宽度。

19.根据权利要求1所述的束均质器，其中光学元件具有小于5mm的宽度。

20.根据权利要求1所述的束均质器，其中光学元件具有小于20mm的宽度。

21.根据权利要求1所述的束均质器，其中光学元件是凸的。

22.根据权利要求1所述的束均质器，其中光学元件是凹的。

23.根据权利要求1所述的束均质器，其中光学元件是小透镜。

24.根据权利要求1所述的束均质器，其中第一侧具有第一f数并且第二侧具有第二f数，以及第一f数和第二f数具有彼此10％内的绝对值。

25.一种功率接收机，包括

根据权利要求1所述的束均质器；以及

功率转换器，其被定位以接收均质化功率束。

26.根据权利要求25所述的功率接收机，进一步包括集中器，集中器被定位以将至少部分的均质化功率束引导朝向功率转换器。

27.根据权利要求26所述的功率接收机，其中集中器是反射集中器。

28.根据权利要求26所述的功率接收机，其中集中器具有小于或等于功率转换器的最大接受角度的输出角度。

29.根据权利要求25所述的功率接收机，进一步包括多个集中器，每个集中器被布置以将至少部分的重整形的功率束引导朝向光聚集区域中的特定位置。

30.根据权利要求29所述的功率接收机，其中所述多个集中器被填装在一起以收集至少90％的重整形的功率束。

31.根据权利要求25所述的功率接收机，其中功率转换器包括光伏(PV)单元。

32.根据权利要求25所述的功率接收机，其中功率转换器包括多个PV单元。

33.根据权利要求32所述的功率接收机，其中：

功率接收机包括多个集中器，每个被定位以接收至少部分的均质化功率束，以及

每个集中器被定位以将其相应部分的均质化功率束引导朝向至少一个PV单元。

34.一种对功率束进行均质化的方法，包括：

接收入射功率束；

将接收的束分裂成多个束部分；以及

将每个束部分引导朝向束目标区域，其中：

引导每个束部分包括将束部分的大小在目标区域处改变成所选择的大小；以及

所述多个束部分在目标区域处彼此重叠。

35.根据权利要求34所述的方法，其中将束分裂成多个束部分和将每个束部分引导朝向束目标区域包括使功率束通过复合透镜。

36.根据权利要求35所述的方法，其中复合透镜具有入表面和出表面，并且其中出表面包括多个小透镜。

37.根据权利要求36所述的方法，其中小透镜是凸的。

38.根据权利要求36所述的方法，其中小透镜是凹的。

39.根据权利要求36所述的方法，其中入表面是非球面的。

40.根据权利要求36所述的方法，其中入表面具有第一f数并且出侧具有第二f数，以及第一f数和第二f数具有彼此10％内的绝对值。

41.根据权利要求34所述的方法，其中：

入射功率束具有束辐照的入射标准化偏差；

在目标区域处的重叠的所述多个束部分具有束辐照的均质化标准化偏差；以及

均质化标准化偏差与入射标准化偏差的比率小于1/2。

42.根据权利要求41所述的方法，其中均质化标准化偏差与入射标准化偏差的比率小于1/3。

43.根据权利要求41所述的方法，其中均质化标准化偏差与入射标准化偏差的比率小于1/4。

44.根据权利要求41所述的方法，其中均质化标准化偏差与入射标准化偏差的比率小于1/5。

45.根据权利要求34所述的方法，其中所述多个束部分包括9-10,000个束部分。

46.根据权利要求34所述的方法，其中所述多个束部分包括25-400个束部分。

47.根据权利要求34所述的方法，其中所述多个束部分包括64-225个束部分。

48.根据权利要求34所述的方法，其中重叠的束部分形成均质化束。

49.根据权利要求48所述的方法，进一步包括集中至少部分的均质化束。

50.根据权利要求49所述的方法，进一步包括将被集中的部分的均质化束引导到功率转换器。

51.根据权利要求50所述的方法，其中集中至少部分的功率束包括使束通过集中器，集中器具有小于或等于功率转换器的最大接受角度的输出角度。

52.根据权利要求34所述的方法，进一步包括将均质化功率束引导到功率转换器。

53.根据权利要求52所述的方法，其中功率转换器包括光伏(PV)单元。

54.根据权利要求52所述的方法，其中功率转换器包括多个PV单元。

Claims