專利名稱：照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種包含發(fā)光單元與照明控制單元的照明系統(tǒng)，其中發(fā)光單元被 配置成用以將電力轉(zhuǎn)換成具有例如強度、色彩、色溫、方向與波束圓錐角的特性的光束，而 照明控制單元的被配置成用以調(diào)整光束特性。
背景技術(shù)：
熟知照明特性的調(diào)整能經(jīng)由遙控器(RC)來達成。遙控器的缺點為需將遙控器對 準(zhǔn)正確的位置及方向，才能有效地進行控制。此外，目前已有很多不同的遙控器已經(jīng)出現(xiàn)于 客廳中以供TV、音響、VCR、CD/DVD游戲機/記錄器等電子裝置使用。又，使用者可能會對遙 控器上的不同按鈕有所混淆。最后，遙控器與其附屬接收器的成本相當(dāng)高。因此，目前亦有提出由使用攝影機與移動偵測軟件來控制電子裝置的技術(shù)，其中 使用者可由在照相機的前面擺出姿態(tài)來控制電子裝置。然而，這些系統(tǒng)需要高負(fù)載處理功 率，具有相當(dāng)長的反應(yīng)時間，且是相當(dāng)昂貴的。另外，W0 2006/056814提出了一種照明系統(tǒng)，其包含發(fā)光單元與控制單元，控制單 元包含紅外線發(fā)射器、紅外線接收器及透鏡配置?？刂茊卧蓽y量反射的紅外光的強度，并 反應(yīng)其以改變發(fā)光單元的亮度。依此方式，可對發(fā)光單元通電(ON)或斷電(OFF)，并可由在 紅外線波束中的手部移動而將發(fā)光單元調(diào)暗/亮。然而，這一種配置相當(dāng)昂貴且不正確性 很高，因為反射的紅外線信號的強度大幅取決于在波束中移動的物體的種類。本發(fā)明的一個目標(biāo)在提供一種改良的便宜可靠且易于使用的照明用的控制系統(tǒng)。 本發(fā)明的更進一步的目標(biāo)在提供一種對使用者及其環(huán)境呈現(xiàn)安全與舒適的照明系統(tǒng)。在既存的照明應(yīng)用上，一般皆是將整個房間全部照亮。但在多數(shù)情況下，只有房間 的一小部分需要被照明，因此其能源利用效率并不佳。再者，在既存的照明應(yīng)用上，是以一 種機械方式來達成光束聚焦(集中照明)與光束位置偏離(移動照明方向)，其并不具有彈 性且易受機械故障的影響。有鑒于此，本發(fā)明更進一步的目標(biāo)在提供一種更強健、有能源效率、易于使用及/ 或彈性的照明系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明的一個實施樣態(tài)，照明系統(tǒng)包含多個超聲波發(fā)射器，被配置成用以發(fā) 射超聲波信號；多個超聲波接收器，被配置成用以接收反射的超聲波信號；以及一處理單 元，被配置成用以經(jīng)由每一個發(fā)射器連續(xù)傳遞一超聲波脈沖并用以在送出每個脈沖之后決 定哪些接收器在一預(yù)定周期之內(nèi)會接收具有超過一預(yù)定閾值的振幅的一反射的超聲波信 號，且用以根據(jù)前述判斷結(jié)果來將控制信號傳遞至照明控制單元。這些超聲波發(fā)射器最好 是被配置成使這些超聲波信號在照明系統(tǒng)的光束內(nèi)且平行于照明系統(tǒng)的光束而被發(fā)射。超 聲波發(fā)射器與接收器最好是被配置成等邊多邊形或圓形。在此較佳實施例中，此系統(tǒng)包含 三個發(fā)射器與三個接收器。
依據(jù)本發(fā)明的另一個實施樣態(tài)，照明系統(tǒng)包含一超聲波發(fā)射器，被配置成用以發(fā) 射超聲波信號；一超聲波接收器，被配置成用以接收反射的超聲波信號；其中超聲波發(fā)射 器及/或接收器安裝于一可旋轉(zhuǎn)載體上，以使發(fā)射器的波束及/或接收器的接收圓錐平行 于轉(zhuǎn)軸延伸并位于距離轉(zhuǎn)軸有一距離的位置上，其中提供驅(qū)動單元以旋轉(zhuǎn)載體；以及一處 理單元，被配置成用以在旋轉(zhuǎn)期間經(jīng)由發(fā)射器于載體的多個角度位置重復(fù)傳遞一超聲波脈 沖，并用以在送出每個脈沖之后判斷接收器在一預(yù)定周期之內(nèi)是否接收具有超過一預(yù)定閾 值的振幅的一反射的超聲波信號，且用以根據(jù)前述判斷結(jié)果來將控制信號傳遞至照明控制 單元。可旋轉(zhuǎn)載體的轉(zhuǎn)軸最好是在照明系統(tǒng)的光束之內(nèi)且平行于照明系統(tǒng)的光束而延伸。 處理單元最好是被配置成用以于載體的至少3個，最好是至少6個，更好是至少12個角度 位置上傳遞一超聲波脈沖。在本發(fā)明的兩個前述實施樣態(tài)的較佳實施例中，處理單元更進一步被配置成用以 推導(dǎo)出表示在發(fā)射與接收的超聲波信號之間的時間差的一飛行時間信號，并用以根據(jù)飛行 時間信號來傳遞控制信號至照明控制單元，如以下將更進一步說明的。此種控制機制提供 一種高分辨率控制，且比如非常適合控制光強度、色彩及/或色溫。依據(jù)本發(fā)明的一更進一步的實施樣態(tài)，照明系統(tǒng)包含至少一超聲波發(fā)射器，被配 置成用以發(fā)射超聲波信號；多個隔開的超聲波接收器，被配置成用以接收反射的超聲波信 號；以及一處理單元，被配置成用以為每一個接收器判斷來自前述至少一發(fā)射器的發(fā)射信 號之間的時間差的飛行時間信號以及來自接收器所接收的反射的超聲波信號，并用以根據(jù) 每一個接收器接收到的飛行時間信號的組合來將控制信號傳遞至照明控制單元。每一個接 收器接收到的飛行時間信號的組合，是在發(fā)射器與接收器的波束之內(nèi)偵測超聲波信號反射 在二維平面或三維空間中的物體的位置的飛行時間信號的函數(shù)。本發(fā)明的所有上述實施樣態(tài)利用一種非常有效、便宜且可靠的方式來提供在實質(zhì) 上垂直于超聲波波束的軸線的方向中由手的姿態(tài)來控制發(fā)光系統(tǒng)的可能性。如果反射物體 (例如手)出現(xiàn)在波束中，則可以連續(xù)決定在這些方向中的物體的位置，可以達成照明系統(tǒng) 的各種不同的特性的控制。此種控制機制適合作為切換目的用，比如控制從一種照明特性切換成另一種照明 特性。因此，在本發(fā)明的所有三個前述的實施樣態(tài)的較佳實施例中，處理單元更進一步被配 置成用以根據(jù)前述判斷結(jié)果而從多個型式的控制信號中選擇一種型式的控制信號，其中每 個型式的控制信號控制這些照明特性的其中一個不同的特性。此種機制的另一個適當(dāng)、直覺的目的為光束角度的寬度或光束方向的控制。使用 者可朝垂直方向而在波束中移動其手，以便移動光束的方向或以便使光束增廣或變狹。處理單元最好是被配置成用以分析飛行時間信號的動態(tài)行為，并用以根據(jù)動態(tài)行 為來傳遞控制信號至照明控制單元。在本發(fā)明的前述實施樣態(tài)中，發(fā)射器與接收器最好是一種結(jié)合式收發(fā)器，且收發(fā) 器最好是設(shè)有一聲音警報器，用以使送出的超聲波的角度變窄并使反射的信號的接收的角 度變窄。在一較佳實施例中，照明系統(tǒng)包含多個發(fā)光單元，其中這些發(fā)光單元被配置于形 成同心多邊形或圓形的至少兩個群組中，其中實質(zhì)上每對鄰近的發(fā)光單元的光束彼此重 迭，其中內(nèi)群組的光束實質(zhì)上朝向平行于彼此，其中外群組中的發(fā)光單元的光束脫離內(nèi)群
4組中的發(fā)光單元的光束，且其中照明系統(tǒng)包含一照明控制單元，其被配置成用以個別調(diào)整 每一個發(fā)光單元的強度。利用本發(fā)明，可在不需要實體上移動照明系統(tǒng)的情況下達成兩個效果可改變發(fā) 光單元的組合光束的方向，并可改變組合光束的角度。又，可達成這兩個效果與在一個照明 系統(tǒng)中的多重結(jié)合光束的這些效果的組合。在另一個較佳實施例中，照明系統(tǒng)包含多個發(fā)光單元，其中發(fā)光單元被配置成一 陣列，其中實質(zhì)上每對鄰近的發(fā)光單元的光束彼此重迭，且其中發(fā)光系統(tǒng)包含一照明控制 單元，其被配置成用以個別調(diào)整每一個發(fā)光單元的強度，其中照明控制單元更進一步被配 置成用以在順應(yīng)個別發(fā)光單元的強度時，使在一假想平表面上的所述發(fā)光單元的總結(jié)合的 光通量維持實質(zhì)上相等。由此，可獲得平坦轉(zhuǎn)變，其很接近當(dāng)由物理上移動光點來移動光束 時或當(dāng)由物理上移動一透鏡來改變光點的光束的角度時，使用者所經(jīng)歷的效應(yīng)。此外，此系 統(tǒng)被配置成以提供固定的整體亮度體驗給使用者，而不根據(jù)光束照在一表面(比如桌子或 地板)的角度。照明控制單元最好是被配置成藉由調(diào)暗及/或調(diào)亮以使被通電的發(fā)光單元組合 光束的直徑平穩(wěn)地增加或減少，來順應(yīng)個別發(fā)光單元的強度。因此，發(fā)光單元最好是不會突 然被通電或斷電。同樣地，照明控制單元最好是被配置成用以由調(diào)暗與調(diào)亮來順應(yīng)個別發(fā)光單元的 強度，以使被通電的發(fā)光單元的組合光束的方向平穩(wěn)地從第一方向移動至第二方向。在所述較佳實施例中，發(fā)光單元是為LED。在所述較佳實施例中，照明系統(tǒng)還包含一透鏡，其朝內(nèi)群組的發(fā)光單元的光束延 伸，用以聚焦此光束。再者，在所述較佳實施例中，照明系統(tǒng)包含至少一中間群組的發(fā)光單元，其延伸于 在內(nèi)與外群組之間的同心的多邊形或圓形中。中間群組的光束最好是指向?qū)嵸|(zhì)上平行于內(nèi) 群組的光束。于較佳實施例中，所述發(fā)光單元包含于照明系統(tǒng)的外殼中，最好是包含一標(biāo)準(zhǔn)照 明系統(tǒng)配件。照明系統(tǒng)最好是包含至少一超聲波發(fā)射器，用以作為在Z-方向(為照明系統(tǒng)軸 線)的飛行時間測量，及/或作為XY平面(為垂直于照明系統(tǒng)軸線的平面)的姿態(tài)控制的 其中一個提案，來順應(yīng)個別發(fā)光單元的光強度。尤其，在XY平面的姿態(tài)控制相當(dāng)適合光束 方向及/或照明系統(tǒng)的角度的控制。在所述較佳實施例中，照明系統(tǒng)包含一超聲波發(fā)射器，被配置成用以發(fā)射超聲波 信號；一超聲波接收器，被配置成用以接收反射的超聲波信號；以及一處理單元，被配置成 用以推導(dǎo)出表示在發(fā)射與接收的超聲波信號之間的時間差的一飛行時間信號，并用以根據(jù) 飛行時間信號來傳遞比如二進碼的控制信號至照明控制單元。由此，系統(tǒng)的使用者可由在 超聲波波束的軸線的方向中移動比如他的手的物體來調(diào)整照明特性。超聲波發(fā)射器可比如發(fā)射40kHz頻率的超聲波。雖然超聲波發(fā)射器/接收器的使 用有替代方案，比如紅外線或雷達發(fā)射器/接收器能夠測量各個信號的飛行時間，但是超 聲波尤其適合本發(fā)明，因為飛行時間(典型的距離在0. 2與2公尺之間)可被以ms (毫秒) 而非以毫微秒/納秒(ns)的單位測量，這允許利用低成本處理設(shè)備來達成簡單與正確的測
5量。因為壓電超聲波收發(fā)器很便宜，所以本發(fā)明的系統(tǒng)可利用很低的成本來生產(chǎn)。本發(fā)明的系統(tǒng)易于控制，并具有簡單的使用者接口，其并不需要例如遙控器的額 外設(shè)備。本發(fā)明的系統(tǒng)的其它品質(zhì)為其堅固性、其對于環(huán)境條件的獨立性、其控制移動的一 維辨識以及其低處理功率需求。超聲波傳感器更進一步的優(yōu)點為其不會受到改變中的周圍 光線、溫度與濕度條件的影響。超聲波發(fā)射器與接收器、處理單元及/或照明控制單元最好是沿著照明系統(tǒng)外殼 延伸，而超聲波發(fā)射器與接收器最好是一種結(jié)合式超聲波收發(fā)器。由此，可以提供一種小型 與簡易安裝的照明系統(tǒng)，其直覺地由人手在光束的中心移動而受到控制。理想上，利用超聲波來控制照明系統(tǒng)是可利用低成本組件而易于大量生產(chǎn)，并具 有小尺寸，以使其可被內(nèi)建于甚至是小型照明系統(tǒng)中。在一較佳實施例中，依據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)包含一 LED驅(qū)動器與一脈沖寬度調(diào) 變器，其被配置成用以調(diào)整光束特性；一 DA-轉(zhuǎn)換器、一超聲波驅(qū)動器以及一超聲波發(fā)射 器，其被配置成用以將一數(shù)字發(fā)射信號轉(zhuǎn)換成一超聲波脈沖的傳輸；一超聲波接收器與一 放大器，配置成用以接收反射的超聲波信號并將超聲波信號變換成一電壓，以及一比較器， 其被配置成用以在電壓大于一預(yù)定閾值的情況下產(chǎn)生一數(shù)字接收信號；一處理單元，配置 成用以推導(dǎo)出表示在數(shù)字發(fā)射與接收信號之間的時間差的一飛行時間信號，并根據(jù)飛行時 間信號來傳遞控制信號至照明控制單元。處理單元、脈沖寬度調(diào)變器、DA-轉(zhuǎn)換器與比較器 最好是整合于單一微控制器芯片中。微控制器芯片最好是選自于單芯片8位8051/80C51 微控制器家族，最好是包含小型RAM與ROM，最好是小于4kB ROM并小于512B RAM。超聲波發(fā)射器與超聲波接收器最好是整合于一壓電超聲波收發(fā)器中。發(fā)射超聲波驅(qū)動器與接收超聲波放大器最好是整合于一預(yù)處理電路中。預(yù)處理電 路最好是還包含一第二階濾波器，用以從接收的信號濾除低頻信號。


為讓本發(fā)明的上述內(nèi)容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合附圖，作詳 細(xì)說明如下，其中圖1顯示利用超聲波收發(fā)器測量飛行時間的波形示意圖；圖2為照明系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的概要立體圖；圖3為顯示于圖2的系統(tǒng)中的手部移動及其飛行時間信號對時間的關(guān)系圖；圖4為圖2的照明系統(tǒng)的概要立體圖；圖5為手部的平均尺寸的概要俯視圖；圖6為顯示波束半徑對超聲波波束角與垂直距離的三維圖；圖7概要地顯示手伸入與伸出波束的移動，以及其飛行時間信號對時間的相關(guān) 圖；圖8為超聲波收發(fā)器與外罩的概要剖面圖；圖9與圖10概要地顯示本發(fā)明的電子硬件實施例；圖11為依據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的立體圖；圖12為本發(fā)明照明系統(tǒng)的第一與第三實施例的概要俯視圖，用以藉由使用超聲 波脈沖來決定手在平面中的移動；
圖13為顯示在圖12的照明系統(tǒng)中的超聲波脈沖的回音的時間圖；圖14A-圖14H概要地顯示手在圖12的照明系統(tǒng)中的移動；圖15顯示本發(fā)明照明系統(tǒng)的第二實施例的立體圖，用以由使用超聲波脈沖來決 定手在平面中的移動；圖16顯示圖15的照明系統(tǒng)的概要前視圖與概要側(cè)視圖；圖17顯示在圖15的照明系統(tǒng)中的超聲波收發(fā)器的旋轉(zhuǎn)的概要視圖；圖18顯示在圖15的照明系統(tǒng)中的超聲波脈沖的回音的時間圖；圖19與圖20為本發(fā)明照明系統(tǒng)的第三實施例的概要視圖，用以由使用超聲波脈 沖來決定手在平面中的移動；圖21A-21C分別概要地顯示LED陣列的照明系統(tǒng)的光束的聚焦與偏離；圖22顯示照明系統(tǒng)的概要橫剖面與底視圖；圖23顯示供圖22的照明系統(tǒng)用的照明系統(tǒng)驅(qū)動器的概要配置；圖24A-24G概要顯示圖22的照明系統(tǒng)的波束偏離過程；以及圖25A-25E概要顯示圖22的照明系統(tǒng)的波束聚焦過程。
具體實施例方式如圖2所示，照明系統(tǒng)1包含多個LED以及內(nèi)建于所述LED的中心的一超聲波收 發(fā)器。照明系統(tǒng)1亦內(nèi)建有用以將收發(fā)器的信號轉(zhuǎn)換成控制信號的一處理單元，以及用以 調(diào)整光特性的一控制單元。如果超聲波收發(fā)器被開啟，則其將傳遞一超聲波信號。如果一物體出現(xiàn)，則超聲波 信號將被物體反射并將被在照明系統(tǒng)內(nèi)部的超聲波收發(fā)器所接收。在傳送與接收超聲波信 號之間被稱為飛行時間的時間差將受到測量。如果在物體與照明系統(tǒng)1之間的距離改變， 則將測量出另一飛行時間值。物體被偵測到的移動為一維移動(此物體必須停留在超聲波 圓錐波束中)。飛行時間的改變將被轉(zhuǎn)換算成數(shù)字控制信號的改變。此種控制信號將進一 步控制光束的特性，比如色彩、強度或色溫等。物體可能是使用者的手2。因此，手2的一維移動，諸如上/下或左/右方向(取 決于照明系統(tǒng)的位置，水平或垂直)，可控制光束特性。在商業(yè)上可得到的超聲波發(fā)射器_反射器_接收器型式(TRR)的脈沖回音距離測 量單元中，大部分的共同任務(wù)是用以測量到達最接近反射物體的距離。測量的時間代表行 進兩倍的距離。傳回的信號本質(zhì)上遵循相同的路徑回到位于靠近發(fā)射器的接收器。發(fā)射器 與接收器位于相同裝置中。接收器經(jīng)過放大器傳遞這些反射信號(回音)至微控制器，其 由使用空氣中的聲音的速度，測定它們的時間以決定物體的距離。超聲波信號的飛行時間通常被用來作為一種距離測量方法。如圖1所顯示，一種 飛行時間測量是由將測量的接收時間(圖1中的R)減去信號的發(fā)射時間(圖1中的T)而 形成。此種時間距離信息將被轉(zhuǎn)變成在微處理器中的二進碼，并用以控制照明系統(tǒng)的特性。在圖2中，手2為障礙物/物體，而桌子、地板或天花板3為參考物。超聲波收發(fā)器 以圓錐波束4的型式傳遞超聲波。如果從收發(fā)器到參考物的距離y為1. 5公尺，則超聲波 波束4的總運行距離為2*y = 3公尺，而其飛行時間為8. 7毫秒(于25°C的環(huán)境溫度下)。 如果從收發(fā)器到手的距離x為0. 5公尺，則飛行時間為2. 9毫秒。如果手部移動的控制級距(st印)所需要的精度為2公分(0. 12毫秒的飛行時間級距)，且控制的范圍比如為64公 分，則可有32個控制級距，其允許5位控制。如圖3所示，控制信號是由手2朝超聲波波束4的一維垂直方向移動而產(chǎn)生。在 Tl = 1秒時，手2在波束4外部，因此參考值會被測量，且此時照明系統(tǒng)控制是失效的(階 段A)。在T2 = 2秒時，手2移動進入波束4中，且被保持于該處持續(xù)1秒以上，直到在T3 =3秒時，照明系統(tǒng)控制被微控制器所致動(階段B)為止。接著，在T3 = 3秒與T5 = 5 秒之間，手2向上移動，以使比如照明系統(tǒng)1的強度根據(jù)微處理器產(chǎn)生的控制信號變化而增 加(階段C)。在T6 = 6秒時，手2從波束4撤出，因此參考值會再次被測量，并以使照明系 統(tǒng)控制失效(階段D)。此外，如顯示于T7 = 7秒，若手2意外地在超聲波波束4中移動，其 并無法啟動照明系統(tǒng)控制，因此照明系統(tǒng)并不會被意外調(diào)整(階段E)。在上述的照明系統(tǒng) 控制中，物體需保持在超聲波波束4中持續(xù)1秒以上，產(chǎn)生如階段B的控制信號，才能啟動 照明系統(tǒng)控制。超聲波波束4的圓錐角對提供可靠的手部控制是很重要的。在圖4中，于參考位 置的波束半徑為r。于手部位置的波束半徑rh必須具有足以由手來進行控制的偵測范圍。 在照明系統(tǒng)特性的控制期間，偵測波束半徑的平均值應(yīng)該幾乎等于手部形狀的平均長度的 一半，如圖5所示。如果總控制范圍在X/2左右(對于照明系統(tǒng)/桌應(yīng)用而言)，則在照明 系統(tǒng)特性的控制期間，則最小偵測波束半徑約在Lh/2左右。舉例而言如果Lh = 150公厘 且X= 1.5公尺，則超聲波波束角0應(yīng)該是11度。垂直距離X、超聲波波束角與波束半徑 之間的函數(shù)關(guān)系顯示于圖6中。如圖7所示，如果手2在狹小超聲波圓錐4中，則將可執(zhí)行 照明系統(tǒng)控制。寬廣超聲波波束4的縮小與超聲波收發(fā)器5的聲壓位準(zhǔn)(SPL)的增加可由 外罩(horn)6而達成，如圖8所示。為了將照明系統(tǒng)的成本減至最小并為了具有控制所有可能的照明特性(像色彩、 強度等等)的可能性，執(zhí)行控制功能所需要的電子電路整合于照明系統(tǒng)中。用于姿態(tài)控制 的微處理器亦整合于LED控制微處理器中，用以減少成本甚至更多。照明系統(tǒng)中的超聲波 傳感器的整合使低成本、高容積產(chǎn)品變成可能。參考圖9，如上所述，微控制器傳遞一脈沖至超聲波收發(fā)器5的超聲波發(fā)射器。一 數(shù)字脈沖信號藉由一微控制器13的控制部13A而產(chǎn)生，并由微控制器13中的DA-轉(zhuǎn)換器17 而轉(zhuǎn)換成一電性脈沖。此種脈沖將被預(yù)處理器10中的放大器18(更詳細(xì)顯示于圖10)放大 至一數(shù)值，其可被超聲波收發(fā)器5的超聲波發(fā)射器部所使用。然后，壓電超聲波收發(fā)器5傳 遞一超聲波信號(比如于40kHz的頻率)。一物體將反射此超聲波信號。預(yù)處理器10將經(jīng) 由超聲波收發(fā)器5接收反射的信號。為了減少外部擾動的影響，反射信號被比如20kHz (= fc)的第二階高通濾波器11所過濾。在過濾之后，反射信號被預(yù)處理器10中的放大器12 放大。微控制器13包含一比較器14，其從由預(yù)處理器10 (其可被微控制器13處理)所 接收的電性信號建立一數(shù)字脈沖信號。微控制器13還包含具有一調(diào)變器20 (其是連接至LED驅(qū)動器19)的LED驅(qū)動器 部13B，以及ROM 15與RAM 16的一部分，其與微控制器的控制部13A共享。被配置成用以驅(qū)動LED的微控制器13為已知技術(shù)所熟知的，但其可更進一步被程 序化以執(zhí)行如上所述的控制功能。微控制器可以是簡單的處理器，比如屬于8051家族。ROM15的儲存容量例如為2kB，而RAM 16的儲存容量例如為256字節(jié)。圖11顯示依據(jù)本發(fā)明的照明裝置，其包含具有標(biāo)準(zhǔn)白熾燈型配件的一外殼，配置 成環(huán)狀的十個LED 21，以及在一外罩6中的一收發(fā)器5。另外，像是微控制器13、預(yù)處理器 10與LED驅(qū)動器19的所有電子組件皆內(nèi)建于外殼23中。藉以獲得非常小型的照明系統(tǒng)， 其不需要待被操作與控制的附帶外部配件?，F(xiàn)在參考圖12-18，其說明一種延伸的照明系統(tǒng)，其允許在XY平面中由姿態(tài)(例如 手部位移)來控制照明特性，XY平面垂直于Z軸，且Z軸延伸為照明系統(tǒng)的光束的軸線。XY 平面方向的姿態(tài)控制為姿態(tài)照明控制帶來額外可能性，XY平面方向的姿態(tài)控制可與上述單 純Z方向的飛行時間的姿態(tài)控制方法結(jié)合。舉例而言，可朝某個方向由手部移動來拉動或 推動光束。又，比如由手部移動作圓形動作，亦可能進行照明控制。由另外使用如上所述的 飛行時間的判定，可達成兩種照明控制的組合，就像光束偏離與光強度可同時受到控制一 樣?；蛘撸墒褂迷赬Y平面中的姿態(tài)來切換所欲控制的照明特性，例如從控制一種照明特 性切換至另一種照明特性。第一實施例請參考圖12-14作說明。依據(jù)圖12，照明系統(tǒng)1設(shè)有配置成三角形的 三個壓電超聲波收發(fā)器5，其被配置成使它們的超聲波波束的軸線平行于光束4的軸線并 在光束4中延伸。例如XY平面中的手2的物體的位置由三個收發(fā)器5個別偵測所決定。 此位置由從一個收發(fā)器5相繼傳送一超聲波脈沖而決定。三個收發(fā)器5會判斷在每個脈沖 被收發(fā)器5的其中一個送出之后是否接收到反射的信號。由此種相繼傳送與平行接收方法 所決定的物體位置，會被換算成為一種二進碼。從這種碼中可以決定物體的XY位置，并可 將這種碼換算成為照明控制指令，像是光束偏離或其它像是色彩、強度、聚焦等等的照明控 制。在圖13中，其為第一實施例的控制方法的時間圖。三個收發(fā)器在三個時間間隔 t0、tl與t2接續(xù)傳遞超聲波信號。三個收發(fā)器將判斷是否接收被一發(fā)射器送出的一回音 信號，其取決于手2的位置。在圖13中，一虛線區(qū)塊表示所接收的回音信號強度在一預(yù)定 閾值以下，而回音信號給定為數(shù)值0。如果回音信號強度等于或在閾值之上，則回音信號給 定為數(shù)值1。此種回音信息如表1所示。表1 相繼傳送與平行接收方法的信息的例子
此種二進制信息由下述方程式而換算成為XY平面中的位置 于此，n為收發(fā)器的總數(shù)ffx與Wy為加權(quán)系數(shù)k與m為收發(fā)器指數(shù)X與Y數(shù)值決定手2在XY平面中的實際位置。如果手2正移動至一某個方向，則 X、Y值會跟著改變。因此，從這些數(shù)值，可得知手部位移方向。如果手2在X或Y方向或兩 者中的控制范圍的外部移動，則數(shù)值會被固定至常數(shù)值。手2的移動方向與距離及/或其 實際位置將被換算成為照明控制指令，例如控制光束在某個XY方向中的偏轉(zhuǎn)動作。手一般會呈現(xiàn)球形，其會導(dǎo)致波束散射效應(yīng)。為了減少散射對測量結(jié)果的影響，最 好是將例如10度波束角度的外罩(horn)置放于收發(fā)器上。使用10度外罩的一項額外優(yōu) 點為可送出具有更高的聲音壓力位準(zhǔn)的信號。圖14A-14H顯示為手2位于8個不同的XY平面位置的例子，而針對每個位置與其 每個收發(fā)器所產(chǎn)生的二進制數(shù)值的表格顯示如下。表2a(圖 14A，位置 1) :X = 0、Y =-0. 5 表 2b (圖 14B，位置 2) :X = -0. 5、Y = -0. 5 表 2c (圖 14C，位置 3) :X = _1、Y = -0. 5 表2d(圖14D，位置4) :X、Y偵測范圍夕卜 現(xiàn)在參考圖15-18，其將說明用以決定在XY平面中的手部位置的第二實施例。此 方法與上述方法比較，其區(qū)別在于只使用一個超聲波收發(fā)器5，其在照明系統(tǒng)軸線周圍的照 明系統(tǒng)中被旋轉(zhuǎn)，以使物體的定位可在一次回轉(zhuǎn)中達成。依據(jù)圖15與16，照明系統(tǒng)1包含一陣列的LED 21與安裝于一旋轉(zhuǎn)崁齒輪 (COgwheel)30上的一壓電超聲波收發(fā)器5，以使收發(fā)器5沿著照明系統(tǒng)1的周圍移動。崁 齒輪30被另一個小崁齒輪31所驅(qū)動，而崁齒輪31連接至一步進馬達32。收發(fā)器5旋轉(zhuǎn)速 度高于在XY平面中的手部移動速度。舉例而言，如果收發(fā)器5的旋轉(zhuǎn)速度為4Hz，則收發(fā)器 的一次回轉(zhuǎn)所需要的時間為250毫秒(ms)。在這個期間之內(nèi)，物體的XY位置受到偵測，且 于此期間，手2將不會大幅移動。為了決定沿著照明系統(tǒng)的周圍的收發(fā)器位置，參考收發(fā)器位置由被配置于前述位 置的供超聲波信號使用的阻隔濾波器33所定義。決定參考位置的參考校準(zhǔn)可在一次收發(fā) 器回轉(zhuǎn)中被實現(xiàn)。例如當(dāng)將手2的物體設(shè)置于收發(fā)器5偵測范圍時，將啟動收發(fā)器5的旋 轉(zhuǎn)。此位置由從收發(fā)器5發(fā)射一超聲波脈沖并判斷是否接收一反射的信號而決定，然 后，旋轉(zhuǎn)收發(fā)器5至下一個位置并重復(fù)這個步驟，直到于所有位置達成這樣的判斷為止，如 圖17所示。在圖18中，其提供上述控制方法的時間圖。收發(fā)器在例如12個時間間隔t0、tl-til相繼傳遞超聲波信號(T(>"T11)。于每個步驟，收發(fā)器5將判斷是否接收回音信號(如… R11)，其取決于手2的位置。在圖18中，虛線區(qū)塊表示所接收的回音信號強度在預(yù)定閾值 以下，且回音信號被給定為數(shù)值0。如果回音信號強度等于或在閾值之上，回音信號則被給 定為數(shù)值1。此種回音信息的一例顯示于表3中。表3 此種二進制信息可由下述方程式而被換算成為在XY平面中的位置 于此，n為在一次收發(fā)器回轉(zhuǎn)期間測量的總數(shù)Wx與Wy為加權(quán)系數(shù)在相較于參考位置的測量期間，加權(quán)系數(shù)值取決于收發(fā)器位置。現(xiàn)在參考圖19-20，其將說明用以決定在XY平面中的手部位置的第三實施例。依據(jù)圖19與20，照明系統(tǒng)1設(shè)有兩個壓電超聲波傳感器5，其中一個傳感器為收 發(fā)器，而另一個傳感器為接收器，其被配置成使它們的超聲波波束的軸線平行于光束4的 軸線并在光束4中延伸?；蛘?，為了達到更正確的結(jié)果，可應(yīng)用更多感測器(比如三個收發(fā) 器)，其配置成三角形，如圖12所示，其中在本實施例中部分傳感器為接收器。例如XY平面 中的手2的物體的位置由所述收發(fā)器5得到的飛行時間而決定。此位置由從一個收發(fā)器5 一次相繼傳送一超聲波脈沖而決定。在其中一個收發(fā)器5送出每個脈沖之后，每一個收發(fā) 器5依據(jù)較早說明的方法決定反射的信號的飛行時間。原則上，此方法只需要一個發(fā)射器 以傳遞一超聲波脈沖，以及需要兩個接收器以決定反射的信號的飛行時間。物體的位置由結(jié)合兩個以上的接收器的飛行時間測量而決定。為了達成可靠的判 定，在超聲波傳感器之間的距離必須足夠高。如果比如飛行時間測量的精度為2公分，為了 達成離收發(fā)器1公尺的物體的可靠的位置判定，兩個傳感器之間的距離必須至少28公分。 于此情況下的超聲波波束角度必須足夠高。例1 若傳感器的數(shù)目為兩個，其中一個收發(fā)器(包含發(fā)射器及接收器)與一個接 收器。在XY平面中的距離可計算如下 于此，Vair為于室溫下的聲音速度，約為344公尺/秒(m/s)。為了簡化計算，傳感器設(shè)置于XY平面中，且被配置成能使兩者都在X軸上且位于 同一 Y軸上。其中，必須被定義的唯一參數(shù)為傳感器之間的距離d。利用這些假設(shè)，發(fā)射器與接收器的新坐標(biāo)變成接收器 發(fā)射器I\= (0,0)利用新坐標(biāo)，上述表達式變成更加容易處理對t = tQ 而言 物體位置XQ、yQ于t = tQ將是 于t =、時的位置被使用作為手的初始位置。于另一時間t =、，將重復(fù)相同的測量，用以偵測物體的移動距離方向。移動方向被計算如下Ax = (x0)t = t0-(x0)t = tlAy = (y0)t = t0-(y0)t = tl如果AX為正，則手朝左方移動，如果Ay為正，則手朝向下方向移動。因此，于此 情況下，手移動朝向西南方向。這種位置改變可被換算成為一種二進碼，并用來控制照明特 性，比如在物體移動朝向西南方向時，用以使照明光束移動并進入相同方向中。例2 為了能決定物體在z方向中的位移，其又包含額外收發(fā)器。在z方向中的位 移的判定可用于額外選單控制。于此例中，在系統(tǒng)中可使用一個發(fā)射器與三個接收器，如圖 12所示的配置位置。基本原理與在例1中的相同。針對三個傳感器替代例1的方案一個 收發(fā)器與兩個接收器，來執(zhí)行飛行時間測量。從發(fā)射器至物體(手)與從物體至三個接收器的距離計算可由下述方程式而執(zhí) 行vai,(TOFn 丄 i0 -xj -y0f +(z,-zQ)2 +」(x0-X])2 +{y0-y}f +{z0 -z,)2vair-{TOFThR2)i=tQ -^o)2 +U -^o)2+U ~y2)2 +( -hfvair. (TOFnR, )i=iQx0 f + (y}-y0f+ (z, - ^ )2 +」(x0 -xj +(少0 -y,)2 +(z0 -z3f這些為具有3個未知數(shù)的3個方程式。計算結(jié)果為(X。) t = t。、(y0) t = t。、(z0) t = t0, 其為物體的初始位置。這些測量與計算于t =、時重復(fù)，用以偵測物體的移動距離與方向，其將得出(X(l) t = u、(y。) t = u、(zo) t = u 等等。移動方向的計算方式如下
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Ax = (x0)t = t0-(x0)t = tlAy = (y0)t = t0-(y0)t = tlAz = (z0)t = t0-(z0)t = tl如果AX為正，則物體朝左方移動，如果Ay為正，則物體朝拉出方向移動，而如果 A z為正，則物體朝向下方向移動。因此，物體移動朝向西南-向下方向(在XYZ空間中)。這種位置將被換算成為二 進碼，并用來控制照明特性，比如于此情況下，在物體朝向西南方向時，用以使照明光束移 動進入相同方向中。此種位置信息的使用的另一例在XY方向中的移動控制照明光束移動 的方向，而在Z方向中的移動控制照明光束移動的大小。例3 于此例中，在如圖12所示的系統(tǒng)中說明了具有三個收發(fā)器的系統(tǒng)。這提供 從不同的發(fā)射器位置測量物體位置三次的可能性。首先，于t =、，發(fā)射器T1將傳遞超聲波信號至物體。信號將被物體反射，并被三 個接收器(R1、R2、R3)所接收。Vfl, (TOFTlRl),=,。= ^-xj+iy.-yj+iz^zj + VU+U+Uvair-(TOFnR2)i=i0 =^{xx-x0f +{yx-yQf +(z,-z0f +^{x0 -x2f +(少。-y2f +(z0 -z2)2Va(> {TOFTlR3 \__i0 = ^-Xof+^-yJ+(Z]-Zof + ^l(XQ-X3f+(yo-yJ+(Zo-ZJ這些為具有3個未知數(shù)的3個方程式。計算結(jié)果是為[(X(1)t = t(1]T1，[(yo)t^to] , T1。于t = ti;發(fā)射器T2將傳遞聽覺信號至物體。信號將被物體反射，并將被三個接
收器所接收。 這些為具有3個未知數(shù)的3個方程式。計算結(jié)果為[(X(1)t = tl]T2，[(y。)t = tl]T2， T2。于t = t2，發(fā)射器T3將傳遞超聲波信號至物體。信號將被物體反射，并被三個接
收器所接收。
這些為具有3個未知數(shù)的3個方程式。計算結(jié)果是為[(X(1)t = t2]T3，[(yo)t = t2]T3， T3。為了得到物體的更可靠的位置，可計算出于t =、、t =、與t = t2的三個測量 的平均值。這是可能的，因為物體定位的取樣頻率比物體移動速度來的高很多。 這個位置為物體的初始位置。這些測量與計算將于tb(t3、t4、t5)重復(fù)，用以偵測物體的移動與移動方向，其將得 出(x0) tb、 (y0) tb、 (z0)移動方向的計算方式如下Ax =(x0)ta" (X0)
Ay =(y0)ta- (y0)
Az =(z0)ta" (Z0)如果AX為正，則物體朝左方移動，如果Ay為正，則物體朝拉出方向移動，而如果 A z為正，則物體朝向下方向移動。因此，物體移動朝向西南-向下方向(在XYZ空間中)。這種位置將被換算成為二 進碼，并用于照明控制目的，比如當(dāng)物體于此情況下朝向西南方向移動時，其將使照明光束 移動進入相同方向中，且同時根據(jù)向下方向的移動，比如光強度將被減少。此種位置信息的 使用的另一例在XY方向中的移動可控制照明光束移動的方向，而在Z方向中的移動可控 制光束移動的大小。參考圖21-25，其說明一種照明系統(tǒng)1能夠在寬廣范圍與在小區(qū)域中進行照明光 束的連續(xù)聚焦控制(圖21A)與偏轉(zhuǎn)(圖21B與21C)，而不需要移動照明系統(tǒng)1的任何物理 部分。此種照明系統(tǒng)最好是與如上所述的XY平面姿態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)合，用以改變光束的方向 或聚焦。依據(jù)圖22，照明系統(tǒng)1分為三個分離的環(huán)形部40A、40B、40C，每個包含一陣列的 LED 21。所述LED可能是具有多色彩，俾能使照明系統(tǒng)顯示多數(shù)色彩的選擇。雖然這些圖顯 示圓形的陣列，但像是長方形或其它形狀亦是可能的。照明系統(tǒng)中央部40A包含在LED 21 前面的塑料透鏡41，用以聚焦中央光束。中間部40B包含一環(huán)狀排列的LED而沒有透鏡。 在中央與中間部40A/B中的LED被配置成使它們的照明光束的軸線平行于照明系統(tǒng)軸線。 在第三部40C中，LED 21安裝成與照明系統(tǒng)軸線夾成一角度，此角度在0與90度之間，比 如40度。LED安裝成在遠(yuǎn)離照明系統(tǒng)(比如1公尺)的預(yù)定最小使用距離，使每個LED的 照明光束與其相鄰的照明光束重迭，以獲得連續(xù)受照明的區(qū)域。LED安裝于金屬外殼中，此金屬外殼具有將三個群組的LED分離的壁面，且具有冷卻LED溫度的散熱(heatsink)功能。參考圖23，如上所述的姿態(tài)照明控制系統(tǒng)(或普通遙控器)會傳遞照明光束位置 或聚焦指令至一微控制器。微控制器將此種信息換算成為關(guān)于必須選擇哪些LED 21與關(guān) 于每一個LED 21的強度的指令。一擴大器/選擇器用來選擇大量的驅(qū)動器1-n以及與其 連接的LED 1-n。對一點光源而言，其察覺亮度B與測量照度E之間的關(guān)系為B = k-4E其為須被補償?shù)姆蔷€性行為。如果在照明光束的控制期間，平均察覺亮度保持固 定，則平均照明E須是固定的。因此，在照明光束的控制期間，每單位面積投射在一表面上 的總光通量會保持固定。圖24A-24G概要地顯示在圖22的照明系統(tǒng)中的組合光束的方向如何平穩(wěn)地從如 圖24A中的朝下方向改變成如圖24G中的橫向傾斜方向(較亮畫線區(qū)表示較亮區(qū)域/LED， 更密集地畫線區(qū)表示較暗區(qū)域/LED)。為了執(zhí)行此種控制指令，在照明系統(tǒng)中的微控制器被 配置成用以逐漸改變個別LED的亮度，以獲得在組合光束的方向中的平穩(wěn)改變的效果。圖25A-25E概要地顯示在圖22的照明系統(tǒng)中的組合光束的角度如何從具有如圖 25A中的大角度的寬闊波束平穩(wěn)地改變成具有圖24E中的小角度的聚焦波束。為了執(zhí)行此 種控制指令，在照明系統(tǒng)中的微控制器被配置成用以逐漸地改變個別LED的亮度，以獲得 在組合光束的角度中的平穩(wěn)改變的效果。綜上所述，雖然本發(fā)明已以一較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本 發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更 動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當(dāng)視權(quán)利要求范圍所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種照明系統(tǒng)，包含一發(fā)光單元，配置成用以將電力轉(zhuǎn)換成一光束，其具有例如強度、色彩、色溫、方向與光束圓錐角的照明特性；一照明控制單元，配置成用以調(diào)整該光束的照明特性；至少一超聲波發(fā)射器，配置成用以發(fā)射多個超聲波信號；多個隔開的超聲波接收器，配置成用以接收反射的多個超聲波信號；以及一處理單元，配置成用以為各該接收器判斷來自該至少一發(fā)射器的所述發(fā)射信號之間的時間差的多個飛行時間信號，以及來自該接收器接收的反射的多個超聲波信號，并用以根據(jù)各該接收器的所述飛行時間信號的組合來將多個控制信號傳遞至該照明控制單元。
2.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中各該接收器的所述飛行時間信號的該組合為在 所述發(fā)射器與接收器的所述波束中，界定所述超聲波信號反射在一個二維平面或一個三維 空間的一物體的位置的所述飛行時間信號的函數(shù)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其中該處理單元配置成用以分析所述飛行時間 信號的一動態(tài)行為，并用以根據(jù)該動態(tài)行為來傳遞多個控制信號至該照明控制單元。
4.如權(quán)利要求2或3所述的照明系統(tǒng)，其中該至少一發(fā)射器與該多個接收器為結(jié)合式 收發(fā)器。
5.如權(quán)利要求1至4中的任一項所述的照明系統(tǒng)，其中該處理單元還進一步被配置成 用以根據(jù)該判斷結(jié)果來從多個型式的控制信號中選擇一型式的控制信號，其中每個型式的 控制信號控制不同的光特性。
全文摘要
一種照明系統(tǒng)包含一發(fā)光單元，配置成用以將電力轉(zhuǎn)換成一光束，其具有例如強度、色彩、色溫、方向與光束圓錐角的照明特性；一照明控制單元，配置成用以調(diào)整該光束的照明特性；至少一超聲波發(fā)射器，配置成用以發(fā)射多個超聲波信號；多個隔開的超聲波接收器，配置成用以接收反射的多個超聲波信號；以及一處理單元，配置成用以為各該接收器判斷來自該至少一發(fā)射器的所述發(fā)射信號之間的時間差的多個飛行時間信號，以及來自該接收器接收的反射的多個超聲波信號，并用以根據(jù)各該接收器的所述飛行時間信號的組合來將多個控制信號傳遞至該照明控制單元。
文檔編號F21S10/00GK101849137SQ200780101297
公開日2010年9月29日 申請日期2007年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月8日
發(fā)明者湯尼·彼特·凡艾德, 陳子南 申請人:建興電子科技股份有限公司