專(zhuān)利名稱(chēng)：照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種包含光源與控制裝置的照明系統(tǒng)，其中光源將電力轉(zhuǎn)換成具 有例如強(qiáng)度、色彩、色溫、方向與波束圓錐角等特性的光束，而控制裝置用來(lái)調(diào)整光束特性。
背景技術(shù)：
人們熟知燈光特性的調(diào)整是能經(jīng)由遙控器(Remote Controller, RC)來(lái)達(dá)成。遙 控器的缺點(diǎn)在于其必須在正確位置上遙控才能改變燈光特性。然而亦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、⑶/DVD、游戲機(jī)、記錄器等不同設(shè)備使用。使用者也 可能會(huì)對(duì)眾多遙控器上的不同按鈕有所混淆，在使用上極為不方便。甚至遙控器與其專(zhuān)屬 的接收器會(huì)造成設(shè)備成本的增加。再者，已知有通過(guò)使用攝影機(jī)與移動(dòng)檢測(cè)軟件來(lái)控制的電器裝置，其中使用者可 通過(guò)在照相機(jī)的前面擺出手勢(shì)來(lái)控制電器裝置。然而這些系統(tǒng)需要高負(fù)載處理功率，具有 相當(dāng)長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，且是相當(dāng)昂貴的。另外，W02006/056814說(shuō)明一種照明系統(tǒng)，其包含光源與控制裝置，控制裝置包含 紅外線發(fā)射器、紅外線接收器及透鏡。控制裝置測(cè)量反射的紅外光的強(qiáng)度，并依其強(qiáng)度反應(yīng) 以改變光源亮度。依此方式，可對(duì)光源通電或斷電，并可通過(guò)在紅外光光束中的手部移動(dòng)而 將光源調(diào)暗。然而，這一種配置是相當(dāng)昂貴且其控制動(dòng)作具有極大的不正確性，因?yàn)榉瓷涞?紅外線信號(hào)的強(qiáng)度大幅取決于在波束中移動(dòng)的物體的種類(lèi)，且紅外線會(huì)受到周遭物體所影 響而發(fā)散，使得接收器收到的紅外線信號(hào)不正確，導(dǎo)致燈光控制異常。此外，在現(xiàn)有的照明應(yīng)用上，一般需求皆是將整個(gè)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，在現(xiàn)有的照明應(yīng) 用上，是以一種機(jī)械方式來(lái)達(dá)成光束聚焦(集中照明)與光束位置偏離(移動(dòng)照明方向)， 其并不具有彈性且易受機(jī)械故障的影響。有鑒于此，有必要發(fā)展出一種易于使用的照明控制系統(tǒng)，以改善上述存在的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種照明系統(tǒng)，對(duì)使用者及其環(huán)境呈現(xiàn)安全與舒適性，且有 更強(qiáng)健、能源效率高、易于使用及/或彈性特征，并具有改良的便宜可靠且易于使用的照明 用的控制系統(tǒng)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種照明系統(tǒng)包含一光源，用以將電力轉(zhuǎn)換成一光束，其具有例如強(qiáng)度、色彩、色 溫、方向與光束圓錐角的照明特性；一控制裝置，用以調(diào)整該光束的照明特性；至少一超聲 波發(fā)射器，用以發(fā)射多個(gè)超聲波信號(hào)；多個(gè)隔開(kāi)的超聲波接收器，用以接收反射的多個(gè)超聲 波信號(hào)；以及一處理裝置，判斷這些發(fā)射的超聲波信號(hào)與這些接收器接收的超聲波信號(hào)之 間的時(shí)間差的多個(gè)飛行時(shí)間信號(hào)，并根據(jù)各該接收器的這些飛行時(shí)間信號(hào)的組合來(lái)將多個(gè) 控制信號(hào)傳遞至該控制裝置。
依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，處理裝置決定哪些接收器在一預(yù)定周期之內(nèi)會(huì)接收具 有超過(guò)一預(yù)定閾值的振幅的一反射超聲波信號(hào)，且根據(jù)前述判斷結(jié)果來(lái)將控制信號(hào)傳遞至 控制裝置。依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，照明系統(tǒng)包含至少一超聲波發(fā)射器，用以發(fā)射超聲 波信號(hào)；多個(gè)隔開(kāi)的超聲波接收器，用以接收反射的超聲波信號(hào)；以及一處理裝置，為每一 個(gè)接收器判斷來(lái)自前述至少一發(fā)射器的發(fā)射信號(hào)及所接收的反射超聲波信號(hào)之間的時(shí)間 差的飛行時(shí)間信號(hào)，并根據(jù)每一個(gè)接收器接收到的飛行時(shí)間信號(hào)的組合來(lái)將控制信號(hào)傳遞 至一控制裝置。每一個(gè)接收器所接收到的飛行時(shí)間信號(hào)的組合，是超聲波信號(hào)反射在二維 平面或三維空間中的物體位置的飛行時(shí)間信號(hào)的函數(shù)。依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，照明系統(tǒng)包含一超聲波發(fā)射器，用以發(fā)射超聲波信 號(hào)；一超聲波接收器，用以接收反射的超聲波信號(hào)；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/或接收器與該旋轉(zhuǎn)軸有一距離，其中提供一驅(qū)動(dòng)裝置以旋 轉(zhuǎn)載體；以及一處理裝置，用以在旋轉(zhuǎn)期間經(jīng)由發(fā)射器于載體的多個(gè)角度位置重復(fù)傳遞一 超聲波脈沖，并用以在送出每個(gè)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(guò) 一預(yù)定閥值的振幅的一反射超聲波信號(hào)，且根據(jù)前述判斷結(jié)果來(lái)將控制信號(hào)傳遞至控制裝 置。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)且平行于光束。處理裝置最好是被配 置成用以于載體的至少3個(gè)、6個(gè)或至少12個(gè)角度位置上傳遞一超聲波脈沖。依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，照明系統(tǒng)包含多個(gè)光源，這些光源是被配置形成同 心多邊形或圓形的至少一個(gè)內(nèi)、外陣列，其中每對(duì)鄰近的光源所發(fā)射的光束彼此重迭，其中 該內(nèi)陣列的光源所發(fā)射的光束是互相平行，其中該外陣列的光源所發(fā)射的光束與照明系統(tǒng) 的一中央軸線成一角度，且其中該照明系統(tǒng)包含一控制裝置，用以單獨(dú)調(diào)整各個(gè)光源的光 強(qiáng)度。


圖1顯示利用超聲波收發(fā)器測(cè)量飛行時(shí)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(dòng)及其飛行時(shí)間信號(hào)對(duì)時(shí)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(duì)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(dòng)，以及其飛行時(shí)間信號(hào)對(duì)時(shí)間的相關(guān) 圖；圖8為超聲波收發(fā)器與號(hào)角的概要剖面圖；圖9與10圖概要地顯示本發(fā)明的電子硬件實(shí)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(shí)施例的概要俯視圖；圖13為顯示在圖12的照明系統(tǒng)中的超聲波脈沖回音的時(shí)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(dòng)；圖15顯示本發(fā)明照明系統(tǒng)的第二實(shí)施例的立體4
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)中旋轉(zhuǎn)的超聲波收發(fā)器的概要視圖；圖18顯示在圖15的照明系統(tǒng)中的超聲波脈沖回音的時(shí)間圖；圖19與圖20為本發(fā)明照明系統(tǒng)的第三實(shí)施例的概要視圖；圖21A C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(dòng)器的概要配置；圖24A-1、圖24A-2 圖24G A_l、圖24G A-2概要顯示圖22的照明系統(tǒng)的波束偏 離過(guò)程；以及圖25A-圖25E概要顯示圖22的照明系統(tǒng)的波束聚焦過(guò)程。
具體實(shí)施例方式為讓本發(fā)明的內(nèi)容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說(shuō) 明如下如圖2所示，照明系統(tǒng)1包含一光源及一超聲波發(fā)射器與超聲波接收器，光源可包 含多個(gè)發(fā)光二極管(LED)，而超聲波發(fā)射器與超聲波接收器可整合于一超聲波收發(fā)器中，例 如壓電式超聲波收發(fā)器。超聲波收發(fā)器可設(shè)置于這些LED的中心。照明系統(tǒng)1亦內(nèi)建有將 收發(fā)器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)的一處理裝置，以及用以調(diào)整光束特性的一控制裝置。如果超聲波收發(fā)器被開(kāi)啟，則其將傳遞一超聲波信號(hào)。如果一物體出現(xiàn)在超聲波 信號(hào)的路徑上，則超聲波信號(hào)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。在傳送與接收到反射的超聲波信號(hào)之間的時(shí)間差將受到測(cè)量，該測(cè)量的時(shí)間稱(chēng)為飛行 時(shí)間。如果在物體與照明系統(tǒng)1之間的距離改變了，則將測(cè)量出另一飛行時(shí)間值。物體被 檢測(cè)到的移動(dòng)為一維移動(dòng)(此物體必須停留在超聲波圓錐波束中)。飛行時(shí)間的改變將被 轉(zhuǎn)換算成數(shù)字控制信號(hào)的改變。此種控制信號(hào)將進(jìn)一步控制光束的特性，比如色彩、強(qiáng)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(dòng)，諸如上/下或左/右方向(取 決于照明系統(tǒng)的位置是水平或垂直置放)，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(cè) 量裝置，是用來(lái)測(cè)量到最接近反射物體的距離。測(cè)量的時(shí)間代表超聲波信號(hào)行進(jìn)兩倍的距 離。傳回的信號(hào)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(guò)放大器傳遞這些反射信號(hào)(回音)至微控制器，其通過(guò)使用空 氣中的聲音的速度，測(cè)定它們的時(shí)間以決定物體的距離。如圖1所顯示，一種飛行時(shí)間測(cè)量是通過(guò)將測(cè)量的接收時(shí)間(圖1中的R)減去信 號(hào)的發(fā)射時(shí)間(圖1中的T)而形成。此種時(shí)間距離信息將被轉(zhuǎn)變成在微控制器中的二進(jìn) 制代碼，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(yùn)行距離為2*y = 3公尺，而其飛行時(shí)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χ為0. 5公尺，則飛行時(shí)間為2. 9毫秒。如果手部移動(dòng)的控制級(jí)距(St印)所需要的精度為2公分(0.12毫秒的飛行時(shí)間級(jí)距)，且控制的范圍比如為64 公分，則可有32個(gè)控制級(jí)距，其允許5位控制。超聲波發(fā)射器可比如發(fā)射40kHz頻率的聲 音。超聲波的飛行時(shí)間(典型的距離是在0.2與2公尺之間)可以以ms(毫秒)而非以毫 微秒/奈秒(ns)的單位測(cè)量，因此超聲波收發(fā)器可利用低成本的處理設(shè)備來(lái)達(dá)成簡(jiǎn)單與正 確的測(cè)量。此外，壓電式超聲波收發(fā)器很便宜，所以本發(fā)明的照明系統(tǒng)可利用很低的成本來(lái) 生產(chǎn)。
如圖3所示，控制信號(hào)是通過(guò)手2朝超聲波波束4的一維垂直方向移動(dòng)而產(chǎn)生。在 Tl = 1秒時(shí)，手2在波束4外部，因此參考值會(huì)被測(cè)量，且此時(shí)照明系統(tǒng)控制是失效的(階 段A)。在T2 = 2秒時(shí)，手2移動(dòng)進(jìn)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(shí)，照明系統(tǒng)控制被微控制器所致動(dòng)(階段B)為止。接著，在T3 = 3秒與T5 = 5 秒之間，手2向上移動(dòng)，借以使比如照明系統(tǒng)1的強(qiáng)度根據(jù)微處理器產(chǎn)生的控制信號(hào)變化而 增加(階段C)。在Τ6 = 6秒時(shí)，手2從波束4撤出，因此參考值會(huì)再次被測(cè)量，并借以使照 明系統(tǒng)控制失效(階段D)。此外，如顯示于Τ7 = 7秒，若手2意外地在超聲波波束4中移 動(dòng)，其并無(wú)法啟動(dòng)照明系統(tǒng)控制，因此照明系統(tǒng)并不會(huì)被意外調(diào)整(階段Ε)，因?yàn)樵谡彰飨?統(tǒng)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(hào)，才能啟動(dòng)照 明系統(tǒng)控制。超聲波波束4的圓錐角對(duì)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，手部位置的波束半徑為rh。在照明系統(tǒng)特性的控制期間，較佳地，平均 波束半徑應(yīng)該幾乎等于平均手部形狀的一半長(zhǎng)度，如圖5所示。如果總控制范圍在X/2左 右(對(duì)應(yīng)用于照明系統(tǒng)/桌而言)，則在照明系統(tǒng)特性的控制期間，則最小檢測(cè)波束半徑約 在Lh/2左右。舉例而言如果Lh= 150厘米且X= 1.5公尺，則超聲波波束角θ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。寬廣超聲波波束角的縮小與 超聲波收發(fā)器5的聲壓電平(SPL)的增加可通過(guò)號(hào)角(h0rn)6而達(dá)成，如圖8所示。號(hào)角 6也使反射的超聲波信號(hào)的接收角度變窄，因此不會(huì)接收到各種方向的雜亂訊號(hào)。理想上，超聲波控制的照明系統(tǒng)易于大量生產(chǎn)，所需的只是低成本組件，并具有小 尺寸。為了將光源的成本減至最小并具有控制所有像色彩、強(qiáng)度等等的可能的照明參數(shù)的 可能性，是將用以執(zhí)行控制功能所需要的電子電路(例如處理裝置、超聲波傳感器)整合于 光源模塊外殼中。用來(lái)作手勢(shì)控制的微處理器亦整合于LED控制微處理器中，以減少更多 的成本。在一較佳實(shí)施例中，本發(fā)明照明系統(tǒng)包含一 LED驅(qū)動(dòng)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；一數(shù)字模擬(DA)轉(zhuǎn)換器、一超聲波驅(qū)動(dòng)器以及一超聲波發(fā)射 器，用以將一數(shù)字發(fā)射信號(hào)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，用以 接收反射的超聲波信號(hào)并將超聲波信號(hào)變換成一電壓，以及一比較器，用以在電壓大于一 預(yù)定閥值的情況下產(chǎn)生一數(shù)字接收信號(hào)；一處理裝置，用以推導(dǎo)出表示在數(shù)字發(fā)射與接收 信號(hào)之間的時(shí)間差的一飛行時(shí)間信號(hào)，并根據(jù)飛行時(shí)間信號(hào)來(lái)傳遞控制信號(hào)至控制裝置； 此外處理裝置分析飛行時(shí)間信號(hào)的動(dòng)態(tài)行為，并根據(jù)動(dòng)態(tài)行為從多個(gè)型式的控制信號(hào)中選 擇一種型式的控制信號(hào)傳遞至控制裝置，其中每個(gè)型式的控制信號(hào)控制這些照明特性的其 中一個(gè)不同的特性。
參考圖9，如上所述，微控制器13傳遞一數(shù)字脈沖信號(hào)至超聲波收發(fā)器5的超聲 波發(fā)射器，該發(fā)射器包含一超聲波驅(qū)動(dòng)器與一超聲波發(fā)送器，當(dāng)超聲波發(fā)射器接收到數(shù)字 脈沖信號(hào)后，超聲波驅(qū)動(dòng)器使超聲波發(fā)送器發(fā)送超聲波信號(hào)。數(shù)字脈沖信號(hào)是通過(guò)微控制 器13的控制部13A而產(chǎn)生，并通過(guò)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放大(更詳細(xì)顯示于圖10中)成可被超聲波發(fā)射 器部所使用的數(shù)值。然后，超聲波收發(fā)器5傳遞一超聲波信號(hào)(比如于40kHz的頻率下)， 而物體將反射此種超聲波信號(hào)。超聲波收發(fā)器5具有一超聲波接收器與一接收超聲波放大 器，用以接收反射的超聲波信號(hào)并將超聲波信號(hào)變換成一電壓，及一比較器，當(dāng)電壓大于一 預(yù)定臨界值時(shí)，產(chǎn)生一數(shù)字接收信號(hào)，預(yù)處理器10接收經(jīng)由超聲波收發(fā)器5接收數(shù)字接收 信號(hào)，為了減少外部擾動(dòng)的影響，信號(hào)是被比如20kHz的二階高通濾波器11所過(guò)濾，以從接 收的信號(hào)中濾除低頻信號(hào)。在過(guò)濾之后，信號(hào)是被預(yù)處理器10中的放大器12 放大。較佳 地，超聲波驅(qū)動(dòng)器、接收超聲波放大器與二階高通濾波器11是整合于預(yù)處理器10中。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(hào)建立一數(shù)字脈沖信號(hào)。微控制器13為一處理裝置，可推導(dǎo)出在該數(shù)字傳輸 與接收信號(hào)之間的時(shí)間差的一飛行時(shí)間信號(hào)，并依據(jù)該飛行時(shí)間信號(hào)將一控制信號(hào)傳遞至 一脈沖寬度調(diào)變器20，信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)變后送至LED驅(qū)動(dòng)器19以驅(qū)動(dòng)LED 21。微控制器13更 包含LED驅(qū)動(dòng)器部13B與微控制器的控制部13A，而LED驅(qū)動(dòng)器部13B具有連接至LED驅(qū) 動(dòng)器19的脈沖寬度調(diào)變器20以及共享的ROM 15與RAM 16的一部分。較佳地，該微控制 器13、該脈沖寬度調(diào)變器20、該數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器17以及該比較器14是整合于單一微控制 器芯片中。驅(qū)動(dòng)LED的微控制器13為已有技藝所熟知的，但其可更進(jìn)一步被程序化以執(zhí)行如 上所述的控制功能。微控制器13可以是簡(jiǎn)單的處理器，比如屬于單芯片8位8051/80C5微 控制器家族，最好是包含小型隨機(jī)存取內(nèi)存(Randon Access Memory, RAM)與只讀存儲(chǔ)器 (Read Only Memory, ROM)。ROM 15最好是小于4kB，甚至可以小至2kB，而RAM 16最好是 小于512kB，甚至可以小至256kB。當(dāng)照明系統(tǒng)具有多個(gè)LED 21時(shí)，微控制器13可個(gè)別地調(diào)整每一個(gè)LED21的強(qiáng)度。 在調(diào)整光強(qiáng)度時(shí)，使在一假想平表面上的這些光源的總結(jié)合的光通量維持實(shí)質(zhì)上相等?；?者，通過(guò)調(diào)暗及/或調(diào)亮LED 21使被通電的光源組合光束的直徑平穩(wěn)地增加或減少。同樣 地，微控制器13通過(guò)調(diào)暗與調(diào)亮LED 21的強(qiáng)度，使被通電的光源的組合光束的方向平穩(wěn)地 從第一方向移動(dòng)至第二方向。圖11顯示依據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)，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(gè)LED 21，以及在一號(hào)角6中的一超聲波收發(fā)器5。另外，像是超聲波收發(fā)器5、 微控制器13、預(yù)處理器10與LED驅(qū)動(dòng)器19等所有電子組件皆?xún)?nèi)建于外殼23中。而連接部 22可制成與一般燈泡燈座兼容的結(jié)構(gòu)，借此，可以提供一種小型與簡(jiǎn)易安裝的照明系統(tǒng)?，F(xiàn)在參考圖12-圖18，其說(shuō)明一種延伸的照明系統(tǒng)，其允許在XY平面中通過(guò)手勢(shì) (例如手部位移)來(lái)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)光束的軸線。 XY平面方向的手勢(shì)控制可與上述單純Z方向的飛行時(shí)間的手勢(shì)控制方法結(jié)合。舉例而言， 可朝某個(gè)方向通過(guò)手部移動(dòng)來(lái)拉動(dòng)或推動(dòng)光束。又，比如通過(guò)手部移動(dòng)作圓形動(dòng)作，亦可能 進(jìn)行照明控制。通過(guò)另外使用如上所述的飛行時(shí)間的判定，可達(dá)成兩種照明控制的組合，例如光束偏離與光強(qiáng)度可同時(shí)受到控制?；蛘?，可使用在XY平面中的手勢(shì)來(lái)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(shí)施例請(qǐng)參考圖12-圖14。依據(jù)圖12，照明系統(tǒng)1設(shè)有配置成三角形的三個(gè) 壓電超聲波收發(fā)器5，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。XY平面中 的手2的位置通過(guò)三個(gè)收發(fā)器5個(gè)別檢測(cè)所決定或此位置通過(guò)一個(gè)收發(fā)器5相繼傳送一超 聲波脈沖而決定。三個(gè)收發(fā)器5會(huì)判斷在每個(gè)脈沖被送出之后是否有接收到反射的信號(hào)。 由這種相繼傳送與平行接收方法所決定的物體位置，會(huì)被換算成為一種二進(jìn)制代碼。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(qiáng)度、聚焦等等的照明控制。圖13為第一實(shí)施例的控制方法的時(shí)間圖。三個(gè)收發(fā)器在三個(gè)時(shí)間間隔t0、tl與 t2接續(xù)傳遞超聲波信號(hào)。三個(gè)收發(fā)器將判斷是否接收到一超聲波回音信號(hào)，以判斷手2的 位置。在圖13中，一虛線區(qū)塊表示所接收的回音信號(hào)強(qiáng)度在一預(yù)定閥值以下，而回音信號(hào) 給定為數(shù)值0。如果回音信號(hào)強(qiáng)度等于或在閥值之上，則回音信號(hào)給定為數(shù)值1。這種回音 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 這種二進(jìn)制信息通過(guò)下述方程式而換算成為XY平面中的位置 于此，η為收發(fā)器的總數(shù)Wx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(shí)際位置。如果手2正移動(dòng)至一某個(gè)方向，則 Χ、γ值會(huì)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(dòng)，則數(shù)值會(huì)被固定至常數(shù)值。手2的移動(dòng)方向與距離及/或其 實(shí)際位置將被換算成為照明控制指令，例如控制光束在某個(gè)XY方向中的偏轉(zhuǎn)動(dòng)作。手一般不會(huì)呈現(xiàn)為一平面，其會(huì)導(dǎo)致波束散射效應(yīng)。為了減少散射對(duì)測(cè)量結(jié)果的 影響，最好是將一號(hào)角(horn)置放于收發(fā)器上，該號(hào)角具有如10度的波束角度。使用10 度號(hào)角的一項(xiàng)額外優(yōu)點(diǎn)為可送出具有更高的聲音壓力電平的信號(hào)。圖14A-圖14H顯示為手2位于8個(gè)不同的XY平面位置的例子，而針對(duì)每個(gè)位置與其每個(gè)收發(fā)器所產(chǎn)生的二進(jìn)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2f (圖 14F，位置 6) =X = +0·5、Υ = -0.5 表2g(圖 14G，位置 7) =X = +UY = -0. 5 表2h (圖14H，位置8) :X、Y檢測(cè)范圍夕卜 現(xiàn)在參考圖15-圖18，其將說(shuō)明用以決定在XY平面中的手部位置的第二實(shí)施例。 此方法與上述方法相比，其區(qū)別在于只使用單一個(gè)超聲波收發(fā)器5，其在照明系統(tǒng)周?chē)@其 中央軸線旋轉(zhuǎn)，使物體的定位可在收發(fā)器5的一次回轉(zhuǎn)中達(dá)成。依據(jù)圖15與圖16，照明系統(tǒng)1包含一陣列的LED 21與安裝于一旋轉(zhuǎn)莰齒輪(COgwheel)30上的一壓電超聲波收發(fā)器5，收發(fā)器5沿著照明系統(tǒng)1的周?chē)D(zhuǎn)移動(dòng)。莰 齒輪30被另一個(gè)小莰齒輪31所驅(qū)動(dòng)，而莰齒輪31連接至一步進(jìn)馬達(dá)32。將手2設(shè)置于收 發(fā)器5的檢測(cè)范圍時(shí)，將啟動(dòng)收發(fā)器5的旋轉(zhuǎn)。收發(fā)器5的旋轉(zhuǎn)速度高于在XY平面中的手 部的移動(dòng)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(shí)間為250毫秒(ms)，在這個(gè)期間之內(nèi)，手2將不會(huì)大幅移動(dòng)，可準(zhǔn)確檢測(cè)手2的位置。為了決定收發(fā)器5的位置，一參考收發(fā)器位置由一阻隔濾波器33所定義，當(dāng)收發(fā) 器5移動(dòng)到此位置時(shí)，超聲波信號(hào)將被濾波器33所阻擋，因此會(huì)立刻接收到反射的超聲波 信號(hào)，當(dāng)判斷飛行時(shí)間過(guò)短時(shí)便可得知已經(jīng)移動(dòng)到該參考位置。決定參考位置的參考校準(zhǔn) 可在一次收發(fā)器的回轉(zhuǎn)中被決定。收發(fā)器5的位置通過(guò)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(hào)而決定，然后，旋轉(zhuǎn)收發(fā)器5至下一個(gè)位置并重復(fù)這個(gè)步驟，直到 于所有位置達(dá)成這樣的判斷為止，如圖17所示。較佳地，收發(fā)器5在至少3個(gè)、6個(gè)或至少 12個(gè)角度位置上傳遞一超聲波脈沖，以更精確檢測(cè)物體位置(如圖17虛線所示)。在圖18中，其提供上述控制方法的時(shí)間圖。收發(fā)器在例如12個(gè)時(shí)間間隔t0、tl··· til相繼傳遞超聲波信號(hào)(Τ0···Τ11)。于每個(gè)步驟，收發(fā)器5將判斷是否接收回音信號(hào)(R(l··· Rll)，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(hào)強(qiáng)度在預(yù)定閥值 以下，且回音信號(hào)被給定為數(shù)值0。如果回音信號(hào)強(qiáng)度等于或在閥值之上，回音信號(hào)則被給 定為數(shù)值1。這種回音信息的一例顯示于表3中。表3 這種二進(jìn)制信息可通過(guò)下述方程式而被換算成為在XY平面中的位置

于此，η為在一次收發(fā)器回轉(zhuǎn)期間測(cè)量的總數(shù)Wx與Wy為加權(quán)系數(shù)在相比較于參考位置的測(cè)量期間，加權(quán)系數(shù)值取決于收發(fā)器5位置?，F(xiàn)在參考圖19-圖20，其將說(shuō)明用以決定在XY平面中的手部位置的第三實(shí)施例。依據(jù)圖19與圖20，照明系統(tǒng)1設(shè)有兩個(gè)壓電超聲波傳感器5，其中一個(gè)傳感器為 收發(fā)器(包含發(fā)射器Tl及接收器Rl)，而另一個(gè)傳感器為接收器R2，收發(fā)器所發(fā)射的超聲 波波束平行于光束4并在光束4中延伸?；蛘撸瑸榱诉_(dá)到更正確的結(jié)果，可應(yīng)用更多傳感 器，比如三個(gè)收發(fā)器配置成三角形，如圖12所示。XY平面中的手2的位置通過(guò)這些收發(fā)器 5得到的飛行時(shí)間而決定。原則上，此實(shí)施例只需要一個(gè)發(fā)射器以傳遞一超聲波脈沖，以及 需要兩個(gè)接收器以決定超聲波信號(hào)的飛行時(shí)間。物體的位置通過(guò)結(jié)合兩個(gè)以上的接收器的飛行時(shí)間測(cè)量而決定。為了達(dá)成可靠的 判定，在超聲波傳感器之間必須有一定的距離。比如當(dāng)飛行時(shí)間測(cè)量的精度為2公分時(shí)，為 了準(zhǔn)確判定距離收發(fā)器1公尺位置的物體，兩個(gè)超聲波傳感器之間的距離必須至少為28公 分。此外，超聲波波束角度也必須夠高，才能得到可靠的測(cè)量。物體位置的判定及計(jì)算將由以下實(shí)施例所得到。例1 若傳感器的數(shù)目為兩個(gè)，其中一個(gè)為超聲波收發(fā)器，另一個(gè)為超聲波接收 器。在XY平面中的距離可計(jì)算如下 其中，Vair為于室溫下的聲音速度，約為344公尺/秒。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，如圖20所示，傳感器設(shè)置于XY平面中，且兩者都在X軸上且位于 同一 Y軸上。其中，兩傳感器之間的距離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R1=(0，0)R2=(d，0)發(fā)射器T1=(0，0)利用新坐標(biāo)，上述表達(dá)式變成更加容易處理對(duì)t = t0 而言
物體位置xO、yO于t = to將是 于t = tO時(shí)的位置被使用作為手的初始位置。于另一時(shí)間t = tl，將重復(fù)相同的測(cè)量，用以檢測(cè)物體的移動(dòng)距離方向。移動(dòng)方向被計(jì)算如下Δχ = (χ0) t = t0-(χ0) t = tlAy= (y0)t = t0-(y0)t = tl如果Δχ為正，則手朝左方移動(dòng)，如果Ay為正，則手朝向下方向移動(dòng)。這種位置改 變可被換算成為一種二進(jìn)制代碼，并用來(lái)控制照明特性，比如在物體移動(dòng)朝向西南方向時(shí)， 使照明光束往相同方向移動(dòng)。例2 為了能決定物體在ζ方向中的位移，又包含額外收發(fā)器。在ζ方向中位移的 判定可用于額外選單控制。于此例中，在系統(tǒng)使用一個(gè)發(fā)射器與三個(gè)接收器，如圖12所示 的配置位置，或使用一個(gè)收發(fā)器與兩個(gè)接收器來(lái)替代。其檢測(cè)位置的基本原理與例1相同。從發(fā)射器至物體(手)與從物體至三個(gè)接收器的距離計(jì)算可通過(guò)下述方程式而執(zhí) 行 以上為具有3個(gè)未知數(shù)的3個(gè)方程式。此外物體的初始位置為(xO) t = tO、(y0) t = t0、(z0)t = tO。于t = tl時(shí)重復(fù)這些測(cè)量與計(jì)算，用以檢測(cè)物體的移動(dòng)距離與方向， 其將得出(x0)t = tl、(y0)t = tl、(z0)t = tl 等。移動(dòng)方向的計(jì)算方式如下Δχ = (χ0) t = t0-(χ0) t = tlAy= (y0)t = t0-(y0)t = tlΔζ = (z0) t = t0-(z0) t = tl如果Δ χ為正，則物體朝左方移動(dòng)，如果Ay為正，則物體朝拉出方向移動(dòng)，而如果 Δ ζ為正，則物體朝向下方向移動(dòng)，因此，物體移動(dòng)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(jìn)制代碼，并用來(lái)控制照明特性。比如于此情況下，在物體朝向西 南方向時(shí)，使照明光束往相同方向移動(dòng)。這種位置信息的使用的另一例為物體在XY方向中的移動(dòng)控制照明光束移動(dòng)的方向，而在Z方向中的移動(dòng)控制照明光束移動(dòng)的大小。例3 于此例中，系統(tǒng)具有三個(gè)收發(fā)器。這提供從不同的發(fā)射器位置測(cè)量物體位置 三次的可能性。首先，于t = t0，發(fā)射器Tl傳遞超聲波信號(hào)至物體。信號(hào)將被物體反射，并被三個(gè) 接收器(R1、R2、R3)所接收。
以上3個(gè)未知數(shù)的3個(gè)方程式經(jīng)過(guò)計(jì)算后，可得知t0時(shí)物體的位置為 于t = tl，發(fā)射器T2傳遞超聲波信號(hào)至物體。信號(hào)將被物體反射，并將被三個(gè)接
收器所接收。
以上3個(gè)未知數(shù)的3個(gè)方程式經(jīng)過(guò)計(jì)算后，可得知tl時(shí)物體的位置為 于t = t2，發(fā)射器T3傳遞超聲波信號(hào)至物體。信號(hào)將被物體反射，并被三個(gè)接收
器所接收。
. {tOFT3R2 \=t2 =」(x3 -X0)2 +0^3 ^yJ +(Z3 -Z0)2 +」(x0 -X2)2 +(^0 -y2)2 +(z。-z2f
Vair · (^OFr3R3 )(=(2 = Vfe-Xof +(^3-yj +(h -^oY + V(X0 -巧)2 +U0 —A)2 +Go —Zj以上3個(gè)未知數(shù)的3個(gè)方程式經(jīng)過(guò)計(jì)算后，得知物體t2時(shí)的位置為[(x0) t = t2] T3, [ (y0)t = t2]T3, [ (z0)t = t2]T3。為了得到物體的更可靠的位置，可計(jì)算于t = t0、t = tl與t = t2的三個(gè)測(cè)量的 平均值。因?yàn)槲矬w定位的取樣頻率比物體移動(dòng)速度來(lái)的高很多，因此可得到可靠的物體位置。 這個(gè)位置
ta為物體的初始位置。這些測(cè)量與計(jì)算將于之后的時(shí)間tb(t3、t4、t5……)重復(fù)，用以檢測(cè)物體的移動(dòng) 與移動(dòng)方向，其將得出(xO) tb、(yO)tb、(zO)tb。移動(dòng)方向的計(jì)算方式如下 如果Δ χ為正，則物體朝左方移動(dòng)，如果Ay為正，則物體朝拉出方向移動(dòng)，而如 果Δζ為正，則物體朝向下方向移動(dòng)。因此，物體移動(dòng)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(jìn)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(dòng)時(shí)，使照明光束往相同方向移動(dòng)，且同時(shí)根據(jù)向下方向的移動(dòng)，比如光強(qiáng)度將被 減少。這種位置信息的使用的另一例為物體在XY方向中的移動(dòng)可控制照明光束移動(dòng) 的方向，而在Z方向中的移動(dòng)可控制光束移動(dòng)的大小。參考圖21-圖25，其說(shuō)明一種照明系統(tǒng)1能夠在寬廣范圍與在小區(qū)域中進(jìn)行照明 光束的連續(xù)聚焦控制(圖21Α)與偏轉(zhuǎn)(圖21Β與圖21C)，而不需要移動(dòng)照明系統(tǒng)1的任何 物理部分。這種照明系統(tǒng)最好是與如上所述的XY平面手勢(shì)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(gè)分離的環(huán)形部40A、40B、40C，每個(gè)環(huán)形部皆包含多 個(gè)LED 21。這些LED 21可能是具有多種色彩，使照明系統(tǒng)能夠選擇多種色彩。雖然圖上顯 示LED 21為多個(gè)圓形的陣列，但LED21也可以是以長(zhǎng)方形或其它形狀的多邊形排列，較佳 地，LED 21是以同心的多邊形或圓形來(lái)設(shè)置。照明系統(tǒng)中央部40A包含設(shè)置在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 21而沒(méi)有透鏡。 在中央部與中間部40A/B中的LED 21的照明光束是平行于照明系統(tǒng)的中央軸線。在第三 部40C中，LED 21設(shè)置成與照明系統(tǒng)中央軸線成一角度，此角度在0與90度之間，比如為 40度。照明系統(tǒng)具有一預(yù)定最小使用距離(比如1公尺)，在此距離上每個(gè)LED 21的照明 光束會(huì)與其相鄰的LED 21的照明光束互相重迭，因此可獲得大范圍連續(xù)照明的區(qū)域。LED 21安裝于金屬外殼中，此金屬外殼具有將三個(gè)群組的LED 21分離的壁面，且 具有冷卻LED 21溫度的散熱(heatsink)功能。參考圖23，如上所述的手勢(shì)照明控制系統(tǒng)(或普通遙控器)會(huì)傳遞照明光束位置 或聚焦指令至一微控制器。微控制器將這種信息換算成為必須選擇哪些LED 21與每一個(gè) LED 21的強(qiáng)度的指令。一擴(kuò)大器/選擇器用來(lái)選擇大量的驅(qū)動(dòng)器1 η以及與其連接的 LED 1 n，以個(gè)別的控制LED 1 η。
對(duì)一點(diǎn)光源而言，其察覺(jué)亮度B與測(cè)量照度E之間為一非線性關(guān)系B = k-√E如果在照明光束的控制期間，平均察覺(jué)亮度B要求保持固定，則平均照度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(huì)保持固定。圖24A-1、圖24A-2 圖24G-1、圖24G-2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-1、圖24A-2中的朝下方向改變成如圖24G中的橫向傾斜 方向(較亮畫(huà)線區(qū)表示較亮區(qū)域/LED，更密集地畫(huà)線區(qū)表示較暗區(qū)域/LED)。為了執(zhí)行這 種控制指令，在照明系統(tǒng)中的微控制器逐漸改變個(gè)別LED的亮度，以獲得平穩(wěn)改變組合光 束方向的效果。圖25A-圖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25E中的小角度的聚焦波束。為了執(zhí)行 這種控制指令，在照明系統(tǒng)中的微控制器逐漸地改變個(gè)別LED的亮度，以獲得平穩(wěn)改變組 合光束角度的效果。本發(fā)明的所有上述實(shí)施例利用一種非常有效、便宜且可靠的方式來(lái)提供垂直于超 聲波波束的方向中通過(guò)手的手勢(shì)來(lái)控制照明系統(tǒng)的可能性。如果反射物體(例如手)出現(xiàn) 在波束中，則連續(xù)決定物體的位置，可借以達(dá)成照明系統(tǒng)的各種不同的特性的控制。這種控 制機(jī)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。此外使用 者可在波束中移動(dòng)其手的位置，以便控制光束的方向與控制光束角度的增廣或變狹。本發(fā)明的照明系統(tǒng)易于控制，并具有簡(jiǎn)單的使用者接口，其并不需要額外的設(shè)備 (例如遙控器)，也具有堅(jiān)固性、對(duì)于環(huán)境條件的獨(dú)立性、控制移動(dòng)的一維辨識(shí)以及其低處 理功率需求。此外，超聲波傳感器更不會(huì)受到改變中的周?chē)饩€、溫度與濕度條件的影響， 使得照明系統(tǒng)不穩(wěn)定。綜上所述，雖然本發(fā)明已以一較佳實(shí)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(shí)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(dòng)與潤(rùn)飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種照明系統(tǒng)，其特征在于，包含多個(gè)光源，這些光源被配置形成同心多邊形或圓形的至少一個(gè)內(nèi)、外陣列，其中每對(duì)鄰近的光源所發(fā)射的光束彼此重迭，其中該內(nèi)陣列的光源所發(fā)射的光束是互相平行，其中該外陣列的光源所發(fā)射的光束與照明系統(tǒng)的一中央軸線成一角度，且其中該照明系統(tǒng)包含一控制裝置，用以單獨(dú)調(diào)整各個(gè)光源的光強(qiáng)度。
2.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，包含一透鏡，位于該內(nèi)陣列光源的上 方，用以聚焦該內(nèi)陣列光源的光束。
3.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，包含至少一中間陣列的光源，其位在該 內(nèi)與外陣列光源之間且與該內(nèi)、外陣列光源形成一同心多邊形或圓形。
4.如權(quán)利要求3所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述中間陣列光源所發(fā)射的光束平行 于該內(nèi)陣列光源所發(fā)射的光束。
5.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述光源為發(fā)光二極管。
6.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述光源包含于一個(gè)燈管外殼中。
7.如權(quán)利要求6所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述燈管外殼包含一標(biāo)準(zhǔn)燈管配件。
8.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，還包含一超聲波發(fā)射器，用以發(fā)射多 個(gè)超聲波信號(hào)；一超聲波接收器，用以接收反射的多個(gè)超聲波信號(hào)；以及一處理裝置，用以 推導(dǎo)出表示在發(fā)射與接收的超聲波信號(hào)之間的時(shí)間差的多個(gè)飛行時(shí)間信號(hào)，并依據(jù)飛行時(shí) 間信號(hào)來(lái)傳遞多個(gè)控制信號(hào)至該控制裝置，用以控制這些光源。
全文摘要
一種照明系統(tǒng)包含一光源，用以將電力轉(zhuǎn)換成一光束，其具有例如強(qiáng)度、色彩、色溫、方向與光束圓錐角的照明特性；一控制裝置，用以調(diào)整該光束的照明特性；至少一超聲波發(fā)射器，用以發(fā)射多個(gè)超聲波信號(hào)；多個(gè)隔開(kāi)的超聲波接收器，用以接收反射的多個(gè)超聲波信號(hào)；以及一處理裝置，用以為各該接收器判斷來(lái)自該至少一發(fā)射器的這些發(fā)射信號(hào)之間的時(shí)間差的多個(gè)飛行時(shí)間信號(hào)，以及來(lái)自該接收器接收的反射的多個(gè)超聲波信號(hào)，并用以根據(jù)各該接收器的這些飛行時(shí)間信號(hào)的組合來(lái)將多個(gè)控制信號(hào)傳遞至該控制裝置。
文檔編號(hào)F21S6/00GK101878392SQ200780101386
公開(kāi)日2010年11月3日 申請(qǐng)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(qǐng)人:建興電子科技股份有限公司