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)來達(dá)成。遙 控器的缺點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 可能會對眾多遙控器上的不同按鈕有所混淆，在使用上極為不方便。甚至遙控器與其專屬 的接收器會造成設(shè)備成本的增加。再者，已知有使用攝影機(jī)與移動偵測軟件來控制的電器裝置，其中使用者可由在 照相機(jī)之前面擺出手勢來控制電器裝置。然而這些系統(tǒng)需要高負(fù)載處理功率，具有相當(dāng)長 的反應(yīng)時間，且是相當(dāng)昂貴的。另外，W0 2006/056814說明一種照明系統(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?？刂蒲b置測量反射的紅外光的強(qiáng)度，并反應(yīng)其強(qiáng)度以 改變光源亮度。依此方式，可對光源通電或斷電，并可由在紅外光光束中的手部移動而將光 源調(diào)暗。然而，這一種配置是相當(dāng)昂貴且其控制作動具有極大的不正確性，因為反射的紅外 線信號的強(qiáng)度大幅取決于在波束中移動的物體的種類，且紅外線會受到周邊物體所影響而 發(fā)散，使得接收器收到的紅外線信號不正確，導(dǎo)致燈光控制異常。此外，在既存的照明應(yīng)用上，一般需求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(jī)械方式來達(dá)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(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)，以改善上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
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(jìn)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)。本發(fā) 明更進(jìn)一步的目標(biāo)在提供一種更強(qiáng)健、有能源效率、易于使用及/或彈性的照明系統(tǒng)。根據(jù)以上目的，本發(fā)明的照明系統(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)射多個超聲波信號；多個隔開的超聲波接收器，用以 接收反射的多個超聲波信號；以及一處理裝置，判斷所述發(fā)射的超聲波信號與所述接收器 接收的超聲波信號之間的時間差的多個飛行時間信號，并根據(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控制裝置。依據(jù)本發(fā)明的一個實施樣態(tài)，處理裝置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超聲波信號，且根據(jù)前述判斷結(jié)果來將控制信號傳遞 至控制裝置。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施樣態(tài)，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；多個隔開的超聲波接收器，用以接收反射的超聲波信號；以及一處理裝置，為每 一個接收器判斷來自前述至少一發(fā)射器的發(fā)射信號及所接收的反射超聲波信號之間的時 間差的飛行時間信號，并根據(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 遞至一控制裝置。每一個接收器所接收到的飛行時間信號的組合，是超聲波信號反射在二 維平面或三維空間中的物體位置的飛行時間信號的函數(shù)。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，用以發(fā)射超聲波 信號；一超聲波接收器，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/或接收器與該旋轉(zhuǎn)軸有一距離，其中提供一驅(qū)動裝置以 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)射器于載體的多數(shù)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超聲波信號，且根據(jù)前述判斷結(jié)果來將控制信號傳遞至控 制裝置?？尚D(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、6個或至少12個角度位置上傳遞一超聲波脈沖。本發(fā)明的另一個實施樣態(tài)，照明系統(tǒng)包含多個光源，其中所述光源是被配置成一 陣列排列，其中每對鄰近的光源所發(fā)射的光束彼此重疊，且其中該照明系統(tǒng)包含一控制裝 置，用以個別調(diào)整所述光源所發(fā)射的光束的強(qiáng)度，其中該控制裝置在控制個別光源所發(fā)射 的光束的強(qiáng)度時，使所述光束的總光通量在一假想平面上維持相等。


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)器與號角的概要剖面圖；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；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；圖21A-圖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22-1與圖22-2分別顯示照明系統(tǒng)的概要橫剖面與底視圖；圖23顯示供圖22-1的照明系統(tǒng)用的照明系統(tǒng)驅(qū)動器的概要配置；圖24A-1-圖24G-1與圖24A-2-圖24G-2分別概要顯示圖22_1與圖22_2的照明 系統(tǒng)的波束偏離過程；以及圖25A-圖25E概要顯示圖22的照明系統(tǒng)的波束聚焦過程。
具體實施例方式如圖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)置于所述LED的中心。照明系統(tǒng)1亦內(nèi)建有將 收發(fā)器的信號轉(zhuǎn)換成控制信號的一處理裝置，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)器被開啟，則其將傳遞一超聲波信號。如果一物體出現(xiàn)在超聲波 信號的路徑上，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。在傳送與接收到反射的超聲波信號之間的時間差將受到測量，該測量的時間稱為飛行 時間。如果在物體與照明系統(tǒng)1之間的距離改變了，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(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，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 量裝置，是用來測量到最接近反射物體的距離。測量的時間代表超聲波信號行進(jìn)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。如圖1所顯示，一種飛行時間測量是藉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米，則超聲波波束 4的總運(yùn)行距離為2*y = 3米，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米，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。超聲波發(fā)射器可比如發(fā)射40kHz頻率的聲音。超聲波的
5飛行時間(典型的距離是在0.2與2米之間)可以以ms(毫秒)而非以毫微秒/納秒(ns) 的單位測量，因此超聲波收發(fā)器可利用低成本的處理設(shè)備來達(dá)成簡單與正確的測量。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生產(chǎn)。 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(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，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(qiáng)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)，因為在照明系統(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，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，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度，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1^/2左右。舉例而言如果Lh= 150公厘且X= 1.5米，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的聲壓位準(zhǔn)(SPL)的增加可由號角(h0rn)6而達(dá)成，如圖8所示。號角6也 使反射的超聲波信號的接收角度變窄，因此不會接收到各種方向的雜亂信號。理想上，超聲波控制的照明系統(tǒng)易于大量生產(chǎn)，所需的只是低成本元件，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是色彩、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。用來作手勢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。在一較佳實施例中，本發(fā)明照明系統(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；一數(shù)字模擬(DA)轉(zhuǎn)換器、一超聲波驅(qū)動器以及一超聲波發(fā)射 器，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，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，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；一處理裝置，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控制裝置； 此外處理裝置分析飛行時間信號的動態(tài)行為，并根據(jù)動態(tài)行為從多個型式的控制信號中選 擇一種型式的控制信號傳遞至控制裝置，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。參考圖9，如上所述，微控制器13傳遞一數(shù)字脈沖信號至超聲波收發(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 沖信號后，超聲波驅(qū)動器使超聲波發(fā)送器發(fā)送超聲波信號。數(shù)字脈沖信號是藉由微控制器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(比如于40kHz的頻率下)，而物 體將反射此種超聲波信號。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并將超聲波信號變換成一電壓，及一比較器，當(dāng)電壓大于一預(yù) 定臨界值時，產(chǎn)生一數(shù)字接收信號，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，為了減少外部擾動的影響，信號是被比如20kHz的二階高通濾波器11所過濾，以從接收 的信號中濾除低頻信號。在過濾之后，信號是被預(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 接收的電性信號建立一數(shù)字脈沖信號。微控制器13為一處理裝置，可推導(dǎo)出在該數(shù)字傳輸 與接收信號之間的時間差的一飛行時間信號，并依據(jù)該飛行時間信號將一控制信號傳遞至 一脈沖寬度調(diào)變器20，信號經(jīng)過調(diào)變后送至LED驅(qū)動器19以驅(qū)動LED 21。微控制器13還 包含LED驅(qū)動器部13B與微控制器的控制部13A，而LED驅(qū)動器部13B具有連接至LED驅(qū) 動器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LED的微控制器13為已知技術(shù)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)存取存儲器(Randon Access Memory, RAM)與只讀存儲器 (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LED 21時，微控制器13可個別地調(diào)整每一個LED21的強(qiáng)度。 在調(diào)整光強(qiáng)度時，使在一假想平表面上的所述光源的總結(jié)合的光通量維持實質(zhì)上相等?；?著，由調(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由調(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LED 21，以及在一號角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)動器19等所有電子元件皆內(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)，由此，可以提供一種小型與簡易安裝的照明系統(tǒng)?，F(xiàn)在參考圖12-圖18，其說明一種延伸的照明系統(tǒng)，其允許在XY平面中由手勢 (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)光束的軸線。 XY平面方向的手勢控制可與上述單純Z方向的飛行時間的手勢控制方法結(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(jìn)行 照明控制。由另外使用如上所述的飛行時間的判定，可達(dá)成兩種照明控制的組合，例如光束 偏離與光強(qiáng)度可同時受到控制。或者，可使用在XY平面中的手勢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-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的位置由三個收發(fā)器5個別偵測所決定或此位置由一個收發(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送出之后是否有接收到反射的信號。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(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)器將判斷是否接收到一超聲波回音信號，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強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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)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。手一般不會呈現(xiàn)為一平面，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，最好是將一號角(horn)置放于收發(fā)器上，該號角具有如10度的波束角度。使用10 度號角的一項額外優(yōu)點為可送出具有更高的聲音壓力位準(zhǔn)的信號。圖14A-圖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(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 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 表 2e (圖 14E，位置 5) :X = 0、Y =-0. 5 表2f t^to Tlo=I T2o=0 T3o=0 Rlo=O R2q=0 R3q=0 t=ti Tli=O T2i=l T3i=0 Rli=O R2i=l R3i=l t二t2 丨 Tl2=O 丨 T22=0 | T32=1 Rl2=O 丨 R22=l R32=0表2g ( t=t0 Tl0=I T2o=0T3(p0 Rlo=O R20=QR3o=0 t=ti Tl1=O T2i=lT3i 二 0Rli=O R2i=lR3i^Q t=t2 Tl2=O T22=0T32=lRl2=I R22=0R32=0 t=t0 Tl0=I T2o=0T3tp0 Rl0=O R20=QR30 二 0 t=ti Tli=O T2i=lT3i=0 Rli=O R2i=0R3i=0 t=t2 Tl2=O T22=0T32=l Rl2=O R22=0R32=0現(xiàn)在參考圖15-圖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。 此方法與上述方法相比，其區(qū)別在于只使用單一個超聲波收發(fā)器5，其在照明系統(tǒng)周圍繞其 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)崁齒輪 (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的周圍旋轉(zhuǎn)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(jìn)馬達(dá)32。將手2設(shè)置于收 發(fā)器5的偵測范圍時，將啟動收發(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)，手2將不會大幅移動，可準(zhǔn)確偵測手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移動到此位置時，超聲波信號將被濾波器33所阻擋，因此會立刻接收到反射的超聲波 信號，當(dāng)判斷飛行時間過短時便可得知已經(jīng)移動到該參考位置。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(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、6個或至少12 個角度位置上傳遞一超聲波脈沖，以更精確偵測物體位置(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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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) 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5位置?，F(xiàn)在參考圖19-圖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與圖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(包含發(fā)射器Tl及接收器Rl)，而另一個傳感器為接收器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。或者，為了達(dá)到更正確的結(jié)果，可應(yīng)用更多傳感器，比如三個收發(fā)器配置成三角形，如圖12所示。XY平面中的手2的位置由所述收發(fā)器5得到 的飛行時間而決定。原則上，此實施例只需要一個發(fā)射器以傳遞一超聲波脈沖，以及需要兩 個接收器以決定超聲波信號的飛行時間。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(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)飛行時間測量的精度為2公分時，為了 準(zhǔn)確判定距離收發(fā)器1米位置的物體，兩個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，才能得到可靠的量測。物體位置的判定及計算將由以下實施例所得到。例1 若傳感器的數(shù)目為兩個，其中一個為超聲波收發(fā)器，另一個為超聲波接收
ο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米/秒。為了簡化計算，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t = t。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 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。這種位置改 變可被換算成為一種二進(jìn)制代碼，并用來控制照明特性，比如在物體移動朝向西南方向時， 使照明光束往相同方向移動。例2 為了能決定物體在z方向中的位移，又包含額外收發(fā)器。在z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)使用一個發(fā)射器與三個接收器，如圖12所示 的配置位置，或使用一個收發(fā)器與兩個接收器來替代。其偵測位置的基本原理與例1相同。從發(fā)射器至物體(手)與從物體至三個接收器的距離計算可由下述方程式而執(zhí) 行 以上為具有3個未知數(shù)的3個方程式。此外物體的初始位置為(X(l)t = tcl、(y0)t. t(l、(Z(l)t = t(l。于t = t 1時重復(fù)這些測量與計算，用以偵測物體的移動距離與方向，其將得 出(xo) t = u、(y〇)t = u、(zo) t = u 等。移動方向的計算方式如下 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(jìn)制代碼，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，使照明光束往相同方向移動。此種位置信息的使用的另一例為物體在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，系統(tǒng)具有三個收發(fā)器。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 = t0,發(fā)射器T1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。 以上3個未知數(shù)的3個方程式經(jīng)過計算后，可得知、時物體的位置為[(x。)t = tQ]
T1，[(又0) t = t0] T1，[ (Z0) t = t0] T1。
于t = tp發(fā)射器T2傳遞超聲波信號至物體。信號將被物體反射，并將被三個接 收器所接收。
以上3個未知數(shù)的3個方程式經(jīng)過計算后，可得知tl時物體的位置為[(x0) t = tl]
T2，[ (Yo) t = tl] T2，[ (Z0) t = tl] T2。于t = t2，發(fā)射器T3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。
以上3個未知數(shù)的3個方程式經(jīng)過計算后，得知物體t2時的位置為[(xQ) t = t2]T3， T3，[ (Z0) t = t2] T3。為了得到物體的更可靠的位置，可計算于t = tQ、t =、與t = t2的三個測量的 平均值。因為物體定位的取樣頻率比物體移動速度來的高很多，因此可得到可靠的物體位置。
這個位置(xQ)ta、(yQ)ta、(z0)ta為物體的初始位置。這些測量與計算將于之后的時間tb(t3、t4、、…)重復(fù)，用以偵測物體的移動與移 動方向，其將得出(xQ)tb、(yQ)tb、(z0)tbo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Δ χ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Δζ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(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 南方向移動時，使照明光束往相同方向移動，且同時根據(jù)向下方向的移動，比如光強(qiáng)度將被 減少。 此種位置信息的使用的另一例為物體在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-圖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(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平面手勢控制系統(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，每個環(huán)形部皆包含多 個LED 21。所述LED 21可能是具有多種色彩，以便能使照明系統(tǒng)能夠選擇多種色彩。雖然 圖上顯示LED 21為多個圓形的陣列，但LED 21也可以是以長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米)，在此距離上每個LED 21的照 明光束會與其相鄰的LED 21的照明光束互相重疊，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陣列的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必須選擇哪些LED 21與每一個 LED 21的強(qiáng)度的指令。一擴(kuò)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，以個別的控制LED 1-n。對一點光源而言，其察覺亮度B與測量照度E之間為一非線性關(guān)系 如果在照明光束的控制期間，平均察覺亮度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保持固定。圖24A-1-圖24G-1與圖24A-2-圖24G-2分別概要地顯示在圖22_1與圖22_2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)中的微控制器逐漸改變個別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 此種控制指令，在照明系統(tǒng)中的微控制器逐漸地改變個別LED的亮度，以獲得平穩(wěn)改變組 合光束角度的效果。
本發(fā)明的所有上述實施例利用一種非常有效、便宜且可靠的方式來提供垂直于超 聲波波束的方向中由手的手勢來控制照明系統(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，可以達(dá)成照明系統(tǒng)的各種不同的特性的控制。此種控制機(jī) 制適合作為切換目之用，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)，也具有堅固性、對于環(huán)境條件的獨立性、控制移動的一維辨識以及其低處 理功率需求。此外，超聲波傳感器更不會受到改變中的周圍光線、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(hù)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)，包含多個光源，其中所述光源被配置成一陣列排列，其中每對鄰近的光源所發(fā)射的光束彼此重疊，且其中該照明系統(tǒng)包含一控制裝置，用以個別調(diào)整所述光源所發(fā)射的光束的強(qiáng)度，其中該控制裝置在控制個別光源所發(fā)射的光束的強(qiáng)度時，使所述光束的總光通量在一假想平面上維持相等。
2.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中該控制裝置由調(diào)暗及/或調(diào)亮個別光源所發(fā)射 的光束的強(qiáng)度，使所述光源的組合光束的直徑平穩(wěn)地增加或減少。
3.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中該控制裝置由調(diào)暗與調(diào)亮個別光源所發(fā)射的光 束的強(qiáng)度，使所述光源的組合光束的方向平穩(wěn)地從一第一方向移動至一第二方向。
4.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中所述光源被配置成多個同心多邊形或圓形的至 少一個內(nèi)、外陣列，其中內(nèi)陣列光源的光束是互相平行，外陣列光源的光束與該照明系統(tǒng)的 一中央軸線成一角度。
5.如權(quán)利要求4所述的照明系統(tǒng)，其中該照明系統(tǒng)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。
6.如權(quán)利要求4所述的照明系統(tǒng)，其中該照明系統(tǒng)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內(nèi)、外陣列光源形成一同心多邊形或圓形。
7.如權(quán)利要求6所述的照明系統(tǒng)，其中該中間陣列光源所發(fā)射的光束平行于該內(nèi)陣列 光源所發(fā)射的光束。
8.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中所述光源為發(fā)光二極管。
9.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中所述光源包含于一個燈管外殼中。
10.如權(quán)利要求9所述的照明系統(tǒng)，其中該燈管外殼包含一標(biāo)準(zhǔn)燈管配件。
11.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其中該照明系統(tǒng)還包含一超聲波發(fā)射器，用以發(fā) 射多個超聲波信號；一超聲波接收器，用以接收反射的多個超聲波信號；以及一處理裝置， 用以推導(dǎo)出表示在所述發(fā)射與接收的超聲波信號之間的時間差的多個飛行時間信號，并依 據(jù)所述飛行時間信號來傳遞多個控制信號至該控制裝置，用以控制個別光源的光強(qiáng)度。
全文摘要
一種照明系統(tǒng)，包含多個光源，其中所述光源是被配置成一陣列排列，其中每對鄰近的光源所發(fā)射的光束彼此重疊，且其中該照明系統(tǒng)包含一控制裝置，用以個別調(diào)整所述光源所發(fā)射的光束的強(qiáng)度，其中該控制裝置在控制個別光源所發(fā)射的光束的強(qiáng)度時，使所述光束的總光通量在一假想平面上維持相等。
文檔編號H03K17/00GK101878591SQ200780101306
公開日2010年11月3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