專利名稱：照明系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種包含光源與控制裝置的照明系統(tǒng)，其中光源將電力轉換成具 有例如強度、色彩、色溫、方向與波束圓錐角等特性的光束，而控制裝置用來調整光束特性。
背景技術：
人們熟知燈光特性的調整是能經由遙控器(Remote Controller, RC)來達成。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 已經出現(xiàn)于客廳中以供TV、音響、VCR、⑶/DVD、游戲機、記錄器等不同設備使用。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 的接收器會造成設備成本的增加。再者，已知有通過使用攝影機與移動檢測軟件來控制的電器裝置，其中使用者可 通過在照相機的前面擺出手勢來控制電器裝置。然而這些系統(tǒng)需要高負載處理功率，具有 相當長的反應時間，且是相當昂貴的。另外，W02006/056814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度，并依其強度反應 以改變光源亮度。依此方式，可對光源通電或斷電，并可通過在紅外光光束中的手部移動而 將光源調暗。然而，這一種配置是相當昂貴且其控制動作具有極大的不正確性，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，且紅外線會受到周遭物體所影 響而發(fā)散，使得接收器收到的紅外線信號不正確，導致燈光控制異常。此外，在現(xiàn)有的照明應用上，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，在現(xiàn)有的照明應 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，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題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種照明系統(tǒng)，對使用者及其環(huán)境呈現(xiàn)安全與舒適性，且有 更強健、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)。為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是一種照明系統(tǒng)包含一光源，用以將電力轉換成一光束，其具有例如強度、色彩、色 溫、方向與光束圓錐角的照明特性；一控制裝置，用以調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，判斷這些發(fā)射的超聲波信號與這些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，并根據各該接收器的這些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。
依據本發(fā)明的一個實施例，處理裝置決定哪些接收器在一預定周期之內會接收具 有超過一預定閾值的振幅的一反射超聲波信號，且根據前述判斷結果來將控制信號傳遞至 控制裝置。依據本發(fā)明的另一個實施例，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；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)。依據本發(fā)明的另一個實施例，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；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 一可旋轉載體上，以使發(fā)射器/或接收器與該旋轉軸有一距離，其中提供一驅動裝置以旋 轉載體；以及一處理裝置，用以在旋轉期間經由發(fā)射器于載體的多個角度位置重復傳遞一 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定周期之內是否接收具有超過 一預定閥值的振幅的一反射超聲波信號，且根據前述判斷結果來將控制信號傳遞至控制裝 置?？尚D載體的轉軸最好是在照明系統(tǒng)的光束之內且平行于光束。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。依據本發(fā)明的另一個實施例，照明系統(tǒng)包含多個光源，這些光源是被配置形成同 心多邊形或圓形的至少一個內、外陣列，其中每對鄰近的光源所發(fā)射的光束彼此重迭，其中 該內陣列的光源所發(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，用以單獨調整各個光源的光 強度。


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 圖；圖8為超聲波收發(fā)器與號角的概要剖面圖；圖9與10圖概要地顯示本發(fā)明的電子硬件實施例；圖11為依據本發(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4
圖16顯示圖15的照明系統(tǒng)的概要前視圖與概要側視圖；圖17顯示在圖15的照明系統(tǒng)中旋轉的超聲波收發(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 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)驅動器的概要配置；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。
具體實施例方式為讓本發(fā)明的內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合附圖，作詳細說 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)器可設置于這些LED的中心。照明系統(tǒng)1亦內建有將 收發(fā)器的信號轉換成控制信號的一處理裝置，以及用以調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 檢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兩倍的距 離。傳回的信號本質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。接收器經過放大器傳遞這些反射信號(回音)至微控制器，其通過使用空 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通過將測量的接收時間(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變成在微控制器中的二進 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χ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。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)的單位測量，因此超聲波收發(fā)器可利用低成本的處理設備來達成簡單與正 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。
如圖3所示，控制信號是通過手2朝超聲波波束4的一維垂直方向移動而產生。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，借以使比如照明系統(tǒng)1的強度根據微處理器產生的控制信號變化而 增加(階段C)。在Τ6 = 6秒時，手2從波束4撤出，因此參考值會再次被測量，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，其并無法啟動照明系統(tǒng)控制，因此照明系統(tǒng)并不會被意外調整(階段Ε)，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(對應用于照明系統(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)的增加可通過號角(h0rn)6而達成，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訊號。理想上，超聲波控制的照明系統(tǒng)易于大量生產，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驅動器與一脈沖寬度調變器，其 被配置成用以調整光束特性；一數(shù)字模擬(DA)轉換器、一超聲波驅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 預定閥值的情況下產生一數(shù)字接收信號；一處理裝置，用以推導出表示在數(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動器與一超聲波發(fā)送器，當超聲波發(fā)射器接收到數(shù)字 脈沖信號后，超聲波驅動器使超聲波發(fā)送器發(fā)送超聲波信號。數(shù)字脈沖信號是通過微控制 器13的控制部13A而產生，并通過微控制器13中的DA轉換器17而轉換成一電性脈沖，此 種脈沖將被預處理器10中的放大器18放大(更詳細顯示于圖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，當電壓大于一 預定臨界值時，產生一數(shù)字接收信號，預處理器10接收經由超聲波收發(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，信號是被預處理器10中的放大器12 放大。較佳 地，超聲波驅動器、接收超聲波放大器與二階高通濾波器11是整合于預處理器10中。微控制器13包含一比較器14，其從由預處理器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，并依據該飛行時間信號將一控制信號傳遞至 一脈沖寬度調變器20，信號經過調變后送至LED驅動器19以驅動LED 21。微控制器13更 包含LED驅動器部13B與微控制器的控制部13A，而LED驅動器部13B具有連接至LED驅 動器19的脈沖寬度調變器20以及共享的ROM 15與RAM 16的一部分。較佳地，該微控制 器13、該脈沖寬度調變器20、該數(shù)字模擬轉換器17以及該比較器14是整合于單一微控制 器芯片中。驅動LED的微控制器13為已有技藝所熟知的，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存取內存(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。當照明系統(tǒng)具有多個LED 21時，微控制器13可個別地調整每一個LED21的強度。 在調整光強度時，使在一假想平表面上的這些光源的總結合的光通量維持實質上相等?；?者，通過調暗及/或調亮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通過調暗與調亮LED 21的強度，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顯示依據本發(fā)明的照明系統(tǒng)，其包含具有標準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、預處理器10與LED驅動器19等所有電子組件皆內建于外殼23中。而連接部 22可制成與一般燈泡燈座兼容的結構，借此，可以提供一種小型與簡易安裝的照明系統(tǒng)。現(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平面中通過手勢 (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合。舉例而言， 可朝某個方向通過手部移動來拉動或推動光束。又，比如通過手部移動作圓形動作，亦可能 進行照明控制。通過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，例如光束偏離與光強度可同時受到控制?；蛘撸墒褂迷赬Y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。依據圖12，照明系統(tǒng)1設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的位置通過三個收發(fā)器5個別檢測所決定或此位置通過一個收發(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。 由這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度在一預定閥值以下，而回音信號 給定為數(shù)值0。如果回音信號強度等于或在閥值之上，則回音信號給定為數(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 這種二進制信息通過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 Χ、γ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方向中的偏轉動作。手一般不會呈現(xiàn)為一平面，其會導致波束散射效應。為了減少散射對測量結果的 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電平的信號。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檢測范圍夕卜 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，使物體的定位可在收發(fā)器5的一次回轉中達成。依據圖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的周圍旋轉移動。莰 齒輪30被另一個小莰齒輪31所驅動，而莰齒輪31連接至一步進馬達32。將手2設置于收 發(fā)器5的檢測范圍時，將啟動收發(fā)器5的旋轉。收發(fā)器5的旋轉速度高于在XY平面中的手 部的移動速度。舉例而言，如果收發(fā)器5的旋轉速度為4Hz，則收發(fā)器的一次回轉所需要的 時間為250毫秒(ms)，在這個期間之內，手2將不會大幅移動，可準確檢測手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，當判斷飛行時間過短時便可得知已經移動到該參考位置。決定參考位置的參考校準 可在一次收發(fā)器的回轉中被決定。收發(fā)器5的位置通過從收發(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，旋轉收發(fā)器5至下一個位置并重復這個步驟，直到 于所有位置達成這樣的判斷為止，如圖17所示。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，以更精確檢測物體位置(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(Τ0···Τ11)。于每個步驟，收發(fā)器5將判斷是否接收回音信號(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強度在預定閥值 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閥值之上，回音信號則被給 定為數(shù)值1。這種回音信息的一例顯示于表3中。表3 這種二進制信息可通過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)器回轉期間測量的總數(shù)Wx與Wy為加權系數(shù)在相比較于參考位置的測量期間，加權系數(shù)值取決于收發(fā)器5位置。現(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。依據圖19與圖20，照明系統(tǒng)1設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?；蛘?，為了達到更正確的結果，可應用更多傳感 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的位置通過這些收發(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。物體的位置通過結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必須有一定的距離。比如當飛行時間測量的精度為2公分時，為 了準確判定距離收發(fā)器1公尺位置的物體，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，才能得到可靠的測量。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 器。在XY平面中的距離可計算如下 其中，Vair為于室溫下的聲音速度，約為344公尺/秒。為了簡化計算，如圖20所示，傳感器設置于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，發(fā)射器與接收器的新坐標變成接收器R1=(0，0)R2=(d，0)發(fā)射器T1=(0，0)利用新坐標，上述表達式變成更加容易處理對t = t0 而言
物體位置xO、yO于t = to將是 于t = tO時的位置被使用作為手的初始位置。于另一時間t = tl，將重復相同的測量，用以檢測物體的移動距離方向。移動方向被計算如下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，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。其檢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通過下述方程式而執(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(xO) t = tO、(y0) t = t0、(z0)t = tO。于t = tl時重復這些測量與計算，用以檢測物體的移動距離與方向， 其將得出(x0)t = tl、(y0)t = tl、(z0)t = tl 等。移動方向的計算方式如下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，如果Ay為正，則物體朝拉出方向移動，而如果 Δ ζ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。這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Tl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個方程式經過計算后，可得知t0時物體的位置為 于t = tl，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個方程式經過計算后，可得知tl時物體的位置為 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。
. {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個未知數(shù)的3個方程式經過計算后，得知物體t2時的位置為[(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，可計算于t = t0、t = tl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
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、t5……)重復，用以檢測物體的移動 與移動方向，其將得出(xO) tb、(yO)tb、(zO)tb。移動方向的計算方式如下 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碼，并用于照明控制目的，比如當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，且同時根據向下方向的移動，比如光強度將被 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)域中進行照明 光束的連續(xù)聚焦控制(圖21Α)與偏轉(圖21Β與圖21C)，而不需要移動照明系統(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平面手勢控制系統(tǒng)結合，用以改變光束的 方向或聚焦。依據圖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。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為多個圓形的陣列，但LED21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置。照明系統(tǒng)中央部40A包含設置在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)具有一預定最小使用距離(比如1公尺)，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。微控制器將這種信息換算成為必須選擇哪些LED 21與每一個 LED 21的強度的指令。一擴大器/選擇器用來選擇大量的驅動器1 η以及與其連接的 LED 1 n，以個別的控制LED 1 η。
對一點光源而言，其察覺亮度B與測量照度E之間為一非線性關系B = k-√E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)行這 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 這種控制指令，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 聲波波束的方向中通過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，可借以達成照明系統(tǒng)的各種不同的特性的控制。這種控 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。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)明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作各種的更 動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當以權利要求書的保護范圍所界定者為準。
權利要求
一種照明系統(tǒng)，其特征在于，包含多個光源，這些光源被配置形成同心多邊形或圓形的至少一個內、外陣列，其中每對鄰近的光源所發(fā)射的光束彼此重迭，其中該內陣列的光源所發(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，用以單獨調整各個光源的光強度。
2.如權利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，包含一透鏡，位于該內陣列光源的上 方，用以聚焦該內陣列光源的光束。
3.如權利要求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 內與外陣列光源之間且與該內、外陣列光源形成一同心多邊形或圓形。
4.如權利要求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 于該內陣列光源所發(fā)射的光束。
5.如權利要求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燈管外殼中。
7.如權利要求6所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所述燈管外殼包含一標準燈管配件。
8.如權利要求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 推導出表示在發(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；一控制裝置，用以調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，用以為各該接收器判斷來自該至少一發(fā)射器的這些發(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，并用以根據各該接收器的這些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。
文檔編號F21S6/00GK101878392SQ200780101386
公開日2010年11月3日 申請日期2007年11月8日 優(yōu)先權日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