CN100555023C - 用于投射像素化照明图案的设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种照明设备，该照明设备用于将所观察的像素化照明图案投射在朝向这种设备的表面上。这种设备包括可独立控制的多个照明单元(1)和用于控制来自这些照明单元的光的发射的控制器(7)，每个照明单元包括至少一个发光二极管(3、4、5、6)。根据本发明的设备允许表面的环境照明以及图像和图案的投射。

Description

用于投射像素化照明图案的设备

技术领域

本发明涉及一种用于将所观察的像素化照明图案(pixelatedlighting pattern)投射在朝向照明设备的表面上的照明设备，这种照明设备包括多个照明单元和用于控制来自这些照明单元的光的发射的控制器，每个照明单元包括至少一个发光二极管。

背景技术

基于发光二极管的照明设备通常设计用于室内照明，如在办公室、家庭、商店、汽车和飞机等。

荧光管和白炽灯一直以来用作这些照明设备的光源。

近来，已提出将发光二极管(LED)作为这类照明设备的光源。基于发光二极管的照明设备具有一定的吸引力，因为发光二极管的使用寿命通常比荧光管和白炽灯泡的使用寿命长得多。而且，发光二极管的功率消耗低于白炽灯泡，且预计在将来会比荧光管更加有效。

提供发出强度非常大的光的发光二极管的高功率LED的发展使这种进步得到了加强。

发明人为Bailey的美国专利No.6,764,196描述了基于LED的顶光照明系统的一个示例，这种照明系统的特征在于带有多个嵌入超亮LED以将房间照明的吊线板。不过，美国专利No.6,764,196中所描述的照明系统并不适合于在所照明的表面上显示在视觉上有差异的信息。

常规的数据投影仪适用于投射视觉上有差异的用户交互信息，如字母数字标记、图像、图案和视频序列。

不过，常规的数据投影仪通常基于恒定运行的高强度放电灯泡和可编程滤光器，以将单个像素打开或关闭。因此，常规的数据投影仪在用于室内照明时往往是非常消耗功率的设备。

因此，需要有一种照明设备，这种照明设备具有低的功率消耗，并且既可用于环境照明又可用于信息投射。

发明内容

本发明的目的在于解决这些问题并提供既适于环境照明又适于信息投射的照明源。

因此，在一个方面，本发明提供用于将所观察的像素化照明图案投射在朝向该设备的表面上的照明设备，这种照明设备包括多个照明单元和用于控制来自这些照明单元的光的发射的控制器，每个照明单元包括至少一个发光二极管。在本发明的照明设备中，这些照明单元可由控制器单独控制，且每个发光二极管负责受限图案区域部分。

可利用照明单元阵列将像素化照明图案投射到表面上，在这些照明单元中，每个照明单元负责所投射的图案的有限区域。这就允许将发光二极管用作光源。同时，照明设备还可用于表面的均匀照明。

在本发明的实施例中，这些照明单元可包括至少一个第一颜色的可单独控制的第一发光二极管和第二颜色的可单独控制的第二发光二极管。

通过将几个不同颜色的可单独控制的LED如红色、绿色和蓝色二极管用作一个照明单元，就可容易地控制光的颜色，以提供变色照明设备。

在本发明的实施例中，可将这些发光二极管布置成以小于约20°或小于约10°如小于5°的准直角度发光。优选这种设备包括准直装置，将这种准直装置布置成接收由这些照明单元中的每一个发射的光，并将所接收的光的至少一部分作为用于这些照明单元中的每一个的分离光束进行准直并投射。

由每个照明单元所发射的光的窄准直允许以距所照明的表面一定的距离布置照明设备，例如，在约0.1至5m的范围内，而仍保持投射所希望的图案的可能性。来自相邻的照明单元的图案区域部分(“像素”)的某种重叠在某些用途中可能有必要，以在相邻的图案区域部分之间获得均匀的照明和/或平滑的过渡。不过，若准直重叠太大，那么将所希望的图像投射在表面上的可能性就被限制到具有非常低的对比度的图像。

本发明的照明设备中的相邻的两个照明单元之间的距离可大于约1mm或大于约1cm，例如大于约10cm甚至更大。这就允许有限数量的照明单元将表面照明。

通常对这些距离和准直角度进行调节，以获得用于某种距离的所希望的图像对比度，这种距离在该设备与图案被投射到上面的表面之间。

在本发明的实施例中，控制器可能够接收表示像素化图案的数据并能够对这些照明单元进行控制，以将图案投射到在照明设备的光束路径中的表面上。通过对表示图案的数据进行适应性调节，可将任何照明图案投射到表面上。

表示像素化图案的数据可包括表示视频序列的数据。通过更新以高频率投射的图案，可将视频序列投射到表面上。

本发明中的照明设备可包括或可连接到用于向控制器提供表示像素化图案的数据的数据提供者。数据提供者可包括传感器和处理器，而将处理器布置成从传感器接收数据并将来自传感器的数据处理成表示图案的数据。

传感器可以是如移动检测器、温度传感器、照相机、光传感器和麦克风等。

在本发明的实施例中，将这些照明单元布置在支架的第一侧面上，这种支架具有第一侧面和相对的第二侧面，且这种支架包括从第一侧面至第二侧面的通风口。

高功率LED在运行时散出许多热。支架中用于通风的开口可提供这种设备的更长使用寿命。

附图说明

现参考附图对本发明的这些和其它方面进行更详细的描述，这些图示出了目前所优选的本发明的实施例。

图1示意性地示出了本发明的照明单元的目前所优选的实施例。

图2示意性地示出了本发明的实施例的细节。图2a示出了所述细节的俯视图且图2b示出了侧视图。

图3示意性地示出了根据本发明的实施例的设置。

具体实施方式

示于图1中的本发明的作为示例的实施例包括颜色和强度可变的照明单元1的矩形20×16矩阵，这些照明单元布置在大小为2×1.6m的基本上矩形的面板2上。这些照明单元布置成带有10cm节距的矩形格网。

每个照明单元包括四个发光二极管的组，即红色二极管3、蓝色二极管4、绿色二极管5和白色二极管6。

这些二极管中的每一个连接到LED控制器7，这种LED控制器7能够独立控制每个LED在每个单独的照明单元1中发射的光的强度。

将准直仪8布置在发光二极管3、4、5、6上以将来自每个发光二极管的光准直为窄的光束，这种窄的光束具有约8°的准直角度。

将这些准直仪布置成基本上以面板表面的法线的中间方向投射光。

在将来自每个照明单元1的光束狭窄地准直并平行于离开面板的方向引导时，来自不同的照明单元1的不同的光束将照亮由照明设备照明的表面的不同的有限区域，即“像素”。

这就允许将带有20×16像素的分辨率的照明图案(与照明单元的数量相同的分辨率)投射到置于这种设备的光束路径中的表面上，以将该表面照明。因此，每个照明单元负责有限的图案区域部分。

用在本说明书中的“投射的照明图案”及相关的词语是指被投射到由本发明的设备照明的表面上并照明该表面的光场。所投射的图案可以是光的单个点或单个离散点、均匀光场、表示任何信息的图案或抽象图案，均匀光场如基本上均匀的白色或有色场，该表示任何信息的图案表示的信息如文本或图像。

所投射的照明图案可表示以视频序列的单帧，并且可通过以高频率更新所投射的图案将移动图像的印迹(impression)如视频序列投射到该表面上。

每个照明单元负责照明图案区域的有限部分。因此，将所投射的照明图案称为“像素化图案”，在这种图案中，每个照明单元负责图案的一个像素。不过，在某些情形中，相邻的像素即相邻的图案区域部分可至少部分地重叠，以在图案的相邻的像素之间提供平稳的过渡。

在前面的实施例的设置中，由相邻的照明单元照明的区域(像素)可在这种设备至该表面的距离约在1至1.20m时部分地重叠。这就会产生可单独控制的像素，从而在这些像素之间提供平稳的过渡。因此，若所有的照明单元以相同的颜色和强度运行，就提供均匀照明的表面。而且，若相邻的照明单元以不同的强度和/或颜色运行，那么就在所投射的图案的相邻的像素之间提供平稳的强度/颜色过渡。

此外，若利用插值算法将一个像素的强度传递到相邻的像素(如强度从一个像素逐渐移动到另一个像素)，那么观察人员所感觉到的分辨率大大高于可通过像素节距预测的分辨率。

在运行模式中，来自照明单元1的发光二极管3、4、5、6的不同光束基本上将相同的区域照明。通过改变一个单元的不同二极管的强度，不同颜色的光束会将该区域照明，从而形成变色光源。

控制器7通过控制每个照明单元中的每个发光二极管来控制由每个照明单元发射的光的强度。

这些照明单元可包括一个或多个发光二极管。典型的变色照明单元包括不同颜色的至少两个发光二极管，通常是红色、绿色和蓝色发光二极管或者是白色发光二极管。可单独控制变色照明单元中的不同颜色的LED的强度。由于来自每个二极管的光束基本上将所照明的表面上的相同区域照明，所以不同的颜色混合起来以提供可变颜色。单色照明单元通常包括相同颜色的一个或多个发光二极管。

用在本说明书中的发光二极管如蓝色或红色发光二极管的颜色是指所感觉到的由发光二极管发射的光的颜色。

用在本说明书中的发光二极管包括所有类型的发光二极管，这些发光二极管包括常规的基于无机的LED、基于有机的LED(OLED)和基于聚合物的LED(polyLED)。本说明书中所提及的发光二极管是能够发射从紫外线到红外线中的任何颜色的光以及设有发光颜色变换化合物以提供某种颜色的光的发光二极管。例如，可利用蓝色光LED和黄色发光化合物，其中，颜色变换的黄色光和未变换的蓝色光混合成基本上呈白色的光。此外，发光二极管还包括激光二极管，即发射激光的发光二极管。

可用在本申请的照明设备中的发光二极管包括但并不仅限于分类为高亮度或高强度发光二极管的发光二极管。

在本发明的实施例中，这些照明单元可设有准直仪。这些准直仪布置成接收由这些LED发射的光并将所接收的光作为经过准直的光束投射。

用在本说明书中的词语“准直角度”确定为锥形光束的中心与最大光束强度的一半的点之间的角度的两倍。

所希望的准直角度通常小于20°，或小于10°，例如，小于5°。

不过，用于本发明的设备的适当的准直角度将取决于照明单元矩阵的节距，即相邻的照明单元之间的距离，而且还取决于从照明单元至要照明的表面之间的距离。

这种距离越大，准直角度必须越小，以减少模糊并提高可在两个相邻的像素之间产生的对比度。提供这种信息的适当的准直角度可容易地由本领域中熟练的技术人员导出。

大的准直角度提供更多的模糊和更低的对比度，并要求将光源置于距将图像投射到上面的表面非常短的距离或将相邻的照明单元以相互之间的大的距离布置。

在本发明的实施例中，每个发光二极管设有单独的准直仪，以将由该发光二极管发射的光准直。

正如将会由本领域中熟练的技术人员实现的那样，可使用几种不同类型的准直仪来实现所希望的准直和投射效果。

在本发明的实施例中，使用具有低的轮廓的准直仪即“平的准直仪”可能有利。带有这种平的准直仪的照明单元的一个示例在图2a和2b中示出，其中，红色LED 21、绿色LED 22和蓝色LED 23中的每一个分别设有单独的准直仪24、25和26。

优选LED控制器7是能够独立控制由照明设备中的每个LED发射的光的强度的LED控制器。或者，这种LED控制器可包括两个或更多配合LED控制器的网络，且每一个控制设备中的这些LED的子部分，但共同起到一个LED控制器的作用。

这种LED控制器可通过不同的寻址方法来控制单个LED，例如，本领域中熟练的技术人员会明白的主动和被动矩阵寻址，但并不仅限于此。

在本发明的实施例中，这种LED控制器能够接收表示图案的数据并将这种数据处理成用于设备的每个LED的单独的控制信号，以将这种图案投射在设备的光束路径中的表面上。

图案数据可有利地将相同分辨率的像素化图像表示为照明单元阵列的分辨率，其中，在所接收的图像中的每个像素表示由相应的照明单元发射的光的颜色和/或强度。

在本发明的实施例中，表示图案的数据图像帧，这种图像帧包括视频序列。用于LED的开关反应时间非常短暂，因此，与常规的数据投影仪相比，可将由这种照明设备所投射的图案每秒钟更新几次，以在所照明的表面上投射视频序列。

在本发明的实施例中，照明设备设有或连接到数据提供者，这种数据提供者向控制器提供表示投射到表面上的图案的数据。

认为几个这种数据提供者适于用在本发明中，包括预定图像、图案或视频序列的提供者以及交互数据提供者，如包括不同类型的传感器的提供者。

传感器的示例包括但并不仅限于移动检测器、温度传感器、照相机、光传感器和麦克风等，其中，来自传感器的对所感测的性能中的变化的反应导致由照明设备发射的光图案的变化。

在一个示例中，如图3示意性地示出的那样，将照相机31连接到图像处理器32，图像处理器32接着连接到LED控制器33，LED控制器33控制照明设备34。

照相机31向图像处理器32连续提供照明设备34的光束路径中的区域的画面。由照相机捕获的图像由图像处理器进行分析。在从图像或从图像序列提取的数据的基础上对所显示的图案进行适应性调节并产生预定图案或图案序列。

在一个示例中，图像处理器32可检测某种物体35在光束路径中的出现。这就触发图像处理器32向控制器33发送表示照明图案的数据，以在这种照明图案由照明设备34投射以将物体35所处的表面照明时将物体35照亮。

这种用途的一个示例是布置在会议桌上方以将会议桌照明的本发明的照明设备。在将纸张放在桌上的某个区域时，照相机和图像处理器检测纸张的出现和位置并向LED控制器发送数据，以将纸张所处的会议桌的区域照亮。

图像处理器还可能够检测移动并使来自照明设备的照明图案适合于这种移动。

在另一个示例中，图像处理器适合于识别不同的物体并根据正在识别的物体向控制器提供不同的数据。

在一个示例中，当检测到曲棍球出现在表面上时，照明源尝试用光束跟随曲棍球的移动。

在另一个示例中，在照明设备的光束路径中检测特定形状如立方体形状的物体，而且这会引起照明设备根据这种立方体的姿态改变行为。

在再一个示例中，对位于表面上的杆的方向和/或位置进行检测，且所投射的照明图案的颜色根据杆的方向和/或位置改变。

再一个示例中，通过如面部表情的图像分析、声音分析或通过测量心率等对人的情绪进行检测，且在这种结果的基础上对图案进行适应性调节。愉快的面部可使光转变成黄色并增强表现在面部上的情绪，而悲伤的面部将光转变成蓝色或启动明亮而闪烁的照明脚本以改进表现在面部上的情绪。

本发明中的照明设备通常包括布置在任何类型的基板或面板上的照明单元。

在本发明的实施例中，这些照明单元布置在基本上平的面板上，以按照基本上沿着基板的表面的法线的方向平行发射光，以将大小次序与照明设备相同的区域照明。

在本发明的其它实施例中，这些照明单元布置成发射光，以使从照明设备的光的总体发射形成发散束，从而将在实质上大于照明设备的区域的区域照明。在一个示例中，这些照明单元以矩阵布置在凸形面板上，且将每个特定的照明单元布置成以平行于在该特定照明单元的位置的面板表面的法线的方向发射光。

通常可将本发明中的照明设备设计成布置在天花板中或吊在天花板上，并将位于天花板下面或上面的表面照明。不过，还可将这种照明设备设计成布置在墙壁上和/或将墙壁或其它任何表面/物体照明。

本发明中的照明设备通常可用在室内环境中，如商店、办公室或交通工具中，交通工具如公共汽车、小汽车、飞机或火车。不过，本领域中熟练的技术人员也会明白在其它领域中的用途。

本领域中熟练的技术人员会认识到，本发明决不仅限于前面所描述的优选实施例。相反，在所附的权利要求书的范围内可进行许多修改和变化。例如，高强度发光二极管在活性状态时散出许多热。因此，提供本发明中的照明设备的良好的通风可能会是有利的。这样，在本发明的实施例中，照明设备可具有位于基板的前部至后部的开口，这些开口朝向所照明的表面，以提供通风。或者，照明设备可包括分开的多个分离基板，如照明单元的每排或每列一个基板，以允许这种设备的通风。

在前面所提及的实施例中，能够由照明设备照明的区域基本上是矩形场。不过，正如本领域中熟练的技术人员会明白的那样，也可获得其它形状的场，如基本上呈圆形、椭圆形或三角形的场。

Claims (10)

1.一种照明设备，所述照明设备用于将所要观察的像素化照明图案投射在面向所述设备的表面上，所述照明设备包括多个照明单元(1)和用于控制来自所述这些照明单元(1)的光的发射的控制器(7)，其中每个照明单元包括至少一个发光二极管(3、4、5、6)，

其中所述照明单元(1)可由所述控制器(7)独立控制且每个发光二极管(3、4、5、6)负责有限的图案区域部分，并且

其中所述照明设备还包括准直装置(8)，所述准直装置(8)布置成接收由所述照明单元(1)中的每一个发射的光，并将所接收的光的至少一部分准直并投射为用于所述照明单元中的每一个的分离光束。

2.如权利要求1所述的照明设备，其中：所述照明单元(1)至少包括第一颜色的可单独控制的第一发光二极管(3)和第二颜色的可单独控制的第二发光二极管(4)。

3.如权利要求1或2所述的照明设备，其中：所述发光二极管(3、4、5、6)布置成以小于20°的准直角度发射光。

4.如前面的权利要求中的任何一项所述的照明设备，其中：相邻的两个照明单元之间的距离大于1mm。

5.如前面的权利要求中的任何一项所述的照明设备，其中：所述控制器(7)能够接收表示像素化照明图案的数据并能够对所述这些照明单元进行控制，以将所述图案投射到所述表面上。

6.如权利要求5所述的照明设备，其中：表示像素化照明图案的所述数据被包括在表示视频序列的数据中。

7.如权利要求5或6所述的照明设备，包括用于向所述控制器(33)提供表示像素化照明图案的所述数据的数据提供者。

8.如权利要求7所述的照明设备，其中：所述数据提供者包括传感器(31)和处理单元(32)，将所述处理单元(32)布置成从所述传感器(31)接收数据并将所接收的数据处理成表示像素化照明图案的数据。

9.如权利要求7或8所述的照明设备，其中：所述数据提供者选自由照相机、光传感器、温度传感器、移动传感器和麦克风所组成的组。

10.如前面的权利要求中的任何一项所述的照明设备，其中：所述照明单元布置在支架的第一侧面上，所述支架具有第一侧面和相对的第二侧面，且所述支架包括从所述第一侧面至所述第二侧面的通风口。

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