CN101878392B - 照明系统 - Google Patents

Abstract

一种照明系统包含：一光源，用以将电力转换成一光束，其具有例如强度、色彩、色温、方向与光束圆锥角的照明特性；一控制装置，用以调整该光束的照明特性；至少一超声波发射器，用以发射多个超声波信号；多个隔开的超声波接收器，用以接收反射的多个超声波信号；以及一处理装置，用以为各该接收器判断来自该至少一发射器的这些发射信号之间的时间差的多个飞行时间信号，以及来自该接收器接收的反射的多个超声波信号，并用以根据各该接收器的这些飞行时间信号的组合来将多个控制信号传递至该控制装置。

Description

照明系统

技术领域

本发明是有关于一种包含光源与控制装置的照明系统，其中光源将电力转换成具有例如强度、色彩、色温、方向与波束圆锥角等特性的光束，而控制装置用来调整光束特性。

背景技术

人们熟知灯光特性的调整是能经由遥控器(Remote Controller，RC)来达成。遥控器的缺点在于其必须在正确位置上遥控才能改变灯光特性。然而亦有很多不同的遥控器已经出现于客厅中以供TV、音响、VCR、CD/DVD、游戏机、记录器等不同设备使用。使用者也可能会对众多遥控器上的不同按钮有所混淆，在使用上极为不方便。甚至遥控器与其专属的接收器会造成设备成本的增加。

再者，已知有通过使用摄影机与移动检测软件来控制的电器装置，其中使用者可通过在照相机的前面摆出手势来控制电器装置。然而这些系统需要高负载处理功率，具有相当长的反应时间，且是相当昂贵的。

另外，W02006/056814说明一种照明系统，其包含光源与控制装置，控制装置包含红外线发射器、红外线接收器及透镜。控制装置测量反射的红外光的强度，并依其强度反应以改变光源亮度。依此方式，可对光源通电或断电，并可通过在红外光光束中的手部移动而将光源调暗。然而，这一种配置是相当昂贵且其控制动作具有极大的不正确性，因为反射的红外线信号的强度大幅取决于在波束中移动的物体的种类，且红外线会受到周遭物体所影响而发散，使得接收器收到的红外线信号不正确，导致灯光控制异常。

此外，在现有的照明应用上，一般需求皆是将整个房间全部照亮。但在多数情况下，只有房间的一小部分需要被照明，因此其能源利用效率并不佳。再者，在现有的照明应用上，是以一种机械方式来达成光束聚焦(集中照明)与光束位置偏离(移动照明方向)，其并不具有弹性且易受机械故障的影响。

有鉴于此，有必要发展出一种易于使用的照明控制系统，以改善上述存在的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种照明系统，对使用者及其环境呈现安全与舒适性，且有更强健、能源效率高、易于使用及/或弹性特征，并具有改良的便宜可靠且易于使用的照明用的控制系统。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种照明系统包含：一光源，用以将电力转换成一光束，其具有例如强度、色彩、色温、方向与光束圆锥角的照明特性；一控制装置，用以调整该光束的照明特性；至少一超声波发射器，用以发射多个超声波信号；多个隔开的超声波接收器，用以接收反射的多个超声波信号；以及一处理装置，判断这些发射的超声波信号与这些接收器接收的超声波信号之间的时间差的多个飞行时间信号，并根据各该接收器的这些飞行时间信号的组合来将多个控制信号传递至该控制装置。

依据本发明的一个实施例，处理装置决定哪些接收器在一预定周期之内会接收具有超过一预定阈值的振幅的一反射超声波信号，且根据前述判断结果来将控制信号传递至控制装置。

依据本发明的另一个实施例，照明系统包含：至少一超声波发射器，用以发射超声波信号；多个隔开的超声波接收器，用以接收反射的超声波信号；以及一处理装置，为每一个接收器判断来自前述至少一发射器的发射信号及所接收的反射超声波信号之间的时间差的飞行时间信号，并根据每一个接收器接收到的飞行时间信号的组合来将控制信号传递至一控制装置。每一个接收器所接收到的飞行时间信号的组合，是超声波信号反射在二维平面或三维空间中的物体位置的飞行时间信号的函数。

依据本发明的另一个实施例，照明系统包含：一超声波发射器，用以发射超声波信号；一超声波接收器，用以接收反射的超声波信号；其中超声波发射器及/或接收器安装于一可旋转载体上，以使发射器/或接收器与该旋转轴有一距离，其中提供一驱动装置以旋转载体；以及一处理装置，用以在旋转期间经由发射器于载体的多个角度位置重复传递一超声波脉冲，并用以在送出每个脉冲之后判断接收器在一预定周期之内是否接收具有超过一预定阀值的振幅的一反射超声波信号，且根据前述判断结果来将控制信号传递至控制装置。可旋转载体的转轴最好是在照明系统的光束之内且平行于光束。处理装置最好是被配置成用以于载体的至少3个、6个或至少12个角度位置上传递一超声波脉冲。

依据本发明的另一个实施例，照明系统包含：多个光源，这些光源是被配置形成同心多边形或圆形的至少一个内、外阵列，其中每对邻近的光源所发射的光束彼此重迭，其中该内阵列的光源所发射的光束是互相平行，其中该外阵列的光源所发射的光束与照明系统的一中央轴线成一角度，且其中该照明系统包含一控制装置，用以单独调整各个光源的光强度。

附图说明

图1显示利用超声波收发器测量飞行时间的波形示意图；

图2为照明系统及其控制系统的概要立体图；

图3为显示于图2的系统中的手部移动及其飞行时间信号对时间的关系图；

图4为图2的照明系统的概要立体图；

图5为手部的平均尺寸的概要俯视图；

图6为显示波束半径对超声波波束角与垂直距离的三维图；

图7概要地显示手伸入与伸出波束的移动，以及其飞行时间信号对时间的相关图；

图8为超声波收发器与号角的概要剖面图；

图9与10图概要地显示本发明的电子硬件实施例；

图11为依据本发明的照明系统的立体图；

图12为本发明照明系统的第一与第三实施例的概要俯视图；

图13为显示在图12的照明系统中的超声波脉冲回音的时间图；

图14A-图14H概要地显示手在图12的照明系统中的移动；

图15显示本发明照明系统的第二实施例的立体图；

图16显示图15的照明系统的概要前视图与概要侧视图；

图17显示在图15的照明系统中旋转的超声波收发器的概要视图；

图18显示在图15的照明系统中的超声波脉冲回音的时间图；

图19与图20为本发明照明系统的第三实施例的概要视图；

图21A～C分别概要地显示LED阵列的照明系统的光束的聚焦与偏离；

图22显示照明系统的概要横剖面与底视图；

图23显示供图22的照明系统用的照明系统驱动器的概要配置；

图24A-1、图24A-2～图24G A-1、图24G A-2概要显示图22的照明系统的波束偏离过程；以及

图25A-图25E概要显示图22的照明系统的波束聚焦过程。

具体实施方式

为让本发明的内容能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

如图2所示，照明系统1包含一光源及一超声波发射器与超声波接收器，光源可包含多个发光二极管(LED)，而超声波发射器与超声波接收器可整合于一超声波收发器中，例如压电式超声波收发器。超声波收发器可设置于这些LED的中心。照明系统1亦内建有将收发器的信号转换成控制信号的一处理装置，以及用以调整光束特性的一控制装置。

如果超声波收发器被开启，则其将传递一超声波信号。如果一物体出现在超声波信号的路径上，则超声波信号将被物体反射并将被在照明系统内部的超声波收发器所接收。在传送与接收到反射的超声波信号之间的时间差将受到测量，该测量的时间称为飞行时间。如果在物体与照明系统1之间的距离改变了，则将测量出另一飞行时间值。物体被检测到的移动为一维移动(此物体必须停留在超声波圆锥波束中)。飞行时间的改变将被转换算成数字控制信号的改变。此种控制信号将进一步控制光束的特性，比如色彩、强度或色温等。

物体可能是使用者的手2。因此，手2的一维移动，诸如上/下或左/右方向(取决于照明系统的位置是水平或垂直置放)，可控制光束特性。

在商业上可得到的超声波发射器-反射器-接收器型式(TRR)的脉冲回音距离测量装置，是用来测量到最接近反射物体的距离。测量的时间代表超声波信号行进两倍的距离。传回的信号本质上遵循相同的路径回到位于靠近发射器的接收器。发射器与接收器位于相同装置中。接收器经过放大器传递这些反射信号(回音)至微控制器，其通过使用空气中的声音的速度，测定它们的时间以决定物体的距离。

如图1所显示，一种飞行时间测量是通过将测量的接收时间(图1中的R)减去信号的发射时间(图1中的T)而形成。此种时间距离信息将被转变成在微控制器中的二进制代码，并用以控制照明系统的特性。

在图2中，手2为障碍物/物体，而桌子、地板或天花板3为参考物。超声波收发器以圆锥波束4的型式传递超声波。如果从收发器到参考物的距离y为1.5公尺，则超声波波束4的总运行距离为2*y＝3公尺，而其飞行时间为8.7毫秒(于25℃的环境温度下)。如果从收发器到手的距离x为0.5公尺，则飞行时间为2.9毫秒。如果手部移动的控制级距(step)所需要的精度为2公分(0.12毫秒的飞行时间级距)，且控制的范围比如为64公分，则可有32个控制级距，其允许5位控制。超声波发射器可比如发射40kHz频率的声音。超声波的飞行时间(典型的距离是在0.2与2公尺之间)可以以ms(毫秒)而非以毫微秒/奈秒(ns)的单位测量，因此超声波收发器可利用低成本的处理设备来达成简单与正确的测量。此外，压电式超声波收发器很便宜，所以本发明的照明系统可利用很低的成本来生产。

如图3所示，控制信号是通过手2朝超声波波束4的一维垂直方向移动而产生。在T1＝1秒时，手2在波束4外部，因此参考值会被测量，且此时照明系统控制是失效的(阶段A)。在T2＝2秒时，手2移动进入波束4中，且被保持于该处持续1秒以上，直到在T3＝3秒时，照明系统控制被微控制器所致动(阶段B)为止。接着，在T3＝3秒与T5＝5秒之间，手2向上移动，借以使比如照明系统1的强度根据微处理器产生的控制信号变化而增加(阶段C)。在T6＝6秒时，手2从波束4撤出，因此参考值会再次被测量，并借以使照明系统控制失效(阶段D)。此外，如显示于T7＝7秒，若手2意外地在超声波波束4中移动，其并无法启动照明系统控制，因此照明系统并不会被意外调整(阶段E)，因为在照明系统中，物体需保持在超声波波束4中持续1秒以上，产生如阶段B的控制信号，才能启动照明系统控制。

超声波波束4的圆锥角对提供可靠的手部控制是很重要的。在图4中，于参考位置的波束半径为r，手部位置的波束半径为rh。在照明系统特性的控制期间，较佳地，平均波束半径应该几乎等于平均手部形状的一半长度，如图5所示。如果总控制范围在X/2左右(对应用于照明系统/桌而言)，则在照明系统特性的控制期间，则最小检测波束半径约在Lh/2左右。举例而言：如果Lh＝150厘米且X＝1.5公尺，则超声波波束角θ应该是11度。垂直距离X、超声波波束角与波束半径之间的函数关系显示于图6中。如图7所示，如果手2在狭小超声波圆锥4中，则将可执行照明系统控制。宽广超声波波束角的缩小与超声波收发器5的声压电平(SPL)的增加可通过号角(horn)6而达成，如图8所示。号角6也使反射的超声波信号的接收角度变窄，因此不会接收到各种方向的杂乱讯号。

理想上，超声波控制的照明系统易于大量生产，所需的只是低成本组件，并具有小尺寸。为了将光源的成本减至最小并具有控制所有像色彩、强度等等的可能的照明参数的可能性，是将用以执行控制功能所需要的电子电路(例如处理装置、超声波传感器)整合于光源模块外壳中。用来作手势控制的微处理器亦整合于LED控制微处理器中，以减少更多的成本。

在一较佳实施例中，本发明照明系统包含：一LED驱动器与一脉冲宽度调变器，其被配置成用以调整光束特性；一数字模拟(DA)转换器、一超声波驱动器以及一超声波发射器，用以将一数字发射信号转换成一超声波脉冲的传输；一超声波接收器与一放大器，用以接收反射的超声波信号并将超声波信号变换成一电压，以及一比较器，用以在电压大于一预定阀值的情况下产生一数字接收信号；一处理装置，用以推导出表示在数字发射与接收信号之间的时间差的一飞行时间信号，并根据飞行时间信号来传递控制信号至控制装置；此外处理装置分析飞行时间信号的动态行为，并根据动态行为从多个型式的控制信号中选择一种型式的控制信号传递至控制装置，其中每个型式的控制信号控制这些照明特性的其中一个不同的特性。

参考图9，如上所述，微控制器13传递一数字脉冲信号至超声波收发器5的超声波发射器，该发射器包含一超声波驱动器与一超声波发送器，当超声波发射器接收到数字脉冲信号后，超声波驱动器使超声波发送器发送超声波信号。数字脉冲信号是通过微控制器13的控制部13A而产生，并通过微控制器13中的DA转换器17而转换成一电性脉冲，此种脉冲将被预处理器10中的放大器18放大(更详细显示于图10中)成可被超声波发射器部所使用的数值。然后，超声波收发器5传递一超声波信号(比如于40kHz的频率下)，而物体将反射此种超声波信号。超声波收发器5具有一超声波接收器与一接收超声波放大器，用以接收反射的超声波信号并将超声波信号变换成一电压，及一比较器，当电压大于一预定临界值时，产生一数字接收信号，预处理器10接收经由超声波收发器5接收数字接收信号，为了减少外部扰动的影响，信号是被比如20kHz的二阶高通滤波器11所过滤，以从接收的信号中滤除低频信号。在过滤之后，信号是被预处理器10中的放大器12放大。较佳地，超声波驱动器、接收超声波放大器与二阶高通滤波器11是整合于预处理器10中。

微控制器13包含一比较器14，其从由预处理器10(其可被微控制器13处理)所接收的电性信号建立一数字脉冲信号。微控制器13为一处理装置，可推导出在该数字传输与接收信号之间的时间差的一飞行时间信号，并依据该飞行时间信号将一控制信号传递至一脉冲宽度调变器20，信号经过调变后送至LED驱动器19以驱动LED 21。微控制器13更包含LED驱动器部13B与微控制器的控制部13A，而LED驱动器部13B具有连接至LED驱动器19的脉冲宽度调变器20以及共享的ROM 15与RAM 16的一部分。较佳地，该微控制器13、该脉冲宽度调变器20、该数字模拟转换器17以及该比较器14是整合于单一微控制器芯片中。

驱动LED的微控制器13为已有技艺所熟知的，但其可更进一步被程序化以执行如上所述的控制功能。微控制器13可以是简单的处理器，比如属于单芯片8位8051/80C5微控制器家族，最好是包含小型随机存取内存(Randon Access Memory，RAM)与只读存储器(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。

当照明系统具有多个LED 21时，微控制器13可个别地调整每一个LED21的强度。在调整光强度时，使在一假想平表面上的这些光源的总结合的光通量维持实质上相等。或者，通过调暗及/或调亮LED 21使被通电的光源组合光束的直径平稳地增加或减少。同样地，微控制器13通过调暗与调亮LED 21的强度，使被通电的光源的组合光束的方向平稳地从第一方向移动至第二方向。

图11显示依据本发明的照明系统，其包含具有标准白炽灯型配件的一外壳，配置成环状的十个LED 21，以及在一号角6中的一超声波收发器5。另外，像是超声波收发器5、微控制器13、预处理器10与LED驱动器19等所有电子组件皆内建于外壳23中。而连接部22可制成与一般灯泡灯座兼容的结构，借此，可以提供一种小型与简易安装的照明系统。

现在参考图12-图18，其说明一种延伸的照明系统，其允许在XY平面中通过手势(例如手部位移)来控制照明特性，XY平面垂直于Z轴，且Z轴延伸为照明系统光束的轴线。XY平面方向的手势控制可与上述单纯Z方向的飞行时间的手势控制方法结合。举例而言，可朝某个方向通过手部移动来拉动或推动光束。又，比如通过手部移动作圆形动作，亦可能进行照明控制。通过另外使用如上所述的飞行时间的判定，可达成两种照明控制的组合，例如光束偏离与光强度可同时受到控制。或者，可使用在XY平面中的手势来切换所欲控制的照明特性，例如从控制一种照明特性切换至另一种照明特性。

第一实施例请参考图12-图14。依据图12，照明系统1设有配置成三角形的三个压电超声波收发器5，超声波波束的轴线平行于光束4的轴线并在光束4中延伸。XY平面中的手2的位置通过三个收发器5个别检测所决定或此位置通过一个收发器5相继传送一超声波脉冲而决定。三个收发器5会判断在每个脉冲被送出之后是否有接收到反射的信号。由这种相继传送与平行接收方法所决定的物体位置，会被换算成为一种二进制代码。从这种码中可以决定物体的XY位置，并可将这种码换算成为照明控制指令，像是光束偏离或其它像是色彩、强度、聚焦等等的照明控制。

图13为第一实施例的控制方法的时间图。三个收发器在三个时间间隔t0、t1与t2接续传递超声波信号。三个收发器将判断是否接收到一超声波回音信号，以判断手2的位置。在图13中，一虚线区块表示所接收的回音信号强度在一预定阀值以下，而回音信号给定为数值0。如果回音信号强度等于或在阀值之上，则回音信号给定为数值1。这种回音信息如表1所示。

表1：相继传送与平行接收方法的信息的例子

这种二进制信息通过下述方程式而换算成为XY平面中的位置：

$x=\underset{p=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(T_{p+1}{)}_p\·[\underset{k=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(R_{k+1}\right)}_p\·({\mathrm{Wx}}_{k+1}{)}_p]$

$y=\underset{q=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(T_{q+1}{)}_q\·[\underset{m=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left(R_{m+1}\right)}_q\·({\mathrm{Wy}}_{m+1}{)}_q]$

于此，n为收发器的总数

Wx与Wy为加权系数

k与m为收发器指数

X与Y数值决定手2在XY平面中的实际位置。如果手2正移动至一某个方向，则X、Y值会跟着改变。因此，从这些数值可得知手部位移方向。如果手2在X或Y方向或两者中的控制范围的外部移动，则数值会被固定至常数值。手2的移动方向与距离及/或其实际位置将被换算成为照明控制指令，例如控制光束在某个XY方向中的偏转动作。

手一般不会呈现为一平面，其会导致波束散射效应。为了减少散射对测量结果的影响，最好是将一号角(horn)置放于收发器上，该号角具有如10度的波束角度。使用10度号角的一项额外优点为可送出具有更高的声音压力电平的信号。

图14A-图14H显示为手2位于8个不同的XY平面位置的例子，而针对每个位置与其每个收发器所产生的二进制数值的表格显示如下。

表2a(图14A，位置1)：X＝0、Y＝-0.5

表2b(图14B，位置2)：X＝-0.5、Y＝-0.5

表2c(图14C，位置3)：X＝-1、Y＝-0.5

表2d(图14D，位置4)：X、Y检测范围外

表2e(图14E，位置5)：X＝0、Y＝-0.5

表2f(图14F，位置6)：X＝+0.5、Y＝-0.5

表2g(图14G，位置7)：X＝+1、Y＝-0.5

表2h(图14H，位置8)：X、Y检测范围外

现在参考图15-图18，其将说明用以决定在XY平面中的手部位置的第二实施例。此方法与上述方法相比，其区别在于只使用单一个超声波收发器5，其在照明系统周围绕其中央轴线旋转，使物体的定位可在收发器5的一次回转中达成。

依据图15与图16，照明系统1包含一阵列的LED 21与安装于一旋转莰齿轮(cogwheel)30上的一压电超声波收发器5，收发器5沿着照明系统1的周围旋转移动。莰齿轮30被另一个小莰齿轮31所驱动，而莰齿轮31连接至一步进马达32。将手2设置于收发器5的检测范围时，将启动收发器5的旋转。收发器5的旋转速度高于在XY平面中的手部的移动速度。举例而言，如果收发器5的旋转速度为4Hz，则收发器的一次回转所需要的时间为250毫秒(ms)，在这个期间之内，手2将不会大幅移动，可准确检测手2的位置。

为了决定收发器5的位置，一参考收发器位置由一阻隔滤波器33所定义，当收发器5移动到此位置时，超声波信号将被滤波器33所阻挡，因此会立刻接收到反射的超声波信号，当判断飞行时间过短时便可得知已经移动到该参考位置。决定参考位置的参考校准可在一次收发器的回转中被决定。收发器5的位置通过从收发器5发射一超声波脉冲并判断是否接收一反射的信号而决定，然后，旋转收发器5至下一个位置并重复这个步骤，直到于所有位置达成这样的判断为止，如图17所示。较佳地，收发器5在至少3个、6个或至少12个角度位置上传递一超声波脉冲，以更精确检测物体位置(如图17虚线所示)。

在图18中，其提供上述控制方法的时间图。收发器在例如12个时间间隔t0、t1…t11相继传递超声波信号(T0…T11)。于每个步骤，收发器5将判断是否接收回音信号(R0…R11)，其取决于手2的位置。在图18中，虚线区块表示所接收的回音信号强度在预定阀值以下，且回音信号被给定为数值0。如果回音信号强度等于或在阀值之上，回音信号则被给定为数值1。这种回音信息的一例显示于表3中。

表3

时间	发射器T	接收器R
			t＝t0	T0＝1	R0＝1
t＝t1	T1＝1	R1＝1
			t＝t2	T2＝1	R2＝1
t＝t3	T3＝1	R3＝1
			t＝t4	T4＝1	R4＝0
t＝t5	T5＝1	R5＝0
			t＝t6	T6＝1	R6＝0
t＝t7	T7＝1	R7＝0
			t＝t8	T8＝1	R8＝0
t＝t9	T9＝1	R9＝0
			t＝t10	T10＝1	R10＝0
t＝t11	T11＝1	R11＝1

这种二进制信息可通过下述方程式而被换算成为在XY平面中的位置：

$x=\underset{p=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{T}_p\·R_p{\·\mathrm{Wx}}_p$

$y=\underset{p=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{T}_p{\·R}_p\·{\mathrm{Wy}}_p$

于此，n为在一次收发器回转期间测量的总数

Wx与Wy为加权系数

在相比较于参考位置的测量期间，加权系数值取决于收发器5位置。

现在参考图19-图20，其将说明用以决定在XY平面中的手部位置的第三实施例。

依据图19与图20，照明系统1设有两个压电超声波传感器5，其中一个传感器为收发器(包含发射器T1及接收器R1)，而另一个传感器为接收器R2，收发器所发射的超声波波束平行于光束4并在光束4中延伸。或者，为了达到更正确的结果，可应用更多传感器，比如三个收发器配置成三角形，如图12所示。XY平面中的手2的位置通过这些收发器5得到的飞行时间而决定。原则上，此实施例只需要一个发射器以传递一超声波脉冲，以及需要两个接收器以决定超声波信号的飞行时间。

物体的位置通过结合两个以上的接收器的飞行时间测量而决定。为了达成可靠的判定，在超声波传感器之间必须有一定的距离。比如当飞行时间测量的精度为2公分时，为了准确判定距离收发器1公尺位置的物体，两个超声波传感器之间的距离必须至少为28公分。此外，超声波波束角度也必须够高，才能得到可靠的测量。

物体位置的判定及计算将由以下实施例所得到。

例1：若传感器的数目为两个，其中一个为超声波收发器，另一个为超声波接收器。

在XY平面中的距离可计算如下：

$v_{\mathrm{air}}\·{\left({\mathrm{TOF}}_{T1\_R1}\right)}_{t=t0}=\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2}+\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2}=a$

$v_{\mathrm{air}}\·{\left({\mathrm{TOF}}_{T1\_R2}\right)}_{t=t0}=\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2}+\sqrt{{(x_0-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2}=b$

其中，Vair为于室温下的声音速度，约为344公尺/秒。

为了简化计算，如图20所示，传感器设置于XY平面中，且两者都在X轴上且位于同一Y轴上。其中，两传感器之间的距离d。利用这些假设，发射器与接收器的新坐标变成：

接收器：R1＝(0，0)

        R2＝(d，0)

发射器：T1＝(0，0)

利用新坐标，上述表达式变成更加容易处理：

对t＝t0而言：

$a=2\·\sqrt{{\left(x_0\right)}^2+{\left(y_0\right)}^2}\⇒\sqrt{{\left(x_0\right)}^2+{\left(y_0\right)}^2}=\frac{a}{2}$

$b=\sqrt{{\left(x_0\right)}^2+{\left(y_0\right)}^2}+\sqrt{{(x_0-d)}^2+{\left(y_0\right)}^2}$

物体位置x0、y0于t＝t0将是

${\left(x_0\right)}_{t=t0}=\frac{(\frac{a^2}{2}+d^2-b^2-a\·b)}{2\·d}$

${\left(y_0\right)}_{t=t0}=\sqrt{{\left(\frac{a}{2}\right)}^2-{\left({\left(x_0\right)}_{t=t0}\right)}^2}$

于t＝t0时的位置被使用作为手的初始位置。

于另一时间t＝t1，将重复相同的测量，用以检测物体的移动距离方向。

移动方向被计算如下：

Δx＝(x₀)_t＝t0-(x₀)_t＝t1

Δy＝(y₀)_t＝t0-(y₀)_t＝t1

如果Δx为正，则手朝左方移动，如果Δy为正，则手朝向下方向移动。这种位置改变可被换算成为一种二进制代码，并用来控制照明特性，比如在物体移动朝向西南方向时，使照明光束往相同方向移动。

例2：为了能决定物体在z方向中的位移，又包含额外收发器。在z方向中位移的判定可用于额外选单控制。于此例中，在系统使用一个发射器与三个接收器，如图12所示的配置位置，或使用一个收发器与两个接收器来替代。其检测位置的基本原理与例1相同。

从发射器至物体(手)与从物体至三个接收器的距离计算可通过下述方程式而执行：

$v_{\mathrm{air}}\·{\left({\mathrm{TOF}}_{T1,R1}\right)}_{t=t0}=\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}+\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2+{(z_0-z_1)}^2}$

$v_{\mathrm{air}}\·{\left({\mathrm{TOF}}_{T1,R2}\right)}_{t=t0}=\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}+\sqrt{{(x_0-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2+{(z_0-z_2)}^2}$

$v_{\mathrm{air}}\·{\left({\mathrm{TOF}}_{T1,R3}\right)}_{t=t0}=\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}+\sqrt{{(x_0-x_3)}^2+{(y_0-y_3)}^2+{(z_0-z_3)}^2}$

以上为具有3个未知数的3个方程式。此外物体的初始位置为：(x0)t＝t0、(y0)t＝t0、(z0)t＝t0。于t＝t1时重复这些测量与计算，用以检测物体的移动距离与方向，其将得出(x0)t＝t1、(y0)t＝t1、(z0)t＝t1等。

移动方向的计算方式如下：

Δx＝(x₀)_t＝t0-(x₀)_t＝t1

Δy＝(y₀)_t＝t0-(y₀)_t＝t1

Δz＝(z₀)_t＝t0-(z₀)_t＝t1

如果Δx为正，则物体朝左方移动，如果Δy为正，则物体朝拉出方向移动，而如果Δz为正，则物体朝向下方向移动，因此，物体移动朝向西南-向下方向(在XYZ空间中)。这种位置将被换算成为二进制代码，并用来控制照明特性。比如于此情况下，在物体朝向西南方向时，使照明光束往相同方向移动。

这种位置信息的使用的另一例为：物体在XY方向中的移动控制照明光束移动的方向，而在Z方向中的移动控制照明光束移动的大小。

例3：于此例中，系统具有三个收发器。这提供从不同的发射器位置测量物体位置三次的可能性。

首先，于t＝t0，发射器T1传递超声波信号至物体。信号将被物体反射，并被三个接收器(R1、R2、R3)所接收。

$v_{\mathrm{air}}\·{\left({\mathrm{TOF}}_{T1,R1}\right)}_{t=t0}=\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}+\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2+{(z_0-z_1)}^2}$

$v_{\mathrm{air}}\·{\left({\mathrm{TOF}}_{T1,R2}\right)}_{t=t0}=\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}+\sqrt{{(x_0-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2+{(z_0-z_2)}^2}$

$v_{\mathrm{air}}\·{\left({\mathrm{TOF}}_{T1,R3}\right)}_{t=t0}=\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2}+\sqrt{{(x_0-x_3)}^2+{(y_0-y_3)}^2+{(z_0-z_3)}^2}$

以上3个未知数的3个方程式经过计算后，可得知t0时物体的位置为：[(x0)t＝t0]T1，[(y0)t＝t0]T1，[(z0)t＝t0]T1。

于t＝t1，发射器T2传递超声波信号至物体。信号将被物体反射，并将被三个接收器所接收。

$v_{\mathrm{air}}\·{\left({\mathrm{TOF}}_{T2,R1}\right)}_{t=t1}=\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2+{(z_2-z_0)}^2}+\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2+{(z_0-z_1)}^2}$

$v_{\mathrm{air}}\·{\left({\mathrm{TOF}}_{T2,R2}\right)}_{t=t1}=\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2+{(z_2-z_0)}^2}+\sqrt{{(x_0-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2+{(z_0-z_2)}^2}$

$v_{\mathrm{air}}\·{\left({\mathrm{TOF}}_{T2,R3}\right)}_{t=t1}=\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2+{(z_2-z_0)}^2}+\sqrt{{(x_0-x_3)}^2+{(y_0-y_3)}^2+{(z_0-z_3)}^2}$

以上3个未知数的3个方程式经过计算后，可得知t1时物体的位置为：[(x0)t＝t1]T2，[(y0)t＝t1]T2，[(z0)t＝t1]T2。

于t＝t2，发射器T3传递超声波信号至物体。信号将被物体反射，并被三个接收器所接收。

$v_{\mathrm{air}}\·{\left({\mathrm{TOF}}_{T3,R1}\right)}_{t=t2}=\sqrt{{(x_3-x_0)}^2+{(y_3-y_0)}^2+{(z_3-z_0)}^2}+\sqrt{{(x_0-x_1)}^2+{(y_0-y_1)}^2+{(z_0-z_1)}^2}$

$v_{\mathrm{air}}\·{\left({\mathrm{TOF}}_{T3,R2}\right)}_{t=t2}=\sqrt{{(x_3-x_0)}^2+{(y_3-y_0)}^2+{(z_3-z_0)}^2}+\sqrt{{(x_0-x_2)}^2+{(y_0-y_2)}^2+{(z_0-z_2)}^2}$

$v_{\mathrm{air}}\·{\left({\mathrm{TOF}}_{T3,R3}\right)}_{t=t2}=\sqrt{{(x_3-x_0)}^2+{(y_3-y_0)}^2+{(z_3-z_0)}^2}+\sqrt{{(x_0-x_3)}^2+{(y_0-y_3)}^2+{(z_0-z_3)}^2}$

以上3个未知数的3个方程式经过计算后，得知物体t2时的位置为：[(x0)t＝t2]T3，[(y0)t＝t2]T3，[(z0)t＝t2]T3。

为了得到物体的更可靠的位置，可计算于t＝t0、t＝t1与t＝t2的三个测量的平均值。因为物体定位的取样频率比物体移动速度来的高很多，因此可得到可靠的物体位置。

${\left(x_0\right)}_{\mathrm{ta}}=\frac{{\left[{\left(x_0\right)}_{t=t0}\right]}_{T1}+{\left[{\left(x_0\right)}_{t=t1}\right]}_{T2}+{\left[{\left(x_0\right)}_{t=t2}\right]}_{T3}}{3}$

${\left(y_0\right)}_{\mathrm{ta}}=\frac{{\left[{\left(y_0\right)}_{t=t0}\right]}_{T1}+{\left[{\left(y_0\right)}_{t=t1}\right]}_{T2}+{\left[{\left(y_0\right)}_{t=t2}\right]}_{T3}}{3}$

${\left(z_0\right)}_{\mathrm{ta}}=\frac{{\left[{\left(z_0\right)}_{t=t0}\right]}_{T1}+{\left[{\left(z_0\right)}_{t=t1}\right]}_{T2}+{\left[{\left(z_0\right)}_{t=t2}\right]}_{T3}}{3}$

这个位置(x0)ta、(y0)ta、(z0)ta为物体的初始位置。

这些测量与计算将于之后的时间tb(t3、t4、t5……)重复，用以检测物体的移动与移动方向，其将得出(x0)tb、(y0)tb、(z0)tb。

移动方向的计算方式如下：

Δx＝(x₀)_ta-(x₀)_tb

Δy＝(y₀)_ta-(y₀)_tb

Δz＝(z₀)_ta-(z₀)_tb

如果Δx为正，则物体朝左方移动，如果Δy为正，则物体朝拉出方向移动，而如果Δz为正，则物体朝向下方向移动。因此，物体移动朝向西南-向下方向(在XYZ空间中)。这种位置将被换算成为二进码，并用于照明控制目的，比如当物体于此情况下朝向西南方向移动时，使照明光束往相同方向移动，且同时根据向下方向的移动，比如光强度将被减少。

这种位置信息的使用的另一例为：物体在XY方向中的移动可控制照明光束移动的方向，而在Z方向中的移动可控制光束移动的大小。

参考图21-图25，其说明一种照明系统1能够在宽广范围与在小区域中进行照明光束的连续聚焦控制(图21A)与偏转(图21B与图21C)，而不需要移动照明系统1的任何物理部分。这种照明系统最好是与如上所述的XY平面手势控制系统结合，用以改变光束的方向或聚焦。

依据图22，照明系统1分为三个分离的环形部40A、40B、40C，每个环形部皆包含多个LED 21。这些LED 21可能是具有多种色彩，使照明系统能够选择多种色彩。虽然图上显示LED 21为多个圆形的阵列，但LED21也可以是以长方形或其它形状的多边形排列，较佳地，LED 21是以同心的多边形或圆形来设置。照明系统中央部40A包含设置在LED 21前面的塑料透镜41，用以聚焦中央光束。中间部40B包含一环状排列的LED 21而没有透镜。在中央部与中间部40A/B中的LED 21的照明光束是平行于照明系统的中央轴线。在第三部40C中，LED 21设置成与照明系统中央轴线成一角度，此角度在0与90度之间，比如为40度。照明系统具有一预定最小使用距离(比如1公尺)，在此距离上每个LED 21的照明光束会与其相邻的LED 21的照明光束互相重迭，因此可获得大范围连续照明的区域。

LED 21安装于金属外壳中，此金属外壳具有将三个群组的LED 21分离的壁面，且具有冷却LED 21温度的散热(heatsink)功能。

参考图23，如上所述的手势照明控制系统(或普通遥控器)会传递照明光束位置或聚焦指令至一微控制器。微控制器将这种信息换算成为必须选择哪些LED 21与每一个LED 21的强度的指令。一扩大器/选择器用来选择大量的驱动器1～n以及与其连接的LED 1～n，以个别的控制LED 1～n。

对一点光源而言，其察觉亮度B与测量照度E之间为一非线性关系：

$B=k\·\sqrt{E}$

如果在照明光束的控制期间，平均察觉亮度B要求保持固定，则平均照度E须是固定的。因此，在照明光束的控制期间，每单位面积投射在一表面上的总光通量会保持固定。

图24A-1、图24A-2～图24G-1、图24G-2概要地显示在图22的照明系统中的组合光束的方向如何平稳地从如图24A-1、图24A-2中的朝下方向改变成如图24G中的横向倾斜方向(较亮画线区表示较亮区域/LED，更密集地画线区表示较暗区域/LED)。为了执行这种控制指令，在照明系统中的微控制器逐渐改变个别LED的亮度，以获得平稳改变组合光束方向的效果。

图25A-图25E概要地显示在图22的照明系统中的组合光束的角度如何从具有如图25A中的大角度的宽阔波束平稳地改变成具有图25E中的小角度的聚焦波束。为了执行这种控制指令，在照明系统中的微控制器逐渐地改变个别LED的亮度，以获得平稳改变组合光束角度的效果。

本发明的所有上述实施例利用一种非常有效、便宜且可靠的方式来提供垂直于超声波波束的方向中通过手的手势来控制照明系统的可能性。如果反射物体(例如手)出现在波束中，则连续决定物体的位置，可借以达成照明系统的各种不同的特性的控制。这种控制机制适合作为切换目的用，比如控制从一种照明特性切换成另一种照明特性。此外使用者可在波束中移动其手的位置，以便控制光束的方向与控制光束角度的增广或变狭。

本发明的照明系统易于控制，并具有简单的使用者接口，其并不需要额外的设备(例如遥控器)，也具有坚固性、对于环境条件的独立性、控制移动的一维辨识以及其低处理功率需求。此外，超声波传感器更不会受到改变中的周围光线、温度与湿度条件的影响，使得照明系统不稳定。

综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当以权利要求书的保护范围所界定者为准。

Claims (7)

1.一种照明系统，其特征在于，包含多个光源，这些光源被配置形成同心多边形或圆形的至少一个内、外阵列，其中每对邻近的光源所发射的光束彼此重迭，其中该内阵列的光源所发射的光束是互相平行，其中该外阵列的光源所发射的光束与照明系统的一中央轴线成一角度，且其中该照明系统包含一控制装置，用以单独调整各个光源的光强度，一超声波发射器，用以发射多个超声波信号；一超声波接收器，用以接收反射的多个超声波信号；以及一处理装置，用以推导出表示在发射与接收的超声波信号之间的时间差的多个飞行时间信号，并依据飞行时间信号来传递多个控制信号至该控制装置，用以控制这些光源，其中该超声波发射器及该超声波接收器被设置在一旋转莰齿轮上并沿着该多个光源的周围旋转移动。

2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，包含一透镜，位于该内阵列光源的上方，用以聚焦该内阵列光源的光束。

3.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，包含至少一中间阵列的光源，其位在该内与外阵列光源之间且与该内、外阵列光源形成一同心多边形或圆形。

4.如权利要求3所述的照明系统，其特征在于，所述中间阵列光源所发射的光束平行于该内阵列光源所发射的光束。

5.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述光源为发光二极管。

6.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述光源包含于一个灯管外壳中。

7.如权利要求6所述的照明系统，其特征在于，所述灯管外壳包含一标准灯管配件。

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