发明内容
本发明的目的在于提供一种方向可控的照明单元,其便于进行方向控制,特别是自动方向控制。
根据本发明,由根据权利要求1所述的方向可控的照明单元、根据权利要求9所述的可控制的照明系统以及根据权利要求14所述的控制照明系统的方法来解决这个目的。附属权利要求书涉及本发明的优选实施例。
本发明者认识到现有的方向可控的照明单元和控制系统很少提供合适地用于自动方向控制的信息。因此,本发明的基本构思在于提供一种照明单元,其发出包括关于光发射方向的基本信息的光。但这应不削弱照明单元的基本操作和照明目的,而可由合适传感装置检测。
根据本发明的照明单元是方向可控的,且因此包括用于将光发射定向至不同方向的装置。如将在下文的具体描述中显而易见,这种光定向装置可被广泛地理解为涵盖适合于改变光发射方向的任何装置,例如,适于改变光轴的角度,其中光轴被定义为所发出的光射束或光束的强度中心。这种装置包括机械装置(例如,用于光源固定件的电机)、光学装置(例如,可旋转方位的透镜)以及电装置(例如,使用电压敏感的光学装置)。另外,根据本发明的优选方面,方向可控的照明单元还可包括面向不同固定方向的多个光源以及用于控制这些光源以改变相对强度的相应驱动装置,从而影响合成的总光发射方向。
另外,根据本发明,在照明单元处设有多个光源,这些光源被安置成发出定向光发射。这些光发射是不同的,即,它们的空间强度分布不同。具体而言,光发射在形状(例如,窄束/宽束)、方向(即,中心光轴的角度)或位置(例如,平行方向,但在各光轴之间有距离)中的至少一方面不同。所述光源(至少存在两个)中的每一个具有相关联的编码装置,该编码装置驱动光源使得从光源发出的光被调制成包含识别代码。选择识别代码使得其在照明单元的至少两个光源之间不同,且优选地在照明单元的所有被调制的光源之间是独特的,且最优选地,甚至在照明系统中的所有光源之间是独特的,其中这些所有光源包含一起位于共同光学范围内的多个调制光源。
通过提供这种调制的识别代码,从光源发出的光变成可由合适的观察者来辨别,即,具有解调所接收的光的能力的光学传感器。由于光源被安装成发出具有不同空间分布的光,关于观察者所接收到的那个光束(即,来自那个光源)的信息包含了关于方向可控的照明单元相对于观察者的方向的信息。
调制光源的光发射的空间分布可具有不同的形状或位置。当然,这种不同当然可由定位于光发射重叠位置的合适传感器来探测为不同强度。但是,为了获得关于方向可控的照明单元和观察者的相对方位的额外信息,优选地,它们被定向于不同方向。
在简单的实例中,如果照明单元具有指向右边的第一光源和指向左边的第二光源,识别所接收的光来自第一光源的观察者可从这点获悉这样的信息:即照明单元指向其左边。在观察者同时接收来自两个光源的光发射的情况下,对所接收的各光强度的比较可得到照明单元是否直接指向观察者(从而以相同强度接收来自两个光源的光)或者是否保留偏移的信息。
因此,根据本发明的照明单元可在很大程度上便于与自动控制照明单元方向相关的任何类型的控制任务的进行。
应强调的是在本文中术语“光源”用于向照明单元外部发光的任何装置。因此,带有例如两个各提供分离光束的不同光学系统(例如,透镜等)的中心发光器被认为是两个光源。另外,当然,每个光源的发射方向并非仅与(例如)电弧这样的发光元件相关,而且与用于生成定向光束的整个光学系统(诸如反射器、透镜、遮蔽物等)相关。
本发明具有各种优选、可选方面。发出调制光的光源可优选地为LED,其也适合于调制。调制光源可发出可见光,这些可见光可有助于或甚至构成用于照明目的的照明单元的完整光输出。调制光源的强度和/或光发射形状可大约相等,但其替代地也能具有不同的调制光源,诸如很明亮的主光源(例如,HID)和较低强度的辅助光源,例如,LED。
替代地,照明单元也能包括另外的光源,其可被调制或者不可被调制,这样的另外一或多个光源可为LED,但也可为在常规照明中使用的任何类型灯,诸如白炽灯、放电灯、荧光灯等。根据本发明的优选方面,提供相对高电功率(和相对应的高光输出)的至少一个主光源,而调制光源仅具有较低电功率(和较低光输出)。也可对主光源进行调制。从调制光源发出的光可甚至为红外光,因此其完全不对从照明单元发出的可见光做出贡献。
在本发明的另一优选方面,调制光源被布置成使得它们的方向均匀地分布于发射角度上(其可为在平面中的角度以及立体角)。在高功率主光源的情况下,优选地,辅助光源均匀地分布于主光源光束方向的周围。
根据本发明的另一优选实施例,方向可控的光源形成可控照明系统的部分。还提供一种光学传感器,其可布置于待由照明单元照亮的区域中。光学传感器优选地是便携式的(例如,手持)装置。光学传感器包括解调装置以解调识别代码,从而可辨别来自不同光源的识别代码。
另外,控制装置可具备到光学传感器和到照明单元的某种类型的连接(例如,缆线,诸如直接控制连接或电力线,以及无线,诸如无线电或红外)。控制装置基于从光学传感器所接收到的信息自动地控制照明单元的方向(通过在连接上驱动其定向装置)。
根据另一优选方面,控制装置确定照明单元的光发射方向与光学传感器的相对定位。从来自于这些光源中的光被接收的那个光源的解调识别代码通过识别来确定相对定位。优选地,来自至少两个被调制源的光由其代码来辨别且从其获悉另外的方向信息。这可表示(例如)具有方向敏感的光学传感器且可进一步表示从它们所觉察的方向来获悉关于每一个光发射的另外信息。而且,可通过比较所接收到的调制光(例如,通过比较所包含的调制代码的相位)来获悉另外的信息以估计相对角度。特别优选地,传感器提供光强度的测量且识别调制光部分的强度水平。在此情况下,可通过从这些调制光源中的更高强度被接收到那个调制光源来确定相对定位。当然,应当指出的是,在强度测量处理中,可优选地观察到路径损耗,而不是强度的绝对值,这在先验地已知不同调制光源具有不同输出功率的情况下特别如此。
根据本发明的另一优选实施例,控制装置以闭环操作来控制照明单元的方向,完成闭环操作的至少一圈。在每一圈,照明单元被驱动以改变方向,且然后根据评估标准来评估光学传感器的测量。举例而言,如果希望照明单元应直接指向光学传感器的位置,可从如上文所解释获得的照明单元与传感器未对准的可用信息来导出必需的方向变化。在此情况下,评估标准可为从照明单元接收到的光的所希望的最小强度,从调制光源接收到的光的相对强度的优选商(例如,接近1),或者适合于迭代优化程序的任何其它标准。
具体实施方式
图1示出方向可控的照明单元(发光体)10的第一实施例的侧视图。照明单元包括安装部件12和固定件14,固定件14可相对于安装部件12在电机驱动接头16中移动。
固定件14携带光源,在本实例中,光源包括主光源18和辅助光源20a、20b。主光源18发出绕中心光轴23的定向光束22(聚光),由合适的反射器(未图示)来实现其定向分布(立体角)。辅助光源布置于固定件14上以传播具有中心光轴26a、26b的定向光束24a、24b。辅助光源20a、20b的光发射24a、24b的空间强度分布不同。在所示优选实例中,其发射方向不同,即,光轴26a、26b以角度α布置。而且,辅助光源20a、20b的光发射24a、24b不同于来自主光源18的光发射22的方向,即,在辅助光源20a、20b的光发射的光轴26a、26b与主光源18的光发射22的中心光轴23之间存在角度β。
或者,也可能将辅助光源20a、20b以如图所示的距离布置,但向平行方向发光。作为另一替代,如果发射具有不同形状,例如,第一宽光束和第二窄光束,则发射可在相同方向,甚至具有共同光轴。
应当指出的是仅示意性地展现此处所示的可控制的照明单元10。未详细示出电机驱动接头16。照明单元的不同类型电机驱动的可移动安装是本领域技术人员本身已知的。
而且,在图1中,辅助光源20a、20b被展现为LED,而主光源18被展现为白炽卤素灯。应当指出的是,这些图示仅是举例说明,且特别是主光源18的类型可在可用光源之间做出相当不同的选择,诸如白炽灯、电弧放电灯、荧光灯以及高功率LED,只要它们适合于照明目的,即,提供足够高的强度以照亮特定区域(例如房间的部分)的可见光。而且,可存在被提供为主光源的多个光源,例如,LED阵列,多个白炽灯或者甚至不同类型光源的组合。
为了说明这些,在图5、图6中示出照明单元的另外的实施例。图5中示出照明单元的第二实施例,其与照明单元10的第一实施例的不同仅在于主光源18是电弧放电灯。通过使用合适的反射器(未图示),使所生成的光发射22特别窄。
在图6的另外实例中,示出照明单元的第三实施例,其中主光源18包括多个LED光源。在LED中每一个处的个别透镜形成光发射22从而形成相对较宽基本上平行的光束。
还应当指出的是在图1的实例中,照明单元的移动仅被示出为绕一个轴线(即,接头16的轴线)旋转。因此,移动可被描述为平面角γ,其可限定于主光源18的中心光轴23与水平方向之间的角度。虽然能提供如图所示仅在一个维度中可控制方向的照明单元10,本领域技术人员应清楚,当然,基本概念能扩展到多维移动,从而使得方向可由立体角而非平面角限定。当然,这也能应用于辅助光源20a、20b相对于彼此(在光轴26a、26b之间的角度)以及相对于中心光轴23的布置。
图2示出带有辅助光源20a、20b和主光源18的固定件14的简化示意图。提供电连接28以对所有三个光源18、20a、20b供应电能。但当主光源18永久地操作时,辅助光源20a、20b由调制驱动器电路30a、30b操作以发出调制光。
调制可为调制光源20a、20b的简单的开/关控制。由于能快速切换,LED非常适合于这种调制。
实行调制使得由于足够高的频率,人眼觉察不到调制。人视觉系统充当关于时间的积分器,使得在高频连续切换中,将注意不到很短的“关掉”持续时间,且在调暗光源时将觉察到较长的“关掉”持续时间。
在调制的特别优选实例中,使用被称作“码分多址”(CDMA)的扩频技术来调制所发出的光。在此处名称可分别为“A”或“B”的个别代码彼此正交,即,代码的自相关值显著高于两个不同代码的互相关值。因此,解调器可使用预定代码来区别不同调制光源20a、20b的调制光的同时传播。而且,在优选实施例中,代码被构造为无直流,例如,如通过使用沃尔什-哈达玛(Walsh Hadamard)代码提供。然后,代码也可与直流一样的背景(DC-like background)或非调制光正交。
在WO2006/111930中详细地解释了特别是利用CDMA代码的调制光的发射,WO2006/111930以引用方式结合到本文中。此处,还解释了可如何使用代码来辨别来自若干光源的贡献。
因此,驱动器单元30a、30b调制辅助光源20a、20b的光发射24a、24b使得它们包含不同的识别代码。举例而言,由第一辅助光源20a所发出的光24a可包含代码“A”,而由第二辅助光源20b所发出的光24b包含代码“B”。
将结合图3来解释可控制的照明单元10的使用,可控制的照明单元10具有指向不同方向26a、26b的所述调制光源20a、20b,图3示出(例如)在房间中具有多个光源的照明系统40。提供常规的固定光源42,例如,安装于房屋的天花板上。另外,可控制的照明单元10也安装在那里。照明单元10连接到控制单元44使得控制单元44可控制光发射的方向,在如上文所解释的实例中,光发射的方向可描述为具有角度γ。
光学传感器46布置于可由照明单元10照亮的区域内。光学传感器46连接到控制单元44。
图4以示意形式示出光学传感器46。光学传感器46包括光敏元件50,其接收入射光并产生相对应的电信号。由光敏元件50所提供的电信号由解调单元52解调以提取入射于光敏元件50上根据代码“A”和“B”调制的那些部分。调制单元52将信号的相对应的解调部分递送到测量装置54a、54b,测量装置54a、54b分别递送代表由代码“A”和“B”所调制的所接收的光部分的强度的值。关于所接收的强度的信息被传递到接口单元56且被递送到控制单元44。
因此,虽然在图3的照明系统40中,光学传感器46从固定照明单元42和可控制的照明单元10以及从可控制的照明单元10延伸的辅助光源20a、20b和主光源18接收光,传递到控制单元44的信号仅包括关于从可控制的照明单元10所接收到的调制光发射24a、24b的强度信息。
这允许控制单元44控制照明单元10的方向。举例而言,可希望将照明单元10定向为指向光学传感器46的位置。在照明单元10的位置如图3所示的情况下,显然照明单元的定向为太过于向右。这导致来自第一辅助光源20a的相对较强的入射光24a,相对较强的入射光24a根据代码“A”被调制,而从第二辅助照明单元20b接收不到或仅接收到很少的由代码“B”调制的信号。从传播到控制单元44的这条信息,该单元可判断出照明单元10被定向为过于向右。所接收的强度的商甚至可得出未对准的角度值的某种测量。
因此,控制单元44发送相对应的控制命令到电机接头16以将照明单元10向左移动特定距离。然后,由光学传感器46来实行调制光部分的强度的进一步测量,使得控制单元44接收表示现在是否正确对准(接收到相同强度的光发射24a、24b)或者是否需要向左进一步校正(发射24a更强)或甚至向右(发射24b更强)进一步校正的信息。因此,控制单元44可采用闭环控制将照明单元10准确地定向使得其主光轴23定向到光学传感器46的位置。
虽然在前文的实施例中示出照明单元可由可机械移动的固定件14来调整方向,也能以不同的方式来实现对照明单元的光发射的方向控制,如将参看图7a至图7c在下文中所解释。应当指出的是虽然在图1、图3、图5和图6中所述和所示的实例可提到电机接头为控制方向的装置,这只是作为实例给出且不应被理解为具有限制意义。相反,能用将在下文所述的替代照明单元来替换所示和所述的带电机接头的照明单元。
如图7a所示,到不同方向(此处标示为-2…2)的光发射方向可通过定位于光源18(在此情况下,示出为LED,但当然,光源18可为任何其它类型)的光束路径中的光学装置的机械移动(例如,旋转)来实现。光学装置可为(例如)透镜或漫射器,且可(例如)由电机移动。光学装置的位置控制光发射的方向。如在上文所述的固定件14机械移动的情况中,不仅能在所示平面中的旋转,也能围绕垂直轴线旋转。
另外,如图7b所示,通过将电压敏感光学装置62定位于光束路径中而实现光源18的光输出方向。通过向电压敏感光学装置62施加外部电信号,可使光发射定向。在优选实施例中,该装置62是电光装置,诸如液晶透镜,例如,如在WO2005/12164A1中所解释的那样。
在图7c所示的又一实施例中,照明单元10包括安装于共同主体66上的多个可个别控制的光源64,以使得该多个可个别控制的光源64向不同方向发出定向光发射。来自照明单元11的可能光发射的整个范围在图7c中标注为光束图案68,且通过对来自个别光源64的光发射定界而构成。或者,光发射可也是重叠的。
提供控制电路70,其从照明单元11接收所希望的光发射强度和方向的输入命令并驱动个别光源64以作为合成的总输出来实现所希望的发射。这在无需照明单元11的任何部件进行机械移动的情况下实现。举例而言,如果仅希望在方向0中的发射,那么控制装置70可控制光源64使得除了指向“0”方向中的中心光源之外,其它光源皆被关掉。同样,如果希望“-2”的光束方向,那么将仅接通左边的光源64。在所希望的光发射位于提供光源64的两个方向之间的情况下,例如,对于“-1.5”的光方向,可通过以部分调暗的状态来操作特定光源64而实现这种情况,例如,通过以50%光贡献来操作两个最左边的LED。
因此,照明单元11可实现在实际范围68内的定向照明而无需任何机械移动部件。
关于图7的照明单元11,应强调的是此处所示的光源64(其可优选地为LED,如在附图中所示,但当然可替代地为其它光源,优选地是可调光类型的光源)可仅构成主光源18,且可提供另外的光源(未图示)用于发出调制光(参看图1)。
但是,优选地,如关于第一实施例所解释的那样,驱动已指向不同方向的光源64的至少一部分来发出调制光。照明单元中的至少两个,例如定向为“-2”和“2”的照明单元,或者甚至所有的光源64可发出调制光,使得光学接收器46可从所观察的光的解调中获悉关于照亮它的这些光源64中的那个光源的信息。
图8示出另一照明系统80,以示出在实例中可如何控制多个方向可控的照明单元10、10′。应当指出的是,可由电机接头控制且将卤素灯作为主光源的所示类型的方向可控的照明单元10、10′仅作为实例给出,且当然,可由另外描述的照明单元、控制方向的方法和光源类型中的任一个来替代。
在如图8的照明系统80所示的多个方向可控的照明单元的情况下,在辅助光源的光发射中的嵌入代码是独特的。因此,例如,第一方向可控的照明单元10的左辅助光源不仅可由来自相同照明单元的辅助光源的嵌入代码来识别,也可由来自其它照明单元的所有其它辅助光源的嵌入代码来辨别。
想要控制照明系统80的使用者如下进行操作:
首先,对要首先控制方向的定向照明单元进行识别。这可(例如)这样进行:通过靠近照明单元来保持光学传感器装置46使得传感器46现识别所发出的代码从而识别照明单元。另一方法可通过利用用户界面装置而进行,用户界面装置识别可控制的照明装置。选定照明单元可开始闪光,使得使用者可识别当前选定的照明单元。
在实行选择后,传感器装置46置于从定向光源发出的光被推定的靶向位置处。使用者然后启动自动控制,使得控制单元44调整所选定的照明单元10以指向这个位置。
通过测量在传感器装置46处所接收的个别编码的光发射的光贡献并将解调信息传送至控制单元44来如上文所述实行控制。
根据评估标准来评估该信息。这个标准可为照明单元的最高照明贡献,或者其它标准,诸如两个调制光源的相等照明贡献。如果发现照明单元10的方向已经令人满意了,该程序终止。否则,基于当前测量以及一组先前的测量通过控制算法来计算照明单元10的新方向。这个方向被传送到方向可控的照明单元10使得照明单元10基于所传送的控制数据来改变其发射方向(可例如根据上文所述的图1、图7a、图7b、图7c所示的实施例之一来实行这种改变)。
重复上文所述的测量和调整步骤直到实现令人满意的结果。
因而,在控制单元44内根据控制算法来实行控制,控制算法在每个步骤得到照明单元10的新方向。控制算法的实例可为尝试可能方向的离散集合并根据评估标准来选择具有最高分的方向。其它方法可基于自适应滤波(LM、RLS算法)或者本领域技术人员本身已知的其它优化技术。
在如此调整第一照明单元10的方向之后,使用者现可对第二可控制的照明单元10′的方向进行调整。这个照明单元可被定向到相同位置,或者光学传感器46可移动成将第二照明单元10′定向至不同位置。
或者,也能同时控制照明系统80中的方向可控的两个照明单元(或者在另外可用的照明单元的情况下:所有照明单元,或者至少其子集)使得它们都定向到光学传感器46的位置。
虽然在上述实例中仅在2D平面中实行方向控制,但当然,这个概念也适用于三维。
在附图和前文描述中详细地图示和描述了本发明。这些图示和描述被认为是说明性的或者是示范性的而不是限制性的;本发明并不限于所公开的实施例。
能存在多个其它特点,诸如:
-将与传感器偏移的各光斑对准:
在上述实例中,示出可如何控制照明单元以直接指向传感器46。应当指出的是,当然也能自动地获得具有预定(固定或变化地选择的)偏移角的照明方向。例如,操作者可选择调整光斑使得其应在传感器46位置上方指向预定角度,例如10°。
-传播代码的时间:
在前文中,已经对照明单元和光源展开了描述,这种描述是结合其发出便于控制的调制光的特殊特点而进行的。当然,照明单元的主要目的在于提供所希望的照明用于照明。因此,在成功地实行控制之后,上文描述为调制光源的光源将继续发出调制光(其应被调制为使得人眼觉察不到调制),但也可持续地操作。
实际上,在具有多个照明单元的系统中,每个照明单元的光源可这样操作使得仅在它们的照明单元被特定地选择用于控制的情况下它们才发出调制光。因此,操作者可选择有限的几个或甚至仅一个照明单元用于控制。接着,控制单元可向所选定照明单元的光源分配代码。这在很大程度上便于处置代码,因为,为了有效地进行控制,需要这些代码是独特的。如果随后仅在特定地需要时使用代码,则有限数量的代码可是足够的。在多个照明单元的每一个中的光源甚至能具有相同代码,如果确保它们并不同时被操作(被控制)。
-强度和颜色的额外控制:
通过本发明的技术,除了照明单元的方向之外,也能额外地控制光发射的强度和/或颜色。这可在(例如)位于传感器装置46处的用户界面处来手动地进行,或者由通过控制单元44实行的自动控制来进行。因此,在光中的代码也可用于辨别特定光源的个别贡献。
-传感器的位置信息:
作为另一构思,如果已知照明单元10的光发射方向,由调制光所提供的信息可用于导出传感器装置46的至少一近似位置。如果已知方向可控的照明单元的方位,则不同(方向)光源的光贡献的幂形成用于传感装置46位置的测量。
在权利要求书中,词语“包括”并不排除其它要素,且不定冠词“一”并不排除多个。在相互不同的附属权利要求中陈述特定措施的简单事实并不表示不可使用这些措施的组合来取得有益效果。在权利要求书的任何附图标记不应被认为限制范畴。