CN101918754B - 照明系统 - Google Patents

Abstract

一种照明系统包含：一发光单元，配置成用以将电力转换成一光束；一照明控制单元，配置成用以调整该光束的照明特性；多个超声波发射器，配置成用以发射多个超声波信号；多个超声波接收器，配置成用以接收反射的多个超声波信号；以及一处理单元，配置成用以相继地经由各该发射器发射一超声波脉冲，并用以在每个脉冲送出之后判断这些接收器的哪一个在一预定周期之内接收具有超过一预定阈值的振幅的一反射的超声波信号，并用以根据该判断结果将多个控制信号传递至该照明控制单元。

Description

照明系统

技术领域

本发明涉及一种包含发光单元与照明控制单元的照明系统，其中发光单元被配置成用以将电力转换成具有例如强度、色彩、色温、方向与波束圆锥角特性的光束，而照明控制单元被配置成用以调整光束特性。

背景技术

人们熟知照明特性的调整能经由遥控器(RC)来达成。遥控器的缺点为需将遥控器对准正确的位置及方向，才能有效地进行控制。此外，目前已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/记录器等电子装置使用。又，使用者可能会对遥控器上的不同按钮有所混淆。最后，遥控器与其附属接收器的成本相当高。

因此，目前亦有提出通过使用摄影机与移动检测软件来控制电子装置的技术，其中使用者可通过在照相机的前面摆出姿态来控制电子装置。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，WO 2006/056814提出了一种照明系统，其包含发光单元与控制单元，控制单元包含红外线发射器、红外线接收器及透镜配置。控制单元可测量反射的红外光的强度，并反应以改变发光单元的亮度。依此方式，可对发光单元通电(ON)或断电(OFF)，并可通过在红外线波束中的手部移动而将发光单元调暗/亮。然而，这一种配置相当昂贵且不正确性很高，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。

在既存的照明应用上，一般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，在既存的照明应用上，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。

发明内容

鉴于现有技术存在的缺陷，本发明的一个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，并具有便宜可靠且易于使用的照明用的控制系统。

本发明更进一步的目的是提供一种照明系统，更强健、有能源效率、易于使用及/或弹性。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

依据本发明的一个实施例，照明系统包含：多个超声波发射器，被配置成用以发射超声波信号；多个超声波接收器，被配置成用以接收反射的超声波信号；以及一处理单元，被配置成用以经由每一个发射器连续传递一超声波脉冲并用以在送出每个脉冲之后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的超声波信号，且用以根据前述判断结果来将控制信号传递至照明控制单元。这些超声波发射器最好是被配置成使这些超声波信号在照明系统的光束内且平行于照明系统的光束而被发射。超声波发射器与接收器最好是被配置成等边多边形或圆形。在此较佳实施例中，此系统包含三个发射器与三个接收器。

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，被配置成用以发射超声波信号；一超声波接收器，被配置成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，以使发射器的波束及/或接收器的接收圆锥平行于转轴延伸并位于距离转轴有一距离的位置上，其中提供驱动单元以旋转载体；以及一处理单元，被配置成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阈值的振幅的一反射的超声波信号，且用以根据前述判断结果来将控制信号传递至照明控制单元。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照明系统的光束而延伸。处理单元最好是被配置成用以于载体的至少3个，最好是至少6个，更好是至少12个角度位置上传递一超声波脉冲。

在本发明的两个前述实施例的较佳实施例中，处理单元更进一步被配置成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一飞行时间信号，并用以根据飞行时间信号来传递控制信号至照明控制单元，如以下将更进一步说明的。此种控制机制提供一种高分辨率控制，且比如非常适合控制光强度、色彩及/或色温。

依据本发明的一更进一步的实施例，照明系统包含：至少一超声波发射器，被配置成用以发射超声波信号；多个隔开的超声波接收器，被配置成用以接收反射的超声波信号；以及一处理单元，被配置成用以为每一个接收器判断来自前述至少一发射器的发射信号之间的时间差的飞行时间信号以及来自接收器所接收的反射的超声波信号，并用以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照明控制单元。每一个接收器接收到的飞行时间信号的组合，是在发射器与接收器的波束之内检测超声波信号反射在二维平面或三维空间中的物体的位置的飞行时间信号的函数。

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在实质上垂直于超声波波束的轴线的方向中通过手的姿态来控制发光系统的可能性。如果反射物体(例如手)出现在波束中，则可以连续决定在这些方向中的物体的位置，可借以达成照明系统的各种不同的特性的控制。

此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。因此，在本发明的所有三个前述的实施例的较佳实施例中，处理单元更进一步被配置成用以根据前述判断结果而从多个型式的控制信号中选择一种型式的控制信号，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。

此种机制的另一个适当、直觉的目的为光束角度的宽度或光束方向的控制。使用者可朝垂直方向而在波束中移动其手，以便移动光束的方向或以便使光束增广或变狭。

处理单元最好是被配置成用以分析飞行时间信号的动态行为，并用以根据动态行为来传递控制信号至照明控制单元。

在本发明的前述实施例中，发射器与接收器最好是一种结合式收发器，且收发器最好是设有一声音警报器，用以使送出的超声波的角度变窄并使反射的信号的接收的角度变窄。

在一较佳实施例中，照明系统包含多个发光单元，其中这些发光单元被配置于形成同心多边形或圆形的至少两个群组中，其中实质上每对邻近的发光单元的光束彼此重迭，其中内群组的光束实质上朝向平行于彼此，其中外群组中的发光单元的光束脱离内群组中的发光单元的光束，且其中照明系统包含一照明控制单元，其被配置成用以个别调整每一个发光单元的强度。

利用本发明，可在不需要实体上移动照明系统的情况下达成两个效果：可改变发光单元的组合光束的方向，并可改变组合光束的角度。又，可达成这两个效果与在一个照明系统中的多重结合光束的这些效果的组合。

在另一个较佳实施例中，照明系统包含多个发光单元，其中发光单元被配置成一阵列，其中实质上每对邻近的发光单元的光束彼此重迭，且其中发光系统包含一照明控制单元，其被配置成用以个别调整每一个发光单元的强度，其中照明控制单元更进一步被配置成用以在顺应个别发光单元的强度时，使在一假想平表面上的这些发光单元的总结合的光通量维持实质上相等。借此，可获得平坦转变，其很接近当通过物理上移动光点来移动光束时或当通过物理上移动一透镜来改变光点的光束的角度时，使用者所经历的效应。此外，此系统被配置成借以提供固定的整体亮度体验给使用者，而不根据光束照在一表面(比如桌子或地板)的角度。

照明控制单元最好是被配置成通过调暗及/或调亮以使被通电的发光单元组合光束的直径平稳地增加或减少，来顺应个别发光单元的强度。因此，发光单元最好是不会突然被通电或断电。

同样地，照明控制单元最好是被配置成用以通过调暗与调亮来顺应个别发光单元的强度，以使被通电的发光单元的组合光束的方向平稳地从第一方向移动至第二方向。

在这些较佳实施例中，发光单元为LED。

在这些较佳实施例中，照明系统更包含一透镜，其朝内群组的发光单元的光束延伸，用以聚焦此光束。

再者，在这些较佳实施例中，照明系统包含至少一中间群组的发光单元，其延伸于在内与外群组之间的同心的多边形或圆形中。中间群组的光束最好是指向实质上平行于内群组的光束。

于较佳实施例中，这些发光单元包含于照明系统的外壳中，最好是包含一标准照明系统配件。

照明系统最好是包含至少一超声波发射器，用以作为在Z-方向(为照明系统轴线)的飞行时间测量，及/或作为XY平面(为垂直于照明系统轴线的平面)的姿态控制的其中一个提案，来顺应个别发光单元的光强度。尤其，在XY平面的姿态控制相当适合光束方向及/或照明系统的角度的控制。

在这些较佳实施例中，照明系统包含：一超声波发射器，被配置成用以发射超声波信号；一超声波接收器，被配置成用以接收反射的超声波信号；以及一处理单元，被配置成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一飞行时间信号，并用以根据飞行时间信号来传递比如二进码的控制信号至照明控制单元。借此，系统的使用者可通过在超声波波束的轴线的方向中移动比如他的手或物体来调整照明特性。

超声波发射器可比如发射40kHz频率的超声波。虽然超声波发射器/接收器的使用有替代方案，比如红外线或雷达发射器/接收器能够测量各个信号的飞行时间，但是超声波尤其适合本发明，因为飞行时间(典型的距离在0.2与2公尺之间)可被以ms(毫秒)而非以毫微秒/奈秒(ns)的单位测量，这允许利用低成本处理设备来达成简单与正确的测量。因为压电超声波收发器很便宜，所以本发明的系统可利用很低的成本来生产。

本发明的系统易于控制，并具有简单的使用者接口，其并不需要例如遥控器的额外设备。本发明的系统的其它质量为其坚固性、其对于环境条件的独立性、其控制移动的一维辨识以及其低处理功率需求。超声波传感器更进一步的优点为其不会受到改变中的周围光线、温度与湿度条件的影响。

超声波发射器与接收器、处理单元及/或照明控制单元最好是沿着照明系统外壳延伸，而超声波发射器与接收器最好是一种结合式超声波收发器。借此，可以提供一种小型与简易安装的照明系统，其直觉地通过人手在光束中心的移动而受到控制。

理想上，利用超声波来控制照明系统是可利用低成本组件而易于大量生产，并具有小尺寸，以使其可被内建于甚至是小型照明系统中。

在一较佳实施例中，依据本发明的照明系统包含：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DA-转换器、一超声波驱动器以及一超声波发射器，其被配置成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，配置成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，其被配置成用以在电压大于一预定阈值的情况下产生一数字接收信号；一处理单元，配置成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照明控制单元。处理单元、脉冲宽度调变器、DA-转换器与比较器最好是整合于单一微控制器芯片中。微控制器芯片最好是选自于单芯片8位8051/80C51微控制器家族，最好是包含小型RAM与ROM，最好是小于4kB ROM并小于512 B RAM。

超声波发射器与超声波接收器最好是整合于一压电超声波收发器中。

发射超声波驱动器与接收超声波放大器最好是整合于一预处理电路中。预处理电路最好是更包含一第二阶滤波器，用以从接收的信号滤除低频信号。

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为超声波收发器与外罩的概要剖面图；

图9与10图概要地显示本发明的电子硬件实施例示意图；

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，用以通过使用超声波脉冲来决定手在平面中的移动；

图13为显示在图12的照明系统中的超声波脉冲的回音的时间图；

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，用以通过使用超声波脉冲来决定手在平面中的移动；

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的照明系统中的超声波收发器的旋转的概要视图；

图18显示在图15的照明系统中的超声波脉冲的回音的时间图；

图19与图20为本发明照明系统的第三实施例的概要视图，用以通过使用超声波脉冲来决定手在平面中的移动；

图21A～图21C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-图24G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包含多个LED以及内建于这些LED的中心的一超声波收发器。照明系统1亦内建有用以将收发器的信号转换成控制信号的一处理单元，以及用以调整光特性的一控制单元。

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，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。在传送与接收超声波信号之间被称为飞行时间的时间差将受到测量。如果在物体与照明系统1之间的距离改变，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，水平或垂直)，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单元中，大部分的共同任务用以测量到达最接近反射物体的距离。测量的时间代表行进两倍的距离。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。

超声波信号的飞行时间通常被用来作为一种距离测量方法。如图1所显示，一种飞行时间测量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处理器中的二进码，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。

如图3所示，控制信号通过手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)。在上述的照明系统控制中，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。于手部位置的波束半径rh必须具有足以通过手来进行控制的检测范围。在照明系统特性的控制期间，检测波束半径的平均值应该几乎等于手部形状的平均长度的一半，如图5所示。如果总控制范围在X/2左右(对于照明系统/桌应用而言)，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公厘且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4的缩小与超声波收发器5的声压电平(SPL)的增加可通过外罩(horn)6而达成，如图8所示。

为了将照明系统的成本减至最小并为了具有控制所有可能的照明特性(像色彩、强度等等)的可能性，执行控制功能所需要的电子电路整合于照明系统中。用于姿态控制的微处理器亦整合于LED控制微处理器中，用以更多的减少成本。照明系统中的超声波传感器的整合使低成本、高容积产品变成可能。

参考图9，如上所述，微控制器传递一脉冲至超声波收发器5的超声波发射器。一数字脉冲信号通过一微控制器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(更详细显示于图10)放大至一数值，其可被超声波收发器5的超声波发射器部所使用。然后，压电超声波收发器5传递一超声波信号(比如于40kHz的频率)。一物体将反射此超声波信号。预处理器10将经由超声波收发器5接收反射的信号。为了减少外部扰动的影响，反射信号被比如20kHz(＝fc)的第二阶高通滤波器11所过滤。在过滤之后，反射信号被预处理器10中的放大器12放大。

微控制器13包含一比较器14，其从预处理器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更包含有一调变器20(其连接至LED驱动器19)的LED驱动器部13B，以及ROM 15与RAM 16的一部分，其与微控制器的控制部13A共享。

被配置成用以驱动LED的微控制器13为公知技艺所熟知的，但其可更进一步被程序化以执行如上所述的控制功能。微控制器可以是简单的处理器，比如属于8051家族。ROM 15的储存容量例如为2kB，而RAM 16的储存容量例如为256字节。

图11显示依据本发明的照明装置，其包含具有标准白炽灯型配件的一外壳23，配置成环状的十个LED 21，以及在一外罩6中的一收发器5。另外，像是微控制器13、预处理器10与LED驱动器19的所有电子组件皆内建于外壳23中。借以获得非常小型的照明系统，其不需要待被操作与控制的附带外部配件。

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平面中通过姿态(例如手部位移)来控制照明特性，XY平面垂直于Z轴，且Z轴延伸为照明系统的光束的轴线。XY平面方向的姿态控制为姿态照明控制带来额外可能性，XY平面方向的姿态控制可与上述单纯Z方向的飞行时间的姿态控制方法结合。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，就像光束偏离与光强度可同时受到控制一样。或者，可使用在XY平面中的姿态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作说明。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，其被配置成使它们的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。例如XY平面中的手2的物体的位置通过三个收发器5个别检测所决定。此位置通过从一个收发器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收发器5的其中一个送出之后是否接收到反射的信号。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。

在图13中，其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被一发射器送出的一回音信号，其取决于手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阈值以下，而回音信号给定为数值0。如果回音信号强度等于或在阈值之上，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：

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

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

于此，n为收发器的总数，

Wx与Wy为加权数，

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。

手一般会呈现球形，其会导致波束散射效应。为了减少散射对测量结果的影响，最好是将例如10度波束角度的外罩(horn)置放于收发器上。使用10度外罩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。此方法与上述方法比较，其区别在于只使用一个超声波收发器5，其在照明系统轴线周围的照明系统中被旋转，以使物体的定位可在一次回转中达成。

依据图15与图16，照明系统1包含一阵列的LED 21与安装于一旋转崁齿轮(cogwheel)30上的一压电超声波收发器5，以使收发器5沿着照明系统1的周围移动。崁齿轮30被另一个小崁齿轮31所驱动，而崁齿轮31连接至一步进马达32。收发器5旋转速度高于在XY平面中的手部移动速度。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，物体的XY位置受到检测，且于此期间，手2将不会大幅移动。

为了决定沿着照明系统的周围的收发器位置，参考收发器位置由被配置于前述位置的供超声波信号使用的阻隔滤波器33所定义。决定参考位置的参考校准可在一次收发器5回转中被实现。例如当将手2的物体设置于收发器5检测范围时，将启动收发器5的旋转。

此位置通过从收发器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。

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阈值以下，且回音信号被给定为数值0。如果回音信号强度等于或在阈值之上，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为加权数。

在相较于参考位置的测量期间，加权数值取决于收发器位置。

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，而另一个传感器为接收器，其被配置成使它们的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。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)，其配置成三角形，如图12所示，其中在本实施例中部分传感器为接收器。例如XY平面中的手2的物体的位置通过这些收发器5得到的飞行时间而决定。此位置通过从一个收发器5一次相继传送一超声波脉冲而决定。在其中一个收发器5送出每个脉冲之后，每一个收发器5依据较早说明的方法决定反射的信号的飞行时间。原则上，此方法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反射的信号的飞行时间。

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的距离必须足够大。如果比如飞行时间测量的精度为2公分，为了达成离收发器1公尺的物体的可靠的位置判定，两个传感器之间的距离必须至少28公分。于此情况下的超声波波束角度必须足够大。

例1：若传感器的数目为两个，其中一个收发器(包含发射器及接收器)与一个接收器。

在XY平面中的距离可计算如下：

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

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

于此，V_air为于室温下的声音速度，约为344公尺/秒(m/s)。

为了简化计算，传感器设置于XY平面中，且被配置成能使两者都在X轴上且位于同一Y轴上。其中，必须被定义的唯一参数为传感器之间的距离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2朝左方移动，如果Δy为正，则手2朝向下方向移动。因此，于此情况下，手2移动朝向西南方向。这种位置改变可被换算成为一种二进码，并用来控制照明特性，比如在物体移动朝向西南方向时，用以使照明光束移动并进入相同方向中。

例2：为了能决定物体在z方向中的位移，其又包含额外收发器。在z方向中的位移的判定可用于额外选单控制。于此例中，在系统中可使用一个发射器与三个接收器，如图12所示的配置位置。基本原理与在例1中的相同。针对三个传感器替代例1的方案：一个收发器与两个接收器，来执行飞行时间测量。

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：

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

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

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

这些为具有3个未知数的3个方程式。计算结果为：(x₀)_t＝t0、(y₀)_t＝t0、(z₀)_t＝t0，其为物体的初始位置。

这些测量与计算于t＝t₁时重复，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，用以使照明光束移动进入相同方向中。这种位置信息的使用的另一例：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，在如图12所示的统中说明了具有三个收发器的系统。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将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。

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

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

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

这些为具有3个未知数的3个方程式。计算结果为[(x₀)_t＝t0]_T1，[(y₀)_t＝t0]_T1，[(z₀)_t＝t0]_T1。

于t＝t₁，发射器T2将传递听觉信号至物体。信号将被物体反射，并将被三个接收器所接收。

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

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

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

这些为具有3个未知数的3个方程式。计算结果为：

[(x₀)_t＝t1]_T2，[(y₀)_t＝t1]_T2，[(z₀)_t＝t1]_T2。

于t＝t₂，发射器T3将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。

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

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

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

这些为具有3个未知数的3个方程式。计算结果为[(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，可计算出于t＝t₀、t＝t₁与t＝t₂的三个测量的平均值。这是可能的，因为物体定位的取样频率比物体移动速度来的高很多。

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

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

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

这个位置为物体的初始位置。

这些测量与计算将于t_b(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，其将使照明光束移动进入相同方向中，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：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平面姿态控制系统结合，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，每个包含一阵列的LED 21。这些LED可能是具有多色彩，能使照明系统显示多种色彩的选择。虽然这些图显示圆形的阵列，但像是长方形或其它形状亦是可能的。照明系统中央部40A包含在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而没有透镜。在中央与中间部40A/B中的LED被配置成使它们的照明光束的轴线平行于照明系统轴线。在第三部40C中，LED 21安装成与照明系统轴线夹成一角度，此角度在0与90度之间，比如40度。LED安装成在远离照明系统(比如1公尺)的预定最小使用距离，使每个LED的照明光束与其相邻的照明光束重迭，以获得连续受照明的区域。

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

参考图23，如上所述的姿态照明控制系统(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关于必须选择哪些LED 21与关于每一个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LED1～n。

对一点光源而言，其察觉亮度B与测量照度E之间的关为：

$B=k\·\sqrt{E}$

其为须被补偿的非线性行为。如果在照明光束的控制期间，平均察觉亮度保持固定，则平均照明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-图24G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被配置成用以逐渐改变个别LED的亮度，以获得在组合光束的方向中的平稳改变的效果。

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24E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被配置成用以逐渐地改变个别LED的亮度，以获得在组合光束的角度中的平稳改变的效果。

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 (8)

1.一种照明系统，其特征在于，包含：

一发光单元，配置成用以将电力转换成一光束；

一照明控制单元，配置成用以调整该光束的照明特性；

多个超声波发射器，配置成用以发射多个超声波信号；

多个超声波接收器，配置成用以接收反射的多个超声波信号；以及

一处理单元，配置成用以相继地在不同的时间点经由各该发射器发射一超声波脉冲，并用以在每个脉冲送出之后的在一预定周期之内，判断该些接收器个别是否接收到具有超过一预定阈值的振幅的一反射的超声波信号，并用以集合对应各时间点的该判断结果，并根据该集合结果将多个控制信号传递至该照明控制单元。

2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述超声波发射器被配置成能使这些超声波信号在该发光单元的该光束之内并平行于该发光单元的该光束传输。

3.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述这些超声波发射器与接收器配置成等边的多边形或圆形。

4.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述系统包含三个发射器与三个接收器。

5.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述发射器与所述接收器为结合式收发器。

6.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述接收器设有声音警报器。

7.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述处理单元被配置成用以根据该判断结果来从多个型式的控制信号中选择一型式的控制信号，其中每个型式的控制信号控制不同的照明特性。

8.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，所述处理单元还被配置成用以推导表示在该发射与接收的超声波信号之间的时间差的一飞行时间信号，并用以根据该飞行时间信号来传递该照明控制单元的控制信号。

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