CN101939914A

CN101939914A - 照明系统

Info

Publication number: CN101939914A
Application number: CN2007801012682A
Authority: CN
Inventors: 汤尼·彼特·凡艾德
Original assignee: Lite On IT Corp
Current assignee: Lite On IT Corp
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2011-01-05
Also published as: WO2009052660A1; US8212500B2; EP2218181A4; US20100253241A1; EP2218181A1

Abstract

一种照明系统包含：一光源，包含一阵列的发光二极管，用以将电力转换成一光束，其具有例如强度、色彩、色温的特性；一控制装置，包含一发光二极管驱动器与一脉冲宽度调变器，用以调整该光束特性；一数字模拟转换器、一超音波驱动器与一超音波发送器，用以将一数字传输信号转换成一超音波脉冲；一超音波接收器与一放大器，用以接收反射的超音波信号并将该超音波信号转换成一电压，以及一比较器，用以在该电压大于一预定临界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、方向与波束圆锥角的特性的光束，而控制装置用以调整光束特性。

背景技术

人们熟知灯光特性的调整能经由遥控器(RemoteController，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侦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。

WO 2006/056814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，并反应其强度以改变光源亮度。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作动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。

GB-A-2 291 289说明一种照明系统，其包含一控制装置，用以对光源进行通电、断电与调暗光源，其中压电超音波发射器与接收器是侦测在光源附近的物体的存在，而控制装置是反应物体的存在而控制光源。然而，此种系统不能反应物体的移动来控制光源。

因此有必要发展出一种易于使用的照明控制系统，以改善上述问题。

发明内容

本发明的一个目标是提供一种改良的便宜可靠且易于使用的照明控制系统。本发明的更进一步的目标是提供一种对使用者及其环境呈现安全与舒适的照明系统。

依据本发明的照明系统包含：一光源，包含一阵列的发光二极管，用以将电力转换成一光束，其具有强度、色彩、色温的特性；一控制装置，包含一发光二极管驱动器与一脉冲宽度调变器，用以调整该光束特性；一数字模拟转换器、一超音波驱动器与一超音波发送器，用以将一数字传输信号转换成一超音波脉冲；一超音波接收器与一放大器，用以接收反射的超音波信号并将该超音波信号转换成一电压，以及一比较器，用以在该电压大于一预定临界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该控制装置，其中：该处理装置、该脉冲宽度调变器、该数字模拟转换器以及该比较器是整合于单一微控制器芯片中。

由此，使用者可通过在超音波波束中移动物体来调整光源特性。

处理装置分析多个飞行时间信号的动态行为，并根据动态行为来传递控制信号至控制装置。由此，使用者可在超音波波束中摆出手势，而处理装置将辨识此手势并将此手势换算成控制信号以调整光源特性。

附图说明

图1显示利用超音波收发器测量飞行时间的原。

图2为光源及其控制机构的概要立体图。

图3为显示于图2的系统中的手部移动的静态照片，显示飞行时间信号对时间的图，以及由手部移动所导致的各种阶段的光源特性控制的结合图。

图4为图2的光源的概要立体图。

图5为平均手部的概要俯视图。

图6为显示波束半径对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，以及飞行时间对时间的相关图。

图8为超音波收发器与号角的概要剖面图。

图9为显示照明系统的校正程序的流程图。

图10为显示在时间轴上的发射超音波脉冲信号的电压、所接收的反射的信号的电压以及声压位准校正的状态的结合图。

图11A-图11C显示手伸入与伸出波束的概要移动。

图12概要显示花瓶在波束中的移动以及飞行时间对时间与各种控制的相位的关联图。

图13-图18与图20-图21图显示各种控制算法的流程图。

图19概要显示控制范围的判定。

图22概要显示在时间轴上的不同光特性的控制机构。

图23-图28概要显示在各种阶段的不同光特性的控制机构。

图29-图30概要显示手在波束中的移动以及飞行时间对时间的关联图。

图31概要显示LED阵列光源，其显示一信息。

图32概要地显示LED阵列光源，其投射一信息于一参考表面上。

图33与图34概要显示本发明的一电子硬件实施例。

图35为依据本发明的照明系统的立体图。

具体实施方式

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

如图2所示，照明系统1包含一光源及一超音波发射器与接收器，超音波发射器与接收器可结合成一超音波收发器，亦可为一压电式超音波收发器。光源可包含复数个发光二极管(LED)，而超音波收发器可内建于此些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，以及用以调整光源特性的一控制装置。于一较佳实施例中，超音波发射器与接收器是以与光源的光束相同的方向发射并接收超音波信号。

如果超音波收发器被开启，则其将传递一超音波信号。如果在超音波信号的路径上有一物体出现，则超音波信号将被物体反射并被超音波收发器所接收。在传送超音波信号与接收到反射的超音波信号之间的时间被称为一飞行时间。如果在物体与照明系统1之间的距离改变，则将会测量到另一飞行时间值。物体被侦测到的移动为一维移动(此物体必须停留在超音波信号路径中)。飞行时间的改变将被转换成数字控制信号的改变，此控制信号将控制光束的特性，譬如色彩、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(取决于光源位置，水平或垂直)可控制光束特性。

超音波信号的飞行时间通常被使用作为一种距离测量方法。如图1所显示，飞行时间测量是通过将测量的超音波信号接收时间(图1的R)减去超音波信号的发射时间(图1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制代码，以控制光源特性。

在图2中，手2为障碍物/物体，而桌子3、地板或天花板为参考物。超音波收发器以圆锥波束4的型式传递超音波信号。如果从收发器到参考物的距离y为1.5公尺，则超音波信号在无障碍物的情况下，其发射到接收反射的超音波信号的总运行距离为2*y＝3公尺，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2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)，且当控制范围为64公分时，则有32个控制级距，其可允许5位控制。超音波发射器可譬如发射40kHz频率的声音。超音波的飞行时间(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，因此利用超音波收发器可利用低成本处理设备来达成简单与正确的测量。此外，压电式超音波收发器很便宜，所以本发明的系统可利用很低的成本来生产。

如图3所示，控制信号通过手2朝超音波信号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，此时飞行时间为一参考值，且不能进行光源控制(阶段A)。在T2＝2秒时，手2移动进入波束4中且保持于该处持续1秒以上，直到在T3＝3秒时，光源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向上移动用以使譬如光源1的强度通过微处理器而增加(阶段C)。在T6＝6秒时，手2从波束4中撤出，因此其飞行时间回复到参考值，并停止光源控制(阶段D)。如显示于T7＝7秒，手2在超音波波束4中的意外移动，并未因此导致光源特性的意外调整(阶段E)，因为必须将物体保持在超音波波束4中持续1秒以上才能启动光源控制。

如果飞行时间信号从动态行为改变至实质上已固定持续第一段预定时间的数值的话，则处理装置停止传送控制信号，其中第一段预定时间最好是落在0.5-2秒的范围内。通过关闭控制信号的传送，可避免光源特性受到移动物体的意外调整。为了开始控制信号的传送，处理装置更决定并储存一最高参考值，此参考值被决定以作为已出现在较长的第二段预定时间的大部分(譬如数分钟)期间的数值，而如果飞行时间信号从最高参考值改变至实质上已固定持续至少一较短的第三段预定时间的较低数值的话，则处理装置开始传送控制信号，其中第三段预定时间最好是落于0.5-2秒的范围内。

超音波波束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。较佳地，在光源特性的控制期间，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(对于光源/桌应用而言)，则在光源特性的控制期间，于最小波束半径的超音波波束角将在L_h/2左右。举例而言：如果L_h＝150公厘且X＝1.5公尺，则超音波波束角θ应该是11度。垂直距离X、波束角与波束半径的函数显示于图6中。如图7所示，如果手2在狭小超音波波束4中，则可执行光源控制。宽广超音波波束4的缩小与超音波收发器的声压位准(Sound PressureLevel，SPL)的增加可由号角6而达成，如图8所示。于一较佳实施例中，光源的光束具有小于45°的波束圆锥角θ，θ最好是小于30°。发射的超音波信号的波束圆锥角最好是小于15°。号角6可用以降低超音波信号的波束圆锥角。

为了将超音波发射器的声压调整成对照明系统及其环境的使用者呈现可接受、无害与舒适的位准，处理装置更进一步执行一声压位准校正步骤，其中会测量接收器所接收的反射的超音波信号的振幅，且会调整被发射的超音波信号的振幅，以使所接收的反射信号的振幅接近预定临界值。在某个情势下所接收的反射的超音波信号的振幅取决于发射振幅、行进距离、环境吸收(例如空气对超音波的吸收)、以及反射的参考表面(例如固定台、地板等)的绕射。在光源被开启的期间的某个情势下，如果没有物体移动进入超音波波束的话，可假设吸收与绕射是固定的，或因为反射的物体较接近超音波接收器而可假设所接收的振幅将增加。因此，在校正之后，发射振幅可维持固定，更可以确认或不确认所接收的信号总是高于所需要的临界值。然而，假使在校正之后，照明系统不会(或有时不)对使用者的控制手势有所反应，则可通知使用者来校正系统，同时将控制物体(譬如他的手)固定于他所期望置放此物体以控制系统的最远点。

发射与接收的声压位准是以dB的单位测量，但可以以电压表示，譬如施加在超音波发射器上的电压或自超音波接收器接收的电压。至40kHz的超音波的最大可允许的声压，譬如由各种不同的机关设定在100dB左右。然而，本发明着眼于更低的位准，并将压力位准调整至更佳的位准。

为了更进一步减少音压对使用者的影响，此系统被配置成用以以短(最好是最大为100ms)间隔间歇地发射超音波信号。

最好是将处理装置设定成在光源开启后，于一短期间，譬如在前几秒之内，执行声压位准校正步骤。更进一步地，将处理装置设定成在声压位准校正步骤之后，开始求出飞行时间信号并传送控制信号。再者，最好是将处理装置设定成在求出飞行时间信号并传送控制信号至控制装置时，重复地执行声压位准校正步骤。由此，可达成将声压位准动态校正至需要操作系统的最低位准。

为了达成最小需要的声压位准以供系统适当地工作，处理装置以一第一校正循环开始声压位准校正步骤，其中令超音波发射器传递具有一预定的最低振幅的一超音波脉冲，测量所接收的反射信号的振幅，并以一发射振幅重复校正循环，其中发射振幅在每个后来的循环可增加一预定值，直到所接收的反射信号的振幅等于或高于预定临界值为止。如果所接收的反射信号的振幅仍小于在预定的最大校正循环的数目之后的预定临界值的话，则处理装置使照明系统发射一警告信号(譬如光源的闪烁)。

图9显示由超音波收发器所产生的声压位准(SPL)的详细校正程序。在步骤A中，当开启光源时，代表如由收发器所发射的声压位准振幅(SPLampl_T)的数值为零，而声压位准状态(SPLOK)的数值为零。SPLampl_T的代表值可譬如以施加在收发器上的电压表示。

在步骤B中，以累进式增加值(增益)G增加发射声压位准振幅值，由处理装置开始第一校正循环。在步骤B中，收发器基于SPLampl_T值来传递超音波脉冲。在步骤D与E中，处理器在20毫秒内监视是否接收到一大于预定临界值的信号。如果在20毫秒之后没有接收到这样的信号，则在步骤F中，等待100毫秒后，重复步骤B。

如果在步骤D中判定出接收到大于预定临界值的信号SPLampl_R的话，则可能做出SPLampl_T的至少两个额外的较小增量，以便确保发射振幅具有足够裕度以补偿譬如温度改变。因此，如果在步骤G中决定SPL OK值并未大于1，则在步骤H中把SPL OK值增加1，累进式增加的数值减少至先前数值的一半，且在步骤F等待100毫秒之后，自步骤B起重复循环。

在这些步骤之后，SPLampl_T的最终数值系被建立并储存于步骤I的存储器中。接着在光源被开启的剩下的循环期间使用这个数值，亦即，以此数值表示的电压如上所述地在光源的控制期间被施加在收发器上。

SPL的上述校正程序并不需要发生在例如桌子的固定参考表面上。当使用者将他的手保持在超音波波束中，如控制操作的最低点时，亦可应用SPL的上述校正程序。由此，可以将SPL设定于比地板更低的位准。甚至可能结合SPL校正程序与手的控制移动，在手正在超音波波束中移动时，来动态校正声压位准。图10显示增加在超音波脉冲的发射期间施加在收发器上的电压并测量从收发器所接收的反射信号的电压，以及增加SPL OK状态直到超过临界值为止的示意图。

关于利用超音波做为光源控制的感测，有两个重要的关键所在：超音波的侦测，如反射、绕射、干扰及接收器收到的额外噪声等都可能扰乱接收的超音波信号；以及侦测使用者物体的改变，像是不稳定的物体(如图11A-图11C所示)、改变(参考)物体(如图12所示)以及同时有不同的物体等等。

在图11A中显示一只手2，其从T1至T3忽然水平地移动通过超音波波束4。在图11B中显示一只手2，其从T1至T3忽然垂直移动通过超音波波束4。在图11C中显示一只手2，其从T1至T2移动进入超音波波束4中，并稳定地保持于此波束中直到T3为止。理想上在图11A与图11B中，手2忽然的移动并未招致任何光源控制动作。然而，图11C所示的动作为一使用者命令，其允许启动光源控制，如上面参考图3所述。

图12显示一花瓶7，其在时间T1与T2之间被放在参考表面3(譬如一桌面)上。在T1上，光源控制失能(阶段A)，且当花瓶7维持在表面3上一定时间后导致光源控制的启动(阶段B)，如上面参考图3所述。然而，当侦测到的飞行时间经过一预定期间仍未改变时，则假设新的参考物体被置放于波束中(阶段C)，例如花瓶7被置放在表面3上更长一段时间时(譬如1.5秒或更长)，亦即花瓶7位在波束4中持续一预定期间以上，代表花瓶7并不是要启动光源控制。接着，将所测量的数值储存为新的参考值，且控制变成失能(阶段D)。

图13显示供手势控制光源的基本算法。如果开启光源(步骤A)并将硬件初始化(步骤B)，则将校正声压位准(步骤C)，如上面图9所述。超音波收发器将送出超音波信号以检查(参考)物体是否存在，并将超音波的回音信号的声压调整至最小值。如果在一预定期间之后没有接收到信号(步骤D)，则产生一错误信号并将其呈现给使用者(步骤E)。

然后，于固定障碍物(像是桌子、地板)上执行参考校正(步骤F)，且在传送一脉冲至发射器之后，以首先接收到的回音信号为基础，之后其它接收的回音信号(与首先接收的回音比较而言)为二次或三次以上反射所产生的信号(如图1所示)。这些信号会被消除。

依据本发明的更进一步的实施例，为了提供强健与可靠的系统，处理装置执行一参考校正步骤，其中对飞行时间(TOF)重复测量多次，且处理装置决定大多数的测量的飞行时间值(TOF_I)的差异是否低于一预定临界值z，且处理装置计算测量的飞行时间值(TOF_I)的平均值，如果偏差低于临界值z的话，储存平均值于记忆装置以作为一参考飞行时间值(TOF_REF)。如果偏差并未低于临界值z的话，处理装置产生一错误信号。

较佳地，处理装置只有在参考飞行时间值(TOF_REF)大于一预定的最小值的情况下，才储存参考飞行时间值(TOF_REF)于记忆装置中。如果参考飞行时间值(TOF_REF)并未大于预定的最小值的话，处理装置用以产生一错误信号。

如果在参考校正步骤期间，在至少一预定数目的飞行时间测量期间内，超音波接收器没有接收到信号的话，则处理装置不储存参考飞行时间值(TOF_REF)于记忆装置中并产生一错误信号。

参考校正算法(步骤F)更进一步被说明于图14中。首先送出一脉冲(步骤G)，测量超音波从收发器至参考表面且回到收发器的飞行时间(步骤H)，并将飞行时间储存为TOF_I(步骤J)。如果在预定暂停时间期间(譬如3秒)之后，在两次尝试以上之后(步骤L)没有接收到信号(步骤K)，则产生一错误信号并将其呈现给使用者(步骤M)。此种测量的重现性是通过重复I＝0至I＝19的测量而检查出。如果TOF_I所储存的数值(与两个最极端数值分开)是在一预定临界值z之内，则执行一项检查(步骤O)，否则再开始参考校正。接着，计算平均参考飞行时间值TOF_REF(步骤P)并将其储存为代表最大可允许距离(步骤Q)，但是只有在TOF_REF大于一预定最小值时才会储存，否则产生一错误信号并将其呈现给使用者(步骤R)。于此例中，此最小值为一预定最小增量的32倍，能使手部移动的至少32累进式距离可被测量并转换算成为控制指令。在手势控制期间，不容许超过以TOF_REF表示的最大距离的移动。参考距离将又决定控制范围。

为了提供强健与可靠的系统，处理装置执行一种等待以供控制致能(wait-for-control-enablement)循环，其中是以预定间隔重复地测量飞行时间(TOF)，并在等待以供控制循环期间比较测量的飞行时间值(TOF)与储存于存储器的一参考飞行时间值(TOF_REF)，其中如果测量的飞行时间值(TOF)等于或大于参考飞行时间值(TOF_REF)的话，则重复测量步骤；处理装置更进一步决定测量的飞行时间值(TOF)是否小于参考飞行时间值(TOF_REF)，以及在测量的飞行时间值(TOF_H)与先前测量的飞行时间值(TOF_H-1)之间的差异是否小于一预定临界值(tx)；且处理装置根据飞行时间信号来传递控制信号至控制装置，其中此飞行时间信号是在决定出测量的飞行时间值(TOF)小于参考飞行时间值(TOF_REF)且偏差低于临界值(tx)持续预定数目的重复测量之后被推导出。

较佳地，当决定出测量的飞行时间值(TOF)等于或大于参考飞行时间值(TOF_REF)时的预定间隔是大于当决定测量的飞行时间值(TOF)是小于参考飞行时间值(TOF_REF)的预定间隔。

处理装置计算测量的飞行时间值(TOF)的平均值并储存平均值于记忆装置中，当处理装置决定出偏差低于临界值(tx)持续预定数目的重复测量之后，依据在测量的飞行时间(TOF)与平均值飞行时间之间的正或负差异，来传递控制信号至控制装置。

为了决定所欲被传送至控制装置的控制信号，处理装置将测量的飞行时间值(TOF)的差异修整成在测量的飞行时间(TOF)与平均值飞行时间之间的最大允许的正或负差异。处理装置计算最大允许的正与负差异，以使负差异小于平均值飞行时间，并使正差异小于在参考飞行时间(TOF_REF)与平均值飞行时间之间的差异。

在参考校正(步骤F)之后，将此系统设定成为一种「等待-控制-启动」状态(步骤S)，如图15所示。将取样频率减少至4Hz(250毫秒)(步骤V)。此系统将通过测量飞行时间(TOF_H)(步骤T，更详细显示于图16中；暂停＝100毫秒)并比较飞行时间(TOF_H)与参考值(TOF_REF)(步骤U)来决定一障碍物/物体(例如手)。只要飞行时间(TOF_H)大于或等于参考值(TOF_REF)，就假设没有物体出现在波束中，且此系统将以取样频率重复此循环。

如果飞行时间(TOF_H)小于参考值(TOF_REF)，则在1秒期间执行二十次测量(H＝0至19)，用以通过检查飞行时间(TOF_H)与先前测量飞行时间(TOF_H-1)之间的差异是否小于一预定临界值tx(譬如表示2公分的距离的数值)来检查物体是否稳定位于某位置(步骤V)。如果差异小于预定临界值tx，则储存飞行时间(TOF_H)(步骤W)，且算法继续至图13中的致能控制步骤(步骤X)。在致能控制循环期间，系统检查物体(手)是否仍然出现在波束中(图13与图17的步骤X3)并检查物体是否完成控制手势，如图13与图17的步骤X4，更详细说明请参考图17。经由上述算法，此系统将不会在等待-控制-启动循环期间对超音波波束的短时间(＜1秒)扰动有所反应。如果接收到回音信号，则将以减少的取样频率实行连续检查。

通过以上提出的算法，光源将只有在手部移动满足某个轮廓(profile)时才能被控制，如图3所示。当手2在超音波波束4外部移动时(图3的步骤D)，控制会变成失能。当参考物体改变时，控制亦变成失能，如上面图12所述。

现在将参考图17与图18(其中C与FC以数值0开始)，来更进一步说明启动-控制算法(步骤X)。为了提供反馈给使用者关于启动控制的事实，提供一视觉信号，举例而言，于本实施例中将开启绿色LED(步骤X1)。取样频率增加至40Hz。

基于所决定的飞行时间，将自动决定控制范围(步骤X2)，如显示于图19与图20中。最好是选择级距NS_tot的总数，以使系统的灵敏度(亦即控制级距的长度)大概是2公分，其是对应至0.116毫秒的TOF(2*0.02m/345m/s)。32个较佳数目的控制级距使手的控制范围落在64cm，其中手的初始位置为此范围的中心。然而，如果手比32公分(减去由裕度边缘TOFBS与TOFBR所反射的裕度)更接近收发器或参考表面，则在手的任一面上，控制范围无法达到32公分，因此将控制范围的上限或下限(RangeMin或RangeMax)定位在各个裕度边缘(TOFBR或TOFBS)而改变控制范围。

在收发器与手之间的飞行时间(TOF_C)被决定。执行连续检查以决定手是否仍然在波束中(步骤X3)，并决定手是否正在移动(步骤X4)。如果手不在超音波波束中持续一段预定的时间，则控制将变成失能。如果手在波束中，但未移动持续至少一秒，则检查光特性在那之前是否已受到控制(FC＞0)。如果未受到控制，则将FC重置至0且控制变成失能。如果受到控制，则切换控制模式以控制不同的光特性(由提高了1的FC表示)，且算法回到飞行时间(TOF_C)判定循环。

如果决定手正在移动(步骤X4)，则检查飞行时间(TOF_C)是否在计算范围之内(步骤X5)。如果飞行时间(TOF_C)在此范围外，譬如通过以最接近的最大值置换飞行时间(TOF_C)以进行修整(步骤X6)，如图21中显示的修整控制。方向(步骤X7)与级距NS_act的数目(步骤X8)被计算，其为了控制目的将物理的手位置转换算成一数字位置数值。

NS_act是通过将所测量的飞行时间TOF(TOF_C-TOF_C-1)中的差异除以飞行时间TOF而计算出。这些数值被转换算成送出至LED驱动器的一驱动信号，用以控制光束特性。FC的目前数值决定哪一个光特性受到控制(步骤X9)。于此例中，只有两个待被控制的特性：「基本控制」与「微调控制」，但并不限于这两种控制。此种用以控制光特性的控制循环被重复，直到控制被关闭为止，或直到FC被提高以使不同的光特性受到控制为止。

如果一连串测量的飞行时间信号符合一预定行为时，控制装置将光源从其中一个光束特性的调整改变成另一个光束特性的调整。此预定行为可为飞行时间值在一预定的期间内实质上呈现固定、预定数目交替的高与低飞行时间值或预定数目交替的飞行时间值的存在与缺少。

本发明基于一选单结构而提出三个不同的方法以作为选择待被控制的光束特性的例子。在第一方法中，基本光源控制将在譬如1秒期间基于物体(亦即，手2)的维持不动而被选择。基本控制的选择的第二方法是基于手的旋转。供基本光源控制用的选单控制中的选择的第三方法，是基于朝水平方向横越超音波波束的手(假设超音波波束朝垂直方向延伸)。

利用这些方法，可以以一种连续方式选择基本光源控制，如显示于图22图。这意味着如果使用者首先选择光色彩(从1秒至1.8秒)，则在1秒以后(于2.8秒)继续控制选择朝向选择的色彩的色温的控制。然后，色温的控制亦通过手部移动(从2.8秒)而达成。控制范围像是用于先前基本控制一样地被选择。

图23-图28显示供三个基本LED光源控制用的选单中的不同步骤的一例。在图23中，色彩是由手2的上下移动所控制。在图24中，手2是于特定期望的色彩维持不动持续1秒，便能选择此特定色彩，而在图25中，将控制选择切换至色温控制。在图26中，手2于一特定期望的色温维持不动再持续1秒，便能选择此特定色温，而在图27中，将控制选择切换至光强度。在图28中，手2是于一特定期望的光强度维持不动，便能选择此特定光强度，而关闭控制。

光源控制亦可通过手的旋转而将一个基本控制切换至另一基本控制。因此，必须做出手与超音波波束之间的一某个角度变化(参见图29)。如果在手与超音波波束之间的角度为90度，则最大的回音信号将被超音波收发器所接收。如果手做出与超音波波束的45度的角度，则(几乎)没有回音信号将被收发器所接收，其乃因为回音信号被手反射至另一个位置。可选择一特定的飞行时间变化曲线，用以选择一选单中的其中一个基本控制，譬如图29所示。利用此种方法，使用者可从一个基本控制切换至另一个，而不需要控制每个基本控制。

基本光源控制的选择亦可通过横越超音波波束的(水平)手部移动而达成，如显示于图30。飞行时间是以高取样频率受到测量，且交替TOF信号(低-高-低等等)被认定为一特定的飞行时间变化曲线，其可被选择为一选单中的基本控制。

相较于电视而言，电视控制所提供的反馈像是对比、亮度、饱和等等的基本功能是经由显示器提供给使用者。在光源控制系统中，使用者输入光源控制指令之前，期间或之后，关于系统的状态及操作的反馈或信息也应当提供给使用者。举例而言，如果光源控制系统并未接收到控制信号或信号太弱，则需要给使用者某些错误信息提醒使用者注意。

依据所使用的光源控制应用，像是遥控控制、超音波或视信式手势控制，可提出不同的反馈机构。

在选单控制系统中，必须做出对使用者而言看得见的改变。亦，当控制致能时，必须提供反馈。如果产生错误，亦必须将错误提供反馈给使用者。亦即，提供不同种类的错误信息给使用者或给一服务环境，以进行错误的快速分析与修正。

因此，处理装置可传递一使用者反馈信号至控制装置，使光源特性改变或在邻近位置呈现不同特性，因此使用者可将特性的改变或邻近的不同光源特性认定为一反馈信号。

较佳地，处理装置传递使用者反馈信号至控制装置持续一段短时间，譬如0.2-5秒，并接着传递一信号至控制装置，以使光源特性返回至先前状态或被设定到一预定稳定状态，例如关闭状态。

用来反馈给使用者的第一提案是通过光脉冲或光的闪烁来发送信息。眼睛对于60Hz以下的光闪烁是非常敏感的。闪烁可通过很快再次开灯与关灯而完成。用以建立光闪烁的替代方案为实时降低光强度持续一段非常短的瞬间，并使其改变回到原始的光强度。于一较佳实施例中，反馈信号能使光源强度在短时间之内明显改变至少两次。

用来反馈给使用者的第二提案是通过光色彩改变或色温改变来发送信息。不同色彩或色温可提供不同信息给使用者。于一更进一步的较佳实施例中，反馈信号能使色温在短时间之内明显改变至少两次。

前两个方法的组合亦可传递额外信息给使用者。

第三提案是通过使用LED阵列光源作成文字反馈。如图31所示，通过将LED置放在一阵列中，控制装置个别地供电给LED阵列中的LED以形成阵列文字信息或图像。图31显示消息正文「E2」的一例，其可能是某个错误信息。依此方式，LED光源被使用作为显示器，用以在一错误控制期间传递不同文字信息给使用者。

较佳地，光源包含一透镜，将LED阵列投影于一参考表面上。超音波发射器及/或接收器最好是内建于透镜的中心。透镜最好是可调整地安装于光源中，以使其于光源与参考表面之间所测量的距离成为可调节的。如图32所示，LED阵列的文字通过一透镜8而投射在像是桌子、壁面或地板的物体表面。在如上所述的超音波式手势光控系统中，通过超音波传感器5的TOF测量(于此显示内建在透镜8中)可使用透镜8与物体(焦距f)之间的距离。利用此种信息，可依据距离与物体的函数来调整焦距(自动聚焦)，举例而言，步进马达可执行透镜8焦距的调整。

理想上，超音波控制的照明系统易于大量生产，所需的只是低成本元件，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是色彩、强度等等的可能的照明参数的可能性，将用以执行控制功能所需要的电子电路整合于光源中。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。将超音波传感器整合于光源中，使人们得以降低成本、缩小产品尺寸。

因此本发明更进一步揭露一种照明系统的实施例，其包含一光源，光源包含一阵列的LED，将电力变换成具有例如强度、色彩、色温的特性的一光束；一控制装置，包含一LED驱动器与一脉冲宽度调变器，用以调整光束特性；一数字模拟(DA)转换器、一超音波驱动器以及一超音波发射器，用以将一数字发射信号转换成一超音波脉冲的发射；一超音波接收器与一放大器，用以接收反射的超音波信号并将超音波信号变换成一电压；一比较器，用以在电压大于一预定临界值的情况下产生一数字接收信号；以及一处理装置，用以推导出表示在发射与接收信号之间的时间差的一飞行时间信号，并依据飞行时间信号来传递控制信号至控制装置，其中处理装置、脉冲宽度调变器、DA转换器及比较器是整合于单一微控制器芯片中。

请参考图33，如上所述的微控制器13传递一数字脉冲信号至超音波收发器5的超音波发射器，该发射器包含一超音波驱动器与一超音波发送器，当超音波发射器接收到数字脉冲信号后，超音波驱动器使超音波发送器发送超音波信号。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而转换成一电气脉冲，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34中)成可被超音波发射器部所使用的数值。然后，超音波收发器5传递一超音波信号(譬如于40kHz的频率下)，而物体将反射此种超音波信号。超音波收发器5具有一超音波接收器与一接收超音波放大器，用以接收反射的超音波信号并将超音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接收经由超音波收发器5接收数字接收信号，为了减少外部扰动的影响，信号被譬如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，超音波驱动器、接收超音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所接收的电性信号建立一数字脉冲信号，其可被微控制器13处理。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LED21。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整合于单一微控制器芯片中。

驱动LED的微控制器13属于现有技艺，但是更进一步被程序化成用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，譬如属于单芯片8位8051/80C5微控制器家族，最好是包含小型随机存取存储器(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。

图35显示依据本发明的照明系统，其包含具有标准白炽光源型配件的外壳，配置成圆形的十个LED 21，以及在号角6中的一收发器5。像是微控制器13、预处理器10与LED驱动器19的所有电子元件内建在外壳23中，而连接部22可制成与一般灯泡灯座兼容的结构，因此可简单安装本照明系统。

本发明的照明系统易于控制，并具有简单的使用者接口，其并不需要例如遥控器的额外设备，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。

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视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims

1.一种照明系统，其特征在于，包含：

一光源，包含一阵列的发光二极管，用以将电力转换成一光束，其具有强度、色彩、色温的特性；

一控制装置，包含一发光二极管驱动器与一脉冲宽度调变器，用以调整该光束特性；

一数字模拟转换器、一超音波驱动器与一超音波发送器，用以将一数字传输信号转换成一超音波脉冲；

一超音波接收器与一放大器，用以接收反射的超音波信号并将该超音波信号转换成一电压，以及一比较器，用以在该电压大于一预定临界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该控制装置，其中：

该处理装置、该脉冲宽度调变器、该数字模拟转换器以及该比较器是整合于单一微控制器芯片中。

2.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，该微控制器芯片选自于单芯片8位8051/80C51微控制器家族。

3.如权利要求2所述的照明系统，其特征在于，该微控制器包含一只读存储器小于4kB以及一随机存取存储器小于512kB。

4.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，该超音波发送器与该超音波接收器整合于一压电式超音波收发器中。

5.如权利要求1所述的照明系统，其特征在于，该超音波驱动器与该放大器整合于一预处理器中。

6.如权利要求5所述的照明系统，其特征在于，该预处理器还包含一个二阶高通滤波器，用以从该接收的信号中滤除多个低频信号。