CN103299717A - 用于获得环境光光谱和更改发射光的光电设备，系统及方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种光电设备，其特征在于，该光电设备包括：多个光发射器、基于CMOS的小型分光仪以及控制装置，其中多个光发射器设置成能够照明环境区域，基于CMOS的小型分光仪设置成获得环境区域内的环境光的光谱，以及控制装置用于基于所获得的光谱更改光发射器的发射。此外，提供了一种用于更改区域的环境光的系统，其包括至少两个光电设备以及用于在至少两个光电设备之间传输信息的装置。另外，还提供了用于更改区域的环境光的方法、用于执行该方法的计算机程序产品、用于确定光电设备的校准的反射设备及其方法。

Description

用于获得环境光光谱和更改发射光的光电设备,系统及方法

技术领域

本发明涉及用于获得环境光光谱和控制发射光的光电设备，以及用于更改发射光的系统。

本发明还涉及用于更改发射光的方法，包括执行该方法的指令的计算机程序产品，用于确定光电设备的校准的反射设备，以及用于确定光电设备的校准的方法。

背景技术

现今，在照明系统领域内，各种不同的照明设备能够任意地再生已有光谱，该光谱预先通过独立的光谱分析设备（如科学级设备）或由具有关于光谱的物理与工程的足够知识的专家特别设计的其他设备而获得。

还存在包括光传感器和光源的照明设备，光传感器被集中于获得由光源发射的光的特性（例如，颜色坐标或亮度级）以便调节或校准发射光以最终使其匹配给定的参考值。

还已知集成有光传感器和光源的其他类型的照明设备，该光传感器被用于检测（例如，人）的存在并根据检测结果对光源发射的光的强度进行修改。例如，在一些设备中，在为了节约电能目的而不检测存在的情况下，光的强度被减小。

例如，美国专利申请US2010/0007491A1描述了一种集成的图象识别和光谱检测设备，其尤其适用于监控光的设置。该申请还描述了如何通过对离开同一照明设备的光进行图象识别和光谱检测来自动地控制光的设置，尤其是如何响应于图象识别自动控制光的颜色特性的改变。为此，该设备包括图像传感器阵列和光滤波结构，其中图像传感器阵列用于识别图像和运动，光滤波结构可以是例如法布雷-佩特（Fabry-Perot）谐振器结构或切割的滤光玻璃阵列，其用于检测接收光的光谱成分。

然而，由于使用上述照明设备不足以准确地获得光的详细光谱特性的滤波器或者其他结构，所以上述照明设备表现出一些缺点，这些缺点与照明设备通过使用对某些应用不准确的预存的光谱参数或光特性的测量来更改其光输出的发射相关。换句话说，上述照明设备不适于在交互式光环境中使用，在交互式光环境中由于例如因移动设备所处的环境中发现的物体或者改变该环境的日光条件所导致的多次反射，光谱会发生变化，并且上述照明设备不能对这种光谱变化实时相应地作出反应。

发明内容

因此，为了克服现有技术中的设备的限制以使其能够发现新的应用，提供了用于测量环境光谱和更改发射光光谱的设备和方法，根据通过小型分光仪从环境光获得的光谱，该设备和方法能够以最优的方式实时地检测区域内环境光谱的变化。

更具体地，根据本发明的第一方面，提供了一种光电设备，其特征在于，该光电设备包括：多个光发射器、基于CMOS的小型分光仪以及控制装置，其中该多个光发射器设置成能够照明环境区域，基于CMOS的小型分光仪设置成获得环境区域内环境光的光谱，以及该控制装置用于基于所获得的光谱更改光发射器的发射。

利用这种光电设备，实现了对环境反射的光的最优控制，其能够通过光谱特性检测环境照明中的任何变化，并以期望方式改变发射光的光特性。

此外，由多个光发射器（当其点亮时）照明并将光朝向分光仪反射的环境区域还可由另外的光源照明，因此环境光的变化也可考虑到邻近的或放置在光电设备附近的其他光源（可以是人造的、自然的或附近的物体或人的反射）。

互补金属氧化物半导体（CMOS）是用于构造集成电路的技术。CMOS技术用在微处理器、微控制器、静态RAM、及其他数字逻辑电路中。CMOS技术还用于多种模拟电路如图像传感器、数据变换器、及用于多种通信的高度集成的收发器。因此，通过基于CMOS的分光仪，应该理解，分光仪已通过使用常用在CMOS工厂或代工厂中的技术工艺来制造。在这种意义上，值得提到的是被包括在分光仪中的光学色散元件（光栅）和光或图像传感器可使用CMOS技术中存在的各种技术来制造。

例如，色散元件可以通过光刻制成，而且还可以通过其它更先进的工艺如纳米压印制成。

纳米压印方法利用具有由电子束（e-beam）光刻产生的图案的印章材料（通常为硅或石英）。印章然后被物理地压在涂有UV-固化的低粘度抗刻蚀剂的基底上，从而在单次过程中将期望的电路图案转印到基底。通过对基底照射UV光使其硬化。此时，印章被移除，在基底的适当位置上留下电路的三维印记。在一个过程中对基底应用3D图案的能力对于CMOS技术中的光栅集成是非常理想的。考虑到光阵列（或图像）传感器，CMOS技术中最常使用的示例为CMOS传感器和CCD传感器（覆盖半导体表面的连续电介质上的栅控MOS电容器的紧密间隔阵列），但是还存在CMOS兼容且也可能使用的其他光检测系统。

此外，用于更改光发射器所发射的光的装置可被包括在计算控制器中，如微控制器、微处理器、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）、或适于控制分光仪信号与光发射器之间的相互作用的任何其他电子块。更确切地，计算控制器可包括需要调整由分光仪提供的信号的电子装置，并且还可包括驱动电子装置以向光发射器提供能量。

计算控制器和电子驱动装置还可包括用于通过诸如振幅调制（AM）或脉宽调制（PWM）或其他已知技术的技术独立控制光电设备的每个光发射器的输出的装置，使得光发射器能够发射具有与所获得光谱相关的特定光谱含量的特定的光。

所获得光谱与发射光之间的关系可包括具有不同程度复杂性的数学表达。例如，最简单的关系是所获得光谱与发射光的光谱之间的线性响应，但是也可以建立其他更复杂关系。例如，在光切换应用中，作为所获得光谱的参数的函数的高度非线性关系也是可能的。

其他方法可能需要通过允许对发射光的连续闭环调整的算法来改变光输出以便正确地运行。

包括通过光的计算或通信的另外方案可能需要所获得的光与发射光之间的复杂数学关系，其使用其他输入变量如通过微控制器或其他存储节点的通信端口获得的输入变量。

因此，根据应用，所获得的光谱、通过通信端口或存储节点所输入的输入与发射光之间的多种关系都是可能的。

而且，因为可以实现对通过光电设备发射的光谱的完全控制，所以通过仅在人眼最敏感的那些区域中提供谱能量可以发射具有不同的辐射发光效能（LER）的谱，导致了用于关注能量效率的应用的调制环境能耗的令人感兴趣的方法。

此外，光电设备可固定在区域的表面上，如房间或宽区域的顶部，或其还可以实施为便携手持式设备，通过这种方式，其可在任何地点使用、从一个位置运输到另一位置以及将其放置在任何必要的地方。

根据一个实施方式，分光仪包括光入口以获得环境光的光谱。

根据另一实施方式，设备包括至少一个光学元件，该至少一个光学元件耦合至光入口用于增加经过光入口进入的光通量。

以这种方法，通过使用耦合至光入口的光学元件，增加了光入口的光收集的立体角，因此获得了大量的环境光。因此，由于信噪比增加了，所以从给定区域所获得的环境光光谱更精确。

根据一个特定的实施方式，光学元件包括光学透镜组。

适当设计的光学透镜或透镜组可很好地改进来自环境的环境光的耦合通量，其在现有的低光敏度的小型分光仪的情况下是难以获得的，特别是当环境的光强较低或太暗时。

此外，设备还可包括波导元件，该波导元件具有第一端和第二端，其中第一端耦合至光学元件。该波导元件可以是例如光纤波导，或集成在CMOS技术中的波导。

在分光仪被封装在远离多个光发射器的区域中的情况下，额外的波导可以是有用的。这样，进入波导的光可以被引导朝向分光仪的入口，该分光仪不必一定放置在特定的地点以保证其围绕物的光间隙，从而能够更有效地分布光电设备的元件。

根据另一实施方式，设备还包括耦合至波导元件的第二端的第二光学元件。

第二透镜或透镜组对将进入的光通量有效地耦合到波导的第二端中可以是有用的。例如，光纤的第二端可不具有适于收集发散的环境光的数值化孔，因此可以在端部处（从环境收集光的地方）使用透镜或透镜组来增加来自环境光的入射光子的量。

此外，光发射器可包括至少一个固态光发射器，特别是，该至少一个固态光发射器可以是LED或其他类似的或更先进的固态发射器，其适于发射具有窄带光谱的光如激光或由量子点和/或不同的发光材料的线制成的那些。

可替换地，根据不同应用可使用其他合适的宽带光发射器，如通过紫外线（UV）LED的波长下变频，或其他传统的照明技术操作的基于荧光体的LED。

根据本发明的一个实施方式，第一或第二光学元件是可移动的，设备还包括用于移动第一或第二光学元件的装置。

以这种方法，光学元件可指向发现关注的环境光的特定区域，从而允许将光电设备固定在表面上，并且同时允许从附近的不同区域（不是固定区域）获得光谱。此外，设备的元件可非必须地嵌在单个壳体中，从而使得光电设备紧凑且适于设置在不同的区域，并且具有可与传统灯泡比较的体积。

在一个可能的实施方式中，如上所述的光电设备可包括多个光发射器，并且另外可通过缆线、无线的方式或通过任何类型的通信技术与至少一个其他的光发射器连接，从而也能够更改该至少一个其他的光发射器的发射。以这种方法，可将一个光电设备放置在一个地点中，但是其不但可控制自身的光发射器，还可控制附近的其他发射器（例如，其可能在光电设备被安装在该区域中之前已被安装）。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于更改区域的环境光的系统，其包括至少两个如上所述的光电设备以及用于在这两者之间传输信息的装置。

根据本发明的一个实施方式，系统可以使得：

-至少第一光电设备还包括用于获得与所获得的光谱对应的光谱参数的装置，和用于将与所获得的光谱对应的光谱参数传输至另一光电设备的装置；以及

-至少第二光电设备包括用于接收与所获得的光谱对应的光谱参数的装置，和用于基于接收到的参数更改其光发射器的发射的装置。

这样，系统可具有多个光电设备，该多个光电设备在区域上设置成，当该区域的环境光中发生任何或特别的外部改变时（例如从窗户进入的光，或由用户点亮的蜡烛），一个或多个光电设备可通过环境光光谱的改变来检测该改变或微扰，从而能够向一个或多个光电设备发送与该改变相关的信息，该一个或多个光电设备可以是邻近的或者可以不是邻近的。这使得其他设备例如能够更改其发射器光的光谱，从而响应于由第一设备检测到的任何或特定的环境变化，在所考虑的区域上再生特定的环境光光强和/或光谱分布。

对应于所获得的光谱的光谱参数可包括多个不同的数据。例如，当获得一个光谱时，一种可能性是设备传输包括整组特定的所获得光谱的光谱数据点的参数，从而允许另外的设备接收这些数据，并且使得自身的光发射器能够发射具有所接收的光谱含量的光。这种作用方式可以称为“复制模式”，因为接收设备发射从另一设备所获得的环境光复制的光。

光谱参数的其他特殊示例涉及可从光谱信息获得的任何光特性，如任何颜色空间中的颜色坐标、相关色温（CCT）、离开黑体轨迹的距离（D_uv）、能量效率变量如效能、颜色渲染信息（如CRI-彩色渲染指数或CQS-颜色品质比例）、总通量或光强度、光方向性等。

另外，参数可反映通过所获得的光谱推出的其他特征，但是该其他特征不直接与所获得的光自身的物理特性或色度特性相关。因此，参数可包括特定空间中的物体或人的几何信息，提供物体的颜色、形状、位置、速度或甚至空气质量的控制的信息。其还可包括关于时间相关性或动态现象如变化率或闪烁物体的信息。

此外，作为参数传输的信息不必一定从所获得的光谱直接得到，但是可由关于从所获得的光谱直接得到的另一参数的一些标准触发。在满足该标准的情况下，待传输的参数可被存储在存储节点中或通过在微控制器中执行的特定算法实时地产生，或者甚至可以包括可发送并且随后由光电设备或计算机读取的、以可理解语言或协议编码的指令或详细的编程代码。

为了例示的目的，实体的应用示例可以是具有被特别编程或设计成使特定的内部或外部空间的能量效率/节约最大化的光电设备的系统。在这种配置中，每个单独的光电设备被编程以使得，当移动的物体通过由其分光仪测量到的光反射而检测到时，向光电设备网络的其余部分发送指令以使它们的输出通量逐渐增加到舒适的预设水平。可替代地，该指令可不与输出通量相关而与涉及颜色品质或任何其他谱特性的另一光参数相关，或可能可再生被预存在存储节点上的任何其他光。

根据所考虑的应用，其他更复杂的指令可被包括在参数内，包括发送给仅一组光电设备的操作或指令，或使得一组设备能够发射具有特定的预定光谱的光。

用于传输光谱参数的装置可以是任何通信网络，如以太网线缆、无线通信、或常用在数字设备之间使用任何协议（预先建立的或特别为系统的应用所设计的）传输数据的任何其他合适类型通信。

此外，除包括用于更改由其光发射器发射的光的光谱的装置之外，接收对应于环境光的光谱变化的第一参数的光电设备还可包括用于向另一光电设备发送对应于该环境光谱变化的另一参数。

以这种方法，根据期望的应用，可用于监控某一区域（检测到变化的设备的区域）的光的光谱变化的参数可直接发送给其他设备（例如，通过向其余设备广播信号）或通过一连串的多个设备传输。

光谱中的变化可由区域内发现的环境光的变化（例如，在该区域中发现的与天气或与时间相关联的日光变化、通过窗户进入区域内部的日光、或人造光（如灯）的开/关状态的改变）所导致的。此外，静态或移动的物体和人的存在也可影响一部分区域的环境光谱。例如，取决于人的衣服的颜色，多个光谱成分可能被滤波，改变由光电设备收集的反射光。这些不同的改变可用来识别区域内的不同情况和根据该变化来执行动作。

可以识别不同的光谱图案，如对应于天气条件变化（例如，日光变化）的图案、对应于进入或离开系统的区域的人或动物的图案、或对应于诸如人体追踪的动态事件（例如在建筑物或医院中）的检测或物体追踪（例如家中或博物馆中高价值物体）或包括图像识别的其他应用的图案。响应于这些刺激的任何一个，系统可通过利用系统的一些或所有光电设备来发射特定的预定环境光而做出反应。

根据另一实施方式，用于更改区域的环境光的系统还包括计算机服务器，该计算机服务器包括用于从光电设备接收至少一个光谱参数的装置；用于基于所接收的光谱参数，确定至少一个另外的光电设备以发送另外的参数的装置，以及用于向所确定的光电设备传输该另外的参数的装置。

光电设备可连接至计算机服务器，该计算机服务器可通过任何光电设备接收对应于任何所获得光谱的参数，并且可确定哪个其他光电设备可接收该参数或可使设备接收该信息以发射具有特定光谱的光的其他信息。应该指出的是，对应于第一所获得的光谱的参数可使另外的设备的光发射器发射具有第二特定光谱的光，第一光谱与第二光谱不一定相同。

可替代地，根据本发明的另一实施方式，至少第一光电设备还包括用于确定至少一个另外的光电设备以发送所接收光谱参数的装置。

此外，根据用于系统的每个特定应用的需求，用于确定另外的设备以发送参数的装置可被包括在一个或多个设备中，或与具有确定装置的计算机服务器和具有确定装置的其他设备组合。

根据另一实施方式，系统包括用于获得所获得的光谱与预定光谱图案之间的相似性参数的装置，并且其中确定至少一个另外的光再生设备以发送接收到的光谱参数是在考虑到所获得的相似性参数的情况下执行的。

这可以是确定动作（例如，允许设备的光发射器发射某一光谱，或向其他设备发送其他参数）的一种方式。例如，对应于不同情况（日光、烛光、荧光、自然现象等）的多个预定光谱可用于执行与所获得的光谱之间的比较，从而确定待采取的动作（例如，发射具有较低强度的光谱的光、主要颜色、通过另外的设备关闭一组光发射器等）。

可用于剧场或生活体育的另一示例涉及这样的系统，该系统被配置成或设置成在演出过程中检测对应于特定事件的不同图案，一旦检测到这种图案，就可触发某种照明条件或动态照明效果，该照明条件或动态照明效果可部分地或全部包括系统的光电设备。

在广义上，用于多种应用的其他复杂交互式环境可能被创造，其中个体的动作是最初的输入，并且照明系统作为整体作出反应，每个单独的设备处理其所获得的谱信息和/或向其他光电设备或计算机服务器发送参数，整个系统作用以完成与任何特定应用、游戏相关的预定效果或仅在个体与光之间创造具有一些程度交互性的空间氛围。

根据另一实施方式，系统的至少一个光电设备还包括用于获得所获得的光谱与预定光谱图案之间的相似性参数的装置，其中用于更改所述光发射器的发射的装置基于所获得的相似性参数来更改发射。

根据另一实施方式，神经网络是利用系统的每个光电设备作为神经网络的节点而建立的。

根据本发明的另一实施方式，一种用于在更改区域的环境光的系统中更改区域的环境光的方法，该系统包括第一光电设备和第二光电设备，该方法包括以下步骤：

-通过第一光电设备从环境光获得光谱；

-通过第一光电设备获得对应于所获得的光谱的参数；

-将所获得的参数从第一光电设备发送至第二光电设备。

此外，根据另一实施方式，提供了一种计算机程序产品，其包括用于使计算机执行用于更改环境光的程序指令。计算机程序可实施在存储介质或载波信号上。

此外，根据本发明的另一方面，提供了基于CMOS的小型分光仪在如上所述的光电设备中用于获得区域内环境光的光谱的用途。

根据本发明的另一方面，提供了一种反射设备，其用于确定如上所述的光电设备的校准，该反射设备包括具有反射部分的表面。

此外，提供了一种用于通过如上所述的反射设备确定光电设备的校准的方法，该方法包括：

-将反射设备至少部分地设置在光发射器能够照明的环境区域内；

-通过多个光发射器发射具有期望光谱的光；

-通过小型分光仪，获得由反射设备至少部分地反射的真实光谱；

-获得所获得的真实光谱与对应于被发射的期望光谱的期望反射光谱之间的相似性参数；

-基于相似性参数确定光电设备的校准。

以这种方法，通过使用反射设备，可校准由电子驱动器向任何光发射器提供的电能（电流和/或电压）与同一光发射器的真实光输出之间的关系。

反射设备可以是适于设置在可由光发射器照明区域内的任何设备，并且可以是例如放置在光发射器前面的覆盖件，该覆盖件通过任何固定装置附接（拧紧或固定）。反射表面为反射响应对光电设备是已知的（或可由光电设备获得），从而可获得给定的入射光的反射光谱。

更具体地，通过向光发射器提供特定的预定电流或电压（通过例如可使用驱动器产生这种电流或电压的微控制器），可发射期望的预定光。应该注意，不必一定在执行设置反射装置的步骤后执行发射期望光的步骤，只要在设置步骤和发射步骤之后执行获得已由反射装置反射的真实光谱的步骤即可。

然后，通过设置高度反射设备（可以是例如在光发射器的前面被拧到或附接至光电设备的覆盖件），真实的发射光（可以不是期望的光）在该反射设备的表面上反射，并且通过分光仪获得该真实的反射光的光谱。

因为反射设备的反射响应是已知的，所以可以预先确定（例如，被存储在光电设备的存储装置内）对应于所发射的期望光谱的期望的反射光谱，从而能够获得期望的反射光谱与所获得的真实光谱之间的相似性参数。

如果该相似性参数表明期望的反射光谱与所获得的真实光谱是不同的，这意味着光发射器可能发射与其假设发射的光不同的光，并因此应通过例如改变被施加到光发射器的电流或电压来执行校准。

因为光发射器在其使用期限内可改变其发射特性，并因而随着时间的变化可能需要不同的电流和/或电压以发射相同的光，所以这可以是有用的。

还可以使用校准光电设备的光输出的其他方法，如包括能够将分光仪直接地指向光发射器的机械部件。

附图说明

下面将仅通过非限制示例的方式参照附图描述本发明的多个实施方式，在附图中：

图1示出了根据本发明的优选实施方式的光电设备；

图2a-2c示出了根据本发明的另一优选实施方式的光电设备的一部分的不同可替代部分；

图3示出了根据本发明的优选实施方式的封装的光电设备；

图4示出了根据本发明的优选实施方式的图3所示的光电设备的细节；

图5示出了根据本发明的又一优选实施方式的用于更改区域的环境光的系统；

图6示出了根据本发明的又一优选实施方式的用于修改区域的环境光的系统。

具体实施方式

根据本发明的第一优选实施方式，将通过附图描述根据本发明的光电设备。更具体地，在图1中示出了光电设备100，其包括小型分光仪102，小型分光仪102包括光入口和第一耦合透镜101，第一耦合透镜101被设置在该光入口与外部之间并设计成使从环境光耦合到分光仪102的光入口中的光通量最大化。

此外，根据该实施方式，分光仪102及其耦合透镜101被设置在包括LED阵列的板的中心处，LED阵列被嵌在LED板103中（更具体地，印刷电路板或PCB）。因为光入口的光轴和透镜101指向与LED板103发射的光相同的方向（即，光角分布的对称轴），从而捕获由LED照亮的区域的至少一部分的环境光，所以该位置是最优的。由具有LED的PCB103发射的光照射特定区域的物体和表面，这种反射或分射的光的一部分又由分光仪102经过耦合透镜101捕获，从而能够通过分析所收集的光来提取周围的信息（环境光探测）。耦合透镜101还可将来自与存在于所考虑空间中的LED板103不同的其他光源的、通过沿着直的光路或在空间中经受一次或多次反射后的光耦合。以这种方法，来自与本发明中出现的光电设备类似的或不同的各种光源的光子（例如，自然光或人造光）可最终由耦合透镜收集。

分光仪101及其透镜102的设置可根据光电设备的预定应用、或根据每个设备的功能或设备在区域内如何分布来改变，因此在系统中的每个设备将以不同的方式被控制。稍后将根据其他附图描述表现分光仪102的设置的变化的其他实施方式。

分光仪102实现在CMOS型微芯片中，在本实施例中，分光仪102为微分光仪，其包括纳米压印光栅，但是将该光栅实现在微芯片中的各种技术也是适用的。适用的微分光仪的一个商业示例可以是由Hamamatsu TM制造的新系列的微芯片实现的分光仪。

此外，设备100包括用于更改由自身LED板103或其他光源发射的光的装置104。这些装置在电子微控制器中实现，该电子微控制器包括用于将来自分光仪的信号改变成适于由微控制器处理的电信号的装置。此外，微控制器或专用电子设备可改变由微分光仪读出的接收光谱，并根据一组规则，取决于不同情况和用于设备的应用，通过电子驱动器向其发送适当电流来更改部分或整个LED板的发射。微控制器优化算法可确定每个LED所需的电流（通过读取校准表）以得到发射光的预期的总光谱。该发射光的光谱是所有各个LED光谱的总和。

嵌在LED板103中的LED阵列包括多个LED，多个LED中的每个能够在电磁谱的某一部分中发射，因而覆盖可包括可见光、不可见光或它们的组合的特定应用的整个光谱范围。这是有用的，因为当必须发射特定的光谱内容时，系统能够改变每个LED发射的强度以便获得期望光谱。因此，会使用大量LED（通常为5和50之间的范围中），该数字越大，任何任意光谱的再生就越准确。为了实现最佳的均一性和光学特性，LED PCB103可附接至包括透镜和扩散器的另外的光学系统。

如图2A详细示出，分光仪102与透镜101可保持成直接接触以耦合环境光（如图1的配置所示）。其他更精密的配置也是可能的，如图2B所示，以光纤105形式的波导附接至透镜101的一端，并且其另一端附接至另一透镜101a（与原透镜101类似）。以这种方法，无需将分光仪102和透镜101放置在相同位置来获得期望的环境光，并且因为光纤是柔性的，所以仅第二透镜101a和附接至其的光纤的端部可放置在期望的表面中，并同时根据光纤的数值化孔和整体光学系统的拉格朗日不变量来接收与之前图2A的可替换实施方式中相似的或甚至比其更大量级的光通量。

图2c中示出了另一可替换实施方式，其中替代一个光纤，两个光纤105a、105b被设置在壳体中，一端附接至第一透镜101，另一端附接至两个另外的透镜101b、101c。这些透镜大致放置在与LED阵列相同的平面中，并且分光仪102可被放置成远离耦合透镜101b和101c。以这种方法，实现了光电设备较好的封装，还允许设有可移动的耦合元件105、105a、105b、101a、101b、101c的另外配置，以收集来自所考虑空间内的不同区域或方向的光。这些可移动部件也可由微控制器操控。

在图3中更好地观察这种封装，其中示出了包括图2C所示的光纤配置和电子块106的光电设备100的封装。

在该配置中，由透镜101b和101c收集的光子经过透镜101被耦合到分光仪102中。紧凑的分光仪102能够根据光子的能量将这些光子分类并提供表示所获得光子分布（谱）的电子信号。可选的信号训练电子块106a可能是必需的以改变分光仪102与微控制器106b之间的信号和操作方式（例如，读取过程的积分时间、CMOS传感器的灵敏度或增益等…）。一旦谱信息被读出，微控制器106b可通过专用算法计算特定的谱参数并对电子驱动器106c和/或通信及存储块106d采取措施，电子驱动器106c随后改变LED阵列103的谱输出，通信及存储块106d通过网络发送例如参数或预存信息。显然，最后的功率电子块也是必须的，其包括用于独立设备的电池和/或用于墙插式设备的整流器，但是为了简化起见，已在附图这将其故意省略。

此外，在不失一般性的情况下，图3所示的设备可工作在具有耦合至耦合透镜101的（其中一些甚至是可移动的）多个光学纤维的图2示出的光耦合配置中的任何一个中。可替换地，可在不限制本发明的范围的情况下容易地集成其他传感器如温度传感器、湿度传感器、空气流速传感器、光强度传感器（硅太阳能电池等）、图像（CMOS或CCD阵列）传感器以提供另外的功能。

图4示出了光电设备的底座，示出了LED板103及位于其中的多个LED203的典型布置。包括能够再生任意谱的多个光发射器203的基本单元周期性地重复以增加总发射光的辐射功率（不可见应用）或光功率（可见应用）。同时，这种重复使输出光的颜色和谱均一性增加。

根据另一优选实施方式，图5示出了用于更改区域500的环境光的系统，其包括多个光电设备100a-100d，多个光电设备100a-100d的LED板103a-103d（仅103a发信号）覆盖子区域301a-301d，并且多个光电设备100a-100d的微型分光仪102a-102d（仅102a发信号）覆盖子区域300a-300d。

如在该具体设置中可观察到的，由每个设备的LED板发射的光锥（子区域301a-301d）彼此部分重叠，如302中那样。同样地，每个分光仪的“检测”光锥（子区域300a-300d）与邻近设备所发射的光锥重叠，如303中那样。

通过这种方式，当设备以“复制模式”编程（即，用于更改LED阵列的发射光的装置被编程为发射精确匹配由同一设备的分光仪所获得光谱的光）时，在由设备的分光仪覆盖的子区域之一中出现光谱的外部变化或微扰的情况下，相应的设备检测该变化并开始发射具有检测到的光谱的光。然后，由其自身的LED阵列覆盖的区域通过其他设备的分光仪检测，触发这些其他设备以获得新光谱并开始发射具有该新光谱的光，从而创建使原始微扰在所有设备覆盖的整个区域上传播的链式反应，实现了响应于最初改变或微扰的新的环境光。

一部分系统区域（可由一个设备检测）的光谱上的这种改变可由来自区域外部的光的改变（例如，日光、来自另一空间的一道人造光等）、有意进行的改变（某人将手电筒朝向分光仪）、或例如人进入房间或在该房间周围移动所导致。

并且，环境光的改变可由特定光电设备的LED阵列的发射中被编程的改变（即，例如具有预存光谱、由用户编程且待在一天的某一时间执行的光的发射）所导致，使得通过仅自动地改变系统的一个设备的发射就能够实现链式反应和区域的环境光的总体改变。

当然，系统的设备可不同地设定，其中一部分为静态的（不根据任何谱变化来更改它们自身的光发射），而另一部分为可更改的（例如，以如上所述的“复制模式”运行）。

该系统的可能应用例如可以是将关于采光条件的信息从靠近窗户的设备发送到建筑物内部。

其他应用包括人与智能光照环境的相互作用，使得人的表达作为输入智能系统的积极部分以在环境中实现期望的目的或情绪状态。

另外的示例包括交互式游戏。例如，这样的游戏，即具有不同颜色手电筒的用户必须通过将他们的手电筒或火把朝向设备来改变区域的整体光照，并且获胜者是将区域的光全部改变成他们的颜色的队伍。

本发明的另一实施方式可以是具有多个光电设备的系统，其中多个光电设备被设置成上述系统中那样，光发射器的每个特征波长表示通信信道。在这种意义上，用户或计算机程序可控制特定的光电设备用作发射器，并且信道的数量由发射器所具有的不同特征波长的数量确定，并且在每个单独信道中可允许所有类型的数字、多逻辑或模拟通信协议。以这种方法，其余的光电设备能够通过自己的分光仪接收这些谱成分，并且继续通过再生具有相同光谱的光向其他设备发送相同的信息，或通过对包括在每个通信信道中的信息解码来译解信息并采取所需的动作。

以这种方法，信息可被编码在发射光的光谱中（即，通过使用每一单个LED的特征波长作为通信信道来编码）并且，当由第一光电设备发射时，所发射的光可由其他光电设备检测，当其他光电设备被配置为“复制模式”（设备获得光谱并利用其自身LED阵列发射相同的光谱）时引起链式反应，包括被编码的信息的光谱由发射复制链通过其他光电设备发送。

在本发明的另一实施方式中，系统包括计算机服务器，该计算机服务器连接至系统的所有光电设备。该连接（通过线缆、无线方式的通信网络，或计算设备之间的任何其他合适类型的通信）使得光电设备能够向服务器发送对应于其相应区域内的被检测光谱中的任何变化的信息，从而使服务器控制待由任一光电设备执行的动作。计算机服务器所作出的决定可包括其他输入如一天中的时间或其他相关信息（例如，对应于其他光电设备、其他传感器等之前检测到的谱变化的历史信息）。

以这种方法，系统可通过计算机服务器连接至其他系统，其他系统可以是相同类型或可以不是相同类型。这种附加系统可包括传感器网络、微型电网、因特网、其他计算服务器、或感兴趣的其他电子设备或通信网络。

此外，光电设备还可彼此通信，例如不同类型的光电设备可被编程为控制其他光电设备，从而结合使用还可对待由其他光电设备执行的动作进行控制的服务器和光电设备，这可根据该系统打算进行的应用、设备在一个或多个区域内的位置等是优选的。

系统的另一应用的示例为图6所示的本发明的实施方式，其中系统包括多个根据本发明的光电设备（如设备100d或100e），多个光电设备在区域1中被设置成使得每个设备100d的分光仪范围300d的总和实际覆盖整个区域，为了在该区域中对人或物体进行追踪，可选的是相应发射合适的光和/或向另外的设备或计算服务器发送信息。更具体地，如之前实施方式所示，分光仪范围300d彼此部分地重叠，使得每当人2穿过区域1，该系统能够从一个范围到另一范围，重叠区域使得这些设备能够检测到此人并发射具有预定光谱含量的预定光或发送用于另外处理的信息。该处理可包括基于计算程序的个体或人的识别。计算算法可被包括在一个或数个光电设备（即，分布式编程）和/或计算机服务器中。为了执行图案识别，算法可包括基于软计算如神经网络、模糊逻辑和/或其他计算先进模式的技术。

例如，为了检测设备100d的范围300d内的人，存储基于对于该特定的人的接收谱含量的预定图案。然后，每当该图案由系统识别为存在于预存数据库中的人或物体时，可通过网络向可采取需要动作的其他光电设备或服务器发送识别确认信号或其他信息。

该信息可包括用于其他设备、要求其他设备发射某一光的一组指令，或可直接发送给控制用于再生具有特定光谱含量的光的LED的驱动器，该光谱含量可例如与被追踪用户的预设光设置相关。

该信息还可包括：例如与不同种类颜色的衣服反射的光对应的谱特征、以特定方式反射光的衣服的种类、人皮肤或头发的反射类型等。

此外，还可检测物体或人的移动，增加其他特征如谱改变地多快，或是否其从一种类型改变到另一类型等。还可以通过比较不同光电设备在特殊空间上获得的光谱来收集信息。通过通信端口在光电设备与附加计算服务器之间共享信息的这种方式可有助于追踪发生在安装有照明系统的整个空间中的变化。

该系统的一个应用可以是所有设备发射的光是微弱的或不存在的，每当移动物体或人经过特定的光电设备之下时，将其发射切换成舒适的照明度，从而照亮人移动经过的路径。因为光电设备的读出范围相互重叠，所以可以实现这样的配置，即照亮人前方的路径（如图所示，例如由设备100d照明，并且以黑体追踪线示出设备的范围），并且照亮人后面或远离人的路径的光可以是暗淡的（如图所示，例如设备100e，并且以淡追踪线示出设备的范围），因此仅照亮了邻近人的一部分区域（且对应于他行走的路径），在整个过程中节约了电能。

自从八十年代文艺复兴以来，人工神经网络已在许多应用中使用。其最常使用的实施方案为在个人计算机或工作站上运行的程序，并且由于其软件的较高灵活性而广泛使用，其中用户可容易根据应用的要求来更改网络拓扑、处理元件的类型或学习规则。

然而，因为起源于人工神经网络的生物神经网络高度并行地操作，在顺序式计算机上实施神经网络似乎非常矛盾。

一种利用高度并行的神经系统的方式是利用多个处理元件（神经元）。在这种意义上，光电设备的系统可适用于进行这种并行计算的处理方法。

在本发明的又一实施方式中，在光电设备的系统上使用并行计算可实现为神经网络的创建，其中分布在空间中的多个光电设备将作为神经网络的节点（人工神经元）。节点之间的连接或通信可通过他们之间的通信网络或通过如上所述的光谱中包括被编码信息的光来执行。在这种意义上，在该系统中，可容易地实现通常在神经网络中使用的非线性分布式、并行且局部处理和适应的原理。

另外，神经网络设有用于信息处理的数学或计算模型。计算模型可由每个光电设备的微控制器存储和/或执行，和/或分布在多个光电设备中，或甚至通过通信端口由中央处理单元如个人计算机控制。

虽然为了例示的目的详细描述了本发明，但是应该理解，这些细节仅用于该目的，并且在不背离本发明范围的情况下，本领域的技术人员可以进行改变。

因此，虽然方法和系统的优选实施方式已经参照研发环境进行了描述，但是仅是对本发明的原理的说明。在不背离所附权利要求的范围的情况下，可以设计其他实施方式和配置。

此外，虽然参照附图描述的本发明的实施方式包括计算机设备和在计算机设备中执行的方法，但是本发明还涉及计算机程序，尤其是在载体上或在载体中的适于实现本发明的计算机程序。该程序可以是源代码、目标代码、介于源代码与目标代码之间的代码的形式（如以部分编译形式），或适于在根据本发明的方法的实施方案中使用的任何其他形式。载体可以是能够进行程序的任何实体或设备。

例如，载体可包括存储介质、如ROM，例如CD ROM或半导体ROM、或磁记录媒质，例如软盘或硬盘。此外，载体可以是可传输载体如电信号或光信号，其可以通过电缆或光缆或通过无线电或其他方式传输。

当程序实施为可由电缆或其他设备或装置直接传输的信号时，载体可包括这种电缆或其他设备或装置。

可替代地，载体可以是其中嵌有程序的集成电路，该集成电路适于执行相关处理或用于相关处理的执行。

Claims (25)

1.一种光电设备，其特征在于，所述光电设备包括：

多个光发射器，被设置成能够照亮环境区域；

基于CMOS的小型分光仪，被设置成获得所述环境区域内的环境光的光谱；以及

控制装置，用于基于所获得的光谱更改所述光发射器的发射。

2.根据权利要求1所述的光电设备，其中所述分光仪包括光入口以获得环境光的光谱。

3.根据权利要求2所述的光电设备，还包括至少一个光学元件，所述至少一个光学元件耦合至所述光入口，用于增加经过所述光入口进入的光通量。

4.根据权利要求3所述的光电设备，其中所述光学元件包括光学透镜组。

5.根据权利要求3或4所述的光电设备，还包括波导元件，所述波导元件具有第一端和第二端，所述第一端耦合至所述光学元件。

6.根据权利要求5所述的光电设备，其中所述波导元件为光纤波导。

7.根据权利要求5或6所述的光电设备，还包括第二光学元件，所述第二光学元件耦合至所述波导元件的所述第二端。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的光电设备，其中所述光发射器包括至少一个固态光发射器。

9.根据权利要求8所述的光电设备，其中所述固态光发射器为LED。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的光电设备，其中所述第一光学元件或第二光学元件是可移动的，所述设备还包括用于移动所述第一或第二光学元件的装置。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的光电设备，其中所述设备的元件被嵌在壳体中。

12.一种用于更改区域的环境光的系统，包括至少两个根据权利要求1-11中任一项所述的光电设备，以及用于在所述至少两个光电设备之间传输信息的装置。

13.根据权利要求12所述的用于更改区域的环境光的系统，其中：

-至少第一光电设备还包括用于获得与所获得的光谱对应的光谱参数的装置，和用于将与所获得的光谱对应的光谱参数传输至另一光电设备的装置；以及

-至少第二光电设备包括用于接收与所获得的光谱对应的光谱参数的装置，和用于基于接收到的参数更改其光发射器的发射的装置。

14.根据权利要求13所述的用于更改区域的环境光的系统，还包括计算机服务器，所述计算机服务器包括：用于从光电设备接收至少一个光谱参数的装置、用于基于接收到的光谱参数确定至少一个另外的光电设备以发送另一参数的装置、以及用于向所确定的光电设备传输所述另一参数的装置。

15.根据权利要求13或14所述的用于更改区域的环境光的系统，其中所述至少第一光电设备还包括：用于确定至少一个另外的光电设备以发送接收到的光谱参数的装置。

16.根据权利要求14或15所述的用于更改区域的环境光的系统，还包括用于获得所获得的光谱与预定光谱图案之间的相似性参数的装置，其中确定至少一个另外的光再生设备以发送接收到的光谱参数是在考虑到所获得的相似性参数的情况下执行的。

17.根据权利要求12-16中任一项所述的用于更改区域的环境光的系统，其中所述系统的至少一个光电设备还包括用于获得所获得的光谱与预定光谱图案之间的相似性参数的装置，其中用于更改所述光发射器的发射的装置基于所获得的相似性参数来更改所述发射。

18.根据权利要求14-17中任一项所述的用于更改区域的环境光的系统，其中，使用每个光电设备作为神经网络的节点来建立该神经网络。

19.一种用于在根据权利要求12-18中任一项所述的系统中更改区域的环境光的方法，所述系统包括第一光电设备和第二光电设备，所述方法包括：

-通过所述第一光电设备的小型分光仪，从所述环境光获得光谱；

-通过所述第一光电设备，获得与所获得的光谱对应的参数；

-将所获得的参数从所述第一光电设备发送至所述第二光电设备。

20.一种包括用于使计算机执行根据权利要求10所述的用于更改环境光的方法的程序指令的计算机程序产品。

21.一种根据权利要求11的实现在存储介质上的计算机程序产品。

22.一种根据权利要求11的在载波信号上进行的计算机程序产品。

23.用于获得区域内的环境光的光谱的基于CMOS的小型分光仪在根据权利要求1-11中任一项所述的光电设备中，或在根据权利要求19所述的方法中的用途。

24.一种反射设备，用于确定根据权利要求1-11中任一项所述的光电设备的校准，所述反射设备包括具有反射部分的表面。

25.用于通过根据权利要求24所述的反射设备确定根据权利要求1-11中任一项所述的光电设备的校准的方法，所述方法包括：

-将所述反射设备至少部分设置在光发射器能够照明的环境区域内；

-通过多个光发射器发射具有期望光谱的光；

-通过小型分光仪，获得由反射装置至少部分地反射的真实光谱；

-获得所获得的真实光谱与对应于被发射的期望光谱的期望反射光谱之间的相似性参数；

-基于所述相似性参数确定所述光电设备的校准。

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