CN106664756A - 用于照明环境的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于照明环境的系统和方法。照明系统包括：至少一个光源；以及控制系统，其与至少一个光源通信。光源被配置成发射具有多个发射特性的光。控制系统被配置成随机地改变由光源发射的光的发射特性中的至少一个发射特性。用于照明环境的方法包括：从光源发射光；以及随机地改变所发射的光的发射特性中的至少一个发射特性。

Description

用于照明环境的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请请求于2014年6月16日提交的题为“SMART HUMAN LIGHTING”的第62/012,579号美国专利申请的优先权，该美国专利申请的全部内容通过引用合并到本文中。

技术领域

本发明一般涉及照明系统，并且更特别地，涉及用于可变地照明环境的系统和方法。

背景技术

照明系统是现代社会普遍存在的方面。已经进行了许多关于这样的照明系统对其照亮的生物体的影响的研究。这些研究已经产生了各种形式的动态照明。尽管如此，常规照明系统缺乏提高或者优化照明的对象的心理生理性能的能力。实际上，现有的动态照明选项不能进行这样的优化。因此，仍然需要更加鲁棒并且通用的照明系统。

发明内容

本发明的方面针对用于照明环境的系统和方法。

根据本发明的一个方面，公开了一种照明系统。照明系统包括：至少一个光源；以及控制系统，其与至少一个光源通信。光源被配置成发射具有多个发射特性的光。控制系统被配置成随机地改变由光源发射的光的发射特性中的至少一个发射特性。

根据本发明的另一方面，公开了一种用于照明环境的方法。该方法包括：从光源发射光；以及随机地改变所发射的光的发射特性中的至少一个发射特性。

附图说明

当结合附图来阅读以下详细描述时，根据以下详细描述来最佳地理解本发明，其中，相同元件具有相同的附图标记。当存在多个相似元件时，可以将单个附图标记分配至多个相似的元件，其中，小写字母标记指代特定元件。当总体地指代元件或者指代元件中的非特定的一个或更多个元件时，可以省去小写字母标记。这强调的是，根据惯常做法，除非另外地指出，否则附图的各种特征并未按比例绘制。相反地，为了清楚，可以放大或缩小各种特征的尺寸。以下图被包括在附图中：

图1是图示了根据本发明的方面的示例性照明系统的示图；

图2A和图2B是图示了用于图1的照明系统的示例性频谱控制的图像；以及

图3是图示了根据本发明的方面的用于照明环境的示例性方法的流程图。

具体实施方式

本文描述的示例性照明系统和方法能够用于可变地照亮室内和室外环境。如本文描述的那样，可以根据本发明的方面来改变任何数目的光的特性。虽然主要关于改变对有生命的对象的照亮来描述所公开的实施方式，但是要理解的是，本发明不限于此。所公开的实施方式能够用于照亮任何环境，无论有生命的对象存在还是不存在。

本文公开的示例性系统和方法可以特别地适用于影响照明的对象的心理生理性能。本发明的照明系统和方法可以改变光到对象的传递，以实现某些生理指标(例如优化舒适度、性能和/或健康等)。包括更好的健康、更有效的教育、增加的机敏性、欢欣的心境、减少的压力和增加的生产力或认知在内的性能改进均可以使用所公开的实施方式来实现。特别地，所公开的实施方式可以用于以激发有生命的对象内的脑波导引的频率来改变光要素，以促进期望的行为或响应。

参照附图，图1图示了根据本发明的方面的示例性照明系统100。系统100能够用于照亮环境。通常，系统100包括至少一个光源110和控制系统120。下面描述了系统100的另外的细节。

光源110被配置成发射光。由光源110发射的光具有多个发射特性。

如本文使用的那样，术语“发射特性”指代与描述光的类型或者对其进行分类有关的任何特征或量度。发射特性可以应用于来自单个光源110的光，或者可以应用于来自多个光源110的光。作为示例，由光源110发射的光的发射特性包括强度、谱功率密度和空间梯度。光的强度指代由光源110中的一个或更多个光源产生的辐照度。光的谱功率密度指代由一个或者更多个光源110在沿着电磁频谱的每个点处发射的光的功率。光的空间梯度指代由光源110在照明系统100所照亮的环境内的每个点处发射的光的变化。本领域的技术人员根据本文描述将知道光的其他发射特性。

在示例性实施方式中，光源110包括固态照明元件，例如发光二极管(LED)。光源110可以全部是相同类型的照明元件(并且发射具有相同发射特性的光)，或者光源110中的一个或更多个光源可以是不同类型的照明元件(并且发射具有不同发射特性的光)。

在优选实施方式中，每个光源110由一组固态照明元件形成。该组内的每个固态照明元件适于发射具有不同谱功率密度的光。不同频谱密度可以位于可见光区域内，或者可以贯穿电磁频谱。如图2A所示，一个光源110a可以包括以蓝色为主的固态光112a、以绿色为主的固态光114a和以红色为主的固态光116a。如图2B所示，另一光源110b可以包括以紫外线为主的固态光112b、以可见光为主的固态光114b和以红外线为主的固态光116b。系统100可以包括每种类型的一个或更多个光源110，或者光源110可以包括如本领域的技术人员根据本文描述将理解的固态光的其他组合。

每个光源110中的照明元件的数目被提供用于说明的目的，而不意在限制。每个光源110可以包括单个照明元件，或者可以包括多个照明元件。在不背离本发明的范围的情况下，光源110可以包括多达10至12个固态照明元件或者更多。

虽然在一个实施方式中光源110被描述为包括固态照明元件，但是要理解的是，本发明不限于此。相反，光源110可以包括本领域的技术人员根据本文描述将知道的任何类型的照明元件。光源110例如可以包括白炽灯、荧光灯、电致发光灯、激光灯或者前述的任何组合。可以基于要被照亮的环境的尺寸、期望的照亮亮度、系统100要产生的期望效果或者基于本领域的技术人员根据本文描述将知道的任何其他因素来选择光源110的类型和数目。

虽然在一个实施方式中光源110被描述为通常发射可见光，但是要理解的是，本发明不限于此。例如，一个或更多个光源110可以被配置成发射具有落于电磁频谱的红外线部分或紫外线部分内的任何点处的波长的光。

在图1中示出的光源110的数目被提供用于说明的目的，而不意在限制。在不背离本发明的范围的情况下，可以使用任何数目的光源110。可以基于例如要被照亮的环境的尺寸、期望的照亮亮度、系统100要产生的期望效果或者基于本领域的技术人员根据本文描述将知道的任何其他因素来选择光源110的数目。

控制系统120与至少一个光源110通信。在系统100包括多个光源110的情况下，控制系统120可以与每个光源110通信。此外，虽然在图1中示出了单个控制系统120，但是要理解的是，本发明不限于此。相反，可以实现多个控制系统120。

在一个实施方式中，每个光源110可以包括相关联的控制系统。在该实施方式中，控制系统可以独立地操作以仅控制相关联的光源110，或者可以相互通信地进行操作。在另一示例性实施方式中，每个光源110包括与主控制系统120通信的相关联的控制系统。主控制系统120根据本文描述来执行对所有光源110的全局控制，而分布式控制系统提供对它们各自的光源110的更细粒度的控制。

控制系统120包括用于执行本文所阐述的功能的一个或更多个部件。控制系统120可以以许多方式来实现，所述方式包括：连同用于执行本文描述的功能的相关联电路一起来使用硬件部件，用软件编程的用于执行所公开的功能的一个或更多个微处理器或者硬件部件与编程的微处理器的组合。

控制系统120控制由光源110发射的光的发射特性。特别地，控制系统120被配置成随机地改变由光源110发射的光的至少一个发射特性。如在本文中使用的那样，短语“随机改变”或“随机的变化”指代对至少一个发射特性的任何改变，其中随机地确定改变的一个或更多个因素。随机的变化例如涵盖对至少一个发射特性的改变，其中随机地确定改变的时间、持续时间、量以及/或者速度。信号的随机(或机会性)变化可以通过由光源110发射的光的预定频谱分布来表征，或者可以取决于由光源110发射的光的预定频谱分布。本领域的技术人员根据本文描述将知道可以被随机地确定以产生所公开的随机变化的对发射特性的改变的其他方面。要理解的是，虽然可以随机地确定改变的至少一个因素，但是仍然可以预定或者选择改变的其他因素。

在使用多个控制系统的情况下，可以通过不同的控制系统120来随机地改变不同的发射特性。在示例性实施方式中，系统100包括集中式控制系统120和被分配至各个光源110的分布式控制系统。分布式控制系统被配置成随机地改变相关联的光源110的强度和/或谱功率密度，而集中式控制系统120被配置成随机地改变照明系统110所照亮的环境中的光的空间梯度。

类似地，当使用多个光源110时，可以以同步的或者不同步的方式来控制每个光源110的发射特性。在一个实施方式中，可以将每个光源110的发射特性的随机变化协调或者控制成同时发生。在替代实施方式中，可以不协调每个光源的发射特性的随机变化，并且每个光源的发射特性的随机变化可以独立于每个其他光源。

系统100可以进一步包括噪声源130。源130生成被提供至控制系统120的噪声信号。本领域的技术人员根据本文描述将知道合适的噪声源。

在示例性实施方式中，噪声信号是粉红噪声(或1/f噪声)信号。粉红噪声具有与噪声的频率成反比的谱功率密度。在优选实施方式中，用于生成随机变化的粉红噪声遵循公式1/f^α，其中f是变化的频率并且α是满足不等式0.8<α<1.3的常数。噪声信号可以进一步是闪变噪声信号。本领域的技术人员根据本文描述将知道其他合适的噪声信号。

控制系统120使用来自源130的噪声信号，以生成至少一个发射特性中的随机变化。作为一个示例，每当噪声信号落在某个范围内或某个范围外，或者等于某个值时，控制系统120可以改变至少一个发射特性。作为另一示例，控制系统120可以使用噪声信号的值(例如噪声信号的幅度或者频率)来计算用于至少一个发射特性的值。根据本文描述，包括来自源130的噪声信号以随机地改变至少一个发射特性的其他控制方案对于本领域的普通技术人员而言是显然的。

下面列举了可以通过控制系统120生成的随机变化的特定实施方式。本领域的技术人员要理解的是，这些实施方式被提供用于说明的目的，而不意在限制。相反地，在不背离本发明的范围的情况下，可以修改或者组合这些实施方式中的任何实施方式以产生不同类型的随机变化。

控制系统120可以被配置成在预定时间段上随机地改变光的至少一个发射特性。例如，可以预定期望有生命的对象在哪个时间范围内存在于照明系统100所照亮的环境中。然后，控制系统120可以仅在该时间段期间随机地改变光的谱功率密度和/或强度。当该预定的时间段结束时，控制系统120停止随机改变至少一个发射特性。

在上面的实施方式中的预定的时间段可以但不需要是固定时间段。时间段本身可以以预定的频率来改变。例如，预定的时间段可以在一些天或者在一些小时期间比在其他天或者在其他小时期间更长。

控制系统120可以被配置成以预定的频率来随机地改变光的至少一个发射特性。例如，可以预定的是，发射的光的强度应当缓慢地(在一天的时间中)变化，以及/或者发射的光的谱功率密度应当快速地(例如每分钟或者每秒)变化。然后，控制系统120可以基于这些不同频率来随机地改变强度和/或谱功率密度。

控制系统120可以被配置成在预定的值的范围内随机地改变光的至少一个发射特性。例如，可以针对特定环境或者针对在环境内发生的特定任务来预定合适的值的范围(例如，如合适的强度值的范围)和/或均值或中值(mean value)。可以根据关于照明环境的各种标准(例如由照明工程协会提出的那些标准)来预定用于所发射的光的强度值的合适范围。在示例性实施方式中，可以基于由电气和电子工程师协会(IEEE)制订的“用于调制高亮度LED中的电流以降低观看者的健康风险的IEEE推荐做法(IEEE Recommended Practicefor Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks toViewers)”来预定所发射的光的范围，该IEEE推荐做法的全部内容通过引用合并至本文中。然后，控制系统120可以仅在预定的范围内或者在距均值或中值的预定距离内随机地改变光的强度。可以防止控制系统120将光的强度随机地改变成落在预定的范围外或者足够远离预定的均值或者中值的值。

在上面的实施方式中的预定的范围可以但不需要是固定范围。预定的范围本身可以以预定的时间和/或预定的频率来改变。例如，用于发射特性的预定范围在一天的一个时间处可以比在一天的另一时间处更宽。

控制系统120可以被配置成将光的至少一个发射特性随机地改变至少一个预定量。例如，可以预定发射特性的哪个变化量对于对象可感知到变化是必要的。然后，控制系统120可以将光的强度或者谱功率密度随机地改变至少该预定量，以便对象可感知到变化。

控制系统120可以被配置成在由光源110发射的光的预定频率范围上随机地改变光的至少一个发射特性。例如，可以期望仅改变所发射的光的可见光部分(或者可见光部分的一些子部分)，而保持光的红外线部分或者其他非可见光部分不被改变。因此，控制系统120可以仅针对光的可见光部分(或者可见光部分的子部分)来随机地改变光的谱功率密度和/或强度。

在示例性实施方式中，光源110包括用于通过控制系统120随机地被改变的光的每个频率范围的特殊驱动器。例如，光源110a可以包括：第一驱动器111a，用于驱动以蓝色为主的固态光112a；第二驱动器113a，用于驱动以绿色为主的固态光114a；以及第三驱动器115a，用于驱动以红色为主的固态光116a。在该示例中，控制系统120与特殊驱动器111a、113a、115a通信，以随机地改变由光源110a发射的光的期望频率范围的谱功率密度和/或强度。作为另一示例，光源110b可以包括：第一驱动器111b，用于驱动以紫外线为主的固态光112b；第二驱动器113b，用于驱动以可见光为主的固态光114b；以及第三驱动器115b，用于驱动以红外线为主的固态光116b。在该示例中，控制系统120与特殊驱动器111b、113b、115b通信，以随机地改变由光源110b发射的光的期望频率范围的谱功率密度和/或强度。

控制系统120可以被配置成在预定的区域内随机地改变光的至少一个发射特性。例如，可以预定期望通过照明系统100照亮的环境的哪部分包括有生命的对象。然后，控制系统120可以仅在环境的该区域内随机地改变发射特性。在该预定区域以外，控制系统120不会随机地改变至少一个发射特性。

除上述随机变化以外，控制系统120还可以进一步被配置成以预定的或者非随机的方式来改变至少一个发射特性。至少一个发射特性的预定的变化可以以预定的时间或者预定的频率来产生。例如，除随机变化以外，控制系统120可以以昼夜节律或周期来改变至少一个发射特性。

控制系统120可以进一步包括至少一个传感器140。传感器140被配置成检测由光源110照亮(或者邻近光源110)的环境的方面。例如，传感器140可以检测环境的一个或更多个环境条件，例如光照水平(light level)、温度、湿度、气压以及/或者噪声。本领域的技术人员根据本文的条件将知道用作传感器140的适合的环境条件传感器。

传感器140可以被配置成检测由光源110照亮(或邻近光源110)的环境中的至少一个有生命的对象的方面。例如，传感器140可以是被配置成检测环境中的有生命的对象的任何运动的运动传感器。作为另一示例，传感器140可以是被配置成检测对象的一个或更多个生理特性的生理传感器。这样的生理传感器140理想地可以是非接触式的或者非侵入式的，但也可以是常规的基于接触的传感器。通过传感器140感测到的生理特性例如可以包括温度、心率、呼吸率、血压、氧饱和度、大脑活动、眼跟踪、身体化学、皮电活动等。本领域的技术人员根据本文的条件将知道用作传感器140的合适的运动传感器或生理传感器。

由传感器140感测到的条件被传送至控制系统120，以用于控制光源110。特别地，控制系统120可以基于通过传感器140感测到的环境和/或对象的一个或更多个方面来随机地改变由光源110发射的光的至少一个发射特性。作为一个示例，传感器140可以检测环境光的水平，并且控制系统120可以基于检测到的环境光的水平来调整用于所发射的光的强度的范围。作为另一示例，传感器140可以检测有生命的对象现在存在于之前空着的空间或环境中。控制系统120然后可以响应于检测到对象存在而开始随机地改变光源110的强度和/或谱功率密度。控制系统120理想地被配置成基于来自传感器140的反馈来实时地改变发射特性。

图3图示了根据本发明的方面的用于照明环境的示例性方法200。通常，方法200包括：发射光；以及改变所发射的光。下面关于系统100的部件来描述方法200的另外的细节。

在步骤210中，从光源发射光。在示例性实施方式中，一个或更多个光源110发射光。光具有多个发射特性，包括上述的强度、谱功率密度和梯度。

在步骤220中，随机地改变所发射的光。在示例性实施方式中，控制系统120随机地改变所发射的光的至少一个发射特性。控制系统120可以基于以上关于系统100提出的实施方式中的任何一个来随机地改变发射特性。

步骤220可以包括随机改变由光源110发射的光的强度、谱功率密度和/或空间梯度。步骤220可以进一步包括使用粉红噪声信号来随机改变发射特性以控制改变的时间、类型或量。步骤220可以进一步包括以下步骤：如以上关于系统100提出的那样，在预定时间段上、在预定的值的范围上、在预定的光的频率范围上或者在预定区域内改变发射特性。

方法200不限于以上步骤，而是可以包括如本领域的技术人员根据本文描述将理解的替选的或者另外的步骤。

方法200可以进一步包括用传感器来检测环境的方面的步骤。该步骤可以涉及：检测环境的环境特性；以及/或者检测环境内的有生命的对象的方面。该方法然后可以基于用传感器检测到环境和/或对象的方面来随机地改变发射特性。

尽管在本文中参考特定实施方式来说明和描述了本发明，但是本发明不意在被限制于所示出的细节。而是，在不背离本发明的情况下，可以在权利要求的等价物的范围和界限内对细节做出各种修改。

Claims (28)

1.一种照明系统，包括：

至少一个光源，所述至少一个光源被配置成发射具有多个发射特性的光；以及

控制系统，其与所述至少一个光源通信，所述控制系统被配置成随机地改变由所述光源发射的光的发射特性中的至少一个发射特性。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述光源包括一个或更多个固态照明元件。

3.根据权利要求2所述的照明系统，其中，所述光源包括两个或更多个固态照明元件，所述两个或更多个固态照明元件被配置成发射具有不同发射特性的光。

4.根据权利要求2所述的照明系统，其中，所述光源进一步包括选自由荧光照明元件和白炽光照明元件组成的组的至少一个照明元件。

5.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述多个发射特性包括选自由强度、谱功率密度、空间梯度组成的组的至少一个特性。

6.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述至少一个光源包括多个光源，并且

所述控制系统与所述多个光源中的一个或更多个光源通信。

7.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述至少一个光源包括多个光源，并且

所述多个光源中的每一个具有相关联的控制系统。

8.根据权利要求1所述的照明系统，进一步包括噪声信号的源，所述控制系统使用所述噪声信号来生成所述至少一个发射特性中的随机变化。

9.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述噪声信号是粉红噪声信号。

10.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述噪声信号是闪变噪声信号。

11.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述控制系统被配置成在预定时间段上随机地改变所述至少一个发射特性。

12.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述控制系统进一步被配置成以预定时间或预定频率中的一个来改变所述至少一个发射特性。

13.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述控制系统被配置成在预定的值的范围内随机地改变所述至少一个发射特性。

14.根据权利要求13所述的照明系统，其中，预定的范围以预定时间或预定频率中的一个来改变。

15.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述控制系统被配置成在由所述光源发射的光的预定频率范围上随机地改变所述至少一个发射特性。

16.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述控制系统包括：

至少一个传感器，其被配置成检测由所述至少一个光源照亮的环境的方面，

其中，所述控制系统被配置成基于由所述至少一个传感器检测到的环境的方面来随机地改变所述至少一个发射特性。

17.根据权利要求16所述的照明系统，其中，所述至少一个传感器被配置成检测所述环境的环境光。

18.根据权利要求1所述的照明系统，进一步包括：

至少一个传感器，其被配置成检测由所述至少一个光源照亮的环境中的至少一个对象的方面，

其中，所述控制系统被配置成基于由所述传感器检测到的至少一个对象的方面来随机地改变所述至少一个发射特性。

19.根据权利要求17所述的照明系统，其中，所述至少一个传感器被配置成检测所述环境中的至少一个对象的运动。

20.根据权利要求17所述的照明系统，其中，所述至少一个传感器被配置成检测所述至少一个对象的一个或更多个生理特性。

21.一种用于照明环境的方法，包括以下步骤：

从光源发射光，所发射的光具有多个发射特性；以及

随机地改变所发射的光的发射特性中的至少一个发射特性。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，随机改变步骤包括：

随机地改变选自由强度、谱功率密度和空间梯度组成的组的至少一个特性。

23.根据权利要求21所述的方法，其中，随机改变步骤包括：

使用噪声信号来随机地改变所述至少一个发射特性。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述噪声信号是粉红噪声信号。

25.根据权利要求21所述的方法，其中，随机改变步骤包括：

在预定时间段上随机地改变所述至少一个发射特性。

26.根据权利要求21所述的方法，其中，随机改变步骤包括：

在预定的值的范围内随机地改变所述至少一个发射特性。

27.根据权利要求21所述的方法，进一步包括以下步骤：

检测所述环境的方面，并且

其中，随机改变步骤包括：基于所述环境的方面来随机地改变所述至少一个发射特性。

28.根据权利要求21所述的方法，进一步包括以下步骤：

检测所述环境中的至少一个对象的方面，并且

其中，随机改变步骤包括：基于由所述传感器检测到的至少一个对象的方面来随机地改变所述至少一个发射特性。