CN107654960B - 灯光控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

该申请提供的是一种发光装置控制系统，该系统包括在第一表面位置指导光束的光束调向机制(其中，响应于被控光束，在第一表面位置形成照明区域)、在照明区域识别手势的传感器、将手势有关数据转换为指令信号的处理器，以及控制器(其响应于与手势相应的指令信号，而指导光束调向机制将照明区域移动至第二表面位置)。

Description

灯光控制系统和方法
本申请是申请日为2013年05月06日、申请号为201380035250.2、名称为"灯光控制系统和方法"的专利申请的分案申请。
相关申请
该申请宣称了美国临时申请专利号：61/643,535(申请日期：2012年5月7日)、美国临时申请专利号：61/684,336(申请日期：2012年8月17日)、美国临时申请专利号：61/760,966(申请日期：2013年2月5日)及美国临时申请专利号：61/696,518(申请日期：2012年9月4日)的好处，每项专利的详细内容作为参考包括在内。
技术领域
目前的发明构思通常与发光装置领域有关，尤其是用于采用和控制一个或多个发光装置输出的系统与方法。
背景技术
诸如灯或类似物的典型的光源在可见光谱范围内发出电磁辐射。光源以提供大角度照明(120°-180°锥角)而众所周知。此外，发光光源提供的最亮光斑通常直接位于光源下方，距离光源最近。由于亮斑是固定的，因此，为了利用光斑的最亮区域，用户必须以亮斑为参照物来移动其身体位置。
发明内容
在一个方面，该申请提供的是一种发光装置控制系统，该系统包括：在第一表面位置指导光束的光束调向机制(其中，响应于被控光束，在第一表面位置形成照明区域)、在照明区域识别手势的传感器、将手势有关数据转换为指令信号的处理器，以及控制器(其响应于与手势相应的指令信号，指导光束调向机制将照明区域导向第二表面位置)。
在一个实施例中，该系统还包括一个光源模块(其将光束输出至光束调向机制)，以将光束导向第一表面位置和第二表面位置中的至少一个。
在一个实施例中，光源模块至少包括一个发光二极管(LED)；其中，控制器至少控制一个LED的状态，包括至少调整一个LED的亮度。
在一个实施例中，光源模块包括一个控制光斑生成器，其生成一个用于在照明区域中定位的控制光斑。
在一个实施例中，控制光斑生成器包括一个局部滤光器，该滤光器具有将与照明区域的控制光斑相对应的图像投影的滤光区域。
在一个实施例中，控制光斑生成器包括一个三色发光二极管(LED)，包括带出口的光管组件和颜色不同的三个LED；其中，光源模块带有一个透镜，光管组件将灯光从三个LED传输至位于透镜焦平面上的光管组件出口。
在一个实施例中，控制光斑生成器包括一个控制光斑LED，其包括光源模块光源焦平面上的单色或多色LED。
在一个实施例中，传感器检测在控制光斑是否存在做出手势的手，而光束调向机制则在对手势做出响应后将照明区域移动至第二表面位置。
在一个实施例中，控制光斑的颜色、形状或尺寸中的至少一个应当不同于照明区域。
在一个实施例中，光源模块包括：多个生成光束的LED、透镜、控制光斑生成器，以及窄光束光器件(其生成窄光束，并从LED射出，使通过透镜的光输出量达到最大)。
在一个实施例中，光束调向机制包括一个双轴常平架，用于安装光源模块、用于调向光源模块视线(LOS)的传感器、传感器模块；其中，双轴常平架可为俯仰-偏航型、俯仰-滚动型或偏航-滚动型。
在一个实施例中，光束调向机制由反射镜和常平架组成，用于调整反射镜的常平架角度，以控制生成光束的光源的LOS。
在一个实施例中，常平架包括一个外定位环和内定位环；光束调向机制包括一台位于外定位环上的电机，使内定位环围绕轴旋转。
在一个实施例中，反射镜放置在内定位环中；光束调向机制包括一台电机，使反射镜围绕轴以内定位环为参照物移动。
在一个实施例中，光束调向机制包括两个相对旋转的折射楔形棱镜；其中，光束与水平轴的偏移角通过相对旋转两个楔形棱镜获取，而光束的方位角通过在同一方向旋转两个楔形棱镜获取。
在一个实施例中，光束调向机制包括一个微机电系统(MEMS)反射镜阵列，该反射镜阵列包括一组独立的镜元件；其中，每个镜元件具有两个旋转轴。
在一个实施例中，追踪和控制传感器包括一个带有线性或区域焦平面阵列(FPA)的热成像仪。
在一个实施例中，追踪和控制系统还包括一个线性阵列用扫描镜。
在一个实施例中，追踪和控制传感器包括一个传输可见和热光的透镜、热探测器或阵列及一个与热探测器或阵列耦合的可见FPA(该可见FPA位于热探测器或阵列与透镜之间)。
在一个实施例中，追踪和控制传感器包括一个热传感器和一个可见光相机(用于捕捉做出手势的手的图像并识别手势)；其中，热传感器包括一个透镜和一个热探测器。
在一个实施例中，热探测器是单元件探测器或四象限探测器。
在一个实施例中，热传感器和可见光相机不共享透镜。
在一个实施例中，热传感器和可见光相机共享透镜。
在一个实施例中，可见光相机在光束调向机制外面，而热传感器则在光束调向机制里面。
在一个实施例中，热传感器区别照明区域内手的温度与背景温度，而处理器通过手势对应的热成像数据生成指令信号。
在一个实施例中，传感器包括一个皮肤探测传感器和照亮照明区域控制光斑处手势的三色发光二极管(LED)；其中，皮肤传感器通过分析人手反射光感应人手的存在。
在一个实施例中，皮肤探测传感器包括一个照亮控制光斑人体皮肤的多色LED光源，以及辐射定标相机装置或测量LED光源在控制光斑反射率的辐射计。
在一个实施例中，多色LED光源包括多个LED，每个LED在不同波长工作；其中两个LED为红外线(NIR)LED；此外，系统还包括一个位于光管组件出口处的控制光斑生成器。
在一个实施例中，光管组件包括三个输入光管和一个输出光管；其中，多个LED中的LED位于三个输入光管之一的入口，输出光管系在光源模块焦平面上的无色明胶滤光镜位置，输出光管的出口朝向分束器和透镜。
在一个实施例中，第一LED在800nm处工作，第二LED在620nm处工作，而第三LED在970nm处工作。
在一个实施例中，辐射定标皮肤传感器或辐射计通过在800nm和970nm处的人体皮肤反射率检测控制光斑中的手势。
在一个实施例中，通过皮肤探测传感器的成像传感器生成的NIR图像，用于抑制或消除手势背景；其中，处理器确定由两个NIR发光二极管(LED)提供的NIR图像的比率，以区别手势背景与手势。
在一个实施例中，系统还包括一个相机，用于捕捉照明区域内控制光斑处的图像；其中，图像包括手势图像和手势背景数据。
在一个实施例中，处理器通过从图像移除手势背景数据，将手势相关数据转换为指令信号，处理手势图像并将已处理手势图像和一组存储的手势图像加以比较，从而生成与已处理手势图像和存储的手势图像之间匹配相对应的控制信号。
在一个实施例中，相机捕捉多个手势动作的图像；其中，处理器通过相减的手势图像将手势相关数据转换为指令信号，从而移除图像中的背景数据。
在一个实施例中，传感器包括四象限探测器或其他位置敏感探测器，用于探测和记录入射光束的位置。
在一个实施例中，系统还包括一个多面角锥反射镜，用于将透镜聚焦光束分为均等聚焦子光束并将子光束导向不同方向；其中，多面角锥反射镜是一个三面反射镜，其将子光束导向在三个不同方向。
在一个实施例中，可见光焦点阵列位于第一子光束的焦点，热探测器或阵列位于第二子光束的焦点，而LED或三色LED光管的出口位于第三子光束的焦点处。
在一个实施例中，发光装置控制系统在光无线通信网络中构造和布置；其中，光束调向机制将照明光斑移动至照明和光无线通信共享位置，照明光斑光线传输照明光斑所在位置处光无线装置接收到的数据。
在一个实施例中，发光装置控制系统在光无线通信网络中构造和布置；其中，光束调向机制将照明光斑移动一定位置，其中控制系统生成一个发射机光束斑(其至少与照明光斑的一部分交叉)；发射机光束斑包括照明光斑第一表面位置处光无线装置接收到的数据；其中，光无线发射机可安装在光源平台处，发射机光束斑和照明光斑可同时从第一表面位置移动至第二表面位置。
在一个实施例中，发光装置控制系统在无控制器视频游戏系统(其将玩家的姿势和姿势动作作为视频游戏的指令)中构造和布置，该系统包括捕捉姿势的多台可见光热双波段相机，这些相机布置在正交方向，以捕捉三维姿势动作；其中，照明区域为可见光热双波段相机的可见光相机提供照明。
在一个实施例中，当单个玩家使用无控制器视频游戏系统时，相机包括两台相机组。
在一个实施例中，当多个玩家使用无控制器视频游戏系统时，相机包括三台相机。
另一方面，提供的是一台多光谱电筒相机，包括：一个角锥反射镜、一束光源、两或多个焦平面阵列(FPA)装置(每个装置在不同光波谱内工作)、透镜焦点处光源和FPA装置共享的孔径透镜。其中，光源的光线从孔径透镜射出并照亮目标，目标反射光和发射光射入孔径透镜；其中，角锥反射镜分散接收到的光，确保一定百分比的接收到的光射入两个或多个FPA装置的FPA装置中(其中，照明区域与FPA装置对应的图像有关)；及其进行图像采集和处理的电子设备。
在一个实施例中，电筒相机还包括一节或多节蓄电池，为电筒相机供电。
在一个实施例中，电筒相机还包括一个带有多带通滤光器的滤光轮；其中，FPA装置包括一个可见光波段，一个短波红外波段和一个长波红外波段。
在另一方面，提供的是一台多光谱电筒相机，包括：一个角锥反射镜、一束LED光源、一个可见光波道、一个未冷却热波道、一个被光源、可见光波道和透镜焦点处未冷却热波道共享的孔径透镜；其中，光源发出的光从孔径透镜射出并照亮目标(其中，提供照明目标的可见光图像，提供自发射目标的热像。)，并进行图像采集和处理的电子设备。
在一个实施例中，电筒相机还包括一节或多节蓄电池，为电筒相机供电。
在另一方面，提供的是控制发光装置的一种方法，包括：在照明区域((照明区域位于第一表面位置)生成控制光斑、确定在控制光斑做出的手势、响应手势移动照明区域至第二表面位置。
在一个实施例中，手势包括在第一种状态下激活发光装置的第一种手势，并生成移动照明区域至第二表面位置的指令的第二种手势。
在另一方面，提供的是一台智能灯，包括：为表面位置处照明区域提供光的光源模块、生成用于在照明区域中定位和控制灯的控制光斑生成器、识别控制光斑手势的传感器、将手势相关数据转换为移动照明光斑至不同表面位置并控制灯的指令信号的处理器。
在一个实施例中，智能灯还包括控制光束导向的光束调向机制。在另一方面，提供的是表面位置处形成照明区域的光源模块；其中，一个照明区域响应定向光束后在表面形成；控制器响应指令信号而指导光束调向机制将照明区域移动至不同表面位置或改变照明区域的亮度。
在另一方面，提供的是一种手势识别方法，包括：提供第一表面位置处的照明区域、在照明表面区域显示控制光斑、将手定位在控制光斑处、响应手势生成控制信号、响应指令信号将照明区域移动至第二表面位置，以及控制显示控制光斑的灯的状态。
在一个实施例中，灯的状态控制包括调整亮度。
在一个实施例中，生成控制信号包括：捕捉控制光斑的图像(图像包括手势图像和手势背景)、移除图像中的手势背景图像、处理手势图像、比较已处理手势图像和一组存储的手势图像，以及生成与已处理手势图像和存储的手势图像之间的匹配相对应的控制信号。
附图说明
从优先实施例的更具体说明，目前发明构思实施例的上述和其他对象、特点和优点将更加明显(如附图所示；其中，不同视图中的相同参考字符指相同元件)。图纸无需按比例，而是将重点放在说明优先实施例的原理。
图1是说明传统光源低效率的示意图；
图2A是发光装置控制系统的示意图，符合实施例。
图2B是图2A中发光装置控制系统的示意图，其中，手势在控制系统生成的照明区域处的控制光斑之上做出，符合实施例；
图2C是图2A和2B中发光装置控制系统的示意图，说明照明区域和控制光斑在响应图2B手势后向不同位置的移动，符合实施例；
图3是图2A-2C中发光装置控制系统的方框图，符合实施例；
图4是光源模块的方框图，符合实施例；
图5是窄束光发光二极管(LED)示意图，符合实施例；
图6是光束调向机制示意图，符合实施例；
图6A是图6中提供光源模块视线(LOS)和视野(FOV)的反射镜示意图，符合实施例；
图7A是另一光束调向机制(包括第一位置的两个旋转楔形棱镜)的示意图，符合实施例；
图7B是图7A中光束调向机制的示意图；其中，两个旋转楔形棱镜处于第二位置，符合实施例；
图8是另一光束调向机制的示意图，符合实施例；
图9是跟踪和控制传感器的方框图，符合实施例；
图9A是热传感器的方框图，符合实施例；
图9B是热传感器的方框图，符合实施例；
图9C是热传感器的方框图，符合实施例；
图10是说明发光装置控制系统各元件的互操作性的流程图，符合实施例；
图11A至图11H说明不同手势和相应的指令，符合实施例；
图12是灯系统的方框图，符合实施例；
图12A是图12中灯系统的光源模块的方框图；
图12B是图12中灯系统的追踪和控制传感器的方框图；
图13是说明人体皮肤光谱反射的示意图，符合实施例；
图14是皮肤检测传感器的方框图，符合实施例；
图15A是三色LED的侧视图，符合实施例；
图15B是图15A中三色LED的顶视图；
图15C是发光装置用辐射定标控制系统的示意图，符合实施例；
图15D是一组已生成图像的示意图，符合实施例；
图16是说明发光装置控制系统各元件的互操作性的流程图，符合实施例；
图17是说明确定手势方法的流程图，符合实施例；
图18A是光束调向机制的侧视图，符合实施例；
图18B是图18A中光束调向机制的顶视图；
图19是控制光斑照明器的示意图，符合实施例；
图20是发光装置控制系统的示意图，符合实施例；
图20A是发光装置控制系统的示意图，符合实施例；
图21是发光装置控制系统的示意图，符合实施例；
图21A是发光装置控制系统的示意图，符合实施例；
图22是追踪和控制传感器的侧视图，符合实施例；
图23是追踪和控制传感器的侧视图，符合实施例；
图24是追踪和控制传感器的顶视图，符合实施例；
图25是发光装置控制系统的示意图，符合实施例；
图26是以照明光线作为数据传输载体的光无线通信网络的示意图，符合实施例；
图27是包括一个LED灯系统的光无线通信网络的示意图，符合实施例；
图28是包括一个LED灯系统的光无线通信网络的示意图，符合另一实施例(其展示了一个通过移动照明区域扩大的数据覆盖范围)；
图29A和29B是包括一个LED灯系统的光无线通信网络的示意图，符合另一实施例(其展示了作为数据载体的非照明光线和通过移动照明区域和发射机光束斑扩大的数据覆盖范围)；
图30A-30C是在三个不同方向做出的手势图像。
图31是单个玩家3D姿势识别系统的示意图，符合实施例；
图32是多个玩家3D姿势识别系统的示意图，符合另一实施例；
图33是姿势识别相机的光学设计示意图，符合另一实施例；
图34A是灯系统光束调向机制平台的模块图，该系统具有照明、光无线通信和无控制器视频游戏功能，符合实施例；其中，照明光线用于光无线通信。
图34B是灯系统光束调向机制平台的模块图，该系统具有照明、光无线通信和无控制器视频游戏功能，符合另一实施例；其中，非照明光线用于光无线通信。
图35A是高分辨率可见光图像的示意图，符合实施例；
图35B是低分辨率热像的示意图，符合实施例；
图36是热像和可见光图像的示意图，符合实施例；
图37是多光谱电筒相机的侧视图，符合实施例；
图38是图37中多光谱电筒相机的顶视图；
图39是说明图37和38中多光谱电筒相机的示意图；以及
图40是电筒相机元件的顶视图，符合另一个实施例。
具体实施方式
本文所用术语旨在描述具体实施例，并不限制发明构思。除非上下文明确指出，否则，这里使用的单数形式“一个”和“这个”也包括复数形式。应进一步理解术语：“由……组成”、“包含”、“包括”和/或“其中包括”，当这些词用于文中时，是指所述特性、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在；但是不排除其中一个或多个其他特性、整体、步骤、操作、元件、部件和/或分组的存在或添加。
应了解，尽管本文可能使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种限制、元件、部件、区域、层和/或段，但此类术语不得局限于这些限制、元件、部件、区域、层和/或段。此类术语仅用于将一种限制、元件、部件、区域、层或段与另一种限制、元件、部件、区域、层或段区别开来。因此，下文所述的第一个限制、元件、部件、区域、层或段可在不违背目前应用指南的前提下被称为第二个限制、元件、部件、区域、层或段。
应进一步了解，当元件被称为“在另一元件之上”或“与另一元件连接”或“与另一元件耦合”时，其可直接位于另一元件上面(或上方)、与其连接或耦合，或可存在介入元件。于此相反，当元件被称为“直接在另一元件之上”或“直接与另一元件连接”或“直接与另一元件耦合”时，不存在介入元件。用于描述各元件之间关系的其他词应以类似的方式加以解释(例如：“在……之间”与“直接在……之间”、“邻近”与“直接邻近”等)。当元件在此处被称为“在另一元件之上”，其可位于另一元件上方或下方，或直接与另一元件耦合，或可存在介入元件，或元件可通过空隙或间隙分隔开来。
传统的灯不仅效率低，而且不方便。通常，用户仅需大照射角中的少部分照明角度，例如-40°圆锥角。如图1所示，可浪费照亮表面12用灯10射出的大部分光输出；例如区域B。最亮光斑通常直接位于光源下方(例如，区域A)，距离表面最近。由于该光斑(A)在空间上是固定的。因此，用户必须移动身体至一个不同位置，即，位置A，以利用最亮光斑。由于用户可不愿或不能移动至亮斑区域，即，区域A，因此，这种方法不太方便。
图2A是发光装置控制系统100的示意图，符合实施例。图2B是图2A中发光装置控制系统100的示意图，其中，手势在控制系统100生成的照明区域处的控制光斑之上做出，符合实施例。图2C是图2A和2B中发光装置控制系统100的示意图，说明照明区域在响应图2B手势后向不同位置的移动，符合实施例。
在一些实施例中，发光装置控制系统100包括一个发光二极管(LED)光源。在另一个实施例中，发光装置控制系统100包括一个有机发光二极管(OLED)。尽管实施例中未作显示，但其他发光光源同样可应用。控制系统100操控的光线可在可见光光谱或其他光谱中。在一些实施例中，发出的光线从发光装置控制系统100集中发出，射在照明区域102上作为光斑，例如白光斑等。照明区域102可包括一个减小的光斑，例如具有50°或更小的照明锥角。在一些实施例中，照明区域102的位置由用户控制。例如，用户可通过手势决定照明区域102从第一位置(如图2A和2B所示)向第二位置(如图2C所示)的移动。在一些实施例中，用户可无限制地激活和中断照明区域102。在一些实施例中，控制系统100包括一个控制器(如下所述)，该控制器可响应手势或其他信号生成运动，调整发射光的亮度、强度、分布、大小、颜色和/或其他特性。控制系统100可在不借助实体装置(例如手持装置)执行控制操作。
在一些实施例中，采用单一控制光斑104。在其他实施例中，照明区域102采用多个控制光斑。与照明区域102相比，控制光斑104可具有不同颜色、阴影或其他特性，确保人眼可将照明区域102中的控制光斑104与照明区域102区别开来。在一些实施例中，控制光斑104为可见光光谱中的一种颜色，其位于照明区域102的光斑处，确保发光装置控制系统100的用户可将控制光斑104与照明区域102区别开来。在一些实施例中，控制光斑104为深色；照明区域102包括一个发光装置控制系统100的用户可见的白光斑。在一些实施例中，控制光斑104是照明区域102的一小部分或少数部分。控制光斑104可通过滤光器、光管、控制光斑LED或将其结合来生成，如本文所述。
在一些实施例中，用户可将手放置在控制光斑区域并做出手势106，以将照明区域102移动至不同位置。如图2C所示，控制系统100可响应用户做出的手势106移动照明区域102，通过手等在控制光斑104或其附近定位。在一些实施例中，手势106代表指令。例如，图2B中的手势106代表移动照明区域102的指令；相应地，如图2C所示，照明区域102和控制光斑104响应手势106移动至新的位置。除移动照明区域102之外，或者备选地，手势可用于调制、调整或以其他方式改变形状、尺寸、亮度、强度、分布或区域102的其他特性。
图11A至图11H说明106A-106H的不同手势(总体地，106)，且相应的指令可设定移动相关照明区域102和/或控制光斑104的方式和特性，符合实施例。图11A是移动照明区域104的指令相关的手势106A。图11B是停止移动照明区域104的指令相关的手势106B。图11C是增加光源亮度的指令相关的手势106C。图11D是降低光源亮度的指令相关的手势106D。图11E是打开光源的指令相关的手势106E。图11F是关闭光源的指令相关的手势106F。图11G是改变灯状态的指令相关的手势106G。图11H是脱离光源(例如灯)的指令相关的手势106H。
回到图2A，发光装置控制系统100可连接至天花板、墙面、地板、顶灯或其他支撑物。其他附件机制和支撑件同样适用于目前的发明构思。在一个实施例中，照明区域102的直径约为1m。其他照明区域的形状、大小或配置特性同样适用。
图3是图2A-2C中发光装置控制系统100的方框图，符合实施例；发光装置控制系统100可包括一个光源模块302、一个光束调向机制304、一个追踪和控制传感器306及控制器308。一个或多个此类元件可同时位于一个通用硬件装置处，例如线路板或壳体(如图4所示)，或可位于不同硬件装置上，例如在物理上不同的位置。
在一些实施例中，如图4所示，光源模块302可包括一个LED光源322，例如窄光束LED。光源模块302可包括一个生成控制光斑104的控制光斑生成器314。控制光斑生成器314可包括一个滤光器、一个光管、一个控制光斑LED或这几者的结合物，如下所述。光源模块302可包括一个透镜324，而控制光斑生成器314(如图3所示)可包括一个局部滤光器326。在一些实施例中，局部滤光器326可位于透镜324(具有焦距(f))焦平面处或附近光源322和透镜324之间。滤光区域323的投影图像可转化为一个控制光斑，例如控制光斑104(如图2A-2C所示)。
如上所述，可构造并放置局部滤光器326以生成照明区域102定位用控制光斑104。滤光器326可采用玻璃、塑料或相关材料制成。滤光器326可包括一个涂有黑色或彩色涂层或相关涂层的小区域，形成滤光区域323，并在白色照明区域102中形成高对比度控制光斑104。在一些实施例中，该区域的剩余部分或局部滤光器326的未滤光区域325涂或不涂抗反射(AR)材料。抗反射涂层可将菲涅耳反射损失降至最低。
在一些实施例中，如图5所示，当LED光源302作为窄光束LED322构造和布置时，可包括一个复合LED芯片338或等(其可包括一个或更多LED)。窄光束LED302还可包括在透镜生成窄光束的窄光束光学器件334，确保其直径等于或小于透镜的孔径。其确保壳壁内部的最大输出和最小光吸收。窄光束LED302还包括一个散热器332，用于散去LED产的热量。散热器332可耦合至LED板336的一侧，而LED芯片338可耦合至LED板336的另一侧。
在一些实施例中，透镜324包括玻璃、塑料或将局部滤光器的图像投影于地面的相关材料。照明区域是未滤光区域325和326的图像。控制光斑是滤光区域323的图像。透镜324可包括但不限于1英寸或约1英寸的焦距，和/或1英寸或约1英寸的直径范围。
图6是光束调向机制304A的示意图，符合实施例；其可用于图3所示的发光装置控制系统100。光束调向机制304A可包括一个双轴常平架340和一面反射镜346。常平架340可包括一个外定位环342和一个内定位环344，内外定位环可沿第一轴通过轴337A、B相互连接。电机345和343分别安装在内定位环344和外定位环342上面。平衡锤347和349可分别安装在外定位环342和内定位环344上面，以维持常平架的平衡和稳定。平衡锤347耦合至位于内定位环344一侧的轴339A，第二电机345依照平衡锤347耦合至位于内定位环344另一侧的轴339B。平衡锤349耦合至位于外定位环342一侧的轴337B，而第一电机依照平衡锤347耦合至位于外定位环另一侧的轴337A。反射镜346围绕内轴的旋转可称为俯仰。内常平架的旋转(包括部件346、344、345、339A和339B)可称为偏航。
图6A是图6中提供光源模块302有关视线(LOS)和视野(FOV)的反射镜346示意图，符合实施例；为了将视线从反射镜346扩大至照明表面(例如在垂直方向)，反射镜346可在45°角俯仰。光束调向可通过俯仰、偏航和/或反射镜346的其他移动来实现。可将反射镜长度增加至所需距离，其反过来增加俯仰角度，例如增加照明表面的面积。为了移动照明区域使其在正向远离最低点，必须增加俯仰角(如图6A所示)。反射镜346底部可能出现光损失现象，例如，底部FOV射线开始错过反射镜346。为了将损失降至最低，必须通过增加灯的尺寸增加反射镜346的长度。
图7A和7B是光束调向机制304B的视图，符合另一实施例；其可用于发光装置控制系统100(如图3所示)。光束调向机制304B可接收光源302(例如灯、LED等)射出的光线，并将其重新导向表面位置，以形成具有控制光斑104的照明区域102。光束调向机制304B可包括楔形棱镜352A、352B，其可相对旋转，允许在小配置中使用光束调向机制304B。
光束调向机制304B可分两步操作。第一步(如图7A所示)：接收到的光束相对于水平轴X的偏移角θ，可通过相对旋转(即，反向旋转)两个楔形棱镜352A和352B来获取。例如，第一个楔形棱镜352A可在第一个旋转方向旋转，而第二个楔形棱镜352B可在与第一个旋转方向相反的方向旋转。第二步(如图7B所示)：光束的方位角
Figure BDA0001423387890000141
可通过在同一方向旋转楔形棱镜352A和352B来获取。因此，分别通过棱镜352A和352B的相对旋转和同向旋转，光束可在任一方向输出。
图8是另一光束调向机制304C的示意图，符合实施例；其可用于发光装置控制系统100(如图3所示)。此处，光束调向机制304C包括一个MEMS反射镜阵列354，其包括一组独立的镜元355。每个MEMS镜元355可包括两个旋转轴，即，x轴和y轴。其仅通过向MEMS反射镜阵列354施加电压即可精确而便捷地控制光束。MEMS反射镜阵列354比较紧凑，具有一个内部光束调向机制，因此，无需机制常平架；从而导致LED灯或采用控制系统100的实施例的相关装置尺寸减小。
回到图3，在一些实施例中，追踪和控制传感器306包括一个传感器309和一个可见光相机310。传感器309可为辐射定标热传感器，构造和布置以后用于测量目标温度。相机310捕捉图像(如图10所示)，同时，在目标温度接近人体温度(例如36℃)时，可将图像数据输出至DSP芯片或控制器308的其他处理器，以进行处理。在一些实施例中，图像通过处理器响应手势生成，从而例如数字信号处理器(DSP)的处理器，将一组存储在库(例如数据库)中的手势图像与已存储手势图像对应的已知指令加以比较，从而确定基于手势的指令。
在一些实施例中，相机310和热传感器309均可包括一个透镜或聚焦光学器件；但是，不共享同一透镜或聚焦光学器件(如图3所示)；在一些实施例中，相机310和热传感器309安装在同一安装板上，确保其各自的LOS相平行。相机310和热传感器309的FOV均可为光束调向机制的近端或部分(如图3、12和12B所示)。在一些实施例中，相机放置在光束调向机制的外面，如图20和图21所示，或以其他方式放置在以光束调向机制为参照物与非热传感器309不同的位置。
图9是追踪和控制传感器306的方框图，符合实施例，其可用于发光装置控制系统100(如图3所示)。在一个实施例中，追踪和控制传感器306可包括一个双波段可见光和热成像仪，其包括一个小的热FPA 364或探测器，粘结在较大可见光FPA 366后面。可见光FPA366和热FPA 364可响应不同的波段。尤其是，热FPA 364可响应与做出手势的手发出的热光相对应的波段，而可见光FPA 366可响应照明区域102发出的光的波段。可见光FPA可采用硅或传输热辐射的其他材料制成。这种配置允许传感器306接收目标的可见光图像和热信息。
在一些实施例中，如图9A所示，热传感器309A包括一个热探测器374和一个透镜372，例如红外线透镜或菲涅耳透镜，此类透镜采用红外线材料或塑料制成。在一些实施例中，热探测器374可为单个探测器。在一些实施例中，热探测器374可为四象限探测器。热传感器309A可探测人手的存在，以确定调整照明区域的指令。在一些实施例中，热传感器309可用皮肤探测器代替，至少如图14、15A、15B和16所示。
在一些实施例中，如图9所示，追踪和控制传感器306可包括一个可见光FPA和一个热传感器364，其共享同一透镜362或聚焦光学器件。在一些实施例中，热探测器(或阵列)可放置在可见光FPA后面(如图9所示)。此处，可见光FPA 366可包括一个采用硅制成的探测器阵列，这种探测器可传输能被热传感器364接收的热辐射。在有一些实施例中，热探测器(或阵列)和可见光FPA可放置在透镜或聚焦(Cassagrain)光学器件的不同焦平面上(如图22-24所示)。
在一些实施例中，可见光相机310和热传感器309(如图3所示)可用热成像仪代替。如图9B所示，单个热成像仪380可包括一个未冷却的热FPA 384和一个红外线透镜382。在另一实施例中，热FPA 384是一个面积阵列。如图9C所示，热成像仪390包括一个热FPA394和一个透镜392，其中，热FPA 394是一个线性阵列。热成像仪390包括一个扫描反射镜396。未冷却的热FPA 380和390可包括一个微测热辐射计、热电堆及热电探测器阵列。
回到图3、11A和11H，手势106G可为激活状态手势，而手势106H可为非激活状态手势。为了从一种手势指令变换至另一种指令，必须在控制光斑102检测手势106G。为了消除错误警告，控制器308可包括一个定时器312(用于测定手势106G在例如保持不动的稳定位置的时间)。在一个实施例中，相机310可用作定时器。若相机310捕捉手势106G的图像，并保持预定数量的连续图像相对不动(例如每33ms或1s内的3个连续图像)，然后确定系统100是否处于激活状态。否则，可能做出发生错误警告的决定。
在激活状态下，控制器308可接收关于手势连续图像的信息指令，其可改变灯的状态。例如，控制器308可接收说明同时捕捉三个连续图像的指令，例如，手势无变化。控制器308可通过该数据确定，用户是否愿意根据图像中的相同或类似手势改变系统100的状态。
图10是说明发光装置控制系统元件之间互操作性的流程图400，符合实施例。在描述流程图400时，可参考包括但不限于图2-9的部分或全部内容。
手势402是在某一控制光斑(例如，控制光斑104)之上做出(如图2B所示)。热数据(例如与手势402有关的温度)由热传感器406确定。热传感器406可与图3、9、9A或9B分别描述的热传感器或本文描述的其他实施例相同或相似。若所检测到的手(做手势)的温度确定在预先设定的人体温度(例如，36℃)范围之内，则热传感器406或与传感器406通信的处理器发出请求，要求相机404向处理器410提供手势402的图像。处理器410可包含一个数字信号处理(DSP)芯片或LED灯控制电子设备中的单板计算机，例如，图2-9所示控制系统100的控制器308。由相机404提供的图像数据可与已知手势数据库加以比较，以确定手势所指指令；例如，将照明区域移动至不同位置的指令。已获取的与手势402相对应的数据经处理器410处理，响应比较结果，转化为指令信号。若指令信号认为手势402代表移动光源模块302处LED灯等所生成照明区域102的指令，则光束调向机制412可将照明区域102导向不同表面位置，或以其他方式根据指令改变照明区域102。或者，手势402可作为增加亮度的相应指令。光束调向机制412可借助相机404，追踪手以控制光斑104为参照物的运动。此处，DSP或单板计算机可生成控制信号，输出至LED电源414，并相应地调整LED灯等。LED模式处理器可根据控制信号，将LED灯等切换至不同模式，例如，打开或关闭LED灯、增加或降低亮度等。
如上所述，一些实施例包括一个追踪和控制传感器的相机，其在物理上可独立于或脱离光源模块。在其他实施例中，光源和追踪控制传感器的相机可位于同一模块、壳体或其他单一装置处。
图12是灯系统500的方框图，符合实施例。图12A是图12所示灯系统500中光源模块502的方框图。图12B是图12所示灯系统中追踪控制传感器514的相机的方框图
灯系统500由一个透镜324、一台分束器504、一台局部滤光器326和一个照明光源322组成，例如，包括一个窄光束LED模块。局部滤光器326位于透镜324的焦平面上。光源模块502和传感器514可共用相同元件，例如分束器504和透镜324。
在一个实施例中，相机506耦合至光源模块502或以其他方式与其通信。灯系统500可包含分束器504。相机506可包含焦平面阵列探测器(FPA)，其沿光源模块502透镜的焦点放置在折叠臂中。折叠臂或折叠光束的特点在于：相机506和光源模块502可封装在同一壳体内。此处，相机506和光源模块514可通过滤光器326共用形成共聚焦系统的透镜324，该共聚焦系统改善光源和相机未共用同一透镜装置中的图像质量。
在一个实施例中，无论光束路径的形状如何，透镜和焦点之间的距离与焦距始终相等；从透镜324通过分束器504至FPA506的折叠距离与透镜324的焦距(f)相等。从透镜324到局部滤光器326的距离或焦距(f)同样相等。
在一些实施例中，分束器504从光源502射出90％左右的光，并从照明现场反射10％的光至相机506的FPA。分束器504的光透射值和反射值不限于上述百分比值；其他合适的透射参数和反射参数同样适用。
如图12A中部分灯系统500光源模块502平面布置图所示，窄光束LED等射出的光穿过局部滤光器326、分束器504和透镜324，并投射于用户感兴趣区域内的照明光斑。滤光器326的滤光区域323提供照明区域控制光斑的图像。控制光斑通过滤光照明。照明光斑的剩余部分通过未滤光照明。
如图12B所示，传感器模块部分504包括一个热传感器509、一个透镜324、一台分束器504和一部相机506中的焦平面阵列探测器(FPA)。在一些实施例中，可提供一台二维位置敏感探测器，以代替FPA。在一些实施例中，FPA或二维位置敏感探测器仅在照明区域成像。分束器504可将光束B导向FPA。传感器509可在照明区域根据手势探测热光线等，更具体地说，将其定位在控制光斑上。
图13是说明人体皮肤光谱反射特性的示意图，符合实施例。如图13所述，在970nm处时，人体皮肤在其反射光谱中呈现一个吸收谷。在800nm处时，其反射率高于其他波长。此外，照明光源(白色LED模块)在或靠近这两种波长处无光线。因此，采用这两种波长进行的测量比较精确。根据该特性，可安装皮肤传感器。在一些实施例中，符合实施例的皮肤检测传感器在近红外线(NIR)范围内可使用两种颜色的检测，以确定控制光斑处的人体皮肤。
图14是皮肤检测传感器600的方框图，符合实施例。如本文所述，一些实施例包括借助热传感器所执行的人手的感测。在同样适用于本发明构思原理的其他实施例中，皮肤检测传感器600可代替热传感器，感测人手的存在，例如，确定手势指令。皮肤检测传感器600包括一台相机或一个辐射计605和安装在无色明胶滤光镜626上的三色LED光源623。辐射计605可包括一个透镜和一台硅检波器。其测量辐射率。在一些实施例中，相机和三色LED光源623不可共用一个透镜。在一些实施例中，相机和三色LED则可共用透镜623(如图14皮肤传感器600所示)。皮肤检测传感器600的相机包括一个透镜624、一个FPA 606和一台分束器604；其中分束器604将聚焦的光束折叠至FPA 606，并允许透射三色LED光。透射率和反射率为(但不限于)90:10。在一些实施例中，无色明胶滤光镜626和三色LED623可位于透镜624(具有焦距(f))的焦平面或其附近。这将确保三色LED仅照明控制光斑。
图15A和15B详细说明了三色LED。图15A是三色LED 800的侧视图，符合实施例。图15B是图15A中三色LCD 800的顶视图。在一些实施例中，三色LED光源800包括3个LED、一个无色明胶滤光镜基板806和一个光管组件804(其包括三个输入光管812和一个输出光管814)。光管将三色LED光传输至光管组件的出口808。三个LED：802A、802B和802C，分别在800nm(NIR)、620nm(红色)和970nm(NIR)处工作。在实施例的设计中，三种颜色的选择不限于上述值。3个LED均放置在输入光管812的入口。输出光管814安装在无色明胶滤光镜基板806上(例如，采用BK7和塑料等制成)，使出口810面向分束器604和透镜624(如图13所示)。出口和无色明胶滤光镜806位于透镜624的焦平面上，因此，三色LED仅照明控制光斑。
为了进行皮肤检测，在800nm和970nm处目标反射率必须在目标图像中测量。在800nm和970nm处的三色LED中两个NIR LED可照明控制光斑中的目标。相机、辐射计和三色LED同步。在一些实施例中，光源的LED可依次打开和关闭，确保相机606可捕捉分别对应于三种颜色波长和三种照明的辐射计辐射率的图像。在一个实施例中，每种颜色可持续33毫秒。例如，首先是第二LED 802B(例如红色LED)LED 802A(如800nm LED)被首先激活，其次是第一LED 802A(如800nm LED)，再次是第三LED 802C(如970nm LED)。所捕捉图像的输出量以数位(DN)为单位,而不是反射率。相机需要辐射定标,以获取每种像素的反射率。在一些实施例中，皮肤检测依靠辐射定标相机606，检测目标反射率。在一些实施例中，进行皮肤检测操作，包括使用辐射计605测量以目标反射率。通常需要进行辐射定标，以确定一组辐射系数，使相机图像转化为相机孔径(以辐射率为单位)的输入光。图15C和公式(1)-(4)说明了辐射定标的过程及应用。
如图15D所示，手势背景非常复杂。在提取手势信息之前，需要抑制或消除信息。由于人体皮肤的反射率在800nm和970nm处是唯一的，可使用皮肤传感器获取在这两种波长时的反射率图像，并消除非皮肤背景。在皮肤检测中，相机的辐射定标非常重要。在一些实施例中，辐射定标皮肤传感器600可抑制或消除手势背景。
在将相机606集成系统之前，可通过使用均匀的扩展光源(例如带三色LED752的累计球750和内置辐射计)进行辐射定标。相机606放置在累计球出口前端(如图15C所示)。每种颜色的LED可单独打开、关闭和调节。辐射计可用于测量累计球的输出辐射率。为每种颜色捕捉两个辐射率水平时的两个图像。该步骤被称为两点辐射定标。为简便起见，在所有计算中，仅提供一个FPA探测器。相同计算方法可应用于所有其他探测器。对于给定相机孔径辐射率Lk，公式1是两点辐射定标公式，表示LED颜色K的孔径辐射率，按照给定探测器的相机以数位(DNk)输出。(Ck1，Ck0)表示
Figure BDA0001423387890000211
为保持在线性区域内的相机响应，应选择探测器数位分别为30％和70％的信号水平。在公式(1)中，(Lk30，Lk70)表示光源K在两个不同信号水平时的辐射率，K＝1、2和3表示颜色指数。指数1表示在800nm处的NIR LED，指数2表示红色LED和指数3表示在970nm处的NIRLED。(DNk30，DNk70)表示由于颜色K在两个辐射水平(Lk30，Lk70)时，相机探测器的像素值。对于每种颜色K，可从公式(1)得出辐射定标系数(Ck1，Ck0)。
若已知所有相机探测器的相机辐射系数(Ck1，Ck0)，处理器410可存储这些系数。相机606可集成到系统中。通过采用辐射系数(如公式(2)所示)，三色LED 800照明的控制光斑图像可转化成辐射率。DNk表示探测器对目标辐射率L’k的响应。此处的角分符号用于说明图像为现场图像。
L′k＝ck1 *DN′k+ck0 (2)
公式(2)中的辐射率图像可进一步转换为反射率图像。在相机孔径的反射辐射率为目标反射率rk乘以三色LED的照明辐射率Lk。Lk可在系统集成之后测得。因此，反射率图像可根据公式(3)所示确定。
Figure BDA0001423387890000212
公式(3)：若800nm的LED照明辐射率调整至与970nm的LED相等，则由NIR LED在800nm(指数1)和970nm(指数3)处获取的反射率图像的比率可通过公式(4)得出；其中，两个NIR图像的孔径辐射率的比率通过公式(2)即可得出。
Figure BDA0001423387890000221
根据公式(4)，仅通过得出两个辐射定标NIR图像的比率即可完成皮肤检测。每个像素的比率可与800nm和970nm处人体皮肤反射曲线的比率(如图13所示)进行比较。在一些实施例中，上述方法用于皮肤检测。在800nm和970nm处，若一种像素的辐射比率与人体皮肤反射率比率(如图13所示)匹配或几乎匹配，则将其像素值设为1，否则，设为0。在一些实施例中，上述过程用于消除背景。当使用辐射计时，在800nm和970nm照明之间的测量的辐射比率应与两波长之间的皮肤反射比率进行比较。若相匹配，则可确定手的存在。
总之，在皮肤检测传感器600处的处理器，可确定两个由两个NIR LED生成的两个NIR图像的成像比率。若在某一区域中(在图像内)，比率与人体皮肤光谱内的两个光谱点的比率相接近，则此区域的比率设为1，所有其他区域设为0。0值区域确定为背景区域。
在本实施例中，使用皮肤检测型人手传感器；例如，本文所述的智能灯操作方法不同于图10所示的实施例。因此，如图16所示，热传感器406(如图10所示)可用皮肤传感器600代替。在一些实施例中，皮肤检测使用三色LED和一台辐射定标的相机。在一些实施例中，皮肤检测使用三色LED和一个辐射计。在一些实施例中，辐射计用于皮肤检测，辐射定标相机用于去除手势背景和识别手势。在一个实施例中，可依次打开和关闭三个LED：802A、802B和802C。在一个实施例中，每种颜色可持续33ms。例如，首先是第二LED 802B(例如红色LED)被激活，其次是第一LED 802A(例如800nm LED)被激活，再次是第三LED 802C(例如970nmLED)。在一个实施例中，相机404在30Hz频率下工作，并与三色LED装置同步。相机404可捕捉三种颜色的图像。若皮肤传感器检测到人体皮肤，图像将被传送至处理器410(例如一台DSP或单板计算机)进行处理。
图17是流程图，其说明确定手势的方法950，符合实施例。在描述方法950时，可参考图15和16的内容，或本文所述其他图例的内容。处理器410通过使用人手识别用辐射定标系数，将与第一和第三LED(即802A和802C)相关的NIR(800nm和970nm)图像956分别转化为孔径辐射比率。若确定(例如，在处理器410中)控制光斑区域104的两个图像956的比率与在人手800nm和970nm处的波段比率相匹配(如图13所示)，则人手识别区域内像素设为1。背景区域的其他像素设为0。在所有波段中，背景区域相同。处理器410可处理红色图像954(即，与第二LED 802B相关的图像)，以确定手势。若手势识别为958，则在对数据库等中存储的已知手势图像进行比较之后，处理器410可生产适当的指令962(如本文所述)。
在一些实施例中，手势动作可用于抑制背景。操作如图15D所示。左上方的图片是在非常复杂背景下做出的手势。右上方图片是稍微旋转后的相同手势。下方图片显示了以上两幅图中手势的不同之处。手势移动时背景保持不变。当从一个图像移除其他图像时，应清除或抑制背景(如下图所示)。
图18A是光束调向机制1000的侧视图，符合实施例。图18B是图18A中光束调向机制1000的顶视图。再参考图6，光束调向机制304A包括一面放置在常平架340上的反射镜346。当移动常平架上的反射镜346以操纵光束时，光源模块302和追踪控制传感器306保持静止。如图18A和18B所示，在另一个实施例中，光源模块1002和传感器模块1004的元件可能同位，并直接被安装在常平架上。传感器模块1004可包括一部相机。可将相机随意安置在独立位置，如图20所示。
光束调向机制1000可包含一个双轴式常平架，支架上带有一个外定位环1008和一个内定位环1006。如图6A所示，反射镜346的所需长度随着俯仰角的增大而增加，可能需要增大系统尺寸。光束调向机制1000中不包括反射镜，其占用空间可以小于配备反射镜346的系统。通过光源模块1002和传感器模块1004的偏航动作和俯仰动作，实现光束调向。偏航电机1014A和俯仰电机1014B，分别安装在内部和外部常平架环上。可将平衡锤1012A和1012B分别安装在外定位环108和内定位环1006上，以维持常平架的平衡和稳定。图18A和18B中的常平架可采用俯仰式和偏航式。可将光源模块和追踪控制传感器安装在俯仰-滚动常平架上。
图19是控制光斑照明器1100的示意图，符合实施例。在一些实施例中，如文中所述，通过光源模块上的LED发出的过滤光，获得控制光斑的照明。在一些实施例中，滤光区域只允许光源模块发出的有色光穿过滤光器。由于过滤区域与控制光斑的图像相符，只有过滤光才能照亮控制光斑。如图19所示，在另一个实施例中，可将彩色LED 1106(也被称为控制光斑LED)放置在局部滤光器1100过滤区域1104的位置，最好位于光源的焦平面。照亮控制光斑的有色光，由彩色LED 1106发出，而如非灯具、LED之类的其他光源。在一些实施例中，彩色LED附着的基板1102由玻璃或塑料构成。在一些实施例中，基板1102可由本领域普通技术人员所熟知的其他材料制成。在一些实施例中，基板1102的一面或多面可覆有抗反射涂层，从而增加其光透射性。在一些实施例中，彩色LED 1106可采用单色LED。在一些实施例中，彩色LED1106可采用红绿蓝(RGB)色LED。在一些实施例中，彩色LED 1106可结合红色LED与两种近红外LED。
图20是发光装置控制系统1200的示意图，符合另一个实施例。在文中所述的一些实施例中，追踪控制传感器相机的视野(FOV)通过一种光束调向机制，追随产生的照明光斑。随着光束调向机制操纵照明光斑至不同的区域，相机的FOV也会追随照明光斑至该区域。在一些实施例中，如图20所示，与控制系统的其他元件(如：光束调向机制1208和/或LED光源1204和传感器1206)相比，相机1202可以作为一个物理上独立的装置，分离出来。在这种情况下，当照明光斑移动时，相机1202的视野保持静止。在这种实施例中，相机1202的视野足够大，可以包容照明光斑的最大位移。
图21是图20中发光装置控制系统1200的示意图，符合另一个实施例。在这里，相机1310置于发光装置控制系统1300的光束调向部分1308以外。再参考图18A和18B，可将相机置于常平架以外。在一些实施例中，可使用带有二维位置敏感探测器的透镜，替代相机。发光装置控制系统1300的其他元件，如光源模块1302、控制器1308和传感器1309，与图3所示和/或图20中所示的对应元件相似或相同；因此，为简便起见，省略其中的细节。
另一方面，在图20A中，相机和热传感器均位于光束调向机制以外。相机的要求和功能与图20中相同，因此，为简便起见，不做赘述。然而，热传感器被安装在与图18A和18B中所示相似的小型常平架上。常平架采用光束调向机制304相同的常平架角，以追踪控制光斑。图21A与图21相似，热传感器位于光束调向机制以外的情况除外。
图22是追踪控制传感器1400的侧视图，符合实施例。图23是追踪控制传感器1410的侧视图，符合另一个实施例。追踪控制传感器1400和/或传感器1410被安置在发光装置控制系统100中，如图3所示。
在实施例中，追踪控制传感器1400和1410被分别装配在一个普通装置中。此处，多个LED或类似物、一个可见FPA以及一台热探测器或FPA，共享同一个透镜，但是可以分割孔径，并照射相同的目标。如图22和图24所示，追踪控制传感器1400包括一个折射光学元件1402(如折射CleartranTM透镜)、一面多面角锥棱镜1404、一个热探测器或阵列1428(包含热电堆、热电物质或相关材料)，以及一个可见焦平面阵列1406，最好包括一个滤光器。如图23所示，传感器1410可包括一个反射聚焦光学器件1412(如卡塞格林式)、一面三面角锥棱镜1404、一个热探测器1428(阵列同样适用)，以及一个可见焦平面阵列1416(1416、1406和1426相同)。1410和1400中的热探测器都带有滤光器。追踪控制传感器1400和1410可分别包含一个彩色LED光源或三色LED光管组件，如图15A和图15B所示。
现在将描述一种操作，参考图24所示。图24是传感器1420的顶视图，可以与传感器1400或1410相同或相似。虚线圈表示投影在三面角锥棱镜上，透镜或卡塞格林光学器件的入口孔径。所得的光线由场景目标发出，例如：带有控制光斑104的照明区域102，其该光斑上方有人手或其他物体的图像，如图2B所示。所得的光锥穿过透镜(例如：图22中的透镜1402或图23中的卡塞格林光学器件1412)，向角锥棱镜传播光线。光锥被分为若干个等量部分。所得的光线包括从控制光斑104发出的可见光线，以及从手势位置发出的热光线。所得光线的第一个部分L1，可穿过一个可见滤光器(未显示)，聚焦在可见FPA 1406上。在特殊情况下，可见滤光器拒绝热光线，并允许可见光穿过，照射在可见FPA 1406上。所得光线的第二个部分L2，可穿过一个红外线滤光器(未显示)，聚焦在热FPA或热探测器1428上。热探测器1428可构成文中所述热传感器309的一部分。在特殊情况下，热滤光器可拒绝所得的可见光，并允许热光线穿过，照射在热探测器1428上。所得光线的第三个部分L3，聚焦在彩色LED1422或类似物上(例如：文中所述光源模块302的一部分)，且并未启用。L3区域中的光锥，同时具备目标发出的入射光线和彩色LED1422发出的出射光线。与彩色LED1422发出的出射光线相比，入射光线弱得多。出射光线沿着入射光线的轨迹，向控制光斑104照射。控制光斑104是由局部滤光器的滤光区域产生，如图4所示。L3区域中的彩色LED，可用于控制光斑的调制，因此，用户可更加容易看到。如果将图15A和15B中所示的三色LED光管组件置于L3处，则可使用两个近红外线LED移除手势图像的背景，通过使用文中公式(1)、(2)、(3)、(4)和图14、15C所示的辐射波段比值法。
图25是发光装置控制系统1500的示意图，与实施例所示的追踪控制传感器1410或1420的安装方法相符。装配期间，可故意倾斜传感器1410或1420，或将其与控制光斑104对齐。然后，追踪控制传感器1410或1420可直接面向控制光斑104。
众所周知，生产白色LED用于照明目的。因为白色LED属于固态设备，可提供精确的调制。图26-29说明了光无线通信环境中的LED灯或类似物。按照目前的发明构思实施例的光束调向属性，可包括发光装置控制系统实施例的实施，从而扩展数据传输的范围，并使得数据存取更加便利。由于可见光的段宽极高，光无线通信具有极高的数据速率潜力。这种格式的数据通信具备较高的安全性，因为只有照射区域可以访问数据。同时，由于使用照明光线，波道之间不存在干扰的情况。不需要其他光源。
如图30和31所示，另一种应用可包括带有视频游戏的发光装置控制系统实施例的实施，例如：凭借姿势识别的视频游戏控制器(如Microsoft ConnectTM)，使用单个相机捕捉人的姿势。相机仅可捕捉垂直于相机视线平面上的二维手势动作。无法识别沿着视线的动作。通过在智能LED平台上安装相机，可以捕捉第三维中的姿势动作。因此，通过这种在两个不同方向，使用两部相机的方式，实现了三维(3D)姿势识别。3D姿势识别，让用户可以实现在无需使用游戏控制器的情况下，即可操作视频游戏的体验。
图26是以照明光线作为数据传输载体的光无线通信网络1600的示意图，符合实施例。网络1600包括一台发射机1602和一台接收器1604。
发射机1602包括一台调制器1612、一台数字/模拟(D/A)转换器1614和一个LED灯1616。接收器1604包括一台光电探测器1622、一台解调器1624和一台A/D转换器1626。
发射机1602中的输入数据由调制器1612调制，然后，由D/A转化器1614将其转化为输入电流，并输出至LED灯1616。LED灯1616可包括发光装置控制系统的部分或所有元件，符合实施例，例如：文中所述的控制系统100。LED灯1616可向接收器1604输出调制光线。在接收器1604中，光电探测器1622将发射机发出的光信号转化为电信号。信号分别由解调器1624和A/D转化器1626解调并转化为数据。关于可见光无线通信的各个方面(包括收发器设计和调制方法)，可查阅《室内光无线通信：开发潜力和领先技术水平》(Indoor OpticalWireless Communication:Potential and state-of-the-art),2011年9月IEEE通信杂志(Communication Magazine)第56-62页，H·Eglala、R·Mesleh及H·Haas著；《可见光通信系统：构思和VIDAS》(Visible Light Communication Systems:Conception and VIDAS),2008年9月IETE技术评论(Technical Review)第359-367页，N·Kumar、N·Laurenco、M·Spiez及R·Aguiar著；《以白色LED为基础的OFDM可见光无线通信》(OFDM Visible LightWireless Communication Based on White LEDs),2007年春天IEEE VTC第2185-2189页，R·Mesleh、H·Haas及B·Pricope著；以及《用于可见光通信的调制基础元件分布》(Modulation base cells distribution for visible light communication)，2012年美国光学学会,于2012年10月12日发表，Y.WU、A.Yang、L.Zuo、Y.Sun著，全文以引用的方式并入本文中。
图27是包括一个LED灯系统1710的光无线通信网络1700的示意图，符合实施例。网络1700可构成一般室内光无线通信链接拓扑的一部分。网络1700可包括发光装置控制系统的部分或所有元件，与部分实施例相符(如文中所述实施例)。发光装置控制系统的LED灯系统1710，可安装在天花板或其他固定表面上。LED灯1710可将照明光斑1702投射在地板或其他表面上。根据文中实施例所述，可产生控制光斑1704。例如：为响应控制光斑1704上方识别的手势，而激活LED灯网络1700的动作。光无线通信网络1700可将照明光线作为载体，在下行方向，输出数据至一台或多台用户电子设备1706A、1706B、1706C(总体地，1706)，例如：无线电脑、智能手机等。照明光斑1702还可作为发射机束光斑。通信区域内(即：照明光斑1702中)的用户电子设备1706A、1706B、1706C可以接收数据。由于数据传输的调制率快到人眼难以识别的程度，照明质量不会因此受到影响。照明光斑1702外的信号水平可能明显降低。传统环境中的无线装置(如：位置B处的电子设备1706D)在照明光斑1702以外的位置，可能无法访问数据。另一方面来说，符合一些实施例的LED灯1710，通过提供LED灯系统1710解决上述问题，将照明光斑1702移动至不同的位置，例如：图28所示的位置B，从而将电子设备1706D置于照明光斑1702，由此增大数据的覆盖范围。
在一些实施例中，需要修改LED灯系统1710的电子设备，来增加光无线功能。可将发射机电子设备加入LED灯系统的电子设备中。包括光学器件和LED的光源模块(如文中所述)，可以与以上实施例中所述的光源模块相同。因此，为简便起见，有关光源模块的细节不做赘述。在其他实施例中，增加的光无线通信能力，可能会改变LED灯系统1710的电子元件。在一个实施例中，光源模块可包括用于将信息转化为光源模块驱动电流的发射机、一台用于上行通信的射频无线网络接收器、一台调制器、一台D/A转换器、一台电流放大器和其他电子设备(如图26中所示元件)。因此，如图28所示，LED灯系统1710可包括一台发射机(未显示)和一台射频无线网络接收器1760，安装在天花板或其他表面上。在一些实施例中，一些实施例中的射频无线网络接收器1760位于LED灯系统1710以外。在一些实施例中，射频无线网络接收器1760与LED灯系统1710构成一个整体。如图28所示，LED灯系统允许用户将照明光斑1702或发射机光束斑1705移动至不同的位置。这样不仅扩大了用户的数据接入范围，而且保留了链接的安全性，因为数据的传输和/或接受仅限于照明光斑内的电子设备。
在使用如笔记本电脑或智能手机这类电子设备时，光无线网络用户可能希望降低照明。然而，如果用户将照明降至过低，则接收器的信号可能变得太弱，难以获得优质数据。可以在LED灯系统上安装一台高数据速率红外发射机。白光LED的红外线光谱极低。因此，照明光线不会增加数据传输光线的背景。数据传输不会受到LED灯系统运行的影响。用户可以调暗甚至关闭LED灯系统1710，LED灯系统1710的发射机会继续传输数据。在以上实施例中，照明和数据传输分开进行。在一些实施例中，可使用近红外(NIR)光线作为数据载体。在一些实施例中，可使用短波红外(SWIR)光线作为数据载体。在一些实施例中，发射机光源可以是LED。在其他实施例中，发射机光源可以是激光。发射机的视线可以平行于LED灯系统1710的视线。发射机光束斑1705和照明光斑1702处于同一中心轴，且形状、尺寸和相关配置参数相似。因为发射机和LED灯系统共享同一个常平架平台，照明光斑和发射机光束斑同时移动。在一些信号强度较强的实施例中，发射机光束斑1705可能大于照明光斑1702，或与之相等。在一些信号强度较弱的实施例中，发射机光束斑1705可能小于照明光斑1702。因为发射机光源处于人眼不可见的红外线中，当发射机光束斑1705小于照明光斑1702时，其需要采用有色照明。可使用文中控制光斑所述的技术产生有色照明光斑，分别参考如图4、12和12A所述。
其他应用可包括使用LED灯既进行照明又进行光无线通信。在这里，智能LED灯的光束调向机制(例如：灯系统1710)，允许用户通过移动照明光斑至其喜好的位置，扩大数据接入范围。用户可以通过使用其照明光斑内的光无线装置，读取数据。
总而言之，光无线系统符合实施例，发射机光束斑与照明光斑交叉，二者可同时移动。光束调向机制允许用户通过移动照明光斑至其喜好的位置，扩大数据接入范围。用户可以通过使用其发射机光束斑内的光无线装置，读取数据。以上配置的优势在于，发射机可以自行选择光源，发射机调制并不绑定，且不限于照明光源，同时，照明光斑的亮度不会影响到数据传输。
图29A和29B图解说明了发射机光束斑与照明光斑形状、尺寸或颜色配置不同时的情况。例如，在图29A中，发射机光束斑1805A大于照明光斑1802A，或与之相等。另一方面，在图29B中，发射机光束斑1805B小于照明光斑1804B。根据文中实施例所述，可产生控制光斑1804A、1804B(总体地，1804)。例如：为响应控制光斑1804上方识别的手势，而激活网络1800的动作。红外无线通信的细节，参见《回顾通信导向的光无线系统》(A review ofcommunication-oriented optical wireless systems)，D·Borah、A·Boucouvalas、C·Davis,S·Hranilovic及K·Yiannopoulos著,2012年欧洲信号处理协会无线通信和网络杂志(EURASIP Journal on Wireless Communication and Networking 2012)2012:91，和《配备单通道图像接收器的12.5Gbps室内光无线通信系统》(12.5Gbps Indoor OpticalWireless Communication System With Single Channel Imaging Receiver)，K·Wang、A·Nirmalathas、C·Lim及Efstratios著，37届光通信欧洲会议及展览(37th Europeanconference&exhibition on optical Communication)全文以引用的方式并入本文中。
图30A-30C是根据一些实例的分别在三个垂直方向拍摄手势1910、1920和1930的照片。应用于视频游戏系统中的传统姿势识别应用，仅使用一部相机。因此，只能捕捉到垂直于相机视线的二维姿势动作。然而，相机无法检测到沿着相机视线的动作。姿势动作可包括平移和旋转。当相机视线垂直于姿势平面时，可以最好地测量姿势旋转。在所有的三个垂直方向，都可能发生姿势旋转。图30A-30C中所示照片，是针对视频游戏控制器从三个垂直方向捕捉到手势的图像。图30A中的手势图像1910是顶视图，由手上方的相机拍摄，位于符合实施例的照明区域内控制光斑上方，如文中所述。
图30B中的手势图像1920是正视图，由前置相机拍摄。图30C中的手势图像1930是侧视图，由侧置相机拍摄。图30A中的手势1910和图30C中的手势1930图解说明了食指的触发动作。然而，图30A所示图像中的动作比图30C所示图像中多，因为该动作是针对图30A所示图像的图像平面中的旋转。在图30B和30C中，可见拇指按动按钮的动作。然而，图30C中的动作比图30B中多，因为这是在图30A所示的图像平面中的旋转。
由于多数人的姿势动作涉及到旋转，应注意设计并实施一种相机几何结构，以便捕捉所有方向的姿势旋转。在一些实施例中，通过在三个垂直方向设置三部相机，以捕捉姿势动作。在其他实施例中，如图31所示，两部相机足以捕捉3D动作。
图31是3D姿势识别系统2000的示意图，符合实施例。在本实施例构思中，3D姿势识别系统2000使用两部同步的相机2004和2006，二者相互通信(如相互同步)。在其他实施例构思中，同步相机的数量大于二。第一部相机2006置于用户前方。第二部相机2004安装在LED灯系统2002上，更具体地说，与符合文中其他实施例的常平架相似或相同的常平架平台，以保证其视线平行于LED灯系统2002的视线。在一些实施例中，通过手势(例如：在控制光斑做的手势)，将LED灯系统2002操纵至45°的位置。在x-z平面和y-z平面，图像平面的分量相等。在其他实施例中，角位置不限于45°。前置相机2006捕捉x-y平面的动作。顶置相机2004捕捉x-z平面和y-z平面的动作。因此，可以通过以上两部相机2004和2006获得3D姿势动作。两部相机2004和2006同步，以便关联得出3D姿势动作。
当多个用户同时操作3D视频游戏时，一个用户可阻碍另一个用户的姿势的相机视图。此时，需要配备第二部顶置相机。如图32所示，3D姿势识别系统2100可包括三部同步相机，可使用2104、2106和2108。
分别设置并安排前置相机2106和顶置相机2104、2108，包括可见和/或热双波段相机。由于在操作视频游戏时，用户位于照明光斑2110中，LED灯系统2100可为可见光波道提供优质照明。由于白色LED的红外线光谱极少，LED灯系统2100发出的光线不会干扰热波道。
图33是相机2200的示意图，符合另一个实施例。相机2200可实施在一种或多种如视频游戏应用之类的应用中，如文中所述。相机2200可以与文中引用的其他相机相同或相似，例如：图32中所示的顶置相机2104。相机2200可包括一个透镜2202、一个分束器2204、一个可见焦平面阵列(VISFPA)2206和一个热探测器阵列2208。透镜2202可包括一个用于传输可见光和红外光的Cleartran材料或类似物。在一些实施例中，热探测器阵列2208可采用低成本，且低分辨率的热电堆探测器阵列。在一些实施例中，一部或多部相机可包括一个高分辨率的非冷却红外探测器阵列。
考虑到热图像，与环境热背景(如25℃)相比，人体(如36℃)可见相对较热。因此，姿势的热图像具有较高的对比度。由于多数场景内容处于环境温度，因此热背景通常比较简单。可见光谱中的背景对比姿势，取决于相对反射比。背景反射率可能改变，同时可能较为复杂。产生的对比也因此改变。热探测器阵列价格昂贵。可见FPA价格低廉。为了降低成本，在一些实施例中可能会使用低分辨率的热电堆探测器阵列和高分辨率的可见FPA。为了在热波道和可见光波道内看到相同的场景，实施例中需要用到两种波道的相等视野(FOV)。高对比度和低分辨率的热图像，会对姿势区域起到强化作用。高分辨率的可见图像，会增加姿势区域的细节内容。为了验证以上构思，如图35A所示的高分辨率的可见图像2410，可能会产生16×16像素的低分辨率热图像。背景的反射比高于可见照片中手的反射比。在相同场景的热图像中，手的温度高于环境背景温度。由此得出，通过下列步骤，可模拟原始的热图像。高分辨率可见图像首次采样，可得16×16图像。通过剪辑256灰度级的平面图像，可得合成图像。剪辑图像是低分辨率的热图像2420，如图35B所示。此处，所示的手比背景“温度更高”，或对用户而言更加清晰可见。然而，图35B所示热图像中的分辨率不足，无法提供手的细节。但是，提供了包含手在内的区域。一旦获悉上述区域，则可从可见图像中提取出手的细节。从图36中熔融的热和可见图像2430，明显可见上述内容。
当系统100中加入光无线通信和基于3D姿势的视频游戏能力时，常平架平台上模块的数量随之增加。使用照明光线的光无线发射机，其平台上有三个模块。其中可包括但不限于一个光源模块、一个追踪控制模块和一个顶置相机。文中展示并说明了上述元件，为简便起见，其中的说明不做赘述。通过图34A所示的例子对其予以图解说明。使用非照明光线的光无线发射机，其平台上有四个模块。其中可包括但不限于光源模块、追踪控制传感器、光无线发射机和顶置相机。通过图34B所示的例子对其予以图解说明。
图37是多光谱电筒相机2500元件的侧视图，符合实施例。图38是图37中的多光谱电筒相机2500元件的顶视图。图39是图解说明图37和38中的多光谱电筒相机2500的操作的示意图。图40是电筒相机2550元件的顶视图，符合另一个实施例。
将相机技术与功能融入电筒的做法是值得期待的，因为它让用户可以拍摄其以光线照射目标的照片。在目前的电筒相机技术中，在相机的周围设有LED。LED发出的光线照射在目标上，然后相机捕捉其图像。然而,在此类设计中，相机的视野可能会与相机周围设置的LED产生的LED光锥不一致。相应地，由于失配，相机成果图像可能会呈现出暗区域或弱化光强度区域。此外，可得到单个光谱波段中的图像。
多光谱电筒相机2500可以使用目前的发明构思实施例的特色，例如：图22-24中所示内容。相应地，多光谱电筒相机2500的元件可能与其他实施例中所述内容相同或相似，因此，为简便起见，不做赘述。
在一些实施例中，通过使用棱镜分割孔径，透镜焦距位置的照明光源和成像探测器阵列会共享同一个相机孔径透镜。上述探测器阵列被称为焦平面阵列(FPA)。由于共享同一个孔径，且焦距长度相同，照明区域就是FPA的图像。因此，相机只能看到照明区域，所以整个全图像会受到照射。因为通过孔径分割可以容纳多个光源和FPA，所以构成多光谱电筒相机。多光谱电筒相机允许用户读取不同光谱带下、相同场景的图像。它还可应用于材料检查，如检测自制的爆炸物(HME)。长波红外(LWIR)波道可用于实施各种应用，例如：有关埋设的简易爆炸装置(IED)的干扰地面检测。它还可应用于交通工具和工业检测。
在一些实施例中，多光谱电筒相机2500包括一个孔径透镜2512、一个角锥反射镜2504、一个或多个光源2502、两个或多个FPA 2514、2516、2518(分别在不同的光波谱中运行)、滤光轮2506(带有各种光谱带下的滤光器)，以及电源。电筒相机2500还可包括用于图像采集和处理的处理电子设备，如文中所述。电筒相机2500可包括一个电源，例如：一节或多节蓄电池，用于为电筒相机供电。
在一些实施例中，透镜2512由Cleartran材料制成，用于传输可见至长波红外(LWIR)光线。在其他实施例中，透镜2512可由其他用传输相同光谱的红外材料制成。在一些实施例中，角锥反射镜2504有三个或三个以上平面。在一些实施例中，角锥反射镜2504的半锥角为45°。在其他实施例中，可以采用不同的锥角。在其他实施例中，每个滤光轮2506可以配置两个或两个以上带通滤光器。
如图38所示，提供一个光源2502和三个FPA 2514、2516、2518。光源2502可以是如钨丝灯之类的宽带光源。光源2502可以与符合实施例的光源相同或相似，如文中所述。FPA2514可以采用可见波段，FPA 2516可以采用短波红外(SWIR)波段，而FPA 2518可以采用长波红外(LWIR)波段。
如图37和38所示，光源2502发出的光线从透镜2512射出，照射目标，例如：图39中所示的目标区域104。目标发出的反射光线从相同的透镜2512射入。然而，由于光束分隔或类似情况，只有部分光线(如25％的光线)射入FPA 2514、2516和2518中的一个。滤光轮2506允许相机2500配置增强型光谱分辨率和更多光谱带。图39图解说明了相机的操作。照明光斑与成像光斑一致。
图40中的实施例包括一个可见光波道2526、一个未冷却的热波道2528和一个LED光源2502。电筒相机2550允许用户获取相同照射目标的可见图像和热图像。由于可见LED的发光不超过700nm，热波道2526(如8000nm以上)将只能看到目标发出的红外光。
在参考文中的典型实施例，对目前的发明构思进行以上独特显示和说明的同时，本领域普通技术人员可以对其进行理解，可以在不脱离目前的发明构思精神和范围的情况下，在形式和细节上进行各种改变。

Claims (5)

1.一种多光谱电筒相机包括：
一面角锥反射镜；
一个光源；
两个或两个以上焦平面阵列(FPA)装置，每个装置在不同光波谱内工作；
透镜焦点处光源和FPA装置共享的孔径透镜，其中，光源的光线从孔径透镜射出并照亮目标，目标发出的反射光射入孔径透镜；同时，角锥反射镜分散接收到的光，确保一定百分比的接收到的光射入两个或多个FPA装置的FPA中，其中，照明区域与FPA装置对应的图像有关；以及
用于图像采集和处理的电子设备。
2.根据权利要求1的多光谱电筒相机，还包括一节或多节蓄电池，用于为电筒相机供电。
3.根据权利要求1的多光谱电筒相机，还包括一个带有多带通滤光器的滤光轮；其中，FPA装置包括一个可见光波段、一个短波红外波段和一个长波红外波段。
4.一种多光谱电筒相机，包括：
一面角锥反射镜；
一个发光不超过700nm的LED光源；
一个可见光波道；
一个未冷却的热波道；
一个被光源、可见光波道和透镜焦点处未冷却热波道共享的孔径透镜；其中，光源发出的光从孔径透镜射出并照亮目标，其中，提供照明目标的可见光图像，并且其中提供自发射目标的热像；以及
用于图像采集和处理的电子设备。
5.根据权利要求4的多光谱电筒相机，还包括一节或多节蓄电池，用于为电筒相机供电。
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