CN110418462B - 一种具有光生物安全性的舞台灯具控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种具有光生物安全性的舞台灯具控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有光生物安全性的舞台灯具控制系统及其控制方法，控制系统包括控制单元及与控制单元连接的距离传感器；舞台灯具包括内设有光源的灯头及用于驱动灯头改变照射位置的电机，控制单元与电机及光源连接并用于控制舞台灯具工作；距离传感器设于灯头上并用于获取生物到舞台灯具即时距离d；控制单元中存储光辐射危害曝辐限值Eharm及预先采集的单位时间单位距离下的灯具辐照度值ES；控制单元根据即时距离d、光辐射危害曝辐限值Eharm及灯具辐照度值ES获取生物进入照射危险区的参数，当危害条件达到生物进入照射危险区的参数时，控制单元控制舞台灯具动作以消除危害。把现有“标签警告”的防御变成自主调节防御，避免人造光源对人体健康的影响。

Description

一种具有光生物安全性的舞台灯具控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及舞台灯具技术领域，更具体地，涉及一种具有光生物安全性的舞台灯具控制系统及其控制方法。
背景技术
近年来，随着照明技术的快速发展，舞台灯具使用的新光源品种也越来越多，LED新光源目前已开始大量应用于舞台灯光照明领域。LED光源具有发光效率高、发热量低、寿命长、工作稳定、瞬时点亮、开关不影响寿命等特点，特别适合舞台灯具的灯光变化多、开关频繁的特点。目前LED光源的功率越来越高，而且随着科学、生产技术的不断发展，LED的性能还有不断提高的前景。
然而，LED在集聚了众多优点的同时，也存在某些在照明应用领域方面的缺点，如蓝光危害：由波长主要介于400nm与500nm的辐射照射后引起的光化学作用，具有导致视网膜损伤的危害。如果照射时间超过10s，这种损害机理起主要作用，是热损害机理的数倍之高。由于人眼对蓝光辐射不敏感，不像人眼看到其他可见光过于强烈时，会自然收缩瞳孔、闭眼自我保护，因此，特别容易受到超过曝幅限值的蓝光危害。LED通电后，被电流激发的P-N结在发出可见光的同时也会包含一些对人体有害的辐射。
针对上述危害，现有技术做法是在灯具外部贴上警告标签，告知用户安全距离，如图3所示。然而，此做法是非常有局限性的。舞台灯光的使用场所往往人员稠密，观众和演员往往未能看到灯具上细微的安全距离警告标签，在不知情下近距离照射超过一定时间，会发生伤人事故，造成的后果将会十分严重。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术中的缺陷，提供一种具有光生物安全性的舞台灯具控制系统，把现有技术通过用“标签警告”的被动式光污染防御，变成自主式调节防御，避免人造光源对人体健康的影响及危害。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种具有光生物安全性的舞台灯具控制系统，包括控制单元及与控制单元连接的距离传感器；舞台灯具包括内设有光源的灯头及用于驱动灯头改变照射位置的电机，控制单元与电机及光源连接并用于控制舞台灯具工作；距离传感器设于灯头上并用于获取生物到舞台灯具的即时距离d；控制单元中存储光辐射危害曝辐限值Eharm及预先采集的单位时间单位距离下的灯具辐照度值ES；控制单元根据即时距离d、光辐射危害曝辐限值Eharm及灯具辐照度值ES获取生物进入照射危险区的参数，当危害条件达到生物进入照射危险区的参数时，控制单元控制舞台灯具动作以消除危害。
该具有光生物安全性的舞台灯具控制系统也可应用在LED灯、激光灯及探照灯上，以避免人造光源对人体健康的影响及危害；灯头改变照射位置可通过灯头旋转或平移实现；距离传感器获取的生物到舞台灯具的即时距离d可以是实时的，也可以是间隔特定时间的。
上述方案中，控制单元基于距离传感器传输来的即时距离d获取生物进入照射危险区的参数并将其作为保护触发条件，当达到保护触发条件时，控制单元控制舞台灯具动作以消除危害，把现有技术通过用“标签警告”的被动式光污染防御，变成自主式调节防御，避免人造光源对人体健康的影响及危害。
优选地，距离传感器设于灯头的出光口附近，以便精确获取生物到出光口的即时距离，进而更好地保护生物避免人造光源对人体健康的影响及危害；距离传感器为红外传感器、超声波传感器、激光波传感器或毫米波传感器。
优选地，舞台灯具包括与灯头转动连接的手臂及与手臂转动连接的底座；电机包括垂直电机及水平电机，垂直电机用于驱动灯头相对手臂在垂直方向转动，水平电机用于驱动手臂相对底座在水平方向转动。
进一步优选地，当危害条件达到生物进入照射危险区的参数时，控制单元控制舞台灯具的灯头改变照射位置或光源渐变降功率中的至少一种动作以消除危害。控制单元通过电机驱动电路控制电机逐渐转动小角度以控制灯头转动，使得舞台灯具发出的光可以避开生物以达到保护生物的目的；控制单元通过驱动电路控制光源渐变降功率，即可在不改变舞台灯具色温的前提下降亮度，达到保护生物的目的。控制单元可以交替控制灯头转动或光源渐变降功率以保护生物。
本发明的另一个目的，在于提供一种具有光生物安全性的舞台灯具控制方法，使用上述控制系统，包括如下步骤：
S1.采集舞台灯具参数：把舞台灯具开到最亮，采集单位时间(1秒)单位距离(1米)下的灯具辐照度值ES；
S2.感应生物距离：距离传感器s11检测出生物到舞台灯具的即时距离d，并传输至控制单元；
S3.获取生物进入照射危险区的参数：在国际照明委员会(CIE)定制的光化学危害标准“CIES 009/E:2002”中，查询不同波长范围对应的光辐射危害曝辐限值Eharm；控制单元根据即时距离d、光辐射危害曝辐限值Eharm及灯具辐照度值ES获取生物进入照射危险区的参数；
S4.消除危害：当危害条件达到生物进入照射危险区的参数时，控制单元控制舞台灯具动作以消除危害。
进一步优选地，步骤S4中，消除危害的方式为以下两种模式中的一种，或两种模式交替工作：
模式1)：避开受体；控制单元通过电机驱动电路控制电机转动以使灯头转动，直至距离传感器(获取到的生物到舞台灯具的即时距离d’大于d时停止电机转动；
模式2)：光源渐变降功率；控制单元通过驱动电路控制光源降低功率。
优选地，步骤S3中，生物进入照射危险区的参数为允许照射到人体的最大时间tmax；根据光辐射值与距离的2次方成反比，建立能量表达式(1)：
Figure BDA0002143507670000031
其中t为辐照时间；根据公式(1)获取允许照射到人体的最大时间tmax：
Figure BDA0002143507670000032
进一步优选地，步骤S3中，舞台灯具为调光状态时，记调光系数为已知常数k，k∈[0-100％]，允许照射到人体的最大时间tmax为：
Figure BDA0002143507670000033
更进一步优选地，舞台灯具为多基色时，步骤S1中采集各基色对应的灯具辐照度值ES，步骤S3中查询不同波长范围对应的各基色的光辐射危害曝辐限值Eharm，根据(3)式计算各基色对应的辐照时间，且允许照射到人体的最大时间tmax取各基色对应的辐照时间中的最小值。例如舞台灯具为RGBW四基色时，则各基色参数分别对应(3)式中的参数，例如kr、kg、kb、kw分别对应k；Er、Eg、Eb、Ew分别对应ES；Er_harm、Eg_harm、Eb_harm、Ew_harm分别对应Eharm；tr、tg、tb、tw分别对应tmax；允许照射到人体的最大时间tmax最终取tr、tg、tb、tw之中的最小值，记为t0。
优选地，光源渐变降功率消除危害时，控制单元每隔1秒控制光源作一次降功率；记降功率时间为ti，下标i表示第i秒，记(3)式计算的动作前固有时间tmax为常数C，则有：
ti＝C+i(i＝0，1，2，…) (4)；
记第i秒的降功率系数为ηi，由(3)式可得：
Figure BDA0002143507670000041
根据(4)式和(5)式计算降功率系数为ηi为：
Figure BDA0002143507670000042
降功率系数ηi与调光系数k的乘积为控制单元控制光源降低的实时功率；
若舞台灯具为多基色时，动作前固有时间tmax为各基色对应的辐照时间中的最小值，根据(6)式计算各基色对应的降功率系数η’i,降功率系数η’i与各基色对应的调光系数的乘积为控制单元控制光源各基色降低的实时功率；例如舞台灯具为RGBW四基色时，求出上述最短时间t0后，再将最短时间t0及各基色参数(即kr、kg、kb、kw分别对应k；Er、Eg、Eb、Ew分别对应ES；Er_harm、Eg_harm、Eb_harm、Ew_harm分别对应Eharm)代入(6)式求出各基色的降功率系数η’i,最后把η’i分别与kr、kg、kb、kw相乘并应用，即可实现不改变色温前提下动态实时渐变降亮度，以降功率。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.控制单元基于距离传感器传输来的即时距离d获取生物进入照射危险区的参数并将其作为保护触发条件，当达到保护触发条件时，控制单元控制舞台灯具动作以消除危害，把现有技术通过用“标签警告”的被动式光污染防御，变成自主式调节防御，避免人造光源对人体健康的影响及危害。
2.该控制系统自动感应人体距离，当人体处于危险区域时，能自动消除超标光污染危害，无需手工操作干预。
3.该控制系统自动消除危害的方式，运用动态渐进的改变方式，使舞台灯光表现效果只受最低限度的影响。
附图说明
图1为本实施例一种具有光生物安全性的舞台灯具控制系统的原理框图。
图2为本实施例中舞台灯具的结构示意图。
图3为现有技术中“标签警告”标识图。
附图标识：s1灯头；s11距离传感器；s12出光口；s2手臂；s21垂直电机；s22水平电机；s3底座。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明的可能省略是可以理解的。
实施例
如图1所示为本实施例一种具有光生物安全性的舞台灯具控制系统的原理框图，该控制系统包括控制单元及与控制单元连接的距离传感器s11；舞台灯具包括灯头s1及用于驱动灯头s1改变照射位置的电机，灯头s1内设有光源，控制单元与电机及光源连接并用于控制舞台灯具工作；距离传感器s11设于灯头s1上并用于获取生物到舞台灯具的即时距离d；控制单元中存储光辐射危害曝辐限值Eharm及预先采集的单位时间单位距离下的灯具辐照度值ES；控制单元根据即时距离d、光辐射危害曝辐限值Eharm及灯具辐照度值ES获取生物进入照射危险区的参数，当危害条件达到生物进入照射危险区的参数时，控制单元控制舞台灯具动作以消除危害。
该具有光生物安全性的舞台灯具控制系统也可应用在LED灯、激光灯及探照灯上，以避免人造光源对人体健康的影响及危害；灯头改变照射位置可通过灯头旋转或平移实现；距离传感器获取的生物到舞台灯具的即时距离d可以是实时的，也可以是间隔特定时间的。
本发明中，控制单元基于距离传感器s11传输来的即时距离d获取生物进入照射危险区的参数并将其作为保护触发条件，当达到保护触发条件时，控制单元控制舞台灯具动作以消除危害，把现有技术通过用“标签警告”的被动式光污染防御，变成自主式调节防御，避免人造光源对人体健康的影响及危害。
其中，如图2所示，距离传感器s11设于灯头s1的出光口s12附近，以便精确获取生物到出光口s12的即时距离，进而更好地保护生物避免人造光源对人体健康的影响及危害；距离传感器s11为红外传感器、超声波传感器、激光波传感器或毫米波传感器。
另外，如图2所示，舞台灯具包括与灯头s1转动连接的手臂s2及与手臂s2转动连接的底座s3；电机包括垂直电机s21及水平电机s22，垂直电机s21用于驱动灯头s1相对手臂(s2)在垂直方向转动，水平电机s22用于驱动手臂s2相对底座s3在水平方向转动。
本实施例中，当危害条件达到生物进入照射危险区的参数时，控制单元控制舞台灯具的灯头s1改变照射位置或光源渐变降功率中的至少一种动作以消除危害。控制单元通过电机驱动电路控制电机逐渐转动小角度以控制灯头s1转动，使得舞台灯具发出的光可以避开生物以达到保护生物的目的；控制单元通过驱动电路控制光源渐变降功率，即可在不改变舞台灯具色温的前提下降亮度，达到保护生物的目的。控制单元可以交替控制灯头转动或光源渐变降功率以保护生物。
本实施例还提供了一种具有光生物安全性的舞台灯具控制方法，使用上述控制系统，包括如下步骤：
S1.采集舞台灯具参数：把舞台灯具开到最亮，采集单位时间(1秒)单位距离(1米)下的灯具辐照度值ES；
S2.感应生物距离：距离传感器s11检测出生物到舞台灯具的即时距离d，并传输至控制单元；
S3.获取生物进入照射危险区的参数：在国际照明委员会(CIE)定制的光化学危害标准“CIES 009/E:2002”中，查询不同波长范围对应的光辐射危害曝辐限值Eharm；控制单元根据即时距离d、光辐射危害曝辐限值Eharm及灯具辐照度值ES获取生物进入照射危险区的参数；
S4.消除危害：当危害条件达到生物进入照射危险区的参数时，控制单元控制舞台灯具动作以消除危害。
其中，步骤S4中，消除危害的方式为以下两种模式中的一种，或两种模式交替工作：
模式1)：避开受体；控制单元通过电机驱动电路控制电机转动以使灯头转动，直至距离传感器(获取到的生物到舞台灯具的即时距离d’大于d时停止电机转动；
模式2)：光源渐变降功率；控制单元通过驱动电路控制光源降低功率。
另外，步骤S3中，生物进入照射危险区的参数为允许照射到人体的最大时间tmax；根据光辐射值与距离的2次方成反比，建立能量表达式(1)：
Figure BDA0002143507670000061
其中t为辐照时间；根据公式(1)获取允许照射到人体的最大时间tmax：
Figure BDA0002143507670000071
其中，步骤S3中，舞台灯具为调光状态时，记调光系数为已知常数k，k∈[0-100％]，允许照射到人体的最大时间tmax为：
Figure BDA0002143507670000072
另外，舞台灯具为多基色时，步骤S1中采集各基色对应的灯具辐照度值ES，步骤S3中查询不同波长范围对应的各基色的光辐射危害曝辐限值Eharm，根据(3)式计算各基色对应的辐照时间，且允许照射到人体的最大时间tmax取各基色对应的辐照时间中的最小值。例如舞台灯具为RGBW四基色时，则各基色参数分别对应(3)式中的参数，例如kr、kg、kb、kw分别对应k；Er、Eg、Eb、Ew分别对应ES；Er_harm、Eg_harm、Eb_harm、Ew_harm分别对应Eharm；tr、tg、tb、tw分别对应tmax；允许照射到人体的最大时间tmax最终取tr、tg、tb、tw之中的最小值，记为t0。
其中，光源渐变降功率消除危害时，控制单元每隔1秒控制光源作一次降功率；记降功率时间为ti，下标i表示第i秒，记(3)式计算的动作前固有时间tmax为常数C，则有：
ti＝C+i(i＝0，1，2，…) (4)；
记第i秒的降功率系数为ηi，由(3)式可得：
Figure BDA0002143507670000073
根据(4)式和(5)式计算降功率系数为ηi为：
Figure BDA0002143507670000074
降功率系数ηi与调光系数k的乘积为控制单元控制光源降低的实时功率；
若舞台灯具为多基色时，动作前固有时间tmax为各基色对应的辐照时间中的最小值，根据(6)式计算各基色对应的降功率系数η’i,降功率系数η’i与各基色对应的调光系数的乘积为控制单元控制光源各基色降低的实时功率；例如舞台灯具为RGBW四基色时，求出上述最短时间t0后，再将最短时间t0及各基色参数(即kr、kg、kb、kw分别对应k；Er、Eg、Eb、Ew分别对应ES；Er_harm、Eg_harm、Eb_harm、Ew_harm分别对应Eharm)代入(6)式求出各基色的降功率系数η’i,最后把η’i分别与kr、kg、kb、kw相乘并应用，即可实现不改变色温前提下动态实时渐变降亮度，以降功率。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应被包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有光生物安全性的舞台灯具控制方法，其特征在于，包括控制单元及与控制单元连接的距离传感器(s11)；舞台灯具包括内设有光源的灯头(s1)及用于驱动灯头(s1)改变照射位置的电机，控制单元与电机及光源连接并用于控制舞台灯具工作；距离传感器(s11)设于灯头(s1)上并用于获取生物到舞台灯具的即时距离d；控制单元中存储光辐射危害曝辐限值Eharm及预先采集的单位时间单位距离下的灯具辐照度值ES；控制单元根据即时距离d、光辐射危害曝辐限值Eharm及灯具辐照度值ES获取生物进入照射危险区的参数，当危害条件达到生物进入照射危险区的参数时，控制单元控制舞台灯具动作以消除危害；
具体包括如下步骤：
S1.采集舞台灯具参数：采集单位时间单位距离下的灯具辐照度值ES；
S2.感应生物距离：距离传感器(s11)检测出生物到舞台灯具的即时距离d，并传输至控制单元；
S3.获取生物进入照射危险区的参数：查询不同波长范围对应的光辐射危害曝辐限值Eharm；
控制单元根据即时距离d、光辐射危害曝辐限值Eharm及灯具辐照度值ES获取生物进入照射危险区的参数；
S4.消除危害：当危害条件达到生物进入照射危险区的参数时，控制单元控制舞台灯具动作以消除危害；
其中，步骤S3中，生物进入照射危险区的参数为允许照射到人体的最大时间tmax；根据光辐射值与距离的2次方成反比，建立能量表达式(1)：
Figure FDA0003973235900000011
其中t为辐照时间；根据公式(1)获取允许照射到人体的最大时间tmax：
Figure FDA0003973235900000012
其中，舞台灯具为多基色，步骤S1中采集各基色对应的灯具辐照度值ES，步骤S3中查询不同波长范围对应的各基色的光辐射危害曝辐限值Eharm，根据(3)式计算各基色对应的辐照时间，且允许照射到人体的最大时间tmax取各基色对应的辐照时间中的最小值。
2.根据权利要求1所述的一种具有光生物安全性的舞台灯具控制方法，其特征在于，距离传感器(s11)为红外传感器、超声波传感器、激光波传感器或毫米波传感器。
3.根据权利要求1所述的一种具有光生物安全性的舞台灯具控制方法，其特征在于，舞台灯具包括与灯头(s1)转动连接的手臂(s2)及与手臂(s2)转动连接的底座(s3)；电机包括垂直电机(s21)及水平电机(s22)，垂直电机(s21)用于驱动灯头(s1)相对手臂(s2)在垂直方向转动，水平电机(s22)用于驱动手臂(s2)相对底座(s3)在水平方向转动。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种具有光生物安全性的舞台灯具控制方法，其特征在于，当危害条件达到生物进入照射危险区的参数时，控制单元控制舞台灯具的灯头(s1)改变照射位置或光源渐变降功率中的至少一种动作以消除危害。
5.根据权利要求1所述的一种具有光生物安全性的舞台灯具控制方法，其特征在于，步骤S4中，消除危害的方式为以下两种模式中的一种，或两种模式交替工作：
模式1)：避开受体；控制单元通过电机驱动电路控制电机转动以使灯头(s1)转动，直至距离传感器(s11)获取到的生物到舞台灯具的即时距离d’大于d时停止电机转动；
模式2)：光源渐变降功率；控制单元通过驱动电路控制光源降低功率。
6.根据权利要求1所述的一种具有光生物安全性的舞台灯具控制方法，其特征在于，
步骤S3中，舞台灯具为调光状态时，记调光系数为已知常数k，k∈[0-100％]，允许照射到人体的最大时间tmax为：
Figure FDA0003973235900000021
7.根据权利要求1所述的一种具有光生物安全性的舞台灯具控制方法，其特征在于，光源渐变降功率消除危害时，控制单元每隔1秒控制光源作一次降功率；记降功率时间为ti，下标i表示第i秒，记(3)式计算的动作前固有时间tmax为常数C，则有：
ti＝C+i(i＝0，1，2，…) (4)；
记第i秒的降功率系数为ηi，由(3)式可得：
Figure FDA0003973235900000022
根据(4)式和(5)式计算降功率系数为ηi为：
Figure FDA0003973235900000023
降功率系数ηi与调光系数k的乘积为控制单元控制光源降低的实时功率；
若舞台灯具为多基色时，动作前固有时间tmax为各基色对应的辐照时间中的最小值，根据(6)式计算各基色对应的降功率系数η’i,降功率系数η’i与各基色对应的调光系数的乘积为控制单元控制光源各基色降低的实时功率。
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