專利名稱：照明系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種包含光源與控制裝置的照明系統(tǒng)，其中光源用以將電力轉換 成具有例如強度、色彩、色溫、方向與波束圓錐角的特性的光束，而控制裝置用以調整光束 特性。
背景技術：
人們熟知燈光特性的調整能經(jīng)由遙控器(Remote Controller, RC)來達成。遙控 器的缺點在于其必須在正確位置上遙控才能改變燈光特性。然而亦有很多不同的遙控器已 經(jīng)出現(xiàn)于客廳中以供TV、音響、VCR、CD/DVD游戲機/記錄器等不同設備使用。使用者也可 能會對眾多遙控器上的不同按鈕有所混淆，在使用上極為不方便。甚至遙控器與其專屬的 接收器會造成設備成本的增加。再者，已知有通過使用攝影機與移動偵測軟件來控制的電器裝置，其中使用者可 通過在照相機的前面擺出手勢來控制電器裝置。然而這些系統(tǒng)需要高負載處理功率，具有 相當長的反應時間，且是相當昂貴的。WO 2006/056814說明一種照明系統(tǒng)，其包含光源與控制裝置，控制裝置包含紅外 線發(fā)射器、紅外線接收器及透鏡。控制裝置測量反射的紅外光的強度，并反應其強度以改變 光源亮度。依此方式，可對光源通電或斷電，并可通過在紅外光光束中的手部移動而將光源 調暗。然而，這一種配置是相當昂貴且其控制作動具有極大的不正確性，因為反射的紅外線 信號的強度大幅取決于在波束中移動的物體的種類，且紅外線會受到周遭物體所影響而發(fā) 散，使得接收器收到的紅外線信號不正確，導致燈光控制異常。GB-A-2 291 289說明一種照明系統(tǒng)，其包含一控制裝置，用以對光源進行通電、斷 電與調暗光源，其中壓電超音波發(fā)射器與接收器是偵測在光源附近的物體的存在，而控制 裝置為反應物體的存在而控制光源。然而，此種系統(tǒng)不能反應物體的移動來控制光源。因此有必要發(fā)展出一種易于使用的照明控制系統(tǒng)，以改善上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目標是提供一種改良的便宜可靠且易于使用的照明控制系統(tǒng)。本發(fā) 明的更進一步的目標是提供一種對使用者及其環(huán)境呈現(xiàn)安全與舒適的照明系統(tǒng)。依據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)包含一光源，一超音波發(fā)射器，用以發(fā)射超音波信號；一 超音波接收器，用以接收反射的超音波信號；以及一處理裝置，用以推導出表示在發(fā)射與接 收的超音波信號之間的時間差的多個飛行時間信號，并根據(jù)飛行時間信號來傳遞控制信號 至控制裝置以控制光源。由此，使用者可通過在超音波波束中移動物體來調整光源特性。處理裝置分析多個飛行時間信號的動態(tài)行為，并根據(jù)動態(tài)行為來傳遞控制信號至 控制裝置。由此，使用者可在超音波波束中擺出手勢，而處理裝置將辨識此手勢并將此手勢 換算成控制信號以調整光源特性。


圖1顯示利用超音波收發(fā)器測量飛行時間的原理。圖2為光源及其控制機構的概要立體圖。圖3為顯示于圖2的系統(tǒng)中的手部移動的靜態(tài)照片，顯示飛行時間信號對時間的 圖，以及由手部移動所導致的各種階段的光源特性控制的結合圖。圖4為圖2的光源的概要立體圖。圖5為平均手部的概要俯視圖。圖6為顯示波束半徑對波束角與垂直距離的三維圖。圖7概要地顯示手伸入與伸出波束的移動，以及飛行時間對時間的相關圖。圖8為超音波收發(fā)器與號角的概要剖面圖。圖9為顯示照明系統(tǒng)的校正程序的流程圖。圖10為顯示在時間軸上的發(fā)射超音波脈沖信號的電壓、所接收的反射的信號的 電壓以及聲壓位準校正的狀態(tài)的結合圖。圖11A-11C顯示手伸入與伸出波束的概要移動。圖12概要顯示花瓶在波束中的移動以及飛行時間對時間與各種控制的相位的關 聯(lián)圖。圖13-18與圖20-21顯示各種控制算法的流程圖。圖19概要顯示控制范圍的判定。圖22概要顯示在時間軸上的不同光特性的控制機構。圖23-28概要顯示在各種階段的不同光特性的控制機構。圖29-30概要顯示手在波束中的移動以及飛行時間對時間的關聯(lián)圖。圖31概要顯示LED陣列光源，其顯示一信息。圖32概要地顯示LED陣列光源，其投射一信息于一參考表面上。圖33與34概要顯示本發(fā)明的一電子硬件實施例。圖35為依據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)的立體圖。指定代表圖(一 )本案指定代表圖為圖33( 二)本代表圖的元件符號簡單說明5 超音波收發(fā)器/傳感器10 預處理器11 二階高通濾波器12 放大器13 微控制器13A 控制部13B =LED 驅動器部14:比較器15 =ROM16 RAM17 =DA 轉換器
18 放大器19 =LED 驅動器20 調變器21 =LED
具體實施例方式為讓本發(fā)明的上述內(nèi)容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合所附圖式， 作詳細說明如下如圖2所示，照明系統(tǒng)1包含一光源及一超音波發(fā)射器與接收器，超音波發(fā)射器與 接收器可結合成一超音波收發(fā)器，亦可為一壓電式超音波收發(fā)器。光源可包含多個發(fā)光二 極管(LED)，而超音波收發(fā)器可內(nèi)建于此些LED的中心。照明系統(tǒng)1亦內(nèi)建有將收發(fā)器的信 號轉換成控制信號的一處理裝置，以及用以調整光源特性的一控制裝置。于一較佳實施例 中，超音波發(fā)射器與接收器是以與光源的光束相同的方向發(fā)射并接收超音波信號。如果超音波收發(fā)器被開啟，則其將傳遞一超音波信號。如果在超音波信號的路徑 上有一物體出現(xiàn)，則超音波信號將被物體反射并被超音波收發(fā)器所接收。在傳送超音波信 號與接收到反射的超音波信號之間的時間被稱為一飛行時間。如果在物體與照明系統(tǒng)1之 間的距離改變，則將會測量到另一飛行時間值。物體被偵測到的移動為一維移動(此物體 必須停留在超音波信號路徑中)。飛行時間的改變將被轉換成數(shù)字控制信號的改變，此控制 信號將控制光束的特性，譬如色彩、強度或色溫等。物體可能是使用者的手2。因此，手2的一維移動，諸如上/下或左/右方向(取 決于光源位置，水平或垂直)可控制光束特性。超音波信號的飛行時間通常被使用作為一種距離測量方法。如圖1所顯示，飛行 時間測量是通過將測量的超音波信號接收時間(圖1的R)減去超音波信號的發(fā)射時間(圖 1的T)而形成。此種時間距離信息將被轉變成在微處理器中的二進制代碼，以控制光源特 性。在圖2中，手2為障礙物/物體，而桌子3、地板或天花板為參考物。超音波收發(fā)器 以圓錐波束4的型式傳遞超音波信號。如果從收發(fā)器到參考物的距離y為1. 5公尺，則超 音波信號在無障礙物的情況下，其發(fā)射到接收反射的超音波信號的總運行距離為2*y = 3 公尺，其飛行時間為8. 7毫秒(于25°C的環(huán)境溫度下)。如果從收發(fā)器到手2的距離χ為 0. 5公尺，則飛行時間為2. 9毫秒。如果手部移動的控制級距(st印)所需要的精度為2公 分(0. 12毫秒的飛行時間級距)，且當控制范圍為64公分時，則有32個控制級距，其可允許 5位控制。超音波發(fā)射器可譬如發(fā)射40kHz頻率的聲音。超音波的飛行時間(典型的距離 在0.2與2公尺之間)可以以ms(毫秒)而非以毫微秒/納秒(ns)的單位測量，因此利用 超音波收發(fā)器可利用低成本處理設備來達成簡單與正確的測量。此外，壓電式超音波收發(fā) 器很便宜，所以本發(fā)明的系統(tǒng)可利用很低的成本來生產(chǎn)。如圖3所示，控制信號是通過手2朝超音波信號的一維垂直方向移動而產(chǎn)生。在 Tl = 1秒時，手2是在波束4外部，此時飛行時間為一參考值，且不能進行光源控制(階段 A)。在T2 = 2秒時，手2移動進入波束4中且保持于該處持續(xù)1秒以上，直到在T3 = 3秒 時，光源控制被微控制器所致動(階段B)為止。接著，在T3 = 3秒與T5 = 5秒之間，手2
5向上移動以使譬如光源1的強度通過微處理器而增加(階段C)。在T6 = 6秒時，手2從波 束4中撤出，因此其飛行時間回復到參考值，并停止光源控制(階段D)。如顯示于T7 = 7 秒，手2在超音波波束4中的意外移動，并未因此導致光源特性的意外調整(階段Ε)，因為 必須將物體保持在超音波波束4中持續(xù)1秒以上才能啟動光源控制。如果飛行時間信號從動態(tài)行為改變至實質上已固定持續(xù)第一段預定時間的數(shù)值 的話，則處理裝置停止傳送控制信號，其中第一段預定時間最好是落在0. 5-2秒的范圍內(nèi)。 通過關閉控制信號的傳送，可避免光源特性受到移動物體的意外調整。為了開始控制信號 的傳送，處理裝置還決定并儲存一最高參考值，此參考值是被決定以作為已出現(xiàn)在較長的 第二段預定時間的大部分(譬如數(shù)分鐘)期間的數(shù)值，而如果飛行時間信號從最高參考值 改變至實質上已固定持續(xù)至少一較短的第三段預定時間的較低數(shù)值的話，則處理裝置開始 傳送控制信號，其中第三段預定時間最好是落于0. 5-2秒的范圍內(nèi)。超音波波束圓錐角對提供可靠的手部控制是很重要的。在圖4中，于參考位置的 波束半徑為r。手部位置的波束半徑為rh。較佳地，在光源特性的控制期間，平均波束半徑 應該幾乎等于平均手部形狀的一半長度，如圖5所示。如果總控制范圍在X/2左右(對于 光源/桌應用而言)，則在光源特性的控制期間，于最小波束半徑的超音波波束角將在Lh/2 左右。舉例而言如果Lh =150公厘且X =1.5公尺，則超音波波束角θ應該是11度。垂 直距離X、波束角與波束半徑的函數(shù)顯示于圖6中。如圖7所示，如果手2在狹小超音波波 束4中，則可執(zhí)行光源控制。寬廣超音波波束4的縮小與超音波收發(fā)器的聲壓位準(Sound PressureLevel, SPL)的增加可由號角6而達成，如圖8所示。于一較佳實施例中，光源的 光束具有小于45°的波束圓錐角θ，θ最好是小于30°。發(fā)射的超音波信號的波束圓錐 角最好是小于15°。號角6可用以降低超音波信號的波束圓錐角。為了將超音波發(fā)射器的聲壓調整成對照明系統(tǒng)及其環(huán)境的使用者呈現(xiàn)可接受、無 害與舒適的位準，處理裝置還進一步執(zhí)行一聲壓位準校正步驟，其中會測量接收器所接收 的反射的超音波信號的振幅，且會調整被發(fā)射的超音波信號的振幅，以使所接收的反射信 號的振幅接近預定臨界值。在某個情勢下所接收的反射的超音波信號的振幅取決于發(fā)射振 幅、行進距離、環(huán)境吸收(例如空氣對超音波的吸收)、以及反射的參考表面(例如固定臺、 地板等)的繞射。在光源被開啟的期間的某個情勢下，如果沒有物體移動進入超音波波束 的話，可假設吸收與繞射是固定的，或因為反射的物體較接近超音波接收器而可假設所接 收的振幅將增加。因此，在校正之后，發(fā)射振幅可維持固定，還可以確認或不確認所接收的 信號總是高于所需要的臨界值。然而，假使在校正之后，照明系統(tǒng)不會(或有時不)對使用 者的控制手勢有所反應，則可通知使用者來校正系統(tǒng)，同時將控制物體(譬如他的手)固定 于他所期望置放此物體以控制系統(tǒng)的最遠點。發(fā)射與接收的聲壓位準是以dB的單位測量，但可以以電壓表示，譬如施加在超音 波發(fā)射器上的電壓或自超音波接收器接收的電壓。至40kHz的超音波的最大可允許的聲 壓，譬如由各種不同的機關設定在IOOdB左右。然而，本發(fā)明著眼于更低的位準，并將壓力 位準調整至更佳的位準。為了更進一步減少音壓對使用者的影響，此系統(tǒng)被配置成用以以短(最好是最大 為100ms)間隔間歇地發(fā)射超音波信號。最好是將處理裝置設定成在光源開啟后，于一短期間，譬如在前幾秒之內(nèi)，執(zhí)行聲壓位準校正步驟。更進一步地，將處理裝置設定成在聲壓位準校正步驟之后，開始求出飛行 時間信號并傳送控制信號。再者，最好是將處理裝置設定成在求出飛行時間信號并傳送控 制信號至控制裝置時，重復地執(zhí)行聲壓位準校正步驟。由此，可達成將聲壓位準動態(tài)校正至 需要操作系統(tǒng)的最低位準。為了達成最小需要的聲壓位準以供系統(tǒng)適當?shù)毓ぷ?，處理裝置以一第一校正循環(huán) 開始聲壓位準校正步驟，其中令超音波發(fā)射器傳遞具有一預定的最低振幅的一超音波脈 沖，測量所接收的反射信號的振幅，并以一發(fā)射振幅重復校正循環(huán)，其中發(fā)射振幅在每個后 來的循環(huán)可增加一預定值，直到所接收的反射信號的振幅等于或高于預定臨界值為止。如 果所接收的反射信號的振幅仍小于在預定的最大校正循環(huán)的數(shù)目之后的預定臨界值的話， 則處理裝置使照明系統(tǒng)發(fā)射一警告信號(譬如光源的閃爍)。圖9顯示由超音波收發(fā)器所產(chǎn)生的聲壓位準(SPL)的詳細校正程序。在步驟A中， 當開啟光源時，代表如由收發(fā)器所發(fā)射的聲壓位準振幅(SPLamplT)的數(shù)值為零，而聲壓位 準狀態(tài)(SPL 0K)的數(shù)值為零。SPLamplT的代表值可譬如以施加在收發(fā)器上的電壓表示。在步驟B中，以累進式增加值(增益)G增加發(fā)射聲壓位準振幅值，由處理裝置開 始第一校正循環(huán)。在步驟B中，收發(fā)器基于來傳遞超音波脈沖。在步驟D與E 中，處理器在20毫秒內(nèi)監(jiān)視是否接收到一大于預定臨界值的信號。如果在20毫秒之后沒 有接收到這樣的信號，則在步驟F中，等待100毫秒后，重復步驟B。如果在步驟D中判定出接收到大于預定臨界值的信號SPLamplli的話，則可能做出 SPLampl1的至少兩個額外的較小增量，以便確保發(fā)射振幅具有足夠裕度以補償譬如溫度改 變。因此，如果在步驟G中決定SPL OK值并未大于1，則在步驟H中把SPL OK值增加1，累 進式增加的數(shù)值為減少至先前數(shù)值的一半，且在步驟F等待100毫秒之后，自步驟B起重復 循環(huán)。在這些步驟之后，SPLampl1的最終數(shù)值是被建立并儲存于步驟I的存儲器中。接 著在光源被開啟的剩下的循環(huán)期間使用這個數(shù)值，亦即，以此數(shù)值表示的電壓是如上所述 的在光源的控制期間被施加在收發(fā)器上。SPL的上述校正程序并不需要發(fā)生在例如桌子的固定參考表面上。當使用者將他 的手保持在超音波波束中，如控制操作的最低點時，亦可應用SPL的上述校正程序。由此， 可以將SPL設定于比地板更低的位準。甚至可能結合SPL校正程序與手的控制移動，在手 正在超音波波束中移動時，來動態(tài)校正聲壓位準。圖10顯示增加在超音波脈沖的發(fā)射期間 施加在收發(fā)器上的電壓并測量從收發(fā)器所接收的反射信號的電壓，以及增加SPL OK狀態(tài)直 到超過臨界值為止的示意圖。關于利用超音波做為光源控制的感測，有兩個重要的關鍵所在超音波的偵測，如 反射、繞射、干擾及接收器收到的額外噪聲等都可能擾亂接收的超音波信號；以及偵測使用 者物體的改變，像是不穩(wěn)定的物體(如圖11A-11C所示)、改變(參考)物體(如圖12所 示)以及同時有不同的物體等等。在圖IlA中顯示一只手2，其從Tl至T3忽然水平地移動通過超音波波束4。在圖 IlB中顯示一只手2，其從Tl至T3忽然垂直移動通過超音波波束4。在圖IlC中顯示一只 手2，其從Tl至T2移動進入超音波波束4中，并穩(wěn)定地保持于此波束中直到T3為止。理想 上在圖IlA與IlB中，手2忽然的移動并未招致任何光源控制動作。然而，圖IlC所示的動作為一使用者命令，其允許啟動光源控制，如上面參考圖3所述。圖12顯示一花瓶7，其在時間Tl與T2之間被放在參考表面3 (譬如一桌面)上。 在Tl上，光源控制失能(階段A)，且當花瓶7維持在表面3上一定時間后導致光源控制的 啟動(階段B)，如上面參考圖3所述。然而，當偵測到的飛行時間經(jīng)過一預定期間仍未改變 時，則假設新的參考物體是被置放于波束中(階段C)，例如花瓶7是被置放在表面3上更 長一段時間時(譬如1. 5秒或更長)，亦即花瓶7位在波束4中持續(xù)一預定期間以上，代表 花瓶7并不是要啟動光源控制。接著，將所測量的數(shù)值儲存為新的參考值，且控制變成失能 (階段D)。圖13顯示供手勢控制光源的基本算法。如果開啟光源(步驟A)并將硬件初始化 (步驟B)，則將校正聲壓位準(步驟C)，如上面圖9所述。超音波收發(fā)器將送出超音波信號 以檢查(參考)物體是否存在，并將超音波的回音信號的聲壓調整至最小值。如果在一預 定期間之后沒有接收到信號(步驟D)，則產(chǎn)生一錯誤信號并將其呈現(xiàn)給使用者(步驟E)。然后，于固定障礙物(像是桌子、地板)上執(zhí)行參考校正(步驟F)，且在傳送一脈 沖至發(fā)射器之后，以首先接收到的回音信號為基礎，之后其它接收的回音信號(與首先接 收的回音比較而言)為二次或三次以上反射所產(chǎn)生的信號(如圖1所示)。這些信號會被 消除。依據(jù)本發(fā)明的更進一步的實施例，為了提供強健與可靠的系統(tǒng)，處理裝置執(zhí)行一 參考校正步驟，其中對飛行時間(TOF)重復測量多次，且處理裝置決定大多數(shù)的測量的 飛行時間值(TOF1)的差異是否低于一預定臨界值z，且處理裝置計算測量的飛行時間值 (TOF1)的平均值，如果偏差低于臨界值ζ的話，儲存平均值于記憶裝置以作為一參考飛行時 間值(TOFkef)。如果偏差并未低于臨界值ζ的話，處理裝置產(chǎn)生一錯誤信號。較佳地，處理裝置只有在參考飛行時間值(TOFkef)大于一預定的最小值的情況下， 才儲存參考飛行時間值(TOFkef)于記憶裝置中。如果參考飛行時間值(TOFkef)并未大于預 定的最小值的話，處理裝置用以產(chǎn)生一錯誤信號。如果在參考校正步驟期間，在至少一預定數(shù)目的飛行時間測量期間內(nèi)，超音波接 收器沒有接收到信號的話，則處理裝置不儲存參考飛行時間值(TOFkef)于記憶裝置中并產(chǎn) 生一錯誤信號。參考校正算法(步驟F)還進一步被說明于圖14中。首先送出一脈沖(步驟G)， 測量超音波從從收發(fā)器至參考表面且回到收發(fā)器的飛行時間(步驟H)，并將飛行時間儲存 為TOF1(步驟J)。如果在預定暫停時間期間(譬如3秒)之后，在兩次嘗試以上之后(步 驟L)沒有接收到信號(步驟K)，則產(chǎn)生一錯誤信號并將其呈現(xiàn)給使用者(步驟M)。此種 測量的重現(xiàn)性是通過重復I = 0至I = 19的測量而檢查出。如果TOF1所儲存的數(shù)值(與 兩個最極端數(shù)值分開)是在一預定臨界值ζ之內(nèi)，則執(zhí)行一項檢查(步驟0)，否則再開始 參考校正。接著，計算平均參考飛行時間值TOFkef(步驟P)并將其儲存為代表最大可允許 距離(步驟Q)，但是只有在TOFkef大于一預定最小值時才會儲存，否則產(chǎn)生一錯誤信號并將 其呈現(xiàn)給使用者(步驟R)。于此例中，此最小值為一預定最小增量的32倍，便能使手部移 動的至少32累進式距離可被測量并轉換算成為控制指令。在手勢控制期間，不容許超過以 TOFeef表示的最大距離的移動。參考距離將又決定控制范圍。為了提供強健與可靠的系統(tǒng)，處理裝置執(zhí)行一種等待以供控制致能(wait-for-contro 1 -enab 1 ement)循環(huán)，其中是以預定間隔重復地測量飛行時間(TOF)，并 在等待以供控制循環(huán)期間比較測量的飛行時間值(TOF)與儲存于存儲器的一參考飛行時 間值(TOFkef),其中如果測量的飛行時間值(TOF)等于或大于參考飛行時間值(TOFkef)的 話，則重復測量步驟；處理裝置還進一步?jīng)Q定測量的飛行時間值(TOF)是否小于參考飛行 時間值(TOFkef),以及在測量的飛行時間值(TOFh)與先前測量的飛行時間值(TOFih)之間 的差異是否小于一預定臨界值(tx)；且處理裝置根據(jù)飛行時間信號來傳遞控制信號至控 制裝置，其中此飛行時間信號是在決定出測量的飛行時間值(TOF)小于參考飛行時間值 (TOFeef)且偏差低于臨界值(tx)持續(xù)預定數(shù)目的重復測量之后被推導出。較佳地，當決定出測量的飛行時間值(TOF)等于或大于參考飛行時間值(TOFkef) 時的預定間隔是大于當決定測量的飛行時間值(TOF)小于參考飛行時間值(TOFkef)的預定 間隔。處理裝置計算測量的飛行時間值(TOF)的平均值并儲存平均值于記憶裝置中，當 處理裝置決定出偏差低于臨界值(tx)持續(xù)預定數(shù)目的重復測量之后，依據(jù)在測量的飛行 時間(TOF)與平均值飛行時間之間的正或負差異，來傳遞控制信號至控制裝置。為了決定所欲被傳送至控制裝置的控制信號，處理裝置將測量的飛行時間值 (TOF)的差異修整成在測量的飛行時間(TOF)與平均值飛行時間之間的最大允許的正或負 差異。處理裝置計算最大允許的正與負差異，以使負差異小于平均值飛行時間，并使正差異 小于在參考飛行時間(TOFkef)與平均值飛行時間之間的差異。在參考校正(步驟F)之后，將此系統(tǒng)設定成為一種「等待_控制-啟動」狀態(tài)(步 驟S)，如圖15所示。將取樣頻率減少至4Hz (250毫秒)(步驟V)。此系統(tǒng)將通過測量飛行 時間(TOFh)(步驟T，更詳細顯示于圖16中；暫停=100毫秒)并比較飛行時間(TOFh)與 參考值(TOFkef)(步驟U)來決定一障礙物/物體(例如手)。只要飛行時間(TOFh)大于或 等于參考值(TOFkef)，就假設沒有物體出現(xiàn)在波束中，且此系統(tǒng)將以取樣頻率重復此循環(huán)。如果飛行時間(TOFh)小于參考值(TOFkef)，則在1秒期間執(zhí)行二十次測量(H = 0 至19)，用以通過檢查飛行時間(TOFh)與先前測量飛行時間(TOFih)之間的差異是否小于 一預定臨界值tx (譬如表示2公分的距離的數(shù)值)來檢查物體是否穩(wěn)定位于某位置(步驟 V)。如果差異小于預定臨界值tx，則儲存飛行時間(TOFh)(步驟W)，且算法繼續(xù)至圖13中 的致能控制步驟(步驟X)。在致能控制循環(huán)期間，系統(tǒng)檢查物體(手)是否仍然出現(xiàn)在波 束中(圖13與17的步驟X3)并檢查物體是否完成控制手勢，如圖13與17的步驟X4，更詳 細說明請參考圖17。經(jīng)由上述算法，此系統(tǒng)將不會在等待-控制-啟動循環(huán)期間對超音波 波束的短時間(< 1秒)擾動有所反應。如果接收到回音信號，則將以減少的取樣頻率實 行連續(xù)檢查。通過以上提出的算法，光源將只有在手部移動滿足某個輪廓(profile)時才能被 控制，如圖3所示。當手2在超音波波束4外部移動時(圖3的步驟D)，控制會變成失能。 當參考物體改變時，控制亦變成失能，如上面圖12所述。現(xiàn)在將參考圖17與18 (其中C與FC以數(shù)值0開始)，來更進一步說明啟動-控制 算法(步驟X)。為了提供反饋給使用者關于啟動控制的事實，提供一視覺信號，舉例而言， 于本實施例中將開啟綠色LED(步驟XI)。取樣頻率增加至40Hz?；谒鶝Q定的飛行時間，將自動決定控制范圍(步驟X2)，如顯示于圖19與20中。最好是選擇級距NSt。t的總數(shù)，以使系統(tǒng)的靈敏度(亦即控制級距的長度)大概是2公分， 其對應至0. 116毫秒的TOF (2*0. 02m/345m/s)。32個較佳數(shù)目的控制級距使手的控制范圍 落在64cm，其中手的初始位置為此范圍的中心。然而，如果手比32公分(減去由裕度邊緣 TOFBS與TOFBR所反射的裕度)更接近收發(fā)器或參考表面，則在手的任一面上，控制范圍無 法達到32公分，因此將控制范圍的上限或下限(RangeMin或RangeMax)定位在各個裕度邊 緣(T0FBR或T0FBS)而改變控制范圍。在收發(fā)器與手之間的飛行時間(T0F。)被決定。執(zhí)行連續(xù)檢查以決定手是否仍然在 波束中(步驟X3)，并決定手是否正在移動(步驟X4)。如果手不在超音波波束中持續(xù)一段 預定的時間，則控制將變成失能。如果手在波束中，但未移動持續(xù)至少一秒，則檢查光特性 在那之前是否已受到控制(FC >0)。如果未受到控制，則將FC重置至0且控制變成失能。 如果受到控制，則切換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 飛行時間(TOFc)判定循環(huán)。如果決定手正在移動(步驟X4)，則檢查飛行時間(TOFc)是否在計算范圍之內(nèi) (步驟X5)。如果飛行時間(TOFc)是在此范圍外，譬如通過以最接近的最大值置換飛行時 間(TOFc)以進行修整(步驟X6)，如圖21中顯示的修整控制。方向(步驟X7)與級距NSact 的數(shù)目(步驟X8)被計算，其為了控制目的將物理的手位置轉換算成一數(shù)字位置數(shù)值。NSact是通過將所測量的飛行時間TOF(TOFc-TOFf1)中的差異除以飛行時間TOF而 計算出。這些數(shù)值是被轉換算成送出至LED驅動器的一驅動信號，用以控制光束特性。FC 的目前數(shù)值決定哪一個光特性受到控制(步驟X9)。于此例中，只有兩個待被控制的特性 「基本控制」與「微調控制」，但并不限于這兩種控制。此種用以控制光特性的控制循環(huán)被重 復，直到控制被關閉為止，或直到FC被提高以使不同的光特性受到控制為止。如果一連串測量的飛行時間信號符合一預定行為時，控制裝置將光源從其中一個 光束特性的調整改變成另一個光束特性的調整。此預定行為可為飛行時間值在一預定的期 間內(nèi)實質上呈現(xiàn)固定、預定數(shù)目交替的高與低飛行時間值或預定數(shù)目交替的飛行時間值的 存在與缺少。本發(fā)明基于一選單結構而提出三個不同的方法以作為選擇待被控制的光束特性 的例子。在第一方法中，基本光源控制將在譬如1秒期間基于物體(亦即，手2)的維持不 動而被選擇?；究刂频倪x擇的第二方法是基于手的旋轉。供基本光源控制用的選單控制 中的選擇的第三方法，是基于朝水平方向橫越超音波波束的手(假設超音波波束朝垂直方 向延伸)。利用這些方法，可以以一種連續(xù)方式選擇基本光源控制，如顯示于圖22。這意味著 如果使用者首先選擇光色彩(從1秒至1. 8秒)，則在1秒以后(于2. 8秒)繼續(xù)控制選 擇朝向選擇的色彩的色溫的控制。然后，色溫的控制亦通過手部移動(從2. 8秒)而達成。 控制范圍像是用于先前基本控制一樣地被選擇。圖23-28顯示供三個基本LED光源控制用的選單中的不同步驟的一例。在圖23 中，色彩由手2的上下移動所控制。在圖24中，手2于特定期望的色彩維持不動持續(xù)1秒， 便能選擇此特定色彩，而在圖25中，將控制選擇切換至色溫控制。在圖26中，手2于一特 定期望的色溫維持不動再持續(xù)1秒，便能選擇此特定色溫，而在圖27中，將控制選擇切換至 光強度。在圖28中，手2于一特定期望的光強度維持不動，便能選擇此特定光強度，而關閉
10控制。光源控制亦可通過手的旋轉而將一個基本控制切換至另一基本控制。因此，必須 做出手與超音波波束之間的一某個角度變化(參見圖29)。如果在手與超音波波束之間的 角度為90度，則最大的回音信號將被超音波收發(fā)器所接收。如果手做出與超音波波束的45 度的角度，則(幾乎)沒有回音信號將被收發(fā)器所接收，其乃因為回音信號被手反射至另一 個位置?？蛇x擇一特定的飛行時間變化曲線，用以選擇一選單中的其中一個基本控制，譬如 圖29所示。利用此種方法，使用者可從一個基本控制切換至另一個，而不需要控制每個基 本控制?；竟庠纯刂频倪x擇亦可通過橫越超音波波束的(水平)手部移動而達成，如顯 示于圖30。飛行時間是以高取樣頻率受到測量，且交替TOF信號(低-高-低等等)被認 定為一特定的飛行時間變化曲線，其可被選擇為一選單中的基本控制。相較于電視而言，電視控制所提供的反饋像是對比、亮度、飽和等等的基本功能是 經(jīng)由顯示器提供給使用者。在光源控制系統(tǒng)中，使用者輸入光源控制指令之前，期間或之 后，關于系統(tǒng)的狀態(tài)及操作的反饋或信息也應當提供給使用者。舉例而言，如果光源控制系 統(tǒng)并未接收到控制信號或信號太弱，則需要給使用者某些錯誤信息提醒使用者注意。依據(jù)所使用的光源控制應用，像是遙控控制、超音波或視信式手勢控制，可提出不 同的反饋機構。在選單控制系統(tǒng)中，必須做出對使用者而言看得見的改變。亦，當控制致能時，必 須提供反饋。如果產(chǎn)生錯誤，亦必須將錯誤提供反饋給使用者。亦即，提供不同種類的錯誤 信息給使用者或給一服務環(huán)境，以進行錯誤的快速分析與修正。因此，處理裝置可傳遞一使用者反饋信號至控制裝置，使光源特性改變或在鄰近 位置呈現(xiàn)不同特性，因此使用者可將特性的改變或鄰近的不同光源特性認定為一反饋信號。較佳地，處理裝置傳遞使用者反饋信號至控制裝置持續(xù)一段短時間，譬如0. 2-5 秒，并接著傳遞一信號至控制裝置，以使光源特性返回至先前狀態(tài)或被設定到一預定穩(wěn)定 狀態(tài)，例如關閉狀態(tài)。用來反饋給使用者的第一提案是通過光脈沖或光的閃爍來發(fā)送信息。眼睛對于 60Hz以下的光閃爍是非常敏感的。閃爍可通過很快再次開燈與關燈而完成。用以建立光閃 爍的替代方案為實時降低光強度持續(xù)一段非常短的瞬間，并使其改變回到原始的光強度。 于一較佳實施例中，反饋信號能使光源強度在短時間之內(nèi)明顯改變至少兩次。用來反饋給使用者的第二提案是通過光色彩改變或色溫改變來發(fā)送信息。不同色 彩或色溫可提供不同信息給使用者。于一更進一步的較佳實施例中，反饋信號能使色溫在 短時間之內(nèi)明顯改變至少兩次。前兩個方法的組合亦可傳遞額外信息給使用者。第三提案是通過使用LED陣列光源作成文字反饋。如圖31所示，通過將LED置放 在一陣列中，控制裝置個別地供電給LED陣列中的LED以形成陣列文字信息或圖像。圖31 顯示消息正文「E2」的一例，其可能是某個錯誤信息。依此方式，LED光源被使用作為顯示 器，用以在一錯誤控制期間傳遞不同文字信息給使用者。較佳地，光源包含一透鏡，將LED陣列投影于一參考表面上。超音波發(fā)射器及/或接收器最好是內(nèi)建于透鏡的中心。透鏡最好是可調整地安裝于光源中，以使其于光源與參 考表面之間所測量的距離成為可調節(jié)的。如圖32所示，LED陣列的文字由一透鏡8而投射 在像是桌子、壁面或地板的物體表面。在如上所述的超音波式手勢光控系統(tǒng)中，通過超音波 傳感器5的TOF測量(于此顯示內(nèi)建在透鏡8中)可使用透鏡8與物體(焦距f)之間的 距離。利用此種信息，可依據(jù)距離與物體的函數(shù)來調整焦距(自動聚焦)，舉例而言，步進馬 達可執(zhí)行透鏡8焦距的調整。理想上，超音波控制的照明系統(tǒng)易于大量生產(chǎn)，所需的只是低成本組件，并具有小 尺寸。為了將光源的成本減至最小并具有控制所有像是色彩、強度等等的可能的照明參數(shù) 的可能性，將用以執(zhí)行控制功能所需要的電子電路整合于光源中。用來作手勢控制的微處 理器亦整合于LED控制微處理器中，以減少更多的成本。將超音波傳感器整合于光源中，使 人們得以降低成本、縮小產(chǎn)品尺寸。因此本發(fā)明更進一步揭露一種照明系統(tǒng)的實施例，其包含一光源，光源包含一陣 列的LED，將電力變換成具有例如強度、色彩、色溫的特性的一光束；一控制裝置，包含一 LED驅動器與一脈沖寬度調變器，用以調整光束特性；一數(shù)字模擬(DA)轉換器、一超音波驅 動器以及一超音波發(fā)射器，用以將一數(shù)字發(fā)射信號轉換成一超音波脈沖的發(fā)射；一超音波 接收器與一放大器，用以接收反射的超音波信號并將超音波信號變換成一電壓；一比較器， 用以在電壓大于一預定臨界值的情況下產(chǎn)生一數(shù)字接收信號；以及一處理裝置，用以推導 出表示在發(fā)射與接收信號之間的時間差的一飛行時間信號，并依據(jù)飛行時間信號來傳遞控 制信號至控制裝置，其中處理裝置、脈沖寬度調變器、DA轉換器及比較器整合于單一微控制 器芯片中。請參考圖33，如上所述的微控制器13傳遞一數(shù)字脈沖信號至超音波收發(fā)器5的 超音波發(fā)射器，該發(fā)射器包含一超音波驅動器與一超音波發(fā)送器，當超音波發(fā)射器接收到 數(shù)字脈沖信號后，超音波驅動器使超音波發(fā)送器發(fā)送超音波信號。數(shù)字脈沖信號是通過微 控制器13的控制部13A而產(chǎn)生，并通過微控制器13中的DA轉換器17而轉換成一電氣脈 沖，此種脈沖將被預處理器10中的放大器18放大(更詳細顯示于圖34中)成可被超音波 發(fā)射器部所使用的數(shù)值。然后，超音波收發(fā)器5傳遞一超音波信號(譬如于40kHz的頻率 下)，而物體將反射此種超音波信號。超音波收發(fā)器5具有一超音波接收器與一接收超音 波放大器，用以接收反射的超音波信號并將超音波信號變換成一電壓，及一比較器，當電壓 大于一預定臨界值時，產(chǎn)生一數(shù)字接收信號，預處理器10接收經(jīng)由超音波收發(fā)器5接收數(shù) 字接收信號，為了減少外部擾動的影響，信號是被譬如20kHz的二階高通濾波器11所過濾， 以從接收的信號中濾除低頻信號。在過濾之后，信號是被預處理器10中的放大器12放大。 較佳地，超音波驅動器、接收超音波放大器與二階高通濾波器11是整合于預處理器10中。微控制器13包含一比較器14，其從由預處理器10所接收的電性信號建立一數(shù)字 脈沖信號，其可被微控制器13處理。微控制器13為一處理裝置，可推導出在該數(shù)字傳輸與 接收信號之間的時間差的一飛行時間信號，并依據(jù)該飛行時間信號將一控制信號傳遞至一 脈沖寬度調變器20，信號經(jīng)過調變后送至LED驅動器19以驅動LED21。微控制器13還包 含LED驅動器部13B與微控制器的控制部13A，而LED驅動器部13B具有連接至LED驅動器 19的脈沖寬度調變器20以及共享的R0M15與RAM 16的一部分。較佳地，該微控制器13、 該脈沖寬度調變器20、該數(shù)字模擬轉換器17以及該比較器14整合于單一微控制器芯片中。
驅動LED的微控制器13屬于現(xiàn)有技術，但更進一步被程序化成用以執(zhí)行如上所 述的控制功能。微控制器13可以是簡單的處理器，譬如屬于單芯片8位8051/80C5微控 制器家族，最好是包含小型隨機存取存儲器(Randon Access Memory, RAM)與只讀存儲器 (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。圖35顯示依據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)，其包含具有標準白熾光源型配件的外殼，配置 成圓形的十個LED 21，以及在號角6中的一收發(fā)器5。像是微控制器13、預處理器10與LED 驅動器19的所有電子元件是內(nèi)建在外殼23中，而連接部22可制成與一般燈泡燈座兼容的 結構，因此可簡單安裝本照明系統(tǒng)。本發(fā)明的照明系統(tǒng)易于控制，并具有簡單的使用者接口，其并不需要例如遙控器 的額外設備，也具有堅固性、對于環(huán)境條件的獨立性、控制移動的一維辨識以及其低處理功 率需求。綜上所述，雖然本發(fā)明已以一較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本 發(fā)明所屬技術領域中具有通常知識的，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種的更 動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當視后附的申請專利范圍所界定的為準。
權利要求
一種照明系統(tǒng)，其特征在于，包含一光源，用以將電力轉換成一光束，其具有強度、色彩、色溫、方向與波束圓錐角的特性；一控制裝置，用以調整該些光束特性；一超音波發(fā)射器，用以發(fā)射多個超音波信號；一超音波接收器，用以接收多個反射的超音波信號；以及一處理裝置，用以推導出表示在該些發(fā)射與接收的超音波信號之間的時間差的多個飛行時間信號，并依據(jù)該些飛行時間信號將多個控制信號傳遞至該控制裝置以控制該些光束特性。
2.如權利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，該處理裝置分析該些飛行時間信號的 動態(tài)行為，并依據(jù)該動態(tài)行為將該些控制信號傳遞至該控制裝置。
3.如權利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，如果該些飛行時間信號從動態(tài)行為改 變至已固定持續(xù)一第一段預定時間的一數(shù)值的話，該處理裝置停止傳送該些控制信號，而 該第一段預定時間是在0. 5-2秒的范圍內(nèi)。
4.如權利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，該處理裝置決定并儲存一最高參考值， 該最高參考值是被決定以作為已出現(xiàn)在一較長的第二段預定時間的大部分期間的數(shù)值，且 如果該些飛行時間信號從該最高參考值改變至已固定持續(xù)至少一較短的第三段預定時間 的一較低數(shù)值的話，該處理裝置開始傳送該些控制信號，該第三段預定時間是在0. 5-2秒 的范圍內(nèi)。
5.如權利要求1中所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，該超音波發(fā)射器包含一號角，用以降 低該些被發(fā)射的超音波信號的該波束圓錐角。
6.如權利要求5所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，該些被發(fā)射的超音波信號的該波束圓 錐角小于15度。
7.如權利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，該超音波發(fā)射器與接收器在與光束相 同的方向上發(fā)射并接收該超音波信號。
8.如權利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，該光源為多個LED。
9.如權利要求8所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，該超音波發(fā)射器與接收器設置在該些 LED之間。
10.一種燈管單元，包含如權利要求1至9項中的任一項所述的該照明系統(tǒng)。
全文摘要
一種照明系統(tǒng)包含一光源，用以將電力轉換成一光束，其光束具有例如強度、色彩、色溫、方向與波束圓錐角的特性；一控制裝置，用以調整光束特性；一超音波發(fā)射器，用以發(fā)射超音波信號；一超音波接收器，用以接收反射的超音波信號；以及一處理裝置，用以推導出表示在此些發(fā)射與接收的超音波信號之間的時間差的多個飛行時間信號，并依據(jù)飛行時間信號來將控制信號傳遞至控制裝置。
文檔編號H03K17/00GK101939913SQ200780101241
公開日2011年1月5日 申請日期2007年10月26日 優(yōu)先權日2007年10月26日
發(fā)明者湯尼·彼特·凡艾德 申請人:建興電子科技股份有限公司