一种基于区域定位功能的分区矩阵照明系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于区域定位功能的分区矩阵照明系统及方法，包含区域照明和通信设备和手持定位控制设备。所述手持定位控制设备中的目标效果输入模块用于接收外部输入的目标照明效果图片的控制信号；所述手持定位控制设备中的通信、定位和环境检测模块用于定位手持定位控制设备的位置及检测其所处区域的光环境。通过短距离无线通信模块将控制信号传输到区域照明设备中，实现所需要的整体目标平面的照明效果和手持定位控制设备所在位置的小区域的智能照明。本发明可用于办公室、展厅、舞台等多种照明场所，提供多亮度、多色彩、动静态结合的智能照明。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于区域定位功能的分区矩阵照明系统及方法，属于照明设计技术。

背景技术

分区照明是现代办公室照明的基本原则，它进一步的将背景照明和任务照明进行了统一规划，实现了高质量的照明设计和更有效的使用照明，在减少电量的消耗和二氧化碳的排放中起到了重要的作用。智能高效分区照明的研究与实现，是现代社会在满足安全舒适的办公、生活环境的同时，通过智能化设计，进一步的实现节能减排，健康、绿色生产、生活的发展方向。随着高效智能办公室分区照明系统在办公室、会议中心、学习、家庭等场所的普及，在为用户节约大量电能的同时也给其带来了舒适、新奇的体验。

现有的分区照明的解决方法主要通过是将多个LED格栅灯盘、LED筒灯、LED天花射灯等安置在不同的位置进行照明，来照亮不同的区域，提高舒适感，营造优良的办公环境。这带来的问题是成本比较高，系统的体积往往会比较大，给安装和维护带来一定的困难；而且由于每个灯照明的区域一般是固定的，使得产品的照明区域控制不灵活，限制了区域照明的应用优势。

在发明专利201210438899.6中描述了一种利用集成成像原理，通过控制电信号实现对投射光斑和光束控制的方法，但该方法中没有明确光源阵列和目标平面分区域的对应关系，目标效果输入装置中也不能自动定位目标效果输入装置的位置。因此迫切需要一种照明解决方案可以通过定位人们所需的照明区域，并结合分区照明方法，进行智能化分区照明。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于区域定位功能的分区矩阵照明系统及方法，本发明可以动态控制照明光束的空间分布，同时该系统可通过对控制者位置的定位，自动调整照明区域，并通过检测所处场景光照环境，自动调整照明强度，为所处场景提供智能的区域照明环境。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于区域定位功能的分区矩阵照明系统，包括区域照明设备(1)和手持式定位控制设备(2)，所述手持式定位控制设备(2)，用于接收目标平面的整体照明效果信息、定位手持式定位控制设备(2)在目标平面中的位置、检测手持式定位控制设备(2)位置处的光环境，根据手持式定位控制设备(2)位置处的光环境产生手持式定位控制设备(2)位置处的区域照明效果信息，然后将整体照明效果信息和区域照明效果信息发送给区域照明设备(1)。所述区域照明设备(1)，用于根据定位手持式定位控制设备(2)发送的整体照明效果信息和区域照明效果信息对目标平面进行整体照明和/或区域照明，其中：

所述手持式定位控制设备(2)包括通信、定位和环境检测模块(2.1)和目标照明效果输入模块(2.2)，所述通信、定位和环境检测模块(2.1)包括短距离无线通信发送模块(2.1.1)、光通信模块(2.1.2)和环境光检测模块(2.1.3)，所述目标照明效果输入模块(2.2)用于接收外部输入的整体照明效果信息。

光通信模块(2.1.2)，用于接收手持式定位控制设备(2)位置处的低频低占空比光脉冲信号，并根据低频低占空比光脉冲信号处判断接收手持式定位控制设备(2)在目标平面中的位置。

环境光检测模块(2.1.3)，用于检测手持式定位控制设备(2)位置处的光环境，并根据该位置处的光环境产生相应的区域照明效果信息。

短距离无线通信发送模块(2.1.1)，用于向短距离无线通信接收模块(1.3)发送整体照明效果信息和区域照明效果信息。

所述区域照明设备(1)包括光源阵列单元(1.1)、透镜阵列单元(1.2)、短距离无线通信接收模块(1.3)、照明效果与光源阵列驱动映射转换模块(1.4)、光源阵列驱动装置(1.5)和电源模块(1.6)。

光源阵列单元(1.1)，用于提供照明所需的光源。

透镜阵列单元(1.2)，用于调整光源阵列单元(1.1)中光源的光路，进行光斑整形。

短距离无线通信接收模块(1.3)，用于接收短距离无线通信发送模块(2.1.1)发出的整体照明效果信息和区域照明效果信息。

照明效果与光源阵列驱动映射转换模块(1.4)，用于将整体照明效果信息和区域照明效果信息分别转换成光源阵列单元(1.1)的光源驱动信号。

光源阵列驱动装置(1.5)，根据光源驱动信号分别驱动光源阵列单元(1.1)实现整体照明效果和区域照明效果，同时向目标平面发送携带位置信息的低频低占空比光脉冲信号，将目标平面进行区域划分，发送到不同区域的低频低占空比光脉冲信号分别调制。

优选的：所述目标照明效果输入模块(2.2)包括真彩液晶触摸屏(2.2.1)、点亮全部光源阵列按钮(2.2.2)、关闭全部光源阵列按钮(2.2.3)、设置定位按钮(2.2.4)、亮度调高按钮(2.2.5)、亮度调低按钮(2.2.6)和USB接口(2.2.7)。

真彩液晶触摸屏(2.2.1)，用于显示目标平面的整体照明效果信息和区域照明效果信息。

点亮全部光源阵列按钮(2.2.2)，用于开启区域照明设备(1)。

关闭全部光源阵列按钮(2.2.3)，用于关闭区域照明设备(1)。

设置定位按钮(2.2.4)，用于开启光通信模块(2.1.2)。

亮度调高按钮(2.2.5)，用于调高照明亮度。

亮度调低按钮(2.2.6)，用于调低照明亮度。

优选的：所述区域照明设备(1)还包括电源模块(1.6)，用于对区域照明设备(1)进行供电。

优选的：所述光源阵列单元(1.1)为单色点光源阵列、多基色光源阵列或单色点光源与多基色光源的混合阵列。

优选的：所述透镜阵列单元(1.2)为单层透镜阵列单元或两层以上透镜阵列单元阵列。

优选的：所述透镜阵列单元(1.2)为焦距可调的透镜阵列单元。

优选的：所述透镜阵列单元(1.2)为平凸透镜阵列单元或菲涅尔透镜阵列单元。

一种基于区域定位功能的分区矩阵照明系统的照明方法，包括以下步骤：

步骤1，对目标平面进行分区得到子分区，并对各个子分区进行编号。

步骤2，根据各个子分区的信息，利用光源与子分区目标光斑的对应关系，确定各个光源的位置：

其中，AB表示光源中心到目标光斑中心的水平距离，CD表示目标光斑中心到光源穿过透镜照射在目标平面上的光照区域中心的距离，AE表示光源中心到凸透镜内主平面中心的距离，EF表示凸透镜的厚度，n表示透镜的折射率，FC表示凸透镜外主平面中心到目标光斑中心的距离。

步骤3，手持式定位控制设备(2)接收其所在位置处的低频低占空比光脉冲信号，并根据低频低占空比光脉冲信号处判断接收手持式定位控制设备(2)在目标平面中的位置。同时检测所处位置处的光环境，并根据该位置处的光环境产生相应的区域照明效果信息。

步骤4，手持式定位控制设备(2)将检测到的区域照明效果信息和输入得到的整体照明效果信息相区域照明设备(1)发送。

步骤5，区域照明设备(1)将整体照明效果信息和区域照明效果信息分别转换成光源阵列单元(1.1)的光源驱动信号，根据光源驱动信号分别驱动光源阵列单元(1.1)实现整体照明效果和区域照明效果，同时向目标平面发送携带位置信息的低频低占空比光脉冲信号，发送到不同子区域的低频低占空比光脉冲信号分别调制。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明提供的基于区域定位功能的分区矩阵照明系统，利用区域照明设备中的透镜阵列控制光线的方向，建立光源与目标平面每个分区域的对应关系，并利用手持定位控制设备中的短距离无线通信模块、光通信模块、环境光检测模块以及目标照明效果输入装置模块，通过改变光源阵列中光源的开闭、发光强度、色彩以及上述特征的结合来实现。通过短距离无线通信模块将控制信号传输到区域照明设备中，实现所需要的整体目标平面的照明效果和手持定位控制设备所在位置的小区域的智能照明。与现有的区域照明相比，具有照明区域灵活智能、安装方便、成本较低等优点。本发明可用于办公室、展厅、舞台等多种照明场所，提供多亮度、多色彩、动静态结合的智能照明。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中单颗光源位置与目标光斑位置的简单对应关系示意图；

图3为本发明中光源阵列单元与目标平面各个区域的对应关系的示意图；

图4为本发明的单层平凸透镜阵列的结构示意图；

图5为本发明的单层菲涅尔透镜阵列的结构示意图；

图6为本发明的两层透镜阵列的结构示意图；

图7为本发明中光源阵列单元的结构示意图；

图8为本发明中手持式定位控制设备的工作流程示意图；

图9为本发明中区域照明设备的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种基于区域定位功能的分区矩阵照明系统，如图1所示，包括区域照明设备1和手持式定位控制设备2，所述手持式定位控制设备2，用于接收目标平面的整体照明效果信息、定位手持式定位控制设备2在目标平面中的位置、检测手持式定位控制设备2位置处的光环境，根据手持式定位控制设备2位置处的光环境产生手持式定位控制设备2位置处的区域照明效果信息，然后将整体照明效果信息和区域照明效果信息发送给区域照明设备1。所述区域照明设备1，用于根据定位手持式定位控制设备2发送的整体照明效果信息和区域照明效果信息对目标平面进行整体照明和/或区域照明，其中：

所述手持式定位控制设备2包括通信、定位和环境检测模块2.1和目标照明效果输入模块2.2，所述通信、定位和环境检测模块2.1包括短距离无线通信发送模块2.1.1、光通信模块2.1.2和环境光检测模块2.1.3，所述目标照明效果输入模块2.2用于接收外部输入的整体照明效果信息。

光通信模块2.1.2，用于接收手持式定位控制设备2位置处的低频低占空比光脉冲信号，并根据低频低占空比光脉冲信号处判断接收手持式定位控制设备2在目标平面中的位置。

环境光检测模块2.1.3，用于检测手持式定位控制设备2位置处的光环境，并根据该位置处的光环境产生相应的区域照明效果信息。

短距离无线通信发送模块2.1.1，用于向短距离无线通信接收模块1.3发送整体照明效果信息和区域照明效果信息。短距离无线通信发送模块2.1.1(可称为短距离无线通信设备)可以是ZigBee、蓝牙等低功耗短距离无线通信设备。

所述目标照明效果输入模块2.2包括真彩液晶触摸屏2.2.1、点亮全部光源阵列按钮2.2.2、关闭全部光源阵列按钮2.2.3、设置定位按钮2.2.4、亮度调高按钮2.2.5、亮度调低按钮2.2.6和USB接口2.2.7。

真彩液晶触摸屏2.2.1，用于显示目标平面的整体照明效果信息和区域照明效果信息。

点亮全部光源阵列按钮2.2.2，用于开启区域照明设备1。

关闭全部光源阵列按钮2.2.3，用于关闭区域照明设备1。

设置定位按钮2.2.4，用于开启光通信模块2.1.2。

亮度调高按钮2.2.5，用于调高照明亮度。

亮度调低按钮2.2.6，用于调低照明亮度。

通过USB接口2.2.7，可以在目标照明效果输入模块2.2中存储一些想要产生的照明效果图，比如分区效果、字母等，并可以通过真彩液晶触摸屏2.2.1显示并选择已存储的目标照明效果图。

所述区域照明设备1包括光源阵列单元1.1、透镜阵列单元1.2、短距离无线通信接收模块1.3、照明效果与光源阵列驱动映射转换模块1.4、光源阵列驱动装置1.5和电源模块1.6。

光源阵列单元1.1，用于提供照明所需的光源。光源阵列单元1.1为单色点光源阵列、多基色光源阵列或单色点光源与多基色光源的混合阵列。

透镜阵列单元1.2，用于调整光源阵列单元1.1中光源的光路，进行光斑整形。透镜阵列单元1.2为单层透镜阵列单元或两层以上透镜阵列单元阵列。所述透镜阵列单元1.2为焦距可调的透镜阵列单元。所述透镜阵列单元1.2为平凸透镜阵列单元或菲涅尔透镜阵列单元。

短距离无线通信接收模块1.3，用于接收短距离无线通信发送模块2.1.1发出的整体照明效果信息和区域照明效果信息。

照明效果与光源阵列驱动映射转换模块1.4，用于将整体照明效果信息和区域照明效果信息分别转换成光源阵列单元1.1的光源驱动信号。

光源阵列驱动装置1.5，根据光源驱动信号分别驱动光源阵列单元1.1实现整体照明效果和区域照明效果，同时向目标平面发送携带位置信息的低频低占空比光脉冲信号，将目标平面进行区域划分，发送到不同区域的低频低占空比光脉冲信号分别调制。

电源模块1.6，用于对区域照明设备1进行供电。

一种基于区域定位功能的分区矩阵照明系统的照明方法，包括以下步骤：

步骤1，对目标平面进行分区得到子分区，并对各个子分区进行编号。

步骤2，根据各个子分区的信息，利用光源与子分区目标光斑的对应关系，确定各个光源的位置：

其中，AB表示光源中心到目标光斑中心的水平距离，CD表示目标光斑中心到光源穿过透镜照射在目标平面上的光照区域中心的距离，AE表示光源中心到凸透镜内主平面中心的距离，EF表示凸透镜的厚度，n表示透镜的折射率，FC表示凸透镜外主平面中心到目标光斑中心的距离。

步骤3，手持式定位控制设备2接收其所在位置处的低频低占空比光脉冲信号，并根据低频低占空比光脉冲信号处判断接收手持式定位控制设备2在目标平面中的位置。同时检测所处位置处的光环境，并根据该位置处的光环境产生相应的区域照明效果信息。

步骤4，手持式定位控制设备2将检测到的区域照明效果信息和输入得到的整体照明效果信息相区域照明设备1发送。

步骤5，区域照明设备1将整体照明效果信息和区域照明效果信息分别转换成光源阵列单元1.1的光源驱动信号，根据光源驱动信号分别驱动光源阵列单元1.1实现整体照明效果和区域照明效果，同时向目标平面发送携带位置信息的低频低占空比光脉冲信号，发送到不同子区域的低频低占空比光脉冲信号分别调制。

本发明主要是利用区域照明设备1中的透镜阵列单元1.2控制光线的方向，建立光源阵列单元1.1与目标平面各个区域的关系，并利用整个系统中的短距离无线通信模块、光通信模块2.1.2、环境光检测模块2.1.3及其控制信号，通过改变光源阵列单元1.1中光源的开闭、发光强度、色彩以及上述特征的结合来实现基于区域定位功能的分区矩阵照明。

所需的照明效果分为整体照明效果和区域照明效果。

对于整体照明效果，区域照明设备1中的透镜阵列单元1.2设于光源阵列单元1.1的一侧，光源阵列单元1.1发出的光线经透镜阵列单元1.2折射整形后射出；对目标平面的各个区域进行编号，经过相关计算可以得知目标平面上的每个区域与单个光源的映射关系。通过手持式定位控制设备2中的目标照明效果输入模块2.2接收外部输入的整体照明效果信息，经过短距离无线通信模块、照明效果与光源阵列驱动映射转换模块1.4和光源阵列驱动装置1.5，最终驱动光源阵列单元1.1实现整体照明效果，同时向目标平面发送携带位置信息的低频低占空比光脉冲信号。

对于区域照明效果，区域照明设备1在上电后，持续向向目标平面发送携带位置信息的低频低占空比光脉冲信号，由于光脉冲信号占空比较低，因此电能消耗极少，且不会让人眼将感受到光强信息。手持式定位控制设备2通过光通信模块2.1.2检测所处位置处的低频低占空比光脉冲信号，并根据低频低占空比光脉冲信号判断手持式定位控制设备2在目标平面中的区域。手持式定位控制设备2同时可以环境光检测模块2.1.3检测所处位置处的光环境，并可智能的分析该光环境下的照明需求，产生相应的区域照明效果信息，控制区域照明设备1动态实现区域照明效果。

结合图2和图3说明本发明的光源与子分区目标光斑的对应关系。如图2所示，为本发明的单颗光源位置与目标光斑位置的简单对应关系示意图。透镜4的两个主平面分别是H₁、H₂，H₁表示内主平面，H₂表示外主平面，光源5的中心位于B点处，目标光斑6的中心位于C点处，根据三角形AOB与三角形COD相似可得出平凸透镜的主平面H₁与平面的距离为其中d为透镜的厚度，n为透镜的折射率，由此可以得出AB表示光源中心到目标光斑中心的水平距离，AC表示光源中心到目标光斑中心的竖直距离，CD表示目标光斑中心到光源穿过透镜照射在目标平面上的光照区域中心的距离，AE表示光源中心到凸透镜内主平面中心的距离，EF表示凸透镜的厚度，FC表示凸透镜外主平面中心到目标光斑中心的距离，由光源到透镜的距离(物距)、透镜的厚度、折射率、像距以及光斑中心的位置可以推出光源的中心位置。根据第一焦平面上的点光源经过单个透镜后，成为一束与主光轴有一固定夹角的平行光，可知，在理想情况下，光源点亮经过透镜成像后，每个光斑的大小与透镜的大小类似，通过控制光源的开闭、发光强度、色彩以及这些特征的结合即可实现目标平面上的分区照明。

如图3所示，为本发明的光源与目标平面每个子区域的对应关系示意图。由图2得到的计算公式，可以根据光源到透镜的距离(物距)、透镜的厚度、折射率、像距以及光斑中心的位置计算出每个光源的位置。在如图3所示的目标平面上的光斑均匀分布的情况下，每个透镜正上方的光源也是均匀分布的。图3中透镜X正上方的LED经过透镜，在目标平面上的光斑为(A1,B1)、(A2,B9)、(A9,B1)等灰色部分的子区域，对于与透镜X相邻的透镜Y，透镜Y正上方的LED通过透镜Y在目标平面上的主要光斑为(A1,B2)、(A1,B10)、(A9,B2)等灰色横条部分的子区域，即相当于灰色部分的子区域向右平移了一个光斑的距离，同样，对于与透镜X相邻的透镜Z，其正上方的LED经过透镜Z在目标平面上的主要光斑相当于灰色部分的子区域向上平移了一个光斑的距离。因为每个透镜正上方相同位置处的光源经过透镜的主光线的路径是平行的，忽略相邻透镜和光源之间的串扰作用，所以相邻位置的透镜所对应的正上方光源通过其正下方的透镜形成的光斑是相应的平移了一个光斑的距离。

如图4至图6所示，为本发明的透镜阵列单元。透镜阵列中透镜的尺寸、焦距、曲率半径、材料等对光源阵列的排布和目标光斑的形状以及分区效果具有重要影响。其基本规律是透镜的尺寸越小、在透镜尺寸不变的情况下焦距越小、每颗透镜后面的光源个数越多、每颗透镜后面的光源越靠近光轴，光线控制越精细、目标平面上的分区效果越好。平凸透镜成像效果较好，图4所示为一层平凸透镜阵列的结构示意图，菲涅尔透镜具有轻薄的优点，图5所示为一层菲涅尔透镜阵列的结构示意图。由于透镜阵列与光源阵列之间的距离受透镜的焦距影响很大，透镜阵列有焦距固定和焦距可调两种方案。图4和图5是焦距固定的一层透镜阵列，图6为两层透镜阵列的结构示意图，可以通过调节两层透镜之间的距离以及对两层透镜进行设计，实现焦距的改变。

如图7所示为本发明的光源阵列的结构示意图，每个小的虚线方块对应着透镜阵列的位置，每个透镜正上方的光源矩阵之间的间隔是等间隔分布的。可以在光源的正下方靠近光源的位置添加匀光板使目标平面上的光斑更加均匀。在需要彩色照明的场合，可以采用多基色LED，OLED，或者多基色背光源，通过时序混色或者空间混色的方法，实现彩色光斑照明效果。并且在实际应用中，需根据具体的环境、要求等，选择合适的光源、匀光板、透镜的参数等。

如图8与图9分别为所示为本发明的区域照明设备与手持控制器工作流程示意图。如图8所示，区域照明设备上电后，同时持续向所有区域发送低频低占空比光脉冲信号，由于所述光脉冲占空比较低，人眼将感受不到光强信息且仅消耗极少电能。同时对发送区域不同的光脉冲分别调制，使得光脉冲包含位置信息。随后，等待手持控制器通过短距离无线通信设备进行控制。在接收到手持控制器的控制信号后完成响应的区域照明调制，保持照明环境并继续持续向所有区域发送低频低占空比光脉冲信号，再次等待控制信息。

如图9所示，手持控制器收到按键或触屏信号触发的控制请求后，首先接收由区域照明设备发出的光脉冲信号，并由信号判断控制器所处位置，后将所处位置信息连带控制信息由短距离无线通信设备发送给区域照明设备，区域照明设备将根据控制器位置以及控制要求调制区域照明环境。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。