檢測氣體或蒸汽的基於微型機電系統的空間安全紅外傳感器設備和方法
2023-07-12 07:15:01
專利名稱：檢測氣體或蒸汽的基於微型機電系統的空間安全紅外傳感器設備和方法
技術領域：
本發明一般涉及依靠紅外信號檢測的用於生物、非生物或氣態物質的侵入檢測系統領域，更具體地說，涉及結合微型機電系統(MEMS)反射鏡陣列的空間安全紅外信號侵入檢測系統。
背景技術：
無源紅外(IR)傳感器通過測量由侵入者引起的溫度梯度檢測在視場(FOV)中移動的侵入者。傳感器的FOV通過透鏡或反射鏡系統的光學特性被固定和確定。FOV再劃分成靜態有效區和非有效區；侵入者從有效區到非有效區的移動被檢測為報警。來自各有效區的IR能量被聚焦在IR檢測器上並且IR檢測器不能確定哪個有效區正在收集能量。該裝置的問題是一個或多個區域中的其它IR能量源也可被檢測為報警。示例包括循環開關的空間加熱器或因為檢測器區域中微風而移動的日照簾。其它噪聲源包括寵物如小狗。此外，非有效區提供了侵入者可不被檢測而穿越的路徑。其它試圖解決這些問題的示例如下一種產品具有檢測一個區域中重複運動並降低檢測器靈敏度以忽略該信號的算法。這同樣也會降低傳感器對侵入者的靈敏度。另一種方法使用CCD相機監控被保護空間並使用視頻處理算法檢測運動。該方法的問題是被保護空間需要被照亮以便檢測運動。另一種方法使用第二透鏡系統最小化非有效區但該方法仍然遭受其它缺點。
發明內容
為了解決上述及其它問題，本發明涉及監控圍繞視場的空間體積的空間安全設備，該空間安全設備用於檢測空間體積中的侵入，該設備包括具有用於反射從FOV收集到的紅外(IR)能量束的反射鏡陣列中的反射鏡元件的微型機電系統(MEMS)；以及IR能量檢測器用於檢測被MEMS陣列反射的IR能量並將IR能量轉換成輸出信號。本發明還涉及藉助多軸MEMS反射鏡陣列在侵入被保護空間或體積的FOV中移動IR區域的方法。IR區域的該運動有效地掃描了被保護空間或體積的IR籤名。侵入可以是生物或非生物例如機器人機車、氣體或蒸汽在空間體積中出現引起的結果。
在本發明的一個特定方面，本發明的第一實施利涉及用於檢測空間體積中侵入的空間安全設備，包括用於聚焦從空間體積中收集到的紅外(IR)能量束的聚焦元件；用於過濾從空間體積中收集到的紅外(IR)能量束的濾波元件；具有用於反射IR能量的反射鏡陣列中的反射鏡元件的微型機電系統(MEMS)；用於檢測被所述MEMS陣列反射的IR能量並將IR能量轉換成輸出信號的IR能量檢測器；用於放大輸出信號的放大器；用於將輸出信號從模擬轉換成數字的模數轉換器；用於處理輸出信號的處理器；用於存儲輸出信號的存儲器；用於調整至少一個所述MEMS反射鏡陣列元件的角度的控制器；以及用於通告對應IR能量束振幅變化的輸出信號振幅變化引起的侵入的檢測的報警器。輸出信號可以是電、磁、光、聲、氣和液壓中的一種。控制器可通過改變控制信號來調整至所述至少一個所述MEMS反射鏡陣列元件的角度。控制信號可以是電、磁、光、聲、氣和液壓中的一種。控制器可通過在FOV和IR基準之間轉換所述MEMS反射鏡陣列獲得基準信號。改變至所述MEMS反射鏡陣列的電控制信號可引起至少一個所述MEMS反射鏡陣列的反射鏡元件的運動，該運動利用熱膨脹和靜電力中至少一個引起。控制器可通過以非斬波模式以增加的、交疊的步幅或離散的、有限的步幅穿越FOV啟動MEMS反射鏡陣列以穿越所述IR檢測設備的FOV。
控制器可通過以斬波模式以增加的、交疊的步幅或離散的、有限的步幅穿越FOV啟動MEMS反射鏡陣列以穿越所述IR檢測設備的FOV。空間安全設備還可包括提供基準值用於檢測所述空間安全設備損害或退化中至少一個的IR源。MEMS反射鏡陣列可包括每個都能夠旋轉以便模擬曲面反射鏡的有限元表示的反射鏡元件或可配置成模擬平面反射鏡的有限元表示的反射鏡元件。
第一實施例的檢測器組件可包括所述濾波元件；所述布置在陶瓷襯底上的MEMS反射鏡陣列；以及布置以檢測被所述MEMS陣列反射的IR能量的所述IR能量檢測器。檢測器組件還可包括至少封裝了所述濾波元件的檢測器組件外殼；布置在陶瓷襯底上的所述MEMS反射鏡陣列；布置以檢測被所述MEMS陣列反射的IR能量的所述IR能量檢測器；以及用於耦合到所述檢測器組件外殼的檢測器組件外殼基座。檢測器組件外殼基座還可包括至少四個用於耦合到印刷電路板的管腳，至少一個所述管腳接收電源，一個所述管腳接地，一個所述管腳發送信號，以及一個所述管腳提供MEMS反射鏡陣列控制信號。檢測器組件可耦合到印刷電路板。印刷電路板可包括所述放大器；所述模數轉換器；所述處理器；所述存儲器；所述用於調整至少一個所述MEMS反射鏡陣列的反射鏡元件角度的控制器；以及所述用於通告侵入的檢測的報警器。印刷電路板和所述檢測器組件可被布置在封裝外殼中並被布置在耦合到所述封裝外殼的封裝基座上從而所述檢測器組件中的所述MEMS反射鏡陣列可通過所述封裝外殼中的窗口接收IR能量。窗口可包括用於聚焦IR能量的聚焦元件。檢測器組件可被布置在所述印刷電路板上從而所述檢測器組件中的所述MEMS反射鏡陣列平行於所述印刷電路板並且所述印刷電路板被布置在相對所述封裝基座約10°的角度處。封裝外殼還可包括布置在靠近所述窗口處的IR源從而所述MEMS反射鏡陣列可接收來自所述IR源的IR能量並將它反射到所述IR檢測器元件上，所述IR源提供基準值用於檢測所述空間安全設備損害和退化中至少一個。
在本發明的另一方面，本發明的第二實施例涉及用於檢測空間體積中侵入的空間安全設備，包括用於聚焦從空間體積中收集到的紅外(IR)能量的多個聚焦元件；用於過濾從空間體積中收集到的IR能量的濾波元件；用於反射IR能量的微型機電系統(MEMS)反射鏡陣列；用於檢測被所述MEMS陣列反射的IR能量並將IR能量轉換成輸出信號的IR能量檢測器；用於放大輸出信號的放大器；用於將輸出信號從模擬轉換成數字的模數轉換器；用於處理輸出信號的處理器；用於存儲輸出信號的存儲器；用於通過從一個所述多個聚焦元件轉換到另一個而調整所述MEMS陣列的控制器；以及用於通告對應IR能量束振幅變化的輸出信號振幅變化引起的侵入的檢測的報警器。輸出信號可以是電、磁、光、聲、氣和液壓中的一種。控制器可通過在FOV和IR基準之間轉換所述MEMS反射鏡陣列獲得基準信號。多個聚焦元件可包括(a)透鏡元件和(b)反射鏡聚焦元件中的至少一個。控制器可通過以增加的、交疊的步幅或離散的、有限的步幅穿越FOV通過從一個所述多個聚焦元件轉換到另一個調整MEMS陣列。
控制器可通過以斬波模式以增加的、交疊的步幅或離散的、有限的步幅穿越FOV啟動MEMS反射鏡陣列穿越所述IR檢測設備的FOV。空間安全設備還可包括提供基準值用於檢測所述空間安全設備損害或退化中至少一個的IR源。MEMS反射鏡陣列可包括每個都能夠旋轉以便模擬曲面反射鏡的有限元表示的反射鏡元件或可配置成模擬平面反射鏡的有限元表示的反射鏡元件。
第二實施例的檢測器組件可包括所述濾波元件；所述多個聚焦元件；所述布置在陶瓷襯底上的MEMS反射鏡陣列；以及所述布置以檢測被所述MEMS陣列反射的無源IR束的IR能量束檢測器。檢測器組件還可包括至少封裝所述多個聚焦元件的檢測器組件外殼；所述濾波元件；所述布置在陶瓷襯底上的所述MEMS反射鏡陣列；所述布置以檢測被所述MEMS陣列反射的IR能量的IR能量檢測器；以及用於耦合到所述檢測器組件外殼的檢測器組件外殼基座。檢測器組件外殼基座還可包括至少四個用於耦合到印刷電路板的管腳，至少一個所述管腳接收電源，一個所述管腳接地，一個所述管腳發送信號，以及一個所述管腳提供MEMS控制信號。檢測器組件可耦合到印刷電路板。印刷電路板可包括所述放大器；所述模數轉換器；所述處理器；所述存儲器；所述用於調整所述MEMS反射鏡陣列的控制器；以及所述用於通告侵入的檢測的報警器。印刷電路板和所述檢測器組件可被布置在封裝外殼中並被布置在耦合到所述封裝外殼的封裝基座上從而所述檢測器組件中的所述MEMS反射鏡陣列可通過所述封裝外殼中的窗口接收IR能量束。窗口可包括用於聚焦IR能量的聚焦元件。檢測器組件可被布置在所述印刷電路板上從而所述檢測器組件中的所述MEMS反射鏡陣列平行於所述印刷電路板並且所述印刷電路板被布置在相對所述封裝基座約10°的角度處。封裝外殼還可包括布置在靠近所述窗口處的IR源從而所述MEMS反射鏡陣列接收來自所述IR源的IR能量並將它反射到所述IR檢測器元件，所述IR源提供基準值用於檢測所述空間安全設備損害和退化中至少一個。
在本發明的再一方面，本發明的第三實施例涉及空間安全設備，其中空間安全設備用於檢測圍繞FOV的空間體積中的侵入，其中侵入是圍繞FOV的空間體積中的氣體或蒸汽，其中FOV包括發射IR能量束的紅外(IR)能量基準源；來自空間體積的提供被檢測的潛在氣體或蒸汽樣本的空氣路徑並且IR能量束經過它；在IR能量源和空氣路徑之間用於校準被所述IR能量基準源發射的IR能量束的校準透鏡；用於聚焦來自空氣路徑的校準IR能量束的聚焦元件；空間安全設備還包括用於過濾被校準的IR能量束的窄帶通濾波元件，IR能量束在經過所述窄帶濾波元件之前經過所述空氣路徑；用於反射來自所述窄帶通濾波器的窄帶IR能量束的微型機電系統(MEMS)反射鏡陣列；用於檢測被所述MEMS陣列反射的窄帶IR能量束變化並將窄帶IR能量束轉換成輸出信號的IR能量檢測器；用於放大來自窄帶檢測器的輸出信號的放大器；用於將來自窄帶檢測器的輸出信號從模擬轉換成數字的模數轉換器；用於處理來自窄帶檢測器的輸出信號的處理器；用於存儲來自窄帶檢測器的輸出信號的存儲器；用於過濾被校準的IR能量束的寬帶通濾波元件，IR能量束在經過所述寬帶濾波元件之前經過所述空氣路徑；用於反射來自寬帶通濾波器的寬帶IR能量束的微型機電系統(MEMS)反射鏡陣列；用於檢測被所述MEMS陣列反射的寬帶IR能量束並將寬帶IR能量束轉換成輸出信號的IR能量檢測器，所述IR能量檢測器用於檢測寬帶IR能量束；用於放大來自寬帶檢測器的輸出信號的放大器；用於將來自寬帶檢測器的輸出信號從模擬轉換成數字的模數轉換器；用於處理來自寬帶檢測器的輸出信號的處理器；用於存儲來自寬帶檢測器的輸出信號的存儲器；通過在IR源和IR基準之間轉換所述MEMS反射鏡陣列能使基準信號被獲得的所述IR基準；用於調整至少一個所述MEMS反射鏡陣列元件角度的控制器；用於響應對應從所述窄帶檢測器接收的IR能量束比率變化的輸出信號變化而通告氣體或蒸汽的報警器。輸出信號可以是電、磁、光、聲、氣和液壓中的一種。控制器可通過改變控制信號調整所述至少一個所述MEMS反射鏡陣列反射鏡元件的角度。改變所述MEMS反射鏡陣列的控制信號引起至少一個所述MEMS反射鏡陣列的反射鏡元件的運動，改變電控制信號通過熱膨脹和靜電力中至少一個引起運動。控制器可通過以斬波模式穿越FOV啟動所述MEMS反射鏡陣列以穿越所述IR檢測設備的FOV，以斬波模式穿越FOV可通過以增加的、交疊的步幅或離散的、有限的步幅穿越FOV實現。用於檢測氣體或蒸汽的空間安全設備還可包括提供基準值用於檢測所述空間安全設備損害或退化中至少一個的IR源。MEMS反射鏡陣列可包括每個都能夠旋轉以便模擬曲面反射鏡的有限元表示或配置成模擬平面反射鏡的有限元表示的反射鏡元件。
第三實施例的檢測器組件可包括所述窄帶濾波元件和所述寬帶濾波元件的至少一個；布置在陶瓷襯底上的所述窄帶和所述寬帶MEMS反射鏡陣列的至少一個；以及布置以檢測被所述MEMS陣列反射的IR束的所述IR能量束檢測器。檢測器組件還可包括封裝所述窄帶和所述寬帶IR濾波元件的至少一個的檢測器組件外殼；布置在陶瓷襯底上和布置以檢測被所述MEMS陣列反射的IR束的所述窄帶和所述寬帶所述MEMS反射鏡陣列的至少一個以及用於耦合到所述檢測器組件外殼的檢測器組件外殼基座。檢測器組件可包括所述窄帶和所述寬帶IR能量束檢測器兩者，並且分隔物可將窄帶IR能量束檢測器與寬帶IR能量束檢測器隔開；或者檢測器組件可包括所述窄帶和所述寬帶MEMS反射鏡陣列兩者，並且分隔物可將窄帶MEMS反射鏡陣列與寬帶MEMS反射鏡陣列隔開；或者檢測器組件可包括所述窄帶和寬帶濾波元件兩者，並且分隔物可將窄帶濾波元件與寬帶濾波元件隔開。檢測器組件外殼基座還可包括至少五個用於耦合到印刷電路板的管腳，一個所述管腳接收電源，一個所述管腳接地，一個所述管腳發送來自所述窄帶IR檢測器的信號，一個所述管腳發送來自所述寬帶IR檢測器的信號，以及一個所述管腳提供MEMS控制信號。檢測器組件可耦合到印刷電路板，印刷電路板可包括至少一個所述放大器；至少一個所述模數轉換器；所述處理器；所述存儲器；所述控制器；以及所述用於響應來自窄帶和寬帶檢測器的輸出信號比率而通告氣體或蒸汽檢測的報警器。印刷電路板和所述檢測器組件可被布置在封裝外殼中並被布置在耦合到所述封裝外殼的封裝基座上從而所述至少一個所述檢測器組件中的MEMS反射鏡陣列可通過所述封裝外殼中的窗口接收IR能量束。檢測器組件可被布置在所述印刷電路板上從而所述檢測器組件中的所述MEMS反射鏡陣列平行於所述印刷電路板並且所述印刷電路板被布置在相對所述封裝基座約30°到45°的角度處。窗口可包括用於聚焦IR能量束的聚焦元件。封裝外殼還可包括布置在靠近所述窗口處的IR源從而所述MEMS反射鏡陣列可接收來自所述IR源的IR能量並將它反射到所述IR檢測器元件。IR源可提供基準值用於檢測所述氣體或蒸汽檢測設備損害或退化中至少一個。被窄帶濾波器過濾的輸出信號可包括多個峰值。當窄帶檢測器相對寬帶檢測器的比率小於1時指示空氣路徑中氣體或蒸汽的存在。當比率接近單位時，它指示IR源輸出功率的變化或環境光的變化。
在本發明的再一方面，本發明的第四實施例涉及用於檢測圍繞FOV的空間體積中侵入的空間安全設備，其中侵入是圍繞FOV的空間體積中的氣體或蒸汽，其中FOV包括發射IR能量束的紅外(IR)能量基準源；來自空間體積的提供被檢測的潛在氣體或蒸汽樣本的空氣路徑並且IR能量束經過它；在IR能量源和空氣路徑之間用於校準被所述IR能量基準源發射的IR能量束的校準透鏡；用於聚焦來自空氣路徑的被校準的IR能量束的多個聚焦元件，空間安全設備還包括用於過濾被校準的IR能量束的窄帶通濾波元件，IR能量束在經過所述窄帶濾波元件之前經過所述空氣路徑；用於反射來自所述窄帶通濾波器的窄帶IR能量束的微型機電系統(MEMS)反射鏡陣列；用於檢測被所述MEMS陣列反射的窄帶IR能量束的減少並將窄帶IR能量束轉換成輸出信號的IR能量檢測器；用於放大來自窄帶檢測器的輸出信號的放大器；用於將來自窄帶檢測器的輸出信號從模擬轉換成數字的模數轉換器；用於處理來自窄帶檢測器的輸出信號的處理器；用於存儲來自窄帶檢測器的輸出信號的存儲器；用於過濾被校準的IR能量束的寬帶通濾波元件，IR能量束在經過所述寬帶濾波元件之前經過所述空氣路徑；用於反射來自所述寬帶通濾波器的寬帶IR能量束的微型機電系統(MEMS)；用於檢測被所述MEMS陣列反射的寬帶IR能量束並將寬帶IR能量束轉換成輸出信號的IR能量檢測器，所述IR能量檢測器用於檢測寬帶IR能量束；用於放大來自寬帶檢測器的輸出信號的放大器；用於將來自寬帶檢測器的輸出信號從模擬轉換到數字的模數轉換器；用於處理來自寬帶檢測器的輸出信號的處理器；用於存儲來自寬帶檢測器的輸出信號的存儲器；通過在IR源和IR基準之間轉換所述MEMS反射鏡陣列能使基準信號被獲得的所述IR基準；用於通過交替在所述IR源和所述IR基準之間以斬波模式在聚焦元件之間轉換而調整所述MEMS陣列的控制器；用於響應對應從所述窄帶檢測器接收的IR能量束變化的輸出信號變化通告氣體或蒸汽檢測的報警器。輸出信號可以是電、磁、光、聲、氣或液壓中的一種。聚焦元件可以是(a)透鏡元件和(b)反射鏡聚焦元件的至少一個。控制器可啟動所述MEMS反射鏡陣列在聚焦元件之間以斬波模式以增加的、交疊的步幅或離散的、有限的步幅在聚焦元件之間轉換。用於檢測氣體或蒸汽的空間安全設備還可包括提供基準值用於檢測所述空間安全設備損害和退化中至少一個的IR源。MEMS反射鏡陣列可包括每個都能旋轉以便模擬曲面反射鏡的有限元表示或配置成模擬平面反射鏡的有限元表示的反射鏡元件。
第四實施例的檢測器組件可包括所述窄帶和所述寬帶濾波元件的至少一個；布置在陶瓷襯底上的所述窄帶和所述寬帶MEMS反射鏡陣列的至少一個；以及布置以檢測被所述MEMS陣列反射的IR束的所述IR能量束檢測器。檢測器組件還可包括封裝所述窄帶濾波元件和所述寬帶濾波元件的至少一個的檢測器組件；布置在陶瓷襯底上的所述窄帶和寬帶MEMS反射鏡陣列的至少一個；布置以檢測被所述MEMS陣列反射的IR能量的所述窄帶和寬帶IR能量束檢測器的至少一個；以及用於耦合到所述檢測器組件外殼的檢測器組件外殼基座。檢測器組件可包括所述窄帶和所述寬帶IR能量束檢測器兩者，並且分隔物可將窄帶IR能量束檢測器與寬帶IR能量束檢測器隔開；或者檢測器組件可包括所述窄帶和所述寬帶MEMS反射鏡陣列兩者，並且分隔物可將窄帶MEMS反射鏡陣列與寬帶MEMS反射鏡陣列隔開；或者檢測器組件可包括所述窄帶和寬帶濾波元件兩者，並且分隔物可將窄帶濾波元件與寬帶濾波元件隔開。檢測器組件外殼基座還可包括至少五個用於耦合到印刷電路板的管腳，一個所述管腳接收電源，一個所述管腳接地，一個所述管腳發送來自所述窄帶檢測器的信號，以及一個所述管腳發送來自所述寬帶檢測器的信號。檢測器組件可耦合到印刷電路板，印刷電路板可包括至少一個所述放大器；至少一個所述模數轉換器；所述處理器；所述存儲器；所述控制器；以及所述響應輸出信號通告侵入的檢測的報警器。印刷電路板和所述檢測器組件可被布置在封裝外殼中並被布置在耦合到所述封裝外殼的封裝基座上從而至少一個所述檢測器組件中的MEMS反射鏡陣列可通過所述封裝外殼中的窗口接收IR能量束。檢測器組件可被布置在所述印刷電路板上從而所述檢測器組件中的所述MEMS反射鏡陣列平行於所述印刷電路板並且所述印刷電路板被布置在相對所述封裝基座約30°到45°的角度處。窗口可包括用於聚焦IR能量束的聚焦元件。封裝外殼還可包括布置在靠近所述窗口處的IR源從而所述MEMS反射鏡陣列可接收來自所述IR源的IR能量並將它反射到所述IR檢測器元件。IR源可提供基準值用於檢測所述氣體或蒸汽檢測設備損害和退化中至少一個。
在第三和第四實施例兩者中，處理器在給定時間周期內計算窄帶檢測器的輸出信號的瞬時峰值相對寬帶檢測器的輸出信號的瞬時峰值的比率。處理器還可在給定時間周期內計算窄帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值的平均值相對寬帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值的平均值的比率。處理器還可在給定時間周期內將窄帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值相對寬帶IR檢測器的瞬時峰值的比率求平均。在所有情況中，在給定時間周期內值顯著小於1的比率出現指示空氣路徑中氣體或蒸汽的濃度，並且在給定時間周期內值接近1的比率出現指示IR輸出和環境光中至少一個的移動從而通過處理器使窄帶和寬帶IR檢測器能夠自校準。被計算的比率大小與出現的氣體或蒸汽的濃度成比例。信號下降的比率大小指示氣體存在的百分比。
在圍繞視場(FOV)的空間體積中檢測侵入的方法中，所述方法包括如下步驟a)定位微型機電系統(MEMS)反射鏡陣列的反射鏡元件的行和列以便反射對應FOV的IR檢測器的有效元件相關的紅外(IR)能量束；以及步驟b)以預定掃描率收集來自FOV的第i部分的IR能量。以預定掃描率收集來自FOV的第i部分的IR能量可包括如下步驟(b』1)聚焦IR能量束；(b』2)過濾IR能量束；(b』3)通過MEMS反射鏡陣列將IR能量束反射到檢測器上；(b』4)藉助檢測器檢測IR能量束；(b』5)將IR能量束轉換成輸出信號；(b』6)放大輸出信號；(b』7)將輸出信號從模擬轉換成數字；以及(b』8)在通告檢測之前藉助處理器處理輸出信號。輸出信號可以是電、磁、光、聲、氣和液壓中的一種。方法還可包括如下步驟(b』9)控制MEMS反射鏡陣列以便通過掃描測量對應整個FOV的所有反射鏡陣列元件。檢測侵入的方法還可包括如下步驟(c)確定所有反射鏡陣列元件是否已被測量；d1)如果否，重複步驟(b)；d2)如果是，存儲反射鏡陣列元件的掃描；e)處理掃描結果；f)基於掃描結果通過檢測IR能量束電平的變化確定侵入是否已被檢測；g1)如果是，通告報警；g2)如果不確定，返回步驟(b)通過重新掃描其中可能會檢測到侵入的受限空間體積從視野(FOV)的第i部分收集IR能量，以及g3)如果否，返回步驟(b)。從FOV的第i部分收集IR能量的步驟(b)的方法還可包括如下至少一個步驟b1』)啟動MEMS反射鏡穿越FOV；以及b1」)指示信號控制器調整MEMS反射鏡以便從一個聚焦元件轉換到另一個。步驟(b1』)啟動MEMS反射鏡穿越FOV以及(b1」)指示信號控制器調整MEMS反射鏡以便從一個聚焦元件轉換到另一個中至少一個可包括如下至少一個步驟(b2)以非斬波模式穿越FOV，以及(b3)以斬波模式穿越FOV。以非斬波模式穿越FOV的步驟(b2)可包括如下至少一個步驟(b2』)以增加的、交疊的步驟穿越FOV；以及(b2」)以離散的、有限的步驟穿越FOV。以斬波模式穿越FOV的步驟(b3)可包括如下至少一個步驟(b3』)以增加的、交疊的步驟穿越FOV；以及(b3」)以離散的、有限的步驟穿越FOV。從FOV的第i部分收集IR能量的步驟(b)可包括如下步驟(b4)調整所述MEMS反射鏡陣列的至少一個反射鏡元件角度，其中調整角度的步驟(b4)包括如下步驟(b5)改變所述MEMS反射鏡陣列的至少一個元件的控制信號。控制信號可以是電、磁、光、聲、氣和液壓中的一種。改變所述MEMS反射鏡陣列的所述至少一個元件的控制信號的步驟(b5)可引起所述MEMS反射鏡陣列的所述至少一個反射鏡元件的運動，所述改變控制信號的步驟(b5)可通過熱膨脹和靜電力中至少一個引起運動。聚焦元件可包括(a)透鏡元件以及(b)反射鏡聚焦元件的至少一個。重新掃描其中可能會檢測到侵入的受限空間體積的步驟(g2)可包括如下至少一個步驟(g2』)以預定掃描率重新掃描；以及(g2」)以不同掃描率重新掃描。以非斬波模式穿越FOV的步驟(b2)可產生帶有峰值的輸出信號，從而峰值的移動指示FOV中熱源的移動。以斬波模式穿越FOV的步驟(b3)可產生帶有多個峰值的輸出信號，從而至少一個多個峰值的振幅移動指示FOV中熱源的移動。
在圍繞FOV的空間體積中檢測侵入的方法中，其中侵入是圍繞FOV的空間體積中的氣體或蒸汽，方法包括如下步驟(a)定位微型機電系統(MEMS)反射鏡陣列以便反射IR檢測器的有效元件相關的被校準的紅外(IR)能量束，部分被校準的光束被IR窄帶通濾波器過濾，部分被校準的光束被IR寬帶通濾波器過濾，IR能量源被布置在MEMS反射鏡陣列相關的空氣路徑末端；(b)以預定掃描率通過IR窄帶通濾波器和IR窄帶檢測器測量在空氣路徑末端的IR熱源的IR能量；(c)以預定掃描率通過IR窄帶通濾波器和IR窄帶檢測器測量MEMS反射鏡陣列中已知基準溫度的點的溫度；(d)以預定掃描率通過IR寬帶通濾波器和IR寬帶檢測器測量空氣路徑末端的所述IR熱源的IR能量；(e)以預定掃描率通過IR寬帶通濾波器和IR寬帶檢測器測量MEMS反射鏡陣列中已知基準溫度的點的溫度；(f)測量被檢測器和寬帶濾波器接收的IR能量束。步驟(c)以預定掃描率通過IR窄帶通濾波器和IR窄帶檢測器測量MEMS反射鏡陣列中已知基準溫度的點的溫度以及(d)以預定掃描率通過IR寬帶通濾波器和IR寬帶檢測器測量空氣路徑中IR熱源的能量各可包括如下步驟(b1)聚焦IR能量束；(b2)過濾IR能量束；(b3)通過MEMS反射鏡陣列將IR能量束反射到檢測器上；(b4)藉助檢測器檢測IR能量束；(b5)將IR能量束轉換成輸出信號；(b6)放大輸出信號；(b7)將輸出信號從模擬轉換成數字；以及(b8)在通告檢測之前通過處理器處理輸出信號。輸出信號可以是電、磁、光、聲、氣和液壓中的一種。方法還可包括如下步驟(b9)控制MEMS反射鏡陣列以便通過掃描測量所有反射鏡陣列元件。方法還可包括如下步驟(g)確定所有反射鏡陣列元件是否已被測量；(h1)如果否，重複步驟(b)到(f)；(h2)如果是，存儲視場的掃描；(i)處理掃描結果；(j)基於掃描結果在給定時間周期內通過檢測被具有窄帶濾波器的檢測器接收的IR能量束相對被具有寬帶濾波器的檢測器接收的IR能量束的比率變化確定氣體或蒸汽是否已被檢測；(k1)如果是，通告報警；(k2)如果不確定，返回步驟(b)到(f)通過重新掃描其中可能會檢測到氣體或蒸汽的空氣路徑測量溫度，以及(k3)如果否，返回步驟(b)到(f)。步驟(j)可通過步驟(j』)在給定時間周期內計算窄帶檢測器的輸出信號的瞬時峰值相對寬帶檢測器的輸出信號的瞬時峰值的比率被實現。步驟(j)可通過步驟(j」)在給定時間周期內計算窄帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值的平均值相對寬帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值的平均值的比率被實現。步驟(j)可通過步驟(j)在給定時間周期內將窄帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值相對寬帶IR檢測器的瞬時峰值的比率求平均被實現。在所有情況中，在給定時間周期內值顯著小於1的比率出現指示空氣路徑中的氣體或蒸汽的濃度並且在給定時間周期內值接近1的比率出現指示IR輸出和環境光中至少一個的移動以便使窄帶和寬帶IR檢測器能夠自校準。被計算的比率大小與氣體或蒸汽存在的濃度成比例。步驟(b)到(f)測量IR能量和溫度可包括如下至少一個步驟(b1』)指示信號控制器調整所述MEMS反射鏡陣列的至少一個反射鏡的角度；以及(b1」)指示信號控制器調整MEMS反射鏡以便在IR能量源和IR基準溫度的測量之後以斬波模式從一個聚焦元件轉換成另一個。指示信號控制器調整至少一個反射鏡元件的角度的步驟(b1』)可通過轉換角度位置實現。調整角度的步驟(b3)可包括如下步驟(b4)改變所述MEMS反射鏡陣列的所述至少一個元件的控制信號。改變所述MEMS反射鏡陣列的所述至少一個元件的控制信號的步驟(b2)引起所述MEMS反射鏡陣列的至少一個反射鏡元件的運動，控制信號可以是電、磁、光、聲、氣和液壓中的一種，所述改變電控制信號的步驟(b2)可通過熱膨脹和靜電力中至少一個引起運動。聚焦元件可包括(a)透鏡元件以及(b)反射鏡聚焦元件的至少一個。重新掃描其中可能會檢測到氣體或蒸汽的空氣路徑的步驟(k2)包括如下至少一個步驟(k2』)以預定掃描率重新掃描；以及(k2」)以不同掃描率重新掃描。
在備選配置中，本發明涉及第一和第二實施例的空間安全設備，其中所述檢測器組件還包括觀察口並且所述MEMS反射鏡陣列的所述反射鏡元件被布置在檢測器組件中。該反射鏡元件是設置成行列形式的起始和結束位置反射鏡元件。所述起始和結束位置反射鏡元件的所有行和列可被定向到起始和結束位置從而所有所述反射鏡元件可觀看所述檢測器組件外殼內部。或者至少部分所述起始和結束位置反射鏡元件的所述行和列可被定向到起始和結束位置從而至少部分所述反射鏡元件可觀看所述檢測器組件外殼外部。
檢測空間體積中侵入的方法還可包括布置在帶有IR濾波器窗口用於觀看所述檢測器組件外殼外部的檢測器組件外殼中的是起始和結束位置反射鏡元件的所述反射鏡元件，所述方法包括如下步驟定向所述反射鏡元件的所有行和列到起始和結束位置以便觀看所述檢測器組件外殼內部。檢測空間體積中侵入的方法或者可包括如下步驟至少定向所述反射鏡元件的部分行和列到起始和結束位置以便觀看所述檢測器組件外殼外部。
通過參考下面的文本和附圖，本發明的這些以及其它特徵、權益和優勢將會變得清晰，其中相似的附圖標記指代的跨越視圖的相似結構，其中 圖1A描述了從底部觀看的現有技術紅外傳感器的平面圖。
圖1B描述了沿著圖1A中現有技術紅外傳感器的剖面線1B-1B的剖面圖。
圖1C描述了沿著圖1A中現有技術紅外傳感器的剖面線1C-1C的剖面圖。
圖2是圖1A-1C中現有技術紅外傳感器的等距視圖。
圖3是安裝在封裝中的圖1A-1C中現有技術紅外傳感器的橫斷面正視圖。
圖4A是本發明圖1A-1C中現有技術傳感器的IR束曝光模式的平面圖。
圖4B是圖1A-1C中現有技術傳感器的IR束曝光模式的正視圖。
圖5是現有技術IR傳感器檢測系統的框圖。
圖6A描述了本發明基於MEMS的紅外傳感器的平面圖。
圖6B描述了沿著圖6A中基於MEMS的紅外傳感器的剖面線6B-6B的剖面圖。
圖6C描述了沿著圖6A中基於MEMS的紅外傳感器的剖面線6C-6C的剖面圖。
圖7是圖6A-6C中現有技術紅外傳感器的等距視圖。
圖8是安裝在封裝中的圖6A-6C中基於MEMS的紅外傳感器的橫斷面正視圖。
圖9描述了本發明的MEMS反射鏡傳感器元件的一種類型。
圖10A描述了本發明的曲面反射鏡的有限元當量的平面圖二維表示。
圖10B描述了本發明的曲面反射鏡的有限元當量的側視圖二維表示。
圖10C是平面反射鏡的有限元模擬的平面圖。
圖10D是圖10C中平面反射鏡的有限元模擬的側視圖。
圖11A是本發明基於MEMS的IR傳感器檢測系統的一方面的框圖。
圖11A-1描述了FOV中IR區域的增量掃描。
圖11A-2描述了FOV中IR區域的離散的、有限的掃描。
圖11B是本發明基於MEMS的IR傳感器檢測系統的第二方面的框圖。
圖12是本發明基於MEMS的IR傳感器檢測系統的區域覆蓋模式的側視圖。
圖13是本發明操作基於MEMS的IR傳感器檢測系統的步驟的方法圖。
圖13A是本發明操作基於MEMS的IR傳感器檢測系統的第一備選方法的方法圖。
圖13B是本發明操作基於MEMS的IR傳感器檢測系統的第二備選方法的方法圖。
圖14描述了本發明的第三實施例，其中基於MEMS的IR檢測器組件被設置以檢測氣體或蒸汽。
圖15A描述了設計用於檢測氣體或蒸汽的圖14中紅外傳感器檢測器組件的橫斷面正視圖。
圖15B描述了設計用於檢測氣體或蒸汽的圖15A中紅外傳感器檢測器組件變化的橫斷面正視圖。
圖16描述了基於MEMS的IR檢測器組件的平面圖，它封裝了用於氣體檢測的窄帶和寬帶檢測器兩者。
圖16A是沿著圖16中的剖面線16A-16A的剖面圖。
圖16B是沿著圖16中的剖面線16B-16B的剖面圖。
圖16C是沿著圖16中的剖面線16C-16C的剖面圖。
圖16D是圖16中檢測器組件的透視圖。
圖16E是圖16D中檢測器組件的剖面圖。
圖16A1描述了用於圖13和13A中方法的跨越FOV的非斬波掃描。
圖16A2描述了用於圖13和13A中方法的跨越FOV的斬波掃描。
圖16B1描述了用於圖13和13B中方法的用於接通/切斷透鏡元件的非斬波掃描。
圖16B2描述了用於圖13和13B中方法的用於接通/切斷透鏡元件的斬波掃描。
圖16B2』描述了圖16B2的局部細節。
圖17描述了用於圖13和13B中氣體檢測方法的斬波掃描。
圖18-1描述了用於圖16A1和16B1中非斬波掃描的電信號輸出。
圖18-2描述了用於圖16A2和16B2中斬波掃描的電信號輸出。
圖19描述了用於圖17中氣體檢測斬波掃描的電信號輸出。
圖20描述了用於圖19中氣體檢測斬波掃描的IR吸收峰。
圖20A描述了被窄帶和寬帶檢測器兩者檢測的信號電平以及氣體出現時窄帶信號電平相對寬帶信號電平的比率。
圖20B描述了IR源輸出或環境IR噪音電平變化引起的被窄帶和寬帶檢測器兩者檢測的信號電平。
圖21A描述了結合圖9中MEMS反射鏡元件的MEMS反射鏡陣列的平面圖。
圖21B-1描述了非啟動位置的MEMS反射鏡元件。
圖21B-2描述了啟動位置的MEMS反射鏡元件。
圖21C描述了用於僅有起始和結束位置的MEMS設備的IR射線跡。
圖22描述了圖16A1中無源IR傳感器的非斬波(掃描)模式的模型模擬的實際電輸出。
具體實施例方式本發明涉及監控圍繞視場的空間體積的空間安全設備。本發明使用多軸MEMS陣列來重定向被保護空間的FOV中的IR能量束。這有效地掃描了場所中的IR籤名。被掃描的IR籤名被存儲在存儲器中並與後繼掃描進行比較從而獲得IR籤名改變。處理算法確定被掃描的IR籤名的改變是否與侵入的運動的籤名相一致。當籤名中適當的改變被檢測則將通告報警。這解決了上面描述的問題，因為傳感器可確定FOV中IR能量正在改變的地方並且因此傳感器可監控FOV中IR能量的運動。虛警源可通過監控輸出信號的大小和寬度被過濾以便確定變化源的大小和形狀。在處理算法中引起虛警的區域可從掃描中忽略或給定較小重要性。
此外，被保護空間不需要因為系統工作而被照亮。侵入可以是空間體積中出現例如機器人機車和包括液體或氣體或蒸汽的生物或非生物引發的效應。因此，該系統還可用於檢測任意氣體或蒸汽，包括但不限於有害的、有毒的、易爆的或易燃的蒸汽或氣體如一氧化碳(CO)、揮發性有機化合物(VOC)、氫氣(H2)、氣態烴如甲烷(CH4)和丙烷(C2H6)或其它有益的或無毒的氣體如氧氣(O2)或二氧化碳(CO2)。檢測通過添加以特定氣體IR吸收頻率為中心的IR窄帶通濾波器到光學路徑上並且比較FOV的IR吸收與基準信號被實現。基準信號通過使用MEMS陣列作為在FOV和IR基準之間轉換的IR斬波器獲得。帶有寬帶濾波器的第二檢測器如用於運動檢測的檢測器可被用於自校準系統。
圖1A描述了顯示檢測器外殼基座102底部的現有技術紅外傳感器檢測器組件100的平面圖，它一般包括三個連接管腳1、2和3。光束106指向傳感器100。那些本領域的技術人員將會意識到儘管圖1A描述了單一元件，但雙元件、四元件檢測器也可被使用。
圖1B是沿著圖1A中現有技術紅外傳感器檢測器組件100的剖面線1B-1B的剖面圖。檢測器外殼基座102由連接管腳1、2和3形成，它通常個數為3。光束或光束組106穿透檢測器外殼蓋110中的紅外濾波窗口108。光束106被檢測器元件或元件組112感測，它被安裝在隔片116上用於熱隔離然後電耦合到陶瓷襯底114。從光束或光束組106收集到的IR能量被檢測器元件或元件組112轉換成電信號，它被陶瓷襯底114上的場效應電晶體(FET)和其它組件調節。
圖1C描述了沿著圖1A中現有技術紅外傳感器檢測器組件100的剖面線1C-1C的剖面圖。基本上顯示的相同的組件如圖1B所描述，但是在更接近對應於用於操作的安裝配置的方向上。
圖2是圖1A-1C中現有技術紅外傳感器檢測器組件100的等距視圖。剖面圖顯示光束或光束組106被檢測器元件112接收。再一次，基本上顯示了如圖1B所描述的相同部件。
圖3是安裝在封裝200中的圖1A-1C中現有技術紅外傳感器檢測器組件100的橫斷面正視圖。封裝200包括封裝基座202，封裝蓋204連接它以形成封裝200。封裝蓋204包括聚焦元件或元件組206。檢測器組件100被安裝在印刷電路板(PCB)組件220上並以一定角度位於封裝200中從而通過聚焦元件或元件組206接收光信號束或束組106。圖3顯示了透鏡或透鏡組光系統。那些本領域的技術人員將會意識到反射的光系統可被用作備選方案。
圖4A是圖1A-1C中現有技術傳感器檢測器組件100的IR束曝光模式的平面圖。圖4B是圖1A-1C中現有技術傳感器檢測器組件100的IR束曝光模式的正視或側視圖。帶有檢測器組件100的封裝200被安裝在壁410上並且高出房間的地板或地面420或室外區域以便檢測由壁410和地板或地面420形成的空間體積中的侵入。來自各有效區的IR能量被聚焦到IR檢測器元件112上作為靜態模式，其中高於地面420的束組B1到束組B2、B3、B4、B5並在光束B6終止的第一層被同時接收。束組的第二層同時落在地面以接收束組B7、B8和B9從而檢測侵入430。在該示例中，兩層共有9個光束6個長光束和3個短光束。光束組B1到B9的總和形成視場(FOV)440。FOV 440被光束的外邊界限制，在該示例中光束是B1到B9。
圖5是設置在檢測系統中的現有技術IR傳感器檢測器組件100的框圖。濾波元件108被包括在圖1A-1C和2的檢測器組件100中。聚焦元件206被包括在圖3的封裝200中。來自FOV的IR光束106穿透聚焦元件206和濾波元件108，其中光束被將IR束能量轉換成電信號的IR檢測器元件(組)112接收。然後電信號被調節並被放大器502放大並被有足夠解析度504的A/D轉換器從模擬轉換到數字。然後信號被轉給處理器506，其中信號可被存儲在存儲器508中並被應用閾值檢測算法。如果合適，激活報警器510的信號可被產生。如前所述的無源紅外(IR)傳感器檢測器組件100通過測量侵入者引起的溫度梯度檢測移動在它的視場(FOV)440中的侵入者。傳感器的FOV 440通過透鏡系統的光學特性被固定和確定。FOV 440再劃分為靜態有效區和非有效區；侵入者從有效區到非有效區的運動被檢測為報警。來自各有效區的IR能量被聚焦到IR檢測器上並且IR檢測器不能確定哪個有效區正在收集能量。該設置的至少一個問題是區域或區域組中其它熱源也可被檢測為報警信號。
圖6A描述了顯示檢測器外殼基座102底部的本發明基於MEMS的紅外傳感器檢測器組件600的平面圖，它通常包括三個連接管腳1、2和3。光束106指向傳感器組件600。
圖6B是沿著圖6A中紅外傳感器檢測器組件600的剖面線6B-6B的剖面圖。圖6C描述了沿著圖6A中紅外傳感器檢測器組件600的剖面線6C-6C的剖面圖。檢測器外殼基座102由連接管腳1、2、3和4形成，它通常數目為4，一個用於電源，一個用於接地，一個用於檢測器輸出信號，以及一個用於MEMS控制信號。本文中輸出信號和控制信號被公開為電的，但信號一般可以是電磁，即電或磁或光，或者可以是其它類型，例如但不限於聲、氣和液壓。電源通常由通用安全系統供應，它通常包括基於MEMS的紅外傳感器檢測器組件600。光束或光束組106穿透檢測器外殼蓋110中的紅外濾波窗口108。現在光束106首先被MEMS反射鏡陣列604反射，優先於被安裝在並電耦合到陶瓷襯底614上的檢測器元件或元件組112感測。由光束或光束組106提供的檢測信號信息被檢測器元件或元件組112發送從而被陶瓷襯底614處理。由光束或光束組106收集到的IR能量被檢測器元件或元件組112轉換成電信號，它被FET和陶瓷襯底614上的其它組件調節並放大。由於MEMS反射鏡陣列604的小尺寸，通常不需要分開的電源供應。輸出信號被公開為電的但信號一般可以是電磁的，即電或磁或光，或其它機械類型如聲或流體壓如氣或液。氣體不限於空氣但包括任意合適的氣體如氮氣。液體不限於水但包括油或其它液體。
圖6C顯示如圖6B所述的基本上相同的組件，但在更接近對應於用於操作的安裝配置方向上。此外，光束或光束組106被顯示從MEMS反射鏡陣列604被反射為光束606，它指向檢測器元件112。檢測器元件或元件組112藉助支架616被安裝在並電耦合到陶瓷襯底614上。
圖7是圖6A-6C中紅外傳感器檢測器組件600的等距視圖。剖面圖顯示光束或光束組106首先被MEMS反射鏡陣列604反射，優先於被檢測器元件或元件組112感測為反射光束606。再次，基本上顯示如圖6B所述的相同的組件。
圖8是安裝在封裝700中的圖6A-6C中紅外傳感器檢測器組件600的橫斷面正視圖。封裝700包括封裝基座702，封裝蓋704連接它以形成封裝700。封裝蓋704包括用於定位聚焦元件或元件組706的觀察口705。檢測器組件600被安裝在印刷電路板(PCB)或電路組件720上，並且現在以一定角度位於封裝700中從而MEMS反射鏡陣列604通過聚焦元件或元件組706首先接收光信號束或束組106。然後光信號束或束組被反射為到檢測器元件112的光束606。
為實現透鏡監督即檢測封裝700或檢測器組件600的任意未授權的損害或退化，IR源802可位於封裝蓋704外合適的位置以便當包括聚焦元件706的封裝700和檢測器組件600處於正常配置時提供已知基準信號。圖8顯示透鏡或透鏡組光系統。反射的光系統可被使用但並未描述，因為本領域技術人員可意識到備選方案可被使用。
圖9顯示MEMS反射鏡陣列604的MEMS反射鏡片段的元件900的一種類型。反射鏡元件900通常包括有效反射鏡區域902。有效反射鏡區域902藉助旋轉彈簧904耦合到支架結構908以便提供一個旋轉軸並耦合到另一組旋轉彈簧906以提供第二旋轉軸。在該配置中，反射鏡元件900可被認為具有如圖所示的非啟動或開始位置以及啟動或終止位置(未示出)，其中有效反射鏡區域902可被旋轉到旋轉彈簧904和906所允許的角度限。這樣的起始和結束MEMS反射鏡陣列提供用於製造MEMS反射鏡陣列的較低花費的手段。在更複雜的版本中，有效反射鏡元件902可被旋轉到旋轉彈簧904-906所允許的角度限的任意中間位置。
對於IR檢測器組件112，有效元件是檢測器材料表面上已被變黑以允許IR吸收的區域。在MEMS反射鏡陣列元件900上，有效區902是選擇性被鍍成IR反射表面的區域。圍繞反射鏡陣列元件的用於支架結構908、旋轉彈簧904或906或其它機制以允許移動和控制機制的剩餘區域是非有效區或非IR反射表面。
圖10A顯示了使用MEMS反射鏡陣列604的曲面反射鏡的有限元當量的二維表示。在該示例中，反射鏡元件被顯示為中心元件1000和四個相鄰元件1000A、1000B、1000C和1000D。近似成像平面橫向出現在中心元件1000的光軸上。包括中心元件1000和四個相鄰反射鏡元件1000A、1000B、1000C和1000D的多軸MEMS反射鏡陣列604被安排在靠近IR檢測器112的有效元件處。被啟動的元件是那些旋轉或者相反改變位置的反射鏡元件，即1000A、1000B、1000C和1000D是被啟動的元件同時反射鏡元件1000是固定的並因此是非啟動的。反射鏡陣列604收集來自反射鏡元件1000、1004和1004A-1004D的FOV的遠場中的IR源的IR能量606F。來自遠場中的IR源的IR能量606F被IR濾波器108過濾。在圖10A中，來自遠場中的IR源的IR能量606F起源於一定位置從而IR能量606F被中心元件1000和四個相鄰元件1000A、1000B、1000C和1000D反射到點尺寸為SC的IR檢測器112的有效元件的斑點620C上作為IR能量束606R。中心元件1000和四個相鄰元件1000A、1000B、1000C和1000D被定位從而元件組合的焦點622出現在IR檢測器112外但在IR濾波器108前(顯示在IR濾波器前但可出現在另一邊)。焦點622由垂直(法線)於中心元件1000和四個相鄰元件1000A、1000B、1000C和1000D的線624的交點確定。曲面反射鏡元件的焦距為直徑30mm或更小，同時IR源606在有限的距離有效即在距離通常為2.4米(8英尺)或更遠的遠場中。MEMS反射鏡陣列元件604的光軸與IR感測檢測器元件112的光軸之間的角ΦA、ΦB、ΦC和ΦD規定了FOV中區域的布局。通過改變反射鏡陣列604中每個平面元件1000A、1000B、1000C和1000D的角αA、αB、αC和αD，曲面反射鏡的有限元當量可被創建以表示中心元件1000和四個相鄰啟動元件1000A、1000B、1000C和1000D的寬度變化，有效地表示了區域尺寸的改變。中心元件1000和四個相鄰被啟動的元件1000A、1000B、1000C和1000D實際上是二維N×M陣列中的一部分。
圖10B描述了包括反射鏡元件1000和四個相鄰元件1000A、1000B、1000C和1000D的模擬曲面反射鏡的側視圖。舉例來說，四個旋轉元件1000A到1000D以不同的角度βA到βD旋轉以便聚焦從中心元件1000和旋轉元件1000A到1000D反射到檢測器112的有效元件的斑點620C上作為光束606R的光束606F。在商業可獲得的MEMS反射鏡的一些類型中，所有元件一致旋轉是可能的。元件可各自以相同的角度β或不同的角度旋轉以便將光束606R反射到檢測器元件112上。在商業可獲得的MEMS反射鏡的其它類型中，例如，所有元件中僅2×2陣列的四分之一可一致運動。在圖10A和10B中，二維N×M陣列被表示為如5×1陣列。那些本領域的技術人員將會意識到根據預定的應用任意不同的陣列維度可被應用。
圖10C是平面反射鏡的有限元模擬的平面圖。再一次，中心元件1000和相鄰元件1000A到1000D被定位以便反射來自遠場中的IR源的IR能量606F。然而在該配置中，IR能量606F被中心元件1000和相鄰元件1000A到1000D的平面配置反射至帶有點尺寸為SF的分布點620F的檢測器112。圖10D是圖10C中平面反射鏡的有限元模擬的側視圖。正如所預計的，在圖10C和10D兩者的平面反射鏡配置中沒有焦點。
圖11A是安排在檢測系統中基於MEMS的IR傳感器檢測器組件600的框圖。濾波元件108被包括在圖6A-6C和7中的檢測器組件600中。聚焦元件706被包括在圖8的封裝700中。MEMS反射鏡陣列604通過聚焦元件或元件組706首先接收光信號束或束組106。然後光信號束或束組被反射為光束606給將IR能量轉換成電信號的檢測器元件112。既然電信號僅在50微安範圍內，必需有高解析度的A/D轉換器或放大器1102。信號利用A/D轉換器1104從模擬轉換成數字。然後信號被轉交給處理器1106，其中信號可被存儲在存儲器1108中並且算法可被應用。由處理器1106處理之後，來自存儲器1108的信號可被產生用於控制器1110的不同操作模式以便通過控制器1110調整MEMS反射鏡陣列元件900的方向。如果適當，啟動報警器1112的信號可被產生。放大器1102、A/D轉換器1104、處理器1106、存儲器1108和控制器1110通常是印刷電路板或電路組件720的一部分。
特別是，微處理器1106發送信號給控制器1110以便改變MEMS反射鏡陣列604的元件電壓V。改變該電壓V產生例如被熱膨脹或靜電力加熱的電阻，並移動反射鏡陣列元件900。控制器1110可實現多個不同的操作模式。在其中IR基準源1114被忽略並且IR能量檢測僅被限於FOV 400的非斬波模式中，可能有兩個子模式。在第一子模式中，電壓變化以增加的、交疊的步幅在FOV 440中改變反射鏡元件900的方向。元件900通過以連續掃描的增量步幅穿越FOV 440接收光束106。角度αA、αB、αC和αD發生改變並且相應地反射鏡陣列604和IR檢測器元件112之間的角度ΦA、ΦB、ΦC和ΦD也發生改變。第一子模式在圖11A-1中被描述，其中FOV 440中的IR區域1150以連續的方式增量的步幅被掃描。在第一子模式中，電輸出信號被產生為FOV 440的目標的卷積，然後它被IR濾波器108整形。
在如圖11A-2所述非斬波第一操作模式的第二子模式中，元件900通過以離散的、非連續的步幅穿越FOV 440中的IR區域1150接收光束106即IR能量。再一次，電輸出信號被產生為FOV的目標的卷積，然後它被IR濾波器整形。
用於移動反射鏡陣列元件的其它裝置包括如通過靜電力應用的平移以便以線性或非線性的方式移動元件。
再次參考圖11A，在第二操作模式中，基準信號Sr通過使用MEMS陣列604作為在FOV 440和IR基準1114之間轉換的IR斬波器被獲取。同樣地，微處理器或處理控制器1106和控制器1110可移動FOV中的IR區域並使用基準來計算目標溫度。
通過提供信號給控制器1110，微處理器1106將電壓V步進給反射鏡陣列604，記錄區域中的IR能量，然後步進電壓V以便移動FOV 440中的區域一定的增量。由IR檢測器112產生的電信號現在是帶有DC偏置的AC信號。
如前所述，圖11A-1中描述的第一子模式可被應用到斬波操作模式從而IR區域1150以連續的方式按增量的步幅被掃描。在第一子模式中，電輸出信號現在被產生為帶有DC偏置的AC信號。
相似地，如圖11B所述第二子模式可被應用到斬波操作模式從而元件900通過以離散的、非連續的步幅穿越FOV 440中IR區域1150接收光束106即IR能量。再一次，電輸出信號被產生為帶有DC偏置的AC信號。
對於圖11A中實施例的第一和第二操作模式兩者，過程是重複的，從左至右，從上到下，直到整個FOV被掃描。一旦整個FOV被掃描，則過程被重複並且新的IR掃描與先前的掃描進行比較。IR掃描被分析用於大小和位置的變化。與侵入者運動相一致的改變通告為報警信號。
如前所述，透鏡監督還可被實現以便通過驗證從IR源802到處理器1106的基準信號檢測檢測器組件600的損害或退化。
圖11B是本發明基於MEMS的IR傳感器檢測系統的第二實施例的框圖。該第二方面基本上與圖11A描述的第一實施例相同，除了控制器1110被控制器1116替代。那些本領域的技術人員將會意識到控制器1110和1116的功能可被結合以通過單個控制器被實現。
在第一操作模式中，它是非斬波操作模式，替代使用控制器1110通過電壓變化調整角度，MEMS反射鏡陣列將IR能量束指向多個聚焦元件706中的一個表示FOV 440中感興趣區域。然後處理器1106發信號給控制器1116以調整MEMS反射鏡陣列604從而以離散的、有限的步幅從一個多個聚焦元件706轉換到另一個。聚焦元件706可包括透鏡元件，如透鏡組或反射鏡聚焦元件。
如前所述，非斬波操作子模式或者可被實現，其中FOV440中的IR區域1150如圖11A-1所述以連續的方式增量的步幅被掃描。在該子模式中，再一次電輸出信號是FOV 440的目標卷積，它然後被IR濾波器108整形。
在如圖11A-2所述非斬波操作模式的第二子模式中，元件900通過以離散的、非連續的步幅穿越FOV 440中的IR區域1150接收光束106即IR能量。再一次，電輸出信號是FOV 440的目標卷積，然後它被IR濾波器108整形。
在第二操作模式中，它是斬波操作模式，替代使用控制器1110通過電壓變化調整角度，處理器1106發信號給控制器1116以調整MEMS反射鏡陣列604從而在多個聚焦元件706到另一個聚焦元件706之間進行轉換。聚焦元件706可包括透鏡元件如透鏡組或反射鏡聚焦元件。控制器1116調整MEMS反射鏡陣列604以便以離散的、有限的步幅在多個聚焦元件706到另一個聚焦元件之間轉換。
既然第二操作模式是斬波操作模式，再一次基準信號SR通過使用MEMS陣列604作為在FOV 440和IR基準1114之間轉換的IR斬波器被獲得。同樣地，微處理器或處理控制器1106和控制器1116可步進FOV 440中的IR區域。
在圖11A或圖11B的實施例的第一和第二操作模式兩者中，過程被重複，從左至右，從上到下，直到整個FOV被掃描。一旦整個FOV被掃描，則過程被重複並且新的IR掃描與先前的掃描進行比較以便確定侵入者的出現。IR掃描被分析用於大小和位置的變化。與侵入者運動相一致的變化通告為報警信號。轉換操作模式如進行非斬波或斬波或改變掃描率的能力還可提高虛警抗擾度。
如前所述，透鏡監督還被實現以便通過處理器1106驗證來自封裝802外部的IR源的基準信號來對檢測檢測器組件600的損害或退化。
圖12是圖6A-6C中檢測器組件600的IR束曝光模式的正視圖或側視圖。檢測器組件600被顯示為安裝在封裝700中電路組件720上。封裝700被安裝在壁410上從而接收以地板420為邊界的空間體積發射的光束或光束組106的IR能量。帶有檢測器組件600的封裝700被安裝在壁410上高於房間的地板或地面420或外部區域以便檢測由壁410和地板或地面420形成的空間體積中的侵入者。來自光束106的IR能量掃過FOV 440從而整個FOV 440被覆蓋。
帶有檢測器組件600的封裝700被安裝在圖4B中壁410上並高於房間的地板或地面420或外部區域以便檢測由壁410和地板或地面420形成的空間體積中的侵入者430。掃描信號106以角度γ被分隔以便檢測侵入者430。垂直線和電路組件之間的角度θ一般是30°到45°。
圖13是本發明操作基於MEMS的無源IR傳感器檢測器組件600的步驟的方法圖。更具體地說，步驟S1300指示定位關於IR檢測器組件600的有效元件的MEMS反射鏡604。步驟S1302以預定掃描率指示收集來自視場(FOV)的第i部分的IR能量。步驟S1302通過執行圖13A和圖13B中分別描述的步驟S1302A或S1302B被實現。步驟1302A指示啟動本發明的第一實施例的MEMS反射鏡604以穿越IR檢測器組件600的FOV 440。步驟1302A通過執行步驟S1302A1或步驟S1302A2被實現。那些本領域的技術人員將會意識到收集IR能量的步驟S1302固有地包括如下步驟聚焦IR能量束，過濾IR能量束，利用MEMS反射鏡陣列將IR能量束反射到檢測器上，利用檢測器裝置檢測IR能量束，將IR能量束轉換成電信號，放大電信號，將電信號從模擬轉換成數字，優先於通告檢測利用處理器裝置處理電信號，並在存儲器中存儲結果。方法還可包括控制MEMS反射鏡陣列以掃描或穿越視場440的步驟。所有前述方法步驟類似於圖11A和11B中公開的設備功能。
步驟S1302A1指示以非斬波模式穿越FOV 440，它是通過執行指示以增加的、交疊的步幅穿越FOV 440的IR區域1150的步驟1302A1』或執行指示以離散的、有限的步幅穿越FOV 440的IR區域1150的步驟S1302A1」來完成的。
或者步驟S1302A2指示以斬波模式中穿越FOV 440，它是通過執行指示以增加的、重疊的步幅穿越FOV 440的IR區域1150的步驟1302A2』或執行指示以離散的、有限的步幅穿越FOV 440的IR區域1150的步驟S1302A2」來完成的。
在圖13B中，本發明的第二實施例的備選步驟S1302B指示信號控制器1116調整MEMS反射鏡604以轉換到另一個聚焦元件706從而穿越IR檢測器組件600的FOV 440。步驟S1302B通過執行步驟S1302B1或步驟S1302B2被實現。
步驟S1302B1指示以非斬波模式在穿越FOV 440期間轉換到另一個聚焦元件706，它是通過執行指示以增加的、重疊的步幅穿越FOV 440的IR區域1150的步驟1302B1』或執行指示以離散的、有限的步幅穿越FOV 440的IR區域1150的步驟S1302B1」來完成的。
或者步驟S1302B2指示以斬波模式在穿越FOV 440期間轉換到另一個聚焦元件706，它是通過執行指示以增加的、重疊的步幅穿越FOV 440的IR區域1150的步驟1302B2』或執行指示以離散的、有限的步幅穿越FOV 440的IR區域1150的步驟S1302B2」來完成的。
一旦步驟S1302通過分別或結合執行步驟S1302A或步驟S1302B被完成，則步驟S1304指示確定FOV 440中所有IR區域1150是否已被測量。如果否，則過程返回步驟S1302。如果是，則步驟S1306指示存儲掃描。步驟S1308指示處理結果並確定侵入者430是否已被檢測。如果否，過程返回步驟S1302。如果是，步驟S1310指示通告報警。如果不確定，步驟S1310』指示重新掃描其中侵入者被懷疑的受限場所區域並確定侵入者是否實際上已被檢測。如果是，通告報警的步驟S1310被執行。步驟S1310』的重新掃描過程可通過以預定比率重新掃描的步驟S1310』A或以不同掃描率重新掃描的步驟S1310』B被實現以便最小化發生虛警的機會。
如前所述，儘管一般旨在篩選小生物如寵物和孩子為侵入者，系統和方法還可被用於檢測處於它們的安全受到危害的位置的「侵入者」。在室內位置，這樣的位置包括爐子間、圍繞火爐或其它器具的廚房區域。系統和方法還可應用於室外位置如遊泳池。此外，系統和方法可用於檢測孩子、寵物和動物在機動車輛周圍的盲點處，如運動型多功能車輛(SUV)、迷你貨車、卡車、巴士(特別是學校巴士)或施工設備的後端或前端。
正如提到的，該系統還可被用於檢測帶有IR吸收特性的任意氣體或蒸汽，包括但不限於有害的、有毒的、易爆的或易燃的蒸汽或氣體如一氧化碳(CO)、揮發性有機化合物(VOC)、氫(H2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)或其它有益的或無毒的氣體如氧氣(O2)或二氧化碳(CO2)。它也可被用於檢測火焰。
圖14描述了本發明的第三實施例，其中IR檢測器組件1400被安排以檢測氣體或蒸汽。第三實施例與圖11A中所示的相同，除了提供潛在氣體或蒸汽樣本的環境空氣路徑或IR吸收路徑1410被定位在校準透鏡1414和聚焦元件之間或透鏡1416IR即熱量能量基準源1412被定位在校準透鏡1414後面。校準透鏡1414校準被IR基準源1412發射的IR能量束1420，優先於經過空氣路徑1410。IR檢測器組件1400與圖6A-6C、7和8中先前所示出的檢測器組件600相同，除了IR窄帶通濾波元件1408N附加提供給IR寬帶通濾波元件108W。IR窄帶通濾波元件1408N和IR寬帶通濾波元件108W都是平行放置的。
在操作過程中，來自IR能量源1412的IR能量指向IR窄帶通濾波元件1408N或IR寬帶通濾波元件108W或兩者。一旦出現自IR窄帶通濾波元件1408N，來自IR能量源1412的IR能量束順序指向MEMS反射鏡陣列604N、IR檢測器元件(元件組)112N、放大器1102N和A/D轉換器1104N，最後指向處理器1106/存儲器1108。相似地，一旦出現自IR寬帶通濾波元件1408W，來自IR能量源1412的IR能量束順序指向MEMS反射鏡陣列604W、IR檢測器元件(元件組)112W、放大器1102W和A/D轉換器1104W，最後指向處理器1106/存儲器1108。
如前，出現自A/D轉換器1104的信號通過算法被處理器1106/存儲器1108處理並且反饋信號通過控制器1110提供以調整MEMS反射鏡604N或604W或兩者。在一種操作方式中，控制器1110調整MEMS反射鏡陣列604N和604W之一或兩者中至少一個反射鏡元件900的角度。在備選操作方式中，控制器轉換MEMS反射鏡陣列604N和604W之一或兩者的角度位置。改變反射鏡元件900的電壓利用熱膨脹和靜電力中至少一個引起運動。然而在另一操作方式中，控制器1110可啟動MEMS反射鏡陣列604N和604W之一或兩者以便以斬波模式在被聚焦透鏡1416聚焦的IR源1412和IR基準1114之間轉換。IR基準1114繞過校準透鏡1414、空氣吸收路徑1410和聚焦透鏡1416，並將基準信號SR直接供給寬帶IR濾波器108W和窄帶IR濾波器1408N。隨著窄帶通濾波元件1408N被添加到被檢測器組件1400檢測的光學路徑中，檢測通過比較出現在FOV 440中的任意氣體或蒸汽與基準信號SR的IR吸收特性以IR斬波模式被實現。基準信號SR通過使用MEMS反射鏡陣列1400作為在FOV 440和IR基準114之間轉換的IR斬波器被獲得。正如提到的，IR源1412發射寬帶信號。窄帶IR濾波器1408N限制給定氣體感興趣部分的光譜。
圖15A描述了安裝在封裝1500中設計用於檢測氣體或蒸汽的紅外傳感器檢測器組件1400的橫斷面正視圖。封裝1500最好是按形式「C」以使環境空氣路徑1410能被放置在IR(熱)能量源1412和窄帶通濾波元件1408之間。既然外殼1500形式最好是「C」，則應有兩個相反的支柱1502和1504。支柱1502有表面1502a，它面向支柱1504的表面1504a。IR源1412被安裝在其中一個支柱如示出的1502的內部區域中。基於MEMS的IR檢測器1400被顯示安裝在相反的支柱1504的內部區域中。校準透鏡1414被放置以穿透表面1502a同時聚焦透鏡1416被放置以穿透表面1504a。IR源1412因此發射被透鏡1414校準的非校準光束1420並出現自透鏡1414作為被校準的光束1422。環境空氣吸收路徑1410包括任意被檢測的潛在氣體或蒸汽樣本。被校準的光束1422經過環境光吸收路徑1410並經過任意氣體或蒸汽樣本。然後被校準的光束1422穿透聚焦透鏡1416並通過基於MEMS的IR檢測器組件1400的窄帶通濾波器1408N繼續前進，在那裡它被MEMS反射鏡陣列反射並以前面所述關於檢測器組件600的相同的方式被反射到檢測器元件上。檢測器組件1400被安裝在印刷電路板1520上，它包括邏輯電路和數據存儲器，數據是關於被檢測器組件1400檢測的感興趣的氣體或蒸汽的IR光譜吸收特性。系統利用第二檢測器和寬帶IR濾波器進行自校準，正如第一實施例中被使用的那樣以補償如IR源和環境光強度的變化。該情況中的FOV受限於由被校準的光束1422限定的IR區域。
IR熱源1412在空氣(吸收)路徑1410的光學路徑1524的末端1524A並且IR熱源1412的溫度在IR熱源1412和側壁1502附近被測量。光學路徑1524包括校準透鏡1414、空氣(吸收)路徑1410、聚焦透鏡1416、濾波窗口108W和1408N、MEMS反射鏡陣列604N和604W以及檢測器元件(元件組)112N和112W。已知溫度的點的溫度在光學路徑1524的末端1524B被測量。光學路徑1524的鄰近端包括檢測器外殼1500的側壁1504、MEMS陣列604N和604W以及檢測器元件(元件組)112N和112W。
當窄帶SNB相對寬帶SWB檢測信號的比率SNB/SWB被檢測到減少時，它指示感興趣的氣體或蒸汽的存在，一系列測量可被採取以最小化虛警的發生。一旦感興趣的氣體或蒸汽被明確的識別，則報警1112以與侵入者檢測相關的相同的方式被通告。
事實上，穿越FOV用於氣體檢測是一般性的。FOV上僅一個點需要被關注。穿越FOV要求一個大的IR源或多個IR源。在該情況中，外殼1500將被分成兩部分一部分用於IR源(源組)1412以及一部分用於檢測器1412。
圖15B是本發明的第三實施例的變化的橫斷面正視圖，其中寬帶元件即寬帶IR濾波器108W、MEMS反射鏡604W、IR檢測器112W、放大器1102W以及A/D轉換器1104W都被封入或連接到離散的基於MEMS的IR寬帶檢測器1400W，同時窄帶元件即窄帶IR濾波器108N、MEMS反射鏡604N、IR檢測器112N、放大器1102N都被封入或連接到離散的基於MEMS的IR窄帶檢測器1400N。兩個檢測器1400W和1400N以距離d被隔開，它被最小化以縮減被校準的IR束需要被聚焦到的區域。備選方案是製造一個檢測器外殼，它包括窄帶IR和寬帶IR元件兩者並在中間用隔離物把它們隔開從而最小化在兩個檢測器1400W和1400N之間的反射和/或幹擾。
圖16描述了裝入了窄帶和寬帶檢測器兩者用於氣體檢測的基於MEMS的IR檢測器組件1600的平面圖。圖16A是沿著剖面線16A-16A的剖面圖。圖16B是沿著剖面線16B-16B的剖面圖。圖16C是沿著剖面線16C-16C的剖面圖。檢測器組件1600包括5個管腳1、2、3、4和5一個用於電源、一個用於接地、一個用於發送來自窄帶檢測器部分1602N的信號、一個用於發送來自寬帶檢測器部分1602W的信號，以及一個用於MEMS控制信號。圖16D是檢測器組件1600的透視圖。圖16E是檢測器組件1600的剖面圖。分隔物1604可用於將窄帶IR檢測器部分1602N和寬帶IR檢測器部分1602W合併至一個檢測器外殼1610中。分隔物1604被包括在檢測器組件1600內部從而將寬帶元件即寬帶IR濾波器108W、MEMS反射鏡604W、IR檢測器112W、放大器1102W以及A/D轉換器和窄帶元件即窄帶IR濾波器1408N、MEMS反射鏡604N、IR檢測器112N、放大器1102N以及A/D轉換器1104N隔開。分隔的目的是縮減兩節檢測器1400之間的反射和/或幹擾。檢測器1400通常使用寬帶濾波器108W被封；窄帶濾波器1408N被放置在寬帶濾波器108W的上面或下面，如圖16E所示。那些本領域的技術人員將會意識到外殼1610的直徑或周長一般大於圖6A-6C和7中所示的實施例並且是檢測器的窄帶和寬帶部分的光學和物理大小的函數。
圖16A1描述了對應於圖13A中步驟S1302A1的通過以非斬波模式穿越FOV 440用於檢測侵入者的掃描輸出的示例。x軸表示以秒為單位的時間。y軸表示反射鏡的角度α1，圖4A中的Φ。應該指出圖4A中所示的平面圖當它用於現有技術時與本發明一樣。熱電檢測器160是變化率或二次檢測器。因此當溫度變化被檢測到時信號被產生。恆定溫度的空間不產生電信號。假設晶體是陽性極化，則被劃分成3個溫度「0」、「+1」和「-1」的場所在0到+1之間躍遷時產生正信號並在+1和-1之間躍遷時產生兩倍幅值的負信號。產生的信號的寬度是檢測器靈敏度、掃描率或系統以及光束形狀的函數。圖16A1顯示系統的指向角α1和以秒為單位的花費的持續時間t。實際的電信號是執行的掃描的類型和場所的IR特性的函數。該討論也應用到下面的圖16A2、16B1和16B2。應該指出圖16A1、圖16A2、16B1和16B2是水平移動的平面表示。有多個垂直層，通常是3。
圖16A2描述了對應於圖13A中步驟S1302A2的通過以斬波模式穿越FOV 440用於檢測侵入者的掃描輸出的示例。x軸表示以秒為單位的時間。y軸表示在圖4A中FOVΦ中的角α1。
圖16B1描述了對應於圖13B中步驟S1302B1的以非斬波模式通過接通/切斷透鏡元件用於檢測侵入者的掃描輸出的示例。x軸表示以秒為單位的時間。左邊的y軸表示圖4A中FOVΦ中的角度α1。特別是，右邊的y軸表示多個聚焦元件A1...AN，其中在該示例中N＝7並且各自對應FOV中角α1的角範圍。多個聚焦元件對應於圖8中的聚焦元件(元件組)706。
圖16B2描述了對應於圖13B中步驟S1302B2的以斬波模式通過從一個透鏡元件轉換到另一個用於檢測侵入的掃描輸出的示例。x軸表示以秒為單位的時間。左邊的y軸表示圖4A中FOVΦ中的角度α1並且特別是如前所述，右邊的y軸表示多個聚焦元件A1...AN。圖16B2』是從一個透鏡元件轉換到另一個的對應於圖16B2中斬波模式的放大的局部細節。駐留時間TD之後，是躍遷時間TT。
圖17描述了通過以斬波模式掃描空氣吸收路徑如FOV用於檢測氣體或蒸汽的掃描輸出的示例，如對應於根據圖13A2的步驟S1302A2以斬波模式的圖14和15中的氣體檢測設備的使用。x軸表示以秒為單位的時間。y軸表示系統的FOV。空氣或吸收路徑1410指向IR熱源1412以及熱源、IR基準1114的視野外的位置，從而通過在IR源1412和場所溫度之間交替提供輻射對比。
換句話說，氣體檢測機制在兩點測量IR能量在空氣(吸收)路徑1410另一邊的IR熱源1412的IR能量以及在已知溫度點即基於MEMS的IR檢測器1400的側壁中的IR基準1114的IR能量。圖17表示FOV的IR能量電平，而檢測器1400的輸出在圖19中被描述，它稍後將被討論。特別是，該情況下的FOV通過在IR源1412和IR基準1112之間轉換而實施。既然當感興趣的氣體出現時窄帶檢測器的輸出減少大約30-40％並且當感興趣的氣體出現時寬帶檢測器的輸出減少1-4％，則窄帶信號相對寬帶信號的比率遠不如噪音(環境光、IR源變化)波動靈敏，並且表示了空氣路徑1410中感興趣的氣體或蒸汽存在的更有力的證據。
本發明的第三實施例的操作氣體或蒸汽檢測系統的方法可相似的分別實現步驟S1302A或以步驟S1302A2或S1302B2的以斬波模式的S1302B。那些本領域的技術人員將會意識到收集IR能量的步驟S1302A或S1302B固有地包括如下步驟聚焦IR能量束、過濾IR能量束、通過MEMS反射鏡陣列將IR能量束反射到檢測器上、藉助檢測器檢測IR能量束、將IR能量束轉換成電信號、放大電信號、將電信號從模擬轉換成數字，並在通告檢測之前藉助處理器處理電信號。此外，方法可包括控制MEMS反射鏡陣列的步驟。所有前述方法步驟與圖14中公開的設備功能是相似的。
然而，氣體檢測方法不包括掃描FOV的步驟。相反地，方法包括測量在空氣(吸收)路徑1410另一邊的IR熱源1412的IR能量的步驟以及在已知溫度點即基於MEMS的IR檢測器1400的側壁中的IR基準1114的IR能量的步驟。各IR能量通過窄帶IR濾波器1408和窄帶IR檢測器112N並通過寬帶IR濾波器108和寬帶IR檢測器112W被測量。通過測量被具有窄帶濾波器112N的檢測器接收的IR能量束氣體檢測步驟得以發生。此外，通過測量被具有寬帶濾波器112W的檢測器接收的IR能量束校準檢測系統步驟得以發生。
圖18-1描述了相對FOV的檢測器輸出的示例，如比較兩個非斬波模式的掃描1和2用於對應於圖16A1或16B1的侵入檢測系統。掃描1和掃描2之間的比較顯示電信號的峰P在FOV中已從左移動到右。信號峰P的移動指示場所中熱源的移動，潛在的提供用於通告報警信號的根據。
圖18-2描述了相對FOV的以毫伏mv為單位的電信號輸出的示例，如比較兩個斬波模式的掃描1和2用於對應於圖16A2或16B2的侵入檢測系統。電信號振幅之間的差異±ΔA導致峰信號從+P1到+P8以及從-P1到-P8。在掃描1和2之間的比較中，峰值±P1到±P2的檢測到相同振幅±ΔA指示熱源在場所的存在但不是熱源的移動。峰±P3到±P6的振幅變化指示熱源在場所中的移動，潛在的提供用於通告報警信號的根據。曲線的形狀是近似的。實際的輸出依賴於斬波率以及檢測器的響應度。響應度是檢測器時間常量的測量。
圖19描述了相對FOV即空氣路徑的檢測器輸出的示例，如比較兩個斬波模式的掃描1和2用於對應於圖17的氣體檢測系統。掃描1包括窄帶檢測器掃描輸出1N和寬帶檢測器掃描輸出1W兩者。相似地，掃描2包括窄帶檢測器掃描輸出2N和寬帶檢測器掃描輸出2W兩者。窄帶掃描1N和2N都包括峰±P10到±P30，而寬帶掃描1W和2W各包括峰±P100到±P300。
窄帶掃描1N和2N的電信號的峰±P10到±P30的振幅的大差異+ΔAN指示感興趣的氣體或蒸汽的存在。振幅的差異大小指示氣體或蒸汽存在的百分率。相應地，由於感興趣的氣體或蒸汽存在，寬帶掃描1W和2W的電信號的峰±P100到±P300的振幅±ΔAW僅出現小的差異。
圖20描述了用於圖19中氣體檢測的感興趣的氣體的典型IR吸收光譜。在窄帶濾波器限制LN內吸收峰PN1被觀察作為感興趣的氣體或蒸汽被檢測的結果。相應地，在寬帶濾波器限制LW內一個或更多吸收峰PN1和PN2被觀察。圖中描述了兩個峰。吸收峰PN1和PN2是光譜中的偏移。寬帶濾波器的帶寬被選擇從而氣體的存在不顯著影響IR源產生的信號。
圖20A是表示在氣體存在時分別由窄帶和寬帶IR檢測器112N和112W產生的輸出信號的圖表。x軸表示氣體存在的百分比濃度，指定為CG。y軸表示由寬帶檢測器112W產生的輸出信號SWB的百分比。由窄帶檢測器112N產生的輸出信號SNB被顯示為由寬帶檢測器112W產生的信號SWB的50％。事實上，由於窄帶濾波器窗口1408N的IR能量的顯著量的吸收，SNB將更接近於百分之一。IR能量吸收的該減少被補償用於窄帶信號SNB的放大電路中額外的增益。在該示例中，對於氣體的20％濃度，空氣路徑中的CG，來自窄帶的輸出信號SNB減少大約40％，而來自寬帶的輸出信號SWB減少大約4％。感興趣的實際值是窄帶相對於寬帶輸出信號的比率SNB/SWB。該比率SNB/SWB與空氣路徑中存在的氣體或蒸汽的濃度直接成比例。
窄帶相對寬帶輸出信號的比率SNB/SWB可被處理器1106以多種方式計算。通常該比率SNB/SWB通過在給定時間周期內比較瞬間窄帶峰值的平均值與瞬間寬帶峰值的平均值進行計算。或者該比率SNB/SWB可通過在給定時間周期內將基於瞬間窄帶峰值相對瞬間寬帶峰值的比率SNB/SWB求平均進行計算。該比率SNB/SWB還可基於未平均的瞬時峰值進行計算。計算比率的不同方法被認為依賴於具體應用所要求的響應度。例如相對工業環境，家庭環境中的應用要求更高的氣體存在的響應度。
標準化的信號比率SNB/SWB被提供從而所有的數據可在一個圖表中顯示。通常信號比率SNB/SWB通過一個或更多閾值特徵化。顯著小於1的信號比率SNB/SWB表示氣體或蒸汽的存在。警告閾值TALERT指示可能的問題並且警告閾值TALARM指示突發事件。例如甲烷氣體的LEL(爆炸下限)即引發爆炸所需的氣體百分比TLEL是將近4％。較低的百分比將僅引起火焰。因此，LEL的20％的警告閾值TALERT或者CG＝0.8％的氣體以及LEL的50％的警告閾值TALARM或CG＝2％的氣體將是合理的。閾值的實際值依賴於應用的需要。同樣地，對於一氧化碳，危險級別通過氣體的PPM(百萬分率)確定。再一次限制依賴於應用，其中商業環境中的允許級別將會高於居住或教育環境中的那些允許級別。
圖20B是表示在氣體存在中分別由窄帶和寬帶IR檢測器112N和112W產生的輸出信號SNB和SWB的圖表，如受到來自IR能量源1412的輸出變化的影響。用於計算比率SNB/SWB的基礎與前面相對圖20A討論的一樣。處理器1106計算比率SNB/SWB用於相對由IR源1412或環境光強度變化引起的到達濾波器窗口108W和1408N的上表面的IR能量的變化進行自校準。例如IR源1412的輸出功率的10％的減少將被轉變成分別來自窄帶和寬帶檢測器112N和112W的10％的較低信號SNB和SWB。然而，來自兩個檢測器的信號SNB/SWB的比率並不顯著的變化。因此，處理器1106可通過觀察比率SNB/SWB有多接近1分別監控和自校準窄帶和寬帶檢測器112N和112W。
圖21A描述了MEMS反射鏡陣列2100的平面圖，它包括安排在行2112k和列2214l的單個反射鏡元件2110j。在給出的示例中，元件2110j的3×3排列形成組2118n的5×5陣列中的3×3組2116m。因此，MEMS反射鏡陣列2100是15×15陣列。
如前關於圖9所述，MEMS反射鏡一般以兩種不同的模式操作。在第一模式中，MEMS反射鏡陣列2100操作反射鏡元件2110j，它以類似於機械繼電器的操作方式操作在起始和結束位置之間。即在第一模式中，起始和結束位置是固定的，並且MEMS反射鏡陣列2100處於非啟動或啟動模式。一旦控制信號被應用，則MEMS反射鏡有效元件快速移至末端或終端。在第二模式中，MEMS反射鏡2100使用跨越角度調整的平滑轉換進行操作，或者一系列角度步幅可被實施。運動的範圍還受限於特定的角度比方說+20到0度。該運動範圍提供40度的視場FOV 440。
圖21B-1描述了擊中非啟動單個MEMS反射鏡元件2110j的有效區的IR射線2120如何被反射為角度為η的射線2122。在給出的示例中，非啟動或最初位置中ηi＝40°。
圖21B-2描述了擊中當前被啟動的單個MEMS反射鏡元件2110j的有效區的IR射線2120如何被反射為角度為η的射線2122，其中在給出的示例中，非啟動或最終位置中為ηf＝80°。就是說，元件2110j從它在圖21B-1中非啟動的位置到它在圖21B-2中的啟動位置的角度移動(ηf-ηi)發生了兩次，即MEMS反射鏡元件的20°角度移動提供了從最初角ηi＝40°到最終角ηf＝80°的40度的反射束移動。
圖21C描述了用於MEMS反射鏡設備的IR射線蹤跡，它包括每個都能夠僅操作在起始和結束和結束位置之間的元件。通過在任意給定時間僅操作部分起始和結束反射鏡陣列2100，離散的步幅可使用MEMS反射鏡設備被創建，該MEMS反射鏡設備包括反射鏡元件2102a到2102f，它們僅能夠在起始和結束位置之間被啟動。檢測器組件600的實際方位與圖12中所示的一樣。在示例(a)中，有效元件2102a和2102b的行處於+20°位置並且元件2102c到2102f的四行處於0°位置，沒有任何元件通過檢測器外殼蓋110的外部埠705觀察。在(e)中，反射鏡元件2102a到2102c的三行被移動至+20°位置，有光束從法線14°處指向檢測器外殼蓋110並來自元件2102c，因此通過IR濾波器窗口108觀看檢測器外殼蓋110外部。檢測器組件600中用於IR濾波器窗口108的開口事實上是光場闌。在(f)中，第三行2102c返回0°位置並且第四行2102d被移動到+20°位置，有光束從法線19°處指向檢測器外殼蓋110並來自元件行2102d。為了清晰，IR濾波器108沒有在檢測器外殼蓋110中給出。
圖22描述了來自圖16A1中描述的本發明的無源IR傳感器的斬波(或模擬掃描)掃描的模型模擬的實際電輸出。
如可從前面討論中意識到的，有四種操作模式用於運動檢測(1)模擬掃描或非斬波掃描的MEMS反射鏡陣列的大量步幅或持續運動；(2)有限數目的離散步幅，其中每個透鏡元件一次評估一個；(3)帶有MEMS反射鏡陣列的大量步幅或持續運動的斬波掃描；(4)帶有有限數目的離散步幅的斬波掃描。
因此，圖22表示來自第一操作模式的掃描輸出。
本文中參考特定實施例已對本發明進行描述。在不背離本發明的範圍前提下，某些轉換和修改對本領域技術人員是顯而易見的。實施例旨在描述，並不限制由附屬權利要求規定的本發明的範圍。
權利要求
1.一種用於檢測圍繞視場(FOV)的空間體積中侵入的空間安全設備，其中所述侵入是圍繞所述FOV的所述空間體積中的氣體或蒸汽，其中所述FOV包括發射IR能量束的紅外(IR)能量基準源；來自所述空間體積的提供待檢測的潛在氣體或蒸汽樣本的空氣路徑並且所述IR能量束經過它；在所述IR能量源和所述空氣路徑之間用於校準被所述IR能量基準源發射的所述IR能量束的校準透鏡；以及用於聚焦來自所述空氣路徑的被校準的IR能量束的聚焦元件；所述空間安全設備還包括用於過濾被校準的IR能量束的窄帶通濾波元件，所述IR能量束在經過所述窄帶濾波元件之前經過所述空氣路徑；用於反射來自所述窄帶通濾波器的窄帶IR能量束的微型機電系統(MEMS)反射鏡陣列；用於檢測被所述MEMS陣列反射的窄帶IR能量束中的變化並將所述窄帶IR能量束轉換成輸出信號的IR能量檢測器；用於放大來自所述窄帶檢測器的輸出信號的放大器；用於將來自所述窄帶檢測器的輸出信號從模擬轉換成數字的模數轉換器；用於處理來自所述窄帶檢測器的輸出信號的處理器；用於存儲來自所述窄帶檢測器的輸出信號的存儲器；用於過濾被校準的IR能量束的寬帶通濾波元件，所述IR能量束在經過所述寬帶濾波元件之前經過所述空氣路徑；用於反射來自所述寬帶通濾波器的寬帶IR能量束的微型機電系統(MEMS)反射鏡陣列；用於檢測被所述MEMS陣列反射的寬帶IR能量束並將所述寬帶IR能量束轉換成輸出信號的IR能量檢測器，所述IR能量檢測器用於檢測所述寬帶IR能量束；用於放大來自所述寬帶檢測器的輸出信號的放大器；用於將來自所述寬帶檢測器的輸出信號從模擬轉換成數字的模數轉換器；用於處理來自所述寬帶檢測器的輸出信號的處理器；用於存儲來自所述寬帶檢測器的輸出信號的存儲器；通過在所述IR源和IR基準之間轉換所述MEMS反射鏡陣列能使基準信號被獲得的所述IR基準；用於調整所述MEMS反射鏡陣列的至少一個反射鏡元件的角度的控制器；以及響應對應於從所述窄帶檢測器接收的IR能量束中的變化的輸出信號中的變化而用於通告氣體或蒸汽檢測的報警器。
2.權利要求1中的所述空間安全設備，其中所述輸出信號是電、磁、光、聲、氣和液壓中的一種。
3.權利要求1中的所述空間安全設備，其中所述控制器通過改變至所述MEMS反射鏡陣列的所述至少一個反射鏡元件的控制信號調整角度。
4.權利要求3中的所述空間安全設備，其中所述輸出信號是電、磁、光、聲、氣和液壓中的一種。
5.權利要求3中的所述空間安全設備，其中所述控制信號是電的並且所述控制器改變至所述MEMS反射鏡陣列的電壓或電流以引起所述MEMS反射鏡陣列的至少一個反射鏡元件的運動。
6.權利要求5中的所述空間安全設備，由此所述改變電壓或電流通過熱膨脹和靜電力中至少一個引起運動。
7.權利要求1中的所述空間安全設備，其中所述控制器通過以斬波模式穿越FOV啟動所述MEMS反射鏡陣列以穿越所述IR檢測設備的FOV。
8.權利要求7中的所述空間安全設備，由此所述以斬波模式穿越FOV通過以增加的、交疊的步幅穿越所述FOV被實現。
9.權利要求7中的所述空間安全設備，由此所述以斬波模式穿越FOV通過以離散的、有限的步幅穿越所述FOV被實現。
10.權利要求7中的所述空間安全設備，還包括提供基準值用於檢測所述空間安全設備損害和退化中至少一個的IR源。
11.權利要求1中的所述空間安全設備，其中所述MEMS反射鏡陣列包括每個都能夠旋轉以模擬曲面反射鏡的有限元表示的反射鏡元件。
12.權利要求1中的所述空間安全設備，其中所述MEMS反射鏡陣列包括配置成模擬平面反射鏡的有限元表示的反射鏡元件。
13.權利要求1中的所述空間安全設備，其中檢測器組件包括所述窄帶濾波元件和所述寬帶濾波元件的至少一個；布置在陶瓷襯底上的所述窄帶MEMS反射鏡陣列和所述寬帶MEMS反射鏡陣列的至少一個；以及布置以檢測被所述MEMS陣列反射的所述IR束的所述窄帶IR能量束檢測器和所述寬帶IR能量束檢測器的至少一個。
14.權利要求13中的所述空間安全設備，其中所述檢測器組件包括所述窄帶濾波元件和所述寬帶濾波元件兩者；以及其中分隔物將所述窄帶濾波元件與所述寬帶濾波元件隔開。
15.權利要求13中的所述空間安全設備，其中所述檢測器組件包括所述窄帶MEMS反射鏡陣列和所述寬帶MEMS反射鏡陣列兩者；並且其中分隔物將所述窄帶MEMS反射鏡陣列與所述寬帶MEMS反射鏡陣列隔開。
16.權利要求13中的所述空間安全設備，其中所述檢測器組件包括所述窄帶IR能量束檢測器和所述寬帶IR能量束檢測器兩者；以及其中分隔物將所述窄帶IR能量束檢測器與所述寬帶IR能量束檢測器隔開。
17.權利要求13中的所述空間安全設備，其中所述檢測器組件還包括檢測器組件外殼，封裝了所述窄帶IR濾波元件和所述寬帶IR濾波元件的至少一個；布置在陶瓷襯底上的所述窄帶MEMS反射鏡陣列和所述寬帶MEMS反射鏡陣列的至少一個；布置以檢測被所述MEMS陣列反射的所述IR束的所述窄帶IR能量束檢測器和所述寬帶IR能量束檢測器的至少一個；以及用於耦合到所述檢測器組件外殼的檢測器組件外殼基座。
18.權利要求17中的所述空間安全設備，其中所述檢測器組件外殼基座還包括至少五個用於耦合到印刷電路板的管腳。
19.權利要求18中的所述空間安全設備，其中一個所述管腳接收電源，一個所述管腳接地，一個所述管腳發送來自所述窄帶IR檢測器的信號，一個所述管腳發送來自所述寬帶IR檢測器的信號，以及一個所述管腳提供MEMS控制信號。
20.權利要求13中的所述空間安全設備，其中所述檢測器組件耦合到印刷電路板。
21.權利要求20中的所述空間安全設備，其中所述印刷電路板包括至少一個用於放大所述輸出信號的所述放大器；至少一個用於轉換來自所述檢測器的輸出信號的所述模數轉換器；用於處理輸出信號的所述處理器；存儲輸出信號的所述存儲器；用於調整所述MEMS反射鏡陣列的至少一個反射鏡元件的角度的所述控制器；以及用於通告氣體或蒸汽檢測的所述報警器。
22.權利要求21中的所述空間安全設備，其中所述印刷電路板和所述檢測器組件被布置在封裝外殼中並且布置在耦合到所述封裝外殼的封裝基座上從而所述檢測器組件中的所述至少一個MEMS反射鏡陣列可通過所述封裝外殼中的窗口接收所述IR能量束。
23.權利要求21中的所述空間安全設備，其中所述檢測器組件被布置在所述印刷電路板上從而所述檢測器組件中的所述至少一個MEMS反射鏡陣列平行於所述印刷電路板並且所述印刷電路板被布置在相對所述封裝基座約30°到45°的角度處。
24.權利要求22中的所述空間安全設備，其中所述窗口包括用於聚焦所述IR能量束的聚焦元件。
25.權利要求22中的所述空間安全設備，其中所述封裝外殼還包括布置在靠近所述窗口處的IR源從而所述MEMS反射鏡陣列可接收來自所述IR源的IR能量並將它反射到所述IR檢測器元件上。
26.權利要求25中的所述空間安全設備，其中所述IR源提供基準值用於檢測所述空間安全設備損害和退化中至少一個。
27.權利要求1中的所述空間安全設備，包括如下至少一個其中被所述窄帶濾波器過濾的輸出信號包括多個峰值從而所述多個窄帶峰值中的至少一個指示表示IR吸收的空氣路徑中的氣體或蒸汽的濃度，以及其中被所述寬帶濾波器過濾的輸出信號包括多個峰值從而所述多個寬帶峰值中的至少一個的振幅移動指示所述IR源的所述輸出功率的移動。
28.權利要求27中的所述空間安全設備，其中所述處理器在給定時間周期內計算所述窄帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值相對所述寬帶檢測器的輸出信號的瞬時峰值的比率。
29.權利要求28中的所述空間安全設備，其中在給定時間周期內值顯著小於1的峰值的所述比率出現指示所述空氣路徑中氣體或蒸汽的濃度，並且在給定時間周期內值接近1的峰值的所述比率指示IR輸出和環境光中至少一個的移動以便使所述窄帶和寬帶IR檢測器能夠自校準。
30.權利要求27中的所述空間安全設備，其中所述處理器在給定時間周期內計算所述窄帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值的平均值相對所述寬帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值的平均值的比率。
31.權利要求30中的所述空間安全設備，其中在給定時間周期內值顯著小於1的瞬時峰值的平均值的所述比率出現指示所述空氣路徑中氣體或蒸汽的濃度，並且值接近1的峰值的平均值的所述比率指示IR輸出和環境光中至少一個的移動以便使所述窄帶和寬帶IR檢測器能夠自校準。
32.權利要求27中的所述空間安全設備，其中所述處理器在給定時間周期內將所述窄帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值相對所述寬帶檢測器的輸出信號的瞬時峰值的比率求平均。
33.權利要求32中的所述空間安全設備，其中在給定時間周期內值顯著小於1的平均比率的出現指示所述空氣路徑中氣體或蒸汽的濃度，並且在給定時間周期內值接近1的所述平均比率指示IR輸出和環境光中至少一個的移動以便使所述窄帶和寬帶IR檢測器能夠自校準。
34.權利要求1中的所述空間安全設備，其中用於調整所述MEMS反射鏡陣列的至少一個反射鏡元件的角度的所述控制器轉換所述至少一個反射鏡元件的角度位置。
35.一種用於檢測圍繞視場(FOV)的空間體積中侵入的空間安全設備，其中所述侵入是圍繞所述FOV中的所述空間體積中的氣體或蒸汽，其中所述FOV包括發射IR能量束的紅外(IR)能量基準源；來自所述空間體積的提供待檢測的潛在氣體或蒸汽樣本的空氣路徑並且所述IR能量束經過它；以及在所述IR能量源和所述空氣路徑之間用於校準被所述IR能量基準源發射的所述IR能量束的校準透鏡；以及用於聚焦來自所述空氣路徑的被校準的IR能量束的多個聚焦元件；所述空間安全設備還包括用於過濾被校準的IR能量束的窄帶通濾波元件，所述IR能量束在經過所述窄帶濾波元件之前經過所述空氣路徑；用於反射來自所述窄帶通濾波器的所述窄帶IR能量束的微型機電系統(MEMS)；用於檢測被所述MEMS陣列反射的所述窄帶IR能量束的減少並將所述窄帶IR能量束轉換成輸出信號的IR能量檢測器；用於放大來自所述窄帶檢測器的輸出信號的放大器；用於將來自所述窄帶檢測器的輸出信號從模擬轉換成數字的模數轉換器；用於處理來自所述窄帶檢測器的輸出信號的處理器；用於存儲來自所述窄帶檢測器的輸出信號的存儲器；用於過濾被校準的IR能量束的寬帶通濾波元件，所述IR能量束在經過所述寬帶濾波元件之前經過所述空氣路徑；用於反射來自所述寬帶通濾波器的所述寬帶IR能量束的微型機電系統(MEMS)；用於檢測被所述MEMS陣列反射的所述寬帶IR能量束並將所述寬帶IR能量束轉換成輸出信號的IR能量檢測器，所述IR能量檢測器用於檢測所述寬帶IR能量束；用於放大來自所述寬帶檢測器的輸出信號的放大器；用於將來自所述寬帶檢測器的輸出信號從模擬轉換成數字的模數轉換器；用於處理來自所述寬帶檢測器的輸出信號的處理器；用於存儲來自所述寬帶檢測器的輸出信號的存儲器；通過在所述IR源和IR基準之間轉換所述MEMS反射鏡陣列能使基準信號被獲得的所述IR基準；用於通過交替在所述IR源和所述IR基準之間以斬波模式在聚焦元件之間轉換而調整所述MEMS陣列的控制器；以及用於響應從所述窄帶檢測器接收的輸出信號變化而通告氣體或蒸汽檢測的報警器。
36.權利要求35中的所述空間安全設備，其中所述聚焦元件是(a)透鏡元件和(b)反射鏡聚焦元件中的至少一個。
37.權利要求36中的所述空間安全設備，其中所述輸出信號是電、磁、光、聲、氣和液壓中的一種。
38.權利要求37中的所述空間安全設備，其中所述控制器通過以斬波模式穿越所述FOV啟動所述MEMS反射鏡陣列以穿越所述IR檢測系統的視場(FOV)。
39.權利要求38中的所述空間安全設備，其中所述控制器控制所述MEMS陣列以便以增加的、交疊的步幅在聚焦元件之間轉換。
40.權利要求38中的所述空間安全設備，其中所述控制器控制所述MEMS陣列以便以離散的、有限的步幅在聚焦元件之間轉換。
41.權利要求35中的所述空間安全設備，還包括提供基準值用於檢測所述空間安全系統的損害和退化中至少一個的IR源。
42.權利要求35中的所述空間安全設備，其中所述MEMS反射鏡陣列包括每個都能夠旋轉以便模擬曲面反射鏡的有限元表示的反射鏡元件。
43.權利要求35中的所述空間安全設備，其中所述MEMS反射鏡陣列包括配置成模擬平面反射鏡的有限元表示的反射鏡元件。
44.權利要求35中的所述空間安全設備，其中檢測器組件包括所述濾波元件；布置在陶瓷襯底上的所述MEMS反射鏡陣列；以及布置以檢測被所述MEMS陣列反射的所述IR束的所述IR能量束檢測器。
45.權利要求44中的所述空間安全設備，其中所述檢測器組件還包括封裝了所述窄帶濾波元件和所述寬帶濾波元件的至少一個的檢測器組件外殼；布置在陶瓷襯底上的所述窄帶和寬帶MEMS反射鏡陣列的至少一個；以及布置以檢測被所述MEMS陣列反射的所述IR束的所述窄帶IR能量束檢測器和所述寬帶IR能量束檢測器的至少一個；以及用於耦合到所述檢測器組件外殼的檢測器組件外殼基座。
46.權利要求45中的所述空間安全設備，其中所述檢測器組件還包括所述窄帶濾波元件和所述寬帶濾波元件兩者；其中分隔物將所述窄帶濾波元件與所述寬帶濾波元件隔開。
47.權利要求45中的所述空間安全設備，其中所述檢測器組件包括所述窄帶MEMS反射鏡陣列和所述寬帶MEMS反射鏡陣列兩者；並且其中分隔物將所述窄帶MEMS反射鏡陣列與所述寬帶MEMS反射鏡陣列隔開。
48.權利要求45中的所述空間安全設備，其中所述檢測器組件包括所述窄帶IR能量束檢測器以及所述寬帶IR能量束檢測器；以及其中分隔物將所述窄帶IR能量束檢測器與所述寬帶IR能量束檢測器隔開。
49.權利要求45中的所述空間安全設備，其中所述檢測器組件外殼基座還包括至少五個用於耦合到印刷電路板的管腳。
50.權利要求49中的所述空間安全設備，其中一個所述管腳接收電源，一個所述管腳接地，一個所述管腳發送來自所述窄帶IR檢測器的信號，一個所述管腳發送來自所述寬帶IR檢測器的信號，並且一個所述管腳提供MEMS控制信號。
51.權利要求44中的所述空間安全設備，其中所述檢測器組件耦合到印刷電路板。
52.權利要求39中的所述空間安全設備，其中所述印刷電路板包括至少一個用於放大輸出信號的所述放大器；至少一個用於轉換來自所述檢測器的輸出信號的所述模數轉換器。用於處理輸出信號的所述處理器；用於存儲輸出信號的所述存儲器；用於通過交替在所述IR源和所述IR基準之間以斬波模式在聚焦元件之間轉換而調整所述MEMS陣列的所述控制器；以及用於通告氣體或蒸汽檢測的所述報警器。
53.權利要求52中的所述空間安全設備，其中所述印刷電路板和所述檢測器組件被布置在封裝外殼中並且布置在耦合到所述封裝外殼的封裝基座上從而所述檢測器組件中的所述至少一個MEMS反射鏡陣列可通過所述封裝外殼中的窗口接收所述IR能量束。
54.權利要求53中的所述空間安全設備，其中所述檢測器組件被布置在所述印刷電路板上從而所述檢測器組件中的所述至少一個MEMS反射鏡陣列平行於所述印刷電路板並且所述印刷電路板被布置在相對所述封裝基座約30°到45°的角度處。
55.權利要求53中的所述空間安全設備，其中所述窗口包括用於聚焦所述IR能量束的聚焦元件。
56.權利要求53中的所述空間安全設備，其中所述封裝外殼還包括布置在靠近所述窗口處的IR源從而所述至少一個MEMS反射鏡陣列可接收來自所述IR源的IR能量並將它反射到所述IR檢測器元件上，所述IR源提供基準值用於檢測所述空間安全設備的損害和退化中至少一個。
57.權利要求35中的所述空間安全設備包括如下至少一個其中被所述窄帶濾波器過濾的輸出信號包括多個峰值從而所述多個窄帶峰值中至少一個的振幅移動指示表示IR吸收的所述空氣路徑中的氣體或蒸汽的存在，並且其中被所述寬帶濾波器過濾的輸出信號包括多個峰值從而所述多個寬帶峰值中至少一個的振幅移動指示所述IR源的所述輸出功率的移動。
58.權利要求57中的所述空間安全設備，其中所述處理器在給定時間周期內計算所述窄帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值相對所述寬帶檢測器的輸出信號的瞬時峰值的比率。
59.權利要求58中的所述空間安全設備，其中在給定時間周期內值顯著小於1的峰值的所述比率出現指示所述空氣路徑中氣體或蒸汽的存在並且在給定時間周期內值接近1的峰值的所述比率指示IR輸出和環境光中至少一個的移動以便使所述窄帶和寬帶IR檢測器能夠自校準。
60.權利要求57中的所述空間安全設備，其中所述處理器在給定時間周期內計算所述窄帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值的平均值相對所述寬帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值的平均值的比率。
61.權利要求60中的所述空間安全設備，其中在給定時間周期內值顯著小於1的瞬時峰值的平均值的所述比率出現指示所述空氣路徑中氣體或蒸汽的出現並且值接近1的峰值的平均值的所述比率指示IR輸出和環境光中至少一個的移動以便使所述窄帶和寬帶IR檢測器能夠自校準。
62.權利要求57中的所述空間安全設備，其中所述處理器在給定時間周期內將所述窄帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值相對所述寬帶檢測器的輸出信號的瞬時峰值的比率求平均。
63.權利要求62中的所述空間安全設備，其中在給定時間周期內值顯著小於1的平均比率出現指示所述空氣路徑中氣體或蒸汽的出現並且在給定時間周期內值接近1的所述平均比率指示IR輸出和環境光中至少一個的移動以便使所述窄帶和寬帶IR檢測器能夠自校準。
64.一種檢測圍繞視場(FOV)的空間體積中侵入的方法，其中所述侵入是圍繞所述視場(FOV)中空氣路徑的所述空間體積中的氣體或蒸汽，所述方法包括如下步驟a)定位微型機電系統(MEMS)反射鏡陣列以便反射關於IR檢測器的有效元件的被校準的紅外(IR)能量束，部分所述被校準的光束被IR窄帶通濾波器過濾，部分所述被校準的光束被IR寬帶通濾波器過濾，IR能量源被布置在關於所述MEMS反射鏡陣列的所述空氣路徑的末端；b)以預定掃描率通過所述IR窄帶通濾波器和IR窄帶檢測器測量所述IR熱源在所述空氣路徑末端的所述IR能量；c)以預定掃描率通過所述IR窄帶通濾波器和IR窄帶檢測器測量所述MEMS反射鏡陣列中已知基準溫度的點的溫度；d)以預定掃描率通過所述IR寬帶通濾波器和IR寬帶檢測器測量所述IR熱源在所述空氣路徑末端的所述IR能量；e)以預定掃描率通過所述IR寬帶通濾波器和IR寬帶檢測器測量所述MEMS反射鏡陣列中已知基準溫度的點的溫度；以及f)通過測量被具有所述寬帶濾波器的檢測器接收的所述IR能量束校準所述檢測器系統。
65.根據權利要求64的所述方法，其中所述以預定掃描率通過所述IR窄帶通濾波器和IR窄帶檢測器測量所述MEMS反射鏡陣列中已知基準溫度的點的溫度的步驟(c)以及以預定掃描率通過所述IR寬帶通濾波器和所述IR寬帶檢測器測量IR熱源在所述空氣路徑中的所述能量的(d)各包括如下步驟(b』1)聚焦所述IR能量束；(b』2)過濾所述IR能量束；(b』3)通過MEMS反射鏡陣列將所述IR能量束反射到檢測器上；(b』4)藉助所述檢測器檢測所述IR能量束；(b』5)將所述IR能量束轉換成輸出信號；(b』6)放大所述輸出信號；(b』7)將所述輸出信號從模擬轉換成數字；以及(b』8)在通告檢測之前藉助處理器處理所述輸出信號；
66.權利要求65中的所述方法，其中所述輸出信號是電、磁、光、聲、氣和液壓中的一種。
67.權利要求65中的所述方法，其中步驟(c)和(d)還各包括如下步驟(b』9)控制所述MEMS反射鏡陣列以通過掃描測量所有反射鏡陣列元件。
68.根據權利要求67的所述方法，還包括如下步驟g)確定是否所有反射鏡陣列元件已被測量；h1)如果否，則重複步驟(b)到(f)；h2)如果是，則存儲所述視場的掃描；i)處理所述掃描結果；j)基於所述掃描結果通過在給定時間周期內檢測被具有所述窄帶濾波器的檢測器接收的所述IR能量束相對被具有所述寬帶濾波器的檢測器接收的IR能量束的比率中的變化來確定氣體或蒸汽是否已被檢測到；k1)如果是，通告報警；k2)如果不確定，返回通過重新掃描其中可能會檢測到所述氣體或蒸汽的所述空氣路徑來測量溫度的步驟(b)到(f)，以及k3)如果否，返回步驟(b)到(f)。
69.權利要求68中的所述方法，其中所述步驟(j)通過在給定時間周期內計算所述窄帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值相對所述寬帶檢測器的輸出信號的瞬時峰值的比率被實現。
70.權利要求69中的所述方法，其中在給定時間周期內值顯著小於1的峰值的所述比率出現指示所述空氣路徑中氣體或蒸汽的濃度並且在給定時間周期內值接近1的峰值的所述比率指示IR輸出和環境光中至少一個的移動以便使窄帶和寬帶IR檢測器能夠自校準。
71.權利要求68中的所述方法，其中所述步驟(j)通過(j」)在給定時間周期內計算所述窄帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值的平均值相對所述寬帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值的平均值的比率被實現。
72.權利要求71中的所述方法，其中在給定時間周期內值顯著小於1的瞬時峰值的平均值的所述比率出現指示所述空氣路徑中氣體或蒸汽的濃度，並且值接近1的峰值的平均值的所述比率指示IR輸出和環境光中至少一個的移動以便使所述窄帶和寬帶IR檢測器能夠自校準。
73.權利要求68中的所述方法，其中所述步驟(j)通過(j)在給定時間周期內將所述窄帶IR檢測器的輸出信號的瞬時峰值相對所述寬帶檢測器的輸出信號的瞬時峰值的比率求平均被實現。
74.權利要求73中的所述方法，其中在給定時間周期內值顯著小於1的平均比率出現指示所述空氣路徑中氣體或蒸汽的濃度並且在給定時間周期內值接近1的所述平均比率指示IR輸出和環境光中至少一個的移動以便使所述窄帶和寬帶IR檢測器能夠自校準。
75.根據權利要求68的所述方法，其中所述測量所述IR能量和溫度的步驟(b)到(f)包括如下至少一個步驟b1』)指示信號控制器調整所述MEMS反射鏡陣列的至少一個反射鏡元件的角度；以及b1」)指示信號控制器調整所述MEMS反射鏡以便在所述IR源的能量和所述IR基準的溫度的測量之後以斬波模式從一個聚焦元件轉換到另一個。
76.根據權利要求75的所述方法，其中所述指示信號控制器調整至少一個反射鏡元件的角度的步驟(b1』)通過轉換角度位置被實現。
77.根據權利要求75的所述方法，其中所述調整角度的步驟b1』)包括如下步驟b2)改變至所述MEMS反射鏡陣列的所述至少一個元件的控制信號。
78.根據權利要求77的所述方法，其中所述改變所述MEMS反射鏡陣列的所述至少一個元件的控制信號的步驟(b2)引起所述MEMS反射鏡陣列的所述至少一個反射鏡元件的運動。
79.權利要求77中的所述空間安全設備，其中控制信號是電、磁、光、聲、氣和液壓中的一種。
80.根據權利要求77的所述方法，其中所述控制信號是電的並且所述改變控制信號的步驟(b2)通過改變電壓或電流以便通過熱膨脹和靜電力中至少一個引起運動而實施。
81.根據權利要求75的所述方法，其中所述聚焦元件包括(a)透鏡元件以及(b)反射鏡聚焦元件中的至少一個。
82.根據權利要求68的所述方法，其中所述重新掃描其中可能會檢測到氣體或蒸汽的所述空氣路徑的步驟(k2)包括如下至少一個步驟k2』)以預定掃描率重新掃描；以及k2」)以不同掃描率重新掃描。
83.根據權利要求64的檢測空間體積中侵入的所述方法，其中所述反射鏡元件是布置在帶有用於觀看所述檢測器組件外殼外部的IR濾波窗口的檢測器組件外殼中的起始和結束位置反射鏡元件，所述方法包括如下步驟將所述反射鏡元件的所述行和列的至少一部分定向在起始和結束位置以便觀看所述檢測器組件外殼外部。
全文摘要
一種監控圍繞視場(FOV)的空間體積用於檢測包括氣體或蒸汽侵入的空間安全設備，並包括微型機電系統(MEMS)，它具有用於反射從FOV收集到的紅外(IR)能量束的反射鏡陣列中的反射鏡元件和用於檢測被MEMS陣列反射的IR能量並將IR能量轉換成輸出信號的IR能量檢測器。處理器通過改變控制信號或者通過從一個聚焦元件轉換到另一個調節MEMS反射鏡陣列元件的角度。該方法包括通過定位MEMS反射鏡陣列以便反射關於IR檢測器的有效元件的IR信號並從FOV的第i部分收集IR能量檢測空間體積。
文檔編號G01J5/02GK101040173SQ200580034857
公開日2007年9月19日 申請日期2005年8月3日 優先權日2004年8月18日
發明者K·G·埃斯基爾德森, R·E·李 申請人:霍尼韋爾國際公司