检测气体或蒸汽的基于微型机电系统的空间安全红外传感器设备和方法

专利名称：检测气体或蒸汽的基于微型机电系统的空间安全红外传感器设备和方法
技术领域：
本发明一般涉及依靠红外信号检测的用于生物、非生物或气态物质的侵入检测系统领域，更具体地说，涉及结合微型机电系统(MEMS)反射镜阵列的空间安全红外信号侵入检测系统。
背景技术：
无源红外(IR)传感器通过测量由侵入者引起的温度梯度检测在视场(FOV)中移动的侵入者。传感器的FOV通过透镜或反射镜系统的光学特性被固定和确定。FOV再划分成静态有效区和非有效区；侵入者从有效区到非有效区的移动被检测为报警。来自各有效区的IR能量被聚焦在IR检测器上并且IR检测器不能确定哪个有效区正在收集能量。该装置的问题是一个或多个区域中的其它IR能量源也可被检测为报警。示例包括循环开关的空间加热器或因为检测器区域中微风而移动的日照帘。其它噪声源包括宠物如小狗。此外，非有效区提供了侵入者可不被检测而穿越的路径。其它试图解决这些问题的示例如下一种产品具有检测一个区域中重复运动并降低检测器灵敏度以忽略该信号的算法。这同样也会降低传感器对侵入者的灵敏度。另一种方法使用CCD相机监控被保护空间并使用视频处理算法检测运动。该方法的问题是被保护空间需要被照亮以便检测运动。另一种方法使用第二透镜系统最小化非有效区但该方法仍然遭受其它缺点。

发明内容
为了解决上述及其它问题，本发明涉及监控围绕视场的空间体积的空间安全设备，该空间安全设备用于检测空间体积中的侵入，该设备包括具有用于反射从FOV收集到的红外(IR)能量束的反射镜阵列中的反射镜元件的微型机电系统(MEMS)；以及IR能量检测器用于检测被MEMS阵列反射的IR能量并将IR能量转换成输出信号。本发明还涉及借助多轴MEMS反射镜阵列在侵入被保护空间或体积的FOV中移动IR区域的方法。IR区域的该运动有效地扫描了被保护空间或体积的IR签名。侵入可以是生物或非生物例如机器人机车、气体或蒸汽在空间体积中出现引起的结果。
在本发明的一个特定方面，本发明的第一实施利涉及用于检测空间体积中侵入的空间安全设备，包括用于聚焦从空间体积中收集到的红外(IR)能量束的聚焦元件；用于过滤从空间体积中收集到的红外(IR)能量束的滤波元件；具有用于反射IR能量的反射镜阵列中的反射镜元件的微型机电系统(MEMS)；用于检测被所述MEMS阵列反射的IR能量并将IR能量转换成输出信号的IR能量检测器；用于放大输出信号的放大器；用于将输出信号从模拟转换成数字的模数转换器；用于处理输出信号的处理器；用于存储输出信号的存储器；用于调整至少一个所述MEMS反射镜阵列元件的角度的控制器；以及用于通告对应IR能量束振幅变化的输出信号振幅变化引起的侵入的检测的报警器。输出信号可以是电、磁、光、声、气和液压中的一种。控制器可通过改变控制信号来调整至所述至少一个所述MEMS反射镜阵列元件的角度。控制信号可以是电、磁、光、声、气和液压中的一种。控制器可通过在FOV和IR基准之间转换所述MEMS反射镜阵列获得基准信号。改变至所述MEMS反射镜阵列的电控制信号可引起至少一个所述MEMS反射镜阵列的反射镜元件的运动，该运动利用热膨胀和静电力中至少一个引起。控制器可通过以非斩波模式以增加的、交叠的步幅或离散的、有限的步幅穿越FOV启动MEMS反射镜阵列以穿越所述IR检测设备的FOV。
控制器可通过以斩波模式以增加的、交叠的步幅或离散的、有限的步幅穿越FOV启动MEMS反射镜阵列以穿越所述IR检测设备的FOV。空间安全设备还可包括提供基准值用于检测所述空间安全设备损害或退化中至少一个的IR源。MEMS反射镜阵列可包括每个都能够旋转以便模拟曲面反射镜的有限元表示的反射镜元件或可配置成模拟平面反射镜的有限元表示的反射镜元件。
第一实施例的检测器组件可包括所述滤波元件；所述布置在陶瓷衬底上的MEMS反射镜阵列；以及布置以检测被所述MEMS阵列反射的IR能量的所述IR能量检测器。检测器组件还可包括至少封装了所述滤波元件的检测器组件外壳；布置在陶瓷衬底上的所述MEMS反射镜阵列；布置以检测被所述MEMS阵列反射的IR能量的所述IR能量检测器；以及用于耦合到所述检测器组件外壳的检测器组件外壳基座。检测器组件外壳基座还可包括至少四个用于耦合到印刷电路板的管脚，至少一个所述管脚接收电源，一个所述管脚接地，一个所述管脚发送信号，以及一个所述管脚提供MEMS反射镜阵列控制信号。检测器组件可耦合到印刷电路板。印刷电路板可包括所述放大器；所述模数转换器；所述处理器；所述存储器；所述用于调整至少一个所述MEMS反射镜阵列的反射镜元件角度的控制器；以及所述用于通告侵入的检测的报警器。印刷电路板和所述检测器组件可被布置在封装外壳中并被布置在耦合到所述封装外壳的封装基座上从而所述检测器组件中的所述MEMS反射镜阵列可通过所述封装外壳中的窗口接收IR能量。窗口可包括用于聚焦IR能量的聚焦元件。检测器组件可被布置在所述印刷电路板上从而所述检测器组件中的所述MEMS反射镜阵列平行于所述印刷电路板并且所述印刷电路板被布置在相对所述封装基座约10°的角度处。封装外壳还可包括布置在靠近所述窗口处的IR源从而所述MEMS反射镜阵列可接收来自所述IR源的IR能量并将它反射到所述IR检测器元件上，所述IR源提供基准值用于检测所述空间安全设备损害和退化中至少一个。
在本发明的另一方面，本发明的第二实施例涉及用于检测空间体积中侵入的空间安全设备，包括用于聚焦从空间体积中收集到的红外(IR)能量的多个聚焦元件；用于过滤从空间体积中收集到的IR能量的滤波元件；用于反射IR能量的微型机电系统(MEMS)反射镜阵列；用于检测被所述MEMS阵列反射的IR能量并将IR能量转换成输出信号的IR能量检测器；用于放大输出信号的放大器；用于将输出信号从模拟转换成数字的模数转换器；用于处理输出信号的处理器；用于存储输出信号的存储器；用于通过从一个所述多个聚焦元件转换到另一个而调整所述MEMS阵列的控制器；以及用于通告对应IR能量束振幅变化的输出信号振幅变化引起的侵入的检测的报警器。输出信号可以是电、磁、光、声、气和液压中的一种。控制器可通过在FOV和IR基准之间转换所述MEMS反射镜阵列获得基准信号。多个聚焦元件可包括(a)透镜元件和(b)反射镜聚焦元件中的至少一个。控制器可通过以增加的、交叠的步幅或离散的、有限的步幅穿越FOV通过从一个所述多个聚焦元件转换到另一个调整MEMS阵列。
控制器可通过以斩波模式以增加的、交叠的步幅或离散的、有限的步幅穿越FOV启动MEMS反射镜阵列穿越所述IR检测设备的FOV。空间安全设备还可包括提供基准值用于检测所述空间安全设备损害或退化中至少一个的IR源。MEMS反射镜阵列可包括每个都能够旋转以便模拟曲面反射镜的有限元表示的反射镜元件或可配置成模拟平面反射镜的有限元表示的反射镜元件。
第二实施例的检测器组件可包括所述滤波元件；所述多个聚焦元件；所述布置在陶瓷衬底上的MEMS反射镜阵列；以及所述布置以检测被所述MEMS阵列反射的无源IR束的IR能量束检测器。检测器组件还可包括至少封装所述多个聚焦元件的检测器组件外壳；所述滤波元件；所述布置在陶瓷衬底上的所述MEMS反射镜阵列；所述布置以检测被所述MEMS阵列反射的IR能量的IR能量检测器；以及用于耦合到所述检测器组件外壳的检测器组件外壳基座。检测器组件外壳基座还可包括至少四个用于耦合到印刷电路板的管脚，至少一个所述管脚接收电源，一个所述管脚接地，一个所述管脚发送信号，以及一个所述管脚提供MEMS控制信号。检测器组件可耦合到印刷电路板。印刷电路板可包括所述放大器；所述模数转换器；所述处理器；所述存储器；所述用于调整所述MEMS反射镜阵列的控制器；以及所述用于通告侵入的检测的报警器。印刷电路板和所述检测器组件可被布置在封装外壳中并被布置在耦合到所述封装外壳的封装基座上从而所述检测器组件中的所述MEMS反射镜阵列可通过所述封装外壳中的窗口接收IR能量束。窗口可包括用于聚焦IR能量的聚焦元件。检测器组件可被布置在所述印刷电路板上从而所述检测器组件中的所述MEMS反射镜阵列平行于所述印刷电路板并且所述印刷电路板被布置在相对所述封装基座约10°的角度处。封装外壳还可包括布置在靠近所述窗口处的IR源从而所述MEMS反射镜阵列接收来自所述IR源的IR能量并将它反射到所述IR检测器元件，所述IR源提供基准值用于检测所述空间安全设备损害和退化中至少一个。
在本发明的再一方面，本发明的第三实施例涉及空间安全设备，其中空间安全设备用于检测围绕FOV的空间体积中的侵入，其中侵入是围绕FOV的空间体积中的气体或蒸汽，其中FOV包括发射IR能量束的红外(IR)能量基准源；来自空间体积的提供被检测的潜在气体或蒸汽样本的空气路径并且IR能量束经过它；在IR能量源和空气路径之间用于校准被所述IR能量基准源发射的IR能量束的校准透镜；用于聚焦来自空气路径的校准IR能量束的聚焦元件；空间安全设备还包括用于过滤被校准的IR能量束的窄带通滤波元件，IR能量束在经过所述窄带滤波元件之前经过所述空气路径；用于反射来自所述窄带通滤波器的窄带IR能量束的微型机电系统(MEMS)反射镜阵列；用于检测被所述MEMS阵列反射的窄带IR能量束变化并将窄带IR能量束转换成输出信号的IR能量检测器；用于放大来自窄带检测器的输出信号的放大器；用于将来自窄带检测器的输出信号从模拟转换成数字的模数转换器；用于处理来自窄带检测器的输出信号的处理器；用于存储来自窄带检测器的输出信号的存储器；用于过滤被校准的IR能量束的宽带通滤波元件，IR能量束在经过所述宽带滤波元件之前经过所述空气路径；用于反射来自宽带通滤波器的宽带IR能量束的微型机电系统(MEMS)反射镜阵列；用于检测被所述MEMS阵列反射的宽带IR能量束并将宽带IR能量束转换成输出信号的IR能量检测器，所述IR能量检测器用于检测宽带IR能量束；用于放大来自宽带检测器的输出信号的放大器；用于将来自宽带检测器的输出信号从模拟转换成数字的模数转换器；用于处理来自宽带检测器的输出信号的处理器；用于存储来自宽带检测器的输出信号的存储器；通过在IR源和IR基准之间转换所述MEMS反射镜阵列能使基准信号被获得的所述IR基准；用于调整至少一个所述MEMS反射镜阵列元件角度的控制器；用于响应对应从所述窄带检测器接收的IR能量束比率变化的输出信号变化而通告气体或蒸汽的报警器。输出信号可以是电、磁、光、声、气和液压中的一种。控制器可通过改变控制信号调整所述至少一个所述MEMS反射镜阵列反射镜元件的角度。改变所述MEMS反射镜阵列的控制信号引起至少一个所述MEMS反射镜阵列的反射镜元件的运动，改变电控制信号通过热膨胀和静电力中至少一个引起运动。控制器可通过以斩波模式穿越FOV启动所述MEMS反射镜阵列以穿越所述IR检测设备的FOV，以斩波模式穿越FOV可通过以增加的、交叠的步幅或离散的、有限的步幅穿越FOV实现。用于检测气体或蒸汽的空间安全设备还可包括提供基准值用于检测所述空间安全设备损害或退化中至少一个的IR源。MEMS反射镜阵列可包括每个都能够旋转以便模拟曲面反射镜的有限元表示或配置成模拟平面反射镜的有限元表示的反射镜元件。
第三实施例的检测器组件可包括所述窄带滤波元件和所述宽带滤波元件的至少一个；布置在陶瓷衬底上的所述窄带和所述宽带MEMS反射镜阵列的至少一个；以及布置以检测被所述MEMS阵列反射的IR束的所述IR能量束检测器。检测器组件还可包括封装所述窄带和所述宽带IR滤波元件的至少一个的检测器组件外壳；布置在陶瓷衬底上和布置以检测被所述MEMS阵列反射的IR束的所述窄带和所述宽带所述MEMS反射镜阵列的至少一个以及用于耦合到所述检测器组件外壳的检测器组件外壳基座。检测器组件可包括所述窄带和所述宽带IR能量束检测器两者，并且分隔物可将窄带IR能量束检测器与宽带IR能量束检测器隔开；或者检测器组件可包括所述窄带和所述宽带MEMS反射镜阵列两者，并且分隔物可将窄带MEMS反射镜阵列与宽带MEMS反射镜阵列隔开；或者检测器组件可包括所述窄带和宽带滤波元件两者，并且分隔物可将窄带滤波元件与宽带滤波元件隔开。检测器组件外壳基座还可包括至少五个用于耦合到印刷电路板的管脚，一个所述管脚接收电源，一个所述管脚接地，一个所述管脚发送来自所述窄带IR检测器的信号，一个所述管脚发送来自所述宽带IR检测器的信号，以及一个所述管脚提供MEMS控制信号。检测器组件可耦合到印刷电路板，印刷电路板可包括至少一个所述放大器；至少一个所述模数转换器；所述处理器；所述存储器；所述控制器；以及所述用于响应来自窄带和宽带检测器的输出信号比率而通告气体或蒸汽检测的报警器。印刷电路板和所述检测器组件可被布置在封装外壳中并被布置在耦合到所述封装外壳的封装基座上从而所述至少一个所述检测器组件中的MEMS反射镜阵列可通过所述封装外壳中的窗口接收IR能量束。检测器组件可被布置在所述印刷电路板上从而所述检测器组件中的所述MEMS反射镜阵列平行于所述印刷电路板并且所述印刷电路板被布置在相对所述封装基座约30°到45°的角度处。窗口可包括用于聚焦IR能量束的聚焦元件。封装外壳还可包括布置在靠近所述窗口处的IR源从而所述MEMS反射镜阵列可接收来自所述IR源的IR能量并将它反射到所述IR检测器元件。IR源可提供基准值用于检测所述气体或蒸汽检测设备损害或退化中至少一个。被窄带滤波器过滤的输出信号可包括多个峰值。当窄带检测器相对宽带检测器的比率小于1时指示空气路径中气体或蒸汽的存在。当比率接近单位时，它指示IR源输出功率的变化或环境光的变化。
在本发明的再一方面，本发明的第四实施例涉及用于检测围绕FOV的空间体积中侵入的空间安全设备，其中侵入是围绕FOV的空间体积中的气体或蒸汽，其中FOV包括发射IR能量束的红外(IR)能量基准源；来自空间体积的提供被检测的潜在气体或蒸汽样本的空气路径并且IR能量束经过它；在IR能量源和空气路径之间用于校准被所述IR能量基准源发射的IR能量束的校准透镜；用于聚焦来自空气路径的被校准的IR能量束的多个聚焦元件，空间安全设备还包括用于过滤被校准的IR能量束的窄带通滤波元件，IR能量束在经过所述窄带滤波元件之前经过所述空气路径；用于反射来自所述窄带通滤波器的窄带IR能量束的微型机电系统(MEMS)反射镜阵列；用于检测被所述MEMS阵列反射的窄带IR能量束的减少并将窄带IR能量束转换成输出信号的IR能量检测器；用于放大来自窄带检测器的输出信号的放大器；用于将来自窄带检测器的输出信号从模拟转换成数字的模数转换器；用于处理来自窄带检测器的输出信号的处理器；用于存储来自窄带检测器的输出信号的存储器；用于过滤被校准的IR能量束的宽带通滤波元件，IR能量束在经过所述宽带滤波元件之前经过所述空气路径；用于反射来自所述宽带通滤波器的宽带IR能量束的微型机电系统(MEMS)；用于检测被所述MEMS阵列反射的宽带IR能量束并将宽带IR能量束转换成输出信号的IR能量检测器，所述IR能量检测器用于检测宽带IR能量束；用于放大来自宽带检测器的输出信号的放大器；用于将来自宽带检测器的输出信号从模拟转换到数字的模数转换器；用于处理来自宽带检测器的输出信号的处理器；用于存储来自宽带检测器的输出信号的存储器；通过在IR源和IR基准之间转换所述MEMS反射镜阵列能使基准信号被获得的所述IR基准；用于通过交替在所述IR源和所述IR基准之间以斩波模式在聚焦元件之间转换而调整所述MEMS阵列的控制器；用于响应对应从所述窄带检测器接收的IR能量束变化的输出信号变化通告气体或蒸汽检测的报警器。输出信号可以是电、磁、光、声、气或液压中的一种。聚焦元件可以是(a)透镜元件和(b)反射镜聚焦元件的至少一个。控制器可启动所述MEMS反射镜阵列在聚焦元件之间以斩波模式以增加的、交叠的步幅或离散的、有限的步幅在聚焦元件之间转换。用于检测气体或蒸汽的空间安全设备还可包括提供基准值用于检测所述空间安全设备损害和退化中至少一个的IR源。MEMS反射镜阵列可包括每个都能旋转以便模拟曲面反射镜的有限元表示或配置成模拟平面反射镜的有限元表示的反射镜元件。
第四实施例的检测器组件可包括所述窄带和所述宽带滤波元件的至少一个；布置在陶瓷衬底上的所述窄带和所述宽带MEMS反射镜阵列的至少一个；以及布置以检测被所述MEMS阵列反射的IR束的所述IR能量束检测器。检测器组件还可包括封装所述窄带滤波元件和所述宽带滤波元件的至少一个的检测器组件；布置在陶瓷衬底上的所述窄带和宽带MEMS反射镜阵列的至少一个；布置以检测被所述MEMS阵列反射的IR能量的所述窄带和宽带IR能量束检测器的至少一个；以及用于耦合到所述检测器组件外壳的检测器组件外壳基座。检测器组件可包括所述窄带和所述宽带IR能量束检测器两者，并且分隔物可将窄带IR能量束检测器与宽带IR能量束检测器隔开；或者检测器组件可包括所述窄带和所述宽带MEMS反射镜阵列两者，并且分隔物可将窄带MEMS反射镜阵列与宽带MEMS反射镜阵列隔开；或者检测器组件可包括所述窄带和宽带滤波元件两者，并且分隔物可将窄带滤波元件与宽带滤波元件隔开。检测器组件外壳基座还可包括至少五个用于耦合到印刷电路板的管脚，一个所述管脚接收电源，一个所述管脚接地，一个所述管脚发送来自所述窄带检测器的信号，以及一个所述管脚发送来自所述宽带检测器的信号。检测器组件可耦合到印刷电路板，印刷电路板可包括至少一个所述放大器；至少一个所述模数转换器；所述处理器；所述存储器；所述控制器；以及所述响应输出信号通告侵入的检测的报警器。印刷电路板和所述检测器组件可被布置在封装外壳中并被布置在耦合到所述封装外壳的封装基座上从而至少一个所述检测器组件中的MEMS反射镜阵列可通过所述封装外壳中的窗口接收IR能量束。检测器组件可被布置在所述印刷电路板上从而所述检测器组件中的所述MEMS反射镜阵列平行于所述印刷电路板并且所述印刷电路板被布置在相对所述封装基座约30°到45°的角度处。窗口可包括用于聚焦IR能量束的聚焦元件。封装外壳还可包括布置在靠近所述窗口处的IR源从而所述MEMS反射镜阵列可接收来自所述IR源的IR能量并将它反射到所述IR检测器元件。IR源可提供基准值用于检测所述气体或蒸汽检测设备损害和退化中至少一个。
在第三和第四实施例两者中，处理器在给定时间周期内计算窄带检测器的输出信号的瞬时峰值相对宽带检测器的输出信号的瞬时峰值的比率。处理器还可在给定时间周期内计算窄带IR检测器的输出信号的瞬时峰值的平均值相对宽带IR检测器的输出信号的瞬时峰值的平均值的比率。处理器还可在给定时间周期内将窄带IR检测器的输出信号的瞬时峰值相对宽带IR检测器的瞬时峰值的比率求平均。在所有情况中，在给定时间周期内值显著小于1的比率出现指示空气路径中气体或蒸汽的浓度，并且在给定时间周期内值接近1的比率出现指示IR输出和环境光中至少一个的移动从而通过处理器使窄带和宽带IR检测器能够自校准。被计算的比率大小与出现的气体或蒸汽的浓度成比例。信号下降的比率大小指示气体存在的百分比。
在围绕视场(FOV)的空间体积中检测侵入的方法中，所述方法包括如下步骤a)定位微型机电系统(MEMS)反射镜阵列的反射镜元件的行和列以便反射对应FOV的IR检测器的有效元件相关的红外(IR)能量束；以及步骤b)以预定扫描率收集来自FOV的第i部分的IR能量。以预定扫描率收集来自FOV的第i部分的IR能量可包括如下步骤(b’1)聚焦IR能量束；(b’2)过滤IR能量束；(b’3)通过MEMS反射镜阵列将IR能量束反射到检测器上；(b’4)借助检测器检测IR能量束；(b’5)将IR能量束转换成输出信号；(b’6)放大输出信号；(b’7)将输出信号从模拟转换成数字；以及(b’8)在通告检测之前借助处理器处理输出信号。输出信号可以是电、磁、光、声、气和液压中的一种。方法还可包括如下步骤(b’9)控制MEMS反射镜阵列以便通过扫描测量对应整个FOV的所有反射镜阵列元件。检测侵入的方法还可包括如下步骤(c)确定所有反射镜阵列元件是否已被测量；d1)如果否，重复步骤(b)；d2)如果是，存储反射镜阵列元件的扫描；e)处理扫描结果；f)基于扫描结果通过检测IR能量束电平的变化确定侵入是否已被检测；g1)如果是，通告报警；g2)如果不确定，返回步骤(b)通过重新扫描其中可能会检测到侵入的受限空间体积从视野(FOV)的第i部分收集IR能量，以及g3)如果否，返回步骤(b)。从FOV的第i部分收集IR能量的步骤(b)的方法还可包括如下至少一个步骤b1’)启动MEMS反射镜穿越FOV；以及b1”)指示信号控制器调整MEMS反射镜以便从一个聚焦元件转换到另一个。步骤(b1’)启动MEMS反射镜穿越FOV以及(b1”)指示信号控制器调整MEMS反射镜以便从一个聚焦元件转换到另一个中至少一个可包括如下至少一个步骤(b2)以非斩波模式穿越FOV，以及(b3)以斩波模式穿越FOV。以非斩波模式穿越FOV的步骤(b2)可包括如下至少一个步骤(b2’)以增加的、交叠的步骤穿越FOV；以及(b2”)以离散的、有限的步骤穿越FOV。以斩波模式穿越FOV的步骤(b3)可包括如下至少一个步骤(b3’)以增加的、交叠的步骤穿越FOV；以及(b3”)以离散的、有限的步骤穿越FOV。从FOV的第i部分收集IR能量的步骤(b)可包括如下步骤(b4)调整所述MEMS反射镜阵列的至少一个反射镜元件角度，其中调整角度的步骤(b4)包括如下步骤(b5)改变所述MEMS反射镜阵列的至少一个元件的控制信号。控制信号可以是电、磁、光、声、气和液压中的一种。改变所述MEMS反射镜阵列的所述至少一个元件的控制信号的步骤(b5)可引起所述MEMS反射镜阵列的所述至少一个反射镜元件的运动，所述改变控制信号的步骤(b5)可通过热膨胀和静电力中至少一个引起运动。聚焦元件可包括(a)透镜元件以及(b)反射镜聚焦元件的至少一个。重新扫描其中可能会检测到侵入的受限空间体积的步骤(g2)可包括如下至少一个步骤(g2’)以预定扫描率重新扫描；以及(g2”)以不同扫描率重新扫描。以非斩波模式穿越FOV的步骤(b2)可产生带有峰值的输出信号，从而峰值的移动指示FOV中热源的移动。以斩波模式穿越FOV的步骤(b3)可产生带有多个峰值的输出信号，从而至少一个多个峰值的振幅移动指示FOV中热源的移动。
在围绕FOV的空间体积中检测侵入的方法中，其中侵入是围绕FOV的空间体积中的气体或蒸汽，方法包括如下步骤(a)定位微型机电系统(MEMS)反射镜阵列以便反射IR检测器的有效元件相关的被校准的红外(IR)能量束，部分被校准的光束被IR窄带通滤波器过滤，部分被校准的光束被IR宽带通滤波器过滤，IR能量源被布置在MEMS反射镜阵列相关的空气路径末端；(b)以预定扫描率通过IR窄带通滤波器和IR窄带检测器测量在空气路径末端的IR热源的IR能量；(c)以预定扫描率通过IR窄带通滤波器和IR窄带检测器测量MEMS反射镜阵列中已知基准温度的点的温度；(d)以预定扫描率通过IR宽带通滤波器和IR宽带检测器测量空气路径末端的所述IR热源的IR能量；(e)以预定扫描率通过IR宽带通滤波器和IR宽带检测器测量MEMS反射镜阵列中已知基准温度的点的温度；(f)测量被检测器和宽带滤波器接收的IR能量束。步骤(c)以预定扫描率通过IR窄带通滤波器和IR窄带检测器测量MEMS反射镜阵列中已知基准温度的点的温度以及(d)以预定扫描率通过IR宽带通滤波器和IR宽带检测器测量空气路径中IR热源的能量各可包括如下步骤(b1)聚焦IR能量束；(b2)过滤IR能量束；(b3)通过MEMS反射镜阵列将IR能量束反射到检测器上；(b4)借助检测器检测IR能量束；(b5)将IR能量束转换成输出信号；(b6)放大输出信号；(b7)将输出信号从模拟转换成数字；以及(b8)在通告检测之前通过处理器处理输出信号。输出信号可以是电、磁、光、声、气和液压中的一种。方法还可包括如下步骤(b9)控制MEMS反射镜阵列以便通过扫描测量所有反射镜阵列元件。方法还可包括如下步骤(g)确定所有反射镜阵列元件是否已被测量；(h1)如果否，重复步骤(b)到(f)；(h2)如果是，存储视场的扫描；(i)处理扫描结果；(j)基于扫描结果在给定时间周期内通过检测被具有窄带滤波器的检测器接收的IR能量束相对被具有宽带滤波器的检测器接收的IR能量束的比率变化确定气体或蒸汽是否已被检测；(k1)如果是，通告报警；(k2)如果不确定，返回步骤(b)到(f)通过重新扫描其中可能会检测到气体或蒸汽的空气路径测量温度，以及(k3)如果否，返回步骤(b)到(f)。步骤(j)可通过步骤(j’)在给定时间周期内计算窄带检测器的输出信号的瞬时峰值相对宽带检测器的输出信号的瞬时峰值的比率被实现。步骤(j)可通过步骤(j”)在给定时间周期内计算窄带IR检测器的输出信号的瞬时峰值的平均值相对宽带IR检测器的输出信号的瞬时峰值的平均值的比率被实现。步骤(j)可通过步骤(j)在给定时间周期内将窄带IR检测器的输出信号的瞬时峰值相对宽带IR检测器的瞬时峰值的比率求平均被实现。在所有情况中，在给定时间周期内值显著小于1的比率出现指示空气路径中的气体或蒸汽的浓度并且在给定时间周期内值接近1的比率出现指示IR输出和环境光中至少一个的移动以便使窄带和宽带IR检测器能够自校准。被计算的比率大小与气体或蒸汽存在的浓度成比例。步骤(b)到(f)测量IR能量和温度可包括如下至少一个步骤(b1’)指示信号控制器调整所述MEMS反射镜阵列的至少一个反射镜的角度；以及(b1”)指示信号控制器调整MEMS反射镜以便在IR能量源和IR基准温度的测量之后以斩波模式从一个聚焦元件转换成另一个。指示信号控制器调整至少一个反射镜元件的角度的步骤(b1’)可通过转换角度位置实现。调整角度的步骤(b3)可包括如下步骤(b4)改变所述MEMS反射镜阵列的所述至少一个元件的控制信号。改变所述MEMS反射镜阵列的所述至少一个元件的控制信号的步骤(b2)引起所述MEMS反射镜阵列的至少一个反射镜元件的运动，控制信号可以是电、磁、光、声、气和液压中的一种，所述改变电控制信号的步骤(b2)可通过热膨胀和静电力中至少一个引起运动。聚焦元件可包括(a)透镜元件以及(b)反射镜聚焦元件的至少一个。重新扫描其中可能会检测到气体或蒸汽的空气路径的步骤(k2)包括如下至少一个步骤(k2’)以预定扫描率重新扫描；以及(k2”)以不同扫描率重新扫描。
在备选配置中，本发明涉及第一和第二实施例的空间安全设备，其中所述检测器组件还包括观察口并且所述MEMS反射镜阵列的所述反射镜元件被布置在检测器组件中。该反射镜元件是设置成行列形式的起始和结束位置反射镜元件。所述起始和结束位置反射镜元件的所有行和列可被定向到起始和结束位置从而所有所述反射镜元件可观看所述检测器组件外壳内部。或者至少部分所述起始和结束位置反射镜元件的所述行和列可被定向到起始和结束位置从而至少部分所述反射镜元件可观看所述检测器组件外壳外部。
检测空间体积中侵入的方法还可包括布置在带有IR滤波器窗口用于观看所述检测器组件外壳外部的检测器组件外壳中的是起始和结束位置反射镜元件的所述反射镜元件，所述方法包括如下步骤定向所述反射镜元件的所有行和列到起始和结束位置以便观看所述检测器组件外壳内部。检测空间体积中侵入的方法或者可包括如下步骤至少定向所述反射镜元件的部分行和列到起始和结束位置以便观看所述检测器组件外壳外部。


通过参考下面的文本和附图，本发明的这些以及其它特征、权益和优势将会变得清晰，其中相似的附图标记指代的跨越视图的相似结构，其中 图1A描述了从底部观看的现有技术红外传感器的平面图。
图1B描述了沿着图1A中现有技术红外传感器的剖面线1B-1B的剖面图。
图1C描述了沿着图1A中现有技术红外传感器的剖面线1C-1C的剖面图。
图2是图1A-1C中现有技术红外传感器的等距视图。
图3是安装在封装中的图1A-1C中现有技术红外传感器的横断面正视图。
图4A是本发明图1A-1C中现有技术传感器的IR束曝光模式的平面图。
图4B是图1A-1C中现有技术传感器的IR束曝光模式的正视图。
图5是现有技术IR传感器检测系统的框图。
图6A描述了本发明基于MEMS的红外传感器的平面图。
图6B描述了沿着图6A中基于MEMS的红外传感器的剖面线6B-6B的剖面图。
图6C描述了沿着图6A中基于MEMS的红外传感器的剖面线6C-6C的剖面图。
图7是图6A-6C中现有技术红外传感器的等距视图。
图8是安装在封装中的图6A-6C中基于MEMS的红外传感器的横断面正视图。
图9描述了本发明的MEMS反射镜传感器元件的一种类型。
图10A描述了本发明的曲面反射镜的有限元当量的平面图二维表示。
图10B描述了本发明的曲面反射镜的有限元当量的侧视图二维表示。
图10C是平面反射镜的有限元模拟的平面图。
图10D是图10C中平面反射镜的有限元模拟的侧视图。
图11A是本发明基于MEMS的IR传感器检测系统的一方面的框图。
图11A-1描述了FOV中IR区域的增量扫描。
图11A-2描述了FOV中IR区域的离散的、有限的扫描。
图11B是本发明基于MEMS的IR传感器检测系统的第二方面的框图。
图12是本发明基于MEMS的IR传感器检测系统的区域覆盖模式的侧视图。
图13是本发明操作基于MEMS的IR传感器检测系统的步骤的方法图。
图13A是本发明操作基于MEMS的IR传感器检测系统的第一备选方法的方法图。
图13B是本发明操作基于MEMS的IR传感器检测系统的第二备选方法的方法图。
图14描述了本发明的第三实施例，其中基于MEMS的IR检测器组件被设置以检测气体或蒸汽。
图15A描述了设计用于检测气体或蒸汽的图14中红外传感器检测器组件的横断面正视图。
图15B描述了设计用于检测气体或蒸汽的图15A中红外传感器检测器组件变化的横断面正视图。
图16描述了基于MEMS的IR检测器组件的平面图，它封装了用于气体检测的窄带和宽带检测器两者。
图16A是沿着图16中的剖面线16A-16A的剖面图。
图16B是沿着图16中的剖面线16B-16B的剖面图。
图16C是沿着图16中的剖面线16C-16C的剖面图。
图16D是图16中检测器组件的透视图。
图16E是图16D中检测器组件的剖面图。
图16A1描述了用于图13和13A中方法的跨越FOV的非斩波扫描。
图16A2描述了用于图13和13A中方法的跨越FOV的斩波扫描。
图16B1描述了用于图13和13B中方法的用于接通/切断透镜元件的非斩波扫描。
图16B2描述了用于图13和13B中方法的用于接通/切断透镜元件的斩波扫描。
图16B2’描述了图16B2的局部细节。
图17描述了用于图13和13B中气体检测方法的斩波扫描。
图18-1描述了用于图16A1和16B1中非斩波扫描的电信号输出。
图18-2描述了用于图16A2和16B2中斩波扫描的电信号输出。
图19描述了用于图17中气体检测斩波扫描的电信号输出。
图20描述了用于图19中气体检测斩波扫描的IR吸收峰。
图20A描述了被窄带和宽带检测器两者检测的信号电平以及气体出现时窄带信号电平相对宽带信号电平的比率。
图20B描述了IR源输出或环境IR噪音电平变化引起的被窄带和宽带检测器两者检测的信号电平。
图21A描述了结合图9中MEMS反射镜元件的MEMS反射镜阵列的平面图。
图21B-1描述了非启动位置的MEMS反射镜元件。
图21B-2描述了启动位置的MEMS反射镜元件。
图21C描述了用于仅有起始和结束位置的MEMS设备的IR射线迹。
图22描述了图16A1中无源IR传感器的非斩波(扫描)模式的模型模拟的实际电输出。
具体实施例方式本发明涉及监控围绕视场的空间体积的空间安全设备。本发明使用多轴MEMS阵列来重定向被保护空间的FOV中的IR能量束。这有效地扫描了场所中的IR签名。被扫描的IR签名被存储在存储器中并与后继扫描进行比较从而获得IR签名改变。处理算法确定被扫描的IR签名的改变是否与侵入的运动的签名相一致。当签名中适当的改变被检测则将通告报警。这解决了上面描述的问题，因为传感器可确定FOV中IR能量正在改变的地方并且因此传感器可监控FOV中IR能量的运动。虚警源可通过监控输出信号的大小和宽度被过滤以便确定变化源的大小和形状。在处理算法中引起虚警的区域可从扫描中忽略或给定较小重要性。
此外，被保护空间不需要因为系统工作而被照亮。侵入可以是空间体积中出现例如机器人机车和包括液体或气体或蒸汽的生物或非生物引发的效应。因此，该系统还可用于检测任意气体或蒸汽，包括但不限于有害的、有毒的、易爆的或易燃的蒸汽或气体如一氧化碳(CO)、挥发性有机化合物(VOC)、氢气(H2)、气态烃如甲烷(CH4)和丙烷(C2H6)或其它有益的或无毒的气体如氧气(O2)或二氧化碳(CO2)。检测通过添加以特定气体IR吸收频率为中心的IR窄带通滤波器到光学路径上并且比较FOV的IR吸收与基准信号被实现。基准信号通过使用MEMS阵列作为在FOV和IR基准之间转换的IR斩波器获得。带有宽带滤波器的第二检测器如用于运动检测的检测器可被用于自校准系统。
图1A描述了显示检测器外壳基座102底部的现有技术红外传感器检测器组件100的平面图，它一般包括三个连接管脚1、2和3。光束106指向传感器100。那些本领域的技术人员将会意识到尽管图1A描述了单一元件，但双元件、四元件检测器也可被使用。
图1B是沿着图1A中现有技术红外传感器检测器组件100的剖面线1B-1B的剖面图。检测器外壳基座102由连接管脚1、2和3形成，它通常个数为3。光束或光束组106穿透检测器外壳盖110中的红外滤波窗口108。光束106被检测器元件或元件组112感测，它被安装在隔片116上用于热隔离然后电耦合到陶瓷衬底114。从光束或光束组106收集到的IR能量被检测器元件或元件组112转换成电信号，它被陶瓷衬底114上的场效应晶体管(FET)和其它组件调节。
图1C描述了沿着图1A中现有技术红外传感器检测器组件100的剖面线1C-1C的剖面图。基本上显示的相同的组件如图1B所描述，但是在更接近对应于用于操作的安装配置的方向上。
图2是图1A-1C中现有技术红外传感器检测器组件100的等距视图。剖面图显示光束或光束组106被检测器元件112接收。再一次，基本上显示了如图1B所描述的相同部件。
图3是安装在封装200中的图1A-1C中现有技术红外传感器检测器组件100的横断面正视图。封装200包括封装基座202，封装盖204连接它以形成封装200。封装盖204包括聚焦元件或元件组206。检测器组件100被安装在印刷电路板(PCB)组件220上并以一定角度位于封装200中从而通过聚焦元件或元件组206接收光信号束或束组106。图3显示了透镜或透镜组光系统。那些本领域的技术人员将会意识到反射的光系统可被用作备选方案。
图4A是图1A-1C中现有技术传感器检测器组件100的IR束曝光模式的平面图。图4B是图1A-1C中现有技术传感器检测器组件100的IR束曝光模式的正视或侧视图。带有检测器组件100的封装200被安装在壁410上并且高出房间的地板或地面420或室外区域以便检测由壁410和地板或地面420形成的空间体积中的侵入。来自各有效区的IR能量被聚焦到IR检测器元件112上作为静态模式，其中高于地面420的束组B1到束组B2、B3、B4、B5并在光束B6终止的第一层被同时接收。束组的第二层同时落在地面以接收束组B7、B8和B9从而检测侵入430。在该示例中，两层共有9个光束6个长光束和3个短光束。光束组B1到B9的总和形成视场(FOV)440。FOV 440被光束的外边界限制，在该示例中光束是B1到B9。
图5是设置在检测系统中的现有技术IR传感器检测器组件100的框图。滤波元件108被包括在图1A-1C和2的检测器组件100中。聚焦元件206被包括在图3的封装200中。来自FOV的IR光束106穿透聚焦元件206和滤波元件108，其中光束被将IR束能量转换成电信号的IR检测器元件(组)112接收。然后电信号被调节并被放大器502放大并被有足够分辨率504的A/D转换器从模拟转换到数字。然后信号被转给处理器506，其中信号可被存储在存储器508中并被应用阈值检测算法。如果合适，激活报警器510的信号可被产生。如前所述的无源红外(IR)传感器检测器组件100通过测量侵入者引起的温度梯度检测移动在它的视场(FOV)440中的侵入者。传感器的FOV 440通过透镜系统的光学特性被固定和确定。FOV 440再划分为静态有效区和非有效区；侵入者从有效区到非有效区的运动被检测为报警。来自各有效区的IR能量被聚焦到IR检测器上并且IR检测器不能确定哪个有效区正在收集能量。该设置的至少一个问题是区域或区域组中其它热源也可被检测为报警信号。
图6A描述了显示检测器外壳基座102底部的本发明基于MEMS的红外传感器检测器组件600的平面图，它通常包括三个连接管脚1、2和3。光束106指向传感器组件600。
图6B是沿着图6A中红外传感器检测器组件600的剖面线6B-6B的剖面图。图6C描述了沿着图6A中红外传感器检测器组件600的剖面线6C-6C的剖面图。检测器外壳基座102由连接管脚1、2、3和4形成，它通常数目为4，一个用于电源，一个用于接地，一个用于检测器输出信号，以及一个用于MEMS控制信号。本文中输出信号和控制信号被公开为电的，但信号一般可以是电磁，即电或磁或光，或者可以是其它类型，例如但不限于声、气和液压。电源通常由通用安全系统供应，它通常包括基于MEMS的红外传感器检测器组件600。光束或光束组106穿透检测器外壳盖110中的红外滤波窗口108。现在光束106首先被MEMS反射镜阵列604反射，优先于被安装在并电耦合到陶瓷衬底614上的检测器元件或元件组112感测。由光束或光束组106提供的检测信号信息被检测器元件或元件组112发送从而被陶瓷衬底614处理。由光束或光束组106收集到的IR能量被检测器元件或元件组112转换成电信号，它被FET和陶瓷衬底614上的其它组件调节并放大。由于MEMS反射镜阵列604的小尺寸，通常不需要分开的电源供应。输出信号被公开为电的但信号一般可以是电磁的，即电或磁或光，或其它机械类型如声或流体压如气或液。气体不限于空气但包括任意合适的气体如氮气。液体不限于水但包括油或其它液体。
图6C显示如图6B所述的基本上相同的组件，但在更接近对应于用于操作的安装配置方向上。此外，光束或光束组106被显示从MEMS反射镜阵列604被反射为光束606，它指向检测器元件112。检测器元件或元件组112借助支架616被安装在并电耦合到陶瓷衬底614上。
图7是图6A-6C中红外传感器检测器组件600的等距视图。剖面图显示光束或光束组106首先被MEMS反射镜阵列604反射，优先于被检测器元件或元件组112感测为反射光束606。再次，基本上显示如图6B所述的相同的组件。
图8是安装在封装700中的图6A-6C中红外传感器检测器组件600的横断面正视图。封装700包括封装基座702，封装盖704连接它以形成封装700。封装盖704包括用于定位聚焦元件或元件组706的观察口705。检测器组件600被安装在印刷电路板(PCB)或电路组件720上，并且现在以一定角度位于封装700中从而MEMS反射镜阵列604通过聚焦元件或元件组706首先接收光信号束或束组106。然后光信号束或束组被反射为到检测器元件112的光束606。
为实现透镜监督即检测封装700或检测器组件600的任意未授权的损害或退化，IR源802可位于封装盖704外合适的位置以便当包括聚焦元件706的封装700和检测器组件600处于正常配置时提供已知基准信号。图8显示透镜或透镜组光系统。反射的光系统可被使用但并未描述，因为本领域技术人员可意识到备选方案可被使用。
图9显示MEMS反射镜阵列604的MEMS反射镜片段的元件900的一种类型。反射镜元件900通常包括有效反射镜区域902。有效反射镜区域902借助旋转弹簧904耦合到支架结构908以便提供一个旋转轴并耦合到另一组旋转弹簧906以提供第二旋转轴。在该配置中，反射镜元件900可被认为具有如图所示的非启动或开始位置以及启动或终止位置(未示出)，其中有效反射镜区域902可被旋转到旋转弹簧904和906所允许的角度限。这样的起始和结束MEMS反射镜阵列提供用于制造MEMS反射镜阵列的较低花费的手段。在更复杂的版本中，有效反射镜元件902可被旋转到旋转弹簧904-906所允许的角度限的任意中间位置。
对于IR检测器组件112，有效元件是检测器材料表面上已被变黑以允许IR吸收的区域。在MEMS反射镜阵列元件900上，有效区902是选择性被镀成IR反射表面的区域。围绕反射镜阵列元件的用于支架结构908、旋转弹簧904或906或其它机制以允许移动和控制机制的剩余区域是非有效区或非IR反射表面。
图10A显示了使用MEMS反射镜阵列604的曲面反射镜的有限元当量的二维表示。在该示例中，反射镜元件被显示为中心元件1000和四个相邻元件1000A、1000B、1000C和1000D。近似成像平面横向出现在中心元件1000的光轴上。包括中心元件1000和四个相邻反射镜元件1000A、1000B、1000C和1000D的多轴MEMS反射镜阵列604被安排在靠近IR检测器112的有效元件处。被启动的元件是那些旋转或者相反改变位置的反射镜元件，即1000A、1000B、1000C和1000D是被启动的元件同时反射镜元件1000是固定的并因此是非启动的。反射镜阵列604收集来自反射镜元件1000、1004和1004A-1004D的FOV的远场中的IR源的IR能量606F。来自远场中的IR源的IR能量606F被IR滤波器108过滤。在图10A中，来自远场中的IR源的IR能量606F起源于一定位置从而IR能量606F被中心元件1000和四个相邻元件1000A、1000B、1000C和1000D反射到点尺寸为SC的IR检测器112的有效元件的斑点620C上作为IR能量束606R。中心元件1000和四个相邻元件1000A、1000B、1000C和1000D被定位从而元件组合的焦点622出现在IR检测器112外但在IR滤波器108前(显示在IR滤波器前但可出现在另一边)。焦点622由垂直(法线)于中心元件1000和四个相邻元件1000A、1000B、1000C和1000D的线624的交点确定。曲面反射镜元件的焦距为直径30mm或更小，同时IR源606在有限的距离有效即在距离通常为2.4米(8英尺)或更远的远场中。MEMS反射镜阵列元件604的光轴与IR感测检测器元件112的光轴之间的角ΦA、ΦB、ΦC和ΦD规定了FOV中区域的布局。通过改变反射镜阵列604中每个平面元件1000A、1000B、1000C和1000D的角αA、αB、αC和αD，曲面反射镜的有限元当量可被创建以表示中心元件1000和四个相邻启动元件1000A、1000B、1000C和1000D的宽度变化，有效地表示了区域尺寸的改变。中心元件1000和四个相邻被启动的元件1000A、1000B、1000C和1000D实际上是二维N×M阵列中的一部分。
图10B描述了包括反射镜元件1000和四个相邻元件1000A、1000B、1000C和1000D的模拟曲面反射镜的侧视图。举例来说，四个旋转元件1000A到1000D以不同的角度βA到βD旋转以便聚焦从中心元件1000和旋转元件1000A到1000D反射到检测器112的有效元件的斑点620C上作为光束606R的光束606F。在商业可获得的MEMS反射镜的一些类型中，所有元件一致旋转是可能的。元件可各自以相同的角度β或不同的角度旋转以便将光束606R反射到检测器元件112上。在商业可获得的MEMS反射镜的其它类型中，例如，所有元件中仅2×2阵列的四分之一可一致运动。在图10A和10B中，二维N×M阵列被表示为如5×1阵列。那些本领域的技术人员将会意识到根据预定的应用任意不同的阵列维度可被应用。
图10C是平面反射镜的有限元模拟的平面图。再一次，中心元件1000和相邻元件1000A到1000D被定位以便反射来自远场中的IR源的IR能量606F。然而在该配置中，IR能量606F被中心元件1000和相邻元件1000A到1000D的平面配置反射至带有点尺寸为SF的分布点620F的检测器112。图10D是图10C中平面反射镜的有限元模拟的侧视图。正如所预计的，在图10C和10D两者的平面反射镜配置中没有焦点。
图11A是安排在检测系统中基于MEMS的IR传感器检测器组件600的框图。滤波元件108被包括在图6A-6C和7中的检测器组件600中。聚焦元件706被包括在图8的封装700中。MEMS反射镜阵列604通过聚焦元件或元件组706首先接收光信号束或束组106。然后光信号束或束组被反射为光束606给将IR能量转换成电信号的检测器元件112。既然电信号仅在50微安范围内，必需有高分辨率的A/D转换器或放大器1102。信号利用A/D转换器1104从模拟转换成数字。然后信号被转交给处理器1106，其中信号可被存储在存储器1108中并且算法可被应用。由处理器1106处理之后，来自存储器1108的信号可被产生用于控制器1110的不同操作模式以便通过控制器1110调整MEMS反射镜阵列元件900的方向。如果适当，启动报警器1112的信号可被产生。放大器1102、A/D转换器1104、处理器1106、存储器1108和控制器1110通常是印刷电路板或电路组件720的一部分。
特别是，微处理器1106发送信号给控制器1110以便改变MEMS反射镜阵列604的元件电压V。改变该电压V产生例如被热膨胀或静电力加热的电阻，并移动反射镜阵列元件900。控制器1110可实现多个不同的操作模式。在其中IR基准源1114被忽略并且IR能量检测仅被限于FOV 400的非斩波模式中，可能有两个子模式。在第一子模式中，电压变化以增加的、交叠的步幅在FOV 440中改变反射镜元件900的方向。元件900通过以连续扫描的增量步幅穿越FOV 440接收光束106。角度αA、αB、αC和αD发生改变并且相应地反射镜阵列604和IR检测器元件112之间的角度ΦA、ΦB、ΦC和ΦD也发生改变。第一子模式在图11A-1中被描述，其中FOV 440中的IR区域1150以连续的方式增量的步幅被扫描。在第一子模式中，电输出信号被产生为FOV 440的目标的卷积，然后它被IR滤波器108整形。
在如图11A-2所述非斩波第一操作模式的第二子模式中，元件900通过以离散的、非连续的步幅穿越FOV 440中的IR区域1150接收光束106即IR能量。再一次，电输出信号被产生为FOV的目标的卷积，然后它被IR滤波器整形。
用于移动反射镜阵列元件的其它装置包括如通过静电力应用的平移以便以线性或非线性的方式移动元件。
再次参考图11A，在第二操作模式中，基准信号Sr通过使用MEMS阵列604作为在FOV 440和IR基准1114之间转换的IR斩波器被获取。同样地，微处理器或处理控制器1106和控制器1110可移动FOV中的IR区域并使用基准来计算目标温度。
通过提供信号给控制器1110，微处理器1106将电压V步进给反射镜阵列604，记录区域中的IR能量，然后步进电压V以便移动FOV 440中的区域一定的增量。由IR检测器112产生的电信号现在是带有DC偏置的AC信号。
如前所述，图11A-1中描述的第一子模式可被应用到斩波操作模式从而IR区域1150以连续的方式按增量的步幅被扫描。在第一子模式中，电输出信号现在被产生为带有DC偏置的AC信号。
相似地，如图11B所述第二子模式可被应用到斩波操作模式从而元件900通过以离散的、非连续的步幅穿越FOV 440中IR区域1150接收光束106即IR能量。再一次，电输出信号被产生为带有DC偏置的AC信号。
对于图11A中实施例的第一和第二操作模式两者，过程是重复的，从左至右，从上到下，直到整个FOV被扫描。一旦整个FOV被扫描，则过程被重复并且新的IR扫描与先前的扫描进行比较。IR扫描被分析用于大小和位置的变化。与侵入者运动相一致的改变通告为报警信号。
如前所述，透镜监督还可被实现以便通过验证从IR源802到处理器1106的基准信号检测检测器组件600的损害或退化。
图11B是本发明基于MEMS的IR传感器检测系统的第二实施例的框图。该第二方面基本上与图11A描述的第一实施例相同，除了控制器1110被控制器1116替代。那些本领域的技术人员将会意识到控制器1110和1116的功能可被结合以通过单个控制器被实现。
在第一操作模式中，它是非斩波操作模式，替代使用控制器1110通过电压变化调整角度，MEMS反射镜阵列将IR能量束指向多个聚焦元件706中的一个表示FOV 440中感兴趣区域。然后处理器1106发信号给控制器1116以调整MEMS反射镜阵列604从而以离散的、有限的步幅从一个多个聚焦元件706转换到另一个。聚焦元件706可包括透镜元件，如透镜组或反射镜聚焦元件。
如前所述，非斩波操作子模式或者可被实现，其中FOV440中的IR区域1150如图11A-1所述以连续的方式增量的步幅被扫描。在该子模式中，再一次电输出信号是FOV 440的目标卷积，它然后被IR滤波器108整形。
在如图11A-2所述非斩波操作模式的第二子模式中，元件900通过以离散的、非连续的步幅穿越FOV 440中的IR区域1150接收光束106即IR能量。再一次，电输出信号是FOV 440的目标卷积，然后它被IR滤波器108整形。
在第二操作模式中，它是斩波操作模式，替代使用控制器1110通过电压变化调整角度，处理器1106发信号给控制器1116以调整MEMS反射镜阵列604从而在多个聚焦元件706到另一个聚焦元件706之间进行转换。聚焦元件706可包括透镜元件如透镜组或反射镜聚焦元件。控制器1116调整MEMS反射镜阵列604以便以离散的、有限的步幅在多个聚焦元件706到另一个聚焦元件之间转换。
既然第二操作模式是斩波操作模式，再一次基准信号SR通过使用MEMS阵列604作为在FOV 440和IR基准1114之间转换的IR斩波器被获得。同样地，微处理器或处理控制器1106和控制器1116可步进FOV 440中的IR区域。
在图11A或图11B的实施例的第一和第二操作模式两者中，过程被重复，从左至右，从上到下，直到整个FOV被扫描。一旦整个FOV被扫描，则过程被重复并且新的IR扫描与先前的扫描进行比较以便确定侵入者的出现。IR扫描被分析用于大小和位置的变化。与侵入者运动相一致的变化通告为报警信号。转换操作模式如进行非斩波或斩波或改变扫描率的能力还可提高虚警抗扰度。
如前所述，透镜监督还被实现以便通过处理器1106验证来自封装802外部的IR源的基准信号来对检测检测器组件600的损害或退化。
图12是图6A-6C中检测器组件600的IR束曝光模式的正视图或侧视图。检测器组件600被显示为安装在封装700中电路组件720上。封装700被安装在壁410上从而接收以地板420为边界的空间体积发射的光束或光束组106的IR能量。带有检测器组件600的封装700被安装在壁410上高于房间的地板或地面420或外部区域以便检测由壁410和地板或地面420形成的空间体积中的侵入者。来自光束106的IR能量扫过FOV 440从而整个FOV 440被覆盖。
带有检测器组件600的封装700被安装在图4B中壁410上并高于房间的地板或地面420或外部区域以便检测由壁410和地板或地面420形成的空间体积中的侵入者430。扫描信号106以角度γ被分隔以便检测侵入者430。垂直线和电路组件之间的角度θ一般是30°到45°。
图13是本发明操作基于MEMS的无源IR传感器检测器组件600的步骤的方法图。更具体地说，步骤S1300指示定位关于IR检测器组件600的有效元件的MEMS反射镜604。步骤S1302以预定扫描率指示收集来自视场(FOV)的第i部分的IR能量。步骤S1302通过执行图13A和图13B中分别描述的步骤S1302A或S1302B被实现。步骤1302A指示启动本发明的第一实施例的MEMS反射镜604以穿越IR检测器组件600的FOV 440。步骤1302A通过执行步骤S1302A1或步骤S1302A2被实现。那些本领域的技术人员将会意识到收集IR能量的步骤S1302固有地包括如下步骤聚焦IR能量束，过滤IR能量束，利用MEMS反射镜阵列将IR能量束反射到检测器上，利用检测器装置检测IR能量束，将IR能量束转换成电信号，放大电信号，将电信号从模拟转换成数字，优先于通告检测利用处理器装置处理电信号，并在存储器中存储结果。方法还可包括控制MEMS反射镜阵列以扫描或穿越视场440的步骤。所有前述方法步骤类似于图11A和11B中公开的设备功能。
步骤S1302A1指示以非斩波模式穿越FOV 440，它是通过执行指示以增加的、交叠的步幅穿越FOV 440的IR区域1150的步骤1302A1’或执行指示以离散的、有限的步幅穿越FOV 440的IR区域1150的步骤S1302A1”来完成的。
或者步骤S1302A2指示以斩波模式中穿越FOV 440，它是通过执行指示以增加的、重叠的步幅穿越FOV 440的IR区域1150的步骤1302A2’或执行指示以离散的、有限的步幅穿越FOV 440的IR区域1150的步骤S1302A2”来完成的。
在图13B中，本发明的第二实施例的备选步骤S1302B指示信号控制器1116调整MEMS反射镜604以转换到另一个聚焦元件706从而穿越IR检测器组件600的FOV 440。步骤S1302B通过执行步骤S1302B1或步骤S1302B2被实现。
步骤S1302B1指示以非斩波模式在穿越FOV 440期间转换到另一个聚焦元件706，它是通过执行指示以增加的、重叠的步幅穿越FOV 440的IR区域1150的步骤1302B1’或执行指示以离散的、有限的步幅穿越FOV 440的IR区域1150的步骤S1302B1”来完成的。
或者步骤S1302B2指示以斩波模式在穿越FOV 440期间转换到另一个聚焦元件706，它是通过执行指示以增加的、重叠的步幅穿越FOV 440的IR区域1150的步骤1302B2’或执行指示以离散的、有限的步幅穿越FOV 440的IR区域1150的步骤S1302B2”来完成的。
一旦步骤S1302通过分别或结合执行步骤S1302A或步骤S1302B被完成，则步骤S1304指示确定FOV 440中所有IR区域1150是否已被测量。如果否，则过程返回步骤S1302。如果是，则步骤S1306指示存储扫描。步骤S1308指示处理结果并确定侵入者430是否已被检测。如果否，过程返回步骤S1302。如果是，步骤S1310指示通告报警。如果不确定，步骤S1310’指示重新扫描其中侵入者被怀疑的受限场所区域并确定侵入者是否实际上已被检测。如果是，通告报警的步骤S1310被执行。步骤S1310’的重新扫描过程可通过以预定比率重新扫描的步骤S1310’A或以不同扫描率重新扫描的步骤S1310’B被实现以便最小化发生虚警的机会。
如前所述，尽管一般旨在筛选小生物如宠物和孩子为侵入者，系统和方法还可被用于检测处于它们的安全受到危害的位置的“侵入者”。在室内位置，这样的位置包括炉子间、围绕火炉或其它器具的厨房区域。系统和方法还可应用于室外位置如游泳池。此外，系统和方法可用于检测孩子、宠物和动物在机动车辆周围的盲点处，如运动型多功能车辆(SUV)、迷你货车、卡车、巴士(特别是学校巴士)或施工设备的后端或前端。
正如提到的，该系统还可被用于检测带有IR吸收特性的任意气体或蒸汽，包括但不限于有害的、有毒的、易爆的或易燃的蒸汽或气体如一氧化碳(CO)、挥发性有机化合物(VOC)、氢(H2)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)或其它有益的或无毒的气体如氧气(O2)或二氧化碳(CO2)。它也可被用于检测火焰。
图14描述了本发明的第三实施例，其中IR检测器组件1400被安排以检测气体或蒸汽。第三实施例与图11A中所示的相同，除了提供潜在气体或蒸汽样本的环境空气路径或IR吸收路径1410被定位在校准透镜1414和聚焦元件之间或透镜1416IR即热量能量基准源1412被定位在校准透镜1414后面。校准透镜1414校准被IR基准源1412发射的IR能量束1420，优先于经过空气路径1410。IR检测器组件1400与图6A-6C、7和8中先前所示出的检测器组件600相同，除了IR窄带通滤波元件1408N附加提供给IR宽带通滤波元件108W。IR窄带通滤波元件1408N和IR宽带通滤波元件108W都是平行放置的。
在操作过程中，来自IR能量源1412的IR能量指向IR窄带通滤波元件1408N或IR宽带通滤波元件108W或两者。一旦出现自IR窄带通滤波元件1408N，来自IR能量源1412的IR能量束顺序指向MEMS反射镜阵列604N、IR检测器元件(元件组)112N、放大器1102N和A/D转换器1104N，最后指向处理器1106/存储器1108。相似地，一旦出现自IR宽带通滤波元件1408W，来自IR能量源1412的IR能量束顺序指向MEMS反射镜阵列604W、IR检测器元件(元件组)112W、放大器1102W和A/D转换器1104W，最后指向处理器1106/存储器1108。
如前，出现自A/D转换器1104的信号通过算法被处理器1106/存储器1108处理并且反馈信号通过控制器1110提供以调整MEMS反射镜604N或604W或两者。在一种操作方式中，控制器1110调整MEMS反射镜阵列604N和604W之一或两者中至少一个反射镜元件900的角度。在备选操作方式中，控制器转换MEMS反射镜阵列604N和604W之一或两者的角度位置。改变反射镜元件900的电压利用热膨胀和静电力中至少一个引起运动。然而在另一操作方式中，控制器1110可启动MEMS反射镜阵列604N和604W之一或两者以便以斩波模式在被聚焦透镜1416聚焦的IR源1412和IR基准1114之间转换。IR基准1114绕过校准透镜1414、空气吸收路径1410和聚焦透镜1416，并将基准信号SR直接供给宽带IR滤波器108W和窄带IR滤波器1408N。随着窄带通滤波元件1408N被添加到被检测器组件1400检测的光学路径中，检测通过比较出现在FOV 440中的任意气体或蒸汽与基准信号SR的IR吸收特性以IR斩波模式被实现。基准信号SR通过使用MEMS反射镜阵列1400作为在FOV 440和IR基准114之间转换的IR斩波器被获得。正如提到的，IR源1412发射宽带信号。窄带IR滤波器1408N限制给定气体感兴趣部分的光谱。
图15A描述了安装在封装1500中设计用于检测气体或蒸汽的红外传感器检测器组件1400的横断面正视图。封装1500最好是按形式“C”以使环境空气路径1410能被放置在IR(热)能量源1412和窄带通滤波元件1408之间。既然外壳1500形式最好是“C”，则应有两个相反的支柱1502和1504。支柱1502有表面1502a，它面向支柱1504的表面1504a。IR源1412被安装在其中一个支柱如示出的1502的内部区域中。基于MEMS的IR检测器1400被显示安装在相反的支柱1504的内部区域中。校准透镜1414被放置以穿透表面1502a同时聚焦透镜1416被放置以穿透表面1504a。IR源1412因此发射被透镜1414校准的非校准光束1420并出现自透镜1414作为被校准的光束1422。环境空气吸收路径1410包括任意被检测的潜在气体或蒸汽样本。被校准的光束1422经过环境光吸收路径1410并经过任意气体或蒸汽样本。然后被校准的光束1422穿透聚焦透镜1416并通过基于MEMS的IR检测器组件1400的窄带通滤波器1408N继续前进，在那里它被MEMS反射镜阵列反射并以前面所述关于检测器组件600的相同的方式被反射到检测器元件上。检测器组件1400被安装在印刷电路板1520上，它包括逻辑电路和数据存储器，数据是关于被检测器组件1400检测的感兴趣的气体或蒸汽的IR光谱吸收特性。系统利用第二检测器和宽带IR滤波器进行自校准，正如第一实施例中被使用的那样以补偿如IR源和环境光强度的变化。该情况中的FOV受限于由被校准的光束1422限定的IR区域。
IR热源1412在空气(吸收)路径1410的光学路径1524的末端1524A并且IR热源1412的温度在IR热源1412和侧壁1502附近被测量。光学路径1524包括校准透镜1414、空气(吸收)路径1410、聚焦透镜1416、滤波窗口108W和1408N、MEMS反射镜阵列604N和604W以及检测器元件(元件组)112N和112W。已知温度的点的温度在光学路径1524的末端1524B被测量。光学路径1524的邻近端包括检测器外壳1500的侧壁1504、MEMS阵列604N和604W以及检测器元件(元件组)112N和112W。
当窄带SNB相对宽带SWB检测信号的比率SNB/SWB被检测到减少时，它指示感兴趣的气体或蒸汽的存在，一系列测量可被采取以最小化虚警的发生。一旦感兴趣的气体或蒸汽被明确的识别，则报警1112以与侵入者检测相关的相同的方式被通告。
事实上，穿越FOV用于气体检测是一般性的。FOV上仅一个点需要被关注。穿越FOV要求一个大的IR源或多个IR源。在该情况中，外壳1500将被分成两部分一部分用于IR源(源组)1412以及一部分用于检测器1412。
图15B是本发明的第三实施例的变化的横断面正视图，其中宽带元件即宽带IR滤波器108W、MEMS反射镜604W、IR检测器112W、放大器1102W以及A/D转换器1104W都被封入或连接到离散的基于MEMS的IR宽带检测器1400W，同时窄带元件即窄带IR滤波器108N、MEMS反射镜604N、IR检测器112N、放大器1102N都被封入或连接到离散的基于MEMS的IR窄带检测器1400N。两个检测器1400W和1400N以距离d被隔开，它被最小化以缩减被校准的IR束需要被聚焦到的区域。备选方案是制造一个检测器外壳，它包括窄带IR和宽带IR元件两者并在中间用隔离物把它们隔开从而最小化在两个检测器1400W和1400N之间的反射和/或干扰。
图16描述了装入了窄带和宽带检测器两者用于气体检测的基于MEMS的IR检测器组件1600的平面图。图16A是沿着剖面线16A-16A的剖面图。图16B是沿着剖面线16B-16B的剖面图。图16C是沿着剖面线16C-16C的剖面图。检测器组件1600包括5个管脚1、2、3、4和5一个用于电源、一个用于接地、一个用于发送来自窄带检测器部分1602N的信号、一个用于发送来自宽带检测器部分1602W的信号，以及一个用于MEMS控制信号。图16D是检测器组件1600的透视图。图16E是检测器组件1600的剖面图。分隔物1604可用于将窄带IR检测器部分1602N和宽带IR检测器部分1602W合并至一个检测器外壳1610中。分隔物1604被包括在检测器组件1600内部从而将宽带元件即宽带IR滤波器108W、MEMS反射镜604W、IR检测器112W、放大器1102W以及A/D转换器和窄带元件即窄带IR滤波器1408N、MEMS反射镜604N、IR检测器112N、放大器1102N以及A/D转换器1104N隔开。分隔的目的是缩减两节检测器1400之间的反射和/或干扰。检测器1400通常使用宽带滤波器108W被封；窄带滤波器1408N被放置在宽带滤波器108W的上面或下面，如图16E所示。那些本领域的技术人员将会意识到外壳1610的直径或周长一般大于图6A-6C和7中所示的实施例并且是检测器的窄带和宽带部分的光学和物理大小的函数。
图16A1描述了对应于图13A中步骤S1302A1的通过以非斩波模式穿越FOV 440用于检测侵入者的扫描输出的示例。x轴表示以秒为单位的时间。y轴表示反射镜的角度α1，图4A中的Φ。应该指出图4A中所示的平面图当它用于现有技术时与本发明一样。热电检测器160是变化率或二次检测器。因此当温度变化被检测到时信号被产生。恒定温度的空间不产生电信号。假设晶体是阳性极化，则被划分成3个温度“0”、“+1”和“-1”的场所在0到+1之间跃迁时产生正信号并在+1和-1之间跃迁时产生两倍幅值的负信号。产生的信号的宽度是检测器灵敏度、扫描率或系统以及光束形状的函数。图16A1显示系统的指向角α1和以秒为单位的花费的持续时间t。实际的电信号是执行的扫描的类型和场所的IR特性的函数。该讨论也应用到下面的图16A2、16B1和16B2。应该指出图16A1、图16A2、16B1和16B2是水平移动的平面表示。有多个垂直层，通常是3。
图16A2描述了对应于图13A中步骤S1302A2的通过以斩波模式穿越FOV 440用于检测侵入者的扫描输出的示例。x轴表示以秒为单位的时间。y轴表示在图4A中FOVΦ中的角α1。
图16B1描述了对应于图13B中步骤S1302B1的以非斩波模式通过接通/切断透镜元件用于检测侵入者的扫描输出的示例。x轴表示以秒为单位的时间。左边的y轴表示图4A中FOVΦ中的角度α1。特别是，右边的y轴表示多个聚焦元件A1...AN，其中在该示例中N＝7并且各自对应FOV中角α1的角范围。多个聚焦元件对应于图8中的聚焦元件(元件组)706。
图16B2描述了对应于图13B中步骤S1302B2的以斩波模式通过从一个透镜元件转换到另一个用于检测侵入的扫描输出的示例。x轴表示以秒为单位的时间。左边的y轴表示图4A中FOVΦ中的角度α1并且特别是如前所述，右边的y轴表示多个聚焦元件A1...AN。图16B2’是从一个透镜元件转换到另一个的对应于图16B2中斩波模式的放大的局部细节。驻留时间TD之后，是跃迁时间TT。
图17描述了通过以斩波模式扫描空气吸收路径如FOV用于检测气体或蒸汽的扫描输出的示例，如对应于根据图13A2的步骤S1302A2以斩波模式的图14和15中的气体检测设备的使用。x轴表示以秒为单位的时间。y轴表示系统的FOV。空气或吸收路径1410指向IR热源1412以及热源、IR基准1114的视野外的位置，从而通过在IR源1412和场所温度之间交替提供辐射对比。
换句话说，气体检测机制在两点测量IR能量在空气(吸收)路径1410另一边的IR热源1412的IR能量以及在已知温度点即基于MEMS的IR检测器1400的侧壁中的IR基准1114的IR能量。图17表示FOV的IR能量电平，而检测器1400的输出在图19中被描述，它稍后将被讨论。特别是，该情况下的FOV通过在IR源1412和IR基准1112之间转换而实施。既然当感兴趣的气体出现时窄带检测器的输出减少大约30-40％并且当感兴趣的气体出现时宽带检测器的输出减少1-4％，则窄带信号相对宽带信号的比率远不如噪音(环境光、IR源变化)波动灵敏，并且表示了空气路径1410中感兴趣的气体或蒸汽存在的更有力的证据。
本发明的第三实施例的操作气体或蒸汽检测系统的方法可相似的分别实现步骤S1302A或以步骤S1302A2或S1302B2的以斩波模式的S1302B。那些本领域的技术人员将会意识到收集IR能量的步骤S1302A或S1302B固有地包括如下步骤聚焦IR能量束、过滤IR能量束、通过MEMS反射镜阵列将IR能量束反射到检测器上、借助检测器检测IR能量束、将IR能量束转换成电信号、放大电信号、将电信号从模拟转换成数字，并在通告检测之前借助处理器处理电信号。此外，方法可包括控制MEMS反射镜阵列的步骤。所有前述方法步骤与图14中公开的设备功能是相似的。
然而，气体检测方法不包括扫描FOV的步骤。相反地，方法包括测量在空气(吸收)路径1410另一边的IR热源1412的IR能量的步骤以及在已知温度点即基于MEMS的IR检测器1400的侧壁中的IR基准1114的IR能量的步骤。各IR能量通过窄带IR滤波器1408和窄带IR检测器112N并通过宽带IR滤波器108和宽带IR检测器112W被测量。通过测量被具有窄带滤波器112N的检测器接收的IR能量束气体检测步骤得以发生。此外，通过测量被具有宽带滤波器112W的检测器接收的IR能量束校准检测系统步骤得以发生。
图18-1描述了相对FOV的检测器输出的示例，如比较两个非斩波模式的扫描1和2用于对应于图16A1或16B1的侵入检测系统。扫描1和扫描2之间的比较显示电信号的峰P在FOV中已从左移动到右。信号峰P的移动指示场所中热源的移动，潜在的提供用于通告报警信号的根据。
图18-2描述了相对FOV的以毫伏mv为单位的电信号输出的示例，如比较两个斩波模式的扫描1和2用于对应于图16A2或16B2的侵入检测系统。电信号振幅之间的差异±ΔA导致峰信号从+P1到+P8以及从-P1到-P8。在扫描1和2之间的比较中，峰值±P1到±P2的检测到相同振幅±ΔA指示热源在场所的存在但不是热源的移动。峰±P3到±P6的振幅变化指示热源在场所中的移动，潜在的提供用于通告报警信号的根据。曲线的形状是近似的。实际的输出依赖于斩波率以及检测器的响应度。响应度是检测器时间常量的测量。
图19描述了相对FOV即空气路径的检测器输出的示例，如比较两个斩波模式的扫描1和2用于对应于图17的气体检测系统。扫描1包括窄带检测器扫描输出1N和宽带检测器扫描输出1W两者。相似地，扫描2包括窄带检测器扫描输出2N和宽带检测器扫描输出2W两者。窄带扫描1N和2N都包括峰±P10到±P30，而宽带扫描1W和2W各包括峰±P100到±P300。
窄带扫描1N和2N的电信号的峰±P10到±P30的振幅的大差异+ΔAN指示感兴趣的气体或蒸汽的存在。振幅的差异大小指示气体或蒸汽存在的百分率。相应地，由于感兴趣的气体或蒸汽存在，宽带扫描1W和2W的电信号的峰±P100到±P300的振幅±ΔAW仅出现小的差异。
图20描述了用于图19中气体检测的感兴趣的气体的典型IR吸收光谱。在窄带滤波器限制LN内吸收峰PN1被观察作为感兴趣的气体或蒸汽被检测的结果。相应地，在宽带滤波器限制LW内一个或更多吸收峰PN1和PN2被观察。图中描述了两个峰。吸收峰PN1和PN2是光谱中的偏移。宽带滤波器的带宽被选择从而气体的存在不显著影响IR源产生的信号。
图20A是表示在气体存在时分别由窄带和宽带IR检测器112N和112W产生的输出信号的图表。x轴表示气体存在的百分比浓度，指定为CG。y轴表示由宽带检测器112W产生的输出信号SWB的百分比。由窄带检测器112N产生的输出信号SNB被显示为由宽带检测器112W产生的信号SWB的50％。事实上，由于窄带滤波器窗口1408N的IR能量的显著量的吸收，SNB将更接近于百分之一。IR能量吸收的该减少被补偿用于窄带信号SNB的放大电路中额外的增益。在该示例中，对于气体的20％浓度，空气路径中的CG，来自窄带的输出信号SNB减少大约40％，而来自宽带的输出信号SWB减少大约4％。感兴趣的实际值是窄带相对于宽带输出信号的比率SNB/SWB。该比率SNB/SWB与空气路径中存在的气体或蒸汽的浓度直接成比例。
窄带相对宽带输出信号的比率SNB/SWB可被处理器1106以多种方式计算。通常该比率SNB/SWB通过在给定时间周期内比较瞬间窄带峰值的平均值与瞬间宽带峰值的平均值进行计算。或者该比率SNB/SWB可通过在给定时间周期内将基于瞬间窄带峰值相对瞬间宽带峰值的比率SNB/SWB求平均进行计算。该比率SNB/SWB还可基于未平均的瞬时峰值进行计算。计算比率的不同方法被认为依赖于具体应用所要求的响应度。例如相对工业环境，家庭环境中的应用要求更高的气体存在的响应度。
标准化的信号比率SNB/SWB被提供从而所有的数据可在一个图表中显示。通常信号比率SNB/SWB通过一个或更多阈值特征化。显著小于1的信号比率SNB/SWB表示气体或蒸汽的存在。警告阈值TALERT指示可能的问题并且警告阈值TALARM指示突发事件。例如甲烷气体的LEL(爆炸下限)即引发爆炸所需的气体百分比TLEL是将近4％。较低的百分比将仅引起火焰。因此，LEL的20％的警告阈值TALERT或者CG＝0.8％的气体以及LEL的50％的警告阈值TALARM或CG＝2％的气体将是合理的。阈值的实际值依赖于应用的需要。同样地，对于一氧化碳，危险级别通过气体的PPM(百万分率)确定。再一次限制依赖于应用，其中商业环境中的允许级别将会高于居住或教育环境中的那些允许级别。
图20B是表示在气体存在中分别由窄带和宽带IR检测器112N和112W产生的输出信号SNB和SWB的图表，如受到来自IR能量源1412的输出变化的影响。用于计算比率SNB/SWB的基础与前面相对图20A讨论的一样。处理器1106计算比率SNB/SWB用于相对由IR源1412或环境光强度变化引起的到达滤波器窗口108W和1408N的上表面的IR能量的变化进行自校准。例如IR源1412的输出功率的10％的减少将被转变成分别来自窄带和宽带检测器112N和112W的10％的较低信号SNB和SWB。然而，来自两个检测器的信号SNB/SWB的比率并不显著的变化。因此，处理器1106可通过观察比率SNB/SWB有多接近1分别监控和自校准窄带和宽带检测器112N和112W。
图21A描述了MEMS反射镜阵列2100的平面图，它包括安排在行2112k和列2214l的单个反射镜元件2110j。在给出的示例中，元件2110j的3×3排列形成组2118n的5×5阵列中的3×3组2116m。因此，MEMS反射镜阵列2100是15×15阵列。
如前关于图9所述，MEMS反射镜一般以两种不同的模式操作。在第一模式中，MEMS反射镜阵列2100操作反射镜元件2110j，它以类似于机械继电器的操作方式操作在起始和结束位置之间。即在第一模式中，起始和结束位置是固定的，并且MEMS反射镜阵列2100处于非启动或启动模式。一旦控制信号被应用，则MEMS反射镜有效元件快速移至末端或终端。在第二模式中，MEMS反射镜2100使用跨越角度调整的平滑转换进行操作，或者一系列角度步幅可被实施。运动的范围还受限于特定的角度比方说+20到0度。该运动范围提供40度的视场FOV 440。
图21B-1描述了击中非启动单个MEMS反射镜元件2110j的有效区的IR射线2120如何被反射为角度为η的射线2122。在给出的示例中，非启动或最初位置中ηi＝40°。
图21B-2描述了击中当前被启动的单个MEMS反射镜元件2110j的有效区的IR射线2120如何被反射为角度为η的射线2122，其中在给出的示例中，非启动或最终位置中为ηf＝80°。就是说，元件2110j从它在图21B-1中非启动的位置到它在图21B-2中的启动位置的角度移动(ηf-ηi)发生了两次，即MEMS反射镜元件的20°角度移动提供了从最初角ηi＝40°到最终角ηf＝80°的40度的反射束移动。
图21C描述了用于MEMS反射镜设备的IR射线踪迹，它包括每个都能够仅操作在起始和结束和结束位置之间的元件。通过在任意给定时间仅操作部分起始和结束反射镜阵列2100，离散的步幅可使用MEMS反射镜设备被创建，该MEMS反射镜设备包括反射镜元件2102a到2102f，它们仅能够在起始和结束位置之间被启动。检测器组件600的实际方位与图12中所示的一样。在示例(a)中，有效元件2102a和2102b的行处于+20°位置并且元件2102c到2102f的四行处于0°位置，没有任何元件通过检测器外壳盖110的外部端口705观察。在(e)中，反射镜元件2102a到2102c的三行被移动至+20°位置，有光束从法线14°处指向检测器外壳盖110并来自元件2102c，因此通过IR滤波器窗口108观看检测器外壳盖110外部。检测器组件600中用于IR滤波器窗口108的开口事实上是光场阑。在(f)中，第三行2102c返回0°位置并且第四行2102d被移动到+20°位置，有光束从法线19°处指向检测器外壳盖110并来自元件行2102d。为了清晰，IR滤波器108没有在检测器外壳盖110中给出。
图22描述了来自图16A1中描述的本发明的无源IR传感器的斩波(或模拟扫描)扫描的模型模拟的实际电输出。
如可从前面讨论中意识到的，有四种操作模式用于运动检测(1)模拟扫描或非斩波扫描的MEMS反射镜阵列的大量步幅或持续运动；(2)有限数目的离散步幅，其中每个透镜元件一次评估一个；(3)带有MEMS反射镜阵列的大量步幅或持续运动的斩波扫描；(4)带有有限数目的离散步幅的斩波扫描。
因此，图22表示来自第一操作模式的扫描输出。
本文中参考特定实施例已对本发明进行描述。在不背离本发明的范围前提下，某些转换和修改对本领域技术人员是显而易见的。实施例旨在描述，并不限制由附属权利要求规定的本发明的范围。
权利要求
1.一种用于检测围绕视场(FOV)的空间体积中侵入的空间安全设备，其中所述侵入是围绕所述FOV的所述空间体积中的气体或蒸汽，其中所述FOV包括发射IR能量束的红外(IR)能量基准源；来自所述空间体积的提供待检测的潜在气体或蒸汽样本的空气路径并且所述IR能量束经过它；在所述IR能量源和所述空气路径之间用于校准被所述IR能量基准源发射的所述IR能量束的校准透镜；以及用于聚焦来自所述空气路径的被校准的IR能量束的聚焦元件；所述空间安全设备还包括用于过滤被校准的IR能量束的窄带通滤波元件，所述IR能量束在经过所述窄带滤波元件之前经过所述空气路径；用于反射来自所述窄带通滤波器的窄带IR能量束的微型机电系统(MEMS)反射镜阵列；用于检测被所述MEMS阵列反射的窄带IR能量束中的变化并将所述窄带IR能量束转换成输出信号的IR能量检测器；用于放大来自所述窄带检测器的输出信号的放大器；用于将来自所述窄带检测器的输出信号从模拟转换成数字的模数转换器；用于处理来自所述窄带检测器的输出信号的处理器；用于存储来自所述窄带检测器的输出信号的存储器；用于过滤被校准的IR能量束的宽带通滤波元件，所述IR能量束在经过所述宽带滤波元件之前经过所述空气路径；用于反射来自所述宽带通滤波器的宽带IR能量束的微型机电系统(MEMS)反射镜阵列；用于检测被所述MEMS阵列反射的宽带IR能量束并将所述宽带IR能量束转换成输出信号的IR能量检测器，所述IR能量检测器用于检测所述宽带IR能量束；用于放大来自所述宽带检测器的输出信号的放大器；用于将来自所述宽带检测器的输出信号从模拟转换成数字的模数转换器；用于处理来自所述宽带检测器的输出信号的处理器；用于存储来自所述宽带检测器的输出信号的存储器；通过在所述IR源和IR基准之间转换所述MEMS反射镜阵列能使基准信号被获得的所述IR基准；用于调整所述MEMS反射镜阵列的至少一个反射镜元件的角度的控制器；以及响应对应于从所述窄带检测器接收的IR能量束中的变化的输出信号中的变化而用于通告气体或蒸汽检测的报警器。
2.权利要求1中的所述空间安全设备，其中所述输出信号是电、磁、光、声、气和液压中的一种。
3.权利要求1中的所述空间安全设备，其中所述控制器通过改变至所述MEMS反射镜阵列的所述至少一个反射镜元件的控制信号调整角度。
4.权利要求3中的所述空间安全设备，其中所述输出信号是电、磁、光、声、气和液压中的一种。
5.权利要求3中的所述空间安全设备，其中所述控制信号是电的并且所述控制器改变至所述MEMS反射镜阵列的电压或电流以引起所述MEMS反射镜阵列的至少一个反射镜元件的运动。
6.权利要求5中的所述空间安全设备，由此所述改变电压或电流通过热膨胀和静电力中至少一个引起运动。
7.权利要求1中的所述空间安全设备，其中所述控制器通过以斩波模式穿越FOV启动所述MEMS反射镜阵列以穿越所述IR检测设备的FOV。
8.权利要求7中的所述空间安全设备，由此所述以斩波模式穿越FOV通过以增加的、交叠的步幅穿越所述FOV被实现。
9.权利要求7中的所述空间安全设备，由此所述以斩波模式穿越FOV通过以离散的、有限的步幅穿越所述FOV被实现。
10.权利要求7中的所述空间安全设备，还包括提供基准值用于检测所述空间安全设备损害和退化中至少一个的IR源。
11.权利要求1中的所述空间安全设备，其中所述MEMS反射镜阵列包括每个都能够旋转以模拟曲面反射镜的有限元表示的反射镜元件。
12.权利要求1中的所述空间安全设备，其中所述MEMS反射镜阵列包括配置成模拟平面反射镜的有限元表示的反射镜元件。
13.权利要求1中的所述空间安全设备，其中检测器组件包括所述窄带滤波元件和所述宽带滤波元件的至少一个；布置在陶瓷衬底上的所述窄带MEMS反射镜阵列和所述宽带MEMS反射镜阵列的至少一个；以及布置以检测被所述MEMS阵列反射的所述IR束的所述窄带IR能量束检测器和所述宽带IR能量束检测器的至少一个。
14.权利要求13中的所述空间安全设备，其中所述检测器组件包括所述窄带滤波元件和所述宽带滤波元件两者；以及其中分隔物将所述窄带滤波元件与所述宽带滤波元件隔开。
15.权利要求13中的所述空间安全设备，其中所述检测器组件包括所述窄带MEMS反射镜阵列和所述宽带MEMS反射镜阵列两者；并且其中分隔物将所述窄带MEMS反射镜阵列与所述宽带MEMS反射镜阵列隔开。
16.权利要求13中的所述空间安全设备，其中所述检测器组件包括所述窄带IR能量束检测器和所述宽带IR能量束检测器两者；以及其中分隔物将所述窄带IR能量束检测器与所述宽带IR能量束检测器隔开。
17.权利要求13中的所述空间安全设备，其中所述检测器组件还包括检测器组件外壳，封装了所述窄带IR滤波元件和所述宽带IR滤波元件的至少一个；布置在陶瓷衬底上的所述窄带MEMS反射镜阵列和所述宽带MEMS反射镜阵列的至少一个；布置以检测被所述MEMS阵列反射的所述IR束的所述窄带IR能量束检测器和所述宽带IR能量束检测器的至少一个；以及用于耦合到所述检测器组件外壳的检测器组件外壳基座。
18.权利要求17中的所述空间安全设备，其中所述检测器组件外壳基座还包括至少五个用于耦合到印刷电路板的管脚。
19.权利要求18中的所述空间安全设备，其中一个所述管脚接收电源，一个所述管脚接地，一个所述管脚发送来自所述窄带IR检测器的信号，一个所述管脚发送来自所述宽带IR检测器的信号，以及一个所述管脚提供MEMS控制信号。
20.权利要求13中的所述空间安全设备，其中所述检测器组件耦合到印刷电路板。
21.权利要求20中的所述空间安全设备，其中所述印刷电路板包括至少一个用于放大所述输出信号的所述放大器；至少一个用于转换来自所述检测器的输出信号的所述模数转换器；用于处理输出信号的所述处理器；存储输出信号的所述存储器；用于调整所述MEMS反射镜阵列的至少一个反射镜元件的角度的所述控制器；以及用于通告气体或蒸汽检测的所述报警器。
22.权利要求21中的所述空间安全设备，其中所述印刷电路板和所述检测器组件被布置在封装外壳中并且布置在耦合到所述封装外壳的封装基座上从而所述检测器组件中的所述至少一个MEMS反射镜阵列可通过所述封装外壳中的窗口接收所述IR能量束。
23.权利要求21中的所述空间安全设备，其中所述检测器组件被布置在所述印刷电路板上从而所述检测器组件中的所述至少一个MEMS反射镜阵列平行于所述印刷电路板并且所述印刷电路板被布置在相对所述封装基座约30°到45°的角度处。
24.权利要求22中的所述空间安全设备，其中所述窗口包括用于聚焦所述IR能量束的聚焦元件。
25.权利要求22中的所述空间安全设备，其中所述封装外壳还包括布置在靠近所述窗口处的IR源从而所述MEMS反射镜阵列可接收来自所述IR源的IR能量并将它反射到所述IR检测器元件上。
26.权利要求25中的所述空间安全设备，其中所述IR源提供基准值用于检测所述空间安全设备损害和退化中至少一个。
27.权利要求1中的所述空间安全设备，包括如下至少一个其中被所述窄带滤波器过滤的输出信号包括多个峰值从而所述多个窄带峰值中的至少一个指示表示IR吸收的空气路径中的气体或蒸汽的浓度，以及其中被所述宽带滤波器过滤的输出信号包括多个峰值从而所述多个宽带峰值中的至少一个的振幅移动指示所述IR源的所述输出功率的移动。
28.权利要求27中的所述空间安全设备，其中所述处理器在给定时间周期内计算所述窄带IR检测器的输出信号的瞬时峰值相对所述宽带检测器的输出信号的瞬时峰值的比率。
29.权利要求28中的所述空间安全设备，其中在给定时间周期内值显著小于1的峰值的所述比率出现指示所述空气路径中气体或蒸汽的浓度，并且在给定时间周期内值接近1的峰值的所述比率指示IR输出和环境光中至少一个的移动以便使所述窄带和宽带IR检测器能够自校准。
30.权利要求27中的所述空间安全设备，其中所述处理器在给定时间周期内计算所述窄带IR检测器的输出信号的瞬时峰值的平均值相对所述宽带IR检测器的输出信号的瞬时峰值的平均值的比率。
31.权利要求30中的所述空间安全设备，其中在给定时间周期内值显著小于1的瞬时峰值的平均值的所述比率出现指示所述空气路径中气体或蒸汽的浓度，并且值接近1的峰值的平均值的所述比率指示IR输出和环境光中至少一个的移动以便使所述窄带和宽带IR检测器能够自校准。
32.权利要求27中的所述空间安全设备，其中所述处理器在给定时间周期内将所述窄带IR检测器的输出信号的瞬时峰值相对所述宽带检测器的输出信号的瞬时峰值的比率求平均。
33.权利要求32中的所述空间安全设备，其中在给定时间周期内值显著小于1的平均比率的出现指示所述空气路径中气体或蒸汽的浓度，并且在给定时间周期内值接近1的所述平均比率指示IR输出和环境光中至少一个的移动以便使所述窄带和宽带IR检测器能够自校准。
34.权利要求1中的所述空间安全设备，其中用于调整所述MEMS反射镜阵列的至少一个反射镜元件的角度的所述控制器转换所述至少一个反射镜元件的角度位置。
35.一种用于检测围绕视场(FOV)的空间体积中侵入的空间安全设备，其中所述侵入是围绕所述FOV中的所述空间体积中的气体或蒸汽，其中所述FOV包括发射IR能量束的红外(IR)能量基准源；来自所述空间体积的提供待检测的潜在气体或蒸汽样本的空气路径并且所述IR能量束经过它；以及在所述IR能量源和所述空气路径之间用于校准被所述IR能量基准源发射的所述IR能量束的校准透镜；以及用于聚焦来自所述空气路径的被校准的IR能量束的多个聚焦元件；所述空间安全设备还包括用于过滤被校准的IR能量束的窄带通滤波元件，所述IR能量束在经过所述窄带滤波元件之前经过所述空气路径；用于反射来自所述窄带通滤波器的所述窄带IR能量束的微型机电系统(MEMS)；用于检测被所述MEMS阵列反射的所述窄带IR能量束的减少并将所述窄带IR能量束转换成输出信号的IR能量检测器；用于放大来自所述窄带检测器的输出信号的放大器；用于将来自所述窄带检测器的输出信号从模拟转换成数字的模数转换器；用于处理来自所述窄带检测器的输出信号的处理器；用于存储来自所述窄带检测器的输出信号的存储器；用于过滤被校准的IR能量束的宽带通滤波元件，所述IR能量束在经过所述宽带滤波元件之前经过所述空气路径；用于反射来自所述宽带通滤波器的所述宽带IR能量束的微型机电系统(MEMS)；用于检测被所述MEMS阵列反射的所述宽带IR能量束并将所述宽带IR能量束转换成输出信号的IR能量检测器，所述IR能量检测器用于检测所述宽带IR能量束；用于放大来自所述宽带检测器的输出信号的放大器；用于将来自所述宽带检测器的输出信号从模拟转换成数字的模数转换器；用于处理来自所述宽带检测器的输出信号的处理器；用于存储来自所述宽带检测器的输出信号的存储器；通过在所述IR源和IR基准之间转换所述MEMS反射镜阵列能使基准信号被获得的所述IR基准；用于通过交替在所述IR源和所述IR基准之间以斩波模式在聚焦元件之间转换而调整所述MEMS阵列的控制器；以及用于响应从所述窄带检测器接收的输出信号变化而通告气体或蒸汽检测的报警器。
36.权利要求35中的所述空间安全设备，其中所述聚焦元件是(a)透镜元件和(b)反射镜聚焦元件中的至少一个。
37.权利要求36中的所述空间安全设备，其中所述输出信号是电、磁、光、声、气和液压中的一种。
38.权利要求37中的所述空间安全设备，其中所述控制器通过以斩波模式穿越所述FOV启动所述MEMS反射镜阵列以穿越所述IR检测系统的视场(FOV)。
39.权利要求38中的所述空间安全设备，其中所述控制器控制所述MEMS阵列以便以增加的、交叠的步幅在聚焦元件之间转换。
40.权利要求38中的所述空间安全设备，其中所述控制器控制所述MEMS阵列以便以离散的、有限的步幅在聚焦元件之间转换。
41.权利要求35中的所述空间安全设备，还包括提供基准值用于检测所述空间安全系统的损害和退化中至少一个的IR源。
42.权利要求35中的所述空间安全设备，其中所述MEMS反射镜阵列包括每个都能够旋转以便模拟曲面反射镜的有限元表示的反射镜元件。
43.权利要求35中的所述空间安全设备，其中所述MEMS反射镜阵列包括配置成模拟平面反射镜的有限元表示的反射镜元件。
44.权利要求35中的所述空间安全设备，其中检测器组件包括所述滤波元件；布置在陶瓷衬底上的所述MEMS反射镜阵列；以及布置以检测被所述MEMS阵列反射的所述IR束的所述IR能量束检测器。
45.权利要求44中的所述空间安全设备，其中所述检测器组件还包括封装了所述窄带滤波元件和所述宽带滤波元件的至少一个的检测器组件外壳；布置在陶瓷衬底上的所述窄带和宽带MEMS反射镜阵列的至少一个；以及布置以检测被所述MEMS阵列反射的所述IR束的所述窄带IR能量束检测器和所述宽带IR能量束检测器的至少一个；以及用于耦合到所述检测器组件外壳的检测器组件外壳基座。
46.权利要求45中的所述空间安全设备，其中所述检测器组件还包括所述窄带滤波元件和所述宽带滤波元件两者；其中分隔物将所述窄带滤波元件与所述宽带滤波元件隔开。
47.权利要求45中的所述空间安全设备，其中所述检测器组件包括所述窄带MEMS反射镜阵列和所述宽带MEMS反射镜阵列两者；并且其中分隔物将所述窄带MEMS反射镜阵列与所述宽带MEMS反射镜阵列隔开。
48.权利要求45中的所述空间安全设备，其中所述检测器组件包括所述窄带IR能量束检测器以及所述宽带IR能量束检测器；以及其中分隔物将所述窄带IR能量束检测器与所述宽带IR能量束检测器隔开。
49.权利要求45中的所述空间安全设备，其中所述检测器组件外壳基座还包括至少五个用于耦合到印刷电路板的管脚。
50.权利要求49中的所述空间安全设备，其中一个所述管脚接收电源，一个所述管脚接地，一个所述管脚发送来自所述窄带IR检测器的信号，一个所述管脚发送来自所述宽带IR检测器的信号，并且一个所述管脚提供MEMS控制信号。
51.权利要求44中的所述空间安全设备，其中所述检测器组件耦合到印刷电路板。
52.权利要求39中的所述空间安全设备，其中所述印刷电路板包括至少一个用于放大输出信号的所述放大器；至少一个用于转换来自所述检测器的输出信号的所述模数转换器。用于处理输出信号的所述处理器；用于存储输出信号的所述存储器；用于通过交替在所述IR源和所述IR基准之间以斩波模式在聚焦元件之间转换而调整所述MEMS阵列的所述控制器；以及用于通告气体或蒸汽检测的所述报警器。
53.权利要求52中的所述空间安全设备，其中所述印刷电路板和所述检测器组件被布置在封装外壳中并且布置在耦合到所述封装外壳的封装基座上从而所述检测器组件中的所述至少一个MEMS反射镜阵列可通过所述封装外壳中的窗口接收所述IR能量束。
54.权利要求53中的所述空间安全设备，其中所述检测器组件被布置在所述印刷电路板上从而所述检测器组件中的所述至少一个MEMS反射镜阵列平行于所述印刷电路板并且所述印刷电路板被布置在相对所述封装基座约30°到45°的角度处。
55.权利要求53中的所述空间安全设备，其中所述窗口包括用于聚焦所述IR能量束的聚焦元件。
56.权利要求53中的所述空间安全设备，其中所述封装外壳还包括布置在靠近所述窗口处的IR源从而所述至少一个MEMS反射镜阵列可接收来自所述IR源的IR能量并将它反射到所述IR检测器元件上，所述IR源提供基准值用于检测所述空间安全设备的损害和退化中至少一个。
57.权利要求35中的所述空间安全设备包括如下至少一个其中被所述窄带滤波器过滤的输出信号包括多个峰值从而所述多个窄带峰值中至少一个的振幅移动指示表示IR吸收的所述空气路径中的气体或蒸汽的存在，并且其中被所述宽带滤波器过滤的输出信号包括多个峰值从而所述多个宽带峰值中至少一个的振幅移动指示所述IR源的所述输出功率的移动。
58.权利要求57中的所述空间安全设备，其中所述处理器在给定时间周期内计算所述窄带IR检测器的输出信号的瞬时峰值相对所述宽带检测器的输出信号的瞬时峰值的比率。
59.权利要求58中的所述空间安全设备，其中在给定时间周期内值显著小于1的峰值的所述比率出现指示所述空气路径中气体或蒸汽的存在并且在给定时间周期内值接近1的峰值的所述比率指示IR输出和环境光中至少一个的移动以便使所述窄带和宽带IR检测器能够自校准。
60.权利要求57中的所述空间安全设备，其中所述处理器在给定时间周期内计算所述窄带IR检测器的输出信号的瞬时峰值的平均值相对所述宽带IR检测器的输出信号的瞬时峰值的平均值的比率。
61.权利要求60中的所述空间安全设备，其中在给定时间周期内值显著小于1的瞬时峰值的平均值的所述比率出现指示所述空气路径中气体或蒸汽的出现并且值接近1的峰值的平均值的所述比率指示IR输出和环境光中至少一个的移动以便使所述窄带和宽带IR检测器能够自校准。
62.权利要求57中的所述空间安全设备，其中所述处理器在给定时间周期内将所述窄带IR检测器的输出信号的瞬时峰值相对所述宽带检测器的输出信号的瞬时峰值的比率求平均。
63.权利要求62中的所述空间安全设备，其中在给定时间周期内值显著小于1的平均比率出现指示所述空气路径中气体或蒸汽的出现并且在给定时间周期内值接近1的所述平均比率指示IR输出和环境光中至少一个的移动以便使所述窄带和宽带IR检测器能够自校准。
64.一种检测围绕视场(FOV)的空间体积中侵入的方法，其中所述侵入是围绕所述视场(FOV)中空气路径的所述空间体积中的气体或蒸汽，所述方法包括如下步骤a)定位微型机电系统(MEMS)反射镜阵列以便反射关于IR检测器的有效元件的被校准的红外(IR)能量束，部分所述被校准的光束被IR窄带通滤波器过滤，部分所述被校准的光束被IR宽带通滤波器过滤，IR能量源被布置在关于所述MEMS反射镜阵列的所述空气路径的末端；b)以预定扫描率通过所述IR窄带通滤波器和IR窄带检测器测量所述IR热源在所述空气路径末端的所述IR能量；c)以预定扫描率通过所述IR窄带通滤波器和IR窄带检测器测量所述MEMS反射镜阵列中已知基准温度的点的温度；d)以预定扫描率通过所述IR宽带通滤波器和IR宽带检测器测量所述IR热源在所述空气路径末端的所述IR能量；e)以预定扫描率通过所述IR宽带通滤波器和IR宽带检测器测量所述MEMS反射镜阵列中已知基准温度的点的温度；以及f)通过测量被具有所述宽带滤波器的检测器接收的所述IR能量束校准所述检测器系统。
65.根据权利要求64的所述方法，其中所述以预定扫描率通过所述IR窄带通滤波器和IR窄带检测器测量所述MEMS反射镜阵列中已知基准温度的点的温度的步骤(c)以及以预定扫描率通过所述IR宽带通滤波器和所述IR宽带检测器测量IR热源在所述空气路径中的所述能量的(d)各包括如下步骤(b’1)聚焦所述IR能量束；(b’2)过滤所述IR能量束；(b’3)通过MEMS反射镜阵列将所述IR能量束反射到检测器上；(b’4)借助所述检测器检测所述IR能量束；(b’5)将所述IR能量束转换成输出信号；(b’6)放大所述输出信号；(b’7)将所述输出信号从模拟转换成数字；以及(b’8)在通告检测之前借助处理器处理所述输出信号；
66.权利要求65中的所述方法，其中所述输出信号是电、磁、光、声、气和液压中的一种。
67.权利要求65中的所述方法，其中步骤(c)和(d)还各包括如下步骤(b’9)控制所述MEMS反射镜阵列以通过扫描测量所有反射镜阵列元件。
68.根据权利要求67的所述方法，还包括如下步骤g)确定是否所有反射镜阵列元件已被测量；h1)如果否，则重复步骤(b)到(f)；h2)如果是，则存储所述视场的扫描；i)处理所述扫描结果；j)基于所述扫描结果通过在给定时间周期内检测被具有所述窄带滤波器的检测器接收的所述IR能量束相对被具有所述宽带滤波器的检测器接收的IR能量束的比率中的变化来确定气体或蒸汽是否已被检测到；k1)如果是，通告报警；k2)如果不确定，返回通过重新扫描其中可能会检测到所述气体或蒸汽的所述空气路径来测量温度的步骤(b)到(f)，以及k3)如果否，返回步骤(b)到(f)。
69.权利要求68中的所述方法，其中所述步骤(j)通过在给定时间周期内计算所述窄带IR检测器的输出信号的瞬时峰值相对所述宽带检测器的输出信号的瞬时峰值的比率被实现。
70.权利要求69中的所述方法，其中在给定时间周期内值显著小于1的峰值的所述比率出现指示所述空气路径中气体或蒸汽的浓度并且在给定时间周期内值接近1的峰值的所述比率指示IR输出和环境光中至少一个的移动以便使窄带和宽带IR检测器能够自校准。
71.权利要求68中的所述方法，其中所述步骤(j)通过(j”)在给定时间周期内计算所述窄带IR检测器的输出信号的瞬时峰值的平均值相对所述宽带IR检测器的输出信号的瞬时峰值的平均值的比率被实现。
72.权利要求71中的所述方法，其中在给定时间周期内值显著小于1的瞬时峰值的平均值的所述比率出现指示所述空气路径中气体或蒸汽的浓度，并且值接近1的峰值的平均值的所述比率指示IR输出和环境光中至少一个的移动以便使所述窄带和宽带IR检测器能够自校准。
73.权利要求68中的所述方法，其中所述步骤(j)通过(j)在给定时间周期内将所述窄带IR检测器的输出信号的瞬时峰值相对所述宽带检测器的输出信号的瞬时峰值的比率求平均被实现。
74.权利要求73中的所述方法，其中在给定时间周期内值显著小于1的平均比率出现指示所述空气路径中气体或蒸汽的浓度并且在给定时间周期内值接近1的所述平均比率指示IR输出和环境光中至少一个的移动以便使所述窄带和宽带IR检测器能够自校准。
75.根据权利要求68的所述方法，其中所述测量所述IR能量和温度的步骤(b)到(f)包括如下至少一个步骤b1’)指示信号控制器调整所述MEMS反射镜阵列的至少一个反射镜元件的角度；以及b1”)指示信号控制器调整所述MEMS反射镜以便在所述IR源的能量和所述IR基准的温度的测量之后以斩波模式从一个聚焦元件转换到另一个。
76.根据权利要求75的所述方法，其中所述指示信号控制器调整至少一个反射镜元件的角度的步骤(b1’)通过转换角度位置被实现。
77.根据权利要求75的所述方法，其中所述调整角度的步骤b1’)包括如下步骤b2)改变至所述MEMS反射镜阵列的所述至少一个元件的控制信号。
78.根据权利要求77的所述方法，其中所述改变所述MEMS反射镜阵列的所述至少一个元件的控制信号的步骤(b2)引起所述MEMS反射镜阵列的所述至少一个反射镜元件的运动。
79.权利要求77中的所述空间安全设备，其中控制信号是电、磁、光、声、气和液压中的一种。
80.根据权利要求77的所述方法，其中所述控制信号是电的并且所述改变控制信号的步骤(b2)通过改变电压或电流以便通过热膨胀和静电力中至少一个引起运动而实施。
81.根据权利要求75的所述方法，其中所述聚焦元件包括(a)透镜元件以及(b)反射镜聚焦元件中的至少一个。
82.根据权利要求68的所述方法，其中所述重新扫描其中可能会检测到气体或蒸汽的所述空气路径的步骤(k2)包括如下至少一个步骤k2’)以预定扫描率重新扫描；以及k2”)以不同扫描率重新扫描。
83.根据权利要求64的检测空间体积中侵入的所述方法，其中所述反射镜元件是布置在带有用于观看所述检测器组件外壳外部的IR滤波窗口的检测器组件外壳中的起始和结束位置反射镜元件，所述方法包括如下步骤将所述反射镜元件的所述行和列的至少一部分定向在起始和结束位置以便观看所述检测器组件外壳外部。
全文摘要
一种监控围绕视场(FOV)的空间体积用于检测包括气体或蒸汽侵入的空间安全设备，并包括微型机电系统(MEMS)，它具有用于反射从FOV收集到的红外(IR)能量束的反射镜阵列中的反射镜元件和用于检测被MEMS阵列反射的IR能量并将IR能量转换成输出信号的IR能量检测器。处理器通过改变控制信号或者通过从一个聚焦元件转换到另一个调节MEMS反射镜阵列元件的角度。该方法包括通过定位MEMS反射镜阵列以便反射关于IR检测器的有效元件的IR信号并从FOV的第i部分收集IR能量检测空间体积。
文档编号G01J5/02GK101040173SQ200580034857
公开日2007年9月19日 申请日期2005年8月3日 优先权日2004年8月18日
发明者K·G·埃斯基尔德森, R·E·李 申请人:霍尼韦尔国际公司