CN106687783A - 用于电磁辐射感测的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及用于提供电磁辐射感测的系统、方法和设备。所述设备包含辐射检测传感器，其包含多个微机械辐射感测像素，所述像素具有反射顶部表面且被配置成随着所感测辐射的强度而变使入射于反射性表面上的光偏转。在一些实施方案中，所述设备具有针对所述感测像素中的至少一些的相等灵敏度。在一些实施方案中，所述设备可提供可调整的灵敏度和测量范围。所述设备可用于人类检测、火灾检测、气体检测、温度测量、环境监视、能量节省、行为分析、监控、信息收集以及人机接口。
Description
相关申请
本申请要求2015年6月25日提交且标题为《用于电磁辐射感测的设备和方法(Apparatus and Method for Electromagnetic Radiation Sensing)》的第14/750,403号美国专利申请以及2014年6月26日提交且标题为《用于电磁辐射感测的设备和方法(Apparatus and Method for Electromagnetic Radiation Sensing)》的第62/017,724号美国临时专利申请的优先权，所述申请的全部公开内容特此以引用的方式并入本文。
技术领域
本文公开的至少一些实施例大体上涉及电磁辐射检测，且更特定来说涉及(但不限于)红外(IR)辐射的感测。
背景技术
第5,929,440号美国专利公开了一种具有多层悬臂的阵列的电磁辐射检测器。所述悬臂中的每一者被配置成吸收电磁辐射以产生热，且因此与所吸收电磁辐射量成比例地在所述热影响下弯曲。对悬臂进行照射，且感测由弯曲的悬臂反射的光以确定电磁辐射量。第5,929,440号美国专利的全部公开内容特此以引用的方式并入本文。
附图说明
在附图的图式中借助于实例而非限制来图示实施例，在附图中相似参考标号指示类似元件。
图1a图示了根据一个实施例的被配置成测量电磁辐射分布的设备。
图1b图示了根据一个实施例测量成像表面上的反射光点的位移以确定微镜的位置处的电磁辐射强度。
图1c图示了根据一个实施例具有不同光反射区域的微镜阵列。
图2a图示了根据一个实施例用以在成像表面上产生反射光点的相等位移以用于微镜的相等旋转的微镜和成像表面的配置。
图2b图示了根据一个实施例用以在成像表面上产生反射光点的相等位移以用于微镜的相等旋转的微镜和成像表面的另一配置。
图2c图示了根据一个实施例用以在成像表面上产生反射光点的最小位移偏差以用于在未准直照明下的微镜的相等旋转的微镜和成像表面的又一配置。
图3a图示了根据一个实施例的辐射感测设备。
图3b图示了根据一个实施例的另一辐射感测设备。
图3c图示了根据一个实施例的又一辐射感测设备。
图4图示了根据一个实施例被配置有光引导装置以产生不同特性的光点的辐射感测设备。
图5图示了根据一个实施例被配置有用于微镜的不同部分的不同过滤特性的多个辐射过滤器的辐射感测设备。
图6图示了根据一个实施例被配置有可调整以改变镜阵列与成像表面之间的距离的定位机构的辐射感测设备。
具体实施方式
以下描述和附图是说明性的，且不应解释为限制性的。描述众多具体细节以提供详尽的理解。然而，在某些情况下，未描述众所周知或常规的细节，以免混淆描述。在本公开中对一个实施例或一实施例的参考不一定参考同一实施例；且这些参考意味着至少一个。
图1a图示了根据一个实施例的被配置成测量电磁辐射分布的设备。
在图1a中，一种电磁辐射感测设备(1)包含：微镜(4)的阵列；光源(2)，其用以提供光；透镜(3)，其用以将光(v)引导到微镜(4)的光反射区域(13)上；成像表面(5)，其用以形成由微镜(4)反射的光点的图像；光检测器(31)，其用以捕获形成于成像表面(5)上的图像；以及任选的辐射过滤器(6)，其用以过滤传入的辐射(r')以产生由微镜(4)的辐射吸收表面(11)吸收的辐射(r)的分布。
在图1a中，微镜(4)的阵列布置于镜平面(19)上。举例来说，微镜(4)的重心(或几何结构)定位于镜平面(19)上。成像表面(5)与镜平面(19)平行布置。
微镜(4)中的每一者具有面对辐射(r)和/或辐射过滤器(6)的辐射吸收表面(11)。微镜(4)中的每一者具有形成于辐射吸收表面(11)的相对表面上的光反射区域(13)。光反射区域(13)充当镜以将光(v)反射到成像表面(5)上。光(v)由特定微镜(4)反射的部分与光(v)由其它微镜(4)反射的部分大体上相异且分离，且因此在成像表面(5)上形成与所述特定微镜(4)相关联的相异光点。
举例来说，来自光源(2)的光线(34)由微镜(4)的光反射区域(13)反射以形成到达成像表面(5)上的光点(39)的反射光线(35)。
在图1a中，在无传入辐射(r')的情况下，微镜(4)最初具有与镜平面(19)对准的位置。举例来说，微镜(4)的中心平面在镜平面(19)内部；且微镜(4)的辐射表面(11)与镜平面(19)平行。
在图1a中，点线(33)表示在对应微镜(4)的初始点线位置中由对应微镜(4)反射的光线的位置。在微镜(4)从点线位置(15)旋转到实线位置(17)之后，对应微镜(4)的光点从初始位置(37)移动到当前位置(39)。位置(37与39)之间的光点位移(Y)的测量可用以计算对应微镜(4)的旋转Q的角度；且由于旋转Q随着对应微镜(4)的辐射吸收表面(11)上的辐射强度成比例而变，因此测得的位移(Y)可用以计算对应微镜(4)的辐射吸收表面(11)上的辐射强度。
光点位移(Y)的测量可针对阵列中的每一微镜(4)执行，且用以确定微镜(4)的阵列上的辐射强度的分布。
在一个实施例中，光检测器(31)用以捕获形成于成像表面(5)上的图像，识别对应于阵列中的个别微镜(4)的个别光点，确定光点的位置，以及计算相应光点的位移及因此微镜(4)上的辐射强度的光强度。
在图1a中，y轴线是在微镜(4)的行的方向上，且平行于图像平面(19)；且光点位移(Y)是在成像表面(5)上沿着y轴线方向。镜平面(19)和成像表面(5)沿着垂直于镜平面(19)的z轴线分开某一距离。
在图1a中，光(v)与z轴线成角度q被引导于镜平面(19)上。因此，光(v)大体上沿着微镜(4)的行的方向行进到镜平面(19)上，且在由微镜(4)反射之后，沿着微镜(4)的行的方向行进到成像表面(5)上。光引导装置(例如，透镜(3))和成像表面(5)沿着行的方向(y轴线)分开某一距离。因此，光引导装置(例如，透镜(3))不干扰微镜(4)与成像表面(5)之间的光线。在一个实施例中，微镜(4)与成像表面(5)之间的光路径上不存在结构和/或光学组件。
在图1a中，成像表面(5)与镜平面(19)平行。因此，当微镜(4)处于与镜平面(19)对准的初始位置中时，由阵列中的不同微镜(4)反射的光从微镜(4)的相应光反射区域(13)到成像表面(5)行进相等距离。结果，由于施加于微镜(4)的辐射吸收表面(11)上的相等辐射(r)强度，微镜(4)的相等旋转导致成像表面(5)上的相等光点位移(Y)。此布置可简化用于从光点位移(Y)计算光强度的校准，和/或改善准确性和/或确保均匀的信号产生以及从辐射强度到光点位移的转换中的均匀灵敏度。
图1b图示了根据一个实施例测量成像表面上的反射光点的位移以确定微镜的位置处的电磁辐射强度。
图1b图示了3×3微镜(4)的阵列。大体上，在不同应用中可使用微镜(4)的不同数目的行和/或列。
图1b图示了每一微镜(4)在面对成像表面的表面上具有光反射区域(13)和非反射性区域(12)。每一微镜(4)的光反射区域(13)的形状和大小界定由对应微镜(4)反射到成像表面(5)上的光点(39)。
在图1b中，阵列中的微镜(4)在其光反射区域(13)中具有相同的形状和大小。替代地，阵列中的不同微镜(4)可以在其光反射区域(13)中具有不同的形状和/或大小，如图1c中图示，从而导致成像表面上的不同反射光点。光反射区域(13)的不同光学特性可用以在使成像表面(5)上的光点与负责反射光点(39)的对应微镜(4)相关时改善准确性。通过使用光反射区域(13)的各种形状、大小、反射率、定向和/或偏振等等可实现不同的光学特性。此外，可在光反射区域(13)上施加(例如，蚀刻或上覆)符号或图形图案以标记微镜(4)，使得负责在成像表面(5)上产生光点的微镜(4)可以从在成像表面(5)上捕获的对应光点的形状、大小、定向、偏振、强度和/或标记来识别。
类似于图1a中的布置，微镜(4)布置于由x轴线和y轴线形成的镜平面(x-y平面)中。镜平面和成像表面(5)沿着z轴线分开某一距离。光线(例如，34，33，35)大体上在平行于y轴线和z轴线的平面内行进。取决于微镜(4)的旋转，由微镜(4)的光反射区域(13)反射的平行传入光线(34)在从光反射区域(13)行进到成像表面(5)时可以彼此平行或者可以不彼此平行。当微镜(4)具有相同旋转量(例如，由于均匀的辐射(r))时，反射光彼此平行且造成相等的光点位移(Y)，如图2a中图示。
图2a图示了根据一个实施例用以在成像表面上产生反射光点的相等位移以用于微镜的相等旋转的微镜和成像表面的配置。相等位移表示在将辐射转换为光点位移时微镜(4)的相等灵敏度。
在图2a中，成像表面(5)与镜平面(19)平行。在无辐射(r)的情况下，微镜(4)在镜平面(19)中对准，如点线(44)指示；且由平行传入光(v)产生的反射光(33)在微镜(4)与成像表面(5)之间也彼此平行，从而在成像表面(5)上产生具有对应于微镜(4)的间距的间距的光点。
在图2a中，当均匀辐射(r)造成微镜(4)的均匀旋转(Q)时，微镜(4)以角度Q倾斜到镜平面(19)之外，如实线(4)指示；且由平行传入光(v)产生的反射光(35)在微镜(4)与成像表面(5)之间也彼此平行，从而产生成像表面(5)上的均匀光点位移(Y1，Y2，Y3)。均匀光点位移(Y1，Y2，Y3)对应于微镜(4)的吸收表面(11)上提供的均匀辐射(r)。
在图2a中，微镜(4)的吸收表面(11)上提供的不均匀辐射(r)大体上造成不同的镜旋转(Q)以及不同的光点位移(Y1，Y2，Y3)。
图2b图示了根据一个实施例用以在成像表面上产生反射光点的相等位移以用于微镜的相等旋转的微镜和成像表面的另一配置。
在图2b中，在无辐射(r)的情况下，微镜(4)在镜平面(19)中未对准，如点线(44)指示，但相对于镜平面(19)具有相同的初始平面外旋转；且由平行传入光(v)产生的反射光(33)在微镜(4)与成像表面(5)之间也彼此平行，从而在成像表面(5)上产生具有对应于镜平面(19)上的微镜(4)的间距的间距的光点。
类似于图2a，在图2b中当均匀辐射(r)造成微镜(4)的均匀旋转(Q)时，微镜(4)相对于其初始位置以角度Q倾斜到镜平面(19)之外，如实线(4)指示；且由平行传入光(v)产生的反射光(33)在微镜(4)与成像表面(5)之间也彼此平行，从而产生成像表面(5)上的均匀光点位移(Y1，Y2，Y3)。均匀光点位移(Y1，Y2，Y3)对应于微镜(4)的吸收表面(11)上提供的均匀辐射(r)。
图2c图示了根据一个实施例用以在成像表面上产生反射光点的最小位移偏差以用于在未准直照明下的微镜的相等旋转的微镜和成像表面的又一配置。
在图2c中，镜平面(19)和成像表面(5)不彼此平行。传入光线(v)到微镜(4)上的投影不平行。此未准直投影可以用点光源产生或者通过分束器产生。另外，可在点源与微镜(4)之间不利用任何透镜的情况下产生此投影。未准直投影将导致每一微镜(41，42，43)的不同照明角度(入射角)。因此，微镜平面(19)与成像表面(5)之间的空间布置，其中微镜(4)的相同旋转(Q)将大体上导致不同的光点位移(Y1，Y2，Y3)。然而，优选地，微镜平面(19)和成像表面(5)被布置成使得借助传入光线(v)到微镜(4)上的对应投影角度，当微镜(4)具有预定量(例如，从未辐射镜位置的1度旋转)的相同旋转(Q)时，一行的两个最外微镜(41和43)(或阵列中的至少三个最外拐角微镜)的对应光点位移(Y1，Y3)基本上彼此相等。因此，当均匀的辐射(r)造成微镜(4)的均匀旋转(Q)时，一行中的两个最外微镜(41和43)之间的任何微镜的光点位移将小于两个最外微镜(41和43)的所述两个基本上相等的光点位移。当均匀辐射(r)造成被未准直光照射的微镜(4)的均匀旋转(Q)时，此布置使光点位移偏差最小化。
优选地，当微镜(41和43)从未辐射镜位置(点线位置)旋转相同量(例如，1度)时，位于微镜(4)的行的开始和末尾的微镜(41和43)具有相同的光点位移(Y1和Y3)。当一行中的两个最外微镜(41和43)在相同量(例如，1度)的旋转后具有基本上相等的光点位移时，可实现此配置。在一个实施例中，至少三个最外微镜(4)(例如，位于镜平面(19)中的阵列的拐角处)被配置成在预定量(例如，1度)的旋转后具有基本上相等的光点位移。
更优选地，位于微镜(4)的行的开始、中间和末尾的微镜(41，42和43)在微镜(41，42和43)从未辐射镜位置(点线位置)旋转相同量(例如，1度)时具有最小的光点位移偏差(Y1，Y2和Y3)。当一行中的两个最外微镜(41和43)被配置成在预定量(例如，1度)的旋转后具有基本上相等的光点位移时，可实现此配置。镜平面(19)中的阵列中布置的微镜(4)可具有至少三个最外微镜(例如，拐角)，其在相同量(例如，1度)的旋转后具有基本上相等的光点位移。
图2c图示了调整传入光线(v)的投影角度以使对应微镜(41，42和43)的光点位移偏差(Y1，Y2和Y3)最小化的实例。替代地或组合地，微镜(4)的初始位置可被配置成针对由相应微镜(4)上提供的相同辐射造成的预定量的旋转使光点位移偏差(Y1，Y2和Y3)最小化。
图3a图示了根据一个实施例的辐射感测设备。图3a中图示的辐射感测设备(1)具有外壳(99)，其封闭光源(2)、衍射光栅(或分束器)(20)、透镜(3)、微镜(4)的阵列、具有成像表面(5)的光检测器(31)、信号处理单元(7)以及辐射过滤器(6)。
在一些实施例中，辐射感测设备(1)进一步包含信号发射单元，其与信号处理单元(7)耦合以发射由光检测器(31)捕获的图像数据和/或由信号处理单元(7)处理的指示光点位移(Y)、镜旋转(Q)和辐射(r)的强度的测量数据。
在图3a中，微镜(4)和成像表面(5)被布置成针对由相等辐射强度造成的相等镜旋转具有相等的光点位移(或最小化的位移偏差)(例如，如图2a、2b和2c中图示)。
在图3a中，微镜(4)的平面和成像表面(5)彼此平行；且衍射光栅(20)安置于透镜(3)的焦点处以将平行光线(v)引导到微镜(4)。当微镜(4)和成像表面(5)以如图2c中图示的角度布置时，可在不具有透镜(3)或具有透镜(3)(其中衍射光栅(20)未安置于透镜(3)的焦点处)的情况下使用点光源(2)(例如，经由衍射光栅(20)产生)。
在一个实施例中，辐射过滤器(6)包含辐射成像透镜(例如，由例如锗、硅、聚合物和类似物制成的红外透镜)。所述辐射成像透镜相对于微镜(4)而布置以在微镜(4)的平面上形成辐射(例如，红外辐射)的图像。因此，对应于成像表面(5)上由微镜(4)产生的光点位移的辐射强度对应于在相应微镜(4)的位置处经由辐射过滤器(6)形成的辐射图像的像素的强度。
例如图1a、图2a、图2b和图3a等一些附图图示了其中成像表面(5)布置于光检测器(31)的表面上的实施方案，一些实施例提供与被配置成捕获形成于成像表面上的图像的成像传感器分离和/或远离的成像表面。
举例来说，成像表面可实施为半透明屏幕；且远程相机可用以从某一距离拍摄或记录形成于半透明屏幕上的光运动图像以测量光点位移(Y)，如图3b和3c中图示。
图3b图示了根据一个实施例的另一辐射感测设备。在图3b中，辐射感测设备具有两个单独的单元，包含容纳于外壳(99)中的成像单元以及被配置成捕获形成于成像表面(5)上的光点图像的远程定位的相机(90)。
在图3b中，光点图像形成于例如安装于外壳(99)的窗上的半透明屏幕(31a)的成像表面(5)上。
类似于图3a，图3b中的外壳(99)封闭光源(2)、衍射光栅(20)、透镜(3)、微镜(4)的阵列以及辐射过滤器(6)。然而，替代于以如图3a中图示的方式封闭光检测器(31)和信号处理单元(7)，图3b中的外壳(99)具有窗以安装半透明屏幕(31a)。形成于屏幕(31a)的成像表面(5)上的光点图像可由远程相机(90)捕获以用于确定光点位移(Y)、镜旋转(Q)、辐射(r)的强度。
在一些实施例中，远程相机(90)包含信号处理单元(7)，其被配置成从由相机捕获的屏幕(31a)的光图像检测由相应微镜(4)产生的光点，且计算微镜(4)的位置处的辐射强度。
图3c图示了根据一个实施例的又一辐射感测设备。在图3c中，远程单元(92)不仅包含相机(90)，而且包含由玻璃护罩(91)保护的光源(2)、衍射光栅(20)和透镜(3)。由于在远程单元(92)中保护灵敏和/或昂贵的元件，因此可在恶劣环境中使用容纳于外壳(99)中的成像单元。
在图3c中，外壳(99)包含窗(21)以接收由远程单元(92)中的光源(2)、衍射光栅(20)和透镜(3)形成的平行光线。一组镜(22)用以将平行光线引导到微镜(4)上以在半透明屏幕(31a)的成像表面(5)上产生光点图像。辐射过滤器(6)在与所吸收辐射成比例地旋转的微镜(4)的辐射吸收表面(11)上形成辐射图像。
在图3c中，相机(90)被配置成捕获形成于屏幕(31a)的成像表面(5)上的光点图像。
图3c图示了其中屏幕(31a)安装于外壳(99)的窗上的实例。替代地，具有成像表面(5)的屏幕(31a)可被配置在外壳(99)内部，其通过透明窗(例如，配置于图3c中屏幕(31a)安装的窗处)可见。
图1c图示了根据一个实施例具有不同光反射区域的微镜阵列。不同微镜(4)的不同光反射区域(13)造成由相应微镜(4)反射的光(v)形成的光点(39)具有不同形状。因此，识别由不同微镜(4)形成的光点的模糊性可以基于微镜(4)的形状与光点(39)的形状的关联来解决。
在图1c中，不同的光反射区域(13)被配置成至少区分在一方向上由沿着y轴线的一行微镜(4)中的邻近微镜(4)产生的光点，在所述方向上所述光点响应于由辐射(r)的能量吸收造成的微镜(4)的旋转(Q)而行进位移(Y)。在一些实施方案中，一行微镜(4)中的每一微镜(4)以光学标记进行个别化，使得由相应微镜(4)产生的光点可以区分于由所述行中的其它微镜(4)产生的光点。大体上，不同行的微镜(4)的光点也可以任选地以不同光学特性来标记。此外，光点的不同光学特性也可至少部分地经由设备的光引导组件而产生，如图4中图示和下文进一步论述。
图4图示了根据一个实施例被配置有光引导装置以产生不同特性的光点的辐射感测设备。
在图4中，传入的光线(v)通过线性可变过滤器(10)，使得经过滤光线(v1，v2和v3)具有不同强度。结果，沿着y轴线在沿着轻微点位移(Y)的方向的行中的不同微镜(4)反射的光线具有不同的光强度。因此，光点的强度可用以解决在成像表面(5)上产生相应光点的微镜(4)的识别中的模糊性。
举例来说，在图4中，光点间距(P)是当微镜(4)未经受辐射(r)时沿着y轴线在沿着轻微点位移(Y)的方向的邻近光点之间的距离。当微镜(4)中的一者上的辐射强度造成超过光点间距(P)的光点位移(Y)时，可能存在光点与产生相应光点的微镜(4)的顺序相比乱序的情形。举例来说，在图4的实例中，由光线(v1)产生的光点在由光线(v2和v3)产生的光点之间；然而，反射光线(v1)的微镜不在反射光线(v2和v3)的微镜(4)之间。因此，如果光点仅基于光点的顺序与微镜(4)相关，那么测量结果将为错误的。
在图4中，由于由光线(v1，v2和v3)产生的光点具有不同强度，因此在成像表面上形成的光点的强度可以被分级以确定对应于所述行中反射相应光线(v1，v2和v3)的微镜(4)的次序的光点的次序。因此，可消除如上文论述的由于光点的乱序位移所致的潜在测量误差。
在一个实施例中，线性可变过滤器(10)造成光线(v1，v2和v3)在y轴线的方向(光点移动(Y)的方向)上具有光强度的线性变化。替代地，可使用其它类型的光强度分布。大体上，经由微镜(4)的过滤器(10)和/或光反射区域(13)，光线(v1，v2和v3)可经由例如形状、大小、强度、偏振、符号等光学特性而个别地标记。
上文论述的辐射过滤器(6)可包含辐射成像透镜以在微镜(4)的阵列上形成辐射图像。在一些实施例中，辐射过滤器(6)可以包含具有用于阵列中的微镜(4)的不同部分的不同过滤特性的过滤器，如图5中图示。
图5图示了根据一个实施例被配置有用于微镜的不同部分的不同过滤特性的多个辐射过滤器的辐射感测设备。
在图5中，辐射过滤器(6)的不同部分(6a，6b和6c)具有不同的过滤范围。因此，均匀辐射(r)可由辐射过滤器(6)的不同部分(6a，6b和6c)过滤以针对微镜(4)的阵列的不同部分形成不同辐射图像(r1，r2和r3)。
在图5中，不同辐射过滤器(6a，6b和6c)的变化沿着y轴线在光点位移(Y)的方向上布置。替代地或组合地，不同辐射过滤器(6a，6b和6c)的变化可以在平行于镜平面(19)且垂直于y轴线的平面中(例如，在图1b中图示的x轴线上)做出。
辐射感测设备可使用不同过滤器以用于多光谱感测。
图6图示了根据一个实施例被配置有可调整以改变镜阵列与成像表面之间的距离的定位机构的辐射感测设备。
在图6中，可经由定位机构(50)自动或手动调整成像表面(5)的位置。成像表面(5)的位置的调整会调整辐射强度的灵敏度和测量范围。
在图6中，当微镜(42)从点线位置旋转到实线位置时，所反射光线的位置对应地从点线位置(33)改变为实线位置。当光检测器(31)(或半透明屏幕(31a))的成像表面(5)处于位置B(52)时，光位移为Y52。当光检测器(31)(或半透明屏幕(31a))的成像表面(5)处于位置A(52)时，光位移为Y51。因此，在微镜(42)的相同旋转的情况下，当成像表面(5)移动而增加镜平面(19)与成像表面(5)之间的距离且因此增加测量灵敏度时，光点位移从Y51扩大到Y52。另一方面，使成像表面(5)移动更靠近镜平面(19)减小了灵敏度且因此扩展了测量范围。
在一个实施例中，定位机构(50)被配置成大体上在反射光线(33，35)的方向上移动成像表面以保持光点图像在成像表面上基本上位于中心。
在一些实施例中，线性可变过滤器(10)以如图6中图示的方式与透镜(3)集成以产生在光点位移的方向上具有变化光强度的平行光线(v)。
上文论述的辐射感测设备具有许多应用，例如用于保安和安全、能量节省、火灾检测、人数统计以及行为分析的非视觉环境监视和人类存在的监视。辐射感测设备可以使用红外感测技术，大体上且更特定来说非制冷热成像。
在一个实施例中，辐射感测设备包含辐射检测传感器，其包含多个微机械辐射感测像素，所述像素具有反射顶部表面且被配置成随着所感测辐射的强度而变使入射于反射性表面上的光偏转。在一些实施方案中，所述设备可提供可调整的灵敏度和测量范围，如图6中图示。在一些实施方案中，所述设备可提供可调整的光谱和多光谱感测能力，如图5中图示。所述设备可用于人类检测、火灾检测、气体检测、温度测量、环境监视、能量节省、行为分析、监控、信息收集以及人机接口。
在附图和描述中陈述本说明书中描述的标的物的一个或多个实施方案的细节。从描述、附图和权利要求书将明了其它特征、方面和优点。应注意，以下附图的相对尺寸可能未按比例绘制。各图中的相同参考标号和名称指示相同元件。
非视觉环境监视和人类存在的监视可在用于保安和安全、能量节省、火灾检测、人数统计以及行为分析的应用中利用。用于这些种类的应用的一个技术是红外技术，特定来说是非制冷热成像。我们的环境中的每个对象具有唯一的热足迹，且因此热成像提供了以极高准确性和可忽略的误报警率对封闭环境中的人类存在的检测。在长波红外带中的人体温度和放射性在大多数情况下可区分地高于典型室内和室外周围环境的热足迹。具有有限空间分辨率的热成像可足以准确地检测在短距离处的人类而不揭露个人的身份。环境和人类检测与监视的此方面关于隐私保护而受到普遍关注。当前的热成像技术解决方案由于其生产复杂性和费用而不适用于低成本、大批量的应用。需要的是处于商品价格的普遍适用的有限空间分辨率红外成像器。具有有限空间分辨率的潜在便宜的热成像器的一个实例是基于非制冷热机械双材料微元件传感器，其将入射的红外辐射转换为微机械位移。所述微元件经常称为微悬臂或微镜。操作原理是基于双材料效应，其中热膨胀系数的材料化合物失配导致在温度改变后的微机械运动。在一些实施方案中，一个微元件表示一个辐射感测像素，且全部传感器由微元件阵列组成。
参见图3a，电磁辐射检测器1包含外壳(99)，其具有光源(2)、透镜或准直器(3)、微镜(4)的阵列、具有成像表面(5)的光检测器(31)以及辐射过滤器(6)。大体上，光检测器(5)将光转换为电信号以检测由形成微机械像素阵列的微镜(4)反射的光产生的光点的位置。
在一个实施例中，每一微镜(4)是微机械辐射感测像素，其具有反射顶部表面和辐射吸收底部表面。微镜(4)以二维阵列布置。微机械辐射感测像素在辐射吸收后展现反射顶部表面的可逆微机械位移。初始入射辐射通过过滤器(6)，在其上至少一个辐射特性被更改，且在微镜(4)上提供经过滤的辐射。
在一些实施方案中，微镜(4)的微机械像素阵列可封闭于特定操作压力或气体中，以密封腔室的顶部和底部上的透明光学窗密封。
举例来说，2014年5月29日提交且标题为《用于电磁辐射感测的微机械装置及其制造方法(Micromechanical Devices for Electromagnetic Radiation Sensing andMethods to Produce the Same)》的第62/004,805号美国专利申请中公开的像素可在像素阵列(4)中使用，所述申请的全部公开内容特此以引用的方式并入本文。
光源(2)以光线(v)照明微镜(4)的顶部表面。微机械辐射感测像素(例如，微镜(4))的反射器(例如，光反射区域(13))将所照射光线(v)反射到光检测器(31)的成像表面(5)上。在光源(2)与微镜(4)之间定位有准直器或透镜(3)，其准直且产生基本上平行的光线(v)以落到微镜(4)上。光线v对微机械像素阵列的顶侧的照射基本上不会影响、致动、移位或旋转微镜(4)的反射器。微镜(4)的反射器主要由于在辐射(r)的吸收后的局部温度上升而产生角运动。微镜的温度相依的致动可大体上经由双材料效应而实施以用于温度感测。
如图1a中图示，以(v)标记的经准直光线以固定入射角q落到微镜(4)的反射器上，且以反射角反射并落到光检测器(31)的成像表面(5)上。最初，所反射光线具有与入射光线基本上等同的经准直布置。
在图1b的示意性图示中，将3×3微机械像素的阵列标示为传感器阵列。在各种实施例中可使用更多或更少的像素。在图1b中，微镜(4)在以辐射强度r的背侧照射后展现角位移。在一些实施方案中，微镜(4)的倾斜的量对应于所吸收辐射强度的量。对应像素的微镜(4)的微机械运动是通过从底部侧的所照射电磁辐射的吸收而产生。所吸收照射产生微结构上的温度增加，其中双材料致动器引发微机械角运动。
由于微镜(4)的反射器中的位置改变，对应光线(33)经历所述角度量的反射角改变，且将经移位反射光线图示为光线(35)。微镜(4)和反射光线(33)的初始位置在图1b中以点线示出。微机械角位移转译为光线位移(Y)，其经由光检测器(31)得到检测。在一个实施例中，光检测器的成像表面(5)捕获入射光线作为具有特定直径的光点。光点(37，38)在图1b中示意性图示为圆的特征。总之，入射辐射强度(r)经由微机械位移和光学设置而转译为由光检测器(31)捕获的成像表面(5)上的光点位移(Y)。
电磁辐射检测器(1)包含辐射过滤器(6)，其具有至少一种辐射过滤能力。过滤器(6)可以改变经过滤辐射的带宽、光谱强度等等。在一些实施方案中，过滤器(6)可为由例如锗、硅、聚合物等特定材料组成的光学窗。另外，光学窗材料可以包含光学涂层或光栅。在一些实施方案中，光学辐射过滤器(6)可为辐射成像透镜，其将入射照射成像到微镜(4)的辐射吸收侧上。过滤器能力不限于任何波长或波段。举例来说，辐射过滤器(6)可为锗成像透镜，其包含用于长波红外区(LWIR)的抗反射光学涂层。另一实例可仅包含平面硅光学窗，其覆盖有仅对特定波长透明的窄带光学透射涂层。后一实例可用作气体传感器或用于以若干检测器进行多波段感测，其中每一检测器对一个特定波长敏感。第一实例可例如用于人类存在的热成像。
在一个实施例中，辐射过滤器(6)是电磁辐射检测器(1)的可交换部分。举例来说，在LWIR区中高度透明的一个辐射过滤器(6)可以与例如仅针对中波红外(MWIR)区透明的辐射过滤器(6)手动或自动交换。借助这些设备，最终用户有使检测器容易且方便地适于用户的检测和感测需要的自由。
在一个实施例中，辐射过滤器(6)包含一种或多种空间过滤能力，如图5中图示。辐射过滤器(6)包含多个部分(6a，6b，6c)，其具有彼此不同的透射率。所述部分的大小或二维布局不受图5中所示的图示限制。举例来说，部分(6a)可仅对5um波长为透明的，且窗(6b)可仅对10um波长为透明的。此设备实现了在一个检测器内的多光谱感测和成像。可通过材料选择、光学涂层或这两者的组合来实现空间过滤能力。在一些实施方案中，两种或多种不同材料可组合在一起以形成辐射过滤器(6)。可关于指定的应用领域和/或用户的感测和检测需要来选择过滤能力。
在一个实施例中，光学过滤器(例如，线性可变过滤器(10))集成到透镜或准直器(3)中，如图6中图示。举例来说，线性可变中性密度过滤器集成于准直双凸透镜(3)的背侧上。包含过滤器的透镜的形状不限于双凸透镜。其可包含用于准直且随后过滤来自光源(2)的入射光的任一种类光学元件。
在一些实施方案中，透镜或准直器(3)可包含多于一个元件。其不限于准直双凸透镜、平凸透镜或菲涅尔透镜。在一些实施方案中，光源(2)、透镜或准直器(3)以及过滤器(10)可为一个集成元件。此元件可产生在一个维度中具有梯度光特性的结构化光图案。
在一个实施例中，检测器(1)具有可调整的反射光线长度。通过微镜(4)的所捕获光线位移(Y)的量取决于光线长度L和入射角(q)。调整反射光线长度导致辐射测量灵敏度和测量范围的调整。
本文公开的一个实施例包含校准方法。所述方法以在初始状态中读取和存储成像表面(5)上的每一光点的初始位置开始。在初始未照射状态中每一光点最初从每一微镜(4)的反射顶部表面反射。随后，以特定经校准辐射强度照射微镜(4)的阵列以致使光点改变其在成像表面(5)上的位置。读取和存储新校准的位置。初始位置可被设定为针对无入射辐射的值，且经校准位置用于入射辐射的经界定且校准的值。由于光点位移的响应行为相对于辐射基本上是线性的，因此初始位置与经校准位置之间的测得光点位置表示经校准入射照射的对应分率。此方法可称为电磁辐射检测器1的一点校准。这是表示入射辐射强度值的光点位移如何转换为用于信号处理的电信号增益的一个实例。在一些实施方案中，两点或多点校准方法可应用于校准检测器(1)。
以所有反射读出光线长度在初始状态下保持基本上长度等同的方式沿着初始反射读出光线长度相对于镜平面(19)调整成像表面(5)的位置的机构(50)不限于特定实施例。所述机构可包含具有手动位置固定元件的轨道，或其可包含可自动调整位置的自动化驱动器。
在一些实施例中，检测器(1)不仅包含外壳(99)、光源(2)、具有光学过滤器(10)的准直器(3)、微镜(4)的阵列、具有相机(90)的光检测器(31)或屏幕(31a)、辐射过滤器(6)和/或信号处理单元(7)，而且包含通信模块、电池、辐射成像透镜以及额外传感器或多传感器模块，其包含视觉相机以用于捕获由微镜(4)监视的场景。在一些实施例中，检测器(1)进一步包含多个辐射过滤区域(例如，如图5中图示的6a、6b和6c)，其具有不同透射特性以用于不同波长和带宽中的同时检测。此外，辐射过滤器/透镜(6)可以例如保持环进行固定。以保持环的固定仅为示例性的，且可使用用于附接和交换辐射过滤器/透镜(6)的其它方法。
在一个实施例中，定位机构(50)被配置成沿着初始反射光线(无辐射(r))的方向自动进行调整。用于调整成像表面(5)的驱动器在图6中示意性指示为元件(50)。光检测器5的可调整位置允许最终用户针对用户的需要而调整灵敏度对测量范围。
在图3a中，信号处理单元(7)安置于外壳(99)内部。信号处理单元(7)处理反射光点位移且产生对应电信号增益。所述信号可进一步经处理且例如经由外部显示器显示给最终用户。显示器和用户接口也可为检测器的部分。此外，在一些实施例中，信号处理单元(7)可安置于外壳(99)外部。其可定位于外壳(99)的外部，且经由有线或无线连接而连接到光检测器(31)。
信号处理单元(7)可经编程以用于指定应用的定制处理。举例来说，对于气体感测应用，信号处理单元(7)可以一方式编程以使得当某一波长(例如，对应于经由过滤器(6a)的检测)上升或下降到低于某一值时触发警报。举例来说，可将IR光源引导到由过滤器(6a)覆盖的微镜(4)的部分上；且如果其检测到的辐射强度下降到低于某一阈值，那么在视线中存在可追踪的气体。作为实例，过滤器(6a)可仅对约4.6-4.9um的带宽高度透明，以用于一氧化碳浓度检测。此光谱法测量方法仅是检测器(1)的可能用途的一个实例。其它两个过滤器(6b和6c)在此实例可例如分别为MWIR和LWIR透明的。
在一个实例中，经处理信号通过通信端口无线发射到便携式装置，其中最终用户可看见产生的信号并能够通过用户接口控制检测器或与检测器交互。所述信号可通过任何有线或无线发射方法例如使用USB、蓝牙、Wi-Fi等而发射和交换。最终用户的显示器和接口可包含任何装置，例如智能电话、平板计算机、膝上型计算机等。
在一个实施例中，检测器(1)包含多传感器模块，其包含另外检测检测器(1)的周围环境中的不同物理性质的传感器阵列。举例来说，所述传感器多传感器模块可包含视觉成像器以捕获可见波段中的所检测辐射场景。此外，其可包含温度、湿度和空气压力传感器。此外，其可包含麦克风或例如扬声器等致动器。作为便携式装置，其可包含加速度传感器、位置传感器、GPS模块等。传感器模块在本文论述的实例感测和致动装置的数量或方法方面不受限制。
在一个实施例中，检测器(1)进一步包含能量产生单元，例如太阳能电池、风力涡轮机等，以为检测器(1)的操作供电。此外，其可包含例如电池等能量存储单元和/或用户接口。其还可包含数据存储单元，其中可存储经处理或原始数据。举例来说，检测器(1)可包含小型太阳能面板、可交换且可充电的电池以及用于存储器卡的适配器。
在一个实施例中，辐射过滤器(6)的成像透镜将电磁辐射聚焦到微镜(4)的阵列上。在此实施例中仅为了示意性目的而标示成像透镜。在一些实施方案中，成像透镜可包含多于一个元件以将电磁辐射聚焦且成像到微镜(4)的阵列上。也可使用被配置成用于两元件或多元件辐射成像的透镜，称为目标或光学成像系统。
在前述说明书中，已参考本公开的特定示例性实施例描述了本公开。将显而易见的是，在不脱离如所附权利要求书中陈述的较广精神和范围的情况下可以对其作出各种修改。因此，应当在说明性意义而不是限制性意义上来考虑说明书和附图。
Claims (20)
1.一种辐射感测设备，其包括：
至少一行微镜，其在第一平面中沿着第一方向布置，所述行微镜中的每一相应微镜具有辐射吸收表面以及定位于所述辐射吸收表面的相对侧处的光反射区域，其中所述相应微镜被配置成响应于所述辐射吸收表面中吸收的辐射而在所述第一平面中沿着第二方向旋转；
光引导装置，其被配置成将来自光源的相应光线引导到所述相应微镜的所述光反射区域；以及
成像表面，其面对所述相应微镜的所述光反射区域以接收被引导到所述相应微镜的所述光反射区域上的所述相应光线的反射光线，所述成像表面相对于所述行微镜而定位以针对在所述行微镜中沿着所述第二方向的相等旋转产生从所述行微镜中的至少两个反射到所述成像表面上的光线的相等位移。
2.根据权利要求1所述的辐射感测设备，其中在所述行微镜的光反射区域与所述成像表面之间的光路径上不存在光学组件。
3.根据权利要求2所述的辐射感测设备，其进一步包括具有所述成像表面的光成像传感器。
4.根据权利要求2所述的辐射感测设备，其进一步包括部分透明的组件，所述部分透明的组件具有所述成像表面以形成通过从所述行微镜反射到所述成像表面上的所述光线形成的光点的图像。
5.根据权利要求2所述的辐射感测设备，其中所述光引导装置被配置成将来自非相干光源的光作为光线引导到所述行微镜的所述光反射区域以及所述成像表面。
6.根据权利要求2所述的辐射感测设备，其中所述光引导装置包含点光源。
7.根据权利要求6所述的辐射感测设备，其中所述点光源包含准直器。
8.根据权利要求2所述的辐射感测设备，其中所述光引导装置包含衍射光栅或分束器。
9.根据权利要求2所述的辐射感测设备，其中所述光引导装置包含具有非机械光束导向的光源。
10.一种辐射感测设备，其包括：
至少一行微镜，其在第一平面中沿着第一方向布置，所述行微镜中的每一相应微镜具有辐射吸收表面以及定位于所述辐射吸收表面的相对侧处的光反射区域，其中所述相应微镜被配置成响应于所述辐射吸收表面中吸收的辐射而在所述第一平面中沿着第二方向旋转；
光引导装置，其被配置成将来自光源的相应光线引导到所述相应微镜的所述光反射区域；以及
成像表面，其面对所述相应微镜的所述光反射区域以接收从所述行中的不同微镜反射的不同光学特性的光。
11.根据权利要求10所述的辐射感测设备，其中所述光引导装置在所述行中的所述不同微镜的光反射区域处产生且引导具有所述不同光学特性的光线。
12.根据权利要求11所述的辐射感测设备，其中所述不同光学特性包含沿着所述第一方向的不同光强度。
13.根据权利要求12所述的辐射感测设备，其中所述光引导装置包含线性可变过滤器。
14.根据权利要求13所述的辐射感测设备，其中所述光引导装置进一步包含准直透镜；且所述线性可变过滤器与所述准直透镜集成。
15.根据权利要求10所述的辐射感测设备，其中所述行的不同微镜的光反射区域具有不同光学特性以产生反射到所述成像表面上的所述光的所述不同光学特性。
16.根据权利要求15所述的辐射感测设备，其中所述光反射区域的所述不同光学特性包含所述光反射区域的不同形状。
17.根据权利要求10所述的辐射感测设备，其进一步包括：
多个不同辐射过滤器，其被配置成在所述行中的不同微镜的辐射吸收表面上提供经不同方式过滤的辐射。
18.根据权利要求10所述的辐射感测设备，其进一步包括：
成像透镜，其用以过滤被引导到所述行中的不同微镜的辐射吸收表面的辐射。
19.根据权利要求10所述的辐射感测设备，其进一步包括：
用以调整所述成像表面与所述第一平面之间的距离的机构。
20.根据权利要求10所述的辐射感测设备，其进一步包括：
图像传感器，其用以捕获形成于所述成像表面上的图像；以及
信号处理单元，其用以基于所述不同光学特性将所述图像上的识别光点相关到所述行中的不同微镜。
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