ITMI942679A1 - Sistema di sensori a schiera per infrarosso - Google Patents
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Abstract
Sistema di sensori a schiera per infrarosso in grado di rivelare la posizione e l'orientamento di un corpo umano senza usare alcun elemento sensore costoso richiesto nei sensori a schiera per infrarosso convenzionali ed avente funzioni che permettono il suo adattamento a un condizionatore d'aria con una costruzione relativamente semplice. Il sistema di sensori a schiera per infrarosso comprende una lente di Fresnel per mettere a fuoco raggi infrarossi, una pluralità di guide per guidare i raggi infrarossi messi a fuoco dalla lente di Fresnel in predeterminate direzioni, un filtro per filtrare bande di lunghezza d'onda desiderata dei raggi infrarossi guidati, una pluralità di elementi sensori per infrarosso per rivelare i raggi infrarossi filtrati, gli elementi sensori per infrarosso corrispondendo alle direzioni dei raggi infrarossi guidati dalle guide, rispettivamente, e un dispositivo circuitale per elaborare i segnali rispettivamente emessi dagli elementi sensori per infrarosso.
Description
D E S C R I Z I O N E
annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE dal titolo;
"SISTEMA DI SENSORI A SCHIERA PER INFRAROSSO"
D E S C R I Z I O N E
La presente invenzione si riferisce a un sistema di sensori a schiera per infrarosso e in particolare a un sistema di sensori a schiera per infrarosso di struttura semplice ed economica, in grado di rivelare la posizione e l'orientamento di un corpo umano, come pure la presenza e l'entità di movimento dello stesso.
In generale, i sensori per infrarosso vengono classificati in tipo piroelettrico e tipo ad efficienza quantica, I sensori per infrarosso di tipo piroelettrico vengono usati per rivelare un corpo umano e l'entità di movimento dello stesso convertendo i raggi infrarossi emessi dal corpo umano in calore, Peraltro, i sensori per infrarosso del tipo ad efficienza quantica vengono soprattutto usati a scopi militari o per ottenere immagini infrarosse in satelliti, poiché hanno una sensibilità superiore rispetto ai sensori per infrarosso di tipo pinselettrico.
Nella figura 1 viene illustrata una costruzione convenzionale di un'unità di sensori per infrarosso che usa un elemento di ceramica,
L'unità di sensori per infrarosso include un chip di rivelazione dell'infrarosso 1 costituito da una ceramica piroelettrica a base di PLZT (titanatozirconato di piombo e lantanio), un monocristallo, come LiTaQ3 e un polimero di polivinilidendifuoruro (PVOF), Il chip 1 ha un elettrodo superiore come elettrodo di assorbimento dei raggi infrarossi e un elettrodo inferiore nelle sue superfici superiore e inferiore, rispettivamente, Il chip 1 è sostenuto da un elemento di supporto 3 fissato su un'asta 3 di un contenitore come un contenitore TQ-5 che costituisce una parte dell'unità di sensori per infrarosso ,
Formati su una parte predeterminata dell'elemento di supporto 2 vi sono un resistere di sblocco Rg e un transistor a effetto di campo FET collegati elettricamente l'uno all'altro, Gli elettrodi superiore e inferiore del chip 1 sono collegati al resistere di porta Rg e al transistore a effetto di campo FET mediante linee metalliche (non illustrate) estendentisi nell'elemento di supporto 2,
I conduttori 4 si estendono attraverso fori di passaggio formati nell'asta 3, rispettivamente, I conduttori 4 sono elèttricamente collegati al transistor a effetto di campo FET e al resistere di scatto Rg, rispettivamente, Un alloggiamento metallico 5 del contenitore è accoppiato all'asta 3 lungo il bordo esterno dell'asta 3 in modo che il chip 1 venga sigillato dall'esterno del contenitore, Un filtro 6 atto a trasmettere raggi infrarossi di una banda che deve essere rivelata è supportato dal l'alloggi amento metal lico 5 , Il filtro 6 è disposto in una posizione corrispondente al l'elettrodo superiore del chip 1.
Facendo riferimento alla figura 2, è illustrato un circuito equivalente del sensore per infrarosso convenzionale avente la summenzionata struttura, Come illustrato in figura 2, l'elettrodo superiore del chip 1 è collegato alla porta del transistore FET che riceve tensione da una batteria nel suo pozzo D, L'elettrodo inferiore del chip 1 è collegato a un terminale di terra G, Il resistore di sblocco Rg è collegato tra la porta del transistore FET e il terminale di terra G, Inoltre, un resistore di sorgente Rs è collegato alla sorgente S del transistore FET e al terminale di terra S, Una tensione Vs è generata attraverso il resistore di sorgente Rs ,
Come sensore per infrarosso convenzionale principalmente usato nella pratica è noto un sensore per infrarosso di tipo doppio,
Come illustrato in figura 3, il sensore del l'infrarosso di tipo doppio include un conduttore piroelettrico avente un elettrodo superiore 8 diviso in due elettrodi ai quali sono elettricamente collegati i conduttori 9, rispettivamente, Ad eccezione di ciò, il sensore per infrarosso di tipo doppio ha la stessa struttura dell'unità sensore per infrarosso di figura 1. Vale a dire, il sensore per infrarosso di tipo doppio è costruito in modo che un elettrodo inferiore 10 del conduttore piroelettrico sia montato stabilmente a un elemento di supporto 12 per il conduttore piroelettrico per mezzo di un adesivo isolante 11 ,
Facendo riferimento alla figura 4, è illustrato un circuito equivalente del sensore per infrarosso di tipo doppio avente la summenzionata costruzione, Come illustrato in figura 4, il circuito equi valente del sensore per infrarosso doppio ha una costruzione molto simile a quella di circuito equivalente di figura 2 eccetto che due chip piroelettrici aventi direzioni di polarizzazione opposte sono collegati in serie,
Il funzionamento del sensore per infrarosso doppio verrà descritto con riferimento alla figura 7, Quando l'elemento sensore per infrarosso 30 dell'unità di rivelazione 20 rivela il movimento di un oggetto ed emette quindi un segnale elettrico, il transistore a effetto di campo FET converte un'impedenza del segnale elettrico ivi ricevuto e applica il segnale risultante al terminale non invertitilire ( ) dell'ampli ficstore A1. Poiché l'amplificatore A1 è collegato ai resistori R1 e R2 e ai capacitori C4 e CS, serve ad amplificare e a filtrare il segnale d'uscita dal transistore FET. Il segnale risultante dall'amplificatore A1 viene applicato all'amplificatore A2 . Poiché l'amplificatore A2 è collegato ai resistori R3 e R4 e ai capacitori C6 e C7, esso serve ad amplificare e a filtrare il segnale d'uscita dall'amplificatore A1 .
Quando l'unità di rivelazione 20 è sottoposta a una vibrazione esterna alla generazione di un segnale d'uscita da questa, un rumore di vibrazione può essere incluso nel segnale d'uscita dell'unità di rivelazione 20 a causa della caratteristica piezoelettrica dell'elemento ferroelettrico,
Nel sensore per infrarosso di tipo doppio, tuttavia, uno dei due elementi sensori dell'infrarosso viene usato come elemento di riferimento, Questo elemento di riferimento non è esposto ad alcun raggio infrarosso. Di conseguenza, il rumore di vibrazione dell'elemento sensore dell'infrarosso causato dalla vibrazione esterna è compensato dalla tensione di riferì mento dell'elemen to di riferìmento ,
In generale, il rumore include rumore termico, rumore granulare e rumore 1/f.
Il rumore termico viene generato a causa del componente resistenza presente nel circuito, Questo rumore termico può essere elaborato da un circuito amplificatore differenziale per amplificare una differenza tra il segnale d'uscita dell'elemento sensore e il segnale d'scita dell'elemento dì riferimento .
Pertanto il sensore per infrarosso di tipo doppio può rivelare una differenza tra le energie dell'infrarosso rispettivamente incidenti sull'elemento sensore e l'elemento di riferimento senza rispondere ai fattori che generano un funzionamento errato, come vibrazione.
In altre parole, il sensore per infrarosso può rivelare una variazione della quantità di raggi infrarossi ivi incidenti poiché la temperatura dell'elemento piroelettrico varia in relazione alla variazione della quantità di raggi infrarossi e quindi genera una carica, Di conseguenza, il sensore per infrarosso può rivelare una sorgente di raggi infrarossi, come un corpo umano in movimento entro una gamma di aperture angolari.
Peraltro, un dispositivo ad accoppiamento di carica per infrarosso iIR-CCD) piroelettrico è illustrato in figura 5, Come illustrato in figura 5, l'IR-CCD p iroelettrico include un elemento piroelettrico 13 costituito da un monocristallo, come LiTaDs e munito di elettrodi superiore e inferiore 14 e 15, L'elettrodo inferiore 15 è collegato elettricamente a un elettrodo di sblocco dell‘IR-CCD formato su un substrato di silicio 16 con una piazzola di indio. Facendo riferimento alla figura 6, è illustrato un sensore a schiera per infrarosso piroelettrico che usa tale IR- CCD piroelettrico, Come illustrato in figura 6, il sensore a schiera per infrarosso piroelettrico include un'unità di rivelazione 20 per convertire un'impedenza alla rivelazione di un movimento di un oggetto mediante il suo elemento sensore, un'unità di amplificatore differenziale 21 per amplificare una differenza tra i dati rivelati dall'unità di rivelazione 20 e una tensione di riferimento dell'elemento di riferimento dell'unità di rivelazione 20, un'unità campiornamento/tenuta 22 per campiorare/ tenere un'uscita dall'unità amplif icatrice differenziale 21, un'unità convertitrice analogico/digitale 23 per convertire un segnale d'uscita dall'unità di campionamento/ tenuta 22 in un segnale digitale, un microcalcolatore 24 per ricevere un'uscita dall'unità convertitrice analogico/digitale 23 e analizzare un segnale d'immagine infrarossa sulla base del segnale ricevuto, e un'unità di controllo 25 per controllare le unità del sensore a schiera pi roeletrico per infrarosso,
Quando i raggi infrarossi emessi da un oggetto vengono pn-oiettati sugli elementi a schiera dell'unità di rivelazione dell'infrarosso 20 attraverso costose lenti di Ge o ZnSe, gli elementi a schiera di rivelazione dell'infrarosso applicano corrente piroelettr ica all'IR-CCD che, a sua volta, emette un segnale elettrico,
Di conseguenza. un'immagine infrarossa del movimento di un oggetto può essere analizzata dai circuiti collegati al lato a valle dell'IR-CCD,
Benché il sistema complessivo dell'unità sensore per infrarosso convenzionale abbia una costruzione semplice ed economica in grado di rivelare un corpo umano e un movimento dello stesso, non può rivelarne l'orientamento,
D'altra parte, il sensore a schiera per infrarosso convenzionale può anche rivelare tutte le informazioni, come orientamento e posizione del corpo umano, Tuttavia, questo sensore ha il problema che non é adatto per essere applicato a elementi, come condizionatori di aria, poiché è molto costoso a causa cella necessità di costose lenti e complesse procedure di elaborazione dei segnali,
Pertanto, un oggetto dell'invenzione è di fornire un sistema di sensori a schiera per infrarosso in grado di rivelare la posizione e l'orientamento di un corpo umano senza usare alcun elemento sensore costoso richiesto nei sensori a schiera per infrarosso convenzionali ed avente funzioni che rendono possibile il suo adattamento a un condizionatore d'aria con una semplice costruzione. Secondo la presente invenzione, questo oggetto viene conseguito fornendo un sistema di sensori a schiera per infrarosso comprendente; una lente di Fresnel per mettere a fuoco raggi infrarossi; una pluralità di guide per guidare i raggi infrarossi messi a fuoco dalla lente di Fresnel in predeterminate direzioni; un filtro per filtrare le desiderate bande di lunghezza d'onda dei raggi infrarossi guidati; una pluralità di elementi sensori per infrarosso per rivelare i raggi infrarossi filtrati, gli elementi sensori per infrarosso corrispondendo alle direzioni dei raggi infrarossi guidati dalle guide, rispettivamente; e mezzi a circuito per elaborare i segnali rispettivamente emessi dagli elementi sensori per infrarosso,
Altri oggetti e aspetti dell'invenzione saranno evidenti dalla seguente descrizione delle forme di realizzazione con riferimento agli allegati disegni, in cui;
- la figura 1 è una vista in sezione di un sensore per infrarosso che impiega un elemento sensore per inf rarosso convenziona le ;
- la figura 2 è uno schema circuitale di un circuito equivalente dei sensore per infrarosso illustrato in figur a 1;
- la figura 3 è una vista in sezione che illustra un elemento sensore per infrarosso di tipo doppio, convenzionale ;
- la figura 4 è uno schema circuitale di un circuito equivalente di un sensore per infrarosso che impiega l'elemento sensore per infrarosso di tipo doppio illustrato in figura 3;
- la figura 5 è una vista in sezione di un sensore a schiera per infrarosso convenzionale che impiega una pi azzola di indio;
- la figura 6 è un diagramma a blocchi di un sistema di elaborazione di segnali per un IR-CCD convenzionale ;
- la figura 7 è uno schema circuitale di un'unità di amplificatore differenziale impiegata nel sensore per infrarosso illustrato in figura 4;
- la figura 8 è una vista in sezione che illustra schematicamente un sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la presente invenzione;
- la figura 9 è una vista prospettica in esploso del sistema di sensori a schiera per infrarosso illustrato in figura 8;
- la figura 10 è una vista in sezione che illustra un esempio di un sensore per infrarosso illustrato in figura 8;
- la figura 11 è una vista in sezione che illustra un altro esempio del sensore per infrarosso illustrato in figura 8;
- la figura 12 è un grafico che illustra la trasrnittanza dei raggi infrarossi di un poli imide impiegato nel caso di figura 11;
- la figura 13 è una vista in piano schematica del sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la presente invenzione;
- la figura 14 è una vista schematica dal basso del sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la presente invenzione;
- le figure 15A e 15B sono viste schematiche che illustrano rispettivamente angoli di rivelazione verticale e orizzontale del sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la presente invenzione;
- le figure 16A e 16B sono viste schematiche che illustrano rispettivamente regioni di rivelazione divise verticalmente e orizzontalmente del sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la presente invenzione;
- la figura 17 è una vista in piano che illustra una lente di Fresnel composita secondo la presente invenzi one;
- la figura 18 è uno schema circuitale che illustra una costruzione dettagliata del circuito illustrato in figura 9;
- la figura 19 è uno schema circuitale che illustra un'unità di amplificatore differenziale avente una costruzione differente da quella di figura 18; e
- la figura 20 è una vista in piano che illustra una costruzione differente da quella di figura 8,
Le figure 8 e 9 illustrano rispettivamente un sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la presente invenzione,
Come illustrato nelle figure 8 e 9, il sistema di sensori a schiera per infrarosso include una lente di Fresnel composita 101 montata stabilmente su un elemento di fissaggio e di copertura 100, una pluralità di guide 102, montate stabilmente su un elemento di fissaggio della guida 103 e atte a guidare i raggi infrarossi messi a fuoco dalla lente di Fresnel 101 in direzioni desiderate, rispettivamente, e un filtro per infrarosso 105 montato stabilmente su un coperchio di montaggio del filtro 104 e atto a filtrare una banda di lunghezza d'onda desiderata tra i raggi infrarossi guidati. Il sistema di sensori a schiera per infrarosso include pure una pluralità di sensori per infrarosso 108 atti rispetti variente a rivelare i raggi infrarossi guidati nelle direzioni desiderate dalle guide 102 e ivi incidenti attraverso il filtro 105, I sensori per infrarosso 10S sono formati su una piastra di circuito di comando 106, Il sistema di sensori a schiera per infrarosso include inoltre una pluralità di distanziatori 109, ognuno atto ad impedire che i raggi infrarossi di tutte le direzioni, ad eccezione della direzione corrispondente, siano incidenti su ogni sensore corrispondente dei sensori per infrarosso 108,
La piastra di circuito di comando 106 è stabilmente montata su un'asta 107 di un contenitore, Il montaggio delle piastra di circuito di comando 106 all'asta 107 si ottiene inserendo conduttori 110 dell'asta 107 nei fori passanti della piastra del circuito idi comando 106, rispettivamente, I conduttori dell'asta 107 sono collegati alle piastrine di elettrodo di un dispositivo di circuito 111 di una scheda di circuito stampato PCB ), rispett ivamente ,
Il dispositivo di circuito 111 serve ad amplificare differenzialmente un segnale di rivelazione emesso da ogni sensore per infrarosso 108 e un segnale emesso da un elemento di riferimento, L'elemento di riferimento, indicato con il numero 1 12 in f igura 15A, é formato sulla piastra circuito stampato 106 in una posizione sulla quale non è incidente alcun raggio inf rosso . L'elemento di riferimento fornisce un segnale di riferimento per amplificazione differenziale e serve ad impedire errato funzionamento dei sensori per infrarosso.
Ogni sensore per infrarosso 108 è costituito da un condut tore piroelettrico mo nocristal lino, come LiTaO3 oppure LiNbO3, una ceramica a base di PLZT o un film sottile piroelettrico. Quando ogni sensore per infrarosso 108 è costituito dal conduttore pirelettrico monocristallino di LiTaO3 o da ceramica; piróelettrica, ha un elettrodo superiore 128 e un elettrodo inferiore 138 nelle sue superf ici superiore le inferiore, rispettivamente, come illustrato in figura 10.
Nel caso di film piroelettrico sottile, ogni sensore per infrarossio 108 ha un substrato di MgO 148 avente una parte inferiore corrosa aniso tropicamente, un elettrodo inferiore 158 formato sul substrato di MgO 148, un film piroelettrico 168 formato sull'elettrodo inferiore 158, e un elettrodo superiore 178 formato sul film piroelettrico 188, come illustrato in figura 11. Nel caso ilustrato in figura 10 gli elettrodi superiore e inferiore 128 e 138 di ogni sensore per infrarosso sono formati usando un metodo ad evaporazione termica, un metodo ad evaporazione a fascio elettronico o un metodo a spruzzamento catodico, In questo caso, l'elettrodo inferiore 138 è di spessore normale. Tuttavia, l'elettrodo superiore 128 viene realizzato formando uno strato metallico sottile che mostra assorbanza de i ragg i infra rossi relativamente superiore, formando uno strato metallico poroso, o formando un strato di assorbimento dei raggi infrarossi sullo strato metallico generale in modo da avere una funzione di assorbimento dei raggi infrarossi,
Nel caso illustrato in figura 11, l'elettrodo inferiore 158, formato sul substrato di MgO 148, è costituito da Pt . In questo caso, il film piroelettrico 168 viene cresciuto epitassialmente sul film piroelettrico 168, D'altra parte, l'elettrodo superiore 178 è formato usando il metodo ad evaporazione termica, il metodo ad evaporazione a fascio elettronico o il metodo a spruzzamento catodico ,
Allo scopo di ottenere un 'aumentata sens ibilità , la superficie inferiore del substrato di MgO 148 viene corrosa anisotropicamente, Tuttavia, il sensore per infrarosso di tale tipo di capacitare può venire facilmente danneggiato, Allo scopo di impedire tale danno, uno strato di poi i mide che mostra una trasmi ttanza di raggi infrarossi superiore e una funzione di supporto del sensore per infrarosso può essere formato sul l'elettrodo superiore 178, In figura 12 é illustrata la trasmittanza dei raggi infrarossi dello strato di poliimide,
Gli elementi del sistenia di sensori a schiera per infrarosso della presente invenzione sono disposti sulla superficie superiore di una piastra isolante J, come illustrato in figura 13,
Vale a dire, i sensori per infrarosso 108 atti a rivelare i raggi infrarossi di ogni direzione corrispondente sono disposti in regioni a sulla piastra isolante J, rispettivamente, Il sensore per infrarosso 112, come elemento di riferimento, è disposto in una regione b sulla piastra isolante J cor rispondente a una regione del contenitore sulla quale non è incidente alcun raggio infrarosso, Nelle regioni C della piastra isolante J, sono disposti i transistori a effetto di campo FET, rispettivamente , Elettrodi di scatto sono disposti nelle regioni d della piastra isolante J, rispettivamente, Resistori di sorgente sono disposti nelle regioni e. della piastra isolante J, rispettivamente.
Nelle regioni f della piastra isolante J, sono disposte piastrine di elettrodi. I conduttori 110 del contenitore sono inseriti nelle regioni dei fori passanti g della piastra isolante J, rispettivamente. La piastra isolante J ha anche regioni h nelle quali sono disposti i terminali di terra che collegano la superficie inferiore della piastra isolante J e l'asta 107 del contenitore illustrato in figura 3, La piastra isolante J ha anche regioni i corrispondenti rispettivamente alle linee di alimentazione di potenza collegate a pozzi dei transistori a effetto di campo FET, In figura 13 le regioni tratteggiate corrispondono ad elettrodi di pasta gelificanta, rispettivamente,
Nel caso di figura 13, elementi del sistema di sensori a schiera per infrarosso sono disposti sulla superficie inferiore della piastra isolante J, come illustrato in figura 14,
In figura 14, le regioni tratteggiate corrispondono agli elettrodi di pasta gelificante, rispettivamente. Sli elettrodi di pasta gelificante sono collegati elettricamente alla superficie superiore dell'asta del contenitore 107, Le regioni h della piastra isolante J co rrispendono a i terminali di terra estendentisi attraverso la piastra isolante J e che collegano la superficie superiore della piastra isolante J e l'asta del contenitore 107, rispettivamente, I conduttori 110 del contenitore illustrato in figura 3 sono inseriti nelle regioni dei fori passanti g della piastra isolante J, rispettivamente,
Verrà ora descritta la summenzionata costruzione. Dapprima, elettrodi di pasta gelificante sono formati su regioni predeterminate sulle super fici superiore e inferiore del substrato, In seguito, le resistenze dei chip, i transistori a effetti di campo, FET, dei chip ed elementi dei sensori per infrarosso vengono montati in fori corrispondenti del substrato, rispettivamente, in modo da collegare elettricamente l'uno all'altro gli elementi richiesti. In seguito, i conduttori del contenitore illustrato in figura 10 vengono inseriti nei fori passanti della piastra di circuito 106 e ivi fissati ,
Verrà descritto il funzionamento del sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la presente invenzione ,
Conte illustrato in figura 3, i raggi infrarossi emessi da un corpo umano vengono messi a fuoco dalla lente di Frssnel 101 verso la piastra di circuito di comando 106, I raggi infrarossi sono divisi dalle guide 102 tra quelli di direzioni rispettivmente corrispondenti ai sensori per infrarosso 108, e quindi messi a fuoco sui corrispondenti sensori per infrarosso 108, rispettivamente,
Come illustrato in figura 13, la piastra di circuito di comando 106 è una piastra di circuito sulla quale sono cisposti gli elementi del sistema, I conduttori 110 vengono inseriti nelle regioni g di figura 13, rispettivamente. Il coperchio di montaggio del filtro 104 serve a sigillare la piastra di circuito di comando 106 montata sull'asta del contenitore 107, Sulla superficie superiore del coperchio di montaggio del filtro 104 è montato il filtro per infrarosso 105, atto-a trasmettere raggi infrarossi aventi la lunghezza d'onda di 7 - I3 μm.
Un angolo di rivelazione del sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la presente invenzione verrà descritto in dettaglio con riferimento alle figure 15A e 15B,
Come illustrato in figura 15A, i sensori per infrarosso 108, suddivisi da due guide adiacenti 102, servono a rivelare i raggi infrarossi distribuiti in tre differenti regioni orizzontali, cioè una regione di sinistra, una regione centrale e una regione di destra. Il sensore per infrarosso a segnali 112, schermato dal coperchio di montaggio del filtro 104, è l'elemento di riferìmento per impedire un errato funzionamento causato da fattori diversi dall'incidenza dei raggi infrarossi. In figura 15A, il carattere di riferimento “A" è indicativo dell'incidenza dei raggi infrarossi su ogni sensore corrispondente dei sensori per infrarosso 108 attraverso la lente di Fresnel 101, Il carattere di riferimento "B" è indicativo dell'angolo incidente massimo dei raggi infrarossi sul sensore per infrarosso centrale 108 nella regione mediana, Inoltre, il carattere di riferimento C è indicativo dell'incidenza dei raggi infrarossi sul sensore per infrarosso 108 vicino al sensore per infrarosso corrispondente alla regione sulla quale sono incidenti i raggi infrarossi, L'angolo di rivelazione la nella regione centrale è determinato da H1, f1, il, h1, w1 e g1, rispettivamente indicati in figura ISA, L'angolo di rivelazione a2 nella regione di sinistra è determinato dall'apertura angolare della lente di Fresnel 101 e di HI, fi, il, hi, gl, si e 11, rispettivamente indicati in figura 15A, In questo caso, "HI" rappresenta l'altezza dell'estremità superiore di ogni guida, "fi" la distanza focale della lente di Fresnel, "il" l'angolo montato di ogni guida, "hi" l'altezza dell'estremità inferiore di ogni guida; "wl “ la larghezza di ogni sensore per infrarosso, "gl" lo spazio tra guide adiacenti, "11" la larghezza di ogni finestra; "si" il valore di 2gl - wl.
I raggi infrarossi, obliquamente incidenti su ogni corrispondente sensore per infrarosso 103, con una distanza focale maggiore della distanza focale f1, possono generare un errato funzionamento del sensore per infrarosso. Questo errato funzionamento può essere prevenuto usando, al posto dei distanziatori 103, un metodo di riduzione dei segnali d'uscita 108 al di sotto del valore di soglia,
Come illustrato in figura 15B, i sensori pel'-infrarosso ioti, divisi da ogni guida 102, servono a rivelare i '"aggi infrarossi distribuiti in due regioni verticali, vale a dire, una regione superiore e una regione inferiore, Le regioni superiore e inferiore, divise da ogni guida 102, corrispondono, rispettivamente, a regioni lontana e vicina da rivelare. In figura Ί5Β, il riferimento 110 indica i conduttori illustrati in figura y, La lente di Fresnel 101 è illustrata nella forma di una superficie verticale cilindrica, In realtà, la guida 103 è conformata a settori.
L'angolo di rivelazione bl nella regione superiore è determinato da f1, jl , ql, c1 , di e hi, rispettivamente indicati in figura 15B , L'angolo di rivelazione b2 nella regione inferiore è determinato da fi, jl, pi, cl, di e hi, rispettivamente indicati in figura 15B , Qui, "fi" rappresenta la distanza focale della lente di Fresnel, "jl" l'angolo montato di ogni guida, “tri1 " l'altezza/ dell'estremità inferiore di ogni guida, "cl" lo spazio tra sensori per infrarosso adiacenti, "di" la somma di due volte la larghezza di ogni sensore per infrarosso e cl, "el " la larghezza di ogni finestra, "pi", la larghezza laterale di ogni elemento inferiore della lente di Fresnel e "ql " la larghezza laterale di ogni elemento superiore della lente di Fresnel, Quando il sistema di sensori a schiera per infrarosso è montato su una parete a un predeterminato livello, le regioni di rivelazione superiore e inferiore SR sono divise da tratteggio, come illustrato in figura 16A, La linea tratteggiata corrisponde alla posizione di ogni guida 102, dividendo verticalmente regioni di rivelazione adiacenti, su ogni sensore a schiera per infrarosso, Le regioni di rivelazione, rispettivamente posizionate sopra e sotto la linea tratteggiata, corrispondono a regioni di rivelazione lontana e vicina rivelate da ogni corrispondente sensore per infrarosso della schiera di sensori per infrarosso, Le regioni di rivelazione di sinistra, di centro e di destra sono divise da tratteggio, come illustrato in ficjura 16B , Le linee tratteggiate corrispondono a posizioni di due guide 102 che dividono orizzontalmente regioni di rivelazione adiacenti, su ogni corrispondente sensore per infrarosso, L'angolo di rivelazione in ogni direzione è determinato dalla distanza focale e dalla dimensione della lente di Fresnel 101 e dalla dimensione di ogni sensore per infrarosso 108. La direzione di incidenza è determinata dalla disposizione geometrica dei sensori per infrarosso e delle sezioni delle lenti,
Come illustrato nelle figure 15A e 15B, una regione da rivelare è divisa in sei regioni che includono regioni superiore e inferiore, ognuna classificata in regione di sinistra, centrale e di destra,
La figura 16B illustra il caso in cui sei elementi di lente di Fresnel, cinque elementi di lente di Fresnel e sei elementi di lente di Fresnel sono disposte nelle regioni di rivelazione di sinistra, centrale e di destra per coprire l'angolo di rivelazione di sinistra di 40°, l'angolo di rivelazione centrale di 30<° >e l'angolo di rivelazione di destra di 40°, rispettivamente, D'altra parte, la figura 16A mostra il caso in cui due elementi di lenti di Fresnel sono disposti in ogni regione di rivelazione superiore e inferro re per coprire la direzione d'incidenza verticale.
La figura 17 mostra un esempio della struttura della lente di Fresnel composita associata alle disposizioni dei sensori per infrarosso e guide descritte relativamente alia figura 13,
La posizione centrale, la larghezza e l'altezza di ogni sezione della lente sono determinate dal posizionamento delle regioni di rivelazione e dalla disposizione dei sensori per infrarosso,
Quattro linee orizzontali di sezione della lente sono discoste vertical niente secondo la posizione delle regioni di rivelazione illustrate nelle figure 16A e 16B3, Ogni linea orizzontale di sezione della lente include 6 sezioni di lente, 5 sezioni di lente e 6 sezioni di lente in regioni di sinistra, centrale e di destra, rispettivamente.
Facendo riferimento alla figura 13, il dispositivo di circuito 111 del sistema di sensori a schiera per infrarosso include una prima unità di rivelazione 120 per convertire l'impedenza di una tensione di sensore Vins emessa da ogni sensore per infrarosso 103 e una seconda unità di rivelazione 121 per convertire l'impedenza di una tensione di riferimento Vinref dall'elemento di riferimento 112, Il dispositivo di circuito 111 include pure un'unità di amplificatore differenziale 122 per ricevere tensioni d'uscita dalla prima e seconda unità di r ivelaz ione 120 e 121 e ampliticare di fferenzia Irniente le tensioni ricevute, e un'unità tampone 123 per mettere in memoria tampone un'uscita dall'unità di amplificatore differenziale 122,
La prima unità di rivelazione 120 include un transistore a effetto di campo FETI avente una porta accoppiata a terra attraverso un resistere di porta Rg e applicata alla tensione del sensore Vins, un pozzo applicato alla tensione di sorgente VDD e una sorgente accoppiata a terra attraverso un resistere di sorgente Rs ,
La seconda unità di rivelazione 121 include un transistore a effetto di campo FET2 avente una porta accoppiata a terra attraverso un resistere di porta Rgref e applicata alla tensione di riferimento V inref, un pozzo applicato alla tensione di sorgente VDD e una sorgente accoppiata a terra attraverso un resistore di sorgente Rsref ,
D'altra parte, l'unità di amplificatore differenziale 122 include un primo amplificatore A1, accoppiato nel suo terminale d'ingresso non invertitore (+) al transistore a effetto di campo FETI e nel suo terminale d'ingresso invertitore (-) al suo terminale d'uscita attraverso un resistore R2 , un secondo amplificatore A2, accoppiato nel suo terminale d' ingresso non invertitore (+) al transistore a effetto di campo FET2 e nel suo terminale d'ingresso, invertitore al suo terminale d'uscita attraverso un resistore R3 , un resistore R1 accoppiato tra i terminali d'ingresso invertitori degli amplificatori A1 e A2, e un terzo amplificatore A3 accoppiato nel suo terminale d'ingresso invertitore (-) al terminale d'uscita del primo amplificatore A1 attraverso un resistore R4 e al suo terminale d’uscita attraverso un resistore R6 e nel suo terminale d'ingresso non invertitore (+) al terminale d'uscita del secondo amplificatore A2 attraverso un resistore R5 e a terra attraverso un resisto re R7,
L'unità tampone 123 include un'ampliticatore A4 accoppiato nel suo terminale d'ingresso non invertitore (+) al terminale d'uscita del terzo amplificatore A3 e nel suo terminale d'ingresso invertitore (-) al suo terminale d’uscita,
Nel dispositivo di circuito 111 avente la summenzionata struttura, la prima unità di rivelazione 120 riceve la tensione del sensore Vins emessa dal sensore per infrarosso 108, L'impedenza d'uscita della prima unità di rivelazione 120 viene convertita dal resistere di porta Rg e dal transistore a effetto di campo FETI, D'altra parte, la seconda unità di rivelazione 121 riceve la tensione di riferimento Vref, L'impedenza d'uscita della seconda unità di rivelazione 121 viene convertita dal resistore di porta Rgref e dal transistore a effetto di campo FET2,
L'unità 'di amplificatore differenziale 122 amplifica differenzialmente i segnali d'uscita dalla prima e seconda unità di rivelazione 120 e 121 mediante i suoi amplificatori A1, A2 e A3,
Presumendo che i resistori R2 e R3 abbiano la stessa resistenza, che i resistori R4 e RS abbiano la stessa resistenza e che i resistori R6 e R7 abbiano la stessa resistenza, la velocità di amplificazione dell'unità di amplificatore differenziale 122 corrisponde al valore di (1+2R2/R3) x R5/R4, L'unità tampone 123 ha una funzione di messa in memoria tampone per alimentare stabi lmente un'uscita dall'unità di amplificatore differenziale 122 senza effettuare alcuna funzione di amplificazione.
Come risultato, un'uscita da ogni sensore per infrarosso causata da fattori di errato funzionamento, come vibrazione del contenitore del sensore per infrarosso e da una repent ina variazione della temperatura che lo circorda viene compensata dall' usci ta dell'elemento di riferimento , Di conseguenza, è possibile ottenere segnali causati soltanto dai raggi infrarossi incidenti.
Il movimento di un corpo umano causa generazione di un segnale d'uscita da uno dei sensori di infrarosso corrispondente all'orientamento del movimento, Una variazione del segnale d'uscita è indicativa del fatto che il corpo umano, come sorgente di raggi infrarossi, è in movimento, Di conseguenza, pub essere rivelata l'entità del movimento del corpo umano contando il numero di impulsi del segnale emesso dal sensore per infrarosso,
Vale a dire, quando il numero di impulsi emessi dall'unità tampone 123 viene contato da un contatore, è possibile rivelare l'entità del movimento del corpo umano usando la variazione del numero di impulsi contati,
Al posto della costruzione illustrata in figura 18, il circuito 111 può includere un'unità di amplificatore differenziale a modo di corrente, come illustrato in figura 13,
Come illustrato in figura 19, l'unità di amplificatore differenziale a modo di corrente include un amplificatone A5 avente un terminale d'ingresso invertitore (-) accoppiato al suo terminale d'uscita attraverso un resistere di porta Rg e applicato alla tensione del sensore Vins, un amplificatore A6, avente un terminale d'ingresso non invertitore (+), accoppiato ai suo terminale d'uscita attraverso un resistere di porta Rgref e applicato alla tensione di riferimento Vinref e un terminale d'ingresso invertitore (-), accoppiatisi con il termina le d'ingresso non invertitore (+) dell'amplificatore AS a terra, e un amplificatore A7 avente un terminale d'ingresso non invertitore (+ ) accoppiato al terminale d'uscita dell 'amplificatore A6 attraverso un resistere R5 e a terra attraverso un resistore R7 e un terminale inverti tore (- ) accoppiato al terminale d'uscita del l'amplif icàtore A5 attraverso un resistroe R4 e al suo terminale d'uscita attraverso un resistor e R6 ,
In questo caso, il terminale d'ingresso non invertitore (+ ) dell'unità tampone 123 è collegato al terminale d'uscita dell'amplificatore A7 ,
Il circuito avente la costruzione di figura 19 non richiede che i transistori a effetto di campo effettuino conversione d'impedenza, In questo caso, è soltanto necessario amplificare differenzialmente i segnali emessi dagli elementi rivelatori di infrarosso del sistema a schiera per infrarosso mediante l' amp ificatare A7 in modo paral le lo ,
In questo caso, la velocità di amplificazione corrisponde al valore di -R6/R4 se i resistor i R4 e R5 hanno la stessa resistenza e i resistori R6 e R7 hanno la stessa resistenza,
Facendo riferimento alla figura 20, una pluralità di piastre di circuito 108, formate rispettivamente con i sensori per infrarosso 108, può essere accoppiata alle guide 102, al posto di usare la costruzione in cui i sensori per infrarosso 108 vengono integrati nella singola piastra di circuito.
Come è evidente dàlia descrizione che precede, la presente invenzione fornisce un sistema di sensori a schiera per infrarosso avente una costruzione economica in grado di rivelare se una persona si trova in una regione lontana o vicina, se la persona è posizionata in una regione di sinistra, centrale o di destra, e l'entità di movimento della persona stessa.
Benché le forme di realizzazione preferite dell'invenzione siano state illustrate a scopi illustrativi, gli esperti nella tecnica comprenderanno che sono possibili varie modifiche, aggiunte e sostituzioni senza allontanarsi dall'ambito e dallo spirito dell'invenzione come indicato nelle allegate rivendicazioni.
Claims (1)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1.Sistema di sensori a schiera per infrarosso caratterizzato dal fatto di comprendere; - una lente di Fresnel per la messa a fuoco dei raggi infrarossi ; - una pluralità di guide per guidare i raggi infrarossi messi a fuoco dalla lente di Fresnel in predeterminate dirazioni ; - un filtro pr filtrare le bande di lunghezza d'onda desiderata dei raggi infrarossi guidati; - una pluralità di elementi sensori per infrarosso per rivelare i raggi infrarossi filtrati, gli elementi sensori per infrarosso corrispondendo alle direzioni dei raggi infrarossi rispettivamente guidati dalle guide; e - mezzi circuitali per elaborare i segnali rispettivamente emessi dagli elementi sensori per inf rarosso , 2, Sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la lente di Fresnel comprende una plurali tà di elementi r ispettivamente corrispondenti alle direzioni dei raggi infrarossi guidati dalle guide, 3, Sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la rivendicazioene 1, caratterizzato dal fatto che la lente di Fresnel comprende una pluralità di elementi corrispondenti a ogni dire2:ione dei raggi infrarossi guidati dalle guide, 4, Sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli elementi sensori per infrarosso sono verticalmente divisi in un gruppo superiore e un gruppo inferiore, 5, Sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la rivendi,cazione 1, caratterizzato dal fatto che gli elementi sensori per infrarosso sono orizzontalmente divisi in un igruppo di sinistra, un gruppo centrale e un igruppo di destra, 6, Sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli elementi sensori per infrarosso sono disposti su una singola piastra di circuito, 7, Sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli elementi sensori per infrarosso sono disposti su una pluralità di piastre di circuito, rispett ivamente . 8 , Sistema di sensori a schiera per infrarosso seconde la rivendicazioene 1, caratterizzato dal fatto che gli elementi sensori per infrarosso sono disposti su una singola piastra di circuito avente un elemento di riferimento schermato da qualsiasi raggio infrarosso ivi incidente, 9, Sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ogni elemento sensore per infrarosso è schermato dai raggi infrarossi ivi incidenti in direzioni diverse dalla direzione corrispondente all'elemento sensore per infrarosso mediante distanziatori , 10, Sistema di sensori a schiera per innrarosso secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i distanziatori sono disposti tra il corrispondente elemento sensore per infrarosso e il filtro, 11, Sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il mezzo circuitale comprende; - una prima unità di rivelazione per ricevere una tensione emessa da ogni elemento sensore per infrarosso e converire una sua impedenza d'uscita sulla base della tensione ricevuta; - una seconda unità di rivelazione pr ricevere una tensione emessa da un elemento di riferimento e convertire una sua impedenza d'uscita sulla, base della tensione ricevuta; - un'unità di amplificatore differenziale per amplificare differenzialmente i segnali emessi dalla prima e seconda unità di rivelazione; e - un'unità tampone per mettere in memoria tampone un segnale d'uscita dall'unità di amplificatore differenziale, 12, Sistema di sensori a schiera per infrarosso secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'unità di amplifieatore differenziale è a modo di corrente.
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