红外线阵列传感器系统 本发明涉及红外线阵列传感器系统，特别是涉及结构简单廉价的红外线阵列传感器系统，它能检测人体的位置和方向以及人体的静止和运动量。
红外线传感器通常被分类成热电型和量子效率型。热电型的红外线传感器上是通过把人体发射出的红外线转换成热量来检测到人体和人体的运动量。另一方面，量子效率型红外线传感器主要是用于军事用途，或是用在卫星上获取红外线图像，因为此种类型比热电型红外线传感器具有更高的灵敏度。
图1中示出了采用陶瓷元件的单个红外线传感器的惯用结构。
该单位红外线传感器包括红外线传感片1，它是由一种PLZT-基热电性陶瓷制成的。或是由一种单晶体例如LiTaO3或是一种聚偏二氯乙烯(PVDF)聚合物制成。基片1的上、下表面上分别设有作为红外线吸收电极的上电极和一个下电极。基片1被支撑在支撑件2上，支撑件2固定在外壳(例如TO-5外壳)的管座3上，外壳也是单位红外线传感器的一部分。在支撑件2上的预定位置设有相互电连接的栅电阻Rg和场效应晶体管FET。基片1的上、下电极通过在支撑件2内部延伸的金属线(未示出)连接到栅电阻Rg和场效应晶体管FET。
引线4分别延伸穿过设在管座3内的通孔。引线4分别被电连接到场效应晶体管FET和栅电阻Rg。外壳的金属套5沿着管座3的外沿被连接到管座3上，使在基片1与外壳地外部密封。用于发射被测红外线光束的滤光片6被支撑在金属套5上。该滤光片6被设置在与基片1的上电极相应的位置上。
图2示出了具有上述结构的普通单位红外线传感器的等效电路。如图2所示，基片1的上电极连接到晶体管FET的栅极，FET的漏极D从电池接收电压。基片1的下电极连接到接地端G。栅电阻Rg被连接在晶体管FET的栅极与接地端G之间。另一方面，源电阻Rs被连接在晶体管FET的源极S与接地端G之间。在源电阻Rs上产生一电压Vs。
实际中常用的是一种公知的复式红外线传感器。如图3所示，复式红外线传感器包括一个热电性导体，它具有被分割成两个电极的上电极8，引线9分别被电连接到两个电极上。除了这一结构之外，复式红外线传感器与图1的单位红外线传感器的结构相同。也就是说，复式红外线传感器具有这样的结构，即热电性导体的下电极10是利用绝缘粘合剂11固定安装在热电性导体的支撑件12上。
图4中示出了具有上述结构的复式红外线传感器的等效电路。如图4所示，复式红外线传感器的等效电路具有与图2等效电路非常相似的结构，只是有两个具有相反极性之间的热电性基片被串联连接。
以下结合图7说明复式红外线传感器的工作原理。
当检测单元20的红外线传感器30检测到物体的运动并输出电信号时，场效应晶体管FET对接收到的电信号进行阻抗转换，并将所得信号加到放大器A1的同相端(+)。由于放大器A1与电阻R1和R2以及电容C4和C5相连接，它对晶体管FET的输出信号起到放大和滤波的作用。放大器A1的输出信号被加到放大器A2。由于放大器A2被连接到电阻R3和R4以及电容C6和C7，它对放大器A1的输出信号起到放大和滤波的作用。
如果在检测单元20产生输出信号的时候受到来自外部的振动，由于铁电元件的压电特性，在检测单元20的输出信号中就会包括一种振动噪声。
然而，在复式红外线传感器中，两个红外传感元件之一被用作参考元件。这一参考元件不受到任何红外线的照射。因此，可以由参考元件的参考电压来补偿由于外部振动给红外线传感元件带来的振动噪声。
通常的噪声包括热噪声，散粒噪声和1/f噪声。
热噪声是由于电路中存在的电阻元件而产生的。利用差分放大器电路来放大检测元件的输出信号与参考元件输出信号之间的差值，就可以抑制热噪声。
因此，复式单位红外线传感器可检测出分别入射到检测元件和参考元件上的红外线能量间的差值，而对会导致误动作的因素例如振动却没有反应。
换言之，红外线传感器可检测出入射到其上的红外线的变化量，因为热电性元件的温度随红外线的变化量而改变，并产生电荷。因此，红外线传感器可检测出红外线源例如人体在一定视角范围内的运动。
另一方面，图5示出了一种热电性红外电荷耦合器件(IR-CCD)。如图5所示热电性IR-CCD包括一热电元件13，它由单晶体例如LiTaO3制成，并涉及有上、下电极14和15。下电极15由一个铟挡板电连接到设在硅衬底16上的IR-CCD的栅极上。
参见图6，其中示出了采用这种热电性IR-CCD的热电性红外线阵列传感器。如图6所示，这种热电性红外线阵列传感器包括一个检测单元20，用于在检测到物体的运动时转换其传感器元件的阻抗一差分放大器单元21用于放大来自检测单元20的检测数据与检测单元20的参考元件的参考电压之间的差值，一采样/保持单元22用于对差分放大器21的输出运行采样/保持，一模/数转换器单元23把采样/保持单元22的输出信号转换成数字信号，一微型计算机24用于接收模/数转换器单元23的输出信号，并在接收信号的基础上对红外图像信号进行分析，以及一个控制单元25用于控制热电性红外线阵列传感器的各个单元。
当一个物体发射出的红外线通过由Ge或ZnSe制成的昂贵的透镜投影到检测单元20的红外线阵列元件上时，红外线阵列元件就向IR-CCD施加热电性电流使其输出电信号。
随后，就可以由连接在IR-CCD后面的电路对物体运动的红外线图像进行分析。
虽然惯用的单位红外线传感器的整个系统具有简单且廉价的结构，并能检测出人体以及人体的运动量，但却不能检测出人体的方向性。
另一方面，惯用的红外线阵列传感器可以检测出诸如人体的方向和位置等所有信息。然而，由于需要昂贵的透镜和复杂的信号处理方式，这种传感器不适合被用于制造空调器等产品的用途。
本发明的目的是提供一种红外线阵列传感器系统，它能检测出人体的位置和方向，而不用惯用红外线阵列传感器中所需的任何昂贵的检测元件，并且其功能使其能以相对简化的结构被用于空调器。
按照本发明，可以由这样一种红外线或阵列传感器系统来实现上述目的，它包括：用于红外线聚焦的Fresnel透镜；多个导向器，用于朝预定方向引导由Fresnel透镜聚焦的红外线；一个滤光片用于从被引导的红外线中滤出所需波长的光束；多个红外线传感器元件，用于检测被滤出的红外线，这些红外线传感器元件分别与由导向器引导的红外线的方向相对应；以及电路装置，用于处理分别由红外线传感器元件输出的信号。
从以下结合附图对实施例的描述中可以更清楚地认识到本发明的其他目的和意义。
图1是采用惯用的红外线传感器元件的一个示意性截面图；
图2是图1所示红外线传感器的等效电路图；
图3是惯用的复式红外线传感器的示意性截面图；
图4是如图3所示采用复式红外线传感器元件的一个红外线传感器的等效电路图；
图5是采用铟挡板的惯用红外线阵列传感器的示意性截面图；
图6是惯用的IR-CCD所用的信号处理系统的框图；
图7是图4所示红外线传感器中采用的一个差分放大器单元的电路图；
图8是一个截面图，用于示意性地说明本发明的红外线阵列传感器系统；
图9是图8所示红外线阵列传感器系统的分解投影图；
图10是图8所示红外线传感器上的一例截面示意图；
图11是图8所示红外线传感器的另一例截面示意图；
图12是图11中所采用的聚酰亚胺的红外线透光度曲线；
图13是本发明红外线阵列传感器系统的平面示意图；
图14是本发明红外线阵列传感器系统的底视图；
图15A和15B上分别用于解释本发明的红外线阵列传感器系统的垂直和水平检测角的示意图；
图16A和16B是分别用于解释本发明的红外线阵列传感器系统的垂直和水平分割的检测区域的示意图；
图17是按照本发明的复合Fresnel透镜的平面示意图；
图18是用于说明图9所示电路详细结构的电路图；
图19是一个电路图，用于说明与图18中具有不同结构的一个差分放大器单元；以及
图20是与图8结构不同的一个平面示意图。
图8和9分别说明了按照本发明的一个红外线阵列传感器系统。
如图8和9所示，该红外线阵列传感系统包括固定地安装在一个透镜固定和覆盖件100上的复合Fresnel透镜101，多个导向器102固定安装在导向固定件103上，并分别朝所需方向引导由Fresnel透镜101聚焦的红外线，红外线滤光片105固定安装在滤光片安装盖104上，并从被引导的红外线中滤出所需波长的光束。该红外线阵列传感器系统还包括多个红外线传感器108，分别用于检测由导向器102朝所需方向引导并经由滤光片105入射到其上的红外线。红外线传感器108被形成在驱动电路板106上。该红外线阵列传感器系统进一步包括多个隔板109，分别被用来阻止所有方向上的红外线，仅有入射到相应的一个红外线传感器108上的相应方向上的红外线除外。
驱动电路板106被固定安装在外壳的管座107上。驱动电路板106与管座107的安装方式是分别把管座107的引线110插入驱动电路板106的通孔。管座107的引线分别被连接到印刷电路极(PCB)的电路器件111的电极片上。
电路器件器件111用于对各个红外线传感器108输出的检测信号和参考元件输出的信号进行差分放大。在图15A中由标号112表示的参考元件被设在驱动电路板106上红外线照射不到的位置上。该参考元件为差分放大器提供一参考信号，并用于阻止红外线传感器的误动作。
各个红外线传感器108是由单晶体热电性导体制成的，例如LiTaO3或LiNbO3，PLZT-基陶瓷，或是一种热电性薄膜。如果用LiTaO3或热电性陶瓷的单晶体热电性导体来制造各个红外线传感器108，如图10所示，该传感器具有分别设在其上、下表面上的上电极128和下电极138。
如果用热电性薄膜制造传感器，各个红外线传感器108就具有一MgO衬底148，该衬底具有一各向异性蚀刻而成的下部，下电极158设在MgO衬底148上，热电性膜168设在下电极158之上，而上电极178设在热电性膜168之上，如图11所示。
在图10所示情况下，各个红外线传感器的上、下电极128和138是采用热蒸发方法，电子来发射方法或溅射方法形成的。
在此情况下，下电极138的厚度与通常情况下相同。而上电极128则是这样形成的，即形成一个呈现出相对较高的红外线吸收性能的薄金属层，形成一个多孔的金属层，或是在普通金属层上面形成一红外线吸收层，从而使其呈现出红外线吸收性能。
在图11所示情况下，在MgO衬底148上形成的下电极158是由Pt制成的。此时，热电性膜168是在热电性膜168上面外延生长的。另一方面，上电极178是采用热蒸发方法，电子束发射方法或溅射方法形成的。
为了提高灵敏度，对MgO衬底148的下表面进行各向异性的蚀刻。然而，这种电容器型的红外线传感器易于损坏。为了防止损坏，可以在上电极178上面形成一聚酰亚胺层，它具有良好的红外线透光度和支撑红外线传感器的作用。在图12中示出了聚酰亚胺层的红外线透光度。
同时，本发明的红外线阵列传感器系统的元件被设置在绝缘板J的上表面上，如图13。
也就是说，用于检测各个相应方向上的红外线的各个红外线传感器108分别设置在绝缘板J上的一定区域。作为参考元件的红外线传感器112设在绝缘板J上对应外壳区域的区域b处，红外线不会入射到该区域上。在绝缘板J的区域c处分别设有场效应晶体管FET。控制电极分别设在绝缘板J的区域d处。源电阻分别设在绝缘板J的区域e处。在绝缘板J的区域f上设置电极片。外壳的引线110分别被插入绝缘板J的通孔区域g。
绝缘板J还有一个区域h，在其上分别设有连接着绝缘板J下表面和图9所示外壳的管座107的接地端。绝缘板J的另一区域i分别对应连接到场效应晶体管FET的漏极上的电源线。在图13中的阴影区域分别对应金属涂料电极。
在图13的情况下，红外线阵列传感器系统的元件被设置在绝缘板J的下表面上，如图14所示。
图14中的阴影区域分别对应金属涂料电极。金属涂料电极与外壳管座107的上表面电连接。绝缘板J的区域h分别对应接地端，接地端穿过绝缘板J延伸并连接到绝缘板J的上表面和外壳管座107。图9所示外壳的引线110分别被穿过绝缘板J的通孔区域g。
以下说明上述结构的形成过程。首先在衬底上、下表面上的预定区域分别形成金属涂料电极。然后在衬底上相应的孔中分别安装基片电阻，基片场效应晶体管FET和红外线传感器元件，从而在元件之间形成所需的电连接。接着把图10所示外壳的引线插入电路板106的通孔并将其固定。
下面说明本发明的红外线阵列传感器系统的工作方式。
如图9所示，由人体发射出的红外线被Fresnel透镜朝着驱动电路板106的方向聚焦。由导向器102把红外线分割成分别对应红外线传感器108的方向，然后分别聚焦到相应的红外线传感器108上。
如图13所示，驱动电路板106是一个其上布置了系统中各元件的电路板。引线110分别被插入图13的区域g。滤光片安装盖104的作用是密封装在外壳管座107上的驱动电路板106。在滤光片安装盖104的上表面上安装红外线滤光片105，它用于发射波长为7至13μm的红外线。
以下结合图15A和15B详细说明本发明的红外线阵列传感器系统的检测角。
如图15A所示，由相邻的两个导向器102分开的红外线传感器108用于检测分布在不同的三个水平区域上的红外线，即左区域，中间区域和右区域。由滤光片安装盖104遮盖的控制用红外线传感器112是一个参考元件，用于防止由红外线照射之外的其他因素造成的误动作。在图15A中，符号″A″指示了通过Fresnel透镜101入射到各个相应的红外线传感器108上的红外线。符号″B″表示设在中间区域的中间红外线传感器108上的红外线最大入射角。另一方面，符号C表示X入射到一个红外线传感器108上的红外线，该传感器与红外线入射区域上的相应的红外线传感器相邻。
中间区域上的检测角a1由图15A中分别标出的H1，f1，i1，h1，w1和g1确定。在区域上的检测角a2由Fresnel透镜101的视角和图15A中分别标出的H1，f1，i1，h1，g1，s1和l1来确定。此处的″H1″表示各导向上顶端的高度，″f1″表示Fresnel透镜的焦距，″i1″表示各个导向器的安装角，″h1″表示各导向器下端的高度，″w1″代表各红外线传感器的宽度，″g1″表示相邻导向器之间的间隙，″l1″表示各窗口的宽度，″s1″中2g1-w1的数值。
倾斜地入射到各个相应的红外线传感器108上的焦距大于焦距f1的红外线可能会使红外线传感器发生误动作。如果不采用隔板109，则可以采用在红外线传感器的输出信号低于门限值时忽略该信号的方法来阻止其误动作。
如图15B所示，由各个导向器102分开的红外线传感器108被用于检测分布在两个垂直区域上的红外线，即上区域和下区域。由各个导向器102分开的上、下区域分别对应被检测的远、近区域。在图15B中，标号110代表图9中所示的引线。图中所示的Fresnel透镜101具有圆筒形垂直表面的形状。实际的导向器103为扇形。
上区域处的检测角b1由图15B中分别标出的f1，j1，g1，C1，d1和h1确定。在下区域检测角b2由图15B中分别标出的f1，j1，p1，C1，d1和h1确定。此处的″f1″表示Fresnel透镜的焦距，″j1″表示各导向上的安装角，″h1″表示各导向器下端的高度，″C1″表示相邻红外线传感器之间的间隙，″d1″表示各红外线传感器宽度的二倍与C1之和，″e1″表示各窗口的宽度，″p1″表示Fresnel透镜的多个下元件的横向宽度，″q1″表示Fresnel透镜的各个上元件的横向宽度。
如果把红外线阵列传感器系统安装在墙上的预定高度，上、下检测区域SR就由一条点划线分开，如图16A中所示。该点划线对应各导向器102的位置，垂直地划分各个红外线阵列传感器上的相邻的检测区域。分别位于点划线上、下方的检测区域对应着由红外线传感器阵列中各个相应的红外线传感器检测到的远、近检测区域。
左、中、右检测区域由图16B中的点划线划分。点划线对应着两个导向器102的位置，划分出各个对应的红外线传感器上的相邻的水平检测区域。
各个方向上的检测角取决于Fresnel透镜101的焦距和尺寸以及各个红外线传感器108的尺寸。入射方向取决于红外线传感器和透镜部分的几何形状。
如图15A和15B所示，被测区域被划分成六个区域，其中包括分别被划分成左、中、右区域的上、下区域。
图16B所示的情况是，在左、中、右检测区域分别布置了六个Fresnel透镜元件，五个Fresnel透镜元件和六个Fresnel透镜元件，分别覆盖40°的左检测角，30°的中间检测角和40°的右检测角。另一方面，图16A所示的情况是在上、下检测区域各方布置两个Fresnel透镜元件，覆盖住垂直的入射方向。
图17示出了复合Fresnel透镜的一个设计实例，它与图13中所示的红外线传感器和导向器相结合。
各个透镜部分的中心位置，宽度及高度取决于检测区域的设计以及红外线传感器的布置方式。
按照图16A和16B的检测区域设计，垂直地布置了四排水平透镜部分。每排水平透镜部分分别包括设在左、中、右区域中的六个透镜部分，五个透镜部分和六个透镜部分。
参见图18，红外线阵列传感器系统的电路器件111包括第一检测单元120，用于以各红外线传感器108输出的检测电压Vins进行阻抗变换，第二检测单元121，用于对参考元件112的参考电压Vinref进行阻抗变换。电路器件111还包括一个差分放大器单元122，用于接收来自第一和第二检测单元120和121的输出电压并对接收的电压进行差分放大，以及一个缓冲器单元23用于缓冲差分放大器单元122的输出。
第一检测单元120包括一场效应晶体管FET1，其栅极经由栅电阻Rg连接到地，并在其上施加检测电压Vins，电源电压VDD加到其漏极上，其源极经由源电阻Rs连接到地。
第二检测单元121包括一场效应晶体管FET2，其栅极经由栅电阻Rgref连接到地，并在其上施加参考电压Vinref，电源电压VDD加在其漏极上，其源极经由源电阻Rsref连接到地。
另一方面，差分放大器单元122包括第一放大器A1，其非反向输入端(+)连接到场效应晶体管FET1，其反向输入端(-)通过电阻R2连接到其输出端，第二放大器A2的非反向输入端(+)连接到场效应晶体管FET2，而反向输入端(-)则通过电阻R3连接到其输出端，一个电阻R1连接在放大器A1和A2的反向输入端(-)之间，以及一个第三放大器A3，其反向输入端(-)通过电阻R4连接到第一放大器A1的输出端，并且还通过电阻R6连接其输出端，它的非反向输入端(+)通过电阻R5连接到第二放大器A2的输出端，并且还通过电阻R7连接到地。
缓冲单元123包括一放大器A4，其非反向输入端(+)连接到第三放大器A3的输出端，其反向输入端(-)连接到其输出端。
在具有上述结构的电路器件111中，第一检测单元120接收由红外线传感器108输出的检测电压Vins。由栅电阻Rg和场效应晶体管FET1对第一检测单元120的输出阻抗进行变换。另一方面，第二检测单元121接收参考电压Vref。用栅电阻Rgref场效应晶体管FET2对第二检测单元121的输出阻抗进行变换。
差分放大器单元122利用其放大器A1，A2和A3对第一和第二检测单元120和121的输出信号进行差分放大。
假设电阻R2和R3阻值相同，电阻R4和R5阻值相同，电阻R6和R7阻值相同，则差分放大器单元122的放大系数与数值(1＋2R2/R3)×R5/R4相对应。
缓冲单元123执行缓冲作用，它没有任何放大功能，用于稳定地提供来自差分放大器单元122的输出。
结果，可以用参考元件的输出来补偿由误动作因素造成的各个红外线传感器的输出，这些误动作因素包括红外线传感器外壳的振动，以及环境温度的突变等等。因此就有可能获得仅由入射的红外线产生的信号。
人体的运动可使对应该运动方向的一个红外线传感器产生输出信号。输出信号的变化就能反映出作为红外线源的人体正在运动的事实。因此，通过对红外线传感器输出信号的脉冲进行计数就可以测出人体的运动量。
也就是说，如果用计数器对缓冲单元123输出的脉冲数计数，就有可能根据计数脉冲的数量变化检测出人体的运动量。
作为图18所示电路的一种替代，电路器件111可以采用图19中所示包括一电流型差分放大器单元的结构。
如图19所示，电流型差分放大器单元包括一个放大器A5，其反向输入端(-)经由栅电阻Rg连接到其输出端，并在其上施加检测电压Vins，一个放大器A6的非反向输入端(+)通过栅电阻Rgref连接到其输出端，并在其上施加参考电压Vinref，并且其反向输入端(-)和放大器A5的非反向输入端(+)一起连接到地，以及一个放大器A7，它的非反向输入端(+)通过电阻R5连接到放大器A6的输出端，并通过电阻R7连接地，而其反向端(-)则通过电阻R4连接到放大器A5的输出端，并通过电阻R6连接到其输出端。
此时把缓冲单元123的非反向输入端(+)连接到放大器A7的输出端。
具有图19所示结构的电路器件不需要用场效应晶体管执行阻抗变换。在此情况下仅需用放大器A7按照并联的方式对红外线阵列系统的红外线元件输出的信号进行差分放大。
在这一场合，如果电阻R4和F5的阻值相同，且电阻R6和R7的阻值也相同时，放大系数与数值-R6/R4相对应。
参见图20，如果不采用把红外线传感器108都集成在单个电路板中的结构，也可以把分别装有红外线传感器108的多个电路板106连接到导向器102上。
从上述说明中可见，本发明提供了一种具有廉价结构的红外线阵列传感器系统，它可以检测出人的远、近位置，人的左、中、右位置，以及人的运动量。
尽管以上出于说明的目的用特定的实施例描述了本发明，本领域中的熟练人员在不脱离由权利要求书所述的本发明的范围和精神的条件下显然可以实现各种变更和增删。