紅外傳感器模塊和紅外成像設(shè)備的制造方法
【專利說明】紅外傳感器模塊和紅外成像設(shè)備
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求申請?zhí)枮?1/748，024、申請日為2012年12月31日、題為“ INFRAREDFOCAL PLANE ARRAY HEAT SPREADERS”的美國臨時(shí)專利申請的權(quán)益，通過引用的方式將其作為整體合并于此。
[0003]本申請是申請?zhí)枮?4/101，245、申請日為2013年12月9日、題為“LOW POWER ANDSMALL FORM FACTOR INFRARED IMAGING”的美國專利申請的部分延續(xù)申請，通過引用的方式將其作為整體合并于此。
[0004]本申請是申請?zhí)枮?4/099,818、申請日為2013年12月6日、題為“NON-UNIFORMITY CORRECT1N TECHNIQUES FOR INFRARED IMAGING DEVICES” 的美國專利申請的部分延續(xù)申請，通過引用的方式將其作為整體合并于此。
[0005]本申請是申請?zhí)枮?4/101,258、申請日為2013年12月9日、題為“INFRAREDCAMERA SYSTEM ARCHITECTURES”的美國專利申請的部分延續(xù)申請，通過引用的方式將其作為整體合并于此。
[0006]本申請是申請?zhí)枮?4/138,058、申請日為2013年12月21日、題為“COMPACTMULT1-SPECTRUM IMAGING WITH FUS1N”的美國專利申請的部分延續(xù)申請，通過引用的方式將其作為整體合并于此。
[0007]美國專利申請14/138，058要求申請?zhí)枮?1/748，018、申請日為2012年12月31日、題為“COMPACT MULT1-SPECTRUM IMAGING WITH FUS1N”的美國臨時(shí)專利申請的權(quán)益，通過引用的方式將其作為整體合并于此。
[0008]本申請是申請?zhí)枮?4/138，040、申請日為2013年12月21日、題為“??ΜΕ SPACEDINFRARED IMAGE ENHANCEMENT”的美國專利申請的部分延續(xù)申請，通過引用的方式將其作為整體合并于此。
[0009]美國專利申請14/138，040要求申請?zhí)枮?1/792，582、申請日為2013年3月15日、題為“??ΜΕ SPACED INFRARED IMAGE ENHANCEMENT”的美國臨時(shí)專利申請的權(quán)益，通過引用的方式將其作為整體合并于此。
[0010]美國專利申請14/138，040還要求申請?zhí)枮?1/746，069、申請日為2012年12月26日、題為“??ΜΕ SPACED INFRARED IMAGE ENHANCEMENT”的美國臨時(shí)專利申請的權(quán)益，通過引用的方式將其作為整體合并于此。
[0011]本申請是申請?zhí)枮?4/138，052、申請日為2013年12月21日、題為“ INFRAREDIMAGING ENHANCEMENT WITH FUS1N”的美國專利申請的部分延續(xù)申請，通過引用的方式將其作為整體合并于此。
[0012]美國專利申請14/138,052要求申請?zhí)枮?1/793，952、申請日為2013年3月15日、題為“INFRARED IMAGING ENHANCEMENT WITH FUS1N”的美國臨時(shí)專利申請的權(quán)益，通過引用的方式將其作為整體合并于此。
[0013]美國專利申請14/138，052還要求申請?zhí)枮?1/746，074、申請日為2012年12月26日、題為“INFRARED IMAGING ENHANCEMENT WITH FUS1N”的美國臨時(shí)專利申請的權(quán)益，通過引用的方式將其作為整體合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0014]本實(shí)用新型的一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例總體上涉及熱成像設(shè)備，更具體地，例如，涉及用于非冷卻紅外(IR)焦平面陣列(FPA)成像設(shè)備的散熱器，其改善了設(shè)備成像性能。
【背景技術(shù)】
[0015]非冷卻微測輻射熱計(jì)陣列對(duì)FPA基板溫度的變化極其敏感。例如，在典型的微測輻射熱計(jì)IR相機(jī)中，0.0025°C的基板溫度變化對(duì)應(yīng)于大約0.1°C的場景溫度的明顯變化。因而，相當(dāng)大的設(shè)計(jì)工作量投入到校準(zhǔn)基板溫度的平均變化中，其可能發(fā)生在正常的操作過程中，由于設(shè)備的自加熱或環(huán)境變化引起?？梢酝ㄟ^在FPA中實(shí)現(xiàn)的偏壓和/或偏移校正電路，和/或通過軟件算法，來獲得基板溫度平均變化的補(bǔ)償，所述軟件算法補(bǔ)償作為FPA溫度的函數(shù)的每個(gè)像素的輸出，F(xiàn)PA溫度由FPA板載的精密溫度傳感器檢測。然而，在許多情況下，F(xiàn)PA基板的變熱是不均勻的。變熱的這個(gè)不均勻性不能被單個(gè)溫度傳感器補(bǔ)償，因此額外的固定圖形噪聲可能出現(xiàn)在圖像中。另外，使用快門補(bǔ)償固定圖形噪聲的傳統(tǒng)方法在一些設(shè)備中不可用。盡管一些基于場景的非均勻補(bǔ)償(SBNUC)技術(shù)在去除高空間頻率不均勻性方面獲得了滿意的結(jié)果，但在低空間頻率不均勻性的情況下，這些技術(shù)表現(xiàn)得不好，而如果FPA基板溫度梯度性變化，很可能遭遇到低空間頻率不均勻性。
[0016]因而，需要能減小IR FPA中的熱梯度的機(jī)構(gòu)，該熱梯度造成圖像不均勻并且導(dǎo)致設(shè)備輸出水平中與場景無關(guān)的的變化。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0017]根據(jù)實(shí)用新型的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，提供了用于多個(gè)IR FPA和包含它們的IR相機(jī)模塊的新散熱器，以及其制造和使用方法，該散熱器和該方法減小了 FPA中的熱梯度，該熱梯度造成圖像不均勻性并且導(dǎo)致與場景無關(guān)的設(shè)備輸出水平的變化。
[0018]在一個(gè)示例性實(shí)施例中，紅外(IR)傳感器模塊包括IR傳感器組件，其包括基板，布置在基板的上表面上的微測輻射熱計(jì)陣列；和布置在基板的上表面上并且緊密地包圍微測輻射熱計(jì)陣列的帽?；贾迷诨逑路?，具有大體上平的部分的散熱器插入到基板的下表面和基座的上表面之間。在一些實(shí)施例中，散熱器可以包括具有各向異性熱導(dǎo)率的材料，例如石墨。
[0019]在一個(gè)示例性實(shí)施例中，公開了一種紅外成像設(shè)備，其以下述方式結(jié)合上述的紅外傳感器模塊:使得所述微測輻射熱計(jì)陣列布置在所述紅外成像設(shè)備的焦平面處。
[0020]在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，一種用于在其操作期間減小紅外(IR)傳感器模塊中的固定圖形噪聲(FPN)的方法包括提供大體上平的散熱器，其面內(nèi)熱導(dǎo)率大于在垂直于其的方向上的散熱器熱導(dǎo)率，并且將散熱器插入到傳感器模塊的基板的下表面和傳感器模塊的基座的上表面之間。
[0021]本實(shí)用新型的范圍由權(quán)利要求書限定，通過引用的方式將這部分合并于此。通過考慮下面對(duì)一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)描述，將會(huì)向本領(lǐng)域技術(shù)人員提供對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例的更加完整的理解以及其中附加的優(yōu)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。下面將參考首先會(huì)簡要描述的附圖。
【附圖說明】
[0022]圖1示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的被配置為在主機(jī)裝置中實(shí)現(xiàn)的紅外成像模塊。
[0023]圖2示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的裝配后的紅外成像模塊。
[0024]圖3示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的并列地置于插座之上的紅外成像模塊的分解圖。
[0025]圖4示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的包括紅外傳感器陣列的紅外傳感器組件的框圖。
[0026]圖5示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的確定非均勻校正(NUC)項(xiàng)的各種操作的流程圖。
[0027]圖6示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的相鄰像素之間的差值。
[0028]圖7示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的平場校正技術(shù)。
[0029]圖8示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的應(yīng)用在圖像處理流水線中的圖5的各種圖像處理技術(shù)和其他操作。
[0030]圖9示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的時(shí)域噪聲削減步驟。
[0031]圖10示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的圖8的圖像處理流水線的幾個(gè)步驟的具體的實(shí)施細(xì)節(jié)。
[0032]圖11示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的附近像素中的空間相關(guān)的固定圖形噪聲(FPN)。
[0033]圖12示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的包括紅外傳感器陣列和低壓差穩(wěn)壓器的紅外傳感器組件的另一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式的框圖。
[0034]圖13示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的圖12的紅外傳感器組件的一部分的電路圖。
[0035]圖14是根據(jù)本公開實(shí)施例的包含散熱器的紅外成像模塊的示例性實(shí)施例的正視剖視圖，散熱器位于成像模塊的基板和該模塊的基座之間。
[0036]圖15是位于圖14的基板的下表面及其成像模塊的基座的上表面之間的區(qū)域的平面圖，其示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的用于測量基板中的溫度梯度的溫度測試傳感器的位置。
[0037]圖16A是根據(jù)本公開實(shí)施例的、在基板和基座之間使用散熱器的情況下，在紅外成像模塊操作的相對(duì)短的初始時(shí)期期間，基板中的選定點(diǎn)在不同時(shí)間的相應(yīng)溫度的圖表，以開氏溫度(° K)表示。
[0038]圖16B是根據(jù)本公開實(shí)施例的、在基板和基座之間使用散熱器的情況下，在紅外成像模塊操作的延長時(shí)間期間，基板中的選定點(diǎn)在不同時(shí)間的相應(yīng)溫度的圖表，以開氏溫度(° K)表示。
[0039]圖17A是根據(jù)本公開實(shí)施例的在基板和基座之間使用銅散熱器的情況下，在紅外成像模塊操作的短的初始時(shí)期期間，基板中的選定點(diǎn)在不同時(shí)間的相應(yīng)溫度的圖表，以開氏溫度(° K)表示。
[0040]圖17B是根據(jù)本公開實(shí)施例的在基板和基座之間使用銅散熱器的情況下，在紅外成像模塊操作的延長時(shí)間期間，區(qū)域中的選定點(diǎn)在不同時(shí)間的相應(yīng)溫度的圖表，以開氏溫度(° K)表示。
[0041]圖18A是根據(jù)本公開實(shí)施例的在基板和基座之間使用石墨散熱器的情況下，在紅外成像模塊操作的相對(duì)短的初始時(shí)期期間，區(qū)域中的選定點(diǎn)在不同時(shí)間的相應(yīng)溫度的圖表，以開氏溫度(° K)表不。
[0042]圖18B是根據(jù)本公開實(shí)施例的、在基板和基座之間使用石墨散熱器的情況下，在紅外成像模塊操作的延長時(shí)間期間，區(qū)域中的選定點(diǎn)在不同時(shí)間的相應(yīng)溫度的圖表，以開氏溫度(° K)表示。
[0043]圖19是根據(jù)本公開實(shí)施例的在成像模塊的基板和該模塊的基座之間包含散熱器的紅外成像模塊的另一個(gè)示例性實(shí)施例的透視圖。
[0044]通過參考下面的詳細(xì)說明，將會(huì)更好的理解本實(shí)用新型的實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)理解的是，相同的參考數(shù)字用于表示在一副或者多幅附圖中示出的相同元件。
具體實(shí)施例
[0045]圖1示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的、被配置為在主機(jī)裝置102中實(shí)現(xiàn)的紅外成像模塊100(例如，紅外照相機(jī)或者紅外成像裝置)。在一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例中，可根據(jù)晶圓級(jí)封裝技術(shù)或者其他封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小形狀因子的紅外成像模塊100。
[0046]在一個(gè)實(shí)施例中，紅外成像模塊100可被配置為在小型的便攜式主機(jī)裝置102中實(shí)現(xiàn)，例如，移動(dòng)電話、平板電腦裝置、膝上型電腦裝置、個(gè)人數(shù)字助理、可見光照相機(jī)、音樂播放器或者任何其他合適的移動(dòng)裝置。就這方面而言，紅外成像模塊100可用于向主機(jī)裝置102提供紅外成像功能。例如，紅外成像模塊100可被配置為捕獲、處理、和/或管理紅外圖像，并將該紅外圖像提供給主機(jī)裝置102，主機(jī)裝置102能夠以任何期望的方式來使用該紅外圖像(例如，對(duì)該紅外圖像進(jìn)行進(jìn)一步的處理、存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中、顯示、由運(yùn)行在主機(jī)裝置102中的各種應(yīng)用程序使用、輸出到其他裝置、或者其他應(yīng)用)。
[0047]在各種實(shí)施例中，紅外成像模塊100可被配置為在低電壓電平和寬溫度范圍內(nèi)工作。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，紅外成像模塊100可使用約2.4伏、2.5伏、2.8伏或更低的電壓的電源工作，并且可在約_20°C到約+60°C的溫度范圍中工作(例如，在約80°C的環(huán)境溫度范圍中提供合適的動(dòng)態(tài)范圍和性能)。在一個(gè)實(shí)施例中，通過使紅外成像模塊100在低電壓電平下工作，與其他類型的紅外成像裝置相比，紅外成像模塊100自身所產(chǎn)生的熱量較少。因此，紅外成像模塊100在工作時(shí)，可利用簡化的措施來補(bǔ)償這種自身產(chǎn)生的熱量。
[0048]如圖1所示，主機(jī)裝置102可包括插座104、快門105、運(yùn)動(dòng)傳感器194、處理器195、存儲(chǔ)器196、顯示器197和/或其他部件198。插座104可被配置為如箭頭101所示的接收紅外成像模塊100。就這方面而言，圖2示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的、裝配在插座104中的紅外成像模塊100。
[0049]可由一個(gè)或者多個(gè)加速度計(jì)、陀螺儀或者可用于檢測主機(jī)裝置102的運(yùn)動(dòng)的其他合適的裝置來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳感器194。處理模塊160或者處理器195可對(duì)運(yùn)動(dòng)傳感器194進(jìn)行監(jiān)控并且運(yùn)動(dòng)傳感器194向處理模塊160或者處理器195提供信息，以檢測運(yùn)動(dòng)。在各種實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)傳感器194可實(shí)現(xiàn)為主機(jī)裝置102的一部分(如圖1所示)，也可實(shí)現(xiàn)為紅外成像模塊100、或者連接到主機(jī)裝置102或與主機(jī)裝置102接觸的其他裝置的一部分。
[0050]處理器195可實(shí)現(xiàn)為任何合適的處理裝置(例如，邏輯裝置、微控制器、處理器、專用集成電路(ASIC)或者其他裝置)，主機(jī)裝置102可使用上述處理裝置來執(zhí)行適當(dāng)?shù)闹噶?，例如，存?chǔ)在存儲(chǔ)器196中的軟件指令。顯示器197可用于顯示捕獲的和/或處理后的紅外圖像和/或其他圖像、數(shù)據(jù)和信息。其他部件198可用于實(shí)現(xiàn)主機(jī)裝置102的任何功能，如可能期望的各種應(yīng)用(例如，時(shí)鐘、溫度傳感器、可見光照相機(jī)或者其他部件)。另外，機(jī)器可讀介質(zhì)193可用于存儲(chǔ)非臨時(shí)性指令，可將該非臨時(shí)性指令加載到存儲(chǔ)器196中并由處理器195執(zhí)行。
[0051]在各種實(shí)施例中，可大量生產(chǎn)紅外成像模塊100和插座104，以推動(dòng)它們的廣泛應(yīng)用，例如，其可應(yīng)用在移動(dòng)電話或者其他裝置(例如，需要小形狀因子的裝置)中。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)紅外成像模塊100安裝到插座104中時(shí)，紅外成像模塊100和插座104的組合所顯示出的整體尺寸大約為8.5mm X 8.5mm X 5.9mm。
[0052]圖3示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的、并列的置于插座104之上的紅外成像模塊100的分解圖。紅外成像模塊100可包括透鏡鏡筒110、外殼120、紅外傳感器組件128(見圖4)、電路板170、基座150和處理模塊160。如圖14中所示，在一些實(shí)施例中，電路板179的功能可以合并到基座150中，基座150可以包括陶瓷結(jié)構(gòu)，并且處理模塊160可以例如用球柵陣列(BGA)技術(shù)來安裝到和電連接到基座150的下表面。
[0053]透鏡鏡筒110可至少部分的裝入光學(xué)元件180 (例如，透鏡)，通過透鏡鏡筒110中的孔112，所述光學(xué)元件180在圖3中部分的可見。透鏡鏡筒110可包括大致呈圓柱形的延長部分114，其可用于使透鏡鏡筒110與外殼120中的孔122接觸。
[0054]紅外傳感器組件128例如可以實(shí)施在安裝于基板140上的帽130 (例如，蓋子)的下方。如圖4中所示，紅外傳感器組件128可包括按列或者其他方式設(shè)置在基板140上并由帽130覆蓋的多個(gè)紅外傳感器132 (例如，紅外探測器)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，紅外傳感器組件128可實(shí)現(xiàn)為焦平面陣列(FPA)。這種焦平面陣列可實(shí)現(xiàn)為例如真空封裝的組件(例如，由帽130和基板140緊密地密封)。在一個(gè)實(shí)施例中，紅外傳感器組件128可實(shí)現(xiàn)為晶片級(jí)封裝(例如，紅外傳感器組件128可以是與設(shè)置在晶片上一組真空包裝組件相分離的單片)。在一個(gè)實(shí)施例中，紅外傳感器組件128可實(shí)現(xiàn)為使用約2.4伏、2.5伏、2.8伏或者類似的電壓的電源來工作。
[0055]紅外傳感器132可被配置為檢測目標(biāo)場景的紅外輻射(例如，紅外能量)，所述目標(biāo)場景包括:例如中波紅外波段(MW