紅外傳感器模塊和紅外成像設備的制造方法
【專利說明】紅外傳感器模塊和紅外成像設備
[0001]相關申請的交叉引用
[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”的美國臨時專利申請的權益，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”的美國臨時專利申請的權益，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”的美國臨時專利申請的權益，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”的美國臨時專利申請的權益，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”的美國臨時專利申請的權益，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”的美國臨時專利申請的權益，通過引用的方式將其作為整體合并于此。
技術領域
[0014]本實用新型的一個或者多個實施例總體上涉及熱成像設備，更具體地，例如，涉及用于非冷卻紅外(IR)焦平面陣列(FPA)成像設備的散熱器，其改善了設備成像性能。
【背景技術】
[0015]非冷卻微測輻射熱計陣列對FPA基板溫度的變化極其敏感。例如，在典型的微測輻射熱計IR相機中，0.0025°C的基板溫度變化對應于大約0.1°C的場景溫度的明顯變化。因而，相當大的設計工作量投入到校準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，由于設備的自加熱或環(huán)境變化引起?？梢酝ㄟ^在FPA中實現(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償，所述軟件算法補償作為FPA溫度的函數(shù)的每個像素的輸出，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。變熱的這個不均勻性不能被單個溫度傳感器補償，因此額外的固定圖形噪聲可能出現(xiàn)在圖像中。另外，使用快門補償固定圖形噪聲的傳統(tǒng)方法在一些設備中不可用。盡管一些基于場景的非均勻補償(SBNUC)技術在去除高空間頻率不均勻性方面獲得了滿意的結果，但在低空間頻率不均勻性的情況下，這些技術表現(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中的熱梯度的機構，該熱梯度造成圖像不均勻并且導致設備輸出水平中與場景無關的的變化。
【實用新型內容】
[0017]根據實用新型的一個或多個實施例，提供了用于多個IR FPA和包含它們的IR相機模塊的新散熱器，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致與場景無關的設備輸出水平的變化。
[0018]在一個示例性實施例中，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陣列的帽?；贾迷诨逑路剑哂写篌w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。在一些實施例中，散熱器可以包括具有各向異性熱導率的材料，例如石墨。
[0019]在一個示例性實施例中，公開了一種紅外成像設備，其以下述方式結合上述的紅外傳感器模塊:使得所述微測輻射熱計陣列布置在所述紅外成像設備的焦平面處。
[0020]在另一個示例性實施例中，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，其面內熱導率大于在垂直于其的方向上的散熱器熱導率，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]本實用新型的范圍由權利要求書限定，通過引用的方式將這部分合并于此。通過考慮下面對一個或者多個實施例的詳細描述，將會向本領域技術人員提供對本實用新型實施例的更加完整的理解以及其中附加的優(yōu)點的實現(xiàn)。下面將參考首先會簡要描述的附圖。
【附圖說明】
[0022]圖1示出了根據本公開實施例的被配置為在主機裝置中實現(xiàn)的紅外成像模塊。
[0023]圖2示出了根據本公開實施例的裝配后的紅外成像模塊。
[0024]圖3示出了根據本公開的實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示出了根據本公開的實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示出了根據本公開實施例的確定非均勻校正(NUC)項的各種操作的流程圖。
[0027]圖6示出了根據本公開實施例的相鄰像素之間的差值。
[0028]圖7示出了根據本公開實施例的平場校正技術。
[0029]圖8示出了根據本公開實施例的應用在圖像處理流水線中的圖5的各種圖像處理技術和其他操作。
[0030]圖9示出了根據本公開實施例的時域噪聲削減步驟。
[0031]圖10示出了根據本公開實施例的圖8的圖像處理流水線的幾個步驟的具體的實施細節(jié)。
[0032]圖11示出了根據本公開實施例的附近像素中的空間相關的固定圖形噪聲(FPN)。
[0033]圖12示出了根據本公開實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實現(xiàn)方式的框圖。
[0034]圖13示出了根據本公開實施例的圖12的紅外傳感器組件的一部分的電路圖。
[0035]圖14是根據本公開實施例的包含散熱器的紅外成像模塊的示例性實施例的正視剖視圖，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，其示出了根據本公開實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是根據本公開實施例的、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短的初始時期期間，基板中的選定點在不同時間的相應溫度的圖表，以開氏溫度(° K)表示。
[0038]圖16B是根據本公開實施例的、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間期間，基板中的選定點在不同時間的相應溫度的圖表，以開氏溫度(° K)表示。
[0039]圖17A是根據本公開實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期期間，基板中的選定點在不同時間的相應溫度的圖表，以開氏溫度(° K)表示。
[0040]圖17B是根據本公開實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間期間，區(qū)域中的選定點在不同時間的相應溫度的圖表，以開氏溫度(° K)表示。
[0041]圖18A是根據本公開實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短的初始時期期間，區(qū)域中的選定點在不同時間的相應溫度的圖表，以開氏溫度(° K)表不。
[0042]圖18B是根據本公開實施例的、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間期間，區(qū)域中的選定點在不同時間的相應溫度的圖表，以開氏溫度(° K)表示。
[0043]圖19是根據本公開實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示例性實施例的透視圖。
[0044]通過參考下面的詳細說明，將會更好的理解本實用新型的實施例及其優(yōu)點。應當理解的是，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。
具體實施例
[0045]圖1示出了根據本公開實施例的、被配置為在主機裝置102中實現(xiàn)的紅外成像模塊100(例如，紅外照相機或者紅外成像裝置)。在一個或者多個實施例中，可根據晶圓級封裝技術或者其他封裝技術，實現(xiàn)小形狀因子的紅外成像模塊100。
[0046]在一個實施例中，紅外成像模塊100可被配置為在小型的便攜式主機裝置102中實現(xiàn)，例如，移動電話、平板電腦裝置、膝上型電腦裝置、個人數(shù)字助理、可見光照相機、音樂播放器或者任何其他合適的移動裝置。就這方面而言，紅外成像模塊100可用于向主機裝置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裝置102，主機裝置102能夠以任何期望的方式來使用該紅外圖像(例如，對該紅外圖像進行進一步的處理、存儲到存儲器中、顯示、由運行在主機裝置102中的各種應用程序使用、輸出到其他裝置、或者其他應用)。
[0047]在各種實施例中，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工作。例如，在一個實施例中，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態(tài)范圍和性能)。在一個實施例中，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自身所產生的熱量較少。因此，紅外成像模塊100在工作時，可利用簡化的措施來補償這種自身產生的熱量。
[0048]如圖1所示，主機裝置102可包括插座104、快門105、運動傳感器194、處理器195、存儲器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示出了根據本公開實施例的、裝配在插座104中的紅外成像模塊100。
[0049]可由一個或者多個加速度計、陀螺儀或者可用于檢測主機裝置102的運動的其他合適的裝置來實現(xiàn)運動傳感器194。處理模塊160或者處理器195可對運動傳感器194進行監(jiān)控并且運動傳感器194向處理模塊160或者處理器195提供信息，以檢測運動。在各種實施例中，運動傳感器194可實現(xiàn)為主機裝置102的一部分(如圖1所示)，也可實現(xiàn)為紅外成像模塊100、或者連接到主機裝置102或與主機裝置102接觸的其他裝置的一部分。
[0050]處理器195可實現(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)，主機裝置102可使用上述處理裝置來執(zhí)行適當?shù)闹噶?，例如，存儲在存儲?96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)據和信息。其他部件198可用于實現(xiàn)主機裝置102的任何功能，如可能期望的各種應用(例如，時鐘、溫度傳感器、可見光照相機或者其他部件)。另外，機器可讀介質193可用于存儲非臨時性指令，可將該非臨時性指令加載到存儲器196中并由處理器195執(zhí)行。
[0051]在各種實施例中，可大量生產紅外成像模塊100和插座104，以推動它們的廣泛應用，例如，其可應用在移動電話或者其他裝置(例如，需要小形狀因子的裝置)中。在一個實施例中，當紅外成像模塊100安裝到插座104中時，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示出了根據本公開的實施例的、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可以包括陶瓷結構，并且處理模塊160可以例如用球柵陣列(BGA)技術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元件180 (例如，透鏡)，通過透鏡鏡筒110中的孔112，所述光學元件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置在基板140上并由帽130覆蓋的多個紅外傳感器132 (例如，紅外探測器)。例如，在一個實施例中，紅外傳感器組件128可實現(xiàn)為焦平面陣列(FPA)。這種焦平面陣列可實現(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)。在一個實施例中，紅外傳感器組件128可實現(xiàn)為晶片級封裝(例如，紅外傳感器組件128可以是與設置在晶片上一組真空包裝組件相分離的單片)。在一個實施例中，紅外傳感器組件128可實現(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場景的紅外輻射(例如，紅外能量)，所述目標場景包括:例如中波紅外波段(MW