红外传感器模块和红外成像设备的制造方法
【专利说明】红外传感器模块和红外成像设备
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求申请号为61/748，024、申请日为2012年12月31日、题为“ INFRAREDFOCAL PLANE ARRAY HEAT SPREADERS”的美国临时专利申请的权益，通过引用的方式将其作为整体合并于此。
[0003]本申请是申请号为14/101，245、申请日为2013年12月9日、题为“LOW POWER ANDSMALL FORM FACTOR INFRARED IMAGING”的美国专利申请的部分延续申请，通过引用的方式将其作为整体合并于此。
[0004]本申请是申请号为14/099,818、申请日为2013年12月6日、题为“NON-UNIFORMITY CORRECT1N TECHNIQUES FOR INFRARED IMAGING DEVICES” 的美国专利申请的部分延续申请，通过引用的方式将其作为整体合并于此。
[0005]本申请是申请号为14/101,258、申请日为2013年12月9日、题为“INFRAREDCAMERA SYSTEM ARCHITECTURES”的美国专利申请的部分延续申请，通过引用的方式将其作为整体合并于此。
[0006]本申请是申请号为14/138,058、申请日为2013年12月21日、题为“COMPACTMULT1-SPECTRUM IMAGING WITH FUS1N”的美国专利申请的部分延续申请，通过引用的方式将其作为整体合并于此。
[0007]美国专利申请14/138，058要求申请号为61/748，018、申请日为2012年12月31日、题为“COMPACT MULT1-SPECTRUM IMAGING WITH FUS1N”的美国临时专利申请的权益，通过引用的方式将其作为整体合并于此。
[0008]本申请是申请号为14/138，040、申请日为2013年12月21日、题为“??ΜΕ SPACEDINFRARED IMAGE ENHANCEMENT”的美国专利申请的部分延续申请，通过引用的方式将其作为整体合并于此。
[0009]美国专利申请14/138，040要求申请号为61/792，582、申请日为2013年3月15日、题为“??ΜΕ SPACED INFRARED IMAGE ENHANCEMENT”的美国临时专利申请的权益，通过引用的方式将其作为整体合并于此。
[0010]美国专利申请14/138，040还要求申请号为61/746，069、申请日为2012年12月26日、题为“??ΜΕ SPACED INFRARED IMAGE ENHANCEMENT”的美国临时专利申请的权益，通过引用的方式将其作为整体合并于此。
[0011]本申请是申请号为14/138，052、申请日为2013年12月21日、题为“ INFRAREDIMAGING ENHANCEMENT WITH FUS1N”的美国专利申请的部分延续申请，通过引用的方式将其作为整体合并于此。
[0012]美国专利申请14/138,052要求申请号为61/793，952、申请日为2013年3月15日、题为“INFRARED IMAGING ENHANCEMENT WITH FUS1N”的美国临时专利申请的权益，通过引用的方式将其作为整体合并于此。
[0013]美国专利申请14/138，052还要求申请号为61/746，074、申请日为2012年12月26日、题为“INFRARED IMAGING ENHANCEMENT WITH FUS1N”的美国临时专利申请的权益，通过引用的方式将其作为整体合并于此。
技术领域
[0014]本实用新型的一个或者多个实施例总体上涉及热成像设备，更具体地，例如，涉及用于非冷却红外(IR)焦平面阵列(FPA)成像设备的散热器，其改善了设备成像性能。
【背景技术】
[0015]非冷却微测辐射热计阵列对FPA基板温度的变化极其敏感。例如，在典型的微测辐射热计IR相机中，0.0025°C的基板温度变化对应于大约0.1°C的场景温度的明显变化。因而，相当大的设计工作量投入到校准基板温度的平均变化中，其可能发生在正常的操作过程中，由于设备的自加热或环境变化引起。可以通过在FPA中实现的偏压和/或偏移校正电路，和/或通过软件算法，来获得基板温度平均变化的补偿，所述软件算法补偿作为FPA温度的函数的每个像素的输出，FPA温度由FPA板载的精密温度传感器检测。然而，在许多情况下，FPA基板的变热是不均匀的。变热的这个不均匀性不能被单个温度传感器补偿，因此额外的固定图形噪声可能出现在图像中。另外，使用快门补偿固定图形噪声的传统方法在一些设备中不可用。尽管一些基于场景的非均匀补偿(SBNUC)技术在去除高空间频率不均匀性方面获得了满意的结果，但在低空间频率不均匀性的情况下，这些技术表现得不好，而如果FPA基板温度梯度性变化，很可能遭遇到低空间频率不均匀性。
[0016]因而，需要能减小IR FPA中的热梯度的机构，该热梯度造成图像不均匀并且导致设备输出水平中与场景无关的的变化。
【实用新型内容】
[0017]根据实用新型的一个或多个实施例，提供了用于多个IR FPA和包含它们的IR相机模块的新散热器，以及其制造和使用方法，该散热器和该方法减小了 FPA中的热梯度，该热梯度造成图像不均匀性并且导致与场景无关的设备输出水平的变化。
[0018]在一个示例性实施例中，红外(IR)传感器模块包括IR传感器组件，其包括基板，布置在基板的上表面上的微测辐射热计阵列；和布置在基板的上表面上并且紧密地包围微测辐射热计阵列的帽。基座布置在基板下方，具有大体上平的部分的散热器插入到基板的下表面和基座的上表面之间。在一些实施例中，散热器可以包括具有各向异性热导率的材料，例如石墨。
[0019]在一个示例性实施例中，公开了一种红外成像设备，其以下述方式结合上述的红外传感器模块:使得所述微测辐射热计阵列布置在所述红外成像设备的焦平面处。
[0020]在另一个示例性实施例中，一种用于在其操作期间减小红外(IR)传感器模块中的固定图形噪声(FPN)的方法包括提供大体上平的散热器，其面内热导率大于在垂直于其的方向上的散热器热导率，并且将散热器插入到传感器模块的基板的下表面和传感器模块的基座的上表面之间。
[0021]本实用新型的范围由权利要求书限定，通过引用的方式将这部分合并于此。通过考虑下面对一个或者多个实施例的详细描述，将会向本领域技术人员提供对本实用新型实施例的更加完整的理解以及其中附加的优点的实现。下面将参考首先会简要描述的附图。
【附图说明】
[0022]图1示出了根据本公开实施例的被配置为在主机装置中实现的红外成像模块。
[0023]图2示出了根据本公开实施例的装配后的红外成像模块。
[0024]图3示出了根据本公开的实施例的并列地置于插座之上的红外成像模块的分解图。
[0025]图4示出了根据本公开的实施例的包括红外传感器阵列的红外传感器组件的框图。
[0026]图5示出了根据本公开实施例的确定非均匀校正(NUC)项的各种操作的流程图。
[0027]图6示出了根据本公开实施例的相邻像素之间的差值。
[0028]图7示出了根据本公开实施例的平场校正技术。
[0029]图8示出了根据本公开实施例的应用在图像处理流水线中的图5的各种图像处理技术和其他操作。
[0030]图9示出了根据本公开实施例的时域噪声削减步骤。
[0031]图10示出了根据本公开实施例的图8的图像处理流水线的几个步骤的具体的实施细节。
[0032]图11示出了根据本公开实施例的附近像素中的空间相关的固定图形噪声(FPN)。
[0033]图12示出了根据本公开实施例的包括红外传感器阵列和低压差稳压器的红外传感器组件的另一个实现方式的框图。
[0034]图13示出了根据本公开实施例的图12的红外传感器组件的一部分的电路图。
[0035]图14是根据本公开实施例的包含散热器的红外成像模块的示例性实施例的正视剖视图，散热器位于成像模块的基板和该模块的基座之间。
[0036]图15是位于图14的基板的下表面及其成像模块的基座的上表面之间的区域的平面图，其示出了根据本公开实施例的用于测量基板中的温度梯度的温度测试传感器的位置。
[0037]图16A是根据本公开实施例的、在基板和基座之间使用散热器的情况下，在红外成像模块操作的相对短的初始时期期间，基板中的选定点在不同时间的相应温度的图表，以开氏温度(° K)表示。
[0038]图16B是根据本公开实施例的、在基板和基座之间使用散热器的情况下，在红外成像模块操作的延长时间期间，基板中的选定点在不同时间的相应温度的图表，以开氏温度(° K)表示。
[0039]图17A是根据本公开实施例的在基板和基座之间使用铜散热器的情况下，在红外成像模块操作的短的初始时期期间，基板中的选定点在不同时间的相应温度的图表，以开氏温度(° K)表示。
[0040]图17B是根据本公开实施例的在基板和基座之间使用铜散热器的情况下，在红外成像模块操作的延长时间期间，区域中的选定点在不同时间的相应温度的图表，以开氏温度(° K)表示。
[0041]图18A是根据本公开实施例的在基板和基座之间使用石墨散热器的情况下，在红外成像模块操作的相对短的初始时期期间，区域中的选定点在不同时间的相应温度的图表，以开氏温度(° K)表不。
[0042]图18B是根据本公开实施例的、在基板和基座之间使用石墨散热器的情况下，在红外成像模块操作的延长时间期间，区域中的选定点在不同时间的相应温度的图表，以开氏温度(° K)表示。
[0043]图19是根据本公开实施例的在成像模块的基板和该模块的基座之间包含散热器的红外成像模块的另一个示例性实施例的透视图。
[0044]通过参考下面的详细说明，将会更好的理解本实用新型的实施例及其优点。应当理解的是，相同的参考数字用于表示在一副或者多幅附图中示出的相同元件。
具体实施例
[0045]图1示出了根据本公开实施例的、被配置为在主机装置102中实现的红外成像模块100(例如，红外照相机或者红外成像装置)。在一个或者多个实施例中，可根据晶圆级封装技术或者其他封装技术，实现小形状因子的红外成像模块100。
[0046]在一个实施例中，红外成像模块100可被配置为在小型的便携式主机装置102中实现，例如，移动电话、平板电脑装置、膝上型电脑装置、个人数字助理、可见光照相机、音乐播放器或者任何其他合适的移动装置。就这方面而言，红外成像模块100可用于向主机装置102提供红外成像功能。例如，红外成像模块100可被配置为捕获、处理、和/或管理红外图像，并将该红外图像提供给主机装置102，主机装置102能够以任何期望的方式来使用该红外图像(例如，对该红外图像进行进一步的处理、存储到存储器中、显示、由运行在主机装置102中的各种应用程序使用、输出到其他装置、或者其他应用)。
[0047]在各种实施例中，红外成像模块100可被配置为在低电压电平和宽温度范围内工作。例如，在一个实施例中，红外成像模块100可使用约2.4伏、2.5伏、2.8伏或更低的电压的电源工作，并且可在约_20°C到约+60°C的温度范围中工作(例如，在约80°C的环境温度范围中提供合适的动态范围和性能)。在一个实施例中，通过使红外成像模块100在低电压电平下工作，与其他类型的红外成像装置相比，红外成像模块100自身所产生的热量较少。因此，红外成像模块100在工作时，可利用简化的措施来补偿这种自身产生的热量。
[0048]如图1所示，主机装置102可包括插座104、快门105、运动传感器194、处理器195、存储器196、显示器197和/或其他部件198。插座104可被配置为如箭头101所示的接收红外成像模块100。就这方面而言，图2示出了根据本公开实施例的、装配在插座104中的红外成像模块100。
[0049]可由一个或者多个加速度计、陀螺仪或者可用于检测主机装置102的运动的其他合适的装置来实现运动传感器194。处理模块160或者处理器195可对运动传感器194进行监控并且运动传感器194向处理模块160或者处理器195提供信息，以检测运动。在各种实施例中，运动传感器194可实现为主机装置102的一部分(如图1所示)，也可实现为红外成像模块100、或者连接到主机装置102或与主机装置102接触的其他装置的一部分。
[0050]处理器195可实现为任何合适的处理装置(例如，逻辑装置、微控制器、处理器、专用集成电路(ASIC)或者其他装置)，主机装置102可使用上述处理装置来执行适当的指令，例如，存储在存储器196中的软件指令。显示器197可用于显示捕获的和/或处理后的红外图像和/或其他图像、数据和信息。其他部件198可用于实现主机装置102的任何功能，如可能期望的各种应用(例如，时钟、温度传感器、可见光照相机或者其他部件)。另外，机器可读介质193可用于存储非临时性指令，可将该非临时性指令加载到存储器196中并由处理器195执行。
[0051]在各种实施例中，可大量生产红外成像模块100和插座104，以推动它们的广泛应用，例如，其可应用在移动电话或者其他装置(例如，需要小形状因子的装置)中。在一个实施例中，当红外成像模块100安装到插座104中时，红外成像模块100和插座104的组合所显示出的整体尺寸大约为8.5mm X 8.5mm X 5.9mm。
[0052]图3示出了根据本公开的实施例的、并列的置于插座104之上的红外成像模块100的分解图。红外成像模块100可包括透镜镜筒110、外壳120、红外传感器组件128(见图4)、电路板170、基座150和处理模块160。如图14中所示，在一些实施例中，电路板179的功能可以合并到基座150中，基座150可以包括陶瓷结构，并且处理模块160可以例如用球栅阵列(BGA)技术来安装到和电连接到基座150的下表面。
[0053]透镜镜筒110可至少部分的装入光学元件180 (例如，透镜)，通过透镜镜筒110中的孔112，所述光学元件180在图3中部分的可见。透镜镜筒110可包括大致呈圆柱形的延长部分114，其可用于使透镜镜筒110与外壳120中的孔122接触。
[0054]红外传感器组件128例如可以实施在安装于基板140上的帽130 (例如，盖子)的下方。如图4中所示，红外传感器组件128可包括按列或者其他方式设置在基板140上并由帽130覆盖的多个红外传感器132 (例如，红外探测器)。例如，在一个实施例中，红外传感器组件128可实现为焦平面阵列(FPA)。这种焦平面阵列可实现为例如真空封装的组件(例如，由帽130和基板140紧密地密封)。在一个实施例中，红外传感器组件128可实现为晶片级封装(例如，红外传感器组件128可以是与设置在晶片上一组真空包装组件相分离的单片)。在一个实施例中，红外传感器组件128可实现为使用约2.4伏、2.5伏、2.8伏或者类似的电压的电源来工作。
[0055]红外传感器132可被配置为检测目标场景的红外辐射(例如，红外能量)，所述目标场景包括:例如中波红外波段(MW