具有可区域化测辐射热计的成像装置的制造方法
【专利说明】具有可区域化测辐射热计的成像装置
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年12月31日提交的并且名称为“INFRARED DETECTORARRAY WITH SELECTABLE PIXEL BINNING SYSTEMS AND METHODS” 的美国临时专利申请N0.61/748，012的权益，其通过援引整体合并在本文中。
[0003]本申请是2013年12月9日提交的并且名称为“LOW POWER AND SMALL FORMFACTOR INFRARED IMAGING”的美国专利申请N0.14/101,245的部分继续申请，其通过援引整体合并在本文中。
[0004]本申请是2013年12月6日提交的并且名称为“NON-UNIFORMITY CORRECT1NTECHNIQUES FOR INFRARED IMAGING DEVICES”的美国专利申请N0.14/099，818 的部分继续申请，其通过援引整体合并在本文中。
[0005]本申请是2013年12月9日提交的并且名称为“ INFRARED CAMERA SYSTEMARCHITECTURES”的美国专利申请N0.14/101，258的部分继续申请，其通过援引整体合并在本文中。
[0006]本申请是2013年12月21日提交的并且名称为“COMPACT MULT1-SPECTRUMIMAGING WITH FUS1N”的美国专利申请的部分继续申请，其通过援引整体合并在本文中。
[0007]美国专利申请N0.14/138，058要求2012年12月31日提交的并且名称为“COMPACTMULT1-SPECTRUM IMAGING WITH FUS1N”的美国临时专利申请N0.61/748，018 的权益，其通过援引整体合并在本文中。
[0008]本申请是2013年12月21日提交的并且名称为“??ΜΕ SPACED INFRARED IMAGEENHANCEMENT”的美国专利申请N0.14/138，040的部分继续申请，其通过援引整体合并在本文中。
[0009]美国专利申请N0.14/138,040要求2013年5月15日提交的并且名称为“??ΜΕSPACED INFRARED IMAGE ENHANCEMENT” 的美国临时专利申请 N0.61/792，582 的权益，其通过援引整体合并在本文中。
[0010]美国专利申请N0.14/138，040还要求2012年12月26日提交的并且名称为“??ΜΕSPACED INFRARED IMAGE ENHANCEMENT” 的美国临时专利申请 N0.61/746，069 的权益，其通过援引整体合并在本文中。
[0011]本申请是2013年12月21日提交的并且名称为“ INFRARED IMAGING ENHANCEMENTWITH FUS1N”的美国专利申请N0.14/138,052的部分继续申请，其通过援引整体合并在本文中。
[0012]美国专利申请N0.14/138，052要求2013年3月15日提交的并且名称为“INFRAREDIMAGING ENHANCEMENT WITH FUS1N”的美国临时专利申请N0.61/793，952的权益，其通过援引整体合并在本文中。
[0013]美国专利申请N0.14/138,052还要求2012年12月26日提交的并且名称为“INFRARED IMAGING ENHANCEMENT WITH FUS1N”的美国临时专利申请N0.61/746，074 的权益，其通过援引整体合并在本文中。
技术领域
[0014]本实用新型的一个或者多个实施方式总体上涉及热成像装置，更具体地，涉及例如具有可选择的像素区域化结构的红外检测器阵列。
【背景技术】
[0015]微测辐射热计结构通常在单片式硅基板上制备，以形成微测辐射热计阵列，其中每个微测辐射热计起到像素的作用以产生两维图像。每个微测辐射热计电阻的变化由被称为已读出集成电路(ROIC)的电路转化成时分多路电信号。ROIC和微测辐射热计阵列的组合通常被称为微测辐射热计焦平面阵列(FPA)。
[0016]微测辐射热计阵列典型地提供预定尺寸的静态阵列，举例来说，例如具有320行256列的阵列，其代表320*256的微测辐射热计阵列(即，81920个像素)。因此，这种常规类型的微测辐射热计的可能的缺点在于像素尺寸和阵列尺寸随着相关的红外照相机性能参数一起固定。因此，需要改进用于实施微测辐射热计焦平面阵列的技术。
【实用新型内容】
[0017]提供了各种技术来区域化(例如，集群或分组)焦平面阵列(FPA)的两个或更多个红外传感器，以允许FPA的结构成各种规格和/或像素尺寸。例如，根据一个或多个实施方式，可以在FPA中实施可切换互连，其中可切换互连包括多个开关，该多个开关适于将FPA的红外传感器与列线、行线可选择地连接或断开，以及将FPA的红外传感器在彼此之间可选择地连接或断开。可切换互连还可以包括另一组开关，该另一组开关适于将邻近的列线可选择地连接在一起。通过可选择地打开和闭合可切换互连的合适开关，可以将两个或更多个相邻的红外传感器区域化在一起形成区域化的检测器。有利地，区域化的检测器和阵列以及相关的电路系统可以提供增加的敏感度、减少的功率消耗和/或增加的帧速率。
[0018]在一个实施方式中，具有可区域化测辐射热计的成像装置包括适于捕获场景的图像帧的焦平面阵列(FPA)，该FPA包括:多个测辐射热计，其布置成阵列；多个列线，其适于提供偏置电压至测辐射热计；多行线，其适于提供参考电压值测辐射热计；多个第一开关，其适于可选择地连接两个或更多个相邻的列线以分组测辐射热计中的两个或更多个，从而在阵列中形成区域化的测辐射热计。焦平面阵列还包括:多个第二开关，其适于将测辐射热计中的一些可选择地连接至行线；多个第三开关，其适于将测辐射热计中的一些可选择地连接至列线；多个第四开关，其适于可选择地串联连接测辐射热计中的一些，其中第一、第二、第三和第四开关适于打开或闭合以将相邻的测辐射热计中的每两个或更多个区域化在一起，从而形成区域化的探测器。
[0019]在另一个实施方式中，一种区域化FPA的测辐射热计的方法适于捕获场景的成像帧，该方法包括:使用多个第一开关可选择地连接FPA的邻近的列线，其中列线适于提供偏置电压至测辐射热计；使用多个第二开关将测辐射热计中的一些可选择地连接至FPA的行线，其中行线适于提供参考电压至测辐射热计；使用多个第三开关将测辐射热计中的一些可选择地连接至列线；以及使用多个第四开关可选择地串联连接测辐射热计中的一些，其中使用第一、第二、第三和第四开关将相邻的测辐射热计中的每两个或更多个可选择地连接在一起，以形成区域化的探测器。
[0020]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方式的详细描述，将会向本领域技术人员提供对本实用新型实施方式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】
[0021]图1示出了根据本公开实施方式的、被配置为在主机装置中实现的红外成像模块。
[0022]图2示出了根据本公开实施方式的、装配后的红外成像模块。
[0023]图3示出了根据本公开的实施方式的、并列的置于插座之上的红外成像模块的分解图。
[0024]图4示出了根据本公开的实施方式的、包括红外传感器阵列的红外传感器组件的框图。
[0025]图5示出了根据本公开实施方式的、确定非均匀校正(NUC)项的各种操作的流程图。
[0026]图6示出了根据本公开实施方式的、相邻像素之间的差值。
[0027]图7示出了根据本公开实施方式的平场校正技术。
[0028]图8示出了根据本公开实施方式的、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。
[0029]图9示出了根据本公开实施方式的时域噪声削减步骤。
[0030]图10示出了根据本公开实施方式的、图8的图像处理流水线的几个步骤的具体的实施细节。
[0031]图11示出了根据本公开实施方式的、附近像素中的空间相关的固定图形噪声(FPN) ο
[0032]图12示出了根据本公开实施方式的、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。
[0033]图13示出了根据本公开实施方式的、图12的红外传感器组件的一部分的电路图。
[0034]图14示出了根据本公开实施方式的、包括红外传感器阵列的红外传感器组件的另一实现方式的框图。
[0035]图15示出了根据本公开实施方式的、使用区域化技术配置的图14的红外传感器组件。
[0036]图16示出了根据本公开实施方式的、图14的红外传感器组件的一部分的框图。
[0037]图17-19示出了根据本公开实施方式的、以操作的第一模式配置的图16的电路图。
[0038]图20示出了根据本公开实施方式的、以操作的第二模式配置的图16的电路图。
[0039]图21示出了根据本公开实施方式的、参照图17-20的用于操作的第一和第二模式的时序图。
[0040]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方式及其优点。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。
【具体实施方式】
[0041]图1示出了根据本公开实施方式的、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方式中，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。
[0042]在一个实施方式中，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)。
[0043]在各种实施方式中，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，在一个实施方式中，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)。在一个实施方式中，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。
[0044]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方式的、装配在插座104中的红外成像模块100。
[0045]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。在各种实施方式中，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。
[0046]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。
[0047]在各种实施方式中，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。在一个实施方式中，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。
[0048]图3示出了根据本公开的实施方式的、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、电路板170、基座150和处理模块160。
[0049]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。
[0050]例如，可由安装在基板140上的帽130 (例如，盖子)来实现红外传感器组件128。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，在一个实施方式中，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密封)。在一个实施方式中，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)。在一个实施方式中，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。
[0051]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(MffIR)、长波红外波段(LWIR)、和/或如在特定应用中所期望的其他热成像波段。在一个实施方式中，可根据晶片级封装技术来提供红外传感器组件128。
[0052]红外传感器132可实现为例如微测辐射热计，或者以任意期望的阵列方向图案配置以提供多个像素的其他类型的热成像红外传感器。在一个实施方式中，红外传感器132可实现为具有17微米像素间距的氧化钒(VOx)探测器。在各种实施方式中，可使用约32X32阵列的红外传感器132、约64X64阵列的红外传感器132、约80X64阵列的红外传感器132或者其他大小的阵列。
[0053]基板140可包括各种电路，其中包括例如读出集成电路(ROIC)，在一个实施方式中，该读出集成电路(ROIC)的尺寸比约5.5mmX5.5mm小。基板140还可包括接合焊盘142，其可用于当如图3所示的那样装配好红外成像模块100时，与放置在外壳120的内表面上的相辅相成的连接点相接触。在一个实施方式中，可利用执行电压调节的低压差稳压器(LDO)来实现R0IC，以降低引入到红外传感器组件128中的噪声，从而提供改进的电源抑制比(PSRR)。另外，通过实现具有ROIC的LDO(例如，在晶圆级封装内)，可消耗更少的管芯面积并且需要的离散管芯(或者芯片)较少。
[0054]图4示出了根据本公开的实施方式的、包括红外传感器132阵列的红外传感器组件128的框图。在示出的实施方式中，红外传感器132作为ROIC 402的单位晶格阵列的一部分。ROIC 402包括偏压产生和定时控制电路404、列放大器405、列多路复用器406、行多路复用器408和输出放大器410。可通过输出放大器410将红外传感器132捕获的图像帧(即，热图像)提供给处理模块160、处理器195和/或任何其他合适的部件，以执行本文所描述的各种处理技术。尽管图4示出的是