新推出的晶圓級(jí)封裝的紅外探測(cè)器以及專用圖像處理芯片的實(shí)際應(yīng)用

摘要：紅外成像系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到軍事和民用領(lǐng)域多年，但一直沒得到廣泛應(yīng)用，主要原因是其分辨率低、成本高、工藝不穩(wěn)定和技術(shù)門檻高等。解決這些問題需要從傳感器工藝、探測(cè)器封裝、紅外圖像處理芯片等方面加以改進(jìn)。紅外技術(shù)未來會(huì)朝低成本、專用處理芯片、高分辨率等方向發(fā)展。目前，國內(nèi)廠商陸續(xù)推出了晶圓級(jí)封裝（Wafer-Level Package，WLP）、高分辨率探測(cè)器和專用圖像處理芯片等方面的新產(chǎn)品。但采用這些新器件的紅外成像系統(tǒng)卻沒有得到相應(yīng)的研究。本文主要基于煙臺(tái)艾睿光電科技有限公司新推出的晶圓級(jí)封裝的1280 × 1024元紅外探測(cè)器以及專用圖像處理芯片的實(shí)際應(yīng)用，在系統(tǒng)架構(gòu)、結(jié)構(gòu)散熱、成像算法等方面對(duì)由新器件構(gòu)建的紅外成像系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

0引言

紅外成像系統(tǒng)已被應(yīng)用到軍事和民用領(lǐng)域多年。其主要應(yīng)用特點(diǎn)是，面陣規(guī)模集中在640 × 512和384 × 288兩種，極少數(shù)紅外探測(cè)器高端機(jī)型采用1024 × 768面陣規(guī)模；探測(cè)器的封裝以金屬為主，以陶瓷為輔，WLP產(chǎn)品較少；處理器主要采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）方案，沒有標(biāo)準(zhǔn)的圖像處理芯片。這些應(yīng)用特點(diǎn)決定了紅外成像系統(tǒng)的特點(diǎn)：價(jià)格高、開發(fā)難度大和開發(fā)周期長。這些特點(diǎn)制約著紅外成像系統(tǒng)的大面積推廣。

紅外成像系統(tǒng)的普及需降低成本和開發(fā)難度。晶圓級(jí)封裝探測(cè)器加上專用集成電路（Application-Apecific Intergrated Circuit，ASIC）芯片，在大幅降低成本的同時(shí)也大幅降低了開發(fā)難度，因此必然是未來的發(fā)展趨勢(shì)；相關(guān)行業(yè)已開始這種嘗試。美國FLIR公司推出的成像模組Lepton就是晶圓級(jí)封裝小面陣探測(cè)器加上ASIC芯片的初步嘗試。從成像效果上看，它可以滿足民用低端市場(chǎng)的需求。

隨著探測(cè)器制造工藝的進(jìn)步和像元尺寸的縮小，大面陣探測(cè)器的應(yīng)用開始增多。與640 × 512元探測(cè)器相比，大面陣探測(cè)器更適于觀察類應(yīng)用。同樣的焦距下，大面陣探測(cè)器覆蓋的場(chǎng)景更廣闊，觀察的細(xì)節(jié)更豐富。隨著制造技術(shù)的進(jìn)步和成本的降低，大面陣探測(cè)器的應(yīng)用方向會(huì)越來越多。

目前幾乎沒有關(guān)于晶圓級(jí)封裝大面陣探測(cè)器和專用紅外圖像處理芯片的應(yīng)用，也缺少該方面的技術(shù)積累。本文主要基于煙臺(tái)艾睿光電科技有限公司開發(fā)的1280 × 1024元晶圓級(jí)封裝探測(cè)器以及專用的圖像處理芯片進(jìn)行大面陣探測(cè)器的應(yīng)用分析，即在系統(tǒng)架構(gòu)、結(jié)構(gòu)散熱、成像算法等方面進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1探測(cè)器

本文采用艾睿光電科技有限公司研發(fā)的WLP封裝、數(shù)字輸出、1280 × 1024陣列規(guī)模的非制冷紅外探測(cè)器。該探測(cè)器的功能框圖如圖1所示。

圖1 RTDS121W框圖

RTDS121W探測(cè)器已集成了14 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog Digital Converter，ADC）和非均勻性校正（On-chip Offset Calibration，OOC）功能。對(duì)外的數(shù)字接口主要有三部分，分別是時(shí)鐘輸入（MCK）、數(shù)字輸入（SD＜5:0＞）和數(shù)字輸出（DO＜13:0＞）。該探測(cè)器的主要特性見表1。

表1 RTDS121W組件產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格

1.2紅外圖像處理芯片

本系統(tǒng)采用的紅外圖像處理芯片（Image Signal Processor，ISP）為艾睿光電科技有限公司開發(fā)的專門針對(duì)紅外圖像處理的RS001型集成電路芯片。該芯片是我們專門為自產(chǎn)紅外探測(cè)器定制的紅外圖像處理芯片，可以取代當(dāng)前應(yīng)用中的FPGA芯片，縮小系統(tǒng)尺寸，降低成本和功耗。RS001芯片的主要功能如下：

（1）內(nèi)部集成8051控制器，速度高達(dá)120 MHz。

（2）接口部分包括驅(qū)動(dòng)紅外探測(cè)器的數(shù)字接口和兩路并行數(shù)字視頻輸出接口，外部的控制接口采用集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，IIC）或者通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）。

（3）ISP的最大處理能力為1280 × 1024 ＠ 60 fps，最快主時(shí)鐘為100 MHz；輸入數(shù)據(jù)的精度為14 bits，輸出為8 bits、10 bits、14 bits的灰度圖像或者是YUV422彩色圖。

（4）ISP的功能包括非均勻性校正、CDC短壞列糾正、去橫豎紋、去盲元、時(shí)域?yàn)V波、去鍋蓋、鏡像、空域?yàn)V波、自動(dòng)增益補(bǔ)償（AutomaticGain Control，AGC）、數(shù)字圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)（DigitalDetail Enhancement，DDE）、GAMMA調(diào)整和縮放等功能。

（5）最大功耗為600mW。

（6）芯片的封裝尺寸僅為11 mm × 11 mm。

1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成像系統(tǒng)主要由電源轉(zhuǎn)換部分、探測(cè)器、ISP、通用串行總線控制器（Universal Serial Bus，USB）和Cameral Link信號(hào)收發(fā)器組成。其中，電源轉(zhuǎn)換部分的主要功能是將輸入電源轉(zhuǎn)換為各芯片需求的電壓。探測(cè)器和ISP在前兩節(jié)已介紹。USB控制器將上位機(jī)通過USB發(fā)送的命令信號(hào)轉(zhuǎn)換為IIC信號(hào)并將其發(fā)送給ISP，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ISP芯片的配置。CameralLink信號(hào)收發(fā)器主要將ISP輸出的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為CameralLink標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，以便于上位機(jī)進(jìn)行采集分析。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

1.4系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)

大面陣紅外探測(cè)器在實(shí)際應(yīng)用中的難點(diǎn)是功耗高、溫度變化快，圖像均勻性容易受到影響。所以最好針對(duì)探測(cè)器進(jìn)行專門的散熱設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)溫度不太高，同時(shí)使紅外焦平面的溫度足夠穩(wěn)定。本文對(duì)最終成像組件進(jìn)行了熱仿真（結(jié)果見圖3）。其中探測(cè)器的溫度如圖4所示。從仿真結(jié)果看，整個(gè)組件的最高溫度為40 ℃，探測(cè)器整體的溫度均勻性不超過0.2 ℃，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 系統(tǒng)框圖

圖3 組件系統(tǒng)的熱仿真結(jié)果

圖4 探測(cè)器的熱仿真結(jié)果

2非均勻性校正

非均勻性校正是紅外成像算法的第一步，也是關(guān)鍵一環(huán)。本文不做深入研究，只介紹艾睿探測(cè)器自帶的校正技術(shù)（片上非均勻性校正）和業(yè)內(nèi)常用的非均勻性校正方法（兩點(diǎn)校正法）。

2.1片上非均勻性校正

片上非均勻性校正屬于粗略的均勻性校正，主要目的是使紅外焦平面上每個(gè)像素的輸出集中在某個(gè)均值附近，即每個(gè)像素的原始輸出在合理的動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)。實(shí)現(xiàn)方式是在RTDS121W探測(cè)器芯片上集成OOC功能。通常情況下，在沒進(jìn)行OOC校正之前，探測(cè)器每個(gè)像素的輸出差異較大。圖5所示為面對(duì)均勻黑體輻射源時(shí)探測(cè)器的原始輸出數(shù)據(jù)。從圖５中可以看出，原始輸出分布在2000~14000之間，探測(cè)器的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍為0~16383。很多像素的原始輸出已經(jīng)接近動(dòng)態(tài)范圍的邊緣，因此無法有效利用整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。這些差異主要是由加工工藝導(dǎo)致的。為了讓像素之間的原始輸出差異足夠小，需要對(duì)每個(gè)像素配置不同的OOC值，以調(diào)節(jié)輸出。通過探測(cè)器數(shù)字輸入引腳配置OOC值。圖6所示為探測(cè)器面對(duì)均勻黑體輻射源并經(jīng)片上非均勻性校正后的輸出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由圖6可以看出，探測(cè)器所有像素的輸出都集中在8000~9000之間。對(duì)比圖5和圖6可知，經(jīng)片上非均勻性校正后，整個(gè)面陣的均勻性已達(dá)到比較高的水平。校正之后的圖像數(shù)據(jù)大多集中在校正目標(biāo)左右；對(duì)于少數(shù)無法校正的像元，可將其作為盲元處理。

圖5 原始數(shù)據(jù)

圖6 OOC校正后的數(shù)據(jù)

2.2兩點(diǎn)校正

紅外探測(cè)器的非均勻性有兩種。一是與輸入信號(hào)無關(guān)的偏移量非均勻性，由加工工藝引入。偏移量非均勻性在焦平面溫度固定時(shí)是不變的，可以認(rèn)為是直流分量。二是由探測(cè)器像素對(duì)輸入信號(hào)響應(yīng)不均勻造成的增益非均勻性。偏移量非均勻性和增益非均勻性同時(shí)存在，二者疊加在一起，對(duì)探測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生影響。因此，通過對(duì)焦平面陣列各像素的增益非均勻性和偏移量非均勻性進(jìn)行校正，能有效提高圖像的質(zhì)量。

兩點(diǎn)校正的理論推導(dǎo)過程如下：紅外焦平面陣列單個(gè)像素在均勻黑體輻射下的響應(yīng)可以表示為

式中，Φ為輻射通量，uij和vij分別為坐標(biāo)（i，j）單元的增益和偏移量。

對(duì)于單個(gè)像素，uij和vij的值都是固定的，不隨時(shí)間變化。但探測(cè)器不同像素的響應(yīng)不一致。所以在同一輻射通量入射時(shí)，各個(gè)xij值互有差異。必須對(duì)這差異進(jìn)行校正，即

式中，Ｇij和Ｏij分別為增益校正和偏移量校正，ｙij為校正后的輸出。

增益校正Ｇij和偏移量校正Ｏij的計(jì)算式為

式中，VL和VH分別為所有像素單元在低溫TL和高溫TH下的平均響應(yīng)。

本次采用的WLP封裝的探測(cè)器沒有半導(dǎo)體制冷器（Thermal Electric Cooler，TEC）。該探測(cè)器的功耗較高、發(fā)熱多，本身的溫度波動(dòng)大，尤其是剛開機(jī)的一段時(shí)間內(nèi)，溫度變化快，導(dǎo)致上面的均勻性校正誤差變大。這對(duì)探測(cè)器的應(yīng)用非常不利。為解決此問題，有兩種方法。第一種是在機(jī)芯溫度穩(wěn)定之前較頻繁地打快門，以更新OOC校正和兩點(diǎn)校正中的偏移量校正。實(shí)際應(yīng)用中，大概每分鐘打一次快門就能達(dá)到較好的效果。另一種方法是應(yīng)用TECLESS算法。其核心思想是，在工作溫度范圍內(nèi)，在不同溫度下獲取探測(cè)器的原始輸出，然后通過算法擬合探測(cè)器的輸出隨溫度變化的漂移，從而得到擬合系數(shù)；在成像時(shí)根據(jù)探測(cè)器的溫度變化，補(bǔ)償由溫度變化導(dǎo)致的探測(cè)器輸出變化量，以減小探測(cè)器輸出隨溫度變化的非均勻性。

本文在擬合算法上嘗試了Polynomial模型，其公式為

圖8所示為其中一個(gè)像素?cái)M合完后的曲線。橫坐標(biāo)Dtemp為焦平面陣列（Focal Plane Array，F(xiàn)PA）溫度的數(shù)字輸出值，縱坐標(biāo)為探測(cè)器像素輸出中心化后的值。從擬合結(jié)果看，效果可以接受。

圖7 兩點(diǎn)校正后的成像結(jié)果

圖8 單個(gè)像素的擬合結(jié)果

通過無TEC算法處理可以緩解由溫度變化導(dǎo)致的增益漂移，但實(shí)際應(yīng)用中則很難完全消除增益漂移。最終的成像效果如圖9所示。

圖9 加上無TEC算法的圖像

4結(jié)論

從以上應(yīng)用可以看出，WLP封裝的非制冷大面陣紅外探測(cè)器初步具備了實(shí)際應(yīng)用的特性，且實(shí)際成像效果不錯(cuò)。同時(shí)也存在一些問題，比如大面陣探測(cè)器的發(fā)熱量大，不利于產(chǎn)品的小型化。實(shí)際成像中雖然加入了無TEC算法，但仍不能完全彌補(bǔ)由溫度漂移引起的增益漂移。為解決此問題，我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就需考慮系統(tǒng)散熱，或者研究更準(zhǔn)確的無TEC算法，以彌補(bǔ)漂移。