新推出的晶圓級封裝的紅外探測器以及專用圖像處理芯片的實際應用

摘要：紅外成像系統已經應用到軍事和民用領域多年，但一直沒得到廣泛應用，主要原因是其分辨率低、成本高、工藝不穩定和技術門檻高等。解決這些問題需要從傳感器工藝、探測器封裝、紅外圖像處理芯片等方面加以改進。紅外技術未來會朝低成本、專用處理芯片、高分辨率等方向發展。目前，國內廠商陸續推出了晶圓級封裝（Wafer-Level Package，WLP）、高分辨率探測器和專用圖像處理芯片等方面的新產品。但采用這些新器件的紅外成像系統卻沒有得到相應的研究。本文主要基于煙臺艾睿光電科技有限公司新推出的晶圓級封裝的1280 × 1024元紅外探測器以及專用圖像處理芯片的實際應用，在系統架構、結構散熱、成像算法等方面對由新器件構建的紅外成像系統進行了驗證分析。

0引言

紅外成像系統已被應用到軍事和民用領域多年。其主要應用特點是，面陣規模集中在640 × 512和384 × 288兩種，極少數紅外探測器高端機型采用1024 × 768面陣規模；探測器的封裝以金屬為主，以陶瓷為輔，WLP產品較少；處理器主要采用現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）方案，沒有標準的圖像處理芯片。這些應用特點決定了紅外成像系統的特點：價格高、開發難度大和開發周期長。這些特點制約著紅外成像系統的大面積推廣。

紅外成像系統的普及需降低成本和開發難度。晶圓級封裝探測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也大幅降低了開發難度，因此必然是未來的發展趨勢；相關行業已開始這種嘗試。美國FLIR公司推出的成像模組Lepton就是晶圓級封裝小面陣探測器加上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的需求。

隨著探測器制造工藝的進步和像元尺寸的縮小，大面陣探測器的應用開始增多。與640 × 512元探測器相比，大面陣探測器更適于觀察類應用。同樣的焦距下，大面陣探測器覆蓋的場景更廣闊，觀察的細節更豐富。隨著制造技術的進步和成本的降低，大面陣探測器的應用方向會越來越多。

目前幾乎沒有關于晶圓級封裝大面陣探測器和專用紅外圖像處理芯片的應用，也缺少該方面的技術積累。本文主要基于煙臺艾睿光電科技有限公司開發的1280 × 1024元晶圓級封裝探測器以及專用的圖像處理芯片進行大面陣探測器的應用分析，即在系統架構、結構散熱、成像算法等方面進行實踐驗證。

1系統設計

1.1探測器

本文采用艾睿光電科技有限公司研發的WLP封裝、數字輸出、1280 × 1024陣列規模的非制冷紅外探測器。該探測器的功能框圖如圖1所示。

圖1 RTDS121W框圖

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

表1 RTDS121W組件產品的技術規格

1.2紅外圖像處理芯片

本系統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的專門針對紅外圖像處理的RS001型集成電路芯片。該芯片是我們專門為自產紅外探測器定制的紅外圖像處理芯片，可以取代當前應用中的FPGA芯片，縮小系統尺寸，降低成本和功耗。RS001芯片的主要功能如下：

（1）內部集成8051控制器，速度高達120 MHz。

（2）接口部分包括驅動紅外探測器的數字接口和兩路并行數字視頻輸出接口，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，最快主時鐘為100 MHz；輸入數據的精度為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、時域濾波、去鍋蓋、鏡像、空域濾波、自動增益補償（AutomaticGain Control，AGC）、數字圖像細節增強（DigitalDetail Enhancement，DDE）、GAMMA調整和縮放等功能。

（5）最大功耗為600mW。

（6）芯片的封裝尺寸僅為11 mm × 11 mm。

1.3系統設計

成像系統主要由電源轉換部分、探測器、ISP、通用串行總線控制器（Universal Serial Bus，USB）和Cameral Link信號收發器組成。其中，電源轉換部分的主要功能是將輸入電源轉換為各芯片需求的電壓。探測器和ISP在前兩節已介紹。USB控制器將上位機通過USB發送的命令信號轉換為IIC信號并將其發送給ISP，從而實現對ISP芯片的配置。CameralLink信號收發器主要將ISP輸出的數字圖像轉換為CameralLink標準信號，以便于上位機進行采集分析。整個系統的原理框圖如圖2所示。

1.4系統熱設計

大面陣紅外探測器在實際應用中的難點是功耗高、溫度變化快，圖像均勻性容易受到影響。所以最好針對探測器進行專門的散熱設計，使系統溫度不太高，同時使紅外焦平面的溫度足夠穩定。本文對最終成像組件進行了熱仿真（結果見圖3）。其中探測器的溫度如圖4所示。從仿真結果看，整個組件的最高溫度為40 ℃，探測器整體的溫度均勻性不超過0.2 ℃，基本滿足設計要求。

圖2 系統框圖

圖3 組件系統的熱仿真結果

圖4 探測器的熱仿真結果

2非均勻性校正

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

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像素的輸出集中在某個均值附近，即每個像素的原始輸出在合理的動態范圍之內。實現方式是在RTDS121W探測器芯片上集成OOC功能。通常情況下，在沒進行OOC校正之前，探測器每個像素的輸出差異較大。圖5所示為面對均勻黑體輻射源時探測器的原始輸出數據。從圖５中可以看出，原始輸出分布在2000~14000之間，探測器的整個動態范圍為0~16383。很多像素的原始輸出已經接近動態范圍的邊緣，因此無法有效利用整個動態范圍。這些差異主要是由加工工藝導致的。為了讓像素之間的原始輸出差異足夠小，需要對每個像素配置不同的OOC值，以調節輸出。通過探測器數字輸入引腳配置OOC值。圖6所示為探測器面對均勻黑體輻射源并經片上非均勻性校正后的輸出統計數據。由圖6可以看出，探測器所有像素的輸出都集中在8000~9000之間。對比圖5和圖6可知，經片上非均勻性校正后，整個面陣的均勻性已達到比較高的水平。校正之后的圖像數據大多集中在校正目標左右；對于少數無法校正的像元，可將其作為盲元處理。

圖5 原始數據

圖6 OOC校正后的數據

2.2兩點校正

紅外探測器的非均勻性有兩種。一是與輸入信號無關的偏移量非均勻性，由加工工藝引入。偏移量非均勻性在焦平面溫度固定時是不變的，可以認為是直流分量。二是由探測器像素對輸入信號響應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存在，二者疊加在一起，對探測器的響應信號產生影響。因此，通過對焦平面陣列各像素的增益非均勻性和偏移量非均勻性進行校正，能有效提高圖像的質量。

兩點校正的理論推導過程如下：紅外焦平面陣列單個像素在均勻黑體輻射下的響應可以表示為

式中，Φ為輻射通量，uij和vij分別為坐標（i，j）單元的增益和偏移量。

對于單個像素，uij和vij的值都是固定的，不隨時間變化。但探測器不同像素的響應不一致。所以在同一輻射通量入射時，各個xij值互有差異。必須對這差異進行校正，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。

本次采用的WLP封裝的探測器沒有半導體制冷器（Thermal Electric Cooler，TEC）。該探測器的功耗較高、發熱多，本身的溫度波動大，尤其是剛開機的一段時間內，溫度變化快，導致上面的均勻性校正誤差變大。這對探測器的應用非常不利。為解決此問題，有兩種方法。第一種是在機芯溫度穩定之前較頻繁地打快門，以更新OOC校正和兩點校正中的偏移量校正。實際應用中，大概每分鐘打一次快門就能達到較好的效果。另一種方法是應用TECLESS算法。其核心思想是，在工作溫度范圍內，在不同溫度下獲取探測器的原始輸出，然后通過算法擬合探測器的輸出隨溫度變化的漂移，從而得到擬合系數；在成像時根據探測器的溫度變化，補償由溫度變化導致的探測器輸出變化量，以減小探測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所示為其中一個像素擬合完后的曲線。橫坐標Dtemp為焦平面陣列（Focal Plane Array，FPA）溫度的數字輸出值，縱坐標為探測器像素輸出中心化后的值。從擬合結果看，效果可以接受。

圖7 兩點校正后的成像結果

圖8 單個像素的擬合結果

通過無TEC算法處理可以緩解由溫度變化導致的增益漂移，但實際應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結論

從以上應用可以看出，WLP封裝的非制冷大面陣紅外探測器初步具備了實際應用的特性，且實際成像效果不錯。同時也存在一些問題，比如大面陣探測器的發熱量大，不利于產品的小型化。實際成像中雖然加入了無TEC算法，但仍不能完全彌補由溫度漂移引起的增益漂移。為解決此問題，我們在產品設計之初就需考慮系統散熱，或者研究更準確的無TEC算法，以彌補漂移。