新推出的晶圆级封装的红外探测器以及专用图像处理芯片的实际应用

摘要：红外成像系统已经应用到军事和民用领域多年，但一直没得到广泛应用，主要原因是其分辨率低、成本高、工艺不稳定和技术门槛高等。解决这些问题需要从传感器工艺、探测器封装、红外图像处理芯片等方面加以改进。红外技术未来会朝低成本、专用处理芯片、高分辨率等方向发展。目前，国内厂商陆续推出了晶圆级封装（Wafer-Level Package，WLP）、高分辨率探测器和专用图像处理芯片等方面的新产品。但采用这些新器件的红外成像系统却没有得到相应的研究。本文主要基于烟台艾睿光电科技有限公司新推出的晶圆级封装的1280 × 1024元红外探测器以及专用图像处理芯片的实际应用，在系统架构、结构散热、成像算法等方面对由新器件构建的红外成像系统进行了验证分析。

0引言

红外成像系统已被应用到军事和民用领域多年。其主要应用特点是，面阵规模集中在640 × 512和384 × 288两种，极少数红外探测器高端机型采用1024 × 768面阵规模；探测器的封装以金属为主，以陶瓷为辅，WLP产品较少；处理器主要采用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）方案，没有标准的图像处理芯片。这些应用特点决定了红外成像系统的特点：价格高、开发难度大和开发周期长。这些特点制约着红外成像系统的大面积推广。

红外成像系统的普及需降低成本和开发难度。晶圆级封装探测器加上专用集成电路（Application-Apecific Intergrated Circuit，ASIC）芯片，在大幅降低成本的同时也大幅降低了开发难度，因此必然是未来的发展趋势；相关行业已开始这种尝试。美国FLIR公司推出的成像模组Lepton就是晶圆级封装小面阵探测器加上ASIC芯片的初步尝试。从成像效果上看，它可以满足民用低端市场的需求。

随着探测器制造工艺的进步和像元尺寸的缩小，大面阵探测器的应用开始增多。与640 × 512元探测器相比，大面阵探测器更适于观察类应用。同样的焦距下，大面阵探测器覆盖的场景更广阔，观察的细节更丰富。随着制造技术的进步和成本的降低，大面阵探测器的应用方向会越来越多。

目前几乎没有关于晶圆级封装大面阵探测器和专用红外图像处理芯片的应用，也缺少该方面的技术积累。本文主要基于烟台艾睿光电科技有限公司开发的1280 × 1024元晶圆级封装探测器以及专用的图像处理芯片进行大面阵探测器的应用分析，即在系统架构、结构散热、成像算法等方面进行实践验证。

1系统设计

1.1探测器

本文采用艾睿光电科技有限公司研发的WLP封装、数字输出、1280 × 1024阵列规模的非制冷红外探测器。该探测器的功能框图如图1所示。

图1 RTDS121W框图

RTDS121W探测器已集成了14 bit的模数转换器（Analog Digital Converter，ADC）和非均匀性校正（On-chip Offset Calibration，OOC）功能。对外的数字接口主要有三部分，分别是时钟输入（MCK）、数字输入（SD＜5:0＞）和数字输出（DO＜13:0＞）。该探测器的主要特性见表1。

表1 RTDS121W组件产品的技术规格

1.2红外图像处理芯片

本系统采用的红外图像处理芯片（Image Signal Processor，ISP）为艾睿光电科技有限公司开发的专门针对红外图像处理的RS001型集成电路芯片。该芯片是我们专门为自产红外探测器定制的红外图像处理芯片，可以取代当前应用中的FPGA芯片，缩小系统尺寸，降低成本和功耗。RS001芯片的主要功能如下：

（1）内部集成8051控制器，速度高达120 MHz。

（2）接口部分包括驱动红外探测器的数字接口和两路并行数字视频输出接口，外部的控制接口采用集成电路总线（Inter-Integrated Circuit，IIC）或者通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）。

（3）ISP的最大处理能力为1280 × 1024 ＠ 60 fps，最快主时钟为100 MHz；输入数据的精度为14 bits，输出为8 bits、10 bits、14 bits的灰度图像或者是YUV422彩色图。

（4）ISP的功能包括非均匀性校正、CDC短坏列纠正、去横竖纹、去盲元、时域滤波、去锅盖、镜像、空域滤波、自动增益补偿（AutomaticGain Control，AGC）、数字图像细节增强（DigitalDetail Enhancement，DDE）、GAMMA调整和缩放等功能。

（5）最大功耗为600mW。

（6）芯片的封装尺寸仅为11 mm × 11 mm。

1.3系统设计

成像系统主要由电源转换部分、探测器、ISP、通用串行总线控制器（Universal Serial Bus，USB）和Cameral Link信号收发器组成。其中，电源转换部分的主要功能是将输入电源转换为各芯片需求的电压。探测器和ISP在前两节已介绍。USB控制器将上位机通过USB发送的命令信号转换为IIC信号并将其发送给ISP，从而实现对ISP芯片的配置。CameralLink信号收发器主要将ISP输出的数字图像转换为CameralLink标准信号，以便于上位机进行采集分析。整个系统的原理框图如图2所示。

1.4系统热设计

大面阵红外探测器在实际应用中的难点是功耗高、温度变化快，图像均匀性容易受到影响。所以最好针对探测器进行专门的散热设计，使系统温度不太高，同时使红外焦平面的温度足够稳定。本文对最终成像组件进行了热仿真（结果见图3）。其中探测器的温度如图4所示。从仿真结果看，整个组件的最高温度为40 ℃，探测器整体的温度均匀性不超过0.2 ℃，基本满足设计要求。

图2 系统框图

图3 组件系统的热仿真结果

图4 探测器的热仿真结果

2非均匀性校正

非均匀性校正是红外成像算法的第一步，也是关键一环。本文不做深入研究，只介绍艾睿探测器自带的校正技术（片上非均匀性校正）和业内常用的非均匀性校正方法（两点校正法）。

2.1片上非均匀性校正

片上非均匀性校正属于粗略的均匀性校正，主要目的是使红外焦平面上每个像素的输出集中在某个均值附近，即每个像素的原始输出在合理的动态范围之内。实现方式是在RTDS121W探测器芯片上集成OOC功能。通常情况下，在没进行OOC校正之前，探测器每个像素的输出差异较大。图5所示为面对均匀黑体辐射源时探测器的原始输出数据。从图５中可以看出，原始输出分布在2000~14000之间，探测器的整个动态范围为0~16383。很多像素的原始输出已经接近动态范围的边缘，因此无法有效利用整个动态范围。这些差异主要是由加工工艺导致的。为了让像素之间的原始输出差异足够小，需要对每个像素配置不同的OOC值，以调节输出。通过探测器数字输入引脚配置OOC值。图6所示为探测器面对均匀黑体辐射源并经片上非均匀性校正后的输出统计数据。由图6可以看出，探测器所有像素的输出都集中在8000~9000之间。对比图5和图6可知，经片上非均匀性校正后，整个面阵的均匀性已达到比较高的水平。校正之后的图像数据大多集中在校正目标左右；对于少数无法校正的像元，可将其作为盲元处理。

图5 原始数据

图6 OOC校正后的数据

2.2两点校正

红外探测器的非均匀性有两种。一是与输入信号无关的偏移量非均匀性，由加工工艺引入。偏移量非均匀性在焦平面温度固定时是不变的，可以认为是直流分量。二是由探测器像素对输入信号响应不均匀造成的增益非均匀性。偏移量非均匀性和增益非均匀性同时存在，二者叠加在一起，对探测器的响应信号产生影响。因此，通过对焦平面阵列各像素的增益非均匀性和偏移量非均匀性进行校正，能有效提高图像的质量。

两点校正的理论推导过程如下：红外焦平面阵列单个像素在均匀黑体辐射下的响应可以表示为

式中，Φ为辐射通量，uij和vij分别为坐标（i，j）单元的增益和偏移量。

对于单个像素，uij和vij的值都是固定的，不随时间变化。但探测器不同像素的响应不一致。所以在同一辐射通量入射时，各个xij值互有差异。必须对这差异进行校正，即

式中，Ｇij和Ｏij分别为增益校正和偏移量校正，ｙij为校正后的输出。

增益校正Ｇij和偏移量校正Ｏij的计算式为

式中，VL和VH分别为所有像素单元在低温TL和高温TH下的平均响应。

本次采用的WLP封装的探测器没有半导体制冷器（Thermal Electric Cooler，TEC）。该探测器的功耗较高、发热多，本身的温度波动大，尤其是刚开机的一段时间内，温度变化快，导致上面的均匀性校正误差变大。这对探测器的应用非常不利。为解决此问题，有两种方法。第一种是在机芯温度稳定之前较频繁地打快门，以更新OOC校正和两点校正中的偏移量校正。实际应用中，大概每分钟打一次快门就能达到较好的效果。另一种方法是应用TECLESS算法。其核心思想是，在工作温度范围内，在不同温度下获取探测器的原始输出，然后通过算法拟合探测器的输出随温度变化的漂移，从而得到拟合系数；在成像时根据探测器的温度变化，补偿由温度变化导致的探测器输出变化量，以减小探测器输出随温度变化的非均匀性。

本文在拟合算法上尝试了Polynomial模型，其公式为

图8所示为其中一个像素拟合完后的曲线。横坐标Dtemp为焦平面阵列（Focal Plane Array，FPA）温度的数字输出值，纵坐标为探测器像素输出中心化后的值。从拟合结果看，效果可以接受。

图7 两点校正后的成像结果

图8 单个像素的拟合结果

通过无TEC算法处理可以缓解由温度变化导致的增益漂移，但实际应用中则很难完全消除增益漂移。最终的成像效果如图9所示。

图9 加上无TEC算法的图像

4结论

从以上应用可以看出，WLP封装的非制冷大面阵红外探测器初步具备了实际应用的特性，且实际成像效果不错。同时也存在一些问题，比如大面阵探测器的发热量大，不利于产品的小型化。实际成像中虽然加入了无TEC算法，但仍不能完全弥补由温度漂移引起的增益漂移。为解决此问题，我们在产品设计之初就需考虑系统散热，或者研究更准确的无TEC算法，以弥补漂移。