重量輕的紅外照相機的制作方法

專利名稱：重量輕的紅外照相機的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及紅外(IR)照相機和探測器。更特別地，本發明涉及重量輕的紅外(IR)照相機和探測器。
背景技術：
紅外照相機和探測器，以及特別是微型測輻射熱儀，對于本領域的技術人員來說是熟知的。參見例如U.S.專利5,688,699、5,999,211、5,420,419以及6,026,337，所有這些都在這里被包含進來作為參考。紅外微型測輻射熱儀照相機典型地包含一個紅外敏感傳感探測器陣列，每個都有一個隨溫度而變化的阻抗，每個探測器都具有一個可以以多種方式來形成的紅外吸收器。見例如U.S.專利5,939,971和5,729,019，這里被包含進來作為參考。
在工作期間，進入的紅外輻射熱按照每個傳感探測器接收的紅外輻射的量的比例來加熱每個傳感探測器。然后對這些傳感探測器進行查詢，典型地是一個接一個的，來確定傳感探測器的阻抗，并且這樣就可以確定接收到的紅外輻射的量。典型地，提供給照相機支持電子元件來處理探測器輸出信號，提供校準和補償，以及提供所得的圖像。
因為熱被用來測量進入的紅外能量的量，所以微型測輻射熱儀陣列的環境溫度的變化可以顯著地影響探測器信號。為了對這進行補償，許多紅外照相機或探測器具有一個熱電穩定器來控制陣列的溫度。在一個例子中，熱電穩定器被用來將陣列溫度保持在一個已知的值。使用熱電穩定器的一個局限性在于它們可能會抽取顯著的功率并且可能會給系統增加顯著的重量。
因為制造公差，照相機中的每個傳感探測器與系統中的其它探測器相比都可能會有輕微不同的零點。為了補償這些探測器與探測器之間的差異，許多紅外照相機或探測器具有一種用于提供一個零輻射基線值的裝置，這種裝置可用來解釋或校準探測器輸出信號。用來提供零輻射基線的一種方法是使用快門或斬光器來周期性地阻斷進入的紅外能量。當快門或斬光器啟動的時候，讀出并存儲一個零輻射基線。這種方法的一個局限性是快門或斬光器可能會給系統增加顯著的復雜度和重量，這對于一些應用來說，可能會帶來很大的問題。另一種用于提供一個零輻射基線的方法是周期性地將照相機指向一個統一的紅外源，例如天空。然而，這可能要求有復雜的控制電路來周期性地改變照相機的方向，又一次給系統增加了重量。
對于一些應用，紅外照相機的重量可能是重要的。例如，在重量輕的微型飛行器(MAV)應用中，紅外照相機的重量可能會顯著地影響飛行器的尺寸、范圍以及其它關鍵的性能參數。對于這些和其它的應用，重量輕的紅外照相機將是非常希望的。
發明概述通過提供一種重量輕的紅外照相機，本發明克服了現有技術的許多缺點。這主要是通過去除快門或斬光器，去除熱電穩定器，使用重量輕的材料和重量輕的封裝技術，以及/或將一些校準、補償、處理和顯示硬件從照相機移到遠端站而實現的。
在本發明的一個示例性實施方案中，紅外照相機包含一個微型測輻射熱儀陣列作為輻射傳感設備。該微型測輻射熱儀陣列包含多個可尋址的輻射傳感探測器，每個具有一個依賴于投射到探測器的紅外輻射的強度的輸出。
為了降低紅外照相機的重量，受測量的紅外信號可以以模擬或數字的形式傳輸到一個遠端站。該信號可以通過最適合應用的無線或光纖或者有線來傳輸。該遠端站接收所傳輸的信號，并且將信號格式化為對應于最初的微型測輻射熱儀探測器陣列的陣列。遠端站可以包含用于補償探測器間差異以及傳輸探測器陣列的環境溫度變化的必要的處理器硬件。在微型測輻射熱儀陣列附近還可以提供一個溫度傳感器，該溫度傳感器可以發送一個溫度信號，該溫度信號被發送到遠端站用于信號校準和補償，如果想要得到的話。通過將校準、補償和/或處理硬件從紅外照相機移至遠端站，在紅外照相機處可以實現顯著的重量節省。
校準和補償值典型地依賴于微型測輻射熱儀陣列的溫度，典型地對于每個微型測輻射熱儀陣列溫度和對于每個單獨的陣列上的傳感探測器是不同的。遠端站可以選擇合適的校準和補償值來應用。要求的數量可以存儲在遠端站，或者使用將陣列溫度用作變量的算法來為每個單獨的傳感探測器生成。
在其中景物具有已知的統計特性的照相機應用中，例如，當每個在平均上與其它任何一個傳感探測器相同的傳感探測器看一個目標的時候，正如在MAV和許多其它的移動交通工具應用中的情況下，補償和校準值還可以在地面站通過使用每個傳感探測器信號的多個測量的值來計算。
另一種降低紅外照相機的重量的方法是在一種集成真空封裝(IVP)中來提供微型測輻射熱儀。一個集成真空封裝可能包含一個紅外傳輸蓋，該蓋包含安裝在微型測輻射熱儀探測器陣列上的空腔。硅是一種典型的蓋材料。該硅蓋連接到微型測輻射熱儀基底上來集合地形成重量輕的真空封裝。在一種優選的實施方案中，硅蓋并不延伸到微型測輻射熱儀的連接襯墊上。按照這種方式來配置，IVP可能直接連接到一個母板上，通過使用線連接、塊連接或其它連接機制來將微型測輻射熱儀的連接襯墊直接連接到母板的連接襯墊上。母板典型地是陶瓷的。這已知為使IVP與母板“混雜”。這可以消除對傳統的芯片載體的需要，這可以進一步降低照相機的重量。
還可以考慮照相機中的任何支持電子元件，例如A/D轉換器和/或傳輸電路，可以與陶瓷母板混雜。也就是說，不是將支持電子元件包含到傳統封裝中，而是支持電子元件的集成電路小片可以直接連接到陶瓷母板上，使用線連接、塊連接或將支持電子元件連接到母板上的類似的連接方法。這也可以降低照相機的重量。
紅外照相機也可以使用一個透鏡系統。該透鏡系統用來將進入的紅外輻射會聚到探測器的微型測輻射熱儀陣列上。該透鏡典型地為鍺透鏡，并且可以為單透鏡、雙合透鏡或三合透鏡。該透鏡優選地通過用例如鈦的材料制成的重量輕的支撐架來與陶瓷母板保持間隔。使用雙合透鏡或單透鏡可以進一步降低紅外照相機的重量，如果使用雙合透鏡或單透鏡，所得的圖像模糊可以由地面站來消除。
附圖簡述

圖1是具有多個輻射傳感探測器、一個復用器，和一個發射機的無快門輻射探測器設備的示意圖；圖2是用于接收傳輸的信號值的接收系統，該系統包含一個用于補償未經加工的、從如圖1中的系統接收到的信號值的溫度補償器，該溫度補償器使用隨陣列溫度變化的值，并且這些值典型地對于每個傳感探測器是不同的；圖3是用于接收如圖1中的系統所發射的輻射信號值的接收系統的示意圖，包含使用多個信號值來補償探測器間差異的補償器；圖4是一排紅外探測器和用于圖1的輻射探測器設備的一種實施方案中的采樣電路的示意圖。
圖5是包含一個為微型測輻射熱儀陣列提供真空環境的紅外透明硅頂蓋的集成真空封裝的一部分剖視、透視圖；以及圖6是包含通過在混合電路板上的多個管腳來與如圖5中的集成真空封裝陣列間隔開的三合透鏡的照相機系統的透視圖。
發明詳述圖1舉例說明了根據本發明的一個第一說明性的紅外照相機。在這種實施方案中，紅外照相機僅包含用于接收紅外能量、測量陣列溫度，以及向遠端站傳輸未經處理的數據的探測器陣列。一個說明性的遠端站在例如圖2中給出。
圖1的紅外照相機通常顯示為20，并且包含輻射探測器陣列22、列選擇器24、行選擇器26、控制器28，以及任選的溫度傳感器52。輻射探測器陣列22包含多個輻射傳感探測器50，在一種優選的實施方案中，這些輻射傳感探測器為紅外傳感測輻射熱儀。輻射探測器50，在所舉例說明的實施方案中，被放置在一系列列48，和行46中。提供了控制器28來控制列選擇器24和行選擇器26。控制器28可能包含一個用于使選擇器24和26在一系列成網狀的列和行尋址序列中移動的計數器。在一種實施方案中，單個的輻射探測器對于任意時間的一次讀取是通過對單個的列選擇器線40和單個的行選擇器線42的選擇來尋址或選擇的。在另一種實施方案中，為實現同時讀取要對一列中的所有探測器尋址和選擇，通過選擇單個的列和將所有行信號都接受到行選擇器26中，在這之后單個的探測器信號按順序輸出到放大器30。在一種實施方案中，輻射探測器陣列22、列復用器或選擇器24、行復用器或選擇器26、控制器28，以及任選的溫度傳感器52都是測輻射熱儀設備的組成部分并且都在同樣的基底上形成。在一種優選的實施方案中，一個160乘120(160×120)的35微米尺寸的測輻射熱儀陣列用來形成測輻射熱儀陣列。
在另一種實施方案中，探測器偏移信號可以直接施加到輻射探測器陣列，以使得為單個輻射探測器部分地補償零偏移。這樣的非一致校正在U.S.專利4,752,694中公開。對于在這個發明中描述的特殊的讀出電路，可以使用與那些U.S.專利4,752,694中類似的偏移校正電路，或者可以使用電子技術領域的技術人員熟知的其它的偏移校正電路，如在U.S.專利5,811,808中。
當一個特定的探測器信號被傳送到讀出線44時，該信號對應于投射到所選擇的輻射探測器的輻射強度，它可以被放大器30放大。然后將放大的信號提供給模擬-數字轉換器32，它可以，反過來，向發射機34提供輸出信號。在舉例說明的實施方案中，發射機34連接到天線36來發射無線信號38。在一種實施方案中，信號38是不通過有線傳輸的射頻信號，而另一種實施方案使用光無線傳輸，它可以包含紅外信號。信號38還可以通過電線或光纖來傳輸。
考慮到溫度傳感器52可以使用溫度傳感器值通過一個第一溫度傳感器選擇器線56來選擇或尋址，該溫度傳感器值由可以連接到輻射探測器讀出線44的溫度傳感器讀出線54讀出。該溫度探測器值可以作為附加的值加入到一系列傳輸的輻射探測器值的首端或末端。在另一種實施方案中，溫度傳感器52獨立地連接到發射機34，并且周期性地向遠端站傳輸溫度傳感器值。
現在參考圖2，遠端站100用于舉例說明從圖1的照相機20接收一系列傳輸的輻射探測器值和陣列溫度信號。遠端站100可以包含通過線110連接到接收機104的天線102，接收機104通過線108連接到控制器106。控制器106可以通過線112為一種未經處理的數據結構、陣列或設備114提供多個未經處理的輻射探測器數據值。存儲設備陣列114可以是能夠存貯從傳輸系統獲得的多個輻射探測器值的任意設備。未經處理的值可以通過連接線116送到補償器118。在圖2中舉例說明的實施方案中，一系列常量，例如零或放大常量，可以存儲在數據結構、陣列或設備132中并且通過連接線130提供給補償器118。
在一些實施方案中，從傳輸系統接收一個溫度值并且將該溫度值存儲在溫度存儲位置124，作為溫度或者未經處理的探測器輸出值。溫度存儲位置124可由控制器106提供，該控制器106可以從接收到的輻射探測器值流中檢索溫度值并且通過線126提供給溫度存儲位置124。補償器118可以通過線128檢索該溫度值。在一種實施方案中，補償器118獲得未經處理的輻射探測器信號值114、存儲在設備124中的溫度值以及存儲在設備132中的常數，并且校正或者補償未經處理的輻射探測器信號值的探測器間差異和陣列環境溫度。結果可能是通過線120存儲在經補償的存儲數據結構、設備或陣列122中的一系列經補償的值。
在一種實施方案中，圖1的探測器陣列22在工廠接受測試來測量探測器與探測器間的差異。尤其是，在一種實施方案中，在零(0)接收到的輻射的基線處的每個探測器的輸出值存儲在例如圖2的常數陣列132的表中，加上多個陣列溫度。存儲在陣列132中的常數可以用來調整從圖1的每個探測器50接收到的值來有效地將接收機104接收到的值和存儲在未經處理的值陣列114中的值調整到零點。
補償器118可以存儲和使用一個單個的溫度補償模塊來根據探測器陣列22的板上溫度調整未經處理的陣列114中的所有探測器的接收值。可替換的是，可以為一定范圍的陣列溫度的每個探測器提供一個分開的模塊。在這種實施方案中，圖1的每個探測器50的溫度依賴性可以在工廠或在紅外照相機20的安裝之前的某個時刻得到測量。每個探測器50的溫度依賴性可以被獨立地存儲，例如，通過將一套不同的溫度系數集合存儲到存儲陣列132中。可替換的是，并不提供可選的溫度存儲位置124，并且由補償器118所進行的補償僅消除探測器間差異。
考慮到控制器106可能通過識別接收到的數據流中的一個特殊的位置來檢索溫度數據，這樣就隔離了板上溫度傳感器值。可替換的是，溫度傳感器值可以用一個比特或者一個特殊比特系列來標出從而將溫度傳感器值識別為溫度值，而不是接收到的輻射強度值。
現在參考圖3，另一個遠端站200被舉例說明，它可以用來接收如由圖1的紅外照相機20所傳輸的傳輸輻射探測器信號值。遠端站200包含許多與前面所描述的相同的元件并且這些元件的編號與圖2中的相同，就不對這些器件做進一步地討論了。接收系統200包含控制器206，它用于通過輸入線108處理接收到的信號，將未經處理的探測器數據值輸出到未經處理的探測器存儲設備114。在這種實施方案中，未經處理的探測器值可以基于一個探測器接著一個探測器而在一定時間內得到存儲，通過輸入線233為每個探測器提供多個信號值。這些信號值，在時間上平均，如果目標類似地相同的話應該對于所有的探測器50基本上都是相同的。但是，由于探測器間差異，接收到基本上相同的累積輻射的探測器，會由于探測器間差異而輸出略微不同的輻射信號值。這些差異，或累積值，可以存儲在時間平均數據結構或陣列232中。
在一種實施方案中，使用時間平均信號值來有效地歸一化探測器值。另一種實施方案中，時間平均陣列232存儲使探測器值成為時間平均所需要的正數或負數。在這種實施方案中，補償器218可以通過輸入線116獲得未經處理的數據值并且通過線234獲得時間平均值，生成存儲在補償數據陣列122中的經補償的值的陣列。補償可以應用到未經處理的探測器值，通過使用時間平均值和接收到的板上溫度測量，例如圖2中所舉例說明的，來降低或消除探測器間差異。進一步，可由補償器218來執行溫度校正模型，如參考圖2所討論的。在一種實施方案中，例如在圖2和3中所顯示的，如果使用一個照相機透鏡，它會產生一個已知的圖像模糊，補償器118和218可以用來將圖像模糊消減到可以接受的程度。
再一次參考圖2和3，在一種實施方案中，溫度補償和探測器間補償和圖像消除模糊可由一個執行對接收到的探測器數據進行操作的軟件的通用計算機來提供。在一種實施方案中，通過輸入線108來接收數據，分為未經處理的數據和，任選地，溫度數據，并且存儲到執行計算機程序的通用計算機內的陣列或者其它的數據結構。在這種實施方案中，運行程序的通用計算機可以從例如陣列這樣的數據存儲器檢索所需要的常數和未經處理的數據。檢索到的數據可以在程序的補償部分得到補償，并且輸出到一個包含經補償的探測器值的數據存儲區域。按照一種類似的方式，參考圖3，存儲在圖3的陣列232中的時間平均值可以在執行一個計算機程序的通用計算機中得到平均。
正如可以從圖1-3中看出的，大部分的處理可以在遠端站中完成，而不是在紅外照相機中完成。特別地，溫度補償和探測器間或象素間補償或者歸一化，以及圖像消除模糊可以在接收端執行，例如，在地面站。以這種方式，一個重量輕的，有時是空中的，紅外照相機可以具有在地面站進行的溫度補償和圖像處理。
現在參考圖4，舉例說明在微型測輻射熱儀陣列中的具有讀出的單個一行探測器300，用于具有如參考圖1所討論的輻射探測器的紅外探測器的一種實施方案。探測器行302可以包含在307提供變量電流的紅外敏感變量阻抗元件304，它在305被提供一個參考電壓。每個阻抗元件304都可以被行選擇器電路306和列選擇器線310選擇或者尋址。當對應的行和列被選擇的時候，所選擇的探測器元件304可以被讀取。
在圖中舉例說明的實施方案中，一個n型晶體管308由行線306和列線310的適當選擇來轉換。行選擇器電路306包含一個含p型晶體管316和n型晶體管314的傳輸門318。當需要讀取行的時候，僅一個列尋址線310和一個行讀出線306典型地得到選擇。然后電流從電源305流動，通過所選擇的可變阻抗元件304，通過所選擇的晶體管308到所選擇的行讀出線312，并且流出共用讀出線320。在另一種實施方案中，其中通過選擇單個的一列為實現同時讀取來尋址或者選擇在一列中的所有探測器，在行選擇器內為每個行提供一個可選的集成器321，并且提供裝置314用于按順序向放大器30輸出單個的探測器信號。
現在參考圖5，舉例說明一個適用于本發明的集成真空封裝(IVP)500。IVP 500優選地包含一個紅外透明硅頂蓋502。該硅頂蓋502優選地經微機械加工來包含一個與微型測輻射熱儀探測器元件508配合的空腔。該硅頂蓋502與微型測輻射熱儀陣列508的基底相連接來為微型測輻射熱儀探測器元件506提供真空環境。該連接典型地是在晶片尺度上進行的。
在一種優選的實施方案中，硅頂蓋502被提供通道以使得它不會延伸到微型測輻射熱儀的連接襯墊510之外。按照這種方式進行配置，IVP 500可以直接連接到陶瓷母板528，通過線連接、塊連接或其它用于將微型測輻射熱儀的連接襯墊510直接連接到陶瓷母板528上的連接襯墊的連接機制。這已知為使IVP 500與陶瓷母板520“混雜”，如在圖6中更好地顯示的。這可以消除對傳統的芯片載體的需要，它可能降低照相機的重量。
還考慮到在照相機中的任意支持電子元件，例如A/D轉換器和/或傳輸電路，可以與陶瓷母板528相混雜。也就是說，不是將支持電子元件包含在傳統的封裝中，而是支持電子元件的集成電路塊530可以直接連接到陶瓷母板528，通過線連接、塊連接等將支持電子元件連接到陶瓷母板528的連接方法。這同樣可以降低照相機的重量。
圖6顯示了根據本發明的一個優選方案的紅外照相機520的透視圖。IVP 500顯示為直接連接到陶瓷母板528。紅外照相機520還包含一個鍺三合透鏡522，該鍺三合透鏡522包含三個可以由安裝在陶瓷母板528上的多個鈦間隔器管腳526分隔開的單個的鍺透鏡元件524。該透鏡系統用來將進入的紅外輻射會聚到在IVP 500內的微型測輻射熱儀陣列上。輻射護罩可以加在陣列周圍(未顯示)來降低雜散輻射。陶瓷母板優選地為多層結構并且在每一側大約為1英寸(1”)。陶瓷優選地用于進一步降低照相機520的重量。在一種實施方案中，紅外照相機520接受DC供電并且向發射機提供對應于由IVP 500中的微型測輻射熱儀陣列506提供的數據的12位數字數據。
如可以從圖6中看出的，紅外照相機520，在舉例說明的實施方案中，不需要快門和溫度穩定，并且可以使用產生模糊的圖像的光透鏡。如上面所顯示的，板上溫度管理會給照相機增加顯著的重量。優選的無快門或斬光器、溫度穩定器、高質量透鏡和復雜的板上處理聯合起來可以提供一種極度重量輕的照相機或探測器。在一種實施方案中，照相機系統520的重量小于25克，或者更加優選地小于10克。
一種重量輕的紅外照相機，如可以通過本發明來提供的，非常適合一些應用。在一種應用中，可以使用具有下載能力的重量輕的微型飛行器(MAV)通過一條RF鏈路來將所選擇區域的未經處理的紅外圖像傳輸到地面站。在另一種應用中，一種可擴展的、單用途、重量輕的紅外照相機可用于受一個小斜道作用而減慢速度的向下漂流的拋射體來對識別目標提供最大時間。在另一種應用中，本發明可以包含在一種安裝在頭盔上的傳感設備中。還可以考慮許多其它的應用。
本文件所敘述的本發明的許多優勢已經在前面的描述中被提出了。可以理解，但是，這種公開，在很多方面，只是舉例說明。可以在細節上做出變化，特別是在不超過本發明的范圍的情況下在形狀、尺寸以及部件的安排上。本發明的范圍，當然，用所附的權利要求所表達的語言來定義。
權利要求
1.一種紅外照相機系統(20)，其特征在于具有聚焦光學系統、多個輻射探測器元件(22)的重量輕的紅外照相機，每個探測器元件(50)提供相關于投射到該探測器元件(50)上的輻射的等級的未經處理的輸出信號、和一個發射機(34)，其連接到該多個輻射探測器元件(22)用于傳輸該未經處理的探測器輸出信號；以及一個用于接收所傳輸的未經處理的探測器輸出信號的遠端接收站(100)。
2.權利要求1的紅外照相機系統(20)，其中該遠端站(100)進一步以補償裝置為特征，該補償裝置包含多個校準值用于補償接收到的未經處理的探測器輸出信號；以及一個補償器(118)，用于補償該接收到的未經處理的探測器輸出信號作為該校準值的函數。
3.在權利要求2的紅外照相機系統(20)，其中多個輻射探測器元件(22)對環境溫度具有靈敏度，并且該補償裝置補償對環境溫度的靈敏度。
4.在權利要求2的紅外照相機系統(20)，其中該補償裝置補償接收到的未經處理的探測器輸出信號，至少部分上作為接收到的未經處理的探測器輸出信號的多個值的一個函數。
5.在權利要求2的紅外照相機系統(20)，其中該補償裝置接收所傳輸的溫度信號并且補償接收到的未經處理的探測器輸出信號作為該傳輸的溫度信號的一個函數。
6.一種重量輕的紅外照相機(20)，其特征在于一個聚焦光學系統；多個具有作為投射到該探測器元件(50)上的輻射的量的函數而變化的輸出的探測器元件(50)；一個用于選擇一個特定的探測器元件(304)并且輸出對應于選擇的探測器元件(304)的探測器元件輸出的選擇器(306)；以及連接到該探測器(306)用于傳輸對應于探測器元件輸出的信號(38)的發射機(34)。
7.權利要求6的重量輕的照相機，它進一步包含一個具有輸出的溫度傳感器(52)，其中該溫度傳感器(52)輸出可連接到該發射機(34)并且該發射機(34)傳輸至少一個對應于該溫度傳感器輸出的信號。
8.權利要求6的重量輕的照相機，其中該探測器元件(506)位于集成真空封裝(500)中。
9.權利要求6的重量輕的照相機，其中該光學系統包含一個由一個框架(526)支持的的透鏡(522)，其中該框架(526)可連接到該透鏡(522)以使得該透鏡(522)與該探測器間隔一定的距離。
10.一種重量輕的照相機(520)，其特征在于一個陶瓷母板(528)；一個用于提供輸出信號的測輻射熱儀陣列(22)，測輻射熱儀陣列(506)安裝在陶瓷母板(528)上；以及一個由框架(526)支持的透鏡(522)，該框架(526)安裝透鏡(522)，使它與該測輻射熱儀陣列(22)間隔一定的距離。
全文摘要
一種不需要快門、斬光器或熱電穩定器的重量輕的照相機(20)或探測器。使用了重量輕的材料和重量輕的封裝技術，并且在一些實施方案中，一些或全部的校準、補償和處理硬件從照相機(20)自身移到了一個遠端站(100)。這樣一個沒有快門、重量輕的紅外照相機可以在環境溫度下工作，可以安裝在微型飛行器(MAV)等上，由地面站(100)對未經處理的紅外傳感器數據進行接收和處理。
文檔編號H04N5/361GK1492993SQ01822869
公開日2004年4月28日 申請日期2001年12月20日 優先權日2000年12月26日
發明者R·A·沃德, R A 沃德 申請人:霍尼韋爾國際公司