CN101158603A - 重量轻的红外照相机 - Google Patents

Abstract

一种不需要快门、斩光器或热电稳定器的重量轻的照相机(20)或探测器。使用了重量轻的材料和重量轻的封装技术，并且在一些实施方案中，一些或全部的校准、补偿和处理硬件从照相机(20)自身移到了一个远端站(100)。这样一个没有快门、重量轻的红外照相机可以在环境温度下工作，可以安装在微型飞行器(MAV)等上，由地面站(100)对未经处理的红外传感器数据进行接收和处理。

Description

重量轻的红外照相机

本申请是以下申请的分案申请：

申请号：01822869.0(PCT/US01/50077)；

申请日：2001年12月20日；

发明名称：“重量轻的红外照相机”。

相关申请的交叉引用

本申请涉及U.S.专利申请序列号___，领域___，标题“用于红外照相机的镜头”，以及U.S.专利申请序列号___，领域___，标题“微型测辐射热仪操作系统”。

发明领域

本发明一般涉及红外(IR)照相机和探测器。更特别地，本发明涉及重量轻的红外(IR)照相机和探测器。

发明背景

红外照相机和探测器，以及特别是微型测辐射热仪，对于本领域的技术人员来说是熟知的。参见例如U.S.专利5,688,699、5,999,211、5,420,419以及6,026,337，所有这些都在这里被包含进来作为参考。红外微型测辐射热仪照相机典型地包含一个红外敏感传感探测器阵列，每个都有一个随温度而变化的阻抗，每个探测器都具有一个可以以多种方式来形成的红外吸收器。见例如U.S.专利5,939,971和5,729,019，这里被包含进来作为参考。

在工作期间，进入的红外辐射热按照每个传感探测器接收的红外辐射的量的比例来加热每个传感探测器。然后对这些传感探测器进行查询，典型地是一个接一个的，来确定传感探测器的阻抗，并且这样就可以确定接收到的红外辐射的量。典型地，提供给照相机支持电子元件来处理探测器输出信号，提供校准和补偿，以及提供所得的图像。

因为热被用来测量进入的红外能量的量，所以微型测辐射热仪阵列的环境温度的变化可以显著地影响探测器信号。为了对这进行补偿，许多红外照相机或探测器具有一个热电稳定器来控制阵列的温度。在一个例子中，热电稳定器被用来将阵列温度保持在一个已知的值。使用热电稳定器的一个局限性在于它们可能会抽取显著的功率并且可能会给系统增加显著的重量。

因为制造公差，照相机中的每个传感探测器与系统中的其它探测器相比都可能会有轻微不同的零点。为了补偿这些探测器与探测器之间的差异，许多红外照相机或探测器具有一种用于提供一个零辐射基线值的装置，这种装置可用来解释或校准探测器输出信号。用来提供零辐射基线的一种方法是使用快门或斩光器来周期性地阻断进入的红外能量。当快门或斩光器启动的时候，读出并存储一个零辐射基线。这种方法的一个局限性是快门或斩光器可能会给系统增加显著的复杂度和重量，这对于一些应用来说，可能会带来很大的问题。另一种用于提供一个零辐射基线的方法是周期性地将照相机指向一个统一的红外源，例如天空。然而，这可能要求有复杂的控制电路来周期性地改变照相机的方向，又一次给系统增加了重量。

对于一些应用，红外照相机的重量可能是重要的。例如，在重量轻的微型飞行器(MAV)应用中，红外照相机的重量可能会显著地影响飞行器的尺寸、范围以及其它关键的性能参数。对于这些和其它的应用，重量轻的红外照相机将是非常希望的。

发明概述

通过提供一种重量轻的红外照相机，本发明克服了现有技术的许多缺点。这主要是通过去除快门或斩光器，去除热电稳定器，使用重量轻的材料和重量轻的封装技术，以及/或将一些校准、补偿、处理和显示硬件从照相机移到远端站而实现的。

在本发明的一个示例性实施方案中，红外照相机包含一个微型测辐射热仪阵列作为辐射传感设备。该微型测辐射热仪阵列包含多个可寻址的辐射传感探测器，每个具有一个依赖于投射到探测器的红外辐射的强度的输出。

为了降低红外照相机的重量，受测量的红外信号可以以模拟或数字的形式传输到一个远端站。该信号可以通过最适合应用的无线或光纤或者有线来传输。该远端站接收所传输的信号，并且将信号格式化为对应于最初的微型测辐射热仪探测器阵列的阵列。远端站可以包含用于补偿探测器间差异以及传输探测器阵列的环境温度变化的必要的处理器硬件。在微型测辐射热仪阵列附近还可以提供一个温度传感器，该温度传感器可以发送一个温度信号，该温度信号被发送到远端站用于信号校准和补偿，如果想要得到的话。通过将校准、补偿和/或处理硬件从红外照相机移至远端站，在红外照相机处可以实现显著的重量节省。

校准和补偿值典型地依赖于微型测辐射热仪阵列的温度，典型地对于每个微型测辐射热仪阵列温度和对于每个单独的阵列上的传感探测器是不同的。远端站可以选择合适的校准和补偿值来应用。要求的数量可以存储在远端站，或者使用将阵列温度用作变量的算法来为每个单独的传感探测器生成。

在其中景物具有已知的统计特性的照相机应用中，例如，当每个在平均上与其它任何一个传感探测器相同的传感探测器看一个目标的时候，正如在MAV和许多其它的移动交通工具应用中的情况下，补偿和校准值还可以在地面站通过使用每个传感探测器信号的多个测量的值来计算。

另一种降低红外照相机的重量的方法是在一种集成真空封装(IVP)中来提供微型测辐射热仪。一个集成真空封装可能包含一个红外传输盖，该盖包含安装在微型测辐射热仪探测器阵列上的空腔。硅是一种典型的盖材料。该硅盖连接到微型测辐射热仪基底上来集合地形成重量轻的真空封装。在一种优选的实施方案中，硅盖并不延伸到微型测辐射热仪的连接衬垫上。按照这种方式来配置，IVP可能直接连接到一个母板上，通过使用线连接、块连接或其它连接机制来将微型测辐射热仪的连接衬垫直接连接到母板的连接衬垫上。母板典型地是陶瓷的。这已知为使IVP与母板“混杂”。这可以消除对传统的芯片载体的需要，这可以进一步降低照相机的重量。

还可以考虑照相机中的任何支持电子元件，例如A/D转换器和/或传输电路，可以与陶瓷母板混杂。也就是说，不是将支持电子元件包含到传统封装中，而是支持电子元件的集成电路小片可以直接连接到陶瓷母板上，使用线连接、块连接或将支持电子元件连接到母板上的类似的连接方法。这也可以降低照相机的重量。

红外照相机也可以使用一个透镜系统。该透镜系统用来将进入的红外辐射会聚到探测器的微型测辐射热仪阵列上。该透镜典型地为锗透镜，并且可以为单透镜、双合透镜或三合透镜。该透镜优选地通过用例如钛的材料制成的重量轻的支撑架来与陶瓷母板保持间隔。使用双合透镜或单透镜可以进一步降低红外照相机的重量，如果使用双合透镜或单透镜，所得的图像模糊可以由地面站来消除。

附图简述

图1是具有多个辐射传感探测器、一个复用器，和一个发射机的无快门辐射探测器设备的示意图；

图2是用于接收传输的信号值的接收系统，该系统包含一个用于补偿未经加工的、从如图1中的系统接收到的信号值的温度补偿器，该温度补偿器使用随阵列温度变化的值，并且这些值典型地对于每个传感探测器是不同的；

图3是用于接收如图1中的系统所发射的辐射信号值的接收系统的示意图，包含使用多个信号值来补偿探测器间差异的补偿器；

图4是一排红外探测器和用于图1的辐射探测器设备的一种实施方案中的采样电路的示意图。

图5是包含一个为微型测辐射热仪阵列提供真空环境的红外透明硅顶盖的集成真空封装的一部分剖视、透视图；以及

图6是包含通过在混合电路板上的多个管脚来与如图5中的集成真空封装阵列间隔开的三合透镜的照相机系统的透视图。

发明详述

图1举例说明了根据本发明的一个第一说明性的红外照相机。在这种实施方案中，红外照相机仅包含用于接收红外能量、测量阵列温度，以及向远端站传输未经处理的数据的探测器阵列。一个说明性的远端站在例如图2中给出。

图1的红外照相机通常显示为20，并且包含辐射探测器阵列22、列选择器24、行选择器26、控制器28，以及任选的温度传感器52。辐射探测器阵列22包含多个辐射传感探测器50，在一种优选的实施方案中，这些辐射传感探测器为红外传感测辐射热仪。辐射探测器50，在所举例说明的实施方案中，被放置在一系列列48，和行46中。提供了控制器28来控制列选择器24和行选择器26。控制器28可能包含一个用于使选择器24和26在一系列成网状的列和行寻址序列中移动的计数器。在一种实施方案中，单个的辐射探测器对于任意时间的一次读取是通过对单个的列选择器线40和单个的行选择器线42的选择来寻址或选择的。在另一种实施方案中，为实现同时读取要对一列中的所有探测器寻址和选择，通过选择单个的列和将所有行信号都接受到行选择器26中，在这之后单个的探测器信号按顺序输出到放大器30。在一种实施方案中，辐射探测器阵列22、列复用器或选择器24、行复用器或选择器26、控制器28，以及任选的温度传感器52都是测辐射热仪设备的组成部分并且都在同样的基底上形成。在一种优选的实施方案中，一个160乘120(160×120)的35微米尺寸的测辐射热仪阵列用来形成测辐射热仪阵列。

在另一种实施方案中，探测器偏移信号可以直接施加到辐射探测器阵列，以使得为单个辐射探测器部分地补偿零偏移。这样的非一致校正在U.S.专利4,752,694中公开。对于在这个发明中描述的特殊的读出电路，可以使用与那些U.S.专利4,752,694中类似的偏移校正电路，或者可以使用电子技术领域的技术人员熟知的其它的偏移校正电路，如在U.S.专利5,811,808中。

当一个特定的探测器信号被传送到读出线44时，该信号对应于投射到所选择的辐射探测器的辐射强度，它可以被放大器30放大。然后将放大的信号提供给模拟-数字转换器32，它可以，反过来，向发射机34提供输出信号。在举例说明的实施方案中，发射机34连接到天线36来发射无线信号38。在一种实施方案中，信号38是不通过有线传输的射频信号，而另一种实施方案使用光无线传输，它可以包含红外信号。信号38还可以通过电线或光纤来传输。

考虑到温度传感器52可以使用温度传感器值通过一个第一温度传感器选择器线56来选择或寻址，该温度传感器值由可以连接到辐射探测器读出线44的温度传感器读出线54读出。该温度探测器值可以作为附加的值加入到一系列传输的辐射探测器值的首端或末端。在另一种实施方案中，温度传感器52独立地连接到发射机34，并且周期性地向远端站传输温度传感器值。

现在参考图2，远端站100用于举例说明从图1的照相机20接收一系列传输的辐射探测器值和阵列温度信号。远端站100可以包含通过线110连接到接收机104的天线102，接收机104通过线108连接到控制器106。控制器106可以通过线112为一种未经处理的数据结构、阵列或设备114提供多个未经处理的辐射探测器数据值。存储设备阵列114可以是能够存贮从传输系统获得的多个辐射探测器值的任意设备。未经处理的值可以通过连接线116送到补偿器118。在图2中举例说明的实施方案中，一系列常量，例如零或放大常量，可以存储在数据结构、阵列或设备132中并且通过连接线130提供给补偿器118。

在一些实施方案中，从传输系统接收一个温度值并且将该温度值存储在温度存储位置124，作为温度或者未经处理的探测器输出值。温度存储位置124可由控制器106提供，该控制器106可以从接收到的辐射探测器值流中检索温度值并且通过线126提供给温度存储位置124。补偿器118可以通过线128检索该温度值。在一种实施方案中，补偿器118获得未经处理的辐射探测器信号值114、存储在设备124中的温度值以及存储在设备132中的常数，并且校正或者补偿未经处理的辐射探测器信号值的探测器间差异和阵列环境温度。结果可能是通过线120存储在经补偿的存储数据结构、设备或阵列122中的一系列经补偿的值。

在一种实施方案中，图1的探测器阵列22在工厂接受测试来测量探测器与探测器间的差异。尤其是，在一种实施方案中，在零(0)接收到的辐射的基线处的每个探测器的输出值存储在例如图2的常数阵列132的表中，加上多个阵列温度。存储在阵列132中的常数可以用来调整从图1的每个探测器50接收到的值来有效地将接收机104接收到的值和存储在未经处理的值阵列114中的值调整到零点。

补偿器118可以存储和使用一个单个的温度补偿模块来根据探测器阵列22的板上温度调整未经处理的阵列114中的所有探测器的接收值。可替换的是，可以为一定范围的阵列温度的每个探测器提供一个分开的模块。在这种实施方案中，图1的每个探测器50的温度依赖性可以在工厂或在红外照相机20的安装之前的某个时刻得到测量。每个探测器50的温度依赖性可以被独立地存储，例如，通过将一套不同的温度系数集合存储到存储阵列132中。可替换的是，并不提供可选的温度存储位置124，并且由补偿器118所进行的补偿仅消除探测器间差异。

考虑到控制器106可能通过识别接收到的数据流中的一个特殊的位置来检索温度数据，这样就隔离了板上温度传感器值。可替换的是，温度传感器值可以用一个比特或者一个特殊比特系列来标出从而将温度传感器值识别为温度值，而不是接收到的辐射强度值。

现在参考图3，另一个远端站200被举例说明，它可以用来接收如由图1的红外照相机20所传输的传输辐射探测器信号值。远端站200包含许多与前面所描述的相同的元件并且这些元件的编号与图2中的相同，就不对这些器件做进一步地讨论了。接收系统200包含控制器206，它用于通过输入线108处理接收到的信号，将未经处理的探测器数据值输出到未经处理的探测器存储设备114。在这种实施方案中，未经处理的探测器值可以基于一个探测器接着一个探测器而在一定时间内得到存储，通过输入线233为每个探测器提供多个信号值。这些信号值，在时间上平均，如果目标类似地相同的话应该对于所有的探测器50基本上都是相同的。但是，由于探测器间差异，接收到基本上相同的累积辐射的探测器，会由于探测器间差异而输出略微不同的辐射信号值。这些差异，或累积值，可以存储在时间平均数据结构或阵列232中。

在一种实施方案中，使用时间平均信号值来有效地归一化探测器值。另一种实施方案中，时间平均阵列232存储使探测器值成为时间平均所需要的正数或负数。在这种实施方案中，补偿器218可以通过输入线116获得未经处理的数据值并且通过线234获得时间平均值，生成存储在补偿数据阵列122中的经补偿的值的阵列。补偿可以应用到未经处理的探测器值，通过使用时间平均值和接收到的板上温度测量，例如图2中所举例说明的，来降低或消除探测器间差异。进一步，可由补偿器218来执行温度校正模型，如参考图2所讨论的。在一种实施方案中，例如在图2和3中所显示的，如果使用一个照相机透镜，它会产生一个已知的图像模糊，补偿器118和218可以用来将图像模糊消减到可以接受的程度。

再一次参考图2和3，在一种实施方案中，温度补偿和探测器间补偿和图像消除模糊可由一个执行对接收到的探测器数据进行操作的软件的通用计算机来提供。在一种实施方案中，通过输入线108来接收数据，分为未经处理的数据和，任选地，温度数据，并且存储到执行计算机程序的通用计算机内的阵列或者其它的数据结构。在这种实施方案中，运行程序的通用计算机可以从例如阵列这样的数据存储器检索所需要的常数和未经处理的数据。检索到的数据可以在程序的补偿部分得到补偿，并且输出到一个包含经补偿的探测器值的数据存储区域。按照一种类似的方式，参考图3，存储在图3的阵列232中的时间平均值可以在执行一个计算机程序的通用计算机中得到平均。

正如可以从图1-3中看出的，大部分的处理可以在远端站中完成，而不是在红外照相机中完成。特别地，温度补偿和探测器间或象素间补偿或者归一化，以及图像消除模糊可以在接收端执行，例如，在地面站。以这种方式，一个重量轻的，有时是空中的，红外照相机可以具有在地面站进行的温度补偿和图像处理。

现在参考图4，举例说明在微型测辐射热仪阵列中的具有读出的单个一行探测器300，用于具有如参考图1所讨论的辐射探测器的红外探测器的一种实施方案。探测器行302可以包含在307提供变量电流的红外敏感变量阻抗元件304，它在305被提供一个参考电压。每个阻抗元件304都可以被行选择器电路306和列选择器线310选择或者寻址。当对应的行和列被选择的时候，所选择的探测器元件304可以被读取。

在图中举例说明的实施方案中，一个n型晶体管308由行线306和列线310的适当选择来转换。行选择器电路306包含一个含p型晶体管316和n型晶体管314的传输门318。当需要读取行的时候，仅一个列寻址线310和一个行读出线306典型地得到选择。然后电流从电源305流动，通过所选择的可变阻抗元件304，通过所选择的晶体管308到所选择的行读出线312，并且流出共用读出线320。在另一种实施方案中，其中通过选择单个的一列为实现同时读取来寻址或者选择在一列中的所有探测器，在行选择器内为每个行提供一个可选的集成器321，并且提供装置314用于按顺序向放大器30输出单个的探测器信号。

现在参考图5，举例说明一个适用于本发明的集成真空封装(IVP)500。IVP 500优选地包含一个红外透明硅顶盖502。该硅顶盖502优选地经微机械加工来包含一个与微型测辐射热仪探测器元件508配合的空腔。该硅顶盖502与微型测辐射热仪阵列508的基底相连接来为微型测辐射热仪探测器元件506提供真空环境。该连接典型地是在晶片尺度上进行的。

在一种优选的实施方案中，硅顶盖502被提供通道以使得它不会延伸到微型测辐射热仪的连接衬垫510之外。按照这种方式进行配置，IVP 500可以直接连接到陶瓷母板528，通过线连接、块连接或其它用于将微型测辐射热仪的连接衬垫510直接连接到陶瓷母板528上的连接衬垫的连接机制。这已知为使IVP 500与陶瓷母板520“混杂”，如在图6中更好地显示的。这可以消除对传统的芯片载体的需要，它可能降低照相机的重量。

还考虑到在照相机中的任意支持电子元件，例如A/D转换器和/或传输电路，可以与陶瓷母板528相混杂。也就是说，不是将支持电子元件包含在传统的封装中，而是支持电子元件的集成电路块530可以直接连接到陶瓷母板528，通过线连接、块连接等将支持电子元件连接到陶瓷母板528的连接方法。这同样可以降低照相机的重量。

图6显示了根据本发明的一个优选方案的红外照相机520的透视图。IVP 500显示为直接连接到陶瓷母板528。红外照相机520还包含一个锗三合透镜522，该锗三合透镜522包含三个可以由安装在陶瓷母板528上的多个钛间隔器管脚526分隔开的单个的锗透镜元件524。该透镜系统用来将进入的红外辐射会聚到在IVP 500内的微型测辐射热仪阵列上。辐射护罩可以加在阵列周围(未显示)来降低杂散辐射。陶瓷母板优选地为多层结构并且在每一侧大约为1英寸(1”)。陶瓷优选地用于进一步降低照相机520的重量。在一种实施方案中，红外照相机520接受DC供电并且向发射机提供对应于由IVP 500中的微型测辐射热仪阵列506提供的数据的12位数字数据。

如可以从图6中看出的，红外照相机520，在举例说明的实施方案中，不需要快门和温度稳定，并且可以使用产生模糊的图像的光透镜。如上面所显示的，板上温度管理会给照相机增加显著的重量。优选的无快门或斩光器、温度稳定器、高质量透镜和复杂的板上处理联合起来可以提供一种极度重量轻的照相机或探测器。在一种实施方案中，照相机系统520的重量小于25克，或者更加优选地小于10克。

一种重量轻的红外照相机，如可以通过本发明来提供的，非常适合一些应用。在一种应用中，可以使用具有下载能力的重量轻的微型飞行器(MAV)通过一条RF链路来将所选择区域的未经处理的红外图像传输到地面站。在另一种应用中，一种可扩展的、单用途、重量轻的红外照相机可用于受一个小斜道作用而减慢速度的向下漂流的抛射体来对识别目标提供最大时间。在另一种应用中，本发明可以包含在一种安装在头盔上的传感设备中。还可以考虑许多其它的应用。

本文件所叙述的本发明的许多优势已经在前面的描述中被提出了。可以理解，但是，这种公开，在很多方面，只是举例说明。可以在细节上做出变化，特别是在不超过本发明的范围的情况下在形状、尺寸以及部件的安排上。本发明的范围，当然，用所附的权利要求所表达的语言来定义。

Claims (1)

1.一种重量轻的照相机(520)，其特征在于：

一个陶瓷母板(528)；

一个用于提供输出信号的微测辐射热仪阵列(22)，该微测辐射热仪阵列(506)安装在陶瓷母板(528)上；

一个由框架(526)支持的透镜(522)，该框架(526)与所述微测辐射热仪阵列(22)间隔一定距离安装透镜(522)；以及

一个用于从微测辐射热仪阵列(22)选择和输出信号的选择器(306)。

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