摘要：MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜可將可見(jiàn)光圖像轉(zhuǎn)換為紅外圖像，廣泛應(yīng)用于紅外目標(biāo)模擬器。紅外焦平面探測(cè)器在與紅外目標(biāo)模擬器對(duì)接時(shí)，需保證探測(cè)器的積分時(shí)間大于紅外圖像的顯示時(shí)間才能采集到紅外圖像的全部灰度等級(jí)。本文提出一種 MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜的光驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用薄膜的熱惰性先對(duì)可見(jiàn)光圖像的能量進(jìn)行積分，從而降低了對(duì)紅外探測(cè)器積分時(shí)間的要求。對(duì)薄膜在光驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下的溫度特性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明薄膜生成的紅外圖像的灰度值與寫入的可見(jiàn)光圖像的灰度值呈線性關(guān)系；紅外圖像的升溫時(shí)間為9 ms，保持時(shí)間為1 ms，降溫時(shí)間為10ms，探測(cè)器在紅外圖像的保持時(shí)間內(nèi)任取一段時(shí)間進(jìn)行積分都能夠得到8-bit灰度的紅外圖像；紅外圖像的溫度動(dòng)態(tài)范圍為112 K，單位灰度值對(duì)應(yīng)的溫度分辨率為0.44 K。

1引言

紅外目標(biāo)模擬器是紅外制導(dǎo)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的重要組成部件，其作用是在實(shí)驗(yàn)室條件下為被測(cè)紅外探測(cè)設(shè)備生成模擬目標(biāo)和背景紅外輻射特性的紅外圖像。目前根據(jù)紅外圖像生成器件的不同，紅外目標(biāo)模擬器的主要類型包括電阻陣、數(shù)字微鏡器件（DMD）、MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜等。國(guó)外紅外目標(biāo)模擬器的主流技術(shù)是電阻陣，其發(fā)展水平較高，國(guó)內(nèi)電阻陣技術(shù)受限于工藝水平，目前最大陣列規(guī)模為512 × 512。基于DMD的紅外目標(biāo)模擬器可以實(shí)現(xiàn)較大的陣列規(guī)模，但是由于DMD像元尺寸接近長(zhǎng)波紅外（8 ~ 12 μm），因此生成的長(zhǎng)波紅外圖像的對(duì)比度無(wú)法滿足使用需求，此外DMD是一種反射式空間光調(diào)制器，采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse WidthModulation，PWM）技術(shù)生成灰度圖像，產(chǎn)生256位灰度值（8-bit灰度圖像的最高灰階）所需的最短時(shí)間在毫秒量級(jí)，而紅外焦平面探測(cè)器的積分時(shí)間通常在十幾微秒到數(shù)百微秒之間，因此無(wú)法采集到完整的256位灰階。MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜是另一種重要的紅外圖像生成器件，國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)可以制備較大的陣列規(guī)模（1300 × 1300），MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜輻射光譜近似黑體譜，覆蓋中波紅外（3 ~ 5 μm）和長(zhǎng)波紅外（8 ~ 12 μm），轉(zhuǎn)換薄膜的驅(qū)動(dòng)方式為光驅(qū)動(dòng)，即通過(guò)向薄膜表面投射具有灰度分布的可見(jiàn)光圖像，膜上像元吸收可見(jiàn)光能量迅速升溫，從而在薄膜表面形成溫度場(chǎng)分布，進(jìn)而輻射紅外圖像。光驅(qū)動(dòng)技術(shù)是MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜的工作基礎(chǔ)，本文提出一種基于DMD二值模式的光驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用DMD先產(chǎn)生可見(jiàn)光圖像投射到薄膜表面，利用薄膜的熱惰性對(duì)可見(jiàn)光圖像的能量進(jìn)行積分，從而令薄膜生成的紅外圖像具有一定的保持時(shí)間，使得紅外探測(cè)器可以在較短的積分時(shí)間內(nèi)采集到全部256位灰階的紅外圖像。通過(guò)對(duì)光驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下的MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜的溫度-時(shí)間特性進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了所提出的光驅(qū)動(dòng)技術(shù)的可行性。

2光驅(qū)動(dòng)原理

MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，包括襯底、粘結(jié)層和輻射層，其中襯底和粘結(jié)層起支撐和導(dǎo)熱作用，輻射層可以吸收可見(jiàn)光能量迅速升溫并向外輻射紅外能量。襯底材料為聚酰亞胺，在寬溫度范圍（-200 ~ 400℃）內(nèi)都具有較好的熱穩(wěn)定性，粘結(jié)層材料為鉻，輻射層為具有高可見(jiàn)光吸收率的金屬黑多孔結(jié)構(gòu)，其在整個(gè)可見(jiàn)光波段的吸收率大于95%。薄膜的光驅(qū)動(dòng)工作過(guò)程如圖1（b）所示，光源發(fā)出的照明光首先在時(shí)域上被調(diào)制，DMD再對(duì)時(shí)域調(diào)制后的照明光進(jìn)行空間調(diào)制，得到可見(jiàn)光波段的寫入光圖像，接著通過(guò)圖像寫入系統(tǒng)將可見(jiàn)光圖像投射到轉(zhuǎn)換薄膜表面，膜上像元吸收可見(jiàn)光能量迅速升溫，從而在薄膜表面形成與寫入光圖像灰度分布相對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布，進(jìn)而輻射紅外圖像。薄膜具有一定的熱惰性，熱惰性指當(dāng)物體所處的環(huán)境溫度瞬間變化，而物體本身溫度變化的滯后性，它取決于物體本身的比熱容和質(zhì)量。對(duì)于MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜來(lái)說(shuō)，當(dāng)寫入光照射于其上時(shí)，薄膜吸收寫入光能量自身逐漸升溫，當(dāng)撤去寫入光后，薄膜的溫度并不會(huì)迅速下降到環(huán)境溫度，而是具有一定的保持時(shí)間，即薄膜可將寫入光的能量進(jìn)行短暫的累積。

圖1 MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜工作原理（a）薄膜結(jié)構(gòu)（b）光驅(qū)動(dòng)工作過(guò)程

光源的強(qiáng)度首先在時(shí)域上被調(diào)制，如圖2所示，每個(gè)調(diào)制周期被劃分為8個(gè)子場(chǎng)，第i個(gè)子場(chǎng)內(nèi)的光功率為：

式中A為光源的最大光功率。

圖2 光源調(diào)制曲線

8-bit灰度圖像的每個(gè)像素的十進(jìn)制灰度可轉(zhuǎn)換為8位二進(jìn)制灰度，二進(jìn)制灰度的第i位代表的十進(jìn)制灰度為2i ? 1，即：

式中G(x, y)為像素(x, y)的十進(jìn)制灰度，取值范圍0~255；Bi(x , y)為像素(x, y)的二進(jìn)制灰度的第i位，取值為0或1。

將一幅8-bit灰度圖像的每個(gè)像素點(diǎn)的十進(jìn)制灰度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制灰度，然后分別提取所有像素的二進(jìn)制灰度的第i位，共組成8個(gè)二值矩陣，其中第i個(gè)二值矩陣中的(x, y)元素的取值為公式（1）中的Bi(x , y)，將第i個(gè)二值矩陣代表的的二值圖像記作位平面i，如圖3所示。

圖3 灰度圖像分解

光源的一個(gè)時(shí)域調(diào)制周期分為8個(gè)子場(chǎng)，DMD在8個(gè)子場(chǎng)內(nèi)分別顯示8幅二值圖像（位平面8至位平面1），每個(gè)位平面圖像的顯示時(shí)間均為Δt，如圖4所示。

圖4 灰度圖像合成

則在一個(gè)調(diào)制周期（T = 8Δt）內(nèi)，被DMD像素點(diǎn)(x, y)反射進(jìn)入圖像寫入系統(tǒng)的平均光功率為：

由公式（3）可知，P(x, y)正比于原始8-bit灰度圖像的十進(jìn)制灰度G(x, y)，這表明通過(guò)上述光驅(qū)動(dòng)方法可以在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)產(chǎn)生256位灰度變化的寫入光圖像。

3光驅(qū)動(dòng)薄膜溫度響應(yīng)特性

3.1薄膜溫度特性仿真

當(dāng)寫入光圖像投射到MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜表面時(shí)，膜上像元吸收寫入光能量后迅速升溫，在薄膜表面形成與寫入光圖像灰度分布相對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布，薄膜的溫度變化可用熱傳導(dǎo)方程描述：

式中其中d=0.2 μm為薄膜厚度；3 =1300 kg/m3為薄膜密度；Cp=650 J/(kg?K)為薄膜比熱容；T0 =300 K為環(huán)境溫度；ε =0.8為薄膜表面發(fā)射率；σ= 5.67 × 10-8 W/(m2?K-4)為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；g=36 W/(m2?K)為等效制冷系數(shù)；T為薄膜表面溫度；Q(t)為寫入光功率密度。

薄膜的溫度響應(yīng)曲線如圖5所示，加熱時(shí)間和散熱時(shí)間都設(shè)置為20 ms，其中寫入光功率密度在加熱時(shí)間內(nèi)保持不變，如圖5（a）所示。根據(jù)公式（4）計(jì)算薄膜表面溫升隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)果如圖5（b）所示，薄膜溫升曲線分為升溫區(qū)、溫度保持區(qū)、散熱區(qū)。薄膜表面的溫度變化取決于其吸熱速率和散熱速率，根據(jù)公式（4），當(dāng)薄膜表面的溫度升高，其輻射散熱項(xiàng)εσ (T4 ?T40 )和制冷散熱項(xiàng)g(T ?T0 )都會(huì)增大，即薄膜的散熱速率隨著薄膜自身的溫度升高加快。由于寫入光功率保持不變，因此薄膜的吸熱速率不變，在升溫區(qū)，吸熱速率大于散熱速率，薄膜溫度升高；在溫度保持區(qū)，由于薄膜溫度的升高，已經(jīng)令散熱速率等于吸熱速率，此時(shí)在薄膜表面達(dá)到了動(dòng)態(tài)的熱平衡，薄膜溫度保持平穩(wěn)；當(dāng)撤去寫入光后，薄膜不再吸熱，薄膜表面溫度的熱平衡被打破，薄膜表面溫度逐漸下降，最終與環(huán)境溫度相當(dāng)。

圖5 薄膜溫度響應(yīng)。(a)寫入光功率密度曲線；(b)薄膜溫度變化曲線。

圖5中，τr為上升時(shí)間常數(shù)，τd為下降時(shí)間常數(shù)，由圖5(b)可知隨著寫入光功率密度的增加，τr和τd均會(huì)減小，τr和τd越小代表薄膜的溫度響應(yīng)越快。

寫入光按前述的第二章介紹的光驅(qū)動(dòng)方法的調(diào)制波形變化，將加熱時(shí)間和散熱時(shí)間都設(shè)置為20 ms，仿真得到對(duì)應(yīng)的薄膜溫度變化曲線如圖6所示，分別計(jì)算了寫入光灰度值為255、157、1時(shí)的寫入光調(diào)制波形及相應(yīng)的薄膜溫度變化曲線，由于薄膜的溫度響應(yīng)時(shí)間（τr和τd）隨寫入光功率密度的增加而減小，因此薄膜的加熱時(shí)間和散熱時(shí)間由圖像灰度值為1時(shí)的τr和τd確定，由圖6（c）可知，加熱時(shí)間應(yīng)不低于9 ms，散熱時(shí)間應(yīng)不低于9.5 ms。

圖6 寫入光調(diào)制波形及薄膜溫度變化曲線（a）灰度值=255（b）灰度值=157（c）灰度值=1

薄膜溫度保持區(qū)的平均溫升與寫入光的灰度值的關(guān)系如圖7所示，二者基本呈線性關(guān)系，仿真結(jié)果表明可以通過(guò)控制寫入光的灰度值獲得256階溫度分布的紅外圖像，溫升最大值約為112 K，單位灰度值對(duì)應(yīng)的溫度變化約為0.44 K。紅外探測(cè)器在薄膜的溫度保持區(qū)對(duì)薄膜輻射的紅外圖像進(jìn)積分就可以采集到256位灰階的紅外圖像。

圖7 薄膜溫度穩(wěn)定區(qū)溫升與寫入光灰度的關(guān)系

3.2實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)裝置框圖如圖8所示。包括同步模塊、調(diào)制光源、DMD、圖像寫入系統(tǒng)、MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜，紅外探測(cè)器/熱像儀、計(jì)算機(jī)。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置框圖

同步模塊接收探測(cè)器發(fā)送的同步信號(hào)，在同步信號(hào)的觸發(fā)下生成光源的調(diào)制信號(hào)和DMD的觸發(fā)信號(hào)，保證光源調(diào)制波形的8個(gè)子場(chǎng)與DMD顯示的8幅二值圖像在時(shí)間上同步，同時(shí)使探測(cè)器或熱像儀的積分時(shí)間落在薄膜生成的紅外圖像的保持時(shí)間內(nèi)。光源由激光器和照明光學(xué)系統(tǒng)組成，激光器根據(jù)同步系統(tǒng)產(chǎn)生的光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)調(diào)制出射激光功率，照明光學(xué)系統(tǒng)將激光進(jìn)行整形和勻化后照亮DMD。DMD接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的位平面圖像序列，在觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)下同步顯示各個(gè)位平面二值圖像，配合調(diào)制激光生成寫入光圖像。寫入光圖像經(jīng)過(guò)圖像寫入系統(tǒng)成像在MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜上，最后生成與寫入光圖像對(duì)應(yīng)的紅外圖像。

3.2.1寫入光灰度控制實(shí)驗(yàn)

寫入光灰度控制實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示。將灰度值分別為255、207、243、252的全白8-bit灰度圖拆分為4組位平面圖像序列，每組位平面圖像序列內(nèi)包含8幅位平面二值圖像，利用DMD分別顯示不同灰度對(duì)應(yīng)的位平面圖像序列，利用探測(cè)器采集被DMD反射后進(jìn)入圖像寫入系統(tǒng)的寫入光信號(hào)，得到的波形如圖10（a）所示。利用DMD 產(chǎn)生從0至255不同灰度的寫入光圖像，探測(cè)器采集到的寫入光信號(hào)的平均功率如圖10（b）所示，可知寫入光平均功率與設(shè)置的灰度值之間基本呈線性關(guān)系。

圖9 寫入光圖像灰度測(cè)試

圖10 寫入光圖像灰度測(cè)試結(jié)果。(a)不同灰度值對(duì)應(yīng)的寫入光波形；(b)寫入光平均功率與灰度之間的關(guān)系

3.2.2紅外灰度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

紅外灰度測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示，紅外熱像儀輸出的同步信號(hào)作為同步裝置的外同步信號(hào)，DMD出射的寫入光圖像經(jīng)過(guò)圖像寫入系統(tǒng)投射在MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜表面，熱像儀對(duì)薄膜輻射的紅外圖像進(jìn)行采集。改變寫入光圖像灰度，進(jìn)而改變寫入光功率密度，測(cè)得薄膜表面的溫度變化如圖12 (a)所示，可見(jiàn)薄膜表面的溫升與寫入光功率呈線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果（圖7）一致。根據(jù)圖6仿真結(jié)果可知薄膜加熱時(shí)間不低于9 ms，散熱時(shí)間不低于9.5 ms，為了充分驗(yàn)證MEMS薄膜的幀頻刷新能力，實(shí)驗(yàn)中將加熱時(shí)間和散熱時(shí)間都設(shè)置為10 ms，（在仿真曲線中加熱時(shí)間和散熱時(shí)間均為20 ms）。當(dāng)寫入光灰度為255時(shí)，MEMS薄膜溫度隨時(shí)間的變化情況如圖12 (b)所示，上升時(shí)間為8.2 ms，溫度保持時(shí)間為1.8 ms，下降時(shí)間為9.2 ms，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果（圖6（a））吻合。

圖11 紅外圖像生成實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖12 紅外灰度測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（a）不同寫入光功率對(duì)應(yīng)的薄膜溫升（b）寫入光灰度為255時(shí)薄膜溫度變化曲線與時(shí)間關(guān)系

利用長(zhǎng)波紅外熱像儀采集到的薄膜表面生成的紅外圖像如圖13所示。

圖13 紅外圖像生成結(jié)果（a）計(jì)算機(jī)寫入原圖；（b）MEMS轉(zhuǎn)換薄膜生成的紅外圖像

4結(jié)論

論文提出了一種MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜的光驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用DMD二值模式和光源調(diào)制相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了8-bit寫入光圖像的灰度分解與灰度合成，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用寫入光圖像照射MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜生成紅外圖像，紅外圖像的溫度變化與寫入光圖像的灰度值呈線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相符合，產(chǎn)生的紅外圖像的溫度時(shí)間曲線與仿真結(jié)果一致。本文提出的光驅(qū)動(dòng)技術(shù)利用了MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜的熱惰性，對(duì)寫入光圖像進(jìn)行時(shí)間積分，可以使紅外焦平面探測(cè)器在較短的積分時(shí)間內(nèi)采集到全部256位灰階紅外圖像，解決了焦平面探測(cè)器積分時(shí)間和紅外圖像生成時(shí)間的匹配問(wèn)題，已應(yīng)用于某紅外目標(biāo)模擬器。

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