一種MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜的光驅(qū)動(dòng)技術(shù)

摘要：MEMS紅外轉(zhuǎn)換薄膜可將可見光圖像轉(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?；贒MD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光圖像，膜上像元吸收可見光能量迅速升溫，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)生可見光圖像投射到薄膜表面，利用薄膜的熱惰性對(duì)可見光圖像的能量進(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光吸收率的金屬黑多孔結(jié)構(gòu)，其在整個(gè)可見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，得到可見光波段的寫入光圖像，接著通過(guò)圖像寫入系統(tǒng)將可見光圖像投射到轉(zhuǎn)換薄膜表面，膜上像元吸收可見光能量迅速升溫，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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