宽波段动态红外场景生成技术

李 卓,周 朗,刘 丹,王 欣,徐立强

(1.北京理工大学 光电学院,北京 100081;2.精密光电测试仪器与技术北京重点实验室,北京 100081)

0 引言

动态红外场景模拟技术可在实验室条件下模拟运动目标和背景的红外辐射特性,是红外成像制导半实物仿真试验系统的关键技术[1-2]。目前,国内主要有3种动态红外场景生成技术：电阻阵列[3-4]、数字微镜器件(DMD)[5-7]和基于微机电系统(MEMS)技术的红外图像转换芯片[8-9]。其中,电阻阵列对“CMOS+MEMS”生产工艺要求较高,难以实现大阵列规模。我国研发的第2代复合薄膜电阻阵列器件阵列规模达512×512,中波等效黑体温度为250 ℃,长波等效黑体温度为150 ℃。我国研发的第3 代悬浮薄膜电阻阵列器件阵列规模为128×128,中波等效黑体温度为350 ℃,但公开报道的已用于动态场景模拟器的电阻阵列仅为256×256。我国基于DMD 的动态红外场景生成技术大多使用TI公司生产的XGA 型号器件,通过更换红外窗口实现动态红外场景模拟,阵列规模为1 024×768。但其受长波红外衍射的限制,存在长波图像对比度低的问题,在8～12μm 波段还没有成功的整机系统报道。基于MEMS工艺的红外图像转换芯片是一种直接辐射型器件,光谱覆盖范围为3～5μm 和8～12μm,阵列规模大于1 024×1 024,可以满足大多数动态红外场景模拟系统的要求,已装备于国内多家低温、多光谱、光学/微波复合等半实物仿真实验系统中。本文主要对MEMS红外图像转换芯片的阵列规模、时间特性和光谱特性进行实验研究,并搭建了基于转换芯片的动态红外场景模拟系统。

1 转换芯片理论模型

MEMS红外图像转换芯片是一种具有表面周期性微结构的大尺寸自支撑复合薄膜,其结构如图1所示。芯片衬底为亚微米厚的聚酰亚胺(PI)材料[10],热稳定性高,可长时间工作于473～623 K,分解温度超过800 K。低的热膨胀系数满足高低温环境使用要求。芯片表面通过光刻、干湿法刻蚀工艺制备出周期性像元阵列,每个像元仅通过热隔离腿与PI衬底连接。像元表面制备低热质量的金属黑或碳纳米管多孔薄膜实现对可见光的高吸收率。MEMS红外图像转换芯片是基于材料热传导性质工作的。当可见光照射到芯片像元上时,像元吸收光能转换为热能,并产生黑体辐射。当可见光携带的能量具有特定空间分布时,转换芯片不同像元吸收不等量的光能,形成不同的温度场分布,进而生成与可见光图像对应的红外图像。

图1 MEMS红外图像转换芯片的工作原理Fig.1 Principle of MEMS visible to infrared transducer

因为转换芯片工作在高真空环境,且厚度较薄,所以芯片仅通过薄膜横向热传导和辐射2种方式与周围环境进行换热。芯片的实际温度可用一维热传导方程描述[8],即

式中：ρ为芯片密度;c p为芯片比热容;d为芯片厚度;T为芯片物理温度;K为芯片热传导系数;ε为芯片表面发射率;σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数;T0为环境温度;q=Q/d为芯片横向热功率密度,其中Q为芯片吸收的光功率密度。

芯片吸收可见光能量后产生红外辐射εσ(T4-),辐射波段覆盖中波和长波2个波段。然后经过真空腔红外窗口(膜系λ1～λ2)进行滤波,实现中波和长波2个波段内的多光谱红外模拟,满足普朗克黑体辐射定律,即

式中：M(T)表示当黑体温度为T时,在波段λ1～λ2的光谱辐射出射度;c1=3.743×10-12(W·cm2)为第一辐射常数;c2=1.438 7(cm·K)为第二辐射常数;ξ(λ)为光谱发射率。不同温度黑体的光谱辐射出射度随波长变化,辐射峰值波长满足维恩位移定律λmT=2 897(m·K),其中,λm为峰值波长。因此,可通过调制输入光能量,实现芯片辐射光谱位置和强度的改变。

使用瞬态解分析MEMS红外图像转换芯片的时间特性。当光照中止时,转换芯片上位置x处的实际温度随时间变化关系表示为

式中：ΔT为t时刻的温度差;ΔT0为t=t0处的温度差。因为薄膜热导率很低,所以时间因子τ可以表示为

从式(4)可以看出,转换芯片温度以指数形式衰减,热衰减时间与环境温度T0、表面发射率ε和芯片热质量有关。对芯片进行制冷,式(4)可扩展成

式中：Qc为制冷功率密度。因此,采取降低薄膜热质量和外部制冷的方法可提高芯片的热响应速度。

2 仿真实验与结果分析

2.1 阵列规模

通过实验制备的MEMS红外图像转换芯片如图2 所示,芯片直径为75 mm,像元区域直径为65 mm。使用扫描电子显微镜SEM 观察转换芯片微观结构,像元中心间隔35μm,阵列规模大于1 024×1 024。作为电阻阵和DMD 两种方式,阵列规模很难实现1 024×1 024,而MEMS红外图像转换芯片则可以实现1 024×1 024以上的阵列规模,大于1 000×1 000阵列规模称为大阵列规模。

图2 像元阵列SEM 图Fig.2 SEM image of pixel arrays

2.2 时间特性

实验装置如图3所示。采用该装置对MEMS红外图像转换芯片的时间特性进行研究。使用信号发生器对532 nm 激光进行方波调制。激光经过准直匀化光学系统照射到吸收层表面,圆形光斑功率密度为4.5 W/cm2。转换芯片固定在1.33×10-3Pa真空冷腔中,背部采用制冷液制冷,工作温度278 K。使用红外点源探测器对辐射信号进行采集。转换装置的帧频大于100 Hz时就可以称为高帧频。

图3 实验装置Fig.3 Experimental device diagram

转换芯片的PI衬底是通过旋涂前驱体聚酰胺酸溶液,然后经过高温亚胺化制备,因此可以通过控制旋涂速度实现不同衬底厚度的PI。使用台阶仪标定3个不同厚度的转换芯片,结果见表1。由表可见,转换芯片平均厚度分别为1 279.26,697.73,344.95 nm。测试时,芯片受光照后,温度迅速升高至热平衡,此时芯片辐射强度达到最大值。当光照消失时,芯片温度开始降低,芯片辐射强度随之下降。

表1 转换芯片厚度Tab.1 Thickness measurement of transducer

定义转换芯片的辐射强度从最大值下降最大值的e-1所需时间为转换芯片的时间常数τ。图4(a)为实验测得的热衰减曲线,使用式(3)对曲线进行e指数拟合,得到3 个转换芯片的时间常数,即6.73,5.46,2.76 ms;标准差分别为0.000 019,0.000 014和0.000 18。实验结果证明衬底越薄,芯片的热衰减速度越快,时间常数越小。图4(b)为工作环境温度对转换芯片3的时间特性影响研究。拟合得到的300 K和278 K 制冷温度下,转换芯片的时间常数分别为3.66 ms和2.76 ms。结果说明：对同一个转换芯片进行制冷控制可以减小时间常数。

基于上述结论,优化后的转换芯片时间特性测试结果如图5 所示。由图可见,激光调制频率为100 Hz时,芯片的上升和下降时间均小于2 ms。图中纵坐标是归一化强度,横坐标是时间。

2.3 光谱特性

将图3的点源探测器替换为Omniλ-300扫描光栅光谱仪,测量MEMS红外图像转换芯片在3～12μm 范围内的辐射光谱,并使用标准黑体进行矫正。使用锁相放大器对红外信号进行放大,探测器型号为DEC-KMPV,波长相应范围为2～14μm。图6为383 K 黑体的光谱理论曲线和实测曲线,信号强度差异主要源于大气衰减,包括4.3μm 处的CO2强吸收带,4.8,5.2,9.4,10.4μm 处的CO2弱吸收带和3.2,6.3μm 处的水蒸气强吸收带等[11]。

使用反射法测量室温下转换芯片3～12μm 处光谱发射率。根据发射率的定义,忽略温度对发射率的影响,转换芯片在波长为λ的发射率可表示为

图4 转换芯片时间特性实验Fig.4 Temporal characteristics experiments of transducer

图5 优化后的转换芯片时间特性实验Fig.5 Optimized temporal characteristics experiments of transducer

图6 383 K 黑体光谱实测曲线与理论曲线对比Fig.6 Comparison of measured and theoretical spectrum curves of 383 K black body

式中：r(λ)表示波长为λ的反射率;t(λ)表示波长为λ的透过率[10]。根据基尔霍夫定律,转换芯片在3～12μm 波段的发射率可描述为

式中：I(λ)表示波长为λ的辐射光强度。使用傅里叶红外光谱仪测得转换芯片的反射率约为5%,透过率为29.8%,求得温度为室温时转换芯片在3～12μm 波段的平均发射率为0.652。其中,3～5μm波段的平均发射率为0.713,8～12μm 波段的平均发射率为0.619。发射率曲线如图7所示。

图7 室温下转换芯片光谱发射率Fig.7 Spectrum emission of transducer at room temperature

使用532 nm 激光加热薄膜,使用长波测温热像仪对转换芯片的表观温度Tr进行监测。长波热像仪接收到芯片的辐射功率表示为=τa[εT4+(1-ε)]。其中,τa为大气透过率。当近距离测量时,τa=1。因此,转换芯片的发射率为

由图7可得,转换芯片的发射率在不同波长时变化较小。对于相同温度的转换芯片和黑体,在所有波长下,转换芯片的辐射强度相比黑体的辐射强度等比例降低。因此,两者的辐射光谱形状相同。通过调节黑体温度,使得光谱仪测得的黑体辐射光谱与转换芯片辐射光谱重叠,此时转换芯片的物理温度T与黑体温度Tb相同。将T=Tb代入式(8)可计算得到转换芯片的发射率。图8为使用光谱仪测得的MEMS转换芯片的辐射光谱,覆盖3～5μm和8～12μm。其中,表观温度473 K 的转换芯片中波光谱与573 K 黑体中波光谱一致,如图8(a)所示,强度骤降处为CO2吸收峰。由式(7)计算得到转换芯片在中波波段的平均发射率约为0.4。降低激光功率,使转换芯片峰值波长向长波方向移动。当芯片表观温度为383 K 时,长波光谱曲线与423 K黑体一致,如图8(b)所示。由式(8)计算得到：转换芯片在长波波段的平均发射率约为0.6。

图8 转换芯片光谱实验Fig.8 Spectrum experiments of transducer

3 动态红外场景模拟系统

图9为基于MEMS红外转换芯片的动态红外场景模拟系统框图。由图可见,系统包括图像写入系统、红外图像转换系统、红外投影光学系统、真空系统、制冷系统。

图9 动态红外场景模拟器系统框图Fig.9 Schematic diagram of the dynamic IR scene generation system

图像写入系统接收上位机输出的视频信号和同步信号,可以为MEMS红外图像转换芯片提供可见光灰度图像,主要包括：照明系统、DMD 微显示器及其驱动电路、同步电路、写入光成像镜头。其中,照明系统为准直匀化的532 nm 激光器,为DMD 芯片提供高功率光源。通过调节激光功率可控制转换芯片辐射光谱范围。DMD 驱动电路受外同步脉冲调制,产生可见光灰度图像,保证红外视频与探测器同步。产生的灰度图像由写入光成像镜头投影到红外图像转换器中。

红外图像转换系统为反射式红外图像转换器,为MEMS红外图像转换芯片提供低温真空工作环境,主要包括全波段窗口、制冷热沉、电气接口及密封结构。可见光构成灰度图像由可见光窗口入射到薄膜上。转换芯片的每个像元对应于写入光灰度图像上的1个像素。因为每个写入图像像素携带的能量不同,所以每个像元吸收的热量也会不同,这样就会在薄膜表面产生不同的温度场分布,从而形成不同的红外辐射分布。然后这些红外辐射通过窗口,被前端的光学投影系统读出,最终生成红外图像,被红外焦平面探测。红外图像转换系统的转换芯片所需的温度环境由制冷系统控制。

基于MEMS红外转换芯片的红外动态场景模拟器具备工作波段范围为3～5μm 和8～12μm,阵列规模大于1 024×1 024,温度范围为278～623 K,时间常数为2.76 ms,灰度等级大于256,模拟器输出的红外图像如图10所示。

4 结束语

图10 动态红外场景生成系统生成的红外图像Fig.10 IR image generated by the dynamic IR scene generation system

本文建立了基于MEMS技术的红外图像转换芯片理论模型,制备的转换芯片像元尺寸为35μm,阵列规模大于1 024×1 024;利用该转换芯片搭建了动态红外场景模拟系统;主要对转换芯片的时间特性与光谱特性进行了实验研究。结果表明：MEMS转换芯片热衰减时间与芯片厚度和制冷温度有关。芯片厚度越小,工作温度越低,则热衰减时间越短,响应越快。采用高转速旋涂工艺制备的厚度为345 nm 的转换芯片在278 K时的时间常数为2.76 ms,帧频达100 Hz。使用反射法测量了芯片室温下的发射率约为0.6。使用扫描光栅光谱仪测量转换芯片的辐射光谱,并与黑体谱对比,光谱覆盖范围为3～5μm 和8～12μm。通过控制写入光功率可以实现转换芯片的光谱范围,在表观温度473 K时,中波发射率约为0.4,表观温度383 K 时,长波发射率约为0.6。基于MEMS红外转换芯片的红外动态场景模拟器具有波段范围宽、阵列规模大的优势,已经用于各半实物仿真实验中。此外,随着红外探测器精度的发展,红外成像制导半实物仿真系统对红外动态场景模拟器的精度提出越来越高的要求。因此,基于MEMS技术的红外图像转换芯片将向多光谱、大阵列、高动态范围、高帧频的方向发展,光谱范围为0.9～14 μm,阵列规模大于2 048×2 048,帧频为200 Hz,最低模拟背景温度为100 K,模拟最高温度为600 K。