寬波段動態紅外場景生成技術

李 卓,周 朗,劉 丹,王 欣,徐立強

(1.北京理工大學 光電學院,北京 100081;2.精密光電測試儀器與技術北京重點實驗室,北京 100081)

0 引言

動態紅外場景模擬技術可在實驗室條件下模擬運動目標和背景的紅外輻射特性,是紅外成像制導半實物仿真試驗系統的關鍵技術[1-2]。目前,國內主要有3種動態紅外場景生成技術：電阻陣列[3-4]、數字微鏡器件(DMD)[5-7]和基于微機電系統(MEMS)技術的紅外圖像轉換芯片[8-9]。其中,電阻陣列對“CMOS+MEMS”生產工藝要求較高,難以實現大陣列規模。我國研發的第2代復合薄膜電阻陣列器件陣列規模達512×512,中波等效黑體溫度為250 ℃,長波等效黑體溫度為150 ℃。我國研發的第3 代懸浮薄膜電阻陣列器件陣列規模為128×128,中波等效黑體溫度為350 ℃,但公開報道的已用于動態場景模擬器的電阻陣列僅為256×256。我國基于DMD 的動態紅外場景生成技術大多使用TI公司生產的XGA 型號器件,通過更換紅外窗口實現動態紅外場景模擬,陣列規模為1 024×768。但其受長波紅外衍射的限制,存在長波圖像對比度低的問題,在8～12μm 波段還沒有成功的整機系統報道。基于MEMS工藝的紅外圖像轉換芯片是一種直接輻射型器件,光譜覆蓋范圍為3～5μm 和8～12μm,陣列規模大于1 024×1 024,可以滿足大多數動態紅外場景模擬系統的要求,已裝備于國內多家低溫、多光譜、光學/微波復合等半實物仿真實驗系統中。本文主要對MEMS紅外圖像轉換芯片的陣列規模、時間特性和光譜特性進行實驗研究,并搭建了基于轉換芯片的動態紅外場景模擬系統。

1 轉換芯片理論模型

MEMS紅外圖像轉換芯片是一種具有表面周期性微結構的大尺寸自支撐復合薄膜,其結構如圖1所示。芯片襯底為亞微米厚的聚酰亞胺(PI)材料[10],熱穩定性高,可長時間工作于473～623 K,分解溫度超過800 K。低的熱膨脹系數滿足高低溫環境使用要求。芯片表面通過光刻、干濕法刻蝕工藝制備出周期性像元陣列,每個像元僅通過熱隔離腿與PI襯底連接。像元表面制備低熱質量的金屬黑或碳納米管多孔薄膜實現對可見光的高吸收率。MEMS紅外圖像轉換芯片是基于材料熱傳導性質工作的。當可見光照射到芯片像元上時,像元吸收光能轉換為熱能,并產生黑體輻射。當可見光攜帶的能量具有特定空間分布時,轉換芯片不同像元吸收不等量的光能,形成不同的溫度場分布,進而生成與可見光圖像對應的紅外圖像。

圖1 MEMS紅外圖像轉換芯片的工作原理Fig.1 Principle of MEMS visible to infrared transducer

因為轉換芯片工作在高真空環境,且厚度較薄,所以芯片僅通過薄膜橫向熱傳導和輻射2種方式與周圍環境進行換熱。芯片的實際溫度可用一維熱傳導方程描述[8],即

式中：ρ為芯片密度;c p為芯片比熱容;d為芯片厚度;T為芯片物理溫度;K為芯片熱傳導系數;ε為芯片表面發射率;σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數;T0為環境溫度;q=Q/d為芯片橫向熱功率密度,其中Q為芯片吸收的光功率密度。

芯片吸收可見光能量后產生紅外輻射εσ(T4-),輻射波段覆蓋中波和長波2個波段。然后經過真空腔紅外窗口(膜系λ1～λ2)進行濾波,實現中波和長波2個波段內的多光譜紅外模擬,滿足普朗克黑體輻射定律,即

式中：M(T)表示當黑體溫度為T時,在波段λ1～λ2的光譜輻射出射度;c1=3.743×10-12(W·cm2)為第一輻射常數;c2=1.438 7(cm·K)為第二輻射常數;ξ(λ)為光譜發射率。不同溫度黑體的光譜輻射出射度隨波長變化,輻射峰值波長滿足維恩位移定律λmT=2 897(m·K),其中,λm為峰值波長。因此,可通過調制輸入光能量,實現芯片輻射光譜位置和強度的改變。

使用瞬態解分析MEMS紅外圖像轉換芯片的時間特性。當光照中止時,轉換芯片上位置x處的實際溫度隨時間變化關系表示為

式中：ΔT為t時刻的溫度差;ΔT0為t=t0處的溫度差。因為薄膜熱導率很低,所以時間因子τ可以表示為

從式(4)可以看出,轉換芯片溫度以指數形式衰減,熱衰減時間與環境溫度T0、表面發射率ε和芯片熱質量有關。對芯片進行制冷,式(4)可擴展成

式中：Qc為制冷功率密度。因此,采取降低薄膜熱質量和外部制冷的方法可提高芯片的熱響應速度。

2 仿真實驗與結果分析

2.1 陣列規模

通過實驗制備的MEMS紅外圖像轉換芯片如圖2 所示,芯片直徑為75 mm,像元區域直徑為65 mm。使用掃描電子顯微鏡SEM 觀察轉換芯片微觀結構,像元中心間隔35μm,陣列規模大于1 024×1 024。作為電阻陣和DMD 兩種方式,陣列規模很難實現1 024×1 024,而MEMS紅外圖像轉換芯片則可以實現1 024×1 024以上的陣列規模,大于1 000×1 000陣列規模稱為大陣列規模。

圖2 像元陣列SEM 圖Fig.2 SEM image of pixel arrays

2.2 時間特性

實驗裝置如圖3所示。采用該裝置對MEMS紅外圖像轉換芯片的時間特性進行研究。使用信號發生器對532 nm 激光進行方波調制。激光經過準直勻化光學系統照射到吸收層表面,圓形光斑功率密度為4.5 W/cm2。轉換芯片固定在1.33×10-3Pa真空冷腔中,背部采用制冷液制冷,工作溫度278 K。使用紅外點源探測器對輻射信號進行采集。轉換裝置的幀頻大于100 Hz時就可以稱為高幀頻。

圖3 實驗裝置Fig.3 Experimental device diagram

轉換芯片的PI襯底是通過旋涂前驅體聚酰胺酸溶液,然后經過高溫亞胺化制備,因此可以通過控制旋涂速度實現不同襯底厚度的PI。使用臺階儀標定3個不同厚度的轉換芯片,結果見表1。由表可見,轉換芯片平均厚度分別為1 279.26,697.73,344.95 nm。測試時,芯片受光照后,溫度迅速升高至熱平衡,此時芯片輻射強度達到最大值。當光照消失時,芯片溫度開始降低,芯片輻射強度隨之下降。

表1 轉換芯片厚度Tab.1 Thickness measurement of transducer

定義轉換芯片的輻射強度從最大值下降最大值的e-1所需時間為轉換芯片的時間常數τ。圖4(a)為實驗測得的熱衰減曲線,使用式(3)對曲線進行e指數擬合,得到3 個轉換芯片的時間常數,即6.73,5.46,2.76 ms;標準差分別為0.000 019,0.000 014和0.000 18。實驗結果證明襯底越薄,芯片的熱衰減速度越快,時間常數越小。圖4(b)為工作環境溫度對轉換芯片3的時間特性影響研究。擬合得到的300 K和278 K 制冷溫度下,轉換芯片的時間常數分別為3.66 ms和2.76 ms。結果說明：對同一個轉換芯片進行制冷控制可以減小時間常數。

基于上述結論,優化后的轉換芯片時間特性測試結果如圖5 所示。由圖可見,激光調制頻率為100 Hz時,芯片的上升和下降時間均小于2 ms。圖中縱坐標是歸一化強度,橫坐標是時間。

2.3 光譜特性

將圖3的點源探測器替換為Omniλ-300掃描光柵光譜儀,測量MEMS紅外圖像轉換芯片在3～12μm 范圍內的輻射光譜,并使用標準黑體進行矯正。使用鎖相放大器對紅外信號進行放大,探測器型號為DEC-KMPV,波長相應范圍為2～14μm。圖6為383 K 黑體的光譜理論曲線和實測曲線,信號強度差異主要源于大氣衰減,包括4.3μm 處的CO2強吸收帶,4.8,5.2,9.4,10.4μm 處的CO2弱吸收帶和3.2,6.3μm 處的水蒸氣強吸收帶等[11]。

使用反射法測量室溫下轉換芯片3～12μm 處光譜發射率。根據發射率的定義,忽略溫度對發射率的影響,轉換芯片在波長為λ的發射率可表示為

圖4 轉換芯片時間特性實驗Fig.4 Temporal characteristics experiments of transducer

圖5 優化后的轉換芯片時間特性實驗Fig.5 Optimized temporal characteristics experiments of transducer

圖6 383 K 黑體光譜實測曲線與理論曲線對比Fig.6 Comparison of measured and theoretical spectrum curves of 383 K black body

式中：r(λ)表示波長為λ的反射率;t(λ)表示波長為λ的透過率[10]。根據基爾霍夫定律,轉換芯片在3～12μm 波段的發射率可描述為

式中：I(λ)表示波長為λ的輻射光強度。使用傅里葉紅外光譜儀測得轉換芯片的反射率約為5%,透過率為29.8%,求得溫度為室溫時轉換芯片在3～12μm 波段的平均發射率為0.652。其中,3～5μm波段的平均發射率為0.713,8～12μm 波段的平均發射率為0.619。發射率曲線如圖7所示。

圖7 室溫下轉換芯片光譜發射率Fig.7 Spectrum emission of transducer at room temperature

使用532 nm 激光加熱薄膜,使用長波測溫熱像儀對轉換芯片的表觀溫度Tr進行監測。長波熱像儀接收到芯片的輻射功率表示為=τa[εT4+(1-ε)]。其中,τa為大氣透過率。當近距離測量時,τa=1。因此,轉換芯片的發射率為

由圖7可得,轉換芯片的發射率在不同波長時變化較小。對于相同溫度的轉換芯片和黑體,在所有波長下,轉換芯片的輻射強度相比黑體的輻射強度等比例降低。因此,兩者的輻射光譜形狀相同。通過調節黑體溫度,使得光譜儀測得的黑體輻射光譜與轉換芯片輻射光譜重疊,此時轉換芯片的物理溫度T與黑體溫度Tb相同。將T=Tb代入式(8)可計算得到轉換芯片的發射率。圖8為使用光譜儀測得的MEMS轉換芯片的輻射光譜,覆蓋3～5μm和8～12μm。其中,表觀溫度473 K 的轉換芯片中波光譜與573 K 黑體中波光譜一致,如圖8(a)所示,強度驟降處為CO2吸收峰。由式(7)計算得到轉換芯片在中波波段的平均發射率約為0.4。降低激光功率,使轉換芯片峰值波長向長波方向移動。當芯片表觀溫度為383 K 時,長波光譜曲線與423 K黑體一致,如圖8(b)所示。由式(8)計算得到：轉換芯片在長波波段的平均發射率約為0.6。

圖8 轉換芯片光譜實驗Fig.8 Spectrum experiments of transducer

3 動態紅外場景模擬系統

圖9為基于MEMS紅外轉換芯片的動態紅外場景模擬系統框圖。由圖可見,系統包括圖像寫入系統、紅外圖像轉換系統、紅外投影光學系統、真空系統、制冷系統。

圖9 動態紅外場景模擬器系統框圖Fig.9 Schematic diagram of the dynamic IR scene generation system

圖像寫入系統接收上位機輸出的視頻信號和同步信號,可以為MEMS紅外圖像轉換芯片提供可見光灰度圖像,主要包括：照明系統、DMD 微顯示器及其驅動電路、同步電路、寫入光成像鏡頭。其中,照明系統為準直勻化的532 nm 激光器,為DMD 芯片提供高功率光源。通過調節激光功率可控制轉換芯片輻射光譜范圍。DMD 驅動電路受外同步脈沖調制,產生可見光灰度圖像,保證紅外視頻與探測器同步。產生的灰度圖像由寫入光成像鏡頭投影到紅外圖像轉換器中。

紅外圖像轉換系統為反射式紅外圖像轉換器,為MEMS紅外圖像轉換芯片提供低溫真空工作環境,主要包括全波段窗口、制冷熱沉、電氣接口及密封結構。可見光構成灰度圖像由可見光窗口入射到薄膜上。轉換芯片的每個像元對應于寫入光灰度圖像上的1個像素。因為每個寫入圖像像素攜帶的能量不同,所以每個像元吸收的熱量也會不同,這樣就會在薄膜表面產生不同的溫度場分布,從而形成不同的紅外輻射分布。然后這些紅外輻射通過窗口,被前端的光學投影系統讀出,最終生成紅外圖像,被紅外焦平面探測。紅外圖像轉換系統的轉換芯片所需的溫度環境由制冷系統控制。

基于MEMS紅外轉換芯片的紅外動態場景模擬器具備工作波段范圍為3～5μm 和8～12μm,陣列規模大于1 024×1 024,溫度范圍為278～623 K,時間常數為2.76 ms,灰度等級大于256,模擬器輸出的紅外圖像如圖10所示。

4 結束語

圖10 動態紅外場景生成系統生成的紅外圖像Fig.10 IR image generated by the dynamic IR scene generation system

本文建立了基于MEMS技術的紅外圖像轉換芯片理論模型,制備的轉換芯片像元尺寸為35μm,陣列規模大于1 024×1 024;利用該轉換芯片搭建了動態紅外場景模擬系統;主要對轉換芯片的時間特性與光譜特性進行了實驗研究。結果表明：MEMS轉換芯片熱衰減時間與芯片厚度和制冷溫度有關。芯片厚度越小,工作溫度越低,則熱衰減時間越短,響應越快。采用高轉速旋涂工藝制備的厚度為345 nm 的轉換芯片在278 K時的時間常數為2.76 ms,幀頻達100 Hz。使用反射法測量了芯片室溫下的發射率約為0.6。使用掃描光柵光譜儀測量轉換芯片的輻射光譜,并與黑體譜對比,光譜覆蓋范圍為3～5μm 和8～12μm。通過控制寫入光功率可以實現轉換芯片的光譜范圍,在表觀溫度473 K時,中波發射率約為0.4,表觀溫度383 K 時,長波發射率約為0.6。基于MEMS紅外轉換芯片的紅外動態場景模擬器具有波段范圍寬、陣列規模大的優勢,已經用于各半實物仿真實驗中。此外,隨著紅外探測器精度的發展,紅外成像制導半實物仿真系統對紅外動態場景模擬器的精度提出越來越高的要求。因此,基于MEMS技術的紅外圖像轉換芯片將向多光譜、大陣列、高動態范圍、高幀頻的方向發展,光譜范圍為0.9～14 μm,陣列規模大于2 048×2 048,幀頻為200 Hz,最低模擬背景溫度為100 K,模擬最高溫度為600 K。