摘要：MEMS紅外轉換薄膜可將可見光圖像轉換為紅外圖像，廣泛應用于紅外目標模擬器。紅外焦平面探測器在與紅外目標模擬器對接時，需保證探測器的積分時間大于紅外圖像的顯示時間才能采集到紅外圖像的全部灰度等級。本文提出一種 MEMS紅外轉換薄膜的光驅動技術，利用薄膜的熱惰性先對可見光圖像的能量進行積分，從而降低了對紅外探測器積分時間的要求。對薄膜在光驅動狀態下的溫度特性進行了仿真和實驗測試，結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系；紅外圖像的升溫時間為9 ms，保持時間為1 ms，降溫時間為10ms，探測器在紅外圖像的保持時間內任取一段時間進行積分都能夠得到8-bit灰度的紅外圖像；紅外圖像的溫度動態范圍為112 K，單位灰度值對應的溫度分辨率為0.44 K。

1引言

紅外目標模擬器是紅外制導半實物仿真試驗系統的重要組成部件，其作用是在實驗室條件下為被測紅外探測設備生成模擬目標和背景紅外輻射特性的紅外圖像。目前根據紅外圖像生成器件的不同，紅外目標模擬器的主要類型包括電阻陣、數字微鏡器件（DMD）、MEMS紅外轉換薄膜等。國外紅外目標模擬器的主流技術是電阻陣，其發展水平較高，國內電阻陣技術受限于工藝水平，目前最大陣列規模為512 × 512。基于DMD的紅外目標模擬器可以實現較大的陣列規模，但是由于DMD像元尺寸接近長波紅外（8 ~ 12 μm），因此生成的長波紅外圖像的對比度無法滿足使用需求，此外DMD是一種反射式空間光調制器，采用脈沖寬度調制（Pulse WidthModulation，PWM）技術生成灰度圖像，產生256位灰度值（8-bit灰度圖像的最高灰階）所需的最短時間在毫秒量級，而紅外焦平面探測器的積分時間通常在十幾微秒到數百微秒之間，因此無法采集到完整的256位灰階。MEMS紅外轉換薄膜是另一種重要的紅外圖像生成器件，國內目前已經可以制備較大的陣列規模（1300 × 1300），MEMS紅外轉換薄膜輻射光譜近似黑體譜，覆蓋中波紅外（3 ~ 5 μm）和長波紅外（8 ~ 12 μm），轉換薄膜的驅動方式為光驅動，即通過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分布，進而輻射紅外圖像。光驅動技術是MEMS紅外轉換薄膜的工作基礎，本文提出一種基于DMD二值模式的光驅動技術，利用DMD先產生可見光圖像投射到薄膜表面，利用薄膜的熱惰性對可見光圖像的能量進行積分，從而令薄膜生成的紅外圖像具有一定的保持時間，使得紅外探測器可以在較短的積分時間內采集到全部256位灰階的紅外圖像。通過對光驅動狀態下的MEMS紅外轉換薄膜的溫度-時間特性進行仿真與實驗研究，驗證了所提出的光驅動技術的可行性。

2光驅動原理

MEMS紅外轉換薄膜結構如圖1（a）所示，包括襯底、粘結層和輻射層，其中襯底和粘結層起支撐和導熱作用，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℃）內都具有較好的熱穩定性，粘結層材料為鉻，輻射層為具有高可見光吸收率的金屬黑多孔結構，其在整個可見光波段的吸收率大于95%。薄膜的光驅動工作過程如圖1（b）所示，光源發出的照明光首先在時域上被調制，DMD再對時域調制后的照明光進行空間調制，得到可見光波段的寫入光圖像，接著通過圖像寫入系統將可見光圖像投射到轉換薄膜表面，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應的溫度場分布，進而輻射紅外圖像。薄膜具有一定的熱惰性，熱惰性指當物體所處的環境溫度瞬間變化，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量。對于MEMS紅外轉換薄膜來說，當寫入光照射于其上時，薄膜吸收寫入光能量自身逐漸升溫，當撤去寫入光后，薄膜的溫度并不會迅速下降到環境溫度，而是具有一定的保持時間，即薄膜可將寫入光的能量進行短暫的累積。

圖1 MEMS紅外轉換薄膜工作原理（a）薄膜結構（b）光驅動工作過程

光源的強度首先在時域上被調制，如圖2所示，每個調制周期被劃分為8個子場，第i個子場內的光功率為：

式中A為光源的最大光功率。

圖2 光源調制曲線

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

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

將一幅8-bit灰度圖像的每個像素點的十進制灰度轉換為對應的二進制灰度，然后分別提取所有像素的二進制灰度的第i位，共組成8個二值矩陣，其中第i個二值矩陣中的(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

光源的一個時域調制周期分為8個子場，DMD在8個子場內分別顯示8幅二值圖像（位平面8至位平面1），每個位平面圖像的顯示時間均為Δt，如圖4所示。

圖4 灰度圖像合成

則在一個調制周期（T = 8Δt）內，被DMD像素點(x, y)反射進入圖像寫入系統的平均光功率為：

由公式（3）可知，P(x, y)正比于原始8-bit灰度圖像的十進制灰度G(x, y)，這表明通過上述光驅動方法可以在一個調制周期內產生256位灰度變化的寫入光圖像。

3光驅動薄膜溫度響應特性

3.1薄膜溫度特性仿真

當寫入光圖像投射到MEMS紅外轉換薄膜表面時，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應的溫度場分布，薄膜的溫度變化可用熱傳導方程描述：

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為環境溫度；ε =0.8為薄膜表面發射率；σ= 5.67 × 10-8 W/(m2?K-4)為斯蒂芬-玻爾茲曼常數；g=36 W/(m2?K)為等效制冷系數；T為薄膜表面溫度；Q(t)為寫入光功率密度。

薄膜的溫度響應曲線如圖5所示，加熱時間和散熱時間都設置為20 ms，其中寫入光功率密度在加熱時間內保持不變，如圖5（a）所示。根據公式（4）計算薄膜表面溫升隨時間的變化曲線，結果如圖5（b）所示，薄膜溫升曲線分為升溫區、溫度保持區、散熱區。薄膜表面的溫度變化取決于其吸熱速率和散熱速率，根據公式（4），當薄膜表面的溫度升高，其輻射散熱項εσ (T4 ?T40 )和制冷散熱項g(T ?T0 )都會增大，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，吸熱速率大于散熱速率，薄膜溫度升高；在溫度保持區，由于薄膜溫度的升高，已經令散熱速率等于吸熱速率，此時在薄膜表面達到了動態的熱平衡，薄膜溫度保持平穩；當撤去寫入光后，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，最終與環境溫度相當。

圖5 薄膜溫度響應。(a)寫入光功率密度曲線；(b)薄膜溫度變化曲線。

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

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

圖6 寫入光調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

薄膜溫度保持區的平均溫升與寫入光的灰度值的關系如圖7所示，二者基本呈線性關系，仿真結果表明可以通過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，單位灰度值對應的溫度變化約為0.44 K。紅外探測器在薄膜的溫度保持區對薄膜輻射的紅外圖像進積分就可以采集到256位灰階的紅外圖像。

圖7 薄膜溫度穩定區溫升與寫入光灰度的關系

3.2實驗研究

實驗裝置框圖如圖8所示。包括同步模塊、調制光源、DMD、圖像寫入系統、MEMS紅外轉換薄膜，紅外探測器/熱像儀、計算機。

圖8 實驗裝置框圖

同步模塊接收探測器發送的同步信號，在同步信號的觸發下生成光源的調制信號和DMD的觸發信號，保證光源調制波形的8個子場與DMD顯示的8幅二值圖像在時間上同步，同時使探測器或熱像儀的積分時間落在薄膜生成的紅外圖像的保持時間內。光源由激光器和照明光學系統組成，激光器根據同步系統產生的光強調制信號調制出射激光功率，照明光學系統將激光進行整形和勻化后照亮DMD。DMD接收計算機發送的位平面圖像序列，在觸發信號的觸發下同步顯示各個位平面二值圖像，配合調制激光生成寫入光圖像。寫入光圖像經過圖像寫入系統成像在MEMS紅外轉換薄膜上，最后生成與寫入光圖像對應的紅外圖像。

3.2.1寫入光灰度控制實驗

寫入光灰度控制實驗裝置如圖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包含8幅位平面二值圖像，利用DMD分別顯示不同灰度對應的位平面圖像序列，利用探測器采集被DMD反射后進入圖像寫入系統的寫入光信號，得到的波形如圖10（a）所示。利用DMD 產生從0至255不同灰度的寫入光圖像，探測器采集到的寫入光信號的平均功率如圖10（b）所示，可知寫入光平均功率與設置的灰度值之間基本呈線性關系。

圖9 寫入光圖像灰度測試

圖10 寫入光圖像灰度測試結果。(a)不同灰度值對應的寫入光波形；(b)寫入光平均功率與灰度之間的關系

3.2.2紅外灰度測試實驗

紅外灰度測試實驗裝置如圖11所示，紅外熱像儀輸出的同步信號作為同步裝置的外同步信號，DMD出射的寫入光圖像經過圖像寫入系統投射在MEMS紅外轉換薄膜表面，熱像儀對薄膜輻射的紅外圖像進行采集。改變寫入光圖像灰度，進而改變寫入光功率密度，測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系，實驗結果與仿真結果（圖7）一致。根據圖6仿真結果可知薄膜加熱時間不低于9 ms，散熱時間不低于9.5 ms，為了充分驗證MEMS薄膜的幀頻刷新能力，實驗中將加熱時間和散熱時間都設置為10 ms，（在仿真曲線中加熱時間和散熱時間均為20 ms）。當寫入光灰度為255時，MEMS薄膜溫度隨時間的變化情況如圖12 (b)所示，上升時間為8.2 ms，溫度保持時間為1.8 ms，下降時間為9.2 ms，實驗結果與仿真結果（圖6（a））吻合。

圖11 紅外圖像生成實驗裝置圖

圖12 紅外灰度測試實驗結果。（a）不同寫入光功率對應的薄膜溫升（b）寫入光灰度為255時薄膜溫度變化曲線與時間關系

利用長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 紅外圖像生成結果（a）計算機寫入原圖；（b）MEMS轉換薄膜生成的紅外圖像

4結論

論文提出了一種MEMS紅外轉換薄膜的光驅動技術，利用DMD二值模式和光源調制相結合的方法實現了8-bit寫入光圖像的灰度分解與灰度合成，并進行了實驗驗證。利用寫入光圖像照射MEMS紅外轉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系，實驗結果與仿真結果相符合，產生的紅外圖像的溫度時間曲線與仿真結果一致。本文提出的光驅動技術利用了MEMS紅外轉換薄膜的熱惰性，對寫入光圖像進行時間積分，可以使紅外焦平面探測器在較短的積分時間內采集到全部256位灰階紅外圖像，解決了焦平面探測器積分時間和紅外圖像生成時間的匹配問題，已應用于某紅外目標模擬器。

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