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张晓乐，李卓，高彦泽，施蕊，宋健，时庆峰，李霁恬，张思晨
北京理工大学光电学院，精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室
摘要：MEMS红外转换薄膜可将可见光图像转换为红外图像，广泛应用于红外目标模拟器。红外焦平面探测器在与红外目标模拟器对接时，需保证探测器的积分时间大于红外图像的显示时间才能采集到红外图像的全部灰度等级。本文提出一种 MEMS红外转换薄膜的光驱动技术，利用薄膜的热惰性先对可见光图像的能量进行积分，从而降低了对红外探测器积分时间的要求。对薄膜在光驱动状态下的温度特性进行了仿真和实验测试，结果表明薄膜生成的红外图像的灰度值与写入的可见光图像的灰度值呈线性关系；红外图像的升温时间为9 ms，保持时间为1 ms，降温时间为10ms，探测器在红外图像的保持时间内任取一段时间进行积分都能够得到8-bit灰度的红外图像；红外图像的温度动态范围为112 K，单位灰度值对应的温度分辨率为0.44 K。
关键词：红外图像；灰度等级；光驱动；转换薄膜；目标模拟器
1 引言
红外目标模拟器是红外制导半实物仿真试验系统的重要组成部件，其作用是在实验室条件下为被测红外探测设备生成模拟目标和背景红外辐射特性的红外图像。目前根据红外图像生成器件的不同，红外目标模拟器的主要类型包括电阻阵、数字微镜器件（DMD）、MEMS红外转换薄膜等。国外红外目标模拟器的主流技术是电阻阵，其发展水平较高，国内电阻阵技术受限于工艺水平，目前最大阵列规模为512 × 512。基于DMD的红外目标模拟器可以实现较大的阵列规模，但是由于DMD像元尺寸接近长波红外（8 ~ 12 μm），因此生成的长波红外图像的对比度无法满足使用需求，此外DMD是一种反射式空间光调制器，采用脉冲宽度调制（Pulse WidthModulation，PWM）技术生成灰度图像，产生256位灰度值（8-bit灰度图像的最高灰阶）所需的最短时间在毫秒量级，而红外焦平面探测器的积分时间通常在十几微秒到数百微秒之间，因此无法采集到完整的256位灰阶。MEMS红外转换薄膜是另一种重要的红外图像生成器件，国内目前已经可以制备较大的阵列规模（1300 × 1300），MEMS红外转换薄膜辐射光谱近似黑体谱，覆盖中波红外（3 ~ 5 μm）和长波红外（8 ~ 12 μm），转换薄膜的驱动方式为光驱动，即通过向薄膜表面投射具有灰度分布的可见光图像，膜上像元吸收可见光能量迅速升温，从而在薄膜表面形成温度场分布，进而辐射红外图像。光驱动技术是MEMS红外转换薄膜的工作基础，本文提出一种基于DMD二值模式的光驱动技术，利用DMD先产生可见光图像投射到薄膜表面，利用薄膜的热惰性对可见光图像的能量进行积分，从而令薄膜生成的红外图像具有一定的保持时间，使得红外探测器可以在较短的积分时间内采集到全部256位灰阶的红外图像。通过对光驱动状态下的MEMS红外转换薄膜的温度-时间特性进行仿真与实验研究，验证了所提出的光驱动技术的可行性。
2 光驱动原理
MEMS红外转换薄膜结构如图1（a）所示，包括衬底、粘结层和辐射层，其中衬底和粘结层起支撑和导热作用，辐射层可以吸收可见光能量迅速升温并向外辐射红外能量。衬底材料为聚酰亚胺，在宽温度范围（-200 ~ 400℃）内都具有较好的热稳定性，粘结层材料为铬，辐射层为具有高可见光吸收率的金属黑多孔结构，其在整个可见光波段的吸收率大于95%。薄膜的光驱动工作过程如图1（b）所示，光源发出的照明光首先在时域上被调制，DMD再对时域调制后的照明光进行空间调制，得到可见光波段的写入光图像，接着通过图像写入系统将可见光图像投射到转换薄膜表面，膜上像元吸收可见光能量迅速升温，从而在薄膜表面形成与写入光图像灰度分布相对应的温度场分布，进而辐射红外图像。薄膜具有一定的热惰性，热惰性指当物体所处的环境温度瞬间变化，而物体本身温度变化的滞后性，它取决于物体本身的比热容和质量。对于MEMS红外转换薄膜来说，当写入光照射于其上时，薄膜吸收写入光能量自身逐渐升温，当撤去写入光后，薄膜的温度并不会迅速下降到环境温度，而是具有一定的保持时间，即薄膜可将写入光的能量进行短暂的累积。
图1 MEMS红外转换薄膜工作原理（a）薄膜结构（b）光驱动工作过程
光源的强度首先在时域上被调制，如图2所示，每个调制周期被划分为8个子场，第i个子场内的光功率为：
式中A为光源的最大光功率。
图2 光源调制曲线
8-bit灰度图像的每个像素的十进制灰度可转换为8位二进制灰度，二进制灰度的第i位代表的十进制灰度为2i − 1，即：
式中G(x, y)为像素(x, y)的十进制灰度，取值范围0~255；Bi(x , y)为像素(x, y)的二进制灰度的第i位，取值为0或1。
将一幅8-bit灰度图像的每个像素点的十进制灰度转换为对应的二进制灰度，然后分别提取所有像素的二进制灰度的第i位，共组成8个二值矩阵，其中第i个二值矩阵中的(x, y)元素的取值为公式（1）中的Bi(x , y)，将第i个二值矩阵代表的的二值图像记作位平面i，如图3所示。
图3 灰度图像分解
光源的一个时域调制周期分为8个子场，DMD在8个子场内分别显示8幅二值图像（位平面8至位平面1），每个位平面图像的显示时间均为Δt，如图4所示。
图4 灰度图像合成
则在一个调制周期（T = 8Δt）内，被DMD像素点(x, y)反射进入图像写入系统的平均光功率为：
由公式（3）可知，P(x, y)正比于原始8-bit灰度图像的十进制灰度G(x, y)，这表明通过上述光驱动方法可以在一个调制周期内产生256位灰度变化的写入光图像。
3 光驱动薄膜温度响应特性
3.1 薄膜温度特性仿真
当写入光图像投射到MEMS红外转换薄膜表面时，膜上像元吸收写入光能量后迅速升温，在薄膜表面形成与写入光图像灰度分布相对应的温度场分布，薄膜的温度变化可用热传导方程描述：
式中其中d=0.2 μm为薄膜厚度；3 =1300 kg/m3为薄膜密度；Cp=650 J/(kg∙K)为薄膜比热容；T0 =300 K为环境温度；ε =0.8为薄膜表面发射率；σ= 5.67 × 10-8 W/(m2∙K-4)为斯蒂芬-玻尔兹曼常数；g=36 W/(m2∙K)为等效制冷系数；T为薄膜表面温度；Q(t)为写入光功率密度。
薄膜的温度响应曲线如图5所示，加热时间和散热时间都设置为20 ms，其中写入光功率密度在加热时间内保持不变，如图5（a）所示。根据公式（4）计算薄膜表面温升随时间的变化曲线，结果如图5（b）所示，薄膜温升曲线分为升温区、温度保持区、散热区。薄膜表面的温度变化取决于其吸热速率和散热速率，根据公式（4），当薄膜表面的温度升高，其辐射散热项εσ (T4 −T40 )和制冷散热项g(T −T0 )都会增大，即薄膜的散热速率随着薄膜自身的温度升高加快。由于写入光功率保持不变，因此薄膜的吸热速率不变，在升温区，吸热速率大于散热速率，薄膜温度升高；在温度保持区，由于薄膜温度的升高，已经令散热速率等于吸热速率，此时在薄膜表面达到了动态的热平衡，薄膜温度保持平稳；当撤去写入光后，薄膜不再吸热，薄膜表面温度的热平衡被打破，薄膜表面温度逐渐下降，最终与环境温度相当。
图5 薄膜温度响应。(a)写入光功率密度曲线；(b)薄膜温度变化曲线。
图5中，τr为上升时间常数，τd为下降时间常数，由图5(b)可知随着写入光功率密度的增加，τr和τd均会减小，τr和τd越小代表薄膜的温度响应越快。
写入光按前述的第二章介绍的光驱动方法的调制波形变化，将加热时间和散热时间都设置为20 ms，仿真得到对应的薄膜温度变化曲线如图6所示，分别计算了写入光灰度值为255、157、1时的写入光调制波形及相应的薄膜温度变化曲线，由于薄膜的温度响应时间（τr和τd）随写入光功率密度的增加而减小，因此薄膜的加热时间和散热时间由图像灰度值为1时的τr和τd确定，由图6（c）可知，加热时间应不低于9 ms，散热时间应不低于9.5 ms。
图6 写入光调制波形及薄膜温度变化曲线（a）灰度值=255（b）灰度值=157（c）灰度值=1
薄膜温度保持区的平均温升与写入光的灰度值的关系如图7所示，二者基本呈线性关系，仿真结果表明可以通过控制写入光的灰度值获得256阶温度分布的红外图像，温升最大值约为112 K，单位灰度值对应的温度变化约为0.44 K。红外探测器在薄膜的温度保持区对薄膜辐射的红外图像进积分就可以采集到256位灰阶的红外图像。
图7 薄膜温度稳定区温升与写入光灰度的关系
3.2 实验研究
实验装置框图如图8所示。包括同步模块、调制光源、DMD、图像写入系统、MEMS红外转换薄膜，红外探测器/热像仪、计算机。
图8 实验装置框图
同步模块接收探测器发送的同步信号，在同步信号的触发下生成光源的调制信号和DMD的触发信号，保证光源调制波形的8个子场与DMD显示的8幅二值图像在时间上同步，同时使探测器或热像仪的积分时间落在薄膜生成的红外图像的保持时间内。光源由激光器和照明光学系统组成，激光器根据同步系统产生的光强调制信号调制出射激光功率，照明光学系统将激光进行整形和匀化后照亮DMD。DMD接收计算机发送的位平面图像序列，在触发信号的触发下同步显示各个位平面二值图像，配合调制激光生成写入光图像。写入光图像经过图像写入系统成像在MEMS红外转换薄膜上，最后生成与写入光图像对应的红外图像。
3.2.1 写入光灰度控制实验
写入光灰度控制实验装置如图9所示。将灰度值分别为255、207、243、252的全白8-bit灰度图拆分为4组位平面图像序列，每组位平面图像序列内包含8幅位平面二值图像，利用DMD分别显示不同灰度对应的位平面图像序列，利用探测器采集被DMD反射后进入图像写入系统的写入光信号，得到的波形如图10（a）所示。利用DMD 产生从0至255不同灰度的写入光图像，探测器采集到的写入光信号的平均功率如图10（b）所示，可知写入光平均功率与设置的灰度值之间基本呈线性关系。
图9 写入光图像灰度测试
图10 写入光图像灰度测试结果。(a)不同灰度值对应的写入光波形；(b)写入光平均功率与灰度之间的关系
3.2.2 红外灰度测试实验
红外灰度测试实验装置如图11所示，红外热像仪输出的同步信号作为同步装置的外同步信号，DMD出射的写入光图像经过图像写入系统投射在MEMS红外转换薄膜表面，热像仪对薄膜辐射的红外图像进行采集。改变写入光图像灰度，进而改变写入光功率密度，测得薄膜表面的温度变化如图12 (a)所示，可见薄膜表面的温升与写入光功率呈线性关系，实验结果与仿真结果（图7）一致。根据图6仿真结果可知薄膜加热时间不低于9 ms，散热时间不低于9.5 ms，为了充分验证MEMS薄膜的帧频刷新能力，实验中将加热时间和散热时间都设置为10 ms，（在仿真曲线中加热时间和散热时间均为20 ms）。当写入光灰度为255时，MEMS薄膜温度随时间的变化情况如图12 (b)所示，上升时间为8.2 ms，温度保持时间为1.8 ms，下降时间为9.2 ms，实验结果与仿真结果（图6（a））吻合。
图11 红外图像生成实验装置图
图12 红外灰度测试实验结果。（a）不同写入光功率对应的薄膜温升（b）写入光灰度为255时薄膜温度变化曲线与时间关系
利用长波红外热像仪采集到的薄膜表面生成的红外图像如图13所示。
图13 红外图像生成结果（a）计算机写入原图；（b）MEMS转换薄膜生成的红外图像
4 结论
论文提出了一种MEMS红外转换薄膜的光驱动技术，利用DMD二值模式和光源调制相结合的方法实现了8-bit写入光图像的灰度分解与灰度合成，并进行了实验验证。利用写入光图像照射MEMS红外转换薄膜生成红外图像，红外图像的温度变化与写入光图像的灰度值呈线性关系，实验结果与仿真结果相符合，产生的红外图像的温度时间曲线与仿真结果一致。本文提出的光驱动技术利用了MEMS红外转换薄膜的热惰性，对写入光图像进行时间积分，可以使红外焦平面探测器在较短的积分时间内采集到全部256位灰阶红外图像，解决了焦平面探测器积分时间和红外图像生成时间的匹配问题，已应用于某红外目标模拟器。
