李 卓,周 朗,劉 丹,王 欣,徐立強(qiáng)

(1.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院,北京 100081;2.精密光電測(cè)試儀器與技術(shù)北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

0 引言

動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景模擬技術(shù)可在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和背景的紅外輻射特性,是紅外成像制導(dǎo)半實(shí)物仿真試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。目前,國(guó)內(nèi)主要有3種動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景生成技術(shù)：電阻陣列[3-4]、數(shù)字微鏡器件(DMD)[5-7]和基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片[8-9]。其中,電阻陣列對(duì)“CMOS+MEMS”生產(chǎn)工藝要求較高,難以實(shí)現(xiàn)大陣列規(guī)模。我國(guó)研發(fā)的第2代復(fù)合薄膜電阻陣列器件陣列規(guī)模達(dá)512×512,中波等效黑體溫度為250 ℃,長(zhǎng)波等效黑體溫度為150 ℃。我國(guó)研發(fā)的第3 代懸浮薄膜電阻陣列器件陣列規(guī)模為128×128,中波等效黑體溫度為350 ℃,但公開(kāi)報(bào)道的已用于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模擬器的電阻陣列僅為256×256。我國(guó)基于DMD 的動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景生成技術(shù)大多使用TI公司生產(chǎn)的XGA 型號(hào)器件,通過(guò)更換紅外窗口實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景模擬,陣列規(guī)模為1 024×768。但其受長(zhǎng)波紅外衍射的限制,存在長(zhǎng)波圖像對(duì)比度低的問(wèn)題,在8～12μm 波段還沒(méi)有成功的整機(jī)系統(tǒng)報(bào)道?；贛EMS工藝的紅外圖像轉(zhuǎn)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(guī)模大于1 024×1 024,可以滿足大多數(shù)動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景模擬系統(tǒng)的要求,已裝備于國(guó)內(nèi)多家低溫、多光譜、光學(xué)/微波復(fù)合等半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中。本文主要對(duì)MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片的陣列規(guī)模、時(shí)間特性和光譜特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,并搭建了基于轉(zhuǎn)換芯片的動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景模擬系統(tǒng)。

1 轉(zhuǎn)換芯片理論模型

MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片是一種具有表面周期性微結(jié)構(gòu)的大尺寸自支撐復(fù)合薄膜,其結(jié)構(gòu)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(wěn)定性高,可長(zhǎng)時(shí)間工作于473～623 K,分解溫度超過(guò)800 K。低的熱膨脹系數(shù)滿足高低溫環(huán)境使用要求。芯片表面通過(guò)光刻、干濕法刻蝕工藝制備出周期性像元陣列,每個(gè)像元僅通過(guò)熱隔離腿與PI襯底連接。像元表面制備低熱質(zhì)量的金屬黑或碳納米管多孔薄膜實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光的高吸收率。MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片是基于材料熱傳導(dǎo)性質(zhì)工作的。當(dāng)可見(jiàn)光照射到芯片像元上時(shí),像元吸收光能轉(zhuǎn)換為熱能,并產(chǎn)生黑體輻射。當(dāng)可見(jiàn)光攜帶的能量具有特定空間分布時(shí),轉(zhuǎn)換芯片不同像元吸收不等量的光能,形成不同的溫度場(chǎng)分布,進(jìn)而生成與可見(jiàn)光圖像對(duì)應(yīng)的紅外圖像。

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

因?yàn)檗D(zhuǎn)換芯片工作在高真空環(huán)境,且厚度較薄,所以芯片僅通過(guò)薄膜橫向熱傳導(dǎo)和輻射2種方式與周圍環(huán)境進(jìn)行換熱。芯片的實(shí)際溫度可用一維熱傳導(dǎo)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(dǎo)系數(shù);ε為芯片表面發(fā)射率;σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù);T0為環(huán)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(jiàn)光能量后產(chǎn)生紅外輻射εσ(T4-),輻射波段覆蓋中波和長(zhǎng)波2個(gè)波段。然后經(jīng)過(guò)真空腔紅外窗口(膜系λ1～λ2)進(jìn)行濾波,實(shí)現(xiàn)中波和長(zhǎng)波2個(gè)波段內(nèi)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(dāng)黑體溫度為T(mén)時(shí),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(shù);c2=1.438 7(cm·K)為第二輻射常數(shù);ξ(λ)為光譜發(fā)射率。不同溫度黑體的光譜輻射出射度隨波長(zhǎng)變化,輻射峰值波長(zhǎng)滿足維恩位移定律λmT=2 897(m·K),其中,λm為峰值波長(zhǎng)。因此,可通過(guò)調(diào)制輸入光能量,實(shí)現(xiàn)芯片輻射光譜位置和強(qiáng)度的改變。

使用瞬態(tài)解分析MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)間特性。當(dāng)光照中止時(shí),轉(zhuǎn)換芯片上位置x處的實(shí)際溫度隨時(shí)間變化關(guān)系表示為

式中：ΔT為t時(shí)刻的溫度差;ΔT0為t=t0處的溫度差。因?yàn)楸∧釋?dǎo)率很低,所以時(shí)間因子τ可以表示為

從式(4)可以看出,轉(zhuǎn)換芯片溫度以指數(shù)形式衰減,熱衰減時(shí)間與環(huán)境溫度T0、表面發(fā)射率ε和芯片熱質(zhì)量有關(guān)。對(duì)芯片進(jìn)行制冷,式(4)可擴(kuò)展成

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

2 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 陣列規(guī)模

通過(guò)實(shí)驗(yàn)制備的MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片如圖2 所示,芯片直徑為75 mm,像元區(qū)域直徑為65 mm。使用掃描電子顯微鏡SEM 觀察轉(zhuǎn)換芯片微觀結(jié)構(gòu),像元中心間隔35μm,陣列規(guī)模大于1 024×1 024。作為電阻陣和DMD 兩種方式,陣列規(guī)模很難實(shí)現(xiàn)1 024×1 024,而MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片則可以實(shí)現(xiàn)1 024×1 024以上的陣列規(guī)模,大于1 000×1 000陣列規(guī)模稱為大陣列規(guī)模。

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

2.2 時(shí)間特性

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。采用該裝置對(duì)MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)間特性進(jìn)行研究。使用信號(hào)發(fā)生器對(duì)532 nm 激光進(jìn)行方波調(diào)制。激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直勻化光學(xué)系統(tǒng)照射到吸收層表面,圓形光斑功率密度為4.5 W/cm2。轉(zhuǎn)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(diǎn)源探測(cè)器對(duì)輻射信號(hào)進(jìn)行采集。轉(zhuǎn)換裝置的幀頻大于100 Hz時(shí)就可以稱為高幀頻。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental device diagram

轉(zhuǎn)換芯片的PI襯底是通過(guò)旋涂前驅(qū)體聚酰胺酸溶液,然后經(jīng)過(guò)高溫亞胺化制備,因此可以通過(guò)控制旋涂速度實(shí)現(xiàn)不同襯底厚度的PI。使用臺(tái)階儀標(biāo)定3個(gè)不同厚度的轉(zhuǎn)換芯片,結(jié)果見(jiàn)表1。由表可見(jiàn),轉(zhuǎn)換芯片平均厚度分別為1 279.26,697.73,344.95 nm。測(cè)試時(shí),芯片受光照后,溫度迅速升高至熱平衡,此時(shí)芯片輻射強(qiáng)度達(dá)到最大值。當(dāng)光照消失時(shí),芯片溫度開(kāi)始降低,芯片輻射強(qiáng)度隨之下降。

表1 轉(zhuǎn)換芯片厚度Tab.1 Thickness measurement of transducer

定義轉(zhuǎn)換芯片的輻射強(qiáng)度從最大值下降最大值的e-1所需時(shí)間為轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)間常數(shù)τ。圖4(a)為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的熱衰減曲線,使用式(3)對(duì)曲線進(jìn)行e指數(shù)擬合,得到3 個(gè)轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)間常數(shù),即6.73,5.46,2.76 ms;標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.000 019,0.000 014和0.000 18。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明襯底越薄,芯片的熱衰減速度越快,時(shí)間常數(shù)越小。圖4(b)為工作環(huán)境溫度對(duì)轉(zhuǎn)換芯片3的時(shí)間特性影響研究。擬合得到的300 K和278 K 制冷溫度下,轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)間常數(shù)分別為3.66 ms和2.76 ms。結(jié)果說(shuō)明：對(duì)同一個(gè)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行制冷控制可以減小時(shí)間常數(shù)。

基于上述結(jié)論,優(yōu)化后的轉(zhuǎn)換芯片時(shí)間特性測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。由圖可見(jiàn),激光調(diào)制頻率為100 Hz時(shí),芯片的上升和下降時(shí)間均小于2 ms。圖中縱坐標(biāo)是歸一化強(qiáng)度,橫坐標(biāo)是時(shí)間。

2.3 光譜特性

將圖3的點(diǎn)源探測(cè)器替換為Omniλ-300掃描光柵光譜儀,測(cè)量MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片在3～12μm 范圍內(nèi)的輻射光譜,并使用標(biāo)準(zhǔn)黑體進(jìn)行矯正。使用鎖相放大器對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行放大,探測(cè)器型號(hào)為DEC-KMPV,波長(zhǎng)相應(yīng)范圍為2～14μm。圖6為383 K 黑體的光譜理論曲線和實(shí)測(cè)曲線,信號(hào)強(qiáng)度差異主要源于大氣衰減,包括4.3μm 處的CO2強(qiáng)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(qiáng)吸收帶等[11]。

使用反射法測(cè)量室溫下轉(zhuǎn)換芯片3～12μm 處光譜發(fā)射率。根據(jù)發(fā)射率的定義,忽略溫度對(duì)發(fā)射率的影響,轉(zhuǎn)換芯片在波長(zhǎng)為λ的發(fā)射率可表示為

圖4 轉(zhuǎn)換芯片時(shí)間特性實(shí)驗(yàn)Fig.4 Temporal characteristics experiments of transducer

圖5 優(yōu)化后的轉(zhuǎn)換芯片時(shí)間特性實(shí)驗(yàn)Fig.5 Optimized temporal characteristics experiments of transducer

圖6 383 K 黑體光譜實(shí)測(cè)曲線與理論曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of measured and theoretical spectrum curves of 383 K black body

式中：r(λ)表示波長(zhǎng)為λ的反射率;t(λ)表示波長(zhǎng)為λ的透過(guò)率[10]。根據(jù)基爾霍夫定律,轉(zhuǎn)換芯片在3～12μm 波段的發(fā)射率可描述為

式中：I(λ)表示波長(zhǎng)為λ的輻射光強(qiáng)度。使用傅里葉紅外光譜儀測(cè)得轉(zhuǎn)換芯片的反射率約為5%,透過(guò)率為29.8%,求得溫度為室溫時(shí)轉(zhuǎn)換芯片在3～12μm 波段的平均發(fā)射率為0.652。其中,3～5μm波段的平均發(fā)射率為0.713,8～12μm 波段的平均發(fā)射率為0.619。發(fā)射率曲線如圖7所示。

圖7 室溫下轉(zhuǎn)換芯片光譜發(fā)射率Fig.7 Spectrum emission of transducer at room temperature

使用532 nm 激光加熱薄膜,使用長(zhǎng)波測(cè)溫?zé)嵯駜x對(duì)轉(zhuǎn)換芯片的表觀溫度Tr進(jìn)行監(jiān)測(cè)。長(zhǎng)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(guò)率。當(dāng)近距離測(cè)量時(shí),τa=1。因此,轉(zhuǎn)換芯片的發(fā)射率為

由圖7可得,轉(zhuǎn)換芯片的發(fā)射率在不同波長(zhǎng)時(shí)變化較小。對(duì)于相同溫度的轉(zhuǎn)換芯片和黑體,在所有波長(zhǎng)下,轉(zhuǎn)換芯片的輻射強(qiáng)度相比黑體的輻射強(qiáng)度等比例降低。因此,兩者的輻射光譜形狀相同。通過(guò)調(diào)節(jié)黑體溫度,使得光譜儀測(cè)得的黑體輻射光譜與轉(zhuǎn)換芯片輻射光譜重疊,此時(shí)轉(zhuǎn)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(jì)算得到轉(zhuǎn)換芯片的發(fā)射率。圖8為使用光譜儀測(cè)得的MEMS轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qiáng)度驟降處為CO2吸收峰。由式(7)計(jì)算得到轉(zhuǎn)換芯片在中波波段的平均發(fā)射率約為0.4。降低激光功率,使轉(zhuǎn)換芯片峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。當(dāng)芯片表觀溫度為383 K 時(shí),長(zhǎng)波光譜曲線與423 K黑體一致,如圖8(b)所示。由式(8)計(jì)算得到：轉(zhuǎn)換芯片在長(zhǎng)波波段的平均發(fā)射率約為0.6。

圖8 轉(zhuǎn)換芯片光譜實(shí)驗(yàn)Fig.8 Spectrum experiments of transducer

3 動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景模擬系統(tǒng)

圖9為基于MEMS紅外轉(zhuǎn)換芯片的動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景模擬系統(tǒng)框圖。由圖可見(jiàn),系統(tǒng)包括圖像寫(xiě)入系統(tǒng)、紅外圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、紅外投影光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)。

圖9 動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景模擬器系統(tǒng)框圖Fig.9 Schematic diagram of the dynamic IR scene generation system

圖像寫(xiě)入系統(tǒng)接收上位機(jī)輸出的視頻信號(hào)和同步信號(hào),可以為MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片提供可見(jiàn)光灰度圖像,主要包括：照明系統(tǒng)、DMD 微顯示器及其驅(qū)動(dòng)電路、同步電路、寫(xiě)入光成像鏡頭。其中,照明系統(tǒng)為準(zhǔn)直勻化的532 nm 激光器,為DMD 芯片提供高功率光源。通過(guò)調(diào)節(jié)激光功率可控制轉(zhuǎn)換芯片輻射光譜范圍。DMD 驅(qū)動(dòng)電路受外同步脈沖調(diào)制,產(chǎn)生可見(jiàn)光灰度圖像,保證紅外視頻與探測(cè)器同步。產(chǎn)生的灰度圖像由寫(xiě)入光成像鏡頭投影到紅外圖像轉(zhuǎn)換器中。

紅外圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為反射式紅外圖像轉(zhuǎn)換器,為MEMS紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片提供低溫真空工作環(huán)境,主要包括全波段窗口、制冷熱沉、電氣接口及密封結(jié)構(gòu)。可見(jiàn)光構(gòu)成灰度圖像由可見(jiàn)光窗口入射到薄膜上。轉(zhuǎn)換芯片的每個(gè)像元對(duì)應(yīng)于寫(xiě)入光灰度圖像上的1個(gè)像素。因?yàn)槊總€(gè)寫(xiě)入圖像像素?cái)y帶的能量不同,所以每個(gè)像元吸收的熱量也會(huì)不同,這樣就會(huì)在薄膜表面產(chǎn)生不同的溫度場(chǎng)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(guò)窗口,被前端的光學(xué)投影系統(tǒng)讀出,最終生成紅外圖像,被紅外焦平面探測(cè)。紅外圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換芯片所需的溫度環(huán)境由制冷系統(tǒng)控制。

基于MEMS紅外轉(zhuǎn)換芯片的紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模擬器具備工作波段范圍為3～5μm 和8～12μm,陣列規(guī)模大于1 024×1 024,溫度范圍為278～623 K,時(shí)間常數(shù)為2.76 ms,灰度等級(jí)大于256,模擬器輸出的紅外圖像如圖10所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖10 動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景生成系統(tǒng)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(shù)的紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片理論模型,制備的轉(zhuǎn)換芯片像元尺寸為35μm,陣列規(guī)模大于1 024×1 024;利用該轉(zhuǎn)換芯片搭建了動(dòng)態(tài)紅外場(chǎng)景模擬系統(tǒng);主要對(duì)轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)間特性與光譜特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：MEMS轉(zhuǎn)換芯片熱衰減時(shí)間與芯片厚度和制冷溫度有關(guān)。芯片厚度越小,工作溫度越低,則熱衰減時(shí)間越短,響應(yīng)越快。采用高轉(zhuǎn)速旋涂工藝制備的厚度為345 nm 的轉(zhuǎn)換芯片在278 K時(shí)的時(shí)間常數(shù)為2.76 ms,幀頻達(dá)100 Hz。使用反射法測(cè)量了芯片室溫下的發(fā)射率約為0.6。使用掃描光柵光譜儀測(cè)量轉(zhuǎn)換芯片的輻射光譜,并與黑體譜對(duì)比,光譜覆蓋范圍為3～5μm 和8～12μm。通過(guò)控制寫(xiě)入光功率可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換芯片的光譜范圍,在表觀溫度473 K時(shí),中波發(fā)射率約為0.4,表觀溫度383 K 時(shí),長(zhǎng)波發(fā)射率約為0.6?；贛EMS紅外轉(zhuǎn)換芯片的紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模擬器具有波段范圍寬、陣列規(guī)模大的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)用于各半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)中。此外,隨著紅外探測(cè)器精度的發(fā)展,紅外成像制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)對(duì)紅外動(dòng)態(tài)場(chǎng)景模擬器的精度提出越來(lái)越高的要求。因此,基于MEMS技術(shù)的紅外圖像轉(zhuǎn)換芯片將向多光譜、大陣列、高動(dòng)態(tài)范圍、高幀頻的方向發(fā)展,光譜范圍為0.9～14 μm,陣列規(guī)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。