用于半實物仿真的紅外場景生成技術(shù)新進展

用于半實物仿真的紅外場景生成技術(shù)新進展

0紅外場景技術(shù)主要集中在圖像的等效層網(wǎng)絡(luò)紅外場景生成技術(shù)是在實驗室為測試紅樹林圖像系統(tǒng)提供物理紅外目標和背景圖像的技術(shù)。這是紅外成像半實物模擬系統(tǒng)中的一項重要技術(shù)。紅外場景生成技術(shù)可以分為直接輻射型和輻射調(diào)制型兩種類型。直接輻射型是指場景生成器的成像元自身產(chǎn)生輻射,通過控制其輻射強度從而生成紅外圖像,典型的技術(shù)有:電阻陣列、激光二極管陣列等。輻射調(diào)制型紅外場景生成器是一種紅外波段的空間光調(diào)制器,對照射到紅外空間光調(diào)制器上的紅外光源進行空間強度調(diào)制,進而產(chǎn)生紅外圖像,主要技術(shù)有:液晶光閥、數(shù)字微鏡器件(DMD)等。以上提到的方法已經(jīng)成熟并得到了廣泛的應(yīng)用。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,新的紅外場景技術(shù)也不斷出現(xiàn),例如:超大陣列規(guī)模的薄膜鏡光調(diào)制器場景生成技術(shù)、中波紅外LED陣列紅外場景生成技術(shù)、基于聚合液晶的紅外液晶光閥紅外場景生成技術(shù)、電子束尋址反射型空間光調(diào)制器紅外場景生成技術(shù)、一種基于微型發(fā)射器的紅外場景生成技術(shù)、基于MEMS技術(shù)的單層鍺化硅紅外寬波段微發(fā)射器陣列紅外場景生成技術(shù)等。相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、仿真實驗需求不斷增加以及現(xiàn)有技術(shù)的局限,促使了更多的紅外場景生成技術(shù)的出現(xiàn),在下面一節(jié)將介紹近幾年出現(xiàn)的幾種新的紅外場景產(chǎn)生技術(shù)。1紅外場景生成新技術(shù)介紹1.1電子驅(qū)動板和原理超大陣列規(guī)模的薄膜鏡光調(diào)制器原理圖如圖1所示。這是一種基于衍射原理的空間光調(diào)制器,可以實現(xiàn)多光譜紅外場景生成。系統(tǒng)包括:高速電尋址VLSI-MMLM芯片,一個連接PC的VGA視頻輸出的電子驅(qū)動板和讀出光系統(tǒng)。在絕緣層(硅)上刻蝕二維的井陣列,在井陣列的頂端制作一層薄金屬層作為薄膜鏡,金屬層也是芯片的一個電極。在井底端有一個二維陣列的電極,使得每一個井頂端的薄膜能夠被單獨的電壓尋址。驅(qū)動的尋址電壓加在像素電極和薄膜之間,薄膜由于靜電力向井內(nèi)的方向變形。當入射光入射到被驅(qū)動的薄膜鏡陣列上時,由于被調(diào)制的薄膜鏡向鏡內(nèi)凹陷,使得被調(diào)制光產(chǎn)生衍射,利用光讀出系統(tǒng)讀出0級衍射光,形成需要的紅外圖像。襯底上井的刻蝕寬度和深度的不同使得芯片可以實現(xiàn)不同波段的光譜成像,產(chǎn)生的可見光和紅外光圖像如圖2所示。1.2紅外led生成器的研究和測量表觀溫度的影響因素隨著銻化鎵LED技術(shù)的發(fā)展,使得基于LED的紅外場景生成器的研制有了很大的發(fā)展。紅外LED陣列的發(fā)展使得紅外場景生成器的性能有了高幀頻、高動態(tài)范圍、高表觀溫度的可能。LED的發(fā)光波段相對于黑體輻射是很窄的,所以基于紅外LED的紅外場景生成器的性能很大程度上取決于紅外LED的波段相對于被測試設(shè)備的有效性。主要影響因素涉及探測器的光譜響應(yīng)范圍、輻射陣列的填充因子、輻射像素單元的輻射通量分布、探測器在測量表觀溫度時在LED陣列上的孔徑大小。圖3為3×3紅外LED陣列的圖片,目前已經(jīng)研制了256×256陣列的芯片,其填充因子為60%,其溫度預(yù)計可以達到圖4所示的3×3陣列的實驗數(shù)據(jù)。1.3材料上的驗證目前電阻陣列的發(fā)展被限制在單像素溫度低于1000K。試驗證明,過渡金屬氧化物和碳化物材料可以使電阻陣單像素溫度達到3000K。實驗預(yù)期的材料單像素溫度達到2500K,中波紅外的溫度達到2000K,響應(yīng)時間為5ms。1.4基于聚合物的紅外海水淡化光閥的設(shè)計紅外液晶光閥的主要問題是幀頻低(低于50Hz),且很難達到高幀頻。為了增加響應(yīng)速度,可以減小液晶光閥的厚度,但是這會犧牲紅外圖像的對比度。有一種聚合物材料,可以制作高一致性、低粘附性、大雙折射性的液晶。通常這樣的材料有很窄的液晶相位,需要高的操作溫度且穩(wěn)定性很差。這種基于聚合物的紅外液晶光閥,可以提高紅外液晶光閥的響應(yīng)速度,表現(xiàn)出了快速響應(yīng)和低厚度依賴性,且制作簡單,可靠性高,在可見光到紅外的轉(zhuǎn)換中,實現(xiàn)了100Hz幀頻和10lp/mm的分辨率。其紅外圖像產(chǎn)生原理與普通液晶光閥的原理相同,構(gòu)成結(jié)構(gòu)如圖5所示。1.5微鏡和微鏡的結(jié)合電子束尋址微鏡空間光調(diào)制器是在1950年由R.KOrthuber提出的專利概念。隨著現(xiàn)代的微加工技術(shù)的發(fā)展,生產(chǎn)出了增強型升級版的光調(diào)制器(ECM),一種用于半實物仿真場景生成的電子束尋址的反射型空間光調(diào)制器,其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6中包括一個ECM(增強版的光調(diào)制器)圖像生成器,一個光源,一個匯聚透鏡,一個冷透鏡,一個光闌,投影透鏡,波長濾光輪和屏幕。操作流程中,一束調(diào)校好的光束通過匯聚透鏡照射到微鏡陣列上。這些微鏡在掃描的電子束的驅(qū)使下偏轉(zhuǎn)。濾光輪可以選擇所需光譜的波段。光學(xué)系統(tǒng)用來區(qū)分經(jīng)過偏轉(zhuǎn)微鏡反射的光和經(jīng)過沒有偏轉(zhuǎn)微鏡反射的光。在靜態(tài)條件下,入射光被沒有偏轉(zhuǎn)的微鏡反射并聚焦到光闌的中心。微鏡在有驅(qū)動時入射光經(jīng)微鏡反射后被分散開來,部分直接進入光闌然后進入投影透鏡匯聚到屏幕上。顯示的強度受微鏡偏轉(zhuǎn)程度的影響。通過阻擋經(jīng)過沒有偏轉(zhuǎn)微鏡的反射光和收集分散光,可以實現(xiàn)很高的對比度。這種技術(shù)的應(yīng)用的波長范圍為200~2000nm之間,幀頻能夠達到400Hz,分辨率可以達到1024×1024以上。1.6基于lcos的紅外場景生成器目前國際上紅外場景生成技術(shù)中,電阻陣列是最成熟的技術(shù),動態(tài)范圍和響應(yīng)時間很好。但僅由單一的生產(chǎn)商支持,非常貴,很難產(chǎn)生復(fù)合波段的場景,產(chǎn)生高溫(>1000℃)也很困難,像素不穩(wěn)定,甚至容易融化。DMD可以大量生產(chǎn)而且便宜,像LCOS一樣,有很大的消費市場。但是DMD顯示是二進制設(shè)備,必須用于脈沖編碼的調(diào)制程序來產(chǎn)生灰度等級。對于掃描探測器來說這種模式必須同步,否則不能使用。盡管這種設(shè)備的幀頻很高,但高幀頻和高分辨率只能選其一。此外,數(shù)字微鏡陣列的像元太小(<15μm)容易產(chǎn)生衍射。最近由KentOptronics公司生產(chǎn)的一種新型的基于LCOS技術(shù)的紅外場景生成器可以達到非常的高表面溫度。用于長波紅外波段,最高模擬的表面溫度可達1500℃以上,比原來的器件最高溫度的2倍還高。由于其整個陣列表面都能模擬高溫度,同樣也可以模擬中等的溫度,因此不需要加入一些高溫點源生成器。這種高溫性能是通過一種新的改進大像元、高電壓、16bit的空間光調(diào)制器與一個強的光譜照明源和特殊形式的液晶耦合成的。這種新的液晶形式和空間光調(diào)制器的構(gòu)造同樣也能夠滿足200Hz的幀頻。利用熱像儀采集的基于LCOS的紅外場景生成器的最高溫度為1400℃的圖像如圖7所示,由于LCOS是輻射調(diào)制型技術(shù),所以不需要實際模擬到很高的物理溫度,使用極高溫黑體輻射源就可以解決高溫模擬問題。在長波紅外波段現(xiàn)在已經(jīng)有很多可用的照明源可以提供超過1500℃的最大表面溫度,于此同時也能夠達到足夠的“黑色范圍”(15~20℃)。新的512×512的LCOS底板具有更大的像元(約37.5μm),可以減小長波紅外的衍射效應(yīng)。1.7航天器和支撐腰結(jié)構(gòu)基于微發(fā)射器電阻陣列的紅外場景生成器發(fā)展了近20年,以往的電阻陣列很難產(chǎn)生復(fù)合波段的場景,產(chǎn)生高溫(>1000℃)也很困難,像素不穩(wěn)定,甚至容易融化。一種新型的電阻陣列通過結(jié)構(gòu)上的改進實現(xiàn)了高表面溫度和快速響應(yīng)時間。這是一種改進的微型發(fā)射器,基于1.2μm的CMOS加工,微型發(fā)射器是懸浮的微型橋結(jié)構(gòu),中間有個微型發(fā)熱器,通過熱橋可以被加熱到很高溫度來產(chǎn)生紅外輻射。懸浮薄膜的熱傳導(dǎo)和熱容量受薄膜的組成材料和厚度、形狀結(jié)構(gòu)影響。想要在有限的功率下達到高表面溫度輸出和快速的溫度響應(yīng)速度,發(fā)射像素要有低的熱傳導(dǎo)和熱容量。材料在標準CMOS加工中不能隨意選擇,所以只能降低薄膜厚度和設(shè)計可行的形狀來滿足要求。圖8是兩種不同的支撐腿結(jié)構(gòu)的發(fā)射器的照片。這種發(fā)射器的厚度被降到了1.5μm,兩種結(jié)構(gòu)都是50×50μm的尺寸。長支撐腿結(jié)構(gòu)可以降低熱傳導(dǎo)率,并且可以在加熱后產(chǎn)生形變和彎曲。形變和彎曲在溫度改變時能有效的緩解薄膜的壓力。相反的,蹦床式短支撐腿的結(jié)構(gòu)不能產(chǎn)生這種形變這是因為4條短腿已經(jīng)把中心拉的很緊了。通過實驗驗證,4條短腿的結(jié)構(gòu)可以達到110℃/mW,4條長腿的結(jié)構(gòu)可以達到220℃/mW,并可以被加熱到白熾狀態(tài)。上升時間1.1ms,下降時間0.3ms,幀頻高于200Hz。這種結(jié)構(gòu)已被應(yīng)用到128×128的陣列生成器中。1.8多晶哌化硅的熱采用u型結(jié)構(gòu)盡管使用Honeywell平面技術(shù)的熱量型紅外微發(fā)射器的電阻陣列紅外發(fā)射器過去10年一直持續(xù)使用,但一種重要缺點是電阻陣的雙級結(jié)構(gòu),導(dǎo)致低填充因子以及層間的機械和熱量壓力。最近開發(fā)的一種新的技術(shù)是由單層的多晶鍺化硅構(gòu)成的熱量發(fā)射器。加工過程是在硅的薄片上刻蝕二氧化硅層,在二氧化硅層上是鍺化硅的薄膜,通過低壓化學(xué)蒸鍍加工。為達到ms量級的響應(yīng)時間,薄膜做到130~260nm厚以最大程度減小熱容。為了減少在支撐腿上的能量損失,植入了硼來進行加工,使得薄膜層的電阻比支撐腿的電阻高很多。為了保持機械性穩(wěn)定,使用了U型結(jié)構(gòu),如圖9所示。這種發(fā)射器為具有128個元素的線性陣列,88%的填充率,2.5μm厚的共振腔。200nm厚的60μm×60μm的發(fā)射像元U型結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)2~7