基于MEMS的红外动态图像生成技术

提出了一种基于MEMS技术的红外动态图像生成技术。利用热传导方程，建立了可见光，红外图像转换膜的理论模型；介绍了可见光／红外图像转换膜制作的工艺流程，制作了一张像元数为512×512、像元尺寸为35μm的可见光／红外图像转换膜。并利用转换膜构造了红外动态图像生成装置，通过实验对红外动态图像生成装置的性能进行了研究。利用MEMS技术制作的可见光／红外图像转换膜可以工作在红外3～5μm和8—12μm两个波段。根据实验测得红外图像生成装置的空间分辨率为14lp／mm，在3—5μm波段，所生成红外图像的温度范围为250—440K，在8～12μm波段，所生成红外图像的温度范围为250—400K。

MEMS红外图像转换芯片热力学性质研究

MEMS红外图像转换芯片是一种将可见光转换为红外辐射并用于红外目标模拟器的直接辐射型器件。对MEMS红外图像转换芯片的热力学性能进行研究:与标准黑体辐射谱对比表明芯片辐射光谱为黑体谱,红外波段平均发射率0.638;通过线扩散函数研究芯片横向热传导特性,其热扩散距离随衬底厚度降低而减小,在衬底上制作周期性像元阵列可以有效降低其热传导系数,衬底厚度360nm的刻有像元的转换芯片热传导系数为0.1W/m·K;转换芯片的时间特性研究表明其时间常数随衬底厚度减小而变小,衬底厚度345nm的芯片制冷至5℃时的时间常数为2.72ms。

基于MEMS技术的动态红外场景模拟技术

基于MEMS可见光/红外转换芯片的动态红外场景生成器,具有波段宽、空间分辨率高、成本低等特点,可应用于半实物(HWIL)仿真系统中作为红外场景模拟器,也可以作为红外成像探测系统的测试设备。通过MEMS工艺在大面积自悬浮薄膜上制作周期性微结构阵列作为像元阵列实现高分辨率。本文研究了转换芯片的工作原理,并制作了像元阵列数大于1 024×1 024,像元尺寸35μm×35μm的转换芯片。利用该转换芯片构建了动态红外场景模拟器,实验结果表明动态红外场景模拟器系统满足空间分辨率大于1 024×1 024,工作波段范围3~5μm和8~12μm,温度范围283 K^500 K,帧频50 Hz,灰度等级256等性能。

宽波段动态红外场景生成技术

针对红外成像制导半实物仿真系统对宽波段、大阵列规模的动态红外场景生成技术的需求,提出了基于微机电系统工艺制作的红外图像转换芯片的动态红外场景生成技术。采用微电机系统(MEMS)工艺实验制备了像元尺寸35μm×35μm、阵列规模大于1 024×1 024、直径为7.62 cm的柔性自悬浮式转换芯片,并研究了转换芯片的时间特性和光谱特性。实验结果表明:转换芯片光谱为黑体谱,覆盖3~5μm和8~12μm。转换芯片的时间常数随衬底厚度和制冷温度的降低而变小,帧频为100 Hz。该技术具有波段范围宽、阵列规模大的优势,可以将其作为红外场景模拟器应用于半实物仿真系统中。

低温红外场景生成技术研究

提出了一种基于微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)薄膜芯片的低温红外场景生成技术,芯片本身是基于光加热的被动无源器件,因此可以将场景写入系统放在低温真空舱外。在低温环境内没有电子器件和保温层的辐射干扰,无源芯片本身能模拟的最低温度可以无限接近于低温下的环境温度。建立了理论模型和实验装置,并对薄膜芯片在低温下的空间特性和时间特性进行了测试。在7.5~14μm波段,当入射到芯片处的光功率密度为0.0275 W/mm2时,环境温度从233 K降低到173 K,可模拟温度范围从49.67 K增大到85.2 K。在环境温度173 K下,写入光功率增加到0.1233 W/mm2时,可模拟温度范围加大到367 K。当环境温度从233 K降低到173 K时,芯片的上升时间从6.52 ms增加至6.73 ms,下降时间从6.75 ms减少至6.22 ms。低温实验结果表明:环境温度越低,芯片可模拟温度范围越大,时间响应也越快。红外薄膜在低温红外场景生成技术中拥有广阔的应用前景。