Генерация динамических тепловизионных изображений в Ближнем и Дальнем ИК диапазонах Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 681.2.084

ГЕНЕРАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В БЛИЖНЕМ И ДАЛЬНЕМ ИК ДИАПАЗОНАХ

Игорь Сергеевич Гибин

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории информационной оптики, e-mail: [email protected]

Виктор Иванович Козик

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории информационной оптики, e-mail: [email protected]

Евгений Семенович Нежевенко

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории информационной оптики, e-mail: [email protected].

При создании специализированных стендов контроля и оценки параметров информационных систем важное значение имеют устройства формирования тестовых полей. В отличие от стандартных статических тест-объектов в работе рассматриваются микрозеркальные модуляторы, способные генерировать динамические (перестраиваемые) изображения в реальном времени. Для применения таких модуляторов в инфракрасном диапазоне спектра была проведена их модернизация путем замены обычных защитных стекол модуляторов на материалы, прозрачные в ИК диапазоне вплоть до длины волны 14 мкм. Были разработаны соответствующая технология и специальное оборудование. В результате были созданы микрозеркальные модуляторы, способные работать в ИК области спектра. Приводятся результаты экспериментов. Доработанные модуляторы показали свою работоспособность в составе инфракрасных имитационно-моделирующих стендов и являются перспективными при разработке современных систем контроля и динамического тестирования инфракрасных фотоприемных устройств и систем.

Ключевые слова: инфракрасный диапазон, тепловизор, микрозеркальный модулятор, тестовые объекты, динамические тесты.

GENERATION OF DYNAMIC THERMOVISION IMAGES IN NEAR AND FAR IR RANGES

Igor S. Gibin

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Kop-tyug Prospect, D. Sc., Professor, chief scientific of Laboratory of Information Optics, e-mail: [email protected]

Victor I. Kozik

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Kop-tyug Prospect, Ph. D., senior researcher of Laboratory of Information Optics, e-mail: [email protected].

Eugenij S. Nezhevenko

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Akademik Kop-tyug Prospect, D. Sc., leading researcher of Laboratory of Information Optics, e-mail: [email protected].

While creating specialized stands for control and evaluation of information systems parameters detesting fields forming devices are of great importance. Contrary to basic static test-objects, this work observes micro-mirror modulators which are able to produce dynamic (tunable) images in real time. For application of such modulators in the infrared spectrum range modernization was held: usual protective glasses of modulators were changed by materials that are transparent in IR range up to the wavelength of 14 mcm. Corresponding technology and special equipment have been worked out. As the result, micro-mirror modulators that are able to work in IR spectrum range have been created. The results of the experiments are presented. Updated modulators have demonstrated their efficiency as part of infrared stimulated-modelling stands and are now perspective for working out of modern systems of control and dynamic testing of infrared photoreceiving devices and systems.

Key words: infrared spectrum range, thermovision device, micro-mirror modulator, test objects, dynamic tests.

Одним из важнейших этапов при создании приборов ночного видения (ПНВ) является их всестороннее испытание. В настоящее время эти испытания в основном проводятся в статическом режиме с помощью медленно сменяемых мир, в лучшем случае - с помощью механически перемещаемых точечных объектов. В реальной же обстановке этим приборам приходится следить за быстро перемещающимися и изменяющимися целями, в этом режиме характеристики ПНВ могут существенно отличаться от характеристик, измеренных в статическом или квазистатическом режиме. Поэтому весьма актуальна задача разработки и создания принципов и систем для генерации динамических тестов для испытания ПНВ. Ключевыми элементами этих стендов являются преобразователи изображений, сформированных на компьютере, в инфракрасную область спектра, обеспечивающие формирование как статических тестовых изображений, так и приближающихся к реальным динамических сцен. При формировании тепловизионного изображения необходимо учитывать два физических параметра, характеризующих тело, создающее это изображение: температуру тела, задающую спектральный состав излученного ИК потока и излучательную (отражательную) способность каждого участка тела. Известны имитационные системы, моделирующие температурное распределение [1]. Однако сочетать их с системами, имитирующими излучательную способность, чрезвычайно трудно. В то же время следует учесть, что любой тепловизор реагирует лишь на энергию принимаемого им излучения, так что достаточно правильной дозировки энергии, чтобы сымитировать практически любое тепловое излучение тела. Мы считаем, что для этого наилучшим вариантом является микрозеркальный модулятор на основе DLP-технологий (digital light processing ) [2].

Размерность изображений, генерируемых таким модулятором, может достигать 1800 х 1200 пикселов, частота смены кадров - 50-400 кадров/сек, выходное тепловизионное изображение формируется на основе входного цифро-

вого сигнала с разрешением до 16 бит. В настоящем докладе описываются макеты экспериментальных имитационно-моделирующих стендов,разработанных на основе DLP технологий для генерации изображений в диапазонах длин волн 3-5 мкм, и 9-12 мкм, а также приводятся результаты их экспериментальных исследований.

В 1987 году Dr. Larry J. Hornbeck изобрел цифровое микрозеркальное устройство (Digital Micromirror Device - DMD). Это изобретение завершило десятилетние исследования Texas Instruments в области микромеханических деформируемых зеркальных устройств. Суть открытия состояла в отказе от гибких зеркал в пользу матрицы жестких, имеющих два устойчивых положения.

По сути DMD это цифровой микро-опто-электромеханический пространственный модулятор света. В основе работы устройства заложена широтно-импульсная модуляция. В составе соответствующей оптической системы DMD может использоваться для модуляции амплитуды падающего светового пучка. Архитектурно DMD - это полупроводниковое устройство с электрическим входом и оптическим выходом с фиксированными состояниями. Эта архитектура делает DMD хорошо пригодным для использования в приложениях, в которых требуется обеспечить оптический выход под управлением компьютера [3].

Электрически DMD состоит из двумерного массива ячеек памяти CMOS на 1 бит, сгруппированных в виде прямоугольной сетки ячеек памяти. Оптически DMD состоит из управляемых в цифровой форме алюминиевых микрозеркал с высоким коэффициентом отражения, организованных также в виде аналогичного двумерного массива. Каждое индивидуальное микрозеркало установлено поверх соответствующей ячейки памяти CMOS. На рис. 1 приведена схема DMD модулятора в трактовке изготовителя - Texas Instruments.

Рис. 1

Микрозеркало крепится к жесткой подложке, которая соединяется с основанием матрицы. Под противоположными углами зеркал в направлении, перпендикулярном относительно диагонали массива элементов, размещены электроды, соединенные с ячейками памяти CMOS. Угловая позиция каждого микрозеркала определяется состоянием (логический 0 или 1) соответствующей ячейки памяти CMOS. Под действием электрического поля подложка с зеркалом благодаря ограничителям принимает одно из двух фиксированных положений. Запись логической 1 в ячейку памяти приведет к переключению соответствующего микрозеркала в состояние «Включено», при этом притягивается угол микрозеркала со стороны левого верхнего угла массива, а запись логического 0 - в состояние «Выключено» (притягивается угол со стороны правого нижнего угла).

Для создания генераторов инфракрасных изображений было выбрано два типа модуляторов: микросхема 8060-6439B (разрешение 1024 х 768 пикселей) и микросхема S8060-6408 (разрешение 800 х 600 пикселей).

Микрозеркало у 8060-6439B имеет размер приблизительно 11 х 11 мкм, у S8060-6408 - 13 х 13 мкм и переключаются между двумя дискретными угловыми позициями +12° и -12°. Угловые позиции определяются относительно 0° - «базовое состояние», которое параллельно плоскости массива (рис. 1). При модификации DLP проектора для диапазона длин волн 3-5 мкм DMD модулятор не дорабатывался, поскольку его защитное стекло было прозрачно в этом диапазоне на уровне 3-5 %, этого оказалось достаточно для получения как статических тестов, так и динамических. Так что доработка DLP проектора свелась к замене оптики (с видимого диапазона на инфракрасный) и источника излучения. Расположение источника для диапазона 3-5 мкм было таким же, как и для видимого, как показано на рис. 1 - в плоскости, проходящей через центр отражающей поверхности, перпендикулярной осям вращения зеркал под углом 240 к нормали к поверхности. Считывание изображений производилось тепловизором для соответствующей области длин волн, результаты его для статических тестов представлены на рис. 2, а, б, динамического (кадр телевизионного фильма) - на рис. 2, в.

а)

б) Рис. 2

в)

Более сложные проблемы возникли при переходе к диапазону 9-12 мкм. Защитное стекло здесь оказалось совершенно непригодным, пришлось заменить его на пластину из прозрачную в диапазоне 0,5-16 мкм. Технологически это было сделать очень непросто: при съеме штатного стекла требовалось не допустить попадания на рабочую плоскость даже пылинки, а при наклейке новой пластины необходимо было обеспечить вакуум внутри микросхемы. После того, как все это было сделано, мы установили микросхему и соответствующий источник на их места, ожидая получить на выходе тепловизора размазанную картину: ведь размер зеркала (13 мкм) почти равен длине волны. Но ошиблись: при таком расположении тепловизора с оптикой и источника излучения свет в объектив тепловизора вообще не попадал. Тем не менее мы нашли положение источника, при котором изображение считывалось тепловизором, результат этого процесса представлен на рис. 3 а, б.

а) б)

Рис. 3

Изменение положения источника мы связываем с тем, что набор микрозеркал в рабочем положении представляет собой пилообразную дифракционную решетку с шагом, близким длине волны, а отражение света такой решеткой весьма специфично.

Генерация тепловизионных изображений весьма эффективно производится с помощью микрозеркальных устройств. Разработана технология модернизации микрозеркальных модуляторов для работы в инфракрасном диапазоне спектра. Доработанные модуляторы показали свою работоспособность в составе инфракрасных стендов и являются перспективным при разработке современных систем контроля и тестировании инфракрасных фотоприемников и систем.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Kevin Sparkman, Joe LaVeigne, Jim Oleson, Greg Franks, Steve McHugh, John Lannon, and Steve Solomon Performance improvements in large format resistive array (LFRA) infrared scene projectors (IRSP) // Proc. SPIE 6942, (2008).

2. Гибин И. С., Козик В. И., Нежевенко Е. С. Макетирование и экспериментальное исследование систем генерации динамической сцены для тестирования тепловизионных приборов // Автометрия. - 2013. - Т. 49, № 1. - С. 80-86.

3. http://www.ti .com/lit/ds/symlink/dlp5500.pdf

© И. С. Гибин, В. И. Козик, Е. С. Нежевенко, 2017