红外目标模拟器（二）—DMD如何决定分辨率、灰度与帧频

继上期介绍红外目标模拟器（红外动态目标模拟器（一）—从技术指标到仿真系统应用），从本期起，我们将系统分析红外目标模拟器的核心性能指标。本篇首先结合DMD芯片的工作机制，深入探讨其对分辨率、灰度等级与帧频的决定作用。

DMD是美国德州仪器公司（TI）开发的一种空间光调制器，通过对红外辐射进行反射调制而得到红外图像。它是一种单片集成的微机电系统，把电、机械、光学功能集成在一个半导体芯片上，具有在数字信号下快速反射光的性能。

 （a）DMD芯片          （b）DMD像元的扫描电镜图

图1展示了DMD芯片与像元结构。每个DMD芯片由数百万个微反射镜单元组成，每个微镜可沿对角线方向偏转±12°（不同型号略有差异），以反射光束至不同位置，实现光强调制。

常用型号包括：

0.7”XGA DMD：分辨率1024×768，镜元尺寸13.68μm；

DLP9500：分辨率1920×1080，镜元尺寸10.8μm。

红外目标模拟器的空间分辨率与所采用DMD芯片的分辨率直接对应，芯片性能决定了系统的成像精度与细节表现能力。

单个DMD微反射镜单元的结构可分为四个部分，如下图所示：

1.上层（反射镜面）

上层为悬浮结构的方形微反射镜，表面镀高反射率铝膜，负责反射红外辐射。

2.第二层（扭铰链与寻址电极）

通过扭铰链结构将反射镜与下层连接，允许镜面绕铰链轴旋转。寻址电极负责产生静电驱动力。

3.第三层（金属层与着陆平台）

包含扭臂梁的寻址电极、偏置/复位电极及微镜着陆平台，并与底层CMOS电路相连，实现信号传输与电势控制。

4.底层（CMOS 存储与驱动单元）

每个微镜对应一组独立的静态RAM，存储逻辑“1/0”，从而控制微镜翻转方向。

微镜的三种典型状态

1.静止状态（0°）：无驱动时，微镜处于水平位置，不反射有效光。

2.“开”状态（+12°）： 逻辑“1”，光反射至投影光路，形成亮像素。

3.“关”状态（?12°）：逻辑“0”，光偏离光路，对应暗像素。

因此，一个微镜本质上是一个二状态高速光开关。成千上万个微镜根据输入位平面同步切换，形成完整二进制图像。

DMD 是二值调制器，仅能显示亮/暗两种状态。为了生成红外图像需要的连续灰度等级，系统采用脉宽调制（PWM） 技术。

以8 bit灰度图像为例，每个像素的亮度由8个不同权重的二值图像（称为“位平面”）叠加而成。系统将一个灰度周期划分为255个时间单位，不同位平面对应的光开启时间占比依次为1/255、2/255、4/255……128/255。虽然每个位平面只有“开”或“关”两种状态，但通过控制开启时间的长短和顺序组合，DMD可以实现从0到255共256级亮度变化。从宏观视觉效果来看，这种基于时间的高速二值调制被人眼或红外探测器积分后，呈现出连续的灰度层次，从而生成层次丰富、过渡平滑的模拟图像。

在红外目标仿真中，除了灰度位数外，帧频同样是衡量系统动态性能的重要指标。

DMD的驱动过程主要包括三个阶段：数据加载、复位和微镜稳定时间。

●数据加载：图像数据写入到DMD对应的CMOS存储单元的过程。DMD每个存储单元数据不是同步更新，而是依次加载。

●复位：DMD底层存储单元数据更新后，镜子并不会立刻进行翻转，当接到“微镜定时脉冲”后，如通常把向 DMD 发送“微镜定时脉冲”信号驱动微镜进行翻转的过程叫复位。

●微镜稳定时间：DMD完成复位之后，还需要8μs的时间保持微镜稳定，在这段时间内微镜不能进行翻转，也不能进行数据加载。

以0.7 英寸 XGA 为例数据加载（30.72 μs），微镜复位（5 μs），微镜稳定8 μs。

可以看出一个完整的DMD循环43.72μs（数据加载+复位+稳定）。而其中的有效显示时间为38.72μs。（稳定+新的数据加载）。一个二进制图像帧频为1/0.00004372s=22867Hz。

为了显示更高位的图像，采用脉宽灰度调制的方式。将1帧图像显示时间分为8个位平面。每个位平面显示时间采取二进制的时间。即位面0显示t,位面1则显示2t,位面2显示4t.......位面7显示128t。而每个位面有亮暗两种状态。这样就能实现256级的灰度变化。上面我们知道DMD的最小显示时间为38.72μs。所以8位图像的显示时间是（1x38.72μs+2x38.72μs+......128x38.72μs）。每个位面都要微镜翻转，即复位8次。所以翻转时间为8x5μs。为了保证图像显示的连续性，在上一位平面的显示时间内完成下一个位平面的数据加载工作。所以一个位平面的时间是（复位时间+显示时间）。

一帧图像的显示时间为

帧频为

红红外目标模拟器的帧频通常要求大于 100 Hz，即可满足一般测试与模拟需求。

本期我们分析了数字微镜器件对红外目标模拟器分辨率、灰度等级和帧频的影响。可以看出，这些核心性能指标主要取决于 DMD 芯片本身的参数及所采用的脉宽调制算法。下一期将继续探讨其余关键指标及系统优化思路。

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西安立鼎光电科技有限公司成立于2016年4月，是一家专业从事短波红外成像系统及光电测试装备的研发生产、系统集成、销售服务为一体的国家级高新技术企业。公司专注于为客户提供从器部组件到全套光电系统产品的完整解决方案。近年来，公司研制的短波红外成像系统在激光光斑检测、半导体检测、激光通信、光谱成像、激光切割、生物医疗、天文观测、安防等领域得到了广泛的应用。多年来，根据用户需求研制的多款光电测试装备为用户产品的性能指标保证发挥了重要作用。

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