孔齡婕，賀 婷，陳東紅，燕 樂，張 鵬，丑修建

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MEMS紅外光源定向輻射結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

孔齡婕，賀 婷，陳東紅，燕 樂，張 鵬，丑修建

（中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防重點實驗室，儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

紅外光源輻射利用率是制造高性能紅外系統(tǒng)的關(guān)鍵，準(zhǔn)直透鏡因其減少紅外光源的廣角散射而大幅提高紅外光源利用率。針對MEMS紅外光源設(shè)計CaF2高紅外透射材料的雙凸曲面結(jié)構(gòu)準(zhǔn)直輻射透鏡，使紅外光線收斂呈準(zhǔn)直輻射；由MEMS紅外光源封裝確定透鏡最佳口徑＝6.48mm，透鏡焦距＝7.2mm，透鏡厚度￠≤2mm，用Zemax光學(xué)軟件仿真優(yōu)化，得出中間層厚度＝0.309mm。并進(jìn)行透鏡的聚光光路仿真分析和效果驗證，為定向輻射MEMS紅外光源研發(fā)提供最優(yōu)的原型尺寸參數(shù)，極大提高設(shè)計效率。

MEMS紅外光源；準(zhǔn)直透鏡；聚光封裝；收斂輻射

0 引言

作為紅外應(yīng)用系統(tǒng)的核心部件，紅外光源的性能很大程度上決定了系統(tǒng)的性能。MEMS紅外光源以小體積、低能耗、低熱質(zhì)比、高調(diào)制頻率等優(yōu)點成為紅外應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱點[1]。MEMS紅外光源為熱輻射型光源[2]，其器件輻射性能很大程度上依賴于材料特性和結(jié)構(gòu)設(shè)計。傳統(tǒng)MEMS紅外光源通過反射鏡封裝結(jié)構(gòu)增加光源輻射強度與輻射效率，但是聚光效果有限，同時無法解決光源的紅暴現(xiàn)象[3]，本文針對此應(yīng)用背景設(shè)計一種新型MEMS紅外光源用準(zhǔn)直輻射透鏡，利用特殊材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計提高M(jìn)EMS紅外光源的輻射效率與可靠性。

1 準(zhǔn)直透鏡設(shè)計原理

1.1 準(zhǔn)直透鏡結(jié)構(gòu)分析

準(zhǔn)直輻射透鏡是一種光無源器件[4]。一般的準(zhǔn)直透鏡結(jié)構(gòu)包括雙凸透鏡、平凸透鏡、菲涅爾透鏡、自對焦透鏡和復(fù)合透鏡等[5]?？紤]透鏡面向MEMS紅外光源的應(yīng)用需求，要求器件封裝厚度不宜超過2mm，因此設(shè)計單鏡片的雙凸曲面結(jié)構(gòu)準(zhǔn)直透鏡，其前曲面采用標(biāo)準(zhǔn)曲面，后曲面采用偶次非球面。

在準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計中，折射率是一個重要參數(shù)，其直接影響透鏡厚度、凸面曲率等結(jié)構(gòu)參數(shù)[6-7]。圖1給出了雙凸準(zhǔn)直透鏡結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 雙凸面準(zhǔn)直透鏡結(jié)構(gòu)

圖中，為透鏡焦點，為拋面A面的中點，￠為拋面B的中點，1為空氣折射率，1＝1，2為材料折射率，為透鏡口徑，￠為透鏡厚度，為中間層厚度，為空氣到透鏡的入射角，￠為折射角，￠為透鏡到空氣的入射角，為折射角。光自焦點處發(fā)射，經(jīng)兩次折射出射光為準(zhǔn)直平行光線。

根據(jù)制鏡方程[8]可得：

式中：A為透鏡弧面A的曲率半徑；B為透鏡弧面B的曲率半徑。由于本設(shè)計要求透鏡結(jié)構(gòu)輕薄，所以厚度與兩曲率半徑A和B的比值極小，可忽略不計，令(2－1)/(2AB)＝0，則得到薄透鏡設(shè)計方程：

由公式(1)、公式(2)可知，折射率越大，曲率半徑越小，透鏡厚度越薄，焦距越大。由于后續(xù)研究中需將準(zhǔn)直透鏡與聚光反射鏡形成集成封裝光學(xué)組件，綜合考慮，確定透鏡口徑＝6.48mm，與光源反射鏡內(nèi)口徑相等；透鏡焦距＝7.2mm，與光源反射鏡鏡體深度相等；透鏡厚度￠作為可變量由仿真優(yōu)化最終確定，但其值≤2mm；MEMS紅外光源與該準(zhǔn)直透鏡裝配效果如圖2所示。

圖2 MEMS紅外光源與準(zhǔn)直透鏡裝配示意圖

1.2 準(zhǔn)直透鏡材料特性分析

紅外準(zhǔn)直輻射透鏡要求鏡體材料具有較高的紅外透過率，尤其是針對本MEMS紅外光源所對應(yīng)的3～5mm中紅外波段。目前，普遍使用的紅外透射材料主要包括CaF2、BaF2、GeART90和藍(lán)寶石（Sapphire）等。它們具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性、機械強度及加工可塑性，并且還具有一定的濾光作用，可以作為濾光片消除噪聲雜光對光源輻射光譜的影響。從圖3中可以看出，各個材料的透射率在3～5mm都較突出，其中CaF2透射率達(dá)94%，最小的藍(lán)寶石材料也達(dá)85%左右。

圖3 不同紅外透射材料的透過率

在上述各參數(shù)條件限定下，透鏡材料選取CaF2，以獲取最大紅外透射強度，并濾去可見紅光，防止紅暴。

2 準(zhǔn)直透鏡結(jié)構(gòu)仿真

2.1 透鏡結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計

通過MEMS紅外光源準(zhǔn)直輻射雙凸面透鏡的定量參數(shù)，由Zemax光學(xué)軟件仿真分析出兩個弧面的曲率半徑[9]，完成透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計。

采用Zemax軟件Afocal準(zhǔn)直像空間設(shè)計模式，準(zhǔn)確設(shè)計透鏡對輻射光譜范圍在3～5mm紅外光的準(zhǔn)直作用。在仿真環(huán)境中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，數(shù)值孔徑類型設(shè)定為“入瞳直徑”（entrance pupil diameter），孔徑大小定義為4mm，與光源反射鏡出射口徑值相匹配；場參數(shù)中將輻射體定義為點，、軸場位置坐標(biāo)都設(shè)置為0；輻射波長參數(shù)設(shè)置在以3.0mm為起點，0.2mm為遞增步進(jìn)，5.0mm為終點的光譜范圍內(nèi)，共11個波長點。透鏡仿真定量參數(shù)設(shè)置具體見表1。

表1 透鏡結(jié)構(gòu)仿真參數(shù)設(shè)置

選擇RMS最優(yōu)靜態(tài)調(diào)度算法和波陣面質(zhì)心模型，采用高斯球積分算法以及自動收斂設(shè)計，使系統(tǒng)調(diào)用默認(rèn)函數(shù)自動計算準(zhǔn)直透鏡結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)。設(shè)置透鏡有效焦距EFFL為7.2mm，透鏡總體厚度固定為2mm，將雙凸曲面的曲率半徑都設(shè)置為可變參量，采用自動匹配模式進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖4所示。透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)結(jié)果：前凸曲面曲率半徑A＝8.212mm，厚度A＝0.628mm，后凸曲面曲率半徑B＝6.023mm，厚度A＝1.063mm，兩曲面的口徑都為6.48mm，中間層厚度￠=0.309mm。透鏡結(jié)構(gòu)在該參數(shù)下聚光效果最好，光源輻射利用率最高。

圖4 準(zhǔn)直透鏡結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)

2.2 透鏡聚光光路仿真分析

為了更直觀分析透鏡聚光效果，對紅外準(zhǔn)直輻射透鏡光路進(jìn)行仿真，仿真效果如圖5所示，分析仿真結(jié)果得出光源發(fā)出的散射光經(jīng)透鏡后準(zhǔn)直出射，并形成與出射孔徑等量的圓形投影，實現(xiàn)了點光源輸出條件下的平行光出射，極大的提高了光源輻射利用率。透鏡材料選取CaF2，對于MEMS紅外光源的輻射具有明顯的聚光效果。

圖5 紅外準(zhǔn)直透鏡光路圖

2.3 透鏡聚光效果仿真驗證

由紅外準(zhǔn)直透鏡光路圖可定性地看出所設(shè)計的中紅外準(zhǔn)直輻射透鏡具有良好的準(zhǔn)直特性，但尚需足夠的理論數(shù)據(jù)驗證其性能。調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transmission Function, MTF）一般用于描述光學(xué)成像系統(tǒng)圖像的空間頻率場對比度，此處利用Zemax的FFT MTF功能分析紅外光輻射出射準(zhǔn)直性，如圖6所示。

圖6 準(zhǔn)直輻射透鏡的MTF圖

可以在MTF曲線中看出距透鏡中心3.5mm處光的空間場對比度急劇下降，即照射成像圓斑半徑為3.5mm左右，該值與透鏡口徑的半徑基本吻合。圖中的內(nèi)嵌圖為該MTF曲線的三維場效果圖，用以證明所選結(jié)構(gòu)可行性。

該準(zhǔn)直輻射透鏡屬于薄透鏡范疇，但其凸曲面結(jié)構(gòu)仍可導(dǎo)致紅外光傳輸波陣面不均勻，由于鏡體材料的光波導(dǎo)傳遞速度與大氣傳輸環(huán)境差異較大，受鏡體中間厚邊緣薄的結(jié)構(gòu)影響，光線傳輸產(chǎn)生光程差。采用Zemax的波陣面勢圖（Wavefront Map, WFM）仿真功能，分析不同紅外輻射波長通過該準(zhǔn)直透鏡的時域傳輸性能。

如圖7所示，分別為波長3mm、4mm、5mm紅外輻射通過準(zhǔn)直透鏡輸出的WFM仿真圖，其中左側(cè)為三維場效果圖，右側(cè)為定標(biāo)等勢圖，其解析分辨率都為512×512。短波波段光線在透鏡邊緣及中心處形成明顯的超前波陣面，3～5mm波段的紅外光主要沿邊緣和中心出射。說明隨著波長逐漸增加，邊緣處波陣面逐漸滯后于中心出射的波陣面，并最終形成中心輻射式的波陣結(jié)構(gòu)，使MEMS光源定向輻射效果達(dá)到最高。

3 結(jié)論

本文設(shè)計仿真了采用CaF2高紅外透射材料的MEMS紅外光源雙凸曲面結(jié)構(gòu)準(zhǔn)直輻射透鏡，使紅外光線收斂呈準(zhǔn)直輻射，其前曲面采用標(biāo)準(zhǔn)曲面，后曲面采用偶次非球面。分析了所設(shè)計透鏡的MTF、WFM，為該準(zhǔn)直輻射透鏡的研究提供了理論依據(jù)，為仿真設(shè)計方法的優(yōu)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，為器件的加工制造提供了原型尺寸參數(shù)，對改進(jìn)MEMS紅外光源的收斂輻射具有重要的現(xiàn)實意義。

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Design and Analysis of Directional Radiation Structure of MEMS Infrared Light Source

KONG Ling-jie，HE Ting，CHEN Dong-hong，YAN Le，ZHANG Peng，CHOU Xiu-jian

（，，，，030051,）

In this paper, a double convex surface radiation collimating lens for MEMS infrared source is designed with high infrared transmission material CaF2. The highlight of the lens is to bring out infrared light convergence to collimating radiation, which is the key of improving infrared light radiation efficiency and the nature of making high performance infrared system. According to MEMS infrared source encapsulation, the lens aperture＝6.48mm; focal length＝7.2mm; lens thickness￠≤2mm. Moreover, after simulation and optimization by Zemax optical software, it is concluded that the middle layer thicknessis 0.309mm. In addition, by simulation analysis the converging optical path and the result verification, the optimal size parameters are provided in the MEMS infrared source research , which can dramatically improve the design efficiency.

MEMS infrared source，collimating encapsulation，light-gathering package，convergence of radiation

TN212

A

1001-8891(2015)06-0492-04

2015-01-17；

2015-02-07.

孔齡婕（1991-），女，山西太原人，碩士研究生，主要研究方向為微納傳感與執(zhí)行器件。

丑修建（1979-），男，湖北咸寧人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為電子信息功能材料和微納器件與系統(tǒng)。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目，編號：51275492；中國博士后科學(xué)基金特別資助項目，編號：2013T60557；中國博士后科學(xué)基金面上資助項目，編號：2012T52118；江蘇省博士后科研資助計劃項目，編號：1201038C。