MEMS红外光源定向辐射结构设计与分析
2015-04-03孔龄婕陈东红丑修建
孔龄婕,贺 婷,陈东红,燕 乐,张 鹏,丑修建
MEMS红外光源定向辐射结构设计与分析
孔龄婕,贺 婷,陈东红,燕 乐,张 鹏,丑修建
(中北大学 电子测试技术国防重点实验室,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原 030051)
红外光源辐射利用率是制造高性能红外系统的关键,准直透镜因其减少红外光源的广角散射而大幅提高红外光源利用率。针对MEMS红外光源设计CaF2高红外透射材料的双凸曲面结构准直辐射透镜,使红外光线收敛呈准直辐射;由MEMS红外光源封装确定透镜最佳口径=6.48mm,透镜焦距=7.2mm,透镜厚度¢≤2mm,用Zemax光学软件仿真优化,得出中间层厚度=0.309mm。并进行透镜的聚光光路仿真分析和效果验证,为定向辐射MEMS红外光源研发提供最优的原型尺寸参数,极大提高设计效率。
MEMS红外光源;准直透镜;聚光封装;收敛辐射
0 引言
作为红外应用系统的核心部件,红外光源的性能很大程度上决定了系统的性能。MEMS红外光源以小体积、低能耗、低热质比、高调制频率等优点成为红外应用领域研究的热点[1]。MEMS红外光源为热辐射型光源[2],其器件辐射性能很大程度上依赖于材料特性和结构设计。传统MEMS红外光源通过反射镜封装结构增加光源辐射强度与辐射效率,但是聚光效果有限,同时无法解决光源的红暴现象[3],本文针对此应用背景设计一种新型MEMS红外光源用准直辐射透镜,利用特殊材料选择与结构设计提高MEMS红外光源的辐射效率与可靠性。
1 准直透镜设计原理
1.1 准直透镜结构分析
准直辐射透镜是一种光无源器件[4]。一般的准直透镜结构包括双凸透镜、平凸透镜、菲涅尔透镜、自对焦透镜和复合透镜等[5]。考虑透镜面向MEMS红外光源的应用需求,要求器件封装厚度不宜超过2mm,因此设计单镜片的双凸曲面结构准直透镜,其前曲面采用标准曲面,后曲面采用偶次非球面。
在准直透镜的设计中,折射率是一个重要参数,其直接影响透镜厚度、凸面曲率等结构参数[6-7]。图1给出了双凸准直透镜结构示意图。
图1 双凸面准直透镜结构
图中,为透镜焦点,为抛面A面的中点,¢为抛面B的中点,1为空气折射率,1=1,2为材料折射率,为透镜口径,¢为透镜厚度,为中间层厚度,为空气到透镜的入射角,¢为折射角,¢为透镜到空气的入射角,为折射角。光自焦点处发射,经两次折射出射光为准直平行光线。
根据制镜方程[8]可得:
式中:A为透镜弧面A的曲率半径;B为透镜弧面B的曲率半径。由于本设计要求透镜结构轻薄,所以厚度与两曲率半径A和B的比值极小,可忽略不计,令(2-1)/(2AB)=0,则得到薄透镜设计方程:
由公式(1)、公式(2)可知,折射率越大,曲率半径越小,透镜厚度越薄,焦距越大。由于后续研究中需将准直透镜与聚光反射镜形成集成封装光学组件,综合考虑,确定透镜口径=6.48mm,与光源反射镜内口径相等;透镜焦距=7.2mm,与光源反射镜镜体深度相等;透镜厚度¢作为可变量由仿真优化最终确定,但其值≤2mm;MEMS红外光源与该准直透镜装配效果如图2所示。
图2 MEMS红外光源与准直透镜装配示意图
1.2 准直透镜材料特性分析
红外准直辐射透镜要求镜体材料具有较高的红外透过率,尤其是针对本MEMS红外光源所对应的3~5mm中红外波段。目前,普遍使用的红外透射材料主要包括CaF2、BaF2、GeART90和蓝宝石(Sapphire)等。它们具备良好的化学稳定性、机械强度及加工可塑性,并且还具有一定的滤光作用,可以作为滤光片消除噪声杂光对光源辐射光谱的影响。从图3中可以看出,各个材料的透射率在3~5mm都较突出,其中CaF2透射率达94%,最小的蓝宝石材料也达85%左右。
图3 不同红外透射材料的透过率
在上述各参数条件限定下,透镜材料选取CaF2,以获取最大红外透射强度,并滤去可见红光,防止红暴。
2 准直透镜结构仿真
2.1 透镜结构仿真设计
通过MEMS红外光源准直辐射双凸面透镜的定量参数,由Zemax光学软件仿真分析出两个弧面的曲率半径[9],完成透镜结构设计。
采用Zemax软件Afocal准直像空间设计模式,准确设计透镜对辐射光谱范围在3~5mm红外光的准直作用。在仿真环境中进行参数设置,数值孔径类型设定为“入瞳直径”(entrance pupil diameter),孔径大小定义为4mm,与光源反射镜出射口径值相匹配;场参数中将辐射体定义为点,、轴场位置坐标都设置为0;辐射波长参数设置在以3.0mm为起点,0.2mm为递增步进,5.0mm为终点的光谱范围内,共11个波长点。透镜仿真定量参数设置具体见表1。
表1 透镜结构仿真参数设置
选择RMS最优静态调度算法和波阵面质心模型,采用高斯球积分算法以及自动收敛设计,使系统调用默认函数自动计算准直透镜结构的优化参数。设置透镜有效焦距EFFL为7.2mm,透镜总体厚度固定为2mm,将双凸曲面的曲率半径都设置为可变参量,采用自动匹配模式进行优化,结果如图4所示。透镜结构参数的最优结果:前凸曲面曲率半径A=8.212mm,厚度A=0.628mm,后凸曲面曲率半径B=6.023mm,厚度A=1.063mm,两曲面的口径都为6.48mm,中间层厚度¢=0.309mm。透镜结构在该参数下聚光效果最好,光源辐射利用率最高。
图4 准直透镜结构最优参数
2.2 透镜聚光光路仿真分析
为了更直观分析透镜聚光效果,对红外准直辐射透镜光路进行仿真,仿真效果如图5所示,分析仿真结果得出光源发出的散射光经透镜后准直出射,并形成与出射孔径等量的圆形投影,实现了点光源输出条件下的平行光出射,极大的提高了光源辐射利用率。透镜材料选取CaF2,对于MEMS红外光源的辐射具有明显的聚光效果。
图5 红外准直透镜光路图
2.3 透镜聚光效果仿真验证
由红外准直透镜光路图可定性地看出所设计的中红外准直辐射透镜具有良好的准直特性,但尚需足够的理论数据验证其性能。调制传递函数(Modulation Transmission Function, MTF)一般用于描述光学成像系统图像的空间频率场对比度,此处利用Zemax的FFT MTF功能分析红外光辐射出射准直性,如图6所示。
图6 准直辐射透镜的MTF图
可以在MTF曲线中看出距透镜中心3.5mm处光的空间场对比度急剧下降,即照射成像圆斑半径为3.5mm左右,该值与透镜口径的半径基本吻合。图中的内嵌图为该MTF曲线的三维场效果图,用以证明所选结构可行性。
该准直辐射透镜属于薄透镜范畴,但其凸曲面结构仍可导致红外光传输波阵面不均匀,由于镜体材料的光波导传递速度与大气传输环境差异较大,受镜体中间厚边缘薄的结构影响,光线传输产生光程差。采用Zemax的波阵面势图(Wavefront Map, WFM)仿真功能,分析不同红外辐射波长通过该准直透镜的时域传输性能。
如图7所示,分别为波长3mm、4mm、5mm红外辐射通过准直透镜输出的WFM仿真图,其中左侧为三维场效果图,右侧为定标等势图,其解析分辨率都为512×512。短波波段光线在透镜边缘及中心处形成明显的超前波阵面,3~5mm波段的红外光主要沿边缘和中心出射。说明随着波长逐渐增加,边缘处波阵面逐渐滞后于中心出射的波阵面,并最终形成中心辐射式的波阵结构,使MEMS光源定向辐射效果达到最高。
3 结论
本文设计仿真了采用CaF2高红外透射材料的MEMS红外光源双凸曲面结构准直辐射透镜,使红外光线收敛呈准直辐射,其前曲面采用标准曲面,后曲面采用偶次非球面。分析了所设计透镜的MTF、WFM,为该准直辐射透镜的研究提供了理论依据,为仿真设计方法的优化奠定了技术基础,为器件的加工制造提供了原型尺寸参数,对改进MEMS红外光源的收敛辐射具有重要的现实意义。
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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.
孔龄婕(1991-),女,山西太原人,硕士研究生,主要研究方向为微纳传感与执行器件。
丑修建(1979-),男,湖北咸宁人,教授,硕士生导师,主要研究方向为电子信息功能材料和微纳器件与系统。
基金项目:国家自然科学基金资助项目,编号:51275492;中国博士后科学基金特别资助项目,编号:2013T60557;中国博士后科学基金面上资助项目,编号:2012T52118;江苏省博士后科研资助计划项目,编号:1201038C。