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摘要：针对动态半实物仿真系统的需求，提出了一种新颖的基于微机电系统（MEMS）技术的红外场景生成器。 研究了可变光衰减器（VOA）阵列组成红外场景生成器的工作原理和器件结构， 提出了新型串联双向折叠梁结构和阵列布局方案， 为实现大规模阵列的红外场景生成器奠定基础。
关键词：微机电系统；可变光衰减器；红外场景生成器；阵列；洛伦兹力
中图分类号： TN219； O439文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2016）02-0038-04
0引言
高性能的红外场景生成器在验证导弹系统性能的半实物仿真中具有重要作用。其关键指标主要包括：实时性、大的温度范围/动态范围、分辨率、均匀性、体积和成本等。现有红外场景发生器的技术主要有：电阻阵列、激光二极管阵列、液晶光阀、基于硅基液晶（LCOS）的红外空间光调制
器、数字微镜器件（DMD）等。这些技术比较成熟，其中电阻阵列目前应用最广泛，成像质量高，但温度变化速率慢、提供温度范围有限，导致帧速和成像动态范围方面受到限制；激光二极管阵列均匀性
不够理想，成像质量也需要进一步提升；液晶技术的可仿真温度范围有限；DMD技术难以生成足够的灰度[1-12]。
近年来，光开关和光调制器等光学器件性能的提高为高性能红外场景生成器提供了新的技术途径。2006年，Agiltron公司里提出了一种基于微机电系统（MicroElectroMechanicalSystem，MEMS）技术的可变光衰减器（VariableOpticalAttentor，VOA）阵列来对红外光源进行空间光调制的动态红外场景生成技术[13]。所研制的4×4阵列温度可达2000K，具有40dB的高动态范围，隔离度达40dB，响应时间为3ms。该技术响应速度快、动态范围大，可以满足红外场景生成器的需求，具有良好的研究价值和应用前景。
基于MEMSVOA阵列的红外场景生成技术核心在于VOA器件的研制，生成红外图像的帧频、动态范围等都依赖于VOA的性能。目前这种技术的阵列规模还难以与电阻阵列技术相比拟，需要进一步研究在小面积下提高阵列规模的途径，并保证大动态范围的实现。本研究团队已经设计并成功制备出基于折叠梁结构的单向大位移MEMSVOA器件，并在硅基片上实现了16×16的阵列规模[14-15]，但单梁结构要求梁能够实现大位移，这就需要梁的长度比较大，从而限制了面积的进一步缩小，不利于阵列规模的提升和集成度的提高。本文提出一种新颖的串联双向折叠梁结构MEMSVOA及阵列布局，利用该结构在6英寸硅基片上可实现128×128的阵列规模，为实现大规模的MEMSVOA红外场景生成器提供了可能。
1理论分析
基于MEMSVOA的红外场景生成器结构示意图[13]如图1所示。该结构由红外光源、输入光纤阵列、MEMSVOA阵列和输出光纤阵列等部分组成。红外光从光源发出后耦合进入输入光纤阵列传输，之后光纤被分离以保证每根光纤分别与MEMSVOA阵列中的一个像元相匹配，光束经MEMSVOA器件阵列调制后被输出光纤接收，生成相应的红外图像。
这种方法的核心部分是MEMSVOA阵列，VOA决定了红外场景生成器的性能。本文提出的MEMSVOA阵列的结构示意图如图2所示。为了获得更好的光学特性，每个MEMSVOA由通光孔和可动MEMS驱动器组成。光衰减原理如图3所示。通光孔阵列制作在硅片1上，用于与输入光纤对准，并限制光的衍射和散射。硅片2上制作带有可动挡光板的MEMS驱动器，通过控制MEMS驱动器的运
动可调节通光孔被挡光板遮住的大小，从而控制进入输出光纤的光强，实现光调制。
为了获得较高的成像动态范围，挡光板需要实现较大的运动范围。设计的难点在于如何设计MEMS驱动器阵列以实现大位移，并保证整个阵列的均匀性。所设计的MEMS驱动器的工作原理如图4所示。该驱动器由折叠梁和挡光板组成，器件工作在与器件平面相垂直的磁场B中，当在梁上加载电流I时，在折叠梁上会产生洛伦兹力F。洛伦兹力的方向与电流和磁场的方向相垂直，从而驱动挡光板在xy平面内运动。
由图3～4可知，每个MEMS驱动器由两个同样的带有挡光板的折叠梁组成，两组折叠梁在电学上形成串联关系。通电时，两组折叠梁上通过的电流大小相等、方向相反，从而分别在两个挡光板上产生大小相等、方向相反的洛伦兹力。洛伦兹力驱动两个挡光板向相反方向运动，改变两个挡光板间的间隙，进而改变通光量。
图3（a）为器件的初始状态，即未加载电流驱动时，两个挡光板之间的间隙为通光孔大小的一半，允许部分光通过VOA器件进入输出光纤。图3（b）和图4（a）中，当加载电流时，在洛伦兹力驱动下，两个挡光板相向运动，彼此靠近，光会被进一步阻挡。图3（c）和图4（b）中，通过改变电流方向，洛伦兹力的方向会改变，挡光板向相反方向运动，彼此分离，会有更多的光通过VOA进入输出光纤。与单梁结构相比，双向折叠梁结构对每根梁的运动位移要求显著降低，梁的长度可有效缩短，有利于阵列规模的提升，以及集成度的提高。
图4中，MEMS驱动器位于xy平面内，磁场B沿z轴方向与器件相垂直。当有电流在折叠梁上通过时，会产生沿着y方向的洛伦兹力：
3结论
本文设计了基于MEMSVOA阵列的红外场景发生器。通过设计一种新型的串联折叠梁结构，利用洛伦兹力驱动实现了双向运动，有效提高了驱动效率。可在6英寸硅基片上实现128×128的MEMS阵列，为实现大规模的红外场景生成器奠定了基础。
参考文献：
[1]DriggersRG，BarnardKJ，BurroughsE，etal.ReviewofInfraredSceneProjectorTechnology[J].OpticalEngineering，1994，33（7）：2408-2417. [2]GaoJiaobo，YeKefei，WangJun，etal.DynamicIRSceneProjectionUsingtheSingleCrystalSiliconLiquidCrystalLightValve[C]∥ProceedingsofSPIE，OpticalMeasurementandNodestructiveTesting：TechniquesandApplications，2000，4221：243-247.
[3]ColeBE，HigashiRE，RidleyJA，etal.LargeAreaInfraredMicroemitterArraysforDynamicSceneProjection[C]∥ProceedingsofSPIE，TechnologiesforSyntheticEnvironments：HardwareintheLoopTestingⅢ，1998，3368：57-70.
[4]高教波，王军，骆延令，等.动态红外场景投射器研究新进展[J].红外与激光工程，2008，37（S1）：351-354.
[5]BeasleyDB，SaylorDA，BufordJA.OverviewofDynamicSceneProjectorsattheU.S.ArmyAviationandMissileCommand[C]∥ProceedingsofSPIE，TechnologiesforSyntheticEnvironments：HardwareintheLoopTestingⅦ，2002，4717：139-147.
[6]GaoJiaobo，WangJun，YangBin，etal.DynamicIRSceneProjectorUsingtheDigitalMicromirrorDevice[C]∥ProceedingsofSPIE，InfraredComponentsandTheirApplications，2005，5640：174-177.
[7]葛成良，范国滨，梁正.基于电阻阵列的动态红外场景产生器发展现状[J].激光与光电子学进展，2005，42（7）：17-21.
[8]DasNC，ShenP，SimonisG，etal.LightEmittingDiodeArraysforHWILSensorTesting[C]∥ProceedingsofSPIE，TechnologiesforSyntheticEnviroments：HardwareintheLoopTestingⅩ，2005，5785：14-23.
[9]GarboDL，OlsonEM，CokerCF，etal.RealTimeThreeDimensionalInfraredSceneGenerationUtilizingCommerciallyAvailableHardware[C]∥ProceedingsofSPIE，TechnologiesforSyntheticEnvironments：HardwareintheLoopTesting，1996，2741：166-178.
[10]李卓，钱丽勋，李平，等.动态红外场景生成技术及其新进展[J].红外与激光工程，2011，40（3）：377-383.
[11]SaylorDA，BowdenM，BufordJ.NewSceneProjectorDevelopmentsattheAMRDEC’sAdvancedSimulationCenter[C]∥ProceedingsofSPIE，TechnologiesforSyntheticEnvironments：HardwareintheLoopTestingⅪ，2006，6208：62080K-62080K-9.
[12]ZhouQiong.DynamicSceneSimulationTechnologyUsedforInfraredSeeker[C]∥ProceedingsofSPIE，InternationalSymposiumonPhotoelectronicDetectionandImaging2009：AdvancesinInfraredImagingandApplications，2009，7383：73832W-73832W-6.
[13]ZhaoJing，JinGuanghai.NovelPhotonicInfraredSceneGenerationTechnique[C]∥ProceedingsofSPIE，TechnologiesforSyntheticEnvironments：HardwareintheLoopTestingⅪ，2006，6208：62080R-62080R-9.
[14]LvXingdong，WeiWeiwei，MaoXu，etal.ANovelMEMSElectromagneticActuatorwithLargeDisplacement[J].SensorsandActuatorsA：Physical，2015，221：22-28.
[15]LvXingdong，WeiWeiwei，MaoXu，etal.ANovelMEMSActuatorwithLargeLateralStrokeDrivenbyLorentzForce[J].JournalofMicromechanicsandMicroengineering，2015，25（2）：25009-25015.
关键词：微机电系统；可变光衰减器；红外场景生成器；阵列；洛伦兹力
中图分类号： TN219； O439文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2016）02-0038-04
0引言
高性能的红外场景生成器在验证导弹系统性能的半实物仿真中具有重要作用。其关键指标主要包括：实时性、大的温度范围/动态范围、分辨率、均匀性、体积和成本等。现有红外场景发生器的技术主要有：电阻阵列、激光二极管阵列、液晶光阀、基于硅基液晶（LCOS）的红外空间光调制
器、数字微镜器件（DMD）等。这些技术比较成熟，其中电阻阵列目前应用最广泛，成像质量高，但温度变化速率慢、提供温度范围有限，导致帧速和成像动态范围方面受到限制；激光二极管阵列均匀性
不够理想，成像质量也需要进一步提升；液晶技术的可仿真温度范围有限；DMD技术难以生成足够的灰度[1-12]。
近年来，光开关和光调制器等光学器件性能的提高为高性能红外场景生成器提供了新的技术途径。2006年，Agiltron公司里提出了一种基于微机电系统（MicroElectroMechanicalSystem，MEMS）技术的可变光衰减器（VariableOpticalAttentor，VOA）阵列来对红外光源进行空间光调制的动态红外场景生成技术[13]。所研制的4×4阵列温度可达2000K，具有40dB的高动态范围，隔离度达40dB，响应时间为3ms。该技术响应速度快、动态范围大，可以满足红外场景生成器的需求，具有良好的研究价值和应用前景。
基于MEMSVOA阵列的红外场景生成技术核心在于VOA器件的研制，生成红外图像的帧频、动态范围等都依赖于VOA的性能。目前这种技术的阵列规模还难以与电阻阵列技术相比拟，需要进一步研究在小面积下提高阵列规模的途径，并保证大动态范围的实现。本研究团队已经设计并成功制备出基于折叠梁结构的单向大位移MEMSVOA器件，并在硅基片上实现了16×16的阵列规模[14-15]，但单梁结构要求梁能够实现大位移，这就需要梁的长度比较大，从而限制了面积的进一步缩小，不利于阵列规模的提升和集成度的提高。本文提出一种新颖的串联双向折叠梁结构MEMSVOA及阵列布局，利用该结构在6英寸硅基片上可实现128×128的阵列规模，为实现大规模的MEMSVOA红外场景生成器提供了可能。
1理论分析
基于MEMSVOA的红外场景生成器结构示意图[13]如图1所示。该结构由红外光源、输入光纤阵列、MEMSVOA阵列和输出光纤阵列等部分组成。红外光从光源发出后耦合进入输入光纤阵列传输，之后光纤被分离以保证每根光纤分别与MEMSVOA阵列中的一个像元相匹配，光束经MEMSVOA器件阵列调制后被输出光纤接收，生成相应的红外图像。
这种方法的核心部分是MEMSVOA阵列，VOA决定了红外场景生成器的性能。本文提出的MEMSVOA阵列的结构示意图如图2所示。为了获得更好的光学特性，每个MEMSVOA由通光孔和可动MEMS驱动器组成。光衰减原理如图3所示。通光孔阵列制作在硅片1上，用于与输入光纤对准，并限制光的衍射和散射。硅片2上制作带有可动挡光板的MEMS驱动器，通过控制MEMS驱动器的运
动可调节通光孔被挡光板遮住的大小，从而控制进入输出光纤的光强，实现光调制。
为了获得较高的成像动态范围，挡光板需要实现较大的运动范围。设计的难点在于如何设计MEMS驱动器阵列以实现大位移，并保证整个阵列的均匀性。所设计的MEMS驱动器的工作原理如图4所示。该驱动器由折叠梁和挡光板组成，器件工作在与器件平面相垂直的磁场B中，当在梁上加载电流I时，在折叠梁上会产生洛伦兹力F。洛伦兹力的方向与电流和磁场的方向相垂直，从而驱动挡光板在xy平面内运动。
由图3～4可知，每个MEMS驱动器由两个同样的带有挡光板的折叠梁组成，两组折叠梁在电学上形成串联关系。通电时，两组折叠梁上通过的电流大小相等、方向相反，从而分别在两个挡光板上产生大小相等、方向相反的洛伦兹力。洛伦兹力驱动两个挡光板向相反方向运动，改变两个挡光板间的间隙，进而改变通光量。
图3（a）为器件的初始状态，即未加载电流驱动时，两个挡光板之间的间隙为通光孔大小的一半，允许部分光通过VOA器件进入输出光纤。图3（b）和图4（a）中，当加载电流时，在洛伦兹力驱动下，两个挡光板相向运动，彼此靠近，光会被进一步阻挡。图3（c）和图4（b）中，通过改变电流方向，洛伦兹力的方向会改变，挡光板向相反方向运动，彼此分离，会有更多的光通过VOA进入输出光纤。与单梁结构相比，双向折叠梁结构对每根梁的运动位移要求显著降低，梁的长度可有效缩短，有利于阵列规模的提升，以及集成度的提高。
图4中，MEMS驱动器位于xy平面内，磁场B沿z轴方向与器件相垂直。当有电流在折叠梁上通过时，会产生沿着y方向的洛伦兹力：
3结论
本文设计了基于MEMSVOA阵列的红外场景发生器。通过设计一种新型的串联折叠梁结构，利用洛伦兹力驱动实现了双向运动，有效提高了驱动效率。可在6英寸硅基片上实现128×128的MEMS阵列，为实现大规模的红外场景生成器奠定了基础。
参考文献：
[1]DriggersRG，BarnardKJ，BurroughsE，etal.ReviewofInfraredSceneProjectorTechnology[J].OpticalEngineering，1994，33（7）：2408-2417. [2]GaoJiaobo，YeKefei，WangJun，etal.DynamicIRSceneProjectionUsingtheSingleCrystalSiliconLiquidCrystalLightValve[C]∥ProceedingsofSPIE，OpticalMeasurementandNodestructiveTesting：TechniquesandApplications，2000，4221：243-247.
[3]ColeBE，HigashiRE，RidleyJA，etal.LargeAreaInfraredMicroemitterArraysforDynamicSceneProjection[C]∥ProceedingsofSPIE，TechnologiesforSyntheticEnvironments：HardwareintheLoopTestingⅢ，1998，3368：57-70.
[4]高教波，王军，骆延令，等.动态红外场景投射器研究新进展[J].红外与激光工程，2008，37（S1）：351-354.
[5]BeasleyDB，SaylorDA，BufordJA.OverviewofDynamicSceneProjectorsattheU.S.ArmyAviationandMissileCommand[C]∥ProceedingsofSPIE，TechnologiesforSyntheticEnvironments：HardwareintheLoopTestingⅦ，2002，4717：139-147.
[6]GaoJiaobo，WangJun，YangBin，etal.DynamicIRSceneProjectorUsingtheDigitalMicromirrorDevice[C]∥ProceedingsofSPIE，InfraredComponentsandTheirApplications，2005，5640：174-177.
[7]葛成良，范国滨，梁正.基于电阻阵列的动态红外场景产生器发展现状[J].激光与光电子学进展，2005，42（7）：17-21.
[8]DasNC，ShenP，SimonisG，etal.LightEmittingDiodeArraysforHWILSensorTesting[C]∥ProceedingsofSPIE，TechnologiesforSyntheticEnviroments：HardwareintheLoopTestingⅩ，2005，5785：14-23.
[9]GarboDL，OlsonEM，CokerCF，etal.RealTimeThreeDimensionalInfraredSceneGenerationUtilizingCommerciallyAvailableHardware[C]∥ProceedingsofSPIE，TechnologiesforSyntheticEnvironments：HardwareintheLoopTesting，1996，2741：166-178.
[10]李卓，钱丽勋，李平，等.动态红外场景生成技术及其新进展[J].红外与激光工程，2011，40（3）：377-383.
[11]SaylorDA，BowdenM，BufordJ.NewSceneProjectorDevelopmentsattheAMRDEC’sAdvancedSimulationCenter[C]∥ProceedingsofSPIE，TechnologiesforSyntheticEnvironments：HardwareintheLoopTestingⅪ，2006，6208：62080K-62080K-9.
[12]ZhouQiong.DynamicSceneSimulationTechnologyUsedforInfraredSeeker[C]∥ProceedingsofSPIE，InternationalSymposiumonPhotoelectronicDetectionandImaging2009：AdvancesinInfraredImagingandApplications，2009，7383：73832W-73832W-6.
[13]ZhaoJing，JinGuanghai.NovelPhotonicInfraredSceneGenerationTechnique[C]∥ProceedingsofSPIE，TechnologiesforSyntheticEnvironments：HardwareintheLoopTestingⅪ，2006，6208：62080R-62080R-9.
[14]LvXingdong，WeiWeiwei，MaoXu，etal.ANovelMEMSElectromagneticActuatorwithLargeDisplacement[J].SensorsandActuatorsA：Physical，2015，221：22-28.
[15]LvXingdong，WeiWeiwei，MaoXu，etal.ANovelMEMSActuatorwithLargeLateralStrokeDrivenbyLorentzForce[J].JournalofMicromechanicsandMicroengineering，2015，25（2）：25009-25015.