DMD窗口更换技术研究

元 雄，胡文刚，何永强，耿 达，唐德帅

(军械工程学院电子与光学工程系，河北石家庄050003)

1 引言

基于数字微镜器件(Digital micromirror device)的红外场景仿真系统以其良好的仿真性能而成为各国专家研究的热点，它具有图像空间分辨率高、图像刷新频率快、图像灰度等级可精确控制等优点。系统的核心部件就是DMD，普通投影机使用的可见光DMD芯片无法满足红外场景仿真系统的需求，因此对DMD光学窗口更换的研究在提高系统的性能方面有重要的作用。本文将着重讨论DMD窗口的更换问题，提出一种可行的DMD窗口更换方法。

2 DMD窗口更换问题

DMD是一种基于半导体制造技术，由高速数字式光反射开关阵列组成的器件，能精确地控制光的灰度等级［1］。它采用铝溅射工艺在半导体硅片上形成微小的方形微镜面，数以十万计(例如1024×768像素)的微镜片集成在1.5 cm×1 cm的面积内，每个微镜片的尺寸约为 10 μm ×10 μm［2］。

鉴于DMD微镜片的易损坏性和DMD对不同波段的透过要求，DMD表面有一个光学保护窗口，光学窗口不仅能保护微镜片不受空气等外界影响，而且能起到使特定波长段光线透过的作用，市场上出售的DMD芯片主要应用于投影仪等仪器上，其光学窗口透过波段为紫外光、可见光及近红外波段［3］，图1 所示为型号0.7″XGA DMD 芯片。

图1 型号0.7″XGA DMD实物图Fig.1 Picture of 0.7″XGA DMD

将此型号DMD光学窗口拆下，采用FRONTILOptica100型红外傅里叶光谱仪，测试此光学窗口的透过率曲线，如图2所示，从图2可以看出，在0.26～2.6 μm波段，此光学窗口的平均透过率为80%，最大透过率为95%以上，在2.6～5 μm，其平均透过率不足20%，对于中、长波等波段的红外场景仿真应用，需要使用在中、长红外波段透过率高的光学窗口，故原有窗口不能满足中、长波红外场景仿真系统的需求，必须对DMD芯片进行光学窗口的更换。

图2 型号0.7″XGA DMD芯片原光学窗口透过率曲线Fig.2 Transmittance curve of initial 0.7″XGA DMD window

在对DMD光学窗口更换过程中，涉及以下三个过程:第一，红外DMD光学窗口材料选择;第二，DMD光学窗口封装;第三，DMD芯片完好性测试。

3 红外DMD光学窗口材料

根据红外场景仿真系统的工作环境及使用条件，用于红外DMD光学窗口材料必须满足以下几点条件［4］:

(1)高透过率:DMD芯片作为反射式元件，红外DMD光学窗口在相应的红外波段必须具有较高的透过率［5］;

(2)低折射率温度系数:光学材料的折射率随温度的变化率(dn/dt)即为折射率温度系数，红外光学材料的折射率温度系数较一般的可见光学材料高，如普通BK7玻璃的可见光折射率温度系数约为3×10－6/℃，锗玻璃的折射率温度系数约为3×10－3/℃，为普通玻璃的1000倍，红外光窗工作在高温下，必须能经受高温变化引起的折射率变化影响，所以在红外波段的折射率温度系数必须尽可能的小;

(3)较强抗腐蚀和氧化能力:DMD光学窗口有一面暴露在空气中，必须对空气中的各种气体的腐蚀与氧化有很强的抵抗力，防止光窗腐蚀掉落影响成像质量;

(4)其他条件:低热膨胀系数、高硬度、高强度、高熔点等。

目前，国内外使用较多的红外光学材料有:Ge、Si、MgF2、CaF2、ZnS、ZnSe、蓝宝石(Al2O3)等，这些材料的性质各不相同，适用于不同波段的红外场景仿真系统［6］。

(1)国产的锗(Ge)单晶是一种良好的中、长波红外透过材料，它的透射光谱范围是3～12 μm，具有低色散、不潮解、机械强度高、导热性好、不溶于水等特点，但是其折射率及其折射率系数较大，红外波段透过不够高，在未镀膜之前透过率只有40%左右，适用于制造一般应用的棱镜和透镜等;硅(Si)单晶也是一种良好的短、中波红外透过材料，它的透射光谱范围为1.2～7 μm，它与锗是同族的元素，其物理性能接近，具有硬度高、不溶于水、密度低等特点，其未镀膜之前的中波红外透过率比Ge高，同时，它在远红外波段30～300 μm范围内也具有良好的透光性能，这也是其他红外材料所不具备的的特点，常用于3～5 μm中波红外窗口和光学滤光片的基片的制作［5］。

(2)氟化镁(MgF2)是目前使用广泛的红外窗口和整流罩材料，其透射光谱范围为0.12～7 μm，其在3～5 μm中波红外波段的透过率可达80%以上，是未镀膜之前自身透过率最高的红外材料，其抗化学腐蚀能力强，可用于抵抗化学腐蚀、机械冲击和热冲击的窗口制造［6］;氟化钙(CaF2)与氟化镁是同族化合物，其化学性质相近，具有良好的光学性能、其在0.25～7 μm有着绝佳的透过率，且折射率低，其在紫外波段、可见光波段、短、中红外波段有着良好的透过率，且自身辐射率低，被广泛地用作可见和中波红外窗口、透镜、棱镜、准分子激光器晶体等材料［7］;

(3)硫化锌(ZnS)有着较好的可见光和红外光波透过率，其透射光谱范围为0.4～12 μm，是少有的几种覆盖可见光、近红外、中波红外及长波红外波段的窗口材料，且其软化温度为1500℃，耐大气腐蚀性强，在航空和航天上有很广泛的应用，通常可以作为可见到长波红外的复合场景仿真系统的材料;硒化锌(ZnSe)作为硫化锌的同组化合物，其透射光谱范围虽然比硫化锌小，为3～12 μm，但其在这些波段的透过率比硫化锌高，为良好的中、长波红外场景仿真系统光学材料;

(4)蓝宝石(Al2O3)具有超高表面硬度，其透过率波段为 0.15 ～5.5 μm，其高导热性，对化学酸碱的抵抗性，能制成更薄的窗口片，适用于激光系统等要求严格的应用中。

表1 红外材料性质Tab.1 character of infrared material

作为红外DMD的窗口材料，综合考虑，适合中波红外场景仿真系统的DMD窗口材料:硅、氟化镁、氟化钙;适合中、长波红外的双波段窗口材料:硒化锌;适合可见光至长波红外的多波段复合场景仿真系统窗口材料:硫化锌。

4 DMD光学窗口的封装

光学窗口的封装一般是指将光窗与金属或者其他材料进行封接，在封装以后必须满足将内部器件隔离，免受大气中气体的氧化以及水蒸气的腐蚀;DMD光学窗口封装技术，除需满足一般封装技术的要求外，还必须考虑到DMD芯片的特性，DMD是一种精密的反射式空间光调制器，如型号为0.7″XGA DMD的DMD芯片微镜片的尺寸约为12.6 μm×12.6 μm，如此小的微镜片，任何微小的影响都会对其造成严重的损害，从而影响DMD芯片的性能，所以在DMD光学口窗封装过程中，还必须考虑到如:温度、压力、振动、空气氧化以及静电等的影响。目前，根据实际要求，适合DMD光学窗口封装技术一般有以下三种:

(1)粘合剂封装:一般采用粘结剂将光窗玻璃和金属框进行封接的技术叫做粘结剂封装技术。其中又分为有机粘合剂封装技术和其他粘合剂封装技术，有机粘合剂是高分子聚合物材料，其中环氧树脂是品种最繁多的合成树脂，在电子封装中的应用最为广泛［8］。用粘合剂封装光窗具有工艺简便、成本较低等优点，不过受粘合剂本身性能的限制，特别是长期在潮湿、高低温、日照条件下，它们会因吸湿、开裂或老化而导致DMD器件可靠性下降。

(2)玻璃焊料封装:玻璃焊料封装与粘合剂封装类似，就是利用玻璃焊料将玻璃光窗与金属框连接在一起的低成本技术。由于金属表面会形成氧化物层，而金属基体表面的低价氧化物从化学键类型角度来看，它接近于金属，因此能与金属牢固地结合;而氧化程度较高的外表层氧化物的化学键与玻璃相似，故能与玻璃结合。玻璃焊料封接技术具有许多优良的性能，如密封性好等，而广泛用于电池、电子、汽车、军工等行业［9］。但是玻璃焊料的化学抵抗力不强，在恶劣环境中，DMD使用寿命有限。

(3)高温熔封:高温熔封就是把光学窗口与金属框在模具中固定好位置后加热到光学窗口材料的软化温度以上，保温一段时间，缓慢冷却后自行形成良好的封接。此方法适用于光学窗口材料的软化温度比较低的情况下，是目前国内外采用比较多的光窗封装方法。但是由于在封装过程中对光窗表面易造成损伤，容易增加成本，红外 DMD成品率不高［8］。

5 DMD完好性检测

当完成了DMD光学窗口的封装后，如何快速准确对DMD完好性进行检测将是DMD窗口更换技术中的重点［10］，本文将以对型号 0.7″XGA DMD的DMD芯片窗口更换为例，采用镀增透膜的硅(Si)单晶为窗口材料，在充满惰性气体的实验环境中，运用粘合剂封装方法进行封装;分别对封装前后DMD芯片进行图像演示，步骤如下:

(1)对硅窗口透过率进行测量:镀增透膜的硅(Si)单晶为中波红外场景仿真系统的绝佳材料，采用CARRY 5000型光栅光谱仪测量其透过率，其3～5 μm透过率曲线如图3所示，平均透过率为85%，最大透过率为95%，满足中波红外场景仿真技术要求。

图3 Si窗口透过率Fig.3 Transmittance curve of Si window

(2)对拆卸窗口的DMD芯片进行显微镜观察并拍摄局部图像:把拆卸了光学窗口的DMD芯片放在200倍显微镜下进行观察并对DMD芯片拍摄局部图像，对比原来已损坏的DMD芯片图样，得到如图4所示图片。

图5 已损坏DMD芯片局部显微图Fig.5 micrograph of the part of broken DMD

由图可知，所拆卸DMD芯片完好，视场内没有微镜片坏点，通过观察，整个DMD芯片的完好率达到99%以上。

(3)对未封装光学窗口DMD芯片进行图像显示:将此DMD芯片用DMD驱动板驱动显示图像，所放映原图分别为全黑、半黑半白以及丽娜人物图片，如图6～8所示，在DMD上显示的图片分别如图9～11所示。

图6 全黑Fig.6 black

图7 半黑半白Fig.7 half black and half white

图8 丽娜人物图片Fig.8 lina

图9 全黑Fig.9 black

图10 半黑半白Fig.10 half black and half white

图11 丽娜人物图片Fig.11 lina

由图可知，所拆卸窗口的DMD芯片显示图片信息良好，图10是由于DMD驱动板的同步信号没有调整好，与DMD芯片本身无关。

(4)对封装Si光学窗口的DMD芯片进行图像显示:对 DMD芯片进行 Si窗口封装，对封装完DMD芯片用DMD驱动板进行图片显示，所用图片仍然为上述3图，用中波红外探测器进行探测，运用图像采集卡进行图像采集，所得图像如图12～14所示。

图12 全黑Fig.12 black

图13 半黑半白Fig.13 half black and half white

图14 丽娜Fig.14 lina

从图12～14中可以看出封装之后的DMD芯片显示图片效果良好，满足中波红外场景仿真系统的需求，不过图片对比度较低，这是由于实验所用中波红外探测器的分辨率较低，光源发射的红外线均匀性较差等因素的影响，在今后实验中将优化这些实验条件。

6 结论

由于国外的保密性以及国内DMD相关研究起步较晚，DMD窗口更换问题一直影响着基于DMD红外场景仿真系统的性能提高，DMD窗口更换技术一直是国内DMD研究领域的难点，其中涉及到窗口材料选取、封装技术的选择及封装之后DMD完好性检测等技术。

本文首先对各种红外材料的适用性及性能进行分析，不同的红外材料适用于不同波段的红外场景仿真;其次对适合DMD的窗口封装技术进行了分析，由于DMD芯片的精密性，DMD窗口封装比常规窗口封装更复杂，所需考虑的因素更多，如温度、压力、空气氧化以及静电等的影响，如何减少或者避免这些因素的影响将会是未来研究的重点;最后以对型号0.7″XGA的DMD芯片窗口更换为例，以Si为窗口材料，在充满惰性气体条件下，运用粘合剂封装方法对DMD进行窗口封装，对更换前后的DMD芯片性能进行了测试，测试结果表明封装DMD芯片满足中波红外场景仿真系统要求，但如何测试其他更换窗口之后的DMD相关性能，如使用寿命等，也将会是未来研究重点。

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