CN105810704A - 一种广谱成像探测芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种广谱成像探测芯片。包括热辐射结构和光敏阵列。广谱入射光波进入热辐射结构后，在纳尖表面激励产生等离激元，驱动图形化金属膜中的自由电子向纳尖产生振荡性集聚，纳尖收集的自由电子与等离激元驱控下涌入的自由电子相叠合，产生压缩性脉动，使电子急剧升温并向周围空域发射主要成分为可见光的热电磁辐射，光敏阵列将热电磁辐射转换为电信号，经预处理后得到电子图像数据并输出。本发明能将广谱入射光波基于压缩在纳空间中的高温电子运动实现二次可见光辐射进而执行光电转换与成图操作，具有波谱适用范围宽、光电灵敏度高、光电响应快以及成本相对低廉的特点。
Description
技术领域
本发明属于成像探测技术领域，更具体地，涉及一种广谱成像探测芯片，基于压缩在纳尖的高温电子气的热光辐射和进一步的光电转换实现成像探测。
背景技术
自然界中的物体或人工物质结构除向外界发射电磁辐射外，还反射或散射来自太阳、月亮、地球、星体以及其它多种多样的自然或人造光场，包括典型的紫外光、可见光、红外光以及远红外/THz光等。人类通过所建立的多种成像架构如典型的照相机和摄像机等，获取目标其特征谱段电磁波束所输运的能量及其差异性空间分布所展现的图像信息。迄今为止，根据电磁波谱特征已分别建立了紫外、可见光、红外以及THz等成像探测架构，发展了相应的光子型高灵敏以及基于光热效应等的光敏材料与光电芯片、成像光学系统以及共性的电子学处理技术。一般而言，基于现有工业水平所发展的适用于不同谱段的光敏材料或器件化结构均呈现特殊性，如针对紫外敏感主要采用氮化物，可见光波段主要通过硅基CCD或CMOS体制，红外波段主要采用如典型的Ge、Si、HgCdTe、InSb、硫化物以及硒化物等特殊半导体材料。针对特定谱域的光子型光敏器件，在谱域间的过渡或衔接区域其探测效能将大幅降低及至消失。另一类基于光热电效应的探测材料与器件在近些年也获得蓬勃发展，尽管其光电灵敏度和光电响应速度远低于光子型器件，但在紫外、可见光和红外等谱域均已显示可满足常规光敏或成像用途的光电感测效能，若干硅/多孔硅基MEMS探测器甚至表现出可以覆盖紫外到红外/远红外这一宽广谱域的光电响应能力，从而展示了建立广谱成像探测架构的发展潜力，这一特征在目前仍显粗糙的远红外/THz频段电磁探测领域，已展现出基于较强光辐照的波束感知与主动成像能力。
可工作在较宽谱域的光敏结构目前尽管在器件种类、性能指标和应用方面已获得长足进步，针对人类生活品质的日益提升，背景环境的日趋复杂，能量弱目标、隐身目标、对抗性目标、高速甚至高超声速运动目标等日渐凸显下的成像探测则显示明显的能力欠缺。主要问题归结起来有：(一)光子型光敏材料主要基于光子激励下的电子带系跃迁所展现的电子学或磁物性改变，考虑到现有半导体光敏材料的窄带性，所响应的光子频率仅能分布在一个带宽极为有限的谱域内，针对宽带响应的典型技术措施则包括继续构造复合带系材料或直接拼接两种甚至多种带系的光敏材料，从而带来材料配置或微结构匹配方面的诸多复杂甚至难以解决的问题；(二)具有广谱性的光热探测器，如典型的热释电材料、MEMS光敏架构以及热电光敏材料等，因基于微米尺度的膜结构感测光输运的能量，呈现热惯性大、热分辨率低、响应灵敏度低于光子型器件一个量级以上、热噪声强、谱响应起伏显著或存在机械惯性等问题；(三)目前获得广泛应用的低成本CMOS光敏技术，因光敏材料的固有属性仅能工作在可见光和近红外谱域；(四)目前获得广泛关注的纳米管基光敏材料，在光子学探测模式下同样存在响应谱段狭窄这一问题，在光热模式下尽管具有可以通过并行布设不同孔径管材实现涵盖紫外、可见光、红外以及THz这一宽广谱域的光敏探测，但因存在大量的结构、工艺、电子学耦合驱控与微封装等难题，短期内尚难以商业化；(五)其他诸如石墨烯材料和超结构材料等，则主要基于特殊的电子光子谐振响应形成特定频谱的光感测结构，仍处在基础研究阶段。总之，发展适用于超宽谱域、结构小/微型化、驱控灵活、响应灵敏、价格相对低廉的光敏架构，是目前发展广谱成像探测芯片技术的热点和难点问题，受到了广泛关注和重视。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种广谱成像探测芯片，能将广谱入射光波基于压缩在纳空间中的高温电子运动实现二次可见光辐射进而执行光电转换与成图操作，具有波谱适用范围宽、光电灵敏度高、光电响应快以及成本相对低廉的特点。
为实现上述目的，本发明提供了一种广谱成像探测芯片，其特征在于，包括热辐射结构和光敏阵列；所述热辐射结构包括图形化金属膜，所述图形化金属膜上设有m×n元阵列分布的纳孔，将所述热辐射结构划分为m×n元阵列分布的热辐射单元，所述纳孔与所述热辐射单元一一对应，其中，m、n均为大于1的整数；每个所述纳孔形成至少一个具有尖锐角结构的纳尖，所述光敏阵列的每个光敏单元与多个纳孔匹配耦合；广谱入射光波进入所述热辐射结构后，在所述纳尖表面激励产生等离激元，驱动所述图形化金属膜中的自由电子向所述纳尖产生振荡性集聚，所述纳尖收集的自由电子与等离激元驱控下涌入的自由电子相叠合，产生压缩性脉动，使电子急剧升温并向周围空域发射主要成分为可见光的热电磁辐射，所述光敏阵列将热电磁辐射转换为电信号，经预处理后得到电子图像数据并输出。
优选地，所述纳尖的锐化度越高，则其所在的纳尺度空间内能积聚或压缩的电子密度越大，热电磁辐射强度越高。
优选地，所述图形化金属膜单位面积上的所述纳尖数越多，则到达光敏单元的热光辐射强度越大，光敏单元的光电响应信号越强。
优选地，所述广谱入射光波的光强越大，则其所激励产生的等离激元的强度越高，驱赶向所述纳尖的电子数量越大，所述纳尖的热光发射能力越强。
优选地，通过改变所述纳尖的结构形态和排布密度，改变所述广谱成像探测芯片能感测的广谱入射光波的频率。
优选地，所述热辐射结构还包括分别设置在所述图形化金属膜两面的电隔离层和保护膜。
优选地，上述广谱成像探测芯片还包括陶瓷外壳，所述热辐射结构与所述光敏阵列同轴顺序排布耦合并封装在所述陶瓷外壳中，所述陶瓷外壳的顶部设有光入射窗口，使所述保护膜裸露在外，用于接收外界入射光场。
优选地，所述陶瓷外壳上设有端口和指示灯，所述端口用于从外界向所述广谱成像探测芯片输入工作指令，以及向外界输出电子图像数据，所述指示灯用于指示所述广谱成像探测芯片是否处在正常工作状态。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、通过将含有纳孔阵列的图形化金属膜与可见光谱域的光敏阵列耦合，基于压缩在纳尺度空间中的高温电子气的热光辐射完成可见光入射波束的光辐照强度的空间压缩增强，以及红外及THz入射波向可见光出射辐射变换及光电转换与成图操作，具有适用于广谱辐射的特点。
2、基于纳尖所约束的纳尺度空间中的电子气热辐射感应与成图操作，因热区极小且极易通过电子的空间再分布实现辐射调变，具有辐射分辨率高以及光电响应灵敏的特点。
3、基于广谱入射辐射所激励的等离激元驱控金属膜中的电子在纳尖的集聚及热光发射效应，具有能探测极低能态入射光场的特点。
4、基于金属平面纳尖的纳尺度空域内电子气的热光再辐射与光敏效应，器件噪声主要源于所耦合的可见光谱域光敏结构，具有噪声低的特点。
5、具有易于插入常规成像光路中替换传统光敏成像芯片执行广谱成像探测的特点。
附图说明
图1是本发明实施例的广谱成像探测芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例的广谱成像探测芯片的光学成像应用配置示意图；
图3是本发明实施例的广谱成像探测芯片的纳孔阵列排布示意图；
图4是本发明实施例的局域纳孔阵列的结构形态示意图；
图5是典型的纳孔结构。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-陶瓷外壳，2-指示灯，3-端口，4-光敏阵列，5-电隔离层，6-图形化金属膜，7-保护膜，8-光入射窗口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明实施例的广谱成像探测芯片的结构示意图。如图所示，图形化金属膜6的两面分别设有电隔离层5和保护膜7，形成热辐射结构，热辐射结构与光敏阵列4同轴顺序排布耦合并封装在陶瓷外壳1中，陶瓷外壳1的顶部设有光入射窗口8，使保护膜7裸露在外，用于接收外界入射光场。陶瓷外壳1上还设有端口3和指示灯2，端口3用于从外界向广谱成像探测芯片输入工作指令，以及向外界输出电子图像数据。指示灯2用于指示广谱成像探测芯片是否处在正常工作状态，当广谱成像探测芯片处在正常工作状态时，指示灯2接通闪烁。图形化金属膜6为纳米级厚度，光敏阵列4为可见光谱域的光敏阵列，电隔离层5为透明光学基片，其厚度被控制在微米尺度，保护膜7同时起电绝缘作用。
图2是本发明实施例的广谱成像探测芯片的光学成像应用配置示意图。如图所示，广谱成像探测芯片被置于成像光学系统的焦面处，光学系统所形成的压缩光场(为广谱入射光波，具体可以为可见光、红外线和THz辐射的一种或多种)通过广谱成像探测芯片的光入射窗口8进入图形化金属膜6，在纳孔形成的纳尖表面激励产生等离激元，驱动图形化金属膜中的自由电子向纳尖产生振荡性集聚，纳尖收集的自由电子与等离激元驱控下涌入的自由电子相叠合，形成聚集在纳尖的高密度电子并产生压缩性脉动；稠密电子被压缩在纳尺度空间中将产生剧烈热运动使电子急剧升温并向周围空域发射主要成分为可见光的热电磁辐射；通过与图形化金属膜耦合的可见光谱域的光敏阵列捕获纳尖热辐射并将其转换为电信号，预处理后得到电子图像数据并输出。
图3是本发明实施例的广谱成像探测芯片的纳孔阵列排布示意图。如图所示，图形化金属膜上设有m×n元阵列分布的纳孔，将热辐射结构划分为m×n元阵列分布的热辐射单元，纳孔与热辐射单元一一对应，其中，m、n均为大于1的整数。每个纳孔对应形成至少一个具有尖锐角结构的纳尖，具体地，纳孔是指纳米尺度的孔结构，纳尖是指纳米尺度的尖端结构。光敏阵列的每个光敏单元与多个纳孔匹配耦合，广谱成像探测芯片的阵列规模由光敏阵列的规模决定。纳尖的锐化度越高，则其所在的纳尺度空间内能积聚或压缩的电子密度越大，热电磁辐射强度越高；图形化金属膜单位面积上的纳尖数越多，则到达光敏单元的热光辐射强度越大，光敏单元在正常光电响应范围内的光电响应信号越强。
通过在纳米厚度的金属薄膜上按照特定周期构造纳尖阵列，能有效驱赶金属中的自由电子向纳尖聚集；同时在分布于可见光、红外以及THz等谱域中的特定频率的入射光波激励下，在阵列化金属平面纳尖结构表面激励等离激元，进一步驱使纳金属模中的电子向纳尖聚集；入射光强越大，所激励的等离激元的强度越高，驱赶向金属平面纳尖的电子数量则越大，纳尖的热光发射能力就越强。通过改变纳尖的结构形态和排布密度，所感测的入射光波的频率将有所改变。图4给出了局域纳孔阵列的结构形态，包括采用电子束或聚焦离子束蚀刻挖穿金属膜到透明光学基片界面处所形成的，具有纳尺寸孔径的纳孔及其中的通过金属壁与金属膜相连接的金属平面纳尖等。
定义纳孔填充系数为单个纳孔的面积占热辐射单元的面积的比率，其取值应不低于65％。单个纳孔可以形成一个、两个、甚至更多个纳尖，增加纳尖数能增强热光发射效能从而间接增强光电响应和探测能力，图5给出了形成1至4个纳尖的情形，根据探测目标及工艺情况，纳尖数量可以进一步增加。
下面详细说明本发明实施例的广谱成像探测芯片的工作过程。首先将一组可提供供电、控制信号与数据传输的并行线接入端口3，然后分别输入驱控光敏阵列4的工作指令，此时成像探测芯片开始执行广谱成像探测操作；在上述工作过程中，指示灯2持续接通闪烁。
本发明的广谱成像探测芯片，能将广谱入射光波基于压缩在纳空间中的高温电子运动转换成二次可见光辐射进而执行光电转换与成图操作，具有波谱适用范围宽、光电灵敏度高、光电响应快以及成本相对低廉的特点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种广谱成像探测芯片，其特征在于，包括热辐射结构和光敏阵列；所述热辐射结构包括图形化金属膜，所述图形化金属膜上设有m×n元阵列分布的纳孔，将所述热辐射结构划分为m×n元阵列分布的热辐射单元，所述纳孔与所述热辐射单元一一对应，其中，m、n均为大于1的整数；每个所述纳孔形成至少一个具有尖锐角结构的纳尖，所述光敏阵列的每个光敏单元与多个纳孔匹配耦合；
广谱入射光波进入所述热辐射结构后，在所述纳尖表面激励产生等离激元，驱动所述图形化金属膜中的自由电子向所述纳尖产生振荡性集聚，所述纳尖收集的自由电子与等离激元驱控下涌入的自由电子相叠合，产生压缩性脉动，使电子急剧升温并向周围空域发射主要成分为可见光的热电磁辐射，所述光敏阵列将热电磁辐射转换为电信号，经预处理后得到电子图像数据并输出。
2.如权利要求1所述的广谱成像探测芯片，其特征在于，所述纳尖的锐化度越高，则其所在的纳尺度空间内能积聚或压缩的电子密度越大，热电磁辐射强度越高。
3.如权利要求1所述的广谱成像探测芯片，其特征在于，所述图形化金属膜单位面积上的所述纳尖数越多，则到达光敏单元的热光辐射强度越大，光敏单元的光电响应信号越强。
4.如权利要求1所述的广谱成像探测芯片，其特征在于，所述广谱入射光波的光强越大，则其所激励产生的等离激元的强度越高，驱赶向所述纳尖的电子数量越大，所述纳尖的热光发射能力越强。
5.如权利要求1所述的广谱成像探测芯片，其特征在于，通过改变所述纳尖的结构形态和排布密度，改变所述广谱成像探测芯片能感测的广谱入射光波的频率。
6.如权利要求1至5中任一项所述的广谱成像探测芯片，其特征在于，所述热辐射结构还包括分别设置在所述图形化金属膜两面的电隔离层和保护膜。
7.如权利要求6所述的广谱成像探测芯片，其特征在于，还包括陶瓷外壳，所述热辐射结构与所述光敏阵列同轴顺序排布耦合并封装在所述陶瓷外壳中，所述陶瓷外壳的顶部设有光入射窗口，使所述保护膜裸露在外，用于接收外界入射光场。
8.如权利要求7所述的广谱成像探测芯片，其特征在于，所述陶瓷外壳上设有端口和指示灯，所述端口用于从外界向所述广谱成像探测芯片输入工作指令，以及向外界输出电子图像数据，所述指示灯用于指示所述广谱成像探测芯片是否处在正常工作状态。
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