CN106996829B - 图像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种图像传感器，其包括：多个感光单元，所述多个感光单元呈阵列式独立分布，每个感光单元用于接受和转换光线信号；一测量元件，用于测量每个感光单元的信号变化值；其中，所述感光单元包括一探测元件，一偏振片；所述探测元件包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括多个碳纳米管沿同一方向延伸，所述偏振片用于将光线信号起偏为偏振光后入射到碳纳米管结构的部分表面，所述测量元件用于测量由于偏振光的照射在所述碳纳米管结构中产生的温度差或电势差；所述图像传感器进一步包括一信号处理模组，该信号处理模组用于对该测量元件的测量值进行分析计算，得到光线的波长值。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，特别涉及一种基于碳纳米管的图像传感器。
背景技术
目前应用于相机中的图像传感器主要分为两种：CCD电荷耦合器件和CMOS互补金属氧化物导体器件，基本原理都是在微观结构上的器件单元在受到光线照射时，利用其物理性质将光能转化为电荷或者电压，探测点信号从而实现对光的探测。
然而，市面主流产品单CCD芯片上组合排列感应三种色光的像素，一次曝光后得到影像，由于人眼对绿色最为敏感，通常CCD上的感绿色像素最多，造成影像质量降低。CMOS器件中每个像素是由四个晶体管一个感光二极管组成，结构复杂，灵敏度低。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种结构简单、成本低廉的图像传感器。
一种图像传感器，其包括：多个感光单元，所述多个感光单元呈阵列式独立分布，每个感光单元用于接受和转换光线信号；一测量元件，用于测量每个感光单元的信号变化值；其中，所述感光单元包括一探测元件，一偏振片；所述探测元件包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括多个碳纳米管沿同一方向延伸，所述偏振片用于将光线信号起偏为偏振光后入射到碳纳米管结构的部分表面，所述测量元件用于测量由于偏振光的照射在所述碳纳米管结构中产生的温度差或电势差；所述图像传感器进一步包括一信号处理模组，该信号处理模组用于对该测量元件的测量值进行分析计算，得到光线的波长值。
与现有技术相比较，本发明提供的图像传感器具有以下优点：通过采用碳纳米管结构识别光线的波长，原理可靠；每个波长检测器独立工作，图像分辨清晰；所形成的图像传感器结构简单、轻便，成本低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的图像传感器的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的感光单元的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的感光单元中非扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。
图4为本发明实施例提供的感光单元中扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。
图5为本发明实施例提供的感光单元中碳纳米管结构的光的穿透率与波长之间的关系图。
主要元件符号说明
| 图像传感器 | 12 |
| 感光单元 | 100 |
| 偏振片 | 101 |
| 探测元件 | 102 |
| 第一电极 | 103 |
| 第二电极 | 104 |
| 测量元件 | 105 |
| 基底 | 106 |
| 信号处理模组 | 108 |
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明提供的相机结构作进一步详细说明。
请参阅图1，本发明实施例提供一种图像传感器12，所述图像传感器12包括多个感光单元100，一测量元件105以及一信号处理模组108。所述多个感光单元100呈阵列式均匀分布，且每个感光单元100可接收和转换光线信号。其中，每个感光单元100可用于独立检测光线信号。所述测量元件105用于测量每个感光单元100的信号变化值。所述信号处理模组108用于对该测量元件105的测量值进行分析计算，得到光线的波长值。可以理解，每个感光单元100相当于一个像素点，将该位置的光线信号通过所述测量元件105和信号处理模组108转换计算得到光线的波长值，可以达到对该位置光线颜色的识别，从而实现该图像传感器12对图像的识别。所述多个感光单元100之间的间距可以根据图像成像的分辨率要求进行选择。
请参阅图2，所述感光单元100包括一偏振片101，一探测元件102，一第一电极103，一第二电极104。所述第一电极103与第二电极104间隔设置。所述偏振片101与所述探测元件102间隔设置，用于将待测光起偏为偏振光。所述探测元件102通过所述第一电极103及第二电极104电连接至所述测量元件105。所述探测元件102包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括多个碳纳米管沿同一方向延伸，所述碳纳米管结构分别与所述第一电极103，第二电极104电连接。
具体地，所述偏振片101可与所述探测元件102平行且间隔设置，并且从偏振片101出射的偏振光能够入射至该探测元件102的碳纳米管结构上。所述碳纳米管结构中多个碳纳米管的延伸方向为从第一电极103延伸至第二电极104。所述测量元件105用于测量所述碳纳米管结构的电势差或温度差，所述测量的电势差或温度差经计算得到光线信号的波长值。所述入射光的波长值可直接反应入射光的颜色，该波长值可进一步通过影像处理器被还原成图像，从而获得影像。
所述偏振片101用于将光线信号起偏为偏振光，该偏振片101的材料不限，只要能够起到偏振作用即可。该偏振片101可为钒酸钇、碘、方解石等材料。所述偏振片101为一可旋转结构，以使得偏振光的方向与所述碳纳米管结构中碳纳米管的延伸方向能够形成任意角度。具体地，该偏振片101在其所在的平面内可任意旋转，以使得经过该偏振片101起偏后的偏振光的偏振方向可相对于碳纳米管的延伸方向发生变化，从而在所述碳纳米管结构的延伸方向保持不变的情况下，该偏振光的偏振方向与该碳纳米管结构中碳纳米管的延伸方向可形成任意角度的夹角，如所述夹角可为0-90度中的任意数值。所述偏振片101可通过设置在一旋转支架(图未示)上来实现旋转功能。进一步，所述偏振光入射至碳纳米管结构的部分表面，以使得该碳纳米管结构部分表面被照射后在碳纳米管结构中产生温度差或电势差。进一步，当未被照射的部分表面与被照射的部分表面之间的距离越大，则这两部分表面之间产生的温度差或电势差也越明显。
所述探测元件102包括一碳纳米管结构。所述碳纳米管结构包括多个碳纳米管沿同一方向延伸，所述碳纳米管的延伸方向平行于所述碳纳米管结构的表面。进一步，所述探测元件102为一碳纳米管线，该碳纳米管线由所述多个碳纳米管组成，在所述延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～10纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～15纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。所述碳纳米管为N型碳纳米管和P型碳纳米管中的一种。
所述碳纳米管可为一自支撑结构。所谓自支撑结构是指该碳纳米管结构无需通过一支撑体支撑，也能保持自身特定的形状。该自支撑结构中的多个碳纳米管通过范德华力相互吸引，从而使碳纳米管结构具有特定的形状。可以理解，当所述碳纳米管为自支撑结构时，所述探测元件102可悬空设置。具体地，所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管线状结构。
所述碳纳米管线状结构包括非扭转的碳纳米管线、扭转的碳纳米管线或其组合。所述碳纳米管线状结构可为单根或多根。当为多根时，该多根碳纳米管线状结构可共面且沿一个方向平行排列或堆叠且沿一个方向平行排列设置；当为单根时，该单根碳纳米管线状结构可在一平面内有序弯折成一膜状结构，且除弯折部分之外，该碳纳米管线状结构其它部分可看作并排且相互平行排列。
请参阅图3，该非扭转的碳纳米管线包括多个沿该非扭转的碳纳米管线长度方向排列的碳纳米管。具体地，该非扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该非扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米～100微米。非扭转的碳纳米管线为将碳纳米管拉膜通过有机溶剂处理得到。具体地，将有机溶剂浸润所述碳纳米管拉膜的整个表面，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，碳纳米管拉膜中的相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合，从而使碳纳米管拉膜收缩为一非扭转的碳纳米管线。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。通过有机溶剂处理的非扭转碳纳米管线与未经有机溶剂处理的碳纳米管膜相比，比表面积减小，粘性降低。所述碳纳米管线状结构及其制备方法请参见范守善等人于2005年12月16日申请的，于2007年6月20日公开的第200510120716.6号中国公开专利申请。
所述扭转的碳纳米管线为采用一机械力将所述碳纳米管拉膜两端沿相反方向扭转获得。请参阅图4，该扭转的碳纳米管线包括多个绕该扭转的碳纳米管线轴向螺旋排列并沿线的一端向另一端延伸的碳纳米管，该多个碳纳米管也可看作为沿一个确定的方向延伸。具体地，该扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米～100微米。进一步地，可采用一挥发性有机溶剂处理该扭转的碳纳米管线。在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，处理后的扭转的碳纳米管线中相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合，使扭转的碳纳米管线的比表面积减小，密度及强度增大。
可以理解，上述碳纳米管结构均包括多个沿相同方向平行排列的碳纳米管、碳纳米管线状结构或其组合。
所述碳纳米管结构厚度及长度可以根据需要选择，以满足所述探测元件102能够检测所测光波长，又不会产生太大误差。优选地，所述碳纳米管结构的厚度为0.5纳米～5微米。若所述碳纳米管结构厚度太大(如超过5微米)，所述碳纳米管结构中碳纳米管与光作用不完全，造成测量误差较大。
具体地，对于一延伸方向确定的碳纳米管结构，当采用不同方向的偏振光或不同波长的偏振光照射该碳纳米管结构时，偏振光的穿透率是不同的。请参阅图5，当偏振光的方向与碳纳米管延伸方向夹角确定时，随着波长的增加，偏振光的穿透率呈单调上升趋势；当偏振光的波长确定时，改变其偏振方向，偏振光的穿透率会有明显改变。从图中可以看出，当偏振光的偏振方向与碳纳米管的延伸方向平行时，偏振光的穿透率最低；当偏振光的方向与碳纳米管的延伸方向垂直时，偏振光的穿透率最高。光在穿过碳纳米管的过程中，未穿透的光的能量主要是被碳纳米管吸收。因此，当偏振光的方向与碳纳米管的延伸方向平行时，碳纳米管对光的吸收最强烈，当偏振光的方向与碳纳米管的延伸方向垂直时，碳纳米管对光的吸收最弱。采用偏振光照射碳纳米管结构的一端时，被碳纳米管结构吸收的光会转化为热能，并在碳纳米管结构中产生温差，继而产生温差电势。根据碳纳米管结构的温差或电压变化规律，该碳纳米管结构可检测出偏振光的波长。
进一步，所述碳纳米管结构还可为P型半导体碳纳米管线和N型半导体碳纳米管线接触设置形成的具有P-N结的碳纳米管结构。所述P型半导体碳纳米管线与N型半导体碳纳米管线在同一平面内并排设置。具体地，所述P型半导体碳纳米管线的一端与N型半导体碳纳米管线的一端连接设置，且保持P型半导体碳纳米管线中碳纳米管的延伸方向与N型半导体碳纳米管线中碳纳米管的延伸方向相同。
当采用入射光照射该碳纳米管结构时，在P-N结的作用下，入射光的光能并没有转化为热能，而是直接转化为电能。这时，碳纳米管结构中被入射光照射的部分和未被照射的部分的温度差异很小，可忽略不计。这时，入射光对碳纳米管的作用由热电效应转为光电效应，减少了中间能量的损失，同时，该结构增强了碳纳米管结构对入射光的敏感度，使得测量更加精确。
进一步，所述探测元件102也可在所处平面内自由旋转，使得当偏振片101固定时，所述探测元件102可通过旋转，使碳纳米管结构中碳纳米管的延伸方向与偏振光的方向形成任意角度的取值。进一步，所述探测元件102中碳纳米管结构与所述偏振片101分别在两个相互平行的平面内相对旋转设置，以调节该偏振光的方向与碳纳米管的延伸方向的夹角角度。
所述第一电极103和第二电极104由导电材料组成，其形状结构不限。所述第一电极103和第二电极104可选择为金属、ITO、导电胶、导电聚合物以及导电碳纳米管等。所述金属材料可以为铝、铜、钨、钼、金、钛、钯或任意组合的合金。具体地，所述第一电极103和第二电极104可选择为层状、棒状、块状或其它形状。本实施例中，所述第一电极103和第二电极104为间隔设置于所述碳纳米管结构在碳纳米管延伸方向上相对两端，且设置于碳纳米管结构表面的铜电极。
所述测量元件105可为电压测量元件或热电偶装置中的一种，用于测量所述碳纳米管结构的电势变化或温差变化。该测量元件105通过该第一电极103、第二电极104与所述碳纳米管结构电连接，当所述碳纳米管结构由于温差产生电势时，这时该碳纳米管结构相当于一电源，在回路中即可产生电流，所述测量元件105进而可直接测得该碳纳米管结构的电势，而不需要额外设置其它任何电源装置。当所述测量元件105为热电偶装置时，该热电偶装置直接测量所述碳纳米管结构两端的温差，而无需电极的设置。所述测量元件105在测量碳纳米管结构时，其测量位置可按照需要选择。优选地，当偏振光照射碳纳米管结构沿碳纳米管延伸方向的一端部表面时，所述测量元件105测量该端部表面与远离该端部表面的另一端部表面的温度差或电势差。进一步，当碳纳米管结构包括一P型半导体碳纳米管层和一N型半导体碳纳米管层设置形成一P-N结时，偏振光照射至该P-N结，这时，所述测量元件测量该碳纳米管结构远离该P-N结两端部的电势差。
所述信号处理模组108与测量元件105相连，用于对该测量元件105的测量值进行分析计算，得到入射至碳纳米管结构的光线的波长值。具体地，所述信号处理模组108对所述测量元件105测量的碳纳米管结构的电势差或温度差进行分析计算，所述电势差或温度差经过计算转换为光线的波长值。
使用中，进一步对所述图像传感器12测量光波长的原理作详细说明。
当一束入射光入射时，该入射光的功率确定，设为P，波长设为λ。将所述入射光通过所述偏振片101起偏后形成偏振光，穿过偏振片101的过程中会有一定的能量损失，记偏振片穿过率为α。由图5可知，延伸方向确定的碳纳米管对于不同方向的偏振光的穿透率是不同的，现将穿透率记为T，碳纳米管延伸方向与偏振光方向平行时的穿透率记为TλII，碳纳米管延伸方向与偏振光方向垂直时的穿透率记为Tλ⊥。当所述偏振光入射所述碳纳米管结构时，碳纳米管结构内产生温差，继而转化为电能，设能量转化效率为β，其中β只和制备的碳纳米管器件有关，和碳纳米管的延伸方向无关。
这时，所述碳纳米管结构两端的电势差U满足公式(1)，
其中，R为碳纳米管结构的电阻，需要说明的是，本发明中在温度变化范围不大的情况下，碳纳米管结构的电阻近似恒定。同时，对于结构已经确定的碳纳米管结构，其电阻为定值，与光的偏振方向和波长等其他外界因素无关。
现以碳纳米管延伸方向与偏振光方向平行和垂直为例，进一步进行推导说明：
碳纳米管延伸方向与偏振光的方向平行时，碳纳米管结构的电势差为UII，
则
碳纳米管延伸方向与偏振光的方向垂直时，碳纳米管结构的电势差为U⊥，
则
定义则
从图5中可以看出，当碳纳米管延伸方向与偏振光方向的两夹角值为定值时，当取任意波长的入射光，其穿透率差值也是近似固定的。所以，Tλ⊥－TλII＝C，C为一定值。则，
从公式(2)中可以看出，K值与Tλ⊥的值是单调对应的，又Tλ⊥在碳纳米管延伸方向与偏振光方向的夹角确定时，随波长的增加而增加，如图5所示。因此，K值同入射光的波长是单调对应的。
将公式(2)变换形式可得，
由公式(3)可知，Tλ⊥的值可通过K计算得到，而通过碳纳米管结构在不同条件下的电压值UII和U⊥可计算得到K值，又当碳纳米管延伸方向与偏振光方向的夹角确定时，偏振光穿透率的数值对应唯一波长值。因此，可根据穿透率的数值对应得到光的波长值。又，由塞贝克效应可得，U＝ρΔT，其中，ρ为塞贝克系数，与材料本身有关。由此可知，当所述碳纳米管结构的电压值变化时，其温差也在相应变化，因此，当在碳纳米管两端连接热电偶时，可相应根据温差计算得到入射光的波长值。所述入射光的波长值可直接反应入射光的颜色，该波长值可进一步通过影像处理器被还原成图像，从而获得影像。
所述图像传感器12进一步包括一基底106，所述基底106用于支撑所述多个感光单元100。所述多个感光单元100设置于该基底106的其中一表面。所述基底106的材料不限，可选择为玻璃、石英、陶瓷、金刚石等硬性材料，也可选择塑料、树脂等柔性材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺等。当所述碳纳米管结构不含P-N结时，该基底106为隔热且绝缘材料；当所述碳纳米管结构含有P-N结时，该基底106为绝缘材料。本实施例中，该图像传感器12包括一基底106，该基底106为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
本发明提供的图像传感器12具有以下优点：通过采用碳纳米管结构识别光线的波长，基于热电效应和偏振光实现对光线颜色的识别，原理可靠；每个波长检测器独立工作，图像分辨清晰；所形成的图像传感器12结构简单、轻便，成本低。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种图像传感器，其包括：
多个感光单元，所述多个感光单元呈阵列式独立分布，每个感光单元用于接受和转换光线信号；
一测量元件，用于测量每个感光单元的信号变化值；
其特征在于，所述感光单元包括一探测元件，一偏振片；所述探测元件包括一碳纳米管结构，该碳纳米管结构包括多个碳纳米管沿同一方向延伸，所述偏振片用于将光线信号起偏为偏振光后入射到碳纳米管结构的部分表面，所述测量元件用于测量由于偏振光的照射在所述碳纳米管结构中产生的温度差或电势差；所述图像传感器进一步包括一信号处理模组，该信号处理模组用于对该测量元件的测量值进行分析计算，得到光线的波长值。
2.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述偏振片与所述碳纳米管结构分别在两个相互平行的平面内相对旋转，以调节该偏振光的方向与碳纳米管的延伸方向的夹角角度。
3.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述探测元件为一碳纳米管线，该碳纳米管线由所述多个碳纳米管组成，在所述延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。
4.如权利要求3所述的图像传感器，其特征在于，所述偏振光入射至碳纳米管线在碳纳米管延伸方向上的一端部表面，所述测量元件用于测量碳纳米管线所述端部表面与远离该端部的另一端部表面所产生的温度差或电势差。
5.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述探测元件为一碳纳米管线，该碳纳米管层包括一P型半导体碳纳米管线和一N型半导体碳纳米管线设置形成一P-N结，所述P型半导体碳纳米管线与N型半导体碳纳米管线并排设置。
6.如权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，所述偏振光入射至所述碳纳米管线的P-N结，所述测量元件用于测量碳纳米管线远离P-N结两端部的电势差。
7.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述感光单元进一步包括一第一电极和一第二电极，所述第一电极和第二电极分别与所述碳纳米管结构电连接。
8.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述测量元件为电压测量元件或热电偶装置，所述测量元件用于测量在不同偏振光方向时所述碳纳米管结构的电势差或温度差。
9.如权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，进一步包括一基底，用于支撑所述多个感光单元。
10.如权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，当所述碳纳米管结构不含P-N结时，所述基底为隔热且绝缘材料；当所述碳纳米管结构含有P-N结时，所述基底为绝缘材料。
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