CN111477644B - 一种近红外/可见光/紫外集成光谱成像器件及成像方法 - Google Patents
一种近红外/可见光/紫外集成光谱成像器件及成像方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种近红外/可见光/紫外集成光谱成像器件及成像方法,成像器件从下往上依次为：透明基板、透明电极、短波势垒调节层、短波光电转换层、中波势垒调节层、中波光电转换层、长波势垒调节层、长波光电转换层、钝化层、收集电极。成像方法为：首先利用单色光源对成像器件在不同波长光谱通道的响应度进行标定；其次调控成像器件的偏置电压，对应每个空间点获得一系列探测电流值；最后根据标定的不同光谱通道响应度，以及不同偏置电压的探测电流值，通过波分复用算法计算出每个空间点的光谱信息，获得光谱成像数据立方。本发明实现从近红外到紫外的宽光谱成像，利用偏置电压编码和波分复用算法重构，可以同时获得较高的光谱和空间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及一种近红外/可见光/紫外集成光谱成像器件及成像方法，属于集成光谱成像技术领域。
背景技术
光谱成像将成像技术与光谱技术有机地结合，获得每一个空间像素点光谱数据，将探测目标得到的二维几何空间信息以及一维光谱信息组合成三维数据立方体。高光谱成像在遥感、航天、医疗诊断、农产品质量安全监测等方面具有重要的应用。
通常人们采用色散光学元件，例如棱镜和光栅等，将不同波长的入射光在空间分离，形成连续的光谱通道，再利用光电探测器获得不同光谱通道的强度信息。由于光栅等色散光学元件需要有足够的空间对光谱通道进行分离，采用这种光谱分离方法还需要配合机械扫描的方式获取二维空间的光谱图像，因此光谱成像系统结构复杂，体积较大。由于航天器和无人机等平台对载荷有苛刻的限制，因此发展集成化高光谱成像技术具有重要的应用需求。
为了使多光谱成像系统更加紧凑，人们还提出采用窄带滤波片的方式分离光谱通道，再通过探测器获取不同光谱通道的信息。在这种工作方式中，每一个窄带滤波片对应一个光谱通道，窄带滤波片直接和CMOS或者CCD图像传感器向耦合，不需要附加的机械扫描结构。采用窄带滤波片虽然可以使光谱成像器件更加紧凑和小型化，但是空间分布的滤波片阵列将使成像器件的像素尺寸变大，因此这种工作方式下成像的光谱分辨率和图像的空间分辨率相互矛盾。另外，窄带滤波片会使入射光通量大量损失，从而降低成像器件的响应度。
为了提高成像器件的响应度，人们提出不采用滤波片，直接调控光电转换活性材料能量带隙，从而探测不同波长入射光的信号。这种传感器结构虽然可以实现多色成像，但是其器件结构很复杂。随着探测波长通道的增加，制备工艺更加困难，像素尺寸也随之而增大。目前公开报道的研究结果大都是双色或者三色器件，而多光谱成像则要求数十乃至上百个光谱通道图像，因此现有的多色图像传感器无法满足光谱成像的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种近红外/可见光/紫外集成光谱成像器件及成像方法，采用胶体量子点和纳米晶实现从近红外到紫外的宽光谱成像；另外，利用偏置电压编码和波分复用算法重构，可以同时获得较高的光谱分辨率和空间分辨率。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种近红外/可见光/紫外集成光谱成像器件，所述成像器件的结构从下往上依次为：透明基板、透明电极、第一短波势垒调节层、第一短波光电转换层、第二短波势垒调节层、第二短波光电转换层、…、第n1短波势垒调节层、第n1短波光电转换层、第一中波势垒调节层、第一中波光电转换层、第二中波势垒调节层、第二中波光电转换层、…、第n2中波势垒调节层、第n2中波光电转换层、第一长波势垒调节层、第一长波光电转换层、第二长波势垒调节层、第二长波光电转换层、…、第n3长波势垒调节层、第n3长波光电转换层、钝化层、收集电极；
所述第一短波光电转换层至第n1短波光电转换层的能量带隙是由大到小的，第一中波光电转换层至第n2中波光电转换层的能量带隙是由大到小的，第一长波光电转换层至第n3长波光电转换层的能量带隙是由大到小的，且第n1短波光电转换层的能量带隙大于第一中波光电转换层的能量带隙，第n2中波光电转换层的能量带隙大于第一长波光电转换层的能量带隙；
所述第一短波势垒调节层至第n1短波势垒调节层的能量带隙是由大到小的，第一中波势垒调节层至第n2中波势垒调节层的能量带隙是由大到小的，第一长波势垒调节层至第n3长波势垒调节层的能量带隙是由大到小的，且第n1短波势垒调节层的能量带隙大于第一中波势垒调节层的能量带隙，第n2中波势垒调节层的能量带隙大于第一长波势垒调节层的能量带隙；
所述短波光电转换层用于吸收入射光中的短波光子，中波光电转换层用于吸收入射光中的中波光子，长波光电转换层用于吸收入射光中的长波光子。
作为本发明成像器件的一种优选方案，所述势垒调节层的材料为氧化物纳米晶或者硫化物纳米晶或者三元化合物纳米晶。
作为本发明成像器件的一种优选方案，所述光电转换层的材料为胶体量子点。
作为本发明成像器件的一种优选方案，所述势垒调节层的导带底高于与之相邻的光电转换层的导带底，势垒调节层的价带顶低于与之相邻的光电转换层的价带顶。
一种近红外/可见光/紫外集成光谱成像方法，基于如上所述近红外/可见光/紫外集成光谱成像器件实现，包括如下步骤：
步骤1，设定所述成像器件的工作波长范围为1.5μm至380nm，在该波长范围内设定m个光谱通道，所有光谱通道的波长依次为λ1、λ2、…、λm，利用偏置电压对入射光的光谱通道进行编码，偏置电压设置为V1、V2、…、Vn，且n＞m；
步骤2，采用可调谐单色光源对成像器件的响应度进行标定，得到在不同偏置电压下，不同波长入射光照射下成像器件的响应度，表示为：
其中，R表示响应度，R11为偏置电压V1下，入射光波长为λ1的响应度；R1m为偏置电压V1下，入射光波长为λm的响应度；Rn1为偏置电压Vn下，入射光波长为λ1的响应度；Rnm为偏置电压Vn下，入射光波长为λm的响应度；
步骤3，测量偏置电压为V1、V2、…、Vn时对应的光生电流P1、P2、…、Pn，将光生电流P1、P2、…、Pn经过信号放大和模数转换，根据步骤2标定的响应度，采用波分复用算法重构光谱，得到某一空间点的入射光谱信息；
步骤4，将上述成像器件扩展为成像器件阵列，利用CMOS集成电路或者TFT薄膜电路构建阵列读出电路，获得成像有效区域内所有空间点的入射光谱信息，形成光谱图像数据立方。
作为本发明成像方法的一种优选方案，所述波分复用算法的目标函数为：
其中，δ表示目标函数；Pi为偏置电压为Vi时测量得到的光生电流；Rij为偏置电压Vi下，入射光波长为λj的响应度；Ij为入射光在j个光谱通道的强度分量。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明提出利用胶体量子点的尺度调控效应，采用PbS量子点构建从近红外至可见光的级联光子吸收体，采用CsPbI3钙钛矿量子点构建紫外波段的光子吸收体，实现了从近红外至紫外的宽光谱探测成像。
2、本发明通过能带工程设计，插入适当的纳米晶体层扩展偏置电压调制的动态范围。
3、本发明提出采用偏置电压，通过时序的方式对入射光信号进行编码。再通过具有梯度能量带隙的光子吸收体，对应编码信号产生线性相关度很低的探测电流，最后通过波分复用算法准确地重构入射光谱。这种成像方法既保证了较高的光谱分辨率，又具有很好的空间分辨率。
4、本发明提出的光谱成像器件结构和成像方法，由于不需要色散光学元件，因此可以实现光谱成像器件的集成化。
附图说明
图1是本发明一种近红外/可见光/紫外集成光谱成像器件的整体架构图。
图2是基于纳米材料的近红外/可见光/紫外集成光谱探测单元结构图。
图3是光谱探测单元能级分布。
图4是本发明一种近红外/可见光/紫外集成光谱成像方法的工作流程。
图5(a)是典型的3管传感单元读出电路结构；图5(b)是单元读出电路版图；图5(c)是传感阵列版图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，是本发明一种近红外/可见光/紫外集成光谱成像器件的整体架构图，该光谱成像器件的结构从下往上依次为：透明基板、透明电极、第一短波势垒调节层、第一短波光电转换层、第二短波势垒调节层、第二短波光电转换层、…、第n1短波势垒调节层、第n1短波光电转换层、第一中波势垒调节层、第一中波光电转换层、第二中波势垒调节层、第二中波光电转换层、…、第n2中波势垒调节层、第n2中波光电转换层、第一长波势垒调节层、第一长波光电转换层、第二长波势垒调节层、第二长波光电转换层、…、第n3长波势垒调节层、第n3长波光电转换层、钝化层、收集电极。
透明基板和透明电极对1.5μm～380nm的光波有很好的透过率。
光电转换层由胶体量子点构成。通过调控量子点的材料以及尺寸，将量子点的带隙控制在0.82eV～3.3eV之间，实现从近红外/可见光/紫外(1.5μm～380nm)的光电探测。例如，可以采用PbS量子点，通过尺寸调控覆盖红外至可见光的响应波段；采用无机钙钛矿CsPbX3量子点，通过对元素组份和尺度调控，实现紫外光电响应。
势垒调节层由纳米晶构成。在量子点光电探测层之间插入势垒调节层，增大偏置电压动态范围。这些势垒调节层的导带底略高于相邻的量子点层，价带顶略低于相邻的量子点层。采用这些势垒调节层可以将偏置电压动态范围扩大到3V以上，以实现光谱通道的编码。例如，可以采用氧化物纳米晶、硫化物纳米晶和三元化合物纳米晶构建势垒调节层。
量子点层和纳米晶层构建能级梯度分布的叠层活性体。当改变偏置电压时，叠层活性体的光生电流具有非线性的变化特性。
光谱成像器件采用波分复用算法，重构每一个空间点的光谱信息。具体步骤为：
a)工作波长范围大约1.5μm至380nm。假设在该波长范围设定m个光谱通道，每一个光谱通道的波长分别为λ1、λ2、…、λm。利用偏置电压对光谱信息进行编码，假设偏置电压动态范围Vdyn，共设定n个偏置电压值，分别为V＝[V1、V2、…、Vn]T，其中Vn＝V1+Vdyn。
b)利用可调谐光源对具有梯度能量带隙的传感单元光电响应性能进行标定，获得在不同偏置电压下，不同波长入射光照射的响应度，表示为：
其中，R11为偏置电压为V1，入射光波长为λ1的响应度。同理，Rnm为偏置电压为Vn，入射光波长为λm的响应度。
c)假设入射光的强度为I，各个光谱通道的分量分别为I1、…、Im，入射光谱分布表示为：
I＝[I1、I2、…、Im]T
式中入射光的光谱分布I是一个未知函数，本发明通过光谱重构算法获得I的分布，进而获得每一个空间点的光谱信息，构成高光谱图像数据立方。
d)虽然入射光谱I是未知函数，但是我们可以测量得到不同偏置电压下探测光电流。假设偏置电压为V1，总的光电流P1是各个光谱通道光电流的总和：
式中P1是偏置电压为V1时测量得到的光生电流，利用同样的方法可以得到其它偏置电压下光生电流表示式：
将上面公式简化为：
R×I＝P
式中R是响应度函数，I是入射光谱，P则是测量得到的不同偏置电压下光生电流P＝[P1、P2、…、Pn]T。但是由于偏置电压V和探测光生电流P存在一定的线性相关性，因此本发明将上面公式转变为非线性规划问题，用最小二乘法定义目标函数：
通过求解上述非线性规划问题，即可以重构某一空间点的入射光谱信息。
将上述方法制备的光谱传感单元阵列扩展，利用CMOS集成电路或者TFT薄膜电路构建阵列读出电路，获得成像有效区域内所有空间点的光谱信息，形成光谱图像数据立方。
如图2所示，假设入射光1从探测成像器件的下方入射。透明基板2和透明电极3对工作波段(近红外/可见光/紫外)的光子既有很好的透射性能，透明电极3用于收集光生空穴。势垒调节层4、6、9等可以由纳米晶构成，其作用是调控量子点光电转换层之间的能级势垒，从而扩大偏置电压的动态范围。在势垒调节层4上首先设置短波光电转换层5，其特征是该转换层中量子点的能量带隙比较宽，所以可以充分吸收短波光子，如紫外光子以及蓝光光子，并产生光生电子/空穴对。对于入射光中的中波和长波光子，由于其光子能量小于量子点带隙，所以中波和长波光子可以穿过光电转换层5继续向前传输。同理，在光电转换层5上设置势垒层6和其它的光电转换层7、8、10等，其设置原则为光电转换层7的能量带隙小于光电转换层5，光电转换层8的能量带隙小于光电转换层7，光电转换层10的能量带隙小于光电转换层8。在这种能量带隙的设置原则下，短波光子在探测器的底部首先被吸收，产生光生电子/空穴对；中波光子在探测器的中部被吸收，并产生光生电子/空穴对；长波光子在探测器的顶部被吸收，并产生光生电子/空穴对。我们在最后一层光电转换层10上设置钝化层11，对探测活性体进行保护，提高其工作稳定性。在钝化层上设置收集电极12，用以收集光生电子。
能量带隙梯度分布的叠层活性体能级分布、光电转换过程以及载流子输运如图3所示。沿着入射光的传播方向，量子点叠层的能量带隙依次减小，势垒调节层的导带底略高于相邻量子点的导带底，势垒调节层的价带顶略低于相邻量子点的价带顶。这种能带设计结构除了利用势垒层调控光生载流子的输运外，还可以抑制暗态下从电极的注入电流，从而减小暗态电流。在偏置电压V+-V-的作用下，光生电子向电极V+移动，并被收集。光生空穴向电极V-移动，并被收集。波长不同的光子在不同的量子点层被吸收，并沿着不同的路径被收集。在图3中，短波光子所产生的光生载流子沿着路径1被收集，中波光子所产生的光生载流子沿着路径2被收集，而长波光子所产生的光生载流子沿着路径3被收集。光生载流子沿着这些路径能否被有效地收集，还决定于光生载流子的复合特性。当光生载流子的寿命τ和载流子迁移率μ不变的情况下，活性层中电场强度越高，载流子有效地漂移的距离越长，越容易被电极所收集。本发明利用改变偏置电压，调控载流子的漂移特性，从而调节电极所收集的光生电流。由于图3所示的梯度能量带隙结构，改变偏置电压时，收集到的光生电流可能出现非线性的变化。
本发明提出的光谱成像方法如图4所示。首先采用可调谐单色光源对近红外/可见光/紫外集成光谱成像器件的响应度进行标定，得到在不同偏置电压和不同波长入射光照射下探测器的响应度。然后对实际探测目标进行成像，改变偏置电压，通过数据采集卡获得系列探测电流P1、P2、…、Pn。经过信号放大和模数转换，再根据前面标定的不同光谱通道探测器响应度，采用波分复用算法重构光谱，获取某一空间点的入射光光谱信息。
采用上述方法可以获得空间某一点的光谱信息，为了获得整个成像区域的光谱图像，我们采用CMOS电路或者TFT电路构建成像阵列读出电路，并在读出电路上制备光谱成像传感阵列。图5(a)是一种典型的3管传感单元读出电路，图5(b)是单元读出电路版图，图5(c)则是传感阵列版图。将图2所示的传感单元结构和图5(c)所示的传感阵列版图向结合，即可以获得整个成像区域的光谱图像信息。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种近红外/可见光/紫外集成光谱成像器件，其特征在于，所述成像器件的结构从下往上依次为：透明基板、透明电极、第一短波势垒调节层、第一短波光电转换层、第二短波势垒调节层、第二短波光电转换层、…、第n1短波势垒调节层、第n1短波光电转换层、第一中波势垒调节层、第一中波光电转换层、第二中波势垒调节层、第二中波光电转换层、…、第n2中波势垒调节层、第n2中波光电转换层、第一长波势垒调节层、第一长波光电转换层、第二长波势垒调节层、第二长波光电转换层、…、第n3长波势垒调节层、第n3长波光电转换层、钝化层、收集电极；
所述第一短波光电转换层至第n1短波光电转换层的能量带隙是由大到小的，第一中波光电转换层至第n2中波光电转换层的能量带隙是由大到小的，第一长波光电转换层至第n3长波光电转换层的能量带隙是由大到小的，且第n1短波光电转换层的能量带隙大于第一中波光电转换层的能量带隙，第n2中波光电转换层的能量带隙大于第一长波光电转换层的能量带隙；
所述第一短波势垒调节层至第n1短波势垒调节层的能量带隙是由大到小的，第一中波势垒调节层至第n2中波势垒调节层的能量带隙是由大到小的，第一长波势垒调节层至第n3长波势垒调节层的能量带隙是由大到小的，且第n1短波势垒调节层的能量带隙大于第一中波势垒调节层的能量带隙，第n2中波势垒调节层的能量带隙大于第一长波势垒调节层的能量带隙；
所述短波光电转换层用于吸收入射光中的短波光子，中波光电转换层用于吸收入射光中的中波光子，长波光电转换层用于吸收入射光中的长波光子。
2.根据权利要求1所述近红外/可见光/紫外集成光谱成像器件，其特征在于，所述势垒调节层的材料为氧化物纳米晶或者硫化物纳米晶或者三元化合物纳米晶。
3.根据权利要求1所述近红外/可见光/紫外集成光谱成像器件，其特征在于，所述光电转换层的材料为胶体量子点。
4.根据权利要求1所述近红外/可见光/紫外集成光谱成像器件，其特征在于，所述势垒调节层的导带底高于与之相邻的光电转换层的导带底，势垒调节层的价带顶低于与之相邻的光电转换层的价带顶。
5.一种近红外/可见光/紫外集成光谱成像方法，基于权利要求1所述近红外/可见光/紫外集成光谱成像器件实现，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，设定所述成像器件的工作波长范围为1.5μm至380nm，在该波长范围内设定m个光谱通道，所有光谱通道的波长依次为λ1、λ2、…、λm，利用偏置电压对入射光的光谱通道进行编码，偏置电压设置为V1、V2、…、Vn，且n＞m；
步骤2，采用可调谐单色光源对成像器件的响应度进行标定，得到在不同偏置电压下，不同波长入射光照射下成像器件的响应度，表示为：
其中，R表示响应度，R11为偏置电压V1下，入射光波长为λ1的响应度；R1m为偏置电压V1下，入射光波长为λm的响应度；Rn1为偏置电压Vn下，入射光波长为λ1的响应度；Rnm为偏置电压Vn下，入射光波长为λm的响应度；
步骤3，测量偏置电压为V1、V2、…、Vn时对应的光生电流P1、P2、…、Pn，将光生电流P1、P2、…、Pn经过信号放大和模数转换，根据步骤2标定的响应度，采用波分复用算法重构光谱，得到某一空间点的入射光谱信息；
步骤4，将上述成像器件扩展为成像器件阵列，利用CMOS集成电路或者TFT薄膜电路构建阵列读出电路，获得成像有效区域内所有空间点的入射光谱信息，形成光谱图像数据立方。
6.根据权利要求5所述近红外/可见光/紫外集成光谱成像方法，其特征在于，所述波分复用算法的目标函数为：
其中，δ表示目标函数；Pi为偏置电压为Vi时测量得到的光生电流；Rij为偏置电压Vi下，入射光波长为λj的响应度；Ij为入射光在j个光谱通道的强度分量。
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