CN111623875A - 一种基于光谱上转换材料的光谱芯片及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光谱上转换材料的光谱芯片及其控制方法，包括硅基探测器、光谱上转换材料薄膜和光学聚焦微透镜阵列且中心位于同一轴线上，所述硅基探测器包括像元光敏区和光电转换基底，所述光学聚焦微透镜阵列将红外信号汇聚后照射到光谱上转换材料薄膜上，透过光谱上转换材料薄膜将红外信号转化为可见光信号给硅基探测器的像元光敏区，可见光信号透过像元光敏区到达光电转换基底，并输出电信号。具有整体生产工艺简单成熟的优点，可对红外波段进行实时、快速、在线探测，探测时间在微秒量级及以上。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测技术领域，特别是一种基于光谱上转换材料的光谱芯片及其控制方法。
背景技术
红外探测技术在许多热门的领域有着重要的应用，包括航天航空遥感监控，军事侦察，汽车夜视系统，半导体晶圆检测，农产品检测，生物医学检测，安全监控系统，各类半导体激光器以及红外发光二极管发射光跟踪、校对、识别和光纤通信信号检测等等。目前红外探测主要采用铟镓砷(发明专利：一种铟镓砷短波红外探测器，公开号：CN 105914250A)或锗基(发明专利：一种集成式红外带通滤波器和光谱仪，公开号：CN 207457534 U)探测器，因其铟镓砷或锗基材料对红外波段具有独特的光电响应特性而被应用。一种铟镓砷短波红外探测器是通过在其光敏元上制作形成一个锥形通孔，然后在通孔中填充互连金属连接窗口层与读出电路，使得探测器光敏元从材料内部就可以与读出电路进行探测。但在探测器光敏元制作锥形通孔时，由于现有工艺水平并不能完好的制作出所要求的锥形通孔尺寸或弧度，所以在探测结果上会产生误差，且如此复杂的工艺流程必然伴随着高成本，很难实现其广泛的应用；一种集成式红外带通滤波器和光谱仪通过光刻技术制造金属层微米或纳米孔阵列，以达到红外带通滤波器的效果，并在每一个集成孔阵列形成的红外带通滤波器下方设置单独探测器进行探测，这样通过集成式红外带通滤波器后形成不同波长的红外光就会被下方探测器接收到转换成电学信号来达到探测目的。但需要注意的是该专利需要利用光刻技术制作孔阵列并要与探测器像元一一对应，这无疑在制作上增加了制作工艺的难度，并且现有工艺制作的孔阵列定会存在误差，影响探测效果。虽然上述探测器可以达到探测红外光谱的目的，但其信噪比较低，曝光时间长，并且探测系统很难小型化、制备工艺复杂和成本较高等缺点，已成为阻碍我国红外探测器件进一步拓展应用的瓶颈。
相比较铟镓砷或锗基探测器而言，硅基探测器的技术成熟，成本低，并且在曝光时间、工作温度等同等条件下，其信噪比远高于铟镓砷和锗基探测器，但是硅基探测器的探测波段范围长波最大到1100nm，这限制了它在红外波段的应用。本发明通过利用光谱上转换材料，将红外波段(800nm-1600nm)的光信号转化至可见光波段(380nm-780nm)，从而使硅基探测器可以响应。光谱上转换材料即：反-斯托克斯发光(Anti-Stokes)材料，其特点是所吸收的光子能量低于发射的光子能量，迄今为止，光谱上转换材料都发生在掺杂稀土离子的化合物中，主要有氟化物、氧化物、含硫化合物、氟氧化物、卤化物等。本发明通过光谱上转换材料硅基探测器结合进行红外探测，避免了使用铟镓砷或锗基等成本高昂的红外探测器。制备工艺依托现有CMOS技术进行再加工，工艺简单成熟，同时又兼备成本低、体积小等特点，因此这种新型器件的出现将具有非常重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于解决以上现有技术的不足，提供一种基于光谱上转换材料的光谱芯片及其控制方法。
为实现以上目的，提供以下技术方案：
一种基于光谱上转换材料的光谱芯片，包括硅基探测器、光谱上转换材料薄膜和光学聚焦微透镜阵列且中心位于同一轴线上，所述硅基探测器包括像元光敏区和光电转换基底，所述光学聚焦微透镜阵列将红外信号汇聚后照射到光谱上转换材料薄膜上，透过光谱上转换材料薄膜将红外信号转化为可见光信号给硅基探测器的像元光敏区，可见光信号透过像元光敏区到达光电转换基底，并输出电信号。
优选地，还包括控制模块，所述控制模块开启红外信号的输入，并控制硅基探测器、光谱上转换材料薄膜和光学聚焦微透镜阵列开始工作。
优选地，所述控制模块控制光学聚焦微透镜阵列进行聚焦。
一种基于光谱上转换材料的光谱芯片的控制方法，包括以下步骤：
S1：控制模块开启红外信号的输入，并启动硅基探测器、光谱上转换材料薄膜和光学聚焦微透镜阵列开始工作，所述光学聚焦微透镜阵列进行聚焦；
S2：光学聚焦微透镜阵列对入射的红外信号进行汇聚并均匀的透射到光谱上转换材料薄膜上；
S3：光谱上转换材料薄膜对入射的不同波长的红外信号转换成不同光谱强度的可见光信号，传递给硅基探测器；
S4：入射进硅基探测器的可见光信号首先到达像元光敏区后到达光电转换基底，经过光电转换基底将可见光信号转换成电信号并输出。
有益效果：
1、本发明的一种基于光谱上转换材料的光谱芯片，由光学聚焦微透镜阵列、光谱上转换材料薄膜、硅基探测器组成，具有整体生产工艺简单成熟的优点，可对红外波段进行实时、快速、在线探测，探测时间在微秒量级及以上。
2、本发明的一种基于光谱上转换材料的光谱芯片，可以取代常用的短波红外探测器，形成高信噪比、高稳定性、高空间分辨的紧凑化、轻量化的短波红外硅基光谱芯片；可以广泛的应用于人们日常生活用品检测、工业检测、以及科学研究领域。
3、本发明实现了与常用短波红外探测器探测结果相比更好的一种新型短波红外光谱探测芯片，它的制作成本低，便于批量生产，并且光电转换基底为硅基材料，生产工艺成熟，具有较大的社会效益和广泛的应用价值。
4、本发明采用的微透镜阵列是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的阵列，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，传统成像透镜具有聚焦、成像功能，但器件尺寸大，占用空间范围大，这样就不利于微型器件集成。
附图说明
图1为基于光谱上转换材料的光谱芯片原理示意图；
图2为上转换材料红外响应光谱图；
图3为部分波长红外转可见光谱图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示一种基于光谱上转换材料的光谱芯片，包括硅基探测器30、光谱上转换材料薄膜20和光学聚焦微透镜阵列10且中心位于同一轴线上，所述硅基探测器30包括像元光敏区和光电转换基底，所述光学聚焦微透镜阵列10将红外信号汇聚后照射到光谱上转换材料薄膜20上，透过光谱上转换材料薄膜20将红外信号转化为可见光信号给硅基探测器30的像元光敏区，可见光信号透过像元光敏区到达光电转换基底，并输出电信号。
包括控制模块，所述控制模块开启红外信号的输入，并控制硅基探测器30、光谱上转换材料薄膜20和光学聚焦微透镜阵列开10始工作。
所述控制模块控制光学聚焦微透镜阵列10进行聚焦。
一种基于光谱上转换材料的光谱芯片的控制方法，包括以下步骤：
S1：控制模块开启红外信号的输入，并启动硅基探测器30、光谱上转换材料薄膜20和光学聚焦微透镜阵列10开始工作，所述光学聚焦微透镜阵列10进行聚焦；
S2：光学聚焦微透镜阵列10对入射的红外信号如图2所示进行汇聚并均匀的透射到光谱上转换材料薄膜20上；
S3：光谱上转换材料薄膜20对入射的不同波长的红外信号转换成不同光谱强度的可见光信号如图3所示，传递给硅基探测器30；
S4：入射进硅基探测器的可见光信号首先到达像元光敏区后到达光电转换基底，经过光电转换基底将可见光信号转换成电信号并输出。
光谱上转换材料薄膜20为一种红外光激发下能发出可见光的发光材料，用于将红外光谱转换成可见光谱。其特点是所吸收的光子能量低于发射的光子能量，改变上转换材料种类或掺杂粒子浓度即可实现上转换材料薄膜的红外波段宽带吸收转化为可见光，实施例采用稀土参杂的CaS∶Eu,Sm上转换材料，量子效率为4％。
硅基探测器30采用硅基图像传感器CMOS或者CCD，用于探测经上转换薄膜调制转化的光信号强度，实施例硅基探测器选用QHYCCDD的一款QHY5-II型号，采用QHY5-II相机1/2英寸黑白版传感器。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于光谱上转换材料的光谱芯片，其特征在于，包括硅基探测器、光谱上转换材料薄膜和光学聚焦微透镜阵列且中心位于同一轴线上，所述硅基探测器包括像元光敏区和光电转换基底，所述光学聚焦微透镜阵列将红外信号汇聚后照射到光谱上转换材料薄膜上，透过光谱上转换材料薄膜将红外信号转化为可见光信号给硅基探测器的像元光敏区，可见光信号透过像元光敏区到达光电转换基底，并输出电信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于光谱上转换材料的光谱芯片，其特征在于，还包括控制模块，所述控制模块开启红外信号的输入，并控制硅基探测器、光谱上转换材料薄膜和光学聚焦微透镜阵列开始工作。
3.根据权利要求2所述的一种基于光谱上转换材料的光谱芯片，其特征在于，所述控制模块控制光学聚焦微透镜阵列进行聚焦。
4.根据权利要求1所述的一种基于光谱上转换材料的光谱芯片的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：控制模块开启红外信号的输入，并启动硅基探测器、光谱上转换材料薄膜和光学聚焦微透镜阵列开始工作，所述光学聚焦微透镜阵列进行聚焦；
S2：光学聚焦微透镜阵列对入射的红外信号进行汇聚并均匀的透射到光谱上转换材料薄膜上；
S3：光谱上转换材料薄膜对入射的不同波长的红外信号转换成不同光谱强度的可见光信号，传递给硅基探测器；
S4：入射进硅基探测器的可见光信号首先到达像元光敏区后到达光电转换基底，经过光电转换基底将可见光信号转换成电信号并输出。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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