CN112510062A - 一种上转换器件红外复合波长成像系统及其搭建测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种上转换器件红外复合波长成像系统及其搭建测试方法，属于红外复合波长成像技术领域，系统包括多波段红外激光源、匀化器、红外上转换器件、光学影像转换器；多波段红外激光源发出的红外激光经匀化器透过待成像目标物体产生光学信号，红外上转换器件收集光学信号发出可见光实现红外成像，并通过光学影像转换器进行观察。本发明利用上述高探测效率、低开启电压的红外上转换器件，使得本发明成像系统能够在较低工作电压以及较弱红外输入光功率下工作，能耗较低，并且在红外探测波长范围内功率识别线性区范围较大，以使其能够应用于分辨率较高的生物成像等领域。

Description

一种上转换器件红外复合波长成像系统及其搭建测试方法
技术领域
本发明涉及红外复合波长成像技术领域，尤其涉及一种上转换器件红外复合波长成像系统及其搭建测试方法。
背景技术
红外上转换器件由于能够在没有后端处理电路以及大规模阵列的需求下进行红外成像，一直受到研究人员的广泛关注。这种包含探测器以及发光器件的综合器件无需光刻等繁琐的工艺，特别是近年来全溶液的上转换红外探测器的提出使得这项技术更为简易，利用这些制造优势还可以在柔性衬底上设计可穿戴的红外成像器件使得红外上转换器件件在生物成像、机械检测、红外夜视上有着广阔前景。
红外上转换器件多层堆叠的器件结构会使其产生需要缺陷态以及传输损耗，最后导致器件整体的量子效率偏低，特别是输入红外光与输出可见光的转化效率。基于此，红外上转换器件还需要施加较高电压才能驱动，大部分器件需要施加超过10V的电压，使得其能耗大幅度增加。为了提升光光转化效率并降低驱动电压，探测单元的效率以及发光效率是关键所在。Chen等人(Chen J,Tao J,Ban D,et al.Hybrid organic/inorganic opticalup-converter for pixel-less near-infrared imaging.[J].Advanced Materials,2012,24(23):3138-3142.)在10V工作电压实现了字母淹没版的成像效果。Kim等人(Kim DY,Choudhury K R,Lee J W,et al.PbSe Nanocrystal-Based Infrared-to-Visible Up-Conversion Device[J].Nano Letters,2011,11(5):2109-2113.)制备的上转换器件需要施加13-15V的工作电压。
红外上转换器件常常由于各类损耗的原因其量子效率往往在10％以下，大部分器件需要较高能量的光去激发发光层发光，如何有效提升探测单元效率以及发光单元效率是改善红外上转换器件整体效率的关键所在。
而大部分单层发光器件光光转化效率被限制在10％以下，zhou等人(Zhou,W.,Shang,Y.,García de Arquer,F.P.et al.solution-processed upconversionphotodetectors based on quantum dots.Nature Electronics 3,251–258(2020).)在探测单元的电子传输层中掺入银纳米颗粒使得在光作用下氧化锌能带弯曲产生的隧穿作用提升探测单元的光电转化效率，使得红外上转换器件件整体的效率增加到6.5％并进行了生物成像。Yang等人(Yang,Dezhi,Zhou et al.Near infrared to visible lightorganic up-conversion devices with photon-to-photon conversion efficiencyapproaching 30％.Materials Horizons 5.5(2018).)在红外上转换器件中引入双发光层将光光转换效率提高到超过30％，并且对字母掩模进行了成像。然而上述上转换器件仍然存在光光转换效率低、驱动电压大的问题，因此需要较强的红外光输入进行发光，故对红外识别能力较差，其线性动态范围往往较小，不能进行高分辨率的生物成像以及生物监测。
发明内容
本发明的目的在于克服现有上转换器件线性动态范围较小，不能进行高分辨率的生物成像以及生物监测的问题，提供一种上转换器件红外复合波长成像系统及其搭建测试方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种上转换器件红外复合波长成像系统，系统具体包括多波段红外激光源、匀化器、红外上转换器件、光学影像转换器；所述多波段红外激光源发出的红外激光经匀化器透过待成像目标物体产生光学信号，红外上转换器件收集光学信号发出可见光实现红外成像，并通过光学影像转换器进行观察；
红外上转换器件由下至上依次包括透明衬底、透明导电膜、第一电子传输层、三元活性层、空穴传输层、发光层、第二电子传输层、顶电极；三元活性层为在二元电子给体-受体活性层掺入第三元受体材料，并通过退火形成面传输方向结晶取向的薄膜；第二电子传输层与发光层的主体在第二电子传输层与发光层的界面形成激基复合物。
作为一选项，所述三元活性层由电子受体材料IEICO-4F、电子给体材料PTB7-Th以及电子受体材料PC71BM混合而成，或由电子受体材料PM6，电子给体材料IT-4F和电子给体材料F8IC混合而成，或由电子受体材料DR3TBDTT，电子给体材料ICC6和电子给体材料PC71BM混合而成；发光层为CBP：ir(ppy)2acac复合层，CBP为发光主体材料，所述发光主体材料可以替换为m-CBP或CDBP或CDBP；所述第二电子传输层具体为B3PyMPM层或B4PyPPM层或B4PyPPM层或POT2T层。
作为一选项，所述红外上转换器件的工作波段为700-1000nm。
作为一选项，所述待成像目标物体与红外上转换器件紧贴设置。
作为一选项，所述光学影像转换器为相机或人眼。
作为一选项，所述红外上转换器件的红外识别能力与ccd相机或人眼的亮度分辨能力匹配设置。
需要进一步说明的是，上述系统各选项对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
本发明还包括一种上转换器件红外复合波长成像系统的搭建测试方法，所述方法包括以下步骤：
S01：将多波段红外激光源、匀化器、待成像目标物体、红外上转换器件放置在一条水平线上；
S02：调节光学影像转换器的焦距以使红外上转换器件的玻璃衬底一侧对焦清晰；
S03：将红外上转换器件电极两端施加工作电压，并使多波段红外激光源输出较大功率红外激光将红外上转换器件照亮，以使多波段红外激光源与红外上转换器件对准；
S04：将待成像目标物体紧贴红外上转换器件的透明导电膜一侧，并调节多波段红外激光源的输出功率以呈现清晰图像；
S05：通过光学影像转换器进行拍摄或者观察待成像目标物体的成像细节。
作为一选项，所述方法还包括：通过调整红外上转换器件的工作电压调节红外上转换器件对不同波段的红外识别能力。
作为一选项，所述方法还包括：通过调整红外上转换器件的工作电压调节红外成像的线性动态范围。
作为一选项，所述方法还包括：当红外上转换器件的工作电压固定时，可通过调节多波段红外激光源输出光的强弱调节待成像目标物体曝光以及成像清晰度。
需要进一步说明的是，上述方法各选项对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
本发明红外上转换器件的三元活性层能够提升垂直方向上的载流子传输能力，探测效率、弱光探测能力大幅度提高；第二电子传输层与发光层的主体在第二电子传输层与发光层的界面形成激基复合物，降低发光层中的三重态激子浓度以减少激子的猝灭，从而有效降低发光所需开启电压；本发明利用上述高探测效率、低开启电压的红外上转换器件，使得本发明成像系统能够在较低工作电压以及较弱红外输入光功率下工作，能耗较低，并且在红外探测波长范围内功率识别线性区范围较大可以达到60dB以上，以使其能够应用于分辨率较高的生物成像等领域。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例1的成像系统结构示意图；
图2为本发明实施例1的红外上转换器件结构示意图；
图3为本发明实施例1的转换器件探测线性动态范围性能测试图；
图4为本发明实施例1的掩模版字母e红外成像示意图；
图5为本发明实施例1的生物样片的红外成像示意图。
图中：多波段红外激光源1、匀化器2、待成像目标物体3、红外上转换器件4、透明衬底41、透明导电膜42、第一电子传输层43、三元活性层44、空穴传输层45、发光层46、第二电子传输层47、顶电极48、光学影像转换器5
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
如图1-2所示，在实施例1中，一种上转换器件红外复合波长成像系统，系统包括多波段红外激光源1、匀化器2、红外上转换器件4、光学影像转换器5；红外上转换器件4由下至上依次包括透明衬底41、透明导电膜42、第一电子传输层43、三元活性层44、空穴传输层45、发光层46、第二电子传输层47、顶电极48；三元活性层44为在二元电子给体-受体活性层掺入第三元受体材料，并通过退火形成面传输方向结晶取向的薄膜；第二电子传输层47与发光层46的主体在第二电子传输层47与发光层46的界面形成激基复合物。其中，匀化器2用于对多波段红外激光源1发出的红外激光的高斯光束进行匀化处理；更为具体地，透明导电膜42具体为ITO导电玻璃；第一电子传输层43具体为氧化锌；空穴传输层45为TAPC，厚度范围为20-40nm，优选为30nm；顶电极48为LiF/Al复合层。整个器件由空穴传输层45分割，透明导电膜42、第一电子传输层43、三元活性层44组成探测单元，发光层46、第二电子传输层47、顶电极48组成发光单元。
具体地，多波段红外激光源1、匀化器2、红外上转换器件4与待成像目标物体3处于同一水平线，多波段红外激光源1发出的红外激光经匀化器2透过待成像目标物体3产生光学信号(红外光信号)，红外上转换器件4收集该光学信号，红外上转换器件4每一个最小面元上都能感受到透过带成像目标物体形成的红外光能量变化，该红外光经三元活性层44分离出的光生空穴在可见光发光部分与电子复合发出可见光，进而实现红外成像，最后通光学影像转换器5进行观察。
进一步地，三元活性层44由电子受体材料IEICO-F、电子给体材料PTB-Th以及电子受体材料PC71BM混合而成，或由电子受体材料PM6，电子给体材料IT-4F和电子给体材料F8IC混合而成，或由电子受体材料DR3TBDTT，电子给体材料ICC6和电子给体材料PC71BM混合而成。三元活性层44优选为由电子受体材料IEICO-F、电子给体材料PTB-Th以及电子受体材料PC71BM混合而成，其吸收主要波段在400-1064nm，在传统二元活性层中加入受体PC71BM能够显著提升活性层的电子迁移率这有利于激子解离以及载流子的分离，这将大幅度提升器件的探测效率以及弱光探测能力。更为具体地，利用三元活性层44结晶取向面外传输(面外传输和面内传输原理)提升垂直方向上的载流子传输能力，当在400-1000nm的红外光照射下给体-受体混合活性层产生的光生电子和空穴可以有效分离，电子进入透明导电膜42一侧，空穴进入界面激基复合物一侧；进入激基复合物的光生空穴与另外一侧的电极提供的电子在电子传输层以及两端电压驱动下在激基复合物界面处复合产生中心波长在520nm附近的绿光。
更为具体地，三元活性层44厚度范围为30-150nm，优选为100nm，电子受体材料IEICO-4F、电子给体材料PTB7-Th、电子受体材料PC71BM的质量分数比为1：1.35：0.15。具体地，通过改变三元活性层44厚度，能够调控红外上转换器件的开关亮度比例大小，控制相同电压下的光与电的辅助发光比例。并且不同的入射光功率所产生的发光亮度也不同，可以通过亮度对光功率进行准备标定，而且高斯光束的光斑也在红外上转换器件上又明暗变化，可以对红外光束质量进行检测鉴定。
进一步地，发光层46为CBP：ir(ppy)2acac复合层，CBP为发光主体材料，所述发光主体材料可以替换为m-CBP或CDBP或CDBP；第二电子传输层47具体为B3PyMPM层或B4PyPPM层或B4PyPPM层或POT2T层。发光层46优选为CBP：ir(ppy)2acac复合层，第二电子传输层优选为B3PyMPM层，第二电子传输层47与发光层46中的主体材料CBP在第二传输层与发光层46的界面形成激基复合物。其中，激基复合物是两个不同种分子或原子的聚集体，在激发态时两分子或原子作用较强，产生新的能级，发射光谱红移，例如：m-CBP:B4PyPPM，CDBP:B4PyPPM，CDBP:POT2T。更为具体地，发光层46的厚度为20-40nm，优选为30nm；ir(ppy)2acac与主体材料CBP的质量分数比为1:12.5；第二传输层的厚度范围为20-60nm，优选为50nm。
进一步地，红外上转换器件4的工作波段为生物识别红外1区即700-1000nm。更进一步地，由于特定波长较大的线性动态范围可以被红外上转换器件4的工作电压调制，进行部分成像光信息的滤除或者微调如图3所示。红外上转换器件4的不同波段的红外识别能力受到工作电压的调制，在6-8V将呈现各个波段的较高红外识别能力，在低电压下如6V对波长900-1000nm的红外光识别能力下降较大，使得多波长复合成像效果减弱。
更进一步地，由于红外上转换器件4对不同入射光功率的功率识别线性区范围不同，因此可通过调节红外上转换器件4两端施加的工作电压调整功率识别线性区范围，从而影响成像的分辨率，改善不同波段成像质量。作为一具体实施例，本发明红外上转换器件4的工作电压为6-8V，通过调整该工作电压能够使本发明成像系统的线性动态范围在84.4～12.2dB变化。作为一选项，当红外上转换器件4的工作电压固定时，可通过调节多波段红外激光源1输出光的强弱调节待成像目标物体3曝光以及成像清晰度。若红外上转换器件4的线性动态范围较大时，采用更高亮度识别能力的ccd相机或者人眼与之相匹配，以免造成由于失配造成的成像不清晰。
进一步地，待成像目标物体3与红外上转换器件4紧贴设置，距离1-5mm，以感受待成像目标物体3的红外光能量变化。更进一步地，光学影像转换器5为相机或人眼。更为具体地，红外上转换器件4的红外识别能力与ccd相机或人眼的亮度分辨能力匹配设置，如使两者线性动态范围或者分辨率相近。
本发明红外上转换器件4的三元活性层44能够提升垂直方向上的载流子传输能力，探测效率、弱光探测能力大幅度提高；第二电子传输层47与发光层46的主体在第二电子传输层47与发光层46的界面形成激基复合物，降低发光层46中的三重态激子浓度以减少激子的猝灭，从而有效降低发光所需开启电压，在此基础上，使得整个红外上转换器件4具有较小的工作能耗，这将最小驱动电压降低(开启电压1.6V，工作电压6-8V)，使得电能耗降低。此外，本发明利用在红外探测波长范围(700-1064nm)的多波段红外激光源1透过待成像目标物体3出现的随空间位置红外光功率变化，红外上转换器件4将这些光变化信息收集起来，将其转化为对应的亮度变化信息以52nm为中心波长的绿光，在工作电压为6-8V的整个红外上转换器件4上将会出现待成像目标物体3的多波段红外复合像，通过后端的的ccd相机或者人眼以及人眼可以进行识别，本发明通过分别对掩模版字母e以及生物样片进行红外成像测试如图4-5所示，可以看出，本发明成像系统能够实现对待成像目标物体3的清晰成像。需要说明的是，图4-5为本发明仿真示意图，不对本发明范围进行限定。
本发明利用高探测效率、低开启电压的红外上转换器件4，使得红外上转换器件4可以在较低工作电压(6-8V)以及较弱红外输入光功率下工作，能耗较低，并且在红外探测波长范围内(700-1064nm)功率识别线性区范围较大可以达到60dB以上，能够对精细结构比如生物样片进行红外成像，以使其能够应用于分辨率较高的生物成像等领域，且成像清晰度可以通过红外上转换器件4两端的工作电压以及输入红外光功率进行调整。
实施例2
本实施例与实施例1具有相同的发明构思，在实施例1的基础上提供了一种上转换器件红外复合波长成像系统的搭建测试方法，该方法具体包括以下步骤：
S01：将多波段红外激光源1、匀化器2、待成像目标物体3、红外上转换器件4放置在一条水平线上；
S02：调节光学影像转换器5的焦距以使红外上转换器件4的玻璃衬底一侧对焦清晰；
S03：将红外上转换器件4电极两端施加合适工作电压，打开多波段红外激光源1到较大功率红外激光将红外上转换器件4照亮，以使多波段红外激光源1与红外上转换器件4对准；其中，合适工作电压为6-8V，优选为8V。
S04：保持步骤S04的光路情况，将待成像目标物体3紧贴红外上转换器件4的透明导电膜42一侧，并调节多波段红外激光源1的输出功率以呈现清晰图像；其中，根据不同成像片的厚度影响调节多波段红外激光源1的输出功率，使得出现较为清晰的图像，在针对较厚的待成像目标物体3样片时，需提高多波段红外激光源1输出功率，并且在更高工作电压如10V左右进行工作，以保证大部分识别功率在线性动态范围内。
S05：通过光学影像转换器5进行拍摄或者观察待成像目标物体3的成像细节，以此实现对本发明成像系统的测试。
进一步地，上述步骤S04中还包括：
通过调整红外上转换器件4的工作电压调节红外上转换器件4对不同波段的红外识别能力。具体地，红外上转换器件4的不同波段的红外识别能力受到工作电压的调制，在6-8V将呈现各个波段的较高红外识别能力，在低电压下如6V对波长900-1000nm的红外光识别能力下降较大，使得多波长复合成像效果减弱。
进一步地，上述步骤S04中还包括：
通过调整红外上转换器件4的工作电压调节红外成像的线性动态范围。具体地，由于红外上转换器件4对不同入射光功率的功率识别线性区范围不同，因此可通过调节红外上转换器件4两端施加的工作电压调整功率识别线性区范围，从而影响成像的分辨率，改善不同波段成像质量。作为一具体实施例，本发明红外上转换器件4的工作电压为6-8V，通过调整该工作电压能够使本发明成像系统的线性动态范围在84.4～12.2dB变化。
进一步地，上述步骤S04中还包括：
当红外上转换器件4的工作电压固定时，可通过调节多波段红外激光源1输出光的强弱调节待成像目标物体3曝光以及成像清晰度。若红外上转换器件4的线性动态范围较大时，采用更高亮度识别能力的ccd相机或者人眼与之相匹配，以免造成由于失配造成的成像不清晰。
以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种上转换器件红外复合波长成像系统，其特征在于：所述系统包括多波段红外激光源(1)、匀化器(2)、红外上转换器件(4)、光学影像转换器(5)；
所述多波段红外激光源(1)发出的红外激光经匀化器(2)透过待成像目标物体(3)产生光学信号，红外上转换器件(4)收集所述光学信号发出可见光实现红外成像，并通过光学影像转换器(5)进行观察；
所述红外上转换器件(4)由下至上依次包括透明衬底(41)、透明导电膜(42)、第一电子传输层(43)、三元活性层(44)、空穴传输层(45)、发光层(46)、第二电子传输层(47)、顶电极(48)；
所述三元活性层(44)为在二元电子给体-受体活性层掺入第三元受体材料，并通过退火形成面传输方向结晶取向的薄膜；所述第二电子传输层(47)与发光层(46)的主体在第二电子传输层(47)与发光层(46)的界面形成激基复合物。
2.根据权利要求1所述的一种上转换器件红外复合波长成像系统，其特征在于：所述三元活性层(44)包括由电子受体材料IEICO-4F、电子给体材料PTB7-Th以及电子受体材料PC71BM混合而成，或由电子受体材料PM6，电子给体材料IT-4F和电子给体材料F8IC混合而成，或由电子受体材料DR3TBDTT，电子给体材料ICC6和电子给体材料PC71BM混合而成；
发光层(46)为CBP：ir(ppy)2acac复合层，CBP为发光主体材料，所述发光主体材料可以替换为m-CBP或CDBP或CDBP；所述第二电子传输层(47)具体为B3PyMPM层或B4PyPPM层或B4PyPPM层或POT2T层。
3.根据权利要求1所述的一种上转换器件红外复合波长成像系统，其特征在于：所述红外上转换器件(4)的工作波段为700-1000nm。
4.根据权利要求1所述的一种上转换器件红外复合波长成像系统，其特征在于：所述待成像目标物体(3)与红外上转换器件(4)紧贴设置。
5.根据权利要求1所述的一种上转换器件红外复合波长成像系统，其特征在于：所述光学影像转换器(5)为相机或人眼。
6.根据权利要求5所述的一种上转换器件红外复合波长成像系统，其特征在于：所述红外上转换器件(4)的红外识别能力与ccd相机或人眼的亮度分辨能力匹配设置。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种上转换器件红外复合波长成像系统的搭建测试方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
将多波段红外激光源(1)、匀化器(2)、待成像目标物体(3)、红外上转换器件(4)放置在一条水平线上；
调节光学影像转换器(5)的焦距以使红外上转换器件(4)的玻璃衬底一侧对焦清晰；
将红外上转换器件(4)电极两端施加工作电压，并使多波段红外激光源(1)输出较大功率红外激光将红外上转换器件(4)照亮，以使多波段红外激光源(1)与红外上转换器件(4)对准；
将待成像目标物体(3)紧贴红外上转换器件(4)的透明导电膜一侧，并调节多波段红外激光源的输出功率以呈现清晰图像；
通过光学影像转换器(5)进行拍摄或者观察待成像目标物体的成像细节。
8.根据权利要求7所述的搭建测试方法，其特征在于：所述方法还包括：
通过调整红外上转换器件(4)的工作电压调节红外上转换器件(4)对不同波段的红外识别能力。
9.根据权利要求7所述的搭建测试方法，其特征在于：所述方法还包括：
通过调整红外上转换器件(4)的工作电压调节红外成像的线性动态范围。
10.根据权利要求7所述的搭建测试方法，其特征在于：所述方法还包括：
当红外上转换器件(4)的工作电压固定时，可通过调节多波段红外激光源(1)输出光的强弱调节待成像目标物体(3)曝光以及成像清晰度。
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