TWI550838B

TWI550838B - A signal conversion device capable of instantaneous imaging

Info

Publication number: TWI550838B
Application number: TW103127055A
Authority: TW
Inventors: Shun Wei Liu; Chih Chien Lee; Chih Hsien Yuan; wei cheng Su
Priority date: 2014-08-07
Filing date: 2014-08-07
Publication date: 2016-09-21
Also published as: TW201607007A

Description

能即時成像之訊號轉換裝置

本發明是有關於一種訊號轉換裝置，特別是指一種能即時成像之訊號轉換裝置。

參閱圖1，一種應用於攝像系統的現有的成像模組100，包括一物鏡組10、一設置於該物鏡組10之後的分光元件組11、依序設置於該分光元件組11之後的一感光元件12與一顯示屏幕13，及一設置於該分光元件組11與該顯示屏幕13之上的目鏡組14。當外在的一入射光15由外界穿透該物鏡組10經過該分光元件組11而將該入射光15分為一第一子光線16與一第二子光線17時，該第一子光線16往後傳輸至該感光元件12上，使該感光元件12吸收該第一子光線16的光訊號以轉換為電訊號後，而供後端的顯示屏幕13成像；該第二子光線17則因該分光元件組11而改變其光路徑以傳輸至該目鏡組14並聚焦供使用者即時觀察。

由上述應用於一般攝像系統的現有的成像模組100的運作方式可知，現有的成像模組100主要是藉由該分光元件組11將該入射光15進行分光，而分別供該感光元件12吸收轉換成像及供使用者即時觀察目標物。然而，當該入射光15透過該分光元件組11分光形成該第一子光線16與該第二子光線17時，會降低入射光強度。此外，為了因應分光後之該第一子光線16與該第二子光線17兩者的不同光路徑，該現有的成像模組100還需精準地搭配該目鏡組14以調整光路徑，導致該現有的成像模組100具有體積龐大的缺點。再者，使用者更需貼近於該目鏡組14的光軸上，才能清楚地觀察目標物。更甚者，當在特殊情況(例如軍事監視用途)時，使用者欲觀察經不可見光波段的紅外光線所產生的影像時，僅能透過該感光元件12將光訊號轉換為電訊號而成像於該顯示屏幕13上，並無法藉由該分光元件組11讓使用者即時觀察到目標物。

因此，改良現有的成像模組100內部元件的結構，以縮小成像模組100的體積，且在透過感光元件12將不可見光(紅外光線)產生的影像顯示於顯示屏幕13的同時，還能即時地供使用者觀察不可見光(紅外光線)產生的影像，是此技術領域的相關技術人員所待突破的課題。

因此，本發明之目的，即在提供一種能即時成像之訊號轉換裝置。

於是本發明能即時成像之訊號轉換裝置，於吸收一具有一第一波段的第一光線及接受一偏壓後，能產生一預定影像及轉換成一電訊號。該能即時成像之訊號轉換裝置包含一透光基板、一有機光電轉換單元，及多數感光單元。該有機光電轉換單元形成有多個裸露出該透光基板的開口，該等開口呈一陣列彼此間隔地排列於該透光基板上，該有機光電轉換單元包括一形成於該透光基板上的第一穿透電極層、一設置於該第一穿透電極層之上的第二穿透電極層、一設置於該第一穿透電極層與該第二穿透電極層之間的光電轉換膜層結構，及一光伏層。該光伏層設置於該光電轉換膜層結構與該第一穿透電極層及該第二穿透電極層兩者其中之一間。該等感光單元呈一陣列對應地位於該有機光電轉換單元的各開口中，各感光單元具有一感光元件及一阻光元件，各感光單元的阻光元件是介於其感光元件與該有機光電轉換單元間。

在本發明中，該等感光元件吸收該第一波段的第一光線而轉換成該電訊號，該有機光電轉換單元吸收該第一波段的第一光線並接受該偏壓以產生一具有一第二波段的第二光線，從而使該第二光線構成該預定影像，且該等阻光元件能阻隔該第二光線被該等感光元件所吸收。

本發明之功效在於：藉該有機光電轉換單元之各開口中的各感光單元，令該等感光元件與該有機光電轉換單元同時吸收該第一光線，並分別轉換成該電訊號與產生該第二光線以直接構成該預定影像，使本發明於整合至成像模組時不僅該電訊號可供後端顯示屏幕使用，更無須透過分光元件組即能有效縮小整體體積以供使用者觀察第二波段(如，不可見光)所產生的預定影像。

λ₁‧‧‧第一光線

λ₂‧‧‧第二光線

2‧‧‧透光基板

3‧‧‧有機光電轉換單元

300‧‧‧開口

301‧‧‧第一溝道

302‧‧‧第二溝道

31‧‧‧第一穿透電極層

32‧‧‧第二穿透電極層

33‧‧‧光電轉換膜層結構

331‧‧‧正型載子注入層

332‧‧‧第一傳輸阻擋層

333‧‧‧發光層

334‧‧‧第二傳輸阻擋層

335‧‧‧負型載子注入層

34‧‧‧光伏層

35‧‧‧光電轉換像素

4‧‧‧感光單元

41‧‧‧感光元件

42‧‧‧阻光元件

5‧‧‧透光封裝層

A‧‧‧第一方向

B‧‧‧第二方向

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一剖視示意圖，說明一種應用於攝像系統的現有的成像模組；圖2是一俯視示意圖，說明本發明能即時成像之訊號轉換裝置於省略一透光封裝層後之一第一實施例；圖3是一沿圖2之直線III-III所取得的一剖視示意圖，輔助說明圖2的該第一實施例；圖4是一圖3之一局部放大剖視示意圖，輔助說明圖3該第一實施例的一有機光電轉換單元；圖5是一俯視示意圖，說明本發明能即時成像之訊號轉換裝置於省略一透光封裝層後之一第二實施例；及圖6是一沿圖5之直線VI-VI所取得的一剖視示意圖，輔助說明圖5的該第二實施例。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2、圖3與圖4，本發明能即時成像之訊號轉換裝置之第一實施例，於吸收一具有一第一波段的第一光線λ₁及接受一偏壓(圖未示)後，能產生一預定影像及轉換成一電訊號。本發明該第一實施例包含一透光基板2、一有機光電轉換單元3、多個感光單元4，及一設置於該有機光電轉換單元3與該等感光單元4之上的透光封裝層5。該透光封裝層5是用以保護該有機光電轉換單元3 與該等感光單元4。在本發明該第一實施例中，該能即時成像之訊號轉換裝置是可被整合至該攝像系統的現有的成像模組100中。

該有機光電轉換單元3形成有多數裸露出該透光基板2的開口300，該等開口300呈一陣列彼此間隔地排列於該透光基板2上。該有機光電轉換單元3包括一形成於該透光基板2上的第一穿透電極層31、一設置於該第一穿透電極層31之上的第二穿透電極層32、一設置於該第一穿透電極層31與該第二穿透電極層32之間的光電轉換膜層結構33，及一光伏層34。該光伏層34設置於該光電轉換膜層結構33與該第二穿透電極層32間。

該等感光單元4呈一陣列對應地位於該有機光電轉換單元3的各開口300中，各感光單元4具有一感光元件41及一阻光元件42。各感光單元4的阻光元件42是介於其感光元件41與該有機光電轉換單元3間。在本發明該第一實施例中，該等感光元件41吸收該第一波段的第一光線λ₁而轉換成該電訊號，以供後端顯示屏幕(圖未示)產生一預定畫面。該有機光電轉換單元3吸收該第一波段的第一光線λ₁並接受該偏壓以產生一具有一第二波段的第二光線λ₂，從而使該第二光線λ₂構成該預定影像，且該等阻光元件42能阻隔該第二光線λ₂被該等感光元件41所吸收。

具體地說，於該第一實施例中，該等開口300是沿一第一方向A依序間隔設置，且沿一實質垂直於該第一方向A的第二方向B依序間隔設置。該有機光電轉換單元3的該第一穿透電極層31、該第二穿透電極層32、該光電轉換膜層結構33與該光伏層34是呈一連續膜的態樣，且各感光單元4是對應填滿該有機光電轉換單元3的各開口300，而各感光單元4的阻光元件42是圍繞其所對應的感光元件41，而能更有效地阻隔該第二光線λ₂被該等感光元件41所吸收。

較佳地，該有機光電轉換單元3的第一穿透電極層31與第二穿透電極層32分別是由透明導體材料所構成。適用於本發明該第一實施例的透明導體材料可以是如氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化銦鎵鋅(IGZO)、氧化鋅(ZnO)、三氧化鉬(MoO₃)、三氧化鎢(WO₃)等導電性的金屬氧化物，或是如鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)、鎂(Mg)、鈣(Ca)之厚度較薄的金屬，並不限於此，更可以是前述導電性的金屬氧化物與金屬之多層組合。在該第一實施例中，該第一穿透電極層31是使用氧化銦錫(ITO)，該第二穿透電極層32是使用WO₃/Ag/WO₃多層膜為例作說明。另外，覆蓋於該有機光電轉換單元3與該等感光單元4之上的透光封裝層5是使用一般常用的玻璃基板，但不限於此，也可選用厚度較薄的封裝薄膜進行封裝。

由於本發明能即時成像之訊號轉換裝置是被整合於能吸收外在光源而即時成像的攝像系統之成像模組中使用。因此，本發明該光伏層34的材料並無特別限制，可視情況選用所欲吸收的波段的材料。於該第一實施例中，該光伏層34是由一選自下列能吸收紅外光線所構成之群組的材料所製成：酞菁錫(SnPc)、氯化硼亞酞菁(SubPc)、亞萘酞菁(SubNc)、酞菁氯化鋁(ClAlPc)、酞菁氧化鈦(TiOPc)、酞菁銅(CuPc)、酞菁鋅(ZnPc)、並六苯(Hexacene)、並五苯(Pentacene)、並四苯(Tetracene)、蒽(Anthracene)、碳60(C₆₀)，及碳70(C₇₀)，但不限於此，也可以是前述材料之混合物。在該第一實施例中，該光伏層34則是使用酞菁氯化鋁(ClAlPc)與碳70(C₇₀)相互混合所構成的薄膜為例作說明。要說明的是，該具有該第一波段的第一光線λ₁並無特別限制，只要該第一光線λ₁的頻寬波段涵蓋該光伏層34所能吸收頻寬波段即可。

配合地參閱圖4，該有機光電轉換單元3的光電轉換膜層結構33具有一形成於該第一穿透電極層31上的正型載子注入層331、一夾置於該光伏層34與正型載子注入層331間的第一傳輸阻擋層332、一夾置於該光伏層34與該第一傳輸阻擋層332間的發光層333、一夾置於該光伏層34與該發光層333間的第二傳輸阻擋層334，及一夾置於該光伏層34與該第二傳輸阻擋層334間的負型載子注入層335。簡單地來說，該光電轉換膜層結構33即為一般省略掉兩個穿透電極層之有機發光二極體(organic light-emitting diodes，OLED)之結構，而其製程技術並非本發明之技術特徵，僅屬於一般OLED的習知技術。因此，於此不再多加贅述。

此外，本發明該第一實施例中的該有機光電轉換單元3，是用來做為能即時成像的主要元件。簡單地來說，即時成像機制是透過該光伏層34吸收具有第一波段的第一光線λ₁，再藉由該光電轉換膜層結構33的發光層333轉換成具有第二波段的第二光線λ₂，以成像成該預定影像。因此，該光電轉換膜層結構33的發光層333可以配合所欲觀測的影像，而放射出例如紅色、綠色，或藍色等不同顏色的可見光以形成該預定影像。有關本發明該第一實施例之有機光電轉換單元3所主導之詳細的即時成像機制，容後說明。

該等感光單元4的感光元件41可為電荷耦合元件(CCD)或互補式金屬氧化物半導體場效電晶體(CMOSFET)，於該第一實施例是以電荷耦合元件(CCD)為例作說明。該等阻光元件42主要是用以避免有機光電轉換單元3產生的第二光線λ₂被該等感光元件41所吸收。因此，構成該等阻光元件42的材料須為不透光，如此才能有效達成前述目的。該等阻光元件42可透過薄膜沉積(thin film deposition)、微影(lithography)與蝕刻(etching)等製程形成於該透光基板2上。於該第一實施例中，該等阻光元件42是利用不透光的矽(Si)材質所製成，以配合微影與蝕刻等製程分別圍繞於該等感光元件41周圍。較佳地，為了更有效地阻隔該第二光線λ₂，該等阻光元件42還可以具有高於該有機光電轉換單元3與該等感光元件41的高度。要說明的是，該等阻光元件42的排列方式不限於此，只要配合地形成於該等感光元件41與該有機光電轉換單元3之間，而能達成阻隔該第二光線λ₂被該等感光元件41所吸收的目的即可。

更詳細地說，就該第一實施例之訊號轉換機制來說，其是藉由該等感光元件(即，CCD)41掃描吸收該第一波段的第一光線λ₁而轉換成該電訊號後，以將該電訊號傳送至後端顯示屏幕以產生該預定畫面並供使用者觀看。

此外，就該第一實施例之即時成像機制來說，其主要是透過分別電連接於該第一、二穿透電極層(以下以正極、負極舉例說明)31、32的該偏壓，以產生多對彼此電性相反的第一載子(即，分別為正型第一載子與負型第一載子)；同時，透過該光伏層34以吸收該具有第一波段的第一光線λ₁後激發多對彼此電性相反的第二載子(即，分別為正型第二載子與負型第二載子)。因此，該偏壓的負型第一載子會與該光伏層34的正型第二載子於該第二穿透電極層32處相抵消，而該偏壓的正型第一載子則會與該光伏層34的負型第二載子於該光電轉換膜層結構33的發光層333中復合(recombination)，從而產生該具有第二波段的第二光線λ₂，使該第二光線λ₂構成該預定影像。舉例來說，當第一波段之第一光線λ₁為不可見光波段的紅外光線時，該光伏層34則須搭配使用能吸收該紅外光線的材料，而將該紅外光線吸收轉換成該等第二載子，從而與該偏壓所構成的該等第一載子於該發光層333中復合以產生可見光波段(即，第二波段)的第二光線λ₂，以令使用者可即時地觀察到由該紅外光線所產生的該預定影像。

參閱圖5與圖6，本發明能即時成像之訊號轉換裝置之第二實施例，大致是相同於該第一實施例，其不同之處在於，該第二實施例的有機光電轉換單元3還形成有多數條裸露出該透光基板2的第一溝道301及第二溝道302。該等第一溝道301是沿該第一方向A延伸，並沿該第二方向B依序間隔排列。該等第二溝道302是沿該第二方向B延伸，並沿該第一方向A依序間隔排列。此外，該等第一溝道301與該等第二溝道302更令該有機光電轉換單元3，分割成如圖5所示之多數彼此間隔排列的光電轉換像素35，且至少一部分的感光單元4是各由最相鄰近的四個光電轉換像素35所圍繞。

詳細地來說，該第一實施例之有機光電轉換單元3整體是連續膜的態樣，而該第二實施例的第一、二溝道301、302將該有機光電轉換單元3分割成該等光電轉換像素35，使其分別成為多數能獨立運作的像素(pixel)，並使各光電轉換像素35尺寸大小與各感光元件41相當。此處須補充說明的是，當光線由所欲觀察的目標物反射出來時，會因目標物本身既有的形狀或材質，而反射有不同光強度的光線。因此，在本發明該第二實施例中，當不同光強度的第一光線λ₁分別進入該有機光電轉換單元3時，可藉由各光電轉換像素35吸收不同光強度的第一光線λ₁，以轉換成不同光強度的第二光線λ₂，從而構成所欲觀測之目標物的影像。由此可知，該等光電轉換像素35能更有效地藉由吸收不同光強度的光線，而清楚地顯示所欲觀測之目標物的影像，進而提升該預定影像的解析度。此外，以此產生的該預定影像也能與吸收有該第一光線λ₁之該等感光元件41以轉換成該電訊號，供後端顯示屏幕(圖未示)所呈現的該預定畫面相符合。

要補充說明的是，由於該有機光電轉換單元3均為穿透式材料所構成。因此，該光伏層34除了如該第一、二實施例中所述形成於該光電轉換膜層結構33與該第二穿透電極層32間外，其也可形成於該光電轉換膜層結構33與該第一穿透電極層31間。即，該第一穿透電極層31上是依序形成該光伏層34、該正型載子注入層331、第一傳輸阻擋層332、該發光層333、該第二傳輸阻擋層334，及該負型載子注入層335。另外，該光電轉換膜層結構33中的膜層堆疊順序也可以是相互顛倒，但需注意的是，當該光電轉換膜層結構33的膜層堆疊順序是相反設置時，該偏壓的正極與負極也要隨之反相電連接於相對應的穿透電極層。也就是說，於該第一、二實施例中，該光電轉換膜層結構33也可以先於該第一穿透電極層31上形成該負型載子注入層335後，再依序形成該第二傳輸阻擋層334、該發光層333、該第一傳輸阻擋層332，及該正型載子注入層331，再將該光伏層34形成於該正型載子注入層331上。此時，該偏壓的正極與負極則是分別電連接於該第二穿透電極層32與該第一穿透電極層31(圖未示)。

經上述各實施例的詳細說明可知，本發明各實施例之能即時成像之訊號轉換裝置，一方面是藉由各感光單元4來吸收該第一光線λ₁，以轉換成該電訊號供後端顯示屏幕成像。另一方面，亦可直接透過其有機光電轉換單元3內的光伏層34吸收該第一光線λ₁(如，紅外光線)；同時，在接收該偏壓的條件下以透過其光電轉換膜層結構33內的發光層333，將該第一光線λ₁轉換成該第二光線(如，可見光)λ₂，以即時性地形成該預定影像。因此，本發明各實施例於整合至該攝像系統之現有的成像模組100時(配合參圖1)，可同時取代其內部的分光元件組11與感光元件12，從而縮減該現有的成像模組100的體積。此時，使用者是直接於本發明之能即時成像之訊號轉換裝置之後，觀察其所即時成像的預定影像；而後端顯示屏幕13則可設置於方便供使用者觀看的位置，或者可分離地裝設於其他處。當後端顯示屏幕13可分離地裝設於其他處時(圖未示)，本發明各實施例之能即時成像之訊號轉換裝置則可藉由現有的無線傳輸設備(圖未示)，將該等感光元件41的電訊號傳遞該後端顯示屏幕13以產生該預定畫面。

值得一提的是，因該透光基板2、有機光電轉換單元3，及該透光封裝層5均為穿透式元件。因此，當不施加該偏壓於本發明各實施例之能即時成像之訊號轉換裝置時，使用者亦能以該現有的成像模組100之物鏡組10進行聚焦後，而直接觀察目標物。

此外，由於紅外光線具有穿透煙霧的特性。因此，當本發明各實施例的光伏層34是使用吸收紅外光線的材料時，各光伏層34能於煙霧瀰漫的火場中吸收到穿透過煙霧的紅外光線，而藉由該光電轉換膜層結構33產生不受煙霧影響的紅外光影像。舉例來說，當使用者於煙霧瀰漫的火場中，使用本發明能即時成像之訊號轉換裝置觀察目標物時，除了能幫助使用者即時清楚觀看周圍的環境外，還能藉由該等感光元件41吸收紅外光線而轉換成電訊號，並透過無線傳輸設備(圖未示)將電訊號傳送至火場外的指揮中心，以供設於指揮中心處的後端顯示屏幕呈現出該實質相同於使用者所觀看到之預定影像的預定畫面。

綜上所述，本發明能即時成像之訊號轉換裝置，藉該有機光電轉換單元3之各開口300中的各感光單元4，令該等感光元件41吸收該第一光線λ₁產生該電訊號而轉換成該預定畫面，而該有機光電轉換單元則吸收該第一光線λ₁產生該第二光線λ₂以直接構成該預定影像，使本發明於整合至現有成像模組100時不僅該電訊號可供後端顯示屏幕使用，更無須透過該分光元件組11即能有效縮小整體體積以供不同使用者同時觀察第二波段(如，不可見光)所產生的預定影像與預定畫面，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。