TWI578508B

TWI578508B - Adjust the optical band of the signal conversion device

Info

Publication number: TWI578508B
Application number: TW103127604A
Authority: TW
Inventors: Shun Wei Liu; Chih Chien Lee; Chih Hsien Yuan; wei cheng Su
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2017-04-11
Also published as: TW201607008A

Description

調整光波段之訊號轉換裝置

本發明是有關於一種訊號轉換裝置，特別是指一種調整光波段之訊號轉換裝置。

隨著工業技術與半導體製程不斷地演進，電子式成像系統已成為了成像技術中所廣泛應用的手段之一。電子式成像系統通常包含有一訊號轉換裝置，例如，電荷耦合元件(charge coupled device，CCD)或互補式金屬氧化物半導體場效電晶體(complementary metal oxide semiconductor field-effect transistor，CMOSFET)等感光裝置。一般而言，該感光裝置能接受並掃描來自外在的全波段光源，並將所吸收到的全波段光源轉換成一電訊號，再將此電訊號傳輸至後端的顯示器轉換成像。然而，該感光裝置所吸收的光源因涵蓋了人眼所無法看見的波段。因此，其所轉換的影像以人眼來觀察時，會具有色彩偏差的問題，其中，又以不可見光之波段中的紅外光線對影像的成像結果影響最大。

為了解決上述紅外光線對成像的色彩偏差的問題，目前最為普遍的做法，是於成像系統中設置一紅外濾光片(infrared cut-off filter)，其能阻擋紅外光線而使其它波段的光源通過，進而有效防止紅外光線進入該感光裝置中。

參閱圖1，一種應用於電子式成像系統的現有的成像模組100，包括一基板11、一設置於該基板11上的感光裝置12、一設置於該感光裝置12之上的紅外濾光片13，及一設置於該濾光片13之上的透鏡組14。當具有全波段的入射光15由外界穿透該透鏡組14以經過該紅外濾光片13時，該具有全波段的入射光15中的紅外光線會被該紅外濾光片13所阻擋，以使一剩餘波段的光線則能順利地傳送至該感光裝置12，使該感光裝置12吸收該剩餘波段的光訊號以轉換為電訊號後，並供後端顯示器(圖未示)成像。

對於一般的電子式成像系統(例如，監視裝置)而言，於光線充足之處，可吸收全波段的光線以藉由該紅外濾光片13過濾紅外光線後而成像；但於夜晚或光線不足之處，則必須開啟一外加的紅外光源，使紅外光源照射至欲觀測之物體上，再由監視裝置接收該物體反射回來的紅外光線，使該紅外光線傳送該感光裝置12而成像。由此可知，一般監視裝置的成像模組中，於夜晚或光線不足之處，還必須先行將該紅外濾光片13移除，才能使該感光裝置12接收到該紅外光線而成像。然而，前述夜晚成像的做法，會使得成像仍具有色彩偏差等缺點。

因此，改良訊號轉換裝置，使一般電子式成像系統於光線充足與不足的地方，皆不會產生色彩偏差的影像，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，即在提供一種調整光波段之訊號轉換裝置。

於是本發明調整光波段之訊號轉換裝置，於吸收一紅外光線及接受一偏壓後，能將該紅外光線轉換為一具有一預定波段的光線，並使該光線轉換成一電訊號，該調整光波段之訊號轉換裝置包含一感光單元，及一有機光電轉換單元。該感光單元包括一基板、多個設置於該基板上的感光元件，及一設置於該等感光元件上的絕緣保護層。該有機光電轉換單元設置於該感光單元的絕緣保護層之上，並包括一第一穿透電極層、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(photovoltaic layer)。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。

在本發明中，該偏壓電連接於該第一穿透電極層與該第二穿透電極層，並具有多對彼此電性相反的第一載子，該光伏層吸收該紅外光線後產生多對彼此電性相反的第二載子，並透過該偏壓而令各對第一載子及各對第二載子的四者其中之二者，且分別來自各對第一載子與各對第二載子之彼此電性相反的載子於該第一穿透電極層及該第二穿透電極層兩者其中之一處相抵消，而各對第一載子與各對第二載子的四者其中之另二者於該光電轉換膜層結構中復合(recombination)，從而產生該具有該預定波段的光線後，供該等感光元件吸收而轉換成該電訊號。

本發明之功效在於：藉由該有機光電轉換單元的光伏層吸收紅外光線所產生的多對第二載子，並配合該偏壓的各對第一載子於光電轉換膜層結構中復合，從而產生該具有預定波段的光線後，供該等感光元件吸收並轉換成該電訊號，以使其於合併至一電子式成像系統且於夜晚或光線不足時，皆能改善成像的色彩偏差問題。

200‧‧‧紅外光線

2‧‧‧感光單元

21‧‧‧基板

22‧‧‧感光元件

23‧‧‧絕緣保護層

3‧‧‧有機光電轉換單元

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‧‧‧透光性隔離元件

36‧‧‧封裝元件

4‧‧‧透鏡單元

V‧‧‧偏壓

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，說明一種應用於電子式成像系統的現有的成像模組；圖2是一側視示意圖，說明本發明調整光波段之訊號轉換裝置之一第一實施例；圖3是一側視示意圖，說明本發明調整光波段之訊號轉換裝置之一第二實施例；圖4是一側視示意圖，說明本發明調整光波段之訊號轉換裝置之一第三實施例；圖5是一側視示意圖，說明本發明調整光波段之訊號轉換裝置之一第四實施例；及圖6是一側視示意圖，說明本發明調整光波段之訊號轉換裝置之一第五實施例。

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，本發明調整光波段之訊號轉換裝置之一第一實施例，於吸收一紅外光線200及接受一偏壓V後，能將該紅外光線200轉換為一具有一預定波段的光線，並使該光線轉換成一電訊號。本發明該第一實施例包含一感光單元2，及一有機光電轉換單元3。在本發明該第一實施例中，該調整光波段之訊號轉換裝置是可被整合至一電子式成像系統中使用，以整併為一攝像設備，且該具有該預定波段的光線是可見光波段的可見光。

該感光單元2包括一基板21、多個設置於該基板21上的感光元件22，及一設置於該等感光元件22上的絕緣保護層23。該有機光電轉換單元3設置於該感光單元2的絕緣保護層23之上，並包括一第一穿透電極層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。該偏壓V電連接於該第一穿透電極層31與該第二穿透電極層32，並具有多對彼此電性相反的第一載子，該光伏層34吸收該紅外光線200後產生多對彼此電性相反的第二載子，並透過該偏壓V而令各對第一載子及各對第二載子的四者其中之二者，且分別來自各對第一載子與各對第二載子之彼此電性相反的載子於該第一穿透電極層31及該第二穿透電極層32兩者其中之一處相抵消，而各對第一載子與各對第二載子的四者其中之另二者於該光電轉換膜層結構33中復合，從而產生該具有該預定波段的光線後，供該等感光元件22吸收而轉換成該電訊號。

具體地說，於該第一實施例中，該第一穿透電極層31是直接形成於該感光單元2的絕緣保護層23上，該有機光電轉換單元3的光伏層34是直接形成於該光電轉換膜層結構33上，且該有機光電轉換單元3還包括一封裝元件36，該封裝元件36形成於該第二穿透電極層32上，是用以保護該光電轉換膜層結構33。也就是說，該第一實施例的具體結構由下至上依序為：該感光單元2的基板21、該等感光元件22、該絕緣保護層23、該第一穿透電極層31、該光電轉換膜層結構33、該光伏層34、該第二穿透電極層32，及該封裝元件36。

較佳地，該感光單元2的基板21是使用如矽(Si)或砷化鎵(GaAs)等無機半導體基板，但不限於此。而該感光單元2的該等感光元件22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。該感光單元2的絕緣保護層23主要是用以保護該等感光元件22，且是由一選自下列所構成之群組的透光材料所製成：二氧化矽(SiO₂)、氮化矽(Si₃N₄)、氧化鋁(Al₂O₃)、二氧化鉿(HfO)，及二氧化鈦(TiO₂)。在該第一實施例中，該絕緣保護層23是使用氧化鋁(Al₂O₃)的透光材料為例作說明。

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)，而該第二穿透電極層32則是使用Al/Ag/WO₃多層膜為例作說明。另外，覆蓋於該第二穿透電極層32上的封裝元件36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。

由於本發明調整光波段之訊號轉換裝置是被整合於光線充足及不充足時皆能將紅外光線轉換為可見光的攝像設備中使用，因此，適用於本發明該第一實施例的光伏層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。

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。

詳細地說，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，而本發明該第一實施例的光電轉換膜層結構33是應用於具有電荷耦合元件(CCD)或互補式金屬氧化物半導體場效電晶體(CMOSFET)的裝置中。所以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並傳送至該等感光元件22，進而使得所觀察到的影像對比度因可見光而有效地上升，並從而獲得更清晰的影像。該光電轉換膜層結構33的製程技術並非本發明之技術特徵，其僅屬於一般有機發光二極體的習知技術，於此不再多加贅述。

更詳細地說，於該第一實施例中，該偏壓V的正極是電連接於該第一穿透電極層31，該偏壓V的負極是電連接於該第二穿透電極層32，且該偏壓V所具有的多對彼此電性相反的第一載子，分別為正型第一載子與負型第一載子；而該光伏層34吸收該紅外光線200後則激發正型第二載子與負型第二載子。當該偏壓V的正型第一載子與負型第一載子分別由該第一穿透電極層31與第二穿透電極層32注入時，該光伏層34所激發出的負型第二載子與正型第二載子則分別朝該第一穿透電極層31與該第二穿透電極層32方向移動，此時，該偏壓V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V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，從而產生該具有該預定波段的光線後，供該等感光元件22吸收而轉換成該電訊號。

此處要補充說明的是，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V的正極與負極也要隨之反向電連接於相對應的穿透電極層。也就是說，於該第一實施例中，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，最後再形成該第二穿透電極層32與該封裝元件36。此時，該偏壓V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。

參閱圖3，本發明調整光波段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，其不同之處是在於，該第二實施例的有機光電轉換單元3的光伏層34是設置於該光電轉換膜層結構33與第一穿透電極層31間；也就是說，該光電轉換膜層結構33的正型載子注入層331形成於該光伏層34上、該第一傳輸阻擋層332夾置於該第二穿透電極層32與該正型載子注入層331間、該發光層333夾置於該第二穿透電極層32與該第一傳輸阻擋層332間、該第二傳輸阻擋層334夾置於該第二穿透電極層32與該發光層333間，該負型載子注入層335夾置於該第二穿透電極層32與該第二傳輸阻擋層334間，且該第二實施例的第二穿透電極層32是形成於該負型載子注入層335上。要說明的是，該第一、二實施例是於該感光單元2的絕緣保護層23製作完成後，直接於該絕緣保護層23上形成該光電轉換膜層結構33的各層結構，因此，該第一、二實施例的結構為薄型化的結構，此處製程技術實屬習知技術，於此不再多加贅述。

參閱圖4，本發明調整光波段之訊號轉換裝置之第三實施例，大致是相同於該第一實施例，其不同之處是在於，該第三實施例還包含一設置於該感光單元2與該有機光電轉換單元3間的透鏡單元4，該有機光電轉換單元3還包括一設置於該感光單元2與該第一穿透電極層31間的透光性隔離元件35。在該第一實施例中，該透光性隔離元件35是一玻璃基板，且該透光性隔離元件35設置於該透鏡單元4與該第一穿透電極層31間。具體地說，該第三實施例是分別將該感光單元2與該有機光電轉換單元3先後製作完成，再將該透鏡單元4疊合於該有機光電轉換單元3的透光性隔離元件35下，及該感光單元2的絕緣保護層23上即可進行運作。要說明的是，由於該第三實施例的透光性隔離元件35是以具有一定厚度的玻璃所構成，因此，由該有機光電轉換單元3所發出的光，穿透該透光性隔離元件35時會呈現發散狀態，所以需要透過該透鏡單元4用以修正此發散的光，而能更有效地集中至該感光單元2的各感光元件22上。

參閱圖5，本發明調整光波段之訊號轉換裝置之第四實施例，大致是相同於該第三實施例，其不同之處在於，該第四實施例的有機光電轉換單元3的光伏層34是設置於該光電轉換膜層結構33與第一穿透電極層31間，也就是說，該光電轉換膜層結構33的正型載子注入層331是直接形成於該光伏層34上。

參閱圖6，本發明調整光波段之訊號轉換裝置之第五實施例，大致是相同於該第三實施例，其不同之處在於，該第五實施例並無設置該透鏡單元4，且該透光性隔離元件35是由一選自下列所構成之群組的薄膜材料所製成：二氧化矽(SiO₂)、氮化矽(Si₃N₄)、氧化鋁(Al₂O₃)、二氧化鉿(HfO)，及二氧化鈦(TiO₂)，或由前述材料之多層組合。另外，於該第五實施例中，該封裝元件36是由玻璃基板所構成。此外，由於該透光性隔離元件35的厚度僅為1μm，因此，該第五實施例是直接將該有機光電轉換單元3疊合於該感光單元2上而直接整合至電子式成像系統(圖未示)中使用。要說明的是，該有機光電轉換單元3疊合於該感光單元2上時，也可使用如油液等折射率匹配層(圖未示)，或是具抗磨損的高分子穿透式塑膠離型膜(圖未示)而設置於該有機光電轉換單元3與感光單元2之間。因為該透光性隔離元件35是由該薄膜材料所製成，所以其相對於使用玻璃基板的第三實施例來說，具有更薄的厚度。當該有機光電轉換單元3所放射出來的光，穿透該透光性隔離元件35時，其光線於發散之前即可被該等感光元件22所吸收而轉換成該電訊號。也就是說，該第五實施例即使不需設置該透鏡單元4也能使光線有效地傳遞至該等感光元件22上。須補充說明的是，該第五實施例的光伏層34設置的位置也可如該第二、四實施例，視情況地設置於該光電轉換膜層結構33與第一穿透電極層31間。

值得一提的是，該第三、四、五實施例均是將該感光單元2與該有機光電轉換單元3先後製作完成再進行疊合，以此方式進行，不僅能提高該感光單元2與該有機光電轉換單元3的製作良率，還能隨時替換因使用壽命較短而提早損壞的有機光電轉換單元3。

另外須說明的是，該第二、三、四、五實施例的光電轉換膜層結構33中的膜層堆疊順序與該偏壓V的正極、負極之電連接位置，均如該第一實施例中所述，是可相互對應對調。

綜上所述，本發明調整光波段之訊號轉換裝置，其透過該光伏層34有效地吸收紅外光線200以產生多對第二載子，並藉由該偏壓V的各對第一載子以於光電轉換膜層結構33中與各對第二載子復合，從而產生具有預定波段的光線後，供該等感光元件22吸收而轉換成該電訊號，以使其在整合至該電子式成像系統以整併為該攝像設備且於夜晚或光線不足時，皆能改善成像的色彩偏差從而提高成像的對比度，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。