一種基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明具體涉及一種基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。該芯片利用量子點發(fā)光探測器實現(xiàn)紅外到可見光圖像的轉(zhuǎn)換，利用可見光圖像傳感器實現(xiàn)可見光圖像的采集與輸出，并通過微型光學(xué)透鏡陣列實現(xiàn)量子點發(fā)光探測器與可見光圖像傳感器之間的光互聯(lián)。最終，為形成一種高分辨率、低成本、寬光譜的新型紅外電視型成像系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。
【專利說明】
一種基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明具體涉及一種基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片，屬于光電技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 自1800年英國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)紅外福射以來，經(jīng)過兩個多世紀(jì)的發(fā)展，紅外成像技 術(shù)由最初主要用于軍事上的跟蹤定位，發(fā)展到如今在交通、環(huán)境、制造業(yè)等領(lǐng)域的全面覆 蓋。相對于可見光成像技術(shù)，紅外成像技術(shù)的抗干擾能力強，受煙霧等惡劣天氣的影響小。 因此，紅外成像技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域，主要應(yīng)用于偵察與 夜視、紅外制導(dǎo)與隱蔽目標(biāo)的探測等。在民用領(lǐng)域，紅外成像技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)林業(yè)、 醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
[0003] 目前，主要采用基于III-V族化合物半導(dǎo)體的紅外焦平面陣列進行紅外目標(biāo)探測。 即：通過InGaAs探測器將目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號，再通過Si基讀出電路對電信號進 行積分和處理。由于InGaAs探測器單元和Si基讀出電路生長于不同的襯底材料，需分別制 備，再通過銦柱將探測器和讀出電路單元一對一的連接。上述銦柱互連和對準(zhǔn)要求嚴(yán)重限 制了紅外焦平面陣列的分辨率，導(dǎo)致其分辨較低，同時也導(dǎo)致其價格相對昂貴(相對于可見 光圖像傳感器）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片，該芯片 由量子點發(fā)光探測器、微型光學(xué)透鏡陣列與可見光圖像傳感器集成，可以對紅外圖像進行 高分辨率成像，同時具有寬光譜、低成本等優(yōu)點。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0006] -種基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片，包括量子點發(fā)光探測器、微 型光學(xué)透鏡陣列和可見光圖像傳感器等。
[0007] 量子點發(fā)光探測器、微型光學(xué)透鏡陣列和可見光圖像傳感器依次排列，三者之間 的距離可以通過牛頓公式來確定，牛頓公式如公式(1)所示，
[0008] XX，=f，2 (1)
[0009] 其中，x表示微型光學(xué)透鏡陣列中單個透鏡的物方焦點F與量子點發(fā)光探測器之間 的距離，X'表示微型光學(xué)透鏡陣列中單個透鏡的像方焦點F'與量子點發(fā)光探測器之間的距 離，f'表示單個透鏡的焦距。為了使量子點發(fā)光探測器與可見光圖像傳感器的成像區(qū)域?qū)?應(yīng)，需要使量子點發(fā)光探測器與可見光圖像傳感器對應(yīng)區(qū)域的面積相同。根據(jù)相似三角形 的對應(yīng)關(guān)系，僅需使式(1)中的x = x '即可。
[0010] 綜上所述，量子點發(fā)光探測器、微型光學(xué)透鏡陣列和可見光圖像傳感器之間的距 離可以通過式(2)來確定
[0011] {^，= ；f，2 (2)
[0012] 所述微型光學(xué)透鏡陣列的陣列排布為:微型光學(xué)透鏡陣列由多個微型凸透鏡按行 列緊密整齊排列而成，為了提高光能的利用率，每個透鏡的形狀均選擇為正方形，可使填充 因子達到100%，同時透鏡的口徑很小，透鏡的口徑不大于500M1，從而可以利用較薄的透鏡 得到較小的焦距，提高整個芯片的集成度。
[0013] 所述的可見光圖像傳感器為CMOS圖像傳感器或(XD圖像傳感器；
[0014] -種基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片，成像的具體實現(xiàn)步驟如下： [0015] 步驟一:紅外-可見光上轉(zhuǎn)換過程。通過無機紅外探測器與0LED的集成，形成量子 點發(fā)光探測器，將入射紅外光轉(zhuǎn)換為可見光，并由0LED進行無像素顯示；
[0016] 步驟二:量子點發(fā)光探測器與可見光圖像傳感器之間的光互聯(lián)過程。基于微型光 學(xué)透鏡陣列將量子點發(fā)光探測器中0LED顯示的可見光圖像，耦合至高分辨率可見光圖像傳 感器的光敏面上，實現(xiàn)量子點發(fā)光探測器與可見光圖像傳感器之間的光互聯(lián)；
[0017] 步驟三:可見光圖像的光電轉(zhuǎn)換?？梢姽鈭D像傳感器完成入射可見光圖像的光電 轉(zhuǎn)換，輸出高分辨率模擬/數(shù)學(xué)圖像信號，實現(xiàn)基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像。
[0018] 有益效果
[0019] 1、高分辨率紅外成像能力?；诹孔狱c發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片避免了 紅外焦平面陣列制造過程中的銦柱互聯(lián)和對準(zhǔn)等復(fù)雜的工藝問題，其采用量子點發(fā)光探測 器直接將入射紅外光轉(zhuǎn)化為可見光，并由0LED進行無像素顯示。同時，由高分辨率CMOS圖像 傳感器或CCD圖像傳感器將0LED顯示的可見光圖像轉(zhuǎn)換為模擬/數(shù)字圖像信號。其中，高分 辨率可見光圖像傳感器的分辨率即為紅外成像芯片的分辨率，因而可極大地提高紅外成像 芯片的分辨率。
[0020] 2、低成本紅外成像?；诹孔狱c發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片避免了紅外焦 平面陣列制造過程中的銦柱互聯(lián)和對準(zhǔn)等復(fù)雜的工藝問題。同時，由于有機發(fā)光二極管 (0LED)的生長無晶格匹配要求，理論上可生長于任何材質(zhì)的襯底上，從而極大地簡化了量 子點發(fā)光探測器的制備工藝，進而大幅降低器件的成本。量子點發(fā)光探測器的電視型紅外 成像芯片有望將紅外成像器件的成本降低至可見圖像傳感器水平。
[0021] 3、紅外-可見光寬光譜成像能力。基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片 采用具有內(nèi)增益的InGaAs探測器與磷光有機發(fā)光二極管(0LED)實現(xiàn)紅外光向可見光的轉(zhuǎn) 換。同時，上述材料對可見光同樣具有良好的透光性。因此，其光譜響應(yīng)范圍可同時覆蓋可 見光-紅外光譜，且其探測波長可通過選擇不同的材料改變。因此，基于該技術(shù)可獲得一種 同時具有可見光-紅外光譜響應(yīng)能力的新型圖像傳感器芯片。
【附圖說明】
[0022] 圖1為一種基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片示意圖；
[0023] 圖2為牛頓公式中所示符號示意圖。
[0024] 其中包括:1 一量子點發(fā)光探測器，2-微型光學(xué)透鏡陣列，3-可見光圖像傳感器。
【具體實施方式】
[0025] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行說明。
[0026] 實施例1
[0027] -種基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片，包括量子點發(fā)光探測器1、微 型光學(xué)透鏡陣列2和可見光圖像傳感器3;
[0028] 量子點發(fā)光探測器1選用IR-0LED，該探測器可以將紅外光轉(zhuǎn)換為可見光，感光區(qū) 域面積為10 X 10_，厚度為0.2mm。
[0029] 微型光學(xué)透鏡陣列2由微型凸透鏡按行列整齊緊密排列而成。為提高整個芯片的 集成度，單個透鏡采用正方形透鏡，其邊長選取為150M1，焦距為1.5mm，整個微型光學(xué)透鏡 陣列2需要滿足對IR-0LED的成像需求，所以有效面積選擇為10 X 10mm，對應(yīng)的厚度為 0.lmm〇
[0030] 可見光圖像傳感器3選用1/3英寸的CMOS圖像傳感器，其尺寸為17.8X14.3mm，成 像區(qū)域足夠滿足IR-0LED的感光區(qū)域(其面積為10 X 10mm)，厚度為3.5mm。
[0031] 量子點發(fā)光探測器1、微型光學(xué)透鏡陣列2和可見光圖像傳感器3之間的距離通過 式(2)來確定，由公式(2)可以得出x = x' = f'，由于f ' =1.5mm，貝ljx = x' = f ' = 1.5mm，即量 子點發(fā)光探測器1與微型光學(xué)透鏡陣列2之間的距離為x+f'=3mm。同理，微型光學(xué)透鏡陣列 2與可見光圖像傳感器3之間的距離為f ' +x '= 3mm。通過計算，三者之間的距離可以確定。 [0032] 綜上所述，將選用的量子點發(fā)光探測器1、微型光學(xué)透鏡陣列2和可見光圖像傳感 器3按照計算得出的相對距離集成為芯片，厚度約為lcm，保證了其高集成度。
[0033] 工作過程：
[0034] 1、基于量子點發(fā)光探測器1實現(xiàn)紅外到可見光圖像的轉(zhuǎn)換。量子點發(fā)光探測器1是 一種可以實現(xiàn)紅外-可見光上轉(zhuǎn)換的探測器，由無機紅外探測器、0LED構(gòu)成。其中，無機紅外 探測器可將入射紅外光轉(zhuǎn)換為可見光，并由0LED進行無像素顯示；
[0035] 2、通過微型光學(xué)透鏡陣列2實現(xiàn)光互聯(lián)。基于微型光學(xué)透鏡陣列2將量子點發(fā)光探 測器中0LED顯示的可見光圖像，耦合至高分辨率可見光圖像傳感器的光敏面上，實現(xiàn)量子 點發(fā)光探測器與可見光圖像傳感器之間的光互聯(lián)。為得到在微型化的前提下實現(xiàn)上述光學(xué) 耦合，微型光學(xué)透鏡陣列選用具有超短焦距的微型化、方形透鏡陣列；
[0036] 3、基于可見光圖像傳感器3實現(xiàn)可見光圖像的光電轉(zhuǎn)換與圖像信號輸出。可見光 圖像傳感器3完成入射可見光圖像的光電轉(zhuǎn)換，輸出高分辨率模擬/數(shù)學(xué)圖像信號。
[0037] 4、將上述提到的量子點發(fā)光探測器1、微型光學(xué)透鏡陣列2與可見光圖像傳感器3 集成在一起，形成一種基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片，實現(xiàn)基于量子點發(fā) 光探測器的電視型紅外成像。
[0038] 綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的 保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片，其特征在于：包括量子點發(fā)光 探測器(1)、微型光學(xué)透鏡陣列（2)和可見光圖像傳感器(3); 量子點發(fā)光探測器（1)、微型光學(xué)透鏡陣列（2)和可見光圖像傳感器(3)依次排列，三者 之間的距離可以通過牛頓公式來確定，牛頓公式如公式(1)所示， xx，=f，2 (1) 其中，X表示微型光學(xué)透鏡陣列（2)中單個透鏡的物方焦點F與量子點發(fā)光探測器（1)之 間的距離，X'表示微型光學(xué)透鏡陣列(2)中單個透鏡的像方焦點F'與可見光圖像傳感器(3) 之間的距離，f'表示單個透鏡的焦距。為了使量子點發(fā)光探測器（1)與可見光圖像傳感器 (3)的成像區(qū)域?qū)?yīng)，需要使量子點發(fā)光探測器（1)與可見光圖像傳感器(3)對應(yīng)區(qū)域的面 積相同。根據(jù)相似三角形的對應(yīng)關(guān)系，僅需使式(1)中的x = x'即可。 綜上所述，量子點發(fā)光探測器（1)、微型光學(xué)透鏡陣列（2)和可見光圖像傳感器(3)之間 的距離可以通過式(2)來確定。(2)2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片，其特征在 于:所述微型光學(xué)透鏡陣列（2)的陣列排布為:微型光學(xué)透鏡陣列（2)由多個微型凸透鏡按 行列緊密整齊排列而成。3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片，其特征 在于:所述微型光學(xué)透鏡陣列（2)中的每個透鏡的形狀均為正方形，同時透鏡的口徑很小， 透鏡的口徑不大于500μπι。4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片，其特征在 于:所述的可見光圖像傳感器(3)為CMOS圖像傳感器或CCD圖像傳感器。5. 如權(quán)利要求1所述的一種基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像芯片，其特征在 于:所述芯片成像的具體實現(xiàn)步驟如下： 步驟一：紅外-可見光上轉(zhuǎn)換過程。通過無機紅外探測器與0LED的集成，形成量子點發(fā) 光探測器(1 )，將入射紅外光轉(zhuǎn)換為可見光，并由0LED進行無像素顯示； 步驟二:量子點發(fā)光探測器（1)與可見光圖像傳感器（3)之間的光互聯(lián)過程。基于微型 光學(xué)透鏡陣列(2)將量子點發(fā)光探測器(1)中0LED顯示的可見光圖像，耦合至高分辨率可見 光圖像傳感器(3)的光敏面上，實現(xiàn)量子點發(fā)光探測器（1)與可見光圖像傳感器(3)之間的 光互聯(lián)； 步驟三:可見光圖像的光電轉(zhuǎn)換?？梢姽鈭D像傳感器(3)完成入射可見光圖像的光電轉(zhuǎn) 換，輸出高分辨率模擬/數(shù)學(xué)圖像信號，實現(xiàn)基于量子點發(fā)光探測器的電視型紅外成像。
【文檔編號】H04N5/225GK105959597SQ201610262272
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】宋勇, 趙宇飛, 楊盛誼, 韓劭純
【申請人】北京理工大學(xué)