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从OPV到成像传感器

已有 3433 次阅读 2016-10-26 02:57 |系统分类:观点评述| 研究生, 传感器, 摄像头, OPD

   今年年中的时候,听了Ching W. Tang教授在ICSM上的报告,邓教授似乎不太看好Organic PhotovoltaicsOPV),认为其跟硅基太阳电池相比还有很长的路要走。像我们这些小研究生是不太敢说这种话的,因为从ICSM会议来看,OPV这碗饭还是挺热的。

   前天听了俞刚博士的讲座,显然这次讲座的兴趣已经不在OPV方面了。这位引领聚合物/富勒烯体异质结太阳电池[1]风潮的大神分享了一个有趣的故事。创业初期,遇到挫折,得到教训是能不用有机就不用有机。这话传到他导师Alan Heeger教授那里,老先生当然不高兴,用了大半辈子推动有机光电的发展,自己的学生忽然跳出来唱反调!所幸后来俞大神用有机做了些比较出色的工作,便改口说能用有机就用有机。

   这次讲座主要讲了些有机半导体材料与器件的系统整合,例如发光层不需图案化的高效率高像素密度AMOLEDOrganic PhotodiodesOPD)整合在TFT上的X光成像器和高密度OPD传感阵列数码相机等。我对后面两个比较感兴趣,于是听完讲座后有上网搜索了些资料成文。

   现代(Contemporary)微电子领域的发展和一站式(turnkey)的解决方案对高新技术整合的要求越来越高,这给很多短平快的小机构和学校提出了一个巨大的挑战,没有巨额经费支持,他们将无法掌握最新的技术。

   现在有机光电器件的制备大多数都是溶液法,在微米级别下实现图案化比较困难,要做成阵列系统的成本很高。俞老师公司的高迁移率MOTFT使得APSActive Pixel Sensor)的信号读取性能跟CMOS FET成像器差不多。如下图左所示,基于MOTFT+OPD结构的成像传感器,只有底部电极电路需要图案化来定义传感面积,传感器和顶电极都不需要图案化,并且底面板和前面板阵列都可以用目前显示屏产线来制作,能快速取得市场。我不由得幻想,买来MOTFT的片子,再旋涂几层有机薄膜,就可以自己做成像了,哈哈。再结合OPD阵列成本相对不高、质轻、柔性和便携等特点,这可是发家致富、改变世界的好路啊。

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图一、OPD基传感器TFT阵列面板(图片部分来自于俞刚博士的讲座)

   俞老师还展示了OPDX光成像阵列的一些性能参数,比如EQE70-80% el/ph,暗电流:1-2pA/mm2,电容:8-15nF/cm2,光谱响应可调性高,易于匹配X光成像中不同的闪烁体(CsI scintillator)。OPD用在X光成像阵列辐射治疗上是一个成功的例子,这得益于信号读取电路的改进。Passive pixel sensor(PPS)的缺点是主要由数据线和外围电路引起的本底噪声比较大,有2000-8000电子@1 fps rate,而Active Pixel Sensor(APS)通过改变数据线和外围电路把噪声降低了10多倍,可以减少电子噪声到<500电子@1 fps rate,实现低剂量X光录像和大面积高分辨率阵列。MOTFT+OPD成像阵列是下一代X光辐射治疗数字成像的优秀解决方案。其快速读取电路实现视频速率录制和大范围可变帧率>10^10Ion/Ioff率实现>2^14灰阶(>14bits8K*8K阵列;提高像素信号by Gainfactor G-times,把电子噪声降低到传感器的水平(更低的X光照射剂量应用@10^-1mR范围)

   俞老师说还要做成OPD相机,实现2-3 um pixel pitch,不需要滤光片,也不需要微透镜阵列。并且,由于减少了CF与传感器焦平面的距离,相机的FOV可以拓得很宽,手机摄像头就可以整合到同一厚度了。OPD动态范围高LDR=88dB,阻止了highlight clipping,即使在低光照下也能生成鲜艳、纹理细致的图像。更厉害的是,可以做出叠层传感器,如上图右所示。蓝光层及其所有上层作为红光和绿光的光片,绿光层及其所有上层也作为红光的滤光片。叠层传感器设计降低对CMOS产线的要求,国内低端CMOS产线也可以用来生产数码相机摄像头了。由于智能手机的需求(>$20B的市场),越来越多的专利和高质量文章投入到这个热火朝天的领域中了。

   20billion dollar的市场,我捣鼓着如果我有一笔钱,我该怎么怎么整合外围(Peripheral)技术。首先,最缺的就是TFTCMOS阵列技术,买来再集成简单的定时发生器TG)、相关双采样(CDS)电路/自动增益控制(AGC)电路和模数转换器(ADC)电路等,实验阶段暂时不集成ISP,先不用MIPI而是通过DVP接口输出RAW BAYER PATTERN数据外接到摄像头模组测试仪。把RAW数据传给测试仪Basedband上的DSP进行OBlens shadingAEAWBgammasharpnessde-noisecolor matrix处理,后输出YCbCr或者RGB格式的数据。向高通、MTK、展讯、迅飞或度信等几个厂家买一台好一点的摄像头模组测试仪,不仅支持摄像头常用功能如图像预览、拍照、AF、开短路测试、电流测试、还支持解析度测试、死点测试、脏污测试等功能,还有各种测试图卡、MTFHDR、色彩还原准确度、帧率等等[2]

   当然这个东西跟最近火热的光场相机、双摄像头比还差太远了。图像和摄影也有太多地方需要突破性的解决方案,比如改善逆光和夜景拍照效果,我个人觉得最应该改善的是坐在教室后排拍PPT的效果。忽然发觉自己对图像是那么的迷恋。何卓铭老师说,图像的本质是什么,其实更精确地说应该是物质或材料的本质是什么?由爱因斯坦的质能方程可以得知,物质是能量的一种表现形式,只不过它是我们看得到的,另外一些能量的表现形式我们看不到,比如热、非可见光的电磁波等等。[3]而能量也是信息或信号的载体,任何信号都可以由正弦波逼近组成。难怪初中课本说能量、信息和材料组成了现代社会发展的三要素。离题了离题了,根本停不下来,再快点的话时间空间就一回事了,哎呦妈呀,时间、空间、物理学与爱因斯坦。



[1]Yu G, Gao J and Hummelen JCet al. Polymer photovoltaic cells: enhanced effiiencies via a network ofinternal donor–acceptor heterojunctions. Science 1995; 270: 1789–90

[2] CSDN上的大神xubin关于camera模组的介绍http://blog.csdn.net/xubin341719/article/details/7723725

[3]光学基础知识大讲堂——第11期:采样与压缩感知http://blog.sciencenet.cn/blog-3214791-1009102.html





https://blog.sciencenet.cn/blog-616448-1010880.html

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