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薄,大面积设备转换红外光成图像

透过烟雾和雾。绘制一个人的血管,同时监测心率,而不接触人的皮肤。透过矽晶圆检查电子电路板的品质及成分。加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的电气工程师领导的研究小组开发了一种新的红外成像仪,这些只是它的部分功能。

在可见光(400 ~ 700纳米)之外的红外线光谱(波长1000 ~ 1400纳米)中,可以探测到短波红外线。不要把短波红外成像和热成像混为一谈,热成像可以探测到身体发出的更长的红外波长。

这种成像仪的工作原理是将短波红外光照射到一个物体或感兴趣的区域,然后将低能红外光反射回设备,转换成人眼可以看到的更短、更高能量的波长。

“它让不可见的光变得可见,”加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院(UC San Diego Jacobs School of engineering)电气与计算机工程教授蒂娜·吴(Tina Ng)说。

虽然红外成像技术已经存在了几十年,但大多数系统都很昂贵、笨重和复杂,通常需要一个独立的摄像头和显示器。它们通常是用无机半导体制造的,这种半导体价格昂贵、坚硬,而且含有砷和铅等有毒元素。

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这种新型红外成像仪又薄又紧凑,具有大面积显示。信贷:李宁

吴昌俊的团队开发的红外成像仪克服了这些问题。它将传感器和显示器组合在一个薄设备中,使其紧凑和简单。它是用有机半导体制造的,因此成本低,灵活和安全,适用于生物医学应用。它还提供了比无机同类产品更好的图像分辨率。

《新形象》杂志最近出版先进功能材料,提供了额外的优势。它能看到更多的短波红外光谱,从1000到1400纳米,而现有的类似系统往往只能看到1200纳米以下的光谱。它还拥有迄今最大的红外成像仪显示尺寸之一:2平方厘米的面积。由于成像仪是用薄膜工艺制作的,放大尺寸制作更大的显示器很容易,成本也不高。

激发红外光子到可见光光子

该成像仪由多个半导体层组成,每层几百纳米薄,层层叠加。其中三层,每一层都由不同的有机聚合物组成,是成像仪的关键部分:一层光电探测器,一层有机发光二极管(OLED)显示层,以及中间的电子阻隔层。

光电探测器层吸收短波红外光(低能光子),然后产生电流。电流流向OLED显示层,在那里它被转换成可见图像(高能光子)。中间的一层叫做电子阻挡层,可以防止OLED显示层失去任何电流。这使得该设备能够产生更清晰的图像。

这种将低能量光子转换为高能量照片的过程被称为上转换。这里的特殊之处在于上转换过程是电子化的。第一作者李宁(Ng实验室的博士后研究员)说:“这一技术的优势在于,它可以在一个薄而紧凑的系统中直接实现红外到可见光的转换。”“在一个典型的红外成像系统中,上转换不是电子的,你需要一个探测器阵列来收集数据,一台计算机来处理数据,以及一个单独的屏幕来显示数据。这就是为什么大多数现有系统既笨重又昂贵的原因。”

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成像者看到“出口”这个词被烟雾掩盖(左图)。没有烟雾的场景(右图)。李宁/先进功能材料

另一个特别的特点是,该成像仪在提供光学和电子读数方面都很有效。“这让它变得多功能,”李说。例如,当研究人员用红外线照射受试者的手背时,成像器就会提供受试者血管的清晰图像,同时记录受试者的心率。

研究人员还使用他们的红外成像仪来穿透烟雾和硅片。在一次演示中,他们在一个充满烟雾的小房间里放置了一个带有“出口”图案的面罩。在另一个实验中,他们在硅片后面放置了一个带有“UCSD”图案的掩模。红外光可以穿透烟雾和硅,使成像仪能够看到这些演示中的字母。这将有助于应用,如帮助自动驾驶汽车在恶劣天气下识别,并检查硅芯片的缺陷。

研究人员目前正致力于提高成像效率。

论文标题:“有机上转换成像仪与双电子和光学读数短波红外光探测共同作者包括南密西西比大学的Naresh Eedugurala和Jason D. Azoulay;三星电子(株)Dong-Seok Leem

这项工作得到了美国国家科学基金会(ECCS-1839361)和三星高等理工学院的支持。这项工作的一部分是在加州大学圣地亚哥分校的圣地亚哥纳米技术基础设施(SDNI)完成的,SDNI是国家纳米技术协调基础设施的成员,该基础设施由美国国家科学基金会(ccs -1542148)支持。


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