CN115696011B - 一种基于相变材料的电可控彩色滤光阵列及人工视觉*** - Google Patents

一种基于相变材料的电可控彩色滤光阵列及人工视觉*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相变材料的电可控彩色滤光阵列及人工视觉***，其中，该滤光阵列包括多个彩色滤光单元，各彩色滤光单元均包括金属层、底部透明导电层、硫系相变材料层和顶部透明导电层，彩色滤光单元的红绿蓝滤光功能根据底部和顶部透明导电层的厚度进行调整；且在阵列排布的彩色滤光单元中，每行彩色滤光单元中的顶部透明导电层均与一位线BL相连，每列彩色滤光单元中的底部透明导电层均与一字线WL相连，各彩色滤光单元中硫系相变材料层的状态转变通过调整施加其所在位线BL和字线WL上的电脉冲实现。本发明在具有稳定结构颜色的同时具有非易失、抗氧化、低串扰的效果，且集滤光和存储功能于一体，能有效提高图像传感器的处理速度。

Description

一种基于相变材料的电可控彩色滤光阵列及人工视觉***
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，更具体地，涉及一种基于相变材料的电可控彩色滤光阵列及人工视觉***。
背景技术
人工智能技术的发展使得高运算效率和低功耗的实现变得尤为迫切，特别是基于人工智能技术的图像传感***。然而，基于冯诺依曼运算架构的传统CMOS图像传感器的图像传感、存储和处理单元是物理分离的，处理速度受到内存墙和冯诺依曼瓶颈的限制。
Bayer滤光片(CFA)作为图像传感器的重要组成部分，能够为传感单元提供色彩信息。目前，CFA中广泛使用有机物染料来实现RGB颜色的选择，但有机物本身易氧化，会使CFA的色彩出现褪色、漂白等问题；且由于厚度很大，对于大角度入射的光，相邻像素之间往往具有很高的光学串扰，导致颜色重建的恶化。
因此，如何解决传统图像传感器中滤光片色彩失真以及处理速度受限是亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于相变材料的电可控彩色滤光阵列及人工视觉***，在具有稳定结构颜色的同时具有非易失、抗氧化、低串扰的效果，且集滤光和存储功能于一体，能有效提高图像传感器的处理速度。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于相变材料的电可控彩色滤光阵列，包括多个彩色滤光单元，多个彩色滤光单元沿交叉的第一方向和第二方向阵列排布，各彩色滤光单元均包括由下至上依次排列的衬底层、第一金属层、底部透明导电层、硫系相变材料层和顶部透明导电层，所述彩色滤光单元的红绿蓝滤光功能根据底部和顶部透明导电层的厚度进行调整；
且在阵列排布的彩色滤光单元中，每行彩色滤光单元中的顶部透明导电层均与一位线BL相连，每列彩色滤光单元中的底部透明导电层均与一字线WL相连，各彩色滤光单元中硫系相变材料层的状态转变通过调整施加其所在位线BL和字线WL上的电脉冲的宽度和电压幅值实现，所述硫系相变材料层的状态包括高阻态和低阻态，所述硫系相变材料层的状态转变调节用于实现数据存储。
本发明提供的基于相变材料的电可控彩色滤光阵列，利用金属层、底部透明导电层、硫系相变材料层和顶部透明导电层构成Fabry-Perot共振腔，通过调节底部和顶部透明导电层的厚度获得RGB三种结构颜色，在具有稳定结构颜色的同时具有非易失、抗氧化、低串扰等优势；且本发明提供的电可控彩色滤光阵列还能在电脉冲的刺激下，通过对焦耳热调节实现高阻态和低阻态之间的切换，实现数据存储，集存储和滤光功能为一体，可有效提高图像传感器的处理速度。
在其中一个实施例中，所述硫系相变材料层采用锗碲、锑碲或锗锑碲合金材料制成，所述硫系相变材料层的厚度为5～20nm。
在其中一个实施例中，当施加脉冲宽度为300～500ns、电压为2～5V的电脉冲时，相应彩色滤光单元中的硫系相变材料层由高阻态向低阻态转变，实现数据的写入操作；当施加脉冲宽度为100～200ns、电压为6～10V的电脉冲时，相应彩色滤光单元中的硫系相变材料层由低阻态向高阻态转变，实现数据的擦写操作。
在其中一个实施例中，具有蓝色滤光功能的彩色滤光单元中的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度分别为50～70nm和150～180nm；具有绿色滤光功能的彩色滤光单元的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度分别为80～100nm和170～200nm；具有红色滤光功能的彩色滤光单元中的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度分别为100～130nm和60～80nm。
在其中一个实施例中，所述彩色滤光单元还包括第二金属层，所述第二金属层设置在所述底部透明导电层和硫系相变材料层之间。
在其中一个实施例中，具有蓝色滤光功能的彩色滤光单元中的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度分别为130～160nm和130～170nm；具有绿色滤光功能的彩色滤光单元的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度分别为180～220nm和180～220nm；具有红色滤光功能的彩色滤光单元中的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度分别为230～250nm和100～120nm。
在其中一个实施例中，所述第一金属层和第二金属层均采用银、铂或钛材料制成。
在其中一个实施例中，所述底部透明导电层和顶部透明导电层均采用氧化铟锡或铝掺杂的氧化锌材料制成。
第二方面，本发明提供了一种人工视觉***，包括依次排布设置的微透镜阵列、上述所述的透射式电可控彩色滤光阵列和感光阵列；
微透镜阵列，用于将入射光汇聚到所述透射电可控彩色滤光阵列上；
感光阵列，包括阵列排布的多个感光元件，每个感光元件对应一彩色滤光单元相连，所述感光阵列用于将电可控彩色滤光阵列赋予色彩信息的入射光的光强转化为模拟电信号，并通过字线WL和位线BL输入到电可控彩色滤光阵列，通过电可控彩色滤光阵列进行图像信息的存储，或利用行和列选择电路，借助卷积神经网络进行图像信息运算。
在其中一个实施例中，根据人工视觉***应用环境不同，所述电可控彩色滤光阵列分为同质和异质彩色滤光阵列，在同质彩色滤光阵列中，使用所有彩色滤光单元共同完成图像信息存储和运算功能，在异质彩色滤光阵列中，使用部分彩色滤光单元完成滤光功能，其余彩色滤光单元用于实现图像信息的存储和运算功能。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的电可控彩色滤光阵列的阵列结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的彩色滤光单元的膜系结构示意图；
图3是本发明另一实施例提供的彩色滤光单元的膜系结构示意图；
图4是本发明一实施例提供的人工视觉***的结构示意图；
图5是本发明一实施例提供的人工视觉***的功能框图；
图6是本发明实施例1仿真得到的彩色滤光单元的透射谱；
图7是本发明实施例1仿真得到的彩色滤光单元的色度图；
图8是本发明提供的各材料的折射率n和消光系数k的色散曲线图；
图9是本发明实施例2仿真得到的彩色滤光单元的透射谱；
图10是本发明实施例2仿真得到的彩色滤光单元的色度图；
图11是本发明实施例3提供的彩色滤光单元的电切换原理图；
图12是本发明实施例3提供的彩色滤光单元的直流电流-电压(I-V)特性曲线图；
图13是本发明实施例3提供的彩色滤光单元的写入和读取脉冲形状示意图；
图14是本发明实施例3提供的彩色滤光单元的写入和擦写过程的循环特性图；
图15是本发明实施例4提供的同质彩色滤光阵列的功能示意图；
图16是本发明实施例5提供的异质彩色滤光阵列的功能示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为解决传统图像传感器中滤光片色彩失真以及处理速度受限的问题，本发明提供了一种基于相变材料的电可控彩色滤光阵列，应用于图像传感器中，如图1所示，该基于相变材料的电可控彩色滤光阵列包括多个彩色滤光单元P，多个彩色滤光单元P沿交叉的第一方向和第二方向阵列排布，构成交叉阵列。
在本实施例中，如图2所示，彩色滤光单元P包括由下至上依次排列的衬底层(图中未示出)、金属层10、底部透明导电层20、硫系相变材料层30和顶部透明导电层40，构成Fabry-Perot共振腔。其中，衬底层采用绝缘材料制成，用于支撑金属层10，并用于供光入射；金属层10可采用银、铂或钛材料制成，可用作底部电极，对彩色滤光单元进行电操作，还可用作半透明反射镜，增强彩色滤光单元的颜色选择性；底部透明导电层20和顶部透明导电层40均可采用氧化铟锡或铝掺杂的氧化锌材料制成，用作底部电极和顶部电极，用于对彩色滤光单元进行电操作，还可用作介质层，通过调整其厚度来调节共振波长，实现R/G/B三种颜色的选择性过滤；硫系相变材料层30可采用锗碲、锑碲或锗锑碲合金材料制成，设置在两透明导电层之间，用作阻变活性层，即根据对彩色滤光单元的电操作，进行高阻态和低阻态之间的动态转变。
具体地，本实施例提供的基于相变材料的电可控彩色滤光阵列的滤光原理为：具有一定频率的入射光依次穿过衬底层和金属层10后，在两介质层(底部透明导电层20和顶部透明导电层40)内来回反射，两列传播方向相反的波相叠加，并最终在Fabry-Perot共振腔内形成驻波；由于Fabry-Perot共振腔中只能允许入射光半波长的整数倍刚好等于共振腔长度的驻波存在，而不符合这一条件的波将逐渐被损耗。因此，可通过调整两介质层的厚度来调节共振波长，增强并透过特定波长的光，可实现红、绿、蓝三色的选择。与传统采用有机物染料的化学色不同，这种借助光学共振腔所产生的结构色为物理色，且厚度仅有几百纳米，因此能够同时具有非易失、抗氧化、低串扰等优势。
优选地，本实施例提供的具有蓝色滤光功能的彩色滤光单元中的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度可分别设置为50～70nm和150～180nm；具有绿色滤光功能的彩色滤光单元的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度可分别设置为80～100nm和170～200nm；具有红色滤光功能的彩色滤光单元中的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度可分别设置为100～130nm和60～80nm。
且本实施例提供的基于相变材料的电可控彩色滤光阵列还通过相应的电操作，具备数据存储功能，其具体实现方式为：如图1所示，阵列排布的彩色滤光单元包括多行和多列，每行彩色滤光单元中的顶部透明导电层均与一位线BL相连，每列彩色滤光单元中的底部透明导电层均与一字线WL相连；各彩色滤光单元中硫系相变材料层的状态转变通过调整施加其所在位线BL和字线WL上的电脉冲的宽度和电压幅值实现，使得彩色滤光单元P中的硫系相变材料层在电脉冲的刺激下通过焦耳热的调节实现在高阻态和低阻态之间的动态切换，从而实现数据的写入和擦写操作，完成数据存储。
具体地，当向彩色滤光单元施加一段宽且强度中等(脉冲宽度为300～500ns、电压为2～5V)的电脉冲时，该彩色滤光单元中的硫系相变材料层在该电脉冲的刺激下会使材料温度升高达到其结晶温度以上，由高阻态转变为低阻态，实现数据的写入(SET)操作，即逻辑1。当向彩色滤光单元施加一段短而强(脉冲宽度为100～200ns、电压为6～10V)的电脉冲时，该彩色滤光单元中的硫系相变材料层在该电脉冲的刺激下会使材料融化，并快速淬冷，由低阻态转变为高阻态，实现数据的擦写(RESET)操作，即逻辑0。
此外，本实施例提供的基于相变材料的电可控彩色滤光阵列，由于Fabry-Perot共振腔只允许入射光半波长的整数倍刚好等于共振腔长度的驻波存在，而不符合这一条件的波将逐渐被损耗，且本实施例中使用透明导电层以及金属层和相变材料层构建Fabry-Perot共振腔，使得各彩色滤光单元具有高透射率或高色彩纯度。
本实施例提供的基于相变材料的电可控彩色滤光阵列，利用金属层、底部透明导电层、硫系相变材料层和顶部透明导电层构成Fabry-Perot共振腔，通过调节底部和顶部透明导电层的厚度获得RGB三种结构颜色，在具有稳定结构颜色的同时具有非易失、抗氧化、低串扰等优势；且本实施例提供的电可控彩色滤光阵列还能在电脉冲的刺激下，通过对焦耳热调节实现高阻态和低阻态之间的切换，实现数据存储，集存储和滤光功能为一体，可有效提高图像传感器的处理速度。
在一个实施例中，如图3所示，上述实施例提供的透射式电可控彩色滤光阵列还可包括一层金属层50，该金属层50位于底部透明导电层20和硫系相变材料层30之间。
本实施例在底部透明导电层20和硫系相变材料层30之间设置一层金属层50，可通过两层半透明半反射金属层，将更多的透射光反射回上层金属层50，并在透明导电层中不断反射，增强Fabry-Perot光学腔在介质层中的共振吸收，从而让透射光具有更高纯度的色彩选择性。
具体地，本实施例提供的具有蓝色滤光功能的彩色滤光单元中的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度可分别设置为130～160nm和130～170nm；绿色滤光功能的彩色滤光单元的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度可分别设置为180～220nm和180～220nm；具有红色滤光功能的彩色滤光单元中的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度可分别设置为230～250nm和100～120nm。
基于同样的发明构思，本发明还提供了一种人工视觉***，如图4所示，包括依次排布设置的微透镜阵列、上述实施例提供的透射式电可控彩色滤光阵列和感光阵列。
其中，微透镜阵列，用于将入射光汇聚到透射电可控彩色滤光阵列上。
透射式电可控彩色滤光阵列中的每一个彩色滤光单元设计为透过红、绿、蓝三色光的一种，而过滤掉另外两种。由于人眼对绿色较为敏感，所以本实施例提供的电可控彩色滤光阵列奇数列中的各彩色滤光单元透过的颜色按照R、G顺序均匀排布，偶数列中各彩色滤光单元透过的颜色按照G、B顺序均匀排布。
感光阵列，包括阵列排布的多个感光元件，每个感光元件对应一彩色滤光单元，被电可控彩色滤光阵列赋予色彩信息的入射光照射到感光阵列上，感光阵列将光强转化为模拟电信号，并通过字线WL和位线BL输入到电可控彩色滤光阵列中，通过电可控彩色滤光阵列进行图像信息的存储，如图5所示，或利用行和列选择电路(基尔霍夫定律和欧姆定律等通用电路)，借助卷积神经网络进行图像压缩、图像识别等图像信息的运算，即完成了对图像信息的处理。
其中，基于卷积神经网络的图像压缩算法主要由自编码器、量化结构、熵编码、率-失真优化几个模块组成。首先通过自编码器对代表图像光强信息的数据矩阵进行第一次压缩，之后通过量化结构量化编码器的输出结果，进行图像信息的二次压缩，再借助熵编码去除特征向量冗余，最后使用率-失真优化来平衡图像的质量和压缩效率。基于卷积神经网络的图像识别模型由卷积层、池化层和全连接层组成，卷积层负责提取空间特征、减少模型参数和计算量，池化层进行特征提取，后借助softmax函数完成图像数据的分类识别。
进一步地，为适用于不同应用环境，本实施例提供的电可控彩色滤光阵列可分为同质和异质两种彩色滤光阵列。具体地，在视觉***需要高精度运行时，选择同质彩色滤光阵列，对其中每一个彩色滤光单元均执行电操作，将全部彩色滤光单元用于对图像信息的存储和运算；在视觉***需要低功耗运行时，选择异质彩色滤光阵列，使其中部分彩色滤光单元只需要具备滤光功能，而使用其余彩色滤光单元来实现图像信息的存储和运算功能。
本实施例提供的人工视觉***，采用感光阵列，可直接将光刺激产生的模拟信号输入到彩色滤光单元中，不需要额外的模拟数字信号转换；且能够与传统CMOS工艺良好兼容，滤光、存算功能可以灵活配置，不受光响应波长的限制，工艺成熟、可重复性好、稳定性高，能够感知出高质量的图像信息。
以下结合具体实施例，对本发明提供的基于相变材料的电可控彩色滤光阵列和人工视觉***进行详细说明。
实施例1
本实施例1提供的基于相变材料的电可控彩色滤光阵列中的各彩色滤光单元的膜层结构由下到上依次为Ag/ITO/Ge2Sb2Te5/ITO，ITO层的厚度在40～200nm。
本实施例一种基于相变材料的透射式有源彩色滤光单元的设计方法如下：(1)对于红色彩色滤光单元，Ag薄膜层厚度为10nm，底部ITO薄膜层厚度为125nm，Ge2Sb2Te5薄膜层厚度为7nm，顶部ITO薄膜层的厚度为80nm。(2)对于绿色彩色滤光单元，Ag薄膜层厚度为10nm，底部ITO薄膜层厚度为90nm，Ge2Sb2Te5薄膜层厚度为7nm，顶部ITO薄膜层的厚度为180nm。(3)对于蓝色彩色滤光单元，Ag薄膜层厚度为10nm，底部ITO薄膜层厚度为55nm，Ge2Sb2Te5薄膜层厚度为7nm，顶部ITO薄膜层的厚度为170nm。
基于上述结构和参数，借助软件仿真对其透射率和色彩纯度进行模拟验证可知：如图6和7所示，图中R/G/B-a，R/G/B-c分别为相变材料处于结晶态和非晶态时红、绿、蓝像素单元在可见光范围内的透射光谱和在色度图中的位置，红色彩色滤光单元在非晶态和结晶态的透射率分别为49％和59％，色彩纯度为35％和37％，透射率和色彩纯度变化分别为10％和2％；绿色彩色滤光单元在非晶态和结晶态的透射率分别为49％和53％，色彩纯度分别为40％和44％，透射率和色彩纯度变化分别为4％和4％；蓝色彩色滤光单元在非晶态和结晶态的透射率均为47％，色彩纯度分别为40％和52％，色彩纯度变化为12％。
仿真结果说明，本实施例提供的基于相变材料的透射式有源彩色滤光单元的设计方法是可信赖的，可获得具有高透射率和色彩纯度良好的有源RGB彩色滤光单元，且不受材料相变行为的显著影响。
其中，本发明通过软件仿真确定彩色滤光单元的透射率和色彩纯度的步骤为：
步骤1：如图8所示，向软件提供材料在400～700nm可见光波段的折射率n和消光系数k的色散曲线等信息。将折射率和消光系数换算为介电实部ε1与介电虚部ε2后在软件中进行多项式拟合。在本实施例中多项式拟合方案为n阶，误差范围为0.01。
换算方法如下：ε1＝n2-k2，ε2＝2nk。
步骤2：构建彩色滤光单元的膜系，由下到上分别为金属层、透明导电电极层，相变材料层，透明导电电极层。在本实施例中薄膜在xy平面上的尺寸为500*500nm，入射光源垂直xy平面入射。
步骤3：仿真得到的透射谱由OriginLab的Chromaticity Diagram模块处理为色度图。
实施例2
本实施例提供的基于相变材料的电可控彩色滤光阵列中的彩色滤光单元的膜层结构由下到上依次为Ag/ITO/Ag/Ge2Sb2Te5/ITO，ITO层的厚度在130～250nm。
本实施例提供的基于相变材料的透射式有源彩色滤光单元的设计方法如下：(1)对于红色彩色滤光单元，Ag薄膜层厚度为15nm，底部ITO薄膜层厚度为115nm，Ge2Sb2Te5薄膜层厚度为7nm，顶部ITO薄膜层的厚度为240nm。(2)对于绿色彩色滤光单元，Ag薄膜层厚度为15nm，底部ITO薄膜层厚度为205nm，Ge2Sb2Te5薄膜层厚度为7nm，顶部ITO薄膜层的厚度为185nm。(3)对于蓝色彩色滤光单元，Ag薄膜层厚度为15nm，底部ITO薄膜层厚度为165nm，Ge2Sb2Te5薄膜层厚度为7nm，顶部ITO薄膜层的厚度为140nm。
基于上述结构和参数，借助软件仿真对其透射率和色彩纯度进行模拟验证可知：如图9和10所示，图中R/G/B-a，R/G/B-c分别为相变材料处于结晶态和非晶态时红、绿、蓝像素单元在可见光范围内的透射光谱和在色度图中的位置，红色彩色滤光单元在非晶态和结晶态的透射率分别为37％和46％，色彩纯度分别为60％和53％，透射率和色彩纯度变化分别为9％和7％；绿色彩色滤光单元在非晶态和结晶态的透射率分别为38％和41％，色彩纯度分别为72％和100％，透射率和色彩纯度变化分别为3％和28％；蓝色彩色滤光单元在非晶态和结晶态的透射率分别为35％和36％，色彩纯度分别为81％和64％，透射率和色彩纯度变化分别为1％和17％。
仿真结果说明，本实施例提供的基于相变材料的透射式有源彩色滤光单元的设计方法是可信赖的，可获得具有良好透射率和高色彩纯度的有源RGB彩色滤光单元，且不受材料相变行为的显著影响。
实施例3
本发明提供了一种具有滤光、存储功能的电可控彩色滤光阵列，其彩色滤光单元的膜层结构同上述实施例1或实施例2，能够通过电脉冲实现数据存储功能。
本实施例一种具有滤光、存储功能的彩色滤光单元的设计方法如下：(1)滤光功能同实施例1或实施例2，可根据对透射率和色彩纯度性能的实际需求进行选择；(2)存储功能的实现原理如图11所示，可通过电脉冲所产生的热效应使Ge2Sb2Te5层在结晶态和非晶态间切换。图12是本实施例提供的彩色滤光单元的直流电流-电压(I-V)特性曲线，从图12中可以看出，当电流增加至0.056mA时电压突然降低，这意味着电阻突然下降，表示Ge2Sb2Te5在此时发生了非晶向结晶态的相变过程。图13是本实施例提供的彩色滤光单元的写入和读取脉冲形状，其中写入脉冲宽度为500ns，脉冲上升沿为8ns，下降沿为200ns，电压为4V。对应Ge2Sb2Te5层由非晶态向晶态转变的过程及由高阻态转变为低阻态，实现数据的写入(SET)，即逻辑1；擦写脉冲宽度为100ns，脉冲上升沿为8ns，下降沿为8ns，电压为4V。对应Ge2Sb2Te5层由晶态向结非晶态转变的过程及由低阻态转变为高阻态，实现数据的擦写(RESET)，即逻辑0。图14是本实施例提供的彩色滤光单元写入和擦写过程的循环特性，从图14中可以看到在经过100次循环后，高阻态和低阻态之间仍能保持超过1个数量级的窗口，表示基于相变材料设计的具有滤光、存储功能的电可控彩色滤光阵列有着优异的存储特性。
实施例4
本实施例提供了一种基于同质彩色滤光阵列的人工视觉***，如图15所示，包括感光阵列、电可控彩色滤光阵列和微透镜阵列。
其中，感光阵列中的感光元件可直接使用传统CMOS图像传感器中的光传感元件。电可控彩色滤光阵列中的滤光像素单元的膜系结构同上述实施例1或实施例2，ITO层的不同厚度带来不同的颜色选择性，且在相变材料相变前后可以几乎保持不变。
数据存储功能的实现方法为：施加电脉冲产生焦耳热使相变材料在高阻态和低阻态的动态切换，进行数据的写入和擦写。图像运算功能的实现方法为：利用基尔霍夫定律和欧姆定律等通用电路定律，借助卷积神经网络来对图像信息进行图像压缩、图像识别等多种运算和预处理。
本实施例提供的一种基于同质彩色滤光阵列的人工视觉***，由所有彩色滤光单元共同完成图像信息的存储和预处理，具有高精度、低延迟等特性。
实施例5
本发明提供了一种基于异质彩色滤光阵列的人工视觉***，如图16所示，包括感光阵列、电可控彩色滤光阵列和微透镜阵列。其中，感光阵列中的感光元件可直接使用传统CMOS图像传感器中的光传感元件。电可控彩色滤光阵列中的滤光像素单元的膜系结构同上述实施例1或实施例2，ITO层的不同厚度带来不同的颜色选择性，且在相变材料相变前后可以几乎保持不变。
数据存储功能的实现方法为：给部分彩色滤光单元施加电脉冲产生焦耳热使相变材料在高阻态和低阻态的动态切换，进行数据的写入和擦写。图像运算功能的实现方法为：在部分彩色滤光单元上借助卷积神经网络来对图像信息进行图像压缩、图像降噪、边缘检测等多种运算和预处理。
本实施例提供的一种功能可灵活配置的基于彩色滤光阵列的人工视觉***，其滤光/存算阵列的存储和运算功能动态可调，能够满足各种应用环境对运行功耗、功率等的不同需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于相变材料的电可控彩色滤光阵列，其特征在于，包括多个彩色滤光单元，多个彩色滤光单元沿交叉的第一方向和第二方向阵列排布，各彩色滤光单元均包括由下至上依次排列的衬底层、第一金属层、底部透明导电层、硫系相变材料层和顶部透明导电层，所述彩色滤光单元的红绿蓝滤光功能根据底部和顶部透明导电层的厚度进行调整；
且在阵列排布的彩色滤光单元中，每行彩色滤光单元中的顶部透明导电层均与一位线BL相连，每列彩色滤光单元中的底部透明导电层均与一字线WL相连，各彩色滤光单元中硫系相变材料层的状态转变通过调整施加其所在位线BL和字线WL上的电脉冲的宽度和电压幅值实现，所述硫系相变材料层的状态包括高阻态和低阻态，所述硫系相变材料层的状态转变调节用于实现数据存储。
2.根据权利要求1所述的基于相变材料的电可控彩色滤光阵列，其特征在于，所述硫系相变材料层采用锗碲、锑碲或锗锑碲合金材料制成，所述硫系相变材料层的厚度为5～20nm。
3.根据权利要求2所述的基于相变材料的电可控彩色滤光阵列，其特征在于，当施加脉冲宽度为300～500ns、电压为2～5V的电脉冲时，相应彩色滤光单元中的硫系相变材料层由高阻态向低阻态转变，实现数据的写入操作；当施加脉冲宽度为100～200ns、电压为6～10V的电脉冲时，相应彩色滤光单元中的硫系相变材料层由低阻态向高阻态转变，实现数据的擦写操作。
4.根据权利要求3所述的基于相变材料的电可控彩色滤光阵列，其特征在于，具有蓝色滤光功能的彩色滤光单元中的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度分别为50～70nm和150～180nm；具有绿色滤光功能的彩色滤光单元的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度分别为80～100nm和170～200nm；具有红色滤光功能的彩色滤光单元中的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度分别为100～130nm和60～80nm。
5.根据权利要求3所述的基于相变材料的电可控彩色滤光阵列，其特征在于，所述彩色滤光单元还包括第二金属层，所述第二金属层设置在所述底部透明导电层和硫系相变材料层之间。
6.根据权利要求5所述的基于相变材料的电可控彩色滤光阵列，其特征在于，具有蓝色滤光功能的彩色滤光单元中的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度分别为130～160nm和130～170nm；具有绿色滤光功能的彩色滤光单元的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度分别为180～220 nm和180～220nm；具有红色滤光功能的彩色滤光单元中的底部透明导电层和顶部透明导电层的厚度分别为230～250nm和100～120nm。
7.根据权利要求5所述的基于相变材料的电可控彩色滤光阵列，其特征在于，所述第一金属层和第二金属层均采用银、铂或钛材料制成。
8.根据权利要求1所述的基于相变材料的电可控彩色滤光阵列，其特征在于，所述底部透明导电层和顶部透明导电层均采用氧化铟锡或铝掺杂的氧化锌材料制成。
9.一种人工视觉***，其特征在于，包括依次排布设置的微透镜阵列、权利要求1～8任意一项所述的电可控彩色滤光阵列和感光阵列；
微透镜阵列，用于将入射光汇聚到所述电可控彩色滤光阵列上；
感光阵列，包括阵列排布的多个感光元件，每个感光元件对应一彩色滤光单元相连，所述感光阵列用于将电可控彩色滤光阵列赋予色彩信息的入射光的光强转化为模拟电信号，并通过字线WL和位线BL输入到电可控彩色滤光阵列，通过电可控彩色滤光阵列进行图像信息的存储，或利用行和列选择电路，借助卷积神经网络进行图像信息运算。
10.根据权利要求9所述的人工视觉***，其特征在于，根据人工视觉***应用环境不同，所述电可控彩色滤光阵列分为同质和异质彩色滤光阵列，在同质彩色滤光阵列中，使用所有彩色滤光单元共同完成图像信息存储和运算功能，在异质彩色滤光阵列中，使用部分彩色滤光单元完成滤光功能，其余彩色滤光单元用于实现图像信息的存储和运算功能。
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