周碧云 王辰澤 李菲 吳小杰 王巖

摘要：人眼對(duì)于不同顏色的光敏感度是不同的，當(dāng)不同波長(zhǎng)的外界光線對(duì)于人眼亮度感覺(jué)相同時(shí)，這些光線的實(shí)際亮暗程度是不同的[1-2]。可以用不同波長(zhǎng)光輻射功率的倒數(shù)來(lái)衡量人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光明亮感覺(jué)的靈敏程度，我們將其定義為視覺(jué)函數(shù)[3-4]，在暗視覺(jué)情況下，人眼的視覺(jué)函數(shù)曲線會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)人眼最敏感的波長(zhǎng)變?yōu)?05nm，相對(duì)視覺(jué)函數(shù)也會(huì)發(fā)生改變。因此，本文將非晶硅光電池作為視網(wǎng)膜假體感光單元，代替視網(wǎng)膜上的感光細(xì)胞，除了需要其對(duì)光亮度敏感，還需要對(duì)其光譜敏感特性進(jìn)行測(cè)量。進(jìn)一步，我們搭建了測(cè)量光路來(lái)測(cè)量非晶硅光電池的光譜敏感度曲線。

關(guān)鍵詞：非晶硅;光電池;光譜

1.光譜敏感度曲線測(cè)量系統(tǒng)搭建

人眼的視覺(jué)與環(huán)境亮度密切相關(guān)。一般認(rèn)為，環(huán)境亮度在10-3×104 cd/m2的視覺(jué)稱為明視覺(jué);當(dāng)環(huán)境亮度在10-3 cd/m2以下時(shí)的視覺(jué)稱為暗視覺(jué)。非晶硅光電池的光電效應(yīng)已預(yù)示其具有很好的人眼明視覺(jué)效應(yīng)。光源發(fā)出的光經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后，再經(jīng)一半透半反鏡分成兩束，一束經(jīng)過(guò)透鏡匯聚到非晶硅光電池電極上，產(chǎn)生的電流信號(hào)由Keithley 6430數(shù)字源表（Tektronix， USA）接收，另一束經(jīng)過(guò)透鏡匯聚到PM100D功率計(jì)（Thorlabs， USA）監(jiān)測(cè)功率變化。由于非晶硅光電池的光吸收譜線較寬，參考正常視覺(jué)的暗視和明視光譜敏感曲線，我們選擇明暗視覺(jué)曲線焦點(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，即532nm，也是人眼最為敏感的波長(zhǎng)，作為測(cè)量光源。考慮到測(cè)量光源的功率要符合明視覺(jué)環(huán)境亮度，因此，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量光路中采用衰減片來(lái)調(diào)節(jié)光源輸出功率，以滿足人眼明視覺(jué)環(huán)境亮度要求。測(cè)量光路如圖1所示，整個(gè)裝置可以分為三個(gè)部分：光源、光路單元和信號(hào)采集單元，下面對(duì)其依次進(jìn)行介紹。

光源。實(shí)驗(yàn)采用的光源為日本HAMAMATSU公司生產(chǎn)的L10290紫外-可見(jiàn)光纖輸出光源，為了得到在可見(jiàn)光波段范圍分布的光源，本論文中我們采用鹵鎢燈，同時(shí)，利用功率計(jì)我們測(cè)量了該光源發(fā)出的光最終達(dá)到光電池上的光功率。視網(wǎng)膜的光密度約為[5-6]，通過(guò)對(duì)此光源的光功率進(jìn)行測(cè)量，其最大功率約為13，而非晶硅光電池的感光面積為，可以計(jì)算出到達(dá)光電池的最大光密度為52，滿足人眼視網(wǎng)膜的要求。

光路單元。光路部分包括透鏡、光柵光譜儀以及透鏡。其中透鏡1選擇直徑25.4mm，焦距50mm的平凸透鏡，由于出口處光斑的發(fā)散角大約為，則透鏡的直徑應(yīng)大于，透鏡的直徑一般為25.4mm，因此焦距選擇50mm，透鏡在這里起到了準(zhǔn)直的作用，即從光源處出來(lái)的光經(jīng)過(guò)透鏡變?yōu)榱似叫泄?，因此透鏡選擇平凸透鏡，且透鏡距離光源的距離等于f。但在實(shí)際過(guò)程中，光斑在出口處有一定的大小，不能當(dāng)做點(diǎn)光源，因此其距離小于50mm。由圖可知，在實(shí)際搭光路的過(guò)程中，其距離為45mm。光柵光譜儀的波長(zhǎng)范圍為200-900nm，最小掃描步長(zhǎng)1nm，分辨率達(dá)到0.1nm。

信號(hào)采集單元。信號(hào)采集單元采用的是美國(guó)泰克公司生產(chǎn)的Keithley 6430數(shù)字源表，配有專(zhuān)用的遠(yuǎn)端前置放大器。樣品信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)采集線傳輸至放大器，再經(jīng)放大器傳輸至數(shù)字源表主機(jī)上，然后輸出顯示。Keithley 6430最小量程為100nA，最小分辨率為50fA。為了提高測(cè)量的精度，遠(yuǎn)端前置放大器和樣品均置于屏蔽室內(nèi)，以此減少外界環(huán)境所產(chǎn)生的噪聲。

2.非晶硅光電池光譜敏感度曲線

利用前面搭建的光路，我們測(cè)量了非晶硅光電池的光譜敏感度曲線，如圖2所示。可以看出，非晶硅光電池只對(duì)可見(jiàn)光（300～750nm）敏感，對(duì)于波長(zhǎng)大于750nm的近紅外光，非晶硅光電池沒(méi)有響應(yīng)，這與我們前面理論計(jì)算出的非晶硅光電池的截止波長(zhǎng)一致。同時(shí)，我們也可以看出，非晶硅光電池最敏感的波長(zhǎng)為560nm，在560nm的兩側(cè)，隨著波長(zhǎng)的增加或減小，敏感度逐漸降低。

人眼的感光范圍在300～750nm波段范圍內(nèi)，在明視覺(jué)情況下，人眼最敏感的波長(zhǎng)為555nm，在555nm兩側(cè)，隨著波長(zhǎng)的增加或減小視覺(jué)函數(shù)值逐漸降低。當(dāng)波長(zhǎng)大于800nm時(shí)，視覺(jué)函數(shù)值降為0，說(shuō)明對(duì)于紅外光，人眼是不敏感的。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)人眼的視覺(jué)函數(shù)曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的非晶硅光電池光譜敏感度曲線，可以看出，在明視覺(jué)情況下二者非常相似，其最敏感波長(zhǎng)相差5nm，同時(shí)曲線形狀與相應(yīng)范圍都非常一致。傳統(tǒng)的視網(wǎng)膜假體采用單晶硅作為主要材料，硅光電池的禁帶寬度較小，在溫度為300K時(shí)，其禁帶寬度約為1.12ev，截止波長(zhǎng)約為1100nm。因此硅MPDA視覺(jué)假體光響應(yīng)的波段范圍在400～1100nm，最敏感的波長(zhǎng)位于900nm。在波長(zhǎng)大于800nm的近紅外光刺激下，硅仍能產(chǎn)生刺激電流對(duì)人眼進(jìn)行電刺激，在這些干擾信號(hào)的作用下，會(huì)嚴(yán)重影響人眼對(duì)于正常物體的感知。利用非晶硅光電池則可以有效避免紅外光等人眼不需要的雜散信號(hào)的干擾，只允許可見(jiàn)光對(duì)人眼進(jìn)行電刺激，符合正常人眼的認(rèn)知。

人眼的視網(wǎng)膜上有三種色敏細(xì)胞，它們各自的相對(duì)視覺(jué)函數(shù)曲線分布如圖3（a）所示，其中代表紅色，代表綠色，代表藍(lán)色，它們的峰值分別位于580nm、540nm、440nm。由于對(duì)于藍(lán)色的明暗程度太低，因此將圖中曲線幅度放大了20倍。每一種色敏細(xì)胞感應(yīng)波長(zhǎng)都有交叉重疊的部分，很多單色光同時(shí)被兩種色敏細(xì)胞感應(yīng)。例如，對(duì)于波長(zhǎng)為600nm的單色光，它同時(shí)處于紅敏細(xì)胞和綠敏細(xì)胞的相對(duì)視覺(jué)函數(shù)曲線下，因此它同時(shí)刺激了紅敏細(xì)胞和綠敏細(xì)胞，引起了混合的感覺(jué)。而當(dāng)混合的感覺(jué)同時(shí)傳遞到視神經(jīng)時(shí)，引起的視覺(jué)感覺(jué)就是黃色。正是由于這三種視敏細(xì)胞刺激的混合，才使我們看到五光十色的世界。對(duì)于非晶硅光電池，其對(duì)440nm、540nm、580nm三個(gè)波長(zhǎng)的感度如圖3（b）所示，可以看出，非晶硅光電池對(duì)這三個(gè)波長(zhǎng)都具有較高的敏度度，其中對(duì)波長(zhǎng)為540nm的綠光最敏感，對(duì)波長(zhǎng)為440nm的藍(lán)光敏感度最低，與人眼對(duì)于這三種波長(zhǎng)的敏感度一致，因此，利用非晶硅光電池來(lái)代替視網(wǎng)膜的感光細(xì)胞，能夠保證患者在假體植入后看見(jiàn)所有的顏色，最大程度的恢復(fù)患者的視覺(jué)。

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