受人眼視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)啟發(fā)而被提出的曲面焦平面成像陣列由于其具有成像視差較小、光學(xué)系統(tǒng)簡化等一系列優(yōu)點(diǎn)而在近些年受到了越來越多的關(guān)注。當(dāng)前已報(bào)導(dǎo)的曲面成像儀將柔性或可拉伸的成像傳感器變形到曲面上，如島橋結(jié)構(gòu)或蛇形電極構(gòu)筑的可拉伸曲面?zhèn)鞲衅骱徒柚奂埥Y(jié)構(gòu)變形的柔性曲面?zhèn)鞲衅鳌?/p>

這些設(shè)計(jì)大大優(yōu)于傳統(tǒng)的平面設(shè)計(jì)，然而他們受限于兩點(diǎn)缺陷：

1）可拉伸的電極設(shè)計(jì)占據(jù)了較大的面積，導(dǎo)致其像素的填充系數(shù)（fill factor）往往很低，極大地限制了成像器的分辨率；

2）柔性成像傳感器的形狀無法與焦平面相匹配即引起復(fù)雜的圖像拼接問題，同時(shí)其固定的曲面曲率也無法與變化的焦平面相適配。

針對上述問題，美國休斯敦大學(xué)（University of Houston）的余存江（Cunjiang Yu）教授課題組聯(lián)合威斯康星大學(xué)麥迪遜分校 （University of Wisconsin-Madison）的馬振強(qiáng)（Zhenqiang Ma）教授課題組以及科羅拉多大學(xué)波爾德分校 （University of Colorado， Boulder）的肖建亮 （Jianliang Xiao）教授課題組，近期以“Curvy， shape-adaptive imagers based on printed optoelectronic pixels with a kirigami design”為題在Nature Electronics上報(bào)道了一種同時(shí)具有高填充系數(shù)和可變形焦平面的曲面成像傳感器。

研究人員使用微納加工及轉(zhuǎn)印技術(shù)將超薄硅光電傳感器陣列集成在一個(gè)可雙向拉伸的剪紙結(jié)構(gòu)中，并基于余存江教授課題組課題組之前報(bào)道的（conformal additive stamp - CAS printing）保形增材印章打印技術(shù)（Nature Electronics， 2， 471–479， 2019.），將成像傳感器陣列轉(zhuǎn)移到任意的凸面或凹面上。

此傳感器陣列在不拉伸的情況下具有78%的填充系數(shù)，遠(yuǎn)高于其他同類型的工作，并且可以在雙向拉伸30%的情況下保持其光電性能。 研究人員對SOI晶圓通過微納加工及轉(zhuǎn)印技術(shù)制造了一個(gè)32*32的超薄硅光電傳感器陣列，器件由多層的硅，金屬及聚酰亞胺構(gòu)成，最終厚度約為5微米。

每一個(gè)像素由兩個(gè)獨(dú)立的P-N結(jié)二極管構(gòu)成，其中一個(gè)作為光電二極管來探測光強(qiáng)，另外一個(gè)二極管作為阻流二極管防止電流反向流動實(shí)現(xiàn)多通道信號采集。此器件在雙向拉伸30%的情況下仍可以保持優(yōu)異的光電性能，且超薄傳感器可以被轉(zhuǎn)印到各種三維物體的表面。

同時(shí)，研究人員使用保形增材印章印刷技術(shù)（conformal additive stamp - CAS printing）將傳感器陣列轉(zhuǎn)印到三維曲面上，并通過一個(gè)具有單個(gè)平凸透鏡的光學(xué)系統(tǒng)在凹半球面上展示了該傳感器的成像能力。由于曲面的傳感器可以與平凸透鏡彎曲的焦平面相匹配，所形成的像具有較低的像差。

人類的眼球可以通過控制晶狀體的形狀來調(diào)節(jié)焦距，從而可以在視網(wǎng)膜上對處在不同距離的物體形成清晰的像。受此啟發(fā)，研究人員將一個(gè)曲面?zhèn)鞲衅麝嚵修D(zhuǎn)印到一塊磁性的柔性橡膠上，并通過集成一個(gè)可電子調(diào)節(jié)焦距的透鏡，制造了一個(gè)可自適應(yīng)焦平面的曲面成像傳感器。

在該集成器件中，可調(diào)節(jié)焦距的透鏡模仿人眼的晶狀體結(jié)構(gòu)，曲面?zhèn)鞲衅鲃t模仿視網(wǎng)膜。當(dāng)物距改變時(shí)，通過同時(shí)調(diào)節(jié)透鏡的焦距以及傳感器的曲率，處在不同距離的物體均可以以極低的像差在傳感器上成像。 該研究工作提出了一種同時(shí)具有高填充系數(shù)及可變形焦平面的曲面光電傳感器，并模仿人眼制造了一個(gè)具有可調(diào)節(jié)聚焦能力的曲面成像系統(tǒng)。

該系統(tǒng)通過同時(shí)調(diào)節(jié)透鏡的焦距及成像焦平面的曲率以降低像差，提高成像質(zhì)量。這項(xiàng)研究具有諸多的應(yīng)用場景，比如內(nèi)窺鏡，人工視網(wǎng)膜假體，人工復(fù)眼等等。 本文章的通訊作者為休斯頓大學(xué)的余存江教授。文章的第一共同作者是余教授課題組的博士生饒州旅和路運(yùn)濤。其他作者包括科羅拉多大學(xué)的Zhengwei Li博士和肖建亮教授，以及威斯康星大學(xué)的馬振強(qiáng)教授。

編輯：jq