Nature Electronics: 3D焦平面成像阵列

受人眼视网膜结构启发而被提出的曲面焦平面成像阵列由于其具有成像视差较小、光学系统简化等一系列优点而在近些年受到了越来越多的关注。当前已报导的曲面成像仪将柔性或可拉伸的成像传感器变形到曲面上，如岛桥结构或蛇形电极构筑的可拉伸曲面传感器和借助折纸结构变形的柔性曲面传感器。这些设计大大优于传统的平面设计，然而他们受限于两点缺陷：1)可拉伸的电极设计占据了较大的面积，导致其像素的填充系数(fill factor)往往很低，极大地限制了成像器的分辨率；2)柔性成像传感器的形状无法与焦平面相匹配即引起复杂的图像拼接问题，同时其固定的曲面曲率也无法与变化的焦平面相适配。

针对上述问题，美国休斯敦大学(University of Houston)的余存江(Cunjiang Yu)教授课题组联合威斯康星大学麦迪逊分校 (University of Wisconsin-Madison)的马振强(Zhenqiang Ma)教授课题组以及科罗拉多大学波尔德分校 (University of Colorado, Boulder)的肖建亮 (Jianliang Xiao)教授课题组，近期以“Curvy, shape-adaptive imagers based on printed optoelectronic pixels with a kirigami design”为题在Nature Electronics上报道了一种同时具有高填充系数和可变形焦平面的曲面成像传感器。

研究人员使用微纳加工及转印技术将超薄硅光电传感器阵列集成在一个可双向拉伸的剪纸结构中，并基于余存江教授课题组课题组之前报道的(conformal additive stamp - CAS printing)保形增材印章打印技术（Nature Electronics, 2, 471–479, 2019.），将成像传感器阵列转移到任意的凸面或凹面上。此传感器阵列在不拉伸的情况下具有78%的填充系数，远高于其他同类型的工作，并且可以在双向拉伸30%的情况下保持其光电性能。

图1：可双向拉伸的折纸结构及通过保形增材印章印刷技术制造三维曲面器件

研究人员对SOI晶圆通过微纳加工及转印技术制造了一个32*32的超薄硅光电传感器阵列，器件由多层的硅，金属及聚酰亚胺构成，最终厚度约为5微米。每一个像素由两个独立的P-N结二极管构成，其中一个作为光电二极管来探测光强，另外一个二极管作为阻流二极管防止电流反向流动实现多通道信号采集。此器件在双向拉伸30%的情况下仍可以保持优异的光电性能，且超薄传感器可以被转印到各种三维物体的表面。

同时，研究人员使用保形增材印章印刷技术(conformal additive stamp - CAS printing)将传感器阵列转印到三维曲面上，并通过一个具有单个平凸透镜的光学系统在凹半球面上展示了该传感器的成像能力。由于曲面的传感器可以与平凸透镜弯曲的焦平面相匹配，所形成的像具有较低的像差。

 

图2：曲面传感器在凸半球面及凹半球面上的成像能力测试

人类的眼球可以通过控制晶状体的形状来调节焦距，从而可以在视网膜上对处在不同距离的物体形成清晰的像。受此启发，研究人员将一个曲面传感器阵列转印到一块磁性的柔性橡胶上，并通过集成一个可电子调节焦距的透镜，制造了一个可自适应焦平面的曲面成像传感器。在该集成器件中，可调节焦距的透镜模仿人眼的晶状体结构，曲面传感器则模仿视网膜。当物距改变时，通过同时调节透镜的焦距以及传感器的曲率，处在不同距离的物体均可以以极低的像差在传感器上成像。

图3：受人眼结构启发的自适应焦平面的成像传感器

该研究工作提出了一种同时具有高填充系数及可变形焦平面的曲面光电传感器，并模仿人眼制造了一个具有可调节聚焦能力的曲面成像系统。该系统通过同时调节透镜的焦距及成像焦平面的曲率以降低像差，提高成像质量。这项研究具有诸多的应用场景，比如内窥镜，人工视网膜假体，人工复眼等等。

本文章的通讯作者为休斯顿大学的余存江教授。文章的第一共同作者是余教授课题组的博士生饶州旅和路运涛。其他作者包括科罗拉多大学的Zhengwei Li博士和肖建亮教授，以及威斯康星大学的马振强教授。

论文信息：

Zhoulyu Rao, Yuntao Lu, Zhengwei Li, Kyoseung Sim, Zhenqiang Ma, Jianliang Xiao, and Cunjiang Yu*, Curvy, shape-adaptive imagers based on printed optoelectronic pixels with a kirigami design, Nature Electronics, 2021. DOI: 10.1038/s41928-021-00600-1

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41928-021-00600-1 

余存江教授简介:

余老师现为美国休斯敦大学机械工程系Bill Cook副教授，并兼任于电子与计算机工程，生物医学工程以及材料科学与工程。获得Society of Engineering Science Young Investigator Medal, NIH NIBIB Trailblazer Award, ONR Young Investigator Award, NSF CAREER Award, MIT Technology Review Chinese Top Innovators (Inaugural), SME Outstanding Young Manufacturing Engineer Award, AVS Young Investigator Award等等。课题组目前主要做flexible and stretchable electronics, bioelectronics方面的研究。课题组网页:http://yu.me.uh.edu/