受人眼視網膜結構啟發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、光學系統簡化等一系列優點而在近些年受到了越來越多的關注。當前已報導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，如島橋結構或蛇形電極構筑的可拉伸曲面傳感器和借助折紙結構變形的柔性曲面傳感器。

這些設計大大優于傳統的平面設計，然而他們受限于兩點缺陷：

1）可拉伸的電極設計占據了較大的面積，導致其像素的填充系數（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雜的圖像拼接問題，同時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（University of Houston）的余存江（Cunjiang Yu）教授課題組聯合威斯康星大學麥迪遜分校 （University of Wisconsin-Madison）的馬振強（Zhenqiang Ma）教授課題組以及科羅拉多大學波爾德分校 （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上報道了一種同時具有高填充系數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印技術將超薄硅光電傳感器陣列集成在一個可雙向拉伸的剪紙結構中，并基于余存江教授課題組課題組之前報道的（conformal additive stamp - CAS printing）保形增材印章打印技術（Nature Electronics， 2， 471–479， 2019.），將成像傳感器陣列轉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，遠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印技術制造了一個32*32的超薄硅光電傳感器陣列，器件由多層的硅，金屬及聚酰亞胺構成，最終厚度約為5微米。

每一個像素由兩個獨立的P-N結二極管構成，其中一個作為光電二極管來探測光強，另外一個二極管作為阻流二極管防止電流反向流動實現多通道信號采集。此器件在雙向拉伸30%的情況下仍可以保持優異的光電性能，且超薄傳感器可以被轉印到各種三維物體的表面。

同時，研究人員使用保形增材印章印刷技術（conformal additive stamp - CAS printing）將傳感器陣列轉印到三維曲面上，并通過一個具有單個平凸透鏡的光學系統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節焦距，從而可以在視網膜上對處在不同距離的物體形成清晰的像。受此啟發，研究人員將一個曲面傳感器陣列轉印到一塊磁性的柔性橡膠上，并通過集成一個可電子調節焦距的透鏡，制造了一個可自適應焦平面的曲面成像傳感器。

在該集成器件中，可調節焦距的透鏡模仿人眼的晶狀體結構，曲面傳感器則模仿視網膜。當物距改變時，通過同時調節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具有高填充系數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具有可調節聚焦能力的曲面成像系統。

該系統通過同時調節透鏡的焦距及成像焦平面的曲率以降低像差，提高成像質量。這項研究具有諸多的應用場景，比如內窺鏡，人工視網膜假體，人工復眼等等。 本文章的通訊作者為休斯頓大學的余存江教授。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濤。其他作者包括科羅拉多大學的Zhengwei Li博士和肖建亮教授，以及威斯康星大學的馬振強教授。

編輯：jq