古为今用，灵感源自古老剪纸艺术的曲面自适应图像传感器
2021-07-07 21:07:53   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

灵感源自剪纸艺术（kirigami）的自适应新结构

据麦姆斯咨询报道，美国休斯敦大学（University of Houston）的研究人员利用源自古老剪纸艺术（Kirigami）的灵感，开发了一种能够调整形状的曲面图像传感器新结构，有望提高内窥镜和摄像头的成像质量。该研究成果已发表于Nature Electronics杂志。

该项目研究人员Cunjiang Yu表示：“现有的曲面传感器要么是柔性的，但无法兼容可调聚焦表面；要么是可拉伸的，但分辨率和像素填充因子较低。”

如果能够开发出解决上述问题的更高效曲面传感器，或将有利于多种基于摄像头的应用。它们将能够利用单镜头工作，同时校正像差，以紧凑的器件尺寸提供更宽广的视场。此外，它们应该还将比那些基于传统塑料基板或箔材的柔性图像传感器更具优势，后者虽然已经开发了一段时间，但其三维几何结构的复杂性存在固有限制。

休斯顿大学的项目灵感源自一种古老的剪纸艺术Kirigami，这是一种基于几何镶嵌和切割的设计系统，最早用于构建能够变形或延展成各种不同形状的纸结构。

Kirigami已经在现代光子学应用中获得了应用，通过切割基板材料来创建这样的结构，然后通过拉伸原来平坦的基板材料将其转化为更复杂的结构。

Kirigami光电像素阵列

Kirigami的应用案例包括可变形超材料的潜在研究，其中表面特征的精确方向是决定入射光响应的关键参数。Kirigami还被密歇根大学用于引导太赫兹辐射。

休斯顿大学开发的这款曲面图像传感器基于他们之前的已有研究，一种普遍适用于三维曲面电子器件的制造方法，被称为保形增材模印（CAS）印刷技术。

可拉伸剪纸结构和CAS印刷工艺

曲面、形状自适应图像传感器

据项目团队介绍，CAS印刷技术采用一个充气的弹性气球作为保形冲压介质，拾取预制的电子器件，并将它们印刷到弯曲的表面上。在2019年的一篇论文中，休斯顿大学研究人员展示了CAS印刷技术如何用于硅颗粒、光电探测器阵列、电子微型天线、半球形太阳能电池以及智能隐形眼镜等。

凸面和凹面图像传感器

该项目利用CAS印刷技术将通过Kirigami设计的超薄硅光电像素阵列转移到弯曲表面上，从而构建具有高像素填充因子的曲面、形状自适应的图像传感器。

根据论文介绍，该项目利用这项技术构建了一个32 x 32像素阵列、拉伸前填充因子78%的图像传感器。成像试验表明，当传感器组件置于30%的双轴应变下时，可以保持其电气性能。

人眼启发的自适应图像传感器

该团队还通过将印在磁性橡胶复合材料上的凹面传感器与可调透镜相结合，开发了一款自适应图像传感器。

“这种新型自适应器件可以实现不同距离物体的聚焦视图。”研究人员评价称，“自适应光学聚焦，是通过调节透镜的焦距和传感器的曲率来实现的，从而能够以低像差清晰地对远、近距离的物体进行成像。”

延伸阅读：

《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》