摘要：人类视觉系统的实时调焦能力为成像技术提供了重要灵感，尤其是眼球通过可调节晶状体和曲面视网膜实现清晰成像的机制，推动了仿生成像系统的发展。相较于平面图像传感器，曲面图像传感器能更好适配透镜的弯曲焦平面（佩兹瓦尔面），减少场曲和渐晕等问题，简化光学系统。

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一、引言

人类视觉系统的实时调焦能力为成像技术提供了重要灵感，尤其是眼球通过可调节晶状体和曲面视网膜实现清晰成像的机制，推动了仿生成像系统的发展。相较于平面图像传感器，曲面图像传感器能更好适配透镜的弯曲焦平面（佩兹瓦尔面），减少场曲和渐晕等问题，简化光学系统。

但现有曲面传感器存在局限：刚性基底制造的传感器曲率固定，无法适应调焦过程中焦平面的变化；柔性基底传感器若厚度较大，变形能力有限，且易产生应力集中。为此，我们提出结合超薄设计与分层网格结构的钙钛矿曲面传感器，实现曲率可调且机械稳定的焦点可调实时成像系统。

二、曲面图像传感器的设计与制造

2.1 设计灵感与系统构成

受人类眼球结构启发，系统由三部分组成：焦距可调透镜、曲面钙钛矿图像传感器、矩阵读出系统。通过同步调节透镜焦距与传感器曲率，匹配不同物距下的焦平面，实现低像差成像。

2.2 关键结构设计

超薄特性：器件总厚度仅 5.4μm，可贴合不同曲率的曲面。有限元分析显示，超薄结构能降低变形时的应变。

分层网格结构（SHM）：包含六边形像素、蛇形连接线，相比传统交叉网格（CM）和蜂窝网格（HM），应变分布更均匀，减少活性层损伤。

2.3 制造流程

传感器采用五层结构：聚对二甲苯 C 衬底、叉指电极、SiO₂疏水层、钙钛矿活性层（127 个像素）、聚对二甲苯 C 封装层。通过图案化和剥离工艺，实现从刚性基底到曲面的转移。

三、钙钛矿阵列与传感器性能

3.1 钙钛矿材料特性

采用 2D Ruddlesden-Popper 钙钛矿（PEA）₂(MA)ₙ₋₁PbₙI₃ₙ₊₁，具有层状结构和高稳定性。XRD 和 SEM 证实其良好结晶性，紫外-可见吸收光谱显示其在 300-800nm 范围内有响应。

3.2 传感器性能指标

高灵敏度：检测限低至 10nW/cm²，优于人眼感光细胞。

稳定性：连续工作 6 小时性能无衰减，弯曲 ±100° 或 2500 次循环后仍保持稳定。

快速响应：响应时间约 5ms，衰减时间约 4ms。

四、焦点可调实时成像应用

4.1 动态调焦原理

通过同步调节可调透镜焦距与传感器曲率，实现不同物距下的清晰成像：物距 u=198mm 时，传感器曲率半径 R=17.8mm；u=73mm 时，R=15.5mm。

4.2 实时成像演示

系统集成读出矩阵与无线传输模块，可在手机终端实时显示灰度图像。当透镜焦距变化时，图像经历 “欠焦 - 清晰 - 过焦” 的动态过程，视频记录证实其实时调焦能力。

五、讨论与总结

本研究的核心优势在于：超薄分层网格设计实现传感器曲率可调与机械稳定；钙钛矿材料赋予高灵敏度与宽光谱响应；系统成功模拟人眼调焦功能，为仿生成像提供新方案。

未来可进一步优化像素密度与传输速度，推动在机器人视觉、医疗成像等领域的应用。

参考文献：

Zeping He et al. Focus-tunable real-time imaging system based on ultrathin perovskite curved image sensor with hierarchical mesh design. Sci. Adv.11, eadw7826(2025).

来源：知识泥土六二三