[發明專利]一種光電集成的微型人造復眼相機及其制備方法

有效

• 申請號: 202110795508.5
• 申請日: 2021-07-14
• 公開（公告）號: CN113572932B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 張永來;胡志勇;陳岐岱;孫洪波
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H04N5/225
• 分類號: H04N5/225;G02B27/00;G02B3/00
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純

本發明公開了一種光電集成的微型人造復眼相機及其制備方法，屬于光電器件技術領域，本發明通過設計子眼的面型為對數函數，使子眼聚焦的焦斑拉長。子眼焦斑拉長后，所有子眼焦斑的前焦面和后焦面中間存在一定的范圍，在這個范圍內可以使用平面探測器接收到所有子眼的聚焦和成像，從而解決了傳統曲面人造復眼的離焦問題。然后利用“飛秒激光增材制造”技術高精度制備無離焦的微型對數面人造復眼，并將制備的無離焦的微型對數面人造復眼與商用的微型圖像傳感器(CMOS感光芯片)集成，最終實現光電集成的微型人造復眼相機及制備。本發明成功的將微型曲面人造復眼和商用平面圖像傳感器結合，實現了微型人造復眼相機的光電集成一體化。

技術領域

本發明屬于光電器件技術領域，具體涉及一種光電集成的微型人造復眼相機及其制備方法。

背景技術

不管是為了尋找食物還是為了躲避天敵，自然界中的昆蟲進化出了具有獨特成像性能的視覺系統。昆蟲的復眼(例如：蜻蜓和螞蟻)通常是由許多獨立的感光單元呈半球形曲面排布構成，每個感光單元由角膜透鏡，晶錐，感桿束，視覺神經組成。昆蟲復眼具有出色的無失真成像特性，寬視場(FOV)角和快速運動檢測和追蹤的功能。受自然復眼的啟發，仿生人造復眼集生物學、光學、電子學、信息處理、數據融合、自動控制等多學科于一體，具有創新性、邊緣性、交叉性，在醫療內窺鏡，全景成像，微型導航，機器人視覺等領域展現了巨大的應用潛力。

目前人造復眼的研究按照復眼尺寸大小可以分為三類。(1)大尺寸人造復眼相機：單眼的尺寸在厘米量級，曲面透鏡陣列與曲面排布的探測器陣列組合。這種復眼相機的優點是子眼獨立成像，互不影響，成像分辨率高，缺點是系統組成復雜、體積龐大、功耗高。(2)中尺寸人造復眼相機：單眼的尺寸在毫米量級，使用曲面透鏡陣列與硅光電二極管結合，每個子眼相當于一個像素點，無法獨立成像。存在系統組成復雜，成像分辨率低的問題。(3)微型人造復眼相機：復眼尺寸達到昆蟲量級，單眼尺寸在微米量級，由于單眼尺寸較小，所有小眼需要共用一個成像傳感器。由于小眼的曲面排布，小眼成像的像面是一個彎曲的曲面，而受目前制造工藝的限制，小型化的感光芯片都是平面光刻工藝制備的。因此曲面復眼的離焦問題是制約光電集成的小型化人造復眼相機進一步發展的重要因素。盡管針對這個問題，已經有一些報道從實驗和理論上給出了一些解決方案，例如復眼和光纖束的耦合，多層曲面復眼結構，以及非均一的曲面變焦距人造復眼,但是這些解決方案存在結構復雜，裝配、對準困難等問題，制備成本高昂，工藝上難以實現。到現在為止，如何解決曲面復眼的離焦問題，實現微型人造復眼和平面感光芯片的光電集成，制備出高性能的微型人造復眼相機具有重大意義及挑戰性。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明要解決的技術問題是：提供一種簡單、通用的光電集成的微型人造復眼相機及制備方法。曲面人造復眼的實現是通過將不同朝向的小眼排布在曲面上(球面的一部分)形成。傳統曲面人造復眼所有子眼聚焦的焦面是一個彎曲的曲面，難以和商用平面傳感器兼容。本發明通過設計子眼的面型為對數函數，使子眼聚焦的焦斑拉長。子眼焦斑拉長后，所有子眼焦斑的前焦面和后焦面中間存在一定的范圍，在這個范圍內可以使用平面探測器接收到所有子眼的聚焦和成像，從而解決了傳統曲面人造復眼的離焦問題。然后利用“飛秒激光增材制造”技術高精度制備無離焦的微型對數面人造復眼，并將制備的無離焦的微型對數面人造復眼與商用的微型圖像傳感器(CMOS感光芯片)集成，最終實現光電集成的微型人造復眼相機及制備。

本發明通過如下技術方案實現：

一種光電集成的微型人造復眼相機的制備方法，具體步驟如下：

(1)、無離焦微型對數面人造復眼的設計；

具體步驟：首先，將曲面人造復眼所有子眼均勻分布在一個半徑和高度分別是R_s和H_s的球冠上；對數透鏡的函數曲面方程為：