基于超薄钙钛矿曲面图像传感器的可调焦实时成像系统及其分级网状结构设计

为解决传统曲面图像传感器曲率固定无法匹配变焦过程中Petzval曲面的问题，研究人员开发了基于超薄钙钛矿曲面图像传感器（厚度5.4 μm）的分级网状结构（SHM）可调焦成像系统。该系统通过协调调节透镜焦距与传感器曲率半径，实现了低像差动态成像（检测限低至10 nW cm?2），并集成薄膜晶体管读出矩阵和无线传输模块完成实时成像。该研究为仿生视觉系统开发提供了新思路。

　　

研究背景与意义

人类视觉系统通过晶状体曲率调节和视网膜曲面匹配实现动态对焦，但现有仿生成像系统面临关键瓶颈：传统曲面图像传感器多为固定曲率，无法适配变焦透镜产生的动态Petzval曲面（光学系统像场弯曲面）。这导致变焦过程中边缘像差加剧，需复杂校正光学元件。尽管柔性器件可通过弯曲适配曲面，但常规厚度（>100 μm）器件仅能简单弯折，难以贴合非展曲面，且钙钛矿等光敏材料在变形中易因应力集中失效。

研究方法与技术路线

研究团队通过多学科交叉技术解决上述问题：

1. 1.

   器件设计：采用超薄（5.4 μm）parylene C（聚对二甲苯C）基底封装，结合蛇形分级网状结构（Serpentine Hierarchical Mesh, SHM），通过有限元分析（FEA）优化应变分布；

2. 2.

   材料合成：选用2D Ruddlesden-Popper相钙钛矿(PEA)₂(MA)_n-1Pb_nI_3n+1（n=1-4）作为光敏层，通过相控自组装实现300-800 nm宽谱响应；

3. 3.

   系统集成：将曲面传感器与可调透镜（Optotune EL-3-10）、64×64薄膜晶体管（TFT）读出矩阵、FPGA（现场可编程门阵列）处理模块联用，通过WiFi实现手机端实时成像。

主要研究结果

1. 设计与制备曲面图像传感器

通过SHM设计（六边形像素单元+120°窄连接线+蛇形宽连接线）使器件在15.5 mm曲率半径变形时，钙钛矿层最大应变仅0.13%（低于断裂阈值1%），而传统交叉网状（CM）结构应变集中达5.7%。超薄特性使其可贴合复杂曲面（图2F），相较常规厚度器件，平均应变降低80%。

2. 钙钛矿阵列性能表征

相分离调控的钙钛矿薄膜呈现阶梯式相分布（n=1相富集于底部，n≥4相富集于顶部），实现514-750 nm多峰吸收。器件在4 V偏压下暗电流仅8 pA，在10.88 mW cm^?2 532 nm光照下响应度达3.95 A W^?1，比探测率D*为2.3×10¹³ Jones（琼斯），优于人眼感光细胞灵敏度。

3. 可调焦实时成像验证

当物距从198 mm缩短至73 mm时，同步调节透镜焦距（17.8→15.5 mm）与传感器曲率半径，系统分辨率提升40%（图5C）。动态测试显示，透镜变焦过程中图像可实时完成"模糊-清晰-模糊"转换（Movie S4），延迟<5 ms。

结论与展望

该研究通过超薄SHM结构设计突破了曲面传感器曲率动态匹配的技术壁垒，首次实现仿生视觉的"透镜-视网膜"协同变焦功能。Parylene C封装使器件在2500次弯曲循环后性能无衰减，为可穿戴成像设备奠定基础。未来通过提升像素密度（当前127像素）和开发全彩系统，有望推动该技术在医疗内窥镜、仿生机器人等领域的应用。论文发表于《SCIENCE ADVANCES》，为柔性光电子与仿生光学交叉领域提供了创新范式。