[发明专利]一种光电集成的微型人造复眼相机及其制备方法

说明书

本发明公开了一种光电集成的微型人造复眼相机及其制备方法，属于光电器件技术领域，本发明通过设计子眼的面型为对数函数，使子眼聚焦的焦斑拉长。子眼焦斑拉长后，所有子眼焦斑的前焦面和后焦面中间存在一定的范围，在这个范围内可以使用平面探测器接收到所有子眼的聚焦和成像，从而解决了传统曲面人造复眼的离焦问题。然后利用“飞秒激光增材制造”技术高精度制备无离焦的微型对数面人造复眼，并将制备的无离焦的微型对数面人造复眼与商用的微型图像传感器(CMOS感光芯片)集成，最终实现光电集成的微型人造复眼相机及制备。本发明成功的将微型曲面人造复眼和商用平面图像传感器结合，实现了微型人造复眼相机的光电集成一体化。

技术领域

本发明属于光电器件技术领域，具体涉及一种光电集成的微型人造复眼相机及其制备方法。

背景技术

不管是为了寻找食物还是为了躲避天敌，自然界中的昆虫进化出了具有独特成像性能的视觉系统。昆虫的复眼(例如：蜻蜓和蚂蚁)通常是由许多独立的感光单元呈半球形曲面排布构成，每个感光单元由角膜透镜，晶锥，感杆束，视觉神经组成。昆虫复眼具有出色的无失真成像特性，宽视场(FOV)角和快速运动检测和追踪的功能。受自然复眼的启发，仿生人造复眼集生物学、光学、电子学、信息处理、数据融合、自动控制等多学科于一体，具有创新性、边缘性、交叉性，在医疗内窥镜，全景成像，微型导航，机器人视觉等领域展现了巨大的应用潜力。

目前人造复眼的研究按照复眼尺寸大小可以分为三类。(1)大尺寸人造复眼相机：单眼的尺寸在厘米量级，曲面透镜阵列与曲面排布的探测器阵列组合。这种复眼相机的优点是子眼独立成像，互不影响，成像分辨率高，缺点是系统组成复杂、体积庞大、功耗高。(2)中尺寸人造复眼相机：单眼的尺寸在毫米量级，使用曲面透镜阵列与硅光电二极管结合，每个子眼相当于一个像素点，无法独立成像。存在系统组成复杂，成像分辨率低的问题。(3)微型人造复眼相机：复眼尺寸达到昆虫量级，单眼尺寸在微米量级，由于单眼尺寸较小，所有小眼需要共用一个成像传感器。由于小眼的曲面排布，小眼成像的像面是一个弯曲的曲面，而受目前制造工艺的限制，小型化的感光芯片都是平面光刻工艺制备的。因此曲面复眼的离焦问题是制约光电集成的小型化人造复眼相机进一步发展的重要因素。尽管针对这个问题，已经有一些报道从实验和理论上给出了一些解决方案，例如复眼和光纤束的耦合，多层曲面复眼结构，以及非均一的曲面变焦距人造复眼,但是这些解决方案存在结构复杂，装配、对准困难等问题，制备成本高昂，工艺上难以实现。到现在为止，如何解决曲面复眼的离焦问题，实现微型人造复眼和平面感光芯片的光电集成，制备出高性能的微型人造复眼相机具有重大意义及挑战性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种简单、通用的光电集成的微型人造复眼相机及制备方法。曲面人造复眼的实现是通过将不同朝向的小眼排布在曲面上(球面的一部分)形成。传统曲面人造复眼所有子眼聚焦的焦面是一个弯曲的曲面，难以和商用平面传感器兼容。本发明通过设计子眼的面型为对数函数，使子眼聚焦的焦斑拉长。子眼焦斑拉长后，所有子眼焦斑的前焦面和后焦面中间存在一定的范围，在这个范围内可以使用平面探测器接收到所有子眼的聚焦和成像，从而解决了传统曲面人造复眼的离焦问题。然后利用“飞秒激光增材制造”技术高精度制备无离焦的微型对数面人造复眼，并将制备的无离焦的微型对数面人造复眼与商用的微型图像传感器(CMOS感光芯片)集成，最终实现光电集成的微型人造复眼相机及制备。

本发明通过如下技术方案实现：

一种光电集成的微型人造复眼相机的制备方法，具体步骤如下：

(1)、无离焦微型对数面人造复眼的设计；

具体步骤：首先，将曲面人造复眼所有子眼均匀分布在一个半径和高度分别是R_s和H_s的球冠上；对数透镜的函数曲面方程为：