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直还是弯?关于曲面成像传感器的简单话题1

为什么要做曲面传感器,这个问题其实可以从生物学的角度来考虑,为什么动物视网膜是曲面的?各类光学系统(包括眼睛)的视场都有一种基本弯曲,也就是知名的匹兹伐Petzval曲面,也是光学系统的五大赛德像差之一(球差、慧差、像散、场曲和畸变,也称为三级像差),它是透镜折射率和表面曲率的函数,正透镜产生的曲面向外(按光线行进方向,表示为负数),负透镜则曲面向后(表示为正数)。所以像场天生就是弯曲的,这是设计曲面传感器的*直观前提之一。


场曲与像散往往是相伴出现,当没有像散时,径向与切向焦面都会与Petzval曲面重合,但如果有初级像散,切向焦面到Petzval曲面的距离是径向焦面的3倍。换言之,如果一个校正比较好的镜头匹配一个与Petzval曲面相同的传感器,那么就会有更好的成像效果。

事实上,很多像差的大小都与光程长度、斜射角度、到光轴距离呈函数(有时候甚至是线性)关系,对于平面传感器来说就需要更多的镜片来校正这些问题,而曲面传感器则可以在不做校正,或校正量较小的情况下适应这些问题,而且目前来看技术方面其实阻力并没有想象的那么大。传统CMOS的结构从下到上分别是陶瓷封装、硅基板、传感器,所以**步就需要把硅基板按指定曲率打磨,然后把传感器沿曲面胶合到基板上,然后再做导线、封装即可,这样就能制作固定曲率光学传感器并应用到固定镜头成像设备上了。



所以这里传递了2层信息,**传感器虽然是固态工艺,但设计并非只能平直,允许弯曲。第二曲率需要对应光学设计,因此如果想要适配不同焦距不同光圈镜头,就需要做柔性传感器设计,幸运的是,这样的技术现在也已经基本可以实现了。

1997年马赛天文台光学实验室就做出了可变曲率镜面来满足超大型天文望远镜的设计需求,应用到传感器设计上简单来说就是一层圆形的柔性薄膜做基板,上附削薄后的CMOS传感器,通过一个垂直于柔性薄膜的外力来改变它的几何形态,从而实现曲率变化。当然布线和连接层的设计也要跟着变,不过从技术上来说压力不算特别大,实验性的结果也已经有了:一块30mm x 37mm x 0.1mm的CMOS传感器以150mm半径向外弯曲,在其余工艺完全相同的情况下,光电效率从0.24DN/e-降低到0.22DN/e-,读取噪声都是9e-,暗电流从119e-/s增加到了169e-/s,也就是说沿用现有技术做曲面传感器会稍微影响性能,但这个影响的幅度非常小。



以这么小的代价换来的优点就很明显了,因为曲面传感器先天利于校正像差,所以与之匹配的镜头可以做得更简单,以佳能EF 8-15mm F4鱼眼镜头为例,如果使用曲面传感器就可以少用5片(从14片到9片),并且不需要使用非球面工艺,性能还可以保持相同水准:


而柔性曲面传感器曲率还可以随焦距变化而变化,比如变焦到8.5mm时曲面半径自适应为326mm,而再变焦到12mm时曲面半径就变成150mm……以此类推:


此前的测试基于传统设计的镜头,而针对曲面传感器,当然也需要在镜头设计上做改良,从先天性来说球形单心透镜就是*直观的曲面像。




但它的问题在于曲率偏大,曲面半径很小,如果是15.4mm传感器做80度视野镜头,就意味着曲面半径只有12mm,已经明显超过了结构设计极限,因此还得需要另行设计,我们知道主光线与光轴的角度决定了视野大小,同时也对曲面传感器曲率有更高要求,因此在设计时可以在球形单心透镜组合后方紧跟一个简单的正负透镜组合来降低曲率,首先是凸透镜收敛光线走势的开角:


随后紧跟一个凹透镜来发散调整光线走势,校正场曲等像场,让它能准确地契合曲面传感器的半径:




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