近日，光学学会期刊《光学快报》（Optics Express）报道了微软研究院与休斯研究实验室（HRL）研究人员合作开发的新型曲面透镜制造方法，该方法能够在现有的商业化平面图像传感器的基础上制造出三维曲面图像传感器，并且其球面曲率将会是前人所报道的曲面图像传感器的三倍之多！
研究者将该曲面传感器用于一台原型测试相机，并且与目前的高端商用单反相机（SLR）对比，结果是新型曲面传感器相机在整个视野的成像分辨率更高！
很多人都有过在昏暗的餐厅和街头拍照的体验，拍出的照片往往模糊不清、布满噪点。未来，如果利用这种方法把传统相机中的平面图像传感器弯曲成新型曲面图像传感器，将大大提升昏暗或夜景条件下的拍摄质量。
“我们这种方法可以直接应用于商业化平面图像传感器，所以有望创造出一类新型相机，其尺寸较小但成像质量却与大尺寸相机中的图像传感器相当，”微软研究院的布莱恩·冈特（Brian Guenter）说，“除了能够改进消费级相机之外，这类曲面图像传感器还可以为监控、头显设备以及无人驾驶汽车导航等多种应用提供更好的相机”。
目前大部分相机使用的镜头都是由多个光学元件组成的，一方面是为了校正各种光学误差或像差，另一方面是用来处理图像以便其可被平面传感器所检测到。反之，如果使用曲面图像传感器，这就意味着会简化很多校正和平坦化图像的工作，换句话说，可以使用较少的光学元件。
“使用曲面传感器，就意味着能以更高效的方式校正像差，更容易地制造出大广角镜头，从而在整个视场中都能产生清晰的图像；或者能容易地制造超快速镜头，在弱光照条件下产生更高质量的图像，”微软研究团队成员尼尔·乔希（Neel Joshi）说，“另外，这也使得相机在整个图像上实现均匀照明变得更简单了。”
研究团队成员理查德·斯塔克利（Richard Stoakley）说：“虽然曲面图像传感器的优点早已众所周知，但我们的工作成功证明了利用曲面图像传感器来制造相机是切实可行的。”
不断追逐理想相机
这种新型曲面图像传感器的制造方法源自于七年前研究者早已深埋于心的一个问题：“理想的相机究竟是什么样的？”他们认为，理想的相机应该是微型的、在极弱光照条件下也能拍摄成像，并且成像质量超级清晰的。
“当时，这样的相机几乎是不可能的”，冈特说。“我们当时想，如果能够制造更快速的镜头并改进光学元件，我们就有望使用较小的传感器，并且同时能够收集足够的光线以获得良好的图像。这种想法促使我们开始研究曲面图像传感器，以期能够实现突破性的成像性能。”
图 | A（上）：传统曲面成型的模具和方法，易产生较大径向张力，导致传感器破碎；A（下）：新型曲面传感器成型模具和方法，传感器边缘自由，径向张力得到释放，获得较大曲率。B：传感器弯曲变形受力示意图
通常，为了获得曲面传感器，研究人员首先将超薄型CMOS图像传感器晶片切割成独立的单个传感器薄片，然后将单个传感器薄片放置在定制的模具中，并使用气压将每个传感器薄片推入模具中从而产生弯曲变形。
整个弯曲传感器的过程还涉及到将传感器各个边缘粘合支撑起来，并使气压尽量作用于中心区域。但是，这样会产生较大的径向张力，从而使传感器薄片上产生高应力点，使其在达到目标球面曲率之前就发生破碎。
为此，微软研究院研究人员与擅长半导体制造的HRL实验室合作开发出一种更好的方法，不仅能保证传感器的完好，还能获得更大的球面曲率。
研究人员将传感器薄片自由放置在特殊设计的模具中（边缘不进行粘合固定），在模具上方铺上一层柔性聚合物薄膜，通过气压驱动柔性薄膜发生形变，逐渐与传感器薄片发生接触并传递压力，传感器薄片中心区域向下弯曲的同时各个边缘也自由的发生移动，从而很好的释放了径向张力，不仅避免了传感器的破碎，还有效提升了弯曲曲率。
“这项工作涉及大量的实验，”乔希说，“我们必须仔细处理所涉及的每一个表面，以保证传感器能获得合适的应力，得到足够的弯曲曲率并且不发生破裂。”
测试结果表明，传感器薄片的电气特性和成像特性在弯曲后并未发生任何改变。当将该曲面传感器用于具有专门设计的f / 1.2镜头的原型相机时，其分辨率竟是具有相似镜头的高端单反相机的两倍以上！特别地，对于图像的边缘区域，曲面传感器相机的清晰度大约是单反相机的五倍！
虽然大多数相机都存在图像传感器角点周围光线检测有所损失的问题，但据研究人员表示，曲面传感器角点附近几乎没有光线损失。相对于商业单反相机（角点位置）高达90％的光线损失，这是一个非常显着的改进。
冈特说：“我们的实验表明，您可以用现成的商用平面传感器，对其进行弯曲变形，就能显著地提高光学系统的性能。整个过程的成本相对较低，并且几乎没有什么缺点。”
手机镜头有望媲美专业相机？
虽然论文中所报道的原型相机已经缩小至小型消费级相机的尺寸，但据研究人员表示，利用这种曲面图像传感器，镜头还可以做足够小，并可用于手机或平板电脑的相机中。此外，还有可能制造出能够批量生产这些曲面传感器的机器，从而将这种弯曲处理的方法纳入现有的传感器制造过程中，以便在批量生产中进行良好的分摊。
目前，研究人员还在研究是否可能进一步提升传感器的曲率。此外，他们还想尝试在红外波长段使用曲面传感器，开发其在望远镜、全息投影、生物识别以及其他各种学科的潜在应用。虽然目前研究者比较谨慎地称，使用曲面传感器的商业化产品近期内快速实现还不太可能，但他们仍在积极地其他公司合作，尝试进一步改进曲面传感器，并进行量产前所必需的鲁棒性测试。
“我们开辟了镜头制造的一扇全新的大门。”斯塔克利说，“能够看到我们的团队以及其他人利用曲面传感器来设计新型镜头并获得更高的相机成像质量，这让我们兴奋不已。”
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编辑：李小李
参考：Brian Guenter et al, Highly curved image sensors: a practical approach for improved optical performance, Optics Express (2017). DOI: 10.1364/OE.25.013010
