一种自由曲面图像传感器、制备方法及相关光学系统

本发明属于光学成像，涉及一种自由曲面图像传感器组件。

背景技术：

1、图像传感器具有较宽的光谱响应且输出信号方便进行数字化信息处理，在光学成像领域得到了广泛的应用。

2、目前商用的成像设备使用的均是平面图像传感器。为了使物平面通过前置光学成像系统聚焦在平面图像传感器上，通常使用多个光学镜组来对场曲等像差进行矫正，这就使得光学成像系统的质量、体积和成本难以减小，且成像视场和像质难以同时得到提升。

3、与平面图像传感器不同的是，曲面图像传感器可以利用自身的曲率来补偿前置光学成像系统的像差，从而可以简化前置光学成像系统的结构，有效地提升成像视场和像质。特别地，当图像传感器进一步能够实现自由曲面化之后，可以与前置光学成像系统进行一体化自由曲面设计，从而充分释放光学系统的设计自由度，使得光学成像系统在视场、体积和像质等方面获得更为优异的综合表现。

4、曲面图像传感器指的是面型是曲面的图像传感器，曲面面型包括球面、非球面和自由曲面，其设计优化自由度分别从小到大，自由曲面具有最大的设计优化自由度，从而可以在最大程度上提升光学系统的综合性能。

5、由于受到矫正像差的需求的制约，目前应用平面图像传感器的光学成像系统，通常由复杂的光学镜组构成。这就导致光学设计的自由度无法充分发挥出来，且现有成像系统的视场、体积和像质难以同时得到提升优化。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种自由曲面图像传感器。

2、为此，本发明所提供的自由曲面图像传感器包括：

3、支撑体，该支撑体本体表面设有凹面或凸面，所述凹面或凸面为自由曲面；

4、图像传感器薄膜，该图像传感器薄膜包括衬底、设置在衬底上的像元阵列和设置在像元阵列旁侧的列焊盘与行焊盘；单个像元包括设置在衬底上的p-i-n型外延片、设置在外延片上的n电极和p电极，同一行像元的n电极串联并引出至一行焊盘上，同一列像元的p电极串联并引出至一列焊盘上；所述衬底厚度为20～80μm；

5、读出电路；

6、所述图像传感器薄膜粘贴在所述支撑体的凹面或凸面成自由曲面形状，且衬底挨着支撑体，所述读出电路固定在支撑体上，且读出电路与所述图像传感器薄膜的行焊盘和列焊盘通过金线键合连接。

7、可选的方案是，所述n电极设置在外延片的局部位置，所述p电极设置在p-i-n型外延片上其他局部位置及n电极上，并且p电极与n电极之间设有绝缘层。

8、可选的方案是，所述图像传感器薄膜的最小弯曲半径为5mm。

9、可选的方案是，所述支撑体的材料为铝合金；所述p电极为透明电极。

10、可选的方案是，所述支撑体的材料为亚克力玻璃或有机玻璃；所述p电极为透明电极或非透明电极。

11、可选的方案是，所述支撑体本体为立方体结构。

12、本发明同时提供了上述自由曲面图像传感器的制备方法。为此，本发明所提供的制备方法包括：

13、步骤1，制备图像传感器，之后将图像传感器的衬底进行减薄，得到图像传感器薄膜；

14、步骤2，加工支撑体；

15、步骤3，将图像传感器薄膜粘贴在支撑体的凹面或凸面使得图像传感器薄膜呈自由曲面；

16、步骤4，在支撑体平面上加工读出电路，之后通过金线键合连接读出电路与图像传感器薄膜的行焊盘和列焊盘。

17、进一步的方案中，所述步骤1包括：

18、(1)在初始衬底上沉积p-i-n型外延片，所述初始衬底厚度为300～800μm；

19、(2)在外延片上制备形成图像传感器阵列；

20、(3)对步骤(2)得到的图像传感器阵列进行解理，得到单个图像传感器；

21、(4)对单个图像传感器的衬底进行减薄，得到图像传感器薄膜。

22、本发明还提供了一种全自由曲面光学系统。所提供的光学系统包括自由曲面主镜和自由曲面次镜，还包括上述的自由曲面图像传感器。

23、可选的方案是，所述光学系统为全自由曲面离轴二反成像系统。

24、可选的方案是，所述光学系统的f数范围为1～4，入瞳直径范围25～100mm，视场角为矩形视场，最大视场角为10°，工作波段根据自由曲面图像传感器的工作波长而定。

25、本发明同时还提供了上述全自由曲面光学系统的设计方法，所述方法用于对光学系统中自由曲面主镜、自由曲面次镜和自由曲面图像传感器的空间位置关系，以及自由曲面主镜的、自由曲面次镜和自由曲面图像传感器的曲面形状进行设计，方法包括：

26、步骤1，将光学系统的初始像面设置成平面，将像面的空间位置、自由曲面主镜的曲率半径、自由曲面高阶项和空间位置、自由曲面次镜的曲率半径、自由曲面高阶项和空间位置设置成变量，进行光学系统优化直至结果收敛，得到第一光学系统；

27、步骤2，将第一光学系统中的像面的曲率半径和空间位置、自由曲面主镜的曲率半径、自由曲面高阶项和空间位置、自由曲面次镜的曲率半径、自由曲面高阶项和空间位置设置成变量，进一步进行光学系统优化直至结果收敛，得到第二光学系统，该第二光学系统的像面为球面；

28、步骤3，将第二光学系统的像面的圆锥常数、曲率半径和空间位置、自由曲面主镜的曲率半径、自由曲面高阶项和空间位置、自由曲面次镜的曲率半径、自由曲面高阶项和空间位置设置成变量，再次进行光学系统优化直至结果收敛，得到第三光学系统，该第三光学系统的像面为非球面；

29、步骤4，将第三光学系统中的像面的自由曲面高阶项、圆锥常数、曲率半径和空间位置、自由曲面主镜的曲率半径、自由曲面高阶项和空间位置、自由曲面次镜的曲率半径、自由曲面高阶项和空间位置设置成变量，最后进行光学系统优化直至结果收敛。

30、本发明的图像传感器薄膜通过衬底减薄的方式，获得了一定程度上的机械柔性，可以贴合在具有自由曲面结构的支撑体上；并且图像传感器薄膜通过行与列寻址的方式实现凝视成像，可以直接通过金线键合的方式与读出电路实现信号互联，避免了铟柱互联封装工艺与曲面探测器之间的不兼容。

31、本发明光学系统像面的面型可以和前置光学系统(主镜和次镜)一起进行优化设计，在保证成像质量的前提下缩小整个成像系统的尺寸和重量。

32、本发明的基于自由曲面图像传感器组件的光学系统可以同时实现大视场和高像质，有助于提升成像系统的整体性能。

技术特征：

1.一种自由曲面图像传感器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的自由曲面图像传感器，其特征在于，所述n电极设置在外延片的局部位置，所述p电极设置在p-i-n型外延片上其他局部位置及n电极上，并且p电极与n电极之间设有绝缘层。

3.根据权利要求1所述的自由曲面图像传感器，其特征在于，所述图像传感器薄膜的最小弯曲半径为5mm。

4.根据权利要求1所述的自由曲面图像传感器，其特征在于，所述支撑体的材料为铝合金；所述p电极为透明电极。

5.根据权利要求1所述的自由曲面图像传感器，其特征在于，所述支撑体的材料为亚克力玻璃或有机玻璃；所述p电极为透明电极或非透明电极。

6.根据权利要求1所述的自由曲面图像传感器，其特征在于，所述支撑体本体为立方体结构。

7.权利要求1所述自由曲面图像传感器的制备方法，其特征在于，方法包括：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1包括：

9.一种全自由曲面光学系统，包括自由曲面主镜和自由曲面次镜，其特征在于，还包括权利要求1所述的自由曲面图像传感器。

10.根据权利要求9所述的全自由曲面光学系统，其特征在于，所述光学系统为全自由曲面离轴二反成像系统。

11.根据权利要求10所述的全自由曲面光学系统，其特征在于，所述光学系统的f数范围为1～4，入瞳直径范围25～100mm，视场角为矩形视场，最大视场角为10°，工作波段根据自由曲面图像传感器的工作波长而定。

12.权利要求9所述全自由曲面光学系统的设计方法，其特征在于，方法用于对光学系统中自由曲面主镜、自由曲面次镜和自由曲面图像传感器的空间位置关系，以及自由曲面主镜的、自由曲面次镜和自由曲面图像传感器的曲面形状进行设计，包括：

技术总结
本发明公开了一种自由曲面图像传感器、制备方法及相关光学系统。所公开的自由曲面图像传感器包括设有自由曲面结构的支撑体、读出电路和图像传感器薄膜，其中读出电路和图像传感器薄膜和固定在支撑体上，且图像传感器薄膜所固定部位为自由曲面形状，读出电路和图像传感器薄膜之间则是通过金线键合的方式连接。本发明通过将化合物半导体探测器阵列衬底减薄的方式使其实现柔性，然后将其贴装在自由曲面基底上，利用单个像素逐点读出的方式实现凝视成像。所公开的光学系统是由主次镜和本发明的图像传感器构成的全自由曲面光学系统。本发明光学系统像面的面型可以和前置光学系统一起优化设计，在保证成像质量的前提下缩小整个成像系统的尺寸和重量。

技术研发人员：余佳东,毛祥龙,谢永军,任尚杰
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15