據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，南京大學和華為技術(shù)有限公司共同開發(fā)了一種基于超構(gòu)表面的像素級拜耳型分光濾色器（metasurface-based Bayer-type colour router，MBCR），該分光濾色器對紅光、綠光和藍光的峰值顏色收集效率分別為58%、59%和49%，并且在可見光區(qū)域（400nm-700nm）的平均能量利用效率高達84%，是商用拜耳彩色濾光片的兩倍。此外，通過200μm?×?200μm的基于超構(gòu)表面的分光濾色器和單色成像傳感器的一起工作，進一步實現(xiàn)了彩色成像，獲得的圖像強度是商用拜耳彩色濾光片的兩倍。這項研究開創(chuàng)性地提出了一種高效的光譜信息獲取機制，有望在下一代成像系統(tǒng)的開發(fā)中顯示其廣闊的應(yīng)用前景。

顏色分光濾色響應(yīng)試驗

數(shù)碼相機和移動電話中使用的大多數(shù)成像系統(tǒng)都涉及一系列精細級聯(lián)的光學元件和電子器件。為了獲得多彩世界的顏色信息，需要在成像系統(tǒng)中引入彩色成像傳感器。然而，大多數(shù)成像傳感器都只能獲得強度信息，例如單色成像傳感器。為了獲取顏色信息，必須使用彩色濾光片，以允許窄帶光通過并到達成像傳感器，同時吸收或反射其他波長的光。迄今為止，大多數(shù)商業(yè)化的彩色成像傳感器都是基于Bryce E. Bayer于1976年發(fā)明的拜耳彩色濾光片（BCF）設(shè)計的。盡管BCF被廣泛使用，但由于多通道頻譜提取配置，BCF仍受到固有的能量利用效率限制，這是在頻譜通道數(shù)量和能量利用效率之間進行權(quán)衡的結(jié)果。為了提高透射率或顏色精度，提出了基于各種納米光子結(jié)構(gòu)（例如金屬表面等離激元結(jié)構(gòu)或光子晶體結(jié)構(gòu)）的新型濾光片。然而，從根本上看，多通道光譜提取機制仍然與40年前引入的機制相同，導致了彩色成像中能量利用效率低的瓶頸問題。

傳統(tǒng)BCF的濾光原理（左） vs. 新型MBCR的分光濾色原理（右）

為了解決這個問題，近年來提出了一些創(chuàng)新的解決方案，包括不帶彩色濾光片（CF）的堆疊式顏色相關(guān)光電二極管、改進的CF組合以及各種顏色分光濾色器（colour router，CR）。堆疊式顏色相關(guān)光電二極管是一種基于有機光電導薄膜的新型彩色成像傳感器，用于提高光的利用效率，但其大像素尺寸和復雜的有機光電轉(zhuǎn)換模塊仍難以廣泛應(yīng)用于彩色相機。改進的CF組合（如RYYB和RGBW）已在市場上得以應(yīng)用，其增加了進入的光量，但同時也產(chǎn)生了另一個成像偏色問題，這需要通過AI算法進行一些顏色后處理。此外，已有研究人員報告的CR可以充分利用入射到成像傳感器上的光線，并將不同的顏色轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的像素；也有研究表明三維（3D）CR是通過使用多層堆疊結(jié)構(gòu)或逆向設(shè)計方法構(gòu)建的3D結(jié)構(gòu)來提高RGB光的能量利用效率和顏色收集效率。盡管3D納米結(jié)構(gòu)在理論上表現(xiàn)優(yōu)異，但3D納米結(jié)構(gòu)制造困難，阻礙了其實際使用，尤其是在可見光區(qū)域工作的器件中。CR的一個實用候選對象是具有波長尺度厚度的超構(gòu)表面，可以任意操縱光的相位、偏振、強度和其他參數(shù)。通過使用超構(gòu)表面，實現(xiàn)對各種光的操縱功能，例如高質(zhì)量聚焦和成像、全息、偏振生成和光束控制。充分利用超透鏡在精確控制光聚焦方面的優(yōu)勢，CR功能可以通過單層超透鏡材料實現(xiàn)，這種單層超透鏡材料具有由不同波長對應(yīng)的不同納米結(jié)構(gòu)組成的單元。利用專門設(shè)計的納米結(jié)構(gòu)的光譜分裂機制，可以將不同波長分別散射到一個方向的不同位置。然而，成像傳感器平面中的不對稱CR圖案或產(chǎn)生的顏色不是三原色都會嚴重地影響彩色成像效果。

南京大學和華為的研究人員利用遺傳優(yōu)化的逆向設(shè)計方法開發(fā)了一種基于超構(gòu)表面的拜耳型分光濾色器（MBCR），其像素大小為1?μm?×?1?μm，適用于商用化的CMOS圖像傳感器。與單向顏色散射機制不同，研究人員證明了MBCR適用于基于單層超構(gòu)表面的標準拜耳型排列（RGGB）。這種MBCR可以顯著提高RGB光的能量利用效率（84%）和顏色收集效率（約50%）。此外，通過MBCR實現(xiàn)了全彩成像，并且與商用成像傳感器相比，其獲得的圖像顯示出更高的亮度。

研究人員通過任意初始化生成的設(shè)計原型如下圖所示，其是垂直方向上超構(gòu)表面的一個單位單元，對應(yīng)于四個像素。MBCR的單元周期為2μm?×?2μm，與商用CMOS圖像傳感器的常用像素大?。?μm?×?1μm）相匹配。由于RGGB圖案具有對角對稱性，且MBCR必須與偏振無關(guān)，因此在設(shè)計中必須將單元設(shè)置為對角對稱。

MBCR主要設(shè)計過程和數(shù)值模擬結(jié)果

為了對MBCR的分光濾色性能進行可視化，研究人員使用彩色蘋果的圖片演示了彩色成像，并將成像結(jié)果與商用BCF的成像結(jié)果進行了比較。MBCR和單色成像傳感器均直接捕獲帶有馬賽克圖案的原始灰度圖片。之后，MBCR的光譜響應(yīng)被施加到每個像素上，使用轉(zhuǎn)換矩陣方法獲得帶有馬賽克圖案的彩色圖片。轉(zhuǎn)換矩陣將檢測到的光譜強度直接轉(zhuǎn)換為三通道RGB值。最后將帶有馬賽克圖案的彩色圖片還原。即根據(jù)上述RGGB信息，進行像素插值算法（例如，去馬賽克插值）以獲得每個RGGB單元的RGB值。通過將RGGB像素值轉(zhuǎn)換為一個三通道像素值，模擬實際彩色成像傳感器中的三通道成像，最終重建彩色圖像。結(jié)果同時表明，與商用BCF相比，通過MBCR獲得的圖像具有更高的亮度。

MBCR和BCF成像響應(yīng)的比較：（a）彩色成像的后處理過程；（b, c）通過分別使用MBCR和BCF獲得的單色圖像直接重建獲得的灰度圖像，用于光譜強度比較；（d, e）分別結(jié)合MBCR和BCF的光譜響應(yīng)的重建彩色圖像。

總體而言，研究人員開發(fā)了一種像素大小符合商用CMOS圖像傳感器的MBCR，其非常適合通過常見的半導體工藝技術(shù)與現(xiàn)有CMOS圖像傳感器直接集成。研究人員預計，MBCR將能夠為各種新興應(yīng)用創(chuàng)建高效微型彩色成像傳感器。

論文信息：
Zou, X., Zhang, Y., Lin, R. et al. Pixel-level Bayer-type colour router based on metasurfaces. Nat Commun 13, 3288 (2022).
https:///10.1038/s41467-022-31019-7