中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，南京大學(xué)和華為技術(shù)有限公司共同開(kāi)發(fā)了一種基于超構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(jiàn)光區域（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(guò)200μm?×?200μm的基于超構表面的分光濾色器和單色成像傳感器的一起工作，進(jìn)一步實(shí)現了彩色成像，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(kāi)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的開(kāi)發(fā)中顯示其廣闊的應用前景。
顏色分光濾色響應試驗
數碼相機和移動(dòng)電話(huà)中使用的大多數成像系統都涉及一系列精細級聯(lián)的光學(xué)元件和電子器件。為了獲得多彩世界的顏色信息，需要在成像系統中引入彩色成像傳感器。然而，大多數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(guò)并到達成像傳感器，同時(shí)吸收或反射其他波長(cháng)的光。迄今為止，大多數商業(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，這是在頻譜通道數量和能量利用效率之間進(jìn)行權衡的結果。為了提高透射率或顏色精度，提出了基于各種納米光子結構（例如金屬表面等離激元結構或光子晶體結構）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(wèn)題。
傳統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(gè)問(wèn)題，近年來(lái)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(jìn)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換模塊仍難以廣泛應用于彩色相機。改進(jìn)的CF組合（如RYYB和RGBW）已在市場(chǎng)上得以應用，其增加了進(jìn)入的光量，但同時(shí)也產(chǎn)生了另一個(gè)成像偏色問(wèn)題，這需要通過(guò)AI算法進(jìn)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(xiàn)，并將不同的顏色轉換成相應的像素；也有研究表明三維（3D）CR是通過(guò)使用多層堆疊結構或逆向設計方法構建的3D結構來(lái)提高RGB光的能量利用效率和顏色收集效率。盡管3D納米結構在理論上表現優(yōu)異，但3D納米結構制造困難，阻礙了其實(shí)際使用，尤其是在可見(jiàn)光區域工作的器件中。CR的一個(gè)實(shí)用候選對象是具有波長(cháng)尺度厚度的超構表面，可以任意操縱光的相位、偏振、強度和其他參數。通過(guò)使用超構表面，實(shí)現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(guò)單層超透鏡材料實(shí)現，這種單層超透鏡材料具有由不同波長(cháng)對應的不同納米結構組成的單元。利用專(zhuān)門(mén)設計的納米結構的光譜分裂機制，可以將不同波長(cháng)分別散射到一個(gè)方向的不同位置。然而，成像傳感器平面中的不對稱(chēng)CR圖案或產(chǎn)生的顏色不是三原色都會(huì )嚴重地影響彩色成像效果。
南京大學(xué)和華為的研究人員利用遺傳優(yōu)化的逆向設計方法開(kāi)發(fā)了一種基于超構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表面的標準拜耳型排列（RGGB）。這種MBCR可以顯著(zhù)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(guò)MBCR實(shí)現了全彩成像，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(guò)任意初始化生成的設計原型如下圖所示，其是垂直方向上超構表面的一個(gè)單位單元，對應于四個(gè)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(chēng)性，且MBCR必須與偏振無(wú)關(guān)，因此在設計中必須將單元設置為對角對稱(chēng)。
MBCR主要設計過(guò)程和數值模擬結果
為了對MBCR的分光濾色性能進(jìn)行可視化，研究人員使用彩色蘋(píng)果的圖片演示了彩色成像，并將成像結果與商用BCF的成像結果進(jìn)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的光譜響應被施加到每個(gè)像素上，使用轉換矩陣方法獲得帶有馬賽克圖案的彩色圖片。轉換矩陣將檢測到的光譜強度直接轉換為三通道RGB值。最后將帶有馬賽克圖案的彩色圖片還原。即根據上述RGGB信息，進(jìn)行像素插值算法（例如，去馬賽克插值）以獲得每個(gè)RGGB單元的RGB值。通過(guò)將RGGB像素值轉換為一個(gè)三通道像素值，模擬實(shí)際彩色成像傳感器中的三通道成像，最終重建彩色圖像。結果同時(shí)表明，與商用BCF相比，通過(guò)MBCR獲得的圖像具有更高的亮度。
MBCR和BCF成像響應的比較：（a）彩色成像的后處理過(guò)程；
（b, c）通過(guò)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）分別結合MBCR和BCF的光譜響應的重建彩色圖像。
總體而言，研究人員開(kāi)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(guò)常見(jiàn)的半導體工藝技術(shù)與現有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用創(chuàng )建高效微型彩色成像傳感器。
