基于超构表面的像素级拜耳型分光滤色器

据麦姆斯咨询报道，近日，南京大学和华为技术有限公司共同开发了一种基于超构表面的像素级拜耳型分光滤色器（metasurface-based Bayer-type colour router，MBCR），该分光滤色器对红光、绿光和蓝光的峰值颜色收集效率分别为58%、59%和49%，并且在可见光区域（400nm-700nm）的平均能量利用效率高达84%，是商用拜耳彩色滤光片的两倍。此外，通过200µm × 200µm的基于超构表面的分光滤色器和单色成像传感器的一起工作，进一步实现了彩色成像，获得的图像强度是商用拜耳彩色滤光片的两倍。这项研究开创性地提出了一种高效的光谱信息获取机制，有望在下一代成像系统的开发中显示其广阔的应用前景。

颜色分光滤色响应试验

数码相机和移动电话中使用的大多数成像系统都涉及一系列精细级联的光学元件和电子器件。为了获得多彩世界的颜色信息，需要在成像系统中引入彩色成像传感器。然而，大多数成像传感器都只能获得强度信息，例如单色成像传感器。为了获取颜色信息，必须使用彩色滤光片，以允许窄带光通过并到达成像传感器，同时吸收或反射其他波长的光。迄今为止，大多数商业化的彩色成像传感器都是基于Bryce E. Bayer于1976年发明的拜耳彩色滤光片（BCF）设计的。尽管BCF被广泛使用，但由于多通道频谱提取配置，BCF仍受到固有的能量利用效率限制，这是在频谱通道数量和能量利用效率之间进行权衡的结果。为了提高透射率或颜色精度，提出了基于各种纳米光子结构（例如金属表面等离激元结构或光子晶体结构）的新型滤光片。然而，从根本上看，多通道光谱提取机制仍然与40年前引入的机制相同，导致了彩色成像中能量利用效率低的瓶颈问题。

传统BCF的滤光原理（左） vs. 新型MBCR的分光滤色原理（右）

为了解决这个问题，近年来提出了一些创新的解决方案，包括不带彩色滤光片（CF）的堆叠式颜色相关光电二极管、改进的CF组合以及各种颜色分光滤色器（colour router，CR）。堆叠式颜色相关光电二极管是一种基于有机光电导薄膜的新型彩色成像传感器，用于提高光的利用效率，但其大像素尺寸和复杂的有机光电转换模块仍难以广泛应用于彩色相机。改进的CF组合（如RYYB和RGBW）已在市场上得以应用，其增加了进入的光量，但同时也产生了另一个成像偏色问题，这需要通过AI算法进行一些颜色后处理。此外，已有研究人员报告的CR可以充分利用入射到成像传感器上的光线，并将不同的颜色转换成相应的像素；也有研究表明三维（3D）CR是通过使用多层堆叠结构或逆向设计方法构建的3D结构来提高RGB光的能量利用效率和颜色收集效率。尽管3D纳米结构在理论上表现优异，但3D纳米结构制造困难，阻碍了其实际使用，尤其是在可见光区域工作的器件中。CR的一个实用候选对象是具有波长尺度厚度的超构表面，可以任意操纵光的相位、偏振、强度和其他参数。通过使用超构表面，实现对各种光的操纵功能，例如高质量聚焦和成像、全息、偏振生成和光束控制。充分利用超透镜在精确控制光聚焦方面的优势，CR功能可以通过单层超透镜材料实现，这种单层超透镜材料具有由不同波长对应的不同纳米结构组成的单元。利用专门设计的纳米结构的光谱分裂机制，可以将不同波长分别散射到一个方向的不同位置。然而，成像传感器平面中的不对称CR图案或产生的颜色不是三原色都会严重地影响彩色成像效果。

南京大学和华为的研究人员利用遗传优化的逆向设计方法开发了一种基于超构表面的拜耳型分光滤色器（MBCR），其像素大小为1 µm × 1 µm，适用于商用化的CMOS图像传感器。与单向颜色散射机制不同，研究人员证明了MBCR适用于基于单层超构表面的标准拜耳型排列（RGGB）。这种MBCR可以显著提高RGB光的能量利用效率（84%）和颜色收集效率（约50%）。此外，通过MBCR实现了全彩成像，并且与商用成像传感器相比，其获得的图像显示出更高的亮度。

研究人员通过任意初始化生成的设计原型如下图所示，其是垂直方向上超构表面的一个单位单元，对应于四个像素。MBCR的单元周期为2µm × 2µm，与商用CMOS图像传感器的常用像素大小（1µm × 1µm）相匹配。由于RGGB图案具有对角对称性，且MBCR必须与偏振无关，因此在设计中必须将单元设置为对角对称。

MBCR主要设计过程和数值模拟结果

为了对MBCR的分光滤色性能进行可视化，研究人员使用彩色苹果的图片演示了彩色成像，并将成像结果与商用BCF的成像结果进行了比较。MBCR和单色成像传感器均直接捕获带有马赛克图案的原始灰度图片。之后，MBCR的光谱响应被施加到每个像素上，使用转换矩阵方法获得带有马赛克图案的彩色图片。转换矩阵将检测到的光谱强度直接转换为三通道RGB值。最后将带有马赛克图案的彩色图片还原。即根据上述RGGB信息，进行像素插值算法（例如，去马赛克插值）以获得每个RGGB单元的RGB值。通过将RGGB像素值转换为一个三通道像素值，模拟实际彩色成像传感器中的三通道成像，最终重建彩色图像。结果同时表明，与商用BCF相比，通过MBCR获得的图像具有更高的亮度。

MBCR和BCF成像响应的比较：（a）彩色成像的后处理过程；（b, c）通过分别使用MBCR和BCF获得的单色图像直接重建获得的灰度图像，用于光谱强度比较；（d, e）分别结合MBCR和BCF的光谱响应的重建彩色图像。

总体而言，研究人员开发了一种像素大小符合商用CMOS图像传感器的MBCR，其非常适合通过常见的半导体工艺技术与现有CMOS图像传感器直接集成。研究人员预计，MBCR将能够为各种新兴应用创建高效微型彩色成像传感器。

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

审核编辑 ：李倩