前沿进展 | 首次实现基于超表面的像素级拜尔型彩色路由器

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，南京大学王漱明副教授、王振林教授和祝世宁院士团队与华为技术有限公司张友明博士团队合作，利用逆向设计的方法在微型图像传感器的设计上取得了重要突破。首次创新开展了基于单层超构表面结构的像素级、拜尔型彩色路由器的设计、测试、成像方面的工作，极大地提高了成像过程中的光利用率，有望代替传统滤色片在微型成像传感器中发挥关键作用。相关成果以“Pixel-level Bayer-type colour router based on metasurfaces”为题于2022年6月7日发表在Nature Communications上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

目前，数字图像传感器在包括数码相机、智能手机等的数码产品应用方面市场前景广阔,因而对数字图像传感器的研究与开发有非常高的市场价值。传统的用于彩色成像的滤色片是一种在每个像素上叠加染料掺杂的聚合物滤色片。该染料型滤色片在每个像素位置上只允许一种色彩的光通过，其他的色光都被吸收或者反射掉。因此每个像素位置上至少损失约2/3的光能，因而成像质量一直以来都受到成像环境的影响。

随着科技的发展和对未知领域的探索，人们越来越追求更高分辨率成像，导致传感器的像素越来越小。当像素尺寸变小时，由于有机染料存在小的吸收系数，使得像素之间的光学串扰变得显著。目前商用的CMOS图像传感器的像素大小约1 µm。这种通过减少像素大小的方法虽然提高了空间采样频率，但是因此减少了光能的利用率，造成成像模糊，尤其是在光照不佳的环境下，成像质量大幅下降。

03 研究创新点

该团队使用逆向设计的方法，将入射的白光按颜色分离并传送到成像传感器对应的像素上，这种采用分光而非滤波的方案，从根本上解决了传统滤色片效率低的问题，获得了高质量的彩色成像。图1展示了传统滤色片与超构表面的彩色路由器设计原理之间的差异。图1 彩色图像传感器示意图：具有微透镜阵列、拜耳滤色片阵列和CMOS成像传感器的传统成像系统（白色虚线圆圈表示）和具有拜尔型彩色路由器和CMOS成像传感器的新型成像系统（白色实心方框表示）考虑到当前微纳结构制备工艺的限制，该研究通过采用逆向设计的方法设计了像素大小为1 µm、基于标准微纳工艺可实现的超构表面阵列，并构建了测试平台，得到了红绿蓝像素的光收集效率曲线。红绿蓝像素的效率曲线峰值分别是58%、 59% 和 49%，远高于传统滤波片的理想效率33%和实际效率20%。由于传统拜尔滤色片的马赛克排布的优势，可以获得更适合人眼观察的彩色图像，他们遵循了这一规律将超构表面设计成单个周期内分离出4束色光分别聚焦于2×2的红绿绿蓝的像素中，因而可以直接插入现有传感器使用，而无需后期的颜色转换算法来转换三原色，从而避免了成像颜色偏差。此外，他们利用设计的彩色路由器进行了成像，并对比了传统的滤色片成像效果（如图2所示），发现成像亮度大幅度提升，且颜色保真度较好。图2 成像效果展示：（a）彩色成像过程中的去马赛克过程。（b）和（c）分别使用彩色路由器和滤色片重建单色图像而获得的灰度图像，用于比较强度。（d）和（e）分别使用彩色路由器和滤色片结合光谱响应重建的彩色图像该工作最重要的创新点包括：1）将单层超构表面像素微小化和周期化，使其成为一个可以真正用作彩色传感器的微型滤色片，而以往国内外的工作都集中在单个大尺寸像素结构上或者不规则结构的理论设计上；2）设计方法上，采用优化算法的逆向设计，而非基于波前相位补偿的常用超表面设计方法，好处是可以在很小的超构表面尺寸上实现多个功能的复用和叠加，也无需提前设计单元结构并扫描单元结构的相位库；3）设计原理上，采用的是分光而非滤波的方案，从根本上解决了传统滤色片效率低的问题，增加了实际成像的光通量。

04 总结与展望

不同于常用的相位补偿的超构表面设计方法，该团队利用逆设计的方法首次实现了基于单层超构表面的像素级、拜尔型彩色路由器，具有很高的光利用率和很好的成像性能，解决了三维彩色路由器难制备、效率低的瓶颈问题。

该彩色路由器像素大小符合商用成像传感器的像素大小，且可以与半导体处理技术和现有成像传感器直接集成。研究成果极大地提升了成像设备捕获光的能力，为下一代高效的微型彩色图像传感器的发展提供了技术支撑。

邹秀娟博士（南京大学）、张友明博士（华为）为本工作共同第一作者。南京大学王漱明副教授、王振林教授，华为技术有限公司的张友明博士为该项成果的共同通讯作者。南京大学为第一完成单位。本工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-31019-7推荐阅读：

编辑 | 方紫璇

END

由于微信公众号试行乱序推送，您可能没办法准时收到“爱光学”的文章。为了让您第一时间看到“爱光学”的新鲜推送， 请您：

1. 将“爱光学”点亮星标（具体操作见文末）
2. 多给我们点“在看”

欢迎爆料

新闻线索、各类投稿、观点探讨、故事趣事

留言/邮件，我来让你/事红

爆料请联系：[e-mail]

点在看联系更紧密