與僅包含灰度信息的黑白傳感器相比，彩色CMOS圖像傳感器憑借其豐富的顏色信息，在商業(yè)成像消費領域獲得了廣泛應用。然而，傳統(tǒng)拜爾（Bayer）濾色片在每個通道僅允許單一顏色波段透過，在濾光過程中損失了大量入射光，使得CMOS圖像傳感器的光子捕獲效率顯著降低。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，南京大學的科研團隊提出一種基于像素級超構表面光譜編碼的彩色濾波器件，其在可見光波段內的平均光收集效率超過50%。將超構表面與CMOS圖像傳感器集成，實現(xiàn)了尺寸為900 μm × 900 μm的彩色成像，所獲圖像信號強度較傳統(tǒng)拜爾濾色片傳感器約提升80%。此外，將所提傳感器與色彩還原算法相結合，實現(xiàn)了與商用CMOS圖像傳感器相近的色彩再現(xiàn)性能，平均色彩偏差小于10。所提彩色信息采集機制的效率較高，有望為下一代CMOS圖像傳感器的設計提供新思路并推動其應用發(fā)展。相關研究內容以“基于超構表面的高通量彩色濾波器件”為題發(fā)表在《光學學報》期刊上。
超構表面寬帶濾波與重建原理
圖1展示了基于超構表面光譜編碼的RGB彩色重建系統(tǒng)的整體架構。該系統(tǒng)由三個核心部分組成，包括成像透鏡、超構表面光譜編碼濾波陣列以及單色CMOS圖像傳感器。入射光攜帶目標場景的光譜信息??(??)，經(jīng)過超構表面濾波器件后完成前端信息編碼。與傳統(tǒng)的拜爾濾色片陣列不同，該超構表面在每個像素單元內集成了四種具有各異光譜響應的亞波長結構。這些結構基于金屬-絕緣體-金屬（MIM）共振原理，通過精確調控其幾何參數(shù)，在400~750 nm可見光波段內實現(xiàn)了高透過率且形態(tài)各異的光譜響應函數(shù)。
圖1 基于超構表面光譜編碼的RGB彩色成像系統(tǒng)示意圖
基于光譜編碼的仿真成像原理
圖2（a）展示了基于數(shù)值模擬的光譜編碼仿真成像流程。首先，目標場景的連續(xù)光譜信息??0??被離散化，被表征為M個光譜點的強度值，并且超構表面光譜編碼過程被描述為一個維度為N×M的調制矩陣；然后，由CMOS圖像傳感器獲取N個編碼通道的灰度信息；最后，根據(jù)訓練完成的神經(jīng)網(wǎng)絡重建算法，實現(xiàn)灰度信息到RGB彩色信息的映射，從而實現(xiàn)色彩恢復。圖2（b）展示了所設計的四通道超構表面單元結構。得益于MIM結構的獨特性質，通過MIM法布里-珀羅腔模式和金屬局部表面等離子體共振模式可以產(chǎn)生優(yōu)異的光譜調制性能，通過精確調控單元周期、納米柱形貌及各層厚度等參數(shù)，MIM結構能夠激發(fā)并耦合多種共振模式，從而在透射譜中形成高度差異化的光譜響應??(??)。
圖2 基于超構表面的光譜編碼與神經(jīng)網(wǎng)絡色彩重建示意圖
成像實驗
研究人員根據(jù)結構仿真設計與數(shù)值模擬，制備了基于超構表面的光譜編碼濾波器件，并開展了系統(tǒng)性實驗，以評估該超構表面光譜編碼結合神經(jīng)網(wǎng)絡重建的彩色成像方案在實際條件下的性能，并量化其色彩還原性能與光能利用率。為了驗證基于超構表面的光譜編碼濾波器件的彩色成像性能，研究人員制備了多片超構表面濾波器件。超構表面結構采用電子束光刻（EBL）技術實現(xiàn)圖形化，結合鋁與二氧化硅的交替沉積以及剝離與刻蝕工藝，從而制備了MIM超構表面器件。
圖3 超構表面彩色成像系統(tǒng)光路與超構器件表征
為評估所制備的超構表面濾波器件的光能利用率與色彩還原性能，在標準D65光源照射目標場景（標準24色Color Checker色卡）的成像環(huán)境下，分別獲取無濾波器件、寬帶RGB濾色器件以及MS?、MS?的單色圖像傳感器成像結果，如圖4所示。
圖4 超構表面彩色成像與傳統(tǒng)濾波器的感光性能對比
結論
這項研究提出并通過實驗驗證了一種基于MIM超構表面光譜編碼濾波器件與神經(jīng)網(wǎng)絡重建的彩色成像系統(tǒng)。該方案利用光譜編碼結合計算解碼的策略，替代了傳統(tǒng)拜爾濾色片的空間分色模式，在維持全空間分辨率的前提下，顯著提升了系統(tǒng)的光能利用率，并實現(xiàn)了高保真度的色彩重建。
為推動所設計的高通量超構表面彩色濾波器件走向大規(guī)模實際應用，仍需在以下方面開展進一步工作：在更復雜的場景中驗證重建網(wǎng)絡的泛化能力；改進超構表面的大面積制備與光譜一致性；提升加工工藝以實現(xiàn)大面積片上超構表面的制備，可使成像系統(tǒng)進一步集成與小型化。未來，隨著重建算法效率的提升，基于超構表面的集成化光學器件有望拓展至移動端視頻成像、目標檢測以及自動駕駛等領域。
論文鏈接：
https://dx.doi.org/10.3788/AOS251854
