像素级超表面透镜改善弱光条件下的成像

根据一项新研究，技术进步使无滤光片成像传感器有望改善智能手机和自动驾驶汽车的低光和快速成像。研究人员表明，新设计的像素级超表面透镜--使用纳米结构操纵光线的平面--可用于制造成像传感器，其灵敏度大约是目前使用的传感器的三倍。新的传感器结构可以使数码相机能够更快地或在光线较弱的条件下成像。

来自日本NTT设备技术实验室的研究小组负责人Masashi Miyata说：“传统的成像传感器，如用于智能手机、可穿戴设备和自动驾驶汽车的传感器，其灵敏度有限，因为它们依赖于放置在每个像素上的彩色过滤器。我们的新超透镜是由一个高度工程化的表面制成的，可以在收集光线的同时分离三原色，而不需要任何彩色滤光片，为大幅提高灵敏度开辟了一条道路。”

 

在Optica出版集团的高影响力研究杂志《Optica》上，Miyata及其同事报告说，用新的超透镜制造的无滤光片彩色传感器大大增强了信号水平，而不会牺牲彩色图像质量或空间分辨率。而且，由于新的超透镜是使用CMOS兼容工艺制造的，它们可以很容易地被集成到目前的传感器上，以创建无滤光片的成像设备。

Miyata说：“我们设想我们的超透镜在开发超过目前灵敏度限制的无滤光片彩色图像传感器方面发挥重要作用。这些新的传感器有一天可以让人们更容易地用智能手机捕捉夜景，或者使新的相机准确地捕捉高速物体，这在安全和自动驾驶方面将是非常有用的。”

在传统的传感器中，颜色信息是通过使用吸收部分光线的彩色滤光片获得的。例如，红色滤光片只允许红色波长通过，而吸收所有其他波长的光。这意味着只有大约30%的光线被实际检测到。

为了提高灵敏度，NTT的研究人员设计了一个超透镜阵列，通过一个被称为颜色分类的过程，在没有光学损失的情况下获取颜色信息。这涉及到将光线分成红、绿、蓝三色，然后将每种颜色聚焦到不同的像素上。像素级的超透镜阵列是通过在1250纳米厚的氮化硅层中蚀刻纳米柱而产生的。

尽管其他像素级的分色器已经在实验中得到证明，但它们对于消费类设备来说并不实用，因为它们要么效率低下，要么受光的偏振影响，要么对可能从斜角照射到传感器的光线敏感。然而，新的超透镜是基于一个富含色散的元表面平台，使它们对偏振不敏感，并抑制了所有彩色像素的光谱串扰。由于超透镜在聚焦光线方面非常有效，其颜色分类性能不受斜光影响。

评估传感器性能

研究人员使用光学显微镜来模拟光线在到达传感器之前穿过超透镜阵列的方式。该实验表明，与基于过滤器的传感器相比，基于超透镜的传感器生成的彩色图像的信号水平增强了2.83倍，而不会牺牲色彩质量。

光学模拟研究还表明，基于超透镜的传感器结构表现出较少的图像退化，这是由于传感器噪声造成的，而这往往是黑暗场景或超快速成像的限制因素。现在他们已经证明了新的传感器概念，研究人员计划通过直接将超透镜阵列安装到图像传感器上来创建和测试一个集成设备。

Miyata表示：“我们希望我们的工作将进一步推动基于超表面的实用光学设备和系统的发展。凭借其扁平化和缩小光学元件的能力，同时大幅提高性能，我们相信光学超表面不仅可以应用于图像传感器，还可以应用于各种光电子器件，如用于显示器、投影仪和增强或虚拟现实设备的器件。”