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根據(jù)一項(xiàng)新研究，技術(shù)進(jìn)步使無(wú)濾光片成像傳感器有望改善智能手機(jī)和自動(dòng)駕駛汽車(chē)的低光和快速成像。研究人員表明，新設(shè)計(jì)的像素級(jí)超表面透鏡--使用納米結(jié)構(gòu)操縱光線(xiàn)的平面--可用于制造成像傳感器，其靈敏度大約是目前使用的傳感器的三倍。新的傳感器結(jié)構(gòu)可以使數(shù)碼相機(jī)能夠更快地或在光線(xiàn)較弱的條件下成像。
來(lái)自日本NTT設(shè)備技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究小組負(fù)責(zé)人Masashi Miyata說(shuō)：“傳統(tǒng)的成像傳感器，如用于智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備和自動(dòng)駕駛汽車(chē)的傳感器，其靈敏度有限，因?yàn)樗鼈円蕾?lài)于放置在每個(gè)像素上的彩色過(guò)濾器。我們的新超透鏡是由一個(gè)高度工程化的表面制成的，可以在收集光線(xiàn)的同時(shí)分離三原色，而不需要任何彩色濾光片，為大幅提高靈敏度開(kāi)辟了一條道路。”
在Optica出版集團(tuán)的高影響力研究雜志《Optica》上，Miyata及其同事報(bào)告說(shuō)，用新的超透鏡制造的無(wú)濾光片彩色傳感器大大增強(qiáng)了信號(hào)水平，而不會(huì)犧牲彩色圖像質(zhì)量或空間分辨率。而且，由于新的超透鏡是使用CMOS兼容工藝制造的，它們可以很容易地被集成到目前的傳感器上，以創(chuàng)建無(wú)濾光片的成像設(shè)備。
Miyata說(shuō)：“我們?cè)O(shè)想我們的超透鏡在開(kāi)發(fā)超過(guò)目前靈敏度限制的無(wú)濾光片彩色圖像傳感器方面發(fā)揮重要作用。這些新的傳感器有一天可以讓人們更容易地用智能手機(jī)捕捉夜景，或者使新的相機(jī)準(zhǔn)確地捕捉高速物體，這在安全和自動(dòng)駕駛方面將是非常有用的。”
在傳統(tǒng)的傳感器中，顏色信息是通過(guò)使用吸收部分光線(xiàn)的彩色濾光片獲得的。例如，紅色濾光片只允許紅色波長(zhǎng)通過(guò)，而吸收所有其他波長(zhǎng)的光。這意味著只有大約30%的光線(xiàn)被實(shí)際檢測(cè)到。
為了提高靈敏度，NTT的研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)超透鏡陣列，通過(guò)一個(gè)被稱(chēng)為顏色分類(lèi)的過(guò)程，在沒(méi)有光學(xué)損失的情況下獲取顏色信息。這涉及到將光線(xiàn)分成紅、綠、藍(lán)三色，然后將每種顏色聚焦到不同的像素上。像素級(jí)的超透鏡陣列是通過(guò)在1250納米厚的氮化硅層中蝕刻納米柱而產(chǎn)生的。
盡管其他像素級(jí)的分色器已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中得到證明，但它們對(duì)于消費(fèi)類(lèi)設(shè)備來(lái)說(shuō)并不實(shí)用，因?yàn)樗鼈円葱实拖?，要么受光的偏振影響，要么?duì)可能從斜角照射到傳感器的光線(xiàn)敏感。然而，新的超透鏡是基于一個(gè)富含色散的元表面平臺(tái)，使它們對(duì)偏振不敏感，并抑制了所有彩色像素的光譜串?dāng)_。由于超透鏡在聚焦光線(xiàn)方面非常有效，其顏色分類(lèi)性能不受斜光影響。
評(píng)估傳感器性能
研究人員使用光學(xué)顯微鏡來(lái)模擬光線(xiàn)在到達(dá)傳感器之前穿過(guò)超透鏡陣列的方式。該實(shí)驗(yàn)表明，與基于過(guò)濾器的傳感器相比，基于超透鏡的傳感器生成的彩色圖像的信號(hào)水平增強(qiáng)了2.83倍，而不會(huì)犧牲色彩質(zhì)量。
光學(xué)模擬研究還表明，基于超透鏡的傳感器結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較少的圖像退化，這是由于傳感器噪聲造成的，而這往往是黑暗場(chǎng)景或超快速成像的限制因素?，F(xiàn)在他們已經(jīng)證明了新的傳感器概念，研究人員計(jì)劃通過(guò)直接將超透鏡陣列安裝到圖像傳感器上來(lái)創(chuàng)建和測(cè)試一個(gè)集成設(shè)備。
Miyata表示：“我們希望我們的工作將進(jìn)一步推動(dòng)基于超表面的實(shí)用光學(xué)設(shè)備和系統(tǒng)的發(fā)展。憑借其扁平化和縮小光學(xué)元件的能力，同時(shí)大幅提高性能，我們相信光學(xué)超表面不僅可以應(yīng)用于圖像傳感器，還可以應(yīng)用于各種光電子器件，如用于顯示器、投影儀和增強(qiáng)或虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的器件。”
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