物理科技生物学-PHYICA

颜色分类金属提高了成像灵敏度

物理学 2022-10-13 23:59:35

由光学学会制作 研究人员已经开发出一种既能作为分色器又能作为透镜的金属

它可以直接集成在传感器像素上,以创建灵敏度更高的无滤波器传感器

信用:宫田正史,NTT设备技术实验室 研究人员已经表明,新设计的像素级亚表面透镜——使用纳米结构操纵光的平坦表面——可以用来制造成像传感器,其灵敏度大约是目前使用的传感器的三倍

新的传感器架构可以使数码相机成像速度更快,或者在光线更弱的条件下成像

来自日本NTT设备技术实验室的研究小组负责人宫田正史说:“传统的成像传感器,如智能手机、可穿戴设备和自动驾驶汽车中使用的传感器,灵敏度有限,因为它们依赖于放置在每个像素上的滤色器。”

“我们的新金属元件由高度工程化的表面制成,可以收集光线,同时分离原色,无需任何滤色器,为大幅提高灵敏度开辟了一条途径

" 在Optica中,Miyata和他的同事报告说,用新金属制成的无滤镜彩色传感器显著提高了信号水平,而不牺牲彩色图像质量或空间分辨率

因为新的金属是用互补金属氧化物半导体兼容工艺制造的,所以它们可以很容易地集成到电流传感器上,从而制造出无滤波器的成像器件

Miyata说:“我们设想我们的金属在开发超过当前灵敏度极限的无滤镜彩色图像传感器方面发挥重要作用。”

“有朝一日,这些新传感器可能会让人们更容易地用智能手机捕捉夜景,或者启用能够精确捕捉高速物体的新摄像头,这将有助于安全和自动驾驶

" 这张扫描电子显微镜图像显示了用于创建金属阵列的1250纳米高的纳米柱

信用:宫田正史,NTT设备技术实验室 消除过滤器 在传统的传感器中,通过使用吸收一部分光的滤色器来获取颜色信息

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

这意味着实际上只有大约30%的光被检测到

为了提高灵敏度,NTT的研究人员设计了一种金属阵列,通过一种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

这包括将光分成红色、绿色和蓝色,然后将每种颜色聚焦到不同的像素上

像素级金属阵列是通过将纳米柱蚀刻到1250纳米厚的氮化硅层中而形成的

尽管其他像素级分色器已经在实验中得到验证,但它们对于消费类设备并不实用,因为它们要么效率低下,受光偏振的影响,要么对可能从斜角照射到传感器上的光敏感

然而,新的金属元素基于一个色散丰富的亚表面平台,使它们对偏振不敏感,并抑制所有颜色像素的光谱串扰

因为金属透镜聚焦光线的效率很高,所以它们的颜色分类性能不受斜光的影响

该彩色显微图像显示了正常照明下传感器像素上的测量光分布

可以观察到颜色分类和聚焦到每个目标像素的效率

信用:光学学会 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金属阵列的方式

该实验表明,与基于滤光器的传感器相比,基于金属的传感器产生具有2

在不牺牲色彩质量的情况下,信号水平提高了83倍

光学模拟研究还表明,基于金属的传感器结构由于传感器噪声而表现出较少的图像退化,传感器噪声通常是暗场景或超快速成像的限制因素

既然他们已经展示了新的传感器概念,研究人员计划通过将金属阵列直接安装到图像传感器上来创建和测试集成设备

宫田说:“我们希望我们的工作将进一步推动基于metasurfaces的实用光学设备和系统的发展。”

“凭借其在大幅提升性能的同时使光学元件变平和收缩的能力,我们相信光学元表面不仅可以应用于图像传感器,还可以应用于各种光电设备,例如displa ys、投影仪和增强或虚拟现实设备中使用的设备

"

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