潮科技 | SPAD与超表面滤光片阵列集成，实现超低微光水平下的彩色图像重构

图 | MEMS

编者按：本文来自微信公众号“MEMS”（ID：MEMSensor），作者麦姆斯咨询，原文题目《SPAD与超表面滤光片阵列集成，实现超低微光水平下的彩色图像重构》，36氪经授权发布，略有删减。

单光子成像在传感应用中越来越受到欢迎，如微光成像、3D成像、荧光成像，同时对多个波长的光谱信息进行单光子采集也已经用于目标物体识别和叶片生理参数测量等应用。上述应用要独立获得多光谱信息，则需要复杂、光路损耗低的接收信号。CMOS单光子雪崩二极管（SPAD）阵列则提供了可行的解决方案。

据麦姆斯咨询报道，近期，英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）、英国赫瑞瓦特大学（Heriot-Watt University）和美国博伊西州立大学（Boise State University）的研究人员合作开发出一种高透射率马赛克滤光片阵列，每个滤光片只需单步光刻工艺完成，由等离激元超表面（plasmonic metasurface）实现。马赛克滤光片与CMOS SPAD阵列集成，彩色图像将以平均每像素5个光子的微光水平重构，利用三色主动激光照明和宽带白光可同时获取低光水平下的多光谱数据。

等离激元超表面设计示意图

（a）设计在硼硅酸盐玻璃衬底上的可见光等离激元超表面。（b）单元细胞的周期为p；椭圆纳米孔阵列的长轴为a，短轴为b，b与a比值为0.85，用于维持极化不敏感；圆形纳米孔的半径分别为r1和r2。（c）如图所示，非极化光（Eix，y）通常发生于kz方向，对纳米孔进行过刻，直到刻蚀掉衬底50 nm厚度。铝（Al）层厚度d为70 nm。

等离激元超表面设计采用椭圆形和圆形纳米孔阵列，能够在多个等离子体相互作用之间产生增强光耦合。蓝光、绿光和红光的超表面窄带通滤光片的峰值传输效率分别为79%、75%和68%，以64 x 64格式随机镶嵌图案排列之后，形成马赛克滤光片。

可见光超表面滤光片特性展示

插图（a）蓝色滤光片、（b）绿色滤光片和（c）红色滤光片采用扫描电子显微镜（SEM）和显微镜拍摄。图（d）、（e）和（f）分别是蓝色、绿色和红色等离激元超表面的实验数据与Lumerica（加拿大FDTD软件公司）FDTD（时域有限差分）透射光谱模拟数据的对比。（f）还展示了红色等离激元超表面设计方案A（r1= r2= r）和设计方案B（r2< r1）的透明度差异。

这项研究已经发表在美国光学学会（Optical Society of America, OSA）旗下期刊Optica，题目为《高效率等离激元超表面滤光片实现超低微光水平下的彩色图像重构》（Ultralow-light-level color image reconstruction using high-efficiency plasmonic metasurface mosaic filters）。

这款马赛克滤光片与SPAD图像传感器进行集成，可以用两种不同的方法对目标进行多光谱成像：（1）目标被主动三色激光光源照明；（2）目标被被动白色泛光光源照明。

由NKT公司提供的超连续谱激光器与声光调谐滤光片结合，为主动成像系统提供光源，波长可在460nm到1100nm之间调节。4f光学系统与两片工程扩散片（D1，D2）结合使用，确保平坦、均匀的照明轮廓，中央可变光圈可停止以控制光圈（f）。

主动成像系统结构示意图

为研究主动成像系统提取高保真彩色图像所需的光子数，对目标总曝光时间逐渐减少。每个像素探测到的光子平均值只来自于目标物体，忽略从白色背板返回的光子（其通常会返回更多光子）。

5个目标物体，其中对物体a和b只提取3cm x 3cm的视场

从下图可以看出，要获得颜色正常的图像，每像素只需探测到20个光子（即平均每个通道7个光子），曝光时间为5毫秒。当低于这个水平时，图像质量严重下降。

使用多光谱激光照明，逐步减少曝光时间，对目标（玩具）的彩色图像重构

在许多应用中，激光主动照明是有用的，如激光雷达。但如天文学等其它领域则采用被动成像方式。为了演示被动成像，引入热白光光源以泛光照亮场景，取代直接激光照明及其光学元件。对五个相同目标进行功耗与主动成像系统相当的照明（由探测器记录的计数率确定）。总曝光时间500毫秒，每个像素从目标返回的平均光子数为2500个。

下图可直观看出两种方式的图像重构效果差异。白光光源的宽波段特性使其能覆盖每个滤光片的整个光谱范围，从而对目标的白色部分实现更为逼真的重构，而主动成像系统很难用三种独立的波段设置达到这种效果。但是，激光照明的窄带特性，可以有效地降低滤光片的光谱宽度，提供更锐利的颜色和更大的对比度。

主动成像系统与被动成像系统成像质量对比
（上图：目标物体；左下图：主动成像系统成像结果；右下图：被动成像系统成像结果）

据论文作者介绍，这是第一次集成SPAD图像传感器与马赛克滤光片阵列实现彩色图像重构，为在二维和三维空间中快速获取极少数量的光子并重构彩色图像奠定了基础。

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