潮科技 | SPAD與超表面濾光片陣列集成，實(shí)現(xiàn)超低微光水平下的彩色圖像重構(gòu)

圖 | MEMS

編者按：本文來自微信公眾號(hào)“MEMS”（ID：MEMSensor），作者麥姆斯咨詢，原文題目《SPAD與超表面濾光片陣列集成，實(shí)現(xiàn)超低微光水平下的彩色圖像重構(gòu)》，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布，略有刪減。

單光子成像在傳感應(yīng)用中越來越受到歡迎，如微光成像、3D成像、熒光成像，同時(shí)對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)的光譜信息進(jìn)行單光子采集也已經(jīng)用于目標(biāo)物體識(shí)別和葉片生理參數(shù)測(cè)量等應(yīng)用。上述應(yīng)用要獨(dú)立獲得多光譜信息，則需要復(fù)雜、光路損耗低的接收信號(hào)。CMOS單光子雪崩二極管（SPAD）陣列則提供了可行的解決方案。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，英國(guó)格拉斯哥大學(xué)（University of Glasgow）、英國(guó)赫瑞瓦特大學(xué)（Heriot-Watt University）和美國(guó)博伊西州立大學(xué)（Boise State University）的研究人員合作開發(fā)出一種高透射率馬賽克濾光片陣列，每個(gè)濾光片只需單步光刻工藝完成，由等離激元超表面（plasmonic metasurface）實(shí)現(xiàn)。馬賽克濾光片與CMOS SPAD陣列集成，彩色圖像將以平均每像素5個(gè)光子的微光水平重構(gòu)，利用三色主動(dòng)激光照明和寬帶白光可同時(shí)獲取低光水平下的多光譜數(shù)據(jù)。

等離激元超表面設(shè)計(jì)示意圖

（a）設(shè)計(jì)在硼硅酸鹽玻璃襯底上的可見光等離激元超表面。（b）單元細(xì)胞的周期為p；橢圓納米孔陣列的長(zhǎng)軸為a，短軸為b，b與a比值為0.85，用于維持極化不敏感；圓形納米孔的半徑分別為r1和r2。（c）如圖所示，非極化光（Eix，y）通常發(fā)生于kz方向，對(duì)納米孔進(jìn)行過刻，直到刻蝕掉襯底50 nm厚度。鋁（Al）層厚度d為70 nm。

等離激元超表面設(shè)計(jì)采用橢圓形和圓形納米孔陣列，能夠在多個(gè)等離子體相互作用之間產(chǎn)生增強(qiáng)光耦合。藍(lán)光、綠光和紅光的超表面窄帶通濾光片的峰值傳輸效率分別為79%、75%和68%，以64 x 64格式隨機(jī)鑲嵌圖案排列之后，形成馬賽克濾光片。

可見光超表面濾光片特性展示

插圖（a）藍(lán)色濾光片、（b）綠色濾光片和（c）紅色濾光片采用掃描電子顯微鏡（SEM）和顯微鏡拍攝。圖（d）、（e）和（f）分別是藍(lán)色、綠色和紅色等離激元超表面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Lumerica（加拿大FDTD軟件公司）FDTD（時(shí)域有限差分）透射光譜模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比。（f）還展示了紅色等離激元超表面設(shè)計(jì)方案A（r1= r2= r）和設(shè)計(jì)方案B（r2< r1）的透明度差異。

這項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)表在美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（Optical Society of America, OSA）旗下期刊Optica，題目為《高效率等離激元超表面濾光片實(shí)現(xiàn)超低微光水平下的彩色圖像重構(gòu)》（Ultralow-light-level color image reconstruction using high-efficiency plasmonic metasurface mosaic filters）。

這款馬賽克濾光片與SPAD圖像傳感器進(jìn)行集成，可以用兩種不同的方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多光譜成像：（1）目標(biāo)被主動(dòng)三色激光光源照明；（2）目標(biāo)被被動(dòng)白色泛光光源照明。

由NKT公司提供的超連續(xù)譜激光器與聲光調(diào)諧濾光片結(jié)合，為主動(dòng)成像系統(tǒng)提供光源，波長(zhǎng)可在460nm到1100nm之間調(diào)節(jié)。4f光學(xué)系統(tǒng)與兩片工程擴(kuò)散片（D1，D2）結(jié)合使用，確保平坦、均勻的照明輪廓，中央可變光圈可停止以控制光圈（f）。

主動(dòng)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為研究主動(dòng)成像系統(tǒng)提取高保真彩色圖像所需的光子數(shù)，對(duì)目標(biāo)總曝光時(shí)間逐漸減少。每個(gè)像素探測(cè)到的光子平均值只來自于目標(biāo)物體，忽略從白色背板返回的光子（其通常會(huì)返回更多光子）。

5個(gè)目標(biāo)物體，其中對(duì)物體a和b只提取3cm x 3cm的視場(chǎng)

從下圖可以看出，要獲得顏色正常的圖像，每像素只需探測(cè)到20個(gè)光子（即平均每個(gè)通道7個(gè)光子），曝光時(shí)間為5毫秒。當(dāng)?shù)陀谶@個(gè)水平時(shí)，圖像質(zhì)量嚴(yán)重下降。

使用多光譜激光照明，逐步減少曝光時(shí)間，對(duì)目標(biāo)（玩具）的彩色圖像重構(gòu)

在許多應(yīng)用中，激光主動(dòng)照明是有用的，如激光雷達(dá)。但如天文學(xué)等其它領(lǐng)域則采用被動(dòng)成像方式。為了演示被動(dòng)成像，引入熱白光光源以泛光照亮場(chǎng)景，取代直接激光照明及其光學(xué)元件。對(duì)五個(gè)相同目標(biāo)進(jìn)行功耗與主動(dòng)成像系統(tǒng)相當(dāng)?shù)恼彰鳎ㄓ商綔y(cè)器記錄的計(jì)數(shù)率確定）?？偲毓鈺r(shí)間500毫秒，每個(gè)像素從目標(biāo)返回的平均光子數(shù)為2500個(gè)。

下圖可直觀看出兩種方式的圖像重構(gòu)效果差異。白光光源的寬波段特性使其能覆蓋每個(gè)濾光片的整個(gè)光譜范圍，從而對(duì)目標(biāo)的白色部分實(shí)現(xiàn)更為逼真的重構(gòu)，而主動(dòng)成像系統(tǒng)很難用三種獨(dú)立的波段設(shè)置達(dá)到這種效果。但是，激光照明的窄帶特性，可以有效地降低濾光片的光譜寬度，提供更銳利的顏色和更大的對(duì)比度。

主動(dòng)成像系統(tǒng)與被動(dòng)成像系統(tǒng)成像質(zhì)量對(duì)比
（上圖：目標(biāo)物體；左下圖：主動(dòng)成像系統(tǒng)成像結(jié)果；右下圖：被動(dòng)成像系統(tǒng)成像結(jié)果）

據(jù)論文作者介紹，這是第一次集成SPAD圖像傳感器與馬賽克濾光片陣列實(shí)現(xiàn)彩色圖像重構(gòu)，為在二維和三維空間中快速獲取極少數(shù)量的光子并重構(gòu)彩色圖像奠定了基礎(chǔ)。

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