图 1：先进分色技术能够缩小传感器尺寸，从而能在不牺牲性能的前提下降低成本、减小系统尺寸。它可应用于工业产品与系统、消费类产品及可穿戴设备等场景。

对更高的成像质量的追求，正在推动着相机技术的不断创新。然而，现有技术的固有局限性，为进一步发展带来了挑战。借助光子学的强大性能与效率，一种基于波导的新型分色技术应运而生，其有望突破传统彩色滤光片的限制。采用该技术的新产品已逐步推向市场，这些新产品在降低成本、体积的同时，还能提升性能，展现出了广阔前景。

拜耳彩色滤光片的现有局限性

目前，图像传感器中最主流的彩色成像技术是采用拜耳滤光片。这种彩色滤光片阵列（CFA）采用红、绿、蓝三色滤光片按特定图案排列而成。这种方法尽管有效，但拜耳滤光片在本质上存在效率损失和性能局限：

· 效率低：彩色滤光片会吸收大量光线，事实上，高达70%的入射光被阻挡，严重限制了传感器可利用的光量。这使得传感器必须采用更大的像素和尺寸才能捕捉足够的光线，从而导致相机模块体积庞大，在智能手机等应用中尤为明显。

· 分辨率限制：拜耳滤光片还会限制图像的分辨率。由于每个像素仅捕获一种颜色分量，缺失的颜色信息需要通过相邻像素插值补充。这种插值过程可能导致细节模糊，降低图像的整体锐度。

· 色彩伪影：拜耳滤光片的插值过程还能引入色彩伪影，如摩尔纹和伪色，从而降低图像质量。

· 尺寸缩小的挑战：随着 CMOS 图像传感器技术的进步和像素尺寸的缩小，拜耳滤光片面临着尺寸缩小的挑战。彩色滤光片的存在限制了超小像素的研发，从而难以实现超紧凑的高分辨率成像。

智能手机的困境

移动/智能手机市场是 CMOS 图像传感器的最大应用领域，该应用中也凸显了现有聚光技术存在的问题。

每一代新设备中，手机厂商都在努力提升相机质量——这已成为消费者选购新手机的首要标准。尽管图像质量稳步提升，但却代价不菲：传感器尺寸增大直接导致成本上升。更重要的是，更大的传感器需要更大的机身空间，这不仅增加了成本，还与消费者对更轻薄手机的需求背道而驰。由于解决滤光片聚光效率低下问题的唯一方法是增大传感器尺寸，因此手机厂商不得不持续推出更大、更昂贵的产品以提升相机性能。

其他领域的视觉系统，也面临着类似的挑战。

基于光子学的分色技术：捕捉更多光线

一种新方法可解决这一困境。这种方法使用先进的分色技术，取代了传统的彩色滤光片。该技术源于imec——位于荷兰埃因霍温的一个纳米电子与数字技术研究创新中心，目前该方法由荷兰埃因霍温的eyeo公司进行商业化推广，其核心技术包括：

· 垂直波导：该技术采用垂直波导阵列，每个波导顶部设有锥形结构，作为入射光的一个“入口漏斗”。这些波导经过精密设计，可以引导光子并将光分解为不同的颜色。

· 亚衍射极限分色：与吸收大量光线的传统滤光片不同，该方案将所有入射光引导至单个像素，最大限度地提升光灵敏度。这种架构支持 0.5μm以下的像素，可以实现超紧凑的高分辨率成像。

· CMOS 工艺兼容性：分色技术完全兼容 CMOS 工艺，并利用硅光子学技术，可以集成到现有的半导体制造流程中。

分色技术的优势

该技术的一系列优势，可以针对性地解决传统彩色滤光片阵列的局限性：

· 增强的光灵度：通过消除光吸收，这种方法实现的光灵敏度是传统滤光片的3倍。这一特性可以提升图像质量，尤其是在低光环境下表现突出，这对多种应用都至关重要。

· 提升分辨率：基于光子学的方案使每个像素都能捕获完整的色彩数据，相比于因为插值而存在分辨率限制的拜耳滤光片，光子学方案的分辨率可以有效翻倍。

· 外观紧凑：更高的光灵敏度，使得小尺寸图像传感器也能实现同等或更优的图像质量。这对于那些对尺寸和重量敏感的应用（如智能手机、AR/VR 设备和医疗成像工具）尤为有利。

· 成本效益：尽管增加了波导结构，但该技术省去了彩色滤光片沉积和微透镜对准步骤，从而简化了前端流程。随着量产规模的扩大，其可以实现中等成本甚至更低。

图 2：研究机构 imec 的研究人员在 2023 年 IEEE 国际电子器件会议（IEDM）上展示了利用标准后端工艺实现分色的新技术。该技术可提升相机的信噪比、色彩质量和分辨率。（图片来源：IEDM via eyeo）

目标应用

该技术有望为众多应用领域带来变革：

· 工业成像：工业应用（如机器视觉和机器人技术）对精度、速度和分辨率要求极高。分色技术通过提供更清晰的图像和更高的帧率，可以优化检测系统和机器人视觉的性能。

· 汽车领域：在汽车行业，该技术可以提升高级驾驶辅助系统（ADAS）和车内传感性能。更高的光灵敏度和色彩捕捉能力，有助于实现更安全、更可靠的自动驾驶。

· 医疗成像：医疗成像可受益于紧凑、节能、高保真的成像技术，打造更小、更便携的诊断工具，提升图像质量，改善患者护理。

· 智能手机相机：在竞争激烈的智能手机市场，相机质量是关键差异化因素。该技术可以实现更小、性能更强大的相机，助力更轻薄的手机设计，同时不牺牲图像质量。

· 增强现实/虚拟现实（AR/VR）：AR/VR 应用需要紧凑、高分辨率、高灵敏度的相机以创造沉浸式的真实体验。分色技术的效率可以满足这些需求，进而推动 AR/VR 头显和设备的进步。

· 安防监控：在安防监控中，在低光环境下捕捉清晰的图像至关重要。高灵敏度传感器能够显著提升安防系统的有效性。

已发表的论文资料

2023 年 IEEE 国际电子器件会议（IEDM）上，研究人员展示了该技术的科学基础。题为《晶圆级集成垂直波导亚衍射极限分色器》¹ 的论文，详细介绍了分色技术的研发与验证过程，其核心亮点包括：

· 在 300mm晶圆上，利用标准后端工艺实现亚微米分辨率分色。

· 通过波导几何结构，可以调节分色性能，使设计能够匹配人眼的色彩灵敏度。

· 有望为高端相机提升信噪比、改善色彩质量并提高分辨率。

基于光子学的分色技术，代表了图像传感领域的一次新飞跃。通过突破传统彩色滤光片的固有局限，该技术可助力各类应用领域实现更小、更高效、更高性能的相机产品。

参考文献

1. S. Kang et al., "Wafer-level-integrated vertical-waveguide sub-diffraction-limited color splitters," 2023 International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2023, pp. 1-4, doi: 10.1109/IEDM45741.2023.10413746.· 改善的色彩保真度：通过将光子直接引导至单个像素，该技术实现了原生色彩保真，相比于拜耳滤光片依赖的估算方法，色彩还原更准确。

作者：Jeroen Hoet，eyeo公司联合创始人兼CEO