根據一項新研究，技術進步使無濾光片成像傳感器有望改善智能手機和自動駕駛汽車的低光和快速成像。研究人員表明，新設計的像素級超表面透鏡–使用納米結構操縱光線的平面–可用於製造成像傳感器，其靈敏度大約是目前使用的傳感器的三倍。新的傳感器結構可以使數碼相機能夠更快地或在光線較弱的條件下成像。
來自日本NTT設備技術實驗室的研究小組負責人Masashi Miyata說：“傳統的成像傳感器，如用於智能手機、可穿戴設備和自動駕駛汽車的傳感器，其靈敏度有限，因為它們依賴於放置在每個像素上的彩色過濾器。我們的新超透鏡是由一個高度工程化的表面製成的，可以在收集光線的同時分離三原色，而不需要任何彩色濾光片，為大幅提高靈敏度開闢了一條道路。”
在Optica出版集團的高影響力研究雜誌《Optica》上，Miyata及其同事報告說，用新的超透鏡製造的無濾光片彩色傳感器大大增強了信號水平，而不會犧牲彩色圖像質量或空間分辨率。而且，由於新的超透鏡是使用CMOS兼容工藝製造的，它們可以很容易地被集成到目前的傳感器上，以創建無濾光片的成像設備。
Miyata說：“我們設想我們的超透鏡在開發超過目前靈敏度限制的無濾光片彩色圖像傳感器方面發揮重要作用。這些新的傳感器有一天可以讓人們更容易地用智能手機捕捉夜景，或者使新的相機準確地捕捉高速物體，這在安全和自動駕駛方面將是非常有用的。”
在傳統的傳感器中，顏色信息是通過使用吸收部分光線的彩色濾光片獲得的。例如，紅色濾光片只允許紅色波長通過，而吸收所有其他波長的光。這意味着只有大約30%的光線被實際檢測到。
為了提高靈敏度，NTT的研究人員設計了一個超透鏡陣列，通過一個被稱為顏色分類的過程，在沒有光學損失的情況下獲取顏色信息。這涉及到將光線分成紅、綠、藍三色，然後將每種顏色聚焦到不同的像素上。像素級的超透鏡陣列是通過在1250納米厚的氮化硅層中蝕刻納米柱而產生的。
儘管其他像素級的分色器已經在實驗中得到證明，但它們對於消費類設備來說並不實用，因為它們要麼效率低下，要麼受光的偏振影響，要麼對可能從斜角照射到傳感器的光線敏感。然而，新的超透鏡是基於一個富含色散的元表面平台，使它們對偏振不敏感，並抑制了所有彩色像素的光譜串擾。由於超透鏡在聚焦光線方面非常有效，其顏色分類性能不受斜光影響。
評估傳感器性能
研究人員使用光學顯微鏡來模擬光線在到達傳感器之前穿過超透鏡陣列的方式。該實驗表明，與基於過濾器的傳感器相比，基於超透鏡的傳感器生成的彩色圖像的信號水平增強了2.83倍，而不會犧牲色彩質量。
光學模擬研究還表明，基於超透鏡的傳感器結構表現出較少的圖像退化，這是由於傳感器噪聲造成的，而這往往是黑暗場景或超快速成像的限制因素。現在他們已經證明了新的傳感器概念，研究人員計劃通過直接將超透鏡陣列安裝到圖像傳感器上來創建和測試一個集成設備。
Miyata表示：“我們希望我們的工作將進一步推動基於超表面的實用光學設備和系統的發展。憑藉其扁平化和縮小光學元件的能力，同時大幅提高性能，我們相信光學超表面不僅可以應用於圖像傳感器，還可以應用於各種光電子器件，如用於顯示器、投影儀和增強或虛擬現實設備的器件。”