集成SPAD圖像傳感器與馬賽克濾光片陣列方案設(shè)計

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，同時對多個波長的光譜信息進(jìn)行單光子采集也已經(jīng)用于目標(biāo)物體識別和葉片生理參數(shù)測量等應(yīng)用。上述應(yīng)用要獨立獲得多光譜信息，則需要復(fù)雜、光路損耗低的接收信號。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)麥姆斯咨詢報道，近期，英國格拉斯哥大學(xué)（University of Glasgow）、英國赫瑞瓦特大學(xué)（Heriot-Watt University）和美國博伊西州立大學(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，每個濾光片只需單步光刻工藝完成，由等離激元超表面（plasmonic metasurface）實現(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個光子的微光水平重構(gòu)，利用三色主動激光照明和寬帶白光可同時獲取低光水平下的多光譜數(shù)據(jù)。

等離激元超表面設(shè)計示意圖

（a）設(shè)計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)計采用橢圓形和圓形納米孔陣列，能夠在多個等離子體相互作用之間產(chǎn)生增強光耦合。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驗數(shù)據(jù)與Lumerica（加拿大FDTD軟件公司）FDTD（時域有限差分）透射光譜模擬數(shù)據(jù)的對比。（f）還展示了紅色等離激元超表面設(shè)計方案A（r1 = r2 = r）和設(shè)計方案B（r2 《 r1）的透明度差異。

這項研究已經(jīng)發(fā)表在美國光學(xué)學(xué)會（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目標(biāo)進(jìn)行多光譜成像：（1）目標(biāo)被主動三色激光光源照明；（2）目標(biāo)被被動白色泛光光源照明。

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，為主動成像系統(tǒng)提供光源，波長可在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）。

主動成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為研究主動成像系統(tǒng)提取高保真彩色圖像所需的光子數(shù)，對目標(biāo)總曝光時間逐漸減少。每個像素探測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（其通常會返回更多光子）。

5個目標(biāo)物體，其中對物體a和b只提取3cm x 3cm的視場

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

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

在許多應(yīng)用中，激光主動照明是有用的，如激光雷達(dá)。但如天文學(xué)等其它領(lǐng)域則采用被動成像方式。為了演示被動成像，引入熱白光光源以泛光照亮場景，取代直接激光照明及其光學(xué)元件。對五個相同目標(biāo)進(jìn)行功耗與主動成像系統(tǒng)相當(dāng)?shù)恼彰鳎ㄓ?a target="_blank">探測器記錄的計數(shù)率確定）?？偲毓鈺r間500毫秒，每個像素從目標(biāo)返回的平均光子數(shù)為2500個。

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濾光片的整個光譜范圍，從而對目標(biāo)的白色部分實現(xiàn)更為逼真的重構(gòu)，而主動成像系統(tǒng)很難用三種獨立的波段設(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比度。

主動成像系統(tǒng)與被動成像系統(tǒng)成像質(zhì)量對比

（上圖：目標(biāo)物體；左下圖：主動成像系統(tǒng)成像結(jié)果；右下圖：被動成像系統(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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