文献解读 | 像素级超表面颜色路由器（Nature Communications 2022）
论文简介
本文解读的是 2022 年发表在 Nature Communications 上的论文：Pixel-level Bayer-type colour router based on metasurfaces（DOI 10.1038/s41467-022-31019-7），作者是南京大学的邹秀娟、林若愚、龚光星、王漱明、祝世宁、王振林，以及华为技术有限公司的张有明。论文为 CC BY 4.0 开放获取。
一句话概括：这篇论文用逆向设计方法做出一块”像素级”超表面，放在 CMOS 图像传感器前面，能把入射白光的红、绿、蓝三部分分别”路由”到对应的子像素，而不是像传统 Bayer 滤光片那样把不要的颜色”滤掉”。实测可见光平均能量利用率达 84%，约为商用 Bayer 滤光片的两倍，而且单元尺寸直接兼容商用 1 微米像素的 CMOS 传感器。
彩色成像的老问题：Bayer 滤光片的”1/3 天花板”
数码相机和手机的彩色照片来自 CMOS 图像传感器。传感器本身只响应光强、不区分颜色；要得到彩色，就得在像素前面放彩色滤光片，让每个像素只看到特定波段的窄带光。1976 年 Bryce E. Bayer 提出的 Bayer 阵列至今仍是主流：每 4 个物理像素覆盖 1 个红、2 个绿、1 个蓝滤光片（RGGB 模式），4 个像素合起来组成一个”有效彩色像素”，再靠插值（去马赛克）补全每个位置的颜色。
这个方案很成熟，但有一个本质代价：滤光片是”扔”的机制——红滤光片只让红光通过，绿光和蓝光被吸收或反射掉；绿、蓝滤光片同理。入射光里三分之二以上的能量，在进入传感器之前就被扔掉了。论文给出了一个清晰的数字：对可见光区强度均匀的白光，Bayer 滤光片的理想能量利用率上限是 1/3——也就是说，即使滤光片本身毫无损耗，每三个光子里也只有一个能被该颜色的像素利用。实际商用滤光片还要更低，论文补充材料显示其逐通道颜色收集效率大约只有 20–40%。
传统方案还带来一层结构：为了让斜入射的光尽量聚焦到滤光片上、提高收集效率，Bayer 滤光片上方通常还要叠一层微透镜阵列。于是成像芯片前端变成”微透镜 + 彩色滤光片 + 传感器”三层结构。
换个思路：把”滤掉”改成”分走”（图 1）
如果滤光片的问题在于”扔”，那自然的对策就是”别扔，分”。颜色路由器（colour router）的思路是：用纳米结构对入射光做干涉与衍射调控，让不同波长的光到达传感器平面时”各走各路”——红光落到红色子像素、绿光落到绿色子像素、蓝光落到蓝色子像素。这样一来，每一个光子最后都能被某个对应的像素吸收，能量利用率不再受”三通道各取一份”的限制。
论文把传统 Bayer 滤光片（BCF）与本工作的超表面 Bayer 型颜色路由器（MBCR）放在一张图里对比（图 1）：传统系统是”微透镜阵列 + BCF + CMOS 传感器”三层，而 MBCR 系统只有”超表面 + CMOS 传感器”两层，连微透镜都省了——因为路由本身就把”把光送到该去的地方”这件事做完了。
图 1：传统 Bayer 滤光片（BCF）的滤光原理与超表面 Bayer 型颜色路由器（MBCR）的路由原理对比。(a) 传统成像系统：BCF、微透镜阵列与 CMOS 成像传感器；(b) 本工作成像系统：MBCR 与 CMOS 成像传感器。
颜色路由器并不是新概念。论文梳理了此前的几条路线：三维颜色路由器理论上性能好，但多层或 3D 纳米结构在可见光波段需要多次光刻与精确对准，极难制备；基于 Pancharatnam–Berry（PB）相位金属透镜的颜色路由器受偏振限制，能量利用率上限只有 1/2，且器件尺寸远大于约 1 微米的商用像素；一维光谱分离结构要么在传感器平面上图案不对称、要么分出的颜色不是标准三原色，难以直接用于彩色成像。MBCR 的定位很明确：单层、偏振无关、单元尺寸与商用像素兼容、直接对应标准 RGGB 排列。
遗传算法”逆向设计”出器件结构（图 2）
怎么设计一块能把 RGB 分到四个象限的超表面？论文采用的是逆向设计：先定义目标——红、绿、蓝光分别集中到 R、G、B 象限，再让优化算法在结构参数空间里搜索满足目标的布局，而不是靠人手一步步推导。
具体做法见图 2a、b：每个单元是 2 μm × 2 μm 的正方形，被分成 16×16 共 256 个格点；每个格点要么是氮化硅（Si3N4）纳米柱（记为”1”），要么是空气（记为”0”）。柱子的最小边长取 125 nm、高度取 600 nm，兼顾可制造性与设计自由度——论文说明氮化硅纳米结构常用的极限深宽比约为 5:1，再高会出现孤立柱子倒塌。优化采用遗传算法（GA）：先随机生成一批 0/1 图案作为”种群”，把每个图案交给 FDTD 电磁仿真计算各象限的收集效率作为”适应度”，再按选择、交叉、变异的方式迭代多代逼近最优布局。因为 RGGB 阵列沿对角线对称、且成像不能依赖偏振，单元被强制设计成对角对称，保证偏振无关。
图 2c–e 是三个波长（约 650/540/450 nm，对应红、绿、蓝）下透射光在工作面上的坡印廷矢量分布：能量明显集中到目标象限，只有少量绿光泄漏到红、蓝象限（串扰），但不影响最终成像。图 2f–h 是四个象限在可见光波段的收集效率曲线——红、绿、蓝象限的峰值收集效率分别达到 58%、59%、49%，明显高于商用 BCF 的 20–40%；仿真中把全部通道相加，能量利用率在可见光区平均达 93%，意味着入射光绝大部分都被传感器收集到了。
图 2：MBCR 的主要设计流程与数值仿真结果。(a) 二元图案 MBCR 原型示意图，R、G、B 分别表示红、绿、蓝像素区；(b) 遗传算法逆向设计流程图；(c–e) 650、540、450 nm 入射光在单元结构工作平面上的坡印廷矢量分布（计算值）；(f–h) 单元内四个象限在可见光波段的收集效率，f、h 分别对应红、蓝象限，g 中两条虚线对应两个绿色象限，实线为两绿象限总收集效率。
这里顺带给出论文中的两个定义，后文会用到：颜色收集效率指某一波长下，落在某颜色象限的功率与照射到整个单元的总功率之比；能量利用率指所有通道颜色收集效率之和，代表入射光被传感器整体利用的比例。
造出来、测出来（图 3）
设计只是第一步，能不能造出来才是关键。样品的制备走的是标准半导体工艺链：先用 PECVD（等离子体增强化学气相沉积）在 500 μm 厚的石英衬底上沉积 600 nm 氮化硅薄膜，再用电子束光刻（EBL）在正性抗蚀剂上写出优化后的图案，蒸镀铬（Cr）作硬掩模，最后用 ICP-RIE（电感耦合等离子体反应离子刻蚀，O2 与 CHF3 混合气体）刻出氮化硅纳米柱并去除掩模。
图 3a、b 是设计图案与单元侧视图，图 3c 是扫描电子显微镜（SEM）照片——纳米结构与优化设计一致，说明这套工艺能忠实复制理论布局。图 3d 是准直白光照明下、在成像面拍到的光强分布：红、绿、蓝光被整齐地路由到各自象限，与仿真吻合；图 3e 进一步给出三种单色光分别照明时三个通道的分布；图 3f 是实测的各通道颜色收集效率曲线（黑线为能量利用率）——可见光区平均能量利用率 84%，约为商用 BCF 的两倍。实验值与仿真值（93%）的差距，来自制备误差与测量系统的衍射极限等因素。
图 3：颜色路由响应的实验验证。(a) 优化后的 MBCR 二元图案示意图，单元尺寸 2 μm×2 μm，顶部为 Si3N4 图案、500 μm 石英玻璃衬底；(b) 单元侧视图，参数 h=600 nm、a=125 nm、p=2 μm；(c) 制备样品的 SEM 图；(d) 准直白光照明下成像面的实测光强分布；(e) 三种单色光照明下成像面 R、G、B 三通道光强分布；(f) 各通道在可见波段的实测颜色收集效率（各彩色曲线对应各自颜色通道，黑线为能量利用率）。
成像验证：亮度翻倍、色彩相当（图 4）
效率数字再好看，最终还是要看能不能成像。论文用 200 μm × 200 μm 的 MBCR 样品配合一台单色成像传感器，拍摄了一幅彩色苹果图案，并与商用 BCF 的成像结果对比。
流程如图 4a：MBCR 样品加单色传感器直接拍到的是一幅带马赛克图案的灰度原图；由于 MBCR 的光谱响应是已知的，可以用”转换矩阵”把每个像素测到的强度换算成该像素位置的 RGB 值，得到一幅”马赛克彩色图”；最后做去马赛克（demosaicing）插值，把 RGGB 四个子像素合成一个完整的 RGB 像素。这套后处理完全复用现有彩色成像芯片的成熟流程，不需要额外光学元件。
图 4b、c 是 MBCR 与 BCF 各自重建的灰度图：MBCR 的图像亮度约为 BCF 的两倍，直观对应能量利用率的差距。图 4d、e 是重建的彩色图，MBCR 在更亮的同时色彩与 BCF 相当——因为路由并没有破坏光谱信息，只是把光送得更”准”。
图 4：MBCR 与 BCF 成像响应对比。(a) 彩色成像后处理流程；(b、c) 分别用 MBCR 与 BCF 直接重建的灰度图，用于强度对比；(d、e) 结合光谱响应重建的彩色图（分别为 MBCR 与 BCF）。
一张表看懂：BCF 与 MBCR 对比
表 1：传统 Bayer 滤光片（BCF）与超表面 Bayer 型颜色路由器（MBCR）对比。数字来自论文正文及其补充材料，来源见文末参考资料。
| 对比项 | 传统 Bayer 滤光片（BCF） | 超表面 Bayer 型颜色路由器（MBCR） |
|---|---|---|
| 工作原理 | 让窄带光通过，其余波长被吸收/反射（”滤”） | 把不同波长分别路由到对应像素（”分”） |
| 覆盖模式 | RGGB，每 4 个像素一组 | 2 μm×2 μm 超表面单元对应 4 个 1 μm 像素 |
| 能量利用率 | 理想上限 1/3；实测约 40% 量级 | 实测可见光均值 84%（仿真 93%） |
| 逐通道颜色收集效率 | 约 20–40% | 峰值 58%（R）/ 59%（G）/ 49%（B） |
| 前端组件 | 微透镜阵列 + 滤光片 + 传感器 | 超表面 + 传感器（省去微透镜） |
| 结构层数 | 多层膜/多层结构 | 单层 Si3N4 纳米柱（600 nm 高） |
| 与商用 CMOS 兼容性 | 是 | 是（1 μm 像素） |
| 同条件成像亮度 | 基准 | 约为 BCF 的两倍 |
意义与展望
这篇论文的意义在于，它把”颜色路由器”从概念推进到了像素级、可集成的阶段：单层超表面、偏振无关、单元尺寸直接对位商用 CMOS 的 1 微米像素，并且用与现有芯片完全兼容的半导体工艺（PECVD、EBL、ICP-RIE）做了出来。相比”微透镜 + 滤光片”的传统前端，MBCR 用一层纳米结构同时完成了”分光”与”聚光”，能量利用率从 Bayer 滤光片约 40% 的量级提升到 84%，这对弱光成像、小型化相机与低功耗设备都是实打实的收益。
从原理验证走向实际应用，还有几条路值得继续铺。一是面积与良率：论文演示样品为 200 μm 见方，而手机传感器需要整片晶圆级的大面积超表面，电子束光刻的吞吐量是瓶颈，需要向深紫外光刻、纳米压印等量产工艺迁移；二是角度与光谱鲁棒性：MBCR 针对正入射与可见光波段设计，真实镜头的入射角分布、光照光谱变化会带来性能起伏，需要与成像算法联合优化；三是串扰与色彩精度：少量绿光泄漏到红蓝象限，虽然不影响当前演示成像，但追求更严格的色彩保真时还需要进一步抑制。沿着这条线，把同一思路推向更高像素密度（深亚微米像素）与片上集成场景，正是这个方向正在展开的下一步。
参考资料
- Zou X., Zhang Y., Lin R., Gong G., Wang S., Zhu S., Wang Z. Pixel-level Bayer-type colour router based on metasurfaces. Nature Communications 13, 3288 (2022).
- Zou X., Zhang Y., Lin R., Gong G., Wang S., Zhu S., Wang Z. Pixel-level Bayer-type colour router based on metasurfaces（PMC 全文与配图）. PMC9174490 (2022).
- Bayer filter（Wikipedia，背景常识）.