單光子成像在傳感應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行單光子采集也已經用于目標物體識別和葉片生理參數測量等應用。上述應用要獨立獲得多光譜信息，則需要復雜、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。

據麥姆斯咨詢報道，近期，英國格拉斯哥大學（University of Glasgow）、英國赫瑞瓦特大學（Heriot-Watt University）和美國博伊西州立大學（Boise State University）的研究人員合作開發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。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，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據。

等離激元超表面設計示意圖

（a）設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）通常發生于kz方向，對納米孔進行過刻，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生增強光耦合。藍光、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）分別是藍色、綠色和紅色等離激元超表面的實驗數據與Lumerica（加拿大FDTD軟件公司）FDTD（時域有限差分）透射光譜模擬數據的對比。（f）還展示了紅色等離激元超表面設計方案A（r1 = r2 = r）和設計方案B（r2 《 r1）的透明度差異。

這項研究已經發表在美國光學學會（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超低微光水平下的彩色圖像重構》（Ultralow-light-level color image reconstruction using high-efficiency plasmonic metasurface mosaic filters）。

這款馬賽克濾光片與SPAD圖像傳感器進行集成，可以用兩種不同的方法對目標進行多光譜成像：（1）目標被主動三色激光光源照明；（2）目標被被動白色泛光光源照明。

由NKT公司提供的超連續譜激光器與聲光調諧濾光片結合，為主動成像系統提供光源，波長可在460nm到1100nm之間調節。4f光學系統與兩片工程擴散片（D1，D2）結合使用，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）。

主動成像系統結構示意圖

為研究主動成像系統提取高保真彩色圖像所需的光子數，對目標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。當低于這個水平時，圖像質量嚴重下降。

使用多光譜激光照明，逐步減少曝光時間，對目標（玩具）的彩色圖像重構

在許多應用中，激光主動照明是有用的，如激光雷達。但如天文學等其它領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元件。對五個相同目標進行功耗與主動成像系統相當的照明（由探測器記錄的計數率確定）。總曝光時間500毫秒，每個像素從目標返回的平均光子數為2500個。

下圖可直觀看出兩種方式的圖像重構效果差異。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，從而對目標的白色部分實現更為逼真的重構，而主動成像系統很難用三種獨立的波段設置達到這種效果。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。

主動成像系統與被動成像系統成像質量對比

（上圖：目標物體；左下圖：主動成像系統成像結果；右下圖：被動成像系統成像結果）

據論文作者介紹，這是第一次集成SPAD圖像傳感器與馬賽克濾光片陣列實現彩色圖像重構，為在二維和三維空間中快速獲取極少數量的光子并重構彩色圖像奠定了基礎。
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