比利時微電子研究中心(imec)近日在2023年IEEE國際電子會議(IEDM)上，展示了一套能在次微米(sub-micron)等級的解析度下，忠實分割色彩的全新技術。該技術採用12吋晶圓上製造的傳統後段製程，可帶來更高的訊噪比(SNR)，並以前所未見的超高空間解析度來強化彩色成像品質，大幅提高相機的性能。
CMOS影像感測器的設計，必須在三個有時會互相矛盾的設計目標之間取得平衡，分別是亮度、解析度以及準確紀錄光源色彩的能力。提高解析度意味著畫素的尺寸必須縮小，雖然理論上畫素的最小尺寸可微縮到光子尺寸或繞射的極限，但把畫素微縮到這種程度，將使畫素能捕獲的光子數量非常稀少，導致影像的亮度不足，同時也無法準確紀錄光源的色彩，還會因為要從鄰近像素內插其它的色彩數值而容易產生假影。
為解決這些問題，業界在畫素上導入了彩色濾光片(CF)，或是在畫素上添加基於繞射原理實現的彩色分光器，但這兩種方法還是有其極限。彩色濾光片已經是很成熟的技術，但面對越來越小的畫素尺寸，彩色濾光片已經開始顯得力有未逮；彩色分光器在增加色彩敏感度和捕獲光源方面取得了重大進展，但卻無助於提高影像解析度。
比利時微電子研究中心現在提出一套全新方法，運用標準的後段製程就能在次微米等級的像素尺寸下分割色彩，成功超越基本的阿貝繞射極限(Abbe diffraction limit)。這套方法能夠滿足所有對新一代影像感測器的需求，包含接收幾乎所有的光子，利用極小尺寸的畫素來提高解析度，並且如實地呈現彩色影像。為了實現這點，imec研究團隊在二氧化矽(SiO2)矩陣中建立了一個由氮化矽(Si3N4)垂直多模波導組成的陣列。這些波導設有一個尺寸達到繞射極限(例如800nm2)的錐型輸入埠，用來接收所有的入射光。
imec技術總監 Jan Genoe教授說明，在每個波導內，入射光子會同時激發對稱型及非對稱型模態，這兩種模態在波導內的傳播不同，所以在一個已知頻率下會在兩種模態之間形成獨特的「拍頻」波形。這種拍頻波形可以對應某一個特定色彩，在波導末端實現空間分光功能。每個波導輸出的光源，預計會有90%落在肉眼可見的色彩範圍(波長為400~700nm)，表現優於彩色濾光片。
imec技術研究專案經理Robert Gehlhaar則指出，因為這項技術可與標準的12吋晶圓製程相容，導入這套技術的分光器就以符合成本效益的方式製造。這就能進一步推動高解析度影像感測器的性能升級，最終目標是偵測到每個入射光子及其所屬特性。imec的目標是成為彩色成像技術的未來標竿，達到繞射極限等級的解析度。imec希望能邀請更多產業夥伴加入共同研究，邁向以相機全面展示這項技術的研發之路。
