本週舉行的 2023 年 IEEE 國際電子會議（IEDM），比利時微電子研究中心（imec）展示一套次微米（sib-micron）等級解析度忠實分割色彩的全新技術，採用的是在 12 吋晶圓上製造的傳統後段製程。此技術預計用來提升高階相機的性能，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。
Imec 表示，設計新一代的 CMOS 影像感測器必須在三種需求之間取得平衡，包含接收所有的入射光子，達到光子尺寸或繞射極限的解析度，以及準確紀錄光源的色彩。在畫素上配備彩色濾光片的傳統影像感測器依然難以滿足上述的所有需求。增加畫素密度固然會提升整體的影像解析度，但畫素尺寸變小，捕獲的光源也會變少，還會因為要從鄰近畫素內插其它的色彩數值而容易產生假影。雖然基於繞射原理的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，但還是無法改良影像解析度。
而 imec 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畫素尺寸下分割色彩，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）矩陣建立由氮化矽 （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 指出，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。」 每個波導所輸生的所有光源預計會有 90% 落在肉眼可見的色彩範圍 （波長為 400~700 奈米），表現優於彩色濾光片。
Imec 技術研究專案經理 Robert Gehlhaar 表示，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。我們的抱負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。誠摯邀請產業夥伴加入，邁向以相機全面展示這項技術的研發之路。
（首圖來源：SONY）
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