於本周舉行的2023年IEEE國際電子會議（IEDM）上，比利時微電子研究中心（imec）展示了一套能在次微米（sib-micron）等級的解析度下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。

用於電腦放射（CR）成像應用，用來進行彩色分光的垂直波導陣列影像：（圖左）3D影像（圖右）穿透式電子顯微鏡（TEM）截面圖。

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。在像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。增加像素密度固然會提升整體的影像解析度，但像素尺寸變小，捕獲的光源也會變少，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。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。

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，利用極小尺寸的像素來提高解析度，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400~700nm），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。我們誠摯邀請產業夥伴加入我們，邁向以相機全面展示這項技術的研發之路。」