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在数字化浪潮下，图像传感器已深度融入各类电子设备，从智能手机、数码相机到安防监控、医疗成像及工业检测设备，均离不开其支撑。根据Grand View Research数据，2024年全球图像传感器市场规模达到311.7亿美元，预计2025至2030年期间将以7.7%的年复合增长率持续扩张。其中，CMOS图像传感器正在凭借低功耗、高集成度和成本优势，成为市场主导力量。但在追求高分辨率的进程中，传统CMOS图像传感器正面临诸多技术挑战。
传统CMOS图像传感器的技术瓶颈
随着用户对图像分辨率和清晰度要求的提升，CMOS像素尺寸持续向亚微米级别缩减，由此会引发一系列物理难题：
信噪比下降：像素尺寸减小导致感光能力减弱，噪声干扰相对增强，直接影响图像质量。
微透镜性能衰退：当微透镜尺寸接近可见光波长时，对不同波长光的聚焦效率显著降低，造成能量损耗。
像素间光线串扰：小间距像素使得光线更容易串扰到相邻像素，引发颜色失真等问题。
光子与量子效率降低：小像素的满阱容量受限，可存储的光生电荷减少，在低光环境下表现尤为明显。
微透镜解决方案及其局限性
为改善小像素CMOS芯片在暗光环境下的性能和信噪比问题，行业内曾采用以下两种技术，但均存在明显局限性：
像素合并技术（Pixel Binning）：通过将多个相邻像素合并为“虚拟大像素”，在低光环境下扩大感光面积，提升感光能力并降低噪声。但该方法会导致图像分辨率下降，适用于对分辨率要求不高、对感光度或帧率要求较高的场景（如监控摄像头夜间拍摄）。
来源：微视图像
深沟槽隔离技术（DTI, Deep Trench Isolation）：通过在像素间蚀刻数微米深的物理隔离墙形成光学屏障，减少光线串扰。但在亚波长尺度下，光的衍射现象显著，光线经像素边缘衍射后能量会扩散至相邻像素，传统隔离结构难以抑制，导致颜色串扰问题依然存在。
来源：参考文献2
面对传统方案的局限，行业亟需全新技术突破瓶颈。近年来，Nano Prism与Color Splitter技术应运而生，为CMOS图像传感器发展注入新动能。
Nano Prism技术的突破与创新
在0.64μm等亚微米级像素的CMOS图像传感器中，传统微透镜的光场调控能力面临挑战。三星团队研发的Nano Prism技术，借助超构光子学设计，构建基于高折射率纳米柱阵列的色散光学系统，从原理上突破传统光学元件的性能天花板。
该技术采用两层二氧化钛纳米柱（高折射率）与二氧化硅模具层（低折射率）的复合结构，利用纳米柱半径差异产生的相位差（Δφ），实现对不同波长光的衍射偏转，形成类似棱镜的分光效果。例如，450nm蓝光、530nm绿光和630nm红光会被精准导向对应像素区域。此设计不仅让单个像素吸收本区域入射光，还能捕获相邻像素的溢出光能，光聚焦效率较传统微透镜有所提升。
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光入射条件 |
微透镜的聚焦效率 |
纳米棱镜的聚焦效率 |
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450nm |
78% |
122% |
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530nm |
86% |
115% |
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630nm |
88% |
89% |
来源：参考文献3
应用实例：小米Civi 5 Pro的影像升级
小米Civi 5 Pro前置摄像头就搭载了三星JNP传感器，率先应用超透Nano Prism技术，使整体感光性能提升25%。在复杂光线环境下，该技术解决了面部昏暗、噪点多等问题。在夜景等暗光场景中，不仅降低背景噪点，还解决了传统微透镜阵列的花瓣炫光问题，大幅提升画面纯净度。实测数据显示，该技术使Civi 5 Pro前置镜头在暗光环境下的信噪比（YSNR）提升1.22dB，花瓣炫光减少80%，逆光场景动态范围扩展至13.5EV。
来源：小米商城
Color Splitter创新方案
传统滤光片在小像素尺寸下难以实现精准色彩分离，IMEC团队参考光波导技术研发的Color Splitter分色器，可以利用多模波导中的模式干涉分离不同颜色的光。该分色器核心为垂直波导阵列，每个分色器由顶部锥形输入段和底部矩形波导组成。锥形段作为光线漏斗，可将微小尺寸的入射光压缩成单模，不对称地送入下方矩形波导，激发出对称和反对称两种模式。因不同波长（颜色）的光在波导中传播速度不同，会形成与波长相关的干涉图案。通过精确设计波导宽度、高度等尺寸，可使特定颜色的光在波导出口两侧产生强度差异。
形出口需满足单模传输条件，a<λ/2√(n12-n22)
其中a为波导宽度，λ为波长，n1/n2为芯层/包层折射率
来源：参考文献4
这种Color Splitter技术具有三大优势：
小尺寸色彩分离：在0.8μm×0.8μm单元内实现色彩分离，光场分离精度达亚微米级。
超高透光率：400-700nm可见光范围内透光率超90%，远高于传统Bayer滤光片（通常低于50%），直接提升传感器信噪比，改善暗光拍摄效果。
来源：参考文献4
分光自由度较高：借助调整波导长轴、短轴、锥形偏移量等参数，能够灵活调控左右出口光谱的交叉波长。比如，可针对性设计两个波导，一个实现蓝 - 绿光谱在480nm处交叉分离，另一个达成绿 - 红光谱于580nm处交叉分离 ，精准适配不同分光需求。
来源：参考文献4
技术本质与应用前景
Nano Prism与Color Splitter分别代表了超构光子学和光波导技术在图像传感领域的创新实践，通过主动操控光场和光波，赋予CMOS图像传感器“光学可编程”特性，实现从“被动聚光”到“主动控光”的跨越。
Nano Prism方案通过衍射利用波长差异产生角度差异来进行分光，IMEC提出的Color Splitter方案是通过多模波导中对称与反对称模式的拍频图案来实现分色，利用不同波长的光的模式传播速度差异，在亚微米像素内完成颜色分离。
两种技术均为CMOS图像传感器小型化、高分辨率发展开辟了新的发展路径，在智能手机、车载&安防成像领域应用前景广阔。舜宇奥来技术依托自主开发的微纳光学加工平台，充分发挥自身在光学设计、工艺实现方面的技术积淀，也积极投身该领域进行前沿技术探索，力求为相关应用场景提供更具创新性与竞争力的解决方案。
参考文献：
1.Grand View Research. (2024). Image Sensor Market Size Report, 2030. Retrieved from https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/image-sensors-market.
2.Roh, S. (2025). Dispersion-Engineered Metasurface Integration for Overcoming Pixel Shrink Limitations in CMOS Image Sensors. In ISSCC 2025.
3.Kang, S., Benelajla, M., Mac Ciamain, R., et al. (2023). Wafer-level-integrated vertical-waveguide sub-diffraction-limited color splitters. In 2023 IEEE Conference Proceedings.
4.Choi, C., Park, J., Lee, Y., et al. (2023). Optical design of dispersive metasurface nano-prism structure for high sensitivity CMOS image sensor. In 2023 IEEE Conference Proceedings.
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