摄像头为了看见颜色，先丢掉了大半的光

夜里用手机拍人，常会遇到这样的落差：眼睛明明还能看清对方的脸，照片里却满是噪点，人稍微一动就糊成一片。我们通常会怪传感器太小、环境太暗、镜头进光不够。这些都可能有影响，但还有一个不太容易被注意到的原因：光好不容易穿过镜头到达传感器，其中相当一部分却被摄像头自己的滤色结构挡住了。

这不是故障，而是长期以来彩色成像采用的一种基本做法。2026年8月27日，《Nature Communications》发表的一项研究换了个思路：与其把不需要的颜色吸收掉，不如把每种颜色的光引导到它该去的像素上。10月27日，光学行业媒体 optics.org 又报道了这项工作。

CMOS 图像传感器中的光电二极管负责把入射光转换成电信号，但单个普通像素不能仅凭输出电荷判断入射的是红光还是蓝光。为了得到彩色信息，大量彩色传感器会在像素阵列上覆盖一层 Bayer 彩色滤光阵列：每个像素上方是一小块红、绿或蓝色滤色层，每 2×2 个像素组成一个单元，一红、两绿、一蓝，也就是常说的 RGGB 排列。

问题在于，这种分色方式本质上是在做减法。白光落在红色滤色片上，主要是红色波段通过，绿色和蓝色波段大部分被吸收；其他颜色的滤色片也类似。单块滤色片在自身通带内可以有较高透过率，但放到整个 Bayer 阵列来看，每个像素只接收一部分光谱。

论文指出，传统 Bayer 型滤色阵列对白光的典型透射比例约为 30%。这个数字不是所有相机的统一性能，也不是单块滤色片的通带透过率，而是在特定白光与阵列条件下讨论的整体光利用水平。

光线充足时，这种损失未必显眼；到了夜里，入射光子本来就少，再损失一大部分，传感器得到的信号就更弱。相机可能需要更长曝光，或通过增益与后处理让图像显得更亮，但运动模糊和低照度噪声依旧是难题。

这项研究由新加坡科技设计大学等机构的研究人员共同完成。他们开发的是一种颜色路由器（Color Router）。如果说 Bayer 滤色片像一道只放行某种颜色的闸门，颜色路由器则更像一个分拣口：白光进入后，红、绿、蓝波段被分别引向对应的感光区域，让一部分原本被吸收的光重新获得利用机会。

过去一些颜色路由结构使用二氧化钛、氮化镓等高折射率材料，光学调控能力较强，但制造可能涉及复杂的沉积、光刻与刻蚀。此次研究选择了折射率约为 1.5 的 IP-L 光刻树脂，利用双光子聚合激光直写制造微纳结构。

每个约 2 μm × 2 μm 的重复单元中有四根细小的圆柱状纳米柱。研究展示的柱高约 1.2–2.0 μm、直径约 0.48–0.68 μm，不同位置的几何尺寸由算法优化确定。

最有意思的是，这四根柱子并不是“一根负责红光、一根负责绿光、一根负责蓝光”。真正产生分色效果的，是整组结构散射光之间的耦合与干涉。 单独观察一根纳米柱，并不能解释完整结构的光路由表现。

论文报告，优化结构在模拟中的可见光透射率约为 87%，实际打印器件测得约 70%。相比传统 Bayer 阵列约 30% 的典型透射情况，新结构显示出减少光损失的潜力。

但这里必须分清：透射率高，不代表所有光都准确进入了对应颜色的像素。 真正进入目标颜色通道的比例，还需要看光路由效率和串扰。论文报告，在若干测试波长下，器件实测的峰值路由效率约为 40%–51%，低于设计仿真。

实际器件与理想设计有差距，研究者讨论了打印几何偏差、材料参数与测量因素的影响。用蓝光单独照明时，实验中还观察到约四分之一的蓝光泄漏至红色通道的情况。光穿过结构只是第一步，真正形成准确、稳定的彩色图像，还要考虑串扰、传感器噪声和颜色校正。

成像验证的方法也很重要。研究中的颜色路由器并没有直接集成到一颗商用手机图像传感器上，而是在光学实验平台中，通过物镜把路由器工作平面的光场成像到单色相机，并与传统彩色成像方案作比较。

论文在白色方块亮度测试中报告：在关闭自动增益、比较接近过曝的亮度表现时，颜色路由器方案的曝光时间约为 4 ms，传统滤色方案约为 10 ms。也就是说，在这组实验条件下，前者所需曝光时间约为后者的 40%。

研究还报告了特定测试色块下更小的颜色偏差。不过，这些成果说明的是“原理可行且值得继续研究”，距离消费级摄像头仍有不少工程问题：倾斜入射会改变光路由表现；结构如何与像素、微透镜和传感器膜层准确对位；又该如何实现大面积、稳定和重复的生产，都还需要验证。研究团队也明确指出，走向制造需要适配晶圆厂材料和工艺，并计划进一步尝试直接集成到图像传感器上。

读到这里，很容易产生一个误会：既然挡光有损失，以后是不是就不需要滤光片了？

要回答这个问题，得先分清不同器件的任务。Bayer 彩色滤光阵列位于传感器像素上方，主要负责为像素区分颜色。镜头或系统光路中的 IR-cut、窄带滤光片和带通滤光片，功能则是按光谱条件选择哪些波长应该进入检测通道；其中干涉型器件通常利用多层光学薄膜实现光谱选择。

在使用 850 nm 或 940 nm 主动照明的机器视觉系统中，日光以及部分现场照明、杂散光可能在相关波段形成背景。根据工作波长配置适当的窄带滤光片，可以让目标回波通过，同时压低通带之外的背景。它不一定让总光能更高，却可能让有效信号更容易识别。

荧光检测更典型。荧光信号通常远弱于激发光，如果剩余激发光大量进入探测器，即使总接收光能增加，也可能淹没真正想观察的微弱信号。这时系统需要关注足够的带外截止、有效透过率，以及激发与发射通道的合理匹配。

研究人员也展望了颜色路由技术在多光谱和荧光成像中的可能性，但重新分配光的空间去向，与抑制不需要的光谱成分，是两个不同问题。 在强背景或强激发光环境中，专门的光谱滤光元件依然有明确的工程价值。

两种思路并不矛盾。一片滤光片可能因为挡掉了无关背景，让微弱目标更加清晰；一组微纳结构也可能因为重新分配原本会损失的光，让低照度成像获得更多余量。

最终图像质量取决于入射波长、光谱分布、入射角、信噪比、传感器响应以及后端成像处理之间的共同作用，而不只是“透过了多少光”。

过去我们习惯问：哪些光应该被过滤掉？现在或许还可以多问一句：那些被过滤掉的光，有没有可能被更好地利用？