相机里的彩色滤光片， 真的要被淘汰了吗？

GIAI PHOTONICS / 光学前沿观察

2026年11月2日 · 光学科普 · 成像技术

夜里用手机拍街景，按下快门后，屏幕上有时会出现一行提示：“请保持稳定”。手机在等光。弱光下，感光像素能接收到的光子本来就少，相机只好延长曝光时间，或提高信号增益。前者怕手抖和移动物体，后者又可能让噪点更加明显。

但有一部分光，甚至还没到达感光像素，就已经在颜色筛选过程中损失了。这道“关卡”，便是传感器表面的彩色滤光阵列。

新加坡科技设计大学（SUTD）牵头，联合中国和日本研究人员，研究了一种不同的分色方法：不是把不需要的颜色吸收掉，而是尽量把它们引导到对应的像素位置。相关论文于2026年8月27日发表在《Nature Communications》。

01为了分辨颜色，相机先舍弃了一部分光

普通 CMOS 感光像素主要记录光信号的强弱，不能单凭一个像素的电信号，就判断入射光属于哪种颜色。因此，彩色相机常在感光阵列前设置一层 Bayer 彩色滤光阵列。

最常见的排列方式是 RGGB：每四个像素中，有两个绿色、一个红色、一个蓝色。相机记录各像素的亮度后，再利用去马赛克算法和颜色校正等处理，还原出彩色图像。

问题在于它的选色方式。红色滤光单元主要让红光通过，其余颜色大部分被吸收；绿色和蓝色单元也是同样的道理。传统 Bayer 阵列对入射白光的整体透过率，论文给出的典型水平约为 30%。这一数字与具体材料、光谱条件和器件设计有关，不是所有相机的固定参数。

白天光线充足时，这种损失未必显眼；到了夜景、室内弱光或需要短曝光的场景，每一份没能利用的光都可能影响信噪比。

02不挡光，而是让不同颜色各走各的路

研究人员提出的 Color Router（颜色路由器），试图改变“筛掉其他颜色”的思路。它利用经过设计的微纳结构，让不同波长的光产生不同的散射与干涉分布，并尽量汇聚到相应的红、绿、蓝感光区域。

可以把传统滤光片想象成道路入口的检查站：颜色不对，就不让通过。颜色路由器则像提前设置了分流路线，希望不同颜色的车都能进入自己的车道。

当然，光不是小汽车。光的分布由电磁波的传播与干涉决定，并不能做到每种颜色百分之百进入指定像素。仍有一部分光可能进入相邻通道，形成颜色串扰。颜色路由器并没有制造更多光子，只是希望少浪费原本会被滤除的光。

03四根微小的柱子，为什么能改变光的去向？

颜色路由并非全新的概念。此前一些研究使用二氧化钛、氮化镓等高折射率材料来调控光场。这次团队选择了折射率约 1.5 的 IP-L 聚合物树脂。低折射率意味着单靠材料本身实现强烈光场调控并不容易，需要在几何结构上下更多功夫。

团队使用双光子聚合 3D 打印技术，制造出微小的圆柱形纳米柱。每个 RGGB 单元对应四根经过设计的柱子，其高度和直径并不完全相同。这四根柱子不是“一根负责一种颜色”的小滤镜，而是共同作用，通过散射光场的干涉来控制不同颜色的能量分布。

设计过程采用粒子群优化：不断调整几何参数，重点改善表现最弱的颜色通道，避免只让某一种颜色效率很高、另外两种却明显掉队。

这些纳米柱都连接在同一平面基底上，不存在悬空结构和封闭空腔。论文将其归为“2.5D”设计。这有利于未来考虑复制制造，但是否能够经济、稳定地量产，仍需要进一步的工艺验证。

04模拟 87%，实测 70%：这两个数字要怎么看？

根据论文摘要，研究器件在可见光范围内获得了模拟约 87%、实验约 70% 的整体透过率。研究人员还测量了光被导向目标颜色区域的效率，但这是另一项指标，不能与整体透过率混为一谈。

两者究竟差在哪？整体透过率关心有多少光穿过这一结构；颜色路由效率还要关心有多少光真正到达指定颜色的像素区域。光虽然通过了器件，却落在错误的像素上，仍可能造成颜色误差。

论文在单色波长下测得的蓝、绿、红三个通道峰值路由效率分别约为 40%、51% 和 48%。这也提醒我们：看一项光学技术，不能只盯着一个最醒目的百分比，还要弄清它测量的究竟是什么。

05实验里，曝光从 10 毫秒缩短到 4 毫秒

为了验证成像表现，研究人员使用单色 CMOS 传感器和相应的颜色重建流程，对颜色路由结构与传统滤光阵列方案进行了比较。研究中的一组亮度实验显示：颜色路由方案约 4 毫秒曝光，就能达到传统滤光方案约 10 毫秒曝光时的相近亮度。

曝光时间在这组实验中减少约 60%，并不等于所有相机都能获得同样提升；更不能把它直接理解成手机拍照速度提升 60%。论文报告的颜色保真度改善，也要结合具体实验条件判断。

对低照度成像和高速检测而言，若未来可以在真实系统中用更短曝光获得足够信号，确实有机会减少运动模糊。研究团队也提到了多光谱与低光照荧光成像等潜在方向，但这些应用还需要相应的器件设计和实验验证。

06所以，彩色滤光片真的会消失吗？

目前还远不能这样判断。论文中的器件属于概念验证，尚未直接集成到商用图像传感器芯片上。从实验室结构走向量产，还要解决斜入射下的分色稳定性、结构与像素的位置对准、通道串扰、材料与晶圆工艺兼容性，以及大面积复制的一致性。

还有一点很重要：Bayer 阵列只是光学滤光片的众多用途之一。它主要用于让不同像素获得不同颜色的信息；而 IR-CUT 滤光片用于抑制影响可见光色彩还原的近红外成分，工业带通滤光片用于选择工作照明波段，荧光检测中的激发和发射滤光片则需要按照光谱要求选择性透过或截止。

这些系统问题，并不会因为出现一种可见光颜色路由结构就自动消失。未来某些应用可能出现新的集成光学方案，但并不能据此认为其他波段选择和背景抑制元件就不再需要了。

对成像工程师来说，这项研究真正有价值的启发，是把光学系统看成一个整体：光源、光谱选择、颜色分离、入射角、传感器响应与后续算法，需要共同评估。

激埃特光电从事光学滤光片、光学镀膜及精密光学元件的定制制造。在实际成像与检测项目中，可根据光谱要求、图纸或样品，结合中心波长、带宽、截止范围、入射角和使用条件进行项目级评估。

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