2026年10月23日，由新加坡科技设计大学（SUTD）领导，联合中国、日本研究人员组成的团队，利用双光子聚合（Two-Photon Polymerization，2PP）3D打印技术制造出一种微型聚合物“彩色路由器（ColorRouter）”。与传统相机传感器依靠彩色滤光片“过滤”红、绿、蓝光不同，这种微纳结构能够直接将不同波长的光引导至相应传感器像素，从而减少光能损失，为手机、相机以及低光成像设备提供一种新的技术路线。
相关研究以题为“3D printed designer colour routerswith low refractive index for low-light imaging”的论文发表于《NatureCommunications》期刊。
目前，从智能手机到数码相机，大多数CMOS图像传感器都采用Bayer彩色滤光阵列。一个典型的RGGB像素单元由红、绿、绿、蓝四个滤光区域组成，每个像素只允许对应颜色的光通过，其余波段则被吸收。这种方案结构成熟、成本较低，但代价也非常明显：传统Bayer滤光阵列通常只能让大约30%的入射白光真正到达传感器。在光照充足环境下，这种损失影响有限；但进入夜晚、室内等弱光环境后，就会表现为噪点增加、曝光时间延长以及运动模糊加剧。
SUTD团队希望改变这种“先吸收、再成像”的方式。新开发的彩色路由器并不把不需要的颜色挡掉，而是通过精心设计的纳米结构，将红、绿、蓝三种波段分别“导向”对应传感区域。研究负责人、SUTD教授 Joel Yang解释说：“颜色路由器会将这些颜色引导至相应的传感区域，从而使三倍以上的入射光得以利用。”
△用于图像传感器的低折射率彩色路由。 (a,b) 传统拜耳滤光片传感器和基于彩色路由的传感器的示意图。(c) 代表性光学材料的折射率和色散比较，重点突出低折射率、低色散材料。
4根纳米柱组成一个“光线交通指挥系统”
与此前常采用二氧化钛、氮化镓等高折射率材料的彩色路由器不同，研究团队此次选择了折射率约为1.5的低折射率聚合物IP-L树脂。这类聚合物价格相对低、材料来源广，也更容易与未来的大规模制造工艺兼容。但问题在于，低折射率材料对光的操控能力较弱。论文第一作者、新加坡科技设计大学博士研究生潘成峰说：“基于我们在 3D 打印聚合物光学器件方面的经验，我们想探索精心优化的几何形状是否可以克服这一限制。”
每个彩色路由单元由4根不同尺寸的圆柱形纳米柱组成，通过双光子聚合3D打印制造，最小结构特征可达到约150 nm。这些柱体并不是简单的“红色柱”“绿色柱”或“蓝色柱”，而是4根纳米柱共同作用，通过不同波长光线之间的散射和干涉，将RGB光分别引导至对应位置。
△所制备的聚合物纳米柱和周期性阵列的扫描电子显微镜图像；路由彩色图案的光学图像，图中勾勒出一个RGGB单元。
1平方毫米内打印25万个单元
最终设计在仿真中实现了接近90%的可见光路由效率，而实验制造出的实际器件也达到约70%的透射/路由效率，明显高于商业Bayer滤光片通常约20%—35%的有效光利用率。研究人员利用2PP技术，在约1×1mm²的区域内打印了约25万个彩色路由单元。实际性能低于理论模拟结果，研究团队认为主要来自纳米制造过程中的尺寸偏差，而并非设计本身存在根本限制。
更关键的是，研究人员随后把这些结构用于真实成像测试。在单色图像传感器实验中，通过3D打印彩色路由器获得的图像，在曝光时间仅为传统滤光方案约三分之一的情况下，仍表现出更好的颜色还原效果。对于弱光摄影而言，更短曝光意味着手持拍摄时更不容易产生拖影，同时也有机会降低由于提高ISO而带来的图像噪声。
△通过在相机成像系统中集成颜色路由器进行图像重建
3D打印只是验证，未来目标是规模化制造
值得注意的是，这项技术目前仍处于实验室验证阶段，并不意味着未来手机摄像头需要逐个用双光子打印机制造纳米结构。研究团队特别将该结构设计成相对简单的“2.5D结构”：所有纳米柱都位于平整基底上，没有复杂悬垂结构或封闭空腔。相比真正的三维纳米结构，这种设计更加适合未来通过压印、复制等方式进行批量制造。Joel Yang表示，纳米3D打印目前主要用于验证设计理念是否有效，真正进入规模化制造还需要针对晶圆厂兼容材料和生产工艺重新优化结构。因此，2PP在这里扮演的角色更像是一个高精度“研发工具”——先快速验证此前难以制造的微纳光学结构，再为后续规模化工艺提供设计基础。
不只用于手机拍照，还可拓展到多光谱和生物成像
除了手机和数码相机，这种光路由技术还有望进一步拓展到多光谱成像。传统RGB传感器只有三个主要颜色通道，而通过重新设计纳米结构，彩色路由器理论上可以被调节至更多特定波段，从而构建更加紧凑的多光谱传感器。
研究团队特别提到了活细胞荧光成像。在此类应用中，荧光信号往往非常微弱，同时过强的照明还可能损伤生物样本。如果能够将有限的荧光信号更高效地引导至传感器，就有望在降低照明强度的同时提高成像效率。
下一步，研究人员计划将彩色路由器直接集成到图像传感器表面，进一步验证其在真实相机中的曝光时间、噪声和色彩精度表现。同时，还将降低不同颜色通道之间的串扰，并提升系统对不同入射角光线的适应能力。从3D打印行业角度来看，这项成果展示了增材制造在微纳光学领域越来越重要的一类应用：3D打印并不一定制造最终产品，而可以成为实现复杂光学结构、验证新型器件设计的重要工具。
当高分辨率3D打印、逆向光学设计与图像传感器结合后，未来的相机或许不再依靠“滤掉不需要的光”来识别颜色，而是通过微纳结构把每一束光主动“送到它该去的地方”。
来源：南极熊
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