數(shù)字圖像傳感器（CCD、CMOS）的像素規(guī)模和性能是影響天文、遙感等領域成像質(zhì)量的核心。目前，圖像傳感器芯片制造已趨近技術極限。中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院（空天院）張澤研究團隊首次提出了超采樣成像的概念，相關成果于近日發(fā)表在《激光與光子學評論》（Laser & Photonics Reviews）上。

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圖為超采樣成像技術流程示意圖

什么是超采樣成像？空天院團隊負責人、研究員張澤說，數(shù)字圖像傳感器的工作原理本質(zhì)上對光場進行采樣顯像的過程，類似于傳統(tǒng)的膠卷。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，一個信息光場周期至少需要兩個像素采樣才能不丟失信息，因此圖像傳感器的像素分辨率是圖像顯示的細節(jié)極限。超采樣成像是突破像素分辨率極限，利用少數(shù)像素傳感器實現(xiàn)大規(guī)模像素顯像能力的技術。

自從數(shù)字圖像傳感器取代膠卷以來，成像技術一直受傳感器采樣極限的困擾。人類制造的數(shù)字圖像傳感器（最小感光單元為像素）在像素尺寸、數(shù)量規(guī)模和響應均勻性上遠不及膠卷（最小感光單元為鹵化銀分子）。依據(jù)當前的制造水平，數(shù)字圖像傳感器的像素分辨率和成像質(zhì)量難以大幅提升。超采樣成像技術繞過了芯片制造水平的限制，為突破像素分辨率成像提供了一條魯棒性很強的技術途徑。“魯棒性指的是在面對內(nèi)部結(jié)構或外部環(huán)境改變時，仍然能夠維持其功能穩(wěn)定運行的能力。超采樣成像技術具備這樣的穩(wěn)定性�！睆垵山榻B道。

在實現(xiàn)原理上，空天院科研團隊采用穩(wěn)態(tài)激光技術掃描數(shù)字圖像傳感器，通過穩(wěn)態(tài)光場表達式和輸出圖像矩陣的關聯(lián)關系，精確求解出了圖像傳感器像素內(nèi)量子效率分布。當使用相機拍攝動態(tài)目標，或者移動相機拍攝靜態(tài)場景時，利用獲取的像素內(nèi)量子效率和像素細分算法，即可以突破原始像素分辨率，實現(xiàn)超采樣成像。據(jù)悉，穩(wěn)態(tài)激光技術是由該團隊首創(chuàng)的鋒芒穩(wěn)態(tài)激光技術演化而來，在原理上具有極穩(wěn)定的光場形式。

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圖為部分超采樣成像效果對比圖及相應的定量評價，HSI為研究團隊實驗效果

超采樣成像技術目前可以把像素規(guī)模提高5×5倍，即利用1k×1k的芯片可以實現(xiàn)5k×5k像素分辨率的成像。并且隨著標校精度的進一步提升，像素分辨率還具有進一步的提升空間。張澤科普地介紹，打個比方，原有像素是一個方塊，通過我們的技術可以將像素分割，等效變成25個像素（方塊），對應著像素規(guī)模提升了25倍。

該項技術具有很大的應用發(fā)展?jié)摿�。以紅外圖像傳感器為例，市場化的成像芯片分辨率一般在2k×2k以下，3k×3k、4k×4k的成像芯片尚未有成熟的商用產(chǎn)品，而采用超采樣成像技術則可以利用2k×2k芯片實現(xiàn)8k×8k以上的像素分辨率，這在光學遙感、安防等成像領域具有廣闊的應用前景。

目前，該技術已分別在室內(nèi)、室外對無人機、建筑、高鐵、月亮等目標進行了成像試驗，顯示了良好的技術魯棒性。