中國團隊在國際上首次測定像素內量子效率 實現超采樣成像

數字圖像傳感器(CCD、CMOS)的像素規模和性能是影響天文、遙感等領域成像質量的核心。目前，圖像傳感器芯片制造已趨近技術極限，為提供解決方案，中國科研團隊在國際上首次測定像素內量子效率，可以分割像素并實現超采樣成像。

中國科學院空天信息創新研究院(空天院)11月27日向媒體發布消息說，該院張澤研究團隊首次提出超采樣成像概念并予以實現及相關研究成果論文，近日已在《激光與光子學評論》(Laser& Photonics Reviews)上發表。

什么是超采樣成像？

張澤研究員解讀說，數字圖像傳感器的工作原理本質上對光場進行采樣顯像的過程，類似于傳統的膠卷。根據奈奎斯特采樣定律，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極限。超采樣成像是突破像素分辨率極限，利用少數像素傳感器實現大規模像素顯像能力的技術。

超采樣成像技術流程示意圖。(中國科學院空天院 供圖)

自從數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。人類制造的數字圖像傳感器(最小感光單元為像素)在像素尺寸、數量規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)。依據當前的制造水平，數字圖像傳感器的像素分辨率和成像質量難以大幅提升。

本項研究提出的超采樣成像技術，則繞過芯片制造水平的限制，為突破像素分辨率成像提供一條魯棒性很強的技術途徑。“魯棒性指的是在面對內部結構或外部環境改變時，仍然能夠維持其功能穩定運行的能力。超采樣成像技術具備這樣的穩定性。”張澤說。

研究應用前景如何？

在實現原理上，中國科學院空天院科研團隊采用穩態激光技術掃描數字圖像傳感器，通過穩態光場表達式和輸出圖像矩陣的關聯關系，精確求解出了圖像傳感器像素內量子效率分布。其中，穩態激光技術是由該團隊首創的鋒芒穩態激光技術演化而來，在原理上具有極穩定的光場形式。

當使用相機拍攝動態目標，或者移動相機拍攝靜態場景時，利用獲取的像素內量子效率和像素細分算法，即可以突破原始像素分辨率，實現超采樣成像。

部分超采樣成像效果對比圖及相應的定量評價。(中國科學院空天院 供圖)

超采樣成像技術目前可以把像素規模提高5×5倍，即利用1k×1k的芯片可以實現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。張澤打比方科普稱，原有像素是一個方塊，通過超采樣成像技術可以將像素分割，等效變成25個像素(方塊)，對應著像素規模提升25倍。

張澤表示，超采樣成像技術具有很大的應用發展潛力。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品，而采用超采樣成像技術則可以利用2k×2k芯片實現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，超采樣成像技術已分別在室內、室外對無人機、建筑、高鐵、月亮等目標進行成像試驗，結果顯示出良好的技術魯棒性。(完)