数字图像传感器（CCD、CMOS）的像素规模和性能是影响天文、遥感等领域成像质量的核心。目前，图像传感器芯片制造已趋近技术极限。中国科学院空天信息创新研究院（空天院）张泽研究团队首次提出了超采样成像的概念，相关成果于近日发表在《激光与光子学评论》（Laser & Photonics Reviews）上。
▲图为超采样成像技术流程示意图
什么是超采样成像？空天院团队负责人、研究员张泽说，数字图像传感器的工作原理本质上是对光场进行采样显像的过程，类似于传统的胶卷。根据奈奎斯特采样定律，一个信息光场周期至少需要两个像素采样才能不丢失信息，因此图像传感器的像素分辨率是图像显示的细节极限。超采样成像是突破像素分辨率极限，利用少数像素传感器实现大规模像素显像能力的技术。
自从数字图像传感器取代胶卷以来，成像技术一直受传感器采样极限的困扰。人类制造的数字图像传感器（最小感光单元为像素）在像素尺寸、数量规模和响应均匀性上远不及胶卷（最小感光单元为卤化银分子）。依据当前的制造水平，数字图像传感器的像素分辨率和成像质量难以大幅提升。超采样成像技术绕过了芯片制造水平的限制，为突破像素分辨率成像提供了一条鲁棒性很强的技术途径。“鲁棒性指的是在面对内部结构或外部环境改变时，仍然能够维持其功能稳定运行的能力。超采样成像技术具备这样的稳定性。”张泽介绍道。
在实现原理上，空天院科研团队采用稳态激光技术扫描数字图像传感器，通过稳态光场表达式和输出图像矩阵的关联关系，精确求解出了图像传感器像素内量子效率分布。当使用相机拍摄动态目标，或者移动相机拍摄静态场景时，利用获取的像素内量子效率和像素细分算法，即可以突破原始像素分辨率，实现超采样成像。据悉，稳态激光技术是由该团队首创的锋芒稳态激光技术演化而来，在原理上具有极稳定的光场形式。
▲图为部分超采样成像效果对比图及相应的定量评价，HSI为研究团队实验效果
超采样成像技术目前可以把像素规模提高5×5倍，即利用1k×1k的芯片可以实现5k×5k像素分辨率的成像。并且随着标校精度的进一步提升，像素分辨率还具有进一步的提升空间。张泽科普地介绍，打个比方，原有像素是一个方块，通过我们的技术可以将像素分割，等效变成25个像素（方块），对应着像素规模提升了25倍。
该项技术具有很大的应用发展潜力。以红外图像传感器为例，市场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产品，而采用超采样成像技术则可以利用2k×2k芯片实现8k×8k以上的像素分辨率，这在光学遥感、安防等成像领域具有广阔的应用前景。
目前，该技术已分别在室内、室外对无人机、建筑、高铁、月亮等目标进行了成像试验，显示了良好的技术鲁棒性。
来源：光明日报
编辑：庞 鹏
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