圖為超采樣成像技術流程示意圖

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。中國科學院空天信息創新研究院(空天院)張澤研究團隊首次提出了超采樣成像的概念，相關成果于近日發表在《激光與光子學評論》(Laser & Photonics Reviews)上。

什么是超采樣成像?空天院團隊負責人、研究員張澤說，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。

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。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。”張澤介紹道。

在實現原理上，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。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。據悉，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。

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)，對應著像素規模提升了25倍。

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

審核編輯 黃宇