超採樣成像技術流程示意圖。中國科學院空天信息創新研究院供圖

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（以下簡稱“空天院”）研究員張澤團隊首次提出了超採樣成像的概念，相關成果於近日發表在學術期刊《激光與光子學評論》上。

什麼是超採樣成像？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是對光場進行採樣顯像的過程，類似於傳統的膠卷。根據奈奎斯特採樣定律，一個信息光場周期至少需要兩個像素採樣才能不丟失信息，因此圖像傳感器的像素分辨率是圖像顯示的細節極限。超採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採樣極限的困擾。人類制造的數字圖像傳感器在像素尺寸、數量規模和響應均勻性上遠不及膠卷。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。超採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。超採樣成像技術具備這樣的穩定性。”張澤介紹。

在實現原理上，空天院科研團隊採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，實現超採樣成像。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。

超採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。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。

張澤打了個比方，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，而採用超採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。

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