數字圖像傳感器的像素規模與性能是影響天文、遙感等領域成像質量的核心。當前，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張澤研究團隊首次提出超采樣成像概念。近日，相關研究成果發表在《激光與光子學評論》（Laser & Photonics Reviews）上。
數字圖像傳感器的工作原理本質上是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會不丟失信息。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。
自數字圖像傳感器取代膠卷以來，成像技術一直受到傳感器采樣極限的困擾。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不及膠卷。依據目前的制造水平，數字圖像傳感器的像素分辨率和成像質量難以大幅提升。超采樣成像技術規避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。
在實現原理上，該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，通過獲取的像素內量子效率和像素細分算法，可以突破原始像素分辨率，實現超采樣成像。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。
超采樣成像技術目前可以將像素規模提高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。隨著標校精度提高，像素分辨率具有提升空間。打個比方，原有像素是一個方塊，通過這一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。
該技術具有廣闊應用發展潛力。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，在光學遙感、安防等成像領域具有應用前景。
目前，這一技術在室內、室外對無人機、建筑、高鐵、月亮等目標進行了成像試驗，展現出良好的技術魯棒性。
超采樣成像技術流程示意圖
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