超采样成像技术流程示意图。（中国科学院空天院 供图）

部分超采样成像效果对比图及相应的定量评价。（中国科学院空天院 供图）

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，为提供解决方案，中国科研团队在国际上首次测定像素内量子效率，可以分割像素并实现超采样成像。

中国科学院空天信息创新研究院（空天院）11月27日向媒体发布消息说，该院张泽研究团队首次提出超采样成像概念并予以实现及相关研究成果论文，近日已在《激光与光子学评论》（Laser& Photonics Reviews）上发表。

什么是超采样成像？

张泽研究员解读说，数字图像传感器的工作原理本质上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。

本项研究提出的超采样成像技术，则绕过芯片制造水平的限制，为突破像素分辨率成像提供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。”张泽说。

研究应用前景如何？

在实现原理上，中国科学院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。其中，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。

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。

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。张泽打比方科普称，原有像素是一个方块，通过超采样成像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25倍。

张泽表示，超采样成像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，超采样成像技术已分别在室内、室外对无人机、建筑、高铁、月亮等目标进行成像试验，结果显示出良好的技术鲁棒性。