在中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院的最新科研突破中，張澤研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出了一項(xiàng)革命性的成像技術(shù)——超采樣成像技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的核心在于首次實(shí)現(xiàn)了像素級(jí)別的“分割”，極大地提升了圖像傳感器的像素分辨率和成像質(zhì)量。相關(guān)研究成果已在《激光與光子學(xué)評(píng)論》雜志上發(fā)表。
張澤研究員解釋了超采樣成像技術(shù)的原理。他指出，數(shù)字圖像傳感器的工作原理可以看作是光場的采樣顯像過程，類似于傳統(tǒng)的膠卷。然而，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，圖像傳感器的像素分辨率一直是圖像顯示細(xì)節(jié)的極限。超采樣成像技術(shù)則打破了這一限制，通過少數(shù)像素傳感器實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模像素顯像的能力。
長期以來，數(shù)字圖像傳感器一直受到采樣極限的困擾。盡管數(shù)字圖像傳感器已經(jīng)取代了膠卷，但在像素尺寸、數(shù)量規(guī)模和響應(yīng)均勻性上，仍遠(yuǎn)不及膠卷。當(dāng)前的制造水平使得數(shù)字圖像傳感器的像素分辨率和成像質(zhì)量難以大幅提升。而超采樣成像技術(shù)則巧妙地繞過了這一限制，為突破像素分辨率提供了一條新的技術(shù)路徑。這項(xiàng)技術(shù)具有強(qiáng)大的魯棒性，能夠在內(nèi)部結(jié)構(gòu)或外部環(huán)境改變時(shí)，仍然保持功能的穩(wěn)定運(yùn)行。
空天院科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)現(xiàn)超采樣成像技術(shù)的過程中，采用了穩(wěn)態(tài)激光技術(shù)掃描數(shù)字圖像傳感器。通過穩(wěn)態(tài)光場表達(dá)式和輸出圖像矩陣的關(guān)聯(lián)關(guān)系，團(tuán)隊(duì)精確求解出了圖像傳感器像素內(nèi)量子效率分布。當(dāng)使用相機(jī)拍攝動(dòng)態(tài)目標(biāo)或移動(dòng)相機(jī)拍攝靜態(tài)場景時(shí)，利用這一量子效率和像素細(xì)分算法，即可突破原始像素分辨率，實(shí)現(xiàn)超采樣成像。穩(wěn)態(tài)激光技術(shù)是由該團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的鋒芒穩(wěn)態(tài)激光技術(shù)演化而來，具有極穩(wěn)定的光場形式。
超采樣成像技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果令人矚目。目前，該技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)⑾袼匾?guī)模提高5×5倍，即利用1k×1k的芯片實(shí)現(xiàn)5k×5k像素分辨率的成像。隨著標(biāo)校精度的進(jìn)一步提升，像素分辨率還有望繼續(xù)提升。張澤研究員形象地比喻說，原有的像素就像一個(gè)方塊，而超采樣成像技術(shù)則可以將這個(gè)方塊分割成25個(gè)小方塊，相當(dāng)于像素規(guī)模提升了25倍。
這項(xiàng)技術(shù)在成像領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。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，而更高分辨率的成像芯片尚未有成熟的商用產(chǎn)品。然而，采用超采樣成像技術(shù)，可以利用2k×2k芯片實(shí)現(xiàn)8k×8k以上的像素分辨率。這在光學(xué)遙感、安防等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮巨大的作用，推動(dòng)成像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
目前，超采樣成像技術(shù)已經(jīng)在室內(nèi)、室外對(duì)無人機(jī)、建筑、高鐵、月亮等目標(biāo)進(jìn)行了成像試驗(yàn)，均顯示了良好的技術(shù)魯棒性。這一技術(shù)的成功研發(fā)，不僅為成像技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力，也為相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的支持。
