科學家打造成像芯片精密測量平台，可用於智能手機成像和生物成像

近日，中國科學院空天信息創新研究院（空天院）張澤研究員和團隊搭建出一套成像芯片精密測量平台，其中包括穩態光場產生（即精密光場「尺子」）、光纖陣列及變換模塊、精密位移裝置、低熱變基座、真空環境隔離腔等。

其中：

• 穩態光場採用該課題組發明的消波矢技術，使得光場形態在局部區域非常穩定；

• 光纖陣列及變換模塊，被用於調控穩態光場的空間頻率；

• 精密位移平台則被用於精確地移動待標校芯片；

• 低熱變基座和真空環境隔離腔用於隔離振動、氣流、雜散光等環境的干擾。

在芯片精密測量平台上，該團隊對成像芯片進行標定，發現和驗證了多個新現象和新機理：

• 其一，測定了亞像素級的量子效率，研究發現位於邊緣處的像素，量子效率會低一些；

• 其二，像素內的量子效率分佈非常隨機，處處不同，同一個像素，其邊緣和角位置的量子效率往往低一些；

• 其三，成像芯片往往存在奇點像素，它們的響應顯著不同於其它像素，分析可能是製造缺陷；

• 其四，課題組測出了像素內量子效率，借此發現像素內不同位置的光電轉換能力並不一致，這為超采樣成像提供了依據，也是本次研究的最大發現。

研究人員由此表示：「一些宏觀看似非常平整的東西，在微觀世界真的是‘溝壑連綿’。」

在應用上：

首先，通過測量成像芯片的量子效率分佈，可以評估成像芯片的製造性能，從而有助於改進芯片工藝，即本次技術最直接的應用是在成像芯片製造與檢測領域。

其次，將該技術用於相機系統之中，可以突破成像芯片的固有采樣極限，提升成像芯片的像素解像度。

再次，該技術有可能實現對於成像鏡頭點擴散函數的精確測量，從而檢測和提升鏡頭的成像質量。

「誤差本身並不可怕，怕的是對它的未知」

大約二十年前，相機的顯像器件主要是膠卷。它是一種把鹵化銀顆粒均勻散佈在膠體中，並塗抹在基片上製造的感光器件。其中鹵化銀是感光物質，也是膠卷的顯像核心。

膠卷顯像是個不可逆的化學變化，因此形成的圖像是固態的，不方便傳輸。後來，以 CCD（charge coupled device camera）、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）為代表的數字圖像傳感器取代了膠卷。

數字圖像傳感器的感像單元是像素，可以把光子變成電子進而存儲成電子圖像，這是個可逆的物理過程，因此非常方便記錄和傳輸，為人類記錄世界提供了非常便捷的技術手段，得到了大規模應用。

隨之而來的是，學界開始關注對於膠卷和數字圖像傳感器成像質量的討論。

相機總體的成像質量和諸多因素有關，包括鏡頭、裝調、電子單元和成像芯片等，而成像芯片是像質惡化的瓶頸，尤其是感知物體細節時，成像芯片的傳遞函數是各因素中最低的。

傳遞函數是一個物理概念，可以通俗描述為從物體到像的信息傳遞性能。那麼，成像芯片為什麼是像質惡化的重要原因？主要是因為人工製造的像素，在尺寸、格點位置、響應均勻性、像素串擾等方面存在較大誤差。

膠卷中的感光顆粒雖然尺寸也不均勻，但經過技術手段可以把尺寸做得很小，並且它在響應均勻性、串擾方面也有顯著優勢。

其實，誤差本身並不可怕，怕的是對它的未知。如能發明一種高精密的光場「尺子」，測量出像素的誤差，在後面的成像過程中，就可以把它修補回來，從而實現高質量成像。在這樣一個初衷下，該團隊開展了針對超采樣成像的研究。

構建最精確的光場，拿到量子效率分佈表

張澤本人最早主要從事激光應用方面的研究，包括光鑷、納米流體、無衍射光束、相控陣和光場穩態傳輸等。

2014 年，因工作需要部門領導擬調張澤到成像光學部門工作。因此，張澤覺得有必要給自己找一個成像領域的研究方向。

當時，張澤的同事正在開展簡單光學方面的研究，即利用光學手段測量單個透鏡的成像像差，在成像過程對圖像進行像差補償，從而實現高質量成像。

張澤的同事利用一片透鏡實現一個複雜鏡組的成像效果，並將其稱為簡單光學。受到同事研究方向的啟發，張澤想看看能否測量成像芯片的各種誤差，從而實現高質量的顯像。

經過充分的調研，張澤發現製約相機成像質量的因素中，成像芯片是一個瓶頸難題，因此該方向有可能產生非常好的應用前景，於是他開始帶領團隊著手課題研究。

大概不到一年的時間，研發團隊得到了比較好的仿真結果，並初步認定理論是可行的。

2016 年初，研發團隊開始搭建實驗光路，其後遇到了各種難題。他們起初採用的是小孔陣列，以用於產生一維的干涉條紋，但是發現條紋畸變很大，無法實現實際用途。

經過調研，課題組確定了單模光纖陣列的產生方案，借此得到了十分漂亮的干涉光場。接著卻遇到了低頻振動、氣流、溫差等環境因素的影響，使得條紋方程的擬合始終難以閉環。

於是，研發團隊又採購了真空腔、微晶平台、殷鋼板等繼續開展實驗，儘管實驗效果有所提升，但是仍然達不到理論分析的精度要求。

這時，課題組在另外一項關於鋒芒穩態激光技術的研究中取得了重要進展，首次實現了鋒芒穩態激光束的高效率和公里級的傳輸。

借鑒於鋒芒穩態激光的光場橫向波矢消除機理，他們進一步提升了光場的波形穩定性。

同時，穩態光場是精確時變的，因此他們採取了在時域擬合光場形態，在空間域使用的方案，從而最終實現了測量光場的精確擬合。

縱觀整個研究過程，穩態光場的研究花費時間最多，遇到的困難也最多最大。張澤指出，穩態光場也是整個實驗最重要的工具，它也是測量成像芯片誤差和量子效率的最精確的「尺子」。

2018 年，課題組補齊了理論缺陷和實驗缺陷，最終產生了非常穩定的穩態光場。2019 年，張澤等人首次測出了成像芯片的量子效率分佈。

但卻發現該量子效率分佈難以重構出超采樣的圖像，圖像質量不但不提升反而降低。

經過多次的理論分析和仿真驗證，課題組確定是環境中的低頻振動對幹涉光場產生了影響。於是，他們花費幾個月去測量振動，借此發現一些有趣的現象：

比如，環境中無時無刻都有一個約 0.26Hz 的振動波；此外，還發現每當上下班高峰的時候，振動波總是變得很強，穩態光場的形態擬合也就不能閉環，因此他們只能在淩晨做實驗，才能規避振動的影響。

後來，基於光場的振動敏感性，他們還研製出高靈敏的振動測量儀器，該儀器沒有任何慣性質量塊，因此靈敏度和波形測量準確度都很高。

接著，經過多次的努力攻關，他們終於採集到最精確的光場，拿到可以實現高精度成像的量子效率分佈表。

此後幾年，該團隊一直在開展超采樣成像實驗，先後完成了針對人類、單車、汽車、火車、飛機、無人機、月亮等目標的超采樣成像。

同時，他們還開發了自動超采樣算法和軟件系統，使得本次成果距離工程應用更近了一步。

日前，相關論文以《通過穩態波場測量像素內量子效率實現超采樣成像》（Hyper-Sampling Imaging by Measurement of Intra-Pixel Quantum Efficiency Using Steady Wave Field）為題發在 Laser & Photonics Reviews[1]，薛鶴猛是第一作者，張澤擔任通訊作者。

後續：

首先，課題組將把標校裝置拓展到可見光譜段，原因在於可見光相機的應用最為廣泛。

其次，課題組將解決應用中的一些工程化問題，根據需求確定產品形態，形成標準化實驗設備和產品。

目前，他們正在搭建一套新的測量裝置，該裝置將重點解決環境干擾、譜段拓展等問題，預計將能實現 6×6 倍以上解像度的提升。

參考資料：

1.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202401306

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