空天院打造成像芯片精密测量平台，可用于手机成像和生物成像芯片制造与检测

MEMS 2025-01-09 00:01

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来源：深科技

近日，中国科学院空天信息创新研究院（简称：空天院）张泽研究员和团队搭建出一套成像芯片精密测量平台，其中包括稳态光场产生（即精密光场“尺子”）、光纤阵列及变换模块、精密位移装置、低热变基座、真空环境隔离腔等。

其中：

稳态光场采用该课题组发明的消波矢技术，使得光场形态在局部区域非常稳定；
光纤阵列及变换模块，被用于调控稳态光场的空间频率；
精密位移平台则被用于精确地移动待标校芯片；
低热变基座和真空环境隔离腔用于隔离振动、气流、杂散光等环境的干扰。

在芯片精密测量平台上，该团队对成像芯片进行标定，发现和验证了多个新现象和新机理：

其一，测定了亚像素级的量子效率，研究发现位于边缘处的像素，量子效率会低一些；
其二，像素内的量子效率分布非常随机，处处不同，同一个像素，其边缘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点像素，它们的响应显著不同于其它像素，分析可能是制造缺陷；
其四，课题组测出了像素内量子效率，借此发现像素内不同位置的光电转换能力并不一致，这为超采样成像提供了依据，也是本次研究的最大发现。

研究人员由此表示：“一些宏观看似非常平整的东西，在微观世界真的是‘沟壑连绵’。”

在应用方面：

首先，通过测量成像芯片的量子效率分布，可以评估成像芯片的制造性能，从而有助于改进芯片工艺，即本次技术最直接的应用是在成像芯片制造与检测领域。

其次，将该技术用于相机系统之中，可以突破成像芯片的固有采样极限，提升成像芯片的像素分辨率。

再次，该技术有可能实现对于成像镜头点扩散函数的精确测量，从而检测和提升镜头的成像质量。

图 | 研发团队（来源：张泽）

“误差本身并不可怕，怕的是对它的未知”

大约二十年前，相机的显像器件主要是胶卷。它是一种把卤化银颗粒均匀散布在胶体中，并涂抹在基片上制造的感光器件。其中卤化银是感光物质，也是胶卷的显像核心。

胶卷显像是个不可逆的化学变化，因此形成的图像是固态的，不方便传输。后来，以 CCD（charge coupled device camera）、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）为代表的数字图像传感器取代了胶卷。

数字图像传感器的感像单元是像素，可以把光子变成电子进而存储成电子图像，这是个可逆的物理过程，因此非常方便记录和传输，为人类记录世界提供了非常便捷的技术手段，得到了大规模应用。

随之而来的是，学界开始关注对于胶卷和数字图像传感器成像质量的讨论。

相机总体的成像质量和诸多因素有关，包括镜头、装调、电子单元和成像芯片等，而成像芯片是像质恶化的瓶颈，尤其是感知物体细节时，成像芯片的传递函数是各因素中最低的。

传递函数是一个物理概念，可以通俗描述为从物体到像的信息传递性能。那么，成像芯片为什么是像质恶化的重要原因？主要是因为人工制造的像素，在尺寸、格点位置、响应均匀性、像素串扰等方面存在较大误差。

胶卷中的感光颗粒虽然尺寸也不均匀，但经过技术手段可以把尺寸做得很小，并且它在响应均匀性、串扰方面也有显著优势。

其实，误差本身并不可怕，怕的是对它的未知。如能发明一种高精密的光场“尺子”，测量出像素的误差，在后面的成像过程中，就可以把它修补回来，从而实现高质量成像。在这样一个初衷下，该团队开展了针对超采样成像的研究。

（来源：Laser & Photonics Reviews）

构建最精确的光场，拿到量子效率分布表

张泽本人最早主要从事激光应用方面的研究，包括光镊、纳米流体、无衍射光束、相控阵和光场稳态传输等。

2014 年，因工作需要部门领导拟调张泽到成像光学部门工作。因此，张泽觉得有必要给自己找一个成像领域的研究方向。

当时，张泽的同事正在开展简单光学方面的研究，即利用光学手段测量单个透镜的成像像差，在成像过程对图像进行像差补偿，从而实现高质量成像。

张泽的同事利用一片透镜实现一个复杂镜组的成像效果，并将其称为简单光学。受到同事研究方向的启发，张泽想看看能否测量成像芯片的各种误差，从而实现高质量的显像。

经过充分的调研，张泽发现制约相机成像质量的因素中，成像芯片是一个瓶颈难题，因此该方向有可能产生非常好的应用前景，于是他开始带领团队着手课题研究。

大概不到一年的时间，研发团队得到了比较好的仿真结果，并初步认定理论是可行的。

2016 年初，研发团队开始搭建实验光路，其后遇到了各种难题。他们起初采用的是小孔阵列，以用于产生一维的干涉条纹，但是发现条纹畸变很大，无法实现实际用途。

经过调研，课题组确定了单模光纤阵列的产生方案，借此得到了十分漂亮的干涉光场。接着却遇到了低频振动、气流、温差等环境因素的影响，使得条纹方程的拟合始终难以闭环。

于是，研发团队又采购了真空腔、微晶平台、殷钢板等继续开展实验，尽管实验效果有所提升，但是仍然达不到理论分析的精度要求。

这时，课题组在另外一项关于锋芒稳态激光技术的研究中取得了重要进展，首次实现了锋芒稳态激光束的高效率和公里级的传输。

借鉴于锋芒稳态激光的光场横向波矢消除机理，他们进一步提升了光场的波形稳定性。

同时，稳态光场是精确时变的，因此他们采取了在时域拟合光场形态，在空间域使用的方案，从而最终实现了测量光场的精确拟合。

纵观整个研究过程，稳态光场的研究花费时间最多，遇到的困难也最多最大。张泽指出，稳态光场也是整个实验最重要的工具，它也是测量成像芯片误差和量子效率的最精确的“尺子”。

2018 年，课题组补齐了理论缺陷和实验缺陷，最终产生了非常稳定的稳态光场。2019 年，张泽等人首次测出了成像芯片的量子效率分布。

但却发现该量子效率分布难以重构出超采样的图像，图像质量不但不提升反而降低。

经过多次的理论分析和仿真验证，课题组确定是环境中的低频振动对干涉光场产生了影响。于是，他们花费几个月去测量振动，借此发现一些有趣的现象：

比如，环境中无时无刻都有一个约 0.26Hz 的振动波；此外，还发现每当上下班高峰的时候，振动波总是变得很强，稳态光场的形态拟合也就不能闭环，因此他们只能在凌晨做实验，才能规避振动的影响。

后来，基于光场的振动敏感性，他们还研制出高灵敏的振动测量仪器，该仪器没有任何惯性质量块，因此灵敏度和波形测量准确度都很高。

接着，经过多次的努力攻关，他们终于采集到最精确的光场，拿到可以实现高精度成像的量子效率分布表。

此后几年，该团队一直在开展超采样成像实验，先后完成了针对人类、自行车、汽车、火车、飞机、无人机、月亮等目标的超采样成像。

同时，他们还开发了自动超采样算法和软件系统，使得本次成果距离工程应用更近了一步。

日前，相关论文以《通过稳态波场测量像素内量子效率实现超采样成像》（Hyper-Sampling Imaging by Measurement of Intra-Pixel Quantum Efficiency Using Steady Wave Field）为题发在 Laser & Photonics Reviews，薛鹤猛是第一作者，张泽担任通讯作者。