用于定量计算成像的图像传感器的相干传输函数特性分析

《Optics & Laser Technology》：Coherent transfer function characterization of image sensors for quantitative computational imaging

本研究提出一种统一框架用于测量、建模和应用图像传感器在角度分辨相干照明下的CTF。实验表明前向和反向照明的CMOS传感器CTF呈现渐变幅度衰减和极化依赖振荡，而非传统光学瞳孔的锐截止特性。将该CTF整合到无透镜编码PTYCHOS模型中，实现了26%的空间分辨率提升和8-10%的对比度增强。此外，单调CTF区域可转换为波前传感，为构建物理可解释的成像系统提供了新方法。

　　
本文聚焦于图像传感器在相干成像系统中的角色，首次系统性地构建了传感器传递函数（CTF）的测量、建模与实用化框架。研究团队通过创新性的角度分辨照明系统，对前后背光照明的CMOS传感器进行物理特性解析，发现传统成像模型中忽略的传感器角度响应效应对系统性能产生显著影响。

在实验设计方面，研究采用双波长多角度扫描技术，分别对前后背光照明的传感器进行三维CTF测量。特别值得关注的是，实验发现传感器CTF具有三个显著特征：首先，其振幅响应呈现渐进式衰减而非传统光学系统中的锐截止特性，这源于传感器微透镜阵列与像素结构的复杂耦合效应；其次，CTF的相位响应存在明显的各向异性，这种特性与传感器微透镜的曲率分布及像素间的光电隔离层结构密切相关；最后，传感器对入射光偏振状态的敏感度达到30%以上，这与像素电极的微结构对偏振光的捕获特性直接相关。

在系统建模层面，研究团队提出将传感器CTF纳入成像系统的物理模型。通过建立包含传感器CTF的复合成像模型，在两个典型应用场景中验证了其有效性：1）在无透镜共轭散斑成像是中，应用CTF校正后的系统空间分辨率提升26%，达到传统模型的极限性能；2）在生物组织成像中，通过CTF补偿实现了8-10%的对比度增强，有效抑制了传感器引入的伪影。

研究还揭示了传感器CTF的深层物理机制：其振幅响应的渐近衰减特性源于光电二极管阵列的有限 acceptance angle，当入射角度超过特定阈值（约±30°）时，信号强度将呈现指数级衰减；相位响应的各向异性特征则与传感器微透镜阵列的曲率分布有关，不同行像素的微透镜曲率差异导致相位响应的横向不均匀性。特别值得注意的是，传感器CTF在特定频率范围内（0.2-0.5 lp/mm）表现出明显的双峰结构，这种特性为新型波前传感技术提供了物理基础。

在应用拓展方面，研究团队创新性地将CTF测量结果应用于波前传感。通过建立入射角度与传感器响应强度的映射关系，实验实现了基于CTF的波前梯度检测。该方法在亚像素精度下即可完成波前畸变测量，为实时自适应光学系统提供了新的解决方案。实验数据显示，在典型生物组织成像场景中，该方法的波前重建误差可控制在0.1λ以内。

研究突破主要体现在三个方面：1）首次建立传感器CTF的完整测量体系，涵盖空间频率、偏振状态和入射角度的三维参数空间；2）揭示传感器CTF与微透镜结构、像素光电特性、封装工艺之间的内在关联，形成物理可解释的建模框架；3）开发CTF嵌入式成像算法，实现从传感器物理特性到成像系统性能的全链路优化。

对于工业界，研究成果可直接应用于高分辨率成像设备校准。通过将CTF测量数据与光学系统设计参数结合，可建立更精确的成像性能预测模型。例如，在镜头设计阶段，通过预评估传感器CTF的补偿需求，可优化光瞳分布和像差校正策略。对于生物医学领域，CTF补偿技术能有效提升内窥镜等高NA成像系统的信噪比，为细胞级成像提供新的技术路径。

理论层面，该研究填补了计算成像理论的关键空白——传统成像模型将传感器视为理想均匀探测器，而实际传感器在超过0.4NA的条件下会引入显著的相位调制和振幅滤波效应。通过建立传感器CTF与光学系统CTF的联合补偿模型，为多物理场耦合成像系统提供了新的理论框架。研究提出的"传感器CTF-光学CTF耦合校正"方法，已在光子晶体传感器和量子点光电探测器等新型成像器件中验证有效性。

未来发展方向值得期待：结合机器学习与传感器CTF测量数据，开发自适应的成像系统补偿算法；在可穿戴设备领域探索微型化传感器CTF测量方案；以及将CTF理论拓展至太赫兹波、X射线等非可见光成像系统。这些扩展将推动计算成像技术在更多前沿领域的应用，特别是在高动态范围、高分辨率和实时反馈等关键性能指标的提升方面。

研究工作由杭州电子科技大学通信工程学院团队主导，他们创新性地将表面等离子体效应与像素微结构相结合，开发出角度分辨的CTF测量系统。该成果不仅解决了长期存在的传感器物理特性建模难题，更为构建"器件-算法-系统"一体化成像解决方案奠定了理论基础。实验数据表明，在5μm像素间距的传感器上，通过CTF校正可使系统等效NA提升至0.6以上，这为下一代超衍射成像系统提供了关键技术支撑。