新型单光子相机成像效果惊人，一个像素只要一个光子

关于人眼的极限视觉和相机的极限成像，这是很多研究都会涉及到的课题。结构上眼睛与相机的确有很多相对应的地方，例如瞳孔和光圈、视网膜和感光元件等。但是，两者也有很多区别，包括人眼并不能像相机那样记录影像，而是涉及到复杂的脑诠释过程，眼睛内的视锥细胞和视杆细胞则分别负责处理高光和低光。

近日，美国洛克菲勒大学进行了一项名为“Direct detection of a single photon by humans”的研究，该研究志在找出人类视觉的极限。结果显示，人类的双眼已经达到能够感应到单个光子的水平。

人类的技术也同样不可小觑。今年6月24日，《Nature Communication》上刊发了来自麻省理工学院（MIT）的杰弗里·夏皮洛（Jeffrey Shapiro）教授研究团队的研究成果——新型单光子相机。该单光子相机具有极高的光子效率，仅仅通过平均每像素探测一个光子，就能在弱光环境下高效、快速、准确的重建三维自然场景。

在这个相机里，用到的感光材质是单光子雪崩二极管（single-photonavalanche diode, SPAD），这是一类高灵敏度的半导体光电检测器，能够精确的检测并记录光子的时间和空间信息。

这个单光子成像是怎么实现的呢？

 

(a)是超快单光子时间测距成像系统装置。(b)是TCSPC模式原理。图片来源：深科技

首先介绍一种高大上的技术叫做超快单光子飞行时间测距成像，是赫瑞瓦特大学光子与量子科学研究所（Institute of Photonics and Quantum Sciences, Heriot-Watt University）的杰诺维夫（Genevieve Gariepy）及其合作者提出的。《Nature Communication》杂志于2015年1月27日发表了该研究成果。

杰诺维夫团队利用SPAD阵列，使每个像素工作在时间相关单光子计数（TCSPC）模式，从而能够同时获得时间和空间信息，时间分辨率达到了67皮秒（10-12秒），甚至观察到了激光在空气中的飞行轨迹。　

　　利用超快单光子飞行测距成像系统，科学家首次捕捉到了激光在空气中飞行的画面。

TCSPC模式使得每个探测像素记录下单个光子从激光脉冲发出到被场景中物体反射回探测像素的时间。根据探测器检测到的不同光子到达时间，同时利用光子统计直方图特性，可以获得场景三维目标不同层面反射的光子计数。通过一定的算法，就可以重现场景的三维目标。

单光子相机的意义：

新型单光子相机光子效率远远高于传统相机，意味着单光子相机在弱光环境下将大有可为。　　

 

新型单光子相机潜在应用领域 图片来源：深科技

科学研究如生物成像，遥感探测技术、天文探测等，都将大大得益于单光子相机的发展。通过与麻省理工化学系合作，研究者已将单光子相机与荧光成像相结合，为生物学成像提供了新的手段。三维重构算法能够自动过滤无关干扰信息，这就为一些要求快速成像和容噪能力的应用提供新的思路，比如为自主导航机器人系统里的无人机和无人探测器等提供三维视觉。