一个光点
波士顿大学澳门威尼斯人注册网站研究员利用单光子创造图像
在弱光下很难拍出清晰的照片。波士顿大学的一位工程学教授认为他可能已经解决了这个问题。Photo by tolokonov/iStock
当你在阴天用普通数码相机拍照时，传感器会探测到数万亿光子。光子，光的基本粒子，以不同的数量撞击传感器的不同部分，形成一幅图像，标准的4 × 6英寸照片拥有1200 × 1800像素。任何试图在夜间或音乐会拍照的人都知道，在弱光下呈现清晰的图像是多么困难。然而，在2016年6月发表在《自然通讯》上的一项澳门威尼斯人注册网站研究中，一位波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员找到了一种方法，可以在渲染图像的同时，使用每像素一个光子来测量到场景的距离。
波士顿大学工程学院电子与计算机工程副教授Vivek Goyal说：“将光强度视为一个连续的量是很自然的，但是当你进入非常少量的光时，光的潜在量子性质就变得重要了。”“当你使用正确的数学模型来检测单个光子时，你可以从极少量的检测光中形成有用质量的图像。”
Goyal的澳门威尼斯人注册网站研究名为“单光子相机的光子高效成像”，是与麻省理工学院和米兰理工大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员合作完成的。该项目由美国国家科学基金会资助，结合了新的图像形成算法和单光子相机的使用，每像素大约有一个光子产生图像。单光子雪崩二极管（SPAD）相机由1024个光探测元件阵列组成，允许相机同时进行多次测量，从而实现更快，更有效的数据采集。
实验装置使用红外激光脉冲来照亮澳门威尼斯人注册网站研究小组想要捕捉的场景，也可以用普通的白炽灯泡来照亮，以准确地重现在更远距离的场景中具有强大竞争光源的情况。无信息的背景光和激光都反射回SPAD相机，SPAD相机记录了每次激光脉冲的原始光子数据。计算机算法分析了原始数据，并用它来形成现场的图像。结果是一个重建的图像，由每个像素的单个光粒子拼凑而成。
Goyal的团队介绍的这种方法是在他们早期首次展示每像素单个光子的反射率和深度成像相结合之后推出的。早期的工作使用了具有更精细时间分辨率的单个探测器元件。目前的工作表明，用单光子探测器创建图像可以更有效地完成。
“通过将SPAD相机硬件与新颖的统计算法相结合，我们正试图使低光成像系统更加实用，”该论文的主要作者、麻省理工学院戈阿尔学院的博士生申东奇（Dongeek Shin）说。“在使用SPAD相机时，以很少的检测光子实现这种成像质量，这是以前从未实现过的，因此这是一项新的成就，既具有极高的光子效率，又具有阵列的快速并行采集。”
虽然单光子探测技术可能不会很快在消费产品中普及，但Goyal认为，这为远程遥感开辟了令人兴奋的可能性，特别是在地图和军事应用中，以及自动驾驶汽车等对获取速度至关重要的应用中。戈亚尔和他的合作者计划继续改进他们的方法，并在未来进行一些澳门威尼斯人注册网站研究，以解决实验过程中出现的问题，例如减少“噪音”的数量，或颗粒状的视觉失真。
戈亚尔说：“能够处理更多的噪音将有助于我们扩大范围，并允许我们在白天工作。”“我们也在澳门威尼斯人注册网站研究其他类型的成像，我们可以用少量检测到的颗粒，如荧光成像和各种类型的显微镜。”
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