在攝影技術(shù)的歷史長河中，人類不斷挑戰(zhàn)著感知的極限——從記錄瞬間到捕捉動(dòng)態(tài)，從呈現(xiàn)色彩到描繪暗夜。而單光子相機(jī)的出現(xiàn)，則將這一極限推向了高峰：它能夠探測到單個(gè)光子，成為人類窺探微觀世界和極暗環(huán)境的“最終之眼”。這不僅是技術(shù)上的飛躍，更開啟了科學(xué)研究與應(yīng)用的新紀(jì)元。
 

　　要理解單光子相機(jī)的神奇之處，首先要了解其核心原理。它與傳統(tǒng)相機(jī)有本質(zhì)區(qū)別。傳統(tǒng)相機(jī)基于光電效應(yīng)，需要大量光子同時(shí)撞擊傳感器像素才能產(chǎn)生一個(gè)可測量的電信號，從而形成圖像。在光線微弱時(shí)，信號強(qiáng)度低于傳感器噪聲，圖像便無法形成。而它的核心是單光子雪崩二極管（SPAD）陣列。每個(gè)SPAD像素都工作在遠(yuǎn)高于其擊穿電壓的“蓋格模式”下。此時(shí)，即便只有一個(gè)光子擊中它，也會(huì)立即引發(fā)一場可控的、像雪崩一樣的電荷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，產(chǎn)生一個(gè)巨大且易于識(shí)別的電脈沖。通過精密電路記錄下這個(gè)脈沖，就相當(dāng)于確認(rèn)了一次單個(gè)光子的到達(dá)。將成千上萬個(gè)SPAD像素組成的陣列獲取的信號進(jìn)行整合與計(jì)算，便能“拼湊”出一幅即使在近乎黑暗條件下也能清晰成像的圖片。

　　單光子相機(jī)的強(qiáng)大功能，源于其對光極限探測能力所衍生出的三大特性：

　　1.較高的靈敏度：這是其最直接的優(yōu)勢。它能夠在天文觀測中捕捉來自遙遠(yuǎn)星系的微弱星光，在生物熒光成像中追蹤單個(gè)生物分子發(fā)出的極其微弱的光，或在安全監(jiān)控領(lǐng)域于伸手不見五指的深夜看清目標(biāo)。

　　2.較佳的時(shí)間分辨率：SPAD不僅能記錄“是否”有光子到達(dá)，還能以皮秒的精度記錄光子到達(dá)的“精確時(shí)間”。這項(xiàng)“飛行時(shí)間”測量技術(shù)，使得它能夠繪制出目標(biāo)物體的三維深度信息，創(chuàng)造出具有細(xì)節(jié)和精度的三維模型，在自動(dòng)駕駛、文物修復(fù)等領(lǐng)域潛力巨大。

　　3.穿透散射介質(zhì)成像：在霧、煙霾或生物組織等散射介質(zhì)中，傳統(tǒng)光學(xué)成像會(huì)因光線被隨機(jī)散射而變得模糊。單光子相機(jī)通過只捕捉最早到達(dá)的、未經(jīng)散射的“直射光子”，并忽略那些因散射而延遲到達(dá)的光子，可以有效“看穿”這些障礙，為醫(yī)學(xué)診斷和惡劣天氣下的自動(dòng)駕駛提供了可能。

　　綜上所述，單光子相機(jī)憑借其獨(dú)特的SPAD技術(shù)原理，實(shí)現(xiàn)了對單個(gè)光子的探測與計(jì)時(shí)，從而賦予了它超越傳統(tǒng)成像技術(shù)的極限靈敏度、時(shí)間分辨和抗散射能力。從探索宇宙深空到解析生命微觀，從保障自動(dòng)駕駛安全到推動(dòng)量子通信發(fā)展，這只“最終之眼”正以其洞悉光之極限的能力，為我們打開一扇通往全新感知世界的大門。