基于单光子传感器的高通量被动成像

单光子雪崩二极管（SPAD）是一项新兴技术，具有以高时间精度捕获单个光子的独特能力。SPAD已被用于若干主动成像系统（如荧光寿命显微镜和LiDAR），但大多局限于低光子通量环境。我们提出被动自由运行SPAD（PF-SPAD）成像，一种利用SPAD在环境光照下无需任何主动光源即可捕获具有前所未有动态范围的二维强度图像的成像方式。我们的关键观测是，SPAD测量的精确光子间时序可用于在环境光照条件下估计场景亮度，即便对于极亮场景亦如此。我们建立了PF-SPAD成像的理论模型，并基于PF-SPAD像素检测到的连续光子间平均暗时间推导了场景亮度估计器。我们的核心见解是，由于光子到达的随机性，该估计器不存在硬性饱和极限。结合低通量下的高灵敏度，这使得PF-SPAD像素能够测量从极低到极高的宽范围场景亮度，从而实现极致动态范围。我们通过成像动态范围达1,000,000:1的场景，展示了相较传统传感器超过2个数量级的提升。