Weniger als ein Photon pro Pixel: Kamera macht Bilder bei fast völliger Dunkelheit

Komplett dunkel? Kein Problem für diese Kamera, die Forscher aus Schottland entwickelt haben: Sie macht Bilder aus wenigen tausend Photonen.

Artikel veröffentlicht am 5. September 2014, 11:53 Uhr, Werner Pluta

Aufbau der Spezialkamera: Foto eines Wespenflügels mit 40.000 Photonen (Bild: University of Glasgow/Screenshot: Golem.de)

Bilder mit weniger als einem Photon pro Pixel haben Forscher in Schottland aufgenommen. Damit können Fotos in praktisch vollständiger Dunkelheit gemacht werden. Anwendungen für diese Technik sehen sie unter anderem in der Wissenschaft.

Die Forscher um Peter Morris von der Universität in Glasgow setzen dazu zwei miteinander verschränkte Photonen ein. Sie machen sich zunutze, dass die beiden Lichtteilchen die gleichen Eigenschaften haben: Das eine interagiert mit einem Objekt und ändert dabei seine Eigenschaften. Das zweite Photon übernimmt aufgrund der Verschränkung diese Änderung.

Kein Hintergrundrauschen

Dieses Photon trifft auf den Chip, der es aufnimmt. Heralded Imaging heißt diese Technik: Das zweite Photon ist ein Bote ("herald") für das erste, das auf ein Objekt trifft. Vorteil sei, dass es praktisch kein Hintergrundrauschen gebe, das das Bild störe, schreiben die Forscher in einem Aufsatz, der als Preprint auf dem Dokumentenserver Arxiv erschienen ist.

Weniger als ein Photon pro Bildpunkt bedeutet: Auf dem Chip kommen weniger Photonen an, als der Chip Pixel hat. Um aus den dürftigen Informationen ein Bild zu erzeugen, setzen die Wissenschaftler einen speziellen Algorithmus ein, der die Daten interpoliert und ein Bild daraus berechnet.

0,2 Photonen pro Pixel

Die Forscher haben in ihrem Aufbau einen Chip mit einer Auflösung von 300 x 300 Pixeln verwendet. Damit haben sie eine Auflösungstesttafel der US-Luftwaffe (US Air Force Resolution Test Chart) aufgenommen. Sie konnten nach eigenen Angaben die Tafel aus einer Aufnahme mit weniger als 7.000 Photonen rekonstruieren. Das entspricht weniger als 0,2 Photonen pro Pixel.

Ein anderes Testbild zeigt den Flügel einer Wespe. Sie hätten den Flügel aus einer Aufnahme von 40.419 Photonen rekonstruieren können, schreiben die Forscher. Bei einem Chip mit 90.000 Pixeln entspreche das 0,45 Photonen pro Pixel.

Anwendungen für diese Kamera gibt es viele. Vor allem in der Biologie könnte das Aufnahmesystem eingesetzt werden: Es gibt Proben, die durch Licht verändert oder beschädigt werden. Eine Kamera, die praktisch kein Licht benötigt, wäre also ideal, um solche Proben zu beobachten. Auch die Sicherheitsbranche könnte Kameras nutzen, die bei weitgehender Dunkelheit Bilder aufnehmen.