27、人类眼睛与硅基的光转导机制揭秘

人类眼睛与硅基的光转导机制揭秘

1. 光转导的基础与挑战

在不同光照条件下，光探测器面临着诸多挑战。以常见的情况来说，在户外和室内环境中，探测器的信噪比（SNR）会有显著变化。户外条件下探测器可能有较好的 SNR，但在室内，SNR 会大幅下降，比如降至 30:1 甚至小于 1。当 SNR 为 30:1 时，用数码相机就很难拍出高质量的照片。

探测器的尺寸也存在一定限制，分析表明探测器的尺寸极限约为 100 nm × 100 nm。对于一些实际应用，焦距的大小是关键因素之一。在室内使用时，通常需要增加曝光时间或者使用电子闪光灯来改善成像效果。像 10 nm × 10 nm 的探测器，即便放在光照充足的撒哈拉沙漠，每次曝光平均也只能接收到 1000 个光子。而且，由于衍射极限（约 0.5 λ/NA）的存在，对于大多数成像系统而言，像素小于 1 微米并没有优势。

2. 人类眼睛与数码相机探测器的对比

人类的视网膜包含视杆细胞和视锥细胞，它与数码相机探测器相比，效率如何呢？人眼的焦距为 22 mm，瞳孔直径最大可达 7 mm。通过计算可知，一个典型的视杆细胞（直径 2 微米）在户外和室内，每 1/30 秒的曝光时间内分别大约能收集 30000 和 300 个光子。考虑到约 15%的量子效率（即平均每 6 个穿过视网膜的光子中只有 1 个能被检测到），在室内条件下每个曝光周期仅能检测到 50 个光子，此时 SNR 为 7:1。按照常理，人眼在普通室内照明下应该会产生非常嘈杂的信号，但实际并非如此。

人眼光敏性的神奇之处部分在于视网膜中水平细胞的平均功能，更重要的是其动态放大机制。这种机制能够以视频速率频率响应将光子信号放大多个数量级，使得我们能够