Wo die niedrigste Schwelle bei der das menschliche Auge noch Licht noch wahrnehmen kann? Beim Film war das Definitionssache, genauer der DIN Norm von 1934
Die Empfindlichkeitsmessung im DIN-System beruht auf der Belichtung der Materialien durch einen Stufengraukeil mit einer Konstante, die so beschaffen ist, dass ihr Dreifaches dem Zehnerlogarithmus von 2 gleich ist. Diese Konstante ist also eine gute Annäherung an 0,1. Die erste Zone unter dem Graukeil, dessen Dichte sich nach dem Entwickeln des Materials um mindestens 0,1 vom unbelichteten Material unterscheidet, bestimmt dessen Empfindlichkeit.
Emfindlichkeit bei Filmen war lange ISO 50/15° DIN. Dabei entsprechen 1 DIN ca. 9,1 lux/s und auch eine Umrechnung in Photonenstrom ist möglich, wenn man den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts zwischen ca. 400 nm (violett) und 700 nm (rot) nimmt. Dabei sind nach einem Online Text zur Quantenchemie an einem passbildgroßen Bildchen, gerade mal 30 Millionen Photonen beteiligt:
Etwa 3000 Photonen haben nicht ausgereicht, um das Motiv am Bild oben links erkennbar zu machen. Wir sehen nur eine mehr oder weniger zufällige Verteilung heller Punkte. Bei höherer Belichtungszeit mit über 10000 Photonen, beginnt sich im Bild Mitte links ein verschwommenes Gesicht abzuzeichnen. An der längsten Aufnahme (Bild unten rechts) waren mehr als 30 Millionen Photonen beteiligt.
Forschung in den 40er Jahren ging davon aus, dass das menschliche Auge selbst 5-7 Photonen erkennen kann. Eine neue Studie mit einer optimierten Photonenpumpe und reduziertem Background kommt nun zum Schluss, dass bereits ein einzelnes Photon sicher erkannt werden kann — ein starkes Argument für eine perfekt optimierte Netzhaut
To probe the absolute limit of light perception, we built a single-photon quantum light source with sub-Poissonian photon number statistics based on spontaneous parametric down-conversion (SPDC). SPDC is a quantum optical technique in which correlated pairs of photons (called signal and idler) are produced probabilistically from a higher energetic pump photon in a non-linear crystal following energy and momentum conservation. By detecting one of the photons (idler) and sending the other (signal) to the observer’s eye, our SPDC source allowed us to create an effective single-photon light source with a sub-Poissonian photon number distribution…All experiments were conducted inside a light-proof chamber (~1 × 1 × 2 m) located in a dark room. The subjects wore headphones…After a period of ~35–40 min, a dark-adapted subject fixated with his right eye on a barely visible red light, presented normal to the cornea, with the subject’s head kept in position by a bite bar and a headrest.
Also nochmal zum Mitschreiben, diesmal perfekt erklärt von Marion Rembold
Vaziris Team erzeugt quantenverschränkte Photonenpaare, und zwar über spontane parametrische Fluoreszenz, kurz SPDC für spontaneous parametric down-conversion. Dabei schießt ein Laser energiereiche Photonen auf einen Kristall aus Bariumborat. In einigen Fällen absorbiert der Kristall ein Photon und erzeugt daraus zwei energieärmere Photonen, deren Gesamtenergie der des Ausgangsphotons entspricht. Optische Komponenten in Vaziris Vorrichtung lenken nun das eine Photon ins Auge der Versuchsperson, das Zwillingsphoton hingegen landet auf einem Multi-Pixel-Sensor, einem EMCCD (electron multiplying charge-coupled device). EMCCDs können einzelne Photonen messen und kommen normalerweise bei der Fluoreszenzmikroskopie oder in Nachtsichtgeräten zum Einsatz. Weil die SPDC-Photonen nur paarweise entstehen und jeweils das eine davon gewissermaßen als Reporter im EMCCD landet, kann der Experimentator später für die Auswertung die Ereignisse auswählen, bei denen der EMCCD genau ein Photon gezählt hat. Die Stärke des Lasers haben Vaziri und Kollegen so gewählt, dass nur selten mehrere Photonenpaare entstehen, aber trotzdem oft genug Einzelphotonenpaare generiert werden.
Jede Versuchsreihe lief folgendermaßen ab: Der Proband setzt sich in eine Dunkelkammer, die Pupille seines rechten Auges schaut genau in die Vorrichtung, aus der vielleicht ein Einzelphoton herauskommt. Ein schwaches rotes Licht hilft beim Fokussieren, damit die Pupille genau ausgerichtet ist. Der Weg des Testphotons jedoch ist schräg zum Fixationsstrahl ausgerichtet, so dass solch ein Einzelphoton 23 Grad seitlich vom Punkt des schärfsten Sehens landet – dort, wo viele der lichtempfindlichen Stäbchen sitzen. Der Proband initiiert jeden einzelnen Durchlauf selber. Dabei ertönen im Abstand von 800 Millisekunden zwei Tonsignale. Zeitgleich zu einem der beiden Signale springt die SPDC-Apparatur an; dabei könnte ein Einzelphoton entstehen und auf die Netzhaut treffen. Der Proband soll danach entscheiden, ob das Gerät beim ersten oder beim zweiten Signalton angesprungen ist. Und er muss auf einer dreistufigen Skala angeben, wie sicher er sich bei seiner Wahl ist. Gleich danach signalisiert ein Ton, ob er sich richtig entschieden hat oder daneben liegt.
Interessanterweise wird ein zweites Photon dabei besser erkannt als das erste, die zeitliche Diskrimination liegt bei ca 3.5 Sekunden.