量子成像技术前沿进展与展望

刘 攀,宋新兵,杨家之,吴清源,张安宁

（1.北京理工大学物理学院量子技术研究中心,北京 100081;2.北京理工大学物理学院量子调控与应用研究中心,北京 100081)

0 引言

量子成像是一种利用光子间的关联性进行成像的新技术,也称 “鬼”成像、关联成像。量子成像这一范畴,包括基于纠缠光源的量子成像、基于经典光源的量子成像、主动光场调制的量子成像等三大技术路线。

量子成像最基本的框架是:光源发出的光被分为两路,其中一路光经过待成像物体,并由一个无空间分辨能力的单探测器在物体后方接收信号,这路常被称为信号光路;另外一路光被一个具有空间分辨能力的探测器接收,该路常被称为参考光路。对两路探测器接收到的信号进行关联运算,就能得到物体的图像。基于纠缠光源和经典光源的量子成像都是基于这一框架的。而主动光场调制的量子成像使用了传统量子成像研究中发展出的一种新的量子技术——光场调制技术,它使量子成像上升到了一个新的台阶,并发展出了单像素成像、单光子扫描成像和非视域成像三种新型成像方式。

本文将以量子成像的三大技术路线为主要线索,来回顾量子成像技术的起源和发展历程,综述量子成像技术的前沿进展,展望量子成像技术的未来。

1 量子成像的起源和主要发展历程

量子成像诞生之初仅指的是基于纠缠光源的量子成像,它由美国Maryland大学的史砚华团队在1995年首次实现[1]。如图1（a)所示,激光泵浦BBO晶体产生纠缠光子对,两个光子被分开后,其中一个光子通过物体,并被放置在信号光路的无空间分辨能力的桶探测器所检测;另一个光子被放置在参考光路的平面扫描装置来探测。只单独探测其中一路的光子是无法恢复出物体图像的,然而当两路进行双光子符合测量时,竟奇迹般地复现出了高对比度的物体图像,如图1（b)所示。这项违反人们直觉的实验,证实了纠缠的双光子具有非定域成像的特性。这种基于纠缠光的量子成像方式具有高对比度的优点,但由于纠缠光难以制备且纠缠光源亮度低、探测效率低、易受杂散光影响等因素,纠缠光量子成像在实验室以外的实现和应用受到了限制。

图1 纠缠光量子成像原理图与实验结果图Fig.1 Schematic diagram and experiment results of quantum imaging with entangled light

随着研究的深入,人们发现纠缠的双光子并不是量子成像的必要条件,非相干的经典光源也可以实现量子成像。2002年,美国Rochester大学的Boyd团队利用由随机旋转的反射镜和斩波器调制的激光光场得到了与纠缠光量子成像相似的实验结果[2],实验的光路图如图2所示。该实验首次利用经典光之间的关联实现了量子成像,使经典光量子成像也被囊括进量子成像的范畴之内。2005年,美国Maryland大学的史砚华与意大利Insubria大学的Lugiato几乎同时实现了赝热光量子成像[3-4],尤其是Lugiato实现了点对点的量子成像。同年,中科院物理所的吴令安团队首次实现了真热光的量子成像[5],使用的是铷灯光源。（赝)热光量子成像所需的热光光源容易获取,且具有抗湍流、穿云雾的能力,这使得（赝)热光量子成像具有广阔的发展前景。

图2 经典光量子成像原理图Fig.2 Schematic diagram of quantum imaging with classical light

传统的赝热光量子成像必须在参考光路放置阵列探测器来记录散斑图案,且须对两路光进行符合测量,如图3（a)所示。2009年,以色列Weizmann科学院的Silberberg团队在实验上实现了计算量子成像[6]。实验中,他们用了一个由计算机控制的空间光调制器（Spatial Light Modulator,SLM)来预置照射在物体上的光场分布,如图3（b)所示。这种方法照射到物体上的散斑图案已知,所以无需参考光路及阵列探测器。由于光场是主动加载的而不是随机生成,并且单探测器的响应速度快,计算量子成像的方式大大降低了采样的时间,提高了成像的速度。

图3 传统量子成像与计算量子成像的对比Fig.3 Comparison between traditional quantum imaging and computational quantum imaging

关于量子成像的物理本质,曾引发过学术界的激烈争论,学者们争论的焦点为:经典光量子成像究竟是一种量子非局域效应还是经典关联效应。最激烈的争论还要数2012年Shapiro、Boyd和史砚华三人曾围绕着这一焦点连发三篇文章展开的辩论[7-9]:Shapiro和Boyd认为,赝热光量子成像是由信号光路与参考光路的经典散斑图案的关联来实现的,可以利用经典的关联理论来定量解释;而史砚华认为,赝热光量子成像本质上是一种量子效应,信号光路与参考光路的点对点成像关联性来自于一种非局域干涉效应,必须用量子力学的非局域效应才能得以解释。至今,人们普遍认为纠缠光量子成像的本质是纠缠光的非局域特性所致,而对于经典光量子成像本质的争论仍在持续。

2 量子成像技术前沿进展

2.1 基于纠缠光源的量子成像

2014年,奥地利科学院的Zeilinger团队完成了一种新型的纠缠光量子成像实验[10]。实验中,他们没有对纠缠光中照射到物体一路的光子进行检测,而仅仅使用CCD探测了另一路的光子,不需要进行符合测量即可构建出物体的图像。图4（a)为实验光路图,532nm 的激光（在图 4（a)中为绿色)被分为两路,分别泵浦非线性晶体1和2,参量下转换产生了810nm的信号光（在图4（a)中为黄色)和1550nm的闲置光（在图4（a)中为红色)。非线性晶体1产生的闲置光通过物体,在二向色镜2反射后与非线性晶体2产生的闲置光重合,最后从二向色镜5出射的闲置光无法分辨是从哪个晶体产生,因此入射到分束器的两束包含物体信息的信号光会在EMCCD上发生干涉,实验结果如图4（b)所示。图4（b)中,左上角为EMCCD探测到的显示入射到分束器的两束信号光相长和相消的干涉图案,右上角为物体,左下角与右下角为将左上角中两强度图相加和相减之后的结果。

图4 新型纠缠光量子成像的实验光路图与实验结果Fig.4 Experimental setup and results of novel quantum imaging with entangled light

具有螺旋波前的涡旋光束,于1992年被Allen等证实其中的每个光子都携带有轨道角动量[11],在提高信道容量方面有良好的应用前景。2014年,厦门大学的陈理想等将数字螺旋成像技术应用于纠缠光量子成像[12],通过在信号光路上用一SLM加载所需探测的相位物体并生成涡旋光,在参考光路用另一SLM加载相位物体作为涡旋光探针,两路做符合测量,成功实现了纯相位物体的非定域探测和涡旋光轨道角动量谱的非定域测量,图5为其实验原理图。

图5 量子数字螺旋成像实验原理图Fig.5 Schematic diagram of quantum digital spiral imaging experiment

光纤因其频带宽、损耗低、质量小、成本低、抗干扰能力强等优点,被广泛应用于通信领域。但由于单模光纤难以实现位置-位置或动量-动量的关联分布,利用光纤实现远距离的纠缠光量子成像一直以来都是一个难题。2016年,清华大学的张巍等提出了一种通过光纤传输来实现长距离纠缠光量子成像的方法[13]。这种方法利用时间色散和空间色散,巧妙地将光子的频率关联转换为了传播时间与传播方向的关联,从而能够在时域上实现纠缠光量子成像。之后,他们通过50km长的光纤完成了长距离纠缠光量子成像的实验。实验示意图如图6所示,纠缠光源产生具有频率关联的光子对,分别传给Alice端和Bob端,在Alice端通过光栅进行空间色散,在Bob端通过光纤的群速色散来进行时间色散,两端分别用单光子探测器1和2检测光子,并进行符合测量。

图6 长距离光纤量子成像实验原理图Fig.6 Schematic diagram of long-distance optical fiber quantum imaging experiment

2020年,厦门大学的陈理想团队提出了一套多信道并行量子成像的方案[14]。与以往只利用双光子空间纠缠的量子成像不同,他们的成像方案是使光子对在偏振、频率和空间模式上同时发生纠缠。他们利用偏振和频率的纠缠来进行信道的复用,并通过空间模式纠缠在每个信道并行传输物体的 “鬼”像,从而扩大了信道容量,实现了多信道的并行量子成像,这项实验将为未来量子通信领域中大规模的图像处理和传输开创新途径。

2.2 基于经典光源的量子成像

使用多种经典热光源来实现量子成像有着重要的意义。但在2014年以前,无论是使用旋转毛玻璃的赝热光量子成像,还是使用铷灯的真热光量子成像,都是使用人造光源来实现的。2014年,中科院物理所的吴令安等首次利用太阳光这一自然光源实现了无透镜量子成像[15],成像原理图如图7所示。由于太阳光是一种易获取、廉价的热光源,这项研究使得热光量子成像技术从实验到实际应用更近了一步。

图7 太阳光无透镜量子成像原理图Fig.7 Schematic diagram of lensless quantum imaging with sunlight

近年来,因材料成像和医学成像的需求,研究人员探索了使用X射线作光源的量子成像。2016年,中科院上海光机所的韩申生等首次使用X射线实现了量子成像[16]。首先,他们用赝热硬X射线通过Fourier变换量子成像的方法得到了样品的Fourier变换衍射图样,并得到了样品在坐标空间的振幅和相位的分布图。他们的X射线无透镜Fourier变换量子成像方法不光可以用于晶体样品,也可适用于非晶体样品。与韩申生几乎同时地,2016年,澳大利亚皇家Melbourne理工大学的Pelliccia等首次使用硬X射线直接实现了量子成像[17],为医学成像领域中减少辐射对样品的损伤提供了一种新的方法。

由于较高的光子能量会严重损害成像物体,在保证图像质量的同时降低辐射量是一个亟待解决的问题。2018年,中科院物理所的吴令安团队利用一个简单的桌面X射线源实现了平面物体和自然物体的量子成像[18]。这种新装置成本低,操作简单,在低辐射量下与X射线投影成像相比具有更高的信噪比,可以实现超低通量的成像,从而大大降低了对生物样品的辐射损伤。

对于运动物体的量子成像,短时间内采样数的不足常使成像质量模糊。2014年,中科院上海光机所的李恩荣团队提出了一种对运动速度未知的物体量子成像方法[19],但这种方法只能对匀速运动的物体成像。2019年,国防科技大学的刘伟涛团队提出,可以通过一系列不清晰的图像之间的关联来估计运动物体的位移信息,从而重建运动物体的高质量图像[20]。他们巧妙利用运动物体的一些特点,将短时间内的物体视为准静止,先经过少量采样获得模糊图像,用不同时段模糊图像的关联性获得物体的位移,再将模糊图像根据位移来叠加从而得到清晰图像,实验结果如图8所示。这种成像方法需要的采样数较少,可对高速移动的物体或暗环境下的物体进行采样与成像。

图8 运动物体量子成像的实验结果图Fig.8 Experiment results of quantum imaging of moving objects

2019年,英国Exeter大学的Bertolotti等进行了 “盲”量子成像的实验[21]。在 “盲”量子成像提出之前,人们普遍认为,计算量子成像需要知道全部的照明模式才行,如果所有照明模式形成一组基,就可以重建物体的像。但是,Bertolotti等的实验证明,可以在不知道照射在物体上的散斑图案,但知道与它关联的图案的情况下实现量子成像。如图9所示,散射层是液体,产生随时间随机变化的散斑图样,反射散斑图形成在散射介质的表面,并使用CCD记录散斑,在物体后方使用单像素的桶探测器进行记录。除此之外,他们还在实验上只利用没有与物体发生相互作用的反射光,重建了隐藏在散射介质后面的物体的图像,实现了对物体的非侵入式探测。如图10所示,分辨率模板放置在散射材料的后面,在它的后方有一个荧光层作为物体,在450nm的激光下产生500nm以上的荧光,反射的散斑和荧光分别由CCD和桶探测器收集。

图9 两探测器在物体不同侧的 “盲”量子成像Fig.9 Blind quantum imaging of two detectors on different sides of the object

图10 两探测器在物体同一侧的 “盲”量子成像Fig.10 Blind quantum imaging of two detectors on the same side of the object

2019年,中科院上海光机所的韩申生和上海高等研究院的王中阳等开发出了基于稀疏约束量子成像的单帧宽视场纳米显微镜[22]。这种量子成像纳米显微镜通过压缩感知重建物体的像,利用荧光发射的稀疏性,成像分辨率被成功提高到了80nm,并且可以实现超快的时间分辨,因此可用于活细胞的观察和微观动力学的研究。

2.3 主动光场调制的量子成像

计算量子成像中所使用到的光场调制技术为成像和探测提供了一种全新的思路。人们在研究中发现,通过光场调制这一新的量子技术,利用SLM或者扫描振镜来调制照射光场或探测光场并结合算法,可以在欠采样的情况下进行成像或是实现超越传统成像技术探测能力极限的成像,进而衍生出了单像素成像、单光子扫描成像和非视域成像三种新技术。这三种成像技术之间的关系并不是相互割裂的,而是可以相互融合,相互包含,互通有无。

（1)单像素成像技术

随着微电子技术的进步,相机所使用的阵列感光器件已达到上千万甚至上亿的像素。但是,逐渐增加的像素数量也加重了数据存储和转移的负担。而单像素成像技术使用仅有一个像素的探测器,就能实现成像的功能。相比于阵列探测器,单像素探测器的响应速度极快,并且灵敏度高。单像素成像的技术路线有前调制型和后调制型两种。如图11所示,前调制型（也称结构照明)是在物体前放置SLM,用一组调制后的结构光照射物体,在物体后用单像素探测器记录光强,这种成像方式也就是上文中介绍过的计算量子成像;后调制型（也称结构探测)则为在物体后放置SLM,探测器用来接收一组被调制后的物体像的光强[23-24]。

图11 基于SLM的两种单像素成像方案Fig.11 Two schemes of single-pixel imaging based on SLM

一般而言,单像素成像的数据采集过程需要耗费相当长的时间。2009年,以色列Weizmann科学院的Katz等提出了基于压缩感知的单像素成像的方法[25],压缩感知的方法可以在欠采样的情况下重建物体的图像。在单像素成像时,一般将待成像物体的二维图像看作矩阵,并将不同行首尾相接转换为列向量x。如果将采样矩阵设为A,A的每一行相对于向量x,为照射在物体上的掩模图案。当不同掩模照明时,探测器接收到的光强构成列向量y,则有

在欠采样的情况下,式（1)所表示的线性方程组显然有无数组解,这时候就需利用图像的稀疏性等条件进行约束,即可解出列向量x,这就是压缩感知的方法[26-27]。SLM所调制的照明图案一般选择正交的基底,如Fourier基底、Hadamard基底、余弦基底、小波变换基底等。

单像素成像技术也可用于三维成像。相比于二维的单像素成像,三维单像素成像除记录光强外,还需获取光子的到达时间信息,进而通过关联运算的方法得到场景中每一点的深度信息和反射率[28]。2016年,英国Glasgow大学的Padgett等使用结构光照明和单像素探测器,利用飞行时间进行了第三维度的测量,实现了高精度的三维单像素成像,精确度可达到约3mm,并能够生成12Hz的实时三维视频[29],实验结果如图12所示。

图12 三维单像素成像实验结果Fig.12 Experiment results of 3D single-pixel imaging

在水下环境中,介质中杂质的吸收和散射会严重影响远距离光学成像的性能。2017年,西安交通大学的郑淮斌等设计实验研究了在水下环境中不同浑浊程度和不同角度下结构照明式单像素成像的性能[30]。他们的实验表明,当水质相当浑浊以至于传统的光学方法无法成像时,单像素成像仍然可以具有相当不错的成像效果。

在以往结构光照明的方案中,通常是采用SLM或数字微镜（Digital Micromirror Device,DMD)来进行调制。其中,DMD的调制速率最快,约为几十千赫兹（kHz)。2018年,北京航空航天大学的孙鸣捷等提出了基于超高速发光二极管（Light-emitting Diode,LED)的结构照明技术,并利用此技术完成了单像素成像实验[31],成像原理图如图13所示。LED具有高速响应的特性,在他们实验中能以500kHz的速率来高速调制照明光场,这远大于DMD的调制速率,极大地提升了结构照明单像素成像的速度,在连续成像实验中的帧率可达1000fps。

图13 基于LED结构照明的单像素成像原理示意图Fig.13 Schematic diagram of single-pixel imaging based on LED structure illumination

2020年,北京理工大学的张安宁团队在实验室利用自发参量下转换产生的光子作为单光子源,采用DMD对单光子波包进行调制,分别实现了单光子作为光源的前调制型和后调制型单像素成像[32]。实验表明,当光源亮度低至0.01光子/像素时,依然可以完成单像素成像,在光照强度相同的情况下,单光子作为光源的成像质量要优于激光光源的。图14（a)为成像模板,图14（b)为不同光子数下后调制型单像素成像的结果,图14（c)为不同光子数下前调制型单像素成像的结果。其中,图14（b)与图14（c)中右侧成像结果的光强低至0.01光子/像素。

图14 成像模板与单光子单像素成像的实验结果Fig.14 Imaging template and experiment results of single-photon single-pixel imaging

2020年,上海交通大学的曾贵华等开发了一种新型的结构探测式弱光单像素成像技术[33]。这项技术可实现在信号采集时每一帧只需要发射一个激光脉冲,并具有较高的光子效率和成像质量。同时,他们利用这项技术实现了100km合作目标和3km非合作目标的远距离成像,成像光强低至0.01光子/像素。其中,100km的成像结果如图15 所示。

图15 弱光单像素100km成像实验结果Fig.15 Experiment results of weak light single-pixel 100km imaging

（2)单光子扫描成像技术

单光子扫描成像技术利用激光器主动发射激光到目标物体上,使用扫描振镜调制光场来对物体表面各点进行扫描,通过探测和处理物体的散射光信号,即可得到物体的反射率和深度信息,从而重建出物体的三维图像。当目标物体距探测系统较远时,从目标返回的光强将低至单光子的水平,需要利用单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode,SPAD)进行探测。单光子探测技术不仅可以使探测灵敏度达到单光子的水平,而且可以达到皮秒（ps)级的时间分辨率,这些使得单光子扫描成像技术兼具优秀的探测性能和距离分辨能力。

2020年,中科大的徐飞虎团队使用1550nm的脉冲激光器和扫描振镜,采用亚像素扫描的方法在45km的距离上完成了有源单光子三维成像的实验[34],实验中探测到的信号强度低至平均约1光子/像素。为了克服只有极少返回的光子以及信号与强噪声耦合的困难,他们构建了一套高效率低噪声的同轴单光子扫描成像系统,并开发了一套适用于远距离单光子扫描成像的重建算法。图16（a)与图16（b)分别为实验系统示意图和重建结果,建筑物上0.6m宽的窗户在重建结果中清晰可见。

图16 45km远距离三维单光子扫描成像实验系统与重建结果Fig.16 Experiment system and reconstruction result of 45km long-distance 3D single-photon scanning imaging

2021年,该团队又实现了201.5km的远距离三维单光子扫描成像[35],平均每像素接收到的光子数低至0.44。相比于之前的45km的单光子扫描成像,他们对SPAD进行了改造,使用制冷器将负反馈雪崩二极管冷却至173K,以实现较低的暗计数率。其次,他们对望远镜进行了镀膜处理,实现了1550nm的高透射率。同时,他们采用先进的噪声抑制技术,开发了一种时间滤波方法来抑制噪声。201.5km的单光子扫描成像结果如图17所示。

图17 201.5km单光子扫描成像的重建结果Fig.17 Reconstruction results of 201.5km single-photon scanning imaging

（3)非视域成像

非视域成像是一种对观察者视域之外的物体进行成像的方式,基本原理是:主动发射一束光,通过墙和隐藏物体的多次漫反射探测返回来的光子。如图18所示[36],简单来说,激光首先打到墙上,经过漫反射过程而弥散到整个空间（第一次漫反射),然后光打到隐藏的物体上,再从隐藏的物体返回（第二次漫反射),然后通过墙回来（第三次漫反射)而被探测器接收,之后配合计算成像的算法对接收到的光信号进行处理,即可重建物体的图像。非视域成像技术将在军事反恐、自动驾驶、灾害救援、医学检测等方面具有巨大的应用价值。

图18 非视域成像场景示意图(俯视图)Fig.18 Schematic diagram of non-line-of-sight imaging scene(top view)

2018年,美国Stanford大学的O，Toole等提出了基于光锥变换的共焦非视域成像方法,实现了对复杂目标物的快速重建[37],实验装置和重建结果如图19所示。他们的成像算法通过Wiener滤波降低了噪声,具有较高的重建质量和较快的重建速度。

图19 共焦非视域成像实验装置与重建结果Fig.19 Experiment setup and reconstruction results of confocal non-line-of-sight imaging

2019年,英国Glasgow大学的Musarra等通过使用高效率的SPAD探测器和DMD,将反投影成像算法与从单像素相机所获取的高分辨率飞行时间信息相结合,对隐藏场景的三维图形进行了全彩色成像[38],图20为他们的实验原理示意图。

图20 使用DMD的非视域成像原理图Fig.20 Schematic diagram of non-line-of-sight imaging using DMD

2021年,中科大的徐飞虎团队研制了一种高效率低噪声的近红外非视域成像系统,并创新采用了一种凸优化算法,实现了超过1.43km的非视域成像[39],可达到厘米（cm)级别的分辨率,这项成果对于非视域成像在户外和远距离上的应用有着重大意义。

3 量子成像新方案——基于非光子粒子的量子成像

2016年,澳大利亚国立大学的Truscott团队首次实现了使用大质量粒子的量子成像[40]。在他们的实验中,用于量子成像的不是通常使用的纠缠光子对,而是具有强关联的原子对。这两个强关联原子是由两个Bose-Einstein凝聚体碰撞所形成的s波散射产生的超冷亚稳态氦原子对,并在实验中使用高阶Kapitsa-Dirac散射大量产生,利用这些原子对重建了亚毫米级别分辨率的清晰图像。原子的量子成像示意图如图21所示,在碰撞中产生两束关联原子对,一束原子通过待成像物体O由桶探测器B检测;另一束原子不与物体相互作用,而是由多像素探测器M检测其到达平面的位置,之后装置C经过符合测量和计算,重建物体的图像。这些实验中的相关技术可以实现基于大质量粒子的EPR纠缠实验以及检验Bell不等式等,以验证量子力学的基本原理。

图21 基于原子的量子成像实验示意图Fig.21 Schematic diagram of quantum imaging based on atoms

在这之后,2018年,美国SLAC国家加速器实验室的Li等通过调制产生电子束的激光来间接调制电子束,实现了由电子代替光子的量子成像[41]。与使用电子束直接成像相比,该方法拥有更少的电子束剂量,能减少采样时间和对样品的损伤。2020年,澳大利亚国立大学的Kingston等利用中子完成了量子成像的实验[42]。中子具有不带电、波长短、穿透性强、对轻元素灵敏等特性,因而中子的量子成像在高分辨率无损检测中具有重要意义。

4 总结与展望

量子成像技术是一种物像分离、抗干扰能力强的成像技术。本文回顾了量子成像技术的起源及主要发展历程,综述了近8年纠缠光源和经典光源量子成像技术的主要进展,介绍了由光场调制技术衍生出的单像素成像、单光子扫描成像及非视域成像等量子成像的发展趋势,概述了非光子粒子的量子成像这一量子成像新方案。量子成像技术不仅加深了人们对量子力学的理解,同时也在遥感成像、三维成像、生物医疗等领域得到了广泛的应用。

通过上述的进展,可以总结出量子成像技术亟待解决的问题:1)对于纠缠光量子成像,如何制备高亮度的纠缠光源,从而摆脱实验室的环境,在户外实现纠缠光的高分辨率量子成像;2)对于经典光量子成像和基于光场调制的量子成像,如何优化成像系统来提高采样和成像速度以及如何利用算法提高光子利用效率,通过微弱光强信号实现更高分辨率、更高信噪比的成像。

在未来,量子成像技术势必突飞猛进,日新月异:

1)纠缠光量子成像技术将对纠缠光子的多个信息维度进行扩展,将偏振、路径、频率以及轨道角动量等维度加以利用,从而增强对目标物体的探测能力。

2)经典光量子成像和非光子粒子的量子成像,它们相比于传统成像,具有可以对样品在低通量辐射下进行成像等优势,能够降低对样品的辐射损伤。因此,它们未来会朝材料成像、医学成像、显微成像和无损检测的方向飞速发展。

3)将光场调制技术运用于成像,是人类探测能力的一次飞跃,主动光场调制的量子成像技术路线必将走得更远。单像素成像的方式具有更高的光子效率和更低的噪声;相比阵列探测器,单探测器具有更短的响应时间;单探测器成本低,更换单探测器就可以低成本地实现多波段的探测;单像素成像技术能够在欠采样的情况下实现对目标的成像,并且一些图像恢复算法在一定程度上具有抗噪声、抗湍流的功效。所以,单像素相机将会在极端环境下代替CCD,成为在星地遥感、水下成像、极弱光成像中的新一代探测装置。除此之外,单像素成像技术今后可能会与机器学习相结合,在极低采样率下无需做到成像,就能实现对目标的边缘检测或获取目标的其他重要信息。未来,单光子扫描成像和非视域成像技术将会在探测距离、分辨率等技术指标上不断实现更高的突破,并深度应用于三维遥感探测、军事战场和反恐行动之中。