Fotonbruset

Fotonbruset är de statistiska fluktuationerna i antalet detekterade fotoner när ljus mäts eller detekteras. Det uppstår på grund av kvantnaturen hos ljus och ses som en grundläggande begränsning i mätprecision vid fotodetektion, ofta kallad shot noise.

I en ideal detektor följer fotonräkningen en Poisson-fördelning, vilket innebär att antalet registrerade fotoner n under en viss tidsperiod har variansen Var(n) = E[n] = λ, där λ är det förväntade antalet fotoner. Standardavvikelsen är sqrt(λ). Signal-till-buller-förhållandet i fotonbegränsade lägen är därför SNR ≈ sqrt(λ). Om bakgrundsstrålning eller mörkström ingår ökar variansen med bakgrundens foton: Var(n) = λ_signal + λ_background.

Fotonbruset påverkar mätningar inom många fält där ljusdetektion är central, inklusive astronomi, fluorescence-mikroskopi, spektral analys och fotonisk kommunikation. Det utgör en fundamental limit för hur precist man kan mäta ljusintensitet. I planering av observationer och experiment används ofta Poissonstatistik för att uppskatta mätosäkerhet och optimera exponeringstid, fokus och sensorval. När antalet fotoner är stort kan fördelningen approximera normal och bruset uppfattas som vit i tidsdomänen, vilket underlättar vissa analyser. Eftersom fotonbruset är inneboende hos ljuset kan det inte helt elimineras; det minskas främst genom att öka antalet fångade fotoner eller minska bakgrundsstrålningen.