Sub-picosecond foton-effektiv billeddannelse ved hjælp af enkelt-foton sensorer

Enkeltfoton lavinedioder (SPAD'er) er lovende detektorteknologier, der kan bruges til at opnå aktive 3D-billeddannelsessystemer med hurtig optagelse, høj timing nøjagtighed og høj detektionsfølsomhed. Sådanne systemer har brede anvendelser inden for biologisk billeddannelse, fjernmåling og robotteknologi. Imidlertid, Detektorerne står over for tekniske svækkelser kendt som pileup, der forårsager måleforvrængninger, der begrænser deres præcision. I en nylig undersøgelse, udført ved Stanford University Department of Electrical Engineering, videnskabsmænd Felix Heide og kolleger udviklede en sandsynlig billeddannelsesmodel, der nøjagtigt kunne modellere pileup. Ved at bruge den foreslåede model, forskerne udtænkte omvendte metoder til effektivt og robust at estimere scenedybden og reflektansen ud fra registrerede fotontællinger. Med algoritmen, de var i stand til at demonstrere forbedringer af nøjagtigheden af ​​timing, sammenlignet med eksisterende teknikker. Vigtigere, modellen tillod nøjagtighed ved sub-picosecond i fotoneffektiv 3D-billeddannelse for første gang i praktiske scenarier, hvorimod tidligere kun meget varierende fotontællinger blev observeret. Resultaterne er nu offentliggjort i Videnskabelige rapporter .

Aktiv billeddannelse har brede anvendelser på tværs af discipliner, der spænder fra autonom kørsel til mikroskopisk billeddannelse af biologiske prøver. Nøglekrav til disse applikationer omfatter høj nøjagtighed med timing, hurtige opkøbsrater, dynamiske driftsområder og høj detektionsfølsomhed over for billedobjekter, der er skjult for et kameras visning. Fjernmåling og automatiserede applikationer kræver erhvervelse spænder fra <1 meter til kilometerskalaen.

Non-line-of-sight billeddannelse er afhængig af at opnå kodet information via de få tilbagevendende fotoner af multipliceret spredt indirekte lys, ud over det direkte reflekterede lys. For at aktivere disse applikationer, ultrafølsomme detektorer blev udviklet til at optage individuelle fotoner, der vender tilbage fra en pulserende belysningskilde. Enkeltfoton lavinedioder (SPAD'er) er en af ​​de mest følsomme tidsopløste detektorteknologier, der kan fremstilles ved hjælp af den komplementære metal-oxid-halvleder (CMOS) fremstillingsproces. SPAD'erne blev hurtigt etableret som en kernedetektorteknologi til 3D-billeddannelse.

I sit funktionsprincip, SPAD'er er omvendt forspændte fotodioder, der fungerer i Geiger-tilstand, altså over deres gennemslagsspænding. Når fotoner falder ind på den aktive overflade af en SPAD, en tidsstemplet elektron lavine kan udløses. Gentagen tidsstempling af fotoner, der vender tilbage fra en synkront pulseret belysningskilde, der typisk fungerer ved MHz-hastigheder, kan akkumulere et histogram af fotontællinger i tid. Det resulterende histogram dokumenterer den omtrentlige intensitet af den returnerende lysimpuls for at genoprette og karakterisere afstanden, reflektans og 3D-geometri af et objekt skjult.

Afhængig af den forventede anvendelse, SPAD'er kan fungere i friløbstilstand (der gør det muligt at detektere alle fotonhændelser samtidigt på alle ankomsttider) eller gated-tilstand (hvor kun fotoner i et bestemt tidsvindue mellem impulser detekteres). Alle applikationer er underlagt et grundlæggende fænomen kendt som pileup-forvrængning, der i høj grad begrænser nøjagtigheden. Pileup kan i sagens natur begrænse SPAD-detektorens funktionsprincip. For eksempel, efter hver udløst elektron lavine, detektoren kræver quenching før detektering af yderligere fotonankomsthændelser. I denne 'døde tid' (ti til hundredvis af nanosekunder), detektoren er inaktiv. Dette kan resultere i, at de tidligere fotoner af en enkelt laserpuls udløser en lavine, mens senere pulser sandsynligvis ignoreres i dødtiden; skabe unøjagtige skæve målinger kendt som pileup. Fænomenet kan undgås ved at betjene aktive billeddannelsessystemer i et lavflux-regime, som set med state-of-the-art teknikker brugt til første-foton billeddannelse før.

Imidlertid, betingelserne varierer for 3D-billeddannelsesapplikationer i robotteknologi, biologisk billeddannelse eller automotive sensing, da de opererer i miljøer, hvor objekter, der afspejler både høje og lave antal fotoner, er afgørende for beslutningstagning. Den store varians i optagne fotontællinger, der skyldes forskellige dybder eller forskellige genstandes varierende reflektivitet, er afgørende for 3D-billeddannelse. I dette arbejde, Heide et al. introducerede en ny estimeringsalgoritme, der overvandt eksisterende begrænsninger for aktive 3D-billeddannelsessystemer ved hjælp af gratis kørende SPAD'er.

Den foreslåede metode forbedrede nøjagtigheden af ​​den eksisterende dybde- og albedo-estimering, over en bred vifte af målinger med lav flux til høj flux. Forskerne introducerede en probabilistisk billeddannelsesmodel, der inkluderede pileup, med effektive inverse metoder udledt til dybde- og albedo-estimeringer. Rekonstruktionsrammen estimerede i fællesskab alle ukendte parametre for at overvinde algoritmiske begrænsninger, der tidligere begrænsede timingpræcisionen. Den foreslåede metode gjorde det muligt for meget nøjagtig og hurtig 3D-billeddannelse at åbne nye driftsregimer for fotoneffektiv 3D-billeddannelse anvendelig under forhold med dramatisk varierende fotontal.

Ydeevnen af ​​den foreslåede metode blev vurderet på to scener med meget varierende reflektans og dybdeprofiler, som omfattede statuen af ​​David og en Bas-relief scene. Begge forekomster indeholdt objekter med komplekse geometrier og varierende reflektansegenskaber, herunder spejlende adfærd for "Statue of David" og Lambertian-reflektans med rumligt varierende albedo i 'Bas-relief'-scenen. For begge scener fangede forskerne en jordsandhedsreferencemåling (information leveret af empiriske beviser) med et 5 % neutral densitetsfilter, som eliminerede pileup-forvrængninger ved at dæmpe kildeintensiteten.

Systemets hardware indeholdt en tidsbestemt sensor, pulserende laser, belysning og opsamlingsoptik. Opsætningen havde også et sæt scanningsspejle for at opnå et rasterscanningsbelysningsmønster. Timingen af ​​foton-ankomster blev fanget med et PicoHarp 300 tidskorreleret enkelt foton-tællemodul. Belysningskilden var en 450 nm eller 670 nm picosekund laser (genererende fuld bredde ved halv maksimum FWHM, pulsbredder på 90 ps og 50 ps). Samlingsoptikken bestod af en 75 m objektivlinse, 30 mm relælinse og et mikroskopobjektiv, designet til at udvide SPAD'ens synsfelt over det område, der scannes af belysningskilden.

De eksperimentelle målinger tjente som input til den foreslåede metode og blev erhvervet uden nogen filtre i den optiske vej. Dybde- og albedo-rekonstruktioner sammen med tilsvarende fejlkort blev opnået under undersøgelsen. Resultaterne bekræftede, at den foreslåede metode opnåede højkvalitetsrekonstruktioner upåvirket af sceneafhængig pileup eller skudstøj (elektronisk støj forbundet med lysets partikelnatur). Resultaterne blev sammenlignet med konventionelle metoder, såsom det log-matchede filter-estimat og Coates' pileup-korrektionsmetode, der ikke så effektivt undertrykte pileup og led af sceneafhængig dybdepræcision. I modsætning, metoden introduceret af Heide et al. opnået sub-picosecond nøjagtighed.

Koden og data anvendt af Heide et al. at generere resultaterne af undersøgelsen vil være tilgængelig på GitHub. I alt, den foreslåede probabilistiske billeddannelsesmodel og tilsvarende omvendte metoder opnåede sub-picosecond-nøjagtighed for aktiv 3D-billeddannelse, på trods af at laserpulsbredderne er større end 50 ps. Den nye metode opnåede høj præcision på tværs af et dynamisk område fra lavflux til højfluxmålinger sammenlignet med traditionelle teknikker. I fremtiden, den foreslåede metode kan lette langdistanceoptagelse ved at multiplekse flere pileup-påvirkede svar. Den foreslåede innovation baner vejen for hurtige og præcise fotoneffektive 3D-billeddannelsessystemer, hvor meget varierende fotontal observeres i praksis. Applikationer kan spænde over brede discipliner til at inkludere 3D-kortlægning og -navigation, kunstgenopbygning og konservering, autonom kørsel, vision for robotter og maskiner, geografisk information, industriel og mikroskopisk billeddannelse.

© 2018 Science X Network