Sistema di visione 3D a singolo fotone ad elevato frame rate

In recent years, three-dimensional (3D) imaging has gained increasing importance, thanks to new cost-effective technologies, novel mainstream applications, and improved performance achievable from scientific research. An array of Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) detectors with integrated timing electronics was developed within the SPADLab, under the European Commision-funded project “MiSPiA: Microelectronic Single-Photon 3D Imaging Arrays for low-light highspeed Safety and Security Applications”, coordinated by Politecnico di Milano. Such microelectronic imager, which is key element of my thesis work, was aimed at remote surveillance of large areas, taking advantage of the high light sensitivity and good timing performance of in-pixel SPADs. My work focused on developing a complete camera system, capable of 3D ranging by exploiting the direct Time-of-Flight (dTOF) technique. To manage the high throughput required by this system, a fast communication interface was required to transfer data to a personal computer; to this purpose an Universal Serial Bus (USB) 3.0 interface was chosen to provide a maximum 5 Gbit/s data transfer. Then a quick software, able to handle the big amount of data acquired from the SPAD array, was also mandatory and developed. The performance achieved by the overall system are excellent, since the camera is able to acquire real-time 2D videos up to 100 000 frames per second and 3D videos, with sub-centimeter precision, up to 100 frames per second. The obtained performance enable the exploitation of the camera in several fields, such as Fluorescence-Lifetime Imaging Microscopy (FLIM), by means of Time-correlated single-photon counting (TCSPC) technique, thanks to the Time-to-Digital Converters (TDCs) integrated in each pixel, and 3D ranging. Working in short-range scenarios, the camera achieves high frame rates, enabling reliable driver assistance vision systems, whereas the single-photon sensitivity provided by SPAD detectors allows the exploitation of the camera even in long-range scenarios, where light backscattered from target objects is very faint.

Nei recenti anni, l’imaging tridimensionale ha guadagnato importanza, grazie a tecnologie più economiche, a nuove applicazioni di massa e prestazioni migliori, raggiunte grazie ai recenti progressi della ricerca scientifica. Una matrice composta da rivelatori Single-Photon Avalanche Diode (SPAD), con elettronica di timing integrata, è stata sviluppata all’interno dello SPADlab, nel contesto del progetto, finanziato dalla Commissione Europea, MiSPiA e coordinato dal Politecnico di Milano. Questo imager microelettronico, alla base del mio lavoro di tesi, era incentrato sulla sorveglianza remota di ampie aree, sfruttando l’alta sensibilità alla luce e le buone prestazioni di timing degli SPAD integrati nei pixel. Il mio lavoro si è incentrato sullo sviluppo di un completo sistema di acquisizione di immagini, capace di ottenere immagini 3D utilizzando la tecnica direct Time-of-Flight (dTOF). Per gestire l’alta velocità di trasferimento richiesta da questo sistema si è resa necessaria un’interfaccia di comunicazione veloce con il personal computer; a questo fine è stata scelta l’interfaccia Universal Serial Bus (USB) 3.0 capace di garantire fino a 5 Gbit/s di trasferimento dati. È stato necessario sviluppare anche un programma veloce per gestire la grande quantità di dati acquisita dalla matrice SPAD. Le prestazioni raggiunte nel complesso dal sistema sono eccellenti, dal momento che il sistema è in grado di acquisire in tempo reale video fino a 100 000 frame al secondo in 2D e fino a 100 frame al secondo in 3D, con precisione subcentimetrica. Le prestazioni ottenute consentono l’impiego della videocamera in diversi campi, ad esempio Fluorescence-Lifetime Imaging Microscopy (FLIM), potendo utilizzare la tecnica Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC), grazie ai Time-to-Digital Converter (TDC) integrati in ogni pixel, e misure 3D. In applicazioni a breve distanza, la videocamera raggiunge alti frame rate, consentendo di sviluppare sistemi di assistenza alla guida affidabili, mentre la sensibilità al singolo fotone degli SPAD consente di effettuare misure a lunghe distanze, in cui la luce riflessa dal bersaglio è molto debole.