Fast-gated SPAD array for non-line-of-sight 3D imaging

The capability of seeing objects hidden from the direct field of view is increasingly gaining importance in many areas of research, with applications in robotic vision, defence, remote sensing, medical imaging, and autonomous vehicles. Non-Line-Of-Sight (NLOS) imaging has been recently demonstrated by scanning a surface (called relay wall) within the field of view with a pulsed laser and time-resolved detector. Reconstructions of hidden scenes rely on multiply scattered light acquisition. A time-gated SPAD-based imager can be very useful in such situations, where performing a time filtering of incoming photons is required: while the laser light bouncing back from the relay wall to the detector represents the useful information for the reconstruction, previous reflections just blind the imager during signal acquisition. Gated-mode operation is therefore an effective way to reject undesired, strong light pulses preceding (or following) the signal of interest: detectors are switched on just during well-defined time-windows, in which useful backscattered photons have to be acquired. This thesis work aims at developing a fast-gated CMOS SPAD array suitable for Non-Line-Of-Sight scene reconstruction, with the goal of setting a new benchmark for the performance (system compactness, detection efficiency, timing resolution, acquisition time and costs) in the field of around-the-corner imaging. This work is within the DARPA-funded project “REVEAL” (Revolutionary Enhancement of Visibility by Exploiting Active Light-fields), specifically the “Active Illumination and Imaging across Millisecond to Picosecond Time Scales for General LOS/NLOS Scene Understanding” project. In order to achieve this jump in performances, the chip features a brand-new sensing structure, based on a ”circular, differential comparator” scheme: 2x2 SPAD groups (microcells) are readout in pairs, preserving the first-firing detector coordinates, avoiding collisions and granting a low threshold, low jitter avalanche sensing. The overall array consists of 16x16 SPADs; macrocells are made of 4x4 detectors each (i.e. 2x2 microcells). In order to save area and power, only 16 Time-to-Digital Converters (TDCs) are integrated, each one shared among 16 SPADs belonging to the same macrocell, while a two-stage ID logic circuit provides the binary identifier (4bits) of the firing detector which triggered the TDC conversion. Timing and counting modes are performed separately. During timing-mode operation, the whole macrocell is driven by a common gate signal, since each TDC can convert the photon arrival time from just one SPAD. However, when counting-mode is enabled, every 2x2 SPAD group is individually activated, aiming at optimizing the usage of counters and the overall detection efficiency.

La possibilità di osservare oggetti posti al di fuori del campo visivo sta guadagnando sempre più importanza in molte aree di ricerca, nei campi della visione robotica, della sicurezza, del telerilevamento, della diagnostica per immagini e della guida autonoma. Negli scorsi anni, l’utilizzo di un laser impulsato e di un rivelatore ad alta risoluzione temporale ha consentito una prima acquisizione di immagini “Non-Line-Of-Sight” (NLOS). La ricostruzione di scene nascoste prevede l'acquisizione di luce diffusa più volte. Un imager costituito da SPAD ad attivazione rapida può rivelarsi molto efficace in queste applicazioni, ove la possibilità di applicare un filtraggio temporale ai fotoni incidenti è di fondamentale importanza: il segnale utile alla ricostruzione è costituito dalla luce diffusa a ritroso dall’oggetto verso l’imager; contrariamente, i fotoni relativi alle riflessioni precedenti rischiano di accecare gli SPAD, impedendo l’acquisizione dell’informazione. L’attivazione rapida degli SPAD è molto efficace nel respingere gli impulsi di luce indesiderati che precedono, o seguono, il segnale di interesse: questa tecnica permette l’accensione dei rivelatori durante finestre temporali ben definite, all’interno delle quali ci si aspetta di acquisire fotoni utili alla ricostruzione dell’immagine. Questa tesi descrive la realizzazione di una matrice di SPAD CMOS ad attivazione rapida, con l’obiettivo di ottenere un sistema di acquisizione “Non-Line-Of-Sight” ad alta risoluzione temporale che sia più compatto, economico, efficiente e veloce rispetto a quello corrente, in conformità con il progetto "REVEAL" (Revolutionary Enhancement of Visibility by Exploiting Active Light-fields) finanziato da DARPA (nello specifico, parte del progetto “Active Illumination and Imaging across Millisecond to Picosecond Time Scales for General LOS/NLOS Scene Understanding”). Per riuscire ad ottenere un tale miglioramento, il chip presenta una nuovissima struttura di lettura delle valanghe, costituita da uno “schema di comparazione circolare” tra gruppi di 2x2 SPAD (microcelle): ciò garantisce la massima efficienza, tramite la lettura differenziale di coppie di SPAD, preservando la coordinata spaziale del rivelatore che per primo comunica l’acquisizione di un fotone, evitando potenziali collisioni e garantendo una lettura a soglia bassa ed una buona risoluzione temporale. Complessivamente, la matrice è costituita da 16x16 SPAD, raggruppati in macrocelle da 4x4 rivelatori ciascuno (2x2 microcelle). Per risparmiare area e ridurre il consumo di potenza, solo 16 “Time-to-Digital-Converters” (TDCs) sono stati implementati, ognuno dei quali è stato condiviso tra i sedici SPAD appartenenti alla stessa macrocella, mentre una logica di identificazione a due stadi è in grado di fornire la codifica binaria (4 bit) del rilevatore che ha attivato la conversione del TDC. La misura del tempo di volo ed il conteggio dei fotoni incidenti sono ottenuti mediante due modalità di funzionamento distinte, “timing-mode” e “counting-mode”: durante la prima, ciascuna macrocella riceve il suo segnale di attivazione, essendo ciascun TDC in grado di convertire il tempo di arrivo relativo ad un singolo SPAD; durante la seconda, i gruppi di 2x2 SPAD sono attivati da segnali indipendenti, con lo scopo di massimizzare l’utilizzo dei contatori e l’efficienza di rivelazione complessiva.