Fast-gated single-photon camera for enhanced phase imaging

In the last decades, SPADs have been consolidated as the leading detectors for single-photon counting and time-correlated single-photon counting. Indeed, they offer single-photon sensitivity, time-resolved detection and high-frame rate in a rugged and compact solution. Research has focused on the design of large arrays where SPADs, front-end and processing electronics are integrated together. Beyond research applications, where they have been used for decades, SPADs have recently gained interest in the commercial field, like, industrial, automotive and consumer electronics. The goal of this Thesis work is to develop a general-purpose camera suitable for LiDAR measurements, NLOS imaging, DIC microscopy and more in general, light starving applications. To produce this camera, it was exploited a 32x32 CMOS SPAD array developed previously to this work. This chip provides the tools for measuring the time of flight of impinging photons, for measuring the number of detected photons and for removing the non-coherent light introduced by the ambient. Together with the validation, the calibration and the characterization of the SPAD array, a complete system has been realized. The GUI and the back-end code, which have been developed using the WPF framework and the C# language, provide the possibility to modify the measurement parameters, visualize in real-time timing histograms and 2-D maps and store the data coming from the SPAD array. The communication between the chip and the PC is performed through a commercial FPGA board (Opal Kelly XEM7310) which provides a DDR3 RAM to temporarily store the measurement data, input/output peripherals to communicate with the hosted FPGA. This system has found application at ICFO (the Institute of Photonics Sciences, in Barcelona) to perform DIC microscopy. The camera is in charge to collect the time of flights of a train of coherent-light pulses coming from a non-resonant cavity where a high transparent sample is placed. The possibility to disable the SPADs outside the window of interest allows to filter out the first reflection which does not carry any information about the sample and to acquire the following weaker pulses.

Negli ultimi anni, applicazioni che richiedono di contare i singoli fotoni o di registrarne il tempo di arrivo, fanno sempre più affidamento su SPAD. Questi sensori offrono infatti sensibilità al singolo fotone, elevata precisione temporale, elevato frame rate e la possibilità di essere integrati in sistemi compatti e robusti. La ricerca si è focalizzata in particolare sulla progettazione di array digitali dove SPAD, front-end ed elettronica per l’elaborazione dei dati, vengono integrati nello stesso chip. Oltre ad applicazione di ricerca, dove vengono impiegati da decadi, gli SPAD hanno guadagnato recentemente interesse in campo commerciale, ad esempio nell’industria, nell’automotive e nell’elettronica di consumo. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di sviluppare una camera adatta a misure LiDAR, NLOS imaging, microscopia DIC e, più in generale, applicazioni dove il segnale luminoso è debole. Per produrre questa camera, è stato utilizzato un array di 32x32 SPAD precedentemente sviluppato. Questo chip permette di misurare il tempo di volo di un fotone, il numero di fotoni rilevati e di rimuovere la luce di fondo non coerente introdotta dall’ambiente. Oltre alla validazione, la calibrazione e la caratterizzazione dell’array di SPAD, il sistema realizzato permette l’utilizzo del chip nelle applicazioni designate. L’interfaccia utente e il codice di back-end, sviluppati utilizzando il framework WPF e il linguaggio C#, forniscono la possibilità di modificare i parametri della misura, di visualizzare in tempo reale istogrammi temporali e mappe bidimensionali e di salvare i dati provenienti dal chip. La comunicazione tra il chip e il pc è realizzata attraverso una scheda FPGA commerciale (Opal Kelly XEM7310), dotata di una RAM DDR3 per salvare temporaneamente i dati della misura e delle periferiche di input/output che permettono la comunicazione con l’FPGA ospitato. Questo sistema è stato utilizzato presso ICFO (Institute of Photonics Sciences, a Barcellona) per misure di microscopia DIC in un setup innovativo. La camera ha permesso di acquisire i tempi di volo di un treno di impulsi di luce coerente provenienti da una cavità non risonante dove è stato inserito un campione altamente trasparente. Grazie alla possibilità di filtrare temporalmente il segnale, accendendo gli SPAD solo nelle finestre temporali di interesse, la prima riflessione, che non porta informazioni sul campione, può essere rimossa permettendo di acquisire gli impulsi successivi.