Design and implementation of an FPGA-based real-time distortion correction system for ultra-fast TCSPC applications

Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) is widely used for high-precision time measurements in applications such as biomedical imaging, remote sensing, and quantum optics. However, conventional TCSPC systems are limited by pile-up distortion, which occurs when multiple photons arrive within the same excitation period, but only one is recorded. To mitigate this issue, traditional implementations operate at low count rates, reducing data acquisition efficiency and limiting applicability in high-speed measurements. This thesis presents the design and implementation of an FPGA-based real-time correction system to overcome constraints imposed by pile-up distortion and detector dead time. The proposed approach employs Proactive, a correction methodology that utilizes the probability density function (PDF) of the system’s active state to correct distortions in the recorded histogram. The system was designed with a modular, block-based architecture, ensuring flexibility for different configurations. This approach allows for easy adaptation to multi-channel photon detection and modifications in signal processing by adjusting specific system blocks. It supports two measurement modes: histogram mode, which accumulates long-term photon statistics, and oscilloscope mode, which provides real-time visualization of individual acquisitions. The experimental validation was conducted using two independent measurement setups with different detector technologies and sample conditions. The system was tested at up to 200% of the laser synchronization rate, demonstrating its capability to operate beyond traditional TCSPC limitations while maintaining accurate fluorescence lifetime estimations. The results confirmed its effectiveness in correcting distortions, ensuring reliable and precise measurements even at ultra-fast excitation rates.

La Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) è ampiamente utilizzata per misure temporali ad alta precisione in applicazioni come imaging biomedico, remote sensing e ottica quantistica. Tuttavia, i sistemi TCSPC convenzionali sono limitati dalle distorsioni dovute al pile-up, che si verifica quando più fotoni arrivano all'interno dello stesso periodo di eccitazione, ma solo uno viene registrato. Per mitigare questo problema, le implementazioni tradizionali operano a bassi count rate, riducendo l’efficienza dell’acquisizione e limitando le misure ad alta velocità. Questa tesi presenta la progettazione e l’implementazione di un sistema di correzione delle distorsioni in tempo reale basato su FPGA, con l'obiettivo di superare i vincoli imposti dalle distorsioni dovute al pile-up e dal tempo morto del rivelatore. L’approccio proposto si basa su Proactive, un metodo di correzione che utilizza la densità di probabilità (PDF) dello stato del sistema per correggere le distorsioni nell’istogramma registrato. Il sistema è stato progettato con un'architettura modulare a blocchi, garantendo flessibilità per diverse configurazioni. Questo approccio consente la facile adattabilità per sistemi con detector multipli e la possibilità di modificare l'elaborazione del segnale tramite la modifica di specifici blocchi. Sono presenti due modalità di misurazione: histogram mode, che accumula informazioni sui fotoni a lungo termine, e oscilloscope mode, che consente la visualizzazione in tempo reale delle singole acquisizioni. La validazione sperimentale è stata condotta utilizzando due setup di misura con diverse tecnologie di rivelazione e differenti campioni, per valutare le prestazioni del sistema. Questo è stato testato fino al 200% della frequenza di sincronizzazione del laser, dimostrando la capacità di operare oltre i limiti tradizionali della TCSPC, mantenendo stime accurate della costante di tempo del decadimento esponenziale. I risultati hanno confermato l'efficacia del sistema nella correzione delle distorsioni, garantendo misurazioni affidabili e precise anche a frequenze di eccitazione ultraveloci.