Imaging 3D con matrici di SPAD CMOS mediante rivelazione indiretta del tempo di volo di luce impulsata

Nowadays, in many applications the use of three-dimensional video and imaging systems is required. An example is in home entertainment field, safety and security applications, and in industrial process automation. “Politecnico di Milano” is the coordinator of the European Project MiSPiA (Microelectronic Single-Photon 3D Imaging Arrays, for low-light high-speed Safety and Security Applications). The project aims at devising 3D ranging cameras for safety application in the automotive field (e.g. detection of obstacles and control the movement to prevent crashes), and for security applications, such as access check in under control area. The main task of Politecnico in the MiSPiA project is to develop the microelectronic sensor composed by a monolithic array of single photon detectors (SPAD, Single Photon Avalanche Diode), for 3D ranging using an indirect time of flight approach. The specific aim of this Thesis was the design of a 3D camera based on photon time of flight measurement by means of pulsed illumination of the scene, in order to characterized the new 3D detector. In this Thesis, distance detection algorithms based on time of flight (TOF) measure were studied. An FPGA device is used in order to implement these algorithms, to manage illumination system and microelectronic sensor, as well as to control the communication with the PC. After a description of the microelectronic sensor based on SPAD device, the design of the illumination system will be presented, starting from the estimatation of the optical power needed for the required precision. The design of the electrical circuit driving lasers, and the design of the optical system aim to correct the field of view of the optical emitted light will be also described in depth. Finally, some experimental results are presented in order to describe peculiarity and drawbacks of the developed camera.

Oggigiorno, molte applicazioni richiedono l’uso di sistemi di acquisizione di video ed immagini in tre dimensioni, come ad esempio nel settore dell’intrattenimento, per safety and security application, e per automazione di processi industriali. Il “Politecnico di Milano” è coordinatore del progetto Europeo MiSPiA (Microelectronic Single-Photon 3D Imaging Arrays, for low-light high-speed Safety and Security Applications). Tale progetto ha come obiettivo la realizzazione di videocamere 3D per applicazioni di sicurezza in campo automobilistico (es. rivelazione di ostacoli e controllo della traiettoria per prevenire incidenti), ed applicazioni quali il controllo di accessi in perimetri sotto osservazione. Compito principale del Politecnico nel progetto MiSPiA è la realizzazione di sensori microelettronici, composti da matrici di rivelatori a singolo fotone (SPAD, Single Photon Avalanche Diode) per rivelazione di scena 3D tramite misura del tempo di volo di un impulso luminoso. Scopo di questa tesi è la realizzazione di una videocamera 3D basata sulla misura del tempo di volo di un impulso luminoso e su un’illuminazione impulsata della scena. In questa tesi sono stati analizzati algoritmi di rivelazione della distanza tramite misura del tempo di volo di un impulso luminoso (TOF). Un dispositivo FPGA è stato utilizzato per implementare questi algoritmi, per gestire il sistema di illuminazione della scena e il funzionamento del sensore microelettronico. Sempre dall’FPGA è gestita la comunicazione dei dati al PC, il quale si occuperà di un ulteriore elaborazione prima di effettuarne la visualizzazione su schermo e la memorizzazione. Dopo una breve descrizione del sensore utilizzato, saranno descritti i criteri di progettazione del sistema di illuminazione partendo dal calcolo della potenza ottica necessaria al fine di ottenere la risoluzione richiesta. Particolare attenzione sarà data all’elettronica di gestione dei laser ed al sistema di lenti utilizzate per ottenere l’angolo di vista desiderato per il fascio luminoso. Alcuni risultati sperimentali vengono infine presentati al fine di descrivere le peculiarità ed i limiti del sistema realizzato