Fotocamera a singolo fotone per acquisizioni 3D tramite misura del tempo di volo

In the last few decades, the ability to acquire three-dimensional images and movies of a scene with very low illumination levels has become more and more important in many fields, like ambient surveillance, road safety, identification of people and objects, gaming, biomedical imaging, and studies on physics of materials. The present work has been developed within the European project MiSPiA (“Microelectronics Single-Photon 2D and 3D Imaging Arrays for low-light high-speed safety and security applications”), coordinated by Politecnico di Milano, aimed at creating 3-D cameras with centimeter resolution and higher than 10 fps frame-rate. The core components of the camera are Single-Photon Avalanche-Diode (SPAD) arrays, composed by 16x32 or 32x32 pixels, previously developed at Politecnico di Milano. The arrays measure the Time of Flight of a laser pulse backscattered by the target, thus the 3D scene can be reconstructed. These chips enable to perform both photon-counting (i.e. counting the number of photons acquired by the detectors in a defined time) and photon-timing (i.e. determining the arrival time of the photons) measurements. Such feature ensures extreme versatility, thus allowing the acquisition of intensity images and movies and to reconstruct the time-resolved waveform of very faint optical signals, by means of the TCSPC (Time-Correlated Single-Photon Counting) technique. Therefore, purpose of the thesis was to develop a complete system dedicated to array control, management, data readout and upload to a PC, where to reconstruct and display on screen the 2D and 3D acquired movies of the scene. A set of measurements was performed, aimed at characterizing the sensor and assessing its overall functionality.

Negli ultimi decenni, la capacità di acquisire immagini tridimensionali di una scena ha assunto sempre maggior importanza in svariati campi: sorveglianza di ambienti, sicurezza stradale, identificazione di persone e oggetti, gaming, imaging biomedicale e studi di fisica dei materiali. Il lavoro di tesi è inserito all’interno del progetto europeo MiSPiA (“Microelectronics Single-Photon 2D and 3D Imaging Arrays for low-light high-speed safety and security applications”), coordinato dal Politecnico di Milano, che ha lo scopo di realizzare camere 3-D con risoluzioni dell’ordine del centimetro e frame rate di almeno 10 fps. Il punto di partenza del lavoro è dato da una matrice di SPAD, composta di 16x32 o 32x32 pixel, precedentemente sviluppata all’interno del Politecnico di Milano, in grado di effettuare misure di Time of Flight e quindi ricavare, per ogni pixel, informazioni sulla distanza della scena. La possibilità di effettuare con tale chip sia misure di photon-counting (conteggio del numero di fotoni giunti sui rivelatori in un certo periodo di tempo) che di photon-timing (determinazione dell’istante di arrivo dei fotoni) consente un’estrema versatilità, permettendo anche l’acquisizione di immagini bidimensionali, o di segnali ottici con la tecnica del TCSPC (Time Correlated Single Photon Counting). Scopo del lavoro di tesi è dunque stato lo sviluppo di un sistema che si occupi del controllo e della lettura della matrice e dell’invio dei dati 2D e 3D ad un PC, che ricostruisca e visualizzi a schermo i video e le singole mappe bidimensionali e tridimensionali della scena. Al termine dello sviluppo del sistema, il collaudo e le misure sul campo ne hanno validato la funzionalità.