Time of flight camera for long distance 3D ranging

In my Ph.D. major research I developed, characterized, validated, and tested a complete system able to acquire combined 2D and 3D images and movies at the single photon level. The sensor relies on Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) detectors and on Time-of-Flight (TOF) measurements in order to obtain 3D information from each photon sent toward the target objects in the scene and then reflected back to the camera and detected by each pixel of the imager. The activity was developed within the European project “MiSPIA” (Microelectronic Single-Photon 2D and 3D Imaging Arrays for Safety and Security applications), aimed at developing 2D imaging cameras and 3D ranging cameras for safety and security applications. Beyond these applications the developed system will be employed in Near Infra-Red Spectroscopy (NIRS), Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM), Diffuse Optical Tomography (DOT) and other measurements based on the Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) technique. The core of the entire project has been the design of the sensor chips, which are array of SPADs integrated together with Time-to-Digital Converters (TDCs) into each pixel. Planar arrays (32x32 and 32x16 pixels) have been designed specifically for 3D ranging applications, whereas linear arrays (60x1 pixels) are more suitable for bioimaging applications, since they can reach higher frame rate in respect to planar arrays, and they have also higher fill-factor (all SPADs are laid out side by side along a single raw while the timing electronics is placed on one side of the array of SPADs). In particular linear arrays will be investigated in portable Raman Spectroscopy systems, capable to distinguish Raman stimulated emission from fluorescence background, by exploiting the arrival time of emitted photons. Compared to other arrays of SPADs and TDCs presented in literature, this sensor shows better linearity and higher SPAD performance. The complete system comprises, the microelectronic sensor chip, the external electronics, based on an FPGA to interface the imager with the computer, and a graphical user interface to set camera parameters and display acquired images and movies. 2D movies at 100,000 fps and 3D movies with frame rates up to 200 fps and centimeter precision have been acquired, in collaboration with Heriot-Watt University (Edinburgh) and with the Physics Department of Politecnico di Milano.

Nel corso della mia attività di dottorato ho sviluppato, caratterizzato, validato e testato un sistema competo in grado di acquisire immagini e filmati bidimensionali e tridimensionali, con sensibilità al singolo fotone. Il dispositivo è basato su Single-Photon Avalche Diodes (SPADs) e sulla tecnica di misura del tempo di volo (Time-of-Flight). In tale tecnica viene sfruttata l’informazione sul tempo di volo di singoli fotoni emessi da un laser verso il target, e riflessi indietro sul rivelatore, allo scopo di ricostruire una scena 3D. L’attività si è svolta nell’ambito del progetto europeo “MiSPIA” (Microelectronic Single-Photon 2D and 3D Imaging Arrays for Safety and Security applications), il cui obiettivo era quello di sviluppare telecamere per immagini 2D e 3D, per applicazioni riguardanti la sicurezza e la sorveglianza. Oltre che in queste applicazioni il sistema sviluppato può trovare largo impiego anche in altri campi, come ad esempio Near Infra-Red Spectroscopy, Fluorescence Lifetime Imaging, Diffuse Optical Tomography e altre misure che si basano sulla tecnica del Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC). Il cuore di tutto il progetto è stato lo sviluppo microelettronico di matrici di SPAD integrati insieme all’elettronica per la misura del tempo di arrivo dei fotoni (Time-to-Digital Converter, TDC). Sono state sviluppate sia matrici planari (32x32 e 32x16 pixels) che array lineari (60x1 pixel). Le prime sono state utilizzate soprattutto per ricostruzione di scene in 3D, mentre gli array lineari sono particolarmente adatti per applicazioni nell’ambito della biologia e delle bioimmagini, grazie al loro elevato fill-factor e verranno utilizzati in sistemi compatti per spettroscopia Raman. Rispetto ad altre matrici di SPAD e TDC presentate in letteratura, quella da me sviluppata mostra miglior linearità nella misura del tempo di volo e rivelatori SPAD a più elevate prestazioni. Il sistema completo comprende il sensore microelettronico, la scheda e l’elettronica esterna basata su FPGA per interfacciare il chip con un computer e un’interfaccia grafica per impostare alcuni parametri di misura e visualizzare le immagini acquisite. Infine sono stati realizzati filmati 2D e 3D ad elevato frame rate (rispettivamente 100,000 fps e 200 fps), in collaborazione con la Heriot-Watt University di Edinburgo e il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano.