Single-photon lawinediodes (SPAD's) zijn veelbelovende detectortechnologieën die kunnen worden gebruikt om actieve 3D-beeldvormingssystemen te realiseren met snelle acquisitie, hoge timingnauwkeurigheid en hoge detectiegevoeligheid. Dergelijke systemen hebben brede toepassingen op het gebied van biologische beeldvorming, teledetectie en robotica. Echter, de detectoren hebben te maken met technische stoornissen die bekend staan ​​als pileup, waardoor meetverstoringen hun nauwkeurigheid beperken. In een recente studie, uitgevoerd aan de Stanford University Department of Electrical Engineering, wetenschappers Felix Heide en collega's ontwikkelden een probabilistisch beeldvormingsmodel dat opstapeling nauwkeurig kon modelleren. Met behulp van het voorgestelde model, de wetenschappers bedachten omgekeerde methoden om de scènediepte en reflectie van geregistreerde fotonentellingen efficiënt en robuust te schatten. Met het algoritme ze waren in staat om verbeteringen aan te tonen in de nauwkeurigheid van timing, vergeleken met bestaande technieken. Belangrijker, het model maakte voor het eerst in praktische scenario's nauwkeurigheid mogelijk op de sub-picoseconde in foton-efficiënte 3D-beeldvorming, terwijl voorheen alleen sterk variërende fotonentellingen werden waargenomen. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Actieve beeldvorming heeft brede toepassingen in verschillende disciplines, variërend van autonoom rijden tot microscopische beeldvorming van biologische monsters. De belangrijkste vereisten voor deze toepassingen zijn onder meer een hoge nauwkeurigheid met timing, snelle acquisitie tarieven, dynamische werkbereiken en hoge detectiegevoeligheid voor beeldobjecten die voor het zicht van een camera verborgen zijn. Remote sensing en geautomatiseerde toepassingen vereisen acquisitie varieert van <1 meter op de kilometerschaal.

Non-line-of-sight beeldvorming is gebaseerd op het verkrijgen van gecodeerde informatie via de weinige terugkerende fotonen van meervoudig verstrooid indirect licht, naast het direct gereflecteerde licht. Om deze toepassingen in te schakelen, ultragevoelige detectoren werden ontwikkeld om individuele fotonen te registreren die terugkeren van een gepulseerde lichtbron. Single-photon lawine diodes (SPAD's) zijn een van de meest gevoelige in de tijd opgeloste detectortechnologieën die kunnen worden geproduceerd met behulp van het complementaire metaaloxide-halfgeleider (CMOS) productieproces. De SPAD's werden snel ontwikkeld als een kerndetectortechnologie voor 3D-beeldvorming.

In zijn principe-van-functie, SPAD's zijn reverse-biased fotodiodes die werken in de Geiger-modus, d.w.z. boven hun doorslagspanning. Wanneer fotonen invallen op het actieve oppervlak van een SPAD, een tijdstempel elektronenlawine kan worden geactiveerd. Herhaalde tijdstempeling van fotonen die terugkeren van een synchroon gepulseerde verlichtingsbron die typisch werkt met MHz-snelheden, kan een histogram van fotonentellingen in de tijd accumuleren. Het resulterende histogram documenteert de geschatte intensiteit van de terugkerende lichtpuls om de afstand te herstellen en te karakteriseren, reflectie en 3D-geometrie van een aan het zicht onttrokken object.

Afhankelijk van de verwachte toepassing, SPAD's kunnen werken in de vrijlopende modus (waardoor alle fotongebeurtenissen tegelijkertijd op alle aankomsttijden kunnen worden gedetecteerd) of in gated modus (waarbij alleen fotonen in een specifiek tijdvenster tussen pulsen worden gedetecteerd). Alle toepassingen zijn onderhevig aan een fundamenteel fenomeen dat bekend staat als pileup-vervorming, dat de nauwkeurigheid ernstig beperkt. Pileup kan inherent het werkingsprincipe van de SPAD-detector beperken. Bijvoorbeeld, na elke geactiveerde elektronenlawine, de detector moet worden geblust voordat verdere fotonaankomstgebeurtenissen worden gedetecteerd. Tijdens deze 'dode tijd' (tien tot honderden nanoseconden), de detector is inactief. Dit kan ertoe leiden dat de eerdere fotonen van een enkele laserpuls een lawine veroorzaken, terwijl latere pulsen waarschijnlijk worden genegeerd in de dode tijd; het creëren van onnauwkeurige scheve metingen bekend als pileup. Het fenomeen kan worden vermeden door actieve beeldvormingssystemen te gebruiken in een regime met lage flux, zoals gezien met state-of-the-art technieken die eerder werden gebruikt voor eerste-foton-beeldvorming.

Echter, omstandigheden variëren voor 3D-beeldvormingstoepassingen in robotica, biologische beeldvorming of automotive sensing omdat ze werken in omgevingen waar objecten die zowel hoge als lage aantallen fotonen reflecteren essentieel zijn voor besluitvorming. De grote variantie in het aantal verworven fotonen dat het gevolg is van verschillende diepten of de variërende reflectiviteit van verschillende objecten is cruciaal voor 3D-beeldvorming. In dit werk, Heide et al. introduceerde een nieuw schattingsalgoritme dat bestaande beperkingen van actieve 3D-beeldvormingssystemen met behulp van vrijlopende SPAD's overwon.

De voorgestelde methode verbeterde de nauwkeurigheid van de bestaande diepte- en albedoschatting, over een breed bereik van low-flux tot high-flux metingen. De wetenschappers introduceerden een probabilistisch beeldvormingsmodel dat ophoping, met efficiënte inverse methoden afgeleid voor diepte- en albedo-schattingen. Het reconstructieraamwerk schatte gezamenlijk alle onbekende parameters om algoritmische beperkingen te overwinnen die voorheen de timingprecisie beperkten. De voorgestelde methode maakte zeer nauwkeurige en snelle 3D-beeldvorming mogelijk om nieuwe operationele regimes van foton-efficiënte 3D-beeldvorming te openen die toepasbaar zijn in omstandigheden met dramatisch variërende fotonenaantallen.

De prestaties van de voorgestelde methode werden beoordeeld op twee scènes met sterk variërende reflectie- en diepteprofielen, waaronder het standbeeld van David en een bas-reliëfscène. Beide gevallen bevatten objecten met complexe geometrieën en variërende reflectie-eigenschappen, waaronder spiegelend gedrag voor het "Statue of David" en Lambertiaanse reflectie met ruimtelijk variërende albedo in de 'bas-reliëf'-scène. Voor beide scènes hebben de wetenschappers een grondwaarheidsreferentiemeting vastgelegd (informatie geleverd door empirisch bewijs) met een filter met een neutrale dichtheid van 5%, waardoor stapelvervormingen werden geëlimineerd door de bronintensiteit te dempen.

De hardware van het systeem bevatte een tijdopgeloste sensor, gepulseerde laser, verlichting en collectieoptiek. De opstelling had ook een set scanspiegels om een ​​rasterscanverlichtingspatroon te bereiken. De timing van fotonaankomsten werd vastgelegd met een PicoHarp 300 tijdgecorreleerde enkele foton-telmodule. De verlichtingsbron was een picosecondelaser van 450 nm of 670 nm (genereerde volledige breedte bij halve maximale FWHM, pulsbreedtes van 90 ps en 50 ps). De collectieoptiek bestond uit een objectieflens van 75 m, 30 mm relaislens en een microscoopobjectief, ontworpen om het gezichtsveld van de SPAD uit te breiden over het gebied dat door de verlichtingsbron wordt gescand.

De experimentele metingen dienden als input voor de voorgestelde methode en werden verkregen zonder filters in het optische pad. Tijdens het onderzoek werden diepte- en albedo-reconstructies samen met bijbehorende foutenkaarten verkregen. De resultaten bevestigden dat de voorgestelde methode reconstructies van hoge kwaliteit bereikte die niet werden beïnvloed door scène-afhankelijke opeenhoping of schotruis (elektronische ruis geassocieerd met de deeltjesaard van licht). De resultaten werden vergeleken met conventionele methoden, zoals de log-matched filter-schatting en Coates' pileup-correctiemethode die de pileup niet zo effectief onderdrukte en leed aan scène-afhankelijke dieptenauwkeurigheid. In tegenstelling tot, de methode geïntroduceerd door Heide et al. bereikte een nauwkeurigheid van minder dan een seconde.

De code en gegevens die worden gebruikt door Heide et al. om de bevindingen van het onderzoek te genereren, zal beschikbaar zijn op GitHub. In totaal, het voorgestelde probabilistische beeldvormingsmodel en de bijbehorende inverse methoden bereikten een nauwkeurigheid van sub-picoseconde voor actieve 3D-beeldvorming, ondanks dat de laserpulsbreedten groter zijn dan 50 ps. De nieuwe methode bereikte een hoge precisie over een dynamisch bereik van low-flux tot high-flux metingen in vergelijking met traditionele technieken. In de toekomst, de voorgestelde methode kan acquisitie op lange afstand vergemakkelijken door meerdere door stapeling beïnvloede reacties te multiplexen. De voorgestelde innovatie maakt de weg vrij voor snelle en nauwkeurige foton-efficiënte 3D-beeldvormingssystemen, waar in de praktijk sterk variërende fotonenaantallen worden waargenomen. Toepassingen kunnen uiteenlopen over brede disciplines, waaronder 3D-kaarten en navigatie, reconstructie en conservering van kunst, autonoom rijden, visie voor robots en machines, geografische informatie, industriële en microscopische beeldvorming.

© 2018 Wetenschap X Netwerk