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- 使用單光子傳感器的亞皮秒光子有效成像
- 來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2020/12/17
亞皮秒3D成像框架。(a)準(zhǔn)直脈沖激光在單個(gè)點(diǎn)上照亮場景。使用2軸反射鏡檢流計(jì)對激光進(jìn)行橫向掃描。定時(shí)和控制電子設(shè)備為每個(gè)檢測到的光子相對于上一個(gè)發(fā)射脈沖的時(shí)間戳記時(shí)間戳,并將這些事件累積在時(shí)空光子計(jì)數(shù)的直方圖中(b)。處理該直方圖以估計(jì)反射率和深度信息(c)。高亮顯示了兩個(gè)點(diǎn),一個(gè)對應(yīng)于高通量(d),另一個(gè)對應(yīng)于低通量(e)測量。后者比較吵雜,而高通量測量則受到堆積失真的影響,這會(huì)給傳統(tǒng)算法的深度估計(jì)帶來很大的偏差。提出的估算方法可以對這兩種情況進(jìn)行準(zhǔn)確建模,允許根據(jù)嚴(yán)重失真的測量結(jié)果以亞皮秒級的精度估算反射率信息和傳播時(shí)間。
單光子雪崩二極管(SPAD)是有前途的探測器技術(shù),可用于實(shí)現(xiàn)具有快速采集,高定時(shí)精度和高探測靈敏度的有源3D成像系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)在生物成像,遙感和機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。但是,檢測器面臨著稱為堆積的技術(shù)缺陷,這些缺陷會(huì)導(dǎo)致測量失真,從而限制其精度。在斯坦福大學(xué)電氣工程系進(jìn)行的一項(xiàng)最新研究中,科學(xué)家費(fèi)利克斯·海德(Felix Heide)及其同事開發(fā)了一種概率圖像形成模型,該模型可以準(zhǔn)確地對堆積進(jìn)行建模。利用提出的模型,科學(xué)家們設(shè)計(jì)了逆方法來從記錄的光子計(jì)數(shù)中有效,可靠地估計(jì)場景深度和反射率。有了算法,與現(xiàn)有技術(shù)相比,他們能夠證明計(jì)時(shí)精度的提高。更重要的是,該模型在實(shí)際場景中首次允許在光子有效的3D成像中達(dá)到亞皮秒的精度,而以前只觀察到變化很大的光子計(jì)數(shù)。結(jié)果現(xiàn)已發(fā)布在科學(xué)報(bào)告。
主動(dòng)成像在從自動(dòng)駕駛到生物樣品的顯微成像等各個(gè)學(xué)科的廣泛應(yīng)用。這些應(yīng)用的關(guān)鍵要求包括高精度,定時(shí),快速采集速率,動(dòng)態(tài)工作范圍以及對從攝像機(jī)視線隱藏的圖像對象的高檢測靈敏度。遙感和自動(dòng)化應(yīng)用的需求采集范圍從<1米到千米。
非視距成像依賴于除了直接反射光之外,還通過多個(gè)散射的間接光返回的幾個(gè)光子來獲得編碼信息。為了實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用,開發(fā)了超靈敏檢測器來記錄從脈沖照明源返回的單個(gè)光子。單光子雪崩二極管(SPAD)是最靈敏的時(shí)間分辨檢測器技術(shù)之一,可以使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制造工藝來生產(chǎn)。SPADs已迅速建立為3D成像的核心檢測器技術(shù)。
按照其功能原理,SPAD是反向偏置的光電二極管,工作在蓋革模式,即高于其擊穿電壓。當(dāng)光子入射到SPAD的有源表面上時(shí),會(huì)觸發(fā)帶有時(shí)間戳的電子雪崩。從通常以MHz速率運(yùn)行的同步脈沖照明源返回的光子的重復(fù)時(shí)間戳可累積光子計(jì)數(shù)的直方圖。所得的直方圖記錄了返回光脈沖的大致強(qiáng)度,以恢復(fù)并表征隱藏在視野之外的物體的距離,反射率和3D幾何形狀。
實(shí)驗(yàn)重建。記錄的光子計(jì)數(shù)的時(shí)空分布。對(a,e)進(jìn)行處理以估計(jì)包含深度和反照率信息的3D點(diǎn)云(b,c,f,g),此處針對兩個(gè)不同場景進(jìn)行了顯示((d,h)中所示的照片)。用顏色編碼的誤差圖(d,h)直接比較幾種深度估計(jì)技術(shù)的結(jié)果,包括對數(shù)匹配濾波,Coates方法和高斯擬合(在高通量測量中),以及所提出的方法。圖片來源:Scientific Reports,Doi:10.1038 / s41598-018-35212-x
根據(jù)預(yù)期的應(yīng)用,SPAD可以在自由運(yùn)行模式(允許在所有到達(dá)時(shí)間同時(shí)檢測所有光子事件)或門控模式(僅在脈沖之間的特定時(shí)間窗口內(nèi)檢測到光子)下運(yùn)行。所有應(yīng)用程序都會(huì)受到稱為堆積變形的基本現(xiàn)象的影響嚴(yán)重限制了準(zhǔn)確性。堆積會(huì)固有地限制SPAD檢測器的工作原理。例如,在每次觸發(fā)電子雪崩之后,探測器需要先淬火,然后再探測光子到達(dá)事件。在這段“死時(shí)間”(十到幾百納秒)內(nèi),檢測器處于非活動(dòng)狀態(tài)。這可能會(huì)導(dǎo)致單個(gè)激光脈沖的較早光子觸發(fā)雪崩,而在死區(qū)時(shí)間內(nèi)可能會(huì)忽略較晚的脈沖;創(chuàng)建不準(zhǔn)確的偏斜測量值,稱為堆積?梢酝ㄟ^在低通量狀態(tài)下運(yùn)行有源成像系統(tǒng)來避免這種現(xiàn)象,就像以前用于第一光子成像的最新技術(shù)所看到的那樣。
但是,在機(jī)器人,生物成像或汽車傳感中的3D成像應(yīng)用條件會(huì)有所不同,因?yàn)樗鼈冊诜瓷涓邤?shù)量和低數(shù)量的光子的對象對于決策至關(guān)重要的環(huán)境中運(yùn)行。由不同深度或不同對象反射率的變化導(dǎo)致的獲取光子計(jì)數(shù)的大變化對于3D成像至關(guān)重要。在這項(xiàng)工作中,Heide等人。引入了一種新的估算算法,該算法克服了使用自由運(yùn)行的SPAD的主動(dòng)3D成像系統(tǒng)的現(xiàn)有限制。
從低通量到高通量測量,該方法提高了現(xiàn)有深度和反照率估計(jì)的準(zhǔn)確性?茖W(xué)家介紹了一個(gè)概率圖像形成模型,該模型包括堆積,并使用有效的反演方法得出深度和反照率估計(jì)值。重建框架共同估算了所有未知參數(shù),以克服以前限制時(shí)序精度的算法限制。所提出的方法允許高精度和快速的3D成像打開適用于光子計(jì)數(shù)急劇變化的條件的光子有效3D成像的新操作方案。
用于3D成像的實(shí)驗(yàn)硬件。示意圖顯示了“大衛(wèi)雕像”的場景,照明源以及圖像重建的時(shí)間戳記過程。圖片來源:Scientific Reports,Doi:10.1038 / s41598-018-35212-x
在兩個(gè)反射率和深度剖面變化很大的場景(包括戴維雕像和淺浮雕場景)上評估了該方法的性能。兩個(gè)實(shí)例都包含具有復(fù)雜幾何形狀和變化的反射特性的對象,包括“大衛(wèi)雕像”的鏡面行為和“淺浮雕”場景中具有空間變化反照率的朗伯反射率。對于這兩個(gè)場景,科學(xué)家都捕獲了地面真實(shí)參考測量值(信息(由經(jīng)驗(yàn)證據(jù)提供)具有5%的中性密度濾鏡,該濾鏡通過抑制光源強(qiáng)度消除了堆積失真。
該系統(tǒng)的硬件包括一個(gè)時(shí)間分辨?zhèn)鞲衅,脈沖激光,照明和采集光學(xué)器件。該設(shè)置還具有一組掃描鏡,以實(shí)現(xiàn)光柵掃描照明圖案。利用PicoHarp 300時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)模塊捕獲光子到達(dá)的時(shí)間。照明源是450 nm或670 nm皮秒激光(產(chǎn)生半高全寬的全寬,脈沖寬度為90 ps和50 ps)。收集光學(xué)系統(tǒng)由一個(gè)75 m的物鏡,30 mm的中繼鏡和一個(gè)顯微鏡物鏡組成,旨在將SPAD的視場擴(kuò)展到照明源掃描的整個(gè)區(qū)域。
實(shí)驗(yàn)測量值用作所提出方法的輸入,并且獲得的測量值在光路上沒有任何濾光片。在研究過程中獲得了深度和反照率重建以及相應(yīng)的誤差圖。結(jié)果證明,該方法實(shí)現(xiàn)了不受場景依賴的堆積或散粒噪聲(與光的粒子性質(zhì)相關(guān)的電子噪聲)影響的高質(zhì)量重建。將結(jié)果與常規(guī)方法進(jìn)行了比較,例如對數(shù)匹配濾波器估計(jì)和Coates的堆積校正方法,這些方法不能有效地抑制堆積,并且具有取決于場景的深度精度。相反,Heide等人介紹的方法。達(dá)到亞皮秒級精度。
最佳光子計(jì)數(shù)方案。450 nm Alphalas LD-450-50激光器(FWHM為90 ps)的變化光子數(shù)的深度重建精度。比較了傳統(tǒng)的對數(shù)匹配濾波器,Coates方法和提出的方法。最佳的光子數(shù)量平均位于每個(gè)脈沖平均檢測到1個(gè)光子的非常規(guī)區(qū)域附近,與脈沖響應(yīng)無關(guān),并且直方圖bin寬度范圍很廣。圖片來源:Scientific Reports,Doi:10.1038 / s41598-018-35212-x
Heide等人使用的代碼和數(shù)據(jù)。生成研究結(jié)果的方法將在GitHub上提供。總體而言,所提出的概率圖像形成模型和相應(yīng)的逆方法達(dá)到了亞皮秒的精度用于主動(dòng)3D成像,盡管激光脈沖寬度大于50 ps。與傳統(tǒng)技術(shù)相比,該新方法在從低通量到高通量的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高精度。將來,所提出的方法可以通過復(fù)用多個(gè)堆積影響的響應(yīng)來促進(jìn)遠(yuǎn)程獲取。所提出的創(chuàng)新為快速,精確的光子效率高的3D成像系統(tǒng)鋪平了道路,在該系統(tǒng)中,實(shí)際觀察到的光子數(shù)量變化很大。應(yīng)用范圍涵蓋廣泛的學(xué)科,包括3D映射和導(dǎo)航,藝術(shù)品重建和保護(hù),自動(dòng)駕駛,機(jī)器人和機(jī)器的視覺,地理信息,工業(yè)和顯微成像。
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