Experiment Design for a 3D Ghost Imaging Setup Utilizing a LinoSPAD Sensor
Kuupäev
2019
Autorid
Ajakirja pealkiri
Ajakirja ISSN
Köite pealkiri
Kirjastaja
Tartu Ülikool
Abstrakt
High-resolution 3D-imaging is a rapidly developing field driven by the increasing sensing
requirements of automation and robotics. Computational ghost imaging based 3Dimaging
is an emerging technology, offering increased spatial resolution when compared
to conventional 3D
ash imaging systems. Usually, however, computational ghost imaging
systems are characterized by their compromise between image acquisition times and
image spatial resolution.
This thesis presents a LinoSPAD line sensor based experiment design for a novel time of flight based 3D computational ghost imaging method. Contrary to single-pixel computational
ghost imaging, where a single-pixel detector is used for imaging the entire scene,
the proposed method utilizes a state-of-the-art prototype sensor array to divide the scene
to be imaged between the detector's individual pixels' fields of view. This approach
significantly reduces the system's image acquisition times while avoiding a reduction in
its spatial resolution. Prior to developing a final design, the requirements for the light
source and the spatial light modulator and the capabilities of the LinoSPAD sensor were
analyzed. Furthermore, the design was complemented with photon budget calculations,
shot noise and detector dead time simulations, and preliminary setup tests focusing on
the triggering scheme of the design.
The system's stringent timing requirements require the optimizing the parameters of triggering
electronics in the experiment's implementation. Regardless, conducted tests and
simulations confirm the feasibility of the experiment design for the novel 3D computational
ghost imaging approach.
Kirjeldus
Automatiseerimise ja robootika suurenevad nõudmised seireseadmetele on tinginud kõrglahutusega
kolmemõõtmelise kuva kiire arengu. Arvutuslikul kummituskuval põhinev
kolmemõõtmeline (3D) kuva on arenev tehnoloogia, millel on harjumuspärase maatrikssensoritepõhise 3D välkkuvaga (ash imaging) võrreldes suurem lahutusvõime. Paraku iseloomustab arvutusliku kummituskuva seadmeid tavaliselt kompromiss kujutise saamiseks kuluva aja ning saadava kujutise lahutusvõime vahel.
Magistritöös esitatakse LinoSPAD maatrikstajuril põhineva teaduseksperimendi kavand
uudse valguse lennuaja mõõtmisel põhineva 3D arvutusliku kummituskuva meetodi katsetamiseks.
Vastupidiselt ühepikslilist valgusdetektorit rakendavale arvutuslikule kummituskuvale,
kus üht pikslit kasutatakse terve stseeni pildistamiseks, jaotatakse esitatud
meetodis tipptehnoloogilist prototüüp-maatrikstajuritit kasutades pildistatav stseen osadeks
nii, et iga maatrikstajuri üksiku piksli vaateväli jälgib vaid osa stseenist. See lahendus
lühendab märkimisväärselt kujutise saamiseks kuluvat mõõteaega, kuid ei vähenda
saadava kujutise lahutusvõimet. Teaduskatse kavandi koostamisel analüüsiti nõudeid
süsteemi valgusallikale ning ruumilisele valgusväljamodulaatorile ja uuriti LinoSPAD maatrikstajuri
tööpõhimõtet. Lisaks täiendati kavandit footonihulgaarvutuste, haavelmüra ning üksikfootondetektori surnud aja simulatsioonidega ja esitatava süsteemikavandi ajastusahela katsetamisega.
Esitatud süsteemi ranged piirangud ajastamissignaalidele nõuavad piisava sügavuslahutuse
saavutamiseks katse elluviimisel optimeerida ajastamissignaale vahendava elektroonika
parameetreid. Sellegipoolest kinnitavad tehtud katsed ning simulatsioonid teaduseksperimendi
kavandi rakendatavust uudse 3D arvutusliku kummituskuva meetodi katsetamiseks.
Märksõnad
kummituskuva, üksikpikslikuva, 3D kuva, SPAD-maatriks, GMAPD-maatriks, struktureeritud valgus, footonite lugemine, ghost imaging, single-pixel imaging, 3D-imaging, SPAD-array, GMAPD-array, structured light, photon counting