[論文レビュー] A Computational Model of a Single-Photon Avalanche Diode Sensor for Transient Imaging

Quercus Hernández, Diego Gutiérrez+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2017

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 6被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、時間分解光輸送シミュレーションに使用するため、単一光子増幅ダイオード（SPAD）センサの確率的でマルコフ型の計算モデルを提示する。このモデルは、検出効率、時間ジッター、アフターパルス、デッドタイム、ノイズといった主要な物理的効果を正確にシミュレートする。モデルは実世界のSPAD測定値と照合され、高い時間分解能を実現するトランスジェネリックイメージング再構成手法のリアリスティックなプロトタイピングを可能にする。

ABSTRACT

Single-Photon Avalanche Diodes (SPAD) are affordable photodetectors, capable to collect extremely fast low-energy events, due to their single-photon sensibility. This makes them very suitable for time-of-flight-based range imaging systems, allowing to reduce costs and power requirements, without sacrifizing much temporal resolution. In this work we describe a computational model to simulate the behaviour of SPAD sensors, aiming to provide a realistic camera model for time-resolved light transport simulation, with applications on prototyping new reconstructions techniques based on SPAD time-of-flight data. Our model accounts for the major effects of the sensor on the incoming signal. We compare our model against real-world measurements, and apply it to a variety of scenarios, including complex multiply-scattered light transport.

研究の動機と目的

• 時間分解光輸送をリアリスティックにシミュレートできる、物理的に妥当で計算効率の高いSPAD用センサモデルの開発。
• 時間ジッター、アフターパルス、デッドタイム、ダークカウントといった主なSPAD固有の信号劣化効果を統一的な確率的枠組みで扱う。
• 実世界のSPAD測定値と照合し、複数回散乱を伴う複雑な光輸送シナリオにおけるモデルの有効性を検証する。
• 物理的実装の前段階で、新しいSPADベースの再構成アルゴリズムの開発と評価を支援する。

提案手法

• モデルは、センサの状態遷移に影響を受ける非独立な到着とされる光子検出イベントをモデル化する確率的マルコフ過程として定式化される。
• 時間ジッターは、測定されたSPADインパルス応答から得られたデータ駆動型確率密度関数を用いて取り入れられ、時間的不確実性のガウス＋指数型の形状を捉える。
• モデルには検出効率、デッドタイム（ホールドオフ時間）、アフターパルス（確率P_ap = 1%）、およびバックグラウンドノイズを確率的要素として統合する。
• センサのクエンチと回復ダイナミクスは、その後続光子の検出確率を制御する状態遷移によってモデル化される。
• モデルはトランスジェネリック光輸送シミュレータに統合され、シミュレートされた放射度場がSPADの時間的ポイントスプレッド関数（PSF）と畳み込まれる。
• 1ピクセルあたり10^4回の測定を想定したモンテカルロサンプリングを用いて、現実的なノイズおよびタイミング条件下でのセンサ応答をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 計算上のSPADモデルは、時間ジッターとアフターパルスを含め、実世界のSPADインパルス応答をどれほど正確に再現できるか？
• RQ2 アフターパルスとデッドタイムの組み込みが、時間分解光輸送信号の再構成にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 物理ベースのレンダラーと組み合わせた場合、モデルは多重拡散反射のような複雑な光輸送現象を忠実にシミュレートできるか？
• RQ4 時間ジッターと検出効率といったセンサ固有の効果が、トランスジェネリックイメージングにおける入射信号の時間的形状にどのように歪みをもたらすか？

主な発見

• モデルは、20 Vの過電圧で動作する20 µmのCMOS SPADにおける実測値と直接比較した結果、ガウス＋指数型の時間ジッター形状を正確に再現している。
• シミュレーションでは、アフターパルスが時間応答に検出可能な繰り返しパターンをもたらし、主イベントごとに1%の確率で誤検出が発生していることが示された。
• デッドタイムのため、0.6 nsおよび1.2 nsの2つの近接したインパルスのうち、2番目のインパルスは、検出効率が100%であっても、著しく低い確率で検出される。
• センサの検出確率とホールドオフ時間のため、多重散乱光の後続波フロントでは信号振幅が時間とともに進行的に減衰する。
• ダークカウント率が完全に抑制されていない場合、特に短時間スケールにおいてバックグラウンドノイズが無視できなくなる。
• モデルは、時間ジッターPSFとの畳み込みによって理想の時間応答をぼかすことができ、複雑な輸送シナリオにおける現実的な時間的スメアを示した。