[论文解读] 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 15

一句话总结

本文提出了一种基于概率和马尔可夫过程的单光子雪崩二极管（SPAD）传感器计算模型，能够准确模拟关键物理效应——探测效率、时间抖动、后脉冲、死区时间及噪声，适用于时间分辨光传输仿真。该模型经真实SPAD测量数据验证，支持高时间保真度的瞬态成像重建技术的逼真原型设计。

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.

研究动机与目标

• 开发一种物理上合理且计算高效的SPAD传感器模型，以实现时间分辨光传输的逼真仿真。
• 在统一的概率框架中考虑SPAD特有的主要信号退化效应，如时间抖动、后脉冲、死区时间和暗计数。
• 通过真实SPAD测量数据验证该模型，并展示其在复杂多重散射光传输场景中的实用性。
• 支持在实际实现前，对新型SPAD基重建算法的开发与评估。

提出的方法

• 该模型被表述为一种概率性马尔可夫过程，将光子检测事件建模为受传感器状态转换影响的非独立到达事件。
• 通过基于实测SPAD脉冲响应推导的数据驱动概率密度函数来引入时间抖动，捕捉时间不确定性的高斯加指数形状。
• 该模型包含探测效率、死区时间（保持时间）、后脉冲（后脉冲概率P_ap = 1%）以及背景噪声作为随机分量。
• 通过控制后续光子检测概率的状态转换，对传感器的淬灭与恢复动力学进行建模。
• 将该模型集成至瞬态光传输仿真器中，其中模拟的辐射度场与SPAD的时间点扩散函数（PSF）进行卷积。
• 采用每像素10^4次测量的蒙特卡洛采样，以在真实噪声与时间条件下模拟传感器响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 计算型SPAD模型在多大程度上能准确再现真实SPAD脉冲响应，包括时间抖动与后脉冲？
• RQ2 后脉冲与死区时间的引入在多大程度上影响时间分辨光传输信号的重建？
• RQ3 当与物理基础渲染器结合时，该模型能否忠实模拟复杂的光传输现象，如多次漫反射？
• RQ4 传感器特异性效应（如时间抖动与探测效率）如何在瞬态成像中扭曲入射信号的时间波形？

主要发现

• 该模型准确再现了真实SPAD测量中观察到的高斯加指数时间抖动形状，经与20 V过电压下20 µm CMOS SPAD的直接对比验证。
• 仿真表明，后脉冲在时间响应中引入了可检测的重复模式，每个主事件后以1%的概率发生虚假检测。
• 由于死区时间的存在，两个时间间隔接近的脉冲（0.6 ns与1.2 ns）中，第二个脉冲的检测概率显著低于第一个，即使探测效率完美。
• 传感器的探测概率与保持时间导致信号幅度随时间逐渐衰减，尤其在多重散射光的后续波前中更为明显。
• 在短时间尺度下，背景噪声变得不可忽略，尤其当暗计数率未被完全抑制时。
• 该模型通过与时间抖动PSF的卷积成功模糊了理想时间响应，展示了在复杂传输场景中的真实时间模糊效应。