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Issue Date: 4-May-2011
Authors: Neri, Lorenzo
Title: Time Resolved Single Photon Imaging Device with Single Photon Avalanche Diode
Abstract: We have studied a new optical sensor characterized by performances that will extend the capabilities of several new physical investigation techniques. Our imaging device is based on a two-dimensional array of Single Photon Avalanche Diode (SPAD), sensitive to the single photon with a subnanosecond timing precision. It is able to perform a continuous photon acquisition without the necessity to break to perform the readout process. Moreover it is not damageable by intense light sources. The proposed solution constitutes a step forward for all Time Correlated Single Photon Counting analysis, as Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy, Dynamic Light Scattering, 3D Camera, Particle Imaging Velocimetry and Adaptive Optics. An electric characterization of the single SPAD has been carried out to perform multiple readout strategies, and an electric model has been used to perform the simulation of different two-dimensional electric array configurations. We have also deeply studied the source of the counting distortion of the single passive quenched SPAD and have been able to extend the dynamic range of four order of magnitude and to use the dead time saturation as a compression feature for data produced by our imaging sensor. The dead time compensation laws established in Literature have been extended over the steady state analysis to include the time dependent source and any type of dead time. The acquisition electronics, the sensor calibration and the imaging reconstruction algorithm have been performed on a working prototype. The device has been tested with many experimental setups, developed to evaluate the features and the limits of our technological solutions.
Abbiamo studiato un nuovo sensore ottico caratterizzato da prestazioni che estenderanno le funzionalita' di molte nuove tecniche di indagine fisica. Il nostro dispositivo si basa su una matrice bidimensionale di Single Photon Avalanche Diode (SPAD), in grado di fornire il tempo di arrivo di ogni singolo fotone con una precisione del decimo di nanosecondo. Il nostro apparato e' in grado di acquisire là ¢ arrivo dei fotoni con continuita', senza interruzioni dovute al processo di lettura, ed e' inoltre resistente a fonti di luce eccessiva che costituiscono una limitazione per i normali dispositivi a singolo fotone. La soluzione proposta costituisce un passo in avanti per tutte le analisi basate sulla correlazione temporale a singolo fotone, come la Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy, Dynamic Light Scattering, 3D Camera, Particle Imaging Velocimetry e Adaptive Optics. Grazie allo studio delle caratteristiche elettriche del singolo SPAD e' stato possibile individuare varie strategie di lettura. Il modello elettrico sviluppato e' stato inoltre utilizzato per simulare diverse configurazioni elettriche della matrici bidimensionali di sensori. Abbiamo studiato le caratteristiche funzionali del singolo SPAD ponendo l'attenzione sui fenomeni che alterano la linearita' di ri-sposta, siamo stati cosi' in grado di estendere di quattro ordini di grandezza il suo intervallo di utilizzo, e di utilizzare la saturazione come una funzione di compressione dei dati prodotti dal sensore. Le equazioni presentate estendono la correzione degli effetti del tempo morto, gia' presenti in letteratura, dallà ¢ analisi del caso stazionario a quello delle sorgenti variabili nel tempo, e sono inoltre estendibili a qualunque configurazione di tempo morto. La produzione di un prototipo funzionante ha compreso inoltre la realizzazione dell'elettronica di acquisizione, dell'algoritmo di calibrazione del sensore e di ricostruzione delle immagini. Il dispositivo e' stato testato realizzando diversi esperimenti, che hanno permesso di valutare le caratteristiche e i limiti delle soluzioni tecnologiche adottate.
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