散乱イメージングのためのマルチチャンネル高精度FPGA組み込み時間相関単一光子計数システム

科学分野:

• フォトニクスおよび光学工学;コンピュータビジョン;信号処理

背景:

• 散乱イメージングは、リモートセンシングや自動運転などの産業用途において重要です。既存の時間相関単一光子計数（TCSPC）システムは、パフォーマンスと線形性の点で限界に直面しています。散乱媒質を介した物体の視覚化は、依然として大きな課題です。

研究 の 目的:

• 高線形性、マルチチャンネルTCSPCシステムを強化された時間分解能で開発すること。深層学習を用いた散乱イメージングのための新しい画像再構成手法を導入すること。散乱媒質によって不明瞭になった物体を視覚化するシステムの能力を実証すること。

主な方法:

• Xilinx UltraScale FPGA上でのマルチチャンネルTCSPCシステムのインプリメンテーション。高線形性で10 psの時間分解能を達成しました。散乱モデルとFFDNet（2D）およびFastDVDnet（3D）のデノイジングニューラルネットワークを統合したプラグアンドプレイ（PnP）画像再構成フレームワークを開発しました。

主要な成果:

• 提案されたTCSPCシステムは、10 psの時間分解能を実証しました。差分非線形性は[-10, 9.9] ps、積分非線形性は[-14, 9.9] psの範囲内で達成されました。共焦点イメージング実験とシミュレーションを通じて、散乱媒質によって不明瞭になった複雑なシーンを視覚化することに成功しました。

結論:

• 開発されたマルチチャンネルTCSPCシステムは、散乱イメージングアプリケーションにおいて優れたパフォーマンスを提供します。新しいPnP再構成手法は、散乱媒質における画像品質を大幅に向上させます。統合システムは、高度なイメージング機能を必要とする産業用途に大きな可能性を示しています。