English Title: Characterization of Time-of-Flight Camera Systems for Luminescence Lifetime Measurements

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Abstract

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des BMBF Verbundprojektes Fluorescence Lifetime Imaging Camera (FLICAM) durchgeführt. In diesem Verbundprojekt wird ein neuartiges Kamerasystem zur Messung der Lumineszenzlebensdauer nach dem Funktionsprinzip phasenbasierter Laufzeitkamerasysteme entwickelt. Gegenstand dieser Dissertation war die Entwicklung von Methoden und Geräten zur Charakterisierung von Laufzeitkameras. Die Methoden des European Machine Vision Association (EMVA) Standards 1288 bildeten die Grundlage dafür. Größen wie die Linearität, das Rauschverhalten und die räumlichen Inhomogenitäten der Sensor-Rohdaten wurden bestimmt. Weiterhin wurde in Anlehnung an den EMVA Standard 1288 ein Maß für die Beschreibung der Inhomogenität der Entfernungsinformation vorgeschlagen. Experimentell konnte eine bereits existierende theoretische Vorhersage zum zeitlichen Rauschen der Entfernungsinformation in Abhängigkeit von dem Sensorrauschen bestätigt werden. Diese Untersuchungen bilden eine mögliche Grundlage für die standardisierte Charakterisierung von Laufzeitsensoren. Die Auswirkungen des Sensorrauschens auf die Genauigkeit der gemessenen Lumineszenzlebensdauer wurde an einem Modellsystem von FLICAM untersucht. Hierzu wurde ein Verfahren zur Messung der Lumineszenzlebensdauer im Mikrosekundenbereich anhand einer Hochgeschwindigkeits-Zeilenkamera entwickelt. Dieses ermöglichte die Bestimmung der optimalen Messparameter, der Modulationsfrequenz und Belichtungszeit, unter Berücksichtigung des statistischen Fehlers. So konnte der theoretische Zusammenhang zwischen dem Sensorrauschen und dem statistischen Fehler der Lumineszenzlebensdauer verifiziert werden.

Translation of abstract (English)

This thesis was performed within the BMBF project Fluorescence Lifetime Imaging Camera (FLICAM). In this project a novel camera system for measurements of luminescence lifetimes is in development. The functional principle is based on continuous-wave (phase based) Time-of-Flight (ToF) cameras. Objectives of this thesis were development of methods and experimental setups for characterization of ToF cameras. Methods of the European Machine Vision Association (EMVA) Standard 1288 were building the basis for it. Quantities like the linearity, noise performance and spatial inhomogeneities of sensor raw data were determined. Furthermore, a measure in the style of the EMVA 1288 Standard for the description of inhomogeneities of the estimated distance information are suggested. An existing theoretical prediction for temporal noise of the distance information in relation to the sensor noise was confirmed experimentally. These investigations build a possible basement for a standardized characterization of ToF sensors. The influence of sensor noise on the precision of measured luminescence lifetimes was investigated using a model system of FLICAM. For this purpose a method for measuring luminescence lifetimes in the range of microseconds was developed on base of a high speed line scan camera. This system enabled the determination of optimal measurement parameters, modulation frequency and integration time, considering the statistical error. This enabled the experimental verification of the theoretical relation between sensor noise and statistical error of the luminescence lifetime.