Abstract In this thesis, a new type of laser diode transmitter using enhanced gain-switching suitable for use with a single photon avalanche diode (SPAD) detector was developed and tested in the pulsed time-of-flight laser range finding (lidar) application. Several laser diode versions were tested and the driving electronics were developed. The driving electronics improvements enabled a pulsing frequency of up to 1 MHz, while the maximum laser output power was about 5–40 W depending on the laser diode dimensions. The large output power is advantageous especially in conditions of strong photon noise emerging from ambient light outdoors. The length of the laser pulse matches the jitter of a typical SPAD detector providing several advantages. The new laser pulser structure enables a compact rangefinder for 50 m distance measurement outdoors in sunny conditions with sub-centimeter precision (σ-value) at a valid distance measurement rate of more than 10 kHz, for example. Single photon range finding techniques were also shown to enable a char bed level measurement of a recovery boiler containing highly attenuating and dispersing flue gas. In addition, gated single photon detector techniques were shown to provide a rejection of fluorescent photons in a Raman spectroscope leading to a greatly improved signal-to-noise ratio. Photonic effects were also studied in the case of a pulsed time-of-flight laser rangefinder utilizing a linear photodetector. It was shown that signal photon noise has an effect on the optimum detector configuration, and that pulse detection jitter can be minimized with an appropriate timing discriminator. / Tiivistelmä Tässä työssä kehitettiin uudentyyppinen, tehostettua "gain-switchingiä" hyödyntävä laserdiodilähetin käytettäväksi yksittäisten fotonien avalanche-ilmaisimien (SPAD) kanssa, ja sitä testattiin pulssin lentoaikaan perustuvassa laseretäisyysmittaussovelluksessa. Useita laserdiodiversioita testattiin ja ohjauselektroniikkaa kehitettiin. Ohjauselektroniikan parannukset mahdollistivat jopa 1 MHz pulssitustaajuuden, kun taas laserin maksimiteho oli noin 5–40 W riippuen laserdiodin dimensioista. Suuri lähtöteho on edullinen varsinkin vahvoissa taustafotoniolosuhteissa ulkona. Laserpulssin pituus vastaa tyypillisen SPAD-ilmaisimen jitteriä tarjoten useita etuja. Uusi laserpulssitinrakenne mahdollistaa esimerkiksi kompaktin etäisyysmittarin 50 m mittausetäisyydelle ulkona aurinkoisessa olosuhteessa mm–cm -mittaustarkkuudella (σ-arvo) yli 10 kHz mittaustahdilla. Yksittäisten fotonien lentoaikamittaustekniikan osoitettiin myös mahdollistavan soodakattilan keon korkeuden mittauksen, jossa on voimakkaasti vaimentavaa ja dispersoivaa savukaasua. Lisäksi portitetun yksittäisten fotonien ilmaisutekniikan osoitettiin hylkäävän fluoresenssin synnyttämiä fotoneita Raman-spektroskoopissa, joka johtaa selvästi parempaan signaali-kohinasuhteeseen. Fotoni-ilmiöitä tutkittiin myös lineaarista valoilmaisinta hyödyntävän pulssin kulkuaikamittaukseen perustuvan lasertutkan tapauksessa. Osoitettiin, että signaalin fotonikohina vaikuttaa optimaaliseen ilmaisinkonfiguraatioon, ja että pulssin ilmaisujitteri voidaan minimoida sopivalla ajoitusdiskriminaattorilla.

Abstract The use of 3D imaging of craniofacial soft tissue has increased in medical science, and imaging technology has been developed greatly in recent years. 3D models are quite accurate and with imaging devices based on stereophotogrammetry, capturing the data is a quick and easy operation for the subject. However, analyzing 3D models of the face or head can be challenging and there is a growing need for efficient quantitative methods. In this thesis, new mathematical methods and tools for measuring craniofacial structures are developed. The thesis is divided into three parts. In the first part, facial 3D data of Lithuanian twins are used for the determination of zygosity. Statistical pattern recognition methodology is used for classification and the results are compared with DNA testing. In the second part of the thesis, the distribution of surface normal vector directions of a 3D infant head model is used to analyze skull deformation. The level of flatness and asymmetry are quantified by functionals of the kernel density estimate of the normal vector directions. Using 3D models from infants at the age of three months and clinical ratings made by experts, this novel method is compared with some previously suggested approaches. The method is also applied to clinical longitudinal research in which 3D images from three different time points are analyzed to find the course of positional cranial deformation and associated risk factors. The final part of the thesis introduces a novel statistical scale space method, SphereSiZer, for exploring the structures of a probability density function defined on the unit sphere. The tools developed in the second part are used for the implementation of SphereSiZer. In SphereSiZer, the scale-dependent features of the density are visualized by projecting the statistically significant gradients onto a planar contour plot of the density function. The method is tested by analyzing samples of surface unit normal vector data of an infant head as well as data from generated simulated spherical densities. The results and examples of the study show that the proposed novel methods perform well. The methods can be extended and developed in further studies. Cranial and facial 3D models will offer many opportunities for the development of new and sophisticated analytical methods in the future. / Tiivistelmä Pään ja kasvojen pehmytkudoksen 3D-kuvantaminen on yleistynyt lääketieteessä, ja siihen tarvittava teknologia on kehittynyt huomattavasti viime vuosina. 3D-mallit ovat melko tarkkoja, ja kuvaus stereofotogrammetriaan perustuvalla laitteella on nopea ja helppo tilanne kuvattavalle. Kasvojen ja pään 3D-mallien analysointi voi kuitenkin olla haastavaa, ja tarve tehokkaille kvantitatiivisille menetelmille on kasvanut. Tässä väitöskirjassa kehitetään uusia matemaattisia kraniofakiaalisten rakenteiden mittausmenetelmiä ja -työkaluja. Työ on jaettu kolmeen osaan. Ensimmäisessä osassa pyritään määrittämään liettualaisten kaksosten tsygositeetti kasvojen 3D-datan perusteella. Luokituksessa hyödynnetään tilastollista hahmontunnistusta, ja tuloksia verrataan DNA-testituloksiin. Toisessa osassa analysoidaan pään epämuodostumia imeväisikäisten päiden 3D-kuvista laskettujen pintanormaalivektorien suuntiin perustuvan jakauman avulla. Tasaisuuden ja epäsymmetrian määrää mitataan normaalivektorien suuntakulmien ydinestimaatin funktionaalien avulla. Kehitettyä menetelmää verrataan joihinkin aiemmin ehdotettuihin lähestymistapoihin mittaamalla kolmen kuukauden ikäisten imeväisten 3D-malleja ja tarkastelemalla asiantuntijoiden tekemiä kliinisiä pisteytyksiä. Menetelmää sovelletaan myös kliiniseen pitkittäistutkimukseen, jossa tutkitaan pään epämuodostumien ja niihin liittyvien riskitekijöiden kehitystä kolmena eri ajankohtana otettujen 3D-kuvien perusteella. Viimeisessä osassa esitellään uusi tilastollinen skaala-avaruusmenetelmä SphereSiZer, jolla tutkitaan yksikköpallon tiheysfunktion rakenteita. Toisessa osassa kehitettyjä työkaluja sovelletaan SphereSiZerin toteutukseen. SphereSiZer-menetelmässä tiheysfunktion eri skaalojen piirteet visualisoidaan projisoimalla tilastollisesti merkitsevät gradientit tiheysfunktiota kuvaavalle isoviivakartalle. Menetelmää sovelletaan imeväisikäisen pään pintanormaalivektoridataan ja simuloituihin, pallotiheysfunktioihin perustuviin otoksiin. Tulosten ja esimerkkien perusteella väitöskirjassa esitetyt uudet menetelmät toimivat hyvin. Menetelmiä voidaan myös kehittää edelleen ja laajentaa jatkotutkimuksissa. Pään ja kasvojen 3D-mallit tarjoavat paljon mahdollisuuksia uusien ja laadukkaiden analyysityökalujen kehitykseen myöhemmissä tutkimuksissa.