CN103037175B - 用于用图像传感器来获取数据的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于用图像传感器来获取数据的方法。本发明提出仅在许多次读出之后使像素复位。这是基于通常需要许多事件（通常约10个）来促成全像素的认识。通过在许多图像之后复位或者当图像的一个像素显示出在预定值之上的信号时（例如0.8×满阱容量），使用获取信号之后的复位，当与现有技术方法相比时，能够使图像速度几乎加倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于用图像传感器来获取数据的方法，该传感器显示出大量的像素，该传感器使用复位来使像素进入预定状态，该方法包括步骤：使像素的电压复位、第一次读取像素的电压、得到用于像素的第一读出值、第二次读取每个像素的电压、得到用于像素的第二读出值，以及确定像素的第一和第二读出值之间的差。
此类方法被称为相关双重取样（CDS）并在例如美国专利号US6,969,879B2中有所描述。该方法用来减少例如CMOS传感器中的固定模式噪声（FPN）和复位噪声（RN）。
背景技术
在CMOS传感器中的大量的敏感元件以光电二极管的形式被布置在阵列中，还被称为像素。这些像素中的每一个能够被选择性地连接到模拟数字转换器（ADC），并将像素上的电压数字化。像素上的电压是诸如光的撞击辐射的结果。应注意的是CMOS检测器常常装配有大量的ADC，每个ADC被分配给一组像素。
复位之后的像素上的电压对于不同的复位而言是不同的。通过测量复位之后的像素上的电压，并且然后在积分时间之后将其读出，能够通过将两个值相减来确定没有复位噪声的信号。
通过确定所有像素的信号，帧被读出。一次读出所有像素（整个帧）所花费的时间的倒数称为帧速率。
用于所述CDS方法的缺点是对于每个图像而言，需要将传感器的所有像素读出两次。这限制能够用来将传感器读出的最大帧速率，并且引入CDS实际上将帧速率减半。
当将图像传感器用于直接粒子检测时，诸如直接电子检测，单粒子检测是优选的。并且当使用X射线时，优选单事件检测以确定X射线光子的能量，并例如将两个低能量光子与一个高能量光子区别开。然后用一个或一组相邻像素上的信号来确定撞击在检测器上的单粒子或X射线光子的发生。传感器的读出速度一定足够高以具有由读出之间的一个像素检测到的两个粒子或光子的可忽略的机会。原因是由撞击粒子生成的信号可能改变，并且因此不能可靠地确定例如一个和两个或三个和四个粒子之间的差。针对源自于一个撞击电子的信号变化的描述，参见例如M. Battaglia等人在Nuclear Instruments and
Methods in Physics Research Section A：Accelerators, Spectrometers,
Detectors and Associated Equipment（2009），Vol. 605，Issue：3，350～35页（还称为Battaglia）中的 “CMOS Pixel Sensor Response to Low
Energy Electrons in Transmission Electron Microscopy”，具体地图1。
发明内容
需要能够用与使用CDS的传感器相同的其它标准的性能以高帧速率进行读出的传感器。
本发明的目的是提供一种能够用来在没有性能损失的情况下以比使用CDS时更高的帧速率来操作标准图像传感器的方法。
为此，根据本发明的方法的特征在于
•第三次读取像素的电压、得到第三读出值的后续步骤，
•在第二次读取像素的电压的步骤与第三次读取像素的电压的后续步骤之间不发生复位，以及
•通过用第三读出值减去第二读出值来确定第二信号的步骤。
本发明是基于在阱溢出之前的阱的容量（能够存储在像素中的电荷或信号或电压的量）、即所谓的满阱容量比从一个撞击粒子得到的电荷大许多倍的认识。通常，满阱容量与至少10个入射粒子相对应。通过首先使像素复位并随后读出像素N＝1..Nmax次，并且通过逐对地用第N值减去第N-1值来确定每个读出循环的信号，需要生成较少的复位。
当读取M个图像时，现有技术CDS方法使用2×M个读出循环，而当使用根据本发明的方法时，仅需要M+1个读出循环。因此，结果是大大改善的读出速度。
本发明是特别有价值的，因为能够在标准、未修改的传感器上执行该方法。
在优选实施例中，本发明用来检测粒子，诸如中子、正电子、电子和/或X射线。
此类粒子通常是用与检测光时的光子的通量相比低的通量来检测的。在一个像素处发生大量事件的可能性常常是可忽略的。并且先前所述的粒子计数常常是优选的。比现有技术方法提供更高帧速率的根据本发明的方法则比现有技术方法更适合。
应注意的是当检测光时也可以使用该方法，但是不可能的是在不发生阱的溢出的同时要求快速读出，或者使用光子计数。然而，如果这是优选的，例如针对光子计数，则根据本发明的方法可能是有利的。
当检测此类粒子时，可以将两个随后获取的数据之间的差与撞击粒子将引起的最小值相比较。然后可以将信号表示为每个像素的撞击粒子的数目。如本技术领域的技术人员所已知的，粒子计数导致比模拟处理更好的信噪比。
在优选实施例中，从一组相邻像素的信号（的变化）推导出粒子的检测。
如本领域的技术人员所已知的，诸如电子的一个粒子常常在多个相邻像素中引起信号，参见例如Battaglia。在这种情况下，可以从多个相邻像素、例如一组4×4像素的信号导出事件的发生和事件的位置。
在一个实施例中，在自从最后一次复位算起预定数目的读出（图像）之后或在检测到形成最后一个帧的读出的系列中的至少一个像素具有在预定值（通常接近于满阱值，例如满阱值的0.8倍）之上的电荷之后，使CMOS传感器复位。
在另一实施例中，当确定像素接近于满阱值时，一次一个地使所述像素复位。然而，这可能将涉及相对于现有技术传感器的传感器的重新设计。
当读出CCD时也可以使用该方法。如技术人员所已知的，在CCD传感器中，以使得-被时钟信号触发-像素的电荷能够从一个像素移位至另一个的方式将一系列像素连接在一起。结果，能够使一系列像素（一行或一列）的电荷连续地移位至该行的最后一个像素，即输出节点。此输出节点被连接到电荷放大器。该输出节点被首先复位，并且然后来自该行像素中的一个的电荷在节点中移位，其后，电荷放大器输出与输出节点的电荷成比例的输出信号。将CDS用于CCD意味着在复位之后确定剩余电荷，并且在移位之后通过用在输出节点包含像素的电荷时测量的电压减去在复位期间测量的电压来确定信号。该减法可以用模拟值的减法（例如通过将电荷储存在电容器上）或通过在数字化之后对值做减法来完成。通过消除该复位，能够实现时间增益。
在本发明的一方面，用于检测辐射的照相机，该照相机包括图像传感器和用于控制传感器的读出和复位的控制器，特征在于控制器被编程以便执行根据本发明的方法。
通常由在芯片上（共享传感器的硅）或（至少部分地）在芯片外的控制器来控制传感器的工作，包括复位和读出循环。控制器如何执行该循环则可以基于诸如EEPROM的可编程存储器的内容。在该情况下，可以将现有传感器升级以执行根据本发明的方法。
附图说明
现在使用附图来阐明本发明，其中相同的附图标记指示相应的特征。为此：
图1示意性地示出像素上的电压，以及
图2示意性地示出方法的流程图。
具体实施方式
图1示意性地示出像素上的电压101。在时间T0，像素被复位且像素上的电压对应于电压102。应注意的是这不需要是零伏，而是可以基本上更高，诸如所示值103。应注意的是由于正态噪声贡献，某些噪声被叠加在信号101上，但是此噪声小于与一个入射粒子相对应的预定值104。在时刻T1，检测到两个后续读出至少彼此相差值104，并因此检测到事件（撞击粒子）。同样地，在T2、T3和T4检测到此类事件。在T5，检测到的是信号达到在预定水平105处或以上的值，指示像素接近于其满阱容量。因此，生成复位，导致新的复位值106。应注意的是此值不需要等于前一复位水平103，而是可能略有不同。
应注意的是还可以使用其它复位标准，诸如读取的读出或帧的数目，或者阵列的一个像素具有在处于其预定值或之上的值（接近于满阱值）的识别。
已经提到，仅在4个事件之后实现所讨论的示例满阱（或者更准确的预定水平），但是通常满阱容量多于10个事件，并且能够将所述预定水平选择成与8～10个事件相对应。
图2示意性地示出所述方法的流程图。
在步骤202中，该方法从所述像素或所有像素的复位开始。
在步骤204中，读出所述或每个像素的电压，得到用于所述或每个像素的电压V0。
在步骤206中，第二次将所述一个或多个像素读出，得到用于所述或每个像素的电压V1。
在步骤208中，通过用V1减去V0来确定所述或每个像素的信号S1。
在步骤210中，再次将所述一个或多个像素读出，得到电压V2。
在步骤212中，通过用V2减去V1来确定信号S2。
在步骤214中，测试中断标准，例如在预定数目的读出之前是否发生复位。可以使用其它标准作为用以使整个像素阵列复位的标准，例如阵列的一个像素是否达到处于其预定值或预定值之上的值（接近于满阱值，例如0.8×满阱容量），或者可以在达到预定值时逐个像素地使所述像素复位（仅在像素能够被独立地复位的情况下可适用）。
应注意的是现有技术方法从步骤208跳至202。如果传感器的帧速率是N帧/秒，则现有技术方法实现每秒N/2图像的图像速率，而根据本发明的方法，使用例如固定数目的10个帧之后的复位的复位标准，每秒（1-1/10）×N=0.9×N个图像，几乎是帧速率本身的两倍且几乎是帧速率本身，仍提供在传感器（芯片）上使用CDS的现有技术方法的性能，其全部在同一芯片上。
后者意味着还可以在包括诸如CMOS芯片的直接电子传感器以检测电子的现有设备上实现该方法。已知此类传感器被用于例如电子显微术、更具体地为透射电子显微术（TEM）中。本发明明确地寻求用于将现有照相机/设备升级的保护。
Claims (10)
1.一种用于用图像传感器来获取数据的方法，该传感器显示出大量的像素，该传感器使用复位来使像素进入预定状态，该方法包括：
•使像素的电压复位的步骤（202）；
•第一次读取像素的电压、得到用于像素的第一读出值的步骤（204）；
•第二次读出每个像素的电压、得到用于像素的第二读出值的步骤（206）；以及
•通过用像素的第二读出值减去第一读出值来确定第一信号的步骤（208）；
其特征在于
•第三次读出像素的电压、得到第三读出值的后续步骤（210），
•在第二次读取像素的电压的步骤（206）与第三次读取像素的电压的后续步骤（210）之间不发生复位，以及
•通过用第三读出值减去第二读出值来确定第二信号的步骤（212）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在第三次读取电压的步骤（210）之后，在发生复位之前多次将像素读出，得到多个读出值，并且逐对地确定多个信号，获取读出值并用该值减去像素的前一读出值。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，传感器检测来自电子、中子、正电子和X射线的组的粒子。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，通过将一个或多个像素的信号与预定阈值值（104）相比较来将信号表示为粒子的检测，所述阈值值对应于单个检测粒子引起的最小信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，使用多个相邻像素的信号来与预定值（104）相比较。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述传感器是CMOS传感器且每个像素在预定数目的读出或图像（214）之后被复位。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述传感器是CMOS传感器，并且当在表示最后一个图像的读出系列中至少一个像素具有在预定值（105）之上的读出值时生成复位。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述传感器是CMOS传感器，并且当所述像素具有在预定值（105）之上的读出值时针对每个像素独立地生成复位。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述传感器是CCD传感器且被复位的像素是一系列像素的输出节点。
10.用于检测辐射的照相机，该照相机包括图像传感器和用于控制传感器的读出和复位的控制器，其特征在于所述控制器被编程以便执行权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9中的任一项。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |