[發明專利]用于用圖像傳感器來獲取數據的方法

有效

• 申請號: 201210370953.8
• 申請日: 2012-09-29
• 公開（公告）號: CN103037175A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: B.J.詹森;G.C.范霍夫滕;U.呂肯
• 申請（專利權）人: FEI公司
• 主分類號: H04N5/341
• 分類號: H04N5/341;H04N5/363;H04N5/365;H04N5/32
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 馬紅梅;王忠忠

技術領域

本發明涉及一種用于用圖像傳感器來獲取數據的方法，該傳感器顯示出大量的像素，該傳感器使用復位來使像素進入預定狀態，該方法包括步驟：使像素的電壓復位、第一次讀取像素的電壓、得到用于像素的第一讀出值、第二次讀取每個像素的電壓、得到用于像素的第二讀出值，以及確定像素的第一和第二讀出值之間的差。

此類方法被稱為相關雙重取樣（CDS）并在例如美國專利號US6,969,879B2中有所描述。該方法用來減少例如CMOS傳感器中的固定模式噪聲（FPN）和復位噪聲（RN）。

背景技術

在CMOS傳感器中的大量的敏感元件以光電二極管的形式被布置在陣列中，還被稱為像素。這些像素中的每一個能夠被選擇性地連接到模擬數字轉換器（ADC），并將像素上的電壓數字化。像素上的電壓是諸如光的撞擊輻射的結果。應注意的是CMOS檢測器常常裝配有大量的ADC，每個ADC被分配給一組像素。

復位之后的像素上的電壓對于不同的復位而言是不同的。通過測量復位之后的像素上的電壓，并且然后在積分時間之后將其讀出，能夠通過將兩個值相減來確定沒有復位噪聲的信號。

通過確定所有像素的信號，幀被讀出。一次讀出所有像素（整個幀）所花費的時間的倒數稱為幀速率。

用于所述CDS方法的缺點是對于每個圖像而言，需要將傳感器的所有像素讀出兩次。這限制能夠用來將傳感器讀出的最大幀速率，并且引入CDS實際上將幀速率減半。

當將圖像傳感器用于直接粒子檢測時，諸如直接電子檢測，單粒子檢測是優選的。并且當使用X射線時，優選單事件檢測以確定X射線光子的能量，并例如將兩個低能量光子與一個高能量光子區別開。然后用一個或一組相鄰像素上的信號來確定撞擊在檢測器上的單粒子或X射線光子的發生。傳感器的讀出速度一定足夠高以具有由讀出之間的一個像素檢測到的兩個粒子或光子的可忽略的機會。原因是由撞擊粒子生成的信號可能改變，并且因此不能可靠地確定例如一個和兩個或三個和四個粒子之間的差。針對源自于一個撞擊電子的信號變化的描述，參見例如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頁（還稱為Battaglia）中的?“CMOS?Pixel?Sensor?Response?to?Low?Energy?Electrons?in?Transmission?Electron?Microscopy”，具體地圖1。

發明內容

需要能夠用與使用CDS的傳感器相同的其它標準的性能以高幀速率進行讀出的傳感器。

本發明的目的是提供一種能夠用來在沒有性能損失的情況下以比使用CDS時更高的幀速率來操作標準圖像傳感器的方法。

為此，根據本發明的方法的特征在于

·第三次讀取像素的電壓、得到第三讀出值的后續步驟，

·在第二次讀取像素的電壓的步驟與第三次讀取像素的電壓的后續步驟之間不發生復位，以及

·通過用第三讀出值減去第二讀出值來確定第二信號的步驟。

本發明是基于在阱溢出之前的阱的容量（能夠存儲在像素中的電荷或信號或電壓的量）、即所謂的滿阱容量比從一個撞擊粒子得到的電荷大許多倍的認識。通常，滿阱容量與至少10個入射粒子相對應。通過首先使像素復位并隨后讀出像素N＝1..Nmax次，并且通過逐對地用第N值減去第N-1值來確定每個讀出循環的信號，需要生成較少的復位。

當讀取M個圖像時，現有技術CDS方法使用2×M個讀出循環，而當使用根據本發明的方法時，僅需要M+1個讀出循環。因此，結果是大大改善的讀出速度。

本發明是特別有價值的，因為能夠在標準、未修改的傳感器上執行該方法。

在優選實施例中，本發明用來檢測粒子，諸如中子、正電子、電子和/或X射線。

此類粒子通常是用與檢測光時的光子的通量相比低的通量來檢測的。在一個像素處發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計數常常是優選的。比現有技術方法提供更高幀速率的根據本發明的方法則比現有技術方法更適合。

應注意的是當檢測光時也可以使用該方法，但是不可能的是在不發生阱的溢出的同時要求快速讀出，或者使用光子計數。然而，如果這是優選的，例如針對光子計數，則根據本發明的方法可能是有利的。