專利名稱：用于用圖像傳感器來(lái)獲取數(shù)據(jù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于用圖像傳感器來(lái)獲取數(shù)據(jù)的方法，該傳感器顯示出大量的像素，該傳感器使用復(fù)位來(lái)使像素進(jìn)入預(yù)定狀態(tài)，該方法包括步驟使像素的電壓復(fù)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(gè)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(guān)雙重取樣(⑶S)并在例如美國(guó)專利號(hào)US6，969，879B2中有所描述。該方法用來(lái)減少例如CMOS傳感器中的固定模式噪聲(FPN)和復(fù)位噪聲(RN)。
背景技術(shù)：
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(gè)能夠被選擇性地連接到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，并將像素上的電壓數(shù)字化。像素上的電壓是諸如光的撞擊輻射的結(jié)果。應(yīng)注意的是CMOS檢測(cè)器常常裝配有大量的ADC，每個(gè)ADC被分配給一組像素。復(fù)位之后的像素上的電壓對(duì)于不同的復(fù)位而言是不同的。通過(guò)測(cè)量復(fù)位之后的像素上的電壓，并且然后在積分時(shí)間之后將其讀出，能夠通過(guò)將兩個(gè)值相減來(lái)確定沒(méi)有復(fù)位噪聲的信號(hào)。通過(guò)確定所有像 素的信號(hào)，幀被讀出。一次讀出所有像素(整個(gè)幀)所花費(fèi)的時(shí)間的倒數(shù)稱為幀速率。用于所述CDS方法的缺點(diǎn)是對(duì)于每個(gè)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(lái)將傳感器讀出的最大幀速率，并且引入CDS實(shí)際上將幀速率減半。當(dāng)將圖像傳感器用于直接粒子檢測(cè)時(shí)，諸如直接電子檢測(cè)，單粒子檢測(cè)是優(yōu)選的。并且當(dāng)使用X射線時(shí)，優(yōu)選單事件檢測(cè)以確定X射線光子的能量，并例如將兩個(gè)低能量光子與一個(gè)高能量光子區(qū)別開(kāi)。然后用一個(gè)或一組相鄰像素上的信號(hào)來(lái)確定撞擊在檢測(cè)器上的單粒子或X射線光子的發(fā)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(gè)像素檢測(cè)到的兩個(gè)粒子或光子的可忽略的機(jī)會(huì)。原因是由撞擊粒子生成的信號(hào)可能改變，并且因此不能可靠地確定例如一個(gè)和兩個(gè)或三個(gè)和四個(gè)粒子之間的差。針對(duì)源自于一個(gè)撞擊電子的信號(hào)變化的描述，參見(jiàn)例如M. Battaglia等人在Nuclear Instruments andMethods in Physics Research Section A !Accelerators，Spectrometers, Detectorsand Associated EquipmentC2009), Vol. 605，Issue :3，350 35 頁(yè)(還稱為 Battaglia)中的 “CMOS Pixel Sensor Response to Low Energy Electrons in Transmission ElectronMicroscopy”，具體地圖1。

發(fā)明內(nèi)容
需要能夠用與使用CDS的傳感器相同的其它標(biāo)準(zhǔn)的性能以高幀速率進(jìn)行讀出的傳感器。本發(fā)明的目的是提供一種能夠用來(lái)在沒(méi)有性能損失的情況下以比使用CDS時(shí)更高的幀速率來(lái)操作標(biāo)準(zhǔn)圖像傳感器的方法。為此，根據(jù)本發(fā)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(xù)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(xù)步驟之間不發(fā)生復(fù)位，以及 通過(guò)用第三讀出值減去第二讀出值來(lái)確定第二信號(hào)的步驟。本發(fā)明是基于在阱溢出之前的阱的容量(能夠存儲(chǔ)在像素中的電荷或信號(hào)或電壓的量)、即所謂的滿阱容量比從一個(gè)撞擊粒子得到的電荷大許多倍的認(rèn)識(shí)。通常，滿阱容量與至少10個(gè)入射粒子相對(duì)應(yīng)。通過(guò)首先使像素復(fù)位并隨后讀出像素N=1.. Nmax次，并且通過(guò)逐對(duì)地用第N值減去第N-1值來(lái)確定每個(gè)讀出循環(huán)的信號(hào)，需要生成較少的復(fù)位。當(dāng)讀取M個(gè)圖像時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)⑶S方法使用2XM個(gè)讀出循環(huán)，而當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明的方法時(shí)，僅需要M+1個(gè)讀出循環(huán)。因此，結(jié)果是大大改善的讀出速度。本發(fā)明是特別有價(jià)值的，因?yàn)槟軌蛟跇?biāo)準(zhǔn)、未修改的傳感器上執(zhí)行該方法。在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明用來(lái)檢測(cè)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(cè)光時(shí)的光子的通量相比低的通量來(lái)檢測(cè)的。在一個(gè)像素處發(fā)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(jì)數(shù)常常是優(yōu)選的。比現(xiàn)有技術(shù)方法提供更高幀速率的根據(jù)本發(fā)明的方法則比現(xiàn)有技術(shù)方法更適合。應(yīng)注意的是當(dāng)檢測(cè)光時(shí)也可以使用該方法，但是不可能的是在不發(fā)生阱的溢出的同時(shí)要求快速讀出，或者使用光子計(jì)數(shù)。然而，如果這是優(yōu)選的，例如針對(duì)光子計(jì)數(shù)，則根據(jù)本發(fā)明的方法可能是有利的。當(dāng)檢測(cè)此類粒子時(shí)，可以將兩個(gè)隨后獲取的數(shù)據(jù)之間的差與撞擊粒子將引起的最小值相比較。然后可以將信號(hào)表示為每個(gè)像素的撞擊粒子的數(shù)目。如本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所已知的，粒子計(jì)數(shù)導(dǎo)致比模擬處理更好的信噪比。在優(yōu)選實(shí)施例中，從一組相鄰像素的信號(hào)(的變化)推導(dǎo)出粒子的檢測(cè)。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所已知的，諸如電子的一個(gè)粒子常常在多個(gè)相鄰像素中弓I起信號(hào)，參見(jiàn)例如Battaglia。在這種情況下，可以從多個(gè)相鄰像素、例如一組4X4像素的信號(hào)導(dǎo)出事件的發(fā)生和事件的位置。在一個(gè)實(shí)施例中，在自從最后一次復(fù)位算起預(yù)定數(shù)目的讀出(圖像)之后或在檢測(cè)到形成最后一個(gè)幀的讀出的系列中的至少一個(gè)像素具有在預(yù)定值(通常接近于滿阱值，例如滿阱值的O. 8倍)之上的電荷之后，使CMOS傳感器復(fù)位。在另一實(shí)施例中，當(dāng)確定像素接近于滿阱值時(shí)，一次一個(gè)地使所述像素復(fù)位。然而，這可能將涉及相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)傳感器的傳感器的重新設(shè)計(jì)。當(dāng)讀出CXD時(shí)也可以使用該方法。如技術(shù)人員所已知的，在C⑶傳感器中，以使得-被時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)-像素的電荷能夠從一個(gè)像素移位至另一個(gè)的方式將一系列像素連接在一起。結(jié)果，能夠使一系列像素(一行或一列)的電荷連續(xù)地移位至該行的最后一個(gè)像素，即輸出節(jié)點(diǎn)。此輸出節(jié)點(diǎn)被連接到電荷放大器。該輸出節(jié)點(diǎn)被首先復(fù)位，并且然后來(lái)自該行像素中的一個(gè)的電荷在節(jié)點(diǎn)中移位，其后，電荷放大器輸出與輸出節(jié)點(diǎn)的電荷成比例的輸出信號(hào)。將CDS用于CCD意味著在復(fù)位之后確定剩余電荷，并且在移位之后通過(guò)用在輸出節(jié)點(diǎn)包含像素的電荷時(shí)測(cè)量的電壓減去在復(fù)位期間測(cè)量的電壓來(lái)確定信號(hào)。該減法可以用模擬值的減法(例如通過(guò)將電荷儲(chǔ)存在電容器上)或通過(guò)在數(shù)字化之后對(duì)值做減法來(lái)完成。通過(guò)消除該復(fù)位，能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)間增益。在本發(fā)明的一方面，用于檢測(cè)輻射的照相機(jī)，該照相機(jī)包括圖像傳感器和用于控制傳感器的讀出和復(fù)位的控制器，特征在于控制器被編程以便執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。通常由在芯片上(共享傳感器的硅)或(至少部分地)在芯片外的控制器來(lái)控制傳感器的工作，包括復(fù)位和讀出循環(huán)?？刂破魅绾螆?zhí)行該循環(huán)則可以基于諸如EEPROM的可編程存儲(chǔ)器的內(nèi)容。在該情況下，可以將現(xiàn)有傳感器升級(jí)以執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。


現(xiàn)在使用附圖來(lái)闡明本發(fā)明，其中相同的附圖標(biāo)記指示相應(yīng)的特征。為此
圖1示意性地示出像素上的電壓，以及
圖2示意性地示出方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1示意性地示出像素上的電壓101。在時(shí)間Ttl，像素被復(fù)位且像素上的電壓對(duì)應(yīng)于電壓102。應(yīng)注意的是這不需要是零伏，而是可以基本上更高，諸如所示值103。應(yīng)注意的是由于正態(tài)噪聲貢獻(xiàn)， 某些噪聲被疊加在信號(hào)101上,但是此噪聲小于與一個(gè)入射粒子相對(duì)應(yīng)的預(yù)定值104。在時(shí)刻T1，檢測(cè)到兩個(gè)后續(xù)讀出至少彼此相差值104，并因此檢測(cè)到事件(撞擊粒子)。同樣地，在^和T4檢測(cè)到此類事件。在T5，檢測(cè)到的是信號(hào)達(dá)到在預(yù)定水平105處或以上的值，指示像素接近于其滿阱容量。因此，生成復(fù)位，導(dǎo)致新的復(fù)位值106。應(yīng)注意的是此值不需要等于前一復(fù)位水平103，而是可能略有不同。應(yīng)注意的是還可以使用其它復(fù)位標(biāo)準(zhǔn)，諸如讀取的讀出或幀的數(shù)目，或者陣列的一個(gè)像素具有在處于其預(yù)定值或之上的值(接近于滿阱值)的識(shí)別。已經(jīng)提到，僅在4個(gè)事件之后實(shí)現(xiàn)所討論的示例滿阱(或者更準(zhǔn)確的預(yù)定水平)，但是通常滿阱容量多于10個(gè)事件，并且能夠?qū)⑺鲱A(yù)定水平選擇成與8 10個(gè)事件相對(duì)應(yīng)。圖2示意性地示出所述方法的流程圖。在步驟202中，該方法從所述像素或所有像素的復(fù)位開(kāi)始。在步驟204中，讀出所述或每個(gè)像素的電壓，得到用于所述或每個(gè)像素的電壓V。。在步驟206中，第二次將所述一個(gè)或多個(gè)像素讀出，得到用于所述或每個(gè)像素的電壓Vp在步驟208中，通過(guò)用V1減去Vtl來(lái)確定所述或每個(gè)像素的信號(hào)Siq在步驟210中，再次將所述一個(gè)或多個(gè)像素讀出，得到電壓V2。在步驟212中，通過(guò)用V2減去V1來(lái)確定信號(hào)S2。在步驟214中，測(cè)試中斷標(biāo)準(zhǔn)，例如在預(yù)定數(shù)目的讀出之前是否發(fā)生復(fù)位?？梢允褂闷渌鼧?biāo)準(zhǔn)作為用以使整個(gè)像素陣列復(fù)位的標(biāo)準(zhǔn)，例如陣列的一個(gè)像素是否達(dá)到處于其預(yù)定值或預(yù)定值之上的值(接近于滿阱值，例如O. 8 X滿阱容量)，或者可以在達(dá)到預(yù)定值時(shí)逐個(gè)像素地使所述像素復(fù)位(僅在像素能夠被獨(dú)立地復(fù)位的情況下可適用)。應(yīng)注意的是現(xiàn)有技術(shù)方法從步驟208跳至202。如果傳感器的幀速率是N幀/秒，則現(xiàn)有技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)每秒N/2圖像的圖像速率，而根據(jù)本發(fā)明的方法，使用例如固定數(shù)目的10個(gè)幀之后的復(fù)位的復(fù)位標(biāo)準(zhǔn)，每秒(1-1/10) X N=O. 9 X N個(gè)圖像，幾乎是幀速率本身的兩倍且?guī)缀跏菐俾时旧?，仍提供在傳感?芯片)上使用CDS的現(xiàn)有技術(shù)方法的性能，其全部在同一芯片上。后者意味著還可以在包括諸如CMOS芯片的直接電子傳感器以檢測(cè)電子的現(xiàn)有設(shè)備上實(shí)現(xiàn)該方法。已知此類傳感器被用于例如電子顯微術(shù)、更具體地為透射電子顯微術(shù)(TEM)中。本發(fā)明明確地 尋求用于將現(xiàn)有照相機(jī)/設(shè)備升級(jí)的保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種用于用圖像傳感器來(lái)獲取數(shù)據(jù)的方法，該傳感器顯示出大量的像素，該傳感器使用復(fù)位來(lái)使像素進(jìn)入預(yù)定狀態(tài)，該方法包括 使像素的電壓復(fù)位的步驟(202)； 第一次讀取像素的電壓、得到用于像素的第一讀出值的步驟(204)； 第二次讀出每個(gè)像素的電壓、得到用于像素的第二讀出值的步驟(206);以及 通過(guò)用像素的第二讀出值減去第一讀出值來(lái)確定第一信號(hào)的步驟(208)； 其特征在于 第三次讀出像素的電壓、得到第三讀出值的后續(xù)步驟(210)， 在第二次讀取像素的電壓的步驟(206)與第三次讀取像素的電壓的后續(xù)步驟(210)之間不發(fā)生復(fù)位，以及 通過(guò)用第三讀出值減去第二讀出值來(lái)確定第二信號(hào)的步驟(212)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在第三次讀取電壓的步驟(210)之后，在發(fā)生復(fù)位之前多次將像素讀出，得到多個(gè)讀出值，并且逐對(duì)地確定多個(gè)信號(hào)，獲取讀出值并用該值減去像素的前一讀出值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中，傳感器檢測(cè)來(lái)自電子、中子、正電子和X射線的組的粒子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，通過(guò)將一個(gè)或多個(gè)像素的信號(hào)與預(yù)定閾值值(104)相比較來(lái)將信號(hào)表示為粒子的檢測(cè)，所述閾值值對(duì)應(yīng)于單個(gè)檢測(cè)粒子引起的最小信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，使用多個(gè)相鄰像素的信號(hào)來(lái)與預(yù)定值(104)相比較。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述傳感器是CMOS傳感器且每個(gè)< 像素在預(yù)定數(shù)目的讀出或圖像(214)之后被復(fù)位。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述傳感器是CMOS傳感器，并且當(dāng)在表示最后一個(gè)圖像的讀出系列中至少一個(gè)像素具有在預(yù)定值(105)之上的讀出值時(shí)生成復(fù)位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述傳感器是CMOS傳感器，并且當(dāng)所述像素具有在預(yù)定值(105)之上的讀出值時(shí)針對(duì)每個(gè)像素獨(dú)立地生成復(fù)位。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述照相機(jī)是CCD傳感器且被復(fù)位的像素是一系列像素的輸出節(jié)點(diǎn)。
10.用于檢測(cè)輻射的照相機(jī)，該照相機(jī)包括圖像傳感器和用于控制傳感器的讀出和復(fù)位的控制器，其特征在于所述控制器被編程以便執(zhí)行權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9中的任一項(xiàng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于用圖像傳感器來(lái)獲取數(shù)據(jù)的方法。本發(fā)明提出僅在許多次讀出之后使像素復(fù)位。這是基于通常需要許多事件(通常約10個(gè))來(lái)促成全像素的認(rèn)識(shí)。通過(guò)在許多圖像之后復(fù)位或者當(dāng)圖像的一個(gè)像素顯示出在預(yù)定值之上的信號(hào)時(shí)(例如0.8×滿阱容量)，使用獲取信號(hào)之后的復(fù)位，當(dāng)與現(xiàn)有技術(shù)方法相比時(shí)，能夠使圖像速度幾乎加倍。
文檔編號(hào)H04N5/32GK103037175SQ20121037095
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月6日
發(fā)明者B.J.詹森, G.C.范霍夫滕, U.呂肯 申請(qǐng)人:Fei 公司