全信息读出的像素单元电路及全信息读出方法技术

本发明专利技术提供一种全信息读出的像素探测器的像素单元电路及全信息读出方法，实现了对事例全部关键信息的无损探测。其中，像素单元电路包括：入射电荷探测单元，将入射电荷转换为数字脉冲输出，数字脉冲的底宽与入射电荷量成正比；信息分离单元，从数字脉冲分离出入射电荷的到达时间和电荷量，并生成像素的地址编码；信息读出单元，基于事例驱动实现数据的读出，当像素单元有入射电荷时，根据优先仲裁逻辑，读出入射电荷的到达时间、电荷量、以及像素的地址编码。

【技术实现步骤摘要】
全信息读出的像素单元电路及全信息读出方法
本专利技术涉及像素探测器的领域，尤其涉及全信息读出的像素探测器的像素单元电路及全信息读出方法。
技术介绍
像素读出芯片及其像素单元电路结构，是像素探测器、特别是混合型像素探测器的关键组成部分。图1是像素探测器的结构示意图，如图1所示，像素探测器整体一般由像素读出芯片101和传感器102通过倒装焊点阵互联，其中传感器102完成对信号的探测，将物理事例转换为电信号，并通过倒装焊焊点传给像素读出芯片101，像素读出芯片101完成电信号的信号处理，并将其转换为数字信号传输给上位机。像素读出芯片101由像素单元电路104呈阵列式排列组成灵敏探测区，由相关的外围电路辅助完成芯片的控制和数据读出。灵敏探测区可以实现对物理事件的探测和成像，而像素单元电路104就构成了图像中的像素点。像素单元电路104通常决定了整个像素探测器的探测与工作模式，它所获取的物理信息质量决定了整个探测器的性能，是像素探测器的核心部分。传统意义上的像素读出芯片或像素探测系统，主要基于电荷积分的方式完成对信号的探测。例如CCD、CMOS相机等等，通过同感光二极管相连的电容对电荷进行积分，将积分之后的幅度通过逐行扫描方式进行读出。这种探测模式只能对一段时间内的信号进行积分探测，无法分辨单个事例。此外，这种方法也无法有效分辨信号和噪声，信噪比不高。为了有效的对单个光子或入射粒子进行分辨，发展出一类基于单光子计数的像素读出芯片形式。这类芯片在其像素单元电路汇总对单个入射信号进行低噪声前端放大和过阈甄别，将入射信号转换为数字脉冲。之后通过像素单元电路中的计数器对脉冲进行计数。其后，芯片需要按一定的刷新频率将各像素的计数结果进行读出并清零，以便开始新一轮的计数。如果以各像素的计数作为图像亮度，像素的二维位置对应图像点的位置，所读出的数据就形成了一帧图像，即芯片通常工作在帧刷新模式下。这种基于单光子计数的探测模式实现了对单个事例的探测，并通过放大甄别有效分辨了信号和噪声，提高了信噪比。然而，该模式对单个事例的信息获取仅限于“有”或“无”，每个事例中所包含其他大部分信息都将被舍弃。此外，受限于芯片通常所采用的帧刷新模式，在每帧所获得的读出数据中，实际也仅为一段时间内多个事例的计数之和，只有在极端情况-即该帧仅有一个入射事例时，才能分辨出这个单事例。即，单光子计数模式虽然实现了对单光子的探测，但却仍然没有实现对单光子事例的读出。
技术实现思路
针对以上的技术问题，本专利技术提供一种全信息读出的像素探测器的像素单元电路及全信息读出方法。每个像素单元电路均可以对每个入射事例的到达时间和信号能量(幅度)进行同时探测，并且与此同时，还将给出每个被击中像素的二维位置信息，进而通过事例驱动型的读出结构，每个事例的探测信息将被有序的读出。由此，本专利技术就实现了对事例全部关键信息的无损探测。本专利技术提供了一种全信息读出的像素单元电路，包括：入射电荷探测单元，将入射电荷转换为数字脉冲输出，数字脉冲的底宽与入射电荷量成正比；信息分离单元，从数字脉冲分离出入射电荷的到达时间和电荷量，并生成像素的地址编码；信息读出单元，基于事例驱动实现数据的读出，当像素单元有入射电荷时，根据优先仲裁逻辑，读出入射电荷的到达时间、电荷量、以及像素的地址编码。此外，优选入射电荷探测单元包括前置放大器、恒流源和比较器，恒流源作为前置放大器的反馈放电结构，入射电荷输入至前置放大器，从前置放大器输出三角波，通过比较器转换为数字脉冲，该数字脉冲的底宽与入射电荷量成正比。此外，优选信息分离单元包括：脉冲前沿检测单元，检测入射电荷探测单元输出的数字脉冲的前沿，并产生锁存短脉冲；第一锁存器，脉冲前沿检测单元所产生的锁存短脉冲触发第一锁存器锁存该前沿的时刻的时间戳标志，即入射电荷的到达时间；脉冲后沿检测单元，检测入射电荷探测单元输出的数字脉冲的后沿，并产生锁存短脉冲；第二锁存器，脉冲后沿检测单元所产生的锁存短脉冲触发第二锁存器锁存该后沿的时刻的时间戳标志，前沿时间戳和后沿时间戳的差对应于电荷量；像素地址编码生成器，输出所击中的像素的地址编码；击中标志生成单元，当所述入射电荷探测单元输出数字脉冲时，生成击中标志。此外，优选信息读出单元包括优先级仲裁单元，当击中标志生成单元生成击中标志时，优先级仲裁单元发出读出请求信号，当接收到读出应答信号时，判断同一列上该像素之前的像素的击中标志是否存在，如果存在击中标志，则不执行该像素的数据读出操作，如果该像素之前的像素的击中标志已被清除，则执行该像素的数据读出操作，通过数据总线传输所述信息分离单元所输出的前沿时间戳、后沿时间戳和像素的地址编码，信息读出后清除该像素的击中标志。本专利技术还提供一种像素单元电路的全信息读出方法，包括以下步骤：入射电荷探测步骤，将入射电荷转换为数字脉冲输出，数字脉冲的底宽与入射电荷量成正比；信息分离步骤，从数字脉冲分离出入射电荷的到达时间和电荷量，并生成像素的地址编码；信息读出步骤，当像素单元有入射电荷到达时，根据优先仲裁逻辑，读出入射电荷的到达时间、电荷量、以及像素的地址编码。此外，优选入射电荷探测步骤进一步包括以下步骤：入射电荷输入至前置放大器，恒流源作为前置放大器的反馈放电结构，从前置放大器输出三角波，三角波通过比较器被转换为数字脉冲，该数字脉冲的底宽与入射电荷量成正比。此外，优选信息分离步骤进一步包括以下步骤：脉冲前沿检测步骤，检测入射电荷探测步骤输出的数字脉冲的前沿，并产生锁存短脉冲；第一锁存步骤，脉冲前沿检测步骤所产生的锁存短脉冲触发第一锁存器锁存该前沿的时刻的时间戳标志，即入射电荷的到达时间；脉冲后沿检测步骤，检测入射电荷探测步骤输出的数字脉冲的后沿，并产生锁存短脉冲；第二锁存步骤，脉冲后沿检测步骤所产生的锁存短脉冲触发第二锁存器锁存该后沿的时刻的时间戳标志，前沿时间戳和后沿时间戳的差对应于电荷量；像素地址编码生成步骤，输出所击中的像素的地址编码；击中标志生成步骤，当所述入射电荷探测步骤输出数字脉冲时，生成击中标志。此外，优选信息读出步骤进一步包括优先级仲裁步骤，当击中标志生成步骤生成击中标志时，通过该像素单元所在的列总线发出读出请求信号，当接收到读出应答信号时，判断该像素之前的像素的击中标志是否存在，如果存在击中标志，则不执行该像素的数据读出操作，如果该像素之前的像素的击中标志已被清除，则执行该像素的数据读出操作，通过数据总线传输所述信息分离步骤所输出的前沿时间戳、后沿时间戳和像素的地址编码，信息读出后清除该像素的击中标志。基于本专利技术的全信息读出的像素单元电路以及全信息读出方法，可同时获取每个入射电荷的到达时间、电荷能量，并给出电荷在像素阵列中的二维击中位置，这样就给出了每个入射事例的全部关键信息。相比传统像素探测器单元电路仅能同时给出幅度或时间等单一信息，本专利技术的像素单元电路利用紧凑的结构获得了击中事例的全部关键信息，并可同时保证较高的信噪比。结合高速数据读出，可以实现一种全新的动态探测模式。本专利技术的全信息读出的像素单元电路结构以及全信息读出方法，关键点在于事例探测、信息分离、信息读出三个主要组成，由此在传统像素探测器读出电路的基础上实现了关键创新，并实现了一种全新的探测和成像模式。各个部分的关键创新点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全信息读出的像素单元电路，包括：入射电荷探测单元，将入射电荷转换为数字脉冲输出，数字脉冲的底宽与入射电荷量成正比；信息分离单元，从所述数字脉冲分离出入射电荷的到达时间和电荷量，并生成像素的地址编码；信息读出单元，基于事例驱动实现数据的读出，当像素单元有入射电荷时，根据优先仲裁逻辑，读出入射电荷的到达时间、电荷量、以及像素的地址编码。

【技术特征摘要】
1.一种全信息读出的像素单元电路，包括：入射电荷探测单元，将入射电荷转换为数字脉冲输出，数字脉冲的底宽与入射电荷量成正比；信息分离单元，从所述数字脉冲分离出入射电荷的到达时间和电荷量，并生成像素的地址编码；信息读出单元，基于事例驱动实现数据的读出，当像素单元有入射电荷时，根据优先仲裁逻辑，读出入射电荷的到达时间、电荷量、以及像素的地址编码。2.根据权利要求1所述的全信息读出的像素单元电路，其中，所述入射电荷探测单元包括前置放大器、恒流源和比较器，恒流源作为所述前置放大器的反馈放电结构，入射电荷输入至前置放大器，从前置放大器输出三角波，通过比较器转换为数字脉冲，该数字脉冲的底宽与入射电荷量成正比。3.根据权利要求1所述的全信息读出的像素单元电路，其中，所述信息分离单元包括：脉冲前沿检测单元，检测所述入射电荷探测单元输出的数字脉冲的前沿，并产生锁存短脉冲；第一锁存器，脉冲前沿检测单元所产生的锁存短脉冲触发第一锁存器锁存该前沿的时刻的时间戳标志，即入射电荷的到达时间；脉冲后沿检测单元，检测所述入射电荷探测单元输出的数字脉冲的后沿，并产生锁存短脉冲；第二锁存器，脉冲后沿检测单元所产生的锁存短脉冲触发第二锁存器锁存该后沿的时刻的时间戳标志，前沿时间戳和后沿时间戳的差对应于电荷量；像素地址编码生成器，输出所击中的像素的地址编码；击中标志生成单元，当所述入射电荷探测单元输出数字脉冲时，生成击中标志。4.根据权利要求1所述的全信息读出的像素单元电路，其中，信息读出单元包括优先级仲裁单元，当击中标志生成单元生成击中标志时，优先级仲裁单元发出读出请求信号，当接收到读出应答信号时，判断同一列上该像素之前的像素的击中标志是否存在，如果存在击中标志，则不执行该像素的数据读出操作，如果该像素之前的像素的击中标志已被清除，则执行该像素的数据读出操作，通过数据总线传输所述信息分离单元所输出的前沿时间戳、后沿时间戳和像素的地址编码，信息读出后清除该像素的击中标志。5.一种像素...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏微，樊磊，张杰，王铮，江晓山，刘鹏，朱科军，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11