用于X射线衍射测量的具有针对非理想传感器行为的校正的多次采样CMOS传感器制造技术

通过一个五步骤处理来降低CMOS有源像素传感器中的每个像素的读出噪声，在该五步骤处理中，在一个传感器帧时间段期间对来自该传感器的像素电荷数据进行多次无损采样，且针对增益变化和非线性校正该像素电荷数据。然后，估计固定图案噪声和暗电流噪声，且将其从经校正的像素电荷数据减去。接下来，估计复位噪声，且将其从该像素电荷数据中减去。在步骤四中，将电荷与时间的关系的模型函数拟合到经校正的像素电荷数据样本。最后，在帧边界时间处评估经拟合的模型函数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于X射线衍射测量的具有针对非理想传感器行为的校正的多次采样CMOS传感器
本专利技术涉及X射线衍射系统。X射线衍射是一种用于对晶体材料样本(通常以单晶形式提供)进行定性和定量分析的无损技术。根据此技术，X射线束通过具有固定阳极的X射线管、通过常规的旋转阳极型X射线源或通过同步源而生成，且在研究中被定向成朝向材料样本。当X射线撞击样本时，X射线根据样本的原子结构而被衍射。
技术介绍
用于执行单晶衍射试验的典型的实验室系统100一般由如图1中示出的五个部件组成。所述部件包含X射线源102，它产生具有所要求的辐射能量、焦斑尺寸和强度的初级X射线束104。提供了X射线光学器件106，以将初级X射线束104调节成具有所要求的波长、束聚焦尺寸、束轮廓和散度的经调节的束或入射束108。测角器110被用于建立和操纵入射X射线束108、晶体样本112和X射线传感器114之间的几何关系。入射X射线束108撞击晶体样本112，并产生散射X射线116，散射X射线116被记录在传感器114中。样本对准和监测组件包括样本照明器118(通常是激光器)和样本监测器120(通常是视频摄像器)，样本照明器118照亮样本112，样本监测器120生成该样本的视频图像，以辅助用户将该样本定位在仪器中心并监测样本状态和位置。测角器110允许晶体样本112绕几个轴线旋转。精确晶体学要求样本晶体112对准测角器110的中心，且要求样本晶体112在数据收集期间在绕该测角器的旋转轴线旋转时维持在该中心。在曝光期间，该样本(所研究的化合物的单晶)在X射线束108中以精确的角速度旋转经过一个精确的角范围。此旋转是为了可预见地使来自该样本的每个原子平面的布拉格角反射(Bragganglereflection)与入射束108共振持续相同的时间段。在此时间(被称作电荷积分时间)期间，传感器的像素接收X射线信号并对其积分。用于晶体学的电流生成X射线区域传感器114包含电荷耦合设备(CCD)、图像板和CMOS传感器。与应用于X射线检测的CCD检测器相比，CMOS有源像素传感器(APS)具有若干优点。这些优点包含高速度读出、高量子增益和大有源区域。然而，这些设备的读出噪声(主要由电容器上的热噪声(通常被称为kTC噪声)、1/f噪声和暗电流散粒噪声(darkcurrentshotnoise)组成)典型地比CCD的读出噪声大大约一个数量级。用于降低CMOS传感器中的有效读出噪声的一种常规方法是，对存储在像素格位(pixelsite)中的电荷进行过采样(oversample)。更具体地，许多CMOSAPS设备可以被无损地读出，这意味着给定像素中的电荷可以被采样多次，而不复位该电荷的值。标题为“DemonstrationofanAlgorithmforRead-NoiseReductioninInfraredArrays”,A.M.FowlerandIanGatley,TheAstrophysicalJournal,353:L33-L34,(1990)的文章描述了一种技术，其中在如图1中示意性地示出的电荷积分之后，阵列被无损地读出N次，以降低噪声。图2是示出了纵轴上的像素i中的电荷与横轴上的时间的关系的示意图200。在帧开始时间202处，像素中的电荷为零。然后，在帧曝光时间期间，电荷线性地增大，直到该帧在时间204处结束，此时快门关闭，以防止另外的X射线为该像素充电。然后，在此实施例中，执行三次无损读取206、208和210。最后，执行有损读出212，以将该像素中的电荷复位为零，准备下一次曝光。理论上，通过观察相同的随机变量N次，该噪声可降低到。在前述文章中，Fowler等人用实验示出了，有效噪声降低的因子非常接近理论上预期的因子。相同的技术还在美国专利第5,250,824号中针对具有无损读出能力的专用CCD而被描述。然而，以此方式降低噪声具有的明显的缺点是，读出死区时间(readoutdeadtime)增大到阵列读出时间的N倍。例如，如果该阵列被过采样九次，则读出噪声降低到约1/＝1/3，但总读出死区时间增大到九倍。在上述两种现有技术的情形中，提出此技术主要是为了天文观测，在天文观测中读出死区时间的增大是可接受的。然而，对于更动态的应用，读出死区时间的所述增大常常是不可接受的。在标题为“Far-infraredfocalplanedevelopmentforSIRT”,E.T.Young,M.Scutero,G.Rieke,T.Milner,F.J.Low,P.Hubbard,J.Davis,E.E.Haller,andJ.Beeman,InfraredReadoutElectronics,ProceedingsSPIE,v.1684,pp.63-74.(April1992)的文章中描述了一种不同的途径。根据这种被称作“多次采样校正”的技术，在电荷积分期间(即，当传感器被暴露于X射线时)，CMOS像素被采样N次。图3中示意性地示出了此采样，图3是还示出了纵轴上的像素i中的电荷与横轴上的时间的关系的示意图300。在帧开始时间302处，像素中的电荷为零。然后，在帧曝光时间期间，电荷线性地增大，直到该帧在时间304处结束，此时快门关闭，以防止另外的X射线为该像素充电。然而，和先前的技术不同，在此实施例中，在像素积分时间期间进行了八次无损读取306。在帧结束时间304处进行了最后的有损读取308，以将像素电荷复位为零，准备下一个帧。在标题为“Alow-noiseoversamplingsignaldetectiontechniqueforCMOSimagesensors”,N.Kawai,S.Kawahito,andY.Tadokoro,ProceedingsofIEEEInstrumentationandMeasurementTechnologyConference,Anchorage,Alaska,v.1,pp.256-268(May2002)的文章中也描述了一种类似的技术。根据此后一技术，CMOS成像器的输出被采样N次。然后，所得到的信号通过数-模转换器被反馈到读出电路中。此技术允许和先前技术同样的噪声降低，而不必读出该阵列N次(从而降低了外部数据速率)。尽管很好地建立了使用多次无损读出以改进传感器的噪声或动态范围性能的一般途径，但现有技术假定，照明源不随时间变化或以可预见的样式变化。具体地，在积分期间进行采样的前述现有技术隐含地假定，被成像的场景是静态的。即，在像素积分时间期间，入射在每个像素上的光子通量是恒定的。当然，这不是在X射线衍射系统中的情形，在X射线衍射系统中，衍射X射线充当照明源。另外，在积分期间进行采样的前述现有技术假定，传感器响应在其他方面是理想的。具体地，它们假定传感器响应是完全线性的。然而，在实际CMOS传感器中，输出不是线性的，而是通常显示出几个百分比的非线性。因此，现有技术的简单应用将不会降低由传感器非线性引起的误差所造成的CMOS传感器输出中的噪声。该现有技术也忽略了暗电流噪声和固定图案噪声的影响。强烈期望的是，降低CMOS设备的噪声，同时保留其他好处。
技术实现思路
根据本专利技术的原理，通过一个五步骤处理来降低CMOS有源像素传感器中的读出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于针对X射线衍射系统的CMOS传感器中的非理想行为来校正像素电荷数据的方法，包括，针对该传感器中的每个像素：(a)在一个传感器帧时间段期间多次对该像素中积累的电荷进行无损采样，且针对增益变化和非线性来校正每个样本值；(b)针对该像素来估计固定图案噪声和暗电流噪声，且从每个经校正的样本值中减去所估计的固定图案噪声和暗电流噪声；(c)针对该像素来估计复位噪声，且从在步骤(b)中经校正的每个样本值中减去所估计的复位噪声，以产生多个经校正的样本值；(d)将电荷与时间的关系的模型基函数拟合到在步骤(c)中产生的经校正的样本值；以及(e)在该帧时间段结束处评估经拟合的模型基函数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.31 US 13/285,0891.一种针对X射线衍射系统的CMOS传感器中的非理想行为来校正像素电荷数据的方法，包括，针对该传感器中的每个像素：(a)在一个传感器帧时间段期间多次对该像素中积累的电荷进行无损采样，且针对增益变化和非线性来校正每个样本值以产生第一组经校正的样本值；(b)针对该像素来估计固定图案噪声和暗电流噪声，且从在步骤(a)中产生的第一组经校正的样本值中的每个样本值中减去所估计的固定图案噪声和暗电流噪声以产生第二组经校正的样本值；(c)针对该像素来估计复位噪声，且从在步骤(b)中产生的第二组经校正的样本值中的每个样本值中减去所估计的复位噪声，以产生第三组经校正的样本值；(d)将电荷与时间的关系的模型基函数拟合到在步骤(c)中产生的第三组经校正的样本值；以及(e)在该帧时间段结束处评估经拟合的模型基函数。2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)包括：测量该像素响应于由该传感器产生的预定数目的输出校准图像的输出，且将像素响应拟合到电荷与时间的关系的模型函数。3.根据权利要求2所述的方法，其中每个输出校准图像是泛野图像。4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)包括：测量该像素响应于由该传感器产生的预定数目的噪声校准图像的输出，且在该数目的噪声校准图像上对该像素的输出进行平均。5.根据权利要求4所述的方法，其中该噪声校准图像是相同的暗图像。6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包括：对由该传感器产生的且含有该像素的图像执行空间频率滤波，以确定该图像的每行中具有零空间频率的分量，且使用该零空间频率分量作为所估计的复位噪声。7.根据权利要求6所述的方法，其中该空间频率滤波包括：检测并掩蔽布拉格共振信号，且此后对该图像应用快速傅里叶变换，随后进行低通滤波。8.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包括：对由全部位于该传感器的边缘处的预定数目的像素产生的信号进行平均，且使用该平均作为所估计的复位噪声。9.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(d)中，电荷与时间的关系的模型基函数是电荷与时间的关系的三次多项式。10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在相邻的帧时间上对在步骤(e)中确定的最佳估计求和，且将该和除以平均转换增益。11.一种X射线衍射系统，包括：X射线源；CMOS传感器；以及像素处理单元，用于该传感器中的每个像素；(a)在一个传感器帧时间段期间多次对该像素中...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·D·杜尔斯特，G·A·瓦克特，J·凯尔彻，
申请(专利权)人：布鲁克AXS公司，
类型：发明
国别省市：美国;US