[发明专利]全信息读出的像素单元电路及全信息读出方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

针对以上的技术问题，本发明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，本发明就实现了对事例全部关键信息的无损探测。

本发明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。