CN101647119A - 具有线性传感器阵列的快速和精确的时间分辨光谱法 - Google Patents
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Abstract
通过照射电荷转移设备感光像素单元的一维阵列，并周期地非破坏性地将感光单元的电荷复制到与集成电路中的感光单元设置在一起的各个存储单元(“行存储寄存器”)，来执行光谱的时间分辨分析。将至少一些存储单元中存储的电荷的相关信息提供至集成电路外部的元件。
Description
本发明要求2007年2月23日申请的美国临时申请序列申请号为No.60/891320的优先权，该申请全部并入这里作为参考。
技术领域
本发明涉及时间分辨光谱法和光谱的采集与分析，其中该光谱相对于初始事件具有时间延迟，更特殊地，本发明涉及利用线性传感器阵列的光谱法。
背景技术
对由材料的激励采样产生的光谱的分析可以产生采样的元素成分的相关信息，包括组成元素的相对浓度。在许多环境中可以执行该分析，包括在金属回收设备中识别和分离金属类型，以及工厂和司法工作中的质量控制测试。在一些光谱系统中，直读式光电倍增管(PMT)系统使用安装在感兴趣的分析波长处的多个PMT，其中该波长经常仅覆盖光谱的一小部分(典型地，小于从130nm至500nm光谱的百分之几)。
在一些环境中，光谱的时间分辨或光谱的时序分析可以提供其他方式不能获得的有关采样成分的额外的和更精确的信息。
传统的二维电荷耦合设备(CCD)有时用于捕获时间分辨光谱数据，但是，其易于受到在某些应用中杜绝使用的时间分辨的限制。该CCD设备包括以行和列布置的感光像素。在运行的一种模式中，除一行以外的所有像素都被掩盖，因此，只有未掩盖的一行曝光。光谱投射在CCD像素的曝光行上，使得每个像素曝光于光谱的不同部分。在一个或多个曝光像素下积累光生电荷。周期性地，所有行上存储的电荷移动(移位)至各个相邻的行。也就是说，曝光像素中的电荷移动至第一掩盖行，第一掩盖行的电荷移动至第二掩盖行，等等。将电荷移出曝光的行就从该行的像素上清除掉电荷。从该设备中读出最后一行的电荷。该结构产生较弱的信噪比特性，并且无助于成像设备的快速循环，这是因为在电荷被读出之前，在任何曝光像素中累积的电荷必须移动穿过所有对应列的像素。
发明内容
根据本发明的优选实施例，提供一种用于分析具有时间分辨的光的方法，该方法包括步骤：
(a)通过光谱照射电荷转移设备感光像素单元的一维阵列，使得每个感光单元被所述光谱的不同部分照射，由此在一组感光单元中产生电荷；
(b)将感光单元中的电荷非破坏性地复制到和集成电路的感光单元设置在一起的第一组的各个存储单元中；
(c)对于集成电路中不同组的存储单元，周期性重复前述步骤；
(d)将存储在至少一些存储单元中的电荷的相关信息提供给集成电路外部的元件。
根据本发明的替换实施例，该方法可以包括进一步的步骤，即允许电荷在感光单元中累积，以至少用于一些非破坏性地复制电荷的步骤的重复。并且，该方法具有附加的步骤，即清除感光单元的子集中的电荷，以及包括附加的步骤，即指定要清除电荷的感光单元的子集的步骤。
该方法进一步需要在集成电路上设置至少2000个感光单元。以及每个像素单元设置至少16个存储单元。在本发明的一些实施例中，存储的电荷的相关信息本身存储在集成电路外部的存储器中。存储的电荷的相关信息涉及所有存储单元或存储单元的子集，识别选择的存储单元的信息可以从外部元件接收。
该方法还包括下述步骤，即分析所提供的存储的电荷的相关信息，以识别用于产生光谱的采样的至少一种元素组分。
根据本发明的其他实施例，提供的方法具有步骤：
通过光谱照射电荷转移设备感光像素单元的一维阵列，使得每个感光像素单元被光谱的不同部分照射，由此在几个感光单元中产生电荷；
将感光单元中的电荷周期地非破坏性地复制到和集成电路中的像素单元设置在一起的各个存储单元中；
如果至少一个存储单元中的电荷超过预定值，那么在存储器中存储电荷的相关信息。
在本发明的一些实施例中，存储器与集成电路上的像素单元设置一起。该方法包括进一步的步骤，即清除至少一个感光像素单元中的电荷，其中该至少一个感光像素单元与至少一个存储单元对应，如果曝光时间超过预定值，那么在存储器中存储电荷的相关信息。尤其是，清除至少一个感光像素单元中的电荷，其中该至少一个感光像素单元与至少一个存储单元对应。并且，该方法还包括基于每个像素，将存储器中存储的信息求和的步骤。
在本发明进一步的实施例中，如果预定时间已过，那么在存储器的至少一个存储单元中存储电荷的信息，而不清除任何对应的感光像素单元中的电荷。
在本发明的再一实施例中，电荷转移设备感光像素单元的数量超过曝光的电荷转移设备感光像素单元的指定数量，以允许波长与像素数的动态变化配准。
根据本发明的另一方面，提供一种集成电路，其具有电荷转移设备感光像素单元的阵列。另外，该集成电路具有多组电荷存储单元，其中对于每组存储单元来说，该组中的每个存储单元耦合至感光像素单元中不同的一个，用于将感光像素单元的电荷复制到存储单元。最后，该集成电路具有第一控制逻辑电路，用于周期地非破坏性地将像素单元的光生电荷复制到一组连续的存储单元中；以及第二逻辑控制电路，用于向集成电路外部的元件提供至少一个存储单元中存储的电荷的相关信息。
根据本发明的其他实施例，该集成电路还具有多个预放大器，该预放大器与每个感光像素单元相关联。感光像素单元的阵列可以是一维或二维的，尤其是，感光像素单元的阵列可以具有至少2000个以一维阵列布置的像素。每个感光像素单元可以具有至少16组电荷存储单元。第二控制逻辑电路用于向集成电路外部的元件提供存储在存储单元中的电荷的相关信息，其中该存储单元少于所有存储单元。存储单元中存储的电荷的相关信息可由集成电路外部的元件随机寻址。
在某些实施例中，提供第三控制逻辑电路，用于接收识别少于所有像素单元的信息，以及清除在识别的像素单元中存储的光生电荷。第二控制逻辑电路用于将至少一个存储单元中存储的电荷的相关信息作为模拟信号或数字信号提供至外部元件。
根据本发明的其他实施例，该集成电路还具有多个预放大器，该预放大器与每个感光像素单元相关联。根据本发明的另一方面，提供一种基于计算机的图形用户界面，其用于限定二维流形上一个或多个感兴趣的区域，其中二维流形由跟随倒装晶片基准点事件的波长和时间限定。该界面具有菜单，用于描述感兴趣的波长，用于接收用户输入的时间门控起始时间和时间门宽。该界面还具有感兴趣模块的区域，用于将用户指定的感兴趣的波长、门控起始时间和时间门宽编辑进用户指定的感兴趣的区域，以及软件模块，用于将用户指定的感兴趣的区域分为圆形ROI队列。最后，该界面具有执行模块，用于根据用户指定的感兴趣的区域，执行像素询问和数据存储功能，该执行模块还包括比较器，用于确定用户指定的感兴趣的区域是否包括超过指定最大像素信号的信号。
本发明的其他方面提供了一种用于扩展成像系统动态范围以将一个或多个标量值与空间的有序元素相关联的方法。{在任意数量的维度中}，标量值的特征在于响应于激励的信号；空间的有序元素包括至少一个感兴趣的区域，其被定义为空间的有序元素的子集，每个感兴趣的区域特征在于阈值时间，该方法包括：
将成像系统曝光于激励第一预曝光时间，以确定所有感兴趣的区域的阈值时间，其中该阈值时间超过了指定的持续时间；
将成像系统曝光于激励第二预曝光时间，用于确定感兴趣区域的短于指定持续时间的阈值时间，其中第二预曝光时间短于第一预曝光时间；
基于确定的阈值时间，根据相应的感兴趣的区域，读取和复位空间中有序元素的值。
在本发明的特殊实施例中，将成像系统曝光于激励第二预曝光时间的步骤先于将成像系统曝光于激励第一预曝光时间的步骤。
附图说明
结合附图，参照下面特定实施例的详细描述，将更全面理解本发明，其中：
图1是根据本发明实施例，可以使用图2中IC的示例性环境的示意性图示；
图2是根据本发明一个实施例的集成电路(IC)的结构图，其中该集成电路具有电荷转移设备感光像素的一维阵列；
图3A和3B描述了根据本发明实施例的，用于线性CID交错像素结构的两个实施例，用以增加有效的光谱分辨率；
图4A描述了用于线性CID像素中光生电荷积分的势阱图；
图4B(1)描述了线性CID像素读出的势阱图，其中在第一序列中，电荷转移至感测光栅，而在图4B(2)中，电荷从感测光栅转移至存储光栅；
图4C(1)描述了用于从线性CID像素位置注入(或清除)电荷的阱势图，其中电荷首先转移至存储光栅，而图4C(2)示出了从存储和感测光栅清除电荷。
图5是根据本发明实施例的行存储寄存器(RSR)单元的示意图；
图6提供了根据本发明实施例的示例性双线性CID图像控制的结构图；
图7描述了一个独立的火花放电，且第二次放电以200Hz火花速率开始的信号与时间的假想的轮廓图；
图8提供了根据本发明优选实施例的，线性CID设备上32个行存储寄存器(RSR0-RSR31)的图形表示图；
图9提供了根据本发明实施例的利用线性CID的时间分辨光谱法的基本流程图；
图10A-10C描述了根据本发明实施例的，利用时间分辨光谱(TRS)算法同时获取两个感兴趣区域的假想的信号与时间的示例；
图11描述了利用多个火花放电的TRS算法获得假想的信号与时间的轮廓线，以描述来自不同元素种类的信号的出现；
图12是根据本发明实施例的流程图，用于描述根据随机访问积分(RAI)算法执行的步骤的流程；
图13示出了在利用图12的RAI算法询问三个ROI的情况下，作为时间函数的信号；以及
图14示出了在利用超高动态范围(DR)算法询问三个ROI的情况下，作为时间函数的信号。
具体实施方式
根据本发明的优选实施例，公开了方法和装置，用于通过电荷转移设备感光像素的一维阵列(也称为“线性传感器阵列”)，来分析具有时间分辨，或时间积分的光谱。该感光像素可以是电荷耦合设备(CCD)，电荷注入设备(CID)，或另一恰当类型的电荷转移设备或各种组合。该公开的方法和装置适用于许多环境，包括手持化学成分分析仪，例如使用发射光谱学(OES)，吸收光谱学，荧光光谱学和天文学的分析仪。
在一个环境中，如图1示意性说明地，由激励一部分采样(例如通过火花/电弧，激光，等)或其它，例如通过吸收参考源的光，而产生的光谱10通过衍射栅18，投射至线性传感器阵列，使得光谱的不同部分(即，不同波长或波长范围)照射每个像素15，如图1示意性示出。采样的光12通过入口狭缝14进入通常由数字11指示的光谱仪。该照射在一个或多个感光像素中产生光生电荷。
下述部分提供：(1)线性传感器阵列的一个实施例的电子结构，(2)驱动线性传感器阵列的电子控制系统结构，以及(3)在某些应用线性传感器阵列和控制系统的化学成分分析应用中，用于产生时间积分或时间分辨数据的算法的描述。
线性传感器阵列
在一个实施例中，集成电路(IC)包括一维阵列的感光像素16，多行电荷存储单元(也称为“行存储寄存器”(RSR))和控制逻辑电路22，如图2示意性所示。
一维阵列的感光像素16可以布置为一行，或者像素在两行或多行交错，如图3A和3B示意性示出。将感光像素交错提供了更小的有效像素间距，和更高的有效空间分辨率。在一个实施例中(图3A)，感光像素为14μm宽，均匀在两行交错。最终的有效节距是7μm，全阱容量大约为300,000个电子。像素高度为100μm，其可以被优化以和成像的入口狭缝的高度匹配。这样，如这里使用的，术语“一维”和“线性阵列”指示代表光谱内容的仅仅一个值与任意位移处分散的光束的强度相关，即使该值可以从检测器获得，其中该检测器本身位于特殊线中心的上方或下方。
像素操作
如图4A-4C所述，与“注入栅极”42和“注入漏极”43一起，实施例中称为线性CID的感光像素包括用于像素读取的两个光栅(“存储”40和“感测”41光栅)。感测光栅电连接至源极跟随器和复位电路。注入栅极用于控制来自像素的光生电荷的撇取和注入。注入漏极用作吸收去除的光生电荷。
线性传感器阵列在每个像素上含有预放大器(预放大器-每像素或有源像素)，例如和上述线性CID中使用的光栅组合的源极跟随器。也可以使用二维预放大器-每像素或有源像素CCD或CMOS器件。
如图4C所述，当需要清除光生电荷时，在像素读出之后或在曝光周期的任意时间执行像素注入。在注入周期中，感测和存储光栅分别偏置至“Vsto-inj”和“Vsen_inj”，注入漏极电压被设定为“Vdrain_inj”。然后，注入栅极被偏置至注入电势“V_in”。可以在像素组(也称为“分段注入”)，或在一个像素接一个像素的基础上全面(同时在所有像素上)执行注入。任何感光像素或(连续的或不连续的)感光像素组中的电荷可以独立于剩余的感光像素被清除。为了清除，感光像素可以被随机寻址。
如图4A所述，当正电压施加于感测41和存储40电极上时，光子产生的电荷积分出现。积分时间是这两个光栅保持深耗尽偏置的时间(“深耗尽”是指非平衡状态，其中由于MOS器件的栅极电极被施加电压，那么在该栅极电极下形成耗尽移动电荷的较深的区域)。当具有足够能量的光子触发像素时，最终的移动电荷被吸入由存储电极偏置产生的势阱中，其中该光子用于将电子促进进入导带。
在存储电极收集的光生电荷44的总量是光的强度、积分的持续时间以及暗电流的电荷分布的函数。虽然可以通过优化成像设计和制造工艺来减少暗电流，但是不可能完全消除。因此，对于需要延长积分时间的应用来说，线性传感器阵列要被冷却。
如图4B所述，首先由将光生电荷从存储光栅前向转移至感测光栅执行像素读取，其中该前向转移跟有电荷从感测光栅后向转移至存储光栅。在前向转移中，感测光栅以“Vsen_read”电势作为参考，而存储光栅以“Vsto_tfr”电势作为参考。然后，感测光栅浮动，并获得感测光栅的第一电势采样，CDS1。CDS1测量光生电荷和像素噪声的标记图。
那么，存储栅以“Vsto-btfr”作为参考，其将电荷从感测栅反送至存储栅。在该操作期间，感测栅继续浮动。然后，获得第二个感测光栅采样，CDS2。CDS2信号只代表像素的噪声标记图。那么感兴趣的校正过噪声的信号是存储在两个CDS电容器上的值之间的差(CDS1减CDS2)。该值(CDS1减CDS2)与该像素位置处的电荷量成比例。像素读取过程对于该像素位置上的光生电荷来说是非破坏性的。可以非破坏性地询问(读取)线性CID上任意像素的光生电荷的电平。非破坏性的像素读取提高了火花OES和其他应用的动态范围和时间分辨性能。
可以随机访问线性CID设备上的任何像素位置。该像素可以以任意随机顺序和任意方向寻址。可以询问(读取)或清除任意随机寻址像素中的光生电荷。像素随机访问提高了火花OES和其他应用的动态范围和时间分辨性能。
行存储寄存器(RSR)
该线性传感器阵列包括独立的每像素电容器(称为行存储寄存器(RSR)20(图2中))，用于在各个时间存储像素信号。线性传感器阵列上的感光像素经由切换网络耦合至RSR。在各种实施例中，在该设备中可以实现每个像素8个或32个或任意其他数量的RSR。不同应用中具有不同数量的RSR会增加各种优势。每像素电容器可以是MM型(金属-绝缘体-金属)，MOS型(金属氧化物半导体)或其他恰当类型。
如本领域公知的，在控制逻辑电路(图2中的rW，IRC和CDS)的控制下，所有感光像素中的光生电荷可以通过相关双采样(CDS)被并行非破坏性地复制到任意RSR行中的相应的存储单元。这样，RSR是有效随机访问模拟存储器设备。
和典型的CCD设备的运行不一样，根据本发明的实施例，CID阵列中的电荷的确不从感光像素移动至其他单元，该电荷也从不移出感光像素的位置。然而，与每个感光像素关联的预放大器和其他恰当的电路使得电荷(等于，或与感光单元中当前的电荷成比例)在RSR中形成，这样在RSR中产生感光像素电荷的副本，而不减少感光像素中的电荷量。因此，即使在感光像素中的电荷已经被复制到(即“写入”)存储单元之后，光生电荷可以继续在感光像素中累积(“积分”)。光生电荷在感光像素中继续积分可以提高从感光像素中获得的信息的信噪比。
这样，在本发明的环境中，移动电荷和非破坏性地复制电荷之间的区别是很重要的。这里“非破坏性地复制电荷”意味着在另一单元中产生第一单元，例如感光像素中的电荷的副本，而不减少第一单元中的电荷量。作为非破坏性复制操作的结果，存在两组大体相等的电荷：一组在第一单元中，第二组在第二单元中。如上所述，CCD设备已经用于捕获时间分辨数据。但是，在该过程中，光生电荷从第一有源CCD位置移除，移动至另一位置。因此，第一位置不再有电荷。该过程也称为“破坏性移动”。CCD过程对于光生电荷来说不必是破坏性的，这是由于电荷没有被损毁；该电荷只是移动至另一位置。但是，如这里所定义的，破坏性移动与非破坏性复制不同。
在运行的一种模式中，感光像素中的电荷被周期性地复制到连续的存储单元行(RSR)中。这样，RSR存储由感光像素观察到的有关光谱的时间分辨信息。每行RSR代表不同的时间段，在该时间段中，光谱被成像，一行中的每个RSR代表光谱不同部分(波长或波长范围)的相关信息。如下面更详细的讨论，经常只有光谱的几部分是分析中感兴趣的。这样，读取一行中所有RSR是不必要的。并且，如下面更详细的讨论，经常是仅在特殊的时间段或几个时间段中收集的信息是分析中感兴趣的。对于感兴趣的光谱的每个部分来说，感兴趣的时间段是不同的。这样，读取所有RSR行中的信息是不必要的。仅读取感兴趣的RSR会比读取所有RSR少一些时间。这样，有关感兴趣的RSR的信息被读取，线性传感器阵列被清除电荷，并且与读取所有RSR相比，该线性传感器阵列容易从随后的光谱事件中更快速的读取数据。
像素解码器，RSR解码器和RSR读出链
在图2示出的实施例中使用了两个解码器：13位像素和5位RSR解码器。13位像素地址解码器(称为“像素解码器”)负责选择要读出的像素，5位RSR地址解码器(称为“RSR解码器”)选择读或写的RSR。对于其他实施例来说，正如本领域技术人员理解的，也可以使用其他数量的地址位。读出链包括放大器和CDS电路，它们连接至每个线性CID像素的感测光栅。
如上所述，RSR有效地随机访问模拟存储器设备。图5中示出了单个RSR单元的示意图。来自CDS电路的模拟电压信息作为电容器“C”上的电荷存储。该信息通过垂直总线“Write(写入)-M”带入该单元，其中该垂直总线通过晶体管开关“T1”连接至存储电容器。为了写入RSR的行N”，那么通过在5位RSR解码器闭锁地址“N”之后，将输入信号“Write-M”设置为“高”，而将“Write_select(选择)_N”设置为“高”。
RSR可以通过垂直总线“Read(读取)_M”被读取，其中该垂直总线“Read_M”引至视频放大器的输入端。该总线可以通过晶体管开关“T2”连接至存储电容器“C”。为了读取行N，像素M存储器位置，必须要实现三个条件。首先，地址“N”必须闭锁在5位RSR解码器中。其次，像素地址“M”必须由13位像素解码器闭锁，最后，输入信号“Video(视频)_read”必须设置为“高”。当这三个条件实现时，晶体管“T2”的栅极设置为“高”，由此关断“T2”开关，并允许RSR单元上的信息被读出以作为视频信号。
可以有选择地从线性传感器阵列中读出所有或一些RSR中电荷的相关信息。该线性传感器阵列包括一个或多个模数转换器(ADC)用以将RSR中的电荷数量数字化，以及向线性传感器阵列外部的设备提供有关RSR上电荷数量的信息。作为替换，ADC可以在线性传感器阵列的外部。在一个实施例中，线性传感器阵列不包括ADC；作为替代，线性传感器阵列向设置在一个或多个单独IC上的外部ADC或ADC组提供模拟信号。
可以随机寻址用于读取的所有或选择(连续或非连续的)的RSR子集。可以读取选择的RSR，而不读取剩余RSR。这样，有关感兴趣的时间处的感兴趣的像素的信息可以从线性传感器阵列中读出，然后，清除感光像素上的电荷。读取感兴趣的RSR比读取所有RSR所需的时间要短，由此提供了较用于时间分辨光谱法的传统二维CCD设备和的线性CCD设备强的优势。
电子控制系统结构
线性传感器阵列可以由各种电子控制系统控制。线性传感器阵列控制系统的一个实施例是意在用于光学发射光谱便携式合金分析仪(PAAI)中的双线性CID图像控制(DLIC)和图像特定接口(ISI)子系统。DLIC-ISI子系统也可以和任何其他仪器一起使用，其中光信号通过序列分类器，例如棱镜被交叉分散，用以提供跨越检测器不同线性阵列的衍射栅的多个序列。图6中提供了示例性DLIC的详细结构图。
DLIC/ISI子系统在基于数字信号处理器(DSP)的控制器和双线性CID-光谱仪子组件之间提供了接口和控制信号。该子系统尤其适用于和OES光谱仪接口。该光谱仪可以包括双(或任意其他多个)热电(TE)冷却的线性CID图像。
如这里所述，线性CID设备和DLIC可以：支持从行存储寄存器(RSR)读取，用于时间延迟积分(TDI)模式(下面描述)；提供16位序视频信号数字化成模拟信号读取；支持破坏性读取(参见顺序跟有图4C的图4B)，非破坏性读取(参见图4B)，光生电荷的全面注入和光生电荷的分段注入(参见图4C)；支持实时的固定模式噪声(FPN)扣除和直接读取超高动态范围(下面描述)算法；支持并行图像读取(用于任意数量的线性CID图像)和向DSP实时传递图像数据。另外，DLIC接口中可以包括积分湿度传感器。在本发明的优选实施例中，线性CID设备的温度应当稳定在低于环境温度，以减少暗电流并提高信噪比。
时间积分和时间分辨算法
组合的线性CID和DLIC-ISI子系统可以和各种算法一起使用以产生感兴趣的时间积分或时间分辨数据。下面描述算法：时间延迟积分(TDI)算法，时间分辨光谱(TRS)算法，随机访问积分(RAI)算法，和超高动态范围(超高DR)算法。
时间延迟积分(TDI)算法
含有线性CID和DLIC-ISI子系统的系统中包含时间延迟积分(TDI)算法的一个目的是为在固定重复速率处出现的独立光谱事件，例如火花光学发射光谱(OES)，提供精确的高分辨率的时间分辨数据。
在一个实施例中，TDI算法具有足够的时间分辨率以最多存储32个信号的RSR采样，该信号来自固定时间增量处的独立的火花放电，并且TDI算法具有足够的时间分辨率也用于在下一火花放电之前，将该32个RSR采样读入非线性传感器存储器(典型地，静态随机访问存储器，SRAM)。例如，如果火花在200Hz点燃，那么每5毫秒(ms)会有一次火花放电。图7描述了两个假设的信号62和64，每个信号都被描述为时间的函数，都产生于一个独立的火花放电，并且第二次放电以200Hz的火花速率开始。加粗的信号轮廓线62代表在与中性镍关联的206nm发射线处的检测信号，而光信号轮廓线64代表由于接近Ni 206发射线的背景发射而引起的信号。背景信号64比Ni 206nm信号62下降的更快。通过将观察窗移动至信号与背景比最大的区域(例如，图7中的RSR2和RSR5之间)，来实现最优的信噪比(以及，由此，检测限制)。
为了完成最大信号与背景比的区域中的时间转移，线性CID的一个实施例能够存储32个在固定的用户限定的时间增量上火花放电的时间分辨采样。图8提供了线性CID设备上32个RSR(RSR0-RSR31)的图形表示。其他实施例中也可以使用其他数量的RSR。
现在，参考图8，提供时间分辨光谱法的示例。假设火花频率为200Hz。假设最优的Ni 206nm(像素XNi＝947，dXNi＝11个像素)的信噪比出现在火花放电后的100和200μs之间。假设最优的Cr 267nm(像素XCr＝1387，dXCr＝13个像素)的信噪比出现在火花放电后的140和280μs之间。在这种情况下，TDI模式将被设置为在32个RSR中执行32个独立的20μs的时间采样，在火花放电后捕获总共640μs。一旦在20μs增量中捕获640μs，那么TDI算法通过RSR9从RSR4抽取Ni 206nm数据(在放电后的100和200μs之间)，以通过959用于像素947，以及通过RSR13从RSR6抽取Cr 267nm数据(在放电后的140和280μs之间)，以通过1400用于像素1387。由于可以在5MHz像素速率处读取独立的像素RSR，因此，用于Ni 206nm的这些55个RSR(5个RSR用于每11个像素)和用于Cr 267nm的91个RSR(7个RSR用于每13个像素)的读取需要总共29.2μs。在RSR读取完成后，利用10μs的全面注入清除线性CID的所有像素上的光生电荷(参见图4C)。
因此，在32个独立的20μs时间采样的TDI采样之间，读取146个像素RSR，以及没备的注入，共需要679.2μs。由于在200Hz火花的火花放电之间具有5000μs，那么就有足够的时间在火花之间执行该示例性的TDI分析。
由于是从RSR的一个小子集中获得的用于分析的有价值的信息，因此，前述的情况是较简单的示例。下面的情况较复杂。假设火花频率增加至500Hz(放电之间为2ms)，TDI采样出现在5μs速率。(该线性CID的实施例中最快的可能的RSR行的写时间大约是1-3μs，在此速率，信噪比将恶化)。由于时间所限，在线性CID设备的一个实施例中读取用于4160个像素的所有32个RSR是不现实的。
但是，150nm和800nm之间的大多数火花OES光谱在分析中是没有用的。另外，即使在典型的分析中，在感兴趣的分析波长处，用户通常仅需要一些RSR中的数据。感兴趣的RSR可以从波长到波长的变化(即，像素区域到像素区域)，但是不必对于每个感兴趣的波长，都读取所有32个RSR。对于线性CID的一个实施例来说，表1提供了针对100Hz至1000Hz范围中的火花频率，要读取的RSR总个数的估计值。注意，即使在最快的火花频率1000Hz，还可以在火花放电之间实现相当多的RSR读取(大约3300个)。
表1：针对火花频率，RSR读取数量的估计值
在较低火花频率处，RSR行的写时间对于要在火花放电之间完成的独立的RSR像素读取数量来说影响很小，这将在下面的示例中看出。假设火花频率是200Hz(放电之间为5ms)，假设用户在每个采样10μs处要求32个TDI采样。在这种情况下，在减去用于TDI采样的320μs，用于线性CID注入的10μs之后，将剩余4670μs用于RSR采样。以5MHz RSR读取速率，其等于23350个独立的RSR像素读取。另一方面，如果TDI采样增量下降至1μs，那么在减去用于TDI采样的32μs和用于线性CID注入的10μs之后，将剩余4958μs用于RSR读取。以5MHz RSR读取速率，其等于24790个独立的RSR像素读取，或者比10μs TDI采样速率能够完成的多6％的读取。
给定火花频率(其确定了火花放电之间的时间间隔)，TDI采样速率，以及清除线性CID设备上光生电荷所需的时间，那么在下一火花放电之前能够读取的像素RSR数将受到限制。如表1所描述的，如果火花频率是400Hz，TDI采样速率是10μs，线性CID清除时间是10μs，那么将有2170μs可用于独立的RSR像素读取。5MHz RSR像素读取速率对应于总共10850个RSR像素读取。代替所有32个RSR行，如果每个像素平均仅需要询问5个RSR，那么可以在2170个像素上执行TDI试验(或者比具有4160个像素的线性CID设备的实施例的一半多一点)。
在火花发射之间要询问的独立像素RSR的总数量受火花频率，TDI采样速率，以及线性CID注入时间的限制。在这些限制中，可以观察任意数量的像素区域(由XO，dX限定)。
在本发明的某些实施例中，线性CID阵列的像素数将超过必需的光谱通道数。光谱通道任一侧用于光谱成像的附加的像素用作释放定位公差。并且，例如，垂直像素尺寸(即横跨阵列方向)大于图像尺寸，那么对于阵列相对于光谱仪的分散元素的位移，再次释放定位公差。并且，当电荷转移设备感光像素单元的数量超过曝光的电荷转移设备感光像素单元的指定数量时，外部的光谱通道对应于指定的像素，其中该指定的像素会由于定位或其他运行条件的变化而变化。这样，波长和像素数的配准会在含有本发明的仪器运行期间动态变化。
时间分辨光谱算法
含有线性CID和DLIC-ISI子系统的系统中包含时间分辨光谱(TRS)算法的目的是为线性CID设备上一系列用户限定的感兴趣的区域(ROI)监视相对于时间的信号。
本发明的保护范围不限于其要应用的光谱技术。该技术的示例包括激光诱导击穿光谱法(LIBS)，火花光学发射光谱法(OES)，离子色谱电感耦合等离子体光学发射光谱法(IC-ICP-OES)，高性能液态色谱法ICP-OES(HPLC-ICP-OES)，以及流体注入分析ICP-OES(FIA-ICP-OES)。对于其他时间分辨的应用，例如用于HPLC的UV可见吸收检测，时间分辨荧光等来说，该线性CID TRS算法也可以有利地被使用。
用于示例性TRS算法的基本流程图在图9中示出。虽然在本发明保护范围内可以使用其他算法，但是借助示例，通过监视逝去时间和当前信号，这里描述的算法可以及时获得信号数据点。如果时间或信号已经达到，即此时要获得新的点，那么读取线性CIDROI(由X0和dX限定)，并且该数据存储在DLIC-ISI子系统随机访问存储器(RAM)中。
下面是该算法的细节。用户限定一个或多个包括线性CID上的起始像素(Xo)和区域尺寸(dX)的ROI。为此目的，可以使用图形用户界面(GUI)。该算法将这些ROI组织为一个圆形的ROI队列。
算法的第一步是在圆形观察队列的顶部读取ROI。注意，在线性CID上执行的所有读取相对于光生电荷来说都是非破坏性的。这意味着在任意时间点上可以查询线性CID上的任意像素，而不影响该像素位置(或任意其他像素位置)上的光生电荷。在读取ROI后，该算法确定ROI中最大像素信号(Smax)，即在ROI内的像素中具有最大累积光生电荷的信号。然后，将该最大信号(Smax)与用户限定的信号增量比较，将当前曝光时间和用户限定的时间增量比较。如果用户限定的信号增量或用户限定的时间增量已经达到，那么将ROI像素数据和用于读取的时戳一起，存储在DLIC RAM中。如果用户限定的信号增量或用户限定的时间增量都没有达到，那么将该ROI循环至观察队列的底部，询问圆形队列中下一个ROI。
用户限定的信号增量和用户限定的时间增量可以由用户在GUI中对于所有ROI整体限定。例如，信号增量可以设定为线性CID设备全阱容量的百分数，并且通过将信号增量设置至较低值，用户能够强制算法更频繁地获得时间分辨像素数据，而信号快速上升。在这种情况下，可以更精确限定暂时事件的时间轮廓线，例如色谱峰值。
在一个实施例中，可以将时间增量值设定为低至大约1μs，高至大约10秒。典型地，时间增量被设定为在大约0.001和大约1秒之间的值。如果用户想在固定时间增量处获得数据点，那么信号增量将被设定为100％全阱容量。这样，时间增量总是在信号增量之前达到。
在获得时间分辨数据点后，对照阈值信号(典型地线性CID全阱容量的75％)，即预定值或用户键入的值(如上所述)，该算法检查ROI中的最大信号(Smax)。如果该信号超过阈值，那么它可能正接近饱和，清除ROI上的光生电荷。这样，可以防止ROI上的信号超过线性CID的饱和电平(即，全阱容量)。在该算法的此点，ROI循环至观察队列的底部，询问队列中下一个ROI。
图10A-10C描述了在指示或没有指示信号积分的过程中，清除独立ROI的两种情况的示例。利用TRS算法，可以同时获得图10A-10C中描述的两个ROI的信号时间轮廓图。在图10A中，在曝光期间的大约60％处，由轮廓线92代表的ROI的信号中出现高斯尖峰。但是，如图10A所示，信号92从未达到阈值电平，因此，没有必要清除ROI。观察简单的ROI高斯峰值的积分信号对于时间的轮廓图。
但是，图10A中由ROI轮廓线94代表的情况更复杂。在曝光期间的大约40％处，观察到在该ROI中出现积分高斯信号尖峰。该信号尖峰具有足够强度使得信号达到阈值信号电平(全阱容量的75％)，因此，在信号尖峰洗脱时，有必要清除ROI上的光生电荷。在首次ROI清除之后，对于剩余的积分高斯尖峰来说，该信号继续上升。尖峰完全洗脱之后，由于简单的背景信号，该信号继续上升直到曝光期间的大约70％，此时信号再次达到阈值电平。在此点，ROI被再次清除。清除之后，由于背景该信号继续上升直到达到用户限定的曝光时间。
TRS曝光完成后，通过将在ROI清除之前的点处实现的信号和在ROI清除之后测量的所有信号电平相加，来分辨ROI清除点。在图10B中显示了该信号校正过程的结果，其中在ROI信号92和94中，观察到连续的积分信号电平。图10B的ROI信号的时间微分在图10C中示出。可选地，图形用户界面允许用户以生信号模式，积分模式(如图10B所示)，一阶微分模式(如图10C所示)，以及可能在二阶微分模式(未示出)显示绘图，其中生信号模式示出了所有ROI清除点(如图10A所示)。
图11显示了TRS算法的一个潜在的应用。通过本发明实施例提供的时间分辨率的水平，可以及时地分辨独立的OES火花放电，通过分辨独立火花放电的能力，可以执行元素物种形成。例如，在钢铁分析中，有利的是不仅能够将总的铝含量定量化，而且能够将Al2O3杂质(“不可溶的”铝)和元素金属Al(“可溶的”铝)定量化。在图11中示出的假设的Al 308nm发射的一阶微分TRS扫描中，较强烈的峰值是由于独立的火花触发Al2O3杂质，较弱的峰值是由于独立的火花触发元素金属Al的位置。借助该TRS扫描的数据，可以产生恰当的铝的分析统计数据，并且确定总的铝、Al2O3和金属Al的含量。
随机访问积分
含有线性CID和DLIC-ISI子系统的系统中包含的随机访问积分(RAI)算法的目的是为线性CID设备上一系列用户限定的感兴趣的区域(ROI)监视用户限定的时间段上的总积分信号。
基于在试验中观察的光子通量，该RAI算法控制从ROI至ROI的有效曝光时间，由此尽可能地防止ROI上的线性CID饱和。该算法也可以改变非破坏性读取(NDRO)的数量，以强制信噪比尽可能地进入光子散粒噪声限制的域。
参照图12，描述算法的基本流程图。ROI移动至ROI队列的顶部，ROI被非破坏性地读取。然后，对照阈值信号，该算法检查ROI中的最大像素信号，其中该阈值信号典型地被设定为大约全阱信号的75％(或者另一恰当的值)。如果最大像素信号没有超过阈值信号，那么ROI循环至ROI队列的底部。如果ROI上的最大信号超过了阈值信号，那么从ROI读取的像素数据和时戳被存储在RAM中，并且，利用分段注入命令，清除ROI的光生电荷。在此点，ROI循环至ROI队列的底部，并且对于该队列中的下一个ROI重复该过程。在图13中描述了该过程的结果。
如果在用户限定的曝光时间(典型地为5至60秒)中，任意给定ROI上的信号达到阈值信号，那么仅需要一个单个的非破坏性的读取以强制信噪比进入光子散粒噪声限制的域。但是，如果在用户限定的曝光时间中，给定ROI上的信号没有达到阈值，那么在最后的读取中使用多个非破坏性的读取，以强制信噪比进入光子散粒噪声限制的域。
图13描述了当稳态源(即，光子通量随时间变化的发射源，最多，在数据获取的时标上缓慢)，例如在使用电感耦合等离子体(ICP)的情况下，三个ROI的假设的信号与曝光时间的轮廓线。强烈照射由轮廓线130代表的ROI。在三个均匀分开的间隔中，ROI上的信号达到阈值信号电平。在这些点，ROI的像素数据必须被标上时戳并存储，ROI必须在预期的下一循环中被清除。在用户限定的曝光时间段(曝光时间)的最后，将来自三个积分-注入循环的数据和在曝光时间最后读取的数据求和以产生ROI的时间积分信号数据。由轮廓线132代表的ROI被不太强烈的照射。在用户限定的曝光时间过期之前，仅有一个积分-注入循环，其在最后的时间被读取。由线134代表的ROI被微弱照射。在用户限定的曝光时间中，ROI上的信号没有达到阈值。ROI的像素数据在曝光时间过期后，存储一次且仅此一次。如果可能的话，设置用于读取ROI的非破坏性读取的数量以强制信噪比进入光子散粒噪声限制的域。注意，不管信号强度，在相同时间间隔中可以观察到所有三个ROI。这样，线性CID系统的线性动态范围可以扩展至与该源(例如大约在幅值的6至8个数量级)的线性动态范围匹配。
超高动态范围算法
含有线性CID和DLIC-ISI子系统的系统中包含超高动态范围(超高DR)算法的目的是在用户限定的时间周期中，监视具有超高动态范围的线性CID设备上所有像素的总积分信号。超高DR算法基于试验观察的光子通量，控制从ROI至ROI的有效曝光时间，由此尽可能防止所有线性CID像素上的饱和。
按照下述执行超高DR算法：将线性CID曝光于发射源一段较短的“预曝光”时间。预曝光的持续时间典型的在用户限定的曝光时间的0.4％至1％之间。基于预曝光和用户限定的曝光时间段的线性CID像素信号，识别在用户限定的曝光时间或之前的线性CID上的那些像素(ROI)，用于实现饱和信号电平(全阱容量或其他恰当的值)。然后，全面清除线性CID设备上的光生电荷，并且用户限定持续时间的曝光开始。在曝光期间，如图14所描述的，在算法确定的时间间隔处，读取由预曝光程序识别的ROI，并清除ROI的光生电荷。
图14描述了由预曝光程序识别的三个ROI的假设的信号与曝光时间的轮廓线。由轮廓线150代表的ROI被强烈照射。在九个均匀隔开的时间间隔，必须读取ROI，像素数据必须加上时戳并被存储，在预期的下一循环中，必须清除ROI。在用户限定的曝光时间的结尾，将来自九个积分-注入循环的数据和在用户限定的曝光时间处最后读取的数据加和，以产生ROI的时间积分信号数据。由轮廓线152代表的ROI被不太强烈地照射。在用户限定的曝光时间过期前仅有三个积分-注入循环，并且其在最后的时间被读取。直线154代表的ROI被微弱照射。在用户限定的曝光时间过期前仅有一个积分-注入循环，并且其在最后的时间被读取。
为了减少与线性CID像素的并行CDS采样相关的费用，利用相同的并行CDS采样读取由预曝光算法识别的所有ROI。在图14描述的示例中，通过在2秒间隔处的CDS采样读取由轮廓线150代表的ROI。在每第三个2秒CDS采样中，也读取由轮廓线152代表的ROI，并且每第九个2秒CDS采样中，也读取由轮廓线154代表的ROI。
注意，不管信号强度，都在相同的用户限定的曝光时间中观察由预曝光程序识别的所有ROI。这样，线性CID系统的线性动态范围可以扩展至与光源的线性动态范围匹配(例如在幅值的大约6至9个数量级之间)。
用户限定的曝光时间过期后，读取未由预曝光识别的ROI中的所有线性CID像素。这样，获得线性CID上所有像素的信号数据。在用户限定的曝光时间中，获得较强烈照射的像素的像素数据，例如图14中由轮廓线150，152和154代表的那些数据，在用户限定的曝光时间之后，获得较微弱照射的像素的像素数据。
这样，利用线性CID和DLIC-ISI子系统的随机像素寻址，非破坏性读取，和选择性像素清除的特征，超高DR曝光模式在由实验观察的光子通量确定的频率处，读取和复位强烈照射的像素区域。在这种模式中，动态范围不受全阱容量限制。取而代之，动态范围由最大频率限制，其中在最大频率处读取和清除ROI。该频率可以在300至10000Hz(0.1至3.3毫秒循环)范围内。
在超高DR算法的一个实施例中，读取和清除ROI的最大频率，以及可以实现的最大动态范围受预曝光持续时间的限制。例如，如果用户限定的曝光时间是60秒，以及预曝光时间是0.30秒，那么可以读取和清除ROI的最大频率限制为大约300Hz。在这种和其他类似的情况下，通过执行较短持续时间的第二预曝光，动态范围可以进一步扩展。在这里所述的示例中，可以执行0.03秒持续时间的第二预曝光。第二个0.03秒预曝光的线性CID像素数据可以用于识别ROI，该ROI在0.0和0.3秒(第一预曝光的持续时间)之间的曝光时间中使线性CID像素饱和，第一个0.3秒预曝光将用于识别ROI，该ROI在0.3秒和完全由用户限定的曝光时间之间的曝光时间中使线性CID像素饱和。该结果在读取和清除ROI的最大频率达到大约3000Hz时将会增加，并且是动态范围中幅值数量级的增加。在一些实施例中，这些预曝光次序会相反。在一些实施例中，两个预曝光中的一个或两个的持续时间可以自动计算。在一个实施例中，较短的预曝光的持续时间是较长预曝光的预定或用户指定的一段。
如通常所述，该动态范围可以扩展用于任意尺寸的任意成像系统，其中该系统将一个或多个标量值与空间的有序元素相关联。该标量值是特征在于响应于激励的信号的值，即特殊检测器元件上检测的强度。该空间的有序元素包括至少一个感兴趣的区域，其被定义为该空间的有序元素的子集。每个感兴趣的区域特征在于阈值时间，该阈值时间对应于感兴趣的区域的一个元素充满电荷的时间。为了建立用于成像的图像系统，首先图像系统曝光于激励第一预曝光时间，以确定感兴趣的所有区域的阈值时间，其中该阈值时间超过了指定的持续时间。然后，它曝光于该激励第二预曝光时间，用于确定感兴趣的区域的阈值时间，其中该阈值时间短于指定的持续时间，该第二预曝光时间短于第一预曝光时间。在确定的阈值时间的基础上，根据对应于感兴趣的区域所确定的阈值时间，读取和复位空间的有序元素的值。
虽然这里已经描述了具有4160个感光像素的集成电路，但是也可以包括其他数量的感光像素。特别地，理想地是提供的感光像素的数量超过实际使用的光谱通道的数量，以用于释放定位公差，以及提供波长与像素数的动态变化配准。
并且，虽然已经描述了具有感光像素一维阵列的集成电路，但是也可以包括感光像素的二维阵列。在这种情况下，单独的一组RSR可以用于每行感光像素。在一个实施例中，每组RSR可以实现为单独的平面。在其他方面，二维设备以和上述类似的方式运行，即所有感光像素单元中的电荷副本被并行复制到选择一组RSR中。该设备用于提供时间分辨二维图像，包括光谱和其他类型的图像。
参照图2中描述的结构图，这里描述了应用于线性CID结构的示例性原理，其中对特殊数量的像素和/或RSR做了附图标记，它们仅用于示例。类似地，这些原理可以用于混合集成电路，例如在该集成电路中，在一个基底上形成感光像素，在另一个基底上形成行存储寄存器，并且两个基底组合，例如通过铟凸点焊合。(该焊合在James G.Mainprize et al，“A slot-scanned photodiode-array/CCDhybrid detector for digital mammography，”June 25，2002，Department of MedicalBiophysics，University of Toronto，Sunnybrook and Women’s College Health ScienceCentre，Toronto，Ontario，M4N3M5，Canada中描述过，其内容并入这里作为参考)。该原理也适用于基底或具有传感器和基底的集成电路，或者具有存储单元的集成电路的其他组合。
已经描述了光谱分析仪，其包括由存储器中存储的指令控制的处理器。该存储器可以是适用于存储控制软件或其他指令和数据的随机访问存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，闪存或任何其他存储器，或其组合。参考流程图，已经描述了由光谱分析仪执行的一些功能。本领域技术人员容易理解流程图的所有或每个模块的一部分，或者模块组合的功能，运行，决策等，都可以实现为计算机程序指令，软件，硬件，韧件或其组合。本领域技术人员也容易理解限定本发明功能的指令或程序可以以许多形式被传送至处理器，包括但不限于，永久存储在非写入式存储介质(例如计算机内的只读存储器设备，例如ROM，或者由计算机I/O附件读取的设备，例如CD-ROM或DVD盘)的信息，或者存储在可写入式存储介质(例如，软盘，可移动闪存和硬盘驱动器)中的信息，或者通过通信介质，包括计算机网络，传送至计算机的信息。另外，虽然本发明可以由软件实现，但是实现本发明所需的功能可以替换地部分或全部利用韧件和/或硬件元件实现，例如组合逻辑电路，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列(FPGA)或其他硬件或一些硬件，软件和/或韧件元件的组合。
虽然通过上述示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解在不脱离这里公开的创造性概念的情况下，可以对说明的实施例做出变形和修改。并且，虽然结合各种示意的数据结构描述了优选实施例，但是本领域技术人员可以理解利用各种数据结构，可以实现该系统。并且，公开的方面，或者这些方面的某些部分可以以上述未列出的方式组合。相应地，本发明不应当视为受限制。
Claims (40)
1、一种用于分析具有时间分辨的光的方法，其特征在于光谱，所述方法包括：
(a)通过光谱照射电荷转移设备感光像素单元的一维阵列，使得每个感光单元被所述光谱的不同部分照射，由此在一组感光单元中产生电荷；
(b)将所述感光单元中的电荷非破坏性地复制到和集成电路中的所述感光单元设置在一起的第一组各个存储单元中；
(c)对于所述集成电路中不同组的存储单元，周期性重复(b)；以及
(d)将存储在至少一些存储单元中的电荷的相关信息提供给所述集成电路外部的元件。
2、如权利要求1所述的方法，进一步包括允许电荷在所述感光单元中累积，以用于至少一些(b)的重复。
3、如权利要求1所述的方法，进一步包括，在执行(b)至少一次之后，清除所述感光单元的子集中的电荷。
4、如权利要求3所述的方法，进一步包括指定要清除电荷的感光单元的子集的步骤。
5、如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述集成电路上设置至少2000个感光单元。
6、如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述集成电路上为每个像素单元设置至少16个存储单元。
7、如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述集成电路外部的存储器中存储所提供的信息。
8、如权利要求1所述的方法，其中提供所述信息包括向所述集成电路外部的元件提供在所有存储单元中存储的电荷的有关信息。
9、如权利要求1所述的方法，其中提供信息包括向所述集成电路外部的元件提供在选择的几个存储单元中存储的电荷的相关信息，其中该选择的几个存储单元少于全部存储单元。
10、如权利要求9所述的方法，进一步包括从所述集成电路外部的元件接收用于识别选择的几个存储单元的信息。
11、如权利要求1所述的方法，进一步包括分析所提供的有关存储的电荷的信息，以识别用于产生光谱的采样的至少一种元素组分。
12、一种用于时间积分光谱的方法，包括：
(a)通过光谱照射电荷转移设备感光像素单元的一维阵列，使得每个感光像素单元被所述光谱的不同部分照射，由此在几个感光单元中产生电荷；
(b)将所述感光单元中的电荷周期地非破坏性地复制到和集成电路中所述像素单元设置在一起的各个存储单元中；以及
(c)如果至少一个存储单元中的电荷超过预定值，那么在存储器中存储电荷的相关信息。
13、如权利要求12所述的方法，进一步包括提供电荷转移设备感光像素单元的一维阵列的步骤。
14、如权利要求12所述的方法，其中所述存储器与所述集成电路上的像素单元设置在一起。
15、如权利要求12所述的方法，进一步包括清除至少一个感光像素单元中的电荷，其中该至少一个感光像素单元与至少一个存储单元对应。
16、如权利要求12所述的方法，进一步包括，如果曝光时间超过预定值，那么在存储器中存储电荷的相关信息。
17、如权利要求15所述的方法，进一步包括清除至少一个感光像素单元中的电荷，其中该至少一个感光像素单元与至少一个存储单元对应。
18、如权利要求12所述的方法，进一步包括，如果至少一个存储单元的电荷超过预定值，那么清除至少一个感光像素单元中的电荷，其中该至少一个感光像素单元与至少一个存储单元对应。
19、如权利要求12所述的方法，进一步包括，如果至少一个存储单元的电荷超过预定值，那么清除至少一个感光像素单元中的电荷，其中该至少一个感光像素单元与至少一个存储单元对应。
20、如权利要求12所述的方法，其中在存储器中存储信息包括存储与所存储的信息相关的时戳。
21、如权利要求12所述的方法，进一步包括基于每个像素，将存储器中存储的信息求和。
22、如权利要求12所述的方法，进一步包括，如果预定时间已过，那么在存储器的至少一个存储单元中存储电荷的相关信息，而不清除至少一个对应的感光像素单元中的电荷。
23、如权利要求1所述的方法，其中电荷转移设备感光像素单元的数量超过曝光的电荷转移设备感光像素单元的指定数量，以允许波长与像素数的动态变化配准。
24、一种集成电路，包括：
电荷转移设备感光像素单元的阵列；
多组电荷存储单元，其中对于每组存储单元来说，所述组中的每个存储单元耦合至所述感光像素单元中不同的一个，用于将电荷从所述感光像素单元复制到所述存储单元；
第一控制逻辑电路，用于周期性非破坏性地将像素单元的光生电荷复制到一组连续的存储单元中；以及
第二控制逻辑电路，用于向集成电路外部的元件提供在至少一个存储单元中存储的电荷的相关信息。
25、如权利要求24所述的集成电路，进一步包括多个预放大器，所述预放大器与每个感光像素单元相关联。
26、如权利要求24所述的集成电路，其中感光像素单元的阵列是一维阵列。
27、如权利要求24所述的集成电路，其中像素单元的阵列是二维阵列。
28、如权利要求24所述的集成电路，其中感光像素单元的阵列包括至少2000个以一维阵列布置的像素。
29、如权利要求24所述的集成电路，其中多组电荷存储单元包括至少16组存储单元。
30、如权利要求24所述的集成电路，其中所述第二控制逻辑电路用于向集成电路外部的元件提供存储在存储单元中的电荷的相关信息，其中该存储单元少于所有存储单元。
31、如权利要求24所述的集成电路，其中存储单元中存储的电荷的相关信息由集成电路外部的元件可随机寻址。
32、如权利要求24所述的集成电路，进一步包括第三控制逻辑电路，用于接收识别少于所有像素单元的像素单元的信息，以及清除在识别的像素单元中存储的光生电荷。
33、如权利要求24所述的集成电路，其中每组存储单元包括至少和阵列中像素单元一样多的存储单元。
34、如权利要求24所述的集成电路，其中所述第二控制逻辑电路用于将至少一个存储单元中存储的电荷的相关信息作为模拟信号提供至外部元件。
35、如权利要求24所述的集成电路，进一步包括：
至少一个耦合至所述存储单元的模数转换器；其中所述第二控制逻辑电路用于将至少一个存储单元中存储的电荷的相关信息作为数字信号提供至外部元件。
36、一种集成电路，包括：
电荷转移设备感光像素单元的一维阵列；
一组电荷存储单元，所述组中的每个存储单元耦合至所述像素单元中不同的一个，用于将电荷从所述像素单元复制到所述存储单元；
第一控制逻辑电路，用于非破坏性地将至少一些像素单元的光生电荷复制到所述组的存储单元中；以及
第二控制逻辑电路，用于向集成电路外部的元件提供至少一些存储单元中存储的电荷的相关信息。
37、一种基于计算机的图形用户界面，用于限定二维流形上一个或多个感兴趣的区域，其中所述二维流形由跟随倒装晶片基准点事件的波长和时间限定，所述界面包括：
菜单界面，用于描述感兴趣的波长，用于接收用户输入的时间门控起始时间和时间门宽；
感兴趣的模块的区域，用于将用户指定的感兴趣的波长，门控起始时间和时间门宽编辑进用户指定的感兴趣的区域；
软件模块，用于将用户指定的感兴趣的区域分为圆形ROI队列；以及
执行模块，用于根据用户指定的感兴趣的区域，执行像素询问和数据存储功能。
38、一种根据权利要求37的基于计算机的图形用户界面，其中执行模块包括比较器，用于确定用户指定的感兴趣的区域是否包括超过指定最大像素信号的信号。
39、一种用于扩展成像系统动态范围以将一个或多个标量值与空间的有序元素相关联的方法，所述标量值特征在于响应于激励的信号；所述空间的有序元素包括至少一个感兴趣的区域，其被定义为所述空间的有序元素的子集，每个感兴趣的区域特征在于阈值时间，所述方法包括：
将成像系统曝光于激励第一预曝光时间，以确定所有感兴趣的区域的阈值时间，其中该阈值时间超过了指定的持续时间；
将成像系统曝光于激励第二预曝光时间，用于确定感兴趣区域的短于指定持续时间的阈值时间，其中第二预曝光时间短于第一预曝光时间。
基于确定的阈值时间，根据相应的感兴趣的区域，读取和复位所述空间中有序元素的值。
40、一种根据权利要求39的方法，其中将成像系统曝光于激励第二预曝光时间的步骤先于将成像系统曝光于激励第一预曝光时间的步骤。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |