CN109151345B - 成像装置的数据读出方法 - Google Patents
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Abstract
本申请揭示了一种成像装置的数据读出方法，该方法包括以下步骤：按照预设顺序对成像装置中的N个像素单元进行排序；以及按照所述N个像素单元的排序顺序依次对所述N个像素单元进行数据读出操作，并且在对每个像素单元进行数据读出操作时，同时对排序紧邻其之前的像素单元进行计数重置操作、对排序紧邻其之后的像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N‑3个像素单元进行电信号计数操作。通过应用本申请所揭示的数据读出方法，可以准确地确定成像装置所探测到的光子数，并且可以提高成像装置的光子计数动态范围。
Description
技术领域
本申请涉及光电探测技术领域，特别涉及一种可应用于辐射探测、激光探测以及工业和医学断层成像等技术的成像装置的数据读出方法。
背景技术
本部分的描述仅提供与本申请公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
低通量光子探测技术是一种可探测较低光通量密度(例如，10-19～10-6W/mm2)的光信号的光子探测技术，其可应用于许多领域，例如，医学成像(特别是，正电子发射断层成像(PET))、国土安全、高能物理实验和其它成像的关键领域。在低通量光子探测技术中，光信号以在空间和时间维度上离散分布的光子(即，光能量的最小单元)的形式被成像装置中的像素单元探测，通过读出像素单元所记录的数据，便可以得知探测到的光子数。
目前，如图1所示，现有的成像装置100一般由含有多个像素单元101的阵列构成，像素单元101包含探测子单元102以及1bit存储器103。探测子单元102可以为PMT、SPAD或SiPM，其可以在探测到光信号(即，受到光子冲击)时产生电脉冲信号；1bit存储器103可以用于记录探测子单元102是否探测到光子，其可以具有“0”和“1”这两种状态，其中，“0”表示初始状态以及探测子单元102未探测到光子，“1”表示探测子单元102已探测到光子。成像装置100的工作原理如下：当探测子单元102探测到光子后产生电脉冲信号，并将所产生的电脉冲信号发送给1bit存储器103；当1bit存储器103接收到探测子单元102产生的电脉冲信号后，将其状态从初始状态“0”改变为“1”；同时探测子单元102受到1bit存储器103的状态控制而不再产生电脉冲信号；在读出1bit存储器103的状态后将其状态重置为初始状态，探测子单元102相应地在1bit存储器103的状态控制下重新接收光信号以产生电脉冲信号。当对所有像素单元101持续循环扫描一段时间后，可以统计每个像素单元101中累计探测到的光子数。
发明内容
在实现本申请的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
像素单元101中的光子计数数据随系统时钟同步变化，在两个相邻时钟信号间到达多个光子时，像素单元101仅记录第一个被探测的光子，在重置前无法再次记录光子。因而，每个像素单元101的光子计数率上限受限于全局时钟频率及成像装置100中像素单元101的个数。在使用相同全局时钟频率时，成像装置100中像素单元101的个数越多，像素单元101因已记录到光子而等待重置导致的死时间越长，这影响了成像装置的光子计数动态范围。
为了解决以上技术问题，本申请揭示了一种成像装置的数据读出方法，以实现提高成像装置的光子计数动态范围的目的。
为了实现上述目的，本申请采用了如下技术方案：
一种成像装置的数据读出方法，所述成像装置包括由N个像素单元构成的像素阵列，其中，N为大于等于4的正整数，所述数据读出方法包括以下步骤：
步骤S1，按照预设顺序对所述N个像素单元进行排序；
步骤S2，按照所述N个像素单元的排序顺序依次对所述N个像素单元进行数据读出操作，并且在对每个像素单元进行数据读出操作时，同时对排序紧邻其之前的像素单元进行计数重置操作、对排序紧邻其之后的像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作。
优选地，所述预设顺序包括：
所述N个像素单元依次循环进行数据读出操作的顺序。
优选地，所述步骤S2包括：
在第一个时钟周期内，对第K像素单元进行数据读出操作，并且同时对排序紧邻所述第K像素单元之前的第K-1像素单元进行计数重置操作、对排序紧邻所述第K像素单元之后的第K+1像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作；
在第二个时钟周期内，对所述第K+1像素单元进行数据读出操作，并且同时对所述第K像素单元进行计数重置操作、对排序紧邻所述第K+1像素单元之后的第K+2像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作；
以此类推，在第N个时钟周期内，对所述第K-1像素单元进行数据读出操作，并且同时对排序紧邻所述第K-1像素单元之前的第K-2像素单元进行计数重置操作、对所述第K像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作，以读出每个像素单元在对应时钟周期内所记录的计数数据，
其中，K为1～N的正整数，并且当K等于1时，所述第K-1像素单元对应第N像素单元，所述第K-2像素单元对应第N-1像素单元；当K等于N时，所述第K+1像素单元对应第一像素单元，所述第K+2像素单元对应第二像素单元。
优选地，所述时钟周期的宽度大于等于开启所述像素单元中的探测子单元所需时间、关闭所述探测子单元所需时间、读出所述像素单元中的计数子单元所记录的计数数据所需时间三者中的最大值。
优选地，对所述像素单元进行电信号计数操作包括：
当所述像素单元中的计数子单元接收到来自探测子单元的响应于探测到的光子而产生的电信号时，按照第一预定方式来进行计数；
在所述计数子单元未接收到所述电信号时，保存之前记录的计数数据。
优选地，所述第一预定方式包括加法运算或者减法运算。
优选地，保存所述计数数据包括：
按照包括电压、电流或电荷的电性形式或者包括磁场强度或磁通量的磁性形式来保存所述计数数据。
优选地，所述计数数据与所述计数子单元从最开始的初始状态到第一次被重置前从所述探测子单元接收的所述电信号的个数对应，或者与所述计数子单元每一次被重置后从所述探测子单元接收的所述电信号的个数对应。
优选地，对所述像素单元进行数据读出操作包括：
读取所述像素单元中的计数子单元所记录的计数数据，并按照第二预定方式输出所读取的所述计数数据。
优选地，所述第二预定方式包括直接输出所述计数数据的方式或者以预设编码形式对所述计数数据编码后再输出所述计数数据的方式。
优选地，所述第二预定方式还包括预设周期的方式，所述预设周期包括所述计数子单元被重置的周期或所述计数子单元完成计数的周期。
优选地，对所述像素单元进行计数重置操作包括：
将所述像素单元中的计数子单元的状态重置为初始状态，并开启所述像素单元中的探测子单元的光子探测功能。
本申请还揭示了另一种成像装置的数据读出方法，所述成像装置包括由N个像素单元构成的像素阵列，其中，N为大于等于4的正整数，所述数据读出方法包括以下步骤：
步骤S1，按照所述N个像素单元的布置方式对所述N个像素单元进行分组，并且按照预设顺序对每个分组中的像素单元进行排序；
步骤S2，按照每个分组中的所述像素单元的排序顺序分别依次对所述每个分组中的像素单元进行数据读出操作，并且在对所述每个分组中的每个像素单元进行数据读出操作时，同时对其所在分组中的排序紧邻其之前的像素单元进行计数重置操作、对其所在分组中的排序紧邻其之后的像素单元进行探测关闭操作、以及对其所在分组中的剩余像素单元进行电信号计数操作。
优选地，对所述N个像素单元进行分组包括：
按行、列和/或预设间隔对所述N个像素单元进行分组。
优选地，所述预设顺序包括：
所述每个分组中的各个像素单元依次循环进行数据读出操作的顺序。
优选地，所述步骤S2包括：
在第一个时钟周期内，分别对所述每个分组中的第M像素单元进行数据读出操作，并且同时分别对所述每个分组中的排序紧邻所述第M像素单元之前的第M-1像素单元进行计数重置操作、对所述每个分组中的排序紧邻所述第M像素单元之后的第M+1像素单元进行探测关闭操作、以及对所述每个分组中的剩余像素单元进行电信号计数操作；
在第二个时钟周期内，分别对所述每个分组中的第M+1像素单元进行数据读出操作，并且同时分别对所述每个分组中的所述第M像素单元进行计数重置操作、对所述每个分组中的排序紧邻所述第M+1像素单元之后的第M+2像素单元进行探测关闭操作、以及对所述每个分组中的剩余像素单元进行电信号计数操作；
以此类推，在第
个时钟周期内，分别对所述每个分组中的所述第M-1像素单元进行数据读出操作，并且同时分别对所述每个分组中的排序紧邻所述第M-1像素单元之前的第M-2像素单元进行计数重置操作、对所述每个分组中的所述第M像素单元进行探测关闭操作、以及对所述每个分组中的剩余像素单元进行电信号计数操作，以读出每个像素单元在对应时钟周期内所记录的计数数据，
其中，M为
的正整数，X表示分组的个数，其为小于等于
的正整数，并且当M等于1时，所述第M-1像素单元对应第
像素单元，所述第M-2像素单元对应第
像素单元；当M等于
时，所述第M+1像素单元对应第一像素单元，所述第M+2像素单元对应第二像素单元。
优选地，所述时钟周期的宽度大于等于开启所述像素单元中的探测子单元所需时间、关闭所述探测子单元所需时间、读出所述像素单元中的计数子单元所记录的计数数据所需时间三者中的最大值。
优选地，对所述像素单元进行电信号计数操作包括：
当所述像素单元中的计数子单元接收到来自探测子单元的响应于探测到的光子而产生的电信号时，按照第一预定方式来进行计数；
在所述计数子单元未接收到所述电信号时，保存之前记录的计数数据。
优选地，所述第一预定方式包括加法运算或者减法运算。
优选地，保存所述计数数据包括：
按照包括电压、电流或电荷的电性形式或者包括磁场强度或磁通量的磁性形式来保存所述计数数据。
优选地，所述计数数据与所述计数子单元从最开始的初始状态到第一次被重置前从所述探测子单元接收的所述电信号的个数对应，或者与所述计数子单元每一次被重置后从所述探测子单元接收的所述电信号的个数对应。
优选地，对所述像素单元进行数据读出操作包括：
读取所述像素单元中的计数子单元所记录的计数数据，并按照第二预定方式输出所读取的所述计数数据。
优选地，所述第二预定方式包括直接输出所述计数数据的方式或者以预设编码形式对所述计数数据编码后再输出所述计数数据的方式。
优选地，所述第二预定方式还包括预设周期的方式，所述预设周期包括所述计数子单元被重置的周期或所述计数子单元完成计数的周期。
优选地，对所述像素单元进行计数重置操作包括：
将所述像素单元中的计数子单元的状态重置为初始状态，并开启所述像素单元中的探测子单元的光子探测功能。
优选地，对所述像素单元进行数据读出操作包括：
对不同分组中的具有相同排序的像素单元同步或异步地同时进行数据读出操作。
通过本申请所描述的成像装置的数据读出方法，可以在对每个像素单元进行数据读出操作时，同时对排序紧邻其之前的像素单元进行计数重置操作、对排序紧邻其之后的像素单元进行短暂地探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作，而不是统一地进行较长时间地探测关闭操作，并且多个像素单元可以并行操作，这可以减少像素单元的死时间(即，因记录到光子而等待重置的时间)，从而实现了提高成像装置的光子计数动态范围的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的一种成像装置的结构示意图；
图2为根据本申请实施例的一种成像装置的结构示意图；
图3为根据本申请实施例的一种像素阵列的结构示意图；
图4为根据本申请实施例的另一种像素阵列的结构示意图；
图5为根据本申请实施例的一种像素单元的结构示意图；
图6为根据本申请实施例的一种成像装置的数据读出方法的流程示意图；
图7为根据本申请实施例的一种像素单元的数据读出操作示意图；
图8为根据本申请实施例的另一种成像装置的数据读出方法的流程示意图；
图9为根据本申请实施例的另一种像素单元的分组示意图；
图10为根据本申请实施例的另一种像素单元的分组示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是用于解释说明本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，并不希望限制本申请的范围或权利要求书。
需要说明的是，当元件被称为“设置在”另一个元件上，它可以直接设置在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当元件被称为“连接/联接”至另一个元件，它可以是直接连接/联接至另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“连接/联接”可以包括电气和/或机械物理连接/联接。本文所使用的术语“包括/包含”指特征、步骤或元件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、步骤或元件的存在或添加。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意的和所有的组合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，而并不是旨在限制本申请。
需要说明的是，在本申请中，术语“紧邻”和“紧随”可以表示对两个像素单元相继进行操作的顺序，在执行这两个像素单元的操作之间不存在执行其它像素单元的操作。术语“输入端”和“输出端”也可以分别称为“输入接口”和“输出接口”。
下面结合附图对本申请实施例所描述的成像装置的数据读出方法进行详细说明。
图2为本申请实施例描述的一种成像装置的结构示意图。如图2所示，该成像装置可以包括由N个像素单元11构成的像素阵列10，其中，N为大于等于4的正整数。每个像素单元11均可以被配置为探测来自外部的光子并响应于探测到的光子来进行计数，并且读出所记录的计数数据，以获得对应的图像。其中，每个像素单元11的探测关闭信号输入端可以与在紧邻其之前进行数据读出操作的像素单元11的读出控制信号输入端连接，每个像素单元11的重置控制信号输入端与在紧随其之后进行数据读出操作的像素单元11的读出控制信号输入端连接。
在本申请的至少一实施例中，像素阵列10可以由m行n列(其中，m和n均为大于等于1的正整数，并且m×n＝N)的像素单元构成。例如，像素阵列10可以是由像素单元C1～C16构成的4行4列方阵，如图3所示。另外，像素阵列10也可以是多个像素单元(例如，I1～I4、M1～M8以及O1至O16)构成的圆形阵列，如图4所示。需要说明的是，虽然附图中仅示出了一个像素阵列，但实际上成像装置可以包括多个像素阵列，以实现更高速的读出效率。而且，像素单元11可以相邻或间隔排列，也还可以排列成直线、矩形或其它几何图形的形状。
在本申请的至少一实施例中，每个像素单元11均可以包括探测子单元111、计数子单元112、读出控制信号输入端113、探测关闭信号输入端114、重置控制信号输入端115，如图5所示。其中，探测子单元111可以用于探测来自外部的光子(即，光信号)，并且产生对应的电信号；计数子单元112可以用于对探测子单元111所产生的电信号进行计数；读出控制信号输入端113可以用于输入读出控制信号以读出计数子单元112所记录的计数数据；探测关闭信号输入端114可以用于输入探测关闭信号以关闭探测子单元111；重置控制信号输入端115可以用于输入重置控制信号以对计数子单元112进行重置操作。此外，每个像素单元11均还可以包括用于输出计数子单元112所记录的计数数据的计数数据输出端116。
探测子单元111优选地为具有倍增效应的探测器件，例如，单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，以下简称SPAD)、光电倍增管(Photomultiplier，以下简称PMT)、硅光电倍增器(Silicon Photomultiplier，以下简称SiPM)、可见光光子计数器、混合光探测器和/或微通道板等。探测子单元111也可以为其它探测器件，例如，超导体单光子探测器等。不同像素单元中的探测子单元可以采用相同或不同的探测器件。
计数子单元112可以被配置为接收探测子单元111所产生的电信号并对所接收的电信号进行计数(即，记录探测子单元111所产生的电信号的个数)，并且其还可以被配置为保存和/或输出计数数据。
计数子单元112可以包括用于对探测子单元111所产生的电信号进行计数的第一计数器，其可以是多位异步计数器或多位同步计数器，例如，4位异步二进制加计数器或8位同步二进制加计数器等。计数子单元112还可以包括存储器，其可以用于存储第一计数器所记录的计数数据。所述存储器可以与所述第一计数器集成于一体，也可以分开设置。
每个像素单元的探测关闭信号输入端114可以与在紧邻其之前进行数据读出操作的像素单元的读出控制信号输入端113连接，并且每个像素单元的重置控制信号输入端115可以与在紧随其之后进行数据读出操作的像素单元的读出控制信号输入端113连接。例如，第I个进行数据读出操作的像素单元的探测关闭信号输入端114可以与第I-1个进行数据读出操作的像素单元的读出控制信号输入端113连接，第I个进行数据读出操作的像素单元的重置控制信号输入端115可以与第I+1个进行数据读出操作的像素单元的读出控制信号输入端113连接。其中，I为大于1的正整数，其可以表示所述多个像素单元进行数据读出操作的顺序，而并不表示像素单元的个数以及像素单元的排列或布置顺序。
图6为本申请实施例揭示的上述成像装置的一种数据读出方法。如图6所示，该数据读出方法包括以下步骤：
S1，按照预设顺序对成像装置中的N个像素单元进行排序。
响应于所接收的数据读出请求或预设的周期性数据读出命令等，可以按照预设顺序直接对N个像素单元进行排序。例如，针对由16像素单元C1～C16构成的正方形像素阵列，可以将这16像素单元依次排序并编号为1至16。
所述预设顺序可以是预先设定的指定各个像素单元进行数据读出操作的顺序，其可以是由设置在成像装置中的用于控制像素单元的选通状态的控制模块来设定的或是从外部接收的。所述预设顺序可以包括所述N个像素单元依次循环进行数据读出操作的顺序。例如，所述预设顺序可以是从第一个像素单元到最后一个像素单元依次循环进行数据读出操作的顺序。例如，可以从像素单元C1到像素单元C16依次执行数据读出操作，在完成对像素单元C16的数据读出操作后，又对像素单元C1进行数据读出操作，然后依次进入下一轮像素单元循环数据读出操作。所述预设顺序也可以是从最后一个像素单元到第一个像素单元依次循环进行数据读出操作的顺序。例如，可以从像素单元C16到像素单元C1依次执行数据读出操作，在完成对像素单元C1的数据读出操作后，又对像素单元C16进行数据读出操作，然后依次进入下一轮像素单元循环数据读出操作。所述预设顺序还可以是指定从其它像素单元开始进行数据读出操作的顺序。例如，所述预设顺序可以是按照从像素单元C5到像素单元C16再到像素单元C1最后又到像素单元C5的这种循环进行数据读出操作的顺序；所述预设顺序还可以是按照从像素单元C1、C5、C9、C13、C2、C6、C10、C14、C3、C7、C11、C15、C4、C8、C12到C16再到C1的这种循环进行数据读出操作的顺序。
S2，按照所述N个像素单元的排序顺序依次对所述N个像素单元进行数据读出操作，并且在对每个像素单元进行数据读出操作时，同时对排序紧邻其之前的像素单元进行计数重置操作、对排序紧邻其之后的像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作。
需要说明的是，像素单元的排序顺序可以仅对应于其数据读出顺序，而并不是指空间上的位置关系。例如，第一行第一列的像素单元为第5个进行数据读出操作的像素单元，则其编号为5，而不是1，该像素单元可以被称为第五像素单元。
在对各个像素单元进行排序之后，可以按照像素单元的排序顺序对所述N个像素单元依次循环进行数据读出操作，以读出在固定脉冲信号时长中所有像素单元所记录的计数数据，从而获得探测到的光子所构成的图像。
在本申请的实施例中，可以在第一个时钟周期内对第K像素单元(即，编号为K的像素单元)进行数据读出操作，并且同时对排序紧邻其之前的第K-1像素单元进行计数重置操作、对排序紧邻其之后的第K+1像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作；然后在下一个时钟周期内对第K+1像素单元进行数据读出操作，并且同时对排序紧邻其之前的第K像素单元进行计数重置操作、对排序紧邻其之后的第K+2像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作…以此类推，在第N个时钟周期内对第K-1像素单元进行数据读出操作，并且同时对第K-2像素单元进行计数重置操作、对第K像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作，以读出每个像素单元在对应时钟周期内的计数数据，如图7所示。其中，K为1～N的正整数，并且当K等于1时，第K-1像素单元对应第N像素单元，第K-2像素单元对应第N-1像素单元；当K等于N时，第K+1像素单元对应第一像素单元，第K+2像素单元对应第二像素单元。
具体地，例如，对于排序后的N个像素单元，首先可以在第一个时钟周期内对第一像素单元进行数据读出操作，并且同时对第N像素单元进行计数重置操作、对第二像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作；然后可以在第二个时钟周期内对第二像素单元进行数据读出操作，并且同时对第一像素单元进行计数重置操作、对第三像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作…以此类推，在第N个时钟周期内对第N像素单元进行数据读出操作，并且同时对第N-1像素单元进行计数重置操作、对第一像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作，从而实现读出N个像素单元的计数数据。
对像素单元进行电信号计数操作可以包括：当计数子单元接收到来自探测子单元的响应于探测到的光子而产生的电信号时，按照第一预定方式来进行计数；并且在计数子单元未接收到来自探测子单元的电信号时，保存之前记录的计数数据。
所述电信号可以包括电脉冲信号、连续电信号等，但不限于此。所述第一预定方式可以是加法运算或减法运算等方式，也可以是其它运算方式，在此不作任何限定。优先地，所述计数为累积计数，即可以是指在之前记录的计数数据的基础上继续进行计数。例如，当计数子单元接收到来自探测子单元的一个电信号时，可以通过对计算子单元之前记录的计数数据进行加法运算来进行累积计数。例如，将之前记录的计数数据加1、2或其它固定数值，或者以二进制或十进制逐个增加。所述之前记录的计数数据可以是指计数子单元从初始状态到第一次重置前这期间针对来自探测子单元的电信号所记录的计数数据，也可以是指计数子单元在第J次重置后到在第J+1次重置前这期间针对来自探测子单元的电信号所记录的计数数据，其中，J为正整数。如果计数子单元未接收到来自探测子单元的任何电信号，则所述之前记录的计数数据可以是指计数子单元的初始状态。计数子单元的初始状态可以用预设数值(例如，0、1或其它数值)来表示。
另外，计数数据可以按照以下方式来保存：包括电压、电流或电荷等电性形式，或者包括磁场强度或磁通量等磁性形式。此外，计数数据可以与计数子单元从最开始的初始状态到第一次被重置前从探测子单元接收的电信号的个数对应，也可以与计数子单元每一次被重置后从探测子单元接收的电信号的个数对应。需要说明的是，计数子单元被重置后返回到其初始状态。
对像素单元进行探测关闭操作可以是指关闭像素单元中的探测子单元的光子探测功能，以阻止探测子单元继续产生电脉冲信号，从而可以降低探测子单元的功耗并且可以抑制其继续产生噪声。
对像素单元进行计数重置操作可以包括将像素单元中的计数子单元的状态重置为初始状态，并开启像素单元中的探测子单元的光子探测功能。需要说明的是，将计数子单元的状态重置为初始状态与开启探测子单元的光子探测功能可以同时进行，以提高成像装置的工作效率。
对像素单元进行数据读出操作可以包括：读取像素单元中的计数子单元所记录的计数数据，并按照第二预定方式输出所读取的计数数据。具体地，在接收到触发指令时，读取当前计数子单元所记录的计数数据，并按照第二预定方式将所读取的计数数据传输至像素阵列的总输出端口或成像装置的数据输出总线以输出。根据所输出的计数数据，便可以得知探测到的光子位置及其数量，从而对光信号成像。
所述触发指令可以是来自成像装置中的控制模块或外部设备的指示进行读取操作的信号。所述第二预定方式可以包括直接输出的方式或者以预设编码的形式对计数数据编码后再输出的方式，所述第二预定方式也还可以包括预设周期的方式。例如，可以直接输出计数数据，也可以以二进制码、二-十进制(BCD)码、循环码等编码形式对计数数据进行编码后再输出计数数据，从而便于后续数据处理。所述预设周期可以包括计数子单元被重置的周期或计数子单元完成计数的周期。例如，可以在每次重置计数子单元后输出计数数据，也可以在完成所有数据的计数后再输出计数数据，以便于满足不同的应用需求。需要说明的是，在按照直接输出的方式或编码后再输出的方式输出计数数据时，也可以按照预设周期的方式来输出数据。
需要说明的是，每个像素单元所对应的时钟周期可以相同，也可以不同，其应大于等于开启探测子单元所需时间、关闭探测子单元所需时间、读出计数子单元中的计数数据所需时间三者中的最大值。对每个像素单元进行电信号计数操作的时间可以为时钟周期的整数倍。
通过上述描述可以看出，本申请揭示的数据读出方法通过在对每个像素单元进行数据读出操作时，同时对排序紧邻其之前的像素单元进行计数重置操作、对排序紧邻其之后的像素单元进行短暂地探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作，即，将多个像素单元同时分别进行计数重置操作、电信号计数操作、探测关闭操作、数据读出操作，而不是统一地进行较长时间地探测关闭操作，并且多个像素单元可以并行操作，这可以减少像素单元的死时间，从而实现了提高成像装置的光子计数动态范围的目的。而且，各个像素单元之间可以独立地进行操作，从而使得即使在多个像素单元同时处于脉冲计数操作时，也可以准确地探测出所接收的光子数。本申请还解除了采样频率对成像装置计数率的限制，进一步提高了成像装置的光子计数动态范围和工作效率。另外，在每一个时钟周期内，成像装置中仅有3个像素单元不可进行电信号计数操作，这使得死区面积(即，因已记录到光子需等待重置才能进行计数操作的像素单元所占的区域)较小，而且死区面积的比例随像素阵列中像素单元数量的增加而下降，这进一步提高了成像装置的计数率上限。此外，周期性关闭探测子单元，这可以防止脉冲信号持续产生，防止其扰乱光信号探测，并且可以降低功耗以及抑制噪声。另外，通过本申请揭示的数据读出方法，可以连续地读出每一像素单元中的计数数据，从而可以实现连续成像。
本申请揭示了另一种上述成像装置的数据读出方法，如图8所示。该数据读出方法包括以下步骤：
S1，按照成像装置中的N个像素单元的布置方式对所述N个像素单元进行分组，并且按照预设顺序对每个分组中的像素单元进行排序。
具体地，响应于所接收的数据读出请求或预设的周期性数据读出命令等，首先可以按行、列和/或预设间隔等方式对所述N个像素单元进行分组，然后可以按照预设顺序对每个分组中的像素单元进行排序。
所述预设间隔可以是指各个分组之间相隔的像素单元的数量。所述预设顺序可以包括每个分组中的各个像素单元依次循环进行数据读出操作的顺序。例如，每个分组中的像素单元可以按照排列位置从前到后或从后到前的顺序依次循环进行数据读出操作。再例如，每个分组中的像素单元可以按照C2、C4、C1、C3这种顺序依次循环进行数据读出操作。
例如，如图9所示，针对由m行n列的像素单元构成的矩形像素阵列，可以按行对像素单元进行分组，总共可以分成m组(例如，C1、C2、C3…Cm)，然后将每行中的像素单元按照排列位置从前到后的顺序分别进行排序，可以分别编号为1至n。再例如，如图10所示，针对由m行2n列的像素单元构成的矩形像素阵列，将每行中的像素单元按像素单元的间隔分为两组(例如，C11和C12)，所以总共有2m组(例如，C11至Cm1以及C12至Cm2)，然后将每组中的像素单元依次进行排序，可以分别编号为1至n。又例如，针对图4中的像素阵列，可以将其分为三组(例如，I、M和O)，然后可以按照像素单元所在象限对这三组像素单元分别进行排序，内部圆形区域所构成的分组包含的4像素单元可以分别编号为I1～I4，中间环形区域所构成的分组包含的8像素单元可以分别编号为M1～M8，外部环形所构成的分组包含的16像素单元可以分别编号为M1～M16。
S2，按照每个分组中的像素单元的排序顺序分别依次对每个分组中的像素单元进行数据读出操作，并且在对每个分组中的每个像素单元进行数据读出操作时，同时对其所在分组中的排序紧邻其之前的像素单元进行计数重置操作、对其所在分组中的排序紧邻其之后的像素单元进行探测关闭操作、以及对其所在分组中的剩余像素单元进行电信号计数操作。
在对像素单元进行排序之后，可以按照像素单元的排序顺序分别依次对每个分组中的像素单元循环进行数据读出操作，以读出在固定脉冲信号时长中所有像素单元所记录的计数数据，从而获得探测到的光子所构成的图像。
在本申请的实施例中，在当前时钟周期(例如，第一个时钟周期)内，可以分别对每个分组中的第M像素单元(即，编号为M的像素单元)进行数据读出操作，并且同时分别对每个分组中的排序紧邻第M像素单元之前的第M-1像素单元进行计数重置操作、对每个分组中的排序紧邻第M像素单元之后的第M+1像素单元进行探测关闭操作、以及对每个分组中的剩余像素单元进行电信号计数操作；在下一个时钟周期内，分别对每个分组中的第M+1像素单元进行数据读出操作，并且同时分别对每个分组中的第M像素单元进行计数重置操作、对每个分组中的排序紧邻第M+1像素单元之后的第M+2像素单元进行探测关闭操作、以及对每个分组中的剩余像素单元进行电信号计数操作；以此类推，在第
个时钟周期内，分别对每个分组中的第M-1像素单元进行数据读出操作，并且同时分别对每个分组中的排序紧邻第M-1像素单元之前的第M-2像素单元进行计数重置操作、对每个分组中的第M像素单元进行探测关闭操作、以及对每个分组中的剩余像素单元进行电信号计数操作，以读出每个像素单元在对应时钟周期内所记录的计数数据。其中，M为
的正整数，X表示分组的个数，其为小于等于
的正整数，
表示对N/X进行向上取整，
表示对N/4进行向下取整，并且当M等于1时，第M-1像素单元对应第
像素单元，第M-2像素单元对应第
像素单元；当M等于
时，第M+1像素单元对应第一像素单元，第M+2像素单元对应第二像素单元。
需要说明的是，对于具有较少像素单元的分组，在其结束当前循环内的数据读出操作而其它具有较多像素单元的分组还在执行当前循环内的数据读出操作时，其可以执行下个循环(即，下一轮)的数据读出操作。
例如，对于由14个像素单元构成的3个分组，其中，第一分组和第二分组均具有5个像素单元，第三分组具有4个像素单元。当已经完成对这三个分组中的第一像素单元至第四像素单元的数据读出操作并且开始对第一分组和第二分组中的第五像素单元进行读出操作时，可以对第三分组进行下一轮数据读出操作，即又从第一像素单元开始进行数据读出操作。
对像素单元进行电信号计数操作可以包括：当计数子单元接收到来自探测子单元的响应于探测到的光子而产生的电信号时，按照第一预定方式来进行计数；并且在计数子单元未接收到来自探测子单元的电信号时，保存之前记录的计数数据。
所述电信号可以包括电脉冲信号、连续电信号等，但不限于此。所述第一预定方式可以是加法运算或减法运算等方式，也可以是其它运算方式，在此不作任何限定。所述计数可以是指在之前记录的计数数据的基础上继续进行计数。例如，当计数子单元接收到来自探测子单元的一个电信号时，可以通过对计算子单元之前记录的计数数据进行加法运算来进行计数。例如，将之前记录的计数数据加1、2或其它固定数值，或者以二进制或十进制逐个增加。所述之前记录的计数数据可以是指计数子单元从初始状态到第一次重置前这期间针对来自探测子单元的电信号所记录的计数数据，也可以是指计数子单元在第J次重置后到在第J+1次重置前这期间针对来自探测子单元的电信号所记录的计数数据，其中，J为正整数。如果计数子单元未接收到来自探测子单元的任何电信号，则所述之前记录的计数数据可以是指计数子单元的初始状态。计数子单元的初始状态可以用预设数值(例如，0、1或其它数值)来表示。
另外，计数数据可以按照以下方式来保存：包括电压、电流或电荷等电性形式，或者包括磁场强度或磁通量等磁性形式。此外，计数数据可以与计数子单元从最开始的初始状态到第一次被重置前从探测子单元接收的电信号的个数对应，也可以与计数子单元每一次被重置后从探测子单元接收的电信号的个数对应。需要说明的是，计数子单元被重置后返回到其初始状态。
对像素单元进行探测关闭操作可以是指关闭像素单元中的探测子单元的光子探测功能，以阻止探测子单元继续产生电脉冲信号，从而可以降低探测子单元的功耗并且可以抑制其继续产生噪声。
对像素单元进行计数重置操作可以包括将像素单元中的计数子单元的状态重置为初始状态，并开启像素单元中的探测子单元的光子探测功能。需要说明的是，将计数子单元的状态重置为初始状态与开启探测子单元的光子探测功能可以同时进行，以提高成像装置的工作效率。
对像素单元进行数据读出操作可以包括：读取像素单元中的计数子单元所记录的计数数据，并按照第二预定方式输出所读取的计数数据。具体地，在接收到触发指令时，读取当前计数子单元所记录的计数数据，并按照第二预定方式将所读取的计数数据传输至像素阵列的总输出端口或成像装置的数据输出总线以输出。根据所输出的计数数据，便可以得知探测到的光子位置及其数量，从而对光信号成像。
所述触发指令可以是来自成像装置中的控制模块或外部设备的指示进行读取操作的信号。所述第二预定方式可以包括直接输出的方式或者以预设编码的形式对计数数据编码后再输出的方式，所述第二预定方式也还可以包括预设周期的方式。例如，可以直接输出计数数据，也可以以二进制码、二-十进制(BCD)码、循环码等编码形式对计数数据进行编码后再输出计数数据，从而便于后续数据处理。所述预设周期可以包括计数子单元被重置的周期或计数子单元完成计数的周期。例如，可以在每次重置计数子单元后输出计数数据，也可以在完成所有数据的计数后再输出计数数据，以便于满足不同的应用需求。需要说明的是，在按照直接输出的方式或编码后再输出的方式输出计数数据时，也可以按照预设周期的方式来输出数据。
需要说明的是，每个像素单元所对应的时钟周期可以相同，也可以不同，其应大于等于开启探测子单元所需时间、关闭探测子单元所需时间、读出计数子单元中的计数数据所需时间三者中的最大值。对每个像素单元进行电信号计数操作的时间可以为时钟周期的整数倍。
在本实施例中，每个分组可以参照图7所描述的方式来进行数据读出操作，并且每个分组之间可以以同步或异步的方式来同时执行数据读出操作，即，对不同分组中的具有相同排序的像素单元同步或异步地同时进行数据读出操作。例如，对于包括16*16个像素单元构成的像素阵列的成像装置，可以将这些像素单元按行分为16组，并且将每组中的像素单元按列编号为1至16，因此在对编号为8的像素单元进行计数数据读出操作时，可以同时对每行中编号为8的共16个像素单元进行计数数据读出操作。
通过上述描述可以看出，本申请揭示的数据读出方法通过在对每个分组中的每个像素单元进行数据读出操作时，同时对其所在分组中的排序紧邻其之前的像素单元进行计数重置操作、对其所在分组中的排序紧邻其之后的像素单元进行探测关闭操作、以及对其所在分组中的剩余像素单元进行电信号计数操作，而不是统一地进行探测关闭操作，并且多个像素单元可以并行操作，这可以减少像素单元的死时间，从而实现了提高成像装置的光子计数动态范围的目的。而且，各个像素单元之间可以独立地进行操作，从而使得即使在多个像素单元同时处于脉冲计数操作时，也可以准确地探测出所接收的光子数。本申请还解除了采样频率对成像装置计数率的限制，进一步提高了成像装置的光子计数动态范围和工作效率。另外，通过对每个分组同时执行数据读出操作，可以提高成像装置的数据读出效率，也可以有利于适应成像装置的探测面布局。此外，周期性关闭探测子单元，这可以防止脉冲信号持续产生，防止其扰乱光信号探测，并且可以降低功耗以及抑制噪声。另外，通过本申请揭示的数据读出方法，可以连续地读出每一像素单元中的计数数据，从而可以实现连续成像。
上述实施例阐明的装置或单元，具体可以由半导体芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个半导体芯片中实现。
需要说明的是，虽然本申请描述了如上述实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无需创造性的劳动在所述方法中可以包括更多或者更少的操作步骤。在逻辑性上不存在必要因果关系的步骤中，这些步骤的执行顺序不限于本申请实施例描述的执行顺序。
上述实施例是为便于该技术领域的普通技术人员能够理解和使用本申请而描述的。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本申请不限于上述实施例，本领域技术人员根据本申请的揭示，不脱离本申请范畴所做出的改进和修改都应该在本申请的保护范围之内。
Claims (26)
1.一种成像装置的数据读出方法，所述成像装置包括由N个像素单元构成的像素阵列，其中，N为大于等于4的正整数，其特征在于，所述数据读出方法包括以下步骤：
步骤S1，按照预设顺序对所述N个像素单元进行排序；
步骤S2，按照所述N个像素单元的排序顺序依次对所述N个像素单元进行数据读出操作，并且在对每个像素单元进行数据读出操作时，同时对排序紧邻其之前的像素单元进行计数重置操作、对排序紧邻其之后的像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作。
2.根据权利要求1所述的数据读出方法，其特征在于，所述预设顺序包括：
所述N个像素单元依次循环进行数据读出操作的顺序。
3.根据权利要求1所述的数据读出方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
在第一个时钟周期内，对第K像素单元进行数据读出操作，并且同时对排序紧邻所述第K像素单元之前的第K-1像素单元进行计数重置操作、对排序紧邻所述第K像素单元之后的第K+1像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作；
在第二个时钟周期内，对所述第K+1像素单元进行数据读出操作，并且同时对所述第K像素单元进行计数重置操作、对排序紧邻所述第K+1像素单元之后的第K+2像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作；
以此类推，在第N个时钟周期内，对所述第K-1像素单元进行数据读出操作，并且同时对排序紧邻所述第K-1像素单元之前的第K-2像素单元进行计数重置操作、对所述第K像素单元进行探测关闭操作、以及对剩余的N-3个像素单元进行电信号计数操作，以读出每个像素单元在对应时钟周期内所记录的计数数据，
其中，K为1～N的正整数，并且当K等于1时，所述第K-1像素单元对应第N像素单元，所述第K-2像素单元对应第N-1像素单元；当K等于2时，所述第K-2像素单元对应第N像素单元；当K等于N-1时，所述第K+2像素单元对应第一像素单元；当K等于N时，所述第K+1像素单元对应第一像素单元，所述第K+2像素单元对应第二像素单元。
4.根据权利要求3所述的数据读出方法，其特征在于，所述时钟周期的宽度大于等于开启所述像素单元中的探测子单元所需时间、关闭所述探测子单元所需时间、读出所述像素单元中的计数子单元所记录的计数数据所需时间三者中的最大值。
5.根据权利要求1或3所述的数据读出方法，其特征在于，对所述像素单元进行电信号计数操作包括：
当所述像素单元中的计数子单元接收到来自探测子单元的响应于探测到的光子而产生的电信号时，按照第一预定方式来进行计数；
在所述计数子单元未接收到所述电信号时，保存之前记录的计数数据。
6.根据权利要求5所述的数据读出方法，其特征在于，所述第一预定方式包括加法运算或者减法运算。
7.根据权利要求5所述的数据读出方法，其特征在于，保存所述计数数据包括：
按照包括电压、电流或电荷的电性形式或者包括磁场强度或磁通量的磁性形式来保存所述计数数据。
8.根据权利要求5所述的数据读出方法，其特征在于，所述计数数据与所述计数子单元从最开始的初始状态到第一次被重置前从所述探测子单元接收的所述电信号的个数对应，或者与所述计数子单元每一次被重置后从所述探测子单元接收的所述电信号的个数对应。
9.根据权利要求1或3所述的数据读出方法，其特征在于，对所述像素单元进行数据读出操作包括：
读取所述像素单元中的计数子单元所记录的计数数据，并按照第二预定方式输出所读取的所述计数数据。
10.根据权利要求9所述的数据读出方法，其特征在于，所述第二预定方式包括直接输出所述计数数据的方式或者以预设编码形式对所述计数数据编码后再输出所述计数数据的方式。
11.根据权利要求9所述的数据读出方法，其特征在于，所述第二预定方式还包括预设周期的方式，所述预设周期包括所述计数子单元被重置的周期或所述计数子单元完成计数的周期。
12.根据权利要求1或3所述的数据读出方法，其特征在于，对所述像素单元进行计数重置操作包括：
将所述像素单元中的计数子单元的状态重置为初始状态，并开启所述像素单元中的探测子单元的光子探测功能。
13.一种成像装置的数据读出方法，所述成像装置包括由N个像素单元构成的像素阵列，其中，N为大于等于4的正整数，其特征在于，所述数据读出方法包括以下步骤：
步骤S1，按照所述N个像素单元的布置方式对所述N个像素单元进行分组，并且按照预设顺序对每个分组中的像素单元进行排序；
步骤S2，按照每个分组中的所述像素单元的排序顺序分别依次对所述每个分组中的像素单元进行数据读出操作，并且在对所述每个分组中的每个像素单元进行数据读出操作时，同时对其所在分组中的排序紧邻其之前的像素单元进行计数重置操作、对其所在分组中的排序紧邻其之后的像素单元进行探测关闭操作、以及对其所在分组中的剩余像素单元进行电信号计数操作。
14.根据权利要求13所述的数据读出方法，其特征在于，对所述N个像素单元进行分组包括：
按行、列和/或预设间隔对所述N个像素单元进行分组。
15.根据权利要求13所述的数据读出方法，其特征在于，所述预设顺序包括：
所述每个分组中的各个像素单元依次循环进行数据读出操作的顺序。
16.根据权利要求13所述的数据读出方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
在第一个时钟周期内，分别对所述每个分组中的第M像素单元进行数据读出操作，并且同时分别对所述每个分组中的排序紧邻所述第M像素单元之前的第M-1像素单元进行计数重置操作、对所述每个分组中的排序紧邻所述第M像素单元之后的第M+1像素单元进行探测关闭操作、以及对所述每个分组中的剩余像素单元进行电信号计数操作；
在第二个时钟周期内，分别对所述每个分组中的第M+1像素单元进行数据读出操作，并且同时分别对所述每个分组中的所述第M像素单元进行计数重置操作、对所述每个分组中的排序紧邻所述第M+1像素单元之后的第M+2像素单元进行探测关闭操作、以及对所述每个分组中的剩余像素单元进行电信号计数操作；
以此类推，在第
个时钟周期内，分别对所述每个分组中的所述第M-1像素单元进行数据读出操作，并且同时分别对所述每个分组中的排序紧邻所述第M-1像素单元之前的第M-2像素单元进行计数重置操作、对所述每个分组中的所述第M像素单元进行探测关闭操作、以及对所述每个分组中的剩余像素单元进行电信号计数操作，以读出每个像素单元在对应时钟周期内所记录的计数数据，
其中，M为
的正整数，X表示分组的个数，其为小于等于
的正整数，并且当M等于1时，所述第M-1像素单元对应第
像素单元，所述第M-2像素单元对应第
像素单元；当M等于2时，所述第M-2像素单元对应第
像素单元；当M等于
时，所述第M+2像素单元对应第一像素单元；当M等于
时，所述第M+1像素单元对应第一像素单元，所述第M+2像素单元对应第二像素单元。
17.根据权利要求16所述的数据读出方法，其特征在于，所述时钟周期的宽度大于等于开启所述像素单元中的探测子单元所需时间、关闭所述探测子单元所需时间、读出所述像素单元中的计数子单元所记录的计数数据所需时间三者中的最大值。
18.根据权利要求13或16所述的数据读出方法，其特征在于，对所述像素单元进行电信号计数操作包括：
当所述像素单元中的计数子单元接收到来自探测子单元的响应于探测到的光子而产生的电信号时，按照第一预定方式来进行计数；
在所述计数子单元未接收到所述电信号时，保存之前记录的计数数据。
19.根据权利要求18所述的数据读出方法，其特征在于，所述第一预定方式包括加法运算或者减法运算。
20.根据权利要求18所述的数据读出方法，其特征在于，保存所述计数数据包括：
按照包括电压、电流或电荷的电性形式或者包括磁场强度或磁通量的磁性形式来保存所述计数数据。
21.根据权利要求18所述的数据读出方法，其特征在于，所述计数数据与所述计数子单元从最开始的初始状态到第一次被重置前从所述探测子单元接收的所述电信号的个数对应，或者与所述计数子单元每一次被重置后从所述探测子单元接收的所述电信号的个数对应。
22.根据权利要求13或16所述的数据读出方法，其特征在于，对所述像素单元进行数据读出操作包括：
读取所述像素单元中的计数子单元所记录的计数数据，并按照第二预定方式输出所读取的所述计数数据。
23.根据权利要求22所述的数据读出方法，其特征在于，所述第二预定方式包括直接输出所述计数数据的方式或者以预设编码形式对所述计数数据编码后再输出所述计数数据的方式。
24.根据权利要求22所述的数据读出方法，其特征在于，所述第二预定方式还包括预设周期的方式，所述预设周期包括所述计数子单元被重置的周期或所述计数子单元完成计数的周期。
25.根据权利要求13或16所述的数据读出方法，其特征在于，对所述像素单元进行计数重置操作包括：
将所述像素单元中的计数子单元的状态重置为初始状态，并开启所述像素单元中的探测子单元的光子探测功能。
26.根据权利要求13或16所述的数据读出方法，其特征在于，对所述像素单元进行数据读出操作包括：
对不同分组中的具有相同排序的像素单元同步或异步地同时进行数据读出操作。
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2018
- 2018-09-10 CN CN201811052632.7A patent/CN109151345B/zh active Active
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