[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及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。

背景技术

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(Bragg angle reflection)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(dark current shot noise)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(pixel site)中的电荷进行过采样(oversample)。更具体地，许多CMOS APS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“Demonstration of an Algorithm for Read-Noise Reduction in Infrared Arrays”,A.M.Fowler and Ian Gatley,The Astrophysical Journal,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(readout dead time)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。