光子计数装置、光子计数方法和光子计数处理程序与流程

本公开涉及光子计数装置、光子计数方法和光子计数处理程序。

背景技术：

1、例如在专利文献1和专利文献2中记载了使用cmos(互补金属氧化物半导体)图像传感器的光子计数装置。在该装置中，当向光电转换元件输入光子时，根据所输入的光子数生成的光电子作为电荷而蓄积。在光电转换元件蓄积的电荷通过放大器转换为电压并被放大。从放大器输出的电压通过a/d转换器转换为数字值。在光子计数装置中，基于从a/d转换器输出的数字值，判别构成图像传感器的像素的光子数。

2、此外，在非专利文献1至3中记载了与使用cmos图像传感器的光子计数相关的技术。

3、现有技术文献

4、专利文献

5、专利文献1：国际公开第2019/102636号

6、专利文献2：国际公开第2019/102637号

7、非专利文献

8、非专利文献1：b saleh masoodian,jiaju ma,dakota starkey,yuichiroyamashita,and eric r.fossum,“a 1mjot 1040fps 0.22e-rms stacked bsiquantaimage sensor with cluster-parallel readout”,2017international image sensorworkshop(iisw)的预稿集,may 30-june 2,2017,p230-233

9、非专利文献2：jiaju ma et al.,“photon-number-resolving megapixel imagesensor at room temperature without avalanche gain”,optica,vol.4,no.12,december 2017,p1474-p1481

10、非专利文献3：dakota a.starkey et al.,“determining conversion gain andread noise using a photon-counting histogram method for deep sub-electronread noise image sensors”,journal of the electron devices society,volume 4,no.3,may 2016,p129-p135

技术实现思路

1、发明要解决的技术问题

2、在使用cmos图像传感器执行光子计数的情况下，在读出通过放大器放大的电压时，在放大器内产生随机的噪声即读出噪声。在读出噪声大的情况下，观测到的光电子的概率分布变宽。因此，期望像素各自的读出噪声小。然而，在制造cmos图像传感器的情况下，像素的读出噪声在一定范围内可能具有偏差。在这种情况下，在读出噪声高的像素中，光子的计数精度有可能降低。

3、本公开的一方面的目的在于，提供一种能够抑制光子的计数精度的降低的光子计数装置。

4、用于解决技术问题的手段

5、一例的光子计数装置具备：多个像素，包括将输入的光转换为电荷的光电转换元件和将由光电转换元件转换的电荷放大并转换为电压的放大器；a/d转换器，将从多个像素的放大器输出的电压转换为数字值；第一导出部，基于数字值，导出多个像素中的各像素的光子数的暂定值；和第二导出部，基于第一概率和第二概率，导出多个像素中的一个即对象像素中的光子数的确定值，第一概率是基于伴随于光的光子数分布的光电子数的概率分布的、对象像素中的每个光电子数的观测概率，第二概率是基于伴随于对象像素的读出噪声的光电子数的概率分布的、对象像素的暂定值中的每个光电子数的观测概率。

6、在上述光子计数装置中，基于对应于由各像素生成的电荷的量的数字值的大小，第一导出部导出各像素中的光子数的暂定值。例如，在读出噪声大的像素中，有时导出的暂定值所包含的误差变大。第二导出部基于伴随于光的光子数分布的光电子数的概率分布和伴随于读出噪声的光电子数的概率分布，导出对象像素表示暂定值时的光子数的确定值。这样，考虑对象像素中的读出噪声的大小来导出光子数的确定值。因此，能够减小读出噪声对确定值的导出的影响，因此能够提高光子计数的精度。

7、一例的第二导出部可以根据第一概率与第二概率的积，计算对象像素表示暂定值的情况下的每个光电子数的概率，基于计算出的概率来决定确定值。在该构成中，从对象像素表示暂定值的情况下的每个光电子数的概率中，将表示最大值的光电子数作为确定值，由此能够得到最可能的光子数。

8、一例的伴随于光的光子数分布的光电子数的概率分布可以是泊松分布、超泊松分布、亚泊松分布、光子数挤压状态所表示的光子数分布、表示量子纠缠光子状态的光子数分布、多模式挤压状态的光子数分布、bose-einstein分布、对数正态分布、均匀分布或混合分布中的任一个分布。在该构成中，能够恰当地记述伴随于光的光子数分布的光电子数的概率分布。

9、一例的伴随于对象像素的读出噪声的光电子数的概率分布可以是正态分布。在该构成中，能够恰当地记述伴随于读出噪声的光电子数的概率分布。

10、一例的第二导出部可以将多个像素中的对象像素的周围的一部分区域所包含的两个以上的像素作为周边像素，计算周边像素中的暂定值的平均值，考虑平均值来计算第一概率。在该构成中，通过考虑周边像素的光电子数的平均值，能够提高第一概率的可靠度。

11、一例的平均值可以是将周边像素的读出噪声包含于加权的加权平均。在该构成中，能够得到提高了读出噪声小的周边像素中的光电子数的可靠度的平均值。

12、一例的平均值可以是将对象像素与周边像素各自的距离包含于加权的加权平均。在该构成中，能够得到提高了更靠近对象像素的周边像素的光电子数的可靠度的平均值。

13、一例的平均值可以是将用以减小与前述周边像素的光子数的平均值的误差的权重包含于加权的加权平均。通过使用这样的加权平均，能够期待平均值的计算精度的提高。

14、一例的第二导出部可以基于多个帧中的暂定值的数据，计算暂定值的平均值。通过这样使用多个帧中的暂定值，能够期待平均值的计算精度的提高。

15、一例的第二导出部可以根据将多个像素中具有规定值以上的读出噪声的像素作为对象像素而导出的确定值、和多个像素中具有小于规定值的读出噪声的像素的暂定值，来制作关于多个像素的光子计数数据。在该构成中，对于具有小于规定值的读出噪声的像素，不需要导出观测概率的运算。

16、一例的第二导出部可以根据将多个像素中具有小于规定值的暂定值的像素作为对象像素而导出的确定值、和多个像素中具有规定值以上的暂定值的像素的暂定值，来制作关于多个像素的光子计数数据。在该构成中，对于具有规定值以上的暂定值的像素，不需要导出观测概率的运算。

17、一例的第二导出部可以具有表示多个像素各自的读出噪声的噪声图。即，第二导出部可以通过参照包括噪声图的数据来导出第二概率。

18、一例的光子计数方法包括：基于从具有多个像素的二维图像传感器输出的与多个像素对应的数字值，导出多个像素中的各像素的光子数的暂定值；以及基于第一概率和第二概率，导出多个像素中的一个即对象像素中的光子数的确定值，导出确定值的步骤基于伴随于光的光子数分布的光电子数的概率分布，求出对象像素中的每个光电子数的观测概率作为第一概率，基于伴随于对象像素的读出噪声的光电子数的概率分布，求出对象像素的暂定值中的每个光电子数的观测概率作为第二概率。

19、在上述光子计数方法中，基于根据由各像素生成的电荷的量的数字值的大小，导出各像素中的光子数的暂定值。例如，在读出噪声大的像素中，有时导出的暂定值所包含的误差变大。此外，基于伴随于光的光子数分布的光电子数的概率分布和伴随于读出噪声的光电子数的概率分布，导出对象像素表示暂定值时的光子数的确定值。这样，考虑对象像素中的读出噪声的大小来导出光子数的确定值。因此，能够减小读出噪声对确定值的导出的影响，因此能够提高光子计数的精度。

20、一例的导出确定值的步骤可以根据第一概率与第二概率的积，计算对象像素表示暂定值的情况下的每个光电子数的概率，基于计算出的概率来决定确定值。在该构成中，从对象像素表示暂定值的情况下的每个光电子数的概率中，将表示最大值的光电子数作为确定值，由此能够得到最可能的光子数。

21、一例的导出确定值的步骤可以利用泊松分布、超泊松分布、亚泊松分布、光子数挤压状态所表示的光子数分布、表示量子纠缠光子状态的光子数分布、多模式挤压状态的光子数分布、bose-einstein分布、对数正态分布、均匀分布或混合分布中的任一个分布，作为伴随于光的光子数分布的光电子数的概率分布。在该构成中，能够恰当地记述伴随于光的光子数分布的光电子数的概率分布。

22、一例的导出确定值的步骤可以利用正态分布作为伴随于对象像素的读出噪声的光电子数的概率分布。在该构成中，能够恰当地记述伴随于读出噪声的光电子数的概率分布。

23、一例的导出确定值的步骤可以将多个像素中的对象像素的周围的一部分区域所包含的两个以上的像素作为周边像素，计算周边像素中的暂定值的平均值，考虑平均值来计算第一概率。在该构成中，通过考虑周边像素的光电子数的平均值，能够提高第一概率的可靠度。

24、一例的导出确定值的步骤可以使用将周边像素的读出噪声包含于加权的加权平均作为平均值。在该构成中，能够得到提高了读出噪声小的周边像素中的光电子数的可靠度的平均值。

25、一例的导出确定值的步骤可以使用将对象像素与周边像素各自的距离包含于加权的加权平均作为平均值。在该构成中，能够得到提高了更靠近对象像素的周边像素的光电子数的可靠度的平均值。

26、一例的导出确定值的步骤可以使用将减小与周边像素的光子数的平均值的误差这样的权重包含于加权的加权平均作为平均值。通过使用这样的加权平均，能够期待平均值的计算精度的提高。

27、一例的导出确定值的步骤可以基于多个帧中的暂定值的数据，计算暂定值的平均值。通过这样使用多个帧中的暂定值，能够期待平均值的计算精度的提高。

28、一例的方法可以还包括：根据将多个像素中具有规定值以上的读出噪声的像素作为对象像素而导出的确定值、和多个像素中具有小于规定值的读出噪声的像素的暂定值，来制作关于多个像素的光子计数数据。在该构成中，对于具有小于规定值的读出噪声的像素，不需要导出观测概率的运算。

29、一例的方法可以还包括：根据将多个像素中具有小于规定值的暂定值的像素作为对象像素而导出的确定值、和多个像素中具有规定值以上的暂定值的像素的暂定值，来制作关于多个像素的光子计数数据。在该构成中，对于具有规定值以上的暂定值的像素，不需要导出观测概率的运算。

30、导出确定值的步骤可以参照表示多个像素各自的读出噪声的噪声图。例如，第二概率可以基于包括噪声图的数据来导出。

31、一例的光子计数处理程序是使计算机基于从具有多个像素的二维图像传感器输出的与多个像素对应的数字值，执行光子计数的处理的程序，使计算机执行：第一导出处理，基于数字值，导出多个像素中的各像素的光子数的暂定值；和第二导出处理，基于第一概率和第二概率，导出多个像素中的一个即对象像素中的光子数的确定值，第一概率是基于伴随于光的光子数分布的光电子数的概率分布的、对象像素中的每个光电子数的观测概率，第二概率是基于伴随于对象像素的读出噪声的光电子数的概率分布的、对象像素的暂定值中的每个光电子数的观测概率。

32、发明效果

33、根据一方面的光子计数装置和光子计数方法，能够抑制光子的计数精度的降低。