光子计数装置和光子计数方法与流程

本发明涉及光子计数装置和光子计数方法。

背景技术：

例如在非专利文献1中记载了使用cmos图像传感器的光子计数的技术。在该技术中，通过提高图像传感器的帧率，在1帧中对于1个像素仅入射1个光子的条件下进行拍摄。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：bsalehmasoodian,jiajuma,dakotastarkey,yuichiroyamashita,andericr.fossum,“a1mjot1040fps0.22e-rmsstackedbsiquantaimagesensorwithcluster-parallelreadout”,2017internationalimagesensorworkshop(iisw)的预印本,may30-june2,2017,p230-233

技术实现要素：

发明所要解决的课题

例如，在想要使用cmos图像传感器进行光子计数时，考虑基于从a/d转换器输出的数字值来判断光子的数量。但是，在cmos图像传感器中，构成传感器的各个像素具有读出噪声。此外，多个像素的增益和偏置值在一定的范围内具有偏差。此时，入射了相同个数的光子时的数字值在每个像素有所不同，因此，担心在进行了像素的合并(binning)时，光子的计数精度下降。

本发明的一个方面的目的在于提供能够抑制光子的计数精度下降的光子计数装置和光子计数方法。

用于解决课题的技术方案

一个方面的光子计数装置包括：多个像素，其包含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，其将从多个像素各自的放大器输出的电压转换为数字值而输出；修正部，其修正从a/d转换器输出的数字值，以抑制多个像素间的增益和偏置值的偏差的影响；运算部，其输出将与至少2个像素对应的修正后的数字值相加，并输出相加值；和转换部，其将从运算部输出的相加值转换为光子数。

在这样的光子计数装置中，从放大器输出与输入到光电转换元件的光子相应的电压。该电压由a/d转换器转换为数字值。在进行像素的合并时，由修正部修正后的数字值彼此相加而得到的相加值被转换为光子数。在修正部中修正数字值，以抑制多个像素间的增益和偏置值的偏差的影响。即，在输入了相同个数的光子的情况下，在修正后的数字值能够抑制每个像素的偏差。由此，相加值不易反映像素间的增益和偏置值的偏差的影响，易于仅反映光子数。因而能够抑制光子的计数精度的下降。

此外也可以是，修正部具有与增益和偏置值对应的、对于多个像素共用的预先设定的参数，基于增益和偏置值与参数的偏离来修正多个像素各个的数字值。在该结构中，根据成为基准的参数与增益和偏置值的偏离来修正数字值，因此，例如能够使用基于参数的阈值，将相加值转换为光子数。

此外，放大器的读出噪声可以为0.2[e-rms]以下。该情况下，例如能够将误检测率抑制在1％以下。进一步，放大器的读出噪声可以为0.15[e-rms]以下。该情况下，例如能够将误检测率抑制在0.1％以下。

此外，增益可以为10[dn/e]以上。通过提高增益，能够以高精度再现从放大器输出的模拟值。

此外，一个方面的一种光子计数方法包括：将输入到分别构成多个像素的光电转换元件的光转换为电荷的步骤；将转换后的电荷由构成多个像素的放大器放大，并转换为电压的步骤；将从各个放大器输出的电压由a/d转换器转换为数字值而输出的步骤；修正从a/d转换器输出的数字值，以抑制多个像素间的增益和偏置值的偏差的影响的步骤；将与至少2个像素对应的修正后的数字值相加，输出相加值的步骤；和将相加值转换为光子数的步骤。

在这样的光子计数方法中，根据输入的光子从放大器输出的电压被转换为数字值。在进行像素的合并时，将数字值彼此相加而得到的相加值被转换为光子数。该数字值以抑制多个像素间的增益和偏置值的偏差的影响的方式被修正。即，在输入了相同个数的光子的情况下，在该修正后的数字值能够抑制每个像素的偏差。因此，在相加值中也能够抑制像素间的增益和偏置值的偏差的影响。因而能够抑制光子的计数精度的下降。

此外也可以是，在修正数字值的步骤中，基于增益和偏置值与参数的偏离来修正多个像素各个的所述数字值，参数与增益和偏置值对应，以对于多个像素共用的方式预先设定。在该结构中，根据作为基准的参数与增益和偏置值的偏离来修正数字值，因此，例如能够使用基于参数的阈值，将相加值转换为光子数。

发明效果

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下降。

附图说明

图1是表示一实施方式的光子计数装置的结构的图。

图2是表示电子数与概率密度的关系的图表。

图3是表示读出噪声与误检测率的关系的图表。

图4中的图4(a)是表示电子数与概率密度的关系的图表。图4(b)是表示基于图4(a)的模拟的结果的图表。

图5中的图5(a)是表示电子数与概率密度的关系的图表。图5(b)是将基于图5(a)的模拟的结果转换为数字值的图表。

图6中的图6(a)是表示电子数与概率密度的关系的图表。图6(b)是将基于图6(a)的模拟的结果转换为数字值的图表。

图7中的图7(a)是表示电子数与概率密度的关系的图表。图7(b)是将基于图7(a)的模拟的结果转换为数字值的图表。

图8是示意性地表示将测量出的数字值转换为光子数的过程的图。

图9是示意性地表示将测量出的数字值转换为光子数的过程的图。

图10是示意性地表示导出偏置值的过程的图。

图11是示意性地表示导出增益的过程的图。

图12是表示测量出的数字值与修正后的数字值的对应情况的图。

图13是表示光子计数装置的动作的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式进行具体说明。方便起见，存在对实质上相同的要素标注相同的附图标记并省略其说明的情况。此外，实施方式中的光子计数包括由图像传感器生成的光电子(photoelectron)数的计数以及考虑了图像传感器的量子效率(qe：quantumefficiency)的光子数的计数这两者。

[第1实施方式]

图1是表示光子计数装置的结构的图。如图1所示，光子计数装置1包括cmos图像传感器10和与cmos图像传感器10连接的计算机20。cmos图像传感器10包括多个像素11和a/d转换器15。多个像素11配置为二维状，沿行方向和列方向排列。各像素11具有光电二极管(光电转换元件)12和放大器13。光电二极管12将通过光子的输入而生成的电子(光电子)作为电荷储存。放大器13将储存在光电二极管12中的电荷转换为电压并放大。放大后的电压通过各像素11的选择开关14的切换而按每条线(每行)传输至垂直信号线16。在各垂直信号线16配置有cds(correlateddoublesampling，相关双采样)电路17。cds电路17除去在像素间存在偏差的噪声，暂时保管传输来的电压。

a/d转换器15将从多个像素11中的各个放大器13输出的电压转换为数字值。在本实施方式中，a/d转换器15将保管于cds电路17中的电压转换为数字值。转换后的数字值分别被输出至计算机20。例如，数字值也可以通过列选择的切换而被输送至未图示的水平信号线，然后输出至计算机20。像这样，在cmos图像传感器10中，在对各像素11输入光子时，与输入的光子数相应的数字值被输出至计算机20。另外，a/d转换器15也可以设置于各像素11。

在读出由放大器13放大后的电压时，在放大器13内产生作为随机的噪声的读出噪声。图2是表示电子的概率分布的图表，横轴为电子数，纵轴为概率密度。如图2所示，由输入的光子生成的电子的个数遵循泊松分布。在图2中，按每个读出噪声示出了对于1个像素平均输入2个光子时的电子的概率分布。作为读出噪声的例子，能够列举0.12、0.15、0.25、0.35、0.40、0.45和1.0[e-rms]。如图2所示，读出噪声越小，则概率分布的波形的峰体现得越尖锐，每个电子数的分布的区分变得明显。另一方面，在读出噪声变大时，在相邻的电子数彼此之间分布相互重叠，难以区分每一个电子数的分布。例如，在读出噪声为0.40[e-rms]以下的情况下，体现为能够识别每个电子数的峰。与此不同，在读出噪声为0.45[e-rms]以上的情况下，难以识别每个电子数的峰。在本实施方式中，根据能否识别峰，求取能够区分电子数的读出噪声的大小。由此，在本实施方式的cmos图像传感器10中，读出噪声为0.4[e-rms]以下。另外，也可以通过对概率分布进行二阶微分来检测拐点，从而求出能够区分电子数的读出噪声的大小。

此外，在设定了用于对相邻的电子数彼此进行区分的阈值的情况下，检测出的电子数的误检测率根据读出噪声而变化。图3是表示例如像0.5e、1.5e、2.5e……这样将电子数彼此的中间的值作为阈值时的、读出噪声与误检测率的关系的图表。另外，误检测率是作为错误的电子数而被检测出的比例，是因电子的概率分布扩展而引起的。如图3所示，在想要使误检测率为1％以下时，需要使读出噪声为0.2[e-rms]以下。此外，在想要使误检测率为0.1％以下时，需要使读出噪声为0.15[e-rms]以下。

图4(a)是表示电子数与概率密度的关系的图表。图4(b)是表示基于图4(a)的模拟的结果的图表。在图4(a)中，示出了在读出噪声为0.15[e-rms]的情况下，对于1个像素平均输入2个光子时的电子的概率分布。此外，在图4(b)中，用模拟值(analoguevalue)示出了各测量次数的电子数的分布。在a/d转换器15中，将图4(b)所示的模拟值转换为数字值并输出。从各像素11输出的数字值使用以下的式子来表示。

数字值[dn]＝增益[dn/e]×电子数[e]+偏置值[dn]

图5(b)、图6(b)和图7(b)分别是将图4(b)的模拟值转换为数字值时的图表。在图5(a)、图6(a)和图7(a)中，均与图4(a)同样地示出了在读出噪声为0.15[e-rms]的情况下，对于1个像素平均输入2个光子时的电子的概率分布。在图5～图7中，如0.5e、1.5e、2.5e……那样将电子数彼此的中间的值作为基准而设定用于将电子数彼此区分的阈值。在附图中，阈值用虚线来表示。在图5(b)中，增益为2[dn/e]，偏置值为100[dn]。如图5(b)所示，在增益为2[dn/e]的情况下，难以在图表中反映用模拟值观测到的测量值的偏差。此外，输出表示与阈值相同的值的数字值的比例变高。

在图6(b)中，增益为10[dn/e]，偏置值为100[dn]。如图6(b)所示，增益为10[dn/e]的情况下，数字值的分布与模拟值的分布近似。另一方面，因为增益为偶数，所以如附图所示，也存在取与阈值对应的数字值的情况。在图7(b)中，增益为11[dn/e]，偏置值为100[dn]。如图7(b)所示，在增益为11[dn/e]的情况下，数字值的分布与模拟值更为近似。进一步，因为增益为奇数，所以能够抑制取与阈值对应的数字值的情况。像这样，通过使增益的值变大，能够使输出的数字值与模拟值近似。在本实施方式中，cmos图像传感器10也可以具有例如10[dn/e]以上的增益。

再次参照图1。计算机20物理上包括ram、rom等存储装置、cpu等处理器(运算电路)、通信接口等。作为该计算机20，例如能够列举个人计算机、云服务器、智能设备(智能手机、平板电脑终端等)、微型计算机、fpga(field-programmablegatearray，现场可编程逻辑门阵列)等。计算机20例如通过由计算机系统的cpu执行存储在存储装置中的程序而作为存储部21、修正部22、运算部23、转换部24、数据处理部25、控制部26发挥作用。计算机20既可以配置于包含cmos图像传感器10的相机内部，也可以配置于相机外部。计算机20能够与显示装置27和输入装置28连接。显示装置27是例如能够显示由计算机20得到的光子计数结果的显示器。输入装置28是供使用者输入计测条件的键盘、鼠标等。另外，作为显示装置27和输入装置28也可以使用共用的触摸屏。

存储部21存储用于将从cmos图像传感器10输出的数字值转换为光子数的参照数据。参照数据中包含例如多个像素11各自的增益和偏置值。此外，参照数据中包含用于将数字值转换为光子数的阈值数据。阈值数据也可以按每个合并尺寸来准备。另外，合并尺寸也可以是例如合并的像素的个数。合并3×3个像素的情况下，合并尺寸为“9”。

修正部22修正与从a/d转换器15输出的各像素对应的数字值。在本实施方式中，修正数字值以抑制多个像素11间的增益和偏置值的偏差的影响。

运算部23输出将至少2个像素11的修正后的数字值彼此相加而得到的相加值。数字值彼此相加的多个像素可以如2×2个像素、3×3个像素等那样，行方向的像素的个数和列方向的像素的个数彼此相同。此外，数字值彼此相加的多个像素也可以如1×2个像素、2×5个像素等那样，行方向的像素的个数和列方向的像素的个数彼此不同。此外，也可以将构成cmos图像传感器10的所有像素的修正后的数字值彼此相加。

转换部24参照存储于存储部21的阈值数据，将从运算部23输出的相加值转换为光子数。数据处理部25基于从转换部24输出的光子数，创建表示各像素11的光子数的二维图像。此外，数据处理部25也可以创建作为相对于光子数的像素数的布局(plot)的直方图等。创建的二维图像等能够被输出至显示装置27。控制部26能够统一控制计算机20的各功能、cmos图像传感器10。例如，控制部26基于由输入装置28输入的设定条件来控制光子计数装置1。

接着，以修正部22、运算部23和转换部24的处理为中心，一边表示具体例一边对光子计数装置1的详情进行说明。以下，为了说明简单，说明假设光子计数装置的cmos图像传感器10具有排列成3行×3列的多个(9个)像素11，进行3×3个像素的合并的例子。另外，合并的行方向和列方向的像素数能够根据输入到输入装置28的计测条件来指定。

首先，表示在假设增益和偏置值无偏差的情况下，将数字值转换为光子数的方法。图8示意性地示出了将测量出的数字值转换为电子数的过程。在图8的例子中，假设在各像素中，偏置值(offset)为100[dn]，增益为11[dn/e]。此外，假设读出噪声为0.15[e-rms]。

如图8所示，在这样的cmos图像传感器10中，在对各像素11输入光子时，在各像素11中根据光子数而蓄存电荷。在图示的例子中，示出了在所有像素11中储存有5个电子的情况。即，在9个像素中储存有45个电子。储存的电荷由放大器13转换为电压，由a/d转换器15转换为数字值。在图8中，将各像素的数字值示于像素内。

各像素的数字值通过将作为合并的对象的像素彼此相加而求出。在图8的例子中，将排列为3行×3列的9个像素的数字值(155、153、155、156、154、156、156、157、153)彼此相加。由此，如图所示，合并后的像素31的数字值的相加值为1395。

相加值被转换为电子数。此时，例如使用阈值范围将相加值转换为电子数。在将阈值范围的上限和下限作为电子数的中间的值时，分别用以下的式子示出表示各电子数的下限的阈值和表示上限的阈值，从这些下限的阈值至上限的阈值的范围为与其电子数对应的阈值范围。

阈值(下限)＝(电子数-0.5)×增益+偏置值×合并尺寸

阈值(上限)＝(电子数+0.5)×增益+偏置值×合并尺寸

在图8的例子中，如上所述假设增益、偏置值分别为11[dn/e]、100[dn]，像素间的增益和偏置值没有偏差。因此，例如，与45个电子对应的阈值范围的下限为1390[dn]，上限为1400[dn]。参照该阈值范围，在将图8例示的数字值转换为电子数时，作为合并后的像素31的相加值的1395[dn]被转换为45个电子。由输入的光子生成的电子的个数遵循泊松分布，因此，能够通过转换后的电子数除以量子效率而得到光子数。例如，量子效率为100％的情况下，电子数和光子数为相同个数。

接下来，考虑增益和偏置值具有偏差的状态下，使用与图8的例子相同的阈值范围将数字值转换为电子数的情况。图9表示增益和偏置值具有偏差时的数字值的一例。在该例子中，平均增益为11[dn/e]，增益的偏差σ为10％。即，增益±σ能够取9.9～12.1的值。此外，平均偏置值为100[dn]，偏置值的偏差σ为3％。即，偏置值±σ能够取97～103的值。图9的例子也与图8同样是在所有的像素中储存有5个电子的模型。与图8的例子同样，在将排列为3行×3列的9个像素的数字值彼此相加时，合并后的像素31的相加值为1435[dn]。在基于平均偏置值和平均增益，与图8的例子同样地求取阈值范围时，含有相加值即1435[dn]的阈值范围与49个电子对应。即，1435[dn]被转换成了49个电子。像这样在增益和偏置值具有偏差的状态下，存在难以将数字值转换为正确的电子数的情况。

于是，在本实施方式的光子计数装置1中，修正部22以抑制多个像素11间的增益和偏置值的偏差的影响的方式，修正从a/d转换器15输出的数字值。在本实施方式中，通过修正部22修正各像素11的数字值，表观上的增益和表观上的偏置值在各像素11中彼此相同。修正后的数字值能够基于各像素11的增益和偏置值与所有像素中共用的表观上的增益和表观上的偏置值的偏离而导出。例如，修正后的数字值能够通过以下的修正式来导出。另外，表观上的增益和表观上的偏置值(参数)是预先设定的，存储于存储部21中。

修正后的数字值＝((数字值-偏置值)/增益)×表观上的增益+表观上的偏置值

上述修正式中的偏置值和增益包含于存储在存储部21中的参照数据。此处，对增益和偏置值的取得工序进行说明。图10是表示取得偏置值的工序的示意图。如上所述，数字值用以下的式子表示。因此，偏置值表示为在没有输入光的状态下从cmos图像传感器10输出的数字值。于是，在取得偏置值时，首先，基于在没有输入光的状态下由cmos图像传感器10取得的多个暗图像，取得在多个像素分别输出的数字值。然后，通过将取得的数字值按每个像素平均化而取得偏置值。

数字值[dn]＝增益[dn/e]×电子数[e]+偏置值[dn]

图11是表示取得增益的工序的示意图。在取得各像素的增益时，在被赋予充分的光量的条件下，由cmos图像传感器10取得多帧图像。然后，取得各像素的数字值的平均光信号值s[dn]和标准偏差n[dn]。增益可表示为n²/s，因此，能够通过平均光信号值s和标准偏差n来取得增益。

图12是表示测量的数字值与修正后的数字值的对应情况的图。在图12的例子中，构成cmos图像传感器10的各像素11具有图10所示的增益和图11所示的偏置值。在图12的例子中，示出了利用上述修正式修正了由图9中的cmos图像传感器10测量出的数字值的例子。在该例子中，转换部24以所有像素的表观上的增益成为11[dn/e]、表观上的偏置值成为100[dn]的方式对数字值进行修正。即，修正后的数字值能够利用以下的修正式来导出。

修正后的数字值＝((数字值-偏置值)/增益)×11+100

在转换部24中，对于修正后的数字值使用对于各像素共用的阈值数据来取得电子数。例如，存储部21也可以将通过以下的式子导出的阈值范围保持为表格。转换部24能够参照保持于表格的阈值数据，将修正后的数字值转换为电子数。另外，在图12的例子中，表观上的增益为11[dn/e]，表观上的偏置值为100[dn]。因此，在3×3个像素的合并中，合并尺寸为“9”，在修正后的数字值为1390～1400时判断为45个电子。转换部24能够通过用转换后的电子数除以量子效率而得到光子数。

阈值(下限)＝(电子数-0.5)×表观上的增益+表观上的偏置值×合并尺寸

阈值(上限)＝(电子数+0.5)×表观上的增益+表观上的偏置值×合并尺寸

接下来，对光子计数装置1的动作进行说明。图13是表示光子计数装置的动作的流程图。在本实施方式中，在光子计数装置1工作的状态下开始计测时，首先，对cmos图像传感器10的像素入射的光由光电二极管12转换为电荷(步骤s1)。然后，转换后的电荷由放大器13转换为电压(步骤s2)。该电压由a/d转换器15转换为数字值而被输出至计算机20(步骤s3)。数字值由计算机20的修正部22按每个像素修正(步骤s4)。修正后的数字值被合并(步骤s5)。即，将与构成合并后的像素31的像素11对应的修正后的数字值彼此相加，输出相加值。比较相加值即合并后的数字值与阈值数据(步骤s6)，基于比较结果将相加值转换为光子数(步骤s7)。由此，按每个合并后的像素来计测输入的光子数。计测结果既可以作为例如图像数据等显示于显示装置27，也可以作为数值输出。

如以上说明的那样，在光子计数装置1中，从放大器13输出与输入的光子相应的电压。该电压由a/d转换器15转换为数字值。然后，在进行像素11的合并时，将由修正部22修正后的数字值彼此相加而得到的相加值被转换为光子数。在修正部22中修正数字值，以抑制多个像素11间的增益和偏置值的偏差的影响。即，在输入了相同个数的光子时，修正后的数字值中能够抑制每个像素11的偏差。由此，相加值中不易反映像素间的增益和偏置值的偏差的影响，易于仅反映光子数。因而，能够抑制光子的计数精度的下降。

修正部22也可以具有与增益和偏置值对应的、对于多个像素共用的预先设定的参数，基于增益和偏置值与参数的偏离来修正多个像素各自的数字值。在该结构中，根据成为基准的参数与增益和偏置值的偏离来修正数字值，因此，例如能够使用基于参数的阈值，将相加值转换为光子数。

放大器13的读出噪声也可以为0.2[e-rms]以下。此时，例如能够将误检测率抑制在1％以下。进一步，放大器13的读出噪声也可以为0.15[e-rms]以下。此时，能够例如将误检测率抑制在0.1％以下。

增益也可以为10[dn/e]以上。cmos图像传感器10具有高增益，由此能够将从放大器13输出的模拟值以高精度再现为数字值。

以上，参照附图对实施方式进行了详细的说明，但具体的结构不限于该实施方式。

例如，在本实施方式的cmos图像传感器10中，示出了各像素的读出噪声为0.4[e-rms]以下的例子。但是，即使传感器方式中读出噪声为0.4[e-rms]以下，也存在一部分像素的噪声比0.4[e-rms]大的情况。在这样的情况下，可以预先通过计测等提前掌握读出噪声为0.4[e-rms]以下的像素，仅使用读出噪声为0.4[e-rms]以下的像素来执行光子计数。

此外，示出了通过以下的式子来求取修正后的数字值的例子，但不限于此。

修正后的数字值＝((数字值-偏置值)/增益)×表观上的增益+表观上的偏置值

例如，修正后的数字值也可以利用以下的式子求出。

修正后的数字值＝((数字值-偏置值)/增益)×表观上的增益

此时，例如，存储部21也可以将由以下的式子导出的阈值范围保持为表格。转换部24能够参照保持于表格的阈值数据，将修正后的数字值转换为电子数。

阈值(下限)＝(电子数-0.5)×表观上的增益

阈值(上限)＝(电子数+0.5)×表观上的增益

此外，修正后的数字值也可以利用以下的式子求出。

修正后的数字值＝((数字值-偏置值)/增益)

此时，例如，存储部21也可以将由以下的式子导出的阈值范围保持为表格。转换部24能够参照保持于表格的阈值数据，将修正后的数字值转换为电子数。

阈值(下限)＝(电子数-0.5)

阈值(上限)＝(电子数+0.5)

附图标记说明

1……光子计数装置，11……像素，12……光电二极管(光电转换元件)，13……放大器，15……a/d转换器，21……存储部，22……修正部，23……运算部，24……转换部。