光子计数装置和光子计数方法与流程

本公开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速率，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的情况下，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而具有读出噪声。此外，多个像素的增益和偏移值在一定的范围内具有偏差。因此，例如存在入射了1个光子时的数字值与入射了2个光子时的数字值表示同样的值的情况，担心光子的计数精度下降。

本公开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后的电荷放大并转换为电压的放大器；a/d转换器，其将从多个像素的放大器输出的电压转换为数字值；和转换部，其按多个像素每个，参考参照数据而将从a/d转换器输出的数字值转换为光子数，参照数据是基于多个像素每个的增益和偏移值而创建的。

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对应的电压。输出的电压由a/d转换器转换为数字值。然后，由转换部将数字值转换为光子数。在转换部中，参考参照数据将数字值转换为光子数。参照数据是基于多个像素中的各个增益和偏移值而创建的。因此，即使在像素彼此间增益和偏移值存在偏差，转换部也能够抑制偏差的影响而将数字值转换为光子数。因而，能够抑制光子的计数精度的下降。

此外，参照数据具有基于多个像素每个的增益和偏移值而创建的多个阈值数据，转换部可以基于多个阈值数据将多个像素每个的数字值转换为光子数。在该构成中，即使每个像素的增益和偏移值存在偏差，也能够使用与偏差对应的阈值而导出光子数。

此外，参照数据包含与增益和偏移值对应的、对多个像素共通的预先设定的参数，转换部可以基于增益和偏移值与参数的偏离，而修正多个像素每个的数字值，并将修正后的数字值转换为光子数。在该构成中，能够根据增益和偏移值的偏差来修正数字值，因此，例如能够在所有像素使用相同的阈值将数字值转换为光子数。

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，能够以较高的精度再现从放大器输出的模拟值。

此外，一个方面的光子计数方法包括：将输入到构成多个像素的各个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并输出的步骤；和基于多个像素中各个增益和偏移值，将从a/d转换器输出的多个像素每个的数字值转换为光子数的步骤。

在这样的光子计数方法中，根据输入的光子而从放大器输出的电压由a/d转换器被转换为数字值。然后，数字值基于多个像素中的各个增益和偏移值，被转换为光子数。因此，即使在像素彼此间增益和偏移值存在偏差，也能够抑制偏差的影响而将数字值转换为光子数。因而，能够抑制光子的计数精度的下降。

此外，在将数字值转换为光子数的步骤中，也可以使用基于多个像素中的各个增益和偏移值而对多个像素的每个创建的阈值数据来将数字值转换为光子数。在该构成中，即使每个像素的增益和偏移值存在偏差，也能够使用与偏差对应的阈值而导出光子数。

此外，在将数字值转换为光子数的步骤中，基于增益和偏移值与参数的偏离来修正多个像素每个的数字值，将修正后的数字值转换为光子数，参数与增益和偏移值对应，也可以以对多个像素共通的方式预先设定。在这样的构成中，能够根据增益和偏移值的偏差来修正数字值，因此，例如能够在所有像素中使用相同的阈值而将数字值转换为光子数。

发明效果

根据一个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构成的图。

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(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)的模拟实验的结果的图表。

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)的模拟实验的结果转换为数字值的图表。

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)的模拟实验的结果转换为数字值的图表。

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)的模拟实验的结果转换为数字值的图表。

图8是示意性地表示将测定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定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移值的过程的图。

图11是示意性地表示导出增益的过程的图。

图12是表示增益和偏移值与阈值的对应情况的图。

图13是示意性地表示将测定的数字值转换为光子数的过程的图。

图14是表示一实施方式的光子计数装置的动作的流程图。

图15是表示测定的数字值与修正后的数字值的对应情况的图。

图16是表示其他实施方式的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的说明。为方便起见，存在对实质上相同的要素标注相同的符号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的各像素生成的光电子(photoelectron)数的计数和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。

[第一实施方式]

图1是表示光子计数装置的构成的图。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包含：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的切换而按每排(每行)传输至垂直信号线16。在各垂直信号线16上配置有cds(correlateddoublesampling，相关双采样)电路17。cds电路17除去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。想这样，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也可以设于各像素11。

在读出由放大器13放大的电压时，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个光子的情况下的电子的概率分布。作为读出噪声的例子，可列举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值体现得越激烈，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复，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，体现为能够识别每一个电子数的峰值。与此相对，在读出噪声为0.45[e-rms]以上的情况下，难以识别每一个电子数的峰值。在本实施方式中，根据能否识别峰值，而求出了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，在设定了用于区分相邻的电子数彼此的阈值的情况下，检测出的电子数的误检测率根据读出噪声而变化。图3是表示例如将0.5e、1.5e、2.5e……这样电子数彼此的中间的值作为阈值的情况下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％以下的情况下，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％以下的情况下，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)的模拟实验的结果的图表。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，用模拟值示出了各测定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]+偏移值[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区分电子数彼此的阈值。在附图中，阈值用虚线来表示。在图5(b)中，增益为2[dn/e]，偏移值为100[dn]。如图5(b)所示，在增益为2[dn/e]的情况下，难以在图表中反应通过模拟值观测到的测定值的偏差。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]，偏移值为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]，偏移值为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，可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(随机存取存储器)、rom(只读存储器)等存储装置、cpu等处理器(运算电路)、通信接口等而构成。作为这样的计算机20，例如，可列举个人计算机、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通过由计算机系统的cpu来执行存储在存储装置中的程序而作为存储部21、转换部22、数据处理部23、控制部24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可与显示装置25和输入装置26连接。显示装置25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26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25和输入装置26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表格(参照数据)。表格例如为查询表。表格基于多个像素11各自的增益和偏移值而创建。在本实施方式中，将分别与各像素11建立了对应关系的阈值数据作为表格进行存储。

转换部22参照存储于存储部21的表格，将从a/d转换器15输出的多个像素11每个的数字值分别转换为光子数。数据处理部23基于从转换部22输出的光子数而创建表示各像素11的光子数的二维图像。此外，数据处理部23也可以创建作为相对于光子数的像素数的布局(plot)的柱状图等。创建的二维图像等可被输出至显示装置25。控制部24能够统一控制计算机20的各功能或cmos图像传感器10。

接下来，以转换部22的处理为中心对光子计数装置1的详情进行说明。以下，为了简化说明，将光子计数装置的cmos图像传感器10作为具有排列为3行×3列的像素11的cmos图像传感器进行说明。

首先，表示在假设为增益和偏移值无偏差的情况下，将数字值转换为光子数的方法。图8示意性地示出了将测定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，偏移值为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输入有光子时，在各像素11中根据光子数而储存有电荷。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。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。然后，转换的数字值被转换为电子数。该情况下，例如使用阈值范围将数字值转换为电子数。在图8的例子中，如上所述假设增益和偏移值没有偏差。因此，在将阈值范围的上限和下限作为电子数的中间的值的情况下，与5个电子对应的阈值范围为4.5e以上小于5.5e。在用数字值表示时，该阈值范围为150～160[dn]。在参照该阈值范围，将在图8中例示的数字值转换为电子数的情况下，在所有像素11中数字值均被转换为5个电子。如上所述，由输入的光子而生成的电子的个数遵循泊松分布，因此，通过按每个像素用平均电子数除以量子效率，能够得到平均光子数。在量子效率为100％的情况下，电子数与光子数为相同数量。

接下来，考虑增益和偏移值具有偏差的状态下，使用同样的阈值范围将数字值转换为电子数的情况。图9表示增益和偏移值具有偏差的情况下的数字值。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，平均偏移值为100[dn]，偏移值的偏差σ为3％。即，偏移值±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。在使用与图8的例子同样的阈值时，139～149的情况下为4个电子，150～160的情况下为5个电子，161～171的情况下为6个电子。像这样，在增益和偏移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，本实施方式的转换部22参照存储在存储部21中的表格，将从a/d转换器15输出的多个像素每个的数字值分别转换为电子数。表格具有基于多个像素11的各自的偏移值和增益而创建的阈值数据。图10是表示取得偏移值的工序的示意图。如上所述，数字值利用以下的式子表示。因此，偏移值作为在没有输入光的状态下输出的数字值进行表示。于是，在本实施方式中，如图10所示，在没有输入光的状态下从由cmos图像传感器10取得的多个暗图像取得多个数字值。能够通过按每个像素将取得的数字值平均化而取得偏移值。

数字值[dn]＝增益[dn/e]×电子数[e]+偏移值[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，以充分的光量由cmos图像传感器10取得多个帧图像。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而导出增益。

本实施方式的存储部21作为表格保持基于增益和偏移值而导出的每个像素的阈值数据。在将电子数的中间的值作为阈值的情况下，表示各电子数的下限的阈值和表示上限的阈值分别用以下的式子表示，这些下限的阈值和上限的阈值的范围为与该电子数对应的阈值范围。

阈值(下限)＝(电子数-0.5)×增益+偏移值

阈值(上限)＝(电子数+0.5)×增益+偏移值

由此，例如判断为电子数为5个电子的情况下的阈值能够如图12所示那样导出。图12时表示增益和偏移值与阈值的对应情况的图。在图12中按每个像素示出了取得的增益和偏移值。此外，按每个像素示出了判断为电子数为5个电子的情况下的阈值。例如在增益为10.9[dn/e]、偏移值为97.7[dn]的情况下，下限的阈值为146.8[dn]，上限的阈值为157.7[dn]。在存储部21中，作为表格，按照每个像素具有与各电子数对应的阈值数据。图13是示意性地表示将测定的每个像素的数字值转换为电子数的过程的图。在转换部22中，通过参照存储在存储部21中的表格，能够通过数字值导出正确的电子数。例如，在图9的例子中，在数字值为162[dn]的情况下判断为6个电子，在图13的例子中，判断为5个电子。转换部22能够通过对每个像素用平均电子数除以量子效率而得出平均光子数。

接下来，对光子计数装置1的动作进行说明。图14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11入射的光子由光电二极管12被转换为电荷(步骤s11)。然后，转换后的电荷由放大器13被转换为电压(步骤s12)。该电压由a/d转换器15被转换为数字值并被输出至计算机20(步骤s13)。由计算机20的转换部22比较数字值和对每个像素11设定的阈值(步骤s14)，基于比较结果将数字值转换为光子数(步骤s15)。由此，能够计测输入到每个像素的光子数。计测结果例如也可以作为图像数据等显示于显示装置25。

如以上说明的那样，在光子计数装置1中，数字值由转换部22被转换为光子数。在转换部22中，通过参照存储在存储部21中的表格，使用对每个像素设定的阈值而将数字值转换为电子数。表格是考虑了多个像素11中的各个增益和偏移值而创建的。因此，即使在像素11彼此间增益和偏移值存在偏差的情况下，转换部22也能够抑制偏差的影响而将数字值转换为电子数。因而，能够抑制光子的计数精度的下降。

表格具有分别与多个像素11对应的多个阈值数据。在该构成中，根据增益和偏移值的偏差而对每个像素11创建了适当的阈值数据，因此，能够高精度地判断电子数。此外，例如无需考虑偏差而修正数字值等。

放大器13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13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。

增益可以为10[dn/e]以上。通过cmos图像传感器10具有较高的增益，能够将从放大器13输出的模拟值以较高的精度以数字值再现。

[第二实施方式]

本实施方式的光子计数装置在存储部21和转换部22的构成方面与第一实施方式的光子计数装置不同。以下，主要对与第一实施方式不同的点进行说明。另外，在装置构成中，因为与图1所示的第一实施方式相同所以省略。

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电子数的表格(参照数据)。表格是基于多个像素11中的各个增益和偏移值而创建的。本实施方式中的存储部21作为表格存储每个像素11的增益和偏移值。此外，存储部作为表格存储对所有像素11共通的每个电子数的阈值数据。

转换部22也可以基于多个像素11中的各个增益和偏移值，以抑制多个像素11间的增益和偏移值的偏差的影响的方式修正多个像素11每个的数字值，并将修正后的数字值转换为光子数。在本实施方式中，通过转换部22修正各像素11的数字值，表观上的各像素11的增益和偏移值(参数)变得相同。修正后的数字值能够基于各像素的增益和偏移值与对全像素共通的表观上的增益和表观上的偏移值的偏离而导出。该情况下，修正后的数字值能够利用以下的修正式来导出。另外，表观上的增益和表观上的偏移值是预先设定的，也可以存储在存储部21或转换部22中。

修正后的数字值＝((数字值-偏移值)/增益)×表观上的增益+表观上的偏移值

图15是表示测定的数字值与修正后的数字值的对应情况的图。在图15的例子中，示出了通过上述修正式修正由第一实施方式中的cmos图像传感器(图9参照)10测定的数字值的例子。在该例子中，转换部22以所有像素中的表观上的增益成为11[dn/e]、表观上的偏移值成为100[dn]的方式，修正数字值。即，修正后的数字值由以下的修正式导出。

修正后的数字值＝((数字值-偏移值)/增益)×11+100

在转换部22中，对于修正后的数字值使用对各像素共通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作为表格保持。转换部22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15的例子中，表观上的增益为11[dn/e]，表观上的偏移值为100[dn]，因此，修正后的数字值为150～160的情况下判断为5个电子。转换部22能够按每个像素用平均电子数除以量子效率而得出平均光子数。

阈值(下限)＝(电子数-0.5)×表观上的增益+表观上的偏移值

阈值(上限)＝(电子数+0.5)×表观上的增益+表观上的偏移值

图16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被转换为电荷(步骤s21)。然后，转换后的电荷由放大器13被转换为电压(步骤s22)。该电压由a/d转换器15被转换为数字值而被输出至计算机20(步骤s23)。数字值由计算机20的转换部22而按每个像素被修正(步骤s24)。比较修正后的数字值和设定的阈值数据(步骤s25)，并基于比较结果将修正后的数字值转换为光子数(步骤s26)。由此，能够计测对每个像素输入的光子数。

在本实施方式中，根据增益和偏移值的偏差，而以抑制该偏差的影响的方式修正数字值。因此，如上所述，能够对所有像素使用相同的阈值数据将修正后的数字值转换为电子数。

以上，参照附图对实施方式进行了详细的说明，但具体的构成不限于该实施方式。

例如，在转换部中，也可以如以下的式那样，用从计测的数字值减去偏移值而得到的值除以增益而求出每个像素的电子数。该情况下，对于求出的电子数，可以使用与所有像素对应的共通的阈值范围。例如，能够如上述那样将阈值范围的上限和下限作为电子数的中间的值，设定共通的阈值范围。该情况下，与5个电子对应的阈值范围为4.5e以上且小于5.5e。

电子数＝((数字值-偏移值)/增益)

此外，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]，也存在一部分像素的噪声比0.4[e-rms]大的情况。在这样的情况中，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，而仅使用读出噪声为0.4[e-rms]以下的像素来执行光子计数。

符号说明

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…转换部。