用于高速信号处理的方法和系统与流程

1.本描述一般涉及使用相机进行数据采集的方法和系统，更具体地，涉及高速相机读出和读出数据的实时信号处理。


背景技术：

2.带电粒子显微镜系统可以包含用于检测从样本发射的带电粒子、将检测到的原始信号数字化、并将数字化信号输出到图像处理器以进行实时信号处理的相机。为了增加数据采集速度，显微镜系统需要较短的传感器响应时间、高速传感器数据读出以及实时数据处理和数据存储。对于具有像素化图像传感器的相机，当像素电压超过预定水平时，可能需要复位像素。一种提高这种像素化图像传感器的读出速度的方法是多帧相关双采样（mfcds），在janssen等人于2012年10月5日提交的题为“用于使用图像传感器采集数据的方法”的第13/645,725号美国申请中公开。在mfcds中，在复位图像传感器或图像传感器的特定像素之前，从图像传感器读取原始数据的多个帧。然后可以基于顺序获取的像素电压的差异来确定粒子计数。然而，申请人认识到相机内和/或相机与图像处理器之间的有限带宽可能成为高速信号处理的瓶颈。


技术实现要素：

3.在一个实施例中，一种用于从包含用于检测带电粒子的像素化图像传感器的相机获取数据的方法包括：多次读取图像传感器的一个或多个像素的像素电压而不复位图像传感器；将像素电压数字化为第一数目的位；以及以第二较低数目的位输出数字化压缩像素电压，其中数字化压缩像素电压的最大范围小于像素电压的最大范围，且其中数字化压缩像素电压是通过移除数字化像素电压的至少最高有效位（msb）产生的。以这种方式，可以在不牺牲数据质量或精度的情况下以较低的位数目读出图像传感器的每个像素处的像素电压并将其从相机传送到图像处理器。可以利用相机内和/或相机与图像处理器之间的有限带宽来实现高速信号读出和处理。
4.应理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍在详细描述中进一步描述的一些概念。其并不意味着标识所要求保护的主题的关键或必要特征，其范围由详细描述之后的权利要求进行唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上文提到或本公开的任一部分中的任何缺点的实施方案。
附图说明
5.图1示出带电粒子显微镜。
6.图2是用于从图1的带电粒子显微镜的相机获取数据的方法的流程图。
7.图3示出图1中的方法的数据流。
8.图4a示出用于压缩从图像传感器读取的像素电压的方法。
9.图4b示出用于实施像素电压压缩的实例。
10.图4c示出用于实施像素电压压缩的另一实例。
11.图5是用于检测传感器过度曝光的方法的流程图。
12.图6a和图6b示出用于将差分压缩帧的像素值调整到有效范围的方法。
13.贯穿附图的若干个视图，相同的附图标记指代对应的部分。
具体实施方式
14.以下描述涉及用于显微镜系统中的数据采集和数据处理的系统和方法，例如图1的带电粒子显微镜。带电粒子显微镜可以包含用于产生带电粒子的源。响应于用带电粒子照射样本，从样本发射的各种类型的带电粒子由不同的相机或检测器检测。
15.相机或检测器可以包含像素化图像传感器，用于将撞击图像传感器的像素的带电粒子转换成像素电压。可以使用mfcds方法从图像传感器读出像素电压。特别地，在将像素电压复位为复位值之前，特定像素的像素电压被多次读出。由像素检测到的带电粒子的数量可以基于像素电压的连续读出之间的差异来确定。使用mfcds，可以在复位图像传感器之前读出多个帧。通过计算连续读出之间的差异来降低复位噪声。此外，可以通过降低复位像素电压的频率来增加图像传感器读出的最大帧率。
16.从图像传感器读取的像素电压可以由模数转换器（adc）数字化并从相机传送到图像处理器以进行进一步处理。虽然使用mfcds方法可以实现从图像传感器的高帧率读出，但adc和相机内的读出电子器件之间的数据传送速率（即带宽）和/或相机和图像处理器之间的数据传送速率可能限制了显微镜系统的整体数据采集速率和数据质量。为了提高在图像处理器处接收到的数据的帧率，必须降低每个像素的数字化像素电压的位深度（即，位数目）。然而，减少位深度可能会降低数据精度。这里，数字信号的精度是由数字化信号的最低有效位（lsb）表示的值。
17.为了解决上述问题，图2中提出了一种高速相机读出和实时处理从相机接收到的数据的方法。数据流在图3中示出。具体地，在传感器复位之前多次读出图像传感器的像素电压。像素电压读出在从相机传送到图像处理器之前被压缩。图像处理器从相机接收压缩像素电压，并在顺序接收的压缩像素电压之间产生差分电压。可以基于差分电压形成样本图像。在相邻的图像传感器复位之间，像素电压是近似单调的。也就是说，在传感器复位之间，每个像素的像素电压是叠加了噪声的单调信号。噪声幅度在像素电压的最大幅度的1%以内。在像素电压幅度超过最大像素电压幅度之前复位传感器。由于传感器复位之间的像素电压的近似单调变化，并且顺序（或相邻）图像传感器读出之间的像素电压变化在阈值水平内，因此即使压缩像素电压在相机和图像处理器之间传送，也不会丢失任何信息。
18.压缩像素电压的最大范围小于像素电压的最大范围。像素电压幅度可以为零到最大像素电压幅度。响应于像素电压的幅度不小于第一阈值电压的幅度且小于第二阈值电压的幅度，可以通过从像素电压减去第一阈值电压来压缩像素电压。可以基于相邻像素读出之间的像素电压的变化量来确定第一阈值电压。例如，第一阈值电压的幅度大于相邻像素读出之间的像素值的变化量。为了进一步减小压缩像素电压的最大范围，可以通过响应于像素电压的幅度不小于第二阈值电压的幅度且小于第三阈值电压的幅度从像素电压减去第二阈值电压，并响应于像素电压不小于第三阈值电压的幅度且小于第四阈值电压的幅度从像素电压减去第三阈值电压，来进一步压缩像素电压。第一到第四阈值电压可以是以伏
特为单位的模拟电压。在一个实例中，图像传感器的像素电压响应于撞击像素的带电粒子而增加，并且阈值电压为正。在另一实例中，图像传感器的像素电压响应于撞击像素的带电粒子而降低，并且像素电压在减去正阈值电压之前被转换为近似单调增加的正电压。在又一示例中，图像传感器的像素电压响应于撞击像素的带电粒子而降低，并且阈值电压为负。压缩的像素电压可以被数字化为比从图像传感器读出的像素电压少的位数目。以此方式，与未压缩的像素电压的范围相比，像素电压被压缩或包裹到减小的范围。压缩电压的范围不大于第一阈值电压的幅度。
19.在另一实例中，从图像传感器读出的像素电压被数字化为第一数目的位。数字化像素电压被压缩为具有第二较低位数目的数字化压缩像素电压。数字化像素电压和数字化压缩像素电压具有相同的精度。数字化像素电压可以是无符号的。在一个实例中，如果像素电压近似单调地减小并且为负，则数字化像素电压可以被转换为无符号的。从像素电压减去阈值电压的压缩过程可以通过从数字化像素电压移除一位或多位来实现。在一个实例中，可以通过至少移除数字化像素电压的msb来压缩数字化像素电压。在另一实例中，可以通过将数字化第一像素电压的第一位保存到第二位且移除剩余位来压缩数字化像素电压，其中第一位和第二位都不是msb。在一个实例中，第一位和第二位都不是最低有效位（lsb）。图4a-4c示出用于压缩像素值的实例方法。
20.相机从图像传感器的区（即，像素电压的帧）中的每一像素连续地且重复地读出像素电压，且将压缩像素电压或数字化压缩像素电压（即，压缩帧）发送到图像处理器。基于循序地接收的压缩帧的差异重构差分帧。随后可以基于差分帧产生样本图像。在一个实例中，对于每个像素，差分压缩像素电压是第一压缩像素电压和第二压缩像素电压之间的差。第一压缩像素电压对应于在第一时间点读出的像素电压，且第二压缩像素电压对应于在紧接在第一时间点之后的第二时间点读出的像素电压。在第一和第二时间点之间没有像素或图像传感器的复位。如图6a-6b所示，通过将差分压缩像素电压调整到有效范围来重构差分像素电压。有效范围是基于用于压缩像素电压的第一阈值电压和预定噪声幅度来确定的。例如，有效范围是从噪声偏移到第一阈值电压幅度和噪声偏移之和。噪声偏移是基于噪声幅度确定的，并且可以是负数或零。将差分压缩像素电压调整到有效范围内包含响应于差分压缩像素电压低于噪声偏移而将第一阈值电压幅度增加到差分压缩像素电压上，以及响应于差分压缩像素电压大于第一阈值电压幅度与噪声偏移之和从差分压缩像素电压减去第一阈值电压幅度。差分像素电压的精度与数字化压缩像素电压的精度相同。
21.在某一实例中，在重构差分帧之前，可以从压缩帧减去暗帧以对压缩帧进行暗校正。暗校正过程可用于从未暴露于辐射的传感器移除图像中存在的固定图案。此外，可以基于图像处理器接收到的数字化压缩像素电压来检测传感器过度曝光，如图5所示。
22.以此方式，像素电压可以以减少的位数目在相机和图像处理器之间传送。由于像素电压的特性，即近似单调性和随时间的有限变化，尽管在相机和图像处理器之间传送的信号的动态范围减小了，但可以在图像处理器处无损地重建顺序像素电压读出之间的差异。
23.转到图1，示出了透射型带电粒子显微镜100，例如透射电子显微镜（tem）系统或扫描透射电子显微镜（stem）系统。显微镜包含真空外壳2和用于产生带电粒子束111的带电粒子源4，所述带电粒子束沿主轴110传播并穿过电子光学照明器6。电子光学照明器6用于将
带电粒子引导/聚焦到样本60的选定部分（例如，其可以被（局部）变薄/平坦化）。还描绘了偏转器8，其可用于实现射束111的扫描运动。
24.样本60被固持在样品架61上，所述样品架可以通过定位装置/平台62以多个自由度定位，所述定位装置/平台移动固持器61（可移除地）附着到的托架63；例如，样品架61可包括可以（尤其是）在xy平面中移动的指状物（参见所描绘的笛卡尔坐标系；通常，平行于z的运动和围绕x/y的倾斜也是可能的）。此类移动允许样本60的不同部分由（在z方向上）沿着主轴110行进的电子束111照明/成像/检查（和/或允许执行扫描运动，以作为射束扫描的替代方案）。视需要，可引入任选的冷却装置（未描绘）以与样品架61热接触，以便将其（和其上的样本60）维持在例如低温度下。
25.电子束111将以一定方式与样本60相互作用，所述方式使得各种类型的“受激”辐射从样本60发出，包含（例如）次级电子、反向散射电子、x射线和光学辐射（阴极发光）。如果需要，可借助于检测器22来检测这些辐射类型中的一个或多个，所述检测器可以是例如组合的闪烁体/光电倍增管或edx（能量色散x射线光谱法）模块；在这种情况下，可使用与扫描电子显微法（sem）中基本相同的原理来构造图像。然而，替代地或补充地，可以研究穿过（通过）样本60，从其离开/发出并继续沿着轴线110传播（基本上，尽管通常具有一些偏转/散射）的电子。这种透射电子通量进入投影透镜24，所述投影透镜将通常包括多种静电/磁透镜、偏转器、校正器（例如补偿器）等。在正常（非扫描）tem模式下，投影透镜24可以将透射的电子通量聚焦到检测器26上，如果需要，所述检测器可以缩回/取出（如箭头27示意性地指示），以使其远离轴线110。样本60（的一部分）的图像（或衍射图）将由投影透镜24形成在检测器（例如屏幕）26上，并且这可以通过位于外壳2的壁的适当部分上的观察端口来观察。用于检测器26的缩回机构本质上例如可以是机械的和/或电的，并且此处没有描绘。
26.作为在检测器26上查看图像的一种替代方法，反而可以使用这样一个事实，即离开投影透镜24的电子通量的聚焦深度通常相当大（例如，1米量级）。因此，可以在检测器26的下游使用各种其它类型的分析设备，例如tem相机30、stem相机32和光谱设备34。
27.在tem相机30处，电子通量可形成可由图像处理器20和控制器50处理的静态图像（或衍射图）。当不需要时，相机30可缩回/撤回（如箭头31示意性所示），以使其脱离轴线110。
28.来自stem相机32的输出可以记录为射束111在样本60上的（x, y）扫描位置的函数，并且可以构造图像，所述图像是作为x, y的函数的来自相机32的输出的“映射”。相机32可以包括像素矩阵。当不需要时，可以缩回/收回相机32（如箭头33示意性地指示），以使其远离轴线110（但是在相机32例如是环形暗场相机的情况下，这种缩回不是必需的；在此类相机中，当不使用相机时，中心孔将允许通量通过）。
29.作为使用相机30和/或32成像的替代方案，还可以调用光谱设备34，其例如可以是eels模块。eels模块包含用于基于粒子能量分散带电粒子的光谱仪35和用于捕获光谱的检测器/相机36。
30.应注意，检测器26、30、32、34和36的顺序/位置不是严格的，并且可以设想许多可能的变化。例如，光谱设备34也可以集成到投影透镜24中。
31.控制器50经由控制线连接到各种示出的组件。控制器包括处理器54和非暂时性存储器55。指令可以存储于非暂时性存储器55中，所述指令当执行时使控制器50提供多种功
能，例如使动作同步，提供设定点，处理信号，执行计算，从用户输入装置53接收操作者输入且在显示装置51上显示消息/信息。控制器50可以（部分地）在外壳2的内部或外部，并且可以根据需要具有整体或复合结构。
32.一个或多个检测器22和26、相机30和32以及光谱设备34可以与图像处理器20电连接。图像处理器可以包含处理器、存储器和一个或多个现场可编程门阵列（fpga）。嵌入式软件可以在图像处理器中运行，以处理从相机和/或检测器以高帧率接收的图像数据。来自图像处理器的处理过的数据可以从图像处理器传送到控制器以进行进一步处理。例如，控制器基于从图像处理器接收的数据产生样本图像。相机和/或检测器可以具有单独的图像处理器或共享的图像处理器。在一个实施例中，图像处理器和控制器可以集成在一起作为一个组件。在另一实施例中，图像处理器可以与相机集成。
33.虽然借助于实例描述透射型电子显微镜，但应理解，成像系统可以是其它类型的带电粒子显微镜系统，例如sem或与扫描电子显微法组合的聚焦离子束（fib-sem）。带电粒子可以是电子、离子或x射线。检测器或相机中的一个或多个，例如检测器22和36、相机30和32，可以包含一个或多个具有多个像素的图像传感器。像素化图像传感器可以根据以下公开的方法进行操作。
34.图2示出了用于读取和处理由至少包含像素化图像传感器的相机获取的数据的方法200。相机可以检测从显微镜中的样本发射的带电粒子，例如图1的带电粒子显微镜100。在执行方法200时显微镜的组件之间的数据流在图3中示出。使用mfcds方法结合数据压缩来读出相机数据，以提高相机内以及从相机到图像处理器的帧传送速率。
35.在201，设定显微镜的数据采集参数。数据采集参数可以包含带电粒子束在样本平面处的剂量、成像/扫描区域、图像传感器处的数据读出速率以及在相邻图像传感器复位之间读出的帧数n中的一个或多个。相邻传感器复位之间的帧数n可以基于相邻像素电压读出之间的估计像素电压变化和像素的满阱容量来确定。例如，图像传感器的像素在达到预定的最大像素电压幅度之前被复位。最大像素电压幅度低于像素的满阱容量。可以基于带电粒子束的剂量和样本类型来估计相邻像素电压读出之间的像素电压变化。
36.在204，将带电粒子束引导到样本上。响应于带电粒子的照射，从样本发射各种类型的带电粒子，例如二次电子和x射线。显微镜中的多个相机（或检测器）感测发射的带电粒子。例如，相机可以包含tem相机、stem相机或检测器、edx检测器和光谱设备中用于感测eels光谱的检测器中的一个或多个。相机包含像素化图像传感器。特定像素的像素电压响应于撞击像素的一个或多个带电粒子而近似单调地变化。
37.在206，像素电压以在步骤201确定的频率从图像传感器读出并被数字化为第一数目的位。在一个实例中，图像传感器的多个像素的像素电压根据预定模式被读出以形成像素电压的帧。在图像传感器读出期间，图像传感器以在步骤201确定的帧率重复读出。在连续获取n帧之后，通过将每个像素的像素电压复位为复位电压来复位图像传感器。每次复位的复位电压可能不同。对于多个像素中的每个像素，在每一帧读出期间读出一次像素电压。在复位图像传感器之前，多个像素中的每个像素的像素电压被重复读出n次。
38.在208，压缩像素电压，并且将压缩的像素电压输出到图像处理器。在一个实例中，压缩的像素电压可以被数字化并传送到图像处理器。在另一实例中，像素电压在被压缩之前被数字化。数字化压缩像素电压具有低于数字化像素电压的第一位数目的第二数目的
位。像素电压被压缩到小于像素电压的最大范围的范围。压缩像素电压的最大范围不大于第一阈值电压幅度。在一个实例中，响应于像素电压的幅度不小于第一阈值电压的幅度且小于第二阈值电压的幅度，从像素电压减去第一阈值电压。在另一实例中，通过至少移除msb来压缩数字化像素电压。第一阈值电压可以由比用于表示像素电压的最大值的位数目低的位数目来呈现。
39.如图3所示，在一种示例配置中，相机301包含图像传感器302、adc 303和读出电子器件304。从图像传感器302读取的像素电压被adc数字化为第一数目的位，并且接着被压缩为第二数目的位。读出电子器件304可以控制数据读出的时序并将压缩的数字化像素电压输出到图像处理器320。
40.图4a-4c示出当像素电压响应于撞击像素的带电粒子而增加时压缩像素电压的过程。图4a的y轴是图像传感器的特定像素的像素电压或对应的数字化像素电压。x轴表示时间。时间如箭头所指示增加。实线绘图403是从图像传感器读出的未压缩像素电压。未压缩的像素电压可以是模拟信号或数字信号。虚线绘图404是压缩像素电压。在t0，复位图像传感器。因此，像素电压被复位为复位电压。这里，复位电压为零。在其它实例中，复位电压可以是非零值。每次复位时复位电压可能会有所不同，因此会引入复位噪声。从t0开始，随着更多带电粒子撞击像素，像素电压403从t0到t4增加。在t4，再次复位图像传感器。箭头401和402指示图像传感器复位事件。以1/δt的频率读出像素电压。换句话说，图像传感器以1/δt的帧率被读出。从t0到t1，像素电压403介于复位电压和第一阈值电压v1之间，且压缩后的像素电压404等于像素电压403。从t1到t3，响应于像素电压403不小于第一阈值电压v1且小于第二阈值电压v2，压缩像素电压404等于像素电压403减去第一阈值电压v1。第二阈值电压v2是第一阈值电压v1的两倍。从t2到t3，响应于像素电压403不小于第二阈值电压v2且小于第三阈值电压v3，压缩像素电压404等于像素电压403减去第二阈值电压v2。第三阈值电压v3为第一阈值电压v1的三倍。从t3到t4，响应于像素电压403不小于第三阈值电压v3且小于第四阈值电压v4，压缩像素电压404等于像素电压403减去第三阈值电压v3。第四阈值电压v4是第一阈值电压v1的四倍。在t4，由于已经从t0的先前复位获取了n帧，因此将像素电压再次复位为复位电压。从t4到t5，由于像素电压403低于第一阈值电压，因此像素电压403与压缩像素电压404相同。在t5之后，随着像素电压403增加到高于v1且低于v2，压缩像素电压404等于像素电压403减去v1。因此，压缩像素电压404在零和v1之间。对于数字化信号，图4a所示的压缩过程可以将数字化压缩像素电压的位深度从数字化像素电压的位深度减少2位。例如，数字化像素电压具有12位，且数字化压缩像素电压具有10位。第一至第四阈值电压分别为1024、2048、3072和4096。通过压缩将值混叠引入到压缩的像素电压中。例如，t1-t2之间的像素电压与t0-t1之间的像素电压混叠（因此无法区分）。通过将差分压缩帧的像素值调整到有效范围，可以在图像处理器中校正或解析值混叠。
41.如果像素电压被数字化，则可以通过将数字化的第一像素电压的第一位保存到第二位并移除其余位来产生压缩的数字化像素电压。第一位和第二位都不是msb。在一个实例中，可以通过从msb的一侧移除一个或多个位来实现从像素电压减去阈值电压，如图4b所示。例如，数字化像素电压410具有12位。图4a中示出的压缩可以通过从msb侧移除2位来实现。数字化压缩像素电压是lsb侧的10位，如412所示。因此，在图4a中，d1为1024，d2为2048，d3为3072，且d4为4096。
42.在另一实例中，可以通过从msb侧和lsb侧两者移除一个或多个位来实现从像素电压减去阈值电压，如图4c所示。例如，数字化像素电压410具有12位。数字化压缩像素电压为第1位到第10位，如421所示。在本例中，与数字化像素电压相比，数字化压缩像素电压的信号精度降低，以提高数据传送速率。
43.图4a示出未压缩像素电压在连续传感器复位之间单调增加。在另一个实施例中，从图像传感器读出的未压缩像素电压在连续复位之间单调降低。在一个实例中，可以通过从未压缩的像素电压减去负阈值电压来压缩像素电压。在另一实例中，未压缩的像素电压可以在被压缩之前被转换为单调增加的像素电压，例如通过从阈值像素电压减去，如图4a-4c所示。
44.回到图2，在210，图像处理器从相机接收压缩像素电压或数字化压缩像素电压，并用压缩像素电压形成压缩帧。在一个实例中，如图3所示，图像处理器320可以包含一个或多个fpga 322和存储器323。fpga 322具有对存储器323的直接存储器存取。图像处理器320可以任选地包含用于控制fpga 322内的数据/图像处理的处理器321。
45.在212，基于压缩帧确定传感器过度曝光。可以基于压缩帧的像素值和像素值的方差来确定传感器过度曝光。图3的剂量保护块324表示确定传感器过度曝光的过程。过度曝光检测的细节呈现在图5中。如果检测到传感器过度曝光，则在214，方法200可以例如通过关闭快门来防止带电粒子到达图像传感器。方法200可以向操作者发出指示传感器过度曝光的通知。方法200可以进一步调整当前图像会话的数据采集参数或停止当前图像会话。如果未检测到传感器过度曝光，则方法200移至218。
46.在218，通过从先前获取的压缩帧减去压缩帧来生成差分压缩帧。然后将差分压缩帧的像素值调整到有效范围。例如，通过从紧接在获取第一压缩帧之后的第二时间点t2获取的第二压缩帧减去在第一时间点t1获取的第一压缩帧，即e
t2-e
t1
，获得差分压缩帧。
47.步骤218可以任选地包含在减法之前对差分压缩帧进行暗校正。也就是说，差分压缩帧是通过减去循序地获取的暗校正压缩帧来产生的。例如，如图3所示，可以在325处任选地从压缩帧减去存储在存储器323中的暗帧331以产生暗校正压缩帧326。暗校正压缩帧326被临时存储在存储器323中。暗校正压缩帧326也被发送到328以减去先前保存的压缩帧。在延迟327之后，在接收到下一个暗校正压缩帧时，在328处从下一个暗校正压缩帧减去暗校正压缩帧326以产生差分压缩帧。
48.在图3的框329，将差分压缩帧的像素值调整到有效范围。基于预定噪声幅度和用于在图2的208处压缩像素电压的第一阈值电压来确定有效范围。噪声可以包含一种或多种传感器暗噪声、传感器热噪声、传感器读出噪声和传感器量化噪声。噪声幅度可以通过检查未经辐照获取的图像帧来先验地确定。例如，噪声幅度是基于在没有用带电粒子束照射样本的情况下获取的图像帧中的像素值的标准偏差来确定的。基于噪声幅度确定噪声偏移。噪声偏移可以是噪声幅度的负值。在一个实例中，有效范围是从噪声偏移到第一阈值电压和噪声偏移的总和，其中噪声偏移是非正的。如果像素值小于噪声偏移，则将第一阈值电压添加到像素值。如果像素值大于第一阈值电压与噪声偏移之和，则从像素值减去第一阈值电压。第一阈值电压是像素电压v1或用于在208处压缩像素电压的数字化像素电压d1。
49.图6a示出了当没有噪声或零噪声时将差分压缩帧的像素值调整到有效范围。因为被压缩的像素电压是从零到第一阈值电压，所以所述差分压缩帧的像素值（即两个压缩的
像素电压之间的差）是从负的第一阈值电压-v1到第一阈值电压v1。有效范围610是从零到v1。如果像素值在由阴影区域指示的无效范围内（即，在有效范围610之外），则通过将第一阈值电压添加到像素值来将像素值调整到有效范围内。例如，将像素值611调整为像素值612。因此，无效范围内的像素值被移动到有效范围，如箭头613所示。
50.图6b示出了当像素电压中存在噪声时将差分压缩帧的像素值调整到有效范围。噪声偏移601为负。有效范围620是从噪声偏移601到第一阈值电压v1和噪声偏移601的总和602。阴影区域指示无效范围。如果像素值是从-v1到噪声偏移601，则将第一阈值电压v1添加到像素值，使得像素值移动到从0到总和602的范围，如箭头621所示。如果像素值是从总和602到v
1 ，则从像素值减去第一阈值电压v1。结果，范围623中的像素值被移动到范围624，如箭头622所示。
51.在220，基于差分图像形成样本图像。如图3所示，差分图像从图像处理器320传送到控制器50以产生样本图像。步骤220可以包含在形成样本图像之前对差分图像进行预处理。
52.以此方式，通过以低于用于数字化图像传感器读出的位深度的位深度从相机读出数据。相机可以以最大帧率操作以读出传感器数据，并且可以增加用于数据采集的整体帧率。通过从数字化像素电压的msb移除一位或多位，可以高速执行像素电压的压缩。在顺序图像传感器读出期间像素电压的变化可以通过将压缩后的差分帧的像素值调整到有效范围来无损重建。应注意，在某些情况下，可以重新布置或同时执行按顺序描述的操作。
53.图5示出了用于基于来自相机输出的压缩帧来检测传感器过度曝光的方法500。可以基于压缩帧的像素值的量和方差来检测传感器过度曝光。在一个实例中，基于紧接在传感器复位之后获取的一个或多个压缩帧来确定过度曝光。
54.在502，将每一压缩帧划分成多个子帧，每一子帧包含一个或多个像素。子帧可以彼此重叠。
55.在504，计算子帧中所有像素值的总和和方差，并在506分别与阈值方差处的阈值总和进行比较。在一个实例中，方差可以是子帧中像素值的数学方差。在另一实例中，可以通过其它简化的近似方法来计算方差。阈值总和可以基于每个子帧的像素数目、每个像素的满阱容量以及在最直接的传感器复位之后的帧数目来确定。阈值方差可以通过测量具有实际故意（非破坏性）过度曝光的像素值来确定。如果任何子帧的所有像素值的总和大于阈值总和并且子帧的方差小于阈值方差，则在508检测到过度曝光。否则，在510处不会检测到过度曝光。
56.压缩从图像传感器读出的像素电压的技术效果是即使在adc和读出电子器件之间的带宽和/或相机和图像传感器之间的带宽有限的情况下也能实现高帧率的数据传送。通过从数字化像素电压的msb移除一位或多位来压缩像素电压的技术效果是可以高速实现压缩。基于循序地获取的压缩帧产生差分帧的技术效果是确定响应于带电粒子撞击传感器的像素电压的变化。校正差分压缩帧的范围以获得差分帧的技术效果是校正了由于压缩引起的混叠。数字化压缩像素电压的精度与差分帧中的像素值相同。
57.在一个呈现中，一种用于从包含用于检测带电粒子的像素化图像传感器的相机获取数据的方法包括：从相机接收第一和第二数字化压缩像素电压；通过计算第一数字化压缩像素电压和第二数字化压缩像素电压之间的差来确定差分压缩像素电压；通过将差分压
缩像素电压调整到由预定噪声偏移和第一阈值电压确定的有效范围来产生差分像素电压；并且基于差分像素电压形成样本的图像。
58.在另一呈现中，一种用于检测带电粒子的相机包括图像传感器和一个或多个adc，其中相机被配置为：多次读取图像传感器的一个或多个像素的像素电压而不复位图像传感器；将像素电压数字化为第一数目的位；并且以第二较低数目的位输出数字化压缩像素电压，其中数字化压缩像素电压的最大范围小于像素电压的最大范围，并且其中数字化压缩像素电压是通过移除数字化像素电压的至少最高有效位（msb）产生的。
59.在一个实施例中，一种用于从包含用于检测带电粒子的像素化图像传感器的相机获取数据的方法包括：多次读取图像传感器的一个或多个像素的像素电压而不复位图像传感器；将像素电压数字化为第一数目的位；以及以第二较低数目的位输出数字化压缩像素电压，其中数字化压缩像素电压的最大范围小于像素电压的最大范围，且其中数字化压缩像素电压是通过移除数字化像素电压的至少最高有效位（msb）产生的。在所述方法的第一实例中，数字化像素电压是无符号的。所述方法的第二实例任选地包含第一实例并且进一步包含对于图像传感器的一个或多个像素中的每个像素，循序地地接收第一数字化压缩像素电压和第二数字化压缩像素电压；通过计算第一数字化压缩像素电压和第二数字化压缩像素电压之间的差来确定差分压缩像素电压；以及通过将差分压缩像素电压调整到有效范围来产生差分像素电压，其中有效范围是基于预定噪声偏移和数字化压缩像素电压的最大范围来确定的。所述方法的第三实例任选地包含第一至第二实例中的一个或多个，并且进一步包含，其中有效范围是从噪声偏移到阈值电压和噪声偏移的总和，并且阈值电压是基于数字化压缩像素电压的最大范围确定的。所述方法的第四实例任选地包含第一到第三实例中的一个或多个，并且还包含，其中将差分压缩像素电压调整到有效范围包含响应于差分压缩像素电压低于噪声偏移而将阈值电压添加到差分压缩像素电压，并且响应于差分压缩像素电压大于阈值电压和噪声偏移的总和而从差分压缩像素电压减去阈值电压。所述方法的第五实例任选地包含第一至第四实例中的一个或多个，并且还包含，其中第二位数目是基于顺序读出之间的像素值的最大变化范围确定的。所述方法的第六实例任选地包含第一至第五实例中的一个或多个，并且进一步包含，其中数字化压缩像素电压具有与数字化像素电压相同的信号精度。所述方法的第七实例任选地包含第一至第六实例中的一个或多个，并且还包含，其中通过从数字化像素电压的最低有效位侧进一步移除一个或多个位来产生数字化压缩像素电压。所述方法的第八实例任选地包含第一至第七实例中的一个或多个，并且还包含基于图像传感器的一个或多个像素的数字化压缩像素电压来检测图像传感器过度曝光。
60.在一个实施例中，一种用于从包含用于检测带电粒子的像素化图像传感器的相机获取数据的方法包括：重复读取图像传感器的像素的像素电压而不复位图像传感器；将像素电压压缩成压缩像素电压，其中压缩像素电压是响应于像素电压的幅度不小于第一阈值电压的幅度且小于第二阈值电压的幅度的在像素电压与第一阈值电压之间的差，且其中压缩像素电压的最大范围不大于第一阈值电压的幅度，且压缩像素电压的最大范围低于像素电压的最大范围；数字化压缩的像素电压；并输出数字化的压缩像素电压。在所述方法的第一实例中，所述方法还包含，其中压缩像素电压还包含响应于像素电压的幅度不小于第二阈值电压的幅度且小于第三阈值电压的幅度而从像素电压减去第二阈值电压。所述方法的
第二实例任选地包含第一实例并且还包含其中第二阈值电压是第一阈值电压的两倍。所述方法的第三实例任选地包含第一至第二实例中的一个或多个，并且还包含在读取像素的像素电压预定次数之后复位图像传感器。所述方法的第四实例任选地包含第一至第三实例中的一个或多个，并且还包含响应于像素电压的幅度大于像素电压的最大幅度而复位图像传感器。所述方法的第五实例任选地包含第一至第四实例中的一个或多个，并且还包含，其中相邻传感器复位之间的像素电压是叠加有噪声信号的单调信号。所述方法的第六实例任选地包含第一至第五实例中的一个或多个，并且还包含从相机循序地接收第一数字化压缩像素电压和第二数字化压缩像素电压；暗校正第一数字化压缩像素电压和第二数字化压缩像素电压；通过计算暗校正第一数字化压缩像素电压和暗校正第二数字化压缩像素电压之间的差来确定差分压缩像素电压；并且通过将差分压缩像素电压调整到有效范围内来产生差分像素电压，所述有效范围是基于预定噪声偏移和第一阈值电压确定的。所述方法的第七实例任选地包含第一到第六实例中的一个或多个，并且还包含其中有效范围是从噪声偏移到第一阈值电压幅度和噪声偏移的总和。
61.在一个实施例中，一种用于从样本获取数据的系统包括：用于向样本照射带电粒子的带电粒子源；用于响应照射而检测从样本发射的带电粒子的相机，所述相机包含具有多个像素和一个或多个模数转换器（adc）的图像传感器，其中所述相机被配置成：将照射多个像素中的像素的带电粒子转换为像素电压；将像素电压压缩成压缩像素电压，其中如果像素电压的幅度不小于第一阈值电压的幅度且小于第二阈值电压的幅度，则压缩像素电压是像素电压与第一阈值电压之间的差，且其中压缩像素电压的最大范围不大于第一阈值电压的幅度，且压缩像素电压的最大范围低于像素电压的最大范围；数字化压缩的像素电压；以及输出数字化压缩的像素电压；图像处理器，用于从相机接收数字化压缩像素电压，并基于数字化压缩像素电压产生差分像素电压；以及用于基于差分像素电压形成样本的图像的控制器。在系统的第一实例中，所述系统还包含其中，从相机接收数字化压缩像素电压并基于压缩像素电压产生差分像素电压包含：循序地接收第一数字化压缩像素电压和第二数字化压缩像素电压；通过从第二数字化压缩像素电压减去第一数字化压缩像素电压来确定差分压缩像素电压；并且通过将差分压缩像素电压调整到有效范围内来产生差分像素电压，所述有效范围是基于预定噪声偏移和第一阈值电压确定的。所述系统的第二实例任选地包含第一实例并且进一步包含，其中数字化压缩像素电压和差分像素电压具有相同的精度。