用於探測微粒輻射的方法與流程
2023-08-03 03:22:46 2
本發明涉及一種使用基於半導體的像素化(pixelated)探測器探測微粒輻射(particulate radiation)的方法，探測器像素具有探測器像素尺寸，探測器對微粒輻射敏感，每個微粒輻射的粒子(particle)在探測器的半導體材料中導致許多電子/空穴對，所述許多電子/空穴對具有質心和質心範圍(centroid extent)，質心的範圍大於探測器像素尺寸，該方法包括：
·攔截微粒輻射的粒子的步驟，
·估計針對許多相鄰探測器像素的電子/空穴對的數量的步驟，
·使用相鄰探測器像素中的電子/空穴對的估計來估計所述數量的電子/空穴對的質心的位置的步驟，
·使用所述估計的質心的位置來估計粒子的撞擊位置的步驟，
·使用許多估計的撞擊位置的估計的位置來形成像素化圖像的步驟，所述像素化圖像由具有強度的圖像像素組成。
背景技術：
這樣的方法尤其從商業上可從Gatan公司(5794W.Las Positas Blvd.，Pleasanton，CA 94588，USA)得到的「K2Direct Detection Cameras」知道。
已知的方法描述像素化探測器攔截以高能電子的形式的輻射。每個經攔截的電子在探測器的半導體材料中導致電子/空穴對的雲，從而在其中其被探測到的(一個或多個)探測器像素中導致信號。由於雲(質心)的直徑大於探測器像素的直徑，一個碰撞電子在多個探測器像素中導致信號。使用不同的探測器像素的信號，以比探測器的像素尺寸更好的解析度來確定撞擊位置的估計，在該情況下以半個探測器像素直徑的解析度來確定撞擊位置的估計。這被用來形成具有超解析度的圖像(由於解析度比探測器像素尺寸更好)。
該方法沒有公開如何確定或估計撞擊位置。該方法沒有證明給出針對不同於半個探測器像素或(多個)整個探測器像素的解析度的結果。
注意到在許多情況下，質心的範圍可以用FWHM(半高全寬)直徑來表徵。
技術實現要素：
本發明意圖提供與已知方法相比具有提高的解析度和/或信噪(S/N)比的方法。
為此，該方法特徵在於，當估計撞擊位置時，所述估計具有取決於在探測器像素之內的位置的位置相關偏置，以及每個估計的撞擊位置對對應圖像像素的貢獻被調節以抵消所述位置相關偏置的作用。
具體實施方式
發明人發現探測器像素對碰撞粒子的響應不僅取決於像素之間的不同響應(像素間差異或像素間不均勻性)，而且當估計在探測器像素之內的位置時，粒子被分配給探測器像素上的位置的概率(位置相關偏置)是不均勻的：所述位置相關偏置(可再現地)取決於探測器像素上的位置，並且從而引入像素內不均勻性)。
這可以被解釋如下：假設電子/空穴對的雲的範圍小於像素尺寸，則如果相鄰探測器像素示出沒有電子/空穴對(所有的電子/空穴對被產生於一個探測器像素之內)，該位置將被分配給探測器像素的中間，由於不存在場地(ground)來將其分配給另一位置。僅僅當粒子擊中兩個探測器像素之間的邊界附近(從而在兩個探測器像素中導致電子/空穴對)時，邊界附近的位置可以被確定，但是沿著邊界的地方是未知的：因此粒子的位置將與邊界的中間相關聯。僅僅在角落附近，在兩個方向上的正確定位可以被執行。針對比探測器像素尺寸大得多的範圍，作用(不均勻性)塗抹掉。針對(略)大於像素尺寸的質心尺寸，估計的位置在探測器像素的中心附近群集，在較小的範圍上群集到邊界的中心、並且群集到角落。在像素之內的增強的概率的峰值因此是贗象，(在傅立葉空間中)造成位於多個(偶數的(even))奈圭斯特頻率周圍的許多額外圖像。
圖1給出這樣的增強的概率的示例(在真實空間中，針對一個、方形像素示出)。
注意到，當產生於探測器中的電子/空穴對的雲(FWHM)大於探測器的像素的尺寸時，這些贗象也發生。
發明人進行了實驗以發現用來抵消所述位置相關偏置的作用的解決辦法。技術人員想起的最明顯的解決辦法是將較低的概率附到峰值附近的事件上。在圖像中，這通過換算(scale)對應於高概率位置的圖像像素的強度來實現。然而，這不具有物理基礎：這樣的換算暗示著僅僅在具有高概率的位置處探測到的粒子的部分被成像。同樣地，信息的部分丟失，造成噪聲方面的增加。根據本發明的方法，在有或無提高的解析度的情況下，也可以被用於在奈圭斯特頻率(所述奈圭斯特頻率受探測器像素尺寸支配)附近的提高的S/N比。
發明人發現，通過調節每個撞擊位置對對應圖像像素的貢獻來抵消所述位置相關偏置的作用，該位置相關偏置的作用可以被抵消。
每個估計的撞擊位置對對應圖像像素的貢獻可以包括探測器像素之內的估計的位置的調節，該調節，探測器像素之內的估計的位置的函數。這可以使用數學函數(優選地，樣條函數)或者使用查找表(LUT)來獲得。當使用LUT時，位置的調節可以基於一個LUT值，或者基於多於一個LUT值的插值。這造成經調節的估計的位置。
替選地或者額外地，每個估計的撞擊位置對對應圖像像素的貢獻可以包括將強度添加到多於一個圖像像素，該添加，探測器像素之內的估計的位置(或經調節的估計的位置)的函數。
將強度添加到多於一個圖像像素可以使用LUT得到，LUT值，像素之內的估計的位置的函數。LUT可以示出大量的值，每個值對應於化整的估計的位置。這引入位置信息方面的(小的)化整。優選地，該值從LUT中的插值得到，該插值基於探測器像素之內的估計的位置。較少的化整然後被預期。替選地，強度的添加可以從數學函數(優選地，樣條函數)得到。
在又另一個實施例中，微粒輻射是來自電子、離子和X射線的組的微粒輻射
注意到，本發明不涉及PALM或dSTORM，由於這些超解析度方法探測由一個像素捕獲的許多粒子，每個粒子，可見光的光子，每個光子導致(至多)一個電子/空穴對，隨後確定數個相鄰像素的質心。
進一步注意到，針對Gatan的S2攝像機，僅有的已知超解析度設定是半個像素尺寸。Gatan確實沒有在任何地方公開，估計的位置被移動以抵消在半個像素尺寸處的群集。由於位置相關偏置誤差在兩倍像素尺寸處引入不均勻性，這在超解析度被設置成恰好半個像素尺寸時難以探測。
該方法與來自電子、離子、和X射線光子的組的微粒輻射兼容。
在實施例中，該方法進一步包括使用對許多粒子的撞擊位置的估計來獲得像素化圖像，每個粒子的撞擊位置的估計對數個圖像像素的強度做貢獻。
注意到，當將探測到的粒子歸於僅僅一個圖像的像素時，莫爾效應和幹涉可以發生。發明人發現，為了避免這，每個粒子的貢獻最好在數個像素上擴展開。
注意到，只要用於擴展開該貢獻的點擴展函數(PSF)已知，這就是可逆的方法，並且通過圖像強度和(已知的)PSF的反卷積可以得到初始位置。
優選地，該數個圖像像素是相鄰的圖像像素，但是像素的量不需要被限制於直接鄰接對應於估計的撞擊位置的像素的圖像像素。
注意到，雖然對於本發明的方法特別有用，但是用於探測微粒輻射的其他方法也可以受益於使用對許多粒子的撞擊位置的估計來獲得像素化圖像，每個粒子的撞擊位置的估計對數個圖像像素的強度做貢獻。
現在使用圖1闡明本發明。
為此，圖1示意性地示出跨像素的位置相關偏置。這涉及實際測量，其中大量電子撞擊在像素化探測器上，該像素化探測器具有14×14μm2的像素尺寸，而電子/空穴對的雲的FWHM尺寸被估計為22μm(像素尺寸的1.6倍)。注意到輻射是均勻的。顯然，估計的位置不是均勻的，指示存在位置相關偏置。該位置相關偏置可以通過使用針對每個亞像素(sub-pixel)的矢量場或者使用函數(其中經調節的位置(u，v)是探測到的位置(x，y)的函數，從而(u，v)＝F(x，y))來移動位置而抵消，或者其可以通過將一個事件(撞擊)的貢獻擴展在數個圖像像素或亞像素上而抵消(將撞擊位置表示為對數個探測器亞像素做貢獻的「點(bolb)」，該點，位置相關的點。注意到，一個亞像素對於圖像像素可以示出一對一關係，或者數個亞像素可以對一個圖像像素做貢獻。在任何事件中，將表示一個估計的撞擊的信息擴展在數個圖像像素上是有利的。這種在數個圖像像素上擴展(還被稱作擴展)本身是反直覺的，由於其給出類似於模糊的結果，但是該擴展消除(或大大減少)莫爾效應和幹涉。
注意到，當使用適當的擴展，並假設該圖像是稀疏圖像(因此：在大部分情況下，每圖像像素一個撞擊或無撞擊)時，估計的撞擊位置可以完全從圖像取回，即：沒有位置信息丟失。在非稀疏圖像的情況下，每個單獨的估計的撞擊的位置信息不能被取回，但是該信息被併入在圖像中。
進一步注意到，這種擴展(有效地，空間低通濾波器)可以跟隨著高通濾波器，以在最小的信息丟失的情況下提高圖像質量(對圖像勻邊(crisp))。
這種移動和/或擴展應該在將信息歸於圖像像素之前發生。當該擴展在組合探測器圖像之後完成時，信息丟失。在組合之後移動是不可能的。由此，發明人斷定：任何校正應該理想地通過移動估計的撞擊位置和將信息擴展在數個圖像像素上而在其中單個撞擊事件被處理的級別上被執行。當撞擊被歸於一組探測器亞像素(所述亞像素用於構造圖像)或一組圖像像素時，可以獲得類似(儘管略差)的結果。
如果該移動或擴展以比圖像表示更高的解析度被執行，則高頻信息(例如在奈圭斯特頻率的一半以上)被更好地表示，造成提高的S/N比。
注意到，所有這不消除針對前述像素間差異進行校正的需要。
總之，當用像素化探測器探測微粒輻射諸如電子時，電子/空穴對的雲被形成於探測器中。使用由該電子/空穴對的雲導致的信號，估計撞擊的位置。發明人發現，當雲的尺寸與像素尺寸相當，或比像素尺寸小得多時，估計的位置示出對像素的中心和角落、以及對邊界的中間的強偏置。這阻礙形成具有超解析度的圖像。通過移動位置或通過將電子歸於數個亞像素，這種偏置可以被抵消，造成更真實的表示。注意到，移動和/或擴展應該在將信息歸於圖像像素之前，以及在每亞像素添加事件之前發生。當該擴展在組合探測器圖像之後完成時，信息丟失。注意到，在組合探測器圖像之後移動是不可能的。