本發(fā)明涉及一種使用基于半導(dǎo)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(dǎo)體材料中導(dǎo)致許多電子/空穴對，所述許多電子/空穴對具有質(zhì)心和質(zhì)心范圍(centroid extent)，質(zhì)心的范圍大于探測器像素尺寸，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(shù)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(shù)量的電子/空穴對的質(zhì)心的位置的步驟，
·使用所述估計的質(zhì)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(shù)：
這樣的方法尤其從商業(yè)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(jīng)攔截的電子在探測器的半導(dǎo)體材料中導(dǎo)致電子/空穴對的云，從而在其中其被探測到的(一個或多個)探測器像素中導(dǎo)致信號。由于云(質(zhì)心)的直徑大于探測器像素的直徑，一個碰撞電子在多個探測器像素中導(dǎo)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分辨率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分辨率來確定撞擊位置的估計。這被用來形成具有超分辨率的圖像(由于分辨率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于半個探測器像素或(多個)整個探測器像素的分辨率的結(jié)果。
注意到在許多情況下，質(zhì)心的范圍可以用FWHM(半高全寬)直徑來表征。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明意圖提供與已知方法相比具有提高的分辨率和/或信噪(S/N)比的方法。
為此，該方法特征在于，當估計撞擊位置時，所述估計具有取決于在探測器像素之內(nèi)的位置的位置相關(guān)偏置，以及每個估計的撞擊位置對對應(yīng)圖像像素的貢獻被調(diào)節(jié)以抵消所述位置相關(guān)偏置的作用。
具體實施方式
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)探測器像素對碰撞粒子的響應(yīng)不僅取決于像素之間的不同響應(yīng)(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(nèi)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(guān)偏置)是不均勻的：所述位置相關(guān)偏置(可再現(xiàn)地)取決于探測器像素上的位置，并且從而引入像素內(nèi)不均勻性)。
這可以被解釋如下：假設(shè)電子/空穴對的云的范圍小于像素尺寸，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(chǎn)生于一個探測器像素之內(nèi))，該位置將被分配給探測器像素的中間，由于不存在場地(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(dǎo)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(guān)聯(lián)。僅僅在角落附近，在兩個方向上的正確定位可以被執(zhí)行。針對比探測器像素尺寸大得多的范圍，作用(不均勻性)涂抹掉。針對(略)大于像素尺寸的質(zhì)心尺寸，估計的位置在探測器像素的中心附近群集，在較小的范圍上群集到邊界的中心、并且群集到角落。在像素之內(nèi)的增強的概率的峰值因此是贗象，(在傅里葉空間中)造成位于多個(偶數(shù)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(chǎn)生于探測器中的電子/空穴對的云(FWHM)大于探測器的像素的尺寸時，這些贗象也發(fā)生。
發(fā)明人進行了實驗以發(fā)現(xiàn)用來抵消所述位置相關(guān)偏置的作用的解決辦法。技術(shù)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(yīng)于高概率位置的圖像像素的強度來實現(xiàn)。然而，這不具有物理基礎(chǔ)：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(jù)本發(fā)明的方法，在有或無提高的分辨率的情況下，也可以被用于在奈圭斯特頻率(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(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)每個撞擊位置對對應(yīng)圖像像素的貢獻來抵消所述位置相關(guān)偏置的作用，該位置相關(guān)偏置的作用可以被抵消。
每個估計的撞擊位置對對應(yīng)圖像像素的貢獻可以包括探測器像素之內(nèi)的估計的位置的調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)，探測器像素之內(nèi)的估計的位置的函數(shù)。這可以使用數(shù)學(xué)函數(shù)(優(yōu)選地，樣條函數(shù))或者使用查找表(LUT)來獲得。當使用LUT時，位置的調(diào)節(jié)可以基于一個LUT值，或者基于多于一個LUT值的插值。這造成經(jīng)調(diào)節(jié)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(yīng)圖像像素的貢獻可以包括將強度添加到多于一個圖像像素，該添加，探測器像素之內(nèi)的估計的位置(或經(jīng)調(diào)節(jié)的估計的位置)的函數(shù)。
將強度添加到多于一個圖像像素可以使用LUT得到，LUT值，像素之內(nèi)的估計的位置的函數(shù)。LUT可以示出大量的值，每個值對應(yīng)于化整的估計的位置。這引入位置信息方面的(小的)化整。優(yōu)選地，該值從LUT中的插值得到，該插值基于探測器像素之內(nèi)的估計的位置。較少的化整然后被預(yù)期。替選地，強度的添加可以從數(shù)學(xué)函數(shù)(優(yōu)選地，樣條函數(shù))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(fā)明不涉及PALM或dSTORM，由于這些超分辨率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(dǎo)致(至多)一個電子/空穴對，隨后確定數(shù)個相鄰像素的質(zhì)心。
進一步注意到，針對Gatan的S2攝像機，僅有的已知超分辨率設(shè)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。由于位置相關(guān)偏置誤差在兩倍像素尺寸處引入不均勻性，這在超分辨率被設(shè)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(shù)個圖像像素的強度做貢獻。
注意到，當將探測到的粒子歸于僅僅一個圖像的像素時，莫爾效應(yīng)和干涉可以發(fā)生。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，為了避免這，每個粒子的貢獻最好在數(shù)個像素上擴展開。
注意到，只要用于擴展開該貢獻的點擴展函數(shù)(PSF)已知，這就是可逆的方法，并且通過圖像強度和(已知的)PSF的反卷積可以得到初始位置。
優(yōu)選地，該數(shù)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于直接鄰接對應(yīng)于估計的撞擊位置的像素的圖像像素。
注意到，雖然對于本發(fā)明的方法特別有用，但是用于探測微粒輻射的其他方法也可以受益于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(shù)個圖像像素的強度做貢獻。
現(xiàn)在使用圖1闡明本發(fā)明。
為此，圖1示意性地示出跨像素的位置相關(guān)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/空穴對的云的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(guān)偏置。該位置相關(guān)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(shù)(其中經(jīng)調(diào)節(jié)的位置(u，v)是探測到的位置(x，y)的函數(shù)，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(shù)個圖像像素或亞像素上而抵消(將撞擊位置表示為對數(shù)個探測器亞像素做貢獻的“點(bolb)”，該點，位置相關(guān)的點。注意到，一個亞像素對于圖像像素可以示出一對一關(guān)系，或者數(shù)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(shù)個圖像像素上是有利的。這種在數(shù)個圖像像素上擴展(還被稱作擴展)本身是反直覺的，由于其給出類似于模糊的結(jié)果，但是該擴展消除(或大大減少)莫爾效應(yīng)和干涉。
注意到，當使用適當?shù)臄U展，并假設(shè)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，但是該信息被并入在圖像中。
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(zhì)量(對圖像勻邊(crisp))。
這種移動和/或擴展應(yīng)該在將信息歸于圖像像素之前發(fā)生。當該擴展在組合探測器圖像之后完成時，信息丟失。在組合之后移動是不可能的。由此，發(fā)明人斷定：任何校正應(yīng)該理想地通過移動估計的撞擊位置和將信息擴展在數(shù)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(zhí)行。當撞擊被歸于一組探測器亞像素(所述亞像素用于構(gòu)造圖像)或一組圖像像素時，可以獲得類似(盡管略差)的結(jié)果。
如果該移動或擴展以比圖像表示更高的分辨率被執(zhí)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/空穴對的云被形成于探測器中。使用由該電子/空穴對的云導(dǎo)致的信號，估計撞擊的位置。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當云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。這阻礙形成具有超分辨率的圖像。通過移動位置或通過將電子歸于數(shù)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(yīng)該在將信息歸于圖像像素之前，以及在每亞像素添加事件之前發(fā)生。當該擴展在組合探測器圖像之后完成時，信息丟失。注意到，在組合探測器圖像之后移動是不可能的。