專利名稱：成象裝置、成象系統(tǒng)及成象方法
技術領域：
本發(fā)明涉及成象裝置、成象系統(tǒng)及成象方法，具體地說，涉及一種用作圖象傳感器的半導體象素成象裝置，并涉及采用所述半導體象素成象裝置的成象系統(tǒng)和成象方法。
在以下的現(xiàn)有技術中已知半導體象素裝置的兩種基本類型是，1)電荷耦合圖象傳感器，又稱電荷耦合器件(CCD)，和2)脈沖計數(shù)半導體象素裝置。
CCD作為圖象傳感器大致已經(jīng)使用了15年(比如見S·M Sze的“半導體器件物理”1981年第2版)。差不多所有可用的CCD都用硅(Si)工藝來制作。CCD的工作原理是根據(jù)這樣的事實，當經(jīng)柵極加上適當?shù)碾妷簳r，大體積的Si變得缺少多數(shù)載流子(如空穴)，并形成一個可使電子聚集的區(qū)域(耗盡區(qū))。這個耗盡區(qū)相當于一個深度與所加電壓成正比的勢阱。因而一個CCD象素中所能儲存的電荷最大值取決于該電極下的面積、所加電壓、來自連續(xù)落入阱內(nèi)的大體積Si的暗電流或漏泄電流，以及所述電極與大體積Si間的氧化層厚度。這些因素決定實際的CCD電荷存儲容量。
當所述勢阱內(nèi)積聚了電子并需讀出它們時，所述柵極的電位被脈沖調(diào)制，并且一個柵極下所存的電子包開始定時地向下一個柵極移動，并依此類推。所述電子包從不脫離Si襯底，而且為了讀出某一象素位置處所存的電荷，必須按順次的方式先讀出它前面所有其它象素的信息。在這個過程中，不會再有電荷被積聚，因為這種積聚將破壞每個象素電荷所含的信息，因而將會損害圖象的分辨率和對比度。所以，在讀出期間，所述圖象傳感器是不起作用的。上述過程每個象素需要至少三個柵極。
CCD可被用來檢測、存儲和讀出由光和/或輻射產(chǎn)生的電荷，或者可以像一個讀出裝置一樣只是被用來讀出其它檢測裝置(如光電二極管)所產(chǎn)生的電荷。當不僅被用來檢測入射的輻射，而且還用來讀出這樣的信號時，CCD另外還有效率低的缺點。
具體地說，在高能情況下(幾千電子伏以上的X-射線)，可把CCD和把X-射線轉(zhuǎn)換成可見光的光轉(zhuǎn)換屏一起使用，CCD對可見光更靈敏。但是，光的散射使分辨率及對比度變差。
所以，CCD按下述方式工作1)使電荷被積聚在由所加電壓而產(chǎn)生的耗盡區(qū)內(nèi)。對于每個象素來說，耗盡區(qū)具有勢阱的形狀，并將電子約束在所述柵極下而保持在Si的體積內(nèi)。
2)脈沖調(diào)制所述柵極的電壓，以便使每個電荷包定時地移向和下一個象素對應的體積。所述電荷包在全部時間保持在Si襯底內(nèi)，并逐個象素地按定時通過其路徑而到達一個公共的輸出端。在此過程中不可能另外積聚電荷。
上面的結(jié)果使CCD成為一種存在有兩個基本缺點的器件，即1)折中的動態(tài)范圍。一般地說，一個CCD可以存儲100,000-700,000個電子。使動態(tài)范圍受到限制的原因在于，由于Si容積內(nèi)的暗電流使所述勢阱被填滿；在其下積累電荷的柵極的表面至多不超過總象素面積的1/3(因而不能利用象素的總電荷存儲容量)，而要耐受為讀出所需之突變電壓脈沖，與存儲容量有關的氧化層厚度必須是厚的，(說明氧化層越厚，能被存儲在勢阱中的電荷越少)。
2)不活動時間長。讀出所要求的不活動時間是相當長的。在很多情況下，這妨礙CCD被用為快速動態(tài)多幀圖象積累。
專利申請GB-A-2249430和GB-A-2262383中有兩個采用CCD系統(tǒng)的例子。這兩份申請都涉及克服CCD的固有缺點的方法。
半導體象素探測器包括一個帶有電極的半導體襯底，所述各電極將耗盡電壓加給各象素，并確定一個電荷收集容積。當有光子被光吸收，或者當有致電離輻射穿過所述半導體襯底的耗盡區(qū)時，簡單的緩沖電路就讀出電信號。所述緩沖電路可以是在作為電荷收集容積的同一個襯底上(參看EP-A-0,287,197)，或者是在一個分開的襯底上(參看EP-A-0,571,135)，按照比如公知的凸點鍵合技術，使該襯底以機械方式被連接到帶有電荷收集容積的襯底上(凸點鍵合是在十年前或更早就已知的一種工藝方法)。這些象素探測器以脈沖方式工作?？梢酝ㄟ^連續(xù)地讀出各象素，或者通過在足夠快速的情況下順次讀出各象素，來實現(xiàn)脈沖計數(shù)方式或簡單地脈沖成象。
在任何一種情況中，當作為高能射線或光照的結(jié)果而產(chǎn)生電荷時，目的是要讀出它，并處理信息。由于有較多的分段和較多并列的讀出通道，象素探測器使所需的讀出速率降低。但是，由于讀出電子線路將會溢出，或者計數(shù)能力飽和，因而損害圖象的對比度，使得它們不能適應高強度的應用。在有些這樣的器件中，同時入射的射線會引起不能被分辨的含糊的“重影”照射，并有損分辨率。雖然這些器件直接探測入射的輻射，但由于工作是以單個脈沖計數(shù)方式為基礎的，并且是以對不連續(xù)點的計數(shù)為基礎成象的，所以它們有這些缺點。
從上面可以理解，所有現(xiàn)有的這種器件都有不能解決的缺點。具體地說，CCD能通過連續(xù)的照射積累電荷，但僅限于所述Si襯底內(nèi)的勢阱的可能范圍之內(nèi)，這實質(zhì)上限制了所述的動態(tài)范圍。另外，由于電荷積累方法的緣故，電荷讀出是以時間順序的方式發(fā)生的，它需要把象素電荷內(nèi)容按定時方式轉(zhuǎn)到相鄰的象素存儲單元中(它總是在同一Si襯底上)。于是，一直到全部象素按時間順序被讀出之前，在讀出過程中不可能把另外入射的輻射和/或光記錄在一一對應的象素位置處，因而CCD不能積累一幅新的圖象。所以，受到限制的動態(tài)范圍和在成象過程中的較長的不活動時間是CCD的兩個主要缺點。
另一方面，已提出使某些半導體象素器件在每探測到一次照射就直接讀出象素的電荷含量信息。這些器件按單個脈沖計數(shù)方式工作，但在高計數(shù)率情況下，會有飽和問題的缺點。這種常規(guī)的單次照射的計數(shù)器件的動態(tài)范圍非常小。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種成象裝置，它根據(jù)不同的途徑使現(xiàn)有技術的各種問題被減輕和/或被解決。
按照本發(fā)明的一種情況，提供了一種用于使輻射成象的成象裝置，這種成象裝置包括一個象素元陣列，所述象素元包括一個具有象素探測器陣列的半導體襯底，探測器響應入射的輻射產(chǎn)生電荷；所述象素元還包括一個對應的象素電路陣列，每個象素電路與一個相關的象素探測器相聯(lián)系，以積聚由入射到所述象素探測器上的輻射所產(chǎn)生的電荷，這些象素電路是可單獨尋址的，并且包括用來積聚各象素探測器上由連續(xù)輻射的照射所產(chǎn)生的電荷的電子線路。
本發(fā)明提供一種成象裝置，可將其描述為一種有源象素半導體成象裝置(ASID)。本發(fā)明成象裝置的一些實施例特別適用于高能輻射成象，如X-射線、β-射線以及α-射線的實時成象。本發(fā)明還可用于對別種輻射，包括比如光的成象。
ASID在受照射期間能夠有效地對每個象素積聚電荷。它直接探測入射到半導體襯底的象素元探測器上的射線，并(通過以電荷值的形式直接存儲電荷，或者通過將其轉(zhuǎn)換成電壓或電流，再存儲最后的電壓或電流)在與所述象素元探測器相應的有源電路中存儲電荷。通過使每個象素的有源電路能單獨地、也即與其它象素電路無關地被尋址(如以隨機方式或順次方式)，可在照射期間或照射之后的任何時間讀出所存儲的電荷。
在本發(fā)明的一個實施例中，電荷被存儲在電荷存儲電子線路中(如集成的晶體管柵極或集成的電容器)。不要而且也不使用像CCD情況中那樣的耗盡層和勢阱。諸如FET柵極或電容器等電荷存儲器件可使其優(yōu)化以便基本上覆蓋整個象素電路區(qū)，從而使氧化層厚度為最小。這兩個因素使電荷存儲容量最大化，比如比CCD的電荷存儲容量大兩個數(shù)量級。此外，每個象素都不影響它的鄰近的象素。獨立訪問各象素可實現(xiàn)不可能由CCD所做到的快速動態(tài)成象幀的積聚。
本發(fā)明的一種實施例還能克服前述脈沖計數(shù)象素器件在高計數(shù)率情況下的缺點，它在要被讀出之前可存儲幾百或幾千個脈沖。因而，可減少讀出通道的數(shù)目，卻不損害器件的性能。
最好將有源電路安置在靠近象素探測器處，(或者和包含象素元探測器的半導體襯底集成在一起，或者在另外連接的一個襯底上)，并有足以存儲與幾百或幾千次輻射照射到相應象素探測器上相對應的電荷的動態(tài)范圍。
可將各象素電路的讀出安排成極為快速且獨立于所有其它象素電路，以致實際上沒有無效時間，使所述有源電路及相應的象素元探測器隨時可以繼續(xù)存儲輻射照射。
每個探測元和相聯(lián)系的有源電路構(gòu)成一個可隨機使用的、在輻照期間能夠(直接以電荷方式，或者以電壓或電流等效值方式)存儲電荷的、并能夠在照射期間或之后被讀出的動態(tài)有源成象象素。每個象素的信息并不被順序地傳給鄰近的象素，而是獨立于所有其它的象素而被讀出。可使讀出的速度以及對讀出信息進行并行或串行的信號處理的程度優(yōu)化以便和存儲一幀圖象的輻射強度及時間相配合。
因此，本發(fā)明的成象裝置，利用與相應的探測象素元一一對應所具有的較大的晶體管動態(tài)范圍和/或電容器動態(tài)范圍，可存儲來自連續(xù)輻射照射或光照射的電荷。CCD是使用Si襯底內(nèi)側(cè)的耗盡層將電荷存儲在勢阱中，而ASID則將電荷存在晶體管的柵極上和/或電容器中。因而，ASID將有比CCD高過兩個數(shù)量級的動態(tài)范圍。同樣的電荷存儲象素電路部分還能按與相應的象素探測元一一對應的方式讀出每個被存儲的電荷值，而在圖象的幀幅累計期間實際上沒有無效時間。ASID還減少了普通半導體象素器件在按脈沖計數(shù)方式工作時成象是按照與所存的總電荷成正比而不與輻射照射的次數(shù)成比例的缺點。普通脈沖計數(shù)象素器件在高計數(shù)率情況下有飽和的缺點，而ASID在它要被讀出之前可存儲幾百或幾千次照射。較長的電荷存儲時間(從幾微秒到大約1秒都是可能的)降低了重置所述象素電路的影響。于是，各象素電路的總無效時間是所述電荷存儲時間(或有效時間)的一個非常小的百分數(shù)。
本發(fā)明對于高強度成象的應用有特殊的用場。CCD器件的不實際的讀出速度、前面的象素探測器的含糊的‘重影’照射、以及效率低下、動態(tài)范圍小和無效時間長等問題都被本發(fā)明的實施例所克服。不過，應該理解，本發(fā)明并不限于高能和高強度的應用，本發(fā)明的實施例也可用于低能應用(如紫外波長、可見光波長或紅外波長)，以及低強度的應用(天文學)。
各象素電路最好包含一個用來存儲電荷的電荷儲存器件，如電容器和/或晶體管。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中。將電荷存儲在最好由一對被連接成級聯(lián)放大級的FET的其中一個FET的柵極上。
每個象素電路最好還包括電路系統(tǒng)，用以在比如讀出其中所存任何電荷之后以選擇方式對電荷存儲器件復位。本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例包括第一FET開關，它響應一個能使電荷存儲器件與輸出線路相連的信號，以便輸出所存的電荷；還包括第二FET開關，它響應一個復位信號，用以使所述電荷存儲器件接地，以復位該電荷存儲器件。
在有些應用，如γ照相機和核醫(yī)學中，象素尺寸可為1mm量級或小于1mm的寬度，最好接近350μm。
在其它應用中，象素元的尺寸可接近150μm或更小，最好接近50μm或更小，以接近10μm尤好，襯底厚度可在200μm到3mm之間。
可將象素電路集成地做在襯底上，并與相應的象素探測器對準。另一種可供選擇的是，可將象素電路形成于另一個襯底上，與象素電路相結(jié)合的這一襯底與跟象素探測器相結(jié)合的襯底相耦合，使每個象素電路與相應的象素探測器對準并與之耦合。
在本發(fā)明的特定實施例中，所述陣列包括唯一一行象素探測器和與之相聯(lián)系的象素電路，形成呈縫隙形的成象裝置，或者包括多行象素探測器和與之相聯(lián)系的象素電路，形成呈槽形的成象裝置。在這樣的實施例中，還可將用來響應象素探測器的象素電路排列成橫向靠近相應的象素探測器。
用于所述成象裝置的成象系統(tǒng)包括用于所述成象裝置的控制電子線路，所述線路包括尋址邏輯線路，用于尋址單個象素電路，以便從所述象素電路讀出所存的電荷，并選擇性地復位所述象素電路。尋址邏輯線路最好包括用以將所述象素電路的輸出線連接到所述成象裝置輸出端的裝置；向象素電路的讀出使能輸入端加給讀出使能信號的裝置；還包括向象素電路的復位輸入端加給復位信號的裝置。
用于連接輸出線的裝置可包括一個移位寄存器或者一個計數(shù)器，用來將各列象素之象素電路的輸出線順次連接到成象裝置的輸出端。同樣地，用以加給讀出使能信號的裝置也可包括一個移位寄存器或者一個計數(shù)器，以便將讀出使能信號順次加給每行象素的象素電路的讀出使能輸入端，和/或用以加給復位信號的裝置也可包括一個移位寄存器或者一個計數(shù)器，以便順次加給復位信號到每行象素之象素電路的復位輸入。
這樣，在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述尋址邏輯線路包括第一移位寄存器，用以將各列象素之象素電路的輸出線連接到成象裝置的輸出端；第二移位寄存器，用以將讀出使能的信號順次加給每行象素之象素電路的讀出使能輸入端；以及第三移位寄存器，用以將復位信號順次加給每行象素之象素電路的復位輸入端。在另一個優(yōu)選實施例中，同樣的控制信號可由一個計數(shù)器來實現(xiàn)，該計數(shù)器產(chǎn)生行和列的地址，它們被解碼以輸出選擇、復位和讀出使能信號。所述控制電子線路可包括一個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，用以將象素電路的電荷讀數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電荷值。
至少可將部分控制電子線路集成地形成于在其上也形成有象素電路的半導體襯底中。
所述成象系統(tǒng)最好包括一個與所述控制電子線路連在一起的圖象處理器，用以處理各象素電路的數(shù)字電荷值，形成供顯示裝置上顯示的圖象。
為了最佳地顯示所收集到的圖象，所述處理器要確定用于顯示的各象素最大電荷值和最小電荷值，對最大電荷值和最小電荷值分配極端的灰度或色度值，并根據(jù)象素的電荷值在極端值之間斜率對單個象素規(guī)定其灰度或色度。
最好按下述公式規(guī)定灰度或色度
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，一個包括多個如上面所限定之成象裝置的成象系統(tǒng)被鋪在一起以形成鑲嵌結(jié)構(gòu)。這樣就可以構(gòu)成大面積成象裝置，而沒有集成非常大面積器件方面通常的成品率問題。所述鑲嵌結(jié)構(gòu)包括多列鋪在一起的成象裝置，相鄰各列的成象裝置在列的方向有一定偏移。成象系統(tǒng)最好包括一個用于步進或移動所述成象裝置和/或一個擬被成象的目標的機構(gòu)，以便在整個圖象區(qū)內(nèi)積累一個圖象。
在一個實施例中，成象系統(tǒng)包括兩個成象面，每個面包括一個成象裝置的鑲嵌結(jié)構(gòu)，所述二成象面大體上互相平行地布置，并且所述兩個面之間由擬被成象的物體互相隔開，所述鑲嵌結(jié)構(gòu)彼此間有橫向偏離，以便實際上給出所述物體的整個圖象。這能在某些應用中實現(xiàn)基本上完整的成象，而不需要對成象平面的平移機構(gòu)。
最好將多個鋪在一起的成象裝置的相應圖象輸出連到一個公用的多路復用器，所述多路復用器的輸出被連到一個公用的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。另一種可供選擇的是，可先使多個鋪在一起的成象裝置成為菊花鏈接法，然后再轉(zhuǎn)換到一個公用的ADC。另外，可將單個的象素電路編址，用以按一定的速率讀出所存的電荷，以便使模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率最佳化，所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器將模擬的所存電荷值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。這些措施給出預期的靈活性，以便在成本(多路復用較多，ADC較少)與圖象對比度(多路復用較少，ADC較多)之間選擇最佳條件。
在一個包括一個或多個如上面所限定的呈縫隙形或呈槽形成象裝置的成象系統(tǒng)中，可設置沿垂直于所述成象裝置縱軸方向移動該呈縫隙形或呈槽形成象裝置的機構(gòu)，以便遍及整個成象區(qū)積累一個完整的圖象。
按照本發(fā)明的另一種情況，提供一種操作具有如上所限定的呈縫隙形或呈槽形成象裝置之成象系統(tǒng)的方法，所述方法包括沿橫向移動所述呈縫隙形或呈槽形的成象裝置，并按對應于所述成象裝置沿移動方向移過象素尺寸之半或少于一半的速率，從所述呈縫隙形或呈槽形成象裝置的象素電路讀出所積累的電荷。
按照本發(fā)明的再一種情況，提供一種操作包括一個或多個如上所限定的呈縫隙形或槽形成象裝置之成象系統(tǒng)的方法，所述方法包括，在下述參數(shù)之間選擇最佳關系，使被散射的輻射的影響為最小，所述參數(shù)有輻射源與擬成象物體之間的距離；擬成象物體與所述呈縫隙形或呈槽形成象裝置間的距離，和所述呈縫隙形或呈槽形成象裝置的寬度。
本發(fā)明還提供一種使與象素陣列中每個象素位置對應的積累值成象的方法，所述積累值是比如如上面所限定的成象裝置中每個象素位置所積累的電荷值，所述方法包括-確定擬成象的象素陣列區(qū)內(nèi)各象素所積存電荷的最大值和最小值；-把最終擬成象的灰度或色度的極端值賦給所存電荷的最大值和最小值；-按極端值標度對各象素的積累值賦以灰度或色度；-在各成象象素位置使所賦值的灰度或色度形成圖象。
換句話說，對由本發(fā)明成象裝置所收集的圖象的每一部分，比較擬被顯示的所有象素的電荷密度，對最高電荷密度點和最低電荷密度點將它們的色度指定為兩個極端的灰度或色度。其余部分的象素點根據(jù)每個象素中所積累的電荷被給定一個灰度或色度的值。
本發(fā)明還提供一種采用比如如上限定之成象系統(tǒng)時自動選擇成象最佳條件的方法以用于不同的成象應用，所述的應用中，入射的輻射根據(jù)所用的半導體材料或所用的組合物、以及入射的輻射的能量和種類，在半導體襯底的象素探測器中留下不同的電信號。所述方法包括-用重心法確定預期的最好分辨率；-作為輻射種類和能量的函數(shù)，確定預期的效率；-作為所選輻射種類和能量以及所選半導體材料或組合物的函數(shù)，確定象素尺寸及厚度。
本法還可以包括自動選擇具有所確定的象素尺寸及厚度的成象裝置的步驟。
本方法能對不同的成象應用自動地選擇成象過程的最佳條件，所述應用取決于所用半導體材料或組合物，入射輻射留下與所述入射輻射的能量和種類有關的不同的電信號。按照本方法，采用重心法以確定預期的最好分辨率，利用該重心法，在半導體內(nèi)輻射的每個步驟都被能量的損失或者等效地被該步驟中所得的電荷信號所加權(quán)。所以，分辨率由電荷加權(quán)平均所確定。類似地，預期效率作為輻射種類及能量的函數(shù)而被確定。對于每個ASID的半導體材料或組合物而言，有一個數(shù)據(jù)庫給出各種輻射的種類和能量的值，這樣，就允許直接和自動對設計規(guī)范進行優(yōu)化。
本發(fā)明還提供一種自動檢測和消除被檢測象素的值的方法，所述值表示入射到如上面所限定的成象裝置的象素元上的輻射，所述方法包括-使被檢測象素的值與閾值相比較，所述閾值與對直接入射的輻射所預期的被檢測電荷值的最小值有關；-除去小于所述閾值的被檢測的象素值。
本發(fā)明的這種情況使在進入成象裝置之前已經(jīng)散射的入射輻射(特別是低強度的輻射)，在處理前就被消除。這是通過按照以電信號形式所積存的能量來辨識被檢測的輻射而進行的。由于被散射的輻射已經(jīng)失去它的一些能量，它將通不過最小的能量截止區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的又一種情況，還提供一種進行有機物體或無機物體實時成象的方法，所述方法包括-利用產(chǎn)生X-射線、γ-射線、β-射線或α-射線的放射源輻照所述物體；-在如上所限定的成象裝置的一個或多個半導體成象平面處檢測未被吸收的輻射或從物體的選定區(qū)域發(fā)出的輻射，從而由入射的輻射在成象裝置的每個象素元處引起的電荷被積存在每個象素元的有源電路中；-對各象素元的有源電路單獨編址，以讀出所積累的電荷；-處理讀出的電荷，以給出圖象的象素數(shù)據(jù)；-顯示圖象象素的數(shù)據(jù)。
于是，除了提供一種新的成象裝置以外，本發(fā)明還提供利用所述成象裝置的系統(tǒng)。在第一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，各成象象素被布置成一個M×N矩陣，其中M和N可為幾千，從而給出一個全范圍的成象平面。在另一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，各成象象素被布置成有幾千行、每行有幾列的縫隙形狀或槽形。以恒定的速率遍及擬成象的面移動所述的縫隙或槽，并足夠快速地讀出所述縫隙(或槽)的幀，使在相鄰各幀間掃過的距離小于沿移動方向半個象素的尺寸。以此結(jié)構(gòu)及工作方式，能夠得到的沿移動方向的點分辨率等于在同一方向上的象素尺寸。于是，能使由全范圍成象平面所得到的、或者由普通的未按上述方式工作的縫隙或槽所得到的位置分辨率有2倍的改善。在又一種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，幾個上述的縫隙(或槽)被互相平行地、并且各縫隙(或槽)的縱軸間有恒定間隔地布置在同一平面上。于是，如果有n個這樣的縫隙(或槽)，并且被掃過的總距離是Xcm，則每個縫隙(或槽)只需掃X/ncm。這將減少對高速掃描機構(gòu)的要求，而且對一個時間周期，用較低電流(比采用單獨一個縫隙/槽時的電流低n倍)工作的X-射線源能形成同樣的圖象。
本發(fā)明還提供一種操作如上限定的成象裝置或成象系統(tǒng)的方法，包括在一定的速率下從各象素電路讀出所存的電荷，使得將模擬的所積累電荷值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率最佳化。
本發(fā)明還提供多種使用所述裝置和系統(tǒng)的方法。
因此，本發(fā)明與以照射計數(shù)為基礎的普通數(shù)字成象技術相反，它可提供直接檢測高能射線的有源積累模擬成象。按照本發(fā)明，電荷值(或者電流或電壓的等效值)是積累的，而不是大量的點，所述電荷值直接并成線性地相應于原始射線的總能量。CCD只能在很低的能量(接近可見光譜)下直接提供成象。對于高能的應用(10keV以上的X-射線)，CCD與轉(zhuǎn)換屏一起工作，所述轉(zhuǎn)換屏將高能射線轉(zhuǎn)換成可見光波長，CCD對它較為靈敏。在此過程中，光的發(fā)生和擴散明顯地使圖象的對比度和分辨率變壞。此外，就全部實際意義而言，CCD只限于用Si實現(xiàn)。然而，公知的是，Si是比較低密度的材料，就探測具有上述幾個keV能量的射線而言，效率非常低。
按照本發(fā)明的一種情況，提供一種方法，將電荷積累成圖象，以便對圖象的給定部分提供所能得到的最高的對比度和分辨率。對于圖象的各部分而言，可通過比較所有象素的電荷密度來做到這一點。最高電荷密度點和最低電荷密度點可被指定為所用的兩個極端的灰度或色度的色值。其余的點按照那些象素所積累的電荷(或者電流或電壓的等效值)被給定一個來自所述灰度或色度的值。
本發(fā)明還提供一種方法，用來使對在進入成象裝置之前已被散射的射線對圖象分辨率的影響最小，因此，當有源積累的被直接檢測的射線的模擬成象在起作用時，被散射的射線在對比度中的權(quán)重非常小，因為它們在成象裝置中積聚極少的能量。對于未被散射的射線來說，所積聚的能量對應于電荷值(或者電流或電壓的等效值)是非常大的。于是，當圖象處理期間每個象素按其積累的電荷值被分配一個色度或灰度值，可使被散射的輻射的影響為最小。
本發(fā)明還提供一種用來排除散射射線的方法，所述射線是已在進入成象裝置之前被相干地散射或被非相干地散射過的。為此采用了帶有準直射線源的縫隙技術，所述射線源受到調(diào)節(jié)以發(fā)射指向成象縫隙的射線。通過優(yōu)化射線源與物體在觀察中分開的距離、物體與成象縫隙在觀察中分開的距離、以及縫隙寬度，可以確定一個幾何形狀，它使被散射的射線的探測成為最小。這是被散射的射線“看見”一個小的相空間并且“無理由”進入細的成象縫隙的結(jié)果。這種方法是特別有效的，因為它是一種幾何方法，并且不需要了解射線的能量。被散射的射線是否已被非相干散射并已失去它們的一些能量(康普頓散射)，或是已被相干散射并保持它們的所有能量(瑞利散射)很可能不會被檢測到。
本發(fā)明還提供一種方法，用來在低強度的應用中排除在進入成象裝置之前已被散射的輻射的檢測。利用閾值排除能量低于一個預定能量值的被檢測到的輻射，這種輻射被非相干散射并已失去它最初的一些能量，它可以被從檢測中排除。
本發(fā)明還能自動使每個成象應用的特定結(jié)構(gòu)最佳化。根據(jù)所使用的半導體材料以及輻射的種類和能量，將積聚不同的電信號。利用重心法可發(fā)現(xiàn)所希望的最好分辨率。所需的效率也可作為輻射種類和能量的函數(shù)而被確定。對于每種半導體象素材料或組合物來說，可由數(shù)據(jù)庫提供各種函數(shù)種類及能量的值，因而能夠直接并且自動地使設計規(guī)范最佳化。
如上限定的成象裝置或成象系統(tǒng)可被用于普通X-射線，用于胸部X-射線，用于乳腺X-射線攝影，用于X-射線斷層照相，用于計算機化X-射線斷層照相，用于X-射線骨密度測量，用于γ-射線核射線攝影，用于單光子發(fā)射計算機化X-射線斷層照相(SPECT)用的γ-照相機，用于正電子發(fā)射X-射線斷層照相(PET)，用于X-射線牙齒成象，用于X-射線全景牙齒成象，用于利用同位素的β-射線成象，用于DNA、RNA和蛋白質(zhì)定序，原位雜交，DNA、RNA和分離蛋白質(zhì)或合成蛋白質(zhì)的雜交，以及一般地用于β-射線成象，和采用色譜法和聚合物鏈式反應的射線自顯影，用于產(chǎn)品質(zhì)量控制中的X-射線成象和γ-射線成象，用于實時和在線的無損檢測和無損監(jiān)視，以及用于安全控制系統(tǒng)和采用包括光在內(nèi)的輻射的實時成象。
以下將參照附圖，僅以舉例方式描述本發(fā)明的實施例，其中

圖1是包括本發(fā)明成象裝置的實施例之成象系統(tǒng)的示意方框圖；圖1a是FET的示意表示；圖2是本發(fā)明成象裝置的象素電路一個實例的示意電路圖；圖3是本發(fā)明成象裝置的一個成象陣列和控制電子線路的部分示意圖；圖4是一個具有本發(fā)明成象裝置的多組象素元的成象裝置的成象陣列和控制電子線路的部分示意電路圖；圖5是表示多個成象裝置的示意圖，它們被鋪成本發(fā)明成象裝置的鑲嵌結(jié)構(gòu)；圖5A是本發(fā)明實施例部分控制電子線路的示意圖，包含被鋪成鑲嵌結(jié)構(gòu)的多個成象裝置；圖6A-6C是鋪在一起的成象裝置示意圖；圖7A-7D表示一個按照本發(fā)明一種應用的例子，其中兩個成象平面被置于擬成象物體的相對兩側(cè)；圖8是本發(fā)明成象裝置的另一個象素電路實例的示意電路圖；圖9A和9B分別是圖8實施例部分成象陣列和控制連接的示意方框圖；圖10是本發(fā)明成象裝置一個實例的部分截面圖；圖11是本發(fā)明成象裝置的另一個象素電路實例的示意電路圖；圖12表示按照本發(fā)明的成象方法，采用呈縫隙形的成象裝置或呈槽形的成象裝置；圖13表示為減少散射的影響，使呈縫隙形的成象裝置或呈槽形的成象裝置的參數(shù)最佳化；圖14是β-射線穿過Si的通路的示意表示。
圖1是包含本發(fā)明成象裝置一個實施例的成象系統(tǒng)10的一種應用實例的示意表示。
本應用涉及受到輻射14的物體12的輻射成象。所述輻射可以是比如X-線輻射，物體12可以是比如人體的一部分。
所述成象裝置包括一個含有多個象素元18的有源象素半導體成象裝置(ASID)16。本成象裝置借助相應的象素元探測器上的或鄰近的、可隨機訪問的有源動態(tài)象素電路直接檢測表示高能入射輻射，如X-射線、γ-射線、β-射線或α-射線入射到該象素元上的輻射值并將其積存在各象素元中。
可將ASID構(gòu)造成單獨一塊帶有象素元的半導體襯底(如Si)，每個象素元包括一個象素探測器19和一個有源象素電路20。另一種可供選擇的是，可將ASID構(gòu)造于兩塊襯底上，一個帶有象素探測器19的陣列，一個帶有有源象素電路20的陣列，此二襯底通過比如普通的凸點鍵合方法互相機械地連在一起。
每個象素元18通過電極(未示出)被有效地限定在所述襯底上，所述電極加給一個偏壓，用以對象素元18確定一個檢測區(qū)(即象素探測器19)。各有源象素電路20依其電結(jié)構(gòu)形式(如晶體管形式、電容器形式等)可被確定于每個象素元18上，或在相關的第二襯底上的相應位置處，以存儲在比如光子或輻射的帶電粒子入射到象素18的耗盡區(qū)上時象素探測器中所產(chǎn)生的電荷。有源象素電路20和象素探測器19的尺寸可以是幾十微米量級(如10-50μm)。下面將參照圖2、8和11描述有源象素電路的幾個實例。
如上所述，可將有源象素電路20作為半導體加工的一部分整體地構(gòu)造于象素元18的半導體襯底16上。可采用特殊的處理方法，使各象素電路與各檢測象素集成在同一晶片上。另一種可供選擇的是，可將有源象素電路20構(gòu)造于第二晶片上，并分配到與第一晶片上的每個象素元18所確定的象素探測器19相對應。然后再用公知的方法，如凸點鍵合將此二元件連在一起，使對于每個象素元18的有源象素電路20被置于靠近(在后面)并疊置在該象素元18的相應象素探測器19上。
象素探測器19由耗盡區(qū)形成，以便當在半導體襯底16中把光子吸收在一個象素元18處時產(chǎn)生一個電荷，或者當帶電的輻射粒子電離在一個象素元18處的半導體襯底16的耗盡區(qū)時，一個電脈沖從半導體襯底的耗盡區(qū)移到所述象素元18的有源象素電路20處。然后使與該電脈沖相關的值或者直接以電荷值、或者以等效的電壓值或電流值的形式存儲在一個有源電路部分，以使由隨后入射輻射所產(chǎn)生的新的電荷連續(xù)地相加?？赡艿拇鎯ζ骷膶嵗潜患傻碾娙萜骰虮患傻木w管的柵極。有源象素電路20中的這種電荷積累過程繼續(xù)進行，直到控制電路24送出控制信號，通過尋址各象素元以隨機訪問的方式開始從各單個象素元有效地讀出信息的過程。在讀出所存電荷值的過程中，由于對檢測象素元的讀出總是單個地進行的，所以電荷仍繼續(xù)地積累。讀出后，可以有選擇地對各象素電路復位，使各電荷存儲電路元件放電，只有在這個時候有極短的時間各象素無效(如將表示的那樣，實際上沒有無用時間)。因而，只在復位期間每個象素是無效的。
圖1a表示的是按照本發(fā)明的一個象素電路電荷積聚部分實例的電荷積聚原理。在這個例子中，場效應晶體管被形成于半導體襯底上。具體地說，在P-型硅襯底1中，分別由源極和漏極形成n+攙雜區(qū)4和6。源極3和漏極5形成于氧化層2中，柵極7則形成于所述氧化層2上方。借助FET的柵極電容，使電荷積累在場效應晶體管(MOSFET)的柵極7上。隨著電荷在FET柵極上積累，使FET翻轉(zhuǎn)層8(具有FET工作所需的少數(shù)電子載流子的層)中的電子濃度降低。可以存儲的電荷最大值取決于所述翻轉(zhuǎn)層中能容許的電子密度的最小值。因此，電荷的積累不受任何像在CCD中的情況那樣來自大體積硅的暗電流的影響，因為電荷不會被存儲在任何耗盡的容積內(nèi)。電荷存儲的容量只由FET柵極的總面積(實際上它接近于象素電路的面積)、氧化層的厚度(可以是像幾個nm和幾十個nm那樣薄)，以及FET的動態(tài)范圍(它決定最大柵極電壓)決定。應予說明的是，這僅是象素電路電荷存儲部分的一個例子，按照本發(fā)明，可將電荷積聚在任何適當?shù)脑谙鄳笏仉娐分袑崿F(xiàn)的電荷積聚器件中。
象素的間距可以像10μm這樣小，這會帶來優(yōu)良的位置分辨率，并因而帶來優(yōu)良的圖象分辨率。
圖2表示本發(fā)明成象裝置一個實例中象素元的有源象素電路20的一個優(yōu)選實施例。本發(fā)明的這個例子中采用被布置成級聯(lián)放大器的場效應晶體管(FET)。VBIAS40是跨越象素元的象素探測器19所形成的耗盡區(qū)的偏壓輸入端。象素探測器19用二極管符號D11表示。在象素電路自身中，SIGOUT42是模擬信號輸出端，VANA44是模擬的電源輸入端。RES-R-1是復位輸入端，ENA-R-1是象素電路的啟動輸入端。當RES-R-146和ENA-R-148二輸入端都為低電平時，電荷被存儲在晶體管M11A50的柵極處。
柵極電容實際上形成輸入節(jié)點電容(總電容)，因而使電荷的存儲能力最大。本發(fā)明的目的在于通過使所有其它電路(及探測器)元件的寄生電容或無用電容成為最小，并由電荷存儲晶體管M11A50形成基本上是全部的輸入節(jié)點電容以提供最大電荷積聚能力。對于35μm×35μm的象素電路，M11A50的電容可為2pF，而FET柵極電壓的動態(tài)范圍至少可為2V。這對應于大約25,000,000個電子的存儲容量，這比同樣尺寸的CCD的容量大100倍。應予說明的是，上例中FET的2pF電容基本上形成了象素元的全部輸入節(jié)點電容。在上述35μm×35μm象素的例子中，檢測器及各象素電路中的元件和相應的象素探測器的總寄生電容在幾fF或幾十fF的范圍。應使電荷存儲器件的電容最大化，并且在任何情況下都使之明顯地大于每個象素元中寄生電容。在上面的例子中，充當象素電路中電荷積聚器件的FET的電容大于包含象素探測器及相應象素電路的象素元總電容的90％。這樣的結(jié)果是所有被收集的電荷實際上將被積聚在存儲電荷的FET中，而不會分散在各探測器元件中間和其余象素電路元件中間。
應該理解，F(xiàn)ET的使用只給出了本發(fā)明的一個例子，在這個例子中，使用象素電荷存儲器件(比如FET的柵極或電容器)時積累電荷的電容量最大，這造成了各象素大部分的輸入節(jié)點電容。
為了讀取象素元，取ENA-R-1為高電平，使電流能從晶體管M11A50經(jīng)晶體管M11B52流到SIGOUT42。將RES-R-1接到高電平，使該象素電路被復位，隨著RES-R-1已經(jīng)處于高電平只不過幾微秒之后，一切所存電荷都已從晶體管M11A50的柵極移走。緊接著RES-R-146到達低電平后，電荷立刻開始積聚在晶體管M11A50的柵極。如果未將復位脈沖加到恢復輸入端RES-R-146，則須說明，當啟動輸入端ENA-R-1變?yōu)楦唠娖綍r，讀出操作就不會損失電荷，而只是讓與所存電荷成正比的電流流過。這樣就能多次讀出而不復位。
圖11表示本發(fā)明成象裝置一個例子中象素元的有源象素電路320的又一實例。該例類似于圖2的例子。象素探測器被表示成象素元PD319。在這個象素電路本身中，VBIAS140是柵偏壓，OUT342是模擬信號輸出端，RESET346是與復位FET347相連的復位輸入端，ENABLE348是與象素電路的啟動FET352相連的啟動輸入端。當ENABLE348輸入端為低電平、而RESET346輸入端為高電平時，電荷(電子)被存在電荷存儲FET350的柵極。為了讀取該象素元，取ENABLE348為高電平，使電流從FET350經(jīng)FET352流到OUT342。將RESET接到低電平，使該象素電路復位，隨著RESET346已經(jīng)處于低電平只不過幾微秒之后，一切所存電荷將從晶體管FET350的柵極移走。在RESET346到達高電平后，電荷立刻開始積聚在晶體管FET350的柵極。如果不把復位脈沖加到復位輸入端RESET346，則須說明，當啟動輸入端ENABLE為高電平時，讀出操作不會損失電荷，而代之以引起與所存電荷成正比的電流流過。于是可看出，圖11電路的工作情況與圖2情況類似。附帶說明，圖11的電路包括二極管354和356，它們起所述象素電路的過載保護線路的作用。這兩個二極管提供保護，既防止能夠損壞FET的靜電，又防止FET過載。如果FET350的柵極存儲量超過預定的電荷閾值(如相當于5V的偏壓)，則電流將開始通過二極管356流到地，從而保護了FET350。這將保護各象素元，它們比如接受了要成象物體周圍外邊的全部輻射。最好將兩個FET350和352做成級聯(lián)放大級。在這種結(jié)構(gòu)中，兩個FET350和352提供使阻抗增加的轉(zhuǎn)換，而不會相應地增加噪聲。因此，本實施例所述每個象素電路的噪聲電平只是大約500e，而象素電路仍保持非常小的尺寸(小到10-20μm的象素尺寸)、非常大的約50,000,000e的動態(tài)范圍、和單獨編址的可能性。
圖11還示出可選的雙極型晶體管360，它是可以被省去的。后面將述及與電壓源VBASE相連的雙極型晶體管的用途。
圖10是本發(fā)明成象裝置一個具體實施例的示意圖示。圖10所示的成象裝置包括象素探測器襯底214，它帶有在第二襯底212上形成的有源象素電路，所述第二襯底借助多個微小凸塊222與象素探測器214相連。用符號FET將有源象素電路20示意地示于襯底212中。
在暴露于入射輻射的象素探測器襯底214的部分上面設有連續(xù)電極110。換句話說，圖10中假設入射的輻射是沿著朝上的方向到達的。因而，象素探測器襯底112本體處于連續(xù)電極110后面。層112的后表面上設有多個象素探測器電極114。正是象素探測器電極114的陣列，它們實際上在象素探測器襯底214內(nèi)確定各個象素探測器元19。每個象素探測器電極114通過相應的微小凸塊222與相應的象素電路20作電耦合和機械耦合。應予理解的是，圖10的表示是非常示意的，而未按比例。
除上面已描述的特征之外，圖10還示出可選的特征，它們可按下述方式被用于隔離各個象素電路。
對于不同探測器的象素元來說，相應的電荷存儲FET350可以由于不同的輻射或光強度入射到各探測器象素元上而積聚不同量電荷。因而在相鄰的象素之間產(chǎn)生電勢差。如果未將各象素電分離，則電位降可引起信號電荷通過探測器從一個象素電路泄漏到鄰近的象素電路中。存儲時間越長，問題就會越嚴重。按照本發(fā)明的優(yōu)選情況，利用提供電隔離的方法，或者等效地使相鄰象素元的電阻最大化，可使這種影響被減小或者被消除。因此，在各探測器的象素元之間(即確定探測器象素元的電極114之間)加置鈍化層116，如聚酰氨。由于這樣的鈍化層不是導體，這就在電氣上隔離了相鄰的探測器象素元。此外，還可將電極加在所述鈍化層上，并且所加電壓V將建立貫穿探測器容積內(nèi)幾微米的勢壘118。這種試圖從象素電路20中的電荷積累FET逃逸的電荷將會碰到該勢壘，將不會被擴散到鄰近的象素電路FET中。
此外，第三種選擇方案在每個象素電路入口處設置一個npn型晶體管(雙極型晶體管)。這被示于圖11中。當把雙極型晶體管的基極設置在適當?shù)膶λ邢笏仉娐返碾p極型晶體管公用的電壓(大約1V)時，所述雙極型晶體管將起二極管的作用，使電荷流入FET350的柵極，但同時阻止任何沿相反途徑的逃逸。按照這種方式，當電荷存儲FET350的柵極保持不同的電位降(與已存儲的不同信號電荷成比例)時，對于所有象素電路其入口處的電位是共同的。于是，按照本發(fā)明的這種情況，在所述成象裝置中設置使各象素元電氣上隔離的裝置，用以保持每個象素電路上所積存的全部或基本全部的電荷。本發(fā)明的這一優(yōu)選情況在存儲時間比較長的情況下，如幾十或幾百微秒范圍內(nèi)，是特別有用的，當存儲時間是在毫秒范圍或者幾十或幾百毫秒范圍內(nèi)時，就尤為有用。
在維持一個象素的尺寸小于50μm×50μm時，象素電路20可在每個象素存儲多達60,000,000個電子所表示的電荷。象素的厚度或者象素探測器被完全耗盡的部分可達3mm，因而使這些探測器對能量小于200keV的X-射線非常靈敏。對于帶電輻射而言，這種靈敏度實際上可到達100％。象素厚度的最小值可為200μm量級，這在要探測低能帶電輻射時可給出得到改善的分辨率。對輻射不靈敏的半導體襯底的不工作層可以是薄到50nm，以使來自小于30keV的β-輻射信號不受損失。
圖3是圖1的控制電子線路24的一種可能的結(jié)構(gòu)和該控制電子線路24與象素元18的有源電路20的m×n矩陣的關系。為易于表示，圖3中表示了一個9象素元的陣列，并且只有一部分信號線，它們組成圖1所示的路徑22。應該理解，按照本發(fā)明的一個成象裝置正常地將包括比圖3所示數(shù)目大得多的象素元。行選擇邏輯線路60控制行讀出(ENA74)和行復位(RES76)，列邏輯線路62按照時鐘信號79而啟動(COL-SEL)讀出每個象素電路20所存的電荷值。
控制電子線路24包括行選擇邏輯線路60、列地址邏輯電子線路62、電源電路70、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)56和信號處理電路58。最好將控制電子線路24(若不是全部也至少是一部分)做在襯底16上的由象素元18陣列形成的圖象陣列周圍。
電源電路70經(jīng)(圖3中示意地表示的)線路54為象素元18上的各個有源電路20提供電源，還可將其安排成經(jīng)一些線路(未示出)而為確定各象素元的電極提供偏壓。
行選擇邏輯線路60經(jīng)行啟動線路64和行復位線路66分別為選定列而提供信號(圖3中也示意地表示)，所選的列分別用來讀出和復位象素元18的各個有源電路20。行選擇線路64和行復位線路66分別連到所述行的每個象素電路的啟動輸入端ENA-R-148和復位輸入端RES-R-146。在所述行選擇邏輯線路60內(nèi)還示出用來連續(xù)掃描各行的行啟動信號74和行復位信號76?？梢钥吹剑瑥臀幻}沖76跟著行啟動脈沖74而發(fā)生，以使在讀取之后復位各有源電路。
列選擇邏輯線路62實際上包括一個多路復用器，用以經(jīng)(圖3中也示意地表示的)列線路68選擇信號輸出端，每條列線路被連到該列中每個象素電路20的SIGOUT輸出端42。于是，所述列選擇邏輯線路62中所顯示的COL-SEL信號78選擇列，以讀出現(xiàn)在已由行啟動脈沖74選擇的象素元18的各個有源電路20。在所示的實施例中，在一個行啟動周期內(nèi)，響應時鐘CLK79而對連續(xù)的列位置定時地給出選擇脈沖，使得在行選擇脈沖處置下一行之前，當前所選中的行上的每個有源象素電路所存電荷值于每個時鐘脈沖處被定時讀出。然后利用行復位脈沖76，同時使剛剛讀過的這一行的各有源象素電路復位。
采用常規(guī)的雙金屬化工藝很容易實現(xiàn)圖3所示的連接。正像參照圖3所描述的那樣，雖然各象素被按預定的次序順次讀出，但應理解的是，借助分開的行啟動信號和列啟動信號，各象素是按隨機訪問的方式被有效地訪問的。還應理解的是，利用適當?shù)男袉有盘柡土袉有盘柨墒箳呙璺较虮换Q(行到列)，或者實際上各象素可按完全隨機的方式被存取。還應理解，為配合各種應用的需要，可以很容易改變順次處理或并行處理的程度。例如，可將各行同時設置為高啟動電平，使列選擇時鐘將按各行并行的方式輸出，從而提高讀出速度。各行的復位不需要配合讀出速度。在多次讀取之后，每一行可在低于讀出速度的情況下被復位。應該理解，行和列的規(guī)定可以是任意的，并且可以被互換。
為了以有效的方式覆蓋一個很大的成象面，最好使各象素元以塊的形式組成m×n個象素元的組，塊內(nèi)的象素元按行被順次讀出并復位。圖4是表示2行×4列象素電路20的塊的示意圖。各象素電路將電荷存儲在晶體管MijA的柵極，其中i＝1，2而j＝1，2，3，4。為使晶體管保持在低電位，在讀取之后使每個柵極接地。通過給CLK輸入端80加一個時鐘脈沖串，并給RB-IN輸入端82加一個高電平的時鐘周期(讀位)而使讀出開始。
在第一時鐘周期內(nèi)，RB-IN輸入端82啟動開關SW4，這個開關將第四列的模擬輸出線路68與模擬輸出端ROUT88連在一起。從而，當?shù)谝恍械男袉虞斎攵薊NA-R-1為高電位時，它打開第一行的開關晶體管M1*B52，在此第一時鐘周期內(nèi)，代表象素電路20(1，4)的晶體管M14A50柵極上所存一切電荷的信號電流流過該晶體管，并經(jīng)開關SW4流到模擬輸出端ROUT90。
時鐘CLK的下一個時鐘周期之前，必須使RB-IN輸入降下來。原來觸發(fā)器U1輸入端的高電平被時鐘脈沖串CLK定時地送到觸發(fā)器U2的輸入端，這時，開關SW3將第三列的模擬輸出線路68與模擬輸出端ROUT88連在一起，使代表象素電路20(1，3)的晶體管M14A50柵極上所存一切電荷的信號電流流過該晶體管，并經(jīng)開關SW3流到模擬輸出端ROUT90。由于SW4此時為低電平(下降)，第四列的模擬輸出線路68被斷開。于是，讀位由于時鐘CLK的連續(xù)時鐘脈沖而按行波傳送通過開關SW4-SW1以及觸發(fā)器U1-U4。列啟動觸發(fā)器U1-U4形成第一移位寄存器。
讀位被觸發(fā)器U4按定時送出后，它又回到觸發(fā)器U1。它還對行啟動邏輯線路U5-U7和行復位邏輯線路U9-U11的時鐘輸入端送定時脈沖。每接收一次來自觸發(fā)器U4的時鐘輸入，它們分別送進一個讀位和一個復位位，復位位跟在讀位后面一步移動。行啟動邏輯線路的觸發(fā)器U5-U7形成第二移位寄存器，而行復位觸發(fā)器U9-U11形成第三移位寄存器。
按照這種方式，每次讀出一行時，讀位就上移一行。同樣地，也使復位位上移一行，但是是在讀位后面的一行。當復位位從最后的觸發(fā)器U11讀出時，它被送到讀位輸出RBO的輸出端84，同時可以開始一個新的讀出周期。順次讀出操作之間的時間應足夠地短，以保持各晶體管MijA柵極具有比較小的電位差，相對于復位電位(或0電荷積累電位)這個電位差最好低于2V。
在本發(fā)明的另一實施例中，可以通過計數(shù)實現(xiàn)圖4所示的同樣功能，所說的計數(shù)產(chǎn)生行地址和列地址，它們可被解碼成與圖3一樣的控制信號、COL-SEL78、RES76和EAN74。
晶體管MijA的存儲容量取決于晶體管柵極的電容和電壓。晶體管MijA可耐受10V電壓，但希望的是保持柵極電壓充分地低于此，最高到與復位電位大約有2V的電位差。對于尺寸小于50μm×50μm的象素來說，柵極電容最高可達大約5pF。這意味著可存6×107個電子。這是CCD將電荷存儲在襯底內(nèi)的存儲勢阱中容量的大約86倍。
為了評估本發(fā)明成象裝置所表現(xiàn)的優(yōu)點，我們考慮單獨一個尺寸為2cm×2cm的成象裝置。如果象素的尺寸是35μm×35μm，則成象平面包括571行×571列個象素。因此，如果所述成象裝置是一個ASID，則利用多路復用器的10MHz時鐘頻率，每32毫秒可讀出總共326,041個象素。這樣，在只有一個讀出通道的本例中，每32毫秒將顯示一個幀，從而給出實時成象。由于象素電路具有幾千萬個電子的電荷存儲容量，所以ASID實際上能適應可預見的最高強度的應用。這是在既不損害圖象的空間分辨率(本例中象素尺寸為35μm)，也不增加無用時間和無效成象時間的情況下完成的。實際上，在讀出之后，只要繼續(xù)讀出下一行(讀出的循環(huán)已在前面一段說明)，都能使每一行象素立刻被復位。這種行讀出時間是100納秒乘以每行象素數(shù)目，即57.1微秒。因而，在整個32毫秒的圖象幀采樣時間內(nèi)，無效時間只是57微秒，或者只是0.17％，這實際上是沒有無用時間。所以，ASID可到達很高的空間分辨率、適應32毫秒圖象幀的實時成象、極高的動態(tài)范圍、實際上沒有無用時間、極低的電噪聲，并且由于在這個特定的例子中只需要一個讀出通道，盡管有這一切優(yōu)點其費用仍很低廉。另外，通過直接訪問每個象素電路，在一個ASID中，存儲一幅校正圖象幀是不重要的，這種校正圖象幀的每個象素的消隱電平都要存儲起來并從每個積聚的圖象幀中減掉。由于在ASID中可穩(wěn)定地保持這種消隱脈沖電平和極低的噪聲電平，在實時成象應用中這種標定運行可每幾秒鐘進行一次或更少地進行。
圖8是本發(fā)明一種具體實施例中象素元18的有源電路20又一實例的電路圖。
用與偏置電壓Vbias180相連的二極管符號182表示象素探測器19(這種探測器可換成電阻器)，這個偏壓是經(jīng)確定象素元18的耗盡容積或象素探測器19的電極(未示出)而加上的。
由入射到象素元18的耗盡容積19上的輻射所產(chǎn)生的電荷被輸入到第一輸入晶體管(這里是比如跨導為0.3mS，漏-源極電流值IDs為100μA，電容為0.1pF的場效應晶體管(FET))184的基極。所述輸入FET184的源極和漏極被連到第一電流源186(這里是一個適當連接的的FET，盡管也能由一個電阻器來代替)和接地線GND174之間。所述電流源186又接到正電源線V+172上。
輸入FET184與電流源186之間的結(jié)點接到第二晶體管188的一端，形成一個共基極雙極型放大器，該放大器受其基極上所加偏壓的控制。第二晶體管188的基極與偏壓線VQ178相連。第二晶體管剩下的一端經(jīng)一反饋電容器Cf190(如具有0.3pF電容值)接到輸入FET184的基極。
第二晶體管188與電容器Cf190之間的結(jié)點還接到第二電流源(在此是一個適當結(jié)構(gòu)的FET，盡管可用一個電阻器替代它)，接到負電源線V-176上。由入射到象素元耗盡容積上的輻射所引起的電荷因而可被存儲在電容器Cf190中。
X和Y讀取線即X讀取線160和Y讀取線164被連到讀出邏輯線路198(在此是雙基極FET)，該邏輯線路又被連到負電源線V-176和輸出開關196(在此是一個FET)之間，因而，當把信號同時送到X讀取線160和Y讀取線164上時，聚集在電容器Cf190中的電荷可經(jīng)輸出線路156被輸出。X和Y復位線即X復位線162和Y復位線168被連到放電邏輯線路100(在此是雙基極FET)，該邏輯線路又被連到負電源線V-176和放電開關192(在此是FET192)之間，為的是在把信號同時送到X線162和Y復位線168上時用來放電，并因此而使電容器Cf190復位。
圖8所示的電路形成一個電荷敏感放大器，它有在反饋電容器Cf190中存儲電荷能力，還具有輸出及復位電路。根據(jù)電荷存儲時間及輻射強度的需要，所述FETS可由適當?shù)墓に?，如JFET或MOSFET實現(xiàn)。如果電容器Cf190的電容值為0.3pF，這就對應于大約1.8百萬個電子的存儲容量。如果電容器Cf190的電容值為1pF，這就對應于大約6百萬個電子的存儲容量。在輸出線路中，有復位FET時的最大輸出時鐘頻率為5-10MHz。而在輸出線路中沒有復位FET時這個最大輸出時鐘頻率將減小為200KHz。
圖8中所表示的容量可以在比如尺寸近似為150×150μm的象素元上來實現(xiàn)。在比如γ照相機和血管造影術的應用中，象素的尺寸不需要小于大約150μm的橫截面。在這種情況下，象素電路上多余的空間允許進行除電荷存儲、讀出和復位以外的其它操作。例如，圖8的結(jié)構(gòu)能放大已存儲的電荷值。另外，可使圖8的結(jié)構(gòu)得到改造，用以優(yōu)先于在象素電路上的電荷積累而提供入射輻射照射的電荷識別。在這種方法中，相應于比預期的能量低的入射輻射，在其被積累于象素電路上之前可以被排除。還可將控制電子線路24的一部分或全部作為所述半導體襯底晶片16的整體部分，圍繞在成象元陣列形成的成象區(qū)的外邊來實現(xiàn)。
圖9A是控制電子線路24比較詳細的示意表示、以及控制電子線路24與圖8所示類型襯底16上有源象素電路20關系的示意表示。為易于表示，圖9A中示出一個16象素元的陣列，并且只表示了構(gòu)成圖1中路徑22的一部分信號線。應該理解，按照本發(fā)明的成象裝置正常地將包括比圖9A所示數(shù)目大得多的象素元18。
控制電子線路24包括X尋址邏輯電路144、Y尋址邏輯電路146、電源電路150和信號處理電路148。即使不是全部，最好也要將一部分控制電子線路24完成于襯底上，所述襯底上已將象素電路完成在象素電路陣列周圍。所述電源電路150經(jīng)(圖9A中示意地表示的)線路170為各象素電路20提供電源，另外它還被布置成經(jīng)線路(未示出)給各確定各象素元探測器的電極加上偏壓。X尋址邏輯電路144和Y尋址邏輯電路146分別經(jīng)行線路152和列線路154(圖9中示意地表示)提供信號，以控制各象素電路20的讀出和復位。信號處理電路148被連到圖9A中示意地表示的各有源電路20的輸出線156。在圖9A的實施例中，為每行象素電路20提供一個輸出線，并經(jīng)輸出放大器158連到信號處理電路148。然而，應當理解，作為可替代的方案可自由地為每一列、或者為行或列的組，或者為所述的象素元/象素電路的組提供獨立的輸出線路。
圖9B比較詳細地示出信號線路，按照本發(fā)明的這種實施例，它們被設在控制電子線路24與象素元18的象素電路20之間。電源線路170包括正電源線V+172、接地線GRD174、負電源線V-176和放大電源線Vq178。行線路152包括X讀取線160和X復位線162，列線路154包括Y讀取線164和Y復位線168。正像已經(jīng)說明的那樣，本實施例中為每一行提供一個輸出線路。
圖2、8和11所示的象素電路和圖3、4、9A和9B所示的連接一起，可采用普通集成電路制作工藝被整體地完成于一塊半導體襯底上，或者可被完成于兩塊疊置的半導體襯底上，將一象素探測器陣列完成于第一襯底上，而將一象素電路陣列完成于第二襯底上，利用比如凸點鍵合連接將第二襯底機械地附著在第一襯底上，使各象素探測器與它們相應的象素電路一一對應。
在本發(fā)明用于乳腺X-射線攝影術的典型實施例中，每塊包括80×240個象素。乳腺X-射線攝影術或許是本成象裝置的一種在讀出速度以及存儲容量方面具有某些最嚴格要求的應用。為了成功地對乳腺X-射線攝影，每個象素一秒鐘之內(nèi)應記錄104次20keV的X-射線。在每個象素電路有6×107個電子的存儲容量時，這意味著，在要讀出所需象素的信息之前，一個象素上可存儲一萬(104)次以上的X-射線。因此，就允許能以比如每秒10次或更小的量級讀出每個象素，這等同于10Hz的象素讀出速率。在每塊80行每行240個象素的情況下，整個塊的讀出時間由時鐘頻率除以19200來確定，19200是該塊中象素的總數(shù)。對于典型的10MHz時鐘頻率來說，可在520Hz的頻率下輸出整個塊。在對于乳腺X-射線攝影術只需要10Hz的情況下，可以看到，本發(fā)明的實施例能處理高達50倍于乳腺X-射線攝影術所需的強度。正像將簡短地說明的那樣，冗余的能力提供了一起多路復用多塊(片)輸出并使讀出通道的總數(shù)最小化的能力。
本裝置工作的一個方面是無用時間，這可被確定為每一行已被讀出之后要使它復位的時間?？稍?0微秒之內(nèi)或更短復位一行象素。在這段時間內(nèi)，各象素是無效的。由于在1秒鐘內(nèi)(對于乳腺X-射線攝影來說，這是有代表性的)要完成10次或更少一些的讀出和復位操作，這意味著，總的無用時間為0.0001秒，或者與所述成象裝置需要有效的有效總時間相比的0.01％。所以，本發(fā)明的實施例所具有的無用時間是不重要的，就像沒有無用時間一樣的好。為了理解這個無用時間是何等地小，可說明在這個時間(假設每秒每象素104次X-射線)內(nèi)X-射線丟失的數(shù)目是104×0.0001(接近每象素1次X-射線)。比起作為萬次X-射線的統(tǒng)計誤差一量子起伏限度(100)來，這是非常非常小的。因此，本發(fā)明的這個實施例是以與統(tǒng)計學所能得到的最大可能的特性工作的。
可以按主要尺寸小于35μm來實現(xiàn)圖2或圖11所表示的象素電路實例，使得各象素元可以是35μm見方或更小。這樣，每個塊的尺寸為4mm×12mm，并且可以由幾百片的鑲嵌結(jié)構(gòu)形成具有比如18cm×24cm面積的成象面，所說的每一片對應于一個比如115×341個象素元的塊。
采用鋪片的方法來得到大的成象面具有較高制作成品率的優(yōu)點。這還給出模件性的優(yōu)點，如果一個片無效，可以替換該片，而無需更換整個成象面。這使得大的成象陣列從經(jīng)濟角度是可行的。
意想不到的是，盡管這種片含有m×n個象素元的塊，并且伴有電路及控制電子線路，采用貼片的方法仍能得到良好的圖象質(zhì)量。每個片最少將需要4個、可能5到10個外部連接。另外，每個片上，在包含m×n個象素元的陣列的有效圖象區(qū)邊緣處，存在一些放置該片的控制及邏輯電子線路的不工作的間隙。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，將多個片安置在圖5所示的鑲嵌結(jié)構(gòu)中。
為了用于乳腺X-射線攝影術，檢測平面應該是30×30cm2的量級。在所述的檢測平面內(nèi)不允許有無效的間隙。為做到這一點，采用圖5所示的結(jié)構(gòu)，按兩個步驟來移動該鑲嵌結(jié)構(gòu)，使整個要成象的面可完全被所積累的3個幀所覆蓋。片的形狀基本上可為矩形。一個片的檢測(或有效)區(qū)的最佳長度等于總不工作間隔長邊的2倍。但是，當貼片對準精度估計為50-100μm時，它要求對各片的有效區(qū)要有一些重疊，因此，片的尺寸可能不與最佳尺寸對應。一種乳腺X-射線攝影術應用的可能的鑲嵌結(jié)構(gòu)實例可包含621個片，每個片有41760個象素元，每個元為35×35μm2。
采用普通機械結(jié)構(gòu)，能夠以足夠的精度和速度實現(xiàn)這種圖象鑲嵌結(jié)構(gòu)的移動。圖5示出，每個片上已為電子線路提供了足夠的間隔。圖5所示的結(jié)構(gòu)使得從3個分別在移動兩步12mm的間隔之前、之間和之后而被收集的圖象所產(chǎn)生整個圖象最佳化。然而，應當理解，其它實施例可采用圖5所示布局的變形，而且，也可將這里所揭示的技術用于一切應用中，以積累100％的圖象。
圖5A表示包含如圖5所示的貼片鑲嵌結(jié)構(gòu)的本發(fā)明實施例的一部分控制電子線路。
每個片(如T2)的基本控制電子線路一般與圖3所示的相對應。不過，并非給每片提供一個ADC56(如圖3所示)，而是多個片(如T1-T10)的輸出端經(jīng)一個主多路復用器MM(如在10MHz-100MHz時鐘頻率下工作)連到一個共用的ADC561，從這里再連到信號處理邏輯線路、顯示器58等。主多路復用器MM不需要放在各片本身上面，但可放在其近傍。ADC561也并不設在各片上，但最好靠近它們。
采用主多路復用器的優(yōu)點在于，可減少所需ADC的數(shù)目，從而降低成象系統(tǒng)的總成本。作為圖5A的另外方案，可使各片按菊花鏈式連接，并使用一個單獨的共用ADC來讀出。高分辨率的ADC是整個系統(tǒng)的昂貴部分，因此減少它們的數(shù)目的同時，可對總成本有顯著的影響。在比如乳腺X-射線攝影術、常規(guī)X-射線、胸X-射線等應用中，它們可包括一個幾百片的鑲嵌結(jié)構(gòu)，為了給出所需的讀出特性，即使對于高強度的應用，至少需要大約9個ADC(即只要9個輸出通道)。本發(fā)明中的電子線路能以受到控制的方式讀出各片，為的是通過多次讀出各片而積累一個圖象。這是比如CCD裝置所不能做到的事。多次讀取各片能按下述方式使對比度得到改善。作為一個例子，考慮探測器象素上入射5000次X-射線。如果該象素的存儲容量能夠應付所有這5000次X-射線，則能夠把讀出的速率定為與接受5000次X-射線相對應的時間，使得所有這5000次X-射線的模擬電荷值能存儲于一個象素中，然后再讀出總的所存電荷值。如果采用10比特的ADC(即1024級灰度)，則每4.88次X-射線(即5000次X-射線/1024)將對應于不同灰度的量化值。但如果采用較快的讀出速率，比如采用與接受1000次X-射線對應的時間并使用同樣的ADC，則每1000次X-射線/1024＝0.97對應于所述的灰度量化值。從這個示意的例子可以看到，只要通過在較高速率下的讀出，就能提高灰度的分辨率。
上面參照圖5A剛剛描述的方法能使成本(較多的多路復用，而較少的ADC)與圖象對比度(較少的多路復用，較多的ADC)之間有最佳選擇。
圖6A-6C較為詳細地示出一個具有層狀結(jié)構(gòu)的片的實例結(jié)構(gòu)，所述層狀結(jié)構(gòu)包括混合支承板210，安裝在該支承板上的硅讀出芯片212，以及象素探測器層214，它由比如CdZnTe、CdTe、HgI2、GaAs、Ge、Si或TlBr制成，并由凸點鍵合連接于所述讀出芯片上。圖6A是象素探測器層214的平面圖，在本例中，它有一個19.985mm×19.985mm的有效表面區(qū)216。所述象素探測器層有效表面區(qū)周圍為包括探測器保護環(huán)218的無效區(qū)。圖6B是安裝在讀出芯片212和支承板210上的探測器層的平面圖。應當理解，除了探測器保護環(huán)218以外，有效區(qū)周圍的無效區(qū)還包括讀出芯片212和混合支承板210的邊緣以及各片間所需的間隙。支承層或支承板210上的各導線焊點220使讀出芯片能與所述板210上的電子線路電連接，并從這里經(jīng)一主底板連到圖象處理電子線路。圖6C是片的橫截面，它表示在每個象素位置處，通過凸點鍵合連接222，使探測器層214與所述讀出芯片連在一起。支承板具有一個引腳224的陣列，用以把片定位并連接在主底板上。
圖7A-7D表示參照圖5所述的一個單個探測平面的平移措施的替代方案，比如對于射線自顯影的應用，其中是要被成象的面發(fā)出輻射，而非外部輻射源?？紤]一個射線自顯影的例子，其中試樣有同位素作標記(如C14、P32、P35、S32、I125、H3等)，并且被定位于盡可能靠近圖象探測器(如圖7A中所示的成象平面)。為避免沾污，通常將所述試樣放在一個厚度大約1.5μm的薄聚酯薄膜層上。如果將試樣放在所述成象平面上，則有如按圖5所述那樣，試樣平面的移動將是不可能的。但是，由于圍繞各片有效區(qū)的無效區(qū)的緣故，如圖7A所示那樣，單獨一個鑲嵌結(jié)構(gòu)層的有效成象面積將只提供總面積所涉及范圍的大約85％。圖7A對片鑲嵌結(jié)構(gòu)的一個實例顯示一些尺寸。
如圖7B和7C中示意地表示那樣，對這個問題的解決辦法是提供一個夾層，即在試樣的上下分別有兩個成象平面DP1和DP2。使第二成象平面盡可能靠近第一成象平面，其間帶有所述試樣，使所述二成象平面互相平行，并且一個對另一個略有平移。位置精度可以達到像1-2μm這樣程度。圖7D表示圖7B和7C中所示結(jié)構(gòu)中有效成象區(qū)之間的無信號區(qū)或無效區(qū)。白色區(qū)域表示無效區(qū)，交叉陰影線表示有重疊的有效區(qū)，而剩下的陰影區(qū)表示只有一個有效區(qū)覆蓋在樣品的表面上。在所示的這個特定例子中，而且正與圖7D一樣，只有總面積的1.2％為無效區(qū)，68.9％被兩個成象平面成象(由于同時在試樣的兩邊有探測輻射，所以提高了效率)，同時29.9％只被一個面成象。這1.2％的無效區(qū)還可以通過臨時抬起上平面，并沿著比如對角線方向略為平移它而被覆蓋。
在射線自顯影時，理想地需要有如42cm×39cm這樣大的成象面。當片的各尺寸像上面所述那樣，并且象素為35μm×35μm時，總面積的98.8％可以由578個片所覆蓋。如果像在另外地方所描述的那樣，使這些片一起被多路復用，則將只需要40個或更少的ADC。采用這些方法可產(chǎn)生一種新的總體圖象，并且每3秒鐘就被顯示。本發(fā)明的這種應用實際上能夠給出試樣的4π覆蓋區(qū)，提高總體效率、實時成象、35μm的空間分辨率，以及數(shù)量級為6的動態(tài)范圍。
這樣，這個可供選擇的結(jié)構(gòu)適合于擬成象的物體帶有輻射源的應用，它設有基本上互相平行布置的第一和第二檢測平面，并且在該二檢測平面之間以擬成象的物體源互相間隔開。通過將各成象平面的片安排成彼此間有橫向偏移，能夠得到實質(zhì)上完整的物體成象，其中來自所述物體朝向兩個平面的輻射實際上是一樣的。
成象裝置的其它結(jié)構(gòu)可被用于不同的應用中。例如，對于計算機化層析X-射線攝影的應用，可將所述成象裝置基本上按切向圍繞地布置在一個包圍或部分包圍一部分擬成象片狀物體的環(huán)或開環(huán)的周圍。為了所述物體的多切片成象，還可將所述成象裝置基本上切向圍繞地布置在多個環(huán)或開環(huán)的周圍，所說多個環(huán)或開環(huán)沿形成它們的一個公共軸的方向彼此偏移。在其它的諸如無損檢驗和實時監(jiān)測的應用中，可將成象裝置貼在一起，形成與要成象物體的面積和形狀相配合的鑲嵌結(jié)構(gòu)，和/或形成圍繞部分或全部要成象物體的鑲嵌結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的其它實施例中，并不將各象素元安排成較大的矩形陣列，而可以將所述成象裝置構(gòu)造成像是被排成單獨一列的象素元縫隙，或者像是被排成若干列并排的象素元槽。縫隙或者槽都能被用于很多應用中，如放射線照相的物體掃描、牙齒全景成象、安全掃描等。因為成象面比較小，利用槽還可以低成本的優(yōu)點代替全場掃描。在具有一行或兩行象素的縫隙或槽的情況下，可將各象素電路置于同一半導體襯底上各相應象素探測器的旁邊，而不是在同一或不同的半導體襯底上的各象素探測器的后面。將若干縫隙(或槽)的片首尾相接地放置，可形成很長的不間斷的縫隙(或槽)。可使相鄰各列的片沿著列的方向平移，以便在掃描期間將沒有與各片之間的無效間隙相對應的無效區(qū)。這如圖5所示。通過將控制電子線路放在由象素探測器和象素電路形成的各象素元旁邊，各象素元實際上可直伸到各個縫隙(或槽)的片的端部。按照這種方法，可以以成本效益非常好的方式制作很長的不間斷的縫隙(或槽)。
回到圖1，所述控制電子線路24包括參照圖3和4所述的處理電路和控制電路，像雙箭號22示意地表示的那樣，它們被連到半導體襯底上的象素元18。所述控制電子線路24能夠使與每個象素元18相聯(lián)系的有源電路20被尋址(即被掃描)，用以讀出在每個象素元18處象素電路20中所積存的電荷。讀出的電荷被送到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)以便數(shù)字化，并送到數(shù)據(jù)簡化處理器(DRP)，以便處理二進制信號。
由DRP進行的處理可包括判別不滿足某些條件的信號，如最小能量條件。在每個讀出信號對應單個入射輻射事件的情況下，這是特別有用的。如果與測量信號對應的能量小于對所用輻射所預計的能量，就可以斷定所存電荷值的減少是由散射效應引起的。在這樣的情況下，可放棄測量，以改善圖象分辨率。另一種可選方案是對大于100μm截面的象素，這種區(qū)別可如前面所述，在每個象素回路中實現(xiàn)。在這種情況下，低能照射被排除，而將其余部分積累于各象素電路上。
控制電子線路24經(jīng)箭號26所示意地表示的路徑還與圖象處理器28相接。圖象處理器28包括數(shù)據(jù)存儲器，它把表示每個象素元讀出電荷的數(shù)字值和與該有關的象素元18的位置一起存儲在其中。對于每個象素元18來說，將從該象素元讀出的電荷值加到已為該象素元所儲存的電荷值上，以便積累一個電荷值。結(jié)果，可將每個圖象作為一個二維陣列象素值的表示被存儲；所述這些象素值可被存在比如數(shù)據(jù)庫中。
圖象處理器28可以存取數(shù)據(jù)庫內(nèi)所存的圖象數(shù)據(jù)，以選擇一個給定的圖象(所有陣列)、或部分圖象(所述圖象陣列的子樣本)。圖象處理器28對所選定的各象素位置讀取所存的值，并經(jīng)箭號30所示意表示的路徑使數(shù)據(jù)的表示在顯示器32上顯示。當然，這樣的數(shù)據(jù)也可被打印，或者另外還被顯示，也可受到進一步的處理操作。可將背景和噪聲作為一個常數(shù)而從各象素電荷值中除去。如果此前已經(jīng)采集到一個“空”圖象，則這種消隱脈沖電平和/或背景的扣除是可能的。因此，對于每個象素來說，可以推導出而且可以相應地扣除其背景值。
以下將更詳細地描述圖象處理器28的工作情況。
圖12表示本發(fā)明的成象方法，它采用本發(fā)明具有可隨機訪問的有源動態(tài)象素元的縫隙或槽的成象裝置。按照這種方法，所述縫隙或槽以一恒定的速率v側(cè)向移動，并在每t1-t0個時間單元被讀出。
在圖12所示的例子中，縫隙有6個象素，每個象素具有尺寸(x，y)。所述恒速移動是沿x方向的。如果讀出發(fā)生在時刻t0，則按照本發(fā)明的這種情況，應使縫隙移動直至時刻t1，然后再被讀出。在期間t1-t0內(nèi)所移動或掃描的距離是dx，而且應該不大于在移動方向上的象素尺寸之半(即dx≤x/2)。與全視場成象或者常規(guī)的縫隙(槽)方法相比，本法使沿移動軸的分辨率改善到2倍。這種改善的理由在于所采用的多重采樣方式，按照這種方式，如果所述縫隙(槽)的幀是在足夠短的空隙(被掃描的距離必須短于半個象素尺寸)內(nèi)積累的，則在下面的結(jié)構(gòu)是以等于象素尺寸而不是兩倍象素尺寸的分辨率被“感知”的。兩倍象素尺寸是對全視場成象或那種不按本發(fā)明這種情況的方式工作的縫隙(槽)的有效分辨率。上述方法可被用于比如牙齒全景成象。掃描速率通常是4cm/秒，槽寬4mm，長8cm。這轉(zhuǎn)換成80×1600個具有50μm2象素尺寸的象素。整個圖象的積累應持續(xù)大約10秒鐘。按照本發(fā)明的這個實施例，至少應在每25μm讀出所述槽，這意味著槽的讀出頻率為1.6KHz。如果采用80列×20行象素的象素信息組和5MHz的時鐘頻率，則所述信息組的讀出速率為5×106/(20×80)＝3.1kHz；遠大于所需的1KHz。
當采用這種縫隙(槽)的方法時，應將X-射線源置于較高的工作電流下，或者如果可能，應將X-射線從全視場范圍緊縮成所述縫隙(槽)的尺寸。這對于保持圖象積累時間恒定是必需的。在很多情況下，這從技術上講和從成本上講這可能是困難的。一種可替換這種單一的縫隙(槽)的方法是多縫隙(多槽)方法。按照這種變化，多個縫隙(多個槽)互相平行地定位于一個平面上，并且在各縫隙(槽)的縱軸之間有恒定的距離。按照這種方式，如果有n個縫隙(槽)，并且要掃描的總距離是Xcm，則每個縫隙(槽)只需被掃描X/ncm。這就減少了對機構(gòu)的要求，但更重要的在于，X-射線源的強度只需增加X/(n×縫隙(槽)寬)。
現(xiàn)在將敘述本發(fā)明成象裝置和成象系統(tǒng)的各種操作方法。如上所述，本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)旨在提供高強度輻射的成象，這種輻射被規(guī)定為直接入射于所述成象裝置上。在本發(fā)明的各實施例中，是以響應輻射的照射以與入射輻射的總能量直接和線性相關的電荷值(通過直接存儲電荷值或者等值的電壓或電流)的方式積聚電荷，而不是通過對點數(shù)、事件數(shù)目或脈沖數(shù)進行計數(shù)的。這樣，ASID將電荷存儲在各晶體管的柵極和/或電容器(或關于象素電路做成的其它電荷存儲器件)上，所述電容器主要是依靠每個象素電路和每個象素探測器的輸入結(jié)點電容，并且ASID對所有象素元一對一地直接存取。這兩個主要特點就特性而言具有引人注目的影響。ASID可存儲比CCD多2個數(shù)量級的電荷。ASID還提供清楚的圖象和小于百分之零點幾的無效時間。電子噪聲電平僅僅是大約幾百個電子。
與普通的脈沖計數(shù)半導體象素探測器相比，ASID沒有對輻射(和/或光)強度的限制。較長的圖象幀積累時間(如果需要，可達1秒鐘)和非常大的動態(tài)范圍允許高密度的實時成象，而沒有飽和。
如上面參照圖1所述的那樣，在ADC之后，有一個圖象處理器28，它把表示從每個象素元讀取的電荷的數(shù)字值和所涉及的象素元18的位置一起存儲。對于每個象素元18，從象素元讀取的每個電荷值被加到該象素元已存儲的電荷值上，以便把電荷值積累起來。結(jié)果，可將每個圖象作為象素值的二維陣列的表示而被存儲。
可將圖象數(shù)據(jù)作為關于該圖象的二維陣列存儲在比如一個數(shù)據(jù)庫中圖象(1N象素，13)其中第一個下標包括N象素項，它表示成象平面上象素號，它從1直到最大的象素數(shù)N象素，第二個下標包括三個值，分別是x和y坐標，以及每個象素所存的電荷值。對于每個象素可將背景/消隱脈沖電平陣列減掉。所述背景/消隱脈沖電平象素值可以作為一個校準圖象在比如圖象積累剛開始之前被存儲。這樣可對每個象素分別地提供校準，而不是對所有象素提供成一個總的常數(shù)。
圖象處理器28存取數(shù)據(jù)庫中所存的圖象數(shù)據(jù)，用以選擇一個給定的圖象(所有陣列)或部分圖象(所述圖象陣列的子樣本)，并使數(shù)據(jù)的一個表示被顯示、打印或進一步處理。
在顯示、打印或進一步處理這種圖象數(shù)據(jù)之前，圖象處理器28最好選出所選象素存儲的象素兩個極端的電荷值，并將這些值規(guī)定為兩個灰度或色度的極值，它們可被適當?shù)赜糜趫D象的顯示、打印或進一步處理。然后，可根據(jù)象素上所存的電荷，將對各象素位置保持的電荷值規(guī)定一個在這兩個極值之間的中間灰度或色度值。例如，可按下式對各個象素的電荷值規(guī)定灰度值
可借助普通的用戶輸入裝置36，經(jīng)箭號34所示意表示的數(shù)據(jù)路徑，并可能像雙箭號38所示意地表示的那樣與顯示器32互相配合，以實現(xiàn)選擇擬被放大的部分圖象。所述用戶輸入裝置36可包括比如鍵盤、鼠標等。
作為在每個象素元的有源電路中積累電荷的結(jié)果，本發(fā)明帶來許多好處。
在各象素元的有源電路中積聚電荷、然后再以選擇的方式從可單個尋址的、與各象素元一一對應的有源電路讀出所存電荷的能力完全解決了關于同時入射的輻射的入射點的任何模糊性。
因為電荷可在一段時間內(nèi)積累在各個有源電路中，讀出速率就無需非常高，因而，比如以實時方式和以軟件為基礎來產(chǎn)生并處理圖象的方案就是可能的，實際上還能夠通過現(xiàn)成的計算機硬件廉價地實現(xiàn)。
對于所收集的圖象的每一部分，可自動調(diào)節(jié)對比度和分辨率，并全屏顯示。當部分所收集的圖象被顯示時，在由本成象裝置收集的圖象區(qū)的各象素元之間，無論何處存在電荷密度的變化時，圖象的特性都可被分辨。
假設各象素元的有源電路的電荷存儲器件的電荷可被讀出，而且在該電荷存儲器件的存儲能力用完之前，重復地復位該電荷存儲器件，則動態(tài)范圍實際上是不受限制的。所需要的只是選擇各有源電路的“更新率”，即那些電路的讀出頻率和復位頻率，使與電荷存儲器件的存儲容量以及預期的最大輻射密度相配合。于是，由于較多的輻射產(chǎn)生較多的電荷，它們被存儲在各象素元的有源電路中，然后在適當?shù)臅r間間隔內(nèi)被讀出，并由控制電子線路數(shù)字化。數(shù)字化之后，可將具有已知值的電荷累加在同一象素的現(xiàn)有的已數(shù)字化的電荷值上。唯一的實際限制是能由處理電路存儲的最大數(shù)字值。不過，盡管如此，仍可將處理電路布置成能檢測出接近這種被存儲的最大可能值的值，再對各象素元所存的值加一個標度因子。
本發(fā)明能夠?qū)崟r成象。即使在輻照之前，一旦已產(chǎn)生了一個圖象陣列，也能不斷地以來自所述成象裝置的新的數(shù)字化了的電荷值更新該圖象陣列，然后將這些電荷值加到該陣列各象素的現(xiàn)有電荷值上，并實時地顯示所積累的電荷值。
在采用被連續(xù)修正的圖象陣列的情況下，這提供對計算機存儲的一種有效利用，因為探測到的輻射不像某些現(xiàn)有技術的情況那樣產(chǎn)生更多的象點，而代之以產(chǎn)生較高的有關的象素位置上的電荷值。換句話說，本發(fā)明能夠積累輻射計數(shù)，而不產(chǎn)生總是增加的輻射照射點的數(shù)目。ASID還可被用來提供實時成象，這里，對于每一個預先確定的時間間隔，都有一個新幀被顯示。各幀之間的無效時間實際上為零，從而，以最大的效率提供實時成象，并且無論在讀出通道數(shù)亦或象素電路方面，均無附加的復雜性。
本發(fā)明提供一種方法，使輻射進入成象裝置前被散射的效應最小。當按照上述方式使用一個成象裝置時，受到散射的射線比起輻射是直接入射的情況來，將帶來較低的積聚的電荷值。這是因為受到散射的射線在象素探測器的耗盡區(qū)將積存很少的能量。因而，在處理積聚的電荷時，與直接輻射相比，受到散射的輻射對全部存儲電荷的影響要小得多，當顯示所存的圖象時，通過對較低的值分配一個適當?shù)幕叶然蛏戎?，就能使被散射的輻射的影響最小?br> 對輻射強度的需要并不要求對每個象素的讀出速率(KHz范圍)達到其最大值的應用來說，本發(fā)明提供一種排除在進入成象裝置之前受到散射的輻射影響的方法，如果不排除它，將損害圖象的分辨率。以下將說明這種可行的方法。由每個光子或每個帶電的輻射粒子產(chǎn)生的電荷首先被存在各象素元的有源電路中，然后再被讀出?？刂齐娮泳€路使所述電荷數(shù)字化，而DRP可將已數(shù)字化的值與參考閾值比較。所述參考值對應于由所討論的那類入射輻射預期的電荷，所說的輻射比如是給定波長的X-射線，或給定能量的帶電輻射。然后，如果它是小于所述參考值則排除考慮已數(shù)字化的電荷值。這種辨識操作能使受到散射的射線能被從考慮中排除。在比如輻射到成象平面前面穿過觀察中的物體而發(fā)生非彈性散射時，受到散射的輻射在到達成象平面之前失去它的一些能量，從而在象素元的耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生較少的電荷。這種效應是對光子的康普頓散射、以及對帶電粒子的電離散射。
另一方面，可在任何入射強度下排除這些受到散射的射線，如果這是在象素電路上電荷積累之前進行的話。諸如γ照相機以及實時血管造影成象的應用需要100μm和更大截面的象素，這時，在象素電路上有足夠的空間以實現(xiàn)閾值截止。
一種能夠排除在進入成象裝置之前受到相干散射亦或非相干散射的輻射影響的方法的實例采用槽的方法和平行的輻射源，使得它被調(diào)整為指向成象槽的射線。射線源與所觀察物體之間的距離、物體與成象槽之間的距離，以及槽寬都是被最佳選定的。這些參數(shù)可被用來確定使被散射射線的檢測成為最小化的幾何形狀。這是因為被散射的射線“經(jīng)歷”一個小的相空間，而且沒有理由進入薄的成象槽。這種方法是特別有效的，因為它是以幾何形狀為基礎的，并不需要有關射線能量的情況。如果射線已被散射，無論它們已被非相干散射并已失去它們的一些能量(康普頓散射)，亦或是被相干散射并維持它們的所有能量(瑞利散射)，它們將很可能被漏過探測。
作為舉例，圖13表示到達縫隙(槽)的未被散射輻射的比率，它是縫隙(槽)寬度關于四種不同光子能量以及縫隙(槽)與被觀察物體間四種不同距離的函數(shù)。對于這個例子來說，水是引起超過10cm厚度的散射的物體。假設半導體是Si。從四條曲線看出，在槽寬為1mm到4mm之間的情況下，所有散射實際上都被排除(100％垂直軸)。這個結(jié)果幾乎與槽和物體間的距離(圖中的β)不相干。如果槽寬開始大于1-4mm，則結(jié)果開始與β也有關。因而，對于給定的能量和所考慮的物體而言，確定最佳的槽寬和槽與物體間的距離β，使受到散射的射線將幾乎全部被排除，這將驚人地改善圖象的分辨率和對比度。這種方法能夠排除相干散射射線，因為，它們具有與未受散射的射線同樣的能量，其它方法不能排除它們。
成象裝置按本發(fā)明的優(yōu)化設計可按一種預先確定的自動方式來完成。為半導體襯底所選的每種材料或組合物對入射的輻射有不同的響應，這取決于所述材料或組合物的物理特性、輻射類型輻射能量。對于隨著入射的輻射穿過半導體襯底而在每一步所積存的電信號應用重心法。這就能確定作為上述各參數(shù)的函數(shù)的可達到的最佳分辨率。這樣就使象素的尺寸被確定。正確地選擇象素的尺寸，可使信噪比為最大(因為大部分信號被包含在一個象素內(nèi))，而成本以及裝置的復雜性為最小。這些結(jié)果與所預期的靈敏度一起被存入數(shù)據(jù)庫中，并被用來確定成象裝置的成象平面的設計參數(shù)，即象素尺寸以及襯底的厚度。另一個可供選擇的是，一系列成象平面與一套共用的控制電子線路兼容，同時可提供一個圖象處理器。于是，在進行成象之前，最終用戶對所述圖象處理器輸入所要的靈敏度，以自動選擇具有正確尺寸規(guī)格的成象平面。
作為一個例子，考慮用Si作為半導體襯底材料。在生物工藝學的應用中，同位素可使用3H、35S、32P、33P、14C和125I。這些同位素發(fā)射β輻射。例如，考慮35S，它發(fā)射170keV的帶電輻射。圖14表示許多這樣的β射線通過Si的通路。如果應用重心法，就發(fā)現(xiàn)所述分辨率不可能好過32μm。因而，為了容納大部分電信號，可將象素尺寸最大選成32μm。上述β輻射同位素被用于大部分生物工藝學的應用中。在乳腺X-射線照相術、層析X-射線攝影法、核醫(yī)學、牙齒成象、安檢系統(tǒng)和產(chǎn)品質(zhì)量控制中，可使用具有10keV-180keV之間能量的X-射線，而CdZnTe、CdTe和HgI2是半導體的恰當選擇。
有許多用β輻射實現(xiàn)成象的生物學應用。下列同位素之一是最常被采用的3H(18keV)、14C(155keV)、35S(170keV)、33P(250keV)、32P(1700keV)。
這些應用的精度要求可簡述如下-原位雜交理想地需要10μm；-DNA、RNA與分離蛋白質(zhì)或合成蛋白質(zhì)雜交理想地需要好于300μm；-DNA序列典型地需要100μm。
本發(fā)明的成象裝置能適合上述要求。另外，本發(fā)明成象裝置的極好的效率(實際上是100％)可減少得到結(jié)果的時間，從幾天或幾月減少到幾小時。由于成象是實時進行的，所以，生物學家在結(jié)果被積累時就能看到它們?？捎密浖徒y(tǒng)計的分析方法解釋這些結(jié)果。
在乳腺X-射線照相中，所用的X-射線通常具有10keV到30keV的能量。X-射線源被放在觀察中的物體后面，物體吸收一部分X-射線，而讓其余的通過。到達成象平面的X-射線被光吸收，并產(chǎn)生電信號，由此而確定入射的點。電荷密度的分布實際上確定所述圖象，借助在線的常規(guī)處理，可使所述圖象著色、被放大、并以最大的圖象對比度和分辨率使之得到分析。采用0.5-1mm厚的有源CdZnTe、CdTe或HgI2象素，效率幾乎為100％，并能使所需的劑量大大降低。乳腺X-射線照相的分辨率可好于30μm，并使如此尺寸的機體結(jié)構(gòu)得以展現(xiàn)。
在核醫(yī)學診斷中，同位素發(fā)射的150keV范圍的X-射線(如半衰期為6小時的Tc99)被引入人體，并集中在一定的范圍即被成象的范圍。所述輻射被各向同性地發(fā)射，而且在人體周圍多個準直管濾除不需要的方向，從而對不同平面形成點投影。按照本發(fā)明的一個例子，可將比如CdZnTe、CdTe、HgI2、InSb、Ge、GaAs或Si制成的ASID放在人腦的前面及周圍，代替現(xiàn)有的成象平面。
在牙科的操作中，用能量為40keV到100keV的X-射線實現(xiàn)成象，并且需要圍繞15cm2到25cm2的成象區(qū)。采用上述縫隙/槽的方法的牙齒全景成象成為本發(fā)明的首選應用。合適的半導體如上所述。
本發(fā)明再一種可能的應用是無損工業(yè)檢測和產(chǎn)品質(zhì)量控制。根據(jù)被觀察的無機物體，選用不同能量的X-射線，以便在高對比度和高效率下使分辨率最佳。可以使用20keV到180keV范圍內(nèi)的X-射線。使產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)的圖象自動與同樣產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)的典型圖象相比較，不同程度的嚴重性能對生產(chǎn)線給出引起不同作用的反饋。
上述ASID和方法可在廣闊的應用范圍內(nèi)找到應用，包括普通X-射線應用，用于胸部X-射線，用于乳腺X-射線攝影，用于X-射線斷層照相，用于計算機化X-射線斷層照相，用于螺旋形計算機化X-射線斷層照相，用于X-射線骨密度測聽，用于γ-射線核射線攝影，用于單光子發(fā)射計算機化X-射線斷層照相(SPECT)用的γ-照相機，用于正電子發(fā)射X-射線斷層照相(PET)，用于X-射線牙齒成象，用于X-射線全景牙齒成象，用于利用同位素，對DNA、RNA和蛋白質(zhì)定序的β-射線成象，原位雜交，DNA、RNA和分離蛋白質(zhì)或合成蛋白質(zhì)的雜交，以及一般地用于β-射線成象，和采用色譜法和聚合物鏈反應的射線自顯影，用于產(chǎn)品質(zhì)量控制中的X-射線成象和γ-射線成象，用于實時和在線的無損檢測和無損監(jiān)視，以及用于安全措施系統(tǒng)和采用輻射的實時(移動)成象。
應該理解，可在單獨的半導體探測器上完成的象素元尺寸和象素元數(shù)目將取決于所用的特定半導體集成工藝。因而，雖然已給出尺寸值和部件值的特例，但本發(fā)明并不限于此，而且還要包括那些尺寸和數(shù)值以現(xiàn)在這樣的和將來技術可能帶來的變化。還應理解，所示有源電路，如圖2、8和11所示的象素電路20，圖3、4和9所示的連接線路和控制電子線路都僅只是可能電路的舉例，許多變型和擴展都能在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于使輻射成象的成象裝置，所述成象裝置包括一個象素元的陣列，所述象素元有一個包括象素探測器陣列的半導體襯底，該探測器響應入射的輻射而產(chǎn)生電荷；所述襯底還包括一個相應的象素電路陣列，每個象素電路與一個相關的象素探測器相聯(lián)系，以積聚由入射到所述象素探測器上的輻射所產(chǎn)生的電荷，所述象素電路是單獨可尋址的并且包括用來積聚來自各象素探測器上由連續(xù)輻射的照射所產(chǎn)生的電荷的電子線路。
2.一種如權(quán)利要求1所述的成象裝置，其特征在于，每個象素電路包括一個用來積聚電荷的電荷存儲器件。
3.一種如權(quán)利要求2所述的成象裝置，其特征在于，所述電荷存儲器件實際上形成所述象素電路和所述象素元的輸入結(jié)點電容。
4.一種如權(quán)利要求2或3所述的成象裝置，其特征在于，每個象素電路包括至少兩個晶體管，第一晶體管起所述電荷存儲器件的作用，第二晶體管起讀出開關的作用，它響應一個啟動信號，將所述第一晶體管與一輸出線路連在一起，以輸出一切所存的電荷。
5.一種如權(quán)利要求2或4所述的成象裝置，其特征在于，每個象素電路包括至少兩個成級聯(lián)放大級的晶體管。
6.一種如權(quán)利要求4或5所述的成象裝置，其特征在于，所述晶體管是場效應晶體管。
7.一種如權(quán)利要求6所述的成象裝置，其特征在于，第一晶體管的FET電容實際上形成所述象素電路和所述象素元的輸入結(jié)點電容。
8.一種如權(quán)利要求4至8任一項所述的成象裝置，其特征在于，所述象素電路包括另外一個響應復位信號的場效應晶體管，以便把所述電荷存儲器件復位。
9.一種如權(quán)利要求2至4任一項所述的成象裝置，其特征在于，所述象素電路包括過壓和欠壓保護的過載保護電路，它們最好是二極管。
10.一種如任一項在先權(quán)利要求所述的成象裝置，其特征在于，還包括電阻裝置，用以在電氣上隔離象素元。
11.一種如權(quán)利要求10所述的成象裝置，其特征在于，所述電阻裝置包括相鄰象素探測器之間不導電的鈍化層。
12.一種如權(quán)利要求11所述的成象裝置，其特征在于，給所述鈍化層加一電位，以便在所述半導體襯底內(nèi)所述鈍化層下產(chǎn)生一個勢壘，進一步在電氣上隔離象素元。
13.一種如權(quán)利要求10至12任一項所述的成象裝置，其特征在于，所述電阻裝置包括一個作為所述象素電路的一部分而形成的二極管。
14.一種如權(quán)利要求10至12任一項所述的成象裝置，其特征在于，所述電阻裝置包括一個作為所述象素電路的一部分而形成的雙極型晶體管。
15.一種如權(quán)利要求14所述的成象裝置，其特征在于，每個象素電路的所述雙極型晶體管的基極被設定為一個公共電位。
16.一種如任一項在先權(quán)利要求所述的成象裝置，其特征在于，象素電路中所積聚的電荷值作為電流值從象素電路輸出。
17.一種如任一項在先權(quán)利要求所述的成象裝置，其特征在于，所述象素元尺寸等于或小于1mm的截面量級，最好近似于350μm的截面。
18.一種如權(quán)利要求1至17任一項所述的成象裝置，其特征在于，所述象素元尺寸是接近或小于150μm的截面，最好接近或小于50μm的截面，更好地是接近于10μm的截面。
19.一種如任一項在先權(quán)利要求所述的成象裝置，其特征在于，所述襯底厚度在200μm至3mm之間。
20.一種如任一項在先權(quán)利要求所述的成象裝置，其特征在于，所述象素電路與所述襯底集成在一起，并與相應的象素探測器對準。
21.一種如權(quán)利要求1至19任一項所述的成象裝置，其特征在于，所述象素電路被形成于另一襯底上，含有所述象素電路的另一襯底與含有所述象素探測器的襯底相耦合，使每個象素電路被對準并被耦合于相應的象素探測器。
22.一種如任一項在先權(quán)利要求所述的成象裝置，其特征在于，所述陣列包括單獨一行象素探測器和相關的象素電路，形成呈縫隙形的成象裝置，或者包括多行象素探測器和相關的象素電路，形成呈槽形的成象裝置。
23.一種如權(quán)利要求22所述的成象裝置，其特征在于，所述各象素探測器的象素電路是橫向鄰近相應象素探測器的。
24.一種如任一項在先權(quán)利要求所述的成象裝置，其特征在于，在讀出之前，可將電荷于每個象素電路上存儲高達1秒的量級。
25.一種如任一項在先權(quán)利要求所述的成象裝置，其特征在于，與控制電子線路連在一起的包括有尋址邏輯線路，用于尋址各象素電路、以便從所述象素電路讀取存儲的電荷值、并以可選擇的方式把所述象素電路復位。
26.一種如權(quán)利要求25所述的成象裝置，其特征在于，所述尋址邏輯線路包括將所述象素電路的輸出線路連到所述成象裝置輸出端的裝置、將讀取啟動信號加給所述象素電路讀取啟動輸入端的裝置、以及將復位信號加給所述象素電路復位輸入端的裝置。
27.一種如權(quán)利要求26所述的成象裝置，其特征在于，所述連接輸出線路的裝置包括移位寄存器或計數(shù)器，用于使所述各列象素的象素電路輸出端與所述成象裝置的輸出端順次相連。
28.一種如權(quán)利要求26或27所述的成象裝置，其特征在于，所述提供讀取啟動信號的裝置包括移位寄存器或計數(shù)器，用于將讀取啟動信號順次送給所述各行象素的象素電路讀取啟動輸入端。
29.一種如權(quán)利要求25至28任一項所述的成象裝置，其特征在于，所述提供復位信號的裝置包括移位寄存器或計數(shù)器，用于將復位信號順次送給所述各行象素的象素電路復位輸入端。
30.一種如權(quán)利要求25至29任一項所述的成象裝置，其特征在于，所述控制電子線路包括模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于將來自所述象素電路的模擬電荷值轉(zhuǎn)換成數(shù)字電荷值。
31.一種如權(quán)利要求25至30任一項所述的成象裝置，其特征在于，至少部分所述控制電子線路被集成在半導體襯底上；在該半導體襯底上集成了所述象素電路。
32.一種如任一項在先權(quán)利要求所述的成象裝置，其特征在于，所述半導體襯底由選自CdZnTe、CdTe、HgI2、InSb、GaAs、Ge、TlBr和Si的材料制成。
33.一種包含權(quán)利要求25至32任一項所述成象裝置的成象系統(tǒng)，所述成象系統(tǒng)包括一個連接到所述控制電子線路的圖象處理器，用來處理來自各象素電路的數(shù)字電荷值，以形成一個在顯示裝置上顯示的圖象。
34.一種如權(quán)利要求33所述的成象系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器確定用于顯示的象素的最大電荷值和最小電荷值，將灰度或色度的極值分配給所述最大電荷值和最小電荷值，并根據(jù)所述象素的電荷值給每個象素按照所述極值之間的斜率分配灰度或色度的值。
35.一種如權(quán)利要求34所述的成象系統(tǒng)，其特征在于，按照下式分配所述灰度或色度的值
36.一種成象系統(tǒng)，包括多個如權(quán)利要求1至32任一項所述的成象裝置，它們被鋪在一起以形成鑲嵌結(jié)構(gòu)。
37.一種如權(quán)利要求36所述的成象系統(tǒng)，其特征在于，所述鑲嵌結(jié)構(gòu)包括多列被鋪在一起的成象裝置，相鄰各列的所述成象裝置沿列的方向有偏移。
38.一種如權(quán)利要求36或37所述的成象系統(tǒng)，包括用于步進或移動所述成象裝置和/或擬被成象物體的裝置，以便在一個完整的成象區(qū)上積累圖象。
39.一種如權(quán)利要求36或37所述的成象系統(tǒng)，包括兩個成象面，每個面包括一個成象裝置的鑲嵌結(jié)構(gòu)，所述二成象面實際上被互相平行地布置，并且在所述二面間以要成象的物體使彼此隔開，所述鑲嵌結(jié)構(gòu)彼此相對地有橫向偏置，以給出所述物體的基本完整的成象。
40.一種包含多個如權(quán)利要求1至32任一項所述成象裝置的成象系統(tǒng)，其特征在于，將所述成象裝置基本上切向地布置在包圍或部分包圍要用比如計算機層析X-射線攝影法成象的物體的一部分切片的環(huán)或開環(huán)的周圍。
41.一種如權(quán)利要求40所述的成象系統(tǒng)，其特征在于，所述成象裝置基本上切向地布置在多個環(huán)或開環(huán)的周圍，所述多個環(huán)或開環(huán)沿形成它們的一個公共軸的方向彼此有偏移。
42.一種包含多個如權(quán)利要求1至32任一項所述成象裝置的成象系統(tǒng)，其特征在于，所述成象裝置鋪在一起，形成一個與要成象物體的面積和形狀相配合的鑲嵌結(jié)構(gòu)。
43.一種包含多個如權(quán)利要求1至32任一項所述成象裝置的成象系統(tǒng)，其特征在于，所述成象裝置鋪在一起，形成一個圍繞部分或全部要成象物體的鑲嵌結(jié)構(gòu)。
44.一種如權(quán)利要求36至43任一項所述的成象系統(tǒng)，其特征在于，多個被鋪在一起的成象裝置的各圖象輸出端被連到一個共用多路復用器，該多路復用器的輸出端被連到一個共用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
45.一種如權(quán)利要求36至43任一項所述的成象系統(tǒng)，其特征在于，多個鋪在一起的成象裝置的各圖象輸出端以菊花鏈式連到一個共用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
46.一種如權(quán)利要求44所述的成象系統(tǒng)，其特征在于，所述多路復用器的輸出包含代表所述象素電路所積累的電荷的電流值。
47.一種如權(quán)利要求33至46任一項所述的成象系統(tǒng)，其特征在于，每個象素電路被尋址以便按優(yōu)化的速率讀出所存電荷，使得把模擬的積累電荷值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率得到優(yōu)化。
48.一種如權(quán)利要求33至47任一項所述的成象系統(tǒng)，其特征在于，在模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換階段、或者在隨后的圖象處理階段存儲多幀圖象。
49.一種如權(quán)利要求33至48任一項所述的成象系統(tǒng)，其特征在于，在所述象素元處積累圖象幀，重復讀出刷新的圖象以便顯示，并以足夠的速度使所述象素電路復位，以避免所述象素電路的電荷存儲器件飽和。
50.一種成象系統(tǒng)，包括一個或多個如權(quán)利要求22或23所述呈縫隙形或呈槽形的成象裝置，和在所述呈縫隙形或呈槽形的成象裝置與要成象物體之間用于沿橫截所述成象裝置縱軸方向相對移動的裝置，用以遍及一個成象區(qū)積累一個完全的圖象。
51.一種操作如權(quán)利要求50所述成象系統(tǒng)的方法，包括在所述呈縫隙形或呈槽形的成象裝置與要成象物體之間提供沿所述橫截方向的相對移動，并以一定的速率從所述呈縫隙形或呈槽形之成象裝置的象素電路讀出所存的電荷，所述速率與所述成象裝置沿移動方向移過象素尺寸之半或小于一半相對應。
52.一種操作包含一個或多個如權(quán)利要求22或23所述呈縫隙形或呈槽形成象裝置的成象系統(tǒng)的方法，包括通過優(yōu)化下述參數(shù)間的關系使受到散射之輻射的影響最小輻射源與要成象物體間的距離；要成象物體與呈縫隙形或呈槽形成象裝置間的距離；以及所述呈縫隙形或呈槽形成象裝置的寬度。
53.一種使與一象素陣列內(nèi)各象素位置對應的積累值成象的方法，所述積累值是例如權(quán)利要求1至32任一項所限定之成象裝置的各象素位置所積累的電荷值，所述方法包括-確定所述要成象的象素陣列范圍內(nèi)各象素的最大積累值和最小積累值；-把要成象的灰度或色度的極值灰度或色度賦給所述最大和最小積累值；以及-按所述極值對已被標度的所述各個象素的積累值賦以灰度值或色度值；-在圖象的各相應象素位置使被賦值的灰度值或色度值成象。
54.一種自動檢測并清除被測象素值的方法，所述象素值表示入射到如權(quán)利要求1至32任一項所述成象裝置的象素探測器上的輻射，所述方法包括-將所述被檢測的象素值與一閾值相比較，該閾值與對直接入射的輻射預期被檢測到的最小電荷值有關；-除去小于所述閾值的被測象素值。
55.一種在不同應用中采用如權(quán)利要求33至50任一項所述成象系統(tǒng)時能自動優(yōu)化成象的方法，其中入射的輻射根據(jù)所用半導體材料或組合物、以及入射輻射的能量和類型，在半導體襯底的象素探測器中留下不同的電信號，所述方法包括-用重心法確定預期的最好分辨率；-確定作為輻射類型和能量的函數(shù)的預期的效率；-作為所選輻射類型和能量以及所選半導體材料或組合物的函數(shù)，確定象素尺寸和厚度，或者作為所實現(xiàn)的分辨率和效率的函數(shù)，對給定的輻射類型和能量確定最好的半導體選擇。
56.一種如權(quán)利要求55所述的方法，包括自動選擇具有所述已確定的象素尺寸及厚度的成象裝置。
57.一種實現(xiàn)有機物體或無機物體實時成象的方法，所述方法包括-利用產(chǎn)生X-射線、γ-射線、β-射線或α-射線的輻射源輻照所述物體；-在如權(quán)利要求1至32任一項所述成象裝置的半導體成象平面處檢測未被吸收的輻射或從所述物體的選定區(qū)域發(fā)出的輻射，從而將由連續(xù)入射到所述成象裝置各象素探測器上的輻射所引起的電荷量被積聚在各象素電路中；-單獨地對所述象素電路尋址，以讀出所積聚的電荷；-處理所讀出的電荷，給出圖象的象素數(shù)據(jù)；以及-顯示所述圖象的象素數(shù)據(jù)。
58.一種操作如權(quán)利要求1至32任一項所述成象裝置或如權(quán)利要求33至50任一項所述成象系統(tǒng)的方法，所述方法包括按一定的速率從各象素電路讀取所存電荷，該速率能使將模擬存儲電荷值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率得到優(yōu)化。
59.如權(quán)利要求1至32任一項所述成象裝置或如權(quán)利要求33至50任一項所述成象系統(tǒng)的應用，包括用于普通X-射線，用于胸部X-射線，用于乳腺X-射線攝影，用于X-射線斷層照相，用于計算機化X-射線斷層照相，用于螺旋形計算機化X-射線斷層照相，用于X-射線骨密度監(jiān)測，用于γ-射線核射線攝影，用于單光子發(fā)射計算機化X-射線斷層照相(SPECT)用的γ-照相機，用于正電子發(fā)射X-射線斷層照相(PET)，用于X-射線牙齒成象，用于X-射線全景牙齒成象，用于利用同位素的β-射線成象，用于DNA、RNA和蛋白質(zhì)定序，原位雜交，DNA、RNA和分離蛋白質(zhì)或合成蛋白質(zhì)的雜交，以及一般地用于β-射線成象，和采用色譜法和聚合物鏈式反應的射線自顯影，用于產(chǎn)品質(zhì)量控制中的X-射線成象和γ-射線成象，用于實時和在線的無損檢測和無損監(jiān)視，以及用于安全控制系統(tǒng)和用于移動成象。
60.如權(quán)利要求1至32任一項所述成象裝置或如權(quán)利要求33至50任一項所述成象系統(tǒng)的應用，包括用于紅外成象、可見光成象或紫外光成象。
全文摘要
一種成象裝置包括一個半導體襯底(16)，該襯底包括一個象素元陣列。每個象素元包括一個單獨尋址的、用以存儲由入射于象素探測器上的輻射引起的電荷的象素電路(18)?？墒瓜笏仉娐泛拖笏靥綔y器在單獨一個襯底上實現(xiàn)，或者在兩個結(jié)合在一起的襯底上實現(xiàn)。電荷存儲器件可為晶體管，如一對連接成級聯(lián)放大器的FET。一個成象平面可由一個成象裝置或者鋪成鑲嵌結(jié)構(gòu)的多個成象裝置組成。對于某些應用，可將多個成象裝置構(gòu)造成一個槽、縫隙或槽在整個成象平面上掃描。控制電子線路(24)可包括尋址邏輯線路，用以逐個地尋址各象素電路，以便讀取各象素電路所存的電荷。對于顯示而言，通過確定象素的最大和最小電荷值，可實現(xiàn)成象最佳化，這時要給所述最大和最小電荷值分配極值灰度或色度值，并根據(jù)所述極值之間的斜率給單個象素分配灰度或色度值。通過使測得的象素值與對直接入射輻射預期能測到的電荷值的最小值有關的閾值相比較，排除小于所述閾值的象素值，就可以探測和排除經(jīng)散射的輻射。
文檔編號H04N5/335GK1155955SQ95194375
公開日1997年7月30日 申請日期1995年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月1日
發(fā)明者R·O·奧拉瓦, J·I·佩爾蒂爾, T·G·舒爾曼, ∴E 薩拉基諾斯 M∴, K·E·斯帕蒂奧迪斯 申請人:西瑪茨有限公司