CN101960331A - X射线探测器中的直接探测事件的抑制 - Google Patents

X射线探测器中的直接探测事件的抑制 Download PDF

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Abstract

根据本发明的实施例，对来自若干像素或子像素的信号进行比较，并且来自实质上比比较中的其他像素亮的像素或子像素的那些信号被排除对输出信号的贡献，以抑制X射线探测器中的直接探测事件。为此，X射线探测器装置(101)可以包括：-像素布置(303)的阵列(102)；-每个像素布置(303)包括用于将入射辐射转换为收集设备信号的至少一个辐射收集设备(311)，-切换布置(313、324、314、142；313、315、314、352、142；313、315、314；361)，其用于分别向一个输出元件(141)提供从至少一个像素布置(303)的多个辐射收集设备(311)的收集设备信号导出的信号。

Description

X射线探测器中的直接探测事件的抑制
背景技术
本发明涉及抑制X射线探测器中的直接探测事件的探测器和方法。
发明背景
WO 2005088345公开了具有光敏探测器层的X射线探测器，在所述层上设置了用于将X射线转换为光子的闪烁层。
通过将闪烁器或光电导体与半导体成像设备进行组合建立半导体X射线探测器。在第一种情况中，闪烁体将X射线量子转换为光，并且光在半导体成像设备中被转换为电荷，所述电荷最终被读出以得到图像。在第二种情况中，光电导体直接将所吸收的X射线量子转换为电荷，所述电荷由成像器收集并最终被读出以得到图像。
成像设备可以包括基于非晶硅或多晶硅的平板成像器，所述成像器具有像素矩阵中的光电二极管或电荷收集电极。成像设备的其他形式为电荷耦合设备(CCD)和基于互补金属氧化物半导体的成像器(CMOS成像器)。后一成像设备常常采用所谓的有源像素传感器的形式，这是由于其在像素中包含用于放大信号的晶体管。
半导体X射线探测器的常见问题为不是所有X射线量子在转换层，即：在闪烁体或光电导体中被吸收。
通过转换层的X射线量子只有低概率地可能引起半导体成像设备中的相互作用，在单像素中沉降通常大量的电荷。这导致每幅图像中若干非常亮的像素。在下文中，该事件将被称为“寄生直接探测事件”。
转换层中的X射线量子的转换和由成像器的光或电荷的收集的预期过程通常更经常地发生，但是生成低得多的电荷。
因此，除了正常图像之外，在每幅图像中可以观察到少数非常亮的像素。亮像素的数量和位置在图像之间发生改变，并且实质上干扰预期图像。
发明内容
因此，本发明的目的为克服现有技术的这些缺点。这在所附独立权利要求中所提出的内容而实现，而所附从属权利要求限定其有利的修改。
特别地，根据在权利要求1中描述的本发明的第一方面，提供了包括如下部件的X射线探测器装置：
-像素布置的阵列，
-每个像素布置包括用于将入射辐射转换为收集设备信号的至少一个辐射收集设备，
-判优或切换布置，其用于分别向输出元件提供从至少一个像素布置的多个辐射收集设备的收集设备信号中导出的信号。判优布置可以为判优(从)至少一个像素布置的多个辐射收集设备的收集设备信号(得出的信号)的任意布置，即：例如，该任意布置以某种方式考虑那些信号并试图抑制由于直接探测事件导致的比来自其他辐射收集设备的信号亮得多或暗得多的(来自辐射收集设备)信号，从而，与输出在没有判优设备的情况下对信号的依赖相比，输出显著地更少取决于(由于直接探测事件导致其亮得多或暗得多的)所述信号(即：优选地比具有例如仅平均单元的情况更少)。
优选地，判优布置被设计为用于抑制辐射收集设备的辐射收集设备输出信号，所述辐射收集设备输出信号的亮度与多个其他辐射收集设备的辐射收集设备输出信号的亮度的区别大于预定值或因子。取决于例如，探测器装置，该预定值或因子可以具有非常宽的值的范围。根据探测器装置以以下方式选择预定值或因子：其在不使所接收的图像恶化到不可接受的情况下，提供对亮或暗直接探测事件像素的令人满意的抑制-如果没有找到更令人信服的标准时，对确定值或因子的选择理论上也可以根据开发者对所接收图像的印象而完成。
优选地，每个像素布置包括一个辐射收集设备，其中，切换布置包括分别可操作地引起多个像素布置连接到一条读出线的选择线，并且其中，切换布置还包括可操作地连接探测器像素的阵列的邻近读出线的开关，其中，所连接的邻近读出线连接到一个输出元件或若干输出元件。
优选地，将从四个辐射收集设备的收集设备信号导出的信号提供给输出元件。
优选地，当来自至少两个，优选地至少四个辐射收集设备的信号被提供给输出元件时，所有放大器晶体管的源极被连接到一起，但是，连接到其相应辐射收集设备的放大器晶体管的栅极在不同电位。
优选地，受寄生直接探测事件影响的像素布置中的晶体管具有较低栅极电位，并且晶体管在较小程度上对输出信号有贡献以允许来自寄生直接探测事件的信号被抑制。
优选地，输出元件包括放大器。
优选地，像素布置还包括采样和保持电路，包括采样开关、采样电容器和缓冲放大器。
优选地，连接贯通时的附加开关和线在控制电路的控制下沿阵列的水平方向连接采样电容器。
优选地，被连接用于判优的邻近像素布置的数目是被连接用于判优之后的分组(binning)的邻近像素布置的数目的最小约数。
优选地，连接贯通时的附加开关和列线在控制电路的控制下沿阵列的垂直方向连接采样电容器。
优选地，当至少两个，优选地至少四个分组开关被激活时，四个邻近像素布置的采样电容器被连接。优选地，被连接用于判优的邻近像素布置的数目被连接用于判优之后的分组的邻近像素布置的数目的最小约数。例如，如果被连接用于分组的邻近像素布置的数目为4*4(行中有四个像素布置，列中有四个像素布置)，则被连接用于判优的邻近像素布置的数目可以为例如2*2，这是由于2为4的最小约数。
优选地，像素布置包括多个辐射收集设备，其中，所述多个辐射收集设备经由开关可连接到针对多个辐射收集设备的一个读出开关。
优选地，像素布置包括多个辐射收集设备，其中，所述多个辐射收集设备经由一个开关或多个开关可连接到公共采样电容器。
优选地，辐射收集设备为光电二极管或电荷收集电极。
优选地，像素布置包括若干辐射收集设备，并且所述辐射收集设备的信号被馈送到判优电路中，所述判优电路被配置为当收集设备信号与其他收集设备信号的区别大于预定值或因子时，排除来自辐射收集设备的收集设备信号对输出信号的贡献，其中，所述判优电路的输出连接到读出开关。
优选地，判优电路被配置为将来自一个像素布置或多个像素布置中的若干辐射收集设备的信号进行比较，并且其中，判优电路被配置为排除来自那些辐射收集设备的信号对提供给输出的输出信号的贡献，其中所述信号基本上比来自比较中的其他辐射收集设备的信号更亮或更暗。
根据本发明的第二方面，提供了用于处理X射线探测器装置的至少一个像素布置的多个辐射收集设备的辐射收集设备输出信号的方法，其中，从至少一个像素布置的多个辐射收集设备的辐射收集设备输出信号导出的信号被分别提供给一个输出元件，其中，至少一个辐射收集设备输出信号被抑制。
根据结合附图进行描述的下述优选实施例的详细描述和权利要求，本发明的其它方面、特征和优势将变得更加明显。
附图说明
图1示出了半导体成像设备的通常结构；
图2示出了单个有源像素的详细示意图；
图3示出了本发明的第一实施例；
图4示出了本发明的第二实施例；
图5示出了通过激活合适的分组开关连接四个邻近像素的采样电容器；
图6示出了本发明的第三实施例；
图7示出了本发明的第四实施例。
具体实施方式
图1示出了半导体成像设备(101)的通常结构。其包括包含像素(303)的像素矩阵(102)。像素(303)由具有时钟线(131)和数据线(132)的垂直移位寄存器(133)经由选择线(324)激活。所有像素(303)的图像信号经由读出列(325)被逐线读出到输出元件，所述输出元件为列放大器(141)。
在图2中示出了简单有源像素(303)的详细示意图。其包括收集设备，例如，收集信号的光电二极管(311)。另外，其具有在复位线(322)的控制下将光电二极管(311)充电到预定义电压的复位开关(312)。
取决于所收集的信号，光电二极管的曝光引起电压下降。
当读出开关(314)经由选择线(324)被激活时，放大器晶体管(313)将电压从光电二极管复制到输出列(325)。
放大器晶体管的输出电流取决于其栅极(连接到光电二极管(311)，接收作为输入的光电二极管(311)输出信号)和其源极(经由读出开关连接到读出列)之间的电压。
在图3中示出了本发明的第一实施例。其示出了根据图1的像素阵列的一部分。本发明的第一实施例增加开关(142)，所述开关可以在例如，移位寄存器的配置电路(143)的控制下连接邻近读出列。
根据本发明的第一实施例，例如，同时激活两条邻近的选择线(324)并且由其之间的开关(142)将邻近读出列的对(325，325)相连接。其他开关(142)为无源的。这样，四个像素的集合通过相同列放大器(141)读出，并且放大器晶体管的源端在读出过程中被连接。(通常针对根据本发明的判优，可以考虑至少两个像素，优选地，考虑至少四个像素。可以考虑至少1*2＝2个像素的矩形选择(例如，所有在2个邻近行并且所有在3个邻近列)或者可以考虑至少2*2＝4个像素的方形选择(例如，所有在2个邻近行并且所有在(如许多，即)2个邻近列))。在正常图像中，所有四个像素将具有非常类似的亮度值。这引起光电二极管上的类似电压，生成四个像素中的类似栅源电压，并且由此，所有放大器晶体管(313)将类似地对输出信号有贡献。
如果像素中的一个由寄生直接探测事件击中，大量的沉积电荷将引起受影响的光电二极管的大量放电。当读出四个体素的时，再一次连接放大器晶体管(313)的源极，但是，栅极现在在不同电位。特别地，在受寄生直接探测事件影响的体素中的晶体管具有较低的栅极电位。因此，该晶体管将较小程度地对输出信号有贡献，这是由于四个像素的输出信号经由相同放大器(141)被读出，从而使得受到寄生直接探测事件影响的像素中的晶体管的输出变平坦，并且，来自寄生直接探测事件的信号被有效抑制。
本发明的第二实施例使用在图4中描述的复杂像素单元。该单元(303)还包含光电二极管(311)、复位开关(312)、放大器晶体管(313)、读出开关(314)和相关联控制和读出线(322)，(324)，(325)。
另外，其具有采样和保持电路，包括采样开关(315)、采样电容器(316)和缓冲放大器(317)组成的电路。在X射线曝光之后，可以通过激活采样开关(315)将来自光电二极管的信号转移到采样电容器(316)。被采样信号可以经由缓冲器(317)和读出开关(314)独立地从对光电二极管(311)的下一曝光中读出。在成像器领域，采样行为通常被称为同步快门。
附加开关(352)和线(351)允许在未示出的控制电路控制下沿水平方向连接采样电容器。类似地，再一次地，在未示出的控制电路的控制下，附加开关(353)和列(354)允许沿垂直方向连接采样电容器。在下文中，该操作被称为分组。
参照图5，通过激活适当的分组开关(352)和(353)能够连接四个所示出的邻近像素(每个具有附图标记303)的采样电容器。如果激活采样开关(315)的同时完成这一连接，再一次地，放大器晶体管(313)的源极在相同的电位。
如果像素具有类似曝光水平，所生成的类似栅源电压从所有四个像素得到类似贡献。
如果一个像素受到寄生直接探测事件的影响，其将具有实质上较低的栅极电压并且从而将对被复制到互连的采样电容器的信号有较小地贡献。寄生直接探测事件的信号被有效地抑制。
在图6中描述了本发明的第三实施例。在此，像素(303)被再划分为四个子像素，每个子像素包括光电二极管(311)、放大器晶体管(313)和采样开关(315)。例如，光电二极管(311)和放大器晶体管(313)的若干辐射收集设备经由采样开关(315)被连接到公共采样电容器(316)。缓冲器(317)和读出开关(314)允许像素的读出。
类似于之前的实施例，受寄生直接探测事件影响的子像素将具有比其他像素更低的栅极电位，因此其将对采样电容器的充电贡献较小。结果，来自寄生直接探测事件的信号将被有效地抑制。
该电路的变形仅使用一个采样开关(315)。其左端直接连接到像素(无图)中的所有放大器晶体管的源端。
在图7中示出了第四实施例。如在之前的实施例中的，像素布置(以下称为像素)(303)被子划分成具有光电二极管或电荷收集电极(311)的若干子像素。其信号被馈送到判优电路(361)，其排除受寄生直接探测事件影响的子像素对输出信号的贡献。判优电路的输出可以经由读出开关(314)被读出。
本发明可以应用于所有半导体X射线探测器(实施例4)和使用半导体X射线探测器的X射线系统。
实施例1到3尤其适于使用有源像素电路的半导体X射线探测器和使用那些半导体X射线探测器的X射线系统。
根据本发明的实施例，判优电路或布置将来自若干像素或子像素的信号进行比较，并且其排除那些在比较中实质上比其他像素亮的像素或子像素对输出信号的贡献，从而抑制X射线探测器中的直接探测事件。
上面描述的内容为当前被考虑为本发明的优选实施例。然而，如本领域技术人员所已知的，其仅仅由于说明性目的，而不旨在将本发明限制于此。而是，其目的在于包括落入所附权利要求的精神和范围内的所有变型和修改。

Claims (34)

1.一种X射线探测器装置(101)，包括：
-像素布置(303)的阵列(102)，
每个像素布置(303)包括至少一个辐射收集设备(311)，用于将入射辐射转换为辐射收集设备输出信号，
-判优布置(313、324、314、142；313、315、314、352、142；313、315、314；361)，用于分别向输出元件(141)提供从多个辐射收集设备(311)的辐射收集设备输出信号导出的信号。
2.根据权利要求1所述的装置，
其中，所述判优布置(313、324、314、142；313、315、314、352、142；313、315、314；361)被设计为用于抑制(313、324、314、142；313、315、314、352、142；313、315、314；361)辐射收集设备(311)的辐射收集设备输出信号，该辐射收集设备输出信号的亮度与多个其他辐射收集设备(311)的辐射收集设备输出信号的亮度的区别大于预定值或因子。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，所述判优布置至少包括切换布置(313、324、314、142；313、315、314、352、142；313、315、314；361)，其用于分别向一个输出元件(141)提供从多个辐射收集设备(311)的辐射收集设备输出信号导出的信号。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，每个像素布置(图3，303)包括一个辐射收集设备(311)，
其中，切换布置(313、324、314、142)包括选择线(324)，其分别用于引起多个像素布置(303)到一条读出线(325)的连接(314)，
并且其中，所述切换布置还包括用于连接探测器像素(303)的所述阵列(102)的邻近读出线(325)的开关(142)，其中，所连接的邻近读出线(325)连接到至少一个输出元件(141)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，将从至少两个，优选地至少四个辐射收集设备(311)的收集设备信号导出的信号提供给输出元件(141)。
6.根据权利要求1-4中的任一项所述的装置，
其中，将至少两个，优选地至少四个辐射收集设备(311)的收集设备信号提供给输出元件(141)。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，在受寄生直接探测事件影响的像素布置(303)中的晶体管具有较低栅极电位，并且与其他晶体管相比，该晶体管对提供给输出元件(141)的输出信号有较小程度的贡献。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，输出元件(141)包括放大器。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，像素布置(图4，303)还包括采样和保持电路，该采样和保持电路包括采样开关(315)、采样电容器(316)和缓冲放大器(317)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，连接贯通时的附加开关(图4，352)和线(351)连接采样电容器(316)。
11.根据权利要求10所述的装置，
其中，连接贯通时的附加开关(图4，353)和线(354)沿所述阵列(102)的垂直方向和/或所述阵列(102)的水平方向连接采样电容器(316)。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，当分组开关(352、352、353、353)被激活时，连接至少两个，优选地至少四个邻近像素布置(图6，303)的采样电容器(图5，316)。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，被连接用于判优的邻近像素布置(303)的数目是被连接用于所述判优之后的分组的邻近像素布置(303)的数目的最小约数。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，像素布置(图6，303)包括多个辐射收集设备(311)，所述多个辐射收集设备(311)都可经由一个开关(315)或多个开关(315)连接到一个读出开关(314)。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，像素布置(图6，303)包括多个辐射收集设备(311)，所述多个辐射收集设备(311)可经由一个开关(315)或多个开关(315)连接到公共的采样电容器(316)。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，辐射收集设备(311)为光电二极管或电荷收集电极。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，像素布置(图7，303)包括多个辐射收集设备(311)，并且，所述辐射收集设备(311)的信号被馈送到判优电路(361)，所述判优电路被配置为当辐射收集设备(311)的辐射收集设备输出信号与其他辐射收集设备输出信号的区别大于预定值或因子时，排除该辐射收集设备输出信号对判优电路(361)输出信号的贡献，其中，所述判优电路(361)输出可连接(314)到输出(141)。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，
其中，所述判优电路(361)被配置为比较来自至少一个像素布置(303)中的至少两个，优选地至少四个辐射收集设备(311)的信号。
19.一种X射线检查装置，包括：
X射线源，其用于将待检查对象暴露于X射线能量；
以及如权利要求1-16中的任一项所述的X射线探测器装置，用于接收所述待检查对象的X射线图像。
20.一种用于处理X射线探测器装置(101)的至少一个像素布置(303)的多个辐射收集设备(311)的辐射收集设备输出信号的方法，
其中，将从至少一个像素布置(303)的多个辐射收集设备(311)的辐射收集设备输出信号导出的信号分别提供给一个输出元件(141)，其中，至少一个辐射收集设备输出信号在其充分偏离所述至少一个像素布置的其他辐射收集设备输出信号时被抑制。
21.根据权利要求20所述的方法，
其中，辐射收集设备(311)的辐射收集设备输出信号被判优布置(313、324、314、142；313、315、314、352、142；313、315、314；361)抑制，该辐射收集设备输出信号的亮度与多个其他辐射收集设备(311)的辐射收集设备输出信号的亮度的区别大于预定值或因子。
22.根据权利要求20-21中的任一项所述的方法，
其中，每个像素布置(图3，303)包括一个辐射收集设备(311)，
其中，切换布置(313、324、314、142)中的选择线(324)引起多个像素布置(303)到一条读出线(325)的连接(314)，并且其中，所述切换布置的开关(142)连接探测器像素(303)的阵列(102)的邻近读出线(325)，
其中，所连接的邻近读出线(325)被连接到一个输出元件(141)或若干输出元件(141)。
23.根据权利要求20-22中的任一项所述的方法，
其中，从至少两个，优选地至少四个辐射收集设备(311)的辐射收集设备信号导出的信号被提供给输出元件(141)。
24.根据权利要求20-23中的任一项所述的方法，
其中，当将来自至少两个，优选地至少四个辐射收集设备(311)的信号提供给输出元件(141)时，将连接到所述辐射收集设备(311)的放大器晶体管(313)的源极相连接。
25.根据权利要求20-24中的任一项所述的方法，
其中，受寄生直接探测事件影响的像素布置(303)在所述放大器晶体管处具有较低栅极电位，并且该晶体管对提供给输出元件(141)的输出信号有较低程度的贡献，以允许来自所述寄生直接探测事件的信号被抑制。
26.根据权利要求20-25中的任一项所述的方法，
其中，使用包括放大器的输出元件(141)。
27.根据权利要求20-26中的任一项所述的方法，
其中，将来自像素布置(图4，303)中的至少一个辐射收集设备(311)的信号提供给采样和保持电路，该采样和保持电路包括采样开关(315)、采样电容器(316)和缓冲放大器(317)。
28.根据权利要求20-27中的任一项所述的方法，
其中，连接贯通时的附加开关(图4，352)和线(351)在控制电路的控制下沿所述阵列(102)的水平方向连接采样电容器(316)。
29.根据权利要求20-28中的任一项所述的方法，
其中，连接贯通时的附加开关(图4，353)和列线(354)在控制电路的控制下沿所述阵列(102)的垂直方向连接采样电容器(316)。
30.根据权利要求20-29中的任一项所述的方法，
其中，当分组开关(352、352、353、353)被激活时，连接至少两个，优选地至少四个邻近像素布置(图6，303)的采样电容器(图5，316)。
31.根据权利要求20-30中的任一项所述的方法，
其中，像素布置(图6，303)包括多个辐射收集设备(311)，所述多个辐射收集设备(311)可以经由一个开关(315)或多个开关(315)连接到所述多个辐射收集设备(311)的一个读出开关(314)。
32.根据权利要求20-31中的任一项所述的方法，
其中，可以经由一个开关(315)或多个开关(315)将像素布置(图6，303)的多个辐射收集设备(311)连接到公共的采样电容器(316)。
33.根据权利要求20-32中的任一项所述的方法，
其中，像素布置(图7，303)的辐射收集设备(311)的信号被馈送到判优电路(361)(361)，所述判优电路当辐射收集设备(311)的辐射收集设备输出信号与其他辐射收集设备输出信号的区别大于预定值或因子时，排除该辐射收集设备输出信号对判优电路(361)(361)输出信号的贡献，
其中，将所述判优电路(361)(361)输出提供给输出元件(141)。
34.根据权利要求20-33中的任一项所述的方法，
其中，所述判优电路(361)(361)比较来自一个像素布置(303)或多个像素布置(图7，303)中的至少两个，优选地至少四个辐射收集设备(311)的信号。
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