CN102419450A - 用于确定和校正半导体阵列检测器的响应的稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定和修正半导体阵列检测器的响应的稳定性的方法。本发明的一般领域是控制由像素构成的半导体阵列成像器的响应的稳定性的方法。所述方法包括描述所述像素的稳定性的特征的第一阶段以及校正测量过程中从所述像素产生的信号的第二阶段。根据本发明的方法其中一个特征是，像素根据预定准则分为稳定像素和不稳定像素，所述不稳定像素单独地与稳定像素相关联，所述稳定像素的特征作为对从所述不稳定像素产生的信号进行校正的基础。

Description

用于确定和校正半导体阵列检测器的响应的稳定性的方法

技术领域

本发明的领域是半导体类型的成像器，尤其是X射线或伽马辐射成像器。

背景技术

图1中表示了一种半导体类型的成像器。一般而言，其包括检查器材料M，该检查器材料M的第一面包括一般以阵列形式布置的大量像素P(可能在几千到几百万之间)，第二面包括大电极E，该大电极E使得可以对检测器进行极化。当检测器被通常波长很短的辐射R照射的时候，每个像素P测量代表能量的信号S，该能量是由发生在检测器面对该像素的区域中的辐射和检测器材料之间的相互作用而在检测器材料中产生的。

在这样的检测器中，像素的响应不是均匀的。换句话说，承受相等辐射的相同检测器的两个像素可能会产生不同幅值的两个信号。人们也谈到响应的空间非均匀性(spatial heterogeneity)。这种非均匀性有几个原因。尤其是会注意到检测器材料的空间可变检测特性，对于多个像素而言，彼此之间具有敏感度方面的差异是可能的。当这种非均匀性相对于时间稳定的时候，通常情况下或者通过简单的增益校正和偏移校正，或者通过多项式类型的更加复杂的函数来进行校正。

非均匀性的第二个重要原因可能是检测器的响应的时间不稳定性或漂移。这种类型的漂移的起源可能来自于一种较强的照射，其通过空间电荷的出现而在局部改变了材料的内部电场。从而，承受大量累积辐射(integrated radiation)的检测器越多，响应的空间非均匀性的变化也越大，这种方式依赖于照射历史。

此外，在同一次采集的过程中，像素的敏感度(也就是说，表现为入射辐射通量的函数的信号)会变化。因此存在敏感度不随时间变化的稳定像素以及敏感度随时间变化的不稳定像素。举例说明，图2代表像素的信号S的幅值I_S在几百秒的持续时间上的时间变化，其测量为给定时间周期、或计算周期或采集时间中记录的若干冲击NI。在图2的情况下，采集时间等于0.2秒，检测器被照射大约180秒的持续时间。曲线的每个点对应于在2ms的周期中由检测器检测到的打击的次数。在照射之初(也就是说时间t接近于0秒)，检测到的打击或相互作用的次数等于大约19400，并且随着照射时间缓慢减少。在3分钟照射之后，打击的次数会少于19000。该图是通过将CdTe的像素(尺寸为200μm×200μm，厚度为1.5mm)暴露于在检测器水平面处以3×10⁸光子.mm².s^-1的通量率输送的X射线束而获得的。这种现象的原因是在承受照射的检测器中出现了空间电荷区域。这些空间电荷区域减弱了电极化场，其效果是敏感度的降低，从而导致检测到的相互作用的次数更少。这是一种逐渐发展的现象，导致检测器的空间和时间上的波动的极化。

因此，阵列检测器的敏感度在空间上和在时间上都发生变化。从而响应的空间不均匀性在同一次采集的过程中变化，这种现象也是难以预测的。目前还不存在能够以令人满意的方式解决这个问题的方案，除了去除陷阱能级(其是半导体材料中出现空间电荷的原因)之外。这可以使得问题最小化，但是较大或较小稳定性的区域仍然保留。对于诸如X射线断层摄影术的特定应用，这个问题是很重要的；对于避免图像中的伪像，稳定性准则是最重要的。

发明内容

根据本发明的方法可以消除这些缺点或限制大部分这些缺点。本发明是一种用于确定检测器的响应的稳定性的方法。换言之，根据本发明的方法可以将响应于像素化阵列检测器的变化映射到时间上。该方法尤其可以识别响应随时间特别稳定的像素(称为“稳定像素”或“参考像素”)以及响应随时间不稳定的像素(称为“不稳定像素”)。该方法还能够在曝光的过程中对检测器的响应的稳定性进行校正。

本发明还涉及一种检测设备展示装置，其能够实施用于确定和校正响应的稳定性的本方法。

更准确地说，本发明的主题是一种控制由像素构成的半导体阵列成像器的响应的稳定性的方法，所述方法包括描述所述稳定性的特征的至少一个第一阶段，其特征在于，所述第一阶段包括以下步骤：

-用随时间保持恒定的标准辐射照射检测器的像素一段预定持续时间；

-存储在所述预定持续时间内以规则时间间隔由每个像素输送的信号；

-对于每个像素确定由每个像素输送的信号的幅值分布；

-通过代表所述分布的离散度的至少一个统计指标来描述每个分布的特征；

-基于该指标将每个像素分为至少两类像素，每类代表像素的时间响应的稳定性，属于第一类的像素表示为“稳定像素”，属于第二类的像素表示为“不稳定像素”。

有利地，所述方法包括校正所述稳定性的至少一个第二阶段，包括以下步骤：

-根据预定准则将每个不稳定像素与至少一个稳定像素相关联；

-用待描述特征的辐射照射检测器的像素；

-存储对于在所述预定持续时间内取得的至少一个时间间隔由每个像素输送的信号；

-根据由与所述不稳定像素关联的稳定像素产生的信号或多个信号，对由每个不稳定像素产生的信号或多个信号进行校正。

有利地，每个像素n的幅值分布是以平均值μ_n为中心的直方图D_n，所述统计指标为标准偏差s_n。

有利地，将像素分为一类像素是根据比率值s_n/μ_n是否小于预定阈值而进行的。

有利地，所述阵列分解为包括预定数量像素的基本网格单元，所述网格单元的像素具有属于第一类像素的比率s_n/μ_n的最小值，所述网格单元的其它像素属于第二类像素。

有利地，所述预定准则或者是所述不稳定像素与最接近的稳定像素分离的最小距离，或者是同一个网格单元中的成员数量。

有利地，由每个不稳定像素产生的信号的校正通过以下方式实现：将所述不稳定像素的所述信号乘以与由稳定像素输送的信号成比例的常系数，所述不稳定像素与所述稳定像素相关联。在给定时间间隔期间，其还可以通过以下方式实现：将所述不稳定像素的所述信号乘以与由稳定像素输送的信号的平均值成比例的系数，在相同时间间隔期间所述不稳定像素与所述稳定像素相关联。

本发明还涉及一种实施上述方法的阵列成像器。然后，该成像器包括由像素构成的半导体有源检测表面，包括用于存储和处理从有源表面的像素产生的信号的装置，其特征在于，所述像素分布在至少两类中，第一类包括所谓的稳定像素，第二类包括所谓的不稳定像素，每个不稳定像素根据预先确定的准则关联至稳定像素，从每个不稳定像素产生的信号根据与所述不稳定像素相关联的稳定像素的信号而以至少一个校正系数进行传输。

附图说明

通过阅读以下非限制性的描述并且凭借附图，本发明会得到更好的理解，其它优点也会变得更加明朗，在附图中：

已经评论过的图1代表阵列成像器的操作原理；

也已经评论过的图2代表阵列成像器的像素的输出信号随时间的变化；

图3代表根据本发明的控制阵列成像器的响应的稳定性的方法的第一阶段的主要步骤；

图4代表在一段时间中对于同一个信号而言由像素输送的信号的示例性幅值分布；

图5代表根据本发明的控制阵列成像器的响应的稳定性的方法的第二阶段的主要步骤；

图6代表使得不稳定像素与稳定像素相关联的两个例子。

具体实施方式

控制由像素构成的半导体阵列成像器的响应的稳定性的方法包括两个不同阶段：第一阶段为描述像素的稳定性的特征，第二阶段为对像素的信号进行校正从而在成像器的输出获得正确的测量结果。

优选地，成像器的检测器材料是半导体，例如借助于CdZnTe或CdTe类型的材料制造，也可以使用本领域技术人员已知的其它类型的半导体材料。半导体材料是平行六面体形状。材料的厚度在几百微米到几毫米之间。其表面的面积根据应用而变化，一般而言等于几cm²。自然，本发明也应用于其它像素化辐射检测器，并且特别应用于基于联接至光检测器阵列的闪烁体材料的那些像素化辐射检测器。

该检测器的第一面由根据阵列布置的多个像素构成。术语像素应理解为表示沉积在材料上并且被极化以收集载荷子(在这里为电子)的电极，该电极连接到信号处理装置。该第一面的每个电极(或阳极)连接至用于对收集的信号进行处理的装置(本领域技术人员已知的装置)，从而使得由电极检测的信号的幅值取决于通过入射辐射沉积在检测器中的能量。

该检测器的第二面由极化为电位比阳极低的一个或更多电极(阴极)构成。

从而，检测设备包括：

-包括检测器材料和各个电极的检测器体；

-用于对检测器的各个阳极和阴极进行极化的装置；

-用于对由每个阳极输送的信号进行处理的装置。

根据本发明的方法的第一阶段的步骤在图3中表示，并且在下文中具体描述。

在第一步骤中，检测器承受辐射，该辐射是随时间保持恒定的，并且优选地是均匀的。检测器被照射的方式使得每个像素都承受一定的入射光子通量，该入射光子通量在这段照射周期中是恒定的，并且优选地是空间均匀的。表述“光子通量”应理解为表示X射线或伽马辐射，优选地为X射线辐射。然后，辐射源可以是X射线发生器，例如在医学扫描仪中使用的那种，其功率特性为120kV的电压和100mA的电流。表述“基本上均匀”应该理解为表示产生一定通量率的辐射，也就是说每单位面积和时间一定数量的光子，其在检测器的第二面上的百分之几之内是恒定的。通量率选得足够高，从而导致可能会出现响应于各个像素的不稳定性。例如，通量可以是10⁹光子/s.mm²的量级。

在照射过程中，检测器的像素在规则时间间隔产生信号，并且对于每个像素可以获得根据时间的检测到的信号的幅值变化。在第二步骤中，对于整组像素对这些信号进行存储。可以根据滑动平均来进行连续测量。一般而言，测量持续一秒到几分钟之间的持续时间。采样频率(限定了分离由同一个像素产生的两个连续信号的时间间隔)是几百微秒。

从而，在恒定通量下的照射周期中，每个像素产生可变幅值的连续信号。然后，在第三步骤中，对于每个像素n，可以确定直方图形式的幅值分布Dn，代表了根据幅值的信号的出现次数。这种分布表现为以平均值μ_n为中心的尖峰的形式，可以对其提出统计指标，例如标准偏差s_n，在分布遵循高斯概率定律的情况下，该标准偏差s_n对应于中间高度宽度除以2.35。图4代表这样的直方图，其中出现的次数NI根据比率s_n/μ_n进行表示。

在第四步骤中，每个分布的特征在于代表像素的响应的时间稳定性的指标。例如，可以采用直方图的中间高度宽度作为指标。

最后，在第五步骤中，每个像素n根据前述指标采用的值进行分类。表述“响应的时间稳定性”应该理解为表示当像素暴露于恒定辐射时该像素产生的信号的幅值的变化。例如，如果s_n/μ_n小于阈值(例如：0.005)，那么像素考虑为是稳定的。如果s_n/μ_n大于该阈值，那么该像素考虑为是不稳定的。

当然，可以设想更大数量的类，从而例如消除非常不稳定或具有异常响应的像素。根据该指标采用的值，还可以在一组给定的像素中确定“最稳定”的像素。该最稳定的像素考虑为是稳定像素。

已经进行了像素的这种分类之后，可以进行至根据本发明的方法的第二阶段的步骤。这些步骤在图5中表示，并且在下文中具体描述。

在第一步骤中，检测器的每个不稳定像素关联至稳定像素，该稳定像素也可以称为参考像素。术语“关联”应理解为表示一种虚构连接，例如基于相对位置的准则以及基于预先确定的稳定性指标。

通过在图6中示出并且代表了检测阵列的像素的第一例子，每个不稳定像素P_INS1都连接至位置上最接近的稳定像素P_S1。

还是通过图6中的第二例子，像素的阵列可以虚拟分为网格单元，每个网格单元将预定数量的像素归在一起。在这种情况下，在每个网格单元中确定最稳定的像素P_S2，并且然后将其考虑为网格单元的稳定像素，然后考虑为不稳定的相同网格单元的其它像素P_INS2关联至所述网格单元的稳定像素。每个网格单元都可以是四边形，有利地是正方形，包括p²个像素。一般而言，网格单元具有较小尺寸，每个网格单元包括至多25个像素。在图6中，网格单元是16个像素的正方形，从而包括“稳定”像素和15个所谓的“不稳定”像素。

当已经产生这种网格的时候，检测设备准备在测量条件下使用，也就是说暴露于未知的入射辐射。在第二步骤中，因此，用待测量的辐射照射检测器第二预定持续时间。该第二持续时间不一定等于第一预定持续时间，这对于像素的校准以及稳定像素和不稳定像素的确定而言是必需的。

在第三步骤中，确定随时间由每个像素输送的信号的幅值。一般而言，对于在所述第二预定持续时间中取得的若干时间间隔来执行由每个像素输送的信号的存储。

最后，在第四步骤中，根据由所述不稳定像素关联至的稳定像素所产生的信号，对由每个不稳定像素产生的信号进行校正。优选地，校正是通过将由不稳定像素产生的信号乘以校正因子来进行的，所述校正因子组合了分别由不稳定像素和所述不稳定像素关联至的稳定像素产生的信号的时间平均。

下面，S_unstable(t)表示校正之前由不稳定像素产生的信号，S^* _unstable(t)表示校正之后由不稳定像素产生的信号，并且S_stable(t)表示由相关联的稳定像素产生的信号，t代表时间。而且，k表示校正因子，从而：

S^* _unstable(t)＝k×S_unstable(t)。

通过第一示例性校正，信号S_unstable(t)可以简单地由相关联的信号S_stable(t)来代替。在这种情况下，存在：

S^* _unstable(t)＝S_stable(t)

在这种情况下，k等于S_stable(t)/S_unstable(t)。

通过第二例子，通过用稳定信号的变化来代替不稳定信号的变化，可以对不稳定信号S_unstable(t)随时间的变化进行校正。然后，存在：

S^* _unstable(t)＝S_unstable(t0)×(S_stable(t)/S_stable(t0))

例如，t0是测量开始的初始瞬间。

通过第三例子，信号的滑动平均可以用作校正源，这些平均在时间间隔Δt上进行计算，该时间间隔Δt可以是从几百毫秒到几秒。这些平均表示为针对稳定信号的M_stable(t)和针对不稳定信号的M_unstable(t)。具有关系：

$M_{\mathrm{stable}}\left(t\right)={\∫}_t^{t+\mathrm{\Δt}}{S}_{\mathrm{stable}}\left(t\right)/\mathrm{\Δt}$ 和 $M_{\mathrm{unstable}}\left(t\right)={\∫}_t^{t+\mathrm{\Δt}}{S}_{\mathrm{unstable}}\left(t\right)/\mathrm{\Δt}.$

在这种情况下，每个不稳定像素的信号S(t)通过以下方式进行修正：

S^* _unstable(t)＝S_unstable(t)×M_stable(t)/M_unstable(t)

从而，从每个不稳定像素产生的每个信号都根据该不稳定像素在检测器中的位置分配了校正因子k，该校正因子k随时间变化。因此，其是可改变的校正因子，也就是说在检测器的同一次曝光过程中变化的校正因子，这构成了特别有利的一点。此外，该校正因子取决于位于不稳定像素附近的稳定像素。换言之，该指标是空间化的。该稳定像素或参考像素已经承受相同的照射历史，这样的校正因子是特别合适的。

这种校正越有效，检测器的像素化对于系统的空间分辨率就越重要。在这种情况下，靠近在一起的两个像素在物理上承受相同的入射辐射。此外，这种重要的像素化可以针对测量高通量进行调整，如同X射线扫描仪的情况。入射光子的数量除以大量像素，从而减小了每个电子通路的待测的最大通量。

每个不稳定像素的信号的校正在照射之处是特别有效的。事实上，当照射周期持续太长时间时，例如超过几十分钟，可能会出现非线性效果，从而导致校正具有更大的随机性。然后，有用的是对检测器进行去极化，然后在进行检测器的新的照射之前对其进行再次极化。

已知的是，通过对半导体材料进行去极化，在某种程度上可以消除在照射过程中影响每个像素的敏感度的损失。从而，在去极化-极化循环之后，每个像素重新获得其在前次循环之后曾经具有的敏感度。换言之，在去极化-极化循环之后并且在任何照射之前，每个像素的敏感度几乎没有任何改变。然后，在一个或更多照射周期之后，进行去极化然后进行再次极化可能是有利的。然后，前面描述的校正会变得更加有效。

Claims (9)

1.一种控制由像素(P)构成的半导体阵列成像器的响应的稳定性的方法，所述方法包括描述所述稳定性的特征的至少一个第一阶段和校正所述稳定性的至少一个第二阶段，其特征在于：

所述第一阶段包括以下步骤：

-用随时间保持恒定的标准辐射照射检测器的像素一段预定持续时间；

-存储在所述预定持续时间内以规则时间间隔由每个像素输送的信号(S)；

-对于每个像素确定由每个像素输送的信号的幅值分布；

-通过代表所述分布的离散度的至少一个统计指标来描述每个分布的特征；

-基于该指标将每个像素分为至少两类像素，每类代表像素的时间响应的稳定性，属于第一类的像素表示为“稳定像素”，属于第二类的像素表示为“不稳定像素”，

所述第二阶段包括以下步骤：

-根据预定准则将每个不稳定像素与至少一个稳定像素相关联；

-用待描述特征的辐射照射检测器的像素一段第二预定持续时间；

-存储对于在所述第二预定持续时间内取得的至少一个时间间隔由每个像素输送的信号；

-根据由与所述不稳定像素关联的稳定像素所产生的信号或多个信号，对由每个不稳定像素产生的信号或多个信号进行校正。

2.根据权利要求1所述的控制由像素构成的半导体阵列成像器的响应的稳定性的方法，其特征在于，每个像素n的幅值分布是以平均值μ_n为中心的直方图D_n，所述统计指标为标准偏差s_n。

3.根据权利要求2所述的控制由像素构成的半导体阵列成像器的响应的稳定性的方法，其特征在于，将像素分为一类像素是根据比率值s_n/μ_n是否小于预定阈值而进行的。

4.根据权利要求2所述的控制由像素构成的半导体阵列成像器的响应的稳定性的方法，其特征在于，所述阵列分解为包括预定数量像素的基本网格单元，所述网格单元的像素具有属于第一类像素的比率s_n/μ_n的最小值，所述网格单元的其它像素属于第二类像素。

5.根据权利要求1所述的控制由像素构成的半导体阵列成像器的响应的稳定性的方法，其特征在于，所述预定准则是所述不稳定像素与最接近的稳定像素分离的最小距离。

6.根据权利要求1或4所述的控制由像素构成的半导体阵列成像器的响应的稳定性的方法，其特征在于，所述预定准则是同一个网格单元中的成员数量。

7.根据权利要求1、5和6的其中一项所述的控制由像素构成的半导体阵列成像器的响应的稳定性的方法，其特征在于，对由每个不稳定像素产生的信号的校正通过以下方式实现：将所述不稳定像素的所述信号乘以与由稳定像素输送的信号成比例的常系数，所述不稳定像素与所述稳定像素相关联。

8.根据权利要求1、5和6的其中一项所述的控制由像素构成的半导体阵列成像器的响应的稳定性的方法，其特征在于，对在给定时间间隔期间由每个不稳定像素产生的信号的校正通过以下方式实现：将所述不稳定像素的所述信号乘以与由稳定像素输送的信号的平均值成比例的系数，在相同时间间隔期间所述不稳定像素与所述稳定像素相关联。

9.一种阵列成像器，包括由像素构成的半导体有源检测表面，包括用于存储和处理从有源表面的像素产生的信号的装置，其特征在于，所述像素分布在至少两类中，第一类包括所谓的稳定像素，第二类包括所谓的不稳定像素，每个不稳定像素根据预先确定的准则关联至稳定像素，从每个不稳定像素产生的信号根据与所述不稳定像素相关联的稳定像素的信号而以至少一个校正系数进行传输。

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