CN103038666B - 具有增益范围选择的电磁辐射检测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于成像的电磁辐射检测器。该检测器包括多个像素(10)，每个像素将其所经受的电磁辐射(13)转换成电信号。根据本发明，每个像素(10)均包括均将光敏元件(11，12)所接收到的辐射转换成基本电信号的多个光敏元件(11，12)以及根据为检测器所选择的增益范围来从由光敏元件(11，12)所产生的基本电信号中选择以便形成像素(10)的电输出信号的选择装置(14，15)。

Description

具有增益范围选择的电磁辐射检测器

技术领域

本发明涉及用于成像的电磁辐射检测器。这种类型的检测器包括通常以阵列或带状布置的大量称为像素的感光点。像素表示检测器的基本敏感元件。每个像素将其所经受的电磁辐射转换成电信号。在读取阵列的阶段期间收集由各个像素所传送的电信号，然后将其数字化以便能够进行处理，并对其进行存储以形成图像。像素由根据其接收到的光子通量来传送电荷的电流的光敏区域和用于处理该电流的电子电路构成。所述光敏区域通常包括光敏元件或光检测器，其例如可以是光电二极管、光敏电阻器或光电晶体管。已知大的光敏阵列可以包括数百万像素。

背景技术

通常，每一个像素均由光敏元件和电子电路构成，该电子电路例如包括开关、电容器和电阻器，在其下游设置有驱动器。由光敏元件和电子电路形成的组件允许产生并收集电荷。电子电路通常允许在电荷转移后对在每个像素中所收集的电荷进行复位。驱动器的作用是将电路所收集到的电荷转移到读取总线。在驱动器接收到这样做的指令时进行这种转移。驱动器的输出对应于像素的输出。

因此，检测器包括相似像素的阵列，通常将每列(或每行)的相邻像素连接至同一读取总线。

在这种类型的检测器中，像素在两个阶段中运行：图像捕捉阶段，在此期间像素的电子电路蓄积由光敏元件所产生的电荷；和读取阶段，在此期间借助于驱动器将所收集到的电荷转移到读取总线。

在图像捕捉阶段期间，驱动器是无源的，所收集到的电荷会改变在光敏元件与驱动器之间的连接点的电位。该连接点被称为像素的电荷收集节点。在读取阶段期间，驱动器是有源的，以便释放蓄积在感光点的电荷，从而对其进行转移或复制，或者甚至将电荷收集节点的电位复制到检测器的读取电路。

表达“无源驱动器”意思是指驱动器不与读取电路电接触。因此，当驱动器是无源的情况下，既不转移在像素中收集的电荷，也不将其复制到读取电路。

驱动器可以是由时钟信号(通常是晶体管)控制的开关。它也可以是跟随器电路或其它允许将在所述像素中收集的电荷连通或转移到读取电路的任何器件，例如它可以是电容跨阻放大器(CTIA)。

这种类型的辐射检测器可用于医疗领域或工业领域中非破坏性测试中电离辐射(尤其是X射线或γ射线)的成像，或者用于检测放射图像。光敏元件可以检测可见或接近可见范围内的电磁辐射。这些元件对入射到检测器上的辐射并不，或并不十分敏感。因此，称为闪烁体的辐射转换器用于将入射的辐射(例如X射线)转换成像素中的光敏元件敏感的波长范围内的辐射。

在图像捕捉阶段期间，将以每个光敏元件所接收到的光子的形式的电磁辐射转换成电荷(电子/空穴对)，并且每个像素通常均包括电容器，该电容器可以使该电荷蓄积以便改变像素的收集节点的电压。该电容器可以是光敏元件所固有的，即所谓的寄生电容器，或者以与光敏元件并联连接的电容器的形式来添加该电容器。

因此，根据现有技术，每个像素均包括一个含有单个光敏元件的光敏区域。

目前的光敏元件还不能直接调节以匹配辐射通量的变化。在人眼中，这种调节由虹膜来完成，其倾向于在强照度下减少入射的光通量。类似地，在相机中，这种功能由快门来实现。在诸如上述的辐射检测器中，这种调节更加难以实现。

已经寻求了通过给每个像素添加电容器来匹配通量的变化，如果需要的话可以将该电容器与光敏元件并联连接。更确切地说，在低亮度情况下，在检测器的所有像素中都断开附加的电容器。在检测器被强照射的情况下，连接所有像素的电容器以减小像素的电压。换句话说，该电容器允许通过它的在所接收到的光子数与像素的电压之间的转移函数来修改像素的增益。例如，附加电容器借助于诸如金属氧化物半导体(MOS)晶体管等电子开关来连接。

这种能够使用不同增益范围内的像素的解决方案有许多缺点。首先，能够连接附加电容器的开关干扰了像素的节点的电压，这是因为其产生了漏电流。该电流降低了像素的性能，特别是当电容必须断开时。其次，像素的一些面积被附加电容器占据，这不利于光敏元件的面积。

发明内容

本发明旨在通过提供一种可以在每个像素中选择增益范围的辐射检测器来克服上述问题中的一些或全部，而无需用于做出这种选择的附加电容器。

为此目的，本发明的主题是一种用于检测电磁辐射的检测器，包括以行和列的阵列布置的多个像素，每列或每行像素连接到所述阵列的同一读取总线上，像素表示所述检测器的基本敏感元件，每个像素将其所经受的所述电磁辐射转换成电信号，其特征在于每个像素均包括：

多个光敏元件，每个光敏元件将由所述光敏元件接收到的所述电磁辐射转换成基本电信号；以及

用于根据为所述检测器所选择的增益范围从由像素的所述光敏元件所产生的所述基本电信号中选择以便形成所述像素的电输出信号的装置。

每个像素均包括在其中设置有多个光敏元件的光敏区域。

增益范围在像素外选择。增益范围可以由操作者手动选择。也可以自动选择增益范围，例如，通过在传感器附近设置诸如光电电池等光检测器，光检测器传送关于由检测器接收到的平均照度的信息。然后通过将该平均照度与预置阈值相比较来做出范围的选择。

在低照度的情况下，像素的增益必须尽可能的高，于是使用像素的所有的或至少是最敏感的光敏元件来形成像素的电输出信号。因为光敏元件具有较大的占地面积，所以可以增大像素的最大增益。换言之，对于给定的像素面积，在低光照的情况下提高了传感器的灵敏度。

本发明可以用于单色检测器中，其中所有的像素都是单色的并且是相同的。所有的像素检测相同的辐射。本发明还可以用于彩色检测器中，其中设置了多组单色像素。在给定的组中，每个像素意在检测给定波长范围内的辐射。例如，一组可以包含三个基本像素，其中一个检测红光，另一个检测绿光，第三个检测蓝光。本发明可以用于每个基本像素中。

附图说明

通过阅读实施例的详细描述以及附图所示的描述，将会更好地理解本发明，并且其它的优点将会变得更加明显，在附图中：

图1示意性地示出了根据第一实施例的像素，并能够用于根据本发明的检测器；

图2示意性地示出了根据第二实施例的像素，并能够用于根据本发明的检测器；

图3示出了像素内多个光敏元件的空间配置的示例；以及

图4示出了可以用于X射线放射学中的辐射检测器的示例。

具体实施方式

为了清楚起见，在不同的附图中相同的元件使用相同的附图标记。

两个实施例描述了包括两个光敏元件的像素。当然，本发明并不限于包括两个光敏元件的像素。可以使用大量的光敏元件以便增加由检测器所提供的增益范围的数量。

根据本发明的检测器由以阵列或带状布置的许多像素形成。这些像素通常是相同的。

图1示出了包括能够检测辐射13的两个光电二极管11和12的像素10。两个光电二极管11和12示出为理想的二极管和电容器，该电容器在这里是寄生电容器，且与该二极管并联。这种表示可以让我们理解光电二极管的操作，光电二极管包括在辐射13照射期间充电的寄生电容器。寄生电容器的充电形成由每一光电二极管11和12传送到其相应的阴极的基本电信号。每一光电二极管11和12的阳极连接到传感器的接地面。

本发明当然也可以采用诸如光敏电阻器和光电晶体管等其它类型的光敏元件。当然也需要针对这些其它类型的光敏元件而对附图加以修改。

此外，光敏元件可以由可以将接收到的辐射转换成单个基本电信号的多个光电检测器(光电二极管，光敏电阻，光电晶体管等)形成。

像素10包括用于选择光电二极管11和12中的一个或两个的基本电信号以便根据为检测器所选择的增益范围形成像素10的输出电信号的装置。更确切地说，以电压形式的基本电信号由所考虑的光敏元件11或12所蓄积的电荷形成，电输出信号由一个或多个所选择的光敏元件11和12的电压的平均值形成。在所示的示例中，像素10包括两个选择开关14和15，其均允许两个光电二极管11和12中的一个分别连接到像素10的节点16上，该节点在形成像素10的输出信号处形成电位点。更通常地，像素10包括至少一个选择开关，该选择开关允许光敏元件中的至少一个连接到节点16，该节点位于允许读取像素10的驱动器19的上游。在本实施例中，驱动器19是以跟随器模式运行的NMOS晶体管。

不同于简单开关，以跟随器模式运行的晶体管并不将收集节点16直接连接到读取电路，而是在时钟信号23产生电流时，将像素10的收集节点16上的电压复制到输出端22，该电压由晶体管19的阈值电压Vth移位。在这里输出端22由开关形成。这种复制可以不改变蓄积在节点16上的电荷，同时确保输出端22具有低阻抗。

在所示的示例中，光电二极管11的面积大于光电二极管12的面积。这个面积差由附图中光电二极管11和12的尺寸来表示。实际上，两个光电二极管11和12可以在低照度下耦合，在辐射13的强照明下将仅使用光电二极管12。

在低照度的情况下，可能将仅使用光电二极管11，在读取阶段期间断开开关15。虽然这个变型降低了像素10的有用光敏面积，但可以减少连接到节点16的部件的数目，从而可以降低来自节点16的漏电流。这减小了像素10的输出信号中的噪声。

作为一个变型，可以去除开关15并使光电二极管12永久连接到节点16，当希望改变在低照度下的增益范围时，仅需闭合开关14。这个变型同样可以减少连接到像素10的节点16的部件的数目。对这个变型进行概括，每个像素10可以包括N个光敏元件(N是2或更多)和N-1个选择开关，光敏元件中的一个永久地连接到读取驱动器19。

有利的是，对于给定的入射电磁辐射13，永久连接到读取驱动器19的光敏元件12所产生的基本信号小于一个或多个其它光敏元件(例如光敏元件11)所产生的一个或多个基本信号。

调节电容器17和18可以分别与光电二极管11和12并联连接，从而增大与每一光电二极管11和12相关联的电容。实际上，为了减小由光电二极管12传送的基本信号的电压，电容器18通常是必要的。相反，由于光电二极管11的较大面积及由此导致的较大寄生电容，电容器17通常是不必要的。一般而言，在没有附加电容器(至少电容器17)的情况下是有利的，从而限制了与光电二极管11和12并联的部件的数目。这是因为这些部件产生了不利地影响基本信号质量的漏电流。此外，它们的体积大，减小了每个像素的有用面积，即，光敏元件的检测面积。另外，使用一个小面积的光电二极管12通常意味着不需要调节电容器18，这是本发明的另外的优点。如果考虑到光电二极管12的检测增益，则小检测面积补偿了调节电容器的添加。

是否使用附加电容器17和18取决于所选择的光电二极管和每个基本信号的期望电压电平。一般而言，它们的电容是与它们相关联的光电二极管的寄生电容的20％到500％之间。

应当注意的是，即使电容器17和18是必要的，它们的电容也较小，并且因此比现有技术中修改像素的增益范围所用的电容器要小(例如小10到20倍)，特别是对于小面积光电二极管12来说。这是因为在每个像素具有单个光敏元件的情况下，像素必须具有实现最高可能增益的尺寸。因此，像素可以产生大的光电流，这意味着如果希望减小像素的增益来改变其增益范围的话，电容器必须具有高电容。相比之下，在本发明的情况下，电容器18必须简单地适合于仅覆盖像素的一部分区域的光电二极管12，因而仅产生部分电流或光电流。因此，电容器18比现有技术中的尺寸小。

像素10的读取驱动器19允许节点16连接到检测器的读取电路20。在整个形成每个光电二极管11和12的基本电信号的图像捕捉阶段期间使驱动器19截止。在整个将电输出信号从节点16转移到读取电路20的像素10的读取阶段期间使驱动器19导通。

例如，读取驱动器19是由连接到其源极S的两个开关21和22控制的场效应晶体管。至于晶体管19的漏极D，其连接到电压源25。于是，晶体管19以跟随器模式运行。开关21允许电流发生器23连接到源极S，开关22允许源极S连接到读取电路20。

由开关21和22控制的读取驱动器19可以寻址像素10，从而对其进行读取。行由开关21选择，这使得电流可以在读取阶段期间流过跟随器晶体管19。在Vth范围内，将像素10的节点16上的电压复制到像素10的输出开关22，电位Vth对应于晶体管19的阈值电压。列由开关22选择，导通开关22以便将收集节点16上的电压复制到列读取总线26，列读取总线26一方面连接到输出开关22的输出端，另一方面连接到读取电路20。这实现了适当的行/列寻址。

像素10还包括调零装置，该调零装置例如由擦除电压24构成，在像素10的读取阶段之后可以将擦除电压24施加到光电二极管11和12相应的阴极上。

因此，使用该第一实施例，已经示出了一个像素如何可以包含两个不同面积的光敏元件或光电检测器。一般来说，在这样的配置中，较小光敏元件的面积比较大光敏元件的面积小2至10倍。

在该第一实施例中，本发明自然并不限于在给定像素内使用两个不同面积的光敏元件，而是在给定像素内可以使用可能是不同的尺寸的数个光敏元件，这些元件连接到同一驱动器19。

图2示出了包括能够检测辐射13的两个光电二极管11和12以及调零装置24的像素30。与像素10相反，在像素30中没有为两个光电二极管11和12所共用的节点16。像素30包括分别与每个光电二极管11和12相关联的、以跟随器模式运行的晶体管31和32。这些部件31和32交替地用作驱动器。现在将示出像素30的驱动器如何可以是跟随器晶体管31或跟随器晶体管32。在整个形成由两个光电二极管11和12中的每一个所产生的基本电信号的图像捕捉阶段期间使读取晶体管31和32截止。在读取阶段期间，驱动器可以是跟随器晶体管31或跟随器晶体管32，从而允许从光电二极管11和12中选择将要形成像素30的电输出信号的光电二极管。

定义了分别由每个光电二极管11和12所产生的电荷蓄积处的基本节点33和34。相对于检测器的读取电路20，节点33和34位于晶体管31和32的上游。节点33和34的阻抗远高于开关31和32下游的阻抗。已经去除了在前述的实施例中所描述的开关14和15的事实使得可以限制连接到基本节点33或34的部件的数目。这可以降低在每个节点33和34处的漏电流，还可以提高从每个节点33和34得到的基本信号的质量。

至于像素10，晶体管31和32分别由两个开关控制，用于晶体管31的开关35、36以及用于晶体管32的开关37、38。开关35和37允许连接电流发生器23，开关36和38允许将每个节点33和34上的电压复制到读取电路20。

如同第一实施例，开关所产生的漏电流或寄生电容对像素的电输出信号的影响比当开关设置在驱动器19的上游时要小。这是因为，在图1中所示的第一实施例中，当开关设置在驱动器19的上游(即高阻抗区域中)时，它们能够产生寄生电流或寄生电容，寄生电容形成在开关的端子与控制电路之间。这会改变像素的节点处的电荷，从而导致在像素的输出信号中的不希望的波动。

在图2中所示的第二实施例中，开关35至38设置在允许选择范围的开关31和32的下游，即低阻抗区域中。因此，开关35至38对像素的电输出信号的影响较小。

两个光电二极管11和12优选地是不同尺寸的。对于高照度可以选择最小的光电二极管12的基本信号。在这种情况下，像素30的驱动器是晶体管32。在低照度的情况下将会选择较大的光电二极管13的基本信号。在这种情况下，像素30的驱动器是晶体管31。也有可能光电二极管11和12的尺寸是可比较的，但其增益不同。这允许根据像素30所希望的增益来选择两个光电二极管11和12中的一个或另一个。因此，在本实施例中，像素由均设置在驱动器的上游的多个光电二极管构成。对于每个像素，根据入射到检测器的辐射亮度来选择所使用的驱动器和光电二极管。

与上述情况一样，图2中的变型并不限于两个光电二极管，光电二极管的数量可以根据希望的增益范围而按照需要变化。此外，在该变型的上下文中当然还可以使用其它类型的光敏元件。最后，光敏元件可以由与同一节点33或34相关联的多个光电检测器形成。

图3示出了在像素40中的多个光敏元件的空间布置的示例。这种布置可以适用于图1和图2中所示的两个变型。

像素40包括可以在高照度下单独使用的第一光敏元件41。例如，元件41具有正方形(或可选地为矩形)形状以使损失的空间最小化。例如，元件41由单个光电检测器形成。元件41由相连的其它八个光电探测器42至49包围，以便一起传送单个基本信号。八个光电检测器42至49优选地具有与形成光敏元件41的光电检测器相同的形状。光电探测器42至49可以在低照度下同时使用。换言之，例如将它们连接到图2中的同一晶体管31，或者例如连接到图1中的同一选择开关14。光电探测器41至49可以全部是相同的以简化检测器的生产。两个区域50和51用于在元件41至49之间布设电导体，并且区域52用于容纳像素40的各种电子开关和驱动器。

更一般而言，每个像素40均包括可以用于第一增益范围的第一光敏元件41，第一光敏元件41由形成第二光敏元件的多个光电检测器42至49包围，第二光敏元件可以用于第二增益范围。在图2的变型中，第一光敏元件和光电检测器42至49分别连接到第一电位驱动器和第二电位驱动器，术语“电位”理解为这些驱动器都是像素30的可替代的驱动器。根据入射辐射的亮度，可以使用第一光敏元件和第一电位驱动器，或者使用光电检测器42至49和第二电位驱动器。

可以理解，根据本实施例，可以在给定像素中设置n组光电传感器，每组光电传感器至少包括一个光敏元件，每组光敏元件连接到电位驱动器，这样，根据入射辐射的亮度，选择单组光电传感器和其连接到的电位驱动器。

图4示出了可以用于X射线或伽马射线放射学的辐射检测器60。检测器例如由硅衬底的衬底61形成，衬底61上设置有以阵列布置的像素以形成光敏传感器62。传感器62并不直接对X或伽马射线的极短波长的辐射敏感。这就是为什么包括闪烁物质层的辐射转换器63与光敏传感器62相关联的原因。当这种物质被传感器62敏感的较长波长处的发射辐射的这种辐射(例如可见光或接近可见范围的光)激发时，该物质具有这种性质。由辐射转换器63发射的光照射传感器62的光敏元件，其产生光电转换并传送可以被读取电路20读取的电信号。通常被称为闪烁体63的辐射转换器63可以通过能够传输由闪烁体63发射的辐射的粘合剂膜64而固定到传感器62上。入射窗(未示出)可以覆盖闪烁体63以保护其免受来自外部环境的损害。

由于其良好的性能，经常使用碱金属卤化物或稀土氧硫化物类的特定闪烁物质。在碱金属卤化物之中，取决于需要约400纳米还是约550纳米的发射，分别采用掺钠或掺铊的碘化铯，掺钠或掺铊的碘化铯具有较高的X射线吸收能力和优良的闪烁效率是众所周知的。它可以采用生长在衬底上的细针的形式。这类闪烁物质可以针对与闪烁体层相互作用的每个X射线光子发射约数百个可见光子。

采用本发明中的诸如图4中所示的辐射检测器可以检测每个X射线光子。这是因为仅通过减小由传感器62处理的可见光子的数量来选择增益范围。

Claims (12)

1.一种用于检测电磁辐射的检测器，包括以行和列的阵列布置的多个像素(10，30，40)，每列或每行像素连接到所述阵列的同一读取总线(26)，像素表示所述检测器的基本敏感元件，每个像素将其所经受的所述电磁辐射(13)转换成电信号，其特征在于每个像素(10，30，40)均包括：

多个光敏元件(11，12；41至49)，每个光敏元件将由所述光敏元件(11，12；41至49)接收到的所述辐射转换成基本电信号；以及

选择装置(14，15)，所述选择装置(14，15)根据为所述检测器所选择的增益范围来从由像素(10，30，40)的所述光敏元件(11，12；41至49)所产生的所述基本电信号中选择，以便形成所述像素(10，30，40)的电输出信号。

2.根据权利要求1所述的检测器，其特征在于：所述基本电信号由所述光敏元件(11，12；41至49)所蓄积的电荷以电压的形式形成；并且所述电输出信号由来自一个或多个所选择的光敏元件(11，12；41至49)的电压的平均值形成。

3.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于：每个像素(10)包括用于驱动所述像素(10)的驱动器(19)，所述驱动器在整个图像捕捉阶段是截止的，在所述图像捕捉阶段期间形成每个光电二极管(11，12)的所述基本电信号，并且所述驱动器在整个像素(10)读取阶段是导通的，在所述像素(10)读取阶段期间所述电输出信号被转移到所述检测器的读取电路(20)；并且用于选择所述基本电信号的装置包括至少一个选择开关(14，15)，所述至少一个选择开关(14，15)允许至少一个所述光敏元件(11，12)分别连接到所述驱动器(19)。

4.根据权利要求3所述的检测器，其特征在于：每个像素(10)均包括N个光敏元件(11，12)，N是两个或更多，以及N-1个选择开关(14，15)，所述光敏元件(11，12)中的一个永久连接到所述驱动器(19)。

5.根据权利要求4所述的检测器，其特征在于：对于给定的电磁辐射(13)，永久连接到所述驱动器(19)的所述光敏元件(12)产生的基本信号小于由一个或多个其它光敏元件(11)产生的一个或多个基本信号。

6.根据权利要求1所述的检测器，其特征在于：每个像素(30)均包括与每个光敏元件(11，12)相关联的、用于读取所述像素(30)的读取驱动器(31，32)，所述驱动器在整个图像捕捉阶段是截止的，在所述图像捕捉阶段期间形成所述基本电信号，并且所述驱动器在整个读取像素(30)的阶段是导通的，在所述读取像素(30)的阶段期间所述电输出信号被转移到所述检测器的读取电路，所述像素(30)的一个驱动器(31，32)的闭合允许选择用于形成所述像素(30)的所述电输出信号的所述光敏元件(11，12)中的一个。

7.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于：一个光敏元件由将所接收到的辐射转换成单个基本电信号的多个光电检测器(42至49)形成。

8.根据权利要求7所述的检测器，其特征在于：每个像素(40)均包括能够用于第一增益范围的第一光敏元件(41)，所述第一光敏元件(41)被多个形成第二光敏元件的光电检测器(42至49)包围，所述第二光敏元件能够用于第二增益范围。

9.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于：包括闪烁体(63)，所述闪烁体(63)将入射辐射(X)转换成所述光敏元件敏感的波长范围内的辐射。

10.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于：所述像素是单色的。

11.根据权利要求1或2所述的检测器，其特征在于：所述检测器由衬底(61)形成，所述像素(10，30，40)设置在所述衬底(61)上。

12.根据权利要求1所述的检测器，其特征在于，所述增益范围取决于所述检测器接收到的平均照度。