CN104434152B - X射线与光学图像传感器以及其成像系统及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请案涉及一种X射线与光学图像传感器以及其成像系统及制作方法。一种用于捕获X射线图像数据及光学图像数据的图像传感器包含X射线吸收层及安置于半导体层中的多个光电二极管。所述X射线吸收层经配置以响应于接收到X射线辐射而发射光子。安置于所述半导体层中的所述多个光电二极管经光学耦合以接收图像光以产生所述光学图像数据，且经光学耦合以从所述X射线吸收层接收光子以产生X射线图像数据。
Description
技术领域
本发明大体来说涉及图像传感器，且特定来说(但非排他性地)涉及组合X射线与可见光图像传感器。
背景技术
X射线检测器及成像器用于多种医疗及工业工艺中。在这些应用中的许多应用中，不期望使经成像物体经受延长的X射线暴露，因为已知X射线会损坏有机及无机材料两者。举例来说，在医疗应用中，到X射线的延长的暴露已与严重的健康状况有关联。在常规X射线技术中，为了获得所要特征的优质X射线图像可需要采取多次X射线。时常，此为X射线设备操作者必须“猜测并检验”X射线传感器相对于正成像的特征/物体的位置的结果。X射线图像传感器放置是基于最佳“猜测”，且接着拍摄X射线图像以“检验”位置并怀着希望地再现所要特征的清晰图像。此不仅将这些程序的被摄体暴露于额外有害的X射线辐射而且浪费时间及资源。因此，能够在捕获X射线之前提供定位反馈的X射线传感器可限制不必要的X射线暴露且增加效率。
发明内容
在一个实施例中，本申请案提供一种用于捕获X射线图像数据及光学图像数据的图像传感器，所述图像传感器包括：X射线吸收层，其经配置以响应于接收到X射线辐射而发射光子；及多个光电二极管，其安置于半导体层中，其中所述多个光电二极管经光学耦合以接收图像光以产生所述光学图像数据，且其中所述多个光电二极管经光学耦合以从所述X射线吸收层接收所述光子以产生所述X射线图像数据。
在另一实施例中，本申请案提供一种成像系统，其包括：X射线发射器，其用于发射X射线束；控制器，其耦合到所述X射线发射器以控制所述X射线束的所述发射；及图像传感器，其用于捕获X射线图像数据及光学图像数据，其中所述控制器耦合到所述图像传感器以控制图像捕获，所述图像传感器包括：X射线吸收层，其经配置以响应于接收到所述X射线束而发射光子；及多个光电二极管，其安置于半导体层中，其中所述多个光电二极管经光学耦合以接收图像光以产生所述光学图像数据，且其中所述多个光电二极管经光学耦合以从所述X射线吸收层接收所述光子以产生所述X射线图像数据。
在又一实施例中，本申请案提供一种制作用于捕获X射线图像数据及光学图像数据的图像传感器的方法，所述方法包括：形成经配置以响应于接收到X射线辐射而发射光子的X射线吸收层；及在半导体层中形成多个光电二极管，其中所述多个光电二极管经光学耦合以接收图像光以产生所述光学图像数据，且其中所述多个光电二极管经光学耦合以从所述X射线吸收层接收所述光子以产生所述X射线图像数据。
附图说明
参考以下各图描述本发明的非限制性及非穷尽实施例，其中除非另有规定，否则在所有各个视图中相似参考编号指代相似部件。
图1是根据本发明的实施例的前侧照明式X射线与光学图像传感器(“XOIS”)装置架构的一个可能实例的横截面图解说明。
图2是根据本发明的实施例的背侧照明式XOIS装置架构的一个可能实例的横截面图解说明。
图3是根据本发明的实施例在捕获光学图像数据及X射线图像数据两者的操作中的图1的XOIS装置架构。
图4是根据本发明的实施例在捕获光学图像数据及X射线图像数据两者的操作中的图2的XOIS装置架构。
图5图解说明根据本发明的实施例的XOIS的一个实例的框图示意图。
图6是图解说明根据本发明的实施例形成XIOS装置的方法的一个实例的流程图。
图7是图解说明根据本发明的实施例的X射线与光学成像系统的一个实例的图。
图8是图解说明根据本发明的实施例操作X射线与光学成像系统的方法的流程图。
图9是图解说明根据本发明的实施例操作X射线与光学成像系统的方法的流程图。
图10是图解说明根据本发明的实施例操作X射线与光学成像系统的方法的流程图。
具体实施方式
本文中描述用于捕获光学图像数据及X射线图像数据两者的图像传感器的实施例。在以下描述中，陈述众多特定细节以提供对本发明的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在不具有所述特定细节中的一者或一者以上的情况下实践或者可借助其它方法、组件、材料等来实践。在其它实例中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免使某些方面模糊。
在本说明书通篇中对“一个实施例”或“一实施例”或“一个实例”的提及意指结合所述实施例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇的各个位置中短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”或“一个实例”的出现未必全部指代同一实施例。此外，所述特定特征、结构或特性可以任何适合方式组合于一个或一个以上实施例中。
图1及2是根据本发明的实施例的用于X射线与光学图像传感器(“XOIS”)的可能装置架构的两个实施例的横截面图。图1是根据本发明的实施例的前侧照明式XOIS100装置架构的一个可能实例的横截面图解说明。在前侧照明式配置中，XOIS100包含安置于半导体层104中的多个光电二极管102。在图1中，半导体层104具有第一侧130及与第一侧130相对的第二侧132。由于XOIS100是前侧照明式图像传感器，因此第一侧130对应于半导体层104的前侧且第二侧132对应于半导体层104的背侧。在一个实施例中，半导体层104包括硅。X射线吸收层106安置于半导体层104与反射层108之间。在一个实施例中，反射层108为例如铝等金属且为厚。
在图1中，半导体层104安置于X射线吸收层106与一个或一个以上中间层110之间。在所图解说明的实施例中，中间层110包含X射线屏蔽层118，X射线屏蔽层118经定位以阻挡X射线辐射使其不到达可易受由到X射线辐射的暴露所致的物理降解的晶体管组件120。在一些实施例中，X射线屏蔽层118还可为经战略性地定位而也充当X射线屏蔽的电子互连件。X射线屏蔽层118可包含铅、钨、铝及/或铜。晶体管组件120经耦合以读出多个光电二极管102。举例来说，晶体管组件120可包含用于从光电二极管102转移光生电荷的转移晶体管(其为此项技术中已知的“3T”或“4T”像素架构的部分)的转移栅极。晶体管组件120还可包含为用于读出包含多个光电二极管102的像素阵列中的每一像素的外围读出电路的部分的晶体管。
在所图解说明的实施例中，彩色滤光片层112安置于微透镜114阵列与中间层110之间。微透镜114经配置以将图像光聚焦到光电二极管102上。彩色滤光片层112可包含可布置成拜耳图案的红色、绿色及蓝色滤光片。
图2是根据本发明的实施例的背侧照明式XOIS200装置架构的一个可能实例的横截面图解说明。在背侧照明式配置中，XOIS200包含安置于半导体层204中的多个光电二极管202。在图2中，半导体层204具有第一侧230及与第一侧230相对的第二侧232。由于XOIS200是背侧照明式图像传感器，因此第一侧230对应于半导体层204的背侧且第二侧232对应于半导体层204的前侧。在一个实施例中，半导体层204包括硅。X射线吸收层206安置于半导体层204与反射层208之间。在一个实施例中，反射层208为例如铝等金属且为厚。
由于XOIS200为背侧照明式架构，因此中间层210安置于X射线吸收层206与半导体层204之间。在所图解说明的实施例中，中间层210包含金属互连件219。在图2中，中间层211包含X射线屏蔽层218，X射线屏蔽层218经定位以阻挡X射线辐射使其不到达可易受由到X射线辐射的暴露所致的物理降解的晶体管组件220。X射线屏蔽层218可包含铅、钨、铝及/或铜。晶体管组件220经耦合以读出多个光电二极管202。举例来说，晶体管组件220可包含用于从光电二极管202转移光生电荷的转移晶体管(其为此项技术中已知的“3T”或“4T”像素架构的部分)的转移栅极。晶体管组件220还可包含为用于读出包含多个光电二极管202的像素阵列中的每一像素的外围读出电路的部分的晶体管。
类似于图1，在图2中，彩色滤光片层212安置于微透镜214阵列与中间层211之间。微透镜214经配置以将图像光聚焦到光电二极管202上。彩色滤光片层212可包含可布置成拜耳图案的红色、绿色及蓝色滤光片。
图3是根据本发明的实施例在捕获光学图像数据及X射线图像数据两者的操作中的图1的XOIS100装置架构。XOIS100为能够捕获光学图像数据(例如，可见及/或非可见光)及来自X射线辐射的X射线图像数据两者的双模式成像器。在图3中，第一侧130经耦合以接收图像光304及X射线辐射302。
在图3中，图像光304依序传播穿过微透镜114、彩色滤光片层112、中间层110并进入到光电二极管102中的一者中。在图3中，在光电二极管102中传播的图像光304产生可作为光学图像数据读出以产生图像的图像电荷。图像光304可为可见光或非可见光(例如，红外或紫外)。可在XOIS100的滤光片堆叠中包含滤光片(未图解说明)以使某些光波长(例如，红外)不到达光电二极管102。
XOIS100也能够捕获X射线图像数据。在图3中，X射线束302依序传播穿过微透镜114、彩色滤光片层112、中间层110及半导体层104。X射线束302可在其行进穿过半导体层104时传播穿过光电二极管102。换句话说，X射线吸收层106经定位以通过多个光电二极管102中的光电二极管接收X射线束302。
一股来说，具有大于大致10keV的能量的X射线可以极低量子效率通过硅(意味着所述硅不将入射X射线辐射转换成电子)。在医疗诊断中有时使用具有大于大致10keV的能量的X射线。类似于可见光，具有小于10keV的能量的X射线可由硅吸收。因此，如果半导体层104为硅，那么具有大于大致10keV的能量的X射线束302可通过半导体层104。当然，可使用除硅之外的半导体材料。
在传播穿过半导体层104之后，X射线束302遇到X射线吸收层106。X射线吸收层106经配置以响应于接收到X射线辐射(并由其刺激)而发射光子。X射线吸收层106可为例如具有Gd2O2S:Tb的组成的Gadox(也叫作P43)等磷光体。Gadox可在其由X射线辐射刺激时发射具有大致545nm的波长的光子。应注意，存在许多可用作X射线吸收层106的在吸收X射线辐射后即刻发射光的材料/结构。在图3中，X射线束302刺激X射线吸收层106以发射光子397。光子397移动穿过半导体层104中的光电二极管102(且由其吸收)，这在所述光电二极管中产生图像电荷。因此，多个光电二极管102可在X射线辐射刺激X射线吸收层106以发射光子时通过测量由X射线吸收层106发射的光子产生X射线图像数据。
在图3中，X射线吸收层106定位于半导体层104与反射层108之间。反射层108经定位以将由X射线吸收层106发射的光子朝向多个光电二极管102往回引导。在图3中，X射线束302刺激X射线吸收层106以发射光子399。光子399朝向反射层108发射，反射层108将光子399往回反射到光电二极管102，使得光电二极管102可从光子399产生图像电荷。在一些实施例中，在XOIS100中不包含反射层108，但包含反射层108可更有效地测量由刺激X射线吸收层106的X射线束302产生的光子。如果在XOIS100中包含反射层108，那么X射线束302可传播穿过反射层108及反射层108安置于其上的任何透明处置衬底(未图解说明)。
图3还展示在X射线操作模式中，安置于晶体管组件120上面的X射线屏蔽层118经定位以阻挡X射线302以便限制对晶体管组件120的损坏。
图4图解说明根据本发明的实施例在捕获光学图像数据及X射线图像数据两者的操作中的图2的XOIS装置架构。类似于XOIS100，XOIS200为能够捕获光学图像数据(例如，可见及/或非可见光)及来自X射线辐射的X射线图像数据两者的双模式成像器。在图4中，第一侧230经耦合以接收图像光304及X射线束302。
在图4中，图像光304依序传播穿过微透镜214、彩色滤光片层212、中间层211并进入到光电二极管202中的一者中。在图4中，在光电二极管202中传播的图像光304产生可作为光学图像数据读出以产生图像的图像电荷。图像光304可为可见光或非可见光(例如，红外或紫外)。可在XOIS200的滤光片堆叠中包含滤光片(未图解说明)以使某些光波长(例如，红外)不到达光电二极管202。
XOIS200也能够捕获X射线图像数据。在图4中，X射线束302依序传播穿过微透镜214、彩色滤光片层212、中间层211、半导体层204及中间层210。X射线束302可在其行进穿过半导体层204时传播穿过光电二极管202。换句话说，X射线吸收层206经定位以通过多个光电二极管202中的光电二极管接收X射线束302。
如上文所论述，一股来说，具有大于大致10keV的能量的X射线可以极低量子效率通过硅(意味着所述硅不将入射X射线辐射转换成电子)，而具有小于10keV的能量的X射线可由硅吸收。因此，如果半导体层204为硅，那么具有大于大致10keV的能量的X射线束302可通过半导体层204。
在传播穿过中间层210之后，X射线束302遇到X射线吸收层206。X射线吸收层206可一股具有与X射线吸收层106相同的性质且经配置以响应于接收到X射线辐射(并由其刺激)而发射光子。在图4中，X射线束302刺激X射线吸收层206以发射光子497。光子497行进穿过中间层210且进入到半导体层204中的光电二极管202中。光子497在光电二极管202中产生可接着作为X射线图像数据读出的图像电荷。因此，多个光电二极管202可在X射线辐射刺激X射线吸收层206以发射光子时通过测量由X射线吸收层206发射的光子产生X射线图像数据。
在图4中，X射线吸收层206定位于中间层210与反射层208之间。反射层208经定位以将由X射线吸收层206发射的光子朝向多个光电二极管202往回引导。在图4中，X射线束302刺激X射线吸收层206以发射光子499。光子499朝向反射层208发射，反射层208将光子499往回反射到光电二极管202，使得光电二极管202可从光子499产生图像电荷。在一些实施例中，不包含反射层208，但包含反射层208可更有效地测量由刺激X射线吸收层206的X射线束302产生的光子。如果在XOIS200中包含反射层208，那么X射线束302可传播穿过反射层208及反射层208安置于其上的任何透明处置衬底(未图解说明)。
图4还展示在X射线操作模式中，安置于晶体管组件220上面的X射线屏蔽层218经定位以阻挡X射线302以便限制对晶体管组件220的损坏。
图1-4的论述展示XOIS100及XOIS200为能够捕获X射线图像数据及光学图像数据的双模式成像器。图7图解说明根据本发明的实施例可并入有XOIS100或XOIS200以作为XOIS702的X射线与光学成像系统700的一个实例。
在图7中，控制器708经耦合以控制XOIS702以捕获光学图像数据及X射线图像数据且还经耦合以从XOIS702接收光学图像数据及X射线图像数据。XOIS702可具有布置成若干图案(例如，拜耳图案)以捕获彩色光学图像的彩色滤光片，或XOIS702可不具有彩色滤光片且经配置以捕获单色光学图像。控制器708可控制XOIS702的操作参数，例如曝光持续时间(电子快门)及信号增益。控制器708可包含处理器、现场可编程门阵列(“FPGA”)或用于处理图像数据的其它逻辑。控制器708可包含用于存储指令、设定及图像数据的存储器。在一个实施例中，控制器708连接(有线地或无线地)到因特网或局域网且可经由因特网或局域网将X射线图像数据或光学图像数据发送到另一装置。
控制器708还耦合到X射线发射器704以控制X射线束718(其可具有大于10KeV的能量)从X射线发射器704的发射。可在可操纵硬件模块中包含X射线发射器704使得X射线发射器704可经恰当定位以(与XOIS702协作地)产生经成像被摄体722(例如，牙齿)的图像。控制器708可经耦合以控制X射线发射器704的操作参数，例如所发射的X射线的能量、X射线束718的持续时间、所发射的X射线的角度及X射线发射器704相对于XOIS702的位置。在一个实施例中，控制器708经无线地耦合以控制X射线发射器704及XOIS702、发送及接收来自X射线发射器704及XOIS702的数据。在图7中，控制器708经耦合以控制光源714以发射源光715。在一些实施例中，光源714为任选的。在图7中，控制器708进一步耦合到显示器710及用户接口712。所述用户接口可为鼠标、轨迹垫、选择开关及/或键盘或其它。
在图7中，控制器708还经耦合以控制光学快门723的打开及关闭。光学快门723可由阻挡可见光使其不变为入射到XOIS702上但仍允许X射线束718传播穿过其的材料(例如，塑料)制成。在一个实施例中，光学快门723包含液晶快门层且集成到XOIS702中并安置于光电二极管102/202上方以挡住可见光。光学快门723可仅存在于某些实施例中。
X射线与光学成像系统700可取决于成像系统700的使用情况及配置而在多种不同模式中操作。图8是图解说明根据本发明的实施例操作X射线与光学成像系统700的方法800的流程图。过程框中的一些或全部出现在过程800中的次序不应视为限制性。而是，受益于本发明的所属领域的一股技术人员将理解，可以未图解说明的多种次序或甚至并行地执行所述过程框中的一些过程框。
在图8中所图解说明的第一操作模式中，控制器708引导XOIS702以通过用其光电二极管测量图像光716来捕获初始图像(过程框805)。可使用电子快门序列(例如，滚动或全局快门)来测量光电二极管上的图像电荷。在引导XOIS702以捕获初始图像之后，控制器708可致使X射线发射器704发射朝向经成像被摄体722引导的X射线束718(过程框810)，同时控制器708还致使XOIS702捕获随动图像(过程框815)。所述初始图像包含来自测量在XOIS702中的光电二极管上产生图像电荷的图像光716的光学图像数据，而所述随动图像包含图像光716及X射线束718的穿透经成像被摄体722的部分的测量两者，因为X射线束718的穿透部分在X射线吸收层(例如，X射线吸收层106或206)中刺激可由XOIS702中的光电二极管测量的光子。为了隔离X射线图像数据以产生X射线图像，从随动图像像素值减去初始图像像素值(过程框820)，因为所述初始图像包含光学图像数据(例如，可见光)且所述随动图像包含光学图像数据及X射线图像数据两者。换句话说，所述初始图像用作随动图像的基线/校准图像。为了改进结果，可直接在捕获初始图像之后捕获所述随动图像。应了解，此第一操作模式的实施方案未必需要光学快门723。
应了解，成像系统700的操作者可实时地观看由XOIS702捕获的经成像被摄体722的一系列图像以便正确地定位XOIS702以拍摄经成像被摄体722的X射线图像。所述系列的图像(例如，视频)可由控制器708显示于显示器710上以给出操作者关于将XOIS702关于经成像被摄体722定位的视觉反馈。基于所述视觉反馈，操作者可与用户接口712交互以起始X射线成像序列。所述X射线成像序列可包含捕获初始图像及接着捕获随动图像，如图8中所展示。在一个实施例中，环境光提供足够光来捕获所述系列的图像。在其它实施例中，光源714可由控制器708控制以发射处于不同强度的源光715从而提供足够光以反射可测量数量的图像光716供XOIS702进行测量。在一个实施例中，光源714经调谐以提供相对低水平的源光715来确保XOIS702中的光电二极管在其捕获初始图像时不处于全容量，因此仍存在余量来测量将由X射线束718的穿透经成像被摄体722且刺激X射线吸收层106或206的部分产生的额外图像电荷。
图9是图解说明根据本发明的实施例操作X射线与光学成像系统700的方法900的流程图。过程框中的一些或全部出现在过程900中的次序不应视为限制性。而是，受益于本发明的所属领域的一股技术人员将理解，可以未图解说明的多种次序或甚至并行地执行所述过程框中的一些过程框。
在图9中所图解说明的第二操作模式中，光源714为非可见光源(例如，红外或紫外)。光源714可经配置以仅发射相对窄频带的光。光源714可包含红外或紫外发光二极管(“LED”)。可在滤光片堆叠中于XOIS702上方安置滤光片使得XOIS702经配置以仅测量由光源714发射的相同频带的源光715。在一个实施例中，光源714发射以850nm为中心的红外光，且XOIS702上方的滤光片仅允许800nm与900nm之间的光到达XOIS702中的光电二极管。在此配置中，XOIS702不测量可见光。
为了在此第二操作模式中产生X射线图像，控制器708致使光源714发射由经成像被摄体722反射以作为图像光716的源光715(过程框905)。在过程框910中，XOIS702通过测量图像光716来捕获光学图像(其可为单色的)。可在显示器710上显示所述光学图像以给出操作者关于将XOIS702关于经成像被摄体722定位的视觉反馈。基于所述视觉反馈，操作者可与用户接口712交互以起始X射线成像序列。在过程框915处，控制器708可从用户接口712接收用于起始X射线成像序列的用户接口信号。如果控制器708未接收到用于起始X射线成像序列的用户接口信号，那么过程900返回到过程框905。应理解，过程900可以包括过程框905、910、915且返回到过程框905的循环运行。此可捕获作为视频显示于显示器710上以辅助操作者定位XOIS702以捕获X射线图像的一系列光学图像。当控制器708起始X射线成像序列时，过程900继续到过程框920，其中关断光源714且控制器708致使X射线发射器704发射朝向经成像被摄体722引导的X射线束718(过程框925)，同时控制器708还致使XOIS702捕获X射线图像(过程框930)。由于XOIS702上的滤光片防止可见光由光电二极管测量且在X射线成像序列期间关断光源714，因此由XOIS702的光电二极管测量的图像电荷应主要(如果不是排他性地)由X射线束718的穿透经成像被摄体722、通过XOIS702上的滤光片且在X射线吸收层106或206上刺激由光电二极管测量的光子发射的部分产生。同样，所属领域的技术人员将理解，在此第二操作模式中，光学快门723为任选的。在于过程框930中捕获X射线图像之后，过程900返回到过程框905。
图10是图解说明根据本发明的实施例操作X射线与光学成像系统700的方法1000的流程图。过程框中的一些或全部出现在过程1000中的次序不应视为限制性。而是，受益于本发明的所属领域的一股技术人员将理解，可以未图解说明的多种次序或甚至并行地执行所述过程框中的一些过程框。
在图10中所图解说明的第三操作模式中，利用光学快门723。在操作者定位XOIS702以使经成像被摄体722成像的同时，XOIS702正捕获图像(过程框1005)且将所述图像发送到控制器708以供作为视觉反馈显示于显示器710上(过程框1010)。一旦成像系统700的操作者确定XOIS702经恰当定位以捕获X射线图像时，其与用户接口712交互以起始X射线成像序列。在过程框1015处，控制器708可从用户接口712接收用于起始X射线成像序列的用户接口信号。如果控制器708未接收到用于起始X射线成像序列的用户接口信号，那么过程1000返回到过程框1005。应理解，过程1000可以包括过程框1005、1010、1015且返回到过程框1005的循环运行。此可捕获作为视频显示于显示器710上以辅助操作者定位XOIS702以捕获X射线图像的一系列光学图像。当控制器708响应于接收到用户接口信号(或其它信号)而起始X射线成像序列时，过程1000继续到过程框1020。在过程框1020中，光学快门723关闭以挡住图像光716使其不传播到XOIS702的光电二极管中。在关闭光学快门723之后，控制器708致使X射线发射器704发射朝向经成像被摄体722引导的X射线束718(过程框1025)，同时控制器708还致使XOIS702捕获X射线图像(过程框1030)。X射线束718的穿透经成像被摄体722的部分也穿透光学快门723且继续进行以在X射线吸收层106或206上刺激由XOIS702中的光电二极管测量的光子发射。由于在X射线成像序列期间图像光716由光学快门723阻挡，因此XOIS702仅测量由刺激X射线吸收层的X射线束718产生的图像电荷。换句话说，在X射线成像序列期间关闭光学快门723防止外部图像光716向在X射线图像序列期间捕获的图像贡献图像电荷(及污染所述图像)。在于过程框1030中捕获X射线图像之后，过程1000返回到过程框1005。
在操作成像系统700的第一、第二及第三模式中，XOIS702的使用允许成像系统700的操作者接收关于XOIS702的定位的视觉反馈。常规X射线传感器通常缺乏用于确定X射线传感器相对于正成像的物体的位置/定位的手段。经常地，这些装置的操作者采用拍摄多个X射线图像的试错法以获得一个优质的图片。除浪费时间及成像资源以外，此还导致经成像被摄体(其可为身体部分)受到于X射线辐射的不必要暴露。然而，通过在捕获X射线图像之前借助XOIS702拍摄一个或一个以上光学图像，可在使用X射线辐射捕获X射线图像之前对X射线成像器(包含于XOIS702中)的位置进行优化。
应了解，操作成像系统700的第一、第二及第三模式并非穷尽性的且可使用其它方法。在一种情景中，在牙医诊所中使用成像系统700来对一牙齿或一群组的牙齿进行X射线成像。在此情景中，在患者的嘴张开从而为XOIS702提供作为图像光进行测量的环境光时，XOIS702可在显示器710上为操作者提供视觉反馈。一旦操作者确定XOIS702经恰当定位于将进行X射线成像的正确牙齿附近时，所述操作者便可在执行X射线图像序列(其包含发射X射线束718同时起始XOIS702上的图像捕获)时要求患者合上其嘴。在此情景中，患者的嘴类似于光学快门而起作用且挡住环境光使其不向X射线图像数据贡献图像电荷(及污染所述图像数据)。
在一些实施例中，控制器708可操纵X射线图像数据及光学图像数据两者。举例来说，控制器708可增加/减小对比度、突出显示图像的所要区域、剪裁图像、调整纵横比、叠加X射线与光学图像、并排或画中画地显示X射线与光学图像等。应了解，重复在操作成像系统700的第一、第二及第三模式中所描述的X射线成像序列还将允许捕获一系列X射线图像。控制器708可控制X射线发射器704及XOIS702是否将捕获视频及/或静态X射线/光学图像数据。
图5图解说明根据本发明的实施例的XOIS500的一个实例的框图示意图。图5包含像素阵列504(包含将包含光电二极管102或202的个别像素512)、耦合到像素阵列504以控制像素阵列504的操作的控制电路506、耦合到像素阵列504以从像素阵列504读出图像数据的读出电路508及耦合到读出电路508以存储从像素阵列504读出的图像数据的功能逻辑510。
在一个实施例中，像素阵列504为光电二极管或像素(例如，像素P1、P2、P3...、Pn)的二维阵列。如所图解说明，每一像素512可被布置到一行(例如，行R1、R2、R3...、Ry)及列(例如，列C1、C2、C3...、Cx)中以获取物体的图像数据，接着可使用所述图像数据再现所述物体的图像。
在一个实施例中，在每一像素512接收来自图像光716(无论是源自光源714还是源自环境光源)的图像电荷或从X射线吸收层106或206产生的图像电荷之后，所述图像数据由读出电路508读出且接着转移到功能逻辑510。在各种实施例中，读出电路508可包含放大电路、模/数(“ADC”)转换电路或其它。在一个实施例中，读出电路508可沿着读出列线一次读出一行图像数据(所图解说明)或可使用多种其它技术(未图解说明)读出所述图像数据，例如串行读出或同时全并行读出所有像素。功能逻辑510可仅存储所述图像数据或甚至通过应用图像后效果(例如，剪裁、旋转、调整亮度、调整对比度或其它)来操纵所述图像数据。在一个实施例中，光学图像数据及/或X射线图像数据为视频馈送。在此情况中，功能逻辑510可操纵所述视频馈送。
在一个实施例中，控制电路506耦合到像素阵列504以控制像素阵列504的操作特性。举例来说，控制电路506可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实施例中，所述快门信号为用于同时启用像素阵列504内的所有像素512以在单一获取窗期间同时捕获其相应图像数据的全局快门信号。在另一实施例中，快门信号为滚动快门信号，使得在连续获取窗期间依序启用每一行、每一列或每一群组的像素512。
图6是图解说明根据本发明的实施例形成XIOS装置的过程600的一个实例的流程图。过程框中的一些或全部出现在过程600中的次序不应视为限制性。而是，受益于本发明的所属领域的一股技术人员将理解，可以未图解说明的多种次序或甚至并行地执行所述过程框中的一些过程框。
在过程框602中，在透明衬底(例如，硅或玻璃)上形成反射层(例如，反射层108或208)。在一个实施例中，所述反射层为例如铝等金属。在过程框604中，在所述反射层上形成X射线吸收层(例如，X射线吸收层106或206)。所属领域的技术人员将认识到，存在许多可用的在被暴露于X射线辐射时发射具有能够由多个光电二极管检测的波长的光的可能材料/结构。在一个实施例中，X射线吸收层为例如Gd2O2S:Tb(P43)等磷光体。
在过程框606中形成半导体层。所述半导体层可为已经薄化以优化装置操作的硅晶片。在过程框608中，在所述半导体层中形成光电二极管(例如，光电二极管102或202)阵列。虽然过程600的所图解说明流程图展示在形成X射线吸收层之后形成半导体层，但可在形成所述半导体层之后形成X射线吸收层。在一个实例中，将X射线吸收层沉积到已包含光电二极管的半导体层上。在另一实例中，将X射线吸收层沉积到金属化衬底(其可为反射层)上且接着接合到已包含光电二极管的半导体层。
在过程框610中，将包含形成于透明衬底上的X射线吸收层及反射层的结构接合到半导体层，使得所述半导体层的第二侧(例如，第二侧132或232)接合到X射线吸收层。应了解，可在过程600中所述的层之间形成中间层(包含互连件)，尽管将所述层描述为“安置于其上”或“形成于其上”。在一个实例中，中间层(例如，中间层210)安置于X射线吸收层与半导体层之间。
包含发明摘要中所描述内容的对本发明所图解说明实施例的以上描述并非打算为穷尽性或将本发明限于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但如相关领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种修改。
可根据以上详细描述对本发明做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书中所揭示的特定实施例。而是，本发明的范围将完全由所附权利要求书来确定，所述权利要求书将根据所创建的权利要求解释原则来加以理解。
Claims (17)
1.一种用于捕获物体的X射线图像数据及所述物体的光学图像数据的图像传感器，所述图像传感器包括：
X射线吸收层，其经配置以响应于接收到所述物体的X射线辐射而发射光子；及
多个光电二极管，其安置于具有与第二侧相对的第一侧的半导体层中，其中所述多个光电二极管经光学耦合以接收所述物体的图像光以产生所述光学图像数据，且其中所述多个光电二极管经光学耦合以从所述X射线吸收层接收所述光子以产生所述X射线图像数据，所述多个光电二极管经定位以接收来自所述X射线吸收层的穿过所述半导体层的所述第二侧的所述光子，且经定位以接收穿过所述半导体层的所述第一侧的所述图像光，其中所述图像传感器经配置以接收在所述图像传感器外部传播的所述图像光，且其中所述X射线吸收层经定位以位于所述半导体层的所述第二侧；以及
一或多个微透镜，其经定位以位于所述半导体层的所述第一侧，其中所述X射线辐射和所述图像光传播穿过所述一或多个微透镜，且其中所述微透镜将所述图像光聚焦到所述多个光电二极管。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括经定位以朝向所述多个光电二极管引导所述光子的反射层，其中所述X射线吸收层安置于所述反射层与所述半导体层的所述第二侧之间。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中所述反射层包括铝。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括：
一或多个中间层，其安置于所述半导体层的所述第二侧与所述X射线吸收层之间；及
电子互连件，其嵌入于所述一或多个中间层中。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括：
一或多个中间层，其安置于所述一或多个微透镜与所述半导体层的所述第一侧之间。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述X射线吸收层包含磷光体。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括：
晶体管，其经耦合以读出所述多个光电二极管；及
X射线屏蔽层，其经定位以阻挡所述X射线辐射使其不到达所述晶体管。
8.根据权利要求7所述的图像传感器，其中所述X射线屏蔽层包括金属。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述X射线吸收层经定位以通过所述多个光电二极管接收所述X射线辐射。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括：
读出电路，其耦合到所述多个光电二极管以从所述多个光电二极管读出所述光学图像数据及所述X射线图像数据。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述多个光电二极管布置成包括若干行及列的像素阵列。
12.一种成像系统，其包括：
X射线发射器，其用于朝向物体发射X射线束；
控制器，其耦合到所述X射线发射器以控制所述X射线束的所述发射；及
图像传感器，其用于捕获所述物体的X射线图像数据及所述物体的光学图像数据，其中所述控制器耦合到所述图像传感器以控制图像捕获，所述图像传感器包括：
X射线吸收层，其经配置以响应于接收到所述X射线束而发射光子；及
多个光电二极管，其安置于具有与第二侧相对的第一侧的半导体层中，其中所述多个光电二极管经光学耦合以接收所述物体的图像光以产生所述光学图像数据，且其中所述多个光电二极管经光学耦合以从所述X射线吸收层接收所述光子以产生所述X射线图像数据，所述多个光电二极管经定位以接收来自所述X射线吸收层的穿过所述半导体层的所述第二侧的所述光子，且经定位以接收穿过所述半导体层的所述第一侧的所述图像光，其中所述图像传感器经配置以接收在所述图像传感器外部传播的所述图像光，且其中所述X射线吸收层经定位以位于所述半导体层的所述第二侧；以及
一或多个微透镜，其经定位以位于所述半导体层的所述第一侧，其中所述X射线束和所述图像光传播穿过所述一或多个微透镜，且其中所述微透镜将所述图像光聚焦到所述多个光电二极管。
13.根据权利要求12所述的成像系统，其进一步包括经耦合以将源光提供到待成像被摄体的光源，其中所述控制器耦合到所述光源以控制所述源光的发射。
14.根据权利要求13所述的成像系统，其中由所述光源发射的所述源光为非可见光，且其中所述图像传感器包含滤除可见光使其不到达所述多个光电二极管的滤光片。
15.一种制作用于捕获物体的X射线图像数据及所述物体的光学图像数据的图像传感器的方法，所述方法包括：
形成经配置以响应于接收到物体的X射线辐射而发射光子的X射线吸收层；及
在具有与第二侧相对的第一侧的半导体层中形成多个光电二极管，其中所述多个光电二极管经光学耦合以接收图像光以产生所述光学图像数据，且其中所述多个光电二极管经光学耦合以从所述X射线吸收层接收所述光子以产生所述X射线图像数据，所述多个光电二极管经定位以接收来自所述X射线吸收层的穿过所述半导体层的所述第二侧的所述光子，且经定位以接收穿过所述半导体层的所述第一侧的所述图像光，其中所述图像传感器经配置以接收在所述图像传感器外部传播的所述图像光，且其中所述X射线吸收层经定位以位于所述半导体层的所述第二侧；以及
形成经定位以位于所述半导体层的所述第一侧的一或多个微透镜，其中所述X射线辐射和所述图像光传播穿过所述一或多个微透镜，且其中所述微透镜将所述图像光聚焦到所述多个光电二极管。
16.根据权利要求15所述的方法，其中形成所述X射线吸收层包括将所述X射线吸收层沉积于所述半导体层上。
17.根据权利要求15所述的方法，其中形成所述X射线吸收层包括将所述X射线吸收层接合到所述半导体层。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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