CN105655364B - 一种基于行间重叠的电荷补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于行间重叠的电荷补偿方法，包括：打开非晶硅TFT阵列的第一行开关管，所述非晶硅TFT阵列的第一行为假像元行；打开所述非晶硅TFT阵列的第二行开关管的同时关闭第一行开关管，第二行开关管打开瞬间产生的冲击电流与第一行开关管关闭瞬间产生的冲击电流抵消，之后对与第二行开关管连接的光电二极管中的光生电荷进行采集；依次在打开当前行开关管的同时关闭上一行开关管，在开关管打开和关闭瞬间产生的冲击电流抵消后采集与当前行开关管相连的光电二极管内的光生电荷。本发明的基于行间重叠的电荷补偿方法消除了暗场和小剂量下的零值问题，提高了帧率、动态范围，减少耦合时间窗口、行扫描时间以及噪声。
Description
技术领域
本发明涉及平板探测领域，特别是涉及一种基于行间重叠的电荷补偿方法。
背景技术
如图1所示，X射线平板探测器1普遍采用非晶硅TFT(Thin Film Transistor，薄膜晶体管)11作为感光面，将通过拍摄物体的X射线转换为光生电荷，并通过跨导积分放大器12将电荷转换为电压信号，然后通过相关双采样和ADC采样13转换为数字图像。
图像的灰度如下式所示：
n＝14或16，
其中，Cf为反馈电容的电容值，lsb为最低有效位，ESAK为单帧入射剂量，g0为闪烁体的转换效率，FF为光电二极管的填充因子，η为光电二极管的量子效率，Vref_adc为ADC采样的参考电压。高性能的静态非晶硅平板或者动态非晶硅平板，单帧的入射剂量ESAK都很小，以减少病人的累计剂量，另外不同的体位和器官对应衰减率不一样，临床上需要能动态调节灵敏度。
为提高图像亮度，可提升闪烁体的转换效率g0，光电二极管的填充因子FF和量子效率η，这三种方法提升幅度非常有限，并且不可动态调节。目前，最直接的方法是使用小的反馈电容Cf(0.4～0.6pF)，可轻松实现2倍，4倍，8倍等不同增益，进一步地，如下式所示：
其中，Vamp为放大器噪声，Vbackend为缓冲器(buffer)和ADC的噪声，减小反馈电容Cf也能降低非晶硅平板的噪声电子数，从而提高信噪比。因此，反馈电容Cf均采用容量小的电容。
但是，反馈电容Cf的减小会带来另一个问题。如图1所示，非晶硅TFT11由TFT开关和光电二极管PD阵列组成，存在着TFT电荷注入(TFT charge injection)的物理现象，假设光生电流为负向，在TFT打开和关闭瞬间分别会有瞬态的正向和反向电流，正向电流向反馈电容Cf上注入的电荷可能会使输出向下拉到地，负向电流向反馈电容Cf上注入的电荷可能会使其向上饱和。如图2所示，TFT电荷注入的物理机制如下：在TFT打开瞬间，Gate电压瞬间由VEE(－10V)上升到VGG(+15V)，对于Gate－Data极间电容Cgd正负极发生变化，电子向靠近dataline的一极运动，将其从正极变为负极，即电子从读出芯片(ROIC，包括跨导积分放大器12、ADC采样13等电路)往间电容Cgd拉，电流向读出芯片流，此时冲击电流为正，其大小由极间电容Cgd决定，可达0.3～0.6pC。当TFT打开较长时间以后，PD里存储的光电子会大量的通过TFT向读出芯片的反馈电容方向运动，此时光电流方向由TFT流向PD，光生电流为负。当TFT关闭瞬间，过程与TFT打开瞬间相反，冲击电流为负。反馈电容Cf越小能容纳的电荷越小，抗TFT电荷注入的能力越弱。采用小反馈电容时，从图像上来看存在以下问题：
1、暗场图像部分区域或全部区域为零值；
2、亮场图像中X光产生的一部分光生电荷被用来补偿TFT电荷注入损失了剂量，并且因为暗场图像无典型(pattern)数据无法做补偿校正，导致图像失校正，影响临床诊断。
现有克服TFT电荷注入效应的方法有：
行内补偿：使用更长的等待时间(settle time)，使TFT打开瞬间和关闭瞬间的冲击电流抵消。如图3所示，在TFT打开瞬间和关闭瞬间的冲击电流抵消相互抵消后，再在SHS信号的下降沿对光生电荷进行采样，而TFT打开瞬间和关闭瞬间的冲击电流持续时间几乎相同(20～40μs)，这需要在TFT打开后使用更长的等待时间，其缺点是需要增加行扫描时间(line scan time)，对于动态非晶硅平板帧率将大大降低。
抬高复位电平：牺牲少量动态范围，必须由读出芯片支持。可在非晶硅TFT面板之外的读出芯片上设置复位电平，让其有一定的抗正向电流能力，其缺点是牺牲动态范围，例如对于小积分档位其本地灰度值从零增加到1/4～1/2饱和灰度，动态范围从1.2pC降低到0.6～0.9pC，另外TFT关闭瞬间的冲击电流未被补偿，为避免其对同为负向光生电流的影响，必须等到TFT关闭瞬间的冲击电流释放结束后再开启下一行的SHS信号，其行扫描时间并未压缩。
外部电荷补偿：引入额外噪声，必须由读出芯片支持。如图4所示，可在非晶硅TFT面板之外的读出芯片上增加几组补偿电容，并按照如图5所示的时序注入电荷，但由于外部电荷补偿和TFT打开、关闭的RC时间不一致存在相位差，因此必须等到TFT关闭瞬间产生的冲击电流结束后再开启下一行的SHS信号，其行扫描时间并未压缩。另外外部电源可通过补偿电容耦合噪声到积分电路上，如下式所示0.133mV的纹波就能产生100e-的额外噪声。(注0.3pC charge必须使用0.122pF档位补偿电容)
因此，如何解决现有技术中解决TFT电荷注入效应的方案存在的采样时间长、动态范围小、需要读出芯片支持的问题，从根本上解决TFT电荷注入现象给图像带来的干扰已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于行间重叠的电荷补偿方法，用于解决现有技术中解决TFT电荷注入效应的方案存在的采样时间长、动态范围小、需要读出芯片支持等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于行间重叠的电荷补偿方法，用于非晶硅TFT阵列，其特征在于，所述基于行间重叠的电荷补偿方法至少包括：
打开所述非晶硅TFT阵列的第一行开关管，所述非晶硅TFT阵列的第一行为假像元行；
打开所述非晶硅TFT阵列的第二行开关管的同时关闭第一行开关管，第二行开关管打开瞬间的冲击电流与第一行开关管关闭瞬间的冲击电流抵消，之后对与第二行开关管连接的光电二极管中的光生电荷进行采集；
依次在打开当前行开关管的同时关闭上一行开关管，在开关管打开和关闭瞬间产生的冲击电流抵消后采集与当前行开关管相连的光电二极管内的光生电荷。
优选地，在时钟脉冲信号的上升沿逐行打开当前行开关管，同时关闭上一行开关管；在电荷采样信号的上升沿执行积分，在所述电荷采样信号的下降沿采集光生电荷。
更优选地，所述时钟脉冲信号的上升沿与所述电荷采样信号的上升沿同时到达。
优选地，打开开关管的瞬间产生的冲击电流为正电流，关闭开关管的瞬间产生的冲击电流为负电流。
优选地，打开开关管的瞬间和关闭开关管的瞬间产生的冲击电流的电荷满足如下关系：
Q＝Cgd·ΔVgate
其中，Cgd为开关管控制端和数据输出端之间的极间电容，ΔVgate为开关管控制端的电压差。
优选地，与所述非晶硅TFT阵列的第一行开关管连接的光电二极管内的光生电荷及第一行开关管打开瞬间产生的冲击电流通过复位泄放掉，第一行开关管关闭瞬间产生的冲击电流直接输出到下一级电路。
优选地，所述非晶硅TFT阵列的最后一行开关管关闭瞬间产生的冲击电流被复位泄放。
如上所述，本发明的基于行间重叠的电荷补偿方法，具有以下有益效果：
1、本发明的基于行间重叠的电荷补偿方法消除了暗场和小剂量下的零值问题。
2、本发明的基于行间重叠的电荷补偿方法减小了行扫描时间，提高了帧率。
3、本发明的基于行间重叠的电荷补偿方法增加了动态范围。
4、本发明的基于行间重叠的电荷补偿方法的电荷采样信号打开的时间缩短，耦合时间窗口缩短，噪声减小。
附图说明
图1显示为现有技术中的X射线平板探测器的结构示意图。
图2显示为现有技术中的TFT电荷注入的原理示意图。
图3显示为现有技术中的行内补偿消除TFT电荷注入的原理示意图。
图4显示为现有技术中的外部电荷补偿消除TFT电荷注入的电路示意图。
图5显示为现有技术中的外部电荷补偿消除TFT电荷注入的原理示意图。
图6显示为本发明的基于行间重叠的电荷补偿方法的流程示意图。
图7显示为本发明的基于行间重叠的电荷补偿方法的原理示意图。
元件标号说明
1 X射线平板探测器
11 非晶硅TFT
12 跨导积分放大器
13 ADC采样
S1～S3 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图6～图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
非晶硅TFT(Thin film transistor，薄膜晶体管)阵列是平板探测器的核心部件，用于将可见光转换为电信号(光生电荷)，然后输出到电信号处理模块以得到图像信息。非晶硅TFT阵列包括TFT开关管以及与TFT开关管相连的光电二极管，同一行TFT开关管的控制端连接同一Gate电压，同一列TFT开关管的信号输出端连接同一数据信号线(dataline)，即非晶硅TFT阵列中的电信号通过行扫描逐行输出。
如图6及图7所示，本发明提供一种用于解决非晶硅TFT阵列中TFT电容注入的基于行间重叠的电荷补偿方法，所述基于行间重叠的电荷补偿方法至少包括：
步骤S1：打开所述非晶硅TFT阵列的第一行开关管，所述非晶硅TFT阵列的第一行为假像元行(dummy line)，其输出的电荷量不被读取。
具体地，通过时钟脉冲信号CPV控制各开关管的打开和关闭，在所述时钟脉冲信号CPV的上升沿打开当前行开关管，同时关闭上一行开关管；通过电荷采样信号SHS控制积分和采集，在所述电荷采样信号SHS的上升沿执行积分，在所述电荷采样信号SHS的下降沿采集光生电荷。在本实施例中，所述时钟脉冲信号CPV及所述电荷采样信号SHS通过移位寄存器获得。如图7所示，当所述时钟脉冲信号CPV的上升沿到来时，所述非晶硅TFT阵列的第一行开关管被打开，在打开的瞬间产生冲击电流，开关管打开瞬间的冲击电流为正电流，即在连接开关管控制端的门信号线(gateline)上产生负电流。开关管打开瞬间的冲击电流与关闭瞬间产生的冲击电流相反，在本实施例中，开关管打开瞬间的冲击电流为正电流，关闭瞬间产生的冲击电流为负电流。第一行开关管打开后，与第一行开关管连接的光电二极管内的光生电荷输出。在本实施例中，所述电荷采样信号SHS迟迟未到，第一行开关管打开瞬间的冲击电流以及与第一行开关管连接的光电二极管内的光生电荷通过复位被泄放掉，不进行采集。第一行开关管关闭瞬间产生的负向冲击电流直接输出到下一级电路(在本实施例中，下一级电路为跨导积分放大器)。
步骤S2：所述非晶硅TFT阵列的第二行开关管的同时关闭第一行开关管，第二行开关管打开瞬间的冲击电流与第一行开关管关闭瞬间的冲击电流抵消，之后对与第二行开关管连接的光电二极管中的光生电荷进行采集。
具体地，当所述时钟脉冲信号CPV的下一个上升沿到来时，所述非晶硅TFT阵列的第二行开关管打开，同时第一行开关管关闭。在第二行开关管打开的瞬间产生冲击电流，为正电流，即在连接开关管控制端的gateline上产生负电流；在第一行开关管打开的瞬间产生冲击电流，为负电流，即在连接开关管控制端的gateline上产生正电流。由于冲击电流的电荷满足如下关系：
Q＝Cgd·ΔVgate
其中，Cgd为开关管控制端和数据输出端之间的极间电容，ΔVgate为开关管控制端的电压差，因此，当开关管控制端的电压差相等时，开关管打开瞬间产生的冲击电流和关闭瞬间产生的冲击电流数值相等，方向相反，完全抵消。所述电荷采样信号SHS的上升沿与所述时钟脉冲信号CPV的上升沿同时到达，开始积分；由于开关管打开瞬间产生的冲击电流和关闭瞬间产生的冲击电流同时产生，因此，很快就会被抵消掉，紧随其后，所述电荷采样信号SHS的下降沿到来，与第二行开关管连接的光电二极管中的光生电荷被采集。由于开关管打开瞬间产生的冲击电流和关闭瞬间产生的冲击电流完全抵消的时间重合，因此可以有效减少所述电荷采样信号SHS打开的时间，减小板内电源波动和外界干扰源电荷耦合的时间窗口，减少噪声。
步骤S3：依次在打开当前行开关管的同时关闭上一行开关管，在开关管打开和关闭瞬间产生的冲击电流抵消后采集与当前行开关管相连的光电二极管内的光生电荷。
具体地，所述时钟脉冲信号CPV的上升沿依次到来，采用如步骤S2一样的方法，在打开当前行开关管的同时关闭上一行开关管，以此消除TFT电荷注入，在此基础上采集与当前行开关管相连的光电二极管内的光生电荷。所述非晶硅TFT阵列的最后一行开关管关闭瞬间产生的冲击电流被泄放。如图7所示，在本实施例中，所述非晶硅TFT阵列的最后一行开关管为第1025行，当第1025行中的光生电荷被采集后，在所述时钟脉冲信号CPV的上升沿到来时，第1025行开关管关闭的瞬间产生冲击电流，该冲击电流直接被泄放掉。
如上所述，本发明的基于行间重叠的电荷补偿方法，具有以下有益效果：
1、本发明的基于行间重叠的电荷补偿方法消除了暗场和小剂量下的零值问题。
2、本发明的基于行间重叠的电荷补偿方法减小了行扫描时间，提高了帧率，可以从传统的30帧提高到50帧。
3、本发明的基于行间重叠的电荷补偿方法增加了动态范围，传统平板探测器的动态从1.2pc～0.3pC不等，本发明的动态范围接近1.2pC。
4、本发明的基于行间重叠的电荷补偿方法的电荷采样信号打开的时间缩短，泄放时间从40μs缩短到20μs，噪声减小。
综上所述，本发明提供一种基于行间重叠的电荷补偿方法，所述基于行间重叠的电荷补偿方法包括：打开所述非晶硅TFT阵列的第一行开关管，所述非晶硅TFT阵列的第一行为假像元行；打开所述非晶硅TFT阵列的第二行开关管的同时关闭第一行开关管，第二行开关管打开瞬间的冲击电流与第一行开关管关闭瞬间的冲击电流抵消，之后对与第二行开关管连接的光电二极管中的光生电荷进行采集；依次在打开当前行开关管的同时关闭上一行开关管，在开关管打开和关闭瞬间产生的冲击电流抵消后采集与当前行开关管相连的光电二极管内的光生电荷。本发明的基于行间重叠的电荷补偿方法消除了暗场和小剂量下的零值问题，提高了帧率、动态范围，减少耦合时间窗口、行扫描时间以及噪声。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种基于行间重叠的电荷补偿方法，用于非晶硅TFT阵列，其特征在于，所述基于行间重叠的电荷补偿方法至少包括：
打开所述非晶硅TFT阵列的第一行开关管，所述非晶硅TFT阵列的第一行为假像元行；
打开所述非晶硅TFT阵列的第二行开关管的同时关闭第一行开关管，第二行开关管打开瞬间产生的冲击电流与第一行开关管关闭瞬间产生的冲击电流抵消，之后对与第二行开关管连接的光电二极管中的光生电荷进行采集；
依次在打开当前行开关管的同时关闭上一行开关管，在开关管打开和关闭瞬间产生的冲击电流抵消后采集与当前行开关管相连的光电二极管内的光生电荷。
2.根据权利要求1所述的基于行间重叠的电荷补偿方法，其特征在于：在时钟脉冲信号的上升沿逐行打开当前行开关管，同时关闭上一行开关管；在电荷采样信号的上升沿执行积分，在所述电荷采样信号的下降沿采集光生电荷。
3.根据权利要求2所述的基于行间重叠的电荷补偿方法，其特征在于：所述时钟脉冲信号的上升沿与所述电荷采样信号的上升沿同时到达。
4.根据权利要求1所述的基于行间重叠的电荷补偿方法，其特征在于：打开开关管的瞬间产生的冲击电流为正电流，关闭开关管的瞬间产生的冲击电流为负电流。
5.根据权利要求1所述的基于行间重叠的电荷补偿方法，其特征在于：打开开关管的瞬间和关闭开关管的瞬间产生的冲击电流的电荷满足如下关系：
Q＝Cgd·ΔVgate
其中，Cgd为开关管控制端和数据输出端之间的极间电容，ΔVgate为开关管控制端的电压差。
6.根据权利要求1所述的基于行间重叠的电荷补偿方法，其特征在于：与所述非晶硅TFT阵列的第一行开关管连接的光电二极管内的光生电荷及第一行开关管打开瞬间产生的冲击电流通过复位泄放掉，第一行开关管关闭瞬间产生的冲击电流直接输出到下一级电路。
7.根据权利要求1所述的基于行间重叠的电荷补偿方法，其特征在于：所述非晶硅TFT阵列的最后一行开关管关闭瞬间产生的冲击电流被泄放。
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