CN106303310A - 一种像素阵列及降低图像串扰的读出方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种像素阵列及降低图像串扰的读出方法，包括：多个像素单元，各像素单元包括：第一开关；光电二极管，作为光电转换元件；第二开关；及储能电容。同时开启第一、第二开关，复位储能电容；开启第一开关，关闭第二开关，复位光电二极管；关闭第一、第二开关，开始曝光，当光电二极管的电容的电位低于第二开关的栅端电压时，多余电荷转移到储能电容中；曝光结束后，依次读出光电二极管的电容中的电荷；然后读出或清空储能电容中的电荷。本发明解决残影和串扰问题，同时增加像素的满井电荷，并且可动态调整满井电荷，有效提高图像质量。

Description

一种像素阵列及降低图像串扰的读出方法

技术领域

本发明涉及医疗影像诊断领域，特别是涉及一种像素阵列及降低图像串扰的读出方法。

背景技术

平板图像传感器，通常应用于医疗辐射成像、工业探伤、安检等领域。平板图像传感器，特别是大尺寸图像传感器，面积通常数十厘米，数百万至千万像素，在X射线图像探测器的应用中，一般要求面积达到43cm*43cm，所以目前都是采用非晶硅技术。

如图1所示，平板图像传感器一般包括：基板，其材质可以是玻璃或塑料等材料，所有的传感器都放置于基板上；像素，以二维阵列排布在基板上，每个像素一般包括1个光电二极管(photodiode)及一个开头元件(TFT)，光电二极管与开关的连接点为像素电极；用于控制各像素的扫描线及数据线；用于提供光电二极管电压的公共电极。其基本原理如下：公共电极施加一负电压(比如-8V)将光电二极管置于反偏状态，数据线接0V或其他电位，扫描线接低电压或高电压以便将TFT开关关闭或打开。为了形成大面积的二维的图像传器，通常TFT开关及光电二极管的有源半导体层都采用非晶硅材料。这是由于非晶硅材料可以大面积成膜，可以达到数十厘米或更大，这是目前古惑仔材料所不具备的。非晶硅材料对可见光非常灵感，所以光电二极管也用非晶硅材料。

如图1及图2所示，在工作时：

第一步：复位，扫描线施加正向脉冲(通常15V左右)将TFT开关打开，使像素电极与数据线电位相等，然后TFT开关恢复到关闭状态。

第二步：曝光，当光照后，光电二极管将入射光转换为光电荷，在光电二极管两端电压的电场作用下，电荷向像素电极移动，并存储到自身的电容当中，像素电极由于负电荷的累积而降低，直到降至与公共电位同等电位。

第三步：读出，扫描线施加正向脉冲(通常15V左右)将TFT开关打开，光电二极管产生的光电荷通过数据线流到外部电路，完成一行数据读取，TFT开关关闭。

注意，这里采用的是逐行计出。即处于同一行的所有像素的TFT开关的栅极全部电性相连，处于同一列的所有像素的TFT开关的漏极电性相连，读出时采用逐行读出。即同一行的所有像素同时打开，经各自的数据线读出，关闭本行，再进行下一行的读出。

但是，当前技术存在以下问题：

首先，在曝光时，随着曝光剂量的增加像素电极的电压降低，直到与公共电极同等的电位。这里光电二极管两端的电压为0，这时如果曝光剂量再继续增加，光电二极管产生的光电荷由于没有电场将其移动到像素电极而被光电二极管非晶硅本身的缺陷及悬挂键捕获，这里被捕获的电荷处于非稳定状态，会在曝光结束后缓慢释放，如果在进行下一次曝光时，前一次曝光当中这些被非晶硅捕获的电荷的释放将被读出，形成残影。

为了解决残影问题，可以将光电二极管两端的电压加大，使得光电二极管可以接受更大的曝光剂量。但这更大的电压同时增加了光电二极管和TFT开关的漏电流，对图像造成不良影响。在读取某一行n时，其他行的TFT开关由于公共电压的增加而引起TFT开关漏电流增加，这部分漏电流将与第n行一起被读出，从而形成串扰。可以降低TFT开关关闭时的Vg以降低漏电流，但这将引起低剂量曝光时的漏电流增加。

如图3所示，为了解决残影问题，专利US 8624196B2提出，除了正常开关用的TFT开关T1，在像素中增加一个TFT开关T2，当曝光剂量增加到一定量后，该TFT将多余的光电荷释放掉，使光电二极管两端始终保持有一个压差，即两端始终有电场存在，这个电场将光电荷迅速拉到像素电极，而不被非晶硅的缺陷捕获，从而达到降低或消除残影的目的。但US8624196B2专利的问题是，增加一个TFT开关，是将多余的信号泄露掉，虽然能够降低残影，但泄露掉的电荷没有被有效收集利用，一定程度上降低了像素的满井电荷。

因此，如何有效解决平板图像传感器的残影和串扰问题，同时增加像素的满井电荷，提高图像的质量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像素阵列及降低图像串扰的读出方法，用于解决现有技术中残影、串扰对图像质量产生影响，同时像素满井电荷降低等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种像素阵列，所述像素阵列至少包括：

以二维阵列排列的多个像素单元，同一行像素单元连接同一扫描线，同一列像素单元连接同一数据线；

各像素单元包括：第一开关、光电二极管、第二开关及储能电容，所述第一开关的第一电极连接数据线、第二电极连接第一扫描线、第三电极连接所述光电二极管的阴极，所述光电二极管的阳极连接公共电位；所述第二开关的第一电极连接所述第一开关的第三电极、第二电极连接第二扫描线、第三电极连接所述储能电容的一端，所述储能电容的另一端连接所述公共电位。

优选地，所述第一开关的阈值电压大于所述第二开关的阈值电压。

优选地，所述第一开关及所述第二开关为薄膜晶体管。

优选地，所述第一开关及所述第二开关为NMOS器件。

优选地，上一行像素单元的第二扫描线与下一行像素单元的第一扫描线连接同一信号。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种降低图像串扰的读出方法，所述降低图像串扰的读出方法基于上述像素阵列，至少包括：

复位：同时开启第一开关及第二开关，将储能电容复位至第一电位；开启所述第一开关，关闭所述第二开关，将光电二极管的电容复位至第二电位；所述第一电位小于所述第二电位；

曝光：关闭所述第一开关及所述第二开关，开始曝光，随着曝光剂量的增加，所述光电二极管的电容的电位降低，当所述光电二极管的电容的电位低于所述第二开关的栅端电压时，所述第二开关开始开启，所述光电二极管的电容中多余的电荷全部转移到所述储能电容中；

读出：曝光结束后，首先，逐行开启所述第一开关，依次读出所述光电二极管的电容中储存的电荷；然后读出或清空所述储能电容中储存的电荷。

优选地，公共电位低于所述第一扫描线及所述第二扫描线的电位。

优选地，在读出所述光电二极管的电容及所述储能电容中储存的电荷之前，分别将所述第一扫描线及所述第二扫描线的电位降低至第三电位。

更优选地，所述第三电位为实际薄膜晶体管的I-V曲线中最低漏电流所对应的栅端电压。

优选地，读出所述储能电容中储存的电荷的具体步骤包括：

关闭所述第一开关，开启所述第二开关，将所述储能电容中储存的电荷转移至所述光电二极管的电容中；开启所述第一开关，关闭所述第二开关，将所述光电二极管的电容中存储的电荷读出，以此实现所述储能电容中电荷的读出。

优选地，清空所述储能电容中储存的电荷的具体步骤包括：

同时开启所述第一开关及所述第二开关，将所述储能电容中储存的电荷释放。

如上所述，本发明的像素阵列及降低图像串扰的读出方法，具有以下有益效果：

1、本发明的像素阵列及降低图像串扰的读出方法可自动调节动态范围，图像不会受到影响。

2、本发明的像素阵列及降低图像串扰的读出方法可读出过曝光的信号，丰富图像信息。

3、本发明的像素阵列及降低图像串扰的读出方法增加了储能电容，改变满井，降低了残影，提高了图像质量。

4、本发明的像素阵列及降低图像串扰的读出方法可泄露掉多余的电荷，降低残影。

附图说明

图1显示为现有技术中的平板图像传感器的结构示意图。

图2显示为现有技术中的平板图像传感器的工作时序示意图。

图3显示为现有技术中的解决残影问题的像素单元的结构示意图。

图4显示为本发明的像素阵列的结构示意图。

图5显示为本发明的降低图像串扰的读出方法的各点波形示意图。

图6显示为薄膜晶体管的I-V曲线示意图。

元件标号说明

T1～T2 开关

PD 光电二极管

C1～C2 电容

Data1～Data2 数据线

Gate1～Gate2 扫描线

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4～图6。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。

如图4所示，本发明提供一种像素阵列，所述像素阵列至少包括：

以二维阵列排列的多个像素单元，在本实施例中，所述像素阵列为2*2的阵列。同一行像素单元连接同一扫描线Gate，同一列像素单元连接同一数据线Data。

如图4所示，各像素单元包括：第一开关T1、光电二极管PD、第二开关T2及储能电容C2。

具体地，如图4所示，所述第一开关T1的第一电极连接数据线、第二电极连接第一扫描线Gate1、第三电极连接光电二极管PD的阴极。在本实施例中，所述第一开关T1为薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)，其类型为NMOS，所述第一开关T1的第一电极为漏端、第二电极为栅端、第三电极为源端。在实际应用中，源端和漏端可互换，再此不一一赘述。

具体地，如图4所示，所述光电二极管PD的阴极连接所述第一开关T1的第三电极、阳极连接公共电位Vcom。所述光电二极管PD作为光电转换元件，可将光信号转换为电信号，其电容为C1。

具体地，如图4所示，所述第二开关T2的第一电极连接所述第一开关T1的第三电极、第二电极连接第二扫描线Gate2、第三电极连接所述储能电容C2的一端。在本实施例中，所述第二开关T2为薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)，其类型为NMOS，所述第二开关T2的第一电极为漏端、第二电极为栅端、第三电极为源端。在实际应用中，源端和漏端可互换，再此不一一赘述。在本实施例中，所述第一开关T1的阈值电压大于所述第二开关T2的阈值电压，以确保过曝光后多余的电荷转移至所述储能电容C2。

具体地，如图4所示，所述储能电容C2的一端连接所述第二开关T2的第三电极、另一端连接所述公共电位Vcom。在本实施例中，所述储能电容C2的容量大于所述光电二极管PD的电容的容量。

作为本发明的一具体实施方式，上一行像素单元的第二扫描线与下一行像素单元的第一扫描线连接同一信号。如图4所示，第二扫描线Gate2同时连接第一行像素单元中的第二开关T2的栅极和第二行像素单元中的第一开关T1的栅极。

作为本发明的另一具体实施方式，所述第二扫描线可为独立的控制线，与其他行扫描线不公用。

如图4～图6所示，本发明还提供一种降低图像串扰的读出方法，所述降低图像串扰的读出方法基于所述像素阵列，其工作原理如下：

复位：同时开启第一开关T1及第二开关T2，将储能电容C2复位至第一电位；开启所述第一开关T1，关闭所述第二开关T2，将光电二极管PD的电容复位至第二电位；所述第一电位小于所述第二电位。

具体地，将所述第一开关T1及所述第二开关T2的栅端电压均设定为高电压，以开启所述第一开关T1及所述第二开关T2，在本实施例中，所述第一开关T1的栅端电压G_T1及所述第二开关T2的栅端电压G_T2设定为15V。此时，数据线(Data1、Data2)被设定为第一电位，所述储能电容C2复位至第一电位，在本实施例中，所述第一电位设定为-2V。将所述第一开关T1的栅端电压G_T1维持在高电压，以开启所述第一开关T1；将所述第二开关T2的栅端电压G_T2设定在低电压，以关闭所述第二开关T2。在本实施例中，所述第一开关T1的栅端电压G_T1设定为15V，所述第二开关T2的栅端电压G_T2设定为-6V。此时，数据线(Data1、Data2)被设定为第二电位，所述光电二极管PD的电容C1复位至第二电位，在本实施例中，所述第二电位设定为1.68V。所述第一电位小于所述第二电位，所述第一电位及所述第二电位大于所述公共电位Vcom，在本实施例中，所述公共电位Vcom设定为-7v，所述第一电位设定为-2V，所述第二电位设定为1.68V。在实际使用，所述公共电位、所述第一电位及所述第二电位的具体值可根据实际需要做设定，不以本实施例为限。

曝光：关闭所述第一开关T1及所述第二开关T2，开始曝光，随着曝光剂量的增加，所述光电二极管PD的电容C1的电位降低，当所述光电二极管PD的电容C1的电位低于所述第二开关T2的栅端电压时，所述第二开关T2开启，所述光电二极管PD的电容C1中多余的电荷全部转移到所述储能电容C2中。

具体地，将所述第一开关T1及所述第二开关T2的栅端电压降低至-6V，以关断所述第一开关T1及所述第二开关T2。开始曝光，随着曝光剂量的增加，所述光电二极管PD的电容C1的电位逐渐降低，当所述光电二极管PD的电容C1的电位低于所述第二开关T2的栅端电压G_T2(此时，所述第二开关T2的栅端电压G_T2为-6V)时，由于，所述第一开关T1的阈值电压大于所述第二开关T2的阈值电压，所述第一开关T1处于关闭状态，所述第二开关T2处于开启状态，所述光电二极管PD的电容C1中多余的电荷全部转移到所述储能电容C2中。在本实施例中，所述公共电位Vcom低于所述第一扫描线及所述第二扫描线的电位(即，所述第一开关T1及所述第二开关T2的栅端电压)，以保证过曝光时，多余的电荷可以泄露掉。

进一步，在读出所述光电二极管PD的电容C1中储存的电荷之前，将所述第一扫描线及所述第二扫描线的电位降低至第三电位，以保证读出时漏电流最低而降低串扰。如图6所示，所述第三电位为实际薄膜晶体管的I-V曲线中最低漏电流所对应的栅端电压。在本实施例中，所述第三电位设定为-10V。

读出：曝光结束后，首先，逐行开启所述第一开关T1，依次读出所述光电二极管PD的电容C1中储存的电荷。

具体地，逐行将各扫描线设置为高电压，以逐行开启所述第一开关T1，所述光电二极管PD的电容C1中储存的电荷逐行被读出，以此得到第一图像，所述第一图像用于常规应用。

进一步，在读出所述储能电容C2中储存的电荷之前，将所述第一扫描线及所述第二扫描线的电位降低至第三电位，以保证读出时漏电流最低而降低串扰。如图6所示，所述第三电位为实际薄膜晶体管的I-V曲线中最低漏电流所对应的栅端电压。在本实施例中，所述第三电位设定为-10V。

然后，根据需要开启所述第一开关T1及所述第二开关T2，依次读出或清空所述储能电容C2中储存的电荷。

具体地，读出所述储能电容C2中储存的电荷的具体步骤包括：所述第一开关T1的栅端电压G_T1设定为-6V，以关闭所述第一开关T1；所述第二开关T2的栅端电压G_T2逐行设定为15V，以逐行开启所述第二开关T2，将各行所述储能电容C2中储存的电荷转移至所述光电二极管PD的电容C1中。然后将所述第一开关T1的栅端电压G_T1设定为15V，将所述第二开关T2的栅端电压G_T2设定为-6V，逐行开启所述第一开关T1，此时所述第二开关T2处于关闭状态，所述光电二极管PD的电容C1中存储的电荷被逐行读出，以此实现所述储能电容C2中电荷的读出，以得到第二图像，所述第二图像用于查看高剂量轮廓。

具体地，清空所述储能电容C2中储存的电荷的具体步骤包括：同时将所述第一开关T1及所述第二开关T2的栅端电压设定为15V，开启所述第一开关T1及所述第二开关T2，将所述储能电容C2中储存的电荷释放清空。

本发明增加了所述储能电容C2，曝光后所述光电二极管PD将光信号转换为电信号后将电荷储存于电容C1中，多余的电荷存储在所述储能电容C2中，能存储的最大电荷量被增大(即满井)；动态范围为最大信号量(满井)与背景噪声的比值，在最大信号量增大的情况下，动态范围得到扩大，同时可实现动态范围的自动调节。

本发明通过两次读出，可以得到两幅图像，可根据实际需求，选择第一图像，或第一图像与第二图像的叠加，也可以只看第二图像，图像评估者可以根据实际需要在几幅图像间随意切换，丰富图像信息。

如上所述，本发明的像素阵列及降低图像串扰的读出方法，具有以下有益效果：

1、本发明的像素阵列及降低图像串扰的读出方法可自动调节动态范围，图像不会受到影响。

2、本发明的像素阵列及降低图像串扰的读出方法可读出过曝光的信号，丰富图像信息。

3、本发明的像素阵列及降低图像串扰的读出方法增加了储能电容，改变满井，降低了残影，提高了图像质量。

4、本发明的像素阵列及降低图像串扰的读出方法可泄露掉多余的电荷，降低残影。

综上所述，本发明提供一种像素阵列，包括：以二维阵列排列的多个像素单元，同一行像素单元连接同一扫描线，同一列像素单元连接同一数据线；各像素单元包括：第一开关、光电二极管、第二开关及储能电容，所述第一开关的第一电极连接数据线、第二电极连接第一扫描线、第三电极连接所述光电二极管的阴极，所述光电二极管的阳极连接公共电位；所述第二开关的第一电极连接所述第一开关的第三电极、第二电极连接第二扫描线、第三电极连接所述储能电容的一端，所述储能电容的另一端连接所述公共电位。还提供一种降低图像串扰的读出方法，包括：复位：同时开启第一开关及第二开关，将储能电容复位至第一电位；开启所述第一开关，关闭所述第二开关，将光电二极管的电容复位至第二电位；所述第一电位小于所述第二电位；曝光：关闭所述第一开关及所述第二开关，开始曝光，随着曝光剂量的增加，所述光电二极管的电容的电位降低，当所述光电二极管的电容的电位低于所述第二开关的栅端电压时，所述第二开关开启，所述光电二极管的电容中多余的电荷全部转移到所述储能电容中；读出：曝光结束后，首先，逐行开启所述第一开关，依次读出所述光电二极管的电容中储存的电荷；然后读出或清空所述储能电容中储存的电荷。本发明的像素阵列及降低图像串扰的读出方法解决残影和串扰问题，同时增加像素的满井电荷，并且可动态调整满井电荷，有效提高图像质量。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 (11)

1.一种像素阵列，其特征在于，所述像素阵列至少包括：

以二维阵列排列的多个像素单元，同一行像素单元连接同一扫描线，同一列像素单元连接同一数据线；

各像素单元包括：第一开关、光电二极管、第二开关及储能电容，所述第一开关的第一电极连接数据线、第二电极连接第一扫描线、第三电极连接所述光电二极管的阴极，所述光电二极管的阳极连接公共电位；所述第二开关的第一电极连接所述第一开关的第三电极、第二电极连接第二扫描线、第三电极连接所述储能电容的一端，所述储能电容的另一端连接所述公共电位。

2.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于：所述第一开关的阈值电压大于所述第二开关的阈值电压。

3.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于：所述第一开关及所述第二开关为薄膜晶体管。

4.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于：所述第一开关及所述第二开关为NMOS器件。

5.根据权利要求1所述的像素阵列，其特征在于：上一行像素单元的第二扫描线与下一行像素单元的第一扫描线连接同一信号。

6.一种降低图像串扰的读出方法，其特征在于，所述降低图像串扰的读出方法基于如权利要求1～5任意一项所述的像素阵列，至少包括：

复位：同时开启第一开关及第二开关，将储能电容复位至第一电位；开启所述第一开关，关闭所述第二开关，将光电二极管的电容复位至第二电位；所述第一电位小于所述第二电位；

曝光：关闭所述第一开关及所述第二开关，开始曝光，随着曝光剂量的增加，所述光电二极管的电容的电位降低，当所述光电二极管的电容的电位低于所述第二开关的栅端电压时，所述第二开关开始开启，所述光电二极管的电容中多余的电荷全部转移到所述储能电容中；

读出：曝光结束后，首先，逐行开启所述第一开关，依次读出所述光电二极管的电容中储存的电荷；然后读出或清空所述储能电容中储存的电荷。

7.根据权利要求6所述的降低图像串扰的读出方法，其特征在于：公共电位低于所述第一扫描线及所述第二扫描线的电位。

8.根据权利要求6所述的降低图像串扰的读出方法，其特征在于：在读出所述光电二极管的电容及所述储能电容中储存的电荷之前，分别将所述第一扫描线及所述第二扫描线的电位降低至第三电位。

9.根据权利要求8所述的降低图像串扰的读出方法，其特征在于：所述第三电位为实际薄膜晶体管的I-V曲线中最低漏电流所对应的栅端电压。

10.根据权利要求6所述的降低图像串扰的读出方法，其特征在于：读出所述储能电容中储存的电荷的具体步骤包括：

关闭所述第一开关，开启所述第二开关，将所述储能电容中储存的电荷转移至所述光电二极管的电容中；开启所述第一开关，关闭所述第二开关，将所述光电二极管的电容中存储的电荷读出，以此实现所述储能电容中电荷的读出。

11.根据权利要求6所述的降低图像串扰的读出方法，其特征在于：清空所述储能电容中储存的电荷的具体步骤包括：

同时开启所述第一开关及所述第二开关，将所述储能电容中储存的电荷释放。