CN109655877B - 平板探测器的像素结构、平板探测器及摄像系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及探测技术领域，具体而言，涉及一种平板探测器的像素结构、平板探测器及摄像系统。该平板探测器的像素结构，包括：光电二极管，用于采集光信号并将所述光信号转化成电信号，所述光电二极管具有正极端和负极端，所述负极端连接偏置电压信号端；信号放大电路，所述信号放大电路的信号输入端与所述正极端连接，所述信号放大电路的信号输出端与第一节点连接；第一开关晶体管，所述第一开关晶体管的控制端连接扫描信号线，所述第一开关晶体管的第一端连接数据信号线，所述第一开关晶体管的第二端连接所述第一节点。该像素结构能够增大探测信号，从而有利于提升平板探测器的信噪比，提升平板探测器的探测效果，继而能够提高获得的图像质量。
Description
技术领域
本申请涉及探测技术领域，具体而言，涉及一种平板探测器的像素结构、平板探测器及摄像系统。
背景技术
目前，数字化X射线射线(Digital Radiography，DR)技术被广泛应用于医疗设备，如拍摄X射线的X射线机。DR装置的关键部件是获取图像的平板探测器，其性能优劣会对DR图像质量产生比较大的影响。
其中，平板探测器性能的重要评价指标是信噪比(SNR)，即：越大的信号量，越小的噪声，平板探测器的探测效果越好。但在图像采集时，人体骨骼及软组织对X射线吸收量较大，导致实际此部分信号在到达平板探测器表面时，信号量极低，因此收集转换的有效信号量较低，虽然终端通过反向图像处理得到骨骼及软组织信息，但是因为先前得到的较低信号量，导致该信号受噪声影响很大，即：这部分信号容易被污染，从而降低平板探测器的探测效果，继而降低了获得的图像质量。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本申请的目的在于提供一种平板探测器的像素结构、平板探测器及摄像系统，能够增大探测信号，从而有利于提升平板探测器的信噪比，提升平板探测器的探测效果，继而能够提高获得的图像质量。
本申请第一方面提供了一种平板探测器的像素结构，其包括：
光电二极管，用于采集光信号并将所述光信号转化成电信号，所述光电二极管具有正极端和负极端，所述负极端连接偏置电压信号端；
信号放大电路，所述信号放大电路的信号输入端与所述正极端连接，所述信号放大电路的信号输出端与第一节点连接；
第一开关晶体管，所述第一开关晶体管的控制端连接扫描信号线，所述第一开关晶体管的第一端连接数据信号线，所述第一开关晶体管的第二端连接所述第一节点。
在本申请的一示例性实施例中，所述信号放大电路包括：
第二开关晶体管，所述第二开关晶体管的控制端连接第一电压信号端，所述第二开关晶体管的第一端连接第二电压信号端，所述第二开关晶体管的第二端连接第二节点，所述第二节点与所述第一节点连接；
第三开关晶体管，所述第三开关晶体管的控制端连接所述第二节点，所述第三开关晶体管的第一端为所述信号放大电路的信号输入端；
自举电路，所述自举电路的一端与所述第三开关晶体管的第二端连接，所述自举电路的另一端为所述信号放大电路的信号输出端。
在本申请的一示例性实施例中，所述自举电路为自举电容。
在本申请的一示例性实施例中，所述光电二极管为MSM型光电二极管。
在本申请的一示例性实施例中，所述第三开关晶体管为N型薄膜晶体管。
在本申请的一示例性实施例中，所述光电二极管为PIN型光电二极管。
在本申请的一示例性实施例中，所述第三开关晶体管为P型薄膜晶体管。
在本申请的一示例性实施例中，还包括X射线转化层，所述X射线转化层置于所述光电二极管上，所述X射线转化层用于将X射线转化成光信号。
在本申请的一示例性实施例中，还包括信号读出电路，所述信号读出电路与所述数据信号线连接。
本申请第二方面提供了一种平板探测器，其包括上述任一项所述的平板探测器的像素结构。
本申请第三方面提供了一种摄像系统，其包括上述所述的平板探测器。
本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：
本申请所提供的平板探测器的像素结构、平板探测器及摄像系统，其包括光电二极管、第一开关晶体管及连接光电二极管和第一开关晶体管的信号放大电路。其中，光电二极管是在反向电压作用下工作的，此光电二极管可将采集到的光信号转换成电信号，即：在有光照时，光电二极管会产生空穴电子对，在外加偏压电场的作用下，电子和空穴对向相反的方向移动形成电流，电流在光电二极管自带的存储电容中形成存储电荷，当扫描信号促使第一开关晶体管打开时，光电二极管可向信号放大电路输出一定的电压信号，此电压信号可经信号放大电路放大后，再输出至数据线；也就是说，此过程中，通过在光电二极管与第一开关晶体管之间设置信号放大电路，使得输出至数据线的实际信号增大，即：增大了平板探测器的探测信号，从而有利于提升平板探测器的信噪比，提升平板探测器的探测效果，继而能够提高获得的图像质量。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例所述的平板探测器的像素结构的电路图；
图2为本申请一实施例所述的平板探测器的像素结构的电路信号模拟图；
图3为本申请另一实施例所述的平板探测器的像素结构的电路信号模拟图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本申请将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。
用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”及“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
目前，数字化X射线射线(Digital Radiography，DR)技术被广泛应用于医疗设备，如拍摄X射线的X射线机。DR装置的关键部件是获取图像的平板探测器，其性能优劣会对DR图像质量产生比较大的影响。
其中，平板探测器性能的重要评价指标是信噪比(SNR)，即：越大的信号量，越小的噪声，平板探测器的探测效果越好。但在图像采集时，人体骨骼及软组织对X射线吸收量较大，导致实际此部分信号在到达平板探测器表面时，信号量极低，因此收集转换的有效信号量较低，虽然终端通过反向图像处理得到骨骼及软组织信息，但是因为先前得到的较低信号量，导致该信号受噪声影响很大，即：这部分信号容易被污染，从而降低平板探测器的探测效果，继而降低了获得的图像质量。
为解决上述技术问题，本实施例提供了一种平板探测器的像素结构，此平板探测器可应用于医疗设备的摄像系统中，例如：CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)摄像系统、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)摄像系统。该平板探测器可为X射线平板探测器，此X射线平板探测器可分为直接转换型或间接转化型两种类型。
如图1所示，平板探测器的像素结构可包括光电二极管PD、信号放大电路及第一开关晶体管T1。光电二极管PD用于采集光信号并将光信号转化成电信号，光电二极管PD具有正极端和负极端，此负极端连接偏置电压信号端Bias；信号放大电路的信号输入端与正极端连接，信号放大电路的信号输出端与第一节点P1连接；第一开关晶体管T1的控制端连接扫描信号线Gate，第一开关晶体管T1的第一端连接数据信号线Data，第一开关晶体管T1的第二端连接第一节点P1。
本实施例中，光电二极管PD具有单方向导电特性。且光电二极管PD是在反向电压作用下工作的，此光电二极管PD可将采集到的光信号转换成电信号，即：在有光照时，光电二极管PD会产生空穴电子对，在外加偏压电场的作用下，电子和空穴对向相反的方向移动形成电流，电流在光电二极管PD自带的存储电容中形成存储电荷，当通过扫描信号线Gate写入的扫描信号促使第一开关晶体管T1打开时，光电二极管PD可向信号放大电路输出一定的电压信号，此电压信号可经信号放大电路放大后，再输出至数据线Data；也就是说，此过程中，通过在光电二极管PD与第一开关晶体管T1之间设置信号放大电路，使得输出至数据线Data的实际信号增大，即：增大了平板探测器的探测信号，从而有利于提升平板探测器的信噪比，提升平板探测器的探测效果，继而能够提高获得的图像质量。
举例而言，如图1所示，信号放大电路可包括第二开关晶体管T2、第三开关晶体管T3及自举电路。此第二开关晶体管T2的控制端连接第一电压信号端V1，第二开关晶体管T2的第一端连接第二电压信号端V2，第二开关晶体管T2的第二端连接第二节点P2，第二节点P2与第一节点P1连接；第三开关晶体管T3的控制端连接第二节点P2，第三开关晶体管T3的第一端为信号放大电路的信号输入端；自举电路的一端与第三开关晶体管T3的第二端连接，自举电路的另一端为信号放大电路的信号输出端。
本实施例中，信号放大电路采用两个开关晶体管与自举电路相配合的方式，以对光电二极管PD输出的电压信号进行放大，这样设计可简化信号放大电路的制作难度，缩小信号放大电路所占用的空间，从而可缓解此信号放大电路占用其他像素空间的情况，继而可保证平板探测器的像素填充率。
基于上述具体实施例，平板探测器的像素结构的工作原理可为：在有光照时，光电二极管PD进行光信号采集并将光信号转换成电信号，以存储于自身电容中；当扫描信号促使第一开关晶体管T1打开时，通过第一电压信号端V1向第二开关晶体管T2的控制端施加第一电压，以打开第二开关晶体管T2，从而使得通过第二电压信号端V2写入的第二电压施加到第三开关晶体管T3的控制端，以打开第三开关晶体管T3；在第三开关晶体管T3打开时，光电二极管PD输出的电压信号可通过第三开关晶体管T3输入至自举电路，并经自举电路升压后通过第一开关晶体管T1输出至数据线Data，实现了信号增大。
举例而言，如图1所示，前述提到的自举电路可为自举电容C，通过利用自举电容C的电容两端电压不能突变的特性，以实现信号的放大。即：当自举电容C的两端保持有一定电压差时，提高自举电容C的输入端(此端为自举电容C上与第三开关晶体管T3的第二端连接的一端)的电压，自举电容C的输出端(此端为前述提到的信号放大电路的信号输出端)的电压仍保持于输入端的原始压差，等于自举电容C的输出端的电压被其输入端举起来了，从而实现了信号增大。
本实施例中，通过利用自举电容C来实现信号的放大，可进一步简化信号放大电路的制作难度，缩小信号放大电路所占用的空间，从而可缓解此信号放大电路占用其他像素空间的情况，继而可保证平板探测器的像素填充率。
在一可选实施例中，光电二极管PD可为MSM(Metal-Semiconductor-Metal，金属-半导体-金属)型光电二极管。此MSM型光电二极管是指在半导体表面制作金属电极形成金属-半导体肖特基接触的器件。此MSM型光电二极管具有独特的平面结构使得光电二极管极易进行光电集成，具有高带宽高速等特性。优选地，此MSM型光电二极管可采用铟镓砷(InGaAs)材料制成，该MSM型光电二极管响应波长范围广，可在常温下高效工作，且具有低暗电流，高响应速度和高灵敏度等优良特性。
其中，MSM型光电二极管输出的电压信号通常为正电压信号，因此，为了将MSM型光电二极管输出的正电压信号放大为更大的正电压，该第三开关晶体管T3可为N型薄膜晶体管。而第一开关晶体管T1和第二开关晶体管T2也可为N型薄膜晶体管。
本实施例中，此MSM型光电二极管的负极端通过偏置电压信号端Bias可写入正电压。此正电压可为200V，但不限于此；且在MSM型光电二极管无光照时，其处于截止状态，此时，可将第一开关晶体管T1、第二开关晶体管T2及第三开关晶体管T3打开，并通过数据线Data向MSM型光电二极管的正极端、自举电容C的两端写入初始电压值，此初始电压值可为1V，但不限于此。而在MSM型光电二极管有光照时，该MSM型光电二极管可将光信号转化为电信号，以使自身处于工作状态，此时，MSM型光电二极管的正极端的初始电压值逐渐向其负极端处的电压值靠近，也就是说，MSM型光电二极管的正极端处的电压值(以下称之为输出电压)变大。其中，当通过扫描信号线Gate写入的扫描信号促使第一开关晶体管T1打开时，通过第一电压信号端V1向第二开关晶体管T2的控制端施加第一电压，以打开第二开关晶体管T2，从而使得通过第二电压信号端V2写入的第二电压依次经过第二节点P2、第一节点P1施加到自举电容C的输出端，使得自举电容C的两端具有一定的压差，同时第二电压经过第二节点P2施加到第三开关晶体管T3的控制端，以打开第三开关晶体管T3；在第三开关晶体管T3打开时，MSM型光电二极管的正极端处的输出电压可通过第三开关晶体管T3输入至自举电容C的输入端，也就是说，自举电容C的输入端的电压变大；在此瞬间，自举电容C为了保持固有电容压差，自举电容C的输出端的电压也增大。
需要说明的是，前述提到在光电二极管PD为MSM型光电二极管时，第二开关晶体管T2和第三开关晶体管T3可均为N型薄膜晶体管，因此，为了实现第二开关晶体管T2和第三开关晶体管T3打开，第一电压信号端V1和第二电压信号端V2写入的电压可均为正电压。
举例而言，在光电二极管PD为MSM型光电二极管时，该像素结构的电路信号模拟图可如图2所示，该图2中的横坐标表示的是时序，其单位为：微秒(us)；图2中纵坐标表示的时电压，其单位为：伏特(V)；其中，图2中的a表示的是第一电压信号端V1写入的电压随时序的变化过程，图2中的b表示的是第二电压信号端V2写入的电压随时序的变化过程，图2中的c表示的MSM型光电二极管的输出端输出的电压随时序的变化过程，图2中的d表示的自举电容C的输出端输出的电压随时序的变化过程。从图2中可以看出，通过调整信号时序可以使得MSM型光电二极管输出的电压由设定的8V增大至22V，也就是说，此时信号放大电路输出的电压为22V，但不限于此，可依据实际产品需求进行优化，调整为合适的放大倍数。
在另一可选实施例中，光电二极管PD可为PIN型光电二极管。此PIN型光电二极管具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点，且噪声低。其中，PIN型光电二极管输出的电压信号通常为负电压信号(此负电压信号包括0V)，因此，为了将PIN型光电二极管输出的负电压信号进一步放大为更负的电压，该第三开关晶体管T3可为P型薄膜晶体管。而第一开关晶体管T1和第二开关晶体管T2可为N型薄膜晶体管。
本实施例中，此PIN型光电二极管的负极端通过偏置电压信号端Bias可写入负电压。此负电压可为-6V，但不限于此；且在PIN型光电二极管无光照时，其处于截止状态，此时，可将开关第一开关晶体管T1、第二开关晶体管T2及第三开关晶体管T3打开，并通过数据线Data向PIN型光电二极管的正极端、自举电容C的两端写入初始电压值，此初始电压值可为1V，但不限于此。而在PIN型光电二极管有光照时，该PIN型光电二极管可将光信号转化为电信号，以使自身处于工作状态，此时，PIN型光电二极管的正极端的初始电压值逐渐向光电二极管的负极端处的电压值靠近，也就是说，PIN型光电二极管的正极端处的电压值(以下称之为输出电压)变小，如图3所示，此PIN型光电二极管的输出电压可变成0，但不限于此，也可更小。
其中，当通过扫描信号线Gate写入的扫描信号促使第一开关晶体管T1打开时，通过第一电压信号端V1向第二开关晶体管T2的控制端施加第一电压，如图3所示，此第一电压可为8V，但不限于此，以打开第二开关晶体管T2，从而使得通过第二电压信号端V2写入的第二电压依次经过第二节点P2、第一节点P1施加到自举电容C的输出端，使得自举电容C的两端具有一定的压差，同时第二电压经过第二节点P2施加到第三开关晶体管T3的控制端，如图3所示，此第二电压可为-8V，但不限于此，以打开第三开关晶体管T3；在第三开关晶体管T3打开时，PIN型光电二极管的正极端处的输出电压可通过第三开关晶体管T3输入至自举电容C的输入端，也就是说，自举电容C的输入端的电压变小，例如：自举电容C的输入端的电压从1V变成了0V；在此瞬间，自举电容C为了保持固有电容压差，自举电容C的输出端的电压也减小。
举例而言，在光电二极管PD为PIN型光电二极管时，该像素结构的电路信号模拟图可如图3所示，该图3中的横坐标表示的是时序，其单位为：微秒(us)；图3中纵坐标表示的时电压，其单位为：伏特(V)；其中，图3中的a表示的是第一电压信号端V1写入的电压随时序的变化过程，图3中的b表示的是第二电压信号端V2写入的电压随时序的变化过程，图3中的c表示的PIN型光电二极管的输出端输出的电压随时序的变化过程，图3中的d表示的自举电容C的输出端输出的电压随时序的变化过程。从图3中可以看出，通过调整信号时序可以使得PIN型光电二极管输出的电压由设定的0V降低为-2V，即：实现了将PIN型光电二极管输出的负电压信号进一步放大为更负的电压。
举例而言，此像素结构还可包括X射线转化层(图中未示出)，此X射线转化层置于光电二极管上，该X射线转化层用于将X射线转化成光信号，也就是说，此像素结构可应用于X射线平板探测器。
需要说明的是，此X射线转化层可直接设置在光电二极管上，也可间接设置在光电二极管上。
此外，该像素结构还可包括信号读出电路(图中未示出)，此信号读出电路与数据信号线连接，该信号读出电路可读取数据信号线上的电压信号，并将该电压信号传输至终端，而终端可将此电压信号转化为图像信号，以便观看。
本申请实施例还提供了一种平板探测器，此平板探测器可包括前述任一实施例所述的平板探测器的像素结构。
本申请实施例还提供了一种摄像系统，其包括上述的平板探测器。摄像系统可为CCD摄像系统或CMOS摄像系统。此摄像系统可应用于医疗检查中，平板探测器可将检测到的电压信号传输至与对应的终端(例如：计算机)中，该终端可将电信号转化为图像信号，并显示相应的图像，以便观看。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
Claims (10)
1.一种平板探测器的像素结构，其特征在于，包括：
光电二极管，用于采集光信号并将所述光信号转化成电信号，所述光电二极管具有正极端和负极端，所述负极端连接偏置电压信号端；
信号放大电路，所述信号放大电路的信号输入端与所述正极端连接，所述信号放大电路的信号输出端与第一节点连接；
第一开关晶体管，所述第一开关晶体管的控制端连接扫描信号线，所述第一开关晶体管的第一端连接数据信号线，所述第一开关晶体管的第二端连接所述第一节点；
其中，所述信号放大电路包括：
第二开关晶体管，所述第二开关晶体管的控制端连接第一电压信号端，所述第二开关晶体管的第一端连接第二电压信号端，所述第二开关晶体管的第二端连接第二节点，所述第二节点与所述第一节点连接；
第三开关晶体管，所述第三开关晶体管的控制端连接所述第二节点，所述第三开关晶体管的第一端为所述信号放大电路的信号输入端；
自举电路，所述自举电路的一端与所述第三开关晶体管的第二端连接，所述自举电路的另一端为所述信号放大电路的信号输出端。
2.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述自举电路为自举电容。
3.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述光电二极管为MSM型光电二极管。
4.根据权利要求3所述的像素结构，其特征在于，所述第三开关晶体管为N型薄膜晶体管。
5.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述光电二极管为PIN型光电二极管。
6.根据权利要求5所述的像素结构，其特征在于，所述第三开关晶体管为P型薄膜晶体管。
7.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，还包括X射线转化层，所述X射线转化层置于所述光电二极管上，所述X射线转化层用于将X射线转化成光信号。
8.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，还包括信号读出电路，所述信号读出电路与所述数据信号线连接。
9.一种平板探测器，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的平板探测器的像素结构。
10.一种摄像系统，其特征在于，包括权利要求9所述的平板探测器。
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