CN109906388B

CN109906388B - 图像传感器

Info

Publication number: CN109906388B
Application number: CN201680090642.2A
Authority: CN
Inventors: 曹培炎; 刘雨润
Original assignee: Shenzhen Xpectvision Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Xpectvision Technology Co Ltd
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2016-11-15
Publication date: 2023-03-03
Anticipated expiration: 2036-11-15
Also published as: US10823859B2; TW201820851A; TWI747992B; EP3542187A1; US11402522B2; US20190072681A1; US20210011182A1; EP3542187B1; CN109906388A; EP3542187A4; WO2018090163A1

Abstract

本文公开了一种方法，一种图像传感器(100)和一种检测X射线计算机断层扫描，该图像传感器包括：包括多个二极管的辐射吸收层(110)；包括电路的电子层(120)，所述电路被配置成对代表来自所述多个二极管的电流或电压的数字信号进行组合；以及被配置成存储被组合的数字信号的内存(135)。

Description

图像传感器

【技术领域】

本公开文涉及图像传感器。

【背景技术】

图像传感器(也称为成像传感器)是检测并传送构成图像信息的传感器。图像传感器可以做这些，是通过在光通过介质或从介质反射离开时产生了代表光的依赖于位置的衰减信号来实现的。所述信号通常是电信号，例如电压或电流。图像传感器可检测的光不限于可见光，也可以是其它波长的电磁辐射(例如红外线、紫外线、X射线、伽玛射线)。

图像传感器可包括将模拟信号转换为数字信号。模拟信号是其时变特征不限于一组离散值的信号；数字信号是其时间变化特征限于一组离散值的信号。因此，图像传感器可以包括模数转换器(ADC或A/D)，其是将模拟信号转换为数字信号的装置。ADC可在转换中使用不同的编码方案。典型地，数字信号是与模拟信号成比例的二补二进制数，但也有其它可能的编码方案。

ADC通常在功能上由几个特性定义。这些特性之一是带宽，它是ADC能处理的模拟信号频率的范围。另一个特性是动态范围，即ADC可以解析的最小和最大模拟信号之间的差。动态范围经常被测量为比率，或者以10为底(分贝)的对数值，或者以2为底(倍增、比特、或档(stops))的对数值。ADC的动态范围可受到许多因素的影响，包括解析度(ADC能将模拟信号量化到的输出电平的数目)、线性和精度(量化电平如何与真实模拟信号相匹配)以及抖动(假定周期信号与真实周期性的偏差)。再一个特性是解析度，即ADC能在数字信号中产生的离散值的数量。又一个特性是步长，其是一个数字电平(即，0001)和下一个(即，0010或0000)之间的电压差。

图像传感器可以使用闪烁体将其不能检测的光转换为能够检测的光。例如，在X射线的图像传感器中，闪烁体(例如，碘化钠)吸收入射X射线并发出可见光，所述可见光被检测。闪烁体可被像素化以用于各种目的，例如，限制闪烁体内的可见扩散。

【发明内容】

本文公开了包括下述各项的方法：将图像传感器暴露于场景中；通过图像传感器的多个像素测量来自场景的光的强度(作为模拟信号)；将模拟信号转换为数字信号；通过计算所述数字信号的和，确定所述场景的光的总强度。

根据实施例，所述光是可见光。

根据实施例，所述光是X射线。

根据实施例，ADC被用于将模拟信号转换为数字信号。

根据实施例，多个像素共享ADC。

根据实施例，多个像素通过多路复用器共享ADC。

本文公开图像传感器，其包括：包括多个二极管的辐射吸收层；电子层，其包括被配置成对代表来自所述多个二极管的电流或电压的数字信号进行组合的电路；以及内存，其被配置为存储所述被组合的数字信号。

根据实施例，图像传感器进一步包括电连接到二极管的多路复用器。

根据实施例，所述多路复用器被配置成将来自所述二极管的模拟信号选择性地引导到ADC，并且所述ADC被配置成将模拟信号转换为数字信号。

根据实施例，电子层包括用于每个二极管的电子系统，所述电子系统被配置成将来自所述二极管中的每个二极管的模拟信号转换为所述数字信号中的一个数字信号，并且所述多路复用器被配置成选择性地将所述模拟信号引导到所述电路。

本文公开了X射线计算机断层摄影(X射线CT)系统，其包括上述成像传感器中的任何一个成像传感器，以及X射线源。

根据实施例，该方法进一步包括从模拟信号到数字信号的转换中确定残余模拟信号；通过对残余模拟信号求和来确定总的残余模拟信号；通过数字化总的残余模拟信号来确定总的残余数字信号；其中确定总强度包括计算数字信号与总的残余数字信号的和。

根据实施例，图像传感器进一步包括被配置成总的残余模拟信号的另一个ADC。

根据实施例，ADC使用Δ-∑调制。

【附图说明】

图1示意性地示出了闪烁体的一个像素可由图像传感器的一个像素成像。

图2示意性地示出了根据实施例的图像传感器。

图3示出了根据实施例的图2检测器的一部分的示例性俯视图。

图4A-图4D示意性地示出了用图像传感器检测图像的方案，这里来自图像传感器的一些像素的信号被组合。

图5示意性地示出了根据实施例的方法的流程图。

图6示意性地示出了根据实施例的方法的流程图。

图7示意性地示出了根据实施例的电子层。

图8示意性地示出了根据实施例的图7电子层的俯视图。

图9示意性地示出了根据实施例的图7电子层的俯视图。

图10示意性地示出了根据实施例的图7电子层的俯视图。

图11示意性地示出了根据实施例的X射线计算机断层摄影(X射线CT)系统，其包括本文所述的半导体X射线检测器。

【具体实施方式】

如图1示意性示出，闪烁体的像素910暴露于入射X射线。像素910吸收X射线并发射可见光。来自闪烁体的整个像素910的可见光被引导到被配置成检测可见光的图像传感器的像素920。从闪烁体的像素910发射的可见光不被图像传感器的像素920空间分辨，从闪烁体的像素910发出的可见光而是被整合，图像传感器的像素920检测可见光的总量。所述图像传感器具有ADC，其将由像素920检测到的可见光的总量转换为数字信号。闪烁体的像素910越大，从那里发出的可见光的总量就趋于越大，因此ADC的动态范围就应该越大。

图2示意性地示出了根据实施例的图像传感器100。图像传感器100可包括辐射吸收层110和用于处理或分析入射辐射在辐射吸收层110中产生的电信号的电子层120(例如，ASIC)。辐射吸收层110可以包括半导体材料(例如，硅、锗)。辐射吸收层110可以包括一个或多个二极管(例如，p-i-n或p-n)，其由第一掺杂区域111、第二掺杂区域113的一个或多个离散区域114构成。第二掺杂区域113与第一掺杂区域111可由可选的本征区域112分隔开。离散部分114相互之间可由第一掺杂区域111或本征区域112分隔开。第一掺杂区域111和第二掺杂区113具有相反类型的掺杂(例如，区域111为p型并且区域113为n型，或区域111为n型并且区域113为p型)。在图2的例子中，第二掺杂区域113的每个离散区域114和第一掺杂区域111以及可选的本征区域112形成二极管。即，在图2的例子中，辐射吸收层110具有多个二极管，所述多个二极管具有第一掺杂区域111作为共享电极。第一掺杂区域111也可以具有离散部分。在一个例子中，图像传感器100可用于检测从闪烁体的像素910(这里多个离散部分114位于闪烁器的像素910的足迹内)发出的可见光(通过对从所述多个离散部分114获得的信号进行组合)。

当光子撞击包括二极管的辐射吸收层110时，它可以通过多种机制被吸收并产生一个或多个载流子。例如，一个X射线光子可以产生10至100000个载流子。载流子可在电场下漂移到一个二极管的电极。该电场可以是外部电场(例如电触点119A和119B之间)。为了检测可见光，电触点119A可以是金属网格或重掺杂的半导体；电触点119A可以是诸如氧化铟锡的透明材料。电触点119B可包括离散部分，其每一个与离散区域114电接触。在实施例中，载流子可沿各方向这样漂移，以至于由单个光子产生的载流子基本上不被两个不同的离散区域114共享(在这里“基本上不被共享”意味着小于2％、小于0.5％、小于0.1％、或小于0.01％的这些载流子流到所述离散区域114中与其余载流子不同的一个离散区域)。与离散区域114相关联(或与包含这个离散区域114的二极管相关联)的像素150可以是这样的区域：该区域大致位于所述离散区域114处，入射于其上的光子产生的载流子基本上全部(大于98％、大于99.5％、大于99.9％、或大于99.99％)流到那个离散区域114。即，小于2％、小于1％、小于0.1％、或小于0.01％的这些载流子流到该像素之外。

通过测量流入每个离散区域114的漂移电流或每个离散区域114的电压的变化率，与离散区域114相关联的像素中被吸收的光子数(与入射辐射强度有关)和/或相应的能量可以被确定。像素可以以任何合适的阵列来组织，例如方形阵列、三角形阵列和蜂窝阵列。像素可以具有任何合适的形状，例如圆形、三角形、方形、矩形以及六角形。像素可以是单独寻址的。

电子层120可包括电子系统121，其适于处理或解释入射在辐射吸收层110上的光子产生的信号。电子系统121可包括诸如滤波网络、放大器、积分器和比较器的模拟电路，或诸如微处理器、以及内存的数字电路。电子系统121可包括像素共享的部件或专用于单个像素的部件。例如，电子系统121可以包括专用于每个像素的放大器和在所有像素之间共享的微处理器。电子系统121可以通过通孔131与所述像素电连接。通孔中的空间可以填充有填充材料130，这可增加电子层120与辐射吸收层110的连接的机械稳定性。不使用通孔将电子系统121连接到像素的其它结合技术是可能的。电子系统121可被配置成通过像素来对光子进行计数或被配置成测量在像素处累积的载流子的总量(例如，通过使用由像素共享的模数转换器(ADC))。

图3示意性地示出了图像传感器100可具有像素150阵列。所述阵列可以是矩形阵列、蜂窝阵列、六边形阵列或任何其他合适的阵列。每个像素150可被配置为检测(例如，使用相关联的二极管)入射到其上的光子、测量光子能量或两个操作都进行。例如，每个像素150可被配置成对一段时间内入射在其上的能量落入多个箱(bin)中的光子进行计数。所有像素150可被配置成对在相同时间段内入射在其上的能量落入多个箱中光子进行计数。每个像素150可具有自己的电子系统121，其被配置成将代表入射到那个像素150的光子能量或光的强度的模拟信号转换为数字信号。电子系统121可以包括ADC。像素150可具有共享的ADC。ADC可具有10位或更高的解析度。用于每个像素150的电子系统121可被配置成测量其暗电流(例如在每个光子入射于其上之前或与其同时进行)。用于每个像素150的电子系统121可被配置成从入射到其上的光子能量中去除暗电流的贡献。用于每个像素150的电子系统121可以被配置成并联地操作。例如，当一个像素150测量入射光子时，另一像素150可等待光子到达。像素150可以是但不必是单独寻址的。

根据实施例，图像传感器100可被配置成对来自多个像素150的数字信号进行组合。图4A示意性地示出了区域1100中的入射光的总强度是“1000”。在区域1100中的入射光由像素阵列150检测。图4B示意性地示出了由像素150阵列检测的光的强度，其总数与区域1100中的入射光总强度“1000”相同。阵列中的像素150所检测到的光的强度可以为模拟信号。由每个像素150检测的光的强度趋于比区域1100中的入射光的总强度低很多。在这个例子中，像素150检测的光的强度的最大值小于光的总强度的10％。图4C示意性地示出了从阵列中的像素150检测到的光的强度转换的模拟信号。因为由阵列中的像素150检测到的光的强度通常比总强度小很多，用于转换这些由像素检测到的光的强度所需的ADC将比转换所述区域1100中的光的总强度(相同的步长)所需的ADC具有较少的比特位。图4D示意性地示出了数字信号的和(在这个例子中，二进制数01111101000)与从光的总强度“1000”转换的数位信号相同。

图5示意性地示出了根据实施例的方法的流程图。在程序5010中，将图像传感器暴露于场景。在程序5020中，光的强度由图像传感器的像素测量(作为模拟信号)。所述光可来自可见光或其它电磁辐射(例如，X射线)。例如，所述光可以是来自暴露于X射线的闪烁体的可见光。在程序5030中，通过ADC将模拟信号转换为数字信号，所述数字信号代表像素测量的光的强度。像素可共享ADC(例如通过多路复用器)。在程序5040中，通过计算数字信号的和来确定场景中的光的总强度。用于将代表由像素测量的强度的模拟信号进行转换的ADC和适于将场景中的光的总强度进行转换(相同步长)的ADC相比，所需的比特位数少。

图6示意性地示出了根据实施例的方法的流程图。光的强度由图像传感器的像素测量(作为模拟信号)。每个像素在电子系统121中具有第一ADC。模拟信号(例如，6010A、6010B、6010C等)在程序6020A、6020B、6020C等中分别数字化为数字信号6030A、6030B、6030C等以及残余模拟信号6040A、6040B、6040C等。残余模拟信号在第一ADC的最低有效位(LSB)电压的幅度之下。如图6示意性示出，模拟信号6010A、6010B和6010C分别被数字化为数字信号6030A(在本例中，数字信号6030A等于5)、6030B(在本例中，数字信号6030B等于4)、6030C(在本例中，数字信号6030C等于1)；残余模拟信号6040A、6040B、6040C具有不同的幅值。然后将像素的数字信号进行求和得到总的数字信号6050(在本例中，总的数字信号6050等于10＝5+4+1)。残余模拟信号6040A、6040B、6040C等被求和得到总的残余模拟信号6060。在程序6070中，总的残余模拟信号6060由像素共享的第二ADC数字化总的残余数字信号6080(在本例中，总的残余数字信号6080等于1)。总的残余数字信号6080与总的数字信号6050相加作为总的信号6090(在本中，总的信号6090等于11＝10+1)。

图像传感器100中的ADC可使用Δ-∑(Σ-Δ、ΔΣ或ΣΔ)调制。在常规ADC中，模拟信号被整合或采样(以采样频率)，并随后在多级数字转换器中被量化成数字信号。该过程引入量化误差噪音。Δ-∑调制中的第一步是Δ调制。在Δ调制中，信号的变化(其Δ)被编码(而不是绝对值)。结果是脉冲流，与数字流相反。数字输出(即脉冲)通过1位DAC并且所得的模拟信号(Σ)被加到ADC的输入信号中。在图6的流程中，在每个像素上的模拟信号(例如，6010A、6010B、6010C等)的整合并达到Δ期间，计数器增加1，并且Δ从模拟信号中扣除。在整合结束时，计数器的记录值是数字信号(例如，6030A、6030B、6030C等)，并且比Δ小的保留模拟信号是残余模拟信号(例如，6040A、6040B、6040C等)。

图7示意性地示出了根据实施例的电子层120。电子层120包括具有第一表面124和第二表面128的衬底122。本文中所用的"表面"不一定是暴露的，而是能全部或部分地埋入。电子层120包括在第一表面124上的一个或多个电触点125。一个或多个电触点125可以被配置成电连接到辐射吸收层110的一个或多个电极。电子系统121可以在衬底122中或在其上。电子层120包括从第一表面124延伸到第二表面128的一个或多个通孔126。电子层120包括在第二表面128上的再分布层(RDL)123。所述RDL123可包括一个或多个传输线127。所述电子系统121通过所述通孔126与所述电触点125和传输线127电连接。

衬底122可以是被变薄的衬底。例如，衬底可以具有750微米或更小、200微米或更小、100微米或更小、50微米或更小、20微米或更小、或5微米或更小的厚度。衬底122可以是硅衬底或其它合适的半导体或绝缘体。衬底122可以通过将较厚的衬底研磨到期望的厚度来制造。

一个或多个电触点125可以是金属层或掺杂半导体。例如，电触点125可以是金、铜、铂、钯、掺杂硅等。

通孔126穿过衬底122并将第一表面124上的电子部件(例如，电触点125)与第二表面128上的电子部件(例如RDL)电连接。通孔126有时称为"透硅通孔"，尽管它们可以在与硅不同的材料的衬底中制造。

RDL123可包括一个或多个传输线127。传输线127将衬底122中的电子部件(例如，通孔126)与衬底122上其它位置处的焊盘电连接。除了在某些通孔126和某些焊盘处，传输线127可与衬底122电隔离。传输线127可以是对于感兴趣的X射线能量具有小的质量衰减系数的材料(例如，Al)。RDL123可将电连接重新分布到更方便的位置。

图8示意性地示出了根据实施例的图7电子层120的俯视图。电子层120可以具有多路复用器132。多路复用器132通过区域129中的电触点125电连接到辐射吸收层110中的二极管，并被配置成逐一地将来自二极管的模拟信号选择性地引导到ADC133。电触点125可以连接到电触点119B。因此，电触点125上的模拟信号可以是在辐射吸收层110中的二极管的模拟信号(例如，电流或电压)。ADC133将模拟信号转换为数字信号。从ADC133输出的数字信号被引导到电路134(例如，算术逻辑单元(ALU))，其被配置成对所述数位信号进行组合。被组合的数位信号存储在内存135中。

图9示意性地示出了根据实施例的图7的电子层120的俯视图。每个像素150的电子系统121具有内置ADC133。像素150不共享ADC。ADC133将像素信号(例如，来自那个像素150中的二极管的电流或电压)转换为数字信号。电触点125可接合到电触点119B。因此，电触点125上的数字信号可以是从内置ADC输出的数字信号。电子层120可以具有多路复用器132。多路复用器132通过区域129中的电触点125电连接到辐射吸收层110中的二极管，并被配置成逐一地将来自二极管的数字信号选择性地引导到电路134(例如，算术逻辑单元(ALU))，其被配置成对所述数字信号进行组合。被组合的数字信号存储在内存135中。

图10示意性地示出了根据实施例的图7的电子层120的俯视图。电子层120具有诸如∑-ΔADC的两级ADC。每个像素150的电子系统121具有内置ADC133作为第一级。ADC133将模拟信号(例如，来自那个像素150中的二极管的电流或电压)转换为数字信号。电触点125可被连接到电触点119B。电触点125上的数字信号因此可以是从内置ADC133输出的数字信号。电子层120可以具有多路复用器132。多路复用器132通过区域129中的电触点125电连接到辐射吸收层110中的二极管。多路复用器132被配置为逐一地将二极管的数字信号选择性地引导到电路134D(例如，算术逻辑单元(ALU))，其被配置成将所述数字信号组合为总的数字信号。多路复用器132被配置为逐一地将内置ADC133的剩余模拟信号选择性地引导到电路134A，其被配置成将残余模拟信号组合为总的残余模拟信号。总的残余模拟信号作为第二级被馈送到ADC137中。ADC137由像素150共享。ADC137将总的残余模拟信号数字化为总的残余数字信号。总的残余数字信号和总的数字信号在电路135T处被组合为总信号。总信号存储在内存135中。

图11示意性地示出X射线计算机断层摄影(X射线CT)系统。X射线CT系统使用计算机处理的X射线来产生被扫描对象的特定区域的断层图像(虚拟的“切片”)。断层图像可用于各种医学学科中的诊断和治疗目的，或用于探伤、故障分析、计量、组装分析和反向工程。X射线CT系统包括本文描述的图像传感器100和X射线源1701。图像传感器100和X射线源1701可被配置成沿一个或多个圆形或螺旋路径同步旋转。

尽管本文公开了各种方面和实施例，其它方面和实施例对于本领域内技术人员将变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的而不意在为限制性的，其真正范围和精神由下列权利要求示明。

Claims

1.一种检测辐射的方法，包括：

将图像传感器暴露于场景；

通过所述图像传感器的多个像素测量来自所述场景的作为模拟信号的光的强度；

将所述模拟信号转换为数字信号；并且

从所述模拟信号到所述数字信号的转换确定残余模拟信号；

通过对所述残余模拟信号进行求和来确定总的残余模拟信号；

通过将所述总的残余模拟信号数字化来确定总的残余数字信号；

通过计算所述数字信号与所述总的残余数字信号的和来确定所述场景的光的总强度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述光是可见光。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述光是X射线。

4.根据权利要求1所述的方法，其中ADC被用于将所述模拟信号转换为所述数字信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述多个像素共享所述ADC。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述多个像素通过多路复用器共享所述ADC。

7.根据权利要求4所述的方法，其中所述ADC使用Δ-Σ调制。

8.一种图像传感器，包括：

包括多个二极管的辐射吸收层；

第一ADC，所述第一ADC用于将来自各个所述二极管的模拟信号转换为数字信号，以及，用于从所述模拟信号到所述数字信号的转换确定残余模拟信号；

第一电路，所述第一电路用于将各个所述数字信号组合为总的数字信号；以及

第二电路，所述第二电路用于将各个所述残余模拟信号组合为总的残余模拟信号；

第二ADC，所述第二ADC用于将所述总的残余模拟信号转换为总的残余数字信号；和

第三电路，所述第三电路用于将所述总的数字信号和所述总的残余数字信号进行组合。

9.根据权利要求8所述的图像传感器，进一步包括电连接到所述二极管的多路复用器。

10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中，所述多路复用器被配置成选择性地将来自所述二极管的模拟信号引导到第一ADC。

11.根据权利要求10所述的图像传感器，其中所述ADC使用Δ-Σ调制。

12.一种X射线计算机断层扫描(X射线CT)系统，该系统包括根据权利要求8-11任一项所述的图像传感器和X射线源。