CN110178051B - 配置成统计地确定电荷共享的成像系统 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种包括下述各项的方法：将成像系统暴露于辐射的场景，该成像系统包括辐射检测器，其中，在检测时间段内的帧期间，来自场景辐射的两个或更多个粒子入射到辐射检测器的区域的概率低于阈值；用成像系统检测来自场景辐射的粒子；如果成像系统在帧内在区域中检测到两个或更多个粒子，将所述两个或更多个粒子所产生的信号组合为组合信号，并记录该组合信号，或不理会由所述两个或多个粒子所引起的信号；如果成像系统仅检测到一个粒子，则记录由所述仅一个粒子引起的信号；在检测时间段结束后，用记录的信号形成图像。

Description

配置成统计地确定电荷共享的成像系统

【技术领域】

本公开文涉及能够统计地确定电荷共享的成像系统。

【背景技术】

成像系统检测并传送构成图像的信息。成像系统可以通过下述方式这样做：通过在辐射与主体作用后产生表示辐射特征(例如，强度、相位和偏振)的依赖于位置的信号。例如，由成像系统检测到的辐射可以是穿透主体或从主体反射的辐射。所述信号可以是诸如电压或电流的电信号。成像系统可以检测的辐射不受限于可见光，可以是其它波长的电磁辐射(例如红外线、紫外线、X射线、γ射线)或非电磁辐射(例如，α射线和β射线)。成像系统至少应具有带有空间解析度的辐射检测器。成像系统还可以具有辐射源。

一种类型的辐射检测器是基于辐射和半导体之间的相互作用。例如，这种类型的辐射检测器可以具有半导体层，其吸收所述辐射并产生载流子(例如，电子和空穴)以及用于检测载流子的电路。在这里，术语“载流子”、“电荷”和“载流子”可互换使用。辐射检测器可以具有多个像素，其能够独立地确定入射辐射的位置特性。由辐射产生的载流子可以在电场下被扫入像素中。如果由单个粒子(例如，光子)产生的载流子被多于一个的像素收集(“电荷共享”)，辐射探测器的性能可被负面影响。

【发明内容】

本文公开了一种包括下述各项的方法：将成像系统暴露于辐射的场景，所述成像系统包括辐射检测器，其中，在检测时间段帧内，辐射的两个或更多粒子从所述场景入射到所述辐射检测器的区域上的概率低于阈值；用成像系统检测来自所述场景的辐射粒子；确定所述成像系统是否在所述帧内在所述区域内的两个或多个位置处检测到由来自所述场景的辐射引起的信号；随着对所述成像系统在所述帧内在所述区域中的两个或多个位置处检测到来自所述场景的所述辐射所引起的信号的确定，将所述区域中的信号组合为组合信号，并记录所述组合信号；随着对所述成像系统在所述帧内在所述区域中的仅一个位置处检测到由来自所述场景的辐射引起的信号的确定，记录所述区域内的信号；在所述检测时间段结束后，用所记录的信号形成图像。

本文公开了一种包括下述各项的方法：将成像系统暴露于辐射的场景，所述成像系统包括辐射检测器，其中，在所述检测时间段帧期间，两个或更多粒子从所述场景入射到所述辐射检测器的区域上的概率低于阈值；用所述成像系统检测来自所述场景的辐射粒子；确定所述成像系统在所述帧内是否在所述区域内的两个或多个位置处检测到由来自所述场景的辐射引起的信号；随着对所述成像系统在所述帧内在所述区域内的两个或多个位置处检测到由来自所述场景的辐射引起的信号的确定，不理会所述区域的信号；随着对所述成像系统在所述帧内在所述区域中的仅一个位置处检测到由来自所述场景的辐射引起的信号的确定，记录所述区域内的信号；在所述检测时间段结束后，用所记录的信号形成图像。

根据实施例，所述阈值为10％。

根据实施例，所述辐射是X射线。

根据实施例，所述检测时间段包括多幅帧。

根据实施例，所述成像系统还包括脉冲辐射源。

根据实施例，所述辐射检测器被配置成确定是否脉冲辐射源处于ON周期或处于OFF周期。

根据实施例，辐射检测器被配置成仅在脉冲辐射源的ON周期期间检测信号。

根据实施例，辐射检测器和脉冲辐射源被同步到同一时钟。

根据实施例，所述帧包括脉冲辐射源的一个或多个ON周期。

根据实施例，辐射检测器包括被配置成检测来自脉冲辐射源的辐射的强度(作为时间的函数)的装置。

根据实施例，辐射检测器包括控制器。

根据实施例，所述控制器被配置成：基于来自所述时钟的时钟信号，确定所述脉冲辐射源是处于所述ON周期中的一个，或处于所述OFF周期中的一个。

根据实施例，所述控制器被配置成：基于所述辐射的强度，确定所述脉冲辐射源是处于所述ON周期中的一个，或处于所述OFF周期中的一个。

根据实施例，所述辐射检测器还包括多个像素，并且所述控制器被配置为：使用所述像素，确定所述脉冲辐射源是处于所述ON周期中的一个，或处于所述OFF周期中的一个。

根据实施例，所述控制器被配置为：基于多个像素的组合信号，确定所述脉冲辐射源是处于所述ON周期中的一个或处于所述OFF周期中的一个。

本文公开包括下述各项的成像系统：辐射检测器；脉冲辐射源；其中，在包括所述脉冲辐射源的ON周期的帧期间，来自所述脉冲辐射源的两个或更多个辐射粒子入射到所述辐射检测器的区域上的概率低于阈值；其中，所述辐射检测器被配置为确定所述脉冲辐射源是否处于ON周期或OFF周期。

根据实施例，所述阈值为10％。

根据实施例，所述辐射是X射线。

根据实施例，辐射检测器被配置成仅在脉冲辐射源的ON周期期间检测信号。

根据实施例，所述辐射检测器包括控制器。

根据实施例，所述辐射检测器和所述脉冲辐射源同步到同一时钟。

根据实施例，所述控制器被配置成：基于来自所述时钟的时钟信号，确定所述脉冲辐射源是处于所述ON周期中的一个，或处于所述OFF周期中的一个。

根据实施例，辐射检测器包括被配置成检测来自脉冲辐射源的辐射的强度(作为时间的函数)的装置。

根据实施例，所述控制器被配置成基于所述辐射的强度来确定所述脉冲辐射源是处于所述ON周期中的一个，或处于所述OFF周期中的一个。

根据实施例，所述辐射检测器还包括多个像素，并且所述控制器被配置为成使用所述像素来确定所述脉冲辐射源是处于所述ON周期中的一个，或处于所述OFF周期中的一个。

根据实施例，所述控制器被配置成：基于多个像素的组合信号，确定所述脉冲辐射源是处于所述ON周期中的一个或处于所述OFF周期中的一个。

【附图说明】

图1A示意性地示出了作为脉冲辐射源的示例的X射线管。

图1B示意性地示出了X射线管的阴极可以包括纳米结构的发射器(例如，沉积于基板上的碳纳米管)以及栅电极。

图2示意性地示出了从脉冲辐射源输出的辐射强度(作为时间的函数)。

图3A示意性地示出了在给定的时间段期间，到达辐射检测器的区域的来自辐射源的辐射粒子的空间分布的示例。

图3B示意性地示出了在相同的时间段期间，与图3A的区域相比，统计地较少的来自辐射源的粒子到达辐射检测器的较小区域。

图4A示意性地示出了用本文公开的成像系统形成图像的方法的流程图。

图4B示意性地示出了用本文公开的成像系统形成图像的方法的流程图。

图5A示意性地示出了一实施例，其中辐射检测器和脉冲辐射源被同步到同一时钟。

图5B示意性地示出了一实施例，其中辐射检测器具有被配置成检测脉冲辐射源所处周期的装置。

图5C示意性地示出了一实施例，其中辐射检测器使用一些或全部像素来检测脉冲辐射源所处的周期。

图6示意性地示出了适用于脉冲辐射源的辐射检测器。

图7A示意性地示出了辐射检测器的截面图。

图7B示意性地示出了辐射检测器的详细横截面视图。

图7C示意性地示出了辐射检测器的备选的详细横截面视图。

图8A和图8B各自示出了根据实施例的检测器的电子系统的部件图。

图9示意性地示出了流过电触点的电流(由入射在与所述电触点相关联的像素上的X射线光子产生的载流子引起)的时间变化(上曲线)，以及电触点的电压的相应的时间变化(下曲线)。

图10-图15各自示意性地示出了包括本文所述的辐射检测器的系统。

【具体实施方式】

根据实施例，成像系统包括辐射检测器以及辐射源。辐射源和辐射检测器可协同地使成像系统具有统计地确定是否发生电荷共享的能力。在实施例中，辐射源或辐射检测器可以限制入射到辐射检测器上的辐射量，以至于检测的时间段(即，辐射检测器检测辐射的时间段)内的一个帧(即，在该时间段期间，由辐射引起的辐射检测器的信号被累积、测量并复位)期间，两个或更多个的辐射粒子入射到所述辐射检测器统计上是不可能的。例如，辐射检测器可以具有短帧(即，辐射探测器在短时间内累积信号，并在复位信号前测量信号)，辐射探测器可以具有较小的辐射源视角；辐射源可以是以短脉冲方式发射辐射的脉冲辐射源。

图1A示意性地示出了作为脉冲辐射源示例的X射线管1000。本文公开的辐射检测器可与其它脉冲辐射源一起使用。X射线管1000具有真空管1010、装在真空管1010中的阴极1020和阳极1030。阴极1020被配置成发射电子。例如，如图1A所示，阴极1020可以是具有较高熔点的金属丝(所述金属例如为钨)，并且来自所述丝的电子发射可由热离子效应引起。例如，如图1B所示，阴极1020可以包括纳米结构的发射器1021(例如，沉积在基板上的碳纳米管)以及栅电极1022。纳米结构的发射体1021和栅电极1022可以在它们之间具有足够强的电场以引起来自纳米结构的发射体1021的电子的场发射(FE)。阴极1020与阳极1030之间的高电压(例如30kv至150kv)产生电场，其使被发射的电子向阴极1030加速。阴极1030的材料的例子可以包括钨、钼和铜。当电子撞击阳极1030时，X射线从阳极1030发出。发射的X射线可以包括具有随波长平滑强度变化的部分和具有几个锐峰的部分。第一部分是由于所述电子在阳极1030的减速(轫致辐射效应)而引起的。第二部分是由于在阳极1030的原子的外壳层处的电子弛豫到较低的壳层。X射线管1000可以具有热连接到阳极1030的散热器1040。

脉冲辐射源可以以脉冲方式发射辐射。即，在操作过程中，脉冲辐射源在一段时间(“ON周期”)发射辐射并且在另一时间段(“OFF周期”)不发射辐射。在这里X射线管的示例中，辐射的脉冲可以通过将从阴极1020到阳极1030的电子的流动进行脉冲调制脉动引起。即，电子朝向阳极1030的流动可以在ON周期导通，然后在OFF周期关闭。ON周期和OFF周期的长度可以例如通过开关模式电源来调节。

开关模式电源使用开关调节器从电源(AC或DC)传递电功率到负载(例如，X射线管的阳极和阴极之间的电场)。开关调节器将传向负载的功率快速切换到ON(开)和OFF(关)。开关的占空比确定多少功率被传递到负载。开关调节器的功耗非常小，因此非常有效。相反，线性调节器通过将过量功率消散于欧姆损耗(即，热)来提供期望的输出电压。开关模式电源能够产生高于输入，或具有相反极性的输出电压。

图2A示意性地示出了脉冲辐射源发射的辐射的强度(作为时间的函数)的示例。在ON周期2010期间的强度是非零的，并且可以基本是恒定的。在OFF周期2020期间的强度可以基本上为零。所有其它参数不变，ON周期2010越短，从脉冲辐射源发射的辐射的两个或更多个粒子在一副帧期间到达辐射检测器给定的区域(例如，单个像素)的可能性就越低。

在一个实例中，在每个ON周期2010期间，由脉冲辐射源发出的辐射的统计地两个粒子到达辐射检测器的区域。即，如图2B所示，在ON周期2010期间，从辐射源到达辐射检测器的区域的粒子数的直方图的峰在2处。短语"统计地N"意味着N的概率高于任何其它数的概率。如果脉冲辐射源的频率翻倍，如图2C所示，脉冲辐射源的其它参数不变，ON周期2021现在仅为ON周期2020的长度的一半。因此，在每个ON周期2021期间，由脉冲辐射源在ON周期2010期间发射的辐射的统计地一个粒子到达辐射检测器的区域。即，如图2D所示，在ON周期2010期间从辐射源到达辐射检测器的区域的粒子数的直方图的峰的位置接近1。如果所述帧具有ON周期加上OFF周期的长度，或更小，在所述帧期间到达所述区域的颗粒的粒子数可能是1。当然，粒子的发射是不均匀的，如图2A和图2C所示。但确实，脉冲辐射源在较短的ON周期期间倾向于发射较少的粒子。

图3A示意性地示出：给定的时间段期间，到达辐射检测器的区域的来自脉冲辐射源的辐射的粒子的空间分布的示例。在这个示例中，来自辐射源的统计地四个粒子3099在所述时间段期间到达辐射检测器的区域3010。即，在所述时间段期间，到达区域3010的粒子数的直方图的峰的位置在4处。

图3B示意性地示出：在相同时间段期间，来自辐射源的统计地较少的粒子到达辐射检测器的区域3020，这里区域3020比区域3010小。在这个示例中，区域3020是区域3010大小的四分之一。因此，在相同的时间段期间，来自辐射源的统计地一个粒子到达辐射检测器的区域3020。即，在所述时间段期间到达区域3020的粒子数的直方图的峰的位置在接近1处。

具有至少一个辐射检测器的成像系统可以使用在检测时间段内帧期间辐射的两个或更多粒子入射到辐射检测器的区域上的低概率来确定是否发生电荷共享。当所述成像系统如此配置，以至于在所述帧期间辐射的两个或更多粒子入射到辐射检测器的区域的概率低于阈值(例如，＜10％、＜5％或＜1％)，如果所述检测器在所述帧期间在所述区域中的两个或多个位置处检测到由所述辐射所引起的信号(例如，在ON周期期间，两个像素的电容模块309的电压输出都超过V1)，检测器可以推断发生电荷共享。然后，所述检测器可以丢弃所述区域中的所有信号，或者可以组合所述区域中的所有信号。所述成像系统，例如通过对检测器进行位置摆放、通过限制所述帧的长度、通过限制来自辐射源的辐射强度、或通过限制脉冲辐射源的ON周期的长度，可以减少在所述帧期间辐射的两个或多个粒子入射到所述辐射检测器的所述区域上的可能性。

图4A示意性地示出了使用本文公开的成像系统形成图像的方法的流程图。在程序4010中，将成像系统暴露于辐射的场景中。术语“辐射场景”是包括辐射的物理环境。成像系统可以形成描绘该物理环境的图像。在所述检测的时间段期间的帧期间，来自所述场景的辐射的两个或更多个粒子入射到所述成像系统的辐射检测器的区域的概率低于阈值(例如，＜10％、＜5％或＜1％)。这里所使用的术语“帧”是指在该时间段期间，由辐射引起的成像系统的辐射检测器的信号被累积、测量和复位。如果成像系统使用脉冲辐射源，则帧可以包括一个或多个ON周期。在实施例中，帧可以与单个ON周期的长度相同并与其同步。在程序4020中，成像系统检测来自场景的辐射的粒子。在程序4030中，确定成像系统是否在所述帧内在所述区域的两个或多个位置处检测到来自所述场景的辐射引起的信号。如果成像系统在所述帧内在所述区域的两个或多个位置处检测到来自所述场景的辐射引起的信号，在程序4040中，将所述区域中的信号组合为组合信号；在程序4050中记录所述组合信号。如果所述成像系统在所述帧内在所述区域内只在一个位置处检测到来自所述场景的辐射所引起的信号，在程序4060中记录所述信号。在程序4070中，确定检测时间段是否结束。如果该时间段没有结束，则流程返回程序4020并开始新的帧；如果检测时间段结束，在程序4080中用记录的信号形成图像。所述图像可通过累积在多个帧中所记录的信号而形成。

图4B示意性地示出了使用本文公开的成像系统形成图像的方法的流程图。在程序4010中，将成像系统暴露于辐射的场景中。在所述检测时间段期间的帧期间，来自所述场景的辐射的两个或更多个粒子入射到所述成像系统的辐射检测器的区域的概率低于阈值(例如，＜10％、＜5％或＜1％)。如果成像系统使用脉冲辐射源，则帧可以包括一个或多个ON周期。在实施例中，帧可以与单个ON周期的长度相同并与其同步。在程序4020中，成像系统检测来自场景的辐射的粒子。在程序4030中，确定成像系统是否在所述帧内在所述区域的两个或多个位置处检测到来自所述场景的辐射引起的信号。如果成像系统在所述帧内在所述区域的两个或多个位置处检测到来自所述场景的辐射引起的信号，在程序4050中，所述区域的所述信号被丢弃(例如，不被记录)，并且流程返回到程序4020并开始新的帧。如果所述成像系统在所述帧内在所述区域内只在一个位置处检测到来自所述场景的辐射所引起的信号，在程序4060中记录所述信号。在程序4070中，确定检测时间段是否结束。如果该时间段没有结束，则流程返回程序4020；如果检测时间段结束，在程序4080中用记录的信号形成图像。所述图像可通过累积在多个帧中所记录的信号而形成。

如果成像系统使用脉冲辐射源，辐射检测器可以被配置成确定脉冲辐射源是否处于ON周期或OFF周期。辐射检测器可以被配置为只在ON周期期间检测信号。图5A示意性地示出实施例，这里辐射检测器8020和脉冲辐射源8010被同步到同一时钟8030。来自时钟8030的时钟信号可用来确定脉冲辐射源8010的ON周期和OFF周期的长度。在作为脉冲辐射源8010的示例的X射线管中，来自时钟8030的时钟信号可被用来确定X射线管的阳极和阴极之间的电场的时间特性8011。来自时钟8030的时钟信号也被馈送到辐射检测器8020的控制器8021中。控制器8021可使用时钟信号来确定脉冲辐射源8010处于ON周期或OFF周期，并确定何时检测信号(例如，用辐射检测器8020的像素8022)。控制器8021可具有处理器和存储有指令的内存，并执行指令让控制器8021执行其功能。

图5B示意性地示出了一实施例，其中辐射检测器8020具有被配置成检测脉冲辐射源8010处于哪个周期(即，ON周期或OFF周期)的装置8023。因此，不需要将脉冲辐射源8010和辐射检测器8020同步到同一时钟。装置8023可以检测来自脉冲辐射源8010的辐射强度(作为时间的函数)。该装置可具有比像素更低的散粒噪音，例如，通过比检测器8020的像素8022拥有更大的面积，或者通过比像素8022更靠近脉冲辐射源8010。装置8023可缺乏空间解析度。由装置8023检测到的辐射强度可以被发送到控制器8021。控制器8021可以使用由装置8023检测到的辐射强度来确定脉冲辐射源8010处于ON周期或处于OFF周期，并确定何时检测信号(例如，使用辐射检测器8020的像素8022)。装置8023可以连续地检测辐射的强度，或者在一系列时间点检测辐射的强度。

图5C示意性地示出了一实施例，其中辐射检测器8020使用其像素8022的一些或全部来检测脉冲辐射源8010处于哪个周期。因此，不需要使装置8023，也不需要把脉冲辐射源8010和辐射检测器8020同步到同一时钟。为了减少散粒噪音，多个像素8022的信号可被组合。被组合的信号代表来自脉冲辐射源8010的辐射强度(作为时间的函数)。由像素8022检测到的辐射强度可以被馈送到控制器8021中。控制器8021可以使用所述辐射的强度来确定脉冲辐射源8010的ON周期和OFF周期的定时，并确定何时检测信号(例如，使用辐射检测器8020的像素8022)。对脉冲辐射源8010的周期的检测可在校准阶段发生，在使用辐射源8010和辐射检测器8020对主体进行成像之前。

辐射检测器的像素的曝光可以被同步。将像素的曝光同步有时称为“全域模壳(global shuttering)”。像素的曝光同步不必要求像素被配置为在相同的时间段物理地接收辐射；相反，同步意味着像素的信号是归因于相同时间段的辐射。例如，像素A和像素B仍然是同步的，如果，像素A被配置为在t0和(t0+2t1)之间物理地接收辐射，像素B被配置为在(t0+t1)和(t0+3t1)之间物理地接收辐射，像素A和像素B的信号是归因于它们在(t0+t1)和(t0+2t1)之间接收的辐射。

图6示意性地示出了根据实施例适用于成像系统的辐射检测器100。辐射检测器100具有像素150阵列。阵列可以是矩形阵列、蜂窝阵列、六边形阵列或任意其它合适的阵列。每个像素150被配置成检测来自入射于其上的脉冲辐射源的辐射，并且可以被配置成测量辐射的特征(例如，粒子的能量、波长以及频率)。例如，每个像素150被配置成对入射于其上的，在时间段内能量落入多个仓(bin)中的光子数进行计数。所有像素150可被配置成对在同一时间段内入射在其上的，在多个能量箱内的光子数量进行计数。每个像素150可以具有自己的模数转换器(ADC)，其被配置成将代表入射光子能量的模拟信号数位化为数字信号。像素150可被配置成并行操作。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可不必单独寻址。

图7A示意性地示出了根据实施例的辐射检测器100的横截面视图。辐射检测器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)。在实施例中，检测器100不包括闪烁体。辐射吸收层110可以包括半导体材料，例如，硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或它们的组合。所述半导体对感兴趣的辐射可具有高的质量衰减系数。

如图7B中的辐射检测器100的详细横截面图所示，根据实施例，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)(由第一掺杂区111、第二掺杂区113的一个或多个离散区域114形成)。第二掺杂区113和第一掺杂区111可被可选的本征区112隔开。离散部分114相互之间被第一掺杂区111或本征区112隔开。第一掺杂区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，或者，区域111为n型并且区域113为p型)。在图7B的示例中，第二掺杂区113的离散区域114的每一个与第一掺杂区111以及可选本征区112形成二极管。即，在图7B的示例中，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111作为共享电极。第一掺杂区111也可具有离散部分。

当来自脉冲辐射源的辐射击中包括二极管的辐射吸收层110时，辐射光子可以通过多个机制被吸收并产生一个或多个载流子。载流子可以在电场下漂移到所述多个二极管中的一个二极管的电极。该电场可以是外部电场。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，载流子可以沿各方向这样漂移，以至于由辐射的单个粒子产生的载流子基本上不被两个不同的离散区域114共享(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％的这些载流子流到与其余载流子不同的离散区域114中的一个)。在这些离散区域114中的一个的足迹区域周围入射的辐射粒子产生的载荷子基本上不与这些离散区域114中的另一个相共享。与离散区域114相关联的像素150是这样一个区域：该区域大致位于所述离散区域114处，在这里入射的辐射粒子产生的载荷子，基本上全部(大于98％以上、大于99.5％以上、大于99.9％以上或大于99.99％)流至所述离散区域114。即，这些载荷子中，小于2％、小于1％、小于0.1％或小于0.01％流到该像素之外。

如图7C中的辐射检测器100的备选详细横截面图所示，根据实施例，辐射吸收层110可以包括半导体材料的电阻器，例如，硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或它们的组合，但不包括二极管。所述半导体对感兴趣的辐射可具有高的质量衰减系数。

当辐射撞击辐射吸收层110(该辐射吸收层包括电阻器但不包括二极管)时，它可被吸收并产生一个或多个电荷载体(通过多种机制)。一个辐射粒子可以产生10至100000个载流子。载流子可在电场下漂移到电触点119A和119B。该电场可以是外部电场。电触点119B包括离散部分。在实施例中，载流子可以这样沿各方向漂移，以至于由单个辐射粒子产生的载流子基本上不被电触点119B的两个不同的离散部分共用(在这里“基本上不被共用”意味着小于2％、小于0.5％、小于0.1％或小于0.01％的这些载流子流至不同于其余载流子的离散部分中的一个)。在电触点119B的这些离散部分中的一个的足迹周围入射的辐射粒子产生的载流子基本上不与电触点119B的这些离散部分中的另一个相共享。与电触点119B的离散部分相关联的像素150可以是这样的区域，该区域大致位于所述离散部分处，入射于其中的辐射粒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％)流到电触点119B的所述离散部分。即，这些载流子流中，小于2％、小于0.5％、小于0.1％或小于0.01％流到与电触点119B的一个离散部分相关联的像素之外。

电子层120可包括电子系统121，其适于处理或解释由入射到辐射吸收层110上的辐射产生的信号。电子系统121可以包括模拟电路，例如滤波网络、放大器、积分器以及比较器，或数字电路例如微处理器、以及内存。电子系统121可以包括由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。所述电子系统121可以通过通孔131与像素电连接。所述通孔中的空间可以被填充材料130填充，这可增加电子层120与辐射吸收层110的连接的机械稳定性。其他结合技术将电子系统121连接到像素(不使用通孔)是可能的。

图8A和图8B各自示出了根据实施例的电子系统121的部件图。电子系统121可包括第一电压比较器301、第二电压比较器302、多个计数器320(包括计数器320A、320B、320C、320D…)、开关305、ADC306和控制器310。

第一电压比较器301被配置成将电触点119B的离散部分的电压与第一阈值比较。第一电压比较器301可配置成直接监测电压，或通过对一段时间内流过二极管或电触点的电流整合来计算电压。第一电压比较器301可由控制器310可控地启动或停用。第一电压比较器301可以是连续比较器。即，第一电压比较器301可配置成被连续启动，并且连续监测电压。被配置为连续比较器的第一电压比较器301使系统121错过由入射辐射粒子产生的信号的机会减少。被配置为连续比较器的第一电压比较器301在入射辐射强度相对高时尤其适合。第一电压比较器301可以是钟控比较器，其具有较低功耗的益处。配置为钟控比较器的第一电压比较器301可导致系统121错过由一些入射辐射粒子产生的信号。在入射辐射强度低时，因为两个连续光子之间的间隔相对长，错过入射辐射粒子的机会低。因此，配置为钟控比较器的第一电压比较器301在入射辐射强度相对低时尤其适合。第一阈值可以是一个入射辐射粒子可在电触点119B上产生的最大电压的1-5％、5-10％、10％-20％、20-30％、30-40％或40-50％。最大电压可取决于入射辐射粒子的能量(即，入射辐射的波长)，辐射吸收层110的材料和其他因素。例如，第一阈值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。

第二电压比较器302配置成将电压与第二阈值比较。第二电压比较器302可配置成直接监测电压，或通过对一段时间内流过二极管或电触点的电流整合来计算电压。第二电压比较器302可以是连续比较器。第二电压比较器302可由控制器310可控地启动或停用。在停用第二电压比较器302时，第二电压比较器302的功耗可以是启动第二电压比较器302时的功耗的不到1％、不到5％、不到10％或不到20％。第二阈值的绝对值大于第一阈值的绝对值。如本文使用的，术语实数x的“绝对值”或“模数”|x|是x的非负值而不考虑它的符号。即，

第二阈值可以是第一阈值的200％-300％。例如，第二阈值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二电压比较器302和第一电压比较器301可以是相同部件。即，系统121可具有一个电压比较器，其可以在不同时间将电压与两个不同阈值比较。

第一电压比较器301或第二电压比较器302可包括一个或多个运算放大器或任何其他适合的电路。第一电压比较器301或第二电压比较器302可具有高的速度以允许系统121在高的入射辐射通量下操作。然而，具有高的速度通常以功耗为代价。

计数器320可以是软件部件(例如，电脑内存中存储的数字)或硬件部件(例如，4017IC和7490IC)。每个计数器320与对于一定能量范围的仓关联。例如，计数器320A可与70-71KeV的仓关联，计数器320B可与71-72KeV的仓关联，计数器320C可与72-73KeV的仓关联，计数器320D可与73-74KeV的仓关联。在入射辐射粒子的能量由ADC306确定为在与计数器320关联的仓中时，计数器320中记录的数字增加一。

控制器310可以是例如微控制器和微处理器等硬件部件。控制器310配置成从第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值(例如，电压的绝对值从第一阈值的绝对阈值以下增加到等于或超过第一阈值的绝对值的值)的时刻启动时间延迟。在这里使用绝对值，因为电压可以是负的或正，这取决于是使用二极管的阴极还是阳极的电压或使用哪个电触点。控制器310可配置成在第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值的时间之前，保持停用第二电压比较器302、计数器320以及第一电压比较器301的操作不需要的任何其他电路。时间延迟可在电压变稳定(即，电压的变化率大致为零)之后终止。短语“变化率大致为零”意指时间变化小于0.1％/ns。短语“变化率大致为非零”意指电压的时间变化是至少0.1％/ns。

控制器310可配置成在时间延迟期间(其包括开始和终止)启动第二电压比较器。在实施例中，控制器310配置成在时间延迟开始时启动第二电压比较器。术语“启动”意指使部件进入操作状态(例如，通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平等信号、通过提供电力等)。术语“停用”意指使部件进入非操作状态(例如，通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平等信号、通过切断电力等)。操作状态可具有比非操作状态更高的功耗(例如，高10倍、高100倍、高1000倍)。控制器310本身可被停用直到第一电压比较器301的输出在电压的绝对值等于或超出第一阈值的绝对值时启动控制器310。

如果在时间延迟期间第二电压比较器302确定电压的绝对值等于或超出第二阈值的绝对值并且辐射粒子的能量落在与计数器320关联的仓中，控制器310可配置成使计数器320记录的数字增加一。

控制器310可配置成在时间延迟终止时使ADC 306将电压数位化并且基于所述电压确定辐射粒子的能量落在哪个仓中。

控制器310可配置成使电触点119B连接到电接地，以使电压重定并且使电触点119B上累积的任何载流子放电。在实施例中，电触点119B在时间延迟终止后连接到电接地。在实施例中，电触点119B在有限复位时期连接到电接地。控制器310可通过控制开关305而使电触点119B连接到电接地。开关可以是晶体管，例如场效应晶体管(FET)。

在实施例中，系统121没有模拟滤波器网路(例如，RC网路)。在实施例中，系统121没有模拟电路。

ADC 306可将它测量的电压作为模拟或数字信号馈送给控制器310。ADC可以是逐次逼近型寄存器(SAR)ADC(也叫作逐次逼近ADC)。SAR ADC在最终汇聚于模拟信号的数字输出之前经由通过所有可能量化等级的二进位搜索来使模拟信号数位化。SARADC可具有四个主要子电路：采样和保持电路，用于获取输入电压(Vin)；内部数模转换器(DAC)，其配置成向模拟电压比较器供应等于逐次逼近型寄存器(SAR)的数字代码输出的模拟电压，该模拟电压比较器将Vin与内部DAC的输出比较并且向SAR输出比较结果，SAR配置成向内部DAC供应Vin的逼近数字代码。SAR可被初始化使得最高有效位(MSB)等于数字1。该代码被馈送到内部DAC内，其然后将该数字代码的模拟等效物(Vref/2)供应到比较器内用于与Vin比较。如果该类比电压超出Vin，比较器促使SAR将该位重定；否则，位留1。然后SAR的下一个位设置为1并且进行相同测试，从而继续该二进位搜索直到SAR中的每个位已被测试。所得的代码是Vin的数字逼近并且最后在数位化结束时由SAR输出。

系统121可包括电容器模块309，其电连接到电触点119B，其中电容器模块配置成从电触点119B收集载流子。电容器模块可以包括放大器的回馈路径中的电容器。如此配置的放大器叫作电容跨阻放大器(CTIA)。CTIA通过防止放大器饱和而具有高的动态范围并且通过限制信号路径中的带宽来提高信噪比。来自电极的载流子在一段时间(“整合期”)(例如，如在图9中示出的，在ts至t0之间)内在电容器上累积。在整合期终止后，由ADC 306对电容器电压采样并且然后由重定开关将其重定。电容器模块309可以包括直接连接到电触点119B的电容器。

图9示意性地示出了由与电触点119B关联的像素150上入射的辐射粒子产生的载流子引起的流过电触点119B的电流的时间变化(上曲线)和电触点119B的电压的相应时间变化(下曲线)。电压可以是电流关于时间的整合。在时间t0，X射线光子撞击二极管或电阻器，载流子开始在像素150中产生，电流开始流过电触点119B，并且电触点119B的电压的绝对值开始增加。在这里描述的辐射检测器中，每个像素的t0可以被设置为帧的开始。例如，图8A或图8B中的开关305可以在帧的开始处被打开以开始信号整合。作为确定所述像素是否在所述帧期间接收所述辐射的粒子的选项，如果第一电压比较器301在时间t1处确定所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值V1的绝对值，所述像素被认为是接收所述辐射的粒子，并且所述控制器310开始时间延迟TD1，并且所述控制器310可以在TD1的开始时停用所述第一电压比较器301。在这里描述的辐射检测器中，每个像素的时间延迟TD1可以是ON周期或帧的长度。如果控制器310在t1之前被去活，则控制器310在t1被激活。在TD1期间，控制器310激活第二电压比较器302。这里使用的术语在时间延迟“期间”意指开始和终止(即，结束)和中间的任何时间。例如，控制器310可在TD1终止时启动第二电压比较器302。如果在TD1期间，第二电压比较器302确定在时间t2电压的绝对值等于或超出第二阈值V2的绝对值，控制器310等待电压的稳定。电压在时间te稳定，这时辐射粒子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110。在时间ts，时间延迟TD1终止。在时间te或时间te之后，控制器310使ADC306将电压数位化并且确定辐射粒子的能量落在哪个仓中。控制器310然后使对应于仓的计数器320记录的数字增加一。在图9的示例中，时间ts在时间te之后；即TD1在辐射粒子产生的所有载流子漂移出X射线吸收层110之后终止。如果不易测量时间te，可以根据经验选择TD1以允许有足够时间收集辐射粒子产生的基本上所有载流子，但并不太长而冒着具有另一个入射辐射粒子的风险。即，可以根据经验选择TD1使得时间ts根据经验在时间te后。时间ts不必在时间te后，因为一旦达到V2控制器310可不理会TD1并且等待时间te。电压与暗电流对电压的贡献之间的差异的变化率从而在te大致为零。控制器310可配置成在TD1终止时或在t2或中间的任何时间停用第二电压比较器302。

作为确定所述像素是否在所述帧期间接收所述辐射的粒子的另一选项，控制器310在帧开始时启动时间延迟TD1，而不将电压与V1进行比较。相反，在时间延迟TD1期满时，如果确定(例如，通过第二电压比较器302)电压的绝对值等于或超过V2，所述像素被认为是接收所述辐射的粒子，并且所述控制器310等待所述电压的稳定。当所述辐射的粒子所产生的所有载流子漂移出辐射吸收层110，电压在te稳定。在te或在te之后，控制器310使ADC306数字化所述电压，并确定所述辐射的粒子能量落入哪个仓。控制器310然后使与所述仓相对应的计数器320记录的数字增加1。

te处的电压与由辐射粒子产生的载流子的总量成比例，这与辐射粒子能量相关。控制器310可被配置为：基于ADC 306的输出，确定辐射粒子的能量落入的仓。

在TD1到期或由ADC 306进行数字化之后(取其后发生者)，控制器310在复位期间RST使电触点119B连接到电接地以允许电触点119B上累积的载流子流到地并且使电压重定。在这里描述的辐射检测器中，每个像素的复位期间RST可在相同的时刻开始并在相同的时刻结束。例如，复位期间RST可以是整个OFF周期。图8A或图8B中的开关305在复位期间RST可以是关闭的。在RST之后，系统121准备检测另一个入射辐射粒子。如果第一电压比较器301被停用，控制器310可以在RST终止之前的任何时间启动它。如果控制器310被停用，可在RST终止之前启动它。

图10示意性地示出了包括本文所述的辐射检测器100的系统。该系统可用于医学成像，例如胸部X射线照相、腹部X射线照相等。系统包括发射X射线的脉冲辐射源1201。从脉冲辐射源1201发射的X射线穿透物体1202(例如，人体部位如胸部、肢体、腹部)，被物体1202的内部结构(例如，骨骼、肌肉、脂肪、器官等)不同程度衰减，并且被投影到辐射检测器100。辐射检测器100通过检测X射线的强度分布而形成图像。

图11示意性地示出了包括本文所述的辐射检测器100的系统。该系统可用于医疗成像，例如牙科X射线照相。该系统包括发射X射线的脉冲辐射源1301。从脉冲辐射源1301发射的X射线穿透物体1302，其是哺乳动物(例如，人)的嘴巴的部分。物体1302可包括上颌骨、腭骨、牙齿、下颌或舌。X射线被物体1302的不同结构不同程度衰减，并被投射到辐射检测器100。辐射检测器100通过检测X射线的强度分布形成图像。牙齿比龋牙、感染部位、牙周韧带更多地吸收X射线。牙科患者接收的X射线辐射的剂量典型地是小的(对全嘴系列约0.150mSv)。

图12示意性地示出了包括本文所述的辐射检测器100的货物扫描或非侵入性检查(NII)系统。该系统可用于检查和识别例如集装箱、车辆、船舶、行李等运输系统中的货物。该系统包括脉冲辐射源1401。从脉冲辐射源1401发射的辐射可以从物体1402(例如，集装箱、车辆、船舶等)背散射并被投影到辐射检测器100。物体1402的不同内部结构可以不同地背散射所述辐射。辐射检测器100通过检测背散射辐射的强度分布和/或背散射辐射的能量来形成图像。

图13示意性地示出了包括本文所述的辐射检测器100的另一货物扫描或非侵入性检查(NII)系统。该系统可用于公共运输站和机场的行李筛选。该系统包括发射X射线的脉冲辐射源1501。从脉冲辐射源1501发射的X射线可穿透行李1502，被行李的内容不同地衰减，并被投影到辐射检测器100。所述辐射检测器100通过检测透射X射线的强度分布而形成图像。该系统可以揭示行李的内容，并识别在公共交通上禁止的物品，例如枪支、毒品、锋利武器、易燃物。

图14示意性地示出了包括本文所述的辐射检测器100的全身扫描仪系统。全身扫描仪系统可以为了安全筛选目的检测人身体上的物体，不需要物理地移去衣物或进行物理接触。全身扫描仪系统能检测非金属物体。全身扫描仪系统包括脉冲辐射源1601。从脉冲辐射源1601发射的辐射可从被筛选的人1602和其身上的物体背散射，并被投影到辐射检测器100。所述物体和所述人体可以不同地背散射辐射。辐射检测器100通过检测背散射辐射的强度分布来形成图像。辐射检测器100和脉冲辐射源1601可被配置为沿直线或旋转方向扫描人。

图15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“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系统包括在此描述的辐射检测器100和发射X射线的脉冲辐射源1701。辐射检测器100和脉冲辐射源1701可被配置成沿一个或多个圆形或螺旋路径同步旋转。

在此描述的脉冲辐射检测器100可具有其它应用，比如在X射线望远镜、X射线乳房摄影、工业X射线缺陷检测、X射线显微或微成像、X射线铸造检查、X射线无损检测、X射线焊接检查、X射线数位减影血管摄影等中。使用该脉冲辐射检测器100适合于代替摄影板、摄影胶片、PSP板、X射线图像增强器、闪烁体或其它半导体X射线检测器。

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 (27)

1.一种成像方法，包括：

将成像系统暴露于辐射的场景，所述成像系统包括辐射检测器，其中，在检测时间段内的帧期间内，来自所述场景的辐射的两个或更多粒子入射到所述辐射检测器的区域上的概率低于阈值；

用所述成像系统检测来自所述场景的辐射的粒子；

确定所述成像系统是否在所述帧期间内在所述区域中的两个或多个位置处检测到由所述场景的辐射所引起的信号；

随着对所述成像系统在所述帧期间内在所述区域中的两个或多个位置处检测到由所述场景的辐射所引起的信号的确定，将所述区域中的信号组合为组合信号，并记录所述组合信号；

随着对所述成像系统在所述帧期间内在所述区域中的仅一个位置处检测到来自所述场景的辐射所引起的信号的确定，记录所述区域中的信号；

在所述检测时间段结束后，用记录的信号形成图像。

2.一种成像方法，包括：

将成像系统暴露于辐射的场景，所述成像系统包括辐射检测器，其中，在检测时间段内的帧期间内，来自所述场景的辐射的两个或更多粒子入射到所述辐射检测器的区域上的概率低于阈值；

用所述成像系统检测来自所述场景的辐射的粒子；

确定所述成像系统是否在所述帧期间内在所述区域中的两个或多个位置处检测到由所述场景的辐射引起的信号；

随着对所述成像系统在所述帧期间内在所述区域中的两个或多个位置处检测到由所述场景的辐射引起的信号的确定，不理会所述区域的信号；

随着对所述成像系统在所述帧期间内在所述区域中的仅一个位置处检测到由所述场景的辐射引起的信号的确定，记录所述区域中的信号；

在所述检测时间段结束后，用记录的信号形成图像。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述阈值为10%。

4.据权利要求1或2所述的方法，其中所述辐射是X射线。

5.据权利要求1或2所述的方法，其中所述检测时间段包括多幅帧。

6.据权利要求1或2所述的方法，其中所述成像系统还包括脉冲辐射源。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述辐射检测器被配置成确定所述脉冲辐射源是否处于ON周期或OFF周期。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述辐射检测器被配置成仅在所述脉冲辐射源的ON周期期间检测信号。

9.根据权利要求6所述的方法，其中所述辐射检测器和所述脉冲辐射源同步到同一时钟。

10.根据权利要求6所述的方法，其中所述帧期间内包括所述脉冲辐射源的一个或多个ON周期。

11.根据权利要求6所述的方法，其中所述辐射检测器包括检测装置，该检测装置被配置成检测来自所述脉冲辐射源的辐射的作为时间函数的强度。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述辐射检测器包括控制器。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述控制器被配置成基于来自所述时钟的时钟信号，确定所述脉冲辐射源是处于ON周期中的一个或处于OFF周期中的一个。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述控制器被配置成基于所述辐射的强度，确定所述脉冲辐射源是处于ON周期中的一个或处于OFF周期中的一个。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述辐射检测器还包括多个像素，并且其中所述控制器被配置成用所述像素来确定所述脉冲辐射源是处于ON周期中的一个或处于OFF周期中的一个。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述控制器被配置成基于所述多个像素的组合信号，确定所述脉冲辐射源是处于所述ON周期中的一个或处于所述OFF周期中的一个。

17.一种成像系统，暴露于辐射的场景，包括：

辐射检测器；

脉冲辐射源；

其中，在检测时间段内的帧期间内，来自所述场景的辐射的两个或更多粒子入射到所述辐射检测器的区域上的概率低于阈值；

所述辐射检测器用于：

检测来自所述场景的辐射的粒子；

确定是否在所述帧期间内在所述区域中的两个或多个位置处检测到由所述场景的辐射所引起的信号；

随着对所述帧期间内在所述区域中的两个或多个位置处检测到由所述场景的辐射所引起的信号的确定，将所述区域中的信号组合为组合信号，并记录所述组合信号；

随着对所述帧期间内在所述区域中的仅一个位置处检测到来自所述场景的辐射所引起的信号的确定，记录所述区域中的信号；

在所述检测时间段结束后，用记录的信号形成图像；

所述辐射检测器还用于：

检测来自所述场景的辐射的粒子；

确定是否在所述帧期间内在所述区域中的两个或多个位置处检测到由所述场景的辐射引起的信号；

随着对所述帧期间内在所述区域中的两个或多个位置处检测到由所述场景的辐射引起的信号的确定，不理会所述区域的信号；

随着对所述帧期间内在所述区域中的仅一个位置处检测到由所述场景的辐射引起的信号的确定，记录所述区域中的信号；

在所述检测时间段结束后，用记录的信号形成图像。

18.根据权利要求17所述的成像系统，其中所述阈值为10%。

19.根据权利要求17所述的成像系统，其中所述辐射是X射线。

20.根据权利要求17所述的成像系统，其中所述辐射检测器被配置成仅在所述脉冲辐射源的ON周期期间检测信号。

21.根据权利要求17所述的成像系统，其中所述辐射检测器包括控制器。

22.根据权利要求21所述的成像系统，其中所述辐射检测器和所述脉冲辐射源同步到同一时钟。

23.根据权利要求22所述的成像系统，其中所述控制器被配置成基于来自所述时钟的时钟信号来确定所述脉冲辐射源是处于ON周期中的一个或处于OFF周期中的一个。

24.根据权利要求21所述的成像系统，其中所述辐射检测器包括检测装置，该检测装置被配置成检测来自所述脉冲辐射源的辐射的作为时间函数的强度。

25.根据权利要求24所述的成像系统，其中所述控制器被配置为成基于所述辐射的强度来确定所述脉冲辐射源是处于ON周期中的一个或处于OFF周期中的一个。

26.根据权利要求21所述的成像系统，其中所述辐射检测器还包括多个像素，并且其中所述控制器被配置成使用所述像素来确定所述脉冲辐射源是处于ON周期中的一个或处于OFF周期中的一个。

27.根据权利要求26所述的成像系统，其中所述控制器被配置成基于所述多个像素的组合信号来确定所述脉冲辐射源是处于所述ON周期中的一个或处于所述OFF周期中的一个。

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