CN112218014A - 图像传感器和包括图像传感器的成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及图像传感器并且涉及包括图像传感器的成像系统。本发明尤其涉及X射线图像传感器和成像系统。根据本发明的图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列包含布置在行和列的矩阵中的多个有源像素，以及多个列线，出于输出像素信号的目的相同列中的像素的输出耦合到所述列线。所述图像传感器进一步包括读出电路系统，所述读出电路系统包含多个读出单元，每个读出单元经配置以用于通过所述读出单元的输入节点读出相应的列线。所述图像传感器的特征在于所述图像传感器进一步包括电容单元，例如电容器，以用于将每个输入节点电容式耦合到其对应的列线。

Description

图像传感器和包括图像传感器的成像系统

本发明涉及图像传感器并且涉及包括图像传感器的成像系统。本发明尤其涉及X射线图像传感器和成像系统。

除非另外说明，否则根据本发明的图像传感器包括经配置以用于俘获电磁辐射的图像传感器。确切地说，此辐射可以呈可见光的形式或者它可以呈X射线的形式。

当图像传感器经配置以用于感测X射线时，它可包括光敏元件，例如光电二极管，其经配置以用于吸收传入X射线光子并且产生光电流。此类型的转换被称作直接转换。其它图像传感器可包括闪烁剂层，其将传入X射线光子转换成可见光光子。这些后者的光子可以由光敏元件吸收，所述光敏元件继而产生光电流。此类型的转换被称作间接转换。本发明涉及两种类型的转换。

图像传感器通常包括像素阵列。此阵列包括布置在行和列的矩阵中的多个像素。图像传感器通常进一步包括多个列线，出于输出像素信号的目的相同列中的像素的输出耦合到所述列线。图像传感器随后进一步包括读出电路系统。此电路系统包括多个读出单元，每个读出单元经配置以用于通过读出单元的输入节点读出相应的列线。

在图1中示出已知的图像传感器1的实例。此处，出于说明性目的仅示出了矩阵的单个像素2。像素2是无源像素，其包括耦合在接地与选择FET Ts的源极端子之间的光电二极管PD，选择FET Ts的栅极连接到行选择线rs。代替具有固定在接地电势下的阳极，可使用不同的电势，例如，-5V。选择FET Ts的漏极端子连接到列线cl。一些寄生电容与此线相关联。在图1中，此寄生电容由电容器Cp表示。通常，像素矩阵的每一行连接到相应的行选择线并且每一列连接到相应的列线。出于驱动行选择线的目的，图像传感器1包括确保相同列中的两个像素未在相同时间无意地连接到相同列线的行控制器(未示出)。

图像传感器1进一步包括读出电路系统。此电路系统包括多个读出单元3，通常每列线一个单元。在图1中，单个读出单元3示出为包括电荷放大器31、相关双取样“CDS”单元32和模/数转换器“ADC”33。

电荷放大器31包括差分放大器34，例如运算放大器，具有连接到参考电压Vref的非反相端子“+”，以及经由反馈电容器Cf连接到放大器34的输出端的反相端子“-”。开关s1与反馈电容器Cf并联布置。

放大器34的输出端连接到CDS单元32，其执行两个测量并且将这些测量之间的差异馈送到ADC 33以用于将差异转换成数字数值。

在图1中，像素阵列布置在薄膜晶体管“TFT”面板上。更确切地说，在TFT面板上的薄膜晶体管对应于选择晶体管Ts。光电二极管PD通常通过在TFT面板上布置光敏材料的小岛状物实现，例如非晶硅。

此外，在图1中，读出单元3实现在布置于半导体裸片上的集成电路中。半导体裸片上的集成与TFT面板上的集成之间的划分由虚线4指示。

在像素读出期间，像素2通过选择FET Ts连接到列线cl。包含其寄生电容Cp的列线cl最初通过电荷放大器31的开关s1被复位到Vref。当像素2经由选择FET Ts被选择时，下文称为Cdiode的光电二极管PD的内部电容也被充电到Vref。如果内部电容先前已经通过光电流放电，那么跨越内部电容的电势将在Vref-Vsig处开始。这意味着在Cdiode上存在信号电荷Qsig＝Cdiode x Vsig。为了将光电二极管PD复位到Vref，此信号电荷必须跨越列线移动到电荷放大器31的反馈电容Cf。这继而意味着在电荷放大器31的输出端处的电压以量dV＝Qsig/Cf上升。通过CDS单元32对在电荷放大器31的输出端处的此电压阶跃进行取样，即，从Vref到Vref+Qsig/Cf。CDS单元32的经取样的输出信号随后通过ADC 33被转换成数字数值。CDS单元32抵消出现在电荷放大器31中的复位噪声和电荷注入。

列线cl具有较大寄生电容Cp。这产生噪声问题。电荷放大器31保持Cp上的电势恒定在Vref处，其对应于在其非反相端子“+”处的电压。然而，在现实中，电荷放大器31保持Cp上的电压等于Vref加上其自身的噪声电压。后者可以由与放大器34的非反相端子“+”串联的电压源表示。更确切地说，放大器34迫使电流通过反馈电容器Cf进入到Cp中，以便将Cp充电到放大器34的噪声。此电流不仅为Cp充电，也为Cf充电。存在近似地Cp/Cf的噪声增益。因为通常Cf<<Cp，举例来说，Cp＝30pF且Cf＝300fF，所以噪声增益可以是非常高的。因为此高噪声增益，所以放大器34的噪声应该是尽可能低的。

低噪声可以通过使用高电流来偏置放大器34的输入级来实现。这显著地增大了功率耗散，由此引起图像传感器中的自加热。这可变为如在高温下如在间接转换x射线图像传感器中使用的闪烁剂层可降级并且光电二极管PD的泄漏电流可增大引起更暗的噪声的问题。

获得低噪声的另一方式是减小用于对信号进行取样的CDS单元32的带宽。通常，低通滤波器插入在电荷放大器31与CDS单元32之间。此低通滤波器的带宽越低，则噪声越低。明显地，在功率耗散(自加热)、速度(带宽)和噪声之间存在折衷。此折衷是无源像素TFT面板的基础限制。

通过有源像素可以避免之前论述的噪声/速度/功率折衷。图2说明已知的图像传感器1，在所述图像传感器中使用有源像素2，在图2中相同参考标记用于指代与图1中的相同或类似组件。

有源像素2是已知的三晶体管(3T)像素，其包括复位FET Tr、选择FET Ts和源极跟随器SF。它被称作有源像素是因为源极跟随器SF提供在像素2自身内的缓冲功能。

在有源像素2中，光电二极管PD将为存储电容器充电，所述存储电容器是在光电二极管PD内部的电容或外部电容器。此充电以在节点N处的电压反映。使用复位FETTr此后者节点可以被复位到参考电压vdd，所述复位FET Tr受使用复位线rt的行控制器(未示出)控制。当检测到光时，所得光电流将逐渐对存储电容器进行放电，引起在节点N处的电压的减小。

在节点N处的电压可以使用选择晶体管Ts读出，所述选择晶体管Ts受使用行选择线rs的行控制器(未示出)控制。当被激活时，在节点N处的电压将经由源极跟随器SF被放置到列线cl上。此后者晶体管是使用在读出单元3内部的电流源35偏置的。

有源像素2通常是使用CMOS技术实现的。然而，与TFT面板相比，增大基于CMOS的像素阵列的大小是更困难的且更高成本的。因此已经作出努力来实现TFT面板上的有源像素阵列。然而，申请人已经发现实现TFT面板上的有源像素阵列并非是没有问题的。更确切地说，在玻璃TFT面板制造过程中制作的晶体管具有较大阈值变化。由于过程变化、温度变化、负或正偏置温度不稳定性和暴露于x射线，TFT的阈值电压改变。所有这些的影响与在CMOS中相比在TFT中要大的多。

使用用于实现读出电路系统的标准集成电路制造过程将对待使用的供电电压施加限制，例如，3.3V或5V。读出单元3的输入节点M上的电压应该在电源轨道内。TFT的阈值电压中的变化减小用于信号摆动的可供使用的空间。另外，偏置源极跟随器SF的电流源35需要一些余量。

如果阈值变化是3V，并且如果3.3V电源应该用于读出单元3，那么将为信号保持基本上为零的动态范围。一个选项将是使用更高成本的高电压CMOS过程与用于TFT面板的较高电源电压组合来实现读出单元3。然而，此类解决方案将至少部分地减小与TFT面板相关联的优势。

本发明的一个目标是提供包括多个有源像素的图像传感器，其中上述问题不出现或至少在更轻微程度上。

根据本发明，此目标通过如在权利要求1中所描述的图像传感器来实现，其特征在于图像传感器进一步包括电容单元，例如电容器，以用于将每个输入节点电容式耦合到其对应的列线。

通过使用在输入节点与列线之间的电容耦合，将在输入节点处的电压移位到读出电路系统的操作范围内的值变为可能的。更确切地说，可以防止用于操作像素的参考电压并且列线被放置在读出电路系统的输入节点上。这使得本发明的图像传感器能够使用TFT技术来实施。

图像传感器可进一步包括行控制器以用于在多个像素之中选择像素以用于读出，其中图像传感器经配置以针对每个所选择的像素基于第一和第二像素读出执行相关双取样测量“CDS”方案。举例来说，第一像素读出可对应于在复位像素之后预定量的时间读出的像素，并且第二像素读出可对应于在已经复位之后直接读出的像素。通常，当像素阵列通过对应的最大剂量辐射时也被称作积分时间的预定量的时间是足够的以充分地使用像素电压的可供使用的电压摆幅。通常像素阵列是逐行读出和复位的。在已经读出和复位整个像素阵列之后，X射线源或电磁辐射的其它来源产生曝光闪光并且像素集成光。在预定量的时间之后，像素是逐行读出和复位的。在此第一像素读出中，所采用的样本被称作信号电平。紧接着之后，像素被复位并且获得第二样本。此第二样本被称作用于CDS方案的参考电平。

像素阵列和/或电容单元可以集成在薄膜晶体管“TFT”面板上。举例来说，TFT面板可以基于非晶硅、低温多晶硅，或氧化铟镓锌。这些材料沉积在例如玻璃面板的衬底上。光敏元件可同等地形成为将例如非晶硅或非晶硒的光敏材料沉积到衬底上。

读出电路系统和/或行控制器是至少部分地集成在一或多个半导体裸片上的。举例来说，读出电路系统和/或行控制器可基于互补型金属氧化物半导体“CMOS”技术。在一些实施例中，读出电路系统是基于CMOS技术的，但是行控制器集成在TFT面板中。举例来说，类似于像素阵列和电容单元，行控制器可以集成在低温多晶硅技术上。

通过在TFT面板上布置像素阵列和电容单元，例如呈电容器的形式，并且通过使用读出电路系统至少部分集成在上面的一或多个半导体裸片，可以在可出现在一或多个半导体裸片上的相对低的电压与可出现在TFT面板上的相对高的电压之间实现电压隔离。以此方式，电容单元防止破坏一或多个半导体裸片或布置于其上的电路系统。

读出电路系统可以由多个第一分段组成，每个第一分段对应于多个列线并且集成在相应的第一半导体裸片上。第一分段可以彼此相同。图像传感器可进一步包括多个第一挠曲箔片，借助于所述箔片TFT面板连接到外部装置，其中相应的第一半导体裸片布置在相应的第一挠曲箔片上。外部装置可例如是收集各种读出用于像素阵列并且基于读出构建图像的装置。

图像传感器可进一步包括用于每个像素的源极跟随器以用于缓冲像素信号以及选择晶体管以用于取决于通过行控制器输出的行选择信号将经缓冲的像素信号输出到对应的列线上。另外，图像传感器可包括用于每个列线的集成在TFT面板上的源极跟随器负载，例如电流源或电阻器。与已知的传感器相比，源极跟随器负载不再是其中布置有读出电路系统的集成电路的部分而是集成在TFT面板上。因此，通过输入节点与列线之间的电容耦合保持可在操作期间出现的任何高电压与读出单元的输入节点隔离。

此外，对于每个像素，图像传感器可进一步包括布置在信号节点与保持在例如接地的第一参考电压下的节点之间的光电二极管。每个像素可进一步包括：存储电容器，其经配置以用于累积由于通过光电二极管产生的光电流的电荷；以及复位晶体管，其耦合在光电二极管与第二参考电压之间并且经配置以取决于通过行控制器输出的复位信号将信号节点上的电压设置成第二参考电压。在一些实施例中，存储电容器仅通过光电二极管的内部电容形成，然而在其它实施例中额外的电容器与光电二极管并联布置。如果光电二极管的内部电容过小以至于无法实现所期望的满阱电容，那么此类额外的电容器可以是有利的。

行控制器可包括多个第二分段，其中每个第二分段对应于像素阵列的多个行。这些第二分段可以是相同的。每个第二分段可进一步包括驱动器，以在适用时针对多个行输出行选择信号和选择信号，并且它可以集成在相应的第二半导体裸片上。图像传感器可进一步包括多个第二挠曲箔片，借助于所述箔片TFT面板连接到行控制器的剩余部分，其中相应的第二半导体裸片布置在相应的第二挠曲箔片上。

读出电路系统可包括多个模/数转换器“ADC”。举例来说，单个ADC可以提供用于每个列线。替代地，可以使用列并联CDS电路，其后面跟随的是多路复用器。此多路复用器将从与多个列线相关联的CDS电路接收到的输入引导到一或多个高速ADC中。在此情况下，一个ADC可以用于转换信号以用于多于一个列线。

读出电路系统可经配置以基于电荷模式读出来读出列线。举例来说，每个读出单元可经配置以在第一像素读出和第二像素读出期间将输入节点上的电压设置成等于第三参考电压。每个读出单元可经配置以基于在第二像素读出期间到电容单元或来自电容单元的电荷传送来确定输出电压。更确切地说，每个读出单元可包括电荷放大器，所述电荷放大器包括运算放大器，其具有连接到第三参考电压的非反相输入端，以及经由第一开关连接到电容单元的反相输入端。运算放大器的输出端可以经由反馈电容器耦合到反相输入端。每个读出单元可进一步包括布置在运算放大器的输出端与反相输入端之间的第二开关。另外，图像传感器可包括第二控制器，其经配置以用于控制第一和第二开关使得在输入节点处的电压被设置成第三参考电压，方法是在第一像素读出期间闭合第一和第二开关，并且使得当执行第二像素读出时第二开关断开。当运算放大器的输出通过ADC转换时第二控制器可进一步经配置以控制第一开关断开。

替代地，读出电路系统可经配置以基于电压模式读出来读出列线。举例来说，每个读出单元的输入节点可以是高阻抗输入节点并且每个读出单元可经配置以在第一读出期间将输入节点上的电压设置成等于第四参考电压并且以在第二像素读出期间基于输入节点的电压相对于第四参考电压的改变来确定输出电压。更确切地说，每个读出单元可进一步包括电压设置单元以用于在第一像素读出期间将输入节点上的电压设置成第四参考电压，并且以用于提供在第二模式中的高阻抗状态以允许当从对应于第一像素读出的值变为对应于第二像素读出的值时输入节点上的电压追踪像素电压。

基于电压模式读出的读出单元的示例性实施例包括第一运算放大器，所述第一运算放大器具有经由第三开关连接到第四参考电压的非反相输入端以及连接到运算放大器的输出端的反相输入端。它可以进一步包含电荷放大器，所述电荷放大器包括第二运算放大器，所述第二运算放大器具有连接到第五参考电压的非反相输入端以及经由串联电容器和串联第四开关连接到第一运算放大器的输出端且经由反馈电容器和第五开关的并联连接而连接到第二运算放大器的输出端的反相输入端。读出电路系统可进一步包括第三控制器，所述第三控制器经配置以控制第三开关以在第一像素读出期间闭合并且以在第二像素读出期间断开、以控制第四开关以在第一和第二像素读出期间闭合并且以在第二像素读出之后断开以允许第二运算放大器的输出通过ADC转换，并且以控制第五开关以在第一像素读出期间断开并且以在第二像素读出期间闭合。

在实施例中，读出电路系统的定时信号通过通常布置在读出电路系统和TFT面板的外部的主控制器被同步到行控制器的定时。此主控制器可对应于上文所描述的第二或第三控制器。通常，主控制器是场可编程场阵列“FPGA”或微控制器并且可以布置为离开面板且在读出电路系统外部。行控制器可以实施为含有移位寄存器的栅极驱动器以选择行和若干栅极来控制复位和行选择线。用于通过移位寄存器指向的行的复位和行选择线的定时可以通过由FPGA或微控制器提供到栅极驱动器的若干数字信号受到控制。FPGA或微控制器也可提供时钟和数据输入信号用于移位寄存器。FPGA也可将定时同步信号提供到读出电路系统以确保读出电路系统和栅极驱动器同步操作。

图像传感器可进一步包括布置在像素阵列上方的闪烁剂层。此类层可以用于间接转换图像传感器。

根据第二方面，本发明提供包括如上文所描述的图像传感器的成像系统和处理单元以用于基于来自读出电路系统的输出构建图像。成像系统可以经配置以用于构建对象的X射线图像。在此情况下，成像系统可进一步包括X射线源，其经定位使得待成像的对象可以布置在X射线源与图像传感器之间。

接下来，将更详细地描述本发明，其中：

图1说明使用无源像素的已知的基于TFT的图像传感器的实例；

图2说明使用有源像素的已知的基于TFT的图像传感器的实例；

图3示意性地说明适用于TFT面板的本发明的概念；

图4说明使用电压模式读出的根据本发明的图像传感器的实施例；

图5说明使用电压模式读出的根据本发明的图像传感器的另一实施例；

图6说明使用电荷模式读出的根据本发明的图像传感器的实施例；

图7说明根据本发明的图像传感器的实施例的布局；以及

图8说明根据本发明的X射线成像系统。

图3示意性地说明适用于TFT面板的本发明的概念。更确切地说，根据本发明的图像传感器100的实施例包括类似于图2的图像传感器的像素阵列，其中单个有源像素102在图3中示出。有源像素102包括经由复位线rt受到控制的复位晶体管Tr、经由行选择线rs受到控制的选择晶体管Ts，以及源极跟随器SF。

具有输入节点M的读出单元103包括相关双取样单元132和ADC转换器133。

如通过虚线104所指示，其指示TFT面板与布置在半导体裸片上的集成电路系统之间的边界，充当用于源极跟随器SF的负载的电流源135布置在TFT面板上，然而读出单元103集成在半导体裸片上。耦合在输入节点M与列线cl之间的电容通过电容器Cc提供，所述电容器同等地形成在TFT面板上，并且提供在输入节点M与列线cl之间的电压电平移位。电容器Cc可实施在TFT面板上作为简单平行板极电容器。

TFT的任何阈值电压变化存储在电容器Cc上使得读出单元103并不必须牺牲电压余量用于TFT阈值变化。

电流源135可以实施为电流镜，其中存在用于面板中的每个列的一个晶体管。电流源135也可以实施为共源共栅电流源。镜的输入也可以是TFT面板上的晶体管(的对)。在针对多个列线cl产生单个偏置电流的情况下，用于镜的偏置电流可在读出单元103内部或读出电路系统内部产生。

图4说明使用电压模式读出的根据本发明的图像传感器200的实施例。图4示出了CDS单元132的相对简单的实施方案。

只要选择像素行，则列线cl上的电压将总是稳定到所定义的直流电压。此稳定可耗费一些时间但是在稳定之后，直流电压基本上被定义为节点N上的电压减去源极跟随器的阈值Vth。

将参考图4的右上角中所示的时序图来解释图像传感器200的操作。最初，节点N上的电压是vdd-vsig，其中vdd是在复位之后的原始电势并且vsig是由于暴露于光使得电势已经下降的量。Cc的左侧板上的电压是vdd-vsig-Vth，其中Vth是源极跟随器SF的阈值。电容器Cc的右侧板上的电压是经由开关Sin拉动到Vref的。由此使得电容器Cc上的电压Vcap等于Vcap＝vdd-vsig-Vth-Vref。

在一些时间之后，当Vcap已经稳定时，开关Sin断开，如通过时序图中的Sin的负边沿所指示。由此点向前，Cc的右侧板上的电压追踪左侧板上的任何移位。更确切地说，由于与输入节点M相关联的高输入阻抗，基本上没有从电容器Cc的侧面到输入节点M中的电流流动。因为没有电流流过Cc，所以跨越Cc的电压是恒定的。这意味着右侧板上的电压恰好以等于上文计算出的Vcap的电平移位追踪左侧板上的电压。

在断开Sin之后不久，Ssig断开并且Csig上的信号电平通过CDS单元132取样。Csig上的电压在一阶上等于Vref。在二阶上，它等于Vref加上当断开Sin时出现的任何电荷注入以及当断开Ssig时出现的电荷注入。

在通过CDS单元132对Csig上的信号电平进行取样之后，像素102复位。节点N上的电压随后从vdd-vsig变为vdd。列线cl上的电压从vdd-vsig-Vth变为vdd-Vth。这意味着列电压以量Vsig向上阶跃。因此，Cref上的电压从Vref向上移动到Vref+Vsig。在断开Sref之后，Cref上的信号电平通过CDS单元132取样。通过从第一像素读出中减去第二像素读出，即，Vref-(Vref+Vsig)＝Vsig，可以提取与所俘获的光的量相关联的像素信号中的组分。此值可以随后通过ADC单元133被转换成数字数值。

由于Cc与Cref之间的电容划分，所以存在信号电压的电容减弱。然而，因为Cc>>Cref，所以此减弱可以被忽略。替代地，电压缓冲器可以布置在输入节点M与开关Ssig和Sref之间以避免由Csig和/或Cref所引起的电容加载。

图5说明使用电压模式读出的根据本发明的图像传感器300的另一实施例。

Cc和Sin的操作与在图4中的完全相同。此外，相同的参考标记将用于指代相同或类似组件。

CDS单元132包括第一运算放大器1321，其充当确保读出单元103具有高输入阻抗的电压缓冲器，允许当像素102经复位以被精确地追踪时出现在Cc的右手侧板上的电压阶跃。通过此实施方案电容分压可以较小，这是因为仅缓冲器的输入电容加载列线cl。

CDS单元132进一步包括第二运算放大器1322，其充当电荷放大器。放大器1322的非反相输入端连接到参考电压Vcm并且反相输入端经由开关Ssh和电容器Cs的串联连接而连接到放大器1321的输出端。反相输入端经由反馈电容器Cf进一步连接到放大器1322的输出端。开关Srst与电容器Cf并联布置并且放大器1322的输出端连接到ADC单元133。

在此实施例中，读出单元103具有高输入阻抗允许当像素102经复位以被精确地追踪时出现在Cc的右手侧板上的电压阶跃。

最初，当列线cl在vdd-vsig-Vth下时，Sin迫使电容器Cc的右侧板到Vref。此时，因为CDS单元132的Srst是闭合的，所以电容器Cs上方的电压将等于Vref-Vcm。随后，Sin断开并且在Cc上对电压进行取样。在那之后，Srst断开。这结束了电容器Cf的复位。现在，如果像素102是使用复位线rt复位的，那么在输入节点M上将存在具有量Vsig的电压阶跃，其也在Cc的右侧板和Cs的左侧板处反映。因为Cs的右侧板固定在Vcm处，所以这使得穿过Cs的电流也流动穿过Cf。因此，CDS单元132的输出将在复位期间的电平从Vcm变为Vcm+Vsig x Cs/Cf。这表明CDS单元132获取具有取决于电容比率的增益的像素信号电压并且它将信号电压电平移位到新参考电平Vcm。Vcm可以选择为在用于CDS单元132和ADC单元133的任何方便的电压电平下以防止这些单元中的组件的电崩溃。举例来说，Vcm可以被设置成高于0V的电压电平，这可以是通过放大器1322轻易地达到的以避免对用于放大器1322的负电源电压的需求。

当开关Ssh断开时，可以不存在流过Cs的任何电流并且因此也没有流过Cf的电流。这对CDS单元132的输出上的信号电压进行冻结/取样/存储以用于通过ADC单元133的随后的ADC转换。

图6说明使用电荷模式读出的根据本发明的图像传感器的实施例。在此情况下，读出单元103包括使用运算放大器1323形成的电荷放大器，但是连同开关Srst和Sin以及定时信号一起，电荷放大器实际上实施CDS操作。此CDS操作非常类似于结合图4和5描述的CDS单元132的操作。

最初，Cc的左侧板在vdd-vsig-Vth下。最初Sin和Srst断开，这允许运算放大器1323迫使Cc的右侧板上的电压等于Vref，此电压可例如对应于放大器1323的电源轨道之间的电压。随后，Srst断开。在那之后，运算放大器1323可以仅影响输入节点M上的电压，方法是迫使电流进入到反馈电容器Cf中。随后像素102被复位。这将列线电压从vdd-vsig-Vth移位到vdd-vsig。运算放大器1323的反相输入端在Vref下保持恒定。因此跨越Cc的电压以量Vsig改变。电压中的此改变意味着等于Cc x Vsig的电荷中的改变。因此电荷应该流动穿过Cf进入到Cc中。此电荷使得在运算放大器1323的输出端处的电势从Vref增大到Vref+Vsigx(Cc/Cf)。最终，Sin可以断开以从列线cl隔离运算放大器1323。由此点向前，可以不存在到输入节点M中的电流流动，由此冻结运算放大器1323的输出电压。此输出电压可以由ADC单元133处理。

图4到6中所描绘的ADC单元133可以是列并联ADC或在像素阵列的多个列之间共享的ADC。

在图5和6中所示的实施例中，Cc的值影响CDS单元133的增益。Cc的值可以是在列之间不同的。这引起列增益图案。Cc的值是在温度/寿命上恒定的使得通过例如平场校正的校准移除增益图案是方便的。

图7说明根据本发明的图像传感器500的实施例的布局。在右侧上，行驱动器集成电路501布置在接合到面板503的挠曲箔片502上，在所述面板上布置有像素阵列。电路501控制行选择线和复位线。更确切地说，每个集成电路501驱动行选择线和复位线用于像素的多个行。这些电路是行控制器的部分。在实施例中，行控制器基本上完全通过电路501形成。在其它实施例中，行控制器可包括布置成远离面板503和挠曲箔片502的额外的电路系统。举例来说，面板503可以安装到单独的印刷电路板(未示出)，其中印刷电路板和面板503上的电路系统之间的电连接是经由挠曲箔片502获得的。在此情况下，上述额外电路系统可以在印刷电路板上实现。也有可能分裂阵列的中心中的列线。如果列线各自分裂成顶部的一半和底部的一半，那么在像素阵列的两侧上应该存在读出电路系统以读出连接到列线的上半部的像素阵列的上半部以及连接到列线的下半部的像素阵列的下半部。此方法使电路系统的量加倍，并且还以因数二增大了检测器的整体速度。

不论列线分裂，也有可能从像素阵列的单侧或两侧驱动行选择线。在两侧上驱动提供了速度优点，因为有效地行选择线的仅一半RC负载加载在像素阵列的任一侧上的栅极驱动器。

读出电路系统也可以被划分成安装在挠曲箔片505上的单独的集成电路504。并且在此情况下，读出电路系统可以完全地通过集成电路形成或者读出电路系统的部分可以布置在印刷电路板上。此外，每个集成电路504包括用于多个列线的读出单元。

图8说明根据本发明的X射线成像系统1000。它包括X射线源1100和图像传感器1200，在两者之间可以提供待成像的对象1300。可以提供一般控制和处理单元1400以用于控制X射线源1100和图像传感器1200并且用于基于来自图像传感器1200的输出构建X射线图像。在图4到6中呈现的图像传感器中的任一个可被用作图像传感器1200。

在上文中，已经使用其详细实施例解释了本发明。然而，本发明并不限于这些实施例。在不脱离由所附权利要求书及其等效物定义的本发明的范围的情况下可以对这些实施例作出各种修改。

举例来说，一些直接转换检测器集成空穴，而非电子。在此类检测器中，在“节点N”处的电压由于集成增大，而非减小。在此类像素中，通常用于复位“节点N”的“vdd”是与连接到源极跟随器“SF”的漏极的“vdd”相比不同的电势。这改变了通过读出电路系统中的相关双取样电路感测到的电压阶跃的方向。所属领域的技术人员将易于理解本发明同等地涉及此类实施例。

Claims (15)

1.一种图像传感器，其包括：

像素阵列，其包括布置在行和列的矩阵中的多个有源像素，并且包括多个列线，出于输出像素信号的目的相同列中的像素的输出耦合到所述列线；

读出电路系统，其包括多个读出单元，每个读出单元经配置以用于通过所述读出单元的输入节点读出相应的列线；

其特征在于所述图像传感器进一步包括电容单元，例如电容器，以用于将每个输入节点电容式耦合到其对应的列线。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括行控制器以用于从所述多个像素之中选择像素以用于读出，其中所述图像传感器经配置以针对每个所选择的像素基于第一和第二像素读出执行相关双取样测量方案；

其中所述第一像素读出优选地对应于在复位所述像素之后预定量的时间读出的像素，并且其中所述第二像素读出优选地对应于在已经复位之后直接读出的像素。

3.根据权利要求1或2所述的图像传感器，其中所述像素阵列和/或电容单元集成在薄膜晶体管“TFT”面板上，并且其中所述读出电路系统和/或所述行控制器至少部分地集成在一或多个半导体裸片上。

4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中所述读出电路系统由多个第一分段组成，每个第一分段对应于多个列线并且集成在相应的第一半导体裸片上，所述图像传感器进一步包括多个第一挠曲箔片，借助于所述箔片所述TFT面板连接到外部装置，其中所述相应的第一半导体裸片布置在相应的第一挠曲箔片上。

5.根据在某种程度上取决于权利要求2的权利要求3或4所述的图像传感器，其中所述图像传感器包括：

用于每个像素的源极跟随器以用于缓冲所述像素信号以及选择晶体管以用于取决于通过所述行控制器输出的行选择信号将所述经缓冲的像素信号输出到所述对应的列线上；以及

用于每个列线的集成在所述TFT面板上的源极跟随器负载，例如电流源或电阻器；

所述图像传感器优选地进一步包括用于每个像素的：

光电二极管，其布置在信号节点与保持在第一参考电压下的节点之间；

存储电容器，其经配置以用于累积由于通过所述光电二极管产生的光电流的电荷；

复位晶体管，其耦合在所述光电二极管与第二参考电压之间并且经配置以取决于通过所述行控制器输出的复位信号将所述信号节点上的电压设置成所述第二参考电压。

6.根据在某种程度上取决于权利要求2的权利要求3到5所述的图像传感器，其中所述行控制器包括多个第二分段，每个第二分段对应于所述像素阵列的多个行并且包括驱动器，以在适用时针对所述多个行输出所述行选择信号和所述复位信号，并且集成在相应的第二半导体裸片上，所述图像传感器进一步包括多个第二挠曲箔片，借助于所述箔片所述TFT面板连接到所述行控制器的剩余部分，其中所述相应的第二半导体裸片布置在相应的第二挠曲箔片上；和/或

其中所述TFT面板是基于非晶硅、低温多晶硅，或氧化铟镓锌的；和/或

其中所述图像传感器进一步包括布置在所述像素阵列上方的闪烁剂层。

7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的图像传感器，其中所述读出电路系统和/或所述行控制器是基于互补型金属氧化物半导体“CMOS”技术的。

8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的图像传感器，其中所述读出电路系统包括多个模/数转换器“ADC”。

9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述读出电路系统经配置以基于电荷模式读出来读出所述列线。

10.根据权利要求9所述的图像传感器，其中每个读出单元经配置以在所述第一像素读出和第二像素读出期间将所述输入节点上的电压设置成等于第三参考电压，并且其中每个读出单元经配置以基于在所述第二像素读出期间到所述电容单元或来自所述电容单元的电荷传送来确定用于每个像素的输出电压；

其中每个读出单元优选地包括电荷放大器，所述电荷放大器包括运算放大器，其具有连接到所述第三参考电压的非反相输入端，以及经由第一开关连接到所述电容单元的反相输入端，其中所述运算放大器的输出端经由反馈电容器耦合到所述反相输入端，所述读出单元进一步包括布置在所述运算放大器的所述输出端与所述反相输入端之间的第二开关。

11.根据在某种程度上取决于权利要求2的权利要求10所述的图像传感器，其中所述图像传感器包括第二控制器，其经配置以用于：

控制所述第一和第二开关，使得在所述输入节点处的所述电压被设置成所述第三参考电压，方法是在所述第一像素读出期间闭合所述第一和第二开关，并且使得当执行所述第二像素读出时所述第二开关打开；

当所述运算放大器的输出通过所述ADC转换时控制所述第一开关打开。

12.根据权利要求8所述的图像传感器，其中所述读出电路系统经配置以基于电压模式读出来读出所述列线。

13.根据权利要求12所述的图像传感器，其中所述输入节点是高阻抗输入节点并且其中每个读出单元经配置以在所述第一读出期间将所述输入节点上的电压设置成等于第四参考电压并且以在所述第二像素读出期间基于所述输入节点的电压相对于所述第四参考电压的改变来确定输出电压；

在某种程度上取决于权利要求3，每个读出单元优选地进一步包括电压设置单元以用于在所述第一像素读出期间将所述输入节点上的电压设置成所述第四参考电压，并且以用于提供在所述第二模式中的高阻抗状态以允许当从对应于所述第一像素读出的值变为对应于所述第二像素读出的值时所述输入节点上的所述电压追踪所述像素电压。

14.根据权利要求13所述的图像传感器，每个读出单元进一步包括：

第一运算放大器，其具有经由第三开关连接到所述第四参考电压的非反相输入端以及连接到所述第一运算放大器的输出端的反相输入端；

电荷放大器，其包括：

第二运算放大器，其具有连接到第五参考电压的非反相输入端以及经由串联电容器和串联第四开关连接到所述第一运算放大器的所述输出端且经由反馈电容器和第五开关的并联连接而连接到所述第二运算放大器的输出端的反相输入端；以及

第三控制器，其经配置以：

控制所述第三开关以在所述第一像素读出期间闭合并且以在第二像素读出期间打开；

控制所述第四开关以在所述第一和第二像素读出期间闭合并且以在所述第二像素读出之后打开以允许所述第二运算放大器的输出通过所述ADC转换；

控制所述第五开关以在所述第一像素读出期间打开并且以在所述第二像素读出期间闭合。

15.一种成像系统，其包括：

如在前述权利要求中的任一权利要求中所描述的图像传感器；

处理单元，其用于基于来自所述读出电路系统的输出构建图像；

其中所述成像系统优选地经配置以用于构建对象的X射线图像，所述成像系统优选地进一步包括X射线源，其经定位使得所述待成像的对象可以布置在所述X射线源与图像传感器之间。

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