CN112713160A - X射线平板探测器及其光敏单元阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种X射线平板探测器及其光敏单元阵列，所述光敏单元阵列包括：M×N个光敏单元，M≥2，N≥1，所有所述光敏单元包括至少两种不同灵敏度。通过在所述光敏单元阵列中设置具有至少两种不同灵敏度的光敏单元，当剂量较低时，可选用灵敏度较高的所述光敏单元组成的图像，获得较高的灵敏度；当剂量较高时，可选用灵敏度较低的所述光敏单元组成的图像，获得较宽的动态范围。从而使同一台平板探测器可同时拥有高灵敏度和宽动态范围的特性；另外，还可通过一次曝光同时获得不同灵敏度的图像；最后，基于不同灵敏度的图像，还可通过后续算法处理，进而获得更多的图像细节。

Description

X射线平板探测器及其光敏单元阵列

技术领域

本发明涉及医疗辐射成像、工业无损探伤、安检安防等领域，特别是涉及一种X射线平板探测器及其光敏单元阵列。

背景技术

X射线平板探测器(后续简称平板探测器)是对X射线敏感的一种成像设备，可应用于医疗成像(乳腺和胸部检查、放疗等)、工业无损探伤以及安检安防等领域，尺寸可达数十厘米，像素基板可由数百万乃至数千万个像素单元电路所组成，每个像素单元通常由薄膜晶体管(Thin-Film Transistors，TFT)和光敏二极管(Photodiode，PD)等器件所构成。

如图1所示，平板探测器通常由结构件10、闪烁体11、传感器12、电路13等几大部分组成(直接型探测器不需要额外的闪烁体)，其中，结构件11主要用于平板探测器外部的保护和内部元件的支撑等；闪烁体11主要用于将X射线转换成传感器可以响应的光；传感器12主要用于将光信号转换成电荷信号；电路13主要用于收集电荷信号，并将电荷信号转换成电压信号，然后将模拟电压信号转换为数字信号，进而组成数字图像，通过有线或无线等数据通讯接口将图像信息传输到上位机。如图2为目前主流的无源相素结构的平板探测器的电路结构图，包括：Gate驱动IC1，用于逐行扫描打开TFT阵列；电信号读出芯片2，用于逐行扫描打开TFT后，并行读取各列光敏二极管电容中存储的电荷信号；平板探测器光敏单元阵列3，其为感光元件阵列，将光信号转换成电信号。平板探测器光敏单元阵列3具体包括：光敏二极管及其电容31，光敏二极管处于反向偏置状态，将光子信号转化成电荷信号，并存储于其电容中；TFT开关32，TFT关闭时，光敏二极管的电容进行电流积分；TFT打开时，电信号读出芯片开始读取光敏二极管电容中储存的电荷量；Gate线33，起逐行打开和关闭TFT的作用；Drain线34，起并行读取各列像素单元中存储的电荷信号的作用；VCOM线35，起给光敏二极管加反向偏置电压的作用。

在临床应用中，结合人们的生理特征，不同组织对射线的吸收程度是不同的，如骨骼对射线的吸收较多，软组织对射线的吸收较少。使用市场上现有探测器，在一些应用中，一次拍摄不能呈现所有细节，经常会出现部分组织饱和的情况，因此需要使用不同剂量多次拍摄，增加了累计拍摄剂量；类似的情况，在工业应用中也存在，虽然不用考虑剂量大小问题，多次拍摄也会增加检测时间；而在放疗应用中，一般剂量比较大，希望探测器灵敏度较低，进而获得更大的动态范围。为了解决此些问题，就需要同一台探测器同时拥有高灵敏度和宽动态范围的特性，并且能通过一次曝光同时获得不同灵敏度的图像，但现有平板探测器的光敏单元阵列的设计中，所有光敏单元的灵敏度设计值是一样的，因此平板探测器在拥有高灵敏度的同时，不可能同时拥有宽动态范围。

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X射线平板探测器及其光敏单元阵列，用于解决现有技术中平板探测器在拥有高灵敏度的同时，不可能同时拥有宽动态范围等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种X射线平板探测器的光敏单元阵列，所述光敏单元阵列包括：

M×N个光敏单元，M≥2，N≥1，所有所述光敏单元包括至少两种不同灵敏度。

可选地，所述光敏单元阵列中不同灵敏度的所述光敏单元的数量相同。

可选地，M≥2，N≥2，所述光敏单元阵列中具有四种不同灵敏度，所有所述光敏单元以具有该四种不同灵敏度的四个所述光敏单元为重复结构依次阵列排布。

可选地，每个所述光敏单元包括光敏二极管，所述光敏二极管的受光面上设置有公共金属电极，具有不同灵敏度的所述光敏单元的所述光敏二极管上的所述公共金属电极的面积不同。

可选地，所述公共金属电极的材料为铝、铝合金、钼或铜。

可选地，具有不同灵敏度的所述光敏单元的所述光敏二极管的受光面的大小不同。

可选地，每个所述光敏单元包括光敏二极管，具有不同灵敏度的所述光敏单元的所述光敏二极管的受光面的大小不同。

可选地，每个所述光敏单元包括光敏二极管，所述光敏二极管包括依次层叠的N型重掺杂的电子传输层、有源层及P型重掺杂的空穴传输层，且所述电子传输层、所述有源层及所述空穴传输层构成PIN型光敏二极管，其中，具有不同灵敏度的所述光敏单元的所述光敏二极管的所述空穴传输层的厚度不同。

可选地，所述光敏二极管的受光面上设置有公共金属电极；具有不同灵敏度的所述光敏单元的所述光敏二极管上的所述公共金属电极的面积不同和/或具有不同灵敏度的所述光敏单元的所述光敏二极管的受光面的大小不同。

本发明还提供一种X射线平板探测器，所述平板探测器包括上述任一一项所述的X射线平板探测器的光敏单元阵列。

如上所述，本发明的X射线平板探测器及其光敏单元阵列，所述光敏单元阵列包括：M×N个光敏单元，M≥2，N≥1，所有所述光敏单元包括至少两种不同灵敏度。通过在所述光敏单元阵列中设置具有至少两种不同灵敏度的光敏单元，当剂量较低时，可选用灵敏度较高的所述光敏单元组成的图像，获得较高的灵敏度；当剂量较高时，可选用灵敏度较低的所述光敏单元组成的图像，获得较宽的动态范围。从而使同一台平板探测器可同时拥有高灵敏度和宽动态范围的特性；另外，还可通过一次曝光同时获得不同灵敏度的图像；最后，基于不同灵敏度的图像，还可通过后续算法处理，进而获得更多的图像细节。

附图说明

图1显示为现有X射线平板探测器的结构示意简图。

图2显示为现有无源相素结构的平板探测器的电路结构图。

图3显示为本发明的X射线平板探测器的电路结构图。

图4显示为图3中四种不同灵敏度的光敏单元的灵敏度曲线图。

图5至图7显示为本发明的X射线平板探测器的光敏单元阵列中每个光敏单元的结构示意图，其中，图5至图7中光敏二极管上的公共金属电极的面积依次增大。

图8至图10显示为本发明的X射线平板探测器的光敏单元阵列中每个光敏单元的光敏二极管的结构示意图，其中，图8至图10中光敏二极管的空穴传输层的厚度依次增大。

元件标号说明

10 结构件

11 闪烁体

12 传感器

13 电路

1 Gate驱动IC

2 电信号读出芯片

3 平板探测器光敏单元阵列

31 光敏二极管及其电容

32 TFT开关

33 Gate线

34 Drain线

35 V_COM线

20 Gate驱动IC

21 电信号读出芯片

22 光敏单元阵列

23 光敏单元

24 光敏二极管

241 电子传输层

242 有源层

243 空穴传输层

25 公共金属电极

26 光敏二极管的受光面

27 重复块

28 薄膜晶体管

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1至图10。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，遂图示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3所示，本实施例提供一种X射线平板探测器的光敏单元阵列，所述光敏单元阵列22包括：

M×N个光敏单元23，M≥2，N≥1，所有所述光敏单元23包括至少两种不同灵敏度。通过在所述光敏单元阵列22中设置具有至少两种不同灵敏度的光敏单元，当剂量较低时，可选用灵敏度较高的所述光敏单元23组成的图像，获得较高的灵敏度；当剂量较高时，可选用灵敏度较低的所述光敏单元23组成的图像，获得较宽的动态范围。从而使同一台平板探测器可同时拥有高灵敏度和宽动态范围的特性；另外，还可通过一次曝光同时获得不同灵敏度的图像；最后，基于不同灵敏度的图像，还可通过后续算法处理，进而获得更多的图像细节。

本实施例中并不限制所述光敏单元阵列22中不同灵敏度的数量，即可以包括2种、3种、4种、6种、8种甚至更多种；也不限制每种灵敏度下所述光敏单元23的数量；也不限制不同灵敏度的所述光敏单元23在所述光敏单元阵列22中的排布方式，即可以按区域排布、按行排布、按列排布或按重复块排布。以上参数的选择主要是根据具体平板探测器的实际需要进行选择的。

作为示例，所述光敏单元阵列22中不同灵敏度的所述光敏单元23的数量相同，以使基于该光敏单元阵列形成的平板探测器在拥有高灵敏度和宽动态范围的同时，具有更强的普适性。如图3及图4所示，作为一较佳实施例，所述光敏单元阵列22具有四种不同灵敏度的所述光敏单元23，即P1、P2、P3、P4，对应的该四种不同灵敏度的所述光敏单元23的灵敏度为S1、S2、S3、S4，其中S1＞S2＞S3＞S4，所述光敏单元阵列22的排布方式为以具有该四种不同灵敏度的四个所述光敏单元23为重复块27依次阵列排布。可根据实际需要，选择相同灵敏度的所述光敏单元23组成的图像，例如：当剂量较低时，可选用光敏单元P1组成的图像，获得较高的灵敏度；当剂量较高时，可选用光敏单元P4组成的图像，获得较宽的动态范围；也可同时观察分别由光敏单元P1、P2、P3、P4组成的4种图像进行对比；也可通过算法对该4种图像进行运算，获取更多的信息。

以下示例三种实现具有不同灵敏度的光敏单元的方案。

第一种方案：周知，平板探测器的光敏单元阵列的每个光敏单元中均具有光敏二极管，而用于向光敏二极管提供公共电位的走线，即公共电极，一般选择金属材料制备，由于金属材料不透光，会阻挡一部分入射光信号，因此公共电极一般选择做成细长的走线形状，以减小对二极管的遮光影像。基于此认知，如图5所示，为了形成具有不同灵敏度的光敏单元，本示例通过分别增大或减小不同目标灵敏度的光敏二极管的受光面26上公共金属电极25的面积，以使不同灵敏度的光敏单元23的光敏二极管的受光面26上公共金属电极25的面积不同，以使不同目标灵敏度的光敏二极管的受光面26减小或增大，如图5至图7所示，依次增大所述公共金属电极25的面积，以使其光敏二极管24的灵敏度依次减小。本方案的公共金属电极25可通过在形成公共金属电极时，采用光刻工艺，在其掩膜版上制作相应的图形即可实现，不会对生产过程造成良率、产能等方面的影响。这里需要说明的是不限制所述公共金属电极25的形状，可以为规则的形状也可以为不规则的形状，基于工艺的实现简易程度，选择所述公共金属电极25的形状为规则的矩形(如图5至图7所示)。作为示例，所述公共金属电极25的材料可以选择现有任意适于制备电极的金属材料，例如铝、铝合金、钼或铜。

第二种方案：与第一种方案的改进方式不同，本方案通过对每个光敏单元23中的光敏二极管的受光面26的大小进行改进，具体为：将每个光敏单元23中的光敏二极管24的尺寸进行调整，具有不同灵敏度的所述光敏单元23中的所述光敏二极管24的尺寸不同，所述光敏二极管24的尺寸不同，则光敏二极管的受光面26的大小则不同，尺寸大的所述光敏二极管24的灵敏度高，尺寸小的所述光敏二极管24的灵敏度低。

第三种方案：周知，平板探测器的光敏单元阵列的每个光敏单元中均具有光敏二极管，如图8至图10所示，一般，光敏二极管24为PIN型光敏二极管，包括依次层叠的N型重掺杂的电子传输层241、有源层242及P型重掺杂的空穴传输层243，所述空穴传输层243并非完全透明，会对入射光信号造成阻挡。基于此认知，如图8所示，为了形成具有不同灵敏度的光敏单元，本示例通过分别增厚或减薄不同目标灵敏度的所述光敏二极管24的所述空穴传输层243的厚度，以使具有不同灵敏度的光敏单元23的光敏二极管24的空穴传输层243的厚度不同，空穴传输层243的厚度越厚则光敏单元23的灵敏度越低，如图8至图10所示，依次增厚光敏二极管24的空穴传输层243的厚度，以使其光敏二极管24的灵敏度依次减小。本方案的不同厚度的空穴传输层243的制备方法可通过在形成空穴传输层时，进行一次或多次成膜后，再分别刻蚀的方式实现。采用本方案整个光敏元件阵列的平面设计保持完全一致、其走线电阻、耦合电容与噪声表现高度一致。作为示例，所述空穴传输层243的厚度一般在几十

到几千

之间变化，例如

或

作为示例，也可以将上述三种实现具有不同灵敏度的光敏单元的方案中的两种方案结合或将三种方案结合得到具有不同灵敏度的光敏单元。具体的结合方式以及结合后的参数设置根据具体的平板探测器的实际需要进行设计，在此不作限制。

如图3所示，本实施例还提供一种X射线平板探测器，所述平板探测器包括本实施例提出的所述光敏单元阵列22，所述平板探测器还包括一些现有的常规结构，例如：驱动电路、读出电路、开关晶体管TFT、栅线、源线、漏线等，在此不再赘述。

综上所述，本发明提供一种X射线平板探测器及其光敏单元阵列，所述光敏单元阵列包括：M×N个光敏单元，M≥2，N≥1，所有所述光敏单元包括至少两种不同灵敏度。通过在所述光敏单元阵列中设置具有至少两种不同灵敏度的光敏单元，当剂量较低时，可选用灵敏度较高的所述光敏单元组成的图像，获得较高的灵敏度；当剂量较高时，可选用灵敏度较低的所述光敏单元组成的图像，获得较宽的动态范围。从而使同一台平板探测器可同时拥有高灵敏度和宽动态范围的特性；另外，还可通过一次曝光同时获得不同灵敏度的图像；最后，基于不同灵敏度的图像，还可通过后续算法处理，进而获得更多的图像细节。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 (10)

1.一种X射线平板探测器的光敏单元阵列，其特征在于，所述光敏单元阵列包括：

M×N个光敏单元，M≥2，N≥1，所有所述光敏单元包括至少两种不同灵敏度。

2.根据权利要求1所述的X射线平板探测器的光敏单元阵列，其特征在于：所述光敏单元阵列中不同灵敏度的所述光敏单元的数量相同。

3.根据权利要求2所述的X射线平板探测器的光敏单元阵列，其特征在于：M≥2，N≥2，所述光敏单元阵列中具有四种不同灵敏度，所有所述光敏单元以具有该四种不同灵敏度的四个所述光敏单元为重复结构依次阵列排布。

4.根据权利要求1所述的X射线平板探测器的光敏单元阵列，其特征在于：每个所述光敏单元包括光敏二极管，所述光敏二极管的受光面上设置有公共金属电极，具有不同灵敏度的所述光敏单元的所述光敏二极管上的所述公共金属电极的面积不同。

5.根据权利要求4所述的X射线平板探测器的光敏单元阵列，其特征在于：所述公共金属电极的材料为铝、铝合金、钼或铜。

6.根据权利要求4所述的X射线平板探测器的光敏单元阵列，其特征在于：具有不同灵敏度的所述光敏单元的所述光敏二极管的受光面的大小不同。

7.根据权利要求1所述的X射线平板探测器的光敏单元阵列，其特征在于：每个所述光敏单元包括光敏二极管，具有不同灵敏度的所述光敏单元的所述光敏二极管的受光面的大小不同。

8.根据权利要求1所述的X射线平板探测器的光敏单元阵列，其特征在于：每个所述光敏单元包括光敏二极管，所述光敏二极管包括依次层叠的N型重掺杂的电子传输层、有源层及P型重掺杂的空穴传输层，且所述电子传输层、所述有源层及所述空穴传输层构成PIN型光敏二极管，其中，具有不同灵敏度的所述光敏单元的所述光敏二极管的所述空穴传输层的厚度不同。

9.根据权利要求8所述的X射线平板探测器的光敏单元阵列，其特征在于：所述光敏二极管的受光面上设置有公共金属电极；具有不同灵敏度的所述光敏单元的所述光敏二极管上的所述公共金属电极的面积不同和/或具有不同灵敏度的所述光敏单元的所述光敏二极管的受光面的大小不同。

10.一种X射线平板探测器，其特征在于，所述平板探测器包括如权利要求1至9中任意一项所述的X射线平板探测器的光敏单元阵列。

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