DE4321789C2 - Festkörperbildwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörperbildwandler mit in einer Matrix angeordneten lichtempfindlichen Zellen, die zwei gegeneinandergeschaltete Dioden aufweisen, von denen wenig­ stens eine Diode eine Photodiode ist, und mit Treiberschal­ tungen zur Ansteuerung der Dioden mittels Steuerpulse, wobei die Dioden zwischen den jeweiligen Zeilen- und Spaltenleitun­ gen der Treiberschaltungen angeschlossen sind. Derartige Festkörperbildwandler dienen beispielsweise in der Röntgen­ technik zur Erfassung von Röntgenstrahlenbildern.

Ein derartiger Festkörperbildwandler ist beispielsweise in der US 4, 948, 966 beschrieben, bei dem zwei Dioden zwischen den Zeilen- und Spaltenleitungen der Ansteuerungsschaltungen mit umgekehrter Polarität geschaltet sind. Die Photodioden werden mit ihrer Eigenkapazität im Speichermodus betrieben, so daß sie sequentiell nach einer Belichtung ausgelesen wer­ den können. Für den Real-Time-Durchleuchtungsbetrieb muß si­ chergestellt sein, daß die Auslesung rasch genug erfolgen kann und sich Bildinformationen aufeinanderfolgender Bilder nicht vermischen.

Aus diesem Grund ist zwischen zwei Auslesevorgängen eine Rücksetzung vorgesehen, die durch Belichtung der Matrix er­ folgt. Dadurch werden die Photodioden vollständig entladen und zur Beschleunigung niederohmig. Da die Belichtung nicht zeilenweise erfolgen kann, wird eine gleichzeitige, gemeinsa­ me Rücksetzung des gesamten Arrays vorgenommen. Jedoch ent­ stehen wegen der zeilenweisen, sequentiellen Auslesung zwi­ schen der gemeinsamen Rücksetzung und der zeilenweisen Ausle­ sung Zeitintervalle mit unterschiedlicher Länge.

Bei einer Röntgendiagnostikeinrichtung kann der Röntgenbild­ wandler aus einer derartigen Photodioden-Matrix bestehen, auf der eine Szintillatorschicht aufgebracht ist, die die Rönt­ genstrahlung in Licht umwandelt. Zur Vermeidung von unter­ schiedlich langen Meßzeiten kann mit einer schaltbaren Rönt­ genröhre gearbeitet werden, die eine gleich lange Belichtung aller Dioden des Arrays ermöglicht. Die schaltbare Röntgen­ röhre mit zugehörigem Generator und die Lichtquelle für die Rücksetzung stellen jedoch einen erheblichen Aufwand dar.

Aus der US 4,797,546 ist ein Festkörper-Bildsensor bekannt, bei dem die matrixförmig angeordneten Bildelemente aus einer Reihenschaltung einer Photodiode mit einem Kondensator beste­ hen, dessen Kapazität größer ist als die Kapazität der Photo­ diode. Die Photodioden werden durch Taktung elektrisch rück­ gesetzt, wobei sie kurzzeitig in den leitenden Zu­ stand gebracht werden.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, einen Festkörperbild­ wandler der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine ein­ fache Rücksetzung der lichtempfindlichen Zellen ohne schalt­ bare Belichtung ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Treiberschaltungen derart ausgebildet sind, daß die Photo­ dioden durch Taktung dadurch elektrisch rückgesetzt werden, daß sie kurzzeitig in den leitenden Zustand gebracht und an­ schließend in Sperrichtung aufgeladen werden, und daß die Steuerpulse zeitlich derart gestaffelt sind, so daß im Dauer­ belichtungs- bzw. Dauerbestrahlungsbetrieb gearbeitet werden kann. Dadurch wird erreicht, daß die Photodioden auf einfache Weise unabhängig von ihrer Belichtung rückgesetzt werden kön­ nen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Treiberschal­ tungen derart ausgebildet sind, daß die Photodioden entweder einzeln oder zeilenweise rückgesetzt werden.

Eine direkte Umwandlung von Röntgenstrahlen in elektrische Signale kann erreicht werden, wenn auf dem Festkörperbild­ wandler eine Szintillatorschicht aus einem für Röntgenstrah­ len empfindlichen Material aufgebracht ist.

Eine einfache Ansteuerung der Photodioden eines Festkörper­ bildwandlers, bei dem jede der lichtempfindlichen Zellen we­ nigstens eine Schaltdiode aufweist, kann erzielt werden, wenn den Schaltdioden eine Vielfachdiode mit entgegengesetzter Po­ larität oder ein Feldeffekttransistor (FET) parallelgeschal­ tet oder eine Zenerdiode in Reihe geschaltet ist.

Der Festkörperbildwandler kann dabei kontinuierlich belichtet werden und in einer Röntgendiagnostikeinrichtung verwendet sein.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine Röntgendiagnostikeinrichtung gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen Teil eines erfindungsgemäßen Festkörperbild­ wandlers,

Fig. 3 bis 6 Kurvenverläufe zu Erläuterung der Erfindung und

Fig. 7 bis 10 weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Festkörperbildwandlers.

In der Fig. 1 ist eine bekannte Röntgendiagnostikeinrichtung mit einer Röntgenröhre 1 dargestellt, die von einem Hochspan­ nungsgenerator 2 betrieben wird. Die Röntgenröhre 1 sendet ein Röntgenstrahlenbündel 3 aus, das einen Patienten 4 durch­ dringt und auf einen Röntgenbildwandler 5 entsprechend der Transparenz des Patienten fällt. Der Röntgenbildwandler 5 ist über einen Verstärker 6 mit einem Monitor 7 zur Wiedergabe des Röntgenstrahlenbildes verbunden. An einem Steuergenerator 8 sind die elektrischen Komponenten der Fernsehkette 5 bis 7 zur Synchronisation und Steuerung angeschlossen.

Bei einer derartigen Röntgendiagnostikeinrichtung kann der Röntgenbildwandler 5 eine Photodioden-Matrix aufweisen, auf der eine Szintillatorschicht aufgebracht ist, die die Rönt­ genstrahlung in Licht umwandelt. Die Photodioden-Matrix kann aus wasserstoffhaltigem amorphem Silizium (aSi:H) bestehen.

In Fig. 2 ist ein Röntgenbildwandler 5 als Festkörperbild­ wandler dargestellt, der ein matrixförmiges Array 9 aufweist, das aus einzelnen lichtempfindlichen Zellen 10 besteht, die in n-Zeilen und m-Spalten angeordnet sind. Diese Zellen 10 sind mit einer ersten Treiberschaltung 11 über Zeilenleitun­ gen 13 und mit einer zweiten Treiberschaltung 12 oder Empfän­ gerschaltung zur Auslesung über Spaltenleitungen 14 verbun­ den. An die zweite Treiberschaltung 12 ist eine Logikschal­ tung 15 angeschlossen.

Die einzelnen lichtempfindlichen Zellen 10 bestehen jeweils aus einer Photodiode 16 und einer Schaltdiode 17, deren Ka­ thoden miteinander verbunden sind und deren Anoden an den Zeilen- 13 bzw. Spaltenleitungen 14 angeschlossen sind.

Die Treiberschaltung 12 besteht für jede Spalte aus einem Vorverstärker 18, der mit der jeweiligen Spaltenleitung 14 verbunden ist. Die Eingänge der Vorverstärker 18 sind über einen Widerstand 19 und einen ersten Schalter 20 und parallel dazu über einen zweiten Schalter 21 mit Masse verbunden. Die beiden Schalter 20 und 21 werden über Steuerleitungen 22 und 23 von der Logikschaltung 15 angesteuert.

Erfindungsgemäß wird die Röntgeneinrichtung kontinuierlich betrieben und auf ein Rücksetzlicht verzichtet. Dafür müssen die Schaltdioden 17 des matrixförmigen Arrays bezüglich ihres Durchbruchs in Sperrichtung, der Zenerspannung, definierte Eigenschaften aufweisen. Der Erfindung liegt die Idee zugrun­ de, eine Rücksetzung auch dadurch zu erreichen, daß die Pho­ todioden für kurze Zeit in den leitenden Zustand gebracht werden, von dem sie wieder in Sperrichtung aufgeladen werden. Verbleibende Unterschiede der Wiederaufladung sind dabei nicht von der Vorgeschichte der Belichtung, sondern vielmehr von der Technologie und Art der Ansteuerung abhängig. Diese Unterschiede sind stabil und können durch die normalerweise vorgesehene Korrektur pro Pixel ausgeglichen werden.

Das erfindungsgemäße Rücksetzprinzip führt zu einer veränder­ ten Pulsfolge bei der Ansteuerung des matrixförmigen Arrays 9, wie sie anhand von Fig. 2 in Zusammenhang mit Fig. 3 nä­ her erläutert wird.

Die Photodioden 16 können pixel- oder zeilenweise leitend ge­ macht werden, indem die Schaltdiode 17 revers leitend wird. Dazu muß die Zenerspannung Uz der Schaltdiode 17 erreicht und ein Strom durch den Lawineneffekt vorgegeben werden.

Daher wird ein negativer Steuerpuls Vp3 eingeführt, der gleichzeitig mit dem Schließimpuls S2 des Schalters 20 er­ zeugt wird. Der Betrag der Spannung des Steuerpulses Vp3 ist größer als die Zenerspannung Uz. Die Differenz der Spannungen ohne Berücksichtigung der Schleusenspannung der Photodiode 16 fällt über den Widerstand 19 ab, wodurch die Stromstärke de­ finiert werden kann. Die Spannung U_R sollte gegenüber der Streuung der Zenerspannung Uz groß gewählt werden. Weisen die Zenerspannungen Uz eine geringe Streuung auf, so kann die Spannung Ur entsprechend kleiner gehalten werden kann, so daß Störungen durch Übersprechen gering bleiben.

Die negative Spannung Us(Vp3), die gleich der Spannung am Wi­ derstand Ur ist, erreicht über die Spalten-Leitungen 14 auch die Dioden 16 und 17 der nicht angesteuerten Zeilen. Um die Schaltdioden 17 dieser Zeilen sicher in Sperrichtung zu hal­ ten, wird für den ausgeschalteten Zustand der Zeilen statt 0 V wie bisher eine negative Spannung Uo definiert. Der Tole­ ranzbereich Ut dieser Spannung für den ausgeschalteten Zu­ stand liegt betragsmäßig zwischen dem maximalen Wert von U_R und dem minimalen Wert von Uz. Daraus kann man eine prakti­ sche Anforderung an die Toleranz von Uz ableiten.

An den Steuerpuls Vp3 schließt sich der Steuerpuls Vp1 an, der wie bisher bei geschlossenem Schalter 21 die Rückladung auf ein einheitliches Spannungsniveau besorgt. Mit dem Ende dieses Steuerpulses Vp1 beginnt die Integrationsphase für die Lichtmessung, die vom Auslese-Steuerpuls Vp2 bei geöffneten Schaltern 20 und 21 in bekannter Weise beendet wird. Der Ab­ stand der Pakete der Steuerpulse Vp1 bis Vp3 einer Zeile un­ tereinander bestimmt jetzt die Meßzeit und nicht wie bisher die Dauer der Belichtung.

Soll zum Beispiel eine Matrix von 1000 × 1000 Bildpunkten in 40 ms (25 Hz) bei paralleler Abfrage aller Spalten und sequen­ tieller Ansteuerung aller Zeilen ausgelesen werden, so stehen für Auslesung und Rücksetzung, das heißt für das obengenannte Paket der Steuerpulse Vp1 bis Vp3, eine Zeit von T = 40 µs zur Verfügung. Die Pakete der Steuerpulse Vp1 bis Vp3 aller Zei­ len werden, wie in Fig. 3 gezeigt, dicht gepackt aneinanderge­ reiht, um die Zeit optimal zu nutzen. Trotz der unterschied­ lichen gestaffelten Auslesezeitpunkte sind die zwischen den Paketen der Steuerpulse Vp1 bis Vp3 liegenden Meßzeiten in allen Zeilen gleich lang, so daß im Dauerbelichtungs- bzw. Dauerbestrahlungsbetrieb gearbeitet werden kann.

Im bisherigen Verfahren steht nur ein kleiner Prozentsatz der Zeit für ein Einzelbild von 40 ms zur Bestrahlung zur Verfü­ gung. Die Röntgenröhre muß pulsen können, und das Netzgerät muß für eine vergleichbare Dosis kurzzeitig höhere Ströme liefern können.

Wenn das Paket der Steuerpulse Vp1 bis Vp3 bei unveränderter Bildwiederholrate kürzer gehalten werden kann (im Beispiel T = 20 µs) oder die Wiederholrate länger gemacht werden kann, so daß "Luft" zwischen den Pulspaketen ist, kann schneller hintereinander mehrfach ausgelesen werden und die Integrati­ onszeit durch Verringerung des zeitlichen Abstandes der Pake­ te der Steuerpulse Vp1 bis Vp3 verkürzt werden. Dies zeigt ein Vergleich der Fig. 4, die ein kurzes Pulspaket oder eine kleine Bildwiederholrate wiedergibt, und 5, die die dop­ pelte Auslesung pro Bild darstellt, aus denen ersichtlich wird, daß bei etwa halbierten Meßzeit Tz zwei Auslesungen bei etwa halbierter Empfindlichkeit erfolgen. Um die kontinuier­ liche Röntgenstrahlung optimal zu nutzen, werden die Werte der beiden Auslesungen innerhalb der Meßzeit Tz miteinander gemittelt, so daß die Dynamik erhalten bleibt. Dadurch erhält man eine sogenannte "elektronische Irisblende" der heutigen Röntgenbildverstärker-Fernsehkette.

Wenn man die Röntgenstrahlung nicht vollständig nutzen möchte, kann man die Steuerpulse zur Rücksetzung Vp1 und Vp3 jeweils zwei Zeilen zuführen, wie dies anhand von Fig. 6 zur Darstellung der reduzierten Empfindlichkeit für zwei Nachbar­ zeilen gezeigt wird. Durch die zweite Rücksetzung wird die Integrationszeit verkürzt und damit die Empfindlichkeit her­ absetzt. Je weiter die derart angesteuerten Zeilen auseinan­ der liegen, desto stärker wird der Effekt der kürzeren Inte­ grations- bzw. Meßzeit Tz.

Beide Möglichkeiten der Empfindlichkeitseinstellung ermögli­ chen eine Dynamikeinengung. Dies kann Kosten sparen. Für die einzelnen Zeilen kann eine unterschiedliche Empfindlichkeits­ steuerung durchgeführt werden.

Da die Dioden des Arrays in der Praxis einen relativ großen Bahn-Serienwiderstand haben, ist sichergestellt, daß der Ze­ nerstrom Uz begrenzt ist, so daß u. U. die Widerstände 19 und somit auch der Schalter 20 entfallen können, so daß die Aus­ schaltspannung Uo auf 0 V zurückgenommen werden kann.

Anhand der Fig. 7 bis 10 sind erfindungsgemäße Lösungsal­ ternativen mit Zusatzbauelementen beschrieben. Man kommt ohne mehrere Anschlüsse für das matrixförmige Array 9 aus, wenn gemäß Fig. 7 Vielfachdioden 24, beispielsweise für jedes Pi­ xel drei Einzeldioden, oder, wie in Fig. 8 dargestellt, Feldeffekttransistoren (FET) 25 mit geeigneter Kennlinie der Schaltdiode 17 parallel geschaltet sind, um eine besser defi­ nierbare Spannung als Ersatz für die Zenerspannung Uz zu er­ halten.

Erfindungsgemäß kann auch eine Zenerdiode 26 (siehe Fig. 9) in Reihe mit der Schaltdiode 17 angeordnet sein, so daß eine geringere Streuung der Zenerspannung Uz erreicht werden kann. Dabei wird eine Sperrspannung der Schaltdioden 17 angenommen, die gegenüber der Zenerspannung Uz klein ist. Die Schaltdiode 17 sorgt für kleine Ausschaltkapazitäten.

Gemäß der Erfindung kann durch eine in Fig. 10 dargestellte, zusätzliche Leitung, die über je einen Widerstand 27 und eine Diode 28 mit dem Anschluß der Photodiode 16 und der Schaltdi­ ode 17 verbunden ist, eine gemeinsame elektrische Rücksetzung erreicht werden, so daß eine zur Belichtung der lichtempfind­ lichen Zellen 10 erforderliche Beleuchtungseinrichtung einge­ spart werden kann. In diesem Fall wird jedoch eine gepulste Röntgenquelle benötigt.

Soll der Zenerstrom nicht mehr als 100/n% schwanken und sei δUz der Maximalbetrag der Schwankung der Zenerspannung Uz, so kann man für die Ermittlung der Toleranz ansetzen:

Uz - δUz - nδUz < 0

Für den Grenzfall = 0 leitet sich daraus ab:

Für n = 2 erhält man:

Das bedeutet, daß bei n = 3 die Toleranz einer maximal er­ laubten Schwankung von ± 33% entspricht.

Claims (9)

1. Festkörperbildwandler mit in einer Matrix angeordneten lichtempfindlichen Zellen (10), die zwei gegeneinanderge­ schaltete Dioden (16, 17) aufweisen, von denen wenigstens eine Diode eine Photodiode (16) ist, und mit Treiberschaltun­ gen (11, 12) zur Ansteuerung der Dioden (16, 17) mittels Steuerpulse, wobei die Dioden zwischen den jeweiligen Zeilen- und Spaltenleitungen (13, 14) der Treiberschaltungen (11, 12) angeschlossen sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Treiberschaltungen (11, 12) der­ art ausgebildet sind, daß die Photodioden (16) durch Taktung dadurch elektrisch rückgesetzt werden, daß sie kurzzeitig in den leitenden Zustand gebracht und anschließend in Sperrich­ tung aufgeladen werden, und daß die Steuerpulse zeitlich der­ art gestaffelt sind, so daß im Dauerbelichtungs- bzw. Dauer­ bestrahlungsbetrieb gearbeitet werden kann.

2. Festkörperbildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltungen (11, 12) derart ausgebildet sind, daß die Photodioden (16) einzeln rückgesetzt werden.

3. Festkörperbildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltungen (11, 12) derart ausgebildet sind, daß die Photodioden (16) zeilenweise rückgesetzt werden.

4. Festkörperbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Festkörperbildwandler eine Szintillatorschicht aus einem für Röntgenstrahlen empfindlichen Material aufgebracht ist.

5. Festkörperbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede der lichtempfindlichen Zellen (10) des Festkörper­ bildwandlers wenigstens eine Schaltdiode (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß den Schaltdioden (17) eine Vielfachdiode (24) mit entgegengesetz­ ter Polarität parallelgeschaltet ist.

6. Festkörperbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede der lichtempfindlichen Zellen (10) des Festkörper­ bildwandlers wenigstens eine Schaltdiode (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß den Schaltdioden (17) ein Feldeffekttransistor (FET) (25) paral­ lelgeschaltet ist.

7. Festkörperbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede der lichtempfindlichen Zellen (10) des Festkörper­ bildwandlers wenigstens eine Schaltdiode (17) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zenerdiode (26) mit den Schaltdioden (17) in Reihe geschaltet ist.

8. Festkörperbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperbildwandler kontinuierlich belichtet wird.

9. Festkörperbildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperbildwandler in einer Röntgendiagnostikeinrichtung verwendet wird.