DE69505375T2 - Vorrichtung, system und methoden zur aufnahme von bildern - Google Patents

Vorrichtung, system und methoden zur aufnahme von bildern

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Description

  • Die Erfindung betrifft Abbildungseinrichtungen, -systeme und -verfahren, und insbesondere eine Halbleiterpixelabbildungseinrichtung zur Verwendung als ein Abbildungssensor, und sie betrifft Abbildungssysteme und -verfahren, welche die Pixelhalbleiterabbildungseinrichtung verwenden.
  • Im Stand der Technik sind zwei Grundtypen von Halbleiterpixeleinrichtungen bekannt:
  • 1) Ladungsgekoppelte Abbildungssensoren, auch bekannt als ladungsgekoppelte Bausteine (CCD) und
  • 2) impulszählende Halbleiterpixeleinrichtungen.
  • CCDs wurden in den vergangenen 15 Jahre oder ähnlich (siehe z. B. S. M. Sze "Physics of Semiconductor Devices", 2. Auflage, 1981) als Abbildungssensoren verwendet. Praktisch sämtliche erhältliche CCDs werden unter Anwendung von Siliciumtechnik hergestellt. Das Arbeitsprinzip eines CCD basiert auf der Tatsache, daß, wenn über ein Elektroden-Gate eine geeignete Spannung angelegt wird, der größte Teil des Si-Volumens von Hauptträgern (z. B. Löchern) abgereichert und ein Bereich erzeugt wird (Abreicherungsbereich), in dem Elektronen gesammelt werden können. Dieser Abreicherungsbereich ergibt eine Potentialsenke mit einer Tiefe, die der angelegten Spannung proportional ist. Die maximale Ladung, die dann in einem CCD-Pixel gespeichert werden kann, hängt ab von dem Bereich unter der Elektrode, der angelegten Spannung, dem von dem Großteil des Si kommenden Dunkel- oder Verluststrom, welcher die Senke kontinuierlich füllt, und der Dicke der Oxidschicht zwischen der Elektrode und dem Großteil des Si. Diese Faktoren bestimmen die wirksame CCD-Ladungsspeicherkapazität.
  • Wenn Elektronen in der Potentialsenke angesammelt wurden und ausgelesen werden müssen, wird das Potential an den Elektroden-Gates gepulst und ein unter einem Gate gespeichertes Elektronenpaket beginnt damit, in Richtung des nächsten Gates getaktet zu werden usw. Das Elektronenpaket verläßt niemals das Si-Substrat, und um eine gespeicherte Ladung bei einer Pixelposition auszulesen, müssen die Inhalte sämtlicher anderer Pixel vor diesem zunächst in einer sequentiellen Art und Weise ausgelesen werden. Während dieses Vorganges kann keine weitere Ladung angesammelt werden, da dies die Information des Ladungsgehalts pro Pixel zerstören würde, und dies würde folglich die Bildauflösung und den Bildkontrast verschlechtern. Daher ist der Abbildungssensor während des Auslesens inaktiv. Das oben beschriebene Verfahren erfordert wenigstens drei Elektroden-Gates pro Pixel.
  • CCDs können entweder zur Erfassung, Ansammlung und zum Auslesen von Ladung, die von Licht und/oder Strahlung erzeugt wurde, oder einfach als eine Leseeinrichtung zum Auslesen der Ladung, die in einer anderen Erfassungseinrichtung (z. B. Photodioden) erzeugt wurde, verwendet werden. Wenn sie zur Erfassung von einfallender Strahlung sowie zum Lesen der Signale verwendet werden, weisen CCDs eine zusätzliche Beschränkung in Form eines geringen Wirkungsgrades auf.
  • CCDs werden insbesondere bei hohen Energien (Röntgenstrahlen oberhalb weniger keV) in Verbindung mit lichtwandelnden Schirmen bzw. Filtern, die Röntgenstrahlen in optisches Licht umwandeln, für welches ein CCD empfindlicher ist, verwendet. Jedoch verschlechtert Lichtstreuung die Auflösung und den Kontrast.
  • Daher arbeitet ein CCD in der nachfolgenden Art und Weise:
  • 1) Ladung wird in einem Abreicherungsbereich angesammelt, der durch eine angelegte Spannung erzeugt wurde. Für jedes Pixel besitzt der Abreicherungsbereich eine Potentialsenkenform und zwingt die Elektronen unter dem Elektroden-Gate, innerhalb des Si- Hauptvolumens zu bleiben.
  • 2) Spannungen werden an den Elektroden-Gates gepulst, um jedes Ladungspaket an das Volumen zu takten, welches dem nächsten Pixel entspricht. Das Ladungspaket bleibt zu jeder Zeit innerhalb des Si-Substrates und taktet Pixel für Pixel seinen Weg hindurch zu einem gemeinsamen Ausgang. Während dieses Vorgangs kann keine zusätzliche Ladung angesammelt werden.
  • Infolge des Obengenannten ist der CCD eine Einrichtung mit zwei wesentlichen Beschränkungen:
  • 1) Kompromißbildender dynamischer Bereich. Typischerweise kann ein CCD 100.000 bis 700.000 Elektronen ansammeln. Der Grund für den beschränkten dynamischen Bereich besteht darin, daß die Potentialsenke aufgrund des Dunkelstroms in dem Si-Volumen aufgefüllt wird, die Elektroden-Gate-Fläche, unter welcher die Ladung angesammelt wird, bestenfalls 1 /3 der gesamten Pixelfläche beträgt (so daß nicht die gesamte Ladungsspeicherkapazität des Pixels verwendet wird) und daß die Oxidschichtdicke, von der die Speicherkapazität ebenfalls abhängt, dick sein muß, um den plötzlichen Spannungspulsen, die für das Auslesen erforderlich sind, zu widerstehen (Anmerkung: je dicker die Oxidschicht ist, desto weniger Ladung kann in der Potentialsenke gespeichert werden).
  • 2) Lange Inaktivitätszeit. Die inaktive Zeit, die für das Auslesen benötigt wird, ist beträchtlich. In vielen Fällen verhindert diese, daß CCDs für eine schnelle, dynamische Multi- Frame-Bildansammlung verwendet werden.
  • Zwei Beispiele für Systeme, die CCDs verwenden, sind in den Patentanmeldungen GB- A-22 49 430 und GB-A-22 62 383 enthalten. Beide Anmeldungen befassen sich mit Wegen zur Überwindung der inhärenten CCD-Beschränkungen.
  • Halbleiterpixeldetektoren umfassen ein Halbleitersubstrat mit Elektroden, die auf jedes Pixel eine Abreicherungsspannung aufbringen, und definieren ein Ladungssammelvolumen. Einfache Pufferschaltkreise lesen die elektrischen Signale, wenn ein Photon photoabsorbiert wird oder wenn ionisierende Strahlung die Abreicherungszone des Halbleitersubstrates überquert. Die Pufferschaltkreise können sich entweder auf dem gleichen Substrat (vergleiche EP-A-0,287,197) wie die Ladungssammelvolumina befinden oder auf einem getrennten Substrat (vergleiche EP-A-0,571,135), das mechanisch mit einem Substrat mit den Ladungssammelvolumina z. B. gemäß der gutbekannten Bump-Bonding-Technik verbunden ist (Bump-Bonding ist eine seit 10 Jahren oder länger bekannte Technik). Diese Pixeldetektoren arbeiten in einem Pulsmodus. Ein pulszählender Modus oder einfach eine Pulsabbildung kann entweder durch kontinuierliches Auslesen der Pixel oder durch sequentielles Auslesen von Pixeln mit einer ausreichend schnellen Rate durchgeführt werden.
  • In jedem Fall ist infolge eines hochenergetischen Strahles oder Lichtes eine Ladung vorhanden, wobei es das Ziel ist, diese auszulesen und die Information zu verarbeiten. Die Pixeldetektoren setzen die erforderliche Lesegeschwindigkeit herab, da eine höhere Segmentierung und mehr parallele Lesekanäle vorhanden sind. Jedoch können sie nicht mit Anwendungen hoher Intensität zurecht kommen, da die Leseelektronik überläuft oder das Zählvermögen gesättigt wird, wodurch der Bildkontrast zerstört wird. In einigen dieser Vorrichtungen verursachen gleichzeitig auftreffende Strahlen unbestimmte und "Geister"- Treffer, die nicht aufgelöst werden können und die Auflösung verschlechtern. Obwohl diese Vorrichtungen die auftreffende Strahlung direkt feststellen, unterliegen sie Beschränkungen aufgrund eines Vorgangs, der auf einem Einzelpulszählmodus basiert, und einer Abbildung, die auf dem Zählen diskreter Punkte basiert.
  • Aus dem Obengenannten wird klar, daß sämtliche der oben beschriebenen Vorrichtungen Beschränkungen unterliegen, die nicht gelöst werden können. Insbesondere ermöglichen CCDs, daß Ladung von aufeinanderfolgenden Treffern abgesammelt wird, jedoch nur bis zu dem beschränkten Ausmaß, das innerhalb einer Potentialsenke in dem Si-Substrat möglich ist, was den dynamischen Bereich wesentlich beschränkt. Auch findet das Auslesen von Ladung aufgrund des Ladungsansammelverfahrens in einem Zeitabfolgemodus statt, indem der Pixelladungsgehalt zu der benachbarten Pixelspeichereinheit (welche immer das gleiche Si- Substrat ist) getaktet wird. Bis sämtliche Pixel als eine Zeitfolgesequenz ausgelesen sind, kann ein CCD daher keinen neuen Bildrahmen ansammeln, da zusätzliche ankommende Strahlung und/oder ankommendes Licht nicht in einem 1 : 1-Verhältnis mit einer Pixelposition während des Auslesevorgangs aufgezeichnet werden könnte. Daher sind ein beschränkter dynamischer Bereich und eine lange inaktive Zeit während der Bilderzeugung die zwei Hauptbeschränkungen für CCD.
  • Auf der anderen Seite wurden einige Halbleiterpixeleinrichtungen vorgeschlagen, die den Pixelinhalt zu jeder Zeit, wenn ein Treffer festgestellt wird, unmittelbar auslesen. Diese Vorrichtungen arbeiten auf einem Einzelpulszählmodus und leiden bei hohen Zählraten an Sättigungsproblemen. Solche herkömmlichen Einzeltrefferzählvorrichtungen haben einen sehr kleinen dynamischen Bereich.
  • Typischerweise werden derartige Pulszählvorrichtungen von einem Ereignis einfallender Strahlung ausgelöst. Eine Anwendung für solche Vorrichtungen besteht in sogenannten Gamma-Kameras zur Feststellung von Gammastrahlen. Die US-A-5,245,191 beschreibt einen Hybridgammastrahlenhalbleiterdetektor mit einem Feld von Pixelzellen. Die Vorrichtung der US- A-5,245,191 tastet Pixelzellen in gleichmäßigen Intervallen ab und zählt jeden einzelnen Treffer auf eine Pixelzelle innerhalb des Abtastintervalls und verläßt sich nicht darauf, daß der einfallende Treffer den Zählvorgang auslöst. Wenn mehr als ein Treffer auf eine bestimmte Pixelzelle auftrifft, werden die Ergebnisse für diese Pixelzelle verworfen. Die Vorrichtung der US-A-5,245,191 liefert eine Pulszählung und nicht eine Abbildung mehrerer aufeinanderfolgender hochenergetischer Strahlungstreffer auf eine Pixelzelle vor dem Auslesen oder Zurücksetzen der Pixelzelle. Die Vorrichtung der US-A-5, 245,191 umfaßt:
  • ein Halbleiterdetektorsubstrat mit einem Feld von Pixeldetektorzellen, wobei jede Pixeldetektorzelle unter Ansprechen auf einfallende Strahlung unmittelbar Ladung erzeugt, und
  • ein Halbleiterlesesubstrat mit einem Feld aus individuell adressierbaren Pixelschaltkreisen, wobei:
  • jeder Pixelschaltkreis mit einer entsprechenden Pixeldetektorzelle verbunden ist, um eine Pixelzelle zu bilden,
  • jeder Pixelschaltkreis einen Ladungssammelschaltkreis aufweist für das Aufsammeln von Ladung, welche unmittelbar aus der auf die entsprechende Pixeldetektorzelle auftreffende Strahlung hoher Energie resultiert, einen Ausleseschaltkreis aufweist, um einen Wert auszugeben, der der in dem Ladungssammelschaltkreis aufgesammelten Ladung entspricht, und einschließlich eines Rückstellschaltkreises für das Zurücksetzen des Ladungssammelschaltkreises.
  • Dementsprechend besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine auf einem anderen Ansatz basierende Abbildungseinrichtung bereitzustellen, welche es ermöglicht, die Probleme des Standes der Technik zu lindern und/oder zu lösen.
  • Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Halbleiterabbildungseinrichtung bereitgestellt mit einem Feld aus Pixelzellen für die Abbildung von mehreren aufeinanderfolgenden Strahlungstreffern hoher Energie, wobei die Abbildungseinrichtung aufweist: ein Halbleiterdetektorsubstrat, einschließlich eines Feldes von Pixeldetektorzellen, wobei jede Pixeldetektorzelle unter Ansprechen auf einfallende Strahlung unmittelbar Ladung erzeugt, und ein Halbleiterauslesesubstrat, einschließlich eines Feldes aus individuell adressierbaren Pixelschaltkreisen, wobei: jeder Pixelschaltkreis mit einer entsprechenden Pixeldetektorzelle verbunden ist, um eine Pixelzelle zu bilden, jeder Pixelschaltkreis einen Ladungssammelschaltkreis aufweist für das Aufsammeln von Ladung, welche unmittelbar aus der auf die entsprechende Pixeldetektorzelle auftreffende Strahlung hoher Energie resultiert, einen Ausleseschaltkreis aufweist, um einen Wert auszugeben, der der in dem Ladungssammelschaltkreis aufgesammelten Ladung entspricht und einschließlich eines Rückstellschaltkreises für das Zurücksetzen des Ladungssammelschaltkreises, und wobei jeder Pixelschaltkreis, der aus dem Ladungssammel-, dem Auslese- und dem Rückstellschaltkreis besteht, so ausgestaltet ist, daß er einen Ladungssammelschaltkreis bereitstellt, der eine Kapazität hat, welche im. wesentlichen die gesamte Kapazität der Pixelzelle bildet, gebildet aus dem Pixelschaltkreis und der entsprechenden Pixeldetektorzelle, und eine Ladungsspeicherfähigkeit hat, die ausreichend ist, um zumindest 1,8 Millionen Elektronen zu speichern, um Ladung aus einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Treffern hochenergetischer Strahlung auf dem entsprechenden Pixeldetektor aufzusammeln, bevor der Ladungssammelschaltkreises ausgelesen und zurückgesetzt wird.
  • Die Erfindung liefert eine Abbildungseinrichtung, die man als eine Aktivpixel-Halbleiterabbildungseinrichtung (ASID) beschreiben kann. Ausführungsformen einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung sind insbesondere geeignet zur Abbildung von hochenergetischer Strahlung, wie Röntgenstrahlungs-, β-Strahlungs- und α-Strahlungsabbildung in Echtzeit. Die Erfindung ist auch zur Abbildung anderer Arten von Strahlung geeignet, einschließlich z. B. Licht.
  • Eine ASID ist in der Lage, während einer Bestrahlung Ladung für individuelle Pixel aktiv anzusammeln. Sie stellt Strahlen, die auf einen Pixelzelldetektor des Halbleitersubstrats auftrifft unmittelbar fest und sammelt Strahlung in einem aktiven Schaltkreis, der dem Pixelzelldetektor entspricht, an (indem die Ladung direkt als Ladungswerte angesammelt wird oder indem sie sie in eine Spannung oder einen Strom umgewandelt und die resultierende Spannung oder der resultierende Strom angesammelt wird). Indem der aktive Schaltkreis für jedes Pixel in die Lage versetzt wird, individuell adressiert zu werden, d. h. unabhängig von sämtlichen anderen Pixelschaltkreisen (z. B. in zufälliger oder sequentieller Reihenfolge), kann die gespeicherte Ladung zu jeder Zeit während oder nach der Bestrahlung ausgelesen werden.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird daher Ladung in einem ladungsansammelnden Schaltkreis (z. B. dem Gate eines integrierten Transistors oder eines integrierten Kondensators) angesammelt. Es besteht kein Bedarf und es gibt keine Anwendung für die Abreicherungsschicht und die Potentialsenke, wie im Fall eines CCD. Eine Ladungsspeichereinrichtung, wie das Gate eines FET oder eines Kondensators, kann optimiert werden, um im wesentlichen die gesamte Pixelschaltkreisfläche mit einer Oxidschicht von minimaler Dicke abzudecken. Diese zwei Faktoren maximieren die Ladungsspeicherkapazität, welche z. B. um zwei Größenordnungen größer ist als diejenige eines CCD. Darüberhinaus überlagert sich kein Pixel mit seinen benachbarten Pixeln. Ein unabhängiger Zugang zu Pixeln bietet eine schnelle dynamische Abbildungsrahmenansammlung, die mit CCDs nicht möglich ist.
  • Ausführungsformen der Erfindung können auch die zuvor genannten Beschränkungen von pulszählenden Pixeleinrichtungen bei hohen Zählraten überwinden, bei denen mehrere hundert oder tausende von Pulsen angesammelt werden können, bevor sie ausgelesen werden. Die Anzahl an Auslesekanälen kann daher verringert werden, ohne bezüglich der Leistung der Einrichtung Abstriche zu machen.
  • Der aktive Schaltkreis ist vorzugsweise in der Nähe des Pixeldetektors angeordnet und hat einen ausreichenden dynamischen Bereich, um Ladung anzusammeln, die mehreren hundert oder tausenden von Strahlungstreffern auf den entsprechenden Pixeldetektor entsprechen.
  • Das Auslesen der aktiven Pixelschaltkreise kann so eingerichtet werden, daß es sehr schnell und unabhängig von sämtlichen anderen Pixelschaltkreisen und somit praktisch ohne Totzeit stattfindet, so daß der aktive Schaltkreis und der entsprechende Pixelzelldetektor sofort bereit sind, mit dem Ansammeln von Strahlungstreffern fortzufahren.
  • Jedes detektierende Element und der dazugehörige aktive Schaltkreis stellt ein zufällig zugängliches, dynamisch aktives Abbildungspixel dar, welches in der Lage ist, Ladung während einer Bestrahlung anzusammeln (entweder direkt als Ladung oder als eine äquivalente Spannung oder als ein äquivalenter Strom), und das in der Lage ist, während oder nach einer Bestrahlung ausgelesen zu werden. Der Inhalt jedes Pixels wird nicht sequentiell zu dem nahegelegenen Pixel übertragen, sondern wird unabhängig von sämtlichen anderen Pixeln ausgelesen. Die Auslesegeschwindigkeit und der Grad an paralleler oder sequentieller Signalverarbeitung für die ausgelesenen Daten kann opitimiert werden, um der Strahlungsintensität und der Zeit zu entsprechen, die zur Verfügung steht, um einen Abbildungsrahmen anzusammeln.
  • Dementsprechend kann eine Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung Ladung von aufeinanderfolgenden Strahlungs- oder Lichttreffern ansammeln, wobei der große dynamische Bereich von z. B. einem Transistor und/oder einem Kondensator, der in einem 1 : 1-Verhältnis zu einer detektierenden Pixelzelle vorgesehen ist, verwendet wird. Wo CCDs eine Abreicherungsschicht innerhalb eines Si-Substrates verwenden, um Ladung in einer Potentialsenke zu speichern, sammelt eine ASID Ladung am Gate eines Transistors und/oder eines Kondensators an. Eine ASID wird folglich einen dynamischen Bereich haben, der um bis zu zwei Größenordnungen größer ist als der eines CCD. Die gleichen ladungsansammelnden Pixelschaltkreiselemente erlauben auch ein Auslesen jedes angesammelten Ladungswertes in einem 1 : 1-Verhältnis mit dem detektierenden Pixelelement mit praktisch keiner Totzeit während des Ansammelns des Abbildungsrahmens. Eine ASID verringert auch die Beschränkungen herkömmlicher Halbleiter-Pixeleinrichtungen, die in einem pulszählenden Modus arbeiten, da die Bilderzeugung in einem direkten Verhältnis zu der insgesamt angesammelten Ladung und nicht zu der Anzahl von Strahlungstreffern durchgeführt wird. Während herkömmliche pulszählende Pixeleinrichtungen unter einer Sättigung bei hohen Zählraten leiden, kann eine ASID hunderte oder tausende von Treffern ansammeln, bevor sie ausgelesen wird. Lange Ladungsansammelzeiten (von wenigen Mikrosekunden bis etwa 1 Sekunde ist möglich) verringern die Auswirkung des Zurücksetzens des Pixelschaltkreises. Somit ist die gesamte inaktive Zeit jedes Pixelschaltkreises ein sehr kleiner Anteil der Ladungsansammlungszeit (oder aktiven Zeit).
  • Die Erfindung findet insbesondere Anwendung bei Bilderzeugungsanwendungen mit hoher Intensität. Die Probleme von unrealistischer Auslesegeschwindigkeit, von unbestimmten und "Geister"-Treffern früherer Pixeldetektoren und der niedrige Wirkungsgrad, der geringe dynamische Bereich und die lange inaktive Zeit von CCD-Einrichtungen können sämtlich durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung überwunden werden. Es ist jedoch klar, daß die Erfindung nicht auf hochenergetische und hochintensive Anwendungen beschränkt ist und daß Ausführungsformen der Erfindung auch Anwendung bei Anwendungen niedrigerer Energie (z. B. bei ultravioletten, optischen oder infraroten Wellenlängen) und Anwendungen geringer Intensität (in der Astronomie) finden können.
  • Vorzugsweise umfaßt jeder Pixelschaltkreis eine Ladungsspeichereinrichtung zum Ansammeln von Ladung, z. B. einen Kondensator und/oder einen Transistor. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Ladung am Gate eines FET angesammelt, welcher vorzugsweise einen aus einem Paar von FETs darstellt, welche als eine Cascodenverstärkerstufe verbunden sind.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt einen ersten FET-Schalter, der auf ein Einschaltsignal anspricht, um die Ladungsspeichereinrichtung mit einer Ausgangsleitung zur Ausgabe angesammelter Ladung zu verbinden, und einen zweiten FET-Schalter, der auf ein Rückstellsignal anspricht, um die Ladungsspeichereinrichtung zu erden, um die Ladungsspeichereinrichtung zurückzusetzen.
  • Bei einigen Anwendungen kann die Pixelgröße in der Größenordnung von 1 mm im Durchmesser oder weniger liegen, vorzugsweise etwa 350 um im Durchmesser.
  • Bei anderen Anwendungen kann die Pixelzellgröße etwa 150 um oder weniger im Durchmesser sein, vorzugsweise etwa 50 um oder weniger im Durchmesser und besonders bevorzugt etwa 10 um im Durchmesser mit einem Substrat von zwischen 200 um und 3 mm Dicke.
  • Bei beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung kann der Pixelschaltkreis so ausgebildet sein, daß er Ladungsspeichereinrichtungen vorsieht mit einer Kapazität und einem dynamischen Bereich, die ausreichen, um 6 Millionen Elektronen, vorzugsweise 25 Millionen Elektronen, besonders bevorzugt 50 Millionen Elektronen und ganz besonders bevorzugt 60 Millionen Elektronen zu speichern, bevor sie ausgelesen oder zurückgesetzt werden.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann jeder Pixelschaltkreis Einrichtungen zur Aussonderung von Ladung von einem ankommenden Strahlungstreffer, der einer Energie entspricht, welche geringer ist als ein vorbestimmter Wert, vor dem Ansammeln in dem Pixelschaltkreis aufweisen.
  • Die Pixelschaltkreise können an dem Substrat einstückig ausgeführt und an den entsprechenden Pixeldetektoren ausgerichtet sein. Alternativ können die Pixelschaltkreise in einem weiteren Substrat ausgebildet sein, wobei das weitere Substrat, in dem die Pixelschaltkreise untergebracht sind, mit dem Substrat, in dem die Pixeldetektoren untergebracht sind, verbunden ist, wobei jeder Pixelschaltkreis an dem entsprechenden Pixeldetektor ausgerichtet und damit verbunden ist.
  • Bei besonderen Ausführungsformen der Erfindung weist das Feld eine einzelne Reihe aus Pixeldetektoren und zugehörigen Pixelschaltkreisen auf, die eine schlitzförmige Abbildungseinrichtung bilden, oder eine Mehrzahl von Reihen aus Pixeldetektoren und zugehörigen Pixelschaltkreisen, die eine spaltförmige Abbildungseinrichtung bilden.
  • Ein Abbildungssystem für die Abbildungseinrichtung umfaßt eine Steuerelektronik für die Abbildungseinrichtung, einschließlich einer Adressierlogik, um individuelle Pixelschaltkreise für das Auslesen von angesammelter Ladung aus dem Pixelschaltkreis zu adressieren und um den Pixelschaltkreis selektiv zurückzusetzen. Vorzugsweise umfaßt die Adressierlogik Einrichtungen zum Verbinden von Ausgangsleitungen der Pixelschaltkreise mit einem Ausgang der Abbildungseinrichtung, Einrichtungen für das Zuführen von Lesefreigabesignalen an Lesefreigabeeingänge der Pixelschaltkreise und Einrichtungen für das Zuführen von Rückstellsignalen an Rückstelleingänge der Pixelschaltkreise.
  • Die Einrichtung für das Verbinden der Ausgangsleitungen kann ein Schieberegister oder einen Zähler zum sequentiellen Anschließen von Ausgangsleitungen der Pixelschaltkreise für entsprechende Spalten von Pixeln mit dem Ausgang der Abbildungseinrichtung aufweisen. In ähnlicher Weise kann die Einrichtung für das Zuführen von Lesefreigabesignalen ein Schieberegister oder einen Zähler für das aufeinanderfolgende Zuführen von Lesefreigabesignalen an Lesefreigabeeingänge der Pixelschaltkreise für entsprechende Zeilen von Pixeln aufweisen, und/oder die Einrichtung für das Zuführen von Rückstellsignalen kann ein Schieberegister oder einen Zähler für das aufeinanderfolgende Zuführen von Rückstellsignalen an Rückstelleingänge der Pixelschaltkreise für entsprechende Zeilen von Pixeln aufweisen.
  • Somit umfaßt die Adressierlogik bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein erstes Schieberegister für das aufeinanderfolgende Verbinden von Ausgangsleitungen der Pixelschaltkreise für entsprechende Spalten von Pixeln mit dem Ausgang der Abbildungseinrichtung, ein zweites Schieberegister für das aufeinanderfolgende Zuführen von Lesefreigabesignalen an Lesefreigabeeingänge von Pixelschaltkreisen für entsprechende Zeilen von Pixeln und ein drittes Schieberegister für das aufeinanderfolgende Zuführen von Rückstellsignalen an Rückstelleingänge von Pixelschaltkreisen für entsprechende Zeilen von Pixeln. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform können die gleichen Steuersignale mit einem Zähler verwendet werden, welcher Zeilen- und Spaltenadressen erzeugt, die zu Ausgangs-, Auswahl-, Rückstell- und Lesefreigabesignalen decodiert werden. Die Steuerelektronik kann einen Analog- /Digitalwandler (ADC) zur Umwandlung von aus einem Pixelschaltkreis gelesener Ladung in einen digitalen Ladungswert umfassen.
  • Wenigstens ein Teil der Steuerelektronik kann in dem Halbleitersubstrat, auf dem die Pixelschaltkreise ausgebildet sind, integriert sein.
  • Vorzugsweise weist das Abbildungssystem einen Bildprozessor auf, der zur Verarbeitung der digitalen Ladungswerte von entsprechenden Pixelschaltkreisen mit der Steuerelektronik verbunden ist, um ein Bild für die Anzeige auf einer Anzeigeeinrichtung zu erzeugen.
  • Zur Optimierung der Anzeige erfaßter Bilder legt der Prozessor Maximal- und Minimalladungswerte für Pixel für die Anzeige fest, ordnet den Maximal- und Minimalladungswerten extreme Grauskalen- oder Farbwerte zu und ordnet Grauskalen- oder Farbwerte für ein einzelnes Pixel entsprechend einer gleitenden Skala zwischen den Extremwerten in Abhängigkeit von dem Ladungswert für das Pixel zu.
  • Die Grauskalen- oder Farbwerte werden vorzugsweise entsprechend der folgenden Formel zugeordnet:
  • Grauskalenwert des Pixels i:
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Abbildungssystem, welches eine Mehrzahl von Abbildungseinrichtungen umfaßt, wie sie oben beschrieben sind, ziegelartig bzw. kachelartig unter Ausbildung eines Mosaiks zusammengesetzt. Dies ermöglicht, daß eine großflächige Abbildungseinrichtung aufgebaut wird ohne die Ausbeute probleme, auf die man normalerweise bei integrierten Einrichtungen mit sehr großer Fläche stößt. Das Mosaik kann eine Mehrzahl von Reihen ziegelartig bzw. kachelartig zusammengelegter Abbildungseinrichtungen aufweisen, wobei die Abbildungseinrichtungen benachbarter Reihen in der Richtung der Reihen gegeneinander versetzt sind. Vorzugsweise umfaßt das Abbildungssystem Einrichtungen zur Abstufung oder Bewegung der Abbildungseinrichtung und/oder eines abzubildenden Gegenstandes, um eine Abbildung über einen vollständigen Abbildungsbereich anzusammeln.
  • Bei einer Ausführungsform umfaßt das Abbildungssystem zwei Abbildungsoberflächen, von denen jede ein Mosaik aus Abbildungseinrichtungen aufweist, wobei die Abbildungsoberflächen im wesentlichen parallel zueinander und voneinander beabstandet mit einem abzubildenden Gegenstand zwischen diesen Oberflächen angeordnet sind und wobei die Mosaiken in Bezug zueinander seitlich versetzt sind, um eine im wesentlichen vollständige Abbildung des Gegenstandes zu liefern. Dies erlaubt bei bestimmten Anwendungen eine im wesentlichen vollständige Abbildung, ohne daß Übertragungsmechanismen für die Abbildungsebenen erforderlich sind.
  • Entsprechende Abbildungsausgänge einer Mehrzahl von ziegelartig bzw. kachelartig zusammengelegten Abbildungseinrichtungen ist vorzugsweise mit einem herkömmlichen Multiplexer verbunden, wobei der Ausgang dieses Multiplexers mit einem herkömmlichen Analog-/Digitalwandler verbunden ist. Alternativ kann eine Mehrzahl an ziegelartig bzw. kachelartig zusammengelegten Abbildungseinrichtungen zuerst daisy-chain-verknüpft und anschließend in einen herkömmlichen ADC umgewandelt werden. Es können auch einzelne Pixelschaltkreise für das Lesen angesammelter Ladung bei einer Geschwindigkeit, daß die Auflösung eines Analog-Digitalwandlers zur Umwandlung von analog angesammelten Ladungswerten in digitale Werte optimiert wird, adressiert werden. Diese Bemessungen bieten eine Ausgestaltungsflexibilität, um zwischen Kosten (mehr Multiplexierung, weniger ADCs) und Bildkontrast (weniger Multiplexierung, mehr ADCs) zu optimieren.
  • Bei einem Abbildungssystem mit einer oder mehreren spalt- oder schlitzförmigen Abbildungseinrichtungen, wie sie oben definiert sind, können Einrichtungen für eine Bewegung der spalt- oder schlitzförmigen Abbildungseinrichtung bzw. Abbildungseinrichtungen in einer Richtung quer zu einer Längsachse der Abbildungseinrichtung bzw. Abbildungseinrichtungen für das Ansammeln einer vollständigen Abbildung über einen Abbildungsbereich vorgesehen sein.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung findet Anwendung in einem Verfahren für die Abbildung angesammelter Werte, welche entsprechenden Pixelpositionen in einem Pixelfeld entsprechen, wie z. B. von Ladungswerten, die für entsprechende Pixelpositionen einer Abbildungseinrichtung, wie sie oben definiert ist, angesammelt wurden, wobei das Verfahren aufweist:
  • Bestimmen von maximalen und minimalen angesammelten Werten für Pixel innerhalb einer Fläche des abzubildenden Pixelfeldes,
  • Zuordnen von Grauskalen- oder Farbwerten zu Extremwerten einer Grau- oder Farbskala, die für die maximal und minimal angesammelten Werte abgebildet werden sollen, und
  • - Zuordnen von Grauskalen- oder Farbwerten zu den angesammelten Werten für einzelne Pixel, die entsprechend den Extremwerten skaliert sind, und
  • - Abbilden der zugeordneten Grauskalen- oder Farbwerte an den jeweiligen Bildpixelpositionen.
  • Mit anderen Worten wird bei einem Beispiel der Verwendung einer Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung für jeden Abschnitt einer von der Abbildungseinrichtung erfaßten Abbildung die Ladungsdichte sämtlicher anzuzeigender Pixel verglichen, wobei die Punkte höchster und geringster Ladungsdichte einem Farbwert bei den zwei Extremwerten der verwendeten Grau- oder Farbskala zugewiesen werden. Den verbleibenden Pixelpunkten wird ein Wert von der Grau- oder Farbskala entsprechend der in den jeweiligen Pixeln angesammelten Ladung gegeben.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung findet auch Anwendung in einem Verfahren für die Durchführung von Echtzeitabbildung eines organischen oder anorganischen Objektes, wobei das Verfahren aufweist:
  • - Bestrahlen des Objektes unter Verwendung einer Strahlungsquelle, welche Rötgenstrahlen, y-Strahlen, β-Strahlen oder α-Strahlen erzeugt,
  • - Erfassen von nichtabsorbierter Strahlung oder von Strahlung, welche von ausgewählten Flächen des Objektes emittiert wird, auf einer Halbleiter-Abbildungsebene oder auf Ebenen der Abbildungseinrichtung, wie sie oben definiert ist, wobei Ladung, die aus der auf entsprechende Pixelzellen der Abbildungseinrichtung auftreffenden Strahlung resultiert, in den jeweiligen aktiven Schaltkreisen der Pixelzellen angesammelt wird,
  • - individuelles Adressieren der aktiven Schaltkreise der Pixelzelle, um angesammelte Ladung auszulesen,
  • - Verarbeiten der ausgelesenen Ladung, um Bildpixeldaten bereitzustellen, und
  • - Anzeigen der Bildpixeldaten.
  • Es sind verschiedene Konfigurationen und Betriebsmodi von Abbildungseinrichtungen und Abbildungssystemen gemäß der Erfindung beabsichtigt. Bei einer ersten bevorzugten Konfiguration sind die Abbildungspixel in einer M x N-Matrix angeordnet, wobei M und N mehrere Tausend sein können, wodurch eine Vollfeldabbildungsebene geliefert wird. Bei einer anderen bevorzugten Konfiguration sind die Abbildungspixel in einer Spalt- oder Schlitzform mit mehreren Tausend Reihen und ein paar Spalten pro Reihe angeordnet. Der Spalt oder Schlitz wird mit einer konstanten Geschwindigkeit über eine abzubildende Oberfläche bewegt, und der Spalt- (oder Schlitz-)Rahmen wird schnell genug ausgelesen, so daß der zwischen benachbarten Rahmen abgetastete Abstand kleiner ist als die Hälfte der Pixelgröße entlang der Bewegungsrichtung. Mit dieser Konfiguration und diesem Betriebsmodus ist es möglich, eine Punktauflösung entlang der Bewegungsrichtung zu erzielen, die gleich der Pixelgröße in der gleichen Richtung ist. Somit ist es möglich, die erreichte Positionsauflösung um einen Faktor von 2 zu verbessern, wobei eine Vollfeldabbildungsebene oder ein herkömmlicher Spalt oder Schlitz nicht in dem beschriebenen Modus arbeitet. Bei einer weiteren bevorzugten Anordnung sind mehrere der obengenannten Spalte (oder Schlitze) in der gleichen Ebene parallel zueinander und mit einem konstanten Abstand zwischen den Längsachsen der Spalte (oder Schlitze) angeordnet. Wenn n solcher Spalte (oder Schlitze) vorhanden sind und die abzutastende Gesamtentfernung X cm beträgt, muß folglich jeder Spalt (oder Schlitz) nur X/n cm abtasten. Dies verringert das Erfordernis von Hochgeschwindigkeitsabtastmechaniken, und die gleiche Abbildung kann in einer Zeitdauereinheit gebildet werden, bei der die Röntgenstrahlenquelle bei einem geringeren Strom arbeitet (n mal geringerer Strom als mit einem einzelnen Spalt/Schlitz).
  • Eine Ausführungsform der Erfindung findet auch Anwendung in einem Verfahren zum Betreiben einer Abbildungseinrichtung oder eines Abbildungssystems, wie es oben beschrieben ist, umfassend das Lesen der angesammelten Ladung aus einzelnen Pixelschaltkreisen mit einer Geschwindigkeit, um die Auflösung eines Analog-/Digitalwandlers für das Umwandeln analoger, angesammelter Ladungswerte in Digitalwerte zu optimieren.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung kann somit eine aktive, ansammelnde, analoge Abbildung von direkt festgestellten hochenergetischen Strahlen ermöglichen im Gegensatz zu herkömmlichen digitalen Abbildungstechniken, die auf der Zählung von Treffern basieren. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird vielmehr ein Ladungswert (oder ein Strom- oder Spannungsäquivalent) als eine Anzahl von Punkten angesammelt, wobei der Ladungswert in einem direkten und linearen Verhältnis zu der Gesamtenergie der ursprünglichen Strahlen steht. CCDs können nur eine direkte Abbildung bei sehr geringen Energien (nahe dem optischen Spektrum) liefern. Für hochenergetische Anwendungen (Rötgenstrahlen über 10 keV) werden CCDs in Verbindung mit Umwandlungsfiltern betrieben, die hochenergetische Strahlen in optische Wellenlängen umwandeln, für die CCDs empfindlicher sind. Während dieses Vorganges verschlechtern Lichterzeugung und -diffusion den Bildkontrast und die -auflösung erheblich. Darüberhinaus sind CCDs für alle praktischen Zwecke auf eine Verwirklichung ausschließlich mit Si beschränkt. Es ist jedoch bekannt, daß Si ein Material von relativ geringer Dichte ist mit sehr geringem Wirkungsgrad für eine Detektion von Strahlen mit einer Energie oberhalb von wenigen keV.
  • Bei der Verwendung einer Ausführungsform der Erfindung kann Ladung in eine Abbildung umgewandelt werden, wobei für einen vorgegebenen Abschnitt der Abbildung der höchste erreichbare Kontrast und die höchste erreichbare Auflösung geliefert werden. Für jeden Abschnitt der Abbildung kann dies durch Vergleich einer Ladungsdichte sämtlicher Pixel durchgeführt werden. Der Punkt der höchsten und geringsten Ladungsdichte kann einem Farbwert der zwei Extremwerte der Grau- oder Farbskala, die verwendet wird, zugeordnet werden. Dem Rest der Punkte wird ein Wert aus der Grau- oder Farbskala entsprechend der Ladung (oder dem Strom- oder Spannungsäquivalent), welche für diese Pixel angesammelt wurde, gegeben. Eine Ausführungsform der Erfindung kann auch dazu verwendet werden, Strahlung von der Detektion auszuschließen, die vor dem Eintritt in die Abbildungseinrichtung bei Anwendungen von geringer Intensität gestreut wurde. Durch die Anwendung eines Schwellenwertes, um erfaßte Strahlung mit einer Energie unterhalb eines vorherbestimmten Wertes zu eliminieren, kann Energie, die inkoherent gestreut wurde und etwas von ihrer ursprünglichen Energie verloren hat, von der Erfassung ausgeschlossen werden.
  • Eine Abbildungseinrichtung oder ein Abbildungssystem, wie es oben definiert ist, kann verwendet werden für herkömmliche Röntgenstrahlen, für Torax-Röntgenstrahlen, für Rötgenstrahlenmammographie, für Rötgenstrahlentomographie, für Computertomographie, für Knochendichtemessung mittels Röntgenstrahlung, für Gammastrahlenkernradiographie, für Gammakameras für die Einzelphotonenemissionscomputertomographie (SPECT), für Positronenemissionstomographie (PET), für Röntgenabbildung im Dentalbereich, für Panoramazahnabbildungen mittels Rötgenstrahlung, fürß-Strahlenabbildung unter Verwendung von Isotopen für die DNA-, RNA- und Proteinsequentierung, Hybridisierung in situ, Hybridisierung von DNA, RNA und Proteinen, die isoliert oder integriert sind, und allgemein für β- Strahlenabbildung und Autoradiographie unter Verwendung von Chromatographie und Polymerase-Kettenreaktion, für Rötgenstrahl- und γ-Strahl-Abbildung in der Produktqualitätskontrolle, für das zerstörungsfreie Testen und Überwachen in Echtzeit und online und für Sicherheitskontrollsysteme und Echtzeitabbildung unter Verwendung von Strahlung, einschließlich Licht.
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen nur unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben:
  • Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Abbildungssystems, welches eine Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung aufweist;
  • Fig. 1a ist eine schematische Darstellung eines FET;
  • Fig. 2 ist ein schematisches Schaltkreisdiagramm eines Beispiels eines Pixelschaltkreises für eine Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung;
  • Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm eines Teils eines Abbildungsfeldes und einer Steuerelektronik für eine Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung;
  • Fig. 4 ist ein schematisches Schaltkreisdiagramm eines Teils eines Abbildungsfeldes und einer Steuerelektronik für eine Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung mit Blöcken von Pixelzellen der Abbildungseinrichtung;
  • Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm, das eine Mehrzahl von Abbildungseinrichtungen zeigt, die unter Ausbildung eines Mosaiks von Abbildungseinrichtungen ziegelartig bzw. kachelartig zusammengelegt sind, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
  • Fig. 5a ist ein schematisches Diagramm eines Teils der Steuerelektronik für eine Ausführungsform der Erfindung, welche mehrere Abbildungseinrichtungen aufweist, die unter Ausbildung eines Mosaiks ziegelartig bzw. kachelartig zusammengelegt sind;
  • Fig. 6a bis 6c sind schematische Diagramme einer Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung in der Form eines Ziegels bzw. einer Kachel;
  • Fig. 7a bis 7d erläutern ein Beispiel, in dem zwei Abbildungsebenen auf gegenüberliegenden Seiten eines abzubildenden Objektes angeordnet sind, gemäß einer Anwendung der Erfindung;
  • Fig. 8 ist ein schematisches Schaltkreisdiagramm eines weiteren Beispiels eines Pixelschaltkreises für eine Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung;
  • Fig. 9a und 9b sind schematische Blockdiagramme von Teilen eines Abbildungsfeldes bzw. von Steuerverbindungen für die Ausführungsform aus Fig. 8;
  • Fig. 10 ist eine Querschnittsdarstellung von einem Teil eines Beispiels einer Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung;
  • Fig. 11 ist ein schematisches Schaltkreisdiagramm eines weiteren Beispiels eines Pixelschaltkreises für eine Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung;
  • Fig. 12 erläutert eine Abbildungstechnik unter Verwendung einer spalt- oder schlitzförmigen Abbildungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • Fig. 13 erläutert die Optimierung von Parametern für eine spalt- oder schlitzförmige Abbildungseinrichtung, um die Effekte von Streuung zu verringern, und
  • Fig. 14 ist eine schematische Erläuterung des Durchtritts von β-Strahlen durch Silicium.
  • Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Anwendung für ein Abbildungssystem 10, welches eine Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung aufweist.
  • Diese Anwendung betrifft die Strahlungsabbildung eines Objektes 12, welches einer Strahlung 14 ausgesetzt ist. Die Strahlung kann z. B. Röntgenstrahlung sein, und das Objekt 12 kann z. B. ein Teil eines menschlichen Körpers sein.
  • Die Abbildungseinrichtung umfaßt eine Aktivpixelhalbleiterabbildungseinrichtung (ASID) 16 mit mehreren Pixelzellen 18. Die Abbildungseinrichtung erfaßt direkt hochenergetische einfallende Strahlung, wie Röntgenstrahlen, γ-Strahlen, β-Strahlen oder α-Strahlen, und sammelt mittels eines beliebig zugänglichen, aktiven, dynamischen Pixelschaltkreises an oder in der Nähe eines entsprechenden Pixelzelldetektors bei jeder Pixelzelle Werte an, die für die bei dieser Pixelzelle einfallende Strahlung repräsentativ sind.
  • Die ASID ist auf zwei Substraten angeordnet, einem mit einem Feld von Pixeldetektoren 19 und einem mit einem Feld von aktiven Pixelschaltkreisen 20, wobei die Substrate beispielsweise durch herkömmliche Bump-Bonding-Technologie mechanisch miteinander verbunden sind.
  • Jede Pixelzelle 18 ist auf dem Substrat in Wirklichkeit durch Elektroden (nicht dargestellt) definiert, welche eine Vorspannung aufbringen, um eine Erfassungszone (d. h. den Pixeldetektor 19) für die Pixelzelle 18 zu definieren. Aktive Pixelschaltkreise 20 in der Form von elektronischen Strukturen (z. B. Transistoren, Kondensatoren usw.) können an einem entsprechenden Ort auf dem verbundenen zweiten Substrat definiert sein, um Ladung anzusammeln, die in dem Pixeldetektor erzeugt wird, wenn z. B. ein Photon oder ein geladenes Teilchen von Strahlung auf der Abreichungszone der Pixelzelle 18 einfällt. Ein aktiver Pixelschaltkreis 20 und der Pixeldetektor 19 können eine Größe im Bereich von wenigen 10 um (z. B. 10-50 um) haben. Beispiele für aktive Pixelschaltkreise werden hierin nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 2, 8 und 11 beschrieben.
  • Die aktiven Pixelschaltkreise 20 können auf einem zweiten Wafer aufgebaut und so verteilt sein, daß sie den Pixeldetektoren 19, die für entsprechende Pixelzellen 18 auf einem ersten Wafer definiert sind, entsprechen. Die zwei Elemente können anschließend in einer bekannten Art und Weise unter Anwendung von z. B. Bump-Bonding miteinander verbunden werden, so daß der Aktivpixelschaltkreis 20 für jede Pixelzelle 18 angrenzend an (hinter) und über dem entsprechenden Pixeldetektor 19 für diese Pixelzelle 18 angeordnet ist.
  • Die Pixeldetektoren 19 sind mit einer Abreicherungszone derart ausgebildet, daß, wenn ein Photon in dem Halbleitersubstrat 16 an einer Pixelzelle 18 photoabsorbiert wird, wobei es eine elektrische Ladung erzeugt, oder wenn eine geladene Strahlung die Abreicherungszone des Halbleitersubstrates 16 an einer Pixelzelle 18 ionisiert, ein elektrischer Puls von der Halbleitersubstratabreicherungszone zu dem Aktivpixelschaltkreis 20 für diese Pixelzelle 18 fließt. Ein zu dem elektrischen Puls gehöriger Wert wird anschließend in einem aktiven Schaltkreiselement entweder direkt als ein Ladungswert oder als ein äquivalenter Spannungs- oder Stromwert angesammelt, so daß neue Ladung, die von nacheinander ankommender Strahlung erzeugt wird, kontinuierlich hinzugefügt wird. Beispiele für mögliche Ansammeleinrichtungen sind ein integrierter Kondensator oder das Gate eines integrierten Transistors. Der Ladungsansammelvorgang in einem aktiven Pixelschaltkreis 20 wird fortgesetzt, bis Steuersignale von einer Steuerelektronik 24 ausgegeben werden, um einen Vorgang des Auslesens von Information durch Adressierung jeder Pixelzelle, wirksam in einer Art und Weise beliebigen Zugangs, von jeder individuellen Pixelzelle einzuleiten. Während des Auslesens der angesammelten Ladungswerte wird damit fortgefahren, Ladung anzusammeln, da das Auslesen immer individuell für erfassende Pixelzellen durchgeführt wird. Pixelschaltkreise können selektiv nach einem Auslesen zurückgesetzt werden, um die Ladungsansammlungsschaltkreiselemente zu entladen, und nur dann sind Pixel für eine sehr kurze Zeit inaktiv (es gibt praktische keine Totzeit, wie gezeigt werden wirdl. Somit sind nur während des Zurücksetzens einzelne Pixel inaktiv.
  • Fig. 1a zeigt das Prinzip der Ladungsansammlung eines Beispiels für ein Pixelschaltkreisladungssammelelement. In diesem Beispiel ist ein Feldeffekttransistor auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet. Speziell sind n + dotierte Bereiche 4 und 6 für den Source- bzw. den Drain-Anschluß in einem Siliciumsubstrat 1 vom P-Typ ausgebildet. Elektroden für den Source- 3 und den Drain-Anschluß 5 sind in einer Oxidschicht 2 ausgebildet, wobei eine Gate- Elektrode 7 über der Oxidschicht 2 ausgebildet ist. Ladung wird an der Gate-Elektrode 7 eines Feldeffekttransistors (MOSFET) mittels des FET-Gate-Kondensators angesammelt. Wenn sich Ladung an dem FET-Gate ansammelt, setzt sie die Elektronenkonzentration in der FET- Inversionsschicht 8 (der für den FET-Betrieb erforderlichen Schicht mit Minoritätselektronenträgern) herab. Die maximale Ladung, die angesammelt werden kann, hängt von der minimalen zulässigen Elektronendichte in der Inversionsschicht ab. Die Ladungsansammlung wird daher nicht von irgendeinem Dunkelstrom, der von der Siliciummasse kommt, beeinflußt, wie im Fall eines CCD, da Ladung nicht in einem abgereicherten Volumen angesammelt wird. Die Ladungssammelkapazität wird nur durch die gesamte FET-Gate-Fläche (welche der Pixelschaltkreisfläche beträchtlich ähnlich sein kann), die Dicke der Oxidschicht (welche wenige nm oder einige 10 nm dünn sein kann) und den dynamischen Bereich des FET (welcher die maximale Gate-Spannung festlegt) bestimmt. Es sollte angemerkt werden, daß dies nur ein Beispiel für ein Pixelschaltkreisladungssammelelement ist und daß Ladung in jeder geeigneten Ladungssammeleinrichtung, die in dem entsprechenden Pixelschaltkreis verwendet wird, angesammelt werden kann.
  • Die Pixelhöhe kann 10 um gering sein, was zu einer ausgezeichneten Positionsauflösung und folglich einer ausgezeichneten Bildauflösung führt.
  • Fig. 2 erläutert ein bevorzugtes Beispiel eines aktiven Pixelschaltkreises 20 für eine Pixelzelle in einer Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung. Dieses Beispiel verwendet Feldeffekttransistoren (FETs), die als ein cascodenverbundener Verstärker angeordnet sind. VBIAS 40 ist ein Vorspannungseingang durch die Abreicherungszone, welche den Pixeldetektor 19 der Pixelzelle bildet. Der Pixeldetektor 19 ist durch das Diodensymbol D11 dargestellt. In dem Pixelschaltkreis selbst ist SIGOUT 42 ein analoger Signalausgang und VANA 44 ein analoger Stromzufuhreingang. RES-R-1 ist ein Rückstelleingang, und ENA-R-1 ist ein Freigabeeingang für den Pixelschaltkreis. Ladung wird in dem Gate eines Transistors M11A 50 angesammelt, wenn sowohl die RES-R-1 46 als auch die ENA-R-1 48 Eingangsgrößen niedrig sind.
  • Die Gate-Kapazität bildet im wesentlichen die Eingangsknotenkapazität (Gesamtkapazität), wodurch die Ladungsspeicherfähigkeit maximiert wird. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine maximale Ladungssammelfähigkeit zu liefern, indem die parasitäre oder unerwünschte Kapazität aller anderen Schaltkreis-(und Detektor-)Komponenten minimiert wird und man im wesentlichen die gesamte Eingangsknotenkapazität aus dem Ladungssammeltransistor M11A 50 bildet. Für einen Pixelschaltkreis von 35 um · 35 um kann die Kapazität von M11A 50 2pF betragen, und der dynamische Bereich der FET-Gate-Spannung kann wenigstens 2 Volt sein. Dies entspricht einer Speicherkapazität von etwa 25.000.000 Elektronen, was mehr als 100 mal die Kapazität eines CCD der gleichen Pixelgröße ist. Es sollte angemerkt werden, daß die 2pF der FET-Kapazität in dem obengenannten Beispiel im wesentlichen die gesamte Eingangsknotenkapazität der Pixelzelle bilden. In dem obigen Beispiel mit Pixeln von 35 · 35 um liegt die gesamte parasitäre Kapazität des Detektors und der anderen Elemente in jedem Pixelschaltkreis und jedem entsprechenden Pixeldetektor im Bereich von wenigen fF oder einigen Zehn fF. Die Kapazität der Ladungsspeichereinrichtung sollte maximiert und in jedem Fall beträchtlich größer als die parasitäre Kapazität in jeder Pixelzelle sein. In dem obengenannten Beispiel ist die Kapazität des FET, der als eine Ladungssammeleinrichtung in dem Schaltkreis wirkt, mehr als 90% der Gesamtkapazität der Pixelzelle, welche einen Pixeldetektor und den entsprechenden Pixelschaltkreis umfaßt. Als eine Folge hiervon wird vielmehr sämtliche gesammelte Ladung in dem ladungsansammelnden FET angesammelt als daß sie unter den Detektoren und dem Rest der Pixelschaltkreiselemente aufgeteilt wird.
  • Es ist klar, daß die Verwendung eines FET nur ein Beispiel für eine Ausführungsform der Erfindung liefert, bei dem eine ladungsansammelnde Kapazität unter Verwendung einer Pixelladungsspeichereinrichtung (wie einem FET-Gate oder einem Kondensator), die den größten Teil der Eingangsknotenkapazität für jedes Pixel beiträgt, maximiert wird.
  • Um die Pixelzelle auszulesen, wird ENA-R-1 in einen hohen Zustand versetzt, der dem Strom erlaubt, von dem Transistor M11A 50 durch den Transistor M11B 52 zu SIGOUT 42 zu fließen. Der Pixelschaltkreis wird zurückgesetzt, indem man RES-R-1 hoch setzt, woraufhin jede angesammelte Ladung, nachdem RES-R-1 für lediglich ein paar Mikrosekunden hoch war, von dem Gate des Transistors M11A 50 entfernt worden sein wird. Unmittelbar nachdem RES- R-1 46 auf eine niedrige Stufe gegangen ist, kann Ladung damit beginnen, sich an dem Gate des Transistors M11A 50 anzusammeln. Wenn dem Rückstelleingang RES-R-1 46 kein Rückstellimpuls zugeführt wird, dann ist festzuhalten, daß ein Lesevorgang, wenn der Freigabeeingang ENA-R-1 hoch geht, die Ladung nicht zerstört, sondern stattdessen lediglich einen Stromfluß bewirkt, der zu der angesammelten Ladung proportional ist. Dies erlaubt mehrere Auslesungen ohne ein Zurücksetzen.
  • Fig. 11 erläutert ein weiteres Beispiel eines aktiven Pixelschaltkreises 320 für eine Pixelzelle in einer Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung. Dieses Beispiel ist dem Beispiel aus Fig. 2 ähnlich. Der Pixeldetektor ist bei PD 319 der Pixelzelle dargestellt. In dem Pixelschaltkreis selbst ist VBIAS 140 eine Vorspannung, OUT 342 ist ein analoger Signalausgang, RESET 346 ist ein Rückstelleingang, der mit einem Rückstell-FET 347 verbunden ist, und ENABLE 348 ist ein Freigabeeingang, der mit einem Freigabe-FET 352 für den Pixelschaltkreis verbunden ist. Ladung (Elektronen) wird (werden) in dem Gate eines Ladungsspeicher-FET 350 angesammelt, wenn die Eingangsgröße von ENABLE 348 niedrig und das Eingangssignal von RESET 346 hoch ist. Um die Pixelzelle auszulesen, wird ENABLE 348 in einen hohen Zustand versetzt, welcher erlaubt, daß Strom von dem FET 350 durch den FET 352 zu OUT 342 fließt. Der Pixelschaltkreis wird zurückgesetzt, indem man RESET niedrig einstellt, woraufhin, nachdem RESET 346 für lediglich wenige Mikrosekunden niedrig war, jede angesammelte Ladung von dem Gate des FET 350 entfernt worden sein wird. Unmittelbar nachdem RESET 346 auf eine hohe Stufe geht, kann Ladung damit beginnen, sich an dem Gate des FET 350 anzusammeln. Wenn dem Rückstelleingang RESET 346 kein Rückstellimpuls zugeführt wird, so ist festzustellen, daß ein Auslesevorgang die Ladung nicht zerstört, wenn der Freigabeeingang ENABLE ansteigt, sondern stattdessen lediglich einen Stromfluß bewirkt, der zu der angesammelten Ladung direkt proportional ist. Man wird daher erkennen, daß der Betrieb des Schaltkreises aus Fig. 11 dem aus Fig. 2 ähnlich ist. Darüberhinaus umfaßt der Schaltkreis aus Fig. 11 Dioden 354 und 356, die als Überlastungsschutzschaltkreis für den Pixelschaltkreis wirken. Die Dioden liefern einen Schutz sowohl gegen statische Elektrizität, welche die FETs zerstören könnte, als auch gegen eine FET-Überlastung. Wenn das FET-Gate 350 mehr als einen vorherbestimmten Ladungsschwellenwert (der z. B. 5 Volt entspricht, welches die Vorspannung ist) ansammelt, wird Strom beginnen, durch die Diode 356 zur Erde hin zu fließen, wodurch der FET 350 geschützt wird. Dies wird Pixelzellen schützen, die z. B. eine volle Strahlungsdosis außerhalb der Begrenzung eines abzubildenden Objektes empfangen. Vorzugsweise werden die zwei FETs 350 und 352 als eine Cascodenverstärkerstufe verwendet. In dieser Anordnung liefern die zwei FETs 350 und 352 eine Impedanzaufwärtswandlung, ohne das Rauschen dementsprechend zu erhöhen. Folglich beträgt der Rauschpegel jedes Pixelschaltkreises, der in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben ist, nur etwa 500 e, wobei der Pixelschaltkreis eine sehr geringe Größe behält (so gering wie 10 bis 20 um Pixelgröße), einen sehr großen dynamischen Bereich von etwa 50.000.000e und individuelle Adressierbarkeit.
  • Fig. 11 zeigt auch einen optionalen bipolaren Transistor 360, der weggelassen werden kann. Der Zweck des bipolaren Transistors mit seiner Verbindung zu einer Spannungsquelle VBASE wird später beschrieben werden.
  • Fig. 10 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung. Die in Fig. 10 dargestellte Abbildungseinrichtung umfaßt ein Pixeldetektorsubstrat 214, bei dem die aktiven Pixelschaltkreise auf einem zweiten Substrat 212 ausgebildet sind, welches mittels Anschlüssen 222 mit dem Pixeldetektor 214 verbunden ist. Die aktiven. Pixelschaltkreise 20 sind in dem Substrat 212 durch das Symbol eines FET schematisch dargestellt.
  • Das Pixeldetektorsubstrat 214 ist an der Stelle des Substrates, welches einfallender Strahlung ausgesetzt ist, mit einer Dauerelektrode 110 ausgestattet. Mit anderen Worten, es wird in Fig. 10 angenommen, daß die einfallende Strahlung in einer Richtung nach oben eintrifft. Der Körper des Pixeldetektorsubstrates 112 liegt somit hinter der Dauerelektrode 110. An der hinteren Oberfläche der Schicht 112 sind mehrere Pixeldetektorelektroden 114 vorgesehen. Es ist das Feld von Pixeldetektorelektroden 114, welches die individuellen Pixeldetektorzellen 19 in dem Pixeldetektorsubstrat 214 wirksam festlegt. Jede der Pixeldetektorelektroden 114 ist elektrisch und mechanisch durch einen entsprechenden Mikroanschluß 222 mit einem entsprechenden Pixelschaltkreis 20 verbunden. Es ist klar, daß die Darstellung in Fig. 10 in hohem Maße schematisch ist und nicht zur Festlegung des Maßstabes dient.
  • Zusätzlich zu den bereits oben beschriebenen Merkmalen zeigt Fig. 10 auch optionale Merkmale, welche für eine Isolierung individueller Pixelschaltkreise in einer nachfolgend zu beschreibenden Art und Weise verwendet werden können.
  • Für verschiedene Detektorpixelzellen können die entsprechenden ladungsspeichernden FETs 350 verschiedene Mengen an Ladung als ein Ergebnis der verschiedenen Strahlungs- oder Lichtintensitäten, die auf die Detektorpixel einfallen, ansammeln. Infolgedessen wird zwischen benachbarten Pixeln ein Potentialunterschied erzeugt. Wenn die Pixel nicht elektrisch voneinander getrennt sind, kann dieser Potentialabfall bewirken, daß die Signalladung aus einem Pixelschaltkreis durch den Detektor und in den benachbarten Pixelschaltkreis entweicht. Je länger die Ansammelzeit, desto schwerwiegender könnte das Problem sein. Gemäß einem bevorzugten Merkmal wird dieser Effekt verringert oder ausgeschaltet, indem man Einrichtungen zur elektrischen Trennung vorsieht oder indem man in äquivalenter Weise den Widerstand benachbarter Pixelzellen maximiert. Dementsprechend wird eine Passivierungsschicht 116, z. B. aus Polyamid, zwischen Detektorpixelzellen angebracht (d. h. zwischen den Elektroden 114, welche die Detektorpixelzelle begrenzen). Dies trennt benachbarte Detektorpixelzellen elektrisch voneinander, da solch eine Passivierung nichtleitend ist. Zusätzlich können an der Passivierungsschicht Elektroden angebracht sein, und eine angelegte Spannung V wird ein Barrierenpotential 118 erzeugen, welches einige Mikrometer in das Detektorvolumen eindringt. Dadurch wird Ladung, die versucht, aus dem ladungsansammelnden FET in einem Pixelschaltkreis 20 zu entweichen, auf das Barrierenpotential treffen und wird sich nicht in den benachbarten Pixelschaltkreis-FET ausbreiten.
  • Eine dritte Option besteht weiterhin darin, einen npn-Transistor (bipolaren Transistor) am Eingang jedes Pixelschaltkreises vorzusehen. Dies ist in Fig. 11 gezeigt. Wenn die Basis des bipolaren Transistors auf eine geeignete Spannung eingestellt ist, die allen bipolaren Transistoren der Pixelschaltkreise gemeinsam ist (etwa 1 V), wird der bipolare Transistor als eine Diode wirken, die es einer Ladung erlaubt, in das Gate des FET 350 zu fließen, die aber gleichzeitig jedes Entweichen entlang des umgekehrten Weges verhindert. Auf diese Weise ist, während an den Gates der ladungsansammelnden FETs 350 verschiedene Potentialabfälle aufrechterhalten werden (proportional zu den verschiedenen Signalladungen, die angesammelt wurden), das Potential am Eingang der Pixelschaltkreise für alle Pixelschaltkreise gemeinsam. Entsprechend diesem Merkmal sind daher Einrichtungen vorgesehen, um Pixelzellen in der Abbildungseinrichtung elektrisch voneinander zu trennen, um die gesamte oder im wesentlichen gesamte an jedem Pixelschaltkreis angesammelte Ladung zurückzuhalten. Dieses bevorzugte Merkmal ist insbesondere zweckmäßig, wenn die Ansammelzeiten eher lang sind, z. B. im Bereich von mehreren Zehn oder mehreren Hundert Mikrosekunden, und besonders zweckmäßig, wenn die Ansammelzeiten im Bereich von Millisekunden oder mehreren Zehn oder mehreren Hundert Millisekunden liegen.
  • Ein Pixelschaltkreis 20 kann eine elektrische Ladung ansammeln, die für bis zu 60.000.000 Elektronen auf jedem Pixel repräsentativ ist, während eine Pixelgröße von weniger als 50 um · 50 um beibehalten wird. Die Pixeldicke oder der Abschnitt des Pixeldetektors, der vollständig abgereichert ist, kann bis zu 3 mm betragen, was diese Detektoren sehr empfindlich für Röntgenstrahlen mit Energien von weniger als 200 keV macht. Für geladene Strahlung ist die Empfindlichkeit praktisch 100%. Die minimale Pixeldicke kann in der Größenordnung von 200 um liegen, was eine verbesserte Auflösung liefern kann, wenn geladene Strahlung von geringerer Energie erfaßt werden soll. Die Totschicht des Halbleitersubstrates, die für Strahlung unempfindlich ist, kann bis zu 50 nm dünn sein, so daß ein Signal von β-Strahlung mit Energien von weniger als 30 keV nicht verloren geht.
  • Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer möglichen Anordnung der Steuerelektronik 24 aus Fig. 1 und dem Verhältnis der Steuerelektronik 24 zu einer m · n-Matrix der aktiven Schaltkreise 20 der Pixelzellen 18. Zur Erleichterung der Darstellung ist in Fig. 3 ein Feld von 9 Pixelzellen dargestellt, und nur einige der Signalleitungen, welche den Weg 22 in Fig. 1 bilden, sind gezeigt. Es ist klar, daß eine Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung normalerweise eine erheblich größere Anzahl an Pixelzellen aufweist als in Fig. 3 gezeigt sind. Die Reihenauswahllogik 60 steuert die Reihenauslesung (ENA 74) und die Reihenrückstellung (RES 76), und die Spaltenlogik 62 ermöglicht (COL-SEL) das Auslesen angesammelter Ladungswerte aus jedem Pixelschaltkreis 20 unter Ansprechen auf ein Taktsignal 79.
  • Die Steuerelektronik 24 umfaßt Reihenauswallogikschaltkreise 60, Spaltenadressierungslogikschaltkreise 62, Energiezufuhrschaltkreise 70, Analog-/Digitalwandler (ADC) 56 und die Signalverarbeitungsschaltkreise 58. Vorzugsweise ist ein Teil, wenn nicht die Gesamtheit, der Steuerelektronik 24 auf dem Substrat 16 am Rand des Abbildungsfeldes, welches durch das Feld von Pixelzellen 18 gebildet wird, untergebracht.
  • Die Energiezufuhrschaltkreise 70 liefern Energie für die einzelnen aktiven Schaltkreise 20 auf den Pixelzellen 18 über Leitungen 54 (in Fig. 3 schematisch dargestellt) und können zusätzlich so angeordnet sein, daß sie die Vorspannung über Leitungen (nicht dargestellt) für die Elektroden, welche die Pixelzellen begrenzen, liefern.
  • Die Reihenauswahllogik 60 liefert Signale über Reihenfreigabe- und Rückstelleitungen 64 bzw. 66 (in Fig. 3 ebenfalls schematisch dargestellt) zum Auswählen von Spalten für das Auslesen bzw. Zurücksetzen der individuellen aktiven Schaltkreise 20 der Pixelzellen 18. Die Reihenauswahl- 64 und Reihenrückstell-Leitungen 66 sind mit dem Freigabeeingang ENA-R-1 48 bzw. dem Rückstelleingang RES-R-1 46 jedes der Pixelschaltkreise der Reihe verbunden. Ebenfalls in der Reihenauswahllogik 60 dargestellt sind Reihenfreigabe- 74 und Reihenrückstell- Signale 76 für das Abtasten aufeinanderfolgender Reihen. Man kann sehen, daß der Rückstellimpuls 76 dem Reihenfreigabeimpuls 74 folgt, um ein Zurücksetzen der aktiven Schaltkreise nach dem Auslesen zu bewirken.
  • Die Spaltenauswahllogik 62 umfaßt wirksam einen Multiplexer für das Auswählen des Signalausgangs über die Spaltenleitungen 68 (die auch in Fig. 3 schematisch gezeigt sind), wobei jede Spaltenleitung mit dem SIGOUT-Ausgang 42 jedes Pixelschaltkreises 20 in dieser Spalte verbunden ist. Das COL-SEL-Signal 78, welches in der Spaltenauswahllogik 62 wiedergegeben ist, wählt somit Spalten für das Auslesen der individuellen aktiven Schaltkreise 20 der Pixelzellen 18, die gerade durch die Reihenfreigabeimpulse 74 ausgewählt sind. In der gezeigten Ausführungsform wird der Spaltenauswahlimpuls für aufeinanderfolgende Spaltenpositionen unter Ansprechen auf den Taktgeber CLK 79 während einer Reihenfreigabeperiode getaktet, so daß der angesammelte Ladungswert eines entsprechenden aktiven Pixelschaltkreises an der gerade ausgewählten Reihe bei jedem Taktimpuls ausgetaktet wird, bevor der Reihenauswahlimpuls zu der nächsten Reihe fortschreitet. Jeder aktive Pixelschalt kreis der gerade ausgelesenen Reihe wird dann gleichzeitig durch den Reihenrückstellimpuls 76 zurückgesetzt.
  • Die in Fig. 3 gezeigten Verbindungen sind unter Verwendung herkömmlicher Doppelmetallisierungstechnologie vollständig realisierbar. Obwohl die Pixel, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wird, in einer vorherbestimmten Reihenfolge sequentiell ausgelesen werden, ist es klar, daß auf die Pixel in Wirklichkeit in einer Art und Weise wahlfreien Zugriffs mittels getrennter Reihen- und Spaltenfreigabesignale zugegriffen wird. Es ist auch klar, daß die Abtastrichtung umgekehrt (Reihen zu Spalten) sein kann oder daß tatsächlich in einer vollständig zufälligen Reihenfolge durch geeignete Reihen- und Spaltenfreigabesignale auf individuelle Pixel zugegriffen werden kann. Es ist ebenfalls klar, daß der Grad an sequenzieller oder paralleler Verarbeitung leicht modifiziert werden kann, um den Erfordernissen einer jeweiligen Anwendung zu entsprechen. Z. B. können sämtliche Reihen gleichzeitig auf einen hohen Freigabezustand gesetzt werden, so daß der Spaltenauswahltaktgeber sämtliche Reihen parallel ausgibt, wodurch die Ausleserate erhöht wird. Das Zurücksetzen von Reihen braucht nicht mit der Ausleserate übereinzustimmen. Nach mehreren Auslesevorgängen kann jede Reihe mit einer geringeren Rate als der Ausleserate zurückgesetzt werden. Es ist klar, daß die Bestimmung von Reihen und Spalten willkürlich ist und umgekehrt werden kann.
  • Um eine sehr große Abbildungsfläche in einer wirksamen Art und Weise abzudecken, werden die Pixelzellen vorzugsweise in Blöcken von m · n Pixeln gruppiert, wobei die Pixel innerhalb eines Blocks sequentiell in Reihen ausgelesen und zurückgesetzt werden. Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm, das einen Block von zwei Reihen mal vier Spalten von Pixelschaltkreisen 20 zeigt. Die Pixelschaltkreise sammeln Ladung an den Gates der Transistoren MijA an, wobei i = 1, 2 und j = 1, 2, 3, 4 ist. Um die Transistoren auf einem niedrigen Potential zu halten, wird jedes Gate nach dem Auslesen geerdet. Das Auslesen wird eingeleitet, indem an den CLK-Eingang 80 eine Taktspur und an einen RB-IN-Eingang 82 eine hohe Taktperiode (Lesebit) angelegt wird.
  • Während der ersten Taktperiode gibt der RB-IN-Eingang 82 den Schalter SW4 frei, welcher die analoge Ausgangsleitung 68 für die vierte Spalte mit dem analogen Ausgang ROUT 88 verbindet. Wenn der Reihenfreigabeeingang ENA-R-1 für die erste Reihe während dieser ersten Taktperiode hochgesetzt ist, was die Schalttransistoren M1 *B 52 der ersten Reihe öffnet, fließt somit ein Signalstrom, der für eine Ladung, die an dem Gate des Transistors M 14A 50 des Pixelschaltkreises 20 (1,4) gespeichert ist, repräsentativ ist, durch diesen Transistor und über den Schalter SW4 zu dem analogen Ausgang ROUT 90.
  • Während der nächsten Taktperiode des Zeitgebers CLK muß die RB-IN-Eingangsgröße niedrig sein. Der hohe Zustand, ursprünglich am Eingang eines Flip-Flops U1, wird von der Taktspur CLK zum Eingang eines Flip-Flops U2 und eines Schalters SW3 getaktet, welcher anschließend die analoge Ausgangsleitung 68 für die dritte Spalte mit dem analogen Ausgang ROUT 88 verbindet, so daß ein Signalstrom, der eine Ladung wiedergibt, die an dem Gate des Transistors M 13A 50 des Pixelschaltkreises 20 (1,3) gespeichert ist, durch diesen Transistor und über den Schlater SW3 zu dem analogen Ausgang ROUT 90 fließen kann. Da der SW4 jetzt niedrig (unten) ist, ist die analoge Ausgangsleitung 68 für die vierte Spalte unterbrochen. Das Lesebit bewegt sich somit wellenförmig durch die Schalter SW4 bis SW1 und die Flip- Flops U1 bis U4 für aufeinanderfolgende Taktimpulse des Taktgebers CLK. Die Spaltenfreigabe-Flip-Flops U1 bis U4 bilden ein erstes Schieberegister.
  • Wenn das Lesebit aus dem Flip-Flop U4 getaktet herausgegeben wird, wird es getaktet zu dem Flip-Flop U1 zurückgegeben. Es wird auch getaktet zu den Taktgebereingängen der Reihenfreigabelogik US bis U7 und der Reihenrückstellogik U9 bis U11 gegeben. Jedesmal, wenn diese eine Takteingabe vom Ausgang des Flip-Flops U4 empfangen, bringen sie ein Lesebit bzw. ein Rückstellbit vorwärts, wobei sich das Rückstellbit eine Stufe hinter dem Lesebit bewegt. Die Reihenfreigabelogik-Flip-Flops US bis U7 bilden ein zweites Schieberegister und die Reihenrückstell-Flip-Flops U9 bis U11 ein drittes Schieberegister.
  • Auf diese Weise wird das Lesebit jedesmal, wenn eine Reihe ausgelesen ist, um eine Reihe nach oben bewegt. In gleicher Weise wird das Rückstellbit um eine Reihe nach oben bewegt, jedoch eine Reihe hinter dem Lesebit. Wenn das Rückstellbit aus dem letzten Flip-Flop U11 ausgelesen ist, wird es dem Lesebitausgang, RBO-Ausgang 84, zugeführt, und ein neuer Lesezyklus kann eingeleitet werden. Die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Lesevorgängen sollte ausreichend kurz sein, um die Gates der Transistoren MijA auf relativ kleinen Potentialunterschieden zu halten, vorzugsweise bei Potentialunterschieden unterhalb von 2 V von dem Rückstellpotential (oder dem Potential einer Ladungsansammlung von 0).
  • Bei einer weiteren Ausführungsform können die gleichen Funktionen, die in Fig. 4 gezeigt sind, mit einem Zähler durchgeführt werden, der Reihen- und Spaltenadressen erzeugt, die zu den gleichen Steuersignalen decodiert werden können, wie in Fig. 3, COLSEL 78, RES 76 und ENA 74.
  • Die Speicherkapazität der Transistoren MijA hängt von der Kapazität und der Spannung an dem Gate des Transistors ab. Die Transistoren MijA können bis zu 10 V aushalten, jedoch ist es wünschenswert, die Gatespannung ausreichend unterhalb davon und hoch bis zu etwa 2 V Potentialdifferenz von dem Rückstellsignal zu halten. Die Gatekapazität kann bis zu etwa 5 pF für Pixelgrößen unterhalb 50 um · 50 um hoch sein. Dies bedeutet, daß 6 · 10&sup7; Elektronen gespeichert werden können. Dies ist etwa das 86fache der Kapazität eines CCD, welcher Ladung in der Speichersenke in dem Substrat speichert.
  • Um die Vorteile zu schätzen, die von einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung geboten werden, nehme man eine einzelne Abbildungseinrichtung mit Ausmaßen von 2 cm · 2 cm an. Wenn die Pixelgröße 35 um · 35 um beträgt, dann enthält die Abbildungsebene 571 Reihen · 571 Spalten von Pixeln. Dementsprechend kann, wenn die Abbildungseinrichtung eine ASID ist, die Gesamtheit von 326.041 Pixeln alle 32 ms mit einer multiplexer Taktrate von 10 MHz ausgelesen werden. Somit wird in diesem Beispiel mit nur einem Auslesekanal alle 32 ms ein Rahmen angezeigt werden, was eine Echtzeitabbildung bietet. Da die Pixelschaltkreise eine Ladungsspeicherkapazität von mehreren 10,000.000 Elektronen haben, kann eine ASID tatsächlich mit Anwendungen von höchster vorhersehbarer Intensität fertig werden. Dies geschieht weder auf Kosten von räumlicher Bildauflösung (die Pixelgröße beträgt in diesem Beispiel 35 um) noch von Abbildungstotzeit und inaktiver Abbildungszeit. Tatsächlich kann jede Reihe von Pixeln unmittelbar nach dem Auslesen so lange zurückgesetzt werden, wie das Auslesen der nächsten Reihe dauert (der Auslesezyklus wurde in einem vorangegangenen Abschnitt erläutert). Diese Reihenauslesezeit beträgt 100 ns mal der Anzahl von Pixeln pro Reihe, d. h. 57,1 us. Anschließend beträgt die inaktive Zeit über eine Abbildungsrahmenerfassungszeit von 32 ms lediglich 57 us oder 0,17%, was praktisch keine Totzeit ist. Daher erzielt eine ASID eine hohe räumliche Auflösung, eine Echtzeitabbildung mit Abbildungsrahmenaktualisierungen von 32 ms, einem sehr hohen dynamischen Bereich, praktisch keiner Totzeit, sehr geringem elektronischem Rauschen und ist trotz alledem kostengünstig, indem nur ein Auslesekanal in diesem speziellen Beispiel erforderlich ist. Auch wenn man direkt auf jeden Pixelschaltkreis zugreift, ist es trivial, in einer ASID einen Kalibrierungsäbbildungsrahmen zu speichern, wobei einzelne Pixelbasiswerte gespeichert und von jedem angesammelten Abbildungsrahmen subtrahiert werden. Dieser Kalibrierungslauf kann in einer Echtzeitabbildungsanwendung jede paar Sekunden oder seltener durchgeführt werden, da die Basiswerte und ein sehr geringer Rauschpegel in einer ASID beständig bleiben.
  • Fig. 8 ist ein Schaltkreisdiagramm eines weiteren Beispiels eines aktiven Schaltkreises 20 für eine Pixelzelle 18 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Der Pixeldetektor 19 ist durch das Diodensymbol 182 wiedergegeben (der Detektor kann alternativ als ein Widerstand wirken), welches mit der Vorspannung VBIAS 180 verbunden ist, die über die Elektrode (nicht dargestellt), welche das Abreicherungsvolumen oder den Pixeldetektor 19 der Pixelzelle 18 definiert, angelegt ist.
  • Ladung, die durch Strahlung erzeugt wird, welche auf das Abreicherungsvolumen 19 der Pixelzelle 18 einfällt, ist eine Eingangsgröße für die Basis eines ersten Eingangstransistors 184 (hier einen Feldeffekttransistor (FET) mit einer Transkonduktanz von z. B. 0,3 mS und einem Drain-Source-Stromwert IDS von 100 uA und einer Kapazität von 0,1 pF). Source und Drain des Eingangs-FET 184 sind zwischen einer ersten Stromquelle 186 (hier einem geeignet aufgebauten FET, obwohl dieser durch einen Widerstand ersetzt sein könnte) und einer Erdungsleitung GND 174 miteinander verbunden. Die Stromquelle 186 ist wiederum mit einer positiven Speiseleitung V + 172 verbunden.
  • Die Verbindung zwischen dem Eingangs-FET 184 und der Stromquelle 186 ist mit einem Anschlußpunkt eines zweiten Transistors 188 verbunden, welcher einen bipolaren Basisschaltungsverstärker bildet, der durch die an seine Basis angelegte Vorspannung gesteuert wird. Die Basis des zweiten Transistors 188 ist mit der Vorspannungsleitung VQ 178 verbunden. Der verbleibende Anschlußpunkt des zweiten Transistors ist über einen Rückkopplungskondensator Cf 190 (z. B. mit einer Kapazität von 0,3 pF) mit der Basis des Eingangs-FET 184 verbunden.
  • Die Verbindung zwischen dem zweiten Transistor 188 und dem Kondensator Cf 190 ist ebenfalls mit einer zweiten Stromquelle (hier einem geeignet aufgebauten FET, obwohl dieser durch einen Widerstand ersetzt sein könnte) zu einer negativen Speiseleitung V- 176 verbunden. Ladung, die von Strahlung herrührt, welche auf das Abreicherungsvolumen der Pixelzelle einfällt, kann daher am Kondensator Cf 190 angesammelt werden.
  • X- und Y-Leseleitungen, Xread 160 und Yread 164, sind mit einer Leselogik 198 (hier einem zweibasigen FET) verbunden, welche wiederum zwischen der negativen Speiseleitung V- 176 und einem Ausgangsschalter 196 (hier einem FET) angeschlossen ist, wobei Ladung, die an dem Kondensator Cf 190 gesammelt wird, über eine Ausgangsleitung 156 ausgegeben werden kann, wenn an den Xread- und Yread-Leitungen 160 und 164 gleichzeitig ein Signal zugeführt wird. Die X- und Y-Rückstelleitungen, Xreset 162 und Yreset 168, sind mit einer Entladungslogik 100 (hier einem zweibasigen FET) verbunden, welche wiederum zwischen der negativen Speiseleitung V- 176 und einem Entladungsschalter 192 (hier einem FET 192) für das Entladen und dabei das Zurücksetzen des Kondensators Cf 190, wenn an den Xreset- und Yreset-Leitungen 162 und 168 gleichzeitig ein Signal zugeführt wird, angeschlossen ist.
  • Der in Fig. 8 dargestellte Schaltkreis bildet einen ladungsempfindlichen Verstärker mit einer Ladungsspeicherfähigkeit in dem Rückkopplungskondensator Cf 190 und mit einem Ausgang und einem Rückstellschaltkreis. Abhängig von der Ladungsspeicherzeit und von Bestrahlungshärteanforderungen können die FETs durch eine geeignete Technologie, wie JFET oder MOSFET, ausgeführt sein. Wenn der Kondensator Cf 190 eine Kapazität von 0,3 pF hat, entspricht dies einer Speicherkapazität von etwa 1,8 Millionen Elektronen. Wenn der Kondensator Cf 190 eine Kapazität von 1 pF hat, entspricht dies einer Speicherkapazität von etwa 6 Millionen Elektronen. Die maximale Ausgangstaktfrequenz mit einem Rückstell-FET in der Ausgangsleitung beträgt 5 bis 10 MHz. Diese maximale Ausgangsfrequenz verringert sich auf etwa 200 kHz ohne ein Rückstell-FET in der Ausgangsleitung.
  • Der in Fig. 8 dargestellte Schaltkreis könnte z. B. an einer Pixelzelle mit einer Größe von etwa 150 · 150 um ausgeführt sein. Bei Anwendungen, wie Gammakameras und Angiographie, braucht die Pixelgröße nicht kleiner zu sein als etwa 150 um im Durchmesser. In diesem Fall erlaubt der zusätzliche Raum auf den Pixelschaltkreisen weitere Operationen neben Ladungsansammlung, Auslesen und Zurücksetzen. Z. B. verstärkt die Anordnung aus Fig. 8 den Ladungswert, der angesammelt wurde. Darüberhinaus könnte die Anordnung aus Fig. 8 so modifiziert werden, daß sie eine Ladungsunterscheidung von ankommenden Strahlungstreffern vor einer Ansammlung auf dem Pixelschaltkreis bietet. Auf diese Weise kann ankommende Strahlung, die einer geringeren als einer erwarteten Energie entspricht, ausgeschlossen werden, bevor sie auf dem Pixelschaltkreis angesammelt wird. Um die Außenseite des Abbildungsbereichs, der von dem Feld aus Abbildungszellen gebildet wird, herum kann auch ein Teil oder die Gesamtheit der Steuerelektronik 24 als ein integraler Teil des Halbleitersubstratwafers 16 ausgeführt sein.
  • Fig. 9A ist eine genauere schematische Darstellung der Steuerelektronik 24 und des Verhältnisses der Steuerelektronik 24 zu aktiven Pixelschaltkreisen 20 des in Fig. 8 erläuterten Typs auf dem Substrat 16. Zur Erleichterung der Erläuterung ist in Fig. 9A ein Feld von 16 Pixelzellen dargestellt, und es sind nur einige der Signalleitungen gezeigt, welche den Weg 22 in Fig. 1 bilden. Es ist klar, daß eine Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung normalerweise eine erheblich größere Anzahl an Pixelzellen 18 aufweisen wird als es in Fig. 9A gezeigt ist.
  • Die Steuerelektronik 24 umfaßt X-Adressen-Logikschaltkreise 144, Y-Adressen- Logikschaltkreise 146, Energieversorgungsschaltkreise -150 und Signalverarbeitungsschaltkreise 148. Vorzugsweise ist ein Teil, wenn nicht die Gesamtheit, der Steuerelektronik 24 auf dem Substrat, auf dem die Pixelschaltkreise ausgeführt, sind, am Rand des Feldes von Pixelschaltkreisen ausgeführt. Die Energiezufuhrschaltkreise 150 liefern Energie für die einzelnen Pixelschaltkreise 20 über Leitungen 170 (welche in Fig. 9A schematisch dargestellt sind) und können darüberhinaus so angeordnet sein, daß sie die Vorspannung über Leitungen (nicht dargestellt) für die Elektroden, welche die Pixelzelldektoren definieren, liefern. Die X- und Y-Adressierungslogiken 144 und 146 liefern Signale über Reihen- und Spaltenleitungen 152 bzw. 154 (welche in Fig. 9 schematisch dargestellt sind) für das Steuern des Auslesens und Zurücksetzens der einzelnen Pixelschaltkreise 20. Der Signalverarbeitungsschaltkreis 148 ist mit Ausgangsleitungen 156 verbunden, welche in Fig. 9A für die aktiven Schaltkreise 20 schematisch dargestellt sind. Bei der Ausführungsform von Fig. 9A ist für jede Reihe von Pixelschaltkreisen 20 eine Ausgangsleitung vorgesehen und über einen Ausgangsverstärker 158 mit dem Signalverarbeitungsschaltkreis 148 verbunden. Es ist jedoch klar, daß als Alternativen für jede Spalte oder für Gruppen von Reihen oder Spalten oder für Gruppen von Pixelzellen/Schaltkreisen getrennte Ausgangsleitungen vorgesehen sein könnten, wenn dies erwünscht wäre.
  • Fig. 9B zeigt detaillierter die Signalleitungen, die zwischen dem Steuerschaltkreis 24 und einem Pixelschaltkreis 20 für eine Pixelzelle 18 gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sind. Die Energiezufuhrleitungen 170 umfassen eine positive Speiseleitung V+ 72, eine Erdungsleitung GRD 174, eine negative Speiseleitung V- 176 und eine Verstärkungsenergieleitung Vq 178. Die Reihenleitungen 152 umfassen eine Xread- Leitung 160 und eine Xreset-Leitung 162, und die Spaltenleitungen 154 umfassen eine Yread- Leitung 164 und eine Yreset-Leitung 168. Bei dieser Ausführungsform ist für jede Reihe eine Ausgangsleitung vorgesehen, wie es bereits erläutert wurde.
  • Die in den Fig. 2, 8 und 11 gezeigten Pixelschaltkreise können zusammen mit den in den Fig. 3, 4, 9A und 9B gezeigten Verbindungen unter Anwendung herkömmlicher Herstellungstechniken für integrierte Schaltkreise einstückig auf einem Halbleitersubstrat ausgeführt sein oder auf zwei übereinanderliegenden Halbleitersubstraten mit einem Feld aus Pixeldetektoren auf dem ersten Substrat und einem Feld von Pixelschaltkreisen auf einem zweiten Substrat, welches mechanisch mit dem ersten, z. B. durch Bump-Bonding, verbunden ist, mit einer Eins-zu-eins-Entsprechung zwischen Pixeldetektoren und deren entsprechenden Pixelschaltkreisen.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung für die Verwendung in der Mammographie umfaßt jeder Block 80 · 240 Pixel. Mammographie ist vielleicht eine Anwendung für die vorliegende Abbildungseinrichtung mit einigen der härtesten Anforderungen bezüglich Auslesegeschwindigkeit und Speicherkapazität. Für eine erfolgreiche Mammographie sollten 10&sup4;-Röntgenstrahlen mit 20 keV in einer Sekunde für jedes Pixel aufgezeichnet werden. Wenn jeder Pixelschaltkreis eine Speicherkapazität von 6 · 10&sup7;-Elektronen hat, bedeutet dies, daß mehr als zehntausend (10&sup4;) Röntgenstrahlen auf einem Pixel angesammelt werden können, bevor der Inhalt des Pixels ausgelesen werden muß. Es folgt daher, daß jedes Pixel z. B. in der Größenordnung von 10 mal pro Sekunde oder weniger ausgelesen werden kann, was einer Pixelausleserate von 10 Hz entspricht. In einem Block mit 80 Reihen von jeweils 240 Pixeln ist die Auslesezeit des gesamten Blocks definiert durch die Taktrate, dividiert durch 19.200, welches die gesamte Anzahl an Pixeln in dem Block ist. Bei einer Taktrate von 10 MHz, was eine typische Taktrate ist, kann der gesamte Block mit einer Rate von 520 Hz ausgelesen werden. Da für Mammographie nur 10 Hz benötigt werden, kann man erkennen, daß die vorliegende Ausführungsform der Erfindung in der Lage ist, Intensitäten vom bis zu 50fachen derjenigen, die für Mammographie erforderlich ist, zu verarbeiten. Diese Redundanz bietet, wie es kurz erläutert werden wird, die Möglichkeit, die Ausgaben vieler Blöcke (Ziegel bzw. Kacheln) zusammenzubündeln und die Gesamtanzahl von Auslesekanälen zu minimieren.
  • Ein Gesichtspunkt für den Betrieb der Einrichtung ist die Totzeit, die als die Zeit definiert werden kann, die es dauert, um jede Reihe zurückzusetzen, nachdem sie ausgelesen wurde. Eine Reihe von Pixeln kann in 10 us oder weniger zurückgesetzt werden. Während dieser Zeit sind die Pixel inaktiv. Da in einer Sekunde (was typisch ist für ein Mammogramm) 10 oder weniger Auslese- und Rückstellvorgänge durchzuführen sind, bedeutet dies, daß die gesamte Totzeit 0,0001 Sekunden oder 0,01% Totzeit, verglichen mit der Gesamtzeit, für welche die Abbildungseinrichtung aktiv sein muß, beträgt. Die Totzeit bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ist daher insignifikant und so gut, wie keine Totzeit. Um zu verstehen, wie gering diese Totzeit ist, wird angemerkt, daß die Anzahl an Röntgenstrahlen, die während dieser Zeit verlorengehen, (unter der Annahme von 104-Rötgenstrahlen pro Pixel pro Sekunde) 10&sup4; · 0,0001 (etwa 1 Röntgenstrahl pro Pixel) beträgt. Dies ist sehr viel geringer als die Quantenvariationsgrenze (100), welche der statistische Fehler für 10.000 Röntgenstrahlen ist. Dementsprechend arbeitet diese Ausführungsform der Erfindung mit einer Leistung, die der maximal möglichen statistisch erzielbaren Leistung entspricht.
  • Das in Fig. 2 oder Fig. 11 dargestellte Beispiel eines Pixelschaltkreises kann mit Hauptausmaßen von weniger als 35 um ausgeführt sein, so daß die Pixelzellen 35 um im Quadrat oder kleiner sein können. Jeder Block hat somit Ausmaße von 4 mm · 12 mm, und eine Abbildungsoberfläche mit einer Fläche von z. B. 18 cm · 24 cm kann aus einem Mosaik von wenigen 100 Ziegeln bzw. Kacheln gebildet werden, wobei jeder Ziegel bzw. Kachel einem Block von z. B. 115 · 341 Pixelzellen entspricht.
  • Die Verwendung eines Ziegelansatzes bzw. Kachelansatzes für die Erzeugung großer Abbildungsoberflächen hat den Vorteil einer großen Herstellungsausbeute. Sie bietet auch den Vorteil von Modularität, so daß es möglich ist, wenn ein Ziegel bzw. eine Kachel versagt, den Ziegel bzw. die Kachel zu ersetzen, ohne daß man die gesamte Abbildungsoberfläche ersetzen muß. Dies macht ein großes Abbildungsfeld wirtschaftlich brauchbar.
  • Überraschenderweise ist es noch möglich, unter Verwendung eines Ziegel- bzw. Kachelansatzes eine gute Abbildungsqualität zu erzielen, obwohl die Ziegel bzw. Kacheln die Blöcke von m · n Pixelzellen und den damit verbundenen Schaltkreis und die Steuerelektronik enthalten. Jeder Ziegel bzw. jede Kachel wird ein Minimum von vier, möglicherweise fünf bis zehn äußeren Verbindungen benötigen. Darüberhinaus gibt es auf jedem Ziegel bzw. jedem Kachel am Rand des aktiven Abbildungsbereiches, welcher das Feld von m · n Pixelzellen umfaßt, einen inaktiven Raum, wo die Steuer- und Logikschaltkreise des Ziegels bzw. der Kachel angeordnet sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ziegel bzw. Kacheln daher in einem Mosaik angeordnet, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.
  • Für eine Verwendung in der Mammographie sollte eine Erfassungsebene die Größenordnung von 30 · 30 cm² haben. In der Erfassungsebene ist kein Totraum erlaubt. Um dies mit der in Fig. 5 gezeigten Anordnung zu erreichen, bewegt sich das Mosaik in zwei Schritten, so daß die gesamte abzubildende Oberfläche vollständig abgedeckt werden kann, indem man drei Abbildungsrahmen ansammelt. Die Ziegel- bzw. Kachelform kann im wesentlichen rechteckig sein. Die optimale Länge der Erfassungsfläche (oder aktiven Fläche) eines Ziegels bzw. einer Kachel ist gleich dem Zweifachen des gesamten Totraumes an den Längsseiten. Da jedoch die geschätzte Ziegel- bzw. Kachelanordnungsgenauigkeit von 50 bis 100 um eine gewisse Überlappung des aktiven Bereiches der Ziegel bzw. Kacheln erfordert, können die Ziegel- bzw. Kachelausmaße nicht den optimalen Ausmaßen entsprechen. Ein Beispiel für das mögliche Mosaik für eine Mammographieanwendung kann 621 Ziegel bzw. Kacheln umfassen, wobei jeder Ziegel bzw. jede Kachel 41.760 Pixelzellen von jeweils 35 · 35 um² hat.
  • Die Bewegung des Abbildungsmosaiks kann erreicht werden, indem man herkömmliche mechanische Anordnungen mit ausreichender Genauigkeit und Geschwindigkeit verwendet.
  • Fig. 5 zeigt, daß an jedem Ziegel bzw. jede Kachel ausreichend Raum für die Elektronik vorgesehen wurde. Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung ist so optimiert, daß sie es erlaubt, eine vollständige Oberflächenabbildung zu erzeugen, wobei drei Abbildungen gesammelt werden, jeweils vor, zwischen und nach zwei Schritten von 12 mm. Es ist jedoch klar, daß andere Ausführungsformen Variationen von der in Fig. 5 gezeigten Anordnung verwendet werden können und daß die hier offenbarte Technik in jeder Anwendung für eine Ansammlung von 100% einer Abbildung verwendet werden kann.
  • Fig. 5A zeigt einen Teil der Steuerelektronik für eine Ausführungsform, welche ein Mosaik von Ziegeln bzw. Kacheln umfaßt, wie es z. B. in Fig. 5 gezeigt ist.
  • Die Grundsteuerelektronik für jeden Ziegel bzw. jede Kachel (z. B. T2) entspricht allgemein derjenigen, die in Fig. 3 gezeigt ist. Jedoch sind, anstatt das für jeden Ziegel ein ADC 56 vorgesehen ist (wie es in Fig. 3 gezeigt ist), die Ausgänge von einer Mehrzahl von Ziegeln (z. B. T1 bis T10) über einen Hauptmultiplexer mm (der z. B. mit einer Taktrate von 10 MHz bis 100 MHz arbeitet) mit einem gemeinsamen ADC 561 und von dort mit der Signalverarbeitungslogik, der Anzeige usw. 58 verbunden. Der Hauptmultiplexer mm braucht nicht auf den Ziegeln selbst plaziert zu sein, sondern kann in der Nähe dazu angeordnet sein. Die ADCs 561 sind ebenfalls nicht auf den Ziegeln vorgesehen, sondern vorzugsweise in der Nähe angeordnet.
  • Ein Vorteil der Verwendung eines Hauptmultiplexers besteht darin, daß die Anzahl von benötigten ADCs verringert werden kann, wodurch sich die Gesamtkosten des Abbildungssystems vermindern. Als eine Alternative zu Fig. 5A können die Ziegel daisy-chain-verknüpft sein und ausgelesen werden, indem man einen einzigen, gemeinsamen ADC verwendet. Die hochauflösenden ADCs stellen einen teuren Teil des Gesamtsystems dar, so daß eine Verringerung von deren Anzahl eine beträchtliche Auswirkung auf die Gesamtkosten haben kann. Bei Anwendungen, wie Mammographie, herkömmlichen Röntgenstrahlen, Torax- Röntgenstrahlen usw., die ein Mosaik von mehreren hundert Ziegeln umfassen können, werden mindestens etwa neun ADCs benötigt (d. h. gerade neun Ausgangskanäle), um auch für Hochintensitätsanwendungen die gewünschte Ausleseleistung zu liefern. Der Schaltkreis einer Ausführungsform der Erfindung ermöglicht es, daß Ziegel in einer kontrollierten Art und Weise ausgelesen werden, so daß eine Abbildung angesammelt werden kann, indem die Ziegel vielfach ausgelesen werden. Dies ist etwas, das z. B. mit einer CCD-Einrichtung nicht durchgeführt werden kann. Das mehrfache Auslesen der Ziegel ermöglicht eine Kontrastverbesserung in der nachfolgenden Art und Weise. Als ein Beispiel nehme man an, daß 5000 Röntgenstrahlen auf ein Detektorpixel einfallen. Wenn die Speicherkapazität des Pixels alle 5000 Röntgenstrahlen verarbeiten kann, könnte man sich dafür entscheiden, die Ausleserate so einzustellen, daß sie einer Taktgebung für das Empfangen von 5000 Röntgenstrahlen entspricht, so daß an einem Pixel analoge Ladungswerte für alle 5000 Röntgenstrahlen gespeichert werden können und anschließend der gesamte angesammelte Ladungswert ausgelesen wird. Wenn ein 10-Bit ADC (d. h. 1024 Graustufen) verwendet wird, werden jeweils 4,88 Röntgenstrahlen (d. h. 5000 Röntgenstrahlen/1024) dann einer anderen Graustufenquantisierung entsprechen. Wenn jedoch eine schnellere Ausleserate verwendet wird, z. B. mit einer Taktgebung, die dem Empfang von 1000 Röntgenstrahlen entspricht, und der gleiche ADC verwendet wird, dann entsprechen 1000 Röntgenstrahlen/1024 = 0,97 der Graustufenquantisierung. Aus diesem schematischen Beispiel kann man sehen, daß die Graustufenauflösung erhöht werden kann, indem einfach mit einer höheren Rate ausgelesen wird.
  • Die unmittelbar zuvor und unter Bezugnahme auf Fig. 5A beschriebenen Techniken ermöglichen eine Optimierung zwischen Kosten (mehr Multiplexen und weniger ADCs) und Bildkontrast (weniger Multiplexen und mehr ADCs).
  • Die Fig. 6A-6C erläutern ausführlicher den Aufbau eines Beispiels für einen Ziegel bzw. eine Kachel, der (die) einen schichtartigen Aufbau hat, mit einer Hybridträgerplatte 210, einem Siliciumauslesechip 212, der auf der Trägerplatte befestigt ist, und einer Pixeldetektorschicht 214, die beispielsweise aus CdZnTe, CdTe, HgI&sub2;, GaAs, Ge, Si oder TIBr hergestellt und mit dem Auslesechip durch Bump-Bonding verbunden ist. Fig. 6A ist eine Flächendarstellung der Pixeldetektorschicht 214, welche in diesem Beispiel einen aktiven Oberflächenbereich 216 von 19,985 mm · 19,985 mm hat. Um den aktiven Oberflächenbereich der Pixeldetektorschicht herum befindet sich ein inaktiver Bereich mit einem Detektorschutzring 218. Fig. 6B ist eine Flächendarstellung der Detektorschicht, die auf dem Auslesechip 212 und der Trägerplatte 210 befestigt ist. Es ist klar, daß, wie auch der Detektorschutzring 218, der inaktive Bereich, welcher den aktiven Detektorbereich umgibt, ebenfalls die Ränder des Auslesechips 212 und der Hybridträgerschicht 210 und den zwischen den Ziegeln benötigten Raum umfaßt. Leitungsverbindungsanschlußflächen 220 an der Trägerschicht oder Platte 210 erlauben die elektrische Verbindung des Auslesechips mit der Schalttechnik auf der Platte 210 und von dort über eine Rückwandplatine mit dem Bildverarbeitungsschaltkreis. Fig. 6C ist ein Querschnitt des Ziegels bzw. der Kachel, der (die) die Detektorschicht 214 zeigt, welche an einzelnen Pixelstellen Bump-Bonding 222 mit dem Auslesechip verbunden ist. Die Trägerplatte ist mit einem Feld von Stiften 224 für das Positionieren und Verbinden des Ziegels an einer Rückwandplatine ausgestattet.
  • Die Fig. 7A-7D zeigen eine Alternative zu dem Bereitstellen der Übertragung einer einzelnen Erfassungsebene, welche unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben ist, z. B. für eine Anwendung bei der Autoradiographie, wo eher die abzubildende Oberfläche als eine externe Quelle Strahlung emittiert. Man stelle sich ein Beispiel für Autoradiographie vor, bei dem eine Probe mit Isotopen (z. B. C-14, P-32, P-35, S-32, I-125, H-3 usw.) markiert und so nah wie möglich an einem Bilddetektor (z. B. einer Abbildungsebene, wie sie in Fig. 7A dargestellt ist) angeordnet ist. Üblicherweise ruht die Probe auf einer dünnen Mylarschicht von etwa 1,5 um Dicke, um eine Kontamination zu vermeiden. Wenn die Probe auf der Abbildungsebene angeordnet ist, wäre eine Bewegung der Abbildungsebene, wie sie unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben ist, nicht möglich. Infolge der inaktiven Bereiche um die aktiven Bereiche der Ziegel bzw. Kacheln herum wird der aktive Abbildungsbereich einer einzelnen Mosaikschicht, wie in Fig. 7A, jedoch nur etwa 85% der Gesamtfläche abdecken. Fig. 7A erläutert einige der Abmessungen für ein Beispiel eines Ziegel- bzw. Kachelmosaiks.
  • Eine Lösung für dieses Problem, wie es in den Fig. 7B und 7C schematisch erläutert ist, besteht darin, ein Sandwich aus zwei Abbildungsebenen DP1 und DP2 oberhalb bzw. unterhalb der Probe OS vorzusehen. Die zweite Abbildungsebene wird so nah wie möglich an die erste Abbildungsebene gebracht mit der Probe dazwischen, wobei die Abbildungsebenen parallel zueinander und in Bezug zueinander leicht versetzt sind. Die Positionsgenauigkeit kann bis zu 1-2 um betragen. Fig. 7D gibt den toten oder inaktiven Raum zwischen den aktiven Abbildungsbereichen in der in den Fig. 7B und 7C gezeigten Anordnung wieder. Die weißen Stellen geben die inaktiven Bereiche wieder, wobei die kreuzweise schraffierten Flächen zeigen, wo sich die aktiven Bereiche überlappen, und die verbleibenden schraffierten Flächen zeigen, wo nur ein aktiver Bereich über einem Bereich der Probe liegt. In dem speziellen gezeigten Beispiel und wie es in Fig. 7D wiedergegeben ist, sind nur 1,2% der Gesamtfläche inaktiv. 68,9% werden von beiden Abbildungsebenen abgebildet (wodurch der Wirkungsgrad erhöht wird, da Strahlung auf beiden Seiten der Probe erfaßt wird), und 29,9% werden von nur einer Ebene abgebildet. Die 1,2% an inaktivem Bereich können noch abgedeckt werden, indem man die obere Ebene gelegentlich anhebt und sie z. B. entlang der Diagonalen leicht versetzt.
  • Im Idealfall werden bei der Autoradiographie Abbildungsflächen mit einer Größe von 42 cm · 39 cm benötigt. Mit Ziegelabmessungen, wie sie oben erwähnt wurden, und Pixeln von 35 um · 35 um können mit 578 Ziegeln 98,8% der Gesamtfläche abgedeckt werden. Es würden nur 40 ACDs oder weniger benötigt, wenn die Ziegel zusammengebündelt würden, wie es an anderer Stelle hierin beschrieben ist. Unter Verwendung dieser Techniken könnte ein neues Gesamtbild erzeugt und alle drei Sekunden angezeigt werden. Diese Anwendung der Erfindung kann praktisch eine Abdeckung einer Probe von 4 u unter Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades, Echtzeitabbildung, eine räumliche Auflösung von 35 um und einen dynamischen Bereich von 6facher Größenordnung liefern.
  • Somit besteht diese alternative Anordnung, welche für die Verwendung bei Anwendungen, bei denen das abzubildende Objekt eine Strahlungsquelle aufweist, geeignet ist, darin, erste und zweite Erfassungsebenen bereitzustellen, die im wesentlichen parallel zueinander und voneinander beabstandet und mit einer abzubildenden Objektquelle zwischen den Erfassungsebenen angeordnet sind. Indem man die Ziegel der jeweiligen Abbildungsebenen in Bezug zueinander seitlich versetzt anordnet, ist es möglich, eine im wesentlichen vollständige Abbildung eines Objektes zu erreichen, wobei die Strahlung von dem Objekt in Richtung beider Ebenen im wesentlichen die gleiche ist.
  • Bei anderen Anwendungen können andere Anordnungen von Abbildungseinrichtungen verwendet werden. Z. B. werden die Abbildungseinrichtungen für Computertomographieanwendungen im wesentlichen tangential um den Umfang eines Rings oder eines Teilrings angeordnet, um eine Scheibe eines abzubildenden Objektes zu umschließen oder teilweise zu umschließen. Die Abbildungsebenen könnten auch im wesentlichen tangential um den Umfang mehrerer Ringe oder Teilringe angeordnet sein, welche in der Richtung, die eine gemeinsame Achse der Ringe oder Teilringe bildet, voneinander versetzt sind, um mehrere Scheiben des Objektes abzubilden. Bei anderen Anwendungen, wie zerstörungsfreiem Testen und Überwachen in Echtzeit, könnten die Abbildungseinrichtungen ziegelartig bzw. kachelartig zusammengelegt sein, so daß sie ein Mosaik bilden, das der Fläche und der Form eines abzubildenden Objektes entspricht, und/oder daß sie ein Mosaik bilden, welches einen Teil oder die Gesamtheit eines abzubildenden Objektes umgibt.
  • Eher noch als die Anordnung von Pixelzellen in einem weitestgehend rechteckigen Feld könnte die Abbildungseinrichtung bei anderen Anwendungen als ein Spalt aufgebaut sein, bei dem Pixelzellen in einer einzelnen Spalte angeordnet sind, oder als ein Schlitz, bei dem Pixelzellen in einer Anzahl von Spaltennebeneinander angeordnet sind. Ein Spalt oder Schlitz kann bei vielen Anwendungen verwendet werden, wie röntgenologischer Körperabtastung, Zahnpanoramaabbildung, Sicherheitsabtastung usw. Die Verwendung eines Schlitzes kann auch als eine Alternative zu einer vollflächigen Abtastung mit dem Vorteil geringerer Kosten aufgrund der kleineren Abbildungsoberfläche benutzt werden. Im Fall eines Spaltes oder eines Schlitzes mit einer oder zwei Reihen von Pixeln könnten die Pixelschaltkreise eher auf der Seite der entsprechenden Pixeldetektoren und auf dem gleichen Halbleitersubstrat angeordnet sein als hinter den Pixeldetektoren auf dem gleichen oder einem anderen Halbleitersubstrat. Ein sehr langer ununterbrochener Spalt (oder Schlitz) könnte ausgebildet werden, indem man eine Anzahl von Spaltziegeln (oder Schlitzziegeln) mit den Enden aneinander anordnet. Die Ziegel benachbarter Spalten können in Spaltenrichtung versetzt sein, so daß während des Abtastens kein inaktiver Bereich vorhanden sein wird, der dem inaktiven Raum zwischen Ziegeln entspricht. Dies ist in Fig. 5 gezeigt. Indem man die Steuerelektronik an der Seite der Pixelzellen, welche durch die Pixeldetektoren und die Pixelschaltkreise gebildet werden, anordnet, können sich die Pixelzellen im wesentlichen bis zum Ende der einzelnen Spaltziegel (oder Schlitzziegel) erstrecken. Auf diese Weise kann ein sehr langer, ununterbrochener Spalt (oder Schlitz) in einer sehr kostengünstigen Art und Weise hergestellt werden.
  • Kehrt man zurück zu Fig. 1, so umfaßt die Steuerelektronik 24 den unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 beschriebenen Verarbeitungs- und Steuerschaltkreis, welcher mit den Pixelzellen 18 auf dem Halbleitersubstrat verbunden ist, wie es schematisch durch den Doppelpfeil 22 wiedergegeben ist. Die Steuerelektronik 24 ermöglicht es, daß die aktiven Schaltkreise 20, die mit individuellen Pixelzellen 18 verbunden sind, für das Auslesen von Ladung, die in den aktiven Schaltkreisen 20 an den individuellen Pixelzellen 18 angesammelt ist, adressiert (z. B. abgetastet) werden. Die ausgelesene Ladung wird Analog-/Digitalwandlern (ADCs) zur Digitalisierung und Datenreduktionsprozessoren (DRPs) zur Verarbeitung des binären Signals zugeführt.
  • Die Verarbeitung, die von den DRPs durchgeführt wird, kann die Unterscheidung von Signalen umfassen, welche bestimmte Bedingungen, wie ein minimales Energieniveau, nicht erfüllen. Dies ist besonders geeignet, wenn jedes Auslesesignal, einem einzelnen auftreffenden Strahlungsereignis entspricht. Wenn die Energie, die dem gemessenen Signal entspricht, geringer ist als diejenige, die für die verwendete Strahlung erwartet wird, kann daraus geschlossen werden, daß der verminderte, gespeicherte Ladungswert von Streuungseffekten herrührt. In solch einem Fall kann die Messung mit einer daraus resultierenden Verbesserung der Bildauflösung verworfen werden. Alternativ kann die Unterscheidung für Pixel, die größer als 100 um im Durchmesser sind, auf jedem Pixelschaltkreis durchgeführt werden, wie es zuvor erwähnt wurde. In diesem Fall werden Treffer mit niederiger Energie ausgeschlossen, während die übrigen auf den Pixelschaltkreisen angesammelt werden.
  • Die Steuerelektronik 24 ist weiterhin über einen Weg, der schematisch durch den Pfeil 26 wiedergegeben ist, an einen Bildprozessor 28 angeschlossen. Der Bildprozessor 28 umfaßt einen Datenspeicher, in dem er den digitalen Wert, der die aus jeder Pixelzelle ausgelesene Ladung wiedergibt, zusammen mit der Position der betreffenden Pixelzelle 18 speichert. Für jede Pixelzelle 18 wird jeder aus der Pixelzelle ausgelesene Ladungswert zu dem bereits für diese Pixelzelle gespeicherten Ladungswert addiert, so daß ein Ladungswert angesammelt wird. Als ein Ergebnis kann jede Abbildung als eine Wiedergabe eines zweidimensionalen Feldes von Pixelwerten, die z. B. in einer Datenbasis abgelegt werden können, gespeichert werden.
  • Der Bildprozessor 28 kann auf die gespeicherten Bilddaten in der Datenbasis zugreifen, um eine gegebene Abbildung (das gesamte Feld) oder einen Teil der Abbildung (einen Teilabschnitt des Abbildungsfeldes) auszuwählen. Der Bildprozessor 28 liest die für die ausgewählten Pixelpositionen gespeicherten Werte und veranlaßt eine Wiedergabe der anzuzeigenden Daten auf einer Anzeige 32 über einen Weg, der durch den Pfeil 30 schematisch dargestellt ist. Die Daten können natürlich anstatt oder zusätzlich dazu, daß sie angezeigt werden, gedruckt und weiteren Verarbeitungsvorgängen unterzogen werden. Hintergrund und Rauschen können als eine Konstante von jedem Pixelladungswert abgezogen werden. Diese Basis- und/oder Hintergrundsubtraktion ist möglich, wenn vor der Bildaufnahme ein "leeres" Bild erfaßt wurde. Für jedes Pixel wird ein Hintergrundwert hergeleitet und kann dementsprechend abgezogen werden.
  • Der Betrieb des Pixelprozessors 28 wird nachfolgend ausführlicher beschrieben werden.
  • Fig. 12 erläutert eine Abbildungstechnik unter Verwendung einer Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung mit einem Spalt oder Schlitz aus beliebig zugänglichen, aktiven, dynamischen Pixelzellen. Gemäß dieser Technik wird der Spalt oder Schlitz mit einer konstanten Geschwindigkeit v seitwärts bewegt und alle t&sub1;-t&sub0; Zeiteinheiten ausgelesen.
  • In dem in Fig. 12 gezeigten Beispiel ist ein Spalt mit 6 Pixeln dargestellt, wobei jedes Pixel die Dimensionen (x, y) hat. Die konstante Bewegung verläuft in Richtung der Dimension x. Wenn ein Auslesen zum Zeitpunkt t&sub0; stattfindet, dann sollte sich der Spalt gemäß diesem Gesichtspunkt der Erfindung bis zu einem Zeitpunkt t&sub1; bewegen können und anschließend wieder ausgelesen werden. Die bewegte oder abgetastete Entfernung während der Zeitdauer t&sub1; - t&sub0; beträgt dx und sollte nicht größer als die Hälfte der Pixelgröße in der Bewegungsrichtung (d. h. dx < = x/2). Diese Technik verbessert die Auflösung entlang der Achse der Bewegung um einen Faktor von zwei gegenüber einer Vollfeldabbildung oder herkömmlichen Spalttechniken (Schlitztechniken). Der Grund für die Verbesserung liegt in dem Mehrfachabtastungsmodus, der angewendet wird und entsprechend welchem, wenn der Spaltrahmen (Schlitzrahmen) in ausreichend kurzen Intervallen angesammelt wird (die abgetastete Entfernung muß kürzer sein als die Hälfte der Pixelgröße), die darunterliegende Struktur mit einer Auflösung "abgefühlt" wird, die der Pixelgröße eher gleich ist als dem Zweifachen der Pixelgröße. Das Zweifache der Pixelgröße ist die wirksame Auflösung für eine Vollfeldabbildungsebene oder einen Spalt (Schlitz), der nicht gemäß dieser Technik arbeitet. Die oben beschriebene Technik kann z. B. bei Panaromazahnabbildung verwendet werden. Die Abtastgeschwindigkeit beträgt typischerweise 4 cm/s, und der Schlitz hat eine Breite von 4 mm und eine Länge von 8 cm. Dies läßt sich übertragen auf 80 · 1.600 Pixel mit einer Pixelgröße von 50 um im Quadrat. Die gesamte Abbildungsabtastung sollte etwa 10 Sekunden dauern. Bei einem Beispiel sollte der Schlitz wenigstens alle 25 um ausgelesen werden, was eine Schlitzausleserate von 1,6 kHz bedeutet. Wenn Pixelblöcke aus 80 Spalten · 20 Reihen von Pixeln und eine Taktfrequenz von 5 MHz verwendet werden, beträgt die Blockauslesegeschwindigkeit 5 · 10&sup6;/(20 · 80) = 3,1 kHz, viel mehr als die erforderlichen 1 kHz.
  • Wenn die Spalttechnik (Schlitztechnik) verwendet wird, sollte die Röntgenstrahlenquelle auf einen höheren Betriebsstrom eingestellt sein, oder, wenn es möglich ist, sollten die Röntgenstrahlen von einem Vollfeldbereich auf die Dimensionen des Spaltes (Schlitzes) konzentriert werden. Dies ist erforderlich, um die Bildsammelzeit konstant zu halten: In vielen Fällen kann dies technisch schwierig und teuer sein. Eine Alternative zu der Einzelspalttechnik (Einzelschlitztechnik) ist eine Mehrspalttechnik (Mehrschlitztechnik). Gemäß dieser Variante sind mehrere Spalte (Schlitze) in einer Ebene parallel zueinander und mit einem gewissen konstanten Abstand zwischen den Längsachsen der Spalte (Schlitze) angeordnet. Wenn n- Spalte (Schlitze) vorhanden sind und die abzutastende Gesamtentfernung X cm beträgt, muß jeder Spalte (Schlitz) auf diese Art und Weise nur X/n cm abtasten. Dies stellt geringere Anforderungen an die Mechanik, aber wichtiger ist, daß die Intensität der Röntgenstrahlenquelle nur um X/(n x Spaltbreite (Schlitzbreite)) erhöht werden muß.
  • Es werden nun verschiedene Verfahren des Betriebs von Ausführungsformen von Abbildungseinrichtungen und -systemen gemäß der Erfindung beschrieben. Wie oben erwähnt wurde, sind die Einrichtungen und Systeme der Erfindung darauf gerichtet, eine Abbildung hochintensiver Strahlung zu liefern, die direkt auf die Abbildungseinrichtungen auftreffen soll. Bei Ausführungsformen der Erfindung wird Ladung unter Ansprechen auf Strahlungstreffer angesammelt (indem Ladungswerte direkt oder als Spannungs- oder Stromäquivalente gespeichert werden), wobei der Ladungswert direkt und linear im Verhältnis zu der Gesamtenergie der einfallenden Strahlung steht und nicht durch Zählen der Anzahl von Punkten oder Ereignissen oder Pulsen. Somit sammelt eine ASID Ladung an den Gates von Transistoren und/oder Kondensatoren (oder anderen ladungsansammelnden Einrichtungen, die auf dem Pixelschaltkreis ausgeführt sind), welche der Grund ist für den Großteil der Eingangsknotenkapazität für jeden Pixelschaltkreis und jeden Pixeldetektor, und eine ASID hat direkten Eins-zu-eins-Zugang zu sämtlichen Pixelzellen. Diese zwei Hauptmerkmale haben eine dramatische Auswirkung auf die Leistung. Eine ASID kann etwa zwei Größenordnungen mehr an Ladung ansammeln als ein CCD. Eine ASID bietet auch eine unzweideutige Abbildung mit weniger als einem Bruchteil eines Prozentes an inaktiver Zeit. Der elektronische Rauschpegel beträgt gerade einmal etwa wenige 100 Elektronen.
  • Verglichen mit herkömmlichen impulszählenden Halbleiterpixeldetektoren hat eine ASID keine Beschränkung bezüglich der Intensität der Strahlung (und/oder des Lichtes). Lange Abbildungsrahmenansammelzeiten (bis zu 1 Sekunde, falls erforderlich) und ein sehr hoher dynamischer Bereich erlauben Hochintensitätsechtzeitabbildung oder Sättigung.
  • Wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 erwähnt wurde, befindet sich hinter den ADCs ein Bildprozessor 28, welcher den digitalen Wert, der die aus jeder Pixelzelle ausgelesene Ladung wiedergibt, zusammen mit der Position der betreffenden Pixelzelle 18 speichert. Für jede Pixelzelle 18 wird jeder aus der Pixelzelle ausgelesene Ladungswert zu dem bereits für diese Pixelzelle gespeicherten Ladungswert addiert, so daß ein Ladungswert angesammelt wird. Infolgedessen kann jede Abbildung als eine Wiedergabe eines zweidimensionalen Feldes von Pixelwerten gespeichert werden.
  • Die Bilddaten können z. B. in einer Datenbasis als ein zweidimensionales Feld für die Abbildung gespeichert sein:
  • Abbildung (1 : NPixel, 1 : 3),
  • wobei der erste Index NPixel Einträge umfaßt, welche eine Pixelanzahl auf der Abbildungsebene wiedergeben, die linear von Eins bis zu einer maximalen Pixelanzah) NPixel läuft, und der zweite Index umfaßt drei Werte für die x- und y-Koordinaten und den Ladungswert, der jeweils für jedes Pixel angesammelt wurde. Für jede Abbildung kann ein Hintergrund-/Basisfeld subtrahiert werden. Die Hintergrund-/Basispixelwerte können z. B. unmittelbar vor einer Abbildungsansammlung als eine Kalibrierungsabbildung angesammelt werden. Diese Art der Kalibrierung ist für jedes Pixel einzeln vorgesehen und nicht als eine gemeinsame Konstante für sämtliche Pixel.
  • Der Bildprozessor 28 greift auf die gespeicherten Abbildungsdaten in der Datenbasis zu, um eine gegebene Abbildung (das gesamte Feld) oder einen Teil der Abbildung (einen Unterabschnitt des Abbildungsfeldes) auszuwählen, und veranlaßt eine Wiedergabe der Daten, die angezeigt, gedruckt oder weiterverarbeitet werden sollen.
  • Vorzugsweise findet der Bildprozessor 28 vor dem Anzeigen, dem Drucken oder der Weiterverarbeitung der Bilddaten die zwei Pixelladungsextremwerte, die für die ausgewählten Pixel gespeichert sind, und ordnet diese Werte den zwei Extremwerten der Grau- oder Farbskala zu, die für das Anzeigen, das Drucken oder die Weiterverarbeitung der Abbildung verwendet werden kann, wenn sie geeignet ist. Die verbleibenden Ladungswerte für die Pixelpositionen können dann entsprechend der Ladung, die auf dem Pixel hinterlegt ist, einem dazwischenliegenden Grauskalen- oder Farbwert zwischen diesen Extremwerten zugeordnet werden. Z. B. kann der Grauskalenwert den Ladungswerten für individuelle Pixel gemäß der folgenden Gleichung zugeordnet werden:
  • Grauskalenwert des Pixels i:
  • Die Auswahl eines zu zoomenden Bereiches der Abbildung kann mittels herkömmlicher Benutzereingabeeinrichtungen 36 über einen Datenweg, der durch den Pfeil 34 schematisch wiedergegeben ist, erreicht werden, welche möglicherweise mit der Anzeige 32 in Wechselbeziehung stehen, was durch den Doppelpfeil 38 schematisch dargestellt ist. Die Benutzereingabeeinrichtungen 36 können z. B. eine Tastatur, eine Maus usw. umfassen.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung bringt infolge des Ansammelns von Ladung in einem aktiven Schaltkreis für jede Pixelzelle eine Anzahl von Vorteilen.
  • Die Fähigkeit, die Ladung in den aktiven Schaltkreisen auf den Pixelzellen anzusammeln und anschließend die gespeicherte Ladung aus individuell adressierbaren aktiven Schaltkreisen in einem Eins-zu-eins-Verhältnis mit den Pixelzellen auszulesen, löst sämtliche Mehrdeutigkeiten hinsichtlich des Einfallpunktes von gleichzeitig einfallender Strahlung vollständig.
  • Da die Ladung an einzelnen aktiven Schaltkreisen über einen Zeitraum aufgebaut werden kann, muß die Auslesegeschwindigkeit nicht übermäßig hoch sein, mit der Folge, daß z. B. eine softwaregestützte Erzeugung und Verarbeitung der Abbildung in Echtzeit möglich ist und tatsächlich preiswert auf leicht verfügbarer Computer hardware ausgeführt werden kann.
  • Für jeden Bereich der erfaßten Abbildung können der Kontrast und die Auflösung automatisch eingestellt und auf einem Vollbildschirm angezeigt werden. Immer wenn es eine Ladungsdichteabweichung zwischen den Pixelzellen eines Bereiches der von der Abbildungseinrichtung erfaßten Abbildung gibt, können Merkmale der Abbildung aufgelöst werden, wenn dieser Teil der erfaßten Abbildung angezeigt wird.
  • Der dynamische Bereich ist tatsächlich unbegrenzt, wenn man davon ausgeht, daß die Ladung aus der Ladungsspeichereinrichtung der aktiven Pixelzellschaltkreise ausgelesen und die Ladungsspeichereinrichtung wiederholt zurückgesetzt wird, bevor die Speicherkapazität der Ladungsspeichereinrichtung erschöpft ist. Es ist lediglich erforderlich, die "Auffrischungsrate" der aktiven Schaltkreise, welche die Frequenz des Auslesens und Zurücksetzens solcher Schaltkreise ist, auszuwählen, um die Speicherkapazität der Ladungsspeichereinrichtungen und die erwartete maximale Strahlungsdichte anzupassen. Da mehr Strahlung mehr Ladung erzeugt, wird diese daher in den aktiven Schlatkreisen der Pixelzellen gespeichert, anschließend in geeigneten Intervallen ausgelesen und durch die Steuerelektronik digitalisiert. Nach der Digitalisierung hat die Ladung einen bekannten Wert, der mit bestehenden digitalisierten Ladungswerten des gleichen Pixels angesammelt werden kann. Die einzige praktische Beschränkung ist der maximale digitale Wert, der von dem verarbeitenden Schaltkreis gespeichert werden kann. Jedoch könnte sogar dann der verarbeitende Schaltkreis so eingerichtet sein, daß er einen Wert, der sich dem maximal möglichen Wert, welcher gespeichert werden kann, nähert, erfaßt und dann einen Normierungsfaktor auf den gespeicherten Wert sämtlicher Pixelzellen anwendet.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung ermöglicht Echtzeitabbildung. Ist ein Abbildungsfeld erst einmal erzeugt worden, kann das Abbildungsfeld auch kontinuierlich mit neuen digitalisierten Ladungswerten von der Abbildungseinrichtung aktualisiert werden, bevor eine Bestrahlung beginnt, wobei die Ladungswerte dann zu den vorhandenen Ladungswerten des entsprechenden Pixels des Feldes addiert und die angesammelten Ladungswerte in Echtzeit angezeigt werden.
  • Wo ein kontinuierlich aktualisiertes Abbildungsfeld verwendet wird, bietet dies eine wirksame Verwendung eines Computerspeichers, da erfaßte Strahlung nicht mehr Abbildungspunkte liefern wird als es bei einigen früheren Techniken der Fall ist, sondern liefert stattdessen höhere Ladungswerte für die betreffenden Pixelzellpositionen. Mit anderen Worten, eine Ausführungsform der Erfindung ermöglicht vielmehr das Ansammeln von Strahlung als eine Erzeugung einer immer ansteigenden Anzahl von Strahlungstrefferpunkten. Eine ASID kann auch zur Bereitstellung von Echtzeitabbildung verwendet werden, wobei für jedes vordefinierte Zeitintervall ein neuer Abbildungsrahmen angezeigt wird. Die inaktive Zeit zwischen Abbildungsrahmen ist praktisch null, so daß eine Echtzeitabbildung mit maximaler Wirksamkeit und ohne Kosten für eine zusätzliche Komplexität von entweder der Anzahl an Auslesekanälen oder der Pixelschaltkreise bereitgestellt wird.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung kann dazu verwendet werden, die Wirkung von Strahlung, die vor dem Eintritt in die Abbildungseinrichtung gestreut wird, zu minimieren. Wenn eine Abbildungseinrichtung in der oben beschriebenen Art und Weise verwendet wird, werden gestreute Strahlen zu einem niedrigeren angesammelten Ladungswert führen als es der Fall wäre, wenn diese Strahlung direkt einfallen würde. Dies liegt daran, daß die gestreuten Strahlen weniger Energie in der Abreicherungszone des Pixeldetektors ablegen. Daher wird gestreute Strahlung, wenn die angesammelte Ladung verarbeitet wird, eine viel geringere Wirkung auf die gesamte angesammelte Ladung haben als direkte Strahlung. Indem man einen geeigneten Grauskalen- oder Farbwert niedrigeren Werten zuweist, wenn eine angesammelte Abbildung angezeigt wird, ist es möglich, die Wirkung der gestreuten Strahlung zu minimieren.
  • Für Anwendungen mit Strahlungsintensitäten, die weniger als die maximal erzielbare Auslesegeschwindigkeit pro Pixel (kHz-Bereich) erfordern, kann eine Ausführungsform der Erfindung verwendet werden, um die Wirkung von vor dem Eintritt in die Abbildungseinrichtung gestreuter Strahlung auszuschließen, welche, wenn es nicht ausgeschlossen ist, die Bildauflösung verschlechtern wird. Die Art und Weise, wie dies ausgeführt werden kann, wird nun erläutert. Die von einem jeweiligen und jedem Photon oder geladenen Strahlungsteilchen erzeugte Ladung wird zuerst in den aktiven Schaltkreisen der Pixelzellen gespeichert und dann ausgelesen. Die Steuerelektronik digitalisiert die Ladung, und der DRP kann den digitalisierten Wert mit einem Referenzschwellenwert vergleichen. Der Referenzwert entspricht der Ladung, die von einfallender Strahlung des in Frage stehenden Typs zu erwarten ist, dies ist z. B. ein Röntgenstrahl mit einer vorgegebenen Wellenlänge oder eine geladene Strahlung mit einer vorgegebenen Energie. Der digitalisierte Ladungswert wird dann von einer weiteren Betrachtung ausgeschlossen, wenn er niedriger als der Referenzwert ist. Dieser Unterscheidungsschritt ermöglicht es, daß gestreute Strahlen von einer Betrachtung ausgeschaltet werden. Wenn unelastische Streueffekte vor der Abbildungsebene auftreten, während die Strahlung z. B. ein unter Beobachtung stehendes Objekt quert, verliert die gestreute Strahlung etwas von ihrer Energie vor der Abbildungsebene, so daß in dem Abreicherungsbereich einer Pixelzelle weniger Ladung erzeugt wird. Solche Effekte sind Compton-Streuung für Photonen und Ionisationsstreuung für geladene Teilchen.
  • Auf der anderen Seite können gestreute Strahlen mit irgendwelchen ankommenden Intensitäten ausgeschlossen werden, wenn dies an den Pixelschaltkreisen vor der Ladungsansammlung durchgeführt wird. Anwendungen, wie Gammakameras und Echtzeitangiographieabbildung, erfordern Pixel mit 100 um oder mehr im Durchmesser, und auf dem Pixelschaltkreis ist ausreichend Raum zur Ausführung des Schwellenwert-Cut-Off vorhanden.
  • Ein Beispiel für ein Verfahren, das einen Weg zum Ausschließen der Wirkung von entweder kohärent oder inkohärent gestreuter Strahlung vor dem Eintreten in die Abbildungseinrichtung ermöglicht, verwendet eine Schlitztechnik und eine parallel gerichtete Strahlungsquelle derart, daß sie eingestellt werden kann, um Strahlen zu emittieren, die auf den Abbildungsschlitz zielen. Der Abstand zwischen der Strahlungsquelle und dem unter Beobachtung stehenden Objekt, der Abstand zwischen dem Objekt und dem Abbildungsschlitz und die Bereite des Schlitzes sind optimiert. Diese Parameter können dazu verwendet werden, die Geometrie, die eine Erfassung von gestreuten Strahlen minimiert, zu definieren. Dies liegt daran, daß die gestreuten Strahlen einen kleinen Phasenraum "sehen" und keinen Grund haben, in den dünnen Abbildungsschlitz einzutreten. Dieses Verfahren ist besonders wirkungsvoll, da es auf Geometrie basiert und keine Kenntnis über die Energie der Strahlen erfordert. Wenn die Strahlen gestreut worden sind, werden sie mit höchster Wahrscheinlichkeit eine Erfassung verfehlen, ganz gleich ob sie inkohärent gestreut wurden und einiges von ihrer Energie verloren haben (Compton-Streuung) oder kohärent gestreut wurden und ihre gesamte Energie behalten haben (Rayleigh-Streuung).
  • Fig. 13 zeigt anhand von Beispielen das Verhältnis von ungestreuter Strahlung, die den Spalt (Schlitz) erreicht, als eine Funktion der Spaltbreite (Schlitzbreite) für vier verschiedene Photonenenergien und vier verschiedene Abstände zwischen dem Spalt (Schlitz) und dem unter Beobachtung stehenden Objekt. Für dieses Beispiel wird angenommen, daß Wasser das Objekt ist, welches eine Streuung über 10 cm Dicke verursacht. Es wird angenommen, daß der Halbleiter Silicium ist. Man sieht aus den vier Kurven, daß praktisch sämtliche Streuung ausgeschlossen wird (100% vertikale Achse) bei Schlitzbreiten zwischen 1 mm und 4 mm. Dieses Ergebnis ist fast irrelevant für den Abstand zwischen dem Schlitz und dem Objekt (&beta; in der Figur). Wenn die Schlitzbreite beginnt, größer als 1 bis 4 mm zu werden, beginnen die Ergebnisses, auch von &beta; abhängig zu werden. Bei einer vorgegebenen Energie und einem unter Beobachtung stehenden Objekt werden daher die optimale Schlitzbreite und der Abstand &beta; zwischen dem Schlitz und dem Objekt derart bestimmt, daß die gestreuten Strahlen fast vollständig ausgeschlossen werden, wodurch die Abbildungsauflösung und der Kontrast dramatisch verbessert werden. Dieses Verfahren erlaubt das Ausschließen von kohärent gestreuten Strahlen, die andernfalls nicht ausgeschlossen werden könnten, da sie die gleiche Energie wie die ungestreuten Strahlen haben.
  • Eine Optimierung der Abbildungseinrichtungsgestaltung kann in einer vorherbestimmten automatisierten Art und Weise durchgeführt werden. Jedes für das Halbleitersubstrat ausgewählte Material oder jede Komponente weist ein anderes Ansprechen auf einfallende Strahlung auf, welches von den physikalischen Eigenschaften des Materials oder der Komponente, der Strahlungsart und der Strahlungsenergie abhängt. Ein Schwerpunktverfahren wird bei jeder Stufe, wenn einfallende Strahlung das Halbleitersubstrat durchquert, auf das abgelegte elektrische Signal angewendet. Dies ermöglicht, daß die beste erreichbare Auflösung als eine Funktion der obengenannten Parameter bestimmt wird. Daher wird die Pixelgröße bestimmt. Indem man die Pixelgröße richtig auswählt, kann das Verhältnis von Signal zu Rauschen maximiert werden (da der Großteil des Signals in einem Pixel enthalten ist), während die Kosten und die Vorrichtungskomplexität minimiert werden. Diese Ergebnisse können zusammen mit der erwarteten Empfindlichkeit in einer Datenbasis gespeichert und dazu verwendet werden, die Gestaltungsparameter der Abbildungsebene der Abbildungseinrichtung, nämlich die Pixelgröße und die Substratdicke, zu definieren. Alternativ kann eine Reihe von Abbildungsebenen, die mit einem gemeinsamen Satz von Steuerelektroniken und einem Bildprozessor kompatibel ist, vorgesehen sein. Ein Endbenutzer kann dann, bevor er eine Abbildung durchführt, eine erwünschte Empfindlichkeit des Bildprozessors eingeben, um diesen zu veranlassen, automatisch eine Abbildungsebene mit der richtigen Spezifikation auszuwählen.
  • Man nehme als ein Beispiel die Verwendung von Silicium als das Halbleitersubstratmaterial an. Bei biotechnologischen Anwendungen werden Isotope, wie 3-H, 35-S. 32-P, 33-P, 14-C und 125-I, verwendet. Diese Isotopen emittieren &beta;-Strahlung. Man betrachte z. B. 35-S, welches geladene Strahlung mit 170 keV emittiert. Fig. 14 zeigt den Durchtritt von vielen solcher &beta;-Strahlen durch Silicium. Wenn das Schwerpunktverfahren angewendet wird, findet man, daß die Auflösung nicht besser sein kann, als 32 um. Es kann dann gewählt werden, daß die Pixelgröße größer ist als 32 um, um den Großteil des elektrischen Signals einzuschließen. Die oben erwähnten &beta;-Strahlenisotopen werden bei den meisten biotechnologischen Anwendungen verwendet. Bei Mammographie, Tomographie, Kernmedizin, Zahnabbildung, Sicherheitssystemen und Produktqualitätskontrolle werden Röntgenstrahlen mit Energien zwischen 10 keV-180 keV verwendet, und CdZnTe, CdTe und HgI&sub2; sind geeignete Auswahlen für Halbleiter.
  • Es gibt viele biologische Anwendungen, die eine Abbildung mit &beta;-Strahlen durchführen. Am häufigsten wird eines der nachfolgenden Isotopen verwendet:
  • 3-H(18 keV), 14-C(155 keV), 35-S(170 keV), 33-P(250 keV), 32-P(1700 keV).
  • Die Präzisionsanforderungen für diese Anwendungen können wie folgt zusammengefaßt werden:
  • - Hybridisierung in situ erfordert idealerweise 10 um;
  • - Hybridisierung an DNA, RNA und Protein, isoliert oder integriert, erfordert idealerweise besser als 300 um;
  • - Sequenzen von DNA erfordern idealerweise 100 um.
  • Eine Ausführungsform einer Abbildungseinrichtung gemäß der Erfindung kann die obengenannten Anforderungen erfüllen. Darüberhinaus kann der ausgezeichnete Wirkungsgrad (praktisch 100%) von Ausführungsformen von Abbildungseinrichtungen gemäß der Erfindung die Zeit für das Erhalten der Ergebnisse von Tagen oder Monaten auf Stunden reduzieren. Da die Abbildung in Echtzeit durchgeführt wird, kann ein Biologe die Ergebnisse sehen, während sie angesammelt werden. Software und statistische Analyseverfahren können zur Interpretation dieser Ergebnisse verwendet werden.
  • Bei Mammographie haben verwendete Röntgenstrahlen typischerweise eine Energie von 10 keV bis 30 keV. Die Röntgenstrahlenquelle wird hinter dem unter Beobachtung stehenden Objekt angeordnet, welches einen Teil der Röntgenstrahlen absorbiert und den Rest hindurchläßt. Die Röntgenstrahlen, die an der Abbildungsebene ankommen, werden folglich photoabsorbiert und erzeugen ein elektrisches Signal, aus dem der Punkt des Einfallens bestimmt wird. Die Ladungsdichteverteilung definiert wirksam die Abbildung, welche mit herkömmlicher Online-Verarbeitung mit maximalem Bildkontrast und maximaler Bildauflösung koloriert, gezoomt und analysiert werden kann. Mit 0,5 bis 1 mm dicken, aktiven CdZnTe-, CdTe- oder HgI&sub2;-Pixeln ist der Wirkungsgrad fast 100%, und die erforderliche Dosis kann drastisch reduziert werden. Die Auflösung für Mammographie kann besser sein als 30 um, und organische Strukturen dieser Größe werden entdeckt.
  • Bei kernmedizinischer Diagnose wird ein Isotop, das Röntgenstrahlen im Bereich von 150 keV (wie z. B. Tc&sup9;&sup9; mit 6 Stunden Halbwertzeit) emittiert, in den menschlichen Körper injiziert und reichert sich in bestimmten Bereichen an, die abgebildet werden. Die Strahlung wird isotrop emittiert, und um den menschlichen Körper herum filtern Kollimatoren unerwünschte Richtungen weg, wodurch Projektionen eines Punktes auf verschiedene Ebenen erzeugt werden. Eine beispielsweise aus CdZnTe, CdTe, HgI&sub2;, InSb, Ge, GaAs oder Si hergestellte ASID kann vor dem menschlichen Gehirn und um dieses herum angeordnet werden, wobei bestehende Abbildungsebenen ersetzt werden.
  • Bei Zahnoperationen wird eine Abbildung mit Röntgenstrahlen mit Energien von 40 keV bis 100 keV durchgeführt und es sind Abbildungsbereiche um 15 cm² bis 25 cm² erforderlich. Zahnpanoramaabbildung unter Verwendung der oben beschriebenen Spalt-/Schlitz-Technik stellt daher eine bevorzugte Anwendung einer Ausführungsform der Erfindung dar. Geeignete Halbleiter sind solche, wie sie oben beschrieben sind.
  • Noch eine weitere mögliche Anwendung einer Ausführungsform der Erfindung ist zerstörungsfreie industrielle Bewertung und Produktqualitätskontrolle. Abhängig von dem anorganischen Objekt, das betrachtet wird, wird eine unterschiedliche Röntgenstrahlenenergie ausgewählt, um die Auflösung mit hohem Kontrast und Wirkungsgrad zu optimieren. Es können Röntgenstrahlenenergien im Bereich von 20 keV bis 180 keV verwendet werden. Die Abbildung eines Produkts oder einer Struktur wird automatisch mit einem idealen Bild des gleichen Produkts oder der gleichen Struktur verglichen, und verschiedene Niveaus von Beschädigung können unterschiedliche Aktionen auslösen, die der Produktionsstraße eine Rückkopplung liefern.
  • Eine ASID und die oben beschriebenen Verfahren können in einem weiten Bereich von Anwendungen Verwendung finden, einschließlich herkömmlicher Röntgenstrahlen, für Torax- Röntgenstrahlen, für die Röntgenmammographie, für die Röntgentomographie, für Computertomographie, für spiralförmige Computertomographie, für Knochendichtemessung mittels Röntgenstrahlen, für Kernradiographie mittels &gamma;-Strahlen, für &gamma;-Kameras, für Einzelphotonenemissionscomputertomographie (SPECT), für Positronenemissionstomographie (PET), für Röntgenabbildung im Dentalbereich, für Panoramazahnabbildung mittels Röntgenstrahlen, für &beta;-Strahlenabbildung unter Verwendung von Isotopen für die DNA-, RNA- und Proteinsequenzie rung, Hybridisierung in situ, Hybridisierung von DNA, RNA und Proteinen, die isoliert oder integriert sind, und allgemein für &beta;-Strahlenabbildung und Autoradiographie unter Verwendung von Chromatographie und Polymerase-Kettenreaktion, für Röntgenstrahl- und &gamma;-Strahlabbildung in der Produktqualitätskontrolle, für das zerstörungsfreie Testen und Überwachen in Realzeit und online, für Sicherheitskontroll- bzw. Steuerungssysteme und für die Echtzeit-(Bewegungs- )Abbildung unter Verwendung von Strahlung.
  • Es ist klar, daß die Größe der Pixelzellen und die Anzahl von Pixelzellen, die auf einem einzelnen Halbleiterdetektor ausgeführt sein können, von der bestimmten verwendeten Halbleiterintegrationstechnologie abhängen wird. Obwohl bestimmte Beispiele für Größen und Komponentenwerte angegeben wurden, ist die Erfindung daher nicht darauf beschränkt und soll Veränderungen in diesen Dimensionen und Werten umfassen, sofern sie mit der derzeitigen Technologie möglich sind und mit zukünftiger Technologie möglich werden. Es ist auch klar, daß die konkreten gezeigten Schaltkreise, z. B. der Pixelschaltkreis 20, der in den Fig. 2, 8 und 11 gezeigt ist, die Verbindungsleitungen und der in den Fig. 3, 4 und 9 dargestellte Steuerschaltkreis, lediglich Beispiele für mögliche Schaltkreise sind und daß innerhalb des Umfangs der Erfindung viele Modifikationen und Ergänzungen möglich sind.

Claims (31)

1. Halbleiterabbildungseinrichtung mit einem Feld aus Pixelzellen für die Abbildung von mehreren aufeinanderfolgenden Strahlungstreffern hoher Energie, wobei die Abbildungseinrichtung aufweist:
ein Halbleiterdetektorsubstrat, einschließlich eines Feldes von Pixeldetektorzellen, wobei jede Pixeldetektorzelle unter Ansprechen auf einfallende Strahlung unmittelbar Ladung erzeugt, und
einem Halbleiterlesesubstrat, einschließlich eines Feldes (Arrays) aus individuell adressierbaren Pixelschaltkreisen, wobei:
jeder Pixelschaltkreis mit einer entsprechenden Pixeldetektorzelle verbunden ist, um eine Pixelzelle zu bilden,
jeder Pixelschaltkreis einen Ladungssammelschaltkreis aufweist für das Aufsammeln von Ladung, welche unmittelbar aus der auf die entsprechende Pixeldetektorzelle auftreffende Strahlung hoher Energie resultiert, einen Ausleseschaltkreis aufweist, um einen Wert auszugeben, der der in dem Ladungssammelschaltkreis aufgesammelten Ladung entspricht und einschließlich eines Rückstellschaltkreises für das Zurücksetzen des Ladungssammelschaltkreises, und wobei
jeder Pixelschaltkreis, der aus dem Ladungssammel-, dem Auslese- und dem Rückstellschaltkreis besteht, so ausgestaltet ist, daß er einen Ladungssammelschaltkreis bereitstellt, der
eine Kapazität hat, welche im wesentlichen die gesamte Kapazität der Pixelzelle bildet, gebildet aus dem Pixelschaltkreis und der entsprechenden Pixeldetektorzelle, und
eine Ladungsspeicherfähigkeit hat, die ausreichend ist, um zumindest 1, 8 Millionen Elektronen zu speichern, um Ladung aus einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Treffern hochenergetischer Strahlung auf dem entsprechenden Pixeldetektor aufzusammeln, bevor der Ladungssammelschaltkreis ausgelesen und zurückgestellt wird.
2. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei der aus einem Pixelschaltkreis ausgegebene Wert ein Strom ist, welcher der in dem Ladungssammelschaltkreis des Pixelschaltkreises aufgesammelten Ladung entspricht.
3. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei jeder Pixelschaltkreis zumindest zwei Transistoren aufweist, wobei ein erster Transistor als der Ladungsspeicherschaltkreis wirkt und ein zweiter Transistor als der Ausleseschaltkreis wirkt und auf ein Freigabesignal anspricht, um den ersten Transistor mit einer Ausgangsleitung zu verbinden für das Ausgeben eines Stromes, welcher irgendeiner aufgesammelten Ladung entspricht.
4. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei jeder Pixelschaltkreis zumindest zwei Transistoren in einer Kaskadenverstärkerstufe aufweist.
5. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Transistoren Feldeffekttransistoren sind.
6. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei jeder Pixelschaltkreis einen weiteren Feldeffekttransistor aufweist, der als der Rückstellschaltkreis wirkt und auf ein Rückstellsignal anspricht, um die Ladungsspeichereinrichtung zurückzusetzen.
7. Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Pixelschaltkreise geschaltet bzw. im Multiplexbetrieb getaktet werden mit einer Geschwindigkeit bzw. Frequenz in der Größenordnung von einigen hundert kHz oder mehr.
8. Abbildungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, welche eine elektrische Widerstandseinrichtung aufweist, um die Pixelzellen elektrisch voneinander zu trennen.
9. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei die elektrische Widerstandseinrichtung eine nicht-leitfähige Passivierungsschicht zwischen benachbarten Pixeldetektoren aufweist.
10. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 9, wobei ein Potential an die Passivierungsschicht angelegt wird, um eine Potentialbarriere innerhalb des Halbleitersubstrates unter der Passivierungsschicht zu erzeugen, um die Pixelzellen noch weiter elektrisch voneinander zu trennen.
11. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei die elektrische Widerstandseinrichtung eine Diode aufweist, welche einen Teil des Pixelschaltkreises bildet.
12. Abbildungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Pixelschaltkreis einen Überlastschutzschaltkreis aufweist, vorzugsweise Dioden, für den Schutz gegen Über- und Unterspannung.
13. Abbildungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Feld eine einzelne Reihe aus Pixeldetektoren und zugehörigen Pixelschaltkreisen aufweist, die eine spaltförmige Abbildungseinrichtung bilden, oder eine Mehrzahl von Reihen aus Pixeldetektoren und zugehörigen Pixelschaltkreisen aufweist, die eine schlitzförmige Abbildungseinrichtung bilden.
14. Abbildungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche in Kombination mit einer Steuerelektronik, einschließlich einer Adressierlogik, um individuelle Pixelschaltkreise für das Auslesen von aufgesammelten Ladungswerten aus den Pixelschaltkreisen zu adressieren und um die Pixelschaltkreise selektiv zurückzusetzen.
15. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 14, wobei Ladung auf jedem Pixelschaltkreis für eine Zeitdauer von bis zu der Größenordnung einer Sekunden gespeichert werden kann, bevor ein Auslesen stattfindet.
16. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Adressierlogik Einrichtungen für das Verbinden von Ausgangsleitungen der Pixelschaltkreise mit einem Ausgang der Abbildungseinrichtung aufweist, sowie Einrichtungen für das Zuführen von Lesefreigabesignalen an Lesefreigabeeingänge der Pixelschaltkreise, und Einrichtungen für das Zuführen von Rückstellsignalen an Rückstelleingänge der Pixelschaltkreise.
17. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 16, wobei die Einrichtung für das Verbinden bzw. Anschließen der Ausgangsleitungen ein Schieberegister oder einen Zähler für das nacheinander Anschließen von Ausgangsleitungen der Pixelschaltkreise für entsprechende Spalten von Pixeln mit dem Ausgang der Abbildungseinrichtung aufweist und/oder die Einrichtung für das Zuführen von Lesefreigabesignalen ein Schieberegister oder einen Zähler für das aufeinanderfolgende Zuführen von Lesefreigabesignalen an Lesefreigabeeingänge der Pixelschaltkreise für entsprechende Zeilen von Pixeln aufweist und/oder die Einrichtung für das Zuführen von Rückstellsignalen ein Schieberegister oder einen Zähler für das aufeinanderfolgende Zuführen von Rückstellsignalen an Rückstelleingänge der Pixelschaltkreise für entsprechende Zeilen von Pixeln aufweist.
18. Abbildungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Pixelschaltkreis so ausgestaltet ist, daß er Ladungsspeichereinrichtungen bereitstellt, die eine Kapazität und einen dynamischen Bereich haben, um 6 Millionen Elektronen, vorzugsweise 25 Millionen, mehr bevorzugt 50 Millionen und am meisten bevorzugt 60 Millionen Elektronen zu speichern, bevor sie ausgelesen oder zurückgestellt werden.
19. Abbildungseinrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder Pixelschaltkreis Einrichtungen für das Aussondern bzw. Ignorieren von Ladung aufgrund eines eingehenden Strahlungstreffers aufweist, welcher einer Energie entspricht, die geringer ist als ein vorbestimmter Wert, und zwar bevor sie in dem Pixelschaltkreis aufgesammelt wird.
20. Abbildungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Halbleitersubstrat aus einem Material hergestellt ist, welches ausgewählt wird aus: CdZnTe, CdTe, HgI&sub2;, InSb, GaAs, Ge, TIBr und Si.
21. Abbildungssystem mit einer Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei das Abbildungssystem einen Bildprozessor aufweist, der mit der Steuerelektronik verbunden ist, um digitale Ladungswerte, die aus den entsprechenden Pixelschaltkreisen abgeleitet werden, so zu verarbeiten, daß ein Bild für die Anzeige auf einer Anzeigeeinrichtung gebildet wird.
22. Abbildungssystem nach Anspruch 21, wobei der Prozessor Maximal- und Minimalladungswerte für die Pixel für die Anzeige festlegt, Extremwerte für die Grauskala oder Farbwerte den Maximal- und Minimalladungswerten zuordnet und Grauskalen- oder Farbwerte für ein einzelnes Pixel entsprechend einer gleitenden Skala zwischen den Extremwerten zuordnet, je nach Abhängigkeit von dem Ladungswert für dieses Pixel.
23. Abbildungssystem nach Anspruch 22, wobei die Grauskalen- oder Farbwerte entsprechend der folgenden Formel zugeordnet werden:
Grauskalenwert des Pixels i:
24. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Steuerelektronik eine Analog/Digitalwandlerstufe aufweist und wobei Einrichtungen vorgesehen sind für das Aufsammeln von mehreren Einzelbildern, entweder auf der Analog/Digitalwandlerstufe oder im Anschluß auf einer Bildverarbeitungsstufe.
25. Abbildungssystem mit einer Mehrzahl von Abbildungseinrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 20, welche ziegelartig zusammengelegt sind, so daß sie ein Mosaik bilden.
26. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 21 bis 25, welches so angeordnet ist, daß es Einzelbilder an den Pixelzellen aufsammelt, um wiederholt ein erneuertes Bild für die Anzeige auszulesen und um die Pixelschaltkreise mit einer Geschwindigkeit zurückzusetzen, die ausreichend ist, um eine Sättigung einer Ladungsspeichereinrichtung der Pixelschaltkreise zu vermeiden.
27. Verwendung einer Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 bei einem Verfahren für die Abbildung angesammelter Werte, welche entsprechenden Pixelpositionen in einem Pixelfeld entsprechen, wie zum Beispiel von Ladungswerten, die für entsprechende Pixelpositionen der Abbildungseinrichtung aufgesammelt wurden, wobei das Verfahren aufweist:
- Bestimmen von maximalen und minimalen aufgesammelten Werten für Pixel innerhalb einer Fläche des abzubildenden Pixelfeldes,
- Zuordnen von Grauskalen- oder Farbwerten zu Extremwerten einer Grau- oder Farbskala, die für die maximal und minimal aufgesammelten Werte abgebildet werden sollen, und
- Zuordnen von Grauskalen- oder Farbwerten zu den aufgesammelten Werten für einzelne Pixel, die entsprechend den Extremwerten skaliert sind, und
- Abbilden der zugeordneten Grauskalen- oder Farbwerte an den jeweiligen Bildpixelpositionen.
28. Verwendung einer Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 bei einem Verfahren für die Durchführung von Realzeitabbildung eines organischen oder anorganischen Objektes, wobei das Verfahren aufweist:
- Bestrahlen des Objektes unter Verwendung einer Strahlungsquelle, welche Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, Betastrahlen oder Alphastrahlen erzeugt,
- Erfassen nicht absorbierter Strahlung oder Strahlung, welche von ausgewählten Flächen des Objektes ausgeht, auf einer Halbleiterabbildungsebene oder auf Ebenen der Abbildungseinrichtung, wobei die Ladungsmenge, die aus der aufeinanderfolgend auf die jeweiligen Pixeldetektoren derAbbildungseinrichtung auftreffenden Strahlung resultiert, in den jeweiligen Pixelschaltkreisen aufgesammelt wird,
- Adressieren der Pixelschaltkreise individuell, um aufgesammelte Ladung auszulesen,
- Verarbeiten der ausgelesenen Ladung, um Bildpixeldaten bereitzustellen, und
- Anzeigen der Bildpixeldaten.
29. Verwendung einer Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 oder Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 21 bis 26, mit: Lesen der aufgesammelten Ladung aus einzelnen Pixelschaltkreisen mit einer Geschwindigkeit, um die Auflösung eines Analog/Digitalwandlers für das Umwandeln analoger, aufgesammelter Ladungwerte in Digitalwerte zu optimieren.
30. Verwendung einer Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 oder eines Abbildungssystems nach einem der Ansprüche 21 bis 26 für konventionelle Röntgenstrahlen, für Thorax-Röntgenstrahlen, für die Röntgenmammographie, für die Röntgentomographie, für Computertomographie, für spiralförmige Computertomographie, für Knochendichtemessung mittels Röntgenstrahlung, für Röntgenabbildung im Dentalbereich, für Panoramazahnabbildungen mittels Röntgenstrahlung, für Betastrahlenabbildung unter Verwendung von Isotopen für die DNA-, RNA- und Proteinsequenzierung, Hybridisierung in situ, Hybridisierung von DNA, RNA und Proteinen, die isoliert oder integriert sind, und allgemein für Betastrahlenabbildung und Autoradiographie unter Verwendung von Chromatographie und der Polymerasekettenreaktion, für Röntgenstrahl- und Gammastrahl-Abbildung in der Produktqualitätskontrolle, für das zerstörungsfreie Testen und Überwachen in Realzeit und online, für Sicherheitskontroll- bzw. Steuerungssysteme und für die Abbildung von Bewegung.
31. Verwendung einer Abbildungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 oder Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 21 bis 26 für die Infrarotabbildung, die optische Lichtabbildung oder ultraviolette Lichtabbildung.
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