DE69727673T2

DE69727673T2 - Verfahren und vorrichtung zur kalibrierung von bildaufnahmegeräten

Info

Publication number: DE69727673T2
Application number: DE1997627673
Authority: DE
Inventors: Tielang Cao; Ilari Jouni PYYHTIÄ; Evangelos Konstantinos SPARTIOTIS
Original assignee: Simage Oy
Current assignee: IPL Intellectual Property Licensing Ltd
Priority date: 1996-06-14
Filing date: 1997-06-09
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2017-06-10
Also published as: GB2314227A; JP2000513518A; NO985823D0; EP0904655B1; ATE260014T1; GB2314227B; AU3033397A; EP0904655A1; DE69727673D1; NO985823L; GB9612534D0; WO1997048225A1; JP4169787B2

Description

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Kalibrierung und Korrektur der Ausgabewerte eines Halbleiter-Abbildungsgerätes.
Kalibrierungstechniken werden in der Regel bei einer Vielzahl von Geräten verwendet, um eine Skala zu bestimmen, die den wahren Wert eines Parameters in Abhängigkeit vom Ausgabewert des Gerätes definiert. Eine Kalibrierung wird beispielsweise in Kalorimetern und Spektrometern angewendet, um das Ausgabe-Energiespektrum des Gerätes zu ermitteln. Zur Kalibrierung gehört in der Regel der Betrieb des Gerätes unter bekannten Bedingungen, beispielsweise eine bekannte Menge Energie, die auf ein Kalorimeter auftrifft, und das Ermitteln des Ausgabewertes in Abhängigkeit von diesen Bedingungen. Während des anschließenden Betriebes wird die Kalibrierungsfunktion umgekehrt, und die auftreffende Energie wird mittels der umgekehrten Kalibrierungsfunktion anhand des Ausgabewertes vom Gerät ermittelt.
Aus EP 0 601 534 ist en Verfahren zur Kalibrierung eines InfrarotAbbildungsgerätes mit Kompensation der Uneinheitlichkeit der Anordnungen der Infrarotfokalebenen. Die Kalibrierungsoperation misst die von Detektorelementen in der Fokalebenen-Anordnung erzeugte Reaktion auf ein breites Spektrum bekannter Signalflussstärken infraroter Strahlung, die von einem gleichmäßig schwarzen Körper unter kontrollierten Bedingungen abgegeben wird. Dieses Verfahren ist mit zahlreichen Nachteilen behaftet. Beispielsweise wird eine teure Strahlungsquelle benötigt. Des Weiteren sind bei jeder Kalibrierung des Abbildungsgerätes mehrere Bestrahlungsvorgänge erforderlich.
Die Halbleiter-Pixelgeräte, die bis auf den heutigen Tag vermutlich am weitesten verbreitet sind, arbeiten mit CCD-Technologie (CCD = Charge-coupled Device). In einem CCD-Gerät werden analoge Ausgangssignale digitalisiert und zu einem Bild verarbeitet. Die japanischen Patentanmeldungen JP07/236093 und JP07/236094 beschreiben CCD-Systeme, bei denen Pixelausgabewerte einem Korrekturfaktor unterworfen werden, um einen Wert zu erhalten, der für das sichtbare Licht steht, das auf die Pixel eines CCD-Gerätes auftrifft. In JP07/236093 erfolgt die Korrektur um den Grund-Dunkelstrom des Fotodetektors. Für eine bestimmte Bildaufnahmedauer wird die Ladung je Pixel, die auf den Detektor-Dunkelstrom zurückgeht, gespeichert und anschließend als ein Korrekturwert auf die Pixel-Ausgangssignale angewendet, so dass sich ein korrigierter Wert für das Licht ergibt, das auf die Pixel auftrifft, wenn Licht vorhanden ist. In JP07/236094 wird ein Referenzbildsensor zur Speicherung eines Wertes für das Umwandeln eines Ladungswertes zu einer Menge einfallenden Lichts verwendet, woraufhin dieser "Korrektur"-Wert auf das Ausgangssignal des Echtbildsensors angewendet wird, um Ladung zu einem Wert umzuwandeln, der für das Licht steht, das auf das Abbildungsgerät auftrifft.
Abbildungsgeräte, -systeme und -verfahren für die Bildaufnahme mittels energiereicher Strahlung (beispielsweise Röntgenstrahlung, Gammastrahlung, Betastrahlung und Alphateilchen) sind aus WO-A-95/33332 bekannt, die dem Erwerber der vorliegenden Anmeldung gehört. Die Abbildungsgeräte ermöglichen das mehrfache sukzessive Auftreffen von Strahlung auf einer Stelle eines Pixeldetektors (Pixelzelle), die in einem Halbleitersubstrat in entsprechende Ladungsimpulse umgewandelt wird. Die Ladungsimpulse an jeder Pixeldetektor-Stelle werden in einer entsprechenden Pixelschaltung gespeichert. Die gespeicherte Ladung, die der Menge von einigen Dutzend bis zu mehreren tausend Strahlungstreffern entsprechen kann, wird dann ausgegeben und zu einem Bildpixelwert digitalisiert, der idealerweise der Anzahl der gespeicherten Strahlungstreffer für die jeweilige Pixelstelle entspricht.
Jedes Abbildungsgerät enthält Zehn- oder gar Hunderttausende Pixel. Jede Pixelschaltung besitzt ihre eigene ladungsspeichernde Kapazität und ihre eigenen Schalt- und Schutzkomponenten, die allesamt nur insoweit identisch sind, wie es die Grenzen der derzeitigen oder künftigen Verarbeitungstechnologie (beispielsweise ASIC-Technologie) zulassen. In der Praxis bedeutet das, dass es keine Einheitlichkeit in den Pixelanordnungen gibt. Des Weiteren sollte der Ausgabewert jedes Pixels Idealerweise in linearer Beziehung zur Anzahl der gespeicherten Strahlungstreffer auf diesem Pixel stehen, aber in der Realität ist diese Beziehung nicht-linear. Diese Faktoren setzen der Qualität des Ausgabewertes solcher Abbildungsgeräte Grenzen. Diese Grenzen können nicht durch Vergleichen mit einem Referenzsensor aufgehoben werden, weil ein Referenzsensor selbst unterschiedliche Eigenschaften und Parameter hat.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Verfügung zu stellen, mit dem die Beschränkungen, die Geräten nach dem Stand der Technik anhaften, gemindert werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Kalibrieren von Pixelwerten bereitgestellt, die von jeweiligen Pixelzellen eines Abbildungsgerätes ausgegeben werden, wobei jede dieser Pixelzellen eine Pixelschaltung zum Speichern von Ladung in Reaktion auf Strahlung, die auf das Abbildungsgerät auftrifft, umfasst, wie in Anspruch 1 definiert, wobei das Verfahren folgendes umfasst:

a) Bestimmen einer Umwandlungsfunktion für jede Pixelzelle, wobei diese Umwandlungsfunktion für eine nicht-lineare Reaktion eines Pixels repräsentativ ist und durch die Kombination einer Reaktionsfunktion und eines Skalenparameters gebildet wird, enthaltend die folgenden Schritte: i) Anlegen zuvor festgelegter Pixelschaltungseingangsspannungen an jede Pixelschaltung und Bestimmen der Reaktionsfunktion für jede Pixelschaltung als repräsentativ für die Beziehung zwischen Pixelausgabewerten und den zuvor festgelegten angelegten Pixelschaltungseingangsspannungen, und ii) Bestimmen des Skalenparameters für jede Pixelzelle als repräsentativ für die Unterschiede bei der gespeicherten Ladung, die von verschiedenen Pixelzellen in Reaktion auf eine angelegte Eingangsstrahlungsintensität gespeichert wird, und
b) Definieren einer Datenstruktur, die einen Eintrag für die Umwandlungsfunktion, die für jede Pixelzelle bestimmt wurde, umfasst und auf die zugegriffen werden kann, um die Umwandlungsfunktion, die für die Pixelzelle bestimmt wurde, auf einen Wert anzuwenden, der von dem Ausgabewert der Pixelzelle abgeleitet wurde, um einen korrigierten Wert zu berechnen, der eine gewünschte Beziehung zu der Strahlung aufweist, die auf die Pixelzelle auftrifft.

Schritt (a) (i) umfasst vorzugsweise für jede Pixelzelle das Einbetten von Pixeleingangswerten als Funktion entsprechender Pixelausgabewerte, dergestalt, dass sich eine parametrisierte Beziehung zwischen den Pixeleingangswerten und den entsprechenden Pixelausgabewerten ergibt.
Die Reaktionsfunktion wird vorzugsweise durch externes Variieren eines Pixeleingangswertes zu den Pixelzellen und Aufzeichnen des Pixelausgabewertes bestimmt. Der extern variierte Pixeleingangswert kann ein Spannungswert eines Ladungsspeichermittels der Pixelzelle sein, beispielsweise eines Feldeffekttransistors (FET) und/oder eines Kondensators.
Außerdem umfasst Schritt (a)(ii) vorzugsweise das Anlegen eines Pixeleingangssignals an die Pixelzellen und das Aufzeichnen des Ausgabewertes der jeweiligen Pixelzellen. Das Pixeleingangssignal kann eine Menge an Strahlung von einer externen Quelle sein.
Vorzugsweise definiert der Pixelausgabewert von einer Pixelzelle für die Strahlungsmenge den Skalenparameter für die Pixelzelle.
Des Weiteren wird der Schritt (a) (i) vorzugsweise vor dem Schritt (a)(ii) ausgeführt, und der Skalenparameter wird abgeleitet, indem der Pixelausgabewert von dem Pixel für die Strahlungsmenge in die Reaktionsfunktion eingebettet wird.
In die Tabelle sind vorzugsweise bei jedem Eintrag Parameter der Reaktionsfunktion und der Skalenparameter für jede jeweilige Pixelzelle eingebettet.
Für jede Pixelzelle sind vorzugsweise Pixeleingangswerte als Funktion der entsprechenden Pixelausgabewerte dergestalt eingebettet, dass sich eine parametrisierte Beziehung zwischen den Pixeleingangswerten und den entsprechenden Pixelausgabewerten ergibt. Hier sind in der Tabelle an jedem Eintrag Parameter der Umwandlungsfunktion für eine jeweilige Pixelzelle eingebettet.
Die Tabellenwerte werden vorzugsweise vor der Aufnahme des Bildes bestimmt. Die Tabelle wird dann während der Bildaufnahme oder anderweitig vor der Bildwiedergabe dazu verwendet, Pixelausgabewerte für jeweilige Pixelzellen umzuwandeln, so dass umgewandelte Ausgabewerte für diese Pixelzellen entstehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die umgewandelten Ausgabewerte in eine lineare Beziehung zur Anzahl der gespeicherten Strahlungstreffer oder zu der gespeicherten Menge des Lichts auf der entsprechenden Pixelzelle gesetzt. Es können aber erforderlichenfalls auch andere Beziehungen hergestellt werden.
Bei dem Verfahren kann die Tabelle auch mit neuen Werten aktualisiert werden, wenn sich Faktoren, welche die Pixelzellenleistung beeinflussen, ändern, beispielsweise wenn sich Faktoren wie Temperaturschwankungen, Signalintegrationszeiten, Belichtungszeiten usw. ändern.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Abbildungssystem nach Anspruch 18 bereitgestellt, das ein Abbildungsgerät mit einer Anordnung von Pixelzellen zum Erzeugen von Pixelausgabewerten zur Herstellung eines Digitalbildes umfasst.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Karte (Tabelle) mit einem Eintrag, der eine Menge an Parametern umfasst, für jedes Pixel erzeugt, wobei jeder Eintrag alle notwendigen Parameter für das betreffende Pixel enthält, um die nicht-lineare Reaktion eines jeden Pixelausgabewertes auf einfallende Strahlung und die Uneinheitlichkeit zwischen den Pixeln zu korrigieren. So kann die jedem Pixelwert zugewiesene Grau- oder Farbskala der Gesamtzahl der in jedem Pixel gespeicherten Strahlungstreffer direkt und linear proportional angepasst werden. Natürlich kann auch eine andere gewünschte Beziehung zwischen der jedem Pixelwert zugewiesenen Grau- oder Farbskala und der Anzahl der im Pixel gespeicherten Strahlungstreffer hergestellt werden.
Es ist zu beachten, dass die meisten dem Stand der Technik entsprechenden Halbleiter-Strahlungsabbildungssysteme auf Strahlungstreffer-Einzelzählung basieren. Oder anders ausgedrückt: Wenn ein Strahlungstreffer auf dem Detektor auftrifft, so wird er ausgelesen und mit einem Ladungsschwellenwert verglichen. Wenn die festgestellte Ladung den Schwellenwert überschreitet (was in der Regel dem Schutz vor elektronischem Rauschen und gestreuten Strahlungstreffern dienen soll), so wird der Treffer akzeptiert. In dieser Betriebsart sind Uneinheitlichkeit zwischen Pixeln und nicht-lineare Reaktion eines jeden Pixels kein Problem, solange die gespeicherte Ladung den Schwellenwert übersteigt.
Die vorliegende Erfindung findet besonders auf Geräte mit Mehrfachtrefferladungsspeicherung Anwendung, wie sie beispielsweise in WO-A-95/3332 beschrieben sind. Solche Geräte besitzen den Vorteil, dass sie in der Lage sind, Strahlung zu speichern, die auf eine Pixelzelle auftrifft, mit dem Ergebnis, dass sie jede praktisch verwertbare Strahlungsintensität verarbeiten können, wenn eine Treffer-Einzelzählung nicht realisierbar ist. Zu Anwendungen mit hoher Strahlungsintensität gehören beispielsweise herkömmliche Röntgenradiografie, Mammografie, Echtzeit-Röntgenbilddarstellung usw.
Die Kalibrierungskarte kann einmal vor jedem Bild oder weniger häufig erstellt werden, wenn das Pixelgerät und seine Umgebung sich nicht wesentlich verändern (beispielsweise einmal am Tag oder einmal im Monat). Die Kalibrierungskarte wird nach der Umwandlung vorzugsweise in einem Analog-Digital-Wandler (ADW) gespeichert, beispielsweise auf einer Analog-Digital-Wandler-Karte oder auf einem Computer, der zur Bildverarbeitung und -wiedergabe verwendet wird.
Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung lediglich beispielhaft unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 ist ein Blockschaubild eines Abbildungssystems.
1A ist eine schematische Darstellung eines Feldeffekttransistors.
2 ist ein Schaltplan eines Beispiels einer Pixelschaltung für ein Abbildungsgerät des Abbildungssystems von 1.
3 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer Abbildungsanordnung und einer Steuerelektronik des Abbildungssystems von 1.
4 ist eine schematische Darstellung der Auslesungsstufen für eine Pixelschaltung.
5 ist eine schematische Darstellung des Abfalls einer Gitterspannung im Verhältnis zur Zeit.
6 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Beziehung zwischen einer Pixelausgabespannung und Analog-Digital-Wandler-Zählungen.
7 ist eine schematische Darstellung einer Tabelle für Kartografierungsparameter.
8 zeigt eine quadratische Gleichung.
1 ist ein Blockschaubild eines Beispiels eines Abbildungssystems 10 mit einem Abbildungsgerät, wie es in WO-A-95/33332 beschrieben ist. Es ist dargestellt, wie das Abbildungssystem für die Abbildungs eines Objekts 12 verwendet wird, das einer Strahlung 14 ausgesetzt ist. Bei der Strahlung kann es sich beispielsweise um Röntgenstrahlung handeln, und das Objekt kann beispielsweise ein Teil des menschlichen Körpers sein.
Das Abbildungsgerät umfasst ein Aktivpixel-Halbleiter-Abbildungsgerät 16, das mehrere Pixelzellen 18 umfasst. Das Abbildungsgerät erkennt direkt einfallende energiereiche Strahlung wie beispielsweise Röntgenstrahlen, γ-Strahlen, β-Strahlen oder α-Strahlen und speichert an jeder Pixelzelle mittels einer aktiven dynamischen Direktzugriffs- Pixelschaltung auf oder neben einem entsprechenden Pixelzellendetektor Werte, die für die Strahlung stehen, die auf diese Pixelzelle auftrifft.
Das Aktivpixel-Halbleiter-Abbildungsgerät kann als ein einzelnes Halbleitersubstrat (beispielsweise Silizium) konfiguriert sein, wobei jede Pixelzelle einen Pixeldetektor 19 und eine Aktivpixelschaltung 20 umfasst. Das Aktivpixel-Halbleiter-Abbildungsgerät kann alternativ auch auf zwei Substraten aufgebaut sein: eines mit einer Anordnung aus Pixeldetektoren 19 und eines mit einer Anordnung aus Aktivpixelschaltungen 20, wobei die Substrate beispielsweise mittels herkömmlicher Stoßbonding-Technologie mechanisch miteinander verbunden sind.
Jede Pixelzelle 18 ist letztendlich auf dem Substrat durch (nicht gezeigte) Elektroden definiert, die eine Vorspannung anlegen, um eine Erkennungszone (d. h. den Pixeldetektor 19) für die Pixelzelle 18 zu definieren. Aktivpixelschaltungen 20 in Form elektronischer Strukturen (beispielsweise aus Transistoren, Kondensatoren usw.) können auf jeder Pixelzelle 18 oder an einer entsprechenden Stelle auf dem zugehörigen zweiten Substrat definiert werden, um Ladung zu speichern, die in dem Pixeldetektor entsteht, wenn beispielsweise ein Photon oder ein geladenes Strahlungsteilchen auf die Halbleiter-Erkennungszone der Pixelzelle 18 auftrifft. Eine Aktivpixelschaltung 20 und der Pixeldetektor 19 können eine Größe im zweistelligen Mikronbereich (beispielsweise 10-50 μm) aufweisen. Ein Beispiel einer Aktivpixelschaltung wird im Zusammenhang mit 2 beschrieben.
Die Pixeldetektoren 19 werden mit einer Erkennungszone ausgebildet, dergestalt, dass, wenn ein Photon im Halbleitersubstrat 16 an einer Pixelzelle 18 photo-absorbiert wird und eine elektrische Ladung erzeugt oder wenn eine geladene Strahlung die Erkennungszone des Halbleitersubstrats 16 an einer Pixelzelle 18 ionisiert, ein elektrischer Impuls von der Erkennungszone des Halbleitersubstrats zur Aktivpixelschaltung 20 für diese Pixelzelle 18 fließt. Ein Wert, welcher dem elektrischen Impuls zugeordnet ist, wird dann in einem Aktivschaltungselement, entweder direkt als ein Ladungswert oder als ein äquivalenter Spannungs- oder Stromwert, dergestalt gespeichert, dass neue Ladung, die aus nachfolgend eingehender Strahlung erzeugt wird, kontinuierlich hinzugefügt wird. Beispiele möglicher Speicherbausteine sind ein integrierter Kondensator oder das Gitter eines integrierten Transistors. Der Prozess der Ladungsspeicherung in einer Aktivpixelschaltung 20 setzt sich so lange fort, bis Steuersignale von der Steuerungselektronik 24 ausgesendet werden, einen Prozess des Auslesens von Informationen durch Adressierung jeder Pixelzelle, praktisch in einer Direktzugriffsweise, von jeder einzelnen Pixelzelle zu beginnen. Während des Auslesens der gespeicherten Ladungswerte wird weiterhin Ladung gespeichert, weil das Auslesen immer individuell für das Erkennen von Pixelzellen erfolgt. Die Pixelschaltungen können nach dem Auslesen zielgerichtet rückgesetzt werden, um die Ladungsspeicherschaltungselemente zu entladen, und erst dann sind Pixel für eine sehr kurze Zeit inaktiv (praktisch keine Totzeit, wie zu sehen sein wird). Das heißt, nur während des Rücksetzens sind einzelne Pixel inaktiv.
1a zeigt das Ladungsspeicherprinzip eines Beispiels eines Pixelschaltungs-Ladungsspeicherelements. In diesem Beispiel ist ein Feldeffekttransistor auf einem Halbleitersubstrat gebildet. Insbesondere sind (n+)-dotierte Regionen 4 und 6 für die Quellenelektrode bzw. die Abzugselektrode in einem Siliziumsubstrat 1 des P-Typs ausgebildet. In einer Oxidschicht 2 sind Elektroden für die Quelle 3 und den Abzug 5 ausgebildet, wobei über der Oxidschicht 2 eine Gitterelektrode 7 ausgebildet ist. An der Gitterelektrode 7 eines Feldeffekttransistors (MOSFET) wird mittels der FET-Gitterkapazität Ladung gespeichert. Während sich Ladung am FET-Gitter anspeichert, verringert dies die Elektronenkonzentration in der FET-Inversionsschicht 8 (die Schicht mit den für den FET-Betrieb benötigten Minoritätselektronträgern). Die Ladung, die maximal angespeichert werden kann, richtet sich nach der zulässigen Elektronen-Mindestdichte in der Inversionsschicht. Die Ladungsspeicherung wird daher durch keinerlei Dunkelströme beeinflusst, die – wie im Fall eines CCD – von dem Siliziumvolumen herrühren, weil in einem verarmten Volumen keine Ladung gespeichert wird. Die Ladungsspeicherkapazität richtet sich allein nach der FET-Gitter-Gesamtfläche (die im wesentlichen dicht bei der Pixelschaltungsfläche liegen kann), der Dicke der Oxidschicht (deren Dicke im ein- oder zweistelligen Nanometerbereich liegen kann) und dem FET-Dynamikbereich (der die maximale Gitterspannung bestimmt). Es ist zu beachten, dass es sich hierbei lediglich um ein Beispiel eines Pixelschaltungs-Ladungsspeicherelementes handelt und dass Ladung auch in jedem anderen geeigneten Ladungsspeichermittel, das in der jeweiligen Pixelschaltung implementiert ist, gespeichert werden kann.
Der Pixelabstand braucht nicht größer zu sein als 10 μm, was zu einer ausgezeichneten Positionsauflösung und folglich zu einer ausgezeichneten Bildauflösung führt.
2 veranschaulicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Aktivpixelschaltung 20 für eine Pixelzelle in einem Beispiel eines Abbildungsgerätes, das mit Feldeffekttransistoren (FETs) arbeitet, die zu einem Kaskodenverstärker angeordnet sind. VBIAS 40 ist ein Vorspannungseingang an der Erkennungszone, welche den Pixeldetektor 19 der Pixelzelle bildet. Der Pixeldetektor 19 ist durch das Diodensymbol D11 dargestellt. In der Pixelschaltung selbst ist SIGOUT 42 ein analoger Signalausgang, und VANA 44 ist ein analoger Stromversorgungseingang. RES-R-1 ist ein Rücksezungseingang, und ENA-R-1 ist ein Aktivierungseingang für die Pixelschaltung. In dem Gitter eines Transistors M11A 50 wird Ladung gespeichert, wenn sowohl der Eingang RES-R-1 46 als auch der Eingang ENA-R-1 48 im Low-Zustand sind.
Die Gitterkapazität bildet im Wesentlichen die Eingangsknotenkapazität (Gesamtkapazität), wodurch die Ladungsspeicherkapazität maximiert wird. In dieser Schaltung ergibt sich im Wesentlichen die gesamte Eingangsknotenkapazität aus dem Ladungsspeichertransistor M11A 50. Für eine Pixelschaltung von 35 μm × 35 μm kann die Kapazität des M11A 50 2 pF betragen, und der Dynamikbereich der FET-Gitterspannung kann wenigstens 2 Volt betragen. Das entspricht etwa 25.000.000 Elektronen an Speicherkapazität, was mehr als 100-fache der Kapazität eines CCD mit der gleichen Pixelgröße darstellt. Es ist zu beachten, dass die 2 pF der FET-Kapazität im obigen Beispiel im wesentlichen die gesamte Eingangsknotenkapazität der Pixelzelle ausmacht. Im obigen Beispiel mit Pixeln von 35 μm × 35 μm liegt die parasitäre Gesamtkapazität des Detektors und der übrigen Elemente in jeder Pixelschaltung und im entsprechenden Pixeldetektor im ein- bis zweistelligen fF-Bereich. Die Kapazität in dem Ladungsspeicherbaustein sollte maximiert werden und in jedem Fall deutlich höher sein als die parasitäre Kapazität in jeder Pixelzelle. Im obigen Beispiel beträgt die Kapazität des FET, der als Ladungsspeicherbaustein in der Pixelschaltung fungiert, mehr als 90 % der Gesamtkapazität der Pixelzelle, welche einen Pixeldetektor und die entsprechende Pixelschaltung umfasst. Infolge dessen wird im wesentlichen alle gesammelte Ladung im Ladungsspeicher-FET gespeichert, anstatt unter den Detektoren und den übrigen Pixelschaltungselementen aufgeteilt zu werden.
Es ist klar, dass diese Schaltung nur ein Beispiel darstellt, wobei die Ladungsspeicherkapazität mittels eines Pixelladungsspeicherbausteins (wie beispielsweise ein FET-Gitter oder ein Kondensator) maximiert wird, welcher den größten Teil der Eingangsknotenkapazität für jedes Pixel ausmacht.
Um die Pixelzelle zu lesen, wird ENA-R-1 in einen High-Zustand versetzt, so dass Strom vom Transistor M11A 50 durch den Transistor M11B 52 zu SIGOUT 42 fließen kann. Die Pixelschaltung wird rückgesetzt, indem RES-R-1 in den High-Zustand versetzt wird, woraufhin, nachdem RES-R-1 für nur wenige Mikrosekunden im High-Zustand war, das Gitter des Transistors M11A 50 um alle gespeicherte Ladung verarmt ist. Unmittelbar, nachdem RES-R-1 46 in einen Low-Zustand geht, kann sich Ladung am Gitter des Transistors M11A 50 anzusammeln beginnen. Wenn an den Rücksetzungseingang RES-R-1 46 kein Rücksetzungsimpuls angelegt wird, so ist anzumerken, dass eine Lese-Operation, wenn der Aktivierungseingang ENA-R-1 in den High-Zustand geht, nicht die Ladung vernichtet, sondern statt dessen lediglich einen Stromfluss verursacht, welcher der gespeicherten Ladung direkt proportional ist. Dies ermöglicht ein mehrfaches Auslesen ohne Rücksetzen.
3 ist eine schematische Darstellung einer möglichen Konfiguration der Steuerelektronik 24 von 1 und der Beziehung der Steuerelektronik 24 zu einer m × n-Matrix der Aktivschaltungen 20 der Pixelzellen 18. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 3 eine Anordnung aus 9 Pixelzellen veranschaulicht, und es sind lediglich ein paar der Signalleitungen, welche den Pfad 22 in 1 bilden, gezeigt. Es versteht sich, dass ein Abbildungsgerät normalerweise deutlich mehr Pixelzellen enthält, als in 3 dargestellt sind. Die Zeilenansteuerungslogik 60 steuert die Zeilenauslesung (ENA 74) und die Zeilenrücksetzung (RES 76), und die Spaltenlogik 62 aktiviert (COL-sel) das Auslesen von Ladungsspeicherwerten von jeder Pixelschaltung 20 in Reaktion auf ein Taktsignal 79.
Die Steuerelektronik 24 enthält Zeilenansteuerungslogikschaltungen 60, Spaltenadressierungslogikschaltungen 62, Stromversorgungsschaltungen 70, Analog-Digital-Wandler 56 und die Signalverarbeitungsschaltungen 58. Die Steuerelektronik 24 ist vorzugsweise teilweise, möglicherweise sogar komplett, auf dem Substrat 16 an der Peripherie der Bildanordnung, welche durch die Anordnung von Pixelzellen 18 gebildet wird, implementiert.
Die Stromversorgungsschaltungen 70 versorgen die einzelnen Aktivschaltungen 20 auf den Pixelzellen 18 über Leitungen 54 (die in 3 schematisch dargestellt sind) mit Strom und können zusätzlich so angeordnet sein, dass sie über (nicht gezeigte) Leitungen die Vorspannung für die Elektroden, welche die Pixelzellen definieren, zuführen.
Die Zeilenansteuerungslogik 60 gibt über Zeilenaktivierungs- und -rücksetzungsleitungen 64 bzw. 66 (die ebenfalls in 3 schematisch dargestellt sind) Signale für das Ansteuern von Spalten zum Auslesen bzw. Rücksetzen der einzelnen Aktivschaltungen 20 der Pixelzellen 18 ab. Die Zeilenansteuerungsleitungen 64 und die Zeilenrücksetzungsleitungen 66 sind mit dem Aktivierungseingang ENA-R-1 48 bzw. dem Rücksetzungseingang RES-R-1 46 einer jeden Pixelschaltung der Zeile verbunden. Des Weiteren sind in der Zeilenansteuerungslogik 60 Zeilenaktivierungssignale 74 und Zeilenrücksetzungssignale 76 zum Abtasten aufeinanderfolgender Zeilen gezeigt. Es ist zu erkennen, dass der Rücksetzungsimpuls 76 auf den Zeilenaktivierungsimpuls 74 folgt, um das Rücksetzen der Aktivschaltungen nach dem Auslesen zu bewirken.
Die Spaltenansteuerungslogik 62 umfasst im wesentlichen einen Multiplexer für das Ansteuern von Signalen, die über die Spaltenleitungen 68 (ebenfalls in 3 schematisch dargestellt) ausgegeben werden, wobei jede Spaltenleitung mit dem SIGOUT-Ausgang 42 einer jeden Pixelschaltung 20 in der betreffenden Spalte verbunden ist. Das COL-sel-Signal 78, das in der Spaltenansteuerungslogik 62 dargestellt ist, steuert somit Spalten zum Auslesen der einzelnen Aktivschaltungen 20 der Pixelzellen 18 an, die gerade durch die Zeilenaktivierungsimpulse 74 angesteuert werden. In der gezeigten Ausführungsform ist der Spaltenansteuerungsimpuls für aufeinanderfolgende Spaltenpositionen in Reaktion auf das Taktsignal CLK 79 während eines Zeilenaktivierungszeitraums getaktet, und zwar dergestalt, dass der Ladungsspeicherwert einer jeweiligen Aktivpixelschaltung auf der gerade angesteuerten Zeile bei jedem Taktimpuls ausgetaktet wird, bevor der Zeilenansteuerungsimpuls zur nächsten Zeile weiterschreitet. Jede Aktivpixelschaltung der gerade ausgelesenen Zeile wird dann gleichzeitig durch den Zeilenrücksetzungsimpuls 76 rückgesetzt.
Die in 3 gezeigten Verbindungen sind ohne weiteres mittels herkömmlicher Doppelmetallisierungstechnologie realisierbar. Obgleich, wie unter Bezug auf 3 beschrieben, die Pixel sequenziell in einer zuvor festgelegten Reihenfolge ausgelesen werden, ist klar, dass auf die Pixel praktisch in einer Direktzugriffsweise mittels separater Zeilen- und Spaltenaktivierungssignale zugegriffen wird. Es versteht sich ebenso, dass die Abtastrichtung umgekehrt werden könnte (Zeilen zu Spalten), oder es könnte auch auf einzelne Pixel in einer völlig willkürlichen Reihenfolge mittels geeigneter Zeilen- und Spaltenaktivierungssignale zugegriffen werden. Es ist ebenso klar, dass der Grad an sequenzieller oder paralleler Verarbeitung problemlos an die Anforderungen einer jeden Anwendung angepasst werden kann. Beispielsweise können alle Zeilen gleichzeitig so auf einen Aktivierungs-High-Zustand gesetzt werden, dass der Spaltenansteuerungstakt alle Zeilen parallel ausgibt, wodurch sich die Auslesungsrate erhöht. Das Rücksetzen von Zeilen muss nicht der Auslesungsrate entsprechen. Nach mehrfachen Auslesungen kann jede Zeile mit einer geringeren Rate als der Auslesungsrate rückgesetzt werden. Es versteht sich, dass die Bezeichnung von Zeilen und Spalten willkürlich ist und auch umgekehrt werden kann.
Demgemäß wird in einem Halbleiterpixelabbildungssystem, das nach dem Strahlungsspeichermodus arbeitet, wie es aus WO-A-95/33332 bekannt ist, jeder Pixelladungswert in einem Analog-Digital-Wandler (ADW) digitalisiert und anschließend an die Bildverarbeitungsvorrichtung als ein digitaler Pixelausgabewert in Form einer Analog-Digital-Wandler-Zählung für jede Pixelzelle ausgegeben.
Beispielsweise ist, wenn ein Bild in einer Einzelaufnahme gespeichert wird, das Ausgangssignal des Gerätes ein Reihen-ADWi, wobei der Index sich auf die Pixelanzahl bezieht. Die Anzahl der Analog-Digital-Wandler-Zählungen für ein Pixel i ist ein Maß des analogen Ladungswertes, der auf diesem Pixel gespeichert wurde. Die Ladung Q wiederum, die auf einem Pixel i gespeichert wurde, verhält sich direkt proportional zur Anzahl der gespeicherten Strahlungstreffer, d. h. Qi = Q(Anzahl der Treffer).
Die Beziehung zwischen der Anzahl der Strahlungstreffer und der gespeicherten Ladung ist linear. Des Weiteren definiert eine Konstante die Umwandlung von der Anzahl der Strahlungstreffer in einen Ladungswert, wobei diese Konstante von der Strahlungsenergie und der Auswahl des Halbleitersubstrats zum Umwandeln auftreffender Strahlung in einen elektrischen Impuls abhängt. In der Realität aber verhalten sich die Menge der auf einem Pixel gespeicherten Ladung und der Ausgabewert dieses Pixels oft nicht linear zueinander, und es ist der Pixelausgabewert, der schlussendlich digitalisiert wird. Des Weiteren kann es sein, dass, wenn in verschiedenen Pixeln die gleiche Ladungsmenge gespeichert ist, die Ausgabewerte von diesen Pixeln nicht identisch sind. Bei einer bestimmten Ladungsspeichermenge, die einer bestimmten Anzahl an Strahlungstreffern entspricht, sollte jedes Pixel idealerweise den gleichen Wert (ein Strom- oder Spannungswert) ausgeben. Ebenso sollte sich, wenn die Ladungsspeichermenge auf jedem Pixel verdoppelt oder verdreifacht wird, der Ausgabewert dieses Pixels idealerweise linear verhalten, indem das Pixel einen doppelten oder dreifachen Strom- bzw. Spannungswert ausgibt. In der Realität aber kommt es zu einer Uneinheitlichkeit zwischen einzelnen Pixeln und zu einer nicht-linearen Reaktion eines jeden Pixels.
Es ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der Erfindung, eine Korrektur für jedes Pixel bereitzustellen, dergestalt, dass eine korrigierte ADW-Zählzahl für jedes Pixel linear und einheitlich die gespeicherte Ladung und folglich die Anzahl der gespeicherten Strahlungstreffer repräsentiert. Die Abbildungsfunktion für die Ausgabewertkorrektur wird in einer Ausführungsform der Erfindung anhand von Daten extrahiert, die vom Abbildungsgerät selbst und nicht von einem Referenzsensor bzw. einem Referenzgerät stammen. Ein Referenzsensor bzw. ein Referenzgerät ist immer nur ungefähr dem Abbildungsgerät gleich und kann niemals exakt die nicht-lineare Reaktion und die Uneinheitlichkeit des Abbildungsgerätes widerspiegeln.
Das von der vorliegenden Erfindung verwendete Verfahren wird nun in allgemeiner Form beschrieben, bevor eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wird, die in Verbindung mit dem aus WO-A-95/33332 bekannten Halbleiterpixelabbildungsgerät verwendet werden soll.
Es leuchtet jedoch ein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese bevorzugte Ausführungsform beschränkt ist, sondern auch auf andere HalbleiterpixelAbbildungsgeräte und -systeme angewendet werden kann, beispielsweise CCD-Systeme oder Systeme mit Pixelbausteinen, die auf der Dünnfilmtechnologie basieren (amorphe Si-Elemente, Selenbausteine usw.).
Jedes Pixel in einem Halbleiterabbildungsgerät besitzt Ladungsspeichermittel zum Speichern von Ladung, die aus umgewandelter auftreffender Strahlung stammt. Obgleich die aus WO-A-95/33332 bekannten Geräte einen Ladungsspeicherbaustein in Form eines Kondensators und/oder eines Feldeffekttransistors (FET) umfassen, kann in anderen Abbildungsgeräten Ladung auch in der Pixelstreukapazität gespeichert werden. Gespeicherte Ladung ändert eine Eigenschaft des Ladungsspeicherbausteins. Wenn es sich beispielsweise bei dem Ladungsspeicherbaustein um einen Feldeffekttransistor handelt, so ändert die gespeicherte Ladung die Spannung des Gitters, wo die Ladung gespeichert ist. Eine veränderte Gitterspannung führt zu einer Änderung des Ausgabewertes von dem Pixel, in der Regel eine Änderung eines Spannungs- oder Stromausgabewertes.
In einem Beispiel der Erfindung – und vor der Speicherung eines Bildes – wird für jedes Pixel ein Parameter, welcher die Menge der gespeicherten Ladung bestimmt, extern variiert. Für unterschiedliche bekannte Werte jenes Parameters wird der Ausgabewert des Pixels so digitalisiert, dass sich ein ADW-Zählwert ergibt. Dann wird eine Funktion zwischen den Eingangswert und den digitalisierten Ausgabewert eingebettet, um eine Beziehung zwischen den ADW-Zählwerten und den entsprechenden Pixelparameterwerten zu ermitteln, die ihrerseits zu der gespeicherten Ladung in Beziehung steht.
Als ein Beispiel dafür nehmen wir einmal ein Beispiel eines Abbildungsgerätes mit einem Feldeffekttransistor für jede Pixelzelle. Der Feldeffekttransistor für jede Pixelzelle speichert Ladung von Impulsen, die in einem entsprechenden Pixeldetektor für die Pixelzelle anhand entsprechender Strahlungstreffer erzeugt wurden. Das FET-Gitter, wo die Ladung gespeichert wird, wird am Anfang jedes Operationszyklus' auf eine bestimmte Spannung, beispielsweise 5 V, rückgesetzt. Anschließend fällt die Gitterspannung in dem Maße ab, wie Elektronen in Reaktion auf Impulse von jeweiligen Strahlungstreffern angesammelt werden.
Der Betrag, um den die Gitterspannung abfällt, richtet sich nach der Anzahl der angesammelten Elektronen und der FET-Gitterkapazität, d. h. V = Q/C, wobei V die Differenz in der Gitterspannung ist (ein Wert zwischen 0 und 5 Volt), Q die angesammelte Zahl der Elektronen ist und C die FET-Gitterkapazität ist. Wo anstelle von Elektronen Löcher gesammelt werden, kann eine Rücksetzungsspannung von 0 Volt oder ein anderer Wert nahe 0 Volt verwendet werden, und der anschließende Spannungswert steigt in Reaktion auf Impulse von jeweiligen Strahlungstreffern.
In jedem Fall führt die endgültige Gitterspannung zur Entstehung eines Pixelausgabewertes, bei dem es sich in den meisten Fällen um einen Spannungs- oder Stromwert handelt. Der Pixelausgabewert wird anschließend digitalisiert.
In einem Beispiel der Erfindung wird, um die Pixelzellen zu kalibrieren, die FET- Gitterrücksetzungsspannung extern justiert, beispielsweise auf 3 Volt, indem über die Leitungen 54 der Stromzuleitungen VANA 44 einer jeden Pixelschaltung (d. h. VR4 in 4) 3 Volt angelegt werden. Das ist das Gleiche, als wenn die Rücksetzung 5 Volt beträgt und dann wegen angesammelter Elektronen um 2 Volt abfällt. Oder anders ausgedrückt: Die Verwendung der extern angelegten selektiven Rücksetzungsspannung kann den Effekt einer Anzahl von Strahlungstreffern in einer Weise simulieren, die sich in jeder Pixelzelle replizieren lässt. Durch das Auslesen des Pixelausgabewertes und seine Digitalisierung für die gewählte Rücksetzungsspannung (beispielsweise 3 Volt) ohne Strahlung entspricht die Reaktion der Pixelzelle dem Ergebnis, wonach die angesammelten Elektronen die Gitterspannung um 2 Volt abfallen lassen. Der Pixelausgabewert für unterschiedliche Rücksetzungsspannungen wird in Bezug auf die jeweiligen Analog-Digital-Wandler-Zählungen aufgezeichnet. Für jeden Rücksetzungsspannungswert erhält man eine bestimmte Anzahl von Analog-Digital-Wandler-Zählwerten. Die Beziehung zwischen den Rücksetzungsspannungswerten und den Analog-Digital-Wandler-Zählwerten wird dann in eine Funktion (beispielsweise eine quadratische Funktion) eingebettet, um eine Funktion zum Berechnen der Beziehung zwischen Spannungen am Gitter, wo Elektronen angesammelt werden, und den Analog-Digital-Wandler-Zählwerten zu erhalten.
Oder anders ausgedrückt: Für jede Pixelzelle wird ein Parameter, der zur Ladungsspeichermenge in Beziehung steht, extern variiert, und der entsprechende Pixelausgabewert wird aufgezeichnet, um die Reaktionsfunktion jedes Pixels abzuleiten. Indem man anschließend die ermittelte Funktion zur Verarbeitung von Pixelausgabewerten verwendet, kann eine nicht-lineare Reaktionskorrektur angewendet werden.
Ebenso wie die Korrektur der nicht-linearen Reaktion jedes Pixels auf gespeicherte Ladung kann eine Ausführungsform der Erfindung auch das Problem lösen, wie mit der Uneinheitlichkeit zwischen Pixeln umzugehen ist. Obgleich die Reaktionsfunktion den Parameter (beispielsweise die Gitterspannung am Feldeffekttransistor) auf jedem Pixel zur gespeicherten Ladung in Beziehung setzt, kann es sein, dass zwischen zwei verschiedenen Pixeln mit dem gleichen Parameter die gespeicherte Ladung unterschiedlich ist. Dies wird anhand des obigen Beispiels eines Feldeffekttransistors erläutert. Zwei verschiedene Pixel, auf denen zwei verschiedene Feldeffekttransistoren zur Ladungsspeicherung implementiert sind, haben im allgemeinen leicht unterschiedliche FET-Gitter-Kapazitäten. Selbst wenn die FET-Gitter-Spannungen die gleichen sind, wäre die Ladung auf dem ersten Pixel Q1 = C1 × V und auf dem zweiten Pixel Q2 = C2 × V.
Die schlussendlichen Analog-Digital-Wandler-Zählungen, die Grau- oder Farbwerte zugeordnet bekommen, sollten die Gesamtladung auf jedem Pixel darstellen und nicht nur die Spannung des FET-Gitters. Darum wird wegen dieser Uneinheitlichkeit zwischen Pixeln eine Korrektur durchgeführt.
Um dies zu bewerkstelligen, nachdem die Reaktionsfunktion für jedes Pixel erhalten wurde, wird unter Verwendung einer Strahlungsquelle (beispielsweise einer Röntgenstrahlungsquelle) ein "leeres" Bild gespeichert, ohne dass sich ein Objekt zwischen der Strahlungsquelle und dem Abbildungsgerät befindet. Auf diese Weise gelangt eine gewisse Strahlungsmenge in jedes Detektorpixel. Die Pixelausgabewerte werden dann aufgezeichnet und zur Gewinnung eines Skalenparameters verwendet. Einen Skalenparameter erhält man über die Reaktionsfunktion, die zuvor für einen bestimmten Pixelausgabewert definiert wurde. Man nennt diesen Parameter einen Skalenparameter für ein bestimmtes Pixel, weil alle nachfolgend mit der Strahlungsquelle und dem abzubildenden Objekt erhaltenen Pixeleingangswerte damit verglichen werden und der korrigierte Pixelwert unter Bezug auf diesen Parameter definiert wird. Oder anders ausgedrückt: Den Skalenparameter leitet man ab, indem man den Pixelausgabewert von dem Pixel für die Strahlungsmenge in die Reaktionsfunktion einbettet.
Es wurde ein Verfahren zum Kalibrieren bzw. Korrigieren von Pixelwerten eines Pixelabbildungsgerätes und zum Erlangen von Pixelwerten linear und einheitlich proportional zur Anzahl der auf jedem Pixel ankommenden Strahlungstreffer beschrieben. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Erlangens der nicht-linearen Reaktion jedes Pixels auf einfallende Strahlung und einen zweiten Schritt des Erlangens der Uneinheitlichkeits-Korrelation zwischen Pixeln. Es wird eine Tabelle, eine Karte oder eine Anordnung mit einem Eintrag je Pixel gespeichert, möglicherweise auf einer Karte, auf der sich die Analog-Digital-Wandler 56 befinden, oder möglicherweise in einem Speicher eines Computers, welcher den Bildprozessor 28 zum Erzeugen von Bildern aus den Pixeldaten bildet. Jeder Eintrag in der Tabelle umfasst eine Anzahl von Parametern, die eine Reaktionsfunktion für jedes Pixel definieren, sowie einen Skalenparameter zur Berücksichtigung von Uneinheitlichkeit zwischen Pixeln definiert.
Im folgenden wird eine konkrete Ausführungsform der Erfindung für den Fall eines Abbildungsgerätes, wie es aus WO-A-95/33332 bekannt ist, beschrieben.
4 ist eine schematische Darstellung einer Pixelschaltung und des damit verbundenen Auslesungsprozesses. Ein Rücksetzungs-FET 81 kann die Gitterspannung eines ladungsspeichernden FET 82 entsprechend einem vom Benutzer definierten Wert initialisieren. Nachdem der ladungsspeichernde FET 82 auf einen Wert V_R rückgesetzt wurde, speichert er über einen zuvor festgelegten Zeitraum t_i Ladung. Die Gitterspannungen erzeugen im FET 82 einen Strom, wenn das betreffende Pixel durch Ändern der Steuerspannungen Col_xxx und Row_xxx in FET 85 und FET 86 ausgelesen wird. Dieser Strom erzeugt eine Spannung am Widerstand R1 im Verstärker A1 87. Das Signal wird im Verstärker A2 88, der durch die Widerstandswerte R2 und RA definiert wird, weiter verstärkt und um die Spannung V2 für das Eingangssignal 89 des Analog-Digital-Wandlers 90 verschoben.
Während des Integrationszeitraums für die Ladungsspeicherung speichert der FET 82, wenn es kein Signal von Röntgenstrahlen (oder sonstigen Strahlen) gibt, die Ladung vom Detektor-Fehlerstrom I_dl. Am Ende des Integrationszeitraums hat die Spannung vom Gitter des FET 2 folgenden Wert:
wobei C_F die Ladungsspeicherkapazität des Gitters vom FET 82 ist. Dies ist in 5 gezeigt, wo die Kurve 120 den Abfall der Gitterspannung VG(ti) in Abhängigkeit von der Zeit zeigt, wenn nur der Detektor-Fehlerstrom gespeichert wird (d. h. wenn keine Röntgenstrahlen vorliegen). Durch externes Variieren der Rücksetzungsspannung V_R erhalten wir jedes Mal eine andere Gitterspannung V_G(ti) für den ladungsspeichernden FET 82, wann immer wir die Pixelwerte auslesen und sie digitalisieren. 6 zeigt die Beziehung der Rücksetzungsspannung zur Anzahl der Analog-Digital-Wandler-Zählungen. Es wird ein Polynom zweiter Ordnung (wie beispielsweise in 8 schematisch dargestellt) in die entsprechenden Kurven eingebettet, um die Reaktionsfunktion für jede Pixelschaltung zu definieren. Oder anders ausgedrückt: Wir nehmen für jedes Pixel eine Anzahl Messungen vor, wobei wir jedes Mal die Rücksetzungsspannung variieren und die erforderliche Anzahl von Analog-Digital-Wandler-Zählungen vornehmen. Wie aus 6 deutlich zu erkennen ist, ist die Reaktionsfunktion nicht-linear. Das heißt, dass doppelte oder dreifache Spannungsabfälle am Ladungsspeichergitter des FET 82 nicht das Zwei- oder Dreifache des Ausgabewertes auf Analog-Digital-Wandler-Ebene erzeugen.
Nachdem die Reaktionsfunktion für jedes Pixel ermittelt und die eingebetteten Parameter festgelegt wurden, besteht der zweite Schritt der Kalibrierung darin zu berücksichtigen, dass die Pixel keine identischen Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise die Ladungsspeicherkapazität. Bei der heutigen Technologie zur Herstellung von ASICs kann die Abweichung bei den Kapazitäten für jedes Pixel in der Regel in der Größenordnung von 10 % liegen. Die Uneinheitlichkeit unter den Pixeln wird folgendermaßen beseitigt.
Es ist anzumerken, dass der jedem Pixelwert zugewiesene Grau- oder Farbskalenwert zu dem Verhältnis zwischen eingegangenen Strahlungstreffern (beispielsweise Röntgenstrahlen) und der Höchstzahl an Strahlungstreffern (Röntgenstrahlen), die eingehen, wenn kein Objekt abgebildet wird, in Beziehung gesetzt werden sollte. Auf diese Weise wird die Gesamtzahl der verfügbaren Anzeigeskalen gleichmäßig entsprechend der Anzahl an Röntgenstrahlen aufgeteilt. Jedes Pixel erhält eine gewisse Menge Strom von Röntgenstrahlen Is während der Belichtungszeit ts.
In 5 ist veranschaulicht, was geschieht, wenn ein Röntgenstrahlungsfluss (das Signal) während der Zeit ts absorbiert wird. Die anfängliche Rücksetzungsspannung ist VR. Kurve 121 zeigt, dass Ladung, die infolge der Röntgenstrahlen gespeichert wurde, zu der Ladung vom Detektor-Fehlerstrom hinzukommt. Kurve 122 zeigt, dass nach Beendigung der Einwirkung der Röntgenstrahlen der Detektor-Fehlerstrom weiterhin gespeichert wird. Am Ende des Integrationszeitraums ist die Spannung des Gitters des FET 82:
wobei I_s der Ladungsstrom ist, der aus dem ankommenden Röntgenstrahlungsfluss entsteht, und t_s die Einwirkungsdauer der Röntgenstrahlung ist und V_R die Rücksetzungsspannung ist, die für den Betrieb der Abbildungsvorrichtung gewählt wurde.
Bevor ein Bild eines Objekts aufgenommen wird, wird ein leeres Bild (ohne Objekt) aufgenommen, um den maximalen Gehalt an Röntgenstrahlung anhand der Analog-Digital-Wandler-Zählungen zu bestimmen. Aus der eingebetteten Kurve in 6 kann man ADC_max erkennen, was das maximale erwartete Signal aus der Röntgenstrahlung angibt. Aus der eingebetteten Kurve in 6 kann man des Weiteren die entsprechende V_RXmax erkennen. Dies ist eine äquivalente Rücksetzungsspannung. Die Rücksetzungsspannung ist es, welche – nach der Integrationsdauer t_i – zur gleichen Spannung am ladungsspeichernden Gitter von FET 82 geführt hätte. Somit:
Anschließend wird, nachdem V_RXmax bestimmt wurde, das abzubildende Objekt auf dem Pixeldetektor angeordnet, und es wird eine Messung mit Röntgenstrahlung vorgenommen. Für jedes Pixel erhalten wir dann einen Analog-Digital-Wandler-Wert ADC_X, und aus der Kurve für das betreffende Pixel – wie in 6 gezeigt – wird das Äquivalent
gewonnen. Die Zuordnung der digitalen Grau- oder Farbskala ist dann:
wobei N die Gesamtzahl der verfügbaren Grauskalen ist. V_RXmax ist der Skalenparameter, der – wie aus der obigen Gleichung zu sehen ist – die Gesamtskala bzw. den Gesamtbereich für die Pixelzelle definiert, wie in 6 gezeigt. Aus der obigen Gleichung kann man erkennen, dass der Effekt der Kapazität jedes einzelnen Pixels beseitigt ist. Das wird im Grunde dadurch erreicht, dass man eine leere Aufnahme nimmt und die maximale Reaktion jedes Pixels (d. h. V_RXmax) aufzeichnet. Die Werte der polynomialen Koeffizienten (a_i, b_i und c_i – siehe 8) und der Skalenparameter (SP_i) werden für jedes Pixel (an einem entsprechenden adressierbaren Eintrag in einer Tabelle T – siehe 7) als Parameter gespeichert, welche eine Umwandlungsfunktion definieren, die für eine nicht-lineare Reaktion einer Pixelzelle und/oder Unterschiede zwischen Pixelzellen stehen. Dies wird dann während der Abbildungs oder vor der Bildanzeige verwendet, um eine Korrektur der nicht-linearen Reaktion einer Pixelzelle und/oder Unterschiede zwischen Pixelzellen vorzunehmen.
Somit wurde ein Kalibrierungs- oder Korrekturverfahren für ein Halbleiterpixelabbildungsgerät offenbart. Jeder digitale Pixelwert wird um eine mögliche nicht-lineare Reaktion des Ausgabewertes eines jeden Pixels auf seinen Eingangswert korrigiert. Des Weiteren werden die digitalen Pixelwerte so korrigiert, dass ihre uneinheitlichen Eigenschaften berücksichtigt werden, wie beispielsweise nicht-identische Ladungsspeicherkapazitäten. Die individuelle Kalibrierung bzw. Korrektur der nicht-linearen Reaktion jedes Pixels wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass man extern den Eingangsparameter variiert, der den Pixelausgabewert beeinflusst, und den digitalen Pixelausgabewert als eine Funktion des bekannten Eingangsparameters aufzeichnet. Die Funktion wird anschließend umgekehrt, um zu den analogen Pixeleingangswerten als eine Funktion der digitalen Ausgabewerte zu gelangen. Des Weiteren erfolgt die Kalibrierung bzw. Korrektur der uneinheitlichen Pixeleigenschaften vorzugsweise in der Form, dass man den größten und den kleinsten Ausgabewert jedes Pixels einzeln in Reaktion auf einen eingehenden Strahlungsfluss bzw. auf einen Null-Strahlungsfluss aufzeichnet. Bei der Abbildung eines Objekts wird jedes Bildpixel dann in einen Zustand versetzt, der zwischen diesen beiden Extremen liegt.
Es ist darum die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das den Ausgabewert jedes Pixels zu der Menge an auftreffender Strahlung in Beziehung setzt, wobei die nicht-lineare Reaktion jedes einzelnen Pixels auf die einfallende Strahlung sowie die Uneinheitlichkeit unter den Pixeln korrekt berücksichtigt wird. Es ist offensichtlich, dass das oben beschriebene Verfahren auch andere, trivialere Effekte korrekt berücksichtigt, wie beispielsweise den kontinuierlichen Detektor-Fehlerstrom (oder Dunkelstrom).
Das offenbarte Kalibrierungsverfahren bietet feinauflösende Bilder nicht nur im Hinblick auf vervollkommnete Pixelwerte, sondern auch im Hinblick auf kombinierte Pixelwerte zur Aufnahme eines Bildes eines kontrastarmen Objekts. In einem solchen Fall müssen die Pixelwerte vor der Kombination und der Anzeige so korrigiert werden, dass die Informationen über die ursprüngliche Gesamtzahl der eingehenden Strahlungstreffer für jede Pixelgruppe präzise wiedergegeben werden.
Die Kalibrierungs- bzw. Korrekturkarte (Tabelle), welche die Reaktionsfunktion und die Uneinheitlichkeits-Korrektur für jedes Pixel enthält, wird vorzugsweise auf der Analog-Digital-Wandler-Karte oder auf dem Computer, der zur Bildverarbeitung und – wiedergabe verwendet wird, gespeichert. Jedes Pixel hat einen Korrektureintrag in der Kalibrierungskarte, der vier Bytes Festplattenspeicher oder – im Fall von Datenkomprimierung – noch weniger benötigt. Die Adressierung der Tabelle kann direkt in Reaktion auf die Adressierung der Pixelanordnung erfolgen (beispielsweise unter Verwendung der Adressierungssignale von 60 und 62 in 3), oder sie kann alternativ nach der ersten Speicherung der Pixelausgabewerte erfolgen. Darum können vorhandene handelsübliche Analog-Digital-Wandler und Computersysteme problemlos die Kalibrierungskarte verarbeiten.
Obgleich spezifische Ausführungsformen beschrieben wurden, versteht es sich, dass zahlreiche Modifizierungen und Alternativen möglich sind, ohne dass der Geltungsbereich der Erfindung verlassen wird.
Insbesondere wird man verstehen, dass die oben beschriebene Kalibrierungstechnik zwar insbesondere für das Anzeigen von Bildern gedacht ist, die mit dem in WO-A-95/33332 offenbarten Abbildungsgerät aufgenommen wurden, aber ungeachtet dessen auch für die Verbesserung und Vervollkommnung von Bildern verwendet werden kann, die mit anderen Halbleiterpixelabbildungsgeräten wie beispielsweise CCDs, amorphen Si-Pixelgeräten, Dünnfilm-Pixelgeräten usw. aufgenommen wurden. Man wird ebenso verstehen, dass das oben beschriebene Verfahren auch zur Vervollkommnung von Bildern verwendet werden kann, die im infraroten, im optischen und in anderen Teilen des Spektrums – neben der energiereichen Strahlung (wie beispielsweise Röntgenstrahlung, Gammastrahlung, Beta-Strahlung, Alpha-Strahlung usw.) – aufgenommen wurden.
Des Weiteren wird bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung eine Umwandlungsfunktion bestimmt, indem Rücksetzungsspannungen extern angewendet werden, um eine Reaktionsfunktion für jede Pixelzelle als repräsentativ für die nicht-lineare Beziehung der Pixelausgabewerte zu vorher festgelegten Pixeleingangswerten zu bestimmen, und indem anschließend das Abbildungsgerät bestrahlt wird, um einen Skalenparameter für jede Pixelzelle als repräsentativ für die Uneinheitlichkeit zwischen Pixelzellen aus den relativen Pixelausgabewerten für eine bestimmte

Claims

Verfahren zum Kalibrieren von Pixelwerten, die von jeweiligen Pixelzellen eines Abbildungsgerätes ausgegeben werden, wobei jede dieser Pixelzellen eine Pixelschaltung (20) zum Speichern von Ladung in Reaktion auf Strahlung, die auf das Abbildungsgerät auftrifft, umfasst, wobei das Verfahren folgendes umfasst: a) Bestimmen einer Umwandlungsfunktion für jede Pixelzelle, wobei diese Umwandlungsfunktion für eine nicht-lineare Reaktion eines Pixels repräsentativ ist und durch die Kombination einer Reaktionsfunktion und eines Skalenparameters gebildet wird, enthaltend die folgenden Schritte: i) Anlegen zuvor festgelegter Pixelschaltungseingangsspannungen an jede Pixelschaltung und Bestimmen der Reaktionsfunktion für jede Pixelschaltung als repräsentativ für die Beziehung zwischen Pixelausgabewerten und den zuvor festgelegten angelegten Pixelschaltungseingangsspannungen, und ii) Bestimmen des Skalenparameters für jede Pixelzelle als repräsentativ für die Unterschiede bei der gespeicherten Ladung, die von verschiedenen Pixelzellen in Reaktion auf eine angelegte Eingangsstrahlungsintensität gespeichert wird, und b) Definieren einer Datenstruktur, die einen Eintrag für die Umwandlungsfunktion, die für jede Pixelzelle bestimmt wurde, umfasst und auf die zugegriffen werden kann, um die Umwandlungsfunktion, die für die Pixelzelle bestimmt wurde, auf einen Wert anzuwenden, der von dem Ausgabewert der Pixelzelle abgeleitet wurde, um einen korrigierten Wert zu berechnen, der eine gewünschte Beziehung zu der Strahlung aufweist, die auf die Pixelzelle auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (a)(i) für jede Pixelzelle das Einbetten von Pixeleingangswerten als Funktion entsprechender Pixelausgabewerte umfasst, dergestalt, dass sich eine parametrisierte Beziehung zwischen den Pixeleingangswerten und den entsprechenden Pixelausgabewerten ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Reaktionsfunktion durch externes Variieren eines Pixeleingangswertes zu den Pixelzellen und Aufzeichnen eines resultierenden Pixelausgabewertes bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der extern variierte Pixeleingangswert ein Rücksetzungsspannungswert eines Ladungsspeichermittels der Pixelzelle ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Ladungsspeichermittel einen Feldeffekttransistor (FET) und/oder einen Kondensator umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt (a)(ii) das Anlegen eines Pixelein gangssignals an die Pixelzellen und das Aufzeichnen des Ausgabewertes der jeweiligen Pixelzellen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Pixeleingangssignal eine einwirkende Menge an Strahlung von einer externen Quelle ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Pixelausgabewert von einer Pixelzelle für die Strahlungsmenge zur Definierung des Skalenparameters für die Pixelzelle verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt (a)(i) vor dem Schritt (a)(ii) ausgeführt wird und wobei der Skalenparameter abgeleitet wird, indem der Pixelausgabewert von dem Pixel für die Strahlungsmenge in die Reaktionsfunktion eingebettet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in die Datenstruktur an jedem Eintrag Parameter der Reaktionsfunktion und der Skalenparameter für eine jeweilige Pixelzelle eingebettet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (a)(ii) das Aufzeichnen des größten und des kleinsten Ausgabewertes jeder Pixelzelle in Reaktion auf einen eingehenden Strahlungsfluss bzw. auf einen Null-Strahlungsfluss umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einträge der Datenstruktur vor der Bildaufnahme festgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Datenstruktur zur Umwandlung von Pixelausgabewerten für jeweilige Pixelzellen verwendet wird, so dass sich umgewandelte Ausgabewerte für jene Pixelzellen ergeben.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die gewünschte Beziehung darin besteht, dass umgewandelte Ausgabewerte in linearer Beziehung zu der Anzahl der gespeicherten Strahlungstreffer oder zu der gespeicherten Menge Licht, das auf die entsprechende Pixelzelle auftrifft, stehen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Datenstruktur mit neuen Werten aktualisiert wird, wenn sich Faktoren ändern, die sich auf die Leistung der Pixelzellen auswirken.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei zu diesen Faktoren Temperaturschwankungen, Signalintegrationszeiten oder Belichtungszeiten gehören.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es sich bei den Werten, die von den Ausgangswerten von jeder Pixelzelle abgeleitet sind, um digitale Werte handelt.
Abbildungssystem (10), umfassend ein Abbildungsgerät (16) mit einer Anordnung von Pixelzellen (18), wobei jede dieser Zellen eine Pixelschaltung zum Speichern von Ladung in Reaktion auf einfallende Strahlung und zum Erzeugen von Pixelausgabewerten zur Herstellung eines digitalen Bildes umfasst, wobei das System folgendes umfasst: Mittel zum Bestimmen einer Umwandlungsfunktion für jede Pixelzelle (18) durch Anlegen einer vordefinierten Pixelschaltungseingangsspannung, wobei diese Umwandlungsfunktion für eine nicht-lineare Reaktion einer Pixelzelle und/oder Unterschiede zwischen Pixelzellen repräsentativ ist und durch die Kombination einer Reaktionsfunktion und eines Skalenparameters gebildet wird, wobei die Reaktionsfunktion für eine besagte Pixelzelle für eine nicht-lineare Beziehung zwischen Pixelausgabewerten und zuvor festgelegten Pixelschaltungseingangsspannungswerten repräsentativ ist und ein Skalenparameter für jede Pixelzelle für Unterschiede in der gesammelten Ladung, die in verschiedenen Pixelzellen in Reaktion auf eine einwirkende Eingangsstrahlungsintensität gespeichert ist, repräsentativ ist; eine Datenstruktur (T), die einen Eintrag für jede Pixelzelle für die Umwandlungsfunktion, die für diese Pixelzelle bestimmt wurde, umfasst; und Mittel (28) zum Berechnen korrigierter Pixelwerte für ein digitales Bild aus einem Wert, der von dem Ausgangswert von jeder Pixelzelle abgeleitet wurde, unter Verwendung der Umwandlungsfunktion, die für die Pixelzelle in dem entsprechenden Datenstruktureintrag gespeichert ist, wobei die korrigierten Pixelausgabewerte eine gewünschte Beziehung zu Strahlung, die auf die Pixelzelle auftrifft, aufweisen.
System nach Anspruch 18, umfassend Analog-Digital-Wandlermittel (56, 90) zum Digitalisieren der Ausgabewerte von jeder Pixelzelle zum Zweck der Erzeugung des daraus abgeleiteten Wertes.
System nach Anspruch 18 oder 19, umfassend Mittel (28) zum Berechnen eines maximalen Pixelausgabewertes für eine Pixelzelle, der einer zuvor festgelegten maximalen Menge Strahlung entspricht, die auf diese Pixelzelle auftrifft, um ein Maximum einer digitalen Skala für diese Pixelzelle zu definieren.
System nach einem der Ansprüche 18–20, das Ladungsspeichermittel umfast, beispielsweise einen Feldeffekttransistor (82) und/oder einen Kondensator.