JP2010104002A - X線画素検出器の読出し回路及び集積回路 - Google Patents

X線画素検出器の読出し回路及び集積回路 Download PDF

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Abstract

【課題】単純な構造で、空間非線形特性にすぐれ、空間アーティファクトがないX線読み出しシステムを提供する。
【解決手段】X線画素検出器の画素からアナログX線露光値をそれぞれ読み取る複数のアナログフロントエンド回路と、逐次近似ADCを含む複数のチャネルとを備え、複数のアナログフロントエンド回路の各々はADCに接続される出力を有し、各ADCは1つの画素のX線露光値を示すデジタル値を提供するように構成し、ADCのそれぞれはDACを含むフィードバックループを有し、読出し回路は、複数のADCのうちのいくつかのADCの前記DACに複数の基準電圧を提供する電圧基準ユニットを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、固体X線撮像システム、及びこのようなシステムに適している高速デジタル読出しユニットに関する。
本願は、2008年10月24日に出願された欧州特許出願第08167574.6号の利益を主張し、該特許出願の主題は参照により本明細書に援用される。
X線撮像は群を抜いて重要な医療用撮像診断ツールであり、また手術、放射線治療、及び工業非破壊検査の用途において広範に採用されている。X線撮影の初期から使用されてきた従来の写真フィルム検出器は、現在ますますデジタルX線検出器に取って代わられている。
一般的なデジタルX線検出器はたとえば、適切なシンチレータ層と固体光検出器のアドレス指定可能なアレイとを組み合わせたサンドイッチ状のパネルを備える。特徴として、この技術の大面積の可能性を考慮して、非晶質シリコンをベースとする2次元フォトダイオード/薄膜トランジスタ(TFT)センサマトリクスが使用される。このようなアクティブパネルの記載は、中でも特許文献1に見出すことができる。他の種類のX線パネルは既知であり、本発明の範囲内に含まれる。
図1は、既知のデジタルX線撮像システムの一部の概略図である。X線露光の後、アレイ20内の画素25のそれぞれが、受信したX線強度によって決まるアナログ形式の電気情報、たとえば電荷を記憶する。提示されている例では、各画素は、ここではキャパシタとして表されているフォトダイオード250と、TFTスイッチ253とを備える。行指定回路30によって1行のスイッチを閉じることによって、行内の画素のそれぞれの電気情報がデータ列61に対して放電され、データ列61から電気情報が読み取られ、読出し回路60において処理される。図1に示されている読出し回路60は、個々の列ごとに別個のADC(Analog-Digital Converter)を備える。この配置によって、高い全体的なデータスループットがもたらされるが、シリコンのスペースを使い尽くし、システムの全体的なコストを増大させる。
この並列の解決策の別の欠点は、個々の並列ADCを必ず単純なものにしておかなければならず、チャネルごとに異なる利得、オフセット及び非線形性を呈するおそれがあることである。これらの不均衡は常に完全に補正することはできず、X線画像内にアーチファクト(線条又は縞)として見えてしまう。この効果は空間非線形性と呼ばれ、これは、異なる複数のチャネルの利得誤差及びオフセット誤差を補償した後の、2つの隣接するチャネル間の差分に関する非線形性である。
個々の列に並列アナログフロントエンド、たとえば並列電荷増幅器及び/又はサンプル/ホールドを設け、結果として生じるアナログ信号を高速ADC内に多重化することも既知である。高速ADCはアナログ部と同じASIC内に集積することもできるし、アナログ部から分離することもできる。この解決策は1つのADCしか有しないが、これははるかに高速でなければならないと共に、複雑でなければならず、したがって一部においてこの利点を相殺してしまう。高い変換速度が必要であることも、達成することができる垂直解像度を制限してしまう。
特許文献2は、アクティブ画素センサアレイ内の異なる部分における画素からのアナログ信号を記憶するいくつかのサンプルホールド回路と、共通のADCとを備えるアクティブ画素センサアレイのための読出し回路について記載している。特許文献3は、逐次近似ADCとすることができるADCを備えるCMOS画素光センサのための読出し回路を開示している。
他の関連する回路は、特許文献4、特許文献5、特許文献6、特許文献2、及び特許文献1に開示されている。
国際公開第02/067337号 国際公開第99/046851号 米国特許出願公開第2008/0010559号明細書 米国特許出願公開第2007/0029494号明細書 特開2004−135886号公報 米国特許出願公開第2008/0180559号明細書
したがって、本発明の目的は、技術水準のデバイスよりも低い空間非線形性を呈する読出しシステムを提供することである。
本発明のさらなる目的は、空間アーチファクトがない画像を供給すると共に、他の既知のシステムよりも構造が単純なX線読出しシステムを提供することである。
本発明によれば、これらの目的は添付の特許請求の範囲の対象によって達成される。
本発明は、一例として与えられると共に図面によって示される一実施形態の説明によってよりよく理解されよう。
従来のタイプのX線画素検出器及び付属する読出し回路の構成の図である。 読出しインタフェース回路のための可能な構成を示す図である。 読出しインタフェース回路のための可能な構成を示す図である。 本発明のDAC(Digital-Analog Converter)回路の変形構成を示す図である。 本発明のDAC回路の変形構成を示す図である。 本発明の一態様による電荷/電圧変換回路の概略図である。 本発明において使用されるサーモメータタイプのDACの構造を示す図である。 本発明の読出し回路内のアナログ差動段の可能な構造を示す図である。 本発明の読出し回路内のアナログ差動段の可能な構造を示す図である。 本発明の実施形態において使用される逐次近似ADC構造の概略図である。 複数の逐次近似段を含むパイプラインADCの概略図である。 1つの逐次近似段を含むアルゴリズムADCの概略図である。 複数の逐次近似段を含む組合せADCアーキテクチャを表す図である。 本発明の一態様による変形読出しインタフェース回路の概略図である。 本発明の一態様による変形読出しインタフェース回路の概略図である。 本発明による読出しシステムのための可能な配置の概略図である。
図1は、デジタルX線検出器の一般的な電子アーキテクチャの概略図である。実際のX線感応パネルはX線感応画素25の2次元アレイを備え、X線感応画素25のそれぞれが、ここでは静電キャパシタとして表されている固体検出器250と、スイッチ253とを備える。X線検出器250の1つの電極は、スイッチ253によって列読出し線61に接続され、一方で他方の端子は、接地又は任意の適切なバイアス電圧とすることができる基準電位に結合される。
この着想を確定するために、以下において、X線検出器がフォトダイオードであること、並びにフォトダイオード及びトランジスタが非晶質シリコンTFT工程によって実現されることを仮定する。しかしながら、これは本発明の本質的特徴ではなく、本発明は、X線検出器の任意の適切なアレイに拡張することができる。
X線感応画素25のそれぞれは、局部でのX線露光値によって決まる読出し値を供給する。図示されている事例のフォトダイオードでは、読出し値は、受信したX線露光に本質的に比例する電荷の形態をとる。しかしながら、他の検出器は読出しにおいて異なる電気量、たとえば電圧又は電流を提供することができ、これらも本発明の範囲内に含まれる。
好ましくは、図示される構成において、単一の画素が、それぞれが時間積分X線強度に比例する電荷を記憶する複数のアナログメモリセルとして機能する。読出し回路60は、行指定回路30によってセットされるスイッチ253の状態に従って画素行を逐次読み取る。しかしながら、他の読出し方式が可能である。参照符号62はデジタルインタフェース回路を指定しているが、その構造は本発明の機能には必須ではなく、ここでは説明しない。
図2及び図3は、読出し回路60の2つの代替的な配置の概略図である。第1の変形は、列ごとに、専用電荷−電圧インタフェース631(Q2V)と、専用ADC632とを備え、それによって、X線検出器のすべての列が並列に読み取られる。図3の代替的な配置では、共通ADC621内のマルチプレクサ620によって電圧出力が多重化される。ここで、共通ADC621は、マルチプレクサ及び電荷−電圧変換器と同じ集積回路内にあってもよいし、別個の構成要素として供給されてもよい。
図4は、本発明の1つの態様による逐次近似ADCの機能原理の概略図である。ADCは、近似反復コードをDAC12に供給するように設計される逐次近似レジスタ18を備える。逐次近似レジスタは、たとえば基準クロック信号181に従って、最上位ビットから開始して、最下位ビットの値を反復して求める。
逐次近似ADCの機能の原理は当該技術分野において既知であり、ここでは一般用語のみにおいて想起される。変換の開始時に、逐次近似レジスタ18は、一般的に8ビットADCに対する入力信号の非常に粗い推定値を有してロードされ、変換は、利用可能な動的範囲の中心、例えばコード10000000b、において開始する。DAC12は、反復コードをアナログ電圧に変換し、該アナログ電圧は差分ノード15において入力電圧vinから減算される。比較器17は、残差電圧の符号を検出し、デジタル値Qを逐次近似レジスタに提供する。残差電圧が負である場合、比較器は逐次近似レジスタ18に、最上位ビットをリセットさせ、次に続くビットをセットさせる。そうでない場合、最上位ビットは変化しないままであり、次に続くビットがセットされる。これは、逐次近似レジスタ18内のすべてのビットがテストされ、出力コードがvinの所望の表現に収束するまで継続する二分探索法である。
逐次近似ADCの一変形は、差分ノード16及びシングルエンド比較器17を、図5内のような2入力比較器19と置き換えることに存する。そのとき、アナログ差分が比較器の差動入力段内で実施されると考えると、これは図4の概略図と厳密に等価である。
上で与えられた一例としてのアルゴリズムは、(各ステップにおいて、2ずつ入力信号の不確定間隔を減らし、各ステップにおいて、1ビットを決定する)二分法に基づく。これは逐次近似ADCの最も一般的な実施態様であるが、他の逐次近似アルゴリズムも可能であり、本発明の範囲内に含まれる。図4及び図5によって決定され、試行コードを生成する逐次近似レジスタと、試行コードをまたアナログ値に再変換するフィードバックでのDACと、電流近似における誤差を表すアナログ値Vresidueを生成するために入力信号とDAC出力との間の差分をとるアナログ回路と、所望の精度が満たされるまで反復して試行コードを修正するために、この誤差を2値的に推定するのに使用される粗ADC又は単純な比較器とを備える逐次近似ADCの一般的な構造は、本発明に適合している。
SARの出力において残差電圧が利用可能であるとき、入力信号は原則として、出力コード及びVresidue電圧からの誤差を量子化することも丸めることもなく正確に求めることができる。
実際には、図4を考慮すると以下のようになる。
residue=A(Vin−Vdac(code))
したがって、入力信号を以下のように推定することができる。
in=Vdac(code)+Vresidue/A
ここで、Aは段16の利得を表し、VdacはDAC12の出力におけるアナログ値を表す。
したがって、Vresidueは各段における誤差だけでなく、変換終了時における出力コードにおける誤差も表す。たとえば図6に示すように、この残差をサンプリングすること、及び次のAD段において該残差を正確に推定することによって、誤差が増幅されている利得Aが正確に分かっていることを条件として、より正確な入力信号推定値を得ることができる。実際には、この事例では、第1の段の近似誤差は、第2の段において評価されることによって補償される。残りの誤差は第2の段の丸め誤差であり、これは一般的に、残差に対して実施される増幅に起因してはるかに小さい。
より詳細には、図6のADCは、好ましくはデジタルコード661及びアナログ残差電圧13を生成する逐次近似ADCである第1のADC段63を含む。残差電圧は第2のADC段64によって符号化され、第2のADC段64は、量子化誤差Vcode1・Vinを表す第2のデジタルコード662を生成する。デジタル連結ユニット65は、必要な計算を実施し、修正された出力コード66を生成する。
逐次近似ADCの線形性は、主としてフィードバック経路、すなわち、図4のDAC12の線形性及びアナログ差動回路15の精度によって決定される。したがって、非常に線形的且つ単調なDAC、すなわち非常に小さな差分非線形性を呈するDACを有することが有利である。優れた差分線形性はサーモメータコード化(thermometer-coded)DACによって得ることができ、サーモメータコード化DACの出力はいくつかの同値抵抗121を備える分割器のタップによってとられる(図7)。この事例では、分割器はDACが受け入れることができる入力コードの数と同数のタップを有し、出力電圧129は入力コード123によって指定されるタップの電圧として選択される。DAC126は、アナログマルチプレクサとみなすことができる。DAC入力コードがインクリメントされるたびに出力電圧が1タップ高く選択され、それによって、1lsbに対応する1基本抵抗の1抵抗分の電圧降下によって出力電圧が常に増大するため、サーモメータDACの構造は自動的に単調性を保証される。すべての抵抗121に同じ値を与える結果として、線形変換DACが得られる。線形性が非常に高いDACを他の方法で提供することもできる。
平均値に対して抵抗に±1%の広がりがあると仮定すると、DAC電圧の増大は理論的には0.99lsb〜1.01lsbとなり、0.01lsbという無視できる差分非線形性誤差となる。
入力信号とDAC信号との間のアナログ減算は、たとえば、スイッチドキャパシタ構成によって得ることができ、他の技法も可能である。図8に示す例では、入力キャパシタCinは、スイッチS1が閉じており且つスイッチS2が開いている第1の段階の間に、予めVinに充電される。スイッチS1及びS2の状態を反転することによる第2の段階において、Cinの他方の電極(左側)に接続されるノード87はVinからVdacに切り替えられる間、Cinの右にあるノード85(Cinの右側電極)が高インピーダンス状態に置かれ、キャパシタの両端の電圧は一定に維持されるため(寄生容量Cpは無視する)、右側電極(ノード85)に対する電圧もVdac−Vinだけ変化する。この電圧レベルは0Vに初期化されたため、残差はVdac−Vinの値をとる。実際には、寄生容量Cpに起因して、Cinの底部電極に印加される電圧ステップは、CinとCpとの間の電荷再分配に起因して1をわずかに下回るファクタCin/(Cp+Cin)だけ減衰するように見える。これは、Cpが正確に分かっていない場合で、次の段において残差を正確に評価しなければならない場合、問題となる可能性がある。
図9は、本発明に適しているスイッチドキャパシタアナログ差動入力段の別の実施例を示している。この実施例では、入力キャパシタの上部電極が増幅器の仮想接地入力に結合されている。この事実によって、Cpの両端の電圧は一定であるため、回路は寄生容量の値の影響を受けない。第1の段階中、フィードバックキャパシタCfbが放電されている間、入力キャパシタは予めVinまで充電される。第1の段階の終了時、まずCfbを短絡するフィードバックスイッチS1が開く。それ以降、仮想接地に対する全電荷が保持されなければならない。第2の段階中、Cinの底部電極がS2によってVinからVdacに切り替えられる。キャパシタCinはVdacまで充電され、入力キャパシタに対する電荷変動Cin(Vdac−Vin)はフィードバックキャパシタによって引きとられる。したがって、増幅器の出力電圧は反対の方向において且つキャパシタ比Cin/Cfbによって規定される利得によって変動する。
容量結合を通じてのVinとVdacとの間の差分を得ることを可能にするいくつかの他の回路、特に増幅器のオフセットを補償することを可能にする他の回路が可能であり、本発明の範囲内に含まれるが、ここでは詳細には説明しない。
本発明の範囲から逸脱することなく、VinとVdacとの間のアナログ差分をスイッチドキャパシタ以外の技法によって得ることもできる。
図10は、本発明の読出しシステムに適しているADCユニットの一実施例を示している。これは、図9に示されている構造を有する差分回路と、図7に示されている構造による抵抗ラダーを有するDAC12とを備える。弁別器17、SAR18、マルチプレクサ126、出力信号13及び66は、機能において、前述の図面において同じ参照符号によって識別される回路要素に対応する。
ここで図11を参照すると、本発明の読出し回路は、変換がいくつかのステップにおいて実施される多段ADC又はマルチステップADCを含む。これはいくつかの段630から成るカスケードから形成される。各段において、粗ADC(単純な比較器に縮小することもできる)によってADC入力信号がサンプリングされ、デジタルに変換される。次いで、得られたコードがD/Aによってまたアナログに再変換され、DAC出力が入力信号から減算される。次いで、現在の段において実施される量子化誤差のアナログ表現であるこの差分は、結局は増幅され、さらに処理することができる残差信号を生成するためにサンプルホールド回路によって最終的にはキャパシタ内に記憶される。この残差信号は次いで次の段に供給され、それによって次の段が前の段において実施された誤差のデジタル推定値を与えることができる。各段に関連する量子化誤差は、最後の段と予期される次の段に残差を供給することによって補償することができる。したがって、最後の段の残差は全体の変換誤差の像である。
異なる複数の段からの出力コードは次いで、カスケードにわたる伝播時間を保証するために遅延され、少なくとも理想的には、すべての内部残差が補償された高解像度出力コードを得るために出力連結部650内で共に組み合わされる。この組合せは、すべての段からのコードの出力の適切に加重された総和を含む。各段内のADC及びDACのビット数は異なる可能性があり、各段内の量子化は単純な比較に縮小することもできる。
図11の表現では、変換アルゴリズムの各ステップは専用の段によって実施される。この場合、これはパイプラインADCと呼ばれる。しかし他の可能性が存在し、これも本発明の範囲内に入る。
異なる複数のステップを同じアナログ段によって時間的に連続して実施することもできるとき、変換器は図12に示されるようなアルゴリズムADCと呼ばれる。その構造はパイプライン段の構造と類似しているが、ブロックの入力においてマルチプレクサが追加されており、それによって、ブロックの実効入力が、入力信号がサンプリングされたときのブロックの実際の入力であるか、又は信号推定を修正するための、前のステップにおいて計算された段の残差であるかのいずれかである点が異なる。次いで、異なる複数のステップにおいて連続して得られる異なる複数のビット又はコードを、適切な重みで適切に累算しなければならない。これらの重みは一般的に2の累乗に対応するため、対応するデジタル乗算は一般的に単純なシフトに縮小される。実際には、累算ループの直前のこの重みによる乗算は一般的に累算ループ内の乗算と置き換えられる。この場合における乗算係数は、2つの連続するコードの重みの比に対応する。
最後に、各段がアルゴリズムADC(図13)である2つ以上の段をカスケード接続することによって双方の手法を組み合わせることができる。この場合には、各段はいくつかの変換ステップを実施し、次いで残差を次のステップの処理のために次の段に渡す。同様のプロセスがデジタル部において行われる。第1の累算器は、第1の段に関するビットを累算し、次いでその結果を第2の段の累算器に転送し、以下同様に続く。
図14によって示されている本発明の一態様によれば、X線読出しシステムは、一揃いの逐次近似ADC632を備え、逐次近似ADC632のそれぞれは検出器の画素のサブセット、たとえば画素列を逐次読み取るように構成される。個々のADCは、上記で図7に示されている抵抗ラダー127からタップを選択することによって実現される各チャネル内のフィードバックDACを含む。各チャネルは独自の抵抗分割器とマルチプレクサとを含む。したがって、各ADCのフィードバック経路内のDACはサーモメータの原理に基づき、単調な変換及び非常に低い差分非線形性を本質的に保証する。
図14上に表されている本発明の実施形態では、異なるチャネルの抵抗ラダー127の対応するタップが低抵抗経路137によって相互接続されており、それによって、すべてのチャネル、特に隣接するチャネルにより同じ基準レベルが参照される。そうすることによって、異なる複数のチャネルの抵抗分割器の非線形性が平均化されるだけでなく、重要なことには、すべてのチャネルにとって、全体の非線形性も同じになる。したがって、読出しシステムは優れた空間線形性を呈する。
図14を見ると、各チャネル内の相互接続されている抵抗分割器は単一の大域的な抵抗分割器を構成していると考えることができ、そのためこの解決策は、単一の抵抗ラダー127のみが存在する図15の実施形態と等価である。
図16は、本発明による読み出しシステムのための可能な配置を表しており、該配置において、個々のチャネルの変換器632は、複数のチャネル間で共有される抵抗ラダー127を参照するフィードバック内のDACを有する逐次近似ADC63を備え、逐次近似ADC63は、全体の解像度を改善するために、連続デジタイザ64a、64bが利用可能な残差信号を生成するように構成される。この構造の利点は、各チャネルの非線形性が基本的に、すべてのチャネルに共通の抵抗分割器(第1の段のフィードバック経路)の非線形性によって決定づけられることである。この事実によって、空間非線形性は大幅に改善される。

Claims (9)

  1. X線画素検出器の画素(25)からアナログX線露光値をそれぞれ読み取る複数のアナログフロントエンド回路(631、15)と、
    逐次近似ADC(632、621、17)を含む複数のチャネルと、を備え、前記複数のアナログフロントエンド回路(631、15)の各々はADCに接続される出力を有し、各前記ADCは1つの画素の前記X線露光値を示すデジタル値を提供するように構成される、前記X線画素検出器のための読出し回路であって、
    前記ADCのそれぞれはDAC(12、126)を含むフィードバックループを有し、前記読出し回路は、前記複数のADCのうちのいくつかのADCの前記DACに複数の基準電圧を提供する電圧基準ユニットを備える、ことを特徴とする、X線画素検出器のための読出し回路。
  2. 前記電圧基準ユニットは抵抗ラダー(121、127)である、ことを特徴とする請求項1に記載の読出し回路。
  3. 前記基準ユニットは一連の等間隔に離間される電圧を提供する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の読出し回路。
  4. 前記DACはサーモメータコード化DACである、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の読出し回路。
  5. 各前記チャネル内の前記DAC(126)は、デジタルコード(123)に従って前記電圧基準ユニットによって提供される電圧値を選択するマルチプレクサである、ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の読出し回路。
  6. 前記基準ユニットは、前記チャネル間で共通であると共に複数のタップを有する1つの基準ラダーを含み、前記基準電圧は前記タップに存在する、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の読出し回路。
  7. 前記チャネルはそれぞれ、複数のタップを有する抵抗ラダー(127)を含み、異なる複数のチャネルの異なる複数の抵抗ラダー(127)の対応する前記タップは低抵抗経路(137)によって接続され、該異なる複数の抵抗ラダーは従って、前記電圧基準ユニットを構成して相互接続される、ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の読出し回路。
  8. 前記逐次近似ADCは、1つ又はいくつかのさらなるADC段によって符号化される残差信号を生成するように構成される、ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の読出し回路。
  9. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の読出し回路を含む集積回路。
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