KR101687522B1 - X선 검출기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 X선 검출기에 관한 것으로, 포토다이오드를 포함하여 X선 입사량에 대응하는 전압을 출력하는 픽셀부, 상기 픽셀부의 출력전압과 기 설정된 문턱전압을 비교하여 논리신호를 출력하는 비교기 및 상기 비교기의 출력신호를 카운트하여 디지털 출력으로 변환하는 카운터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

X선 검출기{X-RAY DETECTOR}

본 발명은 X선 검출기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 X선 신호를 검출하여 디지털 신호로 출력하는 X선 검출기에 관한 것이다.

X선 검출기는 X선 신호를 검출하여 전기적인 신호로 변환하는 장치로서, 포토다이오드(photodiode)를 사용하여 X선 신호를 전기적인 신호로 변환하는 것이 일반적이다.

즉 포토다이오드의 앞에 위치한 신틸레이터(scintillator)나 형광체(phosphor)가 엑스선을 흡수하고 이에 따른 가시광을 방출하면, 포토다이오드는 이러한 가시광을, 그 양에 비례하는 광전류로 변환하며, 이렇게 변환된 광전류를 측정하여 X선을 검출할 수 있다.

이러한 포토다이오드는 보통 반도체의 PN 접합부를 이용하여 광을 검출한다. 즉 포토다이오드는 빛이 입사되면 전자와 양의 전하 정공이 생겨서 전류가 흐르게 되는 현상을 이용하여 광을 검출한다.

포토다이오드로는 PIN 다이오드, APD 다이오드 등이 주로 사용되는데, PIN 포토다이오드는 PN 접합의 중간에 캐리어가 적어 저항이 큰 진성반도체의 층이 설치된 구조를 갖는다.

반면, APD 포토다이오드는 PN 접합 중간에 애벌런치(Avalanche)층이 있고, 입사되는 빛의 여기에 따라서 발생한 캐리어가 높은 전기장에 의해 애벌런치층 내에서 원자와 충돌하면서 새롭게 홀과 전자의 쌍을 만든다.

그리고 APD 포토다이오드는 이러한 쌍들의 충돌 과정에서 애벌런치 효과가 발생하여 광전류가 증대되는 원리를 이용한다.

한편 본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2014-0087247호(2014.07.09)에 개시되어 있다.

일반적으로 종래의 X선 검출기는 포토다이오드를 이용하여 X선 신호를 전압신호로 변환하고, 증폭기(amplifier) 등을 포함하는 리드아웃 회로(ROIC)를 통해 상기 변환된 전압신호를 증폭 및 독출하며, 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital Converter, ADC)를 이용하여 독출된 신호를 디지털 신호로 변환하는 방식으로 X선 신호를 검출하였다.

즉 종래의 X선 검출기는 X선에 의한 포토다이오드의 전압 변화를 통해 각 픽셀(pixel)의 레벨을 판단하였으나, 이러한 경우 노이즈로 인해 미세한 픽셀 레벨의 구분이 어렵다는 문제점이 존재하였다. 또한 픽셀에서의 노이즈를 저감한다 하더라도, ROIC나 ADC 등의 후처리단(post-processing circuits)에서 발생하는 노이즈에 취약하다는 문제점이 존재하였다. 뿐만 아니라, 다양한 후처리단이 소모하는 전력이 상당하여 전체 시스템의 전력 소비량이 높아진다는 문제점이 존재하였다.

본 발명은 상기와 같은 종래 X선 검출기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 신호처리 방식보다 노이즈에 강하며, 전력 소모 또한 줄일 수 있는 후처리단을 구비하는 X선 검출기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 X선 검출기는 포토다이오드를 포함하여 X선 입사량에 대응하는 전압을 출력하는 픽셀부; 상기 픽셀부의 출력전압과 기 설정된 문턱전압을 비교하여 논리신호를 출력하는 비교기; 및 상기 비교기의 출력신호를 카운트하여 디지털 출력으로 변환하는 카운터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 픽셀부는 상기 X선 입사량에 비례하는 기울기로 감소하는 형태의 전압을 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 비교기는 상기 출력전압이 상기 문턱전압보다 작으면 하이(high) 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 카운터는 하이 신호의 지속시간에 대한 정보를 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 X선 검출기는 비교기와 카운터를 이용한 시간 기반 처리 방식을 통해 X선 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력함으로써 노이즈에 의한 영향 및 전력 소모를 저감할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기의 구성을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기의 픽셀부에서 출력되는 전압을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기가 X선을 검출하는 방식을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기의 동작방식을 설명하기 위한 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 X선 검출기의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기의 구성을 나타낸 예시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기의 픽셀부에서 출력되는 전압을 설명하기 위한 예시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기가 X선을 검출하는 방식을 설명하기 위한 예시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기의 동작방식을 설명하기 위한 예시도로서, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 X선 검출기를 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 검출기는 픽셀부(100), 비교기(110) 및 카운터(120)를 포함한다.

픽셀부(100)는 포토다이오드를 포함하여 X선 조사량에 대응하는 전압을 출력할 수 있다.

좀 더 구체적으로, M₁이 온 상태, 즉 X선 검출기가 리셋(reset) 상태일 때 포토다이오드의 전압은 V_reset을 유지한다. 즉 포토다이오드 자체의 정전용량이 존재하므로, 포토다이오드와 병렬로 커패시터가 연결되어 있다고 볼 수 있으며, 이러한 커패시터에 전하가 축척된다고 볼 수 있다.

이후 X선 검출기가 인터그레이션(integration) 상태, 즉 M₁이 오프되면, 입사된 X선의 양과 비례하는 △Q의 전하가 상기 커패시터를 방전시킨다. 따라서 포토다이오드의 전압레벨은 △Q에 비례하는 △V만큼 떨어지게 된다.

마지막으로 X선 검출기가 리드아웃(readout) 상태, 즉 M₃이 온되면, 포토다이오드의 전압이 소스 팔로워(source follower, M₂)의 소스(source)단에 반영되고, M₃을 통해 출력된다.

즉 픽셀 내의 포토다이오드는 리셋레벨(기준전압)을 유지하다가, 관찰 물체를 통과한 X선을 받아들이면 그 전압레벨이 변하게 된다. 이러한 X선의 양과 비례하게 변화한 포토다이오드의 전압이 곧 이미지 픽셀 레벨을 의미하며, X선 검출기는 픽셀을 리셋한 후에 상술한 동작을 반복하는 방식으로 이미지를 출력할 수 있다. 즉 일반적인 X선 검출기는 입사된 X선의 양에 비례한 만큼 떨어진 포토다이오드의 전압레벨을 리드아웃하여 X선의 레벨을 판단한다.

그러나 본 실시예에서는 전압이 떨어지는 속도(기울기)를 이용하여 입사된 X선의 양을 판단한다. 즉 도 2에서 볼 수 있듯이, 리셋 단계가 종료 된 이후의 픽셀부(100)의 출력전압은 X선의 입사량에 비례하는 속도(기울기)로 떨어진다. 따라서 이러한 속도(기울기)를 파악할 수 있다면, 역으로 X선의 입사량을 도출해 낼 수 있다.

본 실시예에서는 이러한 속도(기울기)를 파악하기 위해 시간 기반 처리 방식(time-based processing)을 사용한다. 즉 도 3에서 볼 수 있듯이, 픽셀부(100)의 출력전압이 문턱전압보다 작은 상태일 때의 시간을 측정하면 픽셀부(100)의 출력전압이 감소하는 기울기를 파악할 수 있으며, 이를 통해 X선의 입사량을 도출해 낼 수 있다.

즉 비교기(110)는 픽셀부(100)의 출력전압과 기 설정된 문턱전압을 비교하여 논리신호를 출력할 수 있다. 예를 들어 비교기(110)는 픽셀부(100)의 출력전압이 문턱전압보다 작으면 논리 1, 즉 하이(high) 신호를 출력할 수 있고, 반대의 경우에 로우(low) 신호를 출력할 수 있다. 다시 말해 비교기(110)는 아날로그 타임 변환(analog to time conversion)을 수행할 수 있다.

카운터(120)는 이러한 비교기(110)의 출력신호를 카운트하여 디지털 출력으로 변환할 수 있다. 즉 카운터(120)는 하이 신호의 지속시간을 카운트 하여 출력할 수 있으며, 이는 타임 디지털 변환(time to digital conversion)을 수행하는 것으로 볼 수 있다.

즉 도 4에서 볼 수 있듯이, X선 검출기의 각각의 동작 사이클마다, 포토다이오드의 전압은 비교기(110)에 의해 시간 정보로 변환되고, 이는 다시 카운터(120)에 의해 디지털 정보를 변환된다. 따라서 본 실시예에 따른 X선 검출기는 증폭기를 포함하는 ROIC나 ADC 등을 사용하지 않고도 X선의 입사량을 디지털 신호로 변환할 수 있다.

즉 아날로그 디지털 변환을 위해 ADC를 사용할 경우, 변환하고자 하는 비트(bit) 수에 따라 그 회로가 선형적 혹은 기하급수적으로 증가하게 되며 이에 따라 전력 소모량이 증가하게 된다. 따라서 ADC의 사용은 X선 검출기의 해상도를 향상시키는 것을 제약할 수 있으나, 본 실시예처럼 카운터(120)를 사용한다면, 카운터(120)의 클락(clock)을 증가시키는 것만으로도 ADC의 resolution(변환할 수 있는 디지털 비트 수)을 향상시킬 수 있으므로, 이러한 문제에서 자유로울 수 있다.

또한 디바이스의 사이즈를 줄이는 것은 낮은 voltage headroom과 낮은 intrinsic gain 유발하기 때문에 아날로그 회로를 설계하는 것을 어렵게 하므로, CMOS 기술에서 channel length(L)를 줄이는 것은 아날로그 회로에 부정적인 영향을 준다. 그러나 디바이스의 사이즈를 줄이는 것은 디바이스의 속도를 향상시킬 수 있고 디지털 회로의 파워 소모를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 즉 본 실시예에 따른 X선 검출기처럼 시간 기반의 신호 처리(time-based signal processing)를 통해 아날로그 정보를 처리할 경우, 디바이스의 사이즈를 줄이는 것에서 오는 부정적인 영향을 최소화할 수 있으므로, 높은 처리 속도와 낮은 전력 소모를 달성할 수 있도록 한다.

한편 이러한 과정 이후, X선 검출기는 카운터(120)를 통해 출력된 디지털 신호(비교기(110)가 출력하는 하이 신호의 지속시간에 대한 정보)를 이용하여 픽셀에 입사된 X선의 입사량, 즉 이미지 픽셀 레벨을 파악할 수 있다.

또한 도 4에 도시된 것과 같이 일정기간(frame rate)마다 리셋을 수행하고 영상을 획득하는 것을 반복한다면 동영상 형태의 X선 영상을 획득할 수 있으므로, 본 실시예에 의한 X선 검출기는 동영상을 획득하는 X선 검출기로 활용될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 X선 검출기는 비교기와 카운터를 이용한 시간 기반 처리 방식을 통해 X선 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력함으로써 증폭기나 ADC를 사용하지 않고 X선 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있도록 하며, 이를 통해 노이즈에 의한 영향을 저감할 수 있도록 한다. 또한 본 발명의 실시예에 따른 X선 검출기는 간단한 구조의 후처리단을 가지므로 전체 시스템의 전력 소모를 줄일 수 있도록 한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

100: 픽셀부
110: 비교기
120: 카운터

Claims (4)

1. 포토다이오드를 포함하여 X선 입사량에 대응하는 전압을 출력하는 픽셀부;
   상기 픽셀부의 출력전압과 기 설정된 문턱전압을 비교하여 논리신호를 출력하는 비교기; 및
   상기 비교기의 출력신호를 카운트하여 디지털 출력으로 변환하는 카운터를 포함하고,
   상기 픽셀부는 상기 X선 입사량에 비례하는 기울기로 감소하는 형태의 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 X선 검출기.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 비교기는 상기 출력전압이 상기 문턱전압보다 작으면 하이(high) 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 X선 검출기.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 카운터는 하이 신호의 지속시간에 대한 정보를 출력하는 것을 특징으로 하는 X선 검출기.

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