TWI536551B - Ｘ射線及光學影像感測器 - Google Patents
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Description
本發明一般而言係關於影像感測器，且特定而言(但非排他性地)係關於組合X射線與可見光影像感測器。
X射線偵測器及成像器用於各種醫療及工業程序中。在此等應用中之諸多應用中，不期望使經成像物件經受延長之X射線曝露，此乃因已知X射線會損壞有機及無機材料兩者。舉例而言，在醫療應用中，至X射線之延長之曝露已與嚴重之健康狀況有關聯。在習用X射線技術中，為了獲得所要特徵之一優質X射線影像可需要採取多次X射線成像。時常，此為X射線設備操作者必須「猜測並檢驗」X射線感測器相對於正成像之特徵/物件之位置之結果。X射線影像感測器放置基於一最佳「猜測」，且然後拍攝一X射線影像以「檢驗」位置並懷著希望地再現所要特徵之一清晰影像。此不僅將此等程序之拍攝對象曝露於額外有害之X射線輻射而且浪費時間及資源。因此，能夠在擷取一X射線之前提供定位回饋之一X射線感測器可限制不必要之X射線曝露且增加效率。
100‧‧‧前側照明式X射線及光學影像感測器/X射線及光學影像感測器
102‧‧‧光電二極體
104‧‧‧半導體層
106‧‧‧X射線吸收層
108‧‧‧反射層
110‧‧‧中間層
112‧‧‧彩色濾光器層
114‧‧‧微透鏡
118‧‧‧X射線屏蔽層
120‧‧‧電晶體組件
130‧‧‧第一側
132‧‧‧第二側
200‧‧‧背側照明式X射線及光學影像感測器
202‧‧‧光電二極體
204‧‧‧半導體層
206‧‧‧X射線吸收層
208‧‧‧反射層
210‧‧‧中間層
211‧‧‧中間層
212‧‧‧彩色濾光器層
214‧‧‧微透鏡
218‧‧‧X射線屏蔽層
219‧‧‧金屬互連件
220‧‧‧電晶體組件
230‧‧‧第一側
232‧‧‧第二側
302‧‧‧X射線輻射/X射線束/X射線
304‧‧‧影像光
397‧‧‧光子
399‧‧‧光子
497‧‧‧光子
499‧‧‧光子
500‧‧‧X射線及光學影像感測器
504‧‧‧像素陣列
506‧‧‧控制電路
508‧‧‧讀出電路
510‧‧‧功能邏輯
512‧‧‧像素
700‧‧‧X射線及光學成像系統/成像系統/光學成像系統
702‧‧‧X射線及光學成像系統
704‧‧‧X射線發射器
708‧‧‧控制器
710‧‧‧顯示器
712‧‧‧使用者介面
714‧‧‧光源
715‧‧‧源光
716‧‧‧影像光
718‧‧‧X射線束
723‧‧‧光學快門
C1至Cx‧‧‧行
P1至Pn‧‧‧像素
R1至Ry‧‧‧列
參考以下各圖闡述本發明之非限制性及非窮盡實施例，其中除非另有規定，否則在所有各個視圖中相似參考編號係指相似部件。
圖1係根據本發明之一實施例之一前側照明式X射線及光學影像
感測器(「XOIS」)裝置架構之一項可能實例之一剖面圖解說明。
圖2係根據本發明之一實施例之一背側照明式XOIS裝置架構之一項可能實例之一剖面圖解說明。
圖3係根據本發明之一實施例在擷取光學影像資料及X射線影像資料兩者之操作中之圖1之XOIS裝置架構。
圖4係根據本發明之一實施例在擷取光學影像資料及X射線影像資料兩者之操作中之圖2之XOIS裝置架構。
圖5圖解說明根據本發明之一實施例之一XOIS之一項實例之一方塊圖示意圖。
圖6係圖解說明根據本發明之一實施例形成一XIOS裝置之一方法之一項實例之一流程圖。
圖7係圖解說明根據本發明之一實施例之一X射線及光學成像系統之一項實例之一圖式。
圖8係圖解說明根據本發明之一實施例操作一X射線及光學成像系統之一方法之一流程圖。
圖9係圖解說明根據本發明之一實施例操作一X射線及光學成像系統之一方法之一流程圖。
圖10係圖解說明根據本發明之一實施例操作一X射線及光學成像系統之一方法之一流程圖。
本文中闡述用於擷取光學影像資料及X射線影像資料兩者之一影像感測器之實施例。在以下闡述中，陳述眾多特定細節以提供對實施例之一透徹理解。然而，熟習此項技術者將認識到，本文中所闡述之技術可在不具有該等特定細節中之一或多者之情況下實踐或者可藉助其他方法、組件、材料等來實踐。在其他例項中，未詳細展示或闡述眾所周知之結構、材料或操作以避免使某些態樣模糊。
在本說明書通篇中對「一項實施例」或「一實施例」或「一項實例」之提及意指結合該實施例所闡述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一項實施例中。因此，在本說明書通篇之各個位置中片語「在一項實施例中」或「在一實施例中」或「一項實例」之出現未必全部係指同一實施例。此外，該等特定特徵、結構或特性可以任何適合方式組合於一或多項實施例中。
圖1及圖2係根據本發明之一實施例之用於一X射線及光學影像感測器(「XOIS」)之可能裝置架構之兩個實施例之剖面圖。圖1係根據本發明之一實施例之一前側照明式XOIS 100裝置架構之一項可能實例之一剖面圖解說明。在一前側照明式組態中，XOIS 100包含安置於一半導體層104中之複數個光電二極體102。在圖1中，半導體層104具有一第一側130及與第一側130相對之一第二側132。由於XOIS 100係一前側照明式影像感測器，因此第一側130對應於半導體層104之前側且第二側132對應於半導體層104之背側。在一項實施例中，半導體層104包括矽。一X射線吸收層106安置於半導體層104與一反射層108之間。在一項實施例中，反射層108係諸如鋁之一金屬且係2KÅ厚。
在圖1中，半導體層104安置於X射線吸收層106與一或多個中間層110之間。在所圖解說明之實施例中，中間層110包含X射線屏蔽層118，X射線屏蔽層118經定位以阻擋X射線輻射使其不到達可易受由至X射線輻射之曝露所致之物理降解之電晶體組件120。在某些實施例中，X射線屏蔽層118亦可係經戰略性地定位而亦充當X射線屏蔽之電子互連件。X射線屏蔽層118可包含鉛、鎢、鋁及/或銅。電晶體組件120經耦合以讀出複數個光電二極體102。舉例而言，電晶體組件120可包含用於自光電二極體102轉移光生電荷之轉移電晶體(其係此項技術中已知之一「3T」或「4T」像素架構之部分)之轉移閘極。電晶體組件120亦可包含為用於讀出包含複數個光電二極體102之一像素
陣列中之每一像素之周邊讀出電路之部分之電晶體。
在所圖解說明之實施例中，一彩色濾光器層112安置於一微透鏡114陣列與中間層110之間。微透鏡114經組態以將影像光聚焦至光電二極體102上。彩色濾光器層112可包含可配置成一拜耳圖案之紅色、綠色及藍色濾光器。
圖2係根據本發明之一實施例之一背側照明式XOIS 200裝置架構之一項可能實例之一剖面圖解說明。在一背側照明式組態中，XOIS 200包含安置於一半導體層204中之複數個光電二極體202。在圖2中，半導體層204具有一第一側230及與第一側230相對之一第二側232。由於XOIS 200係一背側照明式影像感測器，因此第一側230對應於半導體層204之背側且第二側232對應於半導體層204之前側。在一項實施例中，半導體層204包括矽。一X射線吸收層206安置於半導體層204與一反射層208之間。在一項實施例中，反射層208係諸如鋁之一金屬且係2KÅ厚。
由於XOIS 200係一背側照明式架構，因此中間層210安置於X射線吸收層206與半導體層204之間。在所圖解說明之實施例中，中間層210包含金屬互連件219。在圖2中，中間層211包含X射線屏蔽層218，X射線屏蔽層218經定位以阻擋X射線輻射使其不到達可易受由至X射線輻射之曝露所致之物理降解之電晶體組件220。X射線屏蔽層218可包含鉛、鎢、鋁及/或銅。電晶體組件220經耦合以讀出複數個光電二極體202。舉例而言，電晶體組件220可包含用於自光電二極體202轉移光生電荷之轉移電晶體(其係此項技術中已知之一「3T」或「4T」像素架構之部分)之轉移閘極。電晶體組件220亦可包含為用於讀出包含複數個光電二極體202之一像素陣列中之每一像素之周邊讀出電路之部分之電晶體。
類似於圖1，在圖2中，一彩色濾光器層212安置於一微透鏡214
陣列與中間層211之間。微透鏡214經組態以將影像光聚焦至光電二極體202上。彩色濾光器層212可包含可配置成一拜耳圖案之紅色、綠色及藍色濾光器。
圖3係根據本發明之一實施例在擷取光學影像資料及X射線影像資料兩者之操作中之圖1之XOIS 100裝置架構。XOIS 100係能夠擷取光學影像資料(例如，可見及/或非可見光)及來自X射線輻射之X射線影像資料兩者之一雙模式成像器。在圖3中，第一側130經耦合以接收影像光304及X射線輻射302。
在圖3中，影像光304依序傳播穿過微透鏡114、彩色濾光器層112、中間層110並進入至光電二極體102中之一者中。在圖3中，在光電二極體102中傳播之影像光304產生可作為光學影像資料讀出以產生一影像之影像電荷。影像光304可係可見光或非可見光(例如，紅外或紫外)。可在XOIS 100之一濾光器堆疊中包含濾光器(未圖解說明)以使某些光波長(例如，紅外)不到達光電二極體102。
XOIS 100亦能夠擷取X射線影像資料。在圖3中，X射線束302依序傳播穿過微透鏡114、彩色濾光器層112、中間層110及半導體層104。X射線束302可在其行進穿過半導體層104時傳播穿過一光電二極體102。換言之，X射線吸收層106經定位以透過複數個光電二極體102中之光電二極體接收X射線束302。
一般而言，具有大於大致10keV之能量之X射線可以極低量子效率通過矽(意味著該矽不將入射X射線輻射轉換成電子)。在醫療診斷中有時使用具有大於大致10keV之能量之X射線。類似於可見光，具有小於10keV之一能量之X射線可由矽吸收。因此，若半導體層104係矽，則具有大於大致10keV之能量之X射線束302可通過半導體層104。當然，可使用除矽之外之半導體材料。
在傳播穿過半導體層104之後，X射線束302遇到X射線吸收層
106。X射線吸收層106經組態以回應於接收到X射線輻射(並由其刺激)而發射光子。X射線吸收層106可係諸如具有Gd2O2S：Tb之一組合物之Gadox(亦稱為P43)之一磷光體。Gadox可在其由X射線輻射刺激時發射具有大致545nm之一波長之光子。應注意，存在可用作X射線吸收層106之在吸收X射線輻射後即刻發射光之諸多材料/結構。在圖3中，X射線束302刺激X射線吸收層106以發射光子397。光子397移動穿過半導體層104中之光電二極體102(且由其吸收)，此在該等光電二極體中產生影像電荷。因此，複數個光電二極體102可在X射線輻射刺激X射線吸收層106以發射光子時藉由量測由X射線吸收層106發射之光子產生X射線影像資料。
在圖3中，X射線吸收層106定位於半導體層104與一反射層108之間。反射層108經定位以將由X射線吸收層106發射之光子朝向複數個光電二極體102往回引導。在圖3中，X射線束302刺激X射線吸收層106以發射光子399。光子399朝向反射層108發射，反射層108將光子399往回反射至光電二極體102，使得光電二極體102可自光子399產生影像電荷。在某些實施例中，在XOIS 100中不包含反射層108，但包含反射層108可更有效地量測由刺激X射線吸收層106之X射線束302產生之光子。若在XOIS 100中包含反射層108，則X射線束302可傳播穿過反射層108及反射層108安置於其上之任何透明處置基板(未圖解說明)。
圖3亦展示在X射線操作模式中，安置於電晶體組件120上面之X射線屏蔽層118經定位以阻擋X射線302以便限制對電晶體組件120之損壞。
圖4圖解說明根據本發明之一實施例在擷取光學影像資料及X射線影像資料兩者之操作中之圖2之XOIS裝置架構。類似於XOIS 100，XOIS 200係能夠擷取光學影像資料(例如，可見及/或非可見光)及來自
X射線輻射之X射線影像資料兩者之一雙模式成像器。在圖4中，第一側230經耦合以接收影像光304及X射線束302。
在圖4中，影像光304依序傳播穿過微透鏡214、彩色濾光器層212、中間層211並進入至光電二極體202中之一者中。在圖4中，於光電二極體202中傳播之影像光304產生可作為光學影像資料讀出以產生一影像之影像電荷。影像光304可係可見光或非可見光(例如，紅外或紫外)。可在XOIS 200之一濾光器堆疊中包含濾光器(未圖解說明)，以使某些光波長(例如，紅外)不到達光電二極體202。
XOIS 200亦能夠擷取X射線影像資料。在圖4中，X射線束302依序傳播穿過微透鏡214、彩色濾光器層212、中間層211、半導體層204及中間層210。X射線束302可在其行進穿過半導體層204時傳播穿過一光電二極體202。換言之，X射線吸收層206經定位以透過複數個光電二極體202中之光電二極體來接收X射線束302。
如上文所論述，一般而言，具有大於大致10keV之能量的X射線可以極低量子效率通過矽(意味著該矽不將入射X射線輻射轉換成電子)，而具有小於10keV之一能量的X射線則可由矽吸收。因此，若半導體層204係矽，則具有大於大致10keV之能量的X射線束302可通過半導體層204。
在傳播穿過中間層210之後，X射線束302遇到X射線吸收層206。X射線吸收層206一般可具有與X射線吸收層106相同的性質，且經組態以回應於接收到X射線輻射(並由其刺激)而發射光子。在圖4中，X射線束302刺激X射線吸收層206以發射光子497。光子497行進穿過中間層210且進入至半導體層204中之光電二極體202中。光子497在光電二極體202中產生可接著作為X射線影像資料讀出的影像電荷。因此，複數個光電二極體202可在X射線輻射刺激X射線吸收層206以發射光子時，藉由量測由X射線吸收層206發射之光子來產生X射線影像
資料。
在圖4中，X射線吸收層206定位於中間層210與一反射層208之間。反射層208經定位以將由X射線吸收層206發射之光子朝向複數個光電二極體202往回引導。在圖4中，X射線束302刺激X射線吸收層206以發射光子499。光子499朝向反射層208發射，反射層208將光子499往回反射至光電二極體202，使得光電二極體202可自光子499產生影像電荷。在某些實施例中，不包含反射層208，但包含反射層208可更有效地量測由刺激X射線吸收層206之X射線束302產生之光子。若在XOIS 200中包含反射層208，則X射線束302可傳播穿過反射層208及反射層208安置於其上之任何透明處置基板(未圖解說明)。
圖4亦展示在X射線操作模式中，安置於電晶體組件220上面之X射線屏蔽層218經定位以阻擋X射線302以便限制對電晶體組件220之損壞。
圖1至圖4之論述展示XOIS 100及XOIS 200係能夠擷取X射線影像資料及光學影像資料之雙模式成像器。圖7圖解說明根據本發明之一實施例可併入有XOIS 100或XOIS 200作為XOIS 702之一X射線及光學成像系統700之一項實例。
在圖7中，控制器708經耦合以控制XOIS 702以擷取光學影像資料及X射線影像資料且亦經耦合以自XOIS 702接收光學影像資料及X射線影像資料。XOIS 702可具有配置成若干個圖案(例如，一拜耳圖案)以擷取彩色光學影像之彩色濾光器，或XOIS 702可不具有彩色濾光器且經組態以擷取單色光學影像。控制器708可控制XOIS 702之操作參數，諸如曝光持續時間(電子快門)及信號增益。控制器708可包含一處理器、一場可程式化閘陣列(「FPGA」)或用於處理影像資料之其他邏輯。控制器708可包含用於儲存指令、設定及影像資料之記憶體。在一項實施例中，控制器708連接(有線地或無線地)至網際網
路或區域網路且可經由網際網路或區域網路將X射線影像資料或光學影像資料發送至另一裝置。
控制器708亦耦合至X射線發射器704以控制X射線束718(其可具有大於10KeV之能量)自X射線發射器704之發射。可在一可操縱硬體模組中包含X射線發射器704使得X射線發射器704可經恰當定位以(與XOIS 702協調地)產生一經成像拍攝對象722(例如，一牙齒)之一影像。控制器708可經耦合以控制X射線發射器704之操作參數，諸如所發射之X射線之能量、X射線束718之持續時間、所發射之X射線之角度及X射線發射器704相對於XOIS 702之位置。在一項實施例中，控制器708經無線地耦合以控制X射線發射器704及XOIS 702、發送及接收來自X射線發射器704及XOIS 702之資料。在圖7中，控制器708經耦合以控制一光源714以發射源光715。在某些實施例中，光源714係選用的。在圖7中，控制器708進一步耦合至一顯示器710及使用者介面712。該使用者介面可係一滑鼠、軌跡墊、選擇開關及/或鍵盤或其他。
在圖7中，控制器708亦經耦合以控制一光學快門723之打開及關閉。光學快門723可由阻擋可見光使其不變為入射至XOIS 702上但仍允許X射線束718傳播穿過其之一材料(例如，塑膠)製成。在一項實施例中，光學快門723包含一液晶快門層且整合至XOIS 702中並安置於光電二極體102/202上方以擋住可見光。光學快門723可僅存在於某些實施例中。
X射線及光學成像系統700可取決於成像系統700之使用情況及組態而在各種不同模式中操作。圖8係圖解說明根據本發明之一實施例操作X射線及光學成像系統700之一方法800之一流程圖。程序方塊中之某些或全部出現在程序800中之次序不應視為限制性。而是，受益於本發明之熟習此項技術者將理解，可以未圖解說明之各種次序或甚
至並行地執行該等程序方塊中之某些程序方塊。
在圖8中所圖解說明之一第一操作模式中，控制器708引導XOIS 702以藉由用其光電二極體量測影像光716來擷取一初始影像(程序方塊805)。可使用一電子快門序列(例如，滾動或全域快門)來量測光電二極體上之影像電荷。在引導XOIS 702以擷取初始影像之後，控制器708可致使X射線發射器704發射朝向經成像拍攝對象722引導之一X射線束718(程序方塊810)，同時控制器708亦致使XOIS 702擷取一隨動影像(程序方塊815)。該初始影像包含來自量測在XOIS 702中之光電二極體上產生影像電荷之影像光716之光學影像資料，而該隨動影像包含影像光716及X射線束718之穿透經成像拍攝對象722之部分之量測兩者，此乃因X射線束718之穿透部分在X射線吸收層(例如，X射線吸收層106至206)中刺激可由XOIS 702中之光電二極體量測之光子。為了隔離X射線影像資料以產生一X射線影像，自隨動影像像素值減去初始影像像素值(程序方塊820)，此乃因該初始影像包含光學影像資料(例如，可見光)且該隨動影像包含光學影像資料及X射線影像資料兩者。換言之，該初始影像用作隨動影像之一基線/校準影像。為了改良結果，可直接在擷取初始影像之後擷取該隨動影像。應瞭解，此第一操作模式之實施方案未必需要一光學快門723。
應瞭解，成像系統700之一操作者可即時觀看由XOIS 702擷取之經成像拍攝對象722之一系列影像以便正確地定位XOIS 702以拍攝經成像拍攝對象722之一X射線影像。該系列之影像(例如，一視訊)可由控制器708顯示於顯示器710上以給出操作者關於將XOIS 702關於經成像拍攝對象722定位之視覺回饋。基於該視覺回饋，操作者可與使用者介面712互動以起始一X射線成像序列。該X射線成像序列可包含擷取初始影像及然後擷取隨動影像，如圖8中所展示。在一項實施例中，環境光提供足夠光來擷取該系列之影像。在其他實施例中，光源
714可由控制器708控制以發射處於不同強度之源光715從而提供足夠光以反射可量測數量之影像光716供XOIS 702進行量測。在一項實施例中，光源714經調諧以提供一相對低位準之源光715來確保XOIS 702中之光電二極體在其擷取初始影像時不處於全容量，因此仍存在餘量來量測將由X射線束718之穿透經成像拍攝對象722且刺激X射線吸收層106或206之部分產生之額外影像電荷。
圖9係圖解說明根據本發明之一實施例操作X射線及光學成像系統700之一方法900之一流程圖。程序方塊中之某些或全部出現在程序900中之次序不應視為限制性。而是，受益於本發明之熟習此項技術者將理解，可以未圖解說明之各種次序或甚至並行地執行該等程序方塊中之某些程序方塊。
在圖9中所圖解說明之一第二操作模式中，光源714係一非可見光源(例如，紅外或紫外)。光源714可經組態以僅發射一相對窄頻帶之光。光源714可包含一紅外或紫外發光二極體(「LED」)。可在一濾光器堆疊中於XOIS 702上方安置一濾光器使得XOIS 702經組態以僅量測由光源714發射之相同頻帶之源光715。在一項實施例中，光源714發射以850nm為中心之紅外光，且XOIS 702上方之濾光器僅允許800nm與900nm之間的光到達XOIS 702中之光電二極體。在此組態中，XOIS 702不量測可見光。
為了在此第二操作模式中產生一X射線影像，控制器708致使光源714發射由經成像拍攝對象722反射為影像光716之源光715(程序方塊905)。在程序方塊910中，XOIS 702藉由量測影像光716來擷取一光學影像(其可係單色的)。可在顯示器710上顯示該光學影像以給出操作者關於將XOIS 702關於經成像拍攝對象722定位之視覺回饋。基於該視覺回饋，操作者可與使用者介面712互動以起始一X射線成像序列。在程序方塊915處，控制器708可自使用者介面712接收用於起始
一X射線成像序列之一使用者介面信號。若控制器708未接收到用於起始X射線成像序列之使用者介面信號，則程序900返回至程序方塊905。應理解，程序900可以包括程序方塊905、910、915且返回至程序方塊905之一迴圈運行。此可擷取作為一視訊顯示於顯示器710上以輔助一操作者定位XOIS 702以擷取一X射線影像之一系列光學影像。當控制器708起始一X射線成像序列時，程序900繼續至程序方塊920，其中關斷光源714且控制器708致使X射線發射器704發射朝向經成像拍攝對象722引導之一X射線束718(程序方塊925)，同時控制器708亦致使XOIS 702擷取一X射線影像(程序方塊930)。由於XOIS 702上之濾光器防止可見光由光電二極體量測且在X射線成像序列期間關斷光源714，因此由XOIS 702之光電二極體量測之影像電荷應主要(若並非排他性地)由X射線束718之穿透經成像拍攝對象722、通過XOIS 702上之濾光器且在X射線吸收層106或206上刺激由光電二極體量測之光子發射之部分產生。同樣，熟習此項技術者將理解，在此第二操作模式中，光學快門723係選用的。在於程序方塊930中擷取X射線影像之後，程序900返回至程序方塊905。
圖10係圖解說明根據本發明之一實施例操作X射線及光學成像系統700之一方法1000之一流程圖。程序方塊中之某些或全部出現在程序1000中之次序不應視為限制性。而是，受益於本發明之熟習此項技術者將理解，可以未圖解說明之各種次序或甚至並行地執行該等程序方塊中之某些程序方塊。
在圖10中所圖解說明之一第三操作模式中，利用光學快門723。在操作者定位XOIS 702以使經成像拍攝對象722成像之同時，XOIS 702正擷取影像(程序方塊1005)且將該等影像發送至控制器708以供作為視覺回饋顯示於顯示器710上(程序方塊1010)。一旦成像系統700之操作者判定XOIS 702經恰當定位以擷取一X射線影像時，其即與使用
者介面712互動以起始一X射線成像序列。在程序方塊1015處，控制器708可自一使用者介面712接收用於起始一X射線成像序列之一使用者介面信號。若控制器708未接收到用於起始X射線成像序列之使用者介面信號，則程序1000返回至程序方塊1005。應理解，程序1000可以包括程序方塊1005、1010、1015且返回至程序方塊1005之一迴圈運行。此可擷取作為一視訊顯示於顯示器710上以輔助一操作者定位XOIS 702以擷取一X射線影像之一系列光學影像。當控制器708回應於接收到使用者介面信號(或其他信號)而起始一X射線成像序列時，程序1000繼續至程序方塊1020。在程序方塊1020中，光學快門723關閉以擋住影像光716使其不傳播至XOIS 702之光電二極體中。在關閉光學快門723之後，控制器708致使X射線發射器704發射朝向經成像拍攝對象722引導之一X射線束718(程序方塊1025)，同時控制器708亦致使XOIS 702擷取一X射線影像(程序方塊1030)。X射線束718之穿透經成像拍攝對象722之部分亦穿透光學快門723且繼續進行以在X射線吸收層106或206上刺激由XOIS 702中之光電二極體量測之光子發射。由於在一X射線成像序列期間影像光716由光學快門723阻擋，因此XOIS 702僅量測由刺激X射線吸收層之X射線束718產生之影像電荷。換言之，在X射線成像序列期間關閉光學快門723防止外部影像光716向在X射線影像序列期間擷取之影像貢獻影像電荷(及污染該影像)。在於程序方塊1030中擷取X射線影像之後，程序1000返回至程序方塊1005。
在操作成像系統700之第一、第二及第三模式中，XOIS 702之使用允許成像系統700之一操作者接收關於XOIS 702之定位的視覺回饋。習用X射線感測器通常缺乏用於判定X射線感測器相對於正成像之物件之位置/定位之一手段。經常地，此等裝置之操作者採用拍攝多個X射線影像之一試錯法以獲得一個優質圖片。除浪費時間及成像
資源以外，此亦導致經成像拍攝對象(其可係一身體部分)受到對X射線輻射之不必要的曝露。然而，藉由在擷取X射線影像之前藉助XOIS 702拍攝一或多個光學影像，可在使用X射線輻射擷取X射線影像之前最佳化X射線成像器(包含於XOIS 702中)的位置。
應瞭解，操作成像系統700之第一、第二及第三模式並非窮盡性的，且可使用其他方法。在一種情景中，於一牙醫診所中使用成像系統700來對一牙齒或一群組之牙齒進行X射線成像。在此情景中，於患者之嘴張開從而為XOIS 702提供作為影像光進行量測之環境光時，XOIS 702可在顯示器710上為操作者提供視覺回饋。一旦操作者判定XOIS 702經恰當定位於將進行X射線成像之正確牙齒附近時，該操作者便可在執行X射線影像序列(其包含發射X射線束718同時起始XOIS 702上之一影像擷取)時要求患者合上其嘴。在此情景中，患者之嘴類似於一光學快門而起作用，且擋住環境光使其不向X射線影像資料貢獻影像電荷(及污染該影像資料)。
在某些實施例中，控制器708可操縱X射線影像資料及光學影像資料兩者。舉例而言，控制器708可增加/減小對比度、突出顯示影像之所要區域、剪裁影像、調整縱橫比、疊加X射線及光學影像、並排或畫中畫地顯示X射線及光學影像等。應瞭解，重複在操作成像系統700之第一、第二及第三模式中所闡述之X射線成像序列亦將允許擷取一系列X射線影像。控制器708可控制X射線發射器704及XOIS 702是否將擷取視訊及/或靜態X射線/光學影像資料。
圖5圖解說明根據本發明之一實施例之一XOIS 500之一項實例之一方塊圖示意圖。圖5包含一像素陣列504(包含將包含光電二極體102或202之個別像素512)、耦合至像素陣列504以控制像素陣列504之操作之控制電路506、耦合至像素陣列504以自像素陣列504讀出影像資料之讀出電路508及耦合至讀出電路508以儲存自像素陣列504讀出
之影像資料之功能邏輯510。
在一項實施例中，像素陣列504係光電二極體或像素(例如，像素P1、P2、P3…、Pn)之一個二維陣列。如所圖解說明，每一像素512可配置至一列(例如，列R1、R2、R3…、Ry)及行(例如，行C1、C2、C3…、Cx)中以獲取一物件之影像資料，然後可使用該影像資料再現該物件之一影像。
在一項實施例中，在每一像素512接收來自影像光716(無論是源自光源714還是源自一環境光源)之影像電荷或自X射線吸收層106或206產生之影像電荷之後，該影像資料由讀出電路508讀出且然後轉移至功能邏輯510。在各種實施例中，讀出電路508可包含放大電路、類比轉數位(「ADC」)轉換電路或其他電路。在一項實施例中，讀出電路508可沿著讀出行線一次讀出一列影像資料(所圖解說明)或可使用各種其他技術(未圖解說明)讀出該影像資料，諸如一串行讀出或同時一全並行讀出所有像素。功能邏輯510可僅儲存該影像資料或甚至藉由應用影像後效果(例如，剪裁、旋轉、調整亮度、調整對比度或其他)來操縱該影像資料。在一項實施例中，光學影像資料及/或X射線影像資料係一視訊饋送。在此情況中，功能邏輯510可操縱該視訊饋送。
在一項實施例中，控制電路506耦合至像素陣列504以控制像素陣列504之操作特性。舉例而言，控制電路506可產生用於控制影像獲取之一快門信號。在一項實施例中，該快門信號係用於同時啟用像素陣列504內之所有像素512以在一單個獲取窗期間同時擷取其各別影像資料之一全域快門信號。在另一實施例中，快門信號係一滾動快門信號，使得在連續獲取窗期間依序啟用每一列、每一行或每一群組之像素512。
圖6係圖解說明根據本發明之一實施例形成一XIOS裝置之一程序
600之一項實例之一流程圖。程序方塊中之某些或全部出現在程序600中之次序不應視為限制性。而是，受益於本發明之熟習此項技術者將理解，可以未圖解說明之各種次序或甚至並行地執行該等程序方塊中之某些程序方塊。
在程序方塊602中，在一透明基板(例如，矽或玻璃)上形成一反射層(例如，反射層108或208)。在一項實施例中，該反射層係諸如鋁之一金屬。在程序方塊604中，在該反射層上形成一X射線吸收層(例如，X射線吸收層106或206)。熟習此項技術者將認識到，存在可用之在被曝露於X射線輻射時發射具有能夠由複數個光電二極體偵測之一波長之光之諸多可能材料/結構。在一項實施例中，X射線吸收層係諸如Gd2O2S：Tb(P43)之一磷光體。
在程序方塊606中形成一半導體層。該半導體層可係已經薄化以最佳化裝置操作之一矽晶圓。在程序方塊608中，在該半導體層中形成一光電二極體(例如，光電二極體102或202)陣列。雖然程序600之所圖解說明流程圖展示在形成X射線吸收層之後形成半導體層，但可在形成該半導體層之後形成X射線吸收層。在一項實例中，將X射線吸收層沈積至已包含光電二極體之半導體層上。在另一實例中，將X射線吸收層沈積至一金屬化基板(其可係反射層)上且然後接合至已包含光電二極體之半導體層。
在程序方塊610中，將包含形成於透明基板上之X射線吸收層及反射層之結構接合至半導體層，使得該半導體層之一第二側(例如，第二側132或232)接合至X射線吸收層。應瞭解，可在程序600中敍述之該等層之間形成中間層(包含互連件)，儘管將該等層闡述為「安置於其上」或「形成於其上」。在一項實例中，一中間層(例如，中間層210)安置於X射線吸收層與半導體層之間。
包含發明摘要中所闡述內容之對本發明所圖解說明實施例之以
上闡述並非意欲為窮盡性或將本發明限於所揭示之精確形式。儘管出於說明性目的而在本文中闡述本發明之特定實施例及實例，但如熟習此項技術者將認識到，可在本發明之範疇內做出各種修改。
可根據以上詳細闡述對本發明做出此等修改。隨附申請專利範圍中所使用之術語不應理解為將本發明限於說明書中所揭示之特定實施例。而是，本發明之範疇將完全由隨附申請專利範圍來判定，該等申請專利範圍將根據所建立之申請專利範圍解釋原則來加以理解。
200‧‧‧背側照明式X射線及光學影像感測器
202‧‧‧光電二極體
204‧‧‧半導體層
206‧‧‧X射線吸收層
208‧‧‧反射層
210‧‧‧中間層
211‧‧‧中間層
212‧‧‧彩色濾光器層
214‧‧‧微透鏡
218‧‧‧X射線屏蔽層
219‧‧‧金屬互連件
220‧‧‧電晶體組件
230‧‧‧第一側
232‧‧‧第二側
302‧‧‧X射線輻射/X射線束/X射線
304‧‧‧影像光
497‧‧‧光子
499‧‧‧光子
Claims (19)
- 一種用於擷取一物件之一X射線影像及該物件之一光學影像之影像感測器，該影像感測器包括：一X射線吸收層，其經組態以回應於接收到該物件之X射線輻射而發射光子；及複數個光電二極體，其安置於具有相對於一第二側之一第一側之一半導體層中，其中該複數個光電二極體經光學耦合以自該物件接收光學影像光以產生該光學影像，且其中該複數個光電二極體經光學耦合以自該X射線吸收層接收該等光子，以產生該X射線影像，該複數個光電二極體被定位以接收自該X射線吸收層穿過該半導體層之該第二側之該等光子並被定位以接收自該物件穿過該半導體層之該第一側之該光學影像光，其中該影像感測器經組態以接收自該影像感測器外傳播之該光學影像光。
- 如請求項1之影像感測器，進一步包括經定位以朝向該複數個光電二極體引導該等光子之一反射層，其中該X射線吸收層安置於該反射層與該半導體層之該第二側之間。
- 如請求項2之影像感測器，其中該反射層包括鋁。
- 如請求項1之影像感測器，進一步包括：一或多個中間層，其安置於該半導體層之該第二側與該X射線吸收層之間；及電子互連件，其嵌入於該一或多個中間層中。
- 如請求項1之影像感測器，進一步包括用於將該光學影像光聚焦至該複數個光電二極體上之一或多個微透鏡，其中該一或多個微透鏡安置於該半導體層之該第一側上。
- 如請求項5之影像感測器，進一步包括：一或多個中間層，其安置於該一或多個微透鏡與該半導體層之該第一側之間。
- 如請求項1之影像感測器，其中該X射線吸收層包含一磷光體。
- 如請求項1之影像感測器，進一步包括：電晶體，其經耦合以讀出該複數個光電二極體；及X射線屏蔽層，其經定位以阻擋該X射線輻射使其不到達該等電晶體。
- 如請求項8之影像感測器，其中該等X射線屏蔽層包括金屬。
- 如請求項1之影像感測器，其中該X射線吸收層經定位以透過該複數個光電二極體接收該X射線輻射。
- 如請求項1之影像感測器，進一步包括：讀出電路，其耦合至該複數個光電二極體以自該複數個光電二極體讀出該光學影像及該X射線影像。
- 如請求項1之影像感測器，其中該複數個光電二極體係配置成包括若干列及行之一像素陣列。
- 一種成像系統，其包括：一X射線發射器，用於朝向一物件發射一X射線束；一控制器，其耦合至該X射線發射器以控制該X射線束之該發射；及一影像感測器，用於擷取該物件之一X射線影像及該物件之一光學影像，其中該控制器耦合至該影像感測器以控制影像擷取，該影像感測器包括：一X射線吸收層，其經組態以回應於接收到該X射線束而發射光子；及複數個光電二極體，其安置於具有相對於一第二側之一第 一側之一半導體層中，其中該複數個光電二極體經光學耦合以接收該物件之光學影像光以產生該光學影像，且其中該複數個光電二極體經光學耦合以自該X射線吸收層接收該等光子，以產生該X射線影像，該複數個光電二極體被定位以接收自該X射線吸收層穿過該半導體層之該第二側之該等光子並被定位以接收自該物件穿過該半導體層之該第一側之該光學影像光，其中該影像感測器經組態以接收自該影像感測器外傳播之該光學影像光。
- 如請求項13之成像系統，進一步包括經一光源，該光源經耦合以將源光提供至待成像之一拍攝對象，其中該控制器耦合至該光源以控制該源光之發射。
- 如請求項14之成像系統，其中由該光源發射之該源光係非可見光，且其中該影像感測器包含濾除可見光使其不到達該複數個光電二極體之一濾光器。
- 如請求項13之成像系統，進一步包括一光學快門，其中該控制器經耦合以打開及關閉該光學快門，且其中該控制器經組態以在致使該X射線發射器發射該X射線束的同時關閉該光學快門，當該光學快門關閉時，該光學快門阻擋該光學影像光傳播至該複數個光電二極體。
- 一種製作用於擷取一物件之一X射線影像及該物件之一光學影像之一影像感測器之方法，該方法包括：形成經組態以回應於接收到該物件之X射線輻射而發射光子之一X射線吸收層；及在具有相對於一第二側之一第一側之一半導體層中形成複數個光電二極體，其中該複數個光電二極體經光學耦合以接收光學影像光以產生該光學影像，且其中該複數個光電二極體經光 學耦合以自該X射線吸收層接收該等光子，以產生該X射線影像，該複數個光電二極體被定位以接收自該X射線吸收層穿過該半導體層之該第二側之該等光子並被定位以接收自該物件穿過該半導體層之該第一側之該光學影像光，其中該影像感測器經組態以接收自該影像感測器外傳播之該光學影像光。
- 如請求項17之方法，其中形成該X射線吸收層包括將該X射線吸收層沈積於該半導體層上。
- 如請求項17之方法，其中形成該X射線吸收層包括將該X射線吸收層接合至該半導體層。
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