TWI652945B - 具有自動曝光偵測能力的輻射影像器以及其方法 - Google Patents

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Abstract

一種輻射影像器，具有自動曝光偵測能力，包括高電壓電路單元，提供操作偏壓。影像感應面板，包含半導體疊層結構， 接收該偏壓且感應入射X射線，產生電洞與電子，該電洞產生正電荷用於產生影像。自動曝光偵測器與該高電壓電路單元耦接以傳遞該操作偏壓，且偵測該電子所產生的電壓訊號或電流訊號隨時間的變化形態，決定曝光的起始點與結束點。控制單元耦接於該高電壓電路單元、該影像感應面板及自動曝光偵測器，配置以進行系統控制，包括對該影像感應面板取得該影像的該影像訊號。成像器耦接於該控制單元，接受該影像的該影像訊號，以處理該影像訊號，且顯示及儲存該影像。

Description

具有自動曝光偵測能力的輻射影像器以及其方法
本揭露是有關於具有自動曝光偵測能力的輻射影像器以及其方法的技術。
輻射影器，類似可見光的影像感應面板相似，利用像素陣列的方式來感應影像光。但是輻射影器的影像光是X射線，因此感應的材料與機制會不同。
輻射影器的影像感應機制是利用X射線進入半導體的感應材料，而產生電子(electrons)以及電洞(holes)，其中對應每一個像素的電洞會被收集，而經過電路的轉換，得到影像的像素資料。電洞被收集而得到正電荷，其對應像素的灰階值，進而像素陣列可以組合成一個數位的X射線的輻射影像。
由於輻射影器的感應材料是光導電(photoconductive)材料，用以產生正電荷與負電荷，其存在有暗電流而產生背景(background)準位的問題，其會應響感應影像的正確性。另外，如果曝光時間不適當，例如曝光的起始點與結束點，對應X射線光源的啟動時間不一致，其也會影響影像的品質。
如何提升輻射影器的影像感應品質，是技術研發中所需要考慮的因素其一。
本揭露提供輻射影器，具有自動曝光偵測能力，可以提升影像感應品質。
本揭露的一實施例提供一種輻射影像器具有自動曝光偵測能力，包括高電壓電路單元，提供操作偏壓。影像感應面板接收該操作偏壓且感應入射X射線，產生電洞與電子，該些電洞產生正電荷用於產生影像。自動曝光偵測器，與該高電壓電路單元耦接以傳遞該操作偏壓，且偵測該些電子所產生的感應訊號隨時間的變化形態，決定曝光的起始點與結束點。控制單元耦接於該高電壓電路單元、該影像感應面板及該自動曝光偵測器，配置以進行系統控制，包括對該影像感應面板取得該影像的影像訊號。成像器耦接於該控制單元，接受該影像的該影像訊號，以處理該影像訊號，且顯示及儲存該影像。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，該影像感應面板包括基板、上電極層、光導電層、電洞阻擋層、電子阻擋層。基板具有下電極層以及感應電路，該下電極層接收該操作偏壓的接地端電壓，該感應電路包含多個像素，分別接收該些電洞而轉換成電性訊號而輸出給該控制單元。上電極層接收該操作偏壓的正電壓。光導電層在感應該入射X射線，產生該些電洞與該些電荷。電洞阻擋層配置在該光導電層與該上電極層之間。電子阻擋層，配置在該光導電層與該下電極層之間。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，該電洞阻擋層阻擋由上電極層注入的電洞，該電子阻擋層阻擋由下電極層注入的電子。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，該電洞阻擋層的材料是N-型氧化錫，該光導電層的材料是摻雜非晶半導體，該電子阻擋層的材料是P-型氧化錫。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，該影像感應面板包括基板、上電極層、光導電層、電洞阻擋層。基板具有下電極層以及感應電路，該下電極層接收該操作偏壓的接地端電壓，該感應電路包含多個像素，分別接收該些電洞而轉換成電性訊號而輸出給該控制單元。上電極層接收該操作偏壓的正電壓。光導電層在感應該入射X射線，產生該些電洞與該些電荷。電洞阻擋層，配置在該光導電層與該上電極層之間。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，該電洞阻擋層阻擋由上電極層注入的電洞。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，該電洞阻擋層的材料是N-型氧化錫，該光導電層的材料是摻雜非晶半導體。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，該影像感應面板包括基板、上電極層、光導電層、電子阻擋層。基板具有下電極層以及感應電路，該下電極層接收該操作偏壓的接地端電壓，該感應電路包含多個像素，分別接收該些電洞而轉換成電性訊號而輸出給該控制單元。上電極層接收該操作偏壓的正電壓。光導電層在感應該入射X射線，產生該些電洞與該些電荷。電子阻擋層配置在該光導電層與該下電極層之間。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，該電子阻擋層阻擋由下電極層注入的電子。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，該光導電層的材料是摻雜非晶半導體，該電子阻擋層的材料是P-型氧化錫。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，該自動曝光偵測器包括電流傳感器與控制電路。電流傳感器接收輸入的高電壓傳遞該操作電壓，且輸出該感應訊號。控制電路接收該感應訊號以及內部隨時間動態產生參考訊號。該參考訊號包含啟動階段與結束階段，其中隨時間偵測當該感應訊號小於或大於該參考訊號的時間點，依照該啟動階段或是該結束階段，決定曝光的該起始點與該結束點。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，該參考訊號於該啟動階段時，以小於該感應訊號的第一初始值開始而根據該參考訊號與該感應訊號的第一差值隨時間的變化，而動態調整該參考訊號使逐漸接近該感應訊號。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，當第一差值在一預定觀察時間內產生比預定值大的負向增幅，則產生該起始點。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，該感應訊號的下降率大於預定下降率時決定該起始點。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，該參考訊號於該結束階段時，以大於該感應訊號的第二初始值開始，根據與該感應訊號的第二差值隨時間的變化，而動態調整該參考訊號使逐漸接近該感應訊號。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，當第二差值在一預定觀察時間內產生比預定值大的負向增幅，則產生該結束點。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，該感應訊號上升率大於預定上升率時決定該結束點。
於本揭露的一實施例，在輻射影像器中，該自動曝光偵測器也與該控制單元通訊，當該控制單元追蹤該感應訊號，如果超過安全範圍，則發出停止訊號給X射線發射源，而結束曝光。
本揭露的一實施例提供一種自動曝光偵測方法，適用於輻射影像器，其中該輻射影像器具有：影像感應面板以接收操作偏壓且感應入射X射線，產生電洞與電子，該些電洞產生正電荷用於產生影像；以及自動曝光偵測器依照該自動曝光偵測方法決定曝光的起始點與結束點。該自動曝光偵測方法包括使用電流傳感器，接收輸入的高電壓傳遞給該影像感應面板，且輸出該感應訊號。本方法也包括使用控制電路，接收該感應訊號以及內部隨時間動態產生參考訊號，其中該參考訊號包含啟動階段與結束階段。隨時間偵測當該感應訊號小於或大於該參考訊號的時間點，依照該啟動階段或是該結束階段，決定曝光的該起始點與該結束點。
於本揭露的一實施例，在自動曝光偵測方法中，該參考訊號於該啟動階段時，以小於該感應訊號的第一初始值開始，而根據該參考訊號與該感應訊號的第一差值隨時間的變化，而動態調整該參考訊號使逐漸接近該感應訊號。
於本揭露的一實施例，在自動曝光偵測方法中，當第一差值在一預定觀察時間內產生比預定值大的負向增幅，則產生該起始點。
於本揭露的一實施例，在自動曝光偵測方法中該該感應訊號的下降率大於預定下降率時決定起始點。
於本揭露的一實施例，在自動曝光偵測方法中，該參考訊號於該結束階段時，以大於該感應訊號的第二初始值開始，根據與該感應訊號的第二差值隨時間的變化，而動態調整該參考訊號使逐漸接近該感應訊號。
於本揭露的一實施例，在自動曝光偵測方法中，當第二差值在一預定觀察時間內產生比預定值大的負向增幅，則產生該結束點。
於本揭露的一實施例，在自動曝光偵測方法中，該感應訊號上升率大於預定上升率時決定該結束點。
於本揭露的一實施例，在自動曝光偵測方法中，該自動曝光偵測器也與該控制單元通訊，當該控制單元追蹤該感應訊號，如果超過安全範圍，則發出停止訊號給X射線發射源，而結束曝光。
於本揭露的一實施例，在自動曝光偵測方法中，其中動態產生該參考訊號的該步驟，在該啟動階段的一次更新循環中包括： 計算多個參數，包括在取樣時間點讀取以及數位化該感應信號； 對預計數量的該些取樣點的該感應信號，依照統計方式作平均值(μ)與標準偏移(σ)的計算，其中以平均值(μ)更新背景準位(Q B)，計算平均的該參考信號的下降率(R F)； 尚未達到曝光起始點，判斷下降率(R F)是否滿足參考訊號補償條件，亦即下降率(R F)小於等於參考下降率(R FS) (R F≦R FS)，其中如果為否”就離開，如果為“是就繼續以下步驟參考訊號補償； 計算當前差異值D，其中D= (μ-σ)- D REF，D REF是當前參考值； 檢驗D≧Z SAFE的條件，其中Z SAFE是安全監視範圍； 如果D≧Z SAFE的條件為“是”，以Z SAFE更新為D REF； 如果D≧Z SAFE的條件為“否”，以(μ-σ)更新為D REF； 取得更新後的該D REF； 以及 根據該D REF更新參考訊號V REF。
於本揭露的一實施例，在自動曝光偵測方法中，動態產生該參考訊號的該步驟，在該啟動階段後一次更新循環中包括： 計算多個參數，包括在取樣時間點讀取以及數位化感應信號； 對多個取樣點的感應信號，依照統計方式作平均值(μ)與標準偏移(σ)的計算，計算參考值(μ+σ)，以平均值(μ)更新背景準位(Q B)； 累計(μ- Q B)得到總電量Q T； 檢驗Q S≦Q T，如果是Q S≦Q T就停止X射線，否則進行以下的步驟； 計算平均的該感應訊號的上升率(R S)； 尚未達到曝光結束點，判斷上升率(R S)是否滿足參考訊號補償條件 (R S≦R RS) 其中如果為“否”就離開，如果為“是”就繼續以下步驟參考訊號補償； 計算當前差異值D，其中D= D REF-(μ+σ)，D REF是當前參考值； 檢驗D≧Z SAFE的條件，其中Z SAFE是安全監視範圍； 如果D≧Z SAFE為“是”，以Z SAFE更新為D REF； 如果D≧Z SAFE為“否”，以(μ+σ)更新為D REF； 取得更新後的該D REF；以及 根據該D REF更新該參考訊號V REF
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本揭露是關於輻射影像器，其具有自動曝光偵測能力。可以對X射線的影像光進行有效率感應，也藉此可以提升幅射影像品質。
以下舉一些實施例來說明本揭露，然而本揭露不限於所舉的實施例。
圖1是依照本揭露的一實施例，繪示輻射影像器的電路架構的示意圖。參閱圖1，就輻射影像器的整體架構，本揭露的一實施例所提供的輻射影像器是具有自動曝光偵測能力，包括影像感應面板10、高電壓(High Voltage, HV)電路單元20以HV表示、自動曝光偵測器(Automatic Exposure Detection, AED)30以AED表示、控制單元40以及成像器50。以下再進一步描述每一個電路區塊的結構與功用。
就整體的操作，高電壓電路單元20提供操作偏壓。操作偏壓一般例如是1000V的高電壓。影像感應面板10經由自動曝光偵測器(AED)30接收高電壓電路單元20提供的操作偏壓，且感應入射X射線14，而產生電洞與電子，其機制會於後面作較詳細的描述。該些電洞產生正電荷用於產生影像。自動曝光偵測器(AED)30與高電壓電路單元(HV)20耦接以傳遞該操作偏壓，且偵測由影像感應面板10的該些電子所產生的感應訊號，其隨時間的變化形態，決定曝光的起始點與結束點。控制單元40耦接於高電壓電路單元(HV)20、影像感應面板10及自動曝光偵測器(AED)30，配置以進行系統控制，包括對影像感應面板10取得影像的影像訊號。成像器50耦接於控制單元40，接受影像的影像訊號，以處理該影像訊號，且顯示及儲存該影像。控制單元40例如包含取像控制器41以及系統控制器42。取像控制器41控制影像感應面板10的像素的導通，以及對應像素的取像。系統控制器42 進行整個系統的控制。成像器50例如包含影像處理器51用以處理影像訊號，之後由顯示器53顯示。儲存器52可以儲存影像。
圖2是依照本揭露的一實施例，繪示影像感應面板的示意圖。參閱圖2，影像感應面板10包括上電極層1、電洞阻擋層2、光導電(photoconductive)層3、電子阻擋層4以及基板12。電洞阻擋層2、光導電層3、電子阻擋層4構成半導體疊層11。基板12具有下電極層5以及感應電路6。下電極層5接收操作偏壓的接地端電壓。依照像素陣列的配置，該感應電路包含多個像素，分別接收該些電洞而轉換成電性訊號，而輸出給控制單元40。上電極層1接收操作偏壓的正電壓。光導電層3在感應該入射X射線，產生該些電洞與該些電子。電洞阻擋層2配置在該光導電層3與該上電極層1之間。電子阻擋層4配置在該光導電層3與該下電極層5之間。
進一步描述影像感應面板10的感應機制。圖3是依照本揭露的一實施例，繪示影像感應面板的操作示意圖。圖4是依照本揭露的一實施例，繪示影像感應面板的感應機制示意圖。
參閱圖3與圖4，光導電層3的材料例如是非晶硒(selenium, Se)，其更例如是硒可與少量(0.1% -0.8 %)砷(arsenic, As)的合金，可以避免結晶化。另外，也可以摻雜氯(chlorine, Cl)，例如10 ppm 到 200 ppm以增加電洞載子的傳送(transport)。光導電層的厚度例如100微米(mm)到2000微米的範圍。又例如在乳房X光檢查(mammography)時可以是150微米到250微米的範圍。又例如在一般影像的應用上時可以是500微米到1000微米的範圍。在一實施例中，電洞阻擋層2例如是N-型氧化錫（SnO 2或SnO X,1 £ x £ 2）。純SnO 2是簡併N型半導體(degenerate N-type oxide semiconductor)，能量間隙是3.6 eV。電洞阻擋層2的形成例如使用錫Sn的靶材在含15%的氧氣的氬氣Ar的氣氛下進行濺鍍，或是以二氧化錫SnO 2的靶材在含10%的氫氣的氬氣Ar的氣氛下進行濺鍍，厚度例如是10奈米(nm)到200奈米的範圍。電子阻擋層4例是P型氧化錫（SnO 2或SnO X,1 £ x £ 2）。要產生P型的特性，例如可以使用錫Sn的靶材在含8%的氧氣的氬氣(Ar)的氣氛下([O 2]/([O 2] +[Ar]))形成，或是以二氧化錫SnO 2的靶材在含33%的氫氣的氬氣(Ar)的氣氛下([H 2]/([H 2] +[Ar]))形成，厚度例如是10奈米(nm)到200奈米的範圍。本揭露不限定於所舉特定的材料且上述可採用下列方法之一製作，例如：電子束蒸鍍(electron beam evaporation)、脈衝雷射沉積(pulsed laser deposition)、化學氣相沉積(chemical vapor evaporation)、水溶液處理(aqueous solution process)、水熱合成(hydrothermal synthesis)和磁控濺鍍機(magnetron sputtering)等方法。
當X射線14進入光導電層3時，在操作電壓下，基於材料特性，X射線14依照通過物件後所產生的強度不同，與光導電層3作用(interaction)，而轉換成相對數量的電子與電洞。操作電壓(V A)的正電端連接上電極層1，操作電壓(V A)的負電端連接基板12的下電極層5。電子是帶負電會向上電極層1飄移(drift)，電洞是帶正電會向下電極層5飄移。圖4是電子與電洞的飄移機制，亦為各層次材料的能帶圖（energy band diagram）。
本揭露以光導電層3為基礎，於一實施例提出，電洞阻擋層2配置在該光導電層3與該上電極層1之間。電子阻擋層4配置在該光導電層3與該下電極層5之間。電洞阻擋層2阻擋或是吸收(trap)由上電極層1注入的電洞。電子阻擋層阻擋4由下電極層5注入的電子。
電洞阻擋層2要阻擋上電極層1注入的電洞，其例如是N型材料，更例如是N-型氧化錫（SnO 2或SnO X），可以吸收正電的電洞。電子阻擋層4要阻擋下電極層5注入的電子，其例如是P型材料，更例如是P-型氧化錫（SnO或SnO X），可以吸收負電的電洞子。如此，藉由電洞阻擋層2與電子阻擋層4 作用，影像感應面板10減少受到外部電源的影響，而由光導電層3所產生的電洞，可以較準確被收集成為影像訊號，同時由光導電層3所產生的電子，可以較準確被收集，當作自動曝光偵測器(AED)30的AED訊號，藉由AED訊號相對於X射線產生與結束的特徵圖形(feature pattern)來自動判斷曝光的起始點與結束點。特徵圖形與判斷方式會在後面較詳細描述。
於此，本揭露的電洞阻擋層2與電子阻擋層4的材料不需要限制於所舉的材料，其它可以達到所需要的N/P型以及導電特性的材料都也可以使用。另外，電洞阻擋層2與電子阻擋層4也不是兩者都需要，而可以選擇其一即可，其如後面會描述的圖9與圖10的變化。
基於電洞阻擋層2與電子阻擋層4的作用，AED訊號可以產生由自動曝光偵測器(AED)30偵測。以下先描述自動曝光偵測器(AED)30的電路架構。圖5是依照本揭露的一實施例，繪示自動曝光偵測器的示意圖。參閱圖5，自動曝光偵測器(AED)30包括電流傳感器90與控制電路100。電流傳感器90接收由高電壓電路單元(HV)20所輸入的高電壓，而透過電流傳感器90的傳遞，提供此操作電壓給影像感應面板10的上電極層1。電流傳感器90感應上電極層1而輸出感應訊號。此感應訊號包含光導電層3中所產生的電子的效應。
圖6是依照本揭露的一實施例，繪示自動曝光偵測器的訊號特徵圖形與感應機制的示意圖。就整體運作，其也可以參閱圖6。在高電壓電路單元(HV)20提供的電壓訊號126為開啟（ON）的期間，控制電路100接收感應訊號V F128以及內部隨時間動態產生參考訊號V REF130，在高電壓電路單元(HV)20開啟（ON）的瞬間，參考訊號V REF130會突降（drop）。參考訊號V REF130包含啟動階段120與結束階段124。在啟動階段120與結束階段124之間是曝光階段122。其中隨時間偵測，當該感應訊號V F128小於或是大於該參考訊號V REF130的時間點，如標示區域，依照啟動階段120或是結束階段124而決定曝光階段122的起時點136與結束點138。在啟動階段120區域，參考訊號V REF130小於感應訊號V F128（V REF＜V F）；在結束階段124區域，參考訊號V REF130小於感應訊號V F128（V REF＜V F）。在啟動階段120區域的末端時，X射線進行照射使得感應訊號V F128突降，造成感應訊號V F128小於參考訊號V REF130（V F＜V REF）使差動比較器104輸出訊號Vc 134轉態(HightoLow)並且觸發（trigger）微控器108，決定曝光的起始點 136。此時進入曝光階段122，在曝光階段122中，參考訊號V REF130大於感應訊號V F128（V REF＞V F），並不斷進行參考訊號V REF130補償已使其更接近感應訊號V F128並維持參考訊號V REF130略大於感應訊號V F128。在曝光階段122的末端時，X射線關閉使得感應訊號V F128緩升，造成感應訊號V F128大於參考訊號V REF130（V F＞V REF），使差動比較器104輸出訊號Vc進行另一轉態(Low_to_High)並且觸發（trigger）微控器108決定曝光的結束點138，參考訊號V REF130與感應訊號V F128的量值比較與差動比較器104輸出訊號Vc兩次轉態的量值決定曝光階段122的區間。
再回到圖5，關於電路的架構，由電流傳感器90輸出電流感應訊號，經過轉阻放大器(Transimpedance Amplifier, TIA)102的轉換，轉阻放大器102將電流感應訊號轉換為電壓感應訊號，得到感應訊號V F。此感應訊號V F經過類比到數位轉換器(ADC) 106的取樣，由微控制器單元(Microcontroller Unit, MCU)108進行狀態的判斷，而決定曝光的起始點與結束點。
由於本揭露參考訊號V REF會參照感應訊號V F的狀態，隨時間動態調整，微控制器單元(MCU)108將調整後的參考訊號V REF經由數位到類比到數位轉換器(DAC)110轉換成類比的參考訊號V REF，透過比較器104與感應訊號V F比較，而得到差值訊號Vc。此差值訊號Vc在微控制器單元(MCU)108分析，而輸出自動曝光偵測(AED)訊號34。微控制器單元(MCU)108的判斷機制，將會於後面描述。另外基於其他有利於安全的考量，準備(Ready)訊號32以及曝光指標(Qs) 33也會輸入給微控制器單元(MCU)108參考，當在操作狀態不符合曝光指標(Qs) 33的要求時，可以強制發出禁能(Disable)訊號31，而停止操作。微控制器單元(MCU)108也控制轉阻放大器102的可變電阻器112，可以調整其放大率。
參閱圖6，參考訊號V REF130與感應訊號V F128是電壓訊號。當電壓訊號(HV)126轉為開啟（ON）的狀態而提供操作電壓時，影像感應面板10尚未接收到X射線，也尚未開始曝光，因此處於啟動階段120。在啟動階段120時，因為高電壓會使影像感應面板10產生暗電流，感應訊號V F128開始緩降行為。此時的感應訊號V F128的背景準位132，主要是來自暗電流以及其它可能雜訊。同時，自動曝光偵測器(AED)30指示控制單元40，使得下電極層5以及感應電路6連續地開始清除影像感應面板10上的暗電流而趨於相對地穩定的狀態。而在X射線進入影像感應面板10時，感應訊號V F128會離開背景準位132的電壓值，而會大幅瞬間下降。此瞬間可以是即時，也可以了解是指短時間內類似階梯的變化。在圖6中，下面朝上的箭頭是代表取樣的時間點，也就是，感應訊號V F128與參考訊號V REF130依照時間間隔取樣。於此，為了避免每個取樣點的取樣偏差，於一實施例，感應訊號V F128與參考訊號V REF130是根據多個取樣點依照統計方式所得的平均值。
本揭露的參考訊號V REF130的設定，在電壓訊號126仍然在關閉（OFF）時，一開始先設定在遠離感應訊號V F128的範圍，之後透過控制電路100的微控制器單元(MCU)108的分析，逐漸調整而趨向感應訊號V F128。此時，參考訊號V REF130與感應訊號V F128以下降率或是幅值來看，二者大致上是接近，但是維持參考訊號V REF130略小於感應訊號V F128。
當X射線確實進入影像感應面板10時，由於光導電層3對X射線的感應而產生大量電子-電洞對，導致電流突增，此電流轉換成電壓訊號形式的感應訊號V F128，其會有突降的現象。自動曝光偵測器(AED)30的差動比較器104瞬間轉態。差動比較器104的輸出訊號Vc 134的下降緣(falling edge)，會促發微控制器單元(MCU)108進入曝光階段122，同時，自動曝光偵測器(AED)30指示控制單元40，停止清除影像感應面板10上的暗電流。感應訊號V F128的下降率會短時間變大，或是感應訊號V F128的幅值會短時間與明顯小於參考訊號V REF130。因此，依照偵測到的時間點，可以決定出曝光起始點136。於此曝光起始點136可以與偵測的時間點相同或是合理範圍內的小幅延遲。從另一方面來看，感應訊號V F128小於參考訊號V REF130的時間點（V F＜V REF），使差動比較器104輸出訊號Vc 134轉態(High_to Low)並且觸發（trigger）微控器108可以用來決定曝光起始點136。
就實際運作的一實施例，參考訊號V REF130於啟動階段120時，是以小於感應訊號V F128的初始值開始，而根據參考訊號V REF130與感應訊號V F128的隨時間的變化的差值(第一差值)，而動態調整參考訊號V REF130使逐漸接近感應訊號V F128。
於啟動階段120時，參考訊號V REF130小於感應訊號V F128，因此啟動階段120時的差值是負值，但是在進入曝光階段122時，差值由負值轉為正值，由於差值的符號是相反的現象，也可以稱為負向增幅。因為X射線進入時，感應訊號V F128會突降。於一實施例，負向增幅以大於一個預定量來判斷。於一實施例，為了增加判斷的正確性即時判斷外，也可以觀察一預定觀察時間(包含即時)內進行判斷，如此產生起始點136。另外由於感應訊號V F128會突降，如果以下降率來觀察，其也是會短時間大幅下降，就比較方式例如是比預定的下降率大，藉以決定起時點136。
同樣的機制也可以用來判斷曝光階段122結束點138。由參考訊號V REF130與感應訊號V F128差值(第二差值)會由正值轉為負值的負向增幅，由或是以下升率為考量，觀察比預定的上升率大的時間點，藉以決定結束點138。
在通過曝光起始點136後，依照前述起始的相同原則，也是將參考訊號V REF130調整趨近感應訊號V F128，但是維持大於感應訊號V F128。如此當X射線結束或是關閉時，由電子-電洞對所產生的感應電流消失，因此感應訊號V F128的電壓會明顯會上升而要回到暗流的狀態，而此時上升的感應訊號V F128在大於參考訊號V REF130時，差動比較器104的輸出訊號Vc 134會有低到高(Low_to_High)的轉態，而成為高準位，輸出訊號Vc 134上升緣(rising edge)用來促發微控器108停止曝光階段122，而進入結束階段124。然而就實際的應用，所偵測到的時間點可用來決定曝光結束點138，其可以是即時或是合理延遲一小段時間。
對於上述的機制，其可以由控制電路100來完成，其中微控制器單元(MCU)108可以執行所需要的程式，進行計算與比較。圖7是依照本揭露的一實施例，繪示自動曝光偵測方法的起始點偵測的動態更新參考電壓的機制示意圖。參閱圖7，依照圖6的機制，參考訊號V REF會動態更新。參考訊號V REF在開始先設定足小於背景準位(Q B)，而隨時間逐漸上升接近感應信號V F(μ)，之後依照下面更新的方式更新參考訊號V REF。在控制上，於步驟S10，發出時間的開始訊號後就開始一個更新循環(cycle)。步驟S12是一些參數的計算，包括在取樣時間點讀取以及數位化感應信號V F。對多個取樣點的感應信號V F依照統計方式作平均值(mean, μ)與標準偏移(standard deviation,σ)的計算。以平均值(μ)更新背景準位(Q B)，使得背景準位等於平均值(Q B=μ)。平均值(μ)是指訊號電壓的統計平均值。計算平均的V F(μ)的下降率(R F)，其中V F(μ)代表示取樣點的感應訊號V F經過統計平均後所得到的V F值。於步驟S14，是確定尚未達到曝光起始點。也就是，如果感應信號的下降率(R F)還維持小於或是等於參考下降率(R FS)時， (R F≦R FS)成立，則繼續進行參考信號的更新，否則就直進入步驟S28而直接結束更新。
於步驟S16，計算當前差異值D，其中D= (μ-σ)- D REF，D REF是當前參考值，其在初始是給予的值，但是在後續步驟S20或是S22中會隨時間更新。於步驟S18，檢驗D≧Z SAFE的條件，其中Z SAFE是合理估計的調整幅度的安全監視範圍(safe guard region)，也就是說如果當前差異值D過大時，最大只調整Z SAFE的程度。也就是，如果步驟S18是“是”，於步驟S20就以Z SAFE更新為D REF。如果步驟S18是“否”，就以(μ-σ)更新為D REF。步驟S24，取得更新後的D REF。步驟S26，根據D REF更新參考訊號V REF。步驟S28，結束本次的更新循環。
於此，過程中只要發生感應訊號V F的下降率(R F)增大時，此時差值訊號V C訊號轉態(由高位準HIGH到低位準LOW)，觸發微控制器單元(MCU)108，可以預期是X射線已啟動，即偵測到X射線起始點，微控制器單元(MCU)108輸出高為準HIGH的自動曝光偵測(AED)訊號34，已告知取像控制器41以及系統控制器42進入曝光期。由於曝光已經開始，因此接著需要偵測結束點。而參考訊號(V RFF)是上升的方向調整。
圖8 是依照本揭露的一實施例，繪示自動曝光偵測方法的結束點偵測的動態更新參考電壓的機制示意圖。參考圖8。
於步驟S30，發出時間的開始訊號後就開始一個結束點偵測的更新循環(cycle)。步驟S32是一些參數的計算，包括在取樣時間點讀取以及數位化感應信號V F。對多個取樣點的感應信號V F依照統計方式作平均值(mean, μ)與標準偏移(standard deviation,σ)的計算。另外也計算參考值(μ+σ)。以平均值(μ)更新背景準位(Q B)，使得背景準位等於平均值(Q B=μ)。累計(μ- Q B) 得到累積的總電量Q T，其算式為Q T(n)=Q T(n-1)+(μ(n)- Q B)。在進入曝光階段122時，總電量Q T重設為零，而開始累積總電量Q T，用於逐漸調整參考電壓V REF，其計算如式(1): (1)， Q T(N): 是曝光階段起始後，第N個(N th)取樣時間點的總電量Q T； N : 是取樣點的數量； n : 是第n個取樣點； μ(n) : 第n個由前面多個取樣點的訊號電壓的平均值; 及 Q B: 訊號電壓的背景值，是在啟動階段120 中最後取樣得到的訊號電壓平均值。 針對曝光階段中隨N個取樣時間點，取得累積的總電量Q T(N)，如排除背景值Q B後的累積面積68所示，可以用來與曝光指標Q S比較，可以確認是否過度曝光，而強制停止曝光。總電量Q T(N)等同對起時點136之水平線與感應信號V F劃過的面積作積分，藉由總電量Q T(N)可推導出X射線14的劑量，並且藉由起時點136與結束點138，得知X射線14的曝光時間。
於步驟S34，基於安全考量，先檢驗曝光指標Q S是否小於等於總電量Q T(Q S≦Q T)。如果是Q S≦Q T，就於步驟S36傳送禁能(Disable)訊號31給X射線發射源，藉以停止X射線，否則開始針對曝光結束點進行更新參考訊號V REF。於步驟S38，計算平均的V F(μ)的上升率(R S)。步驟S40是確定尚未達到曝光結束點。也就是，如果感應信號的上升率(R S)還維持小於或是等於曝光結束的預期上升率(R RS)時，(R S≦R RS)成立，則繼續進行參考信號的更新，否則就直進入步驟54而直接結束更新。
於步驟S42，計算當前差異值D，其中D= D REF-(μ+σ)，D REF是當前參考值。於步驟S44，檢驗D≧Z SAFE的條件，其中Z SAFE是安全監視範圍(safe guard region)。如果步驟S44是“是”，於步驟S46就以Z SAFE更新為D REF。如果步驟S44是“否”，就以(μ+σ)更新為D REF。步驟S50，取得更新後的D REF。步驟S52，根據D REF更新參考訊號V REF。步驟S54，結束本次的更新循環。
於此，過程中只要發生感應訊號V F的上升率(R S)增大時，此時差值訊號V C訊號轉態(由低位準LOW到高位準HIGH)，觸發微控制器單元(MCU)108，可以預期是X射線已結束，即偵測到X射線結束點，微控制器單元(MCU)108即輸出低位準LOW的自動曝光偵測(AED)訊號34，告知系統控制器42結束曝光期。取像控制器41將讀取影像感應面板10內的訊號，以利後續影像處理顯示及儲存，及完成曝光操作週期。
在圖2的影像感應面板10是包含電洞阻擋層2以及電子阻擋層4。然而，電洞阻擋層2以及電子阻擋層4選擇其一，也是有類似的效果。圖9 是依照本揭露的一實施例，繪示影像感應面板的示意圖。參閱圖9，本實施例僅使用電洞阻擋層2與光導電層3的疊層，省去電子阻擋層4。
圖10是依照本揭露的一實施例，繪示影像感應面板的示意圖。參閱圖10，比較於圖2的疊層結構，本實施例僅使用光導電層3與電子阻擋層4的疊層，省去電洞阻擋層2。
本揭露提出影像感應面板10，其使用電洞阻擋層2以及電子阻擋層4得至少其一，可以維持電洞的電荷收集構成影像。另外有允許電子較準確被自動曝光偵測器偵測。利用X射線進入與消失所產生的感應訊號的特徵圖形，可以自動曝光偵測，有效控制曝光的開啟時段。
1‧‧‧上電極層
2‧‧‧電洞阻擋層
3‧‧‧光導電層
4‧‧‧電子阻擋層
5‧‧‧下電極層
6‧‧‧感應電路
10‧‧‧影像感應面板
11‧‧‧半導體疊層
12‧‧‧基板
14‧‧‧X射線
20‧‧‧高電壓(HV)電路單元
30‧‧‧自動曝光偵測器
31‧‧‧禁能(Disable)訊號
32‧‧‧準備(Ready)訊號
33‧‧‧曝光指標(Qs)
34‧‧‧自動曝光偵測(AED)訊號
40‧‧‧控制單元
41‧‧‧取像控制器
42‧‧‧系統控制器
50‧‧‧成像器
51‧‧‧影像處理器
52‧‧‧儲存器
53‧‧‧顯示器
68‧‧‧累積面積
90‧‧‧電流傳感器
100‧‧‧與控制電路
102‧‧‧轉阻放大器
104‧‧‧比較器
106‧‧‧類比到數位轉換器
108‧‧‧微控制器單元
110‧‧‧類比到數位轉換器
112‧‧‧可變電阻器
120‧‧‧啟動階段
122‧‧‧曝光階段
124‧‧‧結束階段
126‧‧‧電壓訊號
128‧‧‧感應訊號VF
130‧‧‧參考訊號
132‧‧‧背景準位
134‧‧‧輸出訊號(Vc)
136‧‧‧起始點
138‧‧‧結束點
S10、S12、S14、S16、S18、S20、S22、S24、S26、S28‧‧‧步驟
S30、S32、S34、S36、S38‧‧‧步驟
S40、S42、S44、S46、S48、S50、S52、S54‧‧‧步驟
圖1是依照本揭露的一實施例，繪示輻射影像器的電路架構的示意圖。 圖2是依照本揭露的一實施例，繪示影像感應面板的示意圖。 圖3是依照本揭露的一實施例，繪示影像感應面板的操作示意圖。 圖4是依照本揭露的一實施例，繪示影像感應面板的感應機制示意圖。 圖5是依照本揭露的一實施例，繪示自動曝光偵測器的示意圖。 圖6是依照本揭露的一實施例，繪示自動曝光偵測器的訊號特徵圖形與感應機制的示意圖。 圖7是依照本揭露的一實施例，繪示自動曝光偵測方法的起始點偵測的動態更新參考電壓的機制示意圖。 圖8 是依照本揭露的一實施例，繪示自動曝光偵測方法的結束點偵測的動態更新參考電壓的機制示意圖。 圖9 是依照本揭露的一實施例，繪示影像感應面板的示意圖。 圖10是依照本揭露的一實施例，繪示影像感應面板的示意圖。

Claims (29)

  1. 一種輻射影像器，具有自動曝光偵測能力，包括：高電壓電路單元，提供操作偏壓；影像感應面板，接收該操作偏壓且感應入射X射線，產生電洞與電子，該些電洞產生正電荷用於產生影像；自動曝光偵測器，與該高電壓電路單元耦接以傳遞該操作偏壓，且偵測該些電子所產生的感應訊號隨時間的變化形態，決定曝光的起始點與結束點；控制單元，耦接於該高電壓電路單元、該影像感應面板及該自動曝光偵測器，配置以進行系統控制，包括對該影像感應面板取得該影像的影像訊號；以及成像器，耦接於該控制單元，接受該影像的該影像訊號，以處理該影像訊號，且顯示及儲存該影像，其中該影像感應面板包括：基板，具有下電極層以及感應電路，該下電極層接收該操作偏壓的接地端電壓，該感應電路包含多個像素，分別接收該些電洞而轉換成電性訊號而輸出給該控制單元；上電極層，接收該操作偏壓的正電壓；光導電層，在感應該入射X射線，產生該些電洞與該些電荷；電洞阻擋層，配置在該光導電層與該上電極層之間；以及電子阻擋層，配置在該光導電層與該下電極層之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的輻射影像器，其中該電洞阻擋層阻擋由該上電極層注入的電洞，該電子阻擋層阻擋由下電極層注入的電子。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的輻射影像器，其中該電洞阻擋層的材料是N-型氧化錫，該光導電層的材料是摻雜非晶半導體，該電子阻擋層的材料是P-型氧化錫。
  4. 一種輻射影像器，具有自動曝光偵測能力，包括：高電壓電路單元，提供操作偏壓；影像感應面板，接收該操作偏壓且感應入射X射線，產生電洞與電子，該些電洞產生正電荷用於產生影像；自動曝光偵測器，與該高電壓電路單元耦接以傳遞該操作偏壓，且偵測該些電子所產生的感應訊號隨時間的變化形態，決定曝光的起始點與結束點；控制單元，耦接於該高電壓電路單元、該影像感應面板及該自動曝光偵測器，配置以進行系統控制，包括對該影像感應面板取得該影像的影像訊號；以及成像器，耦接於該控制單元，接受該影像的該影像訊號，以處理該影像訊號，且顯示及儲存該影像，其中該影像感應面板包括：基板，具有下電極層以及感應電路，該下電極層接收該操作偏壓的接地端電壓，該感應電路包含多個像素，分別接收該些電洞而轉換成電性訊號而輸出給該控制單元；上電極層，接收該操作偏壓的正電壓；光導電層，在感應該入射X射線，產生該些電洞與該些電荷；以及電洞阻擋層，配置在該光導電層與該上電極層之間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的輻射影像器，其中該電洞阻擋層阻擋由該上電極層注入的電洞。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的輻射影像器，其中該電洞阻擋層的材料是N-型氧化錫，該光導電層的材料是摻雜非晶半導體。
  7. 一種輻射影像器，具有自動曝光偵測能力，包括：高電壓電路單元，提供操作偏壓；影像感應面板，接收該操作偏壓且感應入射X射線，產生電洞與電子，該些電洞產生正電荷用於產生影像；自動曝光偵測器，與該高電壓電路單元耦接以傳遞該操作偏壓，且偵測該些電子所產生的感應訊號隨時間的變化形態，決定曝光的起始點與結束點；控制單元，耦接於該高電壓電路單元、該影像感應面板及該自動曝光偵測器，配置以進行系統控制，包括對該影像感應面板取得該影像的影像訊號；以及成像器，耦接於該控制單元，接受該影像的該影像訊號，以處理該影像訊號，且顯示及儲存該影像，其中該影像感應面板包括：基板，具有下電極層以及感應電路，該下電極層接收該操作偏壓的接地端電壓，該感應電路包含多個像素，分別接收該些電洞而轉換成電性訊號而輸出給該控制單元；上電極層，接收該操作偏壓的正電壓；光導電層，在感應該入射X射線，產生該些電洞與該些電荷；以及電子阻擋層，配置在該光導電層與該下電極層之間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的輻射影像器，其中該電子阻擋層阻擋由下電極層注入的電子。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的輻射影像器，其中該光導電層的材料是摻雜非晶半導體，該電子阻擋層的材料是P-型氧化錫。
  10. 如申請專利範圍第1、4、7項的任其一所述的輻射影像器，其中該自動曝光偵測器包括：電流傳感器，接收輸入的高電壓傳遞一操作電壓，且輸出該感應訊號；以及控制電路，接收該感應訊號以及內部隨時間動態產生參考訊號，其中該參考訊號包含啟動階段與結束階段，其中隨時間偵測當該感應訊號小於或大於該參考訊號的時間點，依照該啟動階段或是該結束階段，決定曝光的該起始點與該結束點。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的輻射影像器，其中該參考訊號於該啟動階段時，以小於該感應訊號的第一初始值開始而根據該參考訊號與該感應訊號的第一差值隨時間的變化，而動態調整該參考訊號使逐漸接近該感應訊號。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的輻射影像器，其中當第一差值在一預定觀察時間內產生比預定值大的負向增幅，則產生該起始點。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的輻射影像器，其中該感應訊號的下降率大於預定下降率時決定該起始點。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的輻射影像器，其中該參考訊號於該結束階段時，以大於該感應訊號的第二初始值開始，根據與該感應訊號的第二差值隨時間的變化，而動態調整該參考訊號使逐漸接近該感應訊號。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的輻射影像器，其中當第二差值在一預定觀察時間內產生比預定值大的負向增幅，則產生該結束點。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的輻射影像器，其中該感應訊號的上升率大於預定上升率時決定該結束點。
  17. 如申請專利範圍第10項所述的輻射影像器，其中該自動曝光偵測器也與該控制單元通訊，當該控制單元追蹤該感應訊號，如果超過安全範圍，則發出停止訊號給X射線發射源，而結束曝光。
  18. 如申請專利範圍第10項所述的輻射影像器，其中該控制電路在該啟動階段中，當該參考訊號大於該感應訊號時，決定曝光的該起始點；在曝光進行中，當該感應訊號大於該參考訊號時，決定該曝光的該結束點。
  19. 一種自動曝光偵測方法，適用於輻射影像器，其中該輻射影像器具有：影像感應面板以接收操作偏壓且感應入射X射線，產生電洞與電子，該些電洞產生正電荷用於產生影像；以及自動曝光偵測器依照該自動曝光偵測方法決定曝光的起始點與結束點，該自動曝光偵測方法包括：使用電流傳感器，接收輸入的高電壓傳遞給該影像感應面板，且輸出該感應訊號；以及使用控制電路，接收該感應訊號以及內部隨時間動態產生參考訊號，其中該參考訊號係隨時間變化的變量，包含啟動階段與結束階段，其中隨時間偵測當該感應訊號小於或大於該參考訊號的時間點，依照該啟動階段或是該結束階段，決定曝光的該起始點與該結束點。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的自動曝光偵測方法，其中該參考訊號於該啟動階段時，以小於該感應訊號的第一初始值開始，而根據該參考訊號與該感應訊號的第一差值隨時間的變化，而動態調整該參考訊號使逐漸接近該感應訊號。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的自動曝光偵測方法，其中當第一差值在一預定觀察時間內產生比預定值大的負向增幅，則產生該起始點。
  22. 如申請專利範圍第20項所述的自動曝光偵測方法，其中該感應訊號的下降率大於預定下降率時決定該起時點。
  23. 如申請專利範圍第20項所述的自動曝光偵測方法，其中該參考訊號於該結束階段時，以大於該感應訊號的第二初始值開始，根據與該感應訊號的第二差值隨時間的變化，而動態調整該參考訊號使逐漸接近該感應訊號。
  24. 如申請專利範圍第23項所述的自動曝光偵測方法，其中當第二差值在一預定觀察時間內產生比預定值大的負向增幅，則產生該結束點。
  25. 如申請專利範圍第23項所述的自動曝光偵測方法，其中該感應訊號的上升率大於預定上升率時決定該結束點。
  26. 如申請專利範圍第19項所述的自動曝光偵測方法，其中該自動曝光偵測器也與該控制單元通訊，當該控制單元追蹤該感應訊號，如果超過安全範圍，則發出停止訊號給X射線發射源，而結束曝光。
  27. 如申請專利範圍第19項所述的自動曝光偵測方法，其中動態產生該參考訊號的該步驟，在該啟動階段的一次更新循環中包括：計算多個參數，包括在取樣時間點讀取以及數位化該感應信號；對預計數量的該些取樣點的該感應信號，依照統計方式作平均值(μ)與標準偏移(σ)的計算，其中以平均值(μ)更新背景準位(QB)，計算平均的該參考信號的下降率(RF)；尚未達到曝光起始點，判斷該下降率(RF)是否滿足參考訊號補償條件，亦即該下降率(RF)小於等於參考下降率(RFS)(RF≦RFS)，其中如果為“否”就離開，如果為“是”就繼續以下步驟參考訊號補償；計算當前差異值D，其中D=(μ-σ)-DREF，DREF是當前參考值；檢驗D≧ZSAFE的條件，其中ZSAFE是安全監視範圍；如果D≧ZSAFE的條件為“是”，以ZSAFE更新為DREF；如果D≧ZSAFE的條件為“否”，以(μ-σ)更新為DREF；取得更新後的該DREF；以及根據該DREF更新該參考訊號VREF。
  28. 如申請專利範圍第19項所述的自動曝光偵測方法，其中動態產生該參考訊號的該步驟，在該啟動階段後一次更新循環中包括：計算多個參數，包括在取樣時間點讀取以及數位化感應信號；對多個取樣點的感應信號，依照統計方式作平均值(μ)與標準偏移(σ)的計算，計算參考值(μ+σ)，以平均值(μ)更新背景準位(QB)；累計(μ-QB)得到總電量QT；檢驗QS≦QT，如果是QS≦QT就停止X射線，否則進行以下的步驟；計算平均的該感應訊號的上升率(RS)；尚未達到曝光結束點，判斷該上升率(RS)是否滿足參考訊號補償條件，亦即該上升率(RS)小於等於參考下降率(RFS)(RS≦RRS)其中如果為“否”就離開，如果為“是”就繼續以下步驟參考訊號補償；計算當前差異值D，其中D=DREF-(μ+σ)，DREF是當前參考值；檢驗D≧ZSAFE的條件，其中ZSAFE是安全監視範圍；如果D≧ZSAFE為“是”，以ZSAFE更新為DREF；如果D≧ZSAFE為“否”，以(μ+σ)更新為DREF；取得更新後的該DREF；以及根據該DREF更新該參考訊號VREF。
  29. 如申請專利範圍第19項所述的自動曝光偵測方法，在該啟動階段下，當該參考訊號大於該感應訊號時，決定曝光的該起始點；在曝光進行中，當該感應訊號大於該參考訊號時，決定該曝光的該結束點。
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