TWI750696B - 影像感測器及包括影像感測器之成像系統 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種影像感測器並且係關於一種包括該影像感測器之成像系統。本發明尤其係關於X射線影像感測器及成像系統。 根據本發明之影像感測器包括一像素陣列，該像素陣列包含配置在列及行之一矩陣中之複數個主動像素，以及複數個行線，出於輸出像素信號之目的，相同行中之像素之輸出耦接至該等行線。該影像感測器進一步包括讀出電路系統，該讀出電路系統包含複數個讀出單元，每一讀出單元經組態以用於經由該讀出單元之一輸入節點讀出一各別行線。 該影像感測器之特徵在於該影像感測器進一步包括電容單元，諸如電容器，以用於將每一輸入節點電容式耦接至其對應之行線。

Description

影像感測器及包括影像感測器之成像系統
本發明係關於影像感測器並且係關於包括影像感測器之成像系統。本發明尤其係關於X射線影像感測器及成像系統。
除非另外說明，否則根據本發明之影像感測器包括經組態以用於捕獲電磁輻射之影像感測器。詳言之，此輻射可以呈可見光之形式或者它可以呈X射線之形式。
當影像感測器經組態以用於感測X射線時，它可包括感光元件，諸如光電二極體，其經組態以用於吸收傳入X射線光子並且產生光電流。此類型之轉換被稱作直接轉換。其他影像感測器可包括閃爍劑層，其將傳入X射線光子轉換成可見光光子。此等後者之光子可以由感光元件吸收，該感光元件繼而產生光電流。此類型之轉換被稱作間接轉換。本發明係關於兩種類型之轉換。
影像感測器通常包括像素陣列。此陣列包括配置在列及行之矩陣中之複數個像素。影像感測器通常進一步包括複數個行線，出於輸出像素信號之目的，相同行中之像素之輸出耦接至該等行線。影像感測器隨後進一步包括讀出電路系統。此電路系統包括複數個讀出單元，每一讀出單元經組態以用於經由讀出單元之輸入節點讀出各別行線。
在圖1中展示已知的影像感測器1之實例。此處，出於說明性目的僅展示了矩陣之單一像素2。像素2為被動像素，其包括耦接在接地與選擇FET Ts之源極端子之間的光電二極體PD，選擇FET Ts之閘極連接至列選擇線rs。代替具有固定在接地電位下之陽極，可使用不同的電位，諸如，-5V。選擇FET Ts之汲極端子連接至行線cl。一些寄生電容與此線相關聯。在圖1中，此寄生電容由電容器Cp表示。通常，像素矩陣之每一列連接至各別列選擇線並且每一行連接至各別行線。出於驅動列選擇線之目的，影像感測器1包括確保相同行中之兩個像素未在相同時間無意地連接至相同行線之列控制器(未展示)。
影像感測器1進一步包括讀出電路系統。此電路系統包括複數個讀出單元3，通常每行線一個單元。在圖1中，單一讀出單元3展示為包括電荷放大器31、相關雙取樣「CDS」單元32及類比至數位轉換器「ADC」33。
電荷放大器31包括差分放大器34，諸如運算放大器，具有連接至參考電壓Vref之非反相端子「+」，以及經由回饋電容器Cf連接至放大器34之輸出端的反相端子「-」。開關s1與回饋電容器Cf並聯配置。
放大器34之輸出端連接至CDS單元32，其執行兩個量測並且將此等量測之間的差異饋送至ADC 33以用於將差異轉換成數位數值。
在圖1中，像素陣列配置在薄膜電晶體「TFT」面板上。更特定言之，在TFT面板上之薄膜電晶體對應於選擇電晶體Ts。光電二極體PD通常藉由在TFT面板上配置感光材料之小島狀物實現，諸如非晶矽。
此外，在圖1中，讀出單元3實現在配置於半導體晶粒上之積體電路中。半導體晶粒上之整合與TFT面板上之整合之間的劃分由虛線4指示。
在像素讀出期間，像素2經由選擇FET Ts連接至行線cl。包含其寄生電容Cp之行線cl最初藉由電荷放大器31之開關s1被重設至Vref。當像素2經由選擇FET Ts被選擇時，下文稱為Cdiode之光電二極體PD之內部電容亦被充電至Vref。若內部電容先前已經藉由光電流放電，則跨越內部電容之電位將在Vref - Vsig處開始。這意謂在Cdiode上存在信號電荷Qsig = Cdiode x Vsig。為了將光電二極體PD重設至Vref，此信號電荷必須跨越行線移動至電荷放大器31之回饋電容Cf。這繼而意謂在電荷放大器31之輸出端處之電壓以量dV = Qsig / Cf上升。藉由CDS單元32對在電荷放大器31之輸出端處之此電壓階躍進行取樣，亦即，自Vref至Vref + Qsig / Cf。CDS單元32之經取樣之輸出信號隨後藉由ADC 33被轉換成數位數值。CDS單元32抵消出現在電荷放大器31中之重設雜訊及電荷注入。
行線cl具有較大寄生電容Cp。這產生雜訊問題。電荷放大器31保持Cp上之電位恆定在Vref處，其對應於在其非反相端子「+」處之電壓。然而，在現實中，電荷放大器31保持Cp上之電壓等於Vref加上其自身之雜訊電壓。後者可以由與放大器34之非反相端子「+」串聯之電壓源表示。更特定言之，放大器34迫使電流經由回饋電容器Cf進入至Cp中，以便將Cp充電至放大器34之雜訊。此電流不僅為Cp充電，亦為Cf充電。存在近似地Cp/Cf之雜訊增益。因為通常Cf＜＜Cp，舉例而言，Cp=30 pF且Cf=300 fF，所以雜訊增益可以為非常高的。因為此高雜訊增益，所以放大器34之雜訊應該為儘可能低的。
低雜訊可以藉由使用高電流來偏置放大器34之輸入級來實現。這顯著地增大了功率耗散，由此引起影像感測器中之自加熱。這可變為如在高溫下如在間接轉換x射線影像感測器中使用之閃爍劑層可降級並且光電二極體PD之漏電流可增大引起更暗雜訊的問題。
獲得低雜訊之另一方式為減小用於對信號進行取樣之CDS單元32之頻寬。通常，低通濾波器插入在電荷放大器31與CDS單元32之間。此低通濾波器之頻寬愈低，則雜訊愈低。明顯地，在功率耗散(自加熱)、速度(頻寬)及雜訊之間存在折衷。此折衷為被動像素TFT面板之基礎限制。
藉由主動像素可以避免之前論述的雜訊/速度/功率折衷。圖2說明已知之影像感測器1，在該影像感測器中使用主動像素2，在圖2中相同參考標記用於指代與圖1中之相同或類似組件。
主動像素2為已知的三電晶體(3T)像素，其包括重設FET Tr、選擇FET Ts及源極隨耦器SF。它被稱作主動像素是因為源極隨耦器SF提供在像素2自身內之緩衝功能。
在主動像素2中，光電二極體PD將為儲存電容器充電，該儲存電容器為在光電二極體PD內部之電容或外部電容器。此充電以在節點N處之電壓反映。使用重設FET Tr，此後者節點可以被重設至參考電壓vdd，該重設FET Tr受使用重設線rt之列控制器(未展示)控制。當偵測到光時，所得光電流將逐漸對儲存電容器進行放電，引起在節點N處之電壓之減小。
在節點N處之電壓可以使用選擇電晶體Ts讀出，該選擇電晶體Ts受使用列選擇線rs之列控制器(未展示)控制。當被啟動時，在節點N處之電壓將經由源極隨耦器SF被置放至行線cl上。此後者電晶體係使用在讀出單元3內部之電流源35偏置的。
主動像素2通常係使用CMOS技術實現的。然而，與TFT面板相比，增大基於CMOS之像素陣列之大小係更困難的且更高成本的。因此已經作出努力來實現TFT面板上之主動像素陣列。然而，申請人已經發現實現TFT面板上之主動像素陣列並非是沒有問題的。更特定言之，在玻璃TFT面板製造過程中製作之電晶體具有較大臨限值變化。由於過程變化、溫度變化、負或正偏置溫度不穩定性及曝露於x射線，TFT之臨限電壓改變。所有此等之影響與在CMOS中相比在TFT中要大得多。
使用用於實現讀出電路系統之標準積體電路製造過程將對待使用之電源電壓施加限制，例如，3.3 V或5 V。讀出單元3之輸入節點M上之電壓應該在電源軌道內。TFT之臨限電壓中之變化減小用於信號擺動的可供使用的空間。另外，偏置源極隨耦器SF之電流源35需要一些餘量。
若臨限值變化為3 V，並且若3.3 V電源應該用於讀出單元3，則將為信號保持基本上為零的動態範圍。一個選項將是使用更高成本之高電壓CMOS過程與用於TFT面板之較高電源電壓組合來實現讀出單元3。然而，此類解決方案將至少部分地減小與TFT面板相關聯的優勢。
本發明之一個目標為提供包括複數個主動像素之影像感測器，其中上述問題不出現或至少在更輕微程度上。
根據本發明，此目標藉由如在請求項1中所描述之影像感測器來實現，其特徵在於影像感測器進一步包括電容單元，諸如電容器，以用於將每一輸入節點電容式耦接至其對應之行線。
藉由使用在輸入節點與行線之間的電容耦接，將在輸入節點處之電壓移位至讀出電路系統之操作範圍內的值變為可能的。更特定言之，可以防止用於操作像素之參考電壓並且行線被置放在讀出電路系統之輸入節點上。這使得本發明之影像感測器能夠使用TFT技術來實施。
影像感測器可進一步包括列控制器以用於在複數個像素之中選擇像素以用於讀出，其中影像感測器經組態以針對每一所選擇之像素基於第一及第二像素讀出執行相關雙取樣量測「CDS」方案。舉例而言，第一像素讀出可對應於在重設像素之後預定量的時間讀出之像素，並且第二像素讀出可對應於在已經重設之後直接讀出之像素。通常，當像素陣列以對應之最大劑量受到輻射時亦被稱作積分時間之預定量的時間為足夠的，以充分地使用像素電壓的可供使用的電壓擺幅。通常像素陣列為逐列讀出及重設的。在已經讀出及重設整個像素陣列之後，X射線源或電磁輻射之其他來源產生曝光閃光並且像素將光整合。在預定量的時間之後，像素為逐列讀出及重設的。在此第一像素讀出中，所採用之樣本被稱作信號位準。緊接著之後，像素被重設並且獲得第二樣本。此第二樣本被稱作用於CDS方案之參考位準。
像素陣列及/或電容單元可以整合在薄膜電晶體「TFT」面板上。舉例而言，TFT面板可以基於非晶矽、低溫多晶矽，或氧化銦鎵鋅。此等材料沈積在例如玻璃面板之基板上。感光元件可同等地形成為將諸如非晶矽或非晶硒之感光材料沈積至基板上。
讀出電路系統及/或列控制器係至少部分地整合在一或多個半導體晶粒上的。舉例而言，讀出電路系統及/或列控制器可基於互補型金屬氧化物半導體「CMOS」技術。在一些實施例中，讀出電路系統係基於CMOS技術的，但是列控制器整合在TFT面板中。舉例而言，類似於像素陣列及電容單元，列控制器可以整合在低溫多晶矽技術上。
藉由在TFT面板上配置像素陣列及電容單元，例如呈電容器之形式，並且藉由使用讀出電路系統至少部分整合在上面之一或多個半導體晶粒，可以在可出現在一或多個半導體晶粒上的相對低的電壓與可出現在TFT面板上的相對高的電壓之間實現電壓隔離。以此方式，電容單元防止破壞一或多個半導體晶粒或配置於其上之電路系統。
讀出電路系統可以由複數個第一分段組成，每一第一分段對應於複數個行線並且整合在各別第一半導體晶粒上。第一分段可以彼此相同。影像感測器可進一步包括複數個第一撓曲箔片，藉助於該等箔片，TFT面板連接至外部裝置，其中各別第一半導體晶粒配置在各別第一撓曲箔片上。外部裝置可例如為收集各種讀出用於像素陣列並且基於讀出構建影像之裝置。
影像感測器可進一步包括用於每一像素之源極隨耦器以用於緩衝像素信號以及選擇電晶體以用於取決於藉由列控制器輸出之列選擇信號將經緩衝之像素信號輸出至對應的行線上。另外，影像感測器可包括用於每一行線之整合在TFT面板上之源極隨耦器負載，諸如電流源或電阻器。與已知的感測器相比，源極隨耦器負載不再是其中配置有讀出電路系統之積體電路之部分而是整合在TFT面板上。因此，藉由輸入節點與行線之間的電容耦接保持可在操作期間出現的任何高電壓與讀出單元之輸入節點隔離。
此外，對於每一像素，影像感測器可進一步包括配置在信號節點與保持在諸如接地之第一參考電壓下的節點之間的光電二極體。每一像素可進一步包括：儲存電容器，其經組態以用於累積由於藉由光電二極體產生之光電流的電荷；以及重設電晶體，其耦接在光電二極體與第二參考電壓之間並且經組態以取決於藉由列控制器輸出之重設信號將信號節點上之電壓設置成第二參考電壓。在一些實施例中，儲存電容器僅藉由光電二極體之內部電容形成，然而在其他實施例中額外的電容器與光電二極體並聯配置。若光電二極體之內部電容過小以至於無法實現所期望的滿井電容，則此類額外的電容器可以是有利的。
列控制器可包括複數個第二分段，其中每一第二分段對應於像素陣列之複數個列。此等第二分段可以是相同的。每一第二分段可進一步包括驅動器，以在適用時針對複數個列輸出列選擇信號及選擇信號，並且它可以整合在各別第二半導體晶粒上。影像感測器可進一步包括複數個第二撓曲箔片，藉助於該等箔片，TFT面板連接至列控制器之剩餘部分，其中各別第二半導體晶粒配置在各別第二撓曲箔片上。
讀出電路系統可包括複數個類比至數位轉換器「ADC」。舉例而言，單一ADC可以提供用於每一行線。替代地，可以使用行並聯CDS電路，其後面跟隨的是多工器。此多工器將自與複數個行線相關聯的CDS電路接收到的輸入引導至一或多個高速ADC中。在此情況下，一個ADC可以用於轉換信號以用於多於一個行線。
讀出電路系統可經組態以基於電荷模式讀出來讀出行線。舉例而言，每一讀出單元可經組態以在第一像素讀出及第二像素讀出期間將輸入節點上之電壓設置成等於第三參考電壓。每一讀出單元可經組態以基於在第二像素讀出期間至電容單元或來自電容單元之電荷傳送來判定輸出電壓。更特定言之，每一讀出單元可包括電荷放大器，該電荷放大器包括運算放大器，其具有連接至第三參考電壓之非反相輸入端，以及經由第一開關連接至電容單元之反相輸入端。運算放大器之輸出端可以經由回饋電容器耦接至反相輸入端。每一讀出單元可進一步包括配置在運算放大器之輸出端與反相輸入端之間的第二開關。另外，影像感測器可包括第二控制器，其經組態以用於控制第一及第二開關使得在輸入節點處之電壓被設置成第三參考電壓，方法為在第一像素讀出期間閉合第一及第二開關，並且使得當執行第二像素讀出時第二開關斷開。當運算放大器之輸出藉由ADC轉換時第二控制器可進一步經組態以控制第一開關斷開。
替代地，讀出電路系統可經組態以基於電壓模式讀出來讀出行線。舉例而言，每一讀出單元之輸入節點可以為高阻抗輸入節點並且每一讀出單元可經組態以在第一讀出期間將輸入節點上之電壓設置成等於第四參考電壓並且在第二像素讀出期間基於輸入節點之電壓相對於第四參考電壓之改變來判定輸出電壓。更特定言之，每一讀出單元可進一步包括電壓設置單元以用於在第一像素讀出期間將輸入節點上之電壓設置成第四參考電壓，並且用於提供在第二模式中之高阻抗狀態以允許當自對應於第一像素讀出之值變為對應於第二像素讀出之值時輸入節點上之電壓追蹤像素電壓。
基於電壓模式讀出之讀出單元之示例性實施例包括第一運算放大器，該第一運算放大器具有經由第三開關連接至第四參考電壓之非反相輸入端以及連接至運算放大器之輸出端的反相輸入端。它可以進一步包含電荷放大器，該電荷放大器包括第二運算放大器，該第二運算放大器具有連接至第五參考電壓之非反相輸入端以及經由串聯電容器及串聯第四開關連接至第一運算放大器之輸出端且經由回饋電容器及第五開關之並聯連接而連接至第二運算放大器之輸出端的反相輸入端。讀出電路系統可進一步包括第三控制器，該第三控制器經組態以控制第三開關以在第一像素讀出期間閉合並且在第二像素讀出期間斷開，控制第四開關以在第一及第二像素讀出期間閉合並且在第二像素讀出之後斷開以允許第二運算放大器之輸出藉由ADC轉換，並且控制第五開關以在第一像素讀出期間斷開並且在第二像素讀出期間閉合。
在實施例中，讀出電路系統之定時信號藉由通常配置在讀出電路系統及TFT面板之外部的主控制器被同步至列控制器之定時。此主控制器可對應於上文所描述之第二或第三控制器。通常，主控制器為場可程式化場陣列「FPGA」或微控制器並且可以配置為離開面板且在讀出電路系統外部。列控制器可以實施為含有移位暫存器之閘極驅動器以選擇列及若干閘極來控制重設及列選擇線。用於藉由移位暫存器指向的列之重設及列選擇線之定時可以藉由由FPGA或微控制器提供至閘極驅動器之若干數位信號受到控制。FPGA或微控制器亦可提供時脈及資料輸入信號用於移位暫存器。FPGA亦可將定時同步信號提供至讀出電路系統以確保讀出電路系統及閘極驅動器同步操作。
影像感測器可進一步包括配置在像素陣列上方之閃爍劑層。此類層可以用於間接轉換影像感測器。
根據第二態樣，本發明提供包括如上文所描述之影像感測器之成像系統及處理單元以用於基於來自讀出電路系統之輸出構建影像。成像系統可以經組態以用於構建物件之X射線影像。在此情況下，成像系統可進一步包括X射線源，其經定位使得待成像之物件可以配置在X射線源與影像感測器之間。
圖3示意性地說明適用於TFT面板之本發明之概念。更特定言之，根據本發明之影像感測器100之實施例包括類似於圖2之影像感測器的像素陣列，其中單一主動像素102在圖3中展示。主動像素102包括經由重設線rt受到控制之重設電晶體Tr、經由列選擇線rs受到控制之選擇電晶體Ts，以及源極隨耦器SF。
具有輸入節點M之讀出單元103包括相關雙取樣單元132及ADC轉換器133。
如藉由虛線104所指示，其指示TFT面板與配置在半導體晶粒上之積體電路系統之間的邊界，充當用於源極隨耦器SF之負載的電流源135配置在TFT面板上，然而讀出單元103整合在半導體晶粒上。耦接在輸入節點M與行線cl之間的電容藉由電容器Cc提供，該電容器同等地形成在TFT面板上，並且提供在輸入節點M與行線cl之間的電壓位準移位。電容器Cc可實施在TFT面板上作為簡單平行板極電容器。
TFT之任何臨限電壓變化儲存在電容器Cc上使得讀出單元103並不必須犧牲電壓餘量用於TFT臨限值變化。
電流源135可以實施為電流鏡，其中存在用於面板中之每一行的一個電晶體。電流源135亦可以實施為共源共閘電流源。鏡之輸入亦可以為TFT面板上之電晶體(對)。在針對多個行線cl產生單一偏置電流之情況下，用於鏡之偏置電流可在讀出單元103內部或讀出電路系統內部產生。
圖4說明使用電壓模式讀出的根據本發明之影像感測器200之實施例。圖4展示了CDS單元132的相對簡單的實施方案。
只要選擇像素列，則行線cl上之電壓將總是穩定至所定義之直流電壓。此穩定可耗費一些時間但是在穩定之後，直流電壓基本上被定義為節點N上之電壓減去源極隨耦器之臨限值Vth。
將參考圖4之右上角中所示之時序圖來解釋影像感測器200之操作。最初，節點N上之電壓為vdd-vsig，其中vdd為在重設之後的原始電位並且vsig為由於曝露於光使得電位已經下降的量。Cc之左側板上的電壓為vdd-vsig-Vth，其中Vth為源極隨耦器SF之臨限值。電容器Cc之右側板上的電壓係經由開關Sin拉動至Vref的。由此使得電容器Cc上之電壓Vcap等於Vcap = vdd-vsig-Vth-Vref。
在一些時間之後，當Vcap已經穩定時，開關Sin斷開，如藉由時序圖中之Sin的負邊沿所指示。由此點向前，Cc之右側板上的電壓追蹤左側板上之任何移位。更特定言之，由於與輸入節點M相關聯的高輸入阻抗，基本上沒有自電容器Cc之側面至輸入節點M中之電流流動。因為沒有電流流過Cc，所以跨越Cc之電壓為恆定的。這意謂右側板上之電壓恰好以等於上文計算出的Vcap之位準移位追蹤左側板上之電壓。
在斷開Sin之後不久，Ssig斷開並且Csig上之信號位準藉由CDS單元132取樣。Csig上之電壓在一階上等於Vref。在二階上，它等於Vref加上當斷開Sin時出現的任何電荷注入以及當斷開Ssig時出現的電荷注入。
在藉由CDS單元132對Csig上之信號位準進行取樣之後，像素102重設。節點N上之電壓隨後自vdd-vsig變為vdd。行線cl上之電壓自vdd-vsig-Vth變為vdd-Vth。這意謂行電壓以量Vsig向上階躍。因此，Cref上之電壓自Vref向上移動至Vref+Vsig。在斷開Sref之後，Cref上之信號位準藉由CDS單元132取樣。藉由自第一像素讀出中減去第二像素讀出，亦即，Vref - (Vref+Vsig) = Vsig，可以提取與所捕獲的光的量相關聯之像素信號中之組分。此值可以隨後藉由ADC單元133被轉換成數位數值。
由於Cc與Cref之間的電容劃分，所以存在信號電壓之電容減弱。然而，因為Cc＞＞Cref，所以此減弱可以被忽略。替代地，電壓緩衝器可以配置在輸入節點M與開關Ssig及Sref之間以避免由Csig及/或Cref所引起之電容加載。
圖5說明使用電壓模式讀出的根據本發明之影像感測器300之另一實施例。
Cc及Sin之操作與在圖4中之完全相同。此外，相同的參考標記將用於指代相同或類似組件。
CDS單元132包括第一運算放大器1321，其充當確保讀出單元103具有高輸入阻抗之電壓緩衝器，允許當像素102經重設以被精確地追蹤時出現在Cc之右手側板上的電壓階躍。藉由此實施方案電容分壓可以較小，此係因為僅緩衝器之輸入電容加載行線cl。
CDS單元132進一步包括第二運算放大器1322，其充當電荷放大器。放大器1322之非反相輸入端連接至參考電壓Vcm並且反相輸入端經由開關Ssh及電容器Cs之串聯連接而連接至放大器1321之輸出端。反相輸入端經由回饋電容器Cf進一步連接至放大器1322之輸出端。開關Srst與電容器Cf並聯配置並且放大器1322之輸出端連接至ADC單元133。
在此實施例中，讀出單元103具有高輸入阻抗允許當像素102經重設以被精確地追蹤時出現在Cc之右手側板上的電壓階躍。
最初，當行線cl在vdd-vsig-Vth下時，Sin迫使電容器Cc之右側板至Vref。此時，因為CDS單元132之Srst為閉合的，所以電容器Cs上方之電壓將等於Vref-Vcm。隨後，Sin斷開並且在Cc上對電壓進行取樣。在那之後，Srst斷開。這結束了電容器Cf之重設。現在，若像素102係使用重設線rt重設的，則在輸入節點M上將存在具有量Vsig之電壓階躍，其亦在Cc之右側板及Cs之左側板處反映。因為Cs之右側板固定在Vcm處，所以這使得穿過Cs之電流亦流動穿過Cf。因此，CDS單元132之輸出將在重設期間之位準自Vcm變為Vcm + Vsig x Cs/Cf。這表明CDS單元132獲取具有取決於電容比率之增益的像素信號電壓並且它將信號電壓位準移位至新參考位準Vcm。Vcm可以選擇為在用於CDS單元132及ADC單元133之任何方便的電壓位準下以防止此等單元中之組件之電崩潰。舉例而言，Vcm可以被設置成高於0 V之電壓位準，這可以是藉由放大器1322輕易地達到的，以避免對用於放大器1322之負電源電壓之需求。
當開關Ssh斷開時，可以不存在流過Cs之任何電流並且因此亦沒有流過Cf之電流。這對CDS單元132之輸出上之信號電壓進行凍結/取樣/儲存以用於藉由ADC單元133之隨後的ADC轉換。
圖6說明使用電荷模式讀出的根據本發明之影像感測器之實施例。在此情況下，讀出單元103包括使用運算放大器1323形成之電荷放大器，但是連同開關Srst及Sin以及定時信號一起，電荷放大器實際上實施CDS操作。此CDS操作非常類似於結合圖4及圖5描述之CDS單元132的操作。
最初，Cc之左側板在vdd-vsig-Vth下。最初Sin及Srst斷開，這允許運算放大器1323迫使Cc之右側板上的電壓等於Vref，此電壓可例如對應於放大器1323之電源軌道之間的電壓。隨後，Srst斷開。在那之後，運算放大器1323可以僅影響輸入節點M上之電壓，方法為迫使電流進入至回饋電容器Cf中。隨後像素102被重設。這將行線電壓自vdd-vsig-Vth移位至vdd-vsig。運算放大器1323之反相輸入端在Vref下保持恆定。因此跨越Cc之電壓以量Vsig改變。電壓中之此改變意謂等於Cc x Vsig之電荷中的改變。因此電荷應該流動穿過Cf進入至Cc中。此電荷使得在運算放大器1323之輸出端處之電位自Vref增大至Vref + Vsig x (Cc/Cf)。最終，Sin可以斷開以自行線cl隔離運算放大器1323。由此點向前，可以不存在至輸入節點M中之電流流動，由此凍結運算放大器1323之輸出電壓。此輸出電壓可以由ADC單元133處理。
圖4至圖6中所描繪之ADC單元133可以為行並聯ADC或在像素陣列之多個行之間共用的ADC。
在圖5及圖6中所示之實施例中，Cc的值影響CDS單元133之增益。Cc之值可以是在行之間不同的。這引起行增益場型。Cc的值是在溫度/壽命上恆定的，使得藉由諸如平場校正之校準移除增益場型是方便的。
圖7說明根據本發明之影像感測器500之實施例的佈局。在右側上，列驅動器積體電路501配置在接合至面板503之撓曲箔片502上，在該面板上配置有像素陣列。電路501控制列選擇線及重設線。更特定言之，每一積體電路501驅動列選擇線及重設線用於像素之複數個列。此等電路為列控制器之部分。在實施例中，列控制器基本上完全藉由電路501形成。在其他實施例中，列控制器可包括配置成遠離面板503及撓曲箔片502之額外的電路系統。舉例而言，面板503可以安裝至單獨的印刷電路板(未展示)，其中印刷電路板及面板503上之電路系統之間的電連接是經由撓曲箔片502獲得的。在此情況下，上述額外電路系統可以在印刷電路板上實現。亦有可能分裂陣列之中心中的行線。若行線各自分裂成頂部之一半及底部之一半，則在像素陣列之兩側上應該存在讀出電路系統以讀出連接至行線之上半部的像素陣列之上半部以及連接至行線之下半部的像素陣列之下半部。此方法使電路系統的量加倍，並且亦以因數二增大了偵測器之整體速度。
不論行線分裂，亦有可能自像素陣列之單側或兩側驅動列選擇線。在兩側上驅動提供了速度優點，因為有效地列選擇線之僅一半RC負載加載在像素陣列之任一側上的閘極驅動器。
讀出電路系統亦可以被劃分成安裝在撓曲箔片505上之單獨的積體電路504。並且在此情況下，讀出電路系統可以完全地藉由積體電路形成或者讀出電路系統之部分可以配置在印刷電路板上。此外，每一積體電路504包括用於多個行線之讀出單元。
圖8說明根據本發明之X射線成像系統1000。它包括X射線源1100及影像感測器1200，在兩者之間可以提供待成像之物件1300。可以提供一般控制及處理單元1400以用於控制X射線源1100及影像感測器1200並且用於基於來自影像感測器1200之輸出構建X射線影像。在圖4至圖6中呈現之影像感測器中之任一者可被用作影像感測器1200。
在上文中，已經使用其詳細實施例解釋了本發明。然而，本發明並不限於此等實施例。在不脫離由所附申請專利範圍及其等效物定義之本發明之範疇的情況下可以對此等實施例作出各種修改。
舉例而言，一些直接轉換偵測器整合電洞，而非電子。在此類偵測器中，在「節點N」處之電壓由於整合增大，而非減小。在此類像素中，通常用於重設「節點N」之「vdd」為與連接至源極隨耦器「SF」之汲極的「vdd」相比不同的電位。這改變了藉由讀出電路系統中之相關雙取樣電路感測到的電壓階躍之方向。熟悉此項技術者將易於理解本發明同等地係關於此類實施例。
1:影像感測器 2:像素 3:讀出單元 4:虛線 31:電荷放大器 32:相關雙取樣「CDS」單元 33:類比至數位轉換器「ADC」 34:差分放大器 35:電流源 100:影像感測器 102:主動像素 103:讀出單元 104:虛線 132:相關雙取樣單元 133:ADC轉換器 135:電流源 200:影像感測器 300:影像感測器 500:影像感測器 501:列驅動器積體電路 502:撓曲箔片 503:面板 504:積體電路 505:撓曲箔片 1000:X射線成像系統 1100:X射線源 1200:影像感測器 1300:物件 1321:第一運算放大器 1322:第二運算放大器 1323:運算放大器 1400:一般控制及處理單元 Cc:電容器 Cf:回饋電容器 Cp:電容器 Cs:電容器 cl:行線 M:輸入節點 N:節點 PD:光電二極體 rt:重設線 rs:列選擇線 SF:源極隨耦器 Sin:開關 Sref:開關 Srst:開關 Ssh:開關 Ssig:開關 s1:開關 Tr:重設FET Ts:選擇FET Vcm:參考電壓/參考位準 vdd:參考電壓 Vref:參考電壓
接下來，將更詳細地描述本發明，其中： 圖1說明使用被動像素之已知的基於TFT之影像感測器之實例； 圖2說明使用主動像素之已知的基於TFT之影像感測器之實例； 圖3示意性地說明適用於TFT面板之本發明之概念； 圖4說明使用電壓模式讀出的根據本發明之影像感測器之實施例； 圖5說明使用電壓模式讀出的根據本發明之影像感測器之另一實施例； 圖6說明使用電荷模式讀出的根據本發明之影像感測器之實施例； 圖7說明根據本發明之影像感測器之實施例的佈局；以及 圖8說明根據本發明之X射線成像系統。
100:影像感測器
102:主動像素
103:讀出單元
104:虛線
132:相關雙取樣單元
133:ADC轉換器
135:電流源
Cc:電容器
cl:行線
M:輸入節點
N:節點
PD:光電二極體
rt:重設線
rs:列選擇線
SF:源極隨耦器
Tr:重設FET
Ts:選擇FET
vdd:參考電壓

Claims (17)

  1. 一種影像感測器，其包括：一像素陣列，其包括配置在列及行之一矩陣中之複數個主動像素，並且包括複數個行線，出於輸出像素信號之目的，相同行中之像素之輸出耦接至該等行線；讀出電路系統，其包括複數個讀出單元，每一讀出單元經組態以用於經由該讀出單元之一輸入節點讀出一各別行線；其中該影像感測器進一步包括電容單元，諸如電容器，以用於將每一輸入節點電容式耦接至其對應之行線；其特徵在於該像素陣列及該等電容單元整合在一薄膜電晶體「TFT」面板上，並且其中該讀出電路系統至少部分地整合在一或多個半導體晶粒上。
  2. 如請求項1之影像感測器，其進一步包括一列控制器以用於自該複數個像素之中選擇像素以用於讀出，其中該影像感測器進一步包括：用於每一像素之一源極隨耦器(source follower)以用於緩衝該像素信號以及一選擇電晶體以用於取決於藉由該列控制器輸出之一列選擇信號將該經緩衝之像素信號輸出至該對應之行線上；及用於每一行線之整合在該TFT面板上之一源極隨耦器負載(source follower load)，諸如一電流源或電阻器。
  3. 如請求項2之影像感測器，其中該列控制器至少部分地整合在一或多 個半導體晶粒上。
  4. 如請求項2或3之影像感測器，其中該影像感測器進一步包括用於每一像素的：一光電二極體，其配置在一信號節點與保持在一第一參考電壓下之一節點之間；一儲存電容器，其經組態以用於累積由於藉由該光電二極體產生之一光電流(photocurrent)之電荷；及一重設電晶體，其耦接在該光電二極體與一第二參考電壓之間並且經組態以取決於藉由該列控制器輸出之一重設信號將該信號節點上之一電壓設置成該第二參考電壓。
  5. 如請求項3之影像感測器，其中該讀出電路系統由複數個第一分段組成，每一第一分段對應於複數個行線並且整合在一各別第一半導體晶粒上，該影像感測器進一步包括複數個第一撓曲箔片(flex foils)，藉助於該等第一撓曲箔片，該TFT面板連接至一外部裝置，其中該等各別第一半導體晶粒配置在各別第一撓曲箔片上。
  6. 如請求項4之影像感測器，其中該列控制器包括複數個第二分段，每一第二分段對應於該像素陣列之複數個列並且包括一驅動器，以針對該複數個列輸出該列選擇信號及該重設信號，並且整合在一各別第二半導體晶粒上，該影像感測器進一步包括複數個第二撓曲箔片，藉助於該等第二撓曲箔片，該TFT面板連接至該列控制器之一剩餘部分，其中該等各別第二 半導體晶粒配置在各別第二撓曲箔片上。
  7. 如請求項1至3中任一者之影像感測器，其中該TFT面板係基於非晶矽(amorphous silicon)、低溫多晶矽(low-temperature polycrystalline silicon)，或氧化銦鎵鋅(indium gallium zinc oxide)。
  8. 如請求項1至3中任一者之影像感測器，其中該影像感測器進一步包括配置在該像素陣列上方之一閃爍劑層(scintillator layer)。
  9. 如請求項2之影像感測器，其中該讀出電路系統及/或該列控制器係基於互補型金屬氧化物半導體「CMOS」技術的。
  10. 如請求項1或2之影像感測器，其中該讀出電路系統包括複數個類比至數位轉換器「ADC」，且其中該影像感測器經組態以針對每一所選擇之像素基於第一及第二像素讀出執行一相關雙取樣量測方案(correlated double sampling measurement scheme)；其中該第一像素讀出對應於在重設該像素之後一預定量的時間讀出之一像素，且其中該第二像素讀出對應於在已經重設之後直接讀出之一像素。
  11. 如請求項10之影像感測器，其中該讀出電路系統經組態以基於一電荷模式讀出(charge mode readout)來讀出該等行線。
  12. 如請求項11之影像感測器，其中每一讀出單元經組態以在該第一像素讀出及該第二像素讀出期間將該輸入節點上之一電壓設置成等於一第三參考電壓，並且其中每一讀出單元經組態以基於在該第二像素讀出期間至該電容單元或來自該電容單元之一電荷傳送(charge transfer)來判定用於每一像素之一輸出電壓；其中每一讀出單元較佳地包括一電荷放大器，該電荷放大器包括一運算放大器，其具有連接至該第三參考電壓之一非反相輸入端(non-inverting input)，以及經由一第一開關連接至該電容單元之一反相輸入端(inverting input)，其中該運算放大器之一輸出端經由一回饋電容器耦接至該反相輸入端，該讀出單元進一步包括配置在該運算放大器之該輸出端與該反相輸入端之間的一第二開關。
  13. 如請求項12之影像感測器，其中該影像感測器包括一第二控制器，其經組態以用於：控制該第一及第二開關，使得在該輸入節點處之該電壓被設置成該第三參考電壓，方法為在該第一像素讀出期間閉合該第一及第二開關，並且使得當執行該第二像素讀出時該第二開關斷開；當該運算放大器之一輸出藉由該ADC轉換時控制該第一開關斷開。
  14. 如請求項10之影像感測器，其中該讀出電路系統經組態以基於一電壓模式讀出來讀出該等行線。
  15. 如請求項14之影像感測器，其中該輸入節點為一高阻抗(high impedance)輸入節點並且其中每一讀出單元經組態以在該第一讀出期間將該輸入節點上之一電壓設置成等於一第四參考電壓並且在該第二像素讀出期間基於該輸入節點之電壓相對於該第四參考電壓之一改變來判定一輸出電壓；每一讀出單元較佳地進一步包括一電壓設置單元以用於在該第一像素讀出期間將該輸入節點上之一電壓設置成該第四參考電壓，並且用於提供在該第二模式中之一高阻抗狀態以允許當自對應於該第一像素讀出之一值變為對應於該第二像素讀出之一值時該輸入節點上之該電壓追蹤該像素電壓。
  16. 如請求項15之影像感測器，每一讀出單元進一步包括：一第一運算放大器，其具有經由一第三開關連接至該第四參考電壓之一非反相輸入端以及連接至該第一運算放大器之一輸出端的一反相輸入端；一電荷放大器，其包括：一第二運算放大器，其具有連接至一第五參考電壓之一非反相輸入端以及經由一串聯電容器及串聯第四開關連接至該第一運算放大器之該輸出端且經由一回饋電容器及第五開關之一並聯連接而連接至該第二運算放大器之一輸出端的一反相輸入端；以及一第三控制器，其經組態以：控制該第三開關以在該第一像素讀出期間閉合並且在第二像素讀出期間斷開；控制該第四開關以在該第一及第二像素讀出期間閉合並且在該第 二像素讀出之後斷開以允許該第二運算放大器之一輸出藉由該ADC轉換；控制該第五開關以在該第一像素讀出期間斷開並且在該第二像素讀出期間閉合。
  17. 一種成像系統，其包括：如在請求項1至16中任一項中所描述之影像感測器；一處理單元，其用於基於來自該讀出電路系統之輸出構建一影像；其中該成像系統較佳地經組態以用於構建一物件之X射線影像，該成像系統較佳地進一步包括一X射線源，其經定位使得該待成像之物件可以配置在該X射線源與影像感測器之間。
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