(57)【要約】  複数の検出器要素又は画像ピクセルを備える検出器装置及び／又は半導体ベースの画像センサが開示され、これら各々は、一体化したＳＤ（シグマデルタ）モジュレータ（２０−２９）又は一体化したＳＤ−Ａ／Ｄ（シグマ  デルタ  アナログ／デジタル）変換器（２０から３０）、及び特にＣＭＯＳ半導体に基づく検出器要素及び／又は上記画像センサを有する。特に、前記ＳＤモジュレータ及び前記ＳＤ−Ａ／Ｄ変換器の差動式型及び／又はマルチフェーズ構造に基づいて、特に高いノイズロバスト性、高いダイナミックレンジ及びより小さなノイズを備える検出器装置及び又は画像センサが製造されることが可能であるため、これは特にＣＴ装置における利用に適している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体化したＳＤモジュレータを各々有する、複数の検出器要素又は画像ピクセルを備える検出器装置において、前記ＳＤモジュレータは、差動式の構成及び／又は複数の段を有する検出器装置。
【請求項２】
前記ＳＤモジュレータは間引きフィルタと共にＳＤ−Ａ／Ｄ変換器にも拡張される請求項１に記載の検出器装置。
【請求項３】
前記ＳＤモジュレータと同様に前記検出器要素又は画像ピクセルもＣＭＯＳ半導体構造において実現される請求項１に記載の検出器装置。
【請求項４】
前記ＳＤモジュレータは、ＳＣ電流源を用いて、前記検出器要素の信号についての電流フィードバックを有する請求項１に記載の検出器装置。
【請求項５】
少なくとも１つの検出器要素又は画像ピクセルにおいてＳＤモジュレータのカスケード接続された構成が設けられている請求項１に記載の検出器装置。
【請求項６】
前記ＳＤモジュレータは自動零比較器を有する請求項１に記載の検出器装置。
【請求項７】
請求項１に記載の検出器装置を備える半導体ベースの画像センサ。
【請求項８】
請求項１に記載の検出器装置を備えるＸ線検出器。
【請求項９】
請求項１に記載の検出器装置を備える、特にＣＴ用のＸ線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の検出器要素又は画像ピクセルを備える、検出器装置及び半導体ベースの画像センサ夫々に関する。これらは、一体化したＳＤ（シグマデルタ）モジュレータ又は一体化したＳＤ−Ａ／Ｄ（シグマデルタ−アナログ／デジタル）変換器、及び特にＣＭＯＳ半導体構造に基づく検出器装置又は画像センサ夫々を各々有する。本発明は、特に検出器の上記装置を備えるＣＴ用のＸ線検出器及びＸ線装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくともフォト検出器（又はフォトトランジスタ）と、シグマデルタ（ＳＤ）モジュレータの形式で各ピクセルに割り当てられているＡ／Ｄ変換器とにより各々が形成される複数のピクセルを備えるＣＭＯＳ画像センサが米国特許番号US 5,461,425号から知られている。これらＡ／Ｄ変換器は、ピクセル装置内のフォトトランジスタの中間エリアと、さらに画像センサに各々配されている。この画像センサはコスト効率良く製造されるべきであり、特に効果的であるために、良質な画像が生成可能である。しかし、Ｘ線検出器における応用に対し、これら応用が高いダイナミックレンジ及び低いノイズの特別な要求を行うので、この画像センサは適当ではない、又は単にそのように制限されてしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的はこれにより、複数の検出器要素又は画像ピクセルを備える検出器装置及び画像センサを製造することである。これら各々は、一体化したＳＤ（シグマデルタ）モジュレータ又は一体化したＳＤ−Ａ／Ｄ（シグマデルタ−アナログ／デジタル）変換器を示し、これは特にＸ線技術における応用において十分高いダイナミックレンジを示す。
【０００４】
さらに、上述した形式の検出器装置及び画像センサが提供され、これらは、Ｘ線技術における応用に特に必要とされるので、特に低い信号対ノイズ比を示す。
【０００５】
最終的には、上述した種類の検出器装置又は画像センサ夫々も提供されるべきであり、これは特にＣＴにおける応用に適している。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本目的は、複数の検出器要素又は画像ピクセルを備える検出器要素を用いて達成され、これら各々は、一体化したＳＤモジュレータを有する。ここでＳＤモジュレータは差動式の構成及び／又は複数の段を有する。
【０００７】
この解決法の特別な利点は、検出器装置又は画像センサ夫々は、高い干渉ロバスト性(interference robustness)、高いダイナミックレンジ及び低いノイズを示すことを有する。
【０００８】
従属する請求項の内容は、本発明の他の実施例の利点である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の他の詳細、特徴及び利点は、図を参照して、好ましい実施例の記載から明らかである。
【００１０】
図１はＣＴ装置の必須の構成要素を概略的に示している。この装置は、その周縁上にＸ線源２と、その反対側に検出器装置３とが固定されているガントリ１を有する。Ｘ線源２はファン又はピラミッドのようなＸ線の束４を発生し、この束は前記検出器装置３に向けられている。検査する物体又は患者５はそれぞれ、ガントリ１の内側を（ｚ軸方向に）通過し、これによりＸ線の束４を通過する。同時にガントリ１は回転しているため、ガントリ１の平面にある患者５の検査エリア６はＸ線を用いて様々な方向から透過されるので、既知のやり方で、検出器装置３により記録された画像データからこの検査エリア６の断面が計算されることができる。
【００１１】
検査エリアの画像を計算及び生成するために、前記検出器装置３は一般的にＸ線が検出及び処理されるのに用いる画像センサの一部である。この検出器装置３は複数の検出器要素を有し、これら要素は、計算された画像の画像ピクセルに各々対応し、複数の行及び列の形状で配されている。ここで行はガントリ１が広がる方向におよび、列はそれに垂直におよんでいる。
【００１２】
本発明の基礎をなす問題を明瞭にするために、図２が参照される。検出器信号、すなわち検出器要素により検出されるＸ線光子の数の増幅の変動の通常の範囲は一般的に、最も弱い信号に対するおよそ６４個の光子から、最も強い信号に対する約１００万個の光子にわたっている。これは、およそ１６０００個の因子に対応する。これにより、デジタル信号を表現するために、この光子の数を１４ビットまで表す必要がある。
【００１３】
このような（有用な）信号Ｓが図２に対数表示され、ここで水平軸には、Ｘ線光子数及び対応するビット数（入力信号）が示され、垂直軸にはそれに従属する出力信号のビット数が示されている。
【００１４】
ノイズ信号Ｎ（ショットノイズ）は、前記有用な信号Ｓの平方根からおおよそ生じ、同様に図２に対数表示されている。この有用な信号Ｓの分解度は従ってそれの振幅に依存している。図２の結果として、最も高い検出器信号の振幅に対する信号対ノイズ比は、およそ１０ビットを有し、最も低い信号の振幅に対する信号対ノイズ比は約３ビットを有する。しかしながら、一方では最も小さい（８個の光子に対応する）ノイズ信号Ｎ、他方では最も大きい（およそ１００万個の光子に対応する）有用なノイズＳを押し上げることを可能にするために、およそ１７ビットの全体的なダイナミックレンジが必要とされる。
【００１５】
対応する効率的な読み取り増幅器を検出器要素の直近に配置することができるように、好ましくはＣＭＯＳ又は他の高集積半導体構造が用いられる。上記高いダイナミックレンジを持つ各検出器要素のアナログ出力信号を処理及びデジタル化するために、好ましくはＳＤ−Ａ／Ｄ（シグマデルタ−アナログ／デジタル）変換器が用いられる。
【００１６】
図３は、上記ＳＤ−Ａ／Ｄ変換器の原理を現実化したものを示し、この変換器はオーバーサンプリングモジュレータ（ＳＤモジュレータ）及び間引きフィルタ(decimation filter)を有する。前記検出器装置の各検出器要素に上記ＳＤ−Ａ／Ｄ変換器が設けられている。
【００１７】
検出器要素は、キャパシタンスＣdiode、電流源Ｉphoto及びダイオードパスＤを有するフォトダイオード１０の等価回路図のモードで表されている。一般的にこのフォトダイオードの上にシンチレーション層があり、このシンチレーション層を用いて、入射Ｘ線が可視光に変換され、この光は次いでフォトダイオードにより検出される。
【００１８】
このフォトダイオードにより生成されるフォトストリームは、生成される光の強度に比例し、従って検出されるＸ線にも比例している。
【００１９】
このフォトストリームはアナログの加算器に供給され、その出力部はループフィルタ１２の形式で実現される積分器に接続されている。このループフィルタ１２は好ましくはフィルタバンクを有し、これは例えば２次、３次及び４次のフィルタバンクから構成されてもよい。
【００２０】
ループフィルタ１２の出力部は、クロック動作比較器(clocked comparator)１３の第１の入力部に接続され、この第２の入力部には基準電圧１４が存在する。この比較器１３のデジタル出力信号は、電流フィードバックデジタル／アナログ変換器１５に移され、その変換器の出力部はアナログの加算器１１に接続されている。
【００２１】
前記比較器１３の出力部は同時に、デジタルの１ビットデータストリームＤoutが存在するＳＤモジュレータの出力部も表す。このデータストリームは、比較器１３もクロック動作される同じクロック速度で間引きフィルタ１６に移される。この間引きフィルタ１６を用いて、デジタルの１ビットデータストリームは次いで、より高いダイナミックレンジを持つ低いサンプリング速度、例えば１７ビットのデータ信号に変換され、画像処理及び生成装置１００に移される。
【００２２】
ＳＤ−ＡＤ変換器はその都度、関連する検出器要素（ピクセル）に直に組み込まれることが可能である、すなわちこのＳＤ−ＡＤ変換器は少なくとも検出器装置と同じチップ及び／又は基板上にある。次いで、ＳＤモジュレータと間引きフィルタとを一緒に検出器要素に組み込むか、又は間引きフィルタだけをチップ及び／又は基板に配する可能性がある。さらに、他のクラス及び他のトポロジーのモジュレータも当然使用されることができる。
【００２３】
図４は、より高次のＳＤ  Ａ／Ｄ変換器のブロック図を差動式の構成で示す。
【００２４】
フォトダイオードＤにより生成されるフォトストリームは、３段のループフィルタに印加され、このフィルタは、ａ１及び／又はｂ１のフィルタ係数夫々に対する第１及び第２の増幅器２２，２３を備える第１の積分器２１と、ａ２及び／又はｂ２のフィルタ係数夫々に対する第３及び第４の増幅器２５，２６を備える第２の積分器２４と、ｂ３のフィルタ係数に対する第５の増幅器２８を備える第３の積分器２７とからなる直列接続を有する。
【００２５】
第２、第４及び第５の増幅器２３，２６，２８の出力は、さらに差動式に構成される比較器２９の入力部に接続されている。
【００２６】
フィルタリングされた信号の差動レベルは共に、比較器２９において互いに比較される。この比較器２９の出力信号は再び、電流フィードバックデジタル／アナログ変換器２０を稼動させる。この変換器２０は、好ましくはＳＣ(switched capacitor)電流源を有し、その出力部はフォトダイオードＤに接続されている。
【００２７】
比較器２９の出力は再びＳＤモジュレータの出力も表し、その出力部において、デジタルの１ビットデータストリームＤout及びＤout_nが出力信号として存在している。これらデータストリームは間引きフィルタ３０に移される。間引きフィルタ３０を用いて、前記デジタルの１ビットデータストリームは、次いで例えば１７ビットのデータ信号のような高いダイナミックレンジを持つ低いサンプリング速度に変換され、画像処理及び生成装置１００に印加される。
【００２８】
特に、多数の検出器要素が関連するＳＤ−Ａ／Ｄ変換器を備える共通の（及び比較的大きな）チップエリア上に実現される場合、差動式の構成は明白な利点を有する。この場合、すなわち、大きすぎる過渡電流がチップエリアにおいて圧搾されなければならないことが回避される。
【００２９】
その上、基板へのカップリングも減少する。これは同様に（特に上述したＣＴ装置において）検出器要素のマトリックス配列のためにかなり重要である。
【００３０】
図５は、ＳＣ電流源の基本回路図を示す。このＳＣ電流源は好ましくは電流フィードバックデジタル／アナログ変換器２０に用いられる。この電流源は基本的に、正又は負の基準電圧源Ｖref_p、Ｖref_n、並びに第１及び第２のコンデンサＣ１及びＣ２を有する。これら第１及び第２のコンデンサＣ１，Ｃ２それぞれは、このようにしてチャージポンプ(charge pump)を実現するために、クロック端Φ１，Φ２により稼動するスイッチを介して関連する基準電圧源又は出力端子Ａの何れか一方と並列するように切り換えられることができる。
【００３１】
上記ＳＣ電流源は、非常に少ない温度依存性だけを示すので、それ故に特に有利である。フォト電流を補償するのに使用する場合、上記電流源は、ＳＤモジュレータに電流の入力を提供し（電流モード操作）、非常に低いノイズを持つＳＤモジュレータの実現を可能にする。この低いノイズは、必要である高いダイナミックレンジ及び非常に小さなフォト電流の検出に関して重要である。さらに、ＳＣ電流源は、非常に小さな空間要件を持つので、特にＳＤモジュレータ及びＳＤ−Ａ／Ｄ変換器の統合したものを用いて、検出器要素にそれ自身を表す。
【００３２】
図４に示されるＳＤ−Ａ／Ｄ変換器の他の利点は、積分器がリセットされる必要が無い、従って休止時間(dead time)が存在しないので、フォトダイオードＤにより供給される入力信号は、時間に対し常に積分されるという事実を有する。このようにして、デジタル化された検出器データが常に読み出されることができる。
【００３３】
図４に示されると共に、検出器要素又はピクセルに関し差動式型の高次のＳＤ−Ａ／Ｄ変換器の統合したものは全体で６０ｄＢよりも大きな高いダイナミックレンジ、より小さなノイズ及びより高い線形性に関して数多くの利点を提供する。その上、差動式型を用いて達成されるノイズロバスト性のために、画像センサの多数のＳＤ−Ａ／Ｄ変換器は、並行して切り換えられることができるので、マルチプレクサは必要ない。
【００３４】
ＳＤ−Ａ／Ｄ変換器の安定性を増大させるために、好ましくは自動零比較器(Auto-Zero-comparator)が比較器２９として使用される。
【００３５】
その上、検出器要素又はピクセル夫々において複数のＳＤ−Ａ／Ｄ変換器のカスケード接続された構成が可能である。その点において上述した特性及び利点はさらに改善される。
【００３６】
特に好ましい実施例は、検出器装置の各検出器要素及びピクセル夫々に一体化したＣＭＯＳフォトダイオードを備える少なくとも１つのＳＤ−Ａ／Ｄ変換器と、画像処理及び生成装置１００に対するデジタル出力を備えるＣＭＯＳ技術における画像センサとを組み合わせたものである。このような検出器装置は好ましくは、画像検出用であると共に、図１に示されるＣＴ装置におけるＸ線検出器として使用されることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ＣＴ装置の必須の構成要素の概略的表示。
【図２】検出された光子の数に依存する、検出器信号のダイナミックレンジの概略的表示。
【図３】検出器要素の信号を処理するための本発明による基本回路図。
【図４】本発明による検出器要素の信号を処理するためのブロック回路図。
【図５】図４に示される回路の構成要素の詳細図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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