ДЕТЕКТОР РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ШИРОКИМ ДИНАМИЧЕСКИМ ДИАПАЗОНОМ И УЛУЧШЕННЫМ ОТНОШЕНИЕМ СИГНАЛ - ШУМ
WIDE DYNAMIC RANGE X-RAY DETECTOR WITH IMPROVED SIGNAL TO NOISE RATIO

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к детектору электромагнитного излучения, особенно рентгеновских лучей, и, в частности, к панели детекторов рентгеновского излучения, которые обеспечивают широкий динамический диапазон с улучшенным отношением сигнал-шум.
Уровень техники изобретения
Преобразователи рентгеновских лучей преобразуют рентгеновское излучение в фотоны видимого света, используя либо непрямое преобразование с использованием сцинтилляторов, превращающих рентгеновское излучение в свет, либо прямое преобразование в электронно-дырочные пары с использованием фотопроводников с прямым преобразованием. Матрица чувствительных элементов, которая, как правило, расположена в виде двухмерной пиксельной матрицы или сетки, воспринимает сигнал преобразователя рентгеновских лучей. Каждый пиксель может содержать собирающее устройство для сигнала в виде, например, фотодиода для преобразования фотонов видимого света в электроны, фотозатвора, фотопроводника или электрода непосредственно для сбора электронов или дырок. В любом случае, в итоге до того как сигнал будет считан, он хранится в емкостном сопротивлении в пикселе. Сброс накопительного конденсатора перед захватом изображения, а также компоненты, участвующие в процессе считывания, способствуют добавлению электронного шума в сигнал. Таким образом, действительное отношение сигнал-шум снижено.
Зачастую необходимо, чтобы детекторы рентгеновского излучения в одном изображении воспринимали сигналы в широком диапазоне, например значительно ослабленные сигналы, которые прошли через плотное вещество, и прямое излучение, которое не проходило через какое-либо вещество.
Для того чтобы предоставить возможность корректного определения самого сильного излучения, следует выбрать низкое значение параметра чувствительности или диапазон низких значений параметра чувствительности, что оказывает неблагоприятное действие на отношение сигнал-шум. Обычно в большинстве детекторов известного уровня техники параметр чувствительности применяется ко всем пикселям детектора. Главным образом, ступень усиления или считывания пикселя, которая, главным образом, сформирована в виде истокового повторителя, который осуществляет выборку напряжения емкостного сопротивления сенсорного устройства, имеет ограниченный динамический диапазон.
Ограничение динамического диапазона заставляет пользователя выбирать еще более низкое значение чувствительности, чтобы избежать насыщения считывающей цепи.
Низкое значение параметра чувствительности влечет за собой то, что слабые уровни излучения дают лишь слабые сигналы, которые фактически искажены неизбежным шумом при считывании, т.е. шумом сброса на накопительном конденсаторе и шумом, добавленным в ступенях считывания.
Если в тех областях, где имеют место только низкие уровни излучения, будет доступно более высокое значение параметра чувствительности, то отношение сигнал-шум будет значительно улучшено и, таким образом, качество изображения будет выше.
В заявке на патент США № 2006/0231875 A1 описано устройство формирования изображения с накопителем с двойным преобразованием заряда чувствительного элемента. Чувствительный элемент с двойным преобразованием (например, диод Шоттки) соединен между плавающей диффузионной областью и соответствующим конденсатором. Чувствительный элемент с двойным преобразованием включается в емкостное сопротивление или конденсатор под действием заряда, хранящегося в плавающей диффузионной области, чтобы изменить чувствительность преобразования плавающей диффузионной области с первого значения чувствительности преобразования на второе значение чувствительности преобразования. В дополнительном аспекте, иллюстративные варианты осуществления предусматривают омический контакт между вентилем истокового повторяющего транзистора и плавающей диффузионной областью, который помогает считывать выходной сигнал чувствительного элемента с двойным преобразованием от пикселя.
В патенте США № 6486808 описана ступень предварительного усиления с динамически управляемой чувствительностью к сигналу в цепи обработки сигналов данных, которая включает нисходящий аналого-цифровой преобразователь сигнала. После предварительного усиления наблюдают уровень сигнала данных и динамически корректируют чувствительность ступени предварительного усиления в ответ на такой сигнал данных, который превышает один или несколько предварительно заданных пороговых значений. Таким образом, расширяют эффективный динамический диапазон ступени предварительного усиления, посредством чего также эффективно расширяют динамический диапазон всей системы за те пределы, которыми она в противном случае будет ограничена посредством динамического диапазона аналого-цифрового преобразователя сигналов. Такой предварительный усилитель используют в такой системе формирования рентгеновского изображения, в которой использованы плоские панельные твердотельные устройства формирования изображения.
Сущность изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы улучшить пиксельное сенсорное устройство, увеличив гибкость динамического диапазона.
Эта цель достигнута посредством признаков по п.1 настоящей формулы изобретения в виде пикселя детектора излучения для рентгеновского излучения, содержащего сенсорное устройство, которое предусматривает по меньшей мере одно устройство автоматического управления диапазоном чувствительности, управляющее преобразованием входящего электромагнитного излучения в выходную электрическую величину, и по меньшей мере два диапазона чувствительности, причем характеристическая кривая непрерывна во всем эксплуатационном диапазоне.
Эксплуатационный диапазон полученного сигнала простирается от полного отсутствия облучения на детекторе в процессе сбора данных до насыщения детектора при сборе данных. Когда дополнительное облучение более не увеличивает выходной сигнал детектора, достигается точка насыщения.
Электрическая выходная величина может представлять собой или выходное напряжение, или количество электрического заряда.
В известном уровне техники принцип использования широкого динамического диапазона для формирования изображения посредством, например, объединения двух характеристических эксплуатационных кривых представляет собой хорошо известный способ, который используют в оптических сенсорах. В патенте США 2006/0231875 A1 характеристические кривые описанного в нем пикселя детектора представляют собой комбинацию первой характеристической кривой с первым углом наклона и второй характеристической кривой со вторым углом наклона, где пересечение первой и второй характеристической кривой не дает непрерывную рабочую точку, таким образом, существует неточность в отношении точки пересечения обеих характеристических эксплуатационных кривых, что ведет к несовместимости всех характеристических эксплуатационных кривых сенсорного устройства в точке пересечения и около нее. Кроме того, сложно добиться однородности характеристики в точке пересечения для всех пикселей.
Но эти способы не подходят для использования в формировании рентгеновского изображения, поскольку рентгеновское изображение обеспечивает значительно более широкий диапазон контрастности, чем изображение в оптическом диапазоне. Чтобы сенсор подходил для применения в формировании медицинского рентгеновского изображения, следует избегать потерь информации вследствие ослабления воздействия опасного рентгеновского излучения на пациента.
В настоящем изобретении выбор динамического диапазона в течение времени воздействия происходит автоматически, что предоставляет благоприятную возможность непрерывного воздействия и последующего выбора подходящего динамического диапазона без потерь информации изображения в процессе воздействия.
Для того чтобы обеспечить соответствующую минимизацию габаритов устройства, полезно использовать фотосенсорное устройство, которое само предоставляет емкостное сопротивление и по меньшей мере одно емкостное сопротивление по п.2, которое можно легко реализовать в пикселе детектора, вследствие чего настоящее изобретение относится к пикселю детектора излучения, в котором сенсорное устройство содержит фотосенсорное устройство и по меньшей мере одно емкостное сопротивление.
В некоторых вариантах осуществления благоприятным образом предоставлено исполнительное устройство для ручного или автоматического переключения электрических зарядов между первым и вторым емкостным сопротивлением, чтобы обеспечить по меньшей мере два диапазона чувствительности по п.3, которые предусматривает пиксель детектора излучения, причем пиксель детектора излучения предусматривает по меньшей мере одно исполнительное устройство в качестве устройства автоматического управления диапазоном чувствительности. Это позволяет получать изображения с различной чувствительностью, т.е. изображения в диапазоне низких значений чувствительности и в диапазоне высоких значений чувствительности, в течение времени воздействия и позже и позволяет пользователю выбирать то изображение, которое лучше всего удовлетворяет его потребностям.
В простейшем случае исполнительное устройство может представлять собой переключатель, но с успехом можно использовать любой тип транзистора, предпочтительно полевой транзистор (FET), поскольку его можно легко реализовать в конструкции полупроводниковой пластины пиксельного устройства. Поскольку исполнительное устройство реализовано в каждом отдельном пикселе, а не в каждой отдельной строке, как это реализовано в известном уровне техники, то в случае выхода из строя потеря одного исполнительного устройства повлечет за собой потерю одного пикселя, а не целой строки пикселей. Таким образом, в п.4 формулы изобретения предоставлен пиксель детектора излучения, в котором исполнительное устройство представляет собой FET или транзистор любого другого типа.
Исполнительное устройство можно реализовать в виде переключателя с двумя состояниями переключателя, но предпочтительно исполнительное устройство будут использовать на генераторе подкачки заряда или автоматическом клапане некоторого типа, который автоматически переводит избыточный заряд с первого емкостного сопротивления на второе емкостное сопротивление только в течение времени воздействия.
В некоторых вариантах осуществления предоставлены усилительные устройства, которые, с одной стороны, предоставляют возможность усиления дискретного электрического заряда и, с другой стороны, предоставляют возможность разделения приема изображения и выборки изображения. Это полезно для ослабления шума, а также для предоставления возможности независящей от времени выборки информации пиксельного устройства по п.6, где в пикселе по меньшей мере одно усилительное устройство управляет диапазоном чувствительности выходного напряжения пикселя.
Кроме того, комбинация по п.7, где цепь генератора подкачки заряда соединена по меньшей мере с одной схемой выборки и хранения, благоприятным образом позволяет объединять преимущества исполнительного устройства в форме цепи генератора подкачки заряда, в которой в течение времени считывания не происходит потеря информации, полученной в течение времени воздействия, и преимущества схемы выборки и хранения, что позволяет управлять временем считывания независимо от времени воздействия.
Настоящее изобретение полезно по причине того, что предоставление по меньшей мере одного емкостного сопротивления в каждом пикселе делает работу каждого пикселя автономной, что обеспечивает более высокую надежность всего устройства. Кроме того, настоящее изобретение полезно по причине использования FET или транзистора любого другого типа в соединении с емкостью фотосенсора или с дополнительными емкостными сопротивлениями в качестве автоматического генератора подкачки заряда, поскольку это препятствует переполнению одного из конденсаторов, а также потере информации, полученной в течение воздействия. Таким образом, это делает возможным автоматическое регулирование динамического диапазона в течение воздействия для того, чтобы обеспечить несколько динамических диапазонов, чтобы позволить оператору осуществить наилучший возможный выбор с целью оптимизации эксплуатации динамического диапазона и оптимизации уровня шума.
Кроме того, настоящее изобретение относится к системе определения излучения, содержащей по меньшей мере один пиксель детектора излучения для рентгеновского излучения по п.1.
Кроме того, настоящее изобретение относится к способу определения электромагнитного излучения с использованием пикселя детектора рентгеновского излучения, который включает этапы, на которых:
воспринимают воздействие электромагнитного излучения,
накапливают заряд на фотодиоде и по меньшей мере на одном конденсаторе с линейной накопительной емкостью и по меньшей мере на одном конденсаторе с нелинейной накопительной емкостью,
осуществляют выборку накопленного заряда по меньшей мере одного конденсатора по меньшей мере на один конденсатор выборки и хранения, зарядку по меньшей мере дополнительного конденсатора накопленным зарядом,
осуществляют выборку накопленного заряда по меньшей мере одного и дополнительного конденсатора по меньшей мере на один конденсатор выборки и хранения,
считывают накопленный заряд на конденсатор выборки и хранения в режиме диапазона высоких значений чувствительности,
считывают накопленный заряд на конденсатор выборки и хранения в режиме диапазона низких значений чувствительности.
Настоящее изобретение относится к усовершенствованному определению электромагнитного излучения в диапазоне низких и высоких значений чувствительности, где в первом выборе излучения при низком значении чувствительности с использованием небольших конденсаторов ослабляется шум, а посредством автоматического или ручного переключения на больший конденсатор предоставляется возможность получить второй диапазон чувствительности к излучению, где уровень шума приемлем, но позволяет получить высококонтрастное изображение. Кроме того, это позволяет использовать информацию об одном и том же воздействии несколько раз, не отбрасывая информацию изображения облучения субъекта рентгеновским излучением.
В предпочтительном варианте осуществления настоящее изобретение позволяет не только получать описанные выше преимущества, но также оно предоставляет комбинацию цепи выборки и хранения для минимизации времени считывания посредством зарядки конденсатора выборки и хранения. Это позволяет предоставить этап воздействия параллельно с этапом считывания по меньшей мере в одном диапазоне чувствительности. Это благоприятным образом экономит время восприятия воздействия и минимизирует воздействие рентгеновского излучения на субъект.
Настоящее изобретение относится к способу определения электромагнитного излучения с использованием пикселя детектора рентгеновского излучения, который включает комбинацию трех последних способов.
Настоящее изобретение относится к компьютерной программе для управления системой определения излучения, которая предоставляет управляющие сигналы для управления схемой пикселя с несколькими эксплуатационными диапазонами чувствительности.
И дополнительно настоящее изобретение относится к носителю, содержащему компьютерную программу для управления системой определения излучения, которая предоставляет управляющие сигналы для управления схемой пикселя с несколькими эксплуатационными диапазонами чувствительности.
Также можно применять настоящее изобретение в непрямых и прямых преобразователях рентгеновских лучей, а также в оптическом формировании изображений.
Краткое описание чертежей
Далее в настоящем документе настоящее изобретение описано более подробно со ссылками на примеры вариантов осуществления, которыми, однако, настоящее изобретение не ограничено.
На фиг.1 представлена принципиальная схема плоского панельного детектора рентгеновского излучения известного уровня техники;
на фиг.2 представлена принципиальная схема пиксельной ячейки известного уровня техники;
на фиг.3a представлено первое воплощение пикселя детектора рентгеновского излучения с широким динамическим диапазоном согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на Фиг.3b представлена временная диаграмма сигналов, на которой представлена зависимость управляющих сигналов от времени для цепи на фиг.3a;
на фиг.4a представлено второе воплощение пикселя детектора рентгеновского излучения с широким динамическим диапазоном согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг.4b представлена временная диаграмма сигналов, на которой представлена зависимость управляющих сигналов от времени для цепи на фиг.4a;
на фиг.5a представлено третье воплощение пикселя детектора рентгеновского излучения с широким динамическим диапазоном согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг.5b представлена временная диаграмма сигналов, на которой представлена зависимость управляющих сигналов от времени для цепи на фиг.5a;
на фиг.6a представлено четвертое воплощение пикселя детектора рентгеновского излучения с широким динамическим диапазоном согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг.6b представлена временная диаграмма сигналов, на которой представлена зависимость управляющих сигналов от времени для цепи на фиг.6a;
на фиг.7a представлено пятое воплощение пикселя детектора рентгеновского излучения с широким динамическим диапазоном согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг.7b представлена временная диаграмма сигналов, на которой представлена зависимость управляющих сигналов от времени для цепи на фиг.7a;
на фиг.7c представлен вариант воплощения пятого воплощения пикселя детектора рентгеновского излучения с широким динамическим диапазоном согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг.8a представлено шестое воплощение пикселя детектора рентгеновского излучения с широким динамическим диапазоном согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг.8b представлена временная диаграмма сигналов, на которой представлена зависимость управляющих сигналов от времени для цепи на фиг.8a;
на фиг.9a представлено седьмое воплощение пикселя детектора рентгеновского излучения с широким динамическим диапазоном согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг.9b представлена временная диаграмма сигналов, на которой представлена зависимость управляющих сигналов от времени для цепи на фиг.9a.
Подробное описание вариантов осуществления
Иллюстрации на фигурах носят схематический характер. На различных фигурах одинаковые или идентичные элементы снабжены одинаковыми номерами позиций.
На фиг.1 представлен типичный пример плоского панельного детектора рентгеновского излучения, который состоит из пиксельной матрицы 102, состоящей из пикселей 303. Выбор рядов для считывания происходит посредством сдвигового регистра 133, который управляет линиями 324 выбора ряда. Происходит считывание значений напряжения с пикселей 303 в колонках 325 и направление на усилители 141. Затем происходит объединение информации в виде данных, которая получена от усилителей 141, в одно изображение колонка за колонкой. Управляющие линии для управления работой пикселей предпочтительно расположены вдоль одной стороны пиксельной матрицы и, таким образом, позволяют располагать несколько пиксельных матриц вместе. Таким образом, пиксельные матрицы можно упорядочить в виде рядов и колонок, например, расположив по правильной (прямоугольной или гексагональной) сетке, подобно плитке, чтобы получить детектор с большей площадью поверхности.
В настоящем изобретении излучение может представлять собой электромагнитное излучение любого типа, например свет или рентгеновское излучение. Сенсорное устройство представляет собой комбинацию фотосенсорного устройства, например, фотодиода, фотозатвора или фотопроводника. Поскольку на практике сенсорное устройство обладает паразитарным емкостным сопротивлением, чувствительный элемент по существу предоставляет емкостное сопротивление, но в некоторых вариантах осуществления чувствительный элемент можно сформировать в виде комбинации фотосенсора, соединенного параллельно с емкостным сопротивлением.
Таким образом, сенсорное устройство содержит фотосенсорное устройство и по меньшей мере одно емкостное сопротивление, причем емкостное сопротивление также можно предоставить посредством собственного емкостного сопротивления фотодиода, фотопроводника и т.д. В литературе известного уровня техники используются термины «диапазон с высоким коэффициентом усиления» или «диапазон с низким коэффициентом усиления», которые определяют диапазон высоких значений чувствительности или диапазон низких значений чувствительности соответственно, таким образом, термины диапазон с коэффициентом усиления и диапазон чувствительности следует расценивать в настоящем описании как синонимы.
На фиг.2 предоставлен вариант осуществления пиксельной ячейки известного уровня техники. В пикселе предоставлены сенсорное устройство и несколько компонентов. Переключатель 312 сброса заряжает фотодиод до хорошо известного состояния. Фотодиод 311 преобразует выходящий из сцинтиллятора свет (фотоны видимого света) в заряд. Также фотопроводник может непосредственно преобразовывать рентгеновское излучение. Дополнительный заряд добавляется к заряду, накопленному на емкостном сопротивлении самого фотодиода и/или на необязательном специализированном конденсаторе 350 пикселя, и, таким образом, меняется заряд и напряжение на фотодиоде/емкостном сопротивлении пикселя.
Истоковый повторитель 313 делает копию напряжения, доступного в его источнике. Если переключатель 314 считывания активирован линиями 324 выбора ряда, копия напряжения на фотодиоде становится доступной усилителям на периферии матрицы, чтобы предоставить изображение.
На фиг.3a представлено первое воплощение пикселя с широким динамическим диапазоном. В этом описании предполагается, что отклонение амплитуды напряжения или перепад напряжения на фотодиоде 311 и емкостном сопротивлении пикселя больше, чем перепад напряжения, приемлемый для считывающего усилителя 313. Также на фиг.3b перед считыванием происходит сброс фотодиода 311, конденсатора 350 пикселя и низкочувствительного конденсатора 351. Переключатель 360 открыт перед воздействием. Заряд, собранный в процессе воздействия, ведет к падению напряжения на узле A. Если падение напряжения достаточно мало (слабое воздействие), оно пройдет через считывающий усилитель 313 при первом считывании в диапазоне высоких значений чувствительности. Если падение напряжения слишком велико, то усилитель 313 будет обрезать (искажать) сигнал. Таким образом, невозможно обработать информацию изображения. Затем происходит активация переключателя 360 и заряд, собранный на фотодиоде/емкостном сопротивлении 311, 350 пикселя, также будет перераспределен на низкочувствительный конденсатор 351. Таким образом, происходит снижение перепада напряжения на узле A и низкочувствительный сигнал может пройти через усилитель 313 без искажений. Считывания изображения в диапазоне высоких значений чувствительности и в диапазоне низких значений чувствительности объединены подходящим образом так, что сохраняется оптимальное отношение сигнал-шум. Важный аспект настоящего изобретения состоит в том, что происходит использование того же самого заряда, несущего сигнал, для обоих диапазонов чувствительности для того, чтобы предоставить возможность считывать слабые сигналы одного воздействия при высоком значении чувствительности и более сильные сигналы того же воздействия при более низком значении чувствительности, что предусматривает широкий динамический диапазон без потери информации изображения одного воздействия, а также позволяет избежать потери заряда при этом процессе. Оба требования неотъемлемы при формировании медицинского рентгеновского изображения, где для того, чтобы снизить риск для здоровья пациента при формировании рентгеновского изображения, следует избегать воздействия рентгеновского излучения на пациента, которое не вносит вклад в процесс формирования изображения.
Перепад между диапазоном высоких значений чувствительности и диапазоном низких значений чувствительности можно определить по отношению перепада напряжения на узле A к приемлемому перепаду напряжения для усилителя. Как правило, оно составляет порядка 2.
На фиг.3b представлено воплощение и схема управления. Исходный высокий уровень на линии 322 активирует переключатель 312 для того, чтобы сбросить сенсорное устройство. Исходный высокий уровень на линии 340 позволяет переключателю 360 инициализировать фотодиод/емкостные сопротивления 350, 351 пикселя. В процессе воздействия уровень напряжения на узле A снижается с течением времени воздействия. Последовательно после воздействия высокий уровень 324 инициализирует считывание в диапазоне высоких значений чувствительности. Высокий уровень на линии 340 открывает переключатель 360 и предоставляет возможность считывания в диапазоне низких значений чувствительности. Последовательно высокий уровень на 324 и предоставляет возможность считывания при низком значении чувствительности.
На фиг.4a и фиг.4b представлен вариант воплощения и схема управления. В нем использован усилитель диапазона высоких значений чувствительности и диапазона низких значений чувствительности. Усилитель диапазона высоких значений чувствительности 370 обладает, как уже показано в предыдущем примере, ограниченным приемлемым перепадом напряжения. При первом считывании через усилитель 370 происходит считывание слабых сигналов. Для более сильных сигналов произойдет перенасыщение усилителя, таким образом, произойдет искажение, а сигнал на выходе сенсора будет иметь неверную величину. При втором считывании происходит выбор усилителя диапазона низких значений чувствительности 371 через линию 340 выбора чувствительности. Более низкая чувствительность гарантирует, что через следующие ступени пройдет неискаженный сигнал.
Перепад между высоким значением чувствительности и низким значением чувствительности можно определить по отношению перепада напряжения на узле A к приемлемому перепаду напряжения для усилителя. Как правило, оно составляет порядка 2. Коэффициент усиления можно выбирать произвольным образом и, таким образом, в случае выбора коэффициента усиления, равного 1, для упрощения схемы усилитель можно не учитывать.
Также, ссылаясь на фиг.4b, высокий уровень на 322 инициализирует сброс переключателя 312, фотодиода 311, конденсатора 350 пикселя и низкочувствительного конденсатора 351 перед считыванием. Затем происходит воздействие, и заряд, собранный в процессе воздействия, ведет к падению напряжения на узле A. Если падение напряжения достаточно мало (слабое воздействие), он пройдет через считывающий усилитель 313 при первом считывании в диапазоне высоких значений чувствительности. Если падение напряжения достаточно велико, то произойдет насыщение усилителя 313 и обрезание (искажение) сигнала. Таким образом, нельзя обработать информацию изображения. Затем происходит выбор усилителя диапазона низких значений чувствительности 371 посредством линии 340 выбора чувствительности, которая инициирует переключатель 372. Таким образом, происходит снижение перепада напряжения на узле A и низкочувствительный сигнал может пройти через усилитель 313 без искажений. Считывания изображения в диапазоне высоких значений чувствительности и диапазоне низких значений чувствительности объединены подходящим образом так, что сохраняется оптимальное отношение сигнал-шум.
На фиг.5a представлена улучшенная цепь, основанная на том же принципе, что и цепь, представленная на фиг.3a.
Транзистор 360 использован в качестве переключателя в некоторые моменты времени и в качестве устройства передачи зарядов в другие моменты времени, следовательно, термин исполнительное устройство покрывает оба случая. Дальнейшее описание дано со ссылкой на фиг.7b.
Здесь улучшение состоит в том, что к фотодиодному узлу A добавлено потенциалозависимое емкостное сопротивление 359. Предпочтительно, потенциалозависимый конденсатор 359 обладает низким постоянным емкостным сопротивлением, когда напряжение пикселя на узле A находится в диапазоне, приемлемом для усилителя 313. Желательно, чтобы, как только происходит падение напряжения ниже приемлемого диапазона напряжений, резко увеличивалось емкостное сопротивление потенциалозависимого конденсатора 359, таким образом, предоставляя увеличенную накопительную емкость для дополнительного сигнала.
На фиг.5b в первом считывании при высоком значении чувствительности происходит считывание неискаженных слабых сигналов. Высокий уровень на линии 322 вместе с высоким уровнем на 340 инициирует переключатель 312 и переключатель 360 для сброса фотодиода 311, конденсаторов 350, 351 и 359. Высокий уровень на 324 инициализирует первое считывание при высоком значении чувствительности. Для последующего считывания при низком значении чувствительности высокий уровень на 340 инициирует добавление большего конденсатора 351 посредством переключателя 360. В процессе более длительного воздействия сильные сигналы будут храниться в параллельно соединенных фотодиоде 311, емкостном сопротивлении пикселя 350 и потенциалозависимом конденсаторе 359. Происходит перераспределение зарядов и падение напряжения до уровня, приемлемого для усилителя 313. Сниженное напряжение также обеспечивает то, что потенциалозависимый конденсатор представляет собой чувствительность в режиме низкого постоянного емкостного сопротивления, так что при считывании не происходит добавление нелинейных искажений.
Дополнительный накопитель, обеспечиваемый потенциалозависимым усилителем, позволяет увеличить перепад между считыванием при высоком значении чувствительности и низком значении чувствительности в 2-4 раза, что выглядит обоснованным.
На фиг.6a представлен вариант цепи на фиг.5a. Он обеспечивает очень высокое значение параметра чувствительности, которое использует только линейный маленький конденсатор пикселя 350. При таком расположении двойное считывание невозможно.
Через управляющую линию 340 и переключатель 360 можно добавить дополнительное постоянное и потенциалозависимое емкостное сопротивление 351, 359, чтобы обеспечить первое считывание при высоком значении чувствительности, за которым следует считывание при низком значении чувствительности после активации управляющей линии 341 и переключателя 361.
На фиг.6b представлена соответствующая временная диаграмма для считывания при высоком значении чувствительности/низком значении чувствительности, похожая на диаграмму на фиг.5b.
Дополнительный накопитель, предоставленный потенциалозависимым усилителем, позволяет увеличить перепад между считыванием при высоком значении чувствительности и низком значении чувствительности в 2-4 раза, что выглядит обоснованным.
На фиг.7a представлен вариант воплощения, который не основан на потенциалозависимых конденсаторах.
Таким образом, также это позволяет избежать возможных нелинейных искажений, связанных с этими устройствами.
Конструктивно цепь выглядит идентичной цепи на фиг.3a. Однако транзистор 360 используют в качестве переключателя в некоторые моменты времени и в качестве генератора подкачки заряда в другие моменты времени.
На временной диаграмме на фиг.7b высокий уровень на 340 отпирает транзистор 360, который полностью включен при высоком уровне на 322, инициирует сброс пикселя, так что фотодиод 311, конденсатор пикселя 350 и конденсатор 351 с логарифмической чувствительностью полностью заряжены.
Затем напряжение затвора 340 транзистора 360 снижается до некоторого промежуточного уровня. До тех пор, пока источник и сток более положительны, чем напряжение затвора минус пороговое напряжение, транзистор 360 будет выключен и только фотодиод 311 и конденсатор 350 пикселя определяют чувствительность. Слабые сигналы обрабатываются при высоком значении чувствительности, которое определяется этими конденсаторами (левая часть на фиг.7b). Сильные сигналы будут снижать напряжение на узле A достаточно сильно, чтобы привести транзистор 360 в состояние проводимости. Заряды будут проходить от узла A через транзистор 360 к узлу C и низкочувствительному конденсатору 351, транзистор выполняет функцию генератора подкачки заряда или устройства передачи зарядов (правая часть на фиг.7b).
Когда сильное воздействие заканчивается, транзистор перестает передавать заряд с конденсатора 350 на конденсатор 351 как только напряжение истока достигнет напряжения затвора минус пороговое напряжение и напряжение затвора транзистора 360 можно будет полностью выключить (не показано) или сохранять на постоянном уровне.
Затем первое считывание обеспечивает правильное считывание всех пикселей с низкими уровнями воздействия. Пиксели в течение времени сильного воздействия дают постоянный сигнал, поскольку все избыточные заряды переданы на низкочувствительный конденсатор 351.
После считывания при высоком значении чувствительности происходит полное включение транзистора 360, посредством чего фактически происходит параллельное включение фотодиода 311, конденсатора 350 пикселя и низкочувствительного конденсатора 351. Происходит перераспределение зарядов и полученное напряжение может пройти без искажений через усилитель 313.
Соотношение диапазонов чувствительности между высоким значением чувствительности и низким значением чувствительности определяется только отношением емкостных сопротивлений на узле A к емкостному сопротивлению на узле C.
Полностью включенный или выключенный транзистор 360 во все моменты времени может обеспечить фиксированное низкое или высокое значение параметра чувствительности.
На фиг.7c цепь с фиг.7a расширена путем добавления одного или нескольких транзисторов подкачки заряда/конденсаторов 361, 352 и т.д. в основную цепь.
В процессе воздействия сначала заряд будет накапливаться на фотодиоде 311 и конденсаторе 350 пикселя.
Если конденсатор 350 пикселя имеет достаточный заряд, то избыток зарядов будет передан посредством транзистора 360 на низкочувствительный конденсатор 351. Когда низкочувствительный конденсатор 351 также станет полностью заряженным, заряд будет передан транзистором 361 на самый низкочувствительный конденсатор 352. Схему можно расширить.
Первое считывание представляет собой считывание напряжения только на фотодиоде 311 и конденсаторе 350 для чувствительности. Для второго считывания происходит полное включение транзистора 360. В течение третьего считывания транзистор 361 также включен. Таким образом, получают серию изображений при значении чувствительности от высокого до низкого. Изображения необходимо комбинировать соответствующим образом.
Таким образом, в течение времени воздействия транзистор 360 представляет собой устройство автоматического управления диапазоном чувствительности для автоматического управления преобразованием входящего электромагнитного излучения в выходную электрическую величину, и в течение времени считывания транзистор 360 представляет собой выбирающее устройство для выбора нескольких диапазонов чувствительности в течение времени считывания.
На фиг.8a представлен вариант схемы на фиг.7a, который предоставляет возможность параллельно осуществлять воздействие и считывание.
В цепи на фиг.7a, после воздействия, как правило, происходит считывание полного изображения сначала в режиме высокой чувствительности, затем происходит полное включение транзисторов 360 и считывание при низком значении чувствительности. Напряжение пикселя не должно меняться посредством дополнительного воздействия в течение времени считывания. Время считывания для большого изображения может быть существенным, так что скорость формирования изображения значительно снижается.
Из US20030011694 A1 известна цепь, которая позволяет накапливать напряжение, считанное с фотодиода в пикселе. Это выполняется для всех пикселей параллельно, так что это происходит очень быстро. Вслед за этим промежуточным накопителем можно сбросить фотодиод и начать следующее воздействие в то время, когда будет происходить считывание сигналов в промежуточном накопителе.
На фиг.8a использованы два промежуточных накопительных устройства 317 для накопления высокочувствительных и низкочувствительных сигналов для всех пикселей параллельно и в быстрой последовательности посредством активации переключателей 315 и 316 соответственно. После этого можно сбросить фотодиоды и вновь начать воздействие. Можно одновременно считывать высокочувствительное изображение и низкочувствительное изображение посредством активации связанных переключателей 314 считывания через линии 324 и 326 выбора ряда соответственно.
На фиг.8b представлена соответствующая временная диаграмма. Высокий уровень 340 отпирает транзистор 360, который полностью включен при высоком уровне три и 22, инициирует сброс пикселя, чтобы фотодиод 311, конденсатор пикселя 350 и конденсатор с логарифмической чувствительностью 351 были полностью заряжены.
Затем напряжение 340 затвора транзистора 360 снижается до некоторого промежуточного уровня. Пока источник и сток более положительны, чем напряжение затвора минус пороговое напряжение, транзистор 360 будет выключен и только фотодиод 311 и конденсатор пикселя 350 определяют чувствительность. Линии 315 и 316 выбора ряда позволяют инициировать цепь выборки и хранения, которая передает заряды на конденсаторы 317, соответственно. Таким образом, следующее воздействие может происходить в течение считывания при высоком значении чувствительности на линии 324 и инициации считывания при низком значении чувствительности на линии 324 выбора ряда. Слабым сигналам будет соответствовать высокое значение чувствительности, определяемое этими конденсаторами (левая часть на фиг.7b). Сильные сигналы будут снижать напряжение на узле A достаточно сильно, чтобы привести транзистор 360 в состояние проводимости. Заряд будет проходить от узла A через транзистор 360 к узлу C и низкочувствительному конденсатору 351, транзистор выполняет функцию генератора подкачки заряда (правая часть фиг.7b).
Когда сильное воздействие заканчивается, транзистор перестает передавать заряд с конденсатора 350 на конденсатор 351 как только напряжение истока достигнет напряжения затвора минус пороговое напряжение и напряжение затвора транзистора 360 можно будет полностью выключить (не показано) или сохранить на постоянном уровне.
Затем первое считывание обеспечивает правильное считывание всех пикселей с низкими уровнями воздействия. Пиксели в течение времени сильного воздействия дают постоянный сигнал, поскольку все избыточные заряды переданы на низкочувствительный конденсатор 351.
После считывания при высоком значении чувствительности происходит полное включение транзистора 360, посредством чего фактически происходит параллельное включение фотодиода 311, конденсатора пикселя 350 и низкочувствительного конденсатора 351. Происходит перераспределение зарядов и полученное напряжение может пройти без искажений через усилитель 313.
Соотношение диапазонов чувствительности между высоким значением чувствительности и низким значением чувствительности определяется только отношением емкостных сопротивлений на узле A к емкостному сопротивлению на узле C.
Полностью включенный или выключенный транзистор 360 во все моменты времени может обеспечить фиксированное низкое или высокое значение параметра чувствительности. Линии 315 и 316 выбора ряда позволяют инициировать цепь выборки и хранения, которая передает заряды на конденсаторы 317 соответственно. Таким образом, следующее воздействие может происходить в течение считывания при высоком значении чувствительности на линии 324 и происходит инициация считывания при низком значении чувствительности на линии 324 выбора ряда.
Ясно, что текущее считывание может происходить параллельно со следующим воздействием.
Необходимы подходящие управляющие линии для переключателей 315 и 316.
На фиг.9a представлен вариант цепи, которая служит той же цели, что и цепь, изображенная на фиг.8a.
Здесь может происходить считывание обоих промежуточных накопительных устройств 317 через один выходной усилитель 319 и один переключатель считывания 314. Необходимы подходящие управляющие линии для переключателей 315, 316, 381 и 382.
На фиг.9b представлена соответствующая временная диаграмма со ссылкой на фиг.8b.
На фиг.10 представлен график зависимости выходного напряжения Vout от облучения, на котором показаны характеристики устройства определения излучения известного уровня техники. Это устройство работает в диапазоне более низких значений, где эксплуатационная характеристика дает первый угол наклона до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое напряжение в точке C и эксплуатационная характеристика со вторым углом наклона. В точке C у эксплуатационных характеристик отсутствует непрерывность.
На фиг.11a и фиг.11b схематически представлены два графика зависимости выходящего сигнала от облучения по настоящему изобретению. На фиг.11a представлен график заряда для диапазона низких значений чувствительности, а на фиг.11b представлен график для диапазона высоких значений чувствительности. Характеристику рабочей точки определяют как соотношение между количеством входящего излучения и исходящей выходной величиной. В обоих случаях эксплуатационная характеристика непрерывна в эксплуатационном диапазоне, где эксплуатационный диапазон относится ко всем рабочим точкам от нуля до насыщения.
Несмотря на то что в приведенных здесь цепях использовано считывание напряжения, такой же принцип также можно использовать для считывания заряда с затвора первого истокового повторителя 313.
Фотодиод 311 использован в непрямых преобразователях рентгеновских лучей, однако для прямых преобразователей, например фотопроводников, его можно заменить электродом, собирающим заряды. В другом варианте осуществления цепи можно строить с использованием кристаллических, поликристаллических или аморфных полупроводников.
Для того чтобы объединить несколько изображений с различными диапазонами, изображение при низком значении чувствительности и изображение при высоком значении чувствительности могут совпадать, предпочтительно с некоторым перекрытием, чтобы получить одно непрерывное выходное изображение с широким динамическим диапазоном.
Несмотря на то что специалисты в данной области могут предложить модификации и изменения, намерение автора изобретения состоит в том, чтобы включить в патент, основанный на этом документе, все изменения и модификации, которые обоснованно и надлежащим образом входят в объем вклада в соответствующую область техники.