射線照相圖象攝取設備及驅動該設備的方法
2023-05-31 15:16:06 3
專利名稱：射線照相圖象攝取設備及驅動該設備的方法
背景技術：
在此說明書中，輻射包括例如X射線的電磁波、阿爾法射線、β射線和伽馬射線，將根據這些射線進行描述。
相關
背景技術：
安裝於醫院等中的X射線照相系統被劃分為模擬系統和數字系統，在模擬系統中一個物體受到X射線輻照，X射線在穿透該物體後到達一塊膠片而將該膠片曝光，在數字系統中穿透物體的X射線被轉換為例如被存儲的電信號。
已知一種作為數字系統的射線照相圖象攝取設備是由一種用於將X射線轉換為可見光的螢光物和一個用於將可見光轉換為電信號的光電轉換器組成的。X射線穿透物體後該螢光物被X射線輻照並且將X射線轉換為可見光以便提供關於該物體內部的信息。光電轉換器將可見光轉換為一個電信號並且輸出此信號。具有所轉換電信號的形式，準備被記錄、顯示、列印或用於診斷的該X射線圖象信息能夠在被一個A/D轉換器數位化後被作為數字值處理。
使用非晶矽半導體薄膜作為光電轉換器的射線照相圖象攝取設備最近已經被投入實際使用。
圖13是一個光電轉換基底例子的頂視圖，其中金屬絕緣物半導體(MIS)類型的光電轉換設備和開關設備是使用一種非晶矽半導體薄膜作為它們的材料而形成的。圖13中也闡述用於連接設備的布線。圖14是沿著圖13的線14-14所取剖面圖。在以下說明書中，為簡化起見，該MIS類型光電轉換設備將被簡單地稱為「光電轉換設備」。
光電轉換設備301和開關設備302(非晶矽TFT，今後簡單地稱為「TFT」)被形成於一個基底303上。每個光電轉換設備的低電極和每個TFT的低電極(門電極)由一個公共層即第一金屬薄膜層304形成。每個光電轉換設備的高電極和每個TFT的高電極(源電極和漏電極)也由一個公共層即第二金屬薄膜層305形成。光電轉換電路段中的門驅動布線306和矩陣信號布線307也由第一和第二金屬薄膜層形成。層313是一層N+層，層312是一層本徵半導體層，及層311是一層例如由SiNx組成的絕緣層。總數為2×2即4的象素被闡述於圖13中。圖13中的陰影線區域表示光電轉換設備中的光接收面。用於向光電轉換設備加電的電源線309也被提供。該光電轉換設備和TFT通過觸點孔彼此相連。
單個地形成的光電轉換設備的設備操作將通過例子進行描述。
圖15A至15C是用於解釋圖13和14中所示光電轉換設備的設備操作的能帶圖。
圖15A至15C分別顯示刷新模式和光電轉換模式中的操作，並且顯示圖14中所示各層的薄膜厚度方向內的狀態。M1層是由第一金屬薄膜層(例如Cr膜)形成的低電極(G電極)。a-SiNx層是一個絕緣層，用於阻止電子和空穴兩者的通道。a-SiNx層的厚度必須足夠大以便防止隧道效應。通常a-SiNx層的厚度被設置為500埃或更多。a-SiNx層是由本徵半導體i層形成的光電轉換半導體層。N+層是N型阻止注入層，用於阻止空穴注入a-Si層。M2層是由第二金屬薄膜層(例如Al膜)形成的高電極(D電極)。
在圖13中所示結構中，N+層沒有完全被D電極覆蓋，但D電極和N+層始終處於同等電位，因為電子能夠自由地在它們之間移動。以下說明書是基於此理解的。
此光電轉換設備具有兩種操作模式對應於將電壓施加於D電極和G電極上的不同方式的刷新模式和光電轉換模式。
在刷新模式中，例如一個相對於加於G電極上電位的負電位被加於D電極上，以及如圖15A中所示，i層中由黑圓標記標示的空穴由電場驅使向著D電極移動。與此同時，由白圓標記標示的電子被注入i層。此時在N+層和i層內的部分空穴和部分電子重新彼此組合而消失。如果該設備被保持於此狀態中足夠長時間，則i層內的空穴將被從此層中肅清。
為將該設備從此模式設置為圖15B中所示模式，一個相對於加於G電極上電位的正電位被加於D電極上。然後i層中的電子被瞬時地驅使向著D電極移動。然而空穴並未被驅使向著i層移動，因為N+層起著注入阻止層的作用。當此狀態中光線進入i層中時，光線被吸收以便生成電子-空穴對。這些電子被電場驅使向著D電極移動，而空穴則穿透i層移動而到達i層與a-SiNx層絕緣層的界面。由於空穴不能移動入絕緣層，它們停留於i層中。此時隨著電子向著D電極的移動和空穴向著i層的絕緣層界面的移動，一個電流自G電極中流出以便保持光電轉換設備的電氣中性。此電流對應於由光線生成的電子-空穴對，因此正比於進入光電轉換設備的光量。在該設備已經被保持於圖15B中所示光電轉換模式的狀態中一定周期後，它進入圖15A中所示刷新模式中的狀態。停留於i層內的空穴如上所述地被驅使向著D電極移動，及一個對應於此空穴流動的電流在流動。此空穴量對應於光電轉換模式期間進入的整個光量。此時一個對應於注入於i層內的電子量的電流也在流動。然而此數量是近似地不變的，並且能夠從總量中減去以便獲得檢測結果。也即，此光電轉換設備能夠實時地輸出進入該設備的光量，並且也能檢測一定周期內進入的整個光量。
然而，在光電轉換模式周期由於某些原因增加的情況下或者在照射在設備上的光的照明強度高的情況下，有可能在光線進入設備時無法獲得所需電流。這是因為，如圖15C中所示，許多空穴積累於i層內，這些空穴使i層中的電場減弱，因而使所生成的電子不是被驅使移動而是重新與i層中的空穴組合。此狀態被稱為光電轉換設備的飽和狀態。如果在此狀態中改變光線的入射狀態，則在某些情況下電流可能開始不穩定地流動。然而，當光電轉換設備被重新設置為刷新模式時，i層內的空穴被肅清。在以後的光電轉換模式中，一個正比於光量的電流重新流動。
在以上所述操作中，從理想化的觀點看，希望在刷新模式中i層中的所有空穴都被肅清。然而，只肅清一部分空穴對於獲得等於以上所述電流的電流是沒有問題的、有效的和足夠的。也即，在下一個檢測時候避開光電轉換模式中圖15C中所示狀態可能是足夠的，以及能夠確定刷新模式中相對於G電極電位的D電極電位，刷新模式周期和N+層的注入阻止層的特性。此外，在刷新模式中將電子注入i層並不是一個必要條件，以及相對於G電極電位的D電極電位並不限於負值。這是因為，在相當數量空穴停留於i層內的情況下，即使相對於G電極電位的D電極電位是正的，i層內的電場也會在一個方向內作用而使空穴向著D電極移動。此外，N+層的注入阻止層對電子注入i層的限制特性不是必要條件。
圖16顯示一個對應於一個象素的傳統光電轉換電路，它由一個光電轉換設備和一個TFT組成。
在圖16中，光電轉換設備由一個由i層所形成的電容部件Ci和一個由注入阻止層所形成的電容部件Csin所組成。在對應於i層與注入阻止層之間的結合點上(圖16中的節點N)，當光電轉換設備飽和時也即在D電極和節點N(i層)之間不存在電場(只是減小的電場)時，由光線生成的電子和空穴重新彼此組合。因此，在此狀態中，空穴載體無法存儲於部分N中。也即，在任何情況下節點N電位都不會超過D電極電位。為表示此飽和狀態中的操作，一個二極體(D1)並聯地連至圖16中的Ci。也即圖16中的光電轉換設備由三個部件Ci、Csin和D1表示。
圖17是用於顯示圖16中所示一個象素的電路的操作的時序圖。
下面參照圖16和17描述由光電轉換設備和TFT組成的一個象素的電路的操作。
首先描述一個刷新操作。
假設Vs是9V及Vref是3V。為開始刷新操作，開關SW-A被設置為應用Vref，開關SW-B被設置為應用Vg(on)，以及開關SW-C被接通。在此狀態中，D電極被加電為Vref(6V)，G電極被接為GND電位，以及節點N最多被加電為Vref(6V)。以下將解釋增加「最多」的理由。如果節點N處電位已經被當今刷新操作之前的光電轉換操作加至等於或高於Vref的電平，則在當今刷新操作中通過D1將節點N加電為Vref。然而，如果由於以前光電轉換操作的結果使節點N處的電位為Vref或更小，則當今刷新操作不將節點N加電為電位Vref。可以說，在實際使用中，如果光電轉換操作在事先被重複一定次數，則此刷新操作實際上將節點N加電為Vref(6V)。在將節點N加電為Vref(6V)後，SW-A被改變至Vs側。因此D電極被加電為Vs(9V)。通過此刷新操作，積累於光電轉換設備的節點N處的空穴載體被徹底地肅清至D電極側。
以下將描述X射線輻照周期。X射線被以脈衝方式發射，如圖17中所示。一個螢光物1001被穿透一個物體的X射線所輻照。螢光物1001將X射線轉換為可見光。來自螢光物的可見光被輻射至半導體層(i層)以便由光電轉換操作轉換為一個電信號。由光電轉換操作產生的空穴載體積累於節點N處以便增加此節點的電位。由於TFT是斷開的，G電極處的電位被相應地增加。
在刷新周期與X射線輻照周期之間設置一個等待周期。在此周期內不完成具體操作，以及該設備處於一種無操作狀態，以便從一種可能由於緊接著刷新操作之後的暗電流所引起的特性不穩定狀態中解脫出來。如果該光電轉換設備不可能具有緊接著刷新操作之後的特性不穩定狀態，則不必要特地設置等待周期。
以下將描述一個傳送操作。為開始進行傳送操作，開關SW-B被設置為連接於Vg(on)側，從而接通TFT。對應於由X射線輻照所積累的空穴載體(Sh)數量的電子載體(Se)被驅使自C2側通過TFT流向D電極，從而增加讀電容C2處的電位。Se和Sh之間的關係由Se＝Sh×Csin/(Csin+Ci)表示。與此同時，C2處的電位被一個放大器放大以便輸出。TFT被維持於接通狀態中一段足夠長的時間以便傳送足夠數量的電荷信號，然後它被切斷。
最後，進行一個復位操作。為開始進行復位操作，開關SW-C被接通。電容C2然後被復位至GND電位，從而為下一個傳送操作作準備。
圖18是一個傳統光電轉換器的兩維電路圖。為便於解釋，只闡述對應於3×3＝9個象素的那部分轉換器。光電轉換設備由S1-1至S3-3標示；開關設備(TFT)由T1-1至T3-3標示；用於將TFT接通和切斷的門布線由G1-1至G3-3標示；及信號布線由M1至M3標示。Vs線是用於將一個存儲電壓或刷新電壓施加於光電轉換設備上的布線。由實心矩形表示的光電轉換設備電極是G電極，而其對面的電極是D電極。Vs線的部分供D電極使用。為便於光線進入，使用一層薄N+層以形成D電極。S1-1至S3-3、T1-1至T3-3、G1至G3、M1至M3和Vs線這些部件組被集合地稱為光電轉換電路段(101)。
Vs線由一個Vs電源106A或一個Vref電源106B加電，它們通過使用一個控制信號VSC來加以選擇。移位寄存器102被用於提供驅動脈衝電壓至布線G1至G3。用於將TFT接通的電壓由一個外部提供的電源(VG(on))所確定。在一個提供的讀電路段107中來自光電轉換電路段101中布線M1至M3的平行信號輸出被放大和轉換為一個串行信號以供輸出。
在讀電路段107中提供開關RES1至RES3，用於將以下部件復位M1至M3、用於把來自M1至M3的信號放大的放大器A1至A3、用於暫時存儲由放大器A1至A3放大的信號的採樣和保持電容CL1至CL3、用於採樣和保持的開關Sn1至Sn3、緩存放大器B1至B3、用於將平行信號轉換為串行信號的開關Sr1至Sr3、用於將供平行至串行轉換用的脈衝提供給開關Sr1至Sr3的移位寄存器103以及用於輸出轉換的串行信號的緩存放大器104。
圖19是用於顯示圖18中所示光電轉換器的操作的時序圖。將參照圖19的時序圖描述圖18中所示光電轉換器的操作。一個或兩個不同電壓通過控制信號VSC施加於光電轉換設備的Vs線上，即光電轉換設備的D電極上。當VSC為「Hi」時D電極具有電位VREF(V)，而當VSC為「Lo」時電位為VS(V)。DC電源106A和106B分別提供讀電源電壓VS(V)和刷新電源電壓VREF(V)。
現在描述刷新周期內的操作。所有來自移位寄存器102的信號都被設置為「Hi」，及讀電路段中的信號CRES被設置為「Hi」。所有開關TFT(T1-1至T3-3)都被接通，讀電路段中的開關設備RES1至RES3也都被接通，及所有光電轉換設備的G電極處被設置為GND電位。當信號VSC變為「Hi」時，所有光電轉換設備的D電極被加上刷新電源電壓VREF(負電位)。因此所有光電轉換設備S1-1至S3-3都被設置於刷新模式中，從而進行刷新。
以下描述光電轉換周期中的操作。VSC被變為「Lo」及所有光電轉換設備的D電極被加上讀電源電壓VS(正電位)。因此該光電轉換設備被設置於光電轉換模式中。在此狀態中，所有來自移位寄存器102的信號都被設置為「Lo」，及讀電路段中的信號CRES也被設置為「Lo」。因此所有開關TFT(T1-1至T3-3)都被切斷及讀電路段中的開關設備RES1至RES3也被切斷。所有光電轉換設備的G電極都被設置於DC開路狀態。然而，每個G電極處的電位被保持著，因為光電轉換設備也起一個電容的作用。此時沒有光線進入每個光電轉換設備，因此在光電轉換設備中不生成電荷，即沒有電流。當在此狀態中一個光源以脈衝方式被接通，每個光電轉換設備的D電極(N+電極)被光線輻照，因而一個所謂光電流流過該設備。雖然沒有被顯示於圖18中，該光源是例如一個螢光燈、LED或複印機中所用碘鎢燈(halogen lamp)。在使用X射線圖象攝取設備的情況下，該光源當然是X射線源。在此情況下，可以使用一個用於將X射線轉換為可見光的閃爍器。由光線造成流動的光電流積累為每個光電轉換設備中的電荷，在光源切斷後該電荷仍然被保持。
其次描述讀周期內的操作。讀操作按照以下順序完成對應於S1-1至S1-3的第一線、對應於S2-1至S2-3的第二線和對應於S3-1至S3-3的第三線。首先，自S1-1至S1-3中讀取第一線信號，該移位寄存器SR1提供一個門脈衝給連至開關設備(TFT)T1-1至T1-3的門布線G1。此時被提供的門脈衝的高電平是外部提供的電壓Vcom。因此TFT T1-1至T1-3被接通，以及積累於S1-1至S1-3中的電荷信號被傳送至信號布線M1至M3。讀電容(圖18中未示出)被加至信號布線M1至M3上及電荷信號通過TFT被傳送至讀電容。例如，被加至信號布線M1上的讀電容是連至信號布線M1的TFTT1-1、T2-1和T3-1的門-源電極間電容(Cg)(三個電容)之和，並且對應於圖16中所示C2。傳送至信號布線M1至M3的電荷信號被放大器A1至A3放大。然後信號CRES被接通以便將電荷傳送至採樣和保持電容CL1至CL3。當信號CRES被切斷時，所傳送電荷被保持於電容CL1至CL3上。隨後移位寄存器103將一個脈衝加於開關Sr1、Sr2和Sr3上以使各開關按照Sr1、Sr2和Sr3的順序一個接一個地接收脈衝。保持於電容CL1至CL3上的信號然後按照CL1、CL2和CL3的順序從放大器104輸出。由光電轉換操作為第一線自S1-1、S1-2和S1-3中獲取的信號隨後被連續地輸出。用於自S2-1至S2-3中讀取第二線信號的操作及用於自S3-1至S3-3中讀取第三線信號的操作以相同方式完成。
如果使用第一線採樣信號將布線M1至M3上的信號採樣和保持於CL1至CL3上，則布線M1至M3能夠由信號CRES復位至GND電位，其後隨以施加於布線G2上的門脈衝。也即，當第一線信號的平行至串行轉換是由移位寄存器SR2完成時，來自光電轉換設備S2-1至S2-3的第二線電荷信號能夠同時被移位寄存器SR1傳送。
能夠用以上所述讀操作將所有光電轉換設備上的對應於第一至第三線的電荷信號輸出。
為獲得一系列移動圖象，圖19的時序圖中所示操作可以按照對應於準備獲得的移動圖象的數量的次數加以重複。
然而，為獲得具有增加數量的象素的移動圖象，必須進一步改進幀頻。
在通過對所有光電轉換設備都公共的Vs線完成刷新操作的情況下，必須為每一幀提供一個刷新周期。這將產生一個問題，即在攝取電影圖象時幀頻將很小，即速度將減慢。
一般而言，作為一個胸腔的簡單攝取圖象的規範的設計，要求一個圖象攝取面積不小於40平方cm及象素間距不大於200μm。例如，當圖象攝取面積是40平方cm及象素間距是200μm時，光電轉換設備的總量是4,000,000。當如此大量的圖象攝取設備準備集合地和同時地被刷新時，刷新時的電流更大。因此，在GND和X射線圖象攝取設備的電源線處的電壓變動較大。在一個具體圖象攝取例子中，在一個促使電壓變動穩定的周期內，必須在X射線輻照之前提供等待周期。這是圖17中所示WAIT周期。也即，為同時地和集合地刷新光電轉換設備，不但必須在一個幀內提供一個刷新周期，而且必須在一個幀內提供一個等待周期。
如上所述，現有技術中的一個技術問題是必須為一個讀操作一次刷新所有圖象攝取設備，因此電影圖象攝取將是困難的。
以下將在本發明實施例中詳細地描述它們。
圖3是用於顯示在刷新周期內圖1中所示光電轉換設備中節點N、G電極和TFT的門電極處的電位的時序圖；圖4是一個包括於代表本發明第一實施例的X射線圖象攝取設備中的光電轉換電路段的兩維電路圖；圖5是用於顯示圖4中所示光電轉換器的操作的時序圖；圖6是一個用於代表本發明第二實施例的X射線圖象攝取設備中的驅動的時序圖；圖7是一個用於代表本發明第三實施例的X射線圖象攝取設備中的驅動的時序圖；圖8是一個用於代表本發明第四實施例的X射線圖象攝取設備的對應於一個象素的部分的等效電路圖；圖9是一個包括於代表本發明第四實施例的X射線圖象攝取設備中的光電轉換電路段的兩維電路圖；圖10是一個根據本發明第四實施例的透視模式和照相模式的原理時序圖；圖11是一個圖10中所示透視模式的時序圖；圖12是一個圖10中所示透視模式的時序圖(顯示與圖11中所示時序不同的時序例子)；圖13是一個傳統光電轉換器的頂視圖，其中使用一個非晶矽半導體薄膜在一個基底上形成光電轉換設備和開關設備；圖14是沿著圖13的線14-14所取剖面圖；圖15A、15B和15C是用於解釋圖13和14中所示光電轉換設備的操作的能帶圖；圖16是一個由一個光電轉換設備和一個TFT組成的傳統光電轉換電路的對應於一個象素的部分的電路圖；圖17是一個用於顯示圖16中所示對應於一個象素的電路的操作的時序圖；圖18是一個包括於傳統X射線圖象攝取設備中的光電轉換電路段的兩維電路圖；
圖19是一個用於顯示圖18中所示光電轉換電路段的操作的時序圖；及圖20是一個用於顯示代表本發明第五實施例的X射線圖象攝取系統的應用的圖。
如此獲得的移動圖象具有增大的幀頻，因為X射線輻照之前的等待時間減少了。
以下參照附圖詳細地描述本發明各實施例。(實施例1)圖1是一個用於代表本發明一個實施例的X射線圖象攝取設備的對應於一個象素的部分的等效電路圖。光電轉換設備由一個用i層形成的電容部件Ci和一個用注入阻止層形成的電容部件Csin所代表。在對應於i層與注入阻止層之間的結合點上(圖1中的節點N)，當光電轉換設備飽和時也即在D電極和節點N(i層)之間不存在電場(只是減小的電場)時，由光線生成的電子和空穴重新彼此組合。因此，在此狀態中，空穴載體無法存儲於部分N中。也即，在任何情況下節點N電位都不會超過D電極電位。為表示此飽和狀態中的操作，一個二極體(D1)並聯地連至圖1中所示Ci。也即圖1中的光電轉換設備由三個部件Ci、Csin和D1表示。
螢光物1001被提供，以便用于波長轉換，即將一個X射線波長轉換為可見光波長。Gd2O2、Gd2O3等用作螢光物的基本材料。稀土元素例如Tb3+或Eu3+被用於發射中心處。選代地，使用CsI的螢光物例如CsITl或CsIN作為基本材料。
一個電源Vs被提供以便在光電轉換設備的D電極上加上一個偏壓。一個薄膜半導體(TFT)被提供用作開關設備。一個讀電容C2被加至信號布線上。一個普通半導體能夠被用作開關設備。然而此實施例中的TFT的使用是優選的，因為由於TFT中放射性射線的吸收而造成的噪音較小。
開關SW-C是一個用於將C2復位至GND電位的開關。開關SW-C由信號RC控制。還提供用於刷新光電轉換設備的電源Vg(on1)，用於接通TFT以便傳送電荷信號至C2的電源Vg(on2)，及用於切斷TFT的電源Vg(off)。
也提供用於在Vg(on1)和Vg(on2)之間進行切換的開關SW-E和用於在Vg(off)和Vg(on1)或Vg(on2)之間進行切換的開關SW-D。一個電容Cg形成於TFT的門電極和漏電極(光電轉換設備一側)之間。
圖2是用於顯示圖1中所示一個象素的電路的操作的時序圖。
將參照圖1和2描述由光電轉換設備和TFT組成的一個象素的電路的操作。
首先描述一個X射線輻照周期。如上所述，X射線以脈衝方式發射。螢光物1001被穿透一個物體的X射線所輻照。螢光物1001將X射線轉換為可見光。來自螢光物的可見光被輻射至半導體層(i層)以便由光電轉換操作轉換為一個電信號。由光電轉換操作產生的空穴載體積累於i層與絕緣層(注入設備層)之間的界面處以便增加節點N處的電位。由於TFT是斷開的，G電極側的電位被相應地增加。在X射線輻照周期內，SW-D被設置為連至V(off)側及SW-C被斷開。
接著描述一個傳送周期。如下所述地完成傳送操作。SW-D被操作以便允許接通TFT，及SW-E被設置為連至Vg(on2)側，從而攔通TFT。對應於由X射線輻照所積累的空穴載體(Sh)數量的電子載體(Se)被驅使自C2側通過TFT流向G電極側，從而增加讀電容C2處的電位。Se和Sh之間的關係由Se＝Sh×Csin/(Csin+Ci)表示。與此同時，C2處的電位被一個放大器放大以便輸出。TFT被維持於接通狀態中一段足夠長的時間以便傳送足夠數量的電荷信號，然後它被切斷。
現在描述一個刷新操作。
圖3是用於顯示節點N、G電極和TFT的門電極處的電位的時序圖。
現在通過例子描述該操作，假設Vs＝9(V)、Vg(off)＝-5(V)、Vg(on1)＝12(V)和Vg(on2)＝30(V)。
為開始刷新操作，SW-D被操作以便允許接通TFT，及SW-E被設置為連至Vg(on1)側，及SW-C被接通。當給定一個電位差ΔV＝35V將TFT的門電壓自Vg(off)＝-5(V)增加至Vg(on1)＝30(V)時，35V電壓加於電容Cg、Csin和Ci上從而使電荷瞬時地分布開(電荷分離)。G電極處電位的增加和節點N處電位的增加由電容Cg、Csin和Ci決定。然而，節點N處的電位不超過9V，因為存在二極體D1。當一個電壓例如Vg(on1)被加上以便將節點N處的電位增加至超過9V時，空穴載體被驅使向著D電極側移動以供刷新之用，而節點N電位被維持為9V。一度由於電荷分離而增加的G電極處電位隨後衰減至GND電位，其衰減時間常數由TFT的接通電阻Ron和光電轉換設備的電容((Csin//Ci)串聯的電容Csin和Ci的總電容)所確定。與此同時，節點N處的電位也和G電極處同樣地衰減。相對於G電極衰減量ΔVG的節點N衰減量ΔVN被表達如ΔVn/ΔVg＝Csin/(Csin+Ci)。節點N處的電位衰減量ΔVN確定下一個光電轉換操作所積累的空穴載體數量。節點N、G電極和TFT的門電極處的電位被顯示於圖3的時序圖中。
最後描述一個復位操作。為開始進行復位操作，開關SW-C被接通。電容C2然後被復位至GND電位，從而為下一個傳送操作作準備。
圖2中沒有顯示對應於圖17中所示的等待周期。以下將參照圖3和4解釋其理由。
圖4是一個包括於本發明第一實施例的X射線圖象攝取設備中的光電轉換器的兩維電路圖。為便於描述，只闡述對應於3×3＝9個象素的那部分轉換器。光電轉換設備由S1-1至S3-3標示；開關設備(TFT)由T1-1至T3-3標示；用於將TFT接通和切斷的門布線由G1-1至G3-3標示；及信號布線由M1至M3標示。Vs線是用於將一個存儲電壓施加於光電轉換設備上的布線。由實心矩形表示的光電轉換設備電極是G電極，而其對面的電極是D電極。Vs線的部分供D電極使用。為便於光線進入，使用一層薄N+層以形成D電極。為改進進入效率，可以使用例如一種由銦錫氧化物(ITO)組成的透明電極。S1-1至S3-3、T1-1至T3-3、G1至G3、M1至M3和Vs線這些部件組被集合地稱為光電轉換電路段(101)。Vs線由一個Vs電源106A加電。移位寄存器102被用於提供驅動脈衝電壓至布線G1至G3。用於將TFT接通的電壓由外部提供。作為這個電源，使用兩個外部電源VG(on1)和VG(on2)，它們由開關SW-E選擇。該電壓被應用線連續地改變以便完成逐行刷新操作。在一個提供的讀電路段107中來自光電轉換電路段101中布線M1至M3的平行信號輸出被放大和轉換為一個串行信號以供輸出。優選地，一個讀電路包括IC晶片以便實現高速處理。在讀電路段107中提供開關RES1至RES3，用於將以下部件復位M1至M3、用於把來自M1至M3的信號放大的放大器A1至A3、用於暫時存儲由放大器A1至A3放大的信號的採樣和保持電容CL1至CL3、用於採樣和保持的開關Sn1至Sn3、緩存放大器B1至B3、用於將平行信號轉換為串行信號的開關Sr1至Sr3、用於將供平行至串行轉換用的脈衝提供給開關Sr1至Sr3的移位寄存器103以及用於輸出轉換的串行信號的緩存放大器104。
圖5是用於顯示圖4中所示光電轉換器的操作的時序圖。
以下參照圖5的時序圖描述圖4中所示光電轉換器的操作。
首先描述光電轉換周期。所有光電轉換設備的D電極都處於接受讀電源電壓VS(正電壓)的狀態中。所有來自移位寄存器102的信號都是「Lo」及所有開關TFT(T1-1至T3-3)都被切斷。當在此狀態中一個光源以脈衝方式被接通，每個光電轉換設備被光線輻照，以及在光電轉換設備的i層中產生電子和空穴載體。電子被Vs驅使向著D電極移動，而空穴則積累於光電轉換設備中的i層與絕緣層之間的界面處，並且即使在X射線源被切斷後也仍然被保持住。
接著描述一個讀周期。
一個讀操作按照以下順序完成對應於S1-1至S1-3的第一線、對應於S2-1至S2-3的第二線和對應於S3-1至S3-3的第三線。首先，自S1-1至S1-3中讀取第一線信號，該移位寄存器SR1提供一個門脈衝給連至開關設備(TFT)T1-1至T1-3的門布線G1。此時被提供的門脈衝的高電平是外部提供的電壓Vg(on2)。因此TFT T1-1至T1-3被接通，以及積累於S1-1至S1-3中的電荷信號被傳送至信號布線M1至M3。讀電容(圖4中未示出)被加至信號布線M1至M3上及電荷信號通過TFT被傳送至讀電容。例如，被加至信號布線M1上的讀電容是連至信號布線M1的TFT T1-1、T2-1和T3-1的門-源電極間電容(Cg)(三個電容)之和，並且對應於圖1中所示C2。傳送至信號布線M1至M3的電荷信號被放大器A1至A3放大。然後信號CRES被接通以便將電荷傳送至採樣和保持電容CL1至CL3。當信號CRES被切斷時，所傳送電荷被保持於電容CL1至CL3上。隨後移位寄存器103將一個脈衝加於開關Sr1、Sr2和Sr3上以使各開關按照Sr1、Sr2和Sr3的順序一個接一個地接收脈衝。保持於電容CL1至CL3上的信號然後按照CL1、CL2和CL3的順序從放大器104輸出。隨後由光電轉換操作為第一線自S1-1、S1-2和S1-3中獲取的信號被連續地輸出。用於自S2-1至S2-3中讀取第二線信號的操作及用於自S3-1至S3-3中讀取第三線信號的操作以相同方式完成。
如果使用第一線採樣信號將布線M1至M3上的信號採樣和保持於CL1至CL3上，則來自S1-1至S1-3的信號被從光電轉換電路段101中輸出。因此，當平行至串行轉換是由讀電路段107中的開關Sr1至Sr3完成時，能夠完成用於刷新S1-1至1-3的操作和用於將段101中的布線M1至M3復位的操作。
如下描述地完成S1-1至S1-3的刷新操作。開關RES1至RES3被信號CRES接通以便將加於門布線的電壓Vg(on1)施加於TFT上。電壓Vg(on1)被設置為高於電壓Vg(on2)。此後當開關RES1至RES3被保持於導電狀態中時，TFT被切斷以便將信號布線M1至M3的讀電容復位至GND電位。在將布線M1至M3復位之後，能夠將門脈衝加於線G2上。也即，當移位寄存器SR2完成第一線信號的平行至串行轉換時，移位寄存器SR1能夠與此同時地完成光電轉換電路段101中光電轉換設備S1-1至S1-3的刷新操作、布線M1至M3的復位及第二線光電轉換設備S2-1至S2-3上的電荷信號的被傳送至布線M1至M3。
所有第一線至第三線光電轉換設備上的電荷信號能夠用以上所述操作被輸出。
有可能通過重複以上所述光電轉換周期和讀周期的一個過程而獲得一系列移動圖象。如這個實施例的時序圖中所示，該刷新周期不是獨立地被設置，以使在獲得移動圖象的情況下設置的幀頻能夠被有效地增加。同時刷新所有光電轉換設備的傳統方法要求設置一個等待周期，用於減少由於刷新時生成的暗電流分量所引起的GND和電源波動。相反，在此實施例中完成逐線刷新。因此同時被刷新的光電轉換設備的數量要小得多，從而不需要特地設置一個等待周期，這意味著能夠增加移動圖象幀頻。(實施例2)圖6是一個顯示用於代表本發明第二實施例的X射線圖象攝取設備中的驅動的時序圖。當圖2的時序圖顯示以脈衝方式輻射X射線的方法時，圖6的時序圖顯示以恆定強度輻射X射線的方法。在此情況下，光電轉換周期被定義為完成刷新的時刻與開始傳送的時刻之間的周期。醫學用途的實際X射線圖象攝取設備具有大量象素(N行×M列)。例如，第一行中的光電轉換設備具有的光電轉換周期大體上等於第二至第N條線即總共N-1條線的讀周期之和，即除用於在它們自身中完成傳送、刷新和復位的周期以外的周期。其他行中的每一行中的光電轉換設備具有一個以相同方式確定的光電轉換周期，即除用於在它們自身中完成傳送、刷新和復位的周期以外的用於讀取N-1條線的周期。例如，第100條線中的光電轉換設備所具有的一個光電轉換周期大體上等於第101條至第N條線的讀周期與下一幀中第一條至第99條線的讀周期之和，即總共N-1條線的讀周期。也即，在其特徵為以恆定強度輻射X射線的這個實施例中光電轉換周期可以自一幀伸展至另一幀。然而，所有光電轉換設備都具有相同光電轉換周期並且沒有不正常條件結果。
在此實施例中，X射線輻照周期即圖2或5中所示光電轉換周期能夠被去除，以便進一步有利地增加幀速率。此外，與脈衝輻射方法比較，能夠減少X射線強度以便減輕對X射線源和電源的負擔。(實施例3)圖7是一個顯示用於代表本發明第三實施例的X射線圖象攝取設備中的驅動的時序圖。當圖6的時序圖中所示實施例中的布線M1至M3在光電轉換設備的刷新操作之後被復位時，圖7中所示實施例中的光電轉換設備刷新操作和布線M1至M3的復位操作是同時完成的。刷新操作的必要條件與復位操作的條件相同，以及通過使用控制信號CRES(控制信號RC)來接通圖1中所示開關SW-C或圖4中所示開關RES1至RES3。因此刷新操作和復位操作能夠彼此同時地完成。由於在此實施例中X射線也是以恆定強度輻射的，一行中的光電轉換設備所具有的光電轉換周期大體上等於N-1條線的讀周期之和，即除用於在它們自身中完成傳送、刷新和復位的周期以外的周期，如同第二實施例。
在此實施例中，圖6中所示復位周期能夠被去除，以便能夠比第二實施例進一步有利地增加幀速率。此外，與第一實施例比較，能夠減少X射線強度以便減輕對X射線源和電源的負擔，如同第二實施例。(實施例4)圖8是一個用於代表本發明第四實施例的X射線圖象攝取設備的對應於一個象素的部分的等效電路圖。雖然在圖1中所示電路中光電轉換設備的D電極處於恆定電壓VS下，圖8中所示電路中的開關SW-F能夠選擇性地施加電壓VS和電壓Vref。此實施例的特徵在於允許選擇自G電極側或自D電極側施加光電轉換設備的刷新電壓。例如，在要攝取一個靜止圖象的情況下，自D電極側施加刷新電壓的方法用於完成例如圖7時序圖中所示操作。在要獲得多個靜止圖象的情況下，自G電極側施加刷新電壓的方法用於完成例如圖2時序圖中所示操作。在此實施例中，能夠使用一個X射線圖象攝取設備在攝取一個靜止圖象的模式(照相模式或靜止圖象模式)和獲取移動圖象的模式(透視模式或移動圖象模式)中的每一個模式中完成照相。圖9是一個代表本發明第四實施例的X射線圖象攝取設備中的兩維電路圖。圖9中所示電路與圖4中所示電路的不同之處在於能夠利用控制信號VSC將傳感器電源線在電壓VS與電壓Vref之間切換。圖10是一個用於顯示在照相中自透視模式(移動圖象模式)過渡到照相模式(靜止圖象模式)的原理時序圖。圖11是一個用於顯示圖9中所示電路的透視模式中的操作的時序圖。也即，在透視模式中，圖10中所示時序操作被重複。在透視模式的周期內，一個照相師監視物體(病人)的透視圖象以便確定該物體的位置和角度從而完成一個靜止圖象的照相。通常在此周期內，該物體用相對低的劑量率的X射線輻照。當該照相師輸入一個曝光請求信號(一個表達照相師將靜止圖象照相的願望的信號)至該設備時，促使模式從透視模式過渡至照相模式。照相模式中的操作時序與圖19中所示的相同。根據此實施例，當在要求獲得移動圖象而進行快速刷新的情況下完成G電極側電壓的逐線控制時，在對靜止圖象進行照相的情況下完成D電極側電壓的控制。有利的是，如果完成此加電操作，則能夠設置一個高刷新電壓從而保證一個大的動態範圍。
如圖9中所示，一次只設置一個的透視模式和照相模式的依次關係並不是唯一的。例如，能夠交替地設置透視模式和照相模式，重複地自透視模式換至照相模式，回至透視模式，然後再照相模式，這取決於將物體照相的組合方式。
圖12是一個與圖11中所示時序不同的透視模式時序圖，其不同處在於不是以脈衝方式輻射X射線。在圖12中所示時序的情況下，讀周期和光電轉換周期能夠被並發地設置以便允許有利地增加透明模式中的操作頻率。此外，由於X射線源不被用作以脈衝方式輻射X射線，因此能夠減少X射線源的負載。
在將本發明應用於透視設備的情況下，可以如此安排以便於在透視模式中通過完成來自TFT門的刷新操作而獲得一個連續圖象，以及當在完成透視操作定位後過渡至一個靜止圖象照相模式時，便於完成來自SW-F側的刷新操作從而獲得一個高S/N靜止圖象。通常來自SW-F側的刷新操作的刷新效率高於來自TFT側的刷新效率，以及由前者完成的S/N也較高。在將一個不需要高S/N的透視定位圖象進行照相的情況下使用來自TFT門的刷新操作是合理的。此外，在將一個需要高S/N及改進的圖象質量的靜止圖象進行照相的情況下使用來自SW-F側的刷新操作是合理的。
(實施例5)圖20顯示使用一個射線照相圖象攝取設備將本發明應用於X射線診斷系統的例子。
X射線管6050中生成的X射線6060穿透一個病人的胸部6062或一個物體6061，並且進入一個具有安裝於其上的螢光物的光電轉換器6040。進入轉換器的X射線具有關於病人6061身體內部的信息。該螢光物發射對應於射入於其上的X射線的光線。此光線被光電轉換操作轉換為電信息。此信息被轉換為數字形式並且經受由圖象處理器6070所完成的圖象處理。在圖象處理之後，該信息能夠在控制室內通過顯示器6080進行觀察。
此外，此信息能夠被一個傳送裝置例如一條電話線6090傳送至遠處，以便顯示於醫生房間等內的顯示屏6081上或者存於存儲裝置例如光碟上以供醫生在遠處診斷之用。該信息也能由一個膠片處理器6100記錄於膠片6110上。
權利要求
1.一種射線照相圖象攝取設備，包括一個基底；多個象素，它們之中每一個都由一個MIS型光電轉換設備和一個開關設備組成，這些象素被兩維地排列於基底上；連至開關設備的控制電極的多條控制布線；用於從MIS型光電轉換設備讀取信號的多條信號布線；及第二開關設裝置，用於切換一個偏壓以將開關設備接通至一個第一偏壓和一個第二偏壓中的至少一個。
2.根據權利要求1的射線照相圖象攝取設備，其中第一偏壓是一個供刷新操作用的偏壓，該刷新操作用於肅清殘留於MIS型光電轉換設備中的載體，及第二偏壓是一個傳送偏壓，用於將積累於MIS型光電轉換設備中的電荷信號傳送至信號布線中的相應的一個中。
3.根據權利要求1的射線照相圖象攝取設備，其中公共地連至控制布線中的一個的開關設備被第二偏壓接通以便完成傳送操作，且連至該控制布線的開關設備隨後被第一偏壓接通以便完成相對於每條線的刷新操作。
4.根據權利要求1的射線照相圖象攝取設備，其中一種非晶矽半導體用作MIS型光電轉換設備和開關設備的材料。
5.根據權利要求1的射線照相圖象攝取設備，其中該開關設備包括一個薄膜半導體。
6.根據權利要求5的射線照相圖象攝取設備，其中MIS型光電轉換設備由一層形成為低電極的第一金屬薄膜層、一層非晶矽氮化物絕緣層(a-SiNx)、一層加氫處理非晶矽光電轉換層(a-SiH)、一層用於阻止注入空穴的N型注入阻止層及作為高電極被放置於透明導電層或注入阻止層的一部分上的第二金屬薄膜層所組成，這些層按照所述順序被安排於基底上；開關設備由一層形成為低門電極的第一金屬薄膜層、一層非晶矽氮化物門絕緣層(a-SiNx)、一層加氫處理非晶矽半導體層(a-SiH)、一層N型電阻觸點層及形成為源和漏電極的透明導電層或第二金屬薄膜層所組成，這些層按照所述順序被安排於基底上；在刷新模式中，一個電場在一個方向內被加於MIS型光電轉換設備上以驅使空穴自光電轉換層移向第二金屬薄膜層；在光電轉換模式中，一個電場在一個方向內被加於MIS型光電轉換設備上以使由於光線進入光電轉換層而生成的載體停留於光電轉換層內，及驅使也由光線生成的電子載體移向第二金屬薄膜層；以及光電轉換模式中積累於光電轉換層內的空穴載體或者被驅使移向第二金屬薄膜層的電子載體被檢測為光信號。
7.根據權利要求1的射線照相圖象攝取設備，還包括一個用於完成輻射波長轉換的波長轉換部件。
8.根據權利要求1的射線照相圖象攝取設備，其中第一偏壓高於第二偏壓。
9.根據權利要求1的射線照相圖象攝取設備，還包括一個用於將偏壓施加於光電轉換設備上的偏壓布線。
10.根據權利要求9的射線照相圖象攝取設備，還包括一個用於改變加於偏壓線上的偏壓的第三開關裝置，其中包括至少一個由第三開關裝置切換的第三偏壓是一個用於第二刷新操作的偏壓。
11.根據權利要求10的射線照相圖象攝取設備，其中第二刷新操作供靜止圖象用。
12.一種用於驅動根據權利要求2的射線照相圖象攝取設備的方法，包括藉助第一偏壓完成刷新操作，以便肅清殘留於MIS型光電轉換設備中的載體；及藉助第二偏壓將積累於MIS型光電轉換設備中的電荷信號傳送至信號布線中。
13.根據權利要求10的射線照相圖象攝取設備，其中相對於每個傳感器行完成刷新操作，以便獲得移動圖象，從而在已經相對於第n傳感器行完成信號傳送操作之後，完成第n傳感器行的刷新操作。
14.一種用於驅動根據權利要求10的射線照相圖象攝取設備的方法，包括一種透視模式，其中第一偏壓被加於光電轉換設備上以便刷新該設備；及一種照相模式，其中第三偏壓被加於光電轉換設備上以便刷新該設備。
15.一種射線照相圖象攝取系統包括一個根據權利要求1的射線照相圖象攝取設備；通過輻射對射線照相圖象攝取設備進行輻照的輻照裝置；一個信號處理電路，用於處理來自射線照相圖象攝取設備的信號；記錄裝置，用於記錄來自信號處理電路的信號；一個顯示裝置，用於顯示來自信號處理電路的信號；及傳送處理裝置，用於傳送來自信號處理電路的信號。
全文摘要
提供一種射線照相圖象攝取設備，包括一個基底；多個象素，它們之中每一個由一個MIS型光電轉換設備和一個開關設備組成，這些象素被兩維地排列於基底上；連至開關設備的控制電極的多條控制布線；用於從MIS型光電轉換設備中讀取信號的多條信號布線；及用於將開關設備接通至第一偏壓和第二偏壓中的至少一個而切換偏壓的第二開關設單元。
文檔編號H04N3/15GK1391288SQ0212273
公開日2003年1月15日 申請日期2002年6月7日 優先權日2001年6月7日
發明者遠藤忠夫 申請人:佳能株式會社