专利名称：多模式数字成像装置和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字成像领域，特别涉及多模式数字成像装置和系统。
背景技术：
有源(active)矩阵平板成像器(AMFPI)因其大面积读出能力在数字成像领域以及近来在诊断医学成像应用中都具有相当重要的意义。形成有源矩阵基本单元的像素包括一个探测器和一个读出电路，以高效地将收集到的电子传送给用于获取数据的外部电子设备。最常用于大面积X射线成像的像素结构是如
图1a所示的无源(passive)像素传感器(PPS)。这里，一个探测器，例如，基于非晶硒(a-Se)的光电导体或者耦合到非晶硅(a-Si:H)p-i-n光电二极管的碘化铯(CsI)荧光体，和一个包括一个a-Si:H薄膜晶体管(TFT)开关的读出电路集成在一起。在积分周期内信号电荷累积到像素电容上，并在读出/复位周期内通过TFT开关传送到外部电荷放大器。这个电容可以是p-i-n光电二极管电容或者是针对a-Se光电导体方案的集成存储电容器。图1b示出了PPS像素一个工作序列的时序图。周期110和120分别表示积分周期和读出/复位周期。也可能是其它序列，例如，在引入双采样机制的场合，其中，双采样机制一般用来校正电路内部非均匀的影响。这些非均匀可能包括表现为偏移量的过程非均匀，以及在使用a-Si:H技术的情况下由于晶体管的不稳定性而引起的像素电路性能非均匀。例如，国际公报No.WO9634416和No.WO9705659进一步公开了使用PPS结构的用于辐射成像的平板探测器。
尽管PPS具有小巧的优势，并因此适合于高分辨率成像，但读取针对低输入、实时、大面积应用，如低剂量荧光透视(fluoroscopy)等，的PPS的小输出信号要求有高性能的电荷放大器。这些电荷放大器可能会潜在地引入会降低低电平信号的信噪比(SNR)的噪声，从而损害像素动态范围。尤其是，由于其对实时读出的要求，荧光透视可能是平板成像系统面临的最苛刻的应用之一。实时X射线成像或荧光透视应用于很多医疗介入程序，其中导管在X射线引导下穿过动脉系统。对这些类型的荧光透视而言，技术难点是需要极低的噪声，或者反过来说需要在读出之前增强信号。在a-Si:H PPS像素方面的研究表明，为了将这些系统用于更高级的成像应用中有必要将SNR提高一个数量级。
国际公报No.WO02067337中公开了提高SNR的一种方法，其中公开了可以通过借助如图2a所示的a-Si:H电流调解(current-mediated)有源像素传感器(C-APS)进行原位或像素放大来提高SNR。增益、线性度和噪声的报告结果显示SNR获得了提高，而且表明a-Si:H C-APS连同既定的X射线探测技术如a-Se或CsI/p-i-n光电二极管等一起，就可以满足数字X射线荧光透视严格的噪声要求，即噪声电子不超过1000。
为了将易受噪声干扰的小输入信号放大，例如在荧光透视中，C-APS像素可以用于三个工作周期中复位周期、积分周期和读出周期。图2b示出了使用双采样机制的C-APS读出电路的操作方法的时序图。在这个序列中，在积分周期210期间，READ(读)晶体管24和RESET(复位)晶体管21关闭，而AMP_RESET(放大_复位)晶体管27打开。光子入射到探测器22上，激发出电子-空穴对，电子-空穴对对节点201处的电容器CDETECTOR充放电，从而使节点201处的电压VG增大或减小ΔVG。CDETECTOR主要包括探测器22电容和可能使用的任何存储电容器。
读出周期220在积分周期210之后，在这一周期中，READ晶体管24打开，RESET晶体管21关闭，AMP_RESET晶体管27关闭，从而与VG±ΔVG成正比的电流IBIAS±ΔIBIAS流入AMP(放大)晶体管23和READ晶体管24支路。然后电荷放大器2 5对电流IBIAS±ΔIBIAS积分，以获得并在放大器反馈电容器26上存储输出电压VOUT1。
复位周期230紧随读出周期220，其中RESET晶体管21脉冲地打开，电容器CDETECTOR充电或放电，以使节点201处的电压回复至VG，同时RESET晶体管21打开。在这个复位周期期间，READ晶体管24关闭，AMP_RESET晶体管27打开。
为了执行双采样操作，在复位周期230之后还有另外一个读周期240，其中READ晶体管24再次打开，RESET晶体管21关闭，AMP_RESET晶体管27关闭。IBIAS通过电荷放大器25积分，以获取并在反馈电容器26上存储输出电压VOU2。从VOU2中减去VOUT1得到ΔVOUT，ΔVOUT能免受非均匀的影响，并且与ΔVG成正比。
ΔIBIAS与ΔVG成正比，关系如下ΔIBIAS＝gmΔVG其中，gm是AMP晶体管23和READ晶体管24读出电路支路的跨导。
C-APS产生电荷增益Gl来放大易受噪声干扰的输入信号。C-APS的Gl为Gl＝(gmTs)/CDETECTOR其中Ts是IBIAS和ΔIBIAS在反馈电容器26上积分的时间。由上面的等式可以看出，通过gm、Ts并通过选择合适的CDETECTOR，Gl是可编程的。
C-APS电路的一个问题是对X射线输入信号的小信号线性度限制。使用这样的像素放大器做曝光量(exposure level)小的实时荧光透视是可行的，因为放大器输入处的电压变化也小，在毫伏量级。但是，在诸如数字胸部放射照相术(radiography)、乳腺造影法(mammography)或更高剂量的荧光透视之类的应用中，由于X射线曝光量较大，放大器输入处的电压变化会大得多，这将造成C-APS像素输出呈非线性，从而缩小像素动态范围。非线性像素传递函数的另一个后果是这种非线性使得标准的双采样机制不能用硬件实现。
此外，C-APS像素还有另一个缺点是存在大输出电流，这导致外部或面板外(off-panel)电荷放大器达到饱和。因为gm与IBIAS成正比，所以当要求大电荷增益时，也会产生大的像素输出电流。
国际公报No.WO02067337中公开的另一种方法介绍了近单位增益像素放大器，即a-Si:H电压调解(voltage_mediated)有源像素传感器(V-APS)。图3示出了一种V-APS结构。READ晶体管34、AMP晶体管33和RESET晶体管31是V-APS像素的元件，并且以与在C-APS像素中相似的方式运行。阻性负载35连接到像素输出节点，以将AMP晶体管33和READ晶体管34支路中的电流转换为输出电压。阻性负载35可包括电阻负载器件或晶体管负载器件。输入信号电压VG转换为具有近单位增益的像素输出电压VOUT。与C-APS类似，V-APS可以用于三个操作周期复位周期、积分周期和读出周期。与C-APS类似，双采样机制也可以应用到V-APS中，以校正电路内部非均匀的影响。V-APS结构的一个问题是基本上没有为输入信号提供增益。另外，以现有的a-Si:H技术，当大列总线电容充放电时，采用这种结构很难实现实时读出。
因此，在计及大的像素输出电流、以获得高增益的同时，有必要提供一种像素设计，既能实现实时读出又能检测更大范围的输入信号。
提供此背景信息的目的是使申请人认为可能与本发明有关的信息被知晓。并不必然意味着承认，也不应该被解释为，任何前述信息构成本发明的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一个多模式数字成像装置和系统。根据本发明的一方面，提供了一个数字成像装置，包括响应入射到其上的光子产生第一信号的探测器；和，连接到所述探测器的多模式读出电路，用于接收所述第一信号并产生表示所述第一信号的第二信号，所述多模式读出电路可在两种或更多种工作模式之间切换，所需工作模式基于所述第一信号的特性确定。
根据本发明的另一方面，提供了一个包括数字成像装置阵列的数字成像系统，每个数字成像装置包括响应入射到其上的光子产生第一信号的探测器；和，连接到所述探测器的多模式读出电路，用于接收所述第一信号并产生表示所述第一信号的第二信号，所述多模式读出电路可在两种或更多种工作模式之间切换，所需工作模式基于所述第一信号的特性确定。
根据本发明的另一方面，提供了一个数字成像装置，包括响应入射到其上的光子产生第一信号的探测器；和，连接到所述探测器的读出电路，用于产生表示所述第一信号的第二信号，所述读出电路包括产生所需信号的电流相减电路，所述读出电路将所述第二信号和所述所需信号组合，并且所述读出电路产生表示所组合的第二信号和所需信号的第三信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种数字成像方法，包括步骤探测器探测入射到其上的光子；探测器响应光子产生第一信号；连接到探测器的多模式读出电路接收所述第一信号；多模式读出电路产生表示第一信号的第二信号，所述多模式读出电路可在两种或更多种工作模式之间切换，所需工作模式基于所述第一信号的特性确定；将所述第二信号传送到数字信号处理器。
根据本发明的另一方面，提供了一种数字成像方法，包括步骤探测器探测入射到其上的光子；探测器响应光子产生第一信号；连接到探测器的读出电路接收所述第一信号；读出电路产生表示第一信号的第二信号，所述读出电路包括产生所需信号的电流相减电路；将所述第二信号和所述所需信号组合；产生表示所组合的第二信号和所需信号的第三信号；将所述第三信号传送到数字信号处理器。
附图简述图1图解了根据现有技术的无源像素传感器(PPS)。
图1b图解了图1a的PPS的一个时序图例子。
图2a图解了根据现有技术的电流调解有源像素传感器(C-APS)。
图2b图解了图2a的C-APS的一个时序图例子。
图3图解了根据现有技术的电压调解有源像素传感器(V-APS)。
图4a图解了本发明一个实施方案的一种四晶体管像素、双模式实现。
图4b图解了图4a实施方案的一个时序图例子。
图4c图解了根据一个实施方案在3×3阵列中实现的图4a的实施方案。
图5a图解了本发明一个实施方案的一种三晶体管像素、双模式实现。
图5b图解了图5a实施方案的一个时序图例子。
图6图解了本发明一个实施方案的一种三晶体管像素、双模式实现。
图7a图解了本发明一个实施方案的一种三晶体管像素、双模式实现。
图7b图解了图7a实施方案的一个时序图例子。
图8图解了本发明一个实施方案的一种三晶体管像素、双模式实现。
图9图解了本发明一个实施方案的三模式实现。
图10图解了本发明一个实施方案的三模式实现。
图11图解了根据本发明的一个实施方案实现的、具有电流相减电路的图4a的实施方案。
图12图解了根据本发明的一个实施方案实现的、具有电流相减电路的图5a的实施方案。
图13图解了根据本发明的一个实施方案实现的、具有电流相减电路的图7a的实施方案。
图14图解了根据本发明的一个实施方案实现的、具有电流相减电路的图10的实施方案。
具体实施例方式
定义术语“探测器”用来定义将电磁波谱任意区域内的辐射光子转换成电荷的设备。
术语“传感器”用来定义一个或多个探测器和读出电路的组合。
术语“单位增益”用来定义电流或电压增益，使得对输入信号施加该增益而获得的输出信号与输入信号具有相同的或不同的量值。
除非另有定义，这里使用的所有技术和科学术语都与本发明所属技术领域的普通技术人员普遍理解的含义相同。
本发明提供了一种包括连接到读出电路的探测器的数字成像结构，其中读出电路在特定模式下运行，采用何种特定模式可取决于从探测器传送到读出电路的输入信号的特性，或者可取决于所要求的来自读出电路的输出信号的特性。每个探测器响应入射到探测器上的光子生成光载波，并产生电荷，这导致探测器两端的电压发生变化。这一电压变化引起传送到读出电路的输入信号，然后读出电路输出表示输入信号的电流或电荷。例如，当输入信号具有一特定量值时，读出电路可以在第一模式下运行，在第一模式下，可将输入信号放大到可测量的水平；并且当输入信号具有另一量值时，读出电路可在另一种模式下运行，在该另一种模式下，可将输入信号以不同的放大倍数放大后读出或者在不放大的情况下读出。就在诸如低剂量荧光透视、高剂量荧光透视、胸部放射照相术和乳腺造影法之类的应用中实现本发明而言，两种模式可以为这些X射线探测技术或其它容易理解的探测技术提供足够的动态范围。但是，可以实现附加模式，以为输入信号提供多种放大等级，例如，可以实现三种或更多种读出电路的工作模式。另外，可以使用不止一种模式读出同一输入信号。在一些实施方案中，可以手动或自动启动对读出电路的工作模式的选择。例如，自动切换系统可包括一个能够自动选择读出电路的适当工作模式的反馈电路，或一个预编程序列以实现自动选择读出电路的适当工作模式，或任何其它容易理解的能够自动选择读出电路的适当工作模式的装置。因此，本发明的数字成像装置和系统能提供大的动态探测范围，不仅能够读取稍微放大或未放大的大信号，还能够放大来自探测器的敏感输入信号以提高输入信号对于外部噪声源的抗干扰性，并且在两种情况下均具有快速像素读出时间。
本发明的实施方案还通过在读出电路中实现一个电流相减电路，提供了进一步增大动态探测范围的装置。例如，当采用高电荷增益时，这个电流相减电路可用来减小流过读出电路中可能会饱和的部分的电流总量。通过实现对输入信号更大程度的放大使得能够探测更小的输入信号，利用这一点，降低总输出电流可导致传感器的动态范围增大。
每个像素通常都包括一个探测器，但是，应该预期到每个像素内可以有不止一个探测器。另外，读出电路可以部分在面板上(on-panel)像素内、部分在成像面板外，或者基本在成像面板上。成像面板可以是刚性的，例如包括一个玻璃基板，或者是柔性的，例如包括柔性塑料或软金属基板。另外，本发明可以包括不止一个成像面板。例如，一个面板可包括传感器的一些部分，另一个面板可包括传感器的其余部分。而且，像素电子设备可装配到单个芯片或多个芯片上。此外，像素内部的读出电路可以在物理上与探测器位于同一平面，或者这个读出电路可以埋置在探测器下面或装配到探测器上面，以提供高填充因素。
在一个阵列中，读出电路中对一行、一列或一群像素而言通用(common)的部分可以在这些像素之间多路复用。因此本技术领域的技术人员容易理解的是，在本发明的各种实施方案中，通用的行、列或群读出电路可以在像素间多路复用，这可能需要附加的电路，例如，切换电路或多路复用电路。另外，还可以使用多路复用器，以通过减少例如一行、一列或一群像素所需的放大器的总数来降低读出电路复杂度。而且，还可以实现通用的行或列读出电路，使得该通用读出电路对每个像素来说都是专用的。还会理解的是，各种实施方案的像素可以在任何尺寸的阵列中实现。而且，如果已确定读出电路的部分由一列或多列像素共用，那么应该理解该电路可以等效地由一行或多行像素或者由一群或多群其他像素共用。
本发明的实施方案可以借助各种切换和定时序列执行。例如，在采用双采样技术的情况下，晶体管切换和定时序列可能与没有采用双采样技术的序列不同。在这里所描述的本发明的不同实施方案中，提供了有关晶体管切换和定时周期和序列的例子，对本技术领域的技术人员来说明显的是，很多其它周期和序列也是可能的。
探测器可以是任何类型的探测器，例如，如基于a-Si:H、非晶硒或镉-锌-碲化合物(cadmiumzinc telluride)的探测器之类的固态光电探测器或者任何其他合适的探测器。另外，还可以使用诸如钼肖特基二极管之类的基于直接探测的探测器以及间接探测探测器，后者如那些包括荧光体的探测器，例如，硫氧化钆(gadoliniumoxysulide)探测器或碘化铯探测器。本技术领域的技术人员容易理解的是，此外还可以使用任何其它类型的用于X射线探测的探测器。本发明的各种实施方案中使用的晶体管可以是非晶硅(a-Si:H)薄膜晶体管(TFT)、多晶硅TFT、微晶硅TFT、超微晶硅TFT、晶体硅晶体管，或任何其它类似的本技术领域的技术人员容易理解的器件。在进一步的实施方案中，本技术领域的技术人员容易理解的是，通过选择探测器和读出电路的器件从而探测电磁波谱的适当部分，利用本发明可以探测电磁波谱任意区域内的辐射。
本技术领域的技术人员容易理解的是，本发明可以用于任何数字成像应用中。例如，本发明可以应用于医疗成像、X射线检查系统(如在机翼检查中)、安全系统(例如机场行李筛选)、非破坏性材料测试、放射照相术或光学成像以及其它形式的容易理解的数字成像应用。
图4a示出了根据本发明的一个实施方案的成像结构。在这个实施方案中，当输入信号可能较小时，读出电路可以在放大模式下运行，例如在诸如低剂量、实时、X射线荧光透视之类的应用中；当输入信号可能较大时，读出电路可以在单位增益模式下运行，例如在诸如较高能量的、实时、X射线荧光透视或胸部放射照相术之类的对比度较高的成像应用中。在图4a的实施方案中，成像面板上的每个像素400内部有RESET晶体管41、READ1晶体管42、探测器43、AMP晶体管44和READ2晶体管45。电荷积分器471、电荷积分器472、反馈电容器461、反馈电容器462、AMP_RESET1晶体管481和AMP_RESET2晶体管482构成读出电路的部分，用来从像素读出信号，并且可以是面板外或面板上元件。
可以采用放大或单位增益模式读出来自探测器4 3的输入信号。放大模式和单位增益模式可以用来读出同一输入信号，因为在放大模式工作期间，信号读出对输入信号基本上是“非破坏性的”，因此输入信号仍然可用于之后在单位增益模式下的读出。由于单位增益模式工作期间的读出具有“破坏性”特性，所以这种模式的读出一般在放大模式读出之后执行。为了单独在放大模式下运行传感器以获取易受噪声干扰的小输入信号，READ1晶体管42关闭。在这种模式下，读出电路可以运行在复位、积分和读出周期。为了单独在单位增益模式下运行传感器，READ2晶体管45和RESET晶体管41关闭，读出电路可以运行在复位/读出周期和积分周期。
图4b示出了一个序列的时序图例子，其中来自探测器43的输入信号先以放大模式读出，然后以单位增益模式读出。在这个序列中，使用了五个周期，即，积分周期410、放大模式读出周期420、电荷放大器复位周期430、单位增益模式读出周期440和复位周期450。本领域的技术人员容易理解的是，可以使用后续信号处理方法解译(interpret)读出电路输出信号。例如，在输入信号不在特定模式的动态测量范围内的情况下，这将通过信号处理装置进行适当的解译。
在积分周期410期间，READ1晶体管42、READ2晶体管45和RESET晶体管41关闭，而AMP_RESET1晶体管481和AMP_RESET2晶体管482打开。光子入射到探测器43上，激发出电子-空穴对，电子-空穴对对探测器43的电容CDETECTOR充放电，这样节点401处的电压VG增大或减小ΔVG。本技术领域的技术人员容易理解的是，CDETECTOR是节点401处的电容，主要包括探测器电容和可能使用的任何存储电容器。
放大模式读出周期420在积分周期410之后，在该放大模式读出周期期间，READ2晶体管45打开，RESET晶体管41关闭，READ1晶体管42关闭，AMP_RESET1晶体管381打开，AMP_RESET2晶体管482关闭。从而，正比于VG±ΔVG的电流IBIAS±IBIAS流入AMP晶体管44和READ2晶体管45支路。然后电荷放大器472对电流IBIAS±ΔIBIAS积分，以获取输出电压VOUT2并将输出电压VOUT2存储到放大器反馈电容器462上。本技术领域的技术人员容易理解的是，VOUT2表示随后可以由信号处理器进行记录和操作的放大的输入信号。
电荷放大器复位周期430在放大模式读出周期420之后，在电荷放大器复位周期期间，READ2晶体管45关闭，RESET晶体管41关闭，READ1晶体管42关闭，AMP_RESET1晶体管481打开，AMP_RESET2晶体管482打开。从而，电荷放大器472的输出复位。本技术领域的技术人员容易理解的是，电荷放大器复位周期可以仅在有邻近像素将其READ1晶体管输出和当前像素400的READ2晶体管45输出复用时才需要。
单位增益模式读出周期440在电荷放大器复位周期430之后，在这个单位增益模式读出周期期间，READ1晶体管42打开，RESET晶体管41关闭，READ2晶体管45关闭，AMP_RESET2晶体管482打开，AMP_RESET1晶体管481关闭。这里，节点401处的电压VG被传送给并存储到反馈电容器461上，表现为输出电压VOUT1。本技术领域的技术人员容易理解的是，VOUT1表示可以由后续信号处理器进行记录的具有单位增益的输入信号。在进一步的实施方案中，通过选用反馈电容器461的适当值，可以在单位增益模式下给输入信号施加某个增益。
注意到在本发明的各种实施方案中，多个反馈电容器可以与读出电路中的放大器相关联。本技术领域的技术人员容易理解的是，这些电容器可以具有不同的电容值，可以是并联结构，并可以设计成开关可选的，以提供不同的所需增益。容易理解的是，其它改变增益的方法也是可能的。
复位周期450紧随单位增益模式读出周期440，其中在这个复位周期期间，RESET晶体管41打开，CDETECTOR充电或放电，以使节点401处的电压在RESET晶体管41打开的情况下回复到VG。在这个复位周期期间，READ1晶体管42关闭，READ2晶体管45关闭，AMP_RESET1晶体管481打开，AMP_RESET2晶体管482打开。
对于较小和较大的输入信号，图4a实施方案中的像素输出可以是线性的，因此容易理解的是，可以使用成像领域中普遍采用的标准双采样技术和偏移及增益校正技术减轻成像器制造过程中的非均匀、晶体管亚稳定性和外部电路非均匀性的影响。
图4c示出了图4a在一个3×3有源矩阵成像阵列中的实施方案。行或列读出放大器电路492和493在相邻像素的READ1晶体管421和READ2晶体管451之间多路复用。读出放大器电路491连接到列1的READ1晶体管421，读出放大器电路494连接到列3的READ2晶体管451。容易理解的是，可以在任何尺寸的阵列中实现本发明的实施方案。另外，通用的行或列电路可以在相邻像素间多路复用或者可以通过使用附加的多路复用器多路复用。
图5a示出了根据本发明另一个实施方案的成像结构。这个实施方案与图4a的实施方案类似，只是去掉了晶体管41。这种结构具有像素尺寸更小、寄生电容更少和读出时间更快的优势。
当输入信号可能较小时，读出电路可以类似地在放大模式下运行；当输入信号可能较大时，读出电路可以类似地在单位增益模式下运行。
在图5a的实施方案中，成像面板上的每个像素500内部有READ1晶体管52、探测器53、AMP晶体管54和READ2晶体管55。电荷积分器571、电荷积分器572、反馈电容器561、反馈电容器562、AMP_RESET1晶体管581和AMP_RESET2晶体管582构成读出电路的部分，用来从像素读出信号，并且可以是面板外元件或面板上元件。
来自探测器53的输入信号可以利用放大或/和单位增益模式读出。而且，放大模式和单位增益模式可以用来读出同一输入信号，因为在放大模式工作期间，信号读出对输入信号是“非破坏性的”。类似地，由于单位增益模式工作期间的读出实际上具有“破坏性”特性，所以单位增益模式读出一般在放大模式读出之后执行。
图5b示出了一个序列的时序图例子，其中来自探测器53的每个输入信号先以放大模式读出，随后以单位增益模式读出。这里，序列中使用了四个周期，即，积分周期510、放大模式读出周期520、电荷放大器复位周期530和单位增益读出周期540。
在积分周期510期间，READ1晶体管52和READ2晶体管55关闭，而AMP_RESET1晶体管581和AMP_RESET2晶体管582打开。光子入射到探测器53上，激发出电子-空穴对，电子-空穴对对探测器53的电容CDETECTOR充放电，这样VG增大或减小ΔVG。本技术领域的技术人员容易理解的是，CDETECTOR是节点501处的电容，主要包括探测器电容和任何可能使用的存储电容器。
放大模式读出周期520在积分周期510之后，在这个放大模式读出周期期间，READ2晶体管55打开，READ1晶体管52关闭，AMP_RESET1晶体管581打开，AMP_RESET2晶体管582关闭。从而，正比于VG±ΔVG的电流IBIAS±ΔIBIAS流入AMP晶体管54和READ2晶体管55的支路。然后电荷放大器572对电流IBIAS±ΔIBIAS积分，以获取输出电压VOUT2并将输出电压VOUT2存储到放大器反馈电容器562上。本技术领域的技术人员容易理解的是，VOUT2表示可以由信号处理器接着进行记录和操作的放大的输入信号。
电荷放大器复位周期530在放大模式读出周期520之后，其中在电荷放大器复位周期期间，READ2晶体管55关闭，RESET晶体管51关闭，READ1晶体管52关闭，AMP_RESET1晶体管581打开，AMP_RESET2晶体管582打开。从而，电荷放大器572的输出复位。本技术领域的技术人员容易理解的是，可能仅当有邻近像素将其READ1晶体管输出和当前像素500的READ2晶体管55输出复用时，才需要电荷放大器复位周期530。
单位增益模式读出周期540在电荷放大器复位周期530之后，在这个单位增益模式读出周期期间，READ1晶体管52打开，READ2晶体管55关闭，AMP_RESET2晶体管582打开，AMP_RESET1晶体管581关闭。在单位增益模式读出周期540期间，通过将VBIAS设置为适当的复位电压如VDD，将READ1晶体管52多路复用为读出输入信号和使像素节点501处的电压VG复位。在所有其它周期期间，可以将VBIAS设置为例如地电压。在单位增益模式读出周期540期间，节点501处的电压VG被传送给并存储到反馈电容器561上，表现为输出电压VOUT1。本技术领域的技术人员容易理解的是，VOUT1表示可以由信号处理器接着进行记录和操作的具有单位增益的输入信号。在进一步的实施方案中，通过选用反馈电容器561的适当值，可以在单位增益模式下给输入信号施加某个增益。可使用后续的信号处理方法来解译读出电路输出信号。
对于较小和较大的输入信号，这个实施方案中的像素输出也可以是线性的，因此容易理解的是，可以使用成像领域中普遍采用的标准双采样技术和偏移及增益校正技术来减轻成像器制造过程中的非均匀、晶体管亚稳定性和外部电路非均匀性的影响。
图6示出了根据本发明又一个实施方案的成像结构。与图4a的实施方案相比，这个实施方案少一个像素上(on-pixel)晶体管。少一个像素上晶体管可以提供像素尺寸更小和寄生电容更少的优势，从而得到更低的噪声和更高的电荷增益。
在图6的实施方案中，当输入信号可能较小时，读出电路同样可以在放大模式下运行；当输入信号可能较大时，读出电路可以在单位增益模式下运行。放大模式和单位增益模式还可以用来读出同一输入信号，因为在这两种模式工作期间，信号读出对输入信号基本上都是“非破坏性的”。因此，当使用这两种模式读出信号时，放大模式读出可以在单位增益模式读出之前或之后执行。本技术领域的技术人员容易理解的是，可使用后续的信号处理方法解译读出电路输出信号。
在这个实施方案中，单位增益模式的一个优势是其可以容易地与面板上或面板外多路复用器接口，且基本不使信号退化(degradation)。因此，这种模式可用于信号完整性较为重要的应用中。
在图6的实施方案中，成像面板上的每个像素600内部有RESET晶体管61、READ晶体管65、探测器63和AMP晶体管64。像素外可重新配置电路67可以由单个行或列中的像素共用，还可以在一个阵列中的邻近像素间多路复用，或者可以通过使用附加的多路复用器多路复用。而且，可重新配置电路67既可以在面板外也可以在面板上。
当这个实施方案在放大模式下使用时，可重新配置电路67可以配置成电荷放大器，当这个实施方案在单位增益模式下使用时，该可重新配置电路可以配置成电压放大器、电压缓冲器或负载电路，以高效地读出输入信号。例如，配置成负载电路的可重新配置电路可以是一个连接在READ晶体管65的源极端子和地之间且偏置进入饱和区的TFT，一个连接在READ晶体管65的源极端子和地之间的电阻器，或任何这样的连接在READ晶体管65的源极端子和地之间的设备。容易理解的是，在单位增益模式下，可重新配置电路67可能还有多种其它实现方式。
当根据这个实施方案的传感器结构处于单位增益模式下时，其表现出较大的信号线性度，并且像素输出在放大模式和单位增益模式下均可以是线性的。因此，可以使用成像领域中普遍采用的标准双采样方法来减轻影响传感器的非均匀效应。
在图7a所示的一个实施方案中，图6的可重新配置电路67由包括一个电荷放大器671和一个电压放大器672的电路实现，当工作在放大模式和单位增益模式下时，电荷放大器671和电压放大器672可以分别用开关691和692激活。容易理解的是，在进一步的实施方案中，通过实现合适的电路用于切换，可以将同一个放大器用于两种模式。
来自探测器63的输入信号可以使用放大模式或/和单位增益模式读出。例如，要单独在放大模式下操作传感器以获取小的、易受噪声干扰的输入信号，则开关晶体管692关闭，而开关晶体管691打开。在这种模式下，读出电路可以工作在复位、积分和读出周期。要单独在单位增益模式下操作传感器，则开关晶体管691关闭，而开关晶体管692打开，读出电路可以工作在复位、积分和读出周期。
图7b示出了一个序列的时序图例子，其中来自探测器63的每个输入信号可以先以放大模式读出，随后以单位增益模式读出。这里，序列中使用了四个周期，即，积分周期610、放大模式读出周期620、单位增益读出周期630和复位周期640。
在积分周期610期间，READ晶体管65关闭，RESET晶体管61关闭，开关晶体管691关闭，开关晶体管692关闭，而AMP_RESET晶体管681打开。光子入射到探测器63上，激发出电子-空穴对，电子-空穴对对探测器63的电容CDETECTOR充放电，这样节点601处的电压VG增大或减小ΔVG。本技术领域的技术人员容易理解的是，CDETECTOR是节点601处的电容，主要包括探测器电容和任何可能使用的存储电容器。
放大模式读出周期620在积分周期610之后，在这个放大模式读出周期期间，READ晶体管65打开，RESET晶体管61关闭，AMP_RESET1晶体管681关闭，开关晶体管692关闭，开关晶体管691打开。从而，正比于VG±ΔVG的电流IBIAS±ΔIBIAS流入AMP晶体管64和READ晶体管65支路。然后电荷放大器671对电流IBIAS±ΔIBIAS积分，以获取输出电压VOUT1并将输出电压VOUT1存储到放大器反馈电容器661上。本技术领域的技术人员容易理解的是，VOUT1表示可以由信号处理器接着进行记录和操作的放大的输入信号。
单位增益模式读出周期630在放大模式读出周期620之后，在这个单位增益模式读出周期期间，READ晶体管65打开，RESET晶体管61关闭，AMP_RESET晶体管681打开，开关晶体管691关闭，开关晶体管692打开。节点601处的电压VG被传送到电压放大器672的输出上，表现为输出电压VOUT2。VOUT2表示可以由信号处理器接着进行记录和操作的具有单位增益的输入信号。在进一步的实施方案中，通过适当地设计电压放大器，可以在单位增益模式下给输入信号施加某个增益。
复位周期640紧随单位增益模式读出周期630，其中在这个复位周期期间，RESET晶体管61脉冲地打开，CDETECTOR充电或放电，以使节点601处的电压在RESET晶体管61打开的情况下回复到VG。在这个复位周期期间，READ晶体管65关闭，开关晶体管691关闭，开关晶体管692关闭，AMP_RESET晶体管681打开。在这个定时序列的进一步例子中，由于读出对输入信号的“非破坏性”特性，放大模式读出周期620和单位增益模式读出周期630可以互换。
图8示出了本发明的另一个实施方案，其中图6实施方案的单位增益模式配置利用电压放大器81在跟随器或缓冲器配置中实现。对本技术领域的技术人员来说明显的是，很多单位增益模式配置都是可能的，包括各种电压跟随器和各种电压缓冲器配置。
在如图9和图10所示的本发明又一个进一步实施方案中，输入信号可以以三种独立的模式或它们的任意组合读出，所述三种独立的模式即放大模式、有源像素单位增益模式和无源像素单位增益模式。
在图9所示的实施方案中，像素电路900与图4a实施方案中的像素电路400相似。在图10所示的实施方案中，像素电路903与图5a实施方案中的像素电路500相似。像素外电路包括电路902，电路902与图8实施方案中的电路604相似。电路902示出了可重新配置电路的一种实现方式，但是，正如前面关于图6所描述的，多种其它实现方式是可能的。另外，电路904与图5a实施方案中的电路501相似。
当传感器在放大模式下工作时，READ1晶体管92关闭，开关962关闭，开关961打开。当在有源像素单位增益模式下工作时，READ1晶体管92关闭，开关961关闭，开关962打开。最后，当传感器在无源像素放大模式下工作时，开关961关闭，开关962关闭，READ1晶体管92打开。
利用现有的a-Si:H技术，放大模式和无源像素单位增益模式的使用可以很好地适应，例如，输入信号变化范围大的实时成像应用，因为与有源像素单位增益模式相比，使用这些探测模式可获得更快的读出速度。较弱的输入信号可以使用放大模式探测，而较强的信号可以使用无源像素单位增益模式探测。放大模式和有源像素单位增益模式可以很好地适应，例如，读出电路的部分连接到面板上或面板外多路复用器的应用，或驱动长列输出线且要求高信号完整性的应用。因此，这样一个三模式实施方案不仅可用于极高质量的静态探测中而且可用于要求大实时成像动态范围的应用中。
这里提供的实施方案是作为例子提供的，本技术领域的技术人员容易理解的是，多种其它实施方案是可能的，其中具有不同工作模式的替换读出电路可以连接，以形成这里定义的多模式电路。例如，一种允许在特定模式下执行读出的电路可以和其它类型的允许在另外的模式下执行读出的电路组合，比如，一种用于静态读出应用的提供单位增益模式读出的电路可以和用于实时读出应用的单位增益模式读出电路组合。
电流相减考虑图4a、图5a、图7a、图9和图10所示的本发明的实施方案，在放大模式工作期间，像素输出电流包括IBIAS±ΔIBIAS，其中ΔIBIAS与小信号探测器输入电压变化量ΔVG成正比。对小输入信号来说，一般需要大的IBIAS，以获得大的gm和Gl，从而实现对所需信号的探测。但是，大的IBIAS会导致像素外电荷放大器在特定的IBIAS达到饱和，从而限制可实现的最大增益。
在本发明的一个实施方案中，在IBIAS±ΔIBIAS的路径中实现了一个电流相减电路，该电流相减电路将来自一个独立可编程电流源的电流引入IBIAS±ΔIBIAS的路径中。可以对电流源所产生的电流编程(program)，使得当所产生的电流和IBIAS±ΔIBIAS组合时，总电流为ΔIBIAS，当ΔIBIAS随后被输入到像素外电荷放大器中时一般不会导致电荷放大器饱和。采用这种方式，可以将大增益应用到小输入信号上，同时减小像素外电荷放大器饱和的可能。
图11、图12、图13和图14分别示出了图4a、图5a、图7a和图10的实施方案，同时分别增加了电流相减电路1100、1200、1300和1400。每个电流相减电路包括一个可编程电流源110，用来在放大模式工作期间从每个像素中减去电流IBIAS。可编程电流源110可以在面板上或面板外。开关115可用来控制从电流相减电路1100流向读出电路其余部分的电流，并可在通用电路多路复用时使用。到达电荷放大器116的电流仅为ΔIBIAS，ΔIBIAS一般较小，其积分一般不会导致电荷放大器提前饱和。通过选择电阻112和电阻113使从电流源110流出的电流可独立编程。在进一步的实施方案中，可以使用本技术领域的技术人员容易理解的其它电路实现方式使外部电流源110可独立编程。因此，大的IBIAS值可以用来获得高的gm和Gl值。获得输入信号的高增益的能力导致成像阵列的动态范围增大，因为使用电流相减电路可以探测更小的输入信号。而且，在放大工作模式下，可以不必利用双采样。
电流相减电路可以用于任何由于器件饱和而导致大输出电流限制成像系统动态范围的成像结构中。本技术领域的技术人员容易理解的是，例如，可以将电流相减电路适当地补充到图2a所示的C-APS结构中或任何其它成像结构中。
尽管这样描述了本发明的实施方案，但明显的是，所述实施方案可以很多方式变化。这样的变体不应当被视为偏离本发明的主旨和范围，旨在所有这样对本技术领域的技术人员来说明显的改型都包括在下述权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种数字成像装置，包括用于响应入射到其上的光子产生第一信号的探测器；和，连接到所述探测器的多模式读出电路，用于接收所述第一信号并产生表示所述第一信号的第二信号，所述多模式读出电路可在两种或更多种工作模式之间切换，所需工作模式基于所述第一信号的特性确定。
2.如权利要求1所述的数字成像装置，其特征在于，所述第一信号的特性包括第一信号的量值。
3.如权利要求2所述的数字成像装置，其特征在于，所述量值低于预定阈值，并且多模式读出电路的所述所需工作模式包括对第一信号的放大，以产生第二信号。
4.如权利要求1所述的数字成像装置，其特征在于，多模式读出电路在两种或更多种工作模式下产生表示所述第一信号的第二信号，从而产生两个或更多个表示第一信号的第二信号。
5.如权利要求1所述的数字成像装置，其特征在于，所述多模式读出电路通过使用手动开关可在两种或更多种工作模式中的各种工作模式之间切换。
6.如权利要求1所述的数字成像装置，其特征在于，所述多模式读出电路通过使用自动开关可在两种或更多种工作模式中的各种工作模式之间切换。
7.如权利要求6所述的数字成像装置，其特征在于，所述自动开关包括一个反馈电路。
8.如权利要求6所述的数字成像装置，其特征在于，所述自动开关对一个预编程序列响应。
9.如权利要求1所述的数字成像装置，其特征在于，所述读出电路进一步包括一个具有两种或更多种配置的可重新配置电路，可重新配置电路的每种配置定义多模式读出电路的特定工作模式。
10.如权利要求9所述的数字成像装置，其特征在于，所述可重新配置电路可以被配置起从电荷放大器电路、电压放大器电路、电压缓冲器电路和负载电路中选择的一个电路的作用。
11.如权利要求1所述的数字成像装置，其特征在于，进一步包括一个或更多个附加探测器，所述一个或更多个附加探测器连接到多模式读出电路。
12.如权利要求1所述的数字成像装置，其特征在于，所述多模式读出电路包括两个或更多个具有不同电容值的电容器，所述两个或更多个电容器并联，并且被配置可在它们之间切换，以提供两个或更多个增益。
13.如权利要求1所述的数字成像装置，其特征在于，多模式读出电路包括一个或多个晶体管，所述晶体管是从非晶硅TFT、多晶硅TFT、微晶TFT、超微晶硅TFT和晶体硅晶体管中选择的。
14.如权利要求1所述的数字成像装置，其特征在于，多模式读出电路包括三种工作模式。
15.一种包括数字成像装置阵列的数字成像系统，每个数字成像装置包括响应入射到其上的光子产生第一信号的探测器；和，连接到所述探测器的多模式读出电路，用于接收所述第一信号并产生表示所述第一信号的第二信号，所述多模式读出电路可在两种或更多种工作模式之间切换，所需工作模式基于所述第一信号的特性确定。
16.如权利要求15所述的数字成像系统，其特征在于，两个或更多个数字成像装置的特定组具有多模式读出电路的通用部分。
17.如权利要求16所述的数字成像系统，其特征在于，所述系统进一步包括多路复用电路，使信号能够多路复用到多模式读出电路的通用部分。
18.如权利要求16所述的数字成像系统，其特征在于，所述多路复用电路包括一个或更多个多路复用器。
19.如权利要求16所述的数字成像系统，其特征在于，所述多路复用电路包括一个或更多个切换电路。
20.一种数字成像装置，包括响应入射到其上的光子产生第一信号的探测器；和，连接到所述探测器的读出电路，用于产生表示所述第一信号的第二信号，所述读出电路包括一个用于产生所需信号的电流相减电路，所述读出电路将所述第二信号和所述所需信号组合，所述读出电路产生表示所组合的第二信号和所需信号的第三信号。
21.如权利要求20所述的数字成像装置，其特征在于，读出电路是可在两种或更多种工作模式之间切换的多模式读出电路，所需工作模式基于所述第一信号的特性确定。
22.如权利要求1或20所述的数字成像装置在放射照相术或光学成像中的用途。
23.如权利要求22所述的数字成像装置的用途，其特征在于，放射照相术包括荧光透视、胸部放射照相术和乳腺造影法。
24.如权利要求23所述的数字成像装置的用途，其特征在于，荧光透视包括实时荧光透视。
25.一种数字成像方法，包括步骤探测器探测入射到其上的光子；探测器响应光子产生第一信号；连接到探测器的多模式读出电路接收所述第一信号；多模式读出电路产生表示第一信号的第二信号，所述多模式读出电路可在两种或更多种工作模式间切换，所需工作模式基于所述第一信号的特性确定；和，将所述第二信号传送到数字信号处理器。
26.一种数字成像方法，包括步骤探测器探测入射到其上的光子；探测器响应光子产生第一信号；连接到探测器的读出电路接收所述第一信号；读出电路产生表示第一信号的第二信号，所述读出电路包括一个用于产生所需信号的电流相减电路；将所述第二信号和所述所需信号组合；产生表示所组合的第二信号和所需信号的第三信号；和，将所述第三信号传送到数字信号处理器。
全文摘要
本发明提供了包括连接到读出电路的探测器的数字成像结构，其中读出电路在特定模式下运行，采用何种特定模式可取决于从探测器传送到读出电路的输入信号的特性，或者可取决于所要求的来自读出电路的输出信号的特性。例如，当输入信号具有一特定量值时，读出电路可以在第一模式下运行，在第一模式下，可将输入信号放大到可测量的水平，当输入信号具有另一量值时，读出电路可在另一种模式下运行，在该另一种模式下，可将输入信号进行不同程度的放大后读出或者在不放大的情况下读出。可以实现多种模式，以为输入信号提供多种放大等级，例如，可以实现三种或更多种读出电路的工作模式。另外，可以使用不止一种模式读出同一输入信号。因此本发明的数字成像装置和系统提供了大的动态探测范围，不仅能够读取稍微放大或未放大的较强信号，还能够放大来自探测器的敏感输入信号以提高输入信号对外部噪声源的抗干扰性，并且在两种情况下均具有快速像素读出时间。本发明还通过在读出电路中实现一个电流相减电路，提供了进一步提高动态探测范围的装置。例如，当采用高电荷增益时，这个电流相减电路可用来降低流过读出电路的可能饱和的部分的电流总量。由于对输入信号更大程度的放大，使得能够探测更小的输入信号，所以降低总输出电流量可扩大装置的动态范围，同时降低读出电路内部发生饱和的可能性。
文档编号H01L31/08GK1868064SQ200480029873
公开日2006年11月22日 申请日期2004年8月12日 优先权日2003年8月12日
发明者K·S·卡里姆 申请人:西蒙·弗雷瑟大学