专利名称：射线照相图象摄取设备及驱动该设备的方法
背景技术：
在此说明书中，辐射包括例如X射线的电磁波、阿尔法射线、β射线和伽马射线，将根据这些射线进行描述。
相关
背景技术：
安装于医院等中的X射线照相系统被划分为模拟系统和数字系统，在模拟系统中一个物体受到X射线辐照，X射线在穿透该物体后到达一块胶片而将该胶片曝光，在数字系统中穿透物体的X射线被转换为例如被存储的电信号。
已知一种作为数字系统的射线照相图象摄取设备是由一种用于将X射线转换为可见光的荧光物和一个用于将可见光转换为电信号的光电转换器组成的。X射线穿透物体后该荧光物被X射线辐照并且将X射线转换为可见光以便提供关于该物体内部的信息。光电转换器将可见光转换为一个电信号并且输出此信号。具有所转换电信号的形式，准备被记录、显示、打印或用于诊断的该X射线图象信息能够在被一个A/D转换器数字化后被作为数字值处理。
使用非晶硅半导体薄膜作为光电转换器的射线照相图象摄取设备最近已经被投入实际使用。
图13是一个光电转换基底例子的顶视图，其中金属绝缘物半导体(MIS)类型的光电转换设备和开关设备是使用一种非晶硅半导体薄膜作为它们的材料而形成的。图13中也阐述用于连接设备的布线。图14是沿着图13的线14-14所取剖面图。在以下说明书中，为简化起见，该MIS类型光电转换设备将被简单地称为“光电转换设备”。
光电转换设备301和开关设备302(非晶硅TFT，今后简单地称为“TFT”)被形成于一个基底303上。每个光电转换设备的低电极和每个TFT的低电极(门电极)由一个公共层即第一金属薄膜层304形成。每个光电转换设备的高电极和每个TFT的高电极(源电极和漏电极)也由一个公共层即第二金属薄膜层305形成。光电转换电路段中的门驱动布线306和矩阵信号布线307也由第一和第二金属薄膜层形成。层313是一层N+层，层312是一层本征半导体层，及层311是一层例如由SiNx组成的绝缘层。总数为2×2即4的象素被阐述于图13中。图13中的阴影线区域表示光电转换设备中的光接收面。用于向光电转换设备加电的电源线309也被提供。该光电转换设备和TFT通过触点孔彼此相连。
单个地形成的光电转换设备的设备操作将通过例子进行描述。
图15A至15C是用于解释图13和14中所示光电转换设备的设备操作的能带图。
图15A至15C分别显示刷新模式和光电转换模式中的操作，并且显示图14中所示各层的薄膜厚度方向内的状态。M1层是由第一金属薄膜层(例如Cr膜)形成的低电极(G电极)。a-SiNx层是一个绝缘层，用于阻止电子和空穴两者的通道。a-SiNx层的厚度必须足够大以便防止隧道效应。通常a-SiNx层的厚度被设置为500埃或更多。a-SiNx层是由本征半导体i层形成的光电转换半导体层。N+层是N型阻止注入层，用于阻止空穴注入a-Si层。M2层是由第二金属薄膜层(例如Al膜)形成的高电极(D电极)。
在图13中所示结构中，N+层没有完全被D电极覆盖，但D电极和N+层始终处于同等电位，因为电子能够自由地在它们之间移动。以下说明书是基于此理解的。
此光电转换设备具有两种操作模式对应于将电压施加于D电极和G电极上的不同方式的刷新模式和光电转换模式。
在刷新模式中，例如一个相对于加于G电极上电位的负电位被加于D电极上，以及如图15A中所示，i层中由黑圆标记标示的空穴由电场驱使向着D电极移动。与此同时，由白圆标记标示的电子被注入i层。此时在N+层和i层内的部分空穴和部分电子重新彼此组合而消失。如果该设备被保持于此状态中足够长时间，则i层内的空穴将被从此层中肃清。
为将该设备从此模式设置为图15B中所示模式，一个相对于加于G电极上电位的正电位被加于D电极上。然后i层中的电子被瞬时地驱使向着D电极移动。然而空穴并未被驱使向着i层移动，因为N+层起着注入阻止层的作用。当此状态中光线进入i层中时，光线被吸收以便生成电子-空穴对。这些电子被电场驱使向着D电极移动，而空穴则穿透i层移动而到达i层与a-SiNx层绝缘层的界面。由于空穴不能移动入绝缘层，它们停留于i层中。此时随着电子向着D电极的移动和空穴向着i层的绝缘层界面的移动，一个电流自G电极中流出以便保持光电转换设备的电气中性。此电流对应于由光线生成的电子-空穴对，因此正比于进入光电转换设备的光量。在该设备已经被保持于图15B中所示光电转换模式的状态中一定周期后，它进入图15A中所示刷新模式中的状态。停留于i层内的空穴如上所述地被驱使向着D电极移动，及一个对应于此空穴流动的电流在流动。此空穴量对应于光电转换模式期间进入的整个光量。此时一个对应于注入于i层内的电子量的电流也在流动。然而此数量是近似地不变的，并且能够从总量中减去以便获得检测结果。也即，此光电转换设备能够实时地输出进入该设备的光量，并且也能检测一定周期内进入的整个光量。
然而，在光电转换模式周期由于某些原因增加的情况下或者在照射在设备上的光的照明强度高的情况下，有可能在光线进入设备时无法获得所需电流。这是因为，如图15C中所示，许多空穴积累于i层内，这些空穴使i层中的电场减弱，因而使所生成的电子不是被驱使移动而是重新与i层中的空穴组合。此状态被称为光电转换设备的饱和状态。如果在此状态中改变光线的入射状态，则在某些情况下电流可能开始不稳定地流动。然而，当光电转换设备被重新设置为刷新模式时，i层内的空穴被肃清。在以后的光电转换模式中，一个正比于光量的电流重新流动。
在以上所述操作中，从理想化的观点看，希望在刷新模式中i层中的所有空穴都被肃清。然而，只肃清一部分空穴对于获得等于以上所述电流的电流是没有问题的、有效的和足够的。也即，在下一个检测时候避开光电转换模式中图15C中所示状态可能是足够的，以及能够确定刷新模式中相对于G电极电位的D电极电位，刷新模式周期和N+层的注入阻止层的特性。此外，在刷新模式中将电子注入i层并不是一个必要条件，以及相对于G电极电位的D电极电位并不限于负值。这是因为，在相当数量空穴停留于i层内的情况下，即使相对于G电极电位的D电极电位是正的，i层内的电场也会在一个方向内作用而使空穴向着D电极移动。此外，N+层的注入阻止层对电子注入i层的限制特性不是必要条件。
图16显示一个对应于一个象素的传统光电转换电路，它由一个光电转换设备和一个TFT组成。
在图16中，光电转换设备由一个由i层所形成的电容部件Ci和一个由注入阻止层所形成的电容部件Csin所组成。在对应于i层与注入阻止层之间的结合点上(图16中的节点N)，当光电转换设备饱和时也即在D电极和节点N(i层)之间不存在电场(只是减小的电场)时，由光线生成的电子和空穴重新彼此组合。因此，在此状态中，空穴载体无法存储于部分N中。也即，在任何情况下节点N电位都不会超过D电极电位。为表示此饱和状态中的操作，一个二极管(D1)并联地连至图16中的Ci。也即图16中的光电转换设备由三个部件Ci、Csin和D1表示。
图17是用于显示图16中所示一个象素的电路的操作的时序图。
下面参照图16和17描述由光电转换设备和TFT组成的一个象素的电路的操作。
首先描述一个刷新操作。
假设Vs是9V及Vref是3V。为开始刷新操作，开关SW-A被设置为应用Vref，开关SW-B被设置为应用Vg(on)，以及开关SW-C被接通。在此状态中，D电极被加电为Vref(6V)，G电极被接为GND电位，以及节点N最多被加电为Vref(6V)。以下将解释增加“最多”的理由。如果节点N处电位已经被当今刷新操作之前的光电转换操作加至等于或高于Vref的电平，则在当今刷新操作中通过D1将节点N加电为Vref。然而，如果由于以前光电转换操作的结果使节点N处的电位为Vref或更小，则当今刷新操作不将节点N加电为电位Vref。可以说，在实际使用中，如果光电转换操作在事先被重复一定次数，则此刷新操作实际上将节点N加电为Vref(6V)。在将节点N加电为Vref(6V)后，SW-A被改变至Vs侧。因此D电极被加电为Vs(9V)。通过此刷新操作，积累于光电转换设备的节点N处的空穴载体被彻底地肃清至D电极侧。
以下将描述X射线辐照周期。X射线被以脉冲方式发射，如图17中所示。一个荧光物1001被穿透一个物体的X射线所辐照。荧光物1001将X射线转换为可见光。来自荧光物的可见光被辐射至半导体层(i层)以便由光电转换操作转换为一个电信号。由光电转换操作产生的空穴载体积累于节点N处以便增加此节点的电位。由于TFT是断开的，G电极处的电位被相应地增加。
在刷新周期与X射线辐照周期之间设置一个等待周期。在此周期内不完成具体操作，以及该设备处于一种无操作状态，以便从一种可能由于紧接着刷新操作之后的暗电流所引起的特性不稳定状态中解脱出来。如果该光电转换设备不可能具有紧接着刷新操作之后的特性不稳定状态，则不必要特地设置等待周期。
以下将描述一个传送操作。为开始进行传送操作，开关SW-B被设置为连接于Vg(on)侧，从而接通TFT。对应于由X射线辐照所积累的空穴载体(Sh)数量的电子载体(Se)被驱使自C2侧通过TFT流向D电极，从而增加读电容C2处的电位。Se和Sh之间的关系由Se＝Sh×Csin/(Csin+Ci)表示。与此同时，C2处的电位被一个放大器放大以便输出。TFT被维持于接通状态中一段足够长的时间以便传送足够数量的电荷信号，然后它被切断。
最后，进行一个复位操作。为开始进行复位操作，开关SW-C被接通。电容C2然后被复位至GND电位，从而为下一个传送操作作准备。
图18是一个传统光电转换器的两维电路图。为便于解释，只阐述对应于3×3＝9个象素的那部分转换器。光电转换设备由S1-1至S3-3标示；开关设备(TFT)由T1-1至T3-3标示；用于将TFT接通和切断的门布线由G1-1至G3-3标示；及信号布线由M1至M3标示。Vs线是用于将一个存储电压或刷新电压施加于光电转换设备上的布线。由实心矩形表示的光电转换设备电极是G电极，而其对面的电极是D电极。Vs线的部分供D电极使用。为便于光线进入，使用一层薄N+层以形成D电极。S1-1至S3-3、T1-1至T3-3、G1至G3、M1至M3和Vs线这些部件组被集合地称为光电转换电路段(101)。
Vs线由一个Vs电源106A或一个Vref电源106B加电，它们通过使用一个控制信号VSC来加以选择。移位寄存器102被用于提供驱动脉冲电压至布线G1至G3。用于将TFT接通的电压由一个外部提供的电源(VG(on))所确定。在一个提供的读电路段107中来自光电转换电路段101中布线M1至M3的平行信号输出被放大和转换为一个串行信号以供输出。
在读电路段107中提供开关RES1至RES3，用于将以下部件复位M1至M3、用于把来自M1至M3的信号放大的放大器A1至A3、用于暂时存储由放大器A1至A3放大的信号的采样和保持电容CL1至CL3、用于采样和保持的开关Sn1至Sn3、缓存放大器B1至B3、用于将平行信号转换为串行信号的开关Sr1至Sr3、用于将供平行至串行转换用的脉冲提供给开关Sr1至Sr3的移位寄存器103以及用于输出转换的串行信号的缓存放大器104。
图19是用于显示图18中所示光电转换器的操作的时序图。将参照图19的时序图描述图18中所示光电转换器的操作。一个或两个不同电压通过控制信号VSC施加于光电转换设备的Vs线上，即光电转换设备的D电极上。当VSC为“Hi”时D电极具有电位VREF(V)，而当VSC为“Lo”时电位为VS(V)。DC电源106A和106B分别提供读电源电压VS(V)和刷新电源电压VREF(V)。
现在描述刷新周期内的操作。所有来自移位寄存器102的信号都被设置为“Hi”，及读电路段中的信号CRES被设置为“Hi”。所有开关TFT(T1-1至T3-3)都被接通，读电路段中的开关设备RES1至RES3也都被接通，及所有光电转换设备的G电极处被设置为GND电位。当信号VSC变为“Hi”时，所有光电转换设备的D电极被加上刷新电源电压VREF(负电位)。因此所有光电转换设备S1-1至S3-3都被设置于刷新模式中，从而进行刷新。
以下描述光电转换周期中的操作。VSC被变为“Lo”及所有光电转换设备的D电极被加上读电源电压VS(正电位)。因此该光电转换设备被设置于光电转换模式中。在此状态中，所有来自移位寄存器102的信号都被设置为“Lo”，及读电路段中的信号CRES也被设置为“Lo”。因此所有开关TFT(T1-1至T3-3)都被切断及读电路段中的开关设备RES1至RES3也被切断。所有光电转换设备的G电极都被设置于DC开路状态。然而，每个G电极处的电位被保持着，因为光电转换设备也起一个电容的作用。此时没有光线进入每个光电转换设备，因此在光电转换设备中不生成电荷，即没有电流。当在此状态中一个光源以脉冲方式被接通，每个光电转换设备的D电极(N+电极)被光线辐照，因而一个所谓光电流流过该设备。虽然没有被显示于图18中，该光源是例如一个荧光灯、LED或复印机中所用碘钨灯(halogen lamp)。在使用X射线图象摄取设备的情况下，该光源当然是X射线源。在此情况下，可以使用一个用于将X射线转换为可见光的闪烁器。由光线造成流动的光电流积累为每个光电转换设备中的电荷，在光源切断后该电荷仍然被保持。
其次描述读周期内的操作。读操作按照以下顺序完成对应于S1-1至S1-3的第一线、对应于S2-1至S2-3的第二线和对应于S3-1至S3-3的第三线。首先，自S1-1至S1-3中读取第一线信号，该移位寄存器SR1提供一个门脉冲给连至开关设备(TFT)T1-1至T1-3的门布线G1。此时被提供的门脉冲的高电平是外部提供的电压Vcom。因此TFT T1-1至T1-3被接通，以及积累于S1-1至S1-3中的电荷信号被传送至信号布线M1至M3。读电容(图18中未示出)被加至信号布线M1至M3上及电荷信号通过TFT被传送至读电容。例如，被加至信号布线M1上的读电容是连至信号布线M1的TFTT1-1、T2-1和T3-1的门-源电极间电容(Cg)(三个电容)之和，并且对应于图16中所示C2。传送至信号布线M1至M3的电荷信号被放大器A1至A3放大。然后信号CRES被接通以便将电荷传送至采样和保持电容CL1至CL3。当信号CRES被切断时，所传送电荷被保持于电容CL1至CL3上。随后移位寄存器103将一个脉冲加于开关Sr1、Sr2和Sr3上以使各开关按照Sr1、Sr2和Sr3的顺序一个接一个地接收脉冲。保持于电容CL1至CL3上的信号然后按照CL1、CL2和CL3的顺序从放大器104输出。由光电转换操作为第一线自S1-1、S1-2和S1-3中获取的信号随后被连续地输出。用于自S2-1至S2-3中读取第二线信号的操作及用于自S3-1至S3-3中读取第三线信号的操作以相同方式完成。
如果使用第一线采样信号将布线M1至M3上的信号采样和保持于CL1至CL3上，则布线M1至M3能够由信号CRES复位至GND电位，其后随以施加于布线G2上的门脉冲。也即，当第一线信号的平行至串行转换是由移位寄存器SR2完成时，来自光电转换设备S2-1至S2-3的第二线电荷信号能够同时被移位寄存器SR1传送。
能够用以上所述读操作将所有光电转换设备上的对应于第一至第三线的电荷信号输出。
为获得一系列移动图象，图19的时序图中所示操作可以按照对应于准备获得的移动图象的数量的次数加以重复。
然而，为获得具有增加数量的象素的移动图象，必须进一步改进帧频。
在通过对所有光电转换设备都公共的Vs线完成刷新操作的情况下，必须为每一帧提供一个刷新周期。这将产生一个问题，即在摄取电影图象时帧频将很小，即速度将减慢。
一般而言，作为一个胸腔的简单摄取图象的规范的设计，要求一个图象摄取面积不小于40平方cm及象素间距不大于200μm。例如，当图象摄取面积是40平方cm及象素间距是200μm时，光电转换设备的总量是4,000,000。当如此大量的图象摄取设备准备集合地和同时地被刷新时，刷新时的电流更大。因此，在GND和X射线图象摄取设备的电源线处的电压变动较大。在一个具体图象摄取例子中，在一个促使电压变动稳定的周期内，必须在X射线辐照之前提供等待周期。这是图17中所示WAIT周期。也即，为同时地和集合地刷新光电转换设备，不但必须在一个帧内提供一个刷新周期，而且必须在一个帧内提供一个等待周期。
如上所述，现有技术中的一个技术问题是必须为一个读操作一次刷新所有图象摄取设备，因此电影图象摄取将是困难的。
以下将在本发明实施例中详细地描述它们。
图3是用于显示在刷新周期内图1中所示光电转换设备中节点N、G电极和TFT的门电极处的电位的时序图；图4是一个包括于代表本发明第一实施例的X射线图象摄取设备中的光电转换电路段的两维电路图；图5是用于显示图4中所示光电转换器的操作的时序图；图6是一个用于代表本发明第二实施例的X射线图象摄取设备中的驱动的时序图；图7是一个用于代表本发明第三实施例的X射线图象摄取设备中的驱动的时序图；图8是一个用于代表本发明第四实施例的X射线图象摄取设备的对应于一个象素的部分的等效电路图；图9是一个包括于代表本发明第四实施例的X射线图象摄取设备中的光电转换电路段的两维电路图；图10是一个根据本发明第四实施例的透视模式和照相模式的原理时序图；图11是一个图10中所示透视模式的时序图；图12是一个图10中所示透视模式的时序图(显示与图11中所示时序不同的时序例子)；图13是一个传统光电转换器的顶视图，其中使用一个非晶硅半导体薄膜在一个基底上形成光电转换设备和开关设备；图14是沿着图13的线14-14所取剖面图；图15A、15B和15C是用于解释图13和14中所示光电转换设备的操作的能带图；图16是一个由一个光电转换设备和一个TFT组成的传统光电转换电路的对应于一个象素的部分的电路图；图17是一个用于显示图16中所示对应于一个象素的电路的操作的时序图；图18是一个包括于传统X射线图象摄取设备中的光电转换电路段的两维电路图；
图19是一个用于显示图18中所示光电转换电路段的操作的时序图；及图20是一个用于显示代表本发明第五实施例的X射线图象摄取系统的应用的图。
如此获得的移动图象具有增大的帧频，因为X射线辐照之前的等待时间减少了。
以下参照附图详细地描述本发明各实施例。(实施例1)图1是一个用于代表本发明一个实施例的X射线图象摄取设备的对应于一个象素的部分的等效电路图。光电转换设备由一个用i层形成的电容部件Ci和一个用注入阻止层形成的电容部件Csin所代表。在对应于i层与注入阻止层之间的结合点上(图1中的节点N)，当光电转换设备饱和时也即在D电极和节点N(i层)之间不存在电场(只是减小的电场)时，由光线生成的电子和空穴重新彼此组合。因此，在此状态中，空穴载体无法存储于部分N中。也即，在任何情况下节点N电位都不会超过D电极电位。为表示此饱和状态中的操作，一个二极管(D1)并联地连至图1中所示Ci。也即图1中的光电转换设备由三个部件Ci、Csin和D1表示。
荧光物1001被提供，以便用于波长转换，即将一个X射线波长转换为可见光波长。Gd2O2、Gd2O3等用作荧光物的基本材料。稀土元素例如Tb3+或Eu3+被用于发射中心处。选代地，使用CsI的荧光物例如CsITl或CsIN作为基本材料。
一个电源Vs被提供以便在光电转换设备的D电极上加上一个偏压。一个薄膜半导体(TFT)被提供用作开关设备。一个读电容C2被加至信号布线上。一个普通半导体能够被用作开关设备。然而此实施例中的TFT的使用是优选的，因为由于TFT中放射性射线的吸收而造成的噪音较小。
开关SW-C是一个用于将C2复位至GND电位的开关。开关SW-C由信号RC控制。还提供用于刷新光电转换设备的电源Vg(on1)，用于接通TFT以便传送电荷信号至C2的电源Vg(on2)，及用于切断TFT的电源Vg(off)。
也提供用于在Vg(on1)和Vg(on2)之间进行切换的开关SW-E和用于在Vg(off)和Vg(on1)或Vg(on2)之间进行切换的开关SW-D。一个电容Cg形成于TFT的门电极和漏电极(光电转换设备一侧)之间。
图2是用于显示图1中所示一个象素的电路的操作的时序图。
将参照图1和2描述由光电转换设备和TFT组成的一个象素的电路的操作。
首先描述一个X射线辐照周期。如上所述，X射线以脉冲方式发射。荧光物1001被穿透一个物体的X射线所辐照。荧光物1001将X射线转换为可见光。来自荧光物的可见光被辐射至半导体层(i层)以便由光电转换操作转换为一个电信号。由光电转换操作产生的空穴载体积累于i层与绝缘层(注入设备层)之间的界面处以便增加节点N处的电位。由于TFT是断开的，G电极侧的电位被相应地增加。在X射线辐照周期内，SW-D被设置为连至V(off)侧及SW-C被断开。
接着描述一个传送周期。如下所述地完成传送操作。SW-D被操作以便允许接通TFT，及SW-E被设置为连至Vg(on2)侧，从而拦通TFT。对应于由X射线辐照所积累的空穴载体(Sh)数量的电子载体(Se)被驱使自C2侧通过TFT流向G电极侧，从而增加读电容C2处的电位。Se和Sh之间的关系由Se＝Sh×Csin/(Csin+Ci)表示。与此同时，C2处的电位被一个放大器放大以便输出。TFT被维持于接通状态中一段足够长的时间以便传送足够数量的电荷信号，然后它被切断。
现在描述一个刷新操作。
图3是用于显示节点N、G电极和TFT的门电极处的电位的时序图。
现在通过例子描述该操作，假设Vs＝9(V)、Vg(off)＝-5(V)、Vg(on1)＝12(V)和Vg(on2)＝30(V)。
为开始刷新操作，SW-D被操作以便允许接通TFT，及SW-E被设置为连至Vg(on1)侧，及SW-C被接通。当给定一个电位差ΔV＝35V将TFT的门电压自Vg(off)＝-5(V)增加至Vg(on1)＝30(V)时，35V电压加于电容Cg、Csin和Ci上从而使电荷瞬时地分布开(电荷分离)。G电极处电位的增加和节点N处电位的增加由电容Cg、Csin和Ci决定。然而，节点N处的电位不超过9V，因为存在二极管D1。当一个电压例如Vg(on1)被加上以便将节点N处的电位增加至超过9V时，空穴载体被驱使向着D电极侧移动以供刷新之用，而节点N电位被维持为9V。一度由于电荷分离而增加的G电极处电位随后衰减至GND电位，其衰减时间常数由TFT的接通电阻Ron和光电转换设备的电容((Csin//Ci)串联的电容Csin和Ci的总电容)所确定。与此同时，节点N处的电位也和G电极处同样地衰减。相对于G电极衰减量ΔVG的节点N衰减量ΔVN被表达如ΔVn/ΔVg＝Csin/(Csin+Ci)。节点N处的电位衰减量ΔVN确定下一个光电转换操作所积累的空穴载体数量。节点N、G电极和TFT的门电极处的电位被显示于图3的时序图中。
最后描述一个复位操作。为开始进行复位操作，开关SW-C被接通。电容C2然后被复位至GND电位，从而为下一个传送操作作准备。
图2中没有显示对应于图17中所示的等待周期。以下将参照图3和4解释其理由。
图4是一个包括于本发明第一实施例的X射线图象摄取设备中的光电转换器的两维电路图。为便于描述，只阐述对应于3×3＝9个象素的那部分转换器。光电转换设备由S1-1至S3-3标示；开关设备(TFT)由T1-1至T3-3标示；用于将TFT接通和切断的门布线由G1-1至G3-3标示；及信号布线由M1至M3标示。Vs线是用于将一个存储电压施加于光电转换设备上的布线。由实心矩形表示的光电转换设备电极是G电极，而其对面的电极是D电极。Vs线的部分供D电极使用。为便于光线进入，使用一层薄N+层以形成D电极。为改进进入效率，可以使用例如一种由铟锡氧化物(ITO)组成的透明电极。S1-1至S3-3、T1-1至T3-3、G1至G3、M1至M3和Vs线这些部件组被集合地称为光电转换电路段(101)。Vs线由一个Vs电源106A加电。移位寄存器102被用于提供驱动脉冲电压至布线G1至G3。用于将TFT接通的电压由外部提供。作为这个电源，使用两个外部电源VG(on1)和VG(on2)，它们由开关SW-E选择。该电压被应用线连续地改变以便完成逐行刷新操作。在一个提供的读电路段107中来自光电转换电路段101中布线M1至M3的平行信号输出被放大和转换为一个串行信号以供输出。优选地，一个读电路包括IC芯片以便实现高速处理。在读电路段107中提供开关RES1至RES3，用于将以下部件复位M1至M3、用于把来自M1至M3的信号放大的放大器A1至A3、用于暂时存储由放大器A1至A3放大的信号的采样和保持电容CL1至CL3、用于采样和保持的开关Sn1至Sn3、缓存放大器B1至B3、用于将平行信号转换为串行信号的开关Sr1至Sr3、用于将供平行至串行转换用的脉冲提供给开关Sr1至Sr3的移位寄存器103以及用于输出转换的串行信号的缓存放大器104。
图5是用于显示图4中所示光电转换器的操作的时序图。
以下参照图5的时序图描述图4中所示光电转换器的操作。
首先描述光电转换周期。所有光电转换设备的D电极都处于接受读电源电压VS(正电压)的状态中。所有来自移位寄存器102的信号都是“Lo”及所有开关TFT(T1-1至T3-3)都被切断。当在此状态中一个光源以脉冲方式被接通，每个光电转换设备被光线辐照，以及在光电转换设备的i层中产生电子和空穴载体。电子被Vs驱使向着D电极移动，而空穴则积累于光电转换设备中的i层与绝缘层之间的界面处，并且即使在X射线源被切断后也仍然被保持住。
接着描述一个读周期。
一个读操作按照以下顺序完成对应于S1-1至S1-3的第一线、对应于S2-1至S2-3的第二线和对应于S3-1至S3-3的第三线。首先，自S1-1至S1-3中读取第一线信号，该移位寄存器SR1提供一个门脉冲给连至开关设备(TFT)T1-1至T1-3的门布线G1。此时被提供的门脉冲的高电平是外部提供的电压Vg(on2)。因此TFT T1-1至T1-3被接通，以及积累于S1-1至S1-3中的电荷信号被传送至信号布线M1至M3。读电容(图4中未示出)被加至信号布线M1至M3上及电荷信号通过TFT被传送至读电容。例如，被加至信号布线M1上的读电容是连至信号布线M1的TFT T1-1、T2-1和T3-1的门-源电极间电容(Cg)(三个电容)之和，并且对应于图1中所示C2。传送至信号布线M1至M3的电荷信号被放大器A1至A3放大。然后信号CRES被接通以便将电荷传送至采样和保持电容CL1至CL3。当信号CRES被切断时，所传送电荷被保持于电容CL1至CL3上。随后移位寄存器103将一个脉冲加于开关Sr1、Sr2和Sr3上以使各开关按照Sr1、Sr2和Sr3的顺序一个接一个地接收脉冲。保持于电容CL1至CL3上的信号然后按照CL1、CL2和CL3的顺序从放大器104输出。随后由光电转换操作为第一线自S1-1、S1-2和S1-3中获取的信号被连续地输出。用于自S2-1至S2-3中读取第二线信号的操作及用于自S3-1至S3-3中读取第三线信号的操作以相同方式完成。
如果使用第一线采样信号将布线M1至M3上的信号采样和保持于CL1至CL3上，则来自S1-1至S1-3的信号被从光电转换电路段101中输出。因此，当平行至串行转换是由读电路段107中的开关Sr1至Sr3完成时，能够完成用于刷新S1-1至1-3的操作和用于将段101中的布线M1至M3复位的操作。
如下描述地完成S1-1至S1-3的刷新操作。开关RES1至RES3被信号CRES接通以便将加于门布线的电压Vg(on1)施加于TFT上。电压Vg(on1)被设置为高于电压Vg(on2)。此后当开关RES1至RES3被保持于导电状态中时，TFT被切断以便将信号布线M1至M3的读电容复位至GND电位。在将布线M1至M3复位之后，能够将门脉冲加于线G2上。也即，当移位寄存器SR2完成第一线信号的平行至串行转换时，移位寄存器SR1能够与此同时地完成光电转换电路段101中光电转换设备S1-1至S1-3的刷新操作、布线M1至M3的复位及第二线光电转换设备S2-1至S2-3上的电荷信号的被传送至布线M1至M3。
所有第一线至第三线光电转换设备上的电荷信号能够用以上所述操作被输出。
有可能通过重复以上所述光电转换周期和读周期的一个过程而获得一系列移动图象。如这个实施例的时序图中所示，该刷新周期不是独立地被设置，以使在获得移动图象的情况下设置的帧频能够被有效地增加。同时刷新所有光电转换设备的传统方法要求设置一个等待周期，用于减少由于刷新时生成的暗电流分量所引起的GND和电源波动。相反，在此实施例中完成逐线刷新。因此同时被刷新的光电转换设备的数量要小得多，从而不需要特地设置一个等待周期，这意味着能够增加移动图象帧频。(实施例2)图6是一个显示用于代表本发明第二实施例的X射线图象摄取设备中的驱动的时序图。当图2的时序图显示以脉冲方式辐射X射线的方法时，图6的时序图显示以恒定强度辐射X射线的方法。在此情况下，光电转换周期被定义为完成刷新的时刻与开始传送的时刻之间的周期。医学用途的实际X射线图象摄取设备具有大量象素(N行×M列)。例如，第一行中的光电转换设备具有的光电转换周期大体上等于第二至第N条线即总共N-1条线的读周期之和，即除用于在它们自身中完成传送、刷新和复位的周期以外的周期。其他行中的每一行中的光电转换设备具有一个以相同方式确定的光电转换周期，即除用于在它们自身中完成传送、刷新和复位的周期以外的用于读取N-1条线的周期。例如，第100条线中的光电转换设备所具有的一个光电转换周期大体上等于第101条至第N条线的读周期与下一帧中第一条至第99条线的读周期之和，即总共N-1条线的读周期。也即，在其特征为以恒定强度辐射X射线的这个实施例中光电转换周期可以自一帧伸展至另一帧。然而，所有光电转换设备都具有相同光电转换周期并且没有不正常条件结果。
在此实施例中，X射线辐照周期即图2或5中所示光电转换周期能够被去除，以便进一步有利地增加帧速率。此外，与脉冲辐射方法比较，能够减少X射线强度以便减轻对X射线源和电源的负担。(实施例3)图7是一个显示用于代表本发明第三实施例的X射线图象摄取设备中的驱动的时序图。当图6的时序图中所示实施例中的布线M1至M3在光电转换设备的刷新操作之后被复位时，图7中所示实施例中的光电转换设备刷新操作和布线M1至M3的复位操作是同时完成的。刷新操作的必要条件与复位操作的条件相同，以及通过使用控制信号CRES(控制信号RC)来接通图1中所示开关SW-C或图4中所示开关RES1至RES3。因此刷新操作和复位操作能够彼此同时地完成。由于在此实施例中X射线也是以恒定强度辐射的，一行中的光电转换设备所具有的光电转换周期大体上等于N-1条线的读周期之和，即除用于在它们自身中完成传送、刷新和复位的周期以外的周期，如同第二实施例。
在此实施例中，图6中所示复位周期能够被去除，以便能够比第二实施例进一步有利地增加帧速率。此外，与第一实施例比较，能够减少X射线强度以便减轻对X射线源和电源的负担，如同第二实施例。(实施例4)图8是一个用于代表本发明第四实施例的X射线图象摄取设备的对应于一个象素的部分的等效电路图。虽然在图1中所示电路中光电转换设备的D电极处于恒定电压VS下，图8中所示电路中的开关SW-F能够选择性地施加电压VS和电压Vref。此实施例的特征在于允许选择自G电极侧或自D电极侧施加光电转换设备的刷新电压。例如，在要摄取一个静止图象的情况下，自D电极侧施加刷新电压的方法用于完成例如图7时序图中所示操作。在要获得多个静止图象的情况下，自G电极侧施加刷新电压的方法用于完成例如图2时序图中所示操作。在此实施例中，能够使用一个X射线图象摄取设备在摄取一个静止图象的模式(照相模式或静止图象模式)和获取移动图象的模式(透视模式或移动图象模式)中的每一个模式中完成照相。图9是一个代表本发明第四实施例的X射线图象摄取设备中的两维电路图。图9中所示电路与图4中所示电路的不同之处在于能够利用控制信号VSC将传感器电源线在电压VS与电压Vref之间切换。图10是一个用于显示在照相中自透视模式(移动图象模式)过渡到照相模式(静止图象模式)的原理时序图。图11是一个用于显示图9中所示电路的透视模式中的操作的时序图。也即，在透视模式中，图10中所示时序操作被重复。在透视模式的周期内，一个照相师监视物体(病人)的透视图象以便确定该物体的位置和角度从而完成一个静止图象的照相。通常在此周期内，该物体用相对低的剂量率的X射线辐照。当该照相师输入一个曝光请求信号(一个表达照相师将静止图象照相的愿望的信号)至该设备时，促使模式从透视模式过渡至照相模式。照相模式中的操作时序与图19中所示的相同。根据此实施例，当在要求获得移动图象而进行快速刷新的情况下完成G电极侧电压的逐线控制时，在对静止图象进行照相的情况下完成D电极侧电压的控制。有利的是，如果完成此加电操作，则能够设置一个高刷新电压从而保证一个大的动态范围。
如图9中所示，一次只设置一个的透视模式和照相模式的依次关系并不是唯一的。例如，能够交替地设置透视模式和照相模式，重复地自透视模式换至照相模式，回至透视模式，然后再照相模式，这取决于将物体照相的组合方式。
图12是一个与图11中所示时序不同的透视模式时序图，其不同处在于不是以脉冲方式辐射X射线。在图12中所示时序的情况下，读周期和光电转换周期能够被并发地设置以便允许有利地增加透明模式中的操作频率。此外，由于X射线源不被用作以脉冲方式辐射X射线，因此能够减少X射线源的负载。
在将本发明应用于透视设备的情况下，可以如此安排以便于在透视模式中通过完成来自TFT门的刷新操作而获得一个连续图象，以及当在完成透视操作定位后过渡至一个静止图象照相模式时，便于完成来自SW-F侧的刷新操作从而获得一个高S/N静止图象。通常来自SW-F侧的刷新操作的刷新效率高于来自TFT侧的刷新效率，以及由前者完成的S/N也较高。在将一个不需要高S/N的透视定位图象进行照相的情况下使用来自TFT门的刷新操作是合理的。此外，在将一个需要高S/N及改进的图象质量的静止图象进行照相的情况下使用来自SW-F侧的刷新操作是合理的。
(实施例5)图20显示使用一个射线照相图象摄取设备将本发明应用于X射线诊断系统的例子。
X射线管6050中生成的X射线6060穿透一个病人的胸部6062或一个物体6061，并且进入一个具有安装于其上的荧光物的光电转换器6040。进入转换器的X射线具有关于病人6061身体内部的信息。该荧光物发射对应于射入于其上的X射线的光线。此光线被光电转换操作转换为电信息。此信息被转换为数字形式并且经受由图象处理器6070所完成的图象处理。在图象处理之后，该信息能够在控制室内通过显示器6080进行观察。
此外，此信息能够被一个传送装置例如一条电话线6090传送至远处，以便显示于医生房间等内的显示屏6081上或者存于存储装置例如光盘上以供医生在远处诊断之用。该信息也能由一个胶片处理器6100记录于胶片6110上。
权利要求
1.一种射线照相图象摄取设备，包括一个基底；多个象素，它们之中每一个都由一个MIS型光电转换设备和一个开关设备组成，这些象素被两维地排列于基底上；连至开关设备的控制电极的多条控制布线；用于从MIS型光电转换设备读取信号的多条信号布线；及第二开关设装置，用于切换一个偏压以将开关设备接通至一个第一偏压和一个第二偏压中的至少一个。
2.根据权利要求1的射线照相图象摄取设备，其中第一偏压是一个供刷新操作用的偏压，该刷新操作用于肃清残留于MIS型光电转换设备中的载体，及第二偏压是一个传送偏压，用于将积累于MIS型光电转换设备中的电荷信号传送至信号布线中的相应的一个中。
3.根据权利要求1的射线照相图象摄取设备，其中公共地连至控制布线中的一个的开关设备被第二偏压接通以便完成传送操作，且连至该控制布线的开关设备随后被第一偏压接通以便完成相对于每条线的刷新操作。
4.根据权利要求1的射线照相图象摄取设备，其中一种非晶硅半导体用作MIS型光电转换设备和开关设备的材料。
5.根据权利要求1的射线照相图象摄取设备，其中该开关设备包括一个薄膜半导体。
6.根据权利要求5的射线照相图象摄取设备，其中MIS型光电转换设备由一层形成为低电极的第一金属薄膜层、一层非晶硅氮化物绝缘层(a-SiNx)、一层加氢处理非晶硅光电转换层(a-SiH)、一层用于阻止注入空穴的N型注入阻止层及作为高电极被放置于透明导电层或注入阻止层的一部分上的第二金属薄膜层所组成，这些层按照所述顺序被安排于基底上；开关设备由一层形成为低门电极的第一金属薄膜层、一层非晶硅氮化物门绝缘层(a-SiNx)、一层加氢处理非晶硅半导体层(a-SiH)、一层N型电阻触点层及形成为源和漏电极的透明导电层或第二金属薄膜层所组成，这些层按照所述顺序被安排于基底上；在刷新模式中，一个电场在一个方向内被加于MIS型光电转换设备上以驱使空穴自光电转换层移向第二金属薄膜层；在光电转换模式中，一个电场在一个方向内被加于MIS型光电转换设备上以使由于光线进入光电转换层而生成的载体停留于光电转换层内，及驱使也由光线生成的电子载体移向第二金属薄膜层；以及光电转换模式中积累于光电转换层内的空穴载体或者被驱使移向第二金属薄膜层的电子载体被检测为光信号。
7.根据权利要求1的射线照相图象摄取设备，还包括一个用于完成辐射波长转换的波长转换部件。
8.根据权利要求1的射线照相图象摄取设备，其中第一偏压高于第二偏压。
9.根据权利要求1的射线照相图象摄取设备，还包括一个用于将偏压施加于光电转换设备上的偏压布线。
10.根据权利要求9的射线照相图象摄取设备，还包括一个用于改变加于偏压线上的偏压的第三开关装置，其中包括至少一个由第三开关装置切换的第三偏压是一个用于第二刷新操作的偏压。
11.根据权利要求10的射线照相图象摄取设备，其中第二刷新操作供静止图象用。
12.一种用于驱动根据权利要求2的射线照相图象摄取设备的方法，包括借助第一偏压完成刷新操作，以便肃清残留于MIS型光电转换设备中的载体；及借助第二偏压将积累于MIS型光电转换设备中的电荷信号传送至信号布线中。
13.根据权利要求10的射线照相图象摄取设备，其中相对于每个传感器行完成刷新操作，以便获得移动图象，从而在已经相对于第n传感器行完成信号传送操作之后，完成第n传感器行的刷新操作。
14.一种用于驱动根据权利要求10的射线照相图象摄取设备的方法，包括一种透视模式，其中第一偏压被加于光电转换设备上以便刷新该设备；及一种照相模式，其中第三偏压被加于光电转换设备上以便刷新该设备。
15.一种射线照相图象摄取系统包括一个根据权利要求1的射线照相图象摄取设备；通过辐射对射线照相图象摄取设备进行辐照的辐照装置；一个信号处理电路，用于处理来自射线照相图象摄取设备的信号；记录装置，用于记录来自信号处理电路的信号；一个显示装置，用于显示来自信号处理电路的信号；及传送处理装置，用于传送来自信号处理电路的信号。
全文摘要
提供一种射线照相图象摄取设备，包括一个基底；多个象素，它们之中每一个由一个MIS型光电转换设备和一个开关设备组成，这些象素被两维地排列于基底上；连至开关设备的控制电极的多条控制布线；用于从MIS型光电转换设备中读取信号的多条信号布线；及用于将开关设备接通至第一偏压和第二偏压中的至少一个而切换偏压的第二开关设单元。
文档编号H04N3/15GK1391288SQ0212273
公开日2003年1月15日 申请日期2002年6月7日 优先权日2001年6月7日
发明者远藤忠夫 申请人:佳能株式会社