专利名称：用于同步辐射采集的辐射探测器及方法
技术领域：
本发明涉及一种用于同步辐射采集的辐射探测器，该辐射探测器包括按照APS技术的辐射传感器的二维排列和具有用于同步信号的输入端的分析电路，所述辐射传感器的二维排列和分析电路设置在载体基座上或集成到载体基座中。本发明还涉及一种利用按照APS技术的辐射传感器的二维排列同步采集辐射、尤其是X射线辐射的方法，其中将辐射传感器的模拟信号转换为数字信号。
背景技术：
所述类型的辐射探测器以及方法可以用于很多检测辐射的技术领域，这些辐射例如是光辐射或X射线辐射。辐射探测器的重要应用领域涉及X射线技术，例如医疗X射线技术领域、材料检测领域或安全技术领域。在这些领域中，随着探测器的测量信道数量的增加也出现了越来越多的问题，如下面借助X射线计算机断层造影(X射线CT)详细描述的。
近年来，X射线CT系统中的X射线探测器经历了测量信道数量的巨大增长。就在几年前还采用单行的具有大约700个测量信道的X射线探测器，也就是700个排列为一行的探测器元件，这些探测器元件具有对应的连接线和读取电路，而现在临床中已经采用16行的X射线CT系统，这种CT系统的测量信道数量也相应增加。这种发展在随后几年中还将持续下去。在此，典型的X射线探测器由光传感器的二维阵列组成，这些光传感器由用于将到达的X射线辐射转换成光辐射的闪烁器覆盖，并与一个单独设置的分析电路连接。由于进一步提高了测量信道的数量，目前在光传感器和所述电路之间所需的连接的数量很大，以至于传统的构造技术已经到达了极限。此外，由于电路的高度集成而不容易将每个测量信道累积的费用减少到获得恒定的电路总费用所需的程度。
US5942775A以及US5887049A分别公开了一种X射线探测器，其使用按照APS技术的光传感器的二维排列。这种APS阵列可以用CMOS技术制造，并且可以价格低廉地实现光传感器的高度集成，其中分析电路也可以与光传感器一起集成在载体基座中。
WO98/56214A1描述了一种X射线探测器，其具有按照APS技术的光传感器的二维排列，这些光传感器与分析电路一起集成在载体基座中。其中，该分析电路在一个结构中还包括模拟数字转换器，用于将光传感器的模拟信号转换为数字信号，从而该X射线探测器直接提供数字信号。
对于在X射线CT设备中所需的X射线探测器的同步来说，通常在X射线探测器上设置有同步输入端，其中同步信号的到达表示前一个测量时间间隔的结束和紧接着的后一个测量时间间隔的开始。在两个相互接续的同步信号之间的光传感器信号的平均强度为那些接着要被读取的数字信号提供了一种度量。后面提到的文献还以实施方式描述了一种技术，其中在没有外部同步的情况下用固定的时钟频率读取光传感器。通过分别将两个相互连续的、由时钟频率预先给定的时间窗进行比较，可以识别X射线的到达，并通过进一步处理在该时间窗中采集的值确定该X射线的大小。其中这样选择时钟频率，使一个X射线脉冲的持续时间短于两个时间窗的持续时间。
尽管以APS阵列实现了辐射探测器以及与此相关的优点，还是存在对辐射探测器的需要，尤其是需要用于同步辐射采集的、可以很廉价制造的X射线探测器。还要尽力减少探测器中所需的连接数。
发明内容
因此本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于同步辐射采集、尤其是X射线辐射采集的辐射探测器以及方法，使得可以廉价地制造探测器以及减少探测器中所需的连接。
本发明的用于同步辐射采集的辐射探测器具有按照APS技术的辐射传感器的二维排列，和具有用于输入同步信号的输入端的分析电路，该辐射传感器和分析电路设置在载体基座上或集成到载体基座中。其中，分析电路包括多个模拟-数字转换器，用于将辐射传感器的模拟信号转换为数字信号。在本发明的辐射探测器中，这些模拟-数字转换器构造为自由运行的并由此为非触发式的电流-频率转换器，其在运行期间持续对由光传感器提供的电流进行转换。由于这些转换器的自由运行方式，由同步信号预先给定的、用于采集辐射的额定时间段与自由运行的电流-频率转换器的转换事件之间发生了时间上的偏差，这种偏差导致数字信号中的误差或不精确。为了校正这些误差，在本发明的辐射探测器中还设置有一个校正单元，该校正单元基于由转换器针对各个转换事件提供的时间信息来校正误差。
在此优选的，对于每个辐射传感器，也就是在每个辐射传感器的空间上直接相邻的区域内，在载体基座上设置一个单独的电流-频率转换器，或者集成到载体基座中，并与辐射传感器连接以进行信号转换。然后，可以通过若干传输导线上的一个或多个多路复用器顺序传输数字信号。
在本发明的辐射探测器中使用的电流-频率转换器中，将待转换的电流或待转换的电压转换为矩形脉冲序列。为此，一直对输入电流进行积分，直到积分器的输出电压达到比较电压的大小。然后提取出定义的电荷量并产生一个矩形脉冲。在该转换事件之后开始新的转换过程。因此，所产生的脉冲序列中两个相互接续的脉冲之间的时间距离成为这两个脉冲之间平均输入电流的度量。
由此，在本发明的辐射探测器中，将多个模拟-数字转换器和光传感器一起设置在载体基座上，或集成到载体基座中，从而使光传感器和模拟-数字转换器之间的信号路径可以达到最小。在优选的实施方式中，每个探测器元件由一个具有对应模拟-数字转换器以及所需连接线的光传感器，和必要时分析电路的其它电路部分构成。在此，如由现有技术的APS阵列公开的那样，整个探测器是用CMOS技术制造的。
本发明的辐射探测器的一个显著优点通过采用自由运行的电流-频率转换器给出，这些电流-频率转换器由于系统限制而在同步应用的现有技术中没有采用。但在本发明的探测器中，由于采用了校正单元而克服了同步问题，该校正单元对不精确进行计算校正，该不精确是由于由同步信号预先给定的、用于采集辐射的额定时间段与自由运行的电流-频率转换器的转换事件之间存在的时间上的偏差而引起的。通过这种方式可以精确地同步辐射采集，就像在通常采用的触发式模拟-数字转换器中那样。但自由运行的电流-频率转换器和对应校正单元的采用还有其它显著优点。它们的采用降低了对辐射探测器电路的制造过程的精度要求，因为基于转换原理电流-频率转换器一方面只需要很少的电路部分，另一方面例如不需要高度精确地制造其部件。此外，在本发明的辐射探测器中，基于自由运行的转换原理不会出现充电时间限制或积分时间限制以及空载时间，从而可以达到最佳的量化利用。转换原理的传输特征曲线提供了非等间隔的量化，其中对于小输入信号量化级小，而对于大输入信号量化级大。该特性显著地满足了对辐射探测器的要求。
通过将辐射传感器、电路以及校正单元组合为一个组件的可能性，可以极大的减少成本，因为可以通过垂直积分(例如在采用硅晶片作为载体基座的条件下)而最佳利用每个探测器元件所需的面积。通过每个探测器元件以及每组探测器元件的数字输出和因此可能的多路复用，可以明显减少所需的输出导线，从而简化这种辐射探测器的二维模块化结构，并明显简化这种辐射探测器的扩充和缩减。
在一种实施方式中，本发明的辐射探测器构造为例如用于X射线CT设备的X射线辐射探测器。在此，辐射传感器是光传感器，在这些光传感器上方设置用于将入射的X射线辐射转换为光辐射的闪烁器。优选的，在此，闪烁器不仅覆盖光传感器的光敏区域，而且覆盖光敏区域之间的其它部分区域，从而在X射线探测器上一方面存在被覆盖了的部分区域，一方面还存在未被覆盖的部分区域。在此，这样形成各个探测器元件，使得在未被覆盖的部分区域下主要设置分析电路的数字电路部分和连接线，而在被闪烁器覆盖的区域下主要设置分析电路的模拟电路部分。在此，未被覆盖的部分区域以公知方式用于各个探测器元件之间的光隔离，其中，当然可以还在这些部分区域中设置例如能形成一个准直仪的隔板。在被闪烁器覆盖的部分区域下，设置对X射线辐射敏感的模拟电路部分，因为闪烁器只让一小部分X射线辐射穿过。通过这种辐射探测器结构，可以实现非常适合于X射线CT中的多信道系统以及其它X射线吸收方法领域(例如材料检测和安全技术)的X射线探测器。同样，当然还适合于用于同步辐射采集的对应方法。
下面借助实施例和附图再次解释本发明的方法以及根据该方法工作的辐射探测器。在此示出图1A是本发明辐射探测器的基本单元的例子的俯视图；图1B是本发明辐射探测器的基本单元的例子的侧视图；图2是本发明辐射探测器的分析信道的示意图；图3是本发明辐射探测器中的电流-频率转换器的示例性时序图；以及图4是所采用的递归校正算法的框图。
具体实施例方式
图1以侧视图(图1B)和俯视图(图1A)示出一个(主动像素传感器)APS测量像素的基本单元的例子，如在本发明的用作探测器元件的辐射探测器中使用的。其中，辐射探测器包括一个具有m×n个像素的像素矩阵(在图中以虚线示出片段)，该像素矩阵产生在作为载体基座15的CMOS硅晶片上，其中m和n优选大于10。图1用实线表示的基本单元可以分为三个区域。第一区域包括光传感器1的光敏面，其将入射的光辐射转换为电流。在该基本单元的矩阵上方设置了结构化的闪烁器14，用于将X射线辐射转换为可见光。合适的闪烁器材料对专业人员来说例如已由本申请开头部分所述的文献所公知。通过对形成各个对应于光传感器1的闪烁器14的闪烁器材料进行结构化，用作载体基座15的硅晶片经受不同的X射线负载。上面具有闪烁材料的区域与其它区域相比只得到大约1/15的剂量。由于根据不同的电路目的CMOS电路具有不同的辐射灵敏度，因此闪烁器14的大小设置为或结构化为，除了光传感器1的光敏面外还覆盖部分区域2。在该部分区域2中设置辐射灵敏的电路部分。该电路部分优选是图2中示意性示出的分析电路的模拟电路部分(分隔线的左侧)。在未被闪烁器覆盖的区域3中，只有一个可穿透的反射层减弱了主要的X射线辐射。因此，在此设置了数字电路部分和连接线。这种基本单元的总尺寸一般是(1..10)×(1..10)mm2，其中各个区域的横向延伸分别≤300μm。
图2示意性示出分析信道的设置在区域2和3中的分析电路。在此，绘出的分隔线标示出划分在图左侧的异步电路部分和在图右侧的包括校正单元在内的同步电路部分。异步部分完全设置在载体基座上或者完全集成在载体基座中。同步部分可以完全或部分地设置在载体基座外。由光传感器1获得的电流信号通过电流-频率转换器4转换为脉冲序列，该脉冲序列的频率与电流信号的大小对应。这种电流-频率转换器的结构已由现有技术公开。转换器4由具有积分器5的异步部分、比较器6、脉冲整形器7、计数器8以及时间戳产生器9、具有Q寄存器10和t寄存器11的同步部分组成，其中这两个寄存器在设定的触发时刻接收时间标记t和计数器状态Q。异步部分根据其性质是一个自由振荡、可由电流控制的振荡器。在寄存器10和11中存储的两个数字值作为输入参数用于校正单元12，该校正单元12提供涉及初始同步触发间隔的(即校正的平均)电流值作为结果13。
图3示出在采用涉及图2所示分析信道的本发明辐射探测器过程中的时间信号关系。最上面的曲线(Iin)示例性示出光传感器1获得的输入信号的变化曲线。下面示出等间隔的触发信号。在触发信号下面可以看到电流-频率转换器4的积分器-输出信号的变化曲线。最下面的曲线示出电流-频率转换器4的脉冲整形器7的输出信号。感兴趣的测量参数是在以τ表示的时间间隔内流动的平均电流。该平均电流例如与在待记录的CT旋转角度区间内的强度对应。该电流由I＝ΔQ/Δt给出，其中，ΔQ＝Δn×q，q为每个积分过程或脉冲整形器7的每个脉冲的电荷量，Δn为两个相互接续的触发过程(＝读取过程)之间的计数器状态差。
积分器5对光传感器1提供的电流信号进行积分。只要积分器达到一个特定的、通过比较器6预先给定的阈值，脉冲整形器7就产生一个脉冲。由此积分器5提取出定义的充电量q并开始新的周期。由此，脉冲频率成为输入信号大小的度量。在该图中，在最上面曲线的中部区域可以看到增大的输入信号，其例如可以归结于X射线强度的短暂加强。从图3可以看出，由于电流-频率转换器4的自由运行而不能精确采集在触发时间间隔或同步时间间隔τ内输入的输入信号。由于出现了用于形成各脉冲的转换事件(即积分时间间隔)以及由此出现了异步于触发时间间隔的电荷分组q，因此测量时间间隔T相对于触发时间间隔τ的位置发生了移动，如该图中所示。该移动导致产生以Δti-1或Δti表示的误差，该误差又导致数字化信号的不精确。
通过图2示出的校正单元1来2计算地校正与结合图3解释的、在通过电流-频率转换器4数字化的信号中出现的误差。在此采用的递归校正算法是Si=Δnτ-Si-1Δti-1τ-Δti]]>其中τ为触发时间间隔(额定时间段)，Si为当前(校正的)数字信号，Si-1为前一个(校正的)数字信号，Δn为在当前信号和前一个信号之间电流-频率转换器计数器状态的差，Δti-1为额定时间段的开始和前一个转换事件的开始之间的时间差，Δti为额定时间段的结束和下一个转换事件的开始之间的时间差。
利用图4中再次示意性示出的所述校正算法，从输入参数Δn和t以及前一个结果Si-1中计算出当前Si。校正单元本身可以可选择地直接集成在载体基座上或集成到一个连接在后面的单元中。
权利要求
1.一种用于同步辐射采集的辐射探测器，该辐射探测器具有按照APS技术的辐射传感器(1)的二维排列和具有用于同步信号的输入端的分析电路，所述辐射传感器和分析电路可以设置在载体基座(15)上或集成到载体基座(15)中，其特征在于，所述分析电路包括多个自由运行的电流-频率转换器(4)，用于将辐射传感器(1)的模拟信号转换为数字信号，并且设置有用于校正数字信号中的误差的校正单元(12)，这些误差是由于同步信号预先给定的、用于采集辐射的额定时间段与自由运行的电流-频率转换器(4)的转换事件之间的时间上的偏差而引起的。
2.根据权利要求1所述的辐射探测器，其特征在于，对于每个辐射传感器(1)，在所述载体基座(15)上设置或在该载体基座(15)中集成一个单独的电流-频率转换器(4)，并且该电流-频率转换器(4)与所述辐射传感器(1)连接。
3.根据权利要求1或2所述的辐射探测器，其特征在于，所述校正单元(12)采用递归校正算法，利用该算法根据以下公式计算每个电流-频率转换器(4)的数字信号Si=Δnτ-Si-1Δti-1τ-Δti]]>其中，τ为额定时间段，Si为当前数字信号，Si-1为前一个数字信号，Δn为在当前信号和前一个信号之间所述电流-频率转换器(4)的计数器状态之间的差，Δti-1为额定时间段的开始和前一个转换事件的开始之间的时间差，Δti为额定时间段的结束和下一个转换事件的开始之间的时间差。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的辐射探测器，其特征在于，所述辐射传感器包含光传感器(1)。
5.根据权利要求4所述的辐射探测器，其特征在于，在所述光传感器(1)的上方设置用于将入射的X射线辐射转换为光辐射的闪烁器(14)。
6.根据权利要求5所述的辐射探测器，其特征在于，所述闪烁器(14)这样设置和设定大小，使得在光传感器(1)的光敏区之间的部分区域(3)不被闪烁器(14)所覆盖。
7.根据权利要求6所述的辐射探测器，其特征在于，在所述未被覆盖的部分区域(3)下主要设置所述分析电路的数字电路部分和连接线，而在被闪烁器(14)覆盖的区域(2)下主要设置所述分析电路的模拟电路部分。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的辐射探测器，其特征在于，所述校正单元(12)设置在所述载体基座(15)上或集成到该载体基座(15)中。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的辐射探测器，其特征在于，所述辐射传感器(1)形成一个具有m×n个像素的像素阵列，其中，m＞10且n＞10。
10.一种同步采集辐射、尤其是X射线辐射的方法，其利用按照APS技术的辐射传感器(1)的二维排列，其中，将所述辐射传感器(1)的模拟信号转换为数字信号，其特征在于，为了进行所述转换采用电流-频率转换器(4)并使其自由运行，其中，计算地校正数字信号中的误差，这些误差是由于由同步信号预先给定的、用于采集辐射的额定时间段与自由运行的电流-频率转换器(4)的转换事件之间的时间上的偏差而引起的。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，每个辐射传感器(1)都对应一个单独的电流-频率转换器(4)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，采用以下递归校正算法校正所述误差Si=Δnτ-Si-1Δti-1τ-Δti]]>其中τ为额定时间段，Si为当前数字信号，Si-1为前一个数字信号，Δn为在当前信号和前一个信号之间所述电流-频率转换器(4)的计数器状态之间的差，Δti-1为额定时间段的开始和前一个转换事件的开始之间的时间差，Δti为额定时间段的结束和下一个转换事件的开始之间的时间差。
全文摘要
本发明涉及一种用于同步采集辐射的辐射探测器以及方法。该辐射探测器具有按照APS技术的辐射传感器(1)的二维排列和具有用于同步信号的输入端的分析电路。分析电路包括多个自由运行的电流－频率转换器(4)，用于将辐射传感器(1)的模拟信号转换为数字信号。此外还设置有校正单元(12)用于校正数字信号中的误差，这些误差是由于由同步信号预先给定的、用于采集辐射的额定时间段与自由运行的电流－频率转换器(4)的转换事件之间存在的时间上的偏差而引起的。本发明的辐射探测器可以成本低廉地制造，并能实现简化的和可伸缩的模块化结构。
文档编号H01L31/09GK1673772SQ20041009837
公开日2005年9月28日 申请日期2004年12月8日 优先权日2003年12月8日
发明者比约恩·海斯曼, 托马斯·赖歇尔 申请人:西门子公司