CN112888967A - 具有辐射检测器和掩模的图像传感器 - Google Patents

具有辐射检测器和掩模的图像传感器 Download PDF

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Abstract

本文公开了一种图像传感器，所述图像传感器包括：多个辐射检测器；具有多个辐射透射区和辐射阻挡区的掩模；以及致动器，所述致动器被配置为将所述多个辐射检测器从第一位置移动到第二位置并将所述掩模从第三位置移动到第四位置；其中，当所述辐射检测器处于所述第一位置并且所述掩模处于所述第三位置时，以及当所述辐射检测器处于所述第二位置并且所述掩模处于所述第四位置时，所述辐射阻挡区阻挡来自辐射源的否则将入射在所述图像传感器的死区上的辐射，并且所述辐射透射区允许来自所述辐射源的将入射在所述图像传感器的有效区域上的辐射的至少一部分通过。

Description

具有辐射检测器和掩模的图像传感器
【技术领域】
本公开涉及辐射成像技术领域，更具体地涉及一种具有辐射检测器和掩模的图像传感器。
【背景技术】
辐射检测器可以是用于测量辐射的通量、空间分布、光谱或其他性质的装置。
辐射检测器可用于许多应用。一个重要的应用是成像。辐射成像是一种射线照相技术，并可用于揭示非均匀组成的不透明的对象(如人体)的内部结构。
用于成像的早期辐射检测器包括照相底板和照相胶片。照相底板可以是具有光敏乳剂涂层的玻璃板。虽然照相底板被照相胶片取代了，但由于它们提供的优质品质及其极端稳定性，它们仍可用于特殊情况。照相胶片可以是具有光敏乳剂涂层的塑料膜(例如，条或片)。
在20世纪80年代，可光激励的磷光体板(PSP板)变得可用。PSP板可以包含在其晶格中具有色心的磷光体材料。当PSP板暴露于辐射时，由辐射激发的电子被俘获在色心中，直到它们被在板表面上扫描的激光束激励。当该板被激光扫描时，被俘获的激发电子发出光，该光被光电倍增管收集。收集的光被转换成数字图像。与照相底板和照相胶片相比，PSP板可以被重复使用。
另一种辐射检测器是辐射图像增强器。辐射图像增强器的组件通常在真空中密封。与照相底板、照相胶片和PSP板相比，辐射图像增强器可以产生实时图像，即，不需要曝光后处理来产生图像。辐射首先撞击输入磷光体(例如，碘化铯)并转换成可见光。然后可见光撞击光电阴极(例如，含有铯和锑化合物的薄金属层)并引起电子发射。发射的电子数量与入射辐射的强度成比例。发射的电子通过电子光学器件投射到输出磷光体上并使输出磷光体产生可见光图像。
闪烁体在某种程度上与辐射图像增强器类似地操作，因为闪烁体(例如，碘化钠)吸收辐射并发射可见光，然后可以通过合适的图像传感器检测可见光。在闪烁体中，可见光在所有方向上扩散和散射，从而降低空间分辨率。减小闪烁体厚度有助于改善空间分辨率，但也减少了辐射的吸收。因此，闪烁体必须在吸收效率和分辨率之间达成折衷。
半导体辐射探测器通过将辐射直接转换成电信号很大程度上克服了这个问题。半导体辐射检测器可以包括吸收关注波长的辐射的半导体层。当辐射粒子在半导体层中被吸收时，产生多个电荷载流子(例如，电子和空穴)并在电场下朝向半导体层上的电触点扫射。
【发明内容】
本文公开了一种图像传感器，所述图像传感器包括：多个辐射检测器；具有多个辐射透射区和辐射阻挡区的掩模；以及致动器，所述致动器被配置为将所述多个辐射检测器从第一位置移动到第二位置并将所述掩模从第三位置移动到第四位置；其中，当所述辐射检测器处于所述第一位置并且所述掩模处于所述第三位置时，以及当所述辐射检测器处于所述第二位置并且所述掩模处于所述第四位置时，所述辐射阻挡区阻挡来自辐射源的否则将入射在所述图像传感器的死区上的辐射，并且所述辐射透射区允许来自所述辐射源的将入射在所述图像传感器的有效区域上的辐射的至少一部分通过。
根据实施例，所述图像传感器被配置为当所述辐射检测器处于所述第一位置时，通过使用所述辐射检测器来捕获场景的第一部分的图像，并且所述图像传感器被配置为当所述辐射检测器处于所述第二位置时，通过使用所述辐射检测器来捕获场景的第二部分的图像，其中所述图像传感器被配置为通过拼接所述第一部分的图像和所述第二部分的图像来形成所述场景的图像。
根据实施例，所述多个辐射检测器间隔设置。
根据实施例，所述图像传感器还包括快门，所述快门被配置为在所述辐射检测器的移动期间阻挡来自所述辐射源的辐射。
根据实施例，所述致动器包括第一线性电机和第二线性电机；其中，所述第一线性电机被配置为将所述辐射检测器从所述第一位置移动到所述第二位置；其中，所述第二线性电机被配置为将所述掩模从所述第三位置移动到所述第四位置。
根据实施例，所述致动器包括第三线性电机和连杆；其中，所述第三线性电机被配置为将所述辐射检测器从所述第一位置移动到所述第二位置；其中，所述连杆将所述掩模耦接到所述辐射检测器，使得所述辐射检测器从所述第一位置到所述第二位置的移动使所述掩模从所述第三位置移动到所述第四位置。
根据实施例，所述致动器包括第三线性电机和连杆；其中，所述第三线性电机被配置为将所述掩模从所述第三位置移动到所述第四位置；其中，所述连杆将所述辐射检测器耦接到所述掩模，使得所述掩模从所述第三位置到所述第四位置的移动使所述辐射检测器从所述第一位置移动到所述第二位置。
根据实施例，所述致动器包括第三线性电机和连杆；其中，所述第三线性电机被配置为驱动所述连杆；其中，所述连杆使所述掩模从所述第三位置移动到所述第四位置，并使所述辐射检测器从所述第一位置移动到所述第二位置。
根据实施例，所述致动器包括步进电机和传动装置；其中，所述步进电机被配置为将辐射检测器从所述第一位置移动到所述第二位置并驱动所述传动装置；其中，所述传动装置被配置为将所述掩模从所述第三位置移动到所述第四位置。
根据实施例，所述多个辐射检测器中的至少一些按交错的行布置。
根据实施例，同一行中的辐射检测器的尺寸一致；其中，同一行中的两个相邻辐射检测器之间的距离大于同一行中的一个辐射检测器在该行的延伸方向上的宽度，并且小于该宽度的两倍。
根据实施例，所述辐射检测器的有效区域在所述位置处对所述场景进行细分。
根据实施例，所述多个辐射检测器中的至少一些包括多层检测器。
根据实施例，所述多个辐射检测器中的至少一些是矩形形状。
根据实施例，所述多个辐射检测器中的至少一些是六边形形状。
根据实施例，所述多个辐射检测器中的至少一个包括辐射吸收层和电子器件层；其中，所述辐射吸收层包括电极；其中，所述电子器件层包括电子器件***；其中，所述电子器件***包括：第一电压比较器，所述第一电压比较器被配置为将所述电极的电压与第一阈值进行比较，第二电压比较器，所述第二电压比较器被配置为将所述电压与第二阈值进行比较，计数器，所述计数器被配置为记录到达所述辐射吸收层的辐射粒子的数量，以及控制器；其中，所述控制器被配置为从所述第一电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值的时间开始时间延迟；其中，所述控制器被配置为在所述时间延迟期间激活所述第二电压比较器；其中，所述控制器被配置为：如果所述第二电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超过所述第二阈值的绝对值，则使所述计数器记录的数量增加1。
根据实施例，所述电子器件***还包括电连接到所述电极的电容器模块，其中，所述电容器模块被配置为从所述电极收集电荷载流子。
根据实施例，所述控制器被配置为在所述时间延迟开始或期满时激活所述第二电压比较器。
根据实施例，所述电子器件***还包括电压表，其中，所述控制器被配置为使得所述电压表在所述时间延迟期满时测量所述电压。
根据实施例，所述控制器被配置为基于在所述时间延迟期满时测量的电压值来确定辐射粒子的能量。
根据实施例，所述控制器被配置为将所述电极连接到电接地。
根据实施例，在所述时间延迟期满时，所述电压的变化率基本上为零。
根据实施例，在所述时间延迟期满时，所述电压的变化率基本上不为零。
本文公开了一种包括本文所述的图像传感器和辐射源的***，其中，所述***被配置为对人的胸部或腹部进行射线照相。
本文公开了一种包括本文所述的图像传感器和辐射源的***，其中，所述***被配置为对人的嘴部进行射线照相。
本文公开了一种货物扫描或非侵入式检查(NII)***，其包括本文所述的图像传感器和辐射源，其中，所述货物扫描或非侵入式检查(NII)***被配置为使用透射通过被检对象的辐射来形成图像。
本文公开了一种全身扫描仪***，其包括本文所述的图像传感器和辐射源。
本文公开了一种辐射计算机断层摄影(辐射CT)***，其包括本文所述的图像传感器和辐射源。
本文公开了一种电子显微镜，其包括本文所述的图像传感器、电子源和电子光学***。
本文公开了一种包括本文所述的图像传感器的***，其中，所述***是辐射望远镜或辐射显微镜，或者，其中，所述***被配置为进行***X线照相、工业缺陷检测、微射线照相、铸造检查、焊缝检查或数字减影血管造影。
【附图说明】
图1A和图1B示意性地示出了根据实施例的图像传感器。
图2A示意性地示出了根据实施例的包括检测器和印刷电路板(PCB)的封装的俯视图。
图2B示意性地示出了根据实施例的具有多个图2A的封装的图像传感器的横截面图。
图3A至图3C示意性地示出了根据实施例的致动器的合适设计的示例。
图4示意性地示出了根据实施例的拍摄场景的一系列图像的图像传感器。
图5A至图5C示意性地示出了根据一些实施例的图像传感器中的辐射检测器的布置。
图6示意性地示出了根据实施例的具有多个六边形形状的检测器的图像传感器。
图7A示意性地示出了根据实施例的辐射检测器的横截面图。
图7B示意性地示出了根据实施例的辐射检测器的详细横截面图。
图7C示意性地示出了根据实施例的辐射检测器的可替代的详细横截面图。
图8示意性地示出了根据实施例的辐射检测器可以具有像素阵列。
图9示意性地示出了根据实施例的包括本文所述的图像传感器的***，其适用于诸如胸部射线照相、腹部射线照相等医学成像。
图10示意性地示出了根据实施例的包括本文所述的图像传感器的***，其适用于牙科射线照相。
图11示意性地示出了根据实施例的包括本文所述的图像传感器的货物扫描或非侵入式检查(NII)***。
图12示意性地示出了根据实施例的包括本文所述的图像传感器的全身扫描仪***。
图13示意性地示出了根据实施例的包括本文所述的图像传感器的辐射计算机断层摄影(辐射CT)***。
图14示意性地示出了根据实施例的包括本文所述的图像传感器的电子显微镜。
图15A和图15B各自示出了根据实施例的图7A、图7B和图7C中的检测器的电子***的组件图。
图16示意性地示出了根据实施例的流过暴露于辐射的辐射吸收层的二极管的电极或电阻器的电触点的电流的时间变化(上部曲线)，以及该电极的电压的相应时间变化(下部曲线)，该电流是由通过入射在辐射吸收层上的辐射粒子产生的电荷载流子引起的。
【具体实施方式】
图1A和图1B示意性地示出了根据实施例的图像传感器9000。在图像传感器9000相对于场景50处于不同的位置(例如，位置901和902)的同时，图像传感器9000可以拍摄场景50的不同部分的图像。图像传感器9000包括多个辐射检测器100、掩模200和致动器500。多个辐射检测器100可以被配置为接收来自辐射源109并通过场景50的一部分的辐射。图像传感器9000的辐射检测器100可以处于安装到***印刷电路板(PCB)450的一个或多个封装250中。
图2A示意性地示出了根据实施例的包括一个或多个辐射检测器100和PCB 400的封装250之一的俯视图。如本文使用的术语“PCB”不限于特定材料。例如，PCB可以包括半导体。该封装250中的辐射检测器100被安装到PCB 400。为了清楚起见，未示出辐射检测器100和PCB 400之间的布线。PCB 400可以具有未被辐射检测器100覆盖的区域(例如，用于容纳接合线410)。辐射检测器100可以各自具有有源区域190。有源区域190对辐射敏感。入射在有源区域190上的辐射可以由辐射检测器100检测。辐射检测器100可以各自在其边缘附近具有周边区195。周边区195对入射辐射不敏感，并且检测器100不检测入射在周边区195上的辐射。
图2B示意性地示出了根据实施例的图像传感器9000的若干封装250的横截面图。封装250中的PCB 400和***PCB 450之间的电连接可以通过接合线410来实现。PCB 400可以具有未被封装250的辐射检测器100覆盖的区域405，例如，用以容纳PCB400上的接合线410。在示例中，封装250之间具有间隙以容纳***PCB 450上的接合线410。间隙可以为约1mm以上。入射在周边区195、区域405或间隙上的辐射不能被图像传感器9000的辐射检测器100检测到。辐射检测器的死区是该辐射检测器的辐射接收表面的入射辐射不能被该辐射检测器探测到的区域。封装(例如，封装250)的死区是该封装的辐射接收表面的入射辐射不能被该封装中的一个或多个辐射检测器检测到的区域。在图2A所示的该示例中，封装250的死区包括周边区195和区域405。具有一组封装(例如，安装在同一PCB上的封装，布置在同一层中的封装)的图像传感器9000的死区(例如，9004)包括该组中的各封装的死区和各封装之间的各间隙的死区的组合。图像传感器9000的有效区域9002是图像传感器9000中的辐射检测器100的有源区域190的组合。
如图1A和图1B示意性所示，掩模200具有多个辐射透射区201和辐射阻挡区202。辐射阻挡区202防止入射在其上的辐射通过，并且辐射透射区201允许入射在其上的辐射的至少一部分通过。辐射阻挡区202可以与图像传感器9000的死区9004对准。辐射阻挡区202可以阻挡来自辐射源(例如，辐射源109)的否则将到达死区9004的辐射。例如，辐射阻挡区202被配置为防止来自辐射源109的否则将到达死区9004的辐射到达场景50。辐射透射区201可以与图像传感器9000的有效区域9002对准。辐射透射区201可以允许来自辐射源(例如，辐射源109)的辐射的至少一部分到达有源区域9002。辐射透射区201和辐射阻挡区202的位置可以相对于掩模200固定。掩模200的一个示例可以是其中带孔的厚度足以阻挡辐射的金属片。孔可以是辐射透射区201，并且金属片的其余部分可以是辐射阻挡区202。
如图1A和图1B所示，致动器500被配置为将辐射检测器100和掩模200移动到多个位置。致动器500可以具有一个或多个驱动器(例如，电动机)。致动器500可以在没有相对移动的情况下移动辐射检测器100和掩模200。致动器500可以使辐射检测器100和掩模200相对于彼此移动。在图1A所示的示例中，辐射检测器100处于第一位置901，并且掩模200处于第三位置903。在图1B所示的示例中，致动器500将辐射检测器100从第一位置901移动到第二位置902，并且将掩模200从第三位置903移动到第四位置904。在各个位置处，图像传感器9000拍摄场景50的一部分的图像。即，当辐射检测器100处于第一位置901时，图像传感器9000通过使用辐射检测器100捕获场景50的第一部分的图像，并且当图像辐射检测器100处于第二位置902时，图像传感器9000捕获场景50的第二部分的图像。然后，可以拼接这些部分的图像以形成场景50的图像。这些部分的图像可以彼此重叠以便于拼接。
根据一个实施例，当辐射检测器100处于第一位置901并且掩模200处于第三位置903时，以及当辐射检测器100处于第二位置902并且掩模200处于第四位置904时，辐射阻挡区202阻挡来自辐射源109的否则将入射在图像传感器9000的死区9004上的辐射，并且辐射透射区201允许来自辐射源109的将入射在图像传感器9000的有效区域9002上的辐射的至少一部分通过。
致动器500可以位于场景和辐射源109之间，位于场景50和图像传感器9000之间，或者位于另一个合适的位置。致动器500可以被配置为在图像传感器9000捕获场景50的各部分的图像的多个位置之间移动掩模200和辐射检测器100，使得在这些位置的各个位置处保持辐射检测器100与掩模200之间的对准。
致动器500可以具有任何合适的设计，其示例在图3A至图3C中示意性地示出。根据实施例，致动器500可以包括第一线性电机601和第二线性电机602，它们可以分别与掩模200和辐射检测器100接合，如图3A所示。第一线性电机601被配置为例如将辐射检测器100从第一位置901移动到第二位置902。第二线性电机602被配置为例如将掩模200从第三位置903移动到第四位置904。
根据一个实施例，致动器500可以包括第三线性电机603和连杆604，其可以分别与辐射检测器100和掩模200接合，或者，反之亦然，如图3B所示。在所示的示例中，第三线性电机603被配置为例如将辐射检测器100从第一位置901移动到第二位置902，并且连杆604将掩模200耦接到辐射检测器100，使得辐射检测器100从第一位置901到第二位置902的移动使掩模200从第三位置903移动到第四位置904。在另一个示例中，第三线性电机603被配置为例如将掩模200从第三位置903移动到第四位置904，并且连杆604将辐射检测器100耦接到掩模200，使得掩模200从第三位置903到第四位置904的移动使辐射检测器100从第一位置901移动到第二位置902。在又一个示例中，第三线性电机603可以驱动连杆604，并且连杆604驱动掩模200和辐射检测器100。例如，连杆604使掩模200从第三位置903移动到第四位置904并使辐射检测器100从第一位置901移动到第二位置902。
根据一个实施例，致动器500可以包括步进电机605和传动装置606，它们可以分别与辐射检测器100和掩模200接合，或者，反之亦然，如图3C所示。在所示的示例中，步进电机605被配置为例如将辐射检测器100从第一位置901移动到第二位置902。步进电机605还被配置为驱动传动装置606，并且传动装置606被配置为例如将掩模200从第三位置903移动到第四位置904。传动装置606可以使掩模200以步进电机605的位移量乘以传动装置606的传动比的大小来移位。
如图1A和图1B中示意性地示出的，图像传感器9000可以包括快门220。快门220被配置为在辐射检测器100和掩模200的移动期间阻挡来自辐射源109的辐射。
如图4所示，根据实施例，图像传感器9000的辐射检测器100的至少一些按阵列布置。为了形成场景50的图像，致动器500将辐射检测器100相对于场景50移动到多个位置(例如，图4中的A、B和C)，其中，图像传感器9000分别在这些位置处捕获场景50的各部分的图像(例如，51A、51B和51C)。场景50的每个点都在一部分的至少一个图像中。即，当拼接在一起时各部分的图像覆盖整个场景50。这些部分的图像可以在它们之间具有重叠以便于拼接。
辐射检测器100可以以各种方式布置在图像传感器9000中。图5A示意性地示出了根据实施例的一种布置，其中辐射检测器100的至少一些按交错的行布置。例如，检测器100A和100B在同一行中，在Y方向上对齐，并且尺寸一致；检测器100C和100D在同一行中，在Y方向上对齐，并且尺寸一致。辐射检测器100A和100B相对于辐射检测器100C和100D在X方向上交错。根据实施例，同一行中的两个相邻辐射检测器100A和100B之间的距离X2大于同一行中的一个辐射检测器的宽度X1(即，X方向上的尺寸，X方向即为该行的延伸方向)，并且小于宽度X1的两倍。辐射检测器100A和100E在同一列中，在X方向上对齐，并且尺寸一致；同一列中的两个相邻辐射检测器100A和100E之间的距离Y2小于同一列中的一个辐射检测器的宽度Y1(即，Y方向上的尺寸)。这种布置允许如图4所示的场景成像，并且可以通过拼接在X方向上间隔设置的三个位置处捕获的场景的部分的三个图像来获得场景的图像。
图5B示意性地示出了根据实施例的另一种布置，其中辐射检测器100按矩形网格布置。例如，检测器100可以包括如图5A中精确布置的检测器100A、100B、100E和100F，而没有图5A中的检测器100C、100D、100G或100H。这种布置允许通过在六个位置处拍摄场景部分的图像来对场景进行成像。例如，在X方向上间隔设置的三个位置和在X方向上间隔设置且在Y方向上与前三个位置间隔设置的另外三个位置。
其他布置也是可能的。例如，在图5C中，检测器100可以在X方向上跨越图像传感器9000的整个宽度，其中两个相邻检测器100之间的距离Y2小于一个辐射检测器Y1的宽度。假设检测器在X方向上的宽度大于场景在X方向上的宽度，场景的图像可以由在Y方向上间隔设置的两个位置处捕获的场景部分的两个图像拼接成。辐射检测器100可以布置成多层，其中多个辐射检测器100中的至少一些布置成使得入射在一层的死区9004上的辐射被另一层中的辐射检测器捕获。
上述辐射检测器可以设有任何合适的尺寸和形状。根据实施例(例如，在图4中)，辐射检测器中的至少一些是矩形形状。根据实施例，如图6所示，辐射检测器中的至少一些是六边形形状。在这样的辐射检测器中，辐射检测器和对准的相应掩模可以具有相同的形状。
图7A示意性地示出了根据实施例的一个辐射检测器100的横截面图。辐射检测器100可以包括辐射吸收层110和电子器件层120(例如，ASIC)，用于处理或分析入射辐射在辐射吸收层110中产生的电信号。在实施例中，辐射检测器100不包括闪烁体。辐射吸收层110可以包含半导体材料，例如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合。该半导体可以对于关注的辐射能量具有高质量衰减系数。
如图7B中的辐射检测器100的详细横截面图所示，根据实施例，辐射吸收层110可以包括由第一掺杂区111，第二掺杂区113的一个或多个离散区114形成的一个或多个二极管(例如，p-i-n或p-n)。第二掺杂区113可以通过可选的本征区112与第一掺杂区111分离。离散区114通过第一掺杂区111或本征区112彼此分离。第一掺杂区111和第二掺杂区113具有相反的掺杂类型(例如，区域111是p型且区域113是n型，或者，区域111是n型且区域113是p型)。在图7B的示例中，第二掺杂区113的每个离散区114与第一掺杂区111和可选的本征区112形成二极管。即，在图7B的示例中，辐射吸收层110具有多个二极管，其具有第一掺杂区111作为共用电极。第一掺杂区111还可以具有离散的部分。
当辐射粒子撞击包括二极管的辐射吸收层110时，辐射粒子可被吸收并通过多种机制产生一个或多个电荷载流子。辐射粒子可以产生10至100000个电荷载流子。电荷载流子可以在电场下漂移到一个二极管的电极。该场可以是外部电场。电触点119B可以包括离散部分，每个离散部分与离散区114电接触。在实施例中，电荷载流子可以在各方向上漂移，使得由单个辐射粒子产生的电荷载流子基本上不被两个不同的离散区114共用(这里“基本上不…共用”意指相比于其余的电荷载流子，小于2％、小于0.5％、小于0.1％或小于0.01％的这些电荷载流子流向一个不同的离散区114)。由入射在这些离散区114之一的覆盖区周围的辐射粒子产生的电荷载流子基本上不与这些离散区114中的另一个共用。与离散区114相关联的像素150可以是离散区114周围的区域，其中由入射到其中的辐射粒子产生的基本上全部(大于98％，大于99.5％，大于99.9％，或大于99.99％)的电荷载流子流向离散区114。即，小于2％、小于1％、小于0.1％或小于0.01％的这些电荷载流子流过该像素。
如图7C中的检测器100的可替代的详细横截面图所示，根据实施例，辐射吸收层110可以包括诸如硅、锗、GaAs、CdTe、CdZnTe或其组合的半导体材料的电阻器，但不包括二极管。该半导体可以对于关注的辐射能量具有高质量衰减系数。
当辐射粒子撞击包括电阻器而不包括二极管的辐射吸收层110时，它可以被吸收并通过多种机制产生一个或多个电荷载流子。辐射粒子可以产生10至100000个电荷载流子。电荷载流子可以在电场下漂移到电触点119A和119B。该场可以是外部电场。电触点119B包括离散部分。在实施例中，电荷载流子可以在各方向上漂移，使得由单个辐射粒子产生的电荷载流子基本上不被电触点119B的两个不同的离散部分共用(这里“基本上不……共用”意指相比于其余的电荷载流子，小于2％，小于0.5％，小于0.1％或小于0.01％的这些电荷载流子流向一个不同的离散部分)。由入射在电触点119B的这些离散部分之一的覆盖区周围的辐射粒子产生的电荷载流子基本上不与电触点119B的这些离散部分中的另一个共用。与电触点119B的离散部分相关联的像素150可以是离散部分周围的区域，其中由入射到其中的辐射粒子产生的基本上全部(大于98％，大于99.5％，大于99.9％，或大于99.99％)的电荷载流子流向电触点119B的离散部分。即，小于2％、小于0.5％、小于0.1％或小于0.01％的这些电荷载流子流过与电触点119B的一个离散部分相关联的像素。
电子器件层120可以包括适合于处理或解释由入射在辐射吸收层110上的辐射粒子产生的信号的电子***121。电子***121可以包括诸如滤波器网络、放大器、积分器和比较器的模拟电路，或者诸如微处理器和存储器的数字电路。电子***121可以包括由各像素共用的组件或专用于单个像素的组件。例如，电子***121可以包括专用于每个像素的放大器和在所有像素之间共用的微处理器。电子***121可以通过通孔131电连接到像素。通孔之间的空间可以被填充材料130填充，这可以增加电子器件层120与辐射吸收层110的连接的机械稳定性。其它接合技术可以在不使用通孔的情况下将电子***121连接到像素。
图8示意性地示出了辐射检测器100可以具有像素阵列150。该阵列可以是矩形阵列、蜂窝阵列、六边形阵列或任何其他合适的阵列。每个像素150可以被配置为检测入射在其上的辐射粒子，测量辐射粒子的能量，或既检测又测量。例如，每个像素150可以被配置为在一段时间内对入射在其上的能量落在多个区间中的辐射粒子的数量进行计数。所有像素150可以被配置为在同一段时间内对多个能量区间内的入射在其上的辐射粒子的数量进行计数。每个像素150可以具有其自己的模数转换器(ADC)，其被配置为将表示入射辐射粒子的能量的模拟信号数字化为数字信号。ADC可具有10位或更高的分辨率。每个像素150可以被配置为测量其暗电流，例如在每个辐射粒子入射到其上之前或同时。每个像素150可以被配置为从入射在其上的辐射粒子的能量中减去暗电流的贡献。像素150可以被配置为并行操作。例如，当一个像素150测量入射辐射粒子时，另一个像素150可能正在等待辐射粒子到达。像素150可以是但不必是可单独寻址的。
上述图像传感器9000可以用在各种***中，例如下面提供的***。
图9示意性地示出了包括如本文所述的图像传感器9000的***。该***可以用于诸如胸部辐射射线照相、腹部辐射射线照相等医学成像。该***包括辐射源1201。从辐射源1201发射的辐射穿透对象1202(例如，诸如胸部、肢体、腹部等人体部位)，被对象1202的内部结构(例如，骨骼，肌肉，脂肪和器官等)不同程度地衰减，并被投射到图像传感器9000。图像传感器9000通过检测辐射的强度分布来形成图像。
图10示意性地示出了包括如本文所述的图像传感器9000的***。该***可用于医学成像，例如牙科辐射射线照相。该***包括辐射源1301。从辐射源1301发射的辐射穿透作为哺乳动物(例如人)嘴部的对象1302。对象1302可包括上颌骨、上颚骨、牙齿、下颌骨或舌头。辐射通过对象1302的不同结构被不同程度地衰减并且被投射到图像传感器9000。图像传感器9000通过检测辐射的强度分布来形成图像。牙齿比龋齿、感染、牙周韧带吸收更多的辐射。牙科患者接收的辐射剂量通常很小(对于全口系列，约为0.150mSv)。
图11示意性地示出了包括如本文所述的图像传感器9000的货物扫描或非侵入式检查(NII)***。该***可用于公共交通站和机场的行李箱检查。该***包括辐射源1501。从辐射源1501发射的辐射可穿透一件行李箱1502，被行李箱的内容物不同地衰减，并投射到图像传感器9000。图像传感器9000通过检测透射辐射的强度分布来形成图像。该***可以揭示行李箱的内容物并识别公共交通上禁止的物品，例如***、麻醉品、边缘武器、易燃物品。
图12示意性地示出了包括如本文所述的图像传感器9000的全身扫描仪***。全身扫描仪***可以检测人体上的物体以进行安全检查，而无需物理地移除衣物或进行身体接触。全身扫描仪***可能能够检测非金属物体。全身扫描仪***包括辐射源1601。从辐射源1601发射的辐射可以从被检查的人1602及其身上的物体反向散射，并且被投射到图像传感器9000。物体和人体可以不同地反向散射辐射。图像传感器9000通过检测反向散射辐射的强度分布来形成图像。图像传感器9000和辐射源1601可以被配置为沿线性或旋转方向扫描人。
图13示意性地示出了辐射计算机断层摄影(辐射CT)***。辐射CT***使用计算机处理的辐射来产生被扫描对象的特定区域的断层图像(虚拟“切片”)。断层图像可用于各种医学科系中的诊断和治疗目的，或用于探伤、失效分析、计量学、装配分析和逆向工程。辐射CT***包括本文所述的辐射检测器100和辐射源1701。辐射检测器100和辐射源1701可以被配置为沿着一个或多个圆形或螺旋形路径同步旋转。
图14示意性地示出了电子显微镜。电子显微镜包括被配置为发射电子的电子源1801(也称为电子枪)。电子源1801可以具有各种发射机构，例如，热离子、光电阴极、冷发射或等离子体源。发射的电子通过电子光学***1803，该电子光学***1803可以被配置为使电子成形、加速或聚焦。然后电子到达样品1802，并且图像检测器可以由其形成图像。电子显微镜可以包括如本文所述的图像传感器9000，用于进行能量色散辐射光谱分析(EDS)。EDS是一种用于样品的元素分析或化学表征的分析技术。当电子入射到样品上时，它们会引起样品发射特征辐射。入射电子可以激发样品中的原子内壳中的电子，将电子从该壳中射出，同时在电子所在的位置处产生电子空穴。来自外部较高能量壳的电子然后填充该空穴，并且较高能量壳和较低能量壳之间的能量差可以以辐射的形式释放。从样品发射的辐射粒子的数量和能量可以通过图像传感器9000测量。
这里描述的图像传感器9000可以具有其他应用，例如应用于辐射望远镜或辐射显微镜，或者，应用于其中图像传感器9000被配置为进行***X线照相、工业缺陷检测、显微照相或微射线照相、铸造检查、无损测试、焊缝检查或数字减影血管造影等的应用。可以适合使用该图像传感器9000代替照相底板、照相胶片、PSP板、辐射图像增强器、闪烁体或其他半导体辐射检测器。
辐射检测器100中的电子器件层100可以包括适合于处理或解释或校正由入射在包括辐射吸收层110的像素150上的辐射粒子产生的信号的电子***121。电子***121可以包括诸如滤波器网络、放大器、积分器和比较器的模拟电路，或者诸如微处理器和存储器的数字电路。电子***121可以包括由各像素共用的组件或专用于单个像素的组件。例如，电子***121可以包括专用于每个像素的放大器和在所有像素之间共用的微处理器。电子***121可以通过通孔131电连接到像素。通孔之间的空间可以被填充材料130填充，这可以增加电子器件层120与辐射吸收层110的连接的机械稳定性。其它接合技术可以在不使用通孔的情况下将电子***121连接到像素。
图15A和图15B均示出了根据实施例的电子***121的组件图。电子***121可以包括第一电压比较器301、第二电压比较器302、计数器320、开关305、可选的电压表306和控制器310。
第一电压比较器301被配置为将至少一个电触点119B的电压与第一阈值进行比较。第一电压比较器301可以被配置为直接监视电压，或者通过在一段时间内对流过电触点119B的电流进行积分来计算电压。第一电压比较器301可以由控制器310可控地激活或去激活。第一电压比较器301可以是连续比较器。即，第一电压比较器301可以被配置为连续激活并连续监视电压。第一电压比较器301可以是时钟控制比较器。第一阈值可以是一个入射的辐射粒子可以在电触点119B上产生的最大电压的5-10％、10％-20％、20-30％、30-40％或40-50％。最大电压可取决于入射辐射粒子的能量、辐射吸收层110的材料和其他因素。例如，第一阈值可以是50mV、100mV、150mV或200mV。
第二电压比较器302被配置为将电压与第二阈值进行比较。第二电压比较器302可以被配置为直接监视电压或者通过在一段时间内对流过二极管或电触点的电流进行积分来计算电压。第二电压比较器302可以是连续比较器。第二电压比较器302可以由控制器310可控地激活或去激活。当第二电压比较器302被去激活时，第二电压比较器302的功耗可以小于在第二电压比较器302被激活时的功耗的1％、5％、10％或者20％。第二阈值的绝对值大于第一阈值的绝对值。如本文所使用的，实数|x|的术语“绝对值”或“模数”|x|是不考虑其符号的|x|的非负值。即，
Figure BDA0003032243930000201
第二阈值可以是第一阈值的200％-300％。第二阈值可以是一个入射辐射粒子可以在电触点119B上产生的最大电压的至少50％。例如，第二阈值可以是100mV、150mV、200mV、250mV或300mV。第二电压比较器302和第一电压比较器310可以是同一组件。即，***121可以具有一个电压比较器，其可以在不同时间将电压与两个不同的阈值进行比较。
第一电压比较器301或第二电压比较器302可以包括一个或多个运算放大器或任何其他合适的电路。第一电压比较器301或第二电压比较器302可以具有高速以允许***121在高通量的入射辐射粒子下操作。然而，具有高速通常以功耗为代价。
计数器320被配置为至少记录入射在包围电触点119B的像素150上的辐射粒子的数量。计数器320可以是软件组件(例如，存储在计算机存储器中的数量)或硬件组件(例如，4017IC和7490IC)。
控制器310可以是硬件组件，例如微控制器或微处理器。控制器310被配置为从第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值(例如，电压的绝对值从低于第一阈值的绝对值增加为等于或高于第一阈值的绝对值的值)的时间开始时间延迟。这里使用绝对值是因为电压可以是负的或正的，这取决于是使用二极管的阴极还是阳极的电压或使用哪个电触点。控制器310可以被配置为在第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值的时间之前，将第二电压比较器302、计数器320和第一电压比较器301的操作不需要的任何其他电路保持为去激活。时间延迟可以在电压变得稳定即电压的变化率基本上为零之前或之后期满。“电压的变化率基本上为零”的短语意指电压的时间变化小于0.1％/ns。“电压的变化率基本上不为零”的短语意指电压的时间变化至少为0.1％/ns。
控制器310可以被配置为在时间延迟期间(包括开始和期满)激活第二电压比较器。在实施例中，控制器310被配置为在时间延迟开始时激活第二电压比较器。术语“激活”意指使组件进入操作状态(例如，通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平的信号，通过提供电力等)。术语“去激活”意指使组件进入非操作状态(例如，通过发送诸如电压脉冲或逻辑电平的信号，通过切断电力等)。操作状态可以具有比非操作状态更高的功耗(例如，为非操作状态的10倍，100倍，1000倍)。控制器310本身可以被去激活，直到当电压的绝对值等于或超过第一阈值的绝对值时第一电压比较器301的输出激活控制器310为止。
控制器310可以被配置为如果在时间延迟期间，第二电压比较器302确定电压的绝对值等于或超过第二阈值的绝对值，则使得由计数器320记录的数量中的至少一个增加1。
控制器310可以被配置为使得可选的电压表306在时间延迟期满时测量电压。控制器310可以被配置为将电触点119B连接到电接地，以便使电压复位并对在电触点119B上累积的任何电荷载流子进行放电。在实施例中，电触点119B在时间延迟期满之后连接到电接地。在实施例中，电触点119B在有限的复位时间段内连接到电接地。控制器310可以通过控制开关305将电触点119B连接到电接地。开关可以是诸如场效应晶体管(FET)的晶体管。
在实施例中，***121不具有模拟滤波器网络(例如，RC网络)。在实施例中，***121没有模拟电路。
电压表306可以将其测量的电压作为模拟或数字信号馈送到控制器310。
电子***121可以包括电连接到电触点119B的积分器309，其中积分器被配置为从电触点119B收集电荷载流子。积分器309可以包括放大器的反馈路径中的电容器。这样配置的放大器称为电容互阻抗放大器(CTIA)。CTIA通过阻止放大器饱和而具有高动态范围，并通过限制信号路径中的带宽来提高信噪比。来自电触点119B的电荷载流子在一段时间(“积分期”)内累积在电容器上。积分期期满后，对电容器电压进行采样，然后通过复位开关使电容器电压复位。积分器309可包括直接连接到电触点119B的电容器。
图16示意性地示出了由入射在包围电触点119B的像素150上的辐射粒子产生的电荷载流子引起的流过电触点119B的电流的时间变化(上部曲线)，以及电触点119B的电压的相应时间变化(下部曲线)。电压可以是电流相对于时间的积分。在时间t0，辐射粒子撞击像素150，电荷载流子开始在像素150中产生，电流开始流过电触点119B，并且电触点119B的电压的绝对值开始增加。在时间t1，第一电压比较器301确定电压的绝对值等于或超过第一阈值V1的绝对值，并且控制器310开始时间延迟TD1，并且控制器310可以在TD1开始时去激活第一电压比较器301。如果控制器310在t1之前被去激活，则控制器310在t1被激活。在TD1期间，控制器310激活第二电压比较器302。如这里使用的术语“在......期间”意指开始和期满(即结束)以及它们之间的任何时间。例如，控制器310可以在TD1期满时激活第二电压比较器302。如果在TD1期间，第二电压比较器302在时间t2确定电压的绝对值等于或超过第二阈值V2的绝对值，则控制器310等待电压稳定来稳定。当由辐射粒子产生的所有电荷载流子漂移到辐射吸收层110之外时，电压在时间te稳定。在时间ts，时间延迟TD1期满。在时间te或之后，控制器310使电压表306数字化电压并确定辐射粒子的能量落入哪个区间中。控制器310然后使计数器320对应于该区间记录的数量增加1。在图16的示例中，时间ts在时间te之后；即，在辐射粒子产生的所有电荷载流子漂移到辐射吸收层110之外之后，TD1期满。如果不能容易地测量时间te，则可以凭经验选择TD1以使得有足够的时间来收集由该辐射粒子产生的基本上所有的电荷载流子，但不要太长，以便有另一个入射辐射粒子的风险。即，可以凭经验选择TD1，使得凭经验确定时间ts在时间te之后。时间ts不必一定在时间te之后，因为控制器310可以在达到V2时就忽视TD1并且等待时间te。因此，电压与暗电流对电压的贡献之间的差异的变化率在te处基本上为零。控制器310可以被配置为在TD1期满时或在t2或在其间的任何时间去激活第二电压比较器302。
在时间te的电压与由辐射粒子产生的电荷载流子的量成比例，其与辐射粒子的能量有关。控制器310可以被配置为使用电压表306确定辐射粒子的能量。
在TD1期满或电压表306数字化(以较晚为准)之后，控制器310在复位期RST内将电触点119B连接到电接地，以允许累积在电触点119B上的电荷载流子流到地并使电压复位。在RST之后，***121准备好检测另一个入射辐射粒子。如果第一电压比较器301已经被去激活，则控制器310可以在RST期满之前的任何时间激活它。如果控制器310已经被去激活，则可以在RST期满之前激活它。
虽然本文已经公开了各个方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。本文公开的各个方面和实施例是出于说明的目的而不意图是限制性的，真正的范围和精神由所附权利要求指示。

Claims (30)

1.一种图像传感器，包括：
多个辐射检测器；
具有多个辐射透射区和辐射阻挡区的掩模；以及
致动器，所述致动器被配置为将所述多个辐射检测器从第一位置移动到第二位置并将所述掩模从第三位置移动到第四位置；
其中，当所述辐射检测器处于所述第一位置并且所述掩模处于所述第三位置时，以及当所述辐射检测器处于所述第二位置并且所述掩模处于所述第四位置时，所述辐射阻挡区阻挡来自辐射源的否则将入射在所述图像传感器的死区上的辐射，并且所述辐射透射区允许来自所述辐射源的将入射在所述图像传感器的有效区域上的辐射的至少一部分通过。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述图像传感器被配置为当所述辐射检测器处于所述第一位置时，通过使用所述辐射检测器来捕获场景的第一部分的图像，并且所述图像传感器被配置为当所述辐射检测器处于所述第二位置时，通过使用所述辐射检测器来捕获场景的第二部分的图像，其中所述图像传感器被配置为通过拼接所述第一部分的图像和所述第二部分的图像来形成所述场景的图像。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个辐射检测器间隔设置。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括快门，所述快门被配置为在所述辐射检测器的移动期间阻挡来自所述辐射源的辐射。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述致动器包括第一线性电机和第二线性电机；
其中，所述第一线性电机被配置为将所述辐射检测器从所述第一位置移动到所述第二位置；
其中，所述第二线性电机被配置为将所述掩模从所述第三位置移动到所述第四位置。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述致动器包括第三线性电机和连杆；
其中，所述第三线性电机被配置为将所述辐射检测器从所述第一位置移动到所述第二位置；
其中，所述连杆将所述掩模耦接到所述辐射检测器，使得所述辐射检测器从所述第一位置到所述第二位置的移动使所述掩模从所述第三位置移动到所述第四位置。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述致动器包括第三线性电机和连杆；
其中，所述第三线性电机被配置为将所述掩模从所述第三位置移动到所述第四位置；
其中，所述连杆将所述辐射检测器耦接到所述掩模，使得所述掩模从所述第三位置到所述第四位置的移动使所述辐射检测器从所述第一位置移动到所述第二位置。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述致动器包括第三线性电机和连杆；
其中，所述第三线性电机被配置为驱动所述连杆；
其中，所述连杆使所述掩模从所述第三位置移动到所述第四位置，并使所述辐射检测器从所述第一位置移动到所述第二位置。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述致动器包括步进电机和传动装置；
其中，所述步进电机被配置为将辐射检测器从所述第一位置移动到所述第二位置并驱动所述传动装置；
其中，所述传动装置被配置为将所述掩模从所述第三位置移动到所述第四位置。
10.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个辐射检测器中的至少一些按交错的行布置。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，同一行中的辐射检测器的尺寸一致；其中，同一行中的两个相邻辐射检测器之间的距离大于同一行中的一个辐射检测器在该行的延伸方向上的宽度，并且小于该宽度的两倍。
12.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述辐射检测器的有效区域在所述位置处对所述场景进行细分。
13.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个辐射检测器中的至少一些包括多层检测器。
14.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个辐射检测器中的至少一些是矩形形状。
15.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个辐射检测器中的至少一些是六边形形状。
16.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述多个辐射检测器中的至少一个包括辐射吸收层和电子器件层；
其中，所述辐射吸收层包括电极；
其中，所述电子器件层包括电子器件***；
其中，所述电子器件***包括：
第一电压比较器，所述第一电压比较器被配置为将所述电极的电压与第一阈值进行比较，
第二电压比较器，所述第二电压比较器被配置为将所述电压与第二阈值进行比较，
计数器，所述计数器被配置为记录到达所述辐射吸收层的辐射粒子的数量，以及
控制器；
其中，所述控制器被配置为从所述第一电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超过所述第一阈值的绝对值的时间开始时间延迟；
其中，所述控制器被配置为在所述时间延迟期间激活所述第二电压比较器；
其中，所述控制器被配置为：如果所述第二电压比较器确定所述电压的绝对值等于或超过所述第二阈值的绝对值，则使所述计数器记录的数量增加1。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，所述电子器件***还包括电连接到所述电极的电容器模块，其中所述电容器模块被配置为从所述电极收集电荷载流子。
18.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，所述控制器被配置为在所述时间延迟开始或期满时激活所述第二电压比较器。
19.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，所述电子器件***还包括电压表，其中所述控制器被配置为使所述电压表在所述时间延迟期满时测量所述电压。
20.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，所述控制器被配置为基于在所述时间延迟期满时测量的电压值来确定辐射粒子的能量。
21.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，所述控制器被配置为将所述电极连接到电接地。
22.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，在所述时间延迟期满时，所述电压的变化率基本上为零。
23.根据权利要求16所述的图像传感器，其中，在所述时间延迟期满时，所述电压的变化率基本上不为零。
24.一种***，包括根据权利要求1所述的图像传感器和辐射源，其中，所述***被配置为对人的胸部或腹部进行射线照相。
25.一种***，包括根据权利要求1所述的图像传感器和辐射源，其中，所述***被配置为对人的嘴部进行射线照相。
26.一种货物扫描或非侵入式检查(NII)***，包括根据权利要求1所述的图像传感器和辐射源，其中，所述货物扫描或非侵入式检查(NII)***被配置为使用透射通过被检对象的辐射来形成图像。
27.一种全身扫描仪***，包括根据权利要求1所述的图像传感器和辐射源。
28.一种辐射计算机断层摄影(辐射CT)***，包括根据权利要求1所述的图像传感器和辐射源。
29.一种电子显微镜，包括根据权利要求1所述的图像传感器、电子源和电子光学***。
30.一种***，包括根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述***是辐射望远镜或辐射显微镜，或者，其中，所述***被配置为进行***X线照相、工业缺陷检测、微射线照相、铸造检查、焊缝检查或数字减影血管造影。
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