CN1545802A - 驱动光敏器件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种驱动光敏器件的方法，包括特别采用沉积半导体材料的技术来制造的光敏像素矩阵。更特别地(但并非排他地)讲，本发明涉及用来进行放射线图像探测的这些器件的驱动。该方法包括在读取阶段使该光敏像素经历一个由一连续图像构成的周期，这些图像包括一个有用图像，该有用图像之前至少有一个在初始时刻取得的偏移图像。校正被施加到该有用图像，上述校正根据在该初始时刻取得的偏移图像进行，而且根据该有用图像与在该初始时刻取得的偏移图像之间相隔的时间(ti)进行。
Description
本发明涉及一种驱动光敏器件的方法，该光敏器件包括一个特别采用用于沉积半导体材料的技术来制造的光敏像素矩阵。更特别地(但并非排他地)讲，本发明涉及用来进行放射线图像探测的这类器件的驱动。
用于在绝缘(譬如玻璃)支撑物上沉积半导体材料(譬如氢化非晶质硅(a-SiH))薄膜的技术被用来制造能够由可见或近似可见的辐射生成图像的光敏像素矩阵。为了将这些矩阵用于放射线图像探测，所需要的只是将一个闪烁计屏幕置于X-射线与该矩阵之间，该闪烁计屏幕能够将X-射线转换为该光敏像素对其敏感的波长范围之内的光辐射。
构成这些矩阵的光敏像素通常包括一个光敏元件，该光敏元件则与提供开关功能的元件相关联。该光敏区域被安装在一个行导体与一个列导体之间。根据需要，该光敏器件也可以包括排列成一个矩阵或一个直线阵列的多个光敏像素。
该光敏元件通常由一个与该开关元件串联连接的二极管构成。举例来说，该开关元件可以是一个开关二极管，其“闭合”或“接通”状态相当于驱动它前向导通的偏压，而其“打开”或“关断”状态则相当于它的反向偏压。这两个二极管以被称为“背对背”的结构按照相反的导通方向连接。举例来说，人们从法国专利申请86/14058(出版号No.2 605 166)已经了解到这种结构，该专利申请描述了具有“背对背”结构的两只二极管的一种光敏像素矩阵、一种读取这些光敏像素的方法以及一条制造这种光敏器件的途经。非晶半导体材料产生余辉。这是由于它的非晶结构造成的，这种结构包括的陷阱数量比晶体材料数量大得多。这些陷阱是在整个带隙范围内扩展的结构缺陷。它们能保留在图像获取期间内产生的电荷。该材料存储一个与给定辐射相应的图像，并在读取后续图像、或者甚至在读取几个后续图像的同时恢复与这个图像相关的电荷。所以，这些图像的品质下降。
一个缺陷会影响到图像品质。在这类光敏器件中使用的半导体元件并不完全一样，而且光敏器件本身具有由损坏区域显示的、随时间变化的不均匀性。
为获得具有最佳品质的有用图像，要根据所谓“偏移图像”(也被称为“暗图像”)来对该有用图像进行校正，这种图像通常是在运行周期开始时获取并加以存储。这个偏移图像是当该光敏器件曝露在一个零亮度信号下获得的图像，它相当于背景图像。该偏移图像随这些光敏像素元件的电气状态以及随它们的电气特性的分散性而变化。该有用图像就是每次该光敏器件被曝露到有用信号下时读取的图像，而该有用信号则相当于对X-射线的曝光。它包含该偏移图像。该校正包括从该有用图像中减去该偏移图像。只是当该偏移图像从取得它的时刻到取得该有用图像的时刻之间一直未发生变化时，在取得该有用图像时刻进行的这种校正才是可靠的。这些光敏像素在获取该偏移图像之前以及获取该有用图像之前必须处于相同的电气状态。如果未被驱动，那么半导体元件永远在寻找平衡状态，由于用来消耗这些存储电荷陷阱的时间范围在几个微秒到几分钟、或者甚至几小时之间，所以达到该平衡状态要花费几个小时。这一时间过去之后，它们的状态也许仍然会随温度或随残余辐射中的微小波动而变化。
由于该偏移图像通常是在该光敏器件的运行周期开始时取得的，而按照放射线技师的决定开始的有用图像则在出现需要时随机取得，所以没有理由认为这些半导体元件在彼此相隔一个可变时间段的这两个时刻会具有完全相同的状态。
图1a与图1b象征性地表示本发明适用的光敏器件的一个光敏像素元件的陷阱填充状态。这些箭头表示图像周期。如专利申请FR-A-2 760 585所说明的那样，人们理解术语“图像周期”是指由图像获取阶段、随后的读取阶段、再后的擦除及复位阶段组成的序列。在该图像获取阶段，这些光敏像素在要被检测的信号下曝光，无论这个信号是一个最大照明信号还是一个暗信号；在该读取阶段，一个读取脉冲被施加到编址行导体以便读取在该图像获取期间存储的电荷量。在该擦除及复位阶段，这些光敏像素通常被采用光学方式擦除，并被复位到它们能进行一次新图像获取的状态。
在两个相继的图像周期之间，这些光敏像素保持静止，但它们的电气状态将发生变化。下面将假设，所示的第一图像周期提供该偏移图像，其他周期提供要由该偏移图像加以校正的有用图像。
可以清楚地看到，如果这些图像周期如图1a所示随机地出现，那么由于该光敏像素的电气状态在一个周期开始时互不相同，所以由该偏移图像校正的有用图像不可能可靠。
相反，在图1b中，这些图像周期定期地出现，譬如说每5秒一次，而且在每个周期开始时该光敏像素的电气状态基本相同。
该偏移图像并不波动，对周期中取得的有用图像采用另一个以前的周期中取得的偏移图像所进行的校正是可靠的。采用这种运行方式的主要缺点是，为了获得该期望的结果，各个周期必须以定期的方式一个接一个地出现，所以它引入了许多限制。
这种用法是很有局限性的，而且与希望能够按照他们的需要以及在他们需要时取得有用图像的放射线技师的期望并不一致。本发明的目的是避免这一主要缺点，并同时保证具有最佳品质的图像。
为此目的，本发明的主题是一种驱动光敏器件的方法，该器件包括至少一个具有光电二极管的光敏像素，该光电二极管与开关元件相连，该方法包括在读取阶段使该光敏像素经历一个由一连续图像构成的周期，这些图像包括一个有用图像，该有用图像前面至少有一个在初始时刻产生的偏移图像，该方法的特征在于，校正被施加到对该有用图像，上述校正根据在该初始时刻取得的偏移图像进行，而且直接根据该有用图像与在该初始时刻取得的偏移图像之间相隔的时间进行。
阅读了作为示例而对实现本发明的几种方法以及对由所附附图表示的实施例所作的详细说明，就会对本发明有更清晰的理解。这些附图包括：
—图1a及1b表示光敏像素元件在按照已知方法加以使用时的陷阱状态，这两幅图前面已经说明；
—图2与图3表示本发明所能适用的光敏器件；以及
—图4以计时曲线形式表示在校准阶段的串行的几个偏移图像的一个示例。
图2表示光敏器件1的一幅简化示意图，该器件包括一个按照传统方式排列的矩阵2。矩阵2包括光敏像素P1至P9，每个像素由按照背对背结构串联连接的一个光敏二极管Dp以及一个开关二极管Dc构成。该矩阵包括相互交叉的行导体Y1至Y3以及列导体X1至X3，在每个交叉处，一个光敏像素被连接在行导体与列导体之间。所以，光敏像素P1至P9沿行R1至R3以及列CL1至CL3排列。
在图2的示例中，只画了三行及三列，它们定义了九个光敏像素，但是这种矩阵可以具有大得多的容量，可能达到几百万个像素。举例来说，常规情况下会生产那种光敏像素(在一个大约40cm×40cm的面积上)按照3000行与3000列排列、或者沿一行与几列排列的矩阵来构成一个线性探测阵列，或者只沿一个单独的行或一个单独的列排列来构成一个单独的光敏像素。
该光敏器件包括一个线驱动器3，输出SY1、SY2、SY3被分别连接到行导体Y1、Y2、Y3。线驱动器3由多种元件(未画)制造，譬如一个时钟电路、开关电路以及一个移位寄存器，它们可以使它按顺序寻址行导体Y1至Y3。该光敏器件还包括一个电压源4，它向线驱动器3提供一个电压VP1来限定施加到这些行导体的偏压脉冲的幅值，以及一个电压源13，它向线驱动器3提供一个电压VP2来限定施加到这些行导体的读取脉冲的幅值。这两个电压源可以只选用一个，也可以两个完全相同。
在每个光敏像素P1至P9中，两个二极管Dp、Dc的阴极被连接到一起，或者如该示例那样将它们的阳极连接到一起。光电二极管Dp的阴极被连接到列导体X1至X3，开关二极管Dc的阴极被连接到行导体Y1至Y3。
在该图像获取或图像取得阶段，就是说，在矩阵2受到一个“有用”光线信号照射的阶段，每个光敏像素P1至P9的两个二极管Dp、Dc具有相反的偏压，在这种状态，它们中的每一个都构成一个电容器。应当注意，一般而言，这两个二极管Dp、Dc被设计得使光电二极管Dp呈现的电容较大(譬如大约较另一个大50倍)。
在对有用光线信号曝光时，由于光电二极管Dp所属的光敏像素P1至P9受到照射而在光电二极管Dp中产生电荷。其数量取决于该照射强度的这些电荷集聚在两个二极管Dp、Dc的连接处形成的(浮动)节点上的点“A”。对所有被连接到相同行导体Y1至Y3的光敏像素，光敏像素P1至P9被同时逐行阅读。为此目的，线驱动器3将一个给定幅值的读取脉冲加到每个寻址的行导体Y1至Y3；未寻址的行导体保持参考或静止电位Vr，举例来说，这可以是一个接地电位，而且可以是与加到列导体X1至X3的电位相同的电位。
在光敏像素P1至P9的点“A”上的任何电荷积累都会引起该点电压的下降，就是说，引起光电二极管Dp的反向偏压的下降。在某些运行方式中，向行导体Y1至Y3施加该读取脉冲具有这样的作用，即将在对该有用光线信号曝光之前拥有的偏压电平恢复到与这个行导体连接的所有光敏像素的点“A”的电位：这样就在每个列导体X1至X3中形成一个与该相应点“A”处积累的电荷成正比的电流。
列导体X1至X3被连接到一个读取电路RC，举例来说，该电路包括一个积分器电路5以及一个多路转接器电路6，举例来说，该多路转接器电路可能是由一个具有并行输入、串行输出的CCD(电荷耦合器件)类型的移位寄存器构成。每个列导体被连接到接成一个积分器的放大器G1至G3的一个负输入端“-”。一个积分电容器C1至C3被连接到每个放大器的负输入端“-”与一个输出S1至S3之间。放大器G1至G3的第二输入端“+”被连接到电位，譬如说参考电位Vr，该电位因此被施加到所有的列导体X1至X3。每个放大器包括一个并联连接到每个积分电容器C1至C3的复位元件I1至I3(举例来说，它们由MOS型晶体管构成)。
这些放大器的输出S1至S3被连接到多路转接器6的输入E1至E3。这种传统连接方式能够使它“串行”并逐行(R1至R3)发送与所有光敏像素P1至P9的点“A”上积累的电荷相应的信号来作为多路转接器6的输出SM。
应当注意，人们知道，为了实现图2示例中由开关二极管Dc提供的开关功能，也可以使用一个晶体管；与该二极管相比，后者的连接要复杂得多，但是它在它的“接通”状态的品质方面确有优点，这个优点将在本说明书的其余部分加以解释。
图3示意性地表示一个光敏器件1′，它与图2器件的主要不同之处在于，包括一个以晶体管T取代开关二极管Dc的矩阵20，举例来说，这些晶体管可以采用薄膜沉积技术来制造。这些技术被称为TFT(薄膜晶体管)技术。这些技术也可以被用来制造图2所示的矩阵2。
在作为一个示例而显示在图3的示意图中，每个光敏像素P1至P9中的晶体管T通过它的源极S被连接到光电二极管Dp的阴极，就是说连接到点“A”，它的栅极G被连接到该光敏像素所属的行导体Y1至Y3，它的漏极D被连接到该光敏像素所属的列导体X1至X3。所有光电二极管Dp的阳极被接到一起，并被连接到线驱动器3的输出SY4。输出SY4发送一个相对于参考电位Vr或接地电位而言为负的偏压Vbias，譬如大约-5V，该偏压被用来对光电二极管Dp进行反向偏置；举例来说，线驱动器3从电源4′接受这个偏压。
为了更好理解图2与图3所示的器件的运行，可以参考公开号为No.FR 2760 585的法国专利申请。
更准确地讲，为了改进该偏移校正，上述器件可以按照如下方式运行。
在读取阶段，该光敏器件经历一个由一连续图像构成的周期，这些图像包括一个有用图像，该有用图像前面有至少一个在初始时刻取得的偏移图像。根据本发明，校正被施加到该有用图像，上述校正根据在该初始时刻取得的偏移图像进行，而且根据该有用图像与该初始时刻取得的偏移图像之间相隔的时间进行。
规定一个该有用图像必将出现的可用时间段。该可用时间段的开始相当于(由该***作为后台任务来获得的)该偏移图像获取的结束。该可用时间段的结束相当于下一个偏移图像获取的开始。如果一位操作员希望在该可用时间段结束之后取得一个有用图像，那么他必须要等到取得一个新偏移图像之后。这个新偏移图像的获取结束就标志一个新可用时间段的开始。
更准确地讲，上述定义的、基于时间的这种校正在校准阶段进行，而该校准阶段通常在该光敏器件制造期间进行。该校准阶段在该读取阶段之前，而该初始时刻取得的偏移图像以及该有用图像正在该读取阶段出现。在该校准阶段，取得多对偏移图像。每一对的两个偏移图像之间相隔一个给定时间ti。图4的计时图中表示了一对图像中的两个图像。第一个图像被称为offset0，用40标记，第二个图像被称为offsetti，用41标记。时间ti分布在与读取阶段采用的可用时间段完全相同的时间范围内，它们按照不同的偏移图像对加以选择。要对每个偏移图像对确定第二偏移图像41与第一偏移图像40的差别，然后加以存储。这些存储的差别借助相应的时间ti来标记。
在读取阶段，根据在该初始时刻取得的偏移图像以及根据该存储的差别从该有用图像中减去当前偏移图像，该存储差别实际上相当于该有用图像与在该初始时刻取得的偏移图像之间的相隔时间。更准确地讲，如果根据惯例，该存储的差别被选得等于从中减去该第二偏移图像41的第一偏移图像40，那么，该当前偏移图像就近似等于在初始时刻取得的、从中减去该存储差别的偏移图像。
另一种方法是，在校准阶段，可以只存储每一对图像的第二图像41。然后，在读取阶段，从大致相当于该有用图像与在初始时刻取得的偏移图像之间的相隔时间ti的一对图像中减去第二偏移图像41。
有利的方法是，为了改进该存储差别的品质，在校准阶段为每一对取得一个未用偏移图像42。这个图像42在第一图像40之前，一个近似固定的时间将未用图像42与第一偏移图像40隔开。有利的方法是，该近似固定的时间等于读取阶段中取得的两个偏移图像之间的相隔时间。在某些应用场合，该读取阶段的近似固定的时间可以不同于(通常是大于)该校准阶段的时间。
在该校准阶段，对每一对偏移图像，可以为该器件的每个光敏像素确定该存储的差别。这样就能够考虑不同光敏像素之间可能存在的陷阱松弛中的暂时差别。相比之下，它具有在对该当前偏移图像所作的校正上增加噪声的缺点。
在校准阶段，也能够为该整个器件存储总体差别。然后根据构成这对偏移图像的每个图像的平均电平来确定第二偏移图像41与第一偏移图像40之间的这个差别。这样就不会在施加到该当前偏移图像的校正中产生噪声，但是它不考虑该器件的不同光敏像素之间的任何变化。
在校准阶段，对每一对偏移图像，也可用根据每个偏移图像的各个局部的平均电平来确定该存储的差别。举例来说，当在几个边缘相连的分离片基上制造这些光敏像素来构成矩阵2时，这种变化形式就很有用。
人们知道，偏移图像可能随温度变化。所以，就可能将与取得该有用图像的温度有关的校正施加到该有用图像。更准确地讲，如上定义的差别可以采用双下标来存储——与时间ti有关的第一下标以及与该温度有关的第二下标。
作为变化形式，可用省略实际校准阶段并在该有用图像之后产生该offsetti图像。在该有用图像之后完成包含offset0图像40与其后的offsetti图像41在内的一个周期，就能够利用这种变化形式。这样，图像40与41相隔一个近似为ti的时间。一个更为简单且更为快捷的步骤也许是满足于取得一个与该有用图像相隔时间为ti的offsetti图像。
Claims (10)
1、一种驱动光敏器件的方法，该器件包括至少一个光敏像素，该光敏像素带有一个连接到开关元件的光电二极管(Dp)，该方法包括在读取阶段使该光敏像素经历一连续图像周期，这些图像包括一个有用图像，该有用图像前面至少有一个在初始时刻产生的偏移图像，该方法的特征在于，校正被施加到该有用图像，上述校正根据在该初始时刻取得的偏移图像进行，而且直接根据该有用图像与该初始时刻取得的偏移图像之间相隔的时间(ti)进行。
2、如权利要求1的方法，其特征在于，包括一个在该读取阶段之前的校准阶段，而且在于，在该校准阶段，该方法包括取得多对偏移图像，每一对图像中的两个图像相隔一个给定时间(ti)，各对图像的给定时间(ti)分布在读取阶段的一个可用时间段之内，该方法包括确定并随后存储每一对图像的第二偏移图像(41)与第一偏移图像(40)之间的差别，而且包括在读取阶段从该有用图像中减去当前偏移图像，该当前偏移图像取决于在该初始时刻取得的偏移图像，并取决于近似对应于该有用图像与在初始时刻取得的偏移图像之间的相隔时间的存储差别。
3、如权利要求1的方法，其特征在于，包括该读取阶段前的一个校准阶段，还在于，在校准阶段，该方法包括取得多对偏移图像，每一对图像的两个图像之间相隔一个给定的时间(ti)，各对图像的给定时间(ti)分布在读取阶段的可用时间段之内，该方法包括存储每一对图像的第二偏移图像(41)，而且包括在读取阶段从近似对应于该有用图像与在初始时刻取得的偏移图像之间的相隔时间(ti)的一对图像中减去第二偏移图像(41)。
4、如权利要求2的方法，其特征在于，该当前偏移图像近似等于在该初始时刻取得的、从中减去该存储差别的偏移图像，该存储差别按惯例被选择成等于从中减去第二偏移图像41的第一偏移图像40。
5、如权利要求2-4中任一项的方法，其特征在于，在校准阶段，每一对偏移图像之前有一个未用偏移图像，以及，对所有的图像对，一个近似固定的时间分隔该未用偏移图像与所讨论的图像对中的第一偏移图像。
6、如权利要求2、4或5的方法，其特征在于，在校准阶段，对每个光敏像素确定该第二偏移图像与该第一偏移图像之间的差别。
7、如权利要求2、4或5的方法，其特征在于，在校准阶段，根据每个偏移图像的平均电平来确定该第二偏移图像(41)与该第一偏移图像(40)之间的差别。
8、权利要求2、4或5的方法，其特征在于，在校准阶段，根据每个偏移图像的各个局部的平均电平来确定该第二偏移图像(41)与该第一偏移图像(40)之间的差别。
9、如权利要求1的方法，其特征在于，包括在该有用图像之后、并在与该有用图像相隔时间(ti)时取得一个当前偏移图像，该时间(ti)相当于该有用图像与在该初始时刻取得的偏移图像之间相隔的时间，然后，从该有用图像中减去当前偏移图像。
10、如前述任一权利要求的方法，其特征在于，校正被施加到该有用图像，上述校正取决于取得该有用图像的温度。
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