CN1868205A - 光敏器件的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于驱动光敏器件(1，1′)的方法，该光敏器件包括光敏像素(P1到P9)的矩阵(2，20)，该光敏像素(P1到P9)分布在所述矩阵(2，20)的多个行(SY1到SY3)和多个列(X1到X3)的交点上。本发明尤其涉及(但非排它的)对用于放射图像检测的这种器件的控制。该方法包括使得所述矩阵(2，20)经历一个成像周期，该成像周期包括在图像获取阶段之前的复位阶段。所述矩阵(2，20)的多个行被分布到若干个组之中，且在该复位阶段期间，该方法包括同时复位任何一个组中的所有行，并且连续复位多行的每个组。

Description

光敏器件的控制方法
本发明涉及一种用于驱动光敏器件的方法，该光敏器件包括尤其是利用用于淀积半导体材料的技术制造的类型的光敏像素的矩阵。本发明尤其涉及(但非排它的)驱动用于放射图像检测的器件。
用于在例如玻璃的绝缘体上进行比如氢化非晶硅(a-SiH)的半导体材料的薄膜淀积的技术，支持用于制造光敏像素的技术，该光敏像素可以根据可见辐射或近可见辐射产生图像。为了使用这些矩阵来检测射线图像，所需要的是在X射线和矩阵之间***将X射线转换成光辐射的闪烁体屏(scintillator screen)，其中该光辐射在所述光敏像素敏感的波段内。
形成这种矩阵的光敏像素通常包括与提供开关功能的元件相关联的光敏元件。该光敏像素被安装在矩阵的行导线(row conductor)和列导线(column conductor)之间。依赖于所述要求，光敏器件则包括排列为矩阵或排列为线性阵列的多个光敏像素。
光敏元件通常包括与该开关元件串联的二极管。该开关元件例如可以是利用薄膜淀积技术制造的晶体管。这些技术被熟知为TFT(薄膜晶体管)技术。该开关元件还可以是一种开关二极管，其“关闭”或“接通”状态对应于将其驱动为正向传导的偏压，其“打开”或“断开”状态对应于将其反向偏压。在称为“背靠背”的配置中，两个二极管以相反的传导方向连接。这种配置是公知的，例如从法国专利申请86/14058(公开号No.2605166)中可知，其描述了具有依照“背靠背”配置的两个二极管的类型的光敏像素矩阵，以及读取该光敏像素的方法和制造这种光敏器件的方法。形成矩阵的部件由产生持久性(persistence)的非晶半导体材料制造。这是由于其非晶结构，该结构包括大量的阱，远多于晶体材料中的阱。这些阱是在整个能带隙上延伸的结构缺陷。它们保留在图像获取期间产生的电荷。所述材料存储与给定辐射对应的图像，并在读取后续图像的时候，或是甚至在读取若干后续图像的时候，恢复与此图像相关的电荷，由此降低了图像的质量。
为了试图获得具有最优质量的有用图像，就基于称作“补偿图像(offset image)”、也称为“暗图像”的图像对有用图像施加校正，其中该“暗图像”通常在操作周期的开始获得并存储。这个补偿图像是在光敏器件暴露在零强度信号的时候获得的图像，并对应于一种背景图像。补偿图像依照光敏像素的部件的电状态并且依照其电特征中的差量(dispersion)而变化。所述有用图像是每当光敏器件暴露于有用信号时读取的图像，其对应于暴露在X射线中。所述有用图像包括该补偿图像。所述校正包括从有用图像中减去补偿图像。
为了产生有用图像或补偿图像，执行成像周期，也就是说由图像获取阶段后面跟着读取阶段、以及随后是擦除阶段和复位阶段而形成的序列，如专利申请FR-A-2760585中所述。在所述图像获取阶段，光敏像素暴露在将要拾取的信号中，这个信号是最大照度信号或是暗信号。在所述读取阶段，将读取脉冲施加给被寻址的行导线，以读取在所述图像获取期间存储的电荷量。在所述擦除阶段，通常利用在所有光敏像素上均匀分布的光闪(light flash)以光学的方式执行擦除所述光敏像素。在所述复位阶段，光敏像素被复位到这样一种状态，其中光敏像素能够接受新的图像获取。通过借助发送给行导线的用于寻址矩阵的电脉冲，临时使得开关元件、开关二极管或晶体管变得传导来执行此复位。
到目前为止，经由矩阵的行导线，已经通过为矩阵的所有光敏像素同时产生单个电脉冲而复位一个矩阵的光敏像素。不幸的是，所述光敏像素并不是完美的。这些光敏像素受到寄生元件的影响，该寄生元件的模型将借助于图3随后进行描述。这些寄生元件本质上是容性耦合的。为了接通开关元件，发送到矩阵的行导线的电脉冲的上升沿将电荷注入矩阵的列导线。打开开关元件的上升沿是关键的。通过此上升沿在列导线上产生的电荷可以仅通过连接到列导线的读取电路而释放。这些电荷需要一定量的时间来释放，并且因此临时产生每个列导线上的电压变化。在光敏像素被隔离时发生这种电压变化。更准确地，是在光电二极管和开关元件之间的公用点A的电势被固定的时候。因为由于光电二极管接收的光辐射的影响而造成这个电势在图像获取阶段改变，所以这个电势是基本的(essential)。此电势因此依赖于开关元件打开的准确时刻的相应列导线的电压。所述列导线上此电压的存在产生平均补偿(average offset)移位，并且因此产生所述有用图像中的动态范围的损失。
此外，对于所有光敏像素，开关元件打开的时刻并不严格相同。这个时刻取决于每个开关元件的阈值电压的差量(dispersion)以及取决于寄生元件的差量。这就导致每个光敏像素的补偿中的差量。
已经试图降低列导线上的电压，其是通过如下进行的，一方面，通过相对于在读取阶段发送给行导线的电脉冲的幅度，降低在复位阶段发送给行导线的电脉冲的幅度，并且另一方面，通过扩展打开开关元件的上升沿，使得开关元件的开关时间长于漏出(draw away)列导线中的电荷所需要的时间。由于其仅改善所遇到的问题中的一小部分，所以这种缓解方法(palliative)在一定程度上还不令人满意。此外，由于复位阶段和读取阶段之间的脉冲的不对称性，此缓解方法导致一些补偿稳定性缺陷。
本发明的目的是在一定程度上减轻所遇到的问题，并且为此目的，本发明的主题是一种光敏器件的驱动方法，该光敏器件包括在矩阵的多行和多列的交点处分布的光敏像素的矩阵，该方法包括使得该矩阵经历一个成像周期，该成像周期在图像获取阶段之前包括复位阶段，其特征在于，矩阵的多行被分布到若干个组之中，其特征在于，在复位阶段期间，该方法包括同时复位任何一个组中的所有行，并且其特征还在于，该方法包括连续复位多行的每个组。
通过阅读作为例子给出的、以多种方式实施本发明的详细描述和通过附图示出的实施例，本发明将可以被更加清楚地理解并且也将可以看出其他优点，在附图中：
图1和2示出可以应用本发明的光敏器件；
图3示出为依照图2的器件的邻近光敏像素呈现的寄生元件的模型；以及
图4示出同时执行光敏像素复位的一组行中的行的分布。
图1示出光敏器件1的简化图，其包括以常规方式组织的矩阵2。矩阵2包括光敏像素P1到P9，每个像素由以背靠背配置串联的光敏二极管Dp和开关二极管Dc形成。矩阵包括与列导线X1到X3交叉的行导线Y1到Y3，在每个交点上具有连接在行导线和列导线之间的光敏像素。光敏像素P1到P9由此沿着行R1到R3以及列CL1和CL3排列。
在图1的例子中，仅示出了三行和三列，这些限定了九个光敏像素，但是这种矩阵可以具有更大的容量，其中可能多达数百万个像素。例如，常用的实施是制造具有以3000行和3000列(在约为40cm×40cm的面积上)排列或是沿单个列和若干行排列的光敏像素的矩阵，以组成线性检测阵列。
该光敏器件包括线驱动器3，其输出SY1、SY2、SY3分别连接到行导线Y1、Y2、Y3。线驱动器3包括各种元件(未示出)，诸如时钟电路、开关电路以及移位寄存器，其使得可以顺序对行导线Y1到Y3进行寻址。光敏器件还包括电压源4以及电压源13，该电压源4将电压VP1传递到线驱动器3，以用于限定施加给行导线的偏压脉冲的幅度，该电压源13将电压VP2传递到线驱动器3，以用于限定施加给行导线的读取脉冲的幅度。这两个电压源可选为一个并且相同。
在P1到P9的每个光敏像素中，两个二极管Dp、Dc可以通过其阴极连接在一起，或是如例子中所示，通过其阳极连接在一起。光电二极管Dp的阴极连接到列导线X1到X3，且开关二极管Dc的阴极连接到行导线Y1到Y3。
在图像获取或图像采集阶段，也就是说，在矩阵2被“有用”光信号照亮的阶段，每个光敏像素P1到P9的两个二极管Dp、Dc被反向偏压，并且在此状态下它们中的每个构成一个电容。应该注意，总的来说，两个二极管Dp、Dc被设计为使得光电二极管Dp表现出的电容更高(例如，高50倍左右)。
当暴露在有用光信号中的时候，通过照射光电二极管Dp所属的光敏像素P1到P9，在光电二极管Dp中产生电荷。这些电荷的数量取决于照明的强度，电荷建立在两个二极管Dp、Dc之间的连接点处形成的(浮动)节点的点“A”上。逐行地读取光敏像素P1到P9，对于连接到同一行导线Y1到Y3的所有光敏像素同时进行读取。为此目的，线驱动器3将具有给定幅度的读取脉冲施加给寻址的每个行导线Y1到Y3；未被寻址的行导线保持在基准或复位电势Vr，该电势例如是接地电势，并且可以与施加给列导线X1到X3的电势相同。
在光敏像素P1到P9的点“A”的任何电荷积累使得在此点的电压下降，也就是说，光电二极管Dp的反向偏压电压下降。在某些操作模式中，将读取脉冲施加到行导线Y1到Y3上，具有将在其暴露于有用光信号之前具有的偏压电平恢复到与此行导线连接的所有光敏像素的点“A”的电势的作用：这就使得在列导线X1到X3每个中流动的电流与对应点“A”处积累的电荷成正比。
列导线X1到X3连接到读取电路RC，在例子中，读取电路包括积分器电路5以及复用器电路6，该复用器电路例如由具有并行输入和串行输出的移位寄存器形成。每个列导线连接到作为积分器连接的放大器G1到G3的负输入端“-”。积分电容器C1到C3连接在负输入端“-”和每个放大器的输出S1到S3之间。每个放大器G1到G3的第二输入端“+”连接到例如作为基准电势Vr的电势，该电势因此被施加到所有列导线X1到X3上。每个放大器包括复位开关元件I1到I3(例如，由MOS型晶体管形成)，其与每个积分电容器C1到C3并联。
放大器的输出S1到S3连接到复用器6的输入端E1到E3。此常规配置使得可以“串行”并且逐行(R1到R3)地传递与所有光敏像素P1到P9的点“A”处积累的电荷对应的信号，作为复用器6的输出SM。
应该注意，还知道，为了实现图1例子中的开关二极管Dc提供的开关功能而使用晶体管；与二极管相比，晶体管具有更复杂的连接，但是晶体管在其“导通”状态的特性方面具有优势，其优势将在说明的其余部分进行描述。
图2示例性示出光敏器件1′，其不同于图1中的器件的地方主要在于其包括矩阵20，在矩阵20中，利用例如薄膜淀积技术制造的晶体管T取代了开关二极管Dc。这些技术被熟知为TFT(薄膜晶体管)技术。这些技术还可以用于制造图1中所示的矩阵2。
在图2中作为例子示出的图中，每个光敏像素P1到P9的晶体管T通过其源极S连接到光电二极管Dp的阴极，也就是说，在点“A”，其栅极G连接到该光敏像素所属的行导线Y1到Y3，且其漏极D连接到该光敏像素所属的列导线X1到X3。所有光电二极管Dp的阳极连接在一起并且连接到线驱动器3的输出SY4。输出SY4传递偏压电压Vbias，其相对于基准电势Vr或接地电势为负，例如大约在-5伏左右，用来反向偏压光电二极管Dp；例如线驱动器3从源4′接收此偏压电压。
为了更加理解图1和2所示器件的操作，可以参照法国专利申请公开No.FR2760585。
图3示出了在图2所示的光敏像素周围存在的寄生元件的模型，该寄生元件本质上是电容器。当然，对于图1所示的矩阵而言，相同类型的寄生元件也同样存在。图3所示的光敏像素位于行导线Yj和Yj+1之间，并且在列导线Xk和Xk+1之间。六个电容器C1到C6模拟与光敏像素相关联的寄生元件。电容器C1连接晶体管T的源极S和列导线Xk。电容器C2连接晶体管T的源极S和列导线Xk+1。电容器C3连接晶体管T的源极S和行导线Yj。电容器C4连接晶体管T的源极S和行导线Yj+1。电容器C5连接晶体管T的源极S和光电二极管Dp的阳极。电容器C6连接晶体管T的漏极D和行导线Yj。
这些寄生元件干扰成像周期的操作。此外，从一个光敏像素到另一个光敏像素，寄生元件的值发生变化。
在本发明的方法中，矩阵的多个行分布在若干组中，并且在复位阶段，任意一组的所有行同时复位。所述多个行的不同组被连续复位而不是同时复位。更准确的说，该方法包括：在开始复位另一组之前，等待直到一组的复位已经完成。整个矩阵的复位顺序发生。因此，在列导线上产生的电荷数量减少。因此，经由读取电路RC，可以更容易地将这些电荷移入到列导线中。因此，晶体管T或光电二极管Dp和开关二极管Dc之间的公共点A的电势就较少受到列导线的电势的干扰。有优势的是，多行的多个组具有基本上相同数量的行。因此，在针对多行的每组执行的所有单独复位操作期间，列导线上产生的电荷的数量近似相等。例如，如果矩阵中行的总数为N且每组中行的数目是n，则由列导线产生的电荷的数量依照因子α＝N/n而降低。因子α限定了组的数量。每组中行的数量n必须足够小，使得在复位阶段期间，发送给所述组中的行导线的电脉冲可以保持足够幅度，并且，如果可能的话，此幅度等于在读取阶段发送给行导线的幅度。每组中行的数量n必须足够大，使得用于所有单独复位操作的时间保持较短。换句话说，将α选择为使得可以优化精度和速度。
有优势的是，任意一组的n行是分开的，从而避免耦合不对称。这是因为如果任意一组的行是邻近的，那么在任意一组的相邻两行以及不同两组的相邻两行之间，由于图3所示的寄生元件造成的耦合就会不同。有优势的是，任意一组的多个行由不属于正在讨论的所述组中的至少两行分开。
有优势的是，该方法包括梳状地链接所述单独的复位操作。更准确的说，形成一组的n行以等于α＝N/n的间距均匀地间隔开。一组中的多行的分布在图4中示出，且这些行形成梳子。矩阵的N行被示为短线。第一组的行被示出为较长的线，且这些行形成梳子的齿。梳子的每个齿是在给定的时刻进行复位。为了完成矩阵的复位，将该梳子至少移动α-1次，从而扫描矩阵的全部N行，并且对于梳子的每次移动，执行新的单独复位操作。矩阵的一组中的多个行可以通过移位寄存器进行寻址，该移位寄存器将寻址电压指示器放置在被选定为所述组中的第一行的行上。通过每隔α个时钟脉冲将一个充电脉冲输入到移位寄存器中来放置所述组的n个行指示器。在所述组的多个行正在被寻址时，没有脉冲发送到该行中。
有优势的是，为了读取在图像获取阶段期间在光敏像素上存储的电荷的量，在读取阶段期间连续发送到矩阵的每行的读取脉冲基本上与发送到任意一组中的所有行的复位脉冲相同。由于任意一组中的多个行是分开的事实，电读取脉冲和相关联的复位脉冲的这种等同性使得在两个阶段(即，读取阶段和复位阶段)期间，每个光敏像素经受的残余干扰之间可以获得良好的对称性。因此，两个阶段的干扰被相减，并且其对于图像的影响趋于消失。

Claims (7)

1、一种用于驱动光敏器件(1，1′)的方法，该光敏器件包括光敏像素(P1到P9)的矩阵(2，20)，该光敏像素(P1到P9)分布在所述矩阵(2，20)的多个行(SY1到SY3)和多个列(X1到X3)的交点上，该方法包括使得所述矩阵(2，20)经历一个成像周期，该成像周期包括在图像获取阶段之前的复位阶段，其中，所述矩阵(2，20)的多个行被分布到若干个组之中，其中，在所述复位阶段期间，该方法包括同时复位任何一个组中的所有行，并且其中，该方法包括连续复位多个行的每个组，并且其中，任意一组中的所述多个行是分开的。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于，任意一组中的所述多个行是由不属于正在讨论的所述组中的至少两行间隔开。
3、根据前述权利要求中任一权利要求的方法，其特征在于，多个行的所述多个组具有大概相同数目的行。
4、根据前述权利要求中任一权利要求的方法，其特征在于，所述方法包括将所述单个复位操作梳状地链接在一起。
5、根据权利要求4的方法，其特征在于，形成一组的多个行以等于α＝N/n的间距均匀间隔开，其中N是所述矩阵中的行的总数，而n是每个组中的行的数目，并且其特征在于，将所述梳子至少移动α-1次，使得扫描所述矩阵(2，20)的所有行。
6、根据前述权利要求中任一权利要求的方法，其特征在于，所述方法包括在开始另一组的复位之前，等待直到一组的所述复位已经完成。
7、根据前述权利要求中任一权利要求的方法，其特征在于，所述图像获取阶段后面跟随读取阶段，在该读取阶段期间，将第一电脉冲连续发送给所述矩阵的每行，所述第一脉冲使得可以读取在所述图像获取阶段期间所述光敏像素上存储的电荷的量，其中，在所述复位阶段期间，将第二电脉冲发送给任一组中的所有行，以便复位该组中的所述多个行，并且其中，所述第一和第二脉冲基本上相同。
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