DE69419098T2

DE69419098T2 - Verfahren und vorrichtung zur ausstattung eines lichtdetektors mit einem offset

Info

Publication number: DE69419098T2
Application number: DE69419098T
Authority: DE
Inventors: Paul Granfors; Scott Petrick
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1993-04-14
Filing date: 1994-03-09
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2014-03-10
Also published as: JP3594966B2; US5352884A; DE69419098D1; EP0646305B1; EP0646305A1; JPH07508390A; WO1994024810A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Einrichtungen zur Feststellung bzw. Detektion von Licht. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Licht-Bildgebung unter Verwendung eines Arrays von Fotodetektoren.
Es ist bekannt, Festkörper-Bildgeber oder Röntgendetektoren unter Verwendung eines Arrays bzw. Feldes aus Reihen und Spalten von Fotodetektorelementen herzustellen, vgl. zum Beispiel die am 26. Februar 1991 für McDaniel et al. erteilte US-A- 4,996,413, die durch Bezugnahme hier aufgenommen wird. Jedes Element enthält eine Fotodiode, welche Photonen in ein elektrisches Signal umwandelt, sowie einen Transistor. Jede Fotodiode weist eine damit einhergehende Kapazität auf. Die Kathode der Fotodiode in jedem Element ist verbunden mit der Source des Transistors in dem Element. Die Anoden von allen Fotodioden sind miteinander und mit einer negativen Vorspannung -Vb verbunden. Die Drains der Transistoren in den jeweiligen Spalten sind mit entsprechenden Spaltenelektroden verbunden, und die Gates der Transistoren in den jeweiligen Reihen sind mit entsprechenden Reihenelektroden verbunden.
Um aus dem Array ein Bild zu gewinnen, werden die Spaltenelektroden an eine bekannte stabile Spannung Vc angeschlossen. Während die Spaltenelektroden mit der Spannung Vc verbunden sind, sind die Reihenelektroden verbunden mit einer Spannung VEin, die relativ zu Vc positiv ist. Die Fotodioden werden in Sperrichtung vorgespannt. Die Transistoren werden leiten, und es wird eine Ladung auf jede der zu den Fotodioden gehörenden Kapazitäten aufgebracht. Nachdem die Dioden geladen sind, werden die Reihenelektroden mit einer Spannung -VAus verbunden, die relativ sowohl zu Vc als auch zu -Vb negativ ist, um die Transistoren auszuschalten und sie daran zu hindern leitend zu sein. Das Array wird sodann Lichtenergie ausgesetzt, wie sie zum Beispiel von einem Szintillator erzeugt wird, der seinerseits Röntgenstrahlen ausgesetzt wird. Die Fotodioden werden leiten, und die mit jeder Fotodiode eingehergehende Kapazität wird zum Teil entladen. Die von der zu jeder Fotodiode gehörenden Kapazität abgeführte Ladungsmenge wird abhängen von der Intensität und Dauer der auf diese spezielle Fotodiode auftreffenden Lichtenergie. Wenn die Dauer der Lichtenergie für jede der Fotodioden dieselbe ist, wie das der Fall ist, wenn eine Röntgenbelichtung vorgenommen wird, dann wird die von der zu den Fotodioden gehörenden Kapazität abgeführte Ladungsmenge die Intensität der Lichtenergie repräsentieren, die auf die verschiedenen Fotodioden auftrifft, und sie kann ausgelesen werden, indem man den Ladungsbetrag mißt, der zur Wiederaufladung der Kapazität von jeder Fotodiode erforderlich ist. Die für die Wiederaufladung der Kapazitäten gemessenen Ladungen können deshalb verwendet werden, um ein Bild zu erzeugen.
Die EP-A-0517301 beschreibt eine Anordnung mit fotoempfindlichen oder hinsichtlich Röntgenstrahlen empfindlichen Sensoren, die in einer Matrix in Form von Zellenspalten angeordnet sind, welche Ladungen als Funktion der Menge von einfallender Strahlungsenergie erzeugen und die in jedem Fall einen elektrischen Schalter besitzen, und zwar jeder mit einer Abfühlleitung und einer Schaltleitung, mittels derer die Schalter aktivierbar sind, so daß die Ladungen der Sensoren an der Abfühlleitung, die zum jeweiligen Zeitpunkt aktiviert ist, zur gleichen Zeit über die zum jeweiligen Zeitpunkt zugeordneten Auswahlleitungen abfließen. Für die Ausräumung von restlichen Ladungen nach einem Auswahlvorgang ist eine Rücksetzeinrichtung vorgesehen, die mindestens eine der ausgewählten Abfühlleitungen aktiviert, welche nach einer spezifizierbaren Anzahl von Zyklen eines Rücksetz-Zyklussignals in jedem Fall mindestens eine zusätzliche der ausgewählten Abfühlleitungen aktiviert und welche ihrerseits wiederum jede aktivierte Abfühlleitung nach einer spezifizierbaren Anzahl von Zyklen im Anschluß an ihre Aktivierung deaktiviert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung gibt ein Licht- oder Röntgen-Bildgebungssystem an, sowie ein Verfahren zum Lesen von Bilddaten aus einem Array aus Reihen und Spalten von Fotodetektorelementen, wie das in den beigefügten Ansprüchen beansprucht ist. Das System sowie das Verfahren ermöglichen eine genaue Messung der aus den Fotodioden entfernten Ladung, nachdem das Array belichtet worden ist, und zwar unter Verwendung einer unipolaren Meßschaltung, und das trotz der Ladungsspeicherung bzw. -retention von den Transistoren sowie trotz der parasitären Kapazität zwischen den Reihen und Spalten.
Jede Fotodiode weist eine mit ihr zusammenhängende Kapazität auf. Die Kathode der Fotodiode in jedem Element ist verbunden mit der Source des Transistors in dem Element. Die Anoden von allen Fotodioden sind miteinander verbunden und liegen an einer negativen Vorspannung -Vb. Die Drain-Anschlüsse der Transistoren in den jeweiligen Spalten sind mit den entsprechenden Spaltenelektroden verbunden, und die Gates der Transistoren in den jeweiligen Reihen sind mit den entsprechenden Reihenelektroden verbunden.
Um aus dem Array ein Bild zu gewinnen, werden die Spaltenelektroden an eine bekannte stabile Spannung Vc angeschlossen. Während die Spaltenelektroden mit der Spannung Vc verbunden sind, sind die Reihenelektroden verbunden mit einer Spannung VEin die relativ zu Vc positiv ist. Die Fotodioden werden in Sperrichtung vorgespannt. Die Transistoren werden leiten, und es wird eine Ladung auf jede der zu den Fotodioden gehörenden Kapazitäten aufgebracht. Nachdem die Dioden geladen sind, werden die Reihenelektroden mit einer Spannung -VAus verbunden, die relativ sowohl zu Vc als auch zu -Vb negativ ist, um die Transistoren auszuschalten und sie daran zu hindern leitend zu sein. Das Array wird sodann Lichtenergie ausgesetzt, wie sie zum Beispiel von einem Szintillator erzeugt wird, der seinerseits Röntgenstrahlen ausgesetzt wird. Die Fotodioden werden leiten, und die mit jeder Fotodiode zusammenhängende Kapazität wird zum Teil entladen. Die von der zu jeder Fotodiode gehörenden Kapazität abgeführte Ladungsmenge wird abhängen von der Intensität und Dauer der auf diese spezielle Fotodiode auftreffenden Lichtenergie. Die von der mit jeder Fotodiode zusammenhängenden Kapazität abgeführte Ladungsmenge wird gemessen, indem man die Reihen, jeweils eine zu einer Zeit, mit der Spannung VEin verbindet und jeweils an der Spaltenelektrode für jede Diode in der Reihe die Ladung mißt, die für die Wiederaufladung der Diodenkapazität auf ihre Spannung vor der Belichtung erforderlich ist. Im Hinblick hierauf ist für jede Spalte eine Abfühlschaltung vorgesehen, die zum Beispiel einen Integrator enthält. Jede Reihe wird nach dem Auslesen auf -VAus zurückgestellt, und die Abfühlschaltungen werden allesamt gelöscht (z. B. die Integratoren werden zurückgesetzt), nachdem eine Reihe ausgelesen worden ist, um die Abfühlschaltungen zum Auslesen der nächsten Reihe vorzubereiten.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, daß der Schaltkreis zum Messen der von den Fotodioden abgeführten Ladung sehr empfindlich ist, weil das Ausgangssignal von dem Array sehr klein ist. Die Transistoren zeigen eine "Ladungsspeicherung bzw. -retention", und es verschwindet nicht jedes Signal von den Transistoren, wenn eine Reihe wieder auf -VAus gebracht wird. Die von den Transistoren in einer gerade gelesenen Reihe gespeicherte bzw. zurückgehaltene Ladung weist den Effekt einer negativen Abweichung (offset) für die in der Reihe gerade gelesenen Elemente auf. Wenn die Abfühlschaltung unipolar ist (d. h. in lediglich einer Richtung von Null aus arbeitet), könnte die negative Abweichung den Abfühlschaltkreis dazu veranlassen, falsche Ablesungen zu erzeugen oder in Sättigung zu gehen. Selbst wenn die Abfühlschaltung bipolar ist, wenn eine selbsttätige Bereichsbildung in dem Umwandlungsprozeß eingesetzt wird (wobei die Umwandlung stets auf eine gegebene Anzahl von Pegeln hin erfolgt, der Umwandlungsbereich sowie die Auflösung jedoch beide abhängig sind von der Amplitude eines gerade umgewandelten Signals), kann die negative Abweichung (offset) groß genug sein, um die Abfühlschaltung in einem weniger empfindlichen Bereich zu belassen. Dies würde eine Verminderung in der Graustufenauflösung bewirken und könnte ein "Cartooning" in den dunkleren Flächen des resultierenden Bildes verursachen. Cartooning ist auf dem Fachgebiet bekannt in der Form von großen Flächen mit diskreten Grauwerten in dem resultierenden Bild anstelle eines glatten Übergangs bei den Grauwerten.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben weiterhin erkannt, daß eine parasitäre Kapazität existiert von einer Spalte zu einer Reihe. Wenn die Reihenspannung von -VAus nach VEin geändert wird, verursacht diese parasitäre Kapazität, daß Ladung auf den Spaltenelektroden erscheint in der Form von großen Abweichungen bzw. Offsets in entgegengesetzter Richtung von dem Signal. Die von der parasitären Spalten-zu-Reihenkapazität verursachten Abweichungen können ebenfalls falsche Leseergebnisse von der Meßschaltung aufgrund einer Sättigung der Meßschaltung verursachen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nicht nur die oben dargestellten Probleme festgestellt, sondern sie haben auch Lösungen für diese Probleme bereitgestellt.
Im Einzelnen haben die Erfinder festgestellt, daß die parasitäre Kapazität von einer Reihe zu einer Spalte benutzt werden kann, um beide oben aufgeführten Probleme zu lösen. Das Problem, das von der Veränderung in der Reihenspannung und von der parasitären Kapazität verursacht wird, läßt sich kompensieren, indem man einen negativen Übergang von gleicher Größe auf einer anderen Reihe vorsieht. Es würde jedoch nicht wünschenswert sein, eine Reihe abzuschalten, wenn man eine Reihe einschaltet; zum Beispiel wäre es unerwünscht, eine Kompensation bzw. einen Ausgleich durchzuführen, indem man eine Reihe von VEin auf -VAus bringt, während man eine andere Reihe liest. Dies gilt deshalb, weil kleine Abweichungen in der parasitären Kapazität, im Schaltwiderstand, in der Reihenelektroden- und Kontaktimpedanz oder vielleicht Kontaktmängel von einer Reihe zur anderen dazu führen könnten, daß einige Reihen nicht adäquat kompensiert werden. Wenn bei Annahme einer unipolaren Meßschaltung beide Reihenübergänge (Aus zu Ein sowie Ein zu Aus) in derselben Gewinnungsperiode auftreten, braucht die Kompensation nicht exakt sondern lediglich adäquat zu sein. Eine geringfügige Überkompensation könnte toleriert werden, solange die Kompensation die Meßschaltung an dem maximalen Ende nicht in Sättigung bringt. Eine Unterkompensation kann auf keinen Fall toleriert werden, da die Meßschaltung, die unipolar ist, unmittelbar in Sättigung geht, und zwar sogar leicht unterhalb ihres Minimums von Null.
Jedoch ist alles, was für die Kompensation der parasitären Kapazität während des positiven Übergangs auf einer Reihe von -VAus nach VEin gebraucht wird, ein negativer Übergang von gleicher Größe auf einer anderen Reihe. Daher wird bei der bevorzugten Ausführung der Erfindung die von der parasitären Kapazität beim positiven Übergang auf einer Reihe von -VAus nach VEin auf den Spalten bewirkte Ladung kompensiert, indem man eine andere Reihe härter abschaltet, um einen negativen Übergang von gleicher Größe vorzusehen; zum Beispiel wird auf einer anderen Reihe als auf der gerade gelesenen Reihe ein Übergang von -VAus auf eine Spannung ausgebildet, die negativer ist als -VAus. Um die Palette von Spannungen zu minimieren, die von dem Array benötigt werden, könnte eine Anzahl von Reihen benutzt werden, um die Kompensation auszubilden, und die Größe des auf der Anzahl von Reihen ausgebildeten negativen Übergangs könnte maßstäblich verkleinert werden in dem Verhältnis der die Kom pensation ausbildenden Reihen zu der Größe des Übergangs auf der von -VAus nach VEin umzuschaltenden Reihe.
Eine ähnliche Lösung ist für das Ladungsspeicherungsproblem vorgesehen. Im Einzelnen ist die Lösung für das Ladungsspeicherungsproblem identisch mit der Lösung für das Problem der parasitären Kapazität mit der Ausnahme, daß das Timing sowie die Größe der Übergänge für den Ausgleich (offsetting) der Ladungsspeicherung unterschiedlich ist von dem Timing und von der Größe der Übergänge zum Kompensieren der parasitären Kapazität. Die Größe wird abhängen von dem Betrag der gespeicherten Ladung.
Bestimmte von den Reihen können benutzt werden, um eine Kompensation für die parasitäre Kapazität bereitzustellen, und andere Reihen können benutzt werden, um einen Ausgleich für die Ladungsspeicherung zu bilden. Die gerade nicht gelesenen Reihen können auf irgendeine Art aufgeteilt werden, um die Kompensation sowie den Ausgleich vorzusehen. Es ist ebenfalls möglich, daß man eine Reihe benutzt, um sowohl die Kompensation als auch den Ausgleich zu bilden. (Oder, wenn es erwünscht ist, den Bereich der von dem Array erforderten Spannungen möglichst klein zu halten, könnte ein Satz von Reihen benutzt werden, wobei die Größe der Übergänge an jeder Reihe aus dem Satz reduziert wäre, und dieser Satz von Reihen könnte benutzt werden, um sowohl die Kompensation als auch den Ausgleich zu bilden.) Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für Fachleute auf dem Gebiet deutlich werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das den Gebrauch eines verschiedene der Eigenschaften der Erfindung beinhaltenden Licht-Bildgebungssystems darstellt.
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, das ein Array von in dem System von Fig. 1 enthaltenen Fotodetektoren darstellt.
Fig. 3 ist ein Teilschaltbild, das die Schaltungskomponenten in einem der Arrays von Fig. 2 darstellt.
Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm, das den Gebrauch des Arrays von Fig. 3 zur Gewinnung eines Bildes zeigt.
Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm, das die Anwendung der Kompensation gemäß der Erfindung beim Gebrauch des Arrays von Fig. 3 zeigt.
Fig. 6 ist ein Zeitdiagramm, das die Anwendung des Offsets bzw. des Ausgleichs gemäß der Erfindung beim Einsatz des Arrays von Fig. 3 zeigt.
Fig. 7 ist ein Zeitdiagramm, das die Anwendung sowohl der Kompensation als auch des Offsets gemäß der Erfindung beim Einsatz des Arrays von Fig. 3 zeigt.
Bevor eine Ausführung der Erfindung im Detail erläutert wird, sollte das Verständnis bestehen, daß die Erfindung in ihrer Anwendung nicht begrenzt ist auf die Details hinsichtlich der Konstruktion und der Anordnung der Bauelemente, wie sie in der folgenden Beschreibung ausgeführt oder in den Zeichnungen dargestellt sind. Die Erfindung läßt andere Ausgestaltungen, Handhabungen oder Ausführungen auf verschiedene Arten zu. Weiterhin besteht das Verständnis, daß die hier benutzte Ausdrucksweise und Begriffsbestimmung zum Zwecke der Beschreibung benutzt wird und nicht als einschränkend anzusehen ist.

DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist ein Bildgebungssystem 10 gezeigt, das eine Röntgenröhre 12, einen Röntgendetektor 14 sowie einen Kollimator 16 enthält. Röntgenstrahlen werden von der Röntgenröhre 12 über den Kollimator 16 auf den Röntgendetektor 14 übertragen. Eine Röntgenaufnahme eines Patienten 18 wird vorgenommen, indem man den Patienten 18 zwischen den Kollimator 16 und den Röntgendetektor 14 plaziert, indem man ein für Röntgenstrahlen durchlässiges Material 20 auf der dem Kollimator 16 zugewandten Seite des Patienten 18 anordnet und indem man den Patienten 18 über einen Zeitraum den Röntgenstrahlen aussetzt.
Das Bildgebungssystem 10 enthält weiter eine Spannungsversorgung 22 für die Anregung der Röntgenröhre 12.
Wie in Fig. 3 gezeigt, enthält der Röntgendetektor 14 ein Feld bzw. Array 24 aus Reihen 26 und Spalten 28 von Fotodetektorelementen 30. Der Detektor 14 enthält weiter einen Szintillator 32 zwischen dem Array 24 und dem Patienten 18, der insbesondere an das Array 24 angrenzt, welcher Szintillator Röntgenstrahlen in Licht umwandelt.
Das System 10 weist ferner einen Bildprozessor 34 auf, der den Ausgang von dem Array 24 aufnimmt und der das von dem Array 24 empfangene Bild verarbeitet. Das System 10 enthält ferner einen mit dem Bildprozessor 34 verbundenen Monitor 36 zur bildlichen Darstellung des prozessierten Bildes, und weist ein Bildspeichergerät 38 für die Archivierung des verarbeiteten Bildes auf, falls das gewünscht ist. Das System 10 enthält ferner eine Schaltung 40 für die Belichtungssteuerung, die von dem Bildprozessor 34 ein Helligkeitssignal empfängt und welche die Spannungsversorgung 22 für die Regelung der Röntgenbelichtung regelt.
Das System 10 weist ferner ein Bedienerinterface 42 auf sowie eine Systemsteuerung 44, die den Betrieb für den Rest des Systems 10 steuert und die Befehle von einem menschlichen Bediener über das Bedienerinterface 42 erhält.
Das Array 24 ist aus Lagen von Dünnfilmmaterial mit einer oder mehren Schichten aus amorphem Silicium hergestellt. Wie in Fig. 3 gezeigt, enthält jedes Fotodetektorelement 30 des Arrays 24 eine Fotodiode 46, die Photonen in ein elektrisches Signal umwandelt. Jede Fotodiode 46 besitzt eine Anode A sowie eine Kathode K und stellt eine Fotodiode mit großer Fläche dar, die den größten Teil der Fläche in jedem Element 30 einnimmt, um einen großen Bruchteil des Lichtes aufzufangen, das auf das Element 30 trifft. Jedes Element 30 enthält ferner einen Dünnfilmtransistor 48. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder Transistor 48 ein Feldeffekt-Transistor (FET) mit einem Gate G, einer Drain D sowie einer Source S. Jede Fotodiode weist eine damit zusammenhängende Kapazität auf.
Die Kathode K der Fotodiode 46 in jedem Element 30 ist verbunden mit der Source des Transistors in dem Element. Die Anoden A aller Fotodioden 46 in dem Array 24 sind miteinander und mit einer negativen Vorspannung -Vb verbunden. Die Drains D der Transistoren in den jeweiligen Spalten sind verbunden mit entsprechenden Spaltenelektroden SP(n), SP(n+1), SP(n+2)..., und die Gates der Transistoren in entsprechenden Reihen sind verbunden mit entsprechenden Reihenelektroden REIHE(n), REIHE (n+1)....
Das System 10 enthält weiter eine Detektorsteuerung 50, die verbunden ist mit der Systemsterung 44 und den Reihen- sowie den Spaltenelektroden. Die Spaltenelektroden sind ebenfalls mit dem Bildprozessor 34 verbunden.
Um aus dem Array ein Bild zu gewinnen, verbindet die Detektorsteuerung 50 die Spaltenelektroden mit einer bekannten stabilen Spannung Vc, die zum Beispiel im Bereich von zwei Volt gegenüber Erde liegt. Während die Spaltenelektroden an die Spannung Vc angeschlossen sind, verbindet die Detektorsteuerung 50 die Reihenelektroden mit einer Spannung VEin, die relativ zu Vc positiv ist. Die Fotodioden werden dadurch in Sperrichtung vorgespannt. Die Transistoren werden leitend, und es wird eine Ladung auf jeder der mit den Fotodioden zusammenhängenden Kapazitäten aufgebracht. Nachdem die Dioden geladen sind, verbindet die Detektorsteuerung 50 die Reihenelektroden mit einer Spannung -VAus, die relativ sowohl zu Vc als auch zu -Vb negativ ist, um die Transistoren auszuschalten und sie daran zu hindern zu leiten. Das Array wird sodann Lichtenergie ausgesetzt, wie sie zum Beispiel von dem mit Röntgenstrahlen belichteten Szintillator 32 erzeugt wird. Die Fotodioden werden leitend, und die mit jeder Fotodiode zusammenhängende Kapazität wird teilweise entladen. Die von der mit jeder Fotodiode zusammenhängenden Kapazität entfernte Ladungsmenge wird dabei abhängig sein von der Intensität und Dauer der auf diese bestimmte Fotodiode auftreffenden Lichtenergie. Weil die Dauer der Belichtung mit Lichtenergie für jede der Fotodioden dieselbe ist, repräsentiert die von der mit den Fotodioden zusammenhängenden Kapazität abgeleitete Ladung die Intensität der auf die verschiedenen Fotodioden auftreffenden Lichtenergie, und sie wird ausgelesen durch Messen des Ladungsbetrages, der für die Wiederaufladung der Kapazität der Fotodioden erforderlich ist. Die Veränderung in der von verschiedenen Fotodioden abgeleiteten Ladung stellt ein Bild des auf den Detektor auftreffenden Lichts dar.
Die von der mit jeder Fotodiode zusammenhängenden Kapazität abgeführte Ladungsmenge wird gemessen, indem man die Detektorsteuerung 50 anweist, die Reihen, jeweils eine zu einer Zeit, mit der Spannung VEin zu verbinden und jeweils die Ladung zu messen, die an der Spaltenelektrode für jede Diode in der Reihe erforderlich ist, um die Diodenkapazität auf ihre Spannung vor der Belichtung mit Lichtenergie wieder aufzuladen. Im Hinblick hierauf enthält der Bildprozessor 34 eine Abfühlschaltung, die in der bevorzugten Ausführung einen Integrator 52 enthält, und die mit jeder Spalte verbunden ist. Bei dem Integrator 52 handelt es sich vorzugsweise um einen Integrator mit niedrigem Rauschen ohne Offset oder eingangsseitige Vorspannungströme. Die Detektorsteuerung 50 bringt jede Reihe wieder auf -VAus, und die Abfühlschaltungen werden alle gelöscht (zum Beispiel werden die Integratoren zurückgesetzt) nachdem eine Reihe ausgelesen worden ist, um die Abfühlschaltungen zum Lesen der nächsten Reihe vorzubereiten.
Die Zeitperiode zwischen dem Auslesen einer Reihe und dem Auslesen der nächsten Reihe kann beschrieben werden als bestehend aus einer Gewinnungsperiode sowie aus einer Rücksetzperiode (während der der Integrator zurückgesetzt wird). Die Gewinnungsperiode sowie die Rücksetzperiode sind nicht notwendigerweise von derselben Länge. Beide Reihenübergänge erfolgen während der Gewinnungsperiode. Weil die Abfühlschaltungen eine Setzungsperiode benötigen, muß die Gewinnungsperiode länger sein als die Zeitdauer, während der sich die Reihe auf VEi befindet. Siehe dazu Fig. 4.
Weil das Ausgangssignal von dem Array sehr klein ist, ist der Schaltkreis zum Messen der von den Fotodioden abgeführten Ladung sehr empfindlich. Die Transistoren 48 in dem Array zeigen eine "Ladungsspeicherung bzw. -retention", und es verschwindet nicht jedes Signal von den amorphen Silicium-Transistoren, wenn eine Reihe wieder auf -VAus gebracht wird. Die von den Transistoren in einer gerade gelesenen Reihe gespeicherte bzw. zurückgehaltene Ladung weist den Effekt einer Abweichung (offset) in einer zu dem Signal entgegengesetzten Richtung für die gerade gelesenen Elemente in der Reihe auf. Wenn die Abfühlschaltung unipolar ist (d. h. in lediglich einer Richtung von Null aus arbeitet), könnte die negative Abweichung den Abfühlschaltkreis dazu veranlassen, in Sättigung zu gehen. Wenn die Abfühlschaltung ein Integrator ist, der nur in der positiven Richtung liest, kann ein negatives Signal nicht gelesen werden. Selbst wenn die Abfühlschaltung bipolar ist, wenn eine selbsttätige Bereichsbildung in dem Umwandlungsprozeß eingesetzt wird (bei dem die Umwandlung jeweils auf eine gegebene Anzahl von Pegeln hin erfolgt, der Umwandlungsbereich sowie die Auflösung jedoch beide abhängig sind von der Amplitude eines gerade umgewandelten Signals), kann die negative Verschiebung groß genug sein, um die Abfühlschaltung in einem weniger empfindlichen Bereich zu belassen. Dies würde eine Verminderung in der Graustufenauflösung bewirken und könnte ein Cartooning in den dunkleren Flächen des resultierenden Bildes verursachen.
Es liegt weiterhin eine parasitäre Kapazität von einer Spalte zu einer Reihe vor. Wenn eine Reihenspannung von -VAus auf VEin geändert wird, veranlaßt diese parasitäre Kapazität, daß Ladung auf den Spaltenelektroden in der Form von großen Offsets bzw. Abweichungen in der zu dem Signal entgegengesetzten Richtung erscheinen. Die von der parasitären Spalten-zu-Reihenkapazität verursachten negativen Offsets können ebenfalls falsche Auslesungen durch die Meßschaltung verursachen sowie eine Sättigung der Meßschaltung.
Die parasitäre Kapazität von Reihe zu Spalte wird benutzt, um beide oben erwähnten Probleme zu lösen. Um das Problem mit der parasitären Kapazität zu lösen, wird die während des positiven Übergangs auf einer Reihe von -VAus auf VEin von der parasitären Kapazität auf den Spalten verursachte Ladung kompensiert, indem man einen negativen Übergang von gleicher Größe auf einer anderen Reihe ausbildet. Es wäre jedoch nicht wünschenswert, eine Reihe abzuschalten, wenn man eine andere Reihe einschaltet; es wäre zum Beispiel unerwünscht, eine Kompensation vorzusehen, indem man eine Reihe von VEin auf -VAus bringt, während man eine andere Reihe ausliest. Vielmehr ist alles, was für die Kompensation der parasitären Kapazität während des positiven Übergangs auf einer Reihe von -VAus auf VEin benötigt wird, ein negativer Übergang von gleicher Größe auf einer anderen Reihe. Bei der bevorzugten Ausführung der Erfindung wird daher die von der parasitären Kapazität während des positiven Übergangs auf einer Reihe von -VAus nach VEin auf den Spalten verursachte Ladung kompensiert, indem man die Detektorsteuerung 50 so anweist, daß sie eine andere Reihe härter abschaltet, um einen negativen Übergang von gleicher Größe auszubilden; zum Beispiel wird auf einer anderen als der gerade ausgelesen Reihe ein Übergang von -VAus auf eine negative Spannung vorgesehen, die negativer als -VAus ist. Um die Palette der von der Detektorsteuerung 50 für das Array vorzusehenden erforderlichen Spannungen möglichst klein zu halten, wird für die Schaffung der Kompensation vorzugsweise eine Anzahl von Reihen verwendet, und die Größe des von der Anzahl von Reihen vorgesehenen negativen Übergangs wird maßstäblich verkleinert in dem Verhältnis der die Kompensation ausbildenden Reihen zu der Größe des Übergangs in der Reihe, die gerade von -VAus auf VEin gebracht wird. Zum Beispiel wird in dem in Fig. 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Übergang von -Vc auf eine negative Spannung -VAush gleichzeitig ausgebildet auf einer Anzahl K von Reihen, die nicht gerade gelesen werden, wobei für eine erste Annäherung die Größe der Übergangszeit von -VAus auf -VAush multipliziert mit der Zahl K von Reihen gleich der Größe des Übergangs auf der gerade gelesenen Reihe ist.
Eine ähnliche Lösung ist für das Ladungsspeicherungsproblem vorgesehen. Im Einzelnen ist die Lösung für das Ladungsspeicherungsproblem identisch mit der Lösung für das Problem der parasitären Kapazität mit der Ausnahme, daß das Timing und die Größe der Übergänge für den Ausgleich (offsetting) der Ladungsspeicherung von dem Timing und von der Größe der Übergänge für die Kompensation der parasitären Kapazität verschieden sind. Die Größe wird abhängig sein von dem Betrag der zurückgehaltenen bzw. gespeicherten Ladung. In der dargestellten Ausführung wird der Ausgleichsvorgang (Offset) angewendet von einem Zeitpunkt während der Gewinnung vor dem Setzen bis zu einem Zeitpunkt während des Rücksetzens. Die Ladungsspeicherung wird ausgeglichen, indem man die Detektorsteuerung 50 anweist, eine Reihe (und zwar eine andere als die gerade gelesene Reihe) mit einer Größe bzw. Amplitude abzuschalten, die zur Bewältigung der Ladungsspeicherung ausreichend ist; zum Beispiel wird auf einer anderen als der gerade ausgelesenen Reihe ein Übergang von -VAus auf eine negative Spannung ausgebildet, die negativer ist als -VAus. Um die Palette der von der Detektorsteuerung 50 für das Array vorzusehenden benötigten Spannungen möglichst gering zu halten, wird vorzugsweise eine Anzahl von Reihen für die Ausbildung des Ausgleichs benutzt, und die Größe des auf der Anzahl von Reihen vorgesehenen negativen Übergangs wird maßstäblich verkleinert in dem Verhältnis der Reihen, die die Kompensation ausbilden, zu der Größe des zur Bewältigung der Ladungsspeicherung erforderlichen Ausgleichs bzw. Offsets. Zum Beispiel wird in dem in Fig. 6 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Übergang von -VAus auf eine negative Spannung -VAush2 gleichzeitig auf eine Anzahl von K anderen Reihen als der gerade ausgelesenen Reihe ausgebildet, vgl. Fig. 6.
Bestimmte von den Reihen können benutzt werden, um eine Kompensation für die parasitäre Kapazität bereitzustellen, und andere Reihen können benutzt werden, um einen Ausgleich für die Ladungsspeicherung zu bilden. Die gerade nicht gelesenen Reihen können auf irgendeine Art aufgeteilt werden, um die Kompensation sowie den Ausgleich vorzusehen. Es ist ebenfalls möglich, daß man eine Reihe benutzt, um sowohl die Kompensation als auch den Ausgleich zu bilden. (Oder, wenn es erwünscht ist, die Anzahl der von dem Array erforderten Spannungen möglichst klein zu halten, könnte ein Satz von Reihen benutzt werden, wobei die Größe der Übergänge an jeder Reihe aus dem Satz reduziert wäre, und dieser Satz von Reihen könnte benutzt werden, um sowohl die Kompensation als auch den Ausgleich zu bilden.)
Fig. 7 illustriert die gleichzeitige Anwendung sowohl der Kompensation als auch des Ausgleichs bzw. Offsets.
Die oben beschriebenen Spannungen, die in dem oben beschriebenen Zeitdiagramm an die Reihen- und Spaltenelektroden angelegt werden, werden von der Detektorsteuerung 50 erzeugt. Die Steuerung 50 könnte einen Treiber, zum Beispiel einen Oki MSM-6568, enthalten, wenn die Spaltenspannungen auf negativen Spannungen gehalten werden.
Obwohl eine bevorzugte Ausführung der Erfindung im Wege eines Beispiels beschrieben wurde, werden sich für den Fachmann auf diesem Gebiet verschiedene Modifikationen ergeben. Es kann zum Beispiel Auflösung eingetauscht werden für die Auslesegeschwindigkeit, indem man zu einer Zeit mehr als eine Reihe ausliest, und indem man eine gleiche Anzahl von Spalten kombiniert, um quadratische Pixel zu definieren.

Claims

1. Licht-Bildgebungssystem enthaltend:

mehrere Reihenelektroden und Spaltenelektroden;

ein Array (24) von Reihen (26) und Spalten (28) von Fotodetektorelementen (30), wobei jedes Element eine Fotodiode (46) mit einer Anode (A) und einer Kathode (K) und einen Transistor (48) mit ersten (D) und zweiten (S) Leistungselektroden und eine Steuerelektrode (G) aufweist zum Steuern des Stromflusses zwischen den ersten und zweiten Leistungselektroden, wobei die Steuerelektrode mit einer der Reihenelektroden verbunden ist, die erste Leistungselektrode mit einer der Spaltenelektroden verbunden ist, die zweite Leistungselektrode mit der Kathode von der Fotodiode verbunden ist und die Anode der Fotodiode mit einer negativen Spannung -Vb verbunden ist;

eine Einrichtung (50) zum Laden der Fotodioden durch Verbinden der Spaltenelektroden mit einer Spannung V und Verbinden der Reihenelektroden mit einer Spannung VEin, die positiv relativ zu Vc ist;

eine Einrichtung (40) zum Belichten des Arrays mit Photonen, nachdem die Ladeeinrichtung die Fotodioden auflädt;

eine Einrichtung zum Verhindern, daß die Fotodioden wieder aufgeladen werden, während die Belichtungseinrichtung das Array gegenüber Photonen aussetzt und nachdem die Aussetzungeinrichtung das Array gegenüber Photonen aussetzt, wobei die Verhinderungseinrichtung die Transistoren (48) enthält und eine Einrichtung (50) enthält zum Verbinden der Reihenelektroden, bevor das Array gegenüber Photonen ausgesetzt wird, aber nachdem die Fotodioden aufgeladen sind, mit einer Spannung, die negativ relativ zu Vc und negativ relativ zu -Vb ist;

eine Einrichtung (50) zum sequentiellen Verbinden der Reihen mit der Spannung Vein für eine vorbestimmte Zeitperiode, nach VEin für eine vorbestimmte Zeitperiode, nachdem die Belichtungseinrichtung das Array gegenüber Photonen aussetzt und nachdem die Verhinderungseinrichtung verhindert, daß die Fotodioden wieder aufgeladen werden;

eine Einrichtung (34) zum entsprechenden Messen, an der Spaltenelektrode für jede Fotodiode in der Reihe, die durch die Verbindungseinrichtung mit Vein verbunden ist, der erforderlichen Ladung, um die Fotodiode wieder auf ihre Spannung aufzuladen, bevor sie gegenüber Photonen ausgesetzt wurde und nachdem sie durch die Ladeeinrichtung aufgeladen wurde, für eine Zeitperiode, die länger als die vorbestimmte Zeitperiode ist, um so für eine Setzungsperiode zu sorgen;

eine Einrichtung (50) zum Rücksetzen der Meßeinrichtung während einer Rücksetzperiode nach der Setzungsperiode und bevor die nächste Reihe mit VEin verbunden wird,

gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (50) zum Ausbilden auf einer anderen Reihe als der Reihe, die durch die Meßeinrichtung gemessen wird, eines negativen Spannungsüberganges, der beginnt, wenn oder bevor die gemessene Reihe mit VEin verbunden wird, und der während der Rücksetzperiode endet, um so für einen Ausgleich gegen die Ladungsspeichung bzw. -retention durch die Transistoren in der gemessenen Reihe zu sorgen.

2. Licht-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei das Array amorphes Silicium enthält.

3. Licht-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei die Meßeinrichtung eine Einrichtung (52) an jeder Spalte zum Integrieren der gemessenen Ladungsmenge an dieser Spalte aufweist.

4. Licht-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei die Meßeinrichtung gleichzeitig die erforderliche Ladung mißt, um die Ladung für jede Fotodiode in der Reihe wieder herzustellen.

5. Licht-Bildgebungssystem nach Anspruch 1 und ferner eine Kompensationseinrichtung (50) enthaltend zum Ausbilden eines negativen Überganges auf eine andere Reihe als die Reihe, die durch die Meßeinrichtung gemessen wird, eines negativen Spannungsüberganges gleicher Größe auf den Übergang von -VAus zu VEin, während die Reihe, die gemessen wird, mit VEin verbunden ist, um so für eine Kompensation für Signale zu sorgen, die durch parasitäre Kapazität zwischen den Reihenelektroden und Spaltenelektroden hervorgerufen werden.

6. Licht-Bildgebungssystem nach Anspruch 1 und ferner eine Kompensationseinrichtung (50) enthaltend zum Ausbilden gleichzeitiger negativer Übergänge auf andere Reihen als die Reihe, die durch die Meßeinrichtung gemessen wird, die entsprechende Größen haben, die sich zu der Größe zu dem Übergang von -VAus zu VEin addieren, während die Reihe, die gemessen wird, mit VEin verbunden ist, um so für eine Kompensation für Signale zu sorgen, die durch parasitäre Kapazität zwischen den Reihenelektroden und Spaltenelektroden hervorgerufen werden.

7. Röntgen-Bildgebungssystem (10) enthaltend:

mehrere Reihenelektroden und Spaltenelektroden;

ein Array (24) von Reihen (26) und Spalten (28) von Fotodetektorelementen (30), wobei das Array amorphes Silicium aufweist, wobei jedes Element eine Fotodiode (46) mit einer Anode (A) und einer Kathode (K) und Transistorvorrichtungen (48) enthält, die erste (D) und zweite (S) Leistungselektroden und eine Steuerelektrode (G) zum Steuern des Stromflusses zwischen den ersten und zweiten Leistungselektroden haben, wobei die Steuerelektrode mit einer der Reihenelektroden verbunden ist, die erste Leistungselektrode mit einer der Spaltenelektroden verbunden ist und die zweite Leistungselektrode mit der Kathode der Fotodiode verbunden ist, und wobei die Anode von der Fotodiode mit einer negativen Spannung verbunden ist;

eine Einrichtung (50) zum Laden der Fotodioden;

eine Einrichtung zum Verhindern, daß die Fotodioden wieder aufgeladen werden, während die Belichtungseinrichtung das Array mit Photonen belichtet und nachdem die Belichtungseinrichtung das Array mit Photonen belichtet, wobei die Verhinderungseinrichtung die Transistorvorrichtungen (48) enthält;

eine Einrichtung (34), die nach der Belichtungseinrichtung und der Verhinderungseinrichtung betätigbar ist, zum entsprechenden Messen der erforderlichen Ladung, um jede Fotodiode wieder auf ihre Spannung aufzuladen, bevor sie mit Photonen belichtet wurde und nachdem sie durch die Ladeeinrichtung geladen wurde; gekennzeichnet durch:

eine Einrichtung (50) zum Ausbilden eines Ausgleiches gegen eine Ladungsspeicherung bzw. -retention durch die Transistorvorrichtungen, die mit den Fotodioden, die gemessen werden, verbunden sind, während die Meßeinrichtung die erforderliche Ladung mißt, um wenigstens eine der Fotodioden wieder herzustellen.

8. System nach Anspruch 1 oder 7, wobei jede Transistorvorrichtung einen Feldeffekt-Transistor aufweist, der ein Gate, das die Steuerelektrode bildet, eine Drain, die die erste Leistungselektrode bildet, und eine Source aufweist, die die zweite Leistungselektrode bildet.

9. System nach Anspruch 7, wobei die Meßeinrichtung eine Einrichtung (52) zum Integrieren der Ladungsmenge aufweist, die für jede Fotodiode gemessen wird.

10. System nach Anspruch 1 oder 7, wobei die Meßeinrichtung unipolar ist.

11. System nach Anspruch 3 oder 9, wobei jede Integriereinrichtung einen Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang und einem Ausgang enthält und einen Kondensator aufweist, der zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang geschaltet ist.

12. System nach Anspruch 3 oder 9 und ferner eine Analog/Digital-Umsetzeinrichtung enthaltend, die mit jeder Integriereinrichtung verbunden ist, zum Umsetzen der Ausgangsgröße aus der Integriereinrichtung in ein digitales Signal.

13. System nach Anspruch 7, wobei die Meßeinrichtung gleichzeitig die erforderliche Ladung mißt, um die Ladung für jede Fotodiode in einer der Reihen wieder herzustellen.

14. System nach Anspruch 1, 4 oder 11, wobei die Ausbildungseinrichtung gleichzeitige negative Übergänge auf mehreren Reihen ausbildet, die andere als die Reihe sind, die durch die Meßeinrichtung gemessen wird.

15. Verfahren zum Lesen von Bilddaten aus einem Array (24) mit Reihen (26) und Spalten (28) von Fotodetektorelementen (30), die mit Photonen belichtet worden sind, wobei jedes Element eine Fotodiode (46) mit einer Anode (A) und einer Kathode (K) und eine elektronische Ventileinrichtung (48) aufweist, die erste (D) und zweite (S) Leistungselektroden und eine Steuerelektrode (G) zum Steuern des Stromflusses zwischen den ersten und zweiten Leistungselektroden aufweist, wobei die Steuerelektrode mit einer der Reihenelektroden verbunden ist, die erste Leistungselektrode mit einer der Spaltenelektroden verbunden ist, die zweite Leistungselektrode mit der Kathode der Fotodiode verbunden ist und die Anode der Fotodiode mit einer negativen Spannung verbunden ist, wobei das Verfahren enthält:

Aufladen der Fotodioden und dann Belichten des Arrays mit Photonen;

entsprechendes Messen der erforderlichen Ladung, um jede Fotodiode in einer der Reihen wieder auf ihre Spannung zu bringen, bevor sie mit Photonen belichtet wurde;

gekennzeichnet durch

Ausbilden, auf einer anderen Reihe als der Reihe, die gemessen wird, eines Spannungsübergangs, um die Ladungsspeicherung bzw. -retention durch die Transistoren in der Reihe, die während des Meßschrittes gemessen werden, wenigstens teilweise auszugleichen.