CCD探測器及平板探測器

1、CCD探測器CCDS測器產(chǎn)品特點1) 反射式單CCD大面陣設(shè)計 像素矩陣4KX 4K, 1700萬像素，極限空間分辨 率可達(dá)到4.6lp/mm。2) 17 X 17英寸成像面積，完全滿足臨床檢查需要。3) CCD防X射線輻射設(shè)計，圖像質(zhì)量長期可靠一致，使用成本大幅降低。主要技術(shù)參數(shù)有效視野：17英寸x17英寸/ 17英寸x14英寸像素填充系數(shù)：100%像素矩陣：4kx4k , 3kx3k像素尺寸：108um /140um電源要求：220V AC 10A 50Hz電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices),簡稱 CCDCCD的最基本單兀 MOS電容器是構(gòu)成 CCD的最基本單兀是，它

2、是 金屬一氧化物 半導(dǎo)體(MOS器件中結(jié)構(gòu)最為簡單的CCD原 理:1、 信號電荷的產(chǎn)生：CCD工作過程的第一步是電荷的產(chǎn)生。CCD可以將入射光信號 轉(zhuǎn)換為電荷輸出，依據(jù)的是半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)（也就是光生伏特效應(yīng)） 。2、信號電荷的存儲:CCD工作過程的第二步是信號電荷的收集，就是將入射光子激 勵出的電荷收集起來成為信號電荷包的過程。3、 信號電荷的傳輸（耦合）：CCD工作過程的第三步是信號電荷包的轉(zhuǎn)移，就是將 所收集起來的電荷包從一個像元轉(zhuǎn)移到下一個像元，直到全部電荷包輸出完成的過 程。圖示為CCD成像區(qū)的一小部分（幾個像素）。圖像區(qū)中這個圖案是重復(fù)的。4、信號電荷的檢測：CCC工作過程的第四

3、步是電荷的檢測，就是將轉(zhuǎn)移到輸出級的 電荷轉(zhuǎn)化為電流或者電壓的過程。輸出類型主要有以下三種： ；1）電流輸出； 2）浮置柵放大器輸出； 3）浮置擴 散放大器輸出。測量過程由復(fù)位開始，復(fù)位會把前一個電荷包的電荷清除掉 。電荷輸送到相加阱。 此時， Vout 是參考電平。在這個期間，外部電路測量參考 電平。二、CCD勺基本原理1、CCD勺工作過程示意圖2、基本原理（1）CCD勺MOS吉構(gòu)CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的 MO（金屬一氧化物一半導(dǎo)體）電容器組成 的陣列,其構(gòu)造如圖39所示。在P型或N型硅襯底上生長一層很?。s 120nm）的 二氧化硅 , 再在二氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶

4、硅電極（柵極） , 形成規(guī) 則的MOSI容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了 CCDS片。當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢阱），耗盡區(qū)的 深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下 的區(qū)域內(nèi)（如圖中 i極下），形成電荷包（勢阱）。對于N型硅襯底的CCD器件， 電極加正偏壓時，少數(shù)載流子為空穴。（2）CCDs片的構(gòu)造每個光敏元（像素）對應(yīng)有三個相鄰的轉(zhuǎn)移柵電極1、2、3, 所有電極彼此間離得足夠近 , 以保證使硅表面的耗盡區(qū)和電荷的勢阱耦合及電荷轉(zhuǎn)移。 所有的 1 電極相 連并施加時鐘脈沖 1,所有的2、3也是如此，并施加時鐘脈

5、沖 2、 3。這三個時 鐘脈沖在時序上相互交迭。電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進電極的步進控制方式。也有二相、三相 等控制方式之分。（3）線型CCD圖像傳感器線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應(yīng)的構(gòu)成一個主體在它們之間設(shè)有一個轉(zhuǎn)移控制柵。在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極，由一 個P型溝阻使其在電氣上隔幵。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上，梳狀電極施加高電 壓時,光敏元件聚集光電荷，進行光積分，光電荷與光照強度和光積分時間成正比。在光積分時間結(jié)束時,轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高（平時低電壓）,與CCD對應(yīng)的電極也 同時處于高電壓狀態(tài)。然后，降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電

6、電荷并 行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢，轉(zhuǎn)移柵電壓降低，梳妝電極電壓回復(fù)原來的高電壓狀態(tài)，準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時,在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖 ， 將存儲的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移，由輸出端輸出。這個過程重復(fù)地進行就得到相繼的行輸 出,從而讀出電荷圖形。（4）面型CCD圖像傳感器面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。圖（a）所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信 息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號。這種結(jié)構(gòu)易 于引起圖像模糊。ffh城塩牛無溝

7、鍛比顛輯出M串桿諒出p. & |ia折學(xué)元面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)圖（b）所示結(jié)構(gòu)增加了具有公共水平方向電極的不透光的信（息存儲區(qū)。在正常垂直回掃周期內(nèi)，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷 同樣迅速下移到信息存儲區(qū)。在垂直回掃結(jié)束后，感光區(qū)回復(fù)到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內(nèi)，存儲區(qū)的整個電荷圖像向下移動，每次總是將存儲區(qū)最底部一行的電 荷信號移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動以視頻信號輸出。當(dāng)整幀視頻信號自存儲移出后，就幵始下一幀信號的形成。該CCD吉構(gòu)具有單元密度高、電極簡單等優(yōu)點，但增加了存儲器。圖（c）所示結(jié)構(gòu)是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。它將圖（b）中感光元件與存儲元件

8、相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件 積分結(jié)束時，轉(zhuǎn)移控制柵打開，電荷信號進入存儲區(qū)。隨后，在每個水平回掃周期 內(nèi)，存儲區(qū)中整個電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一 行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號輸出。這種結(jié) 構(gòu)的器件操作簡單，但單元設(shè)計復(fù)雜，感光單元面積減小，圖像清晰。目前，面型CCD圖像傳感器使用得越來越多，所能生產(chǎn)的產(chǎn)品的單元數(shù)也越來越多，最多已達(dá)1024X 1024像元。我國也能生產(chǎn)512X 320像元的面型CCD圖像傳 感器。三、CCD專感器的結(jié)構(gòu)類型1、按照像素排列方式的不同，可以將 CCD分為線

9、陣和面陣兩大類（1）線陣 CCD單溝道線陣CCD轉(zhuǎn)移次數(shù)多、效率低。只適用于像素單元較少的成像器件雙溝道線陣CCD轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，它的總轉(zhuǎn)移效率也提高為原來的兩倍。線陣CCD每次掃描一條線，為了得到整個二維圖像的視頻信號，就必須用掃描 的方法實現(xiàn)。（ 2）面陣 CCD按照一定的方式將一維線陣 CCD的光敏單元及移位寄作器排列成二維陣列。就可以構(gòu)成二維面陣 CCD。面陣CCD同時曝光整個圖像常用面陣CCD尺寸系列平板探測器DR平板探測器常識一、非晶硒和非晶硅平板探測器的區(qū)別在數(shù)字化攝片中，X線能量轉(zhuǎn)換成電信號是通過平板探測器來實現(xiàn)的，所以平板探測器的特性會對 DR圖像質(zhì)量產(chǎn)生比較大的影響。1、

10、DR平板探測器可以分為兩種： 非晶硒平板探測器和非晶硅平板探測器，從能量轉(zhuǎn)換的方式來看，前者屬于 直接轉(zhuǎn)換平板探測器，后者屬于間接轉(zhuǎn)換平板探測器。2、非晶硒平板探測器 非晶硒平板探測器主要由非晶硒層 TFT構(gòu)成。入射的X射線使硒層產(chǎn)生電子空穴對，在外加偏壓電場作用下，電子和空穴對向相反的方向移動形成電流，電流在薄膜晶體管中形成儲存電荷。每一個晶體管的儲存電荷量對應(yīng)于入射X射線的劑量，通過讀出電路可以知道每一點的電荷量，進而知道每點的X線劑量。由于非晶硒不產(chǎn)生可見光， 沒有散射線的影響， 因此可以獲得比較高的空間分辨率。3、非晶硅平板探測器非晶硅平板探測器由碘化銫等閃爍晶體涂層與薄膜晶體管或電荷

11、耦合器件或互補型金屬氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成 。它的工作過程一般分為兩步，首先閃爍晶體涂層將X線的能量轉(zhuǎn)換成可見光；其次TFT或者CCD或CMO將可見光轉(zhuǎn)換成電信號。 由于在這過程中可見光會發(fā)生散射，對空間分辨率產(chǎn)生一定的影響。4、不同平板探測器的比較平板探測器成像質(zhì)量的性能指標(biāo)主要有兩個： 量子探測效率和空間分辨率 。量子探測效率DQE決定了平板探測器對不同組織密度差異的分辨能力；而空間分 辨率決定了對組織細(xì)微結(jié)構(gòu)的分辨能力。（1）影響DQE勺因素主要有兩個方面：閃爍體的涂層和晶體管。常見的閃爍體涂層材料有兩種：碘化銫和硫氧化釓。碘化銫將X線轉(zhuǎn)換成可見光的能力比硫氧化釓強但成本比較高；將碘化銫加工成

12、柱狀結(jié)構(gòu)，可以進一步 提高捕獲X線的能力，并減少散射光。使用硫氧化釓做涂層的探測器成像速度快，性能穩(wěn)定，成本較低，但是轉(zhuǎn)換效率不如碘化銫涂層高將閃爍體產(chǎn)生的可見光轉(zhuǎn)換成電信號的方式也會對DQE產(chǎn)生影響。在碘化銫 (或者硫氧化釓)+薄膜晶體管(TFT)這種結(jié)構(gòu)的平板探測器中，由于 TFT的陣列可以做成與閃爍體涂層的面積一樣大，因此可見光不需要經(jīng)過透鏡折射就可以投射到TFT上,中間沒有可以光子損失，因此DQE也比較高；在碘化銫+CCD或者CMOS) 這種結(jié)構(gòu)的平板探測器中，由于 CCD或者CMOS的面積不能做到與閃爍體涂層一 樣大，所以需要經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)折射、反射后才能將全部影像投照到 CCD或者C

13、MOS) 上，這過程使光子產(chǎn)生了損耗，因此 DQE比較低。(2)影響空間分辨率的因素：由于可見光的產(chǎn)生，存在散射現(xiàn)象，空間分辨率不僅僅取決于單位面積內(nèi)薄 膜晶體管矩陣大小，而且還取決于對散射光的控制技術(shù)?？偟恼f來，間接轉(zhuǎn)換平 板探測器的空間分辨率不如直接轉(zhuǎn)換平板探測器的空間分辨率高。5、非晶硒平板探測器X線轉(zhuǎn)換成電信號完全依賴于非晶硒層產(chǎn)生的電子空穴對，DQE勺高低取決于非晶硒層產(chǎn)生電荷能力。 總的說來，CsI+TFT這種結(jié)構(gòu)的間接轉(zhuǎn)換平板探測器的極 限D(zhuǎn)QE高于a-Se直接轉(zhuǎn)換平板探測器的極限 DQE由于沒有可見光的產(chǎn)生，不發(fā)生散射，空間分辨率取決于單位面積內(nèi)薄膜晶 體管矩陣大小。矩陣越大薄

14、膜晶體管的個數(shù)越多，空間分辨率越高，隨著工藝的 提高可以做到很高的空間分辨率。量子探測效率與空間分辨率的關(guān)系對于同一種平板探測器，在不同的空間分辨率時，其DQE是變化的；極限的DQE高，不等于在任何空間分辨率時 DQE都高。DQE勺計算公式如下：DQE=SZMFT2/NSIPXXCS:信號平均強度；MTF調(diào)制傳遞函數(shù)；X: X線曝光強度；NPS系統(tǒng)噪聲功 率譜；C: X線量子系數(shù)從計算公式中我們可以看到， 在不同的MTF直中對應(yīng)不同的DQE也就是說在 不同的空間分辨率時有不同的 DQE。非晶硅平板探測器的極限 DQE比較高，但是隨著空間分辨率的提高，其DQE下降得較多；而非晶硒平板探測器的極限

15、 DQE不如間接轉(zhuǎn)換平板探測器的極限 DQE 高，但是隨著空間分辨率的提高，其 DQET降比較平緩，在高空間分辨率時，DQE反而超過了非晶硅平板探測器。這種特性說明非晶硅平板探測器在區(qū)分組織密度差異的能力較強；而非晶硒 平板探測器在區(qū)分細(xì)微結(jié)構(gòu)差異的能力較高。不同類型的平板探測器在臨床上的應(yīng)用由于DQE影響了圖像的對比度，空間分辨率影響圖像對細(xì)節(jié)的分辨能力。在攝片中應(yīng)根據(jù)不同的檢查部位來選擇不同類型平板探測器的DR對于像胸部這樣的檢查，重點在于觀察和區(qū)分不同組織的密度， 因此對密度分辨率的要求比較高。 在這種情況下，宜使用非晶硅平板探測器的DR這樣DQE比較高，容易獲得較高對比度的圖像，更有利

16、于診斷；對于象四肢關(guān)節(jié)、乳腺這些部位的檢查，需要對細(xì)節(jié)要有較高的顯像，對空間分辨率的要求很高，因此宜采用非晶硒平板探測器的DR以獲得高空間分辨率的圖像。目前絕大多數(shù)廠家的 數(shù)字乳腺機都采用了非晶硒平板探測器 ，正是由于乳腺攝片對空間分辨率要求很高，而只有非晶硒平板 探測器才可能達(dá)到相應(yīng)的要求。三、非直接數(shù)字放射攝影（IDR）和直接數(shù)字?jǐn)z影（DDR之分1、 非直接數(shù)字放射攝影（In direct Digital Radiography ，簡稱IDR），是 一種硅半導(dǎo)體間接采集 X- 粒子技術(shù)的數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)，采用兩步數(shù)字轉(zhuǎn)換過程， X- 光粒子先變成可見光然后用光電管探測到轉(zhuǎn)換為電信號。2、直接數(shù)字放射攝影