CCD探測(cè)器及平板探測(cè)器

1、CCD探測(cè)器CCD探測(cè)器產(chǎn)品特點(diǎn)1) 反射式單CCD，大面陣設(shè)計(jì)像素矩陣4K×4K，1700萬(wàn)像素，極限空間分辨率可達(dá)到4.6lp/mm。2) 17×17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(jì),圖像質(zhì)量長(zhǎng)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 一、電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices),簡(jiǎn)稱CCD。 CCD的最基本單元MOS電容器是構(gòu)成CCD

2、的最基本單元是，它是金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）器件中結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的。CCD原理：1、信號(hào)電荷的產(chǎn)生：CCD工作過(guò)程的第一步是電荷的產(chǎn)生。CCD可以將入射光信號(hào)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(hào)電荷的存儲(chǔ):CCD工作過(guò)程的第二步是信號(hào)電荷的收集，就是將入射光子激勵(lì)出的電荷收集起來(lái)成為信號(hào)電荷包的過(guò)程。3、信號(hào)電荷的傳輸（耦合）：CCD工作過(guò)程的第三步是信號(hào)電荷包的轉(zhuǎn)移，就是將所收集起來(lái)的電荷包從一個(gè)像元轉(zhuǎn)移到下一個(gè)像元，直到全部電荷包輸出完成的過(guò)程。圖示為CCD成像區(qū)的一小部分（幾個(gè)像素）。圖像區(qū)中這個(gè)圖案是重復(fù)的。4、信號(hào)電荷的檢測(cè)：CCD工作過(guò)程的第四

3、步是電荷的檢測(cè)，就是將轉(zhuǎn)移到輸出級(jí)的電荷轉(zhuǎn)化為電流或者電壓的過(guò)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(kuò)散放大器輸出。測(cè)量過(guò)程由復(fù)位開始，復(fù)位會(huì)把前一個(gè)電荷包的電荷清除掉 。 電荷輸送到相加阱。 此時(shí)，Vout 是參考電平。在這個(gè)期間，外部電路測(cè)量參考電平。二、CCD的基本原理1、CCD的工作過(guò)程示意圖2、基本原理（1）CCD的MOS結(jié)構(gòu)CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬氧化物半導(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(zhǎng)一層很?。s120nm）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硅電極（柵極）,形成規(guī)則

4、的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片。當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時(shí)，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢(shì)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1極下），形成電荷包（勢(shì)阱）。對(duì)于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時(shí)，少數(shù)載流子為空穴。（2）CCD芯片的構(gòu)造 每個(gè)光敏元（像素）對(duì)應(yīng)有三個(gè)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(shì)阱耦合及電荷轉(zhuǎn)移。所有的1電極相連并施加時(shí)鐘脈沖1,所有的2、3也是如此,并施加時(shí)鐘脈沖2、3。這三個(gè)時(shí)鐘脈沖在時(shí)序上相互交迭。電荷轉(zhuǎn)移的控

5、制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)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(duì)應(yīng)的構(gòu)成一個(gè)主體,在它們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵。在每一個(gè)光敏元件上都有一個(gè)梳狀公共電極,由一個(gè)P型溝阻使其在電氣上隔開。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(shí),光敏元件聚集光電荷,進(jìn)行光積分,光電荷與光照強(qiáng)度和光積分時(shí)間成正比。在光積分時(shí)間結(jié)束時(shí),轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時(shí)低電壓),與CCD對(duì)應(yīng)的電極也同時(shí)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

6、極電壓回復(fù)原來(lái)的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時(shí),在電荷耦合移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖,將存儲(chǔ)的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個(gè)過(guò)程重復(fù)地進(jìn)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(hào)存儲(chǔ)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(hào)由信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。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(chǔ)區(qū)。在

7、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(chǔ)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(chǔ)區(qū)的整個(gè)電荷圖像向下移動(dòng)，每次總是將存儲(chǔ)區(qū)最底部一行的電荷信號(hào)移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動(dòng)以視頻信號(hào)輸出。當(dāng)整幀視頻信號(hào)自存儲(chǔ)移出后，就開始下一幀信號(hào)的形成。該CCD結(jié)構(gòu)具有單元密度高、電極簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但增加了存儲(chǔ)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(chǔ)元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲(chǔ)單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移控制柵打開，電荷信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)。隨后，在每個(gè)水平回

8、掃周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)中整個(gè)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(hào)在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號(hào)輸出。這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡(jiǎn)單，但單元設(shè)計(jì)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(lái)越多，所能生產(chǎn)的產(chǎn)品的單元數(shù)也越來(lái)越多，最多已達(dá)1024×1024像元。我國(guó)也能生產(chǎn)512×320像元的面型CCD圖像傳感器。三、CCD傳感器的結(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

9、少一半，它的總轉(zhuǎn)移效率也提高為原來(lái)的兩倍。線陣CCD每次掃描一條線，為了得到整個(gè)二維圖像的視頻信號(hào)，就必須用掃描的方法實(shí)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(shí)曝光整個(gè)圖像常用面陣CCD尺寸系列 平板探測(cè)器DR平板探測(cè)器常識(shí)一、非晶硒和非晶硅平板探測(cè)器的區(qū)別在數(shù)字化攝片中，X線能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)是通過(guò)平板探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以平板探測(cè)器的特性會(huì)對(duì)DR圖像質(zhì)量產(chǎn)生比較大的影響。 1、DR平板探測(cè)器可以分為兩種：非晶硒平板探測(cè)器和非晶硅平板探測(cè)器，從能量轉(zhuǎn)換的方式來(lái)看，前者屬于直接轉(zhuǎn)換平板探測(cè)器，后者屬于間接轉(zhuǎn)換

10、平板探測(cè)器。2、非晶硒平板探測(cè)器非晶硒平板探測(cè)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(duì)，在外加偏壓電場(chǎng)作用下，電子和空穴對(duì)向相反的方向移動(dòng)形成電流，電流在薄膜晶體管中形成儲(chǔ)存電荷。每一個(gè)晶體管的儲(chǔ)存電荷量對(duì)應(yīng)于入射X射線的劑量，通過(guò)讀出電路可以知道每一點(diǎn)的電荷量，進(jìn)而知道每點(diǎn)的X線劑量。由于非晶硒不產(chǎn)生可見光，沒(méi)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(cè)器非晶硅平板探測(cè)器由碘化銫等閃爍晶體涂層與薄膜晶體管或電荷耦合器件或互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成。它的工作過(guò)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CMOS將可

11、見光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于在這過(guò)程中可見光會(huì)發(fā)生散射，對(duì)空間分辨率產(chǎn)生一定的影響。4、不同平板探測(cè)器的比較平板探測(cè)器成像質(zhì)量的性能指標(biāo)主要有兩個(gè)：量子探測(cè)效率和空間分辨率。量子探測(cè)效率DQE決定了平板探測(cè)器對(duì)不同組織密度差異的分辨能力；而空間分辨率決定了對(duì)組織細(xì)微結(jié)構(gòu)的分辨能力。（1）影響DQE的因素主要有兩個(gè)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(qiáng)但成本比較高；將碘化銫加工成柱狀結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)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(cè)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

12、體產(chǎn)生的可見光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的方式也會(huì)對(duì)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(cè)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(guò)透鏡折射就可以投射到TFT上，中間沒(méi)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(cè)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(guò)光學(xué)系統(tǒng)折射、反射后才能將全部影像投照到CCD(或者CMOS)上，這過(guò)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

13、體管矩陣大小，而且還取決于對(duì)散射光的控制技術(shù)。總的說(shuō)來(lái)，間接轉(zhuǎn)換平板探測(cè)器的空間分辨率不如直接轉(zhuǎn)換平板探測(cè)器的空間分辨率高。5、非晶硒平板探測(cè)器X線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)完全依賴于非晶硒層產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，DQE的高低取決于非晶硒層產(chǎn)生電荷能力?？偟恼f(shuō)來(lái)，CsI+TFT這種結(jié)構(gòu)的間接轉(zhuǎn)換平板探測(cè)器的極限D(zhuǎn)QE高于a-Se直接轉(zhuǎn)換平板探測(cè)器的極限D(zhuǎn)QE。由于沒(méi)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。矩陣越大薄膜晶體管的個(gè)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(cè)效率與空間分辨率的關(guān)系對(duì)于同一種平板探測(cè)器，在不同的空間分辨率時(shí)，其DQE是變化的

14、；極限的DQE高，不等于在任何空間分辨率時(shí)DQE都高。DQE的計(jì)算公式如下：DQE=S2×MFT2/NSP×X×CS：信號(hào)平均強(qiáng)度；MTF：調(diào)制傳遞函數(shù)；X：X線曝光強(qiáng)度；NPS：系統(tǒng)噪聲功率譜；C：X線量子系數(shù)從計(jì)算公式中我們可以看到，在不同的MTF值中對(duì)應(yīng)不同的DQE，也就是說(shuō)在不同的空間分辨率時(shí)有不同的DQE。非晶硅平板探測(cè)器的極限D(zhuǎn)QE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(cè)器的極限D(zhuǎn)QE不如間接轉(zhuǎn)換平板探測(cè)器的極限D(zhuǎn)QE高，但是隨著空間分辨率的提高，其DQE下降比較平緩，在高空間分辨率時(shí)，DQE反而超過(guò)了非晶硅平板探測(cè)器。這

15、種特性說(shuō)明非晶硅平板探測(cè)器在區(qū)分組織密度差異的能力較強(qiáng)；而非晶硒平板探測(cè)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(cè)器在臨床上的應(yīng)用由于DQE影響了圖像的對(duì)比度，空間分辨率影響圖像對(duì)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(lái)選擇不同類型平板探測(cè)器的DR。對(duì)于像胸部這樣的檢查，重點(diǎn)在于觀察和區(qū)分不同組織的密度，因此對(duì)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(cè)器的DR，這樣DQE比較高，容易獲得較高對(duì)比度的圖像，更有利于診斷；對(duì)于象四肢關(guān)節(jié)、乳腺這些部位的檢查，需要對(duì)細(xì)節(jié)要有較高的顯像，對(duì)空間分辨率的要求很高，因此宜采用非晶硒平板探測(cè)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(jī)都采用了非晶硒平板探測(cè)器，正是由于乳腺攝片對(duì)空間分辨率要求很高，而只有非晶硒平板探測(cè)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（Indirect Digital Radiography，簡(jiǎn)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(guò)程，X-光粒子先變成可見光然后用光電管探測(cè)到轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。2、直接數(shù)字放