CCD探测器及平板探测器

CCD探测器

CCD探测器产品特点

1) 反射式单CCD，大面阵设计像素矩阵4K×4K，1700万像素，极限空间分辨率可达到4.6lp/mm。

2) 17×17英寸成像面积,完全满足临床检查需要。

3) CCD防X射线辐射设计,图像质量长期可靠一致，使用成本大幅降低。

主要技术参数

有效视野：17英寸x17英寸/ 17英寸x14英寸像素填充系数：100%

像素矩阵：4kx4k，3kx3k像素尺寸：108um /140um

电源要求：220V AC 10A 50Hz

一、电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices),简称CCD。

CCD的最基本单元MOS电容器是构成CCD的最基本单元是，它是金属—氧化物—半导体（MOS）器件中结构最为简单的。

CCD原理：

1、信号电荷的产生：CCD工作过程的第一步是电荷的产生。CCD可以将入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的内光电效应（也就是光生伏特效应）。

2、信号电荷的存储:CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的过程。

3、信号电荷的传输（耦合）：CCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。

图示为CCD成像区的一小部分（几个像素）。图像区中这个图案是重复的。

4、信号电荷的检测：CCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。

输出类型主要有以下三种：；1）电流输出；2）浮置栅放大器输出；3）浮置扩散放大器输出。

测量过程由复位开始，复位会把前一个电荷包的电荷清除掉。

电荷输送到相加阱。此时，V out是参考电平。在这个期间，外部电路测量参考电平。

二、CCD的基本原理

1、CCD的工作过程示意图

2、基本原理

（1）CCD的MOS结构

CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属—氧化物—半导体）电容器组成的阵列,其构造如图39所示。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约120nm）的二氧化硅,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极）,形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。

当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中Ф1极下），形成电荷包（势阱）。对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。

（2）CCD芯片的构造

每个光敏元（像素）对应有三个相邻的转移栅电极1、2、3,所有电极彼此间离得足够近,以保证使硅表面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的1电极相连并施加时钟

脉冲φ1,所有的2、3也是如此,并施加时钟脉冲φ2、φ3。这三个时钟脉冲在时序上相互交迭。

电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。

（3）线型CCD图像传感器

线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个P型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。

在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。

（4）面型CCD图像传感器

面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。

图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。

面型CCD图像传感器结构

图（b）所示结构增加了

具有公共水平方向电极的不

透光的信息存储区。在正常

垂直回扫周期内，具有公共

水平方向电极的感光区所积

累的电荷同样迅速下移到信

息存储区。在垂直回扫结束

后，感光区回复到积光状态。

在水平消隐周期内，存储区

的整个电荷图像向下移动，

每次总是将存储区最底部一

行的电荷信号移到水平读出

器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存储器。

图(c)所示结构是用得最多的一种结构形

式。它将图(b)中感光元件与存储元件相隔排列。

即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排

列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅

打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平

回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地

向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电

荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。

目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能生产的产品的单元数也越来越多，最多已达1024×1024像元。我国也能生产512×320像元的面型CCD图像传感器。

三、CCD传感器的结构类型

1、按照像素排列方式的不同，可以将CCD分为线阵和面阵两大类

（1）线阵CCD

单沟道线阵CCD：转移次数多、效率低。只适用于像素单元较少的成像器件。

双沟道线阵CCD：转移次数减少一半，它的总转移效率也提高为原来的两倍。

线阵CCD每次扫描一条线，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方法实现。

（2）面阵CCD

按照一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及移位寄作器排列成二维阵列。就可以构成二维面阵CCD。

面阵CCD同时曝光整个图像

常用面阵CCD尺寸系列

平板探测器

DR平板探测器常识

一、非晶硒和非晶硅平板探测器的区别

在数字化摄片中，X线能量转换成电信号是通过平板探测器来实现的，所以平板探测器的特性会对DR图像质量产生比较大的影响。

1、DR平板探测器可以分为两种：

非晶硒平板探测器和非晶硅平板探测器，从能量转换的方式来看，前者属于直接转换平板探测器，后者属于间接转换平板探测器。

2、非晶硒平板探测器

非晶硒平板探测器主要由非晶硒层TFT构成。入射的X射线使硒层产生电子空穴对，在外加偏压电场作用下，电子和空穴对向相反的方向移动形成电流，电流在薄膜晶体管中形成储存电荷。每一个晶体管的储存电荷量对应于入射X射线的剂量，通过读出电路可以知道每一点的电荷量，进而知道每点的X线剂量。由于非晶硒不产生可见光，没有散射线的影响，因此可以获得比较高的空间分辨率。

3、非晶硅平板探测器

非晶硅平板探测器由碘化铯等闪烁晶体涂层与薄膜晶体管或电荷耦合器件或互补型

金属氧化物半导体构成。它的工作过程一般分为两步，首先闪烁晶体涂层将X线的能量转换成可见光；其次TFT或者CCD，或CMOS将可见光转换成电信号。由于在这过程中可见光会发生散射，对空间分辨率产生一定的影响。

4、不同平板探测器的比较

平板探测器成像质量的性能指标主要有两个：量子探测效率和空间分辨率。量子探测效率DQE决定了平板探测器对不同组织密度差异的分辨能力；而空间分辨率决定了对组织细微结构的分辨能力。

（1）影响DQE的因素主要有两个方面：闪烁体的涂层和晶体管。

常见的闪烁体涂层材料有两种：碘化铯和硫氧化钆。碘化铯将X线转换成可见光的能力比硫氧化钆强但成本比较高；将碘化铯加工成柱状结构，可以进一步提高捕获X线的能力，并减少散射光。使用硫氧化钆做涂层的探测器成像速度快，性能稳定，成本较低，但是转换效率不如碘化铯涂层高。

将闪烁体产生的可见光转换成电信号的方式也会对DQE产生影响。在碘化铯(或者硫氧化钆)+薄膜晶体管(TFT)这种结构的平板探测器中，由于TFT的阵列可以做成与闪烁体涂层的面积一样大，因此可见光不需要经过透镜折射就可以投射到TFT上，中间没有可以光子损失，因此DQE也比较高；在碘化铯+CCD(或者CMOS)这种结构的平板探测器中，由于CCD(或者CMOS)的面积不能做到与闪烁体涂层一样大，所以需要经过光学系统折射、反射后才能将全部影像投照到CCD(或者CMOS)上，这过程使光子产生了损耗，因此DQE比较低。

（2）影响空间分辨率的因素：

由于可见光的产生，存在散射现象，空间分辨率不仅仅取决于单位面积内薄膜晶体管矩阵大小，而且还取决于对散射光的控制技术。总的说来，间接转换平板探测器的空间分辨率不如直接转换平板探测器的空间分辨率高。

5、非晶硒平板探测器

X线转换成电信号完全依赖于非晶硒层产生的电子空穴对，DQE的高低取决于非晶硒层产生电荷能力。总的说来，CsI+TFT这种结构的间接转换平板探测器的极限DQE高于a-Se 直接转换平板探测器的极限DQE。

由于没有可见光的产生，不发生散射，空间分辨率取决于单位面积内薄膜晶体管矩阵大小。矩阵越大薄膜晶体管的个数越多，空间分辨率越高，随着工艺的提高可以做到很高的空间分辨率。

量子探测效率与空间分辨率的关系

对于同一种平板探测器，在不同的空间分辨率时，其DQE是变化的；极限的DQE高，不等于在任何空间分辨率时DQE都高。DQE的计算公式如下：

DQE=S2×MFT2/NSP×X×C

S：信号平均强度；MTF：调制传递函数；X：X线曝光强度；NPS：系统噪声功率谱；C：X线量子系数

从计算公式中我们可以看到，在不同的MTF值中对应不同的DQE，也就是说在不同的空间分辨率时有不同的DQE。

非晶硅平板探测器的极限DQE比较高，但是随着空间分辨率的提高，其DQE下降得较多；而非晶硒平板探测器的极限DQE不如间接转换平板探测器的极限DQE高，但是随着空间分辨率的提高，其DQE下降比较平缓，在高空间分辨率时，DQE反而超过了非晶硅平板探测器。

这种特性说明非晶硅平板探测器在区分组织密度差异的能力较强；而非晶硒平板探测器在区分细微结构差异的能力较高。

不同类型的平板探测器在临床上的应用

由于DQE影响了图像的对比度，空间分辨率影响图像对细节的分辨能力。在摄片中应根据不同的检查部位来选择不同类型平板探测器的DR。对于像胸部这样的检查，重点在于观察和区分不同组织的密度，因此对密度分辨率的要求比较高。在这种情况下，宜使用非晶硅平板探测器的DR，这样DQE比较高，容易获得较高对比度的图像，更有利于诊断；对于象四肢关节、乳腺这些部位的检查，需要对细节要有较高的显像，对空间分辨率的要求很高，因此宜采用非晶硒平板探测器的DR，以获得高空间分辨率的图像。目前绝大多数厂家的数字乳腺机都采用了非晶硒平板探测器，正是由于乳腺摄片对空间分辨率要求很高，而只有非晶硒平板探测器才可能达到相应的要求。

三、非直接数字放射摄影（IDR）和直接数字摄影（DDR）之分

1、非直接数字放射摄影（Indirect Digital Radiography，简称IDR），是一种硅半导体间接采集 X-粒子技术的数字摄影技术，采用两步数字转换过程，X-光粒子先变成可见光然后用光电管探测到转换为电信号。

2、直接数字放射摄影系统（Direct Digital Radiography，简称DDR）是一种所谓直接X-粒子技术的数字摄影技术，X-光粒子在硒涂料层变成电信号被探测和转换；不产生可见光，而只是电子的传导，可避免散射线的产生，理论上没有光电转换的能量损失。

3、放射影像的质量是由许多因素共同作用形成的，仅仅突出在单个转换过程中能量损失多少是无法保证高质量诊疗图像的，还得看实际转换效率和最终成像质量如何，不能光看某技术的单项理论值。

4、几乎所有世界级的专家学者都认可非晶硅板在成像质量稳定性上好于非晶硒板。