1、醫(yī)用數(shù)字胃腸X射線機,主講人：王瑞玉,數(shù)字胃腸X線機新進(jìn)展,數(shù)字胃腸X線機現(xiàn)狀,近年來，隨著計算機及相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展及圖形圖像技術(shù)的日漸成熟，使得該技術(shù)逐步滲入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，開創(chuàng)了數(shù)字醫(yī)療的新時代。X射線機也由影像增強器型發(fā)展成為數(shù)字化CCD、固體探測器類型。目前已采用全數(shù)字化平板X線機。 隨著數(shù)字胃腸X射線機的普及和市場發(fā)展的需要，國內(nèi)外許多公司研制、生產(chǎn)和銷售，出現(xiàn)了可喜的局面，在國外形成以歐洲、美國、日本為主的局面，具有代表性的主要有： 美國的GE公司；德國的SIEMENS公司；荷蘭PHILIS公司 ；日本島津、東芝公司及意大利ITRLRAY、GMM等公司的系列產(chǎn)品，國內(nèi)北京萬東、沈陽東

2、軟、上海醫(yī)療器械廠等公司也生產(chǎn)了型號各異種類繁多的系列產(chǎn)品。,數(shù)字胃腸X線機新進(jìn)展,1即插即用功能； 2圖像采集： 曝光采集自動單幀，手動連續(xù)多在12-15幀/秒；數(shù)字透視采集最多100幀/秒；獲取高品質(zhì)數(shù)字化圖像； 3圖像處理功能： 實時/后處理數(shù)字減影、圖像黑白，上下，左右翻轉(zhuǎn)、窗寬窗位調(diào)節(jié)、平滑處理、邊界增強、局部放大、距離測量、亮度和對比度調(diào)節(jié)、 透視末幀圖像凍結(jié)、路徑圖；數(shù)字減影系統(tǒng)(DSA),實現(xiàn)介入治療； 4圖像數(shù)據(jù)庫： 硬盤存貯容量大，可對患者信息處理，可配外存；,5圖像顯示： 采用高精度顯示器，多幅顯示、電影回放，或網(wǎng)絡(luò)視頻回放； 6高性能計算機控制系統(tǒng)，中文可操作界面，激光

3、輸出診斷報告或采用電子文檔； 7具有兼容的外接口，可配DICOM3.0標(biāo)準(zhǔn)接口； 8病人擋案管理；,數(shù)字胃腸X線機未來發(fā)展,1、集成化程度更高 2、采集信息量更大、空間分辯率、對比度和靈敏度更高、實現(xiàn)圖像的智能處理和傳輸。 3、采用性能更好的數(shù)字化采集板： 高DQE，低劑量、快速掃描 4、智能化的圖像重建和診斷系統(tǒng)： 實現(xiàn)三維圖像重建，即減少了接受X射線的劑量，同時可將圖像存貯于計算機工作站，實現(xiàn)信息的網(wǎng)絡(luò)共享，并重建為醫(yī)生所見的三維圖像，增加智能診斷程序，將有助于提高診斷的準(zhǔn)確性。,TOSHIBA 數(shù)字胃腸機,全新的數(shù)字結(jié)構(gòu)Made for patients； 優(yōu)秀的圖像質(zhì)量Made for

4、 you； 高效的工作效率Made for partnership,二、數(shù)字胃腸機原理和構(gòu)造,1、數(shù)字胃腸X射線機主機控制系統(tǒng) 2、床體系統(tǒng)、點片系統(tǒng)和限束器 3、影像系統(tǒng) 4、X線發(fā)生裝置 5、控制臺控制系統(tǒng) 6、計算機系統(tǒng) 7、DICOM標(biāo)準(zhǔn),數(shù)字胃腸X射線機的主機系統(tǒng)是指圍繞產(chǎn)生X射線的主電路及其部件組成的系統(tǒng)，分為系統(tǒng)主電路和計算機圖像處理部分。 主電路主要提供滿足診斷要求的管電壓、管電流，以控制X射線的質(zhì)和量，以及所包括的控制電路準(zhǔn)確地控制X射線的產(chǎn)生和斷開時間。 圖像處理則完成在X射線產(chǎn)生時采集所需信號并處理、存儲，以滿足醫(yī)生診斷要求。,數(shù)字胃腸X射線組成結(jié)構(gòu),床體系統(tǒng),床體系統(tǒng)是

5、胃腸X射線的重要組成部分，它是完成系統(tǒng)功能的主要載體，能過二維的操作方式，即影像系統(tǒng)、床體的傾斜及床板的運動，可以實現(xiàn)胃腸X射線機的全部功能。 床體系統(tǒng)通常有兩部分組成：旋轉(zhuǎn)部分和固定部分組成。,旋轉(zhuǎn)部分 主要包括:X射線管及其冷卻系統(tǒng)、限束器、壓迫器組件、點片系統(tǒng)、影像系統(tǒng)、床面板及運動電機、影像系統(tǒng)運動電機、減速機及其變頻器伺服系統(tǒng)。 固定部分 主要包括:旋轉(zhuǎn)支架、底座和控制板組件部分、床體傾斜電機、減速機及其變頻器伺服系統(tǒng)。,NAX500/800RF 東軟,NSX-RF3900,NSX-RF3900,完美結(jié)合的影像鏈系統(tǒng)：影像增強器與CCD的一體化設(shè)計，最大程度的保證了圖像質(zhì)量的優(yōu)越；

6、靈活舒適的床體設(shè)計：適用于各種常規(guī)和特殊的臨床檢查，嵌入式的智能化控制系統(tǒng)保證了運行的平穩(wěn)準(zhǔn)確； 100KHz的超高頻逆變高壓發(fā)生器； 最先進(jìn)的一體化Touch Screen操作模式：完全將高壓系統(tǒng)與操作系統(tǒng)相融合，中英文雙選的操作界面使我們的工作變的更為簡潔； 東軟專業(yè)的圖像處理軟件包； DICOM3.0國際標(biāo)準(zhǔn):全面支持醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)（HIS、RIS、PACS）連接。,3床體部件圖,1. 底座 2. 床體 3. 床面 4. X 射線管 5. 限束器 6. 壓迫器 7. 立柱 8. 點片裝置 9. 片盒 10. 影像增強器 11. CCD 攝像機 12. 把手 13. 肩托 14. 扶手 15.

7、 腳踏板 16. 杯架 17. 操作臺 18. 計算機 19. 高壓發(fā)生器 20. 腳閘開關(guān),4控制板組件位置,5床體運動行程開關(guān)位置圖,6床體控制部分,床體控制包括床體的旋轉(zhuǎn), 床面板的橫向運動, 影像系統(tǒng)的移動以及壓迫器的升降運動。包括以下部分，結(jié)構(gòu)及位置,影 像 系 統(tǒng),影像系統(tǒng)通常包括影像增強器和攝影系統(tǒng)、數(shù)字放射成像檢測器、影像輔助系統(tǒng),1影像增強器 影像增強器是將入射的X射線模式轉(zhuǎn)換成為對應(yīng)的可見光學(xué)圖像的設(shè)備，這個可見的光學(xué)圖像通過膠片或攝像機記錄下來。在一個設(shè)計良好的熒光檢測技術(shù)或熒光照相技術(shù)的圖像鏈中，作為前端檢測器的X射線影像增強器是一個最重要的部分。在第一階段發(fā)生的任何圖

8、像信息的損失或增加的噪聲都是不可逆的，X射線影像增強器的性能比其他任何部分的性能都要重要，它是最終成像質(zhì)量的一個決定性因素。,（1）物理特性,輸入窗和熒光屏,輸入的閃爍物及光電陰極,SEM（掃描電子顯微鏡）下碘化銫 CsI似光纖針狀結(jié)構(gòu)（左）針狀放大結(jié)構(gòu)（右）, 電子光學(xué),在這個結(jié)構(gòu)中，在光電陰極之間有三個額外的電極（G1、G2、G3），通常在零電勢和輸出屏幕之間（輸出屏幕處為高電勢，一般為30kV）。G3電極通過改變輸入屏幕投射到輸出屏幕的比例來放大圖像：G3電勢越高，投射的輸入屏幕的比例越小，放大倍數(shù)越大。G2電極是聚焦電極，G1電極允許調(diào)整整個圖形區(qū)域的分辨率的一致性。,五極真空管的電子

9、光學(xué)系統(tǒng),輸出屏,輸出屏幕將碰撞電子的能量轉(zhuǎn)換成為光信號，將初始的X射線圖像還原成為可見的圖像，該圖像可以投照到膠片或電視屏幕上。 為了在圖像球管與準(zhǔn)直器之間得到良好的耦合，輸出屏幕的直徑一般比輸入屏幕的直徑?。ㄒ话阍?5mm到35mm之間）。由于所有圖像信息都集中在一個非常小的區(qū)域，輸出的熒光物質(zhì)對程度較低的固定模式的噪聲應(yīng)該有非常好的粒度。 輸出屏幕由一層非常薄的熒光物質(zhì)小顆粒組成。由于具有較高的亮度效率以及較快的反應(yīng)速度，大多數(shù)影像增強器使用P20作為熒光物質(zhì)。P20是將銀摻于硫化鋅鎘（Zn0.6Cd0.4S: Ag），其發(fā)射的光線波長峰值在520 540 nm之間，位于光譜中綠色部分。

10、這與高質(zhì)量的正膠片以及電視使用的大多數(shù)光敏檢測器的敏感曲線非常匹配。,輸出窗口,常用的輸出窗口結(jié)構(gòu),（2）光電特性,轉(zhuǎn)換因數(shù) X射線影像增強器的最初功能是轉(zhuǎn)換并放大信號，因此它的增益非常重要。增益通常指表示為轉(zhuǎn)換因數(shù)，定義為輸出光線通量或亮度與輸入X射線的曝光率的比值。輸出亮度的單位通常使用cd/m-2或ftL，曝光率單位通常使用mRs-1、Gys-1或Ckg-1s-1, 空間分辨率 傳統(tǒng)的分解能力經(jīng)常還用有限的空間分辨率來描述，該參數(shù)定義為單位長度內(nèi)仍然可以視為分離實體的矩形空間以及條形的最大數(shù)目。 這個方法得到廣泛應(yīng)用，因為它只需要極其簡單的設(shè)備：一個X射線阻隔的空間條形模式的模板，用雙眼

11、看輸出的圖像即可。 缺點是其主觀誤差。由于它依賴于人的觀察，不同觀察者會得到誤差很大結(jié)果, 對比度,對比度定義為兩個亮度的比值。一個亮度是如果入口平面A沒有物體時輸出圖像上一個給定的點亮度，另一個亮度是在同樣曝光率的情況下如果入口平面上對應(yīng)的點覆蓋著一個X射線阻隔盤（B）時該點的殘留亮度。, 圖像失真 影像增強器產(chǎn)生的最終圖像的幾何形狀從來不能與相應(yīng)物體的形狀成完美的比例。這個現(xiàn)象稱為圖像失真，主要原因在影像增強器本身。必須分清楚兩種類型的失真：一種是圓均衡幾何失真，另一種是不對稱，通常稱為積分失真,幾何失真,失真原因是將X射線圖像投射到一個曲面上，入口平面上一個物體O在輸入屏幕的邊緣（Sb）

12、產(chǎn)生圖像要比中間(Sc)產(chǎn)生的圖像大。這種（正的）失真與輸入屏幕的幾何形狀以及X射線源的位置有關(guān)，因此被稱為幾何失真。,積分失真,這是因為直線形物體特有的S形圖像。這個現(xiàn)象是由于地球磁場或周圍設(shè)備造成的雜散磁場的干擾引起的。實際上，電子軌道對磁場非常敏感，它會引起圖形旋轉(zhuǎn)一定角度，旋轉(zhuǎn)的大小取決于半徑。地磁場的強度隨著位置的不同在0.3-1高斯之間變化，對于大視野的球管會造成不能忽略的S失真。由于這個原因，大多數(shù)影像增強器都有一個一體化的鐵鎳銅錳鉻磁性合金（mu-metal）制成的防護(hù)罩以保護(hù)電子透鏡不受外部磁場的干擾，盡可能的減小S失真。, 檢測量子效率(DQE：dose quanta ef

13、ficiency),檢測量子效率為衡量輸出圖像的信噪比比較入射X射線流的信噪比的降低程度提供了一個測量方法。X射線流的主要噪聲來源是光子通量中的統(tǒng)計量子波動。 這個量子噪聲服從泊松統(tǒng)計規(guī)律，光子通量的標(biāo)準(zhǔn)差等于它的均方根（即信號）。因此輸入的信噪比隨著X射線量子數(shù)的平方根而增加,所以與入射劑量的平方根成正比。 影像增強器內(nèi)部信噪比降低的主要原因是在感光層X射線光子不完全吸收以及能量轉(zhuǎn)換過程中的統(tǒng)計波動。 主要有兩個過程：吸收過程和閃爍過程,2數(shù)字成像檢測器,在放射學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，隨著數(shù)字化信息技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)也進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的新紀(jì)元。在60年代后期，隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展，特別是MOS集

14、成電路工藝的成熟，各種固體成像器件得到迅速發(fā)展，70年代后期已有一系列的成熟產(chǎn)品，固體成像器件本身就成完成圖像轉(zhuǎn)換、信息存貯和按順序輸出（稱自掃描）視頻信號的全過程。,數(shù)字化X射線機的工作原理,電荷耦合器件（Charge Coupled Device簡稱 CCD）,CCD是70年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體光電成像器件。美國貝爾實驗室的 W.S.Boyle 和G.E.Smith于1970年提出了CCD的概念，隨后建立了以一維勢阱模型為基礎(chǔ)的非穩(wěn)態(tài)CCD的基本理論。30多年來，隨著新型半導(dǎo)體材料的不斷涌現(xiàn)和器件微細(xì)化技術(shù)的日趨完備，CCD技術(shù)得到了較快的發(fā)展。目前CCD技術(shù)巳廣泛應(yīng)用于信號處理、數(shù)字

15、存貯及影像傳感等領(lǐng)域。其中，CCD技術(shù)在影像傳感中的應(yīng)用最為廣泛，已成為現(xiàn)代光電子學(xué)和測試技術(shù)中最活躍、最富有成果的領(lǐng)域之一,電荷耦合器件（CCD）的工作原理,有兩種基本類型：一種是電荷包存貯在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏敚@類器件稱為表面溝道電荷耦合器件，簡稱SCCD； 另一種是電荷包存貯在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體內(nèi)沒一定方向傳輸，這類稱為體內(nèi)溝道或埋溝道電荷耦合器件，簡稱BCCD。,CCD的基本原理,CCD的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。CCD的基本功能是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測,（1）光電荷的產(chǎn)生,CCD的首要功能

16、是完成光電轉(zhuǎn)換，即產(chǎn)生與入射的光譜輻射量度成線性關(guān)系的光電荷。當(dāng)光入射到CCD的光敏面時，便產(chǎn)生了光電荷。CCD在某一時刻所獲得光電荷與前期所產(chǎn)生的光電荷進(jìn)行累加，稱為電荷積分。入射光越強，通過電荷積分所得到的光電荷量越大，獲得同等光電荷所需的積分時間越短。 電荷的產(chǎn)生方法主要分為光注人和電注人兩類，在CCD相機中，一般采用光注人方式。當(dāng)光照射到CCD硅片上時，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。光注人方式分為正面照射式與背面照射式。,正面照射式光注入的示意圖,(2)電荷存儲,構(gòu)成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半

17、導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)。在柵極施加正偏壓之前，型半導(dǎo)體中空穴(多數(shù)載流子)的分布是均勻的，當(dāng)在柵極施加小于型半導(dǎo)體闊值電壓的正偏壓后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向半導(dǎo)體體內(nèi)延伸，當(dāng)柵極的正偏壓大于P型半導(dǎo)體的闊值電壓時，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢變得如此之高，以致于將半導(dǎo)體體內(nèi)的電子(少數(shù)載流子)吸引到表面，形成一層極薄的但電荷濃度很高的反轉(zhuǎn)層，反轉(zhuǎn)層電荷存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷功能。 表面勢與反轉(zhuǎn)層電荷濃度具有良好的反比例線性關(guān)系。由于CCD的像素進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換可比喻為往井或桶內(nèi)注水，因此，這種線性關(guān)系很容易用半導(dǎo)體物理中的勢阱概念描述。其中，單個像素所能存儲的最大光電荷量(

18、不向其鄰近像素溢出)，也稱為滿阱容量,(3)電荷轉(zhuǎn)移,當(dāng)完成對光敏元陣列的掃描后，CCD將光電荷從光敏區(qū)域轉(zhuǎn)移至屏蔽存儲區(qū)域，而后光電荷被按順序轉(zhuǎn)移至讀出寄存器。,通過按一定的時序在電極上施加高低電平，可使光電荷在相鄰的勢阱間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。通常把CCD的電極分為幾組，每一組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。按相數(shù)劃分:CCD一般可分為二相CCD、三相CCD及四相CCD，下圖為三相CCD中光電荷的轉(zhuǎn)移, 二相CCD,對于單層金屬化電極結(jié)構(gòu)，為了保證電荷走向轉(zhuǎn)移，驅(qū)動脈沖至少需要三相。當(dāng)信號電荷自第2個電極向第3個電極轉(zhuǎn)移時，在第l個電極下面形成勢壘，以阻止電荷倒流。如果希望采用二相脈沖驅(qū)動，就必須在電

19、極結(jié)構(gòu)中設(shè)計并制造出某種不對稱性，即由電極結(jié)構(gòu)本身來保證電荷轉(zhuǎn)移的定向性。產(chǎn)生這種不對稱性最常用的方法是利用絕緣層厚度不同的臺階以及離子注人產(chǎn)生勢壘。 二相CCD的典型電極結(jié)構(gòu)如下圖。低電阻多晶硅柵及鋁柵形成的不對稱的電極結(jié)構(gòu)，在鋁柵下形成勢壘。當(dāng)電荷處于勢壘較深右半部內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)可有效地阻止電荷倒流，保證電荷轉(zhuǎn)移定向性。, 四相CCD,與二相CCD、三相CCD相比，四相CCD的操作方式更適應(yīng)較高的時鐘頻率(如100MHz)，波形接近正弦波的驅(qū)動脈沖；四相CCD的兩電荷包間有雙重勢壘相隔，有助于提高轉(zhuǎn)移效率，另外，由于表面勢分市呈臺階狀，電荷在轉(zhuǎn)移過程中不會產(chǎn)生二相、三相CCD在轉(zhuǎn)移過程中所出

20、現(xiàn)的過沖現(xiàn)象。四相CCD的缺點是其驅(qū)動電路相對較為復(fù)雜。,四相CCD的典型電極結(jié)構(gòu), 體溝道CCD,按光電荷的轉(zhuǎn)移途徑劃分，CCD的轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)可分為表面溝道(即SCCD)和體溝道(即BCCD，也稱為埋溝道CCD)兩種方式。表面溝道CCD的電荷轉(zhuǎn)移途徑距離半導(dǎo)體-絕緣體分界面較近，當(dāng)勢阱充滿電荷時，將有部分電荷很快地被界面處吸收。而當(dāng)勢阱空下來后，這部分電荷又緩慢地被釋放出來。為了消除這種現(xiàn)象，以提高CCD的工作速度，設(shè)法在距半導(dǎo)體-絕緣體分界面有一定距離的地方形成勢阱，這就是體溝道CCD的基本設(shè)計思想。,體溝道CCD的典型電極結(jié)構(gòu),(4) 光電荷的輸出,光電荷的輸出是指在光電荷轉(zhuǎn)移通道的末端

21、，將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號輸出。 目前CCD的輸出方式主要有： 電流輸出 浮置擴散放大器輸出 浮置柵放大器輸出。,電流輸出,當(dāng)信號電荷在轉(zhuǎn)移脈沖驅(qū)動下向右轉(zhuǎn)移到末極電極下勢阱中后，V2上的電壓由高變低時，由于勢阱提高，信號電荷將通過輸出柵下的勢阱進(jìn)人反向偏置的二極管(圖中N+區(qū))。由UD、電阻RL、襯底P和N+區(qū)構(gòu)成的反向偏置二極管相當(dāng)于無限深的勢阱。進(jìn)人到反向偏置的二極管中的電荷，將產(chǎn)生輸出電流ID且ID的大小與注入到三極管中的信號電荷量成正比，而與電阻R成反比。ID與注人到二極管中電荷量成線性，ID的存在，使QS= ID dt發(fā)生變化， ID增大，A點電位降低?？捎肁點的電位來檢測二

22、極管的輸出電流ID ，用隔直電容將A點的電位變化取出，再通過放大器輸出。場效應(yīng)管Reset為復(fù)位管。它的主要作用是將一個讀出周期內(nèi)輸出三極管沒有來得及輸出的信號電荷通過復(fù)位場效應(yīng)管輸出。, 浮置擴散放大器輸出,浮置擴散放大器的輸出結(jié)構(gòu)，前置放大器與CCD做在同一個硅片上。Reset為復(fù)位管，右方的4個場效應(yīng)管構(gòu)成放大管。復(fù)位管下的勢阱未形成之前，在復(fù)位管的柵極復(fù)位脈沖中R，使復(fù)位管導(dǎo)通，把浮置擴散區(qū)剩余電荷抽走，復(fù)位到DD。而當(dāng)電荷到來時，復(fù)位管截止，由浮置擴散區(qū)收集的信號電荷來控制放大管柵極電位變化。, 浮置柵放大器輸出,輸出放大器的柵極不是直接與信號電荷的轉(zhuǎn)移溝道相連接，而是與溝道上面的浮

23、置柵相連。當(dāng)信號電荷轉(zhuǎn)移到浮置柵下面溝道時，在浮置柵上感應(yīng)出鏡像電荷，以此來控制輸出放大器柵極電位，達(dá)到信號檢測與放大的目的。顯然這種機構(gòu)可以實現(xiàn)電荷在轉(zhuǎn)移過程中的非破壞性檢測。,2CCD的分類 線陣CCD和面陣CCD,(1)線陣CCD 線陣CCD可以直接將一維光信息轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號輸出。 線型CCD一般具有單溝道線陣CCD、雙溝道線型CCD兩種基本形式。, 單溝道線型CCD,光敏陣列與轉(zhuǎn)移區(qū)一移位寄存器是分開的，移位寄存器被遮擋。在光積分周期里，這種器件的光柵電極電壓為高電平，光敏區(qū)在光的作用下產(chǎn)生光生電荷存于光敏MOS電容勢阱中。 轉(zhuǎn)移柵(Trans for Gate)用于控制光電荷在光敏陣

24、列至移位奇存器間的轉(zhuǎn)移。當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖到來時，線陣光敏陣列勢阱中的信號電荷并行轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器中，最后在時鐘脈沖的作用下一位一位地移出器件，形成視頻脈沖信號。 該結(jié)構(gòu)的CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)多、效率低、調(diào)制傳遞函數(shù)MTF較差，只適用于像敏單元較少的成像器件。, 雙溝道線陣CCD,具有兩列CCD移位寄存器，分列在像敏元陣列的兩邊。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵為高電位(對于n溝器件)時，光積分陣列的信號電荷包同時按箭頭方向轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的移位寄存器內(nèi)，然后在驅(qū)動脈沖的作用下分別向右轉(zhuǎn)移，最后以視頻信號輸出。 同樣像敏單元的雙溝道線陣CCD要比單溝道線陣CCD的轉(zhuǎn)移次數(shù)少一半，它的總轉(zhuǎn)移效率也大大提高，故一般高于256位的線陣

25、CCD都為雙溝道的。,TDI CCD,TDI(Time Delayand Integration)是一種掃描疊加方式，是基于對同一物體的多次曝光累加的概念發(fā)展而來的。TDI CCD比常規(guī)掃描方式具有更高的靈敏度和信噪比。,TDI CCD基于對同一目標(biāo)進(jìn)行多次曝光原理，因為需要在不同的位置進(jìn)行多次曝光，因此TDI CCD要求目標(biāo)與相機必須實現(xiàn)完全的同步。如圖所示:一個小球在TDI CCD的不同曝光級間垂直下落。當(dāng)小球下降到TDI CCD的某一級時，TDI CCD均進(jìn)行了一次曝光，所得到的信號電荷逐級進(jìn)行累加，并作為與小球?qū)?yīng)的信號電荷轉(zhuǎn)移到CCD水平讀出寄存器輸出。 與一般線掃描傳感器相比，TD

26、I借助了積分線來增加曝光時間。由于傳感器內(nèi)的信號儲存與曝光次數(shù)成正比，TDI技術(shù)可使在積分時間內(nèi)收集到的光子數(shù)增加，所以TDI CCD比一般線掃描CCD傳感器具有更高的靈敏度。在TDI CCD中，信號與累加次數(shù)N成正比，而噪聲則只與累加次數(shù)N的平方根成正比，所以其信噪比(SNR)可提高至原來的根下N倍。,(2) 面陣CCD,按一定的方式將一維線型CCD的光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構(gòu)成二維面陣CCD。 按排列方式不同，面陣CCD三種方式： 幀轉(zhuǎn)移 隔行轉(zhuǎn)移 線轉(zhuǎn)移方式。, 幀轉(zhuǎn)移面陣CCD,幀轉(zhuǎn)移面陣CCD的特點是結(jié)構(gòu)簡單，光敏單元的尺寸較小，模傳遞函數(shù)MTF較高，但光敏面積占總

27、面積的比例小 由成像區(qū)(RegionA)、暫存區(qū)(RegionB)和水平讀出寄存器三部分構(gòu)成。成像區(qū)由并行排列的若干電荷糯合溝道組成，各溝道之間用溝阻隔開，水平電極橫貫各溝道。暫存區(qū)的結(jié)構(gòu)和單元數(shù)都和成像區(qū)相同，暫存區(qū)與水平讀出寄存器均被遮蔽。,全幀CCD,利用CCD進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時將光電荷轉(zhuǎn)移至水平移位寄存器內(nèi)的CCD，稱為全幀CCD，如圖所示為其結(jié)構(gòu)框圖。因為光敏區(qū)占據(jù)了全幀CCD的絕大部分，因此當(dāng)進(jìn)行光電荷的轉(zhuǎn)移時，需要通過快門屏蔽入射光。,行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD,行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD的結(jié)構(gòu)，如圖1-22所示。它的像敏單元呈二維排列，每列像敏單元被遮光的讀出寄存器用溝阻隔開，像敏單元與讀

28、出寄存器之間又有轉(zhuǎn)移控制柵。每一像敏單元對應(yīng)于二個遮光的讀出寄存器單元。讀出寄存器與像敏單元的另一側(cè)被溝阻隔開,工作過程如下:在光積分期間，光生電荷包存儲在像敏單元的勢阱里，轉(zhuǎn)移柵為低電位，轉(zhuǎn)移柵下的勢壘將像敏單元的勢阱與讀出寄存器的勢阱隔開；當(dāng)光積分時間結(jié)束，轉(zhuǎn)移柵上的電位由低變高，其下形成的勢阱將像敏單元的勢阱與此刻讀出寄存器某單元的勢阱溝通，像敏單元中的光生電荷經(jīng)過轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到讀出寄存器。轉(zhuǎn)移的過程為并行的，即各列光敏單元的光生電荷同時轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的讀出寄存器中，轉(zhuǎn)移過程結(jié)束后，光敏單元與讀出寄存器又被隔開，轉(zhuǎn)移到讀出寄存器中的光生電荷在讀出脈沖的作用下一行行地向水平讀出寄存器中轉(zhuǎn)移，而后

29、在水平驅(qū)動脈沖的作用下，光電荷在水平讀出寄存器內(nèi)快速地轉(zhuǎn)移至輸出端輸出，從而得到與光學(xué)圖像對應(yīng)的視頻信號。 行間轉(zhuǎn)移CCD只需要約1s的時間就可完成光電荷至垂直移位寄存器的轉(zhuǎn)移，從而很好地解決了幀轉(zhuǎn)移CCD因轉(zhuǎn)移速度不夠快而帶來的圖像模糊問題。同時，由于行間轉(zhuǎn)移CCD的垂直移位寄存器所占的面積均被遮蔽，所以其對輸入光的利用率以及像素密度相對較低。,CCD的特性參數(shù),(1)靈敏度 靈敏度是CCD最為重要參數(shù)之一，它有兩種物理意義： 一種是表示光電器件的光電轉(zhuǎn)換能力，與響應(yīng)度的意義相同。對于給定芯片尺寸的CCD來說，其靈敏度可用單位光功率所產(chǎn)生的信號電流表示，單位可以為納安/勒克斯nA/Lux、伏

30、/瓦(V/W)、伏/勒克斯(V/Lux)、伏/流明(V/lm)。光輻射能流密度在光度學(xué)中常以照度Lux表示，其轉(zhuǎn)換式為lW/m2=20lx。在有的資料中，也用mV/Lx.s來表示CCD的靈敏度，嚴(yán)格說來，這是CCD圖像傳感器的響應(yīng)度，即單位曝光量所得到的有效信號電壓，它反映了CCD圖像傳感器的靈敏度和輸出級的電荷/電壓轉(zhuǎn)換能力。 另一種是指器件所能傳感的最低輻射功率(或照度)，與探測率的意義相同。單位可用瓦(W)或勒克斯(Lux)表示。,(2)光譜響應(yīng),指CCD對于不同波長光線的響應(yīng)能力。CCD接收光的方式可分為正面光照與背面光照兩種。由于CCD的正面布置著很多電極，電極的反射和散射作用使得正

31、面照射的光譜靈敏度比背面照射時低。為此ICCD常采用背面照射的方法。如圖1-23所示，背面光照方式比正面光照的光譜響應(yīng)要好得多。采用硅襯底的ICCD的光譜響應(yīng)范圍為03-1.11um，平均量子效率為25%，絕對響應(yīng)K為0.1-02(A/W),(3)動態(tài)范圍,CCD圖像傳感器的動態(tài)范圍由滿阱容量和噪聲之比決定，它反映了器件的工作范圍。 滿阱容量(Full-wellcapacity) CCD的滿阱容量是指單個CCD勢阱中可容納的最大信號電荷量。它取決于CCD的電極面積、器件結(jié)構(gòu)、時鐘驅(qū)動方式及驅(qū)動脈沖電壓的幅度等因素。,噪聲 CCD在存貯和轉(zhuǎn)移信息電荷的過程中，作為信息的各個少數(shù)載流子，在氧化層保

32、持隔離狀態(tài)，可認(rèn)為CCD自身是低噪聲器件。但信號電荷的注入、轉(zhuǎn)移和檢測等過程中都疊加有噪聲，使信號再現(xiàn)的精度受到影響。 CCD的噪聲歸納起來主要有三類： 散粒噪聲即由于電荷注入器件時由電荷量的起伏引起的噪聲； 轉(zhuǎn)移噪聲即電荷轉(zhuǎn)移過程中，電荷量的變化引起的噪聲； 熱噪聲即檢測電荷時，對檢測二極管進(jìn)行復(fù)位時所產(chǎn)生的檢測噪聲等。,（4）分辨率,分辨率是圖像傳感器的重要特性。與采用電子束掃描方式的電真空攝像管的結(jié)構(gòu)不同，CCD圖像傳感器采用自掃描方式，每個光敏單元都被隔開較大的距離。CCD的光電轉(zhuǎn)換實質(zhì)上是由空間上分立的光敏單元對光學(xué)圖像進(jìn)行抽樣。光敏單元呈周期性排列，假設(shè)要攝取的光學(xué)圖像是沿水平方向

33、光強(亮度)為正弦分布的條狀圖像，經(jīng)CCD的光敏單元進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換，所得的信號在時間軸方向也為正弦波信號。根據(jù)奈氏抽樣定理，CCD的極限分辨率是空間抽樣頻率的一半，CCD原分辨率主要取決于CCD芯片的像素數(shù)。其次，還受到傳輸效率的影響。高集成度的光敏單元可獲得高分辨率，但光敏單元尺寸的減少將導(dǎo)致靈敏度降低。一些新的工藝結(jié)構(gòu)的應(yīng)用(如雙層像感結(jié)構(gòu))可在一定范圍內(nèi)提高CCD的靈敏度。 分辨率通常用電視線(TVL)表示，也可用調(diào)制傳遞函數(shù)MTF來評價。如圖1-24所示，為寬帶光源與窄帶光源照明下線陣CCD的MTF曲線。,（5）拖影 在幀轉(zhuǎn)移型CCD中，由光敏區(qū)向存貯區(qū)轉(zhuǎn)移電荷時，光敏區(qū)在場逆程的光積

34、分電荷被帶到下一場信號中，或者硅片深處的光生載流子向鄰近勢阱擴散，從而致使圖像模糊，這種現(xiàn)象稱為拖影。拖影將使圖像對比度下降。在行轉(zhuǎn)移型CCD中，光敏單元被轉(zhuǎn)移單元(垂直移位寄存器)所隔開。在場消隱期間，光敏單元的電荷移到轉(zhuǎn)移單元，當(dāng)圖像經(jīng)寄存器以水平速率移位時，過載光敏單元的剩余量可能泄漏到寄存器中，所形成的拖影也會導(dǎo)致圖像模糊。在對黑色背景中的明亮目標(biāo)進(jìn)行成像時，拖影現(xiàn)象最為明顯。通常用電平值的大小(dB)表示拖影的程度，也可用百分比表示。,（6）暗電流 在正常工作的情況下，MOS電容處于未飽和的非平衡態(tài)。然而隨著時間的推移，由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子使系統(tǒng)趨向平衡。因此，即使在沒有光照

35、或其他方式對器件進(jìn)行電荷注人的情況下，也會存在不希望有的暗電流。暗電流是大多數(shù)成像器件所共有的特性，是判斷一個攝像器件好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。 產(chǎn)生暗電流的主要原因是:耗盡的硅襯底中電子自價帶至導(dǎo)帶的本征躍遷，少數(shù)載流子在中性體內(nèi)的擴散及Si-Si02界面引起的暗電流。在大多數(shù)情況下，以第二種原因Si-Si02界面引起的暗電流產(chǎn)生的暗電流為主。為了減小暗電流，應(yīng)采用缺陷盡可能少的晶體和減少站污。另外，暗電流還與溫度有關(guān)。溫度越高，熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子越多，暗電流就越大。,（7）電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率 電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率：電荷轉(zhuǎn)移效率是表征CCD器件性能好壞的一個重要參數(shù)。設(shè)原有的信號電荷為q，轉(zhuǎn)

36、移到下下一個電極下的信號電荷量為Q，則其比值稱為轉(zhuǎn)移效率。即：q/Q*% 沒有被轉(zhuǎn)移的電荷是設(shè)為p，則與原信號電荷Q之比稱為轉(zhuǎn)移損失率。即轉(zhuǎn)移損失率為P/Q*%。顯然電荷轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率之和為1。 影響轉(zhuǎn)移效率的因素很多，如自感應(yīng)電場、熱擴散、邊緣電場以及電荷與表面態(tài)用體內(nèi)陷阱的相互作用等等。其中最主要因素是表面態(tài)對信號電荷的俘獲。為此采用“胖零”工作模式，即讓“零”信號也有一定的電荷來填補陷阱，這能提高轉(zhuǎn)移效率和速率。,CCD噪聲,CCD在存貯和轉(zhuǎn)移信息電荷的過程中，作為信息的各個少數(shù)載流子，在氧化層保持隔離狀態(tài)，可認(rèn)為CCD自身是低噪聲器件。但信號電荷的注入、轉(zhuǎn)移和檢測等過程中都疊加有

37、噪聲，使信號再現(xiàn)的精度受到影響。CCD的噪聲歸納起來主要有三類：散離子噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲及熱噪聲。 散離子噪聲主要表現(xiàn)為微觀粒子的無規(guī)律性，在CCD器件中，無論是用光注入、電注入還是熱產(chǎn)生的信號電荷（電子數(shù)）總有一定的不確定性，這就引起了散粒子噪聲。 轉(zhuǎn)移噪聲是在CCD器件中，信號電荷由于每次轉(zhuǎn)移后剩下少部分電荷，對平均值來說，其總有一個漲落。另外，由于界面態(tài)和體內(nèi)陷阱俘獲面發(fā)射的電子，從CCD的一端轉(zhuǎn)移到另一端，也是一個隨機過程。這樣就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)移噪聲。 熱噪聲是在CCD器件中，信號電荷注入回路及信號電荷檢出時的復(fù)位回路均可等效為RC回路，由于電阻R的存在，就產(chǎn)生了電阻熱噪聲。 以上三類噪聲是獨立

38、無關(guān)的，CCD的總噪聲功率應(yīng)是它們均方和。,CMOS圖像傳感器的基本原理,典型的CMOS圖像傳感器由光敏元陣列及輔助電路構(gòu)成，其中光敏元陣列主要實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換功能，輔助電路主要完成驅(qū)動信號的產(chǎn)生、光電信號的處理、輸出等任務(wù)。 光敏元陣列是由光電二極管和MOS場效應(yīng)管陣列構(gòu)成的集成電路。在如圖中，光敏元陣列按X和Y方向排列成方陣，方陣中的每一個光敏元都有它的X、Y方向上的地址，并可分別由兩個方向的地址譯碼器進(jìn)行選擇每一列光敏元都對應(yīng)于一個列放大器，列放大器的輸出信號分別與由X方向地址譯碼控制的模擬多路開關(guān)相連。在實際工作中，CMOS圖像傳感器在Y方向地址譯碼器的控制下依次接通每行光敏元模擬開關(guān)，信

39、號通過行開關(guān)傳送到列線上，再通過X方向地址譯碼器的控制，傳送到放大器。輸出放大器的輸出信號由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)預(yù)處理電路處理后通過接口電路輸出。,1像素結(jié)構(gòu) 從像素內(nèi)部有無放大器角度進(jìn)行劃分，可將CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)分為無源光敏元結(jié)構(gòu)PPS (Passive-Pixel Sensor)和有源光敏元結(jié)構(gòu)APS (Active Pixel Sensor)兩大類,（1）PPS像素結(jié)構(gòu) 無源光敏元結(jié)構(gòu)主要由光電二極管和地址選通開關(guān)構(gòu)成。復(fù)位脈沖首先啟動復(fù)位操作，將光電二極管的輸出電壓被置。接著光電二極管開始光信號的積分。當(dāng)積分工作結(jié)束時，選址脈沖啟動行選擇開關(guān)，光電二極管中的信號傳輸

40、至列總線上，然后經(jīng)過公共放大器放大后輸出。,PPS的填充系數(shù)較高，可提高芯片的集成度。另一方面，當(dāng)直接把光電荷從像素讀到列總線時，總線不可避免的具有高電容值和熱復(fù)位噪聲，從而形成固定圖像噪聲(FPN)。同時，選址模擬開關(guān)的暗電流噪聲也使圖像信號的信噪比下降。,（2）APS像素結(jié)構(gòu) 有源光敏元結(jié)構(gòu)與無源光敏元結(jié)構(gòu)的最主要區(qū)別是:光敏元陣列中的每一個光敏元內(nèi)都集成有一個放大器。每一光電轉(zhuǎn)換信號首先經(jīng)過放大器放大，而后再通過場效應(yīng)管模擬開關(guān)傳輸。 如圖所示為主動光敏元結(jié)構(gòu)的原理框圖。從中可以看出，復(fù)位場效應(yīng)管(Reset Transistor)構(gòu)成光電二極管的負(fù)載，其柵極與復(fù)位信號線相連。當(dāng)復(fù)位脈沖

41、出現(xiàn)時，復(fù)位管導(dǎo)通，光電二極管被瞬時復(fù)位，而當(dāng)復(fù)位脈沖消失后，復(fù)位管截止，光電二極管開始對光信號進(jìn)行積分，由場效應(yīng)管構(gòu)成的源極跟隨放大器(Amplifier)將光電二極管的高阻輸出信號進(jìn)行電流放大，當(dāng)選通脈沖到來時，行選擇開關(guān)(Row Selector)導(dǎo)通，使得被放大的光電信號輸送到列總線上。,在有源光敏元結(jié)構(gòu)中，光電轉(zhuǎn)換后的信號立即在像素內(nèi)進(jìn)行放大，然后通過X-Y尋址方式讀出，從而提高了CMOS傳感器的靈敏度。APS具有良好的消噪功能。它不受電荷轉(zhuǎn)移效率的限制，速度快，圖像質(zhì)量明顯改善。另一方面，與PPS相比，APS像素的尺寸較大，填充系數(shù)小，其填充系數(shù)的典型值為20%30%,2CMOS圖

42、像傳感器的輔助電路,由于與電子CMOS工藝完全兼容，CMOS圖像傳感器可實現(xiàn)光敏元陳列、信號讀出電路、信號處理電路和控制電路的高度集成。典型的CMOS圖像傳感器主要由光敏元陣列、水平/垂直控制和時序電路、模擬信號讀出處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理電路和接口電路等構(gòu)成。CMOS圖像傳感器的時序電路主要產(chǎn)生各種驅(qū)動和控制脈沖，模擬信號處理電路集成了自動增益控制(AGC)、自動曝光控制(AEC)、自動自平衡(AWB)、伽瑪校正、背光補償和自動黑電平校正等電路，數(shù)字信號處理電路集成有彩色矩陣處理電路和全電視信號編碼器，可輸出標(biāo)準(zhǔn)的NTSC或PAL制式的全電視信號，可通過MD轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)數(shù)字圖像

43、輸出:片上功能可通過IIC接口電路控制。,3CMOS圖像傳感器的工作流程,(1) 初始化：初始化時要確定器件的工作模式，如輸出偏壓、放大器的增益、取景器是否開通等，并設(shè)定積分時間； (2) 幀讀出(YR)移位寄存器初始化：利用同步脈沖SYNC-YR，可以使YR移位寄存器初始化。SYNC-YR為行啟動脈沖序列，不過在它的第一行啟動脈沖到來之前，有一消隱期間，在此期間內(nèi)要發(fā)送一個幀啟動脈沖； (3) 啟動行讀出：SYNG-YR指令可以啟動行讀出，從第一行(Y=0)開始，直至Y=Ymax止，Ymax等于行的像敏單元減去積分時間所占用的像敏單元； (4) 啟動X移位寄存器:利用同步信號SYNC-X，啟

44、動X移位寄存器開始讀數(shù)，從X=0起，至X=Xmax止，X移位寄存器存一幅圖像信號； (5) 信號采集:A/D轉(zhuǎn)換器對一幅圖像信號進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)采集； (6) 啟動下行讀數(shù):讀完一行后，發(fā)出指令，接著進(jìn)行下一行讀數(shù)； (7) 復(fù)位:幀復(fù)位是用同步信號SYNC-YL控制，從SYNC-YL開始至SYNC-YR出現(xiàn)時間間隔便是曝光時間。為不混亂，在讀出信號之前應(yīng)確定曝光時間； (8) 輸出放大器復(fù)位:用于消除前一個像敏單元信號的影響，由脈沖信號SEN控制對輸出放大器的復(fù)位； (9) 信號采樣/保持:為適應(yīng)MD轉(zhuǎn)換器的工作，設(shè)置采樣/保持脈沖，該脈沖由脈沖信號SHY控制；,4.CMOS圖像傳感器的性能指

45、標(biāo),(1) 光譜性能與量子效率 (2) 填充因子：填充因子是光敏面積對全部像敏面積之比，它對器件的有效靈敏度、噪聲、時間響應(yīng)、模傳遞函數(shù)MTF等的影響很大。 （3）噪聲：光敏器件的噪聲（熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲、電流噪聲）； MOS場效應(yīng)管中的噪聲；CMOS成像器件中的工作噪聲（復(fù)位噪聲、空間噪聲）。,5CMOS圖像傳感器的發(fā)展趨勢,CMOS圖像傳感器正朝著高分辨率、高靈敏度、寬動態(tài)范圍、微型化、數(shù)字化和多功能的方向發(fā)展，并在越來越多的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，以下為幾種新型的CMOS圖像傳感器 ： 掩埋光電二極管型CMOS圖像傳感器 低噪聲CMOS圖像傳感器 高靈敏度CMOS圖像傳感器,（1

46、）掩埋光電二極管型CMOS圖像傳感器 CMOS圖像傳感器在低照度下成像質(zhì)量一直不如CCD，因而提高圖像質(zhì)量是CMOS圖像傳感器開發(fā)的重點。掩埋光電二極管型CMOS圖像傳感器采用掩埋光電二極管新型結(jié)構(gòu)，降低了漏泄電流，在低壓下也能確保無電荷殘余的完全讀出，實現(xiàn)了與CCD成像器件同等的高質(zhì)量圖像,（2）.低噪聲CMOS圖像傳感器 雖然具有低功耗優(yōu)點的CMOS圖像傳感器在便攜式信息終端的圖像通信方面具有重要作用，但由于每個像素晶體管特性的不均衡及非人射光引起的暗電流，容易產(chǎn)生固定圖形噪聲。低噪聲CMOS圖像傳感器采用了獨特的DRSCAN噪聲消除技術(shù)。該技術(shù)在逐點順序讀出每像素信號和噪聲成份的同時，可

47、在同一電路中消除晶體管特性不均引起的固定圖形噪聲。這是以前逐行消除難以做到的。同時，此類CMOS圖像傳感器還借鑒CCD的HAD(Hole Accumulation Diode)結(jié)構(gòu)。即在傳感器表面形成空穴積累層，從而抑制非人射光引起的暗電流。這兩種固定圖形噪聲的降低，使信噪比有了明顯的提高。另一方面，HAD結(jié)構(gòu)中采用L形門的像素結(jié)構(gòu)，使幾乎所有的電子完全轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了無拖影的圖像信號輸出。,（3）高靈敏度CMOS圖像傳感器 高靈敏度CMOS圖像傳感器具有雙金屬光電屏蔽和氮化硅(Si3N4)抗反射膜的深P阱光電二極管結(jié)構(gòu)的CMOSAPS。為了改善器件的靈敏度，高靈敏度CMOS圖像傳感器應(yīng)用了深P阱

48、、磷摻雜P型硅襯底、Si3N4、減反射膜、耗盡晶體管、雙金屬光電屏蔽等新技術(shù)。光入射到常規(guī)光電二極管和新型光電二極管時，前者的反射率為20%30%，后者的反射率10%。由于入射光反射率的降低，提高了器件的靈敏度。,CMOS圖像傳感器與CCD的比較,1.成像過程 CMOS圖像傳感器與CCD采用相同的光敏材料，光電轉(zhuǎn)換的原理相同。但是讀取過程不同:CMOS圖像傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流(電壓)信號，以類似DRAM的方式讀出信號。工作時僅需單一工作電壓供電；CCD以電荷包的形式進(jìn)行存貯及轉(zhuǎn)移，其信號的讀取需要多路外部驅(qū)動脈沖及電源的支持，系統(tǒng)電路相對復(fù)雜。,2.集成性 CMOS圖像傳感器可將光敏

49、元陣列、信號讀取電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理電路及控制器等集成到一塊芯片上，從而易于實現(xiàn)單芯片的成像系統(tǒng)；由于和CMOS工藝不兼容，CCD難以將時序發(fā)生器、驅(qū)動電路及信號處理電路等集成在同一芯片上。這些功能只能由3-8個芯片組合實現(xiàn)，使系統(tǒng)的體積和重量增大，不利于系統(tǒng)的微型化。,3.噪聲 由于CMOS圖像傳感器集成度高，各元件、電路之間距離很近，干擾比較嚴(yán)重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大；CCD技術(shù)較為成熟，其采用PN結(jié)或二氧化硅隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對CMOS圖像傳感器有一定的優(yōu)勢。 4.功耗 CMOS圖像傳感器只需一路電源(3-5V)供電，其功耗僅為CCD的1/1Oz而CCD需要3路以

50、上電源來滿足特殊時鐘驅(qū)動的需要，其功耗相對較大。,平板式數(shù)字檢測器,照相平板印刷和微觀電子技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，使集成基于TFT陣列讀出裝置大面積X射線檢測器的出現(xiàn)成為可能。與基于CCD的檢測器不同，CCD檢測器需要進(jìn)行光電耦合和影像縮小，而基于TFT的平板系統(tǒng)的電荷收集和讀出電子元件緊貼X射線發(fā)生交互作用的料層，從而使設(shè)計緊湊，并能即時轉(zhuǎn)化為數(shù)字影像。 平板式數(shù)字成像X射線檢測器可分為兩類：直接轉(zhuǎn)換檢測器，它的X射線能量直接轉(zhuǎn)換為電荷。間接轉(zhuǎn)換檢測器，其X射線能量首先由X射線閃爍器轉(zhuǎn)換為光。碘化銫（用于X射線影像增強器）和氧硫化釓（用于傳統(tǒng)的X射線增感屏使膠片曝光）是兩種常用的閃爍器。,1大面

51、積TFT陣列 TFT陣列在直接和間接數(shù)字放射成像系統(tǒng)中都用有源電子交換部件，TFT陣列放置在多層玻璃襯底上，讀出裝置在最低一層，電荷收集器陣列在高一些的層次上，然后根據(jù)檢測器的類型，X射線敏感部件、光敏感部件、或這兩種部件同時放置，形成這個復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)頂層。接著整個組件裝入保護(hù)外殼中，并外接電纜，用于連接計算機，與所有的電子設(shè)備一樣，需要的層次越多，系統(tǒng)就越復(fù)雜，這樣會降低其可靠性和圖像質(zhì)量。,基于平板TFT陣列的間接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)制造時首先加入一個使電極偏離的無特定結(jié)構(gòu)硅光電二極管或光敏二極管，然后加入一個閃爍器作為檢測器的頂層，這些層代替了直接轉(zhuǎn)換設(shè)備中使用的單X射線光臨時性倒置層。當(dāng)X射線觸發(fā)

52、閃爍器時，與入射X射線成比例的可見光即向所有方向發(fā)射，部分光被吸收到閃爍器中，其它大部分光在到達(dá)光電二極管前即散射，到達(dá)光電二極管陣列的哪些光子轉(zhuǎn)換為電荷，每個光電二極管收集的電荷通過附屬的讀出裝置放大和量化為該像素的數(shù)字化代碼值。 間接轉(zhuǎn)換檢測器中使用的閃爍器即可以有結(jié)構(gòu)的，也可以是無特定結(jié)構(gòu)的，無特定結(jié)構(gòu)硅平板檢測器工作原理如下：,該類型檢測器的目的是收集X射線產(chǎn)生的電荷，并當(dāng)在行電極掃描時將電荷提供給電子束半導(dǎo)體線性低通放大器。電荷存貯器由光敏二極管或光電導(dǎo)體組成，在平板檢測器中被用作閃爍器。電荷輸出開關(guān)由單個二極管或雙二極管，或者由TFT（thin film transistor）構(gòu)成

53、。所有的組合都是為了存貯器的工作，但都有特殊的開關(guān)控制其有效或無效，,無特定結(jié)構(gòu)硅平板檢測器電路原理，實際上，由外界給光電二極管提供一個偏置電壓，當(dāng)TFT開關(guān)關(guān)閉時，積蓄在二極管閃爍物上的光會產(chǎn)生電荷，當(dāng)數(shù)據(jù)被讀出時，給行驅(qū)動器上加一個電壓，使開關(guān)打開，電荷會從光電二極管上數(shù)據(jù)線上同時被讀出，當(dāng)有大量的象素單元時，同時被讀出,3X射線轉(zhuǎn)換模式,在無特定結(jié)構(gòu)硅平板檢測器中有三種X射線轉(zhuǎn)換方式： 基本模式 光電導(dǎo)體模式 閃爍器模式 每種模式都有其優(yōu)點和不足，具體采用何種方式取決于實際的應(yīng)用。,（1）基本模式 無特定結(jié)構(gòu)硅二極管的雙電子孔獲取照射得到的X射線，應(yīng)用偏置隔離以防止電荷的再結(jié)合，因為一個

54、電子對的產(chǎn)生需要5電子伏特的X射線的能量，然而硅元素對X射線的吸收非常低，以致于光敏二極管需要10到20mm厚，制造這樣無特定結(jié)構(gòu)的設(shè)備不太現(xiàn)實，主要是它的材料獲取難度大并且成本高。如圖1-34所示，當(dāng)X射線照射到平板時由光電二極管對獲取光信號，從而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號由行選擇確定其輸出。,（2）光電導(dǎo)體模式 光電導(dǎo)體材料比硅材料具有更高的X射線的吸收和貯存電荷的能力，當(dāng)獲取X射線時同樣用電子孔，但產(chǎn)生電荷的必須儲存到外層以防止側(cè)面的色度亮度干擾。在照射野內(nèi)不僅電荷是分離的，并且能迅速將電荷傳輸給集電極以保持圖像邊緣的銳利。通常光電導(dǎo)體采用硒元素，但硒對X射線的吸收也是較低的，每對子孔對僅有50電子

55、伏特能量，這就限制了所需要的最小劑量和信號的大小，為了得到更高的吸收率和能量在此基礎(chǔ)了出現(xiàn)了有結(jié)構(gòu)的閃爍器。,（3）閃爍器模式 閃爍器是一種可吸收X射線和轉(zhuǎn)換可見光的化合物，性能良好的閃爍器能轉(zhuǎn)換光子，20至50光量子可產(chǎn)生1KV的X射線能量，閃爍器是在檢測器上生長或連接到檢測器上的磷化銫晶體構(gòu)成，這些晶體具有很強的吸濕能力（它們吸收水分），如果沒有完全封閉，就會快速降解，由分散和平行的大約5到10微米，600微波長“針”組成的這個晶狀結(jié)構(gòu)的作用類似于一束光纖，這有助于將光子引導(dǎo)到光電二極管層。閃爍器具有高的X射線吸收率和低的分解性，可促進(jìn)光子的轉(zhuǎn)換。,磷化銫閃爍器的工作原理是當(dāng)有X射線照射時

56、，磷材料會發(fā)光發(fā)熱，為獲取最好的圖像質(zhì)量在制造時通常摻入少量的稀有氧硫化物，通常采用的是釓和鑭，釓一種從獨居石和氟碳鈰礦中獲得的銀白色、有韌性和延展性的稀金屬元素，用于改善鐵鉻及有關(guān)合金的高溫狀態(tài)下的性能。鑭一種質(zhì)軟、銀白色、有延展性的、可塑性的稀有金屬，主要是從獨居石和氟碳鈰礦中提取出來，用于玻璃工業(yè)及電影或電視攝影照明的碳棒燈中。氧硫化物摻雜鋱，鋱一種銀灰色的軟金屬性稀土元素，用于X光射線和彩色顯像管中。其特點是發(fā)出從藍(lán)到綠光，使其具有更佳的對比度，不同大小的晶體粒子和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生不同類型分辨率和光亮度，通常，這些化合物粘結(jié)或涂在一個塑料的基板上，這樣的設(shè)計更能提高X射線吸收靈敏度，同時無

57、特定形硅二極管能獲取更多的X射線產(chǎn)子的光子，以獲取更好的X射線圖像質(zhì)量。平板上十位數(shù)量伏特級能量就能產(chǎn)生更多光量子并對X射線具有更好的吸收。如果基板較厚會阻止X射線就會出現(xiàn)橫向傳播出現(xiàn)散射的問題，這就意味著X射線束可以傳播到鄰近的像素上，從而降低空間分辨率。為了解決這個問題部分制造商研制出了有結(jié)構(gòu)的閃爍器。,有結(jié)構(gòu)的閃爍器常采用的是由碘化銫晶體構(gòu)成的有結(jié)構(gòu)的檢測器，其原理是：把摻有釓和鑭的碘化銫閃爍發(fā)光晶體層覆蓋在光電二極管矩陣上，每個光電管就是一個像素，由薄膜非晶態(tài)氫化硅制成。當(dāng)X射線入射到閃爍晶體層時被轉(zhuǎn)化為可見光，再由光電二極管矩陣轉(zhuǎn)換成電信號，在光電二極管上自身的電容上形成貯存電荷，每

58、個像素的貯存電荷量與入射X射線量成正比。有結(jié)構(gòu)閃爍器可以增加X射線能量的吸收，雖然這種方式存在折中問題和實際的限制，但與無結(jié)構(gòu)的閃爍器比較具有更好的分辨率和光亮度,4.實時數(shù)字化X射線影像系統(tǒng),數(shù)字X射線機系統(tǒng)所采用的數(shù)字化主要有兩類：CCD構(gòu)成的影像系統(tǒng)和平板探測器系統(tǒng)， (1)CCD構(gòu)成的影像系統(tǒng) CCD構(gòu)成的影像系統(tǒng)通常有兩種:透鏡和光纖，因為透鏡的光學(xué)效率非常低，這種設(shè)備需要較高的射線量和高靈敏度的攝影機，透鏡式攝像機隨X射線束改變而改變，視野和能量隨透鏡的改變而改變。光纖式CCD構(gòu)成的影像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為小視野裝置提供了很好的解決方案，幾何失真小、一致性好，各種屏的適應(yīng)性特別好，具有較高的

59、能量，由于造價較高，因此目前X射線機上采用較少。,(2) 平板探測器影像系統(tǒng) 該種類型圖像探測器簡單，因此避免了許多影響圖像的因素，其動態(tài)范圍、連續(xù)性和幾何性都得到良好的改進(jìn)，使用的層次少，使圖像質(zhì)量得以保證。采用該系統(tǒng)的醫(yī)用射線機多為CR或DR，目前在高檔移動式X射線機已采用，隨著平板探測器的造價的降低，這也是數(shù)字化X射線的發(fā)展趨勢。,平板式數(shù)字探測器具有三個圖像處理的環(huán)節(jié)： 第一是與系統(tǒng)檢測功能有關(guān)的處理，涉及圖像讀取裝置輸入信號和輸出信號之間的關(guān)系，利用適當(dāng)?shù)膱D像讀出技術(shù)，保證整個系統(tǒng)在很寬的動態(tài)范圍內(nèi)自動獲取最佳密度和對比度的圖像。 第二是與顯示功能有關(guān)的處理，涉及圖像處理裝置。通過各種特殊處理如：灰階處理、頻率處理、減影處理等，為醫(yī)生提供可滿足不同診斷目的、具有較高診斷價值的圖像，常稱為后處理。 第三是與圖像信息的存儲和記錄有關(guān)的處理，涉及圖像記錄裝置，要求能得到同質(zhì)量的照片記錄，并在不降低圖