（仪器科学与技术专业论文）高性能x射线cmos图像传感器及应用研究.pdf

中文摘要 i 摘 要 x 射线数字实时成像系统在医学、工业无损检测以及海关、机场、车站、码 头的行包安全检查等领域得到广泛应用，x 射线图像传感器是其中的关键部件， 现在用在 x 射线实时检测领域的图像传感器大部分为电荷耦合器件 ccd。由于 cmos 图像传感器比 ccd 具有更强的抗辐射能力，还具有将图像传感器阵列、驱 动和控制电路、信号处理电路、模数转换电路、全数字接口电路等实现单片集成 以及量子效率高、光谱响应宽、响应均匀性好、工作电压低、对时钟脉冲要求低、 体积小、重量轻、功耗低、高可靠、低成本等优点，因此在 x 射线实时检测中更 具有开发前景。而国内生产 x 射线数字实时成像系统的厂商他们实行核心技术(如 x 射线图像传感器)从国外进口，以 oem 方式组装成整机。因此开展高性能 x 射 线 cmos 图像传感器的研究，在国内是一项具有开拓性和创新性的工作。 本文的主要研究内容如下： 1 对采用电流镜积分读出电路的 x 射线 cmos 图像传感器 （简称为 cmi-x-is 图像传感器）的原理进行了研究，在此基础上，开展 cmi-x-is 图像传感器的设计 工作， 对cmi单元、 相关双采样cds和公共输出级电路进行分析。 对根据cmi-x-is 图像传感器的原理进行加工生产的芯片样品进行测试，测试的参数包括光电转换 特性曲线、暗噪声和动态范围等，对这些参数进行分析，得出结论：采用电流镜 积分读出电路可以构成一种 cmos 高灵敏度图像传感器。控制器件的设计参数， 可以使光电流增益达到 10 倍，从而使图像传感器灵敏度提高 10 倍；电流镜积分 读出电路可以保证光电二极管的偏压接近于零（20mv 以内） ，因而可大大减小光 电二极管的暗漏电流和噪声；该器件的光电流注入效率高，积分动态范围大，适 合用于要求灵敏度高、动态范围大的应用。 2利用复杂可编程逻辑器件 cpld 设计满足 cmi-x-is 图像传感器时序要求 的驱动信号源， 并对实际应用出现的外部同步信号导致 cmi-x-is 图像传感器工作 不正常的原因进行了分析，并采用“数字单稳态电路”使 cmi-x-is 图像传感器的 f1、f2、adst 为断续信号，从而使使 cmi-x-is 图像传感器工作正常。这种解决 应用过程中出现问题的方法是独创性的，对类似的应用具有启示作用。 设计 cmi-x-is 图像传感器的应用电路， 并将此应用电路置于微焦点 x 射线机 的照射下，对不同密度、不同尺寸的材料进行了静态实验。实验表明，cmi-x-is 图像传感器有较高的输出信号幅度 （可以达到 3 伏左右） 、 较好的均匀性、 cmi-x-is 可以清晰地反映出这几种材料的形状，能把不同密度的材料加以区分。因此这种 传感器特别适合作为 x 射线图像传感器来使用。 重庆大学博士学位论文 ii 3分析与虚拟仪器采集数据有关的几个实际问题，利用 ni 公司的数据采集 卡和 labview 软件，设计 cmi-x-is 图像传感器的动态扫描成像系统和数据采集 系统。实验表明，动态扫描成像和数据采集系统能够清晰地显示出牙齿的图像。 4在分析 cmi-x-is 图像传感器像元暗电流以及光响应的不均匀性、闪烁晶 体转换屏 x 射线响应的不均匀性、脉冲噪声的影响后，利用直方图均衡、对比度 增强以及线性滤波、中值滤波、自适应滤波等对 cmi-x-is 图像传感器获得的牙齿 图像进行处理，并得到各自处理后的图像。 关键词：x 射线 cmos 图像传感器 电流镜电路 读出电路 驱动信号源 数 据采集 图象处理 英文摘要 iii abstract x-ray real-time radioscopy imaging system can be used in many fields, such as medicine, industry non-destructive technology and baggage safety inspection in customs, airport, railway station,dock etc. x-ray image sensors are the key devices of the x-ray real-time radioscopy imaging system in which the ccd predominates at present. however, the cmos image sensors can provide stronger anti-radiation capacity than ccd as well as single chip integrating (sci) with image sensors array, drive and control circuit, signal processing circuit, a/d conversion circuit and completely digital interface circuit (cdic). the cmos image sensors also possess high quantum efficiency, wide spectral response, good response uniformity, low supply voltage and low request of clock. at the same time, the small bulk, high reliability, low power consumption and low cost are the prominent advantages of the cmos image sensors too, thus cmos image sensor has more exploiture foreground in x-ray real-time radioscopy imaging system. the x-ray image sensors used in the x-ray real-time radioscopy imaging system produced by oem in china are mainly imported. therefore, it is an active and innovative work in our country to develop high performance x-ray cmos image sensors. this dissertation accomplishes the research work as below: 1. the principles of x-ray image sensor using current mirroring integration readout circuit (cmi-x-is) were studied in detail and the unit cmi circuit, correlative double sampling (cds) circuit, and common output stage circuit were analyzed, then the design of the cmi-x-is was achieved. the creative cmi-x-is has been tested from photoelectric conversion properties, dark noise and dynamic range. some conclusions are drawn out as following: the method of high sensitivity cmos image sensor with cmi circuit is feasible; the photocurrent gain can reach 10 by controlling the design parameters of the device, consequently, the image sensors sensitivity can rise about decuple; the dark current and noise of the photodiodes can be reduced rapidly due to the cmi circuit can ensure the photodiodes bias close to zero (less equal 20 mv); the device can be applied in the fields with request for high sensitivity and wide dynamic range because of its high photocurrent injection efficiency. 2.the drive signal source satisfied the timing relationship request by cmi-x-is are generated by the complex programmable logic device(cpld).the abnormal operation 重庆大学博士学位论文 iv of cmi-x-is, caused by external synchronization signal in realistic applications,is analyzed, and settled by “digital monostabillity circuit”,through which the f1,f2,and adst becomes intermittence signals. this method for problems in practical applications is unique, and can be used in other similar occasions. the application circuit of cmi-x-is is designed , and exposed in the micro-focus x-ray. static experiments have been done for material of different densities and sizes. the experiment results indicate that cmi-x-is has high output amplitude( about 3 voltages), good uniformity, and this sensor especially suits for x-ray imaging. the shapes made of different materials can be imaged clearly, and material of different densities can be distinguished. 3. some practical problems related to virtual instrument data acquisition are analyzed. the dynamic scan imaging and data acquisition system are designed by data acquisition card of ni corperation and labview software. the experiment shows that white and black image of such objects as tooth can be clearly displayed by the dynamic scan imaging and data acquisition system. 4.this paper also analyzed cmi-x-iss dark current, nonuniformity of photic responsivity, and nonuniformity of scintillators responsivity, pulse noises influence in the x-ray.the image processing, for example: histogram equalization, contrast enhancement, linear filtering, mid-value filtering and self-adaptive filting, is implemented for tooth image obtained by cmi-x-is. key words: x-ray, cmos image sensor, current mirroring circuit, readout circuit, drive signal source, data acquisation, image processing 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 引言 x 射线是德国物理学家 w.c.伦琴(wilhelm conrad rntgen)于 1895 年 11 月 8 日发现的。在此之前，赫兹(h. hertz)和勒纳德(p. lenard)曾经发表过有关阴极射线 穿透力的论文。伦琴认为，这方面尚有许多问题未得到解释，需要深入研究。这 天傍晚，伦琴重复他们做过的实验。为了避免阴极射线与可见光的影响，他用黑 纸板将放电管密封起来。在接通电源后，他惊奇地发现，在实验台上离放电管一 米多远的一面涂有铂氰酸钡的纸屏上发出浅绿色亮光。他将纸屏移至两米多远， 仍有荧光出现。伦琴意识到这不可能是阴极射线，因为管子是被包在黑纸板内， 光或阴极射线是不能透过黑纸板的；而且放电管产生的阴极射线其射程只有几厘 米，不可能到达这么远的距离。对于这种奇异现象，伦琴废寝忘食地在实验室里 反复试验，他发现有一种看不见的射线从管中阴极射线轰击的那个电极发射出来， 它在空气中的射程有两米多，而且是直线传播，既不反射，也不会折射，外界磁 场也不能使它偏转。尤其使他惊讶的是，这种射线有非常强的穿透本领，能使包 在黑纸内的底片感光，能透过上千页的书、23cm 厚的木板、15mm 厚的铝板， 但透不过几毫米厚的铅板，在更换挡住这种射线的东西时，他惊讶地看到了自己 手指骨的轮廓。经过一个多月全神贯注的实验探索，他确认这是一种闻所未闻的 新射线。他把他的发现总结成论文一种新的射线初步报告 ，于 1895 年 12 月 28 日发表在维尔茨堡物理学医学会会刊 上，在这篇论文中，他把这种本质尚 不清楚的新射线称为 x 射线。由于他的这一划时代的科学贡献，1901 年荣获首届 诺贝尔物理学奖1。 x 射线的发现及其研究，对物理学以至整个科学技术产生了极为深刻的影响， 从而引起了巨大的变革，为物理学、化学、生物学和医学等相关学科造就了数十 名诺贝尔奖获得者，为科学事业的发展作出了不可磨灭的贡献5。 x 射线在医学上普遍应用于疾病的检查诊断，并已形成了 x 射线诊断学的专 门学科。其中最主要而普遍的应用是利用 x 射线穿透人体后形成的影像(透视、拍 片)来检查诊断。它是利用人体的不同器官组织、部位及生理或病理的不同状态对 x 射线的不同吸收来形成影像，从而诊断出疾病的发生部位、种类及程度的。一 直以来，医学应用中都是使用胶片作为 x 射线的感光材料，但是胶片感光后形成 的影像质量由于受到胶片的特性曲线和颗粒的大小影响而不是很理想，并且洗胶 片既费时费力又污染环境，还不能重复利用，造成许多方面的浪费。此外，x 射 线用于检测物体内部结构缺陷的无损探伤、机场及重要部位的安全检查等等，都 重庆大学博士学位论文 2 要求能够实时地把工件内部的缺陷部位或旅客携带的危险物品检测出来。为此， 科学工作者一直致力于这方面的研究，希望能够研究出各方面优于胶片的替代物。 随着计算机多媒体技术和网络技术的发展，胶片的缺点越发的突出。胶片是 模拟信号，不利于计算机的处理，因此无法便利地在网络上进行传输。例如，一 个小城镇的病人拍完 x 光片后，由于当地医疗力量的不足，需要将病人的 x 光片 送到大城市专家手里确诊，而后将诊断结果送回当地，如此一来，且不说人力物 力上的浪费，时间上的耽搁对于病人来说是无法弥补的。如果有一种 x 射线实时 成像检测数字信号接收装置的话，这一切就完全不同，对病人的 x 射线影像数字 信号经过计算机处理后，通过网络传输到专家的计算机中，专家诊断后将结论再 传输到当地。这一过程是正在蓬勃发展的远程医疗，它既简单又是高效率的。 如何使 x 射线摄影这一有百年历史的最古老的方法尽快进入数字化的大家 庭，是一个值得我们深入探讨的课题。 1.2 传统 x 射线成像与数字化成像比较 医学影像的数字化，主要是指医学影像以数字方式输出，使这些影像数据得 以直接利用计算机强大的高速运算处理能力，方便、快速地进行存储、处理、传 输、显示。由于影像技术与计算机技术相结合，给医学影像带来了革命性的变化。 对传统 x 射线成像与数字化成像进行比较，有助于正确认识它们的异同。 1) 传统 x 射线摄影以胶片作为介质，集图像采集、显示、存储和传递功能于 一体，因此限制了其中某单一功能的改进。数字成像技术则将这些功能分解成不 同的独立部分，从而可对每一功能进行单独优化。 2) 传统 x 射线成像方式对于 x 射线能量的利用率不高。其量子检测效率 (quatum detection efficiency， qde)仅 2030%， 而数字化成像系统可达 60%以上。 因此后者成像所需的辐射剂量可大幅度降低。 3) 传统 x 射线成像的动态范围远较数字化成像狭窄。如图 1 所示: 传统 x 射 线成像(增感屏/胶片组合)与数字化成像的“曝射量反应曲线” ，前者仅在曲线中 的 s 段(小于 2 个数量级)呈线性变化，而后者则在 5 个数量级中保持线性变化，此 即数字化成像可以获得较高的密度分辨率及较大的曝射宽容度的原因。 4) 传统 x 射线成像所得的图像不能进行成像后处理。若图像质量由于种种原 因达不到诊断要求，则因不能进行改善图像的处理而只能重复检查。而数字化成 像可进行窗宽窗位调节、边缘增强、灰阶变换等一系列后处理技术。 1 绪 论 3 5) 传统 x 射线成像所得的图像为模拟图像， 它必须经过模/数转换(a/d 转换)， 成为数字图像后方能进入“图像存储与传输系统”(picture archiving and communicating system，pacs)实施联网2324。 6) 数字化成像获得影像数据的时间短，一般的数字化成像装置的图像获取率 可达 8 帧/秒。用于心血管造影的专用装置可达 5060 帧/秒。其速度大大超过结构 复杂、价格昂贵的快速换片机。此外，由于曝射时间短，消除了因器官活动所致 的运动性模糊现象。 7) 传统 x 射线成像，其图像的获取处理管理，仍沿用肉眼直接观察图像 原始的处理传统的管理这个陈旧的模式。而且以胶片作为影像的载体及媒介 物存储大量的影像资料，显然是远不能满足需要的。它至少存在下列缺陷: a. 随着时间的增长，每个医院保存的胶片日益增多。它的保存、管理、查找 都得花去大量的人力与物力。即使一个管理制度十分完善的医院，经多次查阅、 借出、会诊等，其丢失率也会在 10%左右。 b. 保存日久的胶片会逐渐变质，使影像质量下降。 c. 每张胶片的单价虽然不高，但从 1994 年我国 x 射线胶片消耗量达 1283 万 m2这个数字来看，耗资显然是十分巨大的。 图 1.1 曝光量反应曲线 fig 1.1 the action curve vs the number of exposure 重庆大学博士学位论文 4 d. 获取的图像，在急需诊治的危重病例作紧急处理时，快速查找和及时递送 图像胶片困难较大。特别是约请外院或异地专家会诊，递送则更为困难。 e. 需要将各种影像检查的图片集在一起参比时，由于胶片记录的一般均为某 一固定窗宽、窗位下的图像，不能根据需要变换。 数字化成像可利用大容量磁、光盘存储技术，以数字化的电子方式存储、管 理、传送、显示医学影像及相关信息，使临床医学摆脱对传统硬拷贝技术的依赖， 更为高效、低耗及省时、省地、省力地观察、存储、回溯和传送医学图像4。 1.3 x 射线图像传感器的国内外发展现状 1.3.1 医用 x 射线图像传感器的发展 传统放射科工作分为透视和照相两大部分，因此人们将数字化技术也分为透 视和照相两类， 即数字化透视(digital fluorography 简称 df 或 dsi， dsf)和数字化 照相(digital radiography 简称 dr)。数字化透视有用影像增强器(i.i.)加上摄像机采 集信号和用平板探测器 fpd 采集信号两类。数字化照相则分为直接转换方式 (ddr ， direct digital radiography) 和 间 接 转 换 方 式 (idr ， indirect digital radiography)。直接方式采用的器件有用直接方式的 fpd 和电离室、硒鼓等; 间接 方式采用的器件有用间接方式的 fpd 和其他器件如 cr 的 ip 板、电荷耦合器件 (charge coupling device，ccd)、互补型金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，cmos)等。 从物理概念而言，将原始连续呈缓慢变化的密度转换为一系列离散的灰阶等 级的过程即为数字化。迄今为止，x 射线透射成像的数字化，由于受到高分辨率、 实时动态及辐射剂量等三个因素的制约，同时又受到技术和经济可行性的限制， 已投入或即将投入使用的实施方式有下列几种: 1) 计算机 x 射线摄影(computed radiography, cr) cr 成像方式不以 x 射线胶片为记录和显示信息的载体，而是使用可记录并可 由激光读出 x 射线影像信息的成像板(image plate, ip 板)作为载体，经 x 射线曝光 后，再经读出器用激光扫描并光电转换后获得电信号，后者再经 a/d 转换、处理、 形成数字图像。目前采用此技术的公司有三类； 其一是各胶片制造商，如 fuji， 柯达， agfa， konica 公司等； 第二类是 x 射线主机生产厂， 如西门子(机型为 dlr， digiscan 3)，飞利浦(机型为 pcr，ac 500，ac 5000)公司等，第三类是有些数 字化仪(digitizer)生产厂或小公司如 lumisys，angstrom，phormax，orex 公司等。 cr 作为新一代的 x 射线数字化影像接收载体，其感度是传统增感屏/胶片组 合的数十倍， 且有较大的宽容度。 cr 系统当前的不足之处主要为时间分辨率较差， 不能满足动态器官和结构的显示。同时，成像板发光机制虽与一般荧光屏不同， 1 绪 论 5 除产生能级跃迁的物理过程外，同时产生色包中心俘获等各种物理过程，但其荧 光体将入射的 x 射线光子能量转换成可见光时，同样由于荧光漫射现象会导致细 节失真，使空间分辨率下降。由于 cr 的潜像读出装置结构复杂，所以价格也较为 昂贵。 2) 非实时图像处理数字化 x 射线摄影(non-realtime image processing digitized radiography) 该方式采用专门的读出装置，扫描已摄取的常规 x 射线胶片，使胶片上记录 的模拟信息数字化为数字式平片影像，人们把这种方式又称为后处理方法，此种 方式是回顾性施行的， 通常作为把以往的常规 x 射线平片信息数字化的过渡方式。 3) 数字化 x 射线摄影(dr) 数字化x射线摄影(dr)目前大致有平板探测器和ccd(电荷耦合器件)探测器、 cmos 器件以及线扫描技术等。 (1) 平板探测器 (flat panel detector，fpd)技术 平板探测器 fpd 也称为直接数字化 x 射线摄影(direct digitized radiography)， 可分为直接和间接两类。 直接 fpd 的结构主要是由非晶硒层(amorphous selemium，a-se)加薄膜晶体管 阵列(thin film transistor array，tft)构成的平板检测器。由于非晶硒是一种光电 导材料，因此经 x 射线曝光后由于电导率的改变就形成图像电信号，通过 tft 检 测阵列，再经 a/d 转换、处理获得数字化图像在显示器上显示。采用这一技术的 有 drc，东芝，岛津，anrad 公司等。 间接 fpd 的结构主要是由闪烁体或荧光体层加具有光电二极管作用的非晶硅 层(amorphous silicom，a-si)再加 tft 阵列构成的平板检测器。此类平板的闪烁体 或荧光体层经 x 射线曝光后，可以将 x 射线光子转换为可见光，而后由具有光电 二极管作用的非晶硅层变为图像电信号，经过 tft 阵列其后的过程则与直接 fpd 相似，最后获得数字图像。间接 fpd 由于有可见光的转换过程，因此会有光的散 射问题，而影响图像的分辨率9。闪烁体目前主要有碘化铯(csi)，荧光体则有硫氧 化钆(gdso，gdso 一般用的是柯达公司的 lanex 增感屏)，采用 csi+a-si+tft 结 构的有 trixell 和 ge 公司等，而采用 gdso+a-si+tft 有 canon 和varian等。 (2) 采用 ccd 或 cmos 器件以及线扫描技术等。其中采用 ccd 和 cmos 器 件的结构，包括可见光转换屏，光学系统和 ccd 或 cmos。x 射线是先通过由闪 烁体或荧光体构成的可见光转换屏，将 x 射线光子变为可见光图像，而后通过光 学系统由 ccd 或 cmos 采集转换为图像电信号。 它所用的可见光转换屏同样有用 csi 和 gdso 两类材料之分。 采用 csi+ccd 有 swissray(4 片 ccd 元件)， wuestec(2 片 ccd 元件)，aid(1 片 ccd 元件)，apelem，trex 等公司。采用 gdso+ccd 有 重庆大学博士学位论文 6 raysis 公司(1 片 ccd 元件)，在 ccd 和闪烁体层之间则有光学系统透镜或光导 纤维连接。 采用csi+cmos的有cares built公司(400片cmos电路)， gdso+cmos 的有 tradix 公司(16 片 cmos 电路)等公司。 而采用线扫描技术则有 fisher 公司(条 状 ccd 结构，用线扫描的方式掠过被照体) 6。 相对于国外的成熟的技术市场，国内的 x 射线技术研发和生产可说是小荷才 露尖尖角，但也出现了几个重量级选手。目前国内 dr 比 cr 更进一步商品化。生 产 dr 的目前有东大阿尔派、万东、友通等，他们实行核心技术(如平板)从国外进 口，成功以 oem 方式组装成整机。北京航天中兴医疗系统有限公司购买了俄罗斯 的技术，利用线阵探测器，采用无本底干扰的线扫描技术生产的 ldrd 系列直接 数字化 x 射线机，实现了低剂量(仅是普通 x 射线机的几十分之一)、宽动态范围， 并且，空间分辨率已提高到 1.8lp/mm，矩阵为 10241024，扫描和成像时间也由 8s 缩短到 4s，并达到 70%的高 qde。目前正向矩阵 20482048、空间分辨率 3.6lp/mm、时间为 2s 的目标努力。cr 技术的主要部分 ip 板、激光扫描仪，北京 大学和长春光机所已研发出此种技术，随后将是技术的商品化7。 1.3.2 工业 x 射线图像传感器的发展 工业 x 射线光电检测系统是一种非常好的非接触无损检测手段。例如，检测 锅炉等高压容器12、汽车汽缸、火箭发电机外壳、铸件检验、集成电路的元件、 多芯电缆的断线以及海关、机场、车站、码头的行包安全检查等。 工业 x 射线检测的基本原理是当 x 射线透过被测物体时，有缺陷的部位（如 气孔、非金属夹杂物等）与无缺陷部位对 x 射线吸收能力不同（以金属物体为例， 缺陷部位所含空气或非金属夹杂物对 x 射线的吸收能力大大低于金属对 x 射线的 吸收能力） ，透过有缺陷部位的 x 射线强度高于无缺陷部位的 x 射线强度，因此 可通过检测透过工件后的 x 射线强度的差异，来判断工件中是否存在缺陷。 目前在工业探伤中应用最广的是射线照相法，即采用高压产生的硬 x 射线穿 透零部件，由于透照厚度变化引起的透射射线强度差，利用 x 射线照相胶片记录 下来，经暗室处理后，再由底片的黑度差予以反应。这种几万伏电压产生的 x 射 线辐射很强，对人体会有很大的伤害，拍片时必须离开现场，或增加隔离辐射的 设施。这使得每拍照一次就要装一次片，开一次机，离开一次，再取一次片。如 此开机、关机、开门、关门，来来回回，进进出出，不仅费时、费力，程序要求 严谨，而且不能及时看到检测结果，必须等到一批片子拍完后，经冲洗才能看到 所拍摄的结果。而且，这么多的环节中，有一个环节出现故障或有疏忽，都会带 来前功尽弃的后果。这种拍片方法必然要消耗大量的感光胶片和冲洗剂，而且造 成对环境的污染8。 工业 x 射线检测系统从 20 世纪 50 年代经过 x 射线荧光检测系统、图像增强 1 绪 论 7 器和 x 射线电视摄像管几个阶段的发展，现在正在研究的是数字射线照相技术即 射线实时成像检测技术以及工业 ct(computerized tomography)技术1011，利用 ccd 或 cmos 图像传感器将现场图像传送到安全区域进行观测， 既可以使检测人 员离开现场，又可以通过计算机进行图像计算、处理、存储和传输。改变了过去 的检测工艺，使产品的损探和检测实现自动化和流水化作业，安全、迅速、节约 原材料，并且不会对环境造成污染。 1.4 自行研制 x 射线 cmos 图像传感器的意义 随着科技进步和社会需求的刺激，固体图像传感器的发展出现了几种典型的 类型光电倍增管、电荷注入器件(cid)、电荷扫描器件(csd)、光电二极管阵列 (pda)、 接触式图像传感器(cis)、 电荷耦合器件(ccd)、 mos 图像传感器和 cmos 图像传感器2。 但目前市场上的图像传感器产品主要是ccd和cmos传感器两种。 ccd 图像传感器从 70 年代开始就一直在图像传感领域占据支配地位， 如今在高端 市场（如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电视、高性能工业摄像、 大部分科学与医学摄像等应用）上依然保持优势，但随着 ccd 应用范围的扩大， 其缺点逐渐显露出来。ccd 光敏单元阵列难与驱动电路和信号处理电路实现单片 集成；抗辐射能力差；ccd 阵列驱动脉冲电路复杂、需要工作电压较高、功耗大、 不能与亚微米超大规模集成电路技术兼容、成品率低、成本高、蓝光响应差、工 艺特殊、芯片体积较大等320。 cmos 图像传感器出现于 1969 年，在相当长的时间内，存在成像质量差、像 元尺寸小、填充率（有效像元与总面积之比）低（10%20%） 、响应速度慢等缺 点。早期的 cmos 器件采用无源像元结构，每个像元主要由一个光敏元件和一个 像元寻址开关构成，无信号放大和处理电路，性能较差。从 90 年代初开始，随着 微电子技术从微米工艺向亚微米和深亚微米工艺方向发展、市场对小型化、低功 耗和低成本成像系统的需求以及低噪声有源像元结构的出现，使 cmos 图像传感 器得到迅速发展，可在单芯片内实现光敏元件、a/d 转换、信号处理、 自动增益 控制、 精密放大和存储等功能，即它不仅有光敏元件和像元寻址开关，而且还有 信号放大和处理等电路，提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范围，使 它的一些性能参数与 ccd 图像传感器相接近，而在抗辐射能力、功能、功耗、尺 寸和价格等方面要优于 ccd 图像传感器，具有广泛的发展空间，在不久的将来会 成为图像传感器市场的主导，适用于要求小尺寸、低价格的应用，如小型/微型相 机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、 传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等领域35。目前，cmos 图像 传感器正朝着高分辨率、高灵敏度、宽动态范围、微型化、数字化和多功能的方 重庆大学博士学位论文 8 向发展，并在许多领域中形成了和 ccd 图像传感器相竞争的局面2829。 由于全球性的医疗费用剧增，超过了国民经济的承受能力，国外一些大厂商 也已经注意到这一市场变化，正在抓紧研制开发属中低档价位的数字化成像设备。 我国庞大的人口数量、不能与发达国家相比的经济实力，更是需要中低档价位的 数字化成像设备。 由于 cmos 图像传感器的成本相对较低， 所以开展 x 射线 cmos 图像传感器的研究适合中国的国情。 由前面所述，我们知道数字化 x 射线摄影 dr 中，不管医用 x 射线图像传感 器还是工业 x 射线图像传感器，大多数都是采用平板检测器 fpd、电荷耦合器件 ccd 或 cmos 图像传感器。国内致力于 x 射线平板检测器 fpd、ccd 或 cmos 图像传感器研究的， 几乎没有开展研究或研究成功， 生产 dr 的厂商他们实行核心 技术(如 x 射线平板检测器)从国外进口，以 oem 方式组装成整机。由于 cmos 图像传感器具有的优点，并且适合在 x 射线辐射下工作，因此研究高性能的 x 射 线 cmos 图像传感器，在国内是一项具有开拓性和创新性的工作。 1.5 课题主要研究内容 x 射线数字成像系统中，高性能的 x 射线图像传感器是关键部件之一。借助 于重庆大学光电集成器件研究室多年来对光电二极管列阵、红外焦平面阵列读出 电路等固体图像传感器的研究经验，在国家自然科学基金项目“红外焦平面阵列 新结构高性能 cmos 读出电路研究”(no.60077025)的带动和资助下，开展对高性 能的 x 射线 cmos 图像传感器的研究。 本课题的主要研究内容： （1）比较传统 x 射线成像与数字化成像的优缺点，了解 x 射线图像传感器 的国内外发展现状。研究 x 射线的产生和性质。 （2） 在研究 cmos 图像传感器中的多种恒流源电路和多种读出电路结构的基 础上， 设计一种新型高性能的 x 射线 cmos 图像传感器。 由于 cmos 图像传感器 的性能与其读出电路的性能紧密相关，因此对高性能读出电路结构要求是：对探 测器提供恒定的近零伏的偏置电压，这样可以减小探测器的反向漏电流和探测器 的噪声；极低的输入阻抗，以提高输入级的注入效率；大的动态范围，可增加对 光能量的处理范围。经过投片、测试后，可判断是否达到设计目标。 （3）设计以复杂可编程逻辑器件 cpld 为核心的驱动信号源和应用电路，设 计扫描成像系统和以 labview 软件为核心的数据采集系统， 并对由新型高性能的 x 射线 cmos 图像传感器得到的目标物图像进行处理。 2 x 射线的产生和性质 9 2 x 射线的产生和性质 2.1 x 射线的产生 现在常用的 x 射线通常由 x 射线管产生用阴极射线（高速电子束）轰击 靶（阳极）的表面。如图 2.1 所示。 x 射线管实际上是一只真空二极管， 它有两个电极：作为阴极的用于发射电 子的灯丝（钨丝）和作为阳极的用于接受电子轰击的靶。x 射线管供电部分至少 包含有一个使灯丝加热的低压电源和一个给两极施加高电压的高压发生器。由于 总是受到高能量电子的轰击，阳极还需要强制冷却27。 当灯丝被通电加热至高温时（达 2000） ，大量的热电子产生，在极间的高压 作用下被加速，高速轰击到靶面上。高速电子到达靶面，运动突然受阻而失去动 能，转换为其它形式的能量，其中一部分为热能，一部分为光能这就是 x 射 线。轰击到靶面上电子束的总能量只有极小一部分转变为 x 射线能，靶面发射的 x 射线能量与电子束总能量的比率 可用下面的近似公式表示： = 1.110 9 z u （2.1） 式中 z 为靶材组成元素的原子序数， u 为 x 射线管的极间电压 （又称管电压） ， 单位为伏特。例如对于一只铜靶的 x 射线管，在 30kv 工作时，= 0.1%，而一只 钨靶的 x 射线管在 100kv 条件下工作时，也不过 = 0.8%。可见 x 射线管产生 x 射线的能量效率是十分低的。 因为轰击靶面电子束的绝大部分能量都转化为热能，所以，在工作时 x 射线 管的靶必须采取水冷（或其他手段）进行强制冷却，以免阴极被加热至熔化，受 高电压 x 射线 x 射线 灯丝 （阴极） 靶 （阳极） 电子 真空 低压电源 + 图 2.1 x 射线管的工作原理 fig. 2.1 the principle of x-ray tube 重庆大学博士学位论文 10 到损坏。也是由于这个缘故，x 射线管的最大功率受到一定限制，取决于阳极材 料的熔点、导热系数和靶面冷却手段的效果等因素。同一种冷却结构的 x 射线管 的额定功率，因靶材的不同是大不相同的。例如，铜靶（铜有极佳的导热性）和 钼靶（钼的熔点很高）的功率常为相同结构的铁、钴、铬靶的两倍。 除 x 射线管作为 x 射线源外， 还有同步辐射 x 射线源。 同步辐射 x 射线源是 由于带电粒子作加速运动而辐射出电磁波的。电子（或其它带电粒子）在同步加 速器内被加速到数千兆电子伏特的能量，在转弯时便沿切线方向辐射出 x 射线。 这种 x 射线的特点是强度高，波长连续可调，准直性好，而且是完全偏振的。它 的出现使 x 射线科学和技术跨上了一个新的台阶。 另外是激光等离子体 x 射线源。把高功率激光聚焦于靶面，使靶面迅速产生 等离子体并转变为高温热辐射 x 射线源1。 图 2.2 是 x 射线源的工作示意图。x 射线发生器发射出角度为 600圆锥形 x 射线束，该射线束经过准直器后变为角度为 600的扇形平面射线束，光线垂直打到 图像传感器的接受面上，这样可以保证透射光能量的一致1516。 如果一束 x 射线仅包含单一波长的光子，则称为单色 x 射线；如果一束 x 射线内包含多种波长的光子，则称为多色 x 射线。x 射线束的能量越小，穿透能 力就越弱，因此单色 x 射线的穿透能力较弱，多色 x 射线的穿透能力较强，在实 际的 x 射线应用系统中，一般不使用单色的 x 射线源，而使用多色 x 射线源17。 图 2.2 x 射线源工作原理示意图 fig. 2.2 the operation principle figure of the x-ray x 射线源 x 射线图像传感器 准直器 2 x 射线的产生和性质 11 2.2 x 射线的光谱 由 x 射线管所得到的 x 射线，其波长组成是很复杂的。按其特征可以分成两 部分：连续光谱和特征光谱（图 2.3） ，后者只与靶的组成元素有关。这两部分射 线是基于两种不同的机制产生的26。 2.2.1 连续光谱 连续光谱又称为“白色”x 射线，包含了从短波限 m 开始的全部波长，其强度 随波长变化连续地改变。从短波限开始随着波长的增加，强度迅速达到一个极大 值，之后逐渐减弱，趋向于零（图 2.3） 。连续光谱的短波限 m 只决定于 x 射线 管的工作高压。 目前还没有一个简单的理论能够对连续光谱变化的现象给予全面的清楚的解 释，但应用量子理论可以简单说明为什么连续光谱具有一个短波极限。该理论认 为，当能量为 ev 的电子和物质相碰撞产生光量子时，光量子的能量至多等于电子 的能量，因此辐射必定有一个频率上限 m，此上限值应由下面的关系式决定： （2.2） 式中 h 为普朗克常数，c 为光速。当 v 以伏特为单位，波长 以埃为单位时， 波长极限 m 可以表示为： （2.3） 如果一个电子射入物质后在发生有效碰撞（产生光量子）之前速度有所降低， 图 2.3 x 射线管产生的 x 射线的波长谱 fig.2.3 the wavelength spectrum of x-ray generated by x-ray tube 特征光谱 连续光谱 重庆大学博士学位论文 12 则碰撞产生光量子的能量就会减小。由于多种因素使得发生有效碰撞的电子速度 可以从零到初速连续的取值，因而出现了连续光谱，其波长自 m 开始向长波长方 向伸展。 连续 x 射线的强度分布与波长 、电压 u、电流 i 之间的关系十分复杂，很多 人都对此做了研究。克拉迈尔对波长小于 0.5nm 的连续 x 射线提出了以下近似公 式14： ) 11 ()( min = czii （2.4） 其中c代表光速，z为靶物质原子序数。 史蒂芬森等人对波长0.81.4nm的波段提出了以下近似公式： ) 11 ()( min 2 = czi i （2.5） 目前，对 dm rg， 这便对探测器光电二极管的动态电阻和注入管的尺寸提出了要求。 人们提出了缓冲直接注入结构(bdi)，如图3.8所示。它与直接注入结构很相似， 只是在注入管mbdi的栅极与探测器的一端之间引入反馈放大器。 其放大倍数为a，这样在bdi结构中，pmos注入管mbdi成为一个二端器 件。此时有： sg avv=， smgsms vgavgi)1 ( += （3.22） 重庆大学博士学位论文 32 从注入管mbdi源端看进去的交流输入阻抗为： msm s s s in gavga v i v z )1 ( 1 )1 (+ = + = （3.23） 与di结构相比，bdi结构的注入管mbdi