DE19631385A1 - Festkörper-Bildwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Festkörper-Bildwandler zur Erfassung von einer Strahlungsquelle emittierter Strahlung, insbesondere Röntgenstrahlung, mit in einer Matrix angeordne­ ten strahlungsempfindlichen Pixeln, von denen jeder als strahlungsempfindliches Element eine Photodiode aufweist.

Bei Festkörper-Bildwandlern mit einem Diodenschalter erfolgt die Rücksetzung der Pixelladungsspeicher, also der strah­ lungsempfindlichen Photodioden selbst, durch eine kurzzeitige vollflächige Belichtung des gesamten strahlungsempfindlichen Bereichs des Bildwandlers. Bei derartigen bekannten Festkör­ per-Bildwandlern ergeben sich aber eine Reihe von Problemen dahingehend, daß zum einen der zeitliche Ablauf von Vorberei­ tung/Röntgenbelichtung/Auslesung/Löschung je nach Systemdo­ sis/Bildfrequenz (also dem Belichtungsmode) unterschiedlich ist. Dies deshalb, da sämtliche Einzelpixel des Wandlers gemeinsam gelöscht und zurückgesetzt werden, und anschließend ausgehend von einem gleichen Rücksetzzeitpunkt die Pixel kon­ tinuierlich nacheinander ausgelesen werden, wobei dies abhän­ gig vom jeweiligen Mode ist. Dies führt dazu, daß für jeden Mode eigene Dunkel- und Gainbilder, die zur Korrektur des aufgenommen Strahlungsbildes dienen, erforderlich sind, was einen extrem hohen Speicherbedarf erfordert. Ferner treten beim Modenwechsel aufgrund der Trägheit des Substrates, auf welchem die strahlungsempfindliche Matrix ausgebildet ist, also beispielsweise dem amorphen Silizium, Umschaltartefakte auf, die durch die Fehlstellen und Traps des Substrats her­ vorgerufen werden. Diese Trägheit führt zu einem Nachleuch­ ten, was durch ein intensiveres Rücksetzlicht, das im Gegen­ teil zu verstärkten Umschaltartefakten führt, nicht beseitigt werden kann. Daneben ist eine gepulste Röntgenstrahlung er­ forderlich.

Um diesen Nachteilen zu begegnen, ist aus der DE-OS 43 21 789 ein Festkörper-Bildwandler bekannt, der ebenfalls im Pixel eine strahlungsempfindliche Photodiode und eine dieser entge­ gengesetzt geschalteten Schaltdiode aufweist. Zwar ist bei diesem Bildwandler eine optische Rücksetzung nicht mehr erforderlich, vielmehr ist hier eine getaktete elektrische Rücksetzung der einzelnen Zeilen möglich. Hierbei ergeben sich Schwierigkeiten daraus, daß als pixelindividuelle Schaltelemente Dioden verwendet werden, die aufgrund ihrer Diodenkennlinie einer besonderen Ansteuerung bedürfen, um überhaupt die Rücksetzung zu ermöglichen. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die Steuerimpulse in bestimmter Weise in ihrer Amplitude einzustellen, um einen bestimmten Leitungs- oder Sperrzustand der Schaltdiode herbeiführen zu können, was zum einen aus steuerungstechnischen Gründen kompliziert ist, zum anderen der gesamte pixelindividuelle Schaltvorgang äußerst kompliziert ist.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Festkörper- Bildwandler anzugeben, bei dem die sich aus der Verwendung einer Diode als Schaltelement ergebenden Probleme beseitigt sind und bei dem ein modenunabhängiger Bearbeitungsprozeß möglich ist unter Vermeidung der sich im Stand der Technik ergebenden Korrekturspeicherprobleme.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Festkörper-Bildwand­ ler zusätzlich zu den eingangs genannten Merkmalen ferner eine Steuereinrichtung zum individuellen Ansteuern der Pixel vorgesehen, um die Photodiode mittels geeigneter Steuerim­ pulse auszulesen und rückzusetzen, wobei jeder Photodiode innerhalb des jeweiligen Pixels ein aktives Schaltelement, insbesondere ein Feldeffekttransistor zugeordnet ist, der mittels eines geeigneten, von der Steuereinrichtung geliefer­ ten Steuerimpulses schaltbar ist und abhängig vom Schaltzu­ stand das Auslesen und Rücksetzen der Photodiode ermöglicht, wobei sämtliche Steuerimpulse in einer für jeden Betriebsmo­ dus gleichen zeitlichen Abfolge gegeben werden.

Im Unterschied zum nachteiligen Stand der Technik wird hier ein echtes aktives Schaltelement, bevorzugt ein Feldeffekt­ transistor verwendet, der als tatsächlicher Schalter dient. Es ist hiermit ein Schalten möglich unabhängig von der Höhe der Steuerschaltspannung, sofern diese nur ausreichend für den Schaltvorgang ist. Die sich aus der Verwendung der Schalt-Diode ergebenden Probleme, bei der auf eine genaue Spannungsführung geachtet werden muß, um die Durchbruchsspan­ nung zu erreichen, wobei ferner vermieden werden soll, daß die Spannung zu groß wird, um ein Übersprechen zu vermeiden, sind hier mit besonderem Vorteil nicht gegeben. Vielmehr ermöglicht die Verwendung eines aktiven Schalters eine wesentlich vereinfachte und sicherere Steuerung. Weiterhin werden die erforderlichen Steuerimpulse sowohl für das Schal­ telement, also gegebenenfalls den Feldeffekttransistor als auch für den Auslese- und Rücksetzbetrieb unabhängig von dem jeweiligen Betriebsmodus, also der Systemdosis, der Bildfre­ quenz, der Ortsauflösung durch Gruppierung, etc. stets in der gleichen zeitlichen Abfolge gegeben, das heißt, es wird immer mit derselben Taktung gearbeitet. Dies ermöglicht es, daß vorteilhaft nicht mehr zahllos verschiedenen Dunkel- und Gainbilder aufgenommen werden, die einen immens hohen Spei­ cherbedarf verursacht haben, da eben der Auslesemodus völlig unabhängig vom Belichtungsmode ist. Damit läßt sich vorteil­ haft eine speichern und verarbeitungs- und korrekturtechni­ sche Vereinfachung erzielen. Trotz gleichbleibender, höchster Auslesefrequenz sind vorteilhaft auch niedrigere effektive Bildfrequenzen bis hinab zu Einzelbildern mit unterschiedlich langen Röntgenpulsen möglich, da alle Bilder im Bildspeicher bzw. der zugeordneten Verarbeitungseinrichtung aufaddiert werden, die einem Röntgenpuls zugeordnet werden, so daß auch durch die zeitkontinuierliche Auslesung während der Röntgen­ belichtung keinerlei Bildinformation verlorengeht.

Im Rahmen der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, daß die zumindest zum Rücksetzen auf ein bestimmtes Potential erfor­ derliche Biasspannung zu jedem Zeitpunkt an jedem Pixel anliegt, wobei die Durchschleifung der Biasspannung an die pixelindividuelle Photodiode allein abhängig vom Schaltzu­ stand des pixelindividuellen Schaltelements, insbesondere des Feldeffekttransistors ist. Hierbei liegt vorteilhaft die Biasspannung stets überall über die gesamte Wandlerfläche an jedem Pixel an. Soll nun beispielsweise zurückgesetzt werden, so ist lediglich ein Schaltimpuls für den Schalteffekttransi­ stor erforderlich, der dann eingeschalten wird, so daß die anliegende Biasspannung an die Photodiode durchgeschleift wird und diese auf das Ausgangspotential zurücklädt. Es ist also lediglich ein einziger Zuschaltvorgang erforderlich, die Biasspannung selbst muß pixelindividuell nicht geschaltet werden.

Das Schalten des Schaltelements und der Auslese- und Rück­ setzvorgang kann erfindungsgemäß mittels eines gemeinsamen Steuerimpulses erfolgen. Bei dieser einfachsten Ausführungs­ form der Erfindung gibt es keine Lade- und Belichtungsphase mehr. Vielmehr wird nur noch ein einziger Steuerimpuls gege­ ben, der gleichzeitig zum Schalten des Schaltelements, also z. B. des Feldeffekttransistors und damit zur Wahl des Betriebsmodus der Photodiode dient, und zum Auslesen und Rücksetzen, wobei dies hier derart erfolgt, daß mittels des Spannungsimpulses die dann bearbeitbare Photodiode auf ihr Ausgangspotential zurückgeladen wird und die hierfür erfor­ derliche Rückladungsmenge (gemessen in Coulomb) das Ausle­ seergebnis darstellt.

Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, daß die Steuerimpulse zum Auslesen und Rücksetzen der Pixel und der Steuerimpuls zum Schalten des Schaltelements, insbesondere des Feldeffekt­ transistors, also zum Ansprechen einer bestimmten Zeile, separate Signale sind, und daß die Steuerimpulse zum Auslesen und Rücksetzen der Pixel über die entsprechend der erforder­ lichen Impulsfolge modulierte Biasspannung geliefert werden. In diesem Fall ist somit steuerimpulsmäßig die Funktionalität getrennt, das heißt, der Schaltimpuls dient allein zum Schal­ ten des Schaltelements, wohingegen für die Photodiodenbear­ beitung separate Signale zur Verfügung stehen. Mit besonderem Vorteil ist diese Impuls folge durch eine entsprechende getak­ tete Biasspannung realisiert, was dahingehend von Vorteil ist, als die Biasspannung ohnehin an jedem Pixel anliegt und infolgedessen auch die Steuerimpulse gleichzeitig an jedem Pixel anliegen. Es ist dann die Bearbeitung lediglich abhän­ gig vom jeweiligen Schaltimpuls für den beispielsweise pixel­ individuellen Feldeffekttransistor, so daß letztlich ein sehr einfacher Auslese- und Rücksetzbetrieb realisiert ist.

Da insoweit keine eigene Löschsequenz zum Löschen der Photo­ diodenladungsspeicher und damit der etwa geladenen Traps, die letztlich für ein Nachleuchten verantwortlich sind, vorgese­ hen ist und folglich ein Nachleuchten möglich sein kann, ist im Rahmen der Erfindung ferner vorgesehen, daß zusätzlich zu den Auslese- und Rücksetzimpulsen ein Impuls zum Löschen des Pixelladungsspeichers über die modulierte Biasspannung gege­ ben wird. Mit besonderem Vorteil werden somit sämtliche erforderlichen Impulse allein über die ohnehin anliegende Biasspannung gegeben, wobei deren Wirkung auf den individuel­ len Pixel allein abhängig von der Zeit des Einschaltimpulses für das Schaltelement, insbesondere den Feldeffekttransistor ist. Ist dieser entsprechend lang, so sind mit besonderem Vorteil sämtliche Phasen, nämlich die Lösch-, Rücksetz- und Auslesephase möglich.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik läßt sich dadurch erzielen, daß erfindungsgemäß sämt­ liche über die Biasspannung gelieferten Impulse im wesentli­ chen die gleiche Impulshöhe bzw. Impulsamplitude aufweisen können. Denn es ist, da keine Schaltdioden mehr verwendet werden, die kennlinienabhängig ganz bestimmte Spannungshöhen erfordern und ein Übersprechen und dergleichen durch zu hohe Spannung stets zu verhindern ist, folglich nicht mehr nötig, die Impulsamplituden entsprechend einzustellen abhängig vom jeweiligen hierdurch gelieferten Impuls, so daß vorteilhaft eine einheitliche Impulsamplitude gewählt werden kann, was aus steuerungstechnischer Sicht natürlich wesentlich einfa­ cher ist. Das heißt, daß bei einer erforderlichen Rücklade-Bias­ spannung von zum Beispiel 3 Volt auch die anderen gelie­ ferten Impulse die gleiche Amplitude aufweisen können.

In weiterer Erfindungsausgestaltung kann vorgesehen sein, daß der Steuerimpuls für das Schaltelement, insbesondere den Feldeffekttransistor und die Steuerimpulse der Biasspannung derart miteinander korreliert sind, daß während der Dauer eines die Bearbeitung einer Photodiode ermöglichenden Steuerimpulses für das Schaltelement, insbesondere den Feld­ effekttransistor zumindest die das Auslesen und Rücksetzen des Pixels bewirkenden Impulse mitgeliefert werden. Durch die Korrelation ist es möglich, den Schaltimpuls stets zum erfor­ derlichen Zeitpunkt zu liefern, wenn gerade der biasspan­ nungsseitige Ausleseimpuls ansteht, so daß ein betriebsopti­ miertes Steuerverhalten realisierbar ist.

Um ein entsprechendes gruppenmäßiges Auslesen des Wandlers zum Beispiel mit der halben Zeilenzahl bei doppelter Bildfre­ quenz zu ermöglichen, kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, daß die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, daß die Steuerimpulse für das Schaltelemente, insbesondere den Feldeffekttransistor zur Ermöglichung einer zeilengruppenwei­ sen, spaltengruppenweisen und/oder pixelclusterweisen Bear­ beitung zeitgleich geliefert werden. Das heißt, daß vorteil­ haft beispielsweise die Schaltimpulse für zwei übereinander liegende Zeilen gleichzeitig gegeben werden, so daß beide Zeilen zum Auslesen eingeschaltet werden und sie gleichzeitig auslesbar sind. Durch Bildung mehrerer dieser Zeilengruppen reduziert sich folglich die auszulesende Zeilengruppenzahl auf die Hälfte, was eine doppelte Bildfrequenz ermöglicht.

Um nur beispielsweise die mittleren Zeilen des Wandlers bei entsprechend erhöhter Bildfrequenz auslesen zu können, und so einen Zoom-Effekt zu realisieren, kann die Steuereinrichtung erfindungsgemäß derart ausgebildet sein, daß die Steuerim­ pulse für das Schaltelement, insbesondere den Feldeffekttran­ sistor in ihrer Länge derart variierbar sind, daß während der Dauer des Steuerimpulses lediglich der Rücksetzimpuls, gege­ benenfalls auch der Löschimpuls über die Biasspannung anliegt. In diesem Fall wird folglich durch Variieren bei­ spielsweise des Transistorsteuerimpulses der Transistor erst dann eingeschalten, wenn seitens der Biasspannung der Ausle­ seimpuls bereits abgeklungen ist und lediglich die nachfol­ genden Rücksetz- bzw. Löschimpulse anliegen, so daß die ent­ sprechend eingeschaltete Zeile eben nicht ausgelesen wird, was im Hinblick auf die Synchronisation der Steuerimpulse miteinander mit besonderem Vorteil einfach möglich ist.

Die strahlungsempfindliche Pixelmatrix kann erfindungsgemäß aus amorphem Silizium (aSi) oder aus wasserstoffhaltigem amorphen Silizium (aSi : H) gebildet sein. Um ein Zeilenrau­ schen aufgrund kleinster Spannungsschwankungen, welche auf­ grund des Pulsbetriebs der Biasspannung möglich sind, zu kom­ pensieren, kann ferner vorgesehen sein, daß im Bereich der strahlungsempfindlichen Matrix, vorzugsweise im Randbereich, eine Dunkel-Referenzzone vorgesehen ist, von der Korrektur­ werte in real time abgeleitet und pro Zeile angewendet wer­ den.

Neben des erfindungsgemäßen Festkörper-Bildwandlers, der in einem Röntgensystem, insbesondere in einer Röntgendiagnostik­ einrichtung verwendet werden kann, betrifft die Erfindung ferner ein Röntgensystem, umfassend eine Röntgenstrahlungs­ quelle, einen diese betreibenden Röntgengenerator und eine einen Bildspeicher umfassende Verarbeitungseinrichtung, ins­ besondere eine Röntgendiagnostikeinrichtung mit einem erfin­ dungsgemäßen Festkörper-Bildwandler.

Dieses Röntgensystem kann erfindungsgemäß derart ausgestaltet sein, daß die während der Belichtung infolge der Bearbeitung der Pixel erhaltenen Signale im Bildspeicherpixel individuell ablegbar und mit weiteren, gegebenenfalls erst nach Beendi­ gung der Belichtung erhaltenen Signalen verknüpfbar sind, was erforderlich sein kann, da mittels des erfindungsgemäßen Festkörper-Bildwandlers ein kontinuierliches Auslesen und damit Gewinnen von Bildinformation auch während der noch lau­ fenden Bestrahlung möglich ist, was es erfordert, die bei jeder Auslesung erhaltenen Bildsignale zu speichern und anschließend zur Bildung eines Summenbildes zu verknüpfen.

Ferner kann vorgesehen sein, daß die von der Steuereinrich­ tung des Festkörper-Bildwandlers gelieferten Ausleseimpulse mit dem oder den Einschalt- und/oder Ausschaltimpulsen der kontinuierlich oder im Pulsbetrieb betreibbaren Röntgenstrah­ lungsquelle synchronisierbar sind, wobei im Rahmen der Syn­ chronisation etwaige Verzögerungen der strahlungsquellensei­ tigen Signale berücksichtigt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungs­ beispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Impulsschema mit kombiniertem Schalt-, Auslese- und Rücksetzimpuls,

Fig. 2 ein Impulsschema mit funktionsgetrennten Steuerim­ pulsen und gepulster Biasspannung,

Fig. 3 ein Impulsschema für ein gruppenweises Auslesen,

Fig. 4 ein Impulsschema für das Auslesen ausgewählter Zeilen (Zoom-Effekt),

Fig. 5 ein Zeit-Impuls-Diagramm zur Darstellung der Addition der erhaltenen Bildsignale im Bildspeicher bei kurzem Strahlungsimpuls im Vergleich zur Bildwiederholzeit,

Fig. 6 ein Zeit-Impuls-Diagramm bei langem Strahlungsimpuls im Vergleich zur Bildwiederholzeit,

Fig. 7 ein Schema zur Darstellung der Integration des erfindungsgemäßen Festkörper-Bildwandlers in ein Röntgensystem, und

Fig. 8 den Pulsverlauf betreffend den Auslese- und Rück­ setzvorgang gemäß des Standes der Technik.

Fig. 8 zeigt zunächst den nachteiligen Stand der Technik betreffend allein die Impulsführung, wobei im gezeigten Bei­ spiel der Bildwandler bereits den erfindungsgemäßen Aufbau aus Photodiode und einem als Schaltelement verwendeten Feld­ effekttransistor besitzt und die Biasspannung an sämtlichen Pixeln gleichzeitig anliegt. Wie Fig. 8 zu entnehmen ist, sind vier Pixel P1-P4 ausschnittsweise aus dem Bildwandler dargestellt. Jeder Pixel besteht aus einer Photodiode D_P und einem Schalter TFT, wobei deren Reihenfolge auch vertauscht sein kann. Die Ansteuerleitungen für die Bildzeilen (Line 1, Line 2) der Ansteuereinrichtung 1 werden hier gleichzeitig als Zeitachsen verwendet, um die Steuerimpulse für den Feld­ effekttransistor-Schalter darzustellen. Mit dem über die Steuereinrichtung gegebenen Impuls VP1 werden alle Pixel des Bildwandlers eingeschaltet, das heißt, das entsprechende Schaltmittel, hier der Feldeffekttransistor, wird so geschal­ tet, daß die Photodioden bearbeitet werden können. Das Signal VP1 wird auf jeder Ansteuerleitung geführt. Die Dioden werden dann auf die Biasspannung V_B in Sperrichtung aufgeladen. Die Eingänge der Ausleseverstärker in der Ausleseschaltung 2 lie­ gen auf "virtual ground" und/oder sind gegen Masse kurzge­ schlossen. Es erfolgt in diesem Fall keine Auswertung. Sind die Pixel eingeschaltet und auf die Biasspannung geladen, folgt ein Röntgenfenster, im gezeigten Beispiel von 25,5 msec Länge, in welches ein Röntgenstrahl von maximal der gleichen Länge plaziert werden kann. Bedingt durch die Rönt­ genbelichtung, die gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Szintillationsschicht und Umwandlung in sichtbares Licht, auf jede Photodiode trifft, sinkt die Ladespannung V_A jeder Photodiode abhängig von der Röntgendosis und der Puls­ dauer, wie dies durch die gestrichelte Linie längs "Line 2" angedeutet ist. Der infolge der Ladungsträgergeneration- und rekombination erniedrigte Spannungswert hält sich aufgrund der Diodenkapazität bis zur Auslesung des Pixelladungsspei­ chers mittels des Impulses VP2. Der Impuls VP2 schaltet lediglich die Pixel einer einzelnen Zeile ein und lädt gleichzeitig auf den Anfangswert der Ladespannung zurück. Dies ergibt sich in Fig. 8 daraus, daß der Impuls VP2 auf Line 1 zeitlich vor dem Impuls VP2 auf Line 2 gegeben wird. Die dabei fließende Ladungsmenge wird von der Ausleseschal­ tung 2 gleichzeitig für alle Pixel einer Zeile erfaßt und über einen Kondensator in Spannungssignale umgewandelt. Diese Spannungen stellen die Bildinformation einer Bildzeile dar und werden verarbeitet. Die Auslesung des Wandlers dauert so lange, bis jede Zeile ihren eigenen VP2-Impuls erhalten hat und folglich ausgelesen ist. Im gezeigten Beispiel beträgt die gesamte Auslesedauer 54 msec, da insgesamt 1080 Zeilen bei einer Impulsdauer von 50 µsec auszulesen sind. Der gesamte Betrieb beginnend von der Rücksetzung (VP1) bis zur Beendigung dauert im gezeigten Beispiel insgesamt 80 msec. Erst danach kann ein nächster Zyklus beginnen, wobei sich hier dann die Lade-, Belichtungs- und Auslesephase wieder­ holt. Mit dem Auslesen ist die Bildinformation theoretisch gelöscht. In der Praxis jedoch bleiben Reste erhalten, die durch den längeren Ladeimpuls weiter reduziert werden. Dies bedeutet aber gleichzeitig wiederum eine Verlängerung des gesamten Aufnahmebetriebes. Für unterschiedliche Moden sind unterschiedlich lange Röntgenfenster und damit andere Bild­ frequenzen notwendig. Das heißt, der gesamte Impulsbetrieb ändert sich modenabhängig und ist nicht konstant.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Impulsfolge unter Verwen­ dung eines erfindungsgemäßen Festkörper-Bildwandlers mit Pixeln bestehend aus einer Photodiode und einem Feldeffekt­ transistor. Die gezeigte Impulsfolge wird unabhängig von dem Belichtungsmodus immer angewandt, das heißt, eine Folgenände­ rung bedingt durch eine Modenänderung tritt hier nicht mehr auf. Im gezeigten Beispiel werden den Zeilen lediglich ein einziger Impuls VP geliefert, welcher sowohl als Steuerimpuls für den Feldeffekttransistor wie auch zum Auslesen und Rück­ setzen dient. Die Röntgenimpulse sind hierbei lang gegen die Dauer von VP und können asynchron appliziert werden. Die Aus­ lesung erfolgt während der Belichtung. Folglich bestimmt hier der Abstand der Röntgenpulse die Bildrate und nicht der Abstand der Ausleseimpulse. Dieser legt nur die höchstmögli­ che Bildfrequenz fest. Mit dem Impuls VP wird gleichzeitig der Feldeffekttransistor eingeschalten und auf die Biasspan­ nung V_B, die an sämtlichen Pixeln zur gleichen Zeit anliegt, zurückgeladen. Eine eigene Rücksetzphase ist also nicht erforderlich, da mit dem Auslesen gleichzeitig die Rückladung verbunden ist. Denn das Auslesesignal wird von dem erforder­ lichen Spannungsbetrag, der für die Rückladung auf die Bias­ spannung, die durch die Belichtung erniedrigt wurde, gebil­ det. Während der Dauer von VP wird die Röntgenstrahlung nicht aufgenommen, da während dieser Zeit die Diode bearbeitet wird und eine Ladungsträgergeneration unterbleibt. Diese Verluste sind jedoch vernachlässigbar, damit verbundene Bildartefakte gehen im Quantenrauschen unter. Im Spezialfall konstant lan­ ger Röntgenpulse kann, um Bildartefakte zu vermeiden, der Röntgenpuls mit dem Ausleseimpuls z. B. der ersten Zeile synchronisiert werden, so daß der minimale Verlust durch entsprechende Korrektur ausgeglichen werden kann.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist keine eigene Löschse­ quenz vorgesehen, so daß Nachleuchteffekte durch Restladungen zu befürchten sind. Um dies zu vermeiden, ist ein Impulsplan gemäß Fig. 2 vorteilhaft. Bei dieser erfolgt eine Trennung der Funktionalitäten der Impulse. Diese werden nicht mehr über einen gemeinsamen Impuls geliefert, sondern in Form getrennter Signale. Auch hier werden zeileneigene individu­ elle Transistorschaltimpulse (TFT on) geliefert, wie bereits bei Fig. 1. Jedoch dienen diese allein zum Schalten des Feld­ effekttransistors. Die erforderlichen Auslese- und Rücksetz­ impulse werden hier durch geeignete Modulation der Biasspan­ nung geliefert. Da diese an sämtlichen Pixeln gleichzeitig anliegt, folglich auch die entsprechenden Arbeitsimpulse, kommt somit den Schaltimpulsen für den Transistor ein tat­ sächlicher echter Schaltcharakter zu, da diese lediglich den Pixel ein- und ausschalten, so daß die Biasimpulse "wirken" können. Die Einschaltimpulse der Feldeffekttransistoren einer Zeile und die während der Einschaltdauer an der entsprechen­ den Zeile anliegenden Impulse der Biasspannung bilden quasi ein logisches "UND". Infolgedessen kann während der Zeit des Schaltimpulses zwischen drei auf den Pixel wirkenden Phasen unterschieden werden: Einer Löschphase, einer Rücksetzphase und einer Auslesephase. Mit dem mittleren Impuls VP1 werden die Photodioden zur Löschung des bisherigen Zustands (Auf­ füllen der Traps) kurz in den leitenden Zustand überführt. Der Einschaltwiderstand der Feldeffekttransistoren sorgt für den Ausgleich der Unterschiede der Durchlaßkennlinien der Dioden (quasi Stromeinprägung). Mit dem nachfolgenden Impuls VP2 erfolgt die Aufladung der Dioden einer Zeile im Sperr­ zustand. Anschließend endet der Transistorsteuerimpuls einer Zeile, und der Steuerimpuls einer nachfolgenden Zeile liegt an, so daß diese bearbeitet werden kann. In der Zeit zwischen dem Ende des Transistorschaltimpulses und der nächsten Anwahl kann die Röntgenstrahlung wirken, das heißt, während dieser Zeit liegt die Integrationsphase an. Wird nun der nächste Schaltimpuls gegeben, so wirkt zunächst der Impuls VP3 sei­ tens der Biasspannung, der im gezeigten Beispiel gleich der VP2-Spannung ist, als Ausleseimpuls. Nur während VP3 anliegt, sind die Erdungsschalter und Rücksetzschalter der Auslese­ schaltung 2 offen und der Lesekanal in Betrieb. Die Auslese­ frequenz ist unverändert. Das heißt, der Auslesebetrieb ist für jede Zeile stets der gleiche. Auch wird die Biastaktung gleich wie die Taktung der Schaltimpulse "TFT on" bei Moden­ änderung nicht geändert, so daß auch gemäß der Ausführungs­ form nach Fig. 2 ein modenunabhängiger Betrieb erfolgt.

Fig. 3 zeigt schließlich ein Beispiel für eine Impulsfolge im Falle einer zeilengruppierten Auslesung des gesamten Bild­ wandlers z. B. mit der halben Zeilenzahl bei doppelter Bild­ frequenz. In diesem Fall werden die Ansteuerimpulse für zwei benachbarte Zeilen zeitgleich gegeben, so daß beide Zeilen zur gleichen Zeit auslesebereit sind. Dies ist möglich, da an beiden Zeilen ebenfalls die entsprechenden Arbeitsimpulse über die Biasspannung anliegen. Der Zeitablauf von Löschen/Rück­ setzen bis zur Auslesung wird folglich nicht verändert, so daß das Dunkelbild - außer durch die Aufaddition der Nachbarsignale - sich im wesentlichen nicht verändert, wenn der Widerstand zur Masse und das Übersprechen von der Bias­ leitung klein genug sind. Das Dunkelbild für die Offset­ korrektur im gruppierten Mode kann aus dem des nicht grup­ pierten Mode errechnet werden.

Um nur einen Teil des Bildwandlers auszulesen und damit einen Zoom-Effekt zu erreichen, ist ein Impulsplan gemäß Fig. 4 vorgesehen. Bei diesem ist eine geringe Veränderung des Zeitablaufs der Anwahlimpulse "TFT on" für die nicht auszule­ senden Bildteile, z. B. am oberen und unteren Sensorrand erforderlich. Wie Fig. 4 zu entnehmen, ist der Schaltimpuls "TFT on" für die Feldeffekttransistoren TFT der "Line 1" gegenüber dem der "Line 2" (z. B. in Sensormitte) etwas kür­ zer, das heißt, er wird später gegeben, endet aber zur glei­ chen Zeit. Bezogen auf die anliegenden Biasspannungsimpulse bedeutet dies, daß die "Line 1" während der Dauer von VP3, also während des Ausleseimpulses, nicht eingeschaltet ist, das heißt, nicht ausgelesen wird. Wohl aber liegt der Ein­ schaltimpuls für "Line 1" während der Dauer von VP1 und VP2 an, das heißt, die Photodioden werden gelöscht und zurückge­ setzt. Der Gleichgewichtszustand zwischen Auf- und Entladung des Bildwandlers bleibt hierbei weitgehend erhalten, so daß beim Modenwechsel höchstens geringe Restartefakte verbleiben können, die aber durch eine entsprechende Zeilenkorrektur ausgeglichen werden können.

Fig. 5 zeigt schließlich die Art der Aufaddition der beim Auslesen erhaltenen Einzelbilder für den asynchronen Fall mit einem Röntgenpuls tx, der kurz gegen die Bildwiederholzeit ft ist. Gezeigt ist der einfache Fall ohne aktive Rücksetzung für die ersten vierzehn Zeilen des Bildwandlers. Der asyn­ chron kommende Röntgenpuls tx definiert den ersten Auslese­ puls, der Bildinformation transportiert. Diese erste Informa­ tionszeile ist mit "1" gekennzeichnet. Die zugehörige Lade­ spannung V_A der Dioden ist für jede Zeile punktiert wieder­ gegeben. Alle weiteren Zeilenimpulse, die zum Bild beitragen, sind fett gezeichnet. Nach Auslesen der insgesamt 1024 Zeilen steht die mit 1 gekennzeichnete Zeile wieder zur Auslesung an. Wie Fig. 5 zu entnehmen, erhält diese und die weiteren Zeilen 2, 3 und 4 einen zweiten relevanten Ausleseimpuls, alle vorhergehenden lediglich einen. Dieser zweite Aus­ leseimpuls entsteht durch die endliche Dauer des Röntgenpul­ ses, die eine etwas längere Auslesephase als die Bildwieder­ holzeit erfordert. Das heißt, da der erste Ausleseimpuls wäh­ rend des Röntgenimpulses gegeben wird, und da während des Ausleseimpulses gleichzeitig die Ladespannung der Photodiode rückgesetzt wird, wird diese bedingt durch die nach Beendi­ gung des Ausleseimpulses noch andauernde Röntgenbelichtung wiederum reduziert, das heißt, es wird Bildinformation einge­ prägt. Diese wird nun nachfolgend durch den zweiten Ausle­ seimpuls, den sogenannten "Nachläufer" oder "Trailer" erfaßt und verwertet. Die in Teilen (zweimal) ausgelesene Informa­ tion dieser Nachläufer ist im Rechner je Zeile zu addieren, um keine Information zu verlieren.

Für einen Röntgenimpuls tx, der länger als die Bildwiederhol­ zeit ft ist, ist der Ablauf in Fig. 6 dargestellt. Der Nor­ malfall ist hier, daß zwei Ausleseimpulse pro Zeile gegeben sind, folglich pro Zeile zwei Zeileninformationen im Rechner auf zuaddieren sind. Lediglich in den Zeilen 1-4 ergeben sich aus den bereits bezüglich Fig. 5 genannten Gründen "Trailer", die entsprechend zu behandeln sind.

Wie sich aus den Fig. 5 und 6 ergibt, liegt ein Meßfehler dann vor, wenn der Ausleseimpuls in das Röntgenfenster fällt, weil dann für die Dauer des Ausleseimpulses nicht integriert wird. Dieser Fehler tritt nur für die Nachlaufzeilen auf, so daß sich etwaige Artefakte hierauf beschränken. Diese Fehler sind jedoch für jeden Betriebsmodus vernachlässigbar und durch entsprechende Bildkorrektur korrigierbar.

Fig. 7 zeigt schließlich ein Beispiel für die Integration des erfindungsgemäßen Bildwandlers in ein Röntgensystem. Dieses umfaßt einen Generator 3, der über eine Steuereinrichtung 4 entsprechend getriggert wird. Über den Generator 3 wird eine Röntgenstrahlungsquelle 5 betrieben, in deren Strahlungsbe­ reich der Festkörper-Bildwandler 6 angeordnet ist. Diesem nachgeschaltet ist ein Computer 7, der zur Erzeugung eines Bildes 8 dient. Da die Flanken für Ein- und Ausschaltung der Strahlung zeitverzögert kommen können, wird statt des Trig­ gersignals tx das verzögerte Signal tx_v an den Wandler 6 wei­ tergegeben, der über die Steuereinrichtung 9 im jeweiligen Mode, also ob eine normale Zeilenweiseauslesung, eine Grup­ penweiseauslesung oder ein Zoom-Betrieb gefordert ist, gesteuert wird. Über das Signal tx_v sind die bei Strahlungs­ beginn gerade ausgelesenen Detektorzeilen und die Strahlungs­ dauer definiert. Da auch die Informationsübermittlung zum Bildrechner hin Verzögerungen bewirken kann, wird entweder die Information über die Nummer der Startzeile und die Strah­ lungsdauer codiert weitergereicht oder als weiterverzögertes Signal tx_vv übermittelt. Falls die Bildwiederholrate ft und/oder die Lesepulsdauer einstellbar sind, werden auch sie - neben der Bildinformation - zum Computer 7 gegeben und dort zum Bild 8 weiterverarbeitet.

Claims (16)

1. Festkörper-Bildwandler zur Erfassung von einer Strah­ lungsquelle emittierter Strahlung, insbesondere Röntgenstrah­ lung, mit in einer Matrix angeordneten strahlungsempfindli­ chen Pixeln (P1, P2, P3, P4), von denen jeder als strahlungs­ empfindliches Element eine Photodiode (D_P) aufweist, und einer Steuereinrichtung zum individuellen Ansteuern der Pixel, um die Photodiode mittels geeigneter Steuerimpulse auszulesen und rückzusetzen, wobei jeder Photodiode innerhalb des jeweiligen Pixels ein aktives Schaltelement, insbesondere ein Feldeffekttransistor (TFT) zugeordnet ist, das mittels eines geeigneten, von der Steuereinrichtung gelieferten Steuerimpulses schaltbarer ist und abhängig vom Schaltzustand das Auslesen und Rücksetzen der Photodiode (D_P) ermöglicht, wobei sämtliche Steuerimpulse in einer für jeden Betriebsmo­ dus gleichen zeitlichen Abfolge gegeben werden.

2. Festkörper-Bildwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest zum Rück­ setzen auf ein bestimmtes Potential erforderliche Biasspan­ nung (V_B) zu jedem Zeitpunkt an jedem Pixel (P1, P2, P3, P4) anliegt, wobei die Durchschleifung der Biasspannung (V_B) an die pixelindividuelle Photodiode (D_P) allein abhängig vom Schaltzustand des pixelindividuellen Schaltelements, insbe­ sondere des Feldeffekttransistors (TFT) ist.

3. Festkörper-Bildwandler nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Schal­ ten des Schaltelements, insbesondere des Feldeffekttransi­ stors (TFT) und der Auslese- und Rücksetzvorgang mittels eines gemeinsamen Steuerimpulses (VP) erfolgt.

4. Festkörper-Bildwandler nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse (VP2, VP3) zum Auslesen und Rücksetzen der Pixel (P1, P2, P3, P4) und der Steuerimpuls (TFT on) zum Schalten des Schaltelements, insbesondere des Feldeffekttran­ sistors (TFT) separate Signale sind, und daß die Steuerim­ pulse zum Auslesen und Rücksetzen der Pixel über die entspre­ chend der erforderlichen Impuls folge modulierte Biasspannung (V_B) geliefert werden.

5. Festkörper-Bildwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Impuls (VP1) zum Löschen des Pixelladungsspeichers über die Bias­ spannung (V_B) gegeben wird.

6. Festkörper-Bildwandler nach Anspruch 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß sämtliche über die Biasspannung (V_B) gelieferten Impulse (VP1, VP2, VP3) im wesentlichen die gleiche Impulshöhe bzw. Impulsampli­ tude aufweisen.

7. Festkörper-Bildwandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerimpuls für das Schaltelement, insbesondere den Feldef­ fekttransistor (TFT) und die Steuerimpulse der Biasspannung derart miteinander korreliert sind, daß während der Dauer eines die Bearbeitung einer Photodiode (D_P) ermöglichenden Steuerimpulses für das Schaltelement, insbesondere den Feld­ effekttransistor (TFT) zumindest die das Auslesen und Rück­ setzen des Pixels bewirkenden Impulse geliefert werden.

8. Festkörper-Bildwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, daß die Steuerimpulse für die Schaltelemente, insbesondere die Feld­ effekttransistoren (TFT) zur Ermöglichung einer zeilengrup­ penweisen, spaltengruppenweisen und/oder pixelclusterweisen Bearbeitung zeitgleich geliefert werden (Fig. 3).

9. Festkörper-Bildwandler nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, daß die Steuerim­ pulse für das Schaltelement, insbesondere den Feldeffekttran­ sistor (TFT) in ihrer Länge derart variierbar sind, daß wäh­ rend der Dauer des Steuerimpulses lediglich der Rücksetzim­ puls, gegebenenfalls auch der Löschimpuls über die Biasspan­ nung anliegt (Fig. 4).

10. Festkörper-Bildwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfindliche Pixelmatrix aus amorphem Silizium (aSi) oder aus wasserstoffhaltigem amorphem Silizium (aSi : H) gebildet ist.

11. Festkörper-Bildwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der strahlungsempfindlichen Matrix, vorzugs­ weise im Randbereich eine Dunkel-Referenzone vorgesehen ist.

12. Festkörper-Bildwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem Röntgensystem, insbesondere in einer Röntgendiagnostik­ einrichtung.

13. Röntgensystem, umfassend eine Röntgenstrahlungsquelle (3), einen diese betreibenden Röntgengenerator (1) und eine einen Bildspeicher umfassende Verarbeitungseinrichtung (5), insbesondere Röntgendiagnostikeinrichtung, gekenn­ zeichnet durch einen Festkörper-Bildwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11.

14. Röntgensystem nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die während der Belichtung infolge der Bearbeitung der Pixel erhaltenen Signale im Bild­ speicher pixelindividuell ablegbar und mit weiteren, gegebe­ nenfalls erst nach Beendigung der Belichtung erhaltenen Si­ gnalen verknüpfbar sind.

15. Röntgensystem nach Anspruch 13 oder 14 , da­ durch gekennzeichnet, daß die von der Steuereinrichtung (7) des Festkörper-Bildwandlers (4) gelie­ ferten Ausleseimpulse mit dem oder den Einschalt- und/oder Ausschaltimpulsen der kontinuierlich oder im Pulsbetrieb be­ treibbaren Röntgenstrahlungsquelle (3) synchronisierbar sind.

16. Röntgensystem nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Rahmen der Synchronisa­ tion etwaige Verzögerungen der strahlungsquellenseitigen Si­ gnals berücksichtigt werden.