高性能X射線CMOS圖像傳感器及應(yīng)用研究.pdf

1、X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)以及海關(guān)、機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭的行包安全檢查等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，X射線圖像傳感器是其中的關(guān)鍵部件，現(xiàn)在用在X射線實(shí)時(shí)檢測(cè)領(lǐng)域的圖像傳感器大部分為電荷耦合器件CCD。由于CMOS圖像傳感器比CCD具有更強(qiáng)的抗輻射能力，還具有將圖像傳感器陣列、驅(qū)動(dòng)和控制電路、信號(hào)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、全數(shù)字接口電路等實(shí)現(xiàn)單片集成以及量子效率高、光譜響應(yīng)寬、響應(yīng)均勻性好、工作電壓低、對(duì)時(shí)鐘脈沖要求低、體積小、重量輕、功

2、耗低、高可靠、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此在X射線實(shí)時(shí)檢測(cè)中更具有開發(fā)前景。而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)X射線數(shù)字實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的廠商他們實(shí)行核心技術(shù)(如X射線圖像傳感器)從國(guó)外進(jìn)口，以O(shè)EM方式組裝成整機(jī)。因此開展高性能X射線CMOS圖像傳感器的研究，在國(guó)內(nèi)是一項(xiàng)具有開拓性和創(chuàng)新性的工作。 本文的主要研究?jī)?nèi)容如下： 1．對(duì)采用電流鏡積分讀出電路的X射線CMOS圖像傳感器（簡(jiǎn)稱為CMI-X-IS圖像傳感器）的原理進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上，開展CMI-X

3、-IS圖像傳感器的設(shè)計(jì)工作，對(duì)CMI單元、相關(guān)雙采樣CDS和公共輸出級(jí)電路進(jìn)行分析。對(duì)根據(jù)CMI-X-IS圖像傳感器的原理進(jìn)行加工生產(chǎn)的芯片樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的參數(shù)包括光電轉(zhuǎn)換特性曲線、暗噪聲和動(dòng)態(tài)范圍等，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析，得出結(jié)論：采用電流鏡積分讀出電路可以構(gòu)成一種CMOS高靈敏度圖像傳感器?？刂破骷脑O(shè)計(jì)參數(shù)，可以使光電流增益達(dá)到10倍，從而使圖像傳感器靈敏度提高10倍；電流鏡積分讀出電路可以保證光電二極管的偏壓接近于零（20mV

4、以內(nèi)），因而可大大減小光電二極管的暗漏電流和噪聲；該器件的光電流注入效率高，積分動(dòng)態(tài)范圍大，適合用于要求靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大的應(yīng)用。 2．利用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD設(shè)計(jì)滿足CMI-X-IS圖像傳感器時(shí)序要求的驅(qū)動(dòng)信號(hào)源，并對(duì)實(shí)際應(yīng)用出現(xiàn)的外部同步信號(hào)導(dǎo)致CMI-X-IS圖像傳感器工作不正常的原因進(jìn)行了分析，并采用“數(shù)字單穩(wěn)態(tài)電路”使CMI-X-IS圖像傳感器的F1、F2、ADST為斷續(xù)信號(hào)，從而使使CMI-X-IS圖像傳感器

5、工作正常。這種解決應(yīng)用過程中出現(xiàn)問題的方法是獨(dú)創(chuàng)性的，對(duì)類似的應(yīng)用具有啟示作用。 設(shè)計(jì)CMI-X-IS圖像傳感器的應(yīng)用電路，并將此應(yīng)用電路置于微焦點(diǎn)X射線機(jī)的照射下，對(duì)不同密度、不同尺寸的材料進(jìn)行了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，CMI-X-IS圖像傳感器有較高的輸出信號(hào)幅度（可以達(dá)到3伏左右）、較好的均勻性、CMI-X-IS可以清晰地反映出這幾種材料的形狀，能把不同密度的材料加以區(qū)分。因此這種傳感器特別適合作為X射線圖像傳感器來(lái)使用。

6、 3．分析與虛擬儀器采集數(shù)據(jù)有關(guān)的幾個(gè)實(shí)際問題，利用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件，設(shè)計(jì)CMI-X-IS圖像傳感器的動(dòng)態(tài)掃描成像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，動(dòng)態(tài)掃描成像和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠清晰地顯示出牙齒的圖像。 4．在分析CMI-X-IS圖像傳感器像元暗電流以及光響應(yīng)的不均勻性、閃爍晶體轉(zhuǎn)換屏X射線響應(yīng)的不均勻性、脈沖噪聲的影響后，利用直方圖均衡、對(duì)比度增強(qiáng)以及線性濾波、中值濾波、自適應(yīng)濾波等對(duì)CMI-X-IS圖