数字成像探测器：原理和应用

1.分类

数字化成像系统的关键部件—数字成像探测器。各种数字成像探测器都是由集成数字元件排列组成阵列。根据光电转换装置原理和元件的不同，可分为两大类七个类型：

可按尺寸分为线阵列和数字平板探测器。

2.固体探测器

（1）间接转换探测器的闪烁体材料

间接转换探测器必须通过闪烁体，先将射线转换为可见光，然后利用光敏元件进行接收，因此闪烁体材料性能很重要。

闪烁体材料分为有机物闪烁体和无机物闪烁体两大类。射线成像经常使用无机闪烁体材料。为提高射线转换和接收效率，一般使用原子序数和密度较大的元素。其中发光效率最高的材料是碘化铯；分辨率最高的材料是钨酸镉。

（2）间接转换探测器的图像传感器

在间接转换探测器中，闪烁体将射线转换成可见光，然后图像传感器将可见光转换为电流或电压输出。

图像传感器：

1）光敏二极管：早期使用的产品，因制造工艺限制，分辨率不高，目前很少使用；

2）CCD图像传感器；

3）CMOS图像传感器。

（3）直接转换探测器

用非晶硒和碲化镉制作的探测器，其转换效率与电荷有关，工作原理是，在射线照射下，辐射光子在半导体材料中产生电荷，并用高压偏压来移动光子所产生的电荷，最后通过TFT薄膜晶体管进行读取。

3.图像传感器

图像传感器是在光电技术基础上发展起来，能把光学图像转换成一维时序的信号器件。目前使用的有CCD与CMOS两种图像传感器，都是将光图像转换为电荷图像，它们之间主要区别是信号传送方式不同，CCD图像传感器是每一行每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最低底部输出，再经传感器边缘放大器进行放大输出。光敏二极管CMOS图像传感器中，每个像素都会邻接一个放大器和A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。

（1）CCD图像传感器

CCD（Charge Coupled DeVice）即电荷耦合器件，它是一种金属-氧化物-半导体结构（MOS结构）的新型器件。它主要功能是信号电荷产生、存储、转移。

1）CCD的MOS结构

对CCD来说，MOS基本结构是金属电极-二氧化硅（绝缘体）-硅（衬底）结构。在P型（或N型）硅的单晶衬底上生长一层很薄的SiO₂，再在SiO₂上面沉积具有一定形状的金属铝电极。在每个电极下面的SiO₂层和Si单晶构成MOS结构，如图2-30所示。

2）CCD工作原理(www.xing528.com)

CCD是由多个像素单元有规律地排列组成的，如图2-31所示。若把每个像素比喻成小桶，那么CCD结构就像一排排输送带上并列放置小桶，光线就像雨滴撒入各小桶中。

当对光敏元件阵列扫描后，CCD小桶中光电荷的多少与光的强弱和照射时间成正比。像素单元的电荷在控制信号作用下向垂直移位寄存器中移动。垂直移位寄存器中的电荷在控制电压作用下，再向水平移位寄存器中移动，水平移位寄存器中的电荷输出就是信号。所有单元中的电荷都按顺序移出来，就是一幅图像的信号。

图2-30 CCD像素单元结构

图2-31 CCD工作原理示意图

3）电荷的存储

光入射到CCD表面后，光子在耗尽层内激发出电子-空穴对，其中少数载流子（电子）被收集在表面势井中，而多数载流子（空穴）被推到基底内，势井中（电位井）可以存储电荷。

图2-32 电荷在CCD中移动原理

4）电荷的传输

CCD是由许多单元并排在一起组成的，每个单元上都设有电极。当相邻电极的外加电压较高时，电荷就会向高电压下的电位井移动。CCD单元的电极上所加的电压越高，其下的电位井越深，电荷会在电位井中由浅处向深处移动。

CCD中电荷传输过程如图2-32所示，图中给出两相邻单元电荷移动过程。

①电极1加10V电压，电极2为0V电压，电极1电压高，因而它下面电位井深，电荷则存入井中。

②在电极1和2都加上5V电压时，两电极下的电位井深度相同，电荷均匀分布两电极井中，实际上井变得浅而宽。

③当电极1的电压下降为0V，电极2的电压升到10V，电极1下的井上升，电极2下的井变深，电荷全部移入电极2下的井中。

在实际应用中还有3相式和4相式驱动。通过脉冲的驱动，使CCD中的电荷连续移动。

（2）CMOS图像传感器

在2.4.4节数字平板直接成像技术中，叙述CMOS数字平板的核心部件就是光敏二极管CMOS图像传感器，其中传感器的像素结构目前有两种：无源像素传感器PPS，信噪比低，图像质量较差，一般用于摄像头成像；有源像素传感器APS应用较广泛。APS结构的像素内包含一个有源器件，该放大器有放大和缓冲功能，具有良好的消噪功能，电荷不向CCD那样远距离移位传送到输出放大器中，所以避免了无用信号的放大，信噪比大。

最基本CMOS图像传感器是以一块杂质浓度较低的P型硅片做衬底，用扩散方法在其表面制作高掺杂的N+型区作为电极，即场效应晶体管的源极和漏极，再在硅的表面用高温氧化法覆盖一层二氧化硅（SiO₂）的绝缘层，并在源极和漏极之间的绝缘层的上方蒸镀一层金属铝，作为场效应晶体管的栅极。最后，在金属铝上方放置一光敏二极管，这就构成了最基本的CMOS图像传感器。

CMOS图像传感器工作过程：必须在P型硅衬底和源极接电源负极，漏极接电源正极。在无光信号照射到光敏二极管上时，源极和漏极之间无电流通过，因此无信号输出；当有光信号照到光敏二极管上时，光敏元件的带价电子获得能量激发跃迁到导带而形成图像光电子，因而在源极和漏极之间形成电流通路而输出图像电信号。