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)字實時成像系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)、工業(yè)無損檢測以及海關(guān)、機場、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射線實時檢測領(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具有更強的抗輻射能力，還具有將圖像傳感器陣列、驅(qū)動和控制電路、信號處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、全數(shù)字接口電路等實現(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、對時鐘脈沖要求低、體積小、重量輕、功

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

3、-IS圖像傳感器的設(shè)計工作，對CMI單元、相關(guān)雙采樣CDS和公共輸出級電路進行分析。對根據(jù)CMI-X-IS圖像傳感器的原理進行加工生產(chǎn)的芯片樣品進行測試，測試的參數(shù)包括光電轉(zhuǎn)換特性曲線、暗噪聲和動態(tài)范圍等，對這些參數(shù)進行分析，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。控制器件的設(shè)計參數(shù)，可以使光電流增益達到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，積分動態(tài)范圍大，適合用于要求靈敏度高、動態(tài)范圍大的應(yīng)用。 2．利用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD設(shè)計滿足CMI-X-IS圖像傳感器時序要求的驅(qū)動信號源，并對實際應(yīng)用出現(xiàn)的外部同步信號導(dǎo)致CMI-X-IS圖像傳感器工作不正常的原因進行了分析，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，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)問題的方法是獨創(chuàng)性的，對類似的應(yīng)用具有啟示作用。 設(shè)計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X射線機的照射下，對不同密度、不同尺寸的材料進行了靜態(tài)實驗。實驗表明，CMI-X-IS圖像傳感器有較高的輸出信號幅度（可以達到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射線圖像傳感器來使用。

6、 3．分析與虛擬儀器采集數(shù)據(jù)有關(guān)的幾個實際問題，利用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件，設(shè)計CMI-X-IS圖像傳感器的動態(tài)掃描成像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實驗表明，動態(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、對比度增強以及線性濾波、中值濾波、自適應(yīng)濾波等對CMI-X-IS圖