用于从光敏传感器读取电信号的读出方法和读出装置与流程

本发明涉及用于检测x射线的基于半导体的成像器的领域。本发明特别涉及用于读取光敏传感器的读出方法。

背景技术：

1、光敏传感器被用于电离辐射(特别是x射线辐射)的成像，以用于医学领域的放射性图像检测、或者工业领域的非破坏性测试的检测或者安全检测。

2、一般而言，光敏传感器包括通常被组织成矩阵或条带的大量光敏点(被称为像素)。在光敏传感器中，像素表示传感器的基本敏感元件。每个像素皆将其经受的电磁辐射转换成电信号。来自各个像素的电信号在读取矩阵的阶段期间，由读出电路进行收集，然后被数字化以使能够进行处理和存储，以便形成图像。

3、像素包括光敏区和电子电路，该光敏区根据其接收的光子通量来传送电荷电流。光敏区通常包括光敏元件或光电检测器，其例如可以是光电二极管、光敏电阻器或光电晶体管。电子电路例如包括开关、电容器以及电阻器，在该电子电路的下游定位有致动器。由光敏元件和电子电路组成的组件使得可以产生电荷并收集它们。电子电路通常使得可以在电荷传输之后重置在每个像素中收集的电荷。致动器具有将由电路收集的电荷传输或复制到列导体的作用。当致动器从行导体接收到这样做的指令时，执行该传输。致动器的输出端对应于像素的输出端。

4、在这种类型的传感器中，像素以两个阶段操作：图像捕获阶段，在该图像捕获阶段期间，像素的电子电路累积由光敏元件产生的电荷；以及读出阶段，在该读出阶段期间，依靠致动器将所收集的电荷传输或复制到列导体。

5、在读出阶段期间，通过行导体将读取指令发送至矩阵的同一行的所有致动器。通过将该行的像素中的每个像素的电信息、电荷、电压、电流、频率等传输至与该像素相关联的列导体来读取所述像素。

6、对于图像帧，可以在与该帧的持续时间的一部分相对应的行选择时间期间，沿矩阵的行的扫描方向，一个接一个地顺序选择像素行，从而使得能够将适当的信号(例如电压)施加至所讨论的行的像素。因此，在对应的行选择时间期间，行的选择对应于控制对应像素行的开关器件的导通状态的高电平信号的施加。在行路选择时间之外，通过施加适当的低电平信号，来使开关器件保持在截止状态。例如，当开关器件是晶体管时，则要施加的信号是电压，通常使用vgon来表示与高电平相对应并因此与开关晶体管的导通状态相对应的电压，并且使用vgoff来表示与低电平相对应并且与开关晶体管的截止状态相对应的电压。

7、光敏传感器通常是通过涉及在玻璃基或硅基基板上淀积半导体材料薄膜的技术来生产的。在大面积成像器中使用的像素技术历史上是非晶硅，这是由于与晶体硅技术(晶体硅技术在文献中被称为“互补金属氧化物半导体”，其缩写为cmos)相比，非晶硅的生产成本较低。另一方面，技术可能性是有限的。仅能够生产无源像素(单电荷传输晶体管)。

8、对于无源像素矩阵，读出电路包括多个级，特别是电荷-电压级，该电荷-电压级将由光电检测器接收的电荷转换成模数转换器上游的电压。

9、在像素矩阵中和在每个读出电路的各个级中产生电子噪声。在低灵敏度应用中，主要的噪声源是模数转换器的噪声源，而在高灵敏度应用中，模数转换器的噪声与像素矩阵上游以及读出电路的各个级(输入级和电荷-电压级)上游的噪声相比是可忽略的。

10、为了降低高灵敏度应用中的噪声，现有技术中有各种选择，诸如增加图像捕获持续时间(也被称为获取持续时间或积分(integration)持续时间)。

11、为了有效，现有技术的解决方案需要显著延长为生成图像所需的持续时间(对应于积分持续时间和读出持续时间的相加)。这与被用于当前应用的图像频率不兼容。

12、另一改进在于将承载像素的基板(通常被称为平板(slab))分离成两个对称部分。该分离包括将读出电路放置在板的任一侧。列的长度由此被减半。因此列电阻减半，从而显著降低了无源传感器的主要噪声源。然而，该解决方案需要使读出电路的数量加倍，并因此伴有高成本。

技术实现思路

1、本发明旨在提出一种用于读取光敏传感器的易于实现且经济的读出方法，使得可以既在模数转换器处又在所述转换器的上游(即在整个获取链上)降低主要噪声源上的噪声。

2、为此，本发明提出了一种用于读取传感器并且传送电信号的读出方法，所述传感器包括对物理现象敏感的像素的矩阵，该电信号的电平取决于物理现象的强度，该像素被组织成多排并且经由导体连接至传感器的多个读出电路，所述多个读出电路各自包括模数转换器，该模数转换器接收电信号并且传送根据该电信号的数字信息，其中，所述方法包括用于读出每个像素的以下阶段：

3、-像素矩阵获取电荷；

4、-通过向读出电路传输在获取阶段期间获取的电荷来读取矩阵；

5、其中，在读出阶段期间，所获取的电荷的多次连续模数转换是在同一个获取阶段并行执行的。

6、因此，本发明提供的解决方案在于与信号的获取并行地执行多次连续模数转换。在同一信号获取阶段执行转换。

7、换句话说，信号的获取被保持，并且所述获取的信号被有规律地转换。再换句话说，信号是在其获取期间和获取时被转换的。

8、因此，执行该多次转换相当于对所获取的信号的多个部分执行转换，并因此相当于并行地执行信号的采样和模数转换。

9、通过执行n次转换，转换在小n倍的时间间隔内发生。因此，读出电路的输入级的截止频率变化在转换信号上小n倍。然而，列热噪声和输入级噪声取决于输入级的截止频率。因此，将列热噪声和输入级噪声除以√n。由于这些噪声是传感器中的主要噪声，因此，传感器的总噪声实质上降低了√n倍。

10、依靠本发明，传感器的噪声在主要源上的降低是在整个信号获取链上而不是仅在获取链的部分上(例如仅在模数转换器处)。

11、下面呈现了根据本发明的读出方法的一些实际的特别优选的特征。

12、像素是无源的。

13、由像素传送的电信号是电荷。所述多个读出电路各自包括电荷-电压级，该电荷-电压级被配置成将从像素接收的电荷转换成电压，该电压被传送至模数转换器。

14、每个读出电路皆包括输入级，该输入级包括放大器和晶体管，该放大器具有被连接至所述像素中的一个像素的反相输入端以及被连接至晶体管的栅极的输出端，

15、该放大器被配置成放大像素矩阵的排电压与输入参考电压之间的电位差。放大器还被配置成通过控制电压来控制晶体管。

16、所述方法包括以下阶段：在电荷的获取期间，通过输入级对每个读出电路进行至少一次自动重置。

17、每个读出电路皆包括采样-保持单元，该采样-保持单元在整个读出阶段期间以导通模式驱动。

18、模数转换器是西格玛-德尔塔(sigma-delta)转换器。

19、该转换是在同一获取阶段期间以规则的间隔执行的。换句话说，按同一个时间间隔来隔开模数转换。再换句话说，分隔两次连续转换的时间间隔在整个读出阶段是恒定的。

20、根据另一方面，本发明还涉及一种读出装置，该读出装置用于从包括对物理现象敏感的像素的矩阵的传感器读取电信号，并且该读出装置被配置成传送电信号，该电信号的电平取决于物理现象的强度，该读出装置包括传感器的读出电路，并且该读出装置被配置成实现具有上述特征中的至少一个特征的读出方法。像素被组织成多排并且经由导体连接至读出装置的多个读出电路，所述多个读出电路各自包括模数转换器，该模数转换器接收电信号并且传送根据该电信号的数字信息。

21、模数转换器是西格玛-德尔塔转换器。