Báo cáo Các loại cảm biến X Quang số TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ──────── ─────── Bản Dịch Tài Liệu Các Loại Cảm Biến Ảnh trong X Quang Số Sinh viên thực hiện Dịch toàn bộ tài liệu Giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Thái Hà Hà Nội, 05 tháng 01 năm 2017 Nội Dung 41 Photodiode Si 51 1 Si Photodiod trực tiếp 72 Mảng Si photodiode 72 1 Cấu trúc 92 2 Đặc tính 102 3 Ứng Dụng 123 Cảm biến CCD 123 1 Cảm biến CCD Trực tiếp 133 2 Cảm biến CCD với bột phát.
Photodiode Si
Mảng Si photodiode
Cấu trúc
Nhiều mảng photodiode Si cho thiết bị kiểm tra hành lý sử dụng cấu trúc chiếu sáng sau, giúp tránh thiệt hại cho các đường mạch và dây điện khi lắp chất nhấp nháy Hình ảnh minh họa cho thấy sự khác biệt giữa photodiode chiếu sáng trước và chiếu sáng sau khi kết hợp với chất nhấp nháy Các chất nhấp nháy như CSI (Tl) và GOS gốm được sử dụng, trong đó GOS có đặc tính gốm với khả năng phát xạ ánh sáng biến thể nhỏ và độ tin cậy cao.
Hình 1.2.1.1 Phản ứng quang phổ của các mảng photodiode Si và quang phổ phát xạ của chất nhấp nháy chiếu sang trước và sau.
Đặc tính
Việc áp dụng cấu trúc chiếu sáng sau đã đơn giản hóa quá trình gắn chất nhấp nháy và các quy trình khác, giúp rút ngắn thời gian sản xuất Mảng photodiode Si chiếu sáng sau sử dụng chân tiếp xúc cho các điện cực, phù hợp với quy trình sản xuất màn hình LCD và rất thích hợp cho sản xuất với khối lượng lớn Sự sử dụng chân tiếp xúc này đã giúp giảm đáng kể dòng điện so với các phương pháp trước đây.
Bằng cách sử dụng cấu trúc chiếu sang sau, thiết bị đầu cuối của các mảng photodiode được kết nối trực tiếp với các điện cực của mạch thông qua chân tiếp xúc mà không cần dây Hệ thống dây điện được tích hợp ngay trong bo mạch, giúp tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu sự phức tạp.
Mảng photodiode Si chiếu sáng sau cho phép gắn chất nhấp nháy mà không cần đường mạch hay dây trên bề mặt, đảm bảo tính toàn vẹn của các đường mạch và dây điện Điều này giúp tăng độ tin cậy cao cho thiết bị, bởi không có dây dẫn dễ bị hỏng do sự thay đổi nhiệt độ hoặc bị ảnh hưởng tiêu cực bởi các yếu tố khác.
• Độ nhạy thống nhất tuyệt vời:
Trong dòng sản phẩm Si photodiode chiếu sáng sau (S11212 / S11299), độ nhạy không đồng đều đã được giảm thiểu tối đa, đặc biệt là ở các điểm rìa của cảm biến Tính thống nhất trong độ nhạy đã được cải thiện đáng kể so với các sản phẩm trước đó (S5668), cho phép tạo ra hình ảnh X-ray chất lượng cao.
Hình 1.2.2.1: Độ nhạy có tính đồng nhất
• Cho phép ghép nhiều mảnh:
Không sử dụng dây nên các cảm biến này có thể được xeepslats cạnh nhau
Hình 1.2.2.2: Cho phép ghép nhiều mảnh.
Ứng Dụng
Trong X-ray kiểm tra công nghiệp bình thường, X-quang truyền qua một vật thể được phát hiện bởi một loại cảm biến duy nhất, hình dạng, tỷ trọng và các tính chất khác của vật được chụp được thực hiện bằng cách xem xét sự sai lệch màu của các lớp (shading) Trong khi đó, trong hình ảnh năng lượng kép, hình ảnh năng lượng cao và hình ảnh năng lượng thấp được chụp đồng thời bằng hai loại cảm biến, và những hình ảnh được kết hợp thông qua xử lý số học Điều này cho phép hình ảnh hiển thị thông tin chi tiết về các vật cứng và mềm có được rõ ràng hơn Hình ảnh năng lượng kép được sử dụng trong một loạt các lĩnh vực như bảo mật, nơi hóa chất đặc biệt, chất nổ, và các đối tượng nguy hiểm khác được phát hiện và trong lĩnh vực hạt, trái cây, thịt, và kiểm tra khác.
Hình 1.2.3.1: Chụp X-Quang với 2 mức năng lượng cao và thấp.
Cảm biến CCD
Cảm biến CCD Trực tiếp
CCD không cửa sổ (Windowsless) được sử dụng để phát hiện tia X trong khoảng năng lượng từ 0,5 keV đến 10 keV Tuy nhiên, để phát hiện tia X có năng lượng thấp hơn 0,5 keV, cần sử dụng cảm biến CCD được làm mỏng (back-thinned) Để đạt hiệu suất lượng tử cao ở năng lượng trên 10 keV, CCD trực tiếp với vùng nghèo dày là lựa chọn tối ưu CCD trực tiếp có khả năng chụp X-quang và phân tích tia X quang phổ, đồng thời có thể hoạt động trong chế độ đếm photon Ứng dụng của CCD trực tiếp rất đa dạng, bao gồm thiên văn tia X, phân tích huyết plasma, và phân tích tinh thể.
Nguyên lý của việc phát hiện tia X 1 cách trực tiếp:
Photon có năng lượng cao hơn mức quy định có khả năng tạo ra các cặp electron-lỗ trống khi chiếu vào cảm biến CCD Đối với photon có năng lượng thấp như ánh sáng nhìn thấy, chỉ một cặp electron-lỗ trống được sinh ra Tuy nhiên, trong trường hợp của tia UV chân không và tia X mềm với năng lượng photon lớn hơn 5 eV, nhiều cặp electron-lỗ trống sẽ được tạo ra từ một photon Năng lượng trung bình cần thiết để silicon tạo ra một cặp electron-lỗ trống khoảng 3,6 eV Ví dụ, một photon có năng lượng 5,9 keV (Kα của manga-NESE) có thể tạo ra tới 1.620 cặp electron-lỗ trống trong CCD, cho thấy số lượng electron tạo ra tỷ lệ thuận với năng lượng của photon tới.
Hình 3.1.1 minh họa kết quả chụp X-quang (Mn-Kα / Kβ) từ nguồn bức xạ Fe-55 được phát hiện bởi CCD Độ phân giải phổ được đánh giá qua FWHM, với giới hạn Fano cho đầu dò Si ở mức 109 eV Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phân giải năng lượng bao gồm hiệu năng dịch chuyển dòng điện của CCD và nhiễu CCD, đặc biệt là dòng tối Khi CCD được làm mát đầy đủ và hoạt động với hiệu năng chuyển giao dòng điện ≤ 1 × 10^-5, độ phân giải năng lượng chủ yếu bị ảnh hưởng bởi nhiễu phía đọc Để tối ưu hóa độ phân giải năng lượng, nhiễu CCD phía đọc cần nhỏ hơn 5 e- rms, và độ phân giải tối ưu phải đạt ngưỡng nhất định.
Có hai chế độ đánh giá hiệu suất lượng tử CCD trong khu vực X-ray: chế độ đếm photon và chế độ thông lượng tích hợp tất cả các photon Thông thường, hiệu năng lượng tử trong vùng nhìn thấy được đánh giá dựa trên chế độ thông lượng.
Hình 3.1.2: Tương quan hiệu suất lượng tử và năng lượng photon.
3.2 Cảm biến CCD với chất nhấp nháy:
Cảm biến CCD có khả năng phát hiện tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím, cũng như hình ảnh X-quang dưới 10 keV Tuy nhiên, để chẩn đoán y khoa và kiểm tra công nghiệp trong khoảng X-ray từ vài chục đến hơn 100 keV, cần sử dụng chất nhấp nháy để chuyển đổi tia X thành ánh sáng nhìn thấy Các chất nhấp nháy như CSI (Tl) và GOS thường được áp dụng, với khả năng chuyển đổi tia X thành ánh sáng tối đa khoảng 550 nm CCD sẽ sử dụng ánh sáng này để phát hiện X-ray, đặc biệt trong các ứng dụng hình ảnh X-ray yêu cầu đầu dò lớn, CCD chiếu sáng phía trước kết hợp với FOS (tấm quang với chất nhấp nháy) được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất.
Hình ảnh độ chi tiết cao với độ nhạy cao và ít nhiễu được đạt được nhờ vào việc sử dụng CCD loại FFT (chuyển khung hình đầy đủ), công nghệ này được áp dụng phổ biến trong phân tích và đo lường.
• Cả Ảnh chất lượng cao và ảnh dòng điện thấp
Hình ảnh CCD chất lượng cao sử dụng chất nhấp nháy CSI (Tl) để chuyển đổi tia X thành ánh sáng nhìn thấy, trong khi loại ảnh dòng điện thấp CCD lại sử dụng chất nhấp nháy GOS.
Cấu trúc và đặc tính:
• Cảm biến CCD với FOS
CCD này liên kết với FOS, hay còn gọi là FOP, sử dụng chất nhấp nháy CsI(Tl) để đạt được độ phân giải cao.
Hình 3.2.1: Cảm biến CCD với FOS
Chip CCD thường bị hư hỏng khi tiếp xúc với X-quang, nhưng với sự hỗ trợ của FOS và FOP, CCD có thể bảo vệ khỏi thiệt hại do X-quang FOP hoạt động như một lá chắn, ngăn chặn lượng tia X tiếp xúc với bề mặt CCD, từ đó giảm thiểu hiện tượng nhiễu và các điểm trắng ngẫu nhiên, giúp duy trì chất lượng hình ảnh cao.
Độ phân giải của cảm biến ảnh CCD trong FOP phụ thuộc vào các yếu tố quan trọng, bao gồm kích thước pixel, thông số chất nhấp nhỏy như vật liệu và độ dày, cũng như khoảng cách giữa chip CCD và FOP, chẳng hạn như chip phẳng.
Do cấu trúc CCD, độ phân giải xác định bởi kích thước điểm ảnh không thể vượt ngưỡng vật lý.
Các tấm chất nhấp nháy dày hơn yêu cầu cường độ phát xạ cao hơn, nhưng đồng thời làm giảm độ phân giải Sự đánh đổi giữa cường độ phát xạ và độ phân giải là cần thiết, đặc biệt khi khoảng cách giữa chip và FOP tăng lên, dẫn đến giảm độ phân giải Do đó, công nghệ giữ khoảng cách này ở mức hẹp là rất quan trọng Cần lưu ý rằng độ phẳng của FOP tương đồng với độ phẳng của chip, do đó không gây ra vấn đề.
Hình 3.2.3: Độ phân giải của CsI(TI)
Để tối ưu hóa khu vực quang dài, CCD toàn cảnh sử dụng hai chip, trong khi CCD ảnh cephalo sử dụng ba chip, với cấu hình buttable giúp bố trí các chip gần nhau Tuy nhiên, giữa mỗi chip vẫn tồn tại một số điểm chết nhỏ.
Có hai phương pháp chụp hình ảnh X-ray: chụp One-shot và chụp TDI Phương pháp One-shot sử dụng dòng điện liên tục trong các điểm ảnh CCD để tiêu hao dòng tối khi không có tia X đầu vào Trong khi đó, phương pháp TDI yêu cầu tốc độ chuyển dữ liệu của điểm ảnh phải đồng bộ với tốc độ chuyển động của đối tượng chụp.
CCD có thể gặp phải các khiếm khuyết về điểm ảnh, như điểm cháy sáng với dòng tối lớn và đốm đen do độ nhạy thấp Hiệu suất chất nhấp nháy và FOP cũng ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh của CCD với FOS Để nâng cao chất lượng hình ảnh, việc sử dụng phần mềm để bù khuyết điểm ảnh, dòng tối và độ nhạy là cần thiết Mặc dù nhiều chip CCD được kết hợp để chụp cephalo và chụp công nghiệp vẫn còn tồn tại điểm chết, phần mềm có thể giúp xử lý các khuyết điểm này.
Hãy lưu í khi sử dụng một CCD X-ray.
(1) Chống tĩnh và tăng các biện pháp: Đối với các biện pháp để tránh tĩnh điện và điện áp tăng trên một cảm biến CCD X-ray.
Tránh sử dụng và lưu trữ CCD ở những nơi có độ ẩm cao, đồng thời hạn chế rung động và sốc trong quá trình vận chuyển để bảo đảm chất lượng và độ bền của thiết bị.
Cách Sử Dụng
Có hai phương pháp chụp hình ảnh X-ray: One-shot và TDI Trong phương pháp One-shot, dòng điện liên tục được tạo ra từ dòng tối trong các điểm ảnh CCD, và cần được tiêu hao liên tục khi không có tia X đầu vào Ngược lại, phương pháp TDI yêu cầu tốc độ chuyển dữ liệu của các điểm ảnh phải đồng bộ với tốc độ chuyển động của đối tượng chụp.
CCD có thể gặp phải các khuyết điểm ảnh như điểm cháy sáng và đốm đen, ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh Hiệu suất chất nhấp nháy và FOP cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng hình ảnh của CCD Để đạt được hình ảnh chất lượng cao, việc sử dụng phần mềm để bù đắp các khuyết điểm như dòng tối và độ nhạy là cần thiết Mặc dù nhiều chip CCD được sử dụng trong chụp cephalo và chụp công nghiệp vẫn có điểm chết, phần mềm có thể giúp xử lý hiệu quả những khuyết điểm này.
Hãy lưu í khi sử dụng một CCD X-ray.
(1) Chống tĩnh và tăng các biện pháp: Đối với các biện pháp để tránh tĩnh điện và điện áp tăng trên một cảm biến CCD X-ray.
Tránh sử dụng và lưu trữ CCD ở những nơi có độ ẩm cao, đồng thời hạn chế tác động của rung động và sốc trong quá trình vận chuyển để bảo vệ thiết bị tốt nhất.
Suy giảm hiệu suất của CCD X-ray xảy ra do quá trình chiếu xạ X-ray quá mức Trong một số ứng dụng, việc thay thế CCD là cần thiết để đảm bảo chất lượng và hiệu quả của sản phẩm.
Khi xử lý CCD với FOS, cần lưu ý rằng FOP được làm từ thủy tinh, vì vậy không nên áp dụng lực mạnh hay gây sốc Tránh chạm vào phần nhấp nháy và khu vực nhạy sáng, vì một vết trầy xước có thể làm thay đổi độ nhạy Dây nối được phủ nhựa bảo vệ, nhưng cần tránh chạm vào nhựa để không gây hư hại Khi giữ cảm biến, hãy cầm bảng bằng các cạnh và không chạm vào khu vực tiếp xúc của dây dẫn và dây điện, vì điều này có thể làm hỏng cảm biến do tĩnh điện Quan trọng là không bao giờ áp lực lên FOS, vì điều này có thể làm hỏng chất nhấp nhỏy.
Khi xử lý các mô-đun, cần sử dụng một cặp lắp ráp phù hợp và tránh áp dụng lực quá mức lên phần cảm biến Việc ép, gây áp lực hoặc thả cảm biến có thể dẫn đến hư hỏng hoặc thiệt hại cho thiết bị.
Hình 3.3.1: Lưu í khi sử dụng CCD
Ứng dụng
Cảm biến CCD X-quang có khả năng tạo ra hình ảnh một lần hoặc thực hiện hình ảnh trong chế độ TDI, cho phép kiểm tra các vật thể di động trên băng tải và phục vụ cho nhiều mục đích khác.
Hình ảnh X-quang toàn cảnh (Panoramic X-ray) là thiết bị chụp hình ảnh sử dụng nguồn X-quang, được thiết kế để xoay quanh đầu bệnh nhân, giúp tạo ra hình ảnh tổng quát về cấu trúc răng miệng Thiết bị này thường được sử dụng trong việc chụp hình ảnh răng để hỗ trợ trong chẩn đoán và điều trị.
Hình 3.4.2: Chụp X Quang răng bằng phương pháp Panoramic.
Chụp Cephalo cũng sử dụng CCD để thu thập hình ảnh của đầu bệnh nhân như chụp panoramic.
Hình 3.4.3: Chụp X Quang đầu bằng phương pháp Cephalo.
Cảm biến CMOS
Đặc tính và kết cấu
So sánh CMOS và CCD:
Trong điều kiện tín hiệu thấp, cảm biến CCD mang lại chất lượng hình ảnh vượt trội Ngược lại, cảm biến CMOS, nhờ vào công nghệ CMOS, nổi bật về tính đa dụng và dễ sử dụng Hơn nữa, cảm biến CMOS còn có ưu điểm về chi phí, do các mạch điện phức tạp có thể được tích hợp trực tiếp vào trong thiết kế của chúng.
Trong các bộ cảm biến X-quang CMOS, một photodiode giám sát được gắn dọc theo truyền photodiode để phát hiện thời gian bắt đầu chiếu xạ X-ray Các tín hiệu này được gửi tới mạch điều khiển bên ngoài Khi số lượng tín hiệu vượt ngưỡng nhất định, mạch điều khiển xác định rằng sự phát xạ tia X đã bắt đầu và chỉ thị cho các bộ cảm biến CMOS khu vực theo dõi dòng điện vào và đọc ra.
Hình 4.1.1: Photodiode giám sát trong.
Tiêu thụ điện năng thấp:
Cảm biến X-Quang CMOS được trang bị bộ chuyển đổi A/D tốc độ cao 14 bit cho dữ liệu hình ảnh và bộ chuyển đổi A/D tốc độ thấp 10 bit để theo dõi dữ liệu photodiode Bộ chuyển đổi A/D tốc độ cao chỉ hoạt động khi có hình ảnh được truyền vào, trong khi bộ chuyển đổi A/D tốc độ thấp tiêu thụ ít năng lượng và hoạt động liên tục trong thời gian dài để chờ chiếu xạ X-ray Thiết kế này giúp giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng tổng thể.
Cảm biến CMOS khác với cảm biến CCD ở chỗ sử dụng địa chỉ kiểu X-Y và cần dây nối dài, dẫn đến điện dung từ dây trở thành nguồn nhiễu lớn khi các transistor trong mỗi pixel chuyển trạng thái Để khắc phục vấn đề này, cảm biến X-Quang CMOS áp dụng công nghệ APS, gắn bộ khuếch đại cho mỗi điểm ảnh Nhờ vào việc chuyển đổi dòng điện tích hợp thành điện áp cho từng pixel, hình ảnh với độ nhiễu thấp được tạo ra.
Hiệu năng phát hiện lượng tử cao:
Hiệu năng phát hiện lượng tử (DQE) là chỉ số quan trọng đánh giá hiệu suất của đầu dò X-ray, phản ánh khả năng chuyển đổi tín hiệu hình ảnh đầu ra S.
DQE (Dynamic Quantum Efficiency) là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả phát hiện photon của đầu dò X-ray, liên quan chặt chẽ đến liều bức xạ DQE cao cho thấy khả năng thu nhận hình ảnh chất lượng cao từ tia X tốt hơn Các giá trị DQE có thể được tính toán thông qua các phương trình cụ thể, giúp xác định chất lượng hình ảnh và hiệu suất của hệ thống X-ray.
MTF: chức năng chuyển giao điều chế φ: số vụ X-ray photon
Trong một hệ thống lý tưởng mà không nhiễu, DQE là bằng 1.
Cách sử dụng
Cảm biến CMOS tích hợp máy đếm, cho phép theo dõi thời gian phát tia X và đọc dữ liệu hình ảnh thông qua xung đầu vào (MST) và xung tham chiếu (MCLK) Dữ liệu từ photodiode giám sát và hình ảnh được chuyển qua một công tắc bên, giúp truyền tải dễ dàng từ dây đầu ra tương tự.
Hình 4.2.3: Sơ đồ nối dây đầu vào/ra.
Ứng dụng
Chẩn đoán hình ảnh chi tiết của 2-3 răng có thể thực hiện bằng cảm biến CMOS diện tích nhỏ trong miệng bệnh nhân Module CMOS sử dụng cảm biến 20x20 mm với độ phân giải khoảng 1000 (H) × 1500 (V) pixel hoặc 1300 (H) × 1700 (V) pixel Các chất nhấp nháy CSI (Tl) cho độ phân giải cao từ 15 đến 20 cặp dòng/mm Khớp nối FOS với CMOS mang lại độ bền cao, cho phép các module hoạt động lên đến 100.000 lần dưới chiếu xạ X-ray khoảng 250 μGy 60 KVP Ngoài ra, cảm biến CMOS mỏng và nhỏ gọn, cho phép chụp ảnh X-ray ngay cả trong khu vực hẹp.
Hình 4.3.1: Mô Đun CMOS trong nha khoa.
Cảm biến bản phẳng
Tính năng
• Tốc độ khung hình cao.
• Phạm vi hoạt động rộng.
• Có loại chất nhấp nháy CsI(Ti).
Cấu trúc
Tuyến tính tuyệt vời cho phép các dòng điện tích lũy được xuất ra theo hàng tại những thời điểm cụ thể, khi thanh ghi dịch chuyển đến địa chỉ được kích hoạt.
Khi bức xạ X-ray liên tục tác động lên đối tượng, dòng quang điện trong photodiode giữ hằng số Để tăng điện áp đầu ra, có thể làm chậm tốc độ khung hình, kéo dài thời gian tích hợp Tốc độ khung hình này được điều chỉnh thông qua chế độ kích hoạt bên ngoài Dòng bão hòa của photodiode được xác định bởi điện dung của nó, và giá trị đầu ra video sau khi chuyển đổi A/D sẽ được đặt ở mức dòng bão hòa.
Có hai loại mạch khuếch đại cho cảm biến bản phẳng: loại pixel thụ động và loại pixel hoạt động Loại pixel thụ động sử dụng một bộ khuếch đại cho mỗi cột của mảng photodiode, kết nối qua photodiode để chuyển đổi địa chỉ, tạo thành một mảng khuếch đại Mặc dù loại pixel thụ động cho phép yếu tố làm đầy cao và độ bền bức xạ tốt, nhưng điện dung đầu vào từ các dòng dữ liệu hạn chế khả năng giảm nhiễu nhiệt Ngược lại, loại pixel hoạt động khắc phục những vấn đề này bằng cách trang bị một bộ khuếch đại cho mỗi điểm ảnh, cho phép chuyển đổi dòng điện tích lũy thành điện áp.
Cấu trúc cảm biến bản phẳng loại active pixel giúp giảm thiểu nhiễu, mang lại hiệu suất tốt hơn so với chế độ pixel thụ động hiện tại Với mức độ nhiễu thấp và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (S/N) cao, cảm biến này cung cấp chất lượng hình ảnh vượt trội và rõ nét.
Hình 5.2.1: Cấu trúc loại pixel thụ động điều khiển bởi dòng.
Hình 5.2.2: Cấu trúc loại pixel tích cực (Active Pixel Type)
Cảm biến bản phẳng sử dụng phương pháp phát hiện X-quang gián tiếp, chuyển đổi tia X thành ánh sáng qua chất nhấp nháy và sau đó phát hiện ánh sáng đó Việc tối ưu hóa công nghệ giúp các cảm biến bản phẳng đạt độ nhạy cao, phù hợp với đặc tính quang phổ của chất nhấp nháy Chất nhấp nháy CSI (Tl) thường được sử dụng trong các cảm biến màn hình bản phẳng, với các tinh thể kim loại cho phép ánh sáng truyền qua Nhờ vào chất nhấp nháy CSI (Tl), cảm biến bản phẳng có độ phân giải cao và cường độ phát thải tốt hơn so với các cảm biến sử dụng chất nhấp nháy khác như GOS.
Hình 5.2.3: 2 loại chất nhấp nháy.
Có hai phương pháp khớp nối chất nhấp nháy với photodiode: sử dụng FSP (lật tấm chất nhấp nháy) và lắng đọng trực tiếp chất nhấp nháy vào photodiode Phương pháp FSP, với tấm kính gắn chất nhấp nháy gần photodiode, cho cường độ huỳnh quang tốt hơn khi sử dụng CSI (Tl) so với GOS Trong khi đó, lắng đọng trực tiếp cải thiện độ phân giải nhờ ngăn chặn sự phát huỳnh quang tán xạ Ha-mamatsu cung cấp cả hai loại FSP và cảm biến lắng đọng trực tiếp, cho phép lựa chọn theo ứng dụng cụ thể.
Kĩ thuật Tiling – ghép mảnh:
Một số cảm biến bản phẳng có diện tích quang khổ lớn được phát triển nhờ kỹ thuật ốp lát chính xác cao, cho phép tạo ra hình ảnh X-ray mà không có khoảng trống ở các cạnh Mặc dù độ nhạy của các điểm ảnh ở các cạnh ốp lát có giảm, nhưng vẫn đủ cao để được cải thiện bằng phần mềm, giúp thu được hình ảnh liền mạch.
Hình 5.2.4: Ghép mảnh cảm biến.
Nguyên lí hoạt động
Phương pháp đọc tín hiệu:
Các phương pháp sau đây thường được sử dụng để đọc các tín hiệu kỹ thuật số.
Phương pháp nối tiếp ổ đọc dữ liệu video bằng cách xử lý từng điểm ảnh một, dẫn đến tỷ lệ khung hình chậm khi số lượng điểm ảnh lớn Ngược lại, phương pháp ổ song song cho phép xử lý nhiều điểm ảnh cùng lúc, cải thiện hiệu suất và tăng tốc độ khung hình.
Phương pháp cổng readout chia vùng quang nguyên khối thành nhiều phần và đọc dữ liệu video qua cổng duy nhất bằng cách lái xe mỗi khối song song Hình 5-8 minh họa sơ đồ của một vùng quang chia thành các khối "n" Do bộ cảm biến bản phẳng có nhiều pixel hơn một mil-sư tử, phương pháp ổ nối tiếp có thể dẫn đến tỷ lệ khung hình thấp Ngược lại, các phương pháp cổng readout duy nhất cung cấp tốc độ cao và dễ dàng xử lý dữ liệu video, do đó được sử dụng phổ biến cho hầu hết các cảm biến bản phẳng.
Phương pháp multiport readout cho phép đọc dữ liệu video qua nhiều cổng, giúp tăng cường khả năng truyền tải dữ liệu hình ảnh trong một đơn vị thời gian So với các phương pháp đọc cổng đơn, phương pháp này mang lại hiệu suất cao hơn Nhiều cảm biến bản phẳng hiện nay đã áp dụng kỹ thuật này để tối ưu hóa quá trình thu thập dữ liệu.
Hình 5.3.1: Chế độ đọc tín hiệu ra song song.
Cảm biến bản phẳng cung cấp nhiều giao diện video đầu ra, bao gồm RS-422, LVDS, USB 2.0 và Gig-E Đặc biệt, USB 2.0 và Gig-E tương thích với giao diện máy ảnh kỹ thuật số DCAM của chúng tôi.
Một số đường mạch cảm biến bản phẳng cho phép di chuyển chuột và đồng thời đọc nhiều dữ liệu pixel, với khả năng chọn lên đến 4 × 4 điểm ảnh để binning, tùy thuộc vào loại đường mạch cảm biến Việc tăng số lượng binning pixel có thể ảnh hưởng đến tỷ lệ khung hình của cảm biến Cần lưu ý rằng độ phân giải cao nhất chỉ đạt được khi hoạt động ở chế độ đơn lẻ (1 × 1) mà không sử dụng chế độ binning.
Đặc tính
Các khu vực nhạy của cảm biến bản phẳng bao gồm mảng photodiode hai chiều, với các phản ứng quang phổ điển hình Hình 5-9 minh họa phản ứng quang phổ của cảm biến bản phẳng thông thường và phổ phát xạ của chất nhấp nháy CSI (Tl) Để đạt được độ nhạy cao, các mảng photodiode được thiết kế tối ưu cho vùng bước sóng phát xạ đỉnh cao của CSI (Tl) Phạm vi năng lượng tia X mà cảm biến bản phẳng nhạy cảm phụ thuộc vào đường mạch cảm ứng, và thông tin chi tiết có thể tham khảo trong datasheets của nhà sản xuất.
Hình 5.3.2: Ví dụ về đáp ứng phổ của CsI(Ti).
Cảm biến bản phẳng hiện tuyến tính tuyệt vời so với các cấp độ X-ray cố Hình 5-
10 cho thấy các tuyến tính đầu ra của cảm biến bản phẳng (14-bit đầu ra) Giới hạn trên của đầu ra 14-bit là 16.383 mức màu xám.
Hình 5.3.3: Đầu ra tuyến tính.
Video đầu ra màu tối:
Khi thời gian tích hợp được kéo dài, đầu ra video tối sẽ tăng lên do sự ảnh hưởng của các photodiode tối Hình 5-11 minh họa mối quan hệ giữa đầu ra video tối và thời gian hội nhập đối với một bộ cảm biến bản phẳng với đầu ra 14-bit.
Hình 5.3.4: Tương quan đầu ra video dòng tối và thời gian tích hợp.
Sau khi bật điện, video output có hiện tượng trượt nhẹ, như minh họa trong Hình 5-12 Trong chế độ kích hoạt nội bộ với tần suất 2 khung hình/giây, đầu ra video tối ít thay đổi Tuy nhiên, ở tỷ lệ khung hình chậm, đầu ra video tối lại có sự biến động đáng kể Đối với các ứng dụng mà sự biến động này ảnh hưởng đến chất lượng đầu ra, việc xác định tần suất tối ưu là rất quan trọng để điều chỉnh và giảm thiểu hiện tượng trôi dạt.
Hình 5.3.5: Tính chất của sự trượt của đầu ra video tối.
Dải tương phản và nhiễu:
Cảm biến bản phẳng được phát triển từ bộ cảm biến CMOS, trong đó hình ảnh từ các cảm biến CMOS chuyển phí tích lũy trong photodiodes đến mạch readout qua các dòng video Trong chế độ thụ động của pixel cảm biến CMOS hiện nay, nhiễu được mô tả bởi phương trình (4), với các dòng phim ký sinh điện dung (Cd) lớn hơn nhiều so với dung photodiode (Cp) và bộ khuếch đại phản hồi điện dung (Cf), dẫn đến dòng phim ký sinh dung trở thành nguồn chính của nhiễu Giới hạn dưới của dải động cảm biến bản phẳng được xác định bởi nhiễu, trong khi giới hạn trên được xác định bởi phí bão hòa, cho thấy rằng phạm vi hoạt động phụ thuộc vào tỷ lệ phí ngồi-uration với nhiễu Trong các loại pixel hoạt động, dòng phim ký sinh dung rất thấp, do đó, nhiễu cũng giảm.
Độ phân giải là mức độ chi tiết mà cảm biến ảnh có thể tái tạo từ đầu vào Các khu vực nhạy của cảm biến bản phẳng bao gồm nhiều photodiodes được sắp xếp thường xuyên, cho phép đầu ra được chia tách vào từng pixel Như hình 5-13 minh họa, khi đầu vào là một đường mạch sóng vuông của màu đen và trắng với các khoảng thời gian khác nhau, sự khác biệt giữa kết quả đầu ra màu đen và trắng sẽ giảm khi độ rộng xung của đầu vào trở nên hẹp hơn.
Độ mịn của các đường màu đen và trắng trên đường mạch đầu vào phụ thuộc vào tần số không gian của chúng, được đo bằng số lượng cặp đường màu trên mỗi đơn vị dài Tần số không gian tương ứng với nghịch đảo khoảng cách giữa các viền mép trắng trong pat-chim nhạn, thường được biểu diễn bằng dòng cặp/mm Khi đường mạch đầu vào tốt hơn hoặc có tần số không gian cao hơn, CTF sẽ thấp hơn.
Độ phân giải và độ nhạy của cảm biến bản phẳng với X-quang phụ thuộc vào độ dày của chất nhấp nháy Scintillator, tạo thành một mối quan hệ cân bằng Cảm biến bản phẳng của chúng tôi được thiết kế tối ưu để đạt được độ dày chất nhấp nháy phù hợp, kết hợp với kích thước điểm ảnh nhằm cung cấp độ phân giải và độ nhạy cao.
Khi sử dụng dò tia X thông thường, hoạt động của thiết bị có thể suy giảm đáng kể do chiếu xạ X-ray, dẫn đến giảm độ nhạy và tăng đầu ra video tối Tương tự, đặc điểm cảm biến bản phẳng cũng có thể xấu đi do chiếu xạ X-ray Để hạn chế tác động này, cảm biến bản phẳng có thể được thiết kế để sử dụng trong một phạm vi năng lượng tia X nhất định, chẳng hạn như từ 20 KVP đến 100 KVP, và có thể chịu được một liều chiếu xạ tích lũy lên đến một triệu roentgens Tuy nhiên, khi vùng quang được chiếu xạ đồng nhất với X-quang, các hiện tối có thể tăng gần như đều trên diện tích quang, và nếu vượt quá giới hạn chỉnh sửa hình ảnh tối, cảm biến bản phẳng nên được thay thế Để kéo dài tuổi thọ của cảm biến bản phẳng, có thể thiết lập liều X-ray đến mức độ thấp hơn và sử dụng xung X-quang.
Ví dụ, trên C7942CA-22, nếu 80 KVP của X-quang được chiếu xạ hơn 4 giờ một ngày (1 × 1 chế độ, tỷ lệ khung hình: 2 khung hình / s), vòng đời cảm biến là 152 ngày.
Cách Sử Dụng
Việc thiết lập hệ thống hình ảnh X-quang với cảm biến bản phẳng rất đơn giản, chỉ cần kết nối cảm biến với máy tính và cấp nguồn điện qua cáp dữ liệu và cáp điện Một số mạch có thể yêu cầu cáp đầu vào kích hoạt từ bên ngoài Khi điện áp được cung cấp cho cảm biến, quá trình thu nhận hình ảnh X-quang sẽ bắt đầu ngay lập tức từ máy tính Hình 5-15 minh họa một ví dụ về kết nối của hệ thống này, trong đó sử dụng nguồn điện một chiều ổn định thông qua biến áp.
Hình 5.5.1: Ví dụ về phương thức kết nối.
Cảm biến bản phẳng có hai chế độ kích hoạt: kích hoạt nội bộ và kích hoạt từ bên ngoài Trong chế độ kích hoạt nội bộ, cảm biến hoạt động liên tục với tốc độ khung hình tối đa, xuất ra tín hiệu đồng bộ và tín hiệu video Để chụp ảnh bằng chế độ kích hoạt bên ngoài, cần áp dụng các xung kích hoạt từ bên ngoài, như hình 5-16 minh họa Tín hiệu Vsync +, Hsync + và tín hiệu video sẽ được phát ra sau thời gian trôi qua TVD từ cạnh lên của xung kích hoạt Để đồng bộ với các nguồn tia X, sử dụng X-quang Dur ing Txray.
Dòng điện tích lũy trong các diode tách sóng quang được chuyển giao cho mạch readout thông qua các dòng dữ liệu, sử dụng công tắc CMOS cho từng điểm ảnh từ thanh ghi dịch Lỗi hở mạch có thể xảy ra trong các cảm biến có khu vực nhạy sáng lớn, nhưng phần mềm có thể sửa chữa sai sót này dựa trên giá trị của các điểm ảnh xung quanh, giúp thu được hình ảnh hoàn hảo Phí rò rỉ từ dòng khiếm khuyết có thể làm tăng sản lượng của các điểm ảnh liền kề, và hiện tượng này cũng có thể được khắc phục bằng phần mềm.
Cảm biến bản phẳng hiện đại áp dụng công nghệ xử lý mạch CMOS và CDS cho phép thu được hình ảnh với độ đồng bộ cao Bên cạnh đó, công nghệ này còn nâng cao chất lượng hình ảnh thông qua việc điều chỉnh phần mềm.
Cảm biến bản phẳng có thể bị suy giảm hiệu suất do chiếu xạ X-ray, dẫn đến giảm độ nhạy và tăng đầu ra video tối sau thời gian dài sử dụng hoặc khi tiếp xúc với liều lượng bức xạ lớn Để khắc phục tình trạng này, cần điều chỉnh hình ảnh bằng phần mềm nhằm đáp ứng chính xác yêu cầu phát hiện, đồng thời thực hiện việc thay thế định kỳ các cảm biến bản phẳng như một phần của quy trình bảo trì.
Ứng Dụng
Tạo ảnh tia X bằng cách sử dụng nguồn xung tia X:
Trong hầu hết các hình ảnh X-quang, nguồn tia X hoạt động liên tục và không cần đồng bộ hóa với đầu dò Tuy nhiên, khi sử dụng nguồn X-ray xung, phát ra lượng phóng xạ cao trong thời gian ngắn, các đầu dò cần phải được đồng bộ với thời gian phát thải của nguồn tia X để thu được hình ảnh chính xác.
Khi sử dụng cảm biến bản phẳng với nguồn X-quang xung, việc thiết lập chế độ kích hoạt bên ngoài cho các cảm biến này sẽ trở nên thuận tiện Trong chế độ này, một tín hiệu kích hoạt từ bên ngoài được nhập vào các cảm biến, cho phép đọc các dòng điện đã tích lũy trong photodiodes Các dòng điện này sẽ tiếp tục được tích lũy cho đến khi nhận được tín hiệu kích hoạt Để tạo ra hình ảnh đồng bộ với nguồn tia X xung, các nguồn tia X cần phát ra tia X tại các khoảng kích hoạt thích hợp.
Hình 5.5.2: Biểu đồ căn thời gian.
Thu ảnh phóng lớn của những vật nhỏ:
Cảm biến bản phẳng có khả năng tạo ra hình ảnh mở rộng với độ phân giải cao và không bị méo Độ phóng đại hình ảnh được xác định bởi công thức phóng đại = D1/D2, trong đó D1 là khoảng cách giữa nguồn tia X và cảm biến, còn D2 là khoảng cách giữa nguồn tia X và đối tượng Khi khoảng cách giữa cảm biến và nguồn tia X được cố định, độ phóng đại sẽ tăng lên khi các đối tượng gần hơn với nguồn tia X Tuy nhiên, hình ảnh sẽ trở nên mờ hơn do kích thước điểm đầu mối của nguồn tia X lớn hơn Do đó, việc sử dụng nguồn tia X với kích thước điểm nhỏ sẽ giúp tạo ra hình ảnh sắc nét và rõ ràng ngay cả khi phóng đại.
Hình 5.5.3: Méo ảnh với những tiêu cự khác nhau của nguồn phát tia X.
Chụp CT với sóng hình nón:
Chùm CT hình nón sử dụng nguồn tia là phương pháp tối ưu để khai thác toàn bộ tính năng của bộ cảm biến bản phẳng, nhờ vào khu vực nhạy quang lớn.
X chùm nón phát ra tia X trên diện rộng, với nguồn X-quang và bộ cảm biến bản phẳng được đặt đối diện nhau, vật thể được đặt ở trung tâm Hình ảnh của đối tượng sẽ được tái tạo khi nguồn X-quang và cảm biến xoay cùng tốc độ quanh vật thể.
Dữ liệu hình ảnh hai chiều được thu thập và tái tạo bởi máy tính để tạo ra hình ảnh X-ray ba chiều Công nghệ CT tia hình nón cho phép thu được hình ảnh X-quang ba chiều của các đối tượng lớn trong thời gian ngắn, nhờ vào cảm biến bản phẳng có tốc độ khung hình cao và diện tích quang lớn.
