Các Loại Cảm Biến Ảnh trong XQuang Số

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG
──────── * ───────

Bản Dịch Tài Liệu

Các Loại Cảm Biến Ảnh trong XQuang Số

Sinh viên thực hiện : ĐTTT03>
Dịch toàn bộ tài liệu.

Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thái Hà

Hà Nội, 05 tháng 01 năm 2017


Các loại cảm biến X Quang số

Nội Dung
1.

Photodiode Si:.......................................................................................................4
1.1. Si Photodiod trực tiếp....................................................................................5

2.

Mảng Si photodiode:............................................................................................7
2.1. Cấu trúc:.........................................................................................................7
2.2. Đặc tính:..........................................................................................................9
2.3. Ứng Dụng......................................................................................................10

3.

Cảm biến CCD....................................................................................................12
3.1. Cảm biến CCD Trực tiếp:............................................................................12
3.2. Cảm biến CCD với bột phát quang:............................................................13
3.3. Cách Sử Dụng:..............................................................................................16
3.4. Ứng dụng:.....................................................................................................18

4.

Cảm biến CMOS:...............................................................................................20
4.1. Đặc tính và kết cấu:......................................................................................20
4.2. Cách sử dụng:...............................................................................................22
4.3. Ứng dụng:.....................................................................................................22

5.

Cảm biến bản phẳng:.........................................................................................24
5.1. Tính năng:.....................................................................................................24
5.2. Cấu trúc:.......................................................................................................24
5.3. Nguyên lí hoạt động:....................................................................................28
5.4. Đặc tính:........................................................................................................29
5.5. Cách Sử Dụng:..............................................................................................34
5.6. Ứng Dụng:......................................................................................................35

2


Các loại cảm biến X Quang số

Tổng Quan:
X-quang được phát hiện đầu tiên bởi Tiến sĩ W. Roentgen ở Đức vào năm 1895
và vẫn đang được sử dụng trong một loạt các lĩnh vực như vật lý, công nghiệp, và chẩn
đốn y tế. Đầu dị cho các ứng dụng X-ray trải trên một phạm vi rộng bao gồm đầu dò
Si, đầu dò đơn tinh thể, và đầu dò hợp chất. Có rất nhiều loại đầu dị được chế tạo, đặc
biệt là loại đơn tinh thể Si. Đối với các đầu dị tia X, có thể kể đến Si photodiodes, Si
APDs, cảm biến CCD, và cảm biến CMOS, cảm biến bản phẳng, vv. Các ứng dụng
của đầu dò X-ray bao gồm chụp nha khoa X-quang và CT X-quang (chụp cắt lớp máy
tính) trong lĩnh vực thiết bị y tế.
Tại vùng X-quang năng lượng thấp - gọi là vùng tia X mềm từ vài trăm eV đến
khoảng 20 keV, đầu dò trực tiếp như photodiodes Si PIN, Si APDs, và cảm biến CCD
được sử dụng. Những đầu dò này cung cấp hiệu suất phát hiện và độ phân giải năng
lượng cao, và do đó được sử dụng trong phân tích chùm X-ray, X-quang quan sát thiên
văn, thí nghiệm vật lý, vv. Tia X cứng với năng lượng cao hơn so với tia X mềm được
sử dụng trong các thiết bị công nghiệp và y tế vì hiệu quả xuyên thấu qua các vật thể
cao. Đầu dò với chất nhấp nháy (chất nhạy với tia X, chất nhấp nháy) được sử dụng
rộng rãi trong các ứng dụng này. Đầu dò này sử dụng chất nhấp nháy để chuyển đổi tia
X thành ánh sáng và phát hiện ánh sáng này để phát hiện X-quang 1 cách gián tiếp.
Đặc biệt là trong lĩnh vực y tế, phương pháp X-quang kỹ thuật số, trong đó sử dụng
đầu dị tia X với diện tích quang lớn, đang trở thành chủ đạo, thay thế phương pháp
dựa trên phim thông thường. Trong kiểm tra công nghiệp, ảnh năng lượng kép, cho
phép hình ảnh chụp với tơng sâu bằng cách liên tục phát hiện những tia X với năng
lượng cao và năng lượng thấp, đang trở nên ngày càng phổ biến.

3


Các loại cảm biến X Quang số

1. Photodiode Si:
Khi được sử dụng để phát hiện X-ray, Si photodiodes thường sử dụng với chất
nhấp nháy để tạo thành đầu dò kết hợp chất nhấp nháy. Có thể kể đến hai loại
photodiodes Si để phát hiện X-ray: Si Photodiodes với chất nhấp nháy và Si
photodiodes không chất nhấp nháy. Trong cả hai trường hợp, Si photodiodes có đáp
ứng quang phổ phù hợp với dải phát quang của chất nhấp nháy.
Trong trường hợp của Si Photodiodes với chất nhấp nháy, CSI (Tl) chất nhấp
nháy hoặc chất nhấp nháy gốm GOS được kết hợp với các photodiodes Si. Khu vực
xung quanh chất nhấp nháy có phủ một lớp phản xạ để ngăn chặn ánh sáng phát ra từ
các chất nhấp nháy thoát ra bên ngồi vùng nhạy sáng.

Hình 1.1: Photodiode Si với chất nhấp nháy.
Photodiodes Si chiếu sáng từ phía sau có vùng giao PN trên đối diện bề mặt ánh
sáng đến [Hình 1-2]. Bề mặt photodiode được gắn với chất nhấp nháy là nhẵn và
khơng có dây. Điều này ngăn cản các photodiode không bị ảnh hưởng khi người dùng
gắn các chất nhấp nháy. Ngồi ra, các đầu dị có thể được làm nhỏ vì khơng có khu
vực cho dây như trong loại chiếu sáng từ phía trước. Hơn nữa, nhiều diode tách sóng
quang có thể được bố trí với ít điểm chết, có thể được sử dụng như một đầu dị tia X có
diện tích lớn.
4


Các loại cảm biến X Quang số

Hình 1.2: Ví dụ các photodiode Si kết hợp với chất nhấp nháy.

1.1. Photodiode Si trực tiếp:
Vì X-quang khơng có điện tích, chúng khơng trực tiếp tạo ra các cặp electron-lỗ
trống trong một tinh thể silicon. Tuy nhiên, sự tương tác của các nguyên tử silic với Xquang gây ra việc phát xạ từ trạng thái cơ bản của các electron có năng lượng tương
đương đã bị mất bởi các tia X đã phát xạ. Tương tác Coulomb của các electron tạo ra

cặp electron-lỗ trống, và những cặp này được dung như 1 cách để phát hiện X-quang.
Do đó, xác suất mà X-quang sẽ tương tác với các nguyên tử silicon là một yếu tố quan
trọng khi phát hiện X-quang trực tiếp.
Si photodiodes trực tiếp hiệu quả có thể phát hiện tia X ở mức năng lượng 50 keV
hoặc ít hơn. Phát hiện X-quang với năng lượng ít hơn 50 keV bị chi phối bởi các hiệu
ứng quang điện đó chuyển đổi năng lượng X-ray thành năng lượng điện tử, vì vậy tất

5


Các loại cảm biến X Quang số
cả năng lượng của các hạt X-quang sau đó có thể được phát hiện bằng cách đo các
electron được tạo ra bằng Si photodiode.
Phát hiện tia X và tia gamma từ 50 keV đến 5 MeV bị ảnh hưởng bởi sự tán xạ
Compton, và một phần của năng lượng tia X và tia gamma biến thành năng lượng
eletron. Trong trường hợp này, xác suất mà X-quang suy yếu và tia gamma sẽ tiếp tục
tương tác với silicon (do hiệu ứng quang điện và tán xạ Compton) cũng ảnh hưởng đến
khả năng phát hiện, làm cho hiện tượng phức tạp hơn.
Hình 1-3 cho thấy xác suất (đường chấm) của hiệu ứng quang điện và tán xạ
Compton có thể xảy ra trong một chất nền silicon dày 200 micron, và tổng xác suất
tương tác (đường liền) của các chất nền silicon là 200 micromet, 300 micromet, và dày
500 micromet.
Như có thể thấy từ hình, diode tách sóng quang được tạo ra với một đế Si dày
cung cấp xác suất phát hiện cao hơn. Với đế Si dày 500 micromet, xác suất phát hiện
là gần 100% ở 10 keV, nhưng rơi xuống chỉ còn vài % ở 100 keV. Phạm vi gần đúng
của các electron bên trong một photodiode trực tiếp Si là 1 micromet ở 10 keV và 60
micromet ở 100 keV.

Hình 1.3: Khả năng phát hiện của photodiode Si 1 cách trực tiếp

6


Các loại cảm biến X Quang số

2. Mảng Si photodiode:
Thiết bị kiểm tra hành lý để kiểm tra hình dạng và vật liệu của các mục trong
hành lý được sử dụng tại các sân bay và các phương tiện khác. Gần đây, có độ chính
xác cao thiết bị kiểm tra hành lý đang được phát triển. Mảng photodiode Si với chất
nhấp nháy được sử dụng rộng rãi trong các loại thiết bị kiểm tra hành lý. X-quang
chiếu vào hành lý, đi qua các vật thể và được chuyển đổi thành ánh sáng bằng chất
nhấp nháy. Sau đó, ánh sáng chuyển đổi được phát hiện bởi các mảng photodiode Si.
Mảng photodiode Si để kiểm tra hành lý có đặc trưng nhiễu thấp và độ nhạy phù hợp.
Các chip photodiode được gắn với độ chính xác cao cho phép phát hiện chính xác.
Hơn nữa, phạm vi nhạy của chúng phù hợp với bước sóng phát xạ của chất nhấp nháy
làm cho chúng phù hợp để kiểm tra hành lý.

2.1. Cấu trúc:
Nhiều trong số các mảng photodiode Si cho các thiết bị kiểm tra hành lý sử dụng
cấu trúc chiếu sang sau. Vì Mảng photodiode Si chiếu sáng sau khơng có đường mạch
hay dây trên bề mặt để chất nhấp nháy gắn vào, thiệt hại cho các đường mạch và dây
điện khi lắp chất nhấp nháy có thể tránh được. Hình dưới cho thấy mặt cắt ngang khi
một photodiode trước chiếu sáng được kết hợp với chất nhấp nháy và khi một
photodiode chiếu sáng sau được kết hợp với chất nhấp nháy. Ví dụ về các chất nhấp
nháy bao gồm CSI (Tl) và GOS gốm. GOS tính năng gốm biến thể nhỏ trong phát xạ
ánh sáng và độ tin cậy cao.

7

Các loại cảm biến X Quang số

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.

8


Các loại cảm biến X Quang số

2.2. Đặc tính:
• Dịng điện thấp:
Việc áp dụng một cấu trúc chiếu sáng sau đơn giản hoá việc gắn chất nhấp nháy
và các quá trình khác, điều này dẫn đến quá trình sản xuất ngắn gọn hơn. Hơn nữa,
mảng photodiode Si chiếu sáng sau sử dụng chân tiếp xúc cho các điện cực của họ.
Các chân tiếp xúc được sử dụng trong quá trình sản xuất màn hình LCD và như thế và
rất thích hợp cho sản xuất với khối lượng lớn. Việc sử dụng các chân tiếp xúc đã cắt
giảm dòng điện khi so sánh rất nhiều.
• Mạnh mẽ
Thơng qua việc áp dụng một cấu trúc chiếu sang sau, thiết bị đầu cuối đầu ra các
mảng photodiode của được kết nối với các điện cực của mạch sử dụng chân tiếp xúc
mà không cần dây. Các hệ thống dây điện được chạy ngay trong bo mạch.
• Độ tin cậy cao
Từ mảng photodiode Si chiếu sáng sau khơng có đường mạch hay dây trên bề mặt
mà chất nhấp nháy được gắn trên, chất nhấp nháy có thể được gắn vào các mảng
photodiode mà khơng làm tổn hại đến các đường mạch và dây điện. Độ tin cậy cao
được thực hiện vì khơng có dây, vốn rất dễ bị hỏng do sự thay đổi nhiệt độ hoặc bị ảnh
hưởng tiêu cực bởi những cách khác.
• Độ nhạy thống nhất tuyệt vời:
Trong mảng Si photodiode chiếu sáng sau (S11212 / S11299 series), sự không

đồng đều về độ nhạy được giảm 1 cách tối đa, các điểm ở phần rìa của cảm biến cũng
được tối ưu hóa độ nhạy. Tính thống nhất trong độ nhạy đã được cải thiện rất nhiều so
với các sản phẩm trước đó (S5668 series) và cho phép hình ảnh X-ray chất lượng cao
có thể được tạo ra.

9


Các loại cảm biến X Quang số

Hình 1.2.2.1: Độ nhạy có tính đồng nhất
• Cho phép ghép nhiều mảnh:
Khơng sử dụng dây nên các cảm biến này có thể được xeepslats cạnh nhau.

Hình 1.2.2.2: Cho phép ghép nhiều mảnh.

2.3. Ứng Dụng
 Ảnh năng lượng kép:
10


Các loại cảm biến X Quang số
Trong X-ray kiểm tra cơng 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 thơng 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.

11


Các loại cảm biến X Quang số

3. Cảm biến CCD
3.1. Cảm biến CCD Trực tiếp:
CCD không cửa sổ (Windowsless) được sử dụng để trực tiếp phát hiện tia X từ
0,5 keV đến 10 keV. Những CCD không thể được sử dụng để phát hiện tia X có năng
lượng thấp hơn 0,5 keV vì một lớp hấp thụ tồn tại trên bề mặt CCD. một cảm biến
CCD trực tiếp phía sau được làm mỏng (back-thinned) phải được sử dụng để phát hiện
tia X có năng lượng thấp hơn 0,5 keV. để đạt được hiệu suất lượng tử cao trong khu
vực năng lượng cao hơn 10 keV, một CCD trực tiếp với vùng nghèo dày phải được sử
dụng . CCD trực tiếp có khả năng chụp X-quang và tia X quang phổ. Tia X cũng có
thể được phát hiện trong chế độ đếm photon (phương pháp để đếm các photon từng hạt
một). CCD trực tiếp được sử dụng trong các lĩnh vực như thiên văn tia X, phân tích
huyết tương, và phân tích tinh thể.

 Nguyên lý của việc phát hiện tia X 1 cách trực tiếp:
Photon năng lượng cao hơn so với mức quy định tạo ra các cặp electron-lỗ trống
khi chúng chiếu vào một cảm biến CCD. Nếu năng lượng photon là nhỏ như trong
trường hợp của ánh sáng nhìn thấy, chỉ có một cặp electron-lỗ trống được tạo ra bởi
một photon. Trong vacuum- UV-ray và vùng X-quang mềm có năng lượng photon lớn
hơn 5 eV, nhiều cặp electron-lỗ trống được tạo ra bởi một photon. năng lượng trung
bình cần thiết cho silicon để sản xuất một cặp electron-lỗ là khoảng. 3,6 eV. vì vậy,

một photon tới 5,9 keV (Kα của manga-NESE), ví dụ, tạo ra 1.620 cặp electron-lỗ
trống trong CCD. Số lượng các electron tạo ra trong việc trực tiếp phát hiện tia X là tỷ
lệ thuận với năng lượng của các photon tới.

 Đặc tính:
Hình 3.1.1 cho thấy kết quả khi chụp X-quang (Mn-Kα / Kβ) phát ra từ một
nguồn bức xạ Fe-55 được phát hiện bởi một CCD. Độ phân giải phổ thường được đánh
giá bằng cách sử dụng các FWHM (toàn bộ chiều rộng ở nửa tối đa). Các Fano giới
hạn (giới hạn lý thuyết năng lượng reso-lution) của đầu dò Si cho Fe-55 là 109 eV. các
yếu tố chính làm suy giảm năng lượng độ phân giải là hiệu năng dịch chuyển dòng
điện của CCD và nhiễu CCD bao gồm cả dòng tối. Khi một CCD được đầy đủ hạ nhiệt
và được hoạt động trong điều kiện hiệu năng chuyển giao dòng điện là 1 × 10^-5 hoặc
ít hơn, độ phân giải năng lượng được xác định bởi nhiễu phía đọc. Để cải thiện độ
phân giải năng lượng, nhiễu CCD phía đọc phải bé hơn 5 e- rms. Độ phân giải năng
lượng tối ưu cho CCD phải thuộc 1 ngưỡng nhất định.
Có hai chế độ để đánh giá hiệu suất lượng tử CCD trong khu vực X-ray. Một là
chế độ đếm photon, và còn lại là chế độ thơng lượng tích hợp tất cả các photon. Hiệu
năng lượng tử trong vùng nhìn thấy thường được đánh giá ở chế độ thông lượng.

12


Các loại cảm biến X Quang số

Hình 3.1.1

Hình 3.1.2: Tương quan hiệu suất lượng tử và năng lượng photon.

3.2. Cảm biến CCD với chất nhấp nháy:
Bên cạnh hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, cảm biến CCD có thể

trực tiếp phát hiện và hình ảnh X-quang dưới 10 keV. Tuy nhiên, trong khu vực X-ray
từ vài chục đến hơn 100 keV được sử dụng để chẩn đoán y khoa và kiểm tra công
nghiệp, chất nhấp nháy là cần thiết để chuyển đổi các tia X thành ánh sáng nhìn thấy
13


Các loại cảm biến X Quang số
được. Trong trường hợp này, chất nhấp nháy CSI (Tl) và GOS thường được sử dụng,
trong đó chuyển đổi tia X thành ánh tại tối đa là khoảng 550 nm. CCD sau đó dùng
ánh sáng này để phát hiện X-ray. Trong các ứng dụng hình ảnh X-ray địi hỏi đầu dị có
diện tích lớn, chúng ta sử dụng CCD chiếu sáng phía trước cùng với một FOS (tấm
quang với chất nhấp nháy).

 Tính năng:
• Hình ảnh độ chi tiết cao:
Độ nhạy cao và ít nhiễu được thực hiện bằng cách sử dụng CCD loại FFT
(chuyển khung hình đầy đủ) được sử dụng rộng rãi để phân tích và đo lường.
• Cả Ảnh chất lượng cao và ảnh dịng điện thấp
Hình ảnh CCD chất lượng cao sử dụng chất nhấp nháy CSI (Tl) để chuyển đổi Xquang để ánh sáng nhìn thấy, và loại ảnh dòng điện thấp CCD sử dụng chất nhấp nháy
GOS.

 Cấu trúc và đặc tính:
• Cảm biến CCD với FOS
CCD này gắn với FOS hay được gọi là FOP với chất nhấp nháy. CCD này được sử
dụng chất nhấp nháy CsI(Tl) để đạt độ phân giải cao.

Hình 3.2.1: Cảm biến CCD với FOS
Thông thường, chip CCD hư hỏng dần khi tiếp xúc với X-quang. Tuy nhiên, CCD
này với FOS có FOP trên diện tích quang chip CCD, và FOP cũng phục vụ như một lá
chắn X-ray để ngăn chặn thiệt hại bởi X-quang . Dòng điện tạo ra bởi tia X tới gần bề

mặt của CCD có thể gây ra nhiễu, tạo ra các điểm trắng tại các vị trí ngẫu nhiên. Nó
làm giảm chất lượng hình ảnh. CCD này với FOS, tuy nhiên, CCD này duy trì hình
ảnh chất lượng cao vì lượng tia X chạm đến CCD là nhỏ do FOP đã chặn lại tia X.

14


Các loại cảm biến X Quang số

Hình 3.2.2: Tia X trong FOP
Độ phân giải của cảm biến ảnh CCD với FOS chủ yếu được xác định bởi các yếu
tố sau đây:
· Kích thước Pixel
· Thống số chất nhấp nháy (vật liệu, độ dày)
· Khoảng cách giữa con chip CCD và FOP (ví dụ, chip phẳng)
Do cấu trúc CCD, độ phân giải xác định bởi kích thước điểm ảnh khơng thể vượt
ngưỡng vật lý.
Các tấm chất nhấp nháy dày hơn khiến cho cường độ phát xạ phải cao hơn, nhưng
độ phân giải sẽ giảm khi tăng độ dày (phải đánh đổi giữa cường độ phát xạ và độ phân
giải) .Do độ phân giải giảm khi khoảng cách giữa chip và FOP trở nên rộng hơn, công
nghệ để giữ khoảng cách này ở một độ hẹp nhất định là điều cần thiết. Lưu ý rằng độ
phẳng FOP là tương đồng với độ phẳng chip và vì thế điều này khơng gây ra vấn đề.

Hình 3.2.3: Độ phân giải của CsI(TI)
15


Các loại cảm biến X Quang số
• Cấu hình Buttable
Để có được một khu vực dài quang, CCD tồn cảnh sử dụng hai chip và CCD ảnh

cephalo sử dụng ba chip, với mỗi con chip được bố trí ở gần trong một cấu hình
buttable. Có một ít điểm chết giữa mỗi chip.

3.3. Cách Sử Dụng:
Có hai phương pháp để chụp hình ảnh X-ray: Chụp One-shot và chụp TDI. Đối
với hình ảnh one-shot, trong các điểm ảnh CCD, dòng điện liên tục được tạo ra do
dịng tối, do đó, những dịng điện phải được liên tục được tiêu hao khi không có tia X
đầu vào (trạng thái chờ). Khi sử dụng hoạt động TDI, tốc độ chuyển dữ liệu của điểm
ảnh phải được thực hiện để phù hợp với tốc độ chuyển động của đối tượng được chụp.

 Căn chỉnh ảnh:
CCD đơi khi có thể có những khiếm khuyết điểm ảnh được gọi là điểm cháy sáng
nơi dòng tối là lớn, và đốm đen nơi mà đầu ra là thấp (độ nhạy thấp). Hiệu suất Chất
nhấp nháy và FOP cũng ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh của CCD với FOS. Để đạt
được chất lượng hình ảnh cao, nên sử dụng phần mềm để bù khuyết điểm ảnh, dòng
tối, và độ nhạy. Nhiều chip CCD được kết hợp trong CCD để chụp cephalo và chụp
cơng nghiệp, tuy cịn tồn tại điểm chết trên các chip, sử dụng phần mềm có thể xử lí
được khuyết điểm này.

 Lưu í:
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.
(2) CCD dụng và cất giữ: Tránh sử dụng hoặc lưu trữ chúng trong các địa điểm
có độ ẩm cao. Cũng đừng áp dụng quá mức rung động hoặc sốc quá trình vận chuyển
(3) Suy giảm bởi tia X-ray: CCD X-ray xấu đi do quá mức chiếu xạ X-ray. Trong
một số ứng dụng, CCD cần phải được thay thế như một sản phẩm có thể tiêu thụ được.
(4) Xử lý CCD với FOS: FOP được làm từ thủy tinh, do đó, khơng áp dụng lực
mạnh và cú sốc đối với nó. Không chạm vào phần nhấp nháy và khu vực nhạy sáng.
một trầy xước trên chất nhấp nháy sẽ gây ra những thay đổi về độ nhạy. Bond-ing dây

được phủ nhựa bảo vệ, nhưng khơng chạm vào nhựa vì nó có thể gây thiệt hại hoặc
phá vỡ dây. · Khi giữ các cảm biến, giữ bảng bằng các cạnh với ngón tay của bạn và
chắc chắn rằng không để chạm vào khu vực tiếp xúc của dây dẫn và dây điện. Chạm
vào các khu vực tiếp xúc của dây dẫn và dây điện có thể làm hỏng cảm biến do tĩnh
điện. · Khơng bao giờ áp lực với FOS. Nó có thể làm hỏng chất nhấp nháy.
(5) Xử lý các mô-đun với một cáp lắp ráp · Không áp dụng lực quá mức đến
phần cảm biến. Ép, gây áp lực, hoặc thả cảm biến có thể gây ra thiệt hại hay làm hỏng
chip. Áp dụng vũ lực quá mức bằng cách uốn cong hay kéo cáp có thể gây ra sự cố
như cáp phá vỡ những linh kiện bên trong.
16


Các loại cảm biến X Quang số

Hình 3.3.1: Lưu í khi sử dụng CCD

17


Các loại cảm biến X Quang số

3.4. Ứng dụng:
 Kiểm tra cơng nghiệp:
Cảm biến CCD X-quang có thể được sử dụng để tạo ảnh một-shot hoặc thực hiện
các hình ảnh trong vận hành TDI để kiểm tra vật thể di động trên băng tải và các mục
đích khác.

Hình 3.4.1: Chụp bo mạch

 Chụp X quang y tế:

Chụp Panoramic:
Hình ảnh Panoramic X-ray thiết bị chụp hình ảnh bằng cách sử dụng các nguồn Xquang được thiết kế để xoay quanh đầu bệnh nhân. Ví dụ như chụp rang:

Hình 3.4.2: Chụp X Quang răng bằng phương pháp Panoramic.

18


Các loại cảm biến X Quang số
Chụp Cephalo:
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.

19


Các loại cảm biến X Quang số

4. Cảm biến CMOS:
Cảm biến CMOS là cảm biến thiết kế cho việc soi khám ở trong và kiểm tra công
nghiệp. Những cảm biến này tận dụng lợi thế được cung cấp bởi các thiết bị CMOS
loại active pixel, chúng có độ tích hợp cao, chức năng phức tạp, và chỉ số tín hiệu trên
nhiễu cao. Chúng chứa một bộ đếm, bộ dịch dọc ngang, bộ khuếch đại đầu ra, bộ
chuyển đổi tín hiệu tương tự - số, và LVDS [Hình 4-1]. Các đầu vào và đầu ra kỹ thuật
số khiến cho các cảm biến có thể dễ dàng để sử dụng. Những cảm biến có chứa một
cơng nghệ chụp tồn cục, cho phép thu thập hình ảnh từ việc chụp One-shot – đồng bộ
với tia phát xạ. Vì các cảm biến có một bộ chuyển đổi A/D ở trong, hệ thống dây điện
ra tín hiệu video tương tự có thể được cắt ngắn để giảm nhiễu. Bộ chuyển đổi A/D

cũng đơn giản hóa các mạch bên ngồi và tối thiểu hóa chi phí tổng thể.

Hình 4.1: Sơ đồ khối cảm biến CMOS.

4.1. Đặc tính và kết cấu:
 So sánh CMOS và CCD:
Trong điều kiện sử dụng có mức tín hiệu thấp, cảm biến CCD cung cấp chất
lượng hình ảnh tốt hơn. CMOS sử dụng công nghệ CMOS, làm cho chúng tốt hơn về
độ đa dụng và tính dễ sử dụng. Cảm biến CMOS cũng có lợi thế về giá thành vì các
mạch ddienjd phức tạp hồn tồn có thể tích hợp vào trong CMOS.

 Giám sát photodiode trong:
Trong các bộ cảm biến X-quang CMOS, một photodiode giám sát để phát hiện
thời gian chiếu xạ X-ray bắt đầu (kích hoạt) được gắn kết như là một dải hẹp dọc theo
tồn bộ phía bên ngồi của khu vực quang [Hình 4-2 ]. Giám sát các tín hiệu được
20


Các loại cảm biến X Quang số
truyền photodiode lặp đi lặp lại trong khoảng thời gian cụ thể. Các tin được gửi tới một
mạch điều khiển bên ngoài. Khi số lượng này vượt quá giá trị ngưỡng nhất định, các
mạch điều khiển bên ngoài xác định rằng sự phát xạ tia X đã bắt đầu và chỉ thị các bộ
cảm biến CMOS khu vực để bắt đầu 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 có một bộ chuyển đổi A/D tốc độ cao (14 bit) cho dữ
liệu hình ảnh, và một bộ chuyển đổi A/D-tốc độ thấp (10 bit) để theo dõi dữ liệu các
photodiode. Các bộ chuyển đổi tốc độ cao A/D chỉ được sử dụng khi bắt đầu có hình

ảnh được truyền vào. Chỉ có bộ chuyển đổi A/D tốc độ thấp – sử dụng ít năng lượng là bật trong khoảng thời gian dài để chờ chiếu xạ X-ray. Điều này sẽ giúp tiêu thụ điện
năng tổng thể thấp hơn [Hình 4.1.2].

Hình 4.1.2: Sơ đồ khối.

 CMOS APS:
Không giống như các cảm biến loại hình ảnh truyền điện tích là CCD, địa chỉ
kiểu X-Y được cảm biến CMOS sử dụng, do đó sẽ cần nối dây dài. Điện dung từ
đường dây này sẽ trở thành một nguồn nhiễu lớn khi transistors trong mỗi pixel
chuyển trạng thái. Như vậy, cảm biến X-Quang CMOS sử dụng một loại APS mà gắn

21


Các loại cảm biến X Quang số
một bộ khuếch đại với mỗi điểm ảnh. Vì dịng điện tích hợp được chuyển đổi thành
điện áp cho mỗi pixel, hình ảnh với nhiễu thấp có thể được tạo nên.

 Hiệu năng phát hiện lượng tử cao:
Hiệu năng phát hiện lượng tử (DQE) là một trong những thông số mà xác định
hiệu năng của một đầu dị X-ray. Nó cho thấy mức độ của tín hiệu hình ảnh đầu ra S /
N (SNROUT) đối với S / N (SNRIN) của X-ray chiếu xạ trên đầu dị X-ray. Vì nhiễu
X-ray có liên quan chặt chẽ đến liều bức xạ, DQE có thể được sử dụng như một biện
pháp hiệu quả phát hiện photon của đầu dị X-ray. Các DQE có thể được sử dụng như
một biện pháp để đánh giá hiệu quả phát hiện photon tia X và chất lượng hình ảnh.
DQE cao cho hiệu quả cao hơn trong việc có được hình ảnh chất lượng cao từ các tia
X-quang. Các DQE được cho bởi phương trình (1) hoặc (2).

MTF: chức năng chuyển giao điều chế
φ: số vụ X-ray photon

WS: Wiener phổ
Trong một hệ thống lý tưởng mà không nhiễu, DQE là bằng 1.

4.2. Cách sử dụng:
Vì cảm biến CMOS có một máy đếm tích hợp, việc theo dõi thời gian phát tia X
và đọc dữ liệu hình ảnh chỉ bằng cách áp dụng một xung đầu vào (MST) và xung tham
chiếu (MCLK) là khả thi. Dữ liệu từ các dữ liệu giám sát photodiode và hình ảnh được
chuyển bởi một cơng tắc ở bên để có thể được truyền từ dây đầu ra tương tự.

Hình 4.2.3: Sơ đồ nối dây đầu vào/ra.

22


Các loại cảm biến X Quang số

4.3. Ứng dụng:
 X Quang Nha Khoa:
Chẩn đốn hình ảnh chi tiết của 2-3 răng có thể thu được bằng cách chèn một cảm
biến CMOS diện tích nhỏ vào miệng bệnh nhân. Đối với hình ảnh trong miệng,
module CMOS sử dụng một cảm biến CMOS độ 20x20 mm vưới độ phân giải vào
khoảng 1000 (H) × 1500 (V) pixel hoặc 1300 (H) × 1700 pixel (V). Các chất nhấp
nháy sử dụng CSI (Tl) đạt được độ phân giải cao từ 15 đến 20 cặp dòng / mm. Khớp
nối FOS với CMOS cho độ bền cao. Ví dụ, các module có thể hoạt động lên đến
100.000 lần hoặc nhiều hơn dưới chiếu xạ X-ray của khoảng 250 μGy 60 KVP. Bên
cạnh tính năng này, các cảm biến CMOS rất mỏng và nhỏ gọn, cho phép chụp ảnh Xray ngay cả trong một khu vực rất hẹp.

Hình 4.3.1: Mơ Đun CMOS trong nha khoa.

23

Các loại cảm biến X Quang số

5. Cảm biến bản phẳng:
Cảm biến bản phẳng là 1 tấm lớn cảm biến CMOS ghép với nhau và kết hợp với
chất nhấp nháy. Các đầu dò (mảng photodiode hai chiều), khuếch đại dòng cơng suất
cao, và mạch qt tích hợp tất cả vào một tấm CMOS diện tích lớn. Các bộ chuyển đổi
A/D, bộ nhớ, giao diện mạch, và các máy phát tín hiệu điều khiển để điều khiển các
thành phần này được lắp ráp thành một mô-đun. Không cần sử dụng một mạch ngoài
để vận hành thiết bị. Các bộ cảm biến bản phẳng có thể chụp ảnh cở megapixel, hình
ảnh kỹ thuật số độ nét cao mà không bị biến dạng ở cả hai hỉnh ảnh tĩnh và động. Kết
cấu mỏng và trọng lượng nhẹ làm cho bộ cảm biến bản phẳng dễ dàng để cài đặt vào
các thiết bị khác. Cảm biến bản phẳng hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các loại
khác nhau của hệ thống chụp ảnh X-ray bao gồm CT.

Hình 5.1: Cảm biến bản phẳng.

5.1. Tính năng:
• Độ nhạy cao.
• Độ phân giải cao.
• Tốc độ khung hình cao.
• Phạm vi hoạt động rộng.
• Hình ảnh khơng méo.
• Có loại chất nhấp nháy CsI(Ti).

5.2. Cấu trúc:
Hình 5.2.1 cho thấy các mạch nội bộ của một chip CMOS cảm biến bản phẳng.
Hình ảnh hai chiều X-ray chuyển đổi thành huỳnh quang bởi chất nhấp nháy là với độ
24

Các loại cảm biến X Quang số
tuyến tính tuyệt vời. Những dịng điện tích lũy sau đó được xuất ra theo hàng tại các
thời điểm mà tại đó thanh ghi dịch dọc đến địa chỉ được bật.
Khi một liều liên tục bức xạ X-ray chạm tới đối tượng, dòng quang điện tạo ra
trong một photodiode là hằng số. Điện áp đầu ra có thể được tăng lên bằng cách làm
chậm tốc độ khung hình (làm cho thời gian tích hợp lâu hơn). Tốc độ khung hình có
thể được kiểm sốt bằng chế độ kích hoạt bên ngồi sẽ được mơ tả sau này. Dòng bão
hòa được xác định bởi điện dung photodiode. Giá trị output video sau quá trình chuyển
đổi A/D được đặt tại giá trị dòng bão hòa.

 Mạch Khuyếch Đại:
Có hai loại mạch khuếch đại cho cảm biến bản phẳng: một chế độ thụ động loại
pixel (passive pixel type) và một loại pixel hoạt động (Active pixel type). Các chế độ
hiện hành loại thụ động pixel có một bộ khuếch đại cho mỗi cột của mảng photodiode,
nơi mà các bộ khuếch đại được kết nối với nhau thông qua photodiode chuyển đổi địa
chỉ. Các bộ khuếch đại được hình thành trên một phía của khu vực quang hai chiều là
một mảng khuếch đại. Loại pixel thụ động cho phép yếu tổ làm đầy cao và độ bền bức
xạ tốt. Tuy nhiên, các điện dung đầu vào gây ra bởi các dòng dữ liệu hạn chế việc giảm
nhiễu nhiệt khuếch đại. Cơ cấu loại active pixel loại bỏ các vấn đề nói trên. Các loại
pixel hoạt động có một bộ khuếch đại cho mỗi điểm ảnh, và các dòng điện tích lũy
được chuyển đổi thành điện áp ở đó.
Cấu trúc này làm giảm nhiễu, về một con số ít hơn so với chế độ loại pixel thụ
động hiện hành. Bởi vì nhiễu thấp và tính năng S / N cao, cảm biến bản phẳng loại
active pixel có thể mang lại chất lượng hỉnh ảnh tốt với nhiễu thấp.

25