如何选择平板探测器.pdf
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1、平板数字探测器的选择 Technology with Passion 唐立云,上海 March 8,2018 1 X射线检测设备中的核心部件-平板探测器 2 产品技术规格表常见参数简单说明 3 平板探测器结构及其核心单元-像素 4“非晶硅(CsI)平板探测器 vs CMOS平板探测器”工作原理及优缺点 5 像素矩阵排列 和像素面积 6 常见问题:探测器总像素多,就是探测器的分辨率高 7 A/D Conversion(ADC resolution)含义 8 采样频率(fps)与 binning 9 工作能量范围决定探测器寿命的关键因素 10 小结:关键参数的实际用途 11 如何选择探测器及实际举
2、例 12 补充1:能否用评价数码相机的标准:“像素多,相机好。”来评价平板探测器 13 补充2:探测器演化历史 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)2 目录 X射线检测设备中的核心部件-平板探测器 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)3 用途:将不可见的X光转化为可见光,使人眼可以观察到图像 感应穿过物体X射线X射线强度。并根据各部位X射线强度,给与图像不同的黑白值(灰度等级)用户需要关心问题 物体内部缺陷放大后能否探测器能否检测到 X射线的黑白对比度是否很好,方便我们人眼看到缺陷 X射线图像噪音需要尽可能少,噪音多,有缺陷也无法清晰判别 难题:探测器太专业,涉及参数很多,用户没有时间
3、成为专家。因此,如何判断探测器的好坏,选择合适探测器?市场上常见探测器产品技术规格表 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)4 Dexela 1207 CMOS探测器探测器 技术资料技术资料 GE DXR250RT 非晶硅探测器技探测器技术资料术资料 Varian PaxScan 1313DX 非晶硅探测器技术资料探测器技术资料 1 X射线检测设备中的核心部件-平板探测器 2 产品技术规格表常见参数简单说明 3 平板探测器结构及其核心单元-像素 4“非晶硅(CsI)平板探测器 vs CMOS平板探测器”工作原理及优缺点 5 像素矩阵排列 和像素面积 6 常见问题:探测器总像素多,就是探测器的
4、分辨率高 7 A/D Conversion(ADC resolution)含义 8 采样频率(fps)与 binning 9 工作能量范围决定探测器寿命的关键因素 10 小结:关键参数的实际用途 11 如何选择探测器及实际举例 12 补充1:能否用评价数码相机的标准:“像素多,相机好。”来评价平板探测器 13 补充2:探测器演化历史 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)5 目录 产品技术规格表常见参数简单说明 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)6 英文参数名称 中文名称 参数含义 参数示例 Receptor Type 探测器种类 说明探测器生产工艺 CMOS Amorphous Si
5、licon Conversion Screen/Sensor type 闪烁体 X射线转化种类 CMOS active pixel sensor CsI Pixel Pitch 像素大小 组成探测器的单个像素长x宽 74.8 m 127 m2 Pixel Matrix 或 Resolution 像素矩阵排列方式 像素排列方式,可计算组成探测器的总像素 1536 x 864 1,024 x 1,024 Pixel Area 像素总面积 探测器接受X射线的感应区域大小 114.9 x 64.6 mm 13.0 x 13.0 cm A/D Conversion或 ADC resolution 模数转
6、化 决定X射线图像的灰度等级 14 bits 16 bits Frame Rate (fps)图像采集速率 探测器生成X射线图像的速度 24fps 30fps Energy Range.工作能量范围 容许探测器最大工作X射线能量下 40-160 kVp Power Dissipation 功耗 探测器工作的功耗,功耗大,则探测器需要有强制降温措施,如水冷 12W 15W 1 X射线检测设备中的核心部件-平板探测器 2 产品技术规格表常见参数简单说明 3 平板探测器结构及其核心单元-像素 4“非晶硅(CsI)平板探测器 vs CMOS平板探测器”工作原理及优缺点 5 像素矩阵排列 和像素面积 6
7、 常见问题:探测器总像素多,就是探测器的分辨率高 7 A/D Conversion(ADC resolution)含义 8 采样频率(fps)与 binning 9 工作能量范围决定探测器寿命的关键因素 10 小结:关键参数的实际用途 11 如何选择探测器及实际举例 12 补充1:能否用评价数码相机的标准:“像素多,相机好。”来评价平板探测器 13 补充2:探测器演化历史 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)7 目录 平板探测器结构-平板探测器结构及其核心单元 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)8 像素 数字电路 平板探测器是有许多一个个小方格的组成 每个小方格单独成像,并输出数字信
8、号代表该小格的黑白值(灰度值)这些数字信息传输到电脑,形成X射线图像 X射线图像的每个单独像素灰度值与探测器的每个小方格一一对应 由于这个原因,每个探测器小方格称为像素 从这里看出:探测器图像质量好坏是由单个像素决定。图像像素图像像素是定义是定义:指由图像是由小方格图像是由小方格即所谓的像素(pixel)组成的,是组成图像的最小组成图像的最小单位单位。它是以一个单一颜色的小格存在 像素是平板探测器的核心单元-平板探测器结构及其核心单元 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)9 像素是平板探测器的核心单元 平板探测器物理结构:由许多像素拼接拼接组成的 探测器成像能力是由单个像素决定的 探测器灰
9、阶就是A/D的位数 单个像素工作原理、结构及像素大小-平板探测器结构及其核心单元 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)10 单个像素工作原理:单个像素工作原理:1.闪烁体或荧光粉:接受X射线转化为可见光 2.光电二极管:接收可见光,转化为电子 3.电子给电容充电电子给电容充电 4.接到指令,电容放电接到指令,电容放电,5.电流通过/转换,变为数字信号 6.补充:A/D实际功能:将实际功能:将X射线强度转化为数字信号射线强度转化为数字信号 A/D的位数就是图像的灰阶 14位的A/D,则探测器就是14位 单个像素物理结构单个像素物理结构 1.闪烁体+光电二极管+电容+A/D转换模块 单个像素单
10、个像素大小:大小:是是光电二极管尺寸决定光电二极管尺寸决定 如果光电二极管尺寸为127微米,则像素尺寸为127um 如果光电二极管尺寸为50微米,则像素尺寸为50um 不同像素尺寸的有不同的优缺点-平板探测器结构及其核心单元 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)11 1.如果像素尺寸小像素尺寸小,同一几何放大倍数情况下同一几何放大倍数情况下,探测器可以显示更小的缺陷更小的缺陷 物体缺陷要被平板探测器检测的前提:放大后的物体缺陷图像 投影最少盖住一个像素最少盖住一个像素 如果放大倍数是200倍 1.如果探测器像素为如果探测器像素为127um,则可以显示物体缺陷为,则可以显示物体缺陷为0.64
11、um 2.如果探测器像素为如果探测器像素为50um,则可以显示物体缺陷为则可以显示物体缺陷为0.25um X射线系统将物体放大射线系统将物体放大 放大的缺陷投影完全放大的缺陷投影完全盖住一盖住一个像素个像素 物体物体缺陷被缺陷被X放大放大 一个像素 2.如果像素如果像素尺寸为尺寸为1微米,微米,我们可以看到无穷小我们可以看到无穷小缺陷,不是最好吗?缺陷,不是最好吗?如果像素尺寸过小,则电容尺寸很小,则电容的容量很小 电容的容量很小,探测器吸收很少的X射线,电容充电已经饱和 这样,导致X射线图像信噪比很差,X图像不清晰,因为:本体噪音是一个恒定值(来源:本体电路的电子学噪声)X射线图像量子噪声与
12、像素吸收到的有用X射线光子的比例很少 有用X射线信号无法抑制噪音,X图像不清晰 因此:探测器像素越大,其信噪比升高,因此:探测器像素越大,其信噪比升高,X图像越清晰图像越清晰 如何依据像素大小参数选择探测器-平板探测器结构及其核心单元 像素大小与探测器两个关键参数(最小缺陷检测能力、探测器像素大小与探测器两个关键参数(最小缺陷检测能力、探测器信噪比)相关联信噪比)相关联 像素尺寸越小像素尺寸越小,同一几何放大倍数情况下,探测器最小缺陷检测最小缺陷检测能力更强能力更强 探测器像素越大探测器像素越大,探测器信号的信噪比越高,X图像越清晰图像越清晰 做做X射线检测的需求:射线检测的需求:在发现物体内
13、部缺陷的前提条件下,我们希望图像越清晰却好在发现物体内部缺陷的前提条件下,我们希望图像越清晰却好 因此,我们必须采用因此,我们必须采用折中的办法选择折中的办法选择探测器的像素尺寸,探测器的像素尺寸,不能一味追求大,也不能一味追求小,是最小缺陷检测能力、探测器是最小缺陷检测能力、探测器信噪比的平衡信噪比的平衡 针对同种制造工艺的探测器 半导体和半导体和SMT产品产品,物体缺陷小,微米级(甚至是1微米)被检测产品的密度相对低,X射线穿透物体的时候 二次散射少,从而“X射线图像量子噪声”少 因此,我们要侧重:因此,我们要侧重:“探测器的最小缺陷检测能力探测器的最小缺陷检测能力”,需要需要选择像素选择
14、像素小小一点的探测器一点的探测器 金属产品(如铸件)物体缺陷大,毫米级 被检测产品的密度相对低,X射线穿透物体的时候 二次散射多,从而“X射线图像量子噪声”少 因此,我们要侧重:因此,我们要侧重:“探测器信噪比探测器信噪比”,需要需要选择像素大一点的探测器选择像素大一点的探测器 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)12 1 X射线检测设备中的核心部件-平板探测器 2 产品技术规格表常见参数简单说明 3 平板探测器结构及其核心单元-像素 4“非晶硅(CsI)平板探测器 vs CMOS平板探测器”工作原理及优缺点 5 像素矩阵排列 和像素面积 6 常见问题:探测器总像素多,就是探测器的分辨率高
15、 7 A/D Conversion(ADC resolution)含义 8 采样频率(fps)与 binning 9 工作能量范围决定探测器寿命的关键因素 10 小结:关键参数的实际用途 11 如何选择探测器及实际举例 12 补充1:能否用评价数码相机的标准:“像素多,相机好。”来评价平板探测器 13 补充2:探测器演化历史 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)13 目录 非晶硅(非晶硅(CsI)平板数字平板数字探测器工作原理探测器工作原理 基本工作过程原理:基本工作过程原理:1.入射的X射线图像经碘化铯闪烁晶体转换为可见光图像,2.可见光图像由下一层的非晶硅光电二极管阵列转换为电荷图像
16、3.对电荷信号逐行取出,转换为数字信号,再传送至计算机,从而形成X射线数字图像 碘化碘化铯铯(CsI:T1闪烁体闪烁体)结构特点结构特点:连续排列、针状 直径约为6-7m 厚度为500-600m 外围用 铊包裹 减少漫射 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)14 闪烁闪烁:是指单个高能粒子在闪烁体上瞬时激发的闪光脉冲闪光脉冲 非晶硅(CsI)平板探测器优缺点 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)15 优点优点 CsI里面的晶体结构为针状,极大提高了光电转化的效率 单个像素大于100um,探测器信噪比高探测器信噪比高;射线图像灰度值分辨率和射线图像灰度值分辨率和黑白对比度更强 采用并联电
17、路,即使探测器单个像素死亡,探测器仍然正常工作 缺点缺点 如果如果射线检测系统射线检测系统几何放大倍数几何放大倍数(光学放大光学放大)能力不够能力不够,因探测器像素大因探测器像素大,物体物体的内部微小缺陷可能无法检测到的内部微小缺陷可能无法检测到 像素的填充率很高 晶体结构为针状晶体结构为针状 放大倍数不够,缺陷放大倍数不够,缺陷投影盖不住一投影盖不住一个像素个像素 物体物体缺陷被缺陷被X光放大光放大 一个像素 并联电路 CMOS平板探测器工作工作原理原理 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)16 CMOS全称:Complementary metaloxide-semiconductor
18、荧光定义:荧光定义:指在X线激发停止后,持续持续(10-8s)发光的发光的过程 基本工作过程原理:基本工作过程原理:1.入射的X射线图像经经萤光材料萤光材料转换转换为可见光为可见光图像,2.可见光图像由下一层的CMOS光电二极管阵列转换为电荷图像 3.对电荷信号逐行取出,转换为数字信号,再传送至计算机,从而形成X射线数字图像 萤光材料特点特点:转化效率地低 荧光材料被X激发后,连续发光 连续发光对探测器成像会产生叠加成像效果,叠加效果在最后X射线图像上呈现为噪音形式噪音形式 CMOS平板探测器优缺点 焦点焦点X射线检测系统的主要参数介绍射线检测系统的主要参数介绍(再谈)(再谈)17 优点优点
19、探测器像素小,一般小于100um 即使射线检测系统几何放大倍数(光学放大)能力不够,因探测器像素小,物体的内部微小缺陷也可能盖住一个像素 可以帮助提高可以帮助提高X射线检测系统最小缺陷检测能力射线检测系统最小缺陷检测能力 缺点缺点 使用荧光材料实现光电转化,而且荧光材料填充率低,导致转化转化效率非常效率非常低低 探测器像素一般为一般为50um 到到75um之间,导致探测器信噪比低探测器信噪比低;X射线射线图像灰度值分图像灰度值分辨率和辨率和黑白对比度差 采用串联电路。当一个像素死亡,整条电路上像素也会死亡,探测器探测器将将会出现会出现1条黑条黑色的死线色的死线 放大倍数不够,缺陷投影盖不住一放
20、大倍数不够,缺陷投影盖不住一个像素个像素 物体物体缺陷被缺陷被X光放大光放大 一个像素 荧光材料实现光电转化荧光材料实现光电转化 荧光材料填充率低荧光材料填充率低 串联电路串联电路 非晶硅(CsI)平板探测器和CMOS平板探测器综合比较 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)18 非晶硅(CsI)平板探测器 CMOS平板探测器 转化体 CsI(碘化铯)萤光材质 工作原理 接收X射线,产生脉冲可见光 通过萤光材质,产生的可见光为萤光 可见光表现特性 脉冲光,没有延时 萤光为持续(10-8s)发光,有延时,像素大小 大于100um 50um 到100um之间 结论 非晶硅(CsI)的信噪比 比C
21、MOS的信噪比高,图像清晰 在放大倍数受限的情况下,CMOS可以检测到更小缺陷 在放大倍数不受限的情况下,非晶硅平板数字探测器的更小缺陷检测能力通过放大倍数补偿了 1 X射线检测设备中的核心部件-平板探测器 2 产品技术规格表常见参数简单说明 3 平板探测器结构及其核心单元-像素 4“非晶硅(CsI)平板探测器 vs CMOS平板探测器”工作原理及优缺点 5 像素矩阵排列 和像素面积 6 常见问题:探测器总像素多,就是探测器的分辨率高 7 A/D Conversion(ADC resolution)含义 8 采样频率(fps)与 binning 9 工作能量范围决定探测器寿命的关键因素 10
22、小结:关键参数的实际用途 11 如何选择探测器及实际举例 12 补充1:能否用评价数码相机的标准:“像素多,相机好。”来评价平板探测器 13 补充2:探测器演化历史 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)19 目录 像素矩阵排列和像素面积 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)20 参数示例 像素矩阵像素矩阵排列排列(Pixel Matrix)含义为:含义为:由长1024个像素、宽1024个像素排成的一个正方形 像素像素面积:实际是探测器吸收面积:实际是探测器吸收X射线区域大小射线区域大小 有1024 x 1024个像素围城正方形,占的面积是多少 长:1024x 127 um=13cm;宽
23、 1024 x 127um=13cm 因此:当像素尺寸固定后,可以根据像素矩阵计算当像素尺寸固定后,可以根据像素矩阵计算像素像素面积面积 当像素尺寸固定后,可以当像素尺寸固定后,可以根据根据像素像素面积计算像素矩阵面积计算像素矩阵 1024 1024 像素矩阵排列 13cm 13cm 像素面积 1 X射线检测设备中的核心部件-平板探测器 2 产品技术规格表常见参数简单说明 3 平板探测器结构及其核心单元-像素 4“非晶硅(CsI)平板探测器 vs CMOS平板探测器”工作原理及优缺点 5 像素矩阵排列 和像素面积 6 常见问题:探测器总像素多,就是探测器的分辨率高 7 A/D Conversi
24、on(ADC resolution)含义 8 采样频率(fps)与 binning 9 工作能量范围决定探测器寿命的关键因素 10 小结:关键参数的实际用途 11 如何选择探测器及实际举例 12 补充1:能否用评价数码相机的标准:“像素多,相机好。”来评价平板探测器 13 补充2:探测器演化历史 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)21 目录 常见问题:探测器总像素多,就是探测器的分辨率高探测器总像素多,就是探测器的分辨率高 焦点X射线检测系统的主要参数介绍(再谈)22 答案:不对。答案:不对。是概念混淆,两者没有关联是概念混淆,两者没有关联 探测器的检测实质探测器的检测实质 探测器由一个
25、个像素组成;因此,探测器探测器核心核心是单个像素单个像素 探测器探测到缺陷的条件是:物体缺陷经过X射线放大图像必须盖住一个像 因此探测器的分辨率因此探测器的分辨率计算:计算:=像素尺寸像素尺寸/物体检测时的几何放大倍数(光学放大)物体检测时的几何放大倍数(光学放大)例如:例如:探测器像素为127微米,放大倍数是127倍,这时,探测器可以检测到最小缺陷为1微米 总总像素像素多少(实际含义为多少(实际含义为探测器吸收探测器吸收X射线区域大小射线区域大小):由像素矩阵排列(Pixel Matrix)计算出来,而利用像素矩阵可以计算像素矩阵可以计算像素面积像素面积 因此:探测器总像素探测器总像素多少含
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