核心技术

从 X 射线光子进入传感器,到精细像素采样、能量判别、计数、高速数据输出和大面积阵列集成,在一张完整页面中了解光子计数芯片的关键技术。

能谱检测

对入射 X 射线光子进行独立探测与计数,并在像素内完成信号处理与数字累计。

从光子入射到能谱数据

不同能量的光子形成不同幅度的脉冲,经多阈值判别后进入对应能量区间计数。

信号流程演示
从光子入射到能谱计数的动态信号链低、中、高三种能量的 X 射线光子依次进入传感器,产生不同幅度的电荷脉冲,经过模拟前端整形和三个阈值比较后,分别进入三个能量计数器。X 射线 / 传感器像素模拟前端多阈值判别能量计数器直接转换传感器像素低中高低噪声像素模拟前端电荷放大低噪声前端脉冲整形脉冲输出脉冲幅度 ∝ 光子能量多阈值判别器阈值 3阈值 2阈值 1高能区000001中能区000001低能区000001当前光子低能光子 · 跨越阈值 1→ 低能区中能光子 · 跨越阈值 1 / 2→ 中能区高能光子 · 跨越阈值 1 / 2 / 3→ 高能区

直接成像技术

将 X 射线直接转换为电荷并在像素内收集,减少中间转换与光扩散,为精细结构成像提供更清晰的信号基础。

直接转换与间接转换

直接转换原理动画X 射线在半导体中直接形成电子空穴对,载流子沿电场定向漂移至对应像素,产生较窄的像素响应。X 射线光子直接转换半导体传感器电场方向 ↓−+−+−+像素电极像素读出电路 · 电荷放大 · 计数窄像素响应
  • 能量沉积
  • 电荷对产生
  • 定向漂移
  • 窄像素响应
结果信号集中在对应像素

直接转换

X 射线 → 电荷 → 像素收集 → 数字计数X 射线在半导体传感器中直接形成电荷并由像素电极收集,缩短信号转换链路,减少闪烁体光扩散对细节传递的影响。
间接转换原理动画X 射线在闪烁体中先产生可见光,可见光横向扩散后由光电传感器转换,形成跨越相邻像素的较宽响应。X 射线光子闪烁体 · X 射线 → 可见光光电二极管阵列 · 可见光 → 电荷读出电路 · 灰度信号宽像素响应
  • 闪烁体发光
  • 横向光扩散
  • 二次转换
  • 宽像素响应
结果信号扩展至相邻像素

间接转换

X 射线 → 可见光 → 光电转换 → 灰度闪烁体先将 X 射线转换为可见光,再由光电传感器转换为电信号;可见光在材料中的横向扩散可能影响空间细节。

高分辨率

面向 30–70 μm 像素尺寸范围,通过传感器与 ROIC 的像素级匹配提升细节采样能力,为高分辨率成像提供硬件基础。

乳腺微小钙化显示对比

同一乳腺 X 线区域的等效采样对比。更精细的像素采样为相邻微小钙化点的分离和边缘细节保留提供硬件基础。

乳腺微小钙化显示对比同一幅合成乳腺 X 线影像先标出可疑微钙化区域,再以相同视野和尺度对比常规数字采样与精细像素采样;常规采样中小钙化点融入背景、大钙化点边缘模糊,精细采样中大小钙化点均可辨认。乳腺 X 线影像可疑微钙化区域(示意)全幅影像定位常规数字采样示意小钙化点不可见 · 大钙化点模糊精细像素采样示意微小钙化点大小钙化点均可见 · 轮廓与边缘更清楚同一影像 · 同一区域 · 同一组钙化点
乳腺 X 线影像全幅影像定位
常规数字采样示意小钙化点不可见 · 大钙化点模糊
精细像素采样示意大小钙化点均可见 · 轮廓与边缘更清楚

同一影像 · 同一区域 · 同一组钙化点

能量分辨

通过可配置能量阈值区分并统计不同能段光子,为材料识别、伪影抑制与定量成像提供更丰富的数据基础。

能量阈值与能谱分箱

不同幅度的整形脉冲跨越不同阈值,判别结果分别进入低、中、高能量区间累计。

能量阈值判别与能谱分箱动画低、中、高三种幅度的整形脉冲依次与三个可配置阈值比较,并分别进入低能区、中能区和高能区累计。幅度时间高阈值中阈值低阈值可配置阈值高阈值中阈值低阈值低能区中能区高能区

高速数字读出

将像素阵列的计数结果快速汇聚并连续输出,支持高通量扫描与实时成像链路稳定运行。

从像素计数到高速接口

像素阵列并行采集计数结果,经列级汇聚和数据缓存后,形成连续的数字输出链路。

像素阵列高速数字读出动画像素阵列中的计数结果被并行选通,通过列级汇聚进入数据缓存,再由多条数字通道连续输出。像素计数结果并行选通连续缓存并行数字通道

传感器大面积拼接

通过传感器层与 ROIC 层的阵列化拼接和精密对位,将多个探测单元组合为连续的大面积成像区域,并通过跨模块校准与同步读出保持拼接区域的数据一致性。

传感器层与 ROIC 层协同拼接

上层传感器阵列与下层 ROIC 阵列分别完成紧密排布和逐单元对准,经边界校准与同步读出形成统一坐标的大视野数据。

六块传感器与六块读出电路双层三维拼接动画上层 S1 至 S6 六块传感器与下层 R1 至 R6 六块读出电路紧凑排布成三列两行阵列,每块传感器的四周边界通过均匀短虚线与对应读出电路边界对齐,层内网格和电路纹理沿三维斜面延伸。R1R2R3R4R5R6S1S2S3S4S5S6传感器感光层3 × 2 阵列 · 共 6 块RDL 连接S1–R1 … S6–R6 · 四周对位ROIC 读出电路层3 × 2 阵列 · 共 6 块边界校准 · 连续探测面