CdTe FPD 入門：檢測方式與量測方式 | Blog

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檢測方法：間接轉換型與直接轉換型

下圖左側為間接轉換型：利用受X射線照射會發光、稱為閃爍體的物質將X射線轉換為光，再由CMOS相機接收。轉換為光時無法控制其方向，光會向四周擴散，這正是影像暈開（模糊）的原因。解決方法包括將閃爍體做薄以減少擴散，或在每個像素之間設置隔牆使光反射等。但無論哪種方法，都會使檢測效率下降。

下圖右側為直接轉換型，將X射線與物質交互作用所產生的電子作為訊號處理。即使元件具有一定厚度，由於施加了偏壓，擴散可被抑制在最小程度。因此能在不犧牲檢測效率的情況下，取得高對比度的影像。

量測方法：累積方式與光子計數方式

處理檢測器（相機）所得訊號的方法大致可分為兩種。一種是累積方式，將一定時間內取得的訊號進行累加。此時相機的雜訊也會一併累加，因此在低劑量條件下，雜訊容易變得明顯。

另一種是光子計數方式，將光的最小單位——光子一顆一顆地計數。因此即使在低劑量條件下，也能取得無雜訊的影像。

量測方法：能量鑑別型光子計數

光子計數方式只是單純取得光子數，實際上捨棄了光子原本所具有的能量資訊（波長）。而同時運用此能量資訊的，便是能量鑑別型光子計數方式。一般會使用以光子數為縱軸、能量（keV）為橫軸的直方圖來呈現。取得完整能譜的電路十分複雜，在大面積平板檢測器中尚未普及。

下圖為使用MCA（多頻道分析儀）量測X射線管的結果。理想情況是每個像素都具備這些資訊，但由於電路規模、功耗、發熱、資料傳輸量等課題，目前X射線相機的大面積FPD尚未實現。

量測方法：全域快門與捲簾快門

全域快門是所有像素同時曝光、同時取得影像的方法。由於一次擷取整張影像，即使拍攝移動中的物體也不易產生模糊，可進行高速拍攝。

另一方面，捲簾快門是各像素依序曝光、依序取得影像的方法。由於影像是逐像素取得，物體或相機的移動可能造成影像變形或動態模糊，因此較適合拍攝低速物體或靜態影像。

可見光CMOS感測器一般採用捲簾快門，沿用該技術的閃爍體型產品也多採用此方式。近年來，可見光相機中也開始出現採用全域快門的產品。ANSeeN FPD採用全域快門，即使在高fps下也能取得模糊極少的影像。

大面積半導體平板檢測器的難處

半導體元件的製造成本高於閃爍體，且晶體尺寸有其極限，無法製作出比晶體尺寸更大的檢測器。

半導體元件下方需要讀出積體電路（ROIC），而為了從ROIC取出訊號，一般採用打線接合的結構。因此需要預留讀出用的空間，無法進行二維排列，過去只能製作橫向排列的線型感測器。下圖為影像感測器從四邊讀出的情形，是完全無法拼接的結構範例。

透過3DLSI實現大面積化

傳統ROIC僅能單面接合，需要讀出用空間，因此無法進行二維（縱向與橫向）排列。為解決此問題，我們自行設計、開發並製造了可在正反兩面接合的LSI。訊號可從ROIC正下方引出，實現了無需讀出用空間的結構，進而得以實現大面積化。

菊鏈與影格率

從模組正下方引出的訊號，會將資料傳遞給相鄰的LSI。相鄰的LSI再將接收到的資料與自身資料一併傳遞給下一個相鄰的LSI。雖然橫向排列的數量越多，傳輸速度就越慢，但成為了可自由配置的LSI。由於可配置任意行數與列數，FPD與線型感測器皆可使用同一款LSI實現。

單一模組的最大影格率為800fps，但橫向排列的模組數增加時速度會降低。例如橫向排列12個模組時，800/12=66.666，最高約為66fps。

ANSeeN CdTeFPD的量測模式

(1)光子計數模式

輸出光子數最簡單的模式。為去除雜訊，以LLD設定閾值。由於不區分能量資訊，無論是40keV或100keV，皆同樣計為一次計數輸出。

(2)單閾值模式

除了用於去除雜訊的LLD之外，此模式也會去除超過一定值的能量。能量落在LLD～ULD範圍內時，才列為光子計數對象。

(3)雙閾值模式

此模式將LLD至ULD範圍計為低能量計數，超過ULD者計為高能量計數並輸出。由於資料傳輸量增為2倍，影格率會是其他模式的一半。

(4)MDEI模式

相對於其他模式輸出光子數，此模式輸出的是經能量加權的像素值。藉此可取得接近傳統累積型的影像，同時也能取得不會累積雜訊（累積型的弱點）的清晰影像。

以金屬等為量測對象時，從容易遮蔽X射線的物質中穿透的多為高能量光子。然而若僅單純考量光子數，與傳統成像方法相比，濃淡對比會較不明顯。因此，透過對高能量進行加權，即可取得較無違和感的影像。

CMOS與CdTe的比較

比較CdTe半導體FPD（直接轉換型）與CMOS閃爍體FPD（間接轉換型）的性能。CMOS的像素尺寸約為CdTe的1/4。

PARAMETER	CMOS	CdTe
SCINTILLATOR TYPE	CsI:Tl
TOTAL PIXEL MATRIX(Pixels)	2400 x 3000	288 x 288 (3x3FPD)
1152 x 1152 (12x12FPD)
PIXEL PITCH(μm)	49.5	100
A/D CONVERSION(bits)	14(A/D Conversion)	16(photon count)
FRAME RATE(fps)	10	266 (3x3FPD)
66 (12x12FPD)
ENERGY RANGE(kV)	40 –225	40-450

動態範圍比較

下圖為CMOS的Normal (Full resolution) mode、Binning 2x2 mode以及ANSeeN CdTe FPD的劑量率依存性（Typical Pixel）。使用管電壓110kV，以各FPD的最快影格率拍攝10秒，並將累加影像換算為單位時間的像素值與計數值。

MTF（邊緣法）

以邊緣法求得的CdTe FPD調制轉換函數（Modulation Transfer Function, MTF）如下圖所示。拍攝時使用G-311VH-D作為X射線源，針對RQA5、RQA6、RQA7、RQA8各條件，在FID 880mm下將鎢板置於檢測面正前方，以1 fps拍攝60張影像並累加，由該資料求得MTF。