JP2002139571A - 電磁波変換装置 - Google Patents
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Abstract
一体型にする。 【解決手段】 電磁波を検出する検出手段301と、前
記検出手段の電位をリセットするリセット手段304
と、前記電磁波により前記検出手段において発生した信
号電荷を蓄積する蓄積手段302と、前記蓄積手段に蓄
積された前記信号電荷を読み出す第1の読出手段303
と、を備え、前記蓄積手段が、該蓄積手段に蓄積された
前記信号電荷による電位を非破壊で読み出す第2の読出
手段を備える。
Description
アルファ線などの高エネルギー輻射線に代表される電磁
波を電気的な信号に変換するための電磁波変換装置に関
するものである。
の高エネルギー輻射線に代表される電磁波の中でも、X
線を用いた電磁波変換装置は画像入力のための撮像装置
部分とX線の照射量を検出する検出装置部分とを別個に
有し、これらが独立別個の装置として接続されて使用さ
れていた。
出されたX線照射量を基に、撮像装置でのX線量をコン
トロールしていた。
を、X線撮像装置の撮像装置部分の前面に置くことによ
りX線を検出する場合は、検出素子が撮像装置が得る画
像に悪影響を及ぼす場合があった。
について説明する。
(ホトタイマ)は、ほとんどの間接撮影、直接撮影に用
いられており広く普及している。
することによりフィルムに照射されるX線量を所望の範
囲に保つように動作するものである。被写体を透過した
X線を電気信号に変換し、この電気信号の積分値が一定
値に達したときにX線を遮断し(またはX線の照射を止
め)、希望するフィルム濃度が得られるようにするもの
である。
線露出条件の決定方法などの制御機構によって種々のタ
イプがある。
の例を図11に示す。
I.I.(イメージインテンシファイア)901で可視
光に変換・増幅される。このI.I.901の出力光の
一部は分配器902を通して光電子増倍管(ホトマル)
903に導かれ電気信号に変換される。その電気信号
は、コンデンサ904によって積分される。この積分値
は、フィルムの露光の程度に対応しており、フィルム濃
度設定器905により設定された基準値と比較器906
で比較され、積分値がその設定値に達したときに、X線
遮断信号を発生してX線の照射を停止するようになって
いる。
I.I.採光型、カセッテ前面蛍光採光型、カセッテ後
面蛍光採光型、電離箱型、研究途上ではあるが半導体検
出型がある。これらは大きく前面採光方式と後面採光方
式に分類することができる。
ずれもフィルムと被写体の間に検出器を設置する(カセ
ッテ)前面採光方式である。
はフィルム透過後のX線を検出するもので後面採光方式
である。
の厚さは約2.5mmで電離箱(約10mmの厚さ)に
比べはるかに薄くなっている。この蛍光採光型の検出機
構は、被写体を透過してきたX線を蛍光紙(体)911
に当て、蛍光体を発光させ、遮光紙912のくり抜かれ
た部分の蛍光をライトガイド板913に導いて、光電子
増倍管914に到達、入射して、光電変換されるように
なっている。
検出素子を、X線撮像装置の前面に置くことによりX線
を検出する場合は、検出素子が撮像領域にX線などの電
磁波が到達する前に画像情報の一部を受けてしまうため
得られる画像情報に悪影響を及ぼす場合があった。
式に比べ、曝射量検出によるX線吸収や散乱線の影響が
あり、その結果、画質の低下が生じたり、その吸収を補
うために被曝線量が多くなったりする場合がある。また
検出器の厚さが厚くなれば被写体とフィルム間の距離が
大きくなり、幾何学的ボケが大きくなり画質が低下す
る。これはX線管焦点が検出器の厚さのために画像撮像
部であるフィルムやセンサーの受像位置からずれてしま
うためである。
感光させるX線源と検出器の間のX線吸収が一般に多
く、管電圧依存特性が悪くなる場合が多い。また、管電
圧依存特性を少なくするために後面吸収を少なくする
と、フィルムがフィルムを透過したX線などが後方の部
材に照射されて生じるような後方散乱線の影響を受けや
すくなる。
的とする。
量を検出することができるとともに、該電磁波が有する
画像情報を電気信号に変換することができる、つまり、
撮像部分とX線照射量を検出する部分を一体型にするこ
とにより、装置の小型化を図ることができる電磁波変換
装置を提供することを目的とする。
電磁波変換装置自体で行うことが可能で、照射量を正確
に検出することが可能な電磁波変換装置を提供すること
を目的とする。
部位で検出することができ、撮像画像へ影響を及ぼさず
に、X線の照射量を検出することが可能な電磁波変換装
置を提供することを目的とする。
装置は、電磁波を検出する検出手段と、前記検出手段の
電位をリセットするリセット手段と、前記電磁波により
前記検出手段において発生した信号電荷を蓄積する蓄積
手段と、前記蓄積手段に蓄積された前記信号電荷を読み
出す第1の読出手段と、を備え、前記蓄積手段が、該蓄
積手段に蓄積された前記信号電荷による電位を非破壊で
読み出す第2の読出手段を備えることを特徴とする。
記検出手段、前記リセット手段、前記蓄積手段、前記第
1の読出手段を備えるセンサーセルが行列状に2次元に
配置されていてもよい。
ンサーセルの前記第2の読出手段により読み出されるべ
き電位より単一の電位を得る手段を備えていてもよい。
記リセット手段、前記蓄積手段、前記読み出し手段が、
絶縁基板上に形成された薄膜トランジスタであってもよ
い。
記検出手段の1方の端子には、電位供給手段が接続さ
れ、前記検出手段の他の端子には、前記リセット手段及
び前記読み出し手段のトランジスタのソース又はドレイ
ン並びに前記蓄積手段のトランジスタのゲートが接続さ
れていてもよい。
手段の他の端子の電圧を一定にする手段を備えていても
よい。
記蓄積手段のトランジスタのゲート電位はソースフォロ
ア回路で読み出してもよい。
記検出手段は、単結晶半導体基板から形成されていても
よい。
i層、金属層が直接積層されたX線センシング部を備え
ていてもよい。
トランジスタの半導体が非単結晶シリコンであってもよ
い。
記検出手段が半導体結晶の第1の基板からなり、前記他
の手段が第2の絶縁性基板あるいは半導体基板に形成さ
れ、第1の基板と第2の基板が積層され、第1基板の検
出セルと第2基板の読み出し回路が第1と第2の基板の
積層構造で電気的、機械的に接続されていてもよい。
施形態1による電磁波変換装置の構成を示す。図1
(a)は平面図、図1(b)は断面図である。
ンジスタ、容量等を作成した基板であり、2次元マトリ
クス状に並べられている。
る半導体を備える半導体基板であり、この半導体として
はGaAs,CdTe等が用いられる。
0で各セル毎に上下間で結合される。
イアスするための1枚の導電体である。導電体13は、
シート状でもよいが、メッシュ状でもよい。
ルド用シートである。通常、導電体13には、100V
以上の電圧が印加されるので、絶縁シート14、バイア
スのシールド用シート15は、その保護用として作用す
る。絶縁シート14はエアーギャップであってもよい。
その場合は、検出器のハウジングとの間にバイアスのシ
ールド用シート15を設ける。
信号処理ICのテープキャリアパッケージ(TCP)、
22は信号処理回路のプリント基板である。
ドライバ用プリント基板である。
である。
電子−正孔を生成し、一方のキャリアを蓄積し、読み出
すものである。101は、キャリアの読み出し部で、絶
縁基板100の上に薄膜トランジスタ、容量などが形成
されている。
aP,Ge,CdTeなどの半導体からなり、1018c
m-3以上のn型高不純物濃度のn+層121、i層12
2、1018cm-3以上のp型高不純物濃度のp+層12
3を備える。空乏層がn+層121とi層122の界面
から広がるpinダイオード、p+層123上に形成さ
れる金属層124、n+層121の下に形成された金属
層125、126により構成されている。金属層126
はオーミック接触用メタルである。127はSiN等の
保護層である。金属層125はAu等の材料をめっき等
により、上下基板の接続が容易にするために1〜10μ
m程度の高さにする。
である。また、金属層124は、例えば、AuZnより
組成され、金属層126は、例えば、AuGeNiより
組成される。
100上に回路を構成する薄膜トランジスタ(以下、
「TFT」という。)131を有し、TFT131は、
ゲート132、ドレイン133、活性層134、ソー
ス、ドレインと接続される金属配線135からなる。T
FT131は、保護膜141で覆われている。142は
Al層、143は金属層である。図2では、図示されて
いないが、キャリアの読み出し部101は容量も有して
いる。
3とX線センシング部102の金属層125とは、金属
あるいは導電性接着剤などからなる接続部材151によ
って接続されている。
等価回路を示す。
が2次元状に配列されている。
水平方向の脇に配置された走査回路202とリセット回
路203を有する。走査回路202、リセット回路20
3は、図1に示すドライバ用プリント基板24が搭載す
るドライバ回路の中に備わる。
4、照射量検出回路205を有する。
ーセル201のトランジスタが選択されて、各センサー
セル201から出力線206に信号が読み出され、各セ
ンサーセル201からの信号が出力線206に接続され
るアンプ207を介して出力回路204によって列ごと
に順次出力される。出力線206はリセットトランジス
タ208により一定電位にリセットされる。各センサー
セル201は、リセット回路203から各リセット線2
09を介して、各行ごとにリセットされる。
力線210を介して、各列の各センサーセル201の最
高電位を非破壊で検出している。211は、定電流源で
ある。
を示す。
変換するX線センシング部301、信号電荷をゲートに
蓄積すると共にその電位を非破壊で読み出す役目を有す
る非破壊読み出し用兼信号電荷蓄積用トランジスタ(以
下、単に「トランジスタ」という。)302、各センサ
ーセル201から信号電荷を読み出す破壊読み出し用ト
ランジスタ(以下、単に「トランジスタ」という。)3
03、信号電荷を完全にリセットするためのリセット用
トランジスタ(以下、単に「トランジスタ」という。)
304を備える。
発生した信号電荷Qが蓄積される容量Cは、トランジス
タ302のゲート容量C2、トランジスタ303、30
4のトランジスタ302のゲートからみた容量C3、C
4、X線センシング部301の容量C1の和ΣCnで決
まり、トランジスタ302のゲートに現れる信号電圧
は、Vs=Q/ΣCnとなる。この信号電圧がトランジ
スタ302によりソースフォロア(トランジスタ302
と定電流源211により構成される。)の出力として出
力線210に得られる。
等価回路を示す。
量である。容量Cfは、横方向の配線である行選択線2
12、リセット線209とのクロス部の容量、トランジ
スタ303のソース(ドレイン)の容量等からなる。大
判パネルにおいては、この容量が大きくなり、センサー
の信号(S)対雑音(N)比(S/N)に大きく影響す
る。単結晶基板では、配線と基板間に浮遊容量があり、
クロス部、ソース部の容量に付加される。絶縁基板にお
いては、配線と基板間の容量は、無くなるので10cm
□以上の大判エリアセンサにおいては単結晶の基板より
好ましい。図5のアンプ207においては、アンプ8の
雑音Ninが1+Cf/CA倍になるのでCfは、小さ
いほうがよい。但し、CAは、アンプ207の入出力間
に接続される積分用の容量である。
2のソースにVs−Vthの電圧となり照射量検出回路
205と接続される出力端子O2に出力される。但し、
Vthはトランジスタのソース−ゲート間電圧である。
また、各センサーセル201からの出力は、トランジス
タ303からアンプ207を介して出力回路204に接
続される出力端子O1に出力される。
チャートである。
201のリセット信号、ΦVR2は、出力線206のリ
セット信号、Φvは、センサーセル201から出力線2
06への読み出しを行うための読み出し制御信号、X線
は、X線入射タイミング、O2は、照射量検出回路20
5への出力電位を表わしている。なお、図4にも、各信
号が与えられる位置にΦVR1、ΦVR2、Φv、O2
を記載している。
VR1により、センサーセル201の電位を一定値にす
ると、出力端子O2の電位は所定の電圧にセットされ
る。時刻T2でリセット信号ΦVR1を解除すると、出
力端子O2の電位は、センサーセル201でX線検出に
より発生した信号電荷により変化する。出力端子O2の
電位は、時刻T3、T4、T5では、それぞれ、電圧V
1、V2、V3となる。出力端子O2の電圧が与えら
れ、その電圧を切り替え、増幅して出力する照射量検出
回路205からの出力を利用する外部回路を用いて、X
線発生器をコントロールしてX線露光時間を調整する。
これが、自動露出機能である。
子O2の電圧がV3になった時点でX線の照射を自動露
光機能により中止している。
のパルスにより、出力線206の電位をリセットしたあ
と、時刻T7において、読み出し制御信号Φvのパルス
を与えると、各センサーセル201の信号電荷が出力端
子O2に読み出される。その後、時刻T8において、再
びリセット信号ΦVR1のパルスにより、センサーセル
201をリセットして、X線入射にそなえる。この基本
動作が繰り返される。
力線210と定電流源211に同一列の複数のトランジ
スタ302のソースが接続されるので、出力線210に
現れる電圧は、これらのトランジスタ302のゲート電
圧のうちの最大の電圧に対応した値となるが、露光量制
御のために照射量を測定する目的を有しているので、実
用上問題ない。但し、各トランジスタ302毎に出力線
210、定電流源211を設けても良い。
示している。
置であり、これは、被写体1004の画像を撮るととも
に、被写体1004を通過したX線の照射積分量を検出
する。照射積分量は、データ処理装置1006を介し
て、コンピュータ1007に供給される。コンピュータ
1007は照射積分量が所定の値になったときに、カメ
ラ制御器1010、X線制御器1011を介して被写体
1004へのX線を1005の照射を停止する。このよ
うにして、被写体1004である人体へのX線照射量を
必要最小限に抑えることができる。
検出のグループ化の方式を示す。図3に示す例では、各
列毎にトランジスタ302がグループ化されていること
を、既に説明したが、この他に、図8(a)、(b)に
示すようにトランジスタ302をグループ化して、同一
グループ内のトランジスタ302に単一の出力線21
0、定電流源211を接続するようにしても良い。な
お、トランジスタ302のグループ化による区画の境界
と、基板11あるいは半導体基板12の相互間の境界と
は一致していてもいなくても良い。
×6列の列状に並ぶグループにグループ化する。図8
(b)に示す例では、撮像領域を2行×3列の行列状に
並ぶグループにグループ化する。
0のセンサーセル201が並び、この場合には、図8
(a)の例では、1つのグループに2000(行方向)
×333乃至334(列方向)個のセンサーセル201
が含まれ、図8(b)の例では、1つのグループに10
00(行方向)×666乃至667(列方向)個のセン
サーセル201が含まれる。
のトランジスタ302に対応したソース電圧が検出電圧
として得られるが、全グループのうちのどのグループの
検出電圧を使用するかは、被写体の撮像部位によって異
なる。すなわち、被写体である人体のうちの、胸部を撮
像するか、腹部を撮像するか等に応じて適宜最適なグル
ープの検出電圧を使用する。
3による電磁変換装置の各センサーセル201の等化回
路図を示す。
「トランジスタ」という。)305がX線センシング部
301とトランジスタ302のゲートの間に挿入されて
いる。配線213に一定電位を供給することにより、X
線センシング部301の高電圧印加と反対側のトランジ
スタ305と接続されている点306の電位を一定に保
つことが出来る。これによりX線センシング部301の
印加電界が一定に保つことが出来、X線に対する利得を
変化することなく検出できる。配線213に供給する電
位を一定に保つことが重要である。
態3による電磁変換装置の断面図を示す。図10に示す
実施形態3による電磁変換装置が図2に示す実施形態1
による電磁変換装置と異なる点は、p+層123とn+層
121が除去され、金属層124が、例えば、AuGe
Niより組成される点である。なお、金属層126は、
実施形態1と同様に、例えば、AuGeNiより組成さ
れる。
なく、半絶縁性(i層)半導体基板中で放射線を検出す
る。
以下の効果が奏される。
の一体化により小型化が容易となる。(2)X線の照射
量の検出を電磁波変換装置自体で行うため、その照射量
を正確に検出することが可能である。(3)X線の照射
量を複数の部位で検出することができる。(4)撮像画
へ影響を及ぼさずに、X線の照射量を検出することが可
能である。
装置の平面図であり、(b)は、本発明の実施形態によ
る電磁波変換装置の断面図である。
分断面図である。
体の回路図である。
センサーセルの等化回路図である。
つのセンサーセルに着目したときのセンサーセル及び読
み出し回路等の等化回路図である。
を示すタイミングチャートである。
た医療用応用システムの構成を示す概念図である。
ジスタのグループ化の方式を示す図である。
センサーセルの等化回路図である。
部分断面図である。
概念図である。
蛍光採光型検出器の一例を示す図である。
P) 24 ドライバ用プリント基板 50 導電体 100 絶縁基板 101 キャリアの読み出し部 102 X線センシング部 121 n+層 122 i層 123 p+層 124 金属層 125 金属層 126 金属層 131 薄膜トランジスタ(TFT) 132 ゲート 133 ドレイン 134 活性層 135 金属配線 141 保護膜 142 Al層 143 金属層 151 接続部材 201 センサーセル 202 走査回路 203 リセット回路 204 出力回路 205 照射量検出回路 206 出力線 207 アンプ 208 リセット用トランジスタ 209 リセット線 210 出力線 211 定電流源 212 行選択線 301 X線センシング部 302 非破壊読み出し用兼信号電荷蓄積用トランジス
タ 303 破壊読み出し用トランジスタ 304 リセット用トランジスタ 305 電圧クランプ用トランジスタ
11)
Claims (11)
- 【請求項1】 電磁波を検出する検出手段と、 前記検出手段の電位をリセットするリセット手段と、 前記電磁波により前記検出手段において発生した信号電
荷を蓄積する蓄積手段と、 前記蓄積手段に蓄積された前記信号電荷を読み出す第1
の読出手段と、 を備え、 前記蓄積手段が、該蓄積手段に蓄積された前記信号電荷
による電位を非破壊で読み出す第2の読出手段を備える
ことを特徴とする電磁波変換装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の電磁波変換装置におい
て、 前記検出手段、前記リセット手段、前記蓄積手段、前記
第1の読出手段を備えるセンサーセルが行列状に2次元
に配置されたことを特徴とする電磁波変換装置。 - 【請求項3】 請求項2に記載の電磁波変換装置におい
て、 複数のセンサーセルの前記第2の読出手段により読み出
されるべき電位より単一の電位を得る手段を備えること
を特徴とする電磁波変換装置。 - 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の
電磁波変換装置において、 前記リセット手段、前記蓄積手段、前記読み出し手段
が、絶縁基板上に形成された薄膜トランジスタであるこ
とを特徴とする電磁波変換装置。 - 【請求項5】 請求項4に記載の電磁波変換装置におい
て、 前記検出手段の1方の端子には、電位供給手段が接続さ
れ、前記検出手段の他の端子には、前記リセット手段及
び前記読み出し手段のトランジスタのソース又はドレイ
ン並びに前記蓄積手段のトランジスタのゲートが接続さ
れていることを特徴とする電磁波変換装置。 - 【請求項6】 請求項5に記載の電磁波変換装置におい
て、 前記検出手段の他の端子の電圧を一定にする手段を備え
ることを特徴とする電磁波変換装置。 - 【請求項7】 請求項5又は6に記載の電磁波変換装置
において、 前記蓄積手段のトランジスタのゲート電位はソースフォ
ロア回路で読み出すことを特徴とする電磁波変換装置。 - 【請求項8】 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の
電磁波変換装置において、 金属層、i層、金属層が直接積層されたX線センシング
部を備えることを特徴とする電磁波変換装置。 - 【請求項9】 金属層、i層、金属層が直接積層された
X線センシング部を備えることを特徴とする電磁波変換
装置。 - 【請求項10】 請求項4に記載の電磁波変換装置にお
いて、薄膜トランジスタの半導体が非単結晶シリコンで
あることを特徴とする電磁波変換装置。 - 【請求項11】 請求項1から10に記載の電磁波変換
装置において、前記検出手段が半導体結晶の第1の基板
からなり、前記他の手段が第2の絶縁性基板あるいは半
導体基板に形成され、第1の基板と第2の基板が積層さ
れ、第1基板の検出セルと第2基板の読み出し回路が第
1と第2の基板の積層構造で電気的、機械的に接続され
ていることを特徴とする電磁波変換装置。
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