JP2008228346A - Radiation imaging device, method of driving the same, and radiation imaging system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、医療用の診断や工業用の非破壊検査に用いて好適な放射線撮像装置、その駆動方法及び放射線撮像システムに関する。なお、本明細書では、X線、γ線などの電磁波やα線、β線も放射線に含めるものとする。 The present invention relates to a radiation imaging apparatus suitable for use in medical diagnosis and industrial nondestructive inspection, a driving method thereof, and a radiation imaging system. In this specification, electromagnetic waves such as X-rays and γ rays, α rays, and β rays are also included in the radiation.
従来、病院内などに設置されているX線撮影システムには、患者にX線を照射し、患者を透過したX線をフィルムに露光するフィルム撮影方式と、患者を透過したX線を電気信号に変換してディジタル画像処理する画像処理方式とがある。 Conventionally, in an X-ray imaging system installed in a hospital or the like, a film imaging system for irradiating a patient with X-rays and exposing the X-rays transmitted through the patient to a film, and an X-ray transmitted through the patient as an electrical signal There is an image processing method in which digital image processing is performed after conversion into a digital image.
画像処理方式のひとつに、X線を可視光に変換する蛍光体と可視光を電気信号に変換する光電変換装置とを備えた放射線撮像装置がある。患者を透過したX線が蛍光体に照射され、蛍光体で可視光に変換された患者の体内情報を光電変換装置により電気信号として出力する。患者の体内情報が電気信号に変換されれば、その電気信号をADコンバータでディジタル変換し、記録、表示、印刷、診断などを行うためのX線画像情報をディジタル値として扱うことができる。 As one of image processing methods, there is a radiation imaging apparatus including a phosphor that converts X-rays into visible light and a photoelectric conversion device that converts visible light into an electrical signal. X-rays transmitted through the patient are irradiated onto the phosphor, and the in-vivo information of the patient converted into visible light by the phosphor is output as an electrical signal by the photoelectric conversion device. If the in-vivo information of the patient is converted into an electrical signal, the electrical signal is digitally converted by an AD converter, and X-ray image information for recording, display, printing, diagnosis, etc. can be handled as a digital value.
最近では、光電変換装置にアモルファスシリコン半導体薄膜を用いた放射線撮像装置が実用化されている。
図24は、MIS型光電変換素子101とスイッチ素子102の材料にアモルファスシリコン半導体薄膜を用いて構成した従来の光電変換基板の上面図であり、それらを結線する配線を含めて表している。
Recently, a radiation imaging apparatus using an amorphous silicon semiconductor thin film for a photoelectric conversion device has been put into practical use.
FIG. 24 is a top view of a conventional photoelectric conversion substrate configured by using an amorphous silicon semiconductor thin film as the material of the MIS type
図25は、図24に示したA−B間における断面図である。以後の説明では、簡略化のために、MIS型光電変換素子は、単に光電変換素子と呼ぶことにする。
図25に示すように、光電変換素子101及びスイッチ素子102(アモルファスシリコンTFT、以下、単にTFTと記す)は同一基板103上に形成されており、光電変換素子101の下部電極は、TFT102の下部電極(ゲート電極)と同一の第1の金属薄膜層104で形成されており、また、光電変換素子102の上部電極は、TFT102の上部電極(ソース電極、ドレイン電極)と同一の第2の金属薄膜層105で形成されている。
25 is a cross-sectional view taken along the line AB shown in FIG. In the following description, for the sake of simplicity, the MIS type photoelectric conversion element is simply referred to as a photoelectric conversion element.
As shown in FIG. 25, the
また、第1及び第2の金属薄膜層104,105は、図24に示した光電変換回路部内のゲート駆動用配線106及びマトリクス信号配線107にも共有して形成されている。図24においては、画素数として2×2の計4画素分を記載しており、図のハッチング部は、光電変換素子101の受光面を示している。また、109は光電変換素子101にバイアスを与える電源ラインであり、110は光電変換素子101とTFT102とを接続するためのコンタクトホールである。
The first and second metal
アモルファスシリコン半導体を主たる材料にした図24で示されるような構成を用いれば、光電変換素子101、TFT102、ゲート駆動用配線106、マトリクス信号配線107を、同一基板上に同時に作製することができ、大面積の光電変換回路部を容易に、且つ安価に提供することができる。
If the structure as shown in FIG. 24 using an amorphous silicon semiconductor as a main material is used, the
次に、光電変換素子101のデバイス動作について図26を用いて説明する。
図26(a)〜(c)は、図24,図25で示した光電変換素子101のデバイス動作を説明するためのエネルギーバンド図である。
Next, device operation of the
FIGS. 26A to 26C are energy band diagrams for explaining the device operation of the
図26(a),(b)は、それぞれリフレッシュモード及び光電変換モードにおける動作を示しており、横軸は図25で示した各層の膜厚方向の状態を表している。ここで、M1は、例えばCrなどの第1の金属薄膜層104で形成された下部電極(G電極)である。また、アモルファス窒化シリコン(a−SiNx)絶縁薄膜層111は、電子とホールをともにその通過を阻止する絶縁層であり、トンネル効果をもたらさない程度の厚さが必要であり、通常は50nm以上で形成される。
FIGS. 26A and 26B show the operation in the refresh mode and the photoelectric conversion mode, respectively, and the horizontal axis shows the state in the film thickness direction of each layer shown in FIG. Here, M1 is a lower electrode (G electrode) formed of the first metal
水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)薄膜層112は、意図的にドーパントをドープしていない真性半導体層(i層)で形成された光電変換半導体層である。また、N+層113は、水素化アモルファスシリコン薄膜層112へのホールの注入を阻止するために形成されたN型の水素化アモルファスシリコン薄膜層などの非単結晶半導体からなる単一導電型キャリアの注入阻止層である。また、M2は、例えばAlなどの第2金属薄膜層105で形成された上部電極(D電極)である。
The hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H)
図25では、上部電極であるD電極はN+層113を完全には覆っていないが、D電極とN+層113との間は電子の移動が自由に行われるためにD電極とN+層113とは常に同電位であり、以下では、そのことを前提として説明を行う。
光電変換素子101のデバイス動作には、D電極やG電極への電圧の印可の仕方によりリフレッシュモードと光電変換モードという2種類の動作モードがある。
In Figure 25, although the D electrode is the upper electrode does not completely cover the N + layer 113, the electrodes D to between the the electron transfer is freely performed between the D electrode and the N + layer 113 and the N + The
The device operation of the
図26(a)に示すリフレッシュモードの場合には、D電極にはG電極に対して負の電位が与えられており、図中の黒丸で示したi層112中のホールは、電界によりD電極に導かれる。これと同時に、図中の白丸で示した電子は、i層112に注入される。この時、一部のホールと電子はN+層113、i層112において再結合して消滅する。この状態が十分に長い時間続けば、ホールはi層112から掃き出される。
In the refresh mode shown in FIG. 26 (a), a negative potential is applied to the D electrode with respect to the G electrode. Guided to the electrode. At the same time, electrons indicated by white circles in the drawing are injected into the
前述の状態から、図26(a)に示す光電変換モードにするためには、D電極にG電極に対し正の電位を与える。これにより、i層112中の電子は、瞬時にD電極に導かれる。しかし、ホールは、N+層113が注入阻止層として働くため、i層112に導かれることはない。この状態でi層112に光が入射すると、光は吸収され電子ホール対が発生する。この電子は電界によりD電極に導かれる。一方、ホールはi層112内を移動して、i層112とアモルファス窒化シリコン(a−SiNx)絶縁薄膜層111との界面に達するが、この絶縁層111内には移動できないため、i層112内に留まることになる。この時、電子はD電極に移動し、ホールはi層内の絶縁層界面に移動するため、光電変換素子101内の電気的中性を保つためにG電極から電流が流れる。この電流は、光により発生した電子・ホール対に対応するため、入射した光に比例したものとなる。
In order to switch to the photoelectric conversion mode shown in FIG. 26A from the above state, a positive potential is applied to the D electrode with respect to the G electrode. Thereby, electrons in the
図26(b)に示した光電変換モードの状態をある期間保った後、再び、図26(a)のリフレッシュモードの状態になると、i層112に留まっていたホールは前述のようにD電極に導かれて、このホールに対応した電流が流れる。このホールの量は、光電変換モード期間に入射した光の総量に対応する。この時、i層112内に注入される電子の量に対応した電流も流れるが、この量はおよそ一定であるため、差し引いて検出すればよい。つまり、この光電変換素子101はリアルタイミングに入射する光の量を出力すると同時に、ある期間に入射した光の総量も検出することができる。
After maintaining the state of the photoelectric conversion mode shown in FIG. 26B for a certain period and then entering the state of the refresh mode of FIG. 26A again, the holes remaining in the
しかしながら、何らかの理由により光電変換モードの期間が長くなった場合や入射する光の照度が強い場合には、光の入射があるにもかかわらず電流が流れないことがある。これは、図26(c)に示すように、i層112内にホールが多数留まり、このホールによりi層112内の電界が小さくなり、発生した電子が導かれなくなってi層112内でホールと再結合してしまうからである。この状態を光電変換素子101の飽和状態と称する。この状態で光の入射の状態が変化すると、電流が不安定に流れることもあるが、再びリフレッシュモードにすればi層112内のホールは掃き出されるため、次の光電変換モードでは再び光に比例した電流が流れる。
However, when the period of the photoelectric conversion mode becomes longer for some reason or when the illuminance of incident light is strong, current may not flow even though light is incident. This is because, as shown in FIG. 26C, a large number of holes remain in the
また、前述の説明において、リフレッシュモードでi層112内のホールを掃き出す場合には、すべてのホールを掃き出すのが理想であるが、一部のホールを掃き出すだけでも効果があり、前述と等しい電流が得られて何ら問題はない。つまり、次の光電変換モードでの検出機会において、図26(c)の飽和状態になっていなければよく、リフレッシュモードでのD電極のG電極に対する電位、リフレッシュモードの期間及びN+層113の注入阻止層の特性を決めればよい。
In the above description, when holes in the
また、更にリフレッシュモードにおいて、i層112への電子の注入は必要条件でなく、D電極のG電極に対する電位は負に限定されるものでもない。ホールが多数i層112に留まっている場合には、たとえD電極のG電極に対する電位が正の電位であっても、i層112内の電界はホールをD電極に導く方向に加わるからである。また、注入阻止層であるN+層113の特性も同様に電子をi層112に注入できることが必要条件ではない。
Further, in the refresh mode, injection of electrons into the
図27は、光電変換素子101とTFT102とを備えて構成される画素の1画素分の従来における光電変換回路図である。
図27において光電変換素子101は、i層からなる容量成分Ciと注入阻止層からなる容量成分CSiNとを含んでいる。また、i層と注入阻止層との接合点(図27中のノードN)は、光電変換素子101が飽和状態になった時、すなわちD電極とノードNの間(i層)に電界がない(小さい)状態になった時、光によって生成された電子とホールとが再結合するために、ホールキャリアをN部に蓄えることができなくなる。
FIG. 27 is a conventional photoelectric conversion circuit diagram for one pixel of a pixel configured to include the
In FIG. 27, the
つまり、ノードNの電位は、D電極の電位より高くなることはない。この飽和状態における動作を具現化するために、図27ではダイオード(D1)を容量成分Ciに並列に接続している。すなわち、光電変換素子101は、容量成分Ci、容量成分CSiN、ダイオードD1の3つの構成要素を有している。
That is, the potential of the node N does not become higher than the potential of the D electrode. In order to realize the operation in the saturated state, in FIG. 27, the diode (D1) is connected in parallel to the capacitive component Ci. That is, the
図28は、図27に示した画素の1画素分の光電変換回路における動作を示すタイミングチャートである。以下に、図27,図28を用いて、光電変換素子101とTFT102で構成される画素の回路動作を説明する。
FIG. 28 is a timing chart showing an operation in the photoelectric conversion circuit for one pixel of the pixels shown in FIG. Hereinafter, the circuit operation of the pixel constituted by the
まず、リフレッシュ動作を説明する。
図27において、Vsを9V、Vrefを3Vに設定する。リフレッシュ動作は、スイッチSW−AをVref、スイッチSW−BをVg(on)、スイッチSW−Cをオンにする。この状態にすることにより、D電極はVref(6V)にバイアスされ、G電極はGND電位にバイアスされ、ノードNは最大Vref(6V)にバイアスされる。ここで、最大というのは、今回のリフレッシュ動作以前の光電変換動作により、ノードNの電位が既にVref以上の電位まで蓄積されていた場合、ダイオードD1を介しVrefにバイアスされる。一方、以前の光電変換動作によりノードNの電位がVref以下であった場合、本リフレッシュ動作によりVrefの電位にバイアスされることはない。実際の使用にあたっては、複数回の光電変換動作を過去に繰り返していれば、ノードNは、本リフレッシュ動作により事実上Vref(6V)にバイアスされると言ってよい。
First, the refresh operation will be described.
In FIG. 27, Vs is set to 9V and Vref is set to 3V. In the refresh operation, the switch SW-A is set to Vref, the switch SW-B is set to Vg (on), and the switch SW-C is turned on. In this state, the D electrode is biased to Vref (6V), the G electrode is biased to the GND potential, and the node N is biased to the maximum Vref (6V). Here, the maximum is biased to Vref via the diode D1 when the potential of the node N has already been accumulated to a potential equal to or higher than Vref by the photoelectric conversion operation before the current refresh operation. On the other hand, when the potential of the node N is equal to or lower than Vref due to the previous photoelectric conversion operation, the refresh operation is not biased to the potential of Vref. In actual use, if a plurality of photoelectric conversion operations have been repeated in the past, it can be said that the node N is effectively biased to Vref (6 V) by this refresh operation.
続いて、ノードNがVrefにバイアスされた後に、スイッチSW−AをVs側に切り替える。これにより、D電極はVs(9V)にバイアスされる。このリフレッシュ動作により、光電変換素子101のノードNに蓄えられていたホールキャリアがD電極側へ一掃されたことになる。
Subsequently, after the node N is biased to Vref, the switch SW-A is switched to the Vs side. As a result, the D electrode is biased to Vs (9 V). By this refresh operation, the hole carriers stored in the node N of the
次に、X−ray照射期間について説明する。
図28に示すように、X線をパルス状に照射する。検出体を透過したX線が蛍光体Flに照射され、可視光に変換される。蛍光体Flからの可視光は、半導体層(i層)に照射され光電変換される。光電変換により生成されたホールキャリアは、ノードNに蓄積され電位を上昇させる。TFT102はオフした状態なので、G電極側の電位も同じ分だけ上昇する。
Next, the X-ray irradiation period will be described.
As shown in FIG. 28, X-rays are irradiated in a pulse shape. X-rays that have passed through the detector are irradiated onto the phosphor Fl and converted into visible light. Visible light from the phosphor Fl is irradiated to the semiconductor layer (i layer) and subjected to photoelectric conversion. The hole carriers generated by the photoelectric conversion are accumulated at the node N and raise the potential. Since the
wait期間は、リフレッシュ期間とX−ray照射期間の間に設けられている。特に何かを動作させているわけではなく、リフレッシュ動作直後の暗電流などで光電変換素子101の特性が不安定な状態にある場合、緩和するまでに何も動作させないために設けられた待機期間である。光電変換素子101がリフレッシュ動作直後に不安定な特性がない場合、特にwait期間を設ける必要はない。
The wait period is provided between the refresh period and the X-ray irradiation period. In particular, when something is not operated, and when the characteristics of the
次に、転送動作について説明する。
転送動作は、スイッチSW−BをVg(on)側にして、TFT102をオン状態にする。これによりX−ray照射により蓄えられたホールキャリアの量(Sh)に対応する電子キャリア(Se)が、C2側からTFT102を介してG電極側に流れ、読み出し容量C2の電位を上昇させる。この時、SeとShとの関係は、Se=Sh×CSiN/(CSiN+Ci)である。読み出し容量C2の電位は、同時にアンプを介し増幅して出力される。TFT102は、信号電荷を充分に転送するに足りる時間だけオンさせ、やがてオフさせる。
Next, the transfer operation will be described.
In the transfer operation, the switch SW-B is set to the Vg (on) side and the
最後に、リセット動作について説明する。
リセット動作はスイッチSW−Cをオンさせ、読み出し容量C2をGND電位にリセットして次回の転送動作に備える。
Finally, the reset operation will be described.
In the reset operation, the switch SW-C is turned on to reset the read capacitor C2 to the GND potential to prepare for the next transfer operation.
図29は、従来の光電変換装置の2次元的回路図である。
図29では説明を簡略化するために、3×3=9画素分のみを記載している。S1−1〜S3−3は光電変換素子、T1−1〜T3−3はスイッチ素子(TFT)、G1〜G3はTFT(T1−1〜T3−3)をオン/オフさせるためのゲート配線、M1〜M3は信号配線、Vs線は光電変換素子S1−1〜S3−3に蓄積バイアスを与えたり、リフレッシュバイアスを与えたりするための配線である。
FIG. 29 is a two-dimensional circuit diagram of a conventional photoelectric conversion device.
In FIG. 29, only 3 × 3 = 9 pixels are shown to simplify the description. S1-1 to S3-3 are photoelectric conversion elements, T1-1 to T3-3 are switch elements (TFTs), G1 to G3 are gate wirings for turning on / off the TFTs (T1-1 to T3-3), M1 to M3 are signal wirings, and the Vs line is a wiring for applying a storage bias or a refreshing bias to the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3.
光電変換素子S1−1〜S3−3の黒く塗りつぶされた側の電極はG電極であり、対向側はD電極である。また、D電極はVs線の一部と共有しているが、光を入射させる都合上、薄いN+層をD電極として利用している。光電変換素子S1−1〜S3−3、TFT(T1−1〜T3−3)、ゲート配線G1〜G3、信号配線M1〜M3、Vs線、これらを総じて光電変換回路部100と称する。 The electrodes on the sides of the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 that are painted black are G electrodes, and the opposite side is a D electrode. Further, although the D electrode is shared with a part of the Vs line, a thin N + layer is used as the D electrode for the convenience of light incidence. The photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3, TFTs (T1-1 to T3-3), gate wirings G1 to G3, signal wirings M1 to M3, and Vs lines are collectively referred to as a photoelectric conversion circuit unit 100.
Vs線は、電源Vsや電源Vrefによりバイアスされ、これらはVSCのコントロール信号により切り替えられる。SR1はゲート配線G1〜G3に駆動用のパルス電圧を与えるシフトレジスタであり、TFT(T1−1〜T3−3)をオンさせる電圧は外部から供給する。このとき供給される電圧は、電源Vg(on)により決定される。 The Vs line is biased by a power supply Vs or a power supply Vref, and these are switched by a VSC control signal. SR1 is a shift register that applies a driving pulse voltage to the gate wirings G1 to G3, and a voltage for turning on the TFTs (T1-1 to T3-3) is supplied from the outside. The voltage supplied at this time is determined by the power supply Vg (on).
読み出し用回路部200は、光電変換回路部100内の信号配線M1〜M3の並列信号出力を増幅し、直列変換して出力する。
RES1〜RES3は信号配線M1〜M3をリセットするスイッチ、A1〜A3は信号配線M1〜M3の信号を増幅するアンプ、CL1〜CL3はアンプA1〜A3で増幅された信号を一時的に蓄積するサンプルホールド容量、Sn1〜Sn3はサンプルホールドを行うためのスイッチ、B1〜B3はバッファアンプ、Sr1〜Sr3は並列信号を直列変換するためのスイッチ、SR2はスイッチSr1〜Sr3に直列変換するためのパルスを与えるシフトレジスタ、Abは直列変換された信号を出力するバッファアンプである。
The reading circuit unit 200 amplifies the parallel signal outputs of the signal wirings M1 to M3 in the photoelectric conversion circuit unit 100, converts the signals in series, and outputs them.
RES1 to RES3 are switches that reset the signal wirings M1 to M3, A1 to A3 are amplifiers that amplify the signals of the signal wirings M1 to M3, and CL1 to CL3 are samples that temporarily store the signals amplified by the amplifiers A1 to A3. Hold capacitors, Sn1 to Sn3 are switches for performing sample hold, B1 to B3 are buffer amplifiers, Sr1 to Sr3 are switches for serially converting parallel signals, and SR2 is a pulse for serially converting to switches Sr1 to Sr3 A shift register, Ab, is a buffer amplifier that outputs a serially converted signal.
図30は、図29に示した光電変換装置の動作を示すタイミングチャートである。以下、このタイミングチャートを用いて図29の光電変換装置の動作について説明する。 FIG. 30 is a timing chart illustrating the operation of the photoelectric conversion device illustrated in FIG. Hereinafter, the operation of the photoelectric conversion device in FIG. 29 will be described with reference to this timing chart.
制御信号VSCは、Vs線すなわち光電変換素子S1−1〜S3−3のD電極に、2種類のバイアスを与えるためのものである。D電極は、制御信号VSCが"Hi"の時にVref(V)になり、制御信号VSCが"Lo"の時にVs(V)になる。読み取り用電源Vs(V)、リフレッシュ用電源Vref(V)は、それぞれ直流電源である。 The control signal VSC is for applying two types of bias to the Vs line, that is, the D electrodes of the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3. The D electrode becomes Vref (V) when the control signal VSC is “Hi”, and becomes Vs (V) when the control signal VSC is “Lo”. The reading power source Vs (V) and the refreshing power source Vref (V) are each a DC power source.
まず、リフレッシュ期間の動作について説明する。
シフトレジスタSR1の信号をすべて"Hi"で、かつ読み出し用回路部200のCRES信号を"Hi"の状態にする。このようにすると、スイッチング用の全TFT(T1−1〜T3−3)が導通し、かつ読み出し用回路200内のスイッチ素子RES1〜RES3も導通し、全光電変換素子S1−1〜S3−3のG電極がGND電位になる。そして、制御信号VSCが"Hi"になると、全光電変換素子S1−1〜S3−3のD電極がリフレッシュ用電源Vrefにバイアスされた状態(負電位)になる。これにより、全光電変換素子S1−1〜S3−3はリフレッシュモードとなり、リフレッシュが行われる。
First, the operation during the refresh period will be described.
All signals of the shift register SR1 are set to “Hi”, and the CRES signal of the reading circuit unit 200 is set to “Hi”. In this way, all the switching TFTs (T1-1 to T3-3) are turned on, and the switch elements RES1 to RES3 in the readout circuit 200 are also turned on, so that all the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 are turned on. The G electrode becomes the GND potential. When the control signal VSC becomes “Hi”, the D electrodes of all the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 are biased to the refresh power supply Vref (negative potential). As a result, all the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 enter the refresh mode, and refresh is performed.
次に、光電変換期間について説明する。
制御信号VSCが"Lo"の状態に切り替わると、全光電変換素子S1−1〜S3−3のD電極は読み取り用電源Vsにバイアスされた状態(正電位)になる。このようにすると、光電変換素子S1−1〜S3−3は光電変換モードになる。この状態でシフトレジスタSR1の信号をすべて"Lo"で、かつ読み出し用回路部200のCRES信号を"Lo"の状態にする。これにより、スイッチング用の全TFT(T1−1〜T3−3)がオフし、かつ読み出し用回路200内のスイッチ素子RES1〜RES3もオフし、全光電変換素子S1−1〜S3−3のG電極は、直流的にはオープン状態になるが、光電変換素子S1−1〜S3−3は容量成分も構成要素として有しているために電位は保持される。
Next, the photoelectric conversion period will be described.
When the control signal VSC is switched to the “Lo” state, the D electrodes of all the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 are biased to the reading power source Vs (positive potential). If it does in this way, photoelectric conversion element S1-1-S3-3 will be in a photoelectric conversion mode. In this state, all the signals of the shift register SR1 are set to “Lo”, and the CRES signal of the reading circuit unit 200 is set to the “Lo” state. As a result, all the switching TFTs (T1-1 to T3-3) are turned off, and the switch elements RES1 to RES3 in the readout circuit 200 are also turned off, and the G of all the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 is turned off. Although the electrodes are in an open state in terms of direct current, the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 also have a capacitive component as a constituent element, so that the potential is maintained.
ここまでの時点では、光電変換素子S1−1〜S3−3に光が入射されていないために電荷は発生しない。すなわち電流は流れない。この状態で、光源がパルス状にオンすると、それぞれの光電変換素子S1−1〜S3−3のD電極(N+電極)に光が照射され、いわゆる光電流が流れる。光源については、図に記載はしていないが、例えば、複写機であれば蛍光灯、LED、ハロゲン灯等である。X線撮影装置であれば文字通りX線源であり、この場合はX線可視変換用のシンチレータを用いればよい。また、光によって流れた光電流は、電荷としてそれぞれの光電変換素子内S1−1〜S3−3に蓄積され、光源がオフ後も保持される。 At this point, no light is generated because no light is incident on the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3. That is, no current flows. In this state, when the light source is turned on in pulses, light is irradiated to the D electrodes (N + electrodes) of the respective photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3, and so-called photocurrent flows. Although the light source is not shown in the drawing, for example, in the case of a copying machine, it is a fluorescent lamp, an LED, a halogen lamp, or the like. An X-ray imaging apparatus is literally an X-ray source. In this case, a scintillator for X-ray visible conversion may be used. In addition, the photocurrent that flows by light is accumulated as charges in each of the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3, and is retained even after the light source is turned off.
次に、読み出し期間について説明する。
読み出し動作は、1行目の光電変換素子S1−1〜S1−3、続いて、2行目の光電変換素子S2−1〜S2−3、続いて、3行目の光電変換素子S3−1〜S3−3の順で行われる。
Next, the reading period will be described.
The reading operation is performed on the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 in the first row, the photoelectric conversion elements S2-1 to S2-3 in the second row, and then the photoelectric conversion elements S3-1 in the third row. To S3-3.
まず、1行目の光電変換素子S1−1〜S1−3を読み出すためにスイッチ素子(TFT)T1−1〜T1−3のゲート配線G1にシフトレジスタSR1からゲートパルスを与える。この時、ゲートパルスのハイレベルは、外部から供給されている電圧V(on)である。これにより、TFT(T1−1〜T1−3)がオン状態になり、光電変換素子S1−1〜S1−3に蓄積されていた信号電荷が、信号配線M1〜M3に転送される。 First, a gate pulse is applied from the shift register SR1 to the gate wiring G1 of the switch elements (TFT) T1-1 to T1-3 in order to read out the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 in the first row. At this time, the high level of the gate pulse is the voltage V (on) supplied from the outside. Thereby, the TFTs (T1-1 to T1-3) are turned on, and the signal charges accumulated in the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 are transferred to the signal wirings M1 to M3.
信号配線M1〜M3には、特に図29中には記載していないが読み出し容量が付加されており、信号電荷はTFT(T1−1〜T1−3)を介し、読み出し容量に転送されることになる。例えば、信号配線M1の付加されている読み出し容量は、信号配線M1に接続されている各TFT(T1−1〜T3−1)のゲート・ソース間の電極間容量(Cgs)の総和(3個分)であり、図27におけるC2に相当する。また、信号配線M1〜M3に転送された信号電荷は、アンプA1〜A3で増幅される。そしてCRES信号をオンさせることにより、サンプルホールド容量CL1〜CL3に転送され、CRES信号をオフするとともにホールドされる。 Although not shown in FIG. 29 in particular, a read capacitor is added to the signal wirings M1 to M3, and signal charges are transferred to the read capacitors via the TFTs (T1-1 to T1-3). become. For example, the readout capacitance added to the signal wiring M1 is the sum (three) of the inter-electrode capacitance (Cgs) between the gate and the source of each TFT (T1-1 to T3-1) connected to the signal wiring M1. Minutes) and corresponds to C 2 in FIG. The signal charges transferred to the signal wirings M1 to M3 are amplified by the amplifiers A1 to A3. When the CRES signal is turned on, the CRES signal is transferred to the sample hold capacitors CL1 to CL3, and the CRES signal is turned off and held.
続いて、シフトレジスタSR2からスイッチSr1,Sr2,Sr3の順番で、パルスを印加することにより、サンプルホールド容量CL1〜CL3にホールドされていた信号が、サンプルホールド容量CL1,CL2,CL3の順でアンプAbから出力される。結果として、光電変換素子S1−1,S1−2,S1−3の1行分の光電変換信号が順次出力される。2行目の光電変換素子S2−1〜S2−3の読み出し動作、3行目の光電変換素子S3−1〜S3−3の読み出し動作も同様に行われる。 Subsequently, by applying pulses in the order of the switches Sr1, Sr2, and Sr3 from the shift register SR2, the signals held in the sample and hold capacitors CL1 to CL3 are amplified in the order of the sample and hold capacitors CL1, CL2, and CL3. Output from Ab. As a result, photoelectric conversion signals for one row of the photoelectric conversion elements S1-1, S1-2, and S1-3 are sequentially output. The readout operation of the photoelectric conversion elements S2-1 to S2-3 in the second row is performed in the same manner as the readout operation of the photoelectric conversion elements S3-1 to S3-3 in the third row.
1行目のSMPL信号により信号配線M1〜M3の信号をサンプルホールド容量CL1〜CL3にサンプルホールドすれば、信号配線M1〜M3をCRES信号によりGND電位にリセットし、その後、ゲート配線G2にゲートパルスを印加することができる。すなわち、1行目の信号を、シフトレジスタSR2にて直列変換動作をする間に、同時に2行目の光電変換素子S2−1〜S2−3の信号電荷をシフトレジスタSR1にて転送することができる。
以上の動作により、第1行から第3行までの全ての光電変換素子S1−1〜S3−3の信号電荷を出力することができる。
If the signals of the signal wirings M1 to M3 are sampled and held in the sample hold capacitors CL1 to CL3 by the SMPL signal in the first row, the signal wirings M1 to M3 are reset to the GND potential by the CRES signal, and then the gate pulse is applied to the gate wiring G2. Can be applied. That is, the signal charges of the photoelectric conversion elements S2-1 to S2-3 in the second row can be simultaneously transferred in the shift register SR1 while the signal in the first row is subjected to the serial conversion operation in the shift register SR2. it can.
With the above operation, the signal charges of all the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 from the first row to the third row can be output.
前述したX線撮像装置の動作は、リフレッシュ動作を行い、X線を照射し、そして読み出し動作を行うことにより、いわば1枚の静止画像を取得するための動作である。また、連続した動画像を取得する場合には、図30に示したタイミングチャートを取得したい動画の枚数分だけ繰り返して動作させればよい。 The operation of the X-ray imaging apparatus described above is an operation for acquiring a single still image by performing a refresh operation, irradiating X-rays, and performing a read operation. In addition, when acquiring continuous moving images, the timing chart shown in FIG. 30 may be repeatedly operated for the number of moving images to be acquired.
しかしながら、特に画素数が多いX線撮像装置で動画像を得ようとした場合には、更なるフレーム周波数の改善が必要となってくる。光電変換素子のリフレッシュ動作が全光電変換素子共通のVs線を介して行われる場合には、1フレームに1回のリフレッシュ期間を設けることが必須となる。これは、特に動画画像を取得する際に、フレーム周波数が小さくなる、すなわち動作スピードが遅くなるという問題を生じる。 However, when trying to obtain a moving image with an X-ray imaging apparatus having a large number of pixels, it is necessary to further improve the frame frequency. When the refresh operation of the photoelectric conversion elements is performed via the Vs line common to all the photoelectric conversion elements, it is essential to provide one refresh period for one frame. This causes a problem that the frame frequency is decreased, that is, the operation speed is decreased, particularly when a moving image is acquired.
一般的に、胸部の単純撮影において必要とされるスペックとして、撮影領域が40cm角以上、画素ピッチが200μm以下と言われている。仮に、撮影領域を40cm角、画素ピッチを200μmとしてX線撮像装置を作製した場合には、光電変換素子の数が4百万個にも及ぶ。こういった大多数の画素を、一括でリフレッシュすることは、リフレッシュ時に流れる電流も大きくなるため、X線撮像装置のGNDや電源ラインの電圧変動を大きくすることになり、安定した撮像を行うことができない。 In general, it is said that the specs required for simple imaging of the chest are an imaging area of 40 cm square or more and a pixel pitch of 200 μm or less. If an X-ray imaging apparatus is manufactured with an imaging area of 40 cm square and a pixel pitch of 200 μm, the number of photoelectric conversion elements reaches 4 million. Refreshing the majority of these pixels at once increases the current that flows during the refresh, and therefore increases the GND and power supply line voltage fluctuations of the X-ray imaging device, thereby enabling stable imaging. I can't.
要求される画像によっては、これらの電圧変動分が緩和するまでX線の照射の待ち時間を設ける必要もある。図30には記載していないが、図28におけるwait期間がそれに相当する。つまり、光電変換装置を一括でリフレッシュすることは、1フレームに1回のリフレッシュ期間を設けるだけでなく、1フレームに1回のwait期間をも必要となる。 Depending on the required image, it is necessary to provide an X-ray irradiation waiting time until these voltage fluctuations are alleviated. Although not shown in FIG. 30, the wait period in FIG. 28 corresponds to this. That is, refreshing the photoelectric conversion devices collectively requires not only one refresh period per frame but also one wait period per frame.
本発明は前述の問題点にかんがみてなされたもので、GNDや電源ラインの電圧変動を抑え、かつフレーム毎の待機期間を無くして、安定かつ高速な動画撮影を行うことができる放射線撮像装置、その駆動方法及び放射線撮像システムを実現することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems. A radiation imaging apparatus capable of performing stable and high-speed moving image capturing by suppressing voltage fluctuations of the GND and the power supply line and eliminating a waiting period for each frame, It is an object to realize the driving method and the radiation imaging system.
本発明の放射線撮像装置は、第1の電極と第2の電極との間の半導体層と前記第1の電極との間の絶縁層を有して入射した放射線を電気信号に変換する変換素子と前記第1の電極に接続され前記電気信号の読み出しを行うスイッチ素子とを含む画素が行方向及び列方向に複数配置され、前記行方向に配置された複数の前記スイッチ素子に接続された制御配線が前記列方向に複数配置され、前記列方向に配置された複数の前記スイッチ素子に接続された信号配線が前記行方向に複数配置されており、前記スイッチ素子を導通させるための駆動信号を複数の前記制御配線に行単位で与えるための駆動用回路部を有する放射線撮像装置であって、前記変換素子のリフレッシュを行うための第1のバイアスを前記信号配線に印加するリフレッシュ部と、前記信号配線に前記信号配線のリセットを行うための第2のバイアスを印加するリセット部と、を有し、所定行の画素の前記読み出しと前記所定行と異なる行の画素の前記読み出しとの間に、前記駆動用回路部が前記所定行の画素の前記スイッチ素子を導通させた状態で、前記リフレッシュ部が前記第1のバイアスを前記信号配線に印加し、且つ、前記第1のバイアスの印加が終了した前記信号配線に前記リセット部が前記第2のバイアスを印加することにより、前記リフレッシュを行うことを特徴とするものである。
また、本発明の放射線撮像装置は、第1の電極と第2の電極との間の半導体層と前記第1の電極との間の絶縁層を有して入射した放射線を電気信号に変換する変換素子と前記第1の電極に接続され前記電気信号の読み出しを行うスイッチ素子とを含む画素が行方向及び列方向に複数配置され、前記行方向に配置された複数の前記スイッチ素子に接続された制御配線が前記列方向に複数配置され、前記列方向に配置された複数の前記スイッチ素子に接続された信号配線が前記行方向に複数配置されており、前記スイッチ素子を導通させるための駆動信号を複数の前記制御配線に行単位で与えるための駆動用回路部と、前記電気信号の読み出しを行単位で行うために複数の前記信号配線に接続された読み出し用回路部と、を有する放射線撮像装置であって、前記読み出し用回路部は、初段部に電流積分型のオペアンプを具備し、前記オペアンプの反転端子と出力端子との間には、前記変換素子から前記スイッチ素子を介して転送される電気信号を積分するための容量素子と、前記容量素子のリセットを行うためのスイッチとを備え、前記オペアンプの非反転端子には、前記変換素子のリフレッシュを行うための第1のバイアスと前記リセットを行うための第2のバイアスとを選択的に供給するバイアス供給部が接続され、所定行の画素の前記読み出しと前記所定行と異なる行の画素の前記読み出しとの間に、前記駆動用回路部が前記所定行の画素の前記スイッチ素子を導通させた状態で、前記バイアス供給部及び前記スイッチが前記第1のバイアスを前記信号配線に印加し、且つ、前記第1のバイアスの印加が終了した前記信号配線に前記第2のバイアスを印加することにより、前記リフレッシュを行うことを特徴とするものである。
本発明の放射線撮像システムは、被験者または被験物を透過した前記放射線を検出する請求項1〜9のいずれか1項に記載の放射線撮像装置と、前記放射線撮像装置から出力された電気信号をディジタル変換して画像処理する画像処理装置と、前記画像処理装置で処理された画像を表示する表示装置とを備えることを特徴とするものである。
本発明の放射線撮像装置の駆動方法は、第1の電極と第2の電極との間の半導体層と前記第1の電極との間の絶縁層を有して入射した放射線を電気信号に変換する変換素子と前記第1の電極に接続され前記電気信号の読み出しを行うスイッチ素子とを含む画素が行方向及び列方向に複数配置され、前記行方向に配置された複数の前記スイッチ素子に接続された制御配線が前記列方向に複数配置され、前記列方向に配置された複数の前記スイッチ素子に接続された信号配線が前記行方向に複数配置されており、前記スイッチ素子を導通させるための駆動信号を複数の前記制御配線に行単位で与えるための駆動用回路部と、前記変換素子のリフレッシュを行うための第1のバイアスを前記信号配線に印加するリフレッシュ部と、前記信号配線に前記信号配線のリセットを行うための第2のバイアスを印加するリセット部と、を有する放射線撮像装置における駆動方法であって、所定行の画素の前記読み出しと前記所定行と異なる行の画素の前記読み出しとの間に、前記駆動用回路部が前記所定行の画素の前記スイッチ素子を導通させた状態で、前記リフレッシュ部が前記第1のバイアスを前記信号配線に印加した後に、前記リセット部が前記第2のバイアスを前記信号配線に印加することにより、前記リフレッシュを行うことを特徴とするものである。
The radiation imaging apparatus of the present invention includes a semiconductor layer between a first electrode and a second electrode and an insulating layer between the first electrode, and converts the incident radiation into an electrical signal. And a switch element connected to the first electrode for reading out the electrical signal is arranged in a plurality of rows and columns, and the control is connected to the plurality of switch elements arranged in the row direction. A plurality of wirings are arranged in the column direction, and a plurality of signal wirings connected to the plurality of switch elements arranged in the column direction are arranged in the row direction, and drive signals for conducting the switch elements are provided. A radiation imaging apparatus having a drive circuit unit for giving a row unit to a plurality of the control wirings, the refreshing unit for applying a first bias for refreshing the conversion element to the signal wirings A reset unit that applies a second bias for resetting the signal wiring to the signal wiring, and between the readout of pixels in a predetermined row and the readout of pixels in a row different from the predetermined row In addition, the refresh unit applies the first bias to the signal wiring in a state where the driving circuit unit conducts the switch elements of the pixels in the predetermined row, and the first bias is applied. The reset is performed by the reset unit applying the second bias to the signal wiring that has been completed.
In addition, the radiation imaging apparatus of the present invention has an insulating layer between the semiconductor layer between the first electrode and the second electrode and the first electrode, and converts incident radiation into an electrical signal. A plurality of pixels including a conversion element and a switch element connected to the first electrode and reading the electrical signal are arranged in a row direction and a column direction, and connected to the plurality of switch elements arranged in the row direction. A plurality of control wirings are arranged in the column direction, and a plurality of signal wirings connected to the plurality of switch elements arranged in the column direction are arranged in the row direction, and driving for conducting the switch elements Radiation having a driving circuit unit for supplying signals to the plurality of control wirings in units of rows, and a reading circuit unit connected to the plurality of signal wirings in order to read out the electrical signals in units of rows. Imaging device The reading circuit unit includes a current integration type operational amplifier in a first stage unit, and an electric power transferred from the conversion element via the switch element between an inverting terminal and an output terminal of the operational amplifier. A capacitive element for integrating the signal; and a switch for resetting the capacitive element, and a non-inverting terminal of the operational amplifier includes a first bias for refreshing the conversion element and the reset. A bias supply section for selectively supplying a second bias to be performed, and the driving circuit section between the readout of pixels in a predetermined row and the readout of pixels in a row different from the predetermined row In a state where the switch elements of the pixels in the predetermined row are conducted, the bias supply unit and the switch apply the first bias to the signal wiring, and By first bias applied to apply the second bias to the signal lines has been completed, and is characterized in that for performing the refresh.
The radiation imaging system of this invention detects the said radiation which permeate | transmitted the test subject or the test object, The radiographic imaging apparatus of any one of Claims 1-9, and the electric signal output from the said radiation imaging apparatus digitally An image processing apparatus that performs image processing after conversion, and a display device that displays an image processed by the image processing apparatus are provided.
According to the driving method of the radiation imaging apparatus of the present invention, the incident radiation having an insulating layer between the semiconductor layer between the first electrode and the second electrode and the first electrode is converted into an electrical signal. A plurality of pixels including a conversion element to be connected and a switch element connected to the first electrode for reading out the electrical signal are arranged in a row direction and a column direction, and connected to the plurality of switch elements arranged in the row direction A plurality of control wires arranged in the column direction, and a plurality of signal wires connected to the plurality of switch elements arranged in the column direction are arranged in the row direction, and the switch elements are made conductive. A drive circuit unit for supplying a drive signal to the plurality of control wirings in units of rows, a refresh unit for applying a first bias for refreshing the conversion element to the signal wirings, A reset method for applying a second bias for resetting a signal wiring, the driving method in a radiation imaging apparatus, wherein the readout of pixels in a predetermined row and the readout of pixels in a row different from the predetermined row The refresh circuit applies the first bias to the signal wiring in a state where the drive circuit unit conducts the switch elements of the pixels in the predetermined row, and the reset unit The refresh is performed by applying a second bias to the signal wiring.
本発明は前記技術手段を有するので、駆動用回路部(シフトレジスタ)により任意の1つの制御配線における変換素子からの電気信号を行毎に転送して読み出した後、次の制御配線における電気信号を転送して読み出すまでの間に、その読み出しの終了した制御配線における変換素子を行毎にリフレッシュを行うことができるため、連続した動画像を取得するときにリフレッシュ期間を設ける必要を回避することができる。これにより、動画像を取得する際のフレーム周波数を大きくすることができ、動画撮影の高速化を図ることができる。また、変換素子を行毎にリフレッシュすることにより、全変換素子を一括してリフレッシュを行う場合と比較してリフレッシュ時の暗電流(過渡電流)を小さくすることができ、GNDや電源ラインの電圧変動を抑えることができるとともに、その電圧変動を緩和させるための待ち時間を設けないで済むようになる。 Since the present invention includes the above technical means, an electric signal from a conversion element in any one control wiring is read and transferred row by row by a driving circuit unit (shift register), and then an electric signal in the next control wiring Since it is possible to refresh the conversion elements in the control wiring for which reading has been completed for each row during the period from the transfer to reading, it is unnecessary to provide a refresh period when acquiring continuous moving images. Can do. Thereby, the frame frequency at the time of acquiring a moving image can be increased, and the speed of moving image shooting can be increased. Further, by refreshing the conversion elements for each row, the dark current (transient current) at the time of refreshing can be reduced as compared with the case where all the conversion elements are collectively refreshed. The fluctuation can be suppressed, and a waiting time for reducing the voltage fluctuation can be omitted.
本発明によれば、変換素子を行毎に順次リフレッシュを行うことにより、動画像を取得する際のフレーム周波数を大きくすることができるため、動画撮影の高速化を図ることができる。また、全変換素子を一括してリフレッシュを行う場合と比較してリフレッシュ時の暗電流(過渡電流)を小さくすることができ、GNDや電源ラインの電圧変動を抑えることができるとともに、その電圧変動を緩和させるための待ち時間を設けないで済むようにすることができる。 According to the present invention, since the frame frequency at the time of acquiring a moving image can be increased by sequentially refreshing the conversion elements row by row, it is possible to increase the speed of moving image shooting. In addition, the dark current (transient current) at the time of refresh can be reduced as compared with the case where all the conversion elements are collectively refreshed, and the voltage fluctuation of the GND and the power supply line can be suppressed. It is possible to eliminate the need for providing a waiting time for alleviating the problem.
本発明の他の特徴とするところは、変換素子及びスイッチ素子をアモルファスシリコン半導体で形成するようにしたので、変換素子とスイッチ素子とを同一基板上に、同工程で形成でき非常に簡単なプロセスで作成できる。このため、歩留まりもよく、非常に安価なX線撮像装置を提供することができる。また、得られた動画像は、光電変換された電気信号として取り出せるため、ディジタル化が容易である。このディジタル情報は、例えば記録,表示等を行って被験者または被験物の診断を行うときに、アナログ情報を扱う場合と比べて、時間的にもコスト的にも非常に効率よく行うことができる。そして、将来の高齢化社会、IT社会の中で、現在より更に質の高い医療環境を作ることができる。 Another feature of the present invention is that the conversion element and the switch element are formed of an amorphous silicon semiconductor, so that the conversion element and the switch element can be formed on the same substrate and in the same process. Can be created. For this reason, it is possible to provide a very inexpensive X-ray imaging apparatus with good yield. Moreover, since the obtained moving image can be taken out as an electric signal subjected to photoelectric conversion, it can be easily digitized. This digital information can be performed very efficiently in terms of time and cost as compared with the case of handling analog information when, for example, recording, displaying, and the like are performed to diagnose a subject or a test object. And in the future aging society and IT society, it is possible to create a higher quality medical environment than the present.
次に、本発明の放射線撮像装置、その駆動方法及び放射線撮像システムの実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態では、放射線撮像装置として従来例と同様のMIS型光電変換素子とスイッチ素子の半導体材料にアモルファスシリコン半導体薄膜を用いた光電変換素子アレイが形成された基板を有する装置を例に挙げて説明する。 Next, embodiments of the radiation imaging apparatus, the driving method thereof, and the radiation imaging system of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, as an example of a radiation imaging apparatus, an apparatus having a substrate on which a MIS type photoelectric conversion element similar to the conventional example and a photoelectric conversion element array using an amorphous silicon semiconductor thin film as a semiconductor material of a switch element are formed. I will give you a description.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態におけるX線撮像装置の1画素分の等価回路図である。
図1に示すように、光電変換素子101は、半導体光電変換層としての水素化アモルファスシリコンなどのi層からなる容量成分Ciと、アモルファス窒化シリコンなどの絶縁層(両導電型のキャリアの注入阻止層)からなる容量成分CSiNとを含んでいる。また、i層と絶縁層との接合点(図1中のノードN)は、光電変換素子101が飽和状態になった時、すなわちD電極とノードNの間(i層)に電界がない(小さい)状態になった時、光によって生成された電子とホールとが再結合するために、ホールキャリアがN部に蓄えることができなくなる。
(First embodiment)
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram for one pixel of the X-ray imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the
つまり、ノードNの電位は、D電極の電位より高くなることはない。この飽和状態における動作を具現化するために、図1ではダイオード(D1)を容量成分Ciに並列に接続している。すなわち、光電変換素子101は容量成分Ci、容量成分CSiN、ダイオードD1の3つの3つの構成要素を有している。
That is, the potential of the node N does not become higher than the potential of the D electrode. In order to realize the operation in the saturated state, a diode (D1) is connected in parallel to the capacitive component C i in FIG. That is, the
TFT102は、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor)でスイッチ素子である。Vsは、光電変換素子101のD電極にバイアスを与えるための電源である。また、C2は、信号配線に付加される読み出し容量である。
The
FLは、X線波長を可視領域波長に変換するための波長変換用の蛍光体であり、直接又は間接的にTFT102と密着した位置に配置されている。蛍光体FLの母体材料には、Gd2O2SやGd2O3などを用い、発光中心にはTb3+やEu3+などの希土類元素が用いられる。また、CsI:TlやCsI:Na等、CsIを母体材料に用いた蛍光体も用いられる。
FL is a wavelength converting phosphor for converting an X-ray wavelength into a visible region wavelength, and is disposed at a position in close contact with the
スイッチSW−Cは、読み出し容量C2(信号配線)をリセットバイアスV(reset)にリセットするためのリセットスイッチ、スイッチSW−Eは、光電変換素子(G電極)をリフレッシュバイアスV(refresh)にリフレッシュするためのスイッチであり、それぞれRC1信号、RC2信号により制御される。また、Vg(on)はTFT102をオンさせ信号電荷を読み出し容量C2に転送するための電源、Vg(off)はTFT102をオフさせるための電源であり、スイッチSW−Dは、電源Vg(on)と電源Vg(off)とを切り替えるスイッチである。
The switch SW-C is a reset switch for resetting the read capacitor C 2 (signal wiring) to the reset bias V (reset), and the switch SW-E is used for setting the photoelectric conversion element (G electrode) to the refresh bias V (refresh). This is a switch for refreshing and is controlled by RC1 signal and RC2 signal, respectively. Vg (on) is a power source for turning on the
また、光電変換素子101をリフレッシュする場合、スイッチSW−Eをオンすることによりリフレッシュバイアスを導通させると同時に、スイッチSW−Dを電源Vg(on)側にしなければならない。
Further, when refreshing the
図2は、図1に示したX線撮像装置の1画素分の回路動作を示すタイミングチャートである。
図1,図2を用いて、光電変換素子101とTFT102を備える画素の1画素分の回路動作を説明する。
FIG. 2 is a timing chart showing the circuit operation for one pixel of the X-ray imaging apparatus shown in FIG.
A circuit operation for one pixel of a pixel including the
まず、X−ray照射期間について説明する。
図2に示すように、X線をパルス状に照射する。被検体を透過したX線が蛍光体FLに照射され、可視光に変換される。蛍光体FLからの可視光は、半導体層(i層)に照射され光電変換される。光電変換により生成されたホールキャリアは、i層と絶縁層(注入阻止層)界面に蓄えられ、ノードNの電位を上昇させる。TFT102はオフした状態なので、G電極側の電位も同じ分だけ上昇する。なお、X−ray照射期間では、スイッチSW−DはV(off)側に、スイッチSW−CとスイッチSW−Eはオフにする。
First, the X-ray irradiation period will be described.
As shown in FIG. 2, X-rays are irradiated in a pulse shape. X-rays that have passed through the subject are irradiated onto the phosphor FL and converted into visible light. Visible light from the phosphor FL is irradiated onto the semiconductor layer (i layer) and subjected to photoelectric conversion. The hole carriers generated by the photoelectric conversion are accumulated at the interface between the i layer and the insulating layer (injection blocking layer), and increase the potential of the node N. Since the
次に、転送動作について説明する。
転送動作は、スイッチSW−DをVg(on)側にして、TFT102をオン状態にする。これによりX−ray照射により蓄えられたホールキャリアの量(Sh)に対応する電子キャリア(Se)が、C2側からTFT102を介してG電極側に流れ、読み出し容量C2の電位を上昇させる。この時、SeとShとの関係は、Se=Sh×CSiN/(CSiN+Ci)である。
Next, the transfer operation will be described.
In the transfer operation, the switch SW-D is set to the Vg (on) side and the
読み出し容量C2の電位は、主として信号配線に接続される全てのTFT102の電極間容量からなる容量で構成されるため、光電変換素子101の容量に比べ十分に大きい。従って、電荷転送後の読み出し容量C2の電位上昇分(ΔVC2)は、G電極の電位下降分(ΔVG)に比べて十分に小さい。すなわち、転送後の読み出し容量C2の電位は、V(reset)+ΔVC2であるが、ほぼV(reset)に近い電位を示している。同時に読み出し容量C2の電位は、アンプを介し増幅して出力される。図1では、アンプ(AMP)を最も基本的な形で表記しているが、増幅回路として機能させる。リセットバイアスV(reset)は、信号成分ではないために別途キャンセルされ、純粋な信号成分であるΔVC2のみが信号として扱われる。
Since the potential of the read capacitor C 2 is mainly composed of the capacitance between the electrodes of all
次に、リフレッシュ動作について説明する。
図2のタイミングチャートでは、図1に示す等価回路図において、Vs=9(V),Vg(reset)=2(V),V(refresh)=6(V)で、かつ容量成分Ciと容量成分CSiNとが等しい場合のD電極,G電極,ノードNの電位を表記している。
リフレッシュ動作は、RC1信号によりスイッチSW−Cをオフ状態にし、RC2信号によりスイッチSW−Eをオン状態にし、スイッチSW−DをVg(on)側にする。このようにすると、光電変換素子101のG電極は、信号が転送されたときの電位(V(reset)+ΔVC2≒V(reset)=2(V))から、リフレッシュバイアスV(refresh)=6Vに上昇する。これと同時に、ノードNの電位も上昇するがVs=9Vを超えることはない。ノードNの電位を上昇させることにより、ノードNに蓄えられた信号電荷(ホールキャリア)の一部が、D電極側に吐き出され、光電変換素子101のリフレッシュ動作が行われる。
Next, the refresh operation will be described.
In the timing chart of FIG. 2, in the equivalent circuit diagram shown in FIG. 1, Vs = 9 (V), Vg (reset) = 2 (V), V (refresh) = 6 (V), and the capacitance component C i The potentials of the D electrode, the G electrode, and the node N when the capacitance component C SiN is equal are shown.
In the refresh operation, the switch SW-C is turned off by the RC1 signal, the switch SW-E is turned on by the RC2 signal, and the switch SW-D is set to the Vg (on) side. In this way, the G electrode of the
次に、リセット動作について説明する。
リセット動作は、スイッチSW−DをVg(on)側の状態で、RC1信号によりスイッチSW−Cをオン状態にし、RC2信号によりスイッチSW−Eをオフ状態にする。このようにすると、光電変換素子101のG電極及び信号配線C2は、リセットバイアスV(reset)にリセットされる。これと同時に、ノードNの電位は、リフレッシュ動作時の電位(図2では9V)から減衰する。その減衰量ΔVNは、容量成分Ciと容量成分CSiNとの容量が等しい場合にV(refresh)とV(reset)との電位差の1/2になり、本説明では、2V分減少する。また、ノードNの減衰量ΔVNは、次回の光電変換動作で蓄えられるホールキャリアの量を決定する。
Next, the reset operation will be described.
In the reset operation, the switch SW-D is set to the Vg (on) side, the switch SW-C is turned on by the RC1 signal, and the switch SW-E is turned off by the RC2 signal. In this way, the G electrode and the signal line C 2 of the
ここで、従来例を示す図28ではwait期間を設けているが、図2のタイミングチャートでは設けていない。その理由について以下に、図3,図4を用いて説明する。
図3は、第1の実施形態におけるX線撮像装置の等価回路図である。図3では、光電変換回路部10に2次元状に配置された画素を、説明を簡略化するために3×3=9画素分のみを記載している。
Here, while the wait period is provided in FIG. 28 showing the conventional example, it is not provided in the timing chart of FIG. The reason will be described below with reference to FIGS.
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the X-ray imaging apparatus according to the first embodiment. In FIG. 3, only 3 × 3 = 9 pixels are illustrated for simplifying the description of the pixels arranged two-dimensionally in the photoelectric
図3に示すS1−1〜S3−3は光電変換素子、T1−1〜T3−3はスイッチ素子(TFT)、G1〜G3はTFT(T1−1〜T3−3)をオン/オフさせるためのゲート配線、M1〜M3は信号配線、Vs線は光電変換素子に蓄積バイアスを与えるための配線である。 3, S1-1 to S3-3 are photoelectric conversion elements, T1-1 to T3-3 are switch elements (TFT), and G1 to G3 are for turning on / off the TFTs (T1-1 to T3-3). The gate wirings M1 to M3 are signal wirings, and the Vs line is a wiring for applying a storage bias to the photoelectric conversion element.
光電変換素子S1−1〜S3−3の黒く塗りつぶされた側の電極はG電極であり、対向側はD電極である。また、D電極はVs線の一部と共有しているが、光を入射させる都合上、薄いN+層をD電極として利用している。光電変換素子S1−1〜S3−3、TFT(T1−1〜T3−3)、ゲート配線G1〜G3、信号配線M1〜M3、Vs線、これらを総じて光電変換回路部10と称する。
The electrodes on the sides of the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 that are painted black are G electrodes, and the opposite side is a D electrode. Further, although the D electrode is shared with a part of the Vs line, a thin N + layer is used as the D electrode for the convenience of light incidence. The photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3, TFTs (T1-1 to T3-3), gate wirings G1 to G3, signal wirings M1 to M3, and Vs lines are collectively referred to as the photoelectric
Vs線は、電源Vsによりバイアスされる。SR1はゲート配線G1〜G3に駆動用のパルス電圧を与えるシフトレジスタであり、TFT(T1−1〜T3−3)をオンさせる電圧Vg(on)とTFT(T1−1〜T3−3)をオフさせる電圧Vg(off)は、外部から駆動用回路部(シフトレジスタSR1)に供給される。 The Vs line is biased by the power supply Vs. SR1 is a shift register that applies a driving pulse voltage to the gate wirings G1 to G3. The voltage Vg (on) that turns on the TFTs (T1-1 to T3-3) and the TFTs (T1-1 to T3-3) are supplied. The voltage Vg (off) to be turned off is supplied from the outside to the driving circuit unit (shift register SR1).
読み出し用回路部20は、光電変換回路部10内の信号配線M1〜M3の並列信号出力を増幅し、直列変換して出力する。
RES1〜RES3は信号配線M1〜M3をリセットバイアスV(reset)にリセットするスイッチであり、図3ではリセットバイアスV(reset)を0V(GND)で表記している。A1〜A3は信号配線M1〜M3の信号を増幅するアンプ、CL1〜CL3はアンプA1〜A3で増幅された信号を一時的に記憶するサンプルホールド容量、Sn1〜Sn3はサンプルホールドするためのスイッチ、B1〜B3はバッファアンプ、Sr1〜Sr3は並列信号を直列変換するためのスイッチ、SR2はスイッチSr1〜Sr3に直列変換するためのパルスを与えるシフトレジスタ、Abは直列変換された信号を出力するバッファアンプである。
The reading circuit unit 20 amplifies the parallel signal output of the signal wirings M1 to M3 in the photoelectric
RES1 to RES3 are switches for resetting the signal wirings M1 to M3 to a reset bias V (reset). In FIG. 3, the reset bias V (reset) is represented by 0 V (GND). A1 to A3 are amplifiers for amplifying the signals of the signal wirings M1 to M3, CL1 to CL3 are sample and hold capacitors for temporarily storing the signals amplified by the amplifiers A1 to A3, and Sn1 to Sn3 are switches for sample and hold, B1 to B3 are buffer amplifiers, Sr1 to Sr3 are switches for serial conversion of parallel signals, SR2 is a shift register that provides pulses for serial conversion to the switches Sr1 to Sr3, Ab is a buffer that outputs a serially converted signal It is an amplifier.
また、RES11〜RES33はTFT(T1−1〜T3−3)を介して光電変換素子101のG電極をリフレッシュバイアスV(refresh)にリフレッシュするためのスイッチであり、スイッチRES11〜RES33の片側にはリフレッシュバイアスV(refresh)が接続されている。
RES11 to RES33 are switches for refreshing the G electrode of the
図4は、図3に示したX線撮像装置の動作を示すタイミングチャートであり、2フレーム分の動作を表している。このタイミングチャートを用いて図3の光電変換装置の動作について説明する。 FIG. 4 is a timing chart showing the operation of the X-ray imaging apparatus shown in FIG. 3, and shows the operation for two frames. The operation of the photoelectric conversion device in FIG. 3 will be described with reference to this timing chart.
まず、光電変換期間について説明する。
全光電変換素子S1−1〜S3−3のD電極は、読み取り用電源Vs(正電位)にバイアスされた状態にある。シフトレジスタSR1の信号はすべて"Lo"であり、スイッチング用の全TFT(T1−1〜T3−3)がオフしている。この状態で光源がパルス状にオンすると、それぞれの光電変換素子S1−1〜S3−3のD電極(N+電極)に光が照射され、光電変換素子S1−1〜S3−3のi層内で電子とホールのキャリアが生成される。電子は読み取り用電源VsによりD電極に移動するが、ホールは光電変換素子S1−1〜S3−3内のi層と絶縁層の界面に蓄えられ、電源がオフ後も保持される。
First, the photoelectric conversion period will be described.
The D electrodes of all the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 are biased to the reading power source Vs (positive potential). All signals of the shift register SR1 are “Lo”, and all TFTs for switching (T1-1 to T3-3) are off. When the light source is turned on in a pulse state in this state, light is irradiated to the D electrodes (N + electrodes) of the respective photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3, and the i layers of the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 are irradiated. Inside, electron and hole carriers are generated. Electrons move to the D electrode by the reading power source Vs, but holes are stored at the interface between the i layer and the insulating layer in the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3, and are retained even after the power is turned off.
次に、読み出し期間について説明する。
読み出し動作は、1行目の光電変換素子S1−1〜S1−3、続いて、2行目の光電変換素子S2−1〜S2−3、続いて、3行目の光電変換素子S3−1〜S3−3の順で行われる。
Next, the reading period will be described.
The reading operation is performed on the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 in the first row, the photoelectric conversion elements S2-1 to S2-3 in the second row, and then the photoelectric conversion elements S3-1 in the third row. To S3-3.
まず、1行目の光電変換素子S1−1〜S1−3を読み出しするためにスイッチ素子(TFT)T1−1〜T1−3のゲート配線G1にシフトレジスタSR1からゲートパルスを与える。この時、ゲートパルスのハイレベルは、外部から供給されているVg(on)の電圧である。これにより、TFT(T1−1〜T1−3)がオン状態になり、光電変換素子S1−1〜S1−3に蓄積されていた信号電荷が、信号配線M1〜M3に転送される。 First, in order to read out the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 in the first row, a gate pulse is applied from the shift register SR1 to the gate wiring G1 of the switch elements (TFT) T1-1 to T1-3. At this time, the high level of the gate pulse is a voltage of Vg (on) supplied from the outside. Thereby, the TFTs (T1-1 to T1-3) are turned on, and the signal charges accumulated in the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 are transferred to the signal wirings M1 to M3.
信号配線M1〜M3には、特に図3中には記載していないが読み出し容量が付加されており、信号電荷はTFT(T1−1〜T1−3)を介し、読み出し容量に転送されることになる。例えば、信号配線M1に付加されている読み出し容量は、信号配線M1に接続されている各TFT(T1−1〜T3−1)のゲート・ソース間の電極間容量(Cgs)の総和(3個分)であり、図1におけるC2に相当する。また、信号配線M1〜M3に転送された信号電荷は、オペアンプA1〜A3で増幅される。そしてSMPL信号をオンさせることにより、サンプルホールド容量CL1〜CL3に転送され、SMPL信号をオフするとともにホールドされる。 Although not shown in FIG. 3 in particular, a read capacitor is added to the signal wirings M1 to M3, and the signal charges are transferred to the read capacitors via the TFTs (T1-1 to T1-3). become. For example, the readout capacitance added to the signal wiring M1 is the sum (three) of the interelectrode capacitance (Cgs) between the gate and source of each TFT (T1-1 to T3-1) connected to the signal wiring M1. Minutes) and corresponds to C 2 in FIG. Further, the signal charges transferred to the signal wirings M1 to M3 are amplified by the operational amplifiers A1 to A3. When the SMPL signal is turned on, the SMPL signal is transferred to the sample hold capacitors CL1 to CL3, and the SMPL signal is turned off and held.
1行目のSMPL信号により信号配線M1〜M3の信号をサンプルホールド容量CL1〜CL3にサンプルホールドすれば、光電変換素子S1−1〜S1−3の信号は、光電変換回路部10から出力されたことになる。従って、読み出し用回路部20内でスイッチSr1〜Sr3により直列変換されている最中に、光電変換回路部10内の光電変換素子S1−1〜S1−3のリフレッシュ動作と信号配線M1〜M3のリセット動作を行うことができる。
If the signals of the signal wirings M1 to M3 are sampled and held in the sample hold capacitors CL1 to CL3 by the SMPL signal in the first row, the signals of the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 are output from the photoelectric
光電変換素子S1−1〜S1−3のリフレッシュ動作は、RC2信号によりスイッチRES11〜RES33を導通状態にして、TFT(T1−1〜T3−1)のゲート配線に電圧Vg(on)を印加することにより、光電変換素子S1−1〜S1−3のG電極をリフレッシュバイアスV(refresh)にリフレッシュする。その後、リセット動作に遷移する。 In the refresh operation of the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3, the switches RES11 to RES33 are turned on by the RC2 signal, and the voltage Vg (on) is applied to the gate wirings of the TFTs (T1-1 to T3-1). As a result, the G electrodes of the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 are refreshed to the refresh bias V (refresh). After that, the transition is made to the reset operation.
続いて、リセット動作は、TFT(T1−1〜T3−1)のゲート配線に電圧Vg(on)を印加した状態で、スイッチRES11〜RES33をオフにしてスイッチRES1〜RES3をオンさせることにより、信号配線M1〜M3の読み出し容量および光電変換素子S1−1〜S1−3のG電極をリセットバイアスV(reset)、ここではGND電位にリセットする。 Subsequently, the reset operation is performed by turning off the switches RES11 to RES33 and turning on the switches RES1 to RES3 in a state where the voltage Vg (on) is applied to the gate wirings of the TFTs (T1-1 to T3-1). The readout capacitance of the signal wirings M1 to M3 and the G electrodes of the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 are reset to a reset bias V (reset), here, the GND potential.
リセット動作が終了後、次に、ゲート配線G2にゲートパルスを印加することができる。すなわち、1行目の信号を、シフトレジスタSR2により直列変換動作をする間に光電変換回路部10の中で、同時に光電変換素子S1−1〜S1−3をリフレッシュし、信号配線M1〜M3をリセットして、2行目の光電変換素子S2−1〜S2−3の信号電荷をシフトレジスタSR1にて信号配線M1〜M3に転送することができる。以上の動作により、第1行から第3行までの全ての光電変換素子S1−1〜S3−3の信号電荷を出力することができる。
After the reset operation is finished, next, a gate pulse can be applied to the gate wiring G2. That is, the signals in the first row are simultaneously refreshed in the photoelectric
前述の光電変換期間と読み出し期間とを繰り返すことにより、連続した動画像を取得することができる。
本実施形態で示したタイミングチャートと従来例を示した図30のタイミングチャートと異なるところは、リフレッシュ期間を設けていないところであり、そのリフレッシュ期間の分だけ動画像を取得する際のフレーム周波数を大きくできるという利点がある。また、従来例では、全ての光電変換素子を一括でリフレッシュしていたため、リフレッシュ時における暗電流成分によるGNDや電源などの変動を緩和させるためのwait期間を設ける必要があった。本実施形態では、各行単位でリフレッシュを行うために、一度にリフレッシュする光電変換素子の数がはるかに少ないため、特別にwait期間を設ける必要がなく、その分だけ動画のフレーム周波数を大きくすることができる。
By repeating the photoelectric conversion period and the readout period, a continuous moving image can be acquired.
The difference between the timing chart shown in the present embodiment and the timing chart of FIG. 30 showing the conventional example is that no refresh period is provided, and the frame frequency for acquiring moving images is increased by the refresh period. There is an advantage that you can. In the conventional example, since all the photoelectric conversion elements are collectively refreshed, it is necessary to provide a wait period for alleviating fluctuations in GND, power supply, etc. due to dark current components during the refresh. In this embodiment, since refresh is performed in units of rows, the number of photoelectric conversion elements to be refreshed at one time is much smaller, so there is no need to provide a special wait period, and the video frame frequency is increased accordingly. Can do.
上述した本実施形態のX線撮像装置では、X線の照射をパルス状に照射した例を示したが、X線の照射を連続して(直流的に)行うこともできる。以下に、この場合の実施例を説明する。 In the X-ray imaging apparatus of the present embodiment described above, an example in which X-ray irradiation is performed in a pulse shape has been shown, but X-ray irradiation can also be performed continuously (in a direct current manner). The embodiment in this case will be described below.
図5は、第1の実施形態におけるX線撮像装置にX線を連続して(直流的に)照射した場合のタイミングチャートである。
この場合の光電変換期間とは、リフレッシュが終了してから転送を開始するまでの期間である。実際の医療用X線撮像装置では、光電変換回路部はN行×M列の多数の画素で構成されている。例えば、1行目の光電変換素子にとっては、自らの光電変換素子の転送,リフレッシュ,リセットを除いた、2行目からN行目までのN−1行分の読み出し期間が実質上の光電変換期間となる。他行の光電変換素子にとっても同様で、自らの光電変換素子の転送,リフレッシュ,リセットを除いた、N−1行分の読み出し期間が実質上の光電変換期間となる。
FIG. 5 is a timing chart when the X-ray imaging apparatus according to the first embodiment is irradiated with X-rays continuously (in a direct current manner).
The photoelectric conversion period in this case is a period from the end of refresh to the start of transfer. In an actual medical X-ray imaging apparatus, the photoelectric conversion circuit unit is composed of a large number of pixels of N rows × M columns. For example, for the photoelectric conversion element in the first row, the readout period for N-1 rows from the second row to the Nth row excluding transfer, refresh, and reset of its own photoelectric conversion device is substantially photoelectric conversion. It becomes a period. The same applies to the photoelectric conversion elements in other rows, and the readout period for N-1 rows excluding the transfer, refresh, and reset of the own photoelectric conversion elements is the substantial photoelectric conversion period.
例えば、100行目の光電変換素子にとっては、101行目からN行目までの読み出し期間と次フレームにおける1行目から99行目までの読み出し期間との合計、すなわちN−1行分の読み出し期間が実質上の光電変換期間となる。つまり、X線を直流的に照射した場合には、この光電変換期間が2フレーム分にまたがってしまうことになるが、光電変換期間はすべて同じになるため何ら特異なことは生じない。 For example, for the photoelectric conversion element in the 100th row, the sum of the readout period from the 101st row to the Nth row and the readout period from the 1st row to the 99th row in the next frame, that is, readout for N−1 rows. The period is a substantial photoelectric conversion period. In other words, when the X-rays are irradiated in a direct current, this photoelectric conversion period extends over two frames, but since all the photoelectric conversion periods are the same, nothing unusual occurs.
X線を連続して(直流的に)照射した場合には、図2に示すX線照射期間あるいは図4に示す光電変換期間を省略することができるため、動画のフレームレートを更に大きくできるという利点がある。また、パルス照射方法に比べ、X線の強度を弱くすることができるため、X線源の管球への負担を軽減できるという利点もある。さらに、X線の高圧電源をパルス状に制御することが必要なくなるため、X線電源の負担を軽減できる利点もある。 When X-rays are irradiated continuously (in a direct current manner), the X-ray irradiation period shown in FIG. 2 or the photoelectric conversion period shown in FIG. 4 can be omitted, so that the frame rate of moving images can be further increased. There are advantages. In addition, compared to the pulse irradiation method, the intensity of X-rays can be reduced, so there is an advantage that the burden on the tube of the X-ray source can be reduced. Further, since it is not necessary to control the X-ray high-voltage power supply in a pulsed manner, there is an advantage that the burden on the X-ray power supply can be reduced.
(第2の実施形態)
図6は、本発明の第2の実施形態におけるX線撮像装置の1画素分の等価回路図である。図1に示した第1の実施形態の等価回路図においては、光電変換素子101のD電極を一定の電圧Vsでバイアスしているのに対し、本実施形態では、電圧Vsと電圧VrefとをスイッチSW−Fにより切り替え可能に構成している。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram for one pixel of the X-ray imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention. In the equivalent circuit diagram of the first embodiment shown in FIG. 1, the D electrode of the
本実施形態の特徴は、光電変換素子101のリフレッシュ動作をさせるための印加電圧を、G電極側から与えるか、あるいはD電極側から与えるかを選択できる点にある。例えば、1枚の静止画像を取得する場合は、D電極側からリフレッシュ用バイアスを与える方法、すなわち図28のタイミングチャートで動作させ、一方、複数枚の静止画像を取得する場合は、G電極側からリフレッシュ用バイアスを与える方法、すなわち図2で示すタイミングチャートで動作させる。本実施形態では、1つのX線撮像装置で、従来の静止画像を撮影するモード(撮影モードまたは静止画モード)と、動画の画像を取得するモード(透視モードまたは動画モード)の両方の撮影が可能となる。
A feature of this embodiment is that it is possible to select whether to apply an applied voltage for refreshing the
図7は、第2の実施形態におけるX線撮像装置の等価回路図である。
図7の等価回路図において、図3と異なる点は、センサのバイアスラインをVSC制御信号により電圧Vsと電圧Vrefとの切り替えを可能としていることである。
図8は、第2の実施形態におけるX線撮像装置の透視モード(動画モード)から撮影モード(静止画モード)へ遷移し、撮影を行うタイミングチャートの略図である。
FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of the X-ray imaging apparatus according to the second embodiment.
7 is different from FIG. 3 in that the bias line of the sensor can be switched between the voltage Vs and the voltage Vref by the VSC control signal.
FIG. 8 is a schematic diagram of a timing chart for performing imaging by transitioning from the fluoroscopy mode (moving image mode) to the imaging mode (still image mode) of the X-ray imaging apparatus according to the second embodiment.
また、図9は、図7に示したX線撮像装置の透視モードにおける動作を示すタイミングチャートである。つまり透視モードにおいては、図8のタイミング動作を繰り返している。この期間、撮影者は、静止画像を撮影のための被写体(患者)の位置や角度を決めるために、患者の透視画像をモニターしている。一般的にこの期間中のX線量は弱めに照射している。撮影者が、装置に曝射要求信号(静止画像を撮影する意思信号)を発令すると、透視モードから撮影モードに遷移する。撮影モードにおける動作タイミングを図11に示す。また、透視モードと撮影モードの流れは、図8に示すのように撮影モードが1回だけとは限らず、撮影する被写体の撮影構図に応じ、透視モード→撮影モード→透視モード→撮影モード…と繰り返してもよい。 FIG. 9 is a timing chart showing an operation in the fluoroscopic mode of the X-ray imaging apparatus shown in FIG. That is, the timing operation of FIG. 8 is repeated in the fluoroscopic mode. During this period, the photographer monitors the fluoroscopic image of the patient in order to determine the position and angle of the subject (patient) for photographing the still image. In general, the X-ray dose during this period is weakly irradiated. When the photographer issues an exposure request signal (intention signal for photographing a still image) to the apparatus, the mode changes from the fluoroscopic mode to the photographing mode. The operation timing in the shooting mode is shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 8, the flow of the fluoroscopic mode and the photographing mode is not limited to the single photographing mode, and depending on the photographing composition of the subject to be photographed, the fluoroscopic mode → the photographing mode → the fluoroscopic mode → the photographing mode. May be repeated.
図10は、図8の透視モードにおけるタイミングチャートが、図9とは異なる場合の例を示したタイミングチャートである。図9との違いは、X線をパルス状に照射させないことである。これにより、読み出し期間と光電変換期間とを同時に行うことができるため、透視モードにおける動作周波数を大きくできる利点がある。また、X線をパルス状に動作させないため、X線発生源に対する負荷を軽減できる利点もある。 FIG. 10 is a timing chart showing an example in which the timing chart in the perspective mode of FIG. 8 is different from that in FIG. The difference from FIG. 9 is that X-rays are not irradiated in pulses. Accordingly, since the reading period and the photoelectric conversion period can be performed simultaneously, there is an advantage that the operating frequency in the fluoroscopic mode can be increased. Further, since the X-ray is not operated in a pulsed manner, there is an advantage that the load on the X-ray generation source can be reduced.
本発明のX線撮像装置を透視装置に応用した場合において、透視モードにおいてはTFTを介して読み出し用回路部20のスイッチ側からリフレッシュを行いながら連続画像を取得し、透視によって位置決めが完了して静止画撮影モードに遷移した際には、スイッチSW−Fからのリフレッシュを行うことによって高いS/N比の静止画像を得るよう構成することができる。つまり、一般にTFT側からのリフレッシュよりもスイッチSW−F側からのリフレッシュの方が、リフレッシュ効率が高く、S/N比もよい。S/N比が比較的悪くてもよい透視位置決め画像を撮影する際には、読み出し用回路部20のスイッチ側からのリフレッシュを採用し、S/N比が高く高画質を要求される静止画撮影する際には、スイッチSW−F側からのリフレッシュを採用することは理にかなっている。 When the X-ray imaging apparatus of the present invention is applied to a fluoroscopic apparatus, in the fluoroscopic mode, a continuous image is acquired from the switch side of the readout circuit unit 20 via the TFT, and positioning is completed by fluoroscopy. When transitioning to the still image shooting mode, it is possible to obtain a still image with a high S / N ratio by refreshing from the switch SW-F. That is, in general, refreshing from the switch SW-F side has higher refresh efficiency and a better S / N ratio than refreshing from the TFT side. When taking a fluoroscopic positioning image that may have a relatively poor S / N ratio, refresh from the switch side of the readout circuit unit 20 is adopted, and a still image that requires a high image quality with a high S / N ratio. When shooting, it makes sense to employ refresh from the switch SW-F side.
(第3の実施形態)
図12は、第3の実施形態におけるX線撮像装置の1画素分の等価回路図である。なお、図1に示したX線撮像装置と同様の構成については、同じ符号を付け、以下には、主として異なる構成要素について説明する。
(Third embodiment)
FIG. 12 is an equivalent circuit diagram for one pixel of the X-ray imaging apparatus according to the third embodiment. The same components as those in the X-ray imaging apparatus shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and different components will be mainly described below.
図12に示すスイッチSW−Gは、オペアンプ(AMP)の非反転端子(+)に、リセットバイアスV(reset)またはリフレッシュバイアスV(refresh)のどちらか一方のバイアスを与えるために選択的に切り替えるスイッチである。Cfは、TFT102を介して光電変換素子101からの信号電流を蓄積(積分)するための容量素子であり、オペアンプの反転端子(−)と出力端子Voutの間に接続されている。スイッチSW−Hは、容量素子Cfと並列に接続され、積分された信号電荷をリセットするため、またはTFT102を介して光電変換素子101をリフレッシュするためのスイッチであり、RC信号により制御される。
The switch SW-G shown in FIG. 12 is selectively switched to give either the reset bias V (reset) or the refresh bias V (refresh) to the non-inverting terminal (+) of the operational amplifier (AMP). Switch. Cf is a capacitive element for accumulating (integrating) the signal current from the
Vg(on)は、TFT102をオンさせ、信号電荷を容量素子Cfに転送するための電源であり、Vg(off)は、TFT102をオブさせるための電源である。また、スイッチSW−Dは、電源Vg(on)と電源Vg(off)とを切り替えるためのスイッチである。
Vg (on) is a power source for turning on the
また、光電変換素子101をリフレッシュする場合、スイッチSW−GをリセットバイアスV(reset)側にし、スイッチSW−Eをオンさせると同時に、スイッチSW−Dを電源Vg(on)側にしなければならない。
When the
図13は、図12に示したX線撮像装置の1画素分の回路動作を示すタイミングチャートである。
図12,図13を用いて、光電変換素子101とTFT102を備える画素の1画素分の回路動作を説明する。
FIG. 13 is a timing chart showing the circuit operation for one pixel of the X-ray imaging apparatus shown in FIG.
A circuit operation for one pixel of a pixel including the
まず、X−ray照射期間についての動作については、前述した第1の実施形態と同様であるため説明は省略するが、X−ray照射期間におけるスイッチSW−DはV(off)側、スイッチSW−GはV(reset)側、そして、スイッチSW−Hはオフにする。 First, since the operation during the X-ray irradiation period is the same as that of the first embodiment described above, description thereof is omitted. However, the switch SW-D during the X-ray irradiation period is on the V (off) side, and the switch SW. -G is on the V (reset) side, and the switch SW-H is turned off.
次に、転送期間について説明する。
転送動作は、スイッチSW−DをVg(on)側にして、TFT102をオン状態にする。この操作によりX−ray照射により蓄えられたホールキャリアの量(Sh)に対応する電子キャリア(Se)が、C2側からTFT102を介してG電極側に流れる。これにより容量素子Cfに電荷が蓄積され、オペアンプの出力端子側の電位が、信号分だけ変化(下降)する。この時、SeとShとの関係は、Se=Sh×CSiN/(CSiN+Ci)である。ここで、読み出し容量C2の電位は、オペアンプの非反転端子(+)のV(reset)のバイアスで仮想接地されているために変化はしない。
Next, the transfer period will be described.
In the transfer operation, the switch SW-D is set to the Vg (on) side and the
次に、リフレッシュ動作について説明する。
図13のタイミングチャートでは、図12に示す等価回路図において、Vs=9(V),Vg(reset)=2(V),V(refresh)=6(V)で、かつ容量成分Ciと容量成分CSiNとが等しい場合のD電極,G電極,ノードNの電位を表記している。
リフレッシュ動作は、RC信号によりスイッチSW−Hをオン状態にし、スイッチSW−DをVg(on)側にし、スイッチSW−GをV(refresh)側にする。この操作により、光電変換素子101のG電極は、信号が転送されたときの電位(V(reset)=2(V))から、リフレッシュバイアスV(refresh)=6Vに上昇する。これと同時に、ノードNの電位も上昇するがVs=9Vを超えることはない。ノードNの電位を上昇させることにより、ノードNに蓄えられた信号電荷(ホールキャリア)の一部が、D電極側に吐き出され、光電変換素子の101リフレッシュ動作が行われる。
Next, the refresh operation will be described.
In the timing chart of FIG. 13, in the equivalent circuit diagram shown in FIG. 12, Vs = 9 (V), Vg (reset) = 2 (V), V (refresh) = 6 (V), and the capacitance component C i The potentials of the D electrode, the G electrode, and the node N when the capacitance component C SiN is equal are shown.
In the refresh operation, the switch SW-H is turned on by the RC signal, the switch SW-D is set to the Vg (on) side, and the switch SW-G is set to the V (refresh) side. By this operation, the G electrode of the
次に、リセット動作について説明する。
リセット動作は、スイッチSW−DをVg(on)側の状態、かつスイッチSW−Hをオン側の状態のまま、スイッチSW−GをV(refresh)側からV(reset)側にする。この操作により、光電変換素子101のG電極がリセットバイアスV(reset)にリセットされる。同時にオペアンプの出力端子に接続されている容量素子CfがリセットバイアスV(reset)にリセットされる。すなわち、容量素子Cfの両端子の電位差が零になるリセット動作において、ノードNの電位は、リフレッシュ動作時の電位(図13では9V)から減衰する。その減衰量△VNは、容量成分Ciと容量成分CSiNとの容量が等しい場合にV(refresh)とV(reset)との電位差の1/2になり、本説明では、2V分減少する。また、ノードNの減衰量ΔVNは、次回の光電変換動作で蓄えられるホールキャリアの量を決定する。
Next, the reset operation will be described.
In the reset operation, the switch SW-G is changed from the V (refresh) side to the V (reset) side while the switch SW-D is in the Vg (on) side state and the switch SW-H is in the on state. By this operation, the G electrode of the
ここで、従来例を示す図28ではwait期間を設けているが、図13のタイミングチャートでは設けていない。その理由について以下に、図14,図15を用いて説明する。
図14は、第3の実施形態におけるX線撮像装置の等価回路図である。図14では、光電変換回路部10に2次元状に配置された画素を、説明を簡略化するために3×3=9画素分のみを記載している。
Here, while the wait period is provided in FIG. 28 showing the conventional example, it is not provided in the timing chart of FIG. The reason will be described below with reference to FIGS.
FIG. 14 is an equivalent circuit diagram of the X-ray imaging apparatus according to the third embodiment. In FIG. 14, only 3 × 3 = 9 pixels are illustrated for simplifying the description of the pixels arranged two-dimensionally in the photoelectric
読み出し用回路部21は、光電変換回路部10からの並列の信号出力を読み取り、直列変換して出力する。A1〜A3は信号配線M1〜M3と反転端子(−)をそれぞれ接続されたオペアンプである。反転端子(−)と出力端子の間には、それぞれ容量素子Cf1〜Cf3が接続されている。容量素子Cf1〜Cf3は、TFT102をオンした時に光電変換素子101からの出力信号による電流を積分し、電圧量に変換する。RES41〜RES43は、容量素子Cf1〜Cf3をリセットバイアスV(reset)にリセットするスイッチであり、容量素子Cf1〜Cf3と並列に接続されている。
The reading circuit unit 21 reads the parallel signal output from the photoelectric
SW−resは、オペアンプA1〜A3の非反転端子をリセットバイアスV(reset)にリセット(図14では0Vにリセット)するためのスイッチであり、また、SW−refはオペアンプA1〜A3の非反転端子をリフレッシュバイアスV(refresh)にリフレッシュするためのスイッチである。これらのスイッチは、「REFRESH」信号により制御される。「REFRESH」信号は、「Hi」の時にスイッチSW−refがオンし、「Lo」の時にスイッチSW−resがオンし、それらのスイッチが同時にオンしない構成となっている。 SW-res is a switch for resetting the non-inverting terminals of the operational amplifiers A1 to A3 to a reset bias V (reset) (reset to 0 V in FIG. 14), and SW-ref is a non-inverting switch of the operational amplifiers A1 to A3. This is a switch for refreshing the terminal to a refresh bias V (refresh). These switches are controlled by a “REFRESH” signal. The “REFRESH” signal is configured such that the switch SW-ref is turned on when “Hi”, the switch SW-res is turned on when “Lo”, and the switches are not turned on at the same time.
図15は、図14に示したX線撮像装置の動作を示すタイミングチャートであり、2フレーム分の動作を表している。このタイミングチャートを用いて図14の光電変換装置の動作について説明する。 FIG. 15 is a timing chart showing the operation of the X-ray imaging apparatus shown in FIG. 14, and shows the operation for two frames. The operation of the photoelectric conversion device in FIG. 14 is described with reference to this timing chart.
まず、光電変換期間について説明する。
全光電変換素子S1−1〜S3−3のD電極は、読み取り用電源Vs(正電位)にバイアスされた状態にある。シフトレジスタSR1の信号はすべて"Lo"であり、スイッチング用の全TFT(T1−1〜T3−3)がオフしている。この状態で光源がパルス状にオンすると、それぞれの光電変換素子S1−1〜S3−3のD電極(N+電極)に光が照射され、光電変換素子S1−1〜S3−3のi層内で電子とホールのキャリアが生成される。電子は読み取り用電源VsによりD電極に移動するが、ホールは光電変換素子S1−1〜S3−3内のi層と絶縁層の界面に蓄えられ、X線がオフ後も保持される。
First, the photoelectric conversion period will be described.
The D electrodes of all the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 are biased to the reading power source Vs (positive potential). All signals of the shift register SR1 are “Lo”, and all TFTs for switching (T1-1 to T3-3) are off. When the light source is turned on in a pulse state in this state, light is irradiated to the D electrodes (N + electrodes) of the respective photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3, and the i layers of the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 are irradiated. Inside, electron and hole carriers are generated. Electrons move to the D electrode by the reading power source Vs, but holes are stored at the interface between the i layer and the insulating layer in the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3, and are held even after the X-rays are turned off.
次に、読み出し期間について説明する。
読み出し動作は、1行目の光電変換素子S1−1〜S1−3、続いて、2行目の光電変換素子S2−1〜S2−3、続いて、3行目の光電変換素子S3−1〜S3−3の順で行われる。
Next, the reading period will be described.
The reading operation is performed on the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 in the first row, the photoelectric conversion elements S2-1 to S2-3 in the second row, and then the photoelectric conversion elements S3-1 in the third row. To S3-3.
まず、1行目の光電変換素子S1−1〜S1−3を読み出しするためにスイッチ素子(TFT)T1−1〜T1−3のゲート配線G1にシフトレジスタSR1からゲートパルスを与える。この時、ゲートパルスのハイレベルは、外部から供給されているVg(on)の電圧である。これにより、TFT(T1−1〜T1−3)がオン状態になり、光電変換素子S1−1〜S1−3に蓄積されていた信号電荷が、TFT(T1−1〜T1−3)を介して電流として流れ、オペアンプA1〜A3に接続されている容量素子Cf1〜Cf3に流入し、積分されることになる。 First, in order to read out the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 in the first row, a gate pulse is applied from the shift register SR1 to the gate wiring G1 of the switch elements (TFT) T1-1 to T1-3. At this time, the high level of the gate pulse is a voltage of Vg (on) supplied from the outside. Accordingly, the TFTs (T1-1 to T1-3) are turned on, and the signal charges accumulated in the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 are passed through the TFTs (T1-1 to T1-3). Current flows, flows into the capacitive elements Cf1 to Cf3 connected to the operational amplifiers A1 to A3, and is integrated.
信号配線M1〜M3には、特に図14中には記載していないが読み出し容量が付加されており、信号電荷はTFT(T1−1〜T1−3)を介し、この読み出し容量に転送されることになる。しかし、信号配線M1〜M3は、オペアンプA1〜A3の非反転端子(+)のリセットバイアス(GND)で仮想接地されているために、転送動作による電位の変動はなく、GNDに保持された状態にある。すなわち上述した信号電荷は、容量素子Cf1〜Cf3に転送されることになる。 Although not shown in FIG. 14 in particular, a read capacitor is added to the signal wirings M1 to M3, and the signal charges are transferred to the read capacitors via the TFTs (T1-1 to T1-3). It will be. However, since the signal wirings M1 to M3 are virtually grounded by the reset bias (GND) of the non-inverting terminals (+) of the operational amplifiers A1 to A3, there is no potential variation due to the transfer operation, and the signal wirings M1 to M3 are held in GND. It is in. That is, the signal charges described above are transferred to the capacitive elements Cf1 to Cf3.
オペアンプA1〜A3の出力端子は、光電変換素子S1−1〜S1−3の信号量に応じて図4に示すように変化する。TFT(T1−1〜T3−1)が同時にオンするため、オペアンプA1〜A3の出力は同時に変化する。すなわち並列出力となる。この状態で、「SMPL」信号をオンさせることにより、オペアンプA1〜A3の出力信号はサンプルホールド容量CL1〜CL3に転送され、SMPL信号をオフするとともに一旦ホールドされる。 The output terminals of the operational amplifiers A1 to A3 change as shown in FIG. 4 according to the signal amount of the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3. Since the TFTs (T1-1 to T3-1) are simultaneously turned on, the outputs of the operational amplifiers A1 to A3 change simultaneously. That is, it becomes a parallel output. In this state, when the “SMPL” signal is turned on, the output signals of the operational amplifiers A1 to A3 are transferred to the sample hold capacitors CL1 to CL3, and the SMPL signal is turned off and temporarily held.
続いて、シフトレジスタSR2からスイッチSr1,Sr2,Sr3の順番で、パルスを印加することにより、サンプルホールド容量CL1〜CL3にホールドされていた信号が、サンプルホールド容量CL1,CL2,CL3の順でアンプAbから出力される。結果として、光電変換素子S1−1,S1−2,S1−3の1行分の光電変換信号が順次、直列変換されて出力される。2行目の光電変換素子S2−1〜S2−3の読み出し動作、3行目の光電変換素子S3−1〜S3−3の読み出し動作も同様に行われる。 Subsequently, by applying pulses in the order of the switches Sr1, Sr2, and Sr3 from the shift register SR2, the signals held in the sample and hold capacitors CL1 to CL3 are amplified in the order of the sample and hold capacitors CL1, CL2, and CL3. Output from Ab. As a result, photoelectric conversion signals for one row of the photoelectric conversion elements S1-1, S1-2, and S1-3 are sequentially converted in series and output. The readout operation of the photoelectric conversion elements S2-1 to S2-3 in the second row is performed in the same manner as the readout operation of the photoelectric conversion elements S3-1 to S3-3 in the third row.
1行目のSMPL信号によりオペアンプA1〜A3の信号をサンプルホールド容量CL1〜CL3にサンプルホールドすれば、光電変換素子S1−1〜S1−3の信号は、光電変換回路部10から出力されたことになる。従って、読み出し用回路部内21でスイッチSr1〜Sr3により直列変換されている最中に、光電変換回路部21内の光電変換素子S1−1〜S1−3のリフレッシュ動作と容量素子Cf1〜Cf3のリセット動作を行うことができる。
When the signals of the operational amplifiers A1 to A3 are sampled and held in the sample hold capacitors CL1 to CL3 by the SMPL signal in the first row, the signals of the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 are output from the photoelectric
光電変換素子S1−1〜S1−3のリフレッシュ動作は、「REFRESH」信号を「Hi」にすることによりスイッチSW−refがオンし、かつ「RC」信号によりスイッチRES41〜RES43を導通状態にして、更にTFT(T1−1〜T3−1)のゲート配線に電圧Vg(on)を印加することにより達成される。すなわちリフレッシュ動作により光電変換素子S1−1〜S1−3のG電極をリフレッシュバイアスV(refresh)にリフレッシュする。その後、リセット動作に遷移する。 The refresh operation of the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 is performed by setting the “REFRESH” signal to “Hi” to turn on the switch SW-ref, and the “RC” signal to turn on the switches RES41 to RES43. Further, this is achieved by applying a voltage Vg (on) to the gate wirings of the TFTs (T1-1 to T3-1). In other words, the G electrodes of the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 are refreshed to the refresh bias V (refresh) by the refresh operation. After that, the transition is made to the reset operation.
続いて、リセット動作は、TFT(T1−1〜T3−1)のゲート配線に電圧Vg(on)を印加した状態で、かつスイッチRES41〜RES43のスイッチを導通状態のまま、「REFRESH」信号を「Lo」にする。この動作により、光電変換素子S1−1〜S1−3のG電極はリセットバイアスリセットバイアスV(reset)=GNDにリセットされ、同時に、容量素子Cf1〜Cf3に蓄積されていた信号をリセットする。 Subsequently, in the reset operation, the “REFRESH” signal is output while the voltage Vg (on) is applied to the gate wirings of the TFTs (T1-1 to T3-1) and the switches of the switches RES41 to RES43 are in the conductive state. Set to “Lo”. By this operation, the G electrodes of the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 are reset to the reset bias reset bias V (reset) = GND, and at the same time, the signals accumulated in the capacitive elements Cf1 to Cf3 are reset.
リセット動作が終了後、次に、ゲート配線G2にゲートパルスを印加することができる。すなわち、1行目の信号を、シフトレジスタSR2により直列変換動作をする間に、同時に光電変換素子S1−1〜S1−3をリフレッシュし、容量素子Cf1〜Cf3をリセットし、そして2行目の光電変換素子S2−1〜S2−3の信号電荷をシフトレジスタSR1にて信号配線M1〜M3に転送することができる。以上の動作により、第1行から第3行までの全ての光電変換素子S1−1〜S3−3の信号電荷を出力することができる。 After the reset operation is finished, next, a gate pulse can be applied to the gate wiring G2. That is, while the signal of the first row is subjected to serial conversion operation by the shift register SR2, the photoelectric conversion elements S1-1 to S1-3 are simultaneously refreshed, the capacitance elements Cf1 to Cf3 are reset, and the second row signal is reset. The signal charges of the photoelectric conversion elements S2-1 to S2-3 can be transferred to the signal wirings M1 to M3 by the shift register SR1. With the above operation, the signal charges of all the photoelectric conversion elements S1-1 to S3-3 from the first row to the third row can be output.
前述の光電変換期間と読み出し期間とを繰り返すことに上り、連続した動画像を取得することができる。
本実施形態で示したタイミングチャートと従来例を示した図30のタイミングチャートと異なるところは、リフレッシュ期間を設けていないところであり、そのリフレッシュ期間の分だけ動画像を取得する際のフレーム周波数を大きくできるという利点がある。また、従来例では、全ての光電変換素子を一括でリフレッシュしていたため、リフレッシュ時における暗電流成分によるGNDや電源などの変動を緩和させるためのwait期間を設ける必要があった。本実施形態では、各行単位でリフレッシュを行うために、一度にリフレッシュする光電変換素子の数がはるかに少ないため、特別にWait期間を設ける必要がなく、その分だけ動画のフレーム周波数を大きくすることができる。
By repeating the above-described photoelectric conversion period and readout period, a continuous moving image can be acquired.
The difference between the timing chart shown in the present embodiment and the timing chart of FIG. 30 showing the conventional example is that no refresh period is provided, and the frame frequency for acquiring moving images is increased by the refresh period. There is an advantage that you can. In the conventional example, since all the photoelectric conversion elements are collectively refreshed, it is necessary to provide a wait period for alleviating fluctuations in GND, power supply, etc. due to dark current components during the refresh. In this embodiment, since refresh is performed in units of rows, the number of photoelectric conversion elements to be refreshed at one time is much smaller, so there is no need to provide a special Wait period, and the video frame frequency is increased by that much. Can do.
上述した本実施形態のX線撮像装置では、X線の照射をパルス状に照射した例を示したが、X線の照射を連続して(直流的に)行うこともできる。以下に、この場合の実施例を説明する。 In the X-ray imaging apparatus of the present embodiment described above, an example in which X-ray irradiation is performed in a pulse shape has been shown, but X-ray irradiation can also be performed continuously (in a direct current manner). The embodiment in this case will be described below.
図16は、第3の実施形態におけるX線撮像装置にX線を連続して(直流的に)照射した場合のタイミングチャートである。
この場合の光電変換期間とは、リフレッシュが終了してから転送を開始するまでの期間である。実際の医療用X線撮像装置では、光電変換回路部はN行×M列の多数の画素で構成されている。例えば、1行目の光電変換素子にとっては、自らの光電変換素子の転送,リフレッシュ,リセットを除いた、2行目からN行目までのN−1行分の読み出し期間が実質上光電変換期間となる。他の行の光電変換素子にとっても同様で、自らの光電変換素子の転送,リフレッシュ,リセットを除いた、N−1行分の読み出し期間が実質上の光電変換期間となる。
FIG. 16 is a timing chart when the X-ray imaging apparatus according to the third embodiment is irradiated with X-rays continuously (in a direct current manner).
The photoelectric conversion period in this case is a period from the end of refresh to the start of transfer. In an actual medical X-ray imaging apparatus, the photoelectric conversion circuit unit is composed of a large number of pixels of N rows × M columns. For example, for the photoelectric conversion element in the first row, the readout period for the (N−1) th row from the second row to the Nth row excluding transfer, refresh, and reset of its own photoelectric conversion device is substantially the photoelectric conversion period. It becomes. The same applies to the photoelectric conversion elements in other rows, and the readout period for N-1 rows excluding the transfer, refresh, and reset of its own photoelectric conversion elements is the actual photoelectric conversion period.
例えば、100行目の光電変換素子にとっては、101行目からN行目までの読み出し期間と次フレームにおける1行目から99行目までの読み出し期間との合計、すなわちN−1行分の読み出し期間が実質上の光電変換期間となる。つまり、X線を直流的に照射した場合には、この光電変換期間が2フレーム分にまたがってしまうことになるが、光電変換期間はすべて同じになるため何ら特異なことは生じない。 For example, for the photoelectric conversion element in the 100th row, the sum of the readout period from the 101st row to the Nth row and the readout period from the 1st row to the 99th row in the next frame, that is, readout for N−1 rows. The period is a substantial photoelectric conversion period. In other words, when the X-rays are irradiated in a direct current, this photoelectric conversion period extends over two frames, but since all the photoelectric conversion periods are the same, nothing unusual occurs.
X線を連続して(直流的に)照射した場合には、図2に示すX線照射期間あるいは図4に示す光電変換期間を省略することができるため、動画のフレームレートを更に大きくできるという利点がある。また、パルス照射方法に比べ、X線の強度を弱くすることができるため、X線源の管球への負担を軽減できるという利点もある。さらに、X線の高圧電源をパルス状に制御することが必要なくなるため、X線電源の負担を軽減できる利点もある。 When X-rays are irradiated continuously (in a direct current manner), the X-ray irradiation period shown in FIG. 2 or the photoelectric conversion period shown in FIG. 4 can be omitted, so that the frame rate of moving images can be further increased. There are advantages. In addition, compared to the pulse irradiation method, the intensity of X-rays can be reduced, so there is an advantage that the burden on the tube of the X-ray source can be reduced. Further, since it is not necessary to control the X-ray high-voltage power supply in a pulsed manner, there is an advantage that the burden on the X-ray power supply can be reduced.
(第4の実施形態)
図17は、本発明の第4の実施形態におけるX線撮像装置の1画素分の等価回路図である。図12に示した第3の実施形態の等価回路図においては、光電変換素子101のD電極を一定の電圧Vsでバイアスしているのに対し、本実施形態では、電圧Vsと電圧VrefとをスイッチSW−Fにより切り替え可能に構成している。
(Fourth embodiment)
FIG. 17 is an equivalent circuit diagram for one pixel of the X-ray imaging apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. In the equivalent circuit diagram of the third embodiment shown in FIG. 12, the D electrode of the
本実施形態の特徴は、光電変換素子101のリフレッシュ動作をさせるための印加電圧を、G電極側から与えるか、あるいはD電極側から与えるかを選択できる点にある。例えば、1枚の静止画像を取得する場合は、D電極側からリフレッシュ用バイアスを与える方法、すなわち図28のタイミングチャートで動作させ、一方、複数枚の動画画像を取得する場合は、G電極側からリフレッシュ用バイアスを与える方法、すなわち図13または図16で示すタイミングチャートで動作させる。本実施形態では、1つのX線撮像装置で、従来の静止画像を撮影するモード(撮影モードまたは静止画モード)と、動画の画像を取得するモード(透視モードまたは動画モード)の両方の撮影が可能となる。
The feature of this embodiment is that it is possible to select whether to apply the applied voltage for causing the refresh operation of the
図18は、第4の実施形態におけるX線撮像装置の等価回路図である。
図18の等価回路図において、図14と異なる点は、センサのバイアスラインをVSC制御信号により電圧Vsと電圧Vrefとの切り替えを可能としていることである。
図19は、第4の実施形態におけるX線撮像装置の透視モード(動画モード)から撮影モード(静止画モード)へ遷移し、撮影を行うタイミングチャートの略図である。
FIG. 18 is an equivalent circuit diagram of the X-ray imaging apparatus according to the fourth embodiment.
In the equivalent circuit diagram of FIG. 18, the difference from FIG. 14 is that the sensor bias line can be switched between the voltage Vs and the voltage Vref by the VSC control signal.
FIG. 19 is a schematic diagram of a timing chart for performing imaging by changing from the fluoroscopy mode (moving image mode) to the imaging mode (still image mode) of the X-ray imaging apparatus according to the fourth embodiment.
また、図20は、図18に示したX線撮像装置の透視モードにおける動作を示すタイミングチャートである。つまり透視モードにおいては、図19のタイミング動作を繰り返している。この期間、撮影者は、静止画像を撮影のための被写体(患者)の位置や角度を決めるために、患者の透視画像をモニターしている。一般的にこの期間中のX線量は弱めに照射している。撮影者が、装置に曝射要求信号(静止画像を撮影する意思信号)を発令すると、透視モードから撮影モードに遷移する。撮影モードにおける動作タイミングを図22に示す。また、透視モードと撮影モードの流れは、図19に示すのように撮影モードが1回だけとは限らず、撮影する被写体の撮影構図に応じ、透視モード→撮影モード→透視モード→撮影モード…と繰り返してもよい。 FIG. 20 is a timing chart showing an operation in the fluoroscopic mode of the X-ray imaging apparatus shown in FIG. That is, in the fluoroscopic mode, the timing operation in FIG. 19 is repeated. During this period, the photographer monitors the fluoroscopic image of the patient in order to determine the position and angle of the subject (patient) for photographing the still image. In general, the X-ray dose during this period is weakly irradiated. When the photographer issues an exposure request signal (intention signal for photographing a still image) to the apparatus, the mode changes from the fluoroscopic mode to the photographing mode. The operation timing in the photographing mode is shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 19, the flow of the fluoroscopy mode and the shooting mode is not limited to the shooting mode only once. Depending on the shooting composition of the subject to be shot, the fluoroscopy mode → the shooting mode → the fluoroscopy mode → the shooting mode ... May be repeated.
図21は、図19の透視モードにおけるチャートが、図20とは異なる場合の例を示したタイミングチャートである。図20との違いは、X線をパルス状に照射させないことである。これにより、読み出し期間と光電変換期間とを同時に行うことができるため、透視モードにおける動作周波数を大きくできる利点がある。また、X線をパルス状に動作させないため、X線発生源に対する負荷を軽減できる利点もある。 FIG. 21 is a timing chart showing an example in which the chart in the perspective mode in FIG. 19 is different from that in FIG. The difference from FIG. 20 is that X-rays are not irradiated in pulses. Accordingly, since the reading period and the photoelectric conversion period can be performed simultaneously, there is an advantage that the operating frequency in the fluoroscopic mode can be increased. Further, since the X-ray is not operated in a pulsed manner, there is an advantage that the load on the X-ray generation source can be reduced.
本発明のX線撮像装置を透視装置に応用した場合において、透視モードにおいてはTFTを介して読み出し用回路部21のスイッチ側からリフレッシュを行いながら連続画像を取得し、透視によって位置決めが完了して静止画撮影モードに遷移した際には、スイッチSW−Fからのリフレッシュを行うことによって高いS/N比の静止画像を得るよう構成することができる。つまり、一般にTFT側からのリフレッシュよりもスイッチSW−F側からのリフレッシュの方が、リフレッシュ効率が高く、S/N比もよい。S/N比が比較的悪くてもよい透視位置決め画像を撮影する際には、読み出し用回路部21のスイッチ側からのリフレッシュを採用し、S/N比が高く高画質を要求される静止画撮影する際には、スイッチSW−F側からのリフレッシュを採用することは理にかなっている。 When the X-ray imaging apparatus of the present invention is applied to a fluoroscopic apparatus, in the fluoroscopic mode, a continuous image is acquired from the switch side of the readout circuit unit 21 via the TFT, and positioning is completed by fluoroscopy. When transitioning to the still image shooting mode, it is possible to obtain a still image with a high S / N ratio by refreshing from the switch SW-F. That is, in general, refreshing from the switch SW-F side has higher refresh efficiency and a better S / N ratio than refreshing from the TFT side. When taking a fluoroscopic positioning image that may have a relatively poor S / N ratio, refresh from the switch side of the readout circuit unit 21 is adopted, and a still image that requires a high image quality with a high S / N ratio. When shooting, it makes sense to employ refresh from the switch SW-F side.
(第5の実施形態)
図23は、本発明における放射線撮像装置のX線診断システムへの適用例を示した概略図である。
X線チューブ6050で発生したX線6060は、患者あるいは被験者6061の胸部6062を透過し、放射線撮像装置(イメージセンサ)6040に入射する。この入射したX線には、被験者6061の体内部の情報が含まれている。X線の入射に対応して蛍光体で可視光に変換し、さらに、これを光電変換して電気信号を得る。この電気信号は、ディジタル変換されてイメージプロセッサ6070により画像処理され、制御室のディスプレイ6080で観察される。
(Fifth embodiment)
FIG. 23 is a schematic diagram showing an application example of the radiation imaging apparatus of the present invention to an X-ray diagnostic system.
また、この画像情報は、電話回線6090等の伝送手段により遠隔地へ転送することができ、ドクタールームなどの別の場所でディスプレイ6081に表示もしくは光ディスク等の保存手段に保存することができ、遠隔地の医師が診断することも可能である。また、この画像情報をフィルムプロセッサ6100によりフィルム6110に記録することもできる。
Further, this image information can be transferred to a remote place by a transmission means such as a
以上の実施形態ではX線撮像システムを例に説明したが、α,β,γ線等の放射線を光に変換し、この光を光電変換する装置に適用することも可能である。
本発明の光電変換素子アレイは、通常の可視光や赤外光を検出する撮像装置に用いることもできる。本発明に用いることができるスイッチ素子としては、水素化アモルファスシリコンなどの非単結晶半導体を用いてチャネル領域を形成した薄膜トランジスタが好ましく用いられ、その形態は下ゲートスタガー型に限定されることはなく、上ゲートスタガー型、上ゲートコプラナー型などであってもよい。
In the above embodiment, the X-ray imaging system has been described as an example. However, the present invention can be applied to an apparatus that converts radiation such as α, β, and γ rays into light and photoelectrically converts the light.
The photoelectric conversion element array of this invention can also be used for the imaging device which detects normal visible light and infrared light. As the switch element that can be used in the present invention, a thin film transistor in which a channel region is formed using a non-single crystal semiconductor such as hydrogenated amorphous silicon is preferably used, and the form thereof is not limited to the lower gate stagger type. An upper gate stagger type, an upper gate coplanar type, or the like may be used.
本発明の実施態様の例を以下に列挙する。 Examples of embodiments of the present invention are listed below.
[実施態様1] 入射した放射線を電気信号に変換する変換素子と前記電気信号を転送するスイッチ素子とを含む画素が2次元状に配設され、前記画素を行方向に接続する制御配線と、前記スイッチ素子を介して前記変換素子からの電気信号を読み出す信号配線とを備えた変換回路部と、
前記複数の制御配線を順次に駆動させる駆動用回路部と、
前記複数の信号配線と接続し、前記変換素子からの電気信号を行毎に読み出す読み出し用回路部とを有し、
前記読み出し用回路部は、読み出しを行った前記変換素子に対して第1のバイアスを印加して行毎にリフレッシュを行うリフレッシュ手段と、
少なくとも1つのリセットスイッチを用いて前記信号配線に対して第2のバイアスを印加してリセットを行うリセット手段とを含むことを特徴とする放射線撮像装置。
[Embodiment 1] Pixels including a conversion element that converts incident radiation into an electric signal and a switch element that transfers the electric signal are two-dimensionally arranged, and a control wiring that connects the pixels in a row direction; A conversion circuit unit including a signal wiring that reads an electrical signal from the conversion element via the switch element;
A driving circuit unit for sequentially driving the plurality of control wirings;
A readout circuit unit connected to the plurality of signal wirings and reading out an electrical signal from the conversion element for each row;
The read circuit unit includes a refresh unit that applies a first bias to the conversion element that has been read and performs refresh for each row;
A radiation imaging apparatus comprising: reset means for resetting by applying a second bias to the signal wiring using at least one reset switch.
[実施態様2] 前記読み出し用回路部は、前記信号配線に読み出された電気信号を増幅する増幅手段と、増幅された電気信号を一時的に蓄積する蓄積手段と、蓄積された電気信号をシリアル変換するシリアル変換手段とを更に有することを特徴する実施態様1に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 2] The read circuit unit includes an amplifying unit that amplifies the electric signal read out to the signal wiring, a storage unit that temporarily stores the amplified electric signal, and the stored electric signal. The radiation imaging apparatus according to
[実施態様3] 前記読み出し用回路部は、前記読み出しを行った後、前記スイッチ素子を導通させ、かつ前記リセットスイッチを前記第1のバイアス側に切り替えることにより、前記リフレッシュ手段を駆動させて前記変換素子に対して行毎にリフレッシュを行い、その後、前記リセットスイッチを前記第2のバイアス側に切り替えることにより、前記リセット手段を駆動させて前記信号配線に対してリセットを行うことを特徴とする実施態様1または2に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 3] After the readout, the readout circuit unit drives the refresh means by turning on the switch element and switching the reset switch to the first bias side, and The conversion element is refreshed row by row, and then the reset switch is driven to reset the signal wiring by switching the reset switch to the second bias side. The radiation imaging apparatus according to
[実施態様4] 前記変換素子及び前記スイッチ素子がアモルファスシリコンを含み形成されていることを特徴とする実施態様1〜3のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 4] The radiation imaging apparatus according to any one of
[実施態様5] 前記変換素子と前記スイッチ素子とが、同一基板上に同一工程によって形成されていることを特徴とする実施態様1〜4のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 5] The radiation imaging apparatus according to any one of
[実施態様6] 前記変換素子は、基板上に下部電極として形成された第1の金属薄膜層と、当該第1の金属薄膜層上に形成され、電子及び正孔の通過を阻止するアモルファス窒化シリコンからなる絶縁層と、当該絶縁層上に形成された水素化アモルファスシリコンからなる光電変換層と、当該光電変換層上に形成され、正孔の注入を阻止するN型の注入阻止層と、当該注入阻止層上に上部電極として形成された透明導電層または当該注入阻止層上の一部に形成された第2の金属薄膜層とを有して構成され、
前記スイッチ素子は、前記変換素子と同一の基板上に形成されるとともに、前記基板上に下部ゲート電極として形成された第1の金属薄膜層と、当該第1の金属薄膜層上に形成されたアモルファス窒化シリコンからなるゲート絶縁層と、当該ゲート絶縁層上に形成された水素化アモルファスシリコンからなる半導体層と、当該半導体層上に形成されたN型のオーミックコンタクト層と、当該オーミックコンタクト層上にソース/ドレイン電極として形成された透明導電層または第2の金属薄膜層とを有して構成され、
リフレッシュモードでは、前記変換素子に対して、正孔を前記光電変換層から前記第2の金属薄膜層に導く方向に電界を与え、
光電変換モードでは、前記変換素子に対して、前記光電変換層に入射した放射線により発生した正孔を当該光電変換層に留まらせて電子を前記第2の金属薄膜層に導く方向に電界を与え、
前記光電変換モードにより前記光電変換層に蓄積される前記正孔もしくは前記第2の金属薄膜層に導かれた前記電子を光信号として検出することを特徴とする実施態様1〜5のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 6] The conversion element includes a first metal thin film layer formed as a lower electrode on a substrate, and amorphous nitridation formed on the first metal thin film layer to prevent passage of electrons and holes. An insulating layer made of silicon, a photoelectric conversion layer made of hydrogenated amorphous silicon formed on the insulating layer, an N-type injection blocking layer formed on the photoelectric conversion layer and blocking hole injection, A transparent conductive layer formed as an upper electrode on the injection blocking layer, or a second metal thin film layer formed on a part of the injection blocking layer.
The switch element is formed on the same substrate as the conversion element, and is formed on the first metal thin film layer formed on the substrate as a lower gate electrode, and on the first metal thin film layer. A gate insulating layer made of amorphous silicon nitride, a semiconductor layer made of hydrogenated amorphous silicon formed on the gate insulating layer, an N-type ohmic contact layer formed on the semiconductor layer, and the ohmic contact layer And a transparent conductive layer or a second metal thin film layer formed as a source / drain electrode,
In the refresh mode, an electric field is applied to the conversion element in a direction in which holes are guided from the photoelectric conversion layer to the second metal thin film layer,
In the photoelectric conversion mode, an electric field is applied to the conversion element in a direction in which holes generated by radiation incident on the photoelectric conversion layer remain in the photoelectric conversion layer and electrons are guided to the second metal thin film layer. ,
Any one of
[実施態様7] 前記放射線の波長変換を行う波長変換体を更に有することを特徴とする実施態様1〜6のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 7] The radiation imaging apparatus according to any one of
[実施態様8] 前記波長変換体は、Gd2O2S、Gd2O3、CsIのいずれかを主成分とすることを特徴とする実施態様7に記載の放射線撮像装置。
EMBODIMENT 8] The wavelength converter is, Gd 2 O 2 S, Gd 2
[実施態様9] 前記変換素子にバイアスを印加するバイアス配線を更に有することを特徴とする実施態様1〜8のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 9] The radiation imaging apparatus according to any one of
[実施態様10] 前記変換素子は少なくとも2つの電極を有し、第1の電極に前記スイッチ素子が接続され、第2の電極に前記バイアス配線が接続されており、
動画モードでは、前記読み出し用回路部で前記リセットスイッチを前記第1のバイアスに切り替え、かつ前記スイッチ素子を導通させることにより前記光電変換素子のリフレッシュ動作を行い、
静止画モードでは、前記バイアス配線に接続された第2のスイッチ素子によりバイアスを切り替えることにより前記変換素子のリフレッシュ動作を行うことを特徴とする実施態様9に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 10] The conversion element has at least two electrodes, the switch element is connected to a first electrode, and the bias wiring is connected to a second electrode,
In the moving image mode, the photoelectric conversion element is refreshed by switching the reset switch to the first bias in the readout circuit unit and conducting the switch element.
10. The radiation imaging apparatus according to
[実施態様11] 入射した放射線を電気信号に変換する変換素子と前記電気信号を転送する第1のスイッチ素子とを含む画素が2次元状に配設され、前記画素を行方向に接続する制御配線と、前記第1のスイッチ素子を介して前記変換素子からの電気信号を読み出す信号配線とを備えた変換回路部と、
前記複数の制御配線を順次に駆動させる駆動用回路部と、
前記複数の信号配線と接続し、前記変換素子からの電気信号を行毎に読み出す読み出し用回路部とを有し、
前記読み出し用回路部は、初段部に電流積分型のオペアンプを具備し、
前記オペアンプの反転端子と出力端子との間には、前記変換素子から前記第1のスイッチ素子を介して転送される電気信号を積分するための容量素子と、前記容量素子をリセットするための第2のスイッチ素子とを備え、
一方、前記オペアンプの非反転端子には、第1のバイアスと第2のバイアスの少なくとも2つのバイアスを選択的に供給するバイアス供給手段と、前記第1のスイッチ素子及び前記第2のスイッチ素子を用いて読み出しを行った前記変換素子に対して第1のバイアスを印加して行毎にリフレッシュを行うリフレッシュ手段と、前記第2のスイッチ素子を用いて前記容量素子に対して第2のバイアスを印加してリセットを行うリセット手段とを備えることを特徴とする放射線撮像装置。
[Embodiment 11] Control is provided in which pixels including a conversion element that converts incident radiation into an electric signal and a first switch element that transfers the electric signal are two-dimensionally arranged, and the pixels are connected in a row direction. A conversion circuit unit including a wiring and a signal wiring for reading an electrical signal from the conversion element via the first switch element;
A driving circuit unit for sequentially driving the plurality of control wirings;
A readout circuit unit connected to the plurality of signal wirings and reading out an electrical signal from the conversion element for each row;
The readout circuit section includes a current integration type operational amplifier in the first stage section,
Between the inverting terminal and the output terminal of the operational amplifier, a capacitive element for integrating an electric signal transferred from the conversion element via the first switch element, and a first element for resetting the
On the other hand, the non-inverting terminal of the operational amplifier includes bias supply means for selectively supplying at least two biases of a first bias and a second bias, the first switch element, and the second switch element. A refresh unit that applies a first bias to the conversion element that has been read out and performs refresh for each row; and a second bias that is applied to the capacitive element using the second switch element. A radiation imaging apparatus, comprising: reset means for applying and resetting.
[実施態様12] 前記読み出し用回路部は、前記電流積分型オペアンプにより前記変換素子から読み出した前記電気信号を一時的に蓄積する蓄積手段と、蓄積された電気信号をシリアル変換するシリアル変換手段とを更に有することを特徴する実施態様11に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 12] The reading circuit unit includes a storage unit that temporarily stores the electrical signal read from the conversion element by the current integrating operational amplifier, and a serial conversion unit that serially converts the stored electrical signal. The radiation imaging apparatus according to
[実施態様13] 前記読み出し用回路部は、前記読み出しを行った後、前記第1のスイッチ素子を導通させるとともに前記第2のスイッチ素子を導通させ、かつ前記バイアス供給手段を駆動させて前記オペアンプの非反転端子に前記第1のバイアスを供給することにより前記変換素子に対して行毎にリフレッシュを行い、その後、前記第2のスイッチ素子を導通させた状態で、かつ前記バイアス供給手段を駆動させて前記非反転端子に前記第2のバイアスを供給することにより前記容量素子に対してリセットを行うことを特徴とする実施態様11または12に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 13] After the readout, the readout circuit unit conducts the first switch element, conducts the second switch element, and drives the bias supply means to operate the operational amplifier. By supplying the first bias to the non-inverting terminal, the conversion element is refreshed row by row, and then the bias supply means is driven while the second switch element is turned on. 13. The radiation imaging apparatus according to
[実施態様14] 前記変換素子及び前記第1のスイッチ素子がアモルファスシリコンを含み形成されていることを特徴とする実施態様11〜13のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 14] The radiation imaging apparatus according to any one of
[実施態様15] 前記変換素子と前記第1のスイッチ素子とが、同一基板上に同一工程によって形成されていることを特徴とする実施態様11〜14のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 15] The radiation imaging apparatus according to any one of
[実施態様16] 前記変換素子は、基板上に下部電極として形成された第1の金属薄膜層と、当該第1の金属薄膜層上に形成され、電子及び正孔の通過を阻止するアモルファス窒化シリコンからなる絶縁層と、当該絶縁層上に形成された水素化アモルファスシリコンからなる光電変換層と、当該光電変換層上に形成され、正孔の注入を阻止するN型の注入阻止層と、当該注入阻止層上に上部電極として形成された透明導電層または当該注入阻止層上の一部に形成された第2の金属薄膜層とを有して構成され、
前記第1のスイッチ素子は、前記変換素子と同一の基板上に形成されるとともに、前記基板上に下部ゲート電極として形成された第1の金属薄膜層と、当該第1の金属薄膜層上に形成されたアモルファス窒化シリコンからなるゲート絶縁層と、当該ゲート絶縁層上に形成された水素化アモルファスシリコンからなる半導体層と、当該半導体層上に形成されたN型のオーミックコンタクト層と、当該オーミックコンタクト層上にソース/ドレイン電極として形成された透明導電層または第2の金属薄膜層とを有して構成され、
リフレッシュモードでは、前記変換素子に対して、正孔を前記光電変換層から前記第2の金属薄膜層に導く方向に電界を与え、
光電変換モードでは、前記変換素子に対して、前記光電変換層に入射した放射線により発生した正孔を当該光電変換層に留まらせて電子を前記第2の金属薄膜層に導く方向に電界を与え、
前記光電変換モードにより前記光電変換層に蓄積される前記正孔もしくは前記第2の金属薄膜層に導かれた前記電子を光信号として検出することを特徴とする実施態様11〜15のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 16] The conversion element includes a first metal thin film layer formed as a lower electrode on a substrate, and amorphous nitridation formed on the first metal thin film layer to prevent passage of electrons and holes. An insulating layer made of silicon, a photoelectric conversion layer made of hydrogenated amorphous silicon formed on the insulating layer, an N-type injection blocking layer formed on the photoelectric conversion layer and blocking hole injection, A transparent conductive layer formed as an upper electrode on the injection blocking layer, or a second metal thin film layer formed on a part of the injection blocking layer.
The first switch element is formed on the same substrate as the conversion element, and a first metal thin film layer formed as a lower gate electrode on the substrate, and on the first metal thin film layer A formed gate insulating layer made of amorphous silicon nitride, a semiconductor layer made of hydrogenated amorphous silicon formed on the gate insulating layer, an N-type ohmic contact layer formed on the semiconductor layer, and the ohmic contact A transparent conductive layer or a second metal thin film layer formed as a source / drain electrode on the contact layer;
In the refresh mode, an electric field is applied to the conversion element in a direction in which holes are guided from the photoelectric conversion layer to the second metal thin film layer,
In the photoelectric conversion mode, an electric field is applied to the conversion element in a direction in which holes generated by radiation incident on the photoelectric conversion layer remain in the photoelectric conversion layer and electrons are guided to the second metal thin film layer. ,
Any one of the
[実施態様17] 前記放射線の波長変換を行う波長変換体を更に有することを特徴とする実施態様11〜16のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 17] The radiation imaging apparatus according to any one of
[実施態様18] 前記波長変換体は、Gd2O2S、Gd2O3、CsIのいずれかを主成分とすることを特徴とする実施態様17に記載の放射線撮像装置。 [Embodiment 18] The radiation imaging apparatus according to Embodiment 17, wherein the wavelength converter includes any one of Gd 2 O 2 S, Gd 2 O 3 , and CsI as a main component.
[実施態様19] 前記変換素子にバイアスを印加するバイアス配線を更に有することを特徴とする実施態様11〜18のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 19] The radiation imaging apparatus according to any one of
[実施態様20] 前記変換素子は少なくとも2つの電極を有し、第1の電極に前記第1のスイッチ素子が接続され、第2の電極に前記バイアス配線が接続されており、
動画モードでは、前記第1のスイッチ素子を導通させることにより前記変換素子のリフレッシュ動作を行い、
静止画モードでは、前記バイアス配線に接続されたバイアスを切り替えることによって、前記変換素子のリフレッシュ動作を行うことを特徴とする実施態様19に記載の放射線撮像装置。
[Embodiment 20] The conversion element has at least two electrodes, the first switch element is connected to a first electrode, and the bias wiring is connected to a second electrode,
In the moving image mode, the refresh operation of the conversion element is performed by turning on the first switch element,
The radiation imaging apparatus according to Embodiment 19, wherein in the still image mode, the conversion element is refreshed by switching a bias connected to the bias wiring.
[実施態様21] 被験者または被験物に放射線を照射する放射線源と、
前記放射線を検出する実施態様1〜20のいずれか1項に記載の放射線撮像装置と、
前記放射線撮像装置から出力された電気信号をディジタル変換して画像処理する画像処理装置と、
前記画像処理装置で処理された画像を表示する表示装置とを備えることを特徴とする放射線撮像システム。
Embodiment 21 A radiation source for irradiating a subject or test subject with radiation,
The radiation imaging apparatus according to any one of
An image processing apparatus for digitally converting an electrical signal output from the radiation imaging apparatus and performing image processing;
A radiation imaging system comprising: a display device that displays an image processed by the image processing device.
[実施態様22] 入射した放射線を電気信号に変換する変換素子と前記電気信号を転送するスイッチ素子とを含む画素が2次元状に配設され、前記画素を行方向に接続する制御配線と、前記スイッチ素子を介して前記変換素子からの電気信号を読み出す信号配線とを備えた変換回路部と、
前記複数の制御配線を順次に駆動させる駆動用回路部と、
前記複数の信号配線と接続し、前記変換素子からの電気信号を行毎に読み出す読み出し用回路部とを有する放射線撮像装置における駆動方法であって、
前記読み出し用回路部で読み出しを行った前記変換素子に対して第1のバイアスを印加して行毎にリフレッシュを行うリフレッシュ処理と、
少なくとも1つのリセットスイッチを用いて前記信号配線に対して第2のバイアスを印加してリセットを行うリセット処理とを含むことを特徴とする放射線撮像装置の駆動方法。
[Embodiment 22] Pixels including a conversion element that converts incident radiation into an electric signal and a switch element that transfers the electric signal are two-dimensionally arranged, and a control wiring that connects the pixels in a row direction; A conversion circuit unit including a signal wiring that reads an electrical signal from the conversion element via the switch element;
A driving circuit unit for sequentially driving the plurality of control wirings;
A driving method in a radiation imaging apparatus having a readout circuit unit connected to the plurality of signal wirings and reading out an electrical signal from the conversion element for each row,
A refresh process for performing refresh for each row by applying a first bias to the conversion element read by the read circuit unit;
And a reset process for resetting the signal wiring by applying a second bias to the signal wiring using at least one reset switch.
10,100 光電変換回路部
20,21,200 読み出し用回路部
101,S1−1〜S3−3 光電変換素子
102,T1−1〜T3−3 スイッチ素子(TFT)
103 絶縁基板
104 第1の金属薄膜層
105 第2の金属薄膜層
106 ゲート駆動用配線
107 マトリクス信号配線
110 コンタクトホール部
111 a−SiN絶縁薄膜層
112 a−Si半導体薄膜層
113 N+層
114 配線クロス部
115 保護膜
A1〜A3,B1〜B3,Ab オペアンプ
FL、Fl X線を可視光に変換する蛍光体
G1〜G3 ゲート駆動配線
M1〜M3 マトリクス信号配線
Cf1〜Cf3 積分容量
RES1〜RES3,RES11〜RES33,RES41〜RES43 リセットスイッチ
Sn1〜Sn3 転送スイッチ
Sr1〜Sr3 読み出し用スイッチ
SR1 シフトレジスタ(スイッチ素子用)
SR2 シフトレジスタ(読み出しスイッチ用)
Vref リフレッシュ電源
Vs バイアス電源
V(reset) リセット電源
V(refresh) リフレッシュ電源
Vg(on) TFTをオンするための電源
Vg(off) TFTをオフするための電源
SW−A バイアスを切り替えるスイッチ
SW−B TFTをオン/オフするためのスイッチ
SW−C 信号配線をリセットするためのスイッチ
SW−D TFTをオン/オフするためのスイッチ
SW−E リフレッシュするためのスイッチ
SW−F バイアスを切り替えるスイッチ
SW−G オペアンプの(+)端子にバイアスを印加するためのスイッチ
SW−H 容量素子Cfをリセットするためのスイッチ
SW−res リセットバイアスを与えるためのスイッチ
SW−ref リフレッシュバイアスを与えるためのスイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,100 Photoelectric conversion circuit part 20, 21, 200
103 Insulating
SR2 Shift register (for readout switch)
Vref Refresh power supply Vs Bias power supply V (reset) Reset power supply V (refresh) Refresh power supply Vg (on) Power supply Vg (off) for turning on the TFT Power supply SW-A for turning off the TFT SW-B for switching the bias Switch SW-C for turning on / off TFT Switch SW-D for resetting signal wiring Switch SW-E for turning on / off TFT SW-F for refresh SW-F Switch SW-G for switching bias Switch SW-H for applying a bias to the (+) terminal of the operational amplifier Switch SW-res for resetting the capacitive element Cf Switch SW-ref for applying a reset bias Switch for applying a refresh bias
Claims (11)
前記変換素子のリフレッシュを行うための第1のバイアスを前記信号配線に印加するリフレッシュ部と、
前記信号配線に前記信号配線のリセットを行うための第2のバイアスを印加するリセット部と、
を有し、
所定行の画素の前記読み出しと前記所定行と異なる行の画素の前記読み出しとの間に、前記駆動用回路部が前記所定行の画素の前記スイッチ素子を導通させた状態で、前記リフレッシュ部が前記第1のバイアスを前記信号配線に印加し、且つ、前記第1のバイアスの印加が終了した前記信号配線に前記リセット部が前記第2のバイアスを印加することにより、前記リフレッシュを行うことを特徴とする放射線撮像装置。 A semiconductor element between the first electrode and the second electrode and an insulating layer between the first electrode and a conversion element that converts incident radiation into an electrical signal and connected to the first electrode And a plurality of pixels including a switch element for reading out the electric signal are arranged in a row direction and a column direction, and a plurality of control wirings connected to the plurality of switch elements arranged in the row direction are arranged in the column direction. And a plurality of signal lines connected to the plurality of switch elements arranged in the column direction are arranged in the row direction, and a drive signal for conducting the switch elements is provided to the plurality of control lines in a row unit. A radiation imaging apparatus having a driving circuit section for providing
A refresh unit for applying a first bias to the signal wiring for refreshing the conversion element;
A reset unit that applies a second bias for resetting the signal wiring to the signal wiring;
Have
In a state where the driving circuit unit conducts the switch element of the pixel of the predetermined row between the reading of the pixel of the predetermined row and the reading of the pixel of the row different from the predetermined row, the refresh unit The refresh is performed by applying the first bias to the signal wiring and applying the second bias to the signal wiring after the application of the first bias is completed. A radiation imaging apparatus.
前記読み出し用回路部は、前記リフレッシュ部及び前記リセット部を含むことを特徴とする請求項1に記載の放射線撮像装置。 In order to read out the electrical signal in units of rows, it further includes a readout circuit unit connected to the plurality of signal lines,
The radiation imaging apparatus according to claim 1, wherein the readout circuit unit includes the refresh unit and the reset unit.
前記読み出し用回路部は、初段部に電流積分型のオペアンプを具備し、
前記オペアンプの反転端子と出力端子との間には、前記変換素子から前記スイッチ素子を介して転送される電気信号を積分するための容量素子と、前記容量素子のリセットを行うためのスイッチとを備え、
前記オペアンプの非反転端子には、前記変換素子のリフレッシュを行うための第1のバイアスと前記リセットを行うための第2のバイアスとを選択的に供給するバイアス供給部が接続され、
所定行の画素の前記読み出しと前記所定行と異なる行の画素の前記読み出しとの間に、前記駆動用回路部が前記所定行の画素の前記スイッチ素子を導通させた状態で、前記バイアス供給部及び前記スイッチが前記第1のバイアスを前記信号配線に印加し、且つ、前記第1のバイアスの印加が終了した前記信号配線に前記第2のバイアスを印加することにより、前記リフレッシュを行うことを特徴とする放射線撮像装置。 A semiconductor element between the first electrode and the second electrode and an insulating layer between the first electrode and a conversion element that converts incident radiation into an electrical signal and connected to the first electrode And a plurality of pixels including a switch element for reading out the electric signal are arranged in a row direction and a column direction, and a plurality of control wirings connected to the plurality of switch elements arranged in the row direction are arranged in the column direction. And a plurality of signal lines connected to the plurality of switch elements arranged in the column direction are arranged in the row direction, and a drive signal for conducting the switch elements is provided to the plurality of control lines in a row unit. A radiation imaging apparatus comprising: a driving circuit unit for providing a read signal; and a readout circuit unit connected to the plurality of signal wirings in order to perform readout of the electrical signal in units of rows,
The readout circuit section includes a current integration type operational amplifier in the first stage section,
Between the inverting terminal and the output terminal of the operational amplifier, a capacitive element for integrating an electric signal transferred from the conversion element via the switch element, and a switch for resetting the capacitive element Prepared,
A non-inverting terminal of the operational amplifier is connected to a bias supply unit that selectively supplies a first bias for refreshing the conversion element and a second bias for performing the reset,
The bias supply unit in a state in which the driving circuit unit conducts the switch element of the pixel in the predetermined row between the readout of the pixel in the predetermined row and the readout of the pixel in a row different from the predetermined row. And the switch applies the first bias to the signal wiring, and applies the second bias to the signal wiring for which the application of the first bias is completed. A radiation imaging apparatus.
前記スイッチ素子は、前記変換素子と同一の基板上に形成されるとともに、前記基板上にゲート電極として形成された第1の金属薄膜層と、当該第1の金属薄膜層上に形成されたアモルファス窒化シリコンからなるゲート絶縁層と、当該ゲート絶縁層上に形成された水素化アモルファスシリコンからなるアモルファスシリコン層と、当該アモルファスシリコン層上に形成されたN型のオーミックコンタクト層と、当該オーミックコンタクト層上にソース又はドレイン電極として形成された透明導電層または第2の金属薄膜層とを有して構成され、
リフレッシュモードでは、前記変換素子に対して、正孔を前記半導体層から前記第2の金属薄膜層に導く方向に電界を与え、
光電変換モードでは、前記変換素子に対して、前記半導体層に入射した放射線により発生した正孔を当該半導体層に留まらせて電子を前記第2の金属薄膜層に導く方向に電界を与え、
前記光電変換モードにより前記半導体層に蓄積される前記正孔もしくは前記第2の金属薄膜層に導かれた前記電子を光信号として検出することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の放射線撮像装置。 The conversion element includes a first metal thin film layer formed as the first electrode on a substrate, and amorphous silicon nitride formed on the first metal thin film layer and blocking passage of electrons and holes. The insulating layer, the semiconductor layer made of hydrogenated amorphous silicon formed on the insulating layer, an N-type injection blocking layer formed on the semiconductor layer for blocking hole injection, and the injection A transparent conductive layer formed as the second electrode on the blocking layer or a second metal thin film layer formed on a part of the injection blocking layer,
The switch element is formed on the same substrate as the conversion element, a first metal thin film layer formed as a gate electrode on the substrate, and an amorphous formed on the first metal thin film layer. A gate insulating layer made of silicon nitride, an amorphous silicon layer made of hydrogenated amorphous silicon formed on the gate insulating layer, an N-type ohmic contact layer formed on the amorphous silicon layer, and the ohmic contact layer A transparent conductive layer or a second metal thin film layer formed thereon as a source or drain electrode,
In the refresh mode, an electric field is applied to the conversion element in a direction in which holes are guided from the semiconductor layer to the second metal thin film layer,
In the photoelectric conversion mode, an electric field is applied to the conversion element in a direction in which holes generated by radiation incident on the semiconductor layer remain in the semiconductor layer and electrons are guided to the second metal thin film layer.
7. The method according to claim 1, wherein the holes accumulated in the semiconductor layer by the photoelectric conversion mode or the electrons guided to the second metal thin film layer are detected as an optical signal. The radiation imaging apparatus described in 1.
前記放射線撮像装置から出力された電気信号をディジタル変換して画像処理する画像処理装置と、
前記画像処理装置で処理された画像を表示する表示装置とを備えることを特徴とする放射線撮像システム。 The radiation imaging apparatus according to any one of claims 1 to 9, which detects the radiation transmitted through a subject or a test object,
An image processing apparatus for digitally converting an electrical signal output from the radiation imaging apparatus and performing image processing;
A radiation imaging system comprising: a display device that displays an image processed by the image processing device.
所定行の画素の前記読み出しと前記所定行と異なる行の画素の前記読み出しとの間に、
前記駆動用回路部が前記所定行の画素の前記スイッチ素子を導通させた状態で、前記リフレッシュ部が前記第1のバイアスを前記信号配線に印加した後に、前記リセット部が前記第2のバイアスを前記信号配線に印加することにより、前記リフレッシュを行うことを特徴とする放射線撮像装置の駆動方法。 A semiconductor element between the first electrode and the second electrode and an insulating layer between the first electrode and a conversion element that converts incident radiation into an electrical signal and connected to the first electrode And a plurality of pixels including a switch element for reading out the electric signal are arranged in a row direction and a column direction, and a plurality of control wirings connected to the plurality of switch elements arranged in the row direction are arranged in the column direction. And a plurality of signal lines connected to the plurality of switch elements arranged in the column direction are arranged in the row direction, and a drive signal for conducting the switch elements is provided to the plurality of control lines in a row unit. A driving circuit section for applying the first and second biases for applying a first bias for refreshing the conversion element to the signal wiring, and a second for resetting the signal wiring to the signal wiring. A reset unit for applying a bias, a driving method of a radiation imaging device having,
Between the readout of pixels in a predetermined row and the readout of pixels in a row different from the predetermined row,
The reset unit applies the second bias after the refresh unit applies the first bias to the signal wiring in a state where the driving circuit unit conducts the switch elements of the pixels in the predetermined row. A method of driving a radiation imaging apparatus, wherein the refreshing is performed by applying the signal wiring.
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