JP4208482B2 - 撮像装置及び同撮像装置を用いたｘ線診断システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は放射線医療機器等に用いられる撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
医療のさまざまな分野でディジタル化が進んでいる。Ｘ線診断の分野でも、画像のディジタル化のために、入射するＸ線をシンチレータ（蛍光体）により可視光に変換し、さらに撮像素子でかかる可視光像を撮像する２次元Ｘ線撮像装置が開発されてきている。ディジタル化されたＸ線撮影装置のアナログ写真技術に対する利点として次が挙げられる。フィルムレス化、画像処理による取得情報の拡大、データベース化等である。又、撮影した画像をその場で瞬時に表示出来ることは緊急を要する医療現場においては有用である。なお放射線とはＸ線やα、β、γ線、あるいは被写体の内部構造を検出できる高エネルギー線を言い、光はフォトダイオード等の光電変換手段により容易に検出可能な波長領域の電磁波であり、可視光、赤外光を含む。以下放射線としてＸ線の場合を取り上げて説明する。
【０００３】
Ｘ線静止画の分野では、２次元Ｘ線撮像装置としては、例えば***撮影用、胸部撮影用には最大４３ｃｍ□のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を用いた大板の静止画撮像装置（フラットパネルディテクタ）が作られている。この種の技術の例として、米国特許５３１５１０１号に記載のものがある。この従来の技術を図１４に示す。ガラス基板上のアモルファスシリコン半導体を使った撮像素子は大板のものを得やすく、このパネルを４枚タイル貼りして、大板のＸ線撮像装置を実現しているものがある。また複数の単結晶撮像素子（シリコン撮像素子など）を用いて大板のＸ線撮像装置を構成する提案がある。この種の技術の例として、図１５に示した米国特許４３２３９２５、５１５９４５５号がある。単結晶撮像素子としてはシリコンを使ったＣＣＤ型撮像素子やＭＯＳ型撮像素子、ＣＭＯＳ型撮像素子などがある。Ｘ線変換体として蛍光体のついたファイバーオプティックプレート（ＦＯＰ）が用いられている。ファイバーオプティックプレートの素材にはＸ線を透過しにくい鉛ガラス等を含んだ材料を用いる。一般に、ＣＣＤのような単結晶シリコンのデバイスは、Ｘ線のような放射線によりダメージを受けやすく、暗電流の増加や光電変換効率の低下などの劣化を生じるので、ファイバーオプティックプレートをＸ線遮蔽材として利用することにより、耐Ｘ線性が高まって信頼性が向上する。従来のＣＣＤ型撮像素子やＭＯＳ型撮像素子、ＣＭＯＳ型撮像素子では素子を駆動する回路（シフトレジスタ、デコーダ、マルチプレクサ等）やメモリ回路は素子の画素領域の外周部に配置される。図１３に４枚ＣＭＯＳ型撮像素子を張り合わせた場合を示す。これらの回路も画素部と同様にＸ線が直接進入すると、誤動作や劣化を起こすので、一般に鉛等を使ってＸ線を遮蔽する構造とする。
【０００４】
Ｘ線動画の分野では、入射するＸ線をシンチレータ（蛍光体）とＩ．Ｉ．（イメージインテンシファイア）により可視光に変換し、ＣＣＤ型撮像素子を用いたＴＶカメラでかかる可視光像を撮像する２次元のディジタルＸ線透視装置が開発されている。ただしこれはフラットパネルディテクタではない。
【０００５】
ディジタル化の進む医療のＸ線診断分野では、フラットパネルによる小型化、高感度化、高速化された次世代の動画像撮像装置（透視等）が期待されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を用いた放射線撮像装置（フラットパネルディテクタ）は、大板化が容易だがアモルファスシリコンの材料の特性上、高感度化、高速化は困難である。よって静止画用に限定される。単結晶シリコンとＦＯＰを組み合わせた放射線撮像装置は高速化、高感度化は容易だが大板化のためには非常な高価なテーパー状のＦＯＰを使わざるをえないのでコストを減らすことができない。よって大板、高速、高精細、高感度、低コストの全てを完備するＸ線撮像装置はなかった。さらに単結晶シリコンにおけるＸ線の影響を低減するためにＸ線パルスの駆動と直接入射によるＸ線ノイズの関係を考慮した駆動はなかった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、所定の間隔で順次発生され、被写体を透過した放射線が変換された光を電気信号に変換するための複数の画素を有し、前記複数の画素の各々は、光電変換部と、前記電気信号を蓄積するための信号用サンプルホールド回路と、ノイズ信号を蓄積するためのノイズ用サンプルホールド回路と、を有する撮像領域と、前記撮像領域内の画素と画素の間に配置され、前記撮像領域を走査するための走査手段と、前記放射線が発生していない期間に、前記信号用サンプルホールド回路から前記電気信号が出力され、且つ前記ノイズ用サンプルホールド回路から前記ノイズ信号が出力されるように、前記走査手段による前記撮像領域の走査を制御する制御手段と、を有することを特徴とする撮像装置を提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、走査手段である水平、垂直シフトレジスタなどの周辺回路を有効画素領域内に作りこんだ撮像素子の構成を示す図である。図２は有効画素領域内の画素及びシフトレジスタ、保護回路、外部端子などのレイアウトを示す図である。図３、４、５は該撮像素子を９個張り合わせた撮像モジュ−ルを説明するための図である。図１１は本実施の形態による撮像装置の構成を示すブロック図である。
【０００９】
図１１に示すように、被写体の動画像を得る場合は、放射線源であるパルスＸ線発生器１００からＸ線パルスを発生させ、被写体を透過した撮像パネル１０１内のＸ線がシンチレータによって可視光に変換される。この光を撮像パネル１０１内の撮像素子で電気信号に変換する。アナログ量の電気信号はＡ／Ｄ変換器１０２によりディジタル信号に変換された後、画像処理回路１０３で画像処理が行われ、動画像を複数フレーム蓄積する記憶部１０６に蓄積される。そして、表示部１０５に画像が表示される。また、撮像素子は、センサ駆動部１０７によって、パルスＸ線装置１００は、Ｘ線駆動部１０８によって駆動される。パルスＸ線発生器、撮像モジュ−ルの各撮像素子、画像処理装置の制御は制御手段であるコントローラ１０９で行っている。このコントローラへの入力操作には、操作装置、および操作モニタが用いられる。
【００１０】
図４は１３８ｍｍ□の撮像素子を９枚タイル状に張り合わせて形成した４１４ｍｍ□の大面積撮像モジュ−ルの撮像素子部分を示す。
【００１１】
図５は図４のＡ−Ａ’断面を示す。ユウロピウム、テルビウム等を付活性体として用いたＧｄ_２Ｏ_２ＳやＣｓＩなどのシンチレータからなるシンチレータ板をＦＯＰの上に設置する。Ｘ線はシンチレータに当たり、可視光に変換される。この可視光を撮像素子で検出する。シンチレータは、その発光波長が撮像素子の感度に適合するように選択するのが好ましい。外部処理基板は撮像素子の電源、クロック等を供給し、又、撮像素子から信号を取り出して処理する回路を有する。ＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）は、各撮像素子と外部処理基板とを電気的に接続する。
【００１２】
９枚の撮像素子は、実質的に撮像素子間に隙間ができないように貼り合わせる。ここで実質的に隙間ができないこととは、９枚の撮像素子により形成される画像に撮像素子間の欠落ができないということである。撮像素子のクロック等や電源の入力、画素からの信号の出力は撮像素子端部に設けた電極パッドに接続したＴＡＢを通して、撮像素子の裏側に配置した外部処理基板との間で行う。ＴＡＢの厚さは画素サイズに対して十分薄く撮像素子の間の隙間を通しても、画像上の欠陥は生じない。
【００１３】
図３は現在主流の８インチウエハから一個の撮像素子を取り出す場合を示す。８インチウエハはＮ型ウエハであり、これを用い、ＣＭＯＳプロセスによって１３８ｍｍ□のＣＭＯＳ型撮像素子を１枚取りで作成する。
【００１４】
図６にＣＭＯＳ型撮像素子の各画素を構成する画素部の構成図を示す。光電変換をするフォトダイオードＰＤ、電荷を蓄積するフローティングディフュージョンＣ_ＦＤ、フォトダイオードが生成した電荷をフローティングディフュージョンに転送する転送ＭＯＳトランジスタ（転送スイッチ）、フローティングディフュージョンに蓄積された電荷を放電するためのリセットＭＯＳトランジスタ（リセットスイッチ）、行選択をするための行選択ＭＯＳトランジスタ（行選択スイッチ）、ソースフォロワーとして機能する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ）を有する。
【００１５】
図７に３×３画素での全体回路の概略図を示す。
【００１６】
転送スイッチのゲートは垂直走査回路の一種である垂直シフトレジスタからのφＴＸに接続され、リセットスイッチのゲートは垂直走査回路からのφＲＥＳに接続され、行選択スイッチのゲートは垂直走査回路からのφＳＥＬに接続されている。
【００１７】
光電変換はフォトダイオードでおこなわれ、光量電荷の蓄積期間中は、転送スイッチはオフ状態であり、画素アンプを構成するソースフォロアのゲートにはこのフォトダイオードで光電変換された電荷は転送されない。該画素アンプを構成するソースフォロアのゲートは、蓄積開始前にリセットスイッチがオンし、適当な電圧に初期化されている。すなわちこれがダークレベルとなる。次に又は同時に行選択スイッチがオンになると、負荷電流源と画素アンプで構成されるソースフォロワー回路が動作状態になり、ここで転送スイッチをオンさせることで該フォトダイオードに蓄積されていた電荷は、該画素アンプを構成するソースフォロアのゲートに転送される。
【００１８】
ここで選択行の出力が垂直出力線（信号出力線）上に発生する。この出力は列選択スイッチ（マルチプレクサ）を水平走査回路の一種である水平シフトレジスタによって駆動することにより順次出力部アンプへ読み出される。
【００１９】
図２は垂直シフトレジスタの単位ブロック（一行を選択し駆動するための単位）を１画素領域（１セル）に１画素回路と共に配置した様子を示す。１画素回路は図６に示すものである。垂直シフトレジスタは転送信号φＴＸ、リセット信号φＲＥＳ、行選択信号φＳＥＬを作り出すためにスタティック型シフトレジスタと転送ゲートで構成した簡単な回路を示す。これらはクロック信号線（不図示）からの信号により駆動する。シフトレジスタの回路構成はこの限りではなく、画素加算や間引き読み出し等のさまざまな駆動のさせ方により、任意の回路構成をとることができる。ただし本実施形態のように機能ブロックを一つのセルの中に画素回路と共に配置し、有効画素領域内にシフトレジスタを設け、全面有効画素領域の撮像素子を実現する。
【００２０】
本実施の形態においては、垂直シフトレジスタやｎ対２^ｎデコーダ等の垂直走査回路、水平シフトレジスタやｎ対２^ｎデコーダ等の水平走査回路を有効画素領域内の各画素領域（セル）内に配置することを特徴とする。
【００２１】
同様に本実施の形態においては、共通処理回路を有効画素領域内の各画素領域（セル）内に配置することを特徴とする。ここで共通処理回路とは、最終信号出力アンプ、シリアル・パラレル変換マルチプレクサ、バッファー、各種ゲート回路等の複数画素を一括して共通に処理する回路を意味する。
【００２２】
これに対して個別回路とは、フォトダイオード、転送スイッチ、画素選択スイッチ、画素出力増幅回路等の１画素のみを処理する回路を意味する。
【００２３】
図１に本実施形態の撮像素子の構成（平面図）を示す。本実施形態では垂直シフトレジスタと水平シフトレジスタを撮像素子の有効画素領域に配置する。１つのラインを共通処理するシフトレジスタの１ブロックを１画素ピッチ内に収まるように配置する。これらのブロックを並べて一連の垂直シフトレジスタブロックとし、水平シフトレジスタブロックとする。これらのブロックは垂直方向、水平方向に直線状に伸びている。これらのシフトレジスタブロックのある画素の受光部の面積と、他の画素の受光部の面積は同じにし、感度のばらつきをなくす。さらに全ての受光部の重心（画素の重心）は同一とする。シフトレジスタとしてスタティックシフトレジスタを用いる。シフトレジスタの回路構成は、設計でいろいろなものが適用できる。この実施形態では一般的な回路例を取り上げた。
【００２４】
本実施の形態によれば、撮像素子の周辺にデッドスペースが生じないので、撮像素子全面が有効画素領域となる。
【００２５】
これらの撮像素子をタイル状に、実質的に隙間がないように並べることで、大板の撮像装置（フラットパネルディテクタ）を形成できる。実質的に繋ぎ目のない大板の画像を得ることができる。
【００２６】
医療用のＸ線撮像装置では、画素の大きさは、１００μｍ□〜２００μｍ□程度に大きくてよいので、構成素子数の多いスタティックシフトレジスタを配置しても、十分大きい開口率を実現できる。
【００２７】
また走査手段として、シフトレジスタではなく、ｎ対２^ｎデコーダを使用することもできる。デコーダの入力に順次インクリメントするカウンタの出力を接続することにより、シフトレジスタと同様に順次走査することが可能となり、一方、デコーダの入力に画像を得たい領域のアドレスを入力することにより、ランダム走査による任意の領域の画像を得ることができる。
【００２８】
本実施形態は、撮像素子として、ＣＭＯＳ型撮像素子を用いているので、消費電力が少なく、大板の撮像装置を構成する場合に好適である。
【００２９】
なお撮像素子内にマルチプレクサを作りこむのは、撮像素子での動作を早くするためである。
【００３０】
また撮像素子からは電極パッドを経由して外部に信号を取り出すが、この電極パッド周りには大きな浮遊容量がある。従って電極パッドの前段にアンプを設けることにより、信号の伝送特性を補償することができる。
【００３１】
本実施形態では、垂直、水平シフトレジスタを有効画素領域内に配置するので、シンチレータ板を抜けたＸ線が直接シフトレジスタに当たる。Ｘ線は、これらの回路中の素子にダメージを与えたりや回路中にエラーやノイズを生じたりするので問題である。
【００３２】
エラーの例としてあげられるのは、絶縁酸化膜ＳｉＯ_２とシリコンの界面に電荷が蓄積され、閾値の変動やリーク電流の増加が起きる現象である。またダメージの例としてあげられるのは、ｐｎ接合面に生じる欠陥であり、この欠陥がリーク電流の増大を引き起こす。エラーの他の例としてあげられるのは、ＭＯＳ型ダイナミックＲＡＭでの誤動作として知られるホットエレクトロンの作用によるエラー（ソフトエラー）と同様なものである。例えば駆動用回路ではリセット回路にノイズが発生し、走査が一時的に停止したり、またシフトパルスがずれたりする。他の周辺回路では主にノイズとなる場合が多い。電界により発生するホットエレクトロンは、電界が高くなる短チャンネル構造で起こりやすいが、Ｘ線により発生するホットエレクトロンはサイズによらず発生するので、平面的なサイズによらずＸ線が当たると撮像装置は不安定になりやすい。ノイズとしては、単結晶シリコン中に進入したＸ線により、シリコン中に電子・ホール対を生成する。これらキャリアが回路中に侵入することにより生じるノイズがあり、回路が持つ固有のシステムノイズに付加される。このような現象はシフトレジスタばかりでなく、Ｘ線が直接の照射される可能性のあるデコーダや共通アンプなどの等の回路を用いる場合も発生する。
【００３３】
ＦＯＰを用いることにより、撮像素子に直接進入するＸ線の量（Ｘ線フォトン数）を数十分の１以下にすることができる。Ｘ線のダメージは吸収したＸ線の総量に比例するので、ＦＯＰによりＸ線のダメージは相当低減することができる。一方Ｘ線によるエラーやノイズは、Ｘ線の総量ばかりでなく、Ｘ線のエネルギーにも依存する。８０ｋＶｐの管電圧で発生したＸ線のエネルギーは、最大で８０ｋｅＶ、平均で６０ｋｅＶ程度と非常に大きい。この高エネルギーＸ線フォトンが１個でも吸収されると、数万個の電子・ホール対が発生する。これらが受光部に侵入すると、スパイク状の信号となり、同時にこの信号の揺らぎがノイズとして付加される。受光部以外の容量、信号線、トランジスタに侵入すると、ノイズ成分となり付加される。またシフトレジスタなどのロジック回路に侵入すると動作エラーの原因となる。つまりＦＯＰのみでは、ダメージを低減することはできるが、エラーやノイズを低減することは難しい。
【００３４】
本発明では以下のような駆動を考慮することにより、直接的なＸ線によるノイズに強いＸ線撮像装置を実現できた。図８は本実施形態の撮像装置の動作を示すタイミングチャートである。３×３画素の動作で説明する。
【００３５】
Ｔ１でリセット信号φＲＥＳがハイレベルになり、全画素のリセットＭＯＳトランジスタがオンになることで、フローティングディフュージョンＣ_ＦＤがリセットされる。被写体撮像のためのＸ線パルスを照射し、フォトダイオードを露光する。全画素一括で転送信号φＴＸをハイレベルとし転送スイッチをオンすることで、フォトダイオードに蓄積されていた電荷を画素アンプを構成するソースフォロワーのゲート部に形成されるフローティングディフュージョンＣ_ＦＤに完全転送する。行選択信号ＳＥＬ１がハイレベルになることで該当行の行選択ＭＯＳトランジスタがオンとなり、増幅ＭＯＳを介して信号出力線に撮像信号が読み出される。こうして読み出された１行分の撮像信号は、水平シフトレジスタにより列選択信号φＳＨ１、φＳＨ２、φＳＨ３が順次オンになることで共通アンプを介して撮像素子の外部へ読み出される。同様に各行の信号が読み出される。本実施例ではＸ線のパルスはリセット信号φＲＥＳと転送信号φＴＸの間に照射する。Ｘ線がＦＯＳ画素領域全面に照射されている間、画素領域内に設置された水平シフトレジスタ、垂直シフトレジスタで駆動用信号を作り出すことはないので、これらが誤動作することはない。またＸ線によるノイズがこれらの回路に付加されることもない。
【００３６】
これらの動作を行っているのは画素領域内に設置した垂直、水平シフトレジスタであり、これらの回路を駆動している間はＸ線は照射されず、これらが誤動作することはない。またこの間シリコンバルクに進入したＸ線によるキャリアの発生もなく、回路動作中にノイズが付加されることはない。また 画素加算等を画素毎に行うために、画素信号を加算して出力するための加算スイッチを設ける場合もある。このような場合には画素を共通に処理するため共通処理回路を画素領域内に設ける。この共通処理回路で加算等の動作を行う場合も、Ｘ線がオフの場合に行う。加算時、加算後の信号に直接Ｘ線によるノイズが付加されることはなく、共通処理回路が誤動作を起こすこともない。
【００３７】
なお、以上説明した実施形態では、Ｘ線を可視光に変換するのに蛍光体を用いたが、一般的なシンチレータ、つまり波長変換体であればよい。また蛍光体がなくとも光電変換素子自身が直接放射線を検知し、電荷を発生するものでもよい。
【００３８】
また、Ｘ線を用いた場合を例に説明したが、α、β、γ線等の放射線を用いることができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
次に本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態で用いられる撮像素子は、基本構成は第１の実施形態と同じであるが、１画素の回路構成が第１の実施形態と異なっている。図９は本発明の第２の実施形態の１画素回路を示す。本実施形態では、光電変換部でのｋＴＣ補正を画素内で行うようにし、更に感度切替え手段を画素内に設けることで、静止画撮影と高速動画撮影をモード切替で実現している。
【００４０】
ここで静止画撮影、動画撮影兼用の撮像素子での光電変換部に求められる特有の条件について説明する。動画撮影時の照射Ｘ線量は静止画撮影時の１／１００程度であり、画素当たり高々数個のＸ線ホトンの量（実際画素に入射するのはこのＸ線が変換された可視光）であり、撮像素子としては最大の感度が求められる。但し、ダイナミックレンジは問題ない。更に、読取速度としては６０から９０フレーム／秒が求められる。画素の解像度は２００μｍ□から４００μｍ□と粗くともよい。一方、静止画撮影時には、８０ｄＢ近いダイナミックレンジが要求される。画素の解像度は１００μｍ□から２００μｍ□が必要である。これらの仕様を同時に満たす撮像素子はこれまでなかった。
【００４１】
そこで本実施形態では、ＣＭＯＳ型撮像素子において図９に示すような画素回路構成とすることで、これらの仕様を満たす撮像素子を実現している。図９において、ＰＤは光電変換部としてのＣＣＤ等で用いられているものと同じ埋め込み型のフォトダイオードである。埋め込み型のフォトダイオードは表面に不純物濃度が高いｐ^＋層を設けることで、ＳｉＯ_２面で発生する暗電流を抑制するものである。またフォトダイオードＰＤの容量Ｃ_ＰＤは、動画撮影時に最大感度を得るために最小となるように設計している。後述するようにフォトダイオード_ＰＤの容量を小さくすると、ダイナミックレンジが縮小する。動画時に比べて照射Ｘ線量が１００倍以上になる静止画撮影時にはダイナミックレンジが不足するので、ダイナミックレンジ拡大用の容量Ｃ１をフォトダイオードＦＤと並列に設けている。
【００４２】
Ｍ１は静止画モード（高ダイナミックレンジ）と動画モード（高感度モード）を切り替える切り替えスイッチである。電荷を蓄積するフローティングディフュージョン（浮遊拡散領域）容量Ｃ_ＦＤ（不図示）も動画時に最大感度となるよう最小容量に設計する。フローティングディフュージョン（浮遊拡散領域）は増幅ＭＯＳトランジスタＭ４のゲート部に接続して形成されている。Ｍ２はフローティングディフュージョンに蓄積された電荷を放電するためのリセットＭＯＳトランジスタ（リセットスイッチ）、Ｍ３は画素アンプ１を選択をするための選択ＭＯＳトランジスタ（選択スイッチ）、Ｍ４はソースフォロワーとして機能する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ１）である。
【００４３】
この画素アンプ１の後段に本実施形態の特徴であるクランプ回路が設けられている。このクランプ回路により光電変換部で発生するｋＴＣノイズを除去する。Ｃ_ＣＬはクランプ容量、Ｍ５はクランプスイッチである。クランプ回路の後に第１の実施形態と同様にサンプルホールド回路を設けている。Ｍ６は画素アンプ２を選択するための選択ＭＯＳトランジスタ（選択スイッチ）、Ｍ７はソースフォロワーとして機能する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ２）である。Ｍ８は光信号蓄積用のサンプルホールド回路を構成するサンプルＭＯＳトランジスタスイッチ、ＣＨ１はホールドコンデンサである。
【００４４】
またＭ９は画素アンプ３を選択するための選択ＭＯＳトランジスタ（選択スイッチ）、Ｍ１０はソースフォロワーとして機能する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ３）である。Ｍ１１はノイズ信号蓄積用のサンプルホールド回路を構成するサンプルＭＯＳトランジスタスイッチ、ＣＨ２はホールドコンデンサである。Ｍ１２は画素アンプ３を選択をするための選択ＭＯＳトランジスタ（選択スイッチ）、Ｍ１３はソースフォロワーとして機能する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ３）である。
【００４５】
本実施形態においては、画素アンプでの熱ノイズ、１／ｆノイズ、温度差、プロセスばらつきによるＦＰＮを除去するためにこれらの光信号、ノイズ用画素内サンプルホールド回路を用いている。
【００４６】
次に画素部の構成について説明する。本実施形態では画素が１６０μｍ□と大きいため、適度な開口率（フォトダイオードの面積）で容量Ｃ_ＰＤを小さくするには限界がある。フォトダイオードの面積はそのままで電極面積を小さくする方法をとることで容量Ｃ_ＰＤを小さくできるが、この方法では電極への電荷の収集効率が落ち、転送スイッチにより信号電荷をフローティングディフュージョンへ完全転送することが困難になる。本実施形態では完全転送を行わない設計とし、転送スイッチは設けず、フォトダイオードとフローティングディフュージョンを直結し光電変換部としている。また動画撮影時に最高感度となるようにフォトダイオードの容量Ｃ_ＰＤとフローティングディフュージョンの容量Ｃ_ＦＤは最小となるように設計している。
【００４７】
本実施形態では、完全転送ではないので光電変換部のリセット時にｋＴＣノイズが発生してしまうが、回路的にこのｋＴＣノイズ（リセットノイズ）を除去することは光電変換装置の高Ｓ／Ｎ化の重要なポイントとなる。そのため、本実施形態ではクランプ回路を画素毎に設ける構成としている。ｋＴＣノイズ除去のためにクランプ回路を用いることは公知である。画素のサイズが５０から１００μｍ□と比較的小さく完全転送が可能な場合は光電変換部でのｋＴＣノイズは発生しないのでこの限りではない。
【００４８】
しかしながら、静止画モードと動画モードを兼用する撮像素子とするためには、静止画モードでもｋＴＣノイズの除去は必要であり、画素内にクランプ回路を設けることは必須となる。本実施形態では一括露光の動画モードでもｋＴＣノイズを除去できるように一括露光用のサンプルホールド回路の前段にクランプ回路を設けている。
【００４９】
また静止画撮影用にフォトダイオードのダイナミックレンジを大きくするためには容量Ｃ_ＰＤが大きい方が良いが、そうすると信号電圧が下がってしまうので、Ｓ／Ｎが下がってしまう。動画撮影時の最高感度を維持しながら静止画撮影時のダイナミックレンジを広げるために、感度（ダイナミックレンジ）切り替え回路を設け、容量と切り替えスイッチを本実施形態では各画素に設けている。静止画撮影時は容量が増えるのでＳ／Ｎが悪くなってしまうが、Ｓ／Ｎをよくするためには、特にｋＴＣノイズを除去するクランプ回路が必要である。
【００５０】
図１０は本実施形態を動画モードで駆動している場合の画素部の動作を示すタイミングチャートである。図１０を用いて、この撮像素子の駆動タイミングを説明する。
まず全画素一括で垂直シフトレジスタＶＳＲからの信号φＥＮ、φＣＨＧをハイレベルとし、選択スイッチＭ３、Ｍ６をオンすること増幅トランジスタへの定電流源をオンし、信号φＲＥＳをハイレベルとしてフォトダイオードの電荷をリセット電位にリセットする。次に信号φＣＬをハイレベルとしてＭＯＳトランジスタＭ５をオンすることで、クランプ容量の１端がクランプ電位にバイアスされる。こうしてフォトダイオードの電荷のリセットにより生じるｋＴＣノイズ（リセットノイズ）をクランプ容量に蓄積する。また信号φＴＮをハイレベルとすると、クランプ容量のクランプ電位がノイズ用サンプルホールド容量ＣＨ２に蓄積される。以上がノイズ信号蓄積動作である。
【００５１】
次にＸ線のパルス照射により露光が行われ、光電荷がフォトダイオードに蓄積される（これが露光動作である）。この後で信号φＥＮをハイレベルにすると、クランプ容量の一端の電位は光電荷に対応する信号成分だけ変動する。すなわち、クランプ容量にはｋＴＣノイズ成分が蓄積されているので、ｋＴＣノイズ成分を含む撮像信号からｋＴＣノイズ成分が差し引かれた電位分クランプ容量の一端の電位が変動することになる。このｋＴＣノイズのキャンセルされた撮像信号を読み出すため、信号ＣＨＧおよび信号φＴＳをハイレベル．にすることで、ｋＴＣノイズのキャンセルされた撮像信号（光信号）が信号用サンプルホールド容量に蓄積される。以上が光信号蓄積動作である。
【００５２】
上記の一連の動作が繰り返される。ここで撮像素子の露光可能時間は、クランプ電位を容量に転送後、即ち信号ＥＮがロウレベルになってから、信号φＲＥＳがハイレベルになりリセットＭＯＳトランジスタがオンになる迄である。本実施形態では、特にこのＸ線パルスのタイミングと画素領域内に設置したシフトレジスタの駆動タイミングの関係に注目する。本実施形態では信号読み出しの間はＸ線を照射しない。図１０に示すように信号読み出しを終わったあとから次のφＥＮをオンする前にＸ線照射を行う。すなわちＸ線パルスが照射されていいない間に、各行ごとに信号φＳＥＬをハイレベルとし、さらに各列ごとに信号φＳＥＬＨをハイレベルとすることで、ノイズ信号と光信号とが出力される。これらの駆動信号を作りだしているのは、垂直、水平シフトレジスタであり、これらのシフトレジスタが信号を作り出している間は、Ｘ線は照射されない。つまりＸ線パルスが照射されてフォトダイオードが露光されている間は、シフトレジスタによる画素内の素子の駆動は行われない。よってＸ線パルスが撮像素子に直接進入した場合、シフトレジスタでエラー（誤動作）が起こったり、信号転送中にノイズが乗ったりすることがない。
【００５３】
ノイズ信号出力線と光信号出力線に転送された信号はノイズ信号出力線と光信号出力線とに接続された減算出力アンプ（図示せず）で、（信号−ノイズ）の減算処理を行う。この時、光信号とノイズ信号は非常に速い時間差で、画素アンプ２からサンプルホールド回路に取り込まれるので、低周波数で値の大きい１／ｆノイズを除去でき、高周波の成分は無視できる。またこの時間差では出力段ソースフォロワーの温度差による閾値Ｖｔｈのばらつきもない。ホールド容量に蓄えられていた出力電荷は、１個の画素アンプについての、リセット時と信号電荷入力時の両者の場合の出力を時間的に連続して得たものであり、更にこれら両出力の差分をとることにより、画素アンプでの熱ノイズ、１／ｆノイズ、温度差、プロセスばらつきによるＦＰＮを除去することができる。
【００５４】
一方、静止画モードでは、信号φＳＣをハイレベルとし、容量Ｃ１をフォトダイオードＰＤに並列接続した段階で、上記と同様な動作を行う。この場合、容量Ｃ１には容量Ｃ_ＦＤの１０倍近い容量を持たせているので、広いダイナミックレンジを実現できる。また光電変換部のｋＴＣノイズはクランプ回路により画素毎に除去できる。更に、画素中に光信号蓄積用、ノイズ信号蓄積用のサンプルホールド回路を設けることで、画素アンプでの熱ノイズ、１／ｆノイズ、温度差、プロセスばらつきによるＦＰＮを除去することができる。これにより、動画モードでは９枚の撮像素子で時間的、空間的に繋ぎ目のない高速、高感度の動画像撮影を実現できる。一方、静止画モードでは高感度、高ダイナミックレンジの静止画像撮影を実現できる。
【００５５】
これらの動作を行っているのは画素領域内に設置した垂直、水平シフトレジスタであり、これらの回路を駆動している間はＸ線は照射されず、これらが誤動作することはない。またこの間シリコンバルクに進入したＸ線によるキャリアの発生もなく、回路動作中にノイズが付加されることはない。また 画素加算等を画素毎に行うために、画素信号を加算して出力するための加算スイッチを設ける場合もある。このような場合には画素を共通に処理するため共通処理回路を画素領域内に設ける。この共通処理回路で加算等の動作を行う場合も、Ｘ線がオフの場合に行う。加算時、加算後の信号に直接Ｘ線によるノイズが付加されることはなく、共通処理回路が誤動作を起こすこともない。
【００５６】
本実施例では信号用とノイズ用のサンプルホールド回路を有している。これらの回路に信号が蓄積されている場合に、Ｘ線が照射されるとこれらの回路中でノイズが発生し画質を低下させるおそれがある。よって好適にはこれらのサンプルホールド回路に信号が蓄積されている間にはＸ線パルスを照射しないようにする。
【００５７】
なお、以上説明した各実施形態では、Ｘ線を可視光に変換するのに蛍光体を用いたが、一般的なシンチレータ、つまり波長変換体であればよい。また蛍光体がなくとも光電変換素子自身が直接放射線を検知し、電荷を発生するものでもよい。
また各実施形態では、Ｘ線を用いた場合を例に説明したが、α、β、γ線等の放射線を用いることができる。
【００５８】
以上のように、第１、第２の実施の形態では、パルスＸ線発生器１００からの所定間隔で発生する放射線パルスが発生していない期間に、垂直、水平シフトレジスタ等の走査手段が撮像領域を走査するように、センサ駆動部１０７、Ｘ線駆動部１０８を制御するコントロ−ラ１１９を有することにより、良好な画像を得ることが可能となる。
【００５９】
（第３の実施形態）
図１２は、実施の形態１、２で説明した撮像装置のＸ線診断システムへの応用例を示したものである。
【００６０】
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、シンチレータ、ＦＯＰ、撮像素子、外部処理基板を備える放射線撮像装置６０４０に入射する。この入射したＸ線には患者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シンチレータは発光し、これを撮像素子が光電変換して、電気的情報を得る。この情報はディジタルに変換され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で観察できる。
【００６１】
またこの情報は電話回線６０９０等の伝送手段により遠隔地へ転送でき、別の場所のドクタールームなどディスプレイ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。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる撮像装置によれば、高品質の動画像を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】撮像素子のレイアウトを示す平面図である。
【図２】撮像素子内の１画素回路とシフトレジスタの単位ブロックの関係を示す図である。
【図３】撮像素子とその元となるウエハを示す平面図である。
【図４】撮像モジュ−ルにおける撮像素子の配列及び走査回路の配列を示す平面図である。
【図５】撮像モジュ−ルの構成を示す断面図であり、図４のＡ−Ａ’断面を示す。
【図６】本発明の第１の実施形態による撮像素子の１画素回路図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による撮像素子における等価回路である。
【図８】本発明の第１の実施形態における動作タイミングである。
【図９】本発明の第２の実施形態による撮像素子の１画素回路図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態における動作タイミングである。
【図１１】撮像装置のブロック図である。
【図１２】放射線撮影システムの構成を示す概念図である。
【図１３】第１の従来の技術をあらわす図である。
【図１４】第２の従来の技術をあらわす図である。
【図１５】第３の従来の技術をあらわす図である。
【符号の説明】
１００ パルスＸ線装置
１０１ 撮像モジュ−ル
１０７ センサ駆動部
１０８ Ｘ線駆動部
１０９ コントロ−ラ

Claims (7)

1. 所定の間隔で順次発生され、被写体を透過した放射線が変換された光を電気信号に変換するための複数の画素を有し、前記複数の画素の各々は、光電変換部と、前記電気信号を蓄積するための信号用サンプルホールド回路と、ノイズ信号を蓄積するためのノイズ用サンプルホールド回路と、を有する撮像領域と、
   前記撮像領域内の画素と画素の間に配置され、前記撮像領域を走査するための走査手段と、
   前記放射線が発生していない期間に、前記信号用サンプルホールド回路から前記電気信号が出力され、且つ前記ノイズ用サンプルホールド回路から前記ノイズ信号が出力されるように、前記走査手段による前記撮像領域の走査を制御する制御手段と、
   を有する撮像装置。
2. 請求項１において、前記複数の画素の各々は、前記光電変換部からの信号を増幅して出力する増幅手段と、前記増幅手段の入力部をリセットするリセット手段とを有し、前記制御手段は、前記放射線が発生していない期間に、前記増幅手段の入力部をリセットし、リセット後の前記ノイズ信号を前記増幅手段より前記ノイズ用サンプルホールド回路に読み出し、前記光電変換部で発生した前記電気信号を前記増幅手段より前記信号用サンプルホールド回路に読み出すように、前記走査手段による前記撮像領域の走査を制御することを特徴とする撮像装置。
3. 請求項２において、前記複数の画素の各々は、前記増幅手段の後段に設けられたクランプ回路を更に有し、前記信号用サンプルホールド回路及び前記ノイズ用サンプルホールド回路は前記クランプ回路の後段に設けられていることを特徴とする撮像装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項において、前記制御手段は、前記放射線が発生していない期間に、複数の前記光電変換部からの信号を加算するように前記走査手段を制御することを特徴とする撮像装置。
5. 請求項２又は３において、前記走査手段は、前記リセット手段に駆動信号を与えるための垂直走査回路と、出力された信号を順次読み出すための共通処理回路と、前記共通処理回路を駆動するための水平走査回路と、を有し、前記制御手段は、前記放射線が発生していない期間に、前記垂直走査回路及び前記水平走査回路を駆動することを特徴とする撮像装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項において、前記撮像領域からの信号を処理する信号処理手段と、前記信号処理手段からの信号を記録するための記録手段と、前記信号処理手段からの信号を表示するための表示手段とを有することを特徴とする撮像装置。
7. 請求項６に記載の撮像装置と、前記撮像装置からの情報を記録媒体に記録するプロセッサと、を有することを特徴とするＸ線診断システム。

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