JP4646997B2

JP4646997B2 - 光電変換装置の駆動方法

Info

Publication number: JP4646997B2
Application number: JP2008187331A
Authority: JP
Inventors: 功小林; 朋之八木; 紀之海部; 敏和田村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2019-09-02
Also published as: JP2009005374A

Description

本発明は光電変換装置の駆動方法に係わり、特に大面積プロセスを用いて形成する光電変換装置、例えばファクシミリ、デジタル複写機あるいはＸ線撮像装置等の等倍読み取りを行う二次元の光電変換装置に好適に用いられる光電変換装置及の駆動方法に関するものである。

従来、ファクシミリ、デジタル複写機あるいはＸ線撮像装置等の読み取り系としては縮小光学系とＣＣＤ型センサを用いた読み取り系が用いられていたが、近年、水素化アモルファスシリコン（以下、ａ−Ｓｉと記す）に代表される光電変換半導体材料の開発により、光電変換素子及び信号処理部を大面積の基板に形成し、情報源と等倍の光学系で読み取る、いわゆる密着型センサの開発がめざましい。特にａ−Ｓｉは光電変換材料としてだけでなく、薄膜電界効果型トランジスタ（以下、ＴＦＴと記す）としても用いることができるので光電変換半導体層とＴＦＴの半導体層とを同時に形成することができる利点を有している。

しかしながら、大面積の光電変換装置に対する特性的なスペックは年々厳しくなっており、特にＸ線撮像装置等の等倍読み取りを行う二次元の光電変換装置においては、人体に影響のあるＸ線を少しでも減らして、より精度の高いデータを二次元エリア内で一様に且つ短時間で得ることが要求されており、このような要求を受けて、光電変換素子の信号出力のバラツキを少しでも小さくし、且つ短時間で駆動するために、センサのリフレッシュ方法において駆動線の動作に工夫をすることが考えられる。

本発明の光電変換装置の駆動方法は、２つの電極層を有する光電変換素子と、前記光電変換素子の一方の電極層に接続されたスイッチ素子と、をそれぞれ備えた画素が行方向と列方向に複数配列されており、
前記行方向に配列された複数の前記スイッチ素子に接続された駆動線と、前記列方向に配列された複数の前記スイッチ素子に接続された信号線と、をそれぞれ複数有し、
前記スイッチ素子をオンしているパルス幅と前記スイッチ素子をオンからオフにする立ち下がりとを有するパルスを各駆動線に対して印加する制御手段と、前記複数の画素の前記光電変換素子の他方の電極層に共通に接続された配線を、前記光電変換素子が光電変換を行うための第１の電位と前記第１の電位と異なる第２の電位のうちのいずれかの電位とする電源と、を有する光電変換装置の駆動方法であって、
前記配線が前記第２の電位とされ且つ複数の前記信号線が所定の電位とされている間に、複数の前記パルスが複数の前記駆動線に印加されてなされるリフレッシュ動作において、
複数の前記駆動線に対して印加される複数の前記パルスのうち、連続して印加される２つの前記パルスの間で、前記パルスの立ち下がりのタイミングがずれており、且つ前記２つの前記パルスの前記パルス幅が一部重なってなる光電変換装置の駆動方法である。

本発明は、少なくとも連続する２本の駆動線がオンするタイミングを重ならせることにより、二次元エリア内での複数の信号出力を比較的短時間で一様にすることが可能となるように作用する。

以上説明したように、リフレッシュ時の駆動線のオンパルスのタイミングを少なくとも連続する２本の駆動線がオンするタイミングが重なるようにずらして駆動することにより、信号線もしくはセンサバイアス線の電位が一瞬さがる時の電位変化量を小さくすることが比較的短時間のリフレッシュ時間内に可能となり、結果的に二次元エリア内での複数の信号出力を短時間で更に一様にし、パネルの品質を更に向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。

図２（ａ），（ｂ）は本発明に係わる光電変換素子の構成を示す概略図である。図２（ｂ）は図２（ａ）を図中Ａ−Ｂで切り取った場合の断面図である。図２に示すように、光電変換素子はガラス基板７上のセンサ８とＴＦＴ９で構成されている。図２において、センサ８及びＴＦＴ９はアモルファスシリコン薄膜プロセスで同時に形成される。センサ８はＭＩＳ型センサである。センサ８及びＴＦＴ９はガラス基板７上に下メタル層１０、絶縁層１１、半導体層１２、ｎ⁺層１３、上メタル層１４及び図示しない保護層（アモルファスシリコン窒化膜又はポリイミドなど）を順次成膜、パターニングすることにより形成される。

図３は、図２の光電変換素子の働きを示す等価回路である。センサ８に入射した光量に応じて電荷が発生し、その電荷をＴＦＴ９で図示しない読みとり装置に転送することによって、読みとり動作を行うものである。

次に図３に示した光電変換素子を３×３個配置した光電変換装置の全体回路図を図４に示す。

図４において、Ｓ１１〜Ｓ３３は光電変換素子で下部電極側をＧ、上部電極側をＤで示している。Ｃ１１〜Ｃ３３は蓄積用コンデンサであり、光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３がコンデンサの働きをするため等価回路上このように示している。Ｔ１１〜Ｔ３３は転送用ＴＦＴである。Ｖｓは読み出し用電源、Ｖｇはリフレッシュ用電源であり、それぞれスイッチＳＷｓ，ＳＷｇを介して全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＤ電極に接続されている。スイッチＳＷｓはインバータを介して、スイッチＳＷｇは直接にリフレッシュ制御回路ＲＦに接続されており、リフレッシュ期間はスイッチＳＷｇがオンするよう制御されている。

上記光電変換装置は計９個の画素を３つのブロックに分け１ブロックあたり３画素の出力を同時に転送し、この信号配線ＳＩＧを通して検出用集積回路ＩＣによって順次出力に変換され出力される（Ｖout）。また１ブロック内の３画素を横方向に配置し、３ブロックを順に縦に配置することにより各画素を二次元的に配置している。

また、画素上部には、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）等の蛍光体が形成される場合がある。上方よりＸ線（Ｘ−ｒａｙ）が入射すると蛍光体により光に変換され、この光が光電変換素子に入射される。

次に上記光電変換装置の動作について説明する。まず、本発明の先行技術となる光電変換装置の動作について図４及び図５のタイミングチャートを用いて説明する。

はじめにシフトレジスタＳＲ１およびＳＲ２により制御配線ｇ１〜ｇ３、ｓ１〜ｓ３にＨｉレベルが印加される。すると転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３とスイッチＭ１〜Ｍ３がオンして導通し、全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＧ電極はＧＮＤ電位になる（積分検出器Ａｍｐの入力端子はＧＮＤ電位に設計されているため）。同時にリフレッシュ制御回路ＲＦがＨｉレベルを出力しスイッチＳＷｇがオンし全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＤ電極はリフレッシュ用電源Ｖｇにより正電位になる。すると全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３はリフレッシュモードになりリフレッシュされる。つぎにリフレッシュ制御回路ＲＦがＬｏレベルを出力しスイッチＳＷｓがオンし全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＤ電極は読み取り用電源Ｖｓにより更に高い正電位になる。すると全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３は光電変換モードになり同時にコンデンサＣ１１〜Ｃ３３は初期化される。この状態でシフトレジスタＳＲ１およびＳＲ２により制御配線ｇ１〜ｇ３、ｓ１〜ｓ３にＬｏレベルが印加される。すると転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３のスイッチＭ１〜Ｍ３がオフし、全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３のＧ電極はＤＣ的にはオープンになるがコンデンサＣ１１〜Ｃ３３によって電位は保持される。しかしこの時点ではＸ線は入射されていないため全光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３には光は入射されず光電流は流れない。この状態でＸ線がパルス的に出射され人体等を通過し蛍光体に入射すると光に変換され、その光がそれぞれの光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３に入射する。この光は人体等の内部構造の情報が含まれている。この光により流れた光電流は電荷としてそれぞれのコンデンサＣ１１〜Ｃ３３に蓄積されＸ線の入射終了後も保持される。

つぎにシフトレジスタＳＲ１により制御配線ｇ１にＨｉレベルの制御パルスが印加され、シフトレジスタＳＲ２の制御配線ｓ１〜ｓ３への制御パルス印加によって転送用ＴＦＴ・Ｔ１１〜Ｔ３３のスイッチＭ１〜Ｍ３を通してｖ１〜ｖ３が順次出力される。同様にシフトレジスタＳＲ１，ＳＲ２の制御により他の光信号も順次出力される。これにより人体等の内部構造の二次元情報がｖ１〜ｖ９として得られる。静止画像を得る場合はここまでの動作であるが動画像を得る場合はここまでの動作を繰り返す。

上記光電変換装置では光電変換素子のＤ電極が共通に接続され、この共通の配線をスイッチＳＷｇとスイッチＳＷｓを介してリフレッシュ用電源Ｖｇと読み取り用電源Ｖｓの電位に制御している為、全光電変換素子を同時にリフレッシュモードと光電変換モードとに切り換えることができる。このため複雑な制御なくして１画素あたり１個のＴＦＴで光出力を得ることができる。

図５の動作においては、リフレッシュ動作が全Ｖｇ駆動線同時に行うため、ｇ１〜ｇ３のオンパルスは同時に立ち下がる。

各駆動線ｇ１〜ｇ３は、図４における駆動線と信号線のクロス部容量ＣCR1及び駆動線とセンサバイアス線のクロス部容量ＣCR2により、ｇ１〜ｇ３のオンパルスが同時に立ち下がる瞬間に信号線とセンサバイアス線の電位が一瞬さがる。

信号線とセンサバイアス線のそれぞれの電位は一瞬さがった後、それぞれの時定数により元の電位に回復する。

しかし、それぞれの電位は一瞬さがった後、元の電位に回復するまでの時間が充分にとれない場合、即ち図５においてＸ−ｒａｙをオンし、センサにより光電変換を行った後、ｇ１をオンし、ＴＦＴにより信号電荷を転送するまでの間の時間が充分にとれない場合は、信号線もしくはセンサバイアス線の電位が元の電位に回復する前に信号電荷を転送するため、理想的な出力が充分に得られない場合が考えられる。

また、信号線とセンサバイアス線のそれぞれの時定数が小さくできない場合、即ち信号線もしくは、センサバイアス線の配線抵抗が大きい場合、もしくは浮遊容量が大きい場合も、信号線もしくはセンサバイアス線の電位が元の電位に回復する前に信号電荷を転送するため、理想的な出力が充分得られない場合が考えられる。

これは、信号出力Ｖoutが信号線もしくはセンサバイアス線の電位に依存することによる。

このような場合、信号電荷を読み出す場合の読み出しの初めの信号出力、即ち図５においてＶoutのｖ１の出力が若干理想でないことが起きる場合が考えられる。

本発明は二次元エリア内での複数の信号出力を更に一様にし、パネルの品質を更に向上させるために、上述したようなｇ１〜ｇ３のオンパルスの立ち下がりのタイミングをずらす。こうすることで、信号線もしくはセンサバイアス線の電位が一瞬さがる時の電位変化量を小さくすることができる。

図１は、本発明に係る一実施例を説明するための動作を示すタイミングチャートである。なお、図５と同一動作の部分には同一符号を付してあり、説明を省略する。

図１に示すタイミングチャートにおいて特徴的な点は、上述したように、ｇ１〜ｇ３のオンパルスのタイミングをずらしている点である。これにより信号線もしくはセンサバイアス線の電位が一瞬さがる時の電位変化量を小さくすることが可能となり、結果的に信号線もしくはセンサバイアス線の電位が元の電位に回復する時間が短縮される。

更に特徴的な点は、ｇ１〜ｇ３のオンパルスのタイミングのずらし方において、少なくとも連続する２本の駆動線（ｇ１とｇ２、又はｇ２とｇ３）がオンするタイミングがパルスの幅の半分程重なっている点である。このように少なくとも連続する２本の駆動線がオンするタイミングが重なるように駆動することにより、全駆動線をリフレッシュする時間が短くでき、動画のような高速駆動が可能になる。

上記光電変換装置では９個の画素を３×３に二次元配置し３画素ずつ同時に、３回に分割して転送・出力したがこれに限らず、例えば縦横１ｍｍあたり５×５個の画素を２０００×２０００個の画素として二次元的に配置すれば４０ｃｍ×４０ｃｍのＸ線検出器が得られる。これをＸ線フィルムの代わりにＸ線発生器と組み合わせＸ線レントゲン装置を構成すれば胸部レントゲン検診や乳ガン検診に使用できる。するとフィルムと異なり瞬時にその出力をＣＲＴ等の表示装置で映し出すことが可能で、さらに出力をディジタルに変換しコンピュータで画像処理して目的に合わせた出力に変換することも可能である。また光磁気ディスク等の情報記録媒体に保管もでき、過去の画像を瞬時に検索することもできる。また感度もフィルムより良く人体に影響の少ない微弱なＸ線で鮮明な画像を得ることもできる。

図６にその例を示す。ここで１０１が患者、１０２がＸ線源、１０３が蛍光体、１０４が光電変換装置、１０５が撮影スイッチ、１０６がディスプレイ、１０７が制御回路、１０８が駆動回路である。図６において、Ｘ線を光に変換する蛍光体と２次元センサパネル及びＸ線源、Ｘ線源の駆動回路、Ｘ線源の制御回路から成り立つＸ線撮像装置を構成している。

本発明に係る第一実施例を説明するための動作を示すタイミングチャートである。（ａ）は本発明に係わる光電変換装置における各構成素子の平面図、（ｂ）はその断面図である。本発明に係わる光電変換装置における１素子の等価回路である。本発明に係わる光電変換装置における全体回路図である。先行技術に係わる光電変換装置の動作を示すタイミングチャートである。Ｘ線撮像システムを示す概略的構成図である。

符号の説明

Ｓ１１〜Ｓ３３センサ
Ｔ１１〜Ｔ３３ＴＦＴ
Ｃ１１〜Ｃ３３コンデンサ
ＳＲ１，ＳＲ２シフトレジスタ
ＩＣ検出用集積回路

Claims

２つの電極層を有する光電変換素子と、前記光電変換素子の一方の電極層に接続されたスイッチ素子と、をそれぞれ備えた画素が行方向と列方向に複数配列されており、
前記行方向に配列された複数の前記スイッチ素子に接続された駆動線と、前記列方向に配列された複数の前記スイッチ素子に接続された信号線と、をそれぞれ複数有し、
前記スイッチ素子をオンしているパルス幅と前記スイッチ素子をオンからオフにする立ち下がりとを有するパルスを各駆動線に対して印加する制御手段と、前記複数の画素の前記光電変換素子の他方の電極層に共通に接続された配線を、前記光電変換素子が光電変換を行うための第１の電位と前記第１の電位と異なる第２の電位のうちのいずれかの電位とする電源と、を有する光電変換装置の駆動方法であって、
前記配線が前記第２の電位とされ且つ複数の前記信号線が所定の電位とされている間に、複数の前記パルスが複数の前記駆動線に対して印加されてなされるリフレッシュ動作において、
複数の前記駆動線に対して印加される複数の前記パルスのうち、連続して印加される２つの前記パルスの間で、前記パルスの立ち下がりのタイミングがずれており、且つ前記２つの前記パルスの前記パルス幅が一部重なってなる光電変換装置の駆動方法。
前記光電変換素子は、前記一方の電極層と、前記他方の電極層と、前記一方の電極層と前記他方の電極層との間に設けられた絶縁層と、前記絶縁層と前記他方の電極層との間に設けられた半導体層と、前記半導体層と前記他方の電極層との間に設けられた高濃度不純物半導体層と、を有することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置の駆動方法。
前記複数の光電変換素子上に、Ｘ線を光に変換する蛍光体を有し、前記Ｘ線は前記蛍光体にパルス的に入射されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光電変換装置の駆動方法。
前記電源は、前記配線を前記第１の電位とするための読み出し用電源と、前記配線を前記第２の電位とするためのリフレッシュ用電源と、前記読み出し用電源と前記リフレッシュ用電源との一方を前記配線に接続するためのスイッチと、を有し、前記第１の電位は前記第２の電位より高い正電位であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光電変換装置の駆動方法。
前記パルスは、複数の前記駆動線に順次印加されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光電変換装置の駆動方法。
前記スイッチ素子は、前記一方の電極層と、前記他方の電極層と、前記一方の電極層と前記他方の電極層との間に設けられた絶縁層と、前記絶縁層と前記他方の電極層との間に設けられた半導体層と、前記半導体層と前記他方の電極層との間に設けられた高濃度不純物半導体層と、を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の光電変換装置の駆動方法。
複数の前記光電変換素子と複数の前記スイッチ素子とは同一の基板上に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光電変換装置の駆動方法。
前記光電変換によって前記光電変換素子に発生した電荷を、前記信号線を通して検出する為の検出手段と、を更に有する請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の光電変換装置の駆動方法。