JP6355387B2 - 撮像装置及び撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置及び撮像システムに関する。

特許文献１は、被写体を透過したＸ線等の放射線の照射を受けて被写体に関する画像信号を生成する放射線撮像装置を提案する。この放射線撮像装置の画素で生成された電荷は積分アンプに転送され、積分される。この放射線撮像装置は、積分アンプの出力から低周波ノイズを除去するために、２つのサンプルホールド回路を用いて積分アンプの出力に対して相関２重サンプリング（ＣＤＳ）を行う。さらに、この放射線撮像装置は、積分アンプの出力から高周波ノイズを除去するために、積分アンプとサンプルホールド回路との間にローパスフィルタを有する。特許文献２も同様の構成を有する放射線撮像装置を提案する。

特許第４６１９６４０号公報 特許第４４４８０４２号公報

特許文献１及び特許文献２の放射線撮像装置では、積分アンプの出力の応答が早く安定するように、ローパスフィルタの時定数を一時的に下げる。しかし、これらの放射線撮像装置では、積分アンプのリセット動作においてのみローパスフィルタの時定数を下げるので、画素信号の読み出し動作全体を十分に短縮できない。本発明は、撮像装置における画素信号の読み出しの短縮に有利な技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、電荷を生成する画素と、前記画素から転送された電荷を積分する積分アンプと、前記積分アンプの出力が供給され、時定数が可変であるローパスフィルタと、前記画素から前記積分アンプに電荷が転送される前の前記ローパスフィルタの出力をサンプリングして保持する第１サンプルホールド回路と、前記画素から前記積分アンプに電荷が転送された後の前記ローパスフィルタの出力をサンプリングして保持する第２サンプルホールド回路と、前記第１サンプルホールド回路が保持する信号と前記第２サンプルホールド回路が保持する信号との差分を出力する差分回路と、前記ローパスフィルタの時定数を変更する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記第１サンプルホールド回路によるサンプリングの終了後に前記ローパスフィルタの時定数を下げ、前記第２サンプルホールド回路によるサンプリングの途中に前記ローパスフィルタの時定数を上げ、前記制御回路が前記第２サンプルホールド回路によるサンプリングの途中に上げる前の前記ローパスフィルタの時定数をτ１とし、前記制御回路が前記第２サンプルホールド回路によるサンプリングの途中に上げた後の前記ローパスフィルタの時定数をτ２とし、前記第１サンプルホールド回路によるサンプリングの終了時の前記ローパスフィルタの時定数をτ３とすると、τ１＜τ２かつτ１≦τ３を満たすことを特徴とする撮像装置が提供される。

上記手段により、撮像装置における画素信号の読み出しの短縮に有利な技術が提供される。

一部の実施形態の放射線撮像装置の構成の一例を説明するブロック図。 図１の放射線撮像装置の列アンプの構成の一例を説明する等価回路図。 図１の放射線撮像装置の動作の一例を説明するタイミング図。 図３の動作の一部を詳細に説明するタイミング図。 図１の駆動線に流れる制御信号の変化を説明する図。 図２の列アンプで発生するノイズを説明するタイミング図。 図１の放射線撮像装置の動作の別の例を説明するタイミング図。 図１の放射線撮像装置の動作の別の例を説明するタイミング図。 図１の放射線撮像装置の列アンプの構成の別の例を説明する等価回路図。 図１の放射線撮像装置の動作の別の例を説明するタイミング図。 一部の実施形態の放射線撮像システムの構成を説明するブロック図。

添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。本発明は一般に入射された特定の波長帯の電磁波に応じた画像を生成する撮像装置に適用できる。以下では、撮像装置の一例として、Ｘ線などを含む放射線に応じた画像を生成する放射線撮像装置について説明する。

図１のブロック図を参照して、一部の実施形態に係る放射線撮像装置１００の構成について説明する。放射線撮像装置１００は、例えば画素アレイ１１０と、駆動回路１２０と、読み出し回路１３０と、制御回路１４０と、電源回路１５０とを備える。制御回路１４０は駆動回路１２０及び読み出し回路１３０に各種制御信号を供給して、これらの動作を制御する。電源回路１５０は画素アレイ１１０、駆動回路１２０、読み出し回路１３０及び制御回路１４０の動作に用いられる電圧を供給する。

画素アレイ１１０は複数の変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３と複数の薄膜トランジスタＴ１１〜Ｔ３３とを含む。１つの変換素子と１つの薄膜トランジスタとの組によって１つの画素が構成され、画素アレイ１１０には複数の画素が２次元アレイ状に配されている。画素アレイ１１０はエリアセンサと称されることもある。図１の例で、画素アレイ１１０は３×３の画素を有するが、画素の配列はこれに限られない。

変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３は入射した特定の波長帯の電磁波を電荷に変換し、この電荷を蓄積する。変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３で変換される電磁波は、放射線撮像装置１００に入射した放射線であってもよいし、放射線撮像装置１００に入射した放射線がシンチレータ（不図示）によって変換された可視光であってもよい。変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３は、ＰＩＮ型の変換素子であってもよいし、ＭＩＳ型の変換素子であってもよい。変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３の一端には電源回路１５０からバイアス電圧が供給され、変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３の他端は薄膜トランジスタＴ１１〜Ｔ３３を通じて信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ３に接続される。

薄膜トランジスタＴ１１〜Ｔ３３のゲートには、駆動回路１２０から駆動線Ｖｇ１〜Ｖｇ３を通じて制御信号が供給される。駆動回路１２０から供給される制御信号に応じて、薄膜トランジスタＴ１１〜Ｔ３３のオン・オフが切り替わる。薄膜トランジスタＴ１１〜Ｔ３３がオンの場合に、変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３に蓄積された電荷が信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ３に転送される。薄膜トランジスタＴ１１〜Ｔ３３がオフの場合に、変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３に電荷が蓄積されたままとなる。すなわち、薄膜トランジスタＴ１１〜Ｔ３３は転送トランジスタとして、より一般に転送スイッチとして動作する。

変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３から信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ３に転送された電荷は、読み出し回路１３０に転送される。具体的に、変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３から転送された電荷は、読み出し回路１３０の列アンプＣＡ１〜ＣＡ３に転送される。列アンプＣＡ１〜ＣＡ３は電荷を電圧に変換して、マルチプレクサＭＰに供給する。マルチプレクサＭＰは列アンプＣＡ１〜ＣＡ３から供給された信号を順に差分回路Ｄｆに供給する。差分回路ＤｆはマルチプレクサＭＰから供給された２つの信号の差分を取ってＡＤ変換器ＡＤＣに供給する。ＡＤ変換器ＡＤＣは供給されたアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。

続いて、図２の等価回路図を参照して、図１の列アンプＣＡ１の構成について説明する。図２では列アンプＣＡ１について説明するが、列アンプＣＡ２及びＣＡ３も同様の構成を有する。列アンプＣＡ１は、積分アンプＩＡと、ローパスフィルタＬＰＦと、第１サンプルホールド回路ＳＨ１と、第２サンプルホールド回路ＳＨ２とを有する。

積分アンプＩＡは、例えばオペアンプＯＰとキャパシタＣｆとスイッチＳＷｒとを有する。列アンプＣＡ１への入力、すなわち画素から転送される電荷信号は、オペアンプＯＰの第１入力端子に供給される。オペアンプＯＰの第２入力端子には基準電圧Ｖｒｅｆが供給される。オペアンプＯＰの出力端子はローパスフィルタＬＰＦに接続される。

積分アンプＩＡは画素から転送される電荷をキャパシタＣｆに蓄積し、この蓄積された電荷を電圧に変換して出力する。積分アンプＩＡのゲインはキャパシタＣｆの容量値によって定まる。スイッチＳＷｒは、制御回路１４０から供給される制御信号ＲＳＴによってそのオン・オフが制御される。スイッチＳＷｒがオンの場合に、キャパシタＣｆの両端が短絡され、この両端の電圧が基準電圧Ｖｒｅｆに等しくなり、キャパシタＣｆに蓄積された電荷がリセットされる。キャパシタＣｆに蓄積された電荷をリセットすることを、積分アンプＩＡをリセットするという。スイッチＳｗｒがオフの場合に、画素から転送された電荷に応じて、キャパシタＣｆに電荷が蓄積される。

図２の例で、積分アンプＩＡは１つのキャパシタＣｆを含む。しかし、積分アンプＩＡは複数のキャパシタを含み、オペアンプＯＰに接続されるキャパシタを選択可能なように構成されてもよい。このような構成は、放射線撮像装置１００を撮像条件の異なる複数の撮影手技に用いる場合において、撮影手技ごとに適切なゲインに設定することを可能にする。

ローパスフィルタＬＰＦは、抵抗Ｒｆと、３つのスイッチＳＷｆ、ＳＷｓ１、ＳＷｓ２と、２つのキャパシタＣｈ１、Ｃｈ２とを有する。ローパスフィルタＬＰＦには積分アンプＩＡの出力が供給される。ローパスフィルタＬＰＦによって、積分アンプＩＡの出力から高周波成分が除去される。キャパシタＣｈ１の容量値とキャパシタＣｈ２の容量値とは互いに等しくてもよい。

スイッチＳＷｓ１は、制御回路１４０から供給される制御信号ＳＭＰ１によってそのオン・オフが制御される。スイッチＳＷｓ１がオンの場合に、抵抗ＲｆとキャパシタＣｈ１とが接続され、抵抗ＲｆとキャパシタＣｈ１とによってローパスフィルタが構成される。スイッチＳＷｓ１がオフの場合に、キャパシタＣｈ１にこのローパスフィルタの出力が保持される。すなわち、スイッチＳＷｓ１とキャパシタＣｈ１とによって第１サンプルホールド回路ＳＨ１が構成される。

スイッチＳＷｓ２は、制御回路１４０から供給される制御信号ＳＭＰ２によってそのオン・オフが制御される。スイッチＳＷｓ２がオンの場合に、抵抗ＲｆとキャパシタＣｈ２とが接続され、抵抗ＲｆとキャパシタＣｈ２とによってローパスフィルタが構成される。スイッチＳＷｓ２がオフの場合に、キャパシタＣｈ２にこのローパスフィルタの出力が保持される。すなわち、スイッチＳＷｓ２とキャパシタＣｈ２とによって第２サンプルホールド回路ＳＨ２が構成される。

スイッチＳＷｆは、制御回路１４０から供給される制御信号ＬＰＦによってそのオン・オフが制御される。スイッチＳＷｆがオンの場合に、抵抗Ｒｆの両端が短絡される。スイッチＳＷｆがオフの場合に、抵抗Ｒｆの両端が短絡されない。スイッチＳＷｆのオン・オフを切り替えることによって、ローパスフィルタＬＰＦの時定数が変化する。

例えば、スイッチＳＷｓ１がオフであり、スイッチＳＷｓ２がオンであり、抵抗ＲｆとキャパシタＣｈ２とによってローパスフィルタが構成される場合を検討する。以下の説明で、抵抗Ｒｆの抵抗値をｒｆ、キャパシタＣｈ１の容量値をｃｈ２、スイッチＳＷｆをオンにした場合のこの抵抗値をｒｏｎとする。

この場合に、スイッチＳＷｆがオンの場合のローパスフィルタＬＰＦの時定数τ１は以下の式で与えられる。
τ１＝｛ｒｏｎ×ｒｆ／（ｒｏｎ＋ｒｆ）｝×ｃｈ２
ｒｏｎ＜＜ｒｆとすると、τ１は以下の式で近似される。
τ１≒ｒｏｎ×ｃｈ２

一方、スイッチＳＷｆがオフの場合のローパスフィルタＬＰＦの時定数τ２は以下の式で与えられる。
τ２＝ｒｆ×ｃｈ２
例えば、ｒｆ＝５０ｋΩ、ｒｏｎ＝５Ωとした場合に、τ２／τ１≒１００００となる。このように、ローパスフィルタＬＰＦの時定数は可変である。

ここで、τ１は第２サンプルホールド回路ＳＨ２によるサンプリングの開始前のローパスフィルタの時定数となり、τ２は第２サンプルホールド回路ＳＨ２がサンプリングを開始した直後のローパスフィルタの時定数となる。図２の例では、２つのサンプルホールド回路ＳＨ１、ＳＨ２によって１つのローパスフィルタＬＰＦが構成されるが、サンプルホールド回路ごとに別個の抵抗が接続され、別個のローパスフィルタが構成されてもよい。また、図２の例では、サンプルホールド回路ＳＨ１、ＳＨ２がローパスフィルタＬＰＦの一部を構成するが、ローパスフィルタＬＰＦとサンプルホールド回路ＳＨ１、ＳＨ２とが別個の回路素子で構成されてもよい。

続いて、図３のタイミングチャートを参照して、放射線撮像装置１００の動作について説明する。図３において、「曝射ボタン」は、放射線撮像装置１００へ放射線を曝射することの指示がなされたタイミングを示す。「放射線」は、放射線撮像装置１００に照射される放射線の有無を示す。ＲＳＴ、ＳＭＰ１、ＳＭＰ２はそれぞれ、制御回路１４０からスイッチＳＷｒ、ＳＷｓ１、ＳＷｓ２に供給される制御信号を示す。Ｖｇ１〜Ｖｇ３は、駆動線Ｖｇ１〜Ｖｇ３に流れる制御信号を示す。ＡＤＣＬＫはＡＤ変換器ＡＤＣに供給されるクロックを示す。ＡＤＯＵＴはＡＤ変換器ＡＤＣからの出力を示す。

制御回路１４０は、放射線の曝射の待機状態において、駆動線Ｖｇ１〜Ｖｇ３に供給する制御信号を順次ハイレベルに切り替えて、薄膜トランジスタＴ１１〜Ｔ３３を順次オンにする（図３の「画素リセット動作」）。この画素リセット動作によって、変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３の内部で生じる暗電流による電荷が放出され、画素がリセットされる。

放射線の曝射ボタンが押されると、制御回路１４０は駆動線Ｖｇ１〜Ｖｇ３に供給する制御信号をローレベルに維持する（図３の「蓄積動作」）。これにより、薄膜トランジスタＴ１１〜Ｔ３３がオフのままとなり、被写体を透過した放射線に応じた電荷が変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３に蓄積される。

放射線の曝射が終了すると、制御回路１４０は変換素子Ｓ１１〜Ｓ３３に蓄積された電荷を読み出す（図３の「読み出し動作」）。まず、制御回路１４０は、制御信号ＲＳＴをハイレベルに切り替えて、スイッチＳＷｒをオンにする。これにより、積分アンプＩＡがリセットされる。積分アンプＩＡがリセットされた後に、制御回路１４０は制御信号ＳＭＰ１をハイレベルに切り替えて、スイッチＳＷｓ１をオンにする。これにより、抵抗ＲｆとキャパシタＣｈ１とによってローパスフィルタが構成されるとともに、第１サンプルホールド回路ＳＨ１はこのローパスフィルタを通じた積分アンプＩＡの出力のサンプリングを開始する。その後、制御回路１４０は制御信号ＳＭＰ１をローレベルに切り替えて、スイッチＳＷｓ１をオフにする。これにより、第１サンプルホールド回路ＳＨ１はサンプリングを終了し、その時点のローパスフィルタＬＰＦの出力がキャパシタＣｈ１に保持される。

続いて、制御回路１４０は、駆動線Ｖｇ１に供給する制御信号をハイレベルに切り替え、薄膜トランジスタＴ１１〜Ｔ１３をオンにする。これにより、変換素子Ｓ１１〜Ｓ１３に蓄積された電荷が列アンプＣＡ１〜ＣＡ３に転送され、それぞれの積分アンプＩＡに保持される。

続いて、制御回路１４０は制御信号ＳＭＰ２をハイレベルに切り替えて、スイッチＳＷｓ２をオンにする。これにより、抵抗ＲｆとキャパシタＣｈ２とによってローパスフィルタが構成されるとともに、第２サンプルホールド回路ＳＨ２はこのローパスフィルタを通じた積分アンプＩＡの出力のサンプリングを開始する。その後、制御回路１４０は制御信号ＳＭＰ２をローレベルに切り替えて、スイッチＳＷｓ２をオフにする。これにより、第２サンプルホールド回路ＳＨ２はサンプリングを終了し、その時点のローパスフィルタＬＰＦの出力がキャパシタＣｈ２に保持される。

この時点で、キャパシタＣｈ１は画素の電荷の転送前の積分アンプＩＡの出力を保持し、キャパシタＣｈ２は画素の電荷の転送後の積分アンプＩＡの出力を保持する。その後、差分回路Ｄｆは、これらの出力の差分を算出し、画素信号としてＡＤ変換器ＡＤＣに供給する。すなわち、差分回路Ｄｆによって相関２重サンプリング（ＣＤＳ）が行われる。相関２重サンプリングによって、積分アンプＩＡの出力から低周波ノイズが除去される。また、上述のローパスフィルタＬＰＦによって積分アンプＩＡの出力から高周波ノイズが除去される。その後、駆動線Ｖｇ２、Ｖｇ３についても同様の処理が行われる。

続いて、図４のタイミング図を参照して、図３のタイミング図の読み出し動作の一部について詳細に説明する。図４において、ＬＰＦは、制御回路１４０からスイッチＳＷｆに供給される制御信号を示す。ＯＥは制御回路１４０から駆動回路１２０に供給される制御信号を示す。駆動回路１２０は、制御信号ＯＥがハイレベルの場合に、駆動線Ｖｇ１に供給する制御信号をハイレベルにし、制御信号ＯＥがローレベルの場合に、駆動線Ｖｇ１に供給する制御信号をローレベルにする。すなわち、制御信号ＯＥがハイレベルである期間が電荷の転送期間となる。ＬＰＦＯｕｔはローパスフィルタＬＰＦの出力において観測される応答を示す。それ以外は図３と同じである。

制御回路１４０は、時刻ｔ３で第１サンプルホールド回路ＳＨ１によるサンプリングが終了した後に、スイッチＳＷｆに供給する制御信号ＬＰＦをハイレベルに切り替えてローパスフィルタＬＰＦの時定数を下げる。その後、制御回路１４０は、時刻ｔ５で第２サンプルホールド回路ＳＨ２によるサンプリングの途中に、スイッチＳＷｆに供給する制御信号ＬＰＦをローレベルに切り替えてローパスフィルタＬＰＦの時定数を上げる。図４の例では、制御回路１４０は、時刻ｔ４で制御信号ＯＥをローレベルに切り替えると同時に、すなわち画素からの電荷の転送期間が終了すると同時に、ローパスフィルタＬＰＦの時定数を下げる。このように、第２サンプルホールド回路ＳＨ２によるサンプリングの間のローパスフィルタＬＰＦの時定数を下げることによって、ローパスフィルタＬＰＦの出力における応答の完了までの時間が短縮される。これに応じて、第２サンプルホールド回路ＳＨ２によるサンプリングに要する時間を短縮できる。

ローパスフィルタＬＰＦの時定数の低下は、積分アンプＩＡの応答が完了するまで継続してもよい。例えば、電荷の転送期間が終了し、薄膜トランジスタＴ１１〜Ｔ３３をオフにした後、積分アンプＩＡの応答が完了する前に、ローパスフィルタＬＰＦの時定数を上げると、ローパスフィルタＬＰＦの出力における応答は、図４の破線で示すようになる。破線で示す応答は、実線で示す応答よりも、収束するまで長い時間がかかってしまい、それに応じてサンプリングに要する時間も長くなる。

図４に示すように、電荷の転送期間が終了してからローパスフィルタＬＰＦの時定数を上げるまでの時間（すなわち、ｔ５−ｔ４）をＴ１とする。電荷の転送期間が終了した後の積分アンプＩＡの応答は、駆動線Ｖｇ１〜Ｖｇ３を流れる制御信号の影響を受ける。そのため、時間Ｔ１は、駆動線Ｖｇ１〜Ｖｇ３に流れる制御信号を考慮して決定されてもよい。

図５は、放射線撮像装置１００の駆動線Ｖｇ１及び信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ３に着目したブロック図である。駆動回路１２０から駆動線Ｖｇ１に供給されたパルス状の制御信号は、駆動線Ｖｇ１の配線抵抗と、駆動線Ｖｇ１と信号線Ｓｉｇ１〜３との間の寄生容量とによって形成されるローパスフィルタの影響により、高周波成分が除去される。また、駆動線Ｖｇ１を流れる制御信号は、駆動線Ｖｇ１と信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ３との間の寄生容量を介して信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ３に伝達される。この伝達された信号が積分アンプＩＡに影響を与える。そこで、時間Ｔ１は、駆動線Ｖｇ１を流れる信号が十分に応答して安定するまでに要する時間よりも長くなるように決定される。

例えば、駆動線Ｖｇ１の配線抵抗をＲｖｇとし、駆動線Ｖｇ１と信号線Ｓｉｇ１との間の寄生容量の容量値をＣｖｇとすると、Ｔ１＞Ｒｖｇ×Ｃｖｇ×２を満たすように時間Ｔ１を決定してもよい。この駆動線Ｖｇ１の配線抵抗は、駆動線Ｖｇ１における、駆動回路１２０から信号線Ｓｉｇ１との交差部分までの部分の抵抗値であってもよい。Ｔ１＝Ｒｖｇ×Ｃｖｇ×５の場合に、時間Ｔ１が経過すると、積分アンプＩＡの出力は、薄膜トランジスタＴ１１をオンにした時点と比較して、０．７％程度となる。

時間Ｔ１を短く設定する場合には、応答が不十分な状態で第２サンプルホールド回路ＳＨ２がサンプリングを終了することになり、応答が完了しなかった分がオフセットとして画素信号に現れる。そこで、このオフセットが放射線撮像装置１００のダイナミックレンジを圧迫して性能に影響を与えない程度に時間Ｔ１を短縮してもよい。発生するオフセットは、薄膜トランジスタＴ１１〜Ｔ３３をオンにした際に駆動線Ｖｇ１〜Ｖｇ３に流れる信号の波高、駆動線Ｖｇ１〜Ｖｇ３と信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ３との間の寄生容量に依存する。さらに、オフセットは、同時にハイレベルの制御信号が流れる駆動線Ｖｇ１〜Ｖｇ３の本数、キャパシタＣｆの容量値に依存する。そこで、これらの値を考慮して時間Ｔ１を決定してもよい。

ローパスフィルタＬＰＦの時定数を変更することによるサンプリング時間の短縮は、積分アンプＩＡのゲインが高いほど効果が大きい。一般に積分アンプＩＡのゲインが高いときは、透視撮影等の画像読み出し期間が比較的短い場合が多く、加えて、積分アンプＩＡのゲインが高いと薄膜トランジスタＴ１１〜Ｔ３３のオン・オフによる出力変化が大きくなる。そのため、応答しきれないままサンプリングしたときオフセットの絶対量が大きくなるためである。

制御回路１４０は、ローパスフィルタＬＰＦの時定数を、第２サンプルホールド回路ＳＨ２によるサンプリングの途中で上げる。具体的に、制御回路１４０は、転送期間が終了してから所定の時間（図４のＴ１）が経過したことに応じて、ローパスフィルタＬＰＦの時定数を上げる。これによって、画素信号に含まれるノイズを低減できる。図６を参照してこの原理を説明する。図６は図４のタイミングチャートの一部に着目した図である。図６において、ＩｎｔＯｕｔ＿ｎは積分アンプＩＡから出力されるノイズを表し、ＬＰＦＯｕｔ＿ｎは積分アンプＩＡのノイズの影響でキャパシタＣｈ２に現れる信号を表す。

積分アンプＩＡは、時刻Ｔ２においてリセットが終了した後に、様々な周波数のノイズを出力する。このノイズの発生源は、信号線Ｓｉｇ１〜３の熱雑音や、積分アンプＩＡの回路素子のノイズなどを含む。図６では、説明を簡単にするために、積分アンプＩＡが一定の周波数のノイズを出力すると仮定する。時刻ｔ４において制御回路１４０がローパスフィルタＬＰＦの時定数を下げると、図６の実線で示すように、ローパスフィルタＬＰＦの出力において、積分アンプＩＡから出力されるノイズと同じノイズが観測されるようになる。図６に示すように、ローパスフィルタＬＰＦの時定数を上げるタイミング（時刻ｔ５）が、ローパスフィルタＬＰＦの出力において観測されるノイズのピークに重なるとする。この場合に、時刻ｔ５以降において、ノイズのピークを始点としてローパスフィルタＬＰＦによってノイズが減衰していく応答が発生する。そこで、このようなノイズが十分に低減するように、ローパスフィルタＬＰＦの時定数を上げてから第２サンプルホールド回路ＳＨ２によるサンプリングを終了するまでの時間Ｔ２（すなわち、ｔ６−ｔ５）を設定する。

ローパスフィルタＬＰＦの時定数を下げない場合（すなわち、スイッチＳＷｆを常にオフにした場合）に、キャパシタＣｈ２において観測されるノイズは図６の破線のようになる。そのため、時間Ｔ２が短いと応答が不十分のままサンプリングが行われ、ノイズが増加する。

時間Ｔ２は、ノイズ量と、時刻ｔ５以降のローパスフィルタＬＰＦの時定数（上述のτ２）とによって決定されてもよい。例えば、時間Ｔ２を様々に変更してノイズの増加量を測定し、放射線撮像装置１００の性能に影響が出ない値を実験的に決定してもよい。または、時間Ｔ２を以下のように定性的に決定してもよい。

画素からのノイズをＮ_s、スイッチＳＷｆをオフにして測定した積分アンプＩＡ及び信号線Ｓｉｇ１のノイズをＮ_amp1、スイッチＳＷｆをオンにして測定した積分アンプＩＡ及び信号線Ｓｉｇ１のノイズをＮ_amp2とおく。また、第２サンプルホールド回路ＳＨ２の後段の回路におけるノイズをＮ_ADCとおく。この場合に、ノイズの増加分は、Ｎ_amp2がそのまま出力されてくることに起因すると考えられる。そのため、システムのノイズの総量Ｎ_allは、以下の式で与えられる。
Ｎ_all ²＝Ｎ_s ²＋Ｎ_amp1 ²＋Ｎ_amp2 ²×Ｇ²＋Ｎ_ADC ²
ここで、Ｇは、時刻ｔ５以降におけるノイズの減衰量であり、Ｇ＝ｅｘｐ（−ｎ） （ただし、ｎは自然数）と表せる。

例えば、ローパスフィルタＬＰＦの時定数を上述のように変化させた場合の総ノイズが、この時定数を変化させない場合の総ノイズよりも１％だけ大きいとする場合に、以下の関係が成り立つ。

１．０１²＝（Ｎ_s ²＋Ｎ_amp1 ²＋Ｎ_amp2 ²×Ｇ²＋Ｎ_ADC ²）／（Ｎ_s ²＋Ｎ_amp1 ²＋Ｎ_ADC ²）
この式を変形すると、Ｇ²＝（Ｎ_s ²＋Ｎ_amp1 ²＋Ｎ_ADC ²）×０．０２０１／Ｎ_amp2 ²となる。

（Ｎ_s ²＋Ｎ_amp1 ²＋Ｎ_ADC ²）は、スイッチＳＷｆをオフにしたままのノイズを測定することによって取得できる。Ｎ_amp2 ²は、スイッチＳＷｆをオフにしたままのノイズと、スイッチＳＷｆをオンにしたままのノイズとから算出できる。

例えば、Ｎ_s＝１００、Ｎ_amp1＝２００、Ｎ_amp2＝２２０、Ｎ_ADC＝５０とすると、Ｇ＝０．１４８となる。従って、ｎ＝１．９となる。そこで、時定数τ２の１．９倍の時間をＴ２として設定することにより、目標のノイズ量を達成できる。例えば、τ２＝１０μｓであるならば、時間Ｔ２を１９μｓとする。一般に、Ｔ２＜３×τ２となるように時間Ｔ２を設定してもよい。

続いて、図７及び図８のタイミング図を参照して、放射線撮像装置１００の動作の別の例について説明する。図７及び図８の動作は、ローパスフィルタＬＰＦの時定数を変化するタイミングが図４の動作とは異なり、他の点は同様であってもよい。図７の動作では、制御回路１４０は、第１サンプルホールド回路ＳＨ１によるサンプリングが終了後、電荷の転送期間中にローパスフィルタＬＰＦの時定数を下げる。また、図８の動作では、制御回路１４０は、第１サンプルホールド回路ＳＨ１によるサンプリングが終了後、第２サンプルホールド回路ＳＨ２によるサンプリングの途中に、電荷の転送期間中にローパスフィルタＬＰＦの時定数を下げる。いずれの場合であっても、第２サンプルホールド回路ＳＨ２によるサンプリングに要する時間を短縮できる。

また、上述の何れの動作においても、時刻ｔ１における制御信号ＲＳＴの立ち上がりと制御信号ＳＭＰ１の立ち上がりとは同時でなくてもよく、スイッチＳＷｒがオンである状態でスイッチＳＷｓ１をオンにしてもよい。また、スイッチＳＷｒがオンである状態でスイッチＳＷｓ２をオンにしてもよい。

続いて、図９を参照して、列アンプＣＡ１の別の構成例について説明する。図９では、ローパスフィルタＬＰＦが複数の抵抗Ｒｆ１〜Ｒｆ４と、これらにそれぞれ接続された複数のスイッチＳＷｆ１〜ＳＷｆ４とを備える点で図２の例とは異なり、その他の点は同様でもよい。ローパスフィルタＬＰＦに含まれる抵抗の個数は４個に限られない。制御回路１４０は、スイッチＳＷｆ０〜ＳＷ４のうち、オンにするスイッチを切り替えることによって、ローパスフィルタＬＰＦの時定数を３段階以上に変化させることが可能になる。例えば、制御回路１４０は、画素アレイ１１０の動作速度等の撮像条件に応じて、ローパスフィルタＬＰＦの各時点における時定数の値を切り替えてもよい。

続いて、図１０のタイミング図を参照して、図９の列アンプＣＡ１を用いた放射線撮像装置１００の動作例について説明する。この動作例において、スイッチＳＷｆ３、ＳＷｆ４への制御信号は常にローレベルである（すなわち、これらのスイッチを使用しない）ので、これらの波形を省略する。

制御回路１４０は、時刻ｔ２で積分アンプＩＡのリセットが終了すると、第１サンプルホールド回路ＳＨ１によるサンプリングの途中に、スイッチＳＷｆ２をオンにして、ローパスフィルタＬＰＦの時定数を変化させる。スイッチＳＷｆ０、ＳＷｆ１がオフであり、スイッチＳＷｆ２がオンである状態のローパスフィルタＬＰＦの時定数をτ３で表す。制御回路１４０は、時刻ｔ３で第１サンプルホールド回路ＳＨ１によるサンプリングが終了すると、スイッチＳＷｆ２をオフにして時定数を元に戻す。ローパスフィルタＬＰＦの時定数がτ３である期間の長さをＴ３で表す。第１サンプルホールド回路ＳＨ１によるサンプリングの終了時のローパスフィルタＬＰＦの時定数はτ３である。

続いて、時刻ｔ４で電荷の転送期間が終了すると同時に、制御回路１４０は、スイッチＳＷｆ０をオンにしてローパスフィルタＬＰＦの時定数を下げる。下げた後の時定数を、上記の例と同様にτ１とする。その後、制御回路１４０は、時刻ｔ５ａでスイッチＳＷｆ１をオンにしてローパスフィルタＬＰＦの時定数を上げ、時刻ｔ５ｂでスイッチＳＷｆ０をオフにして、ローパスフィルタＬＰＦの時定数をさらに上げる。スイッチＳＷｆ０、ＳＷｆ２がオフであり、スイッチＳＷｆ１がオンである状態のローパスフィルタＬＰＦの時定数をτ２で表す。時定数がτ１の場合に、積分アンプＩＡとサンプルホールド回路ＳＨ１、ＳＨ２とが短絡されるので、τ１＜τ２かつτ１≦τ３を満たす。

積分アンプＩＡのリセット完了後に発生するノイズは、積分アンプＩＡをリセットする際に発生するｋＴＣノイズと、積分アンプＩＡ自身のノイズと、積分アンプＩＡを介して出力される信号線の配線ノイズとを含む。ｋＴＣノイズは周波数によって量が変わらないホワイトノイズである。積分アンプＩＡ自身のノイズと、積分アンプＩＡを介して出力される信号線の配線ノイズは、積分アンプＩＡの周波数特性に依存し、ほとんどのケースで周波数が増加するとノイズ量は低下する傾向にある。よって、この期間において、ノイズを減ずるためにローパスフィルタＬＰＦの時定数を大きくして、ｋｔＣノイズを効果的に除去できるようにする。

一方、第２サンプルホールド回路ＳＨ２によるサンプリング時に発生するノイズは、積分アンプＩＡ自身のノイズと、積分アンプＩＡを介して出力される信号線の配線ノイズである。そのため、積分アンプＩＡの周波数特性よりもローパスフィルタＬＰＦの時定数を大きくする必要はなく、この期間に求められる値にτ2を決定する。その結果として、τ２≠τ３であってもよい。例えば、τ２＜τ３であってもよい。このように、τ２とτ３とを個別に決定することによって、ノイズを更に低減しつつ、読み出し速度を向上できる。また、時間Ｔ３は時間Ｔ１や時間Ｔ２とは個別に設定でき、例えばＴ３≠Ｔ１＋Ｔ２であってもよい。

続いて、図１１のブロック図を参照して、一部の実施形態に係る放射線撮像システム１１００の構成例について説明する。放射線撮像システム１１００は、撮像部１１１０、放射線発生装置１１２０及び制御システム１１３０を含む。放射線発生装置１１２０は、放射線管球１１２１と、放射線管球１１２１を制御する放射線制御部１１２２と、放射線の曝射のオン・オフを切り替える曝射スイッチ１１２３とを含む。曝射スイッチ１１２３が押されると、放射線制御部１１２２は予め設定された条件にて放射線管球１１２１に放射線を曝射させる。

撮像部１１１０は、上述の放射線撮像装置１００と、画像取り込み部１１１１と、無線通信器１１１２と、バッテリ１１１３とを含む。画像取り込み部１１１１は放射線撮像装置１００からの画像信号を取り込み、必要な処理を行う。無線通信器１１１２は、外部の装置、例えば制御システム１１３０との無線通信を行う。バッテリ１１１３は放射線撮像装置１００に電力を供給する。放射線撮像システム１１００が画像診断に用いられる場合に、画素アレイ１１０の画素数は２０００×２０００画素以上になる場合がある。このように画素数が多い場合に、放射線撮像装置１００は、読み出し回路１３０を複数備え、信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ３のグループごとに画素信号の読み出しを行ってもよい。撮像部１１１０のサイズはフィルムカセッテと同様のサイズであってもよく、従来の装置を改造せずに組み込むことができる。また撮像部１１１０の重量は可搬可能な３ｋｇ程度であってもよく、病室等への持ち運びが容易である。

制御システム１１３０は、撮像部１１１０と通信する無線通信器１１３１と、コンピュータ１１３２と、ディスプレイ１１３３とを含む。コンピュータ１１３２は、撮像部１１１０の動作を制御する機能や、病院内のネットワークと撮影に関連する情報の送受信を行う機能、ディスプレイ１１３３の画面の制御機能、撮像部１１１０から取得した画像信号に信号処理を行う機能を有する。これらの機能は、ソフトウェア上で実現してもよいし、専用のＩＣやプログラム可能なＩＣを用いてハードウェア的に実現してもよい。

以上のような構成で、放射線が曝射されると被写体を透過した放射線が撮像部１１１０に到達し、撮像部１１１０はバイアス電流の変化を検知し、画素アレイ１１０を蓄積動作にして被写体を透過した放射線を電気信号に変換し蓄積する。さらに、撮像部１１１０は、放射線の曝射完了を検知した後、画像取り込み部１１１１がデジタル化された放射線画像信号を放射線撮像装置１００から取り込み、制御システム１１３０に送信する。制御システム１１３０は、コンピュータ１１３２で適切な画像処理を行った後、放射線画像をディスプレイ１１３３に表示する。撮像部１１１０と制御システム１１３０との関係は、１対１であってもよいし、１対多、多対１、多対多であってもよい。

１００ 放射線撮像装置； １２０ 駆動回路； １３０ 読み出し回路； １４０ 制御回路； １５０ 電源回路

Claims (13)

1. 電荷を生成する画素と、
   前記画素から転送された電荷を積分する積分アンプと、
   前記積分アンプの出力が供給され、時定数が可変であるローパスフィルタと、
   前記画素から前記積分アンプに電荷が転送される前の前記ローパスフィルタの出力をサンプリングして保持する第１サンプルホールド回路と、
   前記画素から前記積分アンプに電荷が転送された後の前記ローパスフィルタの出力をサンプリングして保持する第２サンプルホールド回路と、
   前記第１サンプルホールド回路が保持する信号と前記第２サンプルホールド回路が保持する信号との差分を出力する差分回路と、
   前記ローパスフィルタの時定数を変更する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、
   前記第１サンプルホールド回路によるサンプリングの終了後に前記ローパスフィルタの時定数を下げ、
   前記第２サンプルホールド回路によるサンプリングの途中に前記ローパスフィルタの時定数を上げ、
   前記制御回路が前記第２サンプルホールド回路によるサンプリングの途中に上げる前の前記ローパスフィルタの時定数をτ１とし、
   前記制御回路が前記第２サンプルホールド回路によるサンプリングの途中に上げた後の前記ローパスフィルタの時定数をτ２とし、
   前記第１サンプルホールド回路によるサンプリングの終了時の前記ローパスフィルタの時定数をτ３とすると、
   τ１＜τ２かつτ１≦τ３を満たすことを特徴とする撮像装置。
2. 前記制御回路は、前記画素から前記積分アンプに電荷を転送するための転送期間が終了してから所定の時間が経過したことに応じて、前記ローパスフィルタの時定数を上げることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記制御回路は、前記第２サンプルホールド回路がサンプリングを開始する前に、前記ローパスフィルタの時定数を下げることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記制御回路が前記ローパスフィルタの時定数を上げてから前記第２サンプルホールド回路によるサンプリングが終了するまでの時間をＴ２とすると、
   Ｔ２＜３×τ２を満たすことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の撮像装置。
5. τ２≠τ３を満たすことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。
6. τ２＜τ３を満たすことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。
7. 前記制御回路は、τ１、τ２及びτ３のうちの少なくとも何れかの値を撮像条件に応じて切り替えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の撮像装置。
8. 前記画素は、
   電磁波を電荷に変換する変換素子と、
   駆動線を通じて供給された制御信号に応じて、前記変換された電荷を信号線を通じて前記積分アンプに転送する転送スイッチとを含むことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の撮像装置。
9. 前記転送スイッチは薄膜トランジスタで構成されることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
10. 前記画素から前記積分アンプに電荷を転送するための転送期間が終了してから前記制御回路が前記ローパスフィルタの時定数を上げるまでの時間をＴ１とし、
    前記駆動線の配線抵抗をＲｖｇとし、
    前記駆動線と前記信号線との間の寄生容量をＣｖｇとすると、
    Ｔ１＞Ｒｖｇ×Ｃｖｇ×２を満たすことを特徴とする請求項８又は９に記載の撮像装置。
11. 前記積分アンプに蓄積された電荷をリセットするスイッチを更に備え、
    前記制御回路は、前記画素から前記積分アンプに電荷が転送される前に、前記積分アンプに蓄積された電荷をリセットすることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の撮像装置。
12. 前記画素は、前記撮像装置に入射した放射線に応じて電荷を生成することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の撮像装置。
13. 請求項１乃至１２の何れか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置によって得られた信号を処理する信号処理手段と
    を備えることを特徴とする撮像システム。

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