CN101485195B - 固体拍摄装置 - Google Patents

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Abstract

固体拍摄装置(1)中，在拍摄区域(10)二维排列有多个像素，各像素(Pm，n)包含有2个光电二极管(PD1、PD2)。在光电二极管(PD1、PD2)上分别产生的电荷被输入至信号读出部(20)，并从信号读出部(20)输出与该电荷量相应的电压。从信号读出部(20)输出的电压被输入至AD转换部(40)，并从AD转换部(40)输出与该输入电压相应的数字值。在加法部(50)中，对拍摄区域(10)的各像素(Pm，n)，按照与在该像素所包含的2个光电二极管(PD1、PD2)上分别产生的电荷的量，计算从AD转换部(40)输出的数字值的总和，并输出作为该总和值的数字值。

Description

固体拍摄装置
技术领域
本发明涉及固体拍摄装置，该固体拍摄装置具备二维排列有分别包含光电二极管的多个像素的拍摄区域。
背景技术
近年来，在牙科治疗中的X射线摄影的领域，从先前的使用X射线感光胶片的摄影，逐渐转移为采用不使用胶片的X射线影像增强器(image intensifier)等的拍摄管的拍摄装置，或者将闪烁器(scintillator)和CCD组合的固体拍摄装置等的拍摄(参照专利文献1)。但是，由于影像增强器为拍摄管，因而尺寸较大，存在着在拍摄区域的周边图像发生变形等的问题。另外，对于CCD而言，制作大面积的拍摄区域在技术上有困难，因而存在着以线扫描(line scanner)方式进行拍摄等的制约。
作为解决这些问题点的拍摄装置，可以列举出CMOS-X射线平面传感器。由于X射线平面传感器使用CMOS固体拍摄装置，该CMOS固体拍摄装置具备二维排列有分别包含光电二极管的多个像素的拍摄区域，因而周边部的变形不存在，易于实现拍摄区域的二维大面积化(例如12cm×12cm左右)。由于与可见光不同，X射线无法通过透镜而聚光，因而该固体拍摄装置在应用于牙科用途(尤其是牙科3D-CT)的情况下，当一次摄影大面积时，需要大面积的拍摄区域。
另外，这种医疗用的固体拍摄装置的拍摄对象例如为活体，因而所要求的分辨率较低，并且，在极力抑制X射线照射量的同时，需要提高灵敏度。因此，与其它一般的拍摄用固体拍摄装置相比，在医疗用的固体拍摄装置中，拍摄区域所包含的各像素的光感应区域(响应光入射而产生电荷的区域)的面积比10倍～100倍的程度还要大。
例如，在牙科3D-CT用途中，由于用于CT像的再构成的VOXEL是正方形，因而各像素的光感应区域的形状必须是一边的长度例如为150μm～200μm的正方形。由于各像素的光感应区域为大面积意味着拍摄区域所包含的像素的个数较少，因而在进行30帧/秒的视频码率的驱动的方面有利。
专利文献1：日本特开2005-333250号公报
发明内容
但是，如果各像素的光感应区域较大，则光电二极管的接合电容值也变大，因而，噪声也变大。对此，如果要确保必要的S/N比，则有必要增大向固体拍摄装置入射的X射线的量。然而，在牙科用途中，由于X射线向人体照射，因而降低X射线量并减少对人体的X射线照射量是绝对原则，必须抑制X射线量的增大。
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供一种能够进行S/N比良好的拍摄，且适用于牙科用途的固体拍摄装置。
本发明涉及的固体拍摄装置的特征在于，具备：(1)拍摄区域，二维排列有分别包含多个光电二极管的多个像素；(2)信号读出部，输出与在拍摄区域的各像素所包含的多个光电二极管上分别产生的电荷的量相应的电压；(3)AD转换部，输入从信号读出部输出的电压并进行AD转换，输出与该输入电压相应的数字值；以及(4)加法部，对拍摄区域的各像素，按照在该像素所包含的多个光电二极管上分别产生的电荷的量，计算从AD转换部输出的数字值的总和，并输出作为该总和值的数字值。而且，拍摄区域的个像素所包含的多个光电二极管各自的光感应区域在整体上为正方形。另外，优选拍摄区域的各像素所包含的多个光电二极管各自的光感应区域具有相互相等的面积。并且，这些面积可以具有5％以内的误差。
该固体拍摄装置中，在拍摄区域二维排列有多个像素，各像素包含有多个光电二极管。在拍摄区域的各像素所包含的多个光电二极管上分别产生的电荷被输入至信号读出部，并从信号读出部输出与该电荷量相应的电压。从信号读出部输出的电压被输入至AD转换部，并从AD转换部输出与该输入电压相应的数字值。而且，在加法部中，对拍摄区域的各像素，按照在该像素所包含的多个光电二极管上分别产生的电荷的量，计算从AD转换部输出的数字值的总和，并输出作为该总和值的数字值。
本发明的固体拍摄装置能够进行S/N比良好的拍摄，也能够适用于牙科用途。
附图说明
图1是本实施方式涉及的固体拍摄装置1的构成图。
图2是本实施方式涉及的固体拍摄装置1的像素Pm，n、积分电路21n，k、以及保持电路22n，k各自的电路图。
图3是本实施方式涉及的固体拍摄装置1的像素Pm，n所包含的2个光电二极管PD1、PD2各自的光感应区域的形状的平面示意图，图3-(a)显示横向邻接的长方形的光电二极管对，图3-(b)显示纵向邻接的长方形的光电二极管对，图3-(c)显示相互邻接的三角形的光电二极管对，图3-(d)显示相互邻接的梯形的光电二极管对。
图4是说明本实施方式涉及的固体拍摄装置1的工作的时序图，图4-(a)显示各积分电路21n，k的开关SW21的时序，图4-(b)显示第m行的各像素Pm，n的开关SW1、SW2的时序，图4-(c)显示各保持电路22n，k的开关SW221的时序，图4-(d1)显示保持电路221，1的开关SW222的时序，图4-(d2)显示保持电路221，2的开关SW222的时序，图4-(d3)显示保持电路222，1的开关SW222的时序，图4-(d4)显示保持电路222，2的开关SW222的时序，图4-(d5)显示保持电路223，1的开关SW222的时序，图4-(d6)显示保持电路223，2的开关SW222的时序，图4-(e)显示AD转换部40的输出的时序，图4-(f)显示加法部50的输出的时序。
符号说明
1：固体拍摄装置；10：拍摄区域；20：信号读出部；21：积分电路；22：保持电路；30：缓冲电路；40：AD转换部；50：加法部；60：行选择部；70：列选择部；A：放大器；C：电容器PD：光电二极管；SW：开关。
具体实施方式
以下，参照附图，详细地说明用于实施本发明的最佳方式。并且，在附图的说明中，对相同的要素赋予相同的符号，省略重复的说明。
图1是本实施方式涉及的固体拍摄装置1的构成图。该图所示的固体拍摄装置1具备拍摄区域10、信号读出部20、缓冲电路30、AD转换部40、加法部50、行选择部60及列选择部70。
拍摄区域10是M×N个像素P1，1～PM，N二维排列为M行N列的区域。像素Pm，n位于第m行第n列。在此，M、N分别是2以上的整数，m是1以上M以下的整数，n是1以上N以下的整数。M×N个像素P1，1～PM，N分别具有相同的构成，包含2个光电二极管PD1、PD2及2个开关SW1、SW2。
各像素Pm，n所包含的开关SW1、SW2，由从行选择部60输出的第m行选择信号Vsel(m)控制其开闭工作。各像素Pm，n所包含的光电二极管PD1的阳极端子接地，阴极端子经由开关SW1而连接于配线Ln，1，当开关SW1闭合时，向配线Ln，1输出与入射光量相应的量的电荷。另外，各像素Pm，n所包含的光电二极管PD2的阳极端子接地，阴极端子经由开关SW2而连接于配线Ln，2，当开关SW2闭合时，向配线Ln，2输出与入射光量相应的量的电荷。
信号读出部20，输出与在拍摄区域10的各像素Pm，n所包含的2个光电二极管PD1、PD2上分别产生的电荷的量相应的电压，且包含2N个积分电路211，1～21N，2及2N个保持电路221，1～22N，2。2N个积分电路211，1～21N，2分别具有相同的构成。并且，2N个保持电路221，1～22N，2分别具有相同的构成。
各积分电路21n，k蓄积经由配线Ln，k输入的电荷，并输出与该蓄积电荷量相应的电压。各保持电路22n，k输入并保持从积分电路21n，k输出的电压，并基于来自列选择部70的指示，输出该保持的电压Vn，k。在此，k是1或2。这时，信号处理部20依次输出电压V1，1、V1，2、V2，1、V2，2、V3，1、V3，2、...、Vn，1、Vn，2、...、VN，1、VN，2。
AD转换部40，输入从信号处理部20输出并经由缓冲电路30的电压Vn，k，进行AD转换后，输出与该输入电压Vn，k相应的数字值Dn，k。加法部50对于拍摄区域10的各像素Pm，n，根据在该像素Pm，n所包含的2个光电二极管PD1、PD2上分别产生的电荷的量，计算从AD转换部40输出的数字值Dn，1、Dn，2的总和，并输出作为该总和值的数字值Dn(＝Dn，1+Dn，2)。
行选择部60输出第m行选择信号Vsel(m)，该第m行选择信号Vsel(m)控制位于拍摄区域10的第m行的N个像素Pm，1～Pm，N分别所包含的开关SW1、SW2的开闭工作。这些M个行选择信号Vsel(1)～Vsel(M)依次成为高电平。当第m行选择信号Vsel(m)为高电平时，行选择部60将在位于第m行的N个像素Pm，1～Pm，N分别所包含的光电二极管PD1、PD2上产生的电荷经由同像素的开关SW1、SW2而向配线Ln，1、Ln，2输出。
列选择部70分别对信号读出部20所包含的2N个保持电路221，1～22N，2控制保持电压的输出，使电压V1，1、V1，2、V2，1、V2，2、V3，1、V3，2、...、Vn，1、Vn，2、...、VN，1、VN，2依次从信号读出部20输出。
图2是本实施方式涉及的固体拍摄装置1的像素Pm，n、积分电路21n，k、以及保持电路22n，k各自的电路图。并且，该图中，以这些为代表进行显示。如前所述，m是1以上M以下的整数，n是1以上N以下的整数，k是1或2。
各积分电路21n，k具备放大器A21、电容器C21、以及开关SW21。积分电路21n，k所包含的放大器A21的输入端子，经由配线Ln，k而连接于像素Pm，n所包含的开关SWk。电容器C21及开关SW21并列地设在放大器A21的输入端子和输出端子之间。该积分电路21n，k，通过开关SW21闭合而使电容器C21放电，将从积分电路21n，k输出的电压初始化。另外，当开关SW21开启时，积分电路21n，k将经由配线Ln，k而输入的电荷蓄积在电容器C21，并向保持电路22n，k输出与该蓄积电荷量相应的电压。
各保持电路22n，k具备电容器C22及开关SW221、SW222。电容器C22的一端经由开关SW221而与积分电路21n，k的放大器A21的输出端子连接，并且，经由开关SW222而与缓冲电路30连接。电容器C22的另一端连接于接地电位。该保持电路22n，k，通过开关SW221从闭合状态转变为开启状态而在该时刻将从积分电路21n，k输出的电压Vn，k保持在电容器C22。然后，保持电路22n，k，当开关SW222闭合时，向缓冲电路30输出保持在电容器C22的电压Vn，k。
图3是本实施方式涉及的固体拍摄装置1的像素Pm，n所包含的2个光电二极管PD1、PD2各自的光感应区域的形状的平面示意图。如该图所示，各像素Pm，n所包含的2个光电二极管PD1、PD2各自的光感应区域在整体上呈正方形。正方形的邻接的2边可以有5％以下的误差。另外，优选各像素Pm，n所包含的2个光电二极管PD1、PD2各自的光感应区域具有相互相等的面积。并且，这些面积可以有5％以内的误差。各像素Pm，n所包含的2个光电二极管PD1、PD2各自的光感应区域，可以为图3-(a)、图3-(b)所示的长方形，也可以为图3-(c)所示的三角形，也可以为图3-(d)所示的梯形。
接着，说明本实施方式涉及的固体拍摄装置1的工作。固体拍摄装置1由行选择部60和列选择部70以及控制固体拍摄装置1的整体的工作的控制部控制，进行工作。图4是说明本实施方式涉及的固体拍摄装置1的工作的时序图。
图4-(a)显示各积分电路21n，k的开关SW21的时序，图4-(b)显示第m行的各像素Pm，n的开关SW1、SW2的时序，图4-(c)显示各保持电路22n，k的开关SW221的时序，图4-(d1)显示保持电路221，1的开关SW222的时序，图4-(d2)显示保持电路221，2的开关SW222的时序，图4-(d3)显示保持电路222，1的开关SW222的时序，图4-(d4)显示保持电路222，2的开关SW222的时序，图4-(d5)显示保持电路223，1的开关SW222的时序，图4-(d6)显示保持电路223，2的开关SW222的时序，图4-(e)显示AD转换部40的输出的时序，图4-(f)显示加法部50的输出的时序。
即，该图中，显示了(a)各积分电路21n，k的开关SW21的开闭工作，(b)第m行的各像素Pm，n的开关SW1、SW2的开闭工作，(c)各保持电路22n，k的开关SW221的开闭工作，(d1)～(d6)各保持电路22n，k的开关SW222的开闭工作，(e)AD转换部40的AD转换工作，以及
(f)加法部50的加法工作。
当求出与位于第m行的N个像素Pm，1～Pm，N各自的入射光量相关的数字值D1～DN时，首先，在2N个积分电路211，1～21N，2的各个中，开关SW21闭合一定期间，于是，电容器C21放电，输出电压初始化。
随后，在位于第m行的N个像素Pm，1～～Pm，N的各个中，所输入的第m行选择信号Vsel(m)在一定期间内成为高电平，开关SW1、SW2闭合一定期间，在这些闭合的期间，到此为止响应于光电二极管PD1、PD2中的光入射而蓄积于接合电容部的电荷经由开关SW1、SW2而向配线Ln，1、Ln，2输出。这时，在各积分电路21n，k中，由于开关SW21开启，因而从像素Pm，n经由配线Ln，k而输入的电荷蓄积于电容器C21，并向保持电路22n，k输出与该蓄积电荷量相应的电压。
另外，在第m行选择信号Vsel(m)成为高电平的期间，在各保持电路22n，k中，开关SW221闭合一定期间，当该开关SW221从闭合状态转变为开启状态时，从积分电路21n，k输出的电压Vn，k由电容器C22保持。
随后，通过列选择部70的控制，使得各保持电路22n，k的开关SW222依次在一定期间内闭合。于是，从信号处理部20向缓冲电路30依次输出电压V1，1、V1，2、V2，1、V2，2、V3，1、V3，2、...、Vn，1、Vn，2、...、VN，1、VN，2。
然后，在AD转换部40中，从信号处理部20输出并经由缓冲电路30的电压Vn，k被进行AD转换，向加法部50输出与该输入电压Vn，k相应的数字值Dn，k。这时，从AD转换部40向加法部50依次输出数字值D1，1、D1，2、D2，1、D2，2、D3，1、D3，2、...、Dn，1、Dn，2、...、DN，1、DN，2。
而且，在加法部50计算从AD转换部40输出的数字值Dn，1、Dn，2的总和，并输出作为该总和值的数字值Dn(＝Dn，1+Dn，2)。这时，从加法部50依次输出数字值D1、D2、D3、...、Dn、...、DN。
在此，数字值Dn，k是与在位于第m行第n列的像素Pm，n的光电二极管PDk上产生的电荷的量相应的值，即，与向像素Pm，n的光电二极管PDk入射的入射光量相应的值。另外，数字值Dn是与在像素Pm，n所包含的2个光电二极管PD1、PD2上分别产生的电荷的总量相应的值，即与向像素Pm，n入射的入射光量相应的值。
如果如此地得到与位于第m行的N个像素Pm，1～Pm，N各自的入射光量相应的数字值D1～DN，则接着同样地得到与位于接下来的第(m+1)行的N个像素Pm+1，1～Pm+1，N的入射光量相应的数字值D1～DN。通过对所有的行进行这样的工作，得到与分别向拍摄区域10的M×N个像素P1，1～PM，N入射的入射光量相应的数字值，并得到拍摄数据。
如上所述，本实施方式涉及的固体拍摄装置1中，在拍摄区域10的各像素Pm，n内包含2个光电二极管PD1、PD2，得到与在光电二极管PD1、PD2上产生的电荷的量相应的电压Vn，1、Vn，2以及数字值Dn，1、Dn，2，然后，得到与向像素Pm，n入射的入射光量相应的数字值Dn(＝Dn，1+Dn，2)。因此，例如在固体拍摄装置1用于牙科用途的情况下，即使各像素Pm，n的光感应区域必须为大面积，也能够进行S/N比良好的拍摄。
即，作为比较例，假定各像素包含1个光电二极管，且该光电二极管的接合电容为C的情况。这时，从AD转换部输出的数字值所包含的噪声成分的大小被表示为“A×C”。在此，A是由积分电路所包含的放大器决定的常数。
相对于此，本实施方式中，如果各像素包含2个光电二极管，且各像素的整体的光感应区域的面积与上述比较例相同，则各个光电二极管的接合电容值为C/2。所以，从AD转换部40输出的数字值Dn，k所包含的噪声成分的大小被表示为“A×C/2”，从加法部50输出的数字值Dn所包含的噪声成分的大小被表示为“A×C/20.5”。如此，本实施方式中，与向各像素Pm，n入射的入射光量相应的数字值Dn所包含的噪声成分的大小，与上述比较例相比，为1/20.5倍。
另外，光检测的动态范围的上限，由能够蓄积于光电二极管的接合电容部的电荷量的上限以及读出该电荷的积分电路的输出电压的饱和电平中的较低者决定。如牙科用途的情况所示，如果光电二极管的光感应区域的面积较大，则能够蓄积于光电二极管的接合电容部的电荷量也较大，因而积分电路的输出电压的饱和限制了动态范围。另外，伴随着近年来因低消耗电力化而导致的电源电压下降，放大器的驱动电压也具有降低的倾向，进而放大器的饱和电压电平具有下降的倾向。这种情况下，即使能够在光电二极管的接合电容部蓄积大量的电荷，积分电路所包含的放大器的饱和以上的电荷也是无用的。
相对于此，本实施方式中，与上述比较例相比，由于蓄积于各个积分电路的电荷量为一半，因而对于各个像素，甚至能够将2倍的电荷量作为信号进行处理。因此，例如在来自AD转换部40的输出数字值为12位的情况下，来自加法部50的输出数字值扩大至13位。并且，如上所述，由于噪声成分的大小为1/20.5倍，因而动态范围的上限的S/N比为
Figure G2007800253982D00081
倍。
本发明并不限于上述实施方式，可以进行各种变形。例如，各像素所包含的光电二极管的个数，在上述实施方式中为2个，但也可以为3个以上。另外，本发明在对人体照射X射线的方面，并不限于牙科治疗用途，而是涉及所有的医疗用的X射线固体拍摄装置。

Claims (4)

1.一种固体拍摄装置，其特征在于，
包括：
拍摄区域，二维排列有分别包含2个光电二极管的多个像素；
信号读出部，输出与在所述拍摄区域的各像素所包含的2个光电二极管上分别产生的电荷的量相应的电压，具备第1积分电路和第2积分电路，所述第1积分电路与所述2个光电二极管中的第1光电二极管连接，所述第2积分电路与所述2个光电二极管中的第2光电二极管连接；
AD转换部，输入从所述信号读出部所输出的电压并进行AD转换，输出与该输入电压相应的数字值；以及
加法部，对所述拍摄区域的各像素，按照与在该像素所包含的2个光电二极管上分别产生的电荷的量，计算从所述AD转换部输出的数字值的总和，并输出作为该总和值的数字值，
其中
所述拍摄区域的各像素所包含的2个光电二极管各自的光感应区域在整体上为正方形。
2.如权利要求1所述的固体拍摄装置，其特征在于，
所述拍摄区域的各像素所包含的2个光电二极管各自的光感应区域具有相互相等的面积。
3.如权利要求1所述的固体拍摄装置，其特征在于，
所述第1和第2积分电路分别具备：
具有输入端子和输出端子的放大器；
连接于所述放大器的所述输入端子和所述输出端子之间的电容器；以及
与所述放大器的所述输入端子和所述输出端子之间的所述电容器并列连接的开关。
4.如权利要求1所述的固体拍摄装置，其特征在于，
正方形的各像素的光感应区域的一边为150μm～200μm。
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