JP2000111652A - 放射線２次元検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｘ線の入射により半導体層で生成される電子
−正孔対（電荷）が、入射Ｘ線量に応じて自動的に制限
されるようにする。 【解決手段】 Ｘ線を感知し電荷に変換する半導体層１
とスイッチング素子マトリックス４とが一体化されてお
り、半導体層１の信号電極３に対する共通のバイアス電
極２を、抵抗Ｒを介してバイアス電源Ｅに接続した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、Ｘ線撮像装置な
どの医療診断に好適なＸ線等の放射線を検出する放射線
２次元検出器、特に、固体操作方式の放射線２次元検出
器に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の固体操作方式の放射線２次元検
出器は、特開平４−２１２４５６号公報、特開平４−２
１２４５８号公報で知られているように、Ｘ線、ない
し、Ｘ線より変換された光を感知し電荷に変換する半導
体層と、電界効果トランジスタ等のスイッチング素子で
構成されたスイッチング素子マトリックスとを一体化
し、スイッチング素子を２次元的に走査して画像信号を
得るようにしたもので、その構成を図４、図５に示す。

【０００３】図４において、１は半導体層で、一方の面
にバイアス電源Ｅに接続されるバイアス電極２が、他方
面に検出素子（画素）が縦横に配列するように形成され
たマトリックス状の信号電極３が形成されている。４は
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等のスイッチング素子５で
構成されたスイッチング素子マトリックスで、各スイッ
チング素子５は半導体層１のそれぞれの信号電極３に接
続されており、半導体層１とスイッチング素子マトリッ
クス４とは薄膜技術で製造される。なお、図中、６は電
荷を蓄積するコンデンサで、半導体層１、スイッチング
素子マトリックス５と同様に薄膜技術で製造される。

【０００４】この構成において、被検体を透過したＸ線
がバイアス電極２を透過し半導体層１に入射すると、Ｘ
線は半導体層１で吸収され電子−正孔対（電荷）を生成
する。生成された電荷は、バイアス電源Ｅよりバイアス
電極２に印加された電圧により電荷シフトが起こり、こ
の電荷がコンデンサ６に蓄積され、このコンデンサ６に
蓄積される電荷の量は、半導体層１に入射するＸ線量に
依存する。

【０００５】スイッチング素子マトリックス４を構成す
るスイッチング素子５のスイッチングライン７は図５の
等価回路に示すようにスイッチング素子駆動回路８に、
読み出しライン９は増幅器10を介してマルチプレクサ11
に接続されており、スイッチング素子駆動回路８でスイ
ッチング素子５が駆動されると、スイッチング素子５が
オンされた１ラインの各検出素子（画素）のコンデンサ
６に蓄積された電荷が同時に読み出しライン９に出力さ
れ、スイッチング素子駆動回路８がスイッチング素子５
を順次駆動することにより、画素が２次元的に走査さ
れ、読み出しライン９に出力された信号は、マルチプレ
クサ11で画素ごとの画像信号とされてＡ／Ｄ変換器12に
入力され、Ａ／Ｄ変換器12より各画素ごとのデジタル画
像信号が得られ、このデジタル画像信号を処理すること
によりＸ線２次元画像が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の放射線２次元検出器では、次ぎの問題がある。す
なわち、多量のＸ線が半導体層に入射した場合には、蓄
積電荷の充電によりコンデンサにかかる電圧が上昇し、
このコンデンサにかかる電圧の上昇が、蓄積量の飽和に
よるダイナミックレンジの制限、ならびに、コンデンサ
につながるスイッチング素子が耐電圧破壊を引き起こす
ことになる。

【０００７】この発明は、上記の事情に鑑み、放射線の
入射により半導体層内で生成される電子−正孔対（電
荷）が、入射放射線量に応じて自動的に制限されるよう
にして、コンデンサにかかる電圧の上昇による蓄積量の
飽和によるダイナミックレンジの制限をなくし、また、
コンデンサにつながるスイッチング素子が耐電圧破壊を
生じることのない放射線２次元検出器を提供すると共
に、入射放射線量に対応した定量性を有する画像信号が
得られる放射線２次元検出器を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の放射線２次元検出器は、半導体
層のバイアス電極をインピーダンス素子を介してバイア
ス電源に接続したことを特徴としている。

【０００９】また、請求項２に記載の放射線２次元検出
器は、請求項１に記載の放射線２次元検出器であって、
インピーダンス素子に流れる電流、または、該素子の降
下電圧を検出し、この検出信号に基づいて、各素子毎に
読み出された信号を補正することを特徴としている。

【００１０】この構成により、請求項１に記載の放射線
２次元検出器にあっては、半導体層に放射線、例えば、
Ｘ線が入射すると、バイアス電源よりインピーダンス素
子を通して半導体層のバイアス電極に電流が流れる。イ
ンピーダンス素子を流れる電流は、入射Ｘ線量に応じて
変化するので、半導体層のバイアス電極に印加される電
圧は、入射Ｘ線量に応じて変化し、入射Ｘ線量が多くな
る程、インピーダンス素子による電圧降下が大きくな
り、その電圧降下した分、半導体層のバイアス電極に印
加される電圧は低くなる。

【００１１】したがって、半導体層に多量のＸ線が入射
した場合には、半導体層のバイアス電極に印加される電
圧は低くなり、半導体層内部の電界が緩和され、Ｘ線入
射で生成された電子および正孔が、半導体層の信号電極
に達する前に再結合して消滅する割合が増加する。この
ため、コンデンサに蓄積される電荷が抑制され、かつ、
その抑制も半導体層への入射Ｘ線量に応じてなされるの
で、コンデンサの電圧の上昇が抑えられてコンデンサの
蓄積量の飽和が防止でき、また、コンデンサにつながる
スイッチング素子が耐電圧破壊を引き起こすとのない放
射線２次元検出器が得られる。

【００１２】また、請求項２に記載の放射線２次元検出
器にあっては、半導体層のバイアス電極に印加される電
圧の低下で抑制された蓄積電荷量を画素ごとに補正する
ので、入射Ｘ線量に対応した定量性を有する画像信号を
得ることができると共に、コンデンサの蓄積量の飽和、
ならびに、コンデンサにつながるスイッチング素子を耐
電圧破壊させることのないダイナミックレンジの広い放
射線２次元検出器が得られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下図面を参照してこの発明の実
施例を説明する。図１はこの発明の１実施例にかかる放
射線２次元検出器の構成を示す断面模式図で、図４と同
一機能をなす構成要素には、同一符号を付し、その説明
を省略する。図１において、Ｒは、抵抗（インピーダン
ス素子）で、バイアス電源Ｅと半導体層１のバイアス電
極２との間に接続されている。

【００１４】なお、信号電極３は、検出素子（画素）が
縦横に配列するようにマトリックス状に分割形成する必
要があるが、バイアス電極２は、図２(a) に示すように
半導体層の全面に形成し、信号電極（図示せず）全てに
共通の単一電極であっても、また、図２(b) 、(c) 、
(d) に示すように複数に分割し、分割されたバイアス電
極が覆う群の信号電極に対してのみ共通である分割電極
であってもよい。図２で、(b) は縦に３分割し３個の分
割バイアス電極とした例であり、(c) は縦横に３分割し
９個の分割バイアス電極とした例であり、また、(d) は
中央部とその周囲部とに分割し２個の分割バイアス電極
とした例である。また、バイアス電極を分割し、複数の
分割バイアス電極とした場合には、図２(b) 、(c) 、
(d) に示すように各分割バイアス電極それぞれは、抵抗
を介してバイアス電源Ｅに接続する。

【００１５】次に、バイアス電源Ｅと半導体層１のバイ
アス電極２との間に接続された抵抗Ｒの作用について説
明する。図１において、上部から放射線、例えば、Ｘ線
が入射すると、入射したＸ線は半導体層１で吸収され、
半導体層１内に電子−正孔対（電荷）を生成し、生成さ
れた電荷は、半導体層１のバイアス電極２に印加された
電圧で生ずる電界により電荷シフトを起こし、この電荷
がコンデンサ６に蓄積され、コンデンサ６の電圧は上昇
する。

【００１６】コンデンサ６に蓄積された電荷信号の読み
出しは、スイッチング素子マトリックス４のスイッチン
グ素子５を順次駆動することにより、１ライン分ずつの
各画素の蓄積電荷が、それぞれ読み出しラインを通って
マルチプレクサに入力され、Ａ／Ｄ変換器により、各画
素ごとのデジタル画像信号に変換される。以上の動作
は、先の従来の技術の項で説明した通りである。

【００１７】なお、半導体層、すなわち、バイアス電極
には、図示のように正の電圧を印加する場合と、負の電
圧を印加する場合とがあるが、印加電圧が低く半導体層
の内部電界が小さい場合は、生成された電子と正孔は電
極に達する前に再結合し消滅してしまい電荷としてコン
デンサに蓄積されないので、半導体層のバイアス電極に
対する印加電圧としては、電子と正孔それぞれの移動度
とライフタイムの積から計算される、電極に達する前に
再結合し消滅しない十分な電界が得られる電圧としてお
く必要がある。

【００１８】図１にもどって、Ｘ線の入射で半導体層１
内に電子−正孔対（電荷）が生成されると、陰極側の信
号電極３に接続するコンデンサ６に電荷が蓄積される一
方、陽極側のバイアス電極２には、バイアス電源Ｅより
抵抗Ｒを通して電流が流れ、抵抗Ｒによる電圧降下を生
じ、バイアス電極２の印加電圧が、抵抗Ｒにより電圧降
下した分低下し、半導体層内部の電界は緩和される。

【００１９】この電界の緩和により、半導体層１内の電
子と正孔の反対側の電極に達する前に再結合する割合が
増加し、信号電極３に接続するコンデンサ６に蓄積され
る電荷が抑制される。その結果、コンデンサの蓄積量の
飽和、コンデンサにかかる電圧の上昇が防止でき、且
つ、スイッチング素子を耐電圧破壊させないダイナミッ
クレンジの広い２次元放射線検出器が得られる。

【００２０】また、バイアス電源Ｅとバイアス電極２の
間に介在する抵抗Ｒに流れる電流は、半導体層に入射す
るＸ線量が多い程多くなるので、その分抵抗Ｒによる電
圧降下は大きくなり、バイアス電極２の印加電圧が低下
するので、半導体層１への多量のＸ線入射によるコンデ
ンサの蓄積量の飽和、コンデンサにかかる電圧の上昇を
確実に防止できる。

【００２１】図１の２次元放射線検出器では、抵抗Ｒに
よる電圧降下した分、バイアス電極２の印加電圧が低下
し、抵抗Ｒの電圧降下による降下電圧も半導体層に入射
するＸ線量に応じて変化するので、入射Ｘ線量に対応し
た画像信号が得られず、Ｘ線強度が評価できない。

【００２２】図３は、図１の２次元放射線検出器で得ら
れるデータを補正し、入射Ｘ線量に対応した画像信号が
得らるようにしたものである。図３（ａ）において、Ｄ
は図１構成の２次元放射線検出器、13は抵抗Ｒに流れる
電流を検出する電流検出器、14は補正メモリ、15はゲイ
ン可変増幅器で、補正メモリ14には抵抗Ｒに流れる電流
に応じた補正データが記憶されている。

【００２３】実施例では、補正データは、ゲイン可変増
幅器15のゲインを制御するゲインデータで、このゲイン
データは、抵抗Ｒの電圧降下で降下したバイアス電極２
の印加電圧の低下で抑制された電荷量を補償し、入射Ｘ
線量に対応した画像信号とするもので、ファントムや計
算で求めることができる。

【００２４】この構成において、被検体を透過したＸ線
がバイアス電極を透過し半導体層に入射すると、Ｘ線は
半導体層内で吸収され電子−正孔対（電荷）を生成し、
生成された電荷は、バイアス電源Ｅよりバイアス電極に
印加された電圧による電界で電荷シフトが起こり、この
電荷がコンデンサに蓄積され、Ｘ，Ｙ方向のスイッチン
グ素子駆動回路16、17でスイッチング素子を順次駆動す
ることにより、２次元的に各画素が走査され、各画素ご
とのコンデンサの蓄積電荷が読み出しされ、読み出され
た信号は、ゲイン可変増幅器15に入力される。

【００２５】一方、ゲイン可変増幅器15は、電流検出器
13の各画素への入射Ｘ線量に応じた検出電流に基づいて
補正メモリ14より読み出されたゲインデータでゲイン
が、画素ごとに調整され、その調整されたゲインで、読
み出された信号が増幅され、Ａ／Ｄ変換器12より、補正
された半導体層への入射Ｘ線量に対応した各画素ごとの
デジタル画像信号が得られる。Ａ／Ｄ変換器12よりの補
正されたデジタル画像信号は、画像処理回路（図示せ
ず）で画像処理され２次元Ｘ線画像とされる。

【００２６】次に、図１の構成の２次元放射線検出器の
製造方法の一例について説明する。ガラス等の絶縁基板
上に薄膜技術により、マトリックス状にスイッチング素
子を設ける。これにより、各素子ごとに分れたＴＦＴや
ＭＩＭ構造、あるいは、ダブルダイオード構造のスイッ
チング素子と、このスイッチング素子につながる信号電
極と、さらに、スイッチング素子を駆動する駆動ライン
（例えば列方向）と、スイッチング素子を通って電荷が
流れる読み出しライン（データライン）（例えば行方
向）が作られる。一般には、スイッチング素子は、アモ
ルファスシリコンやポリシリコンで作製され、絶縁物に
は、窒化膜、酸化膜、ポリイミドなどの化学材料、金属
材料には、チタン、アルミ、クロム、タンタル、銅など
の種々の材料が使用される。

【００２７】信号電極の上には半導体層が、マトリック
ス状の信号電極全体を覆うように設けられる。この半導
体層は、セレンなどのカルコゲナイド系材料を蒸着によ
り成膜したり、シリコンやテルル化カドミウム合金をＣ
ＶＤで作ることが可能である。この他、ヨウ化鉛や臭化
タリウムなどを用いることも可能である。また、半導体
層は、十分にＸ線を吸収するには厚みは厚い程よく、シ
リコンのように密度の低いものでは１〜５mm、セレンで
は３００〜１０００μm、テルル化カドミウム合金では
１００〜３００μmである。なお、半導体層は、マトリ
ックス状の信号電極全体を覆う連続層であっても、マト
リックスをいくつか合わせたような複数に分割された層
など、いくつかに分割されていてもよい。

【００２８】さらに、半導体層上にバイアス電極を設け
る。このバイアス電極の材料には、入射線が光の場合に
はＩＴＯ（インジウム・錫・オキサイド合金）が主に用
いられるが、入射線がＸ線の場合にはＸ線の透過力が高
いので、金薄膜などの種々の薄膜の金属層や合金層でも
よい。また、バイアス電極は、半導体層の全面を覆うも
のであっても（図２（ａ））、図２（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）に示すように２以上に分割された分割バイアス電
極であってもよく、各分割バイアス電極は、抵抗を介し
てバイアス電源に接続される。

【００２９】なお、上記の実施例は、半導体層でＸ線を
電荷に直接変換する直接変換タイプの２次元放射線検出
器であつたが、この発明は、半導体層のＸ線入射面にＣ
ｓＩ等のシンチレータ層を設けてＸ線を光に変換し、変
換された光を半導体層で電荷に変換する間接変換タイプ
の２次元放射線検出器にも適用できるものである。ま
た、実施例では、抵抗を流れる電流を検出し、抵抗の電
圧降下により抑制された電荷分を補償し、入射Ｘ線量に
対応した映像信号を得るようにしたが、抵抗の降下電圧
を検出し、検出電圧で抵抗の降下電圧により抑制された
電荷分を補正するようにしてもよい。

【００３０】さらに、実施例では、補正手段を、補正ゲ
インデータを記憶する補正メモリとゲイン可変増幅器と
で構成し、ゲイン可変増幅器のゲインを制御するように
したが、図３（ｂ）に示すように補正手段を、抵抗の降
下電圧で抑制される蓄積電荷量に応じた補正量を記憶す
る補正メモリ18と加算器19とで構成し、検出電流および
／または電圧で補正量を読み出し、読み出された補正量
を検出器Ｄの出力信号に加算し、入射Ｘ線量に対応した
画像信号を得るようにしてもよい。また、実施例では、
Ａ／Ｄ変換器の前段のアナログ信号の段階で抵抗の電圧
降下により抑制された電荷分を補正するようにしたが、
Ａ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換した後に補正するこ
とも可能である。

【００３１】

【発明の効果】請求項１の発明の２次元放射線検出器に
よれば、半導体層で生成される電子正孔対（電荷）が、
入射Ｘ線量に応じて自動的に制限されるので、コンデン
サの蓄積量の飽和によるダイナミックレンジの制限がな
く、また、コンデンサにかかる電圧の上昇を押さえてそ
れにつながるスイッチング素子を耐電圧破壊させること
のない放射線２次元検出器が得られる。

【００３２】また、請求項２の発明の２次元放射線検出
器によれば、入射Ｘ線量に応じて自動的に制限された電
荷量が補正されるので、入射Ｘ線量に対応した画像信号
が得られると共に、コンデンサの飽和、ならびに、スイ
ッチング素子を耐電圧破壊させないダイナミックレンジ
の広い放射線２次元検出器が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この本発明の一実施例を示す断面模式図であ
る。

【図２】この発明の他の実施例を示す略図である。

【図３】この発明の他の実施例を示すブロック図であ
る。

【図４】従来の２次元放射線検出器の構成を示す模式図
である。

【図５】図４の等価回路図である。

【符号の説明】 １…半導体層 ２…バイアス電
極 ３…信号電極 ４…スイッチン
グ素子マトリックス ５…スイッチング素子（ＴＦＴ） ６…コンデンサ ７…スイッチングライン ８…スイッチン
グ素子駆動回路 ９…読み出しライン 10…増幅器 11…マルチプレクサ 12…Ａ／Ｄ変換
器 13…電流検出器 14、18…補正メモリ 15…ゲイン可変増幅器 16、17…スイッチン
グ素子駆動回路 19…加算器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G088 BB05 EE03 FF02 FF17 GG21 JJ40 KK32 LL15 4M118 AA02 AA08 AB01 BA05 CB05 CB07 CB11 CB14 FA06 FB13 FB16 GA10 5F088 AA09 AA11 AB04 AB05 AB09 BA05 BA20 BB03 BB07 CA01 CA05 CB05 DA03 DA05 FA04 FA05 GA02 HA15 KA01 KA02 KA08 KA10 LA08

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方面にバイアス電極を、他方面に検出
   素子が縦横に配列するように形成されたマトリックス状
   の信号電極を有する、放射線像、または、放射線像の変
   換された光像を電荷の画像に変換する半導体層と、前記
   半導体層の信号電極を２次元的に走査し、半導体層に蓄
   えられた電荷を読み出すスイッチング素子マトリックス
   とを備えた放射線２次元検出器であって、前記半導体層
   のバイアス電極をインピーダンス素子を介してバイアス
   電源に接続したことを特徴とする放射線２次元検出器。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の放射線２次元検出器で
   あって、前記インピーダンス素子に流れる電流、また
   は、該素子の降下電圧を検出する検出手段と、前記検出
   手段の検出信号に基づいて、各素子毎に読み出された信
   号を補正する手段とを設けたことを特徴とする放射線２
   次元検出器。