JP2002152599A

JP2002152599A - 撮像装置

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Publication number: JP2002152599A
Application number: JP2000337898A
Authority: JP
Inventors: Toshio Kameshima; 登志男亀島
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-11-06
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2002-05-24
Anticipated expiration: 2020-11-06
Also published as: JP4719350B2

Abstract

(57)【要約】【課題】被写体の動きや、患者の心拍数の変化に対応
し、最適な画像を取得可能な撮像装置を提供する。【解決手段】光電変換素子と薄膜トランジスタからな
る画素を２次元的に配置したエリアセンサと、前記薄膜
トランジスタのソース電極に接続され画素からの信号を
読み出す読み出し装置と、前記薄膜トランジスタのゲー
ト電極に接続され前記薄膜トランジスタを駆動するゲー
ト駆動装置と、制御手段と、を有しマトリクス駆動を行
うことにより各フレームを読み出す構成を有し、制御手
段が各フレームの読み出しに必要な時間であるフレーム
レートを変化させる機能を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＸ線撮影装置などに
用いられるエリアセンサなどの撮像装置に関するもので
ある。詳しくは光電変換素子と薄膜トランジスタからな
る画素を２次元的に配列し、マトリクス駆動を行う撮像
装置において、１フレームの読み出し時間すなわちフレ
ームレートを変化させる機能を有することを特徴とする
撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】以下、従来技術について図を用いて説明
する。図１２は従来の撮像装置の模式的回路図である。
また図１３は従来の撮像装置の動作を説明するタイミン
グ図である。

【０００３】図１２に示すように従来の撮像装置の各画
素は光電変換素子１０１（ここではフォトダイオード）
と薄膜トランジスタ１０２（ＴＦＴ；Thin Film Transi
stor）により構成されている。ＴＦＴ１０２のソース電
極１０２−１はデータ線Ｓｉｇ（ｊ）（ｊ＝１、
２、．．．、Ｍ）に、ゲート電極１０２−２はゲート線
Ｖｇ（ｉ）（ｉ＝１、２、．．．、Ｎ）にそれぞれ接続
されている。ＴＦＴ１０２のドレイン電極１０２−３は
画素内で光電変換素子１０１と接続されている。本説明
図ではデータ線は垂直方向に、ゲート線は水平方向に引
き回されている。さらに各データ線は読み出し装置１に
接続されている。一般的に読み出し装置１は図１２に示
すように、アンプ１０３、アナログマルチプレクサ１０
４などにより構成される。一方、各ゲートラインはゲー
ト駆動装置２に接続される。一般的にゲート駆動装置２
は図示しないシフトレジスタなどにより構成される。

【０００４】次に図１３のタイミング図を用いて従来の
撮像装置の動作を説明する。図１３はある１本のゲート
線に接続された画素について説明するものである。ＲＥ
Ｓは図１２の読み出し装置１のアンプ１０３をリセット
するタイミングを、ＴＦＴ＿ＯＮは注目するゲート線に
接続されているＴＦＴ１０２をＯＮするタイミングを、
ＳＭＰＬは読み出し装置１のサンプリング容量１０５へ
電荷を蓄積するタイミングをそれぞれ示す。サンプリン
グ容量１０５へ蓄積された信号電荷はアナログマルチプ
レクサ１０４でシリアルデータに変換され出力される。
通常１フレームの読み出しに必要な時間Ｔｆは下記の式
で与えられる。

【０００５】Ｔｆ＝Ｔｌ×Ｎ＝（Ｔａ＋Ｔｂ＋Ｔｃ）×ＮここでＴｌはゲート線１本を読み出すのに必要な時間、
ＴａはＴＦＴ１０２をＯＮする前に必要な時間、Ｔｂは
ＴＦＴをＯＮする時間、ＴｃはＴＦＴをＯＦＦした後か
ら次のラインの読み出しを開始するまでの時間をそれぞ
れ示している（図１３参照）。

【０００６】この動作を連続的に行うことにより、動画
像の撮影や、透視とよばれるＸ線動画撮影が可能であ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来の撮像装置では、駆動タイミングすなわちＴｌ＝Ｔａ＋Ｔｂ＋Ｔｃは固定であった。

【０００８】したがって動きが速い被写体を撮影する
際、たとえば小児のように心拍数の速い被写体のＸ線透
視撮影を行う場合、像がボケるといった問題点が生じる
場合があった。この場合、撮影の対象としては、心臓、
血管、血管のある部位（脳等）を想定している。血管、
血管のある部位は撮像剤を使用することにより撮影でき
る。

【０００９】また、動きが速い被写体を想定してタイミ
ングを作成すると、読み出し装置のアンプの帯域を高く
設計せざるを得ず、動きが遅い被写体を撮影する際に逆
にＳ／Ｎ比が悪くなるという問題点を生じる場合があっ
た。

【００１０】すなわち従来の撮像装置は、駆動タイミン
グが固定であるために、スピードと画質の両立が困難で
あるという課題があった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による撮像装置
は、光電変換素子と薄膜トランジスタからなる画素を２
次元的に配置したエリアセンサと、前記薄膜トランジス
タのソース電極に接続され画素からの信号を読み出す読
み出し装置と、前記薄膜トランジスタのゲート電極に接
続され前記薄膜トランジスタを駆動するゲート駆動装置
と、制御手段と、を有しマトリクス駆動を行うことによ
り各フレームを撮像する撮像装置において、前記制御手
段は各フレームの読み出しに必要な時間であるフレーム
レートを変化させる機能を有することを特徴とする。

【００１２】また、本発明による撮像装置は、上記の撮
像装置において、前記制御手段は少なくとも前記薄膜ト
ランジスタをＯＮさせる時間と、それ以外の時間を独立
に制御することにより、前記フレームレートを変化させ
ることを特徴とする。

【００１３】更に、本発明による撮像装置は、上記の撮
像装置において、制御可能な光源を有し、前記制御手段
が前記光源の照度、照射時間、波長のいずれかを制御可
能であることを特徴とする。

【００１４】更に、本発明による撮像装置は、上記の撮
像装置において、制御可能なＸ線源を有し、前記制御手
段が前記Ｘ線源の管電圧、管電流、照射時間のいずれか
を制御可能であることを特徴とする。

【００１５】更に、本発明による撮像装置は、上記の撮
像装置において、被写体の移動速度、年齢、心拍数のう
ちの少なくともいずれか１を入力する被写体情報入力手
段を有し、前記制御手段は前記被写体情報入力手段の情
報に基づき前記フレームレートを変化させることを特徴
とする。

【００１６】更に、本発明による撮像装置は、上記の撮
像装置において、前記被写体情報入力手段は、被写体の
移動速度、心拍数のうちの少なくともいずれか１を自動
的に検出する自動検出手段を有することを特徴とする。

【００１７】更に、本発明による撮像装置は、上記の撮
像装置において、前記読み出し装置は、低周波通過フィ
ルタを有し、前記制御手段は前記低周波通過フィルタの
カットオフ周波数を前記フレームレートに応じて変化さ
せることを特徴とする。

【００１８】更に、本発明による撮像装置は、上記の撮
像装置において、１フレームにおける各薄膜トランジス
タがＯＮしている時間は、光電変換素子の容量と、薄膜
トランジスタの常温におけるＯＮ抵抗で決まる時定数の
３倍以上であることを特徴とする。

【００１９】更に、本発明による撮像装置は、上記の撮
像装置において、前記光電変換素子はアモルファスシリ
コンを材料としていることを特徴とする。

【００２０】更に、本発明による撮像装置は、上記の撮
像装置において、光電変換素子はＰＩＮ型フォトダイオ
ードあるいはＭＩＳ型センサであることを特徴とする。

【００２１】更に、本発明による撮像装置は、上記の撮
像装置において、前記薄膜トランジスタはアモルファス
シリコンを材料として用いていることを特徴とする。

【００２２】更に、本発明による撮像装置は、上記の撮
像装置において、光電変換素子はアモルファスセレン、
ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ガリウム砒素、ガリウムリン、
ＣｄＺｎ、ＣｄＺｎＴｅのいずれかを材料としているＸ
線センサであることを特徴とする。

【００２３】更に、本発明による撮像装置は、上記の撮
像装置において、波長変換体を有することを特徴とす
る。

【００２４】更に、本発明による撮像装置は、上記の撮
像装置において、前記波長変換体は蛍光体であることを
特徴とする。

【００２５】更に、本発明による撮像装置は、上記の撮
像装置において、前記蛍光体はヨウ化セシウムあるいは
ガドリニウムを含む物質であることを特徴とする。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下で本発明の実施形態について
図を用いて詳しく説明する。

【００２７】［第１の実施形態］図１は本発明の撮像装
置の第１実施形態の模式的回路図である。図２は第１実
施形態の概略構成図である。図３、図４は第１実施形態
の撮像装置の制御フロー図である。図５、図６は第１実
施形態の撮像装置の動作を説明するタイミング図であ
る。本実施形態はエリアセンサを用いたＸ線撮影装置の
構成である。

【００２８】図１に示すように従来例と同様にエリアセ
ンサの各画素はフォトダイオード１０１と薄膜トランジ
スタ（ＴＦＴ）１０２により構成されている。フォトダ
イオード１０１のカソード電極１０１−１はバイアスラ
インＶｓに接続され、電源３によりバイアス電圧が印加
されている。ＴＦＴ１０２のソース電極１０２−１はデ
ータラインＳｉｇ（ｊ）（ｊ＝１、２、．．．、Ｎ）
に、ゲート電極１０２−２はゲートラインＶｇ（ｉ）
（ｉ＝１、２、．．．、Ｎ）にそれぞれ接続されてい
る。フォトダイオード１０１のアノード電極１０１−２
とＴＦＴ１０２のドレイン電極１０２−３は各画素で相
互に接続されている。さらに各データラインＳｉｇ
（ｊ）はアンプ１０３、アナログマルチプレクサ１０４
などにより構成される読み出し装置１に接続されてい
る。

【００２９】本実施形態で留意すべき点は撮像装置が被
写体情報入力装置４と制御装置５を有する点である。図
１、図２に示すように被写体情報入力装置４と制御装置
５は接続されており、制御装置５はさらに読み出し装置
１およびゲート駆動装置２と接続されている。

【００３０】制御装置５は被写体情報入力装置４からの
情報をもとに、読み出し装置１およびゲート駆動装置２
の制御を行う。

【００３１】図３は制御動作の一例である。被写体情報
入力装置４はコンピュータ端末などで構成され、被写体
の情報、すなわち、年齢、心拍数、移動速度など撮影時
のフレームレートの決定に必要な情報を入力する機能を
有する。ここでは被写体が小児か否かによりフレームレ
ートを決定する手順を示している。すなわち被写体が心
拍数の高い小児の場合は画像がボケないようにフレーム
レートを高く（例えば毎秒６０フレーム）設定し、小児
以外の心拍数の低い被写体ではフレームレートを低く
（例えば毎秒３０フレーム）設定する。

【００３２】図４は制御動作の別の例である。ここでは
被写体情報を心拍センサ６あるいは動きセンサ（不図
示）などで自動的に検出し、フレームレートを決定して
いる。

【００３３】図５、図６は制御装置が読み出し装置とゲ
ート駆動装置のタイミングを制御する様子を示すもので
ある。図５は、被写体の動きが遅い場合（例えば小児以
外）、図６は、は被写体の動きが速い場合（例えば小
児）の駆動タイミングをそれぞれ示している。従来技術
で説明したように一般に１本のゲートラインの読み出し
動作は、（１）リセット動作Ｔａ、（２）ＴＦＴのＯＮ
による電荷転送動作Ｔｂ、（３）サンプリング動作Ｔｃ
からなる。本説明図ではＴａ、Ｔｃは変えずにＴｂのみ
をＴｂ’へと短縮することでフレームレートの高速化に
対応している。これはＴａ、Ｔｃの短縮と比較して、Ｔ
ｂの短縮が画質への影響が小さい場合である。本実施形
態のようにＴａ、Ｔｂ、Ｔｃを独立に制御しても良い
し、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃを同じ比率で変化させても良い。

【００３４】なお、１フレームにおける各薄膜トランジ
スタ１０２がＯＮしている時間は、光電変換素子１０１
の容量と、薄膜トランジスタ１０２の常温におけるＯＮ
抵抗で決まる時定数の３倍以上である。

【００３５】本実施形態によれば、被写体の動きが速い
ときには、フレームレートを上げるので、被写体の動き
による画像のぼやけがなくなり、被写体の動きが遅いと
きには、フレームレートを下げるので、光電変換素子で
発生する電荷が多くなり、画像のＳ／Ｎを上げることが
できる。

【００３６】［第２の実施形態］図７は本発明の撮像装
置の第２実施形態の模式的回路図である。留意すべきは
読み出し装置の構成に関するもので、その他については
第１実施形態と同じである。

【００３７】第２実施形態の読み出し装置はアンプとサ
ンプルホールドの間にノイズ除去を目的とする低域通過
フィルタ（ＬＰＦ）１０６を有し、さらにこのＬＰＦの
通過帯域は制御装置で変更可能である。図８はＬＰＦ部
の模式的回路図であり、抵抗１０６−１、１０６−２と
容量１０６−３でカットオフ周波数が決まる。ノイズ除
去の対象となるノイズは、例えば、アンプ１０３で発生
するノイズである。

【００３８】制御装置は被写体の動きが速い場合は（小
児など）、図８に示すＬＰＦのスイッチ１０６−４を導
通させカットオフ周波数を高周波側とする。また被写体
の動きが遅い場合はスイッチ１０６−４を非導通としカ
ットオフ周波数を低周波側とする。これによりフレーム
レートに応じた信号の帯域を通過させつつ、ノイズを最
大限除去することができる。

【００３９】［第３の実施形態］図９は本発明の撮像装
置の第３実施形態の制御概要図である。本実施形態で留
意すべきは、被写体情報を用いて読み出し装置１、ゲー
ト駆動装置２だけでなく光源７（ここではＸ線発生装
置）も制御する点である。これ以外については第１実施
形態、第２実施形態と同じである。

【００４０】光源を制御することにより、フレームレー
トや駆動タイミングが変化しても良好な画像を得ること
ができる。例えば、時間的に連続したＸ線を用いる場
合、フレームレートが速くなればエリアセンサの光電変
換素子での電荷の蓄積時間が短くなり出力が低下する。
この様な場合、光源の照度又はＸ線源の管電流を増加さ
せる制御を行えば、フレームレートを速くしながらも出
力を低下させないことができる。また、パルス光照射を
行えば、被写体の動きが速くてもブレの生じない良好な
画像を得ることができる。

【００４１】光源の制御の対象となる属性は、例えば、
光源の照度、照射時間、波長である。光源の照度や照射
時間を制御することにより、オーバー露光やアンダー露
光を防止して良好な画像を得ることができる。また、光
源の波長を被写体の吸収色に応じて制御することによ
り、撮像したい被写体の鮮明な画像を得ることができ
る。

【００４２】光源がＸ線源である場合には、光源の制御
の対象となる属性は、例えば、Ｘ線源の管電圧、管電
流、照射時間である。Ｘ線源の管電圧を被写体の吸収色
に応じて制御してＸ線質（波長スペクトル）を変化させ
ることにより、撮像したい被写体の鮮明な画像を得るこ
とができる。Ｘ線源の管電流を制御することは、Ｘ線量
を変化させることに等しく、Ｘ線の照射時間を変化させ
る場合と同様な効果を得ることができる。すなわち、照
射時間を一定にしたまま、線量を変化させることができ
る。Ｘ線源の照射時間を制御することにより、被写体が
浴びるＸ線量を変化させることができる。被写体が人体
等である場合、照射時間を制御して、人体等における被
爆量を可能な限り低くすることが望ましいが、これに応
じたものである。また、Ｘ線照射を連続照射ではなく、
パルス照射にすることにより、更に被爆量を低減するこ
とができる。

【００４３】［第４の実施形態］図１０は本発明の撮像
装置の第４実施形態の撮像装置の光電変換部の断面図で
ある。本実施形態で光電変換素子はガラス基板２０１上
に製膜されたアモルファスシリコンのフォトダイオード
である。図示されるように、下部電極層２０２、ｐ型ａ
−Ｓｉ層２０３（「ａ−」はアモルファスを示す。）、
ａ−Ｓｉ半導体層２０４、ｎ型ａ−Ｓｉ層２０５、上部
電極層２０６を積層したＰＩＮ型フォトダイオードの構
成である。ＰＩＮ型フォトダイオードの代わりにＭＩＳ
型センサを用いても良い。さらに本実施形態ではＸ線２
０７を可視光２０８へ変換する波長変換体として蛍光体
２０９が設けられている。また、蛍光体はヨウ化セシウ
ムあるいはガドリニウムを含む物質である。

【００４４】その他の駆動などについては、第１、第
２、第３の実施形態と同じである。

【００４５】［第５の実施形態］図１１は本発明の撮像
装置の第５実施形態の撮像装置の光電変換部の断面図で
ある。本実施形態で光電変換素子はガラス基板２０１上
に設けられた結晶ガリウム砒素を材料とするＸ線センサ
である。図１１を参照すると、第５実施形態の光電変換
部は、ガラス基板２０１の上に下部電極層３０２、ｐ型
ＧａＡｓ層３０３、ＧａＡｓ半導体層３０４、ｎ型Ｇａ
Ａｓ３０５、上部電極層３０６を積層し、これらを保護
層３０７で覆うことにより成る。第４実施形態の光電変
換素子と異なり、Ｘ線を直接電荷へ変換し信号として取
り出すことが可能である。ガラス基板とガリウム砒素の
光電変換素子とは図示しないバンプなどで接続されてい
る。

【００４６】本実施形態では、Ｘ線センサとしては、結
晶ガリウム砒素の代わりに、アモルファスセレン、ヨウ
化鉛、ヨウ化水銀、ガリウムリン、ＣｄＺｎ、ＣｄＺｎ
Ｔｅを用いても良い。

【００４７】その他の駆動などについては、第１、第
２、第３の実施形態と同じである。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被写体の動きが速いときには、フレームレートを上げる
ので、被写体の動きによる画像のぼやけがなくなり、被
写体の動きが遅いときには、フレームレートを下げるの
で、光電変換素子で発生する電荷が多くなり、画像のＳ
／Ｎを上げることができる。

【００４９】また、本発明によれば、フレーム周波数が
高いときには、ＬＰＦのカットオフ周波数を高くして、
フレーム周波数が低いときには、ＬＰＦのカットオフ周
波数を低くしているので、フレームレートに応じた信号
の帯域を通過させつつ、ノイズを最大限除去することが
できる。

【００５０】更に、本発明によれば、フレーム周波数に
応じて光源を制御しているのでオーバー露光やアンダー
露光を防止して良好な画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の模式的回路図である。

【図２】本発明の第１実施形態の概略構成図である。

【図３】本発明の第１実施形態の制御フロー図である。

【図４】本発明の第１実施形態の他の制御フロー図であ
る。

【図５】本発明の第１実施形態の駆動タイミング図であ
る。

【図６】本発明の第１実施形態の他の駆動タイミング図
である。

【図７】本発明の第２実施形態の模式的回路図である。

【図８】ＬＰＦ部の模式的回路図である。

【図９】本発明の第３実施形態の制御概要図である。

【図１０】本発明の第４実施形態の撮像装置の光電変換
部の断面図である。

【図１１】本発明の第５実施形態の撮像装置の光電変換
部の断面図である。

【図１２】従来技術の撮像装置の模式的回路図である。

【図１３】従来技術の撮像装置の動作を説明するタイミ
ング図である。

【符号の説明】

１読み出し装置２ゲートドライバ３電源４被写体情報入力装置５制御装置６心拍センサ７Ｘ線発生装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光電変換素子と薄膜トランジスタからな
る画素を２次元的に配置したエリアセンサと、前記薄膜
トランジスタのソース電極に接続され画素からの信号を
読み出す読み出し装置と、前記薄膜トランジスタのゲー
ト電極に接続され前記薄膜トランジスタを駆動するゲー
ト駆動装置と、制御手段と、を有しマトリクス駆動を行
うことにより各フレームを撮像する撮像装置において、
前記制御手段は各フレームの読み出しに必要な時間であ
るフレームレートを変化させる機能を有することを特徴
とする撮像装置。
【請求項２】前記制御手段は少なくとも前記薄膜トラ
ンジスタをＯＮさせる時間と、それ以外の時間を独立に
制御することにより、前記フレームレートを変化させる
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】制御可能な光源を有し、前記制御手段が
前記光源の照度、照射時間、波長のいずれかを制御可能
であることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装
置。
【請求項４】制御可能なＸ線源を有し、前記制御手段
が前記Ｘ線源の管電圧、管電流、照射時間のいずれかを
制御可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載
の撮像装置。
【請求項５】被写体の移動速度、年齢、心拍数のうち
の少なくともいずれか１を入力する被写体情報入力手段
を有し、前記制御手段は前記被写体情報入力手段の情報
に基づき前記フレームレートを変化させることを特徴と
する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】前記被写体情報入力手段は、被写体の移
動速度、心拍数のうちの少なくともいずれか１を自動的
に検出する自動検出手段を有することを特徴とする請求
項５に記載の撮像装置。
【請求項７】前記読み出し装置は、低周波通過フィル
タを有し、前記制御手段は前記低周波通過フィルタのカ
ットオフ周波数を前記フレームレートに応じて変化させ
ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記
載の撮像装置。
【請求項８】１フレームにおける各薄膜トランジスタ
がＯＮしている時間は、光電変換素子の容量と、薄膜ト
ランジスタの常温におけるＯＮ抵抗で決まる時定数の３
倍以上であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれ
か１項に記載の撮像装置。
【請求項９】前記光電変換素子はアモルファスシリコ
ンを材料としていることを特徴とする請求項１乃至８の
いずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】光電変換素子はＰＩＮ型フォトダイオ
ードあるいはＭＩＳ型センサであることを特徴とする請
求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１１】前記薄膜トランジスタはアモルファス
シリコンを材料として用いていることを特徴とする請求
項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１２】光電変換素子はアモルファスセレン、
ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ガリウム砒素、ガリウムリン、
ＣｄＺｎ、ＣｄＺｎＴｅのいずれかを材料としているＸ
線センサであることを特徴とする請求項１乃至８のいず
れか１項に記載の撮像装置。
【請求項１３】波長変換体を有することを特徴とする
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１４】前記波長変換体は蛍光体であることを
特徴とする請求項１３に記載の撮像装置。
【請求項１５】前記蛍光体はヨウ化セシウムあるいは
ガドリニウムを含む物質であることを特徴とする請求項
１４に記載の撮像装置。