JP2005147958A - 放射線検出装置及び放射線検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像のための十分な受光量を確保することができると共に、ＡＥＣを適切に行うことができる放射線検出装置及び放射線検出システムを提供する。
【解決手段】 絶縁基板１上に撮像用光電変換素子１０１及びこの駆動のためのスイッチ用ＴＦＴ１０３が形成されている。スイッチ用ＴＦＴ１０３のゲートにはゲート配線２が接続されている。そして、ゲート配線２の上方に、ＡＥＣで用いられるモニタ用光電変換素子１０２が形成されている。撮像用光電変換素子１０１及びモニタ用光電変換素子１０２は、同一のバイアス線１８からバイアスがかけられる。このような構成では、モニタ用光電変換素子１０２は、撮像用光電変換素子１０１の開口率に影響を及ぼさないため、十分な受光量が得られる。また、モニタ用光電変換素子１０２を用いたＡＥＣにより適切な放射線照射の制御を行うことができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、Ｘ線、γ線等の放射線を検出する放射線検出装置及び放射線検出システムに関し、特に、医療画像診断装置、非破壊検査装置、放射線を用いた分析装置等への応用に好適な放射線検出装置及び放射線検出システムに関する。

従来、Ｘ線を用いた医療画像診断では、静止画像を得る一般撮影が多用されている。通常、一般撮影では、蛍光板とフィルムを組み合わせたスクリーンフィルム系（以下、Ｓ／Ｆと略記）を用い、フィルムを露光、現像した後、定着させる方法や、放射線画像を輝尽性蛍光体に潜像として記録した後、輝尽性蛍光体にレーザーを走査し、出力された光出力情報をセンサーで読み取る（コンピューティッドラジオグラフィ、以下、ＣＲと略記）方法が一般的である。

しかしながら、これらの方法には、放射線画像を得るためのワークフローが煩雑であるという欠点があり、且つ、間接的にはデジタル化も可能であるが、即時性に欠け、他の医療画像診断で用いられるＣＴ、ＭＲＩ等のデジタル化された環境を考慮すると、整合性があるとは言い難い状況である。

このような状況において、近年、Ｘ線、γ線等の放射線を検出する放射線検出装置として、放射線を可視光に変換し、その変換光を非晶質シリコン薄膜を用いた光電変換素子により検出する放射線検出装置、所謂間接型の放射線検出装置が開発され製品化されている。このような放射線検出装置が製品化された理由としては、主に、次に２点が挙げられる。第一点は、光導電性を持った非晶質シリコンを核とした液晶技術の進歩により、ＴＦＴ（Thin Film Transistor：薄膜トランジスタ）及び光センサーの大面積化が可能になったことである。第二点は、従来から使用されているＧＯＳ蛍光体又はＣｓＩ蛍光体等を組み合わせたフラットパネル検出器（以下、ＦＰＤと略記）が開発され、大画面で、且つ、信頼性が高い放射線検出装置を安定して作製できることが可能となったことである。

ＦＰＤの最大の特徴は、放射線画像を瞬時に読み取り、瞬時にディスプレイ上に表示できることや、得られた放射線画像画像をデジタル情報として直接取り出すことが可能であるため、データの保管、加工及び転送等の取り扱いが容易であることにある。更に、感度等の諸特性についても、撮影条件に依存するが、従来のＳ／Ｆ系撮影法及びＣＲ撮影法と比較して、同等又はそれ以上であることが確認されている。

従来、このような間接型の放射線検出装置の代表的な例として、ＭＩＳ型光電変換素子（以下、ＭＩＳ型ＰＤと略記）及びスイッチＴＦＴを備えたＭＩＳ−ＴＦＴ構造の光センサーアレーと上述の蛍光体とを組み合わせた放射線検出装置がある。ＭＩＳ−ＴＦＴ構造の光センサーアレーの特徴は、先述したスイッチＴＦＴ及びＭＩＳ型ＰＤが同一層に構成され、同一プロセスにより製造が可能であるため、安定して、且つ、低価格で生産できることにある。このような放射線検出装置は、特許文献１（特許第３０６６９４４号公報）及び特許文献（米国特許第６０７５２５６号明細書）に開示されている。

また、ＰＩＮ型光電変換素子（以下、ＰＩＮ型ＰＤと略記）及びスイッチＴＦＴを組み合わせたＰＩＮ−ＴＦＴ構造の光センサーアレーや、スイッチ素子にＰＩＮ型ダイオードを用いたＰＩＮ−ＰＩＮ構造の光センサーアレー等の多岐にわたる提案もされている。ＰＩＮ型ＰＤを用いたＦＰＤとしては、高開口率を実現するため、且つ、縦方向又は横方向のリーク電流を低減できる構造が特許文献３（米国特許６２８８４３５号明細書）に開示されている。

このように、間接型の放射線検出装置では、基本的には、放射線を蛍光体により可視光に変換し、その変換光を光電変換素子により蓄積電荷として保存し、その電荷をスイッチ素子により順次読み出すという共通の駆動方法が一般的に用いられている。

上記の間接型に対して、放射線を直接、電荷に変換する直接型の放射線検出装置もある。例えば、非特許文献１（SPIE Vol.2708 P.511〜P.522）に、アモルファスＳｅ膜を用いた直接型の放射線検出装置が記載されている。この放射線検出装置では、放射線を直接、電気信号に変換するアモルファスＳｅ半導体薄膜がＴＦＴ基板に直接形成、接続されている。このような直接型の放射線検出装置では、間接型と比べて光学的損失がなく、また、発生した電荷を電界により引き出すため、十分厚膜化できる。このため、一層、高感度な検出装置を実現できると考えられている。

図１８は、従来の放射線検出装置に利用される一般的な光センサーアレーの構成を示す模式的な等価回路図である。なお、図１８には、説明の単純化のために、３×３の合計９個の画素から構成された光センサーアレーを例として挙げている。

図１８に示すように、従来の光センサーアレーでは、各画素には、１個の光電変換素子Ｓｉｊ（ｉ、ｊ＝１〜３）、スイッチＴＦＴ Ｔｉｊ（ｉ、ｊ＝１〜３）が設けられている。光電変換素子Ｓｉｊは、上述のＭＩＳ型ＰＤ又はＰＩＮ型ＰＤであり、１つの光センサーアレー内で同一種類のものが用いられている。また、光電変換素子のバイアス配線Ｖｓｎ（ｎ＝１〜３）はバイアス電源に接続されている。ＴＦＴゲート配線Ｖｇｎ（ｎ＝１〜３）には、スイッチＴＦＴ Ｔｉｊの駆動信号が伝達され、信号線Ｓｉｇｎ（ｎ＝１〜３）を、光電変換素子Ｓｉｊに蓄積された電荷に対応する電流が流れる。

このように構成された光センサーアレーでは、夫々の光電変換素子Ｓｉｊの信号出力は、光電変換素子Ｓｉｊ自身に蓄積される。そして、ＴＦＴゲート配線Ｖｇｎが接続された駆動用回路の出力信号によって、スイッチＴＦＴ Ｔｉｊが順次オンされ、光電変換素子Ｓｉｊ自身に蓄積された蓄積電荷に対応する電流が信号線Ｓｉｇｎ（ｎ＝１〜３）を流れる。その後、読み出された信号は、信号線Ｓｉｇｎが接続された信号処理回路に入力され、出力信号として増幅、Ａ／Ｄ変換された後、出力される。

次に、放射線撮像装置において重要な制御である自動露出制御（以下、ＡＥＣと略記）について説明する。自動露出制御は、例えば、放射されたＸ線を検出し、適正なＸ線照射量に達した場合にＸ線照射を停止させる制御である。このような制御を行うことにより、任意部位の撮影において、常に同一の撮影、適切な濃度の画像が得られる。

従来、ＡＥＣを用いたＸ線量の検出方法には、電離箱を使用して電離電流を検出する方法（イオンタイマ）と、蛍光体を用いてＸ線により発生する蛍光を光電管等の光電変換素子を用いて、その出力電流を検出する方法（フォトタイマ）とがある。前者のイオンタイマでは、電離箱の出力が微小なため、増幅器が必要とされるため、現在では、後者のフォトタイマによるＡＥＣが主流となっている。

実際のフォトタイマについては、例えば、カセッテを用いた撮影では、Ｘ線照射側のカセッテ前面に光電変換素子が配置される場合と、カセッテ後面に光電変換素子が配置される場合とがある。

なお、このような光電変換素子の配置は、ＦＰＤを用いた間接型の放射線撮像装置においてＡＥＣを行う場合も同様である。例えば、間接型の放射線撮像装置では、ＦＰＤの前面に、Ｘ線の減衰が５％程度である薄型のＡＥＣ用センサーが複数個配置され、これらの出力に基づいてＸ線の曝射を停止して、画像化に適切なＸ線照射量を得ている。

このように、ＦＰＤを用いた放射線撮像装置においても、常に、適正な放射線画像を得るためには、入力される放射線量を調整することが必要であり、上述のように、ＡＥＣ用センサーがＦＰＤとは別に設けられている。

しかしながら、ＦＰＤを用いた放射線撮像装置により、放射線画像のデジタル化が可能となり、多くの利点が得られるようになっているが、未だ、放射線撮像装置としての完成度は十分とはいえない。特に、個々の被写体の撮影において、常に最適な撮影が可能となっているとはいえない。即ち、適正な画像濃度を得るために、ＡＥＣ機構が十分に機能しているとは言い難い。

例えば、ＦＰＤの前面にＡＥＣ用センサーが配置され、入射光量又は放射線量の計測結果に基づいて放射線が制御される場合、ＡＥＣ用センサーの配置位置が問題となる。つまり、一般的に、ＡＥＣを行う場合には、ＡＥＣに必要とされる情報は被写体の中央部分から検出することが望ましく、このため、ＡＥＣ用センサーはＦＰＤの中央部分に設置することが望ましい。しかし、撮像に支障がまったくないようにＡＥＣ用センサーをＦＰＤの中央部分に配置することは原理的に困難である。そして、現状では、高品位画像になるほど、ＡＥＣ用センサーの設置による影響が大きくなる。これに対し、ＡＥＣ用センサーの配置位置をＦＰＤの端部にすると、かかる影響は小さくなるが、ＡＥＣに主に必要とされる撮影部分からの情報が得られなくなり、ＡＥＣ用の情報の精度が低く、ＡＥＣ情報としては不十分となる。

また、アクリル板等の導光板を用いると共に、板端部にＡＥＣ用センサーを設置し、導光板を介して中央部分のＸ線量を検出する方法もある。しかし、この方法では、光減衰等の影響があるため、高感度のＡＥＣ用センサーが必要とされる。そこで、一般には、光電子増倍管が用いられているが、被写体の吸収の大小や管電圧の大小によって、ＦＰＤの感度と光電子増倍管の感度とに差異が現れる場合が多く、完全に整合性を得るのは困難である。

一方、ＦＰＤの背面にＡＥＣ用センサーを設置する方法もあるが、ＦＰＤの背面での光吸収及び反射等による減衰により、高感度な光電子増倍管が上述と同様に必要とされる。このため、導光板を用いた場合と同様の問題がある。更に、放射線撮像装置のコストの上昇、大型化及び重量化等の問題もある。

特許第３０６６９４４号公報 米国特許第６０７５２５６号明細書 米国特許第６２８８４３５号明細書 ザ・ソサイアティ・オブ・フォト−オプティカル・インスツルメンテーション・エンジニアズ（the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Ｖｏｌ．２７０８ Ｐ．５１１〜Ｐ．５２２）

本発明は、撮像のための十分な受光量を確保することができると共に、ＡＥＣを適切に行うことができる放射線検出装置及び放射線検出システムを提供することを目的とする。

本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

本発明に係る放射線検出装置は、複数の第１の光電変換素子と、前記第１の光電変換素子に接続された複数のスイッチ素子と、前記複数のスイッチ素子のオン／オフを切り替える信号が伝達される駆動配線と、前記駆動配線の上方に形成された第２の光電変換素子と、前記第１の光電変換素子及び前記第２の光電変換素子に接続されたバイアス線と、を有し、前記第１の光電変換素子及び前記第２の光電変換素子は、同一の基板に形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る放射線検出システムは、上記の放射線検出装置と、前記放射線検出装置に向かって放射線を照射する放射線照射源と、前記第２の光電変換素子からの出力を演算し、予め設定されている設定値と比較し、前記放射線照射源による放射線の照射を停止させるか否かの判定を行う判定手段と、前記判定手段による判定の結果に基づいて前記放射線照射源に放射線の照射を停止させる放射線遮断手段と、前記放射線照射源が放射線の照射を停止した後に前記第１の光電変換素子からの出力を画像情報として読み出す読み出し手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、第２の光電変換素子が駆動配線の上方に形成されているため、第１の光電変換素子の開口率は、第２の光電変換素子の影響をほとんど受けない。従って、第１の光電変換素子を撮像に用い、第２の光電変換素子をＡＥＣに用いれば、撮像に際して十分な受光量を確保することができる。また、第１の光電変換素子の開口率は全体にわたって実質的に均一にすることが可能である。このため、開口率に変動がある場合に必要とされる出力補正が不必要となる。また、第１の光電変換素子と第２の光電変換素子とが同一の基板に形成されているため、コストの削減、精度の向上、撮像に必要とされる以上の放射線曝射の低減を実現することも可能である。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る放射線検出装置の回路構成を示す等価回路図である。図１には、４行４列（１６個）の画素が設けられている例を示すが、画素の数はこれに限定されるものではない。また、本明細書では、便宜上、バイアス線が延びる方向に並ぶ画素の配列を列、それに直交する方向（ゲート配線が延びる方向）に並ぶ画素の配列を行という。

本実施形態においては、画素毎に、ＭＩＳ型の撮像用光電変換素子（第１の光電変換素子）１０１及びスイッチング用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：スイッチ素子）１０３が基板１１１に設けられている。また、列方向で隣り合う２個の撮像用光電変換素子１０１間に、ＡＥＣ制御用のＭＩＳ型のモニタ用光電変換素子（第２の光電変換素子）１０２が選択的に設けられている。具体的には、図１中の上から第２行目で左から第２列目及び第３列目の２個の画素に設けられた撮像用光電変換素子１０１と、第３行目で第２列目及び第３列目の２個の画素に設けられた撮像用光電変換素子１０１との間に、１個ずつモニタ用光電変換素子１０２が設けられ、更に、第３行目で第２列目及び第３列目の２個の画素に設けられた撮像用光電変換素子１０１と、第４行目で第２列目及び第３列目の２個の画素に設けられた撮像用光電変換素子１０１との間に、１個ずつモニタ用光電変換素子１０２が設けられている。つまり、総計で４個のモニタ用光電変換素子１０２が設けられている。従って、４個のモニタ用光電変換素子１０２は、撮像用光電変換素子１０１に取り囲まれるようにして配置されている。

撮像用光電変換素子１０１及びモニタ用光電変換素子１０２にはバイアス線Ｖｓが接続されている。バイアス線Ｖｓはバイアス回路１０８に接続されており、画素の列毎に分岐している。

また、図１の左から第ｂ列目（ｂ＝１、２、３、４）の画素に設けられた４個のスイッチング用ＴＦＴのソース・ドレイン電極の一方は、信号線（第１の信号線）Ｓｂに接続されている。信号線Ｓ１〜Ｓ４は信号処理回路１０７に接続されている。更に、第２列目の画素間に設けられた２個のモニタ用光電変換素子１０２には、スイッチング素子を介することなく信号線（第２の信号線）Ｍ１が接続され、第３列目の画素間に設けられた２個のモニタ用光電変換素子１０２には、スイッチング素子を介することなく信号線（第２の信号線）Ｍ２が接続されている。信号線Ｍ１及びＭ２も信号処理回路１０７に接続されている。信号処理回路１０７には、例えば増幅器、マルチプレクサ及びＡ／Ｄ変換器等が設けられている。

また、図１の上から第ａ行目（ａ＝１、２、３、４）の画素に設けられた４個のスイッチング用ＴＦＴ１０３のゲート電極（駆動電極）は、ゲート配線（駆動配線）Ｇａに接続されている。ゲート配線Ｇ１〜Ｇ４は駆動回路１０６に接続されている。駆動回路１０６には、例えばシフトレジスタが設けられている。

次に、画素の平面構成及び断面構成について説明する。図２は、第１の実施形態における図１中の領域１０４のレイアウトを示す平面図であり、図３は、第１の実施形態における図１中の領域１０５のレイアウトを示す平面図である。また、図４は、図２中のＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、図５は、図２中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、図６は、図３中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

撮像用光電変換素子１０１及びモニタ用光電変換素子１０２を含む領域１０４においては、図２、図４及び図５に示すように、絶縁基板１上に行方向に延びるゲート配線２が形成され、ゲート配線２を覆うようにしてゲート絶縁膜４が形成されている。ゲート配線２は図１中のゲート配線Ｇ１〜Ｇ４に相当する。ゲート配線２の一部は、図２の下方向に延出しており、この部分がスイッチング用ＴＦＴ１０３のゲート電極３となっている。ゲート絶縁膜４上には、ゲート電極３と整合するようにして半導体層５（スイッチング用ＴＦＴ１０３のチャネル）が形成されている。半導体層５上には、ソース・ドレイン用のオーミックコンタクト層６が形成されている。また、ゲート絶縁膜４上には、列方向に延びる信号線８及び９が形成されており、信号線８の一部は、図２の左方向に一方のオーミックコンタクト層６上まで延出しており、この部分がスイッチング用ＴＦＴ１０３のソース・ドレイン電極７の一方となっている。信号線８は図１中の信号線Ｓ１〜Ｓ４に相当し、信号線９は信号線Ｍ１及びＭ２に相当する。ゲート絶縁膜４上には、更に、他方のオーミックコンタクト層６まで延出するソース・ドレイン電極７の他方が形成されている。そして、これらの電極等を覆う層間絶縁膜１０が形成されている。

層間絶縁膜１０には、図４に示すように、信号線９まで到達するコンタクトホール、及び、図５に示すように、信号線８とは一体化していない方のソース・ドレイン電極７まで到達するコンタクトホールが形成されている。信号線９まで到達するコンタクトホールは、ゲート配線２の上方に位置する。そして、層間絶縁膜１０上に、画素内に拡がる撮像用光電変換素子１０１の下電極１１、及びゲート配線２の上方に拡がるモニタ用光電変換素子１０２の下電極１２が形成されている。下電極１１はコンタクトホールを介してソース・ドレイン電極７に接続され、下電極１２はコンタクトホールを介して信号線９に接続されている。そして、これらの下電極１１及び１２を覆う絶縁層１３が層間絶縁膜１０上に形成されている。

絶縁層１３上には、下電極１１と整合するようにして撮像用光電変換素子１０１の半導体層１４が形成され、下電極１２と整合するようにしてモニタ用光電変換素子１０２の半導体層１５が形成されている。更に、半導体層１４及び１５上には、夫々撮像用光電変換素子１０１のオーミックコンタクト層１６、モニタ用光電変換素子１０２のオーミックコンタクト層１７が形成されている。オーミックコンタクト層１６及び１７上には、図２に示すように、平面視で信号線８及び９の間で列方向に延びるバイアス線１８が形成されている。バイアス線１８は図１中のバイアスＶｓに相当する。そして、全面に保護層１９が形成され、この保護層１９上に、接着剤を用いて、ＧＯＳ又はＣｓＩ等からなる蛍光体層（図示せず）が貼り付けられている。

一方、撮像用光電変換素子１０１を含むが、モニタ用光電変換素子１０２を含まない領域１０５においては、図３及び図６に示すように、ゲート配線２の上方の構成が領域１０４のものと相違している。なお、撮像用光電変換素子１０１を含むが、モニタ用光電変換素子１０２を含まない領域には、図３及び図６とは異なり、信号線９を含むものもある。つまり、モニタ用光電変換素子１０２と信号処理回路１０７との間の領域では、モニタ用光電変換素子１０２が含まれていなくても信号線９は存在する。

ここで、上述のように構成された第１の実施形態に係る放射線検出装置の動作について説明する。

本実施形態に係る放射線検出装置は間接型のＸ線検出装置であり、照射されたＸ線は蛍光体層により、可視光に変換される。そして、可視光がＦＰＤ内の各画素に入射し、撮像用光電変換素子１０１及びモニタ用光電変換素子１０２によって、入射光量に応じた量の電荷に変換される。

そして、モニタ用光電変換素子１０２による光電変換で生成された電荷は、そのまま信号線９（信号線Ｍ１及びＭ２）を介して信号処理回路１０７に流れ込む。信号処理回路１０７は、各信号線９の出力値を演算して、予め設定されている設定値と比較し、この設定値に達した時にＸ線曝射を停止させる。なお、各信号線９からの読み出しが終了した後には、増幅器側からリセット動作が行われる。

一方、撮像用光電変換素子１０１による光電変換で生成された電荷は、一旦撮像用光電変換素子１０１に蓄積される。そして、Ｘ線の曝射が停止された後、シフトレジスタ等の駆動回路１０６により、ゲート配線２（ゲート配線Ｇ１〜Ｇ４）が順次駆動されると、スイッチング用ＴＦＴ１０３が順次オンになり、撮像用光電変換素子１０１に蓄積されていた電荷は、各信号線８（信号線Ｓ１〜Ｓ４）を介して信号処理回路１０７に流れ込む。そして、信号処理回路１０７による処理が行われ、画像情報が得られる。この画像情報は、必要に応じて他の回路等に転送される。

このように構成された本実施形態では、撮像用光電変換素子１０１とＡＥＣに用いるモニタ用光電変換素子１０２とが同一基板上に形成されているため、ＡＥＣ用センサーを別体で設置する必要がなくなり、放射線検出装置を小型化することができ、また回路構成も簡易化することも可能である。

また、モニタ用光電変換素子１０２はスイッチング用ＴＦＴ１０３のゲート配線２の上方に位置しているため、図２乃至図６に示すように、領域１０４に含まれる撮像用光電変換素子１０１の開口率（図２参照）が、領域１０５に含まれる撮像用光電変換素子１０１の開口率（図３参照）よりも小さくなることはなく、十分な受光量が得られる。従って、放射線検出装置の全面にわたって撮像用光電変換素子１０１の開口率を高く維持しながら、ＡＥＣで用いるモニタ用光電変換素子１０２を任意の位置に配置することができる。

なお、モニタ用光電変換素子１０２とゲート配線２との間の寄生容量については、層間絶縁膜１０が存在しているため、影響のない程度まで引き下げることができる。

更に、撮像用光電変換素子１０１とモニタ用光電変換素子１０２とが絶縁基板１を基準として同一の高さに形成されており、それらのＭＩＳ構造も同一である。即ち、ＡＥＣに用いるモニタ用光電変換素子１０２の積層構造と画像情報の取得に用いる撮像用光電変換素子１０１の積層構造とが同一である。具体的には、撮像用光電変換素子１０１は、層間絶縁膜１０上に形成された、下電極１１、絶縁層１３、半導体層１４及びオーミックコンタクト層１６を備えており、モニタ用光電変換素子１０２は、層間絶縁膜１０上に形成された、下電極１２、絶縁層１３、半導体層１５及びオーミックコンタクト層１７を備えている。そして、下電極１１と下電極１２とが同一の材料から形成され、半導体層１４と半導体層１５とが同一の材料から形成され、オーミックコンタクト層１６とオーミックコンタクト層１７とが同一の材料から形成されている。

このため、モニタ用光電変換素子１０２の感度と撮像用光電変換素子１０１の感度とを面積比で比較することが可能であり、ＡＥＣが容易になり、画質が安定する。この結果、被写体の吸収の差異や撮影条件の差異に拠らず、最適濃度の画像の取得が可能となる。即ち、ＡＥＣ用の信号線９を直結して、撮像用光電変換素子１０１と略同一面積の出力を得ることも可能である。なお、光電変換素子１０１及び１０２の構造はＭＩＳ型に限定されるものではなく、ＰＩＮ型であってもよい。

本実施形態では、スイッチング用ＴＦＴ１０３は撮像用光電変換素子１０１及びモニタ用光電変換素子１０２よりも絶縁基板１側に形成されており、そのＭＩＳ構造は撮像用光電変換素子１０１及びモニタ用光電変換素子１０２のものとは相違している。

次に、図１乃至図６に示す第１の実施形態を応用した大面積のＦＰＤについて説明する。図７は、第１の実施形態を応用した大面積のＦＰＤの平面構成を示すレイアウト図である。

図７に示すＦＰＤでは、ＦＰＤパネル３００内に、行方向及び列方向に２５６０個ずつ１６０μｍのピッチで配列した総計で６５５３６００個の画素から構成された画素アレイ３０１が設けられている。画素アレイ３０１は、２５６×２５６画素からなる１０×１０個の画素領域に区画されており、このうちの３個がＡＥＣ用画素領域３０２〜３０４となっている。ＡＥＣ用画素領域３０２〜３０４には、撮像用光電変換素子１０１及びモニタ用光電変換素子１０２が混在しているのに対し、その他の画素領域には、撮像用光電変換素子１０１だけが設けられ、モニタ用光電変換素子１０２は設けられていない。

ＦＰＤパネル３００の一端部には、１０列の画素領域に対し、列毎に画像読み取り用ＡｍｐＩＣ３１２が接続され、他の一端部には、１０行の画素領域に対し、行毎にドライバＩＣ３１４が接続されている。そして、１０個の画像読み取り用ＡｍｐＩＣ３１２が単一の画像信号処理回路３１１に接続され、１０個のドライバＩＣ３１４が単一の駆動回路３１３に接続されている。また、画像読み取り用ＡｍｐＩＣ３１２が接続された端部と対向する端部には、ＡＥＣ用画素領域３０２〜３０４が存在する３列の画素領域に対し、列毎にＡＥＣ用ＡｍｐＩＣ３１６が接続され、３個のＡＥＣ用ＡｍｐＩＣ３１６が単一のＡＥＣ信号処理回路３１５に接続されている。本例では、画像信号処理回路３１１及びＡＥＣ信号処理回路３１５が図１中の信号処理回路１０７に相当し、駆動回路３１３が図１中の駆動回路１０６に相当する。

即ち、本例のＦＰＤでは、アンプ側及びドライバ側のいずれにおいても２５６ビット処理ＩＣが用いられている。また、画像読み取り用ＡｍｐＩＣ３１２及びＡＥＣ用ＡｍｐＩＣ３１６は負荷容量Ｃｆと光電変換素子の容量Ｃとの比により増幅される電荷読出し型である。

このように構成されたＦＰＤでは、上述のように、画像読み取り用ＡｍｐＩＣ３１２並びにドライバＩＣ３１４が２５６画素毎に設けられ、ＡＥＣ用画素領域３０２〜３０４の基本単位が２５６×２５６画素である。このため、画像読み取り用ＡｍｐＩＣ３１２の基本単位とＡＥＣ用ＡｍｐＩＣ３１６の基本単位が統一されている。

次に、ＦＰＤを備えた放射線検出システムの動作について説明する。この放射線検出システムの動作は、第１の実施形態に係る放射線検出装置の動作と同様である。図１０は、放射線検出システムの動作を示すフローチャートである。

先ず、Ｘ線照射源（放射線照射源）がＸ線の照射を開始し（ステップＳ１）、撮像用光電変換素子１０１に画像情報が蓄積される。同時に、モニタ用光電変換素子１０２にも同様に電荷が蓄積される。

そして、モニタ用光電変換素子１０２の電荷の読み込みまでの時間を一定時間（Ｔｍｓｅｃ）としておき、この時間が経過すると、その出力信号（電荷）について、増幅及びＡ／Ｄ変換の処理を行う。更に、読み込んだ出力信号を加算した後、平均化する（ステップＳ２）。

その後、予め設定された設計値Ｂを平均出力Ａで除算し（ステップＳ３）、この商Ｃに基づいてＸ線曝射時間を推定及び算出して、Ｘ線照射を停止する信号をＸ線照射源に出力する（ステップＳ４）。このとき、モニタ用光電変換素子１０２の読み込み時間（Ｔｍｓｅｃ）は、実際のＸ線曝射時間に比較して、１／１０程度以下の時間に設定することが駆動上好ましい。

そして、Ｘ線の照射が終了した後、撮像用光電変換素子１０１から画像情報として出力信号（電荷）を読み出す。信号線９のリセットは、撮像用光電変換素子１０１への影響を最小限とするため、撮像用光電変換素子１０１の出力後に行われることが望ましい。

ここで、ＡＥＣ用画素領域におけるモニタ用光電変換素子１０２の配置の例について説明する。図８は、ＡＥＣ用画素領域の第１の例を示す模式図であり、図９−１及び図９−２は、ＡＥＣ用画素領域の第２の例を示す模式図である。いずれの例も、行方向及び列方向に２５６個の画素が配列してＡＥＣ用画素領域が構成されている。

第１の例では、ＡＥＣ用画素領域の１本の対角線に沿って、撮像用光電変換素子１０１及びモニタ用光電変換素子１０２を含む２５６個の領域１０４が配列しており、その他の領域は撮像用光電変換素子１０１のみを含む領域１０５となっている。第１の例では、寄生容量の増加を回避するために当該ＡＥＣ用画素領域内において１本のゲート配線２の上方に形成されるモニタ用光電変換素子１０２の数を１個にしつつ、可能な限り大きな領域で放射線量を計測するために、領域１０４が対角線に沿って配置されているが、寄生容量の多少の増加を許容して領域１０４がＡＥＣ用画素領域に含まれる全ての画素に対応して配置してもよい。

第２の例は、ゲート配線２を共有する２個のＡＥＣ用画素領域（例えば図７中のＡＥＣ用画素領域３０２及び３０３）に組み合わせて用いられる。一方のＡＥＣ用画素領域では、図９−１に示すように、１本の対角線に沿って、領域１０４と領域１０５とが交互に配列している。従って、この対角線上には、１２８個の領域１０４及び１２８個の領域１０５が存在している。そして、他方のＡＥＣ用画素領域では、図９−２に示すように、前記一方のＡＥＣ用画素領域において領域１０４が存在する領域に領域１０５が存在し、前記一方のＡＥＣ用画素領域において領域１０５が存在する領域に領域１０４が存在している。即ち、２個のＡＥＣ用画素領域間で、領域１０４の位置と領域１０５の位置とが入れ替わっている。

上述のように、ゲート配線２とモニタ用光電変換素子１０２との間には層間絶縁膜１０が形成されているため、それらの間の寄生容量は極めて低いが、１本のゲート配線２に寄生するモニタ用光電変換素子１０２との間の寄生容量は、当該ゲート配線２と平面視で重なり合うモニタ用光電変換素子１０２の数が多いほど大きくなる。これに対し、第２の例によれば、１本のゲート配線２の上方に位置するモニタ用光電変換素子１０２の数は１個となるので、最低限のレベルに抑えることができる。また、第２の例では、１本の信号線９に接続されるモニタ用光電変換素子１０２の数は１個である。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、画素の平面構成及び断面構成が第１の実施形態と相違している。以下、主にこの相違点について説明する。図１１は、第２の実施形態における図１中の領域１０４のレイアウトを示す平面図であり、図１２は、第２の実施形態における図１中の領域１０５のレイアウトを示す平面図である。また、図１３は、図１１中のＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、図１４は、図１１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。

本実施形態では、図１１乃至図１４に示すように、スイッチング用ＴＦＴ１０３とモニタ用光電変換素子１０２とが同一のＭＩＳ構造で構成されている。即ち、スイッチング用ＴＦＴ１０３は、層間絶縁膜２０上に順次形成された、ゲート電極３、ゲート絶縁膜４、半導体層５、オーミックコンタクト層６及びソース・ドレイン電極７を備えており、モニタ用光電変換素子１０２は、層間絶縁膜２０上に形成された、下電極３０、ゲート絶縁膜４、半導体層２１、オーミックコンタクト層２２及び導電材２６を備えている。そして、ゲート電極３と下電極３０とが同一の材料から形成され、半導体層５と半導体層２１とが同一の材料から形成され、オーミックコンタクト層６とオーミックコンタクト層２２とが同一の材料から形成され、ソース・ドレイン電極７と導電材２６とが同一の材料から形成されている。一方、撮像用光電変換素子１０１のＭＩＳ構造は、これらとは相違している。

なお、本実施形態では、ゲート電極３は、ゲート配線２の上にゲート配線２とは独立した別の層として形成されている。また、導電材２６とバイアス線１８との間には、薄い導電膜２７が形成されている。

このように構成された第２の実施形態では、ゲート配線２の厚さについては、ゲート電極３の厚さを考慮する必要がなく、ゲート配線２を厚膜化することが可能である。逆に、ゲート電極３の厚さについては、ゲート配線２の抵抗を考慮する必要がなく、ゲート電極３を薄膜化することが可能である。このため、ゲート配線２の低抵抗化を実現することができると共に、ゲート絶縁膜４を薄膜化できるため、スイッチ用ＴＦＴ１０３の駆動能力が向上する。

また、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、モニタ用光電変換素子１０２はスイッチ用ＴＦＴ１０３のゲート配線２の上方に配置されているため、画像情報を取得するための撮像用光電変換素子１０１の開口率が、領域１０４と領域１０５との間で、実質的に等しい。従って、モニタ用光電変換素子１０２の存在により開口率が低下することはない。

更に、本実施形態において、撮像用光電変換素子１０１がＰＩＮ型ＰＤから構成されていてもよい。図１５は、ＰＩＮ型ＰＤから構成された撮像用光電変換素子１０１の構造を示す断面図である。この撮像用光電変換素子１０１では、層間絶縁膜１０上に、下電極１１、ｎ型半導体層２３、半導体層２４及びｐ型半導体層２５が順次形成されている。

このように、第２の実施形態では、モニタ用光電変換素子１０２と撮像用光電変換素子１０１とで積層構造が相違していることを利用して、撮像用光電変換素子１０１の構造をＰＩＮ型ＰＤ等に自由に選択することができる。

次に、モニタ用光電変換素子１０２により得られた電荷（出力信号）の読み込み方法の例について説明する。図１６は、ＡＥＣ用の３読み出しラインの構成を示す等価回路図である。また、図１７は、各端子の信号の概略を示すタイミングチャートである。

図１６に示す例では、ＦＰＤ基板１００上に、複数個の光電変換素子１０２が形成され、３個の光電変換素子１０２毎にＡｍｐＴＦＴ２０２及びリセットＴＦＴ２０５が接続されている。リセットＴＦＴ２０５の他端には、端子Ｖｒｂが接続され、リセットＴＦＴ２０５のゲートには端子Ｖｒａが接続されている。また、各ＡｍｐＴＦＴ２０２の一端には転送ＴＦＴ２０１が接続されている。転送ＴＦＴ２０１のゲートには端子Ｖｔａが接続され、他端には端子Ｖｔｂが接続されている。更に、ＡｍｐＴＦＴ２０２の他端には、夫々負荷抵抗２０３及び電圧読み出し増幅器２０４が接続されている。ここでは、３ラインが、Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域のモニタ用光電変換素子１０２を領域毎に共通接続されて読み出しが行われる。なお、各領域は、撮像用光電変換素子１０１とモニタ用光電変換素子１０２とが混在する１個のＡＥＣ用画素領域が３分割されたときの分割後の３個の領域に相当していてもよく、また、ＡＥＣ用画素領域が３個存在するときの３個のＡＥＣ用画素領域に相当していてもよい。

読み出しの際には、端子Ｖｔｂに一定電位が与えられ、モニタ用光電変換素子１０２に蓄積された電荷は、端子Ｖｔａがオンになると、端子Ｖｏに出力が現れる。そして、端子Ｖｏの出力値を一定のサンプリング時間で読み出して演算した後、設定値と比較し、Ｘ線照射を停止する信号を出力する。その後、端子Ｖｒａからリセット電圧を供給すると、リセットＴＦＴ２０５がオンとなり、モニタ用光電変換素子１０２がリセットされる。その後、順次画像の読み出しを行う。なお、モニタ用光電変換素子１０２のリセットは、画素読出し後に実施されることが望ましい。

この例は、適正なＸ線曝射量を得るためのフォトタイマに関するものであるが、Ｘ線モニタとして使用することも可能である。通常、Ｘ線モニタは、Ｘ線の照射が終了したことを検出するものであり、従来、フォトタイマと同様に別体で設置されており、機能的には、その信号に基づいてＦＰＤの画像読み出し動作が開始される。本例では、端子Ｖｏに現れる出力値の変化、例えば、増加率ΔＶを算出し、ΔＶ＝０でＸ線照射終了の信号とすることも可能である。

本発明の実施形態は、例えばコンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。また、プログラムをコンピュータに供給するための手段、例えばかかるプログラムを記録したＣＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体又はかかるプログラムを伝送するインターネット等の伝送媒体も本発明の実施形態として適用することができる。また、上記のプログラムも本発明の実施形態として適用することができる。上記のプログラム、記録媒体、伝送媒体及びプログラムプロダクトは、本発明の範疇に含まれる。

本発明の第１の実施形態に係る放射線検出装置の回路構成を示す等価回路図である。 第１の実施形態における図１中の領域１０４のレイアウトを示す平面図である。 第１の実施形態における図１中の領域１０５のレイアウトを示す平面図である。 図２中のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 図２中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図３中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 第１の実施形態を応用した大面積のＦＰＤの平面構成を示すレイアウト図である。 ＡＥＣ用画素領域の第１の例を示す模式図である。 ＡＥＣ用画素領域の第２の例を示す模式図である。 同じく、ＡＥＣ用画素領域の第２の例を示す模式図である。 放射線検出システムの動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態における図１中の領域１０４のレイアウトを示す平面図である。 第２の実施形態における図１中の領域１０５のレイアウトを示す平面図である。 図１１中のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 図１１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 ＰＩＮ型ＰＤから構成された撮像用光電変換素子１０１の構造を示す断面図である。 ＡＥＣ用の３読み出しラインの構成を示す等価回路図である。 各端子の信号の概略を示すタイミングチャートである。 従来の放射線検出装置に利用される一般的な光センサーアレーの構成を示す模式的な等価回路図である。

符号の説明

１：絶縁基板
２：ゲート配線
３：ゲート電極
４：ゲート絶縁膜
５：ＴＦＴの半導体層
６：ＴＦＴのオーミックコンタクト層
７：ソース・ドレイン電極
８：第１の信号線
９：第２の信号線
１０：層間絶縁層
１１：撮像用光電変換素子の下電極
１２：モニタ用光電変換素子の下電極
１３：絶縁層
１４：撮像用光電変換素子の半導体層
１５：モニタ用光電変換素子の半導体層
１６：撮像用光電変換素子のオーミックコンタクト層
１７：モニタ用光電変換素子のオーミックコンタクト層
１８：バイアス線
１９：保護層
２０：層間絶縁膜
２１：モニタ用光電変換素子の半導体層
２２：モニタ用光電変換素子のオーミックコンタクト層
２３：撮像用光電変換素子のｎ型半導体層
２４：撮像用光電変換素子の半導体層
２５：撮像用光電変換素子のｐ型半導体層
２６：導電材
２７：導電膜
３０：モニタ用光電変換素子の下電極
１００：ＦＰＤ基板
１０１：撮像用光電変換素子
１０２：モニタ用光電変換素子
１０３：スイッチ用ＴＦＴ
１０４、１０５：領域
１０６：駆動回路
１０７：信号処理回路
１０８：バイアス回路
１１１：基板
２０１：転送ＴＦＴ
２０２：Ａｍｐ ＴＦＴ
２０３：負荷抵抗
２０４：電圧読み出し増幅器
２０５：リセットＴＦＴ
３００：ＦＰＤパネル
３０１：画素アレイ
３０２〜３０４：ＡＥＣ用領域
３１１：画像信号処理回路
３１２：画像読み取り用ＡｍｐＩＣ
３１３：駆動回路
３１４：ドライバＩＣ
３１５：ＡＥＣ信号処理回路
３１６：ＡＥＣ用ＡｍｐＩＣ
Ｖｓ１〜Ｖｓ３：バイアス線
Ｇ１〜Ｇ４：ＴＦＴ駆動用ゲート配線
Ｓ１〜Ｓ４：第１の信号線
Ｍ１〜Ｍ２：第２の信号線

Claims (5)

1. 複数の第１の光電変換素子と、
   前記第１の光電変換素子に接続された複数のスイッチ素子と、
   前記複数のスイッチ素子のオン／オフを切り替える信号が伝達される駆動配線と、
   前記駆動配線の上方に形成された第２の光電変換素子と、
   前記第１の光電変換素子及び前記第２の光電変換素子に接続されたバイアス線と、
   を有し、
   前記第１の光電変換素子及び前記第２の光電変換素子は、同一の基板に形成されていることを特徴とする放射線検出装置。
2. 前記複数の第１の光電変換素子はアレイ状に配列しており、
   前記駆動配線は、前記第１の光電変換素子の行又は列毎に１本ずつ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
3. 前記第１の光電変換素子の集合を複数の画素領域に分割したとき、
   前記複数の画素領域には、前記第２の光電変換素子を含む画素領域と、前記第２の画素領域を含まない画素領域が含まれていることを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線検出装置。
4. 前記スイッチ素子の前記第１の光電変換素子とは反対側の端子に接続された第１の信号線と、
   前記第２の光電変換素子の前記バイアス線とは反対側の端子に接続された第２の信号線と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射線検出装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の放射線検出装置と、
   前記放射線検出装置に向かって放射線を照射する放射線照射源と、
   前記第２の光電変換素子からの出力を演算し、予め設定されている設定値と比較し、前記放射線照射源による放射線の照射を停止させるか否かの判定を行う判定手段と、
   前記判定手段による判定の結果に基づいて前記放射線照射源に放射線の照射を停止させる放射線遮断手段と、
   前記放射線照射源が放射線の照射を停止した後に前記第１の光電変換素子からの出力を画像情報として読み出す読み出し手段と、
   を有することを特徴とする放射線検出システム。

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