JP2005318242A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静止画像の画質を落とすことなく動画撮影のフレームレート向上及び画質の向上を図ることができる撮像装置を提供すること。
【解決手段】光電変換素子と、光電変換素子が出力する信号を任意のタイミングで増幅回路に転送するスイッチング素子とを組み合わせて成る画素を２次元状に配置して成る２次元センサーに、垂直駆動回路及びスイッチング素子から２次元センサー上に配置された信号線を介して出力される電気信号を増幅する信号増幅回路及び光電変換素子が光電変換するのに必要な電圧を供給する電源と、スイッチング素子を制御するために必要な電圧を供給する電源とを接続して成る撮像装置において、２次元センサー及び信号増幅回路及び垂直駆動回路に供給する電源は出力端に２つ以上のカットオフ周波数を切り替えることができる低域カットオフ回路（ローパスフィルタ）を持つことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、医療用放射線撮像装置に関する。

近年、半導体技術の進歩により光を電気信号へ変換する光電変換装置を用いたデジタルＸ線撮像装置が実用化され普及している。

デジタルＸ線撮像装置は、フィルム式より優れた感度や画質を有し、又、デジタルデータにより画像が保存されるため、撮影後に各種の画像処理を行いより診断し易い画像に加工できる、画像管理が容易である等の利点がある。又、画像データをネットワークを利用し転送する遠隔診断等の新たな医療サービスが可能である。

これらの利点を持つデジタルＸ線撮像装置を用いれば、診断精度の向上や、診断の効率化、新たな医療サービスへの展開等、従来のＸ線撮像装置に比べて質の高い医療サービスを提供することができる。

デジタルＸ線撮像装置の構造は、図１に示すように、蛍光体１０１で人体を透過したＸ線を可視光に変換し、その画像をガラス基板上にアモルファスシリコンプロセスを用いて作られる２次元センサー１０３によって等倍で読み取る。

図１に図示した２次元センサーでは、蛍光体が発した人体の情報を担った光を電気信号へと変換・蓄積する光電変換素子と、垂直駆動回路によって駆動されるスイッチング素子を２次元的に配置したものである。スイッチング素子から出力された電気信号は、信号増幅回路１０４で増幅された後、中継基板１２３を介して制御基板１２４へ送られ、Ａ／Ｄコンバータ１０６でデジタル信号へ変換される。

ここで、制御基板は、信号増幅器や垂直駆動回路へ２次元センサーを駆動するための制御信号を送る制御用コンピュータの他、２次元センサー、垂直駆動回路、信号増幅回路で必要な電源を作るレギュレータを内包している。

又、中継基板は、信号増幅回路及び２次元センサーへ動作に必要な電圧を供給する低ノイズ電源を内包している。

Ａ／Ｄコンバータでデジタル信号へ変換された画像データは、画像処理装置１０９に送られ、診断に適した画像に処理されモニター１１８へ表示される。又、画像はオペレータの操作によってプリンター１１６に出力することもできる。更に、画像データは、コントロールＰＣ内の記録装置１２２や外部記録装置１１７や病院のネットワーク上にある記録装置に適宜保存される。

これらＸ線像撮影装置の制御はコントロールＰＣ１１１によって全て行われ、Ｘ線源１１９との同期やＸ線の制御及び画像の保存、画像の印刷、病院内ネットワークとの接続等もこのコントロールＰＣ１１１で行うことができる。

制御卓１１３は、患者ＩＤの登録、撮影部位の情報入力やＸ線源の設定並びに撮影した画像の画像処理の方法等を入力しコントロールＰＣ１１１に伝える。又、ＦＰＤの動作状態は動作表示灯１２５やモニターによって表示される。

２次元センサーに用いられるスイッチング素子はＴＦＴ(Thin-Film-Transistor)が用いられ、又、光電変換素子にはＭＩＳ(Metal-Insulator-Semiconductor) 型光電変換素子又はＰＩＮ型光電変換素子が用いられている。

これらＴＦＴや光電変換素子はアモルファスシリコンプロセスによって作られる。アモルファスシリコンプロセスは、ＴＦＴや光電変換素子等の能動素子を大面積且つ均一に成膜できることが特徴である。

図２はＭＩＳ型光電変換素子を用いた画素の断面を示したものである。

ＴＦＴ２１９は、ガラス基板２０１上に形成され、ＴＦＴはクロム又はアルミニウム又はアルミニウムの合金から成るゲート電極２０２、アモルファスシリコン窒化膜で形成される絶縁膜２０３、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）によって形成されるチャネル層２０４のチャネル層と金属電極とをオーミックコンタクトを取るためのＮ＋アモルファスシリコン層２０５、アルミニウム又はアルミニウムの合金等の金属によって形成されるソース電極２０６、ドレイン電極２０７から構成される。

ＭＩＳ型光電変換素子２２０は、ガラス基板上にクロム又はアルミニウムやアルミニウムの合金等の金属によって形成されるセンサー下部電極２０９、ＭＩＳ型光電変換素子の絶縁層となる窒化シリコン薄膜から成る絶縁層２１０、水素化アモルファスシリコンによって形成される可視光を電気信号へ変換する光電変換層２１１、光電変換層と電極とのオーミックコンタクトを取り、且つ、センサーバイアス線からの正孔の注入をブロックするＮ＋型アモルファスシリコン層２１２、ＭＩＳ型フォトセンサーに電圧を供給するＩＴＯから成る透明電極３１３及びアルミニウムやクロムで形成されるセンサーバイアス線２１４から構成される。

更に、光電変換素子とＴＦＴを湿度や異物から保護するための保護層２１５、放射線を可視光に変換する蛍光体２１７と蛍光体を接着するための接着層２１６、蛍光体を湿度から保護するための蛍光体保護層２１８から成る。

ＭＩＳ型光電変換素子の動作原理を図３のＭＩＳ型光電変化部のエネルギーバンド図を用いて説明する。

図３（ａ）の状態は、ＭＩＳ型光電変換素子のセンサーバイアス線側に正の電圧を印加した蓄積動作時（光電変換モード）を示している。

光電変換モードでは、光電変換層へ光が照射されると、光電効果によって正孔と電子が発生する。正孔は電界によって絶縁層と光電変換層の界面に、電子はＮ＋アモルファスシリコン層側へと移動する。

このとき、正孔は絶縁層を抜けて移動することができないため、光電変換層−絶縁層界面に蓄積することにより光の照射量や時間に比例した電圧がＭＩＳ型光電変換素子に発生する。光電変換層で発生した電圧をＴＦＴによって任意に読み出すことで画像を得ることができる。

しかしながら、或る一定量の正孔を蓄積すると、図３（ｂ）に示すように光電変換層−絶縁層界面に蓄積した正孔に起因する電圧と、ＭＩＳ型光電変換素子に印加している電圧が等しくなり、光電変換層に電界が発生しなくなる。この状態では光電変換層で発生した正孔は、光電変換層−絶縁層界面に移動できず電子と再結合し消滅してしまう。このような飽和状態では光の照射量や時間に比例した電圧が光電変換素子に発生しなくなる。

よって、飽和状態になったＭＩＳ型光電変換素子では光の照射量や時間に比例した電圧が発生しないため、飽和状態のままでは正常なＸ線画像を得ることができない。

再びＭＩＳ型光電変換素子を図３（ａ）の状態にするためには、センサーバイアス線の電圧を図３（ａ），（ｂ）の状態より低い電圧にして光電変換層−絶縁層界面に蓄積した正孔を掃き出す動作が必要である。この動作をリフレッシュモードと言う。このとき掃き出した正孔の量だけ、光電変換モード時に新たに蓄積できるようになる。つまり、リフレッシュ動作時にセンサーバイアスをより低く設定することで、多くの光が照射されてもセンサーが飽和状態なりにくくすることができる。

しかし、リフレッシュモードから光電変換モードに変わった直後は、リフレッシュ動作時に光電変換素子に注入された電子に起因する電流が流れ、一時的に暗電流が大きくなる。

又、光電変換層へ注入される電子の量は、リフレッシュ時のセンサーバイアスを低くすればするほど多くなる。

よって、リフレッシュモード及び光電変換モードにおけるセンサーバイアスは、光電変換素子がデジタルＸ線撮像装置として望まれるダイナミックレンジと暗電流になるように最適化される。

このＭＩＳ型光電変換素子を用いたＸ線撮像装置では、静止画撮影の他、動画撮影も可能となっている。

特許文献１には、ＭＩＳ型光電変換素子を用いたＸ線撮像装置による動画撮影について開示されている。

上記Ｘ線撮像装置では、動画撮影時のリフレッシュモードをセンサーバイアス線の電圧を切り替える方法を採らず、ＴＦＴのゲート線の電圧変動を用いることで行っている。

この方法を用いることで、1 ライン毎にＭＩＳ型光電変換素子に蓄積した電荷の読み出しとリフレッシュが行うことができ、動画のフレームレート向上が可能である。
特開２００３−０７８１２４号公報

静止画撮影において、デジタルＸ線撮像装置に求められる重要な要素はノイズである。

人体のＸ線画像を診断する際、医者は臓器等に在る病巣が作る僅かな陰影の差を読み取る。よって、臓器のようなＸ線の吸収が多い部分、即ち、２次元センサーへの光照射が少ない部分の画像を読み取るのである。このためノイズの多い画像であると、Ｘ線吸収の多い部分に粒状やスジ状の画像違和感があり微妙な読影が困難になる。

これらのノイズ発生源は主に、信号増幅回路やＡ／Ｄコンバータ、垂直駆動回路、更にこれらに電圧を供給する電源等である。

特に、デジタルＸ線撮像装置の低ノイズ化を実現するためには各電源の低ノイズ化が必要である。

よって、低ノイズ化を計るため、各電源には低域カットオフ回路（ＬＰＦ）出力段に取り付け周波数の高いノイズを除去し、ノイズの少ない理想的な直流電圧を２次元センサーに供給できるようにしている。

一方、動画撮影において、デジタルＸ線撮像装置に求められる重要な要素は１秒間に読み出せる画像の枚数、即ちフレームレートである。

動画像診断に必要なフレームレートは、肺の動きを確認するのに最低限必要な秒４枚程度のフレームレートから、心臓等の動きの速い臓器の動作の診断やＸ線ＣＴのような特殊な用途では秒３０枚程度が必要となる。

故に、フレームレートが高いほど医療分野における応用範囲が広がるため、動画撮影においてフレームレートが重要となっている。

高フレームレートを実現するためには、ＴＦＴの性能向上の他に、電気回路系の帯域を上げることが必要となる。このため、動画撮影が可能なデジタルＸ線撮像装置の電気回路系は必要なフレームレートを実現するため、静止画よりもＬＰＦの帯域を高く設計しなければならない。

特に、特開２００３―７８１２４号公報に記載の放射線撮像システムのように動画撮影時にはＴＦＴをＯＮする電源を切り替えるものは、電圧を切り替える電源部の帯域を十分高く設計し、電源電圧の切り替え時間が短時間で終わるよう設計しなければならない。

以上の理由から、動画撮影が可能なデジタルＸ線撮像装置はフレームレート向上のため静止画に比べノイズが多く画質が悪くなってしまう。

このように、静止画と動画では求められる性能が異なるため、静止画・動画両方を撮影でき、且つ、どちらの画質も静止画と同等のＸ線撮像装置を実現することは困難である。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、静止画像の画質を落とすことなく動画撮影のフレームレート向上及び画質の向上を図ることができる撮像装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、光の強度に応じて電気信号を出力する光電変換素子と、光電変換素子が出力する信号を任意のタイミングで増幅回路に転送するスイッチング素子とを組み合わせてなる画素を２次元状に配置して成る２次元センサーに、スイッチング素子を制御する垂直駆動回路及びスイッチング素子から２次元センサー上に配置された信号線を介して出力される電気信号を増幅する信号増幅回路及び光電変換素子が光電変換するのに必要な電圧を供給する電源と、スイッチング素子を制御するために必要な電圧を供給する電源とを接続して成る撮像装置において、２次元センサー及び信号増幅回路及び垂直駆動回路に供給する電源は出力端に２つ以上のカットオフ周波数を切り替えることができる低域カットオフ回路（ローパスフィルタ）を持つことを特徴とする。

本発明を用いることで、ノイズの少ない静止画とフレームレートの高く且つノイズが少ない動画撮影が可能なデジタルＸ線撮像装置が実現できる。

このデジタルＸ線撮像装置を用いることで動画と静止画を併用した精度の高い診断が可能となり、病巣の早期発見に貢献できる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図４に本発明の実施の形態１の回路図を示す。

図４（ａ）は本実施の形態における２次元センサーの１画素とそれに接続される電気回路系の一部を示したものであり、人体を透過したＸ線が照射された蛍光体が発する可視光を電気信号に変換するＭＩＳ型光電変換素子４０２と、該ＭＩＳ型光電変換素子４０２に蓄積した電気信号を任意のタイミングで出力するためのＴＦＴ４０１、該ＴＦＴ４０１からの電気信号を蓄積するＣｆ具備し、前記電気信号を増幅する信号増幅回路４０７、信号増幅回路の基準電源となるＡｍｐ基準電源４０８、ＭＩＳ型光電変換素子を蓄積モード又はリフレッシュモードにするために必要な電圧を供給するセンサーバイアス源４０３、センサーバイアス源からの電圧をＭＩＳ型光電変換素子に供給するセンサーバイアス線４０６、ＴＦＴのＯＮ／ＯＦＦ又は動画撮影時にＭＩＳ型光電変換素子４０２をリフレッシュモードにするための電源を具備するゲートバイアス源４０４、ゲートバイアス源のＶcom1又はＶVcom2 が出力される出力端にあって、これらの電源に混入するノイズを除去するための低域カットオフ回路（ＬＰＦ）４０５、ＴＦＴのゲート電極に電圧を供給するためのゲート電極４０６から構成されている。

図４（ｂ）はＶcom2からＶcom1への電圧切り替え時のノードＢの応答を示したものである。

ＶＧＣがＨｉとなるとノードＡはＶcom1の電圧からＶcom2の電圧へ切替わる。しかしながら、ＬＰＦが機能している状態（ＦＳＥＬ：Ｌｏ）ではＢのノードはＬＰＦの応答があるため、即座にＶcom2の電圧とならない。

この応答に掛かる時間はＬＰＦを構成している回路定数で決まる。図４（ａ）のように、抵抗ＲとコンデンサＣで構成した１次ＬＰＦでは、ノードＢの電圧が、Ｖcom2の電圧値の９８％となるには４×ＲＣの時間が必要となる。仮に、Ｒ＝１ｋΩ、Ｃ＝１μＦのＬＰＦの場合、応答に５ｍｓｅｃ掛かることになる。

画像へのノイズ混入を極力回避するためには、Ｒ及びＣの数値を大きくして、ＬＰＦ４０５の帯域を低くしなければならない。しかし、上述のように、ＬＰＦの帯域を低く設定しノイズ性能を良くした場合、電源電圧の切り替えに時間が掛かり動画撮影に対応できない。

しかし、本発明の実施の形態を用いれば、電源電圧の切り替え時のみＬＰＦの帯域を上げ、電源電圧切り替えの応答を速くすることができる（ＦＳＥＬ＝Ｈｉのとき）。

更に、ＦＳＥＬを用いて電源電圧の切り替え時のみＬＰＦの帯域を上げ、電源のノイズが画像に混入する信号転送時にはＬＰＦの帯域を下げることで、静止画と同等の画質を得ることができる。

ここで、静止画撮影時はＬＰＦの帯域を下げた状態で使用することは言うまでもない。

図５は図４に示したＭＩＳ型光電変換素子とＴＦＴを３×３のマトリックス状に配置した２次元センサー５０１に、ＴＦＴからの信号を増幅する信号増幅回路４０７、信号増幅回路の出力を一定期間保持するためのサンプルホールド回路５０３、サンプルホールド回路５０３に保持されている電気信号を時系列的読み出すマルチプレキサ回路, マルチプレキサ回路５０４の出力信号をＡ／Ｄコンバータへ送るバッファアンプ５０５、バッファアンプからの出力される、２次元センサーが検知・出力したアナログ信号をデジタル信号へ変換するＡ／Ｄコンバータ５０６、ゲート線にゲートバイアス源の電圧を任意の幅のパルスとして供給する垂直駆動回路４０４、ＭＩＳ型光電変換素子を蓄積モード及びリフレッシュモードにするために必要な電圧を供給するセンサーバイアス源を接続したものである。

図５において、各ＴＦＴのゲート電極は、左右の画素のゲート電極とゲート線Ｖg1又はＶg2又はＶg3と接続されている。更に、ＭＩＳ型光電変換素子の片方の電極はセンサーバイアス線によって共通となっている。

図５において、各ＴＦＴは上下のＴＦＴと信号線Ｓig1
〜Ｓig3 を介して信号増幅回路と接続されている。

ＭＩＳ型光電変換素子に蓄積した電荷を読み出す場合、横１列ずつＴＦＴをＯＮさせ横１ライン毎読み出す方法を用いる。このとき、読み出すライン以外のＴＦＴはＯＦＦする。

垂直駆動回路５０２は、垂直駆動回路に供給される電圧Ｖcom1又はＶcom2とＶssから成る任意の幅の電圧パルスを、接続されているゲート線に順次出力することができる。

Ａ／Ｄコンバータ５０６は、ＭＩＳ型光電変換素子に蓄積され信号増幅回路で増幅した、人体の情報を担ったアナログ信号をデジタル信号に変換するものである。

Ａ／Ｄコンバータのビット数は必要な画像階調に応じて決まる。画像診断に必要な階調を得るためには、１４ｂｉｔ以上のＡ／Ｄコンバータを用いるのが望ましい。

ここで、図５には示していないが、２次元センサー上には図２で示したように蛍光体があるものとする。

図６に動画撮影における駆動タイミングを示す。

以下に、図４と図６の駆動タイミングを用いて本実施例におけるセンサー駆動方法について説明する。

図６ではＸ線の照射の有無を制御名Ｘ−Ｒａｙで示しており、常に照射された状態としている。

本実施例の動画撮影では、横１ライン毎に、ＭＩＳ型光電変換素子に蓄積した電荷の転送を行う準備段階の動作であるリセット動作と、ＭＩＳ型光電変換素子に蓄積した画像情報を担った信号を信号増幅回路４０７に転送する信号転送動作と、ＭＩＳ型光電変換素子に蓄積した電荷を掃き出すリフレッシュ動作の３つの動作を順次行うことで横１ラインの画像情報を得る。

ＭＩＳ型光電変換素子に蓄積した電荷を読み出すには、先ず、制御信号ＲＣをＨｉにして全ての信号増幅回路の容量Ｃｆをリセットする。

この動作によってＣｆに蓄積した不要な電荷をリセットし、信号増幅回路の出力を揃え、又、ゲート線等の電位変動の影響により不安定になっている信号線電位をＡｍｐ基準電源の電圧する。

以上のリセット動作によって信号増幅回路や信号線を、信号を転送するのに最適な状態に、画質を向上させることができる。

十分な時間、Ｃｆをリセットした後、制御信号ＲＣをＬｏにしてリセットを終了し信号転送動作に移る。

ＭＩＳ型光電変換素子に蓄積した電荷を転送する信号転送動作では、垂直駆動回路５０２によって、１本のゲート線をＶssからＶcom1へ切り替えＴＦＴをＯＮする。ＴＦＴがＯＮすると、ＭＩＳ型光電変換素子に蓄積された電荷が信号増幅回路の各Ｃｆへと転送される。

このとき、制御信号ＶＧＣはＬｏであり、ゲートバイアス源４０４は、垂直駆動回路５０２へＶcom1の電圧が供給されるように制御される。

図５に示すように、各画素は横の画素とゲート線を共有しており、例えば、Ｖg1の電圧がＶcom1となると、ＴＦＴ１１〜ＴＦＴ１３がＯＮし、ＭＩＳ型光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ１３に蓄積していた電荷がＡＭＰ１〜ＡＭＰ３へ転送される。

電荷が十分転送されるまでＴＦＴをＯＮした後、ゲート線に印加する電圧をＶssに切り替えてＴＦＴをＯＦＦし信号の転送を終了する。ここで、ＴＦＴをＯＮする時間は、ＭＩＳ型光電変換素子の容量やＴＦＴのＯＮ特性、Ｖcom1の電圧値を考慮し、十分電荷を転送できる時間に設定される。

次に、制御信号ＳＨをＨｉにしサンプルホールド容量ＳＨ１〜ＳＨ３にそれぞれ接続されているＡｍｐ１〜Ａｍｐ３の出力をサンプルホールド容量ＳＨ１〜ＳＨ３へ転送する。制御信号ＳＨは各Ａｍｐが出力している電圧をサンプルホールド容量へ十分転送するまでの間、Ｈｉとなり転送が完了した後、Ｌｏにする。

ＳＨ１〜ＳＨ３へ転送された電気信号は、次（下）のラインの信号転送期間中にマルチプレキサによって時系列的に読み出される。

信号転送動作が終了した後、画素のＭＩＳ型光電変換素子をリフレッシュモードにする。

ＭＩＳ型光電変換素子を図３で図示したリフレッシュモードにするため、制御信号ＶＧＣをＨｉにしてゲートバイアス源から出力される電圧をＶcom2へと切り替える。

上記の動作の直前に制御信号ＦＳＥＬをＨｉにしてＬＰＦの帯域を上げる。こうすることでＬＰＦの応答速度を速くし電圧切り替えに掛かる時間を最小限にすることができる。

次に、制御信号ＲＣをＨｉにして信号増幅回路リセット状態にし、同時に垂直駆動回路８０５によってゲート線にＶcom2の電圧を供給する。

ゲート線にＶocm2が供給された瞬間、図４に図示したＴＦＴのゲート電極とドレイン電極で形成せれる容量Ｃgdによって、ＭＩＳ型光電変換素子のセンサー下部電極２０９のポテンシャルが下がる方へ振られ、ＭＩＳ型光電変換素子はリフレッシュモードになる。

ＭＩＳ型光電変換素子のセンサー下電極の電位変動は、ＭＩＳ型光電変換素子の容量をＣとしたとき、（Ｖcom2―Ｖss）×（Ｃgd／（Ｃ＋Ｃgd））だけ変動する。

この電位変動は、ゲート線の電圧がＶcom2になった瞬間、ＴＦＴがＯＮするため瞬間的である。

しかしながら、Ｖcom2の電圧を適切な電圧に設定することで十分なダイナミックレンジを得ることができる。

ＴＦＴがＯＮしセンサー下部電極２０９のポテンシャルがＶr1と同じになった段階で、リフレッシュ動作が終了する。

リフレッシュ直後は、ＭＩＳ型光電変換素子に流入した電子に起因する電流が発生するので、しばらくＴＦＴをＯＮし続け電流が小さくなった後にＴＦＴをＯＦＦする。

以上の動作によって、横１ラインの信号転送及びリフレッシュが完了する。

動画像を得るには、図５に示した２次元センサーの上（下）のラインから順に上記の動作を行い、全てのラインを読み出す走査を繰り返せば良い。

ここで、駆動タイミング及び電圧は、必要な動画撮影のフレーム数や、ＴＦＴ及びＭＩＳ型光電変換素子の耐圧や特性に合わせて最適化された数値を用いることとする。

本実施例の動画駆動におけるリフレッシュ動作は、ＴＦＴに形成される容量と、ＴＦＴのゲート電圧の電位変動によってＭＩＳ型光電変換素子をリフレッシュするものである。よって、センサーのダイナミックレンジを大きくするためにＶcom2の電圧はできるだけ高くするか、Ｖcom2とＶssの電位差が大きくなるよう設定することが望ましい。

一方、信号転送時も同様に、ＴＦＴのＯＮのときセンサー下部電極２０９が振られるため、Ｖcom1の電圧はなるべく低い値が望ましい。

又、この駆動方法においてＭＩＳ型光電変換素子が蓄積モードを行っている時間は、ほぼフレームレートと同じになる。

1 ラインのリセット動作、信号転送動作、リフレッシュ動作の全ての動作に掛かる時間が５０μｓｅｃで、且つ、１０００×１０００画素の撮像装置の場合、1 フレームの読み出しに掛かる時間５０ｍｓｅｃから１ライン分の信号転送動作、リフレッシュ動作を差し引いた時間となる。よって、この場合、蓄積モードの時間は約５０ｍｓｅｃである。

以上のような動作方法により、高フレームレートで、且つ、ノイズの少ない動画が撮影可能なデジタルＸ線撮像装置を実現できる。

ここで、３×３画素の２次元センサーについて説明したが、本発明における画素数はこれに限定されない。

撮像装置における画素数は画素の大きさと撮像装置に要求される画素エリアによって決まる。１画素が１６０μｍ×１６０μｍで、要求される画素エリアが４３ｃｍ×４３ｃｍの場合、画素数は約２７００×２７００画素となる。

このように、画素数が多い場合、１つの信号増幅回路では全てのラインを賄うことが不可能なので、図１に示すように信号増幅回路を複数個用いる方法が良い。このとき、１個の信号増幅回路内には２００〜３００個Ａｍｐが内包される。

更に、読み出し時間を短縮するため、２次元センサーの上下に信号増幅回路を設け、上の信号増幅回路は上から１３５０ライン、下の信号増幅回路は下から１３５０ライン分の信号を読み出すようにする。

本実施例において、電源のＬＰＦに関して、ＲとＣの１次ＬＰＦを用いたが本発明はこれに限定されない。

＜実施の形態２＞
図７は図５で示した２次元センサーにおいて静止画撮影を行う際の駆動方法を示している。

本実施の形態の静止画撮影では、ＭＩＳ型光電変換素子のリフレッシュ動作、蓄積動作、読み出し動作の３つの動作によって静止画像を取得する。

静止画像を撮影するには、先ず、センサーバイアス源を用いてＭＩＳ型光電変換素子のリフレッシュを行う。

ここで、センサーバイアス源を用いてＭＩＳ型光電変換素子をリフレッシュする理由は、静止画に必要とされる大きなダイナミックレンジを確保するためである。

先ず、制御信号ＶＳＣをＬｏにしてセンサーバイアス線にリフレッシュに最適な電圧Ｖref を供給する。このとき、ＭＩＳ型光電変換素子のバンドダイアグラムはセンサーバイアス線側のポテンシャルとセンサー下部電極２０９のポテンシャルが同時に上がるためリフレッシュモードとならない。

リフレッシュモードにするためは、更に垂直駆動回路によってゲート線にＶcom1を供給しＴＦＴをＯＮさせ、センサー下電極２０９の電位をＶr1にする。このとき、制御信号ＲＣをＨｉ、制御信号Ｖr をＬｏにして信号線の電位をＶr1にするように制御する。

ここで、各画素のＴＦＴをＯＮする方法は図７のように１ライン毎に行う方法と全てのＴＦＴを一斉に開ける方法とがあるが、どちらであっても構わない。

全ての画素をリフレッシュモードにし、且つ、ＴＦＴをＯＦＦした後、制御信号ＶＳＣにして光電変換モードに最適な電圧Ｖs をセンサーに出力する。

このとき、前述のリフレッシュ動作ようにセンサーバイアス線に印加した電圧を変化させただけでは、ＭＩＳ型光電変換素子は光電変換モードに切替わらないので、垂直駆動回路によってＴＦＴをＯＮさせる。

全ての画素をリフレッシュモードにし、且つ、ＴＦＴをＯＦＦすることでリフレッシュ動作が完了する。

リフレッシュ動作が終了した後、蓄積動作に移る。

２次元センサーが蓄積動作に移ると制御卓１１３又は動作表示灯１２５又はモニター１１８にＸ線が曝射可能であることが、オペレータに知らされる。

オペレータによって、Ｘ線曝射スイッチが押されＸ線の曝射が開始し撮影する部位や線量に応じて必要な時間、Ｘ線が照射される。照射量はプログラム／制御ボード１１０が管理し、最適な照射量になるとＸ線の照射を終了する。

Ｘ線の撮影が終了すると同時にＭＩＳ型光電変換素子に蓄積した人体の情報を担った電荷を転送する読み出し動作を行う。

ＭＩＳ型光電変換素子に蓄積した電荷を読み出すには、先ず、制御信号ＲＣをＨｉにして全ての信号増幅回路の容量Ｃｆをリセットする。

リセット動作によって、Ｃｆに蓄積した不要な電荷をリセットし、信号増幅回路の出力を揃える。又、ゲート線等の電位変動の影響により不安定になっている信号線電位をＡｍｐ基準電源の電圧する。

このリセット動作によって信号増幅回路や信号線を、信号を転送するのに最適な状態にし、蓄積動作時にＣｆが蓄積する、人体の情報とは無関係な電気信号が読み取られるのを防ぐ。

ＭＩＳ型光電変換素子に蓄積した電荷を転送する信号転送期間は、先ず、垂直駆動回路５０２によって、ゲート線をＶssからＶcom1へ切り替えＴＦＴをＯＮする。ＴＦＴがＯＮすると、ＭＩＳ型光電変換素子に蓄積された電荷が各信号増幅回路のＣｆへと転送される。

図５に示したように、各画素は横の画素とゲート線を共有しており、例えば、Ｖg1の電圧がＶcom1となると、ＴＦＴ１１〜ＴＦＴ１３がＯＮし、ＭＩＳ型光電変換素子Ｓ１１〜Ｓ１３に蓄積していた電荷がＡＭＰ１〜ＡＭＰ３へ転送される。

電荷が十分転送されるまでＴＦＴをＯＮした後、ゲート線に印加する電圧をＶssに切り替えてＴＦＴをＯＦＦし信号の転送を終了する。ここで、ＴＦＴをＯＮする時間は、ＭＩＳ型光電変換素子の容量やＴＦＴのＯＮ特性、Ｖcom1電圧値を考慮し、十分電荷を転送できる時間に設定される。

次に、制御信号ＳＨをＨｉにし、サンプルホールド容量ＳＨ１〜ＳＨ３にそれぞれ接続されているＡｍｐ１〜Ａｍｐ３の出力をサンプルホールド容量ＳＨ１〜ＳＨ３へ転送する。制御信号ＳＨは各Ａｍｐが出力している電圧をサンプルホールド容量へ十分転送するまでの間、Ｈｉとなり転送が完了した後、Ｌｏに切り替える。

ＳＨ１〜ＳＨ３へ転送された電気信号は、次（下）のラインの信号転送期間中にマルチプレキサによって時系列的に読み出される。

以上の動作を全てのラインに対し行うことで、全ての画素に蓄積した電気信号を転送することができる。

ここで、信号転送動作時は、制御信号ＦＳＥＬをＬｏにし、ＬＰＦの帯域を下げ静止画撮影に最適なノイズ特性が得られるようにする。

以上のように本実施の形態において、動画撮影時と静止画撮影時の違いは駆動方法のみである。従って、図８のように動画駆動から静止画駆動への切り替えが容易に行うことができる。

静止画駆動への切り替えは、オペレータの操作によって動画・静止画切り替えの操作を行うことでなされる。

本実施例のような駆動方法でデジタルＸ線撮像装置を駆動することで、高フレームレート且つ低ノイズの動画像と、低ノイズの静止画像が連続して撮影できる。

ここで、３×３画素の２次元センサーについて説明したが、本発明における画素数はこれに限定されない。

撮像装置における画素数は画素の大きさと撮像装置に要求される画素エリアによって決まる。１画素が１６０μｍ×１６０μｍで、要求される画素エリアが４３ｃｍ×４３ｃｍの場合、画素数は約２７００×２７００画素となる。

このように画素数が多い場合、１つの信号増幅回路では全てのラインを賄うことが不可能であるため、図１に示すように信号増幅回路を複数個用いる方法が良い。このとき１個の信号増幅回路内には２００〜３００個Ａｍｐが内包される。

更に、読み出し時間を短縮するため、２次元センサーの上下に信号増幅回路を設け、上の信号増幅回路は上から１３５０ライン、下の信号増幅回路は下から１３５０ライン分の信号を読み出すようにする。

本発明を用いたデジタルＸ線撮像装置は、人体を透過したＸ線の情報をデジタル信号に変換し、高画質な動画や静止画として出力することができるため、画像診断に好適な撮像装置である。

デジタルＸ線撮像装置の構造 ＭＩＳ型光電変換素子及びＴＦＴの構造 ＭＩＳ型光電変換素子の原理 本発明の実施の形態１における電気回路 本発明の実施の形態１における２次元センサーの回路図 本発明の実施の形態１における動画駆動タイミング 本発明の実施の形態２における静止画駆動タイミング 本発明の実施の形態２における動画・静止画切り替え

符号の説明

１０１ 蛍光体
１０２ 可視光
１０３ ２次元センサー
１０４ 信号増幅回路
１０５ 垂直駆動回路
１０６ Ａ／Ｄコンバータ
１０７ レギュレータ
１０８ 制御用コンピュータ
１０９ 画像処理装置
１１０ プログラム／制御ボード
１１１ コントロールＰＣ
１１２ ＦＰＤ
１１３ 制御卓
１１４ 電源
１１５ Ｘ線源制御卓
１１６ プリンタ
１１７ 外部記憶装置
１１８ モニター
１１９ Ｘ線源
１２０ Ｘ線
１２１ 人体
１２２ 記録装置
１２３ 中継基板
１２４ 制御基板
１２５ 動作表示灯
１２６ ネットワーク
１２７ 低ノイズ電源
２０１ ガラス基板
２０２ ゲート電極
２０３ 絶縁基板
２０４ チャネル層
２０５ Ｎ＋アモルファスシリコン層
２０６ ソース電極層
２０７ ドレイン電極層
２０８ 信号線
２０９ センサー下部電極
２１０ 絶縁層
２１１ 光電変換層
２１２ Ｎ＋アモルファスシリコン層
２１３ 透明電極
２１４ センサーバイアス線
２１５ 保護層
２１６ 接着層
２１７ 蛍光体
２１８ 蛍光体保護層
２１９ ＴＦＴ
２２０ ＭＩＳ型光電変換素子
３０１ 光
３０２ 電子
３０３ 正孔
４０１ ＴＦＴ
４０２ ＭＩＳ型光電変換素子
４０３ センサーバイアス源
４０４ ゲートバイアス源
４０５ ＬＰＦ
４０６ センサーバイアス線
４０７ 信号増幅回路
４０８ Ａｍｐ基準電源
５０１ ２次元センサー
５０２ 垂直駆動回路
５０３ サンプルホールド回路
５０４ マルチプレキサ
５０５ バッファアンプ
５０６ Ａ／Ｄコンバータ

Claims (7)

1. 光の強度に応じて電気信号を出力する光電変換素子と、光電変換素子が出力する信号を任意のタイミングで増幅回路に転送するスイッチング素子とを組み合わせてなる画素を２次元状に配置して成る２次元センサーに、スイッチング素子を制御する垂直駆動回路及びスイッチング素子から２次元センサー上に配置された信号線を介して出力される電気信号を増幅する信号増幅回路及び光電変換素子が光電変換するのに必要な電圧を供給する電源と、スイッチング素子を制御するために必要な電圧を供給する電源とを接続して成る撮像装置であって、
   ２次元センサー及び信号増幅回路及び垂直駆動回路に供給する電源は出力端に２つ以上のカットオフ周波数を切り替えることができる低域カットオフ回路（ローパスフィルタ）を持つことを特徴とする撮像装置。
2. 前記光電変換素子はアルミニウムやクロム又はそれらとの合金等の金属よって形成される第１の電極層と、該第１の電極層上にあって、正負の電荷の両方を遮断する窒化アモルファスシリコンによって形成される第１の絶縁層、第１の絶縁層上にあって、光の量に比例した電荷を生成する水素化アモルファスシリコンによって形成される光電変換層、光電変換層への正の電荷の流入を遮断するＮ＋アモルファスシリコンによって形成されるホールブロッキング層と、ホールブロッキング層上にあって可視光に対し透明なＩＴＯ薄膜によって形成される透明電極層及びアルミニウムやクロム又はそれらとの合金で形成される第２の金属電極層によって形成されるＭＩＳ型光電変換素子であることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記スイッチング素子は、少なくとも絶縁性の基板にアルミニウム又はアルミニウムの合金で形成される第１の電極層と、該第１の電極層上に形成される正負両方の電荷の流入を遮断する、窒化アモルファスシリコン層で形成される第１の絶縁層、並びに前記絶縁層上にアモルファスシリコン層で形成されるチャネル層、前記チャネル層上に形成され、チャネル層とチャネル層上に形成される第２の電極並びに第３の電極とをオーミックコンタクトとるために形成する負の導電性を持つＮ＋アモルファスシリコン層と、該Ｎ＋アモルファスシリコン層上に形成されるアルミニウム又はアルミニウムの合金で形成される第２の電極層並びに第３の電極層から成るスイッチング素子であって、前記ＭＩＳ型光電変換素子と同一プロセスで同時に形成されることを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
4. 前記スイッチング素子のゲート線に印加する電圧の変動とスイッチング素子の既成容量とを用いて光電変換素子に蓄積した電荷を掃き出すリフレッシュ動作と、光電変換素子内に蓄積した電気信号を増幅回路へ転送する転送動作時とでは、スイッチング素子をＯＮするための電圧源に必要に応じて帯域を切り替えることができる低域カットオフ回路を具備することを特徴とする請求項２又は３記載の撮像装置。
5. 光電変換アレイの前面に放射線を可視光に変換する波長変換体を有することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の撮像装置。
6. 前記波長変換体はＧｄ₂Ｏ₂Ｓ、Ｇｄ₂Ｏ₃、ＣｓＩの何れかを主成分とすることを特徴とする請求項５記載の撮像装置。
7. ２次元センサーからの画像信号を処理する画像処理装置と、撮像装置を制御する制御装置とを具備し、Ｘ線動画像並びにＸ線静止画像が撮影可能であることを特徴とする請求項６記載の撮像装置。

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