JP2006128644A - 撮像装置、放射線撮像装置、及び放射線撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】 センサリセット方法を改善し、高速動画読み取りを実現する。
【解決手段】 基板上に行方向および列方向に配置された変換素子と転送用スイッチング素子を有する複数の画素と、前記行方向の複数の転送用スイッチング素子に接続された駆動配線と、前記行方向の複数の前記変換素子に接続された配線と、を含み、前記変換素子をリセットするためのリセット電位を供給するためのリセット配線と前記配線との間にリセット用スイッチング素子が配置され、前記変換素子を動作させるためのバイアス電位を供給するためのバイアス配線とを前記配線との間にバイアス用スイッチング素子が配置されている撮像装置及び放射線撮像装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、画像を電気信号に変換する撮像装置、特に、Ｘ線、γ線などの放射線を検出する放射線撮像装置に関する。放射線撮像装置は、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などに応用されている。

従来、医療画像診断で用いられる撮影方法は、静止画像を得る一般撮影と動画像を得る透視撮影に大きく分類される。夫々の撮影方法は必要に応じて、撮影装置を含めて選択される。

一般撮影、即ち、静止画を得る方法は、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、定着させる方法がある。或いは、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、両方法は、放射線画像を得るためのワークフローが煩雑であると言った欠点がある。また、両方法において放射線画像のディジタル化は、間接的には可能であるが、即時性に欠ける。更に、他の医療画像診断で用いられるＣＴ、ＭＲＩなどのディジタル化された環境を考慮すると、両方法はＣＴ、ＭＲＩなどと整合性が十分ある状況とは言い難い。

また、透視撮影、即ち、動画像は、電子管を用いたイメージインテンシファイア（以下、Ｉ．Ｉと略記）が主に使用されている。しかしながら、電子管を用いるため装置が大規模となるばかりか、未だ、視野領域、即ち、検出面積が小さく、医療画像診断分野においては大面積化が切望されている。更に、装置構成上の問題から、得られた動画像はクロストークが多く、鮮明な画像への改善が期待されている。

一方、液晶ＴＦＴ技術の進歩、情報インフラの整備が充実した現在では、非単結晶シリコン、例えば、非晶質シリコン（以下、ａ−Ｓｉと略記）を用いた光電変換素子とスイッチＴＦＴにより構成されたセンサアレーと、放射線を可視光などに変換する蛍光体とを組み合わせたフラットパネル検出器（以下、ＦＰＤと略記）が特許文献１などで提案されている。このようなＦＰＤによって、大面積の放射線画像のディジタル化の可能性が出てきている。

このＦＰＤ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ものであり、また、画像は、ディジタル情報として直接取り出すことが可能である。そのため、データの保管、或いは、加工、転送など取り扱いが便利であると言った特徴がある。また、感度などの諸特性は、撮影条件に依存するが、従来のＳ／Ｆ系撮影法、ＣＲ撮影法に比較して、同等又はそれ以上であることが確認されている。

図１２は、このＦＰＤの模式的等価回路図である。

図中、１０１は光電変換素子を用いた変換素子、１０２はＴＦＴからなる転送用スイッチング素子、１０３は転送用スイッチング素子に駆動信号を与えるために転送用スイッチング素子１０２のゲート電極に接続された駆動配線である。１０４は変換素子１０１から転送用スイッチング素子１０２によって転送された信号を伝送するための信号配線、１０５は変換素子１０１を動作させるバイアスを与えるために複数の変換素子１０１に接続されたセンサバイアス配線である。１０６は信号配線１０４によって伝送された信号を処理する信号処理回路、１０７は転送用スイッチング素子１０２を駆動させるための駆動信号を与える駆動回路である。また、１０８はＡ／Ｄ変換部である。

Ｘ線などの放射線は紙面上部より入射し、不図示の蛍光体などの波長変換体により変換素子１０１が感知可能な波長帯域の光に変換される。変換された光は、光電変換素子である変換素子１０１により電荷に変換され、変換素子１０１内に蓄積される。その後、駆動回路１０７より駆動信号を駆動配線１０３から転送用スイッチング素子１０２に与えて動作させ、変換素子１０１に蓄積された電荷を信号配線１０４に転送する。転送された電荷は信号処理回路１０６にて処理され、更に、１０８にてＡ／Ｄ変換され画像信号として出力される。

基本的には、上述の様な素子構成が一般的であり、特に変換素子はＰＩＮ型フォトダイオード、或いは、ＭＩＳ型フォトセンサなどの光電変換素子が提案されている。

図１３は、変換素子である光電変換素子をＭＩＳ型フォトセンサとした場合の１画素の模式的平面図である。

２０１はＭＩＳ型フォトセンサ、２０２はＴＦＴからなる転送用スイッチング素子、２０３は駆動配線、２０４は信号配線、２０５はセンサバイアス配線である。２１１はＴＦＴからなる転送用スイッチング素子のゲート電極、２１２は転送用スイッチング素子のソース／ドレイン電極、２１３はコンタクトホールである。

また、図１４に、図１３に示した１画素内の各素子を模式的に配列した断面図を示す。

３０１はガラス基板などの絶縁性基板、３０２は駆動配線、３０３はＭＩＳ型フォトセンサである変換素子の下電極、３０４は転送用スイッチング素子のゲート電極である。３０５はゲート絶縁膜、３０６は真性のａ−Ｓｉ膜である半導体層、３０７は不純物半導体層、３０８はセンサバイアス配線、３０９は転送転送用スイッチング素子のソース／ドレイン電極である。３１０は信号配線、３２０は保護膜、３２１は有機樹脂などからなるパッシベーション層、３２２は蛍光体層である。

図１３及び図１４より明らかな様に、ＭＩＳ型フォトセンサとＴＦＴからなる転送用スイッチング素子は層構成が同一であるため、製造方法が簡便で、高歩留り、低価格を実現できる利点があり、且つ、感度などの諸特性も十分満足できるものと評価されている。そのため、現在一般撮影に用いられる装置としては、従来のＳ／Ｆ法及びＣＲ法に代わって、上述のＦＰＤが採用されるに至っている。
特開平０８−１１６０４４号公報

しかしながら、上述のＦＰＤにおいては、大面積で、且つ、完全ディジタル化が達成され、一般撮影に主に使用され始めている状況であるが、透視撮影には、未だ、読み取り速度と言った点で十分でない状況である。

図１５は、ＭＩＳ型フォトセンサを変換素子として用いたＦＰＤの１ビットの等価回路図である。

図中、Ｃ_１はＭＩＳ型フォトセンサである変換素子の合成容量、Ｃ_２は信号配線に形成される寄生容量、Ｖｓは変換素子を動作させるためのセンサバイアス電位、Ｖｒは変換素子をリセットするためのセンサリセット電位である。ＳＷ_１はＭＩＳ型フォトセンサである変換素子に与えられるセンサバイアス電位とセンサリセット電位を切り換えるＶｓ／Ｖｒ切り替えスイッチである。ＳＷ_２は転送用スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを切り換えるためのＯＮ／ＯＦＦ切り替えスイッチ、ＳＷ_３は信号配線をリセットするためのリセットスイッチ、Ｖｏｕｔは出力電圧である。

ＭＩＳ型フォトセンサには半導体層が空乏化するセンサバイアス電位ＶｓがＳＷ_１により与えられる。この状態で、蛍光体などの波長変換体からの光が半導体層に入射すると、不純物半導体層で阻止されていた正電荷が半導体層内に蓄積され、電位差Ｖｔが発生する。その後、ＳＷ_２より転送用スイッチング素子のＯＮ電圧が印加されて転送用スイッチング素子が導通し、電圧Ｖｏｕｔとして出力される。出力Ｖｏｕｔは不図示の読出し回路により読み出され、その後ＳＷ_３により信号配線がリセットされる。上述の工程が行ごとに行われることにより、順次読出しが行われる。

上述の駆動方法に従って、転送用スイッチング素子を行毎に順次ＯＮすることにより、１フレーム分の画像信号の読出しが完了する。その後、ＳＷ_１よりＭＩＳ型フォトセンサである変換素子にリセット電位Ｖｒを与え、すべての変換素子を一括にリセットし、再度、バイアス電位Ｖｓを与え、画像読み取りの蓄積動作に入る。

例えば、画素サイズ１６０μｍ、画素領域４３ｃｍ×４３ｃｍのＦＰＤでは、ＭＩＳ型フォトセンサの合成容量Ｃ_１は、１ｐｆ程度、寄生容量Ｃ_２は、５０ｐｆ程度であり、この時、転送時のチャージシェアとして、Ｃ_１に２％程度の転送残りが発生する。そのため、撮影時には、上述のリセット動作が、画像品質を維持するために必要不可欠となる。

具体的には、このリセット動作は、一括リセットであるため、センサ電位等の安定化時間を考慮すると１フレーム毎に１０ｍｓｅｃ程度から数１０ｍｓｅｃ必要となる。当然、リセット条件に依存する。言い換えれば、１秒間に３０フレーム（以下、３０ＦＰＳと略記）程度、或いは、それ以上の高速読み取りを必要とする透視撮影を実現するためには、１フレーム３３ｍｓｅｃ（３０ＦＰＳ）内に全ラインの読み取り処理等と上記リセット処理等を行う必要がある。

図１６は、駆動方法を説明した模式図である。

図中、Ｔ_１は１ラインの読み取り処理時間、Ｔ_２は全ラインの読み取り処理時間、Ｔ_３はリセット処理時間、Ｔは１フレーム処理時間である。

上述の様に、１フレーム処理時間Ｔが３３ｍｓｅｃ以下が必要であれば、リセット処理時間Ｔ_３が１５ｍｓｅｃとすれば、Ｔ_２は１８ｍｓｅｃとなり、１５００ラインを読み込むとすると１ラインに割り当てられる読み取り処理時間Ｔ_１は１２μｓｅｃとなる。また、放射線曝射時間、即ち、センサ蓄積時間を入れると、更に、読み取り処理時間Ｔ_１は制限される。その結果、転送用スイッチング素子の能力を向上させる必要がある。そのために、開口率を犠牲にして、転送用スイッチング素子のサイズを大きくすることが必要となり、逆に、感度低下、画像品位の低下、放射線量の増加など問題点が生じる。

即ち、高速動画駆動と画像品位はトレードオフの関係にあり、現状では、高品位な高速動画像が得られない状況にある。

以上、変換素子としてＭＩＳ型フォトセンサを用いた場合について述べたが、基本的には、ＰＩＮ型フォトダイオードにおいても同様に、リセット処理時間が動画駆動に対して課題となる。

そこで、本発明は、高速動画読み取りを実現する方法として、従来より課題であった、変換素子のリセット方法を改善し、高速動画読み取りを実現することを目的とするものである。

上述の課題を解決するため、本発明の撮像装置は、基板上に行方向および列方向に配置された変換素子と転送用スイッチング素子を有する複数の画素と、前記行方向の複数の転送用スイッチング素子に接続された駆動配線と、前記行方向の複数の前記変換素子に接続された配線と、を含み、前記変換素子をリセットするためのリセット電位を供給するためのリセット配線と前記配線との間にリセット用スイッチング素子が配置され、前記変換素子を動作させるためのバイアス電位を供給するためのバイアス配線とを前記配線との間にバイアス用スイッチング素子が配置されていることを特徴とするものである。

また、本発明の放射線撮像装置は、基板上に行方向および列方向に配置された放射線を電気信号に変換する変換素子と前記電気信号を転送する転送用スイッチング素子を有する複数の画素と、前記行方向の複数の転送用スイッチング素子に接続された駆動配線と、前記行方向の複数の前記変換素子に接続された配線と、を含み、前記変換素子をリセットするためのリセット電位を供給するためのリセット配線と前記配線との間にリセット用スイッチング素子が配置され、前記変換素子を動作させるためのバイアス電位を供給するためのバイアス配線とを前記配線との間にバイアス用スイッチング素子が配置されていることを特徴とするものである。

本発明により、２次元的に配列された画素において、各ライン毎に電荷転送後、各ライン毎に変換素子をリセットさせ、再度、蓄積状態に戻すことが可能になる。それによって、従来の一括リセットに関わる問題である長時間必要であったリセット動作を短縮し、動画駆動を達成する。その結果、３０ＦＰＳ以上の高速動画駆動が画像品位を低下することなく、簡便に低価格で実現できる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下、各実施形態は放射線撮像装置として応用した例であるが、実施形態１，２，４は、放射線以外の光画像を電気信号に変換する撮像装置として応用することもできる。

まず、本発明の放射線撮像装置の読み取り方式の概要を説明する。変換素子と転送用スイッチング素子から構成された画素が、行及び列の２次元に配列され、各行毎に転送用スイッチング素子を動作させて各列毎に信号を読み取る方式である。ここで行ごとの複数の転送用スイッチング素子に接続された駆動配線と、変換素子を動作させるバイアスを与えるために複数の変換素子に接続されたセンサ駆動配線配線とが平行に配置されている。更に、第１行目のセンサ駆動配線と第２行目以降の駆動配線に接続された第２のスイッチング素子が設けられている。この第２のスイッチング素子を第１行の前記転送用スイッチング素子による信号転送後、第２行目以降の転送用スイッチング素子を駆動させる駆動信号を用いて動作させ、第１行目の変換素子に変換素子をリセットするためのリセット電位が与えられる。その後、再びバイアス電位が与えられ、信号蓄積状態になる。その結果、各行毎に転送、リセット、蓄積とサイクリックに動作させ動画駆動を達成することが可能となる。

［実施形態１］
本実施形態では、変換素子としてＭＩＳ型フォトセンサを用いた放射線撮像装置について述べる。

図１は、本実施形態の４×２画素の模式的等価回路図である。図中、１１はＭＩＳ型フォトセンサである変換素子、１２はＴＦＴからなる転送用スイッチング素子、１３は転送用スイッチング素子に駆動信号を与えるために転送用スイッチング素子１２のゲート電極に接続される駆動配線である。１４は変換素子１１から転送用スイッチング素子１２によって転送された信号を伝送するための信号配線、１５は変換素子１１を動作させるバイアスを与えるために複数の変換素子１１に接続されたセンサ駆動配線である。１６は信号配線１４によって伝送された信号を処理する信号処理回路、１７は転送用スイッチング素子１２などを駆動させるための駆動信号を与える駆動回路である。また、１８はＡ／Ｄ変換部、１９は変換素子１２を動作させるバイアス電圧を与えるためのバイアス配線、２０は変換素子１１をリセットするためのリセット電圧を与えるためのリセット配線である。２１は駆動配線１５とリセット配線２０とを接続するＴＦＴからなるリセット用スイッチング素子、２２は前の行の駆動配線１３からの駆動信号を受けて導通し、変換素子１１にバイアス電圧を供給するためにバイアス配線とセンサ駆動配線との間に配置されたＴＦＴからなる前バイアス用スイッチング素子である。そして、２３は後の行の駆動配線１３からの駆動信号を受けて導通し、変換素子１１に再びバイアス電圧を供給するためにバイアス配線とセンサ駆動配線との間に配置されたＴＦＴからなる後バイアス用スイッチング素子である。

Ｘ線は、不図示の蛍光体などの波長変換体により変換素子１１が感知可能な波長帯域の光に変換され、ＭＩＳ型フォトセンサからなる変換素子１１に入射する。入射された光は変換素子によって電荷に変換され、変換素子１１内に蓄積される。

先ず、Ｆｉｇ．１において第０段と記載しているダミーラインに駆動回路１７から駆動信号を与え１行目の前バイアス用スイッチング素子２２をＯＮとし、センサ駆動配線１５にセンサバイアス電位Ｖｓを印加する。次に、１行目の駆動配線１３に駆動信号を与えて１行目の転送用スイッチング素子１２をＯＮすることにより、蓄積電荷が読み出される。この時、２行目の前バイアス用スイッチング素子２２のゲート電極が１行目の駆動配線と接続しているため、２行目のセンサ駆動配線１５に２行目の前バイアス用スイッチング素子２２よりセンサバイアス電位Ｖｓが与えられる。

その後、２行目の駆動配線１３に駆動信号を与えて転送用スイッチング素子１２がＯＮされる。その際に、２行目の駆動配線１３に１行目のリセット用スイッチング素子２１のゲート電極が接続されているため、１行目のリセット用スイッチング素子２１がＯＮ状態となる。そのため、１行目の変換素子１１にリセット電位Ｖｒが与えられ、１行目の変換素子１１がリセットされる。そして２行目の転送が終了し２行目の信号配線１３に２行目の転送用スイッチング素子１２がＯＦＦ状態となる駆動信号があたえられると、１行目のリセット用スイッチング素子２１はＯＦＦとなり１行目の変換素子１１のリセットが終了となる。

次に、３行目の駆動配線１３に駆動信号を与えて３行目の転送用スイッチング素子１２がＯＮされる。この時、３行目の信号配線１３に１行目の後バイアス用スイッチング素子２３のゲート電極が接続されているため、サ後バイアス用スイッチング素子２３はＯＮ状態となり、１行目の変換素子１１にセンサバイアス電位Ｖｓが与えられ蓄積状態となる。

以上の動作がサイクリックに行われ、電荷読出し、リセット、蓄積が行ごとに逐次行われる。

図２は、駆動タイミングを説明した図である。

図３は、１フレームの動作を説明した図である。

図中、Ｓ_１は１ラインの読出し処理等時間、Ｓ_２は１ラインのリセット処理等時間、Ｓ_３は１ラインの転送、リセット処理等時間、Ｓ_４は１ラインのセンサ蓄積時間、Ｓは１フレーム処理時間である。

本実施形態と従来の方法と比較すると、各行毎に読出し、リセット、蓄積を行うことが可能となる。そのため、実質的には、読出し時間の総和で駆動できる。即ち、１行が読み出し動作をしていると同時に、既に読み出された行の変換素子をリセットしていることになる。その結果、３０ＦＰＳ以上の高速動画駆動が画像品位を低下することなく実現できる。

図４は、本実施形態の１画素の模式的平面図である。

図中、符号は図１と同様である。

図５は、図４のＡ―Ａ部の模式的断面図である。

図中、３１は絶縁基板、３２は転送用スイッチング素子のゲート電極、３３はゲート絶縁層（ＳｉＮ）、３４は真性半導体層（ａ−Ｓｉ）、３５はオーミックコンタクト機能を有する不純物半導体層（ｎ＋）、３６はソース／ドレイン電極、３７は第１の保護層、３８は平坦化膜となる層間絶縁層、３９はＭＩＳ型フォトセンサの下電極、４０はＭＩＳ型フォトセンサの絶縁層（ＳｉＮ）、４１はＭＩＳ型フォトセンサの真性半導体層（ａ−Ｓｉ）、４２はＭＩＳ型フォトセンサのキャリアブロッキング機能を有する不純物半導体層（ｎ＋）、４３はＭＩＳ型フォトセンサのセンサ駆動配線、４４は第２の保護層、４５は接着層、４６は蛍光体層（ＣｓＩ、ＧＯＳ）である。本例では、ＴＦＴなどのスイッチング素子と、光電変換素子などの変換素子共に非晶質シリコン系薄膜で構成されている。

本実施形態の構成によれば、ＭＩＳ型フォトセンサのセンサ駆動配線４３は、ソース／ドレイン電極３６に接続された信号配線と第１の保護層３７、層間絶縁層３８、ＭＩＳ型フォトセンサの絶縁層４０、ＭＩＳ型フォトセンサの真性半導体層４１を介して交差している構成であるため、信号配線の寄生容量の増加は無視できる構成となっている。

図６は、実施形態１のパネルの変形例を示す平面図である。

ＴＦＴからなるリセット用スイッチング素子、前バイアス用スイッチング素子及び後バイアス用スイッチング素子は、夫々各行の変換素子が接続されている。そのため、高速駆動においては、各スイッチング素子のＯＮ抵抗が小さいことが必要であることは言うまでも無い。しかしながら、更に、図６に示すように、センサパネルの基板１０を両側から駆動させ、両側から読み出す方式を採用すれば、前述のリセット用スイッチング素子、前バイアス用スイッチング素子及び後バイアス用スイッチング素子の寄生容量が半分になり、容易な駆動が可能となる。

本実施形態では、変換素子をＭＩＳ型フォトセンサとした例であるが、当然、ＰＩＮ型フォトダイオードにおいても、同様に適応可能であり、高速駆動に最適である。言い換えれば、変換素子の動作においてリセット動作が必要であるならば、本発明は有効に適応できる。

［実施形態２］
本実施形態では、スイッチング素子としてＰｏｌｙ−ＳｉＴＦＴを、変換素子としてＭＩＳ型フォトセンサを用いた放射線撮像装置について述べる。

図７は、本実施形態の３×３画素の模式的等価回路図である。

図中、１１はＭＩＳ型フォトセンサである変換素子、１２はＰｏｌｙ−ＳｉＴＦＴからなる転送用スイッチング素子、１３は転送用スイッチング素子１２に駆動信号を与えるために転送用スイッチング素子１２のゲート電極に接続される駆動配線である。１４は変換素子１１から転送用スイッチング素子１２によって転送された信号を伝送するための信号配線、１５は変換素子１１を動作させるバイアスを与えるために複数の変換素子１１に接続されたセンサ駆動配線である。１６は信号配線１４によって伝送された信号を処理する信号処理回路、１７は転送用スイッチング素子１２などを駆動させるための駆動信号を与える駆動回路である。また、１９は変換素子１１を動作させるバイアス電圧を与えるためのバイアス配線、２０は変換素子１１をリセットするためのリセット電圧を与えるためのリセット配線である。また、２４は駆動配線１５とリセット配線２０とを接続するリセット用スイッチング素子（本例ではＮチャネルＴＦＴ）、２５は変換素子１１にバイアス電圧を供給するためにバイアス配線とセンサ駆動配線との間に配置されたバイアス用スイッチング素子（本例ではＰチャネルＴＦＴ）である。

Ｘ線は、不図示の蛍光体などの波長変換体により変換素子１１が感知可能な波長帯域の光に変換され、ＭＩＳ型フォトセンサからなる変換素子１１に入射する。入射された光は変換素子１１によって光電変換され変換素子１１内に蓄積される。

先ず、１行目の駆動配線１３に駆動回路１７から駆動信号を与えて転送用スイッチング素子１２をＯＮすることにより、変換素子１１内に蓄積された電荷が読み出される。その後、２行目の駆動配線１３に駆動信号を与えて転送用スイッチング素子１２がＯＮされる。その際に、２行目の駆動配線１３に１行目のリセット用スイッチング素子２４のゲート電極が接続されているため、１行目のリセット用スイッチング素子２４がＯＮ状態となる。それにより、１行目の変換素子１１にリセット電位Ｖｒが与えられ、リセットされる。この時、センサバイアス用スイッチング素子２５はＯＦＦとなる。

次に、２行目の駆動配線１３に２行目の転送用スイッチング素子１２がＯＦＦ状態となる駆動信号が与えられ、２行目の転送用スイッチング素子１２がＯＦＦされろ。その際、２行目の駆動配線１３にゲート電極が接続されたリセット用スイッチング素子２４がＯＦＦ状態となり、バイアス用スイッチング素子２５がＯＮ状態となる。それにより、１行目の変換素子１１にバイアス電位Ｖｓが与えられ蓄積状態となる。

以上の動作がサイクリックに行われ、電荷読出し、リセット、蓄積が行ごとに逐次行われる。

図８は、本実施形態の駆動タイミングを説明した図を示す。

本実施形態と従来の方法と比較すると、各行毎に読出し、リセット、蓄積を行うことが可能となる。そのため、実質的には、読出し時間の総和で駆動できる。その結果、３０ＦＰＳ以上の高速動画駆動が画像品位を低下することなく実現できる。また、リセット用スイッチング素子としてＮチャネルＴＦＴを、バイアス用スイッチング素子ＰチャネルＴＦＴを用いることで、周辺回路を大きく変更することなく、単純な回路構成で高速動画が可能となる。

本実施形態でも、変換素子にＭＩＳ型フォトセンサを例としているが、当然、ＰＩＮ型フォトダイオードにおいても、同様に適応可能であり、高速駆動に最適である。言い換えれば、変換素子の動作において、リセット動作が必要であるならば、本発明は有効に適応できる。

［実施形態３］
本実施形態は、放射線を直接電荷に変換し、蓄積し、転送用スイッチング素子を用いて読み出す、所謂、直接変換方式に応用した場合について述べる。

図９は、本実施形態の３×３画素の模式的等価回路図である。

図中、２８は放射線を直接電荷に変換する変換素子、２７は変換素子２８で変換された電荷を蓄積するコンデンサ、１２はＴＦＴからなる転送用スイッチング素子、１３は転送用スイッチング素子１２に駆動信号を与えるために転送用スイッチング素子１２のゲート電極に接続される駆動配線である。１４は変換素子２８から転送用スイッチング素子１２によって転送された信号を伝送するための信号配線、１５は変換素子２８を動作させるバイアスを与えるために複数の変換素子２８に接続されたセンサ駆動配線である。１６は信号配線１４によって伝送された信号を処理する信号処理回路、１７は転送用スイッチング素子１２などを駆動させるための駆動信号を与える駆動回路である。また、１９は変換素子２８を動作させるバイアス電圧を与えるためのバイアス配線、２０は変換素子２８をリセットするためのリセット電圧を与えるためのリセット配線である。また、２４は駆動配線１５とリセット配線２０とを接続するリセット用スイッチング素子、２５は変換素子２８にバイアス電圧を供給するためにバイアス配線とセンサ駆動配線との間に配置されたバイアス用スイッチング素子である。本実施形態において、リセット用スイッチング素子２４は、Ｎチャネル型ＴＦＴであり、一方、バイアス用スイッチング素子２５はＰチャネル型ＴＦＴである。なお、変換素子２８は、非晶質セレン或いはＧａＡｓにより構成されている。

Ｘ線は、変換素子２８に入射する。入射された放射線は変換素子２８にて直接電荷に変換されコンデンサ２７に蓄積される。

先ず、１行目の駆動配線１３に駆動回路１７から駆動信号を与えて転送用スイッチング素子１２をＯＮすることにより、変換素子２８内に蓄積された電荷が読み出される。その後、２行目の駆動配線１３に駆動信号を与えて転送用スイッチング素子１２がＯＮされる。その際に、２行目の駆動配線１３に１行目のリセット用スイッチング素子２４のゲート電極が接続されているため、１行目のリセット用スイッチング素子２４がＯＮ状態となる。それにより、１行目の変換素子２８にリセット電位Ｖｒが与えられ、リセットされる。この時、センサバイアス用スイッチング素子２５はＯＦＦとなる。

次に、２行目の駆動配線１３に２行目の転送用スイッチング素子１２がＯＦＦ状態となる駆動信号が与えられ、２行目の転送用スイッチング素子１２がＯＦＦされろ。その際、２行目の駆動配線１３にゲート電極が接続されたリセット用スイッチング素子２４がＯＦＦ状態となり、バイアス用スイッチング素子２５がＯＮ状態となる。それにより、１行目の変換素子２８にバイアス電位Ｖｓが与えられ蓄積状態となる。

以上の動作がサイクリックに行われ、電荷読出し、リセット、蓄積が行ごとに逐次行われる。基本的な駆動方法は実施形態２と同様に行われる。

図１０に、本実施形態の１画素の模式的断面図を示す。

図中、３１は絶縁基板、３２は転送用スイッチング素子のゲート電極、３３はゲート絶縁層（ＳｉＮ）、３４は真性半導体層（ａ−Ｓｉ）、３５はオーミックコンタクトの機能を有する不純物半導体層（ｎ＋）、３６はソース／ドレイン電極、３７は第１の保護層、３８は平坦化膜となる層間絶縁層、３９は変換素子２８の下電極、５１は変換素子２８の半導体層（本例ではａ−Ｓｅ）、５２は変換素子２８の上電極、４３はセンサ駆動配線、４４は第２の保護層である。５３はコンデンサの下電極である。

本実施形態では、画素内の転送用スイッチング素子はアモルファスシリコンによって形成されたＴＦＴを用い、リセット用スイッチング素子、及びバイアス用スイッチング素子は多結晶シリコンＴＦＴを用いている。これは、画素内は低リーク電流特性を重視し、画素外は低抵抗を重視したためである。勿論、画素内の転送用スイッチング素子に多結晶シリコンＴＦＴを用い、直列に接続し、ＬＤＤ構造にすることでも同様の効果が得られる。

本実施形態においても、先述の実施形態１，２と同様な効果があり、各行毎に読出し、リセット、蓄積を行うことが可能となる。そのため、実質的には、読出し時間の総和で駆動できる。その結果、３０ＦＰＳ以上の高速動画駆動が画像品位を低下することなく実現できる。また、リセット用スイッチング素子としてＮチャネルＴＦＴを、バイアス用スイッチング素子ＰチャネルＴＦＴを用いることで、周辺回路を大きく変更することなく、単純な回路構成で高速動画が可能となる。

本発明の放射線検出装置は、変換素子と転送用スイッチング素子とから構成される画素が２次元に配置された２次元フラットパネルディテクタである。２次元フラットパネルディテクタにおいて高速化、高品位化を目指した場合においては、変換素子が如何なるものであれバイアス印加しているものであればリセットが必要となる。そのため本発明の方法が有効に機能すると言える。

また、本発明では、１ライン毎にリセット動作を入れているが、数ライン同時、或いは、奇数、偶数ラインでの動作に対応した場合などが他にも想定される。本発明はそのような他の想定される形態を除外するものではなく、基本的にセンサ駆動配線を転送用スイッチング素子と略平行に配置し、ゲート配線駆動を利用した場合には同様な効果がある。

更に、駆動回路から行毎、或いは、複数行毎にリセット電位またはバイアス電位が変換素子に与えられる場合もあるが、実質的に本発明と同様である。

このように、上記各実施形態において、３０ＦＰＳ以上の高速動画駆動が画像品位を低下することなく、簡便に低価格で実現できる。また、各スイッチング素子はアモルファスシリコンＴＦＴに限らず、多結晶シリコンＴＦＴのＮチャネルＴＦＴ、ＰチャネルＴＦＴを用いることで、周辺回路を大きく変更することなく、単純な回路構成で高速動画が可能とる。即ち、低価格、且つ、高機能化が達成可能となる。

［実施形態４］
図１１は、本実施形態の放射線検出システムを示す図である。

放射線検出システムは、上記実施形態１〜３の放射線検出装置を放射線検出システムとして応用した例である。

Ｘ線チューブ６０５０で発生したＸ線６０６０は、患者或いは被験者６０６１の胸部６０６２を透過し、放射線画像を撮影する放射線検出装置６０４０に入射する。この入射したＸ線には患者６０６１の体内部の情報が含まれている。Ｘ線の入射に対応して放射線検出装置６０４０のシンチレータ（蛍光体層）は発光し、これを光電変換して電気的情報を得る。この情報は、ディジタルに変換されイメージプロセッサ６０７０により画像処理されコントロールルームに有る表示手段としてのディスプレイ６０８０で観察できる。

また、この情報は電話回線６０９０等の伝送手段により遠隔地へ転送でき、別の場所のドクタルーム等でディスプレイ６０８１に表示するか又は光ディスク等の保存手段に保存することができ、遠隔地の医師が診断することも可能である。またフィルムプロセッサ６１００によりフィルム６１１０に記録することもできる。

本発明は、可視光，赤外線等の光、Ｘ線，γ線などの放射線を含む電磁波を検出する電磁波検出装置、特に、Ｘ線，γ線などの放射線を検出する放射線検出装置に好適に用いられ、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などに応用される。

本発明における実施形態１の４×２画素の模式的等価回路図である。 本発明における実施形態１の駆動タイミングを説明した図である。 本発明における実施形態１の１フレーム動作を説明した図である。 本発明における実施形態１の１画素の模式的平面図である。 本発明における図４のＡ―Ａ部の１画素の模式的断面図である。 本発明における実施形態１のパネルの変形例を示す平面図である。 本発明における実施形態２の３×３画素の模式的等価回路図である。 本発明における実施形態２の駆動タイミングを説明した図である。 本発明における実施形態３の３×３画素の模式的等価回路図である。 本発明における実施形態３の１画素の模式的断面図である。 本発明における放射線検出システムを示す図である。 従来の放射線撮像装置の模式的等価回路図である。 従来の変換素子をＭＩＳ型フォトセンサとした場合の１画素の模式的平面図である。 図１３に示した１画素内の各素子を模式的に配列した断面図である。 従来のＭＩＳ型フォトセンサを用いた放射線撮像装置の１ビットの等価回路図である。 従来の放射線撮像装置の駆動方法を説明した模式図である。

符号の説明

１１ 変換素子
１２ 転送用スイッチング素子
１３ 駆動配線
１４ 信号配線
１５ センサ駆動配線
１６ 信号処理回路
１７ 駆動回路
１８ Ａ／Ｄ変換部
１９ バイアス配線
２０ リセット配線
２１ リセット用スイッチング素子
２２ 前バイアス用スイッチング素子
２３ 後バイアス用スイッチング素子

Claims (14)

1. 基板上に行方向および列方向に配置された変換素子と転送用スイッチング素子を有する複数の画素と、前記行方向の複数の転送用スイッチング素子に接続された駆動配線と、前記行方向の複数の前記変換素子に接続された配線と、を有する撮像装置において、
   前記変換素子をリセットするためのリセット電位を供給するためのリセット配線と前記配線との間にリセット用スイッチング素子が配置され、前記変換素子を動作させるためのバイアス電位を供給するためのバイアス配線とを前記配線との間にバイアス用スイッチング素子が配置されていることを特徴とする撮像装置。
2. 前記リセット用スイッチング素子は、ゲート電極とソースまたはドレイン電極を有し、前記ソースまたはドレイン電極が所定行の前記配線と前記リセット配線とのいずれか一方と接続し、前記ゲート電極が前記所定行より後の行の前記駆動配線と接続して配置されている請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記バイアス用スイッチング素子は、第１のバイアス用スイッチング素子と第２のバイアス用スイッチング素子からなり、前記第１のバイアス用スイッチング素子と前記第２のバイアス用スイッチング素子はそれぞれゲート電極とソースまたはドレイン電極を有し、前記第１のバイアス用スイッチング素子と前記第２のバイアス用スイッチング素子の前記ソースまたはドレイン電極がそれぞれ所定行の前記配線と前記バイアス配線とのいずれか一方と接続し、前記第１のバイアス用スイッチング素子の前記ゲート電極が前記所定行より前の行の前記駆動配線と接続し、前記第２のバイアス用スイッチング素子の前記ゲート電極が前記所定行より後の前記駆動配線に接続してそれぞれ配置されている請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記第２のバイアス用スイッチング素子は、該第２のバイアス用スイッチング素子の前記ゲート電極が前記所定行のリセット用スイッチング素子の前記ゲート電極が接続される前記駆動配線より後の行の前記駆動配線と接続して配置されている請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記バイアス用スイッチング素子は、ゲート電極とソースまたはドレイン電極と前記リセット用スイッチング素子と異なる導電型のチャネルを有し、前記ソースまたはドレイン電極がそれぞれ所定行の前記配線と前記バイアス配線とのいずれか一方と接続し、前記ゲート電極は前記リセット用スイッチング素子の前記ゲート電極が接続された前記駆動配線と接続して配置されている請求項２に記載の撮像装置。
6. 前記駆動配線に駆動信号を与える駆動回路と、前記列方向の複数のスイッチング素子に接続された前記変換素子からの画像信号を伝送するための信号配線と、前記画像信号を処理する信号処理回路とを更に有する請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 基板上に行方向および列方向に配置された放射線を電気信号に変換する変換素子と前記電気信号を転送する転送用スイッチング素子を有する複数の画素と、前記行方向の複数の転送用スイッチング素子に接続された駆動配線と、前記行方向の複数の前記変換素子に接続された配線と、を有する放射線撮像装置において、
   前記変換素子をリセットするためのリセット電位を供給するためのリセット配線と前記配線との間にリセット用スイッチング素子が配置され、前記変換素子を動作させるためのバイアス電位を供給するためのバイアス配線とを前記配線との間にバイアス用スイッチング素子が配置されていることを特徴とする放射線撮像装置。
8. 前記リセット用スイッチング素子は、ゲート電極とソースまたはドレイン電極を有し、前記ソースまたはドレイン電極が所定行の前記配線と前記リセット配線とのいずれか一方と接続し、前記ゲート電極が前記所定行より後の行の前記駆動配線と接続して配置されている請求項７に記載の放射線撮像装置。
9. 前記バイアス用スイッチング素子は、第１のバイアス用スイッチング素子と第２のバイアス用スイッチング素子からなり、前記第１のバイアス用スイッチング素子と前記第２のバイアス用スイッチング素子はそれぞれゲート電極とソースまたはドレイン電極を有し、前記第１のバイアス用スイッチング素子と前記第２のバイアス用スイッチング素子の前記ソースまたはドレイン電極がそれぞれ所定行の前記配線と前記バイアス配線とのいずれか一方と接続し、前記第１のバイアス用スイッチング素子の前記ゲート電極が前記所定行より前の行の前記駆動配線と接続し、前記第２のバイアス用スイッチング素子の前記ゲート電極が前記所定行より後の前記駆動配線に接続してそれぞれ配置されている請求項８に記載の放射線撮像装置。
10. 前記第２のバイアス用スイッチング素子は、該第２のバイアス用スイッチング素子の前記ゲート電極が前記所定行のリセット用スイッチング素子の前記ゲート電極が接続される前記駆動配線より後の行の前記駆動配線と接続して配置されている請求項９に記載の放射線撮像装置。
11. 前記バイアス用スイッチング素子はゲート電極とソースまたはドレイン電極と前記リセット用スイッチング素子と異なる導電型のチャネルを有し、前記ソースまたはドレイン電極がそれぞれ所定行の前記配線と前記バイアス配線とのいずれか一方と接続し、前記ゲート電極は前記リセット用スイッチング素子の前記ゲート電極が接続された前記駆動配線と接続して配置されている請求項８に記載の放射線撮像装置。
12. 前記駆動配線に駆動信号を与える駆動回路と、前記列方向の複数のスイッチング素子に接続された前記変換素子からの前記画像信号を伝送するための信号配線と、前記画像信号を処理する信号処理回路とを更に有する請求項７から１１のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
13. 前記変換素子は、入射した放射線を光に変換する波長変換体と、前記光を前記電気信号に変換する光電変換素子と、を更に含む請求項７から１２のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
14. 請求項７から１３のいずれか１項に記載の放射線撮像装置と、前記放射線撮像装置からの信号を処理する処理手段と、前記処理手段からの信号を記憶する記憶手段と、前記処理手段からの信号を伝送する伝送手段と、前記処理手段からの信号を画像として表示する表示手段と、前記放射線撮像装置に照射される前記放射線を発生する放射線源と、を含む放射線撮像システム。
    

Images