JP2006128645A - Imaging apparatus, radiation imaging apparatus, and radiation imaging system - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an imaging apparatus that converts an image into an electrical signal, and more particularly to a radiation imaging apparatus that detects radiation such as X-rays and γ-rays. Radiation imaging apparatuses are applied to medical image diagnostic apparatuses, nondestructive inspection apparatuses, analyzers using radiation, and the like.
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。 Conventionally, imaging methods used in medical image diagnosis are roughly classified into general imaging for obtaining still images and fluoroscopic imaging for obtaining moving images. Each photographing method is selected including a photographing device as necessary.
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。 General photography, that is, a method of obtaining a still image includes a method of fixing a film after exposing and developing the film using a screen film system (hereinafter abbreviated as S / F) in which a fluorescent plate and a film are combined. Alternatively, after recording a radiographic image as a latent image on the photostimulable phosphor, the photostimulable phosphor is scanned with a laser, and the output light output information is read by a sensor (computing radiography, hereinafter referred to as CR). (Abbreviation) The method is general. However, both methods have a drawback that the workflow for obtaining the radiation image is complicated. In both methods, digitization of radiographic images is possible indirectly but lacks immediacy. Furthermore, considering the digitized environment such as CT and MRI used in other medical image diagnosis, it is difficult to say that both methods are sufficiently consistent with CT and MRI.
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。 In addition, an image intensifier (hereinafter abbreviated as I.I) using an electron tube is mainly used for fluoroscopic imaging, that is, a moving image. However, since the electron tube is used, not only the apparatus becomes large-scale, but also the visual field region, that is, the detection area is small, and there is a strong demand for a large area in the medical image diagnostic field. Furthermore, due to problems in the apparatus configuration, the obtained moving image has a lot of crosstalk, and an improvement to a clear image is expected.
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、特許文献1において下記のような提案がなされている。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が用いられている。そのセンサアレーに、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放射線撮像装置としてフラットパネル検出器(以下、FPDと略記)が提案されている。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。
On the other hand, the following proposals have been made in
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、画像データの保管、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。 This FPD can read a radiation image instantly and display it on a display instantly, and the image can be directly taken out as digital information. Therefore, it has a feature that it is convenient to store, process, and transfer image data. In addition, although various characteristics such as sensitivity depend on imaging conditions, it has been confirmed that they are equivalent to or higher than conventional S / F imaging methods and CR imaging methods.
図16は、このFPDの模式的等価回路図である。 FIG. 16 is a schematic equivalent circuit diagram of the FPD.
図中、101は光電変換素子部、102は転送TFT、103は転送TFT駆動配線、104は信号線、105はセンサバイアス配線、106は信号処理回路、107はTFT駆動回路、108はA/D変換部である。 In the figure, 101 is a photoelectric conversion element portion, 102 is a transfer TFT, 103 is a transfer TFT drive wiring, 104 is a signal line, 105 is a sensor bias wiring, 106 is a signal processing circuit, 107 is a TFT drive circuit, and 108 is an A / D. It is a conversion unit.
X線などの放射線は紙面上部より入射し、不図示の蛍光体により可視光に変換される。変換された可視光は、光電変換素子部101により電荷に変換され、光電変換素子部101内に蓄積される。その後、TFT駆動回路107より、TFT駆動配線から転送TFT102を動作させ、この蓄積電荷を信号線104に転送し、信号処理回路106にて処理され、更に、108にてA/D変換され出力される。
Radiation such as X-rays enters from the top of the page and is converted into visible light by a phosphor (not shown). The converted visible light is converted into electric charge by the photoelectric
基本的には、上述の様な素子構成が一般的であり、特に、前記光電変換素子はPIN型フォトダイオード、或いは、本発明者等が採用しているMIS型フォトセンサなど様々な素子が提案されている。 Basically, the element configuration as described above is common, and in particular, the photoelectric conversion element is proposed by various elements such as a PIN photodiode or an MIS photosensor employed by the present inventors. Has been.
図17は、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。 FIG. 17 is a schematic plan view of one pixel when the photoelectric conversion element is an MIS photosensor.
201はMIS型フォトセンサ、202は転送TFT、203は転送TFT駆動配線、204は信号線、205はセンサバイアス配線、211は転送TFTゲート電極、212は転送TFTソースドレイン電極(以下、SD電極と略記)、213はコンタクトホールである。 201 is a MIS type photosensor, 202 is a transfer TFT, 203 is a transfer TFT drive wiring, 204 is a signal line, 205 is a sensor bias wiring, 211 is a transfer TFT gate electrode, and 212 is a transfer TFT source / drain electrode (hereinafter referred to as SD electrode). (Abbreviation) 213 is a contact hole.
また、図18に、図17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。 FIG. 18 is a cross-sectional view schematically showing the elements in one pixel shown in FIG.
301はガラス基板などの絶縁性基板、302は転送TFT駆動配線、303はMIS型フォトセンサの下電極、304は転送TFTゲート電極、305はゲート絶縁膜、306は真性a−Si膜、307はホールブロッキング層、308はセンサバイアス配線、309は転送TFTのSD電極、310は信号線、320は保護膜、321は有機樹脂層、322は蛍光体層である。
図17及び図18より明らかな様に、MIS型フォトセンサと転送スイッチング素子であるTFT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る。さらに、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。 As is apparent from FIGS. 17 and 18, since the MIS type photosensor and the TFT that is the transfer switching element have the same layer structure, the manufacturing method is simple, and there is an advantage that a high yield and a low price can be realized. Furthermore, it is evaluated that various characteristics such as sensitivity can be sufficiently satisfied. For this reason, as a device used for general photography, the above-described FPD has been adopted instead of the conventional S / F method and CR method.
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。 However, the above-mentioned FPD has a large area and is completely digitized, and is starting to be used mainly for general photography. However, it is still sufficient in terms of reading speed for fluoroscopic photography. It is not a situation.
図19は、MIS型フォトセンサを用いたFPDの1ビットの等価回路図である。 FIG. 19 is a 1-bit equivalent circuit diagram of an FPD using a MIS type photosensor.
図中、C1はMIS型フォトセンサの合成容量、C2は信号線に形成される寄生容量、Vsはセンサバイアス電位、Vrはセンサリセット電位、SW1はMIS型フォトセンサのVs/Vr切り替えスイッチ、SW2は転送TFTのON/OFF切り替えスイッチ、SW3は信号線リセットスイッチ、Voutは出力電圧である。 In the figure, C 1 is a combined capacitance of the MIS type photosensor, C 2 is a parasitic capacitance formed on the signal line, Vs is a sensor bias potential, Vr is a sensor reset potential, and SW 1 is Vs / Vr switching of the MIS type photosensor. SW, SW 2 is an ON / OFF switch for the transfer TFT, SW 3 is a signal line reset switch, and Vout is an output voltage.
MIS型フォトセンサにはバイアス電位として半導体層が空乏化する様、SW1により電位Vsが与えられる。この状態で、蛍光体からの変換光が半導体層に入射すると、ホールブロッキング層で阻止されていた正電荷がa−Si層内に蓄積され、電位差Vtが発生する。その後、SW2より転送TFTのON電圧が印加され、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SW3により信号配線がリセットされ、順次読出しが行われる。 The MIS type photosensor is supplied with a potential Vs by SW 1 so that the semiconductor layer is depleted as a bias potential. In this state, when converted light from the phosphor enters the semiconductor layer, positive charges blocked by the hole blocking layer are accumulated in the a-Si layer, and a potential difference Vt is generated. Thereafter, the ON voltage of the transfer TFT is applied from SW 2 and is output as voltage Vout. The output Vout is read by a reading circuit (not shown), and then the signal wiring is reset by SW 3 and reading is sequentially performed.
上述の駆動方法に従って、転送TFTをライン(行)毎に順次ONすることにより、1フレームの全読出しが完了する。その後、SW1よりMIS型フォトセンサにリセット電位Vrを与え、リセットを行い、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。 By sequentially turning on the transfer TFT for each line (row) in accordance with the above-described driving method, all reading of one frame is completed. Thereafter, the reset potential Vr is applied from the SW 1 to the MIS type photosensor, reset is performed, the bias potential Vs is applied again, and the image reading accumulation operation starts.
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C1は、1pf程度、寄生容量C2は、50pf程度であり、この時、転送時のチャージシェアとして、C1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。 For example, in an FPD having a pixel size of 160 μm and a pixel area of 43 cm × 43 cm, the combined capacitance C 1 of the MIS photosensor is about 1 pf, and the parasitic capacitance C 2 is about 50 pf. transfer the remaining about 2% is generated in C 1. Therefore, at the time of shooting, the above-described reset operation is indispensable for maintaining the image quality.
具体的には、このリセット動作は、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リセット処理等を行う必要がある。
Specifically, this reset operation requires about 10 msec to several tens msec for each frame. Of course, it depends on the reset condition. In other words, in order to realize fluoroscopic imaging that requires high-speed reading of about 30 frames per second (hereinafter abbreviated as 30 FPS) or more, reading processing of all lines within one
図20は、駆動方法を説明した模式図である。 FIG. 20 is a schematic diagram illustrating a driving method.
図中、T1は1ラインの読み取り等処理時間、T2は全ラインの読み取り等処理時間、T3はリセット等処理時間、Tは1フレーム処理時間である。 In the figure, T 1 is one line read like processing time, T 2 is read like processing time of all the lines, T 3 is reset or the like processing time, T is a 1-frame processing time.
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、リセット等処理時間T3が15msecとすれば、T2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等処理時間T1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、読み取り等処理時間T1は制限される。その結果、転送TFTの能力を向上させる必要があり、それは、開口率を犠牲にして、TFTのサイズを大きくすることにつながり、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多発する。 As described above, if necessary the following one-frame processing time T is 33 msec, if the reset or the like processing time T 3 and 15 msec, T 2 is next to 18 msec, reading assigned to one line when the load 1500 lines, etc. processing time T 1 becomes 12μsec. The radiation exposure time, i.e., put a sensor accumulation time, further, reading such processing time T 1 is limited. As a result, it is necessary to improve the capability of the transfer TFT, which leads to an increase in the size of the TFT at the expense of the aperture ratio, and conversely problems such as a decrease in sensitivity, a decrease in image quality, and an increase in radiation dose. Many points occur.
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。 That is, high-speed moving image driving and image quality are in a trade-off relationship, and at present, high-quality high-speed moving images cannot be obtained.
以上、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、リセット等処理時間が動画駆動に対しての課題である。 Although the case where the MIS type photosensor is used has been described above, basically, the processing time such as reset is a problem for moving image driving in the PIN type photodiode as well.
そこで、放射線を電気信号に変換する変換素子と、変換素子に接続された信号転送用素子と、変換素子に一定電位を印加してリセット動作を行うリセット用素子とを含む画素を複数有している。そして信号転送用素子及びリセット用素子は、変換素子の画素電極にともに接続されたFPDが特許文献2に開示されている。これは、従来のFPDにおけるセンサリセット方式を改善し、一般撮影のみならず透視撮影においても大面積で且つ完全ディジタル化を達成することを目的としている。それに加えて、開口率を向上させて確実な高速動画読み取りを実現し、信頼性の高い放射線撮像装置、特に、最適なセンサリセットスイッチの配置を提供することを目的としているものである。
特許文献2に開示されている装置において、複数の画素の各ライン毎にリセットが行われ、1ラインの読出し中に、既に読出したラインのセンサをリセットすることが可能となり、開口率を向上させて高速動画駆動を実現している。しかしながら、更に、開口率を向上させて確実な高速動画駆動などの高機能化を低価格で実現することが望まれている。
In the apparatus disclosed in
本発明の目的は、センサリセット方式を改善し、高速動画読み取りを実現する際、配線を簡略化し、更に開口率の向上を図るものである。 An object of the present invention is to simplify the wiring and improve the aperture ratio when improving the sensor reset method and realizing high-speed moving image reading.
本発明の撮像装置は、絶縁性基板上に配置された複数の画素を有する撮像装置であって、前記画素はそれぞれ、変換素子と、該変換素子で得られた電気信号を転送するために前記変換素子に接続された第1のスイッチング素子と、前記変換素子に定電位を与えることにより前記変換素子をリセットするために前記変換素子に接続された第2のスイッチング素子と、を含み、前記第2の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の一方と前記ゲート電極が電気的に接続されることを特徴とするものである。
The imaging device of the present invention is an imaging device having a plurality of pixels arranged on an insulating substrate, and each of the pixels transfers the electrical signal obtained by the conversion element and the conversion element. A first switching element connected to the conversion element; and a second switching element connected to the conversion element to reset the conversion element by applying a constant potential to the conversion element, The switching
また、本発明の放射線撮像装置は、絶縁性基板上に配置された複数の画素を有する放射線撮像装置であって、前記画素はそれぞれ、入射した放射線を該放射線に応じた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ために前記変換素子に接続された第1のスイッチング素子と、前記変換素子に定電位を与えることにより前記変換素子をリセットするために前記変換素子に接続された第2のスイッチング素子と、を含み、前記第2の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の一方と前記ゲート電極が電気的に接続されることを特徴とするものである。 The radiation imaging apparatus of the present invention is a radiation imaging apparatus having a plurality of pixels arranged on an insulating substrate, wherein each of the pixels converts the incident radiation into an electrical signal corresponding to the radiation. An element, a first switching element connected to the conversion element for transferring the electrical signal, and connected to the conversion element to reset the conversion element by applying a constant potential to the conversion element A second switching element, wherein the second switching element has a gate electrode and a source or drain electrode, and one of the source or drain electrode and the gate electrode are electrically connected. It is what.
本発明により、複数の画素の各ライン毎にリセットが行われ、1ラインの読出し中に、既に読出しが完了したラインのセンサをリセットすることが可能になる。それと同時に、リセット用スイッチング素子はゲート電極とソース電極またはドレイン電極の一方が接続されているために、リセット電圧をゲート配線から供給させる。このことにより、配線を簡略化して開口率を向上させ、高速動画駆動などの高機能化を低価格で実現できる。 According to the present invention, reset is performed for each line of a plurality of pixels, and it becomes possible to reset a sensor of a line that has already been read out during reading of one line. At the same time, the reset switching element supplies the reset voltage from the gate wiring because one of the gate electrode and the source electrode or the drain electrode is connected. As a result, the wiring can be simplified to improve the aperture ratio, and high functionality such as high-speed moving image driving can be realized at a low price.
以下に、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
以下、各実施形態は放射線撮像装置をFPD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固体撮像装置として応用することもできる。また、信号変換素子と転送TFTとリセットTFTとを有する画素が、2次元状(行列状)に配置されている固体撮像装置に応用することが可能である。
Hereinafter, each embodiment is an example in which the radiation imaging apparatus is applied as an FPD. However,
[実施形態1]
本実施形態では、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。
[Embodiment 1]
In this embodiment, a radiation imaging apparatus using a MIS photosensor will be described.
図1は、本実施形態の放射線撮像装置における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TFTなどの転送用スイッチング素子、13は転送用スイッチング素子の駆動配線、14は信号配線、15はセンサバイアス配線、16は信号処理回路、17は駆動回路、18はA/D変換部、19はTFTなどのリセット用スイッチング素子、20はリセット用スイッチング素子の駆動配線である。 FIG. 1 is a schematic equivalent circuit diagram of 3 × 3 pixels in the radiation imaging apparatus of the present embodiment. In the figure, 11 is a conversion element that is a MIS type photosensor, 12 is a transfer switching element such as a TFT, 13 is a drive wiring for the transfer switching element, 14 is a signal wiring, 15 is a sensor bias wiring, and 16 is a signal processing circuit. , 17 is a drive circuit, 18 is an A / D converter, 19 is a reset switching element such as a TFT, and 20 is a drive wiring for the reset switching element.
X線などの放射線は、不図示の波長変換体により可視光に変換され、変換素子11に入射する。波長変換体は、CsI或いはGOSのようなシンチレータである。入射された光は変換素子にて光電変換され、信号電荷が変換素子内に蓄積される。その後、転送用スイッチング素子12をONすることにより信号電荷に応じた画像信号が読み出される。その後、リセット用スイッチング素子19をONして、変換素子をリセットする。
Radiation such as X-rays is converted into visible light by a wavelength converter (not shown) and enters the
図2は、本実施形態における放射線撮像装置の3×1画素の等価回路図である。図中、符号は図1と同様である。Vgt(1)により転送用スイッチング素子(TT1)のON電圧が印加され、信号配線14を介して画像信号として出力される。次に、Vgr(1)によりリセット用スイッチング素子(TR1)のON電圧が印加され、変換素子がリセットされる。同様に、Vgt(2)により次の転送用スイッチング素子(TT2)のON電圧が印加され、信号配線14を介して出力される。次に、Vgr(2)よりリセット用スイッチング素子(TR2)のON電圧が印加され、変換素子がリセットされる。以上の動作を図2においては、紙面上方から下方に繰り返すことにより、動画読み取りが可能となる。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of 3 × 1 pixels of the radiation imaging apparatus according to the present embodiment. In the figure, the reference numerals are the same as those in FIG. The ON voltage of the transfer switching element (TT 1 ) is applied by Vgt (1), and is output as an image signal through the
図3は、本実施形態における駆動方法を説明した模式図である。図中、S1は1ラインの読出し処理等時間、S2は1ラインのリセット処理等時間、S3は1ラインの転送、リセット処理等時間、S4は1ラインの変換素子の蓄積時間、Sは1フレーム処理時間である。 FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a driving method in the present embodiment. In the figure, S 1 is 1-line readout process or the like time, S 2 is 1 line reset processing such time, S 3 is the one-line transfer, reset processing such as time, the accumulation time of the conversion element S 4 is one line, S is one frame processing time.
本実施形態と、従来の順次読出し後に全変換素子を一括してリセットして放射線曝射を繰り返す方法とを比較して、各ライン毎に読出しと変換素子のリセットと蓄積を行うことができる。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ラインが読み出し動作をしていると同時に、既に読み出されたラインのセンサ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。 This embodiment can be compared with the conventional method in which all the conversion elements are collectively reset after sequential readout and the radiation exposure is repeated, and readout, conversion elements can be reset and accumulated for each line. Therefore, it can be driven substantially by the total reading time. That is, at the same time that one line is performing a read operation, the sensor of the line that has already been read is reset. As a result, high-speed moving image driving of 30 FPS or higher can be realized without degrading image quality.
また、リセット用スイッチング素子のゲート電極とソース又はドレイン電極とを直結させて、変換素子の画素電極のリセット電位Vrrが与えられる。即ち、リセット用スイッチング素子のゲート電極とソース又はドレイン電極の一方が直結構造であるため、リセット電位Vrrを与えるリセット配線を更に配置する必要が無いため、開口率の低下を防止することが可能となる。また、リセット電位Vrrは複数の電位により構成されていても良い。たとえば、変換素子を十分リセットするために高電位Vrrを印加し、その後、蓄積のために所定のVrrを印加するなど、複数のリセット電位、即ち、複数のリセット用スイッチング素子の駆動電圧から構成される場合もある。 Further, the reset potential Vrr of the pixel electrode of the conversion element is applied by directly connecting the gate electrode and the source or drain electrode of the reset switching element. That is, since one of the gate electrode and the source or drain electrode of the reset switching element has a direct connection structure, it is not necessary to further arrange a reset wiring for applying the reset potential Vrr, and thus it is possible to prevent a decrease in the aperture ratio. Become. Further, the reset potential Vrr may be composed of a plurality of potentials. For example, a high potential Vrr is applied in order to sufficiently reset the conversion element, and then a predetermined Vrr is applied for accumulation, so that the conversion element is composed of a plurality of reset potentials, that is, a driving voltage of a plurality of reset switching elements. There is also a case.
図4は、本実施形態の1画素の平面図である。図中、符号は図1と同様である。転送用スイッチング素子12とリセット用スイッチング素子19は駆動配線、信号配線などのレイアウトの効率化の観点上、画素対角位置に配置している。
FIG. 4 is a plan view of one pixel of this embodiment. In the figure, the reference numerals are the same as those in FIG. The
図5は、図4のA―A部の模式的断面図である。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
次に、本実施形態のFPDの製造方法について述べる。 Next, a method for manufacturing the FPD of this embodiment will be described.
図6A〜図6Dは、本実施形態におけるFPDの製造方法を説明した図である。 6A to 6D are diagrams illustrating a method for manufacturing the FPD in the present embodiment.
第1の工程で、ガラス基板などの絶縁性基板上に、TFTである転送用スイッチング素子の駆動配線13、転送用スイッチング素子のゲート電極、及びMIS型フォトセンサである変換素子の画素電極21、更に、TFTであるリセット用スイッチング素子の駆動配線20、リセット用スイッチング素子のゲート電極としてのクロム薄膜をスパッタ装置により成膜し、フォトリソグラフィによりパターンを形成する。図6Aに1画素の模式的平面図を示す。
In the first step, on the insulating substrate such as a glass substrate, the
第2の工程で、TFTである転送用スイッチング素子、リセット用スイッチング素子とMIS型フォトセンサである変換素子の、SiNからなるゲート絶縁膜、a−Si膜からなる半導体層、リンドープn+膜からなる不純物半導体層を、プラズマCVD装置により夫々成膜する。 In the second step, the transfer switching element, which is a TFT, the switching element for reset, and the conversion element, which is a MIS type photosensor, include a gate insulating film made of SiN, a semiconductor layer made of an a-Si film, and a phosphorus-doped n + film. Impurity semiconductor layers are respectively formed by a plasma CVD apparatus.
第3の工程で、RIE(Reactive Ion Etching)或いはCDE(Chemical Dry Etching)を用いたフォトリソグラフィにより、コンタクトホール22及び23を形成する。図6Bに1画素の模式的平面図を示す。 In the third step, contact holes 22 and 23 are formed by photolithography using RIE (Reactive Ion Etching) or CDE (Chemical Dry Etching). FIG. 6B shows a schematic plan view of one pixel.
第4の工程で、TFTである転送用スイッチング素子及びリセット用スイッチング素子のSD電極24,25、信号配線14、センサバイアス配線15としてアルミ薄膜1μをスパッタ装置により成膜し、フォトリソグラフィによりパターンを形成する。図6Cに1画素の模式的平面図を示す。
In the fourth step, an aluminum
第5の工程で、TFTである転送用スイッチング素子及びリセット用スイッチング素子のギャップ部の不純物半導体層をRIEで除去する。 In the fifth step, the impurity semiconductor layer in the gap portion of the transfer switching element and the reset switching element which are TFTs is removed by RIE.
第6の工程で、各素子の素子間分離をRIEを用いたフォトリソグラフィにより行う。図6Dに1画素の模式的平面図を示す。 In the sixth step, the elements are separated from each other by photolithography using RIE. FIG. 6D shows a schematic plan view of one pixel.
第7の工程で、保護膜としてSiN膜をプラズマCVD装置により成膜し、配線引き出し部などを、RIEを用いたフォトリソグラフィにより露出させる。 In the seventh step, a SiN film is formed as a protective film by a plasma CVD apparatus, and the wiring lead-out portion and the like are exposed by photolithography using RIE.
第8の工程で、シンチレータを接着剤で貼り合わせる等して変換素子上に配置する。以上により、本発明のFPDが製造される。 In the eighth step, the scintillator is attached on the conversion element by bonding with an adhesive or the like. As described above, the FPD of the present invention is manufactured.
[実施形態2]
本実施形態は、先の実施形態1に対して、感度向上、言い換えれば、開口率の向上と、TFT駆動回路を単純化するためのものである。
[Embodiment 2]
This embodiment is for improving sensitivity, in other words, improving the aperture ratio and simplifying the TFT drive circuit, compared to the first embodiment.
図7は、本実施形態における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TFTからなる転送用スイッチング素子、31は転送用スイッチング素子とリセット用スイッチング素子を駆動させるための駆動配線、14は信号配線、15はセンサバイアス配線、16は信号処理回路、17は駆動回路、18はA/D変換部、19はTFTからなるリセット用スイッチング素子である。 FIG. 7 is a schematic equivalent circuit diagram of 3 × 3 pixels in the present embodiment. In the figure, 11 is a conversion element which is a MIS type photosensor, 12 is a transfer switching element made of TFT, 31 is a drive wiring for driving the transfer switching element and the reset switching element, 14 is a signal wiring, Sensor bias wiring, 16 is a signal processing circuit, 17 is a drive circuit, 18 is an A / D converter, and 19 is a reset switching element made of TFT.
X線は、不図示の蛍光体により可視光に変換され、変換素子11に入射する。入射光は光電変換され、信号電荷が変換素子内に蓄積される。その後、転送用スイッチング素子12をONすることにより、信号電荷に応じた画像信号が読み出される。その後、後段の転送用スイッチング素子が動作するタイミングでリセット用スイッチング素子19がONされ、変換素子をリセットする。
X-rays are converted into visible light by a phosphor (not shown) and enter the
次に、図8は、本実施形態における3×1画素の等価回路図である。図中、符号は図2と同様である。Vg(1)より転送用スイッチング素子(TT1)のON電圧が印加され、信号配線14を介して画像信号として出力される。次に、Vg(2)よりリセット用スイッチング素子(TR1)のON電圧が印加され、変換素子がリセットされる。この時、同時に、転送用スイッチング素子(TT2)にON電圧が印加され、同様に、信号配線14を介して次の画像信号が出力される。次に、Vg(3)よりリセット用スイッチング素子(TR2)のON電圧が印加され、変換素子がリセットされる。以上の動作繰り返すことにより、動画読み取りが可能となる。
Next, FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of 3 × 1 pixels in the present embodiment. In the figure, the reference numerals are the same as those in FIG. An ON voltage of the transfer switching element (TT 1 ) is applied from Vg (1), and is output as an image signal through the
図9は、本実施形態における駆動方法を説明した模式図である。図中、S1は1ラインの読出し処理等時間、S2は1ラインのリセット処理等時間、S3は1ラインの転送、リセット処理等時間、S4は1ラインの変換素子の蓄積時間、Sは1フレーム処理時間である。 FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a driving method in the present embodiment. In the figure, S 1 is 1-line readout process or the like time, S 2 is 1 line reset processing such time, S 3 is the one-line transfer, reset processing such as time, the accumulation time of the conversion element S 4 is one line, S is one frame processing time.
本実施形態と、従来の方法と比較すると、読出しとリセットと蓄積を各ライン毎に行うため、1画像の読出し時間は、1行あたりの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。即ち、本実施形態の特徴は、上述の様に前段のリセット用スイッチング素子と後段の転送用スイッチング素子が同時に同一の駆動配線からONされる構成であり、且つ、リセット用スイッチング素子のゲート電極とソース又はドレイン電極とが直結した構造である。そのため、1画素に2つのスイッチング素子を有する構造でありながら、1画素に1つのスイッチング素子を有する構造と同様な配線数を実現できることである。その結果、開口率を低下させること無く、機能向上が達成できるものである。 Compared with the present embodiment and the conventional method, readout, reset, and accumulation are performed for each line, so that the readout time of one image can be driven by the total readout time per row. As a result, high-speed moving image driving of 30 FPS or higher can be realized without degrading image quality. That is, the feature of this embodiment is a configuration in which the former-stage reset switching element and the latter-stage transfer switching element are simultaneously turned on from the same drive wiring as described above, and the gate electrode of the reset switching element The source or drain electrode is directly connected. Therefore, although the structure has two switching elements in one pixel, it is possible to realize the same number of wirings as the structure having one switching element in one pixel. As a result, functional improvement can be achieved without reducing the aperture ratio.
図10は、本実施形態における1画素の平面図である。図中、符号は図7と同様である。TFTからなる転送用スイッチング素子12とリセット用スイッチング素子19は、駆動配線、信号配線などのレイアウト上、画素対角位置に配置している。また、構造上の特徴から、転送用スイッチング素子とリセット用スイッチング素子の動作時間は同一であるため、夫々の動作能力は必ずしも同一である必要が無く、動作は少なくとも2種類の動作電圧で動作させる必要がある。
FIG. 10 is a plan view of one pixel in the present embodiment. In the figure, the reference numerals are the same as those in FIG. The
図11は、各スイッチング素子となるTFTの動作電圧プロファイルの一例を示す図である。図中、A領域は転送用スイッチング素子のために考慮された電圧、また、B領域はリセット用スイッチング素子のために考慮された電圧である。これは、実施形態1で述べた様に変換素子であるMIS型フォトセンサの下電極を所定の電位Vrrにするためのものである。勿論、最終的に所定の電圧になる様に、必ずしもステップ的である必要はない。基本的には、転送用スイッチング素子を動作させる電圧プロファイルに続き、リセット用スイッチング素子が所定の電圧を実現できる電圧プロファイルであれば良い。 FIG. 11 is a diagram illustrating an example of an operating voltage profile of a TFT serving as each switching element. In the figure, the A region is a voltage considered for the transfer switching element, and the B region is a voltage considered for the reset switching element. This is for setting the lower electrode of the MIS type photosensor, which is a conversion element, to a predetermined potential Vrr as described in the first embodiment. Of course, it is not necessarily stepwise so that the predetermined voltage is finally obtained. Basically, any voltage profile can be used as long as the reset switching element can realize a predetermined voltage following the voltage profile for operating the transfer switching element.
本実施形態は、スイッチング素子を駆動させるための駆動配線の数が従来のものと同様であり、周辺回路を大きく変更することなく、高速動画が可能となり、また、製造方法も実施形態1と同様に簡便である。 In the present embodiment, the number of drive wirings for driving the switching elements is the same as that of the conventional one, high-speed moving images can be made without greatly changing the peripheral circuit, and the manufacturing method is the same as in the first embodiment. It is simple.
[実施形態3]
本実施形態は、放射線直接変換部により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。
[Embodiment 3]
In the present embodiment, a case will be described where the radiation is directly converted into electric charges by a radiation direct conversion unit, stored, and read out using a transfer switching element, which is applied to a so-called direct conversion method.
図12は、本実施形態における3×3画素の模式的等価回路図である。図中、41は、放射線を直接変換する変換素子において発生した電荷を収集する個別電極、43は蓄積容量、42はTFTからなる転送用スイッチング素子、45は転送用スイッチング素子及びリセット用スイッチング素子を駆動させるための駆動配線、44は信号配線、46は信号処理回路、47は駆動回路、48はA/D変換部、49はTFTからなるリセット用スイッチング素子である。 FIG. 12 is a schematic equivalent circuit diagram of 3 × 3 pixels in the present embodiment. In the figure, 41 is an individual electrode for collecting charges generated in a conversion element that directly converts radiation, 43 is a storage capacitor, 42 is a transfer switching element made of TFT, 45 is a transfer switching element and a reset switching element. A driving wiring for driving, 44 a signal wiring, 46 a signal processing circuit, 47 a driving circuit, 48 an A / D converter, and 49 a reset switching element made of a TFT.
図13は、本実施形態における模式的断面図を示す。51はガラス基板などの絶縁性基板、52は放射線を直接変換する変換素子であるGaAs、60は共通電極、41は個別電極である。また、53は導電性樹脂によるバンプ接続部、61は転送用スイッチング素子及びリセット用スイッチング素子のゲート電極、55,56,57は、夫々両スイッチング素子のゲート絶縁膜、半導体層、不純物半導体層、62は蓄積容量の下電極である。54は層間絶縁膜、58,59は転送用スイッチング素子及びリセット用スイッチング素子のソースまたはドレイン電極である。
FIG. 13 shows a schematic cross-sectional view in the present embodiment.
X線は、変換素子52により直接電荷に変換され、個別電極41に収集され、バンプ接続部53を介して、蓄積容量43に蓄積される。その後、転送用スイッチング素子42をONすることにより、信号配線44より読み出される。その後、後段の転送用スイッチング素子42がONされると同時に、リセット用スイッチング素子49がONして、変換素子及び蓄積容量をリセットする。なお、放射線直接変換部として、非晶質セレンを用いてもよい。
The X-rays are directly converted into electric charges by the
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、高品位動画像を容易に得ることができる。 This embodiment also has the same effect as the first and second embodiments, and a high-quality moving image can be easily obtained.
[実施形態4]
本実施形態では変換素子としてPIN型フォトダイオードを用いたX線検出装置について述べる。MIS型フォトセンサの場合と同様な効果が得られる。本実施形態ではTFTからなるスイッチング素子アレイ上にPIN型フォトダイオードを積層した構造である。等価回路は実施形態2と同様であり、転送用スイッチング素子と前の行のリセット用スイッチング素子が同一の駆動配線で接続されている構造である。
[Embodiment 4]
In this embodiment, an X-ray detection apparatus using a PIN photodiode as a conversion element will be described. The same effect as in the case of the MIS type photosensor can be obtained. In this embodiment, a PIN photodiode is stacked on a switching element array made of TFTs. The equivalent circuit is the same as that of the second embodiment, and has a structure in which the transfer switching element and the reset switching element in the previous row are connected by the same drive wiring.
図14は、本実施形態における模式的断面図である。図中、71はガラス基板などの絶縁性基板、72は転送用スイッチング素子であるTFTのゲート電極、73はリセット用スイッチング素子であるTFTのゲート電極、74はゲート絶縁膜、75はa−Siからなる半導体層、76は不純物半導体層、77,78は転送用スイッチング素子及びリセット用スイッチング素子のソースドレイン電極、79は層間絶縁膜、80は変換素子の下電極、81はn層、82はi層、83はp層、84は保護膜、85はセンサバイアス配線、86は保護膜、87は蛍光体である。 FIG. 14 is a schematic cross-sectional view in the present embodiment. In the figure, 71 is an insulating substrate such as a glass substrate, 72 is a gate electrode of a TFT as a transfer switching element, 73 is a gate electrode of a TFT as a reset switching element, 74 is a gate insulating film, and 75 is a-Si. , An impurity semiconductor layer, 77 and 78 source and drain electrodes of the transfer switching element and the reset switching element, 79 an interlayer insulating film, 80 a lower electrode of the conversion element, 81 an n layer, and 82 The i layer, 83 is a p layer, 84 is a protective film, 85 is a sensor bias wiring, 86 is a protective film, and 87 is a phosphor.
本実施形態では、リセット用スイッチング素子の動作を考慮して、変換素子の下電極からNIP構造としており、駆動方法から限定される構造である。また、積層構造であるため、基本的には配線、或いは、スイッチング素子上に変換素子を配置することが可能であり、高開口率を達成できるが、低誘電率で、且つ、厚膜な層間絶縁膜を配置することにより寄生容量を低減していることによる。その結果、材料の制約、厚膜化の制約などにより、低価格化には課題がある。しかし、本実施形態の様に配線数を低減することにより、寄生容量の低減が可能となり、層間絶縁膜の設計自由度が上がり、且つ、寄生容量も低減され、高機能化と低価格化が同時に達成可能となる。 In the present embodiment, considering the operation of the reset switching element, the lower electrode of the conversion element has an NIP structure, and the structure is limited by the driving method. In addition, because of the laminated structure, it is basically possible to arrange the conversion element on the wiring or the switching element, and a high aperture ratio can be achieved, but a low dielectric constant and a thick film interlayer can be achieved. This is because the parasitic capacitance is reduced by disposing an insulating film. As a result, there is a problem in reducing the price due to restrictions on materials and thick films. However, by reducing the number of wires as in this embodiment, the parasitic capacitance can be reduced, the degree of freedom in designing the interlayer insulating film is increased, and the parasitic capacitance is also reduced, resulting in higher functionality and lower cost. It can be achieved at the same time.
[実施形態5]
図15は、本実施形態の放射線撮像システムを示す図である。放射線撮像システムは、上記実施形態1〜4の放射線撮像装置を放射線撮像システムとして応用した例である。
[Embodiment 5]
FIG. 15 is a diagram illustrating the radiation imaging system of the present embodiment. The radiation imaging system is an example in which the radiation imaging apparatus according to the first to fourth embodiments is applied as a radiation imaging system.
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撮像装置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撮像装置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。
The X-ray 6060 generated by the
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。
Further, this information can be transferred to a remote place by transmission means such as a telephone line 6090, and can be displayed on a
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。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitably used for an electromagnetic wave detection device for detecting electromagnetic waves including light such as visible light and infrared light, and radiation such as X-rays and γ-rays, in particular, a radiation detection device for detecting radiation such as X-rays and γ-rays. And applied to medical image diagnostic apparatuses, nondestructive inspection apparatuses, analyzers using radiation, and the like.
11 変換素子
12 転送用スイッチング素子
13 転送用スイッチング素子の駆動配線
14 信号配線
15 センサバイアス配線
16 信号処理回路
17 駆動回路
18 A/D変換部
19 リセット用スイッチング素子
20 リセット用スイッチング素子の駆動配線
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記画素はそれぞれ、変換素子と、該変換素子で得られた電気信号を転送するために前記変換素子に接続された第1のスイッチング素子と、前記変換素子に定電位を与えることにより前記変換素子をリセットするために前記変換素子に接続された第2のスイッチング素子と、を含み、
前記第2の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の一方と前記ゲート電極が電気的に接続されることを特徴とする撮像装置。 An imaging device having a plurality of pixels arranged on an insulating substrate,
Each of the pixels includes a conversion element, a first switching element connected to the conversion element for transferring an electric signal obtained by the conversion element, and a constant potential applied to the conversion element. A second switching element connected to the conversion element for resetting
The imaging device, wherein the second switching element includes a gate electrode and a source or drain electrode, and one of the source or drain electrode and the gate electrode are electrically connected.
前記画素はそれぞれ、入射した放射線を該放射線に応じた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ために前記変換素子に接続された第1のスイッチング素子と、前記変換素子に定電位を与えることにより前記変換素子をリセットするために前記変換素子に接続された第2のスイッチング素子と、を含み、
前記第2の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の一方と前記ゲート電極が電気的に接続されることを特徴とする放射線撮像装置。 A radiation imaging apparatus having a plurality of pixels arranged on an insulating substrate,
Each of the pixels includes a conversion element that converts incident radiation into an electrical signal corresponding to the radiation, a first switching element connected to the conversion element to transfer the electrical signal, and a constant in the conversion element. A second switching element connected to the conversion element to reset the conversion element by applying a potential;
The radiation imaging apparatus, wherein the second switching element includes a gate electrode and a source or drain electrode, and one of the source or drain electrode and the gate electrode are electrically connected.
A radiation imaging apparatus according to any one of claims 10 to 12, processing means for processing a signal from the radiation imaging apparatus, storage means for storing a signal from the processing means, and from the processing means A radiation imaging system comprising: transmission means for transmitting a signal; display means for displaying a signal from the processing means as an image; and a radiation source for generating the radiation irradiated to the radiation imaging apparatus.
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2005
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