JP2007175294A - イメージセンサ及びその制御方法並びにｘ線検出器及びｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Abstract

【目的】 簡単な構成で被写体の移動によらず常に安定で良質な画像をサンプリング可能なことを課題とする。
【構成】 ２次元配列された複数のフォトダイードＰＤと、該各フォトダイードの受光部に蓄積された光電変換電荷を外部に読み出す複数の読出ゲート回路とを備えるイメージセンサであって、前記各受光部に隣接してそれぞれ第１，第２の電位井戸を形成するための第１，第２のゲート電極Ａ，Ｓを絶縁層を介してそれぞれに設け、所定時間Ｔに渡って各受光部に蓄積された電荷を各一斉に第１，第２の電位井戸に順次転送して後、該第１の電位井戸を消滅させて前記受光部と第２の電位井戸との間に電荷の移動を妨げるための電位障壁を形成すると共に、該第２の電位井戸に蓄積された電荷を時分割で外部に読み出すように構成したものである。
【選択図】 図３

Description

本発明はイメージセンサ及びその制御方法並びにＸ線検出器及びＸ線ＣＴ装置に関し、更に詳しくは、２次元配列された複数のフォトダイードと、該各フォトダイードの受光部に蓄積された光電変換電荷を外部に読み出す複数の読出ゲート回路とを備えるイメージセンサ及びその制御方法並びにＸ線検出器及びＸ線ＣＴ装置に関する。

Ｘ線ＣＴ装置では、被検体を透過したＸ線をシンチレーター層によって光に変換すると共に、得られた光信号をフォトダイオードアレイ（イメージセンサ）によって電気信号に変換することが一般的に行われる。以下に、その一例を説明する。図１１，図１２は従来技術を説明する図（１），（２）で、図１１は従来のマルチスライスＸ線検出器の一部平面図を示している。図中、矢印ＸはＸ線検出器のチャネル方向、矢印Ｚはスライス（被検体体軸）方向にそれぞれ対応している。

前面のシンチレータ層（ＣｓＩ等）の背面に複数のフォトダイードＰＤ１１〜ＰＤ３３が２次元配列されており、それぞれには受光部に蓄積された電荷を外部に読み出すためのゲート回路（ＭＯＳＦＥＴスイッチ回路）が設けられている。このうちスライス（row）方向に並ぶ１行目のフォトダイオードＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ１３については、これらの各出力端子（ドレインＤ）が共通の読み出しラインＤＲ１に接続されており、その端部には電流積分型の増幅回路ＡＲ１が接続されている。２行目、３行目についても同様であり、それぞれに増幅回路ＡＲ２，ＡＲ３が接続されている。

一方、チャネル（column）方向に並ぶ１列目のフォトダイオードＰＤ１１，ＰＤ２１，ＰＤ３１については、これらの各ゲート端子（Ｇ）が共通の読み出し制御ラインＧＣ１に接続されており、その端部には駆動スイッチＳ１が接続されている。２列目、３列目についても同様であり、それぞれに駆動スイッチＳ２，Ｓ３が接続されている。

係る構成により、まずスイッチＳ１を一時的に閉じることで、１列目のＰＤ１１，ＰＤ２１，ＰＤ３１に接続する各ＦＥＴスイッチのゲートＧにパルス電圧を印加し、各受光部に蓄積された電荷を各読出ラインＤＲ１〜ＤＲ３に一斉（同時）に読み出す。次にスイッチＳ２を一時的に閉じることで、２列目のＰＤ１２，ＰＤ２２，ＰＤ３２の各受光部に蓄積された電荷を各読出ラインＤＲ１〜ＤＲ３に一斉（同時）に読み出す。以下、同様であり、こうして、チャネル方向に並ぶ各ＰＤの蓄積電荷を一斉に読み出すと共に、スライス方向に並ぶ各ＰＤの蓄積電荷を時分割で読み出す。

図１２に従来のマルチスライスＸ線検出器の動作タイミングチャートを示す。図中、第１列目のＰＤ１１については所定時間Ｔの間に蓄積した光電変換電荷をゲート信号ＧＣ１のタイミングで外部に読み出す。第２列目のＰＤ１２についても時間Ｔの間に蓄積した電荷を時間Δｔだけずれたゲート信号ＧＣ２のタイミングで外部に読み出す。以下、同様であり、このように、従来のＸ線検出器ではスライス方向に並ぶ各ＰＤの電荷蓄積時間Ｔが時間Δｔづつ位相のずれているものであった。

なお、複数のフォトダイードが２次元配列されたマルチスライス用Ｘ線検出器としては特許文献１，２等が知られている。
特開２００５−１８９０２２ 特開２００４−６５２８５

しかるに、近年のＸ線ＣＴ装置では走査ガントリの高速回転により、１蓄積時間Ｔの間にもＸ線検出器が体軸中心の回りで相当程度移動してしまう為、第１列目と最後の第ｍ列目とでは略蓄積時間Ｔだけビュー角のずれた投影像を撮影することになり、これが画像再構成の処理、及び再構成画像に悪影響を与えていた。

特に、ビュー毎にＸ線発生の焦点位置を切り替えて投影データのサンプリングを行う場合には、ある列については、電荷蓄積時間Ｔと次の電荷蓄積時間Ｔの切り替えタイミングとＸ線焦点の切り替えタイミングとを同期させることにより、位置分解能のよいデータを収集することが出来るが、その他の列については、その電荷蓄積時間Ｔの切り替えタイミングとＸ線焦点の切り替えタイミングがずれてしまうことになるため、一つの電荷蓄積時間Ｔ中にＸ線焦点位置が移動することになり、データの位置がボケてしまうと言う問題があった。そのため、Ｘ線焦点位置を切り替えて細かいデータのサンプリングを行おうとしても、得られる投影データの位置分解能が悪く、位置分解能のよい画像が得られなかった。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑みなされたもので、その目的とする所は、被写体の移動や、Ｘ線焦点位置（光源位置）の切り替えがある場合であっても、簡単な構成で常に安定かつ良質な画像をサンプリング可能なイメージセンサ及びその制御方法並びにＸ線検出器及びＸ線ＣＴ装置を提供することにある。

上記の課題は例えば図３の構成により解決される。即ち、本発明（１）のイメージセンサは、２次元配列された複数のフォトダイードＰＤと、該各フォトダイードの受光部に蓄積された光電変換電荷を外部に読み出す複数の読出ゲート回路とを備えるイメージセンサであって、前記各受光部に隣接してそれぞれ第１，第２の電位井戸を形成するための第１，第２のゲート電極Ａ，Ｓを絶縁層を介してそれぞれに設け、所定時間Ｔに渡って各受光部に蓄積された電荷を各一斉に第１，第２の電位井戸に順次転送して後、該第１の電位井戸を消滅させて前記受光部と第２の電位井戸との間に電荷の移動を妨げるための電位障壁を形成すると共に、該第２の電位井戸に蓄積された電荷を時分割で外部に読み出すように構成したものである。

本発明（１）においては、受光部の後段に電位井戸（井戸型ポテンシャル領域）Ａ，Ｓを形成し、受光部で一斉（同時）Ｔに蓄積した光電変換電荷を第１，第２の電位井戸Ａ，Ｓに一斉に順次転送して後、受光部と第２の電位井戸Ｓとの間を遮蔽すると共に、該第２の電位井戸Ｓに蓄積された電荷を時分割で外部に読み出す簡単な構成により、被写体の移動によらず常に安定で良質な画像をサンプリング可能となる。

本発明（２）では、上記本発明（１）において、例えば図７に示す如く、前記各受光部と第１の電位井戸との間に第３，第４の電位井戸を形成するための第３，第４のゲート電極Ｃ，Ｂを絶縁層を介してそれぞれに設け、前記所定時間Ｔに渡って各受光部に蓄積されるべき電荷を複数回に渡って各一斉に第３，第４の電位井戸に順次転送して後、毎回該第３の電位井戸を消滅させて前記受光部と第４の電位井戸との間に電荷の移動を妨げるための電位障壁を形成すると共に、該第４の電位井戸に積分された電荷を各一斉に前記第１，第２の電位井戸に順次転送するように構成したものである。

本発明（２）においては、受光部と第１の電位井戸Ａとの間に、更に第３，第４の電位
井戸領域Ｃ，Ｂを設け、所定時間Ｔに渡って受光部に蓄積されるべき電荷を複数回に渡って一斉に第３，第４の電位井戸に順次転送しつつ、毎回受光部と第４の電位井戸との間を遮蔽することにより、受光部で発生した光電変換電荷を効率よく（即ち、低損失で）第４の電位井戸に蓄積（積分）できる。従って、検出特性に高い線形性が得られる。

本発明（３）では、上記本発明（１）又は（２）において、２次元配列された各センサ素子の行又は列毎に共通の増幅回路を設け、各センサ素子の第２の電位井戸に蓄積された電荷を行方向又は列方向に時分割で外部に読み出すように構成したものである。

また、本発明（４）のイメージセンサの制御方法は、２次元配列された複数のフォトダイードと、該各フォトダイードの受光部に隣接してそれぞれ第１，第２の電位井戸を形成すべく併設された第１，第２のゲート電極と、該第２の電位井戸に蓄積された電荷を外部に読み出す複数の読出ゲート回路とを備えるイメージセンサの制御方法であって、例えば図４に示す如く、所定時間Ｔに渡って受光部で生成された電荷を該受光部に蓄積するステップと、前記受光部に蓄積された電荷を第１，第２の電位井戸に一斉に順次転送して後、該第１の電位井戸を消滅させて該受光部と第２の電位井戸との間に電荷の移動を妨げるための電位障壁を形成するステップと、前記第２の電位井戸に蓄積された電荷を時分割で外部に読み出すステップとを備えるものである。

本発明（５）のイメージセンサの制御方法は、２次元配列された複数のフォトダイードと、該各フォトダイードの受光部に隣接してそれぞれ第３，第４及び第１，第２の電位井戸を形成すべく併設された第３，第４及び第１，第２のゲート電極と、該第２の電位井戸に最終的に蓄積された電荷を外部に読み出す複数の読出ゲート回路とを備えるイメージセンサの制御方法であって、例えば図８に示す如く、所定時間Ｔに渡って各受光部に蓄積されるべき電荷を複数回（φＣ）に渡って各一斉に第３，第４の電位井戸に順次転送して後、該第３の電位井戸を消滅させて前記受光部と第４の電位井戸との間に電荷の移動を妨げるための電位障壁を形成するステップと、前記第４の電位井戸に積分された電荷を各一斉に前記第１，第２の電位井戸に順次転送して後、該第１の電位井戸を消滅させて該第４の電位井戸と第２の電位井戸との間に電荷の移動を妨げるための電位障壁を形成するステップと、前記第２の電位井戸に蓄積された電荷を時分割で外部に読み出すステップとを備えるものである。

また、本発明（６）のＸ線検出器は、上記本発明（１）又は（２）記載のイメージセンサの受光面にＸ線を光に変換するためのシンチレータ層を積層固着してなるものである。

また、本発明（７）のＸ線検出器は、被検体を挟んで相対向するＸ線管と上記本発明（６）記載のＸ線検出器を備え、被検体をスキャンして得られた投影データに基づき被検体のＣＴ断層像を再構成するＸ線ＣＴ装置のＸ線検出器であって、被検体体軸と平行なスライス方向と、これに垂直なチャネル方向とに対応させて２次元配列された各センサ素子の各チャネル毎のスライス方向に共通の増幅回路を設け、チャネル方向に並ぶ各センサ素子の第２の電位井戸に蓄積された電荷を一斉に、かつスライス方向に並ぶ各センサ素子の第２の電位井戸に蓄積された電荷を時分割で外部に読み出すように構成したものである。

本発明（８）のＸ線ＣＴ装置は、上記本発明（７）記載のＸ線検出器を備えたものである。従って、走査ガントリが高速回転していてもスライス方向に同一ビュー角の投影データをサンプリングでき、また、全てのセンサ素子で同一タイミングに電荷蓄積ができるので、ビュー毎にＸ線発生の焦点位置を切り替えて投影データのサンプリングを行う場合にも投影像を適正にサンプリングできる。

以上述べた如く本発明によれば、簡単な構成により被写体の映像を同時にサンプリングできるため、映像やＣＴ再構成画像の画質の改善に寄与するところが極めて大きい。

以下、添付図面に従って本発明に好適なる実施の形態を詳細に説明する。なお、全図を通して同一符号は同一又は相当部分を示すものとする。

図１は実施の形態によるＸ線ＣＴ装置２００の構成図で、本発明によるイメージセンサ（フォトダイオードアレイ）のＸ線検出器への適用例を示している。このＸ線ＣＴ装置は、被検体を載せてその体（ｚ）軸方向に移動させる撮影テーブル１０と、Ｘ線ファンビームによる被検体のアキシャル／ヘリカルスキャンのデータ収集を行う走査ガントリ２０と、撮影テーブル１０及び走査ガントリ２０の遠隔制御を行うと共に、操作者が各種の設定操作を行う操作コンソール１と備える。

操作コンソール１は、操作者の入力を受け付ける入力装置２と、画像再構成処理等を行う中央処理装置（ＣＰＵ）３と、走査ガントリ２０で取得した投影データを収集するデータ収集バッファ５と、投影データから再構成したＣＴ画像を表示するモニタ６と、本装置の機能を実現するためのプログラム、データやＸ線ＣＴ画像を記憶する記憶装置７とを備える。撮影テーブル１０は、被検体を乗せて走査ガントリ２０のボア（空洞部）内に入れ出しする駆動機構部及び天板（クレードル）１２を備える。

走査ガントリ２０は、Ｘ線管２１と、Ｘ線管２１の管電圧・管電流等を制御するＸ線
コントローラ２２と、Ｘ線ファンビームのz軸方向の厚さ（スライス厚）を制御するコリ
メータ２３と、複数列分の投影データを同時に取得可能なマルチスライスＸ線検出器２４と、各列の投影データを収集するデータ収集装置ＤＡＳ（Data Acquisition System）２５と、Ｘ線管２１やマルチスライスＸ線検出器２４等を被検体体軸の回りに回転自在に支持する回転部１５と、その制御を行う回転部コントローラ２６と、前記操作コンソール１や撮影テーブル１０との間で制御信号のやり取りを行う制御コントローラ２９とを備える。

図２に実施の形態による走査ガントリ２０の要部構成図を示す。被検体１００を挟んでＸ線管２１とマルチスライスＸ線検出器２４とが設けられ、これらは被検体体軸ＣＬｂの回りに回転自在に支持されている。Ｘ線管２１のＸ線発生焦点は、上記Ｘ線コントローラ２２による電子ビーム衝突位置の制御によって、その衝突位置（即ち、Ｘ線発生焦点位置）がビュー毎に短時間で変更可能に構成されている。また、Ｘ線検出器２４はチャネル（Ｘ軸）方向に複数（例えば、１０００程度）のＸ線検出素子を備え、これがスライス（Ｚ軸）方向に複数（例えば１６，３２，６４列）併設されている。

係る構成による投影データの収集は次のように行われる。まず、被検体を走査ガントリ２０の空洞部内に位置させた状態でz軸方向の位置を固定し、Ｘ線管２１からのＸ線ファンビームを被検体に照射し、その透過Ｘ線をマルチスライスＸ線検出器２４で検出する。そして、この透過Ｘ線の検出を、Ｘ線管２１とマルチスライスＸ線検出器２４を被検体の周囲に回転させる｛即ち、投影（ビュー）角度を変化させる｝と同時に、Ｘ線焦点位置をビュー毎に切り替えながら、複数Ｎ（例えば、Ｎ＝１０００程度）のビュー方向で、３６０度分のデータ収集を行う。

検出された各透過Ｘ線は、データ収集部２５でディジタル値に変換されて投影データｄ（ｃｈ，ｖｉｅｗ）（但し、ｃｈ：チャネル、ｖｉｅｗ：ビュー）としてデータ収集バッファ５を介して操作コンソール１に転送される。この動作を１スキャンと呼ぶ。そして、順次z軸方向にスキャン位置を所定量だけ移動して、次のスキャンを行う。このようなス
キャン方式はコンベンショナル（又はアキシャル）スキャン方式と呼ばれる。また、このコンベンショナルスキャン方式において、連続して複数回転分のスキャンを行うスキャン方式はシネスキャン方式とよばれる。また、投影角度の変化に同期して撮影テーブル１０を所定速度で移動させ、スキャン位置を移動させながら投影データを収集する方式をヘリカルスキャン方式とよぶ。本発明はコンベンショナルスキャン方式、シネスキャン方式、ヘリカルスキャン方式のいずれにも適用できる。

操作コンソール１は、走査ガントリ２０から転送される投影データを中央処理装置３の記憶装置７に格納すると共に、例えば、所定の再構成関数と重畳演算を行い、逆投影処理により被検体の断層像を再構成する。ここで、操作コンソール１は、スキャン処理中に走査ガントリ２０から順次転送されてくる投影データからリアルタイムに断層像を再構成し、常に最新の断層像をモニタ６に表示させることが可能である。更に、記憶装置７に格納されている投影データを呼び出し、改めて画像再構成を行うことも可能である。

次に、上記マルチスライスＸ線検出器を構成するフォトダイオードアレイ（イメージセンサ）の部分を具体的に説明する。図３は第１の実施の形態によるフォトダイオードアレイの一部平面図で、受光部に隣接して第１，第２の電位井戸（井戸型ポテンシャル領域）を形成するための第１，第２のゲート電極Ａ，Ｓ（以下、第２のゲート電極Ｓを出力回路への蓄積電荷供給源と言う意味でソース電極Ｓとも呼ぶ）を設けた場合を示している。

図において、前面のシンチレータ層の背面に複数のフォトダイードＰＤ１１〜ＰＤ３３が２次元配列されており、それぞれには受光部に蓄積された電荷を選択的に外部に読み出すためのゲート回路が設けられている。このうちスライス（row）方向に並ぶ１行目のＰＤ１１，ＰＤ１２，ＰＤ１３については、これらの各出力端子（ドレインＤ）が共通の読み出しラインに接続されており、その端部には電荷積分による増幅回路ＡＲ１が接続されている。２行目、３行目についても同様であり、それぞれ増幅回路ＡＲ２，ＡＲ３が接続されている。

一方、チャネル（column）方向に並ぶ１列目のＰＤ１１，ＰＤ２１，ＰＤ３１については、これらの各ゲート端子Ｇが共通の読み出し制御ラインＧＣ１に接続している。２列目のＰＤ１２，ＰＤ２２，ＰＤ３２、３列目のＰＤ１３，ＰＤ２３，ＰＤ３３についても同様であり、それぞれ読み出し制御ラインＧＣ２，ＧＣ３に接続している。

更に、本第１の実施の形態では各ＰＤの受光部に隣接してそれぞれ第１，第２の電位井戸を形成するための第１，第２のゲート電極Ａ，Ｓを絶縁層を介してそれぞれに設け、所定時間に渡って各受光部に蓄積された光電変換電荷を各一斉に第１，第２の電位井戸Ａ，Ｓに順次転送して後、該第１の電位井戸Ａを消滅させて受光部と第２の電位井戸Ｓとの間に電荷の移動を妨げるための電位障壁を形成すると共に、該第２の電位井戸Ｓに蓄積された電荷を時分割で外部に読み出すように構成している。

挿入図（ａ）にＸ線検出器１画素分の側断面図を示す。図中、８３は、例えばヨウ化セシウムＣｓＩを蛍光体とするシンチレータ層であり、ＣｓＩが有する柱状結晶構造により、シンチレータ内のＸ線フォトンの拡散は少ない。８４は、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）技術によるアモルファスシリコン層であり、シンチレータ層８３で変換された光を電荷に変換するフォトダイオード層８４ａや、該変換された電荷を外部に読み出す読出ゲート回路層８４ｂ，８４ｃ等が形成されている。そして、８５はこれらを支持するガラス等からなる基板層である。

図４は第１の実施の形態によるフォトダイオードアレイの動作タイミングチャートである。所定時間Ｔに渡って全ＰＤ１１〜ＰＤ４４に蓄積された各光電変換電荷は全ＰＤに共
通の第１のゲート信号φＡ（例えば−１２Ｖ）によって全ＰＤ１１〜ＰＤ４４の各対応する第１の電位井戸Ａに一斉に転送され、続く列毎に共通の第２のゲート信号ＳＣ１〜ＳＣ４によって各対応する第２の電位井戸（ソース）Ｓに一斉に転送される。この時、第１のゲート信号φＡはハイレベル（例えば０Ｖ）に戻されており、これにより第１の電位井戸Ａは消滅して受光部と第２の電位井戸Ｓとの間に電荷の移動を妨げるための電位障壁が形成されるため、各第２の電位井戸Ｓに転送された電荷はそのまま保持されると共に、該第２の電位井戸Ｓに蓄積された電荷を列毎に時分割で外部に読み出す。

１列目のＰＤ１１，ＰＤ２１，ＰＤ３１に着目すると、全ＰＤに共通のゲート信号φＡによって転送された各電荷は１列目のゲート信号ＳＣ１によって第２の電位井戸（ソース）Ｓに保持されると共に、続く１列目の読出ゲート信号ＧＣ１によって外部に一斉に読み出される。また、２列目のＰＤ１２，ＰＤ２２，ＰＤ３２に着目すると、全ＰＤに共通のゲート信号φＡによって転送された各電荷は２列目のゲート信号ＳＣ２によって第２の電位井戸（ソース）Ｓに保持されると共に、前記信号ＧＣ１よりも時間Δｔだけ遅れて発生する２列目の読出ゲート信号ＧＣ２によって外部に一斉に読み出される。３列目以降のＰＤについても同様である。

本第１の実施の形態によれば、全ＰＤは同一位相かつ同一周期Ｔで光を検出可能であると共に、各列の第２の電位井戸（ソース）Ｓからの電荷の読み出しは、時間Δｔづつ位相をずらした各ゲート信号ＧＣ１〜ＧＣ４等により時分割で外部に読み出されるため、読出回路の構成（アンプ等）を大幅に削減できる。

図５，図６は第１の実施の形態によるフォトダイオードアレイの動作を説明する図（１），（２）である。図５（Ａ）において、例えばシリコンのＮ型基板にＰ層が形成（拡散等）され、ＰＮ接合からなるフォトダイオードを構成している。受光部の表面は透明の絶縁層（Ｓ_ｉＯ_２等）によって保護されていると共に、該受光部に隣接する絶縁層の上には第１，第２の電位井戸を形成するための第１，第２のゲート電極Ａ，Ｓと、蓄積電荷を外部に読み出すためゲート電極Ｇとが設けられている。基板Ｎをアースに接続した状態ではＰ層はＮ層に対して低電位に自己バイアスされるため、各ゲート電極Ａ，Ｓ，Ｇに０Ｖを加えることで、電荷の移動を阻止できる。電位の概略を点線で示す。一方、蓄積電荷を外部に読み出すためのドレイン側ではＰ型拡散層Ｐ^＋にドレイン電極Ｄがオーミック接続されており、その先は不図示のアンプＡＲに接続されている。なお、電極ＳのＰ層と、電極ＧのＮ層と、電極ＤのＰ^＋層とによってＰチャネルＭＯＳＦＥＴのスイッチ回路を構成していると考えても良い。

図５（Ｂ）において、ＰＮ接合に光が入射すると、空乏領域で電子−正孔対が生成され、そのうちの正孔は負電位のＰ層（受光部）側に蓄積される。図５（Ｃ）において、第１のゲート電極Ａに例えば−１２Ｖを印加すると、受光部で発生・蓄積された正孔はゲート電極Ａの負電位に引き寄せられ、直下に形成された電位井戸Ａに捕獲・蓄積される。

図６（Ａ）において、第１のゲート電極Ａを０Ｖに戻すと共に、第２のゲート電極Ｓに−１２Ｖを印加すると、第１の電位井戸Ａに蓄積されていた正孔は第２のゲート電極Ｓの直下に形成された第２の電位井戸Ｓに転送され、蓄積される。一方、受光部では引き続き正孔が発生するが、第１のゲート電極Ａは０Ｖに戻されているため、引き続きＰ層に蓄積される。図６（Ｂ）において、読出回路のゲート電極Ｇに例えば−５Ｖを印加すると、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴが導通し、第２の電位井戸（ソース）Ｓに蓄積されていた電荷がＮ層に生成されたＰチャネルを介してドレイン回路Ｄに読み出される。図６（Ｃ）において、受光部には次の時間Ｔ分の光電変換電荷が蓄積されつつあり、続く転送制御が繰り返される。

図７は第２の実施の形態によるフォトダイオードアレイの平面図で、受光部と第１の電位井戸Ａとの間に第３，第４の電位井戸を形成するための第３，第４のゲート電極Ｃ，Ｂを絶縁層を介して設け、所定時間Ｔに渡って受光部に蓄積されるべき光電変換電荷を複数回に渡って一斉に第３，第４の電位井戸Ｃ，Ｂに順次転送して後、毎回第３の電位井戸Ｃを消滅させて受光部と第４の電位井戸Ｂとの間に電荷の移動を妨げるための電位障壁を形成すると共に、最終的に第４の電位井戸Ｂに積分（蓄積）された全電荷を一斉に第１，第２の電位井戸に順次転送するように構成した場合を示している。

本第２の実施の形態では、第１のゲート電極Ａを囲むように更に第３，第４のゲート電極Ｃ，Ｂが設けられており、これらにより形成される第３，、第４の電位井戸Ｃ，Ｂによって受光部と第１の電位井戸Ａとの間を電気的に離隔可能となっている。そして、第３，第４のゲート電極Ｃ，Ｂには全ＰＤ１１〜ＰＤ３３に共通の第３，第４のゲート信号φＣ，φＢが加えられる。その他の構成については上記第１の実施の形態（図３等）で述べたものと同様で良い。

図８は第２の実施の形態によるフォトダイオードアレイの動作タイミングチャートである。図において、第３のゲート信号φＣは所定時間Ｔの間に複数回発生（例えば−１２Ｖ）すると共に、第４のゲート信号φＢは例えば−１２Ｖにバイアスされている。これにより、所定時間Ｔに渡って受光部内で発生すべき全光電変換電荷は複数回に渡って第４の電位井戸に逐次転送され、積分（蓄積）される。従って、受光部内に発生した電荷は漏れなく低損失で第４の電位井戸に蓄積されることになり、光電変換特性に高い線形性が得られる。

こうして、所定時間Ｔに渡って第４の電位井戸Ｂに積分・蓄積された全電荷は、上記第１の実施の形態で述べたと同様にして、全ＰＤに共通の第１のゲート信号φＡによって各対応する第１の電位井戸Ａに一斉に転送され、続く列毎に共通の第２のゲート信号ＳＣ１〜ＳＣ４によって各対応する第２の電位井戸（ソース）Ｓに一斉に転送される。この時、第１のゲート信号φＡはハイレベルに戻されているため、各第２の電位井戸Ｓに転送された電荷はそのまま保持されると共に、該第２の電位井戸Ｓに蓄積された電荷を列毎に時分割で外部に読み出す。

本第２の実施の形態によれば、全ＰＤは同一位相かつ同一周期Ｔで光を検出可能であると共に、所定時間Ｔに渡る光電変換電荷を効率よく蓄積可能である。一方、各列の第２の電位井戸（ソース）Ｓからの電荷の読み出しは、時間Δｔづつ位相をずらした各ゲート信号ＧＣ１〜ＧＣ４等により時分割で外部に読み出されるため、読出回路の構成（アンプ等）を大幅に削減できる。

図９，図１０は第２の実施の形態によるフォトダイオードアレイの動作を説明する図（１），（２）である。図９（Ａ）において、本第２の実施の形態では、受光部と第１のゲート電極Ａとの間に更に第３，第４のゲート電極Ｃ，Ｂが隣接して設けられ、それぞれの直下に第３，第４の電位井戸を形成可能となっている。この状態で、ＰＮ接合に光が入射すると、空乏領域で電子−正孔対が生成され、そのうちの正孔は負電位のＰ層（受光部）側に蓄積される。図９（Ｂ）において、受光部の電荷は第３のゲート信号φＣが発生する度に第３の電位井戸Ｃに捕獲され、引き続きゲート信号φＢ（−１２Ｖ）でバイアスされた第４の電位井戸Ｂに転送・蓄積される。図９（Ｃ）において、上記の逐次転送制御が繰り返されると共に、やがて所定時間Ｔを経過すると、第４の電位井戸Ｂには受光部で時間Ｔ内に発生した全電荷が転送・蓄積されている。一方、受光部では引き続き正孔が発生するが、第３のゲート電極Ｃは０Ｖに戻されているため、引き続きＰ層に蓄積される。

図１０（Ａ）において、第１のゲート電極Ａに−１２Ｖを印加すると、第４の電位井戸
Ｂに蓄積されていた全電荷は第１の電位井戸Ａに転送される。この時、好ましくは、電荷の転送を確実にするために第４のゲート信号φＢを一時的に０Ｖにバイアスする。図１０（Ｂ）において、第１のゲート信号φＡを０Ｖにすると共に、第２のゲート信号ＳＣ１〜ＳＣ３を加えると第１の電位井戸Ａに転送された全電荷は第２の電位井戸に転送される。図１０（Ｂ）において、読出回路のゲート電極Ｇに−５Ｖを印加すると、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴが導通し、第２の電位井戸Ｓに蓄積されていた電荷がＮ層に生成されたＰチャネルを介してドレイン回路Ｄに読み出される。

なお、上記実施の形態では、第１，第２のゲート信号φＡ，ＳＣ_ｊ及び第３，第４のゲート信号φＣ，φＢ（各２相のクロック）で電荷をシフトしたが、この場合の電荷の移動方向については、例えば各電極下の絶縁層（酸化膜Ｓ_ｉ０_２）の厚さを左右非対称とすることで、電荷は酸化膜の厚い方（電界小）から薄い方（電界大）に移動する性質を利用できる。電荷の移動方式については他にも公知の様々な方式を利用できる。

また、上記実施の形態では、ＰＮ接合のＰ層に生じた正孔を信号キャリアとする場合を述べたが、これに限らない。Ｎ層に生じた電子を信号キャリヤとして構成しても良いことは明らかである。

また、上記実施の形態では、本発明によるイメージセンサのＸ線ＣＴ装置への適用例を述べたが、これに限らない。本発明によるイメージセンサは他の様々な撮像装置（カメラ等）にも利用可能である。

また、上記本発明に好適なる複数の実施の形態を述べたが、本発明思想を逸脱しない範囲内で各部の構成、制御、処理及びこれらの組み合わせの様々な変更が行えることは言うまでも無い。

実施の形態によるＸ線ＣＴ装置の構成図である。 実施の形態による走査ガントリの要部構成図である。 第１の実施の形態によるフォトダイオードアレイの平面図である。 第１の実施の形態によるフォトダイオードアレイの動作タイミングチャートである。 第１の実施の形態によるフォトダイオードアレイの動作を説明する図（１）である。 第１の実施の形態によるフォトダイオードアレイの動作を説明する図（２）である。 第２の実施の形態によるフォトダイオードアレイの平面図である。 第２の実施の形態によるフォトダイオードアレイの動作タイミングチャートである。 第２の実施の形態によるフォトダイオードアレイの動作を説明する図（１）である。 第２の実施の形態によるフォトダイオードアレイの動作を説明する図（２）である。 従来技術を説明する図（１）である。 従来技術を説明する図（２）である。

符号の説明

２０ 走査ガントリ
２１ Ｘ線管
２４ マルチスライスＸ線検出器
８３ シンチレータ層
８４ アモルファスシリコン層
８４ａ フォトダイオード層
８４ｂ，８４ｃ 読出ゲート回路層
８５ 基板層

Claims (8)

1. ２次元配列された複数のフォトダイードと、該各フォトダイードの受光部に蓄積された光電変換電荷を外部に読み出す複数の読出ゲート回路とを備えるイメージセンサであって、
   前記各受光部に隣接してそれぞれ第１，第２の電位井戸を形成するための第１，第２のゲート電極を絶縁層を介してそれぞれに設け、所定時間に渡って各受光部に蓄積された電荷を各一斉に第１，第２の電位井戸に順次転送して後、該第１の電位井戸を消滅させて前記受光部と第２の電位井戸との間に電荷の移動を妨げるための電位障壁を形成すると共に、該第２の電位井戸に蓄積された電荷を時分割で外部に読み出すように構成したことを特徴とするイメージセンサ。
2. 前記各受光部と第１の電位井戸との間に第３，第４の電位井戸を形成するための第３，第４のゲート電極を絶縁層を介してそれぞれに設け、前記所定時間に渡って各受光部に蓄積されるべき電荷を複数回に渡って各一斉に第３，第４の電位井戸に順次転送して後、毎回該第３の電位井戸を消滅させて前記受光部と第４の電位井戸との間に電荷の移動を妨げるための電位障壁を形成すると共に、該第４の電位井戸に積分された電荷を各一斉に前記第１，第２の電位井戸に順次転送するように構成したことを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
3. ２次元配列された各センサ素子の行又は列毎に共通の増幅回路を設け、各センサ素子の第２の電位井戸に蓄積された電荷を行方向又は列方向に時分割で外部に読み出すように構成したことを特徴とする請求項１又は２記載のイメージセンサ。
4. ２次元配列された複数のフォトダイードと、該各フォトダイードの受光部に隣接してそれぞれ第１，第２の電位井戸を形成すべく併設された第１，第２のゲート電極と、該第２の電位井戸に蓄積された電荷を外部に読み出す複数の読出ゲート回路とを備えるイメージセンサの制御方法であって、
   所定時間に渡って受光部で生成された電荷を該受光部に蓄積するステップと、
   前記受光部に蓄積された電荷を第１，第２の電位井戸に一斉に順次転送して後、該第１の電位井戸を消滅させて該受光部と第２の電位井戸との間に電荷の移動を妨げるための電位障壁を形成するステップと、
   前記第２の電位井戸に蓄積された電荷を時分割で外部に読み出すステップとを備えることを特徴とするイメージセンサの制御方法。
5. ２次元配列された複数のフォトダイードと、該各フォトダイードの受光部に隣接してそれぞれ第３，第４及び第１，第２の電位井戸を形成すべく併設された第３，第４及び第１，第２のゲート電極と、該第２の電位井戸に最終的に蓄積された電荷を外部に読み出す複数の読出ゲート回路とを備えるイメージセンサの制御方法であって、
   所定時間に渡って各受光部に蓄積されるべき電荷を複数回に渡って各一斉に第３，第４の電位井戸に順次転送して後、該第３の電位井戸を消滅させて前記受光部と第４の電位井戸との間に電荷の移動を妨げるための電位障壁を形成するステップと、
   前記第４の電位井戸に積分された電荷を各一斉に前記第１，第２の電位井戸に順次転送して後、該第１の電位井戸を消滅させて該第４の電位井戸と第２の電位井戸との間に電荷の移動を妨げるための電位障壁を形成するステップと、
   前記第２の電位井戸に蓄積された電荷を時分割で外部に読み出すステップとを備えることを特徴とするイメージセンサの制御方法。
6. 請求項１又は２記載のイメージセンサの受光面にＸ線を光に変換するためのシンチレータ層を積層固着してなることを特徴とするＸ線検出器。
7. 被検体を挟んで相対向するＸ線管と請求項６記載のＸ線検出器を備え、被検体をスキャンして得られた投影データに基づき被検体のＣＴ断層像を再構成するＸ線ＣＴ装置のＸ線検出器であって、
   被検体体軸と平行なスライス方向と、これに垂直なチャネル方向とに対応させて２次元配列された各センサ素子の各チャネル毎のスライス方向に共通の増幅回路を設け、チャネル方向に並ぶ各センサ素子の第２の電位井戸に蓄積された電荷を一斉に、かつスライス方
   向に並ぶ各センサ素子の第２の電位井戸に蓄積された電荷を時分割で外部に読み出すように構成したことを特徴とするＸ線検出器。
8. 請求項７記載のＸ線検出器を備えたことを特徴とするＸ線ＣＴ装置。

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