JP2008017019A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】Ｓ／Ｎ比がよい撮像をすることができてデンタル用途にも好適な固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置１では、受光部１０において複数個の画素部が２次元配列されており、各画素部Ｐｍ,ｎには２個のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が含まれている。フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２それぞれで発生した電荷は信号読出部２０に入力され、その電荷量に応じた電圧値が信号読出部２０から出力される。信号読出部２０から出力された電圧値はＡＤ変換部４０に入力され、この入力電圧値に応じたデジタル値がＡＤ変換部４０から出力される。加算部５０において、受光部１０の各画素部Ｐｍ,ｎについて、該画素部に含まれる２個のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２それぞれで発生した電荷の量に応じてＡＤ変換部４０から出力されるデジタル値の総和が演算され、その総和値であるデジタル値が出力される。
【選択図】図１

Description

本発明は、各々フォトダイオードを含む複数個の画素部が２次元配列された受光部を備える固体撮像装置に関するものである。
近年、歯科治療におけるＸ線撮影の分野では、従来のＸ線感光フィルムを用いた撮影から、フィルムを使わないＸ線イメージインテンシファイア等の撮像管を用いた撮像装置や、シンチレータとＣＣＤとを組み合わせた固体撮像装置などによる撮像へ移行しつつある。しかし、イメージインテンシファイアは、撮像管であることから、サイズが大きく、撮像領域の周辺では画像に歪みが生じるなどの問題がある。また、ＣＣＤは、大きな面積の受光部を作ることが技術的に困難であるため、ラインスキャナ方式で撮像するなどの制約がある。
これらの問題点を解決する撮像装置として、ＣＭＯＳ−Ｘ線フラットパネルセンサが挙げられる。Ｘ線フラットパネルセンサは、各々フォトダイオードを含む複数個の画素部が２次元配列された受光部を備えるＣＭＯＳ固体撮像装置を用いることから、周辺部の歪みが無く、受光部の２次元大面積化（例えば１２ｃｍ×１２ｃｍ程度）が容易である。可視光と異なりＸ線はレンズによる集光が出来ないので、この固体撮像装置は、デンタル用（特にデンタル３Ｄ-ＣＴ）へ適用する場合のように、大きな面積を一度に撮影するときには、大きな面積の受光部が必要となる。
また、このような医療用の固体撮像装置は、撮像対象が例えば生体であることから、要求される解像度が低く、また、Ｘ線被爆量を極力抑える一方で感度を高める必要がある。このことから、他の一般的な撮像用の固体撮像装置と比較して、医療用の固体撮像装置では、受光部に含まれる各画素部の光感応領域（光入射に応じて電荷を発生する領域）の面積は１０倍〜１００倍程度も大きい。
例えば、デンタル３Ｄ-ＣＴ用では、ＣＴ像の再構成に用いるＶＯＸＥＬが正方形であることから、各画素部の光感応領域の形状は、一辺の長さが例えば１５０μｍ〜２００μｍの正方形であることが必須となる。このように各画素部の光感応領域が大面積であることは、受光部に含まれる画素部の個数が少ないことを意味するので、３０フレーム／秒のビデオレートでの駆動をする点では有利になる。
特開２００５−３３３２５０号公報
しかし、各画素部の光感応領域が大きいと、フォトダイオードの接合容量値も大きくなり、このことから、ノイズも大きくなる。これに対して、必要なＳ／Ｎ比を確保しようとすると、固体撮像装置へ入射するＸ線の量を大きくする必要が生じる。ところが、デンタル用途ではＸ線が人体に照射されるので、Ｘ線量を低減して人体へのＸ線被爆量を減らすことが絶対命題であり、Ｘ線量の増大は抑制されなければならない。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、Ｓ／Ｎ比がよい撮像をすることができてデンタル用途にも好適な固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明に係る固体撮像装置は、(1) 各々複数個のフォトダイオードを含む複数個の画素部が２次元配列された受光部と、(2) 受光部の各画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した電荷の量に応じた電圧値を出力する信号読出部と、(3) 信号読出部から出力された電圧値を入力しＡＤ変換して、この入力電圧値に応じたデジタル値を出力するＡＤ変換部と、(4) 受光部の各画素部について、該画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した電荷の量に応じてＡＤ変換部から出力されるデジタル値の総和を演算し、その総和値であるデジタル値を出力する加算部と、を備えることを特徴とする。さらに、受光部の各画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれの光感応領域が全体として正方形であることを特徴とする。また、受光部の各画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれの光感応領域が互いに等しい面積を有しているのが好適である。
この固体撮像装置では、受光部において複数個の画素部が２次元配列されており、各画素部には複数個のフォトダイオードが含まれている。受光部の各画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した電荷は信号読出部に入力され、その電荷量に応じた電圧値が信号読出部から出力される。信号読出部から出力された電圧値はＡＤ変換部に入力され、この入力電圧値に応じたデジタル値がＡＤ変換部から出力される。そして、加算部において、受光部の各画素部について、該画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した電荷の量に応じてＡＤ変換部から出力されるデジタル値の総和が演算され、その総和値であるデジタル値が出力される。
本発明に係る固体撮像装置は、Ｓ／Ｎ比がよい撮像をすることができて、デンタル用途にも好適に用いられ得る。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本実施形態に係る固体撮像装置１の構成図である。この図に示される固体撮像装置１は、受光部１０、信号読出部２０、バッファ回路３０、ＡＤ変換部４０、加算部５０、行選択部６０および列選択部７０を備える。
受光部１０は、Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ１,１〜ＰＭ,ＮがＭ行Ｎ列に２次元配列されたものである。画素部Ｐｍ,ｎは第ｍ行第ｎ列に位置する。ここで、Ｍ，Ｎそれぞれは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の整数である。Ｍ×Ｎ個の画素部Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎそれぞれは、共通の構成を有しており、２個のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２および ２個のスイッチＳＷ１，ＳＷ２を含む。
各画素部Ｐｍ,ｎに含まれるスイッチＳＷ１，ＳＷ２は、行選択部６０から出力される第ｍ行選択信号Ｖsel(m)により開閉動作が制御される。各画素部Ｐｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤ１は、アノード端子が接地されており、カソード端子がスイッチＳＷ１を介して配線Ｌｎ,１に接続されており、スイッチＳＷ１が閉じているときに入射光量に応じた量の電荷を配線Ｌｎ,１へ出力する。また、各画素部Ｐｍ,ｎに含まれるフォトダイオードＰＤ２は、アノード端子が接地されており、カソード端子がスイッチＳＷ２を介して配線Ｌｎ,２に接続されており、スイッチＳＷ２が閉じているときに入射光量に応じた量の電荷を配線Ｌｎ,２へ出力する。
信号読出部２０は、受光部１０の各画素部Ｐｍ,ｎに含まれる２個のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２それぞれで発生した電荷の量に応じた電圧値を出力するものであり、２Ｎ個の積分回路２１１,１〜２１Ｎ,２ および２Ｎ個の保持回路２２１,１〜２２Ｎ,２ を含む。２Ｎ個の積分回路２１１,１〜２１Ｎ,２それぞれは、共通の構成を有している。また、２Ｎ個の保持回路２２１,１〜２２Ｎ,２それぞれは、共通の構成を有している。
各積分回路２１ｎ,ｋは、配線Ｌｎ,ｋを経て入力した電荷を蓄積し、その蓄積電荷量に応じた電圧値を出力する。各保持回路２２ｎ,ｋは、積分回路２１ｎ,ｋから出力された電圧値を入力して保持し、列選択部７０からの指示に基づいて、その保持した電圧値Ｖｎ,ｋを出力する。ここで、ｋは１または２である。このとき、信号処理部２０は、電圧値Ｖ１,１，Ｖ１,２，Ｖ２,１，Ｖ２,２，Ｖ３,１，Ｖ３,２，…，Ｖｎ,１，Ｖｎ,２，…，ＶＮ,１，ＶＮ,２ の順に出力する。
ＡＤ変換部４０は、信号処理部２０から出力されバッファ回路３０を経た電圧値Ｖｎ,ｋを入力しＡＤ変換して、この入力電圧値Ｖｎ,ｋに応じたデジタル値Ｄｎ,ｋを出力する。加算部５０は、受光部１０の各画素部Ｐｍ,ｎについて、該画素部Ｐｍ,ｎに含まれる２個のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２それぞれで発生した電荷の量に応じてＡＤ変換部４０から出力されるデジタル値Ｄｎ,１，Ｄｎ,２の総和を演算し、その総和値であるデジタル値Ｄｎ（＝Ｄｎ,１＋Ｄｎ,２）を出力する。
行選択部６０は、受光部１０の第ｍ行にあるＮ個の画素部Ｐｍ,１〜Ｐｍ,Ｎそれぞれに含まれるスイッチＳＷ１，ＳＷ２の開閉動作を制御する第ｍ行選択信号Ｖsel(m)を出力する。これらＭ個の行選択信号Ｖsel(1)〜Ｖsel(M)は順次にハイレベルとなる。行選択部６０は、第ｍ行選択信号Ｖsel(m)がハイレベルであるときに、第ｍ行にあるＮ個の画素部Ｐｍ,１〜Ｐｍ,Ｎそれぞれに含まれるフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２で発生した電荷を、同画素部のスイッチＳＷ１，ＳＷ２を経て配線Ｌｎ,１，Ｌｎ,２へ出力させる。
列選択部７０は、信号読出部２０に含まれる２Ｎ個の保持回路２２１,１〜２２Ｎ,２それぞれに対して保持電圧の出力を制御して、信号読出部２０から電圧値Ｖ１,１，Ｖ１,２，Ｖ２,１，Ｖ２,２，Ｖ３,１，Ｖ３,２，…，Ｖｎ,１，Ｖｎ,２，…，ＶＮ,１，ＶＮ,２ の順に出力させる。
図２は、本実施形態に係る固体撮像装置１の画素部Ｐｍ,ｎ，積分回路２１ｎ,ｋおよび保持回路２２ｎ,ｋそれぞれの回路図である。なお、この図では、これらが代表で示されている。前述したように、ｍは１以上Ｍ以下の整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の整数であり、ｋは１または２である。
各積分回路２１ｎ,ｋは、アンプＡ２１，容量素子Ｃ２１およびスイッチＳＷ２１を備える。積分回路２１ｎ,ｋに含まれるアンプＡ２１の入力端子は、配線Ｌｎ,ｋを介して、画素部Ｐｍ,ｎに含まれるスイッチＳＷｋに接続されている。容量素子Ｃ２１およびスイッチＳＷ２１は、アンプＡ２１の入力端子と出力端子との間に並列的に設けられている。この積分回路２１ｎ,ｋは、スイッチＳＷ２１が閉じることで、容量素子Ｃ２１が放電され、積分回路２１ｎ,ｋから出力される電圧値が初期化される。また、積分回路２１ｎ,ｋは、スイッチＳＷ２１が開いているときに、配線Ｌｎ,ｋを経て入力した電荷を容量素子Ｃ２１に蓄積し、その蓄積電荷量に応じた電圧値を保持回路２２ｎ,ｋへ出力する。
各保持回路２２ｎ,ｋは、容量素子Ｃ２２およびスイッチＳＷ２２１，ＳＷ２２２を備える。容量素子Ｃ２２の一端は、スイッチＳＷ２２１を介して積分回路２１ｎ,ｋのアンプＡ２１の出力端子と接続され、また、スイッチＳＷ２２２を介してバッファ回路３０と接続されている。容量素子Ｃ２２の他端は接地電位に接続されている。この保持回路２２ｎ,ｋは、スイッチＳＷ２２１が閉状態から開状態に転じることで、その時点において積分回路２１ｎ,ｋから出力されていた電圧値Ｖｎ,ｋを容量素子Ｃ２２に保持する。そして、保持回路２２ｎ,ｋは、スイッチＳＷ２２２が閉じているときに、容量素子Ｃ２２に保持している電圧値Ｖｎ,ｋをバッファ回路３０へ出力する。
図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１の画素部Ｐｍ,ｎに含まれる２個のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２それぞれの光感応領域の形状を示す平面図である。同図に示されるように、各画素部Ｐｍ,ｎに含まれる２個のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２それぞれの光感応領域は、全体として正方形である。また、各画素部Ｐｍ,ｎに含まれる２個のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２それぞれの光感応領域は、互いに等しい面積を有しているのが好適である。各画素部Ｐｍ,ｎに含まれる２個のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２それぞれの光感応領域は、図３（ａ），（ｂ）に示されるように長方形であってもよいし、図３（ｃ）に示されるように三角形であってもよいし、図３（ｄ）に示されるように台形であってもよい。
次に、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作について説明する。固体撮像装置１は、行選択部６０および列選択部７０、ならびに、固体撮像装置１全体の動作を制御する制御部により、制御されて動作する。図４は、本実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャートである。この図には、(a) 各積分回路２１ｎ,ｋのスイッチＳＷ２１の開閉動作、(b) 第ｍ行の各画素部Ｐｍ,ｎのスイッチＳＷ１，ＳＷ２の開閉動作、(c) 各保持回路２２ｎ,ｋのスイッチＳＷ２２１の開閉動作、(d) 各保持回路２２ｎ,ｋのスイッチＳＷ２２２の開閉動作、(e) ＡＤ変換部４０におけるＡＤ変換動作、(f) 加算部５０における加算動作、が示されている。
第ｍ行にあるＮ個の画素部Ｐｍ,１〜Ｐｍ,Ｎそれぞれの入射光量に応じたデジタル値Ｄ１〜ＤＮを求めるに際して、先ず、２Ｎ個の積分回路２１１,１〜２１Ｎ,２それぞれにおいて、スイッチＳＷ２１が一定期間だけ閉じて、これにより、容量素子Ｃ２１が放電され、出力電圧値が初期化される。
その後、第ｍ行にあるＮ個の画素部Ｐｍ,１〜Ｐｍ,Ｎそれぞれにおいて、入力される第ｍ行選択信号Ｖsel(m)が一定期間だけハイレベルとなって、スイッチＳＷ１，ＳＷ２が一定期間だけ閉じ、これらが閉じている期間に、それまでフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２における光入射に応じて接合容量部に蓄積されていた電荷は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を経て配線Ｌｎ,１，Ｌｎ,２へ出力される。このとき、各積分回路２１ｎ,ｋにおいて、スイッチＳＷ２１が開いているので、画素部Ｐｍ,ｎから配線Ｌｎ,ｋを経て入力された電荷は容量素子Ｃ２１に蓄積され、その蓄積電荷量に応じた電圧値が保持回路２２ｎ,ｋへ出力される。
また、第ｍ行選択信号Ｖsel(m)がハイレベルとなっている期間に、各保持回路２２ｎ,ｋにおいて、スイッチＳＷ２２１が一定期間だけ閉じ、このスイッチＳＷ２２１が閉状態から開状態に転じる時に積分回路２１ｎ,ｋから出力されていた電圧値Ｖｎ,ｋが容量素子Ｃ２２により保持される。
その後、列選択部７０による制御により、各保持回路２２ｎ,ｋのスイッチＳＷ２２２が順次に一定期間だけ閉じる。これにより、信号処理部２０からバッファ回路４０へ電圧値Ｖ１,１，Ｖ１,２，Ｖ２,１，Ｖ２,２，Ｖ３,１，Ｖ３,２，…，Ｖｎ,１，Ｖｎ,２，…，ＶＮ,１，ＶＮ,２ の順に出力される。
そして、ＡＤ変換部４０において、信号処理部２０から出力されバッファ回路３０を経た電圧値Ｖｎ,ｋがＡＤ変換され、この入力電圧値Ｖｎ,ｋに応じたデジタル値Ｄｎ,ｋが加算部５０へ出力される。このとき、ＡＤ変換部４０から加算部５０へデジタル値Ｄ１,１，Ｄ１,２，Ｄ２,１，Ｄ２,２，Ｄ３,１，Ｄ３,２，…，Ｄｎ,１，Ｄｎ,２，…，ＤＮ,１，ＤＮ,２ の順に出力される。
さらに、加算部５０において、ＡＤ変換部４０から出力されるデジタル値Ｄｎ,１，Ｄｎ,２の総和が演算され、その総和値であるデジタル値Ｄｎ（＝Ｄｎ,１＋Ｄｎ,２）が出力される。このとき、加算部５０からデジタル値Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，…，Ｄｎ，…，ＤＮの順に出力される。
ここで、デジタル値Ｄｎ,ｋは、第ｍ行第ｎ列に位置する画素部Ｐｍ,ｎのフォトダイオードＰＤｋで発生した電荷の量に応じた値、すなわち、画素部Ｐｍ,ｎのフォトダイオードＰＤｋへの入射光量に応じた値である。また、デジタル値Ｄｎは、画素部Ｐｍ,ｎに含まれる２個のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２それそれで発生した電荷の総量に応じた値、すなわち、画素部Ｐｍ,ｎへの入射光量に応じた値である。
このようにして第ｍ行にあるＮ個の画素部Ｐｍ,１〜Ｐｍ,Ｎそれぞれの入射光量に応じたデジタル値Ｄ１〜ＤＮが得られると、続いて、次の第(ｍ＋１)行にあるＮ個の画素部Ｐｍ＋１,１〜Ｐｍ＋１,Ｎそれぞれの入射光量に応じたデジタル値Ｄ１〜ＤＮが同様にして得られる。このような動作が全ての行について行われることにより、受光部１０のＭ×Ｎ個の画素部Ｐ１,１〜ＰＭ,Ｎそれぞれへの入射光量に応じたデジタル値が得られ、撮像データが得られる。
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置１では、受光部１０の各画素部Ｐｍ,ｎに２個のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が含まれていて、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２で発生した電荷の量に応じた電圧値Ｖｎ,１，Ｖｎ,２およびデジタル値Ｄｎ,１，Ｄｎ,２が得られ、そして、画素部Ｐｍ,ｎへの入射光量に応じたデジタル値Ｄｎ（＝Ｄｎ,１＋Ｄｎ,２）が得られる。このことから、例えば、固体撮像装置１がデンタル用途に用いられる場合であって、各画素部Ｐｍ,ｎの光感応領域が大面積であることが必要であるときであっても、Ｓ／Ｎ比がよい撮像をすることができる。
すなわち、比較例として、各画素部が１個のフォトダイオードを含み、そのフォトダイオードの接合容量値がＣである場合を想定する。このとき、ＡＤ変換部から出力されるデジタル値に含まれるノイズ成分の大きさは「Ａ×Ｃ」と表される。ここで、Ａは、積分回路に含まれるアンプにより決定される定数である。
これに対して、本実施形態では、各画素部が２個のフォトダイオードを含み、各画素部の全体の光感応領域の面積が上記比較例と同じであるとすると、個々のフォトダイオードの接合容量値はＣ／２となる。したがって、ＡＤ変換部４０から出力されるデジタル値Ｄｎ,ｋに含まれるノイズ成分の大きさは「Ａ×Ｃ／２」と表され、加算部５０から出力されるデジタル値Ｄｎに含まれるノイズ成分の大きさは「Ａ×Ｃ／２０.５」と表される。このように、本実施形態では、各画素部Ｐｍ,ｎへの入射光量に応じたデジタル値Ｄｎに含まれるノイズ成分の大きさは、上記比較例と比較すると１／２０.５倍となる。
また、光検出のダイナミックレンジの上限は、フォトダイオードの接合容量部に蓄積可能な電荷量の上限、および、その電荷を読み出す積分回路の出力電圧の飽和レベル、の何れか低い方によって決まる。デンタル用途の場合のように、フォトダイオードの光感応領域の面積が大きいと、フォトダイオードの接合容量部に蓄積可能な電荷量も大きいので、積分回路の出力電圧の飽和によってダイナミックレンジは制限される。また、近年の低消費電力化のための電源電圧低下に伴い、アンプの駆動電圧も低くなる傾向にあることから、一層、アンプの飽和電圧レベルは下がる傾向にある。これでは、フォトダイオードの接合容量部に多くの電荷を蓄積することができたとしても、積分回路に含まれるアンプの飽和以上の電荷は無駄になる。
これに対して、本実施形態では、上記比較例と比較すると、個々の積分回路において蓄積される電荷量は半分になるので、個々の画素部については２倍の電荷量まで信号として扱うことができる。このことから、例えば、ＡＤ変換部４０からの出力デジタル値が１２ビットである場合、加算部５０からの出力デジタル値は１３ビットに拡大される。また、前述したように、ノイズ成分の大きさは１／２０.５倍となっているので、ダイナミックレンジの上限でのＳ／Ｎ比は２√２倍となる。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、各画素部に含まれるフォトダイオードの個数は、上記実施形態では２個としたが、３個以上であってもよい。また、本発明は、人体にＸ線を照射するという点において、歯科治療用途に限らず、医療用のＸ線固体撮像装置全般に係る。
本実施形態に係る固体撮像装置１の構成図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１の画素部Ｐｍ,ｎ，積分回路２１ｎ,ｋおよび保持回路２２ｎ,ｋそれぞれの回路図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１の画素部Ｐｍ,ｎに含まれる２個のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２それぞれの光感応領域の形状を示す平面図である。 本実施形態に係る固体撮像装置１の動作を説明するタイミングチャートである。
符号の説明
１…固体撮像装置、１０…受光部、２０…信号読出部、２１…積分回路、２２…保持回路、３０…バッファ回路、４０…ＡＤ変換部、５０…加算部、６０…行選択部、７０…列選択部、Ａ…アンプ、Ｃ…容量素子、ＰＤ…フォトダイオード、ＳＷ…スイッチ。

Claims (2)

  1. 各々複数個のフォトダイオードを含む複数個の画素部が２次元配列された受光部と、
    前記受光部の各画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した電荷の量に応じた電圧値を出力する信号読出部と、
    前記信号読出部から出力された電圧値を入力しＡＤ変換して、この入力電圧値に応じたデジタル値を出力するＡＤ変換部と、
    前記受光部の各画素部について、該画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した電荷の量に応じて前記ＡＤ変換部から出力されるデジタル値の総和を演算し、その総和値であるデジタル値を出力する加算部と、
    を備え、
    前記受光部の各画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれの光感応領域が全体として正方形である、
    ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記受光部の各画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれの光感応領域が互いに等しい面積を有している、ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
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