JP2012075033A - 放射線撮像装置、放射線撮像装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】放射線撮像装置は、電源と非動作時に電源との接続を遮断するスイッチ部910と、1画素分の信号を蓄積する蓄積部920と、信号からノイズを除去するための除去部930と、ノイズが除去された信号を保持し、出力する保持部940と、保持部で保持されている信号と、隣り合うa個(aは2以上の自然数)の他の画素回路の保持部で保持されている信号との加算処理を行う加算部950と、を有する画素回路202を配置して構成された撮像ユニットと、撮像ユニットを構成するそれぞれの画素回路202の動作を制御する撮像制御部201と、を備え、撮像前に、スイッチ部910を介して接続される電源の電圧で、蓄積部920、除去部930、保持部940、および加算部950の不定電位を固定する。
【選択図】図9
Description
前記撮像手段を構成するそれぞれの画素回路の動作を制御する撮像制御手段と、を備え、
前記撮像手段による撮像前のタイミングで、前記撮像制御手段は、前記画素回路を構成する前記スイッチ手段、前記蓄積手段、前記除去手段、前記保持手段、および前記加算手段を動作させて、前記スイッチ手段を介して接続される前記電源の前記所定の電圧で、前記蓄積手段、前記除去手段、前記保持手段、および前記加算手段の不定電位を固定することを特徴とする。
本発明の実施形態にかかる放射線撮像装置204の構成を図9(a)、(b)に示す。図9(a)に示す放射線撮像装置204は、複数のCMOS型撮像素子202により構成される撮像部210と、複数のCMOS型撮像素子202のそれぞれの動作を制御する撮像制御部201とを有する。図9(b)はCMOS型の光電変換素子を矩形状に切り出した矩形撮像素子のタイリングに用いられるCMOS型撮像素子の1画素分の画素回路の機能構成を示す図である。画素回路を、2次元領域内にm行n列(m、nは2以上の自然数)を配置して撮像部210は構成されている。画素回路のスイッチ部910は、所定の電圧を供給する電源と動作時に接続し非動作時に電源との接続を遮断する。蓄積部920は入力された放射線信号に対応した1画素分の信号を蓄積する。除去部930は蓄積部920に蓄積されている信号からノイズを除去する。保持部940は除去部930によりノイズが除去された信号を保持し、出力することが可能である。加算部950は保持部940で保持されている信号と、隣り合うa個(aは2以上の自然数)の他の画素回路の保持部で保持されている信号との加算処理を行う。撮像制御部201は撮像部210を構成するそれぞれの画素回路の動作を制御することが可能である。撮像部210による撮像前のタイミングで、撮像制御部201は、画素回路を構成するスイッチ部910、蓄積部920、除去部930、保持部940、および加算部950を動作させる。そして、撮像制御部201は、スイッチ部910を介して接続される電源の所定の電圧を、蓄積部920、除去部930、保持部940、および加算部950に設定する(電位固定駆動)。電位固定駆動により、撮像部210の撮像前のタイミングで、電源の所定の電圧で画素回路内の蓄積部920、除去部930、保持部940及び加算部950の不定電位を固定し、ノイズ成分を低減し、固定パターンノイズの補正を精度良く行うことが可能になる。以下、CMOS撮像素子の具体的な回路構成を参照して電位固定駆動を説明する。
(CMOS撮像素子の回路構成例)
図6はCMOS型の光電変換素子を矩形状に切り出した矩形撮像素子のタイリングに用いられるCMOS型撮像素子の1画素分の画素回路の一例を示す図である。図6において、PDは光電変換を行うフォトダイオードである。Cfdは、フォトダイオード(PD)により放射線信号から変換された光信号に応じた電荷を蓄積するフローティングディフュージョン(浮遊拡散領域)の容量である。M2はフローティングディフュージョンに蓄積された電荷を放電させるためのリセットMOSトランジスタ(リセットスイッチ)である。リセットスイッチ(M2)は、動作時において所定の電圧としてリセット電圧(VRES)を供給する第1の電源と接続し、非動作時において、第1の電源との接続を遮断する。
図7は図6の画素回路において電位固定駆動が実行されない場合の、動画撮像時の駆動タイミングを例示するタイミングチャートである。以下、動画像撮像において、光信号用ホールド容量CSおよびノイズ信号用ホールド容量CNに電荷がサンプルホールドされるまでの制御信号の立ち上がり、立下りのタイミングについて図7を用いて説明する。
次に、本発明の特徴となる電位固定駆動を行なうCMOS撮像素子の駆動制御を図1のタイミングチャートの参照により説明する。図1は、図6および図8に示すCMOS型撮像素子の1画素分の画素回路において、動画撮像時の1枚目から2枚目の撮像を行う際の駆動波形のタイミングチャートを示している。画素回路の設定は、高感度で、画素加算なしであり、図1の駆動をCMOS型撮像素子内にて全画素一括で行うものとする。
次に、画素回路の感度の設定を低くし、ダイナミックレンジを拡張させた場合の画素回路の動作モード(低感度モード(高ダイナミックレンジモード))を説明する。画素加算は行わないものとする。WIDE信号以外は図1に示したタイミングチャートと同様の駆動タイミングで動作するので、図1との相違点を、図1と図6を用いて説明する。時刻(t14)でWIDE信号をローレベルからハイレベルにし、感度切り換えスイッチ(M1)をオンする。これによりフローティングディフュージョン容量(Cfd)と容量(C1)とが並列に接続され、フローティングノード部の容量が増え、感度が低下する代わりにダイナミックレンジが拡張される。WIDE信号は図1の時刻(t14)でローレベルからハイレベルになった後、撮像が終了するまでハイレベルのままである。これにより、撮像中は常に感度が低いがダイナミックレンジが拡張された状態となる。感度を低くした時は、加算回路150と加算回路151の間がフローティング部となる。しかしながら、動画像の撮像前に、撮像手段による撮像前のタイミングで電源の所定の電圧で画素回路内のフローティング部の不定の電位を固定することで、ノイズ成分を低減することが可能になる。
次に、画素加算の例として、2×2の画素加算を例にして説明する。感度は高感度モードであるとする。2×2の画素加算の例において、ADD信号以外は図1に示したタイミングチャートと同様であるので、図1との相違点を、図1と図6、図8を用いて説明する。時刻(t20)において、撮像制御部201は、TN信号をハイレベルからローレベルにして、サンプルホールドスイッチN(M11)をオフにして、ノイズ信号成分のノイズ信号用ホールド容量(CN)への蓄積が終了する。その後、ADD信号をハイレベルにし、加算回路150および加算回路151をオンする。このとき図8(b)のADD信号ラインに接続されたMOSトランジスタも全てオンする。これにより、時刻(t18)において光信号用ホールド容量(CS)へ蓄積が終了した光信号とともに、ノイズ信号用ホールド容量(CN)へ蓄積が終了したノイズ信号について、2×2の画素加算が行われる。撮像制御部201は、ADD信号を、時刻(t23)においてハイレベルからローレベルにする。光信号とノイズ信号の走査期間は隣り合う2×2の画素が画素加算状態となる。
次に、本発明の第2実施形態にかかるCMOS撮像素子の駆動制御を図2のタイミングチャートの参照により説明する。図2は、図1と同様に、図6および図8に示すCMOS型撮像素子の1画素分の画素回路において、動画撮像時の1枚目から2枚目の撮像を行う際の駆動波形のタイミングチャートを示している。画素回路の設定は、高感度で、画素加算なしである。図2の駆動をCMOS型撮像素子内にて全画素一括で行う。
本発明の第3実施形態にかかる放射線撮像装置の概略的な構成を図3に示す。放射線撮像装置204内の全てのCMOS型撮像素子202(画素回路)は撮像制御部201に接続されており、撮像制御部201からの制御信号によりそれぞれのCMOS型撮像素子202(画素回路)は制御される。放射線撮像装置204は時刻を計測するタイマー205(計時ユニット)を有する。撮像制御部201は、電位固定駆動を行わせるためにCMOS型撮像素子202(画素回路)へ制御信号を送信した時刻を、撮像制御部201に接続されているメモリ203に記憶する。
本発明の第4実施形態にかかる放射線撮像装置の概略的な構成を図4に示す。放射線撮像装置204は、装置の動作を制御するシステム制御部206、放射線画像表示部207、X線管209と接続するX線発生装置208を有する。放射線撮像装置204内の全てのCMOS型撮像素子202(画素回路)は撮像制御部201に接続されており、撮像制御部201からの制御信号によりそれぞれのCMOS型撮像素子202(画素回路)は制御される。
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
Claims (8)
- 所定の電圧を供給する電源と動作時に接続し非動作時に当該電源との接続を遮断するスイッチ手段と、入力された放射線信号に対応した1画素分の信号を蓄積するための蓄積手段と、前記信号からノイズを除去するための除去手段と、前記ノイズが除去された信号を保持し、出力するための保持手段と、前記保持手段で保持されている信号と隣り合うa個(aは2以上の自然数)の他の画素回路の保持手段で保持されている信号との加算処理を行うための加算手段と、を有する画素回路を2次元領域内にm行n列(m、nは2以上の自然数)を配置して構成された撮像手段と、
前記撮像手段を構成するそれぞれの画素回路の動作を制御する撮像制御手段と、を備え、
前記撮像手段による撮像前のタイミングで、前記撮像制御手段は、前記画素回路を構成する前記スイッチ手段、前記蓄積手段、前記除去手段、前記保持手段、および前記加算手段を動作させて、前記スイッチ手段を介して接続される前記電源の前記所定の電圧で、前記蓄積手段、前記除去手段、前記保持手段、および前記加算手段の不定電位を固定することを特徴とする放射線撮像装置。 - 時刻を計測する計時手段と、
第1の撮像を行う際に、前記スイッチ手段、前記蓄積手段、前記除去手段、前記保持手段、および前記加算手段を動作させるために前記撮像制御手段から制御信号を送信した時刻を記憶する記憶手段を更に備え、
前記第1の撮像の後に第2の撮像を行う際に、前記記憶手段に記憶されている時刻から、前記計時手段により求められる現在の時刻までの経過時間が閾値時間を超える場合、
前記撮像制御手段は、電位固定駆動として、前記画素回路を構成する前記スイッチ手段、前記蓄積手段、前記除去手段、前記保持手段、および前記加算手段を動作させて、前記スイッチ手段を介して接続される前記電源の前記所定の電圧で、前記蓄積手段、前記除去手段、前記保持手段、および前記加算手段の不定電位を固定し、
前記第2の撮像を行う際に、前記記憶手段に記憶されている時刻から現在の時刻までの経過時間が閾値時間以内の場合、
前記撮像制御手段は、前記電位固定駆動による前記不定電位の固定を行なわないことを特徴とする請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記撮像制御手段は、放射線撮像装置の動作を制御するシステム制御部と通信する通信手段を有し、
前記システム制御部から送信された前記画素回路の電源を投入するコマンドの受信により、前記撮像制御手段は、前記画素回路を構成する前記スイッチ手段、前記蓄積手段、前記除去手段、前記保持手段、および前記加算手段を動作させて、前記スイッチ手段を介して接続される前記電源の前記所定の電圧で、前記蓄積手段、前記除去手段、前記保持手段、および前記加算手段の不定電位を固定することを特徴とする請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記システム制御部から送信された、前記画素回路を駆動するための設定コマンドの受信により、前記撮像制御手段は、前記画素回路を構成する前記スイッチ手段、前記蓄積手段、前記除去手段、前記保持手段、および前記加算手段を動作させて、前記スイッチ手段を介して接続される前記電源の前記所定の電圧で、前記蓄積手段、前記除去手段、前記保持手段、および前記加算手段の不定電位を固定することを特徴とする請求項3に記載の放射線撮像装置。
- 前記スイッチ手段は、
動作時において前記所定の電圧としてリセット電圧を供給する第1の電源と接続し、非動作時において、前記第1の電源との接続を遮断するリセット手段と、
動作時において前記所定の電圧としてクランプ電圧を供給する第2の電源と接続し、非動作時において、前記第2の電源との接続を遮断するクランプスイッチ手段と、を有し、
前記蓄積手段は、
変換手段により前記放射線信号から変換された光信号電圧に応じた電荷を蓄積するための電荷蓄積手段と、
前記電荷蓄積手段のダイナミックレンジを設定するための設定手段と、
前記電荷蓄積手段で蓄積されている前記電荷に応じた光信号電圧を出力する第1の画素アンプ手段と、を有し、
前記除去手段は、
前記第1の画素アンプ手段により出力される前記光信号電圧に含まれるノイズを、前記リセット電圧と前記クランプ電圧との差分の電圧により除去するノイズ除去手段と、
前記ノイズ除去手段により前記ノイズが除去された光信号電圧を出力する第2の画素アンプ手段と、を有し、
前記保持手段は、
前記第2の画素アンプ手段から出力された前記光信号電圧に応じた電荷を保持する第1のサンプルホールド手段と、
前記クランプスイッチ手段が前記第2の電源に接続した際のノイズ信号電圧に応じた電荷を保持する第2のサンプルホールド手段と、
前記第1のサンプルホールド手段に保持された前記電荷に応じた光信号電圧を出力する第3の画素アンプ手段と、
前記第2のサンプルホールド手段に保持された前記電荷に応じたノイズ信号電圧を出力する第4の画素アンプ手段と、を有することを特徴とする請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記撮像制御手段は、前記撮像手段による撮像前の前記タイミングで、前記リセット手段、前記設定手段、前記電荷蓄積手段、および前記第1の画素アンプ手段を動作させて、前記リセット手段を介して接続される前記第1の電源の前記リセット電圧で、前記設定手段、前記電荷蓄積手段、および前記第1の画素アンプ手段の不定電位を固定し、
前記撮像制御手段は、前記撮像手段による撮像前の前記タイミングで、前記クランプスイッチ手段、前記ノイズ除去手段、前記第2の画素アンプ手段、前記第1のサンプルホールド手段、前記第2のサンプルホールド手段、前記第3の画素アンプ手段および前記第4の画素アンプ手段を動作させて、前記クランプスイッチ手段を介して接続される前記第2の電源の前記クランプ電圧で、前記ノイズ除去手段、前記第2の画素アンプ手段、前記第1のサンプルホールド手段、前記第2のサンプルホールド手段、前記第3の画素アンプ手段および前記第4の画素アンプ手段の不定電位を固定することを特徴とする請求項5に記載の放射線撮像装置。 - 前記加算手段は、
前記第1のサンプルホールド手段と、他の画素回路において光信号電圧に応じた電荷を保持する第3のサンプルホールド手段と、を接続する第1の加算手段と、
前記第2のサンプルホールド手段と、前記他の画素回路においてノイズ信号電圧に応じた電荷を保持する第4のサンプルホールド手段と、を接続する第2の加算手段と、を備え、
前記第1のサンプルホールド手段および前記第2のサンプルホールド手段の不定電位を前記クランプ電圧で固定した後であり、かつ、前記撮像手段による撮像前の前記タイミングで、前記撮像制御手段は、前記第1の加算手段および前記第2の加算手段を動作させて、前記クランプスイッチ手段を介して接続される前記クランプ電圧で、前記第1の加算手段および前記第2の加算手段の不定電位を固定することを特徴とする請求項6に記載の放射線撮像装置。 - 所定の電圧を供給する電源と動作時に接続し非動作時に当該電源との接続を遮断するスイッチ手段と、入力された放射線信号に対応した1画素分の信号を蓄積するための蓄積手段と、前記信号からノイズを除去するための除去手段と、前記ノイズが除去された信号を保持し、出力するための保持手段と、前記保持手段で保持されている信号と、隣り合うa個(aは2以上の自然数)の他の画素回路の保持手段で保持されている信号との加算処理を行うための加算手段と、を有する画素回路を2次元領域内にm行n列(m、nは2以上の自然数)を配置して構成された撮像手段と、前記撮像手段を構成するそれぞれの画素回路の動作を制御する撮像制御手段と、を備える放射線撮像装置の制御方法であって、
前記撮像手段による撮像前のタイミングで、前記撮像制御手段が、前記画素回路を構成する前記スイッチ手段、前記蓄積手段、前記除去手段、前記保持手段、および前記加算手段を動作させて、前記スイッチ手段を介して接続される前記電源の前記所定の電圧で、前記蓄積手段、前記除去手段、前記保持手段、および前記加算手段の不定電位を固定する工程を有することを特徴とする放射線撮像装置の制御方法。
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