JP2012134827A - Radiation image detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、オフセット電荷量の計測回数の低減が可能な放射線画像検出器に関する。 Embodiments described herein relate generally to a radiographic image detector that can reduce the number of offset charge measurement times.
新世代のX線診断用検出器としてアクティブマトリックスを用いた放射線画像検出器が大きな注目を集めている。この放射線画像検出器にX線を照射することにより、X線撮影像又はリアルタイムのX線画像がデジタル信号として出力される。また、平面状の固体検出器であることから、画質性能や安定性の面でも極めて期待が大きい。この為、多くの大学やメーカーが研究開発に取り組んでいる。 As a new generation X-ray diagnostic detector, a radiological image detector using an active matrix has attracted much attention. By irradiating the radiation image detector with X-rays, an X-ray image or a real-time X-ray image is output as a digital signal. In addition, since it is a flat solid detector, it is highly expected in terms of image quality and stability. For this reason, many universities and manufacturers are working on research and development.
放射線画像検出器は、直接方式と間接方式の2方式に大別される。 Radiation image detectors are roughly classified into two methods, a direct method and an indirect method.
直接方式は、X線をa−Se等の光導電膜により直接電荷信号に変換し、電荷蓄積用のキャパシタに導く方式である。 The direct method is a method in which X-rays are directly converted into a charge signal by a photoconductive film such as a-Se and led to a charge storage capacitor.
一方の間接方式は、蛍光変換膜によりX線を受けて一旦可視光に変換し、可視光をa−Siフォトダイオードなどにより電荷信号に変換して電荷蓄積用キャパシタに導く方式である。 On the other hand, the indirect method is a method in which X-rays are received by a fluorescent conversion film and converted into visible light, and the visible light is converted into a charge signal by an a-Si photodiode or the like and led to a charge storage capacitor.
現在実用化されている放射線画像検出器の多くが間接方式を採用している。 Many of the radiation image detectors currently in practical use employ the indirect method.
従来の間接型放射線画像検出器は、ガラス基板上に、可視光を電荷信号に変換するフォトダイオード及びスイッチング素子としてのTFTトランジスタを含む画素を二次元状に配列して画像検出部を形成し、その上に、放射線を可視光に変換する蛍光変換膜が設けられている。 A conventional indirect radiation image detector forms an image detection unit by two-dimensionally arranging pixels including a photodiode that converts visible light into a charge signal and a TFT transistor as a switching element on a glass substrate, On top of that, a fluorescence conversion film for converting radiation into visible light is provided.
この間接型放射線画像検出器では、外部から入射したX線が蛍光変換膜の内部にて可視光に変換され、この可視光が画像検出部の画素内のフォトダイオードに入射した後、電荷に変換され、その電荷はフォトダイオード内部もしくは並列接続されている容量素子内部に蓄積される。 In this indirect radiation image detector, X-rays incident from the outside are converted into visible light inside the fluorescence conversion film, and this visible light is incident on the photodiode in the pixel of the image detection unit and then converted into electric charge. The electric charge is accumulated in the photodiode or in the capacitor element connected in parallel.
電荷に変換されたX線情報は、フォトダイオードに接続されているスイッチング素子(TFTトランジスタ)を通して、行方向に配置された行選択線に接続された画素群毎に、各々の画素と列方向に接続された信号線により画像検出部の外部へと伝達される。 The X-ray information converted into electric charges passes through each switching element (TFT transistor) connected to the photodiode for each pixel group connected to the row selection line arranged in the row direction in each pixel and column direction. The signal is transmitted to the outside of the image detection unit through the connected signal line.
TFTトランジスタを駆動する行選択線の電位は、通常1本のみの行選択線の電位を変化させることにより、ある特定の行に相当するすべての画素内部のTFTトランジスタを導通状態にする。電位を変化させる行選択線を順次変更することで、外部にはある特定の行に相当する画素からの信号が外部に排出される。電荷の排出された信号線の位置と、その時点で電位の変動した選択線の位置を参照することで、X線の入射位置と強度を算出することが可能となる。 The potential of the row selection line for driving the TFT transistor is normally changed to the potential of only one row selection line, thereby turning on the TFT transistors in all pixels corresponding to a specific row. By sequentially changing the row selection line for changing the potential, a signal from a pixel corresponding to a specific row is discharged to the outside. By referring to the position of the signal line from which the charge has been discharged and the position of the selection line whose potential has fluctuated at that time, it is possible to calculate the X-ray incident position and intensity.
ガラス基板外部に排出された電荷信号は、各信号線に接続された積分増幅器へと入力される。積分増幅器に入力された電荷情報は増幅され、電位信号に変換されて出力される。積分増幅器から出力された電位信号はアナログ、デジタル変換機にてデジタル値に変換され、最終的には画像信号として編集されて放射線画像検出器の外部へと出力される。 The charge signal discharged to the outside of the glass substrate is input to an integrating amplifier connected to each signal line. The charge information input to the integrating amplifier is amplified, converted into a potential signal, and output. The potential signal output from the integrating amplifier is converted into a digital value by an analog / digital converter, and finally edited as an image signal and output to the outside of the radiation image detector.
放射線画像検出器は主に人体を透過したX線を画像化することを目的とするため、健康への悪影響を防止する観点から、人体へのX線照射は必要最低限に抑えられる。そのため、放射線画像検出器に入射するX線の強度は非常に弱く、放射線画像検出器内部のTFTトランジスタから出力される電荷量は極めて小さい。 Since the radiation image detector is mainly intended to image X-rays transmitted through the human body, X-ray irradiation to the human body is suppressed to the minimum necessary from the viewpoint of preventing adverse health effects. Therefore, the intensity of X-rays incident on the radiation image detector is very weak, and the amount of charge output from the TFT transistor inside the radiation image detector is extremely small.
放射線画像検出器から出力されるX線画像情報には、個々の画素に特有の感度差やオフセット電荷がノイズとして含まれているが、特に、オフセット電荷量の有無は微弱なX線画像の画質を大きく左右する。 The X-ray image information output from the radiation image detector includes sensitivity differences peculiar to individual pixels and offset charges as noise. In particular, the presence or absence of the offset charge amount is a weak image quality of the X-ray image. Greatly affects.
オフセット電荷量は、TFTパネル内部の画素を構成するフォトダイオードやTFTの漏洩電流が主な発生源である。それら半導体素子からの漏洩電流は素子温度に対して大きく変化することが知られており、放射線画像検出器の周囲温度の変化や、X線検出器内部の電気回路から発生する熱による温度変化によって変化をしてしまう。 The offset charge amount is mainly generated by a leakage current of a photodiode or a TFT constituting a pixel inside the TFT panel. It is known that the leakage current from these semiconductor elements changes greatly with respect to the element temperature, and is caused by changes in the ambient temperature of the radiation image detector and temperature changes due to heat generated from the electric circuit inside the X-ray detector. It will change.
従って、放射線画像検出器を用いてX線画像を撮影する場合には、周囲温度や検出器の発熱状態そして放熱条件の変化による放射線画像検出器内部の温度変化に対応してオフセット電荷量の計測を行い、撮影されたX線画像に対して最新のオフセット電荷量の情報を用いての画像補正が必要となる。 Therefore, when an X-ray image is taken using a radiographic image detector, the amount of offset charge is measured in response to the temperature change inside the radiographic image detector due to changes in the ambient temperature, the heat generation state of the detector, and the heat dissipation conditions. Thus, it is necessary to correct the image using the latest information on the offset charge amount with respect to the photographed X-ray image.
このため、オフセット電荷量の計測は、特に微弱なX線画像診断を行う場合には数分毎に行う必要がある。しかしながら、このオフセット電荷量の測定中はX線による撮影を一時中断する必要があり、煩雑なオフセット電化量の計測を行うと緊急を有するX線画像診断を行うことができなくなるという不都合が生じる。 For this reason, it is necessary to measure the offset charge amount every several minutes, particularly when performing a weak X-ray image diagnosis. However, during the measurement of the offset charge amount, it is necessary to temporarily stop X-ray imaging. If complicated measurement of the offset charge amount is made, there is an inconvenience that an emergency X-ray image diagnosis cannot be performed.
このような不都合を避けるためには、ペルチェ素子や大容量の放熱構造及びファンを用いて放射線画像検出器内部の温度を高精度に制御し、個々の画素からのオフセット電荷量の変化を抑える必要があるが、放射線画像検出器の大型化や高価格化が避けられない。 In order to avoid such inconveniences, it is necessary to control the temperature inside the radiation image detector with high accuracy using a Peltier device, a large-capacity heat dissipation structure and a fan, and to suppress changes in the amount of offset charge from individual pixels. However, an increase in the size and cost of the radiation image detector is inevitable.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、装置を大型化、高価格化することなく、オフセット電荷量の計測頻度を削減し、X線撮影を容易にする放射線画像検出器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a radiation image detector that facilitates X-ray imaging by reducing the frequency of measurement of the offset charge amount without increasing the size and cost of the apparatus. For the purpose.
上述の目的を達成するため、本放射線画像検出器は、ゲート、ソース、ドレインを有してスイッチング機能を行うスイッチング素子、光を電荷信号に変換する光電変換素子、及び電気的容量を有する素子を1組の要素として含む画素が基板上に二次元状に複数個配列されており、かつ、前記任意の画素内において、前記スイッチング素子は前記基板上で行方向に延伸する複数本の行選択線のうちの1本及び列方向に延伸する複数本の信号線のうちの1本に接続され、前記光電変換素子は前記スイッチング素子と接続され、前記電気的容量を有する素子は前記スイッチング素子に対して列方向に隣接する隣接スイッチング素子を駆動する隣接行選択線と前記スイッチング素子との間に形成され、更に、前記画素上に、外部から入射したX線を光に変換する蛍光変換膜が積層された放射線センサと、前記複数の行選択線のうち、任意に選択した1本の行選択線に前記スイッチング素子を導通状態から絶縁状態へと駆動する駆動電圧を印加するとともに、前記駆動電圧を印加した行選択線と隣接する隣接行選択線に前記スイッチング素子を導通状態から絶縁状態へと駆動する駆動電位変化とは逆方向の電位変化を印加するゲート駆動回路と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, the radiation image detector includes a switching element having a gate, a source, and a drain to perform a switching function, a photoelectric conversion element that converts light into a charge signal, and an element having an electrical capacitance. A plurality of pixels included as one set of elements are two-dimensionally arranged on the substrate, and the switching element extends in the row direction on the substrate in the arbitrary pixel. And one of the plurality of signal lines extending in the column direction, the photoelectric conversion element is connected to the switching element, and the element having the electric capacity is connected to the switching element. And formed between the adjacent row selection line for driving the adjacent switching element adjacent in the column direction and the switching element. Applying a driving voltage for driving the switching element from a conductive state to an insulating state to a radiation sensor on which a fluorescent conversion film to be converted is laminated and one row selection line arbitrarily selected from the plurality of row selection lines And a gate drive circuit for applying a potential change in a direction opposite to a drive potential change for driving the switching element from a conductive state to an insulated state to an adjacent row select line adjacent to the row select line to which the drive voltage is applied. It is characterized by providing.
また、本放射線画像検出器は、ゲート、ソース、ドレインを有してスイッチング機能を行うスイッチング素子、放射線を直接電荷信号に変換する変換素子、及び電気的容量を有する素子を1組の要素として含む画素が基板上に二次元状に複数個配列されており、かつ、前記任意の画素内において、前記スイッチング素子は前記基板上で行方向に延伸する複数本の行選択線のうちの1本及び列方向に延伸する複数本の信号線のうちの1本に接続され、前記変換素子は前記スイッチング素子と接続され、前記電気的容量を有する素子は前記スイッチング素子に対して列方向に隣接する隣接スイッチング素子を駆動する隣接行選択線と前記スイッチング素子との間に形成された放射線センサと、前記複数の行選択線のうち、任意に選択した1本の行選択線に前記ゲートを駆動する駆動電圧を印加するとともに、前記駆動電圧を印加した行選択線と隣接する隣接行選択線に前記ドレインを基準として前記駆動電圧とは逆方向の電圧を印加するゲート駆動回路と、を備えることを特徴とする。 The radiation image detector includes a switching element that has a gate, a source, and a drain to perform a switching function, a conversion element that directly converts radiation into a charge signal, and an element that has an electric capacitance as a set of elements. A plurality of pixels are two-dimensionally arranged on the substrate, and within the arbitrary pixel, the switching element is one of a plurality of row selection lines extending in the row direction on the substrate and Connected to one of a plurality of signal lines extending in the column direction, the conversion element is connected to the switching element, and the element having the electric capacity is adjacent to the switching element in the column direction. A radiation sensor formed between an adjacent row selection line for driving the switching element and the switching element, and one row arbitrarily selected from the plurality of row selection lines A gate for applying a driving voltage for driving the gate to the selection line and applying a voltage in a direction opposite to the driving voltage to the adjacent row selection line adjacent to the row selection line to which the driving voltage is applied with respect to the drain And a drive circuit.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(放射線画像検出器の全体構成)
図1に、本発明の一実施の形態に係る放射線画像検出器の構成を示す。
(Overall configuration of radiation image detector)
FIG. 1 shows a configuration of a radiation image detector according to an embodiment of the present invention.
この放射線画像検出器10は、入射したX線を光に変換する蛍光体層及び入射した光を電気信号に変換する画像検出部を有する放射線センサ11と、画像検出部に2次元的に配置された画素につき走査ライン毎に順次駆動電圧を印加するゲート駆動回路13と、ゲート駆動回路13に対して列方向のスキャンタイミングを決める駆動信号を生成する駆動制御回路15と、選択された一行の画素の電気信号を読み取って増幅する読取回路17と、読取回路17での読取タイミングを決める読取信号を生成する読取制御回路18と、ノイズとしてのオフセット電荷が混入した画像信号からオフセット電荷を減算して画像補正を行う補正回路19と、ノイズ補正を行った後の画像信号を表示する表示装置20と、を備えている。
The radiation image detector 10 is two-dimensionally arranged in a
(放射線センサ11)
図2は、放射線センサ11の具体的な構成の一例を示すものである。
(Radiation sensor 11)
FIG. 2 shows an example of a specific configuration of the
この放射線センサ11は、入射X線21を蛍光に変換する蛍光変換膜23と、この蛍光を電気信号による画像情報へと変換する画像検出部25とを備えている。
The
画像検出部25は、主にガラス基板により構成されている保持基板27上に、フォトダイオード及び薄膜トランジスタ(TFT)を含む画素28が多数配列された回路層29を設けて形成されている。
The
図3に画像検出部25の理想的な等価回路を、図4に画素28内部の理想的な等価回路を示す。
FIG. 3 shows an ideal equivalent circuit of the
画素28aは、薄膜トランジスタ31、フォトダイオード33を含み、薄膜トランジスタ31のゲートには行選択線(ゲート線)35が接続され、薄膜トランジスタ31のソースには信号線37が接続され、薄膜トランジスタ31のドレインにはフォトダイオード33とコンデンサ36とが並列に接続されている。なお、コンデンサ36は、フォトダイオード33の電極間の容量である。
The pixel 28 a includes a
また、信号線37の終端には、信号線37を伝わる電荷信号を増幅し、外部に出力する機能を有する積分アンプ41が信号線37と一対一に接続されている。 Further, an integrating amplifier 41 having a function of amplifying a charge signal transmitted through the signal line 37 and outputting the amplified signal to the outside is connected to the signal line 37 on a one-to-one basis.
更に、行選択線(ゲート線)35は、図5に示すゲートドライバ63の特定の信号線に接続される。 Furthermore, the row selection line (gate line) 35 is connected to a specific signal line of the gate driver 63 shown in FIG.
(ゲート駆動回路13、読取回路17)
図5は、図1のゲート駆動回路13及び読取回路17の具体的な構成の一例を示すものである。
(
FIG. 5 shows an example of a specific configuration of the
ゲート駆動回路13は、ゲートドライバ63及び行選択回路65を備え、読取回路17は積分アンプ41、A/D(アナログ・デジタル)変換器67及び駆動器69を備えている。
The
ゲートドライバ63は、外部からの信号を受信すると、放射線センサ11に接続されている多数の信号線の電圧を順番に変更していく機能を有している。また、このゲートドライバ63には行選択回路65が接続される。
The gate driver 63 has a function of sequentially changing the voltages of a large number of signal lines connected to the
行選択回路65は、X線画像の走査方向に従って対応するゲートドライバ63へと信号を送る機能を有しており、図1の駆動制御回路15と接続されている。 The row selection circuit 65 has a function of sending a signal to the corresponding gate driver 63 according to the scanning direction of the X-ray image, and is connected to the drive control circuit 15 of FIG.
また、積分アンプ41は、A/D変換器67を介して駆動器69に接続されている。駆動器69は、図1に示す読取制御回路18と接続されており、読取制御回路18からの読取信号により、A/D変換器67でデジタル化された信号の読み取りを行う。
Further, the integrating amplifier 41 is connected to a
(放射線画像検出器10の動作)
以下に、上記の放射線画像検出器10の動作について説明する。
(Operation of Radiation Image Detector 10)
Below, operation | movement of said radiographic image detector 10 is demonstrated.
初期状態において、図4におけるコンデンサ36には電荷が蓄えられており、並列接続されているフォトダイオード33には逆バイアス状態の電圧が加えられている。このときの電圧は、信号線37に加えられている電圧と同じである。フォトダイオード33はダイオードの一種なので、逆バイアスの電圧が加えられても電流はほとんど流れることは無い。そのためコンデンサ36に蓄えられた電荷は減少することなく保持されることになる。
In the initial state, electric charge is stored in the
この状態において、図2に示す入射X線21が蛍光変換膜23に入射すると、蛍光変換膜23内部において、高エネルギーのX線が低エネルギーの多数の可視光に変換される。蛍光変換膜23内部にて発生した蛍光の一部は、画像検出部25の表面に配置されているフォトダイオード33へと到達する。
In this state, when the incident X-ray 21 shown in FIG. 2 enters the fluorescence conversion film 23, the high-energy X-rays are converted into a large number of low-energy visible light inside the fluorescence conversion film 23. Part of the fluorescence generated inside the fluorescence conversion film 23 reaches the
図4に示すフォトダイオード33に入射した蛍光は、フォトダイオード33内部にて電子とホールからなる電荷に変換され、コンデンサ36に印加されている電界方向に沿ってフォトダイオード33の両端子へと到達することで、フォトダイオード33内部を流れる電流として観測される。
Fluorescence incident on the
フォトダイオード33の内部において発生した電流は、並列接続されているコンデンサ36へと流れ込み、コンデンサ36内部に蓄えられている電荷を打ち消す作用を及ぼす。その結果、コンデンサ36に蓄えられていた電荷は減少し、コンデンサ36の端子間に発生していた電位差も初期状態と比べて減少する。
The current generated inside the
図5において、ゲートドライバ63は多数の制御線の電位を順番に変化させる機能を有するが、ある特定の時間において電位の変化している制御線は1本のみである。この制御線に接続されている行選択線35に並列接続されている薄膜トランジスタ31のソース、ドレイン間端子は、絶縁状態から導通状態へと変化する。
In FIG. 5, the gate driver 63 has a function of sequentially changing the potentials of a large number of control lines, but there is only one control line whose potential changes at a specific time. The source-drain terminal of the
図4の各信号線37には特定の電圧がかけられており、電位の変化した行選択線35に接続されている薄膜トランジスタ31のソース、ドレイン端子を通じて接続されているコンデンサ36に電圧が印加されることになる。
A specific voltage is applied to each signal line 37 in FIG. 4, and the voltage is applied to the
初期状態においては、コンデンサ36は信号線37と同じ電位状態になっているため、コンデンサ36の電荷量が初期状態と変化していない場合、コンデンサ36では信号線37からの電荷の移動は発生しない。しかし、外部からの入射X線21より蛍光変換膜23内部にて発生した蛍光が入射したフォトダイオード33と並列接続しているコンデンサ36では、内部に蓄えられている電荷が減少しており、初期状態の電位とは変化している。そのため導通状態となった薄膜トランジスタ31を通じて信号線37より電荷の移動が発生し、コンデンサ36内部に蓄えられた電荷量は初期状態に戻る。また、移動した電荷量は信号線37を流れる信号となり外部へと伝わっていく。
Since the
図4における信号線37を流れる電流は、対応する積分アンプ41へと入力され、積分アンプ41は、一定時間内に流れる電流を積分し、その積分値に対応した電圧を外部へと出力する。この動作を行うことで、ある一定時間内に信号線を流れる電荷量を電圧値に変換することが可能となる。この結果、入射X線21にて蛍光変換膜23内部にて発生した蛍光の強弱分布に対応した電荷信号がフォトダイオード33内部にて発生し、この電荷信号が積分アンプ41によって電位情報へと変換される。
The current flowing through the signal line 37 in FIG. 4 is input to the corresponding integrating amplifier 41, and the integrating amplifier 41 integrates the current flowing within a predetermined time and outputs a voltage corresponding to the integrated value to the outside. By performing this operation, the amount of charge flowing through the signal line within a certain time can be converted into a voltage value. As a result, a charge signal corresponding to the intensity distribution of the fluorescence generated inside the fluorescence conversion film 23 by the incident X-ray 21 is generated inside the
積分アンプ41より発生した電位は、図5に示すA/D変換器67にて順次デジタル信号へと変換される。デジタル値となった信号は、駆動器69を介して、図1に示す補正回路19にてオフセット電荷を除去した後、図示しない画像合成回路にて回路層29に配置された画素の行と列に従って順次整理され、画像信号として外部へと出力される。
The potential generated by the integrating amplifier 41 is sequentially converted into a digital signal by the A / D converter 67 shown in FIG. The signal having the digital value is subjected to removal of offset charges by the
外部へと出力された電気信号による画像情報は、通常のディスプレイ装置などの表示装置20によって容易に画像化が可能であり、X線画像を可視光による画像として観察することが可能となる。
Image information based on electrical signals output to the outside can be easily imaged by a
(画像検出部25表面に形成された回路パターン)
図6に、画像検出部25表面に形成された回路パターンの一例を示す。
(Circuit pattern formed on the surface of the image detection unit 25)
FIG. 6 shows an example of a circuit pattern formed on the surface of the
この回路パターンでは、水平方向に配置された複数の行選択線35と、垂直方向に多数配置された信号線37が直交されており、これらの配線は絶縁膜30によって電気的に絶縁された状態になっている。
In this circuit pattern, a plurality of row selection lines 35 arranged in the horizontal direction and a plurality of signal lines 37 arranged in the vertical direction are orthogonal to each other, and these wirings are electrically insulated by the insulating
行選択線35と信号線37にて囲まれた領域にはフォトダイオード33が形成され、フォトダイオード33の上部にはバイアス線26が配置される。フォトダイオード33上部とバイアス線26は電気的に接続されており、それぞれのフォトダイオード33にバイアス電圧を印加している。
A
薄膜トランジスタ31は行選択線35の一部領域をゲート電極40として使用しており、同様に信号線37の一部をソース電極43に、フォトダイオード33の下部電極24の一部をドレイン電極42として使用することによりスイッチング素子を形成している。
The
画像検出部25が図6に示す回路パターンを有していることにより、実際の画素の等価回路は図4に示した理想的な等価回路とは異なってくる。特に、薄膜トランジスタ31は、ゲート電極40とドレイン電極42との間、及びゲート電極40とソース電極43との間を半導体膜と絶縁膜30をはさんで配置した構造としているため、ゲート電極40とドレイン電極42の間、及びゲート電極40とソース電極43との間に寄生容量と呼ばれる容量成分が発生することが知られている。
Since the
今回特に問題となるのは、薄膜トランジスタ31のゲート電極40とドレイン電極42間の寄生容量である。
Particularly problematic here is the parasitic capacitance between the gate electrode 40 and the
(寄生容量を考慮した画素28内部の等価回路)
図7に、寄生容量を考慮した画素28bの内部の等価回路を示す。
(Equivalent circuit inside the
FIG. 7 shows an equivalent circuit inside the pixel 28b in consideration of the parasitic capacitance.
この等価回路では、行選択線35と信号線37にて囲まれた領域に、薄膜トランジスタ31とフォトダイオード33とコンデンサ36にて画素28bが形成されるが、それに加えて薄膜トランジスタ31のゲート電極、ドレイン電極間に寄生容量22が追加された構造となる。
In this equivalent circuit, a pixel 28 b is formed by a
ちなみにゲート電極とソース電極間にも寄生容量が発生するが、今回の実施形態に対しては無関係なので図示していない。 Incidentally, parasitic capacitance is also generated between the gate electrode and the source electrode, but it is not shown because it is irrelevant to the present embodiment.
(寄生容量を考慮した等価回路を持つ画素28bを有する放射線画像検出器10の動作)
図7に示す等価回路を持つ画素を有する放射線画像検出器10においても、上述した図4に示す放射線画像検出器の動作と同様に、行選択線35により駆動される薄膜トランジスタ31が導通状態になることにより、フォトダイオード33にて発生した電荷により電位差の減少したコンデンサ36は、薄膜トランジスタ31を通じて信号線37より電荷が補充される。
(Operation of the radiation image detector 10 having the pixel 28b having an equivalent circuit in consideration of the parasitic capacitance)
Also in the radiographic image detector 10 having pixels having the equivalent circuit shown in FIG. 7, the
この際に、薄膜トランジスタ31を導通状態にするためには、行選択線35の電圧を変化させる必要がある。一般的な薄膜トランジスタ31の場合、ドレイン−ソース間を導通状態にするためのゲート電圧は20V程度、非道通状態にするためのゲート電圧は−5V程度である。
At this time, in order to bring the
これにより、任意の行選択線35に接続されている薄膜トランジスタ31を導通状態にするために、行選択線35に20V程度の電圧が印加される。この際に導通状態になった薄膜トランジスタ31を通じ信号線37から電荷が流れ、コンデンサ36へ電荷が充電される。これと同時に、寄生容量22へも電荷が充電されることとなる。
Accordingly, a voltage of about 20 V is applied to the row selection line 35 in order to bring the
上記動作により電荷情報が読み取られた後、行選択線35の電圧を−5V程度に変化させることにより、行選択線35に接続されている薄膜トランジスタ31は非導通状態へと変化する。これにより信号線37と分断されたフォトダイオード33とコンデンサ36は他の回路から隔離されることとなる。
After the charge information is read by the above operation, the
放射線画像検出器へのX線入射が無い場合には、入射X線により発生する蛍光が無いため、フォトダイオード33に電流は発生せず、コンデンサ36の電位差は保持される。
When there is no X-ray incident on the radiation image detector, no fluorescence is generated by the incident X-ray, so that no current is generated in the
ここで、図4に示す画素28aのように寄生容量がない場合には、コンデンサ36とつながっている薄膜トランジスタ31のドレイン電極の電位とソース電極の電位は等しい。非導通状態の薄膜トランジスタ31においてもドレイン−ソース間には有限の値を持つ抵抗が存在するが、ドレイン−ソース間に電位差が発生していないため、非導通状態の薄膜トランジスタ31のドレイン−ソース間の漏れ電流は発生しない。
Here, when there is no parasitic capacitance like the pixel 28a shown in FIG. 4, the potential of the drain electrode of the
しかし、図7に示す画素28bのように寄生容量22が存在する場合においては、行選択線35を通じて薄膜トランジスタ31のゲート電極に20V程度の電圧を印加して薄膜トランジスタ31を導通状態した場合、通常では0Vに設定されている信号線37から導通状態の薄膜トランジスタ31を通じて寄生容量22に電荷が蓄積される。
However, in the case where the
通常の放射線画像検出器にて発生する寄生容量は約10fF(fF:10−15F)程度の値である。そのため、20V程度の電圧を印加される薄膜トランジスタ31のゲート電極と、導通状態になりソース電極を通じて信号線37と同電位のONとなるドレイン電極との間に発生する寄生容量22には、200fC(電荷=電圧×容量=20×10=200)ほどの電荷が寄生容量22に蓄積されることになる。
The parasitic capacitance generated in a normal radiation image detector has a value of about 10 fF (fF: 10 −15 F). Therefore, the
一方、行選択線35を通じて薄膜トランジスタ31のゲート電極に−5V程度の電圧を印加することにより、薄膜トランジスタ31は非導通状態へと変化する。外部から放射線画像検出器10に入射するX線を検出する期間の薄膜トランジスタ31は非導通状態を維持する必要があり、薄膜トランジスタ31の大部分の期間は非導通状態となる。
On the other hand, when a voltage of about −5 V is applied to the gate electrode of the
薄膜トランジスタ31が非導通状態になることで、画素を構成するフォトダイオード33とコンデンサ36は信号線37とは電気的に分離する。この時に寄生容量22に蓄積した電荷がコンデンサ36と寄生容量22に分配される。通常の放射線画像検出器のコンデンサ36の容量は1pF(pF:10−12F)程度のため、10fFの寄生容量22に蓄積された電荷量(約200fC)の大部分(99%)がコンデンサ36へと移動することになる。
When the
寄生容量22に蓄積された電荷量の大部分がコンデンサ36へと分配されるため、コンデンサ36の端子電圧は変化することになる。今回の例では約0.2Vの電圧変化(電圧=電荷÷容量=200÷1000=0.2)に相当することになる。
Since most of the amount of charge accumulated in the
コンデンサ36の端子電圧が変化するため、コンデンサ36に接続されている薄膜トランジスタ31のドレイン電圧も変化する。その結果、薄膜トランジスタ31のドレイン−ソース間に約0.2V程度の電位差が発生することになる。行選択線35を通じて非導通状態となっている薄膜トランジスタ31であるが、ドレイン−ソース間には有限の抵抗が存在することは避けられない。そのためドレイン−ソース間の電位差により漏れ電流が発生し、コンデンサ36に蓄積されている電荷が薄膜トランジスタ31を通じて信号線37に流れ込むことになる。
Since the terminal voltage of the
外部から入射したX線により画素内部のフォトダイオード33により発生した電荷情報を読み出すために、行選択線35を通じて薄膜トランジスタ31を導通状態にするが、その際にはフォトダイオード33にて発生した電荷情報に加え、上記漏れ電流により減少した電荷量も読み出されることになる。
In order to read out the charge information generated by the
この漏れ電流の成分はX線画像とは無関係な情報であり、X線画像に対してはノイズとして現われることになる。漏れ電流の量はあらかじめ計測を行い、その成分を画像情報から差分を取ることで影響を除去することが可能である。 This leakage current component is information unrelated to the X-ray image, and appears as noise in the X-ray image. The amount of leakage current is measured in advance, and the influence can be removed by taking the difference of the component from the image information.
しかし、漏れ電流の量は半導体により構成されている薄膜トランジスタ31の温度によって大きく変化するため、放射線画像検出器10内部の温度の変化に伴い漏れ電流の量を計測する必要がある。この計測期間はX線画像の撮影はできないため、実際にX線による医療行為を行う際の大きな支障となってしまう。このため、以下に説明するように画素に補正コンデンサを組み込むことを考える。
However, since the amount of leakage current varies greatly depending on the temperature of the
(補正コンデンサを含む画素28cの内部の等価回路)
図8に補正コンデンサを含む画素の内部の等価回路を、図9にこの補正コンデンサを含む画素を有する画像検出部25の等価回路を示す。
(Equivalent circuit inside pixel 28c including correction capacitor)
FIG. 8 shows an equivalent circuit inside the pixel including the correction capacitor, and FIG. 9 shows an equivalent circuit of the
図8に示す等価回路では、図7の等価回路の要素に加えて、更に補正コンデンサ38を有している。補正コンデンサ38は、行選択線35aと接続した薄膜トランジスタ31のドレイン電極と、選択線35aと隣接する行選択線35bの間に形成されている。
The equivalent circuit shown in FIG. 8 further includes a
図9に示す等価回路では、横方向に多数配列した行選択線35と、縦方向に多数配列した信号線37は格子状に直交して配列され、行選択線35と信号線37に囲まれた領域に、図8に示した画素28cが格子状に配置されている。そして信号線37は積分アンプ41に接続されている。 In the equivalent circuit shown in FIG. 9, a large number of row selection lines 35 arranged in the horizontal direction and a large number of signal lines 37 arranged in the vertical direction are arranged orthogonally in a grid pattern and surrounded by the row selection lines 35 and the signal lines 37. The pixels 28c shown in FIG. 8 are arranged in a grid pattern in the region. The signal line 37 is connected to the integrating amplifier 41.
なお、図9では、図面上、図8に示す寄生容量22を省略している。
In FIG. 9, the
(補正コンデンサを含む画素28cの回路パターン)
図10(a)、(b)に、補正コンデンサを含む画素28cを有する放射線画像検出器10の画像検出部25の回路パターンの例を示す。
(Circuit pattern of pixel 28c including correction capacitor)
FIGS. 10A and 10B show examples of circuit patterns of the
図10に示す回路パターンが図6に示す回路パターンと比較して異なる点は、行選択線35aと接続されているフォトダイオード33の下層に形成されている下部電極24’を、隣接する行に属する行選択線35bの上に絶縁膜30を介して重ねたことである。これにより、補正コンデンサ38が形成される。
The circuit pattern shown in FIG. 10 is different from the circuit pattern shown in FIG. 6 in that the
上述したように、フォトダイオード33の下部電極24’は、薄膜トランジスタ31のドレイン電極42と同じ層にて作成されている。また、上述したように、行選択線35a、35bは薄膜トランジスタ31のゲート電極40と同じ層にて形成されている。
As described above, the
このため、補正コンデンサ38は、薄膜トランジスタ31のゲート、ドレインと同一の層で形成できることになる。このため、効率良く容易に補正コンデンサ38を形成することが可能であり、TFT製造プロセスの変更を最小限にできると共に、製品価格の上昇を最小限に抑えることが可能になる。
Therefore, the
(補正コンデンサを含む画素28cを有する放射線画像検出器10の動作)
図8乃至図10に示す補正コンデンサ38を含む画素28cを有する放射線画像検出器10の動作を説明する。
(Operation of Radiation Image Detector 10 Having Pixel 28c Including Correction Capacitor)
The operation of the radiation image detector 10 having the pixel 28c including the
先ず、外部から放射線画像検出器10に入射したX線画像は、蛍光変換膜23内部にて可視光に変換され、画像検出部25表面に可視光の画像として照射される。
First, an X-ray image incident on the radiation image detector 10 from the outside is converted into visible light inside the fluorescence conversion film 23 and irradiated on the surface of the
画像検出部25内部には、図9に示す等価回路を持つ回路が形成されており、図8に示す画素28cが格子状に形成されている。図8に示したコンデンサ36には電荷が蓄えられており、フォトダイオード33に逆バイアス状態の電圧が印加されている。
A circuit having an equivalent circuit shown in FIG. 9 is formed inside the
X線画像を撮影する期間において、薄膜トランジスタ31は非導通状態となっており、行選択線35aからは接続される薄膜トランジスタ31を非導通状態にするためのゲート電圧(約−5V)が供給されている。
During the period for taking an X-ray image, the
X線画像の撮影期間が終了すると、画素28cに蓄えられたX線画像の読み出しを行うために薄膜トランジスタ31を導通状態にし、薄膜トランジスタ31のドレイン−ソース間の抵抗を下げる。
When the X-ray image capturing period ends, the
これにより、薄膜トランジスタ31のソース電極43につながっている信号線37と、薄膜トランジスタ31のドレイン電極42につながっているコンデンサ36が電気的に接続され、X線の照射によりフォトダイオード33にて発生した電荷により電位差の減少したコンデンサ36の電位が初期状態に戻る。その時に信号線37に流れる電荷量を外部に接続された積分アンプ41にて増幅し、X線画像として出力する。
As a result, the signal line 37 connected to the
上記のX線画像の読み出しの際に、行選択線35aの電圧を変化(約20V)にすることで、行選択線35aに接続されている薄膜トランジスタ31を導通状態にする。このとき、寄生容量22には信号線37との電位差(約20V)に対応する電荷が蓄積されることになる。
When the X-ray image is read, the voltage of the
従来、行選択線35aに属する画素の読み出し期間中は、隣接する行を駆動する行選択線35bの電位は変化させることは無いが、本実施の形態では、行選択線35aと隣接する行選択線35bを同時に変化させる。
Conventionally, during the readout period of pixels belonging to the
具体的には、寄生容量22の容量が10fF、補正コンデンサ38の容量が100fF、コンデンサ36の容量を1pFとなるように画素28cを設計した場合において、行選択線35aに接続されている薄膜トランジスタ31を非導通状態にする電圧(約−5V)から導通状態にする電圧(20V)に変更した場合、同じタイミングで行選択線35bの電圧を例えば、−5Vから−7.5Vに設定する。なお、バイアス線には−3Vの一定電位を供給している。
Specifically, when the pixel 28c is designed so that the capacitance of the
このように隣接する行選択線を同時に変化させた場合、薄膜トランジスタ31が導通状態の時には寄生容量22には200fCの電荷が蓄積され、補正コンデンサ38には−750fCの電荷が蓄積されることになる。またコンデンサには−3pCの電荷が蓄積されることになる。
When the adjacent row selection lines are changed at the same time, when the
画素からの電荷情報の読み出しが終了し、行選択線35aには接続される薄膜トランジスタ31を非導通状態にする電圧(−5V)を供給することで、薄膜トランジスタ31は非導通状態になる。これと同時に、隣接する行選択線35bの電圧も通常電圧(−5V)を供給する。この状態においては、寄生容量22と補正コンデンサ38に蓄積された電荷量は再分配されることになる。この再分配の結果、寄生容量22には−50fC、補正コンデンサ38には−500fC、そしてコンデンサ36には−3pCの電荷が蓄積された状態になり、薄膜トランジスタ31の状態を変化させた前後において、電荷の総量は変化しないことになる。
When the readout of the charge information from the pixel is completed and the voltage (−5V) that makes the connected
上記駆動にて薄膜トランジスタ31を導通状態から非導通状態に変化させた前後において、コンデンサ36に蓄積された電荷は変化していないことになる。薄膜トランジスタ31が導通状態の場合においては、コンデンサ36に接続している薄膜トランジスタ31のドレイン電極42と、信号線37に接続されているソース電極43は同じ電位となっている。
The charge accumulated in the
その後、薄膜トランジスタ31が非導通状態に変化した直後において、コンデンサ36の電荷状態は変化せず、コンデンサ36の電位差も変化しない。そのため、薄膜トランジスタ31を非導通状態に変化させても、薄膜トランジスタ31のドレイン−ソース間の電位差は発生しない。
Thereafter, immediately after the
このため、外部からのX線入射が無い限りフォトダイオード33からの電荷発生は無く、コンデンサ36の電荷量が変化しない。よって、薄膜トランジスタ31のドレイン電圧も変化せず、薄膜トランジスタ31のドレイン−ソース間の電位差は0Vに保たれる。そのため、外部からのX線入射が無い場合においては、非導通状態であるが有限の抵抗値を持つ薄膜トランジスタ31のドレイン−ソース間には漏れ電流は発生しないことになる。
For this reason, as long as there is no X-ray incident from the outside, no charge is generated from the
上記動作において、行選択線35aと隣接する行に属する画素を駆動する行選択線35bの電圧を変更しているが、このときの行選択線35bに属する画素の薄膜トランジスタは非導通状態を保つ必要がある。これは隣接画素からの信号が混入しないために必要なことである。一般的な薄膜トランジスタ31の場合、ゲート電圧を負方向に数ボルト変化させても非導通状態を保つため、本実施の形態のように−5Vから−7.5Vに変化させても、隣接するその薄膜トランジスタを非導通状態に保つことは容易にできる。
In the above operation, the voltage of the row selection line 35b for driving the pixels belonging to the row adjacent to the
(本実施の形態の効果)
微弱なX線画像の検出を必要とする放射線画像検出器において、漏れ電流はX線画像の品質を大きく損なうことになる。特に、非常に暗いX線画像の検出の場合には、従来の放射線画像検出器の場合では入射X線による信号量よりも漏れ電流の方が大きくなってしまう。
(Effect of this embodiment)
In a radiographic image detector that requires detection of a weak X-ray image, the leakage current greatly impairs the quality of the X-ray image. In particular, in the case of detecting a very dark X-ray image, in the case of a conventional radiation image detector, the leakage current is larger than the signal amount due to incident X-rays.
しかし、本実施の形態の補正コンデンサを含む画素28cを有する放射線画像検出器10を用いることにより、漏れ電流の大幅な削減が実現できる。これにより、漏れ電流が大きな割合を占める画素のオフセット電荷量を削減することが可能になる。 However, a significant reduction in leakage current can be realized by using the radiation image detector 10 having the pixel 28c including the correction capacitor of the present embodiment. Thereby, it becomes possible to reduce the offset charge amount of the pixel in which the leakage current occupies a large proportion.
従って、ペルチェ素子や大容量の放熱構造及びファンを用いて検出器内部の温度を高精度に制御することなく、X線画像の撮影ができなくなるオフセット電荷量の計測回数を大幅に削減でき、X線撮影を容易にする放射線画像検出器を提供することができる。 Therefore, it is possible to greatly reduce the number of measurement of the offset charge amount that makes it impossible to take an X-ray image without accurately controlling the temperature inside the detector using a Peltier element, a large-capacity heat dissipation structure and a fan. A radiation image detector that facilitates radiography can be provided.
(他の実施の形態)
上記の実施の形態においては、放射線センサ11としてフォトダイオード33を設けた間接方式の例を示したが、光導電膜によりX線を直接電荷信号に変換して電荷蓄積用のキャパシタに導く直接方式についても同様に適用することができる。この場合は、蛍光変換膜23を省略し、画像検出部25のフォトダイオード33に代えてa−Seなどの光導電膜とすることで、同様の効果を奏することができる。
(Other embodiments)
In the above embodiment, an example of the indirect method in which the
10:放射線画像検出器
11:放射線センサ
13:ゲート駆動回路
15:駆動制御回路
17:読取回路
18:読取制御回路
19:補正回路
20:表示装置
21:入射X線
22:寄生容量
23:蛍光変換膜
24、24’:下部電極
25:画像検出部
26:バイアス線
27:保持基板
28:画素
28a:画素
28b:画素
28c:画素
28d:画素
29:回路層
30:絶縁膜
31:薄膜トランジスタ
33:フォトダイオード
34:寄生容量
35:行選択線
35a:行選択線
35b:行選択線
36:コンデンサ
37:信号線
38:補正コンデンサ
40:ゲート電極
41:積分アンプ
42:ドレイン電極
43:ソース電極
63:ゲートドライバ
65:行選択回路
67:A/D変換器
69:駆動器
10: Radiation image detector 11: Radiation sensor 13: Gate drive circuit 15: Drive control circuit 17: Reading circuit 18: Reading control circuit 19: Correction circuit 20: Display device 21: Incident X-ray 22: Parasitic capacitance 23:
Claims (6)
前記複数の行選択線のうち、任意に選択した1本の行選択線に前記スイッチング素子を導通状態から絶縁状態へと駆動する駆動電圧を印加するとともに、前記駆動電圧を印加した行選択線と隣接する隣接行選択線に前記スイッチング素子を導通状態から絶縁状態へと駆動する駆動電位変化とは逆方向の電位変化を印加するゲート駆動回路と、
を備えることを特徴とする放射線画像検出器。 A pixel including a switching element having a gate, a source, and a drain for performing a switching function, a photoelectric conversion element for converting light into a charge signal, and an element having an electric capacitance as a set of elements is two-dimensionally formed on the substrate. In the arbitrary pixel, the switching element is one of a plurality of row selection lines extending in the row direction on the substrate and a plurality of signals extending in the column direction. Connected to one of the lines, the photoelectric conversion element is connected to the switching element, and the element having the electric capacity is an adjacent row selection that drives an adjacent switching element adjacent to the switching element in a column direction. A radiation sensor in which a fluorescence conversion film is formed between the X-ray and the switching element, and a fluorescent conversion film that converts X-rays incident from the outside into light is laminated on the pixel;
A drive voltage for driving the switching element from a conduction state to an insulation state is applied to one arbitrarily selected row selection line among the plurality of row selection lines, and the row selection line to which the drive voltage is applied A gate drive circuit for applying a potential change in a direction opposite to a drive potential change for driving the switching element from a conductive state to an insulated state to an adjacent row selection line;
A radiation image detector comprising:
前記画像信号情報を前記オフセット電荷量に基づいて補正するノイズ補正回路と、
を備えることを特徴とする請求項1又は2記載の放射線画像検出器。 Furthermore, image signal information is read from the photoelectric conversion element connected to the switching element connected to any one of the row selection lines to which the driving voltage is applied via the signal line, and by X-rays A reading circuit that reads the amount of offset charge outside of shooting,
A noise correction circuit for correcting the image signal information based on the offset charge amount;
The radiation image detector according to claim 1, further comprising:
前記複数の行選択線のうち、任意に選択した1本の行選択線に前記スイッチング素子を導通状態から絶縁状態へと駆動する駆動電圧を印加するとともに、前記駆動電圧を印加した行選択線と隣接する隣接行選択線に前記スイッチング素子を導通状態から絶縁状態へと駆動する駆動電位変化とは逆方向の電位変化を印加するゲート駆動回路と、
を備えることを特徴とする放射線画像検出器。 A pixel including a switching element that has a gate, a source, and a drain to perform a switching function, a conversion element that directly converts radiation into a charge signal, and an element having an electric capacitance as a set of elements is two-dimensionally formed on the substrate. In the arbitrary pixel, the switching element is one of a plurality of row selection lines extending in the row direction on the substrate and a plurality of signals extending in the column direction. Connected to one of the lines, the conversion element is connected to the switching element, and the element having the electric capacity drives an adjacent switching element adjacent to the switching element in a column direction. And a radiation sensor formed between the switching element and
A drive voltage for driving the switching element from a conduction state to an insulation state is applied to one arbitrarily selected row selection line among the plurality of row selection lines, and the row selection line to which the drive voltage is applied A gate drive circuit for applying a potential change in a direction opposite to a drive potential change for driving the switching element from a conductive state to an insulated state to an adjacent row selection line;
A radiation image detector comprising:
前記画像信号情報を前記オフセット電荷量に基づいて補正するノイズ補正回路と、
を備えることを特徴とする請求項4又は5記載の放射線画像検出器。 Furthermore, image signal information is read through the signal line from the conversion element connected to the switching element connected to any one of the row selection lines to which the driving voltage is applied, and X-ray imaging is performed. A reading circuit that reads the amount of offset charge outside;
A noise correction circuit for correcting the image signal information based on the offset charge amount;
The radiation image detector according to claim 4, further comprising:
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110168732A (en) * | 2016-12-22 | 2019-08-23 | 宽腾矽公司 | With the integrated photoelectric detector for directly merging pixel |
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