JP2015503277A - 前の注入数に応じて変化する電荷量の注入を用いた、アナログ−デジタル変換用の回路を備える撮像装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、入射光子放射に応じて電荷を生成する検出器（１１）を備える、撮像装置及び、生成された電荷の量を読み取るための手段を形成する、アナログ−デジタル変換回路（１２）の分野に位置する。アナログ−デジタル変換回路（１２）は：・集積ノード（Ａ）上の電位（Ｖａ）と所定のしきい値電位（Ｖｓｅｕｉｌ）との間の比較に応じて切り替わり得る比較器（１２２）と、・比較器の各切り替わりと共に増加するカウンター（１２３）と、・比較器の各切り替わりと共に、集積ノード（Ａ）上で反電荷の量Ｑｃを注入する反電荷注入回路（１２４）と、・注入される反電荷の量Ｑｃを決定する制御手段（１２５）とを備える。アナログ−デジタル変換回路（１２）は、カウンター（１２３）の値に応じて、注入される反電荷の量Ｑｃを制御手段（１２５）が決定することを特徴とする。

Description

本発明は、光子流を受けると電荷を生成する検出器と、生成された電荷の量を数量化できるようにする読み取り手段とを備えた、撮像装置の分野に位置する。それは、そのような読み取り手段を形成するアナログ−デジタル変換回路に関する。問題の撮像装置は特にＣＭＯＳ技術を用いて製作されることができ、例えばＸ線若しくはガンマ線を用いる放射線撮像、又は可視撮像若しくは赤外線撮像の画像形成を対象としている。

撮像装置は、一般に画素マトリックス及び読み取り手段を備える。各画素は、受け取った光子の量に比例する電荷を生成する、少なくとも１つの受光素子を含む。光電荷とも呼ばれる、これらの電荷は、各受光素子によって受け取られた光子の量を表わす情報を供給するため、読み取り手段によって処理される。読み取り手段はＣＭＯＳ技術を用いて作られることができ、それらが各画素内へと組み込まれることを可能にする。画素読み取り手段は、例えば用語「電荷フィードバック・デジタル−アナログ変換器」に対応する、いわゆる「電荷注入」アナログ−デジタル変換回路から成る。用語「電荷平衡型」回路もまた用いられ得る。

電荷注入アナログ−デジタル変換回路は、少なくとも１つの積分コンデンサ、比較器、反電荷注入回路、及びカウンターを備える。積分コンデンサは、その電極の１つによって、考慮されている画素の受光素子につながれる。考慮されている受光素子の露出段階の間に、受光素子は光子を電子正孔の対へと変換する。電荷、電子又は正孔は検出器の電極によって集められ、次に積分コンデンサの端子において蓄積され、それはコンデンサの端子を渡る電圧の変動をもたらす。比較器の入力は、電荷を集める積分コンデンサにつながれている。比較器は、検出電位と呼ばれる、この入力のレベルにおける電位をしきい値と比較する。検出電位がしきい値を超える度に、比較器の出力における信号は第一の状態から第二の状態に切り替わる。受光素子によって生成される電荷を補償するため、各々の切り替わりはカウンターにおける増加と、積分コンデンサの電極上における反電荷の量Ｑ０の注入とをもたらす。反電荷の量Ｑ０が正しく較正されている場合、検出電位は再びしきい値を超え、比較器の出力信号は第二の状態から第一の状態に切り替わる。比較器の出力信号の切り替わり及び反電荷の注入は、受光素子によって生成される電荷の全体量に応じて、一定の回数だけ繰り返される。検出電位を平衡させるために必要な反電荷の注入数は、従って与えられた集積期間の間に受光素子によって生成された、電荷の全体量を表わす数値を与えることを可能にする。この電荷注入アナログ−デジタル変換回路の欠点は、それが受光素子によって受けた光子の比較的限られた範囲の線量にだけしか適応できないことである。実際に、低い線量の光子の正確な数量化を可能にする目的で、カウンターによって符号化された値の最下位ビットに対応する量Ｑ０は、比較的小さくなければならない。しかしながら、量Ｑ０が比較的小さい場合、大きい線量の光子を数量化できるようにするために、多数回の注入が行われなければならない。それゆえ、全ての回数の注入をカウントできるようにするためには、カウンターが多数のビット（例えば１６ビット）を含まなければならない。これは「ディープ」カウンターと呼ばれる。更に、光子流はポアソンの法則による固有ノイズを受ける。言い換えれば、光子によって生成される電流のノイズは、受け取った光子の数の平方根に比例する。ここで、光子流は例えば１〜１０^４のオーダーの比率で、非常に大きく変化し得る。結果として、量Ｑ０が受光素子によって受け取られ得る最低の線量にほぼ相当するやり方で較正される場合、受光素子によって生成される多量の電荷は、量Ｑ０の数十倍に等しいノイズと共に符号化される。言い換えれば、電荷の量はノイズよりも非常に高い精度で数値化され、それは数ビットのカウンターは無駄に使われることを意味する。

欧州特許出願公開第１８６０７７８Ａ１号明細書は、各注入における反電荷の量Ｑｃが光子流の関数として、この場合、この光子流によって生成される電流の関数として変調される、電荷注入アナログ−デジタル変換回路を提案している。光子流が大きい程、量Ｑｃは多い。この流れは例えば注入の頻度によって決定される。制御手段は、量Ｑｃを変調し、この量Ｑｃに応じてユニットの数だけカウンターを増すように、切替えスイッチを制御することを可能にする。より正確には、切替えスイッチは反電荷Ｑ０の基本量の倍数に等しいユニットの数だけ、カウンターを増すように制御される。数値化の精度は、それゆえ検出された光子流に適応する。更に、この精度の桁は所与の集積期間にわたって注入された反電荷の最大量Ｑｃにより、容易に決定される。しかしながら、この特許出願において記述されているアナログ−デジタル変換回路は、カウンターの入力における切替えスイッチと、同様に比較的複雑な制御手段とを必要とするという欠点を有する。更に、広範囲にわたる光子の線量の数値化を可能にするため、カウンターは常に前述の変換回路と同じように深くなければならない。

本発明の目的は、とりわけ前述の欠点の全て又は一部を改善することである。本発明はとりわけ、単純な設計であり、そして反電荷の注入数のカウンターが適度なビット数を含み、一方で少ない電荷の量に対する高い精度と共に、可変量の電荷の数値化を可能にする、反電荷注入アナログ−デジタル変換回路の供給を目的とする。この目的をもって、本発明の主題は、入射光子放射に応じて電荷を生成する検出器を備える、撮像装置用のアナログ−デジタル変換回路であり、電荷は集積ノード上における積分電位の変動をもたらし、アナログ−デジタル変換回路は：
・積分電位と所定のしきい値電位との間の比較に応じて切り替わり得る比較器と、
・比較器の出力に接続され、比較器の各切り替わりと共に増加するカウンターと、
・比較器の各切り替わりと共に、集積ノードにおいて反電荷の量Ｑｃを注入する反電荷注入回路と、
・注入される反電荷の量Ｑｃを決定する、反電荷注入回路を制御する手段とを備え、
本アナログ−デジタル変換回路は、カウンターの値に応じて、注入される反電荷の量Ｑｃを制御手段が決定することを特徴とする。

特定の実施形態において、制御手段はカウンターの値が１つまたは複数の所定のしきい値に達する度に、量Ｑｃを変化させるように形成される。

カウンターは所定のビット数を備えることができ、その場合、各所定のしきい値は例えば、カウンターのビットの１つの最初の切り替わりに対応する。

注入される反電荷の量Ｑｃは、カウンターの値が所定のしきい値に達する度に、例えば２倍にされる。

反電荷注入回路は、その各々が反電荷の所定の量を注入できる、複数の反電荷注入器を含み得る。

第一の特定の実施形態において、反電荷注入器は各々同一の反電荷の量Ｑ０を注入可能であり、集積ノード上における反電荷の各注入量Ｑｃは、１つまたは複数の反電荷の注入器を選ぶことによって変化する。

第二の特定の実施形態において、反電荷注入器は各々異なる反電荷の量を注入可能であり、集積ノード上における反電荷の各注入量Ｑｃは、反電荷の注入器の中の１つを選ぶことによって変化する。

本発明の別の主題は、入射光子放射に応じて、集積ノード上の検出電位の変動をもたらす電荷を生成する検出器を備える撮像装置、及び前述のアナログ−デジタル変換回路である。

本発明はとりわけ、受ける光子の量にかかわらず、光子流が被るノイズの量と同じ桁内で精度を保ちながら、カウンターのサイズを低減可能にするという利点を有する。

本発明は添付図に関連して作成された以下の記述を読むことによって、より良く理解され、その他の利点が明らかになるであろう。

本発明による撮像装置の第一の例示的実施形態における、画素の回路図を表わす。 本発明による撮像装置の第二の例示的実施形態における、画素の回路図を表わす。

図１は本発明による撮像装置の第一の例示的実施形態における、画素１０の回路図を表わす。本撮像装置は、１つの行の中又は１つのマトリックスの中へ構築される複数の画素を含むことができる。各画素は撮像装置の受光点を形成する。画素１０は受光素子１１及びアナログ−デジタル変換回路１２を備える。受光素子１１は画素の検出器を形成する。それは例えば光ダイオード、光トランジスタ、又はより一般的に、それが受ける光子の量に応じ、例えば比例して電荷を生成する任意の装置により形成される。考慮されている光子は、例えば可視光線、赤外線、Ｘ線、又はガンマ線のスペクトルにおける波長を有する。アナログ−デジタル変換回路１２は、いわゆる「電荷注入」タイプである。それは積分コンデンサ１２１、比較器１２２、カウンター１２３、反電荷注入回路１２４、及び制御手段１２５を備える。積分コンデンサ１２１は、その電極の１つによって受光素子１１につながれ、その別の電極によって基準電位に、例えば撮像装置の電気アースにつながれる。受光素子１１と積分コンデンサ１２１との間の接続点は集積ノードＡと呼ばれ、この点における電位は積分電位Ｖａと呼ばれる。このノードはまた比較器１２２の第一の入力にも接続され、第二の入力は、しきい値電位Ｖｓｅｕｉｌと呼ばれる基準電位に接続されている。比較器１２２は、積分電位Ｖａとしきい値電位Ｖｓｅｕｉｌの間の比較結果に応じて、例えば第一の値又は第二の値をとる、Ｓｃｏｍｐと称される信号を出力において供給する。信号Ｓｃｏｍｐは例えば電圧である。比較器１２２の出力は、一方でカウンター１２３の入力に接続され、他方で注入回路１２４の入力に接続される。カウンター１２３は、例えばそれぞれがカウンター１２３の１ビットを表わす１２のスイッチを含む。それは符号化されるべき最大値に応じて、より多い数のスイッチを勿論含むことができる。更に、カウンターは正の整数を符号化できる他の任意の装置によって作られ得る。反電荷注入回路１２４は、６つの反電荷注入器１２４０〜１２４５、及び１つの切替えスイッチ１２６を備える。切替えスイッチ１２６は、例えば６つの制御断続器１２６０〜１２６５から形成される。より一般的には、注入回路１２４は１２４ｋと称されるＫ個の反電荷注入器を含むことができ、ここでＫは厳密に正の整数であり、切替えスイッチは反電荷注入器１２４ｋと同数の、１２６ｋと称される制御断続器を含み得る。各注入器１２４ｋは比較器１２２の出力に接続され、量２^ｋ．Ｑ０の反電荷を供給できる。従って、注入器１２４０は量Ｑ０の反電荷を注入でき、注入器１２４１は量２．Ｑ０を注入できる、等である。各々の制御断続器１２６ｋは注入器１２４ｋの内の１つの出力と、集積ノードＡとの間に接続されている。制御手段１２５は、カウンター１２３内に記憶された値に応じて、制御断続器１２６ｋの制御を可能にする。

図１に表わされている例示的実施形態において、アナログ−デジタル変換回路１２は１つの積分コンデンサ１２１を備える。しかしながら、受光素子１１は積分コンデンサ１２１の機能を満たすのに十分な寄生容量を、光学的に持つことができる。そのような場合、アナログ−デジタル変換回路１２は、積分コンデンサを含むことを省略できる。

図１に関連して記述されているアナログ−デジタル変換回路は、次のように動作する。光子を受けると、受光素子１１は、集積ノードＡに接続された積分コンデンサ１２１の電極上に結果的に蓄積する、例えば電子である電荷を生成する。これは積分電位Ｖａの低下をもたらす。電位Ｖａがしきい値電位Ｖｓｅｕｉｌ未満に低下するとき、出力信号Ｓｃｏｍｐは第一の値、例えば「０」から第二の値、例えば「１」に切り替わる。信号Ｓｃｏｍｐはカウンター１２３によって、及び注入回路１２４によって受信される。特に、信号Ｓｃｏｍｐは各々の反電荷注入器１２４ｋによって受信され得る。第一の値から第二の値への各切り替わりの際に、カウンター１２３の値は１ユニットずつ増加し、各々の反電荷注入器１２４ｋは較正された量の反電荷を供給する。切替えスイッチ１２６の状態に応じて、集積ノードＡは注入器１２４ｋの１つから或る量の反電荷を受ける。Ｑｃと称されるこの反電荷の量は、積分電位Ｖａをしきい値電位Ｖｓｅｕｉｌよりも高く増大させる。そのとき出力信号Ｓｃｏｍｐは第二の値から第一の値へと切り替わる。上述の数値化のプロセスは、受光素子１１により生成される電荷の全体量に応じて、一定の回数にわたり繰り返される。切替えスイッチ１２６の状態、それゆえ各注入の反電荷の量Ｑｃは、カウンター１２３の値に依存する。光子を受ける以前にはカウンター１２３の値はゼロに設定されている。切替えスイッチ１２６はそのとき制御断続器１２６０を閉じるように制御され、その他の制御断続器１２６１〜１２６５は開放されている。従って、出力信号Ｓｃｏｍｐの各切り替わりは、カウンター１２３の値の増加を１ユニットずつ引き起こし、反電荷の量Ｑｃの注入はＱ０に等しい。量Ｑｃは、カウンター１２３の値が第一の所定しきい値に達するまでＱ０に等しいままである。この第一のしきい値は、例えばカウンター１２３の６番目のビット（図１におけるＢｉｔ５）の第一の切り替わりに相当し、すなわち値３２に相当する。カウンターの値が第一のしきい値に達するとき、制御手段１２５は制御断続器１２６１を閉じるように切替えスイッチ１２６を制御し、その他の制御断続器１２６０及び１２６２〜１２６５は開放されている。

従って、出力信号Ｓｃｏｍｐの各切り替わりは、カウンター１２３の値の増加を依然として１ユニットずつ引き起こすが、しかし反電荷の量Ｑｃの注入は２．Ｑ０に等しい。量Ｑｃは、カウンター１２３の値が第二の所定しきい値に達するまで２．Ｑ０に等しいままである。この第二のしきい値は、例えばカウンター１２３の８番目のビット（図１におけるＢｉｔ７）の第一の切り替わりに相当し、すなわち１２８に相当する。

カウンターの値が第二のしきい値に達するとき、制御手段１２５は制御断続器１２６２を閉じるように切替えスイッチ１２６を制御し、その他の制御断続器１２６０、１２６１及び１２６３〜１２６５は開放されている。従って、出力信号Ｓｃｏｍｐの各切り替わりは、カウンター１２３の値の増加を１ユニットずつ引き起こし、そして反電荷の量Ｑｃの注入は４．Ｑ０に等しい。同様に、量Ｑｃは、カウンター１２３の値がしきい値２５６、５１２、及び１０２４に達するとき、すなわち９番目、１０番目、及び１１番目のビットがそれぞれ初めて切り替わるとき、次第に増大する。

量Ｑｃは、集積ノードＡにおいて注入された反電荷の全体量Ｑｔの数値化ステップ（又は数量化ステップ）に実際に対応し、この全体量Ｑｔは、例えば、受光素子１１が光子を受け始めたとき以来、受光素子１１によって受け取られた光子の線量に比例することに注意されたい。数値化の精度は、それゆえカウンター１２３の値と共に次第に進展する。

注入される反電荷の量Ｑｃにかかわらず、カウンター１２３の値が常に１ユニットずつ増大することを考慮すれば、カウンター１２３の値と全体量Ｑｔの間の関係は、線形ではない。

しかしながら、この関係はそれに対してＱｃが増大する、与えられたしきい値のグループに対しては固定される。これらのしきい値は、注入される反電荷の量Ｑｃの変更を引き起こす、カウンター１２３の値に相当する。

全体量Ｑｔは、それゆえカウンター１２３の値から直接決定され得る。特に、カウンター１２３の値から全体量Ｑｔを決定するために、対応表が用いられ得る。次の表は、Ｘ線に敏感な例示的撮像装置の画素に対する、そのような対応表からの抜粋を提示する。第一列はカウンター１２３の値を示す。第二列はこの値からの、各注入に関する対応量Ｑｃを示す。第三列は信号Ｓｃｏｍｐの最終の切り替わりまでの、集積ノードＡ上に注入された反電荷の全体量Ｑｔを示す。最後に、第四列は光子Ｘの流れがそれを被るノイズの量を示す。

この表は特に、ノイズの量が実際に、全体量Ｑｔの数値化ステップ（Ｑｃ）と同じ桁にあることを示す。更に、それは１２ビットでのカウンターを用いて、本発明によるアナログ−デジタル変換回路により決定され得る全体量Ｑｔが４３７４３に等しく、すなわち１２ビットにおけるカウンター、つまり２０４７の中に格納され得る値よりも遥かに大きな値に等しいことを示す。先行技術のアナログ−デジタル変換回路に関して、４３７４３に等しい全体量Ｑｔは１６ビットにおけるカウンターを必要とする。本発明は実際に、カウンターのサイズ低減を可能にし、従って伝送されるデジタルデータの数、並びにカウンター１２３と撮像装置の別の要素との間の接続数の低減を可能にする。接続数の低減は、撮像装置の画素サイズを低減するため、又は各受光素子の表面積を増すために用いられ得る。本発明による装置の使用は、回路の電気的作用とそれゆえ電力消費量を低減しつつ、高ダイナミックレンジの測定を保つことを可能にする。

図２は、本発明による撮像装置の第二の例示的実施形態における、画素２０の回路図を表わす。画素２０は、図１に表わされている画素１０とは、反電荷注入回路が異なる。画素２０の注入回路２２４において、全ての注入器２２４ｋは反電荷の同一量Ｑ０を供給できる。更に、切替えスイッチ１２６の各制御断続器１２６ｋは、比較器１２２の出力と注入器２２４ｋの１つとの間に接続される。制御断続器１２６ｋは、カウンター１２３の値に応じて、制御手段１２５により依然として制御される。この例示的実施形態において注入器２２４ｋは、それが接続されている、制御断続器１２６ｋがオンの状態で制御されている場合のみ反電荷を供給する。更に、集積ノードＡにおいて注入される反電荷の量Ｑｃを増加させるため、より多くの制御断続器１２６ｋを、オン状態で制御手段１２５が徐々に制御する。特定の実施形態において、オン状態で制御される制御断続器１２６ｋの数は２の累乗の進度で増加する。そのとき量Ｑｃはカウンターの値がしきい値の１つに達する度に２倍にされる。

図１及び２に関連して記述されている実施形態において、各注入の反電荷の量Ｑｃは、カウンター１２３の一定数のビットが初めて切り替わるときに増加する。しかしながら、カウンターはスイッチ以外の手段によって作られることができ、量Ｑｃは任意のしきい値へと増加し得る。同様に、量Ｑｃはカウンターの値がしきい値の１つに達する度に２倍にされると考えられる。しかしながら、Ｑｃは異なるやり方で進展し得る。それは特に、注入された反電荷の全体量Ｑｔに関連するノイズの量にほぼ従うように決定されることができる。

Claims (8)

1. 入射光子放射に応じて電荷を生成する検出器（１１）を備える、撮像装置用のアナログ−デジタル変換回路であって、前記電荷が集積ノード（Ａ）上における積分電位（Ｖａ）の変動をもたらし、前記アナログ−デジタル変換回路（１２、２２）が：
   ・前記積分電位（Ｖａ）と所定のしきい値電位（Ｖｓｅｕｉｌ）との間の比較に応じて切り替わり得る比較器（１２２）と、
   ・前記比較器（１２２）の出力に接続され、前記比較器の各切り替わりと共に増加するカウンター（１２３）と、
   ・前記比較器の各切り替わりと共に、前記集積ノード（Ａ）において反電荷の量Ｑｃを注入する反電荷注入回路（１２４、２２４）と、
   ・注入される前記反電荷の量Ｑｃを決定する、前記反電荷注入回路（１２４、２２４）を制御する手段（１２５）とを備え、
   前記アナログ−デジタル変換回路（１２、２２）が、前記カウンター（１２３）の値に応じて、注入される前記反電荷の量Ｑｃを前記制御手段（１２５）が決定することを特徴とする回路。
2. 前記カウンター（１２３）の値が１つ又は複数の所定のしきい値に達する度に、前記制御手段（１２５）が前記量Ｑｃを変化させるように形成される、請求項１に記載の回路。
3. 前記カウンター（１２３）が所定のビット数を備え、各所定のしきい値が前記カウンター（１２３）のビットの１つの最初の切り替わりに対応する、請求項２に記載の回路。
4. 前記カウンター（１２３）の値が所定のしきい値に達する度に、注入される前記反電荷の量Ｑｃが２倍にされる、請求項２又は３に記載の回路。
5. 各々が反電荷の所定の量を注入できる複数の反電荷注入器（１２４０〜１２４５）を、前記反電荷注入回路（１２４、２２４）が含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回路。
6. 反電荷注入器（２２４０〜２２４５）が各々同一の反電荷の量Ｑ０を注入可能であり、前記集積ノード（Ａ）上における反電荷の各注入量Ｑｃが、１つ又は複数の反電荷の注入器（２２４０〜２２４５）を選ぶことによって変化する、請求項５に記載の回路。
7. 前記反電荷注入器（１２４０〜１２４５）が各々異なる反電荷の量を注入可能であり、前記集積ノード（Ａ）上における反電荷の各注入量Ｑｃが、前記反電荷の注入器（１２４０〜１２４５）の中の１つを選ぶことによって変化する、請求項５に記載の回路。
8. 入射光子放射に応じて、集積ノード（Ａ）上の検出電位（Ｖａ）の変動をもたらす電荷を生成する検出器（１１）を備える撮像装置と、請求項１〜７のいずれか一項に記載のアナログ−デジタル変換回路（１２、２２）。

Images