JP2018078394A - 放射線撮像装置、放射線撮像システム、放射線撮像装置の駆動方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】放射線撮像装置においてダイナミックレンジを拡大するのに有利な技術を提供する。
【解決手段】第１の感度および第１の感度よりも低い第２の感度で放射線を検出する複数の画素を含む放射線撮像装置であって、複数の画素のそれぞれは、放射線撮像装置への放射線の照射の開始に応じて、第１の感度で、照射された放射線に応じた信号を蓄積するための動作を開始し、信号を蓄積するための動作の開始から、放射線が照射される期間よりも短い第１の時間の経過後、蓄積された信号を第１の信号としてサンプリングし、次いで、第２の感度に切り替え、照射された放射線に応じた信号を蓄積し、放射線撮像装置への放射線の照射の終了に応じて、蓄積された信号を第２の信号としてサンプリングし、第１の信号および第２の信号に基づいた放射線画像を生成するために、第１の信号および第２の信号を出力する。
【選択図】図３

Description

本発明は、放射線撮像装置、放射線撮像システム、放射線撮像装置の駆動方法およびプログラムに関する。

光電変換素子と薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などのスイッチ素子とを組み合わせた画素がアレイ状に配された平面型の画素パネルを含む放射線撮像装置が広く利用されている。特許文献１には、ダイナミックレンジを確保するために、光電変換素子として用いるフォトダイオード（ＰＤ）のピクセル静電容量と、ＰＤにスイッチ素子を介して接続された低感度用コンデンサと、を用いたＸ線検出器が示されている。Ｘ線の照射後に、まず、ピクセル静電容量に集められた電荷がサンプリングされる。次いで、ＰＤと低感度用コンデンサとの間のスイッチ素子をオン動作させ、ピクセル静電容量と低感度用コンデンサとの間で電荷を再分配した後、再度サンプリングを行う。１回のＸ線の照射に対して感度の範囲の異なる２つの信号を読み出すことによって、ダイナミックレンジを拡大することができる。

特開２０１４−６０７２５号公報

特許文献１に示されるＸ線検出器では、Ｘ線の照射後に信号電荷をサンプリングするため、入射する線量が多い場合や蓄積時間が長い場合、蓄積される電荷量が多くなり、Ｘ線の照射中にピクセル静電容量が飽和してしまう可能性がある。より高感度に撮像するためには、少ない電荷の変化に対して感度を有するようにピクセル静電容量を小さくする必要があるため、ピクセル静電容量がより飽和しやすくなる。ピクセル静電容量が飽和した場合、得られる放射線画像のリニアリティが悪化しうる。

本発明は、放射線撮像装置においてダイナミックレンジを拡大するのに有利な技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る放射線撮像装置は、第１の感度および第１の感度よりも低い第２の感度で放射線を検出する複数の画素を含む放射線撮像装置であって、複数の画素のそれぞれは、放射線撮像装置への放射線の照射の開始に応じて、第１の感度で、照射された放射線に応じた信号を蓄積するための動作を開始し、信号を蓄積するための動作の開始から、放射線が照射される期間よりも短い第１の時間の経過後、蓄積された信号を第１の信号としてサンプリングし、次いで、第２の感度に切り替え、照射された放射線に応じた信号を蓄積し、放射線撮像装置への放射線の照射の終了に応じて、蓄積された信号を第２の信号としてサンプリングし、第１の信号および第２の信号に基づいた放射線画像を生成するために、第１の信号および第２の信号を出力することを特徴とする。

上記手段によって、放射線撮像装置においてダイナミックレンジを拡大するのに有利な技術を提供する。

本発明の実施形態に係る撮像装置のシステム構成例を示す図。 図１の撮像装置の画素の構成例を示す図。 図１の撮像装置の駆動の制御例を示すタイミングチャート。 図１の撮像装置のセンサユニットの構成例を示す図。 図１の撮像装置の読出部の構成例を示す図。 図１の撮像装置の画像処理方法を示すフローチャート。 図１の撮像装置の画素の構成例を示す図。 図１の撮像装置の駆動の制御例を示すタイミングチャート。 図１の撮像装置の駆動の制御例を示すタイミングチャート。

以下、本発明に係る放射線撮像装置の具体的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。以下の説明及び図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。なお、本発明における放射線には、放射線崩壊によって放出される粒子（光子を含む）の作るビームであるα線、β線、γ線などの他に、同程度以上のエネルギを有するビーム、例えばＸ線や粒子線、宇宙線なども含みうる。

第１の実施形態
図１〜６を参照して、本発明の実施形態による放射線撮像装置の構成、及び、駆動方法について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における放射線撮像装置１００を備える放射線撮像システムＳＹＳの全体構成例を示すシステムブロック図である。放射線撮像システムＳＹＳは、放射線撮像装置１００、システム制御部１０１、表示部１０２、照射制御部１０３および放射線源１０４を含む。

放射線撮像装置１００は、放射線撮像によって被検体の内部情報を示す画像データを取得し、画像データをシステム制御部１０１に出力する。システム制御部１０１は、放射線撮像装置１００から出力された画像データに対して画像処理やデータ処理を行う処理部として機能する。また、システム制御部１０１は、それぞれのユニット間で制御信号の授受を行い、放射線撮像装置１００や照射制御部１０３を含む放射線撮像システムＳＹＳ全体のシステム制御や同期制御を行う制御部としても機能する。表示部１０２は、例えばディスプレイを含み、放射線撮像装置１００からシステム制御部１０１を介して出力される画像データに基づいて、放射線画像を表示する。例えば、放射線照射に対応したフレーム画像データが、放射線撮像装置１００からシステム制御部１０１に転送され、システム制御部１０１で画像処理が行われた後、表示部１０２に放射線画像がリアルタイムに表示される。

照射制御部１０３は、放射線撮像の際に、放射線撮像装置１００と同期するようにシステム制御部１０１から制御される。照射制御部１０３は、システム制御部１０１から出力される制御信号に応じて、放射線の照射を行うための信号を放射線発生装置である放射線源１０４に出力する。放射線源１０４は、照射制御部１０３から出力される信号に応じて、放射線撮像を行うための放射線を発生する。換言すると、システム制御部１０１は、放射線撮像装置の放射線撮像装置１００へ放射線を照射するための放射線源１０４に、照射制御部１０３を介して放射線の照射を制御するための信号を出力する。

放射線撮像装置１００は、センサパネル１０５と読出部ＲＯと制御部１０９とを含む。読出部ＲＯは、センサパネル１０５から出力される画像用信号を読み出す。制御部１０９は、システム制御部１０１との間で制御信号などの信号の授受を行いながら放射線撮像装置１００内の各ユニットを制御する。

センサパネル１０５には、複数のセンサユニット１０６が配列される。それぞれのセンサユニット１０６は、例えば、シリコンウェーハなどの半導体の基板を用いて公知の半導体製造プロセスによって作製され、ＣＭＯＳ型の撮像素子である画素が２次元アレイ状に配されたセンサチップである。それぞれのセンサユニット１０６は、被検体の内部情報を示す画像用信号を取得するための撮像領域を有する。また、それぞれのセンサユニット１０６は、撮像領域の他に、遮光されたオプティカルブラック領域を有していてもよい。それぞれのセンサユニット１０６は、ダイシングなどによって物理的に分離されたものでありうる。換言すると、センサパネル１０５に配される複数のセンサユニット１０６は、それぞれのセンサユニット１０６ごとに分離可能な構成を有しうる。複数のセンサユニット１０６を不図示の板状の基台の上にタイリングすることによって、センサパネル１０５を大型化することが可能となる。センサユニット１０６に形成される画素の変換素子は、互いに隣接するセンサユニット１０６の境界を挟んで、センサユニット１０６内部と同等のピッチで配されるように、それぞれのセンサユニット１０６がタイリングされる。図１に示す構成では、説明を容易にするため、センサユニット１０６が２行×７列タイリングされた構成を示すが、センサパネル１０５の構成は、この構成に限られるものではない。

センサパネル１０５の放射線を照射するための入射面の側には、例えば、放射線を光に変換するシンチレータ（不図示）が配され、センサパネル１０５のそれぞれのセンサユニットに配された画素によって、放射線から変換された光に応じた電気信号が得られる。本実施形態では、放射線をシンチレータによって光に変換し、変換された光を光電変換する間接型の変換素子を備える画素を用いた撮像装置の構成例を示すが、放射線を直接、電気信号に変換する直接型の変換素子を用いた撮像装置であってもよい。

読出部ＲＯは、例えば、差動アンプ１０７とアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換を行うＡ／Ｄ変換器１０８と、を含む。差動アンプ１０７およびＡ／Ｄ変換器１０８の構成および動作については後述する。

センサパネル１０５の上辺部、及び、下辺部には、信号の授受、または、電源の供給を行うための電極が配される。電極は、フライングリード式プリント配線板（不図示）などによって外部回路に接続される。例えば、センサパネル１０５からの画像用信号は、電極を介して読出部ＲＯによって読み出され、また、制御部１０９からの制御信号は、電極を介してセンサパネル１０５に供給される。

制御部１０９は、センサパネル１０５、差動アンプ１０７、Ａ／Ｄ変換器１０８の動作を制御し、例えば、それぞれのセンサユニット１０６に供給する基準電圧の設定やそれぞれの画素の駆動制御、動作モード制御を行う。また、制御部１０９は、読出部のＡ／Ｄ変換器１０８によってＡ／Ｄ変換されたセンサパネル１０５の各センサから出力された画像用信号（デジタルデータ）を用いて単位期間ごとに１つのフレームデータを生成する。生成されたフレームデータは、画像データとしてシステム制御部１０１に出力される。

制御部１０９とシステム制御部１０１との間では、各種インタフェースを介して、制御コマンドなどの制御信号や画像データなどの授受が行われる。制御用インタフェース１１０は、駆動モードや各種パラメータなどの撮像情報や設定情報の授受を行うためのインタフェースである。また、制御用インタフェース１１０は、放射線撮像装置１００の動作状態などの装置情報の授受を行ってもよい。画像データインタフェース１１１は、放射線撮像装置１００から出力される画像用信号に基づく画像データをシステム制御部１０１に出力するためのインタフェースである。また、制御部１０９は、放射線撮像装置１００が撮像可能な状態になったことをＲＥＡＤＹ信号１１２によってシステム制御部１０１に通知する。システム制御部１０１は、制御部１０９から出力されるＲＥＡＤＹ信号１１２に応じて、放射線の照射開始（曝射）のタイミングを、同期信号１１３によって制御部１０９に通知する。システム制御部１０１は、制御部１０９から出力される曝射許可信号１１４がイネーブル状態の間に、照射制御部１０３に制御信号を出力し、放射線の照射を開始させる。

以上のような構成によって、放射線撮像システムＳＹＳにおける各ユニットの制御、例えば駆動制御、同期制御、駆動モード制御などがなされる。例えば、システム制御部１０１に、ユーザが動作モードや各種パラメータなどの撮像情報などを入力するための情報入力部や情報入力端末などの入力部（不図示）が接続されていてもよく、各ユニットの制御は、ユーザによって入力された撮像情報に基づいてなされる。例えば、システム制御部１０１は、駆動モード設定部として機能し、ユーザの入力した撮像情報に基づいて駆動モードを選択し、放射線撮像システムＳＹＳが動作するように放射線撮像システムＳＹＳ全体を制御する。そして、放射線撮像装置１００は、センサパネル１０５から読み出された画素からの画像用信号を、１つ１つの単位期間ごとにフレームデータを生成し、画像用信号に基づいた画像データとしてシステム制御部１０１に出力する。システム制御部１０１は、画像データに対して所定の画像処理やデータ処理を行い、画像データに基づく放射線画像を表示部１０２に表示させる。

放射線撮像システムＳＹＳにおける各ユニットは、上記構成に限られるものではなく、各ユニットの構成は、目的などに応じて、適宜変更されてもよい。例えば、システム制御部１０１と照射制御部１０３などの２つ以上のユニットの各機能が、１つのユニットによって達成されてもよい。また例えば、本実施形態において、放射線撮像装置１００とシステム制御部１０１とは、別々のユニットとして示されているが、これに限られることはない。放射線撮像装置１００は、放射線撮像装置１００の備える各機能に加え、システム制御部１０１や表示部１０２、照射制御部１０３の一部またはすべての機能を含んでいてもよい。例えば、システム制御部１０１の画像処理を行う処理部としての機能が放射線撮像装置１００に含まれるなど、あるユニットの一部の機能が、他のユニットによって達成されてもよい。また例えば、システム制御部１０１の画像処理を行う処理部として機能と、システム制御を行う制御部としての機能とが、それぞれ別のユニットによって達成されるなど、それぞれのユニットが、機能によって別のユニットに分かれていてもよい。

図２は、センサパネル１０５のそれぞれのセンサユニット１０６に配される１つの画素ＰＩＸの回路構成例を示している。図２において、フォトダイオードＰＤは光電変換素子であり、入射する放射線に応じて前述のシンチレータで生じた光を電気信号に変換する。具体的には、シンチレータで生じた光の光量に応じた量の電荷がフォトダイオードＰＤで発生する。本実施形態において、上述のように間接型の変換素子を用いたセンサパネル１０５を考えており、放射線を検出するための検出素子としてフォトダイオードＰＤを用いる構成を示したが、これに限られることはない。放射線を検出するための検出素子として、例えば、放射線を直接電気信号に変換する直接型の変換素子を用いてもよい。

容量Ｃｆｄは、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を蓄積するための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。また、容量Ｃｆｄには、フォトダイオードＰＤに寄生する寄生容量も含まれうる。トランジスタＭ１は、画素ＰＩＸの放射線に対する感度を切り替えるためのスイッチ素子である。容量Ｃｆｄ１は、画素ＰＩＸの感度切り替え用の追加容量であり、トランジスタＭ１を介してフォトダイオードＰＤに接続される。この構成によって、それぞれの画素ＰＩＸにおいて、フォトダイオードＰＤで生成された電荷を蓄積するための容量の容量値が変更可能となり、画素ＰＩＸの放射線に対する感度が切り替えられる。

トランジスタＭ２は、フォトダイオードＰＤ、容量Ｃｆｄ、容量Ｃｆｄ１に蓄積された電荷を放電させるためのリセットスイッチである。トランジスタＭ４は、ソースフォロアとして動作するための増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ）である。トランジスタＭ３はトランジスタＭ４を動作状態とさせるための選択スイッチである。

トランジスタＭ４の後段には、フォトダイオードＰＤを含む光電変換部で発生するｋＴＣノイズを除去するためのクランプ回路が設けられる。容量Ｃｃｌはクランプ容量であり、トランジスタＭ５は、クランプ用のクランプスイッチである。トランジスタＭ７は、ソースフォロアとして動作する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ）である。トランジスタＭ６はトランジスタＭ７を動作状態とするための選択スイッチである。

トランジスタＭ７の後段には、３つのサンプルホールド回路が設けられた保持部が配される。トランジスタＭ８、Ｍ１１は、それぞれ放射線から変換された光によって生成される画像用信号である光信号を蓄積するためのサンプルホールド回路を構成するサンプルホールドスイッチである。容量ＣＳ１および容量ＣＳ２は、光信号用ホールド容量である。トランジスタＭ１４は基準電圧の信号を蓄積するためのサンプルホールド回路を構成するサンプルホールドスイッチである。容量ＣＮは、基準信号用ホールド容量である。トランジスタＭ１０、Ｍ１３は、ソースフォロアとして動作する光信号の増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ）である。アナログスイッチＭ９、Ｍ１２は、トランジスタＭ１０およびトランジスタＭ１３で増幅された光信号を、それぞれ光信号出力部Ｓ１、Ｓ２へ出力するための転送スイッチである。トランジスタＭ１６は、ソースフォロアとしての動作する基準信号の増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ）である。アナログスイッチＭ１５は、トランジスタＭ１６で増幅された基準信号を基準信号出力部Ｎへ出力するための転送スイッチである。

信号ＥＮは、トランジスタＭ３、Ｍ６のゲートに接続され、トランジスタＭ４、Ｍ７の動作状態を制御するための制御信号である。信号ＥＮがハイレベルのとき、トランジスタＭ４、Ｍ７は同時に動作状態となる。信号ＰＲＥＳは、トランジスタＭ２のゲートに接続され、トランジスタＭ２の動作状態を制御するための制御信号（リセット信号）である。信号ＰＲＥＳがハイレベルのとき、トランジスタＭ２はオン動作し、フォトダイオードＰＤ、容量Ｃｆｄ、Ｃｆｄ１に蓄積された電荷を放電させる。信号ＰＣＬは、トランジスタＭ５のゲートに接続され、トランジスタＭ５を制御するための制御信号である。信号ＰＣＬがハイレベルのとき、トランジスタＭ５がオン動作し、容量Ｃｃｌを基準電圧ＶＣＬにセットする。信号ＴＳ１は、トランジスタＭ８のゲートに接続され、光信号のサンプルホールドを制御する制御信号である。信号ＴＳ１をハイレベルとし、トランジスタＭ８をオン動作させることで、光信号がトランジスタＭ７を介して容量ＣＳ１に一括転送される。次いで、すべての画素ＰＩＸ一括で信号ＴＳ１をローレベルとし、トランジスタＭ８をオフ動作させることで、サンプルホールド回路の容量ＣＳ１への光信号のサンプリングが完了する。信号ＴＳ２信号は、トランジスタＭ１１のゲートに接続され、信号ＴＳ１と同様に動作し、サンプルホールド回路の容量ＣＳ２への光信号のサンプリングを行う。信号ＴＮは、トランジスタＭ１４のゲートに接続され、基準信号のサンプルホールドを制御する制御信号である。信号ＴＮをハイレベルとし、トランジスタＭ１４をオン動作させることで、基準信号がトランジスタＭ７を介して容量ＣＮに一括転送される。次いで、すべての画素一括で信号ＴＮをローレベルとし、トランジスタＭ１４をオフ動作させることで、サンプルホールド回路の容量ＣＮへの基準信号のサンプリングが完了する。容量ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＮへのサンプルホールド後は、トランジスタＭ８、Ｍ１１、Ｍ１４がオフとなり、容量ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＮは、前段の蓄積回路と切り離される。このため、再度サンプリングを行うまで蓄積された光信号、基準信号は、それぞれアナログスイッチＭ９、１２、１５を導通状態にすることによって、非破壊で読み出すことができる。つまり、トランジスタＭ８、Ｍ１１、Ｍ１４を非導通状態にしている間、保持している光信号および基準信号を、任意のタイミングで読み出すことができる。

図３は、図２に示す画素ＰＩＸが配された放射線撮像装置において、ダイナミックレンジを拡大し、固定フレームレートで１つのフレームあたりの放射線の照射時間に制限がある場合の、動画を撮像する駆動例を示すタイミングチャートである。以下、動画撮像において、画素ＰＩＸの動作開始から光信号用ホールド容量である容量ＣＳ１、ＣＳ２および基準信号用ホールド容量である容量ＣＮに電荷がサンプリングされるまでの制御信号のタイミングについて、図３を用いて説明する。

まず、時刻ｔ１において動画撮像、静止画撮像などの駆動モードや、感度、蓄積時間、放射線の照射時間などの各種パラメータなど撮像情報の設定および撮像開始の設定がなされる。撮像情報の設定は、ユーザが駆動モードや各種パラメータを１つ１つ入力してもよい。また例えば、撮像情報の設定は、システム制御部１０１が複数の撮像条件が保存されたメモリを有し、ユーザが複数の撮像条件の中から適宜、選択することによって撮像情報として設定してもよい。

次いで、時刻ｔ２から撮像のための駆動が開始される。まず、時刻ｔ２で始まるリセット駆動Ｒについて説明する。リセット駆動Ｒは、それぞれの画素ＰＩＸのリセットとクランプとを行う駆動である。まず、時刻ｔ２で、システム制御部１０１からの同期信号１１３がハイレベルになったことを制御部１０９が検知すると、信号ＥＮをハイレベルにし、画素アンプであるトランジスタＭ４、画素アンプであるトランジスタＭ７をオン状態にする。次に、信号ＷＩＤＥと信号ＰＲＥＳをハイレベルにし、感度を切り替えるためのトランジスタＭ１をオン動作させた状態で、フォトダイオードＰＤを基準電圧ＶＲＥＳに接続する。次いで、信号ＰＣＬをハイレベルにすることによってクランプスイッチであるトランジスタＭ５をオン動作させ、クランプ容量である容量ＣｃｌのトランジスタＭ７側を基準電圧ＶＣＬに接続する。同時に、信号ＴＳ１、ＴＳ２、ＴＮをハイレベルにし、トランジスタＭ８、Ｍ１１、Ｍ１４をオン動作させる。

次いで、時刻ｔ３で、信号ＷＩＤＥをローレベルにしてトランジスタＭ１をオフ動作とし、画素ＰＩＸの感度を高感度で放射線を検出するモードに切り替える。さらに、信号ＰＲＥＳをローレベルにしてリセットを終了し、容量ＣｃｌのトランジスタＭ４側にリセット電圧がセットされる。また、容量Ｃｆｄ１もトランジスタＭ１側がリセット電圧で保持され、不定電圧が生じることを防ぐ。そして、トランジスタＭ５をオフ動作とし、基準電圧ＶＣＬと基準電圧ＶＲＥＳの差分の電圧に応じた電荷が容量Ｃｃｌに蓄積されクランプが終了する。また同時に、トランジスタＭ８、Ｍ１１、Ｍ１４もオフ動作とされ、容量ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＮに、基準電圧ＶＣＬがセットされたときの基準信号がサンプルホールドされる。光信号をサンプリングするための容量ＣＳ１、ＣＳ２および基準信号をサンプリングするための容量ＣＮの電荷を、サンプリングが行われる前に一定にすることによって、残像の影響が低減される。

時刻ｔ３において、リセット駆動Ｒを終了し、画素ＰＩＸが蓄積状態となったため、制御部１０９は、曝射許可信号１１４をイネーブルにし放射線の照射を要求する。時間ｔ３は、それぞれの画素において、照射された放射線に応じた信号（電荷）を蓄積するための動作を開始する時間といえる。曝射許可信号１１４をイネーブルにすることによる放射線の照射の開始に応じて、フォトダイオードＰＤ、フローティングディフュージョンの容量Ｃｆｄへの電荷の蓄積が始まる。つまり、時刻ｔ３から高感度で、照射された放射線に応じた信号の蓄積が開始される。また、信号ＥＮをローレベルとし、画素アンプを構成するトランジスタＭ４、Ｍ７が非動作状態となる。

リセット駆動Ｒは、放射線撮像装置１００に配された画素ＰＩＸに対して一括して行う。後に続くリセット駆動Ｒも、同様のタイミングで制御される。動画や静止画の撮像時、画素間や走査線間の時間的スイッチングのずれによって発生する画像ズレを防止するため、放射線撮像装置１００に配されるすべての画素ＰＩＸにおいて同一のタイミング、同一の期間でリセット駆動Ｒが行われうる。その後、放射線の照射によって電荷の蓄積が行われ、それぞれの画素ＰＩＸのフォトダイオードＰＤで発生した信号電荷が容量ＣｆｄおよびフォトダイオードＰＤの寄生容量に蓄積される。

次に時刻ｔ４から始まる高感度のサンプリング駆動ＳＨについて説明する。時刻ｔ４で、信号ＥＮをハイレベルにしトランジスタＭ３、Ｍ６をオン動作させる。これによって、容量Ｃｆｄに蓄積された電荷は、電荷／電圧変換されソースフォロアとして動作し画素アンプを構成するトランジスタＭ４によって電圧として容量Ｃｃｌに出力される。トランジスタＭ４の出力はリセットノイズを含むが、クランプ回路によってリセット駆動Ｒの際にトランジスタＭ７側を基準電圧ＶＣＬにセットしているため、リセットノイズが除去された光信号として画素アンプを構成するトランジスタＭ７に出力される。次に、放射線の照射によって生成された画像用信号である光信号のサンプリングを制御する信号ＴＳ１をハイレベルとし、トランジスタＭ８をオン動作させる。これによって、光信号は画素アンプを構成するトランジスタＭ７を介して、光信号用ホールド容量である容量ＣＳ１に一括転送される。このときの光信号は、信号ＷＩＤＥをローレベルとしているため、高感度で取得された信号である。時刻ｔ５で、信号ＴＳ１をローレベルとし、トランジスタＭ８をオフ動作させることによって、容量ＣＳ１に高感度で取得された光信号がサンプリングされる。サンプリング駆動ＳＨでは、放射線の検出の開始から放射線の照射される期間よりも短い時間で容量Ｃｆｄに蓄積された信号が、高感度のモードの光信号としてサンプリングされる。

次に信号ＷＩＤＥをハイレベルとし、感度を切り替えるためのスイッチ素子であるトランジスタＭ１をオン動作させる。トランジスタＭ１がオン動作することによって、フローティングディフュージョンの容量が増え、画素の感度が高感度から低感度へと変化するとともに、引き続き照射された放射線に応じた信号を蓄積する。

次いで、時刻ｔ６で、信号ＥＮをハイレベルにしトランジスタＭ３、Ｍ６をオン動作させる。次に、信号ＴＳ２をハイレベルとし、トランジスタＭ１１をオン動作させることによって、低感度で取得された光信号が、画素アンプを構成するトランジスタＭ７を介してもう一つの光信号用ホールド容量である容量ＣＳ２に一括転送される。時刻ｔ７で、信号ＴＳ２をローレベルとし、トランジスタＭ１１をオフ動作させることによって、容量ＣＳ２に低感度で取得された光信号がサンプリングされる。サンプリング駆動ＳＬでは、放射線の検出の開始から放射線の照射が終了するまでに容量Ｃｆｄおよび容量Ｃｆｄ１に蓄積された信号が、低感度のモードの光信号としてサンプリングされる。

次に、信号ＰＲＥＳをハイレベルとし、トランジスタＭ２をオン動作させ、容量Ｃｆｄ、Ｃｆｄ１を基準電圧ＶＲＥＳにリセットする。次いで、信号ＰＣＬをハイレベルとする。容量Ｃｃｌには、電圧ＶＣＬと電圧ＶＲＥＳとの差分の電圧にリセットノイズが重畳した電荷が蓄積される。更に信号ＴＮをハイレベルとし、トランジスタＭ１４をオン動作させることによって、基準電圧ＶＣＬにセットされた際の基準信号を基準信号用ホールド容量である容量ＣＮに転送する。続いて時刻ｔ８で、信号ＴＮをローレベルとし、トランジスタＭ１４をオフ動作させることによって、容量ＣＮに基準信号がサンプリングされる。さらに、信号ＰＲＥＳ、ＰＣＬ、ＥＮをローレベルとし、サンプリング駆動ＳＬを終了する。

高感度に放射線を検出するためには、容量Ｃｆｄを小さくし、蓄積される電荷に対する感度を高くする必要がある。このため、入射する線量が多い条件や蓄積時間が長い条件で撮像を行った場合、蓄積される電荷量が多くなり、容量Ｃｆｄが飽和してしまう可能性がある。容量Ｃｆｄが飽和すると、容量Ｃｆｄに蓄積された電荷に基づく光信号のリニアリティが悪化し、生成される放射線画像が劣化してしまう。また、容量Ｃｆｄが飽和に近づいた場合であっても、フォトダイオードＰＤやフローティングディフュージョンを構成するＳｉ基板に例えばＳｉ基板表面のダングリングボンドなどの結晶欠陥があると、蓄積された電荷が欠陥からリークする可能性がある。電荷のリークが発生した場合、光信号のリニアリティが悪化し、放射線画像が劣化してしまう。

そこで、本実施形態において、高感度で放射線を検出するための蓄積時間を低感度で放射線を検出するための蓄積時間よりも短くする。具体的には、低感度で放射線を検出するための蓄積時間である時刻ｔ３から時刻ｔ７までの時間ＴＬよりも、高感度で放射線を検出するための蓄積時間である時刻ｔ３から時刻ｔ５までの時間ＴＨを短くする。例えば、時間ＴＨを時間ＴＬの半分に設定してもよい。照射される放射線に応じた信号の蓄積を開始し、放射線の検出を開始してから、放射線が照射される期間である時刻ｔ３から時刻ｔ６までよりも短い時間ＴＨの経過後、蓄積された電荷を高感度でサンプリングする。その後、感度を低感度に切り替えることによって、容量Ｃｆｄが飽和しにくくなる。これによって、容量Ｃｆｄの飽和による光信号のリニアリティの悪化を抑制できる。また、容量Ｃｆｄが飽和に近づきにくくなり、フォトダイオードＰＤや容量Ｃｆｄを構成するＳｉ基板に結晶欠陥があっても、電荷のリークが抑制され、リニアリティの悪化が抑制される。本発明者が実験を行ったところ、時間ＴＬを２６６ミリ秒（ｍｓ）、時間ＴＨを１３３ｍｓと設定し、高感度および低感度で光信号を取得した結果、リニアリティが悪化する画素は発生しなかった。

ここで、時間ＴＨと時間ＴＬとの比は、高感度と低感度との感度の比に基づいて、適宜決定すればよい。例えば、高感度が低感度と比較して感度が５倍であった場合、時間ＴＨは時間ＴＬの１／５としてもよい。時間ＴＨは、ユーザによって設定される放射線の強度や時間ＴＬなどの撮像条件や、放射線撮像装置の有する高感度と低感度との感度の比などに応じて、適宜決定すればよい。例えば、撮像情報の設定は、システム制御部１０１が複数の時間ＴＨ、時間ＴＬなどを含む撮像条件が保存されたメモリを有し、ユーザが選択した条件に合わせて時間ＴＨを決定してもよい。

サンプリング駆動ＳＨおよびサンプリング駆動ＳＬは、放射線撮像装置１００に配されたすべての画素ＰＩＸにおいて一括して行う。後に続くサンプリング駆動ＳＨ、ＳＬも、同様のタイミングで制御される。サンプリング駆動ＳＬの後、時刻ｔ９にて再びリセット駆動Ｒが行われ、次のフレームのフォトダイオードＰＤでの放射線の検出（照射される放射線に応じた信号の蓄積）が開始される。

高感度と低感度との光信号および基準信号の画素ＰＩＸからの出力は、時刻ｔ６の曝射許可信号１１４の停止による放射線の照射の終了に応じたサンプリング駆動ＳＬの終了後、画素ＰＩＸごとに行われる。基準信号の出力は、高感度の光信号の出力（ＲＯＨ）と低感度の光信号の出力（ＲＯＬ）との何れの期間に行われてもよい。アナログスイッチＭ９、Ｍ１２、Ｍ１５をオン動作させることによって、容量ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＮの電圧が、それぞれ画素アンプを構成するトランジスタＭ１０、Ｍ１３、Ｍ１６を通して、それぞれ光信号出力部Ｓ１、Ｓ２と基準信号出力部Ｎとに転送される。

図２の画素回路において、フォトダイオードＰＤでの放射線に応じた信号の蓄積の開始のタイミングは、図３に示すリセット完了後に信号ＰＣＬをローレベルにしてクランプが完了した時刻ｔ３や時刻ｔ１０である。また、信号の蓄積を終了し、放射線の検出を終了するタイミングは、信号ＴＳ２がローレベルになり低感度で取得した光信号をサンプリングした時刻ｔ７である。そこで、光信号および基準信号をサンプルリングするサンプリング駆動ＳＬとサンプリング駆動ＳＨの間に、リセット駆動Ｒを挿入することによって、１フレームあたりの電荷を蓄積する時間を制限している。図３において、時刻ｔ６で始まるサンプリング駆動ＳＬと時刻ｔ１１で始まるサンプリング駆動ＳＨとの間に、時刻ｔ９で始まるリセット駆動Ｒを挿入する。これによって、実質的な蓄積時間である高感度の放射線の照射時間を時刻ｔ１０から時刻ｔ１２の時間ＴＨ、および、低感度の放射線の照射時間を時刻ｔ１０から時刻ｔ１４の時間ＴＬに制限している。

また、画素ＰＩＸから光信号および基準信号の読み出しが可能な期間は、時刻ｔ７のサンプルリングの終了時から、容量ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＮに、次のフレームのリセット駆動Ｒが再び開始される時刻ｔ９までの間である。低感度サンプリング駆動ＳＬ終了後に、それぞれの画素ＰＩＸから高感度および低感度で取得された各光信号の出力が行われる。

本実施形態では、時刻ｔ１で撮像情報の設定および撮像開始の設定がされた後、時刻ｔ２から時刻ｔ９までの各工程の動作を繰り返すことによって動画を撮像する例を示すが、これに限られるものではない。例えば、時刻ｔ１から時刻ｔ９までの各工程の動作を１回、行うことによって静止画を撮像してもよい。

また、本実施形態では、制御部１０９から曝射許可信号１１４がイネーブルになることによって放射線の照射が開始されるが、放射線の照射の開始のタイミングは、これに限られることはない。例えば、放射線撮像装置１００のセンサパネル１０５などに、放射線の照射開始を検出するための開始検出画素を設けてもよい。この場合、時刻ｔ１から、それぞれの画素ＰＩＸはリセット駆動Ｒを繰り返す。開始検出画素が放射線の照射の開始を検出したことに応じて、時間ｔ３からの放射線の入射によって生成される信号（電荷）を蓄積するための動作を開始してもよい。その後、電荷の蓄積の開始から、撮像情報などで得られる放射線が照射される期間よりも短い時間ＴＨの経過後、サンプリング駆動ＳＨを行い、次いで、それぞれの画素ＰＩＸを低感度のモードに切り替える。さらに、開始検出画素によって放射線の照射の終了を検出し、放射線の照射の終了に応じて、時刻ｔ６からのサンプリング駆動ＳＬを行ってもよい。

図４は、センサユニット１０６の内部構造の構成例を模式的に示す図である。それぞれのセンサユニット１０６は、チップセレクト端子ＣＳ、光信号出力端子ＴＳ１、光信号出力端子ＴＳ２、基準信号出力端子ＴＮ、垂直走査回路スタート信号端子ＶＳＴ、垂直走査回路クロック端子ＣＬＫＶ、水平走査回路スタート信号端子ＨＳＴ、水平走査回路クロック端子ＣＬＫＨの各端子を含む。また、センサユニット１０６には、列方向にｍ個×行方向にｎ個の画素ＰＩＸが２次元アレイ状に配列されている。垂直走査回路４０３は、行方向に並ぶ画素ＰＩＸを行ごとに選択し、垂直走査クロックＣＬＫＶに同期して画素群を順次、副走査方向である垂直方向に走査する。垂直走査回路４０３は、例えば、シフトレジスタで構成されうる。水平走査回路４０４は、垂直走査回路４０３によって選択された主査方向である列方向の画素ＰＩＸの列信号線を、水平走査クロックＣＬＫＨに同期して順次、１画素ずつ選択する。それぞれの画素ＰＩＸは、垂直走査回路４０３に接続された行信号線４０５がイネーブルになることによって、列信号線４０６、４０７、４０８に、それぞれサンプリングされた高感度と低感度との光信号および基準信号を出力する。列信号線４０６、４０７、４０８に出力された各信号を水平走査回路４０４が順次選択することによって、アナログ出力線４０９、４１０、４１１にそれぞれ画素ＰＩＸの各信号が順次出力される。以上のように、センサユニット１０６は、垂直走査回路４０３、水平走査回路４０４を使用したＸＹアドレス方式によるスイッチング動作によって画素ＰＩＸの選択が行われる。それぞれの画素ＰＩＸの光信号、基準信号は、列信号線４０６、４０７、４０８およびアナログ出力線４０９、４１０、４１１を通して光信号出力端子ＴＳ１、光信号出力端子ＴＳ２、基準信号出力端子ＴＮから出力される。

図５は、それぞれの画素ＰＩＸから出力される光信号および基準信号をＡ／Ｄ変換する差動アンプ１０７およびＡ／Ｄ変換器１０８を含む読出部ＲＯの構成例を示す図である。光信号出力端子ＴＳ１、ＴＳ２からの出力は、それぞれ入力スイッチＭ５０、入力スイッチＭ５１に接続される。入力スイッチＭ５０は信号ＳＷ１によって動作し、入力スイッチＭ５１は信号ＳＷ２によって動作する。信号ＳＷ１および信号ＳＷ２は、画素ＰＩＸから出力される各信号の破壊や、素子の破壊を防ぐため、同時にオン動作しないように制御される。

例えば、それぞれの画素ＰＩＸの高感度と低感度との光信号および基準信号が同時に出力される場合でも、まず、信号ＳＷ１をハイレベル、信号ＳＷ２をローレベルに制御する。そして、図４に示す画素ＰＩＸ（１、１）から順に画素ＰＩＸ（ｎ、ｍ）までの高感度で取得した光信号と基準信号とを読み出す。次いで、信号ＳＷ１をローレベル、信号ＳＷ２をハイレベルに制御して、画素ＰＩＸ（１、１）から順に画素ＰＩＸ（ｎ、ｍ）までの低感度で取得した光信号と基準信号とを読み出してもよい。

また例えば、まず、信号ＳＷ１をハイレベル、信号ＳＷ２をローレベルに制御して、画素ＰＩＸ（１、１）から順に画素ＰＩＸ（ｎ、１）までの高感度で取得した光信号と基準信号とを読み出す。次いで、信号ＳＷ１をローレベル、信号ＳＷ２をハイレベルに制御して、画素ＰＩＸ（１、１）から順に画素ＰＩＸ（ｎ、１）までの低感度で取得した光信号と基準信号とを読み出す。次に、垂直走査回路４０３に垂直走査クロックＣＬＫＶをあたえて、副走査方向に１つ走査することによって、画素ＰＩＸ（１、２）から順に（ｎ、２）を選択する。再度、信号ＳＷ１をハイレベル、信号ＳＷ２をローレベルに制御して、画素ＰＩＸ（１、２）から順に画素ＰＩＸ（ｎ、２）までの高感度で取得した光信号と基準信号とを読み出す。次いで、信号ＳＷ１をローレベル、信号ＳＷ２をハイレベルに制御して、画素ＰＩＸ（１、２）から順に画素ＰＩＸ（ｎ、２）までの低感度で取得した光信号と基準信号とを読み出す。このように、行単位で信号ＳＷ１と信号ＳＷ２とを制御して、画素ＰＩＸ（１、１）から順に画素ＰＩＸ（ｎ、ｍ）までの各信号を読み出してもよい。

差動アンプ１０７は、マイナス側入力に高感度または低感度で取得した光信号が入力され、プラス側入力に基準信号が入力される。差動アンプ１０７で基準信号から光信号を減算することによって、画素ＰＩＸ内のそれぞれの画素アンプでの熱ノイズ、１／ｆノイズ、温度差、プロセスばらつきによる固定パターンノイズ（ＦＰＮ）などが除去されうる。差動アンプ１０７の出力は、Ａ／Ｄ変換器１０８に入力される。Ａ／Ｄ変換器１０８は、信号ＡＤＣＬＫからクロック信号を受け取り、信号ＡＤＣＬＫがハイレベルに切り替わるタイミングでＡ／Ｄ変換されたデジタルの光信号ＡＤＯＵＴを、センサユニット１０６ごとに制御部１０９に出力する。

制御部１０９に送信された高感度および低感度の光信号ＡＤＯＵＴは、画像データインタフェース１１１によって、読出部で読み出された順に画像データとしてシステム制御部１０１に送信される。システム制御部１０１では、画像データインタフェース１１１を介して入力した高感度および低感度の光信号ＡＤＯＵＴを用いてダイナミックレンジ拡大のための画像処理が行われる。

次に、ダイナミックレンジを拡大するための画像処理の方法を、図６のフローチャートを用いて説明する。放射線撮像装置１００から高感度および低感度で取得した光信号ＡＤＯＵＴの画素データを受信すると、システム制御部１０１は、画像処理を開始する（ステップＳ１２０）。まず、センサパネル１０５の特性を補正するため、ステップＳ１２１でオフセット補正、ステップＳ１２２でゲイン補正、ステップＳ１２３で欠陥補正の各処理が実施される。ステップＳ１２１〜Ｓ１２３の各処理によって、それぞれの画素ＰＩＸの画素値と、当該画素ＰＩＸの周辺に配された画素ＰＩＸの画素値との相関関係が保たれた状態にする。また、本実施形態において、センサパネル１０５は、複数のセンサユニット１０６によって構成される。このため、ステップＳ１２１〜Ｓ１２３の各処理によって、センサユニット１０６間での特性の補正もなされうる。

次いで、ステップＳ１２４で画像中の画素の位置を表す変数であるａを０に初期化する。変数ａの最大値ｂは、図１に示す構成を有するセンサパネル１０５の場合、それぞれのセンサユニット１０６に画素ＰＩＸがｎ×ｍ個配されるため、ｂ＝ｎ×ｍ×７×２となる。

ここで、画素位置がａのときの低感度で取得した光信号ＡＤＯＵＴ（以下、低感度画像と呼ぶ。）の画素値をＰＬａ、高感度で取得した光信号ＡＤＯＵＴ（以下、高感度画像と呼ぶ。）の画素値をＰＨａとする。ステップＳ１２５では、低感度画像の画素値ＰＬａに対して、時間ＴＨと時間ＴＬとに応じた係数を適用する。具体的には、高感度と低感度とのゲイン比Ｇと高感度の蓄積時間ＴＨと低感度の蓄積時間ＴＬとの比ＴＨ／ＴＬとで示される係数（Ｇ・ＴＨ／ＴＬ）を、画素値ＰＬａに乗算する。

次いで、ステップＳ１２６で高感度画像の画素値ＰＨａの大きさによって、画素ＰＩＸの放射線画像を構成する画素値Ｐａの値の選択方法を振り分ける。本実施形態において、Ａ／Ｄ変換器１０８でＡ／Ｄ変換されたデジタルの光信号ＡＤＯＵＴが１６ビット（０〜６５５３５ＬＢＳ）の場合を示す。

高感度画像の画素値ＰＨａが３００００ＬＳＢよりも小さい場合、高感度画像の画素値ＰＨａを画素ＰＩＸの画素値Ｐａとする（ステップＳ１２７）。一方、高感度画像の画素値ＰＨａが４００００ＬＳＢよりも大きい場合、ステップＳ１２５で係数の適用された低感度画像の画素値ＰＬａを画素ＰＩＸの画素値Ｐａとする（ステップＳ１２９）。また、高感度画像の画素値ＰＨ０が３００００ＬＳＢ以上かつ４００００ＬＳＢ以下の場合は、画素値ＰＬａおよび画素値ＰＨａを合成することによって、画素ＰＩＸの画素値Ｐａを生成する。このとき、所定の重み付け係数ｋを用いて、（１−ｋ）・ＰＨａ＋ｋ・ＰＬａで求まる値を当該画素ＰＩＸの画素値Ｐａとしてもよい。係数ｋは、０よりも大きく、かつ１未満の値を有しうる。

次いで、ステップＳ１３０で、画素位置を表す変数ａに１を加算し、ステップＳ１３１で変数ａの値が最大値ｂより小さい場合は、ステップＳ１２５に戻り、次の画素位置の画素値Ｐａの生成を開始する。ステップＳ１３１で、変数ａの値が最大値ｂ以上場合は、ステップＳ１３２に進み、画像処理を終了する。

以上のように、放射線撮像装置１００のセンサパネル１０５のすべての画素ＰＩＸに対して、高感度画像と低感度画像とに基づいた画素値Ｐａの生成を行い、ダイナミックレンジを拡大した放射線画像を生成することができる。本実施形態では、画素値Ｐａの選択方法を振り分ける際、画素値ＰＨａに対するしきい値を固定としたが、蓄積時間ＴＨと蓄積時間ＴＬとの比ＴＨ／ＴＬに依存して、変更してもよい。また、本実施形態では、画素値ＰＨａによって画素値Ｐａの選択方法を振り分けたが、例えば、すべての画像ＰＩＸに対してステップＳ１２８の処理を行ってもよい。

第２の実施形態
図７、８を参照して、本発明の実施形態による放射線撮像装置の構成、及び、駆動方法について説明する。図７は、本発明の第２の実施形態におけるセンサパネル１０５のそれぞれのセンサユニット１０６に配された１つの画素ＰＩＸの回路構成例を示している。図２に示した画素ＰＩＸと比較して、保持部のサンプルホールド回路が２つとなり、光信号を蓄積するためのサンプルホールド回路が１つとなっている点で異なる。これ以外の構成は、上述の第１の実施形態で示したセンサユニット１０６などと同様であってよい。

図８は、図７示す画素ＰＩＸが配された撮像装置において、ダイナミックレンジを拡大し、固定フレームレートで１つのフレームあたりの放射線の照射時間に制限がある場合の動画を撮像する駆動例を示すタイミングチャートである。以下、動画撮像において、光信号用ホールド容量である容量ＣＳ１および基準信号用ホールド容量である容量ＣＮに電荷がサンプリングされるまでの制御信号のタイミングについて、図８を用いて説明する。時刻ｔ１から時刻ｔ４までの動作は、上述の第１の実施形態と同様のため、ここでは説明を省略し、時刻ｔ４からの動作について説明する。

時刻ｔ４から高感度のサンプリング駆動ＳＨが始まる。時刻ｔ４で、信号ＥＮをハイレベルにしトランジスタＭ３、Ｍ６をオン動作させる。これによって、容量Ｃｆｄに蓄積された電荷は、電荷／電圧変換されソースフォロアとして動作し画素アンプを構成するトランジスタＭ４によって電圧として容量Ｃｃｌに出力される。トランジスタＭ４の出力はリセットノイズを含むが、クランプ回路によってリセット駆動Ｒの際にトランジスタＭ７側を基準電圧ＶＣＬにセットしているため、リセットノイズが除去された光信号として画素アンプを構成するトランジスタＭ７に出力される。次に、放射線の照射によって生成された信号のサンプリングを制御する信号ＴＳ１をハイレベルとし、トランジスタＭ８をオン動作させる。これによって、光信号は画素アンプを構成するトランジスタＭ７を介して、光信号用ホールド容量である容量ＣＳ１に一括転送される。このときの光信号は、信号ＷＩＤＥをローレベルとしているため、高感度で取得された信号である。時刻ｔ５で、信号ＴＳ１をローレベルとし、トランジスタＭ８をオフ動作させることによって、容量ＣＳ１に高感度の光信号がサンプリングされる。

次に信号ＷＩＤＥをハイレベルとし、感度を切り替えるためのスイッチ素子であるトランジスタＭ１をオン動作させる。トランジスタＭ１がオン動作することによって、フローティングディフュージョンの容量が増え、画素の感度が高感度から低感度へと変化する。続いて、本実施形態では、図７に示すように、光信号用のサンプルホールド回路が１つしかないことから、高感度のサンプリング駆動ＳＨの後、低感度サンプリング駆動ＳＬを行うまでに取得した光信号を出力する読み出し処理が行われる（ＲＯＨ）。

次に高感度の光信号が、光信号用のサンプルホールド回路の容量ＣＳ１から出力された後、時刻ｔ６で信号ＥＮをハイレベルにし、トランジスタＭ４、Ｍ６をオン動作させる。次に、信号ＴＳ１をハイレベルとし、トランジスタＭ８をオンすることによって、低感度の光信号が、画素アンプを構成するトランジスタＭ７を通して容量ＣＳ１に一括転送される。時刻ｔ７で信号ＴＳ１をローレベルとし、トランジスタＭ８をオフ動作させることによって、容量ＣＳ１に低感度での光信号がサンプリングされる。

次に、信号ＰＲＥＳをハイレベルとし、トランジスタＭ２をオン動作させ、容量Ｃｆｄ、Ｃｆｄ１を基準電圧ＶＲＥＳにリセットする。次いで、信号ＰＣＬをハイレベルとする。容量Ｃｃｌには、電圧ＶＣＬと電圧ＶＲＥＳとの差分の電圧にリセットノイズが重畳した電荷が蓄積される。更に信号ＴＮをハイレベルとし、トランジスタＭ１４をオン動作させることによって、基準電圧ＶＣＬにセットされた際の基準信号を基準信号用ホールド容量である容量ＣＮに転送する。続いて時刻ｔ８で、信号ＴＮをローレベルとし、トランジスタＭ１４をオフ動作させることによって、容量ＣＮに基準信号がサンプリングされる。さらに、信号ＰＲＥＳ、ＰＣＬ、ＥＮをローレベルとし、低感度サンプリング駆動ＳＬを終了する。低感度サンプリング駆動ＳＬの後、サンプリングされた低感度の光信号を出力する読み出し処理が行われる（ＲＯＬ）。低感度の光信号を出力する期間（ＲＯＬ）において、基準信号の出力も行われる。

本実施形態においても、低感度で放射線を検出するための蓄積時間である時刻ｔ３から時刻ｔ７までの時間ＴＬに対して、高感度で放射線を検出するための蓄積時間である時刻ｔ３から時刻ｔ５まで時間ＴＨは短い。電荷の蓄積を開始してから、放射線が照射される期間である時刻ｔ３から時刻ｔ６までよりも短い時間ＴＨの経過後、蓄積された電荷を高感度でサンプリングし、感度を低感度に切り替えることによって、容量Ｃｆｄが飽和しにくくなる。これによって、上述の第１の実施形態と同様の効果が得られる。本発明者が実験を行ったところ、時間ＴＬを２６６ｍｓ、時間ＴＨを１３３ｍｓと設定し、高感度および低感度で光信号を取得した結果、リニアリティが悪化する画素は発生しなかった。

サンプリング駆動ＳＨおよびサンプリング駆動ＳＬは、放射線撮像装置１００に配されたすべての画素ＰＩＸにおいて一括して行う。後に続くサンプリング駆動ＳＨ、ＳＬも、同様のタイミングで制御される。サンプリング駆動ＳＬの後、時刻ｔ９にて再びリセット駆動Ｒが行われ、次のフレームのフォトダイオードＰＤでの蓄積が開始される。

それぞれの光信号および基準信号の走査は画素ＰＩＸごとに行われる。アナログスイッチＭ９、Ｍ１５をオン動作させることによって、容量ＣＳ１、ＣＮの電圧が、それぞれ画素アンプを構成するトランジスタＭ１０、Ｍ１６を通して、それぞれ光信号出力部Ｓ１と基準信号出力部Ｎとに転送される。

図７の画素回路において、フォトダイオードＰＤの蓄積開始のタイミングは、図８に示すリセット完了後に信号ＰＣＬをローレベルにしてクランプが完了した時刻ｔ３や時刻ｔ１０である。また蓄積終了のタイミングは信号ＴＳ１のうち、信号ＴＳ１がローレベルになり、低感度で取得した光信号をサンプリングした時刻ｔ７である。そこで、光信号および基準信号をサンプルリングするサンプリング駆動ＳＬとサンプリング駆動ＳＨの間に、リセット駆動Ｒを挿入することによって、１フレームあたりの蓄積時間を制限している。図８において、時刻ｔ６で始まるサンプリング駆動ＳＬと時刻ｔ１１で始まるサンプリング駆動ＳＨとの間に、時刻ｔ９で始まるリセット駆動Ｒを挿入する。これによって、実質的な蓄積時間である高感度の放射線の照射時間を時刻ｔ１０から時刻ｔ１２の時間ＴＨ、および、低感度の放射線の照射時間を時刻ｔ１０から時刻ｔ１４の時間ＴＬに制限している。

画素ＰＩＸから高感度の光信号および基準信号の読み出しが可能な期間は、時刻ｔ５のサンプルリングの終了時から、容量ＣＳ１にサンプリング駆動ＳＬによって低感度の光信号がサンプリングされる時刻ｔ６までの間である。また、低感度の光信号および基準信号の読み出しが可能な期間は、時刻ｔ７のサンプルリングの終了時から、容量ＣＳ１、ＣＮに、次のフレームのリセット駆動Ｒが再び開始される時刻ｔ９までの間である。

第３の実施形態
図９を参照して、本発明の実施形態による放射線撮像装置の駆動方法について説明する。図９は、本発明の第３の実施形態におけるダイナミックレンジを拡大し、固定フレームレートで１つのフレームあたりの放射線の照射時間に制限がある場合の動画を撮像する駆動例を示すタイミングチャートである。放射線撮像装置や画素ＰＩＸの構成は、上述の第１の実施形態と同様であってよい。

上述の第１および第２の実施形態では、リセット駆動Ｒ後に信号ＷＩＤＥを１回、ハイレベルに遷移させることによって、画素ＰＩＸを高感度から低感度に切り替えて、低感度のサンプリングを行っている。しかし、感度を切り替えるためのトランジスタＭ１において、スイッチをオンまたはオフすると、チャージインジェクションと呼ばれる現象によって、信号ＷＩＤＥから電荷が注入あるいは放出されうることが知られている。つまり、リセット駆動Ｒの後に信号ＷＩＤＥをハイレベルに遷移させることによって、信号ＷＩＤＥから電荷が注入されうる。このため、サンプリングされる低感度の光信号にオフセットが発生してしまう可能性がある。本発明者が実験を行ったところ、放射線の非照射時にＡ／Ｄ変換器１０８で読み出した高感度の光信号ＡＤＯＵＴが約８０００ＬＳＢであった。一方、トランジスタＭ１を動作させた後、読み出した低感度の光信号ＡＤＯＵＴは約１００００ＬＳＢと約２０００ＬＳＢ大きくなっていた。Ａ／Ｄ変換器１０８の分解能を１６ビットとすると、Ａ／Ｄ変換器１０８の出力範囲は０〜６５５３５ＬＳＢである。一般的に各種ばらつきを考慮し、放射線が照射されていない状態から放射線の強度が最大の状態の範囲は、Ａ／Ｄ変換器１０８の出力範囲のうち５００００ＬＳＢ程度の範囲で表現される。したがって、低感度の画像のダイナミックレンジが約２０００ＬＳＢ狭くなることを意味する。

図９は、このチャージインジェクションによって低感度の画像のダイナミックレンジが狭くなることを防止するための駆動制御の一例を示すタイミングチャートである。以下、動画撮像において、光信号用ホールド容量である容量ＣＳ１、ＣＳ２および基準信号用ホールド容量である容量ＣＮに電荷がサンプリングされるまでの制御信号のタイミングについて、図９を用いて説明する。時刻ｔ１から時刻ｔ５までの動作は、上述の第１の実施形態と同様のため、ここでは説明を省略し、時刻ｔ５からの動作について説明する。

サンプリング駆動ＳＨによって高感度の光信号を容量ＣＳ１にサンプリングした後、時刻ｔ５で信号ＷＩＤＥをハイレベルとし、感度を切り替えるためのスイッチ素子であるトランジスタＭ１をオン動作させる。トランジスタＭ１がオン動作することによって、フローティングディフュージョンの容量が増え、画素の感度が高感度から低感度のモードへと変化する。

次いで、時刻ｔ６で、信号ＥＮをハイレベルにしトランジスタＭ３、Ｍ６をオン動作させる。次に、信号ＷＩＤＥをローレベルとし、感度切り替え用のスイッチ素子であるトランジスタＭ１をオフ動作とする。これによって、信号ＷＩＤＥから電荷が放出されることになる。すなわち、時刻ｔ５で信号ＷＩＤＥをハイレベルとし、トランジスタＭ１をＯＮ動作としたときに、信号ＷＩＤＥから注入された電荷が、時刻ｔ６で放出され、低感度の光信号の電圧レベルが補正される。

次に、信号ＴＳ２をハイレベルとし、トランジスタＭ１１をオン動作させることによって、低感度で取得された光信号が画素アンプを構成するトランジスタＭ７を通して光信号用ホールド容量である容量ＣＳ２に一括転送される。時刻ｔ７で、信号ＴＳ２をローレベルとし、トランジスタＭ１１をオフ動作させることによって、容量ＣＳ２に低感度で取得された光信号がサンプリングされる。

次いで、信号ＰＲＥＳをハイレベルとし、トランジスタＭ２をオン動作させ、容量Ｃｆｄ、Ｃｆｄ１を基準電圧ＶＲＥＳにリセットする。次いで、信号ＰＣＬをハイレベルとする。容量Ｃｃｌには、電圧ＶＣＬと電圧ＶＲＥＳとの差分の電圧にリセットノイズが重畳した電荷が蓄積される。更に信号ＴＮをハイレベルとし、トランジスタＭ１４をオン動作させることによって、基準電圧ＶＣＬにセットされた際の基準信号を基準信号用ホールド容量である容量ＣＮに転送する。続いて時刻ｔ８で、信号ＴＮをローレベルとし、トランジスタＭ１４をオフ動作させることによって、容量ＣＮに基準信号がサンプリングされる。さらに、信号ＰＲＥＳ、ＰＣＬ、ＥＮをローレベルとし、サンプリング駆動ＳＬを終了する。高感度と低感度との光信号および基準信号の画素ＰＩＸからの出力は、サンプリング駆動ＳＬの終了後、上述の第１の実施形態と同様に、画素ＰＩＸごとに行われる。

低感度の光信号のサンプリングを行う前にトランジスタＭ１をオフさせることによって、実験では、放射線非照射時の高感度の光信号ＡＤＯＵＴが約８０００ＬＳＢであったのに対し、低感度の光信号ＡＤＯＵＴも約８０００ＬＳＢと略同等になった。本実施形態の駆動方法を用いることによって、低感度のデジタル画像データのダイナミックレンジも高感度のデジタル画像データと同等のダイナミックレンジが確保できる。また、本実施形態においても、電荷の蓄積を開始してから、放射線が照射される期間よりも短い時間ＴＨの経過後、蓄積された電荷を高感度でサンプリングし、感度を低感度に切り替えることによって、容量Ｃｆｄが飽和しにくくなる。これによって、上述の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

以上、本発明に係る実施形態を３形態示したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。

例えば、上述の実施形態では、光信号用のサンプルホールド回路を１つまたは２つ備えた画素ＰＩＸを用いて説明を行ったが、それぞれの画素ＰＩＸが、光信号用に３つ以上のサンプルホールド回路を備えていてもよい。この場合、感度を切り替えるための追加容量およびフォトダイオードＰＤと追加容量との間に配されるトランジスタなどのスイッチ素子が、それぞれ２つ以上、配されてもよい。

また例えば、本実施形態では、設定される放射線の蓄積時間が短い場合は、リニアリティが悪化する画素が発生しにくくなるため、高感度の蓄積時間ＴＨと低感度の蓄積時間ＴＬを同じ時間としてもよい。

また、本実施形態では、高感度用の蓄積時間ＴＨと低感度用の蓄積時間ＴＬの比に基づいて、放射線画像に用いる画素値の生成を行ったが、これに限られることはない。例えば、高感度の光信号から取得される実効的な放射線の線量と、低感度の光信号から取得される実効的な放射線の線量の比に応じた係数を用いて、画素値の生成を行ってもよい。これによっても、精度の高い画素値の生成が可能となる。

また、本発明は、プログラムないしソフトウェアをコンピュータにより実行することによってもなされうる。具体的には、例えば、上述の実施形態の機能を実現するプログラムが、ネットワーク又は各種記憶媒体を介して、システムないし装置に供給される。システムないし装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）は、その後、該プログラムを読み出して実行する。

１００：放射線撮像装置、ＰＩＸ：画素

Claims (15)

1. 第１の感度および前記第１の感度よりも低い第２の感度で放射線を検出する複数の画素を含む放射線撮像装置であって、
   前記複数の画素のそれぞれは、
   前記放射線撮像装置への放射線の照射の開始に応じて、前記第１の感度で、照射された放射線に応じた信号を蓄積するための動作を開始し、
   信号を蓄積するための動作の開始から、放射線が照射される期間よりも短い第１の時間の経過後、蓄積された信号を第１の信号としてサンプリングし、次いで、前記第２の感度に切り替え、照射された放射線に応じた信号を蓄積し、
   前記放射線撮像装置への放射線の照射の終了に応じて、蓄積された信号を第２の信号としてサンプリングし、
   前記第１の信号および前記第２の信号に基づいた放射線画像を生成するために、前記第１の信号および前記第２の信号を出力することを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記複数の画素は、入射する放射線に応じた電荷を生成する変換素子と、前記変換素子で生成された電荷を蓄積する容量と、を含み、
   前記第１の感度および前記第２の感度を切り替えるために、前記容量の容量値が変更可能に構成されることを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
3. 前記複数の画素のそれぞれは、前記変換素子とスイッチ素子を介して接続された追加容量を含み、
   前記複数の画素のそれぞれは、
   前記スイッチ素子をオフ動作させることによって前記第１の感度で動作し、
   前記スイッチ素子をオン動作させることによって前記第２の感度で動作することを特徴とする請求項２に記載の放射線撮像装置。
4. 前記複数の画素のそれぞれは、前記放射線撮像装置への放射線の照射の終了に応じて前記スイッチ素子をオフ動作させた後、前記複数の画素のそれぞれで前記第２の信号をサンプリング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。
5. 前記放射線撮像装置は、処理部を更に含み、
   前記複数の画素のそれぞれは、前記第１の信号および前記第２の信号を前記処理部に出力し、
   前記処理部は、前記第１の信号および前記第２の信号に基づいて前記放射線画像を生成することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
6. 前記処理部は、信号を蓄積するための動作の開始から前記第１の信号をサンプリングするまでの時間と、信号を蓄積するための動作の開始から前記第２の信号をサンプリングするまでの時間と、に応じた係数を前記第１の信号および前記第２の信号の少なくとも一方に適用し、少なくとも一方に前記係数が適用された前記第１の信号および前記第２の信号に基づいて前記放射線画像を生成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。
7. 前記処理部は、信号を蓄積するための動作の開始から前記第１の信号をサンプリングするまでの時間と、信号を蓄積するための動作の開始から前記第２の信号をサンプリングするまでの時間と、に応じた係数を前記第２の信号に適用し、
   前記第１の信号の大きさが第１の大きさよりも小さい場合、前記第１の信号に基づいて前記放射線画像を生成し、
   前記第１の信号の大きさが前記第１の大きさよりも小さい第２の大きさよりも小さい場合、前記係数が適用された前記第２の信号に基づいて前記放射線画像を生成し、
   前記第１の信号の大きさが前記第１の大きさ以下かつ前記第２の大きさ以上の場合、前記第１の信号および前記係数が適用された前記第２の信号に基づいて前記放射線画像を生成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。
8. 前記処理部は、前記第１の信号から取得される実効的な放射線の線量と、前記第２の信号から取得される実効的な放射線の線量と、に応じた係数を前記第１の信号および前記第２の信号の少なくとも一方に適用し、少なくとも一方に前記係数が適用された前記第１の信号および前記第２の信号に基づいて前記放射線画像を生成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。
9. 前記複数の画素のそれぞれは、前記第２の信号をサンプリングした後、前記第１の信号および前記第２の信号を出力することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
10. 前記複数の画素のそれぞれは、
    前記第１の信号をサンプリングした後かつ前記第２の信号をサンプリングするまでの間に前記第１の信号を出力し、
    前記第２の信号をサンプリングした後、前記第２の信号を出力することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
11. 前記放射線撮像装置は、ユーザによって設定される撮像情報に応じて、前記第１の時間を決定することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
12. 請求項１乃至１１の何れか１項に記載の放射線撮像装置と、
    放射線を発生するための放射線発生装置と、
    を備えることを特徴とする放射線撮像システム。
13. 第１の感度および前記第１の感度よりも低い第２の感度で放射線を検出する複数の画素を含む放射線撮像装置の駆動方法であって、
    前記放射線撮像装置への放射線の照射の開始に応じて、前記複数の画素のそれぞれに前記第１の感度で、照射された放射線に応じた信号を蓄積するための動作を開始させる第１の工程と、
    信号を蓄積するための動作の開始から、放射線が照射される期間よりも短い第１の時間の経過後、前記複数の画素のそれぞれにおいて蓄積された信号を第１の信号としてサンプリングさせ、次いで、前記複数の画素のそれぞれを前記第２の感度に切り替え、照射された放射線に応じた信号を蓄積させる第２の工程と、
    前記放射線撮像装置への放射線の照射の終了に応じて、前記複数の画素のそれぞれにおいて蓄積された信号を第２の信号としてサンプリングさせる第３の工程と、
    前記第１の信号および前記第２の信号に基づいた放射線画像を生成するために、前記複数の画素のそれぞれから前記第１の信号および前記第２の信号を出力させる第４の工程と、
    を含むことを特徴とする駆動方法。
14. 前記第１の工程と前記第２の工程と前記第３の工程と前記第４の工程とを、この順で繰り返すことによって動画を撮像することを特徴とする請求項１３に記載の駆動方法。
15. コンピュータに、請求項１３または１４に記載の駆動方法の各工程を実行させるためのプログラム。

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