JP2019129343A - 撮像装置及び放射線撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】撮像装置において発生する時間変動するノイズを低減するために有利な技術を提供する。【解決手段】撮像装置は、放射線又は光を電荷に変換する変換部、電荷に応じた信号を増幅する増幅部、変換部及び増幅部のリセットを行うリセット部、増幅された信号を保持するための第１及び第２の保持部とをそれぞれ有する複数の画素が二次元に配置されている画素アレイと、画素アレイを制御する制御部と、を有する。制御部は、リセット部による連続する２回のリセットの間に放射線又は光が照射される第１の期間に変換部によって変換された電荷に応じた第１の信号を第１の保持部に保持する第１の制御と、第１の制御とは別にリセット部による連続する２回の前記リセットの間に放射線又は光が照射されない第２の期間の変換部の電荷に応じた第２の信号を第２の保持部に保持する第２の制御とを行う。第１の制御と第２の制御とを含む制御が、繰り返し行われる。【選択図】図４

Description

本発明は、撮像装置及び放射線撮像システムに関する。

デジタルＸ線撮像装置の分野では、イメージインテンシファイアに代わり、解像度の向上や体積の小型化、画像の歪みを押さえることを目的に光電変換素子を用いた等倍光学系の大面積フラットパネル式の撮像装置が普及している。撮像装置に用いられる等倍光学系のフラットパネルセンサの一つとして、シリコン半導体ウエハ上にＣＭＯＳ半導体製造プロセスにより生成された光電変換素子を二次元につなぎ合わせて構成した大面積フラットパネルセンサがある。

特許文献１には、二次元に整列した光電変換素子と共に読み出し制御回路として垂直シフトレジスタと水平シフトレジスタが配置された画素アレイの構成が開示されている。特許文献１の装置は、画素アレイを二次元につなぎ合わせて構成した大面積フラットパネルセンサを使用している。また、特許文献１には、センサアレイの各画素において、２つの保持部で信号とリセット電圧とをそれぞれ取得し、これらの信号による差分によって、ノイズ除去を行う撮像装置が開示されている。特許文献２には、センサアレイの各画素において、２つの保持部に保持されたリセット電圧に基づくノイズ信号を用いて、信号に含まれ得る温度ばらつきに起因するノイズ成分を低減する技術が開示されている。

特開２００２−３４４８０９号公報 特開２０１６−８２２５５号公報

しかしながら、撮像装置に含まれる光電変換素子などの半導体素子に放射線又は光が照射されていなくても発生し得る暗電流に起因するノイズは、時間や温度によって変動するため、撮像した画像からノイズを十分に低減することは難しかった。本発明の目的は、撮像装置において発生する時間変動するノイズを低減するために有利な技術を提供することである。

本発明の撮像装置は、放射線又は光を電荷に変換する変換部と、前記電荷に応じた信号を増幅する増幅部と、前記変換部及び前記増幅部のリセットを行うリセット部と、前記増幅された信号を保持するための第１及び第２の保持部と、をそれぞれ有する複数の画素が二次元に配置されている画素アレイと、前記画素アレイを制御する制御部と、を有する撮像装置であって、前記制御部は、前記リセット部による連続する２回の前記リセットの間に、放射線又は光が照射される第１の期間に前記変換部によって変換された電荷に応じた第１の信号を前記第１の保持部に保持する第１の制御と、前記第１の制御とは別に、前記リセット部による連続する２回の前記リセットの間に、放射線又は光が照射されない第２の期間の前記変換部の電荷に応じた第２の信号を前記第２の保持部に保持する第２の制御とを行い、前記第１の制御と前記第２の制御とを含む制御が繰り返し行われることを特徴とする。

本発明によれば、撮像装置において発生する時間変動するノイズを低減するために有利な技術を提供することができる。

本発明の実施形態の画素構成を説明する回路図。 本発明の実施形態の画素アレイ及び信号読出部の構成を説明する回路図。 本発明の実施形態の放射線撮像システムの構成を説明する模式図。 本発明の第一実施形態を示すタイムチャート。 本発明の第一実施形態を説明するためのフローチャート。 本発明の第二実施形態を示すタイムチャート。 本発明の第二実施形態を説明するためのフローチャート。 本発明の撮像モード設定の詳細を説明するためのフローチャート。 本発明の第三実施形態における信号読出部の構成を説明する回路図。 本発明の第三実施形態を説明するためのフローチャート。

添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。

＜第一実施形態＞
本発明の実施形態の撮像装置１００に用いられる各構成について説明をする。まず、１つの画素Ｐについて、図１に示される回路図により概略を説明する。画素Ｐは、変換部ＣＰと増幅部ＡＰとリセット部ＲＰと保持部ＳＨ１〜ＳＨ３と出力部ＯＰ１〜ＯＰ３とを含む。

変換部ＣＰは、フォトダイオードＰＤと、トランジスタＭ１と、フローティングディフュージョン容量Ｃｆｄ（以下、ＦＤ容量Ｃｆｄ）と、感度切り替え用の付加容量Ｃｆｄ’とを有する。撮像装置１００に入射した放射線は、放射線を光に変換する波長変換体であるシンチレータにより、入射した放射線に応じて生じた光に変換される。フォトダイオードＰＤは光電変換素子の一例であり、放射線に応じて生じた光を電荷に変換する。すなわち、放射線を光に変換するシンチレータと、光を電荷に変換する光電変換素子とによって、放射線は電荷に変換される。シンチレータを使うことに代えて、変換素子として放射線を直接電荷に変換する素子が用いられてもよい。

画素Ｐでは、光に応じた量の電荷がフォトダイオードＰＤで発生し、発生した電荷量に応じたＦＤ容量Ｃｆｄの電圧が増幅部ＡＰに出力される。感度切り替え用の容量Ｃｆｄ’は、画素Ｐの感度を切り替えるために用いられ、トランジスタＭ１（スイッチ）を介してフォトダイオードＰＤに接続されている。ＷＩＤＥ信号が活性化されることによってトランジスタＭ１が導通状態になり、ＦＤ容量Ｃｆｄと容量Ｃｆｄ’との合成容量の電圧が増幅部ＡＰに出力される。すなわち、トランジスタＭ１の導通状態を制御することにより、変換部ＣＰの感度を切り替えることができる。トランジスタＭ１がオフのときはフローティングディフュージョンの容量はＦＤ容量Ｃｆｄのみなので、変換部ＣＰは高感度になり、変換部ＣＰからは高感度信号が出力される。また、トランジスタＭ１が導通状態の時は、ＦＤ容量Ｃｆｄに並列に感度切り替え用の容量Ｃｆｄ’が加わるので、変換部ＣＰは低感度になり、変換部ＣＰからは低感度信号が出力されうる。

増幅部ＡＰは、制御トランジスタＭ３、増幅トランジスタＭ４、クランプ容量Ｃｃｌ、制御トランジスタＭ６、増幅トランジスタＭ７と各定電流源とを有する。制御トランジスタＭ３と増幅トランジスタＭ４と定電流源（例えばカレントミラー構成のトランジスタ）とは直列に接続されて電流経路を形成している。制御トランジスタＭ３のゲートに入力されるイネーブル信号ＥＮが活性化されることによって、変換部ＣＰからの電圧を受ける増幅トランジスタＭ４が動作状態となる。このようにして増幅トランジスタＭ４によるソースフォロワ回路が形成され、変換部ＣＰからの電圧を増幅した電圧が増幅トランジスタＭ４から出力される。増幅トランジスタＭ４から出力された電圧は、クランプ容量Ｃｃｌを介して増幅トランジスタＭ７に入力される。制御トランジスタＭ６と増幅トランジスタＭ７と定電流源とは直列に接続されて電流経路を形成している。制御トランジスタＭ６のゲートに入力されるイネーブル信号ＥＮが活性化されることによって、増幅トランジスタＭ４からの出力電圧を受ける増幅トランジスタＭ７が動作状態となる。このようにして増幅トランジスタＭ７によるソースフォロワ回路が形成され、増幅トランジスタＭ４からの電圧が増幅されて増幅トランジスタＭ７から出力される。クランプ容量Ｃｃｌは増幅トランジスタＭ４のソース電極と増幅トランジスタＭ７のゲート電極との間に直列に配置されている。クランプ容量Ｃｃｌによるクランプ動作については、次に説明するリセット部ＲＰと併せて説明する。

リセット部ＲＰは、リセットトランジスタＭ２とリセットトランジスタＭ５とを含む。リセットトランジスタＭ２は、リセット電圧ＰＲＥＳが活性化されると導通状態となり、フォトダイオードＰＤに所定の電位ＶＲＥＳ（リセット用電圧）を供給する。それによってフォトダイオードＰＤの電荷をリセット（初期化）し、増幅部ＡＰに出力される電圧をリセットする。リセットトランジスタＭ５は、クランプ容量Ｃｃｌと増幅トランジスタＭ７のゲート電極との間の接続ノードに所定の電位を供給することにより、増幅トランジスタＭ７から出力される電圧をリセットする。リセットトランジスタＭ２によるリセットがされると、リセット時の変換部ＣＰからの電圧に応じた電圧がクランプ容量Ｃｃｌの入力端子ｎ１に入力される。また、クランプ信号ＰＣＬが活性化されることによりリセットトランジスタＭ５が導通状態になり、所定の電位であるクランプ用電圧ＶＣＬがクランプ容量Ｃｃｌの出力端子ｎ２に入力される。このようにして、クランプ容量Ｃｃｌの両端子間で生じた電位差をノイズ成分としてクランプし、その後のフォトダイオードＰＤでの電荷の発生および蓄積に伴い変化した電圧を信号成分として出力する。これがクランプ容量Ｃｃｌを用いたクランプ動作であり、クランプ動作により変換部ＣＰで生じるｋＴＣノイズや増幅トランジスタＭ４のオフセット等のノイズ成分が抑制される。またリセット動作によりＦＤ容量と保持部ＳＨ１〜ＳＨ３とをリセットすることができる。

変換部ＣＰと増幅部ＡＰとによって、放射線を電荷に変換し、変換部ＣＰに蓄積された電荷に基づく信号を増幅して出力する信号生成部が構成される。変換部ＣＰに蓄積された電荷に基づく信号を蓄積信号と呼ぶ。変換部ＣＰに蓄積された電荷は、放射線に応じて発生した電荷と、放射線によらずに発生した電荷（いわゆる暗電流に基づく電荷）とを含む。放射線に応じて発生した蓄積信号は、上述の高感度信号又は低感度信号として出力される。また、変換部ＣＰに放射線を曝射（照射）しないときに発生したノイズ等が蓄積された電荷に基づく信号を暗電流信号と呼ぶ。この信号生成部を、リセット部ＲＰが電荷蓄積前の状態にリセットすることによって信号生成部が生成する信号をリセット信号と呼ぶ。信号生成部のリセットは、上述のように、光電変換素子ＰＤの電位とクランプ容量Ｃｃｌの出力端子ｎ２の電位とをリセットすることによって行われる。

蓄積信号とリセット信号とを総称して画素信号と呼ぶ。変換部ＣＰに電荷が蓄積された後に信号生成部が出力する画素信号を蓄積信号と称し、信号生成部がリセット状態である場合に出力する画素信号をリセット信号と称する。

保持部ＳＨ１は、増幅部ＡＰから出力された画素信号を保持する部分であり、転送トランジスタＭ８と容量ＣＳ１とを含むサンプルホールド回路である。具体的には、サンプルホールド制御信号ＴＳ１を用いて転送トランジスタＭ８の状態（導通状態または非導通状態）を切り替えることにより、画素信号を容量ＣＳ１に転送して保持する。出力部ＯＰ１は、信号増幅トランジスタＭ１０と出力スイッチＳＷ９とを含む。信号増幅トランジスタＭ１０は、容量ＣＳ１に保持された画素信号を増幅して出力するためのトランジスタであり、出力スイッチＳＷ９は信号増幅トランジスタＭ１０によって出力された画素信号を端子Ｓ１へ転送するスイッチである。出力スイッチＳＷ９に入力される垂直走査信号ＶＳＲによって出力スイッチＳＷ９が導通状態となると、信号増幅トランジスタＭ１０と列信号線４０６で接続される後段の定電流源ＣＣＳｐ（図２参照）とでソースフォロワ回路が形成される。これにより、出力部ＯＰ１によって、保持部ＳＨ１に保持された画素信号が増幅されて画素Ｐから出力される。以下では、画素Ｐから出力されて増幅後に端子Ｓ１から出力される画素信号を画素信号Ｓ１と呼ぶ。また、画素信号Ｓ１が照射に基づく蓄積信号である場合は画像信号Ｓ１、照射のないときの暗電流信号である場合は暗電流信号Ｓ１、リセット信号である場合はリセット信号Ｓ１と称する。

保持部ＳＨ２は、増幅部ＡＰから出力された画素信号を保持する部分であり、転送トランジスタＭ１１と容量ＣＳ２とを含むサンプルホールド回路である。具体的には、サンプルホールド制御信号ＴＳ２を用いて転送トランジスタＭ１１の状態（導通状態または非導通状態）を切り替えることにより、画素信号を容量ＣＳ２に転送して保持する。出力部ＯＰ２は、信号増幅トランジスタＭ１３と出力スイッチＳＷ１２とを含む。信号増幅トランジスタＭ１３は、容量ＣＳ２に保持された画素信号を増幅して出力するためのトランジスタであり、出力スイッチＳＷ１２は信号増幅トランジスタＭ１３によって出力された画素信号を端子Ｓ２へ転送するスイッチである。具体的には、出力スイッチＳＷ１２に入力される垂直走査信号ＶＳＲによって出力スイッチＳＷ１２が導通状態となることにより、信号増幅トランジスタＭ１３と列信号線４０７で接続される後段の定電流源ＣＣＳｐとでソースフォロワ回路が形成される。これにより、出力部ＯＰ２によって、保持部ＳＨ２に保持された画素信号が増幅されて画素Ｐから出力される。以下では、画素Ｐから出力されて増幅後に端子Ｓ２から出力される画素信号を画素信号Ｓ２と呼ぶ。また、画素信号Ｓ２が照射に基づく蓄積信号である場合は画像信号Ｓ２、暗電流信号である場合は暗電流信号Ｓ２、リセット信号である場合はリセット信号Ｓ２と称する。

保持部ＳＨ３は、増幅部ＡＰから出力された画素信号を保持可能な部分であり、転送トランジスタＭ１４と容量ＣＳ３とを含むサンプルホールド回路である。具体的には、サンプルホールド制御信号ＴＳ３を用いて転送トランジスタＭ１４の状態（導通状態または非導通状態）を切り替えることにより、画素信号を容量ＣＳ３に転送して保持する。出力部ＯＰ３は、信号増幅トランジスタＭ１６と出力スイッチＳＷ１５とを含む。信号増幅トランジスタＭ１６は、容量ＣＳ３に保持された画素信号を増幅して出力するためのトランジスタであり、出力スイッチＳＷ１５は信号増幅トランジスタＭ１６によって出力された画素信号を端子Ｓ３へ転送するスイッチである。具体的には、出力スイッチＳＷ１５に入力される垂直走査信号ＶＳＲによって出力スイッチＳＷ１５が導通状態となることにより、信号増幅トランジスタＭ１６と列信号線４０８で接続される後段の定電流源ＣＣＳｐとでソースフォロワ回路が形成される。これにより、出力部ＯＰ３によって、保持部ＳＨ３に保持された画素信号が増幅されて画素Ｐから出力される。以下では、画素Ｐから出力されて増幅後に端子Ｓ３から出力される画素信号を画素信号Ｓ３と呼ぶ。また、画素信号Ｓ３が照射に基づく蓄積信号である場合は画像信号Ｓ３、暗電流信号である場合は暗電流信号Ｓ３、リセット信号である場合はリセット信号Ｓ３と呼ぶ。

容量ＣＳ１、容量ＣＳ２および容量ＣＳ３において画素信号がサンプルホールドされた後は、転送トランジスタＭ８、転送トランジスタＭ１１および転送トランジスタＭ１４がオフとなる。これによって容量ＣＳ１、容量ＣＳ２および容量ＣＳ３は前段の増幅部ＡＰから切り離される。このため、各容量に保持された画素信号（画像信号、暗電流信号、あるいはリセット信号）は、次の信号が再度サンプルホールドされるまで非破壊で読み出すことが可能である。

次に本実施形態の撮像装置１００の画素アレイ１２０及び画素アレイ１２０に接続された信号読出部２０について図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を用いて説明する。画素アレイ１２０には図１に示した画素Ｐが二次元アレイ状に複数配列されている。そして、画素アレイ１２０からの信号は、画素アレイ１２０の端子Ｅｓ１、Ｅｓ２及びＥｓ３から信号読出部２０によって読み出される。本実施形態の撮像装置１００の画素アレイ１２０について図２（Ａ）により説明する。図２（Ａ）は、本実施形態の撮像装置１００の画素アレイ１２０の概略構成を説明するための回路図の例である。

画素アレイ１２０は、複数の画素Ｐと、各画素Ｐを駆動するための垂直走査回路４０３と、各画素Ｐから信号読出を行うための水平走査回路４０４と、を備える。垂直走査回路４０３および水平走査回路４０４は、例えばシフトレジスタで構成されており、制御部１０９（図３参照。）からの制御信号に基づいて動作する。垂直走査回路４０３は、制御線４０５を介して各画素Ｐに垂直走査信号ＶＳＲを供給し、当該垂直走査信号ＶＳＲに基づいて各画素Ｐを行単位で駆動する。すなわち、垂直走査回路４０３は行選択部として機能し、信号読出を行うべき画素Ｐを行単位で選択する。また、水平走査回路４０４は列選択部として機能し、水平走査信号ＨＳＲに基づいて各画素Ｐを列単位で選択して、各画素Ｐからの信号を順に出力させる。つまり水平走査回路４０４はいわゆる水平転送を制御する。ここで、行選択部（垂直走査回路４０３）の動作周波数は、列選択部（水平走査回路４０４）の動作周波数に比べて低くされており、即ち、行選択部（垂直走査回路４０３）は列選択部（水平走査回路４０４）に比べて動作が遅くされている。

また、画素アレイ１２０は、各画素Ｐの容量ＣＳ１に保持された画素信号を出力する端子Ｅｓ１と、容量ＣＳ２に保持された画素信号を出力する端子Ｅｓ２と、容量ＣＳ３に保持された画素信号を出力する端子Ｅｓ３と、を有する。また、画素アレイ１２０はセレクト端子Ｅｃｓをさらに有し、端子Ｅｃｓが受ける信号が活性化されることによって、画素アレイ１２０の選択された画素Ｐからの画素信号が、端子Ｅｓ１、Ｅｓ２及びＥｓ３から読み出される。具体的には、前述の各画素Ｐの画素信号Ｓ１、画素信号Ｓ２及び画素信号Ｓ３は、端子Ｓ１〜Ｓ３に対応して各端子に接続している列信号線４０６〜４０８に供給される。列信号線４０６〜４０８に供給された画素信号は、列信号線に対応して設けられている増幅トランジスタＡｖに入力される。

増幅トランジスタＡｖには、制御トランジスタＳＷｃｈと定電流源ＣＣＳｖとが電流経路を形成するように直列に接続されている。選択された画素Ｐからの画素信号Ｓ１〜Ｓ３は列信号線４０６〜４０８を介して増幅トランジスタＡｖに入力される。増幅トランジスタＡｖの出力には転送トランジスタＳＷａｈが接続され、転送トランジスタＳＷａｈの出力にはアナログ信号線４０９〜４１１が接続されている。増幅トランジスタＡｖの出力は、水平走査回路４０４からの水平走査信号ＨＳＲに応答して導通状態になる転送トランジスタＳＷａｈを介して、アナログ信号線４０９〜４１１へ出力される。制御トランジスタＳＷｃｈのゲートに入力される水平走査信号ＨＳＲが活性化されることによって、列信号線４０６〜４０８からの電圧をそれぞれに受ける増幅トランジスタＡｖが動作状態になり、ソースフォロワ回路が形成される。増幅トランジスタＡｖにより増幅された、列信号線４０６〜４０８からの電圧は、水平走査信号ＨＳＲに応答して導通状態になる転送トランジスタＳＷａｈを介してアナログ信号線４０９〜４１１に出力される。

アナログ信号線４０９〜４１１を介して信号が入力される増幅トランジスタＡｏｕｔと定電流源ＣＣＳｏｕｔとは電流経路を形成するように直列に接続され、ソースフォロワ回路が形成されている。これによりアナログ信号線４０９〜４１１からの電圧を増幅トランジスタＡｏｕｔが増幅する。増幅された電圧は、端子Ｅｃｓに入力される信号に応答して導通状態になる転送トランジスタＳＷｃｓを介して、端子Ｅｓ１、Ｅｓ２及びＥｓ３から出力される。

また、画素アレイ１２０は、垂直走査回路４０３および水平走査回路４０４を制御するための各制御信号を受ける端子ＨＳＴ、ＣＬＫＨ、ＶＳＴおよびＣＬＫＶをさらに有する。端子ＨＳＴは、水平走査回路４０４に入力されるスタートパルスを受ける。端子ＣＬＫＨは、水平走査回路４０４に入力されるクロック信号を受ける。端子ＶＳＴは、垂直走査回路４０３に入力されるスタートパルスを受ける。端子ＣＬＫＶは、垂直走査回路４０３に入力されるクロック信号を受ける。これらの各制御信号は、後述する制御部１０９から入力される。水平走査回路４０４は入力されたスタートパルスとクロック信号とに基づいて水平走査信号ＨＳＲを生成して出力する。垂直走査回路４０３は入力されたスタートパルスとクロック信号とに基づいて垂直走査信号ＶＳＲを生成して出力する。これにより、容量Ｃｓ１〜ＣＳ３に保持された画素信号Ｓ１、画素信号Ｓ２及び画素信号Ｓ３が、各画素ＰからＸ-Ｙアドレス方式で順次に読み出される。すなわち、画素アレイ１２０では、各画素Ｐに保持された信号は、行単位で選択され、各保持部に保持された信号が列単位で出力される（水平転送される）ことによって、信号が読み出される。

次に、本実施形態の撮像装置の画素アレイ１２０から信号を読み出す信号読出部２０について、本実施形態の撮像装置の信号読出部２０の概略構成を示す図２（Ｂ）により説明する。信号読出部２０は、例えば差動増幅器等を含む信号増幅部１０７とＡＤ変換を行うＡＤ変換部１０８とを有する。信号読出部２０の入力端子には、画素アレイ１２０の端子Ｅｓ１〜Ｅｓ３から読み出された画素信号がそれぞれ入力される。

端子Ｅｓ３からの画素信号Ｓ３は信号増幅部１０７の非反転入力端子ＡＭＰ＋に入力される。また、端子Ｅｓ１からの画素信号Ｓ１は、スイッチＭ５１を介して、信号増幅部１０７の反転入力端子ＡＭＰ−に入力される。スイッチＭ５１はスイッチＭ５１の制御端子に入力される制御信号ＴＲＯ１に応答して導通状態になる。また、端子Ｅｓ２からの画素信号Ｓ２は、スイッチＭ５２を介して、反転入力端子ＡＭＰ−に入力される。スイッチＭ５２はスイッチＭ５２の制御端子に入力される制御信号ＴＲＯ２に応答して導通状態になる。スイッチＭ５１及びＭ５２は、端子Ｅｓ１及び端子Ｅｓ２の一方の信号が信号増幅部１０７の反転入力端子ＡＭＰ−に入力されるように制御される。スイッチＭ５１及びＭ５２並びに信号増幅部１０７は、信号ＡＤＣＬＫの周期に追従可能な応答特性を有するように設計されている。

信号増幅部１０７では、スイッチＭ５１、Ｍ５２の動作に応じて端子Ｅｓ１からの信号と端子Ｅｓ３からの信号との差分、又は端子Ｅｓ２からの信号と端子Ｅｓ３からの信号との差分が増幅される。この差分はＡＤ変換部１０８で、端子ＡＤＣＬＫを介して入力されるクロック信号に基づいてＡＤ変換される。このような構成により、画素アレイ１２０の画像データ（デジタルデータ）が得られ、端子ＡＤＯＵＴを介して後述する制御部１０９に出力される。

次に、本実施形態の撮像装置１００及び放射線撮像システムＳＹＳについて図３を用いて説明する。

放射線撮像システムＳＹＳは、撮像装置１００と、放射線を発生する放射線発生装置１０４と、照射制御部１０３と、画像処理およびシステム制御を行う信号処理部１０１と、ディスプレイ等を含む表示部１０２と、を備える。放射線撮像を行う際には、信号処理部１０１によって撮像装置１００と照射制御部１０３とが同期制御される。被検者を通過した放射線（Ｘ線、α線、β線、γ線等）に基づいて撮像装置１００が信号を生成し、この信号に対して信号処理部１０１等において所定の処理が為された後、当該放射線に基づく画像データが生成される。当該画像データは表示部１０２に撮像画像として表示される。撮像装置１００は、撮像領域１０を有する撮像パネル１０５と、撮像領域１０から信号を読み出す信号読出部２０と、各画素アレイ１２０を制御する制御部１０９とを備える。

撮像パネル１０５は、複数の画素アレイ１２０が板状の基台の上にタイリング（２次元配列）されて構成されている。このような構成により大型の撮像パネル１０５が形成されうる。図２（Ａ）により説明したように、各画素アレイ１２０には複数の画素Ｐが配列されている。撮像領域１０には、複数の画素アレイ１２０によって行および列を形成するように配列された複数の画素Ｐが配置されている。また、本実施形態では、複数の画素アレイ１２０が７列×２行を形成するようにタイリングされた構成が例示されているが、この構成に限られるものではない。

制御部１０９は、例えば信号処理部１０１との間で、制御コマンド、同期信号の通信を行う。また、制御部１０９は、撮像領域１０の各画素アレイ１２０及び信号読出部２０を制御し、例えば、各画素アレイ１２０の基準電圧の設定、各画素の駆動制御や動作モード制御を行う。また、制御部１０９は、信号読出部２０のＡＤ変換部１０８によりＡＤ変換された各画素アレイ１２０の画像データ（デジタルデータ）を用いて１つのフレーム画像を合成し、信号処理部１０１に出力する。制御部１０９は、ＣＰＵ等のプロセッサと、ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリとで構成されてもよい。制御部１０９のプロセッサがメモリに格納されたプログラムを実行することによって、撮像装置１００の動作が実行されてもよい。これに代えて、制御部１０９は、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）等の専用回路で構成されてもよい。信号処理部１０１も同様に、ＣＰＵ等のプロセッサと、ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリとで構成されたコンピュータであってもよいし、ＡＳＩＣ等の専用回路で構成されてもよい。信号処理部１０１は後述するように画像を生成するので、画像生成装置と呼ぶこともできる。信号処理部１０１には、信号処理部１０１の処理で用いられるプログラムやデータを記憶可能な記憶部１１５が接続されている。記憶部１１５は、例えば磁気ディスクや半導体ドライブ等で構成されてもよい。

制御部１０９と信号処理部１０１との間では、各種インターフェースを介して、制御コマンド又は制御信号および画像データの授受が行われる。信号処理部１０１は、制御用インターフェース１１０を介して、動作モードや各種パラメータなどの設定情報又は撮像情報を制御部１０９に出力する。また、制御部１０９は、制御用インターフェース１１０を介して、撮像装置１００の動作状態などの装置情報を信号処理部１０１に出力する。また、制御部１０９は、画像データインターフェース１１１を介して、撮像装置１００で得られた画像データを信号処理部１０１に出力する。また、制御部１０９は、ＲＥＡＤＹ信号１１２を用いて、撮像装置１００が撮像可能な状態になったことを信号処理部１０１に通知することができる。また、信号処理部１０１は、同期信号１１３を用いて、制御部１０９からのＲＥＡＤＹ信号１１２に応答して制御部１０９に、放射線の照射開始のタイミングを通知することができる。また、制御部１０９は同期信号１１３を受信して制御を行う。照射許可信号１１４は撮像パネル１０５が撮像の準備ができたことを信号処理部１０１に通知する信号である。信号処理部１０１は、照射許可信号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て放射線照射を開始させる。

本実施形態における撮像装置１００の駆動方法について図４に示すタイムチャートの例により説明をする。撮像は、制御部１０９が撮像装置１００の各部の動作を制御することによって実行される。撮像装置１００は、複数のフレーム画像で構成される動画撮影を行うことができる。

図４において、横軸は時間、各信号「ＳＹＮＣ」〜「ＷＩＤＥ」の値は、各信号のレベルを示す。例えば、信号ＳＹＮＣはＦ１、Ｆ２、Ｆ３・・・の周期でＨレベルになる。信号ＷＩＤＥは、図４ではＬレベルのままであることを示している。信号「ＣＳ１」、「ＣＳ２」及び「ＣＳ３」は、容量ＣＳ１、ＣＳ２及びＣＳ３に保持されている信号を示す。信号「Ｅｓ１」、「Ｅｓ２」及び「Ｅｓ３」は画素アレイ１２０の各保持部から信号読出部２０へ読み出す信号と期間とを示す。信号「Ｅｓ１」〜「Ｅｓ３」がＨ（ハイ）レベルで示されている期間は、信号の読出し動作が実行されている期間を示す。「ＡＭＰ−」がＨレベルで示されている期間は、信号増幅部１０７の反転入力端子ＡＭＰ−に信号が入力される期間を示す。「ＡＭＰ＋」がＨレベルで示されている期間は信号増幅部１０７の非反転入力端子ＡＭＰ＋に信号が入力される期間を示す。期間Ｒは信号増幅部１０７の出力端子から信号が出力される期間を示す。

図４において、フレーム画像レートは一定である。後述するサンプルホールド駆動及びリセット駆動ＳＲＳＤ１（以下、「駆動ＳＲＳＤ１」）及びＳＲＳＤ２（以下、「駆動ＳＲＳＤ２」）それぞれの駆動後の期間Ｔｃ及び期間Ｔｓは画素信号の読み出し期間Ｒより長い。またここでは、付加容量Ｃｆｄ’を付加しない感度で撮像する撮像モードが設定された場合について説明する。

フレーム期間Ｆ１〜Ｆ２は、撮像開始後の１番目と２番目のフレーム期間を示す。フレーム期間とは、フレーム画像を生成するための期間のことであり、複数のフレーム画像を作成するために反復される。

蓄積期間Ｔ１は、この期間内で放射線が照射される期間である。蓄積期間Ｔ１は、フレーム期間Ｆ１及びＦ２のそれぞれにおいて、蓄積期間Ｔ１に対応する電荷が光電変換素子ＰＤに蓄積される期間である。この電荷は、放射線の照射に応じて発生する電荷と、それ以外の暗電荷とを含む。蓄積期間Ｔ１の間、制御部１０９は放射線の照射が可能であることを照射許可信号１１４により信号処理部１０１へ通知する。

蓄積期間Ｔ２は放射線が照射されない期間である。蓄積期間Ｔ２は、フレーム期間Ｆ１及びＦ２のそれぞれにおいて、蓄積期間Ｔ２に対応する暗電流に基づく暗電荷が光電変換素子ＰＤに蓄積される期間である。蓄積期間Ｔ２の間、制御部１０９は放射線の照射を禁止することを照射許可信号１１４により信号処理部１０１へ通知する。制御部１０９は、フレーム画像レートから計算されるフレーム期間をもとに、蓄積期間Ｔ１と蓄積期間Ｔ２が同じ長さとなるように、期間Ｔｃ及び期間Ｔｓを制御する。

撮像前に、最初に撮像モードが設定される。具体的には例えば画素Ｐの感度が設定される。ここでは感度切り替え用の付加容量Ｃｆｄ’を付加しないでＦＤ容量Ｃｆｄのみを使って撮像を行うことを例として説明する。制御部１０９は制御信号ＷＩＤＥを非活性化する。

撮像が開始されて、制御部１０９が同期信号ＳＹＮＣのパルスの立ち上がりを検出すると、最初のフレーム期間Ｆ１でフレーム画像を生成するための駆動が開始される。撮像は、ＳＹＮＣ信号におけるパルスの立ち上がりによって１つのフレーム期間Ｆ１が始まり、次のＳＹＮＣ信号の立ち上がりによってこのフレーム期間Ｆ１が終わり、次のフレーム期間Ｆ２が始まるというように撮像中は、動作は繰り返される。ＳＹＮＣ信号は外部から受信した同期信号と内部で発生する同期信号とのどちらでも構わないが、本実施形態では外部から受信した同期信号として説明を行う。

フレーム期間Ｆ１における駆動ＳＲＳＤ１について説明する。制御部１０９は、以下に説明する駆動ＳＲＳＤ１を撮像パネル１０５に含まれるすべての画素Ｐに対して一括して行う。駆動ＳＲＳＤ１は、フレーム期間Ｆ１、Ｆ２等に実行されるサンプルホールド駆動及びリセット駆動を行う期間である。サンプルホールド駆動は、画素信号を容量ＣＳ１〜３に保持するためのサンプルホールドを行う駆動のことである。リセット駆動は、変換部ＣＰ及び増幅部ＡＰのリセットを行う駆動のことである。

制御部１０９は、ＳＹＮＣ信号のパルスの立ち上がりを検出すると、フレーム期間Ｆ１でフレーム画像を生成するための制御を開始する。まず、制御部１０９は、イネーブル信号ＥＮを活性化する。これによって、制御トランジスタＭ３が導通状態となり、増幅トランジスタＭ４が動作状態になる。変換部ＣＰからの電圧は増幅されて、増幅トランジスタＭ４から出力される。また、増幅トランジスタＭ４からの出力電圧はクランプ容量Ｃｃｌを介して増幅トランジスタＭ７に入力される。制御トランジスタＭ６もイネーブル信号ＥＮにより導通状態になっているので、増幅トランジスタＭ７も動作状態になっている。増幅トランジスタＭ４からの電圧は増幅トランジスタＭ７により増幅されて、出力される。次に、制御部１０９は、制御信号ＴＳ２を一時的に活性化する。これによって、転送トランジスタＭ１１が導通状態になるので、増幅トランジスタＭ７からの出力は画素信号Ｓ２として容量ＣＳ２に転送され保持される。なお、本実施形態では撮像の最初の駆動ＳＲＳＤ１のときはこの画素信号Ｓ２は不要な信号である。

次に、制御部１０９は、制御信号ＴＳ２を非活性化した後でリセット電圧ＰＲＥＳを活性化する。これによって、リセットトランジスタＭ２が導通状態となり、フォトダイオードＰＤに所定の電位であるリセット用電圧ＶＲＥＳが供給され、フォトダイオードＰＤの電荷がリセットされる。その結果、リセット時の変換部ＣＰからの電圧がクランプ容量Ｃｃｌの入力端子ｎ１に入力される。制御部１０９は、次にクランプ信号ＰＣＬを活性化する。これによって、リセットトランジスタＭ５が導通状態となり、所定の電位であるクランプ用電圧ＶＣＬがクランプ容量Ｃｃｌの出力端子ｎ２に入力される。

次に、制御部１０９は、クランプ信号ＰＣＬを活性化してから非活性化するまでの期間において、制御信号ＴＳ１及びＴＳ３を一時的に活性化する。イネーブル信号ＥＮが活性化されており、増幅トランジスタＭ４及びＭ７が動作状態なので、増幅トランジスタＭ７からは変換部ＣＰからはリセット時の信号が増幅されて出力される。制御信号ＴＳ１及びＴＳ３の活性化によって、転送トランジスタＭ８及びＭ１４が導通状態になって、増幅トランジスタＭ７から出力される電圧がリセット信号Ｓ１及びＳ３として容量ＣＳ１及びＣＳ３に転送され保持される。すなわち、リセット信号のサンプリングが行われる。

制御部１０９は、制御信号ＴＳ１及びＴＳ３を一時的に活性化している間にリセット電圧ＰＲＥＳを非活性化する。これによって、リセットトランジスタＭ２が非導通状態になる。制御部１０９は、制御信号ＴＳ１及びＴＳ３を非活性化後にクランプ信号ＰＣＬを非活性化する。これによって、リセットトランジスタＭ５が非導通状態になり、クランプ容量Ｃｃｌの入力端子ｎ１と出力端子ｎ２との間で生じた電位差がクランプ容量Ｃｃｌの両端子に保たれる。クランプ信号ＰＣＬが非活性化されてから、電荷が光電変換素子ＰＤに蓄積される蓄積期間Ｔ１が始まる。制御部１０９は、クランプ信号ＰＣＬを非活性化した後、イネーブル信号ＥＮを非活性化する。これで、フレーム期間Ｆ１における駆動ＳＲＳＤ１を終了する。フレーム期間Ｆ１では有効な蓄積信号が容量ＣＳ２に保持されていないため画素信号の読み出しは行わない。

次に、フレーム期間Ｆ１における駆動ＳＲＳＤ２について説明する。制御部１０９は、以下に説明する駆動ＳＲＳＤ２を撮像パネル１０５に含まれるすべての画素Ｐに対して一括して行う。駆動ＳＲＳＤ２はサンプルホールド駆動及びリセット駆動を行う期間である。駆動ＳＲＳＤ２では期間Ｔ１に蓄積された画像信号が容量へサンプルホールドされる。以下に具体的に説明をする。

制御部１０９は、フレーム期間Ｆ１における駆動ＳＲＳＤ１終了後期間Ｔｃが経過すると、フレーム期間Ｆ１でフレーム画像を生成するための駆動を開始する。まず、制御部１０９は、イネーブル信号ＥＮを活性化する。次に、制御部１０９は、制御信号ＴＳ１を一時的に活性化する。これによって、増幅トランジスタＭ４及びＭ７で増幅された電圧が転送トランジスタＭ８を介して画像信号Ｓ１として容量ＣＳ１に転送され保持される。

次に、制御部１０９は、制御信号ＴＳ１を非活性化し、リセット電圧ＰＲＥＳを活性化し、次にクランプ信号ＰＣＬを活性化する。制御部１０９は、クランプ信号ＰＣＬを非活性化するまでの間に制御信号ＴＳ２及びＴＳ３を一時的に活性化する。これによって、増幅トランジスタＭ７からの出力がリセット信号Ｓ２及びＳ３として容量ＣＳ２及びＣＳ３に転送され保持される。すなわち、リセット信号のサンプリングが行われる。

制御部１０９は、制御信号ＴＳ２及びＴＳ３を一時的に活性化している間にリセット電圧ＰＲＥＳを非活性化する。これによって、リセットトランジスタＭ２が非導通状態になる。制御部１０９は、制御信号ＴＳ２及びＴＳ３を非活性化後にクランプ信号ＰＣＬを非活性化する。これによって、リセットトランジスタＭ５が非導通状態になり、クランプ容量Ｃｃｌの入力端子ｎ１と出力端子ｎ２との間で生じた電位差がクランプ容量Ｃｃｌの両端子に保たれる。クランプ信号ＰＣＬが非活性化されてから、電荷が光電変換素子ＰＤに蓄積される蓄積期間Ｔ２が始まる。制御部１０９は、クランプ信号ＰＣＬを非活性化にした後、イネーブル信号ＥＮを非活性化する。これで、フレーム期間Ｆ１における駆動ＳＲＳＤ２を終了する。

図４の参照を続けて、フレーム期間Ｆ１の期間Ｔｓにおいて画像信号Ｓ１及びリセット信号Ｓ３を読み出す動作について説明する。本実施形態で、信号読出部２０は、画像信号Ｓ１の保持から所定時間を経過後に画像信号Ｓ１及びリセット信号Ｓ３の読出しを開始する。フレーム期間Ｆ１の駆動ＳＲＳＤ２終了時点で、容量ＣＳ１にフレーム期間Ｆ１の蓄積期間Ｔ１に対応した画像信号Ｓ１が保持され、容量ＣＳ２〜ＣＳ３に所定の電位であるリセット信号Ｓ２、Ｓ３が保持されている。そこで、制御部１０９は、駆動ＳＲＳＤ２終了から所定時間が経過後に、これらの容量に保持された画像信号Ｓ１及びリセット信号Ｓ３の読出しを開始する。具体的には制御部１０９は、画素アレイ１２０のセレクト端子Ｅｃｓを活性化し、信号読出部２０の制御信号ＴＲＯ１を活性化する。このとき、制御信号ＴＲＯ２は不活性化される。転送トランジスタＳＷｃｓが導通し、増幅トランジスタＡｏｕｔの出力が端子Ｅｓ１〜３に表れる。またスイッチＭ５１が導通し、スイッチＭ５２が非導通になるので、端子Ｅｓ１からの信号が信号増幅部１０７の非反転入力端子に入力される。

続いて、制御部１０９は、垂直走査回路４０３を制御して画素アレイ１２０の所定の行を選択し、水平走査回路４０４を制御して所定の列を選択することによって、画素アレイ１２０に含まれる複数の画素Ｐのうちの１つを選択する。選択された画素Ｐに保持されていた信号は画素アレイ１２０の端子Ｅｓ１〜Ｅｓ３から出力される。これによって、選択された画素Ｐに保持された画像信号Ｓ１が信号増幅部１０７の反転入力端子ＡＭＰ−に入力され、選択された画素Ｐに保持されたリセット信号Ｓ３が信号増幅部１０７の非反転入力端子ＡＭＰ＋に入力される。このように、フレーム期間Ｆ１では、信号読出部２０は、選択された画素Ｐの画像信号Ｓ１及びリセット信号Ｓ３を同じタイミングで読み出す。

制御部１０９は、選択された画素Ｐの容量に保持された画像信号Ｓ１及びリセット信号Ｓ３を、画素アレイ１２０内部の列信号線を含む２系統の画素信号の信号経路（差動信号経路）を経て読み出し、信号読出部２０の信号増幅部１０７に出力する。画素アレイ１２０からの出力を受けた信号増幅部１０７は、画像信号Ｓ１及びリセット信号Ｓ３の差分をとって得られる信号を出力する。信号増幅部１０７の出力信号は、差動入力により２系統の信号経路のオフセットが補正された画素信号に相当するが、２系統の信号経路に含まれるノイズは残る。

この出力信号は、ＡＤ変換部１０８によってデジタルデータに変換され、制御部１０９に供給される。制御部１０９は、垂直走査回路４０３及び水平走査回路４０４を制御することによって選択画素を順次切り替え、期間Ｔｓ内の期間Ｒで画像を生成するためのデジタルデータを取得し、フレーム期間Ｆ１の蓄積期間Ｔ１に対応するフレームの画像を生成する。このように、各画素から読み出された蓄積信号に基づいて生成された画像を蓄積画像と呼ぶ。

次にフレーム期間Ｆ２における駆動ＳＲＳＤ１について図４により説明する。なお、フレーム期間Ｆ１と重複する動作については省略する。フレーム期間Ｆ２の駆動ＳＲＳＤ１では、フレーム期間Ｆ１の放射線が照射されなかった期間Ｔ２で蓄積された暗電流の信号が読み出される。この駆動ＳＲＳＤ１も撮像パネル１０５に含まれるすべての画素Ｐに対して一括して行われる。まず、制御部１０９は、イネーブル信号ＥＮを活性化し、次に制御信号ＴＳ２を一時的に活性化する。これによって、転送トランジスタＭ１１が非導通状態から導通状態に切り替わり、フレーム期間Ｆ１内の蓄積期間Ｔ２で蓄積された暗電流信号Ｓ２が、容量ＣＳ２に転送され保持される。すなわち、蓄積信号（暗電流による信号）のサンプリングが行われる。

次に、制御部１０９は、期間Ｆ１と同様に順次リセット電圧ＰＲＥＳ、クランプ信号ＰＣＬを活性化する。次に、制御部１０９は、ＴＳ１及びＴＳ３を一時的に活性化し、リセット信号Ｓ１及びＳ３を容量ＣＳ１及びＣＳ３に保持する。次に、制御部１０９は、順次リセット電圧ＰＲＥＳ、クランプ信号ＰＣＬを非活性化する。クランプ信号ＰＣＬの非活性化によりフレーム期間Ｆ２の蓄積期間Ｔ１が始まる。その後、制御部１０９は、イネーブル信号ＥＮを非活性化し、フレーム期間Ｆ２における駆動ＳＲＳＤ１を終了する。

次に、フレーム期間Ｆ２の期間Ｔｃにおいて暗電流信号Ｓ２及びリセット信号Ｓ３を読み出す動作について説明する。本実施形態で、信号読出部２０は、暗電流信号Ｓ２の保持から所定時間を経過後に暗電流信号Ｓ２及びリセット信号Ｓ３の読出しを開始する。

フレーム期間Ｆ２の駆動ＳＲＳＤ１終了時点で、容量ＣＳ２にフレーム期間Ｆ１の蓄積期間Ｔ２に対応する暗電流信号Ｓ２が保持され、容量ＣＳ１及びＣＳ３に所定の電位であるリセット信号Ｓ１及びＳ３が保持されている。そこで、制御部１０９は、駆動ＳＲＳＤ１終了から所定時間が経過後に、これらの容量に保持された暗電流信号Ｓ２及びリセット信号Ｓ３の読出しを開始する。

具体的には、制御部１０９は、制御信号ＴＲＯ１を不活性化するとともに、セレクト端子Ｅｃｓ及び制御信号ＴＲＯ２を活性化する。続いて、制御部１０９は、垂直走査回路４０３及び水平走査回路４０４を制御することによって、画素アレイ１２０に含まれる複数の画素Ｐのうちの１つを選択する。これによって、選択された画素Ｐに保持された暗電流信号Ｓ２が信号増幅部１０７の反転入力端子ＡＭＰ−に入力され、選択された画素Ｐに保持されたリセット信号Ｓ３が信号増幅部１０７の非反転入力端子ＡＭＰ＋に入力される。このように、信号読出部２０は、暗電流信号Ｓ２及びリセット信号Ｓ３を同じタイミングで読み出す。

制御部１０９は、容量に保持された暗電流信号Ｓ２及びリセット信号Ｓ３を、画素アレイ１２０内部の２系統の画素信号の信号経路（差動信号経路）を経て読み出し、信号増幅部１０７に出力する。画素アレイ１２０からの出力を受けた信号増幅部１０７は、暗電流信号Ｓ２及びリセット信号Ｓ３の差分をとって得られる信号を出力する。

この出力信号は、ＡＤ変換部１０８によってデジタルデータに変換され、制御部１０９に供給される。制御部１０９は、垂直走査回路４０３及び水平走査回路４０４を制御することによって選択画素を順次切り替え、期間Ｔｃ内の期間Ｒで画像を生成するためのデジタルデータを取得し、フレーム期間Ｆ１の蓄積期間Ｔ２に対応する画像を生成する。このように、蓄積期間Ｔ２に蓄積されて、各画素から読み出された蓄積信号に基づいて生成された画像も蓄積画像と呼ぶ。信号の蓄積は、撮像装置１００に放射線が照射されている状態での蓄積期間Ｔ１と、撮像装置１００に放射線が照射されていない状態での蓄積期間Ｔ２と、のそれぞれで行われる。以下、説明のために撮像装置１００に放射線が照射されていない状態で生成された蓄積画像を暗画像と呼ぶ。撮像装置１００に放射線が照射されている状態で生成された蓄積画像を撮像画像と呼ぶ。

続いて、フレーム期間Ｆ２においてもフレーム期間Ｆ１と同様の駆動ＳＲＳＤ２が行われる。駆動ＳＲＳＤ２によりフレーム期間Ｆ２の蓄積期間Ｔ１に対応する画像信号Ｓ１が容量ＣＳ１に、リセット信号Ｓ２及びＳ３が容量ＣＳ２及びＣＳ３にそれぞれ転送され保持される。駆動ＳＲＳＤ２が終了すると、制御部１０９は、画素を順次切り替えて選択することにより期間Ｔｓ内の期間Ｒで蓄積画像を生成するためのデジタルデータを取得し、フレーム期間Ｆ２の蓄積期間Ｔ１に対応する蓄積画像（撮像画像）を生成する。

続いて、フレーム期間Ｆ３以降のフレーム期間においても同様の駆動ＳＲＳＤ１及び駆動ＳＲＳＤ２が行われる。たとえば、駆動ＳＲＳＤ１により１つ前のフレーム期間の蓄積期間Ｔ２に対応する暗電流信号Ｓ２が容量ＣＳ２に、リセット信号Ｓ１及びＳ３が容量ＣＳ１及びＣＳ３にそれぞれ転送され保持される。駆動ＳＲＳＤ１が終了すると、制御部１０９は、画素を順次切り替えて選択し、期間Ｒで蓄積画像を生成するためのデジタルデータを取得し、１つ前のフレーム期間の蓄積期間Ｔ２に対応する蓄積画像（暗画像）を生成する。

続いて、駆動ＳＲＳＤ２により、この駆動が行われるフレーム期間の蓄積期間Ｔ１に対応する画像信号Ｓ１が容量ＣＳ１に、リセット信号Ｓ２及びＳ３が容量ＣＳ２及びＣＳ３にそれぞれ転送され保持される。駆動ＳＲＳＤ２が終了すると、制御部１０９は、画素を順次切り替えて選択し画素信号を読み出して、期間Ｒで駆動ＳＲＳＤ２が行われたフレーム期間の蓄積期間Ｔ１に対応する蓄積画像（撮像画像）を生成する。このように蓄積信号の保持とリセット信号の保持とは連続する２回のリセットの間に行われる。

以上のように、撮像画像と暗画像とを順次、生成する。次に、撮像画像と暗画像とを用いたノイズの除去について説明する。以下の説明では、蓄積画像Ｓ１は例えばフレーム期間Ｆ１の期間Ｔ１で蓄積された信号に基づく撮像信号であり、フレーム期間Ｆ１の駆動ＳＲＳＤ２で読み出される信号に対応する。蓄積画像Ｓ２はフレーム期間Ｆ１の期間Ｔ２で蓄積された信号に基づく暗画像であり、フレーム期間Ｆ２の駆動ＳＲＳＤ１で読み出される信号に対応する。以下では説明のために蓄積画像Ｓ１を撮像画像Ｓ１と呼び、蓄積画像Ｓ２を暗画像Ｓ２と呼ぶ。

画素アレイ１２０内部の画素信号の信号経路には、信号線の他に増幅トランジスタ、定電流源及びスイッチなどの半導体素子が含まれ、個々の半導体素子起因により異なる１／ｆノイズ、温度ドリフトが発生する。信号読出部２０を構成する信号増幅部１０７及びＡＤ変換部１０８の半導体も１／ｆノイズ、温度ドリフトなどのノイズ成分を含む。すなわち、生成される信号には、画素アレイ１２０内部の信号経路で発生するノイズに、信号読出部２０で発生するノイズ成分が重畳されている。

上述の例で、読出し信号が差動で伝送される方法が行われる。差動の各伝送経路の半導体素子には固有のオフセット、１／ｆノイズ、温度ドリフトが存在する。差動信号間の差は生成される画像に重畳され、固有のアーチファクト、ランダムノイズ、縦線ノイズ、ブロック状アーチファクトとして画像に現れる。

画像の補正では、時間変動する半導体素子の１／ｆノイズを良好に補正するために、暗画像を撮像開始の直前に生成することが考えられる。しかし、撮像モードが数種類に限定されていたとしても蓄積を含む暗画像の生成には時間を要し、特に撮像の開始時に生成する場合は撮像開始にタイムラグが発生する。

また、低周波ノイズが画像に及ぼす影響は、半導体素子が使用される回路の場所で異なる影響を及ぼす。例えば、画素アレイ１２０の画素回路Ｐの容量の増幅トランジスタＭ１０、Ｍ１３及びＭ１６の低周波ノイズはランダムノイズとして画像に影響する。画素アレイ１２０の列信号線４０６〜４０８の画素信号の増幅に用いられる定電流源ＣＣＳｐ、増幅トランジスタＡｖ及び定電流源ＣＣＳｖの低周波ノイズは縦線ノイズとして画像に影響する。アナログ信号線４０９〜４１１の画素信号の増幅に用いられる増幅トランジスタＡｏｕｔ及び定電流源ＣＣＳｏｕｔの低周波ノイズは、画素アレイ全領域にノイズが重畳され、ブロック状アーチファクトとして画像に影響する。同じく、信号増幅部１０７及びＡＤ変換部１０８の低周波ノイズは、画素アレイ全領域にノイズが重畳され、ブロック状アーチファクトとして画像に影響する。特に、大面積フラットパネルセンサを使用した３Ｄ撮影において、縦線ノイズ、ブロック状アーチファクトは３Ｄの再構成画像にリングアーチファクトを発生させ、ランダムノイズ以上に画像に影響を及ぼすことが知られている。

本実施形態では、各フレーム期間にそれぞれ同一期間蓄積した蓄積信号をもとに生成した蓄積画像及び暗画像に基づいてフレーム画像を生成する。これによって、１／ｆノイズや温度ドリフトなどのノイズに起因して発生する縦線ノイズ、ブロック状アーチファクトを補正可能である。

次に、放射線撮像において放射線照射と同期して、蓄積画像と暗画像を取得し、暗画像を用いて蓄積画像のオフセット補正を行う処理について、その一例を示す図５により説明する。

Ｓ１０１において、信号処理部１０１は、制御部１０９に制御コマンドを発行し、撮像モードを設定する。その後、制御コマンドにより撮像装置１００を撮像可能状態に遷移させる。

Ｓ１０２で、信号処理部１０１は、撮像装置１００が撮像可能状態に遷移したかどうかをＲＥＡＤＹ信号１１２により判定する。信号処理部１０１は、ＲＥＡＤＹ信号１１２が活性化し、撮像装置１００が撮像可能状態になったと判断したら放射線撮像を開始する。

Ｓ１０３で信号処理部１０１は同期信号パルスＳＹＮＣを制御部１０９に出力する。制御部１０９は、同期信号パルスＳＹＮＣを受けると図４のタイムチャートに従い撮像パネル１０５の駆動を開始し、Ｓ１０１で設定された蓄積期間Ｔ１の間、照射許可信号１１４を信号処理部１０１に出力する。Ｓ１０４で信号処理部１０１は照射許可信号１１４を判定し、照射許可信号１１４が活性化し照射可能状態になったことを検出すると、Ｓ１０５で蓄積期間Ｔ１の期間に合わせて放射線の照射が行われるように照射制御部１０３に制御信号を出力する。

Ｓ１０６で、制御部１０９は各画素に保持された蓄積信号をフレーム期間内にＡＤ変換し蓄積画像の画素データとして信号処理部１０１に転送する。信号処理部１０１は順次転送されてくる画素データをもとに撮像画像Ｓ１を生成し、記憶部１１５に一時保存する。

次に、Ｓ１０７で制御部１０９は暗電流の蓄積期間Ｔ２で各画素に保持された暗電流信号をフレーム期間内にＡＤ変換し暗画像Ｓ２の画素データとして信号処理部１０１に転送する。信号処理部１０１は順次転送されてくる画素データから、画素位置が一致する撮像画像Ｓ１の画素データを記憶部１１５から読み出し、撮像画像Ｓ１の画素データと暗画像Ｓ２の画素データとを減算しながらフレーム画像を生成する。

Ｓ１０８で生成されたフレーム画像を後工程に転送する。後工程では、転送されてきたフレーム画像に対し、放射線撮像と並行してパイプライン方式でゲイン補正処理、尖鋭化処理などの画像処理を行い、放射線透視撮影などリアルタイムに画像を観察する撮影であれば処理後の画像を表示部１０２に転送し表示する。３Ｄ撮影など複数枚の画像を元に処理を行うための撮影であれば、画像処理後のフレーム画像は記憶部１１５に保存する。

Ｓ１０９で信号処理部１０１は、撮像を終了するかどうかを、不図示の放射線透視スイッチの状態あるいはプログラムされた撮影枚数などをもとに判定する。撮像を継続する場合には、Ｓ１１０でフレーム期間の時間経過を判定する。撮像が終了したと判定した場合は、Ｓ１１１で、現在の撮像モードでの画像生成の終了を伝える制御コマンドを、制御用インターフェース１１０を通して制御部１０９に伝え、撮像の終了処理を行う。

Ｓ１１０ではフレーム期間が経過していないと判定した場合は、再度Ｓ１０９の判定処理を行う。フレーム期間を経過したと判定した場合は、Ｓ１０３から次のフレームの撮像を行う。信号処理部１０１は、撮像終了まで取得した画像の処理を継続する。

図５のフローチャートの例では、Ｓ１０７の処理で撮像画像Ｓ１の画素データから暗画像Ｓ２の画素データの減算処理を信号処理部１０１内で行っているが、当該減算処理を制御部１０９で行ってもよい。この場合は、制御部１０９に撮像画像Ｓ１を一時保存する不図示の記憶部を構成し、フレーム期間に先に読み出す撮像画像Ｓ１を前記記憶部に保存する。そして次に前記記憶部から読み出した撮像画像Ｓ１の画素データから撮像パネル１０５から読み出される暗画像Ｓ２の画素データを減算処理し、当該処理後の画素データを信号処理部１０１に転送する。Ｓ１０７での信号処理部１０１の処理は、転送されてくる画素データに相対する補正用画像の画素データを減算しながらフレーム画像を生成する。

Ｓ１０６で取得した撮像画像Ｓ１には、変換部ＣＰと増幅部ＡＰのオフセットに加え、読出し系のオフセットが重畳されている。また、Ｓ１０７で取得した暗画像Ｓ２にも変換部ＣＰと増幅部ＡＰのオフセットに加え、読出し系のオフセットが重畳されている。Ｓ１０７で蓄積画像Ｓ１から暗画像Ｓ２を減算することにより、互いの画像の読出し系のオフセット成分、および、変換部ＣＰと増幅部ＡＰのオフセット成分を相殺し、ノイズやアーチファクトが良好に抑制されたフレーム画像を生成できる。容量ＣＳ１〜ＣＳ３は転送トランジスタＭ８、Ｍ１１、Ｍ１４により切り離すことができるので、画素信号は次に転送トランジスタＭ８、Ｍ１１、Ｍ１４が導通するまで容量ＣＳ１〜ＣＳ３に保持される。したがって蓄積信号の読出しは信号生成部から影響を受けない。

＜第二実施形態＞
本実施形態と第一実施形態の違いは、１フレーム期間の撮像画像と暗画像の生成順である。第一実施形態では、補正に用いる暗画像を撮像画像の後に撮像するため、放射線の照射開始から実際の撮像まで０．５フレームの遅延が発生してしまう。そこで放射線撮像の前に暗画像を取得する動作について、図６を用いて説明する。本実施形態において撮像装置の構成、画像取得・生成のための駆動方法は第一実施形態と略同一である。具体的な違いとしては、撮像開始前のフレーム期間Ｆ０において、フレーム期間Ｆ０に対応する暗画像を作成する。つまり撮像開始前のフレーム期間Ｆ０において、リセット駆動ＳＲＳＤ２の終了と次のサンプルホールド駆動ＳＲＳＤ１開始までの期間Ｔ２の間に制御部１０９は選択画素を順次切り替える。フレーム期間Ｆ０の期間Ｒで暗画像を生成するためのデジタルデータを取得し、撮像開始前のフレーム期間Ｆ０に対応する暗画像を生成する。

このとき、制御部への放射同期信号ＳＹＮＣが入力されるタイミングは定まっていないため、蓄積された暗電流信号の取得タイミングが蓄積信号の直前にならないことがある。そのため、同期信号が入力されるまでは、フレーム期間Ｆ０を一定周期で繰り返し、蓄積する暗電流信号を更新する。

図７は、第二実施形態の放射線撮像処理の一例を示すフローチャートである。第一実施形態との差分は前述のとおり撮像画像、暗画像の取得・生成順序が逆であることであり、その他の処理は第一実施形態と略同じである。具体的には、Ｓ２０２で信号処理部１０１は、撮像装置１００が撮像可能状態に遷移したかどうかをＲＥＡＤＹ信号１１２により判定する。撮影可能状態の場合は信号処理部１０１から同期信号パルスＳＹＮＣを制御部１０９に出力する前に、Ｓ２０３にて、制御部１０９は各画素に保持された暗電流信号をＡＤ変換し暗画像の画素データとして信号処理部１０１に転送する。信号処理部１０１は順次転送されてくる画素データをもとに暗画像を生成し、記憶部１１５に一時保存する。

次にＳ２０４で信号処理部１０１は同期信号パルスＳＹＮＣを制御部１０９に出力し、Ｓ１０５で蓄積期間Ｔ１の期間に合わせて放射線の照射が行われるように照射制御部１０３に制御信号を出力する。このとき、放射線の同期信号がフレーム期間の半分の時間入力されなかった場合は、暗画像の蓄積が不十分なためにＳ２０３の暗電流信号の蓄積から再スタートする。

その後は第一実施形態と同様に撮像画像Ｓ１の取得を行い、Ｓ２０７で制御部１０９は各画素に保持された蓄積信号をフレーム期間内にＡＤ変換し撮像画像の画素データとして信号処理部１０１に転送する。信号処理部１０１は順次転送されてくる画素データから当該画素データに相対する撮像画像Ｓ１の画素データと前記一時保存された補正用の暗画像Ｓ２の画素データと、を減算しながらフレーム画像を生成する。

Ｓ２１０ではフレーム期間が経過していないと判定した場合は、再度Ｓ１０９の判定処理を行う。フレーム期間を経過したと判定した場合は、Ｓ２０３から次のフレームの撮像を行う。

＜第二実施形態の変形例＞
前述の実施形態では、撮像画像と暗画像の撮像時間が略同じで撮像時間の和がフレーム期間と一致する場合の実施形態を示した。フレーム期間で決まる周期に対して、撮像モードによって画像を蓄積する蓄積時間がフレーム期間の略半分と異なる場合は図８のフローチャートに示すように暗電流の蓄積時間Ｔ２を計算し、次の制御を行う。図８は前述の図５のＳ１０１および、図７のＳ２０２の撮像モード設定の詳細を示したフローチャートである。

Ｓ３０１にて信号処理部１０１はユーザーからのＸ線ウインドウ幅、撮影周期、ゲイン等の撮像モードの入力を受け付ける。

次にＳ３０２にて入力されたＸ線ウインドウ幅、撮影周期の情報から次の設定を行う。
１．蓄積時間（Ｔ１）＜１／２フレーム期間の場合
撮像画像を、暗画像を用いて補正するとき、放射線の照射以外同じ条件であることが望ましい。よって、放射線照射の蓄積時間Ｔ１と暗電流の蓄積時間Ｔ２は同じであることが望ましいため、この場合は、Ｓ３０３にて蓄積期間Ｔ１＝暗電流蓄積期間Ｔ２となるよう、イネーブル信号ＥＮおよびサンプルホールド制御信号ＴＳ２を可変制御する。
２．蓄積時間（Ｔ１）＞１／２フレーム期間の場合
本条件において、暗電流蓄積時間Ｔ２を放射線照射の蓄積時間Ｔ１と同じにすると１フレーム期間を超えてしまうので、同じにすることはできない。このため、Ｓ３０４にて放射線照射の蓄積時間Ｔ１と暗電流の蓄積時間Ｔ２の和がフレーム期間になるように、暗電流の蓄積時間Ｔ２を短く調整する。この場合、暗画像の値の時間特性をテーブルで持っておき、作成した暗画像に対して係数補正を行うことで、放射線照射の蓄積時間に相当する補正画像を作成する。なお、放射線照射による蓄積時間はフレーム期間から転送期間Ｒを引いた時間より長くすることはできないため、少なくとも転送期間Ｒに相当する期間は期間Ｔ２とすることができる。したがって、極端に暗電流の蓄積時間が短くなることはない。

次にＳ３０５にて信号処理部１０１は制御部１０９へ撮像モード設定の制御コマンドを発行する。

＜第三実施形態＞
第一実施形態および第二実施形態においては、画像信号および暗電流信号はそれぞれ制御部へ転送を行い、その都度画像データを生成する形態を示した。この形態においては、蓄積時間Ｔ１が短い場合でもデータの転送時間の制約により、フレームレートを一定以上早めることができない。本実施形態では、データ転送前に蓄積信号と暗電流信号の差分を計算し、転送時間を短縮する構成について示す。

前述の実施形態との違いは、図２（ｂ）で示したＳ１〜３の出力端子Ｅｓ１〜３から信号増幅部１０７の構成である。本実施形態の信号読出部の構成を図９に示す。図２（ｂ）との違いは端子Ｅｓ３と信号増幅部１０７の間と、端子Ｅｓ２と端子Ｅｓ３の間にスイッチＭ５４が追加になる。この構成では、端子Ｅｓ２からの画素信号Ｓ２はスイッチＭ５４を介して非反転入力端子ＡＭＰ＋に入力される。スイッチＭ５２とＭ５３はスイッチＭ５４と排他的に制御され、反転入力端子ＡＭＰ−に撮像信号、非反転入力端子ＡＭＰ＋に暗電流信号が入力されるようにスイッチ制御信号ＴＲＯ１〜４を制御する。これにより信号読み出し部の中で蓄積信号の補正を行うことができる。つまり、図４のフレーム期間Ｆ１における期間Ｔ２で取得した蓄積信号を容量ＣＳ１に保持し、フレーム期間Ｆ２における期間Ｔ１で取得した蓄積信号を容量ＣＳ２に保持する。信号読出部２０において２つの蓄積信号の差分をとる補正を行うことで、データ転送の回数を減らしフレームレートを早めることができる。

ただしこの構成では、補正後の蓄積画像のみ転送されるため、後述する暗画像の平均画像を作成することができなくなる。蓄積時間が長い場合や画質を優先させる場合は、第一または第二実施形態の制御を行い、速度を優先させる場合は第三実施形態の制御となるように使い分けると良い。

これまでの実施形態で示したように、蓄積画像と暗画像とを２セットの信号線を用いた非破壊読み出しによる１フレーム期間内でのフレーム画像を作成する。これによって、フレームレートを低下させることなく好適な蓄積画像の作成が行えるだけでなく、また、これまで必要であった補正用画像取得のためのアイドリングタイムが不要となる。

＜その他実施形態＞
第一〜第三実施形態では、差動で読み出す方法を示したが、読出しは差動でなくシングルエンドで読み出してもよい。また、前述の実施形態では、Ｓ１にて撮像信号、Ｓ２にて暗電流信号を取得する例を示したが、順番を変えてＳ１にて暗電流信号、Ｓ２にて撮像信号でもよく、その場合は実施形態に記載の端子名・信号名を置き換えた動作となる。

さらに、前述の実施形態では、撮像信号、暗電流信号ともに各１セットの信号線での例を示したが、信号線を複数使用し蓄積時間に差を設けることで、高感度信号と低感度信号の両方をサンプルホールドし、ダイナミックレンジ拡張を行うことも可能である。

また、第一実施形態および第二実施形態では各フレーム期間内での蓄積画像と暗画像の差分計算を行う方法を示した。しかし、蓄積画像の補正に用いる暗画像は照射の都度、複数回取得し、それらの移動平均画像を計算により算出し、作成する。このように移動平均画像を更新することによって蓄積画像の補正を行うことで、さらにランダムノイズを低減することができる。

ＳＹＮＣ 同期信号、ＥＮ イネーブル信号、ＰＲＥＳ リセット電圧、ＰＣＬ クランプ信号、ＴＳ１〜ＴＳ３ サンプルホールド制御信号、ＷＩＤＥ 感度切り替え用制御信号、ＣＳ１〜ＣＳ３ 容量、Ｅｓ１〜Ｅｓ３ 端子、ＡＭＰ−、ＡＭＰ＋ 増幅器の入力

Claims (10)

1. 放射線又は光を電荷に変換する変換部と、前記電荷に応じた信号を増幅する増幅部と、前記変換部及び前記増幅部のリセットを行うリセット部と、前記増幅された信号を保持するための第１及び第２の保持部と、をそれぞれ有する複数の画素が二次元に配置されている画素アレイと、
   前記画素アレイを制御する制御部と、を有する撮像装置であって、
   前記制御部は、
   前記リセット部による連続する２回の前記リセットの間に、放射線又は光が照射される第１の期間に前記変換部によって変換された電荷に応じた第１の信号を前記第１の保持部に保持する第１の制御と、
   前記第１の制御とは別に、前記リセット部による連続する２回の前記リセットの間に、放射線又は光が照射されない第２の期間の前記変換部の電荷に応じた第２の信号を前記第２の保持部に保持する第２の制御とを行い、
   前記第１の制御と前記第２の制御とを含む制御が繰り返し行われることを特徴とする撮像装置。
2. 前記画素は、前記変換部と前記増幅部とがリセットされたときの前記変換部の電荷に応じた第３の信号を保持する第３保持部を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記第１の期間と前記第２の期間は等しい、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記制御部は、前記放射線又は光が照射されるタイミングを示す同期信号を検出し、前記同期信号の周期と前記第１の期間の長さに基づいて前記第２の期間の長さを調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
5. 前記第１の信号に基づいて撮像画像を生成し、前記第２の信号に基づいて暗画像を生成し、前記暗画像により前記撮像画像を補正することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記撮像画像の補正は、前記放射線が繰り返して照射されるのに応じて前記暗画像を複数回取得し、前記複数回取得した暗画像から算出される平均の暗画像により前記撮像画像を補正することを含み、
   暗画像を取得する毎に前記平均の暗画像は更新されることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 放射線又は光の照射が開始される前に前記第２の信号を取得することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記制御部により、前記第１の期間に前記第２の保持部から前記第２の信号を読み出し、前記第２の期間に前記第１の保持部から前記第１の信号を読み出すことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 前記制御部により、前記第１の保持部に保持されている前記第１の信号と前記第２の保持部に保持されている前記第２の信号との差分を読み出すことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
10. 放射線を発生する放射線発生装置と、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    を備えることを特徴とする放射線撮像システム。

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