JP2021136553A - 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、高ダイナミックレンジかつ低線量領域におけるリニアリティの低下を抑制するのに有利な技術を提供する。【解決手段】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、感度を切り替え可能な複数の変換部を含み、放射線の照射前に複数の変換部のそれぞれを第１感度または第１感度よりも感度が高い第２感度に設定し、放射線の照射後に複数の画素のそれぞれの画素について、複数の変換部のうち第１感度の変換部から出力された第１信号値が第１閾値よりも小さい場合、複数の変換部のうち第２感度の変換部から出力された第２信号値に基づいて画素値を生成し、第１信号値が第１閾値よりも大きい第２閾値を超える場合、第１信号値に基づいて画素値を生成し、第１信号値が第１閾値以上かつ第２閾値以下の場合、第１信号値および第２信号値に基づいて画素値を生成する。【選択図】図２

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。

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、感度切替用の容量をフォトダイオードの出力ノードにスイッチを介して接続し、スイッチのオン／オフを切り替えることによって、高ダイナミックレンジモードと高感度モードとを切り替えることが示されている。

特開２００２−３４４８０９号公報

放射線画像には、被写体に応じて線量が多い領域と線量が少ない領域とが生じうる。線量が少ない低線量領域では、画素やＡ／Ｄ変換器などで発生する１／ｆノイズなどの影響によって、入射線量に対するＡ／Ｄ変換後の信号値のリニアリティが低下しうる。ダイナミックレンジを拡大するために感度切替用の容量をフォトダイオードの出力ノードに接続した高ダイナミックレンジモードでは、低線量領域の信号値は高感度モードよりも小さくなるため、相対的に１／ｆノイズなどの影響が大きくなってしまう。

本発明は、放射線撮像装置において、高ダイナミックレンジかつ低線量領域におけるリニアリティの低下を抑制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、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、感度を切り替え可能な複数の変換部を含み、放射線の照射前に複数の変換部のそれぞれを第１感度または第１感度よりも感度が高い第２感度に設定する制御部と、放射線の照射後に複数の画素のそれぞれの画素から出力される信号を処理する処理部と、をさらに含み、処理部は、複数の画素のそれぞれの画素について、複数の変換部のうち第１感度の変換部から出力された第１信号値が第１閾値よりも小さい場合、複数の変換部のうち第２感度の変換部から出力された第２信号値に基づいて画素値を生成し、第１信号値が第１閾値よりも大きい第２閾値を超える場合、第１信号値に基づいて画素値を生成し、第１信号値が第１閾値以上かつ第２閾値以下の場合、第１信号値および第２信号値に基づいて画素値を生成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、高ダイナミックレンジかつ低線量領域におけるリニアリティの低下を抑制するのに有利な技術を提供する。

本実施形態に係る放射線撮像装置を含む放射線撮像システムの構成例を示す図。 図１の放射線撮像装置の画素の構成例を示す図。 図１の放射線撮像装置の駆動の制御例を説明するタイミング図。 図１の放射線撮像装置のセンサユニットの構成例を示す図。 図１の放射線撮像装置の読出部の構成例を示す図。 図１の放射線撮像装置の画素値の生成方法を示すフローチャート。 図１の放射線撮像装置の画素の変換素子の配置と感度の設定例を示す図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

また、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。

図１〜７を参照して、本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、本実施形態における放射線撮像装置１５０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、撮像部１００、システム制御部１０１、表示部１０２、照射制御部１０３、放射線源１０４を含む。

撮像部１００は、放射線を用いた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、撮像部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１３０を含む。ここで、本実施形態における放射線撮像装置１５０は、画像データを取得するための撮像部１００と、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１３０と、を含む。

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、撮像部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、撮像部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、撮像部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、放射線画像の撮像の際に、撮像部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１５０の撮像部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。

撮像部１００は、センサパネル１０５、読出部１０６、制御部１０９を含む。読出部１０６は、センサパネル１０５から出力される画像用の信号を読み出す。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撮像部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１２０が配列される。それぞれのセンサユニット１２０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りうる。それぞれのセンサユニット１２０は、被検体の内部情報を示す画像用の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１２０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１２０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１２０は、それぞれのセンサユニット１２０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１２０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１２０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１２０の境界を挟んで、センサユニット１２０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１２０がタイリングされうる。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１２０が２行×７列にわたって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の放射線が照射される入射面の側には、例えば、放射線を光に変換するシンチレータ（不図示）が配される。さらに、センサパネル１０５のそれぞれのセンサユニット１２０に配された画素の変換素子によって、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１０６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からの画像用の信号は、電極を介して読出部１０６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１２０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の信号（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。

撮像部１００は、さらにメモリ１１５を備えていてもよい。メモリ１１５には、放射線撮像装置１５０の撮像部１００を動作させる際のプログラムなどが記憶されていてもよい。また、メモリ１１５には、各種の補正データやパラメータが記憶されていてもよい。

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、撮像部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、撮像部１００から出力される画像用の信号（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、撮像部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、撮像部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の信号を、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、撮像部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。撮像部１００は、撮像部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１３０が撮像部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１３０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１２０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に示されるように、センサユニット１２０に配される複数の画素ＰＩＸのそれぞれは、感度を切り替え可能な複数の変換部２０１を含む。図２に示される構成において、１つの画素ＰＩＸに４つの変換部２０１ａ〜２０１ｄが配されている。以下、変換部２０１のうち特定の変換素子を示す場合は、参照番号の「２０１」の後に「ａ」〜「ｄ」の添え字を行う。また、変換部２０１のうち何れの変換部であってもよい場合は、「変換部２０１」と示す。他の構成に要素についても同様である。

それぞれの変換部２０１は、入射した放射線に応じた信号を生成する変換素子であるフォトダイオードＰＤ（フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４）と、感度を切り替えるための容量Ｃｇ（容量Ｃｇ１〜Ｃｇ４）と、変換素子であるフォトダイオードＰＤの出力ノードと容量Ｃｇとの間に配されたスイッチ（トランジスタＭ１、Ｍ１８、Ｍ２２、Ｍ２６）と、を含む。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、放射線を信号（電荷）に変換する変換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。放射線を信号に変換する変換素子として、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。それぞれの画素ＰＩＸにおいて、変換素子であるフォトダイオードＰＤは、等間隔に配されていてもよい。また、それぞれの変換部２０１には、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Ｃｆｄが配される。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Ｍ２、Ｍ１７、Ｍ２１、Ｍ２５は、容量Ｃｆｄおよび容量Ｃｇに蓄積された電荷を放電させるためのリセット用のスイッチである。トランジスタＭ４、Ｍ２０、Ｍ２４、Ｍ２８は、ソースフォロアとして動作する増幅用トランジスタ（画素アンプ）である。トランジスタＭ３、Ｍ１９、Ｍ２３、Ｍ２７は、トランジスタＭ４、Ｍ２０、Ｍ２４、Ｍ２８をソースフォロアとして動作させ画素アンプとして機能させるための選択用のスイッチである。トランジスタＭ２９、Ｍ３０、Ｍ３１、Ｍ３２は、トランジスタＭ４、Ｍ２０、Ｍ２４、Ｍ２８の出力ノードとクランプ容量Ｃｃｌとの接続を制御するためのスイッチである。

図２に示される構成において、トランジスタＭ４、Ｍ２０、Ｍ２４、Ｍ２８の後段には、変換部２０１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ている。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用トランジスタ（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用のスイッチである。

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の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線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線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、Ｍ１９、Ｍ２３、Ｍ２７、Ｍ６のゲートに接続され、トランジスタＭ４、Ｍ２０、Ｍ２４、Ｍ２７、Ｍ７の動作状態を制御するための制御信号である。信号ＥＮ信号がハイレベルのとき、トランジスタＭ４、Ｍ２０、Ｍ２４、Ｍ２７、Ｍ７は、画素アンプとして動作する動作状態となる。

信号ＰＲＥＳは、トランジスタＭ２、Ｍ１７、Ｍ２１、Ｍ２５のゲートに接続され、トランジスタＭ２、Ｍ１７、Ｍ２１、Ｍ２５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、Ｍ１７、Ｍ２１、Ｍ２５はオン動作し、フォトダイオードＰＤ、容量Ｃｆｄ、容量Ｃｇ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の動作状態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ＷＩＤＥ１〜ＷＩＤＥ４は、トランジスタＭ１、Ｍ１８、Ｍ２２、Ｍ２５のゲートに接続され、トランジスタＭ１、Ｍ１８、Ｍ２２、Ｍ２５の動作状態を制御するための制御信号である。トランジスタＭ１、Ｍ１８、Ｍ２２、Ｍ２５の動作状態を制御することによって、それぞれのフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４の出力ノードに接続される容量値を変化させ、画素ＰＩＸに配される複数の変換部２０１の感度を独立して切り替え可能である。トランジスタＭ１、Ｍ１８、Ｍ２２、Ｍ２５がオフ状態である場合、それぞれの変換部２０１は、トランジスタＭ１、Ｍ１８、Ｍ２２、Ｍ２５がオン動作している場合よりも高い感度で放射線を検出する。例えば、制御部１０９が、変換素子であるフォトダイオードＰＤ１の出力ノードと容量Ｃｇ１との間のスイッチであるトランジスタＭ１をオン動作させることによって、フォトダイオードＰＤ１を含む変換部２０１ａは低感度に設定される。また、制御部１０９が、フォトダイオードＰＤ１の出力ノードと容量Ｃｇ１との間のトランジスタＭ１をオフ動作させることによって、フォトダイオードＰＤ１を含む変換部２０１ａは高感度に設定される。

信号ＳＬ１〜ＳＬ４は、トランジスタＭ２９、Ｍ３０、Ｍ３１、Ｍ３２のゲートに接続され、トランジスタＭ２９、Ｍ３０、Ｍ３１、Ｍ３２の動作状態を制御するための制御信号である。信号ＳＬ１〜ＳＬ４がハイレベルのとき、トランジスタＭ２９、Ｍ３０、Ｍ３１、Ｍ３２がオン動作し、トランジスタＭ４、Ｍ２０、Ｍ２４、Ｍ２８の出力ノードとクランプ容量Ｃｃｌとが接続される。

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に示される画素ＰＩＸにおける、動画を撮像する際の駆動制御の一例を示すタイミング部である。以下、動画像を撮像する際に、容量ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＮに電荷がサンプルホールドされるまでの制御信号のタイミングについて説明する。

まず、時刻ｔ１において、ユーザによってそれぞれの変換部２０１の感度や、蓄積時間など、撮像モードの設定が行われた後、撮像開始の設定がなされる。次いで、時刻ｔ２で、外部同期信号がハイレベルとなったことを検出すると、撮像のための駆動が開始される。

ここで、時刻ｔ２から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、リセットとクランプを行う駆動である。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が検出すると、制御部１０９は、信号ＥＮをハイレベルにし、トランジスタＭ４、Ｍ２０、Ｍ２４、Ｍ２７、Ｍ７を動作状態にする。次に、制御部１０９は、信号ＷＩＤＥ１〜ＷＩＤＥ４、信号ＰＲＥＳをハイレベルにし、トランジスタＭ１、Ｍ１８、Ｍ２２、Ｍ２５をオン動作させた状態でフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４をリセット電圧ＶＲＥＳに接続する。次いで、制御部１０９は、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、制御部１０９は、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、制御部１０９は、信号ＷＩＤＥ１、ＷＩＤＥ３をローレベルにしてトランジスタＭ１、Ｍ２２をオフ状態にし、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ３を含む変換部２０１ａ、２０１ｃを高い感度で放射線の検出するモード切り替える。信号ＷＩＤＥ２、ＷＩＤＥ４は、ハイレベルのままのため、フォトダイオードＰＤ２、ＰＤ４を含む変換部２０１ｂ、２０１ｄは、低い感度（高ダイナミックレンジ）で放射線を検出するモードになる。つまり、制御部１０９は、放射線の照射前に、複数の変換部２０１のそれぞれを低感度のモードまたは低感度のモードよりも感度が高い高感度のモードに設定する。制御部１０９は、さらに信号ＰＲＥＳをローレベルにしてリセット駆動Ｒを終了する。

このとき、容量Ｃｇ１、Ｃｇ３は、上述のようにリセット駆動Ｒにおいて、リセット電圧ＶＲＥＳに接続されるため、リセット電圧ＶＲＥＳに保持され、不定電圧が生じることが抑制される。また、トランジスタＭ５がオフすることによって、容量Ｃｃｌが基準電圧ＶＣＬに保持される。また、トランジスタＭ８、Ｍ１１、Ｍ１４もオフするため、容量ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＮに、基準電圧ＶＣＬにセットされた際の基準電圧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ＰＤ１〜ＰＤ４、フローティングディフュージョンの容量Ｃｆｄ１〜Ｃｆｄ４、感度を切り替えるための容量Ｃｇ２、Ｃｇ４への電荷の蓄積が始まる。つまり、時刻ｔ３から、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、Ｍ２０、Ｍ２４、Ｍ２８、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１５０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１５０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る。画素ＰＩＸのそれぞれの変換部２０１のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４で発生した信号電荷が、それぞれ対応する容量Ｃｆｄ１〜Ｃｆｄ４、Ｃｇ２、Ｃｇ４（およびフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４の寄生容量）に蓄積される。

次に、時刻ｔ４から始まるサンプリング駆動について説明する。時刻ｔ４で、制御部１０９は、信号ＥＮをハイレベルにしトランジスタＭ３、Ｍ１９、Ｍ２３、Ｍ２７、Ｍ６をオン動作させる。容量Ｃｆｄ１、Ｃｆｄ２、Ｃｆｄ３、Ｃｆｄ４、Ｃｇ２、Ｃｇ４に蓄積されている電荷は、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、Ｍ２０、Ｍ２４、Ｍ２７によって電圧として出力される。次に、制御部１０９は、信号ＳＬ１をハイレベルとし、トランジスタＭ２９をオン動作させることによってトランジスタＭ４の出力ノードとクランプの容量Ｃｃｌとが接続される。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の側を基準電圧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、時刻ｔ５で、制御部１０９は、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ＷＩＤＥ１をローレベルとしているため、高い感度で取得された信号である。

次いで、制御部１０９は、時刻ｔ６で曝射許可信号１１４をディセーブルとし、放射線の曝射を停止させる。このとき、制御部１０９は、信号ＴＳ１をローレベルとし、トランジスタＭ８をオフ状態にすることで、容量ＣＳ１に高い感度で取得した光信号がサンプルホールドされる。サンプリングホールド終了後、変換部２０１ａで生成された高感度の光信号ＲＯ１の読出処理が行われる。次いで、制御部１０９は、信号ＳＬ１をローレベルとし、トランジスタＭ４の出力ノードと容量Ｃｃｌとの接続を解除する。

次に、制御部１０９は、信号ＰＣＬをハイレベルとし、トランジスタＭ５をオン動作させることによって、容量ＣｃｌのトランジスタＭ７の側に基準電圧ＶＣＬを接続させる。時刻ｔ７で、制御部１０９は、トランジスタＭ５をオフ状態にすることによって、容量Ｃｃｌが基準電圧ＶＣＬにリセットされる。

時刻ｔ８で、制御部１０９は、信号ＳＬ２をハイレベルとし、トランジスタＭ３０をオン動作させることによって、トランジスタＭ２０の出力ノードとクランプの容量Ｃｃｌとが接続される。トランジスタＭ２０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トランジスタＭ７の側を基準電圧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、時刻ｔ９で、制御部１０９は、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ＣＳ２に一括転送される。このときの光信号は、信号ＷＩＤＥ２をハイレベルとしているため、低い感度で取得された信号である。

次いで、時刻ｔ１０で、制御部１０９は、信号ＴＳ２をローレベルとし、トランジスタＭ１１をオフ状態にすることで、容量ＣＳ２に低い感度で取得した光信号がサンプルホールドされる。次に、制御部１０９は、信号ＳＬ２をローレベルとし、トランジスタＭ２０の出力ノードと容量Ｃｃｌとの接続を解除する。

次に、制御部１０９は、信号ＰＣＬをハイレベルとし、トランジスタＭ５をオン動作させることによって、容量ＣｃｌのトランジスタＭ７の側に基準電圧ＶＣＬを接続させる。時刻ｔ１１で、制御部１０９は、トランジスタＭ５をオフ状態にすることによって、容量Ｃｃｌが基準電圧ＶＣＬにリセットされる。

時刻ｔ１２で、制御部１０９は、信号ＳＬ３をハイレベルとし、トランジスタＭ３１をオン動作させることによって、トランジスタＭ２４の出力ノードとクランプの容量Ｃｃｌとが接続される。トランジスタＭ２４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トランジスタＭ７の側を基準電圧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、時刻ｔ１３で、制御部１０９は、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ＷＩＤＥ３をローレベルとしているため、高い感度で取得された信号である。

次いで、時刻ｔ１４で、制御部１０９は、信号ＴＳ１をローレベルとし、トランジスタＭ８をオフ状態にすることで、容量ＣＳ１に高い感度で取得した光信号がサンプルホールドされる。次に、制御部１０９は、信号ＳＬ３をローレベルとし、トランジスタＭ２４の出力ノードと容量Ｃｃｌとの接続を解除する。

次に、制御部１０９は、信号ＰＣＬをハイレベルとし、トランジスタＭ５をオン動作させることによって、容量ＣｃｌのトランジスタＭ７の側に基準電圧ＶＣＬを接続させる。時刻ｔ１５で、制御部１０９は、トランジスタＭ５をオフ状態にすることによって、容量Ｃｃｌが基準電圧ＶＣＬにリセットされる。

時刻ｔ１６で、制御部１０９は、信号ＳＬ４をハイレベルとし、トランジスタＭ３２をオン動作させることによって、トランジスタＭ２８の出力ノードとクランプの容量Ｃｃｌとが接続される。トランジスタＭ２８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トランジスタＭ７の側を基準電圧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、時刻ｔ１７で、制御部１０９は、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ＣＳ２に一括転送される。このときの光信号は、信号ＷＩＤＥ４をハイレベルとしているため、低い感度で取得された信号である。

次いで、時刻ｔ１８で、制御部１０９は、信号ＴＳ２をローレベルとし、トランジスタＭ１１をオフ状態にすることで、容量ＣＳ２に低い感度で取得した光信号がサンプルホールドされる。次に、制御部１０９は、信号ＳＬ４をローレベルとし、トランジスタＭ２８の出力ノードと容量Ｃｃｌとの接続を解除する。さらに、制御部１０９は、信号ＥＮをローレベルとし、サンプリング駆動を終了する。

サンプリング駆動は、放射線撮像装置１５０の撮像部１００に配されたすべての画素ＰＩＸに対して一括して行う。後に続くサンプリング駆動も、同様のタイミングで制御される。サンプリング駆動の後、外部同期信号がハイレベルとなることを制御部１０９が検出すると、時刻ｔ２１からリセット駆動Ｒが行われ、次のフレームの変換部２０１における電荷の蓄積が開始される。

変換部２０１において異なる感度で生成された光信号や基準電圧信号の走査は、画素ＰＩＸごとに行われる。制御部１０９は、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、画素アンプを構成するトランジスタＭ１０、Ｍ１３、Ｍ１６を通して、光信号出力線Ｓ１、Ｓ２、基準電圧信号出力線Ｎに転送される。

図２の画素回路において、変換部２０１において電荷を蓄積する際の開始のタイミングは、図３に示すリセット駆動Ｒの終了後に信号ＰＣＬをローレベルにしてクランプが完了した時刻ｔ３である。また、電荷の蓄積の終了のタイミングは、信号ＴＳ１がローレベルになり、曝射許可信号１１４がディセーブルし、変換部２０１ａから出力される光信号１をサンプルホールドした時刻ｔ６である。

時刻ｔ７で、フォトダイオードＰＤ１を含む変換部２０１ａから出力された高感度の光信号ＲＯ１の読出処理が行われる。光信号ＲＯ１の読出処理が終了すると、時刻ｔ１１から、フォトダイオードＰＤ２を含む変換部２０１ｂから出力された低感度の光信号ＲＯ２の読出処理が行われる。次いで、光信号ＲＯ２の読出処理が終了すると、時刻ｔ１５から、フォトダイオードＰＤ３を含む変換部２０１ｃから出力された高感度の光信号ＲＯ３の読出処理が行われる。さらに、光信号ＲＯ３の読出処理が終了すると、時刻ｔ１９から、フォトダイオードＰＤ４を含む変換部２０１ｄから出力された低感度の光信号ＲＯ４の読出処理が行われる。

光信号ＲＯ４の読み出しが終了すると、時刻ｔ２０で、制御部１０９は、制御用インタフェース１１０を介して、システム制御部１０１の処理部１３０に対して、それぞれの光信号ＲＯ１〜ＲＯ４に対する処理の開始を指示する信号を送信する。この信号に応じて、処理部１３０は、撮像部１００のセンサパネル１０５に配された複数の画素ＰＩＸのそれぞれの画素ＰＩＸについて、画素値を生成する処理を開始する。処理部１３０における処理については、図６を用いて後述する。

図４は、センサユニット１２０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１２０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１２０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１２０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から出力される基準信号から光信号を減算する差動アンプ１０７および差動アンプ１０７の出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１０８を含む読出部１０６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部１０９によって制御される。

例えば、それぞれの画素ＰＩＸの容量ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＮにサンプルホールドされた光信号（以下、容量ＣＳ１にサンプルホールドされた光信号を光信号１、容量ＣＳ２にサンプルホールドされた光信号を光信号２と示す場合がある。）、基準信号は、同時に出力される場合でも、まず、制御部１０９は、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）までの光信号１および基準信号が読み出される。次いで、制御部１０９は、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（ｎ、ｍ）までの光信号２および基準信号が読み出されてもよい。

また、例えば、まず、制御部１０９は、信号ＳＷ１をハイレベル、信号ＳＷ２をローレベルに制御し、画素ＰＩＸ（１、１）から順に画素ＰＩＸ（ｎ、１）までの光信号１および基準信号を読み出す。次いで、制御部１０９は、信号ＳＷ１をローレベル、信号ＳＷ２をハイレベルに制御して、ＰＩＸ（１、１）から順に画素ＰＩＸ（ｎ、１）までの光信号２および基準信号を読み出す。次に、制御部１０９は、垂直走査回路４０３に垂直走査クロックＣＬＫＶを供給させ、副走査方向に１つ走査することによって、画素ＰＩＸ（１、２）から順に画素ＰＩＸ（ｎ、２）を選択する。再度、制御部１０９は、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）までの光信号１および基準信号を読み出す。次いで、制御部１０９は、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）までの光信号２および基準信号を読み出す。このように、制御部１０９は、行単位で信号ＳＷ１、ＳＷ２を制御し、画素ＰＩＸ（１、１）から順に画素ＰＩＸ（ｎ、ｍ）まで、光信号および基準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１２０ごとに制御部１０９に出力する。

次に、高いダイナミックレンジを確保しつつ、低線量領域における入射線量に対するＡ／Ｄ変換後の信号値のリニアリティの低下を抑制する処理部１３０の処理について説明する。制御部１０９に送信された光信号ＡＤＯＵＴは、読出部１０６で読み出された順番で、画像データインタフェース１１１を介してシステム制御部１０１の処理部１３０に送信され、リニアリティを改善のための処理が行われる。図６は、放射線の照射後に、それぞれの画素ＰＩＸごとに変換部２０１で得られた信号に対して行われる、リニアリティを改善するための処理を説明するフロー図である。

処理部１３０には、上述のように変換部２０１において高感度および低感度で取得した光信号ＲＯ１〜ＲＯ４に対して、基準信号を用いた補正およびＡ／Ｄ変換した信号ＲＯ１’〜ＲＯ４’を制御部１０９から受信する。信号ＲＯ１’〜ＲＯ４’は、上述の光信号ＡＤＯＵＴに対応する。さらに、上述のように、制御部１０９から処理の開始を指示する信号を受信することによって、処理部１３０は、撮像部１００のセンサパネル１０５に配された複数の画素ＰＩＸのそれぞれの画素ＰＩＸについて画素値を生成する処理を開始する。

まず、センサパネル１０５やそれぞれのセンサユニット１２０ごとの特性を補正するために、処理部１３０は、オフセット補正（Ｓ１２１）、感度補正（Ｓ１２２）、欠陥補正（Ｓ１２３）を行う。このとき、それぞれの画素ＰＩＸが出力した信号の信号値と周辺の画素ＰＩＸが出力した信号の信号値との相関関係が保たれた状態である。

次に、Ｓ１２４において、処理部１３０は、センサパネル１０５における画素ＰＩＸの位置を表す座標（ａ、ｂ）を座標（１、１）に初期化（変数ａ＝１、変数ｂ＝１）する。ここで、座標（ａ、ｂ）の画素ＰＩＸのフォトダイオードＰＤ１を含む変換部２０１ａから出力された信号値を信号値Ｐ１ａｂとする。同様に、座標（ａ、ｂ）の画素ＰＩＸのフォトダイオードＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４を含む変換部２０１ｂ〜２０１ｄから出力された信号値をそれぞれ信号値Ｐ２ａｂ、Ｐ３ａｂ、Ｐ４ａｂとする。また、座標（ａ、ｂ）の画素ＰＩＸの低感度の変換部２０１から出力された光信号ＲＯに対応する信号ＲＯ’の信号値を信号値ＰＬａｂとする。同様に、座標（ａ、ｂ）の画素ＰＩＸの高感度の変換部２０１から出力された光信号ＲＯに対応する信号ＲＯ’の信号値を信号値ＰＨａｂとする。

Ｓ１２４で画素ＰＩＸの座標の初期化を行った後、処理はＳ１２５に遷移する。Ｓ１２５において、処理部１３０は、信号値ＰＬａｂを生成する。座標（ａ，ｂ）の画素ＰＩＸに配された複数の変換部２０１のうち低感度で光信号を生成した変換部２０１が１つの場合、処理部１３０は、この変換部２０１が出力した光信号ＲＯに対応する信号ＲＯ’の信号値を信号値ＰＬａｂとしてもよい。また、座標（ａ、ｂ）の画素ＰＩＸに配された複数の変換部２０１のうち２つ以上の変換部２０１が低感度に設定されている場合、信号値ＰＬａｂは、低感度の２つ以上の変換部２０１から出力された光信号ＲＯに対応する信号ＲＯ’の信号値の平均値であってもよい。例えば、上述のように、フォトダイオードＰＤ２を含む変換部２０１ｂとフォトダイオードＰＤ４を含む変換部２０１ｄとが、低感度に設定されている場合、処理部１３０は、信号ＲＯ２’と信号ＲＯ４’との信号値の平均値を信号値ＰＬａｂとして生成する。この場合、以下の式（１）を用いて信号値ＰＬａｂが生成される。
ＰＬａｂ＝（Ｐ２ａｂ＋Ｐ４ａｂ）／２・・・（１）

信号値ＰＬａｂを生成した後、処理部１３０は、信号値ＰＨａｂを生成する（Ｓ１２６）。座標（ａ、ｂ）の画素ＰＩＸに配された複数の変換部２０１のうち高感度で光信号を生成した変換部２０１が１つの場合、処理部１３０は、この変換部２０１が出力した光信号ＲＯに対応する信号ＲＯ’の信号値を１／Ｇ倍して信号値ＰＨａｂとしてもよい。ここでＧは、変換部２０１における高感度と低感度との感度比である。また、座標（ａ、ｂ）の画素ＰＩＸに配された複数の変換部２０１のうち２つ以上の変換部２０１が高感度に設定されている場合、信号値ＰＨａｂは、高感度の２つ以上の変換部２０１から出力された光信号ＲＯに対応する信号ＲＯ’の信号値の平均値を１／Ｇ倍した値であってもよい。例えば、上述のように、フォトダイオードＰＤ１を含む変換部２０１ａとフォトダイオードＰＤ３を含む変換部２０１ｃとが、高感度に設定されている場合、処理部１３０は、信号ＲＯ１’と信号ＲＯ３’との信号値の平均値を１／Ｇ倍して信号値ＰＨａｂとして生成する。この場合、以下の式（２）を用いて信号値ＰＨａｂが生成される。
ＰＨａｂ＝（Ｐ１ａｂ＋Ｐ３ａｂ）／（２×Ｇ）・・・（２）

信号値ＰＨａｂを生成した後、処理はＳ１２７に遷移し、低感度の変換部２０１から出力された信号に基づく信号値ＰＬａｂの大きさに応じて、処理部１３０は、座標（ａ、ｂ）の画素ＰＩＸの画素値Ｐａｂの生成方法の選択を行う。本実施形態において、２つの閾値が設定される。ここで、２つの閾値を、閾値ＴｈＬと、閾値ＴｈＬよりも大きい閾値ＴｈＨ（ＴｈＨ＞ＴｈＬ）とする。ここで、上述のＡ／Ｄ変換器１０８でＡ／Ｄ変換された光信号ＡＤＯＵＴが１６ビットであり、閾値ＴｈＬが３０００ＬＳＢ、閾値ＴｈＨが４０００ＬＳＢであるとして説明する。

信号値ＰＬａｂが閾値ＴｈＬである３０００ＬＳＢ未満の場合、処理部１３０は、信号値ＰＨａｂを座標（ａ、ｂ）の画素ＰＩＸの画素値Ｐａｂとする（Ｓ１２８）。つまり、処理部１３０は、複数の変換部２０１のうち低感度の変換部２０１から出力された信号に応じた信号値ＰＬａｂが閾値ＴｈＬよりも小さい場合、複数の変換部２０１のうち高感度の変換部２０１から出力された信号に応じた信号値ＰＨａｂに基づいて当該画素の画素値Ｐａｂを生成する。

また、信号値ＰＬａｂが閾値ＴｈＨである４０００ＬＳＢよりも大きい場合、処理部１３０は、信号値ＰＬａｂを座標（ａ、ｂ）の画素ＰＩＸの画素値Ｐａｂとする（Ｓ１２９）。つまり、処理部１３０は、複数の変換部２０１のうち低感度の変換部２０１から出力された信号に応じた信号値ＰＬａｂが閾値ＴｈＬよりも大きい閾値ＴｈＨを超える場合、複数の変換部２０１のうち低感度の変換部２０１から出力された信号に応じた信号値ＰＬａｂに基づいて当該画素の画素値Ｐａｂを生成する。

さらに、画素値ＰＬａｂが閾値ＴｈＬ以上（第１閾値以上）かつ閾値ＴｈＨ以下（第２閾値以下）である３０００ＬＳＢ以上かつ４０００ＬＳＢ以下の場合、処理部１３０は、信号値ＰＬａｂおよび信号値ＰＨａｂに基づいて当該画素の画素値Ｐａｂを生成する。このとき、処理部１３０は、信号値ＰＬａｂおよび信号値ＰＨａｂの加重平均値に基づいて当該画素の画素値Ｐａｂを生成してもよい。具体的には、画素値ＰＬａｂが閾値ＴｈＬ以上かつ閾値ＴｈＨ以下である場合、まず、処理部１３０は、所定の重み付け係数ｋを生成する（Ｓ１３０）。このとき、例えば、以下の式（３）を用いて計数ｋを求めてもよい。
ｋ＝（ＰＬａｂ−ＴｈＬ）／（ＴｈＨ−ＴｈＬ）・・・（３）

次いで、処理部１３０は、以下の式（４）を用いて座標（ａ、ｂ）の画素ＰＩＸの画素値Ｐａｂを生成する（Ｓ１３１）。
Ｐａｂ＝（１−ｋ）×ＰＨａｂ＋ｋ×ＰＬａｂ・・・（４）

これによって、信号値ＰＬａｂと信号値ＰＨａｂとを所定の重みづけで合成した画素値Ｐａｂが生成される。結果として、低感度に設定された変換部２０１から出力された信号から生成された画素値による画像と、高感度に設定された変換部２０１から出力された信号から生成された画素値による画像と、の境界を滑らかにすることができる。

１つの画素ＰＩＸの画素値を生成すると、処理部１３０は、画素ＰＩＸの位置を表す座標の変数ａに１を足す（Ｓ１３２）。次いで、変数ａの値が最大値Ｎよりも小さい場合（Ｓ１３３のＹＥＳ）、処理はＳ１２５に戻り、次の画素ＰＩＸの画素値Ｐａｂの生成を開始する。ここで最大値Ｎは、例えば、図１、４に示される構成において、ｎである。変数ａの値が最大値Ｎ以上の場合（Ｓ１３３のＮＯ）、処理はＳ１３４に進み、変数ａを１に戻し、変数ｂに１を足し、画素ＰＩＸの行を変更する。変数ｂの値が最大値Ｍよりも小さい場合（Ｓ１３５のＹＥＳ）、処理はＳ１２５に戻り、次の行の先頭の画素位置の画素ＰＩＸの画素値Ｐａｂの生成を開始する。ここで最大値Ｍは、例えば、図１、４に示される構成において、ｍである。変数ｂの値が最大値Ｍ以上の場合（Ｓ１３５のＮＯ）、処理部１３０は、撮像部１００のセンサパネル１０５のセンサユニット１２０に配された複数の画素ＰＩＸのそれぞれの画素ＰＩＸの画素値を生成する処理を終了する。

例えば、Ｐ１ａｂ＝１８２００ＬＳＢ、Ｐ２ａｂ＝３７００ＬＳＢ、Ｐ３ａｂ＝１７５００ＬＳＢ、Ｐ４ａｂ＝３６００ＬＳＢ、感度比Ｇ＝５とすると、
ＰＬａｂ＝（Ｐ２ａｂ＋Ｐ４ａｂ）／２＝（３７００＋３５００）／２＝３６００ＬＳＢ
ＰＨａｂ＝（Ｐ１ａｂ＋Ｐ３ａｂ）／（２×Ｇ）＝（１８２００＋１７５００）／（２×５）＝３５７０ＬＳＢ
となる。この場合、処理部１３０は、Ｓ１２７でＰＬａｂが閾値ＴｈＬ（３０００ＬＳＢ）よりも大きく、閾値ＴｈＨ（４０００ＬＳＢ）よりも小さいと判定し、処理は、Ｓ１３０に進む。処理部１３０は、Ｓ１３０で係数ｋを算出し、この場合、
ｋ＝（ＰＬａｂ−ＴｈＬ）／（ＴｈＨ−ＴｈＬ）＝（３６００−３０００）／（４０００−３０００）＝０．６
となる。次いで、処理部１３０は、Ｓ１３１で画素値Ｐａｂを、
Ｐａｂ＝（１−ｋ）×Ｐｈａｂ＋ｋ×ＰＬａｂ＝（１−０．６）×３５７０＋０．６×３６００＝３５８８ＬＳＢ
として算出する。

高ダイナミックレンジを実現するために、変換部２０１を低感度に設定した場合、センサパネル１０５のうち入射する放射線の線量が少ない領域の変換部２０１から出力された信号の信号値は、高感度に設定した場合と比較して相対的に小さい。このため、１／ｆノイズなどの影響が大きくなり、入射線量に対するＡ／Ｄ変換後の信号値のリニアリティが低下しうる。これに対して、本実施形態の放射線撮像装置１５０は、１つの画素値を生成するための画素ＰＩＸが、複数の変換部２０１を含み、撮像を行う際に、それぞれの変換部２０１は、高感度または低感度に設定される。さらに、低感度に設定した変換部２０１から出力される信号に応じた信号値が、所定の閾値よりも小さい場合には、高感度に設定した変換部２０１から出力される信号に応じた信号値に基づいて、画素値が生成される。これによって、放射線撮像装置１５０において、高ダイナミックレンジかつ低線量領域におけるリニアリティの低下を抑制することが可能となる。

図７（ａ）〜７（ｆ）は、１つの画素ＰＩＸに含まれる複数の変換部２０１の配置および感度の設定例を示す。図７（ａ）〜７（ｆ）には、２行×２列の４つの変換部２０１によって、１つの画素ＰＩＸが構成されている例が示されている。変換部２０１のうち高感度に設定されている変換部２０１は「Ｈｉｇｈ」と示され、変換部２０１のうち低感度に設定されている変換部２０１は「Ｌｏｗ」と示されている。

図７（ａ）は、上述の実施形態において説明した感度の設定であり、フォトダイオードＰＤ１、ＰＤ３を含む変換部２０１ａ、２０１ｃが高感度に設定され、フォトダイオードＰＤ２、ＰＤ４を含む変換部２０１ｂ、２０１ｄが低感度に設定されている。しかしながら、これに限られることはない。例えば、図７（ｂ）に示されるように、変換部２０１ａ、２０１ｃが低感度に設定され、変換部２０１ｂ、２０１ｄが高感度に設定された場合であっても、図７（ａ）に示される設定と同様の効果が得られる。

また、制御部１０９は、複数の変換部２０１のうち低感度の変換部２０１の数と、複数の変換部２０１のうち高感度の変換部２０１の数と、が等しくなるように、複数の変換部２０１のそれぞれの感度を設定することに限られることはない。放射線の線量が少ない撮像の場合、制御部１０９は、複数の変換部２０１のうち高感度の変換部２０１の数が低感度の変換部２０１の数よりも多くなるように、複数の変換部２０１のそれぞれの感度を設定してもよい。例えば、図７（ｃ）に示されるように、変換部２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｄが高感度に設定され、変換部２０１ｃが低感度に設定されていてもよい。この場合、図６のＳ１２５において、式（１）を、
ＰＬａｂ＝Ｐ３ａｂ・・・（１’）
Ｓ１２６において、式（２）を、
ＰＨａｂ＝（Ｐ１ａｂ＋Ｐ２ａｂ＋Ｐ４ａｂ）／（３×Ｇ）・・・（２’）
とすればよい。線量が少ない撮像が設定された場合において、高感度の変換部２０１に応じた信号値ＰＨａｂが３個の変換部２０１から出力された信号値の平均となるため、ノイズをさらに低減することができ、画質をさらに向上させることができる。

また、放射線の線量が多い撮像の場合、制御部１０９は、複数の変換部２０１のうち低感度の変換部２０１の数が高感度の変換部２０１の数よりも多くなるように、複数の変換部２０１のそれぞれの感度を設定してもよい。例えば、図７（ｄ）に示されるように、変換部２０１ａが高感度に設定され、変換部２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄが低感度に設定されていてもよい。この場合、図６のＳ１２５において、式（１）を、
ＰＬａｂ＝（Ｐ２ａｂ＋Ｐ３ａｂ＋Ｐ４ａｂ）／３・・・（１’’）
Ｓ１２６において式（２）を、
ＰＨａｂ＝Ｐ１ａｂ／Ｇ・・・（２’’）
とすればよい。線量が多い撮像が設定された場合において、低感度の変換部２０１に応じた信号値ＰＨａｂが３個の変換部２０１から出力された信号値の平均となるため、信号値が飽和してしまう影響を抑制することができ、画質をさらに向上させることができる。

さらに、本実施形態において、変換部２０１の感度を切り替えるためのスイッチとしてトランジスタＭ１、Ｍ１８、Ｍ２２、Ｍ２６と容量Ｃｇとを変換部２０１に配し、感度を２段階に切り替えて、低線量領域のリニアリティを改善するようにした。しかしながら、図７（ｅ）、７（ｆ）に示されるように、入射する放射線の線量の設定に応じて、変換部２０１の感度をすべて同じ感度として撮像することによって、高感度または低感度の高解像度な画像を取得することも可能である。この場合、図６に示される処理は行わない。つまり、制御部１０９が、複数の変換部２０１を低感度または高感度の一方に設定した場合、処理部１３０は、複数の画素ＰＩＸのそれぞれの画素ＰＩＸについて、複数の変換部２０１のそれぞれから出力される信号値に基づいて当該画素の画素値を生成する。例えば、画素ＰＩＸのピッチを１００μｍとすると、１つの画素に対して４つのフォトダイオードが配される、５０μｍ相当の解像度の画像を取得することが可能である。

また、図７（ｇ）に示されるように、複数の画素ＰＩＸのそれぞれにおいて、複数の変換部２０１のうち低感度に設定されている変換部２０１の数が同じであり、複数の変換部２０１のうち高感度に設定されている変換部２０１の数が同じであってもよい。このとき、図７（ｇ）に示されるように、複数の画素ＰＩＸのそれぞれにおいて、複数の変換部２０１のうち低感度に設定されている変換部２０１と、複数の変換部２０１のうち高感度に設定されている変換部２０１と、の位置関係が同じであってもよい。それぞれの画素ＰＩＸにおいて、設定される感度の位置関係が同じ場合、信号ＷＩＤＥ１〜ＷＩＤＥ４を供給するための配線パターンの設計が容易になりうる。

図６の説明において、処理部１３０が画素値Ｐａｂを生成する際の閾値ＴｈＬ、ＴｈＨは固定としたが、閾値ＴｈＬ、ＴｈＨは、可変であってもよい。例えば、上述のように放射線撮像装置１５０の撮像部１００がメモリ１１５を備えている場合、メモリ１１５が、ユーザが設定する放射線の照射条件に応じた閾値ＴｈＬおよび閾値ＴｈＨを記憶していてもよい。ここで、放射線の照射条件は、放射線の照射中に照射される線量や蓄積時間などの条件を含みうる。処理部１３０は、閾値ＴｈＬおよび閾値ＴｈＨを照射条件に応じて変更する。この場合、例えば、制御部１０９が、ユーザが設定する照射条件に応じて、メモリ１１５に記憶されている閾値ＴｈＬ、ＴｈＨを、処理部１３０に送信すればよい。

また、例えば、メモリ１１５に、低感度における複数の変換部２０１の入射した放射線の線量と出力される信号値との関係であるリニアリティに応じた閾値ＴｈＬおよび閾値ＴｈＨが記憶されていてもよい。この場合、処理部１３０は、閾値ＴｈＬおよび閾値ＴｈＨを、撮像の前などにおいて予め測定された入射した放射線の線量と出力される信号値との関係であるリニアリティに応じて変更してもよい。また、上述の放射線の照射条件と組み合わせて、処理部１３０は、閾値ＴｈＬおよび閾値ＴｈＨを変更してもよい。つまり、処理部１３０は、照射条件と入射した放射線の線量と出力される信号値との関係（リニアリティ）との少なくとも一方に応じて、閾値ＴｈＬおよび閾値ＴｈＨを変更してもよい。

また、本実施形態において、処理部１３０は、撮像部１００の外部に配されているが、上述したように、撮像部１００内に配されていてもよいし、処理部１３０における処理を制御部１０９で行ってもよい。さらに、本実施形態では、光信号用の２つのサンプルホールド回路と基準信号用の１つのサンプルホールド回路を備える形態を示したが、画素ＰＩＸに２つ以上のサンプルホールド回路が配されれば、上述の処理を適用可能である。

また、本実施形態では、感度を低感度と高感度の２段階に切り替えたが、さらに追加の容量と、フォトダイオードＰＤの出力ノードと追加の容量との間にスイッチと、を配し、３段階以上に感度を切り替えてもよい。例えば、感度を低感度、中感度、高感度の３段階に切り替える場合も適用可能である。この場合、例えば、感度の組み合わせとして、低感度と高感度との組み合わせだけでなく、低感度および中感度、中感度および高感度の組み合わせとして適用が可能である。

本発明は、上記の実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）をネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、システム又は装置のコンピュータ（ＣＰＵやＭＰＵなど）がプログラムを読み出すことにより実行されてもよい。また、本発明は、システム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能であり、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１０９：制御部、１３０：処理部、１５０：放射線撮像装置、２０１：変換部、ＰＩＸ：画素

Claims (18)

1. 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、感度を切り替え可能な複数の変換部を含み、
   放射線の照射前に前記複数の変換部のそれぞれを第１感度または前記第１感度よりも感度が高い第２感度に設定する制御部と、放射線の照射後に前記複数の画素のそれぞれの画素から出力される信号を処理する処理部と、をさらに含み、
   前記処理部は、前記複数の画素のそれぞれの画素について、
   前記複数の変換部のうち前記第１感度の変換部から出力された第１信号値が第１閾値よりも小さい場合、前記複数の変換部のうち前記第２感度の変換部から出力された第２信号値に基づいて画素値を生成し、
   前記第１信号値が前記第１閾値よりも大きい第２閾値を超える場合、前記第１信号値に基づいて画素値を生成し、
   前記第１信号値が前記第１閾値以上かつ前記第２閾値以下の場合、前記第１信号値および前記第２信号値に基づいて画素値を生成することを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記処理部は、前記複数の画素のそれぞれの画素について、前記第１信号値が前記第１閾値以上かつ前記第２閾値以下の場合、前記第１信号値および前記第２信号値の加重平均値に基づいて画素値を生成することを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
3. 前記複数の変換部のうち２つ以上の変換部が前記第１感度に設定されている場合、前記第１信号値は、前記複数の変換部のうち前記第１感度の２つ以上の変換部から出力された信号の信号値の平均値であることを特徴とする請求項１または２に記載の放射線撮像装置。
4. 前記複数の変換部のうち２つ以上の変換部が前記第２感度に設定されている場合、前記第２信号値は、前記複数の変換部のうち前記第２感度の２つ以上の変換部から出力された信号の信号値の平均値であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
5. 前記制御部は、前記複数の変換部のうち前記第１感度の変換部の数と、前記複数の変換部のうち前記第２感度の変換部の数と、が等しくなるように、前記複数の変換部のそれぞれの感度を設定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. 前記制御部は、前記複数の変換部のうち前記第１感度の変換部の数が前記複数の変換部のうち前記第２感度の変換部の数よりも多くなるように、前記複数の変換部のそれぞれの感度を設定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。
7. 前記制御部は、前記複数の変換部のうち前記第２感度の変換部の数が前記複数の変換部のうち前記第１感度の変換部の数よりも多くなるように、前記複数の変換部のそれぞれの感度を設定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。
8. 前記複数の変換部のそれぞれは、入射した放射線に応じた信号を生成する変換素子と、感度を切り替えるための容量と、前記変換素子の出力ノードと前記容量との間に配されたスイッチと、を含み、
   前記制御部が前記スイッチをオン動作させることによって前記第１感度に設定され、
   前記制御部が前記スイッチをオフ動作させることによって前記第２感度に設定されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
9. 前記放射線撮像装置は、ユーザが設定する放射線の照射条件に応じた前記第１閾値および前記第２閾値を記憶したメモリをさらに含み、
   前記処理部は、前記第１閾値および前記第２閾値を前記照射条件に応じて変更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. 前記照射条件が、放射線の照射中に照射される線量および蓄積時間の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項９に記載の放射線撮像装置。
11. 前記放射線撮像装置は、前記第１感度における前記複数の変換部の入射した放射線の線量と出力される信号値との関係に応じた前記第１閾値および前記第２閾値を記憶したメモリをさらに含み、
    前記処理部は、予め測定された前記関係に応じて前記第１閾値および前記第２閾値を変更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。
12. 前記メモリに、前記第１感度における前記複数の変換部の入射した放射線の線量と出力される信号値との関係に応じた前記第１閾値および前記第２閾値がさらに記憶されており、
    前記処理部は、前記第１閾値および前記第２閾値を前記照射条件および前記関係の少なくとも一方に応じて変更することを特徴とする請求項９または１０に記載の放射線撮像装置。
13. 前記制御部が、前記複数の変換部を前記第１感度または前記第２感度の一方に設定した場合、
    前記処理部は、前記複数の画素のそれぞれの画素について、前記複数の変換部のそれぞれから出力される信号値に基づいて画素値を生成することを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
14. 前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記複数の変換部のうち前記第１感度に設定されている変換部の数が同じであり、かつ、前記複数の変換部のうち前記第２感度に設定されている変換部の数が同じであることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
15. 前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記複数の変換部のうち前記第１感度に設定されている変換部と、前記複数の変換部のうち前記第２感度に設定されている変換部と、の位置関係が同じであることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の放射線撮像装置。
16. 請求項１乃至１５の何れか１項に記載の放射線撮像装置と、
    前記放射線撮像装置に放射線を照射する放射線発生装置と、
    を備えることを特徴とする放射線撮像システム。
17. 複数の画素を含む放射線撮像装置の駆動方法であって、
    前記複数の画素のそれぞれは、入射した放射線に応じた信号を生成する際の感度を切り替え可能な複数の変換部を含み、
    放射線の照射前に前記複数の変換部のそれぞれを第１感度または前記第１感度よりも感度が高い第２感度に設定する第１工程と、放射線の照射後に前記複数の画素のそれぞれの画素から出力される信号を処理する第２工程と、を含み、
    前記第２工程において、前記複数の画素のそれぞれの画素について、
    前記複数の変換部のうち前記第１感度の変換部から出力された第１信号値が第１閾値よりも小さい場合、前記複数の変換部のうち前記第２感度の変換部から出力された第２信号値に基づいて画素値を生成し、
    前記第１信号値が前記第１閾値よりも大きい第２閾値を超える場合、前記第１信号値に基づいて画素値を生成し、
    前記第１信号値が前記第１閾値以上かつ前記第２閾値以下の場合、前記第１信号値および前記第２信号値に基づいて画素値を生成することを特徴とする駆動方法。
18. コンピュータに、請求項１７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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