JP2021193759A - 固体撮像装置、放射線検出器及び放射線計測システム - Google Patents
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Abstract
【課題】フレームレートを上げることを可能にする。
【解決手段】実施形態に係る固体撮像装置は、光電変換素子と、転送トランジスタと、リセットトランジスタと、増幅トランジスタと、垂直信号線に現れたアナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する変換回路と、前記リセットトランジスタのゲートに接続された第１信号線と、前記転送トランジスタのゲートに接続された第２信号線と、前記リセットトランジスタに電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットパルスを前記第１信号線に出力し、前記転送トランジスタに前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送させる転送パルスを前記第２信号線に出力する駆動回路とを備え、前記駆動回路は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力した後、２回以上連続して、前記転送パルスを前記第２信号線へ出力する。
【選択図】図４
【解決手段】実施形態に係る固体撮像装置は、光電変換素子と、転送トランジスタと、リセットトランジスタと、増幅トランジスタと、垂直信号線に現れたアナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する変換回路と、前記リセットトランジスタのゲートに接続された第１信号線と、前記転送トランジスタのゲートに接続された第２信号線と、前記リセットトランジスタに電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットパルスを前記第１信号線に出力し、前記転送トランジスタに前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送させる転送パルスを前記第２信号線に出力する駆動回路とを備え、前記駆動回路は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力した後、２回以上連続して、前記転送パルスを前記第２信号線へ出力する。
【選択図】図４
Description
本開示は、固体撮像装置、放射線検出器及び放射線計測システムに関する。
検出器に入射された放射線の線量を、入射光子単位で個々のエネルギー分別を行いつつカウントする放射線計数（フォトンカウント）は、線量計やガンマカメラ等、様々な分野に応用されている。その代表的な一例は、サーベイメータに代表される広義の線量計である。検出器としては通常、シンチレータおよび光電子増倍管が使用され、その検出器に入射した放射線のエネルギーと個数が計数される。また、近年では、光電子像倍管の代わりに、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像装置を利用した放射線検出器が開発されている。
ここで、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の固体撮像装置を利用した放射線検出器の利便性を向上させるためには、フレームレートの高速化が重要となる。しかしながら、従来に係るＣＭＯＳ型の固体撮像装置では、ノイズ除去を目的としたＣＤＳ（Correlated Double Sampling）処理のために、一回の読出しで２回のサンプリングを行なう必要があるため、フレームレートを上げることが困難であった。
そこで本開示では、フレームレートを上げることが可能な固体撮像装置、放射線検出器及び放射線計測システムを提案する。
上記の課題を解決するために、本開示に係る一形態の固体撮像装置は、入射した光子を電荷に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子で発生した電荷を電荷蓄積部に転送する転送トランジスタと、前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットトランジスタと、前記電荷蓄積部の電荷量に応じた電圧値の電圧を垂直信号線に出現させる増幅トランジスタと、前記垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する変換回路と、前記リセットトランジスタのゲートに接続された第１信号線と、前記転送トランジスタのゲートに接続された第２信号線と、前記リセットトランジスタに前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットパルスを前記第１信号線に出力し、前記転送トランジスタに前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送させる転送パルスを前記第２信号線に出力する駆動回路とを備え、前記駆動回路は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力した後、２回以上連続して、前記転送パルスを前記第２信号線へ出力する。
（作用）本開示に係る一形態の固体撮像装置によれば、１回のリセットに対して複数回連続して画素信号のサンプリングを実行することが可能となる。言い換えれば、連続する複数フレームの読出しにおいて、２回目以降の画素信号のサンプリングの際に、単位画素等のリセットや比較器のオートゼロ等を省略することが可能となる。これにより、省略されたリセット期間の分、フレームレートを高速化することが可能となる。
以下に、本開示の一実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
また、以下に示す項目順序に従って本開示を説明する。
１．第１の実施形態
１．１ 固体撮像装置の全体概要
１．２ 単位画素及びＡＤ変換回路の概略構成
１．２．１ 単位画素の概略構成
１．２．２ ＡＤ変換回路の概略構成
１．３ サンプリング動作例
１．３．１ 通常のサンプリング動作例
１．３．２ 第１の実施形態に係るサンプリング動作例
１．３．３ 第１の実施形態に係るサンプリング動作の変形例
１．４ 作用・効果
２．第２の実施形態
２．１ 固体撮像装置、単位画素及びＡＤ変換回路の概略構成
２．２ サンプリング動作例
２．３ 作用・効果
３．第３の実施形態
３．１ 放射線計測システム
３．２ 放射線検出器
３．３ 固体撮像装置の構成例
３．４ 単位画素の断面構造例
３．５ 作用・効果
１．第１の実施形態
１．１ 固体撮像装置の全体概要
１．２ 単位画素及びＡＤ変換回路の概略構成
１．２．１ 単位画素の概略構成
１．２．２ ＡＤ変換回路の概略構成
１．３ サンプリング動作例
１．３．１ 通常のサンプリング動作例
１．３．２ 第１の実施形態に係るサンプリング動作例
１．３．３ 第１の実施形態に係るサンプリング動作の変形例
１．４ 作用・効果
２．第２の実施形態
２．１ 固体撮像装置、単位画素及びＡＤ変換回路の概略構成
２．２ サンプリング動作例
２．３ 作用・効果
３．第３の実施形態
３．１ 放射線計測システム
３．２ 放射線検出器
３．３ 固体撮像装置の構成例
３．４ 単位画素の断面構造例
３．５ 作用・効果
１．第１の実施形態
まず、第１の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
１．１ 固体撮像装置の全体概要
図１は、第１の実施形態に係るＣＭＯＳ固体撮像装置（以下、単に固体撮像素子という）の概略構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１０は、画素アレイ部１３と、サンプリング回路１５と、参照電圧生成器１７と、出力回路１９とを備える。
まず、第１の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
１．１ 固体撮像装置の全体概要
図１は、第１の実施形態に係るＣＭＯＳ固体撮像装置（以下、単に固体撮像素子という）の概略構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１０は、画素アレイ部１３と、サンプリング回路１５と、参照電圧生成器１７と、出力回路１９とを備える。
また、画素アレイ部１３の外側には、各単位画素１３１からアナログの画素信号を順次読み出してデジタルの画像データとして出力するための駆動制御部が設けられる。この駆動制御部には、例えば、水平転送回路１８、画素駆動回路１２、タイミング制御回路１１等が含まれ得る。
画素アレイ部１３は、行方向及び列方向に２次元マトリクス状に配列された複数の単位画素１３１を含む。図１では、説明の簡略化のため、画素アレイ部１３における行及び列の一部が省略されているが、各行及び各列には、例えば、数十から数千の単位画素１３１が配置され得る。
各単位画素１３１は、画素選択のための制御線ＲＣＬを介して画素駆動回路１２に接続されるとともに、後述するＡＤ変換回路１５１に垂直信号線ＶＳＬを介して一対一に接続される。なお、本説明において、制御線ＲＣＬは、画素駆動回路１２から各単位画素１３１に入る配線全般を指す。例えば、制御線ＲＣＬには、単位画素１３１を駆動するための種々のパルス信号（例えば、画素リセットパルス、転送パルス、ドレイン線制御パルスなど）を伝搬する制御線が含まれ得る。
サンプリング回路１５は、各単位画素１３１に対して一対一に設けられた複数のＡＤ（Analog to Digital）変換回路１５１を含む。なお、図１には、複数のＡＤ変換回路１５１が行方向及び列方向に２次元マトリクス状に配列された構成が示されているが、このような構成に限定されない。
各ＡＤ変換回路１５１は、その具体例については後述するが、例えば、画素信号の基準レベルであるリセットレベルと、受光光量に応じた信号レベルとをそれぞれ別々にデジタルデータに変換するＡＤ変換を実行する。また、各ＡＤ変換回路１５１は、受光光量に応じた信号成分のデジタルの画素信号を取得する差分処理（ＣＤＳ（Correlated Double Sampling）処理に相当）も実行する。このＣＤＳ処理では、リセットレベルのＡＤ変換結果と、画素信号のＡＤ変換結果との差分を算出する処理が実行される。また、本実施形態では、直前の画素信号のＡＤ変換結果と、次の画素信号のＡＤ変換結果との差分を算出するＣＤＳ処理も実行される。なお、ＡＤ変換回路１５１は、例えば、シングルスロープ型のＡＤ変換回路であってよい。ただし、これに限定されず、例えば、逐次比較（Successive Approximation Register：ＳＡＲ）型のＡＤ変換回路であってもよい。
参照電圧生成器１７は、垂直信号線ＶＳＬを介して各単位画素１３１から読み出されたアナログの画素信号（アナログの電圧）をデジタルの画素信号に変換するための参照電圧ＲＥＦをサンプリング回路１５へ供給する。例えば、参照電圧生成器１７は、直線状又は階段状に昇圧又は降圧する鋸波状（ランプ状ともいう）の波形を有する参照電圧ＲＥＦを出力する。その際、例えば固体撮像装置１０を放射線検出器として使用する場合には、参照電圧ＲＥＦの最大電圧レベルと最小電圧レベルとのレベル差を小さくしてもよい。それにより、画素信号に対するダイナミックレンジを小さくしてゲインを増加させることが可能となる。
なお、ＡＤ変換回路１５１が逐次比較型である場合には、参照電圧生成器１７は、一定の電圧値を持つ参照電圧ＲＥＦを出力する。その場合、各ＡＤ変換回路１５１は、例えば、一定の電圧である参照電圧ＲＥＦを分圧することで、逐次比較に用いる複数の参照電圧を生成する。
タイミング制御回路１１は、各部の動作に必要な内部クロックや各部が動作を開始するタイミングを与えるパルス信号等を出力する。また、タイミング制御回路１１は、外部からマスタクロックや動作モードなどを指令するデータを受け取ったり、固体撮像装置１０の情報を含むデータを出力したりする。
例えば、タイミング制御回路１１は、各単位画素１３１から画素信号を読み出すタイミングを与えるパルス信号を画素駆動回路１２へ出力する。また、タイミング制御回路１１は、ＡＤ変換回路１５１によりＡＤ変換された信号成分の画素信号（デジタルの電圧値）を列毎にサンプリング回路１５から順次読み出すための列アドレス信号を水平転送回路１８へ出力する。
また、タイミング制御回路１１では、外部から入力されるマスタクロックと同じ周波数のクロックや、それを２分周したクロックや、より分周した低速のクロック等を、固体撮像装置１０内の各部、例えば水平転送回路１８、画素駆動回路１２、サンプリング回路１５などに内部クロックとして供給する。以下、２分周したクロックやそれ以下の周波数のクロック全般を纏めて、低速クロックという。
画素駆動回路１２は、画素アレイ部１３の各単位画素１３１からの画素信号の読出しを制御する。本実施形態では、１つの単位画素１３１に対して１つのＡＤ変換回路１５１が設けられた構成であるため、画素駆動回路１２は、全ての単位画素１３１に対して同時に画素信号の読出しを制御し得る。その場合、画素駆動回路１２は、タイミング制御回路１１からのパルス信号の入力に応じて、各単位画素１３１に接続された制御線ＲＣＬに、画素リセットパルス、転送パルス、ドレイン線制御パルス等を適宜出力することで、全ての単位画素１３１に対するリセット及び画素信号の読出しを実行する。ただし、これらの読出し動作に限定されず、列単位で読出しを実行するなど、種々変形することが可能である。
水平転送回路１８は、タイミング制御回路１１から入力された列アドレス信号に従って、列アドレス信号で指定された読出列の各ＡＤ変換回路１５１から水平信号線ＨＳＬへデジタルの画素信号を読み出すシフト動作（走査）を実行する。
出力回路１９は、水平転送回路１８により読み出されたデジタルの画素信号を画像データとして外部へ出力する。
なお、サンプリング回路１５の前段又は後段には、必要に応じて信号増幅機能を持つＡＧＣ（Auto Gain Control）回路などが設けられてもよい。
また、固体撮像装置１０には、高速クロック生成部の一例であって、入力されたクロック周波数よりも高速のクロック周波数のパルスを生成するクロック変換部を設けるようにしてもよい。その場合、タイミング制御回路１１は、外部から入力される入力ロック（例えば、マスタクロック）やクロック変換部で生成された高速クロックに基づいて内部クロックを生成してもよい。
１．２ 単位画素及びＡＤ変換回路の概略構成
次に、各単位画素１３１及びＡＤ変換回路１５１の構成例について、図面を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る単位画素及びＡＤ変換回路の概略構成例を示す回路図である。なお、本説明では、ＡＤ変換回路１５１がシングルスロープ型である場合を例示するが、上述したように、シングルスロープ型に限られず、例えば、逐次比較型のＡＤ変換回路を用いることも可能である。
次に、各単位画素１３１及びＡＤ変換回路１５１の構成例について、図面を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る単位画素及びＡＤ変換回路の概略構成例を示す回路図である。なお、本説明では、ＡＤ変換回路１５１がシングルスロープ型である場合を例示するが、上述したように、シングルスロープ型に限られず、例えば、逐次比較型のＡＤ変換回路を用いることも可能である。
１．２．１ 単位画素の概略構成
図２に示すように、単位画素１３１は、フォトダイオード（光電変換素子）ＰＤと、フローティングデフュージョン（電荷蓄積部）ＦＤと、転送トランジスタＴＲＧと、増幅トランジスタＡＭＰと、リセットトランジスタＲＳＴとを備える。転送トランジスタＴＲＧ、増幅トランジスタＡＭＰ及びリセットトランジスタＲＳＴには、例えば、ｎ型のＭＯＳ（Metal-Oxide Semiconductor）トランジスタを用いることができる。
図２に示すように、単位画素１３１は、フォトダイオード（光電変換素子）ＰＤと、フローティングデフュージョン（電荷蓄積部）ＦＤと、転送トランジスタＴＲＧと、増幅トランジスタＡＭＰと、リセットトランジスタＲＳＴとを備える。転送トランジスタＴＲＧ、増幅トランジスタＡＭＰ及びリセットトランジスタＲＳＴには、例えば、ｎ型のＭＯＳ（Metal-Oxide Semiconductor）トランジスタを用いることができる。
フォトダイオードＰＤは、入射した光子を光電変換により電荷に変換する。このフォトダイオードＰＤのカソードは、転送トランジスタＴＲＧのソースに接続され、アノードは接地される。フォトダイオードＰＤは、単位画素１３１の半導体基板に入射した光子から、電子とホールのペアを発生させ、そのうちの電子をカソード側に蓄積する。フォトダイオードＰＤは、リセットによる電荷排出時にはカソード側が完全空乏化される、いわゆる埋込み型であってもよい。
転送トランジスタＴＲＧは、画素駆動回路１２から転送パルスが出力されたタイミングで、フォトダイオードＰＤからフローティングデフュージョンＦＤへ電荷を転送する。この転送トランジスタＴＲＧのゲートは、画素駆動回路１２から転送パルスが入力される制御線ＲＣＬ（第２信号線）に接続され、ドレインは、フローティングデフュージョンＦＤに接続される。フローティングデフュージョンＦＤは、フォトダイオードＰＤから転送トランジスタＴＲＧを介して流入した電荷を蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じたアナログの電圧を生成する。この電圧は、増幅トランジスタＡＭＰのゲートに印加される。
リセットトランジスタＲＳＴは、フォトダイオードＰＤのカソード側やフローティングデフュージョンＦＤに蓄積された電荷を電源電圧ＶＤＤ側に引き抜いて初期化する。このリセットトランジスタＲＳＴのゲートは、画素駆動回路１２から画素リセットパルスが入力される制御線ＲＣＬ（第１信号線）に接続され、ドレインは、電源電圧ＶＤＤに接続され、ソースは、フローティングデフュージョンＦＤに接続される。
画素駆動回路１２は、例えば、リセットトランジスタＲＳＴをオン状態に制御することで、フローティングデフュージョンＦＤに蓄積された電子を電源電圧ＶＤＤに引き抜き、単位画素１３１を電荷蓄積前のリセット状態（暗状態ともいう）、すなわち光が未入射の状態に初期化する。なお、画素駆動回路１２は、リセットトランジスタＲＳＴと共に転送トランジスタＴＲＧをオン状態に制御することで、フォトダイオードＰＤのカソード側に蓄積された電荷を電源電圧ＶＤＤに引き抜くことも可能である。
増幅トランジスタＡＭＰは、ゲートに印加された電圧を増幅するものである。この増幅トランジスタＡＭＰのゲートは、フローティングデフュージョンＦＤに接続され、ドレインは、電源電圧ＶＤＤに接続され、ソースは、定電流回路１４を構成する負荷ＭＯＳトランジスタ１４１のソースに接続される。負荷ＭＯＳトランジスタ１４１には、例えば、ｎ型のＭＯＳトランジスタを用いることができる。負荷ＭＯＳトランジスタ１４１のゲートは、画素駆動回路１２からドレイン線制御パルスが入力される制御線ＲＣＬに接続され、ドレインは、接地される
増幅トランジスタＡＭＰと定電流回路１４の負荷ＭＯＳトランジスタ１４１とは、ソースフォロワ回路を構成しており、増幅トランジスタＡＭＰのソースと負荷ＭＯＳトランジスタ１４１のソースとの接続部分には、垂直信号線ＶＳＬが接続される。このような構成とすることで、フローティングデフュージョンＦＤの電圧が、例えば、１弱のゲインで垂直信号線ＶＳＬに出力される。
１．２．２ ＡＤ変換回路の概略構成
また、図２に示すように、ＡＤ変換回路１５１は、比較器１５２と、カウンタ１５４と、レジスタ（保持部）１５５と、減算器１５６とを備える。
また、図２に示すように、ＡＤ変換回路１５１は、比較器１５２と、カウンタ１５４と、レジスタ（保持部）１５５と、減算器１５６とを備える。
比較器１５２の非反転入力端子は、カップリングキャパシタＣ１を介して垂直信号線ＶＳＬに接続される。反転入力端子は、カップリングキャパシタＣ２を介して参照電圧生成器１７に接続される。比較器１５２は、非反転入力端子に入力されたアナログの画素信号と、反転入力端子に入力されたランプ状の参照電圧ＲＥＦとを比較し、その比較結果に基づいて、出力を反転させる。
また、比較器１５２は、リセットレベルのサンプリングでは、非反転入力端子に入力されたリセットレベルの電位（リセット電位ともいう）と、反転入力端子に入力されたランプ状の参照電圧ＲＥＦとを比較し、その結果を出力する。例えば、参照電圧ＲＥＦが徐々に降圧するランプ状の波形である場合、比較器１５２は、参照電圧ＲＥＦがリセットレベルよりも高い場合は、Ｌｏｗレベルの比較結果を出力し、参照電圧ＲＥＦが画素信号の電圧よりも低くなった場合は、Ｈｉｇｈレベルの比較結果を出力する。
一方、画素信号のサンプリングでは、比較器１５２は、非反転入力端子に入力された画素信号と、反転入力端子に入力されたランプ状の参照電圧ＲＥＦとを比較し、その結果を出力する。例えば、参照電圧ＲＥＦが徐々に降圧するランプ状の波形である場合、比較器１５２は、参照電圧ＲＥＦが画素信号の電圧よりも高い場合は、Ｌｏｗレベルの比較結果を出力し、参照電圧ＲＥＦが画素信号の電圧よりも低くなった場合は、Ｈｉｇｈレベルの比較結果を出力する。
なお、比較器１５２は、非反転入力端子及び反転入力端子を内部ノードとショートさせて均衡状態とするオートゼロ機能を有していてもよい。
カウンタ１５４は、比較器１５２から出力された比較結果に基づいてカウント値を計数する。計数されたカウント値が、リセットレベル又は画素信号のデジタル値である。すなわち、本実施形態において、比較器１５２とカウンタ１５４とは、垂直信号線ＶＳＬに現れたアナログの電圧（リセットレベル又は画素信号）をデジタルの画素信号に変換する変換器として機能する。カウンタ１５４は、例えば、アップカウンタでもよいし、ダウンカウンタでもよい。
カウンタ１５４には、例えば、タイミング制御回路１１から、カウント値をリセットする初期化信号と、所定周期（例えば、参照電圧ＲＥＦが階段状の波形である場合はその電圧変化周期と同じ周期）のクロック信号とが入力される。
カウンタ１５４は、初期化信号の入力に応じてカウント値を初期値にリセットし、つづいて、参照信号ＲＥＦがリセットレベルを越えるまでに入力されたクロック信号の数をカウントする。この参照信号ＲＥＦがリセットレベルを越えた際のカウント値が、リセットレベルを表すデジタルの画素信号となる。次に、カウンタ１５４は、初期化信号の入力に応じてカウント値を初期値にリセットし、つづいて、参照信号ＲＥＦが画素信号の電圧を越えるまでに入力されたクロック信号の数をカウントする。この参照信号ＲＥＦが画素信号の電圧を越えた際のカウント値が、画素信号を表すデジタルの画素信号となる。
このようにして得られたリセットレベルのカウント値と、画素信号のカウント値とは、必要に応じてレジスタ１５５及び／又は減算器１５６に入力される。
減算器１５６は、レジスタ１５５から読み出したリセットレベル又は画素信号のカウント値と、カウンタ１５４から入力された画素信号のカウント値との差分を算出することで、信号成分のデジタルの画像信号を生成する（ＣＤＳ処理）。
そして、このように生成された信号成分のデジタルの画像信号は、水平転送回路１８によるシフト動作に従って順次読み出されて、画像データとして出力回路１９から出力される。
なお、比較器１５２、カウンタ１５４、レジスタ１５５及び減算器１５６は、同一の半導体チップに設けられてもよいし、これらのうちの少なくとも一部（例えば、レジスタ１５５及び減算器１５６）が比較器１５２とは別の半導体チップに設けられてもよい。
１．３ サンプリング動作例
つづいて、本実施形態に係る読出し動作におけるサンプリング動作ついて説明する。
１．３．１ 通常のサンプリング動作例
本実施形態では、１回のリセットに対し、リセットレベルのサンプリング以外に、複数回の画素信号のサンプリングが実行される。そこでまず、比較例として、１回のリセットに対して１回のリセットレベルのサンプリングと１回の画素信号のサンプリングとを実行する通常のサンプリング動作について説明する。なお、本説明におけるリセットとは、フローティングデフュージョンＦＤの電荷を引き抜いて初期状態とする動作であってよい。ただし、この他にも、リセットとして、フォトダイオードＰＤのカソード側に蓄積された電荷を引き抜いて初期状態とする動作や、比較器１５２の２つの入力端子を内部ノードとショートして均衡状態とするオートゼロの動作等が含まれてもよい。
つづいて、本実施形態に係る読出し動作におけるサンプリング動作ついて説明する。
１．３．１ 通常のサンプリング動作例
本実施形態では、１回のリセットに対し、リセットレベルのサンプリング以外に、複数回の画素信号のサンプリングが実行される。そこでまず、比較例として、１回のリセットに対して１回のリセットレベルのサンプリングと１回の画素信号のサンプリングとを実行する通常のサンプリング動作について説明する。なお、本説明におけるリセットとは、フローティングデフュージョンＦＤの電荷を引き抜いて初期状態とする動作であってよい。ただし、この他にも、リセットとして、フォトダイオードＰＤのカソード側に蓄積された電荷を引き抜いて初期状態とする動作や、比較器１５２の２つの入力端子を内部ノードとショートして均衡状態とするオートゼロの動作等が含まれてもよい。
図３は、通常のサンプリング動作の一例を示す波形図である。図３に示すように、通常のサンプリング動作では、まず、タイミングｔ０１で画素リセットパルスが出力され、リセットトランジスタＲＳＴがオン状態となると、フローティングデフュージョンＦＤの電荷が電源電圧ＶＤＤ側へ引き抜かれ、これにより、垂直信号線ＶＳＬに現れる電圧レベルがリセットレベルとなる。したがって、ＡＤ変換回路１５１のカウンタ１５４は、比較器１５２によるリセットレベルと参照電圧ＲＥＦとの比較結果に基づいて、リセットレベルのカウント値を生成する（リセットレベルのサンプリング）。生成されたリセットレベルのカウント値は、レジスタ１５５に格納される。
次に、タイミングｔ０２で転送パルスが出力され、転送トランジスタＴＲＧがオン状態となると、フォトダイオードＰＤのカソード側に蓄積された電荷がフローティングデフュージョンＦＤへ流入し、これにより、垂直信号線ＶＳＬに受光光量に応じた電圧レベルの画素信号が出現する。したがって、ＡＤ変換回路１５１のカウンタ１５４は、比較器１２５による受光光量に応じた画素信号と参照電圧ＲＥＦとの比較結果に基づいて、画素信号のカウント値を生成する（画素信号のサンプリング）。
その後、カウンタ１５４でサンプリングされた画素信号のカウント値と、レジスタ１５５に登録されているリセットレベルのカウント値とが、減算器１５６に入力される。減算器１５６は、画素信号のカウント値とリセットレベルのカウント値との差分を算出し（ＣＤＳ処理）、その結果を信号成分の画素信号のデジタル値として出力する。
以降、同様にして、１回のリセットに対して１回のリセットレベルのサンプリングと１回の画素信号のサンプリングとを実行することで、各単位画素１３１から１フレーム分の画素信号の読出しが実行される。したがって、図３に示すように、４フレーム分の画像データを読み出すためには、各単位画素１３１に対し、４つの画素リセットパルスと、４つの転送パルスとが出力される。
１．３．２ 第１の実施形態に係るサンプリング動作例
次に、本実施形態に係るサンプリング動作について説明する。なお、本実施形態では、１回のリセットに対して１回のリセットレベルのサンプリングと２回の画素信号のサンプリングとを実行する場合について、例を挙げて説明する。
次に、本実施形態に係るサンプリング動作について説明する。なお、本実施形態では、１回のリセットに対して１回のリセットレベルのサンプリングと２回の画素信号のサンプリングとを実行する場合について、例を挙げて説明する。
図４は、本実施形態に係るサンプリング動作の一例を示す波形図である。図４に示すように、本実施形態に係るサンプリング動作では、図３に示す通常のサンプリング動作と同様に、タイミングｔ１１で画素リセットパルスが出力されてリセットトランジスタＲＳＴがオン状態となると、フローティングデフュージョンＦＤの電荷が電源電圧ＶＤＤ側へ引き抜かれて垂直信号線ＶＳＬに現れる電圧レベルがリセットレベルとなる。これにより、ＡＤ変換回路１５１のカウンタ１５４がリセットレベルのカウント値を生成し（リセットレベルのサンプリング）、生成されたリセットレベルのカウント値がレジスタ１５５に格納される。
次も、図３に示す通常のサンプリング動作と同様に、タイミングｔ１２で転送パルスが出力されて転送トランジスタＴＲＧがオン状態となると、フォトダイオードＰＤのカソード側に蓄積された電荷がフローティングデフュージョンＦＤへ流入して垂直信号線ＶＳＬに受光光量に応じた電圧レベルの画素信号が出現する。これにより、ＡＤ変換回路１５１のカウンタ１５４が画素信号のカウント値を生成する（１回目の画素信号のサンプリング）。そして、カウンタ１５４で生成された画素信号のカウント値と、レジスタ１５５に登録されているリセットレベルのカウント値とが減算器１５６に入力され、減算器１５６において、画素信号のカウント値とリセットレベルのカウント値との差分が算出される（ＣＤＳ処理）。
また、本実施形態に係るサンプリング動作では、レジスタ１５５からリセットレベルのカウント値を読み出して減算器１５６に入力後、カウンタ１５４で生成された画素信号のカウント値がレジスタ１５５に格納される。
次に、本実施形態では、リセットを実行せずに、次のフレームの画素信号のサンプリングが実行される。具体的には、タイミングｔ１３で転送パルスが出力され、転送トランジスタＴＲＧがオン状態となると、フォトダイオードＰＤのカソード側に蓄積された電荷がフローティングデフュージョンＦＤへ流入し、これにより、垂直信号線ＶＳＬに受光光量に応じた電圧レベルの画素信号が出現する。したがって、ＡＤ変換回路１５１のカウンタ１５４は、比較器１２５による受光光量に応じた画素信号と参照電圧ＲＥＦとの比較結果に基づいて、画素信号のカウント値を生成する（２回目の画素信号のサンプリング）。そして、カウンタ１５４でサンプリングされた画素信号のカウント値と、レジスタ１５５に登録されている前回の画素信号のカウント値とが減算器１５６に入力され、減算器１５６において、今回の画素信号のカウント値と前回の画素信号のカウント値との差分が算出される（ＣＤＳ処理）。
以降、同様にして、１回のリセットに対して１回のリセットレベルのサンプリングと２回の画素信号のサンプリングとを実行することで、各単位画素１３１から２フレーム分の画素信号の読出しが連続して実行される。したがって、図４に示すように、４フレーム分の画像データを読み出すためには、各単位画素１３１に対し、２つの画素リセットパルスと、４つの転送パルスとが出力される。
１．３．３ 第１の実施形態に係るサンプリング動作の変形例
上述した本実施形態に係るサンプリング動作例では、１回のリセットに対して１回のリセットレベルのサンプリングと２回の画素信号のサンプリングとを実行する場合について説明したが、１回のリセットに対して実行される画素信号のサンプリングは、２回に限られない。例えば、図５に示すように、１回のリセットに対して１回のリセットレベルのサンプリングと４回の画素信号のサンプリングとを実行することも可能である。
上述した本実施形態に係るサンプリング動作例では、１回のリセットに対して１回のリセットレベルのサンプリングと２回の画素信号のサンプリングとを実行する場合について説明したが、１回のリセットに対して実行される画素信号のサンプリングは、２回に限られない。例えば、図５に示すように、１回のリセットに対して１回のリセットレベルのサンプリングと４回の画素信号のサンプリングとを実行することも可能である。
なお、１回のリセットパルス後に出力されるｎ回（ｎは２以上の整数）の転送パルスは、例えば、一定である所定周期で出力されてもよい。
１．４ 作用・効果
以上のように、本実施形態では、１回のリセットに対して複数回連続して画素信号のサンプリングを実行することが可能となる。言い換えれば、連続する複数フレームの読出しにおいて、２回目以降の画素信号のサンプリングの際に、単位画素１３１等のリセットや比較器１５２のオートゼロ等を省略することが可能となる。これにより、本実形態によれば、省略されたリセット期間の分、フレームレートを高速化することが可能となる。例えば、リセット期間（リセットからリセットレベルのサンプリングまでの期間）と画素信号のサンプリング期間と同等である場合には、１回のリセットに対し、以降の全ての画素信号のサンプリングをリセット動作を挟まずに連続して実行することで、フレームレートを約２倍に高速化することが可能となる。
以上のように、本実施形態では、１回のリセットに対して複数回連続して画素信号のサンプリングを実行することが可能となる。言い換えれば、連続する複数フレームの読出しにおいて、２回目以降の画素信号のサンプリングの際に、単位画素１３１等のリセットや比較器１５２のオートゼロ等を省略することが可能となる。これにより、本実形態によれば、省略されたリセット期間の分、フレームレートを高速化することが可能となる。例えば、リセット期間（リセットからリセットレベルのサンプリングまでの期間）と画素信号のサンプリング期間と同等である場合には、１回のリセットに対し、以降の全ての画素信号のサンプリングをリセット動作を挟まずに連続して実行することで、フレームレートを約２倍に高速化することが可能となる。
また、連続する画素信号のサンプリングにおいて、前回の画素信号のサンプリング結果と、今回の画素信号のサンプリング結果との差分を取得するＣＤＳ処理を実行することで、追加のメモリ等を必要とすることなく、ｋＴＣ雑音等を精度良くキャンセルし続けることが可能となる。言い換えれば、リセットパルスがリセットトランジスタＲＳＴのゲートに入力された後にｎ回目（ｎは２以上の整数）に転送パルスが転送トランジスタＴＲＧのゲートに入力されることで垂直信号線ＶＳＬに現れたアナログの画素信号をデジタルの画素信号に変換し、このデジタルの画素信号と、リセットパルスがリセットトランジスタＲＳＴのゲートに入力された後にｎ−１回目に転送パルスが転送トランジスタＴＲＧのゲートに入力されることで垂直信号線ＶＳＬに現れたアナログの画素信号を変換することで得られたデジタルの画素信号との差分を取得することで、追加のメモリ等を必要とすることなく、ｋＴＣ雑音等を精度良くキャンセルし続けることが可能となる。
さらに、本実施形態では、１つの単位画素１３１に対して１つのＡＤ変換回路１５１が設けられた構成であるため、全ての単位画素１３１を同時に露光する、いわゆるグローバルシャッタを実現することが可能となる。
なお、本実施形態において、１回のリセットに対して連続して実行する画素信号のサンプリングの回数は、動的に変更されてもよい。例えば、高いフレームレートが要求される場合には、１回のリセットに対して連続して実行する画素信号のサンプリングの回数を増加させ、低いフレームレートが許容される場合には、１回のリセットに対して連続して実行する画素信号のサンプリングの回数を減少させてもよい。
２．第２の実施形態
次に、第２の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。上述した第１の実施形態では、１回のリセットに対して連続して実行される画素信号のサンプリングの電荷蓄積期間が一定である場合を例示している。これに対し、第２の実施形態では、連続して実行される画素信号のサンプリングの電荷蓄積期間を動的に変更する場合について、例を挙げて説明する。
次に、第２の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。上述した第１の実施形態では、１回のリセットに対して連続して実行される画素信号のサンプリングの電荷蓄積期間が一定である場合を例示している。これに対し、第２の実施形態では、連続して実行される画素信号のサンプリングの電荷蓄積期間を動的に変更する場合について、例を挙げて説明する。
２．１ 固体撮像装置、単位画素及びＡＤ変換回路の概略構成
本実施形態に係る固体撮像装置の概略構成は、第１の実施形態において図１を用いて説明した固体撮像装置１０と同様であってよいため、ここでは詳細な説明を省略する。また、本実施形態に係る単位画素及びＡＤ変換回路の概略構成は、第１の実施形態において図２を用いて説明した単位画素１３１及びＡＤ変換回路１５１と同様であってよいため、ここでは詳細な説明を省略する。ただし、本実施形態では、図６に示すように、全てのＡＤ変換回路１５１における比較器１５２の出力が反転したことが、例えば、論理積回路１５７等で構成された全反転検出回路を用いて検出される。
本実施形態に係る固体撮像装置の概略構成は、第１の実施形態において図１を用いて説明した固体撮像装置１０と同様であってよいため、ここでは詳細な説明を省略する。また、本実施形態に係る単位画素及びＡＤ変換回路の概略構成は、第１の実施形態において図２を用いて説明した単位画素１３１及びＡＤ変換回路１５１と同様であってよいため、ここでは詳細な説明を省略する。ただし、本実施形態では、図６に示すように、全てのＡＤ変換回路１５１における比較器１５２の出力が反転したことが、例えば、論理積回路１５７等で構成された全反転検出回路を用いて検出される。
論理積回路１５７の出力は、例えば図１におけるタイミング制御回路１１に入力される。タイミング制御回路１１は、論理積回路１５７から全てのＡＤ変換回路１５１における比較器１５２の出力が反転したことが通知されると、連続して実行される画素信号のサンプリングのうちの次の画素信号のサンプリングを開始するために、制御線ＲＣＬを介して次の転送パルスを各単位画素１３１に入力する。
２．２ サンプリング動作例
次に、本実施形態に係るサンプリング動作について説明する。なお、以下の説明では、第１の実施形態において図５を用いて説明した変形例に係るサンプリング動作をベースとした場合を例示するが、このような動作例に限らず、種々変形することが可能である。
次に、本実施形態に係るサンプリング動作について説明する。なお、以下の説明では、第１の実施形態において図５を用いて説明した変形例に係るサンプリング動作をベースとした場合を例示するが、このような動作例に限らず、種々変形することが可能である。
図７は、本実施形態に係るサンプリング動作の一例を示す波形図である。図７に示すように、本実施形態に係るサンプリング動作では、例えば、図５に示した第１の実施形態の変形例に係るサンプリング動作と比較して、１回のリセットに対して連続して実行される画素信号のサンプリングにおける電荷蓄積期間が動的に変化している。
ここで、図７に例示するように、基本的には、フォトダイオードＰＤからフローティングデフュージョンＦＤへの電荷転送を繰り返すたびに、フローティングデフュージョンＦＤの蓄積電荷が増加して垂直信号線ＶＳＬに出現する画素信号の電圧レベルが低下する。それにより、比較器１５２が反転するまでの期間が徐々に増加するため、先頭の画素信号のサンプリング（タイミングｔ３１〜ｔ３２）から末尾の画素信号のサンプリング（タイミングｔ３５〜ｔ３６）にかけて、そのサンプリング期間が徐々に増加することとなる。これは、１回のリセットに対して連続して実行する画素信号のサンプリングのうち、初期の画素信号のサンプリングに要する時間を短縮できることを示している。それにより、その短縮された分、フレームレートを高速化することが可能となる。
ただし、後半の画素信号のサンプリングについても、全ての比較器１５２が反転次第、次の画素信号のサンプリングが実行されるため、サンプリング期間を固定とした場合と比較して、サンプリング期間を短縮することが可能である。
２．３ 作用・効果
以上のように、本実施形態では、１回のリセットに対して連続して実行する画素信号のサンプリングにおいて、全ての比較器１５２の出力が反転次第、次の画素信号のサンプリングへ移行されるため、各画素信号のサンプリングに要するサンプリング期間を短縮することが可能となる。それにより、フレームレートを高速化することが可能となる。
以上のように、本実施形態では、１回のリセットに対して連続して実行する画素信号のサンプリングにおいて、全ての比較器１５２の出力が反転次第、次の画素信号のサンプリングへ移行されるため、各画素信号のサンプリングに要するサンプリング期間を短縮することが可能となる。それにより、フレームレートを高速化することが可能となる。
その他の構成、動作及び効果は、上述した実施形態と同様であってよいため、ここでは詳細な説明を省略する。
３．第３の実施形態
次に、第３の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、上述した実施形態に係る固体撮像装置１０を放射線検出器に応用した場合について、例を挙げて説明する。なお、本実施形態に係る放射線検出器としては、例えば、Ｘ線検出器や、透過型Ｘ線撮像装置などを例示することができる。
次に、第３の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、上述した実施形態に係る固体撮像装置１０を放射線検出器に応用した場合について、例を挙げて説明する。なお、本実施形態に係る放射線検出器としては、例えば、Ｘ線検出器や、透過型Ｘ線撮像装置などを例示することができる。
３．１ 放射線計測システム
図８は、本実施形態に係る放射線計測システムの概略構成例を示す模式図である。図８に示すように、放射線計測システム１００は、放射線検出器２０と、情報処理装置３０と、線源制御装置４０と、線源５０とを備える。
図８は、本実施形態に係る放射線計測システムの概略構成例を示す模式図である。図８に示すように、放射線計測システム１００は、放射線検出器２０と、情報処理装置３０と、線源制御装置４０と、線源５０とを備える。
情報処理装置３０は、例えば、パーソナルコンピュータなどで構成され、ユーザによる放射線検出器２０で取得された画像データの解析や、後述する線源制御装置４０の制御等を実行する。
線源制御装置４０は、例えば、情報処理装置３０からの指示に従い、線源５０からの放射線の放射を制御する。
線源５０は、例えば、Ｘ線などのガンマ線（光子５１）を放射する線源である。ただし、これに限定されず、アルファ線やベータ線や陽子や中性子など、種々の放射線を放出する線源を用いることが可能である。
放射線検出器２０は、上述した実施形態に係る固体撮像装置１０を備えており、線源５０から放射された光子５１のエネルギーや入射位置に応じた２次元画像を生成して情報処理装置３０へ出力する。
３．２ 放射線検出器
図９は、本実施形態に係る放射線検出器の概略構成例を示す断面図である。なお、図９には、固体撮像装置１０の受光面（フォトダイオードＰＤに対して外部から光が入射する面）と垂直な面の断面構造が示されている。
図９は、本実施形態に係る放射線検出器の概略構成例を示す断面図である。なお、図９には、固体撮像装置１０の受光面（フォトダイオードＰＤに対して外部から光が入射する面）と垂直な面の断面構造が示されている。
図９に示すように、放射線検出器２０は、固体撮像装置１０の光入射面に設けられたＦＯＰ（Fiber Optic Plate）２２と、ＦＯＰ２２を挟んで固体撮像装置１０と反対側に配置されたシンチレータ２１とを備える。
シンチレータ２１は、例えば、ＣｓＩ（Ｔｌ）などのクリスタルシンチレータを用いることができる。ただし、これに限られず、例えば、ＧＳＯ単結晶シンチレータやプラスチックシンチレータや液体シンチレータなど、入射した放射線を光に変換する種々のシンチレータを用いることが可能である。例えば、柱状結晶構造を有するシンチレータを用いた場合には、発生した光を効率的にＦＯＰ２２に導くことが可能となるため、放射線検出器２０の感度を向上させることが可能となる。
ＦＯＰ２２は、例えば、複数の光ファイバが束ねられた光導波路である。各光ファイバには、シンチレータ２１から放出された光に対する透過率の高いものが使用されるとよい。シンチレータ２１から放出された光は、何れかの光ファイバの一方の端に入射する。そして、光ファイバに入射した光は、光ファイバ内を全反射しつつ、他方の端から出射する。
光ファイバの他方の端には、固体撮像装置１０の受光面が配置されている。固体撮像装置１０の各単位画素１３１におけるフォトダイオードＰＤは、光ファイバを介して入射した光を光電変換することで、そのカソード側に入射光量に応じた電荷を蓄積する。
なお、シンチレータ２１と固体撮像装置１０との間にＦＯＰ２２を設ける構成は必須ではなく、例えば、ＦＯＰ２２を省略して、シンチレータ２１を固体撮像装置１０の受光面に直接接触させてもよい。
３．３ 固体撮像装置の構成例
ここで、図９に示されているように、固体撮像装置１０は、例えば、各単位画素１３１が設けられた第１半導体基板１０１と、ＡＤ変換回路１５１とを含む周辺回路が設けられた第２半導体基板１０２との積層構造を有している。なお、周辺回路には、例えば、タイミング制御回路１１、画素駆動回路１２、参照電圧生成器１７、水平転送回路１８、出力回路１９などが含まれる。
ここで、図９に示されているように、固体撮像装置１０は、例えば、各単位画素１３１が設けられた第１半導体基板１０１と、ＡＤ変換回路１５１とを含む周辺回路が設けられた第２半導体基板１０２との積層構造を有している。なお、周辺回路には、例えば、タイミング制御回路１１、画素駆動回路１２、参照電圧生成器１７、水平転送回路１８、出力回路１９などが含まれる。
図１０は、本実施形態に係る第１半導体基板の構成例を示す上視図である。なお、説明の簡略化のため、図１０には、第１半導体基板１０１に４×４の計１６個の単位画素１３１が設けられた構成を例示するが、上述したように、実際には、各行及び各列に、例えば、数十から数千の単位画素１３１（例えば、フォトダイオードＰＤ）が配置され得る。
図１０に示すように、第１半導体基板１０１には、各単位画素１３１が２次元マトリクス状に配置されている。また、第１半導体基板１０１の裏面側には、各単位画素１３１と第２半導体基板１０２における回路素子とを電気的に接続するための配線１８１及び接続部１８２が設けられている。これら配線１８１及び接続部１８２は、各単位画素１３１の垂直信号線ＶＳＬに相当する。
図１１は、本実施形態に係る第２半導体基板の構成例を示す上視図である。図１１に示すように、第２半導体基板１０２には、第１半導体基板１０１における接続部１８２と対応する位置に設けられた接続部１８３と、ＡＤ変換回路１５１とが設けられている。また、第２半導体基板１０２には、周辺回路として、タイミング制御回路１１と、画素駆動回路１２と、水平転送回路１８とが設けられている。さらに、図示されていないが、第２半導体基板１０２には、参照電圧生成器１７と出力回路１９とも設けられている。
このように、固体撮像装置１０を積層構造とすることで、各単位画素１３１の面積を縮小することが可能となるため、単位画素１３１の集積率を高くして解像度を高めることが可能となる。また、第１半導体基板１０１の受光面のほぼ全体にフォトダイオードＰＤを配置することが可能となるため、受光面の利用効率の向上や固体撮像装置１０の縮小等が可能となる。
なお、上述した構成において、接続部１８２及び１８３は、例えば、電極パッドであってもよいし、ＴＳＶ（Through Silicon Via）などの貫通配線であってもよい。接続部１８２及び１８３を銅（Ｃｕ）製の電極パッドとした場合、第１半導体基板１０１と第２半導体基板１０２とを、例えばＣｕ−Ｃｕボンディングなどの技術を用いて貼り合わせることができる。一方、接続部１８２及び１８３を貫通配線とした場合、第１半導体基板１０１と第２半導体基板１０２とは例えばオプティカルコンタクトなどの接合技術を用いて貼り合わされる。
また、固体撮像装置１０の積層構造は、２層に限定されず、３層以上であってもよい。その場合、ＡＤ変換回路１５１が中間の第２層に配置され、タイミング制御回路１１、画素駆動回路１２、参照電圧生成器１７、水平転送回路１８及び出力回路１９が最下の第３層に配置されてもよい。
３．４ 単位画素の断面構造例
つづいて、本実施形態に係る第１半導体基板１０１の断面構造について説明する。図１２は、本実施形態に係る第１半導体基板の断面構造例を示す断面図である。なお、図１２には、フォトダイオードＰＤの受光面と垂直な面の断面構造が示されている。
つづいて、本実施形態に係る第１半導体基板１０１の断面構造について説明する。図１２は、本実施形態に係る第１半導体基板の断面構造例を示す断面図である。なお、図１２には、フォトダイオードＰＤの受光面と垂直な面の断面構造が示されている。
図１２に示すように、第１半導体基板１０１では、フォトダイオードＰＤが、ＦＯＰ２２を介して半導体基板２１８の裏面（図では上面）側から入射する入射光を受光する。フォトダイオードＰＤの上方には、平坦化膜２１３、が設けられており、各部を順次介して入射した入射光を、受光面２１７で受光して光電変換が行われる。
例えば、フォトダイオードＰＤは、ｎ型半導体領域２２０が、電荷（電子）を蓄積する電荷蓄積領域として形成されている。フォトダイオードＰＤにおいては、ｎ型半導体領域２２０は、半導体基板２１８のｐ型半導体領域２１６及び２４１の内部に設けられている。ｎ型半導体領域２２０における半導体基板２１８の表面（下面）側には、裏面（上面）側よりも不純物濃度が高いｐ型半導体領域２４１が設けられている。つまり、フォトダイオードＰＤは、ＨＡＤ（Hole-Accumulation Diode）構造になっており、ｎ型半導体領域２２０の上面側と下面側との各界面において、暗電流が発生することを抑制するように、ｐ型半導体領域２１６及び２４１が形成されている。
半導体基板２１８の内部には、複数の単位画素１３１（例えば、フォトダイオードＰＤ）の間を電気的に分離する画素分離部２３０が設けられており、この画素分離部２３０で区画された領域に、フォトダイオードＰＤが設けられている。図中、上面側から、第１半導体基板１０１を見た場合、画素分離部２３０は、例えば、複数の単位画素１３１（例えば、フォトダイオードＰＤ）の間に介在するように格子状に形成されており、フォトダイオードＰＤは、この画素分離部２３０で区画された領域内に形成されている。
各フォトダイオードＰＤでは、アノードが接地されており、固体撮像装置１０において、フォトダイオードＰＤが蓄積した信号電荷（例えば、電子）は、図示せぬ転送トランジスタＴＲＧ等を介してフローティングデフュージョンＦＤに読み出され、増幅トランジスタＡＭＰを介して電気信号として、図示せぬ垂直信号線ＶＳＬへ出力される。
配線層２５０及び図示せぬ単位画素１３１の各トランジスタは、半導体基板２１８のうち、遮光膜２１４、平坦化膜２１３、等の各部が設けられた裏面（上面）とは反対側の表面（下面）に設けられている。
配線層２５０は、配線１８１と絶縁層２５２とを含み、絶縁層２５２内において、配線１８１が各素子に電気的に接続するように形成されている。配線層２５０は、いわゆる多層配線の層になっており、絶縁層２５２を構成する層間絶縁膜と配線１８１とが交互に複数回積層されて形成されている。ここでは、配線１８１としては、単位画素１３１においてトランジスタ間を接続する配線や単位画素１３１を駆動する配線、垂直信号線ＶＳＬ等の各配線が、絶縁層２５２を介して積層されている。
配線層２５０の、フォトダイオードＰＤが設けられている側に対して反対側の面には、第２半導体基板１０２が設けられている。
遮光膜２１４は、半導体基板２１８の裏面（図では上面）の側に設けられている。
遮光膜２１４は、半導体基板２１８の上方から半導体基板２１８の裏面へ向かう入射光の一部を、遮光するように構成されている。
遮光膜２１４は、半導体基板２１８の内部に設けられた画素分離部２３０の上方に設けられている。ここでは、遮光膜２１４は、半導体基板２１８の裏面（上面）上において、シリコン酸化膜等の絶縁膜２１５を介して、凸形状に突き出るように設けられている。これに対して、半導体基板２１８の内部に設けられたフォトダイオードＰＤの上方においては、フォトダイオードＰＤに入射光が入射するように、遮光膜２１４は、設けられておらず、開口している。
つまり、図中、上面側から、第１半導体基板１０１を見た場合、遮光膜２１４の平面形状は、格子状になっており、入射光が受光面２１７へ通過する開口が形成されている。
遮光膜２１４は、光を遮光する遮光材料で形成されている。例えば、チタン（Ｔｉ）膜とタングステン（Ｗ）膜とを、順次、積層することで、遮光膜２１４が形成されている。この他に、遮光膜２１４は、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）膜とタングステン（Ｗ）膜とを、順次、積層することで形成することができる。
遮光膜２１４は、平坦化膜２１３によって被覆されている。平坦化膜２１３は、光を透過する絶縁材料を用いて形成されている。画素分離部２３０は、溝部２３１、固定電荷膜２３２及び絶縁膜２３３を有する。
固定電荷膜２３２は、半導体基板２１８の裏面（上面）の側において、複数の単位画素１３１の間を区画している溝部２３１を覆うように形成されている。
具体的には、固定電荷膜２３２は、半導体基板２１８において裏面（上面）側に形成された溝部２３１の内側の面を一定の厚みで被覆するように設けられている。そして、その固定電荷膜２３２で被覆された溝部２３１の内部を埋め込むように、絶縁膜２３３が設けられている（充填されている）。
ここでは、固定電荷膜２３２は、半導体基板２１８との界面部分において正電荷（ホール）蓄積領域が形成されて暗電流の発生が抑制されるように、負の固定電荷を有する高誘電体を用いて形成されている。固定電荷膜２３２が負の固定電荷を有するように形成されていることで、その負の固定電荷によって、半導体基板２１８との界面に電界が加わり、正電荷（ホール）蓄積領域が形成される。
固定電荷膜２３２は、例えば、ハフニウム酸化膜（ＨｆＯ２膜）で形成することができる。また、固定電荷膜２３２は、その他、例えば、ハフニウム、ジルコニウム、アルミニウム、タンタル、チタン、マグネシウム、イットリウム、ランタノイド元素等の酸化物の少なくとも１つを含むように形成することができる。
３．５ 作用・効果
以上のように、第１及び第２の実施形態で例示した固体撮像装置１０は、サーベイメータや透過型Ｘ線撮像装置など、不定期に高頻度で入射するＸ線シンチレーション光による微小光パルスを検出する放射線検出器２０として使用することができる。それにより、高いフレームレートで２次元画像を取得することが可能な放射線検出器２０及びそれを備えた放射線計測システム１００を実現することが可能となる。
以上のように、第１及び第２の実施形態で例示した固体撮像装置１０は、サーベイメータや透過型Ｘ線撮像装置など、不定期に高頻度で入射するＸ線シンチレーション光による微小光パルスを検出する放射線検出器２０として使用することができる。それにより、高いフレームレートで２次元画像を取得することが可能な放射線検出器２０及びそれを備えた放射線計測システム１００を実現することが可能となる。
その他の構成、動作及び効果は、上述した実施形態と同様であってよいため、ここでは詳細な説明を省略する。
また、本実施形態では、固体撮像装置１０を用いて放射線検出器２０をお香制した場合を例示したが、これに限らず、例えば、グレースケール画像やカラー画像を取得することが可能なイメージセンサなどに対して、上述した実施形態に係る固体撮像装置１０を用いることも可能である。
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示の技術的範囲は、上述の各実施形態そのままに限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、異なる実施形態及び変形例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
また、本明細書に記載された各実施形態における効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、他の効果があってもよい。
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
入射した光子を電荷に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子で発生した電荷を電荷蓄積部に転送する転送トランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットトランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷量に応じた電圧値の電圧を垂直信号線に出現させる増幅トランジスタと、
前記垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する変換回路と、
前記リセットトランジスタのゲートに接続された第１信号線と、
前記転送トランジスタのゲートに接続された第２信号線と、
前記リセットトランジスタに前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットパルスを前記第１信号線に出力し、前記転送トランジスタに前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送させる転送パルスを前記第２信号線に出力する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力した後、２回以上連続して、前記転送パルスを前記第２信号線へ出力する
固体撮像装置。
（２）
前記変換回路は、
前記リセットパルスが前記第１信号線に出力されることで前記垂直信号線に現れた第１電圧をデジタルの第１電圧値に変換し、前記リセットパルスが前記第１信号線に出力された後に１回目に前記転送パルスが前記第２信号線に出力されることで前記垂直信号線に現れた第２電圧をデジタルの第２電圧値に変換し、前記第１電圧値と前記第２電圧値との差分を取得し、また、
前記リセットパルスが前記第１信号線に出力された後にｎ回目（ｎは２以上の整数）に前記転送パルスが前記第２信号線に出力されることで前記垂直信号線に現れた第３電圧をデジタルの第３電圧値に変換し、当該第３電圧値と、前記ｎ回目の直前であるｎ−１回目に前記転送パルスが前記第２信号線に出力されることで前記垂直信号線に現れた第４電圧を変換することで得られたデジタルの第４電圧値との差分を取得する
前記（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
前記変換回路は、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する変換器と、前記変換器で変換された電圧値を保持する保持部と、前記変換器で変換された電圧値と前記保持部で保持されている電圧値との差分を取得する減算器とを備える前記（１）に記載の固体撮像装置。
（４）
前記変換器は、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧と、外部から入力された参照電圧とを比較する比較器と、前記比較器による比較結果に基づいて前記アナログの電圧をデジタルの電圧値に変換するカウンタとを備える前記（３）に記載の固体撮像装置。
（５）
直線状又は階段状に昇圧又は降圧する鋸波状の波形の参照電圧を生成する参照電圧生成器と、
所定周期のクロック信号を前記カウンタへ出力する制御回路と、
をさらに備え、
前記比較器は、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧と前記参照電圧との比較結果を前記カウンタへ入力し、
前記カウンタは、前記比較器から出力される参照結果が反転するまでの間に入力された前記クロック信号の数をカウントすることで、前記アナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する
前記（４）に記載の固体撮像装置。
（６）
前記駆動回路は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力した後、所定周期で、前記転送パルスを前記第２信号線へ出力する前記（１）〜（５）の何れか１項に記載の固体撮像装置。
（７）
複数の前記変換回路と、
前記複数の変換回路それぞれの前記比較器の出力を入力する全反転検出回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記複数の変換回路それぞれの前記比較器の出力が全て反転したことを前記全反転検出回路が検出した場合、次の前記転送パルスを前記第２信号線へ出力するか、又は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力する
前記（４）又は（５）に記載の固体撮像装置。
（８）
前記全反転検出回路は、論理積回路である前記（７）に記載の固体撮像装置。
（９）
複数の前記光電変換素子と、
複数の前記変換回路と、
を備え、
前記複数の光電変換素子と前記複数の変換回路とは、一対一に対応付けられている
前記（１）〜（８）の何れか１項に記載の固体撮像装置。
（１０）
入射した光子を電荷に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子の受光面側に配置されたシンチレータと、
前記光電変換素子で発生した電荷を電荷蓄積部に転送する転送トランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットトランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷量に応じた電圧値の電圧を垂直信号線に出現させる増幅トランジスタと、
前記垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する変換回路と、
前記リセットトランジスタのゲートに接続された第１信号線と、
前記転送トランジスタのゲートに接続された第２信号線と、
前記リセットトランジスタに前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットパルスを前記第１信号線に出力し、前記転送トランジスタに前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送させる転送パルスを前記第２信号線に出力する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力した後、２回以上連続して、前記転送パルスを前記第２信号線へ出力する
放射線検出器。
（１１）
前記シンチレータは、ＣｓＩ（Ｔｌ）シンチレータ、ＧＳＯ単結晶シンチレータ及びプラスチックシンチレータの何れかを含む前記（１０）に記載の放射線検出器。
（１２）
前記シンチレータは、柱状結晶構造を有する前記（１０）又は（１１）に記載の放射線検出器。
（１３）
前記シンチレータと前記光電変換素子との間に配置され、前記シンチレータで発生した光を前記光電変換素子へ導く光導波路をさらに備える前記（１０）〜（１２）の何れか１項に記載の放射線検出器。
（１４）
前記光導波路は、光ファイバを含む前記（１３）に記載の放射線検出器。
（１５）
入射した光子を電荷に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子の受光面側に配置されたシンチレータと、
前記光電変換素子で発生した電荷を電荷蓄積部に転送する転送トランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットトランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷量に応じた電圧値の電圧を垂直信号線に出現させる増幅トランジスタと、
前記垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する変換回路と、
前記変換回路で変換された前記デジタルの電圧値を画像データとして出力する出力回路と、
前記リセットトランジスタのゲートに接続された第１信号線と、
前記転送トランジスタのゲートに接続された第２信号線と、
前記リセットトランジスタに前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットパルスを前記第１信号線に出力し、前記転送トランジスタに前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送させる転送パルスを前記第２信号線に出力する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力した後、２回以上連続して、前記転送パルスを前記第２信号線へ出力する
放射線計測システム。
（１６）
前記出力回路から出力された前記画像データを解析する情報処理装置をさらに備える前記（１５）に記載の放射線計測システム。
（１７）
放射線を放射する線源をさらに備える前記（１５）又は（１６）に記載の放射線計測システム。
（１８）
前記線源は、アルファ線、ベータ線及びガンマ線のうちの少なくとも１つを放射する前記（１７）に記載の放射線計測システム。
（１９）
前記線源からの前記放射線の放射を制御する線源制御装置をさらに備える前記（１７）又は（１８）に記載の放射線計測システム。
（２０）
前記放射線計測システムは、サーベイメータ又はフローサイトメータである前記（１５）〜（１９）の何れか１項に記載の放射線計測システム。
（１）
入射した光子を電荷に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子で発生した電荷を電荷蓄積部に転送する転送トランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットトランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷量に応じた電圧値の電圧を垂直信号線に出現させる増幅トランジスタと、
前記垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する変換回路と、
前記リセットトランジスタのゲートに接続された第１信号線と、
前記転送トランジスタのゲートに接続された第２信号線と、
前記リセットトランジスタに前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットパルスを前記第１信号線に出力し、前記転送トランジスタに前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送させる転送パルスを前記第２信号線に出力する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力した後、２回以上連続して、前記転送パルスを前記第２信号線へ出力する
固体撮像装置。
（２）
前記変換回路は、
前記リセットパルスが前記第１信号線に出力されることで前記垂直信号線に現れた第１電圧をデジタルの第１電圧値に変換し、前記リセットパルスが前記第１信号線に出力された後に１回目に前記転送パルスが前記第２信号線に出力されることで前記垂直信号線に現れた第２電圧をデジタルの第２電圧値に変換し、前記第１電圧値と前記第２電圧値との差分を取得し、また、
前記リセットパルスが前記第１信号線に出力された後にｎ回目（ｎは２以上の整数）に前記転送パルスが前記第２信号線に出力されることで前記垂直信号線に現れた第３電圧をデジタルの第３電圧値に変換し、当該第３電圧値と、前記ｎ回目の直前であるｎ−１回目に前記転送パルスが前記第２信号線に出力されることで前記垂直信号線に現れた第４電圧を変換することで得られたデジタルの第４電圧値との差分を取得する
前記（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
前記変換回路は、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する変換器と、前記変換器で変換された電圧値を保持する保持部と、前記変換器で変換された電圧値と前記保持部で保持されている電圧値との差分を取得する減算器とを備える前記（１）に記載の固体撮像装置。
（４）
前記変換器は、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧と、外部から入力された参照電圧とを比較する比較器と、前記比較器による比較結果に基づいて前記アナログの電圧をデジタルの電圧値に変換するカウンタとを備える前記（３）に記載の固体撮像装置。
（５）
直線状又は階段状に昇圧又は降圧する鋸波状の波形の参照電圧を生成する参照電圧生成器と、
所定周期のクロック信号を前記カウンタへ出力する制御回路と、
をさらに備え、
前記比較器は、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧と前記参照電圧との比較結果を前記カウンタへ入力し、
前記カウンタは、前記比較器から出力される参照結果が反転するまでの間に入力された前記クロック信号の数をカウントすることで、前記アナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する
前記（４）に記載の固体撮像装置。
（６）
前記駆動回路は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力した後、所定周期で、前記転送パルスを前記第２信号線へ出力する前記（１）〜（５）の何れか１項に記載の固体撮像装置。
（７）
複数の前記変換回路と、
前記複数の変換回路それぞれの前記比較器の出力を入力する全反転検出回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記複数の変換回路それぞれの前記比較器の出力が全て反転したことを前記全反転検出回路が検出した場合、次の前記転送パルスを前記第２信号線へ出力するか、又は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力する
前記（４）又は（５）に記載の固体撮像装置。
（８）
前記全反転検出回路は、論理積回路である前記（７）に記載の固体撮像装置。
（９）
複数の前記光電変換素子と、
複数の前記変換回路と、
を備え、
前記複数の光電変換素子と前記複数の変換回路とは、一対一に対応付けられている
前記（１）〜（８）の何れか１項に記載の固体撮像装置。
（１０）
入射した光子を電荷に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子の受光面側に配置されたシンチレータと、
前記光電変換素子で発生した電荷を電荷蓄積部に転送する転送トランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットトランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷量に応じた電圧値の電圧を垂直信号線に出現させる増幅トランジスタと、
前記垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する変換回路と、
前記リセットトランジスタのゲートに接続された第１信号線と、
前記転送トランジスタのゲートに接続された第２信号線と、
前記リセットトランジスタに前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットパルスを前記第１信号線に出力し、前記転送トランジスタに前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送させる転送パルスを前記第２信号線に出力する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力した後、２回以上連続して、前記転送パルスを前記第２信号線へ出力する
放射線検出器。
（１１）
前記シンチレータは、ＣｓＩ（Ｔｌ）シンチレータ、ＧＳＯ単結晶シンチレータ及びプラスチックシンチレータの何れかを含む前記（１０）に記載の放射線検出器。
（１２）
前記シンチレータは、柱状結晶構造を有する前記（１０）又は（１１）に記載の放射線検出器。
（１３）
前記シンチレータと前記光電変換素子との間に配置され、前記シンチレータで発生した光を前記光電変換素子へ導く光導波路をさらに備える前記（１０）〜（１２）の何れか１項に記載の放射線検出器。
（１４）
前記光導波路は、光ファイバを含む前記（１３）に記載の放射線検出器。
（１５）
入射した光子を電荷に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子の受光面側に配置されたシンチレータと、
前記光電変換素子で発生した電荷を電荷蓄積部に転送する転送トランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットトランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷量に応じた電圧値の電圧を垂直信号線に出現させる増幅トランジスタと、
前記垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する変換回路と、
前記変換回路で変換された前記デジタルの電圧値を画像データとして出力する出力回路と、
前記リセットトランジスタのゲートに接続された第１信号線と、
前記転送トランジスタのゲートに接続された第２信号線と、
前記リセットトランジスタに前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットパルスを前記第１信号線に出力し、前記転送トランジスタに前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送させる転送パルスを前記第２信号線に出力する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力した後、２回以上連続して、前記転送パルスを前記第２信号線へ出力する
放射線計測システム。
（１６）
前記出力回路から出力された前記画像データを解析する情報処理装置をさらに備える前記（１５）に記載の放射線計測システム。
（１７）
放射線を放射する線源をさらに備える前記（１５）又は（１６）に記載の放射線計測システム。
（１８）
前記線源は、アルファ線、ベータ線及びガンマ線のうちの少なくとも１つを放射する前記（１７）に記載の放射線計測システム。
（１９）
前記線源からの前記放射線の放射を制御する線源制御装置をさらに備える前記（１７）又は（１８）に記載の放射線計測システム。
（２０）
前記放射線計測システムは、サーベイメータ又はフローサイトメータである前記（１５）〜（１９）の何れか１項に記載の放射線計測システム。
１０ 固体撮像装置
１１ タイミング制御回路
１２ 画素駆動回路
１３ 画素アレイ部
１４ 定電流回路
１５ サンプリング回路
１７ 参照電圧生成器
１８ 水平転送回路
１９ 出力回路
２０ 放射線検出器
２１ シンチレータ
２２ ＦＯＰ
３０ 情報処理装置
４０ 線源制御装置
５０ 線源
５１ 光子
１００ 放射線計測システム
１０１ 第１半導体基板
１０２ 第２半導体基板
１３１ 単位画素
１４１ 負荷ＭＯＳトランジスタ
１５１ ＡＤ変換回路
１５２ 比較器
１５４ カウンタ
１５５ レジスタ
１５６ 減算器
１５７ 論理積回路
１８１ 配線
１８２、１８３ 接続部
２１３ 平坦化膜
２１４ 遮光膜
２１５ 絶縁膜
２１６、２４１ ｐ型半導体領域
２１７ 受光面
２１８ 半導体基板
２２０ ｎ型半導体領域
２３０ 画素分離部
２３１ 溝部
２３２ 固定電荷膜
２３３ 絶縁膜
ＡＭＰ 増幅トランジスタ
Ｃ１、Ｃ２ カップリングキャパシタ
ＦＤ フローティングデフュージョン
ＨＳＬ 水平信号線
ＰＤ フォトダイオード
ＲＣＬ 制御線
ＲＳＴ リセットトランジスタ
ＴＲＧ 転送トランジスタ
ＶＳＬ 垂直信号線
１１ タイミング制御回路
１２ 画素駆動回路
１３ 画素アレイ部
１４ 定電流回路
１５ サンプリング回路
１７ 参照電圧生成器
１８ 水平転送回路
１９ 出力回路
２０ 放射線検出器
２１ シンチレータ
２２ ＦＯＰ
３０ 情報処理装置
４０ 線源制御装置
５０ 線源
５１ 光子
１００ 放射線計測システム
１０１ 第１半導体基板
１０２ 第２半導体基板
１３１ 単位画素
１４１ 負荷ＭＯＳトランジスタ
１５１ ＡＤ変換回路
１５２ 比較器
１５４ カウンタ
１５５ レジスタ
１５６ 減算器
１５７ 論理積回路
１８１ 配線
１８２、１８３ 接続部
２１３ 平坦化膜
２１４ 遮光膜
２１５ 絶縁膜
２１６、２４１ ｐ型半導体領域
２１７ 受光面
２１８ 半導体基板
２２０ ｎ型半導体領域
２３０ 画素分離部
２３１ 溝部
２３２ 固定電荷膜
２３３ 絶縁膜
ＡＭＰ 増幅トランジスタ
Ｃ１、Ｃ２ カップリングキャパシタ
ＦＤ フローティングデフュージョン
ＨＳＬ 水平信号線
ＰＤ フォトダイオード
ＲＣＬ 制御線
ＲＳＴ リセットトランジスタ
ＴＲＧ 転送トランジスタ
ＶＳＬ 垂直信号線
Claims (20)
- 入射した光子を電荷に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子で発生した電荷を電荷蓄積部に転送する転送トランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットトランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷量に応じた電圧値の電圧を垂直信号線に出現させる増幅トランジスタと、
前記垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する変換回路と、
前記リセットトランジスタのゲートに接続された第１信号線と、
前記転送トランジスタのゲートに接続された第２信号線と、
前記リセットトランジスタに前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットパルスを前記第１信号線に出力し、前記転送トランジスタに前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送させる転送パルスを前記第２信号線に出力する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力した後、２回以上連続して、前記転送パルスを前記第２信号線へ出力する
固体撮像装置。 - 前記変換回路は、
前記リセットパルスが前記第１信号線に出力されることで前記垂直信号線に現れた第１電圧をデジタルの第１電圧値に変換し、前記リセットパルスが前記第１信号線に出力された後に１回目に前記転送パルスが前記第２信号線に出力されることで前記垂直信号線に現れた第２電圧をデジタルの第２電圧値に変換し、前記第１電圧値と前記第２電圧値との差分を取得し、また、
前記リセットパルスが前記第１信号線に出力された後にｎ回目（ｎは２以上の整数）に前記転送パルスが前記第２信号線に出力されることで前記垂直信号線に現れた第３電圧をデジタルの第３電圧値に変換し、当該第３電圧値と、前記ｎ回目の直前であるｎ−１回目に前記転送パルスが前記第２信号線に出力されることで前記垂直信号線に現れた第４電圧を変換することで得られたデジタルの第４電圧値との差分を取得する
請求項１に記載の固体撮像装置。 - 前記変換回路は、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する変換器と、前記変換器で変換された電圧値を保持する保持部と、前記変換器で変換された電圧値と前記保持部で保持されている電圧値との差分を取得する減算器とを備える請求項１に記載の固体撮像装置。
- 前記変換器は、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧と、外部から入力された参照電圧とを比較する比較器と、前記比較器による比較結果に基づいて前記アナログの電圧をデジタルの電圧値に変換するカウンタとを備える請求項３に記載の固体撮像装置。
- 直線状又は階段状に昇圧又は降圧する鋸波状の波形の参照電圧を生成する参照電圧生成器と、
所定周期のクロック信号を前記カウンタへ出力する制御回路と、
をさらに備え、
前記比較器は、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧と前記参照電圧との比較結果を前記カウンタへ入力し、
前記カウンタは、前記比較器から出力される参照結果が反転するまでの間に入力された前記クロック信号の数をカウントすることで、前記アナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する
請求項４に記載の固体撮像装置。 - 前記駆動回路は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力した後、所定周期で、前記転送パルスを前記第２信号線へ出力する請求項１に記載の固体撮像装置。
- 複数の前記変換回路と、
前記複数の変換回路それぞれの前記比較器の出力を入力する全反転検出回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記複数の変換回路それぞれの前記比較器の出力が全て反転したことを前記全反転検出回路が検出した場合、次の前記転送パルスを前記第２信号線へ出力するか、又は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力する
請求項４に記載の固体撮像装置。 - 前記全反転検出回路は、論理積回路である請求項７に記載の固体撮像装置。
- 複数の前記光電変換素子と、
複数の前記変換回路と、
を備え、
前記複数の光電変換素子と前記複数の変換回路とは、一対一に対応付けられている
請求項１に記載の固体撮像装置。 - 入射した光子を電荷に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子の受光面側に配置されたシンチレータと、
前記光電変換素子で発生した電荷を電荷蓄積部に転送する転送トランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットトランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷量に応じた電圧値の電圧を垂直信号線に出現させる増幅トランジスタと、
前記垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する変換回路と、
前記リセットトランジスタのゲートに接続された第１信号線と、
前記転送トランジスタのゲートに接続された第２信号線と、
前記リセットトランジスタに前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットパルスを前記第１信号線に出力し、前記転送トランジスタに前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送させる転送パルスを前記第２信号線に出力する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力した後、２回以上連続して、前記転送パルスを前記第２信号線へ出力する
放射線検出器。 - 前記シンチレータは、ＣｓＩ（Ｔｌ）シンチレータ、ＧＳＯ単結晶シンチレータ及びプラスチックシンチレータの何れかを含む請求項１０に記載の放射線検出器。
- 前記シンチレータは、柱状結晶構造を有する請求項１０に記載の放射線検出器。
- 前記シンチレータと前記光電変換素子との間に配置され、前記シンチレータで発生した光を前記光電変換素子へ導く光導波路をさらに備える請求項１０に記載の放射線検出器。
- 前記光導波路は、光ファイバを含む請求項１３に記載の放射線検出器。
- 入射した光子を電荷に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子の受光面側に配置されたシンチレータと、
前記光電変換素子で発生した電荷を電荷蓄積部に転送する転送トランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットトランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷量に応じた電圧値の電圧を垂直信号線に出現させる増幅トランジスタと、
前記垂直信号線に接続され、前記垂直信号線に現れたアナログの電圧をデジタルの電圧値に変換する変換回路と、
前記変換回路で変換された前記デジタルの電圧値を画像データとして出力する出力回路と、
前記リセットトランジスタのゲートに接続された第１信号線と、
前記転送トランジスタのゲートに接続された第２信号線と、
前記リセットトランジスタに前記電荷蓄積部の電荷を放電させるリセットパルスを前記第１信号線に出力し、前記転送トランジスタに前記光電変換素子で発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送させる転送パルスを前記第２信号線に出力する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記リセットパルスを前記第１信号線へ出力した後、２回以上連続して、前記転送パルスを前記第２信号線へ出力する
放射線計測システム。 - 前記出力回路から出力された前記画像データを解析する情報処理装置をさらに備える請求項１５に記載の放射線計測システム。
- 放射線を放射する線源をさらに備える請求項１５に記載の放射線計測システム。
- 前記線源は、アルファ線、ベータ線及びガンマ線のうちの少なくとも１つを放射する請求項１７に記載の放射線計測システム。
- 前記線源からの前記放射線の放射を制御する線源制御装置をさらに備える請求項１７に記載の放射線計測システム。
- 前記放射線計測システムは、サーベイメータ又は透過型Ｘ線撮像装置である請求項１５に記載の放射線計測システム。
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|---|---|---|---|
| JP2018173063A JP2021193759A (ja) | 2018-09-14 | 2018-09-14 | 固体撮像装置、放射線検出器及び放射線計測システム |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018173063A JP2021193759A (ja) | 2018-09-14 | 2018-09-14 | 固体撮像装置、放射線検出器及び放射線計測システム |
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| Publication Number | Publication Date |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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