JP3825503B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に係り、特に医療における放射線撮像に適した固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、画像処理技術の普及に伴い光電変換機能を有する主要なデバイスとしてＣＣＤやＢＢＤに代表される電荷転送デバイスやＭＯＳ型固体撮像デバイスなどが開発されており、これらを利用した種々の固体撮像装置が知られている。
【０００３】
ところで、医療の分野では、２０世紀初頭に発明されたＸ線レントゲンフィルムを用いた画像診断は、いまだに最前線で活用されているが、患者数の増大とともに、保管方法や保管場所などが大きな問題となっている。そこで、近年、Ｘ線イメージインテンシファイア（Image Intensifier；ＩＩ）の技術を用いて、電子管によりＸ線を光学画像に変換し、ＣＣＤ等により読み込ませることによって直接コンピュータに転送し、磁気ディスクなどの電子メディアに保管することにより、保存場所の節約、検索の容易化、後日でも画像処理が可能等の便利さを使用者に提供できるようにしている。
【０００４】
Ｘ線を使用しての撮像には、リアルタイムで体内を観測する高速撮像モード（以後、透視モードとも呼ぶ）と、特定の時点での体内観測をする高解像度モードとがあり、撮像画素の単位を同一として、これらの２つのモードでの観察を行っている。
【０００５】
また、この方法では、Ｘ線ＩＩにより変換する部分で画像の劣化等の問題が生じるため、最近では、第１に、Ｘ線をシンチレータ等により可視光等に変換後、テーパ状の光ファイバプレート（テーパファイバ）を用いてフォトダイオードに入力して光電変換する方法、第２に、Ｘ線をシンチレータ等により可視光等に変換後、光ファイバプレートを用いることなく、アモルファスシリコン等の大面積イメージセンサに直接入力して画像化する方法が行われている。
【０００６】
図８に上記第１の方法で用いる装置を示す。この放射線撮像装置は、ＣｓＩにより形成されＸ線を光信号に変換するシンチレータ板１を備え、このシンチレータ板１と固体撮像部２との間には、３行３列に束ねたテーパファイバ３が介在されている。固体撮像部２は、テーパファイバ３に対応するように正方形板状のチップ４をマトリックス状に配置して構成されている。そして、その一単位のチップ４には、図９に示すように、フォトダイオードとスイッチ素子とを１組の受光要素とし、この受光要素を垂直・水平方向にマトリックス状に配列して受光部５が形成されている。また、受光部５の周囲であるチップ４外周辺近傍には、受光要素を一つずつ順次選択して信号を出力する垂直シフトレジスタ６および選択された各受光要素からの信号を処理するチャージアンプアレイ７が配置されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、Ｘ線を使って撮像を行う場合、被曝量を少なくするために線量を低く設定する。しかし、高速撮像モードでは、撮像結果から動画観察をすることから、Ｘ線の照射時間が必然的に長くなるので、照射Ｘ線の単位時間あたりの線量を非常に小さいものとすることになる。この結果、透過したＸ線自体にＸ線量子ノイズと呼ばれる一種の揺らぎが発生するため、シンチレータでＸ線フォトン１つに対して、非常に多くの可視光子に変換されるとしても、ノイズの多い画像しか得られないという問題点があった。
【０００８】
また、従来の放射線撮像装置では、図９に示すように、１チップ４内に受光部５を配置するとともに、受光部５の周辺に垂直シフトレジスタ６やチャージアンプアレイ７の回路部を配置していたため、シンチレータ板１で変換した全ての光信号を取り込むためには必然的にテーパファイバ３を用いて光を絞り込まなければならなかった。
【０００９】
ところが、テーパファイバは、その製造上の理由から非常に高額である。Ｘ線写真フィルムを用いる例からも判るように、医療の分野における画像診断の対象は人体であり、それも胸部等の大面積の領域であることから、撮像装置も大きなものが必要となる。したがって、高額なテーパファイバを用いて人体に対応する面積の放射線撮像装置を実現しようとすると、１システム当りのコストは膨大なものになるという問題があった。
【００１０】
また、テーパファイバは、製造時にファイバの四隅が丸くなることから、ファイバ角部に対応する位置おいて画像が得られなかったり、若干画像が歪むという問題もあった。
【００１１】
一方、アモルファスシリコンを用いる上記第２の方法の場合、容易に大面積を達成できるものの、微細加工技術を施せないために、最もノイズの発生の原因となるビデオライン容量を小さくできないという問題があり、特に人体の大きさまでセンサを大きくすると、この問題はより一層深刻となり、ＩＩ方式に比べ良好なＳ／Ｎ比を得ることは困難であった。
【００１２】
これらの問題を解決するために、ＭＯＳイメージセンサを用いた例が知られている。例えば、特開平４ー３５８８号公報に示すように、２次元ＭＯＳセンサの１水平受光部単位毎に積分器を配置してビデオラインを分割し、Ｓ／Ｎ比を稼ぐ方法がある。この方法を用いれば、もともとＭＯＳイメージセンサは１単位当りの画素サイズを２００μｍ×２００μｍ以上にできるので、これを大面積化することが考えられる。
【００１３】
ところが、チップ自体の面積を半導体ウェハサイズ以上にはできないという制約があるために、受光部の大きさをウェハサイズぎりぎりまでとして、そのチップを何個も組み合わせて人体の大きさまで構築する方法を採用せざるを得ない。しかし、この方法でも、各受光部の繋ぎめ毎にアンプアレイおよび水平、垂直シフトレジスタ自体の占有面積があるため、その分チップ間に大きな隙間が数ｍｍ存在することになり、画像上に大きなブランク領域が発生するので、実用上大きな障害となるという欠点があった。
【００１４】
また、このような大面積チップを製造する際、特に問題となるのが、オフセットばらつきである。ＭＯＳデバイスについては、そのしきい値電圧Ｖｔｈは製造工程上どうしてもばらつくが、特に大面積チップを構成する際に、そのＶｔｈばらつきはより一層顕著となる。ところが、特開平４ー３５８８号公報記載の装置では、その工夫がなされておらず、その影響がフィクストパターン画像ノイズとなって現れることは明白であり、その解決手段を持たない限り、実用とはなり得ないものである。
【００１５】
また、１単位当りの画素サイズを大きくしたとしても、大面積チップとし、各垂直ラインの受光要素数を増大させると、ビデオライン容量の１つの構成要素である配線容量はチップサイズとともに増大するし、またビデオライン容量の他の構成要素である各ビデオラインに接続された受光要素のスイッチ素子の総容量も増大するので、ＭＯＳデバイスといえど、こうした容量の増加を無視することができなくなる。
【００１６】
こうしたビデオラインの容量の増大に対して、特開昭６３−１８５２８１に開示の技術のように、受光要素のスイッチ素子の他に接続経路設定用のスイッチを設けて、動作時のビデオラインにおける接続スイッチ素子の数を低減することも考えられるが、各画素単位の読み出しごとの接続経路設定用のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ動作に伴うスイッチングノイズの影響が増大することになる。
【００１７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、動画観察時にもリアルタイム性を保ちつつ、かつ、量子ノイズによるＳ／Ｎの劣化の小さな固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１８】
また、画像に抜けや歪がなく、Ｓ／Ｎの良い画像が得られる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の固体撮像装置は、入力した２次元光像を撮像する固体撮像装置であって、（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子の信号出力端子に第１の端子が接続され、行方向走査信号に応じて第２の端子から光電変換素子で発生した電流信号を流出するスイッチ素子とを１組とする受光単位が、第１の数を列数とし、第２の数を行数としてマトリックス状に配列されて受光要素が形成されるとともに、受光要素が、第３の数を列数とし、第４の数を行数としてマトリクス状に配置されて形成され、同一の列の前記スイッチ素子の第２の端子が互いに電気的に接続された受光部と、（ｂ）受光部の列ごとに出力される電流信号を夫々個別に入力し、リセット指示信号に応じて、電流信号に関する電荷を電荷増幅器の入出力端子間に接続された容量素子に積分または非積分の動作をする、第１の数と第３の数との積である第５の数の積分回路と、（ｃ）夫々の積分回路から出力された積分信号を夫々入力して、信号処理する第５の数の信号処理回路と、（ｄ）夫々の受光要素に応じた、第１の数の信号処理回路からの出力信号と、モード指定信号とを入力するとともに、モード指定信号が高解像度モードを指定する場合には、第１の数の信号処理回路からの出力信号をそのまま出力し、モード指定信号が高速撮像モードを指定する場合には、第１の数の信号処理回路からの出力信号の値の和の値の信号を出力する、第３の数の出力信号処理部と、（ｅ）出力信号処理部から出力された信号と、信号出力指示信号を入力し、信号出力指示信号の指示に応じて、出力信号処理部から出力された信号を択一的に出力する出力信号選択部と、（ｆ）モード指定信号を入力し、モード指定信号が高解像度モードを指定する場合には、受光単位ごとにスイッチ素子を選択し、受光単位を単位として順次選択する行方向走査信号を出力し、モード指定信号が高速撮像モードを指定する場合には、受光要素内の第２の数のスイッチ素子を同時に選択するとともに、受光要素を単位として順次選択する行方向走査信号を出力する行方向走査指示部と、（ｇ）モード指示信号を入力し、モード指定信号が高解像度モードを指定する場合には、受光単位に応じて出力信号処理部から出力された信号を順次選択する出力指示信号を出力し、モード指定信号が高速撮像モードを指定する場合には、受光要素に応じて出力信号処理部から出力された信号を順次選択する出力指示信号を出力する出力信号選択指示部と、（ｈ）モード信号を出力するとともに、信号読み出し動作を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【００２０】
ここで、第１の数を２とし、第２の数を２とすることが可能である。
【００２１】
請求項１の固体撮像装置では、受光部の光電変換素子に蓄積された、受光量に応じた撮像データの読み出しに先立って、制御部が、高速撮像モードおよび高解像度モードのいずれかを指定するモード指定信号を、行方向走査指示部、出力信号処理部、および、出力信号選択指示部へ向けて出力する。なお、以後、行方向を垂直方向と、列方向を水平方向とも呼ぶ。
【００２２】
まず、高解像度モードを設定した場合について、読み出し動作を説明する。このモードでは、受光単位を単位として、受光量に応じた信号を読み出す。
【００２３】
読み出し動作に関する設定を初期化後、各列の行方向における第１番目の受光単位のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする行方向走査信号を出力する。スイッチ素子が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子に蓄積された電荷が電流信号となって受光部から出力される。そして、積分回路によって瞬時にその帰還容量に蓄積され受光量を電圧値に反映した積分信号として出力される。
【００２４】
各積分信号は、夫々に応じた信号処理回路に入力し、例えばクランプ処理やサンプリング処理が施されて出力される。信号処理回路から出力された信号は、出力信号処理部に入力する。出力信号処理部には、モード指定信号によって高解像度モード動作が指示されているので、入力信号をそのまま、受光単位ごとに応じた出力信号として、出力信号選択部へ向けて出力する。
【００２５】
この状態で、出力信号選択指示部が出力信号選択指示信号を出力する。出力信号選択指示部には、モード指定信号によって高解像度モード動作が指示されているので、受光単位に応じて出力信号処理部から出力された信号を順次選択する出力指示信号を出力信号選択部へ向けて出力する。
【００２６】
出力信号選択部は、入力した出力指示信号に従って、受光単位ごとに列方向に順次出力信号を出力する。こうして順次出力される出力信号を順次収集して、各列の第１番目の行に関する撮像結果を得る。
【００２７】
引き続き、読み出し動作に関する設定を初期化後、各列の行方向における第２番目の受光単位のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする行方向走査信号を出力する。以後、上記と同様にして、各列の第２番目の行に関する撮像結果を得る。
【００２８】
この後、読み出し動作に関する設定を初期化をその都度行いながら、各列の行方向における第３番目から最終番目までの受光単位のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする行方向走査信号を順次出力し、各列の全ての行に関する撮像結果を得る。
【００２９】
次に、高速撮像モードを設定した場合について、読み出し動作を説明する。このモードでは、受光要素を単位として、受光量に応じた信号を読み出す。
【００３０】
読み出し動作に関する設定を初期化後、受光要素の各列の行方向における第１番目の受光要素のスイッチ素子の全てを「ＯＮ」とする行方向走査信号を出力する。スイッチ素子が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子に蓄積された電荷が電流信号となって受光部から出力される。そして、夫々、積分回路によって瞬時にその帰還容量に蓄積され受光量を電圧値に反映した積分信号として出力される。すなわち、帰還容量には、同時にスイッチ素子が「ＯＮ」となった同一の列の第２の数の光電変換素子に蓄積された電荷の和の電荷が蓄積される。
【００３１】
各積分信号は、夫々に応じた信号処理回路に入力し、例えばクランプ処理やサンプリング処理が施されて出力される。信号処理回路から出力された受光要素に応じた１組の信号は、出力信号処理部に入力する。出力信号処理部には、モード指定信号によって高速撮像モード動作が指示されているので、受光要素に応じた１組の入力信号の値の和の値の信号を、受光要素に応じた出力信号として、出力信号選択部へ向けて出力する。
【００３２】
この状態で、出力信号選択指示部が出力信号選択指示信号を出力する。出力信号選択指示部には、モード指定信号によって高速撮像モード動作が指示されているので、受光要素に応じて出力信号処理部から出力された信号を順次選択する出力指示信号を出力信号選択部へ向けて出力する。
【００３３】
出力信号選択部は、入力した出力指示信号に従って、受光要素ごとに水平方向に順次出力信号を出力する。こうして順次出力される出力信号を順次収集して、受光要素を単位とした第１番目の水平ラインに関する撮像結果を得る。
【００３４】
引き続き、読み出し動作に関する設定を初期化後、受光要素の各列の行方向における第２番目の受光要素のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする行方向走査信号を出力する。以後、上記と同様にして、受光要素を単位とした第２番目の水平ラインに関する撮像結果を得る。
【００３５】
この後、読み出し動作に関する設定を初期化をその都度行いながら、受光要素の各列の行方向における第３番目から最終番目までの受光要素のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする垂直走査信号を順次出力し、受光要素を単位とした全ての行に関する撮像結果を得る。
【００３６】
請求項３の固体撮像装置は、請求項１の固体撮像装置において、行方向走査指示部および制御部は、受光単位の配列平面とは異なる第１の平面上に配設され、積分回路、出力信号処理回路、出力信号選択部、および、出力信号選択指示部は、受光単位の配列平面とは異なる第２の平面上に配設されるとともに、（i）受光部の外周辺近傍に配設され、受光単位の各行の、第５の数のスイッチ素子のゲート端子に共通接続された、第２の数と第４の数との積である第６の数のゲート用電極パッドと、第５の数の各列のスイッチ素子の出力端子に共通接続された第５の数の出力用電極パッドとが配列された電極パッドと、（ii）第１の平面上に配設された、受光単位を選択する行方向走査信号用の信号出力パッドと、（iii）第２の平面上に配設された、出力用電極パッドからの信号を入力するための信号入力パッドと、（iv）ゲート用電極パッドと信号出力パッドとを電気的に接続し、出力用電極パッドと信号入力パッドとを電気的に接続する接続手段とを更に備えることを特徴とする。
【００３７】
請求項３の構成の固体撮像装置において、撮像にあたっての受光に関して無駄なスペースとなる受光部以外の部分は、受光部とは異なる平面上に設けられ、受光要素群である受光部と小さな電極パッド部しか存在しない。したがって、この固体撮像装置では、通常の光ファイバプレートを使用することができる。これにより、固体撮像装置を安価に提供することができる。また、テーパファイバを用いないので、画像の抜けや劣化はなくなる。さらに、アモルファスシリコンを用いたようなＳ／Ｎの低下はない。
【００３８】
受光部と受光部以外との接続手段は、（i）受光単位の配列平面と垂直に配設されるとともに、複数のゲート用電極パッドに対応するゲート用配線または前記複数の出力用電極パッドに対応する出力用配線が施され、積分回路、出力信号処理回路、出力信号選択部、出力信号選択指示部、行方向走査指示部、および、制御部を搭載する１枚以上の配線板と、（ii）受光部の電極パッドと前記配線板の配線とを電気的に接続する配線手段とを備えて、好適に構成可能である。
【００３９】
ここで、配線手段は、（i）ボンディングワイヤや（ii）フレキシブルケーブルを好適に採用可能である。
【００４０】
ワイヤボンディングによる接続では、接続に要する領域が小さくなる。
【００４１】
また、フレキシブルケーブルとして、最近、液晶パネルなどの実装で一般的になっているＴＣＰ（Ｔａｐｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｐａｃｋａｇｅ）の方法を好適に用いることができる。フレキシブルケーブルを用いると、小さなスペースにおいても接続が容易となり、また確実となる。
【００４２】
また、接続手段は、（i）ゲート用電極パッドと信号出力パッドとに電気的に直接接続される第１のボールグリッドアレイ配線材と、（ii）出力用電極パッドと信号入力パッドとに電気的に直接接続される第２のボールグリッドアレイ配線材とでも構成可能である。
【００４３】
この場合も、撮像にあたっての受光に関して無駄なスペースとなる受光部以外の部分は、受光部とは異なる平面上に設けられるとともに、受光部と受光部以外の回路部とは第１、第２のボールグリッドアレイ配線材で電気的に直接接続され、受光面には、受光要素群である受光部と小さな電極パッド部しか存在しない。したがって、この固体撮像装置では、通常の光ファイバプレートを使用することができる。これにより、固体撮像装置を安価に提供することができる。
【００４４】
請求項４の固体撮像装置は、請求項３の固体撮像装置において、受光部以外の回路部は、受光部が存在する領域とは反対の領域に位置することを特徴とする。
【００４５】
請求項４の固体撮像装置では、放射線をシンチレータ板で光信号に変換し、例えばその光信号を光ファイバで伝送する。このとき、光ファイバ中にＰｂ等の放射線を遮断する成分が存在させることができるので、放射線による弊害は少ないが、回路部を受光部が存在する領域とは反対の領域に位置させることで、撮像領域を狭めることなく、また受光部以外の回路部を放射線から完全に保護することができる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の固体撮像装置の実施の形態を説明する。なお、図面の説明にあたって同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４７】
図１は、本発明の固体撮像装置の一実施例の回路構成図である。図１に示すように、この装置は、（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子１４０と、光電変換素子１４０の信号出力端子に端子１５１が接続され、行方向走査信号に応じて端子１５２から光電変換素子１４０で発生した電流信号を流出するスイッチ素子１５０とを１組とする受光単位１３０が、２を列数とし、２を行数としてマトリックス状に配列されて受光要素１２０が形成されるとともに、受光要素１２０が、Ｍを列数とし、Ｎを行数としてマトリクス状に配置されて形成され、同一の列のスイッチ素子１５０の端子１５２が互いに電気的に接続された受光部１００と、（ｂ）受光部１００の列ごとに出力される電流信号を夫々個別に入力し、リセット指示信号ＫＲＳに応じて、電流信号に関する電荷を入出力端子間に接続された容量素子２１２に積分または非積分の動作をする、２Ｍ個の数の積分回路２１０と、（ｃ）夫々の積分回路２１０から出力された積分信号ＤＳを夫々入力して、信号処理する２Ｍ個の信号処理回路２２０と、（ｄ）夫々の受光要素１２０に応じた、信号処理回路２２０からの２つの出力信号と、モード指定信号ＭＤとを入力するとともに、モード指定信号ＭＤが高解像度モードを指定する場合には、信号処理回路２２０からの２つの出力信号をそのまま出力し、モード指定信号ＭＤが高速撮像モードを指定する場合には、２つの積分信号の値の和の値の信号を出力する、Ｍ個の出力信号処理部２５０と、（ｅ）出力信号処理部２５０から出力された信号と、信号出力指示信号ＨＳj（ｊ＝１〜２Ｍ）、ＨＳk（ｋ＝１〜Ｍ）を入力し、信号出力指示信号ＨＳj、ＨＳkの指示に応じて、出力信号処理部２５０から出力された信号を択一的に出力する出力信号選択部２６０と、（ｆ）モード指定信号ＭＤを入力し、モード指定信号ＭＤが高解像度モードを指定する場合には、受光単位１３０ごとにスイッチ素子１５０を選択し、受光単位１３０を単位として順次選択する行方向走査信号ＶＳi（ｉ＝１〜２Ｎ）を出力し、モード指定信号ＭＤが高速撮像モードを指定する場合には、受光要素１２０内の２つのスイッチ素子１５０を同時に選択するとともに、受光要素１２０を単位として順次選択する行方向走査信号ＶＳiを出力する行方向走査指示部３２０と、（ｇ）モード指示信号ＭＤを入力し、モード指定信号ＭＤが高解像度モードを指定する場合には、受光単位１３０に応じて出力信号処理部２５０から出力された信号を順次選択してする出力指示信号ＨＳjを出力し、モード指定信号ＭＤが高速撮像モードを指定する場合には、受光要素１２０に応じて出力信号処理部２５０から出力された信号を順次選択する出力指示信号ＨＳkを出力する出力信号選択指示部３３０と、（ｈ）モード信号ＭＤを出力するとともに、信号読み出し動作を制御する制御部３１０とを備える。そして、各受光要素１２０ごとに対応する、２つの積分回路２１０と、２つの信号処理回路２２０と、１つの出力信号処理部２５０と、１つの出力信号選択部２６０とで垂直信号処理部２００kを構成している。また、（ｉ）垂直信号処理部２００kから出力された信号を入力し、装置としての出力データ信号を出力するデータ信号出力回路２８０を更に備える。
【００４８】
積分回路２１０は、（i）受光部１００からの出力信号を入力し、入力した電流信号の電荷を増幅する電荷増幅器２１１と、（ii）電荷増幅器２１１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２１１の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２１２と、（iii）電荷増幅器２１１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２１１の出力端子に他方の端子が接続され、リセット指示信号ＫＲＳが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、リセット指示信号ＫＲＳが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２１３と、（iv）一方の端子が接地され、電荷増幅器２１１の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２１４とを備える。
【００４９】
図２は、信号処理回路２２０の構成図である。図２に示すように、信号処理回路２２０は、（i）積分回路２１０から出力された信号ＤＳを入力し、クランプ指示信号ＣＰに応じて入力信号をクランプするクランプ回路２２１と、（ii）クランプ回路２２１から出力された信号を入力し、サンプル指示信号ＳＰに応じてサンプルホールド動作を行うサンプルホールド回路２２６とを備える。
【００５０】
クランプ回路２２１は、（i）積分回路２１０から出力された信号ＤＳを入力し、交流成分を出力する容量素子２２２と、（ii）容量素子２２２を介した信号を入力し、増幅して出力する増幅器２２３と、（iii）増幅器２２３の入力端子に一方の端子が接続され、増幅器２２３の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２２４と、（iv）増幅器２２３の入力端子に一方の端子が接続され、増幅器２２３の出力端子に他方の端子が接続され、クランプ指示信号ＣＰが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、クランプ指示信号ＣＰが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２２５とを備える。
【００５１】
サンプルホールド回路２２６は、（i）クランプ回路２２１から出力された信号を一方の端子に入力するとともに、サンプル指示信号ＳＰが非有意の場合には「ＯＦＦ」のホールド状態となり、サンプル指示信号ＳＰが有意の場合には「ＯＮ」のサンプル状態となるスイッチ素子２２７と、（ii）スイッチ素子２２７を介した信号電荷を蓄積する容量素子２２８とを備える。
【００５２】
図３は、出力信号処理部２５０の構成図である。図３に示すように、出力信号処理部２５０は、（i）ｋ番目（ｋ＝１〜Ｍ）の受光要素に応じた、２つの信号処理回路２２０の出力信号ＶＴ１、ＶＴ２を夫々入力し、増幅するとともに、インピーダンスを変換して出力するバッファアンプ２５１1、２５１2と、（ii）バッファアンプ２５１1、２５１2から出力された信号を、夫々、第１の端子に入力するとともに、モード指示信号ＭＤが、高解像度モードを示す場合には「ＯＮ」となり、高速撮像モードを示す場合には「ＯＦＦ」となるスイッチ素子２５２1、２５２2と、（iii）バッファアンプ２５１1、２５１2から出力された信号を、夫々、第１の端子に入力するとともに、モード指示信号ＭＤが、高解像度モードを示す場合には「ＯＦＦ」となり、高速撮像モードを示す場合には「ＯＮ」となるスイッチ素子２５３1、２５３2と、（iv）スイッチ素子２５２1、２５２2を介した信号を、夫々、第１の端子から入力し、交流成分である受光単位１３０に応じた出力信号ＶＯ2k-1、ＶＯ2kを第２の端子から出力する容量素子２５４1、２５４2と、（v）スイッチ素子２５３1、２５３2を介した信号を、夫々、第１の端子から入力し、交流成分である、受光要素１２０内の受光単位１３０に関する和に応じた出力信号ＶＯkを第２の端子から出力する、第２の端子同士が接続された容量素子２５５1、２５５2とを備える。
【００５３】
出力信号選択部２６０は、（i）受光単位１３０ごとに対応した信号ＶＯ2k-1、ＶＯ2kを、夫々、第１の端子から入力し、受光単位１３０ごとの出力信号選択指示信号ＨＳ2k-1、ＨＳ2kが有意の場合に「ＯＮ」となるスイッチ素子２６１、２６２と、（ii）受光要素１２０ごとに対応した信号ＶＯkを第１の端子から入力し、受光要素１２０ごとの出力信号選択指示信号ＨＳkが有意の場合に「ＯＮ」となるスイッチ素子２６３とを備える。
【００５４】
データ信号出力回路２８０は、（i）出力信号選択部２６０から出力された信号を入力し、入力した電流信号の電荷を増幅する電荷増幅器２８１と、（ii）電荷増幅器２８１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２８１の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２８２と、（iii）電荷増幅器２８１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２８１の出力端子に他方の端子が接続され、初期電位設定指示信号ＧＲＳが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、初期電位設定指示信号ＧＲＳが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２８３とを備える。
【００５５】
図４は、本実施形態の幾何学的構成の概要を示す構成図である。本実施形態の固体撮像装置は、図４に示すように、受光要素１２０をマトリックス状に配置した受光部１００を有するフォトダイオードチップ１１と、隣り合う受光部１００間において板面をフォトダイオードチップ１１と垂直にして配設した配線板１３ａ、１３ｂと、図４に示すような、配線板１３ａに設けられた行方向走査指示部３２０である垂直シフトレジスタチップ１４と、同じく配線板１３ｂに設けられた、積分回路２１０、信号処理回路２２０、出力信号処理部２５０、出力信号選択部２６０、制御部３１０、および、出力信号選択指示部（水平シフトレジスタ）３００を含むチャージアンプアレイチップ１５とから概略構成されている。
【００５６】
フォトダイオードアレイチップ１１の受光部１００の周りには、複数の受光単位１３０の各水平方向受光列の各スイッチ素子１５０のゲート端子に共通接続した複数のゲート用電極パッド４４ａと、各列（垂直方向受光列）のスイッチ素子１５０の出力端子に共通接続した複数の出力用電極パッド４４ｂとが配列されている。すなわち、フォトダイオードアレイチップ１１の受光部１００の周りには、ゲート用電極パッド４４ａと出力用電極パッド４４ｂとで構成される電極パッド部４４が形成されている。
【００５７】
垂直シフトレジスタチップ１４には、光検出結果を読み出す受光単位１３０の垂直方向の位置を指示する行方向走査信号ＶＳiを出力するための信号出力パッド４５ａが形成されている。
【００５８】
本実施形態の固体撮像装置は、図５に示すように、フォトダイオードアレイチップ１１の台座３５の四辺を横方向（矢印Ｘ方向）の配線板１３ｂおよび縦方向（矢印Ｙ方向）の配線板１３ａで組み込み支持して構成されている。正方形板状の台座３５のＸ方向の対向辺には、角部を切り欠いてなる中央の第１の凸部３６と角部を突き出してなる一対の第２の凸部３７が形成され、Ｙ方向の配線板１３ａの両側辺中間部には、切り欠き３８が形成されており、配線板１３ａの切り欠き３８より上部の板厚はそれより下部の板厚より薄くなっていて、図５で配線板１３ａの裏側となる面には段部が形成されている。
【００５９】
台座３５は、その第１の凸部３６がＹ方向前方の配線板１３ａの段部に係合され、対をなす第２の凸部３７が後方の配線板１３ａの切り欠き３８に嵌め込まれて、Ｙ方向の配線板１３ａに支持されている。
【００６０】
さらに、Ｙ方向の配線板１３ａの両側辺上部には、段違いとなる凸部３９、凸部４０が形成されている。そして、Ｘ方向の配線板１３ｂの上辺に形成された切り欠き４１に、Ｙ方向の配線板１３ａの下側の凸部４０を嵌め込むとともに、嵌め込んだ凸部４０の上に隣の配線板１３ａの上側の凸部３９が重なるようにして嵌め込んでＸＹ方向の配線板１３ａ、１３ｂが縦横立体的に組み立てられる。
【００６１】
図５に示すように、台座３５に載置されたフォトダイオードアレイチップ１１の受光部１００の隣り合う二辺の周り、すなわちフォトダイオードアレイチップ１１の外周二辺の近傍には、前述のように、受光要素１２０の各水平方向受光列および垂直方向受光列ごとにそれぞれ対応する数の電極パッド４４ａ、４４ｂが形成されている。一方、Ｙ方向の配線板１３ａおよびＸ方向の配線板１３ｂには、図５に示すように、切り欠き３８位置の上下方向にわたって、金めっき等の配線により、各ゲート用電極パッド４４ａおよび出力用電極パッド４４ｂに対応した数のゲート用配線４６ａおよび出力用配線４６ｂがそれぞれ施されている。
【００６２】
そして、図４に示すように、フォトダイオードアレイチップ１１を搭載した台座３５を配線板１３ａ、１３ｂに組み込んだ状態で、フォトダイオードアレイチップ１１のゲート用電極パッド４４ａとＹ方向の配線板１３ａのゲート用配線４６ａ、および出力用電極パッド４４ｂとＸ方向の配線板１３ｂの出力用配線４６ｂとは、ボンディングワイヤ４７によりそれぞれ電気的に接続されている。
【００６３】
また、Ｙ方向の配線板１３ａにおいて、フォトダイオードアレイチップ１１が存在する領域とは反対の領域（配線板１３ａの下部）には、図４および図５に示すように、垂直シフトレジスタチップ１４が接着剤によりダイボンドされている。同様にして、Ｘ方向の配線板１３ｂにおいて、フォトダイオードアレイチップ１１が存在する領域とは反対の領域（配線板１３ｂの下部）には、チャージアンプアレイチップ１５が接着剤によりダイボンドされている。
【００６４】
そして、垂直シフトレジスタチップ１４の信号出力パッド４５ａとＹ方向の配線板１３ａのゲート用配線４６ａ、およびチャージアンプアレイチップ１５の信号入力パッド４５ｂとＸ方向の配線板１３ｂの出力用配線４６ｂとは、ボンディングワイヤ４７によりそれぞれ電気的に接続されている。
【００６５】
本実施形態の固体撮像装置は、以下のようにして受光部１００で受光した光像に応じた撮像データを読み出す。
【００６６】
まず、高解像度モードを設定した場合について、読み出し動作を説明する。このモードでは、受光単位１３０を単位として、受光量に応じた信号を読み出す。図６は、高解像度モードを設定した場合の本実施形態の撮像データの読み出し動作のタンミングチャートである。
【００６７】
制御部３１０がモード指示信号ＭＤで高解像度モードを指定すると、出力信号処理部２５０のスイッチ素子２５２は「ＯＮ」となり、スイッチ素子２５３は「ＯＦＦ」となる。
【００６８】
まず、読み出しの実行に先立って、制御部３１０が全てのクランプ指示信号ＣＰjを有意するとともに、積分回路リセット指示信号ＫＲＳを有意とし、クランプ回路２２０の出力と積分回路２１０の出力を基準電位Ｖｒｅｆとする。
【００６９】
また、読み出しの実行に先立って、全ての水平ラインに応じた水平走査信号ＨＳjおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを有意とする。この結果、スイッチ素子２６１、２６２の全てがＯＮとなり、容量素子２５４の全ての出力がデータ出力回路２８０の初期電位である基準電位Ｖｒｅｆに設定される。
【００７０】
次に、制御部３１０が全てのクランプ指示信号ＣＰjを非有意とし、積分回路リセット指示信号ＫＲＳを非有意とするとともに、全ての水平ラインに応じた水平走査信号ＨＳjおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを有意としたままで、受光部１００の垂直走査における第１番目の受光単位１３０1,jのスイッチ素子１５０のみを「ＯＮ」とする垂直走査信号ＶＳiを有意とするとともに、全ての水平ラインに応じたサンプル指示信号ＳＰjを有意にする。スイッチ素子１５０が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子１４０に蓄積された電荷が電流信号となって受光部１００から出力される。そして、積分回路２１０によって瞬時にその帰還容量である容量素子２１２に蓄積され電圧として出力される。積分回路２１０から出力された信号は、クランプ回路２２１、サンプルホールド回路２２６、バッファアンプ２５１、および、スイッチ素子２５２を介して容量素子２５４に入力する。この結果、容量素子２５４の信号入力端子は光電変換素子１４０での受光量に応じた電圧が印加される。
【００７１】
次いで、全ての水平ラインに応じた水平走査信号ＨＳjおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを非有意とした後、水平走査信号ＨＳjの設定により、垂直方向の第１番目の受光単位１３０1,jに関するデータの読み出しを開始する。
【００７２】
タイミング制御部３１０が、水平選択信号ＨＳ1を有意とすることにより水平方向の第１番目の受光単位１３０1,1に応じたスイッチ素子２６１のみの「ＯＮ」を指示する水平走査信号ＨＳ1を有意とし、第１番目の受光単位１３０1,1に応じたスイッチ素子１５０のみを「ＯＮ」とするとともに、初期電位設定指示信号ＧＲＳが一時的に有意となり、データ出力回路２８０の入力電位が基準電位Ｖｒｅｆに設定される。
【００７３】
第１番目の受光単位１３０1,1に応じたスイッチ素子２６１が「ＯＮ」となることにより、容量素子２５４の出力端子とデータ出力回路２８０の入力端子とが接続されるが、容量素子２５４の出力端子の電位は、前回のスイッチ素子２６１、２６２の開放時の電位、すなわち、データ出力回路２８０の入力端子の初期電位である基準電位Ｖｒｅｆのままなので、データ出力回路２８０の入力端子の電位は変動せず安定したままである。
【００７４】
次に、水平方向の第１番目の受光単位１３０1,1に応じたクランプ指示信号ＣＰ1とサンプル指示信号ＳＰ1とを有意とする。この結果、クランプ回路２２１の出力はクランプ電位である基準電位Ｖｒｅｆに変化し、この変化がサンプルホールド回路２２６、容量素子２５４、およびデータ出力回路２８０を介して、水平方向の第１番目の受光単位１３０1,1に入射した光量に応じた出力データ信号ＶOとして出力される。
【００７５】
引き続き、水平方向の第１番目の受光単位１３０1,1に応じたスイッチ素子２６１のみの選択を指示する水平走査信号ＨＳ1、水平方向の第１番目の受光単位１３０1,1に応じたクランプ指示信号ＣＰ1、およびサンプル指示信号ＳＰ1を非有意として、水平方向の第１番目の受光単位１３０1,1に関するデータ読み出しを終了する。
【００７６】
次に、水平方向の第１番目の受光単位１３０1,1と同様にして、水平方向の第２番目以降の受光単位１３０1,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００７７】
次いで、制御部３１０が全てのクランプ指示信号ＣＰjと積分回路リセット指示信号ＫＲＳとを有意とし、クランプ回路２２１の出力と積分回路２１０との出力を基準電位Ｖｒｅｆに設定しながら、受光部１００の垂直走査における第２番目以降の受光単位１３０i,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００７８】
こうして、受光部１００に入力した光の形成する光像を撮像し、受光単位１３０ごとに高分解能で撮像データを得る。
【００７９】
次に、高速撮像モードを設定した場合について、読み出し動作を説明する。このモードでは、受光要素１２０を単位として、受光量に応じた信号を読み出す。図７は、高速撮像モードを設定した場合の本実施形態の撮像データの読み出し動作のタンミングチャートである。
【００８０】
制御部３１０がモード指示信号ＭＤで高速撮像モードを指定すると、出力信号処理部２５０のスイッチ素子２５２は「ＯＦＦ」となり、スイッチ素子２５３は「ＯＮ」となる。
【００８１】
まず、読み出しの実行に先立って、制御部３１０が全てのクランプ指示指示信号ＣＰjを有意するとともに、積分回路リセット指示信号ＫＲＳを有意とし、クランプ回路２２１の出力と積分回路２１０の出力を基準電位Ｖｒｅｆとする。
【００８２】
また、読み出しの実行に先立って、全ての水平ラインに応じた水平走査信号ＨＳjおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを有意とする。この結果、スイッチ素子２６３の全てがＯＮとなり、容量素子２５５の全ての出力がデータ出力回路２８０の初期電位である基準電位Ｖｒｅｆに設定される。
【００８３】
次に、制御部３１０が全てのクランプ指示信号ＣＰjを非有意とし、積分回路リセット指示信号ＫＲＳを非有意とするとともに、全ての水平ラインに応じた水平走査信号ＨＳjおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを有意としたままで、受光部１００の垂直走査における第１番目の受光要素１２０1,jの全てのスイッチ素子１５０を「ＯＮ」とする垂直走査信号ＶＳ1、ＶＳ2を有意とするとともに、全ての水平ラインに応じたサンプル指示信号ＳＰjを有意にする。スイッチ素子１５０が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子１４０に蓄積された電荷が電流信号となって受光部１００から出力される。すなわち、受光部１００からの各信号には、同一の垂直受光列の２つ光電変換素子１４０に蓄積された電荷の和の電荷が電流信号となって出力される。そして、積分回路２１０によって瞬時にその帰還容量である容量素子２１２に蓄積され電圧として出力される。積分回路２１０から出力された信号は、クランプ回路２２１、サンプルホールド回路２２６、バッファアンプ２５１、および、スイッチ素子２５３を介して容量素子２５５に入力する。この結果、容量素子２５５1、２５５2の夫々の信号入力端子は光電変換素子１４０での受光量に応じた電圧が印加される。
【００８４】
次いで、全ての水平ラインに応じた水平走査信号ＨＳkおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを非有意とした後、水平走査信号ＨＳkの設定により、垂直方向の第１番目の受光要素１２０1,jに関するデータの読み出しを開始する。
【００８５】
タイミング制御部３１０が、水平選択信号ＨＳ1を有意とすることにより水平方向の第１番目の受光要素１２０1,1に応じたスイッチ素子２６３のみの「ＯＮ」を指示する水平走査信号ＨＳ1を有意とし、第１番目の受光要素１２０1,1に応じたスイッチ素子２６３のみを「ＯＮ」とするとともに、初期電位設定指示信号ＧＲＳが一時的に有意となり、データ出力回路２８０の入力電位が基準電位Ｖｒｅｆに設定される。
【００８６】
第１番目の受光要素１２０1,1に応じたスイッチ素子２６３が「ＯＮ」となることにより、容量素子２５５の出力端子とデータ出力回路２８０の入力端子とが接続されるが、容量素子２５５の出力端子の電位は、前回のスイッチ素子２６２の開放時の電位、すなわち、データ出力回路２８０の入力端子の初期電位である基準電位Ｖｒｅｆのままなので、データ出力回路２８０の入力端子の電位は変動せず安定したままである。
【００８７】
次に、水平方向の第１番目の受光要素１２０1,1に応じたクランプ指示信号ＣＰ1、ＣＰ2とサンプル指示信号ＳＰ1、ＳＰ2とを有意とする。この結果、クランプ回路２２１の出力はクランプ電位である基準電位Ｖｒｅｆに変化し、この変化がサンプルホールド回路２２６、容量素子２５５、およびデータ出力回路２８０を介して、水平方向の第１番目の受光要素１２０1,1の４つの光電変換素子１４０に入射した光量に応じた出力データ信号Ｖｏとして出力される。
【００８８】
引き続き、水平方向の第１番目の受光要素１２０1,1に応じたスイッチ素子２６３のみの選択を指示する水平走査信号ＨＳ1、水平方向の第１番目の受光要素１２０1,1に応じたクランプ指示信号ＣＰ1、ＣＰ2およびサンプル指示信号ＳＰ1、ＳＰ2を非有意として、水平方向の第１番目の受光要素１２０1,1に関するデータ読み出しを終了する。
【００８９】
次に、水平方向の第１番目の受光要素１２０1,1と同様にして、水平方向の第２番目以降の受光要素１２０1,kに関するデータ読み出しを実行する。
【００９０】
次いで、制御部３１０が全てのクランプ指示信号ＣＰjと積分回路リセット指示信号ＫＲＳとを有意とし、クランプ回路２２１の出力と積分回路２１０との出力を基準電位Ｖｒｅｆに設定しながら、受光部１００の垂直走査における第２番目以降の受光要素１２０i,kに関するデータ読み出しを実行する。
【００９１】
こうして、受光部１００に入力した光の形成する光像を撮像し、４つの受光単位１３０からなる受光要素１２０ごとに高速に、かつ、撮像平面における撮像に関して無駄なスペースが低減して撮像データを得る。
【００９２】
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、変形が可能である。例えば、上記の実施形態では、受光要素を２行×２列＝４個の受光単位で構成したが、１画面の撮像速度および達成すべき分解能との関係から、他の行数および他の列数の受光単位から受光要素を構成することが可能である。また、上記の実施形態では、電極パッド同士の接続に、配線板およびボンディングワイヤを使用したが、ボンディングワイヤに代えてフレキシブルケーブルを使用することも可能であるし、配線板およびボンディングワイヤに代えてボールグリッド配線を使用することも可能である。
【００９３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、請求項１の固体撮像装置によれば、受光単位ごとに撮像データを収集する高分解能モードでの撮像と、複数の受光単位から成る受光要素ごとに撮像データを収集する高速撮像モードでの撮像とが可能なので、静止画観察時に高分解能モードを使用し、動画観察時に高速撮像モードを使用することにより、動画観察時にもリアルタイム性を保ちつつ、かつ、量子ノイズによるＳ／Ｎの劣化の小さな撮像ができる。
【００９４】
また、請求項３の固体撮像装置によれば、請求項１の固体撮像装置において、撮像に関して無駄なスペースとなる受光部以外の回路部を、受光部の受光面とはことなる平面上に設けるので、通常の光ファイバプレートを使用することができる。これにより、固体撮像装置を安価に提供することができる。また、テーパファイバを用いないので、画像の抜けや劣化はなくなる。さらに、アモルファスシリコンを用いたようなＳ／Ｎ比の低下はない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の固体撮像装置の回路構成図である。
【図２】同実施形態の信号処理回路の回路構成図である。
【図３】同実施形態の出力信号処理部の回路構成図である。
【図４】同実施形態の固体撮像装置の幾何学的配置の説明図である。
【図５】同実施形態の固体撮像装置の幾何学的配置の説明図である。
【図６】同実施形態の固体撮像装置の高解像度モードの動作のタイミングチャートである。
【図７】同実施形態の固体撮像装置の高速撮像モードの動作のタイミングチャートである。
【図８】従来の固体撮像装置を示す斜視図である。
【図９】従来の固体撮像装置の固体撮像部を示す平面図である。
【符号の説明】
１０…固体撮像装置、１１…フォトダイオードアレイチップ、１２…受光ユニット、１３ａ，１３ｂ…配線板、１４…垂直シフトレジスタチップ、１５…チャージアンプアレイチップ、２６…垂直シフトレジスタ、３５…台座、４４…電極パッド部、４４ａ…ゲート用電極パッド、４４ｂ…出力用電極パッド、４５ａ…信号出力パッド、４５ｂ…信号入力パッド、４６ａ…ゲート用配線、４６ｂ…出力用配線、４７…ボンディングワイヤ、１００…受光部、１２０…受光要素、１３０…受光単位、１４０…光電変換素子、１５０…スイッチ素子、２００…垂直信号処理部、２１０…積分回路、２２０…信号処理回路、２２１…クランプ回路、２２６…サンプルホールド回路、２５０…出力信号処理部、２６０…出力信号選択部、２８０…データ信号出力回路、３１０…制御部、３２０…行方向走査指示部、３３０…出力信号選択指示部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に係り、特に医療における放射線撮像に適した固体撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、画像処理技術の普及に伴い光電変換機能を有する主要なデバイスとしてＣＣＤやＢＢＤに代表される電荷転送デバイスやＭＯＳ型固体撮像デバイスなどが開発されており、これらを利用した種々の固体撮像装置が知られている。
【０００３】
ところで、医療の分野では、２０世紀初頭に発明されたＸ線レントゲンフィルムを用いた画像診断は、いまだに最前線で活用されているが、患者数の増大とともに、保管方法や保管場所などが大きな問題となっている。そこで、近年、Ｘ線イメージインテンシファイア（Image Intensifier；ＩＩ）の技術を用いて、電子管によりＸ線を光学画像に変換し、ＣＣＤ等により読み込ませることによって直接コンピュータに転送し、磁気ディスクなどの電子メディアに保管することにより、保存場所の節約、検索の容易化、後日でも画像処理が可能等の便利さを使用者に提供できるようにしている。
【０００４】
Ｘ線を使用しての撮像には、リアルタイムで体内を観測する高速撮像モード（以後、透視モードとも呼ぶ）と、特定の時点での体内観測をする高解像度モードとがあり、撮像画素の単位を同一として、これらの２つのモードでの観察を行っている。
【０００５】
また、この方法では、Ｘ線ＩＩにより変換する部分で画像の劣化等の問題が生じるため、最近では、第１に、Ｘ線をシンチレータ等により可視光等に変換後、テーパ状の光ファイバプレート（テーパファイバ）を用いてフォトダイオードに入力して光電変換する方法、第２に、Ｘ線をシンチレータ等により可視光等に変換後、光ファイバプレートを用いることなく、アモルファスシリコン等の大面積イメージセンサに直接入力して画像化する方法が行われている。
【０００６】
図８に上記第１の方法で用いる装置を示す。この放射線撮像装置は、ＣｓＩにより形成されＸ線を光信号に変換するシンチレータ板１を備え、このシンチレータ板１と固体撮像部２との間には、３行３列に束ねたテーパファイバ３が介在されている。固体撮像部２は、テーパファイバ３に対応するように正方形板状のチップ４をマトリックス状に配置して構成されている。そして、その一単位のチップ４には、図９に示すように、フォトダイオードとスイッチ素子とを１組の受光要素とし、この受光要素を垂直・水平方向にマトリックス状に配列して受光部５が形成されている。また、受光部５の周囲であるチップ４外周辺近傍には、受光要素を一つずつ順次選択して信号を出力する垂直シフトレジスタ６および選択された各受光要素からの信号を処理するチャージアンプアレイ７が配置されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、Ｘ線を使って撮像を行う場合、被曝量を少なくするために線量を低く設定する。しかし、高速撮像モードでは、撮像結果から動画観察をすることから、Ｘ線の照射時間が必然的に長くなるので、照射Ｘ線の単位時間あたりの線量を非常に小さいものとすることになる。この結果、透過したＸ線自体にＸ線量子ノイズと呼ばれる一種の揺らぎが発生するため、シンチレータでＸ線フォトン１つに対して、非常に多くの可視光子に変換されるとしても、ノイズの多い画像しか得られないという問題点があった。
【０００８】
また、従来の放射線撮像装置では、図９に示すように、１チップ４内に受光部５を配置するとともに、受光部５の周辺に垂直シフトレジスタ６やチャージアンプアレイ７の回路部を配置していたため、シンチレータ板１で変換した全ての光信号を取り込むためには必然的にテーパファイバ３を用いて光を絞り込まなければならなかった。
【０００９】
ところが、テーパファイバは、その製造上の理由から非常に高額である。Ｘ線写真フィルムを用いる例からも判るように、医療の分野における画像診断の対象は人体であり、それも胸部等の大面積の領域であることから、撮像装置も大きなものが必要となる。したがって、高額なテーパファイバを用いて人体に対応する面積の放射線撮像装置を実現しようとすると、１システム当りのコストは膨大なものになるという問題があった。
【００１０】
また、テーパファイバは、製造時にファイバの四隅が丸くなることから、ファイバ角部に対応する位置おいて画像が得られなかったり、若干画像が歪むという問題もあった。
【００１１】
一方、アモルファスシリコンを用いる上記第２の方法の場合、容易に大面積を達成できるものの、微細加工技術を施せないために、最もノイズの発生の原因となるビデオライン容量を小さくできないという問題があり、特に人体の大きさまでセンサを大きくすると、この問題はより一層深刻となり、ＩＩ方式に比べ良好なＳ／Ｎ比を得ることは困難であった。
【００１２】
これらの問題を解決するために、ＭＯＳイメージセンサを用いた例が知られている。例えば、特開平４ー３５８８号公報に示すように、２次元ＭＯＳセンサの１水平受光部単位毎に積分器を配置してビデオラインを分割し、Ｓ／Ｎ比を稼ぐ方法がある。この方法を用いれば、もともとＭＯＳイメージセンサは１単位当りの画素サイズを２００μｍ×２００μｍ以上にできるので、これを大面積化することが考えられる。
【００１３】
ところが、チップ自体の面積を半導体ウェハサイズ以上にはできないという制約があるために、受光部の大きさをウェハサイズぎりぎりまでとして、そのチップを何個も組み合わせて人体の大きさまで構築する方法を採用せざるを得ない。しかし、この方法でも、各受光部の繋ぎめ毎にアンプアレイおよび水平、垂直シフトレジスタ自体の占有面積があるため、その分チップ間に大きな隙間が数ｍｍ存在することになり、画像上に大きなブランク領域が発生するので、実用上大きな障害となるという欠点があった。
【００１４】
また、このような大面積チップを製造する際、特に問題となるのが、オフセットばらつきである。ＭＯＳデバイスについては、そのしきい値電圧Ｖｔｈは製造工程上どうしてもばらつくが、特に大面積チップを構成する際に、そのＶｔｈばらつきはより一層顕著となる。ところが、特開平４ー３５８８号公報記載の装置では、その工夫がなされておらず、その影響がフィクストパターン画像ノイズとなって現れることは明白であり、その解決手段を持たない限り、実用とはなり得ないものである。
【００１５】
また、１単位当りの画素サイズを大きくしたとしても、大面積チップとし、各垂直ラインの受光要素数を増大させると、ビデオライン容量の１つの構成要素である配線容量はチップサイズとともに増大するし、またビデオライン容量の他の構成要素である各ビデオラインに接続された受光要素のスイッチ素子の総容量も増大するので、ＭＯＳデバイスといえど、こうした容量の増加を無視することができなくなる。
【００１６】
こうしたビデオラインの容量の増大に対して、特開昭６３−１８５２８１に開示の技術のように、受光要素のスイッチ素子の他に接続経路設定用のスイッチを設けて、動作時のビデオラインにおける接続スイッチ素子の数を低減することも考えられるが、各画素単位の読み出しごとの接続経路設定用のスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ動作に伴うスイッチングノイズの影響が増大することになる。
【００１７】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、動画観察時にもリアルタイム性を保ちつつ、かつ、量子ノイズによるＳ／Ｎの劣化の小さな固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１８】
また、画像に抜けや歪がなく、Ｓ／Ｎの良い画像が得られる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の固体撮像装置は、入力した２次元光像を撮像する固体撮像装置であって、（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、光電変換素子の信号出力端子に第１の端子が接続され、行方向走査信号に応じて第２の端子から光電変換素子で発生した電流信号を流出するスイッチ素子とを１組とする受光単位が、第１の数を列数とし、第２の数を行数としてマトリックス状に配列されて受光要素が形成されるとともに、受光要素が、第３の数を列数とし、第４の数を行数としてマトリクス状に配置されて形成され、同一の列の前記スイッチ素子の第２の端子が互いに電気的に接続された受光部と、（ｂ）受光部の列ごとに出力される電流信号を夫々個別に入力し、リセット指示信号に応じて、電流信号に関する電荷を電荷増幅器の入出力端子間に接続された容量素子に積分または非積分の動作をする、第１の数と第３の数との積である第５の数の積分回路と、（ｃ）夫々の積分回路から出力された積分信号を夫々入力して、信号処理する第５の数の信号処理回路と、（ｄ）夫々の受光要素に応じた、第１の数の信号処理回路からの出力信号と、モード指定信号とを入力するとともに、モード指定信号が高解像度モードを指定する場合には、第１の数の信号処理回路からの出力信号をそのまま出力し、モード指定信号が高速撮像モードを指定する場合には、第１の数の信号処理回路からの出力信号の値の和の値の信号を出力する、第３の数の出力信号処理部と、（ｅ）出力信号処理部から出力された信号と、信号出力指示信号を入力し、信号出力指示信号の指示に応じて、出力信号処理部から出力された信号を択一的に出力する出力信号選択部と、（ｆ）モード指定信号を入力し、モード指定信号が高解像度モードを指定する場合には、受光単位ごとにスイッチ素子を選択し、受光単位を単位として順次選択する行方向走査信号を出力し、モード指定信号が高速撮像モードを指定する場合には、受光要素内の第２の数のスイッチ素子を同時に選択するとともに、受光要素を単位として順次選択する行方向走査信号を出力する行方向走査指示部と、（ｇ）モード指示信号を入力し、モード指定信号が高解像度モードを指定する場合には、受光単位に応じて出力信号処理部から出力された信号を順次選択する出力指示信号を出力し、モード指定信号が高速撮像モードを指定する場合には、受光要素に応じて出力信号処理部から出力された信号を順次選択する出力指示信号を出力する出力信号選択指示部と、（ｈ）モード信号を出力するとともに、信号読み出し動作を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
【００２０】
ここで、第１の数を２とし、第２の数を２とすることが可能である。
【００２１】
請求項１の固体撮像装置では、受光部の光電変換素子に蓄積された、受光量に応じた撮像データの読み出しに先立って、制御部が、高速撮像モードおよび高解像度モードのいずれかを指定するモード指定信号を、行方向走査指示部、出力信号処理部、および、出力信号選択指示部へ向けて出力する。なお、以後、行方向を垂直方向と、列方向を水平方向とも呼ぶ。
【００２２】
まず、高解像度モードを設定した場合について、読み出し動作を説明する。このモードでは、受光単位を単位として、受光量に応じた信号を読み出す。
【００２３】
読み出し動作に関する設定を初期化後、各列の行方向における第１番目の受光単位のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする行方向走査信号を出力する。スイッチ素子が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子に蓄積された電荷が電流信号となって受光部から出力される。そして、積分回路によって瞬時にその帰還容量に蓄積され受光量を電圧値に反映した積分信号として出力される。
【００２４】
各積分信号は、夫々に応じた信号処理回路に入力し、例えばクランプ処理やサンプリング処理が施されて出力される。信号処理回路から出力された信号は、出力信号処理部に入力する。出力信号処理部には、モード指定信号によって高解像度モード動作が指示されているので、入力信号をそのまま、受光単位ごとに応じた出力信号として、出力信号選択部へ向けて出力する。
【００２５】
この状態で、出力信号選択指示部が出力信号選択指示信号を出力する。出力信号選択指示部には、モード指定信号によって高解像度モード動作が指示されているので、受光単位に応じて出力信号処理部から出力された信号を順次選択する出力指示信号を出力信号選択部へ向けて出力する。
【００２６】
出力信号選択部は、入力した出力指示信号に従って、受光単位ごとに列方向に順次出力信号を出力する。こうして順次出力される出力信号を順次収集して、各列の第１番目の行に関する撮像結果を得る。
【００２７】
引き続き、読み出し動作に関する設定を初期化後、各列の行方向における第２番目の受光単位のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする行方向走査信号を出力する。以後、上記と同様にして、各列の第２番目の行に関する撮像結果を得る。
【００２８】
この後、読み出し動作に関する設定を初期化をその都度行いながら、各列の行方向における第３番目から最終番目までの受光単位のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする行方向走査信号を順次出力し、各列の全ての行に関する撮像結果を得る。
【００２９】
次に、高速撮像モードを設定した場合について、読み出し動作を説明する。このモードでは、受光要素を単位として、受光量に応じた信号を読み出す。
【００３０】
読み出し動作に関する設定を初期化後、受光要素の各列の行方向における第１番目の受光要素のスイッチ素子の全てを「ＯＮ」とする行方向走査信号を出力する。スイッチ素子が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子に蓄積された電荷が電流信号となって受光部から出力される。そして、夫々、積分回路によって瞬時にその帰還容量に蓄積され受光量を電圧値に反映した積分信号として出力される。すなわち、帰還容量には、同時にスイッチ素子が「ＯＮ」となった同一の列の第２の数の光電変換素子に蓄積された電荷の和の電荷が蓄積される。
【００３１】
各積分信号は、夫々に応じた信号処理回路に入力し、例えばクランプ処理やサンプリング処理が施されて出力される。信号処理回路から出力された受光要素に応じた１組の信号は、出力信号処理部に入力する。出力信号処理部には、モード指定信号によって高速撮像モード動作が指示されているので、受光要素に応じた１組の入力信号の値の和の値の信号を、受光要素に応じた出力信号として、出力信号選択部へ向けて出力する。
【００３２】
この状態で、出力信号選択指示部が出力信号選択指示信号を出力する。出力信号選択指示部には、モード指定信号によって高速撮像モード動作が指示されているので、受光要素に応じて出力信号処理部から出力された信号を順次選択する出力指示信号を出力信号選択部へ向けて出力する。
【００３３】
出力信号選択部は、入力した出力指示信号に従って、受光要素ごとに水平方向に順次出力信号を出力する。こうして順次出力される出力信号を順次収集して、受光要素を単位とした第１番目の水平ラインに関する撮像結果を得る。
【００３４】
引き続き、読み出し動作に関する設定を初期化後、受光要素の各列の行方向における第２番目の受光要素のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする行方向走査信号を出力する。以後、上記と同様にして、受光要素を単位とした第２番目の水平ラインに関する撮像結果を得る。
【００３５】
この後、読み出し動作に関する設定を初期化をその都度行いながら、受光要素の各列の行方向における第３番目から最終番目までの受光要素のスイッチ素子のみを「ＯＮ」とする垂直走査信号を順次出力し、受光要素を単位とした全ての行に関する撮像結果を得る。
【００３６】
請求項３の固体撮像装置は、請求項１の固体撮像装置において、行方向走査指示部および制御部は、受光単位の配列平面とは異なる第１の平面上に配設され、積分回路、出力信号処理回路、出力信号選択部、および、出力信号選択指示部は、受光単位の配列平面とは異なる第２の平面上に配設されるとともに、（i）受光部の外周辺近傍に配設され、受光単位の各行の、第５の数のスイッチ素子のゲート端子に共通接続された、第２の数と第４の数との積である第６の数のゲート用電極パッドと、第５の数の各列のスイッチ素子の出力端子に共通接続された第５の数の出力用電極パッドとが配列された電極パッドと、（ii）第１の平面上に配設された、受光単位を選択する行方向走査信号用の信号出力パッドと、（iii）第２の平面上に配設された、出力用電極パッドからの信号を入力するための信号入力パッドと、（iv）ゲート用電極パッドと信号出力パッドとを電気的に接続し、出力用電極パッドと信号入力パッドとを電気的に接続する接続手段とを更に備えることを特徴とする。
【００３７】
請求項３の構成の固体撮像装置において、撮像にあたっての受光に関して無駄なスペースとなる受光部以外の部分は、受光部とは異なる平面上に設けられ、受光要素群である受光部と小さな電極パッド部しか存在しない。したがって、この固体撮像装置では、通常の光ファイバプレートを使用することができる。これにより、固体撮像装置を安価に提供することができる。また、テーパファイバを用いないので、画像の抜けや劣化はなくなる。さらに、アモルファスシリコンを用いたようなＳ／Ｎの低下はない。
【００３８】
受光部と受光部以外との接続手段は、（i）受光単位の配列平面と垂直に配設されるとともに、複数のゲート用電極パッドに対応するゲート用配線または前記複数の出力用電極パッドに対応する出力用配線が施され、積分回路、出力信号処理回路、出力信号選択部、出力信号選択指示部、行方向走査指示部、および、制御部を搭載する１枚以上の配線板と、（ii）受光部の電極パッドと前記配線板の配線とを電気的に接続する配線手段とを備えて、好適に構成可能である。
【００３９】
ここで、配線手段は、（i）ボンディングワイヤや（ii）フレキシブルケーブルを好適に採用可能である。
【００４０】
ワイヤボンディングによる接続では、接続に要する領域が小さくなる。
【００４１】
また、フレキシブルケーブルとして、最近、液晶パネルなどの実装で一般的になっているＴＣＰ（Ｔａｐｅ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｐａｃｋａｇｅ）の方法を好適に用いることができる。フレキシブルケーブルを用いると、小さなスペースにおいても接続が容易となり、また確実となる。
【００４２】
また、接続手段は、（i）ゲート用電極パッドと信号出力パッドとに電気的に直接接続される第１のボールグリッドアレイ配線材と、（ii）出力用電極パッドと信号入力パッドとに電気的に直接接続される第２のボールグリッドアレイ配線材とでも構成可能である。
【００４３】
この場合も、撮像にあたっての受光に関して無駄なスペースとなる受光部以外の部分は、受光部とは異なる平面上に設けられるとともに、受光部と受光部以外の回路部とは第１、第２のボールグリッドアレイ配線材で電気的に直接接続され、受光面には、受光要素群である受光部と小さな電極パッド部しか存在しない。したがって、この固体撮像装置では、通常の光ファイバプレートを使用することができる。これにより、固体撮像装置を安価に提供することができる。
【００４４】
請求項４の固体撮像装置は、請求項３の固体撮像装置において、受光部以外の回路部は、受光部が存在する領域とは反対の領域に位置することを特徴とする。
【００４５】
請求項４の固体撮像装置では、放射線をシンチレータ板で光信号に変換し、例えばその光信号を光ファイバで伝送する。このとき、光ファイバ中にＰｂ等の放射線を遮断する成分が存在させることができるので、放射線による弊害は少ないが、回路部を受光部が存在する領域とは反対の領域に位置させることで、撮像領域を狭めることなく、また受光部以外の回路部を放射線から完全に保護することができる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の固体撮像装置の実施の形態を説明する。なお、図面の説明にあたって同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４７】
図１は、本発明の固体撮像装置の一実施例の回路構成図である。図１に示すように、この装置は、（ａ）入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子１４０と、光電変換素子１４０の信号出力端子に端子１５１が接続され、行方向走査信号に応じて端子１５２から光電変換素子１４０で発生した電流信号を流出するスイッチ素子１５０とを１組とする受光単位１３０が、２を列数とし、２を行数としてマトリックス状に配列されて受光要素１２０が形成されるとともに、受光要素１２０が、Ｍを列数とし、Ｎを行数としてマトリクス状に配置されて形成され、同一の列のスイッチ素子１５０の端子１５２が互いに電気的に接続された受光部１００と、（ｂ）受光部１００の列ごとに出力される電流信号を夫々個別に入力し、リセット指示信号ＫＲＳに応じて、電流信号に関する電荷を入出力端子間に接続された容量素子２１２に積分または非積分の動作をする、２Ｍ個の数の積分回路２１０と、（ｃ）夫々の積分回路２１０から出力された積分信号ＤＳを夫々入力して、信号処理する２Ｍ個の信号処理回路２２０と、（ｄ）夫々の受光要素１２０に応じた、信号処理回路２２０からの２つの出力信号と、モード指定信号ＭＤとを入力するとともに、モード指定信号ＭＤが高解像度モードを指定する場合には、信号処理回路２２０からの２つの出力信号をそのまま出力し、モード指定信号ＭＤが高速撮像モードを指定する場合には、２つの積分信号の値の和の値の信号を出力する、Ｍ個の出力信号処理部２５０と、（ｅ）出力信号処理部２５０から出力された信号と、信号出力指示信号ＨＳj（ｊ＝１〜２Ｍ）、ＨＳk（ｋ＝１〜Ｍ）を入力し、信号出力指示信号ＨＳj、ＨＳkの指示に応じて、出力信号処理部２５０から出力された信号を択一的に出力する出力信号選択部２６０と、（ｆ）モード指定信号ＭＤを入力し、モード指定信号ＭＤが高解像度モードを指定する場合には、受光単位１３０ごとにスイッチ素子１５０を選択し、受光単位１３０を単位として順次選択する行方向走査信号ＶＳi（ｉ＝１〜２Ｎ）を出力し、モード指定信号ＭＤが高速撮像モードを指定する場合には、受光要素１２０内の２つのスイッチ素子１５０を同時に選択するとともに、受光要素１２０を単位として順次選択する行方向走査信号ＶＳiを出力する行方向走査指示部３２０と、（ｇ）モード指示信号ＭＤを入力し、モード指定信号ＭＤが高解像度モードを指定する場合には、受光単位１３０に応じて出力信号処理部２５０から出力された信号を順次選択してする出力指示信号ＨＳjを出力し、モード指定信号ＭＤが高速撮像モードを指定する場合には、受光要素１２０に応じて出力信号処理部２５０から出力された信号を順次選択する出力指示信号ＨＳkを出力する出力信号選択指示部３３０と、（ｈ）モード信号ＭＤを出力するとともに、信号読み出し動作を制御する制御部３１０とを備える。そして、各受光要素１２０ごとに対応する、２つの積分回路２１０と、２つの信号処理回路２２０と、１つの出力信号処理部２５０と、１つの出力信号選択部２６０とで垂直信号処理部２００kを構成している。また、（ｉ）垂直信号処理部２００kから出力された信号を入力し、装置としての出力データ信号を出力するデータ信号出力回路２８０を更に備える。
【００４８】
積分回路２１０は、（i）受光部１００からの出力信号を入力し、入力した電流信号の電荷を増幅する電荷増幅器２１１と、（ii）電荷増幅器２１１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２１１の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２１２と、（iii）電荷増幅器２１１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２１１の出力端子に他方の端子が接続され、リセット指示信号ＫＲＳが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、リセット指示信号ＫＲＳが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２１３と、（iv）一方の端子が接地され、電荷増幅器２１１の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２１４とを備える。
【００４９】
図２は、信号処理回路２２０の構成図である。図２に示すように、信号処理回路２２０は、（i）積分回路２１０から出力された信号ＤＳを入力し、クランプ指示信号ＣＰに応じて入力信号をクランプするクランプ回路２２１と、（ii）クランプ回路２２１から出力された信号を入力し、サンプル指示信号ＳＰに応じてサンプルホールド動作を行うサンプルホールド回路２２６とを備える。
【００５０】
クランプ回路２２１は、（i）積分回路２１０から出力された信号ＤＳを入力し、交流成分を出力する容量素子２２２と、（ii）容量素子２２２を介した信号を入力し、増幅して出力する増幅器２２３と、（iii）増幅器２２３の入力端子に一方の端子が接続され、増幅器２２３の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２２４と、（iv）増幅器２２３の入力端子に一方の端子が接続され、増幅器２２３の出力端子に他方の端子が接続され、クランプ指示信号ＣＰが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、クランプ指示信号ＣＰが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２２５とを備える。
【００５１】
サンプルホールド回路２２６は、（i）クランプ回路２２１から出力された信号を一方の端子に入力するとともに、サンプル指示信号ＳＰが非有意の場合には「ＯＦＦ」のホールド状態となり、サンプル指示信号ＳＰが有意の場合には「ＯＮ」のサンプル状態となるスイッチ素子２２７と、（ii）スイッチ素子２２７を介した信号電荷を蓄積する容量素子２２８とを備える。
【００５２】
図３は、出力信号処理部２５０の構成図である。図３に示すように、出力信号処理部２５０は、（i）ｋ番目（ｋ＝１〜Ｍ）の受光要素に応じた、２つの信号処理回路２２０の出力信号ＶＴ１、ＶＴ２を夫々入力し、増幅するとともに、インピーダンスを変換して出力するバッファアンプ２５１1、２５１2と、（ii）バッファアンプ２５１1、２５１2から出力された信号を、夫々、第１の端子に入力するとともに、モード指示信号ＭＤが、高解像度モードを示す場合には「ＯＮ」となり、高速撮像モードを示す場合には「ＯＦＦ」となるスイッチ素子２５２1、２５２2と、（iii）バッファアンプ２５１1、２５１2から出力された信号を、夫々、第１の端子に入力するとともに、モード指示信号ＭＤが、高解像度モードを示す場合には「ＯＦＦ」となり、高速撮像モードを示す場合には「ＯＮ」となるスイッチ素子２５３1、２５３2と、（iv）スイッチ素子２５２1、２５２2を介した信号を、夫々、第１の端子から入力し、交流成分である受光単位１３０に応じた出力信号ＶＯ2k-1、ＶＯ2kを第２の端子から出力する容量素子２５４1、２５４2と、（v）スイッチ素子２５３1、２５３2を介した信号を、夫々、第１の端子から入力し、交流成分である、受光要素１２０内の受光単位１３０に関する和に応じた出力信号ＶＯkを第２の端子から出力する、第２の端子同士が接続された容量素子２５５1、２５５2とを備える。
【００５３】
出力信号選択部２６０は、（i）受光単位１３０ごとに対応した信号ＶＯ2k-1、ＶＯ2kを、夫々、第１の端子から入力し、受光単位１３０ごとの出力信号選択指示信号ＨＳ2k-1、ＨＳ2kが有意の場合に「ＯＮ」となるスイッチ素子２６１、２６２と、（ii）受光要素１２０ごとに対応した信号ＶＯkを第１の端子から入力し、受光要素１２０ごとの出力信号選択指示信号ＨＳkが有意の場合に「ＯＮ」となるスイッチ素子２６３とを備える。
【００５４】
データ信号出力回路２８０は、（i）出力信号選択部２６０から出力された信号を入力し、入力した電流信号の電荷を増幅する電荷増幅器２８１と、（ii）電荷増幅器２８１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２８１の出力端子に他方の端子が接続された容量素子２８２と、（iii）電荷増幅器２８１の入力端子に一方の端子が接続され、電荷増幅器２８１の出力端子に他方の端子が接続され、初期電位設定指示信号ＧＲＳが有意の場合には「ＯＮ」状態となり、初期電位設定指示信号ＧＲＳが非有意の場合には「ＯＦＦ」状態となるスイッチ素子２８３とを備える。
【００５５】
図４は、本実施形態の幾何学的構成の概要を示す構成図である。本実施形態の固体撮像装置は、図４に示すように、受光要素１２０をマトリックス状に配置した受光部１００を有するフォトダイオードチップ１１と、隣り合う受光部１００間において板面をフォトダイオードチップ１１と垂直にして配設した配線板１３ａ、１３ｂと、図４に示すような、配線板１３ａに設けられた行方向走査指示部３２０である垂直シフトレジスタチップ１４と、同じく配線板１３ｂに設けられた、積分回路２１０、信号処理回路２２０、出力信号処理部２５０、出力信号選択部２６０、制御部３１０、および、出力信号選択指示部（水平シフトレジスタ）３００を含むチャージアンプアレイチップ１５とから概略構成されている。
【００５６】
フォトダイオードアレイチップ１１の受光部１００の周りには、複数の受光単位１３０の各水平方向受光列の各スイッチ素子１５０のゲート端子に共通接続した複数のゲート用電極パッド４４ａと、各列（垂直方向受光列）のスイッチ素子１５０の出力端子に共通接続した複数の出力用電極パッド４４ｂとが配列されている。すなわち、フォトダイオードアレイチップ１１の受光部１００の周りには、ゲート用電極パッド４４ａと出力用電極パッド４４ｂとで構成される電極パッド部４４が形成されている。
【００５７】
垂直シフトレジスタチップ１４には、光検出結果を読み出す受光単位１３０の垂直方向の位置を指示する行方向走査信号ＶＳiを出力するための信号出力パッド４５ａが形成されている。
【００５８】
本実施形態の固体撮像装置は、図５に示すように、フォトダイオードアレイチップ１１の台座３５の四辺を横方向（矢印Ｘ方向）の配線板１３ｂおよび縦方向（矢印Ｙ方向）の配線板１３ａで組み込み支持して構成されている。正方形板状の台座３５のＸ方向の対向辺には、角部を切り欠いてなる中央の第１の凸部３６と角部を突き出してなる一対の第２の凸部３７が形成され、Ｙ方向の配線板１３ａの両側辺中間部には、切り欠き３８が形成されており、配線板１３ａの切り欠き３８より上部の板厚はそれより下部の板厚より薄くなっていて、図５で配線板１３ａの裏側となる面には段部が形成されている。
【００５９】
台座３５は、その第１の凸部３６がＹ方向前方の配線板１３ａの段部に係合され、対をなす第２の凸部３７が後方の配線板１３ａの切り欠き３８に嵌め込まれて、Ｙ方向の配線板１３ａに支持されている。
【００６０】
さらに、Ｙ方向の配線板１３ａの両側辺上部には、段違いとなる凸部３９、凸部４０が形成されている。そして、Ｘ方向の配線板１３ｂの上辺に形成された切り欠き４１に、Ｙ方向の配線板１３ａの下側の凸部４０を嵌め込むとともに、嵌め込んだ凸部４０の上に隣の配線板１３ａの上側の凸部３９が重なるようにして嵌め込んでＸＹ方向の配線板１３ａ、１３ｂが縦横立体的に組み立てられる。
【００６１】
図５に示すように、台座３５に載置されたフォトダイオードアレイチップ１１の受光部１００の隣り合う二辺の周り、すなわちフォトダイオードアレイチップ１１の外周二辺の近傍には、前述のように、受光要素１２０の各水平方向受光列および垂直方向受光列ごとにそれぞれ対応する数の電極パッド４４ａ、４４ｂが形成されている。一方、Ｙ方向の配線板１３ａおよびＸ方向の配線板１３ｂには、図５に示すように、切り欠き３８位置の上下方向にわたって、金めっき等の配線により、各ゲート用電極パッド４４ａおよび出力用電極パッド４４ｂに対応した数のゲート用配線４６ａおよび出力用配線４６ｂがそれぞれ施されている。
【００６２】
そして、図４に示すように、フォトダイオードアレイチップ１１を搭載した台座３５を配線板１３ａ、１３ｂに組み込んだ状態で、フォトダイオードアレイチップ１１のゲート用電極パッド４４ａとＹ方向の配線板１３ａのゲート用配線４６ａ、および出力用電極パッド４４ｂとＸ方向の配線板１３ｂの出力用配線４６ｂとは、ボンディングワイヤ４７によりそれぞれ電気的に接続されている。
【００６３】
また、Ｙ方向の配線板１３ａにおいて、フォトダイオードアレイチップ１１が存在する領域とは反対の領域（配線板１３ａの下部）には、図４および図５に示すように、垂直シフトレジスタチップ１４が接着剤によりダイボンドされている。同様にして、Ｘ方向の配線板１３ｂにおいて、フォトダイオードアレイチップ１１が存在する領域とは反対の領域（配線板１３ｂの下部）には、チャージアンプアレイチップ１５が接着剤によりダイボンドされている。
【００６４】
そして、垂直シフトレジスタチップ１４の信号出力パッド４５ａとＹ方向の配線板１３ａのゲート用配線４６ａ、およびチャージアンプアレイチップ１５の信号入力パッド４５ｂとＸ方向の配線板１３ｂの出力用配線４６ｂとは、ボンディングワイヤ４７によりそれぞれ電気的に接続されている。
【００６５】
本実施形態の固体撮像装置は、以下のようにして受光部１００で受光した光像に応じた撮像データを読み出す。
【００６６】
まず、高解像度モードを設定した場合について、読み出し動作を説明する。このモードでは、受光単位１３０を単位として、受光量に応じた信号を読み出す。図６は、高解像度モードを設定した場合の本実施形態の撮像データの読み出し動作のタンミングチャートである。
【００６７】
制御部３１０がモード指示信号ＭＤで高解像度モードを指定すると、出力信号処理部２５０のスイッチ素子２５２は「ＯＮ」となり、スイッチ素子２５３は「ＯＦＦ」となる。
【００６８】
まず、読み出しの実行に先立って、制御部３１０が全てのクランプ指示信号ＣＰjを有意するとともに、積分回路リセット指示信号ＫＲＳを有意とし、クランプ回路２２０の出力と積分回路２１０の出力を基準電位Ｖｒｅｆとする。
【００６９】
また、読み出しの実行に先立って、全ての水平ラインに応じた水平走査信号ＨＳjおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを有意とする。この結果、スイッチ素子２６１、２６２の全てがＯＮとなり、容量素子２５４の全ての出力がデータ出力回路２８０の初期電位である基準電位Ｖｒｅｆに設定される。
【００７０】
次に、制御部３１０が全てのクランプ指示信号ＣＰjを非有意とし、積分回路リセット指示信号ＫＲＳを非有意とするとともに、全ての水平ラインに応じた水平走査信号ＨＳjおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを有意としたままで、受光部１００の垂直走査における第１番目の受光単位１３０1,jのスイッチ素子１５０のみを「ＯＮ」とする垂直走査信号ＶＳiを有意とするとともに、全ての水平ラインに応じたサンプル指示信号ＳＰjを有意にする。スイッチ素子１５０が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子１４０に蓄積された電荷が電流信号となって受光部１００から出力される。そして、積分回路２１０によって瞬時にその帰還容量である容量素子２１２に蓄積され電圧として出力される。積分回路２１０から出力された信号は、クランプ回路２２１、サンプルホールド回路２２６、バッファアンプ２５１、および、スイッチ素子２５２を介して容量素子２５４に入力する。この結果、容量素子２５４の信号入力端子は光電変換素子１４０での受光量に応じた電圧が印加される。
【００７１】
次いで、全ての水平ラインに応じた水平走査信号ＨＳjおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを非有意とした後、水平走査信号ＨＳjの設定により、垂直方向の第１番目の受光単位１３０1,jに関するデータの読み出しを開始する。
【００７２】
タイミング制御部３１０が、水平選択信号ＨＳ1を有意とすることにより水平方向の第１番目の受光単位１３０1,1に応じたスイッチ素子２６１のみの「ＯＮ」を指示する水平走査信号ＨＳ1を有意とし、第１番目の受光単位１３０1,1に応じたスイッチ素子１５０のみを「ＯＮ」とするとともに、初期電位設定指示信号ＧＲＳが一時的に有意となり、データ出力回路２８０の入力電位が基準電位Ｖｒｅｆに設定される。
【００７３】
第１番目の受光単位１３０1,1に応じたスイッチ素子２６１が「ＯＮ」となることにより、容量素子２５４の出力端子とデータ出力回路２８０の入力端子とが接続されるが、容量素子２５４の出力端子の電位は、前回のスイッチ素子２６１、２６２の開放時の電位、すなわち、データ出力回路２８０の入力端子の初期電位である基準電位Ｖｒｅｆのままなので、データ出力回路２８０の入力端子の電位は変動せず安定したままである。
【００７４】
次に、水平方向の第１番目の受光単位１３０1,1に応じたクランプ指示信号ＣＰ1とサンプル指示信号ＳＰ1とを有意とする。この結果、クランプ回路２２１の出力はクランプ電位である基準電位Ｖｒｅｆに変化し、この変化がサンプルホールド回路２２６、容量素子２５４、およびデータ出力回路２８０を介して、水平方向の第１番目の受光単位１３０1,1に入射した光量に応じた出力データ信号ＶOとして出力される。
【００７５】
引き続き、水平方向の第１番目の受光単位１３０1,1に応じたスイッチ素子２６１のみの選択を指示する水平走査信号ＨＳ1、水平方向の第１番目の受光単位１３０1,1に応じたクランプ指示信号ＣＰ1、およびサンプル指示信号ＳＰ1を非有意として、水平方向の第１番目の受光単位１３０1,1に関するデータ読み出しを終了する。
【００７６】
次に、水平方向の第１番目の受光単位１３０1,1と同様にして、水平方向の第２番目以降の受光単位１３０1,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００７７】
次いで、制御部３１０が全てのクランプ指示信号ＣＰjと積分回路リセット指示信号ＫＲＳとを有意とし、クランプ回路２２１の出力と積分回路２１０との出力を基準電位Ｖｒｅｆに設定しながら、受光部１００の垂直走査における第２番目以降の受光単位１３０i,jに関するデータ読み出しを実行する。
【００７８】
こうして、受光部１００に入力した光の形成する光像を撮像し、受光単位１３０ごとに高分解能で撮像データを得る。
【００７９】
次に、高速撮像モードを設定した場合について、読み出し動作を説明する。このモードでは、受光要素１２０を単位として、受光量に応じた信号を読み出す。図７は、高速撮像モードを設定した場合の本実施形態の撮像データの読み出し動作のタンミングチャートである。
【００８０】
制御部３１０がモード指示信号ＭＤで高速撮像モードを指定すると、出力信号処理部２５０のスイッチ素子２５２は「ＯＦＦ」となり、スイッチ素子２５３は「ＯＮ」となる。
【００８１】
まず、読み出しの実行に先立って、制御部３１０が全てのクランプ指示指示信号ＣＰjを有意するとともに、積分回路リセット指示信号ＫＲＳを有意とし、クランプ回路２２１の出力と積分回路２１０の出力を基準電位Ｖｒｅｆとする。
【００８２】
また、読み出しの実行に先立って、全ての水平ラインに応じた水平走査信号ＨＳjおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを有意とする。この結果、スイッチ素子２６３の全てがＯＮとなり、容量素子２５５の全ての出力がデータ出力回路２８０の初期電位である基準電位Ｖｒｅｆに設定される。
【００８３】
次に、制御部３１０が全てのクランプ指示信号ＣＰjを非有意とし、積分回路リセット指示信号ＫＲＳを非有意とするとともに、全ての水平ラインに応じた水平走査信号ＨＳjおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを有意としたままで、受光部１００の垂直走査における第１番目の受光要素１２０1,jの全てのスイッチ素子１５０を「ＯＮ」とする垂直走査信号ＶＳ1、ＶＳ2を有意とするとともに、全ての水平ラインに応じたサンプル指示信号ＳＰjを有意にする。スイッチ素子１５０が「ＯＮ」となると、それまでの受光によって光電変換素子１４０に蓄積された電荷が電流信号となって受光部１００から出力される。すなわち、受光部１００からの各信号には、同一の垂直受光列の２つ光電変換素子１４０に蓄積された電荷の和の電荷が電流信号となって出力される。そして、積分回路２１０によって瞬時にその帰還容量である容量素子２１２に蓄積され電圧として出力される。積分回路２１０から出力された信号は、クランプ回路２２１、サンプルホールド回路２２６、バッファアンプ２５１、および、スイッチ素子２５３を介して容量素子２５５に入力する。この結果、容量素子２５５1、２５５2の夫々の信号入力端子は光電変換素子１４０での受光量に応じた電圧が印加される。
【００８４】
次いで、全ての水平ラインに応じた水平走査信号ＨＳkおよび初期電位設定指示信号ＧＲＳを非有意とした後、水平走査信号ＨＳkの設定により、垂直方向の第１番目の受光要素１２０1,jに関するデータの読み出しを開始する。
【００８５】
タイミング制御部３１０が、水平選択信号ＨＳ1を有意とすることにより水平方向の第１番目の受光要素１２０1,1に応じたスイッチ素子２６３のみの「ＯＮ」を指示する水平走査信号ＨＳ1を有意とし、第１番目の受光要素１２０1,1に応じたスイッチ素子２６３のみを「ＯＮ」とするとともに、初期電位設定指示信号ＧＲＳが一時的に有意となり、データ出力回路２８０の入力電位が基準電位Ｖｒｅｆに設定される。
【００８６】
第１番目の受光要素１２０1,1に応じたスイッチ素子２６３が「ＯＮ」となることにより、容量素子２５５の出力端子とデータ出力回路２８０の入力端子とが接続されるが、容量素子２５５の出力端子の電位は、前回のスイッチ素子２６２の開放時の電位、すなわち、データ出力回路２８０の入力端子の初期電位である基準電位Ｖｒｅｆのままなので、データ出力回路２８０の入力端子の電位は変動せず安定したままである。
【００８７】
次に、水平方向の第１番目の受光要素１２０1,1に応じたクランプ指示信号ＣＰ1、ＣＰ2とサンプル指示信号ＳＰ1、ＳＰ2とを有意とする。この結果、クランプ回路２２１の出力はクランプ電位である基準電位Ｖｒｅｆに変化し、この変化がサンプルホールド回路２２６、容量素子２５５、およびデータ出力回路２８０を介して、水平方向の第１番目の受光要素１２０1,1の４つの光電変換素子１４０に入射した光量に応じた出力データ信号Ｖｏとして出力される。
【００８８】
引き続き、水平方向の第１番目の受光要素１２０1,1に応じたスイッチ素子２６３のみの選択を指示する水平走査信号ＨＳ1、水平方向の第１番目の受光要素１２０1,1に応じたクランプ指示信号ＣＰ1、ＣＰ2およびサンプル指示信号ＳＰ1、ＳＰ2を非有意として、水平方向の第１番目の受光要素１２０1,1に関するデータ読み出しを終了する。
【００８９】
次に、水平方向の第１番目の受光要素１２０1,1と同様にして、水平方向の第２番目以降の受光要素１２０1,kに関するデータ読み出しを実行する。
【００９０】
次いで、制御部３１０が全てのクランプ指示信号ＣＰjと積分回路リセット指示信号ＫＲＳとを有意とし、クランプ回路２２１の出力と積分回路２１０との出力を基準電位Ｖｒｅｆに設定しながら、受光部１００の垂直走査における第２番目以降の受光要素１２０i,kに関するデータ読み出しを実行する。
【００９１】
こうして、受光部１００に入力した光の形成する光像を撮像し、４つの受光単位１３０からなる受光要素１２０ごとに高速に、かつ、撮像平面における撮像に関して無駄なスペースが低減して撮像データを得る。
【００９２】
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、変形が可能である。例えば、上記の実施形態では、受光要素を２行×２列＝４個の受光単位で構成したが、１画面の撮像速度および達成すべき分解能との関係から、他の行数および他の列数の受光単位から受光要素を構成することが可能である。また、上記の実施形態では、電極パッド同士の接続に、配線板およびボンディングワイヤを使用したが、ボンディングワイヤに代えてフレキシブルケーブルを使用することも可能であるし、配線板およびボンディングワイヤに代えてボールグリッド配線を使用することも可能である。
【００９３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、請求項１の固体撮像装置によれば、受光単位ごとに撮像データを収集する高分解能モードでの撮像と、複数の受光単位から成る受光要素ごとに撮像データを収集する高速撮像モードでの撮像とが可能なので、静止画観察時に高分解能モードを使用し、動画観察時に高速撮像モードを使用することにより、動画観察時にもリアルタイム性を保ちつつ、かつ、量子ノイズによるＳ／Ｎの劣化の小さな撮像ができる。
【００９４】
また、請求項３の固体撮像装置によれば、請求項１の固体撮像装置において、撮像に関して無駄なスペースとなる受光部以外の回路部を、受光部の受光面とはことなる平面上に設けるので、通常の光ファイバプレートを使用することができる。これにより、固体撮像装置を安価に提供することができる。また、テーパファイバを用いないので、画像の抜けや劣化はなくなる。さらに、アモルファスシリコンを用いたようなＳ／Ｎ比の低下はない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の固体撮像装置の回路構成図である。
【図２】同実施形態の信号処理回路の回路構成図である。
【図３】同実施形態の出力信号処理部の回路構成図である。
【図４】同実施形態の固体撮像装置の幾何学的配置の説明図である。
【図５】同実施形態の固体撮像装置の幾何学的配置の説明図である。
【図６】同実施形態の固体撮像装置の高解像度モードの動作のタイミングチャートである。
【図７】同実施形態の固体撮像装置の高速撮像モードの動作のタイミングチャートである。
【図８】従来の固体撮像装置を示す斜視図である。
【図９】従来の固体撮像装置の固体撮像部を示す平面図である。
【符号の説明】
１０…固体撮像装置、１１…フォトダイオードアレイチップ、１２…受光ユニット、１３ａ，１３ｂ…配線板、１４…垂直シフトレジスタチップ、１５…チャージアンプアレイチップ、２６…垂直シフトレジスタ、３５…台座、４４…電極パッド部、４４ａ…ゲート用電極パッド、４４ｂ…出力用電極パッド、４５ａ…信号出力パッド、４５ｂ…信号入力パッド、４６ａ…ゲート用配線、４６ｂ…出力用配線、４７…ボンディングワイヤ、１００…受光部、１２０…受光要素、１３０…受光単位、１４０…光電変換素子、１５０…スイッチ素子、２００…垂直信号処理部、２１０…積分回路、２２０…信号処理回路、２２１…クランプ回路、２２６…サンプルホールド回路、２５０…出力信号処理部、２６０…出力信号選択部、２８０…データ信号出力回路、３１０…制御部、３２０…行方向走査指示部、３３０…出力信号選択指示部。
Claims (4)
- 入力した２次元光像を撮像する固体撮像装置であって、
入力光信号を電流信号に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子の信号出力端子に第１の端子が接続され、行方向走査信号に応じて第２の端子から前記光電変換素子で発生した電流信号を流出するスイッチ素子とを１組とする受光単位が、第１の数を列数とし、第２の数を行数としてマトリックス状に配列されて受光要素が形成されるとともに、前記受光要素が、第３の数を列数とし、第４の数を行数としてマトリクス状に配置されて形成され、同一の列の前記スイッチ素子の前記第２の端子が互いに電気的に接続された受光部と、
前記受光部の列ごとに出力される電流信号を夫々個別に入力し、リセット指示信号に応じて、前記電流信号に関する電荷を電荷増幅器の入出力端子間に接続された容量素子に積分または非積分の動作をする、前記第１の数と前記第３の数との積である第５の数の積分回路と、
夫々の前記積分回路から出力された積分信号を夫々入力して、信号処理する前記第５の数の信号処理回路と、
夫々の前記受光要素に応じた、前記第１の数の信号処理回路からの出力信号と、モード指定信号とを入力するとともに、前記モード指定信号が高解像度モードを指定する場合には、前記第１の数の信号処理回路からの出力信号をそのまま出力し、前記モード指定信号が高速撮像モードを指定する場合には、前記第１の数の信号処理回路からの出力信号の値の和の値を出力する、前記第３の数の出力信号処理部と、
前記出力信号処理部から出力された信号と、信号出力指示信号を入力し、前記信号出力指示信号の指示に応じて、前記出力信号処理部から出力された信号を択一的に出力する出力信号選択部と、
前記モード指定信号を入力し、前記モード指定信号が高解像度モードを指定する場合には、前記受光単位ごとに前記スイッチ素子を選択し、前記受光単位を単位として順次選択する行方向走査信号を出力し、前記モード指定信号が高速撮像モードを指定する場合には、前記受光要素内の前記第２の数のスイッチ素子を同時に選択するとともに、前記受光要素を単位として順次選択する行方向走査信号を出力する行方向走査指示部と、
前記モード指示信号を入力し、前記モード指定信号が高解像度モードを指定する場合には、前記受光単位に応じて前記出力信号処理部から出力された信号を順次選択する出力指示信号を出力し、前記モード指定信号が高速撮像モードを指定する場合には、前記受光要素に応じて前記出力信号処理部から出力された信号を順次選択する出力指示信号を出力する出力信号選択指示部と、
前記モード信号を出力するとともに、信号読み出し動作を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記第１の数は２であり、前記第２の数は２である、ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
- 前記行方向走査指示部および制御部は、前記受光単位の配列平面とは異なる第１の平面上に配設され、前記積分回路、前記出力信号処理回路、前記出力信号選択部、および、前記出力信号選択指示部は、前記受光単位の配列平面とは異なる第２の平面上に配設されるとともに、
前記受光部の外周辺近傍に配設され、受光単位の各行の、前記第５の数の前記スイッチ素子のゲート端子に共通接続された、前記第２の数と前記第４の数との積である第６の数のゲート用電極パッドと、前記第５の数の各列の前記スイッチ素子の出力端子に共通接続された前記第５の数の出力用電極パッドと、
前記第１の平面上に配設された、前記受光単位を選択する行方向走査信号用の信号出力パッドと、
前記第２の平面上に配設された、前記出力用電極パッドからの信号を入力するための信号入力パッドと、
前記ゲート用電極パッドと前記信号出力パッドとを電気的に接続し、前記出力用電極パッドと前記信号入力パッドとを電気的に接続する接続手段と、
を更に備える請求項１記載の固体撮像装置。 - 前記積分回路、前記出力信号処理回路、前記出力信号選択部、前記出力信号選択指示部、前記行方向走査指示部、および、前記制御部は、前記受光部の受光面が存在する領域とは反対の領域に位置することを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
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