JP4100739B2 - 光電変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換装置に関し、更に詳しくは、信号補正を行なうための基準信号を得ることが可能な複数の光電変換素子を配列した光電変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
光電変換素子の複数を配した光電変換装置においては、夫々の装置ごとに比較すると光電変換素子が配された受光領域に対して照射を行なった場合の出力(いいかえれば感度)や照射を全く行なわない(照射ゼロの)時の出力(即ちオフセット出力)の値に多少のばらつきがあるのが一般的である。このような出力のばらつきは光電変換装置の性能をフルに引き出すためには補正することが好ましい。そこで、ばらつきを補正するために補正回路や補正に用いる出力を得るための補正用の光電変換素子が設けられるのが一般的である。
【0003】
このようなオフセット補正回路、及び感度補正用回路は、“補正用IC”として市販されている。しかしながら、このような補正用ICに入力する補正データを取り込むための光電変換素子は、特別なものが用いられていた。即ち、オフセット値補正用光電変換素子は、光電変換装置上に、独立して設けられているのが一般的であった。具体的には、例えば結晶シリコンで作られたCCDセンサが、前記光電変換装置の受光部の外側に配置されて、照度ゼロ時における出力値をモニターし、補正用データとして用いていた。
【0004】
また、感度補正用光電変換素子も、上記オフセット値補正用光電変換素子の場合と同様に、たとえば結晶シリコンで作られたCCDセンサにあるフィルタをかぶせ、前記光電変換装置の受光部の外側に配置されて、照度が0〜100%の間の任意の値をモニターし、その値を一般の補正回路に接続し、実際に前記光電変換装置で読み取られたデータを補正していた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような補正用光電変換素子を光電変換装置上に独立に配置する場合、補正用光電変換素子の出力値を読み出す回路が煩雑になり、光電変換装置を作成する上で歩留まりを下げ、コストを上げることにつながるという問題があった。
【0006】
更に、多画素で構成された2次元の光電変換装置を構成する場合、補正用光電変換素子の出力値を読み出す回路を光電変換装置上に独立に配置すると、補正出力を読み出す時間が余分に必要となるため、結果的に光電変換素子の出力値を補正することが短時間でできなくなり、動画像を得るための障害となる場合があるという問題もある。
【0007】
[発明の目的]
本発明の目的は、オフセット補正用出力値及び感度補正用出力値を得る為の光電変換素子に、独立的に配置することなく、オフセット出力値の補正が可能な手段を実現することにある。
【0008】
また、これにより、歩留まりを向上させ、コストを低下させ、補正出力の読み出し時間を短縮し、動画像を容易に得られる光電変換装置を実現することにある。
【0009】
また、本発明は行列状(2次元)に配された光電変換装置において、行及び/又は列における出力のばらつきを補正することが可能な構成を有する光電変換装置を提供することを目的とする。
【0010】
加えて、本発明は、基板上に2次元的に配列された複数の光電変換素子を有する光電変換部を備えた光電変換装置に於いて、任意の前記光電変換素子に対応してX線の透過率又は光透過率が0%又は実質的に0%である遮へい部材を該光電変換素子のX線又は光の入射側に配置した光電変換装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、基板上に二次元的に配列された複数の光電変換素子を有する光電変換部と、該光電変換部上に設けられ、X線を前記光電変換素子が感度を有する波長の光に変換する波長変換体と、を備えた光電変換装置において、前記複数の光電変換素子のうちの任意の光電変換素子に対応して光の透過率が0%又は実質的に0%である遮へい部材を該任意の光電変換素子と前記波長変換体との間に配置し、前記任意の光電変換素子から出力されるオフセット補正用出力値と、前記任意の光電変換素子を除いた前記複数の光電変換素子から出力される出力値と、を用いてオフセット補正を行うことを特徴とする光電変換装置を提供するものである。
【0012】
また、該遮へい部材は遮光フィルタを有することを特徴とする光電変換装置でもある。
【0013】
また、該遮光フィルタは該遮光フィルタに入射される光と補色の関係の成分を有することを特徴とする光電変換装置でもある。
【0014】
更に、前記複数の光電変換素子のうちの他の任意の光電変換素子と前記波長変換体との間に、光透過率mが0<m<100%の第2の遮へい部材を有することを特徴とする光電変換装置でもある。
【0015】
また、前記遮へい部材に対応する光電変換素子はオフセット補正用の光電変換素子であることを特徴とする光電変換装置でもある。
【0016】
また、前記第2の遮へい部材に対応する光電変換素子は感度補正用の光電変換素子であることを特徴とする光電変換装置でもある。
【0017】
また、該遮へい部材は該光電変換部の角に位置する光電変換素子に対応して配置されていることを特徴とする光電変換装置でもある。
【0018】
また、該遮へい部材は該光電変換素子の列に対応して配置されていることを特徴とする光電変換装置でもある。
【0019】
また、該光電変換素子の列は光電変換部の端部の列を含むことを特徴とする光電変換装置でもある。
【0023】
また、該波長変換体は蛍光体を含むことを特徴とする光電変換装置でもある。
【0024】
また、前記第2の遮へい部材が対応して配置された前記他の任意の光電変換素子から出力される感度補正用出力値と、前記任意の光電変換素子及び前記他の任意の光電変換素子を除いた前記複数の光電変換素子から出力される出力値と、を用いて感度補正を行う感度補正用ICを更に有することを特徴とする光電変換装置でもある。
【0025】
また、前記オフセット補正を行うオフセット補正用ICを更に有することを特徴とする光電変換装置でもある。
【0026】
また、該遮へい部材は鉛板であることを特徴とする光電変換装置でもある。
【0035】
[作用]
本発明の光電変換装置では、情報を読み取るための光電変換素子に隣接して同じ構造の素子上に情報を担った光を遮へいする遮へい部材を設けることで補正用の出力値を得るための光電変換素子としている。そして、この補正のための光電変換素子からの出力を利用することで、光電変換装置に独立した補正用の光電変換素子を設ける必要がなくなり、より適確な補正をより簡単に行なうことができる。
【0036】
又、前記光電変換装置に於いて、任意の光電変換素子上に光透過率mが0<m<100%であるフィルタを配置することにより、感度補正用の光電変換素子及びその出力値を読み出す回路として用いることができる。
【0037】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に適用可能な光センサについて説明する。
【0038】
図9(a)〜図9(c)は、光センサの構成の一例を示す図であり、図9(a)及び図9(b)は、二種類の光センサの層構成を示し、図9(c)は、共通した代表的な駆動方法を示している。図9(a)及び図9(b)は、共にフォト・ダイオード型の光センサであり、図9(a)がPIN型、図9(b)はショットキー型と称されている。
【0039】
図9(a)及び図9(b)中、1は絶縁基板、2は下部電極、3はp型半導体層(以下p層と記す)、4は真性半導体層(以下、i層と記す)、5はn型半導体層(以下n層と記す)、6は透明電極である。
【0040】
図9(b)のショットキー型では、下部電極2の材料を適当に選び、下部電極2からi層4に電子が注入されないようショットキーバリア層が形成されている。
【0041】
図9(c)において、10は上記光センサを記号化して表わした光センサを示し、11は電源、12は電流アンプ等の検出部を示している。光センサ10中Cで示された方向は、図9(a)及び図9(b)中の透明電極6側、Aで示された方向が下部電極2側であり、電源11はA側に対しC側に正の電圧が加わる様に設定されている。
【0042】
ここで動作を簡単に説明する。図9(a)及び図9(b)に示されるように、矢印で示された方向から光が入射され、i層4に達すると、光は吸収され電子とホールが発生する。i層4には電源11により電界が印加されているため電子はC側、つまりn層5を通過して透明電極6に移動し、ホールはA側つまり下部電極2に移動する。よって、光センサ10に光電流が流れたことになる。また、光が入射しない場合、i層4で電子もホールも発生せず、また、透明電極6内のホールはn層5がホールの注入阻止層として働き、下部電極2内の電子は図9(a)のPIN型ではp層3が、図9(b)のショットキー型ではショットキーバリア層が、電子の注入阻止層として働き、電子、ホール共に移動できず、電流は流れない。したがって光の入射の有無で電流が変化し、これを図9(c)の検出部12で検出すれば光センサとして動作する。
【0043】
ただし、上記の光センサ構造でよりSN比を高く、かつ低コストの光電変換装置を生産するのには改善の余地がある。
【0044】
第一の理由は、図9(a)のPIN型、図9(b)のショットキー型は、共に2ケ所に注入阻止層が必要なところにある。図9(a)のPIN型において、注入阻止層であるn層5は、電子を透明電極6に導くと同時にホールがi層4に注入するのを阻止する特性が必要である。どちらかの特性を逸すれば光電流が低下したり、光が入射しない時の電流(以下暗電流と記す)が発生、増加することになり、SN比の低下の原因になる。この暗電流はそれ自信がノイズと考えられると同時にショットノイズと呼ばれるゆらぎ、いわゆる量子ノイズを含んでおり、たとえ検出部12で暗電流を差し引く処理をしても、暗電流に伴う量子ノイズを小さくすることはできない。
【0045】
通常、この特性を向上させるため、i層4やn層5の成膜の条件や、作成後のアニールの条件の最適化を図る必要がある。しかし、もう一つの注入阻止層であるp層3についても、電子、ホールが逆ではあるが同等の特性が必要であり、同様に各条件の最適化が必要である。通常、前者n層の最適化と後者p層の最適化の条件は同一でなく、両者の条件を同時に満足させるのは困難である。つまり、同一光センサ内に二カ所の注入阻止層が必要になるので、より高SN比の光センサの形成が難しくなるからである。
【0046】
これは、図9(b)のショットキー型においても同様である。また図9(b)のショットキー型においては、片方の注入阻止層にショットキーバリア層を用いているが、これは下部電極2とi層4の仕事関数の差を利用するもので、下部電極2の材料が限定されたり、界面の局在準位の影響が特性に大きく影響することがある。また、さらにショットキーバリア層の特性を向上させるために、下部電極2とi層4の間に100オングストローム前後の薄いシリコンや金属の酸化膜、窒化膜を形成することも報告されているが、これはトンネル効果を利用し、ホールを下部電極2に導き、電子のi層4への注入を阻止する効果を向上させるもので、やはり仕事関数の差を利用しているため下部電極2の材料の限定は必要であるし、電子の注入の阻止とトンネル効果によるホールの移動という逆の性質を利用するため酸化膜や窒化膜は100オングストローム前後と非常に薄いところに限定されるので生産性が低下することがある。
【0047】
また、注入阻止層が2カ所必要なことは、生産性を低下させ、コストもアップする。これは注入阻止層が特性上重要な為2カ所中1カ所でもゴミ等で欠陥が生じた場合、光センサとしての特性が得られないおそれがある。
【0048】
第二の理由を図10を用いて説明する。図10は薄膜の半導体膜で形成した電界効果型トランジスタ(TFT)の層構成を示している。TFTは光電変換装置を形成するうえで制御部の一部として利用することがある。図中図9と同一なものは同番号で示してある。
【0049】
図10において、7はゲート絶縁膜であり、60は上部電極である。形成法を順を追って説明する。絶縁基板1上にゲート電極(G)として働く下部電極2、ゲート絶縁膜7、i層4、n層5、ソース、ドレイン電極(S,D)として働く上部電極60を順次成膜し、上部電極60をエッチングしてソース、ドレイン電極を形成し、その後n層5をエッチングしてチャネル部を構成している。TFTの特性はゲート絶縁膜7とi層4の界面の状態に敏感で通常その汚染を防ぐために同一真空内で連続に堆積する。
【0050】
先述の光センサをこのTFTと同一基板上に形成する場合、この層構成が問題となりコストアップや特性の低下を招くことがある。この理由は、図9に示した光センサの構成が、図9(a)のPIN型が基板/電極/p層/i層/n層/電極、図9(b)のショットキー型が基板/電極/i層/n層/電極という構成であるのに対し、TFTが基板/電極/絶縁膜/i層/n層/電極という構成で両者が異なるからである。これはセンサとTFTとが同一プロセスで同一に形成できないことを示し、プロセスの複雑化による歩留まりの低下、コストアップを招くことがある。また、i層/n層を共通化するにはゲート絶縁膜7やp層3のエッチング工程が必要となり、先に述べた光センサの重要な層である注入阻止層のp層3とi層4との界面を大気にさらさないで成膜できなかったり、TFTの重要なゲート絶縁膜7とi層4の界面がゲート絶縁膜のエッチングにより汚染され、特性の劣化やSN比の低下の原因になることがある。
【0051】
また、前述した図9(b)のショットキー型の特性を改善するため、下部電極2とi層4の間に酸化膜や窒化膜を形成したものは膜構成の順は同一であるが、先に述べたように、酸化膜や窒化膜は100オングストローム前後である必要があり、実際にはゲート絶縁膜と共用することはむづかしい。
【0052】
またさらに、図示していないが、電荷や電流の積分値を得るのに必要となる素子である容量素子(以下コンデンサと記す)を先述の光センサと同一の構成でリークが少ない良好な特性のものを作るのは改善の余地がある。コンデンサは2つの電極間に電荷を蓄積するのが目的なため電極間の中間層には必ず電子とホールの移動を阻止する層が必要であるのに対し、先述の光センサは電極間に半導体層のみ利用しているため熱的にリークの少ない良好な特性の中間層を得るのは難しいからである。
【0053】
このように光電変換装置を構成するうえで重要な素子であるTFTやコンデンサとプロセス的にまたは特性的にマッチングが良くないことは複数の光センサを2次元に多数配置し、この光信号を順次検出するようなシステム全体を構成するうえで工程が多くかつ複雑になるため歩留まりが非常に悪くなることがあり、低コストで高性能多機能な装置を作るうえで重大な問題になる場合がある。
【0054】
図11は、先述の光センサの問題を解決し得る光電変換装置を示す模式的全体回路図、図4(a)は該光電変換装置の1画素に相当する各構成素子の模式的平面図、図4(b)は図4(a)のA−B線における模式的断面図である。
【0055】
図11において、S11〜S33は光電変換素子で下部電極側をG、上部電極側をDで示している。C11〜C33は蓄積用コンデンサ、T11〜T33は転送用TFTである。Vsは読み出し用電源、Vgはリフレッシュ用電源であり、それぞれスイッチSWs,SWgを介して全光電変換素子S11〜S33のG電極に接続されている。スイッチSWsはインバータを介して、スイッチSWgは直接にリフレッシュ制御回路RFに接続されており、リフレッシュ期間はスイッチSWgがonするよう制御されている。
【0056】
1画素は、1個の光電変換素子とコンデンサ、およびTFTで構成され、その信号出力は信号配線SIGにより検出用集積回路ICに接続されている。以前我々が提案した光電変換装置は計9個の画素を3つのブロックに分け1ブロックあたり3画素の出力を同時に転送しこの信号配線SIGを通して検出用集積回路ICによって順次出力に変換され出力される(Vout)。また1ブロック内の3画素を横方向に配置し、3ブロックを順に縦に配置することにより各画素を2次元的に配置している。
【0057】
図中破線で囲んだ部分は大面積の同一絶縁基板上に形成されているが、このうち第1画素に相当する部分の模式的平面図を図4に示す。また図中破線A−Bで示した部分の模式的断面図を図5に示す。S11は光電変換素子、T11はTFT、C11はコンデンサ、およびSIGは信号配線である。この光電変換装置においてはコンデンサC11と光電変換素子S11は特別に素子を分離しておらず、光電変換素子S11の電極の面積を大きくすることによりコンデンサC11を形成している。これは光電変換素子とコンデンサが同じ層構成であるから可能なことである。
【0058】
また、画素上部にはパッシベーション用窒化シリコン膜SiNと波長変換体としてのヨウ化セシウム等の蛍光体CsIが形成されている。上方よりX線(X−ray)が入射すると蛍光体CsIにより光電変換素子が感度を有する波長の光(破線矢印)に波長変換され、この光が光電変換素子に入射される。
【0059】
次に図11と図6によって、この光電変換装置の動作の一例について説明する。図6は図11に示される素子の動作を示すタイミングチャートである。
【0060】
はじめにシフトレジスタSR1およびSR2により制御配線g1〜g3、s1〜s3にHiが印加される。すると転送用TFT・T11〜T33とスイッチM1〜M3がonして導通し、全光電変換素子S11〜S33のD電極はGND電位になる(積分検出器Ampの入力端子はGND電位に設計されているため)。同時にリフレッシュ制御回路RFがHiを出力しスイッチSWgがonし全光電変換素子S11〜S33のG電極はリフレッシュ用電源Vgにより正電位になる。すると全光電変換素子S11〜S33はリフレッシュモードになりリフレッシュされる。
【0061】
次に、リフレッシュ制御回路RFがLoを出力しスイッチSWsがonし、全光電変換素子S11〜S33のG電極は読み取り用電源Vsにより負電位になる。すると全光電変換素子S11〜S33は光電変換モードになり同時にコンデンサC11〜C33は初期化される。この状態でシフトレジスタSR1およびSR2により制御配線g1〜g3、s1〜s3にLoが印加される。すると転送用TFT・T11〜T33のスイッチM1〜M3がoffし、全光電変換素子S11〜S33のD電極はDC的にはオープンになるがコンデンサC11〜C33によって電位は保持される。しかしこの時点ではX線は入射されていないため全光電変換素子S11〜S33には光は入射されず光電流は流れない。
【0062】
この状態でX線がパルス的に出射され人体等を通過し蛍光体CsIに入射すると可視光に変換され、その光がそれぞれの光電変換素子S11〜S33に入射する。この光は人体等の内部構造の情報が含まれている。この光により流れた光電流は電荷としてそれぞれのコンデンサC11〜C33に蓄積されX線の入射終了後も保持される。
【0063】
つぎに、シフトレジスタSR1により制御配線g1にHiの制御パルスが印加され、シフトレジスタSR2の制御配線s1〜s3への制御パルス印加によって転送用TFT・T11〜T33のスイッチM1〜M3を通してv1〜v3が順次出力される。同様にシフトレジスタSR1,SR2の制御により他の光信号も順次出力される。これにより人体等の内部構造の2次元情報がv1〜v9として得られる。静止画像を得る場合はここまでの動作であるが動画像を得る場合はここまでの動作を繰り返す。
【0064】
このような光電変換素子を有する光電変換装置では、光電変換素子のG電極が共通に接続され、この共通の配線をスイッチSWgとスイッチSWsを介してリフレッシュ用電源Vgと読み取り用電源Vsの電位に制御している為、全光電変換素子を同時にリフレッシュモードと光電変換モードとに切り換えることができる。このため複雑な制御なくして1画素あたり1個のTFTで光出力を得ることができる。
【0065】
また、このような光電変換素子を有する光電変換装置では、9個の画素を3×3に2次元配置し3画素ずつ同時に、3回に分割して転送・出力したがこれに限らず、例えば縦横1mmあたり5×5個の画素を2000×2000個の画素として2次元的に配置すれば40cm×40cmのX線検出器が得られる。これをX線フィルムの代わりにX線発生器と組み合わせX線レントゲン装置を構成すれば胸部レントゲン検診や乳ガン検診に使用できる。するとフィルムと異なり瞬時にその出力をCRTで映し出すことが可能で、さらに出力をディジタルに変換しコンピュータで画像処理して目的に合わせた出力に変換することも可能である。また光磁気ディスクに保管もでき、過去の画像を瞬時に検索することもできる。また感度もフィルムより良く人体に影響の少ない微弱なX線で鮮明な画像を得ることもできる。
【0066】
図7、図8にたとえば2000×2000個の画素を持つ光電変換装置の実装を示す平面図を示す。2000×2000個の検出器を構成する場合図11で示した破線内の素子を縦・横に数を増やせばよいが、この場合制御配線もg1〜g2000と2000本になり信号配線SIGもsig1〜sig2000と2000本になる。またシフトレジスタSR1や検出用集積回路ICも2000本の制御・処理をしなければならず大規模となる。これをそれぞれ1チップの素子で行なうことは1チップが非常に大きくなり製造時の歩留まりや価格等で不利である。そこで、シフトレジスタSR1は例えば100段ごと1個のチップに形成し、20個(SR1−1〜SR1−20)を使用すれば良い。また検出用集積回路も100個の処理回路ごと1個のチップに形成し、20個(IC1〜IC20)を使用する。
【0067】
図7には、左側(L)に20チップ(SR1−1〜SR1−20)と下側(D)に20チップ実装し、1チップあたり100本の制御配線、信号配線を各々ワイヤーボンディングでチップと接線している。図7中破線部は図11の破線部に相当する。また外部への接続は省略している。また、SWg,SWs,Vg,Vs,RF等も省略している。検出用集積回路IC1〜IC20からは20本の出力(Vout)があるが、これらはスイッチ等を介して1本にまとめたり、20本をそのまま出力し並列処理すればよい。
【0068】
図8には、別の例を示す。左側(L)に10チップ(SR1−1〜SR1−10)と右側(R)に10チップ(SR1−11〜SR1−20)と上側(U)に10チップ(IC1〜10)、下側(D)に10チップ(IC11〜20)を実装している。この構成は上・下・左・右側(U、D、L、R)にそれぞれ各配線を1000本ずつに振り分けているため、各辺の配線の密度が小さくなり、また各辺のワイヤーボンディングの密度も小さく、歩留まりが向上する。配線の振り分けは左側(L)にg1,g3,g5,…g1999、右側(R)にg2,g4,g6,…g2000とし、つまり奇数番目の制御線を左側(L)、偶数番目の制御線を右側(R)に振り分ける。こうすると各配線は等間隔に引き出され配線されるので密度の集中なく歩留まりが向上する。また、上側(U)下側(D)への配線も同様に振り分ければよい。
【0069】
また、図示していないが、別の例として配線の振り分けは左側(L)にg1〜g100,g201〜g300,…g1801〜g1900、右側(R)にg101〜g200,g301〜g400,…g1901〜g2000を振り分け、つまり、1チップごと連続な制御線を振り分け、これを左・右側(L・R)交互に振り分ける。こうすると、1チップ内は連続に制御でき、駆動タイミングが楽で回路を複雑にしなくてよく安価なものが使用できる上・下側(U・D)についても同様で、連続な処理が可能で安価な回路が使用できる。
【0070】
また図7及び図9共に1枚の基板上に破線部の回路を形成した後、その基板上にチップを実装してもよいし、別の大きな基板上に破線部の回路基板とチップを実装してもよい。また、チップをフレキシブル基板上に実装して破線部の回路基板に貼り付け接続してもよい。
【0071】
またこのような非常に多くの画素をもつ大面積の光電変換装置は従来の光センサを用いた複雑な工程では不可能であったが、以前我々が提案した光電変換装置の工程は各素子を共通な膜で同時に形成しているため工程数が少なく、簡易的な工程ですむため高歩留まりが可能で低コストで大面積・高性能の光電変換装置の生産を可能としている。また、コンデンサ及びTFTと光電変換素子とが同じ画素内で構成でき、実質上素子を半減することが可能でさらに歩留まりを向上できる。
【0072】
以上説明したように、図4に示した構成の光電変換素子を有する光電変換装置によれば光電変換装置内の光電変換素子は注入阻止層が一カ所のみで光の入射量を検出することができ、プロセスの最適化が容易で、歩留まりの向上が図れ、製造コストの低減が可能で、SN比の高い低コストの光電変換装置を提供することができる。
【0073】
また、第一の電極層/絶縁層/光電変換半導体層においてトンネル効果や、ショットキーバリアを利用していないため、電極材料は自由に選択でき、絶縁層の厚さやその他の制御も自由度が高い。
【0074】
また、同時に形成する薄膜電界効果トランジスタ(TFT)等のスイッチ素子または/および容量素子とはマッチングが良く、同一膜構成のため共通な膜として同時に形成可能でかつ光電変換素子、TFT共に重要な膜構成は同一真空内で同時に形成可能であり、さらに光電変換装置を高SN比、低コスト化することができる。
【0075】
また、コンデンサも中間層に絶縁層を含んでおり、良好な特性で形成でき複数の光電変換素子で得られた光情報の積分値を簡単な構成で出力できる高機能の光電変換装置が提供できる。
【0076】
また、低コストで大面積・高機能・高特性のファクシミリやX線レントゲン装置を提供できる。
【0077】
本発明ではこのような光電変換素子を用いて構成された光電変換装置において、X線を光電変換素子が感知できる波長域に波長変換することができる蛍光体のような波長変換体を用いることでX線を検出することができる光電変換装置とすることができる。
【0078】
そして、本発明では、光電変換素子に対応して遮へい部材を設けている。
【0079】
それによって本発明は光電変換装置とは別に補正用の光電変換装置を別個に設ける必要がなくなり、それにともなう補正用の回路を光電変換装置の駆動用回路と独立して別個に設けることが不要になる。
【0080】
従って、本発明によれば安定した読取りを行なうことができる光電変換装置を低コストかつ高歩留まりで提供することができる。
【0081】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【0082】
(第1の実施形態)
図1は、光電変換装置の概略的回路図である。
【0083】
ここで、光電変換装置の回路図は、図11と基本的に同じである。異なる点は、光電変換素子S11〜S13を信号出力補正用の素子として用いる点である。具体的には、光電変換素子S13上に光透過率がゼロである遮光物(遮光フィルタ)70と光電変換素子S12上に光透過率が50%である遮光物(遮光フィルタ)80を配置している点である。
【0084】
図2(a)及び図2(b)は、C13,T13,S13の一例を説明する模式的平面図及び模式的断面図であり、図4で説明したものと基本的に同じである。異なる点は、C13,T13,S13上のCsIとSiNの間に光透過率がゼロである遮光物(遮光フィルタ)70が配置されている点である。
【0085】
図3は、本実施形態に係る光電変換装置の動作の一例を説明する為のタイミングチャート図である。
【0086】
図3のタイミングチャート図は、光電変換装置上に一様なX線量を照射している場合である。従って、Voutの出力値の内、v1,v4〜v9が、ほぼ同一の出力値となっている。
【0087】
上述したように、光電変換素子S13上に光透過率が略0%である遮光物(遮光フィルタ)70を配置しているため、Voutの出力値の内、v3の出力値はゼロを示している。
【0088】
光電変換素子S12上に光透過率が50%である遮光物(遮光フィルタ)80を配置しているため、v2の出力値はv1,v4〜v9の出力値の50%の出力値になっている。
【0089】
従って、光透過率がゼロである遮光物(遮光フィルタ)70を配置した光電変換素子の出力v3を用いてオフセット補正を行なうことができる。
【0090】
これは、具体的には、オフセット補正用ICに前記光電変換素子の出力V3を入力し、V1,V4〜V9の値からV3の値を差し引くことにより、オフセット補正が行なわれる。
【0091】
また、光透過率が50%である遮光物(遮光フィルタ)80を配置した光電変換素子の出力v2及びフィルタを配置していない光電変換素子の出力として、例えば、v1を用いて感度の補正を行なうことが可能となる。
【0092】
これは、具体的には、感度補正用ICに前記光電変換素子の出力V1,V2の出力値を入力し、V4〜V9の値から、各々V1の値を差し引いた値に50%を乗じた値を用いて感度補正が行なわれる。
【0093】
また、本実施形態では、感度補正用光電変換素子として、光透過率が50%のフィルタを用いたが、これは、50%に限ることはなく、光透過率をmとした場合、0<m<100%のものを用いることが可能となる。
【0094】
(第2の実施形態)図12は、本発明の特徴を示す、第2の実施形態に係る光電変換装置の全体回路図である。
【0095】
ここで、光電変換装置の回路図は、基本的に図11と同じである。本実施例では、光電変換素子S11〜S13を信号出力補正用回路として用いている。具体的には、光電変換素子S12及びS13上に設けられた蛍光体CsI上に、蛍光体CsIへのX線照射量をほぼゼロにできるようにX線透過率がゼロ又はほぼ0の鉛板90を配置している。
【0096】
図13(a)及び図13(b)は、C13,T13,S13の一例を説明するための模式的平面図及び模式的断面図である。本実施例では、C13,T13,S13上のCsIの上部にX線透過率がほぼゼロに出来る鉛板90が配置されている点である。
【0097】
図14は、本発明の第2の実施形態に係る動作を説明する為のタイミングチャート図である。
【0098】
ここで、図14の光電変換装置の回路図のタイミングチャート図では、光電変換装置上に一様なX線量を照射しているため、Voutの出力値の内、v1,v4〜v9が、ほぼ同一の出力値となっている。
【0099】
上述したように、光電変換素子S12及びS13上に蛍光体CsIをはさんでX線透過率が0%であるように鉛板90を配置しているため、Voutの出力値の内、v2及びv3の出力値はゼロを示している。
【0100】
従って、X線透過率がゼロであるようにした鉛板90を配置した光電変換素子の出力v2又はv3を用いてオフセット補正を行なうことができる。
【0101】
これは、具体的には、オフセット補正用ICに前記光電変換素子の出力V2又はV3を入力し、V1,V4〜V9の値からV2又はV3の値を差し引くことにより、オフセット補正が行なわれる。
【0102】
(第3の実施形態)
図15は本発明の第3の実施例を示す光電変換装置の回路図である。説明を簡単化するために、図においては3×3の合計9画素で構成している。S1−1〜S3−3は可視光を受光し電気信号に変換するための光電変換素子であり、T1−1〜T3−3は光電変換素子S1−1〜S3−3で光電変換された信号電荷を、マトリクス信号配線M1〜M3側へ転送するためのスイッチ素子である。G1〜G3はシフトレジスタ(SR1)に接続され且つスイッチ素子T1−1〜T3−3に接続されたスイッチのゲート駆動用配線である。ここで、光電変換装置の回路図では、光電変換素子S1−1〜S3−3を信号出力補正用回路として用いている。具体的には、光電変換素子S1−2及びS1−3上の蛍光体CsI上に、X線透過率がほぼゼロにできるように鉛板90を配置している。マトリクス信号配線M1には、スイッチ素子の電極間容量(Cgs)の3個分の容量が転送時において付加されているが、図中内では容量素子としての表記をしていない。他のマトリクス信号配線M2,M3についても同様である。光電変換素子S1−1〜S3−3とスイッチング素子T1−1〜T3−3とゲート駆動配線G1〜G3とマトリクス信号配線M1〜M3が図中光電変換回路部101内に示されている。光電変換回路部101は絶縁基板上に配置されている。102は駆動用回路部としての、スイッチ素子T1−1〜T3−3を開閉するためのシフトレジスタ(SR1)である。A1〜A3は、マトリクス信号配線M1〜M3の信号電荷を増幅し、インピーダンス変換するためのオペアンプであり、図中においては電圧ホロワ回路を構成したバッファーアンプとしてのみ記載してある。Sn1からSn3はオペアンプA1〜A3の出力すなわち各マトリクス信号配線M1〜M3の出力を読み出し、コンデンサCL1〜CL3へ転送する転送スイッチである。読み出しコンデンサCL1〜CL3は、電圧ホロワ回路を構成したバッファアンプB1〜B3を介して読み出し用スイッチSr1〜Sr3により読み出される。103は読み出し用スイッチSr1〜Sr3を切り替えるためのシフトレジスタ(SR2)である。CL1〜CL3の並列信号は、Sr1〜Sr3とシフトレジスタ(SR2)103により直列変換され、最終段の電圧ホロワ回路を構成したオペアンプ104に入力され、さらにA/D変換回路部105でディジタル化される。RES1〜RES3はマトリクス信号配線M1〜M3に付加された容量(3個分のCgs)に蓄えられた信号成分をリセットするためのリセット用スイッチであり、CRES端子からのパルスにより、あるリセット電位にリセット(図中ではGND電位にリセット)される。また、106は光電変換素子S1−1〜S3−3にバイアスを与えるための電源である。読み出し用回路部107は、バッファアンプA1〜A3、転送スイッチSn1〜Sn3、読み出しコンデンサCL1〜CL3、バッファアンプB1〜B3、読み出し用スイッチSr1〜Sr3、シフトレジスタSR2、最終段のオペアンプ104、リセット用スイッチRES1〜RES3で構成されている。
【0103】
このような回路構成であっても、鉛板によってX線を遮へいしているので、未照射時のオフセット成分を同様に除去することができる。
【0104】
(第4の実施形態)
図16は、本発明の光電変換装置を用いたシステム全体の一例を表す模式的ブロック図である。図16において、6001はセンサ基板である。この図では複数のシフトレジスタSR1を直列に、また検出用集積回路ICも複数で駆動している。検出用集積回路ICの出力は処理回路6008内のアナログ−デジタル変換器6002に入力されデジタル化される。この出力は固定パターン補正用の引き算器6003を介してメモリ6004に記憶される。メモリの中の情報はコントロール6005により制御されバッファ6006を介し信号処理手段としてのイメージプロセッサに転送され、そこで画像処理される。
【0105】
図17(a)、図17(b)は、夫々本発明をX線検出用の光電変換装置に適用した場合の模式的構成図及び模式的断面図である。
【0106】
図17において、光電変換素子とTFTの組はセンサ基板6011内に複数個形成され、シフトレジスタSR1又は検出用集積回路ICが実装されたフレキシブル回路基板6010が接続されている。フレキシブル回路基板6010の他方側は回路基板PCB1,PCB2に接続されている。センサ基板6011の複数枚が基台6012の上に接着され大型の光電変換装置を構成する基台6012の下には処理回路6018内のメモリ6014をX線から保護するため鉛板6013が実装されている。センサ基板6011上にはX線光電変換素子が感知できるようなたとえば可視光に変換するための波長変換体としての蛍光体6030(たとえばCsI)が、塗布または貼り付けられている。前述したX線検出方法と同様、X線の照射量に応じた可視光量を検出することでX線を検出することができる。本実施形態では図17(b)に示されるように全体をカーボンファイバー製のケース6020に収納している。
【0107】
ここで、センサ基板6011の左上角に光透過率がゼロである遮光物(遮光フィルタ)7000と光透過率が50%である遮光物(遮光フィルタ)8000が配置してあり、光透過率がゼロである遮光物(遮光フィルタ)7000を配置した光電変換素子の出力を用いオフセット補正を行ない、光透過率が50%である遮光物(遮光フィルタ)8000を配置した光電変換素子の出力及びフィルタを配置していない光電変換素子の出力を用いて感度の補正を行なうことが可能となる。
【0108】
(第5の実施形態)
図18(a)、図18(b)は、夫々本発明をX線検出用の光電変換装置に適用した場合の模式的構成図及び模式的断面図である。
【0109】
図18において、光電変換素子とTFTの組はセンサ基板6011内に複数個形成され、シフトレジスタSR1と検出用集積回路ICが実装されたフレキシブル回路基板6010が接続されている。フレキシブル回路基板6010の他方側は回路基板PCB1,PCB2に接続されている。センサ基板6011の複数枚が基台6012の上に接着され大型の光電変換装置を構成する基台6012の下には処理回路6018内のメモリ6014をX線から保護するため鉛板6013が実装されている。センサ基板6011上には第4の実施形態と同様にX線を可視光に変換するための蛍光体6030たとえばCsIが、塗布または貼り付けられている。
【0110】
本実施形態では図18(b)に示されるように全体をカーボンファイバー製のケース6020に収納している。
【0111】
本例においては、蛍光体6030上にX線を遮断又は実質的に遮断して、蛍光体6030中に入射させないように遮へい部材としての鉛板9000を設けている。鉛板9000に対応する位置に設けられた光電変換素子中には蛍光体6030からの光が入射されないか実質的に入射されない。従って、該光電変換素子からの出力を用いてオフセット補正を行なうことができる。
【0112】
(第6の実施形態)
図19(a)及び図19(b)は夫々本発明をX線検出用の光電変換装置に適用した場合の模式的構成図及び模式的断面図である。
【0113】
本実施形態は遮へい部材としての鉛板9000が、シフトレジスタSR1の接続側端部の光電変換素子上にライン状に配されている以外は第5の実施形態と変わりはない。
【0114】
本実施形態では各シフトレジスタSR1に対応するラインごとにおけるオフセット補正を行なうことができる。したがって、各ラインごとに異なるオフセットを有する場合でも補正可能になり、より一層均質な出力特性を得ることができる。
【0115】
(第7の実施形態)
図20(a)及び図20(b)は夫々本発明をX線検出用の光電変換装置に適用した場合の模式的構成図及び模式的断面図である。
【0116】
本実施形態ではシフトレジスタSR1に接続される側でなく、検出用集積回路用のICが接続された側の端部の光電変換素子上に対応して遮へい部材である鉛板をライン状に設けた点が第6の実施形態と異なる。
【0117】
本実施形態では各出力ラインごとにオフセット補正をすることができるのでより簡便に出力特性の調整を行なうことができる。
【0118】
尚、本実施形態に加えて、第6の実施形態で説明したようにシフトレジスタSR1に沿ってライン状に遮へい部材としての鉛板を設けてもよい。
【0119】
又、第6及び第7の実施形態において、遮へい部材は蛍光体6030の光電変換素子側に設けても良い。この場合はより近いところで光を遮へいするので蛍光体からのまわりこみがより少なくできる。また蛍光体上に遮へい部材を設ける場合は、蛍光体の設置が容易になるとともに蛍光体自身の発光(波長変換)が生じないという効果もある。
【0120】
又、蛍光体と光電変換素子との間に遮へい部材を設ける場合は蛍光体からの発光が遮ぎられればよいのであるから、発光色に対する充分な濃度の補色成分を有すれば黒である必要はない。たとえば発光色が緑色の場合、充分な濃度の赤色フィルター(赤色成分を有するフィルター)であれば良い。
【0121】
つまり、遮へい部材はX線が透過しても蛍光体中での発光又は実質的発光がなければよく、発光があっても光電変換素子が感知できない又は実質的に感知できなければよい。加えて、蛍光体の発光を遮ぎるときは、光電変換素子が感知できない又は実質的に感知できなければよい。
【0122】
加えて、光電変換素子上に鉛板のような遮へい部材を設け、蛍光体をそれに対応する素子上に設けないようにするのも一つの形態である。
【0123】
図21は、本発明の光電変換装置をX線診断システムへ応用した一例を示す、システム構成図である。
【0124】
図21において、X線チューブ6050で発生したX線6060は、患者あるいは被検体6061の検査部6062を透過し、蛍光体を上部に実装した光電変換装置6040に入射する。この入射したX線には被検体6061の内部の情報が含まれている。X線の入射に対応して蛍光体は発光し、これを光電変換して、電気的情報を得る。この情報はディジタルに変換されイメージプロセッサ6070により画像処理され制御室のディスプレイ6080で観察できる。これによって、被検体の被破壊検査を行なうことができる。
【0125】
また、この情報は電話回線6090等の伝送手段により遠隔地へ転送でき、別の場所のディスプレイ6081に表示もしくは光ディスク等の保存手段に保存することができ、遠隔地の医師や検査官が診断することも可能である。またフィルムプロセッサ6100によりフィルム6110に記録することもできる。
【0126】
このように4枚のセンサ基板を貼り合わせて1つの基板として、X線診断システムを構成する場合、光電変換素子の出力値を補正する為の補正用光電変換素子を、該基板の中で比較的重要でない角部又は辺のいずれか、又は4つの角部又は少なくとも2辺に配置する(4隅あるいは対向する2辺の光電変換素子を用いる)ことが可能になり、出力値をスキャンする時間も特別に必要にならない。更に、各センサ基板に最低1つずつの補正用光電変換素子を構成することにより、各センサ基板間のオフセット及び感度の補正を行なうことも可能になる。
【0127】
光電変換装置の隅は、比較的重要な部位ではない為、そこを用いるのが好ましい。パネルを4枚貼り合わせる場合、各パネルの1つの隅にフィルタのような遮へい部材を配置すると、各パネル毎のバラツキも補正することが可能となる。
【0128】
また、図17に示す0%フィルター7000と50%フィルター8000は、図17に示すような形状に配置することにより、入射光の反射光、及びその他のもれ光の影響を少なくすることができ、光のクロクトークの影響を減少することができるものである。
【0129】
【発明の効果】
以上説明したように、本出願に係る発明によれば、基板上に2次元的に配列された複数の光電変換素子を、X方向の駆動線を順次スキャンし、Y方向の信号線に信号電荷を転送し、順次信号を読み出す光電変換装置に於いて、任意の光電変換素子上に光透過率が略ゼロであるフィルタもしくは、任意の光電変換素子上に、X線透過率がゼロとできる鉛板に代表される遮へい部材を配置することにより、その任意の光電変換素子をオフセット出力補正用の光電変換素子として用いることができるため、別に、補正用光電変換素子を形成する必要がなくなる。
【0130】
その結果、外部の補正用光電変換素子の出力を補正用ICに入力する為の接続回路及びその作業が不要となり、歩留まりの向上及びコストの低減が可能になる。
【0131】
また、前記光電変換装置に於いて、任意の光電変換素子上に光透過率mが0<m<100%であるフィルタを配置することにより、感度補正用光電変換素子として用いることが可能となり、別に補正用光電変換素子を形成する必要が無くなる。
【0132】
また、これらの補正用光電変換素子を用いることにより、光電変換素子の照度に対する感度や、照度ゼロ時における出力即ちオフセット出力値のばらつきをなくすことが可能となる。
【0133】
また、補正回路を光電変換装置上に独立に配置する場合と異なり、回路が煩雑にならず、光電変換装置を作成する上で歩留まりを下げることもなく、コストを上げることにつながらないという効果が得られる。
【0134】
更に、本実施形態のように、多画素で構成された2次元の光電変換装置の中の一部の光電変換素子を補正用光電変換素子として用いる場合、補正用光電変換素子を光電変換装置上に独立に配置する場合と異なり、補正出力を読み出す時間が余分に必要とならず、結果的に光電変換素子の出力値を補正することを短時間で行なうことが可能となり、動画像を得ることが容易に可能となる。
【0135】
また、k枚(たとえば4枚)のセンサ基板を貼り合わせて1つの基板を得る場合は、X線診断システムなどを構成する場合、光電変換素子の出力値を補正する為の補正用光電変換素子を、基板の中で比較的重要でない角又は辺に配置することが可能になり、出力値をスキャンする時間も特に必要にならない。
【0136】
更に、各センサ基板に最低1つずつの補正用光電変換素子を構成することにより、各センサ基板間のオフセット及び/又は感度の補正を行なうことも可能になる。
【0137】
尚、本発明は本発明の主旨の範囲内において適宜、変形組合せが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の光電変換装置の一例を説明するための概略的回路図である。
【図2】図2(a)は本発明の光電変換装置の補正用光電変換素子の一例を説明するための模式的平面図、(b)は図2(a)に示される補正用の光電変換素子の模式的断面図である。
【図3】図3は本発明の光電変換装置の駆動の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【図4】図4は図11の光電変換部の一画素構成の一例を示す模式的平面図である。
【図5】図5は図11の光電変換部の一画素構成の一例を示す模式的断面図である。
【図6】図6は図11の光電変換装置の駆動の一例を示すタイミングチャートである。
【図7】図7は光電変換装置の実装の一例を示す概略的平面図である。
【図8】図8は光電変換装置の実装の一例を示す概略的平面図である。
【図9】図9(a)及び(b)は夫々光センサの一例を説明するための模式的断面図、(c)は駆動方法の一例を説明するための概略的回路図である。
【図10】図10はTFTの構成の一例を説明するための模式的断面図である。
【図11】図11は光電変換装置の回路構成の一例を示す概略的回路図である。
【図12】図12は本発明の光電変換装置の一例を説明するための概略的回路図である。
【図13】図13(a)は本発明の光電変換装置の補正用光電変換素子の一例を説明するための模式的平面図、図13(b)は図13(a)に示される補正用の光電変換素子の模式的断面図である。
【図14】図14は本発明の光電変換装置の駆動の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【図15】図15は本発明の光電変換装置の一例を説明するための概略的回路図である。
【図16】図16は本発明の光電変換装置の一例を説明するための概略的回路図である。
【図17】図17(a)は本発明の一例としての実施形態の光電変換装置を説明するための模式的平面図、(b)は模式的断面図である。
【図18】図18(a)は本発明の一例としての実施形態の光電変換装置を説明するための模式的平面図、(b)は模式的断面図である。
【図19】図19(a)は本発明の一例としての実施形態の光電変換装置を説明するための模式的平面図、(b)は模式的断面図である。
【図20】図20(a)は本発明の光電変換装置の構成の一例を示す模式的平面図、(b)は模式的断面図である。
【図21】図21は本発明の光電変換装置を有するX線診断(検査)システムの一例を説明するための概略的システム構成図である。
【符号の説明】
70 光透過率0%の遮光フィルタ
80 光透過率50%の遮光フィルタ
S11〜533 光電変換素子
T11〜T33 転送用TFT
C11〜C33 コンデンサ
SR1,SR2 シフトレジスタ
Claims (13)
- 基板上に二次元的に配列された複数の光電変換素子を有する光電変換部と、
該光電変換部上に設けられ、X線を前記光電変換素子が感度を有する波長の光に変換する波長変換体と、を備えた光電変換装置において、
前記複数の光電変換素子のうちの任意の光電変換素子に対応して光の透過率が0%又は実質的に0%である遮へい部材を該任意の光電変換素子と前記波長変換体との間に配置し、
前記任意の光電変換素子から出力されるオフセット補正用出力値と、前記任意の光電変換素子を除いた前記複数の光電変換素子から出力される出力値と、を用いてオフセット補正を行うことを特徴とする光電変換装置。 - 請求項1の光電変換装置において、該遮へい部材は遮光フィルタであることを特徴とする光電変換装置。
- 請求項2の光電変換装置において、該遮光フィルタは、該遮光フィルタに入射される光と補色の関係の成分を有することを特徴とする光電変換装置。
- 請求項1〜3のいずれか1項の光電変換装置において、更に、前記複数の光電変換素子のうちの他の任意の光電変換素子と前記波長変換体との間に、光透過率mが0<m<100%の第2の遮へい部材を有することを特徴とする光電変換装置。
- 請求項1の光電変換装置において、前記遮へい部材に対応する光電変換素子はオフセット補正用の光電変換素子であることを特徴とする光電変換装置。
- 請求項4の光電変換装置において、前記第2の遮へい部材に対応する光電変換素子は感度補正用の光電変換素子であることを特徴とする光電変換装置。
- 請求項1〜6のいずれか1項の光電変換装置において、該遮へい部材は該光電変換部の角に位置する光電変換素子に対応して配置されていることを特徴とする光電変換装置。
- 請求項1〜6のいずれか1項の光電変換装置において、該遮へい部材は該光電変換素子の列に対応して配置されていることを特徴とする光電変換装置。
- 請求項8の光電変換装置において、該光電変換素子の列は光電変換部の端部の列を含むことを特徴とする光電変換装置。
- 請求項1〜9のいずれか1項の光電変換装置において、該波長変換体は蛍光体を含むことを特徴とする光電変換装置。
- 請求項4に記載の光電変換装置において、前記第2の遮へい部材が対応して配置された前記他の任意の光電変換素子から出力される感度補正用出力値と、前記任意の光電変換素子及び前記他の任意の光電変換素子を除いた前記複数の光電変換素子から出力される出力値と、を用いて感度補正を行う感度補正用ICを更に有することを特徴とする光電変換装置。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載の光電変換装置において、前記オフセット補正を行うオフセット補正用ICを更に有することを特徴とする光電変換装置。
- 請求項1〜12のいずれか1項に記載の光電変換装置において、該遮へい部材は鉛板であることを特徴とする光電変換装置。
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