JP4176869B2 - Ｘ線検出器及び放射線検出方法及び放射線検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＸ線などの放射線が照射されたマトリックス状に配列された光電素子から撮影画像を形成するための信号を読み出すＸ線検出器及び放射線検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＸ線検出器を構成するマトリックス状に配置された光電素子による信号収集手法には、様々な方式があるが、その中で、図８に示すように、Ｘ線照射後に前記光電素子に相当する各画素に蓄積された画素電荷をＴＦＴ（Thin Film Transistor）等のスイッチング素子を経由して信号線に読み出し、チャージアンプで電荷を電圧変換してサンプリングする最も簡単な方式が知られている。
【０００３】
この方式は、例えば“Construction and evaluation of a prototype real-time detector",Zhao et.al,:Med Phys.Vol.24(12),1997 に記載されており、広く知られている。実際に市販（EG&G社ＡmplifierーＭultiplexer array chip,MB Series)されてもいる。
【０００４】
図８は上記したマトリックス状に配置された光電素子とスイッチング素子で形成されるひとつの画素回路に着目した図である。但し、画素は等価回路として、電荷を蓄積するコンデンサＣＰで示してある。Ｘ線等が照射されることにより、画素ＣＰに蓄積された電荷ＱはＴＦＴ等のスイッチング素子１がオンになったタイミングで、信号線２上に送出される。この信号線２上に送出された電荷Ｑはチャージアンプ（演算増幅器３１とコンデンサＣｆから成る積分回路）３により電圧Ｖ０に変換され、この電圧Ｖ０は更にサンプルホールド回路４のサンプリング用のスイッチ４１をオンすることによってコンデンサＣに蓄積されて、サンプルホールドされる。
【０００５】
上記したチャージアンプ３の出力電圧Ｖ０に重畳するノイズは下式で与えられることも知られており、上記市販されるデータシートにも記載がある。
【０００６】
ノイズ＝（チャージアンプの発生するノイズ）×［１＋（Ｃｓ／Ｃｆ）］…（１）
ここで、Ｃｓはスイッチング素子からチャージアンプ３の入力までの容量成分であり、信号線２の浮遊容量なども含まれる。Ｃｆはチャージアンプの出力電圧Ｖ０と入力電荷量Ｑの関係を与える容量成分であり、Ｖ０＝−Ｑ／Ｃｆで与えられる。
【０００７】
このような従来の回路では（１）式から明らかなように、ノイズを低減するにはチャージアンプ３の性能を格段に向上させ、Ｃｓを小さくすることが必要である。
【０００８】
しかし、Ｃｓはゼロにすることが不可能であるばかりか、マトリックス状に配列された各画素ＣＰの電荷Ｑを運ぶ信号線２が長くなると、大きくなり、従って、ノイズの低減には限界があつた。また、仮にＣｓを十分小さくして設計したとしてもチャージアンプ３のノイズ成分以下には低減できず、そのノイズはチャージアンプ３を構成する初段のＦＥＴ等の性能で決まってしまう。それにも限界があり、低ノイズのＦＥＴは高価で量産も困難であった。
【０００９】
上記のような事情に対して図９に示すような対策が，“CMOS low noise amplifier for microstrip readout design and results",Nuclear Instruments and Method in Physics Research A301(1991）に記載されている。
【００１０】
図９にて、チャージアンプ３の後段に、破線で囲まれたノイズ低減用の整形回路５が挿入されている。これにより、チャージアンプ３の出力からサンプルホールド回路４までの間は、更に下記周波数特性を有することになる。
【００１１】
Ｆ（ｗ）＝ａ・ｗ／ＳＱＲ（ｗ２＋ｂ２）…（２） 但し、ＳＱＲは根号を表わし、ａ＝Ｃｄ／Ｃｘ ｂ＝１／（Ｃｘ−ＲＸ）であり、ｗはこの回路に入力する信号の角周波数成分である。
【００１２】
この（２）式によれば、整形回路５により特に低周波成分のノイズが除去できるため、結果としてサンプリング時のノイズは低減する。更に、整形回路５の後段にコンデンサと抵抗器で構成された積分器を付けた回路も同じ文献にて考案されており、このような積分器を付けることによって、高周波ノイズまで除去できる効果がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記図９に示した回路は、ガンマ線検出器のようにパルス状に到来する放射線で生じた電荷を逐次検出する目的で考案されたものであり、図１０（Ａ）で示すように整形回路５の出力電圧ＶＸの波形がパルス状になる。この時、チャージアンプ３の出力信号Ｖ０は図１０（Ｂ）に示す如くであり、時間が経つと共に減衰する。図１０（Ａ）で示したパルス信号の位置は信号線２上に存在する抵抗値に依存する。またピーク値はこの抵抗値と信号源となる電荷量Ｑとで定まる。従って，抵抗値が一定ならば予めピーク位置を求めておき、その位置でサンプリングすれば電荷量Ｑに対応する信号がサンプルされる。
【００１４】
しかしながら、マトリックス状の画素から電荷を取り出すためのスイッチング素子１として、ＴＦＴのような抵抗値が電荷量Ｑによって変化するものが使われることがあり、このような場合、図１１に示すように電圧（Ｖｄｓ）と電流（Ｉｄｓ）の関係は線形関係にならないことが生じる。これは、トランジスタ構造を有するスイッチング素子１には一般的に観測されがちな特性である。
【００１５】
この特性のため、上記図９に示した回路を使用すれば、図１０（Ａ）に示した出力電圧ＶＸのピーク位置が電荷量Ｑに依存して変動するため、一定のタイミングでサンプリングすることができない。また、ピーク値と電荷量Ｑとの関係も非常に煩雑な関係となることから、図９に示した回路をそのまま使用することは困難であるという問題があった。
【００１６】
本発明は、上述の如き従来の課題を解決するためになされたもので、その目的は、各画素の電荷を取り出すスイッチング素子の電圧、電流特性が非線形であっても、一定のサンプリングタイミングで前記電荷を低ノイズで確実に読み出すことができるＸ線検出器及び放射線検出方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の特徴は、２次元マトリックス状に配列された画素にＸ線を当てることにより各画素に蓄積された電荷をスイッチング素子を介して順次取り出し、取り出した電荷をチャージアンプにより電圧に変換し、この電圧をサンプルホールド回路によりサンプルホールドして出力するＸ線検出器において、前記チャージアンプとサンプルホールド回路との間に積分回路を備え、この積分回路により前記電圧を積分して得た電圧をサンプルホールドして出力することにある。
【００１８】
この第１の発明によれば、ＴＦＴなどの前記スイッチング素子をオンして、前記画素に蓄積された電荷を取り出して所定時間以上経つと、前記積分回路の出力電圧は前記スイッチング素子の抵抗の影響のない値になるため、これをサンプリングすれば、前記スイッチング素子が非線形特性を有していても、蓄積電荷の量によらない一定のサンプリングタイミングによりサンプリングし得るようになる。また、前記積分回路の周波数特性を高周波で減衰するようにすることにより、チャージアンプなどによるノイズが低減される。
【００１９】
第２の発明の特徴は、前記スイッチング素子をオンした時点から所定時間後に前記積分回路の出力電圧をサンプリングすることにある。
【００２０】
第３の発明の前記積分回路は、抵抗器とコンデンサと増幅器により構成され、且つ、前記抵抗器をカップリングコンデンサを介して前記チャージアンプに接続し、且つ、前記カップリングコンデンサと積分回路により構成される回路の前記チャージアンプから出力される電圧の出力値の高周波成分が低減するように該回路の諸定数を決定する。
【００２１】
この第３の発明によれば、前記積分回路は前記チャージアンプ等から入力される高周波ノイズを低減する。
【００２２】
第４の発明の前記積分回路は、抵抗器とコンデンサにより構成され、且つ、前記抵抗器を前記チャージアンプに直接接続し且つ、前記積分回路の前記チャージアンプから出力される電圧の出力値の高周波成分が低減するように該回路の諸定数を決定する。
【００２３】
この第４の発明によれば、前記積分回路は前記チャージアンプ等から入力される高周波ノイズを低減する。
【００２４】
第５の発明の特徴は、前記積分回路を構成するコンデンサを前記サンプルホールド回路を構成するコンデンサと兼用にすることにある。
【００２５】
この第５の発明によれば、前記積分回路と前記サンプルホールド回路が兼用になり、装置の構成が簡単化される。
【００２６】
第６の発明の特徴は、前記積分回路のコンデンサ及びカップリングコンデンサの各々に蓄積電荷を放電させるリセットスイッチを並列接続し、これらリセットスイッチのオン、オフは前記スイッチング素子のオン、オフと所定の位相差を保つて同期して行うようにすることにある。
【００２７】
この第６の発明によれば、前記スイッチング素子がオンする前に、前記リセットスイッチをオンして蓄積電荷を放電した後、前記リセットスイッチをオフした状態で、前記スイッチング素子をオンして、蓄積電荷をチャージアンプに入力することにより、前記積分回路から前記蓄積電荷量に正確に対応する電圧が得られる。
【００２８】
第７の発明の特徴は、前記積分回路を構成する前記抵抗器の値又は、前記カップリングコンデンサの値を可変とすることによって、前記抵抗器又は、前記カップリングコンデンサの値を任意に選択して設定すると共に、選択した値に応じて前記積分回路の出力電圧のサンプリングタイミングを変えることにある。
【００２９】
この第７の発明によれば、例えば、前記抵抗器の値を大きくすれば、時定数が増大し、積分回路の積分効果が大きくなって、ノイズ低減効果を増大させるが、前記積分回路の出力電圧が前記スイッチング素子の非線形特性の影響のない安定した値になるまでの時間が延びるため、前記スイッチング素子がオンしてサンプリングするまでの時間を長くしなければならない。このサンプリングするまでの時間が長いと画像の分解能が低減することになる。従って、ノイズ低減効果を増大すれば、その反面、画像の分解能が低減することになる。
【００３０】
第８の発明の特徴は、２次元マトリックス状に配列された画素に放射線を当てることにより各画素に蓄積された電荷を順次取り出して電圧に変換し、この電圧をサンプルホールドして出力する放射線検出方法において、前記画素から取り出した電荷を対応する電圧に変換する過程と、前記変換により得られた電圧を積分する過程と、前記積分して得られた電圧をサンプルホールドする過程とを備えることにある。
【００３１】
この第８の発明によれば、前記積分過程の周波数特性を高周波で低減するように設定しておけば、前記電荷を電圧に変換する際に発生する高周波ノイズが低減され、これがサンプルホールドされることになる。又、前記積分過程により前記画素から電荷を取り出す半導体素子の抵抗の影響が排除される時間経ってから、前記積分して得られた電圧をサンプリングすることにより、前記半導体素子が非線形特性を有していても、前記サンプリングにより、前記積分して得られた電圧を常に安定に得ることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明のＸ線検出器の第１の実施の形態を示したブロック図である。但し、従来例と同一部分には同一符号を用いて説明する。
【００３３】
本例は、Ｎライン×Ｍ列のマトリックス状に配列した画素回路１３の中の１本のラインを取り出して示したものである。Ｘ線を照射すると画素の容量成分ＣＰ（以降画素ＣＰと称する）は電荷Ｑを蓄積し、この電荷ＱはＴＦＴなどのスイッチング素子１を介して信号線２上に読み出される。チャージアンプ３は信号線２上に読み出された電荷Ｑを積分し、この積分値に対応した電圧Ｖ０を発生する。この電圧Ｖ０はカップリングコンデンサＣｄを通して積分回路６に入力され、ここで積分されて電圧ＶＸとなり、これがサンプルホールド回路４により保持される。この際、読出制御回路８はスイッチング素子１のオンオフ、チャージアンプ３や積分回路６のリセット及びサンプルホールド回路４のサンプリングタイミングなどを制御して、電荷Ｑの読み出し制御を行う。
【００３４】
ここで、チャージアンプ３は演算増幅器３１、コンデンサＣｆ及びリセットスイッチ３２により構成されている。積分回路６は抵抗ＲＸ、演算増幅器６２、コンデンサＣｘ及びリセットスイッチ６３により構成されている。サンプルホールド回路４はサンプリングスイッチ４１と電荷保持用のコンデンサＣsampleより構成されている。又、カップリングコンデンサＣｄにはリセットスイッチ６１が並列接続されている。
【００３５】
次に本実施の形態の動作について説明する。上記した画素ＣＰを構成する光電素子にはアモルフアスＳｅ等の光導電体が使用され、ｘ線が当たるとその強度に応じた量の正孔と電子を生じる。この光導電体には電界が掛けられており、電子は高電位側の電極に、正孔は低電位側の画素電極にそれぞれ引き寄せられる。この誘電作用により生じた電荷は図１に示した画素の等価回路のＣＰに蓄積されるＱで表わされる。このＱを蓄積する容量成分は上記したようにＣＰで表わされており、実際の構成では上記光導電体がそのまま容量成分を構成したり、或いは補助的な容量成分が上記画素電極とグラウンド電位との間に設けられてＣＰなる容量成分を形成する。
【００３６】
読出制御回路８は当初スイッチング素子１をオフ状態にする。この間、Ｘ線照射が行われる。これにより画素ＣＰに電荷ＱＴが蓄積される。その後、読出制御回路８はリセットスイッチ３２、６１、６３をオフにすると共に、スイッチング素子１をオン状態にして電荷Ｑを信号線２上に伝達する。これにより、チャージアンプ３はＶ０＝Ｑ／Ｃｆなる電圧を出力する。なお、リセットスイッチ３２、６１、６３の開閉タイミングは全て読出制御回路８により同一のタイミングで制御されるものとする。
【００３７】
Ｖ０は積分回路６により積分されて電圧ＶＸとなり、この電圧ＶＸがサンプルホールド回路４に入力される。読出制御回路８は適切なタイミングで、サンプリングスイッチ４１をオンすることにより、電圧ＶＸをコンデンサＣsampleに保持し、その後、サンプリングスイッチ４１をオフし、更に、リセットスイッチ３２、６１、６３をオンして、各回路に蓄積されている電荷を放電して、各回路をリセットする。
【００３８】
ここで、図２は図１の回路を含んだ本例のＸ線検出器の全体構成図を示したブロック図である。図１の画素ＣＰに相当する光電変換素子２１は、例えば１０００×１０００の行列状に配置されて画素を形成する。各光電変換素子２１のそれぞれに対応して設けられた読み出し用のスイッチング素子１としての複数のＴＦＴ２２と、各列のＴＦＴ２２のゲートに駆動信号を送出するゲートドライバ２３と、各行のＴＦＴ２２のドレインが共通に接続された図１に示した回路のチャージアンプ３、積分回路６及びサンプルホールド回路４に相当する初段処理回路２４と、各初段処理回路２４の出力を時分割多重化するマルチプレクサ２５と、マルチプレクサ２５の出力を増幅するアンプ２６と、アンプ２６の出力をアナログ／デジタル変換してＸ線画像信号として出力するＡ／Ｄコンバータ２７とを備えている。
【００３９】
従って、サンプルホールド回路４により一旦ホールドされた電圧はアナログマルチプレクサ２５へ他のライン出力と共に入力され、マルチプレクサ２５で逐次ライン出力の選択を行って１次元電気信号として出力された後、Ａ／Ｄコンバータ２７でデジタル化されて、図示されない２次元メモリ上の２次元光電変換素子２１の位置に応じたアドレスに格納される。
【００４０】
ところで、画素回路１３を構成するスイッチング素子１は図２に示したようにＴＦＴ２２などの半導体素子で構成され、この半導体素子は一般に図１１に示すような非線形の電圧一電流特性を有している。即ち、電荷Ｑによってスイッチング素子１にはＱ／ＣＰなる電圧Ｖｄｓが掛かるが、このＶｄｓに対して実際に流れる電流は図示のように線形関係にはならず、Ｖｄｓが大きくなっても電流はそれに比例しない。
【００４１】
即ち、Ｖｄｓが大きいと、このスイッチング素子１自体の抵抗値は見かけ上大きくなるような現象が現れる。これはこのスイッチング素子１を構成する半導体で決定される特性であるが、ＴＦＴのようなトランジスタ構造を有する素子には、この現象が生じ易い。
【００４２】
ここで、スイッチング素子（ＴＦＴ）１がオンの状態になり、電荷Ｑが信号線２に流れている状態ではリセットスイッチスイッチ３２、６１、６３はオフに制御されており、Ｖ０には下記に述べるような電圧が発生する。ここで、Ｒｔはスイッチング素子１のオン時の抵抗値を表わし、Ｎは図１１に示すようにノイズ源を表わす。
【００４３】
この場合、チャージアンプ３の出力Ｖ０は、Ｖ０＝（−Ｑ／ｃｆ）［１−ｅｘｐ（−ｔ／（ＣＰ−Ｒｔ））］＋（１＋Ｃｓ／Ｃｆ）Ｎ で表され、この式から十分時間が経過した後で、サンプリングを行えば、Ｖ０＝（−Ｑ／Ｃｆ）＋（１＋Ｃｓ／Ｃｆ）Ｎ という電圧を観測でき、Ｒｔが図１１の特性を有していても、信号電荷Ｑに比例した電圧が得られることが示される。しかし、ノイズ源Ｎは信号線２の浮遊容量Ｃｓが大きければ大きいほど、信号観測に悪影響を与えることが示される。
【００４４】
本例の目的は、Ｒｔに影響されずノイズを小さくさせるものである。上記したＶ０は更に積分回路６により積分されて、電圧ＶＸとなるが、この電圧ＶＸは時間経過と共に下記に示したようになる。
【００４５】
Ｖｘ＝Ｑ（Ｃｄ／（Ｃｆ・Ｃｘ））［１＋α・ＣＰ・Ｒｔ−ｅｘｐ（−ｔ／（ＣＰ・Ｒｔ））−α・Ｃｄ・ＲＸ−ｅｘｐ（−ｔ／（Ｃｄ・ＲＸ））］＋Ｎｘ…（２）
但し、α＝Ｃｄ・ＲＸ−ＣＰ・Ｒｔであり、ノイズをＮｘで表わしている。
【００４６】
式（２）にて、積分回路６のの出力Ｖｘはスイッチング素子１をオンしてからサンプリングを行うまでの時間がＣｄ・ＲＸなる時定数に対して十分大きければ、図３に示すように、
Ｖｘ＝Ｑ［Ｃｄ／（Ｃｆ・Ｃｘ）］＋Ｎｘ となって、Ｒｔに依存しない安定した出力として取り出し得ることが分かる。
【００４７】
ー方、Ｖｘの信号成分に重畳するノイズ成分Ｎｘは積分回路６の伝達関数Ｆ（Ｓ）から推定解析することができる。
【００４８】
Ｆ（Ｓ）＝（１／Ｃｘ・ＲＸ）〔１／（Ｓ＋（１／Ｃｄ・ＲＸ））］ で示される。ここで、Ｓ＝ｊｗとおけば、Ｆ（ｗ）＝（１／Ｃｘ・ＲＸ）［１／ＳＱＲ（Ｗ2＋（１／Ｃｄ・ＲＸ）2）］…（３）となり、その周波数特性が得られる。
但し、ｗはノイズの角周波数である。（３）式は図４に示すように表され、その周波数特性からノイズの高周波成分の低減は明らかである。即ち、（３）式より、積分回路６はノイズの高周波成分を低減させることが分かる。この周波数特性はｗ＝√３／（Ｃｄ・ＲＸ）の位置でゲインが半分になるような特性であり、図４に示すように高周波になるに従って次第に０に漸近する。
【００４９】
以下、本回路の具体的なパラメータの例を上げて説明する。画素ＣＰを１０００×１０００のマトリックス構成として、１秒間に１０ｍｓのＸ線を照射し、３０コマのフレームレートで画像収集する場合を例示する。
【００５０】
Ｘ線を照射している時間、画素ＣＰは電荷を蓄積する動作を行い、Ｘ線照射後に電荷読み出す動作を行うとすれば、１フレームあたり２３ｍｓで画像を取集する必要がある。信号線１ラインには１０００画素の画素回路１３が接続されているため、１画素当たりの信号収集は２３μｓで行わなければならないことになる。ここでは、スイッチング素子（ＴＦＴ）１をオン状態になってから電荷を読み出し、サンプリングするまでの時間を２０μ程度に設定するものとする。
【００５１】
スイッチング素子１のＲｔは前述のように電荷Ｑによって変動するが、ここでは２ＭΩ＞Ｒｔ＞１ＭΩとする。またＣｓは浮遊容量であるから制御しにくいが、ここでは５０ｐＦ程度とする。この場合、図１の抵抗やコンデンサの定数を以下のように設定すればよい。
【００５２】
ＣＰ＝１ｐＦ
Ｃｄ＝５０ｐＦ
Ｃｆ＝１０ｐＦ
Ｃｘ＝１０ｐＦ
ＲＸ＝５０ｋΩ
このように設定すれば、ＣＰ・Ｒｔ＝１〜２μｓ、Ｃｄ・ＲＸ＝２．５μｓとなり、２０μ後にはＶｘの信号成分は一定の値に収束する。なお、Ｖｘは積分回路６がない図８の従来例の出力電圧Ｖ０に比べて、Ｃｄ／Ｃｘ倍されるが、上記のように値を選択すれば５倍大きな信号が検出できることになる。信号が大きければ、それより後段の回路で生じるノイズの耐性が向上するため、上記の設定によってノイズ耐性の利点も生ぜしめる。
【００５３】
さて、チャージアンプ３の発生ノイズＮｘが図４に示すような周波数特性で低減することを説明したが、ノイズは以下のように低減される。
【００５４】
つまり、信号が５倍になる一方でチャージアンプ３から発生するノイズはこのように高周波になるに従って低減するため、Ｓ／Ｎ比は極めて高く、例えば１ＭＨｚのノイズ周波数では約１５倍のＳ／Ｎ向上が達成される。従って，ここで例示したパラメータで回路を構成し、スイッチング素子１をオンした後、２０μｓ後にサンプリングスイッチ４１をオン／オフして電圧をホールドすれば、Ｓ／Ｎが向上した信号をデジタル化することが可能であり、微弱なＸ線によつて生じる微弱信号のノイズを低減して画像化することが可能となる。
【００５５】
本実施の形態によれば、画素ＣＰより電荷Ｑを読み出してから適切なタイミングでサンプルホールドすることにより、積分回路６から出力される電圧ＶＸからスイッチング素子１の抵抗Ｒｔの影響を排除することができるため、一定の値に収束した電圧ＶＸをサンプルホールド回路４で安定且つ確実にホールドすることができ、電荷Ｑの読み出しを安定に行うことができる。しかも、積分回路６は図４に示したような周波数特性を有するため、チャージアンプ３で発生したような高周波ノイズを低減することができ、読み出し信号のＳ／Ｎを向上させることができる。これにより、弱いＸ線照射時にも、鮮明なＸ線撮像画像を得ることができる。
【００５６】
図５は本発明のＸ線検出器の第２の実施の形態を示したブロック図である。但し、図１に示した第１の実施の形態と同様の部分は同一符号を用い、適宜その説明を省略する。本例はカップリングコンデンサＣｄと演算増幅器６２との間に挿入される抵抗として、抵抗値の小さなＲＸ１と抵抗値の大きなＲＸ２があり、モードによりスイッチ１０、１１によりいずれか一方の抵抗が読出制御回路８により選択されるようになっている。他の構成は、図１に示した第１の実施の形態と同様である。
【００５７】
次に本実施の形態の動作について説明する。例えば、Ｘ線透視下で長時間観察を行う場合などでは、空間分解能はそれほと要求されず、被曝低減の方が重要な場合がある。このような場合には、Ｘ線線量を半減するなどの措置が取られるが、画素に蓄積される電荷量も半減するため、読み出される信号のＳ／Ｎが悪くなる。 上記のように被曝低減を図った場合、スイッチ１１をオンにして、抵抗ＲＸ２を使用することによりＳ／Ｎの改善を行う。図中、ＲＸｌは第１の実施の形態で例示した５０ｋΩの抵抗器、ＲＸ２は１００ｋΩとして、被曝低減モードの場合はＲＸ２を選択して動作させる意図を示すものである。
【００５８】
ここで、ＲＸの値を大きくすると、回路の時定数が増大し、図６（Ｂ）に示すＦ（ｗ）の形状が変化して小さいレベルのノイズ周波数に対しても低減効果を得ることができるようになる。即ち、前記時定数が増大すると、積分回路６の積分効果が向上してノイズ低減作用が増加する。従って、積分回路６の出力である電圧ＶｘのＳ／Ｎ比も向上するようになる。但し、抵抗ＲＸを大きくすれば電圧Ｖｘの信号の時定数が図６（Ｂ）に示すように増大するため、スイッチング素子１をオンしてからサンプリングを行うまでの時間を相対的に長く（４０μＳ）する必要がある。
【００５９】
これには、空間解像度を半減させ５００×５００の分解能になるように、隣接した２つの画素ＣＰのスイッチング素子１を同時にオンするように読出回路８により制御して、１ラインに５００画素の読み出しを行うようにすればよい。
【００６０】
ところで、Ｘ線線量が通常レベルである場合は、スイッチ１０がオンされることにより、抵抗ＲＸ１が選択されて使用される。この場合は第１の実施の形態と同様に、積分回路８の出力電圧ＶＸは図６（Ａ）で示したようになり、２０μＳで画素を読み出すことができ、１０００×１０００の分解能が得られる。
【００６１】
本実施の形態によれば、被爆低減モードを選択でき、この場合ＲＸの値を通常モードの２倍に設定して、スイッチング素子１をオン状態にしてから４０μＳ後にサンプリングを行うことにより、Ｓ／Ｎを改善した信号を得ることができる。他の効果は図１に示した第１の実施の形態と同様である。尚、上記した時定数はＣｄの値を変化させて変化させることができるため、Ｃｄの値を変化させても上記と同様の作用効果を得ることができる。
【００６２】
図７は本発明のＸ線検出器の第３の実施の形態を示したブロック図である。但し、図１に示した第１の実施の形態と同様の部分は同一符号を用い、適宜その説明を省略する。本例は、チャージアンプ３以降のノイズを低減する積分回路を抵抗ＲＸとコンデンサＣｓｍｐｌｅで構成し、このコンデンサＣｓｍｐｌｅに並列にリセットスイッチ６５が接続され、読出制御回路８により開閉される。即ち、抵抗ＲＸとコンデンサＣsampleはノイズ低減用の積分回路とサンプルるホールド回路を兼ねている。このように構成しても、前記積分回路を図４に示したような周波数特性とすることができ、図１に示した第１の実施の形態と同様の高周波ノイズの低減効果がある。本実施例の場合は十分にノズル低減が行なわれる時間の間はサンプリングＳＷをＯＮ状態にしておく必要があるが、回路が簡単になるため、Ｘ線検出器を安価に作ることができる。
【００６３】
図中（ｓａｍｐｌｅに並列に挿入されたリセントＳＷ６５は必ずしも必要ではないが、急激にＸ線分布が変化しているような領域、例えば極端に明るい領域と暗い領域が隣接しているような場合は直前に蓄積された画素を完全にリセットして次の画素信号を読み取る方が好ましい。この目的で例示されている。
【００６４】
尚、本例の積分回路兼サンプルホールド回路を図５に示したチャージアンプ以降に用いても、図５に示した第２の実施の形態と同様の動作を行うことができ、同様の効果を得ることができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のＸ線検出器及び放射線検出方法によれば、画素から取り出した電荷を電圧に変換するために積分した後、更にノイズを低減するために積分することにより、前記画素の電荷を取り出すスイッチング素子の電圧、電流特性が非線形であっても、一定のサンプリングタイミングで前記電荷を低ノイズで確実に読み出すことができる。これにより、披見者の被爆低減のために、微弱なＸ線によつて生じる微弱信号のノイズを低減し、Ｓ／Ｎの良好な撮影画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＸ線検出器の第１の実施の形態を示したブロック図である。
【図２】図１に示したＸ線検出器の全体構成例を示したブロック図である。
【図３】図１に示した電圧ＶＸの時間経過波形を示した特性図である。
【図４】図１に示した積分回路の伝達関数を示した特性図である。
【図５】本発明のＸ線検出器の第２の実施の形態を示したブロック図である。
【図６】図５に示した電圧ＶＸの時間経過波形を示した特性図である。
【図７】本発明のＸ線検出器の第３の実施の形態を示したブロック図である。
【図８】従来のＸ線検出器の構成例を示したブロック図である。
【図９】従来のＸ線検出器の他の構成例を示したブロック図である。
【図１０】図９に示した電圧ＶＸとＶ０の時間経過波形例を記した特性図である。
【図１１】図９に示したスイッチング素子の電圧電流関係を示した特性図である。
【符号の説明】
１ スイッチング素子
２ 信号線
３ チャージアンプ
４ サンプルホールド回路
６、７ 積分回路
８ 読出制御回路
１０、１１ 切替スイッチ
１３ 画素回路
２１ 光電変換素子
２２ ＴＦＴ
２３ ゲートドライバ
２４ 初段処理回路
２５ マルチプレクサ
２６ アンプ
２７ Ａ／Ｄコンバータ
３１、６１ 演算増幅器
３２、６１、６３、６５ リセットスイッチ
４１ サンプリングスイッチ
Ｃｄ、Ｃｆ、Ｃｘ、Ｃsample コンデンサ
ＣＰ 画素
ＲＸ、ＲＸ１、ＲＸ２ 抵抗
Ｑ 電荷
【発明の属する技術分野】
本発明はＸ線などの放射線が照射されたマトリックス状に配列された光電素子から撮影画像を形成するための信号を読み出すＸ線検出器及び放射線検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＸ線検出器を構成するマトリックス状に配置された光電素子による信号収集手法には、様々な方式があるが、その中で、図８に示すように、Ｘ線照射後に前記光電素子に相当する各画素に蓄積された画素電荷をＴＦＴ（Thin Film Transistor）等のスイッチング素子を経由して信号線に読み出し、チャージアンプで電荷を電圧変換してサンプリングする最も簡単な方式が知られている。
【０００３】
この方式は、例えば“Construction and evaluation of a prototype real-time detector",Zhao et.al,:Med Phys.Vol.24(12),1997 に記載されており、広く知られている。実際に市販（EG&G社ＡmplifierーＭultiplexer array chip,MB Series)されてもいる。
【０００４】
図８は上記したマトリックス状に配置された光電素子とスイッチング素子で形成されるひとつの画素回路に着目した図である。但し、画素は等価回路として、電荷を蓄積するコンデンサＣＰで示してある。Ｘ線等が照射されることにより、画素ＣＰに蓄積された電荷ＱはＴＦＴ等のスイッチング素子１がオンになったタイミングで、信号線２上に送出される。この信号線２上に送出された電荷Ｑはチャージアンプ（演算増幅器３１とコンデンサＣｆから成る積分回路）３により電圧Ｖ０に変換され、この電圧Ｖ０は更にサンプルホールド回路４のサンプリング用のスイッチ４１をオンすることによってコンデンサＣに蓄積されて、サンプルホールドされる。
【０００５】
上記したチャージアンプ３の出力電圧Ｖ０に重畳するノイズは下式で与えられることも知られており、上記市販されるデータシートにも記載がある。
【０００６】
ノイズ＝（チャージアンプの発生するノイズ）×［１＋（Ｃｓ／Ｃｆ）］…（１）
ここで、Ｃｓはスイッチング素子からチャージアンプ３の入力までの容量成分であり、信号線２の浮遊容量なども含まれる。Ｃｆはチャージアンプの出力電圧Ｖ０と入力電荷量Ｑの関係を与える容量成分であり、Ｖ０＝−Ｑ／Ｃｆで与えられる。
【０００７】
このような従来の回路では（１）式から明らかなように、ノイズを低減するにはチャージアンプ３の性能を格段に向上させ、Ｃｓを小さくすることが必要である。
【０００８】
しかし、Ｃｓはゼロにすることが不可能であるばかりか、マトリックス状に配列された各画素ＣＰの電荷Ｑを運ぶ信号線２が長くなると、大きくなり、従って、ノイズの低減には限界があつた。また、仮にＣｓを十分小さくして設計したとしてもチャージアンプ３のノイズ成分以下には低減できず、そのノイズはチャージアンプ３を構成する初段のＦＥＴ等の性能で決まってしまう。それにも限界があり、低ノイズのＦＥＴは高価で量産も困難であった。
【０００９】
上記のような事情に対して図９に示すような対策が，“CMOS low noise amplifier for microstrip readout design and results",Nuclear Instruments and Method in Physics Research A301(1991）に記載されている。
【００１０】
図９にて、チャージアンプ３の後段に、破線で囲まれたノイズ低減用の整形回路５が挿入されている。これにより、チャージアンプ３の出力からサンプルホールド回路４までの間は、更に下記周波数特性を有することになる。
【００１１】
Ｆ（ｗ）＝ａ・ｗ／ＳＱＲ（ｗ２＋ｂ２）…（２） 但し、ＳＱＲは根号を表わし、ａ＝Ｃｄ／Ｃｘ ｂ＝１／（Ｃｘ−ＲＸ）であり、ｗはこの回路に入力する信号の角周波数成分である。
【００１２】
この（２）式によれば、整形回路５により特に低周波成分のノイズが除去できるため、結果としてサンプリング時のノイズは低減する。更に、整形回路５の後段にコンデンサと抵抗器で構成された積分器を付けた回路も同じ文献にて考案されており、このような積分器を付けることによって、高周波ノイズまで除去できる効果がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記図９に示した回路は、ガンマ線検出器のようにパルス状に到来する放射線で生じた電荷を逐次検出する目的で考案されたものであり、図１０（Ａ）で示すように整形回路５の出力電圧ＶＸの波形がパルス状になる。この時、チャージアンプ３の出力信号Ｖ０は図１０（Ｂ）に示す如くであり、時間が経つと共に減衰する。図１０（Ａ）で示したパルス信号の位置は信号線２上に存在する抵抗値に依存する。またピーク値はこの抵抗値と信号源となる電荷量Ｑとで定まる。従って，抵抗値が一定ならば予めピーク位置を求めておき、その位置でサンプリングすれば電荷量Ｑに対応する信号がサンプルされる。
【００１４】
しかしながら、マトリックス状の画素から電荷を取り出すためのスイッチング素子１として、ＴＦＴのような抵抗値が電荷量Ｑによって変化するものが使われることがあり、このような場合、図１１に示すように電圧（Ｖｄｓ）と電流（Ｉｄｓ）の関係は線形関係にならないことが生じる。これは、トランジスタ構造を有するスイッチング素子１には一般的に観測されがちな特性である。
【００１５】
この特性のため、上記図９に示した回路を使用すれば、図１０（Ａ）に示した出力電圧ＶＸのピーク位置が電荷量Ｑに依存して変動するため、一定のタイミングでサンプリングすることができない。また、ピーク値と電荷量Ｑとの関係も非常に煩雑な関係となることから、図９に示した回路をそのまま使用することは困難であるという問題があった。
【００１６】
本発明は、上述の如き従来の課題を解決するためになされたもので、その目的は、各画素の電荷を取り出すスイッチング素子の電圧、電流特性が非線形であっても、一定のサンプリングタイミングで前記電荷を低ノイズで確実に読み出すことができるＸ線検出器及び放射線検出方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の特徴は、２次元マトリックス状に配列された画素にＸ線を当てることにより各画素に蓄積された電荷をスイッチング素子を介して順次取り出し、取り出した電荷をチャージアンプにより電圧に変換し、この電圧をサンプルホールド回路によりサンプルホールドして出力するＸ線検出器において、前記チャージアンプとサンプルホールド回路との間に積分回路を備え、この積分回路により前記電圧を積分して得た電圧をサンプルホールドして出力することにある。
【００１８】
この第１の発明によれば、ＴＦＴなどの前記スイッチング素子をオンして、前記画素に蓄積された電荷を取り出して所定時間以上経つと、前記積分回路の出力電圧は前記スイッチング素子の抵抗の影響のない値になるため、これをサンプリングすれば、前記スイッチング素子が非線形特性を有していても、蓄積電荷の量によらない一定のサンプリングタイミングによりサンプリングし得るようになる。また、前記積分回路の周波数特性を高周波で減衰するようにすることにより、チャージアンプなどによるノイズが低減される。
【００１９】
第２の発明の特徴は、前記スイッチング素子をオンした時点から所定時間後に前記積分回路の出力電圧をサンプリングすることにある。
【００２０】
第３の発明の前記積分回路は、抵抗器とコンデンサと増幅器により構成され、且つ、前記抵抗器をカップリングコンデンサを介して前記チャージアンプに接続し、且つ、前記カップリングコンデンサと積分回路により構成される回路の前記チャージアンプから出力される電圧の出力値の高周波成分が低減するように該回路の諸定数を決定する。
【００２１】
この第３の発明によれば、前記積分回路は前記チャージアンプ等から入力される高周波ノイズを低減する。
【００２２】
第４の発明の前記積分回路は、抵抗器とコンデンサにより構成され、且つ、前記抵抗器を前記チャージアンプに直接接続し且つ、前記積分回路の前記チャージアンプから出力される電圧の出力値の高周波成分が低減するように該回路の諸定数を決定する。
【００２３】
この第４の発明によれば、前記積分回路は前記チャージアンプ等から入力される高周波ノイズを低減する。
【００２４】
第５の発明の特徴は、前記積分回路を構成するコンデンサを前記サンプルホールド回路を構成するコンデンサと兼用にすることにある。
【００２５】
この第５の発明によれば、前記積分回路と前記サンプルホールド回路が兼用になり、装置の構成が簡単化される。
【００２６】
第６の発明の特徴は、前記積分回路のコンデンサ及びカップリングコンデンサの各々に蓄積電荷を放電させるリセットスイッチを並列接続し、これらリセットスイッチのオン、オフは前記スイッチング素子のオン、オフと所定の位相差を保つて同期して行うようにすることにある。
【００２７】
この第６の発明によれば、前記スイッチング素子がオンする前に、前記リセットスイッチをオンして蓄積電荷を放電した後、前記リセットスイッチをオフした状態で、前記スイッチング素子をオンして、蓄積電荷をチャージアンプに入力することにより、前記積分回路から前記蓄積電荷量に正確に対応する電圧が得られる。
【００２８】
第７の発明の特徴は、前記積分回路を構成する前記抵抗器の値又は、前記カップリングコンデンサの値を可変とすることによって、前記抵抗器又は、前記カップリングコンデンサの値を任意に選択して設定すると共に、選択した値に応じて前記積分回路の出力電圧のサンプリングタイミングを変えることにある。
【００２９】
この第７の発明によれば、例えば、前記抵抗器の値を大きくすれば、時定数が増大し、積分回路の積分効果が大きくなって、ノイズ低減効果を増大させるが、前記積分回路の出力電圧が前記スイッチング素子の非線形特性の影響のない安定した値になるまでの時間が延びるため、前記スイッチング素子がオンしてサンプリングするまでの時間を長くしなければならない。このサンプリングするまでの時間が長いと画像の分解能が低減することになる。従って、ノイズ低減効果を増大すれば、その反面、画像の分解能が低減することになる。
【００３０】
第８の発明の特徴は、２次元マトリックス状に配列された画素に放射線を当てることにより各画素に蓄積された電荷を順次取り出して電圧に変換し、この電圧をサンプルホールドして出力する放射線検出方法において、前記画素から取り出した電荷を対応する電圧に変換する過程と、前記変換により得られた電圧を積分する過程と、前記積分して得られた電圧をサンプルホールドする過程とを備えることにある。
【００３１】
この第８の発明によれば、前記積分過程の周波数特性を高周波で低減するように設定しておけば、前記電荷を電圧に変換する際に発生する高周波ノイズが低減され、これがサンプルホールドされることになる。又、前記積分過程により前記画素から電荷を取り出す半導体素子の抵抗の影響が排除される時間経ってから、前記積分して得られた電圧をサンプリングすることにより、前記半導体素子が非線形特性を有していても、前記サンプリングにより、前記積分して得られた電圧を常に安定に得ることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明のＸ線検出器の第１の実施の形態を示したブロック図である。但し、従来例と同一部分には同一符号を用いて説明する。
【００３３】
本例は、Ｎライン×Ｍ列のマトリックス状に配列した画素回路１３の中の１本のラインを取り出して示したものである。Ｘ線を照射すると画素の容量成分ＣＰ（以降画素ＣＰと称する）は電荷Ｑを蓄積し、この電荷ＱはＴＦＴなどのスイッチング素子１を介して信号線２上に読み出される。チャージアンプ３は信号線２上に読み出された電荷Ｑを積分し、この積分値に対応した電圧Ｖ０を発生する。この電圧Ｖ０はカップリングコンデンサＣｄを通して積分回路６に入力され、ここで積分されて電圧ＶＸとなり、これがサンプルホールド回路４により保持される。この際、読出制御回路８はスイッチング素子１のオンオフ、チャージアンプ３や積分回路６のリセット及びサンプルホールド回路４のサンプリングタイミングなどを制御して、電荷Ｑの読み出し制御を行う。
【００３４】
ここで、チャージアンプ３は演算増幅器３１、コンデンサＣｆ及びリセットスイッチ３２により構成されている。積分回路６は抵抗ＲＸ、演算増幅器６２、コンデンサＣｘ及びリセットスイッチ６３により構成されている。サンプルホールド回路４はサンプリングスイッチ４１と電荷保持用のコンデンサＣsampleより構成されている。又、カップリングコンデンサＣｄにはリセットスイッチ６１が並列接続されている。
【００３５】
次に本実施の形態の動作について説明する。上記した画素ＣＰを構成する光電素子にはアモルフアスＳｅ等の光導電体が使用され、ｘ線が当たるとその強度に応じた量の正孔と電子を生じる。この光導電体には電界が掛けられており、電子は高電位側の電極に、正孔は低電位側の画素電極にそれぞれ引き寄せられる。この誘電作用により生じた電荷は図１に示した画素の等価回路のＣＰに蓄積されるＱで表わされる。このＱを蓄積する容量成分は上記したようにＣＰで表わされており、実際の構成では上記光導電体がそのまま容量成分を構成したり、或いは補助的な容量成分が上記画素電極とグラウンド電位との間に設けられてＣＰなる容量成分を形成する。
【００３６】
読出制御回路８は当初スイッチング素子１をオフ状態にする。この間、Ｘ線照射が行われる。これにより画素ＣＰに電荷ＱＴが蓄積される。その後、読出制御回路８はリセットスイッチ３２、６１、６３をオフにすると共に、スイッチング素子１をオン状態にして電荷Ｑを信号線２上に伝達する。これにより、チャージアンプ３はＶ０＝Ｑ／Ｃｆなる電圧を出力する。なお、リセットスイッチ３２、６１、６３の開閉タイミングは全て読出制御回路８により同一のタイミングで制御されるものとする。
【００３７】
Ｖ０は積分回路６により積分されて電圧ＶＸとなり、この電圧ＶＸがサンプルホールド回路４に入力される。読出制御回路８は適切なタイミングで、サンプリングスイッチ４１をオンすることにより、電圧ＶＸをコンデンサＣsampleに保持し、その後、サンプリングスイッチ４１をオフし、更に、リセットスイッチ３２、６１、６３をオンして、各回路に蓄積されている電荷を放電して、各回路をリセットする。
【００３８】
ここで、図２は図１の回路を含んだ本例のＸ線検出器の全体構成図を示したブロック図である。図１の画素ＣＰに相当する光電変換素子２１は、例えば１０００×１０００の行列状に配置されて画素を形成する。各光電変換素子２１のそれぞれに対応して設けられた読み出し用のスイッチング素子１としての複数のＴＦＴ２２と、各列のＴＦＴ２２のゲートに駆動信号を送出するゲートドライバ２３と、各行のＴＦＴ２２のドレインが共通に接続された図１に示した回路のチャージアンプ３、積分回路６及びサンプルホールド回路４に相当する初段処理回路２４と、各初段処理回路２４の出力を時分割多重化するマルチプレクサ２５と、マルチプレクサ２５の出力を増幅するアンプ２６と、アンプ２６の出力をアナログ／デジタル変換してＸ線画像信号として出力するＡ／Ｄコンバータ２７とを備えている。
【００３９】
従って、サンプルホールド回路４により一旦ホールドされた電圧はアナログマルチプレクサ２５へ他のライン出力と共に入力され、マルチプレクサ２５で逐次ライン出力の選択を行って１次元電気信号として出力された後、Ａ／Ｄコンバータ２７でデジタル化されて、図示されない２次元メモリ上の２次元光電変換素子２１の位置に応じたアドレスに格納される。
【００４０】
ところで、画素回路１３を構成するスイッチング素子１は図２に示したようにＴＦＴ２２などの半導体素子で構成され、この半導体素子は一般に図１１に示すような非線形の電圧一電流特性を有している。即ち、電荷Ｑによってスイッチング素子１にはＱ／ＣＰなる電圧Ｖｄｓが掛かるが、このＶｄｓに対して実際に流れる電流は図示のように線形関係にはならず、Ｖｄｓが大きくなっても電流はそれに比例しない。
【００４１】
即ち、Ｖｄｓが大きいと、このスイッチング素子１自体の抵抗値は見かけ上大きくなるような現象が現れる。これはこのスイッチング素子１を構成する半導体で決定される特性であるが、ＴＦＴのようなトランジスタ構造を有する素子には、この現象が生じ易い。
【００４２】
ここで、スイッチング素子（ＴＦＴ）１がオンの状態になり、電荷Ｑが信号線２に流れている状態ではリセットスイッチスイッチ３２、６１、６３はオフに制御されており、Ｖ０には下記に述べるような電圧が発生する。ここで、Ｒｔはスイッチング素子１のオン時の抵抗値を表わし、Ｎは図１１に示すようにノイズ源を表わす。
【００４３】
この場合、チャージアンプ３の出力Ｖ０は、Ｖ０＝（−Ｑ／ｃｆ）［１−ｅｘｐ（−ｔ／（ＣＰ−Ｒｔ））］＋（１＋Ｃｓ／Ｃｆ）Ｎ で表され、この式から十分時間が経過した後で、サンプリングを行えば、Ｖ０＝（−Ｑ／Ｃｆ）＋（１＋Ｃｓ／Ｃｆ）Ｎ という電圧を観測でき、Ｒｔが図１１の特性を有していても、信号電荷Ｑに比例した電圧が得られることが示される。しかし、ノイズ源Ｎは信号線２の浮遊容量Ｃｓが大きければ大きいほど、信号観測に悪影響を与えることが示される。
【００４４】
本例の目的は、Ｒｔに影響されずノイズを小さくさせるものである。上記したＶ０は更に積分回路６により積分されて、電圧ＶＸとなるが、この電圧ＶＸは時間経過と共に下記に示したようになる。
【００４５】
Ｖｘ＝Ｑ（Ｃｄ／（Ｃｆ・Ｃｘ））［１＋α・ＣＰ・Ｒｔ−ｅｘｐ（−ｔ／（ＣＰ・Ｒｔ））−α・Ｃｄ・ＲＸ−ｅｘｐ（−ｔ／（Ｃｄ・ＲＸ））］＋Ｎｘ…（２）
但し、α＝Ｃｄ・ＲＸ−ＣＰ・Ｒｔであり、ノイズをＮｘで表わしている。
【００４６】
式（２）にて、積分回路６のの出力Ｖｘはスイッチング素子１をオンしてからサンプリングを行うまでの時間がＣｄ・ＲＸなる時定数に対して十分大きければ、図３に示すように、
Ｖｘ＝Ｑ［Ｃｄ／（Ｃｆ・Ｃｘ）］＋Ｎｘ となって、Ｒｔに依存しない安定した出力として取り出し得ることが分かる。
【００４７】
ー方、Ｖｘの信号成分に重畳するノイズ成分Ｎｘは積分回路６の伝達関数Ｆ（Ｓ）から推定解析することができる。
【００４８】
Ｆ（Ｓ）＝（１／Ｃｘ・ＲＸ）〔１／（Ｓ＋（１／Ｃｄ・ＲＸ））］ で示される。ここで、Ｓ＝ｊｗとおけば、Ｆ（ｗ）＝（１／Ｃｘ・ＲＸ）［１／ＳＱＲ（Ｗ2＋（１／Ｃｄ・ＲＸ）2）］…（３）となり、その周波数特性が得られる。
但し、ｗはノイズの角周波数である。（３）式は図４に示すように表され、その周波数特性からノイズの高周波成分の低減は明らかである。即ち、（３）式より、積分回路６はノイズの高周波成分を低減させることが分かる。この周波数特性はｗ＝√３／（Ｃｄ・ＲＸ）の位置でゲインが半分になるような特性であり、図４に示すように高周波になるに従って次第に０に漸近する。
【００４９】
以下、本回路の具体的なパラメータの例を上げて説明する。画素ＣＰを１０００×１０００のマトリックス構成として、１秒間に１０ｍｓのＸ線を照射し、３０コマのフレームレートで画像収集する場合を例示する。
【００５０】
Ｘ線を照射している時間、画素ＣＰは電荷を蓄積する動作を行い、Ｘ線照射後に電荷読み出す動作を行うとすれば、１フレームあたり２３ｍｓで画像を取集する必要がある。信号線１ラインには１０００画素の画素回路１３が接続されているため、１画素当たりの信号収集は２３μｓで行わなければならないことになる。ここでは、スイッチング素子（ＴＦＴ）１をオン状態になってから電荷を読み出し、サンプリングするまでの時間を２０μ程度に設定するものとする。
【００５１】
スイッチング素子１のＲｔは前述のように電荷Ｑによって変動するが、ここでは２ＭΩ＞Ｒｔ＞１ＭΩとする。またＣｓは浮遊容量であるから制御しにくいが、ここでは５０ｐＦ程度とする。この場合、図１の抵抗やコンデンサの定数を以下のように設定すればよい。
【００５２】
ＣＰ＝１ｐＦ
Ｃｄ＝５０ｐＦ
Ｃｆ＝１０ｐＦ
Ｃｘ＝１０ｐＦ
ＲＸ＝５０ｋΩ
このように設定すれば、ＣＰ・Ｒｔ＝１〜２μｓ、Ｃｄ・ＲＸ＝２．５μｓとなり、２０μ後にはＶｘの信号成分は一定の値に収束する。なお、Ｖｘは積分回路６がない図８の従来例の出力電圧Ｖ０に比べて、Ｃｄ／Ｃｘ倍されるが、上記のように値を選択すれば５倍大きな信号が検出できることになる。信号が大きければ、それより後段の回路で生じるノイズの耐性が向上するため、上記の設定によってノイズ耐性の利点も生ぜしめる。
【００５３】
さて、チャージアンプ３の発生ノイズＮｘが図４に示すような周波数特性で低減することを説明したが、ノイズは以下のように低減される。
【００５４】
【００５５】
本実施の形態によれば、画素ＣＰより電荷Ｑを読み出してから適切なタイミングでサンプルホールドすることにより、積分回路６から出力される電圧ＶＸからスイッチング素子１の抵抗Ｒｔの影響を排除することができるため、一定の値に収束した電圧ＶＸをサンプルホールド回路４で安定且つ確実にホールドすることができ、電荷Ｑの読み出しを安定に行うことができる。しかも、積分回路６は図４に示したような周波数特性を有するため、チャージアンプ３で発生したような高周波ノイズを低減することができ、読み出し信号のＳ／Ｎを向上させることができる。これにより、弱いＸ線照射時にも、鮮明なＸ線撮像画像を得ることができる。
【００５６】
図５は本発明のＸ線検出器の第２の実施の形態を示したブロック図である。但し、図１に示した第１の実施の形態と同様の部分は同一符号を用い、適宜その説明を省略する。本例はカップリングコンデンサＣｄと演算増幅器６２との間に挿入される抵抗として、抵抗値の小さなＲＸ１と抵抗値の大きなＲＸ２があり、モードによりスイッチ１０、１１によりいずれか一方の抵抗が読出制御回路８により選択されるようになっている。他の構成は、図１に示した第１の実施の形態と同様である。
【００５７】
次に本実施の形態の動作について説明する。例えば、Ｘ線透視下で長時間観察を行う場合などでは、空間分解能はそれほと要求されず、被曝低減の方が重要な場合がある。このような場合には、Ｘ線線量を半減するなどの措置が取られるが、画素に蓄積される電荷量も半減するため、読み出される信号のＳ／Ｎが悪くなる。 上記のように被曝低減を図った場合、スイッチ１１をオンにして、抵抗ＲＸ２を使用することによりＳ／Ｎの改善を行う。図中、ＲＸｌは第１の実施の形態で例示した５０ｋΩの抵抗器、ＲＸ２は１００ｋΩとして、被曝低減モードの場合はＲＸ２を選択して動作させる意図を示すものである。
【００５８】
ここで、ＲＸの値を大きくすると、回路の時定数が増大し、図６（Ｂ）に示すＦ（ｗ）の形状が変化して小さいレベルのノイズ周波数に対しても低減効果を得ることができるようになる。即ち、前記時定数が増大すると、積分回路６の積分効果が向上してノイズ低減作用が増加する。従って、積分回路６の出力である電圧ＶｘのＳ／Ｎ比も向上するようになる。但し、抵抗ＲＸを大きくすれば電圧Ｖｘの信号の時定数が図６（Ｂ）に示すように増大するため、スイッチング素子１をオンしてからサンプリングを行うまでの時間を相対的に長く（４０μＳ）する必要がある。
【００５９】
これには、空間解像度を半減させ５００×５００の分解能になるように、隣接した２つの画素ＣＰのスイッチング素子１を同時にオンするように読出回路８により制御して、１ラインに５００画素の読み出しを行うようにすればよい。
【００６０】
ところで、Ｘ線線量が通常レベルである場合は、スイッチ１０がオンされることにより、抵抗ＲＸ１が選択されて使用される。この場合は第１の実施の形態と同様に、積分回路８の出力電圧ＶＸは図６（Ａ）で示したようになり、２０μＳで画素を読み出すことができ、１０００×１０００の分解能が得られる。
【００６１】
本実施の形態によれば、被爆低減モードを選択でき、この場合ＲＸの値を通常モードの２倍に設定して、スイッチング素子１をオン状態にしてから４０μＳ後にサンプリングを行うことにより、Ｓ／Ｎを改善した信号を得ることができる。他の効果は図１に示した第１の実施の形態と同様である。尚、上記した時定数はＣｄの値を変化させて変化させることができるため、Ｃｄの値を変化させても上記と同様の作用効果を得ることができる。
【００６２】
図７は本発明のＸ線検出器の第３の実施の形態を示したブロック図である。但し、図１に示した第１の実施の形態と同様の部分は同一符号を用い、適宜その説明を省略する。本例は、チャージアンプ３以降のノイズを低減する積分回路を抵抗ＲＸとコンデンサＣｓｍｐｌｅで構成し、このコンデンサＣｓｍｐｌｅに並列にリセットスイッチ６５が接続され、読出制御回路８により開閉される。即ち、抵抗ＲＸとコンデンサＣsampleはノイズ低減用の積分回路とサンプルるホールド回路を兼ねている。このように構成しても、前記積分回路を図４に示したような周波数特性とすることができ、図１に示した第１の実施の形態と同様の高周波ノイズの低減効果がある。本実施例の場合は十分にノズル低減が行なわれる時間の間はサンプリングＳＷをＯＮ状態にしておく必要があるが、回路が簡単になるため、Ｘ線検出器を安価に作ることができる。
【００６３】
図中（ｓａｍｐｌｅに並列に挿入されたリセントＳＷ６５は必ずしも必要ではないが、急激にＸ線分布が変化しているような領域、例えば極端に明るい領域と暗い領域が隣接しているような場合は直前に蓄積された画素を完全にリセットして次の画素信号を読み取る方が好ましい。この目的で例示されている。
【００６４】
尚、本例の積分回路兼サンプルホールド回路を図５に示したチャージアンプ以降に用いても、図５に示した第２の実施の形態と同様の動作を行うことができ、同様の効果を得ることができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のＸ線検出器及び放射線検出方法によれば、画素から取り出した電荷を電圧に変換するために積分した後、更にノイズを低減するために積分することにより、前記画素の電荷を取り出すスイッチング素子の電圧、電流特性が非線形であっても、一定のサンプリングタイミングで前記電荷を低ノイズで確実に読み出すことができる。これにより、披見者の被爆低減のために、微弱なＸ線によつて生じる微弱信号のノイズを低減し、Ｓ／Ｎの良好な撮影画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＸ線検出器の第１の実施の形態を示したブロック図である。
【図２】図１に示したＸ線検出器の全体構成例を示したブロック図である。
【図３】図１に示した電圧ＶＸの時間経過波形を示した特性図である。
【図４】図１に示した積分回路の伝達関数を示した特性図である。
【図５】本発明のＸ線検出器の第２の実施の形態を示したブロック図である。
【図６】図５に示した電圧ＶＸの時間経過波形を示した特性図である。
【図７】本発明のＸ線検出器の第３の実施の形態を示したブロック図である。
【図８】従来のＸ線検出器の構成例を示したブロック図である。
【図９】従来のＸ線検出器の他の構成例を示したブロック図である。
【図１０】図９に示した電圧ＶＸとＶ０の時間経過波形例を記した特性図である。
【図１１】図９に示したスイッチング素子の電圧電流関係を示した特性図である。
【符号の説明】
１ スイッチング素子
２ 信号線
３ チャージアンプ
４ サンプルホールド回路
６、７ 積分回路
８ 読出制御回路
１０、１１ 切替スイッチ
１３ 画素回路
２１ 光電変換素子
２２ ＴＦＴ
２３ ゲートドライバ
２４ 初段処理回路
２５ マルチプレクサ
２６ アンプ
２７ Ａ／Ｄコンバータ
３１、６１ 演算増幅器
３２、６１、６３、６５ リセットスイッチ
４１ サンプリングスイッチ
Ｃｄ、Ｃｆ、Ｃｘ、Ｃsample コンデンサ
ＣＰ 画素
ＲＸ、ＲＸ１、ＲＸ２ 抵抗
Ｑ 電荷
Claims (9)
- ２次元マトリックス状に配列された画素にＸ線を当てることにより各画素に蓄積された電荷をスイッチング素子を介して順次取り出し、取り出した電荷をチャージアンプにより電圧に変換し、この電圧をサンプルホールド回路によりサンプルホールドして出力するＸ線検出器において、
前記チャージアンプとサンプルホールド回路との間に積分回路を備え、この積分回路により前記電圧を積分して得た電圧をサンプルホールドして出力することを特徴とするＸ線検出器。 - 前記スイッチング素子をオンした時点から所定時間後に前記積分回路の出力電圧をサンプリングすることを特徴とする請求項１記載のＸ線検出器。
- 前記積分回路は、抵抗器とコンデンサと増幅器により構成され、且つ、前記抵抗器をカップリングコンデンサを介して前記チャージアンプに接続し、且つ、前記カップリングコンデンサと積分回路により構成される回路の前記チャージアンプから出力される電圧の出力値の高周波成分が低減するように該回路の諸定数を決定したことを特徴とする請求項１記載のＸ線検出器。
- 前記積分回路は、抵抗器とコンデンサにより構成され、且つ、前記抵抗器を前記チャージアンプに直接接続し且つ、前記積分回路の前記チャージアンプから出力される電圧の出力値の高周波成分が低減するように該回路の諸定数を決定したことを特徴とする請求項１記載のＸ線検出器。
- 前記積分回路を構成するコンデンサを前記サンプルホールド回路を構成するコンデンサと兼用にすることを特徴とする請求項４記載のＸ線検出器。
- 前記積分回路のコンデンサ及びカップリングコンデンサの各々に蓄積電荷を放電させるリセットスイッチを並列接続し、これらリセットスイッチのオン、オフは前記スイッチング素子のオン、オフと所定の位相差を保って同期して行うようにすることを特徴とする請求項３に記載のＸ線検出器。
- 前記積分回路を構成する前記抵抗器の値又は、前記カップリングコンデンサの値を可変とすることによって、前記抵抗器又は、前記カップリングコンデンサの値を任意に選択して設定すると共に、選択した値に応じて前記積分回路の出力電圧のサンプリングタイミングを変えることを特徴とする請求項３に記載のＸ線検出器。
- ２次元マトリックス状に配列された画素に放射線を当てることにより各画素に蓄積された電荷を順次取り出して電圧に変換し、この電圧をサンプルホールドして出力する放射線検出方法において、
前記画素から取り出した電荷を対応する電圧に変換する過程と、 前記変換により得られた電圧を積分する過程と、
前記積分して得られた電圧をサンプルホールドする過程と
を備えることを特徴とする放射線検出方法。 - ２次元マトリックス状に配列された画素に放射線を当てることにより各画素に蓄積された電荷を順次取り出して電圧に変換し、この電圧をサンプルホールドして出力する放射線検出装置において、
前記画素から取り出した電荷を対応する電圧に変換する手段と、
前記変換により得られた電圧を積分する手段と、
前記積分して得られた電圧をサンプルホールドする手段と
を備えることを特徴とする放射線検出装置。
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