JP4181703B2 - 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係わり、特に大面積プロセスを用いて形成する光電変換装置、例えばファクシミリ、デジタル複写機あるいはX線撮像装置等の等倍読み取りを行う二次元の光電変換装置に好適に用いられる光電変換装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、ファクシミリ、デジタル複写機あるいはX線撮像装置等の読み取り系としては縮小光学系とCCD型センサを用いた読み取り系が用いられていたが、近年、水素化アモルファスシリコン(以下、a−Siと記す)に代表される光電変換半導体材料の開発により、光電変換素子及び信号処理部を大面積の基板に形成し、情報源と等倍の光学系で読み取る、いわゆる密着型センサの開発がめざましい。特にa−Siは光電変換材料としてだけでなく、薄膜電界効果型トランジスタ(以下、TFTと記す)としても用いることができるので光電変換半導体層とTFTの半導体層とを同時に形成することができる利点を有している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、大面積の光電変換装置に対する特性的なスペックは年々厳しくなっており、特にX線撮像装置等の等倍読み取りを行う二次元の光電変換装置においては、人体に影響のあるX線を少しでも減らして、より精度の高いデータを二次元エリア内で一様に且つ短時間で得ることが要求されており、このような要求を受けて、光電変換素子の信号出力のバラツキを少しでも小さくし、且つ短時間で駆動するために、センサのリフレッシュ方法において駆動線の動作に工夫をすることが考えられる。
【0004】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明の光電変換装置は、行方向と列方向に配列された複数の画素を有し、前記複数の画素は、2つの電極層を有する光電変換素子と、前記光電変換素子の一方の電極層に接続されたスイッチ素子と、をそれぞれ備え、
前記行方向に配列された複数の前記スイッチ素子に接続された駆動線と、前記列方向に配列された複数の前記スイッチ素子に接続された信号線と、をそれぞれ複数有し、
光電変換モードとリフレッシュモードとを含んで動作される光電変換装置であって、
前記複数の画素の前記光電変換素子の他方の電極層に共通に接続された配線と、
前記光電変換モードでは前記配線を前記光電変換素子が光電変換を行うための第1の電位とし、複数の前記信号線が同時に所定の電位とされる前記リフレッシュモードでは前記配線を第2の電位とする電源と、
前記スイッチ素子をオンした後にオフするパルスを複数の前記駆動線に順次印加する制御手段と、を有し、
前記第1の電位は前記第2の電位より高い正電位であり、
前記制御手段は、前記リフレッシュモードでは、連続する2本の前記駆動線に印加する2つの前記パルスの間で前記2つの前記パルスのタイミングをずらして且つ前記2つの前記パルスの一部を重ねて、前記パルスを複数の前記駆動線に順次印加することを特徴とする。
【0006】
本発明は、少なくとも連続する2本の駆動線がオンするタイミングを重ならせることにより、二次元エリア内での複数の信号出力を比較的短時間で一様にすることが可能となるように作用する。
【0007】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
【0008】
図2(a),(b)は本発明に係わる光電変換素子の構成を示す概略図である。図2(b)は図2(a)を図中A−Bで切り取った場合の断面図である。図2に示すように、光電変換素子はガラス基板7上のセンサ8とTFT9で構成されている。図2において、センサ8及びTFT9はアモルファスシリコン薄膜プロセスで同時に形成される。センサ8はMIS型センサである。センサ8及びTFT9はガラス基板7上に下メタル層10、絶縁層11、半導体層12、n+ 層13、上メタル層14及び図示しない保護層(アモルファスシリコン窒化膜又はポリイミドなど)を順次成膜、パターニングすることにより形成される。
【0009】
図3は、図2の光電変換素子の働きを示す等価回路である。センサ8に入射した光量に応じて電荷が発生し、その電荷をTFT9で図示しない読みとり装置に転送することによって、読みとり動作を行うものである。
【0010】
次に図3に示した光電変換素子を3×3個配置した光電変換装置の全体回路図を図4に示す。
【0011】
図4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であり、光電変換素子S11〜S33がコンデンサの働きをするため等価回路上このように示している。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D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がオンするよう制御されている。
【0012】
上記光電変換装置は計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二次元的に配置している。
【0013】
また、画素上部には、ヨウ化セシウム(CsI)等の蛍光体が形成される場合がある。上方よりX線(X−ray)が入射すると蛍光体により光に変換され、この光が光電変換素子に入射される。
【0014】
次に上記光電変換装置の動作について説明する。まず、本発明の先行技術となる光電変換装置の動作について図4及び図5のタイミングチャートを用いて説明する。
【0015】
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レベルが印加される。すると転送用TFT・T11〜T33とスイッチM1〜M3がオンして導通し、全光電変換素子S11〜S33のG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レベルを出力しスイッチSWgがオンし全光電変換素子S11〜S33のD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。つぎにリフレッシュ制御回路RFがLoレベルを出力しスイッチSWsがオンし全光電変換素子S11〜S33のD電極は読み取り用電源Vsにより更に高い正電位になる。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レベルが印加される。すると転送用TFT・T11〜T33のスイッチM1〜M3がオフし、全光電変換素子S11〜S33のG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。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に入射すると光に変換され、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。
【0016】
つぎにシフトレジスタSR1により制御配線g1にHiレベル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二次元情報が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。
【0017】
上記光電変換装置では光電変換素子のD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。
【0018】
図5の動作においては、リフレッシュ動作が全Vg駆動線同時に行うため、g1〜g3のオンパルスは同時に立ち下がる。
【0019】
各駆動線g1〜g3は、図4における駆動線と信号線のクロス部容量CCR1及び駆動線とセンサバイアス線のクロス部容量CCR2により、g1〜g3のオンパルスが同時に立ち下がる瞬間に信号線とセンサバイアス線の電位が一瞬さがる。
【0020】
信号線とセンサバイアス線のそれぞれの電位は一瞬さがった後、それぞれの時定数により元の電位に回復する。
【0021】
しかし、それぞれの電位は一瞬さがった後、元の電位に回復するまでの時間が充分にとれない場合、即ち図5においてX−rayをオンし、センサにより光電変換を行った後、g1をオンし、TFTにより信号電荷を転送するまでの間の時間が充分にとれない場合は、信号線もしくはセンサバイアス線の電位が元の電位に回復する前に信号電荷を転送するため、理想的な出力が充分に得られない場合が考えられる。
【0022】
また、信号線とセンサバイアス線のそれぞれの時定数が小さくできない場合、即ち信号線もしくは、センサバイアス線の配線抵抗が大きい場合、もしくは浮遊容量が大きい場合も、信号線もしくはセンサバイアス線の電位が元の電位に回復する前に信号電荷を転送するため、理想的な出力が充分得られない場合が考えられる。
【0023】
これは、信号出力Voutが信号線もしくはセンサバイアス線の電位に依存することによる。
【0024】
このような場合、信号電荷を読み出す場合の読み出しの初めの信号出力、即ち図5においてVoutのv1の出力が若干理想でないことが起きる場合が考えられる。
【0025】
本発明は二次元エリア内での複数の信号出力を更に一様にし、パネルの品質を更に向上させるために、上述したようなg1〜g3のオンパルスの立ち下がりのタイミングをずらす。こうすることで、信号線もしくはセンサバイアス線の電位が一瞬さがる時の電位変化量を小さくすることができる。
【0026】
図1は、本発明に係る一実施例を説明するための動作を示すタイミングチャートである。なお、図5と同一動作の部分には同一符号を付してあり、説明を省略する。
【0027】
図1に示すタイミングチャートにおいて特徴的な点は、上述したように、g1〜g3のオンパルスのタイミングをずらしている点である。これにより信号線もしくはセンサバイアス線の電位が一瞬さがる時の電位変化量を小さくすることが可能となり、結果的に信号線もしくはセンサバイアス線の電位が元の電位に回復する時間が短縮される。
【0028】
更に特徴的な点は、g1〜g3のオンパルスのタイミングのずらし方において、少なくとも連続する2本の駆動線(g1とg2、又はg2とg3)がオンするタイミングがパルスの幅の半分程重なっている点である。このように少なくとも連続する2本の駆動線がオンするタイミングが重なるように駆動することにより、全駆動線をリフレッシュする時間が短くでき、動画のような高速駆動が可能になる。
【0029】
以上説明したように、リフレッシュ時の駆動線のオンパルスのタイミングを少なくとも連続する2本の駆動線がオンするタイミングが重なるようにずらして駆動することにより、信号線もしくはセンサバイアス線の電位が一瞬さがる時の電位変化量を小さくすることが比較的短時間のリフレッシュ時間内に可能となり、結果的に二次元エリア内での複数の信号出力を短時間で更に一様にし、パネルの品質を更に向上させることが可能となる。
【0030】
上記光電変換装置では9個の画素を3×3に二次元配置し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個の画素として二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等の表示装置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等の情報記録媒体に保管もでき、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。
【0031】
図6にその例を示す。ここで101が患者、102がX線源、103が蛍光体、104が光電変換装置、105が撮影スイッチ、106がディスプレイ、107が制御回路、108が駆動回路である。図6において、X線を光に変換する蛍光体と2次元センサパネル及びX線源、X線源の駆動回路、X線源の制御回路から成り立つX線撮像装置を構成している。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように、リフレッシュ時の駆動線のオンパルスのタイミングを少なくとも連続する2本の駆動線がオンするタイミングが重なるようにずらして駆動することにより、信号線もしくはセンサバイアス線の電位が一瞬さがる時の電位変化量を小さくすることが比較的短時間のリフレッシュ時間内に可能となり、結果的に二次元エリア内での複数の信号出力を短時間で更に一様にし、パネルの品質を更に向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第一実施例を説明するための動作を示すタイミングチャートである。
【図2】(a)は本発明に係わる光電変換装置における各構成素子の平面図、(b)はその断面図である。
【図3】本発明に係わる光電変換装置における1素子の等価回路である。
【図4】本発明に係わる光電変換装置における全体回路図である。
【図5】先行技術に係わる光電変換装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図6】X線撮像システムを示す概略的構成図である。
【符号の説明】
S11〜S33 センサ
T11〜T33 TFT
C11〜C33 コンデンサ
SR1,SR2 シフトレジスタ
IC 検出用集積回路
Claims (8)
- 行方向と列方向に配列された複数の画素を有し、前記複数の画素は、2つの電極層を有する光電変換素子と、前記光電変換素子の一方の電極層に接続されたスイッチ素子と、をそれぞれ備え、
前記行方向に配列された複数の前記スイッチ素子に接続された駆動線と、前記列方向に配列された複数の前記スイッチ素子に接続された信号線と、をそれぞれ複数有し、
光電変換モードとリフレッシュモードとを含んで動作される光電変換装置であって、
前記複数の画素の前記光電変換素子の他方の電極層に共通に接続された配線と、
前記光電変換モードでは前記配線を前記光電変換素子が光電変換を行うための第1の電位とし、複数の前記信号線が同時に所定の電位とされる前記リフレッシュモードでは前記配線を第2の電位とする電源と、
前記スイッチ素子をオンした後にオフするパルスを複数の前記駆動線に順次印加する制御手段と、を有し、
前記第1の電位は前記第2の電位より高い正電位であり、
前記制御手段は、前記リフレッシュモードでは、連続する2本の前記駆動線に印加する2つの前記パルスの間で前記2つの前記パルスのタイミングをずらして且つ前記2つの前記パルスの一部を重ねて、前記パルスを複数の前記駆動線に順次印加することを特徴とする光電変換装置。 - 前記制御手段は、前記2つの前記パルスの立ち下がりのタイミングをずらして、前記パルスを複数の前記駆動線に順次印加することを特徴とする請求項1に記載の光電変換装置。
- 前記電源は、前記配線を前記第1の電位とするための読み出し用電源と、前記配線を前記第2の電位とするためのリフレッシュ用電源と、前記読み出し用電源と前記リフレッシュ用電源との一方を前記配線に接続するためのスイッチと、を有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光電変換装置。
- 複数の前記光電変換素子と複数の前記スイッチ素子とは同一のガラス基板上に設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の光電変換装置。
- 前記光電変換素子と前記スイッチ素子とは、それぞれ前記一方の電極層、前記他方の電極層、前記一方の電極層と前記他方の電極層との間に設けられた絶縁層、前記絶縁層と前記他方の電極層との間に設けられた半導体層、前記半導体層と前記他方の電極層との間に設けられた高濃度不純物半導体層から構成されており、前記半導体層は、薄膜プロセスで形成されることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の光電変換装置。
- 前記光電変換によって前記光電変換素子に発生した電荷を、前記信号線を通して検出する為の検出手段と、を更に有する請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光電変換装置。
- 前記複数の光電変換素子上に、X線を光に変換する蛍光体を有する請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の光電変換装置。
- 前記X線は、前記蛍光体にパルス的に入射することを特徴とする請求項7に記載の光電変換装置。
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