JP4307322B2 - 放射線撮像装置及び放射線撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、医療用の診断や工業用の非破壊検査等に用いて好適な放射線撮像装置及び放射線撮像システムに関する。なお、本発明においては、Ｘ線、γ線などの電磁波やα線、β線も放射線に含めるものとする。

従来、病院内などに設置されているＸ線撮影システムには、患者にＸ線を照射し、患者を透過したＸ線をフィルムに露光するフィルム撮影方式と、患者を透過したＸ線を電気信号に変換してディジタル画像処理を行う画像処理方式とがある。画像処理方式を実現するひとつの装置として、Ｘ線を可視光に変換する蛍光体と可視光を電気信号に変換する光電変換装置とを備えた放射線撮像装置がある。患者を透過したＸ線が蛍光体に照射され、蛍光体で可視光に変換された患者の体内情報を光電変換装置により電気信号として出力する。患者の体内情報が電気信号に変換されれば、その電気信号をＡＤコンバータでディジタル変換し、記録、表示、印刷、診断などを行うためのＸ線画像情報をディジタル値として扱うことができる。

最近では、光電変換装置にアモルファスシリコン半導体薄膜を用いた放射線撮像装置が実用化されている。

図１１は、例えば特開平８−１１６０４４号公報（特許文献１）に開示されたＭＩＳ型光電変換素子とスイッチ素子の材料にアモルファスシリコン半導体薄膜を用いて構成した従来の光電変換基板を示す上面図であり、それらを結線する配線を含めて表している。図１２は、図１１中のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。

光電変換素子１０１及びスイッチ素子１０２（アモルファスシリコンＴＦＴ、以下単にＴＦＴと記す）は同一基板１０３上に形成されており、光電変換素子の下部電極は、ＴＦＴの下部電極（ゲート電極）と同一の第１の金属薄膜層１０４で共有されており、光電変換素子の上部電極は、ＴＦＴの上部電極（ソース電極、ドレイン電極）と同一の第２の金属薄膜層１０５で共有されている。また、第１及び第２の金属薄膜層は、光電変換回路部内の、ゲート駆動用配線１０６、マトリクス信号配線１０７も共有している。図１２においては、画素数として２×２の計４画素分が記載されている。図１２のハッチング部は、光電変換素子の受光面である。１０９は光電変換素子にバイアスを与える電源ラインである。また、１１０は光電変換素子とＴＦＴを接続するためのコンタクトホールである。

アモルファスシリコン半導体を主たる材料にした図１１で示されるような構成を用いれば、光電変換素子、スイッチ素子、ゲート駆動用配線、マトリクス信号配線を、同一基板上に同時に作製することができ、大面積の光電変換回路部が容易に、しかも安価に提供することができる。

次に、光電変換素子単体のデバイス動作について説明する。図１３（ａ）〜（ｃ）は、図１１及び図１２に示す光電変換素子のデバイス動作を説明するためのエネルギーバンド図である。本光電変換素子には、第１及び第２の金属薄膜層１０４及び１０５への電圧の印加の仕方によりリフレッシュモードと光電変換モードという２種類の動作モードがある。

図１３（ａ）、（ｂ）は、それぞれリフレッシュモード、光電変換モードの動作を示しており、図１２で示される各層の膜厚方向の状態を表している。Ｍ１は第１の金属薄膜層１０４（例えばＣｒ）で形成された下部電極（Ｇ電極）である。アモルファス窒化シリコン（ａ−ＳｉＮｘ）層１１１は、電子、ホール共にその通過を阻止する絶縁層であり、トンネル効果をもたらさない程度の厚さが必要であり、通常５００オングストローム以上に設定される。水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）層１１２は意図的にドーパントをドープしていない真性半導体層（ｉ層）で形成された光電変換半導体層である。Ｎ⁺層１１３は、ａ−Ｓｉ：Ｈ層１１２へのホールの注入を阻止するために形成されたＮ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層等の非単結晶半導体からなる単一導電型キャリアの注入阻止層である。また、Ｍ２は第２金属薄膜層１０５（例えばＡｌ）で形成される上部電極（Ｄ電極）である。

図１４は、光電変換素子及びスイッチ素子の材料にアモルファスシリコン半導体薄膜を用いて構成した従来の光電変換基板の２次元的構成を示す回路図である。但し、説明を簡単化するために３×３＝９画素分で記載してある。

図１４において、Ｓ１−１〜Ｓ３−３は光電変換素子、Ｔ１−１〜Ｔ３−３はスイッチ素子（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）、Ｇ１〜Ｇ３はＴＦＴをオン／オフさせるためのゲート配線、Ｍ１〜Ｍ３は信号配線、Ｖｓ線は光電変換素子に蓄積バイアスを与えるための配線である。各光電変換素子Ｓ１−１〜Ｓ３−３の黒く塗りつぶされた側の電極はＧ電極であり、対向側はＤ電極である。Ｄ電極は、Ｖｓ線の一部と接続されているが、光を入射させる都合上、例えば、薄いＮ⁺層がＤ電極として使用される。この従来例では、光電変換素子Ｓ１−１〜Ｓ３−３、スイッチ素子Ｔ１−１〜Ｔ３−３、ゲート配線Ｇ１〜Ｇ３、信号配線Ｍ１〜Ｍ３及びＶｓ線が光電変換回路部７０１に含まれている。Ｖｓ線は、電源Ｖｓによりバイアスされる。ＳＲ１はゲート配線Ｇ１〜Ｇ３に駆動用のパルス電圧を与えるシフトレジスタであり、ＴＦＴをオンさせる電圧Ｖｃｏｍは外部から供給さる。また、制御信号ＶＳＣは、光電変換素子のＶｓ線、即ち光電変換素子のＤ電極に、２種類のバイアスを与えるためのものである。Ｄ電極は、制御信号ＶＳＣが“Ｈｉ”の時にＶｒｅｆ（Ｖ）になり、“Ｌｏ”の時にＶｓ（Ｖ）になる。読み取り用電源Ｖｓ（Ｖ）、リフレッシュ用電源Ｖｒｅｆ（Ｖ）は、夫々直流電源であり、例えば、Ｖｓは９Ｖ、Ｖｒｅｆは３Ｖとする。

読み出し用回路部７０２は、光電変換回路部内の信号配線Ｍ１〜Ｍ３の並列信号出力を増幅し、直列変換して出力する。ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３は信号配線Ｍ１〜Ｍ３をリセットするスイッチ、Ａ１〜Ａ３は信号配線Ｍ１〜Ｍ３の信号を増幅するアンプ、ＣＬ１〜ＣＬ３はアンプＡ１〜Ａ３により増幅された信号を一時的に記憶するサンプルホールド容量、Ｓｎ１〜Ｓｎ３はサンプルホールドするためのスイッチ、Ｂ１〜Ｂ３はバッファアンプ、Ｓｒ１〜Ｓｒ３は並列信号を直列変換するためのスイッチ、ＳＲ２はスイッチＳｒ１〜Ｓｒ３に直列変換するためのパルスを与えるシフトレジスタ、Ａｂは直列変換された信号を出力するバッファアンプである。

次に、図１４に示す光電変換装置の動作について説明する。図１５は、図１４に示す従来の光電変換装置の動作を示すタイムチャートである。

制御信号ＶＳＣは、Ｖｓ線、すなわち光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）のＤ電極に、２種類のバイアスを与えるためのものである。Ｄ電極は、制御信号ＶＳＣが“Ｈｉ”の時にＶｒｅｆ（Ｖ）になり、制御信号ＶＳＣが“Ｌｏ”の時にＶｓ（Ｖ）になる。読み取り用電源Ｖｓ（Ｖ）、リフレッシュ用電源Ｖｒｅｆ（Ｖ）は、それぞれ直流電源である。

先ず、リフレッシュ期間の動作について説明する。シフトレジスタＳＲ１の信号をすべて“Ｈｉ”で、かつ読み出し用回路部７０２のＣＲＥＳ信号を“Ｈｉ”の状態にする。このようにすると、スイッチング用の全ＴＦＴ（Ｔ１−１〜Ｔ３−３）が導通し、かつ読み出し用回路７０２内のスイッチ素子ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３も導通し、全光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）のＧ電極がＧＮＤ電位になる。そして、制御信号ＶＳＣが“Ｈｉ”になると、全光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）のＤ電極がリフレッシュ用電源Ｖｒｅｆ（Ｖ）にバイアスされた状態（負電位）になる。これにより、全光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）はリフレッシュモードとなり、リフレッシュが行われる。

次に、光電変換期間について説明する。制御信号ＶＳＣが“Ｌｏ”の状態に切り替わると、全光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）のＤ電極は読み取り用電源Ｖｓにバイアスされた状態（正電位）になる。このようにすると光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）は光電変換モードになる。この状態でシフトレジスタＳＲ１の信号をすべて“Ｌｏ”で、かつ読み出し用回路部７０２のＣＲＥＳ信号を“Ｌｏ”の状態にする。これにより、スイッチング用の全ＴＦＴ（Ｔ１−１〜Ｔ３−３）がオフし、かつ読み出し用回路７０２内のスイッチ素子ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３もオフし、全光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）のＧ電極は、直流的にはオープン状態になるが、光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）は容量成分も構成要素として有しているため電位は保持される。

この時点では、光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）に光が入射されていないために電荷は発生しない。すなわち電流は流れない。この状態で、光源がパルス状にオンすると、それぞれの光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）のＤ電極（Ｎ⁺電極）に光が照射され、いわゆる光電流が流れる。光源については、図１４中に特に記載はしていないが、例えば、複写機であれば蛍光灯、ＬＥＤ、ハロゲン灯等である。Ｘ線撮影装置であれば文字通りＸ線源であり、この場合はＸ線可視変換用のシンチレータを用いればよい。また、光によって流れた光電流は、電荷としてそれぞれの光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）内に蓄積され、光源がオフ後も保持される。

次に、読み出し期間について説明する。読み出し動作は、１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）、続いて、２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）、続いて、３行目の光電変換素子（Ｓ３−１〜Ｓ３−３）の順で行われる。

先ず、１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）を読み出すためにスイッチ素子のＴＦＴ（Ｔ１−１〜Ｔ１−３）のゲート配線Ｇ１にＳＲ１からゲートパルスを与える。この時、ゲートパルスのハイレベルは、外部から供給されている電圧Ｖ（ｏｎ）である。これにより、ＴＦＴ（Ｔ１−１〜Ｔ１−３）がオン状態になり、１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）に蓄積されていた信号電荷が、信号配線Ｍ１〜Ｍ３に転送される。

信号配線Ｍ１〜Ｍ３には、特に図１４中には記載していないが読み出し容量が付加されており、信号電荷はＴＦＴ（Ｔ１−１〜Ｔ１−３）を介し、読み出し容量に転送されることになる。例えば、信号配線Ｍ１の付加されている読み出し容量は、信号配線Ｍ１に接続されている各ＴＦＴ（Ｔ１−１〜Ｔ３−１）のゲート／ソース間の電極間容量（Ｃｇｓ）の総和（３個分）である。また、信号配線Ｍ１〜Ｍ３に転送された信号電荷は、アンプＡ１〜Ａ３で増幅される。そして、ＳＭＰＬ信号をオンさせることにより、サンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３に転送され、ＳＭＰＬ信号をオフするとともにホールドされる。

続いて、シフトレジスタＳＲ２からスイッチＳｒ１、Ｓｒ２、Ｓｒ３の順番で、パルスを印加することにより、サンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３にホールドされていた信号が、サンプルホールド容量ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３の順でアンプＡｂから出力される。結果として、光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）の１行分の光電変換信号が順次出力される。２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）の読み出し動作、３行目の光電変換素子（Ｓ３−１〜Ｓ３−３）の読み出し動作も同様に行われる。

１行目のＳＭＰＬ信号により信号配線Ｍ１〜Ｍ３の信号をサンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３にサンプルホールドすれば、信号配線Ｍ１〜Ｍ３をＣＲＥＳ信号によりＧＮＤ電位にリセットし、その後、ゲート配線Ｇ２にゲートパルスを印加することができる。すなわち、１行目の信号を、シフトレジスタＳＲ２にて直列変換動作をする間に、同時に２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）の信号電荷をシフトレジスタＳＲ１にて転送することができる。

以上の動作により、第１行から第３行までの全ての光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ３−３）の信号電荷を出力することができる。

前述したＸ線撮像装置の動作は、リフレッシュ動作を行い、Ｘ線を照射し、そして読み出し動作を行うことにより、いわば１枚の静止画像を取得するための動作である。また、連続した動画像を取得する場合には、図１５で記載したタイムチャートを取得したい動画の枚数分だけ繰り返して動作させればよい。

光電変換素子として、ＭＩＳ型光電変換素子ではなくＰＩＮ型光電変換素子を用いた光電変換装置の２次元的な回路構成は、図１６のようになる。図１６においても図１４と同様に、３×３＝９画素分のみを記載している。

ＰＩＮ型光電変換素子の場合、Ｐ層を構成する。これは図１１で示すスイッチ素子（ＴＦＴ）には含まれない。すなわち図１１に示されるように、光電変換素子とスイッチ素子とを同一基板上に、同時に作成することはできない。そのため、図１１と比べ、作成方法が複雑になるため、製造コストも高くなる可能性がある。

この反面、ＰＩＮ型光電変換素子は、ＭＩＳ型光電変換素子と違って絶縁層（注入素子層）がないため、電子と正孔とが、双方移動できるために上記ＭＩＳ型光電変換素子で説明したリフレッシュ動作を行う必要がない。

図１７は、図１６に示す従来の光電変換装置の動作を示すタイムチャートである。図１７と図１５とを比べてみると判るように、図１７のＰＩＮ型光電変換素子の場合、リフレッシュ動作がない。この読み取りタイミングを繰り返して動作させることにより、動画画像を得る場合、スピードの点では、ＰＩＮ型光電変換素子の方が、ＭＩＳ型光電変換素子に比べて有利になる可能性が高い。

但し、特に医療用の放射線撮像装置の場合、人間の胸部を撮影する目的で、撮影領域が４０ｃｍ角と非常に大面積な仕様が求められる。この場合、ＭＩＳ型光電変換素子又はＰＩＮ型光電変換素子のいずれを用いても、信号配線Ｍ１〜Ｍ３に寄生する容量は、設計にもよるが、５０ｐＦ〜２００ｐＦにも及ぶ。これらの寄生容量は、主に、ＴＦＴ電極の上下間の容量、駆動配線と信号配線との交差部に寄生する容量、信号配線と光電変換素子のバイアス配線（Ｖｓ線）との間に寄生する容量等である。

一方、撮影画素が２００μｍピッチで配列されたとすると、その画素容量は１ｐＦ〜３ｐＦ程度である。仮に、信号配線の容量が１００ｐＦ、画素容量が２ｐＦであるとして、ＴＦＴを介して転送動作を行うと、その前後で信号電圧が２ｐＦ／（２ｐＦ＋１００ｐＦ）≒１／５０に減少することになる。この場合、信号配線に接続される後段の読み出し用回路部の雑音成分、例えば抵抗の熱雑音及びトランジスタのショット雑音等の、所謂回路雑音が零ではないために、Ｓ／Ｎの低下が低下するという問題点がある。この問題点は、光電変換素子がＭＩＳ型であろうとＰＩＮ型であろうと生じてしまう。

そこで、一般には、設計において、読み出し用回路部７０２の回路ノイズを低下させるべく、各信号配線にオペアンプを配置させ、そのオペアンプ初段部の差動トランジスタのサイズを大きくしている。しかし、このような構造では、オペアンプの数が増え、チップサイズが大きくなるという問題点がある。さらに、消費電流が増大して発熱量が増加するという問題点、ひいては冷却機構を搭載しなければならず装置が複雑化するという問題点を誘発する。

また、Ｓ／Ｎの低下を解決するための１つの方法として、光電変換素子からの信号電位をＴＦＴのゲートに入力させ、このＴＦＴをソースフォロアとして出力する方法が特許文献２（特開平１１−３０７７５６号公報）に開示されている。この場合、光電変換素子の出力信号は低下することなく、読み出し用回路に入力されるため、Ｓ／Ｎにとって有利となると考えられる。

但し、この場合、センサバイアス配線に重畳しているノイズ、即ちバイアス電源によるノイズが、信号成分と同様にソースフォロアのＴＦＴを介して出力される。このノイズは、図１４又は図１６に示すようなソースフォロアとして出力しない従来の回路に含まれるが、後段の読み出し用回路部のノイズに埋もれているために画像として比較的目立たない傾向がある。

しかしながら、特許文献２に開示された装置においては、このバイアス電源によるノイズ成分は、信号と同様に行単位で、撮像回路部内でスキャン走査したり、読み出し回路部内でサンプルホールドしたりするため、横線状のノイズ（ラインノイズと呼ぶ）を誘発するという問題点がある。ラインノイズは、画素単位でランダムに発生するノイズ（ランダムノイズと呼ぶ）に比べて、画品位を劣化させるという問題点がある。

また、センサバイアス配線に重畳するノイズには、バイアス電源によるノイズの他に、バイアス配線に外から空間的に混入してくる外来ノイズも含まれる。特許文献２に開示されている方式は、光電変換素子の信号をロスなく読み出し用回路部に出力することができる反面、光電変換素子、特にそのバイアス配線に飛来する外来性のノイズに対して耐性がないという問題点を含んでいる。

また、特許文献２に開示された光電変換素子としては、ＰＩＮ型フォトダイオードが用いられている。ＰＩＮ型フォトダイオードは、ＭＩＳ型光電変換素子において必要なリフレッシュ動作が必要ないため、リフレッシュ動作に付随した動画撮影への適用が困難であるといった問題は少ないものと思われる。

しかしながら、ＰＩＮ型フォトダイオードには、ＰＩ接合とＩＮ接合という２つの接合が必要であるため、ダーク電流が増大してしまうという問題点がある。特に、Ｐ層は光電変換素子に特有の層であり、同一基板上に作り込む他のＴＦＴの作製プロセスとは全く別である。このことは、ＴＦＴと光電変換素子とを別々に作製しなければならないために積層構造となってしまい、歩留まりやコストの点で不利となるという問題点があることを意味する。

一方、ＭＩＳ型光電変換素子を用いた場合は、上述のように、連続的に読み出し動作を繰り返すことにより動画画像を取得することができる。しかしながら、光電変換素子のバイアス電源を切り替えることによってリフレッシュ動作を行う必要があり、その時間の分だけスピードが遅くなるという問題点がある。

特に、医療用撮像装置の場合、面積が大きくなり必然的に画素数が多くなる。例えば、撮影領域を４０ｃｍ角、画素ピッチを２００μｍとしてＸ線撮像装置を作製した場合、光電変換素子の数が４百万個にも及ぶ。こういった多数の画素を、図１４及び図１５に示す例のように、バイアス配線を介して一括でリフレッシュするためには、リフレッシュ時に流れる過渡的に流れる電流も大きくなるため、Ｘ線撮像装置のＧＮＤ及び電源ラインの電圧変動が大きくなり、その変動の収束を待って、Ｘ線を照射する必要がある。即ち、バイアス配線を一括でリフレッシュするような方式には、動画として早いフレームレートを達成できないという問題点がある。

このように、１フレ−ムの読み出し動作毎に、１回の全光電変換素子のリフレッシュ動作を行う従来技術においては、動画撮影が困難となっている。

特開平８−１１６０４４号公報 特開平１１−３０７７５６号公報

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、ノイズを抑制しながらＳ／Ｎ比が高めることができ、好ましくは安定かつ高速な動画撮影を行うことができ、またダーク電流を抑制することができる放射線撮像装置及び放射線撮像システムを提供することを目的とする。

本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

本発明に係る放射線撮像装置は、複数の画素が基板上にアレー状に配置された光電変換回路部と、前記光電変換回路部を駆動させる駆動用回路部と、前記光電変換回路部から信号を読み出す読み出し用回路部と、を有し、前記画素は、第１及び第２の電極を有して入射した放射線を電気信号に変換する光電変換素子と、前記第１の電極に接続されるゲート電極を有して前記光電変換素子が生成した電気信号を前記読み出し用回路部に出力するソースフォロア型の第１の電界効果トランジスタと、前記駆動用回路部により行単位で選択された画素から電気信号を前記読み出し用回路部に出力する際に導通状態となる第２の電界効果トランジスタと、前記駆動用回路部により行単位で選択された画素に設けられた光電変換素子をリセットする際に導通状態となる第３の電界効果トランジスタと、を有し、前記読み出し用回路部は集積回路が用いられて前記光電変換回路部の近傍に実装されており、前記光電変換素子に光電変換用バイアスを与えるために複数の前記画素の前記第２の電極に共通に接続されるバイアス電源及び前記光電変換素子にリセット用バイアスを与えるために複数の前記画素の前記第３の電界効果トランジスタに共通に接続されるリセット電源の少なくとも一方の電源が、前記読み出し用回路部の内部に配置されていることを特徴とする。

本願発明に係る放射線撮像システムは、上記の放射線撮像装置と、前記光電変換回路部に向けて被写体を介して放射線を発生させる放射線発生手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、信号配線とバイアス電源又はリセット電源の少なくとも一方との距離を短くすることができ、空間又は配線を介して混入する外来ノイズ成分を小さくすることができる。このため、ランダムノイズ及びラインノイズ等のノイズ成分を小さくできる。また、第１の電界効果トランジスタをソースフォロア型としているため、信号配線に寄生する容量による信号の減衰を抑制することができる。従って、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。更に、各信号配線にオペアンプを接続するような回路構成を回避することができるため、消費電流を少なくすることも可能である。そして、特に将来の高齢化社会において現在よりも更に質の高い医療環境を作ることができる。

また、読み出し用回路部内に設けたバイアス電源及び／又はリセット電源に、読み出し用回路部と同様の材料や同様の設計を採用することが可能となる。このため、例えばオペアンプを用いてバイアス電源又はリセット電源のノイズを低く抑えることも可能である。この点によっても、ランダムノイズ及びラインノイズ等のノイズ成分を抑制することができる。

また、ＭＩＳ型変換素子を用い、かつ電気信号が読み出された変換素子を行単位でリフレッシュ（又はリセット）する場合には、ＧＮＤや電源ラインの電圧変動を抑え、かつフレーム毎の待機時間を省略することが可能となり、安定かつ高速な動画撮影を行うこともできる。更に、ＭＩＳ型変換素子を用いる場合には、ＰＩＮ型変換素子を用いる場合と比較して、ダーク電流を抑えることができると共に、低コストで放射線撮像装置を製造することができる。

更に、第１の電界効果トランジスタ、第２の電界効果トランジスタ及び第３の電界効果トランジスタを、アモルファスシリコン半導体を主材料として形成する場合には、変換素子と各電界効果トランジスタとを同一基板上に作製することができる。従って、製造における放射線撮像装置の歩留まりを向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るＸ線撮像装置（放射線撮像装置）の２次元的な回路構成を示す図である。但し、図１には、説明を簡単化するために３×３＝９画素分を記載している。

図１において、Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）は、Ｘ線を波長変換体により変換された可視光を電気信号に変換する光電変換素子であり、本実施形態ではＰＩＮ型光電変換素子である。ＰＩＮ型光電変換素子は、回路記号上ダイオードで示している。Ｔ１（１−１）〜Ｔ１（３−３）は、光電変換素子のアノード側（Ｐ側）の電極がゲート端子に接続された第１のＴＦＴである。Ｔ２（１−１）〜Ｔ２（３−３）は、走査において光電変換素子の電気信号を行単位に選択的に読み出しするために設けられた第２のＴＦＴである。Ｔ３（１−１）〜Ｔ３（３−３）は、電気信号を読み出された光電変換素子をリセットするために設けられた第３のＴＦＴである。

Ｇ１〜Ｇ４は、第２のＴＦＴであるＴ２（１−１）〜Ｔ２（３−３）及び第３のＴＦＴであるＴ３（１−１）〜Ｔ３（３−３）をオン／オフさせるためのゲート配線であり、Ｍ１〜Ｍ３は信号配線である。Ｖｓ共通配線は、光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）のカソード（Ｎ側）の電極に正のバイアスを与えるための全画素に共通の配線である。また、Ｖｒ共通配線は、光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）のアノード電極にリセットバイアスを与えるための全画素に共通の配線である。

本実施形態では、光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）、第１のＴＦＴ（Ｔ１（１−１）〜Ｔ１（３−３））、第２のＴＦＴ（Ｔ２（１−１）〜Ｔ２（３−３））、第３のＴＦＴ（Ｔ３（１−１）〜Ｔ３（３−３））、ゲート配線Ｇ１〜Ｇ３、信号配線Ｍ１〜Ｍ３、Ｖｓ共通配線及びＶｒ共通配線が光電変換回路部（放射線検出回路部）１に含まれている。

また、シフトレジスタＳＲ１は、ゲート配線Ｇ１〜Ｇ４に駆動用のパルス電圧を与え、光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）の電気信号を行単位で第１のＴＦＴ（Ｔ１（１−１）〜Ｔ１（３−３））から読み出すために、第２のＴＦＴ（Ｔ２（１−１）〜Ｔ２（３−３））及び第３のＴＦＴ（Ｔ３（１−１）〜Ｔ３（３−３））をオン／オフさせる駆動用回路部である。

読み出し用回路部２は、光電変換回路部１からの並列の出力信号を読み取り、直列変換して出力する。Ａ１〜Ａ３は、信号配線Ｍ１〜Ｍ３に反転端子（−）が接続されたオペアンプである。この反転端子（−）と出力端子の間には、夫々容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３が接続されている。また、信号配線Ｍ１〜Ｍ３には、夫々電流源Ｉ１〜Ｉ３が接続されている。容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３は、第２のＴＦＴ（Ｔ２（１−１）〜Ｔ２（３−３））がオンしたときに、光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）の電気信号を蓄積する。ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３は、容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３をリセットするスイッチであり、容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３と並列に接続されている。図１では、リセットバイアスは、ＧＮＤで表記している。ＣＬ１〜ＣＬ３は、容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３に蓄積された信号を一時的に記憶するサンプルホールド容量である。また、Ｓｎ１〜Ｓｎ３は、サンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３でサンプルホールドを行うためのスイッチ、Ｂ１〜Ｂ３はバッファアンプ、Ｓｒ１〜Ｓｒ３は、並列信号を直列変換するためのスイッチ、ＳＲ２はＳｒ１〜Ｓｒ３に直列変換するためのパルスを与えるシフトレジスタ、１０００は直列変換された信号を出力するアンプである。

読み出し用回路部２には、更に、光電変換回路部１内のＶｓ共通配線を介し光電変換素子の電極にバイアスを与えるためのバイアス電源３、及び光電変換回路部１内のＶｒ共通配線を介し光電変換素子の他方の電極にリセットバイアスを与えるためのリセット電源４が形成されている。

バイアス電源３には、バイアス電圧を出力するためのオペアンプＡｂが設けられ、リセット電源４には、リセット電圧を出力するためのオペアンプＡｒが設けられている。図１において、バイアス電源３又はリセット電源４の点線部内に記載した直流電源は一定電位を与える規準電源であり、例えば、バンドギャップ法により作成された電源である。オペアンプＡｂ及びＡｒはバッファとして記載されているが、必要に応じて倍率を与えてもよい。また、バイアス電源３及びリセット電源４内の抵抗及びコンデンサは、電源の高周波数領域のノイズ成分を遮断するためのローパスフィルタを構成する。遮断周波数をできるだけ小さくするためには、コンデンサの容量を大きくすればよい。容量を読み出し用回路部２内に形成できない場合には、容量を外部に実装してもよい。

次に、上述のように構成された第１の実施形態の動作について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係るＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートであり、２フレーム分の動作を表している。図２のタイムチャートには、光電変換期間及び読み出し期間の２つの動作期間を示してある。

先ず、光電変換期間について説明する。全光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）のカソード側電極（Ｎ電極）は、バイアス電源によりに正電位にバイアスされた状態にある。シフトレジスタＳＲ１の信号はすべて“Ｌｏ”であり、第２のＴＦＴであるＴ２（１−１）〜Ｔ２（３−３）及び第３のＴＦＴであるＴ３（１−１）〜Ｔ３（３−３）はオフとなっている。この状態でＸ線がパルス的に入射すると、蛍光体（図１には図示せず）を介して各光電変換素子に可視光が照射され、ＰＩＮ型光電変換素子のＩ層内で電子及びホールのキャリアが生成される。このとき、電子はセンサバイアスＶｓによりカソード側電極（Ｎ電極）、即ちバイアス電源側に移動する。一方、ホールは反対方向の第１のＴＦＴ側に移動し、主に光電変換素子内の容量に蓄えられる。この電荷は、Ｘ線の照射を停止した後においても保持される。

次に、読み出し期間について説明する。読み出し動作は、第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）、続いて、第２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）、続いて、第３行目の光電変換素子（Ｓ３−１〜Ｓ３−３）の順で行われる。

先ず、第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）を読み出すために、シフトレジスタＳＲ１からゲート配線Ｇ１にゲートパルスを与え、第１行目の第２のＴＦＴ（Ｔ２（１−１）〜Ｔ２（１−３））をオンさせる。これにより、第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）の信号電荷に応じた電位がゲート端子に印加された第１行目の第１のＴＦＴ（Ｔ１（１−１）〜Ｔ１（１−３））にドレイン電流が流れ、読み出し用回路部２の初段部のオペアンプＡ１〜Ａ３に接続されている容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３に当該電流が流入して積分される。

オペアンプＡ１〜Ａ３の出力端子の電位は、光電変換素子の信号量に応じて、図２に示すように、負側へ変化する。第１行目の第２のＴＦＴ（Ｔ２（１−１）〜Ｔ２（１−３））が同時にオンするため、オペアンプＡ１〜Ａ３の出力は同時に変化する。即ち、並列出力である。その状態で、ＳＭＰＬ信号をオンさせることにより、オペアンプＡ１〜Ａ３の出力信号はサンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３に転送され、ＳＭＰＬ信号をオフすると、一旦ホールドされる。続いて、シフトレジスタＳＲ２からスイッチＳｒ１、Ｓｒ２、Ｓｒ３の順番でパルスを印加すると、ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３の順で、ホールドされていた信号がアンプ１０００を介して出力される。この結果、第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）の光電変換信号が順次、直列変換されて出力される。第２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）の読み出し動作、第３行目の光電変換素子（Ｓ３−１〜Ｓ３−３）の読み出し動作も同様に行われる。

第１行目の読み出しにおいて、ＳＭＰＬ信号の変化によりオペアンプＡ１〜Ａ３の信号をサンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３にサンプルホールドすれば、第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）の信号は光電変換回路部１から出力されたことになる。従って、読み出し用回路部２内でスイッチＳｒ１〜Ｓｒ３により直列変換されて出力されている最中に、光電変換回路部１内の第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）のリセット動作及び容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３のリセット動作を行うことができる。

そこで、本実施形態では、第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）のリセット動作は、第２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）の読み出し動作と同時に行う。これを実現するために、第１行目の第３のＴＦＴ（Ｔ３（１−１）〜Ｔ３（１−３））を制御するゲート配線と、第２行目の第２のＴＦＴ（Ｔ２（２−１）〜Ｔ２（２−３））を制御するゲート配線とを同じゲート配線Ｇ２で共有としている。即ち、本実施形態では、第ｎ行目の光電変換素子の読み出し動作と、第（ｎ−１）行目の光電変換素子のリセット動作とを同時に行う。

そして、このような光電変換期間と読み出し期間とを繰り返すことにより、連続した動画像を取得することができる。

このような第１の実施形態によれば、バイアス電源３及びリセット電源４を、読み出し用回路部２内に配置しているため、Ｖｓ共通配線及びＶｒ共通配線を、信号配線と同様に短くすることができる。従って、空間を介して飛び込んでくる外来ノイズを小さく抑えることができる。外来ノイズとは、主に、空間を介して飛び込んでくるノイズである。例えば、Ｘ線を発生させるＸ線源は、高圧電源を用いるがその高圧電源からのノイズや、自動車のイグニッションコイルからのノイズ、または他の電波機器からのノイズ、落雷によるノイズもこれに該当する。

一般に、第２のＴＦＴがシフトレジスタ（ＳＲ１）により行単位でオン／オフする時等のＶｓ共通配線に何らかの要因でノイズが加わっている時や、ＳＭＰＬ信号により読み出し用回路部内で行単位の信号がＣｌ１〜ＣＬ３に転送する時のような光電変換素子の読み出し動作が行われている時に、出力信号にノイズが混入しやすい。これらは、画像上で、横スジ状の模様となり、画像品位を著しく劣化させる。これらの横スジ状のノイズは横ラインノイズ又は単にラインノイズとよばれる。また、第３のＴＦＴがシフトレジスタ（ＳＲ１）により行単位でリセットが行われる時等のＶｒ共通配線に何らかの要因でノイズが加わっている時にも、出力信号にノイズが混入しやすい。この場合にも、横ラインノイズが発生する。

従来、読み出し用回路部は、光電変換回路部の近傍に実装されている。その理由は、光電変換素子の信号は信号配線を介して読み出し用回路部内に転送されるため、配線をできるだけ短くすることが外来ノイズの抑制に効果的だからである。

そして、本実施形態では、バイアス電源３及びリセット電源４を構成するオペアンプＡｂ及びＡｒを読み出し用回路部２内に配置しているため、Ｖｓ共通配線及びＶｒ共通配線を短くできるだけでなく、出力インピーダンスを低くすることができる。従って、外来ノイズが非常に混入しにくくなる。

また、オペアンプＡｂ及びＡｒを読み出し用回路部２内に配置しているため、それら自身を低ノイズなものに設計することも可能である。つまり、オペアンプそのものがもつ有限のノイズ、即ちオペアンプを構成する個々の部品のジョンソンノイズ及びショットノイズのようなホワイトノイズ並びにフリッカノイズ（ｆ分の１ノイズ）等に関して設計段階において最適化を図ることが可能である。

なお、一般に、読み出し用回路部としては、シリコンを主たる材料にした集積回路（ＩＣ）が用いられている。例えば、ＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタを用いて、オペアンプやアナログスイッチ素子などを設計し、読み出し用回路部をＩＣチップとして作製することができる。バイアス電源３及びリセット電源４も、同様の設計技法を用いれば、図１に示すように読み出し用回路部２内に作製することが可能である。

また、本実施形態では、バイアス電源３及びリセット電源４の双方を読み出し用回路部２内に形成しているが、いずれか一方のみを形成してもよい。

更に、本実施形態では、Ｘ線をパルス状に照射した光電変換期間を設けているが、Ｘ線を常時照射させて読み出し期間だけを繰り返すことにより連続した動画像を取得することもできる。この場合、各行単位で光電変換素子の蓄積期間がずれていくために、画像を観察時に違和感になることがある。

また、本実施形態では、ＰＩＮ型光電変換素子のカソード側（Ｐ側）にＶｓ共通配線を介してバイアス電源から正バイアスに与えているが、反対のアノード側（Ｎ側）をＶｓ共通配線として、バイアス電源から負バイアスに与えてもよい。この場合、図２のタイミングチャートにおいて、Ａ１−ｏｕｔ、Ａ２−ｏｕｔ、Ａ３−ｏｕｔ及びＶｏｕｔの極性が反対になる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態に係るＸ線撮像装置（放射線撮像装置）の２次元的な回路構成を示す図である。但し、図３には、説明を簡単化するために３×３＝９画素分を記載している。

図３において、Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）は、Ｘ線を波長変換体により変換された可視光を電気信号に変換する光電変換素子であり、本実施形態ではＭＩＳ型光電変換素子である。Ｔ１（１−１）〜Ｔ１（３−３）は、光電変換素子のＧ電極がゲート端子に接続された第１のＴＦＴである。Ｔ２（１−１）〜Ｔ２（３−３）は、走査において光電変換素子の電気信号を行単位に選択的に読み出しするために設けられた第２のＴＦＴである。Ｔ３（１−１）〜Ｔ３（３−３）は、電気信号を読み出された光電変換素子をリフレッシュ又はリセットするために設けられた第３のＴＦＴである。

Ｇ１〜Ｇ４は、第２のＴＦＴであるＴ２（１−１）〜Ｔ２（３−３）及び第３のＴＦＴであるＴ３（１−１）〜Ｔ３（３−３）をオン／オフさせるためのゲート配線であり、Ｍ１〜Ｍ３は信号配線である。Ｖｓ共通配線は、光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）のＤ電極にセンサバイアス（Ｖｓ）又は第２のリフレッシュバイアス（Ｖｒｅｆ２）を与えるための全画素に共通の配線である。また、Ｖｒ共通配線は、光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）のＧ電極にリセットバイアス（Ｖｒｓｔ）又は第１のリフレッシュバイアス（Ｖｒｅｆ１）を与えるための全画素に共通の配線である。

光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）の黒く塗りつぶされた側の電極はＧ電極であり、対向側はＤ電極である。Ｄ電極は、Ｖｓ共通配線の一部と共有しているが、光を入射させる都合上、薄いＮ⁺層をＤ電極として利用している。本実施形態では、光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）、第１のＴＦＴ（Ｔ１（１−１）〜Ｔ１（３−３））、第２のＴＦＴ（Ｔ２（１−１）〜Ｔ２（３−３））、第３のＴＦＴ（Ｔ３（１−１）〜Ｔ３（３−３））、ゲート配線Ｇ１〜Ｇ３、信号配線Ｍ１〜Ｍ３、Ｖｓ共通配線及びＶｒ共通配線が光電変換回路部（放射線検出回路部）３１に含まれている。

また、シフトレジスタＳＲ１は、ゲート配線Ｇ１〜Ｇ４に駆動用のパルス電圧を与え、光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）の電気信号を行単位で第１のＴＦＴ（Ｔ１（１−１）〜Ｔ１（３−３））から読み出すために、第２のＴＦＴ（Ｔ２（１−１）〜Ｔ２（３−３））や第３のＴＦＴ（Ｔ３（１−１）〜Ｔ３（３−３））をオン／オフさせる駆動用回路部である。

読み出し用回路部３２は、光電変換回路部３１からの並列の出力信号を読み取り、直列変換して出力する。Ａ１〜Ａ３は、信号配線Ｍ１〜Ｍ３に反転端子（−）が接続されたオペアンプである。この反転端子（−）と出力端子の間には、夫々容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３が接続されている。また、信号配線Ｍ１〜Ｍ３には、夫々電流源Ｉ１〜Ｉ３が接続されている。容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３は、第２のＴＦＴ（Ｔ２（１−１）〜Ｔ２（３−３））がオンしたときに、光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）の電気信号を蓄積する。ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３は、容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３をリセットするスイッチであり、容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３と並列に接続されている。図３では、リセットバイアスは、ＧＮＤで表記している。ＣＬ１〜ＣＬ３は、容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３に蓄積された信号を一時的に記憶するサンプルホールド容量である。また、Ｓｎ１〜Ｓｎ３は、サンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３でサンプルホールドを行うためのスイッチ、Ｂ１〜Ｂ３はバッファアンプ、Ｓｒ１〜Ｓｒ３は、並列信号を直列変換するためのスイッチ、ＳＲ２はＳｒ１〜Ｓｒ３に直列変換するためのパルスを与えるシフトレジスタ、１０００は直列変換された信号を出力するアンプである。

読み出し用回路部３２には、更に、光電変換回路部３１内のＶｓ共通配線を介し光電変換素子のＤ電極にセンサバイアス（Ｖｓ）又はリフレッシュバイアス（Ｖｒｅｆ２）を与えるためのバイアス電源３３、及び光電変換回路部１内のＶｒ共通配線を介し光電変換素子の他方のＧ電極にリセットバイアス（Ｖｒｓｔ）又はリフレッシュバイアス（Ｖｒｅｆ１）を与えるためのリセット電源３４が形成されている。

バイアス電源３３は、光電変換回路部３１内のＶｓ共通配線を介し光電変換素子のＤ電極に供給するバイアスを、Ｖｓ／ＸＶｒｅｆ２制御信号でセンサバイアス（Ｖｓ）又はリフレッシュバイアス（Ｖｒｅｆ２）に切り替えることができるように構成されている。Ｖｓ／ＸＶｒｅｆ２制御信号が“Ｈｉ”の時にはＶｓを供給し、“Ｌｏ”の時にはＶｒｅｆ２を供給する。なお、本実施形態では、Ｖｓ＞Ｖｒｅｆ２の関係がある。

また、リセット電源３４は、光電変換回路部３１内のＶｒ共通配線を介し光電変換素子のＧ電極に供給するバイアスを、Ｖｒｅｆ１／ＸＶｒｓｔ制御信号でリセットバイアス（Ｖｒｓｔ）又はリフレッシュバイアス（Ｖｒｅｆ１）に切り替えることができるように構成されている。Ｖｒｅｆ１／ＸＶｒｓｔ制御信号が“Ｈｉ”の時にはＶｒｅｆ１を供給し、“Ｌｏ”の時にはＶｒｓｔを供給する。なお、本実施形態では、Ｖｒｅｆ１＞Ｖｒｓｔの関係がある。

なお、本実施形態では、ＭＩＳ型光電変換素子のリフレッシュ動作を、Ｖｓ共通配線を介して一括に行う方式とＶｒ共通配線を介し行単位で行う方式とを選択できる。例えば、前者を静止画撮影モードとして、後者を動画撮影モードとして使用する放射線撮像装置ができる。

次に、上述のように構成された第２の実施形態の動作について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係るＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートであり、２フレーム分の動作を表している。図４のタイムチャートには、光電変換期間及び読み出し期間の２つの動作期間を示してある。

先ず、光電変換期間について説明する。全光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）のＤ電極は、読み取り用電源Ｖｓ（正電位）にバイアスされた状態にある。シフトレジスタＳＲ１の信号はすべて“Ｌｏ”であり、第２のＴＦＴであるＴ２（１−１）〜Ｔ２（３−３）及び第３のＴＦＴであるＴ３（１−１）〜Ｔ３（３−３）はオフとなっている。この状態でＸ線がパルス的に入射すると、蛍光体を介して各光電変換素子のＤ電極（Ｎ⁺電極）に可視光が照射され、各光電変換素子のｉ層内で電子とホールのキャリアが生成される。このとき、電子はセンサバイアスＶｓによりＤ電極に移動するが、ホールは光電変換素子内のｉ層と絶縁層の界面に蓄えられ、Ｘ線の照射を停止した後においても保持される。

次に、読み出し期間について説明する。読み出し動作は、第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）、続いて、第２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）、続いて、第３行目の光電変換素子（Ｓ３−１〜Ｓ３−３）の順で行われる。

先ず、第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）を読み出すために、シフトレジスタＳＲ１からゲート配線Ｇ１にゲートパルスを与え、第１行目の第２のＴＦＴ（Ｔ２（１−１）〜Ｔ２（１−３））をオンさせる。これにより、第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）の信号電荷に応じた電位がゲート端子に印加された第１行目の第１のＴＦＴ（Ｔ１（１−１）〜Ｔ１（１−３））にドレイン電流が流れ、読み出し用回路部２の初段部のオペアンプＡ１〜Ａ３に接続されている容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３に当該電流が流入して積分される。

オペアンプＡ１〜Ａ３の出力端子の電位は、光電変換素子の信号量に応じて、図４に示すように、負側に変化する。第１行目の第２のＴＦＴ（Ｔ２（１−１）〜Ｔ２（１−３））が同時にオンするため、オペアンプＡ１〜Ａ３の出力は同時に変化する。即ち、並列出力である。その状態で、ＳＭＰＬ信号をオンさせることにより、オペアンプＡ１〜Ａ３の出力信号はサンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３に転送され、ＳＭＰＬ信号をオフすると、一旦ホールドされる。続いて、シフトレジスタＳＲ２からスイッチＳｒ１、Ｓｒ２、Ｓｒ３の順番でパルスを印加すると、ＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬ３の順で、ホールドされていた信号がアンプ１０００を介して出力される。この結果、第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）の光電変換信号が順次、直列変換されて出力される。第２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）の読み出し動作、第３行目の光電変換素子（Ｓ３−１〜Ｓ３−３）の読み出し動作も同様に行われる。

第１行目の読み出しにおいて、ＳＭＰＬ信号の変化によりオペアンプＡ１〜Ａ３の信号をサンプルホールド容量ＣＬ１〜ＣＬ３にサンプルホールドすれば、第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）の信号は光電変換回路部３１から出力されたことになる。従って、読み出し用回路部３２内でスイッチＳｒ１〜Ｓｒ３により直列変換されて出力されている最中に、光電変換回路部３１内の第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）のリフレッシュ動作及びリセット動作並びに容量素子Ｃｆ１〜Ｃｆ３のリセット動作を行うことができる。

そこで、本実施形態では、第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）のリフレッシュ動作は、第２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）の読み出し動作と同時に行う。これを実現するために、第１行目の第３のＴＦＴ（Ｔ３（１−１）〜Ｔ３（１−３））を制御するゲート配線と、第２行目の第２のＴＦＴ（Ｔ２（２−１）〜Ｔ２（２−３））を制御するゲート配線は同じゲート配線Ｇ２で共有としている。

ゲート配線Ｇ２がオンしている間に、Ｖｒｅｆ１／ＸＶｒｓｔ制御信号が“Ｈｉ”になることにより、Ｖｒ共通配線がＶｒｅｆ１にバイアスされ、第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）がリフレッシュされる。その後、同様に、ゲート配線Ｇ２がオンしている間に、Ｖｒｅｆ１／ＸＶｒｓｔ制御信号が“Ｌｏ”になることにより、Ｖｒ共通配線がリセットバイアスＶｒｓｔにバイアスされ、第１行目の光電変換素子（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）のＧ電極がリセットバイアスＶｒｓｔによりリセットされる。このゲート配線Ｇ２がオンしている間は、同時に、第２行目の第２のＴＦＴ（Ｔ２（２−１）〜Ｔ２（２−３））がオン状態になっており、第２行目の光電変換素子（Ｓ２−１〜Ｓ２−３）の信号電荷に応じた電位が読み出される。このように、本実施形態では、第ｎ行目の光電変換素子の読み出し動作と、第（ｎ−１）行目の光電変換素子のリフレッシュ動作及びリセット動作とを同時に行う。

そして、以上の動作を行うことにより、第１行目から第３行目のすべての光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）の信号電荷を出力することができる。即ち、このような光電変換期間と読み出し期間とを繰り返すことにより、連続した動画像を取得することができる。

このような第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、バイアス電源３３及びリセット電源３４を読み出し回路部３２内に配置しているため、Ｖｓ共通配線及びＶｒ共通配線の配線を、信号配線と同様に短くすることができる。従って、空間を介して飛び込んでくる外来ノイズを小さく抑えることができる。また、第１の実施形態と同様に、出力インピーダンスを低くすることができ、外来ノイズが非常に混入しにくくなる。更に、第１の実施形態と同様に、オペアンプＡｂ及びＡｒを読み出し用回路部３２内に配置しているため、それら自身を低ノイズなものに設計することも可能である。

更に、本実施形態では、すべての光電変換素子を一括でリフレッシュせず、各行単位でリフレッシュを行うため、リフレッシュ時の暗電流成分によるＧＮＤ電位及び電源電位等の変動を少なくでき、動画のフレーム周波数を大きくすることができる。光電変換素子のリフレッシュ動作を全光電変換素子に共通のＶｓ共通配線を介して行うことにより動画画像を得る場合、１フレ−ムに１回のリフレッシュ期間を設けることが必須である。このことは、特に、動画像を取得する際、フレ−ム周波数が小さくなる、即ち動作スピ−ドが遅くなるという問題を生じる。特に人体胸部を撮影する医療用のＸ線撮像装置の場合、大多数の画素を一括でリフレッシュすることは、リフレッシュ時に流れる電流も大きくなり、そしてＧＮＤや電源ラインの電圧変動を大きくなり、すぐに画像を読み取ることは安定せず、良好な画像を得られない。これに対し、本実施形態のように、Ｖｒ共通配線を介して第３のＴＦＴ（Ｔ３（１−１）〜Ｔ３（３−３））をオンさせることによりリフレッシュ動作を行う場合には、行単位でリフレッシュ動作を行うことができるため、１度にリフレッシュされる画素数が少なく、リフレッシュ時に流れる電流を小さく抑えることができる。

なお、本実施形態では、バイアス電源３３及びリセット電源３４の双方を読み出し用回路部３２内に形成しているが、いずれか一方のみを形成してもよい。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、第２の実施形態に係るＸ線撮像装置を透視モード（動画モード）で動作させている状態から、撮影者の静止画の撮影要求により、撮影モード（静止画モード）へ遷移させる。図５は、本発明の第３の実施形態におけるＸ線撮像装置の撮影シーケンスを示す図である。また、図６は、透視モード（動画モード）でのＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートであり、図７は、撮影モード（静止画モード）でのＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。

透視モードでは、図６に示すタイミング動作を繰り返す。透視モードの期間では、撮影者は、静止画像を撮影のための被写体（患者）の位置及び角度を決めるために、患者の透視画像をモニタする。また、一般的に、この期間中のＸ線量は弱めに照射する。そして、被写体（患者）の位置及び角度が決まると、撮影者がＸ線撮像装置に、静止画像を撮影する意思信号として曝射要求信号（撮影要求）を発令する。Ｘ線撮像装置は、この曝射要求信号を受けると、その動作モードを透視モードから撮影モードに遷移する。撮影モードでは、図８に示すタイミング動作を行う。

なお、透視モード及び撮影モードの組み合わせ（流れ）は、図５に示すような撮影モードが１回だけのものに限定されない。例えば、撮影する被写体の撮影構図に応じて、透視モード→撮影モード→透視モード→撮影モード・・・と複数回、繰り返してもよい。

また、透視モード（動画モード）においてＸ線をパルス状ではなく連続して照射してもよい。Ｘ線を連続して照射した場合の透視モードでのＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートを図８に示す。

Ｘ線を連続して照射した場合には、読み出し期間と光電変換期間とを単一の期間（光電変換及び読み出し期間）とすることができるため、透視モードにおける動作周波数を大きくすることができるという利点がある。また、Ｘ線をパルス状に入射させないため、Ｘ線発生源に対する負荷を軽減できる利点もある。

第２の実施形態に係るＸ線撮像装置を透視装置に応用した場合、透視モードにおいては第３のＴＦＴ（Ｔ３（１−１）〜Ｔ３（３−３））を介して第１のリフレッシュバイアス（Ｖｒｅｆ１）を与え、透視撮影によって被写体の位置及び角度等を決定し、静止画撮影モードに遷移した際には、Ｖｓ共通配線から第２のリフレッシュバイアス（Ｖｒｅｆ２）を与える。Ｖｓ共通配線からのリフレッシュは、全画素一括で行うため、リフレッシュ動作後のＧＮＤ電位及び系の基準電位の変動が大きくなり、その電位変動を待たなければ読み出し動作を行えない。従って、必ずしも、動画撮影（透視）には適しているとはいえない。

しかし、この反面、バイアス電源３３と光電変換素子Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）との間に、従来の装置では必要とされているＴＦＴが存在しないため、Ｖｓ共通配線と第２のリフレッシュバイアス（Ｖｒｅｆ２）の電位差を大きくすることが可能である。従って、飽和電荷を大きく設定できるという長所がある。つまり、診断画像を得るような静止画撮影には高いＳ／Ｎが求められ、第２のリフレッシュバイアス（Ｖｒｅｆ２）で共通配線Ｖｓ側からリフレッシュした方が好適である。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図９は、本発明の第４の実施形態に係るＸ線撮像装置（放射線撮像装置）の構造を示す模式図である。

本実施形態では、読み出し用回路部及び駆動用回路部が、夫々複数ブロックに分割されて光電変換回路部に接続されている。図９内の黒い四角（■）は一画素を表しており、図内中央の円（○）内にその一画素分の回路を示している。本実施形態では、第２の実施形態と同様に、画素内に、ＭＩＳ型光電変換素子、第１のＴＦＴ、第２のＴＦＴ及び第３のＴＦＴが含まれているが、光電変換素子として、第１の実施形態と同様に、ＰＩＮ型光電変換素子が用いられてもよい。
読み出し用回路部の各ブロックは、夫々ＡＭＰ−ＩＣ１〜ＡＭＰ−ＩＣ１０と表示しており、駆動用回路部の各ブロックは、夫々ＤＲ−ＩＣ１〜ＤＲ−ＩＣ１０と表示している。特に医療用Ｘ線撮像装置には、人体胸部の撮影に用いられるため、一般に、４０ｃｍ×４０ｃｍ以上の大面積撮影領域が要求されている。また、画素の解像度は１００μｍ〜２００μｍ程度必要といわれている。例えば、解像度が１６０μｍで４０ｃｍ×４０ｃｍの撮影領域をカバーするためには、２５００画素×２５００画素が必要となる。

読み出し用回路部及び駆動用回路部は、一般にシリコンテクノロジーを用いて集積回路（ＩＣ）として製造される。シリコンウェハは、一般には、用途に応じて複数個のチップに切り出されて、ＩＣとして製造される。本実施形態においては、一つの読み出し用回路部を２５６列の画素分を読み出しするブロックとしている。また一つの駆動用回路部は２５６行分の画素を駆動するブロックとしている。このように分配することにより、読み出し用回路部及び駆動用回路部は、夫々１０ブロックに分割することができる。読み出し回路部における余りのチャネル、即ち（２５６×１０）−２５００＝６０チャネル分は、ＧＮＤ電位を入力するかオープンにしておく。第１の実施形態１及び第２の実施形態のようなＮ行目のリセットと（Ｎ＋１）行目の読み出しとを同時に行う構成の場合、１チャネル多く使用するために、駆動用回路部における余りのチャネル数は、５９チャネルとなり、このチャネルはオープンにしておく。

また、本実施形態では、読み出し回路部の各ブロックに、Ｖｓ共通配線に電位を与えるためのバイアス電源とＶｒ共通配線の電位を与えるリセット電源が接続されているが、いずれか一方のみが接続されていてもよい。図９に示す構成とすることにより、バイアス電源又はリセット電源が光電変換回路部の近傍に配置され、Ｖｓ共通配線及びＶｒ共通配線のインピーダンスが低減し、Ｓ／Ｎが有利になる。

バイアス電源は、光電変換素子がＭＩＳ型の場合、Ｖｓ共通配線を介してセンサの一方の電極にセンサバイアス（Ｖｓ）又は第２のリフレッシュバイアス（Ｖｒｅｆ２）を印加するためのものであるが、ＰＩＮ型の場合は、センサバイアス（Ｖｓ）を印加するためのものである。また、リセット電源は、光電変換素子がＭＩＳ型の場合Ｖｒ、共通配線を介してセンサの反対側の電極にリセットバイアス（Ｖｒｓｔ）又は第１のリフレッシュバイアス（Ｖｒｅｆ１）を印加するためのものであるが、ＰＩＮ型の場合は、リセットバイアス（Ｖｒｓｔ）を印加するためのものである。

なお、本実施形態では読み出し回路部及び駆動用回路部の一つのブロックを２５６チャネルとしているが、チャネル数はこれに限るものではなく、製造時の簡便性及びウェハから切り出せる良品チップの歩留まり等に基づいて選択することができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。第５の実施形態は、本発明に係るＸ線撮像装置（放射線撮像装置）をＸ線診断システムに応用したものである。図１０は、本発明の第５の実施形態に係るＸ線診断システムを示す模式図である。

Ｘ線ルーム（撮影室）内において、Ｘ線チューブ（Ｘ線発生装置）６０５０で発生したＸ線６０６０は患者又は被験者６０６１の胸部６０６２を透過し、イメージセンサ６０４０に入射する。この入射したＸ線には患者６０６１の内部の情報が含まれている。Ｘ線の入射に対応してシンチレータ（蛍光体）は発光し、これをセンサーパネルの光電変換素子が光電変換して、電気的情報を得る。イメージセンサ６０４０は、この情報を電気信号（ディジタル信号）としてイメージプロセッサ６０７０に出力する。画像処理手段としてのイメージプロセッサ６０７０は、受信した信号に対して画像処理を施して、コントロールルーム（操作室）の表示手段であるディスプレイ６０８０に出力する。ユーザは、ディスプレイ６０８０に表示された画像を観察して、患者６０６１の内部の情報を得ることができる。なお、イメージプロセッサ６０７０は、制御手段の機能も有しており、動画／静止画の撮影モードを切り換えたり、Ｘ線チューブ６０５０の制御を行ったりすることも可能である。

また、イメージプロセッサ６０７０は、イメージセンサ６０４０から出力された電気信号を電話回線６０９０等の伝送処理手段を介して遠隔地へ転送し、ドクタールーム等の別の場所にある表示手段（ディスプレイ）６０８１に表示することもできる。また、イメージセンサ６０４０から出力された電気信号を光ディスク等の記録手段に保存し、この記録手段を用いて遠隔地の医師が診断することも可能である。また、記録手段となる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。

なお、光電変換素子の構造は特に限定されるものではない。例えば、アモルファスシリコンを主原料とし、放射線を可視光に変換する波長変換体からの可視光を吸収し電気信号に変換する光電変換素子が用いられてもよい。このような素子としては、例えば、アクセプタ不純物をドープしたＰ層と、真性半導体層であるＩ層と、ドナー不純物をドープしたＮ層と、を有するＰＩＮ型光電変換素子、及び、基板上に形成された金属薄膜層と、この金属薄膜層上に形成され、電子及び正孔の通過を阻止するアモルファス窒化シリコンからなる絶縁層と、この絶縁層上に形成された水素化アモルファスシリコンからなる光電変換層と、この光電変換層上に形成され、正孔の注入を阻止するＮ型の注入阻止層と、この注入阻止層上に形成された導電層と、を有するＭＩＳ型光電変換素子等が挙げられる。ＭＩＳ型光電変換素子では、導電層は透明導電層であってもよく、また、導電層が注入阻止層上の一部に形成されていてもよい。これらの光電変換素子が用いられ、波長変換体が必要とされる場合、波長変換体としては、例えばＧｄ₂Ｏ₂Ｓ、Ｇｄ₂Ｏ₃又はＣｓＩを主成分とするものを用いることができる。更に、光電変換素子として、アモルファスセレン、ガリウム砒素、ヨウ化鉛又はヨウ化水銀を含有し、照射された放射線を吸収し直接電気信号に変換する素子を用いてもよい。

また、読み出し用回路部の構造も特に限定されるものではなく、例えば、光電変換回路部から読み出した信号を増幅する増幅手段と、この増幅手段により増幅された信号を蓄積する蓄積手段と、この蓄積手段により蓄積された信号をシリアル変換するシリアル変換手段と、を有するものを用いることができる。

なお、本発明の実施形態は、例えばコンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。また、プログラムをコンピュータに供給するための手段、例えばかかるプログラムを記録したＣＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体又はかかるプログラムを伝送するインターネット等の伝送媒体も本発明の実施形態として適用することができる。また、上記のプログラムも本発明の実施形態として適用することができる。上記のプログラム、記録媒体、伝送媒体及びプログラムプロダクトは、本発明の範疇に含まれる。

本発明の第１の実施形態に係るＸ線撮像装置（放射線撮像装置）の２次元的な回路構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るＸ線撮像装置（放射線撮像装置）の２次元的な回路構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。 本発明の第３の実施形態におけるＸ線撮像装置の撮影シーケンスを示す図である。 透視モード（動画モード）でのＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。 撮影モード（静止画モード）でのＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。 Ｘ線を連続して照射した場合の透視モードでのＸ線撮像装置の動作を示すタイムチャートである。 本発明の第４の実施形態に係るＸ線撮像装置（放射線撮像装置）の構造を示す模式図である。 本発明の第５の実施形態に係るＸ線診断システムを示す模式図である。 ＭＩＳ型光電変換素子を備えた従来の光電変換基板を示す上面図である。 図１１中のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 図１１及び図１２に示す光電変換素子のデバイス動作を説明するためのエネルギーバンド図である。 ＭＩＳ型光電変換素子を備えた従来の光電変換基板の２次元的構成を示す回路図である。 図１４に示す従来の光電変換装置の動作を示すタイムチャートである。 ＰＩＮ型光電変換素子を用いた光電変換装置の２次元的構成を示す回路図である。 図１６に示す従来の光電変換装置の動作を示すタイムチャートである。

符号の説明

Ｓ（１−１）〜Ｓ（３−３）：光電変換素子
Ｔ１（１−１）〜Ｔ１（３−３）：第１のＴＦＴ（ソースフォロア接続）
Ｔ２(１−１)〜Ｔ２(３−３)：第２のＴＦＴ（スイッチ機能）
Ｔ３(１−１)〜Ｔ３(３−３)：第３のＴＦＴ（スイッチ機能）
ＳＲ１：シフトレジスタ
ＳＲ２：シフトレジスタ
Ａ１〜Ａ３：オペアンプ
Ｂ１〜Ｂ３：オペアンプ
Ａｂ：オペアンプ
Ａｒ：オペアンプ
１０００：オペアンプ
Ｃｆ１〜Ｃｆ３：容量素子
ＣＬ１〜ＣＬ３：容量素子
ＲＥＳ１〜ＲＥＳ３：スイッチ
Ｓｎ１〜Ｓｎ３：転送スイッチ
Ｓｒ１〜Ｓｒ３：読み出し用スイッチ
Ｉ１〜Ｉ３：電流源
１：光電変換回路部（放射線検出回路部）
２：読み出し用回路部
Ｇ１〜Ｇ３：ゲート駆動配線
Ｍ１〜Ｍ３：マトリクス信号配線
Ｖｒｅｆ１：第１のリフレッシュバイアス
Ｖｒｅｆ２：第２のリフレッシュバイアス
Ｖｓ：光電変換素子のセンサバイアス
Ｖｒｓｔ：リセットバイアス
６０４０：イメージセンサ
６０５０：Ｘ線チューブ
６０６０：Ｘ線
６０６１：被験者
６０７０：イメージプロセッサ
６０８０：ディスプレイ
６０８１：ディスプレイ
６１００：フィルムプロセッサ
６１１０：フィルム

Claims (10)

1. 複数の画素が基板上にアレー状に配置された光電変換回路部と、
   前記光電変換回路部を駆動させる駆動用回路部と、
   前記光電変換回路部から信号を読み出す読み出し用回路部と、
   を有し、
   前記画素は、
   第１及び第２の電極を有して入射した放射線を電気信号に変換する光電変換素子と、
   前記第１の電極に接続されるゲート電極を有して前記光電変換素子が生成した電気信号を前記読み出し用回路部に出力するソースフォロア型の第１の電界効果トランジスタと、
   前記駆動用回路部により行単位で選択された画素から電気信号を前記読み出し用回路部に出力する際に導通状態となる第２の電界効果トランジスタと、
   前記駆動用回路部により行単位で選択された画素に設けられた光電変換素子をリセットする際に導通状態となる第３の電界効果トランジスタと、
   を有し、
   前記読み出し用回路部は集積回路が用いられて前記光電変換回路部の近傍に実装され、
   前記光電変換素子に光電変換用バイアスを与えるために複数の前記画素の前記第２の電極に共通に接続されるバイアス電源及び前記光電変換素子にリセット用バイアスを与えるために複数の前記画素の前記第３の電界効果トランジスタに共通に接続されるリセット電源の少なくとも一方の電源が、前記読み出し用回路部の内部に配置されていることを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記読み出し用回路部は、複数のブロックに分割されており、
   前記バイアス電源と前記リセット電源の少なくとも一方の電源が、複数のブロックに分割された前記読み出し用回路部の内部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
3. 前記バイアス電源及び前記リセット電源は、オペアンプを介してバイアスを出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の放射線撮像装置。
4. 前記光電変換素子は、ＭＩＳ型光電変換素子であり、
   前記バイアス電源は、前記ＭＩＳ型光電変換素子の前記第２の電極に与えるバイアスを、光電変換用バイアスと第１のリフレッシュ用バイアスとの間で切り替える第１のバイアス切り替え手段を有し、
   前記リセット電源は、前記ＭＩＳ型光電変換素子の前記第１の電極に与えるバイアスを、リセット用バイアスと第２のリフレッシュ用バイアスとの間で切り替える第２のバイアス切り替え手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
5. 前記第１のリフレッシュバイアスは、動画画像を取得する際の前記ＭＩＳ型変換素子のリフレッシュに用いられ、
   前記第２のリフレッシュバイアスは、静止画画像を取得する際の前記ＭＩＳ型変換素子のリフレッシュに用いられることを特徴とする請求項４に記載の放射線撮像装置。
6. 前記ＭＩＳ型光電変換素子は、
   前記基板上に形成された金属薄膜層と、
   前記金属薄膜層上に形成され、電子及び正孔の通過を阻止するアモルファス窒化シリコンからなる絶縁層と、
   前記絶縁層上に形成された水素化アモルファスシリコンからなる光電変換層と、
   前記光電変換層上に形成され、正孔の注入を阻止するＮ型の注入阻止層と、
   前記注入阻止層上に形成された導電層と、
   を有し、
   リフレッシュモードでは、前記ＭＩＳ型光電変換素子に対して、正孔を前記光電変換層から前記導電層に導く方向に電界を与え、
   光電変換モードでは、前記ＭＩＳ型光電変換素子に対して、前記光電変換層に入射した放射線により発生した正孔を当該光電変換層に留まらせて電子を前記導電層に導く方向に電界を与え、
   前記読み出し用回路部は、前記光電変換モードにおいて前記光電変換層に蓄積された正孔及び前記導電層に導かれた電子のいずれか一方の量を光信号として検出することを特徴とする請求項４又は５に記載の放射線撮像装置。
7. 前記読み出し用回路部は、
   前記光電変換回路部からの出力信号を増幅する増幅手段と、
   前記増幅手段によって増幅された出力信号を一時的に蓄積する蓄積手段と、
   前記蓄積手段によって蓄積された出力信号をシリアル変換するシリアル変換手段と、
   を有することを特徴する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
8. 前記光電変換素子、前記第１の電界効果トランジスタ、前記第２の電界効果トランジスタ及び前記第３の電界効果トランジスタの主材料として、アモルファスシリコン半導体が用いられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
9. 照射された放射線の波長を変換する波長変換体を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の放射線撮像装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の放射線撮像装置と、
    前記光電変換回路部に向けて被写体を介して放射線を発生させる放射線発生手段と、
    を有することを特徴とする放射線撮像システム。

Images