JP4564702B2 - 撮像装置および撮像システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レントゲンなどの撮像装置、特にエリアセンサ駆動のための基準電位を供給する基準電源回路を備えた撮像装置および撮像システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
以下、従来例について図面を用いて説明する。図9は従来例の等価回路図であり、図10はその駆動タイミングおよびその出力を示す図である。図9に示すように、本従来例は検出素子としてのフォトダイオードと、フォトダイオードのスイッチング素子としてのTFTとからなる画素p1.1〜3.3が二次元に配列され、マトリクス駆動によって駆動されるエリアセンサと、エリアセンサのTFTを駆動するゲート駆動装置2と、駆動されたTFTによって出力された信号が転送される読み出し装置1と、エリアセンサおよび各装置の駆動等のための基準電位を与える基準電源回路4と、を備える。
【0003】
各画素のTFTのゲート電極は共通ゲートラインVg1〜Vg3に接続されており、共通ゲートラインは、図示しないシフトレジスタなどで構成されるゲート駆動装置2に接続される。各TFTのソース電極は共通データラインsig1〜sig3に接続され、アンプ、サンプルホールド、アナログマルチプレクサなどで構成される読み出し装置1に接続される。
【0004】
本従来例において基準電源回路4は以下の基準電位を供給している。
・センサバイアス電位(Vs)
・サンプルホールド基準電位(VREF1)
・アンプリセット電位(VREF2)
・TFTオン電位(Von)
・TFTオフ電位(Voff)
このうちセンサバイアス電位(Vs)は基準電源回路4からエリアセンサに直接供給される。サンプルホールド基準電位(VREF1)は読み出し装置1のサンプルホールド回路に、アンプリセット電位(VREF2)は読み出し装置1のアンプに供給される。TFTオン電位(Von)とオフ電位(Voff)はゲート駆動装置2を介してエリアセンサに供給される。
【0005】
次いで、動作について図10(a)のタイミング図を用いて説明する。1行の読み出しについて説明する。図10(a)において、RESは読み出し装置1のアンプのリセット信号を、Vg1〜3は各共通ゲートラインへのゲートパルスのタイミングを、SMPLは読み出し装置1のサンプルホールドのサンプリングタイミングを、CLKは読み出し装置1のアナログマルチプレクサからのアナログ同期信号をそれぞれ示す。
【0006】
アンプのリセットが行われ、次にTFTがオン(Vg1)されることにより、p1.1〜p3.1のフォトダイオードの信号電荷が読み出し装置のアンプに転送され、サンプルホールド回路(SMPL)でサンプリングされ、アナログマルチプレクサからアナログ出力として、CLKに同期して出力される。図10(b)はその出力を示す図である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、従来の撮像装置は基準電源回路を備え、センサ、ゲート駆動装置および読み出し装置等に基準電位を供給している。図11は従来の撮像装置の基準電源回路の一例を示す回路図である。センサバイアスVs、TFTオフ電位Voff、TFTオン電位Von、アンプリセット電位VREF2の各基準電位をレギュレートする素子が3端子レギュレータ(たとえばテキサスインスツルメント製TL317など)102(a)〜102(d)で構成される。
【0008】
しかしながら、シリーズレギュレータICなどの電源回路は、半導体のフリッカノイズや熱雑音に起因するランダムノイズ成分を持つ。たとえば、基準電源回路にアナログ・デバイセズのシリーズレギュレータICであるAD780を用いると、ランダムノイズ成分は約100nV/√Hzである。
【0009】
従来の撮像装置では、このような基準電源回路のランダムノイズ成分が画像のラインノイズの原因となることがあった。図9のアンプリセット電位VREF2、サンプルホールド基準電位VREF1、TFTのオフ電位Voff、センサバイアス電位Vsを変動させた場合、図10(b)の「実際のアナログ信号」に示すようなラインノイズを生じる場合があった。図10(b)の「理想的なアナログ出力」と「実際のアナログ信号」の差がラインノイズである。このようなラインノイズは、エリアセンサで読み出された信号を画像として再現する場合にスジ状に現れ、画像の品位を低下させる場合があった。
【0010】
特に、基準電位のノイズ成分のうち高周波成分が、SMPL信号によるサンプリングによりビート状のラインノイズとなって画質を劣化させる影響が大きいと考えられる。X線撮像装置など、高い精度での画像データの取得が必要とされる場合、これらのラインノイズの発生は特に問題となることがあった。
【0011】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、基準電位を供給する電源回路で発生したランダムノイズ成分によるラインノイズの発生が防止された撮像装置および撮像システムを提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、基板上に検出素子とスイッチング素子とを含む画素が二次元に複数配され、一方向に配された複数の前記スイッチング素子のゲートが複数のゲートラインの一つに共通に接続され、前記一方向と異なる他方向に配された複数の前記スイッチング素子のソース又はドレインが複数のデータラインの一つに共通に接続されたエリアセンサと、前記複数のゲートラインに接続されて前記スイッチング素子を駆動する駆動装置と、一方向に配された複数の前記検出素子からの信号をアナログ出力するために、前記複数のデータラインに接続されたリセット動作可能な複数のアンプと、前記複数のアンプの出力をサンプリングする複数のサンプルホールド回路と、を含む読み出し装置と、前記複数のアンプに共通に基準電位を供給する電源回路と、を有し、前記基準電位は、前記電源回路と前記複数のアンプとの間に設けられた低域通過フィルタ回路を透過して前記電源回路から前記複数のアンプに共通に前記アンプのリセット電位として供給されることを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【0015】
(実施形態1)
図1は本実施形態の基準電源回路の模式的等価回路図である。なお、本実施形態の駆動タイミング等は従来例と同様のものを用いることができる。
【0016】
本実施形態では、レギュレータIC102(a)〜102(d)の出力に低域通過フィルタ(LPF)回路103が付加されている。レギュレータIC102(a)〜102(d)にはDC/DCコンバータ(例えば図9のDC/DCコンバータ)やDC電源等からのDC出力101が出力される。レギュレータICのランダムノイズは画像にラインノイズとして現れ、画質を劣化させることがある。特に、高周波のノイズ成分の影響が大きい。これはレギュレータの熱雑音の実効値がノイズ密度N(V/√Hz)と帯域B(√Hz)の積で決まるためである。
【0017】
すなわち、レギュレータのノイズ実効値を低減し、ラインノイズを低下させるためには、本実施形態のようにレギュレータ出力に低域通過フィルタ(LPF)回路を設けることが有効である。この際、LPFのカットオフ周波数は各基準電位に要求される応答時間に応じて決定されることが望ましい。
【0018】
ここで言う「各基準電位に要求される応答時間」の例として以下が挙げられる。
・基準電源回路にDC/DCコンバーターなどからの電源が供給されてから、各基準電位の電圧レベルが一定に落ち着くまでの時間。
・あるいはDC/DCコンバーターなどから電源が供給されてから、画像取得可能になるまでの時間。
・画像取得の間隔、すなわちフレームレート(特に図示しない制御回路などで、センサバイアス電位Vsなどの電位を変化させる場合)あるいはLPFのカットオフ周波数がSMPL信号の周期で決まるサンプリング周波数よりも低い周波数であることが望ましい。具体的には、LPFのカットオフ周波数は、フレームレートの3〜10倍に設定すると、ラインノイズに対して有効である。静止画撮影(例えば、2frames/sec程度)の場合には、fc(カットオフ周波数)=6〜20Hz、が好適である。また、動画などフレーム数が大きくなった場合、例えば、30frames/sec、の場合には、fc=90〜300Hzが好適である。
【0019】
撮像装置のラインノイズは、画素のランダムノイズの1/10以下であれば視覚的に認識し難いことが実験の結果から得られている。したがって、各基準電位のノイズ実効値を画素のランダムノイズ実効値の1/10以下となるようにLPFのカットオフ周波数を決定することが望ましい。
【0020】
本実施形態ではセンサバイアスVs、TFTオフVoff、TFTオンVon、アンプリセットVREF2の各基準電位に対し、LPFを設けているが、このうち一部の基準電位に設けるか、他の基準電位に対してLPFを設けても良い。
また各LPFのカットオフ周波数は同じでも良いし、異なるようにしても良い。
以下でLPFを設けることによる効果について説明する。
【0021】
人間の視覚特性は空間周波数に対してバンドパス特性であることは良く知られている。即ち、図6に示すように、明視の距離25cmにおいて約1ラインペア/mmの空間周波数に視覚のピークを持ち、それより低周波数及び高周波数の領域は見え難い特性を持っている。そして、DC即ち0ラインペア/mmの空間周波数では視覚特性はほぼ0となって、殆ど見えない。
【0022】
画像のラインノイズは観察者に見えてはならないので、人間の視覚特性にあった特性を持っていることが望ましい。ラインノイズの制限を考えると、人間の視覚特性のピークに当る空間周波数が最も厳しい。
【0023】
それより低い空間周波数は視覚特性が低下するので、制限を緩くすることが可能である。即ち、人間の視覚特性をラインノイズの見えの制限とすることが出来るので、図7に示すようにラインノイズの制限特性は視覚特性の逆特性となり、DC即ち0ラインペア/mmの空間周波数で無限大で視覚のピーク周波数でミニマムのローパス特性となる。
【0024】
電気的な時間周波数はセンサでラインごとにサンプルホールドされ後に画像として再構成される、すなわち画像の空間周波数に一対一で対応する。従って、電気的にローパスフィルタを入れると、画像においても空間的にローパスフィルタを入れたことになり、上記効果が達成できる。
【0025】
(実施形態2)
図2は本実施形態の基準電源回路の模式的回路図である。なお、本実施形態の等価回路図および駆動タイミング等は従来例と同様である。
【0026】
本実施形態で留意すべき点は、実施形態1のLPFの出力にさらにアンプが設けられていることである。基準電位を低インピーダンスで供給する必要がある場合は、この方法が有効である。
【0027】
ただし、本実施形態の構成とする場合はLPF出力に接続するアンプの選択に留意する必要がある。ラインノイズを低減するために3.3nV/√Hz以下のノイズ密度のアンプを選択することが望ましい(特に周波数100Hz〜100kHzの領域で選択することが望ましい。)。更に詳細に述べると、X線撮像装置に用いられるエリアセンサのランダムノイズは通常数百μVrms程度である。上述したようにラインノイズをランダムノイズの1/10以下に抑えることが好ましいので、ラインノイズは数十μVrms以下であることが必要である。したがって、LPF回路によるラインノイズへの寄与とAmpによるラインノイズへの寄与を重畳したものが、数十μVrms以下となるのが好ましい。たとえば、アンプによるラインノイズへの寄与を1μVrms以下と設定し、上述したように周波数100Hz〜100kHzとすると、アンプのノイズ密度はNnV/√Hz×√100kHz<1μVrmsとなり、式変形をするとN<3.3nV/√Hzとなる。
【0028】
(実施形態3)
図3は上記の実施形態の撮像システムへの応用例である。本実施形態では、X線画像を撮影するX線撮像システムとし、上記の実施形態は、X線撮像装置6040として利用されている。X線発生源としての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の胸部などの観察部分6062を透過し、X線撮像装置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X線撮像装置6040は電気的情報を得る。この情報はデジタルに変換され、画像処理手段としてのイメージプロセッサ6070により画像処理され制御室(コントロールルーム)にある表示手段としてのディスプレイ6080で観察可能となる。
【0029】
また、この情報は電話回線や無線6090等の伝送手段により遠隔地などへ転送でき、別の場所のドクタールームなどでディスプレイ6081に表示もしくはフィルムなどの出力により遠隔地の医師が診断することも可能である。得られた情報はフィルムプロセッサなどの記録手段6100により光ディスク、光磁気ディスク、磁気ディスクなどの各種記録材料を用いた記録媒体、フィルムや紙などの記録媒体6110に記録や保存することもできる。
【0030】
医療診断用や内部検査用のような非破壊検査に用いられる撮像システムの撮像装置は高精度で画像を読み取ることが必要である。実施形態1および2はラインノイズの影響を低減しているため、このような応用に好適である。
【0031】
図4は本実施形態のX線撮像装置の1画素における断面図である。図4は、入射のX線を光に変換し、その光を検出する例を示しているが、図5に示すようにX線を直接検出するものも使用可能である。
【0032】
フォトダイオード等の光検出素子401とTFT等のスイッチング素子402とで1画素を構成し、これらはたとえばガラス基板403上にマトリクス状に形成されている。画素上には保護層404を介して入射したX線を光に変換するための蛍光体層405が設けられている。フォトダイオードとTFTはアモルファスシリコンやポリシリコンを材料にすることが好ましく、蛍光体はヨウ化セシウムやガドリニウム系の材料を用いるのが好ましい。また光検出素子として、MIS型素子(Metal−Insulator−Semiconductor)素子を用い、スイッチ素子にTFTを用いることにより、同一のプロセスで両者を作成することができ、簡易なプロセスで作成することができるため好ましい。またこの構成の場合には、光検出素子に印加するバイアスを少なくとも2種類用意し、一方を読み出し用のバイアスVs、他方をリフレッシュ(素子内にたまったキャリアを吐き出す)用のバイアスVrefと二系統用意することが好ましい。具体的には、図8に示すように、DC/DC出力用電源501、レギュレータ502、第1のLPF回路503、読み出し用バイアス端子504、リフレッシュ用バイアス端子505、マルチプレクサ506、Amp507、第2のLPF回路508から成る。図示したように、Vs,VrefそれぞれにLPF回路が入り、マルチプレクサで切り替えられた後、再びAmp507で増幅される。マルチプレクサ506の前段、後段に設けられた第1のLPF回路、第2のLPF回路のカットオフ周波数は同程度の用いるのが好ましい。これは、どちらかの周波数を相対的に低く設定すると、低いほうのカットオフ周波数が支配的になってしまうからである。
【0033】
本実施形態のように、光検出素子に印加するバイアスを切り替えて使用する場合には、VsからVrefへの応答時間はフレームレートに影響しないことが必要となる。例えば、フレームレートを静止画撮影の場合のフレームレートに設定した場合には(例えば2frames/sec)程度にした場合には、fc=20〜2000Hzに設定するのが好ましい。
【0034】
図5は別の実施形態のX線撮像装置の1画素における断面図である。ガラス基板601上に、TFT等のスイッチ素子602、信号電荷を蓄積する容量603で形成された駆動用の基板と、下電極605、X線などの放射線を直接電荷に変換するための変換層606、上電極607を有する放射線変換部(センサ素子部)とを接続用バンプ604で電気的に接続された構成となっている。このような形態においては、下電極605が画素ごとに分割され、2次元状に配された構成となる。この例では画素はX線を直接電荷に変換する半導体材料と、それに接続された蓄積容量およびTFT等で構成されている。図4の例と同様にTFTはアモルファスシリコンやポリシリコンを材料にすることが好ましい。さらにX線−電子変換層の材料はガリウム砒素、ガリウムリン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、アモルファスセレン、CdZn、CdZnTeなどを用いることができる。
【0035】
本実施形態のように、エリアセンサ部を絶縁性基板上に作成し、読み出し回路、LPF回路等は通常の結晶シリコンから構成すれば、検出した信号を処理するのに要する時間を短縮することが可能となり、また、センサ部(駆動回路基板)が絶縁性基板であるために、特に放射線撮像装置として用いた場合には、ノイズを低減させることができるため好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1の基準電源回路の回路図である。
【図2】本発明の実施形態2の基準電源回路の回路図である。
【図3】実施形態1または2を撮像システムに応用した例の構成図である。
【図4】実施形態3で使用されるX線撮像装置の1画素領域における断面図である。
【図5】実施形態3で使用されるX線撮像装置の1画素領域における断面図である。
【図6】人間の視覚のMTF特性を示すグラフである。
【図7】視覚特性から得られたラインノイズの制限特性を示すグラフである。
【図8】光検出素子としてMIS型素子素子、スイッチ素子としてTFTを用いた場合の基準電源回路の回路図である。
【図9】一般的な撮像装置の等価回路図である。
【図10】一般的な撮像装置の駆動を示すタイミング図とその出力を示すグラフである。
【図11】従来例の基準電源回路の等価回路図である。
【符号の説明】
1 読み出し回路
2 ゲート駆動回路
4 基準電源回路
101 DC/DC出力電源
102 3端子レギュレータ
103 低域通過フィルタ回路(LPF回路)
Claims (17)
- 基板上に検出素子とスイッチング素子とを含む画素が二次元に複数配され、一方向に配された複数の前記スイッチング素子のゲートが複数のゲートラインの一つに共通に接続され、前記一方向と異なる他方向に配された複数の前記スイッチング素子のソース又はドレインが複数のデータラインの一つに共通に接続されたエリアセンサと、
前記複数のゲートラインに接続されて前記スイッチング素子を駆動する駆動装置と、
一方向に配された複数の前記検出素子からの信号をアナログ出力するために、前記複数のデータラインに接続されたリセット動作可能な複数のアンプと、前記複数のアンプの出力をサンプリングする複数のサンプルホールド回路と、を含む読み出し装置と、
前記複数のアンプに共通に基準電位を供給する電源回路と、
を有し、
前記基準電位は、前記電源回路と前記複数のアンプとの間に設けられた低域通過フィルタ回路を透過して前記電源回路から前記複数のアンプに共通に前記アンプのリセット電位として供給されることを特徴とする撮像装置。 - 請求項1に記載の撮像装置において、前記低域通過フィルタ回路のカットオフ周波数は、前記基準電位の変動によって生じるラインノイズのノイズ実効値が前記エリアセンサで発生するランダムノイズのノイズ実効値の1/10以下となるように決定される撮像装置。
- 請求項2に記載の撮像装置において、前記読み出し装置は、前記複数のサンプルホールド回路の出力をアナログ出力として出力するアナログマルチプレクサを更に有し、前記電源回路は、前記基準電位をレギュレートするレギュレータを有し、前記低域通過フィルタ回路のカットオフ周波数は、前記低域通過フィルタ回路を透過した基準電位のノイズ実効値が、前記エリアセンサで発生するランダムノイズ実効値の1/10以下となるように決定される撮像装置。
- 請求項1から3のいずれか1項に記載の撮像装置において、前記低域通過フィルタ回路のカットオフ周波数は、前記基準電位に要求される応答時間に応じて決定される撮像装置。
- 請求項1から3のいずれか1項に記載の撮像装置において、前記低域通過フィルタ回路のカットオフ周波数は、前記サンプルホールド回路のサンプリング周波数より低い撮像装置。
- 請求項5に記載の撮像装置において、前記低域通過フィルタ回路のカットオフ周波数は、前記撮像装置のフレームレートの3〜10倍である撮像装置。
- 請求項1から6のいずれか1項に記載の撮像装置において、前記低域通過フィルタ回路の出力側に設けられたアンプのノイズ密度は、3.3nV/√Hz以下であることを特徴とする撮像装置。
- 請求項1から7のいずれか1項に記載の撮像装置において、前記エリアセンサは、前記検出素子である光電変換素子と前記スイッチング素子であるTFTとからなる前記画素を二次元に配列しており、前記光電変換素子と前記TFTのドレイン又はソースが、前記TFTのゲートと前記ゲートラインが、前記TFTのソース又はドレインと前記データラインが、それぞれ接続され、さらに前記データラインが前記読み出し装置に、前記ゲートラインが前記駆動装置に接続され、マトリクス動作を行う撮像装置。
- 請求項8に記載の撮像装置において、前記駆動装置には、前記電源回路からTFTのオン電位とTFTのオフ電位が供給されており、前記オン電位及び前記オフ電位は、前記電源回路と前記駆動装置との間に設けられた低域通過フィルタを透過して前記電源回路から供給される撮像装置。
- 請求項8に記載の撮像装置において、前記エリアセンサには、前記電源回路から前記光電変換素子にバイアス電圧を印加するためのバイアス電位が供給されており、前記バイアス電位は、前記電源回路と前記光電変換素子との間に設けられた低域通過フィルタを透過して前記電源回路から供給される撮像装置。
- 請求項8に記載の撮像装置において、前記光電変換素子およびTFTはアモルファスシリコンまたはポリシリコンを材料としている撮像装置。
- 請求項8に記載の撮像装置において、前記光電変換素子はフォトダイオードあるいはMIS型センサである撮像装置。
- 請求項8に記載の撮像装置において、前記エリアセンサはさらに蛍光体を有するX線エリアセンサである撮像装置。
- 請求項8に記載の撮像装置において、前記エリアセンサの光電変換素子は半導体層に入射したX線を直接電荷に変換して読み出す撮像装置。
- 請求項14に記載の撮像装置において、前記光電変換素子は半導体層の材料としてガリウム砒素、ガリウムリン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、アモルファスセレン、CdZn、CdZnTeを材料としている撮像装置。
- 請求項1から15のいずれか1項に記載の撮像装置において、前記基板は絶縁性基板であり、前記電源回路および前記低域通過フィルタ回路は結晶基板上に形成されてなる撮像装置。
- 請求項1から16のいずれか1項に記載の撮像装置と、該撮像装置からの信号を画像として処理する画像処理手段と、該画像処理手段からの信号を記録する記録手段と、該画像処理手段からの信号を表示するための表示手段と、該画像処理手段からの信号を伝送するための伝送手段と、を有することを特徴とする撮像システム。
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