JP4565044B2 - 撮像装置および撮像システム - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

上記の課題を解決するために、本発明は、基板上にセンサ素子が２次元に配されたエリアセンサと、リセット動作可能なアンプを有して前記センサ素子からの信号を出力する読み出し装置と、前記センサ素子及び前記読み出し装置の少なくとも一方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、前記センサ素子にバイアス電圧を印加するためのバイアス電位及び前記アンプのリセット電位の少なくとも一方を含み、前記センサ素子及び前記読み出し装置の少なくとも一方と前記電源回路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ことを特徴とする。

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を防止することができる。

本発明の実施形態１の基準電源回路の回路図である。 本発明の実施形態２の基準電源回路の回路図である。 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。 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。 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。 人間の視覚のＭＴＦ特性を示すグラフである。 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。 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。 一般的な撮像装置の等価回路図である。 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。 従来例の基準電源回路の等価回路図である。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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 (16)

1. 基板上にセンサ素子が２次元に配されたエリアセンサと、リセット動作可能なアンプを有して前記センサ素子からの信号を出力する読み出し装置と、前記センサ素子及び前記読み出し装置の少なくとも一方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、前記センサ素子にバイアス電圧を印加するためのバイアス電位及び前記アンプのリセット電位の少なくとも一方を含み、前記センサ素子及び前記読み出し装置の少なくとも一方と前記電源回路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ことを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、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する撮像装置。
3. 請求項１又は２に記載の撮像装置において、前記低域通過フィルタ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。
4. 請求項１又は２に記載の撮像装置において、前記低域通過フィルタ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。
5. 請求項１又は２に記載の撮像装置において、前記低域通過フィルタのカットオフ周波数は、前記エリアセンサに接続され前記読み出し装置に含まれる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。
6. 請求項４に記載の撮像装置において、前記低域通過フィルタ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。
7. 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の出力側には、アンプが設けられ、前記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。
8. 請求項１に記載の撮像装置において、前記エリアセンサは、前記センサ素子である光電変換素子とスイッチ素子であるＴＦＴとからなる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のドレイン電極、前記ＴＦＴのゲート電極と共通ゲートライン、前記ＴＦＴのソース電極と共通データラインがそれぞれ接続され、さらに前記共通データラインが前記読み出し装置に、前記共通ゲートラインが駆動装置に接続され、マトリクス動作を行う撮像装置。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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し、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。
14. 請求項１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低域通過フィルタは結晶基板上に形成されてなる撮像装置。
15. 請求項１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、前記画像処理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。
16. 請求項１５に記載の撮像システムにおいて、更に放射線を前記センサ素子の感度領域の波長に変換するための波長変換体を有する撮像システム。

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