JP4599001B2

JP4599001B2 - 画像撮影装置および放射線撮像システム

Info

Publication number: JP4599001B2
Application number: JP2001230401A
Authority: JP
Inventors: 登志男亀島
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2021-07-30
Also published as: JP2003046877A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は画像撮影装置および放射線撮像システムに関するものである。詳しくはマトリクス駆動を行うエリアセンサと、基準電位を供給して動作させる読み出し装置とを有する画像撮影装置および放射線撮像システムに関するものである。さらには単電源で駆動する画像撮影装置であって、読み出し装置に供給する基準電位を低インピーダンスで供給する、あるいは複数のブロックに分割して基準電位を供給することを特徴とし、クロストークを低減し良好な画像の取得を可能とする画像撮影装置および放射線撮像システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来技術について図を用いて説明する。
【０００３】
図８は従来の画像撮影装置の模式的回路図であり、図９は従来の画像撮影装置の動作タイミング図である。
【０００４】
図８に示すように、従来の画像撮影装置はフォトダイオードＰＤと薄膜トランジスタＴからなる画素（フォトダイオードＰＤｘと薄膜トランジスタＴｘからなる画素を画素Ｍｘとする（ｘは１以上の自然数；ここではｘ＝１〜９）。例えばフォトダイオードＰＤ１と薄膜トランジスタＴ１とで画素Ｍ１を構成する。）を二次元に配列しマトリクス駆動を行うエリアセンサ１と、エリアセンサ１からの信号を読み出す読み出し装置３と、エリアセンサ１の薄膜トランジスタＴのゲートを駆動するゲート駆動装置２を有している。エリアセンサの各画素の薄膜トランジスタのゲート電極は共通ゲートラインVg1〜VgN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。一方各薄膜トランジスタＴのソース電極は共通データラインsig1〜sigMに接続され、容量Ｃｆが入出力端子間に設けられたプリアンプ、スイッチと容量で構成されるサンプルホールド回路、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３に接続される。
【０００５】
ここで従来の画像撮影装置においては単電源駆動が行われており、読み出し装置３にプリアンプのリセット電位となる正の基準電位Vrefが供給されている。また基準電位Vrefは、エリアセンサ１のフォトダイオードのカソード側に供給されるセンサバイアスVsを抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２により抵抗分圧することにより作られ、かつ読み出し装置３の各チャンネルのプリアンプに対し共通に供給されている。つまり、単一電源により、基準電位VrefとセンサバイアスVsとが与えられる。
【０００６】
さらに上記画像撮影装置の動作について図９のタイミングを用いて説明する。図中、RESは読み出し装置３のプリアンプのリセットを、Vg1〜Vg 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３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３内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。始めに信号RESがハイレベルとなって、アンプの入出力間がスイッチにより短絡されてアンプのリセットが行われ、次にエリアセンサ１の第１行目の共通ゲートラインに接続される各画素の薄膜トランジスタのゲートに印加されるゲートパルス（Vg1）をハイレベルとすることにより、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ３の信号電荷が読み出し装置３のアンプに転送され、サンプルホールド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。図中Ｓ１〜Ｓ９は図８の各画素Ｍ１〜Ｍ９の出力に対応したアナログ出力である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の画像撮影装置は単電源駆動を行っている。単電源駆動の場合、プリアンプのダイナミックレンジの関係で、読み出し装置３に正の基準電位Vrefを供給する必要がある。図８では抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２による抵抗分圧によりリセット電位Vrefを作成し、読み出し装置３へ供給している。
【０００８】
ここで、画像撮影装置の読み出し装置３はプリアンプの入力と出力の間にＣｐで示される寄生容量を有する場合がある。この寄生容量Ｃｐにより、従来の画像撮影装置ではクロストークという画像の劣化が生じる場合があった。
【０００９】
寄生容量Ｃｐによるクロストークについて、図１０を用いて説明する。図１０の（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ以下の波形を示す。
【００１０】
（ａ）．アナログ同期クロック（CLK）
（ｂ）．画素Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３に入力（光）が入射した場合のアナログ出力
（ｃ）．画素Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３に入力（光）が入射しない場合のアナログ出力
（ｄ）．画素Ｍ１，Ｍ２に入力（光）が入射し、画素Ｍ３には入射しない場合のアナログ出力
（ｅ）．画素Ｍ１に入力（光）が入射し、画素Ｍ２，Ｍ３には入射しない場合のアナログ出力
図１０の（ｄ）、（ｅ）、例えば、図１０の（ｄ）では画素Ｍ１，Ｍ２の出力が寄生容量Ｃｐを介して読み出し装置３の基準電位Vrefを変動させ、結果として画素Ｍ３の出力にクロストークが現れている。このように従来の画像撮影装置は基準電位Vrefを共通にアンプに供給し、かつ抵抗Ｒ１、Ｒ２のインピーダンスを介して供給しているため、寄生容量Ｃｐの影響で基準電位Vrefが変動を受けクロストークを生じる場合があった。またこのクロストークが画像の正確な再現の妨げとなる場合があった。
【００１１】
特にＸ線画像撮影装置への応用など、高い精度での画像データ再現が必要とされる場合、これらのクロストークが大きな問題となる場合があった。
【００１２】
すなわち従来の画像撮影装置は、基準電位を共通かつインピーダンスを介して供給するためクロストークを生じ、画質を劣化させる場合があるという課題を有していた。
【００１３】
さらに従来の画像撮影装置は、このクロストークにより高画質の撮影システムの構築が困難であるといる課題を有していた。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の画像撮影装置は、入射する放射線又は光を電気信号に変換するために複数の画素が二次元に配列されたエリアセンサと、
複数のデータラインを介して前記エリアセンサから前記電気信号の読み出しを行うために、複数の前記データラインのひとつに接続された入力端子と、基準電位が与えられる基準電位入力端子と、出力端子とを有するプリアンプを、複数の前記データラインに対応して複数有して、複数のブロックに分割された読み出し手段と、
複数の前記ブロックのそれぞれに対し独立した前記基準電位をそれぞれ与える複数の電源と、
を有する画像撮影装置において、
前記プリアンプの出力の最大振幅をΔV、前記出力端子と前記基準電位入力端子との間の寄生容量をCp、ひとつの前記ブロックに含まれる前記データラインの数をN、前記電源の出力電流をImax、前記複数の画素の１行の前記読み出しに必要な時間をTlとしたとき、以下の関係
ΔV・Cp・N ≦ Imax・Tl
を満たすことを特徴とする画像撮影装置である。
【００１５】
本発明においては、単電源で駆動され、エリアセンサと、基準電位を供給して動作する読み出し手段とを有し、基準電位をオペアンプなどを用い低インピーダンスで供給可能な構成であることが望ましい。あるいは読み出し手段を複数のブロックに分割し、それぞれのブロックに対して個別に基準電位を供給可能な構成であることが望ましい。
【００１６】
また、読み出し手段を複数のブロックに分割し、それぞれのブロックに対して個別にかつ低インピーダンスで基準電位を供給可能な構成とすることは、より望ましい。
【００１７】
また分割するブロックの単位は、基準電位を供給するオペアンプなどの電流供給能力で定めることが望ましく、各チャンネル、各IC、各パネル単位などが選択可能である。
【００１８】
またその際のアンプは低ノイズタイプが選択されることがより望ましい。
【００１９】
なお、放射線とはＸ線やα，β，γ線等をいい、光は光電変換素子により検出可能な波長領域の電磁波であり、赤外光，可視光を含む。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図を用いて詳しく説明する。
【００２１】
＜第１の実施例＞
図１は本発明の画像撮影装置の第１実施例の模式的回路図である。図２は本実施例のアナログ出力の説明図である。なお、図１において、図８に示す構成部材と同一構成部材については同一符号を付して説明を省略する。また図８と比べてエリアセンサ１の領域の図示も省略している。エリアセンサの画素構成はフォトダイオードと薄膜トランジスタからなる画素に限られ、必要に応じてフォトダイオードからの電荷を蓄積する容量や、該電荷に基づき増幅して信号を出力するアンプ、画素をリセットするためのリセット手段等を画素に設けてもよい。
【００２２】
図８の従来例の構成と比較して、本実施例では読み出し装置３の各プリアンプに供給される基準電位Vrefを与える電源が、エリアセンサにバイアス電位Ｖｓを与える電源とは独立に設けられており、かつインピーダンスを経ないでプリアンプの一方の入力端子に接続されていることである。このような構成により、図８の従来例の構成とは異なり、寄生容量Ｃｐがあってもプリアンプの出力により基準電位Vrefが変動することがない。すなわち、図２の（ｄ）に示す、画素Ｍ１，Ｍ２に入力（光）が入射し、画素Ｍ３には入射しない場合のアナログ出力、図２の（ｅ）に示す、画素Ｍ１に入力（光）が入射し、画素Ｍ２，Ｍ３には入射しない場合のアナログ出力のように、クロストークのない、又は低減された画像を取得することができる。
【００２３】
＜第２の実施例＞
図３は本発明の画像撮影装置の第２実施例の模式的回路図である。図１に示す第１実施例の構成との差異は基準電位VrefをオペアンプＡｍで供給している点である。動作および効果については図２に示す第1実施例と同じである。すなわち、基準電位Vrefは出力インピーダンスが十分低いボルテージホロア回路としてのオペアンプＡｍｐの出力としてアンプに供給されているので、寄生容量Ｃｐの影響で基準電位Vrefが変動することはなく、又はその変動は低減されるので、クロストークのない、又は低減された画像を取得することができる。ここで用いるオペアンプはノイズ密度が3.0nV/√Hz以下（特に100Hz〜100kHzの周波数領域において）であることが望ましい。これは画像撮影装置のノイズを低減するためである。
【００２４】
＜第３の実施例＞
図４は本発明の画像撮影装置の第３実施例の模式的回路図である。第１、２実施例との差異は読み出し装置３を各チャンネル毎（プリアンプ毎）に分割し、それぞれに対して独立したオペアンプＡｍ１〜Ａｍ３で基準電位Vref1〜Vref3を供給している点である。効果については図２に示す第１実施例と同じである。第２の実施例と同様に、この際用いるオペアンプのノイズ密度は3.0nV/√Hz以下であることが望ましい。
【００２５】
図４では読み出し装置をチャンネル毎に分割し、それぞれに対して基準電位を個別に供給しているが、分割のパターンはいくつか考えられる。
【００２６】
たとえばアンプIC単位、パネル単位などとしても良い。
【００２７】
パネル単位はセンサモジュール単位を意味する。センサモジュールの定義については以下に記す。
【００２８】
分割の方法についてまず図１１を用いて説明する。図１１において、読み出し装置は結晶シリコンの２つの集積回路（アンプIC）で構成されている。各集積回路はデータラインに接続されたプリアンプなどで構成されている。本実施例では読み出し装置が結晶シリコンを材料とする複数の集積回路で構成され、かつそれぞれの集積回路に対応するオペアンプなどで基準電位を供給している。
【００２９】
さらに分割方法の別の例について図１２及び図１３を用いて説明する。図１２はエリアセンサ、集積回路（アンプIC）、ドライブIC、プリント基板Aおよびプリント基板Dにより構成されるセンサモジュールの模式図である。本実施例ではこのセンサモジュールを図１３に示すように複数枚（ここでは4枚）貼り合わせて受光部を拡大している。このような構成はＸ線撮影装置などに用いられる場合がある。本実施例では各センサモジュールに対応する図示しないオペアンプなどで基準電位が供給される。すなわち本実施例ではセンサモジュールを複数枚貼り合わせる構成において、各センサモジュールに対応するオペアンプなどで基準電位を供給している。
【００３０】
さらに読み出し装置を複数のブロックに分割し、それぞれのブロックに独立した電源で基準電位を供給する際には、以下の関係を満たしていることが望ましい。
【００３１】
すなわち、プリアンプの出力の最大振幅をΔV、プリアンプの出力端子と基準電位入力端子間の寄生容量をCp、ひとつのブロックに含まれるデータライン数（チャンネル数）をN、基準電位を供給する各電源の出力電流をImax、1ラインの読み出しに必要な時間をTl、としたとき、これらの間に以下の関係式が成り立つことが望ましい。
【００３２】
ΔV・Cp・N ≦ Imax・Tl
このような関係を成り立たせることによりブロック内で発生するクロストークを防ぐことができ、ブロック間の段差などが生じないようにすることができる。
【００３３】
＜第４の実施例＞
図５は本発明の画像撮影装置を用いたＸ線撮像システムへの応用例である。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、第１〜第３の実施例で説明した画像撮影装置たる光電変換装置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画像撮影装置は電気的情報を得る。この情報はデジタルに変換され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）のディスプレイ６０８０で観察できる。
【００３４】
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。
【００３５】
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ているＸ線撮像システムに用いられる画像撮影装置は高精度で画像を読み取ることが必要である。本発明の画像撮影装置はラインノイズの影響を低減しているため、このような応用例に好適である。
【００３６】
図６は本実施例の画像撮影装置の画素の一例の断面図である。画素はガラス基板１０上にフォトダイオード１１と薄膜トランジスタ（TFT）１２で構成されている。また画素上には保護層１４を介して入射したＸ線を可視光に変換するための蛍光体１３が設けられている。フォトダイオード１１と薄膜トランジスタ（TFT）１２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。
【００３７】
フォトダイオード１１はｐｉｎ型フォトダイオードあるいはＭＩＳ型センサで構成することができる。具体的な構成を示す公報としては、特開平09-266552号公報、特開2000-131444号公報などがある。
【００３８】
図７は本実施例の画像撮影装置の別の画素の例の断面図である。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（Ｘ線−電子変換層）２５と、それに接続用バンプ２３を介して接続された蓄積容量２１及び薄膜トランジスタ（TFT）２２で構成されている。Ｘ線−電子変換層２５は下電極２４と上電極２６とに挟まれている。図６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例えばガリウム砒素、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。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
・単電源駆動であっても、読み出し手段の基準電位変動に起因するクロストークを防ぐことができる。
・Ｘ線画像撮影装置のように、高い画像再現性が求められる用途であっても、クロストークの影響が小さく高画質な撮影システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の模式的回路図である。
【図２】本発明の第１実施例の動作説明図である。
【図３】本発明の第２実施例の模式的回路図である。
【図４】本発明の第３実施例の模式的回路図である。
【図５】本発明の第４実施例のシステム図である。
【図６】本発明の第４実施例の画素断面図である。
【図７】本発明の第４実施例の他の構成を示す画素断面図である。
【図８】従来例の模式的回路図である。
【図９】従来例の駆動タイミング図である。
【図１０】従来例の動作説明図である。
【図１１】分割の方法について説明する図である。
【図１２】分割方法の別の例について説明する図である。
【図１３】分割方法の別の例について説明する図である。
【符号の説明】
１エリアセンサ
２ゲートドライバ（ゲート駆動装置）
３読み出し装置

Claims

入射する放射線又は光を電気信号に変換するために複数の画素が二次元に配列されたエリアセンサと、
複数のデータラインを介して前記エリアセンサから前記電気信号の読み出しを行うために、複数の前記データラインのひとつに接続された入力端子と、基準電位が与えられる基準電位入力端子と、出力端子とを有するプリアンプを、複数の前記データラインに対応して複数有して、複数のブロックに分割された読み出し手段と、
複数の前記ブロックのそれぞれに対し独立した前記基準電位をそれぞれ与える複数の電源と、
を有する画像撮影装置において、
前記プリアンプの出力の最大振幅をΔV、前記出力端子と前記基準電位入力端子との間の寄生容量をCp、ひとつの前記ブロックに含まれる前記データラインの数をN、前記電源の出力電流をImax、前記複数の画素の１行の前記読み出しに必要な時間をTlとしたとき、以下の関係
ΔV・Cp・N ≦ Imax・Tl
を満たすことを特徴とする画像撮影装置。
前記画素は光電変換素子と薄膜トランジスタとを含み、
前記薄膜トランジスタのゲート電極とゲートラインが、前記薄膜トランジスタのソース電極と前記データラインが、それぞれ接続され、前記ゲートラインがゲート駆動手段に接続され、
前記読み出し手段及び前記ゲート駆動手段を用いてマトリクス駆動が行われることを特徴とする請求項１記載の画像撮影装置。
前記複数の電源を前記エリアセンサに電位を与える電源とは独立して設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の画像撮影装置。
前記ブロックに分割する際の分割の単位が前記データラインであることを特徴とする請求項３に記載の画像撮影装置。
前記複数の電源はオペアンプで構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の画像撮影装置。
前記読み出し手段は、結晶シリコンを材料とする複数の集積回路で構成されており、前記複数の電源のそれぞれは、各集積回路に対応して独立した基準電位を供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の画像撮影装置。
前記エリアセンサと、前記ゲート駆動手段と、前記読み出し手段とで構成されるセンサモジュールを複数貼り合わせて構成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の画像撮影装置。
前記オペアンプのノイズ密度は3.0nV/√Hz以下であることを特徴とする請求項５記載の画像撮影装置。
前記光電変換素子および前記薄膜トランジスタのうちの少なくとも一方は、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ことを特徴とする請求項２〜８のいずれか１項に記載の画像撮影装置。
前記光電変換素子はｐｉｎ型フォトダイオードあるいはＭＩＳ型センサであることを特徴とする請求項９記載の画像撮影装置。
前記エリアセンサは、入射する放射線を光に変換する蛍光体を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の画像撮影装置。
前記エリアセンサは入射した放射線を直接電荷に変換して読み出す変換素子を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の画像撮影装置。
請求項１１又は１２に記載の画像撮影装置と、
前記画像撮影装置からの信号を処理する処理手段と、
前記処理手段からの信号を記録するための記録手段と、
前記処理手段からの信号を表示するための表示手段と、
前記処理手段からの信号を伝送するための伝送手段と、を具備することを特徴とする放射線撮像システム。