JP4719350B2

JP4719350B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP4719350B2
Application number: JP2000337898A
Authority: JP
Inventors: 登志男亀島
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-11-06
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2020-11-06
Also published as: JP2002152599A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＸ線撮影装置などに用いられるエリアセンサなどの撮像装置に関するものである。詳しくは光電変換素子と薄膜トランジスタからなる画素を２次元的に配列し、マトリクス駆動を行う撮像装置において、１フレームの読み出し時間すなわちフレームレートを変化させる機能を有することを特徴とする撮像装置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。図１２は従来の撮像装置の模式的回路図である。また図１３は従来の撮像装置の動作を説明するタイミング図である。
【０００３】
図１２に示すように従来の撮像装置の各画素は光電変換素子１０１（ここではフォトダイオード）と薄膜トランジスタ１０２（ＴＦＴ；Thin Film Transistor）により構成されている。ＴＦＴ１０２のソース電極１０２−１はデータ線Ｓｉｇ（ｊ）（ｊ＝１、２、．．．、Ｍ）に、ゲート電極１０２−２はゲート線Ｖｇ（ｉ）（ｉ＝１、２、．．．、Ｎ）にそれぞれ接続されている。ＴＦＴ１０２のドレイン電極１０２−３は画素内で光電変換素子１０１と接続されている。本説明図ではデータ線は垂直方向に、ゲート線は水平方向に引き回されている。さらに各データ線は読み出し装置１に接続されている。一般的に読み出し装置１は図１２に示すように、アンプ１０３、アナログマルチプレクサ１０４などにより構成される。一方、各ゲートラインはゲート駆動装置２に接続される。一般的にゲート駆動装置２は図示しないシフトレジスタなどにより構成される。
【０００４】
次に図１３のタイミング図を用いて従来の撮像装置の動作を説明する。図１３はある１本のゲート線に接続された画素について説明するものである。ＲＥＳは図１２の読み出し装置１のアンプ１０３をリセットするタイミングを、ＴＦＴ＿ＯＮは注目するゲート線に接続されているＴＦＴ１０２をＯＮするタイミングを、ＳＭＰＬは読み出し装置１のサンプリング容量１０５へ電荷を蓄積するタイミングをそれぞれ示す。サンプリング容量１０５へ蓄積された信号電荷はアナログマルチプレクサ１０４でシリアルデータに変換され出力される。通常１フレームの読み出しに必要な時間Ｔｆは下記の式で与えられる。
【０００５】
Ｔｆ＝Ｔｌ×Ｎ
＝（Ｔａ＋Ｔｂ＋Ｔｃ）×Ｎ
ここでＴｌはゲート線１本を読み出すのに必要な時間、ＴａはＴＦＴ１０２をＯＮする前に必要な時間、ＴｂはＴＦＴをＯＮする時間、ＴｃはＴＦＴをＯＦＦした後から次のラインの読み出しを開始するまでの時間をそれぞれ示している（図１３参照）。
【０００６】
この動作を連続的に行うことにより、動画像の撮影や、透視とよばれるＸ線動画撮影が可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来の撮像装置では、駆動タイミングすなわち
Ｔｌ＝Ｔａ＋Ｔｂ＋Ｔｃ
は固定であった。
【０００８】
したがって動きが速い被写体を撮影する際、たとえば小児のように心拍数の速い被写体のＸ線透視撮影を行う場合、像がボケるといった問題点が生じる場合があった。この場合、撮影の対象としては、心臓、血管、血管のある部位（脳等）を想定している。血管、血管のある部位は撮像剤を使用することにより撮影できる。
【０００９】
また、動きが速い被写体を想定してタイミングを作成すると、読み出し装置のアンプの帯域を高く設計せざるを得ず、動きが遅い被写体を撮影する際に逆にＳ／Ｎ比が悪くなるという問題点を生じる場合があった。
【００１０】
すなわち従来の撮像装置は、駆動タイミングが固定であるために、スピードと画質の両立が困難であるという課題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による撮像装置は、光電変換素子と薄膜トランジスタからなる画素を２次元に配置したエリアセンサと、前記薄膜トランジスタのソース電極に接続されたデータ線に接続されたアンプを介してサンプルホールドで一時蓄積した画素からの信号をシリアルデータに変換して出力する読み出し装置と、前記薄膜トランジスタのゲート電極に接続され前記薄膜トランジスタを駆動するゲート駆動装置と、前記読み出し装置及び前記駆動装置の制御を行う制御手段と、を有しマトリクス駆動を行うことにより各フレームを撮像し、前記制御手段が各フレームの読み出しに必要な時間であるフレームレートを変化させる機能を有する撮像装置であって、前記読み出し装置は、前記アンプと前記サンプルホールドとの間に低域通過フィルタを有し、前記低域通過フィルタは、直列に接続された複数の抵抗と、前記複数の抵抗のうち少なくとも１つの抵抗に並列に接続されたスイッチと、を有し、前記制御手段は、前記フレームレートに応じて前記スイッチの導通と非導通を制御することにより、前記低域通過フィルタのカットオフ周波数を前記フレームレートに応じて変化させることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による撮像装置は、上記の撮像装置において、前記制御手段は少なくとも前記薄膜トランジスタをＯＮさせる時間を制御することにより、前記フレームレートを変化させることを特徴とする。
【００１３】
更に、本発明による撮像装置は、上記の撮像装置において、前記制御手段は、前記スイッチを導通させることにより前記低域通過フィルタの通過帯域を高周波とし、前記スイッチを非導通とすることにより前記低域通過フィルタの通過帯域を低周波とすることを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明による撮像装置は、上記の撮像装置において、光源を更に有し、前記制御手段が前記光源の照度、照射時間、波長のいずれかを制御することが可能であることを特徴とする。
【００１５】
更に、本発明による撮像装置は、上記の撮像装置において、Ｘ線源を更に有し、前記制御手段が前記Ｘ線源の管電圧、管電流、照射時間のいずれかを制御することが可能であることを特徴とする。
【００１６】
更に、本発明による撮像装置は、上記の撮像装置において、被写体の移動速度、年齢、心拍数のうちの少なくともいずれか１を入力する被写体情報入力手段を有し、前記制御手段は前記被写体情報入力手段の情報に基づき前記フレームレートを変化させることを特徴とする。
【００１７】
更に、本発明による撮像装置は、上記の撮像装置において、前記被写体情報入力手段は、前記被写体の移動速度、前記心拍数のうちの少なくともいずれか１を自動的に検出する手段を有することを特徴とする。
【００１８】
更に、本発明による撮像装置は、上記の撮像装置において、１フレームにおける前記薄膜トランジスタをＯＮさせる時間は、前記光電変換素子の容量と、前記薄膜トランジスタの常温におけるＯＮ抵抗で決まる時定数の３倍以上であることを特徴とする。
【００２２】
更に、本発明による撮像装置は、上記の撮像装置において、光電変換素子はアモルファスシリコン、アモルファスセレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ガリウム砒素、ガリウムリン、ＣｄＺｎ、ＣｄＺｎＴｅのいずれかを材料としていることを特徴とする。
【００２３】
更に、本発明による撮像装置は、上記の撮像装置において、Ｘ線を可視光に変換する波長変換体を更に有することを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下で本発明の実施形態について図を用いて詳しく説明する。
【００２７】
［第１の実施形態］
図１は本発明の撮像装置の第１実施形態の模式的回路図である。図２は第１実施形態の概略構成図である。図３、図４は第１実施形態の撮像装置の制御フロー図である。図５、図６は第１実施形態の撮像装置の動作を説明するタイミング図である。本実施形態はエリアセンサを用いたＸ線撮影装置の構成である。
【００２８】
図１に示すように従来例と同様にエリアセンサの各画素はフォトダイオード１０１と薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１０２により構成されている。フォトダイオード１０１のカソード電極１０１−１はバイアスラインＶｓに接続され、電源３によりバイアス電圧が印加されている。ＴＦＴ１０２のソース電極１０２−１はデータラインＳｉｇ（ｊ）（ｊ＝１、２、．．．、Ｎ）に、ゲート電極１０２−２はゲートラインＶｇ（ｉ）（ｉ＝１、２、．．．、Ｎ）にそれぞれ接続されている。フォトダイオード１０１のアノード電極１０１−２とＴＦＴ１０２のドレイン電極１０２−３は各画素で相互に接続されている。さらに各データラインＳｉｇ（ｊ）はアンプ１０３、アナログマルチプレクサ１０４などにより構成される読み出し装置１に接続されている。
【００２９】
本実施形態で留意すべき点は撮像装置が被写体情報入力装置４と制御装置５を有する点である。図１、図２に示すように被写体情報入力装置４と制御装置５は接続されており、制御装置５はさらに読み出し装置１およびゲート駆動装置２と接続されている。
【００３０】
制御装置５は被写体情報入力装置４からの情報をもとに、読み出し装置１およびゲート駆動装置２の制御を行う。
【００３１】
図３は制御動作の一例である。被写体情報入力装置４はコンピュータ端末などで構成され、被写体の情報、すなわち、年齢、心拍数、移動速度など撮影時のフレームレートの決定に必要な情報を入力する機能を有する。ここでは被写体が小児か否かによりフレームレートを決定する手順を示している。すなわち被写体が心拍数の高い小児の場合は画像がボケないようにフレームレートを高く（例えば毎秒６０フレーム）設定し、小児以外の心拍数の低い被写体ではフレームレートを低く（例えば毎秒３０フレーム）設定する。
【００３２】
図４は制御動作の別の例である。ここでは被写体情報を心拍センサ６あるいは動きセンサ（不図示）などで自動的に検出し、フレームレートを決定している。
【００３３】
図５、図６は制御装置が読み出し装置とゲート駆動装置のタイミングを制御する様子を示すものである。図５は、被写体の動きが遅い場合（例えば小児以外）、図６は、は被写体の動きが速い場合（例えば小児）の駆動タイミングをそれぞれ示している。従来技術で説明したように一般に１本のゲートラインの読み出し動作は、（１）リセット動作Ｔａ、（２）ＴＦＴのＯＮによる電荷転送動作Ｔｂ、（３）サンプリング動作Ｔｃからなる。本説明図ではＴａ、Ｔｃは変えずにＴｂのみをＴｂ’へと短縮することでフレームレートの高速化に対応している。これはＴａ、Ｔｃの短縮と比較して、Ｔｂの短縮が画質への影響が小さい場合である。本実施形態のようにＴａ、Ｔｂ、Ｔｃを独立に制御しても良いし、Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃを同じ比率で変化させても良い。
【００３４】
なお、１フレームにおける各薄膜トランジスタ１０２がＯＮしている時間は、光電変換素子１０１の容量と、薄膜トランジスタ１０２の常温におけるＯＮ抵抗で決まる時定数の３倍以上である。
【００３５】
本実施形態によれば、被写体の動きが速いときには、フレームレートを上げるので、被写体の動きによる画像のぼやけがなくなり、被写体の動きが遅いときには、フレームレートを下げるので、光電変換素子で発生する電荷が多くなり、画像のＳ／Ｎを上げることができる。
【００３６】
［第２の実施形態］
図７は本発明の撮像装置の第２実施形態の模式的回路図である。留意すべきは読み出し装置の構成に関するもので、その他については第１実施形態と同じである。
【００３７】
第２実施形態の読み出し装置はアンプとサンプルホールドの間にノイズ除去を目的とする低域通過フィルタ（ＬＰＦ）１０６を有し、さらにこのＬＰＦの通過帯域は制御装置で変更可能である。図８はＬＰＦ部の模式的回路図であり、抵抗１０６−１、１０６−２と容量１０６−３でカットオフ周波数が決まる。ノイズ除去の対象となるノイズは、例えば、アンプ１０３で発生するノイズである。
【００３８】
制御装置は被写体の動きが速い場合は（小児など）、図８に示すＬＰＦのスイッチ１０６−４を導通させカットオフ周波数を高周波側とする。また被写体の動きが遅い場合はスイッチ１０６−４を非導通としカットオフ周波数を低周波側とする。これによりフレームレートに応じた信号の帯域を通過させつつ、ノイズを最大限除去することができる。
【００３９】
［第３の実施形態］
図９は本発明の撮像装置の第３実施形態の制御概要図である。本実施形態で留意すべきは、被写体情報を用いて読み出し装置１、ゲート駆動装置２だけでなく光源７（ここではＸ線発生装置）も制御する点である。これ以外については第１実施形態、第２実施形態と同じである。
【００４０】
光源を制御することにより、フレームレートや駆動タイミングが変化しても良好な画像を得ることができる。例えば、時間的に連続したＸ線を用いる場合、フレームレートが速くなればエリアセンサの光電変換素子での電荷の蓄積時間が短くなり出力が低下する。この様な場合、光源の照度又はＸ線源の管電流を増加させる制御を行えば、フレームレートを速くしながらも出力を低下させないことができる。また、パルス光照射を行えば、被写体の動きが速くてもブレの生じない良好な画像を得ることができる。
【００４１】
光源の制御の対象となる属性は、例えば、光源の照度、照射時間、波長である。光源の照度や照射時間を制御することにより、オーバー露光やアンダー露光を防止して良好な画像を得ることができる。また、光源の波長を被写体の吸収色に応じて制御することにより、撮像したい被写体の鮮明な画像を得ることができる。
【００４２】
光源がＸ線源である場合には、光源の制御の対象となる属性は、例えば、Ｘ線源の管電圧、管電流、照射時間である。Ｘ線源の管電圧を被写体の吸収色に応じて制御してＸ線質（波長スペクトル）を変化させることにより、撮像したい被写体の鮮明な画像を得ることができる。Ｘ線源の管電流を制御することは、Ｘ線量を変化させることに等しく、Ｘ線の照射時間を変化させる場合と同様な効果を得ることができる。すなわち、照射時間を一定にしたまま、線量を変化させることができる。Ｘ線源の照射時間を制御することにより、被写体が浴びるＸ線量を変化させることができる。被写体が人体等である場合、照射時間を制御して、人体等における被爆量を可能な限り低くすることが望ましいが、これに応じたものである。また、Ｘ線照射を連続照射ではなく、パルス照射にすることにより、更に被爆量を低減することができる。
【００４３】
［第４の実施形態］
図１０は本発明の撮像装置の第４実施形態の撮像装置の光電変換部の断面図である。本実施形態で光電変換素子はガラス基板２０１上に製膜されたアモルファスシリコンのフォトダイオードである。図示されるように、下部電極層２０２、ｐ型ａ−Ｓｉ層２０３（「ａ−」はアモルファスを示す。）、ａ−Ｓｉ半導体層２０４、ｎ型ａ−Ｓｉ層２０５、上部電極層２０６を積層したＰＩＮ型フォトダイオードの構成である。ＰＩＮ型フォトダイオードの代わりにＭＩＳ型センサを用いても良い。さらに本実施形態ではＸ線２０７を可視光２０８へ変換する波長変換体として蛍光体２０９が設けられている。また、蛍光体はヨウ化セシウムあるいはガドリニウムを含む物質である。
【００４４】
その他の駆動などについては、第１、第２、第３の実施形態と同じである。
【００４５】
［第５の実施形態］
図１１は本発明の撮像装置の第５実施形態の撮像装置の光電変換部の断面図である。本実施形態で光電変換素子はガラス基板２０１上に設けられた結晶ガリウム砒素を材料とするＸ線センサである。図１１を参照すると、第５実施形態の光電変換部は、ガラス基板２０１の上に下部電極層３０２、ｐ型ＧａＡｓ層３０３、ＧａＡｓ半導体層３０４、ｎ型ＧａＡｓ３０５、上部電極層３０６を積層し、これらを保護層３０７で覆うことにより成る。第４実施形態の光電変換素子と異なり、Ｘ線を直接電荷へ変換し信号として取り出すことが可能である。ガラス基板とガリウム砒素の光電変換素子とは図示しないバンプなどで接続されている。
【００４６】
本実施形態では、Ｘ線センサとしては、結晶ガリウム砒素の代わりに、アモルファスセレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ガリウムリン、ＣｄＺｎ、ＣｄＺｎＴｅを用いても良い。
【００４７】
その他の駆動などについては、第１、第２、第３の実施形態と同じである。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被写体の動きが速いときには、フレームレートを上げるので、被写体の動きによる画像のぼやけがなくなり、被写体の動きが遅いときには、フレームレートを下げるので、光電変換素子で発生する電荷が多くなり、画像のＳ／Ｎを上げることができる。
【００４９】
また、本発明によれば、フレーム周波数が高いときには、ＬＰＦのカットオフ周波数を高くして、フレーム周波数が低いときには、ＬＰＦのカットオフ周波数を低くしているので、フレームレートに応じた信号の帯域を通過させつつ、ノイズを最大限除去することができる。
【００５０】
更に、本発明によれば、フレーム周波数に応じて光源を制御しているのでオーバー露光やアンダー露光を防止して良好な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の模式的回路図である。
【図２】本発明の第１実施形態の概略構成図である。
【図３】本発明の第１実施形態の制御フロー図である。
【図４】本発明の第１実施形態の他の制御フロー図である。
【図５】本発明の第１実施形態の駆動タイミング図である。
【図６】本発明の第１実施形態の他の駆動タイミング図である。
【図７】本発明の第２実施形態の模式的回路図である。
【図８】ＬＰＦ部の模式的回路図である。
【図９】本発明の第３実施形態の制御概要図である。
【図１０】本発明の第４実施形態の撮像装置の光電変換部の断面図である。
【図１１】本発明の第５実施形態の撮像装置の光電変換部の断面図である。
【図１２】従来技術の撮像装置の模式的回路図である。
【図１３】従来技術の撮像装置の動作を説明するタイミング図である。
【符号の説明】
１読み出し装置
２ゲートドライバ
３電源
４被写体情報入力装置
５制御装置
６心拍センサ
７Ｘ線発生装置

Claims

光電変換素子と薄膜トランジスタからなる画素を２次元に配置したエリアセンサと、前記薄膜トランジスタのソース電極に接続されたデータ線に接続されたアンプを介してサンプルホールドで一時蓄積した画素からの信号をシリアルデータに変換して出力する読み出し装置と、前記薄膜トランジスタのゲート電極に接続され前記薄膜トランジスタを駆動するゲート駆動装置と、前記読み出し装置及び前記駆動装置の制御を行う制御手段と、を有しマトリクス駆動を行うことにより各フレームを撮像し、前記制御手段が各フレームの読み出しに必要な時間であるフレームレートを変化させる機能を有する撮像装置であって、
前記読み出し装置は、前記アンプと前記サンプルホールドとの間に低域通過フィルタを有し、
前記低域通過フィルタは、直列に接続された複数の抵抗と、前記複数の抵抗のうち少なくとも１つの抵抗に並列に接続されたスイッチと、を有し、
前記制御手段は、前記フレームレートに応じて前記スイッチの導通と非導通を制御することにより、前記低域通過フィルタのカットオフ周波数を前記フレームレートに応じて変化させることを特徴とする撮像装置。
前記制御手段は少なくとも前記薄膜トランジスタをＯＮさせる時間を制御することにより、前記フレームレートを変化させることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記制御手段は、前記スイッチを導通させることにより前記低域通過フィルタの通過帯域を高周波とし、前記スイッチを非導通とすることにより前記低域通過フィルタの通過帯域を低周波とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
光源を更に有し、前記制御手段が前記光源の照度、照射時間、波長のいずれかを制御することが可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
Ｘ線源を更に有し、前記制御手段が前記Ｘ線源の管電圧、管電流、照射時間のいずれかを制御することが可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
被写体の移動速度、年齢、心拍数のうちの少なくともいずれか１を入力する被写体情報入力手段を有し、前記制御手段は前記被写体情報入力手段の情報に基づき前記フレームレートを変化させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記被写体情報入力手段は、前記被写体の移動速度、前記心拍数のうちの少なくともいずれか１を自動的に検出する手段を有することを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
１フレームにおける前記薄膜トランジスタをＯＮさせる時間は、前記光電変換素子の容量と、前記薄膜トランジスタの常温におけるＯＮ抵抗で決まる時定数の３倍以上であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
光電変換素子はアモルファスシリコン、アモルファスセレン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ガリウム砒素、ガリウムリン、ＣｄＺｎ、ＣｄＺｎＴｅのいずれかを材料としていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。
Ｘ線を可視光に変換する波長変換体を更に有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像装置。