JP4724313B2

JP4724313B2 - 撮像装置、放射線撮像装置及びそれを用いた放射線撮像システム

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Publication number: JP4724313B2
Application number: JP2001149463A
Authority: JP
Inventors: 和昭田代; 修結城; 紀之海部
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Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2021-05-18
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置、放射線撮像装置及びそれを用いた放射線撮像装置システムに関し、特に、Ｘ線やガンマ線等の高エネルギー放射線を使って画像を読み取る大面積の放射線撮像装置及びそれを用いたシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、医療の様々な分野でディジタル化が進んでいる。Ｘ線診断の分野でも、画像のディジタル化のために、入射するＸ線をシンチレータ（蛍光体）により可視光に変換し、更に、撮像素子でかかる可視光像を撮像する２次元Ｘ線撮像装置が開発されてきている。
【０００３】
２次元Ｘ線撮像装置としては、例えば、歯科用に小型ＣＣＤ型撮像素子が実用化されており、乳房撮影用、胸部撮影用には最大４３ｃｍ□のアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を用いた大面積の静止画撮像装置が実用化されている。ガラス基板上のアモルファスシリコン半導体を使った撮像素子は大面積のものを作製し易く、このパネルを４枚タイル貼りして、大面積のＸ線撮像装置を実現しているものがある。この種の技術の例として、米国特許５３１５１０１号に記載のものがある。
【０００４】
また、複数の単結晶撮像素子（シリコン撮像素子等）を用いて大面積のＸ線撮像装置を構成する提案がなされている。この種の技術の例として、米国特許４３２３９２５号や米国特許６００５９１１号に記載のものがある。単結晶撮像素子としては、シリコンを使ったＣＣＤ型撮像素子やＭＯＳ型、ＣＭＯＳ型撮像素子等がある。このようにディジタル化の進む医療Ｘ線診断分野では、静止画像撮像装置の次世代の動画像撮像装置（透視等）が期待されている。
【０００５】
ここでの技術的課題としては、（１）高感度、高速読取り技術、（２）大型化、（３）低コスト化等が挙げられる。（１）高感度、（２）高速読取りの課題に関しては、動画を撮像するにはアモルファスシリコンを用いた撮像装置に比較して、１０倍以上の高感度性と読取り速度が求められる。動画を撮像するにはＸ線を連続的に人間に照射することになるが、Ｘ線照射による影響を考慮するとＸ線の照射量を数十から百分の１に、読取速度としては６０から９０フレーム／秒が求められており、この読取りを行うには数十倍の高感度と数十倍の高速性が要求される。
【０００６】
アモルファスシリコンは、高速動作に対しての半導体特性が十分でなく、これを用いた大面積の撮像装置では、単結晶シリコン半導体基板に比べガラス基板上の半導体の微細加工が難しく、その結果、出力信号線の容量が大きくなる。この容量は最も大きなノイズの原因（ｋＴＣノイズ）となる。アモルファスシリコン型大板撮像装置の製造プロセスはＣＣＤ型撮像素子やＣＭＯＳ型撮像素子に比較して大面積のものを得ると言う点で有利である。しかし、光電変換部が完全空乏型でなく、撮像素子の駆動回路とアンプが外部に必要であり（特開平８−１１６００４号公報の図５２参照）、撮像素子の良品判定も周辺部品を組込後行う必要があるため、撮像素子そのものは割と低価格であるが、最終的にコストは高くなっていた。以上により前述のような要求の実現は困難である。
【０００７】
また、ＣＣＤ型撮像素子については、完全空乏型で高感度であるが、大面積の撮像装置としては不向きである。ＣＣＤ型撮像素子は電荷転送型であるが故に、大面積になり転送段数が増加する（高画素になる）程転送が問題になる。即ち、駆動電圧が駆動端と中心付近では異なり完全転送が困難になる。また、消費電力はＣＶｆ² （Ｃは基板とウエル間の容量、Ｖはパルス振幅、ｆはパルス周波数）で表されるが、大面積である程、ＣとＶが大きくなり、消費電力がＣＭＯＳ型撮像素子に比較して１０倍以上大きくなる。この結果、周辺の駆動回路が発熱源、ノイズ源となり高Ｓ／Ｎではなくなる。この様にＣＣＤ型撮像素子は大型撮像素子には適さない面を持っている。
【０００８】
更に、単結晶撮像素子を多数用いた単純な大面積撮像装置の構成では各撮像素子の合わせ部に必ずデッドスペースができ（シフトレジスタ、アンプ等の周辺回路や外部との信号や電源のやり取りのための外部端子や保護回路を設けるための領域が領域とは別に必ず必要）、この部分がライン欠陥になり、画質が落ちる。そのため、テーパ状ＦＯＰ（ファイバーオプティックプレート）を用いて、シンチレータからの光を、デッドスペースを避けて撮像素子に導く構成が採られているが、余計なＦＯＰが必要で製造コストがかかる。特に、テーパ状ＦＯＰは非常にコストがかかる。更に、テーパ状ＦＯＰではテーパ角度に応じてシンチレータからの光がＦＯＰに入射しにくくなり、出力光量低下が起こり撮像素子の感度を相殺して装置全体の感度が悪くなる問題がある。
【０００９】
以上のようなアモルファスシリコン撮像素子やＣＣＤ型撮像素子の欠点を補うために大面積のＣＭＯＳ型撮像素子をタイル貼りした構成が提案されている（特開２０００−１８４２８２号公報）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＣＭＯＳ型撮像素子等の増幅型撮像素子には、以下のような不都合があった。
（ａ）一般的な増幅型撮像素子の駆動方法では、同一行の水平走査線を単位として１水平走査線づつの蓄積電荷が順次読み出される。ある水平走査線から蓄積電荷を読み出している間に残りの水平走査線では電荷の蓄積が行われる。この場合水平走査線毎に電荷の蓄積時間が異なってしまう。この電荷を読み出して画像に再生すると走査期間毎に異なるタイミングの映像となってしまう。静止画の撮影では、この蓄積時間の違いが問題になることは少ないが、動画の撮影では画像が流れてしまい問題となる。特に、複数枚の撮像素子（複数の画素が形成された撮像素子パネル）をタイル貼りした撮像装置では、後述するように各撮像素子間の画像にも不連続性が生じ大きな問題となる。また、Ｘ線動画撮影では、ある水平走査線の読み出し時間中は他の水平走査線の露光時間であり、部分的に不用なＸ線照射をしなければならず、被爆線量を極力減らすべき医療分野ではこの方法の適用は困難である。
（ｂ）最初に読み出しを行う水平走査線と後から読み出しを行う水平走査で電荷の蓄積期間が異なってしまうことを防止するために、機械式のシャッタを設けて各水平走査線における電荷の蓄積期間を一定にする方法があるが、この方法では装置が大型になってしまうという欠点がある。
【００１１】
このような大面積ＣＭＯＳ型撮像素子を４枚タイル貼りした撮像装置を用いて高速動画撮影する場合の、特に上記（ａ）に関する問題点を以下に説明する。図１４は撮像素子を４枚タイル貼りした撮像装置の平面図を示す。撮像領域（撮像素子パネル）Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２は、画素部が水平及び垂直方向に複数配置することで構成されている。撮像領域中Ｈｎは列走査回路で走査される列を、Ｖｎは行走査回路で走査される行を示す。また、撮像領域毎に列走査回路、行走査回路、メモリ回路、出力アンプが設けられている。
【００１２】
図１５は各撮像素子の１画素部及び信号読み出し回路の概略構成を示す。図１５では行毎に走査し、読み出す方法が採られている。また、図１５の従来回路では、詳しく後述するように信号読み出し回路は２重サンプリング回路になっている。図１５において、ＶＳＲは行走査回路、ＨＳＲは列走査回路である。また、ＰＤはフォトダイオード、ＴＲ１は転送スイッチ、ＴＲ２はリセットスイッチ、ＴＲ３は行選択スイッチ、ＴＲ４は増幅トランジスタ、ＴＲ５は信号線をリセットするスイッチ、ＴＲ６，７はサンプルスイッチ、ＴＲ８，ＴＲ９は読み出しスイッチである。ＴＲ１〜ＴＲ９はＭＯＳトランジスタである。また、Ｃ_TSは光信号保持容量、Ｃ_TNはリセット信号保持容量である。
【００１３】
図１５の従来回路では詳しくは後述するが、リセット信号（ノイズ成分、暗電流成分）をリセット信号保持容量Ｃ_TNに保持し、光信号（光信号成分、ノイズ成分、暗電流成分）を光信号保持容量Ｃ_TSに保持する。その後、各々の保持容量Ｃ_TN，Ｃ_TSに保持された信号を読み出し、差動回路（図示せず）で差動検出することにより、ノイズ成分を取り除いた光信号が出力される。このような複数の撮像素子を貼り合わせた撮像装置は、動く被写体を撮像する場合、撮像素子間の動画像の“つなぎ”が重要になる。
【００１４】
図１６は４枚の撮像素子を貼り合わせ場合の画像合成を示す。図１６に矢印で示すような走査方向で、４枚の撮像素子を別々に独立に駆動すると、４枚の画面のつなぎ部（撮像領域Ａ１とＢ２の接続部、撮像領域Ｂ１とＡ２の接続部、撮像領域Ａ１とＢ１の接続部、撮像領域Ｂ２とＡ２の接続部）で画像の相関性がなくなる。例えば、撮像領域Ａ１とＢ２の接続部近傍の隣接する、撮像領域Ａ１の行（走査の終了となる行）と撮像領域Ｂ２の行（走査の開始となる行）とでは、行方向の走査期間分の時間的なずれを生じるので、画像の相関性がなくなることになる。その時、動画像の“つなぎ”が懸念されるのは、基本的には、画像が接続される撮像領域Ａ１とＢ１、撮像領域Ａ１とＢ２、撮像領域Ｂ２とＡ２、撮像領域Ｂ１とＡ２の部分である。このようにＣＭＯＳ型撮像素子等の増幅型撮像素子を用いた撮像素子を貼り合わせた構成では、撮像素子間のつなぎ目で画像の相関がなくなり、画質が低下する問題があった。
【００１５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、複数の撮像素子を貼り合わせても、高速高感度で繋ぎ目のない画像を得ることが可能な撮像装置、放射線撮像装置及びそれを用いた放射線撮像システムを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の撮像装置は、２次元に配列された複数の画素を有する撮像素子を含み、前記画素は、光電変換を行う光電変換手段と、前記光電変換手段で発生した光信号を蓄積する光信号蓄積手段と、ノイズ信号を蓄積するノイズ信号蓄積手段と、前記光電変換手段からの信号を増幅して出力する増幅手段と、を有し、前記光信号蓄積手段と前記ノイズ信号蓄積手段は前記増幅手段の出力側に並列に設けられている撮像装置であって、前記画素が、前記増幅手段と前記光信号蓄積手段及び前記ノイズ信号蓄積手段との間に、容量と該容量の出力側の端子に所定電位を供給するスイッチと前記容量の出力側に設けられた増幅ＭＯＳトランジスタとを有するクランプ回路を更に有し、前記光信号蓄積手段及び前記ノイズ信号蓄積手段が前記増幅ＭＯＳトランジスタの出力側に並列に設けられていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の放射線撮像装置は、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の撮像装置と、シンチレータと、を備えたことを特徴とする。
【００１９】
更に、本発明の放射線撮像システムは、請求項１０に記載の放射線撮像装置と、前記放射線撮像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。
【００２１】
本発明においては、画素内に光信号用、ノイズ信号用のサンプルホールド回路を設けているので、一括露光とし、このタイミングに放射線露光をパルス照射することで被爆線量を適正にできる。また、複数枚の撮像素子で高速撮影しても、画像の繋ぎ目や流れ等が起こらない。また、各トランジスタ等のばらつきによるＦＰＮの補正を画素毎に行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は本発明による撮像装置の第１の実施形態を示す回路図である。図１は１画素の回路図である。本実施形態では、撮像素子を貼り合わせて時間的、空間的に繋ぎ目のない高速、高感度の動画像を実現している。また、ＣＭＯＳ型撮像素子を用いて全ての素子から共通の時間に蓄積した電荷を高信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）で読み出せるようにしている。なお、本願明細書でいう撮像素子とは、複数の画素が２次元に配列された撮像素子パネルをいう。この撮像素子パネルは全面が画素領域になっていて、複数の撮像素子パネルを基台上に貼り合わせることによって、大面積の撮像装置を実現するものである（図４参照）。
【００２４】
図１において、ＰＤは光電変換を行うフォトダイオード、Ｃ_PDはフォトダイオードの接合容量（破線で表示）、Ｃ_FDは電荷を蓄積するフローティングディフュージョン（浮遊拡散領域）の容量（破線で表示）、Ｍ１はフォトダイオードＰＤで生成された電荷をフローティングディフュージョンに転送する転送ＭＯＳトランジスタ（転送スイッチ）、Ｍ２はフローティングディフュージョンに蓄積された電荷を放電するためのリセットＭＯＳトランジスタ（リセットスイッチ）、Ｍ３は光電変換部を選択するための選択ＭＯＳトランジスタ（選択スイッチ）、Ｍ４はソースフォロワーとして機能する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ１）である。
【００２５】
また、Ｍ８は本実施形態の特徴である光信号蓄積用のサンプルホールド回路を構成するサンプルスイッチとしてのＭＯＳトランジスタ、ＣＨ１は光信号用ホールド容量である。Ｍ１１はノイズ信号蓄積用のサンプルホールド回路を構成するサンプルスイッチとしてのＭＯＳトランジスタ、ＣＨ２はノイズ信号用ホールド容量である。Ｍ１０は光信号用サンプルホールドからの出力を増幅して信号線に出力するためのソースフォロワーとしての増幅トランジスタ（画素アンプ２）である。Ｍ１３はノイズ信号用サンプルホールドからの出力を増幅して信号線に出力するためのソースフォロワーとしての増幅トランジスタ（画素アンプ３）である。更に、Ｍ９，Ｍ１２は画素アンプ２，３の選択スイッチとしてのＭＯＳトランジスタである。
【００２６】
本実施形態においては、各撮像素子を同じタイミングで一括リセット、一括露光を行うために、これらの光信号、ノイズ信号用サンプルホールド回路を用いている。また、このサンプルホールド回路の部分に画像信号を露光と独立に保存できるため、非破壊で露光期間中に何度でも光信号、ノイズ信号を読み出すことができる。この機能を使って露光を行いながら自動露光のための信号読み出しを行うこともできる。
【００２７】
次に、ノイズについて説明する。一般に、ＣＭＯＳ型撮像素子等の増幅型撮像素子では、読み出し時の信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を改善するために内部に増幅手段（画素内アンプ）を設けて信号の利得を増大させている。この増幅手段として一般に用いられるＭＯＳトランジスタのソースフォロワーでは、ＭＯＳトランジスタの閾値Ｖｔｈがばらつき易い。このばらつきは素子の設計及び製造に固有のものであり、画素毎、素子毎に変化するという点で悪質である。特に、Ｘ線撮像装置用の撮像素子は大型であり、素子内のばらつきが大きくなりがちである。また、複数枚の撮像素子を用いる場合、素子間のばらつきも大きい。このばらつきは、固定的な出力のばらつき、いわゆる固定パターンノイズ（ＦＰＮ）、不均一なバックグラウンド画像として現われる。
【００２８】
また、ＭＯＳトランジスタには１／ｆノイズ（フリッカ・ノイズ）や熱雑音が発生し易く、これはランダムノイズであるため、ランダムなバックグラウンド画像を生じる。デバイス設計的にはＭＯＳトランジスタのチャネル長をＬ、チャネル幅をＷとすると、熱雑音は（Ｌ／Ｗ）・１／２に比例し、１／ｆ雑音はＬ・Ｗに反比例するので、ＭＯＳトランジスタの雑音を小さくするにはチャネル長Ｌを最小とし、チャネル幅Ｗを大きく設定すればよいが、特に大きなノイズ源となるアンプとしてのソースフォロワーのチャネル幅Ｗを大きく設定すると、ゲート・ドレイン間の寄生容量が大きくなり、ゲインを落としてしまい感度の低下を招いてしまうので実施が難しい。
【００２９】
本実施形態では、本質的に１／ｆノイズが小さいＰＭＯＳトランジスタを少なくともソースフォロワーとして使用している。これにより、ＮＭＯＳトランジスタに比べ１／１０程度の大きさに低減できる。また、シンチレータを通り抜けたＸ線が直接トランジスタに当たってもＰＭＯＳトランジスタはＮＭＯＳトランジスタに比べＸ線耐久性が強い（リーク電流増加、閾値Ｖｔｈ変動が少ない）ので更に好適である。
【００３０】
一般に、１／ｆノイズや閾値のばらつきによる固定パターンノイズ（ＦＰＮ）等の低周波ノイズ成分、電源からのノイズを低減するために、二重サンプリング回路を使用することは公知である。図１５は前述のように従来の１画素回路と信号読み出し回路における二重サンプリング回路を示す。
【００３１】
この回路では、まず、リセット信号ΦＲＥＳによってリセットスイッチＴｒ２を閉じ、次にフォトダイオードＰＤをリセットする。次に、行選択ＭＯＳトランジスタＴｒ３を閉じ、暗信号は増幅ＭＯＳトランジスタＴｒ４を通して出力信号線に現われる。この際、サンプルスイッチＴｒ６を閉じることで、リセット信号（ノイズ成分、暗電流成分）をリセット信号保持容量Ｃ_TNに保持した後、サンプルスイッチＴｒ６を開く。次いで、リセットスイッチＴｒ２を開き、フォトダイオードＰＤに蓄積された光信号電荷を転送ＭＯＳトランジスタＴｒ１を開いて増幅ＭＯＳトランジスタＴｒ４に転送する。同時に、行選択ＭＯＳトランジスタＴｒ３を閉じ、光信号は増幅ＭＯＳトランジスタＴｒ４を通して出力信号線に現われる。この時、サンプルスイッチＴｒ７を閉じることで、光信号（光信号成分、ノイズ成分、暗電流成分）を光信号保持容量Ｃ_TSに保持した後、サンプルスイッチＴｒ７を開く。
【００３２】
次いで、読み出しスイッチＴｒ８，Ｔｒ９を同時に開き、リセット信号保持容量Ｃ_TNに保持されたリセット信号、光信号保持容量Ｃ_TSに保持された光信号を差動回路（図示せず）へ読み出し、リセット信号から光信号を減算することによりノイズを取り除いた光信号が出力される。次に、全部の行を読み出すために、各列ラインを選択的にサンプリングし、その後、次の行を選択し、再び同じ動作を繰り返し行う。
【００３３】
ここで、光電変換部での熱ノイズ（ｋＴＣノイズ）は画素スイッチで完全空乏転送を行えば発生しない。また、フローティングディフュージョンでのリセットノイズ（ｋＴＣノイズ）は、この相関二重サンプリング回路により、１／ｆノイズ及び閾値ＶｔｈばらつきによるＦＰＮと共に取り除かれる。ところが、列毎の相関二重サンプリング回路用の２個のソースフォロワーや容量は概略的には同一であるが、完全に同一ではないため閾値Ｖｔｈや容量のばらつき等を生じ、出力差分信号に（各列について）ライン状の固定パターンを生じてしまう。
【００３４】
また、閾値Ｖｔｈは温度によって指数関数的に変化してしまうので、各ソースフォロワーが１℃以下の温度差を持っても出力の変動として現われ、Ｘ線透視のように低照射線量で撮影する場合、このわずかの変動も画質を左右するものとなる。そのため、サンプルホールド回路の二つのソースフォロワーでは、後述するようにレイアウト的に閾値Ｖｔｈのばらつきが極力ない配置構造とし、更に動作中に温度差が発生しない機構としなければならない。従来のように光信号とノイズ信号のサンプルホールドからの読み出しタイミングが異なると、この時間差で温度変化が起こる。
【００３５】
そこで、本実施形態では、前述のように画素内に光信号用とノイズ信号用のサンプルホールド回路を設け、光信号とノイズ信号を露光とは独立して保存すると共に、サンプルホールド回路からは同時に出力（各列２線出力）する構造としている。一括露光のためには、画素内にメモリを設ける必要があり、このサンプルホールド回路は画素内メモリとしてまず機能する。更に、ノイズ除去の機能を持たせている。光信号とノイズ信号は非常に速い時間差で、画素アンプ１からサンプルホールド回路に取り込まれるので、低周波数で大きい１／ｆノイズを無視することができる。
【００３６】
また、この回路を利用して画素アンプでの熱ノイズ、１／ｆノイズ、ＦＰＮを除去している。２つのサンプルホールド回路素子のばらつきは、コンデンサを極力画素内の近傍に配置し、出力のソースフォロワーは、これを通常のＭＯＳ回路レイアウトで用いられるクロス配置とし、閾値Ｖｔｈのばらつきを極力減らす工夫を行うことで極力減らしている。このようにこのサンプルホールド回路は一括露光のための画素毎の蓄積手段として働き、また、ノイズ除去のための手段としても働く。
【００３７】
図２は簡単のため３×３画素の場合の全体回路の概略図を示す。１画素回路部分の詳細は図１に示す通りである。転送スイッチＭ１のゲートは垂直走査回路の一種である垂直シフトレジスタＶＳＲからのΦＴＸに接続され、リセットスイッチＭ２のゲートは垂直走査回路からのΦＲＥＳに接続されている。また、選択スイッチＭ３のゲートは垂直走査回路からのΦＳＥＬに接続されている。簡単のため、制御線はこの三本のみを示している。各画素からの光信号とノイズ信号は２本の信号出力線で列走査回路（水平シフトレジスタ、マルチプレクサ）を介して差動アンプＡ１に出力される。列選択ＭＯＳトランジスタＭ２０は水平シフトレジスタＨＳＲからの信号によって動作し、列方向の信号線を選択するためのスイッチである。
【００３８】
図３は本実施形態における画素部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。以下、図３に基づいて回路動作を説明する。まず、光電変換はフォトダイオードＰＤで行う。また、露光は一括露光であり、各撮像素子の全画素で同一のタイミング、期間で行う。よって、撮像素子間、走査線間での画像の時間的ズレは一切生じない。光電荷の蓄積期間中は転送スイッチＭ１はオフ状態であり、発生した光電荷は接合容量Ｃ_PDに蓄積される。画素アンプ１（Ｍ４）を構成するソースフォロワーのゲート部に形成されるフローティングディフュージョンＣ_FDには、この間光電荷は転送されない。
【００３９】
フォトダイオードＰＤの蓄積を終了すると、図３（ｃ）に示すように全画素一括で垂直シフトレジスタＶＳＲからの信号ΦＴＸをハイレベルとし、転送スイッチＭ１をオンすることでフォトダイオードＰＤに蓄積されていた電荷を画素アンプ１を構成するソースフォロワーＭ４のゲート部に形成されたフローティングディフュージョンＣ_FDに完全転送する。その後、全画素一括で信号ΦＴＸをローレベルとし、転送スイッチＭ１をオフし、図３（ｄ）に示すように全画素一括で垂直シフトレジスタＶＳＲからの信号ΦＳＥＬ１をハイレベルとする。これにより選択スイッチＭ３がオンし、負荷電流源Ｉと画素アンプ１で構成されたソースフォロワー回路を動作状態とする。
【００４０】
同時に、図３（ｆ）に示すように垂直シフトレジスタＶＳＲからの信号ΦＳＨ１をハイレベルとし、サンプルスイッチＭ８をオンすることでフォトダイオードＰＤからの信号を画素アンプ１（Ｍ４）を通して容量ＣＨ１に一括転送する。同時に、図３（ｃ）に示すように全画素一括で信号ΦＴＸをローレベルとすることで、フォトダイオードＰＤは次のフレームの露光が可能な状態となる。同時に、図３（ｄ）に示すように全画素一括で信号ΦＳＨ１をローレベルとし、サンプルスイッチＭ８をオフすることで、サンプルホールド回路への光信号電荷の保持動作を終了する。
【００４１】
次に、図３（ｂ）に示すように全画素一括で垂直シフトレジスタＶＳＲからの信号ΦＲＥＳをハイレベルとし、リセットスイッチＭ２をオンすることでフローティングディフュージョンＣ_FDがリセットされる。すかさず、図３（ｇ）に示すように全画素一括で垂直シフトレジスタＶＳＲからの信号ΦＳＨ２をハイレベルとし、サンプルスイッチＭ１１をオンすることでリセット信号を容量ＣＨ２に転送する。次いで、全画素一括で信号ΦＳＨ２をローレベルとし、サンプルスイッチＭ１１をオフすることで、光信号、ノイズ信号のサンプルホールド回路への転送保持を終了する。
【００４２】
また、垂直シフトレジスタＶＳＲに入力される信号により図３（ｅ）に示すように信号ΦＳＥＬ２を各行毎にハイレベルとし、選択スイッチＭ９，Ｍ１２をオンすることで負荷電流源と画素アンプ２，３（Ｍ１０，Ｍ１３）で構成されたソースフォロワー回路を動作状態とする。これにより、ホールド容量ＣＨ１，ＣＨ２に保持された光信号とノイズ信号とを画素アンプ２，３を通して同時にノイズ信号出力線と光信号出力線に転送する。ノイズ信号出力線と光信号出力線に転送された信号は、ノイズ信号出力線と光信号出力線とに接続された減算出力アンプで（図示せず）、（信号−ノイズ）の減算処理を行い、熱雑音、１／ｆノイズ、ＦＰＮが除去された信号が出力される。なお、減算出力アンプは図２の差動アンプに対応する。
【００４３】
以上の動作においては、フォトダイオードＰＤからの電荷はフローティングディフュージョンＣ_FDに完全転送されるので、ｋＴＣノイズは発生しない。しかし画素の大きさが１６０μｍ□と大きい場合、完全転送が困難になる。この場合はｋＴＣノイズが発生し、上記読出しでは光信号、ノイズ信号に含まれるフローティングディフュージョンでのリセットノイズ（ｋＴＣノイズ）は相関がないのでランダムノイズとして出力される。しかしながら、動画撮影時には、ランダムノイズよりも、固定パターンノイズが画質を大きく左右するので、本実施形態では完全転送が困難な場合も十分な高画質が得られる。リセットノイズを更に除去する例は後述する。
【００４４】
このようにしてフォトダイオードＰＤの一括リセットを行った後に一括露光を行い、画素内のサンプルホールド回路に光信号、ノイズ信号を蓄積することで、次のフレームの露光とこれらの信号の読み出しを独立で行うことができる。これにより、高速読み出しを行いながら、露光が行えるので大面積のＸ線撮像装置のように低照射線量下での多画素駆動、高速動作でも蓄積時間を可能な限り長くとれ、光信号強度を大きくでき、更にノイズ低減を行い、信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を改善することができる。
【００４５】
更に、複数枚の撮像素子は共通の駆動パルスで駆動できるので、周辺の駆動パルス発生回路も簡単になる。また、共通駆動により撮像素子駆動回路の共通化も図れ、実装的にも優れていることが分かる。
【００４６】
図４は図１の画素を有する１３６ｍｍ□の撮像素子を、９枚貼り合わせることにより４０８ｍｍ□の大面積放射線動画撮像装置を構成した場合の例を示す。撮像素子１００は基台上に９枚貼り合わされ、全体で大画面の撮像装置が構成されている。
【００４７】
図５は図４のＡ−Ａ線における断面図を示す。シンチレータ１０１は、ユウロピウム、テルビウム等を付活性体として用いたＧｄ₂ Ｏ₂ ＳやＣｓＩ等から構成され、ＦＯＰ（ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃＰｌａｔｅ）１０２上に設置されている。ＦＯＰ１０２はシンチレータ１０１で発生した光を等倍で撮像素子に導くための等倍光学伝達手段である。また、ＦＯＰ１０２はシンチレータ１０１で吸収されなかったＸ線を吸収し、撮像素子をＸ線ダメージから守る働きをするものである。
【００４８】
Ｘ線はシンチレータ１０１に当たり可視光に変換され、この可視光はＦＯＰ１０２で伝達され、撮像素子で検出される。シンチレータはその発光波長が撮像素子の感度に適合するように選択するのが好ましい。外部処理基板１０３は撮像素子の電源、クロック等を供給し、又、撮像素子から信号を取り出して処理する回路を有する基板である。フレキシブル基板１０４は、各撮像素子と外部処理基板とのＴＡＢ（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）による電気的接続を行う配線基板である。なお、放射線としてＸ線を用いているが、α線、β線、γ線等を用いることもできる。
【００４９】
９枚の撮像素子１００は基台１０５上に実質的に撮像素子間に隙間ができないように貼り合わされており、実質的に隙間ができないこととは、９枚の撮像素子により形成される画像に撮像素子間の欠落ができないということである。撮像素子のクロック等や電源の入力や撮像素子からの信号の出力は、撮像素子の端部における電極パッドに接続されたフレキシブル基板１０４を通して、撮像素子の裏側に配置された外部処理基板１０３との間で行う。ＴＡＢフレキシブル基板１０４の厚さはサイズに対して十分薄く撮像素子の間の隙間を通しても、画像上の欠陥は生じない。
【００５０】
図６は現在主流の８インチウエハ３０１から一個の撮像素子を取り出す場合の例を示す。ＣＭＯＳプロセスによって１３６ｍｍ□のＣＭＯＳ型撮像素子基板を１枚取りで作成する。医療用のＸ線撮像装置では画素の大きさは、１００μｍ□〜２００μｍ□程度に大きくてよい。本実施形態では画素サイズは１６０μｍ□としている。また、図６に示すように撮像素子内には垂直シフトレジスタ、水平シフトレジスタが形成され、水平シフトレジスタの近傍の素子端部には外部端子（電極パッド）が設けられている。この電極パッドは前述のようにフレキシブル基板との接続に用いられる。
【００５１】
図７は垂直シフトレジスタの単位ブロック（一行を選択し駆動するための単位）を１領域（１セル）に１画素回路と共に配置した様子を示す。１画素回路は図１に示すものである。単位ブロックと画素回路の面積は、模式図のため実際の素子レイアウトを反映してない。垂直シフトレジスタは転送信号ΦＴＸ、リセット信号ΦＲＥＳ、選択信号ΦＳＥＬを作成するためにスタティック型シフトレジスタと転送ゲートで構成した簡単な回路を示す。これらはクロック信号線（不図示）からの信号により駆動される。シフトレジスタの回路構成は、この限りではなく、加算や間引き読み出し等の様々な駆動方法により任意の回路構成をとることができる。但し、本実施形態のように機能ブロックを一つのセルの中に画素回路と共に配置し、有効領域にシフトレジスタを設け、全面有効領域の撮像素子を実現するものとする。
【００５２】
また、走査回路としてシフトレジスタではなく、ｎ対２ⁿ デコーダを使用することもできる。この場合、デコーダの入力に順次インクリメントするカウンタの出力を接続することによりシフトレジスタと同様に順次走査することが可能となり、一方、デコーダの入力に画像を得たい領域のアドレスを入力することによりランダム走査による任意の領域の画像を得ることができる。有効領域内の各領域（セル）内に配置する共通処理回路とは、最終信号出力アンプ、シリアル・パラレル変換マルチプレクサ、バッファ、各種ゲート回路等の複数を一括して共通に処理する回路を意味する。
【００５３】
図８はシフトレジスタが配される１領域（セル）のレイアウトを示す。中央に受光領域が配置され、その周囲に走査回路（シフトレジスタ等）領域、画素アンプ、配線領域、信号用、ノイズ用Ｓ／Ｈ回路領域が設けられている。
【００５４】
また、セルサイズ：１６０μｍ□
Ｓ／Ｈ回路領域：１５μｍ×３２０μｍ
画素の受光領域：１３０μｍ□
画素アンプ、配線領域：１５μｍ×３２０μｍ
シフトレジスタブロック：１５μｍ×１６０μｍ
としている。よって、開口率は６６％である。
シフトレジスタが配されない１領域のレイアウトは、図８に示すものからシフトレジスタブロックが削除されたものであり、シフトレジスタが配されない１領域のうちの少なくとも受光領域は、シフトレジスタが配される１領域（セル）の受光領域と同一である。
【００５５】
図９は本実施形態の撮像素子の構成（平面図）を示す。本実施形態では垂直シフトレジスタと水平シフトレジスタが撮像素子の有効領域に配置され、撮像素子内に複数の画素が垂直、水平方向に２次元に配置されている。また、１つのラインを処理するシフトレジスタの１ブロックが１ピッチ内に収まるように配置されており、これらのブロックを並べて一連の垂直シフトレジスタブロックとし、水平シフトレジスタブロックとする。これらのブロックは垂直方向、水平方向に直線状に伸びている。
【００５６】
更に、少なくとも受光領域は全画素で等しい面積とする。図９においては１画素回路の面積、１画素回路内の受光領域の面積はセル間で等しい。また、全てのセル間で受光領域の面積を等しくするのが好ましいが、撮像素子の端部の１ライン内のセル内における受光領域の面積はスライス用のマージンをとるために、内部のセル内の受光領域の面積とは異なることはありうる。また、図９において、外部端子上にバンプが設けられ、このバンプには静電気から内部回路を保護するための保護抵抗と保護ダイオードが接続されている。
【００５７】
本実施形態においては、各撮像素子内、撮像素子間で受光領域を均一サイズ、且つ、重心を等ピッチの配置にすることで、シフトレジスタ等を有効領域に配置しても各撮像素子間、撮像素子内での感度ばらつきや、受光領域の重心のばらつきを生じないので、タイル貼りした構成でも実質的に繋ぎ目のない画像を得ることができる。また、撮像素子の周辺にデッドスペースが生じないので、撮像素子全面が有効領域となる。
【００５８】
これらの撮像素子をタイル状に実質的に隙間がないように並べることで、大面積の撮像装置を形成できる。更に、前述のような回路構成とすることで実質的に時間的、空間的に繋ぎ目のない大面積の画像を得ることができる。ここで、医療用のＸ線撮像装置では、画素の大きさは、１００μｍ□〜２００μｍ□程度に大きくてよいので、有効画素領域にシフトレジスタを配置しても画素内にサンプルホールドのような回路を配置しても十分大きい開口率を実現できるので、何等問題とならない。
【００５９】
また、本実施形態では、シフトレジスタを有効領域内に配置するので、シンチレータを抜けたＸ線が直接シフトレジスタに当たるが、シフトレジスタとしてスタティックシフトレジスタを用いることでＸ線による影響を受けないようにしている。シフトレジスタ回路は、パルス信号を順次転送するのに用いられる。即ち、原理的にスタティック型はＸ線の影響を比較的受けにくいので、本実施形態のようにＸ線が直接当たる場所に用いることができる。従って、スタティック型シフトレジスタを用いれば、Ｘ線ダメージやエラーの少ない、信頼性が向上した撮像装置を実現できる。
【００６０】
更に、本実施形態では撮像素子としてＣＭＯＳ型撮像素子を用いているので、消費電力が少なく、大面積の撮像装置を構成する場合に好適である。なお、撮像素子内にマルチプレクサを作りこむのは、撮像素子での動作を早くするためである。また、撮像素子からは電極パッドを経由して外部に信号を取り出すが、この電極パッドの周りには大きな浮遊容量がある。従って、電極パッドの前段にアンプを設けることにより信号の伝送特性を補償することができる。
【００６１】
本実施形態では、等倍光学伝達手段にＦＯＰを用いたが、セルフォックレンズ等の等倍レンズ光学系を用いても良い。ＦＯＰに比べレンズ光学系では光の利用効率が落ちるが、撮像装置の製造コストを大幅に低減できる利点がある。
【００６２】
（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。第２の実施形態の撮像装置は、基本構成は第１の実施形態と同じであるが、１画素の回路構成が第１の実施形態と異なっている。図１０は本発明の第２の実施形態の１画素回路を示す。本実施形態では、光電変換部でのｋＴＣ補正を画素内で行うようにし、更に感度切替え手段を画素内に設けることで、静止画撮影と高速動画撮影をモード切替で実現している。
【００６３】
ここで、静止画撮影、動画撮影兼用のＸ線撮像素子での光電変換部に求められる特有の条件について説明する。動画撮影時の照射Ｘ線量は静止画撮影時の１／１００程度であり、画素当たり高々数個のＸ線ホトンの量（実際画素に入射するのはこのＸ線が変換された可視光）であり、撮像素子としては最大の感度が求められる。但し、ダイナミックレンジは問題ない。更に、読取速度としては６０から９０フレーム／秒が求められる。画素の解像度は２００μｍ□から４００μｍ□と粗くともよい。一方、静止画撮影時には、８０ｄＢ近いダイナミックレンジが要求される。画素の解像度は１００μｍ□から２００μｍ□が必要である。これらの仕様を同時に満たす撮像素子はこれまでなかった。
【００６４】
そこで、本実施形態では、ＣＭＯＳ型撮像素子において図１０に示すような画素回路構成とすることで、これらの仕様を満たす撮像素子を実現している。図１０において、ＰＤは光電変換部としてのＣＣＤ等で用いられているものと同じ埋め込み型のフォトダイオードである。埋め込み型のフォトダイオードは表面に不純物濃度が高いｐ⁺ 層を設けることで、ＳｉＯ₂ 面で発生する暗電流を抑制するものである。また、フォトダイオードＰＤの容量Ｃ_PDは、動画撮影時に最大感度を得るために最小となるように設計している。後述するようにフォトダイオードＰＤの容量を小さくすると、ダイナミックレンジが縮小する。動画時に比べて照射Ｘ線量が１００倍以上になる静止画撮影時にはダイナミックレンジが不足するので、ダイナミックレンジ拡大用の容量Ｃ１をフォトダイオードＰＤと並列に設けている。
【００６５】
Ｍ１４は静止画モード（高ダイナミックレンジ）と動画モード（高感度モード）を切り替える切り替えスイッチである。電荷を蓄積するフローティングディフュージョン（浮遊拡散領域）容量Ｃ_FD（不図示）も動画時に最大感度となるよう最小容量に設計する。フローティングディフュージョン（浮遊拡散領域）は増幅ＭＯＳトランジスタＭ４のゲート部に接続して形成されている。Ｍ２はフローティングディフュージョンに蓄積された電荷を放電するためのリセットＭＯＳトランジスタ（リセットスイッチ）、Ｍ３は画素アンプ１を選択をするための選択ＭＯＳトランジスタ（選択スイッチ）、Ｍ４はソースフォロワーとして機能する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ１）である。
【００６６】
この画素アンプ１の後段に本実施形態の特徴であるクランプ回路が設けられている。このクランプ回路により光電変換部で発生するｋＴＣノイズを除去する。Ｃ_CLはクランプ容量、Ｍ５はクランプスイッチである。クランプ回路の後に第１の実施形態と同様にサンプルホールド回路を設けている。Ｍ６は画素アンプ２を選択するための選択ＭＯＳトランジスタ（選択スイッチ）、Ｍ７はソースフォロワーとして機能する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ２）である。Ｍ８は光信号蓄積用のサンプルホールド回路を構成するサンプルＭＯＳトランジスタスイッチ、ＣＨ１はホールドコンデンサである。
【００６７】
また、Ｍ９は画素アンプ３を選択するための選択ＭＯＳトランジスタ（選択スイッチ）、Ｍ１０はソースフォロワーとして機能する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ３）である。Ｍ１１はノイズ信号蓄積用のサンプルホールド回路を構成するサンプルＭＯＳトランジスタスイッチ、ＣＨ２はホールドコンデンサである。Ｍ１２は画素アンプ３を選択をするための選択ＭＯＳトランジスタ（選択スイッチ）、Ｍ１３はソースフォロワーとして機能する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ３）である。
【００６８】
本実施形態においては、第１の実施形態と同様に各撮像素子を同じタイミングで一括リセット、一括露光を行うためにこれらの光信号、ノイズ用画素内サンプルホールド回路を用いている。また、この部分に画像信号を露光と独立に保存できるため、非破壊で露光期間中に何度でも光信号、ノイズ信号を読み出すことができる。この機能を使って、露光を行いながら自動露光のための信号読み出しを行うこともできる。
【００６９】
次に、画素部の構成について説明する。従来の画素部では、フォトダイオードで発生した信号電荷が転送スイッチによりフローティングディフュージョンに転送され、フローティングディフュージョンに蓄積された電荷は電荷／電圧変換され、ソースフォロワーとして機能する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ）により電圧として出力される。面積の小さなフォトダイオードの場合は、転送トランジスタのゲートに十分大きな電圧を加える等して信号電荷をフローティングディフュージョンへ完全転送でき、フォトダイオードを完全空乏化することができる。この場合、完全転送のためｋＴＣノイズは発生しない。しかしながら、前述のように静止画撮影、動画撮影兼用のＸ線撮像素子での光電変換部に求められる特有の条件がある。この条件を満たすために、本実施形態では以下に説明するような構成としている。
【００７０】
まず、ｐｎ接合を有するフォトダイオードにおいて、光生成キャリアＱ_P をフォトダイオード部の容量Ｃ_PDに蓄積し、電圧に変換する場合、光生成キャリアによる光信号電圧Ｖ_P は、
Ｖ_P ＝Ｑ_P ／Ｃ_PD …（１）
となる。フォトダイオードをリセットする度に発生するリセットノイズがある。
これは、ランダムノイズとして現われる。リセットノイズＶ_N は、
Ｖ_N ＝√（ｋＴＣ_PD） …（２）
となる。ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：温度（Ｋ）である。
【００７１】
また、Ｓ／Ｎ比は、
Ｖ_P ／Ｖ_N ＝Ｑ_P ・√（１／（ｋＴＣ_PD）） …（３）
となる。光利用率を大きくとるためにはフォトダイオードの面積が大きい方がよいが、フォトダイオードの面積を大きくとると容量Ｃ_PDも大きくなる。動画撮影時に最高感度（Ｓ／Ｎ比）を得るためには、フォトダイオードの容量Ｃ_PDをできるだけ小さくすることが望ましい。
また、フローティングディフュージョンアンプ構造を有する画素アンプ出力の大きさΔＶは、以下のように表される。
【００７２】
ΔＶ＝Ｇ・Ｑ_P ／Ｃ_FD …（４）
Ｇはソースフォロワーの利得、Ｃ_FDはフローティングディフュージョンの容量、Ｑ_P は容量Ｃ_FDに蓄積された信号電荷である。
【００７３】
（４）式から明らかなように同じ信号電荷Ｑ_P に対してΔＶが大きいほど、電荷／電圧変換利得が大きくなり、Ｓ／Ｎ面等の観点から有利となる。同じ信号電荷Ｑに対してΔＶを大きくするためには、ソースフォロワーの利得Ｇは通常０．７〜０．９程度とほとんど変化しないので、フォトダイオードと同様に容量Ｃ_FDを極力小さくする必要がある。
【００７４】
本実施形態では画素が１６０μｍ□と大きいため、適度な開口率（フォトダイオードの面積）で容量Ｃ_PDを小さくするには限界がある。フォトダイオードの面積はそのままで電極面積を小さくする方法をとることで容量Ｃ_PDを小さくできるが、この方法では電極への電荷の収集効率が落ち、転送スイッチにより信号電荷をフローティングディフュージョンへ完全転送することが困難になる。本実施形態では完全転送を行わない設計とし、転送スイッチは設けず、フォトダイオードとフローティングディフュージョンを直結し光電変換部としている。また、動画撮影時に最高感度となるようにフォトダイオードの容量Ｃ_PDとフローティングディフュージョンの容量Ｃ_FDは最小となるように設計している。
【００７５】
本実施形態では、完全転送ではないので光電変換部のリセット時にｋＴＣノイズが発生してしまうが、回路的にこのｋＴＣノイズ（リセットノイズ）を除去することは光電変換装置の高Ｓ／Ｎ化の重要なポイントとなる。そのため、本実施形態ではクランプ回路を画素毎に設ける構成としている。ｋＴＣノイズ除去のためにクランプ回路を用いることは公知である。画素のサイズが５０から１００μｍ□と比較的小さく完全転送が可能な場合は光電変換部でのｋＴＣノイズは発生しないのでこの限りではない。
【００７６】
第１の実施形態のように動画撮影時はｋＴＣノイズよりもＦＰＮの方を重視する場合も、この限りではない。しかしながら、静止画モードと動画モードを兼用する撮像素子とするためには、静止画モードでもｋＴＣノイズの除去は必要であり、画素内にクランプ回路を設けることは必須となる。本実施形態では一括露光の動画モードでもｋＴＣノイズを除去できるように一括露光用のサンプルホールド回路の前段にクランプ回路を設けている。
【００７７】
また、静止画撮影用にフォトダイオードのダイナミックレンジを大きくするためには容量Ｃ_PDが大きい方が良いが、そうすると信号電圧が下がってしまうので、Ｓ／Ｎが下がってしまう。動画撮影時の最高感度を維持しながら静止画撮影時のダイナミックレンジを広げるために、感度（ダイナミックレンジ）切り替え回路を設け、容量と切り替えスイッチを本実施形態では各画素に設けている。静止画撮影時は容量が増えるのでＳ／Ｎが悪くなってしまうが、Ｓ／Ｎをよくするためには、特にｋＴＣノイズを除去するクランプ回路が必要である。
【００７８】
図１１は本実施形態における画素部の動作タイミングを示すタイミングチャートである。以下、図１１を用いて回路動作を説明する。まず、光電変換はフォトダイオードＰＤで行う。露光は一括露光であり、各撮像素子の全画素で同一のタイミング、期間で行う。よって、撮像素子間、走査線間での画像の時間的ズレは一切生じない。本実施形態では、フォトダイオードＰＤの電荷をフローティングディフュージョンに完全に転送しない構造としており、転送スイッチは有していない。フォトダイオードＰＤで発生した光電荷は容量Ｃ_PDとＣ_FDに蓄積される。この光電荷には前のフレーム終了時のリセットノイズ（ｋＴＣノイズ）が含まれている。この状態からの動作を説明する。なお、動画モードでは信号ΦＳＣをローレベルとする。
【００７９】
まず、図１１（ｃ）に示すように全画素一括で垂直シフトレジスタＶＳＲからの信号ΦＳＥＬ１をハイレベルとし、選択スイッチＭ３，Ｍ６をオンすることで容量Ｃ_PDとＣ_FDに蓄積されていた電荷を画素アンプ１（Ｍ４）を構成するソースフォロワーにより電圧に変換し、クランプ容量Ｃ_CLに保持する。このクランプ容量Ｃ_CLは、前のフレームのリセット時に光電変換部のリセットノイズを含むリセットレベルにクランプされており、ここにリセットノイズを含む光電荷を保持することによりクランプ容量Ｃ_CLからはリセットノイズの除去された光信号が出力される。
【００８０】
また、図１１（ｆ）に示すように垂直シフトレジスタＶＳＲからの信号ΦＳＥＬ１と同時に信号ΦＳＨ１をハイレベルとし、サンプルスイッチＭ８をオンすることでこの光信号を画素アンプ２（Ｍ７）を通して容量ＣＨ１に一括転送する。次いで、全画一括で信号ΦＳＨ１をローレベルとし、サンプルスイッチＭ８をオフすることで、サンプルホールド回路への光信号電荷の保持を終了する。すかさず、図１１（ｂ）に示すように全画素一括で垂直シフトレジスタＶＳＲからの信号ΦＲＥＳをハイレベルとし、リセットスイッチＭ２をオンすることでフローティングディフュージョンＣ_FDがリセットされる。
【００８１】
同時に、図１１（ｅ）に示すように垂直シフトレジスタＶＳＲからの信号ΦＣＬをハイレベルとし、クランプスイッチＭ５をオンすることでクランプ容量Ｃ_CLを基準電圧にセットする。また、同時に図１１（ｇ）に示すように全画素一括で垂直シフトレジスタＶＳＲからの信号ΦＳＨ２をハイレベルとし、サンプルスイッチＭ１１をオンすることで基準電圧に設定されたときのノイズ信号を容量ＣＨ２に転送する。次いで、全画素一括で信号ΦＳＨ２をローレベルとし、光信号、ノイズ信号のサンプルホールド回路への転送保持を終了する。
【００８２】
次いで、シフトレジスタＶＳＲに入力される信号により図１１（ｄ）に示すように信号ΦＳＥＬ２を各行毎にハイレベルとし、選択スイッチＭ９，Ｍ１２をオンすることで負荷電流源と画素アンプ３，４（Ｍ１０，Ｍ１３）で構成されるソースフォロワー回路を動作状態とする。これにより、ホールド容量ＣＨ１，ＣＨ２に保持された光信号とノイズ信号とを画素アンプ３，４を通して同時にノイズ信号出力線と光信号出力線に転送する。
【００８３】
ノイズ信号出力線と光信号出力線に転送された信号はノイズ信号出力線と光信号出力線とに接続された減算出力アンプ（図示せず）で、（信号−ノイズ）の減算処理を行う。この時、光信号とノイズ信号は非常に速い時間差で、画素アンプ２からサンプルホールド回路に取り込まれるので、低周波数で値の大きい１／ｆノイズを除去でき、高周波の成分は無視できる。また、この時間差では出力段ソースフォロワーの温度差による閾値Ｖｔｈのばらつきもない。ホールド容量に蓄えられていた出力電荷は、１個の画素アンプについての、リセット時と信号電荷入力時の両者の場合の出力を時間的に連続して得たものであり、更にこれら両出力の差分をとることにより、画素アンプでの熱ノイズ、１／ｆノイズ、温度差、プロセスばらつきによるＦＰＮを除去することができる。
【００８４】
このようにしてフォトダイオードＰＤの一括リセットを行った後に一括露光を行い、画素内のサンプルホールド回路に光信号、ノイズ信号を蓄積することで、次のフレームの露光とこれらの信号の読み出しを独立で行うことができる。これにより、高速読み出しを行いながら露光が行えるので大面積Ｘ線撮像装置のように低照射線量下での多画素駆動、高速動作でも蓄積時間を可能な限り長くとれ、光信号強度を大きくでき、更にノイズ低減を行い、信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を改善することができる。
【００８５】
一方、静止画モードでは、信号ΦＳＣをハイレベルとし、容量Ｃ１をフォトダイオードＰＤに並列接続した段階で、上記と同様な動作を行う。この場合、容量Ｃ１には容量Ｃ_FDの１０倍近い容量を持たせているので、広いダイナミックレンジを実現できる。また、光電変換部のｋＴＣノイズはクランプ回路により画素毎に除去できる。更に、画素中に光信号蓄積用、ノイズ信号蓄積用のサンプルホールド回路を設けることで、画素アンプでの熱ノイズ、１／ｆノイズ、温度差、プロセスばらつきによるＦＰＮを除去することができる。これにより、動画モードでは９枚の撮像素子で時間的、空間的に繋ぎ目のない高速、高感度の動画像撮影を実現できる。一方、静止画モードでは高感度、高ダイナミックレンジの静止画像撮影を実現できる。
【００８６】
（第３の実施形態）
図１２は図１又は図１０の画素を含む撮像素子を用いて撮像装置を構成した場合の全体構成を示すブロック図である。図１２において、被写体（例えば人間の胸部）１１０にはＸ線源１１１から放射線が照射され、被写体１１０を透過した放射線は撮像素子ユニット１１２に入射する。撮像素子ユニットは第１又は第２の実施形態の９枚の撮像素子をタイリングし、更に、Ｘ線を可視光に変換するシンチレータ、Ｘ線遮蔽部材及び周辺駆動回路等から構成されている。撮像素子の画素は第１又は第２の実施形態の構成である。また、シンチレータを組合わせることで放射線撮像装置を構成することができる。
【００８７】
撮像素子ユニット１１２からの、４×８系統の信号（９つの撮像素子から９×２出力線により出力される信号）は信号用Ａ／Ｄ変換器１１３とＦＰＮ用Ａ／Ｄ変換器１１４でアナログ信号からデジタル信号に変換される。撮像素子駆動部１１５は撮像素子ユニット１１２に隣接して実装されている。Ａ／Ｄ変換された信号は画像処理回路１１６に送られ、画像処理回路１１６とメモリ１１７で９枚の撮像素子の画像信号の合成や欠陥ノイズの補正等を行う。その処理信号は、記録部１１８に記録され、あるいは表示部（モニタ）１１９に表示され、必要に応じてプリントされる。これらの回路や各装置はコントローラ１２０で全体制御が行われ、更に、コントローラ１２０ではＸ線源１１１と撮像素子のタイミング等の制御を行う。
【００８８】
一時蓄積メモリ１１７に記憶されたメモリ信号は各撮像素子信号を一枚の画像として合成するための画像処理（γ処理、補間処理等）がなされ（画像処理回路１１６）、その出力は大型の画像メモリに記憶され、メモリ出力は表示部１１９等に表示される。撮影が終わるとともに画像処理は終了となる。撮像装置に取り込まれたデータはパソコン等に転送され、そこで被写体を分析するためのソフト処理等を行う。
【００８９】
なお、このような画像処理方法はパソコン等のコンピュータに記憶されたプログラムに基づいて行うことができる。また、本発明はかかるプログラムを記録したＣＤＲＯＭ等の情報記録媒体も含まれる。そして、ＣＤＲＯＭ等に記録されたプログラムを読み込むことで、本発明にかかる画像処理方法を実行することができる。
【００９０】
（第４の実施形態）
図１３は本発明の放射線撮像装置を用いてＸ線撮像システムを構成した場合の例を示す図である。図１３において、Ｘ線チューブ６０５０で発生したＸ線６０６０は患者あるいは被験者６０６１の胸部６０６２を透過し、シンチレータ、ＦＯＰ、撮像素子、外部処理基板等を含む放射線撮像装置６０４０に入射する。この入射したＸ線には患者６０６１の体内部の情報が含まれており、Ｘ線の入射に対応してシンチレータが発光し、これを撮像素子が光電変換することで電気的情報が得られる。この情報はディジタル信号に変換され、イメージプロセッサ６０７０により画像処理され、更に、制御室のディスプレイ６０８０で観察することができる。
【００９１】
また、この情報は電話回線６０９０等の伝送手段により遠隔地へ転送でき、別の場所のドクタールーム等のディスプレイ６０８１に表示もしくは光ディスク等の保存手段に保存することができ、遠隔地の医師が診断することも可能である。また、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。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、以下の効果を得ることができる。
（１）画素内に光信号用、ノイズ信号用のサンプルホールド回路を設けているので、一括露光とすることで貼合わせた各撮像素子の撮像領域の撮像露光時間を同時刻にでき、ノイズ補正回路を画素毎にでき、高画質な高速動画像撮影を行うことができる。
（２）複数の撮像素子を同種類の撮像素子で構成できるので、撮像素子ユニット製造までの工程を簡略化することでき、製造が容易になるため、低コスト化を実現できる。
（３）複数の撮像素子を共通の駆動パルスで駆動できるので、周辺の駆動回路が少なくて済み、実装も簡単で、更に、低消費電力、低ノイズ、低コストを図ることができる。
（４）高感度撮像素子で放射線撮像装置を構成でき、一括露光のタイミングに放射線露光をパルス照射することで被爆線量を適正にできるので、放射線照射量をかなり低減でき、人体に優しい装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による撮像装置の第１の実施形態の画素回路を示す回路図である。
【図２】図１の実施形態の撮像素子の全体回路を示す図である。
【図３】図１の実施形態による画素回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】図１の実施形態の撮像素子のレイアウトを示す図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線における断面図である。
【図６】一枚のウェアから１つの撮像素子を作製する場合の例を示す図である。
【図７】図１の実施形態の垂直シフトレジスタの単位ブロックを１領域（セル）に１画素回路と共に配置した様子を示す図である。
【図８】図１の実施形態のシフトレジスタを含む１領域（セル）のレイアウトを示す図である。
【図９】図１の実施形態の画素が配列された状態を示す図である。
【図１０】本発明による第２の実施形態の画素回路を示す回路図である。
【図１１】図１０の実施形態の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【図１２】本発明の放射線撮像装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図１３】本発明の放射線撮像システムの一実施形態を示す図である。
【図１４】従来例の撮像装置を示す平面図である。
【図１５】従来例の撮像装置の画素回路を示す回路図である。
【図１６】図１４の撮像装置の画像合成を説明するための図である。
【符号の説明】
Ｍ１転送スイッチ
Ｍ２リセットスイッチ
Ｍ３選択スイッチ
Ｍ４増幅ＭＯＳトランジスタ
Ｍ５クランプスイッチ
Ｍ６選択スイッチ
Ｍ７増幅ＭＯＳトランジスタ
Ｍ８，Ｍ１１サンプルスイッチ
Ｍ９，Ｍ１２選択スイッチ
Ｍ１０，Ｍ１３増幅トランジスタ
Ｍ１４モード切り替えスイッチ
ＰＤフォトダイオード
ＣＨ１光信号用ホールド容量
ＣＨ２ノイズ信号用ホールド容量
Ｃ_PD フォトダイオードの接合容量
Ｃ_FD フローティングディフュージョン容量
１００撮像素子
１０１シンチレータ
１０２ＦＯＰ
１０３外部処理基板
１０４フレキシブル基板
１０５基台
１１０被写体
１１１Ｘ線源
１１２撮像素子ユニット
１１３、１１４Ａ／Ｄ変換器
１１５撮像素子駆動回路
１１６画像処理回路
１１７メモリ
１１８記録部
１１９表示部
１２０コントローラ
６０４０放射線撮像装置
６０５０Ｘ線チューブ
６０６０Ｘ線
６０７０イメージプロセッサ
６０８１ディスプレイ
６０９０電話回線
６１００フィルムプロセッサ
６１１０フィルム

Claims

２次元に配列された複数の画素を有する撮像素子を含み、前記画素は、光電変換を行う光電変換手段と、前記光電変換手段で発生した光信号を蓄積する光信号蓄積手段と、ノイズ信号を蓄積するノイズ信号蓄積手段と、前記光電変換手段からの信号を増幅して出力する増幅手段と、を有し、前記光信号蓄積手段と前記ノイズ信号蓄積手段は前記増幅手段の出力側に並列に設けられている撮像装置であって、
前記画素が、前記増幅手段と前記光信号蓄積手段及び前記ノイズ信号蓄積手段との間に、容量と該容量の出力側の端子に所定電位を供給するスイッチと前記容量の出力側に設けられた増幅ＭＯＳトランジスタとを有するクランプ回路を更に有し、前記光信号蓄積手段及び前記ノイズ信号蓄積手段が前記増幅ＭＯＳトランジスタの出力側に並列に設けられてい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、複数の前記撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。
請求項２に記載の撮像装置において、前記複数の撮像素子の画素の光信号をそれぞれ、対応する前記光信号蓄積手段に一括して転送し、前記複数の撮像素子の画素のノイズ信号をそれぞれ、対応する前記ノイズ信号蓄積手段に一括して転送する手段を有することを特徴とする撮像装置。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記画素は、
前記光電変換手段と前記増幅手段との間をリセットするリセット手段を更に有することを特徴とする撮像装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記光電変換手段は、フォトダイオードと、前記増幅手段であるＭＯＳトランジスタのゲート部で構成されるフローティングディフュージョンと、を直結した光電変換部であり、
前記光信号蓄積手段は、光信号用ホールド容量と、前記増幅ＭＯＳトランジスタと前記光信号用ホールド容量との間に設けられた光信号用サンプルスイッチと、を有する光信号用サンプルホールド回路であり、
前記ノイズ信号蓄積手段は、ノイズ信号用ホールド容量と、前記増幅ＭＯＳトランジスタと前記ノイズ信号用ホールド容量との間に設けられたノイズ信号用サンプルスイッチと、を有するノイズ信号用サンプルホールド回路である、ことを特徴とする撮像装置。
請求項５に記載の撮像装置において、
前記画素は、前記フォトダイオードに接続された感度切替え手段を更に有し、
前記感度切替え手段は、前記フォトダイオードに並列に接続された容量と、前記フォトダイオードと前記容量の間に配置された感度切替えスイッチと、を有することを特徴とする撮像装置。
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の撮像装置において、前記画素は、前記光信号蓄積手段からの信号を増幅して光信号用出力線に出力する第１の増幅手段と、前記ノイズ信号蓄積手段からのノイズ信号を増幅してノイズ信号出力用出力線に出力する第２の増幅手段とを有することを特徴とする撮像装置。
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の撮像装置において、前記光信号蓄積手段と前記ノイズ信号蓄積手段は画素内で隣接する領域に配置されていることを特徴とする撮像装置。
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の撮像装置において、前記増幅手段はＰＭＯＳトランジスタからなることを特徴とする撮像装置。
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の撮像装置と、シンチレータと、を備えたことを特徴とする放射線撮像装置。
請求項１０に記載の放射線撮像装置と、
前記放射線撮像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。