JP5436121B2 - 撮像装置および放射線撮像システム - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置および放射線撮像システムに関する。

従来の撮像装置には、ガラス基板上にＴＦＴと光電変換素子とを有する複数の画素を形成した放射線検出基板と外部回路との信号の転送のために、ガラス基板の周辺に駆動回路や信号処理回路を接続したものがある。
そして、ガラス基板の周辺部に外部回路と接続するための接続端子を配置した辺と、接続端子を配置しない辺とを設けて、装置外縁の近傍にセンサ有効面を位置させた撮像装置が開示されている（特許文献１参照。）。

特開２００２−３１４０５６号公報

撮像装置は、撮影できる領域（撮影領域）と有効領域の外側に撮影できない領域（額縁領域）を有するが、撮影の自由度や撮像装置の小型化が求められている。しかしながら、従来の撮像装置では、ガラス基板上に接続端子が配置された辺の額縁領域が広くなっているため、撮影の自由度や撮像装置の小型化が不充分であった。

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、充分な撮影領域を有する小型の撮像装置、放射線撮像装置および放射線撮像システムを実現することを目的とする。

そして、本発明は上記目的を達成するために、撮像装置は、入射した光又は放射線を電荷に変換する複数の変換素子と、前記電荷に応じた電気信号を転送する複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタのゲートに電気的に接続されたゲート配線と、が一方の面に配置された絶縁基板と、前記絶縁基板の前記一方の面と反対側の他方の面側に配置された、前記複数のトランジスタの駆動信号を出力する駆動回路と、を有し、前記絶縁基板は、前記一方の面側で前記ゲート配線と電気的に結合され、且つ、前記他方の面側で前記駆動回路と電気的に結合されたビアを有する構成としたものである。

本発明の撮像装置は、額縁領域の面積を抑えることができ、充分な撮影領域を有する小型な撮像装置を提供できる。

本発明に係る撮像装置の一実施例を示す構成図である。 図１の撮像装置の画素の構成を示す平面図である。 図２の撮像装置の断面図である。 図２の撮像装置の断面図である。 図１の撮像装置の概略構成を示す平面模式図である。 図１の撮像装置の裏面の概略構成を示す平面模式図である。 本発明に係る撮像装置の一実施例を示す平面模式図である。 図７の撮像装置の裏面の概略構成を示す平面模式図である。 本発明に係る撮像装置の一実施例を示す断面図である。 本発明による撮像装置の放射線撮像システムへの応用例を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図１０に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施例１における撮像装置の概略構成図である。
図１において、１は光電変換素子、２及び３はスイッチ素子、４と５はＴＦＴにオン／オフ信号を転送するためのゲート配線、６は信号配線である。光電変換素子１はフォトダイオードで表記しており、逆方向バイアスが印加される。すなわち、フォトダイオードのカソード電極側は＋（プラス）にバイアスされる。バイアス配線７は共通の配線であり、電源回路Ｖｓに接続されている。リセット配線８は共通の配線であり、電源回路Ｖｒに接続されている。ここで、光電変換素子１としては例えば、水素化非晶質シリコン膜を用いたＭＩＳ型或いはＰＩＮ型の薄膜光電変換素子、単結晶シリコンを用いたＰＮフォトダイオードなどが用いられる。光電変換素子を用いる場合、入射したＸ線などの放射線を可視光に変換するシンチレータ９が用いられる。また、Ｘ線を直接電気信号に変換する直接変換素子としてのアモルファスセレン、ヒ素化ガリウム、ヨウ化水銀、ヨウ化鉛及びテルル化カドミウムでもかまわない。直接変換素子を用いる場合は、シンチレータ９はなくても良い。Ｘ線などの放射線用ではなく、可視光や赤外光などの光用の撮像装置の場合はシンチレータを用いない。また、スイッチ素子２及び３としては、非晶質シリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンなどを用いた薄膜トランジスタや、周知のＭＯＳトランジスタを用いることができる。２は光電変換素子で光電変換された電荷に基づく電気信号を転送するための転送用スイッチ素子（以下、転送ＴＦＴという）で、３は光電変換素子をリセットするためのリセット用スイッチ素子（以下、リセットＴＦＴという）である。これらは絶縁基板上に形成され、一方の面に配置された各配線と、絶縁基板の一方の面とは反対側の他方の面に配置された配線とを電気的に接続するビア１７を有する。

次に、１０はゲート配線４及び５に駆動信号を印加してそれぞれスイッチ素子２及び３を駆動制御するゲート駆動回路である。１１は光電変換素子１で発生した電荷を読み出すため初段積分アンプである。１２は初段積分アンプの積分容量である。Ｖｒｅｆは初段積分アンプの電源回路である。１３は信号をサンプルするためのサンプルホールド回路である。１４はサンプルホールドした信号を順次切り替えて出力するマルチプレクサである。１５はマルチプレクサ１４から出力された信号を変換するためのＡＤコンバータである。１６はフレームメモリである。

次に、図１の撮像装置の駆動方法について説明する。まず、撮像装置にＸ線が照射され、照射されたＸ線は、シンチレータ９により、Ｘ線から可視光に波長変換される。可視光に変換された光は、光電変換素子１に入射し、電荷に変換され、蓄積される。次にゲート駆動回路１０によりゲート配線４を介して転送ＴＦＴ２をオンして、光電変換素子１に蓄積された電荷に基づく電気信号が初段積分アンプ１１の積分容量１２に転送され、転送された電気信号が電圧信号に変換される。次に電圧信号がサンプルホールド回路１３でサンプルホールドされる。サンプルホールドされた電圧信号であるアナログ信号は、マルチプレクサ１４で順次読み出され、ＡＤコンバータ１５によりアナログ信号からディジタル変換され、フレームメモリ１６に保存される。このような読み出し動作を各ゲート配線４について繰り返し行うことによって、３×３画素の２次元の画像を得ることができる。そして、次の画像の取得前に、光電変換素子１は、リセットＴＦＴ３がゲート駆動回路１０によりゲート配線５を介してリセットＴＦＴ３をオンして電源Ｖｒから供給される電位でリセットされる。ここでは、説明のため３×３画素のマトリクスとしたが、実際には１０００×１０００画素以上の大面積エリアセンサとなる。

次に、撮像装置の各画素を詳細に説明する。図２は、絶縁基板上に配置された画素の構成を示す平面図であり、２×２の画素を示している。図３は、１画素の構造を示すための図２のＸ−Ｘ線での断面図である。図４は、図２のＹ−Ｙ線における１画素の構造を示す断面図である。

図２に示すように、各画素は、光電変換素子１と、光電変換素子の光電変換に基づく電荷を転送するための転送ＴＦＴ２、光電変換素子をリセットするためのリセットＴＦＴ３を有する。転送ＴＦＴ２のソース・ドレイン電極の一方は信号配線６に結合されており、リセットＴＦＴ３のソース・ドレイン電極の一方はリセット配線８に結合されている。また、光電変換素子１にはバイアス配線７が接続されている。転送ＴＦＴのためのゲート配線４、リセットＴＦＴのためのゲート配線５、信号配線６、バイアス配線７、リセット配線８は、それぞれビア１７と結合されている。ビア１７は、複数の画素が配置された領域の内側、すなわち光電変換素子１が配置された領域の外周の内側に配置されている。

図３に示すように、各画素はＴＦＴ２上に光電変換素子１が配置された積層型の構造を有する。ＴＦＴ２は、絶縁基板の一方の面に配置され、ゲート電極３１、ゲート絶縁層３２、チャネル層となる半導体層３３、ｎ型の導電型半導体層３４、ソース・ドレイン電極３５を有する。ＴＦＴ２、各配線６〜８は、絶縁層３６で覆われている。ＴＦＴ２の上方には、光電変換素子１が配置され、ＴＦＴ２と光電変換素子１との間には絶縁層３７が配置されている。光電変換素子１は、非晶質シリコンを用いたＭＩＳ型であり、ＩＴＯからなる下電極３８、絶縁層３９、ｉ型の真性半導体層４０、ｎ型の導電型半導体層４１、ＩＴＯからなる上電極４２を有する。光電変換素子１は絶縁層４３で覆われている。絶縁層４３の上方にはシンチレータ９は配置されている。そして、絶縁基板２１の側面からシンチレータ９の表面を覆うように保護層４４が配置されている。光電変換素子１を含む画素が配置された領域は撮影領域Ｐであり、撮影領域Ｐの外側は額縁領域（Ｆ）である。絶縁基板２１は、光電変換素子１の電荷に基づく信号を絶縁基板２１の他方の面に転送するためのビア１７を有する。ビア１７は、絶縁基板２１にレーザーやマイクロブラスト法などによって貫通穴が形成された後、貫通穴内にめっき法、導電性ペースト充填法などによって導電部材が形成されて構成される。図中、ビア１７は、貫通穴が導電性材料で充填されている構成を示しているが、貫通穴の表面が導電性材料で覆われて貫通穴中に空間を有する構成でも良い。絶縁基板の材料としては、主にアルカリ成分の少ない透明なガラスや樹脂が用いられる。

図４に示すように、光電変換素子１にバイアス電圧を印加するため、絶縁基板２１側のバイアス配線７と光電変換素子１上のバイアス配線７とを、下電極３８を介して結合している。この結合のため、絶縁層３７、絶縁層３９、真性半導体層４０、導電型半導体層４１にはそれぞれ貫通穴が形成されている。下電極３８は、上下のバイアス配線７の接続が直接行われても良いため、無くても良い。図３と同様に、バイアス配線７とリセット配線８はそれぞれ信号を絶縁基板２１の他の面に転送するためにビア１７に接続されている。

図５は、絶縁基板の一方の面側から見た撮像装置の６×６画素の平面模式図を示している。ゲート配線４、ゲート配線５、信号配線６、バイアス配線７、リセット配線８は、絶縁基板２１の周辺部に配置されたビア１７によって、絶縁基板２１の表裏面間で電気的に結合されている。

図６は、絶縁基板の他方の面側から見た撮像装置の６×６画素の平面模式図を示している。ビア１７は、ゲート駆動回路１０または信号処理回路６０に、接続配線５０を介して結合されている。ゲート駆動回路１０によって、ビア１７を介してＴＦＴ駆動用信号が転送ＴＦＴ２やリセットＴＦＴ３に転送される。また、転送ＴＦＴ２によって転送される信号が信号処理回路６０で検知できる。信号処理回路６０は、初段積分アンプ１１、積分容量１２を少なくとも有し、サンプルホールド回路１３、ＡＤコンバータ１５を有することもできる。

以上のように、複数の画素が配置された領域の内側、すなわち光電変換素子が配置された領域の外周の内側にビアが配置されている本実施例によれば、額縁領域の面積を抑えることができ、充分な撮影領域を有する小型な撮像装置が得られる。

図７は、絶縁基板の一方の面側から見た撮像装置の６×６画素の平面模式図を示している。本実施例が実施例１と異なる点は、絶縁基板に構成された、ゲート配線に結合するビアの位置である。

図７に示すように、転送ＴＦＴ２のためのゲート配線４、リセットＴＦＴのためのゲート配線５に結合されたビア１７は、各ゲート配線に結合された６画素（画素群）に対して、画素群に対応するゲート配線の配線方向の中央部に配置されている。

図８は、絶縁基板の一方の面とは反対側の他方の面側から見た撮像装置の６×６画素の平面模式図を示している。ゲート駆動回路１０は、転送ＴＦＴ２のための回路と、リセットＴＦＴのための回路の２つを用いている。このため、個々のゲート駆動回路は、配線のピッチが広くなるため、製造工程が簡単になる。

そして、ビア１７を絶縁基板２１の中央部に配置した構成により、ゲート配線の回路から最も遠い位置が短くなるため、抵抗成分による信号遅延を低減することができるため、効率的に信号の転送を行うことができ、良好な画像を得ることができる。本実施例においては、ゲート配線のビア１７との結合部からゲート配線の両端までに結合される画素数が同数であるが、信号遅延に極端な差がなければ良く、画素数或いは距離の１０％の差は許容される。したがって、ゲート配線の配置方向の中央部とは画素数或いは距離の１０％の差を含む位置である。

また、ゲート配線と結合されるビア１７は、１箇所のみではなく２以上の複数箇所であってもよい。ゲート配線に複数箇所のビアが結合されていれば、途中に断線が発生したとしても１箇所のビアの場合に比べて欠陥画素が少なくなるためより好ましい。そのため、ゲート配線に複数箇所のビアが結合される場合、各ゲート配線に結合される画素群を複数に分け、各画素群の範囲のゲート線の中央部にビアが配置されることが好ましい。

図９は、筐体を含む撮像装置の断面図である。
図９において、７０は絶縁基板２１上に配置されたＴＦＴ、光電変換素子、シンチレータを含む変換部、８０はゲート駆動回路１０や信号処理回路６０が配置された回路基板、８１は回路基板のビアである。そして、８２は回路基板８０を覆う熱伝導性絶縁層、８２は保護層であり、９１、９２は筐体である。

回路基板８０のビア８１は、絶縁基板２１のビア１７に結合されている。図９では、回路基板８０のビア８１は貫通ビアであるが、回路基板８０に内部配線が配置されている場合は、貫通ビアでなくてもよい。回路基板８０はガラスエポキシ基板が用いられ、絶縁基板２１の支持基板を兼ねているため、絶縁基板がガラスである場合には振動や衝撃から保護される。駆動回路と信号処理回路とは、回路基板の絶縁基板とは反対側に配置されている。

熱伝導性絶縁層８２は、樹脂中にセラミックフィラーやグラファイトフィラーなどの熱伝導フィラーを含有する熱伝導性樹脂フィルムであり、信号処理回路６０などで発生した熱を筐体に伝えて放熱する。一般的な樹脂の熱伝導率は０．１〜０．６Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるが、熱伝導性絶縁フィルムの熱伝導率は、５Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましく、１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上がより好ましい。熱伝導性樹脂フィルムのベースはシリコーンなどからなり、柔軟性を有するため、ゲート駆動回路１０や信号処理回路６０を振動、衝撃から保護することができる。

図１０は本発明に係わるＸ線撮像装置のＸ線診断システム（放射線撮像システム）への応用例を示した図である。Ｘ線チューブ６０５０（放射線源）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、シンチレーターを上部に実装した光電変換装置６０４０（シンチレーターを上部に実装した光電変換装置は放射線撮像装置を構成する）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いる。Ｘ線の入射に対応してシンチレーターは発光し、これを光電変換して、電気的情報を得る。この情報はデジタル信号に変換され信号処理手段となるイメージプロセッサ６０７０により画像処理され制御室の表示手段となるディスプレイ６０８０で観察できる。なお、放射線撮像システムは、撮像装置と、撮像装置からの信号を処理する信号処理手段とを少なくとも有する。

また、この情報は電話回線６０９０等の伝送処理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など表示手段となるディスプレイ６０８１に表示もしくは光ディスク等の記録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。また記録手段となるフィルムプロセッサ６１００により記録媒体となるフィルム６１１０に記録することもできる。

１ 光電変換素子
２ 転送用スイッチ素子
３ リセット用スイッチ素子
４ ゲート配線
５ ゲート配線
６ 信号配線
７ バイアス配線
８ リセット配線
９ シンチレータ
１０ ゲート駆動回路
１１ 初段積分アンプ
１７ ビア

Claims (7)

1. 入射した光又は放射線を電荷に変換する複数の変換素子と、前記電荷に応じた電気信号を転送する複数のトランジスタと、前記複数のトランジスタのゲートに電気的に接続されたゲート配線と、が一方の面に配置された絶縁基板と、
   前記絶縁基板の前記一方の面と反対側の他方の面側に配置された、前記複数のトランジスタの駆動信号を出力する駆動回路と、
   を有する撮像装置であって、
   前記絶縁基板は、前記一方の面側で前記ゲート配線と電気的に結合され、且つ、前記他方の面側で前記駆動回路と電気的に結合されたビアを有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記ビアは、前記複数の画素が配置された領域の内側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記ゲート配線に結合された前記ビアは、前記ゲート配線に結合された画素群に対して、前記ゲート配線の配線方向の中央部に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記電気信号を転送するための信号配線と、前記電気信号を処理する信号処理回路と、を更に有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記絶縁基板の他方の面側に配置され、前記絶縁基板の前記ビアと結合された回路基板を更に有し、前記駆動回路と前記信号処理回路とが前記回路基板の前記絶縁基板とは反対側に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
6. 筐体を更に有し、前記筐体と、前記駆動回路及び前記信号処理回路との間に配置された、熱伝導フィラーを含有する樹脂からなる熱伝導性絶縁層を有することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像装置と、
   前記撮像装置からの信号を処理する信号処理手段と、
   前記信号処理手段からの信号を記録するための記録手段と、
   前記信号処理手段からの信号を表示するための表示手段と、
   前記信号処理手段からの信号を伝送するための伝送処理手段と、
   を具備する放射線撮像システム。

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