JP5800966B2 - 半導体撮像素子 - Google Patents
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Description
電荷結合画像センサ(電荷結合素子(CCD)としても知られる)は既知の撮像素子における一つの方式である。CCD方式の素子は以下のように動作する:
1.印加電圧により形成された空乏領域に電荷が蓄積される。各画素(画像セル)において空乏領域はポテンシャル井戸(ポテンシャル・ウェル)の形状を有しており、電子を電極ゲート下に拘束して半導体基板内に保持する。
2.CCD素子の電極ゲートに対し電圧がパルスとして印加され、隣接する画素セルへ各電荷パッケージをクロックする。電荷は半導体基板内に保持され、画素ごとに共通の出力へとクロックされる。
このプロセスの間、付加的な電荷の蓄積は不可能である。
本発明の半導体撮像素子は、入射放射線に応答して電荷を発生させる、撮像基板内の複数の検出器セルの配列と、計数基板内の複数の画像セル回路であって、各々の画像セル回路が前記複数の検出器セルの各々と関連している複数の画像セル回路の配列と、を含む画素セル配列を具備する、放射線撮像のための半導体撮像素子であって、前記画像セル回路の各々が、前記関連する検出器セルに入射する複数の放射線ヒットを計数するための計数回路を具備し、前記複数の検出器セルの少なくともいくつかは、それぞれ、前記検出器セルに入射する複数の放射線ヒットを計数するように構成された、前記複数の画像セル回路の第1及び第2のカウンタに連結され、前記計数基板は、バンプ接続によって前記撮像基板に直接接続されることを特徴とする。
また、前記カウンタそれぞれが、関連する検出器セルで発生し入射放射線エネルギーに依存した値を有している信号を受容するように配置されたしきい値回路に接続されることを特徴とする。
また、前記第1のカウンタに接続された前記しきい値回路が、入力信号値を上限しきい値と比較するための第1のコンパレータを具備し、前記第2のカウンタに接続された前記しきい値回路が、入力信号値を下限しきい値と比較するための第2のコンパレータを具備していることを特徴とする、請求項3の半導体撮像素子。
前記第1のカウンタの出力が第1のロード可能シフトレジスタに接続され、前記第2のカウンタの前記出力が第2のロード可能シフトレジスタに接続されており、画像セル回路の前記第1および第2のロード可能シフトレジスタが相互に、かつ前記配列におけるさらに別の画像セル回路のそれぞれのシフトレジスタとチェイン接続されていることを特徴とする。
さらに、前記出力シフトレジスタが、水平シフトレジスタと垂直ロード可能シフトレジスタとから形成されたデュアルx−yの構成を具備していることを特徴とする。
この撮像素子は、各画素セルが画素検出器19と画素回路20とを具備している(例えばシリコンの)単一の半導体基板として構成することができる。別の方法として、撮像素子16を2枚の基板上に構成し、一方を検出器セルの配列とし一方を対応する画素回路20の配列として、これら基板を例えば従来のバンプ接着技術または他の適切な技術により相互に機械的に接続することもできる。
フリップフロップ84の出力Qからの出力“clk”は非同期nビットカウンタ88に対する入力として供給される。使用されるカウンタの種類によって、カウンタ88からロード可能シフトレジスタ90へのnビット出力をラッチする前に許可信号56により計数を禁止することができる。その後、カウンタ88をリセットしてカウンタ88に計数の続行を許可することが可能である。
さらに、クロック信号92に応じて画素回路からの読み出しを次の計数期間の間、実行させることができる。
計数回路に関する別の構成が図6に示されている。図6に示す別の計数回路では、高低の出力計数の双方が直接に得られる。この回路には図5の回路よりも多くの回路用面積と読み出し時間とを必要とするが、低い計数を高い計数から減算することによりしきい値の間の計数を直接読み出すことができ、また高い計数のみを計数することにより、高しきい値を上回る計数を出力することができる。
画像処理装置およびディスプレイの動作を制御するため、例えばキーボード、ポインティングデバイスなどの入力装置36を配設することができる。
例えば、説明した実施例において高および低のしきい値は制御論理102から供給され、好ましくは調整可能である。しかし別の実施例では高および低のしきい値を固定されたものとしてVddおよびVssの供給電圧から得ることも可能である。
このアナログ信号を電荷蓄積手段(例えば、トランジスタまたはコンデンサ)に蓄積さ
せることにより、電荷蓄積手段の最終リセット以後に画素検出器に入射した全エネルギーを表わす値を得ることができる。
12 対象
14 放射線
16 撮像素子
18 画素セル
19 画素検出器
20 画素回路
24 制御電子装置
28 画像処理装置
32 ディスプレイ
36 入力装置
Claims (8)
- 入射放射線に応答して電荷を発生させる、撮像基板内の複数の検出器セルの配列と、
計数基板内の複数の画像セル回路であって、各々の画像セル回路が前記複数の検出器セルの各々と関連している複数の画像セル回路の配列と、
を含む画素セル配列を具備する、放射線撮像のための半導体撮像素子であって、
前記画像セル回路の各々が、関連する前記検出器セルに入射する複数の放射線ヒットを計数するための計数回路を具備し、
前記複数の検出器セルの少なくともいくつかは、それぞれ、前記検出器セルに入射する複数の放射線ヒットを計数するように構成された、前記複数の画像セル回路の第1及び第2のカウンタに連結され、
前記計数基板は、バンプ接続によって前記撮像基板に直接接続されることを特徴とする半導体撮像素子。 - 前記複数の画像セル回路の各々は、バンプ接続によって前記関連する各検出器セルに直接接続されることを特徴とする、請求項1の半導体撮像素子。
- 前記第1及び第2のカウンタが、関連する検出器セルで発生し入射放射線エネルギーに依存した値を有している信号を受容するように配置されたしきい値回路に接続されることを特徴とする、請求項1又は2のいずれかの半導体撮像素子。
- 前記第1のカウンタに接続された前記しきい値回路が、入力信号値を上限しきい値と比較するための第1のコンパレータを具備し、前記第2のカウンタに接続された前記しきい値回路が、入力信号値を下限しきい値と比較するための第2のコンパレータを具備していることを特徴とする、請求項3の半導体撮像素子。
- 前記第1及び第2のカウンタは、それぞれの前記コンパレータの出力に応答する、請求項4の半導体撮像素子。
- 前記第1のカウンタの出力が第1のロード可能シフトレジスタに接続され、前記第2のカウンタの出力が第2のロード可能シフトレジスタに接続されており、画像セル回路の前記第1および第2のロード可能シフトレジスタが相互に、かつ前記配列におけるさらに別の画像セル回路のそれぞれのシフトレジスタとチェイン接続されていることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかの半導体撮像素子。
- 前記画像セル回路の前記シフトレジスタが前記配列の外部にある出力シフトレジスタと接続されていることを特徴とする、請求項6の半導体撮像素子。
- 前記出力シフトレジスタが、水平シフトレジスタと垂直ロード可能シフトレジスタとから形成されたデュアルx−yの構成を具備していることを特徴とする、請求項7の半導体撮像素子。
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