以下、本発明を好適に適用可能な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1の撮像装置100は、放射線又は光をアナログ電気信号に変換するための画素を行列状に複数備えた変換部101と、変換部101を駆動する駆動回路102a、102bと、を有する。本実施形態では、説明の簡便化のために変換部101は、8行8列の画素を有する形態とし、4画素列分を一組とする第1の画素群101a、第2の画素群101bに分割されている。第1の画素群101aの画素から出力されたアナログ電気信号である画素信号は、対応する第1の読出回路103aによって読み出される。第1の読出回路103aの画素から出力されたアナログ電気信号である画素信号113は、対応する第1のA/D変換器104aによってデジタルデータ114に変換される。同様に、第2の画素群101bからのアナログ電気信号は、対応する第2の読出回路103b及び第2のA/D変換器104bによって読み出されてデジタルデータに変換される。第1及び第2のA/D変換器104a,bからのデジタルデータは、デジタルデータ処理手段105によって、後述する信号処理やデジタルマルチプレックス処理、オフセット補正等が行われ、デジタル画像信号として出力される。信号処理部106は、第1及び第2の読出回路103a,bを含む読出回路部103と、第1及び第2のA/D変換器104a,bを含むA/D変換部104と、デジタルデータ処理手段105とを有する。そして、撮像装置100は、信号処理部106に対して夫々に対応するバイアスを与える電源部107を有する。電源部107は、読出回路部103に対して基準電圧Vref1,Vref2,Vref3を与える。撮像装置100は更に、信号処理部106及び電源部107の少なくとも一方を制御するための制御部108を有する。この制御部108は電源部107に対して制御信号118を供給している。また、制御部108は、読出回路部103に対して制御信号116、117、120を供給している。そして、制御部108は、駆動回路102a、102bに駆動制御信号119a、119bを供給し、駆動回路102はそれに基づいて変換部101に駆動信号111a、111bを供給している。
図2(a)は、本発明の好適な実施形態に係る撮像装置の概念的な等価回路図を含む撮像装置の概念図である。なお、図1を用いて説明した構成と同じものは同じ番号を付与してあり、詳細な説明は割愛する。変換部101は、行列状に複数配置された画素201を有する。図2(a)には、説明の簡便化のため、例として8行8列にわたって8×8個の画素201が配置されている。画素201は、放射線又は光を電荷に変換する変換素子Sと、その電荷に応じた電気信号を出力する出力用スイッチ素子Tと、変換素子Sに蓄積された電荷を初期化するための初期化用スイッチ素子Rと、を有する。光を電荷に変換する変換素子Sとしては、ガラス基板等の絶縁性基板上に配置され、アモルファスシリコンを主材料とするMIS型やPIN型の光電変換素子が好適に用いられる。放射線を電荷に変換する変換素子Sとしては、上述の光電変換素子の放射線入射側に放射線を光電変換素子が感知可能な波長帯域の光に変換する波長変換体を備えた間接型の変換素子や、放射線を直接電荷に変換する直接型の変換素子が好適に用いられる。出力用スイッチ素子T及び初期化用スイッチ素子Rとしては、制御端子と2つの主端子を有するトランジスタが好適に用いられ、光電変換素子が絶縁性基板上の備えられる画素の場合には、薄膜トランジスタ(TFT)が好適に用いられる。変換素子Sの一方の電極(第1電極)は出力用スイッチ素子T及び初期化用スイッチ素子Rの2つの主端子の一方に電気的に接続され、他方の電極(第2電極)は共通のセンサバイアス配線VSを介してバイアス電源Vsと電気的に接続される。初期化用スイッチ素子Rの2つの主端子の他方の端子は、共通の配線を介して初期化用電源Vrefと電気的に接続される。ここで、初期化用スイッチ素子Rは、変換素子を初期状態に近づける初期化動作を行うためのものであり、変換素子Sの電荷を完全に初期化しなくてもよい。また、初期化用電源Vrefは、変換素子Sを初期化動作が可能な状態にするための電位を第1電極に供給するための電源である。
行方向の複数の画素の出力用スイッチ素子T、例えばT11〜T18は、それらの制御端子が駆動配線GT1に共通に電気的に接続され、出力用駆動回路102aから出力用スイッチ素子Tの導通状態を制御する駆動信号が駆動配線を介して行単位で与えられる。同様に行方向の複数の画素の初期化用スイッチ素子R、例えばR11〜R18は、それらの制御端子が駆動配線GR1に共通に電気的に接続され、初期化用駆動回路102bからその導通状態を制御する駆動信号が駆動配線を介して行単位で与えられる。
列方向の複数の画素の出力用スイッチ素子T、例えばT11〜T81は、それらの他方の主端子が1列目の信号配線Sig1に電気的に接続されており、導通状態になっている間に、変換素子の電荷に応じた電気信号を、信号配線を介して読出回路103に出力する。列方向に複数配列された信号配線Sig1〜Sig8は、変換部101の複数の画素から出力された電気信号を並列に読出回路部103に伝送する。本実施形態では、変換部101は4画素列分を一組とする第1の画素群101a、第2の画素群101bに分割されている。第1の画素群101aから出力されたアナログ電気信号は、読出回路103内の対応する第1の読出回路103aによって並列に読み出され、第2の画素群101bから出力されたアナログ電気信号は、第2の読出回路103bによって並列に読み出される。
第1の読出回路103aは、第1の画素群101aから並列に出力された電気信号を増幅する第1の増幅回路部202aと、第1の増幅回路部202aからの電気信号を一時保持するための第1のサンプルホールド回路部203aと、を有する。第2の読出回路103bも同様に、第2の増幅回路部202bと第2のサンプルホールド回路部203bとを有する。また第1及び第2の読出回路は、第1又は第2のサンプルホールド回路部から並列に読み出された電気信号を、それぞれ順次出力して直列信号の画像信号として出力する第1及び第2のマルチプレクサ204a,bを有する。更に第1及び第2の読出回路は、画像信号をインピーダンス変換して出力する出力バッファである第1及び第2の差動増幅器205a,bを夫々有する。画素からの電気信号は、信号用バッファSFSを介して第1の差動増幅器205a又は第2の差動増幅器205bに入力される。また、ノイズ成分は、ノイズ用バッファSFNを介して第1の差動増幅器205a又は第2の差動増幅器205bに入力される。第1の差動増幅器205aに入力された画素からの電気信号とノイズ成分は減算されて出力され、第1のA/D変換器104aに入力される。同様に、第2の差動増幅器205bに入力された画素からの電気信号とノイズ成分は減算されて出力され、第2のA/D変換器104bに入力される。第1の及び第2のA/D変換器104a,bには、電源部107から基準電圧Vref3が入力される。ここで、第1及び第2の読出回路103a,bの信号用バッファSFSのゲートにはリセットスイッチSRSを介して電源部107から所定のタイミングで基準電圧Vref2が入力される。また、第1及び第2の読出回路103a,bのノイズ用バッファSFNのゲートにはリセットスイッチSRNを介して電源部107から所定のタイミングで基準電圧Vref2が入力される。つまりリセットスイッチSRは、所定のタイミングでバッファSFのゲートに基準電圧Vref2を与えることにより、所定のタイミングで差動増幅器の入力をリセットするものである。
制御部108は、第1及び第2の増幅回路部202a,bに対して制御信号116を与えている。また制御部108は、リセットスイッチSRS,SRNに対して制御信号117aを、第1及び第2のマルチプレクサに対して制御信号117bを、夫々与えている。そして、制御部108は、第1及び第2のサンプルホールド回路部に対して制御信号120s、120nを、夫々与えている。更に、制御部108は、第1及び第2のA/D変換器に対して制御信号129を、デジタルデータ処理手段105に対して制御信号130を、それぞれ与えて制御する。
図2(b)は、読出回路103を詳細に説明するための等価回路図である。増幅回路部202は各信号配線に対応してそれぞれ、画素から読み出された電気信号(画素信号)を増幅して出力する演算増幅器Aと、積分容量Cfと、積分容量をリセットするリセットスイッチRCと、を有する増幅回路を備える。演算増幅器Aの反転入力端子には出力された電気信号が入力され、出力端子から増幅された電気信号が出力される。演算増幅器Aの正転入力端子には電源部107から基準電圧Vref1が入力される。また、積分容量Cfが演算増幅器Aの反転入力端子と出力端子の間に配置され、積分容量Cfと並列にリセットスイッチRCが接続される。サンプルホールド回路部203は、各増幅回路に対応して奇数行信号用サンプルホールド回路、偶数行信号用サンプルホールド回路、奇数行ノイズ用サンプルホールド回路、偶数行ノイズ用サンプルホールド回路を備えている。奇数行信号用サンプルホールド回路は、奇数行の画素からの電気信号をサンプリングするサンプリングスイッチSHOSと、奇数行の画素信号を保持するサンプリング容量Chosとを有している。偶数行信号用サンプルホールド回路は、偶数行の画素信号をサンプリングするサンプリングスイッチSHESと、偶数行の画素信号を保持するサンプリング容量Chesとを有している。奇数行ノイズ用サンプルホールド回路は、奇数行の画素信号をサンプリングする前に演算増幅器等の伝送経路のノイズ成分をサンプリングするサンプリングスイッチSHONと、当該ノイズ信号を保持するサンプリング容量Chonとを有している。偶数行ノイズ用サンプルホールド回路は、偶数行の画素信号をサンプリングする前に演算増幅器等の伝送経路のノイズをサンプリングするサンプリングスイッチSHENと、当該ノイズ信号を保持するサンプリング容量Chenとを有している。マルチプレクサ204は、奇数行信号用サンプルホールド回路に対応してスイッチMSOSを、偶数行信号用サンプルホールド回路に対応してスイッチMSESを、各増幅回路に対応して夫々備えている。また、奇数行ノイズ用サンプルホールド回路に対応してスイッチMSONを、偶数行ノイズ用サンプルホールド回路に対応してスイッチMSENを各増幅回路に対応して夫々備えている。そして、各スイッチを順次選択することにより、画素信号の並列信号とノイズ成分の並列信号をそれぞれ直列信号に変換する動作が行われる。直列信号に変換された信号は、差動増幅器205a、205bを介して、A/D変換器104a、104bに入力され、順次デジタルデータに変換される。
ここで、変換部101の変換素子S、出力用スイッチ素子T及び初期化用スイッチ素子Rを含む1画素の構造及び動作について説明する。本実施形態では、変換素子SはMIS型の光電変換素子を用いており、初期化動作を行うことにより、変換動作が可能となる。まず、図3(a)を用いて1画素の断面構造について説明する。出力用スイッチ素子T及び初期化用スイッチ素子Rは、ガラスなどの絶縁性基板301上に、ゲート電極層(制御端子)302、絶縁層303、半導体層304、不純物半導体層305、ドレイン電極層306及びソース電極層307が積層されたTFT構成を有する。出力用スイッチ素子T及び初期化用スイッチ素子Rは有機樹脂の層間絶縁層308によって覆われている。そして変換素子Sが、層間絶縁層308を介して出力用スイッチ素子T及び初期化用スイッチ素子Rの上方に配置されている。この変換素子Sは、第1電極層310、絶縁層311、真性半導体層312、不純物半導体層313、第2電極層314が積層された構成を有する。絶縁層303及び311は、例えば、アモルファスシリコン窒化膜を用いて形成されうる。半導体層304及び真性半導体層312は、例えば、アモルファスシリコン層を用いて形成されうる。不純物半導体層305及び313は、例えば、アモルファスシリコンn層を用いて形成されうる。変換素子Sの第1電極層310と出力用スイッチ素子Tのドレイン電極層1306及び初期化用スイッチ素子Rのドレイン電極306は、導電部材309等で接続されている。変換素子S、出力用スイッチ素子T及び初期化用スイッチ素子Rの上部では、アモルファスシリコン窒化膜や有機樹脂などの保護層315が全体を覆っており、その上方にCsIなどの波長変換体316が備えられている。
次に、図3(b)の1画素の模式的等価回路図、図3(c)の1画素あたりのタイミング図を用いて、図3(a)に示した1画素の動作について説明する。
図3(b)に示すように、変換素子Sの第2電極層314は、Vs電源に接続されている。ここで、Vs電源は変換素子Sを変換動作が可能な状態にするために変換素子Sの第2電極層314に与えられる電位を供給する電源である。また、Vref電源は初期化用スイッチ素子Rのソース307bに接続されている。このVref電源は、変換素子Sに蓄積された電子又はホールのいずれか一方のキャリアを変換素子Sの真性半導体層312から除去するための電位を変換素子Sの第1電極層310に与えるための電源である。出力用スイッチ素子Tのソース307aはリセット機能を持つ増幅回路320の入力に接続されている。この増幅回路320は、図2(b)で説明された増幅回路に相当する。更に、出力用スイッチ素子Tのゲート302aは、出力用スイッチ素子Tを制御する出力用駆動回路102aに接続されている。また、初期化用スイッチ素子Rのゲート301bは、初期化用スイッチ素子Rを制御する初期化用駆動回路102bに接続されている。
そして、図3(c)に示すようなタイミングで、1画素の動作が行われる。本実施形態における1画素の変換素子Sの動作の特徴の一つは、変換動作と初期化動作の2つの動作を行うことである。まず、変換動作について説明する。図3(c)の期間aに示すように、変換素子Sの第2電極層314の電位はVsに設定されている。また、第1電極層310は増幅回路320の基準電位に設定されている。ここで、Vsは増幅回路320の基準電位より高い正の電位である。そして、出力用スイッチ素子T及び初期化用スイッチ素子Rは非導通状態にある。この状態で光又はX線が変換素子Sに入射すると、真性半導体層312で発生した電荷は電界により各電極に導かれる。すなわち、電子は第2電極層314へ導かれ、ホールは第1電極層310側へ導かれて真性半導体層312と絶縁層311の界面に蓄積される。絶縁層311の界面に蓄積されたホールにより第1電極層310の電位は上昇する。この電位上昇は、図3(c)の期間bに示すように、出力用スイッチ素子Tを導通状態とすることにより、増幅回路320へ出力することができる。一方、変換動作において、多量の光又はX線が変換素子Sに入射すると、蓄積されたホールにより真性半導体層312にかかる電界が弱まる。その結果、真性半導体層312で発生した電荷は、各電極に導かれることなく再結合してしまう。すなわち、変換動作ができない状態となる。この状態から後述する初期化動作を行うことにより、再度真性半導体層312に電界が印加され、変換動作が可能となる。
次に初期化動作について説明する。図3(c)の期間cでは、出力用スイッチ素子T及び初期化用スイッチ素子Rが導通しており、かつ増幅回路320のリセットスイッチRCが導通して伝送経路がリセットされている。それにより、出力用スイッチ素子T及び初期化用スイッチ素子Rのオン抵抗が同じ場合、変換素子Sの第1電極層310側はVrefと増幅回路の基準電位との中間の電位に設定される。ここで、Vrefは増幅回路320の基準電位より高くVsより低い正の電位である。この初期化動作における第1電極層310は、変換動作における第1電極層310に対して正の電位が与えられている。従って、変換動作で真性半導体層312と絶縁層311の界面に蓄積されたホールの少なくとも一部は、第2電極層314側に導かれ、第2電極層314から注入された電子により消滅する。その後、図3(c)の期間dに示すように、出力用スイッチ素子T及びリセットスイッチRCの導通を維持しつつ初期化用スイッチ素子Rを非導通とし、第1電極層310を増幅回路の基準電位に戻すことにより変換動作が可能となる。変換素子Sは図3(c)の期間a〜dに示す変換動作と初期化動作を繰り返すことにより、連続的に動作を行うことが可能となる。
次に、図2及び図4を参照して、本発明の好適な実施形態における撮像装置の動作を説明する。図4は、本発明の第1の実施形態に係る撮像装置の撮像動作を説明するためのタイミングチャートである。本実施形態において、撮像装置100は行単位で画素の出力動作を行う。
変換部101に放射線又は光が照射されて、各変換素子Sには照射された放射線又は光に応じた電荷が生成される。まず撮像装置100は以下に示すリセット動作を開始する。制御部108から制御信号116が与えられたリセットスイッチRCによって積分容量Cfがリセットされ、伝送経路である増幅回路がリセットされる。そしてリセットスイッチRCが非導通状態となることにより、リセット動作が終了する。ここで、リセット動作はリセットスイッチの導通状態を維持している動作であり、伝送経路の電位を規定された初期値に戻す動作である。
次に、撮像装置100は以下に示すノイズ成分サンプルホールド動作を開始する。制御部108からサンプルホールド回路部に制御信号120n,120oeが与えられる。それにより奇数行ノイズ用サンプルホールド回路のサンプリングスイッチSHONが導通され、リセットされた増幅回路から増幅回路のノイズ成分がサンプリング容量Chonに転送される。サンプリングスイッチSHONが非導通にされてノイズ成分がサンプリング容量Chonに保持される。そしてサンプリングスイッチSHONが非導通状態となることにより、ノイズ成分サンプルホールド動作が終了する。ここで、ノイズ成分サンプルホールド動作はノイズ用サンプルホールド回路のサンプリングスイッチの導通状態を維持している動作である。
次に、リセット動作の終了後、撮像装置100は以下に示す1行目の出力動作を開始する。ここで、1行目の出力動作の開始は、出力用駆動回路102aから1行目の駆動配線GT1に与えられる駆動信号の立ち上がりによって規定され、1行目の出力用スイッチ素子T11〜T18が導通される。それにより、1行目の変換素子S11〜S14で発生された電荷に基づくアナログ電気信号(画素信号)が、各画素から信号配線Sig1〜Sig4を介して並列に第1の読出回路103aに出力される。また1行目の変換素子S15〜S18で発生された電荷に基づくアナログ電気信号(画素信号)が、各画素から信号配線Sig5〜Sig8を介して並列に第2の読出回路103bに出力される。なお、本発明において、出力動作は出力用スイッチ素子の導通状態を維持している動作をいう。
次に、撮像装置100は以下に示す信号サンプルホールド動作を開始する。制御部108からサンプルホールド回路部に制御信号120s,120oeが与えられ、奇数行信号用サンプルホールド回路のサンプリングスイッチSHOSが導通される。それにより読み出された1行目の画素の画素信号が増幅回路を介してサンプリング容量Chosに転送される。この際、画素信号には増幅回路のノイズ成分が付加される。そしてサンプリングスイッチSHOSが非導通にされてノイズ成分が付加された画素信号がサンプリング容量Chonに保持される。信号サンプルホールド動作の間、1行目の出力用スイッチ素子T11〜T18は導通状態が維持され、出力動作は継続されている。そしてサンプリングスイッチSHOSが非導通状態となることにより、信号サンプルホールド動作が終了する。ここで、信号動作は信号用サンプルホールド回路のサンプリングスイッチの導通状態を維持している動作である。
次に、撮像装置100は以下に示す信号処理動作を開始する。制御部108から各リセットスイッチSRS,SRNに制御信号117aが与えられる。それにより各リセットスイッチSRS,SRNが導通されて各バッファSFS,SFNのゲートに基準電圧Vref2が与えられ、各バッファSFS,SFNの入力がリセットされる。次に、各リセットスイッチSRS,SRNが非導通にされ、制御部108から各マルチプレクサに制御信号117bが与えられる。それに応じて、第1のマルチプレクサ204aのスイッチMSOS1及びスイッチMSON1が導通される。それにより、ノイズ成分が付加された1列目の画素の画素信号がバッファSFSを介して、ノイズ成分がバッファSFNを介して、それぞれ第1の差動増幅器205aに入力される。また、第2のマルチプレクサ204bのスイッチMSOS5及びスイッチMSON5が同時に導通される。それにより、ノイズ成分が付加された5列目の画素の画素信号がバッファSFSを介して、ノイズ成分がバッファSFNを介して、それぞれ第2の差動増幅器205bに入力される。ノイズ成分が付加された画素信号とノイズ成分は、各差動増幅器において差分処理される。そして、差分処理された画素信号が増幅されて差動増幅器から出力される。これにより増幅回路からの出力から各増幅回路のノイズ成分が除去される。各A/D変換器104a,104bは出力された各画素信号をデジタルデータS(1,1)、S(1,5)に変換してデジタルデータ処理手段105に出力する。次に、再び各バッファSFS,SFNの入力がリセットされ、その後、2列目及び6列目に対して画素データ出力動作が行われ、各A/D変換器104a,104bからデジタルデータS(1,2)、S(1,6)がデジタルデータ処理手段105に出力される。以後同様に、リセット動作、3列目及び7列目に対する画素データ出力動作、リセット動作、4列目及び8列目に対する画素データ出力動作が順次行われる。それによりデジタルデータ処理手段105にデジタルデータS(1,3)とS(1,7)、S(1,4)とS(1,8)がそれぞれ出力され、信号処理動作が終了する。ここで、この信号処理動作は、所定行の出力動作中に行われるリセット動作の開始から、所定行の次に行われる行の出力動作中に行われるリセット動作の開始までの間に、行われている。つまり、所定行の画素に対する信号処理動作は、所定行の次に動作される画素の出力動作と時間的に並列に行われている。
次に1行目の初期化動作について説明する。初期化動作は、読出回路103の信号処理動作と並行して変換部101で行われる。出力用スイッチ素子T11〜T18は、画素信号を出力した後も導通状態を維持している。この状態で、制御部108から制御信号116が与えられリセット動作が開始され、リセットスイッチRCによって信号配線Sig1〜Sig8及び1行目の変換素子S11〜S18の第1電極をVref1にする。そしてこの状態で初期化用スイッチ素子R11〜R18を導通状態とすることにより初期化動作が開始される。これにより、変換素子S11〜S18の第1電極の電位を上昇させ初期化動作を行う。この際、変換素子S11〜S18の下電極の電位は、以下の式で決まる電位となる。
ここで、TRonは、出力用スイッチ素子T11〜T18のオン抵抗、RRonは、リセット用スイッチ素子R11〜R18のオン抵抗である。その後、初期化用スイッチ素子R11〜R18を非導通にすることにより初期化動作が終了し、変換素子S11〜S18の下電極がVref1電位に戻り、光電変換を行う準備が整う。この時、初期化動作終了後も読出回路103のリセットスイッチRCの導通を維持し続け、積分容量Cf及び信号配線Sig1〜Sig8をリセットしている。
次に制御部108から増幅回路部202に制御信号116が与えられ、リセットスイッチRCを非導通とすることによってリセット動作が終了する。初期化動作及びリセット動作の間も、1行目の出力用スイッチ素子T11〜T18は導通状態が維持され、出力動作は継続されている。
次に撮像装置100はノイズ成分サンプルホールド動作が再度開始される。制御部108からサンプルホールド回路部に制御信号120o,120oeが与えられる。それにより遇数行ノイズ用サンプルホールド回路のサンプリングスイッチSHENが導通され、リセットされた増幅回路から増幅回路のノイズ成分がサンプリング容量Chenに転送される。サンプリングスイッチSHENが非導通にされてノイズ成分サンプルホールド動作が終了し、ノイズ成分がサンプリング容量Chenに保持される。ここで、このノイズ成分サンプルホールド動作の間も1行目の出力用スイッチ素子T11〜T18は導通状態が維持され、出力動作は継続されている。
ノイズ成分サンプルホールド動作の終了後、出力用駆動回路102aから1行目の駆動配線GT1に与えられたオンパルスが立ち下がり、非導通のための電位が与えられて、1行目の出力用スイッチ素子T11〜T18が非導通となる。これにより1行目の出力動作は終了する。
次に撮像装置は以下に示す2行目の出力動作を行う。1行目の出力動作終了後、出力用駆動回路102aから2行目の駆動配線GT2にオンパルスが与えられて2行目の出力用スイッチ素子T21〜T28が導通される。それにより、2行目の出力動作が開始され、2行目の変換素子S21〜S24で発生された電荷に基づく画素信号が、各画素から信号配線Sig1〜Sig4を介して並列に第1の読出回路103aに伝送される。また2行目の変換素子S25〜S28で発生された電荷に基づく画素信号が、各画素から信号配線Sig5〜Sig8を介して並列に第2の読出回路103bに伝送される。そして、制御部108からサンプルホールド回路部に制御信号120s,120oeが与えられて、2行目のサンプルホールド動作が行われる。それにより偶数行信号用サンプルホールド回路のサンプリングスイッチSHESが導通され、読み出された画素信号が増幅回路を介してサンプリング容量Chesに転送される。この際、画素信号には増幅回路のノイズ成分が付加される。そしてサンプリングスイッチSHESが非導通にされてノイズ成分が付加された画素信号がサンプリング容量Chenに保持される。
以下1行目と同様に2行目の信号処理動作、初期化動作、リセット動作、出力動作の終了が行われる。3〜8行目も同様に、出力動作の開始、サンプルホールド動作、初期化動作、リセット動作、及び出力動作の終了を行単位で順次繰返し、変換部101の全ての画素に対応する画素信号を出力する。
つまり本発明では、リセット動作の終了後に所定行の出力動作を終了及び所定行の次に行われる他の行の出力動作を開始する。または、リセット動作の終了後にノイズ成分サンプルホールド動作を開始し、ノイズ成分サンプルホールド動作の終了後に所定行の出力動作を終了及び所定行の次に行われる他の行の出力動作を開始する。そして、所定行の出力動作の終了及び他の行の出力動作の開始後に信号サンプルホールド動作を開始し、信号サンプルホールド動作の終了後にリセット動作及び初期化動作を開始し、初期化動作の終了後にリセット動作を終了する。制御部108は、上記動作を行うように、出力用駆動回路102a、初期化用駆動回路102b及び読出回路103を制御している。具体的には、リセットスイッチRCの導通の終了後に所定行の出力用スイッチ素子T11〜T18の導通が終了する及び他の行の出力用スイッチ素子T21〜T28の導通が開始する。又は、リセットスイッチRCの導通の終了後にノイズ用サンプリングスイッチSHNの導通が開始し、ノイズ用サンプリングスイッチSHNの導通の終了後に出力用スイッチ素子T11〜T18の導通が終了し出力用スイッチ素子T21〜T28の導通が開始する。次に出力用スイッチ素子T11〜T18の導通の終了及び出力用スイッチ素子T21〜T28の導通の開始の後に信号用サンプリングスイッチSHSの導通が開始する。そして、信号用サンプリングスイッチSHSの導通の終了後にリセットスイッチRCの導通及び初期化用スイッチ素子R21〜R28の導通が開始し、初期化用スイッチ素子R21〜R28の導通の終了後にリセットスイッチRCの導通が終了する。ここで、所定行の出力動作の終了と所定行の出力動作の開始は、同時に行われることが好ましい。
次に、2行目の画素から読み出された電気信号に着目して、本発明により読み出された電気信号について説明する。
まず、リセット動作により伝送経路である信号配線Sig1〜Sig8及び積分容量Cfがリセットされる。その後、1行目の出力終了動作行われる。積分容量の容量値をCf、演算増幅器Aの基準電圧VREF1の電圧値をVREF1、1行目に起因する寄生容量を介して注入される電荷をQqs1nとすると、1行目の出力動作終了時の演算増幅器Aの出力電圧V1nは、以下の式(1)で示される。
V1n=VREF1+(Qgs1n/Cf1)・・・(1)
次に、出力動作により2行目の各画素で変換された電荷Q2nに基づく電気信号が読み出され、演算増幅器Aから出力され、サンプルホールド動作に備えている。2行目に起因する寄生容量を介して混入する電荷をQqs2nとすると、2行目のサンプルホールド動作前における演算増幅器Aの出力電圧V1nは、以下の式(2)で示される。
V1n=VREF1+(Qgs1n/Cf1)−(Q2n/Cf1)−(Qgs2n/Cf1)・・・(2)
ここで、駆動信号のHi状態の電圧をVgon、Lo状態の電圧をVgoff、1行目に起因する寄生容量値をCgs1nとすると、1行目の出力動作終了時において、混入する電荷Qgs1nは、以下の式(3)で示される。
Qgs1n=(Vgon−Vgoff)/Cgs1n・・・(3)
また、2行目に起因する寄生容量値をCgs2nとすると、2行目の出力動作開始時において、混入する電荷Qgs2nは、以下の式(4)で示される。
Qgs2n=(Vgon−Vgoff)/Cgs2n・・・(4)
そして、1行目に起因する寄生容量値をCgs1nと2行目に起因する寄生容量値をCgs2nは、変換部101内で近傍に形成されているため、略同等の値になるように変換部101は準備される。そのため、以下の式(5)が示される。
Cgs1n=Cgs2n,Qgs1n=Qgs2n・・・(5)
式(3)〜(5)により、式(2)で示された2行目のサンプルホールド動作前における第1演算増幅器の出力電圧V1nは、以下の式(6)となる。
V1n=VREF1−(Q2n/Cf1)・・・(6)
以上説明したように、本発明によれば、リセット動作後に所定行の出力動作が終了して所定行と異なる行の出力動作が開始し、出力動作の開始後にサンプルホールド動作が行われる。そのため、駆動信号の立ち上がり及び立ち下がりに起因する電位変動成分は相殺され、出力され保持される電気信号には電位変動成分の影響は及ばない。そして、本発明によれば、出力動作が開始されてから終了するまでの間に、サンプルホールド動作とリセット動作を行うことが可能となる。そのため、特許文献1のように、出力動作が終了してから信号配線の電位変動成分が所定の電位に収束されるまで所定時間待ってサンプルホールド動作を行わなくてもよい。そのため、本発明によれば、画像信号のS/N比を低下させることなくフレーム時間を短縮することが可能となる。
また、本実施形態では、出力動作の開始後の初期化動作中も、出力用スイッチ素子Tは導通状態を保持し続けている。前述のように出力用スイッチ素子Tは、寄生容量Cgdを持っており、さらに変換素子Sは、容量素子Csとして機能する。そのため、駆動配線GT1とセンサバイアス配線Vsは、出力用スイッチ素子Tによる寄生容量Cgdと変換素子Sの変換素子容量Csが直列に接続され、容量結合している。そのため、出力用スイッチ素子Tの導通と非導通を制御するために駆動配線GT1にオンパルスを入力すると、容量結合されているセンサバイアス配線VSにも結合容量に比例した電流が流れる。センサバイアス配線VSは、変換部101全面で共通した配線のため、センサバイアス配線VSに結合されている容量値Cvsは大きい。例えば、1画素当り、0.1pFの容量がセンサバイアス配線VSに結合していると、3000×3000=900万画素を有する変換部の場合、センサバイアス配線全体で、Cvs=0.9uFの容量を持つことになる。更に、センサバイアス配線はフレキシブル回路基板等で外部のプリント配線基板から変換部内に引き入れられる。その際、フレキシブル回路基板の配線抵抗や接続抵抗、さらに検出器内での引き回し抵抗を持ち、これらの合計の抵抗が入力抵抗Rinで示される。入力抵抗Rinは、複数のフレキシブル回路基板を使用して並列に検出器内に引き込んでも、数Ωの抵抗はもってしまう。例えば、入力抵抗を5Ωとすると、センサバイアス配線の容量Cvsと入力抵抗Rinにより、τ=5Ω×0.9uF=4.5usの時定数をセンサバイアス配線Vsが持つことになる。そのため、駆動配線GT1にオンパルスを印加すると、センサバイアス配線Vsが結合容量により変動し、安定するまで時間が掛る。例えば、安定するのに5τの時間を取ると、5×4.5us=22.5usの時間を要することになる。センサバイアス配線VSは、信号配線Sig1〜Sig8とも容量結合しているため、センサバイアス配線VSが変動している間に信号を読み出すと、変動成分が信号配線Sig1〜Sig8に影響を与え、S/Nを低下させてしまう。そのため、初期化動作中も出力用スイッチ素子Tを導通状態に保つことにより、高速動作させることができる。
また、例えば放射線撮像装置に使用した場合には、人体を撮影する際に、人体を通り検出器101に放射線が入射される領域と、人体を通過せずに放射線が入射される領域がある。人体を通過せずに変換部101に放射線が入射されると、人体による放射線の吸収がないため、強い放射線が検出器101に照射される。そのような場合には、例えば1〜10pCの電荷が変換素子Sに蓄積される。このような大きな電荷を読み出す際、出力用スイッチ素子Tを導通状態とした瞬間、蓄積された電荷に比例する電流がセンサバイアス配線VSに流れる。そのため、前述の駆動配線の場合と同様に、センサバイアス配線VSに電流が流れてセンサバイアス配線の電位が変動し、安定するまでCvs×Rinに依存する時間が掛る。このセンサバイアス配線VSは、検出器内で共通配線として使われることが多く、一部のセンサバイアス線Vsに電流が流れと、検出器101全面のセンサバイアス配線Vsが変動する。さらにセンサバイアス配線VSは、信号配線Sig1〜Sig8とも容量結合している。そのため、センサバイアス配線VSが変動している間に信号を読み出すと、変動成分が信号配線Sig1〜Sig8に影響を与え、画像にセンサバイアス配線Vsの変動が現れてしまう。そのため、検出器101の一部に強い放射線が照射されと、共通のセンサバイアス配線VSを介し、放射線が照射されていない領域にもセンサバイアス配線VSの変動成分が、クロストークとして画像に現れてしまうおそれがある。
このようなクロストークを抑えるには、出力用スイッチ素子Tの導通状態を開始してから信号をサンプルホールドするまで十分時間を待ち、センサバイアス配線VSの変動成分が落ち着くまで待つ必要がある。出力動作を開始してからサンプルホールド動作を終了するまでの時間をTshとした際、Tsh>5×Cvs×Rinとするのが望ましい。
また、センサバイアス配線の容量Cvs及び入力抵抗Rinを低減し、センサバイアス配線VSの変動成分の時間応答を速くすることにより、動画撮影のような速い読み出し時間に対応できる。
この入力抵抗Rinは、例えば、複数のフレキシブル配線を使用して並列に検出器内に引き込むことにより、フレキシブル回路基板での配線抵抗やフレキシブル回路基板と検出器の接続抵抗を低減することができる。また、検出器内におけるセンサバイアス配線の配線抵抗は、配線幅を太くする、膜厚を厚くする、等により低減できる。
センサバイアス配線VSの容量値Cvsは、センサバイアス配線VSと直接、駆動配線GT,駆動配線GR、信号配線Sigと結合する容量と、変換素子Sの容量を介して駆動配線GT,駆動配線GR、信号配線Sigと結合する容量がある。そのため、画素レイアウトの際はこれらの容量を考慮し低減する必要がある。
なお、本実施形態では8行8列の複数の画素を有する変換部101に対する読み出し動作、初期化動作を説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、更なる多画素の変換部にも適用され得る。また、本実施形態では、1行目、2行目、3行目の順に、動作が順次行われる例を用いて説明したが、本発明はそれに限定されるものではない。各行が異なるタイミングで順々に動作を行っていればよく、例えば1行目、3行目、2行目の順に行われるなど、順番は適宜に規定され得るものである。更に、本実施形態では、1行単位で動作が順次行われる例を用いて説明したが、本発明はそれに限定されるものではない。例えば、2行ずつ同時に各動作を行い、2行単位で動作を順次行う形態等、複数行を1つの単位として動作を順次行う形態を用いてもよい。そのような例として、図5に本実施形態に係る放射線撮像装置における別のタイミングチャートの例を示す。図5では、8行8列の複数の画素に対して、2行ずつ同時に各動作を行い、2行単位で動作を順次行う形態を示している。このように複数行単位で本発明を実施することにより、更に短いフレーム時間を達成しつつ良好なS/N比の画像信号を取得することが可能となる。
次に、図6に本発明の撮像装置を用いた移動可能な放射線撮像システムへの応用例を示す。図6は、動画/静止画の撮影が可能な可搬型の撮像装置を用いた撮像システムの概念図である。図6において、600は放射線発生装置、601は撮像装置100を保持可能な保持部として機能するC型アーム、602は放射線発生装置600、撮像装置100、及びC型アーム601を移動可能にする台車である。また、603は被検体604を載せるための寝台、605はそれらを制御可能な構成を有する移動型の制御装置、606は撮像装置100で得られた画像信号の表示が可能な表示装置である。制御装置605は、制御コンピュータや制御卓、放射線制御装置等を有しており、また撮像装置100で得られた画像信号を画像処理して表示装置606等に伝送することも可能である。また、制御装置605による画像処理により生成された画像データは、電話回線等の伝送手段により遠隔地へ転送することができる。それにより、遠隔地の医師が転送された画像データに基づく画像を診断することが可能となる。また、伝送された画像データをフィルムに記録することや光ディスク等の保存手段に保存することも可能である。
ただし、撮像装置100をC型アーム601から取り外し可能な構成とし、C型アーム601の放射線発生装置600とは別の放射線発生装置を用いて撮影を行ってもよい。
以上のように本発明の撮像装置を放射線撮像システムへ適用することで、所望のフレーム時間を達成しつつ良好なS/N比の画像信号を取得することが可能となる。
なお、本発明において、制御部108の処理ステップは、制御部108が有するコンピュータがプログラムを実行することによって実現してもよい。その際、ルックアップテーブルLUT及びプログラムは、制御部108に記憶される。また、プログラムをコンピュータに供給するための手段、例えばかかるプログラムを記録したCD−ROM等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体又はかかるプログラムを伝送するインターネット等の伝送媒体も本発明の実施形態として適用することができる。また、上記のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体等のコンピュータプログラムプロダクトも本発明の実施形態として適用することができる。上記のプログラム、記録媒体、伝送媒体及びコンピュータプログラムプロダクトは、本発明の範疇に含まれる。記録媒体としては、例えばフレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROM等を用いることができる。