JP5883082B2 - 放射線撮像装置 - Google Patents
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前記複数の画素回路に前記信号用ホールド容量に保持された電荷に応じた信号を出力させる撮像を複数回行うように前記複数の画素回路の動作を制御する撮像制御手段と、
を備える放射線撮像装置であって、
前記撮像制御手段は、放射線撮像装置の動作を制御するシステム制御部と通信する通信手段を有し、
前記撮像制御手段は、前記システム制御部から送信された前記画素回路の電源を投入する指示の受信に応じて、前記画素アンプ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させて、前記信号用ホールド容量の電位を前記所定の電圧に応じた電位で固定化させる電位固定駆動を実行させることを特徴とする。
本発明の実施形態にかかる放射線撮像装置204の構成を図9(a)、(b)に示す。図9(a)に示す放射線撮像装置204は、複数のCMOS型撮像素子202により構成される撮像部210と、複数のCMOS型撮像素子202のそれぞれの動作を制御する撮像制御部201とを有する。図9(b)はCMOS型の光電変換素子を矩形状に切り出した矩形撮像素子のタイリングに用いられるCMOS型撮像素子の1画素分の画素回路の機能構成を示す図である。画素回路を、2次元領域内にm行n列(m、nは2以上の自然数)を配置して撮像部210は構成されている。画素回路のスイッチ部910は、所定の電圧を供給する電源と動作時に接続し非動作時に電源との接続を遮断する。蓄積部920は入力された放射線信号に対応した1画素分の信号を蓄積する。除去部930は蓄積部920に蓄積されている信号からノイズを除去する。保持部940は除去部930によりノイズが除去された信号を保持し、出力することが可能である。加算部950は保持部940で保持されている信号と、隣り合うa個(aは2以上の自然数)の他の画素回路の保持部で保持されている信号との加算処理を行う。撮像制御部201は撮像部210を構成するそれぞれの画素回路の動作を制御することが可能である。撮像部210による撮像前のタイミングで、撮像制御部201は、画素回路を構成するスイッチ部910、蓄積部920、除去部930、保持部940、および加算部950を動作させる。そして、撮像制御部201は、スイッチ部910を介して接続される電源の所定の電圧を、蓄積部920、除去部930、保持部940、および加算部950に設定する(電位固定駆動)。電位固定駆動により、撮像部210の撮像前のタイミングで、電源の所定の電圧で画素回路内の蓄積部920、除去部930、保持部940及び加算部950の不定電位を固定し、ノイズ成分を低減し、固定パターンノイズの補正を精度良く行うことが可能になる。以下、CMOS撮像素子の具体的な回路構成を参照して電位固定駆動を説明する。
(CMOS撮像素子の回路構成例)
図6はCMOS型の光電変換素子を矩形状に切り出した矩形撮像素子のタイリングに用いられるCMOS型撮像素子の1画素分の画素回路の一例を示す図である。図6において、PDは光電変換を行うフォトダイオードである。Cfdは、フォトダイオード(PD)により放射線信号から変換された光信号に応じた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)の容量である。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させるためのリセットMOSトランジスタ(リセットスイッチ)である。リセットスイッチ(M2)は、動作時において所定の電圧としてリセット電圧(VRES)を供給する第1の電源と接続し、非動作時において、第1の電源との接続を遮断する。
図7は図6の画素回路において電位固定駆動が実行されない場合の、動画撮像時の駆動タイミングを例示するタイミングチャートである。以下、動画像撮像において、光信号用ホールド容量CSおよびノイズ信号用ホールド容量CNに電荷がサンプルホールドされるまでの制御信号の立ち上がり、立下りのタイミングについて図7を用いて説明する。
次に、本発明の特徴となる電位固定駆動を行なうCMOS撮像素子の駆動制御を図1のタイミングチャートの参照により説明する。図1は、図6および図8に示すCMOS型撮像素子の1画素分の画素回路において、動画撮像時の1枚目から2枚目の撮像を行う際の駆動波形のタイミングチャートを示している。画素回路の設定は、高感度で、画素加算なしであり、図1の駆動をCMOS型撮像素子内にて全画素一括で行うものとする。
次に、画素回路の感度の設定を低くし、ダイナミックレンジを拡張させた場合の画素回路の動作モード(低感度モード(高ダイナミックレンジモード))を説明する。画素加算は行わないものとする。WIDE信号以外は図1に示したタイミングチャートと同様の駆動タイミングで動作するので、図1との相違点を、図1と図6を用いて説明する。時刻(t14)でWIDE信号をローレベルからハイレベルにし、感度切り換えスイッチ(M1)をオンする。これによりフローティングディフュージョン容量(Cfd)と容量(C1)とが並列に接続され、フローティングノード部の容量が増え、感度が低下する代わりにダイナミックレンジが拡張される。WIDE信号は図1の時刻(t14)でローレベルからハイレベルになった後、撮像が終了するまでハイレベルのままである。これにより、撮像中は常に感度が低いがダイナミックレンジが拡張された状態となる。感度を低くした時は、加算回路150と加算回路151の間がフローティング部となる。しかしながら、動画像の撮像前に、撮像手段による撮像前のタイミングで電源の所定の電圧で画素回路内のフローティング部の不定の電位を固定することで、ノイズ成分を低減することが可能になる。
次に、画素加算の例として、2×2の画素加算を例にして説明する。感度は高感度モードであるとする。2×2の画素加算の例において、ADD信号以外は図1に示したタイミングチャートと同様であるので、図1との相違点を、図1と図6、図8を用いて説明する。時刻(t20)において、撮像制御部201は、TN信号をハイレベルからローレベルにして、サンプルホールドスイッチN(M11)をオフにして、ノイズ信号成分のノイズ信号用ホールド容量(CN)への蓄積が終了する。その後、ADD信号をハイレベルにし、加算回路150および加算回路151をオンする。このとき図8(b)のADD信号ラインに接続されたMOSトランジスタも全てオンする。これにより、時刻(t18)において光信号用ホールド容量(CS)へ蓄積が終了した光信号とともに、ノイズ信号用ホールド容量(CN)へ蓄積が終了したノイズ信号について、2×2の画素加算が行われる。撮像制御部201は、ADD信号を、時刻(t23)においてハイレベルからローレベルにする。光信号とノイズ信号の走査期間は隣り合う2×2の画素が画素加算状態となる。
次に、本発明の第2実施形態にかかるCMOS撮像素子の駆動制御を図2のタイミングチャートの参照により説明する。図2は、図1と同様に、図6および図8に示すCMOS型撮像素子の1画素分の画素回路において、動画撮像時の1枚目から2枚目の撮像を行う際の駆動波形のタイミングチャートを示している。画素回路の設定は、高感度で、画素加算なしである。図2の駆動をCMOS型撮像素子内にて全画素一括で行う。
本発明の第3実施形態にかかる放射線撮像装置の概略的な構成を図3に示す。放射線撮像装置204内の全てのCMOS型撮像素子202(画素回路)は撮像制御部201に接続されており、撮像制御部201からの制御信号によりそれぞれのCMOS型撮像素子202(画素回路)は制御される。放射線撮像装置204は時刻を計測するタイマー205(計時ユニット)を有する。撮像制御部201は、電位固定駆動を行わせるためにCMOS型撮像素子202(画素回路)へ制御信号を送信した時刻を、撮像制御部201に接続されているメモリ203に記憶する。
本発明の第4実施形態にかかる放射線撮像装置の概略的な構成を図4に示す。放射線撮像装置204は、装置の動作を制御するシステム制御部206、放射線画像表示部207、X線管209と接続するX線発生装置208を有する。放射線撮像装置204内の全てのCMOS型撮像素子202(画素回路)は撮像制御部201に接続されており、撮像制御部201からの制御信号によりそれぞれのCMOS型撮像素子202(画素回路)は制御される。
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
Claims (11)
- フォトダイオードで発生した電荷に応じた電圧を出力するための画素アンプと、前記電圧に応じた電荷を信号用ホールド容量にサンプルホールドさせるための信号用サンプルホールドスイッチと、前記画素アンプと前記フォトダイオードとの間に所定の電圧を供給するためのスイッチ手段と、を各々が有する複数の画素回路が配列された撮像手段と、
前記複数の画素回路に前記信号用ホールド容量に保持された電荷に応じた信号を出力させる撮像を複数回行うように前記複数の画素回路の動作を制御する撮像制御手段と、
を備える放射線撮像装置であって、
前記撮像制御手段は、放射線撮像装置の動作を制御するシステム制御部と通信する通信手段を有し、
前記撮像制御手段は、前記システム制御部から送信された前記画素回路の電源を投入する指示の受信に応じて、前記画素アンプ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させて、前記信号用ホールド容量の電位を前記所定の電圧に応じた電位で固定化させる電位固定駆動を実行させることを特徴とする放射線撮像装置。 - 前記複数の画素回路は夫々、前記画素アンプのノイズに応じた電荷をノイズ用ホールド容量にサンプルホールドさせるためのノイズ用サンプルホールドスイッチを更に含み、
前記撮像制御手段は、前記電位固定駆動として、前記撮像の前に、前記画素アンプ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させて、前記ノイズ用ホールド容量及び前記信号用ホールド容量の電位を前記所定の電圧に応じた電位で固定化させることを特徴とする請求項1に記載の放射線撮像装置。 - 前記複数の画素回路は夫々、前記複数の画素回路のうちの所定の画素回路の前記信号用ホールド容量と前記複数の画素回路のうちの前記所定の画素回路と異なる他の画素回路の前記信号用ホールド容量とを接続するための信号用加算回路と、前記所定の画素回路の前記ノイズ用ホールド容量と前記他の画素回路の前記ノイズ用ホールド容量とを接続するためのノイズ用加算回路と、を含み、
前記所定の画素回路の前記信号用加算回路と前記他の画素回路の前記信号用加算回路とが接続されており、
前記所定の画素回路の前記ノイズ用加算回路と前記他の画素回路の前記ノイズ用加算回路とが接続されており、
前記撮像制御手段は、前記電位固定駆動として、前記撮像の前に、前記画素アンプ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、及び、前記スイッチ手段を動作させることを特徴とする請求項2に記載の放射線撮像装置。 - 前記複数の画素回路は夫々、前記フォトダイオードで発生した電荷を蓄積するための電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部で蓄積されている前記電荷に応じた電圧を出力するための他の画素アンプと、前記電荷蓄積部にリセット電圧を供給するためのリセットスイッチと、前記他の画素アンプと前記スイッチ手段との間及び前記画素アンプと前記スイッチ手段との間に設けられたクランプ容量と、を更に含み、
前記撮像制御手段は、前記電位固定駆動として、前記撮像の前に、前記画素アンプ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、前記他の画素アンプ、前記リセットスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させることを特徴とする請求項3に記載の放射線撮像装置。 - 前記複数の画素回路は夫々、前記電荷蓄積部とダイナミックレンジ拡大用容量とを接続するための感度切り替えスイッチを更に含み、
前記撮像制御手段は、前記電位固定駆動として、前記撮像の前に、前記画素アンプ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、前記他の画素アンプ、前記リセットスイッチ、前記感度切り替えスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させることを特徴とする請求項4に記載の放射線撮像装置。 - 前記複数の画素回路は夫々、前記画素アンプを動作させるための選択スイッチと、前記他の画素アンプを動作させるための他の選択スイッチと、を更に含み、
前記撮像制御手段は、前記電位固定駆動として、前記撮像の前に、前記選択スイッチ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、前記他の選択スイッチ、前記リセットスイッチ、前記感度切り替えスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させることを特徴とする請求項5に記載の放射線撮像装置。 - 前記撮像制御手段は、複数回の前記撮像のうち第1の撮像の後に第2の撮像を行う際に、前記第1の撮像から前記第2の撮像までの経過時間が閾値時間を超える場合、前記第2の撮像の前に、前記画素アンプ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させ、前記経過時間が前記閾値時間以内の場合、前記第2の撮像の前に、前記画素アンプ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させないことを特徴とする請求項6に記載の放射線撮像装置。
- 時刻を計測する計時手段と、
複数回の前記撮像のうち第1の撮像を行う際に、前記スイッチ手段を動作させるために前記撮像制御手段から制御信号を送信した時刻を記憶する記憶手段と、
を更に備え、
前記第1の撮像の後に第2の撮像を行う際に、前記撮像制御手段は、前記記憶手段に記憶されている時刻から前記計時手段により求められる現在の時刻までの経過時間が閾値時間を超える場合、前記第2の撮像の前に、前記画素アンプ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させ、前記記憶手段に記憶されている時刻から前記計時手段により求められる現在の時刻までの経過時間が閾値時間以内の場合、前記第2の撮像の前に、前記画素アンプ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させないことを特徴とする請求項7に記載の放射線撮像装置。 - 前記記憶手段は、前記第1の撮像を行う際に、前記選択スイッチ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、前記他の選択スイッチ、前記リセットスイッチ、前記感度切り替えスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させるために前記撮像制御手段から制御信号を送信した時刻を記憶し、
前記第2の撮像を行う際に、前記撮像制御手段は、前記記憶手段に記憶されている時刻から、前記計時手段により求められる現在の時刻までの経過時間が閾値時間を超える場合、前記選択スイッチ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、前記他の選択スイッチ、前記リセットスイッチ、前記感度切り替えスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させ、前記記憶手段に記憶されている時刻から現在の時刻までの経過時間が閾値時間以内の場合、前記選択スイッチ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、前記他の選択スイッチ、前記リセットスイッチ、前記感度切り替えスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させないことを特徴とする請求項8に記載の放射線撮像装置。 - 前記撮像制御手段は、前記システム制御部から送信された、前記画素回路を駆動するための指示の受信により、前記選択スイッチ、前記ノイズ用サンプルホールドスイッチ、前記信号用サンプルホールドスイッチ、前記信号用加算回路、前記ノイズ用加算回路、前記他の選択スイッチ、前記リセットスイッチ、前記感度切り替えスイッチ、及び、前記スイッチ手段を動作させることを特徴とする請求項9に記載の放射線撮像装置。
- 前記複数の画素回路は夫々、前記信号用ホールド容量にサンプルホールドされた電荷に応じた電圧を出力する第3の画素アンプと、前記ノイズ用ホールド容量にサンプルホールドされた電荷に応じた電圧を出力する第4の画素アンプと、を更に含むことを特徴とする請求項10に記載の放射線撮像装置。
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