JP6109374B2 - 放射線撮像装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサを備える放射線撮像装置及びその制御方法に関するものである。

近年、デジタル放射線撮像装置の分野では、イメージインテンシファイアに代わり、解像度の向上や体積の小型化、画像の歪みを押さえることを目的に光電変換素子を用いた等倍光学系の大面積フラットパネル式のセンサが普及している。光電変換素子を用いた撮像装置には、アモルファスシリコン型、ＣＣＤ型及びＣＭＯＳ型がある。

ガラス基板上のアモルファスシリコン半導体を使用した撮像素子は大画面のものを作成しやすい。しかしその反面、高速動作に対して半導体特性が十分ではない。また、アモルファスシリコン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基板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り、ｋＴＣノイズの原因となる。

ＣＣＤ型撮像装置については、完全空乏型で高感度であるが、大画面化には不向きである。ＣＣＤは電荷転送型であるため大面積になり、電荷転送の転送段数が増加すると駆動電圧が駆動端と中心付近では異なって完全転送が困難になる。また、消費電力はＣＶｆ²（Ｃ：基板とウエル間の容量、Ｖ：パルス振幅、ｆ：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。

ここで、大面積フラットパネル式のセンサとして、光電変換素子にＣＭＯＳ型撮像素子を使用し、シリコン半導体ウエハから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をタイリングすることにより大面積を実現したものが特許文献１に開示されている。ＣＭＯＳ型撮像素子は、微細加工によってアモルファスシリコンより高速読み出しが可能で、さらに高感度が得られる。また、ＣＣＤ型撮像素子のような電荷転送の転送段数や消費電力に問題無く大面積化が容易であり、大面積フラットパネル式のセンサの特に動画像撮像装置として優位性が高いことが知られている。

特開２００２−３４４８０９号公報

しかしながら、画素加算及び感度切り替えを両立したＣＭＯＳ型撮像素子において、高感度モードで駆動を行った場合、ＣＭＯＳ型撮像素子の回路内に不定電位が発生する。動画撮影においてＣＭＯＳ型撮像素子の回路内に不定電位が存在すると、ＣＭＯＳ型撮像素子の回路内のＭＯＳトランジスタのゲート−ソース間の微量リーク等が不定となり、各フレームのランダムノイズとして影響する。

また、ＣＭＯＳ型撮像素子においては、撮影のための光が照射されていない期間においても暗電流が発生する。このため、ＣＭＯＳ型撮像素子はオフセット値を持ち、光を照射しなくともゼロでない値を各画素が光信号として出力する。光を照射しないで取得した光信号データをＣＭＯＳ型撮像素子のＦＰＮパターンとし、動画像を取得する際に得た光信号データからＦＰＮパターンを減算する方法がある。しかし、動画像撮影毎のフローティング部の電位は時間と共に変化するため、ＦＰＮパターンを撮影以前に取得したＣＭＯＳ型撮像素子内のフローティング部の電位と、実際に動画像を取得した際のフローティング部の電位にも差が生じる。これが原因で、ＦＰＮパターンと、ＦＰＮ補正を行う動画像データにフローティング部の不定電位に起因するノイズ成分の差が生じ、正しいＦＰＮ補正を行うことができない。

そこで、本発明の目的は、ノイズ成分を低減し、ＦＰＮ補正を精度良く行うことにある。

本発明の放射線撮像装置は、センサと、前記センサを制御する制御部とを備える放射線撮像装置であって、前記センサは、放射線を信号に変換するための変換素子と、前記変換素子をリセットする第１リセット部と、前記変換素子からの信号に応じた電圧を保持する保持部と、前記保持部をリセットする第２リセット部と、前記保持部の電圧に応じた信号をサンプリングする第１サンプリング部と、前記保持部の電圧に応じた信号をサンプリングする第２サンプリング部と、を有しており、前記制御部は、前記第１リセット部により前記変換素子をリセットした時の前記変換素子からの信号に応じた電圧を前記保持部が保持した後、前記変換素子が変換した放射線量に応じて変化した前記保持部の電圧に応じた第１信号を前記第１サンプリング部によりサンプリングする第１動作と、前記第２リセット部により前記保持部をリセットしながら、当該リセットされた前記保持部の電圧に応じた第２信号を前記第２サンプリング部によりサンプリングした後に前記第１リセット部により前記変換素子をリセットする第２動作と、を順に行うように前記センサを制御することを特徴とする。
また、本発明は、上述した放射線撮像装置の制御方法を含む。

本発明によれば、ノイズ成分を低減し、ＦＰＮ補正を精度良く行うことができる。

本発明の実施形態に係る放射線撮像装置に適用されるＣＭＯＳ型撮像素子の１画素分の画素回路の例を示す図である。 図１に示す画素回路に対して画素加算回路を挿入した場合の回路構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態における、リセット動作、サンプリング動作、不定電位の固定動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態における、電荷信号読み出し中に外部同期信号が入力された場合の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態における、動画撮影時のＣＭＯＳ型撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態における、動画撮影時のＣＭＯＳ型撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。

以下、本発明を適用した好適な実施形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る放射線撮像装置に適用されるＣＭＯＳ型撮像素子の１画素分の画素回路（放射線検出回路）の例を示す図である。実際の放射線撮像装置においては、図１に示すような画素回路が複数２次元に配置されている。

図１において、ＰＤは、放射線信号を電荷信号に変換するフォトダイオード（光電変換素子）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信号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。Ｃｆｄは、電荷信号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。Ｍ１は、高ダイナミックレンジモードと高感度モードとを切り換えるための感度切り換え用ＭＯＳトランジスタ（感度切り換えスイッチ）である。Ｃ１は、ダイナミックレンジ拡大用の容量であり、感度切り換えスイッチ（Ｍ１）をオンすると電荷信号の蓄積が可能となる。感度切り換えスイッチ（Ｍ１）をオンするとフローティングノード部の容量が実質増え、感度は低くなるがダイナミックレンジを拡大することができる。よって、例えば高感度が必要な透視撮影時には感度切り換えスイッチ（Ｍ１）をオフし、高ダイナミックレンジが必要なＤＳＡ撮影時等には感度切り換えスイッチ（Ｍ１）をオンする。

Ｍ４は、ソースフォロアとして動作する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ１）である。Ｍ３は、画素アンプ１（Ｍ４）を動作状態とするための選択ＭＯＳトランジスタ（選択スイッチ１）である。画素アンプ１（Ｍ４）の後段は、光電変換部で発生するｋＴＣノイズを除去するクランプ回路が設けられている。Ｃｃｌはクランプ容量である。Ｍ５はクランプ用ＭＯＳトランジスタ（クランプスイッチ）である。Ｍ７は、ソースフォロアとして動作する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ２）である。Ｍ６は、画素アンプ２（Ｍ７）を動作状態とするための選択ＭＯＳトランジスタ（選択スイッチ２）である。画素アンプ２（Ｍ７）の後段には２つのサンプルホールド回路が設けられている。

Ｍ８は、信号蓄積用のサンプルホールド回路を構成する、サンプルホールド用ＭＯＳトランジスタ（サンプルホールドスイッチＳ）である。ＣＳは、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、サンプルホールド用ＭＯＳトランジスタ（サンプルホールドスイッチＮ）である。ＣＮは、ノイズ信号用ホールド容量である。Ｍ１０は、ソースフォロアとして動作する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプＳ）である。Ｍ９は、画素アンプＳ（Ｍ１０）で増幅された信号をＳ信号出力線へ出力するためのアナログスイッチ（転送スイッチＳ）である。Ｍ１３は、ソースフォロアとしての動作するノイズ信号の増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプＮ）である。Ｍ１２は、画素アンプＮ（Ｍ１３）で増幅されたノイズ信号をＮ信号出力線へ出力するためのアナログスイッチである。

ＥＮ信号は、選択スイッチ１（Ｍ３）、選択スイッチ２（Ｍ６）のゲートに接続され、画素アンプ１（Ｍ４）、画素アンプ２（Ｍ７）を動作状態とするための制御信号である。ＥＮ信号がハイレベルのとき、画素アンプ１（Ｍ４）、画素アンプ２（Ｍ７）は同時に動作状態となる。ＷＩＤＥ信号は、感度切り換えスイッチ（Ｍ１）のゲートに接続され、感度の切り換えを制御する。ＷＩＤＥ信号がローレベルのときは、感度切り換えスイッチがオフし、高感度モードとなる。一方、ＷＩＤＥ信号がハイレベルのときは、感度切り替えスイッチがオンし、高ダイナミックレンジモードとなる。なお、本モード切り換え制御は、撮影モード制御手段の処理例である。

ＰＲＥＳ信号は、リセットスイッチ（Ｍ２）をオンしてフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷信号を放電させるリセット信号である。ＰＣＬ信号は、クランプスイッチ（Ｍ５）を制御する信号であり、ＰＣＬ信号がハイレベルのときクランプスイッチ（Ｍ５）がオンし、クランプ容量（Ｃｃｌ）が基準電圧ＶＣＬにセットされる。ＴＳ信号は、光信号サンプルホールド制御信号であり、ＴＳ信号がハイレベルとされ、サンプルホールドスイッチＳ（Ｍ８）がオンすることでこの電荷信号が画素アンプ２（Ｍ７）を通して容量ＣＳに一括転送される。次いで、全画一括で信号ＴＳがローレベルとされ、サンプルスイッチＳ（Ｍ８）がオフすることで、サンプルホールド回路への電荷信号の保持を終了する。ＴＮ信号は、ノイズ信号サンプルホールド制御信号であり、ＴＮ信号がハイレベルとされ、サンプルホールドスイッチＮ（Ｍ１１）がオンすることでこのノイズ信号が画素アンプ２（Ｍ７）を通して容量ＣＮに一括転送される。次いで、全画一括で信号ＴＮがローレベルとされ、サンプルスイッチＮ（Ｍ１１）がオフすることで、サンプルホールド回路へのノイズ信号の保持を終了する。なお、上述したサンプルホールド回路へのノイズ信号の保持制御は、サンプルホールド制御手段の処理例である。

図２は、図１に示す画素回路に対して画素加算回路を挿入した場合の回路構成を示す図である。図２（ａ）は、図１に示す画素回路の２回路分を簡略化して示したものに対して画素加算回路を挿入した構成を示している。１６０、１６１は、それぞれの回路のフォトダイオードであり、図１ではフォトダイオード（ＰＤ）にあたる。１６２、１６３、１６６、１６７、１７２、１７３はそれぞれの回路のソースフォロアとして動作する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ）である。１６２、１６３は、図１では画素アンプ１（Ｍ４）にあたり、１６６、１６７は、図１における画素アンプ２（Ｍ７）にあたり、１７２、１７３は、図１における画素アンプＳ（Ｍ１０）又は画素アンプＮ（Ｍ１３）にあたる。１６４、１６５は、それぞれの回路のクランプ容量であり、図１のクランプ容量（Ｃｃｌ）にあたる。１６８、１６９は、それぞれの回路の信号又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（サンプルスイッチ）である。１６８、１６９は、図１のサンプルホールドスイッチＳ（Ｍ８）又はサンプルホールドスイッチＮ（Ｍ１１）にあたる。１７０、１７１は、信号用又はノイズ信号用ホールド容量であり、図１における信号用ホールド容量（ＣＳ）又はノイズ信号用ホールド容量（ＣＮ）にあたる。１５０、１５１は、画素加算回路を構成する加算用ＭＯＳトランジスタ（加算スイッチ）である。

図２（ｂ）は、ＣＭＯＳ型撮像素子の１画素分の画素回路を"□"で表し、ＰＤが隣接する画素回路を電気的に加算する画素加算回路を画素回路間に挿入した状態を示す図である。図２（ａ）の点線で囲まれた部分と図２（ｂ）の点線で囲まれた部分とは同じ回路部を示している。

図２（ｂ）に示すように、画素加算回路は、隣り合う画素回路毎の信号又はノイズ信号用ホールド容量を接続し、画素加算を行う。これにより、画素情報を捨てることなく走査する画素を減らし、より高速なフレームレートでの信号の読み出しを可能としている。図２（ｂ）では、信号ＡＤＤをハイレベル、信号ＡＤＤ１をローレベルにすると、２×２の画素加算を行う。信号ＡＤＤをハイレベル、信号ＡＤＤ１をハイレベルにすると４×４の画素加算を行い、さらに信号ＡＤＤ２をハイレベルにすると不図示の８×８の画素加算を行う。また、この画素加算回路を使用して撮影感度を制御することも可能である。

図３は、本発明の第１の実施形態における、３つの主要な駆動動作である、リセット動作、サンプリング動作、不定電位の固定動作を示すタイミングチャートである。なお、図３に示すＣＭＯＳ型撮像素子の駆動方法は全画素一括で行われる。また、以下で説明する動作は、放射線撮像装置に内蔵される不図示の制御部によって実行される。

先ず、センサに電源が投入されると、ＥＮ信号、ＴＳ信号、ＰＲＥＳ信号、ＰＣＬ信号、ＴＮ信号、ＷＩＤＥ信号、ＡＤＤ信号の各信号はローレベルに保たれ、待機信号のみハイレベルとなる。ここで、制御部は、撮影開始の指示を表す外部同期信号を検出すると、ＥＮ信号、ＰＲＥＳ信号、ＰＣＬ信号を制御するセンサリセット動作を行う。なお、本センサリセット動作は、リセット制御手段の処理例である。

制御部は、（ｔ１１）にて撮影開始を表す外部同期信号を検出すると、すぐに待機信号をローレベルにする。同時に制御部はＥＮ信号をハイレベルにし、画素アンプ１（Ｍ４）、画素アンプ２（Ｍ７）を動作状態にする。次に制御部はＰＲＥＳ信号をハイレベルにし、フォトダイオード（ＰＤ）を基準電圧に接続してリセットを行う。そして制御部はＰＲＥＳ信号をローレベルにしてリセットを終了し、クランプ容量（Ｃｃｌ）の画素アンプ１（Ｍ４）側に基準電圧ＶＲＥＳがセットされる。

次に制御部は、（ｔ１２）で信号ＰＣＬをハイレベルにすることによりクランプスイッチをオン（Ｍ５）し、クランプ容量（Ｃｃｌ）の画素アンプ２（Ｍ７）側に基準電圧ＶＣＬがセットされる。次に制御部はクランプスイッチ（Ｍ５）をオフし、基準電圧ＶＣＬと基準電圧ＶＲＥＳとの差分の電圧に応じた電荷がクランプ容量（Ｃｃｌ）に蓄積され、クランプが終了する。制御部は、リセット動作を終了し、（ｔ１３）からフォトダイオード（ＰＤ）、フローティングディフュージョン容量（Ｃｆｄ）の光電変換部における電荷信号の蓄積が開始される。このとき、電荷信号の蓄積時間は一定である。なお、ここで実行される電荷信号の蓄積制御は、蓄積制御手段の処理例である。

制御部は、電荷信号の蓄積が終了すると、ＥＮ信号、ＴＳ信号、ＰＲＥＳ信号、ＰＣＬ信号、ＴＮ信号を制御し、サンプリング動作を行う。制御部は、（ｔ１４）にてＥＮ信号をハイレベルにし、選択スイッチ１（Ｍ３）、選択スイッチ２（Ｍ６）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）に蓄積されている電荷信号は電荷／電圧変換され、ソースフォロアとして動作する画素アンプ１（Ｍ４）により電圧信号としてクランプ容量（Ｃｃｌ）に出力される。画素アンプ１（Ｍ４）の出力はリセットノイズを含むが、クランプ回路によりリセット時に画素アンプ２（Ｍ７）側を基準電圧ＶＣＬにセットしているので、リセットノイズが除去された信号となって画素アンプ２（Ｍ７）に出力される。

次に制御部は、ＴＳ信号をハイレベルとし、サンプルホールドスイッチＳ（Ｍ８）をオンすることで、信号は画素アンプ２（Ｍ７）を通して信号用ホールド容量（ＣＳ）に一括転送される。制御部は、（ｔ１５）でＴＳ信号をローレベルとし、サンプルホールドスイッチＳ（Ｍ８）をオフすることで、信号用ホールド容量（ＣＳ）に電荷信号がサンプルホールドされる。

次に制御部はＰＣＬ信号をハイレベルとする。クランプ容量（Ｃｃｌ）には電圧ＶＣＬと電圧ＶＲＥＳの差分の電圧にリセットノイズが重畳した電荷信号が蓄積される。また、制御部はＰＣＬ信号をハイレベルとした後、ＴＮ信号をハイレベルとし、サンプルホールドスイッチＮ（Ｍ１１）をオンすることで、基準電圧ＶＣＬにセットされたときのノイズ信号をノイズ信号用ホールド容量（ＣＮ）に転送する。

続いて（ｔ１６）において、制御部はＴＮ信号をローレベルとし、サンプルホールドスイッチＮ（Ｍ１１）をオフすることで、ノイズ信号用ホールド用容量（ＣＮ）にノイズ信号がサンプルホールドされる。次に制御部はＰＲＥＳ信号をハイレベルとし、リセットスイッチ（Ｍ２）をオンし、容量（Ｃｆｄ）を基準電圧ＶＲＥＳにリセットする。そして制御部は（ｔ１７）でＰＲＥＳ信号をローレベルとしリセットを完了する。次に制御部はＰＣＬ信号、ＥＮ信号をローレベルとし、（ｔ１８）でサンプリング動作を終了する。

サンプリング終了後、制御部は電荷信号の読み出し動作を行う。信号及びノイズ信号の走査は画素毎に行われる。制御部は転送スイッチＳ（Ｍ９）、転送スイッチＮ（Ｍ１２）をオンする。これにより、信号用ホールド容量（ＣＳ）に蓄えられた電荷信号、ノイズ信号用ホールド容量（ＣＮ）に蓄えられた電荷信号が、画素アンプＳ（Ｍ１０）、画素アンプＮ（Ｍ１３）を通して、それぞれ信号出力線とノイズ信号出力線とに転送される。信号出力線とノイズ信号出力線とに転送された電荷信号は、信号出力線とノイズ信号出力線とに接続された不図示の作動入力アンプで減算される。これにより、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を除去している。なお、転送可能な期間は、（ｔ１５）のサンプルホールド終了時から、信号用ホールド容量（ＣＳ）、ノイズ信号用ホールド容量（ＣＮ）に、次のフレームの信号及びノイズ信号が再びサンプルホールドされるまでの間である。また、上述した電荷信号の読み出し制御は、読み出し制御手段の処理例である。

また制御部は、サンプリング終了後、電荷信号の読み出し動作と同時に、外部同期信号（ｔ２６）の入力があるまで待機信号をハイレベルにし、待機する。但し、外部同期信号は待機状態のときのみ認知されるものとする。

図４は、本発明の第１の実施形態における、電荷信号読み出し中に外部同期信号が入力された場合の動作を示すタイミングチャートである。なお、図４に示すＣＭＯＳ型撮像素子の駆動方法は全画素一括で行われる。以下、図４を用いて、電荷信号読み出し中に外部同期信号が入力された場合の動作について説明する。

制御部は、（ｔ３１）にて、電荷信号読み出し中でも外部同期信号が入力されれば、待機信号をローレベルにするとともに、リセット動作を行い、次のフレームの放射線蓄積を開始する（ｔ３２）。リセット動作で制御するＥＮ信号、ＰＲＥＳ信号、ＰＣＬ信号の各信号は、サンプリングとは無関係であるので、電荷信号読み出し中にリセット動作を行っても信号用ホールド容量（ＣＳ）、ノイズ信号用ホールド容量（ＣＮ）には影響がない。即ち、出力される画像データに影響を及ぼすことはない。

図３に示すように、本実施形態では、電荷信号読み出し終了後、所定の時間（Ａ）が経過しても外部同期信号の入力がない場合、制御部は、ＥＮ信号、ＴＳ信号、ＰＲＥＳ信号、ＰＣＬ信号、ＴＮ信号、ＷＩＤＥ信号、ＡＤＤ信号の各信号を制御し、所定の間隔（Ｂ）において周期的に不定電位の固定動作を行う。

不定電位の固定動作は、リセット動作にＴＳ信号、ＴＮ信号、ＷＩＤＥ信号、ＡＤＤ信号に関する不定電位の固定化を加えたものである。先ず制御部は、ＥＮ信号をハイレベルにし（ｔ１９）、画素アンプ１（Ｍ４）、画素アンプ２（Ｍ７）を動作状態にする。次に制御部は、ＰＲＥＳ信号をハイレベルにし、フォトダイオード（ＰＤ）を基準電圧ＶＲＥＳに接続してリセットを行う。次に制御部は、ＰＲＥＳ信号をローレベルにしてリセットを終了し、クランプ容量（Ｃｃｌ）の画素アンプ１（Ｍ４）側に基準電圧ＶＲＥＳがセットされる。

次に制御部は、（ｔ２０）でＰＣＬ信号をハイレベルにすることによりクランプスイッチ（Ｍ５）をオンし、クランプ容量（Ｃｃｌ）の画素アンプ２（Ｍ７）側に基準電圧ＶＣＬがセットされる。次に制御部は、（ｔ２１）において、クランプスイッチ（Ｍ５）がオンの状態でＴＳ信号及びＴＮ信号をハイレベルとし、サンプルホールドスイッチＳ、Ｎ（Ｍ８、Ｍ１１）をオンする。これにより、クランプ容量（Ｃｃｌ）には、電圧ＶＣＬと電圧ＶＲＥＳとの差分の電圧にリセットノイズが重畳した電荷信号が蓄積される。

クランプ容量（Ｃｃｌ）は、画素アンプ２（Ｍ７）を通して信号用ホールド容量（ＣＳ）及びノイズ信号用ホールド用容量（ＣＮ）に一括転送される。制御部は、（ｔ２２）でＴＳ信号及びＴＮ信号をローレベルとし、サンプルホールドスイッチＳ、Ｎ（Ｍ８、Ｍ１１）をオフする。これにより、信号用ホールド容量（ＣＳ）及びノイズ信号用ホールド容量（ＣＮ）にクランプ容量（Ｃｃｌ）がサンプルホールドされる。その後、制御部は、ＰＣＬ信号をローレベルとする。

制御部は、（ｔ２３）においてＷＩＤＥ信号及びＡＤＤ信号をハイレベルにし、フローティング部を安定した電位にする。そして制御部は、（ｔ２４）においてＷＩＤＥ信号、ＡＤＤ信号をローレベルとし、（ｔ２５）においてＥＮ信号をローレベルとする。これにより、不定電位の固定動作を終了する。

不定電位の固定動作は構造的に破壊読み出しとなる。従って、不定電位の固定動作を行うと、撮影によりサンプリングされたデータが消失するため、不定電位の固定動作は電荷信号の蓄積及び読み出し完了後に行うこととする。即ち、電荷信号の読み出し信号の転送可能な期間は、（ｔ１６）のサンプルホールド終了時から、信号用ホールド容量（ＣＳ）、ノイズ信号用ホールド容量（ＣＮ）に、不定電位の固定動作の電荷信号がサンプルホールドされる（ｔ２１）までの間となる。この不定電位の固定動作中に外部同期信号が検出されれば、不定電位の固定動作を停止し、リセット動作と放射線の蓄積を開始する。

リセット動作、サンプリング動作及び不定電位の固定動作で制御する各信号のＯＮ、ＯＦＦの順序やタイミングは限定されない。不定電位の固定動作を例に示すと、全てのフローティング部を安定した電位にするという目的を達成できれば、各信号のハイレベル、ローレベルになるタイミングを変えても、一つの信号に対して、ハイレベルからローレベルの変換を繰り返し行っても、ハイレベルにならない信号があってもよい。例えば、図３において、ＥＮ信号、ＴＳ信号、ＰＲＥＳ信号、ＰＣＬ信号、ＴＮ信号をサンプリング動作と同じ動作をするようにしてもよい。これにより、駆動パターンの実装の簡易化につながる。

また、本実施形態では、画像データ読み出し完了後に所定の時間が経過すれば自動的に不定電位の固定動作が開始されるようになっているが、これに限定されるものではない。例えば、コマンドやボタンによる操作によって所定の周期による不定電位の固定動作を開始させるようにしてもよい。

本実施形態では、高感度設定で画素加算も行わない場合のように、撮影中に感度切り換えスイッチ（Ｍ１）、加算スイッチ１５０、加算スイッチ１５１をオンせず、容量（Ｃ１）及び加算スイッチ１５０と加算スイッチ１５１の間がフローティング部のままの状態であっても、容量（Ｃ１）及び加算スイッチ１５０と加算スイッチ１５１の間の電位を所定の周期で固定することにより、ランダムなノイズの一部を固定化している。そのため、本実施形態のようにすると、ＦＰＮパターンを取得したときのＣＭＯＳ型撮像素子内のフローティング部の電位と、実際に動画像を取得した際のフローティング部の電位とに差がないため、精度のよいＦＰＮ補正を行うことができる。

さらに、本実施形態によれば、所定の周期によるフローティング部の不定電位の固定が行われていても、外部同期信号を検出すると自動的に撮影開始状態に遷移するので、フレームレートが変化する外部同期撮影においても対応できる。また、電荷信号の蓄積終了後、すぐにサンプリングを行われるため、次の撮影の準備までの無駄な動作がない。さらに、サンプリング終了後、待機状態であれば常に次フレームの撮影を開始できる。即ち、被写体に放射線が照射されるまでの動作時間に影響を及ぼすことなく、高速なフレームレートでの撮影が可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図５は、本発明の第２の実施形態における、動画撮影時のＣＭＯＳ型撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。なお、図５に示すＣＭＯＳ型撮像素子の駆動方法は全画素一括で行われる。また、本実施形態に係る放射線撮像装置に適用されるＣＭＯＳ型撮像素子の画素回路の構成は、図１に示したものと同様である。

ある外部同期信号から次の外部同期信号の立ち上がりまでを１フレームとする。ここでは、（Ｎ−１）フレーム目からＮフレーム目で、フレームレートが遅くなった場合を表している。図３において、（Ｎ−１）フレーム目の読み出し終了（ｔ４１）からＮフレーム目の撮影開始の外部同期信号開始（ｔ４２）までの時間をＸとする。（Ｎ−１）フレーム目の読み出し終了（ｔ４１）からＮフレーム目の１回目の不定電位の固定動作開始（ｔ４３）までの時間をＹとする。また、Ｎフレーム目の読み出し終了（ｔ４４）からの時間を計測し、Ｚとする。

本実施形態では、Ｘ＜Ｚ又はＹ＜Ｚとなっても外部同期信号が検出されなかった場合、所定の周期による不定電位の固定動作を開始する。仮に（Ｎ−１）フレーム目が読み出し中に外部同期信号が入力された場合であったならば、例えば、Ｘ＝０のように所定の値を設定する。また、所定の不定電位の固定動作開始時間（図３におけるＡ）がＹよりも短い場合には、本実施形態で説明した制御は行わない。このとき、Ｙには所定の値を設定する。さらに、例えば、コマンドやボタンによる操作によって、Ｘ＜ＺまたはＹ＜Ｚとなっても不定電位の固定動作を開始しないように設定することも可能であるとする。

（Ｎ−１）フレーム目からＮフレーム目で、フレームレートが速くなった場合でも、上記と同様の状況が発生した場合（Ｘ＜Ｚ又はＹ＜Ｚのとき）には、同様な制御を行う。本実施形態によれば、外部同期信号により放射線爆射や蓄積のフレームレートが変化する装置において、急激にフレームレートが遅くなる等の変化をした場合でも、フローティング部の不定電位を固定し、ランダムノイズの影響を抑え、ＦＰＮ補正を精度よく行うことができる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図６は、本発明の第３の実施形態における、動画撮影時のＣＭＯＳ型撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。なお、図６に示すＣＭＯＳ型撮像素子の駆動方法は全画素一括で行われる。また、本実施形態に係る放射線撮像装置に適用されるＣＭＯＳ型撮像素子の画素回路の構成は、図１に示したものと同様である。

本実施形態は、不定電位の固定動作の周期の設定方法に関するものである。第１、第２の実施形態において、不定電位の固定動作を行う周期は、所定の周期（図３におけるＢ）としている。しかし、本実施形態では、不定電位の固定化を行う所定周期を光電変換素子に所定のノイズが蓄積する最短周期以下とする。

図６において、サンプリング動作が開始した点（ｔ５１）から不定電位の固定動作が開始した点（ｔ５２）の間隔をＰとする。また、（ｔ５２）から次の不定電位の固定動作の開始点（ｔ５３）の間隔をＱとする。このとき、ＣＭＯＳ撮像素子に蓄積されるノイズを別途測定し、そのノイズが所定の値に達する最低周期をＲとする。そして、Ｐ及びＱがＲ以下となるよう制御を行うことにより、確実にランダムノイズの影響を抑えることが可能となる。

Ｍ１：感度切り換え用ＭＯＳトランジスタ、Ｍ２：リセットＭＯＳトランジスタ、Ｍ３、Ｍ６：選択ＭＯＳトランジスタ、Ｍ４、Ｍ７、Ｍ１０：増幅ＭＯＳトランジスタ、Ｍ５：クランプ用ＭＯＳトランジスタ、Ｍ８、Ｍ１１：サンプルホールド用ＭＯＳトランジスタ、Ｍ９、Ｍ１２：アナログスイッチ

Claims (4)

1. センサと、前記センサを制御する制御部とを備える放射線撮像装置であって、
   前記センサは、
   放射線を信号に変換するための変換素子と、
   前記変換素子をリセットする第１リセット部と、
   前記変換素子からの信号に応じた電圧を保持する保持部と、
   前記保持部をリセットする第２リセット部と、
   前記保持部の電圧に応じた信号をサンプリングする第１サンプリング部と、
   前記保持部の電圧に応じた信号をサンプリングする第２サンプリング部と、
   を有しており、
   前記制御部は、
   前記第１リセット部により前記変換素子をリセットした時の前記変換素子からの信号に応じた電圧を前記保持部が保持した後、前記変換素子が変換した放射線量に応じて変化した前記保持部の電圧に応じた第１信号を前記第１サンプリング部によりサンプリングする第１動作と、
   前記第２リセット部により前記保持部をリセットしながら、当該リセットされた前記保持部の電圧に応じた第２信号を前記第２サンプリング部によりサンプリングした後に前記第１リセット部により前記変換素子をリセットする第２動作と、
   を順に行うように前記センサを制御する
   ことを特徴とする放射線撮像装置。
2. 前記第１サンプリング部によりサンプリングされた前記第１信号と、前記第２サンプリング部によりサンプリングされた前記第２信号と、を減算する回路を更に含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
3. 前記制御部は、外部から同期信号を受けている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
4. センサを備える放射線撮像装置の制御方法であって、
   前記センサは、放射線を信号に変換するための変換素子と、前記変換素子をリセットする第１リセット部と、前記変換素子からの信号に応じた電圧を保持する保持部と、前記保持部をリセットする第２リセット部と、前記保持部の電圧に応じた信号をサンプリングする第１サンプリング部と、前記保持部の電圧に応じた信号をサンプリングする第２サンプリング部と、を有しており、
   前記放射線撮像装置の制御方法は、
   前記第１リセット部により前記変換素子をリセットした時の前記変換素子からの信号に応じた電圧を前記保持部が保持した後、前記変換素子が変換した放射線量に応じて変化した前記保持部の電圧に応じた第１信号を前記第１サンプリング部によりサンプリングする第１工程と、
   前記第２リセット部により前記保持部をリセットしながら、当該リセットされた前記保持部の電圧に応じた第２信号を前記第２サンプリング部によりサンプリングした後に前記第１リセット部により前記変換素子をリセットする第２工程と、を有する
   ことを特徴とする放射線撮像装置の制御方法。

Images