JP6350281B2 - 電流/電圧変換回路及び撮像装置 - Google Patents
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Description
V0=Qin/Cint
が得られる。
各撮像素子ユニットは、
入射した電磁波を電流に変換する撮像素子、及び、
撮像素子からの電流を電圧に変換する電流/電圧変換回路、
から成る。
入射した電磁波を電流に変換する撮像素子が接続され、撮像素子からの電流を電圧に変換する電流/電圧変換回路であって、
電流/電圧変換回路の出力部に接続された出力部、並びに、第1入力部及び第2入力部を備えた演算増幅器、
一端が演算増幅器の出力部に接続され、他端が演算増幅器の第2入力部に接続されているコンデンサ部、並びに、
相補的に動作する第1のスイッチ回路及び第2のスイッチ回路、
を具備しており、
演算増幅器の第1入力部は、第1の電源に接続されており、
撮像素子の出力部は、第1のスイッチ回路を介してコンデンサ部の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路を介して第2の電源に接続される。尚、第1のスイッチ回路と第2のスイッチ回路とが相補的に動作するとは、第1のスイッチ回路がオン状態のとき、第2のスイッチ回路はオフ状態となり、第1のスイッチ回路がオフ状態のとき、第2のスイッチ回路はオン状態となることを意味する。以下の説明においても同様である。
入射した電磁波を電流に変換する撮像素子が接続され、撮像素子からの電流を電圧に変換する電流/電圧変換回路であって、
電界効果トランジスタ、
コンデンサ部、並びに、
相補的に動作する第1のスイッチ回路及び第2のスイッチ回路、
を具備しており、
コンデンサ部の一端は、電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されており、コンデンサ部の他端は、電界効果トランジスタのゲート電極に接続されており、
電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域は、第1の電源に接続されており、且つ、電流/電圧変換回路の出力部に接続されており、
撮像素子の出力部は、第1のスイッチ回路を介してコンデンサ部の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路を介して第2の電源に接続される。
1.本開示の撮像装置、並びに、本開示の第1の態様及び第2の態様に係る電流/電圧変換回路、全般に関する説明
2.実施例1(本開示の撮像装置、並びに、本開示の第1の態様に係る電流/電圧変換回路)
3.実施例2(実施例1の変形)
4.実施例3(実施例1の別の変形)
5.実施例4(実施例1の更に別の変形)
6.実施例5(本開示の撮像装置、並びに、本開示の第2の態様に係る電流/電圧変換回路)
7.実施例6(実施例5の変形)
8.実施例7(実施例5の別の変形)
9.実施例8(実施例1〜実施例7の変形)、その他
本開示の撮像装置において、
電流/電圧変換回路は、演算増幅器及びコンデンサ部を備えており、
演算増幅器は、電流/電圧変換回路の出力部に接続された出力部、並びに、第1入力部及び第2入力部を備えており、
コンデンサ部の一端は演算増幅器の出力部に接続されており、他端は演算増幅器の第2入力部及び撮像素子の出力部に接続されている形態とすることができる。尚、このような形態の本開示の撮像装置を、便宜上、『本開示の第1の態様に係る撮像装置』と呼ぶ場合がある。ここで、第1入力部が非反転入力部に相当し、第2入力部が反転入力部に相当する。上述した本開示の第1の態様に係る電流/電圧変換回路においても同様である。
電流/電圧変換回路は、複数のコンデンサ部、及び、切替えスイッチ回路を備えており、
複数のコンデンサ部のそれぞれは、切替えスイッチ回路を介して、演算増幅器の出力部及び演算増幅器の第2入力部に接続されている構成とすることができる。このような構成にすることで、電流/電圧変換回路の感度の変更を容易に行うことができる。
電流/電圧変換回路は、第1のスイッチ回路及び第2のスイッチ回路を更に備えており、
演算増幅器の第1入力部は、第1の電源に接続されており、
撮像素子の出力部は、第1のスイッチ回路を介してコンデンサ部の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路を介して第2の電源に接続され、
第1のスイッチ回路と第2のスイッチ回路とは相補的に動作する構成とすることができる。そして、このような構成の本開示の第1の態様に係る撮像装置にあっては、あるいは又、本開示の第1の態様に係る電流/電圧変換回路にあっては、更に、
電流/電圧変換回路は、第2のコンデンサ部、及び、第1のスイッチ回路と同じ動作を行う第3のスイッチ回路を更に備えており、
第2のコンデンサ部の一端は、第3のスイッチ回路を介して演算増幅器の出力部に接続されている構成することができるし、あるいは又、
電流/電圧変換回路は、第2のコンデンサ部、第3のスイッチ回路、第4のスイッチ回路、第5のスイッチ回路、及び、第6のスイッチ回路を更に備えており、
第2のコンデンサ部の一端は、第3のスイッチ回路を介して演算増幅器の出力部に接続されており、
第2のコンデンサ部の他端は、第4のスイッチ回路を介して演算増幅器の第2入力部に接続されており、且つ、第5のスイッチ回路を介して第1の電源に接続されており、
第6のスイッチ回路は、コンデンサ部の他端と、第1のスイッチ回路及び演算増幅器の第2入力部との間に配されている構成とすることができる。尚、これらの構成にあっては、撮像素子からの電流に基づいた電荷が第2のコンデンサ部にも蓄積される。
電流/電圧変換回路は、電界効果トランジスタ、及び、コンデンサ部から構成されており、
コンデンサ部の一端は、電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されており、コンデンサ部の他端は、電界効果トランジスタのゲート電極及び撮像素子の出力部に接続されており、
電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域は、第1の電源に接続されており、且つ、電流/電圧変換回路の出力部に接続されている形態とすることができる。尚、このような形態の本開示の撮像装置を、便宜上、『本開示の第2の態様に係る撮像装置』と呼ぶ場合がある。
電流/電圧変換回路は、複数のコンデンサ部、及び、切替えスイッチ回路を備えており、
複数のコンデンサ部のそれぞれは、切替えスイッチ回路を介して、電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域及びゲート電極に接続されている構成とすることができる。このような構成にすることで、電流/電圧変換回路の感度の変更を容易に行うことができる。
電流/電圧変換回路は、第1のスイッチ回路及び第2のスイッチ回路を更に備えており、
撮像素子の出力部は、第1のスイッチ回路を介してコンデンサ部の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路を介して第2の電源に接続され、
第1のスイッチ回路と第2のスイッチ回路とは相補的に動作する構成とすることができる。そして、このような構成の本開示の第2の態様に係る撮像装置にあっては、あるいは又、本開示の第2の態様に係る電流/電圧変換回路にあっては、更に、
電流/電圧変換回路は、第2のコンデンサ部、及び、第1のスイッチ回路と同じ動作を行う第3のスイッチ回路を更に備えており、
第2のコンデンサ部の一端は、第3のスイッチ回路を介して電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されている構成することができるし、あるいは又、
電流/電圧変換回路は、第2のコンデンサ部、第3のスイッチ回路、第4のスイッチ回路、第5のスイッチ回路、及び、第6のスイッチ回路を更に備えており、
第2のコンデンサ部の一端は、第3のスイッチ回路を介して電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されており、
第2のコンデンサ部の他端は、第4のスイッチ回路を介して電界効果トランジスタのゲート電極に接続されており、且つ、第5のスイッチ回路を介して第3の電源に接続されており、
第6のスイッチ回路は、コンデンサ部の他端と、第1のスイッチ回路及び電界効果トランジスタのゲート電極との間に配されている構成とすることができる。尚、これらの構成にあっては、撮像素子からの電流に基づいた電荷が第2のコンデンサ部にも蓄積される。
各撮像素子ユニット20は、
(a)入射した電磁波(具体的には、X線)を電流(電荷)に変換する撮像素子30、及び、
(b)撮像素子30からの電流(電荷)を電圧に変換する電流/電圧変換回路40A、
から成る。尚、X線平面検出器、全体の構成、構造は、周知の構成、構造とすることができる。
演算増幅器41の第1入力部41Aは、第1の電源に接続されており、
撮像素子30の出力部は、第1のスイッチ回路45を介してコンデンサ部42の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路46を介して第2の電源に接続され、
第1のスイッチ回路45と第2のスイッチ回路46とは相補的に動作する。尚、第1のスイッチ回路45がオン状態のとき、第2のスイッチ回路46はオフ状態となり、第1のスイッチ回路45がオフ状態のとき、第2のスイッチ回路46はオン状態となる。実施例1〜実施例4にあっては、第1の電源と第2の電源は同じ電源22から構成されており、電源22からは基準電圧VRefが出力される。
(A)電流/電圧変換回路40Aの出力部に接続された出力部41C、並びに、第1入力部41A及び第2入力部41Bを備えた演算増幅器41、
(B)一端が演算増幅器41の出力部41Cに接続され、他端が演算増幅器41の第2入力部41Bに接続されているコンデンサ部42、並びに、
(C)相補的に動作する第1のスイッチ回路45及び第2のスイッチ回路46、
を具備しており、
演算増幅器41の第1入力部41Aは、第1の電源に接続されており、
撮像素子30の出力部は、第1のスイッチ回路45を介してコンデンサ部42の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路46を介して第2の電源に接続される。尚、電流/電圧変換回路40Aは、更に、
(D)リセット用スイッチ回路44を有する短絡回路43、
を備えており、
コンデンサ部42は短絡回路43と並列に接続されている。
先ず、コンデンサ部42の初期化を行う。具体的には、演算増幅器用電源23から演算増幅器41に電流IRefを供給して演算増幅器41を駆動した状態で、リセット用スイッチ回路44をオン状態とする(図2A参照)。これによって、コンデンサ部42は短絡回路43を介して短絡状態となり、コンデンサ部42がリセットされる。即ち、コンデンサ部42の両端のそれぞれの電位は、基準電圧VRefとなる。所定の時間が経過してコンデンサ部42のリセットが完了したならば、リセット用スイッチ回路44をオフ状態とする(図2B参照)。尚、この[ステップ−100]にあっては、第1のスイッチ回路45をオフ状態とし、第2のスイッチ回路46をオン状態とすることで、撮像素子30を電流/電圧変換回路40Aから切り離し、且つ、撮像素子30の出力部(カソード)を電源22に接続する。これによって、たとえ、撮像素子30に電磁波(具体的には、X線)が入射しても、コンデンサ部42に電荷は蓄積されない。また、バッファ回路47はオフ状態であり、駆動されておらず、出力用スイッチ回路48はオフ状態であり、電流/電圧変換回路40Aは出力用配線21から切り離されている。[ステップ−100]〜[ステップ−110]は、全ての撮像素子ユニットにおいて、同時に行われる。
次に、第1のスイッチ回路45をオン状態とし、第2のスイッチ回路46をオフ状態とすることで、撮像素子30を電源22から切り離し、且つ、撮像素子30の出力部を、電流/電圧変換回路40Aの第2入力部41B及びコンデンサ部42の他端に接続する(図3A参照)。これによって、入射した電磁波は撮像素子30によって電流に変換され、撮像素子30からの電流によってコンデンサ部42に電荷が蓄積される。
所定の時間が経過した時点で、第1のスイッチ回路45をオフ状態とし、第2のスイッチ回路46をオン状態とすることで、撮像素子30を電流/電圧変換回路40Aから切り離し、且つ、撮像素子30の出力部(カソード)を電源22に接続する(図3B参照)。これによって、たとえ、撮像素子30に電磁波(具体的には、X線)が入射しても、コンデンサ部42に電荷は蓄積されない。この[ステップ−120]においては、演算増幅器用電源23から演算増幅器41に、例えば、電流(0.5×IRef)を供給して演算増幅器41を駆動することができ、電流/電圧変換回路40Aの全体における消費電力の低減を図ることができる。[ステップ−120]にあっては、[ステップ−110]が完了し、次に述べる[ステップ−130]まで、コンデンサ部42に蓄積された電荷を保持する。
撮像素子ユニット20が出力すべき順番となったならば、バッファ回路47及び出力用スイッチ回路48をオン状態とする(図4A参照)。これによって、電流/電圧変換回路40Aが出力用配線21に接続され、コンデンサ部42に蓄積された電荷に基づく出力電圧V0が出力用配線21に出力される。云い換えれば、入射した電磁波のエネルギー量に基づく出力電圧V0が出力用配線21に出力される。
その後、バッファ回路47及び出力用スイッチ回路48をオフ状態とし、また、演算増幅器用電源23からの演算増幅器41への電流の供給を停止する(図4B参照)。この[ステップ−140]において、撮像素子ユニット20の消費電力はほぼ0となる。
+ NZ1 2×(Cpd/Cint)2
+ (NZ2 2+NZ3 2)×α2 (1−1)
入力換算ノイズNZ1<入力換算ノイズNZ2
の関係が成り立つ。ここで、
NZ2=β×NZ1
と表すとする。但し、一般に、MOSトランジスタ回路で発生するノイズの大半は(電流値)1/2に反比例するので、
1<β<21/2
とする。
+ NZ1 2×{(Cpd/Cint)2+β2×α2}
+ NZ3 2×α2 (1−2)
+ NZ1 2×(Cpd/Cint)2 (1−3)
Qin-max=Cpd×VRef
に制限される。云い換えれば、演算増幅器241への入力電圧のダイナミックレンジはVRefによって制限される。一方、演算増幅器241の電源電圧をVccとしたとき、演算増幅器241からの出力電圧のダイナミックレンジは、(Vcc−VRef)で制限される。それ故、基準電圧VRefを高い値とすることで演算増幅器241への入力電圧のダイナミックレンジを大きくすると、演算増幅器241からの出力電圧のダイナミックレンジが小さくなり、演算増幅器241への入力電圧と演算増幅器241からの出力電圧のダイナミックレンジの適切なバランスを得ることが困難であるといった問題を有する。
V0=Qin/Cint
で得ることができるが、演算増幅器41への入力電圧のダイナミックレンジ及び演算増幅器41からの出力電圧のダイナミックレンジは、(Vcc−VRef)で制限されるだけであり、入力電圧のダイナミックレンジと出力電圧のダイナミックレンジの適切な両立を容易に得ることができる。しかも、撮像素子のバイアス電圧は、Qinに依存せず、演算増幅器の第1入力部(非反転入力部)の電圧(基準電圧VRef)に固定される。従って、撮像素子における暗電荷が一定となり、電磁波が照射された場合に得られる撮像素子ユニット20からの出力電圧から、電磁波が照射されていない場合に得られる撮像素子ユニット20からの出力電圧を減じることで、暗電流の影響が含まれない、純粋な撮像素子からの電荷の把握が可能となる。
先ず、コンデンサ部42の初期化を行う。具体的には、リセット用スイッチ回路44をオン状態、第3のスイッチ回路53をオフ状態として、実施例1の[ステップ−100]と同様にして、コンデンサ部42をリセットする(図9A参照)。所定の時間が経過してコンデンサ部42のリセットが完了したならば、リセット用スイッチ回路44をオフ状態とする(図9B参照)。[ステップ−300]〜[ステップ−310]は、全ての撮像素子ユニットにおいて、同時に行われる。
次に、第3のスイッチ回路53をオン状態として、併せて、第1のスイッチ回路45をオン状態、第2のスイッチ回路46をオフ状態として、実施例1の[ステップ−110]と同様にして、入射した電磁波を撮像素子30によって電流に変換し、撮像素子30からの電流によってコンデンサ部42、更には、第2のコンデンサ部52に電荷を蓄積する(図10A参照)。演算増幅器41の負荷容量である第2のコンデンサ部52の一端の電位は、基準電圧VRefとコンデンサ部42の両端の電位差との和になる。
所定の時間が経過した時点で、第1のスイッチ回路45をオフ状態とし、第2のスイッチ回路46をオン状態とすることで、撮像素子30を電流/電圧変換回路40Cから切り離し、且つ、撮像素子30の出力部(カソード)を電源22に接続する。併せて、第3のスイッチ回路53をオフ状態とする。更には、演算増幅器用電源23からの演算増幅器41への電流の供給を停止する(図10B参照)。これによって、実施例1よりも、一層、電流/電圧変換回路40Cの全体における消費電力の低減を図ることができる。[ステップ−320]以降のステップは、1本の出力用配線21に接続されたM個の撮像素子ユニットのそれぞれにおいて、逐次、行われる。
撮像素子ユニット20が出力すべき順番となったならば、バッファ回路47及び出力用スイッチ回路48をオン状態とする(図11A参照)。これによって、電流/電圧変換回路40Cが出力用配線21に接続され、第2のコンデンサ部52に蓄積された電荷(入力電荷量)に基づく出力電圧V0が出力用配線21に出力される。云い換えれば、入射した電磁波のエネルギー量に基づく出力電圧V0が出力用配線21に出力される。
その後、バッファ回路47及び出力用スイッチ回路48をオフ状態とする(図11B参照)。この[ステップ−340]においては、撮像素子ユニット20の消費電力はほぼ0となる。
+ NZ1 2×(Cpd/Cint)2
+ k・T/Cdum
+ NZ3 2×α2 (3−1)
+ NZ1 2×(Cpd/Cint)2
+ k・T/Cdum (3−2)
先ず、コンデンサ部42の初期化を行う。具体的には、リセット用スイッチ回路44、第3のスイッチ回路553、第4のスイッチ回路554、第6のスイッチ回路556をオン状態とし、第5のスイッチ回路555、出力用スイッチ回路48をオフ状態として、実施例1の[ステップ−100]と同様にして、コンデンサ部42をリセットする(図14参照)。[ステップ−400]〜[ステップ−420]は、全ての撮像素子ユニットにおいて、同時に行われる。
所定の時間が経過してコンデンサ部42のリセットが完了したならば、リセット用スイッチ回路44をオフ状態とし、第1のスイッチ回路45をオン状態、第2のスイッチ回路46をオフ状態とする(図15参照)。この[ステップ−410]にあっては、[ステップ−400]において寄生容量31に蓄積されたノイズ(電荷)が、コンデンサ部42及び第2のコンデンサ部54に分割して蓄積される。後述するように、コンデンサ部42に転送されたノイズは入力電荷に加算されるが、第2のコンデンサ部54に転送されたノイズは入力電荷に加算されない。この[ステップ−410]においては、演算増幅器41で発生した入力換算ノイズNZ1は、{Cpd/(Cint+Cdum)}×{Cint/(Cint+Cdum)}倍されて第2のコンデンサ部54に蓄積される。
その後、第4のスイッチ回路554をオフ状態、第5のスイッチ回路555をオン状態とし(図16参照)、電磁波を撮像素子30に入射させる。これによって、入射した電磁波を撮像素子30によって電流に変換し、撮像素子30からの電流によってコンデンサ部42に電荷を蓄積する。演算増幅器41の負荷容量である第2のコンデンサ部54には、コンデンサ部42の両端の電位差に相当する電荷が蓄積される。即ち、第2のコンデンサ部54の一端の電位は、基準電圧VRefとコンデンサ部42の両端の電位差との和になる。演算増幅器41の電流/電圧変換ゲインは、コンデンサ部42の容量値Cintによって決定される。
所定の時間が経過した時点で、第1のスイッチ回路45をオフ状態とし、第2のスイッチ回路46をオン状態とすることで、撮像素子30を電流/電圧変換回路40Dから切り離し、且つ、撮像素子30の出力部(カソード)を電源22に接続する。併せて、第3のスイッチ回路553をオフ状態とする。更には、演算増幅器用電源23からの演算増幅器41への電流の供給を停止する(図17参照)。これによって、実施例1よりも、一層、電流/電圧変換回路40Dの全体における消費電力の低減を図ることができる。[ステップ−430]以降のステップは、1本の出力用配線21に接続されたM個の撮像素子ユニットのそれぞれにおいて、逐次、行われる。
撮像素子ユニット20が出力すべき順番となったならば、演算増幅器用電源23からの演算増幅器41への電流の供給を再開する。また、第5のスイッチ回路555、第6のスイッチ回路556をオフ状態とし、リセット用スイッチ回路44、第4のスイッチ回路554をオン状態とする(図18参照)。これによって、演算増幅器41の第2入力部41B及び出力部41Cの電位がVRefとなる。また、これによって、後述する[ステップ−450]から[ステップ−460]に遷移する前に、各ノードの電位を所定の値に定めることができる。
次に、リセット用スイッチ回路44をオフ状態、第3のスイッチ回路553をオン状態とし、更に、バッファ回路47及び出力用スイッチ回路48をオン状態とする(図19参照)。これによって、電流/電圧変換回路40Dが出力用配線21に接続され、第2のコンデンサ部54に蓄積された電荷(入力電荷量)に基づく出力電圧V0が出力用配線21に出力される。云い換えれば、入射した電磁波のエネルギー量に基づく出力電圧V0が出力用配線21に出力される。具体的には、基準電圧VRefとコンデンサ部42の一端の電圧との和が、出力電圧V0として出力用配線21に出力される。
その後、バッファ回路47及び出力用スイッチ回路48をオフ状態とし、また、演算増幅器用電源23からの演算増幅器41への電流の供給を停止する(図20参照)。この[ステップ−460]においては、撮像素子ユニット20の消費電力はほぼ0となる。
(k・T/Cpd)×[{Cpd/(Cint+Cdum)}×{Cint/(Cint+Cdum)}]2
+ NZ1 2×[{Cpd/(Cint+Cdum)}×{Cint/(Cint+Cdum)}]2
+ NZ2 2×(Cpd/Cint)2
+ k・T/Cdum
+ (NZ3 2+NZ4 2)×α2 (4−1)
{Cint/(Cint+Cdum)}2≒0
となるので、式(4−1)は、以下の式(4−2)のとおりとなる。
=(k・T/Cpd)×(Cpd/Cint)2 + NZ1 2×(Cpd/Cint)2 (1−3)
=(k・T/Cpd)×(Cpd/Cint)2 + NZ1 2×(Cpd/Cint)2
+ k・T/Cdum (3−2)
=NZ2 2×(Cpd/Cint)2 + k・T/Cdum (4−2)
NZ0 2:
2.07×10-7 + NZ1 2×100 (1−3)
2.07×10-9 + NZ2 2×100 (4−2)
となる。一般に、(NZ1 2×100)の値、(NZ2 2×100)の値を10-7オーダーとすることは、左程、困難ではない。従って、式(1−3)に比べて式(4−2)のノイズ合計を値を小さくすることができる。
各撮像素子ユニット120は、
(a)入射した電磁波(具体的には、X線)を電流(電荷)に変換する撮像素子30、及び、
(b)撮像素子30からの電流(電荷)を電圧に変換する電流/電圧変換回路140A、
から成る。
撮像素子30の出力部は、第1のスイッチ回路145を介してコンデンサ部142の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路146を介して第2の電源122に接続され、
第1のスイッチ回路145と第2のスイッチ回路146とは相補的に動作する。
(A)電界効果トランジスタ141、
(B)コンデンサ部142、並びに、
(C)相補的に動作する第1のスイッチ回路145及び第2のスイッチ回路146、
を具備しており、
コンデンサ部142の一端は、電界効果トランジスタ141の一方のソース/ドレイン領域に接続されており、コンデンサ部142の他端は、電界効果トランジスタ141のゲート電極に接続されており、
電界効果トランジスタ141の一方のソース/ドレイン領域は、第1の電源123に接続されており、且つ、電流/電圧変換回路140Aの出力部に接続されており、
撮像素子30の出力部は、第1のスイッチ回路145を介してコンデンサ部142の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路146を介して第2の電源122に接続される。尚、電流/電圧変換回路140Aは、更に、
(D)リセット用スイッチ回路144を有する短絡回路143、
を備えており、
コンデンサ部142は短絡回路143と並列に接続されている。
先ず、コンデンサ部142の初期化を行う。具体的には、第1の電源123をオン状態としておき、リセット用スイッチ回路144をオン状態とする(図24A参照)。これによって、コンデンサ部142は短絡回路143を介して短絡状態となり、コンデンサ部142がリセットされる。所定の時間が経過してコンデンサ部142のリセットが完了したならば、リセット用スイッチ回路144をオフ状態とする。尚、この[ステップ−500]にあっては、第1のスイッチ回路145をオフ状態とし、第2のスイッチ回路146をオン状態とすることで、撮像素子30を電流/電圧変換回路140Aから切り離し、且つ、撮像素子30の出力部(カソード)を第2の電源122に接続する。これによって、たとえ、撮像素子30に電磁波(具体的には、X線)が入射しても、コンデンサ部142に電荷は蓄積されない。また、バッファ回路147はオフ状態であり、駆動されておらず、出力用スイッチ回路148はオフ状態であり、電流/電圧変換回路140Aは出力用配線21から切り離されている。[ステップ−500]〜[ステップ−510]は、全ての撮像素子ユニットにおいて、同時に行われる。
次に、リセット用スイッチ回路144をオフ状態とし、また、第1のスイッチ回路145をオン状態とし、第2のスイッチ回路146をオフ状態とすることで、撮像素子30を第2の電源122から切り離し、且つ、撮像素子30の出力部を、電界効果トランジスタ141の一方のソース/ドレイン領域及びコンデンサ部142の他端に接続する(図24B参照)。これによって、入射した電磁波は撮像素子30によって電流に変換され、撮像素子30からの電流によってコンデンサ部142に電荷が蓄積される。
所定の時間が経過した時点で、第1のスイッチ回路145をオフ状態とし、第2のスイッチ回路146をオン状態とすることで、撮像素子30を電流/電圧変換回路140Aから切り離し、且つ、撮像素子30の出力部(カソード)を第2の電源122に接続する(図25A参照)。これによって、たとえ、撮像素子30に電磁波(具体的には、X線)が入射しても、コンデンサ部142に電荷は蓄積されない。[ステップ−520]以降のステップは、1本の出力用配線21に接続されたM個の撮像素子ユニットのそれぞれにおいて、逐次、行われる。
撮像素子ユニット120が出力すべき順番となったならば、バッファ回路147及び出力用スイッチ回路148をオン状態とする(図25B参照)。これによって、電流/電圧変換回路140Aが出力用配線21に接続され、コンデンサ部142に蓄積された電荷に基づく出力電圧が出力用配線21に出力される。云い換えれば、入射した電磁波のエネルギー量に基づく出力電圧が出力用配線21に出力される。
その後、バッファ回路147及び出力用スイッチ回路148をオフ状態とし、また、第1の電源123をオフ状態とする。(図26参照)。
先ず、コンデンサ部142の初期化を行う。具体的には、第1の電源123をオン状態としておき、リセット用スイッチ回路144をオン状態、第3のスイッチ回路153をオフ状態として、実施例5の[ステップ−500]と同様にして、コンデンサ部142をリセットする(図28A参照)。所定の時間が経過してコンデンサ部142のリセットが完了したならば、リセット用スイッチ回路144をオフ状態とする。[ステップ−600]〜[ステップ−610]は、全ての撮像素子ユニットにおいて、同時に行われる。
次に、第3のスイッチ回路153をオン状態として、併せて、第1のスイッチ回路145をオン状態、第2のスイッチ回路146をオフ状態として、実施例5の[ステップ−510]と同様にして、入射した電磁波を撮像素子30によって電流に変換し、撮像素子30からの電流によってコンデンサ部142、更には、第2のコンデンサ部152に電荷を蓄積する(図28B参照)。第2のコンデンサ部152の一端の電位は、[(Qin/Cint)+Vgs]となる。尚、Vgsは、電界効果トランジスタ141のゲート/ソース間の電位である。
所定の時間が経過した時点で、第1の電源123をオフ状態とし、第1のスイッチ回路145をオフ状態とし、第2のスイッチ回路146をオン状態とすることで、撮像素子30を電流/電圧変換回路140Bから切り離し、且つ、撮像素子30の出力部(カソード)を第2の電源122に接続する。併せて、第3のスイッチ回路153をオフ状態とする(図29A参照)。[ステップ−620]以降のステップは、1本の出力用配線21に接続されたM個の撮像素子ユニットのそれぞれにおいて、逐次、行われる。
撮像素子ユニット120が出力すべき順番となったならば、バッファ回路147及び出力用スイッチ回路148をオン状態とする(図29B参照)。これによって、電流/電圧変換回路140Bが出力用配線21に接続され、第2のコンデンサ部152に蓄積された電荷(入力電荷量)に基づく出力電圧が出力用配線21に出力される。云い換えれば、入射した電磁波のエネルギー量に基づく出力電圧が出力用配線21に出力される。
その後、バッファ回路147及び出力用スイッチ回路148をオフ状態とする(図30参照)。
先ず、コンデンサ部142の初期化を行う。具体的には、第1の電源123をオン状態とし、リセット用スイッチ回路144、第3のスイッチ回路1553、第4のスイッチ回路1554、第6のスイッチ回路1556をオン状態とし、第5のスイッチ回路1555、出力用スイッチ回路148をオフ状態として、実施例5の[ステップ−500]と同様にして、コンデンサ部142をリセットする(図32参照)。[ステップ−700]〜[ステップ−720]は、全ての撮像素子ユニットにおいて、同時に行われる。この[ステップ−700]においては、第2のスイッチ回路146においてノイズが発生する。
所定の時間が経過してコンデンサ部142のリセットが完了したならば、リセット用スイッチ回路144をオフ状態とし、第1のスイッチ回路145をオン状態、第2のスイッチ回路146をオフ状態とする(図33参照)。この[ステップ−710]にあっては、[ステップ−700]において寄生容量31に蓄積されたノイズ(電荷)が、コンデンサ部142及び第2のコンデンサ部154に分割して蓄積される。
その後、第4のスイッチ回路1554をオフ状態、第5のスイッチ回路1555をオン状態とし(図34参照)、電磁波を撮像素子30に入射させる。これによって、入射した電磁波を撮像素子30によって電流に変換し、撮像素子30からの電流によってコンデンサ部142、更には、第2のコンデンサ部154に電荷を蓄積する。第2のコンデンサ部154には、コンデンサ部142の両端の電位差に相当する電荷が蓄積される。
所定の時間が経過した時点で、第1のスイッチ回路145をオフ状態とし、第2のスイッチ回路146をオン状態とすることで、撮像素子30を電流/電圧変換回路140Cから切り離し、且つ、撮像素子30の出力部(カソード)を第2の電源122に接続する。併せて、第3のスイッチ回路1553をオフ状態とする(図35参照)。[ステップ−730]以降のステップは、1本の出力用配線21に接続されたM個の撮像素子ユニットのそれぞれにおいて、逐次、行われる。
撮像素子ユニット20が出力すべき順番となったならば、第5のスイッチ回路1555、第6のスイッチ回路1556をオフ状態とし、リセット用スイッチ回路144、第4のスイッチ回路1554をオン状態とする(図36参照)。これによって、後述する[ステップ−750]から[ステップ−760]に遷移する前に、各ノードの電位を所定の値に定めることができる。
次に、リセット用スイッチ回路144をオフ状態、第3のスイッチ回路1553をオン状態とし、更に、バッファ回路147及び出力用スイッチ回路148をオン状態とする(図37参照)。これによって、第2のコンデンサ部154に蓄積された電荷(入力電荷量)に基づく出力電圧V0が出力用配線21に出力される。云い換えれば、入射した電磁波のエネルギー量に基づく出力電圧V0が出力用配線21に出力される。
その後、バッファ回路147及び出力用スイッチ回路148をオフ状態とし、第1の電源123をオフ状態とする(図38参照)。
[1]《撮像装置》
1画素又は複数の画素を構成する撮像素子ユニットが2次元マトリクス状に配設されて成る撮像パネルを備えており、
各撮像素子ユニットは、
入射した電磁波を電流に変換する撮像素子、及び、
撮像素子からの電流を電圧に変換する電流/電圧変換回路、
から成る撮像装置。
[2]m0個の画素(但し、m0は2以上、1×103以下の整数)から1つの撮像素子ユニットが構成されている[1]に記載の撮像装置。
[3]電流/電圧変換回路は、演算増幅器及びコンデンサ部を備えており、
演算増幅器は、電流/電圧変換回路の出力部に接続された出力部、並びに、第1入力部及び第2入力部を備えており、
コンデンサ部の一端は演算増幅器の出力部に接続されており、他端は演算増幅器の第2入力部及び撮像素子の出力部に接続されている[1]又は[2]に記載の撮像装置。
[4]電流/電圧変換回路は、リセット用スイッチ回路を有する短絡回路を更に備えており、
コンデンサ部は短絡回路に並列に接続されている[3]に記載の撮像装置。
[5]撮像素子からの電流によってコンデンサ部に電荷が蓄積される[3]又は[4]に記載の撮像装置。
[6]電流/電圧変換回路は、複数のコンデンサ部、及び、切替えスイッチ回路を備えており、
複数のコンデンサ部のそれぞれは、切替えスイッチ回路を介して、演算増幅器の出力部及び演算増幅器の第2入力部に接続されている[3]乃至[5]のいずれか1項に記載の撮像装置。
[7]電流/電圧変換回路は、第1のスイッチ回路及び第2のスイッチ回路を更に備えており、
演算増幅器の第1入力部は、第1の電源に接続されており、
撮像素子の出力部は、第1のスイッチ回路を介してコンデンサ部の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路を介して第2の電源に接続され、
第1のスイッチ回路と第2のスイッチ回路とは相補的に動作する[3]乃至[6]のいずれか1項に記載の撮像装置。
[8]電流/電圧変換回路は、第2のコンデンサ部、及び、第1のスイッチ回路と同じ動作を行う第3のスイッチ回路を更に備えており、
第2のコンデンサ部の一端は、第3のスイッチ回路を介して演算増幅器の出力部に接続されている[7]に記載の撮像装置。
[9]電流/電圧変換回路は、第2のコンデンサ部、第3のスイッチ回路、第4のスイッチ回路、第5のスイッチ回路、及び、第6のスイッチ回路を更に備えており、
第2のコンデンサ部の一端は、第3のスイッチ回路を介して演算増幅器の出力部に接続されており、
第2のコンデンサ部の他端は、第4のスイッチ回路を介して演算増幅器の第2入力部に接続されており、且つ、第5のスイッチ回路を介して第1の電源に接続されており、
第6のスイッチ回路は、コンデンサ部の他端と、第1のスイッチ回路及び演算増幅器の第2入力部との間に配されている[7]に記載の撮像装置。
[10]電流/電圧変換回路は、演算増幅器の出力部及び電流/電圧変換回路の出力部に接続されたバッファ回路を更に備えている[3]乃至[9]のいずれか1項に記載の撮像装置。
[11]電流/電圧変換回路は、電界効果トランジスタ、及び、コンデンサ部から構成されており、
コンデンサ部の一端は、電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されており、コンデンサ部の他端は、電界効果トランジスタのゲート電極及び撮像素子の出力部に接続されており、
電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域は、第1の電源に接続されており、且つ、電流/電圧変換回路の出力部に接続されている[1]に記載の撮像装置。
[12]電流/電圧変換回路は、リセット用スイッチ回路を有する短絡回路を更に備えており、
コンデンサ部は、短絡回路に並列に接続されている[11]に記載の撮像装置。
[13]撮像素子からの電流によってコンデンサ部に電荷が蓄積される[11]又は[12]に記載の撮像装置。
[14]電流/電圧変換回路は、複数のコンデンサ部、及び、切替えスイッチ回路を備えており、
複数のコンデンサ部のそれぞれは、切替えスイッチ回路を介して、電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域及びゲート電極に接続されている[11]乃至[13]のいずれか1項に記載の撮像装置。
[15]電流/電圧変換回路は、第1のスイッチ回路及び第2のスイッチ回路を更に備えており、
撮像素子の出力部は、第1のスイッチ回路を介してコンデンサ部の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路を介して第2の電源に接続され、
第1のスイッチ回路と第2のスイッチ回路とは相補的に動作する[11]乃至[14]のいずれか1項に記載の撮像装置。
[16]電流/電圧変換回路は、第2のコンデンサ部、及び、第1のスイッチ回路と同じ動作を行う第3のスイッチ回路を更に備えており、
第2のコンデンサ部の一端は、第3のスイッチ回路を介して電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されている[15]に記載の撮像装置。
[17]電流/電圧変換回路は、第2のコンデンサ部、第3のスイッチ回路、第4のスイッチ回路、第5のスイッチ回路、及び、第6のスイッチ回路を更に備えており、
第2のコンデンサ部の一端は、第3のスイッチ回路を介して電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されており、
第2のコンデンサ部の他端は、第4のスイッチ回路を介して電界効果トランジスタのゲート電極に接続されており、且つ、第5のスイッチ回路を介して第3の電源に接続されており、
第6のスイッチ回路は、コンデンサ部の他端と、第1のスイッチ回路及び電界効果トランジスタのゲート電極との間に配されている[15]に記載の撮像装置。
[18]電流/電圧変換回路は、電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域及び電流/電圧変換回路の出力部に接続されたバッファ回路を更に備えている[11]乃至[17]のいずれか1項に記載の撮像装置。
[19]撮像素子ユニットは一体に成型されている[1]乃至[18]のいずれか1項に記載の撮像装置。
[20]撮像素子と電流/電圧変換回路とは積層されている[1]乃至[19]のいずれか1項に記載の撮像装置。
[21]撮像素子ユニットの受光面上にはレンズが形成されている[20]に記載の撮像装置。
[22]撮像素子ユニットの受光面の上方にはレンズ部が配されている[20]に記載の撮像装置。
[23]撮像素子ユニットの受光面の上方には、凸部及び凹部を有する基板が配されている[20]に記載の撮像装置。
[24]配線層を更に備えており、
撮像素子ユニットには半田バンプが形成されており、
撮像素子ユニットは半田バンプを介して配線層に取り付けられている[1]乃至[23]のいずれか1項に記載の撮像装置。
[25]第1基板及び第2基板を更に備えており、
第2基板に配線層が形成されており、
第1基板にはシンチレーター層が形成されており、
配線層とシンチレーター層との間に複数の撮像素子ユニットが配されている[24]に記載の撮像装置。
[26]《電流/電圧変換回路:第1の態様》
入射した電磁波を電流に変換する撮像素子が接続され、撮像素子からの電流を電圧に変換する電流/電圧変換回路であって、
電流/電圧変換回路の出力部に接続された出力部、並びに、第1入力部及び第2入力部を備えた演算増幅器、
一端が演算増幅器の出力部に接続され、他端が演算増幅器の第2入力部に接続されているコンデンサ部、並びに、
相補的に動作する第1のスイッチ回路及び第2のスイッチ回路、
を具備しており、
演算増幅器の第1入力部は、第1の電源に接続されており、
撮像素子の出力部は、第1のスイッチ回路を介してコンデンサ部の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路を介して第2の電源に接続される電流/電圧変換回路。
[27]リセット用スイッチ回路を有する短絡回路を更に備えており、
コンデンサ部は短絡回路に並列に接続されている[26]に記載の電流/電圧変換回路。
[28]《電流/電圧変換回路:第2の態様》
入射した電磁波を電流に変換する撮像素子が接続され、撮像素子からの電流を電圧に変換する電流/電圧変換回路であって、
電界効果トランジスタ、
コンデンサ部、並びに、
相補的に動作する第1のスイッチ回路及び第2のスイッチ回路、
を具備しており、
コンデンサ部の一端は、電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されており、コンデンサ部の他端は、電界効果トランジスタのゲート電極に接続されており、
電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域は、第1の電源に接続されており、且つ、電流/電圧変換回路の出力部に接続されており、
撮像素子の出力部は、第1のスイッチ回路を介してコンデンサ部の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路を介して第2の電源に接続される電流/電圧変換回路。
[29]リセット用スイッチ回路を有する短絡回路を更に備えており、
コンデンサ部は、短絡回路に並列に接続されている[28]に記載の電流/電圧変換回路。
[30]撮像素子からの電流によってコンデンサ部に電荷が蓄積される[26]乃至[29]のいずれか1項に記載の電流/電圧変換回路。
[31]撮像素子と一体に成型されている[26]乃至[30]のいずれか1項に記載の電流/電圧変換回路。
Claims (16)
- 1画素又は複数の画素を構成する撮像素子ユニットが2次元マトリクス状に配設されて成る撮像パネルを備えており、
各撮像素子ユニットは、
入射した電磁波を電流に変換する撮像素子、及び、
撮像素子からの電流を電圧に変換する電流/電圧変換回路、
から成り、
電流/電圧変換回路は、演算増幅器及びコンデンサ部を備えており、
演算増幅器は、電流/電圧変換回路の出力部に接続された出力部、並びに、第1入力部及び第2入力部を備えており、
コンデンサ部の一端は演算増幅器の出力部に接続されており、他端は演算増幅器の第2入力部及び撮像素子の出力部に接続されており、
電流/電圧変換回路は、第1のスイッチ回路及び第2のスイッチ回路を更に備えており、
演算増幅器の第1入力部は、第1の電源に接続されており、
撮像素子の出力部は、第1のスイッチ回路を介してコンデンサ部の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路を介して第2の電源に接続され、
第1のスイッチ回路と第2のスイッチ回路とは相補的に動作する撮像装置。 - 撮像素子からの電流によってコンデンサ部に電荷が蓄積される請求項1に記載の撮像装置。
- 電流/電圧変換回路は、第2のコンデンサ部、及び、第1のスイッチ回路と同じ動作を行う第3のスイッチ回路を更に備えており、
第2のコンデンサ部の一端は、第3のスイッチ回路を介して演算増幅器の出力部に接続されている請求項1又は請求項2に記載の撮像装置。 - 電流/電圧変換回路は、第2のコンデンサ部、第3のスイッチ回路、第4のスイッチ回路、第5のスイッチ回路、及び、第6のスイッチ回路を更に備えており、
第2のコンデンサ部の一端は、第3のスイッチ回路を介して演算増幅器の出力部に接続されており、
第2のコンデンサ部の他端は、第4のスイッチ回路を介して演算増幅器の第2入力部に接続されており、且つ、第5のスイッチ回路を介して第1の電源に接続されており、
第6のスイッチ回路は、コンデンサ部の他端と、第1のスイッチ回路及び演算増幅器の第2入力部との間に配されている請求項1に記載の撮像装置。 - 1画素又は複数の画素を構成する撮像素子ユニットが2次元マトリクス状に配設されて成る撮像パネルを備えており、
各撮像素子ユニットは、
入射した電磁波を電流に変換する撮像素子、及び、
撮像素子からの電流を電圧に変換する電流/電圧変換回路、
から成り、
電流/電圧変換回路は、電界効果トランジスタ、及び、コンデンサ部から構成されており、
コンデンサ部の一端は、電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されており、コンデンサ部の他端は、電界効果トランジスタのゲート電極及び撮像素子の出力部に接続されており、
電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域は、第1の電源に接続されており、且つ、電流/電圧変換回路の出力部に接続されている撮像装置。 - 撮像素子からの電流によってコンデンサ部に電荷が蓄積される請求項5に記載の撮像装置。
- 電流/電圧変換回路は、複数のコンデンサ部、及び、切替えスイッチ回路を備えており、
複数のコンデンサ部のそれぞれは、切替えスイッチ回路を介して、電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域及びゲート電極に接続されている請求項5又は請求項6に記載の撮像装置。 - 電流/電圧変換回路は、第1のスイッチ回路及び第2のスイッチ回路を更に備えており、
撮像素子の出力部は、第1のスイッチ回路を介してコンデンサ部の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路を介して第2の電源に接続され、
第1のスイッチ回路と第2のスイッチ回路とは相補的に動作する請求項5乃至請求項7のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 電流/電圧変換回路は、第2のコンデンサ部、及び、第1のスイッチ回路と同じ動作を行う第3のスイッチ回路を更に備えており、
第2のコンデンサ部の一端は、第3のスイッチ回路を介して電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されている請求項8に記載の撮像装置。 - 電流/電圧変換回路は、第2のコンデンサ部、第3のスイッチ回路、第4のスイッチ回路、第5のスイッチ回路、及び、第6のスイッチ回路を更に備えており、
第2のコンデンサ部の一端は、第3のスイッチ回路を介して電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されており、
第2のコンデンサ部の他端は、第4のスイッチ回路を介して電界効果トランジスタのゲート電極に接続されており、且つ、第5のスイッチ回路を介して第3の電源に接続されており、
第6のスイッチ回路は、コンデンサ部の他端と、第1のスイッチ回路及び電界効果トランジスタのゲート電極との間に配されている請求項8に記載の撮像装置。 - 電流/電圧変換回路は、電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域及び電流/電圧変換回路の出力部に接続されたバッファ回路を更に備えている請求項5乃至請求項10のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 撮像素子ユニットは一体に成型されている請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 入射した電磁波を電流に変換する撮像素子が接続され、撮像素子からの電流を電圧に変換する電流/電圧変換回路であって、
電流/電圧変換回路の出力部に接続された出力部、並びに、第1入力部及び第2入力部を備えた演算増幅器、
一端が演算増幅器の出力部に接続され、他端が演算増幅器の第2入力部に接続されているコンデンサ部、並びに、
相補的に動作する第1のスイッチ回路及び第2のスイッチ回路、
を具備しており、
演算増幅器の第1入力部は、第1の電源に接続されており、
撮像素子の出力部は、第1のスイッチ回路を介してコンデンサ部の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路を介して第2の電源に接続される電流/電圧変換回路。 - 入射した電磁波を電流に変換する撮像素子が接続され、撮像素子からの電流を電圧に変換する電流/電圧変換回路であって、
電界効果トランジスタ、
コンデンサ部、並びに、
相補的に動作する第1のスイッチ回路及び第2のスイッチ回路、
を具備しており、
コンデンサ部の一端は、電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域に接続されており、コンデンサ部の他端は、電界効果トランジスタのゲート電極に接続されており、
電界効果トランジスタの一方のソース/ドレイン領域は、第1の電源に接続されており、且つ、電流/電圧変換回路の出力部に接続されており、
撮像素子の出力部は、第1のスイッチ回路を介してコンデンサ部の他端に接続され、且つ、第2のスイッチ回路を介して第2の電源に接続される電流/電圧変換回路。 - 撮像素子からの電流によってコンデンサ部に電荷が蓄積される請求項13又は請求項14に記載の電流/電圧変換回路。
- 撮像素子と一体に成型されている請求項13乃至請求項15のいずれか1項に記載の電流/電圧変換回路。
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