JP6661498B2 - 放射線検出器、および放射線検出方法 - Google Patents
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Description
以下、本発明の実施形態1について、図1および図2に基づいて説明する。
図1は、本発明の本実施形態1に係る放射線センサ100の概略的な回路構成を示す図である。図1に示すように、放射線センサ100(放射線検出器)は、一つのアクティブピクセル2、リセット回路20、および、読出し回路30を備えており、放射線の有無や強度などを検知するセンサである。図1では、アクティブピクセル2を一つのみ図示しているが上記に限らない。一般的には複数のアクティブピクセル2に対して、リセット回路20、および、読出し回路30をそれぞれ一つ備えている。
アクティブピクセル2(ピクセル)には、センサ素子3、リセットトランジスタ4、アンプトランジスタ5、および、読出しトランジスタ6が備えられている。
スイッチSW1により、読出しトランジスタ6に接続された出力ラインIoutと、リセット回路20に備えられたリセット用コンパレータ21の一方の入力端子(−端子)、および、読出し回路30に備えられた積分用アンプ31(オペアンプ)の一方の入力端子(−端子)の何れか一方とが、接続されるようになっている。
アンプトランジスタ5を適切な信号増幅率で動作させるためには、アンプトランジスタ5のゲート電極の電圧を適切な電圧で初期化(リセット)し、アンプトランジスタ5のソース電極とドレイン電極との間を流れる初期電流値を適正範囲内に設定する必要がある。
リセット回路20は、アンプトランジスタ5のゲート電極にかけるバイアス電圧をランプ波形でスイープ(掃引)しながら、アクティブピクセル2からリセット回路20への出力電圧(第1出力電圧Vx)と設定目標電圧(基準電圧Vint_b1)とをコンパレータ21で比較し、出力電圧と設定目標電圧との大小関係が逆転した瞬間にスイープを停止し、アクティブピクセル2のアンプトランジスタ5のゲート電極のバイアス電圧を設定する。具体的に以下に説明する。
リセット回路20の動作について、図1、および図2の(a)〜図2の(e)に基づき、以下に説明する。図2の(a)〜図2の(e)は、放射線センサ100のリセット回路20の動作を説明する図である。具体的には、図2の(a)は、リセットフェーズにおけるリセットトランジスタ4および読出しトランジスタ6を駆動するリセット信号Resetおよび読出し信号Readのタイミングチャートである。なお、図2の(a)においてリセット信号Resetおよび読出し信号Readのタイミングチャートは共通で示されている。図2の(b)は、リセットフェーズにおける電圧制御回路22を駆動する信号Vinit1のタイミングチャートである。図2の(c)は、電圧Vgの変化を示す。図2の(d)は、図2の(c)の電圧Vgの変化に基づく第1出力電圧Vxの変化を示す。図2の(e)は、図2の(d)の第1出力電圧Vxの変化に基づく、第2出力電圧Vyの変化を示す。
読出しフェーズにおいては、アンプトランジスタ5の出力ラインIoutはスイッチSW1により、読出し回路30に接続される。その後、放射線がアクティブピクセル2に入射されることにより、センサ素子3には電気信号が発生し、センサ素子3に接続されたアンプトランジスタ5のゲート電極の電圧は、リセット回路20により、初期設定した値から変化することになる。
読出し回路30は、放射線の入射により発生した電気信号によるアンプトランジスタ5のゲート電極の電圧変化に基づくアンプトランジスタ5のソース電極とドレイン電極との間を流れる電流値の変化を読み出す(読出しステップ)。
そして、放射線がアクティブピクセル2に入射されることによる変化分(Vod)は、以下の(式2)により算出することができる。
なお、上記(式1)におけるIdsは、放射線がアクティブピクセル2に入射されることにより変化したアンプトランジスタ5のソース電極とドレイン電極との間を流れる電流値である。また、上記(式2)におけるIds_iは、上述したリセットフェーズにおいて、アンプトランジスタ5のゲート電極の電圧を適切な電圧で初期化(リセット)した際のアンプトランジスタ5のソース電極とドレイン電極との間を流れる初期電流値である。
次に、図3および図4に基づいて、本発明の実施形態2について説明する。図3は、本発明の実施形態2に係る放射線センサ100Aの概略的な回路構成を示す図である。図3に示す放射線センサ100Aは、図1に示す放射線センサ100に比べて、リセット回路20に代えて、リセット回路20aが設けられる点が異なり、その他の構成は同様である。
リセット回路20aは、図3に示すように、コンパレータ21a、および電圧制御回路22aを備えている。
リセット回路20aの動作について、図4の(a)〜図4の(e)に基づき、以下に説明する。図4の(a)〜図4の(e)は、放射線センサ100Aのリセット回路20aの動作を説明する図である。具体的には、図4の(a)は、リセットフェーズにおけるリセットトランジスタ4および読出しトランジスタ6を駆動するリセット信号Resetおよび読出し信号Readのタイミングチャートである。なお、図4の(a)においてリセット信号Resetおよび読出し信号Readのタイミングチャートは共通で示されている。図4の(b)は、リセットフェーズにおけるトランジスタTR1をオンする信号Vinit2のタイミングチャートである。図4の(c)は、電圧Vgの変化を示す。図4の(d)は、図4の(c)の電圧Vgの変化に基づく第1出力電圧Vxの変化を示す。図4の(e)は、図4の(d)の第1出力電圧Vxの変化に基づく、第2出力電圧Vyの変化を示す。
図5に基づき、本発明の実施形態3について説明する。図5は、本発明の実施形態3に係る放射線パネル100Bの概略的な回路構成を示す図である。
スイッチSW2およびスイッチIRSTがオフされると、放射線パネル100Bはリセットフェーズとなる。
スイッチSW2およびスイッチIRSTがオンされると、放射線パネル100Bは読出しフェーズとなる。
図6に基づき、本発明の実施形態4について説明する。図6は、本発明の実施形態4に係る放射線パネル100Cの概略的な回路構成を示す図である。図6に示す放射線パネル100C(放射線検出器)は、図5に示す放射線パネル100Bに比べて、リセット回路20aを構成するコンパレータ21および抵抗Rが、アクティブピクセル2と同一の基板40上に形成されていない点が異なり、その他の構成は同様である。
図7の(a)・(b)に基づき、本発明の実施形態5について説明する。図7の(a)・(b)は、本発明の実施形態5に係る放射線センサ100Dの概略的な回路構成を示す図である。図7の(a)はリセットフェーズにおける放射線センサ100Dを示し、図7の(b)は読出しフェーズにおける放射線センサ100Dを示している。図7の(a)・(b)に示す放射線センサ100Dは、図1に示す放射線センサ100に比べて、リセット回路20および読出し回路30に代えて、リセット読出し回路50が形成されている点が異なり、その他の構成は同様である。言い換えると、リセット読出し回路50は、リセット回路20および読出し回路30を含むものである。本実施形態では、リセット読出し回路50のオペアンプ51を、読出しフェーズにおいては、図1に示す読出し回路30における積分用アンプ31として用い、リセットフェーズにおいては、図1に示すリセット回路20におけるコンパレータ21として用いる。上記構成により、回路素子の削減が可能になる。
リセット読出し回路50は、電圧制御回路22、オペアンプ51、スイッチSW3、およびスイッチSW4を備えている。
本発明の態様1に係る放射線検出器(放射線センサ100・100A・100D、放射線パネル100B・100C)は、放射線を検出するセンサ素子(3)と、前記センサ素子に接続されたトランジスタ(アンプトランジスタ5)とを備えたピクセル(アクティブピクセル2)と、入射した放射線により前記センサ素子から発生した電気信号による前記トランジスタのゲート電極の電圧変化に基づく前記トランジスタのソース電極とドレイン電極との間を流れる電流値の変化を読み出す読出し回路(30・30b、リセット読出し回路50)と、リセット回路(20・20a、リセット読出し回路50)と、を含み、前記リセット回路は、前記ゲート電極の電圧を掃引する電圧掃引回路(電圧制御回路22・22a)と、前記掃引中に前記ピクセルから出力される出力電圧が、基準電圧よりも大きくなったこと、または、前記出力電圧が前記基準電圧よりも小さくなったことを検出する検出器(コンパレータ21・21a、オペアンプ51)と、を有し、前記電圧掃引回路は、前記検出器の前記検出時に、前記掃引を停止し、当該検出時の前記ゲート電極の電圧を前記ピクセルにおける前記ゲート電極の電圧の初期値として設定する。
3 センサ素子
5 アンプトランジスタ(トランジスタ)
20・20a リセット回路
21・21a コンパレータ(検出器)
22・22a 電圧制御回路(電圧掃引回路)
30・30b 読出し回路
31 積分用アンプ(オペアンプ)
40 基板
50 リセット読出し回路(リセット回路)
51 オペアンプ(検出器)
100・100A・100D 放射線センサ(放射線検出器)
100B・100C 放射線パネル(放射線検出器)
Claims (7)
- 放射線を検出するセンサ素子と、前記センサ素子に接続されたトランジスタとを備えたピクセルと、
入射した放射線により前記センサ素子から発生した電気信号による前記トランジスタのゲート電極の電圧変化に基づく前記トランジスタのソース電極とドレイン電極との間を流れる電流値の変化を読み出す読出し回路と、
リセット回路と、を含み、
前記リセット回路は、
前記ゲート電極の電圧を掃引する電圧掃引回路と、
前記掃引中に前記ピクセルから出力される出力電圧が、基準電圧よりも大きくなったこと、または、前記出力電圧が前記基準電圧よりも小さくなったことを検出する検出器と、を有し、
前記電圧掃引回路は、前記検出器の前記検出時に、前記掃引を停止し、当該検出時の前記ゲート電極の電圧を前記ピクセルにおける前記ゲート電極の電圧の初期値として設定することを特徴とする放射線検出器。 - 前記電圧掃引回路は、前記ゲート電極に所定電圧をかけたのち、前記ゲート電極の容量から電流を引き抜く、あるいは前記ゲート電極の容量に電流を注入することにより、前記ゲート電極の電圧を変化させて掃引することを特徴とする請求項1に記載の放射線検出器。
- 前記電圧掃引回路と前記ピクセルとが同一の基板上に形成され、前記検出器は前記基板とは異なる基板上に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の放射線検出器。
- 前記電圧掃引回路および前記検出器は、前記ピクセルと同一の基板上に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の放射線検出器。
- 前記リセット回路と前記読出し回路の前記検出器は共通であり、前記読出し回路においては、前記検出器はオペアンプとして機能することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の放射線検出器。
- 放射線を検出するセンサ素子と、前記センサ素子に接続されたトランジスタとを備えたピクセルにおいて、入射した放射線により前記センサ素子から発生した電気信号による前記トランジスタのゲート電極の電圧変化に基づく前記トランジスタのソース電極とドレイン電極との間を流れる電流値の変化を読み出す読出しステップと、
リセットステップと、を含み、
前記リセットステップは、
前記ゲート電極の電圧を掃引する電圧掃引ステップと、
前記掃引中に前記ピクセルから出力される出力電圧が、基準電圧よりも大きくなったこと、または、前記出力電圧が前記基準電圧よりも小さくなったことを検出する検出ステップと、をさらに含み、
前記電圧掃引ステップは、前記検出ステップの前記検出時に、前記掃引を停止し、当該検出時の前記ゲート電極の電圧を前記ピクセルにおける前記ゲート電極の電圧の初期値として設定することを特徴とする放射線検出方法。 - 前記電圧掃引ステップは、前記ゲート電極に所定電圧をかけたのち、前記ゲート電極の容量から電流を引き抜く、あるいは前記ゲート電極の容量に電流を注入することにより、前記ゲート電極の電圧を変化させて掃引することを特徴とする請求項6に記載の放射線検出方法。
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