TWI424741B - Solid-state imaging device - Google Patents

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TWI424741B
TWI424741B TW096124323A TW96124323A TWI424741B TW I424741 B TWI424741 B TW I424741B TW 096124323 A TW096124323 A TW 096124323A TW 96124323 A TW96124323 A TW 96124323A TW I424741 B TWI424741 B TW I424741B
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Ryuji Kyushima
Masahiko Honda
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Hamamatsu Photonics Kk
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Description

固體攝像裝置
本發明係關於一種具備攝像區域之固體攝像裝置，而該攝像區域係二維排列各自包含光二極體之複數個像素者。
近年，在牙科治療之X射線攝影領域，係漸由先前之使用X射線感光膠片之攝影，轉為採用不使用膠片之X射線影像增強器(image intensifier)等之攝像管的攝像裝置，或組合閃爍器(scintillator)及CCD之固體攝像裝置等而進行攝像(參照專利文獻1)。但是，由於影像增強器係攝像管，故有尺寸較大，且在攝像區域之周邊，影像會產生變形等之問題。又，由於CCD在製作大面積之攝像區域上存有技術性之困難，故有以線掃描(line scanner)方式進行攝像等之制約。
作為解決此等問題點之攝像裝置，可舉出CMOS－X射線平面感測器。由於X射線平面感測器係使用具備攝像區域之CMOS固體攝像裝置，而該攝像區域為二維排列各自包含光二極體之複數個像素者，故無周邊部變形，且易於讓攝像區域之二維大面積化(例如12 cm×12 cm左右)。因為與可見光不同，X射線無法藉由透鏡而聚光，故該固體攝像裝置適用於如牙科用途(特別係牙科3D－CT)上時，在一次就攝影大面積之情況時，需要大面積之攝影區域。
又，此種醫療用之固體攝像裝置，攝像對象例如係活體，故所要求之解析度低，再者，極力抑制X射線暴露量之同時，又需提高感度。因此，相較於其他一般的攝像用固體攝像裝置，在醫療用之固體攝像裝置中，攝像區域內所包含之各像素的光感應區域(因應光入射而產生電荷之區域)之面積，係大上10倍~100倍左右。
例如，在牙科3D－CT用途中，用於CT影像之再生成上的VOXEL係正方形，故各像素之光感應區域的形狀，必須係一邊之長度為例如150 μm~200 μm之正方形。如此，各像素之光感應區域為較大之面積，此係意味著包含於攝像區域內之像素個數少，故在進行30圖框/秒之視頻率之驅動點上係為有利。
專利文獻1：日本特開2005－333250號公報
但是，各像素之光感應區域較大時，光二極體之接合電容值亦變大，因此，雜訊亦變大。對此，要確保所需之S/N比時，有必要增加向固體攝像裝置入射之X射線量。然而，在牙科用途中，因為係向人體照射X射線，故降低X射線量以減少人體之X射線暴露量，係一絕對所需課題，必須抑制X射線量之增加。
本發明係為解決前述問題點而完成者，其目的在於提供一種可進行S/N比良好之攝像，且適於牙科用途之固體攝像裝置。
本發明之固體攝像裝置，其特徵在於包含有：(1)攝像區域，其係二維排列有各自包含複數個光二極體之複數個像素者；(2)信號讀出部，其係輸出因應電荷量之電壓，而前述電荷量係由攝像區域之各像素內所包含之複數個光二極體各自所產生者；(3)AD變換部，其係將從信號讀出部所輸出之電壓予以輸入並進行AD變換後，輸出與該輸入電壓對應之數位值者；及(4)加算部，其係對攝像區域之各像素，演算數位值之總和並輸出該總和值之數位值者，而前述數位值係對應於該像素內所包含之複數個光二極體各自所產生之電荷量，而從AD變換部輸出者。再者，攝像區域內所包含之複數個光二極體各自之光感應區域，係整體為正方形。又，攝像區域之各像素內所包含之複數個光二極體各自之光感應區域，宜具有彼此相等之面積。並且，此等之面積可有5%以內之誤差。
該固體攝像裝置中，在攝像區域係二維排列有複數個像素，且各像素包含有複數個光二極體。包含於攝像區域之各像素內之複數個光二極體各自所產生之電荷，係輸入至信號讀出部，且從信號讀出部輸出因應該電荷量之電壓。從信號讀出部輸出之電壓係輸入至AD變換部，且從AD變換部輸出因應該輸入電壓之數位值。又，在加算部中，對攝像區域之各像素演算數位值之總和並輸出該總和值之數位值，前述數位值係因應包含於該像素內之複數個光二極體各自所產生之電荷量，而從AD變換部輸出者。
本發明之固體攝像裝置係可進行S/N比良好之攝像，且亦可適用於牙科。
以下，參照附圖，詳細說明用於實施本發明之較佳形態。並且，在圖面之說明中，對相同之元件賦予相同之符號，並省略重複之說明。
圖1係本實施形態之固體攝像裝置1之構成圖。該圖所示之固體攝像裝置1，包含有攝像區域10、信號讀出部20、緩衝電路30、AD變換部40、加算部50、列選擇部60及行選擇部70。
攝像區域10係M列N行地二維排列M×N個之像素P1,1 ~PM,N 者。像素Pm,n 位於第m列第n行。此處，M、N分別係2以上之整數，m係1以上M以下之整數，n係1以上N以下之整數。M×N個之像素P1,1 ~PM,N 係分別具有相同之構成，包含2個光二極體PD1 、PD2 及2個開關SW1 、SW2 。
包含於各像素Pm,n 內之開關SW1 、SW2 ，係藉由從列選擇部60輸出之第m列選擇信號Vsel(m)來控制開關動作。包含於各像素Pm,n 之光二極體PD1 ，係陽極端子接地，陰極端子則經由開關SW1 而連接於佈線Ln,1 ，開關SW1 關閉時，向佈線Ln,1 輸出因應入射光量之電荷。又，包含於各像素Pm,n 之光二極體PD2 ，係陽極端子接地，陰極端子則經由開關SW2 而連接於佈線Ln,2 ，開關SW2 關閉時，向佈線Ln,2 輸出因應入射光量之電荷。
信號讀出部20，係輸出因應包含於攝像區域10之各像素Pm,n 內之2個光二極體PD1 、PD2 各自產生之電荷量的電壓者，且包含2N個積分電路211,1 ~21N,2 及2N個保持電路221,1 ~22N,2 。2N個積分電路211,1 ~21N,2 係分別具有相同之構成。又，2N個保持電路221,1 ~22N,2 係分別具有相同之構成。
各積分電路21n,k 係蓄積經由佈線Ln,k 輸入之電荷，並輸出因應該蓄積電荷量之電壓。各保持電路22n,k 係輸入並保持從積分電路21n,k 輸出之電壓，並根據來自行選擇部70之指示而輸出該保持之電壓Vn,k 。此處，k係1或2。此時，信號處理部20依次輸出電壓V1,1 、V1,2 、V2,1 、V2,2 、V3,1 、V3,2 、...、Vn,1 、Vn,2 、...、VN,1 、VN,2 。
AD變換部40輸入從信號處理部20輸出並經由緩衝電路30之電壓Vn,k ，進行AD變換後，輸出因應該輸入電壓Vn,k 之數位值Dn,k 。加算部50對攝像區域10之各像素Pm,n ，演算數位值Dn,1 、Dn,2 之總和，並輸出該總和值之數位值Dn (＝Dn,1 ＋Dn,2 )，前述數位值Dn,1 、Dn,2 ，係根據包含於該像素Pm,n 內之2個光二極體PD1 、PD2 各自產生之電荷量，而從AD變換部40輸出者。
列選擇部60係輸出第m列選擇信號Vsel(m)，該第m列選擇信號Vsel(m)係控制位於攝像區域10之第m列之N個像素Pm,1 ~Pm,N 所分別包含之開關SW1 、SW2 之開關動作者。此等M個列選擇信號Vsel(1)~Vsel(M)係依次成為高位準。列選擇部60當第m列選擇信號Vsel(m)為高位準時，係將位元於第m列之N個像素Pm,1 ~Pm,N 所分別包含之光二極體PD1 、PD2 產生之電荷，經由同像素之開關SW1 、SW2 而向佈線Ln,1 、Ln,2 輸出。
行選擇部70係分別對包含於信號讀出部20內之2N個保持電路221,1 ~22N,2 ，控制保持電壓之輸出，並從信號讀出部20依次輸出電壓V1,1 、V1,2 、V2,1 、V2,2 、V3,1 、V3,2 、...、Vn,1 、Vn,2 、...、VN,1 、VN,2 。
圖2係本實施形態之固體攝像裝置1之像素Pm,n 之積分電路21n,k 及保持電路22n,k 各自之電路圖。並且，在該圖中係代表性顯示此等電路。如前所述，m係1以上M以下之整數，n係1以上N以下之整數，k係1或2。
各積分電路21n,k 係具備放大器A21 、電容器C21 及開關SW21 。包含於積分電路21n,k 內之放大器A21 之輸入端子，係經由佈線Ln,k 而連接於包含在像素Pm,n 內之開關SWk 。電容器C21 及開關SW21 係並列設置於放大器A21 之輸入端子與輸出端子之間。該積分電路21n,k 係藉由開關SW21 關閉而讓電容器C21 放電，且從積分電路21n,k 輸出之之電壓加以初始化。又，積分電路21n,k 當開關SW21 開啟時，係將經由佈線Ln,k 而輸入之電荷蓄積於電容器C21 ，並向保持電路22n,k 輸出因應該蓄積電荷量之電壓。
各保持電路22n,k 係具備電容器C22 及開關SW221 、SW222 。電容器C22 之一端係經由開關SW221 而與積分電路21n,k 之放大器A21 之輸出端子連接，又，經由開關SW222 而與緩衝電路30連接。電容器C22 之另一端係連接於接地電位。該保持電路22n,k 係藉由開關SW221 從關閉狀態轉變為開啟狀態，而於該時點將從積分電路21n,k 輸出之電壓Vn,k 保持於電容器C22 。且保持電路22n,k 在開關SW222 關閉時，向緩衝電路30輸出保持於電容器C22 之電壓Vn,k 。
圖3係顯示本實施形態之固體攝像裝置1之像素Pm,n 內所包含之2個光二極體PD1 、PD2 各自之光感應區域形狀之平面圖。如同圖所示，包含於各像素Pm,n 內之2個光二極體PD1 、PD2 各自之光感應區域，整體呈正方形。正方形鄰接之2邊亦可有5%以下之誤差。又，包含於各像素Pm,n 之2個光二極體PD1 、PD2 各自之光感應區域，宜有彼此相等之面積。並且，此等之面積亦可有5%以內之誤差。包含於各像素Pm,n 之2個光二極體PD1 、PD2 各自之光感應區域，可如圖3－(a)、圖3－(b)所示係長方形，亦可如圖3－(c)所示係三角形，抑或如圖3－(d)所示係梯形。
其次，說明本實施形態之固體攝像裝置1之動作。固體攝像裝置1係藉由列選擇部60及行選擇部70，以及控制固體攝像裝置1整體動作之控制部控制，而受到控制並進行動作。圖4係說明本實施形態之固體攝像裝置1之動作的時序圖。
圖4－(a)係顯示各積分電路21n,k 之開關SW21 之時序，圖4－(b)係顯示第m列之各像素Pm,n 之開關SW1 、SW2 之時序，圖4－(c)係顯示各保持電路22n,k 之開關SW221 之時序，圖4－(d1)係顯示保持電路221,1 之開關SW222 之時序，圖4－(d2)係顯示保持電路221,2 之開關SW222 之時序，圖4－(d3)係顯示保持電路222,1 之開關SW222 之時序，圖4－(d4)係顯示保持電路222,2 之開關SW222 之時序，圖4－(d5)係顯示保持電路223,1 之開關SW222 之時序，圖4－(d6)係顯示保持電路223,2 之開關SW222 之時序，圖4－(e)係顯示AD變換部40之輸出時序，圖4－(f)係顯示加算部50之輸出時序。
亦即，該圖中係顯示：(a)各積分電路21n,k 之開關SW21 之開關動作；(b)第m列之各像素Pm,n 之開關SW1 、SW2 之開關動作；(c)各保持電路22n,k 之開關SW221 之開關動作；(d1)~(d6)各保持電路22n,k 之開關SW222 之開關動作；(e)AD變換部40之AD變換動作；及(f)加算部50之加算動作。
求取因應位於第m列之N個像素Pm,1 ~Pm,N 各自之入射光量之數位值D1 ~DN 時，首先，在2N個各積分電路211,1 ~21N,2 中，開關SW21 僅關閉一定期間，藉此，電容器C21 放電，輸出電壓初始化。
此後，在位於第m列之N個各像素Pm,1 ~Pm,N ，所輸入之第m列選擇信號Vsel(m)係僅一定期間成為高位準，且開關SW1 、SW2 僅關閉一定期間，在此等關閉期間內，因應迄止光二極體PD1 、PD2 中之光入射而蓄積於接合電容部之電荷，係經由開關SW1 、SW2 向佈線Ln,1 、Ln,2 輸出。此時，在各積分電路21n,k 中，因為開關SW21 開啟，故從像素Pm,n 經由佈線Ln,k 輸入之電荷係蓄積於電容器C21 ，且向保持電路22n,k 輸出因應該蓄積電荷量之電壓。
又，在第m列選擇信號Vsel(m)成為高位準之期間，在各保持電路22n,k 中，開關SW221 僅關閉一定期間，且該開關SW221 從關閉狀態轉變為開啟狀態時，從積分電路21n,k 輸出之電壓Vn,k 係藉由電容器C22 加以保持。
此後，藉由行選擇部70之控制，各保持電路22n,k 之開關SW222 依次僅關閉一定期間。藉此，從信號處理部20向緩衝電路30依次輸出電壓V1,1 、V1,2 、V2,1 、V2,2 、V3,1 、V3,2 、...、Vn,1 、Vn,2 、...、VN,1 、VN,2 。
又，在AD變換部40中，從信號處理部20輸出並經由緩衝電路30之電壓Vn,K 進行AD變換後，向加算部50輸出因應該輸入電壓Vn,K 之數位值Dn,k 。此時，從AD變換部40向加算部依次輸出數位值D1,1 、D1,2 、D2,1 、D2,2 、D3,1 、D3,2 、...、Dn,1 、Dn,2 、...、DN,1 、DN,2 。
再者，在加算部50演算從AD變換部40輸出之數位值Dn,1 、Dn,2 之總和，並輸出該總和值之數位值Dn (＝Dn,1 ＋Dn,2 )。此時，從加算部50依次輸出數位值D1 、D2 、D3 、...、Dn 、...、DN 。
此處，數位值Dn,k 係根據位於第m列第n行之像素Pm,n 之光二極體PDk 產生之電荷量之值，亦即係因應朝向像素Pm,n 之光二極體PDk 入射光量之值。又，數位值Dn 係根據包含於像素Pm,n 之2個光二極體PD1 ，PD2 各自所產生之電荷之總量值，亦即係因應朝向像素Pm,n 之入射光量之值。
如此得到因應分別位於第m列之N個像素Pm,1 ~Pm,N 之入射光量之數位值D1 ~DN 後，接著同樣可得到因應分別位於次一者，即第(m＋1)列之N個像素Pm＋1,1 ~Pm＋1,N 之入射光量之數位值D1 ~DN 。藉由對所有的列進行該動作，可以得到因應朝向攝像區域10之M×N個之各像素P1,1 ~PM,N 之入射光量的數位值，而可獲致攝像資料。
如上，本實施形態之固體攝像裝置1中，在攝像區域10之各像素Pm,n 內包含2個光二極體PD1 、PD2 ，可獲致因應光二極體PD1 、PD2 產生之電荷量之電壓Vn,1 、Vn,2 以及數位值Dn,1 、Dn,2 ，繼之可得到因應朝向像素Pm,n 之入射光量之數位值Dn (＝Dn,1 ＋Dn,2 )。因此，例如即使係將固體攝像裝置1用於牙科用途，且各像素Pm,n 之光感應區域需要為較大面積時，亦可進行S/N比良好之攝像。
亦即，作為比較例，假定各像素包含1個光二極體，該光二極體之接合電容係C之情形。此時，從AD變換部輸出之數位值中所包含之雜訊成分大小，係表示為「A×C」。此處，A係藉由包含於積分電路之放大器所決定之常數。
相較於此，本實施形態中，若設定各像素包含2個光二極體，且各像素整體之光感應區域的面積與前述比較例相同時，各個光二極體之接合電容值為C/2。因此，從AD變換部40輸出之數位值Dn,k 所包含之雜訊成分大小，係表示為「A×C/2」，而從加算部50輸出之數位值Dn 所包含之雜訊成分大小，係表示為「A×C/20.5 」。如此，在本實施形態中，因應朝向各像素Pm,n 之入射光量之數位值Dn 所包含之雜訊成分大小，與前述比較例相比較時係為1/20.5 倍。
又，光檢測之動態範圍之上限，係藉由可蓄積於光二極體之接合電容部之電荷量上限，及讀出該電荷之積分電路之輸出電壓的飽和位準中較低者來決定。如牙科用途之情形，若光二極體之光感應區域之面積較大時，因可蓄積於光二極體之接合電容部之電荷量亦大，故藉由積分電路之輸出電壓飽和，動態範圍受到限制。又，伴隨著近年來因低消耗電力化而使得電源電壓降低，放大器之驅動電壓亦處於降低之傾向，故放大器之飽和電壓位準處於進一步降低之傾向。如此，即使可以在光二極體之接合電容部蓄積較多之電荷，包含於積分電路內之放大器中飽和以上之電荷仍為浪費。
相較於此，本實施形態中，與前述比較例比較時，因各積分電路中所蓄積之電荷量為一半，故對各像素可以至2倍之電荷量而作為信號進行處理。藉此，例如來自AD變換部40之輸出數位值係12位元時，來自加算部50之輸出數位值即擴大至13位元。又，如前所述，因為雜訊成分之大小為1/20.5 倍，故在動態範圍之上限之S/N比成為2√ 2倍。
本發明並不限定於前述實施形態，可進行各種變形。例如，包含於各像素中之光二極體之個數，在前述實施形態中係2個，但亦可為3個以上。又，本發明在對人體照射X射線之點上，並不限定於牙科治療用途，而係有關於整個醫療用之X射線固體攝像裝置。
1．．．固體攝像裝置
10．．．攝像區域
20．．．信號讀出部
21．．．積分電路
22．．．保持電路
30．．．緩衝電路
40．．．AD變換部
50．．．加算部
60．．．列選擇部
70．．．行選擇部
A．．．放大器
C．．．電容器
PD．．．光二極體
SW．．．開關
圖1係本實施形態之固體攝像裝置1之構成圖。
圖2係本實施形態之固體攝像裝置1之像素Pm,n 、積分電路21n,k 、及保持電路22n,k 各自之電路圖。
圖3係顯示本實施形態之固體攝像裝置1之像素Pm,n 所包含之2個光二極體PD1 、PD2 各自之光感應區域形狀之平面圖，圖3－(a)係顯示橫向鄰接之長方形之光二極體對，圖3－(b)係顯示縱向鄰接之長方形之光二極體對，圖3－(c)係顯示相互鄰接之三角形之光二極體對，圖3－(d)係顯示相互鄰接之梯形之光二極體對。
圖4係說明本實施形態之固體攝像裝置1之動作時序圖，圖4－(a)係顯示各積分電路21n,k 之開關SW21 之時序，圖4－(b)係顯示第m列之各像素Pm,n 之開關SW1 、SW2 之時序，圖4－(c)係顯示各保持電路22n,k 之開關SW221 之時序，圖4－(d1)係顯示保持電路221,1 之開關SW222 之時序，圖4－(d2)係顯示保持電路221,2 之開關SW222 之時序，圖4－(d3)係顯示保持電路222,1 之開關SW222 之時序，圖4－(d4)係顯示保持電路222,2 之開關SW222 之時序，圖4－(d5)係顯示保持電路223,1 之開關SW222 之時序，圖4－(d6)係顯示保持電路223,2 之開關SW222 之時序，圖4－(e)係顯示AD變換部40之輸出時序，圖4－(f)係顯示加算部50之輸出時序。
1．．．固體攝像裝置
10．．．攝像區域
20．．．信號讀出部
21．．．積分電路
22．．．保持電路
30．．．緩衝電路
40．．．AD變換部
50．．．加算部
60．．．行選擇部
70．．．列選擇部
D．．．數位值
L．．．佈線
P．．．像素
PD．．．光二極體
SW．．．開關
Vsel．．．選擇信號

Claims (2)

  1. 一種固體攝像裝置，其特徵在於包含有：攝像區域，其係M列N行地二維排列具有共通構成之M×N個像素P1,1 ~PM,N ，各像素Pm,n 位於第m列第n行，各像素Pm,n 包含K個光二極體PD1 ~PDK 及K個開關SW1 ~SWK ，且於開關SWk 關閉時向佈線Ln,k 輸出於各像素Pm,n 上藉由光二極體PDk 所產生之電荷者；信號讀出部，其係包含分別連接於各佈線Ln,k 之N×K個積分電路，且就每一列依序地輸入從前述攝像區域之各像素Pm,n 之光二極體PDk 經由開關SWk 而輸出至佈線Ln,k 之電荷、將該所輸入之電荷蓄積於前述積分電路之電容器，而輸出與該蓄積電荷量對應之電壓Vn,k ；AD變換部，其係將從前述信號讀出部所輸出之電壓Vn,k 予以輸入而進行AD變換後，輸出與此輸入電壓Vn,k 對應之數位值Dn,k 者；及加算部，其係對前述攝像區域之各像素Pm,n ，演算數位值Dn,1 ~Dn,K 之總和而輸出其總和值之數位值者，前述數位值Dn,1 ~Dn,K 係對應於該像素Pm,n 所包含之K個光二極體PD1 ~PDK 所各自產生之電荷量，而從前述AD變換部輸出者；且前述攝像區域之各像素所包含之K個光二極體各自之光感應區域係整體為正方形；其中M、N、K分別係2以上之整數，m係1以上M以下之整數，n係1以上N以下之整數，k係1以上K以下之整數。
  2. 如請求項1之固體攝像裝置，其中前述攝像區域之各像素所包含之K個光二極體各自之光感應區域係具有彼此相等之面積。
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