WO2003012477A1

WO2003012477A1 - Imageur a rayons x

Info

Publication number: WO2003012477A1
Application number: PCT/JP2002/007810
Authority: WO
Inventors: Kazuhisa Miyaguchi
Original assignee: Hamamatsu Photonics K.K.
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2003-02-13
Also published as: EP1422536A4; US7138637B2; US20040173754A1; JP2003046862A; EP1422536A1

Description

月糸田技術分野

本発明は複数の CCDチップを並べてなる X線撮像装置に関する。

背景技術

従来の X線撮像装置は、特開 200 1— 78099号公報に記載されている。この X線撮像装置は、複数の CCDチップの光電変換領域上に、それぞれ光ファィバプレート（FOP) を配置し、 FOP上にシンチレータを設けてなる。シンチレータは X線の入射に応じて蛍光を発生する。各 F O Pの光入射面に入射した蛍光は FOP内を通って CCDチップの光検出領域に到達する。

C C Dチップ間には若干の隙間があるが、中心の C C Dチップに隣接する CC Dチップに設けられた F O Pは、その光入射面が中心の C C Dチップ側に寄っており、これへ入射した蛍光は光入射面に対して斜め方向に進行し、対応する光検出領域に至ることとなる。すなわち、 CCDチップの光検出領域間には若干の隙間があるが、 FOPの光入射面間には殆ど隙間がなく、これらの光入射面は連続した 1つの平面を構成することとなる。

発明の開示

しかしながら、従来の X線撮像装置においては隣接する C CDチップの光電変換領域間の隙間が比較的大きいため、撮像可能領域に比較して装置全体の寸法が大型化するという問題があった。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、撮像可能領域に対する装置の大型化を抑制可能な構造を有する X線撮像装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る X線撮像装置は、 X線像の入射に感応してシンチレータにおいて発生した蛍光像を撮像するように少なくとも一方向に沿って隣接配置された複数のフル ·フレーム転送型の CCDチップを備えた X 線撮像装置において、 CCDチップのそれぞれは、 TD I駆動される複数の垂直シフトレジスタからなる光電変換領域と、光電変換領域から転送された電荷を前記一方向に沿って転送する水平シフトレジスタと、光電変換領域の電荷転送方向終端部に連続し前記一方向に沿った画素数が光電変換領域と同一であって且つ水平シフトレジスタ側の長さが光電変換領域よりも短く光電変換領域の電荷転送方向終端部から流れ込んだ電荷を水平シフトレジスタに転送する水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列と、水平シフトレジスタの電荷転送方向終端部近傍に位置し当該終端部に接続された増幅素子と、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列上に設けられた遮光膜とを備えることを特徴とする。

この X線撮像装置によれば、蛍光像は光電変換領域に入射することにより、光電変換領域内において電荷像（電子像）に変換される。光電変換領域を構成する垂直シフトレジスタは T D I駆動されているので、当該電荷像は垂直シフトレジスタによつて撮影対象物の移動に同期して移動し、撮影対象物の特定点に対応して発生する電荷は時間と共に積分される。

電荷像が光電変換領域の電荷転送方向終端部を過ぎると、電荷像は、順次、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列に転送され、水平方向に沿って空間的に圧縮される。この圧縮された電荷像は水平シフトレジスタに、順次、転送され、水平シフトレジスタによって空間的広がりを有する電荷像が時間的な広がりを有する電荷像に変換され、映像信号として水平方向（一方向）に沿って時系列に転送される。水平シフトレジスタの電荷転送方向終端部近傍には増幅素子が設けられているので、当該映像信号は増幅され、外部に出力される。

ここで、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列は水平方向に沿った画素数が光電変換領域と同一なので画素情報は減少することなく水平シフトレジスタに転送されるが、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列の水平シフトレジスタ側の長さは光電変換領域よりも短いので、水平シフトレジスタの電荷転送方向終端部は光電変換領域の水平方向端部よりも内側に位置し、水平シフトレジスタの電荷転送方向終端部の外側にスペースが存在することとなる。増幅素子は、水平シフトレジスタの電荷転送方向終端部近傍に位置しているので、少なくとも一部分は当該スペース内に位置することとなり、水平シフトレジスタ及び増幅素子が形成された領域の全体の水平方向長は、本構成を用いないものよりも短くなる。したがって、水平方向に沿って複数の C C Dチップを隣接した場合には、本構成を用いないものよりも、光電変換領域を近接させることができる。特に、本構成によれば、光電変換領域の水平方向端部と C C Dチップの水平方向端部との間の最短距離は 1 0 Ομπι以下とすることができるので、仮に C C Dチップ間の隙間が 5 Ο μιηあった場合においても、光電変換領域間の最短距離を少なくとも 3 0 Ομπι、実際には 2 5 Ο μπι以下とすることができる。この間隔はソフトウエアによって目視で判別できな、程度に画像を補正できる距離である。したがって、本発明の X線撮像装置によれば、光電変換領域を近接させることができるので、撮像可能領域に対する装置の大型化を抑制することができる。

ところで、本 X線撮像装置においては、 T D I駆動をしているので、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列においても内部で発生した電荷が光電変換領域で発生した電荷に加算される。水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列の水平方向長は上述のように短く設定されているので、撮影対象物の特定点に対応して発生した光電変換領域上の電荷と、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列において発生した電荷とを加算すると正確な撮像を行うことができない。

そこで、本 X線撮像装置においては、水平方向電荷圧縮用垂直シフト列上に遮光膜を設けることとし、この遮光膜が X線不透過材料からなりータ上にある場合にはシンチレータにおける蛍光の発生を抑制し、蛍光不透過材料からなりシンチレータと水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列との間に介在する場合には蛍光像の当該シフトレジスタ列への入射を抑制することとし、正確な撮像を行える構成とした。

また、この X線撮像装置は、光電変換領域とシンチレータとの間に介在する光ファイバプレートを更に備えることとしてもよく、この場合には、シンチレータで発光した蛍光像の撮影分解能の低下を抑制しつつ当該蛍光像を光電変換領域に導光することができる。

図面の簡単な説明

図 1は X線撮像装置（撮像センサ） 10の平面図である。

図 2は X,線撮像装置 10の正面図である。

図 3は 1つの CCDチップ 2の平面図である。

図 4は図 3に示した複数の垂直シフトレジスタ 2 Vと水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列 2 cが形成された領域 I Vの部分拡大図である。

図 5は図 1に示した X線撮像装置 10の部分拡大図である。

図 6は上述の X,線撮像装置 10を用いた X線撮像システムのブロック図である。発明を実施するための最良の形態

以下、実施の形態に係る X線撮像装置について説明する。同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図 1は X線撮像装置（撮像センサ） 10の平面図、図 2は Xf泉撮像装置 10の正面図である。この X線撮像装置 10はパッケージの底部を構成する基板 1を有する。基板 1上には複数の CCDチップ 2が載置されている。複数の CCDチップ 2上には、少なくとも C C Dチップ 2の光電変換領域上に位置するように 1枚の光ファイバプレート（FOP) 3が設けられており、 FOP 3の表面上にはシンチレータ 4が設けられている。なお、基板 1と CCDチップ 2の間、 CCDチップ 2と FOP 3の間には接着用の樹脂 5， 6が介在している。また、 CCDチップ 2から外部に延びる各種ボンディングワイヤも樹脂によつて被覆され、 F O P 3との接触による機械的破壌から保護される。

シンチレータ 4に X線が入射すると、シンチレータ 4において蛍光が生じる。 FOP 3は CCDチップ 2の表面に対して垂直な光軸を有し、シンチレータ 4と CCDチップ 2の光電変換領域とを光学的に結合させている。したがって、シンチレータ 4において発生した蛍光は FOP 3を通って CCDチップ 2の光電変換領域に至ることとなる。光電変換領域で撮像された画像は映像信号と

一ジ下部に設けられたリードピン Rを介して外部に出力される。

なお、複数の CCDチップ 2は、 X線像の入射に感応してシンチレータ 4において発生した蛍光像を撮像するように少なくとも一方向（水平方向とする）に沿つて隣接配置されている。

図 3は 1つの CCDチップ 2の平面図である。図 1に示した CCDチップ 2のそれぞれは図 3に示すものと同一である。 CCDチップ 2は、 TD I (T i me D e l a y I n t e g r a t i o n) 駆動される複数の垂直シフトレジスタ 2 V力らなる光電変換領域 2 V Vと、光電変換領域 2 V Vから転送された電荷を水平方向（一方向）に沿って転送する水平シフトレジスタ 2 hを備えている。光電変換領域 2 V Vと水平シフトレジスタ 2 hとの間には、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列 2 cが介在している。

なお、以下の説明では、特に、断りのない限り、水平方向とは CCDチップ 2 の隣接方向であって、水平シフトレジスタ 2 hの長手方向であり、垂直方向とは垂直シフトレジスタ 2 Vの長手方向であることとする。

光電変換領域 2 V Vを構成する複数の垂直シフトレジスタは CCDであって、その光電変換を行う画素が電荷転送にも寄与し、特定の画素の露光による光電変換によって発生した電荷は、次行に位置する画素に転送され、この画素の露光によつて発生した電荷に加算される。 CCDチップ 2は光電変換領域とは異なる蓄積部を備えておらず、フル ' フレーム転送型の CCDチップとして機能する。一般に、フル . フレーム転送型の CCDは、撮像期間（露光）と転送期間を有する。撮像期間に被写体像を撮像し、しかる後、シャツタを閉じ、その間に水平方向の画素列（1列）毎に垂直転送を行う。

これに対し、フレーム転送型の CCDは、撮像領域と蓄積領域を有しているため、撮像期間に撮像領域で撮像し、被写体像を 1フレーム毎に蓄積領域に転送し、水平方向の画素列（1列）毎に垂直転送を行う。本発明で用いられる TD I駆動は被写体の移動に同期して水平方向の画素列（ 1列）毎に垂直転送を行うので、この駆動には、 1列ごとに画素転送を行うフル · フレーム転送型を適用する必要がある。更に、フル ' フレーム転送型で T D I動作を行うと、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタは 1列で実現可能であり、省スペース化を実現することができる。

水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列 2 cは、光電変換領域 2 V Vの電荷転送方向終端部に連続し水平方向に沿った画素数が光電変換領域 2 V Vと同一であって、且つ、その水平シフトレジスタ側の長さ L 2が光電変換領域 2 V Vの水平方向長さ L 1よりも短く、光電変換領域 2 V Vの電荷転送方向終端部から流れ込んだ電荷を空間的に圧縮しながら水平シフトレジスタ 2 hに転送する。なお、増幅素子 7は、水平シフトレジスタ 2 hの電荷転送方向終端部近傍に位置し当該終端部に接続されている。なお、増幅素子 7は電荷（電子）を電圧に変換するための電荷増幅器であり、一般に MO S F E Tのソースホロア接続によって構成される、例えばフローティングディフュージョンアンプである。また、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列 2 c及び水平シフトレジスタ 2 h上には遮光膜 8， 8 hが設けられている。

図 4は、図 3に示した複数の垂直シフトレジスタ 2 Vと水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列 2 cが形成された領域 I Vの部分拡大図である。垂直シフトレジスタ 2 V間は、遮光体や絶縁体の埋め込まれた溝や水平方向隣接部に対してポテンシャル障壁を形成可能な半導体領域からなる分離領域 G rによって分離されており、各垂直シフトレジスタ 2 Vには、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列 2 cのそれぞれが連続している。もちろん、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ 2 c間も分離領域 G rによって分離されている。

水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ 2 cの水平方向画素数（チャネル数）は、垂直シフトレジスタ 2 Vの水平方向画素数に一致するが、各チャネルの幅は狭く設定されている。例えば、各垂直シフトレジスタ 2 Vのチャネル幅が 4 8 μ mである場合、各水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ 2 cの幅は 4 4μιηに設定される。なお、これらを構成する画素の垂直方向ピッチは、 T D I駆動であるため、同一であって、垂直方向画素長は例えば 4 8μπιに設定される。

シンチレータ 4において発生した蛍光は、各垂直シフトレジスタ 2 v、 2 cの上に設けられたポリシリコン電極 2 eを通って、光電変換領域で光電変換され、ポリシリコン電極 2 e直下に形成された半導体ポテンシャル井戸内に電荷として蓄積される。ポリシリコン電極 2 eは、電荷を垂直方向に転送するための転送電極であり、水平方向に沿って延びている。

転送電極 2 eに所定の駆動電圧、すなわち、 2相、 3相或いは 4相の駆動電圧を印加すると、電極直下のポテンシャル井戸が垂直方向に移動し、電荷転送が行われる。駆動電圧は、光電変換領域 2 V Vの水平方向両端部の外側を這い転送電極 2 eに電気的に接続されたパターン配線 2 wを介して、転送電極 2 eに印加される。ノターン配線 2 wは C C Dチップ 2の周縁部に設けられたボンディングパッド Bに接続されている。全てのボンディングパッド Bは光電変換領域 2 V Vの垂直方向に沿った両端部の外側に配置されており、光電変換領域 2 V Vの水平方向両端部の外側には配置されていない。

図 5は図 1に示した X線撮像装置 1 0の部分拡大図であり、幾つかの C C Dチップ 2が示されている。複数の C C Dチップ 2の配列方向は、水平シフトレジスタ 2 hの長手方向に一致する。

シンチレータ 4で発生した蛍光像は光電変換領域 2 V Vに入射することにより、光電変換領域 2 V V内において電荷像（電子像）に変換される。光電変換領域 2 V Vを構成する垂直シフトレジスタ 2 Vは T D I駆動されているので、当該電荷像は垂直シフトレジスタによって撮影対象物の移動に同期して移動し、撮影対象物の特定点に対応して発生する電荷は時間と共に積分される。

電荷像が光電変換領域 2 V Vの電荷転送方向終端部を過ぎると、電荷像は、順次、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列 2 cに転送され、水平方向に沿つて空間的に圧縮される。この圧縮された電荷像は水平シフトレジスタ 2 hに、順次、転送され、水平シフトレジスタ 2 hによって空間的広がりを有する電荷像が時間的な広がりを有する電荷像に変換され、映像信号として水平方向に沿って時系列に転送される。水平シフトレジスタ 2 hの電荷転送方向終端部近傍には増幅素子 7が設けられているので、当該映像信号は増幅され、ボンディングパッド B を介して外部に出力される。

水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列 2 cは水平方向に沿った画素数が光電変換領域 2 V Vと同一なので画素情報は減少することなく水平シフトレジスタ 2 hに転送されるが、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列 2 cの水平シフトレジスタ側の長さ（図 3の L 2 ) は光電変換領域 2 V Vの水平方向の長さ（図 3の L 1 ) よりも短いので、水平シフトレジスタ 2 hの電荷転送方向終端部は光電変換領域 2 V Vの水平方向端部よりも内側に位置し、水平シフトレジスタ 2 h の電荷転送方向終端部の外側にスペースが存在することとなる。

増幅素子 7は、水平シフトレジスタ 2 hの電荷転送方向終端部近傍に位置しているので、少なくとも一部分は当該スペース内に位置することとなり、水平シフトレジスタ 2 h及び増幅素子 7が形成された領域の全体の水平方向長は、本構成を用いないものよりも短くなる。

したがって、水平方向に沿って複数の C C Dチップ 2を隣接させた場合には、本構成を用いないものよりも、光電変換領域 2 V Vを近接させることができる。特に、本構成によれば、光電変換領域 2 V Vの水平方向端部と C C Dチップ 2の水平方向端部との間の最短距離は 1 0 Ο μπι以下とすることができるので、仮に C C Dチップ 2間の隙間が 5 Ο μπιあった場合においても、光電変換領域 2 ν ν 間の最短距離を少なくとも 3 0 Ομιη、実際には 2 5 Ομιη以下とすることができる。この間隔はソフトウエアによって目視で判別できない程度に画像を補正できる距離である。したがって、本発明の X線撮像装置によれば、光電変換領域を近接させることができるので、撮像可能領域に対する装置の大型化を抑制することができる。

ところで、本 X線撮像装置 1 0においては、 T D I駆動をしているので、遮光膜 8がなければ、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列 2 cにおいても、その内部で発生した電荷が光電変換領域 2 V Vで発生した電荷に加算される。水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列 2 cの水平方向長は上述のように短く設定されているので、撮影対象物の特定点に対応して発生した光電変換領域 2 V V内の電荷と、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列 2 cにおいて発生した電荷とを加算すると正確な撮像を行うことができない。

そこで、本 X線撮像装置 1 0においては、水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列上に遮光膜 8を設けることとし、この遮光膜 8が X線不透過材料からなりシンチレータ上にある場合にはシンチレータにおける蛍光の発生を抑制し、蛍光不透過材料からなりシンチレータと水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列との間に介在する場合には蛍光像の当該シフトレジスタ列への入射を抑制することとし、正確な撮像を行える構成とした。なお、水平シフトレジスタ 2 h上にも遮光膜 8 hは位置し、光の入射によるノイズの発生を抑制している。

この Xf泉撮像装置 1 0は、光電変換領域 2 V Vとシンチレータ 4との間に介在する F O P 3を更に備えており、シンチレータ 4で発光した蛍光像の撮影分解能の低下を抑制しつつ当該蛍光像を光電変換領域 2 V Vに導光することができる力 F O P 3を用いず、シンチレータ 4を、直接、光電変換領域 2 V V上に配置してちょレヽ。

図 6は上述の撮像装置 1 0を用いた X線撮像システムのプロック図である。図示しない測定対象物がベルトコンベア一上を移動すると、ロータリエンコーダ 1 1が回転し、測定対象物の移動速度 Vがコンピュータ P Cに入力される。測定対象物に |¾を照射すると、その X線透過像が X線撮像装置 1 0上に投影され移動速度 Vで移動する。垂直シフトレジスタ 2 Vは、この移動速度 Vと同じ速度で、すなわち、その駆動電圧の周波数が垂直転送周波数 f となるように垂直電荷転送を行う。なお、移動速度 v =垂直転送周波数 f x画素サイズ dを満たす。 1つの画素に蓄積された電荷は、時間（i Z f ) が経過した後に、次の段の画素に転送され、この画素において測定対象物の同一地点に対応して発生した電荷が蓄積され、以後、同様に蓄積動作が操り返される。

なお、駆動電圧は垂直転送周波数 f を外部入力によって変えられる駆動回路 D から X線撮像装置 1 0に与えられる。垂直転送周波数 f は、移動速度 Vに基づいてコンピュータ P Cが計算し、コンピュータ P Cは、垂直転送周波数 f の駆動電圧を出力するように駆動回路 Dを制御し、 T D I駆動が行われる。

なお、 X線撮像装置 1 0から出力された映像信号はアンプ及び AZD変換器を含む信号処理回路 Sを介してコンピュータ P Cに入力され、映像信号に基づいて得られた測定対象物の X線透過像はディスプレイ D S P上に表示される。なお、映像信号はコンピュータ P C内のフレームメモリ内に書き込むこともできる。なお、上述の泉撮像装置 1 0は T D I駆動によって高精度の一次元センサとしても機能させることができる。

以上、説明したように、本発明の X線撮像装置によれば、撮像可能領域に対する装置の大型化を抑制することができる。

産業上の利用可能性

本発明は複数の C C Dチップを並べてなる X線撮像装置に利用できる。

Claims

請求の範圏

1 . X線像の入射に感応してシンチレータにおいて発生した蛍光像を撮像するように少なくとも一方向に沿って隣接配置された複数のフル' フレーム転送型の C C Dチップを備えた Xf泉撮像装置において、

前記 C C Dチップのそれぞれは、 T D I駆動される複数の垂直シフトレジスタからなる光電変換領域と、

前記光電変換領域から転送された電荷を前記一方向に沿って転送する水平シフ前記光電変換領域の電荷転送方向終端部に連続し前記一方向に沿った画素数が前記光電変換領域と同一であって且つ前記水平シフトレジスタ側の長さが前記光電変換領域よりも短く前記光電変換領域の電荷転送方向終端部から流れ込んだ電荷を前記水平シフトレジスタに転送する水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列と、

前記水平シフトレジスタの電荷転送方向終端部近傍に位置し当該終端部に接続された増幅素子と、

前記水平方向電荷圧縮用垂直シフトレジスタ列上に設けられた遮光膜と、を備えることを特徴とする X線撮像装置。

2 . 前記光電変換領域と前記シンチレータとの間に介在する光フアイバプレートを更に備えることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の X線撮像装置。