WO2008004551A1 - dispositif d'imagerie à semi-conducteurs - Google Patents

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WO2008004551A1
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solid
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Harumichi Mori
Kazuki Fujita
Ryuji Kyushima
Masahiko Honda
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Hamamatsu Photonics K.K.
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    • H04N5/32—Transforming X-rays

Definitions

  • the present invention relates to a solid-state imaging device including an imaging region in which a plurality of pixels each including a photodiode are two-dimensionally arranged.
  • CMOS-X-ray flat panel sensor uses a CMOS solid-state imaging device with a plurality of pixel-powered imaging regions each including a photodiode, so that the imaging region has a two-dimensional area that is free from distortion at the periphery. (For example, about 12cm X 12cm) is easy. Unlike visible light, X-rays cannot be collected by a lens, so this solid-state imaging device has a large area when photographing a large area at once, such as when applied to dental use (especially dental 3D-CT). Imaging area is required.
  • the solid-state imaging device for medical use requires, for example, a living body to be imaged, so that the required resolution is low, and it is necessary to increase the sensitivity while suppressing the amount of X-ray exposure as much as possible. . Therefore, compared to other general solid-state imaging devices for imaging, the solid-state imaging device for medical use has a photosensitive region (a region in which charge is generated according to light incidence) of each pixel included in the imaging region. ) Is about 10 to 100 times larger.
  • the shape of the photosensitive region of each pixel has a side length of, for example, 150 m to 200 m. It must be m squares.
  • the large photosensitive area of each pixel in this way means that the number of pixels included in the imaging area is small, which is advantageous in driving at a video rate of 30 frames Z seconds. .
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-333250
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that can perform imaging with a good SZN ratio and is suitable for dental use.
  • a solid-state imaging device includes: (1) an imaging region in which a plurality of pixels each including a plurality of photodiodes are two-dimensionally arranged; and (2) a plurality of pixels included in each pixel of the imaging region.
  • a signal readout unit that outputs a voltage corresponding to the amount of charge generated in each photodiode, and (3) the voltage output from the signal readout unit is input and AD converted, and the digital signal corresponding to the input voltage is output.
  • An AD converter that outputs a value; (4) for each pixel in the imaging area, a digital value output from the AD converter according to the amount of charge generated by each of the plurality of photodiodes included in the pixel; And a summing unit that outputs a digital value that is the sum value.
  • the photosensitive region of each of the plurality of photodiodes included in each pixel of the imaging region is characterized by a square as a whole.
  • the photosensitive regions of the plurality of photodiodes included in each pixel of the imaging region have the same area. These areas may have an error within 5%.
  • a plurality of pixels are two-dimensionally arranged in the imaging region.
  • Each pixel includes a plurality of photodiodes.
  • the charges generated in each of the plurality of photodiodes included in each pixel in the imaging region are input to the signal reading unit, and a voltage corresponding to the amount of the charges is output from the signal reading unit.
  • the voltage output from the signal readout unit is input to the AD conversion unit, and a digital value corresponding to this input voltage is output from the AD conversion unit.
  • the summation unit calculates the sum of the digital values output from the AD conversion unit for each pixel in the imaging region in accordance with the amount of charge generated by each of the plurality of photodiodes included in the pixel. A digital value that is a value is output.
  • the solid-state imaging device according to the present invention can perform imaging with a good SZN ratio, and can be suitably used for dental applications.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a solid-state imaging device 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of each of the pixel P, the integrating circuit 21 and the holding m, n n, k holding circuit 22 of the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 3 shows two photodies m, n included in the pixel P of the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment.
  • Fig. 3 (a) is a plan view showing the shape of the photosensitive region of each of Aether PD and PD.
  • Fig. 3- (b) shows a rectangular photodiode pair adjacent in the vertical direction
  • Fig. 3- (c) shows a triangular photodiode pair adjacent to each other
  • Fig. 3- (d) Indicates a pair of trapezoidal photodiodes adjacent to each other.
  • FIG. 4 is a timing chart for explaining the operation of the solid-state imaging device 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 4 (a) shows the timing of the switch SW of each integrating circuit 21, and FIG. ) Is n, k 21
  • Fig. 4 (dl) shows the timing of the switch n, k 221 1, 1 SW SW of the holding circuit 22, and Fig. 4 (d2) shows the timing of the switch SW of the holding circuit 22.
  • Fig. 4 (d3) shows the switch SW timing of holding circuit 22 and Fig. 4
  • Fig. 4 (d6) shows switch S of holding circuit 22.
  • Figure 4— (e) shows the output timing of the AD converter 40
  • Figure 4— (f) shows the output timing of the adder 50.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a solid-state imaging device 1 according to the present embodiment.
  • the solid-state imaging device 1 shown in this figure includes an imaging region 10, a signal readout unit 20, a buffer circuit 30, an AD conversion unit 40, an addition unit 50, a row selection unit 60, and a column selection unit 70.
  • the imaging region 10 is a two-dimensional array of M X N pixels P to P arranged in M rows and N columns.
  • Pixel ⁇ is located in m-th row and ⁇ -th column. Where ⁇ and ⁇ are integers greater than or equal to 2, m, n
  • M is an integer from 1 to M
  • n is an integer from 1 to N.
  • Each of the M X N pixels P to P has a common configuration, and two photodiodes PD and PD
  • the switches SW and SW included in each pixel P are m-th row selection m, n 1 2 output from the row selection unit 60.
  • the open / close operation is controlled by the selection signal VseKm).
  • the anode terminal is grounded, the force sword terminal is connected to the wiring L via the switch SW, and when the switch SW is closed, an amount of charge corresponding to the amount of incident light is wired and output to the wiring .
  • the photodiode PD included in each pixel P has anode n, l m, n 2 terminals grounded, and a force sword terminal connected to the wiring L via the switch SW.
  • the signal readout unit 20 includes two photodiodes PD m, n included in each pixel P in the imaging region 10.
  • PD outputs a voltage according to the amount of charge generated in each, 2N products
  • Each of the paths 21 to 21 has a common configuration.
  • Each integrating circuit 21 accumulates the charge input via the wiring L, and n, k n, k according to the accumulated charge amount.
  • Each holding circuit 22 inputs the voltage output from the integrating circuit 21 and inputs n, k n, k
  • the held voltage V is output n, k. Where k is 1 or 2.
  • the signal processing unit 20 applies the voltages V, V, V, V
  • V, V, ⁇ , ⁇ , V, ⁇ , ⁇ , V output to the river page.
  • the AD conversion unit 40 inputs and converts the voltage V output from the signal processing unit 20 through the buffer circuit 30 to n, k, and outputs a digital value D corresponding to the input voltage V.
  • the data output from the AD converter 40 according to the amount of charge generated in each of the PDs and PDs.
  • the sum of the digital values D and D is calculated, and the digital value D (2D + D) ⁇ , ⁇ ⁇ , 2 ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ , 2 is output as the sum.
  • the row selection unit 60 includes m, l m, N in each of ⁇ pixels ⁇ to P in the m-th row of the imaging region 10.
  • the column selection unit 70 includes 2N holding circuits 22 to 22 included in the signal reading unit 20.
  • the output of the holding voltage is controlled so that the voltage V, V, V, V
  • FIG. 2 shows a pixel ⁇ , an integration circuit 21 and a holding circuit of the solid-state imaging device 1 according to this embodiment.
  • Circuit 22 Each circuit diagram. In this figure, these are shown as representatives n, k
  • n is an integer from 1 to N
  • k is 1 or 2.
  • Each integrating circuit 21 includes an amplifier A, a capacitor C, and a switch SW. Integral
  • the input terminal of the amplifier A included in the circuit 21 is included in the pixel P via the wiring L. n, k 21 n, k m, n
  • Capacitor C and switch SW are connected to amplifier A
  • n, k closes the switch SW power, the capacitor C is discharged and the integration circuit 21 power is output.
  • the integration circuit 21 operates when the switch SW is open.
  • the pressure is output to the holding circuit 22.
  • Each holding circuit 22 includes a capacitor C and switches SW and SW.
  • One end of the sit C is connected to the output terminal of the amplifier A of the integrating circuit 21 via the switch SW.
  • This holding circuit 22 has a switch SW
  • the integration circuit 21 outputs at that time.
  • the stored voltage V is held in capacitor C.
  • the holding circuit 22 has a switch SW
  • FIG. 3 shows two photodiodes included in the pixel P of the solid-state imaging device 1 according to this embodiment.
  • FIG. 6 is a plan view showing the shape of the photosensitive region of each of the PDs PD and PD. Shown in the figure
  • mn 1 2 The area is generally square. Two adjacent sides of the square may have an error of 5% or less. Also, m, n 1 2 of each of the two photodiodes PD, PD included in each pixel P
  • the photosensitive regions preferably have the same area. These areas may have an error within 5%.
  • the photosensitive areas of PD and PD are rectangular as shown in Fig. 3- (a) and Fig. 3- (b).
  • the solid-state imaging device 1 operates under control by a row selection unit 60, a column selection unit 70, and a control unit that controls the operation of the entire solid-state imaging device 1.
  • FIG. 4 is a timing chart for explaining the operation of the solid-state imaging device 1 according to this embodiment.
  • Fig. 4- (a) shows the switch SW timing of each integration circuit 21, and Fig. 4- (b) shows the m n, k 21
  • Fig. 4 (c) shows each holding circuit 2 m, n 1 2
  • Fig. 4 (dl) shows the switch SW n, k 221 1, 1 of the holding circuit 22.
  • Figure 4 (d2) shows the timing of the switch SW of the holding circuit 22.
  • Figure 4 (d3) shows the switch SW timing of holding circuit 22 and Figure 4 (d4)
  • Fig. 4 (d6) shows the switch SW of holding circuit 22.
  • FIG. 4 (e) shows the output timing of the AD converter 40
  • FIG. 4 (f) shows the output timing of the adder 50.
  • this figure shows (a) the opening / closing operation of the switch SW of each integrating circuit 21 and (b) the m n, k 21
  • the switch SW is closed for a certain period, which causes the capacitor C to be discharged and the output voltage
  • the selection signal Vsel (m) becomes high level for a certain period and the switches SW and SW are periodically
  • the charge accumulated in the junction capacitor in response to the incident light passes through the switches SW and SW.
  • the switch SW is closed for a certain period, and this switch SW is opened from the closed state.
  • the signals V, V, V, V, V, V,..., V, V, V,..., V, V are output from the signal processing unit 20 to the buffer circuit 30.
  • the AD conversion unit 40 the voltage V output from the signal processing unit 20 and passed through the buffer circuit 30 is AD converted, and the digital value D corresponding to the input voltage V is added to the addition unit 50.
  • D, D, D, ..., D, D, ..., D, D are output in this order.
  • the digital value D is the photodiode PD of the pixel P located in the m-th row and the n-th column.
  • I is a value according to the amount of incident light m k, n k entering the photodiode PD of the pixel P.
  • D is the two photodiodes included in the pixel P.
  • N pixels P in the next (m + 1) -th row are subsequently obtained.
  • each pixel ⁇ in the imaging region 10 includes two photodiodes PD and PD, and is generated by the photodiodes PD and PD. Voltages V and V and digital values D and D according to the amount of charge are obtained, and
  • each pixel includes one photodiode and the junction capacitance value of the photodiode is C.
  • the magnitude of the noise component included in the digital value output from the AD converter is expressed as “AX C”.
  • A is a constant determined by the amplifier included in the integration circuit.
  • each pixel includes two photodiodes and the area of the entire photosensitive region of each pixel is the same as that in the comparative example, the individual photodiodes The junction capacitance value is CZ2. Therefore, the magnitude of the noise component included in the digital value D output from the AD converter 40 is expressed as “AX CZ2”, and the size of the noise component included in the digital value D output from the adder 50 is “ AX C / 2 5 ". Thus, in the present embodiment, the magnitude of the noise component included in the digital value D corresponding to the amount of light incident on each pixel P is lZ2 5 times that of the comparative example.
  • the upper limit of the dynamic range of light detection is the lower of the upper limit of the amount of charge that can be accumulated in the junction capacitance portion of the photodiode and the saturation level of the output voltage of the integration circuit that reads the charge. It depends on. As in the case of dental applications, if the area of the photosensitive region of the photodiode is large, the amount of charge that can be stored in the junction capacitance of the photodiode is also large, so the dynamic range is limited by saturation of the output voltage of the integration circuit. It is. In addition, with the recent decrease in power supply voltage for reducing power consumption, the drive voltage of the amplifier tends to decrease, and therefore, the saturation voltage level of the amplifier tends to decrease further. In this case, even if a large amount of charge can be accumulated in the junction capacitance portion of the photodiode, the charge exceeding the saturation of the amplifier included in the integrating circuit is wasted.
  • the amount of charge accumulated in each integration circuit is halved as compared with the above comparative example, so that the signal amount is doubled for each pixel.
  • the noise component is 1 ⁇ 2 ⁇ 5 times, so the SZN ratio at the upper limit of the dynamic range is 22 times.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.
  • the number of photodiodes included in each pixel is two in the above embodiment, but may be three or more.
  • the present invention relates to a general medical X-ray solid-state imaging device in terms of irradiating a human body with X-rays, not limited to dental treatment.

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Description

明 細 書
固体撮像装置
技術分野
[0001] 本発明は、各々フォトダイオードを含む複数個の画素が 2次元配列された撮像領域 を備える固体撮像装置に関するものである。
背景技術
[0002] 近年、歯科治療における X線撮影の分野では、従来の X線感光フィルムを用いた 撮影から、フィルムを使わな ヽ X線イメージインテンシファイア等の撮像管を用いた撮 像装置や、シンチレータと CCDとを組み合わせた固体撮像装置などによる撮像へ移 行しつつある（特許文献 1参照)。しかし、イメージインテンシファイアは、撮像管であ ることから、サイズが大きぐ撮像領域の周辺では画像に歪みが生じるなどの問題が ある。また、 CCDは、大きな面積の撮像領域を作ることが技術的に困難であるため、 ラインスキャナ方式で撮像するなどの制約がある。
[0003] これらの問題点を解決する撮像装置として、 CMOS—X線フラットパネルセンサが 挙げられる。 X線フラットパネルセンサは、各々フォトダイオードを含む複数個の画素 力^次元配列された撮像領域を備える CMOS固体撮像装置を用いることから、周辺 部の歪みが無ぐ撮像領域の 2次元大面積化 (例えば 12cm X 12cm程度）が容易で ある。可視光と異なり X線はレンズによる集光が出来ないので、この固体撮像装置は 、デンタル用（特にデンタル 3D- CT)へ適用する場合のように、大きな面積を一度に 撮影するときには、大きな面積の撮像領域が必要となる。
[0004] また、このような医療用の固体撮像装置は、撮像対象が例えば生体であることから、 要求される解像度が低ぐまた、 X線被爆量を極力抑える一方で感度を高める必要が ある。このことから、他の一般的な撮像用の固体撮像装置と比較して、医療用の固体 撮像装置では、撮像領域に含まれる各画素の光感応領域 (光入射に応じて電荷を 発生する領域)の面積は 10倍〜 100倍程度も大きい。
[0005] 例えば、デンタル 3D- CT用では、 CT像の再構成に用いる VOXELが正方形であ ることから、各画素の光感応領域の形状は、一辺の長さが例えば 150 m〜200 mの正方形であることが必須となる。このように各画素の光感応領域が大面積である ことは、撮像領域に含まれる画素の個数が少ないことを意味するので、 30フレーム Z 秒のビデオレートでの駆動をする点では有利になる。
特許文献 1：特開 2005 - 333250号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] しかし、各画素の光感応領域が大きいと、フォトダイオードの接合容量値も大きくな り、このことから、ノイズも大きくなる。これに対して、必要な SZN比を確保しょうとする と、固体撮像装置へ入射する X線の量を大きくする必要が生じる。ところが、デンタル 用途では X線が人体に照射されるので、 X線量を低減して人体への X線被爆量を減 らすことが絶対命題であり、 X線量の増大は抑制されなければならな 、。
[0007] 本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、 SZN比がよい撮像を することができてデンタル用途にも好適な固体撮像装置を提供することを目的とする
課題を解決するための手段
[0008] 本発明に係る固体撮像装置は、 (1)各々複数個のフォトダイオードを含む複数個の 画素が 2次元配列された撮像領域と、 (2)撮像領域の各画素に含まれる複数個のフ オトダイオードそれぞれで発生した電荷の量に応じた電圧を出力する信号読出部と、 (3)信号読出部から出力された電圧を入力し AD変換して、この入力電圧に応じたデ ジタル値を出力する AD変換部と、 (4)撮像領域の各画素について、該画素に含まれ る複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した電荷の量に応じて AD変換部から出 力されるデジタル値の総和を演算し、その総和値であるデジタル値を出力する加算 部と、を備えることを特徴とする。さらに、撮像領域の各画素に含まれる複数個のフォ トダイオードそれぞれの光感応領域が全体として正方形であることを特徴とする。また 、撮像領域の各画素に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれの光感応領域が 互いに等しい面積を有しているのが好適である。なお、これらの面積は 5%以内の誤 差を有していても良い。
[0009] この固体撮像装置では、撮像領域において複数個の画素が 2次元配列されており 、各画素には複数個のフォトダイオードが含まれている。撮像領域の各画素に含まれ る複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した電荷は信号読出部に入力され、そ の電荷量に応じた電圧が信号読出部から出力される。信号読出部から出力された電 圧は AD変換部に入力され、この入力電圧に応じたデジタル値が AD変換部から出 力される。そして、加算部において、撮像領域の各画素について、該画素に含まれる 複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した電荷の量に応じて AD変換部から出力 されるデジタル値の総和が演算され、その総和値であるデジタル値が出力される。 発明の効果
[0010] 本発明に係る固体撮像装置は、 SZN比がよい撮像をすることができて、デンタル 用途にも好適に用いられ得る。
図面の簡単な説明
[0011] [図 1]図 1は本実施形態に係る固体撮像装置 1の構成図である。
[図 2]図 2は本実施形態に係る固体撮像装置 1の画素 P ,積分回路 21 および保 m,n n,k 持回路 22 それぞれの回路図である。
n,k
[図 3]図 3は本実施形態に係る固体撮像装置 1の画素 P に含まれる 2個のフォトダイ m,n
オード PD , PDそれぞれの光感応領域の形状を示す平面図であり、図 3—（a)は横
1 2
方向に隣接した長方形のフォトダイオード対、図 3— (b)は縦方向に隣接した長方形 のフォトダイオード対、図 3—（c)は互いに隣接した三角形のフォトダイオード対、図 3 - (d)は互いに隣接した台形のフォトダイオード対を示している。
[図 4]図 4は本実施形態に係る固体撮像装置 1の動作を説明するタイミングチャートで あり、図 4— (a)は各積分回路 21 のスィッチ SW のタイミングを示し、図 4— (b)は n, k 21
第 m行の各画素 P のスィッチ SW， SWのタイミングを示し、図 4一（c)は各保持 m, n 1 2
回路 22 のスィッチ SW のタイミングを示し、図 4— (dl)は保持回路 22 のスイツ n, k 221 1, 1 チ SW のタイミングを示し、図 4— (d2)は保持回路 22 のスィッチ SW のタイミ
222 1, 2 222 ングを示し、図 4— (d3)は保持回路 22 のスィッチ SW のタイミングを示し、図 4—
2, 1 222
(d4)は保持回路 22 のスィッチ SW のタイミングを示し、図 4 (d5)は保持回路
2, 2 222
22 のスィッチ SW のタイミングを示し、図 4— (d6)は保持回路 22 のスィッチ S
3, 1 222 3, 2
W のタイミングを示し、図 4— (e)は AD変換部 40の出力のタイミングを示し、図 4— (f)は加算部 50の出力のタイミングを示す。
符号の説明
[0012] 1 固体撮像装置
10 撮像領域
20 信号読出部
21 積分回路
22 保持回路
30 バッファ回路
40 AD変換部
50 加算部
60 行選択部
70 列選択部
A アンプ
C キャパシタ
PD フォトダイオード
SW スィッチ
発明を実施するための最良の形態
[0013] 以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明す る。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を 省略する。
[0014] 図 1は、本実施形態に係る固体撮像装置 1の構成図である。この図に示される固体 撮像装置 1は、撮像領域 10、信号読出部 20、バッファ回路 30、 AD変換部 40、加算 部 50、行選択部 60および列選択部 70を備える。
[0015] 撮像領域 10は、 M X N個の画素 P 〜P が M行 N列に 2次元配列されたもので
1,1 Μ,Ν
ある。画素 Ρ は第 m行第 η列に位置する。ここで、 Μ, Νそれぞれは 2以上の整数で m,n
あり、 mは 1以上 M以下の整数であり、 nは 1以上 N以下の整数である。 M X N個の画 素 P 〜P それぞれは、共通の構成を有しており、 2個のフォトダイオード PD , PD
1,1 Μ,Ν 1 および 2個のスィッチ SW , SWを含む。 [0016] 各画素 P に含まれるスィッチ SW , SWは、行選択部 60から出力される第 m行選 m,n 1 2
択信号 VseKm)により開閉動作が制御される。各画素 P に含まれるフォトダイオード m,n
PDは、アノード端子が接地されており、力ソード端子がスィッチ SWを介して配線 L に接続されており、スィッチ SWが閉じているときに入射光量に応じた量の電荷を 配線し へ出力する。また、各画素 P に含まれるフォトダイオード PDは、アノード n,l m,n 2 端子が接地されており、力ソード端子がスィッチ SWを介して配線 L に接続されて
2 n,2
おり、スィッチ SWが閉じているときに入射光量に応じた量の電荷を配線 L へ出力
2 n,2 する。
[0017] 信号読出部 20は、撮像領域 10の各画素 P に含まれる 2個のフォトダイオード PD m,n
, PDそれぞれで発生した電荷の量に応じた電圧を出力するものであり、 2N個の積
1 2
分回路 21 〜21 および 2N個の保持回路 22 〜22 を含む。 2N個の積分回
1,1 N,2 1,1 N,2
路 21 〜21 それぞれは、共通の構成を有している。また、 2N個の保持回路 22
1,1 N,2 1,1
〜22 それぞれは、共通の構成を有している。
N,2
[0018] 各積分回路 21 は、配線 L を経て入力した電荷を蓄積し、その蓄積電荷量に応 n,k n,k
じた電圧を出力する。各保持回路 22 は、積分回路 21 から出力された電圧を入 n,k n,k
力して保持し、列選択部 70からの指示に基づいて、その保持した電圧 V を出力す n,k る。ここで、 kは 1または 2である。このとき、信号処理部 20は、電圧 V , V , V , V
1,1 1,2 2,1
, V , V ， · ··，ν , V ， · ··， ν , V の川頁に出力する。
2,2 3,1 3,2 η，1 η,2 Ν,Ι Ν,2
[0019] AD変換部 40は、信号処理部 20から出力されバッファ回路 30を経た電圧 V を入 n,k 力し AD変換して、この入力電圧 V に応じたデジタル値 D を出力する。加算部 50 n,k n,k
は、撮像領域 10の各画素 P について、該画素 P に含まれる 2個のフォトダイォー m,n m,n
ド PD , PDそれぞれで発生した電荷の量に応じて AD変換部 40から出力されるデ
1 2
ジタル値 D , D の総和を演算し、その総和値であるデジタル値 D (二 D +D ) η,Ι η,2 η η,Ι η,2 を出力する。
[0020] 行選択部 60は、撮像領域 10の第 m行にある Ν個の画素 Ρ 〜P それぞれに含 m,l m,N
まれるスィッチ SW , SWの開閉動作を制御する第 m行選択信号 VseKm)を出力する
1 2
。これら M個の行選択信号 Vsel(l)〜Vsel(M)は順次にハイレベルとなる。行選択部 6 0は、第 m行選択信号 Vsel(m)がハイレベルであるときに、第 m行にある N個の画素 P 〜P それぞれに含まれるフォトダイオード PD , PDで発生した電荷を、同画素 m,l m,N 1 2
のスィッチ SW , SWを経て配線 L , L へ出力させる。
1 2 n，l n,2
[0021] 列選択部 70は、信号読出部 20に含まれる 2N個の保持回路 22 〜22 それぞ
1,1 N,2
れに対して保持電圧の出力を制御して、信号読出部 20から電圧 V , V , V , V
1,1 1,2 2,1 2
, V , V ， · ··，ν , V ， · ··， ν , V の順に出力させる。
,2 3,1 3,2 η，1 η,2 Ν,Ι Ν,2
[0022] 図 2は、本実施形態に係る固体撮像装置 1の画素 Ρ ，積分回路 21 および保持
m,n n,k
回路 22 それぞれの回路図である。なお、この図では、これらが代表で示されている n,k
。前述したように、 mは 1以上 M以下の整数であり、 nは 1以上 N以下の整数であり、 k は 1または 2である。
[0023] 各積分回路 21 は、アンプ A ,キャパシタ C およびスィッチ SW を備える。積分
n,k 21 21 21
回路 21 に含まれるアンプ A の入力端子は、配線 L を介して、画素 P に含まれ n,k 21 n,k m,n
るスィッチ SWに接続されている。キャパシタ C およびスィッチ SW は、アンプ A
k 21 21 21 の入力端子と出力端子との間に並列的に設けられている。この積分回路 21
n,kは、ス イッチ SW 力閉じることで、キャパシタ C が放電され、積分回路 21 力 出力され
21 21 n,k
る電圧が初期化される。また、積分回路 21 は、スィッチ SW が開いているときに、
n,k 21
配線 L を経て入力した電荷をキャパシタ C に蓄積し、その蓄積電荷量に応じた電 n,k 21
圧を保持回路 22 へ出力する。
n,k
[0024] 各保持回路 22 は、キャパシタ C およびスィッチ SW , SW を備える。キャパ
n,k 22 221 222
シタ C の一端は、スィッチ SW を介して積分回路 21 のアンプ A の出力端子と
22 221 n,k 21 接続され、また、スィッチ SW を介してバッファ回路 30と接続されて ヽる。キャパシ
222
タ C の他端は接地電位に接続されている。この保持回路 22 は、スィッチ SW が
22 n,k 221 閉状態から開状態に転じることで、その時点において積分回路 21 力 出力されて
n,k
いた電圧 V をキャパシタ C に保持する。そして、保持回路 22 は、スィッチ SW
n,k 22 n,k 222 が閉じているときに、キャパシタ C に保持している電圧 V をバッファ回路 30へ出力
22 n,k
する。
[0025] 図 3は、本実施形態に係る固体撮像装置 1の画素 P に含まれる 2個のフォトダイォ
m,n
ード PD , PDそれぞれの光感応領域の形状を示す平面図である。同図に示される
1 2
ように、各画素 P に含まれる 2個のフォトダイオード PD , PDそれぞれの光感応領
m.n 1 2 域は、全体として正方形である。正方形の隣接する 2辺は 5%以下の誤差を有してい てもよい。また、各画素 P に含まれる 2個のフォトダイオード PD , PDそれぞれの m,n 1 2
光感応領域は、互いに等しい面積を有しているのが好適である。なお、これらの面積 は 5%以内の誤差を有していても良い。各画素 P に含まれる 2個のフォトダイオード m,n
PD , PDそれぞれの光感応領域は、図 3—(a) ,図 3—(b)に示されるように長方形
1 2
であってもよいし、図 3— (c)に示されるように三角形であってもよいし、図 3— (d)に 示されるように台形であってもよ 、。
[0026] 次に、本実施形態に係る固体撮像装置 1の動作について説明する。固体撮像装置 1は、行選択部 60および列選択部 70、ならびに、固体撮像装置 1全体の動作を制御 する制御部により、制御されて動作する。図 4は、本実施形態に係る固体撮像装置 1 の動作を説明するタイミングチャートである。
図 4— (a)は各積分回路 21 のスィッチ SW のタイミングを示し、図 4— (b)は第 m n, k 21
行の各画素 P のスィッチ SW， SWのタイミングを示し、図 4一（c)は各保持回路 2 m, n 1 2
2 のスィッチ SW のタイミングを示し、図 4— (dl)は保持回路 22 のスィッチ SW n, k 221 1， 1
のタイミングを示し、図 4— (d2)は保持回路 22 のスィッチ SW のタイミングを
222 1， 2 222
示し、図 4— (d3)は保持回路 22 のスィッチ SW のタイミングを示し、図 4— (d4)
2, 1 222
は保持回路 22 のスィッチ SW のタイミングを示し、図 4 (d5)は保持回路 22
2, 2 222 3, 1 のスィッチ SW のタイミングを示し、図 4 (d6)は保持回路 22 のスィッチ SW
222 3, 2 222 のタイミングを示し、図 4— (e)は AD変換部 40の出力のタイミングを示し、図 4— (f) は加算部 50の出力のタイミングを示す。
すなわち、この図には、（a)各積分回路 21 のスィッチ SW の開閉動作、（b)第 m n,k 21
行の各画素 P のスィッチ SW , SWの開閉動作、（c)各保持回路 22 のスィッチ S m,n 1 2 n,k
W の開閉動作、（dl)〜（d6)各保持回路 22 のスィッチ SW の開閉動作、（e) A
221 n,k 222
D変換部 40における AD変換動作、（D加算部 50における加算動作、が示されてい る。
[0027] 第 m行にある N個の画素 P 〜P それぞれの入射光量に応じたデジタル値 D〜 m,l m,N 1
D を求めるに際して、先ず、 2N個の積分回路 21 〜21 それぞれにおいて、スィ
N 1,1 N,2
ツチ SW が一定期間だけ閉じて、これにより、キャパシタ C が放電され、出力電圧
21 21 が初期化される。
[0028] その後、第 m行にある N個の画素 P 〜P それぞれにおいて、入力される第 m行
m,l m,N
選択信号 Vsel(m)が一定期間だけハイレベルとなって、スィッチ SW， SWがー定期
1 2
間だけ閉じ、これらが閉じている期間に、それまでフォトダイオード PD , PDにおけ
1 2 る光入射に応じて接合容量部に蓄積されていた電荷は、スィッチ SW , SWを経て
1 2 配線し , L へ出力される。このとき、各積分回路 21 において、スィッチ SW 力 S n，l n,2 n,k 21 開いているので、画素 P から配線 L を経て入力された電荷はキャパシタ C に蓄
m,n n,k 21 積され、その蓄積電荷量に応じた電圧が保持回路 22 へ出力される。
n,k
[0029] また、第 m行選択信号 VseKm)がハイレベルとなっている期間に、各保持回路 22
n,k において、スィッチ SW が一定期間だけ閉じ、このスィッチ SW が閉状態から開
221 221
状態に転じる時に積分回路 21 力 出力されていた電圧 V がキャパシタ C により
n,k n,k 22 保持される。
[0030] その後、列選択部 70による制御により、各保持回路 22 のスィッチ SW が順次
n,k 222 に一定期間だけ閉じる。これにより、信号処理部 20からバッファ回路 30へ電圧 V , V , V , V , V , V , · ··, V , V , · ··, V , V の川頁に出力される。
1,2 2,1 2,2 3,1 3,2 η，1 η，2 Ν,Ι Ν,2
[0031] そして、 AD変換部 40において、信号処理部 20から出力されバッファ回路 30を経 た電圧 V が AD変換され、この入力電圧 V に応じたデジタル値 D が加算部 50
n,k n,k n,k
へ出力される。このとき、 AD変換部 40から加算部 50へデジタル値 D , D , D ,
1,1 1,2 2,1
D , D , D , · ··, D , D , · ··, D , D の順に出力される。
2,2 3,1 3,2 η，1 η，2 Ν,Ι Ν,2
[0032] さらに、加算部 50において、 AD変換部 40から出力されるデジタル値 D , D の
η,Ι η,2 総和が演算され、その総和値であるデジタル値 D ( = D +D )が出力される。この
η η,Ι η,2
とき、加算部 50からデジタル値 D , D , D , · ··, D , · ··, Dの順に出力される。
1 2 3 n N
[0033] ここで、デジタル値 D は、第 m行第 n列に位置する画素 P のフォトダイオード PD
n,k m,n
で発生した電荷の量に応じた値、すなわち、画素 P のフォトダイオード PDへの入 k m,n k 射光量に応じた値である。また、デジタル値 Dは、画素 P に含まれる 2個のフォトダ
n m,n
ィオード PD , PDそれぞれで発生した電荷の総量に応じた値、すなわち、画素 P
1 2 m,n への入射光量に応じた値である。
[0034] このようにして第 m行にある N個の画素 P 〜P それぞれの入射光量に応じたデ
m,l m,N ジタル値 D〜Dが得られると、続いて、次の第 (m+ 1)行にある N個の画素 P
P それぞれの入射光量に応じたデジタル値 D〜Dが同様にして得られる。この ような動作が全ての行について行われることにより、撮像領域 10の M X N個の画素 P 〜P それぞれへの入射光量に応じたデジタル値が得られ、撮像データが得られ る。
[0035] 以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置 1では、撮像領域 10の各画素 Ρ に 2個のフォトダイオード PD， PDが含まれていて、フォトダイオード PD， PDで発 生した電荷の量に応じた電圧 V , V およびデジタル値 D , D が得られ、そして
、画素 Ρ への入射光量に応じたデジタル値 D ( = D +D )が得られる。このこと から、例えば、固体撮像装置 1がデンタル用途に用いられる場合であって、各画素 Ρ の光感応領域が大面積であることが必要であるときであっても、 S/N比がょ 、撮 像をすることができる。
[0036] すなわち、比較例として、各画素が 1個のフォトダイオードを含み、そのフォトダイォ ードの接合容量値が Cである場合を想定する。このとき、 AD変換部から出力される デジタル値に含まれるノイズ成分の大きさは「AX C」と表される。ここで、 Aは、積分 回路に含まれるアンプにより決定される定数である。
[0037] これに対して、本実施形態では、各画素が 2個のフォトダイオードを含み、各画素の 全体の光感応領域の面積が上記比較例と同じであるとすると、個々のフォトダイォー ドの接合容量値は CZ2となる。したがって、 AD変換部 40から出力されるデジタル値 D に含まれるノイズ成分の大きさは「AX CZ2」と表され、加算部 50から出力される デジタル値 Dに含まれるノイズ成分の大きさは「AX C/2 5」と表される。このように、 本実施形態では、各画素 P への入射光量に応じたデジタル値 Dに含まれるノイズ 成分の大きさは、上記比較例と比較すると lZ2 5倍となる。
[0038] また、光検出のダイナミックレンジの上限は、フォトダイオードの接合容量部に蓄積 可能な電荷量の上限、および、その電荷を読み出す積分回路の出力電圧の飽和レ ベル、の何れか低い方によって決まる。デンタル用途の場合のように、フォトダイォー ドの光感応領域の面積が大きいと、フォトダイオードの接合容量部に蓄積可能な電 荷量も大きいので、積分回路の出力電圧の飽和によってダイナミックレンジは制限さ れる。また、近年の低消費電力化のための電源電圧低下に伴い、アンプの駆動電圧 も低くなる傾向にあることから、一層、アンプの飽和電圧レベルは下がる傾向にある。 これでは、フォトダイオードの接合容量部に多くの電荷を蓄積することができたとして も、積分回路に含まれるアンプの飽和以上の電荷は無駄になる。
[0039] これに対して、本実施形態では、上記比較例と比較すると、個々の積分回路にお いて蓄積される電荷量は半分になるので、個々の画素については 2倍の電荷量まで 信号として扱うことができる。このことから、例えば、 AD変換部 40からの出力デジタル 値が 12ビットである場合、加算部 50からの出力デジタル値は 13ビットに拡大される。 また、前述したように、ノイズ成分の大きさは 1Ζ2 ·5倍となっているので、ダイナミック レンジの上限での SZN比は 2 2倍となる。
[0040] 本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例 えば、各画素に含まれるフォトダイオードの個数は、上記実施形態では 2個としたが、 3個以上であってもよい。また、本発明は、人体に X線を照射するという点において、 歯科治療用途に限らず、医療用の X線固体撮像装置全般に係る。

Claims

請求の範囲
[1] 各々複数個のフォトダイオードを含む複数個の画素が 2次元配列された撮像領域と 前記撮像領域の各画素に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した 電荷の量に応じた電圧を出力する信号読出部と、
前記信号読出部から出力された電圧を入力し AD変換して、この入力電圧に応じた デジタル値を出力する AD変換部と、
前記撮像領域の各画素にっ 、て、該画素に含まれる複数個のフォトダイオードそ れぞれで発生した電荷の量に応じて前記 AD変換部から出力されるデジタル値の総 和を演算し、その総和値であるデジタル値を出力する加算部と、
を備え、
前記撮像領域の各画素に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれの光感応領 域が全体として正方形である、
ことを特徴とする固体撮像装置。
[2] 前記撮像領域の各画素に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれの光感応領 域が互!ヽに等 、面積を有して ヽる、ことを特徴とする請求項 1記載の固体撮像装置
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