(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
【公報種別】再公表特許(A1)
(11)【国際公開番号】WO2014054546
(43)【国際公開日】20140410
【発行日】20160825
(54)【発明の名称】撮像装置及び撮像方法
(51)【国際特許分類】
   H04N 5/357 20110101AFI20160729BHJP
   H04N 5/378 20110101ALI20160729BHJP
   G01T 7/00 20060101ALI20160729BHJP
   G01T 1/17 20060101ALI20160729BHJP
   H04N 5/32 20060101ALN20160729BHJP
【FI】
   !H04N5/335 570
   !H04N5/335 780
   !G01T7/00 A
   !G01T1/17 C
   !H04N5/32
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
【全頁数】18
【出願番号】2014539712
(21)【国際出願番号】JP2013076388
(22)【国際出願日】20130927
(31)【優先権主張番号】2012222393
(32)【優先日】20121004
(33)【優先権主張国】JP
(31)【優先権主張番号】2012254677
(32)【優先日】20121120
(33)【優先権主張国】JP
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ
(71)【出願人】
【識別番号】000002185
【氏名又は名称】ソニー株式会社
【住所又は居所】東京都港区港南1丁目7番1号
(74)【代理人】
【識別番号】110001357
【氏名又は名称】特許業務法人つばさ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】千田 みちる
【住所又は居所】東京都港区港南1丁目7番1号 ソニー株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】渡邊 慎一
【住所又は居所】東京都港区港南1丁目7番1号 ソニー株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】川添 大輔
【住所又は居所】東京都港区港南1丁目7番1号 ソニー株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】南 祐一郎
【住所又は居所】東京都港区港南1丁目7番1号 ソニー株式会社内
【テーマコード(参考)】
2G188
5C024
【Fターム(参考)】
2G188AA03
2G188AA25
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2G188BB04
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5C024AX12
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5C024HX17
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5C024JX41
(57)【要約】
光を受光して光検出信号に変換する受光素子と、受光素子に接続されて受光素子と信号線との接続を制御する画素トランジスタと、光検出信号に適用されるローパスフィルタと、ローパスフィルタの出力信号をデジタルデータに変換するA/D変換器と、A/D変換器を動作させてデジタルデータを出力するに先立ち、光検出信号に対してローパスフィルタを有効に機能させた状態において、画素トランジスタをオン状態に制御させておき、受光素子と信号線を接続させるシーケンサと備える。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光を受光して光検出信号に変換する受光素子と、
前記受光素子に接続されて前記受光素子と信号線との接続を制御する画素トランジスタと、
前記光検出信号に適用されるローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの出力信号をデジタルデータに変換するA/D変換器と、
前記A/D変換器を動作させて前記デジタルデータを出力するに先立ち、前記光検出信号に対して前記ローパスフィルタを有効に機能させた状態において、前記画素トランジスタをオン状態に制御させておき、前記受光素子と前記信号線を接続させるシーケンサと
を備えた撮像装置。
【請求項2】
前記ローパスフィルタはコンデンサを有し、
前記ローパスフィルタと前記A/D変換器との間に接続され、前記ローパスフィルタとの間で前記コンデンサを共用するサンプルホールド回路をさらに備えた
請求項1記載の撮像装置。
【請求項3】
前記シーケンサは、前記画素トランジスタをオン状態に制御し、前記ローパスフィルタを作動させて所定時間が経過した後、前記画素トランジスタをオン状態に制御した状態を維持しつつ前記サンプルホールド回路をホールド動作させた後、前記A/D変換器を動作させて前記デジタルデータを出力する
請求項2記載の撮像装置。
【請求項4】
前記受光素子が出力する電荷を電圧に変換して前記ローパスフィルタに供給するチャージアンプをさらに備え、
前記受光素子はフォトダイオードである
請求項3記載の撮像装置。
【請求項5】
光を受光して光検出信号に変換する受光素子と、
前記受光素子に接続されて前記受光素子と信号線との接続を制御する画素トランジスタと、
コンデンサを有し、前記光検出信号に適用されるローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの出力信号をデジタルデータに変換するA/D変換器と、
前記ローパスフィルタと前記A/D変換器との間に接続され、前記ローパスフィルタとの間で前記コンデンサを共用するサンプルホールド回路と、
前記光検出信号に対して前記ローパスフィルタを有効に機能させた状態において、前記画素トランジスタをオン状態に制御させておき、所定時間が経過した後、前記画素トランジスタをオン状態に制御した状態を維持しつつ前記サンプルホールド回路をホールド動作させ、前記A/D変換器を動作させて前記デジタルデータを出力した後に、前記画素トランジスタをオフ状態に制御するシーケンサと
を備えた撮像装置。
【請求項6】
光を受光して光検出信号に変換する受光素子に接続されて前記受光素子と信号線との接続を制御する画素トランジスタをオン状態に制御し、
前記光検出信号に対してローパスフィルタを作動させ、
所定時間が経過した後に、前記画素トランジスタをオン状態に制御した状態を維持しつつ、前記ローパスフィルタに接続されるサンプルホールド回路をホールド動作させる
撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、X線やγ線等の放射線を用いて、主に撮影対象の透視画像等を撮影する撮像装置及び撮像方法に関する。
【背景技術】
【0002】
医療業界において、近年、フィルムを用いるいわゆるレントゲン撮影装置に代わり、撮影画像をデジタルデータとして保存できるのみならず、動画像も撮影できる、放射線撮像装置が普及している。
放射線撮像装置は例えばX線という放射線を扱うため、撮影対象である人体に対するX線の被曝量をできる限り少なくする必要がある。このため、X線を検出する撮像部は、X線に対する高い感度と高いS/N比が要求される。
【0003】
なお、本開示に類似すると思われる技術が開示されている先行技術文献を、特許文献1に示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2010−263483号公報
【発明の概要】
【0005】
放射線撮像装置の撮像部は、アモルファスシリコンTFT(Thin Film Transistor)や、低温ポリシリコンTFTを用いて形成される。特に、アモルファスシリコンTFTに比べてオン時の抵抗値が低い低温ポリシリコンTFTを撮像部に採用して、感度等の各種性能を向上させるべく開発が行われている。
しかしながら、アモルファスシリコンTFTと比べて抵抗値が低くなったとはいえども、感度を向上させる際に熱雑音が邪魔になるおそれがあり、高感度の撮像部を実現するのが困難であった。
【0006】
したがって、熱雑音の影響を低減した高感度な撮像部を備え、低線量のX線等の放射線を利用して、実用的な撮影性能を実現する撮像装置及び撮像方法を提供することが望ましい。
【0007】
本技術の一実施形態における第1の撮像装置は、光を受光して光検出信号に変換する受光素子と、受光素子に接続されて受光素子と信号線との接続を制御する画素トランジスタと、光検出信号に適用されるローパスフィルタと、ローパスフィルタの出力信号をデジタルデータに変換するA/D変換器と、シーケンサとを備えている。
上記シーケンサは、A/D変換器を動作させてデジタルデータを出力するに先立ち、光検出信号に対してローパスフィルタを有効に機能させた状態において、画素トランジスタをオン状態に制御させておき、受光素子と信号線を接続させるものである。
【0008】
本技術の一実施形態における第2の撮像装置は、光を受光して光検出信号に変換する受光素子と、受光素子に接続されて受光素子と信号線との接続を制御する画素トランジスタと、コンデンサを有し、光検出信号に適用されるローパスフィルタと、ローパスフィルタの出力信号をデジタルデータに変換するA/D変換器と、ローパスフィルタとの間でコンデンサを共用し、ローパスフィルタとA/D変換器との間に接続されたサンプルホールド回路と、シーケンサとを備えている。
上記シーケンサは、光検出信号に対してローパスフィルタを有効に機能させた状態において、画素トランジスタをオン状態に制御させておき、所定時間が経過した後、画素トランジスタをオン状態に制御した状態を維持しつつサンプルホールド回路をホールド動作させ、A/D変換器を動作させてデジタルデータを出力した後に、画素トランジスタをオフ状態に制御するものである。
【0009】
本技術の一実施形態における撮像方法は、光を受光して光検出信号に変換する受光素子に接続されて受光素子と信号線との接続を制御する画素トランジスタをオン状態に制御し、光検出信号に対してローパスフィルタを作動させ、所定時間が経過した後に、画素トランジスタをオン状態に制御した状態を維持しつつ、ローパスフィルタに接続されるサンプルホールド回路をホールド動作させるものである。
【0010】
本技術の一実施形態における第1および第2の撮像装置、ならびに撮像方法によれば、熱雑音の影響を低減した高感度な撮像部を備え、低線量のX線等の放射線を利用して、実用的な撮影性能を実現することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本開示の一実施形態に関わる、放射線撮像装置のブロック図である。
【図2A】撮像部の外観を示す分解斜視図である。
【図2B】撮像部の外観を示す斜視図である。
【図2C】撮像部の外観を示す斜視図である。
【図3】センサアレイを備えた信号処理部のブロック図である。
【図4】チャージアンプとサンプルホールド回路の回路図である。
【図5A】1フレーム期間内におけるゲートセレクタが出力する制御信号とX線管が発するX線のタイムチャートである。
【図5B】1水平期間内におけるゲートセレクタが出力する制御信号とアナログ回路部の動作状態のタイムチャートである。
【図6】シーケンサが出力する制御信号のタイムチャートと、第三オペアンプの出力信号のうち、ノイズ成分のみを示すグラフである。
【図7A】Gateがオフされるタイミングを変化させることを示すタイムチャートである。
【図7B】Gateがオフされるタイミングを変化させた場合に、第三アンプから出力されるノイズのレベルの変化を示すグラフである。
【図8】シーケンサが出力する制御信号のタイムチャートと、第一オペアンプの出力端子の電圧を示すグラフである。
【図9】別の実施形態における、センサアレイを備えた信号処理部のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
[放射線撮像装置の全体構成]
図1は、本開示の実施形態に関わる、放射線撮像装置のブロック図である。
X線管102から放射されるX線は、被写体103を透過して放射線撮像装置101の撮像部104に照射される。撮像部104は受光したX線に基づく微弱な電荷を発生する。
信号処理部105は撮像部104から発生する電荷に基づく画像データを生成する。
制御部106は信号処理部105から画像データを受けて、表示部107に表示すると共に、不揮発性ストレージ108に画像データを保存する。
また、制御部106は操作部109の操作を受けてX線管102のオン/オフ制御も遂行する。
【0013】
放射線撮像装置101を構成する要素のうち、制御部106は一例としてパーソナルコンピュータ(以下「パソコン」と略す)で構成できる。パソコンが備えるプロセッサに静止画像或は動画像を表示するプログラムを実行させ、信号処理部105から入力される画像データを表示することで、放射線撮像装置101が実現できる。
なお、画像処理や不揮発性ストレージ108を用いた画像データを保存する処理を行う代わりに、信号処理部105が出力する画像データを表示部107で直接表示し、あるいは信号処理部105が出力する画像データをビデオレコーダ等で保存することも可能である。
本技術は、主に、撮像部104に接続される信号処理部105に関するものである。なお、制御部106の詳細な説明は割愛する。
【0014】
[撮像部104の構成]
図2A〜2Cは、撮像部104の外観を示す分解斜視図と斜視図である。
図2Aは、撮像部104の分解斜視図である。撮像部104はセンサアレイ201と、センサアレイ201の撮像面を覆うシンチレータ202よりなる。
センサアレイ201は低温ポリシリコンTFTで構成され、フォトダイオードとスイッチングトランジスタが格子状に形成されている。
シンチレータ202はX線を可視光に変換する蛍光膜であり、アントラセンを含むプラスチックや、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化セシウム、或はガドリニウムオキサイドサルファ(GOS)等の蛍光物質を塗布或は封入したシートが採用される。また、ヨウ化セシウムを用いる場合は、シートだけではなく、センサアレイ上に直接蒸着で形成する事も可能である。
図2Bは、撮像部104の斜視図である。撮像面にシンチレータ202が貼り付けられたセンサアレイ201には、その縦と横に信号処理部105の回路基板が接続される。センサアレイ201に含まれるフォトダイオードが出力する電荷は極めて微弱である。このため、配線長を極力短くするために信号処理部105はセンサアレイ201に直結する形態で構成される。
図2Cは、撮像部104のもう一つの実装形態を示す斜視図である。信号処理部105をアナログ回路部203とデジタル回路部204に分割する。そして、アナログ回路部203はCOG(Chip On Glass:ガラス基板等にLSIを直接搭載する、実装の手法)やCOF(Chip On Film:ポリイミド等のフィルム基板にLSIを直接搭載する、実装の手法)にて構成する。デジタル回路部204は通常の回路基板に実装する。
【0015】
図3は、センサアレイ201を備えた信号処理部105のブロック図である。
前述の通り、センサアレイ201は画素を構成する受光素子であるフォトダイオード301と画素トランジスタ302が網目状に形成されている。
画素トランジスタ302は例えばMOSFETであり、フォトダイオード301が光電変換した結果の出力電荷を信号線303に伝達する。
画素トランジスタ302のソースは列毎に共通の信号線303に接続され、更にその信号線303の先にはチャージアンプ304が接続されている。
画素トランジスタ302のゲートは行毎に共通の制御線305に接続される。ゲートセレクタ306は「行」に該当する複数の制御線305のうちの一本を高電位にすることで、該当する「行」の画素を選択する。
【0016】
センサアレイ201を構成する画素の列には全てチャージアンプ304が接続され、更に各々のチャージアンプ304の直後にサンプルホールド回路部307が接続されている。なお、図3中ではサンプルホールド回路の表記を「S/H」と省略している。
複数のサンプルホールド回路部307の出力電圧はマルチプレクサ308によって選択され、アンプ309に供給される。アンプ309の出力電圧はA/D変換器311に供給されて、デジタルデータに変換される。アンプ309は図4にて後述するCDS413の出力電圧を増幅する。
A/D変換器311が出力する、アンプ309の出力電圧に相当するデジタルデータはデジタル画像信号処理部312に供給される。デジタル画像信号処理部312は、例えばオフセット補正、ゲイン補正、欠陥画素補正、信号強度の対数変換、周波数処理、DR圧縮処理、階調処理、感度補正等のデータ処理を経て、デジタル画像データを出力する。このデジタル画像信号処理部312の詳細については割愛する。
【0017】
シーケンサ313は、マイクロコンピュータやゲートアレイ等で構成され、ゲートセレクタ306、チャージアンプ304、サンプルホールド回路部307、マルチプレクサ308、およびA/D変換器311に制御信号を供給する。
【0018】
図4は、チャージアンプ304とサンプルホールド回路部307の回路図である。
X線はシンチレータ202によって緑色等の可視光に変換される。この可視光がフォトダイオード301に入射すると、光電変換によってフォトダイオード301から電荷が発生する。フォトダイオード301から発生した電荷は、画素トランジスタ302を介して第一オペアンプ401の反転入力端子に供給される。
第一オペアンプ401は反転入力端子と出力端子の間にコンデンサC402が接続されている。このため、第一オペアンプ401はチャージアンプ304を構成する。チャージアンプ304は入力される電荷をコンデンサC402に蓄積させ、電圧に変換する。なお、コンデンサC402の両端にはディスチャージのための第一スイッチ403が接続されており、シーケンサ313によって制御される。
なお、第一オペアンプ401の非反転入力端子には、画素トランジスタ302のリセットレベルを定め、チャージアンプ304等後段の増幅器に必要なオフセット電圧を与えるために、定電圧源404が接続されている。この定電圧源404の電圧は全ての信号線303に接続される全ての第一オペアンプ401に共通に与えられ、第一オペアンプ401のバーチャルショートによって全ての信号線303に等しい電圧が印加される。
【0019】
第一オペアンプ401の出力端子は抵抗R405に接続される。抵抗R405の両端には第二スイッチ406が接続されており、シーケンサ313によって制御される。この第二スイッチ406はオフの状態で、後述するコンデンサC409及びC412と共にLPF(Low Pass Filter)を構成する。
【0020】
抵抗R405は第三スイッチ407を介して第二オペアンプ408の非反転入力端子と、コンデンサC409に接続される。また、同様に抵抗R405は第四スイッチ410を介して第三オペアンプ411の非反転入力端子と、コンデンサC412に接続される。図4を見て判るように、第二オペアンプ408と第三オペアンプ411は全く同じ回路構成であるので、以下は第二オペアンプ408について説明する。
第二オペアンプ408は反転入力端子と出力端子が直結されており、ボルテージフォロアを構成する。第二オペアンプ408は非反転入力端子の電圧を出力端子に出力する。第三スイッチ407がオフの状態では、コンデンサC409は電荷が保持されるので、オペアンプはサンプルホールド回路部307を構成する。更に、第三スイッチ407がオンの状態で且つ第二スイッチ406がオフの状態では、抵抗とコンデンサC409がパッシヴ型一次LPFを構成する。つまり、コンデンサC409はLPFの構成要素であると共に、サンプルホールド回路部307の構成要素でもある。
前述の通り、第三オペアンプ411も第二オペアンプ408と同様の機能を実現する。
【0021】
第二オペアンプ408とコンデンサC409はCDS(Correlated Double Sampling:相関二重サンプリング)413のPre-Sampling(=Reset-Sampling)信号を出力する。つまり、画素トランジスタ302がオフ状態のときの電圧信号を出力する。他方、第三オペアンプ411とコンデンサC412はCDS413のSampling信号を出力する。つまり、画素トランジスタ302がオン状態のときの電圧信号を出力する。CDS413はSampling信号とReset-Sampling信号の差分を出力する。この差分信号はマルチプレクサ308を介して後続のアンプ309で電圧増幅した後、A/D変換器311でA/D変換して、デジタル画像信号処理部312でデジタル画像信号処理を行う。
【0022】
[動作]
図5A,5Bは、1フレーム期間内におけるゲートセレクタ306が出力する制御信号とX線管102が発するX線のタイムチャートと、1水平期間内におけるゲートセレクタ306が出力する制御信号とアナログ回路部203の動作状態のタイムチャートである。
【0023】
図5Aは、1フレーム期間内におけるゲートセレクタ306が出力する制御信号とX線管102が発するX線のタイムチャートである。ゲートセレクタ306は1水平期間毎に画素トランジスタ302のゲート端子を順番にオン・オフ制御する。ゲートセレクタ306によって全てのゲート端子のオン・オフ制御が終了すると、シーケンサ313はX線管102をオン制御する。すると、フォトダイオード301に電荷が発生し、電荷はそのままフォトダイオード301に溜まる。フォトダイオード301に溜まった電荷は、ゲートセレクタ306が画素トランジスタ302をオン制御することで、チャージアンプ304へ移動する。
【0024】
図5Bは、1水平期間内におけるゲートセレクタ306が出力する制御信号とアナログ回路部203の動作状態のタイムチャートである。シーケンサ313は最初にサンプルホールド回路部307を制御して、画素トランジスタ302がオフの状態におけるチャージアンプ304の電位を、コンデンサC409及び第二オペアンプ408でサンプルホールドする。
次にゲートセレクタ306が画素トランジスタ302をオン制御した上で、シーケンサ313はサンプルホールド回路部307を制御して、画素トランジスタ302がオンの状態におけるチャージアンプ304の電位を、コンデンサC412及び第三オペアンプ411でサンプルホールドする。この時点で、CDS413は第二オペアンプ408の出力信号と第三オペアンプ411の出力信号との差分を出力する。
次にシーケンサ313はマルチプレクサ308とA/D変換器311を制御して、CDS413の出力信号を順次A/D変換する。
【0025】
図6は、シーケンサ313及びゲートセレクタ306が出力する制御信号のタイムチャートと、第三オペアンプ411の出力信号のうち、ノイズ成分のみを示すグラフである。
図6(a)〜(d)は、比較例に係るシーケンサ313のタイムチャートと、ノイズ成分のグラフである。
(a)は、図4に示すGateの信号であり、画素トランジスタ302のゲートに印加する制御信号を示す。Gateが高電位の時、画素トランジスタ302はオン動作して、フォトダイオード301の電荷がチャージアンプ304に流れ込む。
(b)は、図4に示すSHSの信号であり、第四スイッチ410の制御信号を示す。SHSが高電位の時、コンデンサC412は抵抗R405又は第一オペアンプ401の出力端子に接続される。つまり、コンデンサC412と第三オペアンプ411にて構成されるサンプルホールド回路はサンプル動作になる。逆にSHSが低電位の時、サンプルホールド回路はホールド動作になる。
(c)は、図4に示すLPF_Eの信号であり、第二スイッチ406の制御信号を示す。LPF_Eが高電位の時、第二スイッチ406はオフ状態になり、抵抗R405の両端が短絡されなくなる。すると、抵抗R405とコンデンサC412とでLPFが形成される。なお、図4では、LPF_Eの論理否定信号で表記されている。つまり、第二スイッチ406はLPF_Eの論理否定信号によってオン・オフ制御される。
なお、特に図示はしていないが、図6に示すタイムチャートの期間中、第一スイッチ403と第三スイッチ407(SHR)は何れもオフ状態を維持している。
(d)は、第三オペアンプ411から出力される信号のうち、ノイズ成分を示すグラフである。
【0026】
時刻t1からt2の間、Gateは高電位である。Gateが高電位の時、画素トランジスタ302はオン動作して、フォトダイオード301の電荷がチャージアンプ304に流れ込むと共に、画素トランジスタ302自体の熱雑音も、チャージアンプ304に流れ込む。熱雑音のレベルは抵抗値に比例する。本実施形態にて使用する低温ポリシリコンTFTは、アモルファスシリコンTFTより抵抗値が低いが、それでも画素トランジスタ302のオン抵抗は40kΩ〜80kΩ程度の抵抗値を有する。したがって、Gateが高電位の時は、高いノイズ成分がチャージアンプ304から出力される。そして、ここで注意すべきは、Gateが高電位の時、SHSも高電位であるが、LPF_Eは低電位である、という点である。LPF_Eが低電位であることはすなわち抵抗R405の両端がショートされており、抵抗R405とコンデンサC412によるLPFは形成されない。つまり、ノイズ成分はLPFによって低減されることなく、そのまま第三オペアンプ411に出力される。
【0027】
時刻t2からt3の間、Gateが低電位に転化しているが、LPF_Eが低電位のままである。Gateが低電位になってLPF_Eが低電位のままの状態では、画素トランジスタ302由来の熱雑音はなくなるが、信号線303の熱雑音がチャージアンプ304に流れ込み、そのまま第三オペアンプ411に出力される。配線の抵抗値は画素トランジスタ302より小さいので、熱雑音の振幅は画素トランジスタ302の熱雑音の振幅よりも小さくなる。
時刻t3からt4の間、SHSは高電位を維持しつつ、LPF_Eが高電位に転化する。LPF_Eが高電位の状態では、配線の熱雑音が低減される。
時刻t4からt5の間、LPF_Eは高電位を維持しつつ、SHSが低電位に転化する。SHSが低電位に転化すると、第四スイッチ410が開放され、コンデンサC412の両端電圧が第三オペアンプ411によって出力される。つまり、サンプルホールド回路のホールド動作になる。この期間において、最終的なチャージアンプ304の電位が第三オペアンプ411に出力され、アンプ309にて電圧増幅された後、A/D変換器311によってデジタルデータに変換される。
【0028】
以上に説明したチャージアンプ304と、LPFを含むサンプルホールド回路部307の動作において、Gateが高電位から低電位に転化する際、その直前の電位をチャージアンプ304が保持する。
Gateがオンの期間、フォトダイオード301が出力する電荷は、コンデンサC402に蓄積される。つまり、フォトダイオード301の出力信号は微弱なDC成分であると考えることができる。一方、画素トランジスタ302の熱雑音はホワイトノイズであり、交流(AC成分)である。Gateがオンからオフに転化すると、その直前の電位がチャージアンプ304のコンデンサC402によって保持されるため、熱雑音の振幅によっては、図6Aの(d)にて波形W601及び波形W602に示すように、第三オペアンプ411の出力信号の電位が大きく変化してしまう。つまり、比較例に係る駆動方法では、画素トランジスタ302の熱雑音がそのままノイズ成分として出力されてしまう。
【0029】
図6(e)〜(h)は、本実施形態に係るシーケンサ313のタイムチャートと、ノイズ成分のグラフである。
(e)は(a)と同様の、図4に示すGateの信号であり、画素トランジスタ302のゲートに印加する制御信号を示す。
(f)は(b)と同様の、図4に示すSHSの信号であり、第四スイッチ410の制御信号を示す。
(g)は(c)と同様の、図4に示すLPF_Eの信号であり、第二スイッチ406の制御信号を示す。
(h)は(d)と同様の、第三オペアンプ411から出力される信号のうち、ノイズ成分を示すグラフである。
時刻t8(時刻t4相当)からt9の間、LPF_Eは高電位を維持しつつ、SHSが低電位に転化する。この期間において、最終的なチャージアンプ304の電位が第三オペアンプ411に出力され、アンプ309にて電圧増幅された後、A/D変換器311によってデジタルデータに変換される。
【0030】
図6(e)〜(h)と、図6(a)〜(d)との相違点は、Gateのオン期間をSHSのオフ(時刻t8)の後にまで延長した点(時刻t6(時刻t1相当)からt9迄)である。つまり、チャージアンプ304から出力される画素トランジスタ302及び配線の熱雑音は、抵抗R405とコンデンサC412によるLPFによって抑止される。このため、SHSがオフの時点(時刻t8)で熱雑音が除去された、極めてS/N比の高い検出信号を得ることができる。
【0031】
なお、LPF_Eが高電位になるタイミング、すなわち図6(e)〜(h)の時刻t7は、時刻t6と同時でないことが好ましい。Gateがオンするのと同時にLPFが立ち上がると、チャージアンプの時定数が大きくなるために、読み出しに非常に時間がかかる。このため、Gateがオンして読み出しが完了し、チャージアンプの出力電圧が静定した辺りのタイミングで、LPFをオンするように駆動させる。
【0032】
図7A,7Bは、Gateがオフされるタイミングを変化させることを示すタイムチャートと、Gateがオフされるタイミングを変化させた場合に、第三アンプから出力されるノイズのレベルの変化を示すグラフである。
図7Aは、Gateがオフされるタイミングを変化させることを示すタイムチャートである。
(a)は、図4に示すGateの信号であり、画素トランジスタ302のゲートに印加する制御信号を示す。
(b)は、図4に示すSHSの信号であり、第四スイッチ410の制御信号を示す。
(c)は、図4に示すLPF_Eの信号であり、第二スイッチ406の制御信号を示す。
図7Aに示すように、Gateがオフされるタイミングを、LPFがオンされると同時(時刻t701:0μsec)から、時刻t702、t703と徐々にずらして、最終的にLPFがオンされてから25μsecに至る迄(時刻t704)変化させて、第三アンプから出力されるノイズのレベルの変化を計測した。
図7Bを見て判るように、LPFがオンし始めてからGateをオフするタイミングが長ければ長いほど、LPFが効果的に作用することが判る。
【0033】
図8は、シーケンサ313が出力する制御信号のタイムチャートと、第一オペアンプ401の出力端子の電圧を示すグラフである。なお、解りやすさのため、ノイズ成分の記載を省略している。
図8(a)〜(d)は、比較例に係るシーケンサ313のタイムチャートと、第一オペアンプ401の出力端子の電圧を示すグラフである。
(a)は、図4に示すGateの信号であり、画素トランジスタ302のゲートに印加する制御信号を示す。
(b)は、図4に示すSHSの信号であり、第四スイッチ410の制御信号を示す。
(c)は、図4に示すLPF_Eの信号であり、第二スイッチ406の制御信号を示す。
(d)は、図4に示す測定点P413の信号であり、チャージアンプ304の、ノイズ成分を除外した出力信号の波形を示す。
時刻t12の時点で、(a)に示すようにGateは高電位から低電位に転化する。
MOSFETはその構造上、ゲートとドレイン、及びゲートとソースとの間にキャパシタを内包する。ゲートに所定の電圧を印加してドレインとソースが導通すると、ゲートとドレイン及びソースよりなる一つのキャパシタを構成することとなる。ゲートに印加していた所定の電圧を除去してドレインとソースが絶縁されると、一つのキャパシタはゲートとドレインよりなる第一のキャパシタと、ゲートとソースよりなる第二キャパシタの二つに分割されることとなる。
Gateがオフされると、画素トランジスタ302のゲート−ソース間の寄生容量が小さくなる。すると、ゲート−ソース間に蓄積されていた電荷の一部がコンデンサC402に移動する。これはサンプルホールド回路特有の現象であるチャージインジェクション(Charge Injection)である。結果として、チャージアンプ304の出力電圧が上昇する。通常、チャージインジェクションの影響を回避するために、画素トランジスタ302をオフしたら、所定時間だけ電圧が静定するまで待つ必要がある。これが図8中の時刻t12からt13の間である。
【0034】
図8(e)〜(h)は、本実施形態に係るシーケンサ313のタイムチャートと、第一オペアンプ401の出力端子の電圧を示すグラフである。
(e)は図4に示すGateの信号であり、画素トランジスタ302のゲートに印加する制御信号を示す。
(f)は図4に示すSHSの信号であり、第四スイッチ410の制御信号を示す。
(g)は図4に示すLPF_Eの信号であり、第二スイッチ406の制御信号を示す。
(h)は図4に示す測定点P413の信号であり、チャージアンプ304の、ノイズ成分を除外した出力信号の波形を示す。
本開示においては、SHSをオフしてサンプルホールド回路部307を有効にする時点(時刻t14)において、Gateはオン状態のままである。したがって、画素トランジスタ302をオフすることによって生じるチャージインジェクションが生じにくい。このため、チャージインジェクション対策のために設けていた整定時間(時刻t12からt13の間)が不要になる。整定時間が不要になる、ということは、それだけ高速化が見込める、という利点に繋がる。
【0035】
以上説明した実施形態には、以下に記す応用例が可能である。
(1)本実施形態の撮像部104は間接変換型と呼ばれる、シンチレータ202を用いる形態のセンサを採用している。X線をシンチレータ202で緑色の光に変換し、画素のフォトダイオード301で光電変換して、電荷を読み出す。これに対し、直接変換型と呼ばれる、シンチレータ202の代わりにアモルファスセレン等の、X線を直接電荷に変換する膜が画素上に載っている構造のものを用いても良い。この場合、画素はフォトダイオード301の代わりにキャパシタンスのみの構造となる。
【0036】
(2)図6の(g)に示すLPF_Eの立ち上がりタイミングは、(e)のGate及び(f)のSHSと同じ時刻t6から立ち上げてもよい。
【0037】
(3)ゲートセレクタ306は低温ポリシリコンTFTを使用する場合、センサアレイ201に内蔵させることが可能である。
図9は、センサアレイ201を備えた信号処理部105のブロック図である。
図9の、図3との相違点は、センサアレイ901がゲートセレクタ306も含んでいる点である。
【0038】
(4)上述の実施形態では、A/D変換の前に画素トランジスタとLPFを有効にし、サンプルホールドを確定するべく、シーケンサが制御を行っていた。これに対し、A/D変換後に画素トランジスタをOFFさせる制御タイミングを採っても良い。
【0039】
(5)本開示は以下のような構成も取ることができる。
<1>
光を受光して光検出信号に変換する受光素子と、
前記受光素子に接続されて前記受光素子と信号線との接続を制御する画素トランジスタと、
前記光検出信号に適用されるローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの出力信号をデジタルデータに変換するA/D変換器と、
前記A/D変換器を動作させて前記デジタルデータを出力するに先立ち、前記光検出信号に対して前記ローパスフィルタを有効に機能させた状態において、前記画素トランジスタをオン状態に制御させておき、前記受光素子と前記信号線を接続させるシーケンサと
を備えた撮像装置。
<2>
前記ローパスフィルタはコンデンサを有し、
前記ローパスフィルタと前記A/D変換器との間に接続され、前記ローパスフィルタとの間で前記コンデンサを共用するサンプルホールド回路をさらに備えた
<1>記載の撮像装置。
<3>
前記シーケンサは、前記画素トランジスタをオン状態に制御し、前記ローパスフィルタを作動させて所定時間が経過した後、前記画素トランジスタをオン状態に制御した状態を維持しつつ前記サンプルホールド回路をホールド動作させた後、前記A/D変換器を動作させて前記デジタルデータを出力する
<2>記載の撮像装置。
<4>
前記受光素子が出力する電荷を電圧に変換して前記ローパスフィルタに供給するチャージアンプをさらに備え、
前記受光素子はフォトダイオードである
<3>記載の撮像装置。
<5>
光を受光して光検出信号に変換する受光素子と、
前記受光素子に接続されて前記受光素子と信号線との接続を制御する画素トランジスタと、
コンデンサを有し、前記光検出信号に適用されるローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの出力信号をデジタルデータに変換するA/D変換器と、
前記ローパスフィルタと前記A/D変換器との間に接続され、前記ローパスフィルタとの間で前記コンデンサを共用するサンプルホールド回路と、
前記光検出信号に対して前記ローパスフィルタを有効に機能させた状態において、前記画素トランジスタをオン状態に制御させておき、所定時間が経過した後、前記画素トランジスタをオン状態に制御した状態を維持しつつ前記サンプルホールド回路をホールド動作させ、前記A/D変換器を動作させて前記デジタルデータを出力した後に、前記画素トランジスタをオフ状態に制御するシーケンサと
を備えた撮像装置。
<6>
光を受光して光検出信号に変換する受光素子に接続されて前記受光素子と信号線との接続を制御する画素トランジスタをオン状態に制御し、
前記光検出信号に対してローパスフィルタを作動させ、
所定時間が経過した後に、前記画素トランジスタをオン状態に制御した状態を維持しつつ、前記ローパスフィルタに接続されるサンプルホールド回路をホールド動作させる
撮像方法。
【0040】
本実施形態では、放射線撮像装置101を開示した。
画素を構成する画素トランジスタ302をオフするタイミングを、サンプルホールド回路部307を有効にする時点より後迄延長する。またその際、画素トランジスタ302がオン状態になっている期間中に、LPFを有効に機能させる。画素トランジスタ302及び配線から生じる熱雑音がLPFで除去されるので、撮像部104及び信号処理部105の低ノイズ化を実現できる。このため、S/N比が向上し、放射線撮像装置101における撮影画像の画質の向上や低被曝化を実現できる。
また、比較例に係る駆動方法と比較して、撮像部104から信号処理部105における撮影画像の読み出し時間を短くすることが可能になる。その結果、比較例に係る駆動方法より高フレームレート化が実現できる。
【0041】
以上、本開示の実施形態例について説明したが、本開示は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
例えば、上記した実施形態例は本開示をわかりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細且つ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることは可能であり、更にはある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行するためのソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の揮発性或は不揮発性のストレージ、または、ICカード、光ディスク等の記録媒体に保持することができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【0042】
本出願は、日本国特許庁において2012年10月4日に出願された日本特許出願番号2012−222393号、および日本国特許庁において2012年11月20日に出願された日本特許出願番号2012−254677号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。
【0043】
当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【国際調査報告】