(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元行列構造の画像センサのデータ処理方法であって、
読み取り動作の開始に先立ってダミーの読み取り周期を加えることによりオフセット補正値の初期値を決定する第１ステップと、
第１行の読み取り周期においては、前記オフセット補正値によりオフセット補正を行って、データ電荷量を決定する第２ステップと、
前記第２ステップで決定された第１行のデータ電荷量から第１行の画素がオフセット補正値に寄与していた量を決定し、先のオフセット補正値から差し引くことで次の行のオフセット補正値とする第３ステップとを含み、
前記第２ステップと前記第３ステップとを順次繰り返すことを特徴とする画像センサのデータ処理方法。
【請求項２】
２次元行列構造の画像センサのデータ処理方法であって、
読み取り動作の開始に先立ってダミーの読み取り周期を加えることによりオフセット補正値の初期値を決定する第１ステップと、
第１行の読み取り周期においては、前記オフセット補正値によりオフセット補正を行って、データ電荷量を決定する第２ステップと、
前記第２ステップで決定された第１行のデータ電荷量から第１行の画素がオフセット補正値に寄与していた量を決定し、先のオフセット補正値から差し引くことで次の行のオフセット補正値とする第３ステップと、
前記第２ステップと前記第３ステップとを順次繰り返し、予め決定された数の行のデータを読み取った後、次の行の読み取りに先立って新たにダミーの読み取り周期を挿入し、そこで得られた値を新たなオフセット補正値の初期値として用いる第４ステップと、
その次の行の読み取り周期においては、第４ステップで得られた値を補正値としてオフセット補正を行って、データ電荷量を決定する第５ステップと、
前記第５ステップで決定された当該行のデータ電荷量から当該行の画素がオフセット補正値に寄与していた量を決定し、先のオフセット補正値から差し引くことでその次の行のオフセット補正値とする第６ステップとを含み、
前記第５ステップと前記第６ステップとを順次繰り返すことを特徴とする画像センサのデータ処理方法。
【請求項３】
各画素に形成された蓄積容量と、これら複数の蓄積容量のそれぞれとスイッチ素子を介して接続された読み取り線と、該読み取り線と接続された各画素の電荷量を順次画素データとして読み取る電荷読み取り手段とを有する画像センサのデータ処理方法であって、
データを読み取る際、前記スイッチ素子が全てオフの状態で読み取りを行う期間を追加し、この期間に読み取られた電荷量をオフセット補正値として次の期間において画素の電荷量を読み取る際のオフセット補正に用いるようになっており、
第ｋ（ｋは２以上の自然数）回目の画素の読み取りの際には、第（ｋ−１）回目の読み取りで得た電荷量に基づき順次更新されたオフセット補正値を用いてオフセット補正を行うことにより、順次画素データを読み取ることを特徴とする画像センサのデータ処理方法。
【請求項４】
請求項３に記載のデータ処理方法において、順次画素データを読み取る途中で、再度前記スイッチ素子が全てオフの状態で読み取りを行う期間を設けて、この期間に読み取られた電荷量をオフセット補正値として次の期間において画素の電荷量を読み取る際のオフセット補正に用いることを特徴とする画像センサのデータ処理方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のデータ処理方法を制御する制御装置を有することを特徴とする画像センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を電荷に変換して読み取ることにより画像データを取得する２次元行列構造の平面型画像センサおよびそのデータ処理方法に関するものであって、たとえばＣＣＤ、ＭＯＳ型センサなどに適用でき、特にＸ線センサに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、一般的な２次元行列構造の画像センサの概略図である。この画像センサ４８は、ガラス基板５０の上に、光電変換層５４およびバイアス電極５２が形成されて構成されている。光電変換層５４は、例えばセレンなどで形成されており、バイアス電極５２は光（Ｘ線）を透過する金属薄膜などの導体膜で形成されている。ガラス基板５０の光電変換層５４側の面には、行列状に配置された画素電極５６、蓄積容量１７およびスイッチ素子１８と、走査線（行線）１０および読み取り線（列線）１２が形成されている。そして、走査線１０および読み取り線１２は、それぞれ走査線駆動器１４および読み取り回路１６に接続されている。
【０００３】
画素電極５６はスイッチ素子１８を介して読み取り線１２に接続されており、スイッチ素子１８のスイッチング動作は走査線１０から供給される信号により行われる。したがって、スイッチ素子１８として一般に用いられる薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと称す）の場合では、ＴＦＴのソースは画素電極５６に、ドレインは読み取り線１２に、ゲートは走査線１０にそれぞれ接続されることになる。なお、以下ではスイッチ素子１８としてＴＦＴ１８を用いて説明する。
【０００４】
図４は、図３におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。絶縁膜５８を介して画素電極５６と対向する位置に対向電極（補助電極）６０が形成されており、画素電極５６との間で蓄積容量（画素容量）１７を構成している。この対向電極６０は、全画素２２において共通の基準電位（Ｖｒｅｆ）となるように配線されている。また、バイアス電極５２は対向電極６０に対して高電圧（例えば、数百ボルト）を印加できるようになっている。
【０００５】
上記のような画像センサ４８に、光子６８がバイアス電極５２側から入射すると、バイアス電極５２を透過した光子６８は、光電変換層５４において電子と正孔の対を発生させる。ここで、バイアス電極５２に正の電圧が印加されているときは正孔が、負の電圧が印加されているときは電子が画素電極５６側に移動し、光子６８の入射位置に対応する位置にある画素電極５６に達する。画素電極５６に達した正孔または電子は、蓄積容量１７にて保持される。
【０００６】
蓄積容量１７にて保持された正または負の電荷（以下、信号電荷と称す）は、ＴＦＴ１８がオンとなることで読み取り線１２に流出し、読み取り線１２に接続された読み取り回路１６によってその電荷量が読み取られる。
【０００７】
走査線駆動器１４が所定の一本の走査線１０にハイの信号を出力すると、その走査線１０に接続された全てのＴＦＴ１８がオン状態となり、各蓄積容量１７に保持されている信号電荷が対応するそれぞれの読み取り線１２に流出する。走査線駆動器１４が各走査線１０に順次ハイの信号を出力することで全ての画素電極５６のデータが読み取られ、一枚の画像データの読み取りが行われる。なお、ここではスイッチの動作として正論理を用い、信号がハイのときにスイッチがオンするものとして記述してあるが、負論理の場合でも同様に動作することは周知の通りである。
【０００８】
上記の画像センサ４８に用いられる読み取り回路１６に関して説明する。
図５は、電荷量の読み取りに使われる電荷感応増幅器（Ｃｈａｒｇｅ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：以下、ＣＳＡと称す）２０の基本的な構造を表した回路図である。演算増幅器２０ａの反転入力と出力とは帰還容量２０ｂを介して接続されており、負帰還回路を形成している。また、帰還容量２０ｂと並列にリセットスイッチ２０ｃが接続されており、帰還容量２０ｂに蓄積された電荷を放電してリセットすることができる。読み取り線１２は演算増幅器２０ａの反転入力に接続されており、非反転入力は基準電位Ｖｒｅｆに接続されている。なお、以下の説明では、Ｖｒｅｆは特に断らない限りグランド電位ＧＮＤであるものとする。
【０００９】
図７は、ＴＦＴ１８と蓄積容量１７を含めた画素２２一つ当たりの読み取りの等価回路図であり、図８は読み取り動作のタイミングチャートおよびＣＳＡ２０の出力電位を表すグラフである。図７において、画素２２は第ｉ行目の走査線１０である走査線１０ｉおよび第ｊ列目の読み取り線１２である読み取り線１２ｊに接続された画素２２であるものとする。図８で、Ｇ（ｉ）は走査線１０ｉに出力される信号を表し、また、Ｒｓｔはリセットスイッチ２０ｃに出力される信号を表す。
【００１０】
読み取り動作は、まずリセットスイッチ２０ｃがオンとなることで開始される。これによりそれ以前の動作で帰還容量２０ｂに蓄積されていた電荷を放電してリセットし、ＣＳＡ２０の出力電位はＶｒｅｆ（ＧＮＤ）となる（Ａ期間）。次に、Ｇ（ｉ）にハイの信号が出力されてＴＦＴ１８がオンとなり、蓄積容量１７に蓄積されていた信号電荷（−Ｑ）が読み取り線１２ｊに流出し、それと等量の電荷（−Ｑ）が帰還容量２０ｂの、演算増幅器２０ａの反転入力に接続された電極に、また等量で逆極性の電荷（＋Ｑ）がもう一方の電極に現れる。結局、ＣＳＡ２０の出力には、信号電荷であるＱを帰還容量２０ｂの容量値で割った電位が現れる（Ｂ期間）。この電位を次の読み取り周期が開始するまでの間（Ｃ期間）に読み取ることで、信号電荷量を電位として検出できる。なお、この場合の電位変化は一般的には指数関数的に変化するが、図８では説明の便宜上直線的に変化するものとして表している。以下の説明においても特に断らない限り同様である。
【００１１】
ここで、相関２重サンプリング（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ：以下、ＣＤＳと称す）と呼ばれる電位の読み取り技法について簡単に説明する。もしＴＦＴ１８を含めた読み取り回路系が完全であれば、Ｃ期間で読み取られた電位は正確に信号電荷量に相当するはずである。しかしながら、実際にはＡ期間とＢ期間の間のＤ期間において、ＣＳＡ２０の出力電位は完全にＶｒｅｆ（ＧＮＤ）とはならずにオフセットが存在する。オフセットの要因としては、演算増幅器２０ａ自体のオフセット、演算増幅器２０ａ自体が発生する低周波域での雑音である１２４／ｆ雑音、ＣＳＡ２０のリセットスイッチ２０ｃがＭＯＳスイッチで形成された場合のフィードスルー現象などがある。フィードスルー現象とは、ＭＯＳスイッチに本質的に付随する現象であり、オン時にゲート・ソース間容量とゲート・ドレイン間容量によって拘束されていたチャネル電荷が、ゲート電圧が下がることによってその拘束を解かれ、ドレインとソースの回路側に流出する現象をいう。
【００１２】
ＣＤＳとは図８のＳｍｐ１とＳｍｐ２で示したタイミングでＣＳＡ２０の電位を読み取り、Ｓｍｐ２で読み取った電位とＳｍｐ１で読み取った電位の差を求めることで、Ｓｍｐ１とＳｍｐ２との間の期間でのＣＳＡ２０の電位変動量（すなわち電荷の変動量）を正確に求めようとする技法である。ここで、Ｄ期間に存在するオフセットはＣＤＳによって除去できる。すなわち、ＣＤＳを行うことにより、Ｄ期間におけるオフセットが０という理想回路系においてＣ期間に１回のみ電位を読み取る場合と等価として扱える。
【００１３】
以下では、特に断らない限りＣＤＳを行うことを前提とするが、説明を単純化するため、ＣＤＳにより等価として扱える理想回路系において読み取りをＣ期間にのみ１回行うものとして説明する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＤＳを行うことにより上記のＤ期間に存在するオフセットの影響は除去することができるが、Ｂ期間およびＣ期間に生じるオフセットを除去することはできない。Ｂ期間およびＣ期間に生じるオフセットとして重大なものに漏れ電荷の存在がある。以下において、漏れ電荷の影響について説明する。
【００１５】
図９は、読み取り線１２ｊにおいて第１行目（第１走査線）の画素２２を読み取っているとき（すなわち、第１行目のＴＦＴ１８のみオンで、他の全てのＴＦＴ１８はオフのとき）の等価回路図である。この等価回路図において、もしＴＦＴ１８のオフ抵抗（ゲートがオフの状態におけるソース−ドレイン間の抵抗）が無限大であれば、第１行目の画素２２の蓄積容量１７ｉ以外は回路系から完全に遮断され、蓄積容量１７ｉから流出する電荷のみが帰還容量２０ｂに現れるはずである。しかし実際にはＴＦＴ１８のオフ抵抗は有限の値を有しているため、ＴＦＴ１８がオフである画素２２からもわずかながら読み取り線１２ｊとの間で電荷の移動（この電荷を以下、漏れ電荷と称す）を生じてしまう。
【００１６】
漏れ電荷の総量は、ＴＦＴ１８がオフ状態にある全ての画素２２の漏れ電荷の総和であり、センサの行数は例えば３０００本というように極めて大きいため、１つの画素２２からの漏れ電荷はわずかであっても、漏れ電荷の総量としては読み取ろうとする信号電荷に対して無視できないほど大きくなってしまう。
【００１７】
図１０は、漏れ電荷を考慮したＣＳＡ２０の出力電位の変化を誇張して表したグラフである。なお、Ｄ期間においては、前述したＣＤＳを行うことでその期間における電荷変動を取り除くことができるので、図１０では、Ｄ期間の電位変動はないものとして表している。
【００１８】
従来の方法では、信号電荷のみによる電位変動分（図８のＣＳＡ２０の出力に相当）は▲１▼であるのに対して、漏れ電荷による電位変動分▲２▼が存在するため、実際に読み取られる電位は▲１▼と▲２▼との和である▲３▼となってしまう。つまり、ＣＳＡ２０の帰還容量２０ｂに蓄積される電荷量は、読み取り中の画素２２から流出する信号電荷量に、漏れ電荷の総量がオフセットとして加わったものとなってしまう。このため、入射光量に対して正確なデータが得られないという問題があった。
【００１９】
この問題は、特に医療用Ｘ線画像診断装置に用いられる画像センサ４８において重大である。医療用Ｘ線画像診断装置の様態には、静止画としてのＸ線写真を得るための撮影モードと実時間での動画像を得るための透視モードとがある。透視モードにおいては、長時間患者にＸ線を照射し続ける必要があるため、可能な限りＸ線の照射強度を弱くして患者への被爆線量を下げる必要がある。可能な限りとは、要するに画像センサ４８の検知限界まで弱く、ということである。その場合の画像センサ４８を構成する画素２２の蓄積容量１７に充電される電荷（信号電荷）は極めて微量となってしまう。したがって、上記漏れ電荷の影響により画像センサ４８のＸ線に対する最小検知限界値が大きくなると、診断に必要な画像を得るために患者に照射するＸ線の照射強度を強くしなければならいという問題を引き起こしていた。
【００２０】
本発明の目的は、読み取り中の画素から流出する信号電荷量にオフセットとして加わる漏れ電荷の総量を補正することにより、正確な信号電荷量を読み取ることが可能な画像センサおよびそのデータ処理方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る画像センサのデータ処理方法は、２次元行列構造の画像センサのデータ処理方法であって、読み取り動作の開始に先立ってダミーの読み取り周期を加えることによりオフセット補正値の初期値を決定する第１ステップと、第１行の読み取り周期においては、前記オフセット補正値によりオフセット補正を行って、データ電荷量を決定する第２ステップと、前記第２ステップで決定された第１行のデータ電荷量から第１行の画素がオフセット補正値に寄与していた量を決定し、先のオフセット補正値から差し引くことで次の行のオフセット補正値とする第３ステップとを含み、前記第２ステップと前記第３ステップとを順次繰り返すことを特徴としている。
【００２２】
上記の方法では、第１行の読み取り周期に先立って、第１ステップにおいてダミーの読み取り周期（読み取りの際に発生する漏れ電荷量のみを読み取る周期）によって読み取られた値をオフセット補正値の初期値とすることができる。
【００２３】
次に第２ステップにおいて第１行の読み取り周期によって読み取られた値は、第１行の画素が画像データとして有していた信号電荷量と漏れ電荷の総和とを加えた値である。したがって、読み取られた電荷量から前記オフセット補正値を引くことにより、第１行の画素に蓄積されていた信号電荷量を得ることができる。ここで、厳密には前記オフセット補正値は全画素からの漏れ電荷を含むため、第１行の画素を読み取る際の実際のオフセット値に対して、第１ステップで第１行の画素から生じていた漏れ電荷分（オフセット補正値に対する第１行の画素の寄与分）に相当する誤差を有することになる。しかし、漏れ電荷を生じている画素の数は非常に大きいため、一つの画素の漏れ電荷量による誤差は無視できる程度である。そこで、第１ステップで得られたオフセット補正値を用いて補正を行うことにより、第１行の画素のデータ電荷量を決定することができる。
【００２４】
次に第３ステップにおいて第１行のデータ電荷量に基づいて第１行の画素がオフセット補正値の初期値に寄与していた量を決定し、オフセット補正値から差し引くことによって、オフセット補正値を更新する。そして、第２ステップおよび第３ステップを各行に対して順次繰り返す。ここで、各ステップで用いるオフセット補正値はその直前の読み取り周期における第３ステップにより更新されたオフセット補正値を用いるので、厳密にいえば、現在読み取り中の画素がオフセットに寄与していた量が誤差として存在してはいるものの（オフセットの総量に対しては極めて僅かなので）、このときのオフセット補正値は各行の読み取り時における実際の漏れ電荷の量に相当していると考えてよい。このため、各行において適切な補正をすることができ、正確なデータ電荷を得ることができる。
【００２５】
本発明の請求項２に係る画像センサのデータ処理方法は、２次元行列構造の画像センサーのデータ処理方法であって、読み取り動作の開始に先立ってダミーの読み取り周期を加えることによりオフセット補正値の初期値を決定する第１ステップと、第１行の読み取り周期においては、前記オフセット補正値によりオフセット補正を行って、データ電荷量を決定する第２ステップと、前記第２ステップで決定された第１行のデータ電荷量から第１行の画素がオフセット補正値に寄与していた量を決定し、先のオフセット補正値から差し引くことで次の行のオフセット補正値とする第３ステップと、前記第２ステップと前記第３ステップとを順次繰り返し、予め決定された数の行のデータを読み取った後、次の行の読み取りに先立って新たにダミーの読み取り周期を挿入し、そこで得られた値を新たなオフセット補正値の初期値として用いる第４ステップと、その次の行の読み取り周期においては、第４ステップで得られた値を補正値としてオフセット補正を行って、データ電荷量を決定する第５ステップと、前記第５ステップで決定された当該行のデータ電荷量から当該行の画素がオフセット補正値に寄与していた量を決定し、先のオフセット補正値から差し引くことでその次の行のオフセット補正値とする第６ステップとを含み、前記第５ステップと前記第６ステップとを順次繰り返すことを特徴としている。
【００２６】
上記の方法では、各行の読み取りとオフセット補正値の更新が順次繰り返し行われる途中に、新たにダミーの読み取り周期を加えることで、実際の漏れ電荷を読み取ることによるオフセット補正値の更新を行うことができる。各行のデータ電荷に基づきオフセット補正値の更新を行う場合は、オフセット補正値の更新時に誤差を含む。この誤差は更新が繰り返されることにより積算され、その積算された誤差が無視できない程度になり得る場合がある。このような場合であっても、あらかじめ定めた適当なタイミングでダミーの読み取り周期を実行することによりオフセット補正値をさらに更新して積算された誤差をキャンセルすることができる。
【００２７】
本発明の請求項３に係る画像センサのデータ処理方法は、各画素に形成された蓄積容量と、これら複数の蓄積容量のそれぞれとスイッチ素子を介して接続された読み取り線と、該読み取り線と接続され各画素の電荷量を順次画像データとして読み取る電荷読み取り手段とを有する画像センサのデータ処理方法であって、データを読み取る際、前記スイッチ素子が全てオフの状態で読み取りを行う期間を追加し、この期間に読み取られた電荷量をオフセット補正値として次の期間において画素の電荷量を読み取る際のオフセット補正に用いるようになっており、第ｋ（ｋは２以上の自然数）回目の画素の読み取りの際には、第（ｋ−１）回目の読み取りで得た電荷量に基づき順次更新されたオフセット補正値を用いてオフセット補正を行うことにより、順次画素データを読み取ることを特徴としている。
【００２８】
上記の方法では、データを読み取る際にスイッチ素子が全てオフの状態で読み取りを行うことにより、各スイッチ素子がオフの状態で発生する漏れ電荷の総和を得ることができる。得られた電荷量をオフセット補正値とすると、次の期間において画素の電荷量を読み取る際に含まれる漏れ電荷によるオフセット値は、先に求めたオフセット補正値に相当することから、このオフセット補正値により補正を行うことで、正確なデータ電荷を得ることができる。
【００３０】
また、上記の方法では、各画素データの読み取りを行うごとにオフセット補正値を順次更新するため、オフセット補正値は常に読み取りが行われていない画素（電荷が残っている画素）からの漏れ電荷の総和に相当する。そして、読み取られた値に対して更新されたオフセット補正値によって補正を行うことにより常に正確なデータ電荷を得ることができる。
【００３１】
本発明の請求項４に係る画像センサのデータ処理方法は、請求項３の画像センサのデータ処理方法において、順次画素データを読み取る途中で、再度前記スイッチ素子が全てオフの状態で読み取りを行う期間を設けて、この期間に読み取られた電荷量をオフセット補正値として次の期間において画素の電荷量を読み取る際のオフセット補正に用いることが好ましい。
【００３２】
上記の方法では、再度スイッチ素子が全てオフの状態で読み取りを行う期間を設けて、この期間に読み取られた電荷量を新たにオフセット補正値とすることにより、オフセット補正値に生じた誤差をキャンセルし再度適切なオフセット補正値に更新することができる。
【００３３】
本発明の請求項５に係る画像センサは、請求項１ないし４のいずれかに記載のデータ処理方法を制御する制御装置を有することを特徴としている。
【００３４】
上記の構成では、請求項１ないし４のいずれかに記載のデータ処理方法を制御装置により制御して実行することができる。これにより、画像センサが自動的に漏れ電荷に起因するオフセットを補正して画像データとすることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について図１ないし図６に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００３６】
図２は、本実施の形態に係る画像センサの回路図である。本画像センサはｍ本の走査線（行線）１０およびｎ本の読み取り線（列線）１２と（ｍ、ｎは自然数）、ｍ×ｎ個の行列状に配置された画素２２を有している。ここで、各読み取り線１２は同時に同じ動作をするため、図２では第ｊ列目（ｊは１以上、ｎ以下の整数）に関する画素２２のみ表し、他は第ｊ列目と同様とする。また、画素２２に相当する部分は従来の技術において説明に用いた図３および図４と同様の構成であり、図２においては蓄積容量１７およびＴＦＴ１８のみを表している。
【００３７】
走査線１０の第ｉ行目（ｉは１以上、ｍ以下の整数）に接続されている蓄積容量１７を蓄積容量Ｃi およびＴＦＴ（スイッチ素子）１８をスイッチＴi と表す。蓄積容量Ｃi の一方の電極には基準電位Ｖｒｅｆが印加されており、他方の電極はスイッチＴi のソースに接続されている。スイッチＴi のドレインは各読み取り線１２に接続されており、ゲートは各走査線１０に接続されている。走査線１０は走査線駆動器１４に接続されている。読み取り線１２は読み取り回路（電荷読み取り手段）１６に形成されているＣＳＡ２０の入力に接続されており、ＣＳＡ２０の出力は電位読み取り回路１６ａに接続されている。
【００３８】
ＣＳＡ２０は従来の技術において説明に用いた図５と同様の構成であり、演算増幅器２０ａ、帰還容量２０ｂおよびリセットスイッチ２０ｃを有している。また、演算増幅器２０ａの非反転入力には基準電位Ｖｒｅｆが印加されている。これにより、ＣＳＡ２０は出力として帰還容量２０ｂの両端に生じる電位差とＶｒｅｆの和に相当する電位を生じる。
【００３９】
電位読み取り回路１６ａに関して、その構成の一例を図６を用いて説明する。図６は、電位読み取り回路１６ａの基本的な構造を表した回路図である。ＣＳＡ２０の出力は必要に応じて主増幅器ＭＡに入力され、適当な電圧に増幅された後、サンプルホールド回路Ｓ／Ｈに電圧情報として記憶される。記憶された電圧はＡ／Ｄ変換器ＡＤＣによってディジタルデータに変換される。それ以後の処理はこのディジタルデータを用いて行うことが前提である。
【００４０】
走査線駆動器１４および読み取り回路１６は制御装置２４によって制御される。また、制御装置２４は記憶装置２４ａおよび演算装置２４ｂをも制御するように設置されている。
【００４１】
図１は、本画像センサ回路の動作を表すタイミングチャートおよび動作に対応したＣＳＡ２０の出力電位を表すグラフである。ここで、Ｇ（ｉ）は、走査線駆動器１４から走査線１０の第ｉ行目に出力される信号を表すタイミングチャートであり、信号がハイのときスイッチＴi のゲートがオンされ、蓄積容量Ｃi に蓄積された信号電荷が帰還容量２０ｂに移動する。また、Ｒｓｔはリセットスイッチ２０ｃに出力される信号を表すタイミングチャートであり、信号がハイのときリセットスイッチ２０ｃがオンされることにより、帰還容量２０ｂに蓄積された電荷量が０になり、ＣＳＡ２０がリセットされる。Ｓｍｐ（ｋ）（ｋは自然数）は電位読み取り回路１６ａによる第ｋ次の電位の読み取りのタイミングを表す。ＣＳＡ２０の出力電位Ｖを表すグラフにおいて、破線は信号電荷読み取り時の漏れ電荷の寄与分を表している。また、ここではＶｒｅｆは正の値を有するものとして表している。Ｖｒ（ｋ）は第ｋ次の読み取りにおけるＣＳＡ２０の出力電位、すなわち電位読み取り回路１６ａが読み取る電位を表す。
【００４２】
以下の動作は制御装置２４により制御され、演算は演算装置２４ｂにより行われ、読み取った結果および演算結果は適宜記憶装置２４ａに保存されて演算に用いられる。また、以下では、各蓄積容量Ｃi からの漏れ電荷量が各蓄積容量Ｃi が蓄積している電荷量に比べて十分小さいことから、漏れ電荷が発生しても各蓄積容量Ｃi に蓄積されている電荷量には変化がないものとして説明する。
【００４３】
まず、第１行目の読み取り周期の前に校正周期（ダミーの読み取り周期）に入る。校正周期では、全てのＴＦＴ１８がオフ状態のままで第０次の読み取り動作を実施する（Ｓｍｐ（０））。全てのＴＦＴ１８がオフであるので、このとき読み取った電位（Ｖｒ（０））は漏れ電荷を原因とする電位変化のみである。ここで、帰還容量２０ｂの容量値をＣｆとすると、Ｓｍｐ（０）において読み取られた第ｊ列目の全画素２２からの漏れ電荷の総和はＣｆ・（Ｖｒ（０）−Ｖｒｅｆ）と表すことができ、これをオフセット補正値の初期値とする。
【００４４】
次に、第１行目の読み取り周期に入る。走査線１０の第１行目にハイの信号が出力されることによりスイッチＴ1 がオンになり、蓄積容量Ｃ1 に蓄積されていた信号電荷および漏れ電荷が帰還容量２０ｂに移動する。続いて、スイッチＴ1 がオフになり、第１次の読み取り（Ｓｍｐ（１））を行い電位Ｖｒ（１）を読み取る。これにより、第１次の読み取り時に帰還容量２０ｂに蓄積されていた電荷量はＣｆ・（Ｖｒ（１）−Ｖｒｅｆ）と表すことができる。
【００４５】
ここで、第１次の読み取り時において第１行目の画素２２以外は、第０次の読み取り時と同じ状態であり、第ｊ列に含まれる画素数が非常に大きいことから、第１次の読み取り時における漏れ電荷量を上記のオフセット補正値の初期値であるＣｆ・（Ｖｒ（０）−Ｖｒｅｆ）としても実質的に問題はない。そこで、第ｉ行目の読み取り時の漏れ電荷による電荷量（オフセット補正値）をＱｏ（ｉ）とすると、Ｑｏ（１）は、
Ｑｏ（１）＝Ｃｆ・（Ｖｒ（０）−Ｖｒｅｆ）
とすることができる。これより、蓄積容量Ｃi のみから移動した電荷量をＱ（ｉ）とすると、Ｑ（１）は、
0003696434.tif 000002
となる。Ｑ（１）は、オフセット補正値Ｑｏ（１）により補正されているため、読み取りを行っている蓄積容量Ｃ1 のみからの電荷量であり、求めようとしている第１行目の信号電荷量に相当する。そこで、この補正された電荷量であるＱ（ｉ）を特にデータ電荷と呼ぶことにする。
【００４６】
ここで、校正周期において第１行目の蓄積容量Ｃ1 から流出した電荷量を考える。蓄積容量Ｃi の容量値を全画素共通でＣｐであるとすると、最初データ電荷Ｑ（１）が蓄積容量Ｃ1 に蓄積されていたことにより、蓄積容量Ｃ1 に発生していた電位差はＱ（１）／Ｃｐである。スイッチＴi のオフ抵抗を全画素共通でＲｏとし、校正周期において蓄積容量Ｃi から流れていた電流（漏れ電流値）をＩ（ｉ）とすると、Ｉ（１）は、
Ｉ（１）＝Ｑ（１）／（Ｃｐ・Ｒｏ）
となる。したがって、第０次の読み取りの前のリセットから第０次の読み取りまでの間の時間（読み取り期間）をＴｏとすると（第ｋ次の読み取りの前のリセットから第ｋ次の読み取りまでの間の時間もＴｏに等しい）、校正周期において第１行目の蓄積容量Ｃ1 から流出した電荷量はＩ（１）・Ｔｏとなる。
【００４７】
次に、第２行目の読み取り周期に入る。第２行目の読み取りも第１行目と同様にして行われる。ただし、第２行目の読み取りを行う際には第１行目の読み取りがすでに終了しているため、第１行目の蓄積容量Ｃ1 には有意義な量の電荷は残っていない。そのため、第１行目の蓄積容量Ｃ1 からの漏れ電荷は発生していないとみなしてよい。したがって、演算を行う際にはこのことを考慮してオフセット補正値Ｑｏ（２）を更新する必要がある。校正周期において第１行目の蓄積容量Ｃ1 から流出した電荷量は、上記の通りＩ（１）・Ｔｏであったので、オフセット補正値Ｑｏ（２）を
Ｑｏ（２）＝Ｑｏ（１）−Ｉ（１）・Ｔｏ
と更新する。したがって、蓄積容量Ｃ2 のみから移動した電荷、つまり補正されたデータ電荷Ｑ（２）は、
Ｑ（２）＝Ｃｆ・（Ｖｒ（２）−Ｖｒｅｆ）−Ｑｏ（２）
と求められる。また、校正周期において蓄積容量Ｃ2 から流れていた電流（漏れ電流値）Ｉ（２）は、
Ｉ（２）＝Ｑ（２）／（Ｃｐ・Ｒｏ）
となる。
【００４８】
同様にして、第３行目の読み取りを行うことにより、オフセット補正値Ｑｏ（３）、データ電荷Ｑ（３）、漏れ電流値Ｉ（３）は、それぞれ、
Ｑｏ（３）＝Ｑｏ（２）−Ｉ（２）・Ｔｏ
Ｑ（３）＝Ｃｆ・（Ｖｒ（３）−Ｖｒｅｆ）−Ｑｏ（３）
Ｉ（３）＝Ｑ（３）／（Ｃｐ・Ｒｏ）
となる。
【００４９】
以下同様の動作を第ｍ行目まで繰り返すことにより、全ての行に対して漏れ電荷によるオフセットの補正が可能となり、全ての行のデータ電荷を得ることができる。上記の演算を第ｉ行目について一般化すると、
Ｑｏ（ｉ）＝Ｑｏ（ｉ−１）−Ｉ（ｉ−１）・Ｔｏ
Ｑ（ｉ）＝Ｃｆ・（Ｖｒ（ｉ）−Ｖｒｅｆ）−Ｑｏ（ｉ）
Ｉ（ｉ）＝Ｑ（ｉ）／（Ｃｐ・Ｒｏ）
ただし、
Ｑｏ（０）＝Ｃｆ・（Ｖｒ（０）−Ｖｒｅｆ）
Ｉ（０）＝０
であり、信号電荷量に相当するデータ電荷はＱ（ｉ）である。
【００５０】
以上の一連の処理を各ステップごとにまとめると、以下の（１）ないし（４）となる。
（１）校正周期として全てのスイッチＴi がオフの状態で読み取りを行い、漏れ電荷量によるオフセット補正値の初期値を求めてオフセット補正値とする。
（２）第ｉ行目（ｉの初期値は１）の読み取り周期を行い、読み取られた電荷量からオフセット補正値を引くことにより、第ｉ行目のデータ電荷を決定する。
（３）（２）で決定された第ｉ行目のデータ電荷に基づいて、第ｉ行目の蓄積容量Ｃi が漏れ電荷量に寄与していた電荷量を決定し、その電荷量をオフセット補正値から引くことによりオフセット補正値を更新する。
（４）（２）および（３）を順次繰り返す（ｉを順次２、３、…、ｍとする）ことにより、第ｉ行目のデータ電荷を順次決定して全画素２２のデータ電荷を決定する。
【００５１】
なお、ｉは走査線が物理的に並んでいる順序を表したものではなく、読み取りを行う行の順番は任意である。
【００５２】
上記の漏れ電荷の影響に関して、具体的数値を用いて検討する。
１本の読み取り線に関して、読み取り条件として漏れ電流の観点から最も厳しい条件を考える。それは、第１行目の画素２２の蓄積容量Ｃ1 の信号電荷が、そのときの光線照射強度において得られる最小量であり、それ以外の全ての画素２２の信号電荷が最大量のときに、その第１行目の画素２２の読み取りである。そのとき、第１行目から読み取られる信号電荷量は最小で、それ以外の画素２２からの漏れ電荷量が最大となるからである。
【００５３】
全行数が３０００行（ｍ＝３０００）よりなる画像センサにおいて、各画素２２の蓄積容量１７の容量値Ｃｐが２［ｐＦ］、各画素２２のＴＦＴ１８のオフ抵抗Ｒｏが０．５×１０12［オーム］であり、蓄積容量Ｃ1 以外の蓄積容量Ｃ2 ないしＣ3000に光線の照射による信号電荷が蓄積され、最大画素電圧０．１［Ｖ］が生じているとする。このとき、蓄積容量Ｃ1 以外の各蓄積容量１７一つ当たりの漏れ電流値Ｉ（ｉ）は、
0003696434.tif 000003
となる。読み取り期間Ｔｏが２０［μｓ］であるとすると、このときの漏れ電荷の総和に相当する電子数は、電子の電荷量１．６×１０-19 ［Ｃ］を用いて、
（３０００−１）×０．２［ｐＡ］×２０［μｓ］／（１．６×１０-19 ［Ｃ］）＝７４９７５［電子数］
となる。すなわち、第１行の読み出し周期における漏れ電流によるオフセットは、最大約７５０００［電子数］に相当するということである。
【００５４】
いま、第１行の画素２２に蓄積されている信号電荷量が１００００［電子数］である場合を考える。このとき、ＣＳＡ２０の読み取りにより得られる情報は８５０００［電子数］となり、上記補正を行わなければ８５０００［電子数］より遙に小さい実際の電荷量（１００００［電子数］）を検出できない。しかし、オフセットが７５０００［電子数］であるという情報を上記の方法により得ることで、読み取られた情報（８５０００［電子数］）からオフセット（７５０００［電子数］）を引くことにより、正確な情報（１００００［電子数］）を得ることができる。
【００５５】
この場合において、補正を行わずに妥当な情報を得るためには、オフセット（７５０００［電子数］）を誤差と見なすことができる程度に、大きな電荷量を発生しうるＸ線強度が必要となる。
【００５６】
上記の補正方法により、基本的には全画素２２において正確な（信号電荷に対して十分誤差が小さい）データ電荷を得ることができるが、補正による多少の誤差が生じることは否めない。この誤差は、各列において行ごとに積算される。したがって、行末側（読み取り順序の末側）ほど誤差が大きくなる傾向を有する。回路の構成、測定方法、測定条件などによっては、この誤差が無視できない程度になる場合がある。そこで、本実施の形態の一変形例として、オフセット補正値を複数行ごとに校正する方法について説明する。
【００５７】
まず、校正周期から第Ｍ次の読み取り周期までは、上記と同様の動作を行う。つまり、第０次の読み取り動作においてオフセット補正値の初期値Ｑｏ（０）を求め、第１次から第Ｍ次までの読み取り動作において、オフセット補正値Ｑｏ（ｉ−１）および漏れ電流値Ｉ（ｉ−１）を用いて第ｉ行目のデータ電荷Ｑ（ｉ）を求める。
【００５８】
次に、第（Ｍ＋１）行目の読み取り周期に入る前に、第０次の校正周期と同様の校正周期を行う。つまり、全てのスイッチＴi がオフの状態で読み取り動作を行い、蓄積容量ＣM+1 ないし蓄積容量Ｃm から生じる漏れ電荷量を求めることにより、オフセット補正値ＱO （Ｍ＋１）を校正する。その後、校正したオフセット補正値を用いて第（Ｍ＋１）行目から第２Ｍ行目までの読み取り周期を行う。そして、第（２Ｍ＋１）行目の読み取り周期に入る前にも、校正周期を行うことによりオフセット補正値の校正を行い、以下同様の動作を繰り返す。
【００５９】
これを上記（１）ないし（３）のステップで説明すれば、（１）を１回行ったの後（２）および（３）をＭ回繰り返し行うという一連の処理を繰り返す（ただし、ｉは１からｍまで順次増加する）ということである。
【００６０】
これにより、上記の誤差の積算は最大でＭ回分に留まるため、適当なＭの値を用いることにより誤差を十分小さくすることができる。Ｍの最小値は１であり、このとき校正周期と読み取り周期を交互に行うことになる。Ｍの最大値は行の総数であるｍであり、これは本実施の形態で最初に示した方法に相当する。
【００６１】
本実施の形態および本実施の形態の変形例を実際のシステムヘ適用する場合においては、必ずしも以上の演算に厳密に拘束されるわけではない。電位読み取り回路１６ａの構成や読み取り周期の時間配分などにより、それぞれ適当に変形されることはいうまでもない。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１に係る画像センサのデータ処理方法は、２次元行列構造の画像センサのデータ処理方法であって、読み取り動作の開始に先立ってダミーの読み取り周期を加えることによりオフセット補正値の初期値を決定する第１ステップと、第１行の読み取り周期においては、オフセット補正値によりオフセット補正を行って、データ電荷量を決定する第２ステップと、第２ステップで決定された第１行のデータ電荷量から第１行の画素がオフセット補正値に寄与していた量を決定し、先のオフセット補正値から差し引くことで次の行のオフセット補正値とする第３ステップとを含み、第２ステップと第３ステップとを順次繰り返す方法である。
【００６３】
これにより、漏れ電荷に起因するオフセット補正値を求め、そのオフセット補正値を用いて読み取った電荷を補正することにより、正確なデータ電荷を求めることができる。したがって、ある読み取り周期における信号電荷量がその周期における漏れ電荷量より小さい場合でも、データ電荷を得ることが可能となる。また、信号電荷量が漏れ電荷量に比べて大きい場合でも、より正確なデータ電荷量を得ることが可能となる。その結果、画像データ検出のダイナミックレンジを大きくすることができ、より弱い光に対しても正確な画像データを検出する画像センサのデータ処理方法を提供することができるという効果を奏する。
【００６４】
また、特に医療用Ｘ線画像診断装置に対して本発明の画像センサのデータ処理方法を適用した場合、同一のＸ線強度を照射したときには、従来では検出できなかった微細な光による画像を検出することができる。その結果、診断に必要な情報の精度を向上させることができるという効果を奏する。また逆に、同一精度の画像を得るためには、画像センサに用いられるＸ線−電子正孔対の変換層により決定されるＸ線の最小強度の範囲内で、患者に照射するＸ線の強度を小さくすることができる。その結果、診断時に患者が被爆する被爆線量を下げることができるという効果を奏する。
【００６５】
本発明の請求項２に係る画像センサのデータ処理方法は、２次元行列構造の画像センサーのデータ処理方法であって、読み取り動作の開始に先立ってダミーの読み取り周期を加えることによりオフセット補正値の初期値を決定する第１ステップと、第１行の読み取り周期においては、オフセット補正値によりオフセット補正を行って、データ電荷量を決定する第２ステップと、第２ステップで決定された第１行のデータ電荷量から第１行の画素がオフセット補正値に寄与していた量を決定し、先のオフセット補正値から差し引くことで次の行のオフセット補正値とする第３ステップと、第２ステップと第３ステップとを順次繰り返し、予め決定された数の行のデータを読み取った後、次の行の読み取りに先立って新たにダミーの読み取り周期を挿入し、そこで得られた値を新たなオフセット補正値の初期値として用いる第４ステップと、その次の行の読み取り周期においては、第４ステップで得られた値を補正値としてオフセット補正を行って、データ電荷量を決定する第５ステップと、第５ステップで決定された当該行のデータ電荷量から当該行の画素がオフセット補正値に寄与していた量を決定し、先のオフセット補正値から差し引くことでその次の行のオフセット補正値とする第６ステップとを含み、第５ステップと第６ステップとを順次繰り返す方法である。
【００６６】
これにより、各行に対して順次読み取りを実行する途中の段階にダミーの読み取り周期を挿入することで、各読み取り時にオフセット補正値に対して発生した誤差が、読み取りの繰り返しに伴い積算される場合でも、ダミーの読み取り周期を実行するたびに積算された誤差をキャンセルすることができる。したがって、走査線数が非常に大きい画像センサに対しても、誤差を小さくすることができ、より正確な情報を得ることができるという効果を奏する。
【００６７】
本発明の請求項３に係る画像センサのデータ処理方法は、各画素に形成された蓄積容量と、これら複数の蓄積容量のそれぞれとスイッチ素子を介して接続された読み取り線と、該読み取り線と接続され各画素の電荷量を順次画像データとして読み取る電荷読み取り手段とを有する画像センサのデータ処理方法であって、データを読み取る際、スイッチ素子が全てオフの状態で読み取りを行う期間を追加し、この期間に読み取られた電荷量をオフセット補正値として次の期間において画素の電荷量を読み取る際のオフセット補正に用いるようになっており、第ｋ（ｋは２以上の自然数）回目の画素の読み取りの際には、第（ｋ−１）回目の読み取りで得た電荷量に基づき順次更新されたオフセット補正値を用いてオフセット補正を行うことにより、順次画素データを読み取る方法である。
【００６８】
これによると、スイッチ素子が全てオフの状態で読み取りを行うことにより、漏れ電荷に起因するオフセット補正値を求めることができる。このオフセット補正値を用いて、次に画素の電荷量を読み取る際に補正を行うことができる。したがって、漏れ電荷の影響を除去した正確な画像データを得ることができるという効果を奏する。
【００７０】
また、読み取ったデータに基づいてオフセット補正値を順次更新することにより、常に適切なオフセット補正値により補正を行うことができる。したがって、繰り返し読み取りを行う場合でも、常に正確な画素データを得ることができるという効果を奏する。
【００７１】
本発明の請求項４に係る画像センサのデータ処理方法は、請求項３の画像センサのデータ処理方法において、さらに、順次画素データを読み取る途中で、再度スイッチ素子が全てオフの状態で読み取りを行う期間を設けて、この期間に読み取られた電荷量をオフセット補正値として次の期間において画素の電荷量を読み取る際のオフセット補正に用いる方法である。
【００７２】
これによると、読み取りを繰り返す途中に再度漏れ電荷に起因するオフセット値を実際に求めることにより、オフセット補正値を実際の漏れ電荷量で更新することができる。したがって、読み取る画素数が大きい場合でも正確な画素データを得ることができるという効果を奏する。
【００７３】
本発明の請求項５に係る画像センサは、請求項１ないし４のいずれかに記載のデータ処理方法を制御する制御装置を有する構成である。
【００７４】
これによると、有限のオフ抵抗を有するために漏れ電荷を生じるＴＦＴなどのスイッチング素子を画素に用いた場合であって、一つの読み取り線に接続される画素数が大きく漏れ電荷の影響が無視できないときでも、読み取られた値に対して漏れ電荷の影響を補正して正確な情報を得ることができる。その結果、弱い光であっても良好な精度で検出できる高精度な画像センサを提供することができるという効果を奏する。
【００７５】
また、特に医療用Ｘ線画像診断装置に本発明の画像センサを用いた場合では、照射Ｘ線強度が小さく、高精度の画像情報を得ることができる医療用Ｘ線画像診断装置を提供することができるという効果を奏する。
【００７６】
さらに、スイッチング素子のオフ抵抗に起因する漏れ電荷の影響を補正により除去するため、オフ抵抗値が従来より一桁ないしそれ以上低いスイッチング素子を画素に用いた場合でも画像データの精度を保つことができる。したがって、画像センサの生産において、画素に形成するスイッチング素子のオフ抵抗値の許容範囲を広くすることができることにより、画像センサの生産性を向上させ、生産コストを抑制することができるという効果を奏する。また、スイッチング素子のオフ抵抗値は経年変化により低下する傾向にあるが、オフ抵抗値の低下が進んだ状態でも実用上差し支えない性能を維持することができる。したがって、画像センサの寿命を延長することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る画像センサのデータ処理方法の動作を表すタイミングチャートおよび動作に対応した電荷感応増幅器（ＣＳＡ）の出力電位を表すグラフである。
【図２】本発明の実施の一形態に係る画像センサの回路図である。
【図３】一般的な２次元行列構造の画像センサの概略図である。
【図４】図３におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図５】電荷量の読み取りに使われる電荷感応増幅器（ＣＳＡ）の基本的な構造を表した回路図である。
【図６】電位読み取り回路の基本的な構造を表した回路図である。
【図７】従来のＴＦＴと蓄積容量を含めた１画素当たりの読み取りの等価回路図である。
【図８】従来の読み取り動作のタイミングチャートおよび電荷感応増幅器（ＣＳＡ）の出力電位を表すグラフである。
【図９】従来の読み取り線において画素を読み取っているときの等価回路図である。
【図１０】従来の読み取り動作のタイミングチャートおよび漏れ電荷を考慮した電荷感応増幅器（ＣＳＡ）の出力電位の変化を表すグラフである。
【符号の説明】
１０      走査線（行線）
１２      読み取り線（列線）
１４      走査線駆動器
１６      読み取り回路（電荷読み取り手段）
１７      蓄積容量
１８      薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）（スイッチ素子）
２２      画素
２４      制御装置
２４ａ    記憶装置
２４ｂ    演算装置
４８      画像センサ
【図１】
0003696434.tif 000004
【図２】
0003696434.tif 000005
【図３】
0003696434.tif 000006
【図４】
0003696434.tif 000007
【図５】
0003696434.tif 000008
【図６】
0003696434.tif 000009
【図７】
0003696434.tif 000010
【図８】
0003696434.tif 000011
【図９】
0003696434.tif 000012
【図１０】
0003696434.tif 000013