(57)【要約】【解決手段】本発明は、読み出し回路に接続されている検出器を有するデジタル・イメージング・アーキテクチャを提供するものであって、前記読み出し回路は特定のモードで機能し、前記モードは、前記検出器から前記読み出し回路に転送される入力信号の特徴、若しくは前記読み出し回路から要求される出力信号の特徴に基づいて使用することができる。例えば、前記入力信号がある特定の大きさを有する場合、前記読み出し回路は、前記入力信号を測定可能なレベルに増幅することができる第１のモードで機能し、前記入力信号が別の大きさを有する場合、前記読み出し回路は、別の増幅を伴う、若しくは増幅を伴わない前記入力信号を読み出し可能な代替モードで機能することができる。前記入力信号に様々なレベルの増幅を提供するために複数のモードを実装することが可能であり、例えば、３若しくはそれ以上の前記読み出し回路の動作モードを実装することができる。さらに、同じ入力信号の読み出しに２つ以上のモードを用いることも可能である。従って、本発明のデジタルイメージング装置およびシステムは幅広いダイナミックレンジの検出を提供することが可能であり、同ダイナミックレンジにより、高速なピクセル読み出し時間において、検出器からの敏感な信号を増幅して外部ノイズ源に対する前記入力信号のノイズ排除性を向上させ、更に増幅を殆どまたは全く行わずに、より大きな信号を読み出すことができる。また、本発明は、前記読み出し回路に電流減算回路を実装することによって、ダイナミックレンジの検出をさらに向上する手段も提供する。この電流減算回路は、例えば、電荷増幅率が高くなる場合に飽和する可能性のある、前記読み出し回路の一部を通って流れる総電流量を減少するために使用することができる。総出力電流の減少により、前記入力信号の増幅がより大きくなるため、より小さな入力信号の検出が可能となる一方前記読み出し回路内での飽和の可能性が低くなり、その結果、前記装置の前記ダイナミックレンジが拡大するものである。【選択図】      図１１
2007502061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタルイメージング装置であって、
ａ）入射する光子に応答して第１の信号を生成する検出器と、
ｂ）前記第１の信号を受信し、前記第１の信号を表す第２の信号を生成するための、前記検出器に接続されたマルチモード読み出し回路であって、このマルチモード読み出し回路は２若しくはそれ以上の動作モード間で切替可能であり、望ましい動作モードが前記第１の信号の特徴に基づいて決定される、前記マルチモード読み出し回路と
を有するデジタルイメージング装置。
【請求項２】
請求項１記載のデジタルイメージング装置において、前記第１の信号の特徴には、前記第１の信号の大きさが含まれるものである。
【請求項３】
請求項２記載のデジタルイメージング装置において、前記大きさは、既定の閾値以下であり、前記マルチモード読み出し回路の前記望ましい動作モードには、前記第２の信号を生成するための前記１の信号の増幅が含まれるものである。
【請求項４】
請求項１記載のデジタルイメージング装置において、前記マルチモード読み出し回路は、前記第１の信号を表す第２の信号を２若しくはそれ以上の動作モードで生成し、それにより、前記第１の信号を表す２若しくはそれ以上の第２の信号を生成するものである。
【請求項５】
請求項１記載のデジタルイメージング装置において、前記マルチモード読み出し回路は、手動スイッチを使用して、前記２若しくはそれ以上の各動作モード間で切り替えが可能である。
【請求項６】
請求項１記載のデジタルイメージング装置において、前記マルチモード読み出し回路は、自動スイッチを使用して、前記２若しくはそれ以上の各動作モード間で切替可能である。
【請求項７】
請求項６記載のデジタルイメージング装置において、前記自動スイッチは、フィードバック回路を含むものである。
【請求項８】
請求項６記載のデジタルイメージング装置において、前記自動スイッチは、事前にプログラムされたシーケンスに応答するものである。
【請求項９】
請求項１記載のデジタルイメージング装置において、前記読み出し回路は、２若しくはそれ以上の設定を有する再設定可能な回路をさらに有し、前記再設定可能な回路の各設定は前記マルチモード読み出し回路の特定動作モードを定義するものである。
【請求項１０】
請求項９記載のデジタルイメージング装置において、前記再設定可能な回路は、電荷増幅器回路、電圧増幅器回路、電圧バッファ回路および負荷回路を含むグループから選択された回路として機能するように設定することができるものである。
【請求項１１】
請求項１記載のデジタルイメージング装置において、このデジタルイメージング装置は、さらに、
１若しくはそれ以上の追加的な検出器を有し、この１若しくはそれ以上の追加的な検出器は前記マルチモード読み出し回路に接続されているものである。
【請求項１２】
請求項１記載のデジタルイメージング装置において、前記マルチモード読み出し回路は、可変容量値を有する２若しくはそれ以上のキャパシタを含み、前記２若しくはそれ以上のキャパシタは並列され、各キャパシタ間で切り替わるように設定され、それにより、２若しくはそれ以上の増幅率を提供するものである。
【請求項１３】
請求項１記載のデジタルイメージング装置において、前記マルチモード読み出し回路は、１若しくはそれ以上のトランジスタを有し、前記トランジスタは、非晶質シリコンＴＦＴｓトランジスタ、多結晶シリコンＴＦＴｓトランジスタ、微結晶ＴＦＴｓトランジスタ、ナノ結晶シリコンＴＦＴｓトランジスタ、および結晶シリコントランジスタを有するグループから選択されるものである。
【請求項１４】
請求項１記載のデジタルイメージング装置において、前記マルチモード読み出し回路は、３つの動作モードを含むものである。
【請求項１５】
ずらり並んだデジタルイメージング装置を有するデジタル・イメージング・システムであって、各デジタルイメージング装置が、
ａ）入射する光子に応答して第１の信号を生成する検出器と、
ｂ）前記第１の信号を受信し、前記第１の信号を表す第２の信号を生成するための、前記検出器に接続されたマルチモード読み出し回路であって、このマルチモード読み出し回路は２若しくはそれ以上の動作モード間で切替可能であり、望ましい動作モードが前記第１の信号の特徴に基づいて決定される、前記マルチモード読み出し回路と
を有するデジタル・イメージング・システム。
【請求項１６】
請求項１５記載のデジタル・イメージング・システムにおいて、２若しくはそれ以上のデジタルイメージング装置の特定グループは、前記マルチモード読み出し回路に共通部分を有するものである。
【請求項１７】
請求項１６記載のデジタル・イメージング・システムにおいて、前記システムは、前記読み出し回路の共通部分に信号を多重化することを可能にする多重化回路をさらに有するものである。
【請求項１８】
請求項１６記載のデジタル・イメージング・システムにおいて、前記多重化回路は、１若しくはそれ以上のマルチプレクサを含むものである。
【請求項１９】
請求項１６記載のデジタル・イメージング・システムにおいて、前記多重化回路は、１若しくはそれ以上のスイッチング回路を含むものである。
【請求項２０】
デジタルイメージング装置であって、
ａ）入射する光子に応答して第１の信号を生成する検出器と、
ｂ）前記第１の信号を表す第２の信号を生成するため、前記検出器に接続された読み出し回路であって、この読み出し回路は、望ましい信号を生成するための減算回路を含み、前記第２の信号と前記望ましい信号を結合し、且つ前記結合された第２の信号と望ましい信号を表す第３の信号を生成するものである、前記読み出し回路と
を有するデジタルイメージング装置。
【請求項２１】
請求項２０記載のデジタルイメージング装置において、前記読み出し回路は、２若しくはそれ以上の動作モード間で切替可能なマルチモード読み出し回路であり、望ましい動作モードは、前記第１の信号の特徴に基づいて決定されるものである。
【請求項２２】
Ｘ線撮影または光学的イメージングのための、請求項１または２０のデジタルイメージング装置の使用。
【請求項２３】
請求項２２記載のデジタルイメージング装置の使用において、Ｘ線撮影は透視検査、胸部Ｘ線撮影、およびマンモグラフィーを含むものである。
【請求項２４】
請求項２３記載のデジタルイメージング装置の使用において、透視検査はリアルタイム透視検査を含むものである。
【請求項２５】
デジタルイメージング法は、
ａ）入射する光子を検出器によって検出する工程と、
ｂ）前記検出器によって前記光子に応答する第１の信号を生成する工程と、
ｃ）前記検出器に接続されたマルチモード読み出し回路によって、前記第１の信号を受信する工程と、
ｄ）前記マルチモード読み出し回路によって、前記第１の信号を表す第２の信号を生成する工程であって、前記マルチモード読み出し回路が２若しくはそれ以上の動作モード間で切替可能であり、望ましい動作モードが前記第１の信号の特徴に基づいて決定されるものである、前記生成する工程と、
ｅ）前記第２の信号をデジタル信号プロセッサに転送する工程と
を有する方法。
【請求項２６】
デジタルイメージング法は、
ａ）入射する光子を検出器によって検出する工程と、
ｂ）前記検出器によって前記光子に応答する第１の信号を生成する工程と、
ｃ）前記検出器に接続された読み出し回路によって前記第１の信号を受信する工程と、
ｄ）前記読み出し回路によって、前記第１の信号を表す第２の信号を生成する工程であって、前記読み出し回路が望ましい信号を生成するための電流減算回路を含むものである、前記生成する工程と、
ｅ）前記第２の信号と前記望ましい信号を結合する工程と、
ｆ）前記結合された第２の信号と前記望ましい信号を表す第３の信号を生成する工程と、
ｇ）前記第３の信号をデジタル信号プロセッサに転送する工程と
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルイメージング分野に関して、具体的には、マルチモード・デジタル・イメージング装置およびシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アクティブ・マトリックス・フラットパネル・イメージャー（ＡＭＦＰＩ）は、広領域を読み出しが可能であることから、デジタルイメージングにおいてかなり重要性を増してきており、最近では、医療画像診断用のアプリケーションにおいて重要性が増している。前記アクティブマトリックスの基本単位であるピクセルには、収集された電子を外部電子機器に効率的に転送してデータ収集するための検出器と読み出し回路とが含まれる。大領域のＸ線イメージングに最も一般的に使われるピクセルアーキテクチャは、図１ａが示すようなパッシブ・ピクセル・センサー（ＰＰＳ）である。同図において、検出器（例えば非晶質セレン（ａ−Ｓｅ）を基材とする光伝導体または非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）ＰＩＮ光ダイオードと結合されたヨウ化セシウム（ＣｓＩ）リンは、ａ−Ｓｉ：Ｈ薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）スイッチを有する読み出し回路と統合されている。信号電荷は、インテグレーション周期中にピクセルキャパシタンスに蓄積され、読み出し／リセット周期中に、前記ＴＦＴスイッチを介して外部の電荷増幅器に転送される。このキャパシタンスは、前記ａ−Ｓｅ光伝導体を配置するための前記ＰＩＮ光ダイオードキャパシタンス、または統合された蓄電キャパシタである。図１ｂはＰＰＳピクセルの１シーケンスの動作を示すタイミングチャートである。周期１１０はインテグレーション周期を表し、周期１２０は読み出し／リセット周期を表す。例えば、二重抽出法が用いられた場合に、その他のシーケンスが可能であり、この場合、二重抽出機構は通常、前記回路内の不均一性が及ぼす影響を補正するために用いられる。これらの不均一性には、オフセットという形で現れる工程上の不均一性が含まれ、ａ−Ｓｉ：Ｈの技術においては、トランジスタの不安定性によってピクセル回路性能の不均一性が生じる場合がある。例えば、国際公開公報第ＷＯ９６３４４１６号公報および第ＷＯ９７０５６５９号公報は、ＰＰＳアーキテクチャを使用した放射線イメージングのためのフラットパネル検出器について開示している。
【０００３】
前記ＰＰＳはコンパクトであるため高分解能イメージングに敏感に反応するという利点があるが、低線量の透視検査のように低入力、リアルタイム、および大領域のアプリケーションの場合、前記ＰＰＳの小さい出力信号を読み出すには高性能の電荷増幅器が要求される。このような電荷増幅器は、低信号レベルで信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を劣化させるノイズの原因となる場合があり、それにより、前記ピクセルのダイナミックレンジに悪影響を及ぼす。特に、透視検査は、リアルタイムの読み出しを必要とするため、フラットパネル・イメージング・システムを適用する上で最も困難なアプリケーションの１つである場合がある。リアルタイムのＸ線イメージングまたは透視検査は、Ｘ線を使って透視しながら動脈系にカテーテルを通して動作する手順を伴う多くの医療介入手順で用いられる。これらのタイプの透視検査に関して解決されるべき技術的問題点は、極めて低いノイズ、または読み出し前の信号サイズの増加を必要とする点である。Ｓｉ：Ｈ  ＰＰＳピクセルに関する研究によって、これらのシステムをより高度なイメージングアプリケーションに応用するにはＳＮＲの大幅な改善が望ましいと提言されている。
【０００４】
ＳＮＲの改善方法の１つが国際公開公報第ＷＯ０２０６７３３７号公報に開示されており、図２ａが示すようなａ−Ｓｉ：Ｈ電流媒介アクティブ・ピクセル・センサー（Ｃ−ＡＰＳ）を介して現場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）（またはピクセル）を増幅することによって、前記ＳＮＲを向上することが可能であることが開示されている。増幅率、線形性、ノイズに関する報告結果には改善が見られ、ａ−Ｓｉ：Ｈ  Ｃ−ＡＰＳをａ−ＳｅまたはＣｓＩ／ＰＩＮ光ダイオードのような確立されたＸ線検出技術と組み合わせることによって、１０００電子ノイズ未満という、デジタルＸ線透視検査によって要求されるノイズに対する厳しい制約が満たされる可能性を示している。
【０００５】
透視検査で発生するような小さくてノイズの影響を受けやすい入力信号を増幅させるために、前記Ｃ−ＡＰＳピクセルを、リセット周期、インテグレーション周期、読み出し周期という３つの動作周期において使用することができる。図２ｂは、二重抽出機構を採用した前記Ｃ−ＡＰＳ読み出し回路の動作方法を示すタイミング図である。このシーケンスにおいて、前記インテグレーション周期２１０の間、読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ２４とリセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ２１はオフに維持され、アンプリセット（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ）トランジスタ２７はオンに維持される。検出器２２に入射する光子によって、ノード２０１においてキャパシタンスＣ検出器（ＣＤＥＴＥＣＴＯＲ）に放電または充電を行う電子と正孔のペアが生成されることにより、ノード２０１における電圧、すなわちＶＧが(ＶＧ量分、低下または上昇する。Ｃ検出器（ＣＤＥＴＥＣＴＯＲ）は主に、検出器２２キャパシタンスと、使用可能な任意の蓄電キャパシタとを含む。
【０００６】
読み出し周期２２０はインテグレーション周期２１０に続き、この周期中に読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ２４はオンになり、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ２１はオフに維持され、アンプリセット（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ）トランジスタ２７はオフになり、その結果として、アンプ（ＡＭＰ）トランジスタ２３および読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ２４の分岐に流れるＶＧ±ΔＶＧに比例する電流（ＩＢＩＡＳ±ΔＩＢＩＡＳ）が生じる。次に、前記電流（ＩＢＩＡＳ±ΔＩＢＩＡＳ）は電荷増幅器２５によって統合され、出力電圧（ＶＯＵＴ１）を得て、同電圧を前記増幅器フィードバックキャパシタ２６に蓄電する。
【０００７】
リセット周期２３０は、前記読み出し周期２２０に続いて起こり、この周期中にリセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ２１はオンにパルスされ、Ｃ検出器（ＣＤＥＴＥＣＴＯＲ）が充電または放電され、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ２１がオンである間にノード２０１において前記電圧がＶＧにリセットされる。このリセット周期中に、読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ２４はオフになり、アンプリセット（ＡＭＰ＿ＲＥＳＳＥＴ）トランジスタ２７はオンになる。
【０００８】
二重抽出操作を行うために、前記リセット周期２３０に続いて追加読み出し周期２４０が生じ、再び読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ２４がオンになり、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ２１がオフになり、アンプリセット（ＡＭＰ＿ＲＥＳＳＥＴ）トランジスタ２７がオフになる。ＩＢＩＡＳは電荷増幅器２５によって統合され、出力電圧（ＶＯＵＴ２）を得て、同電圧をフィードバックキャパシタ２６に蓄電する。ＶＯＵＴ２からＶＯＵＴ１を差し引くことによって、(ＶＧに比例し且つ不均一性のない(ＶＯＵＴが得られる。
【０００９】
ΔＩＢＩＡＳはΔＶＧに比例するものであり、次の式によって得られる。
ΔＩＢＩＡＳ  ＝  ｇｍΔＶＧ
この式においてｇｍは、前記アンプ（ＡＭＰ）トランジスタ２３および読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ２４の回路分岐のトランスコンダクタンスである。
【００１０】
前記Ｃ−ＡＰＳは電荷増幅Ｇｉを生成し、前記ノイズの影響を受けやすい入力信号を増幅する。Ｃ−ＡＰＳのＧｉは次の式によって得られる。
Ｇｉ  ＝  （ｇｍＴＳ）／ＣＤＥＴＥＣＴＯＲ
この式において、ＴＳは、ＩＢＩＡＳおよびΔＩＢＩＡＳが前記フィードバックキャパシタ２６上で統合される時間である。上記の等式が示すように、Ｇｉはｇｍ、ＴＳ、および適切なＣＤＥＴＥＣＴＯＲの選択によってプログラム可能である。
【００１１】
前記Ｃ−ＡＰＳ回路に伴う懸念は、前記Ｘ線入力信号上に小信号の線形制約が存在することである。被爆レベルの低いリアルタイムの透視検査にそのようなピクセル増幅器を用いることは、前記増幅器入力における電圧変化も小さく、ｍＶに順ずるため、可能である。しかし、デジタル胸部Ｘ線撮影、マンモグラフィー、あるいはより高い線量の透視検査のようなアプリケーションにおいては、Ｘ線被爆レベルが高くなるため増幅器入力における電圧変化ははるかに大きくなり得るため、Ｃ−ＡＰＳピクセル出力が非線形となり、従って、ピクセルのダイナミックレンジが減少する。ピクセル伝達関数の非線形性がもたらす別の問題は、この非線形性によって、標準的な二重抽出機構がハードウェアで実装不能になることである。
【００１２】
さらに、Ｃ−ＡＰＳピクセルのもう１つの欠点は、大出力電流の存在によって、外部またはパネル外の電荷増幅器が飽和することである。また、ｇｍはＩＢＩＡＳに比例するため、高い電荷増幅が必要とされる場合に、大きいピクセル出力電流が生じる可能性もある。
【００１３】
国際公開公報第ＷＯ０２０６７３３７号公報に開示されている別の方法では、ａ−Ｓｉ：Ｈ電圧媒介アクティブ・ピクセル・センサー（Ｖ−ＡＰＳ）と呼ばれる、ほぼユニティゲインに達するピクセル増幅器が報告されている。図３は、Ｖ−ＡＰＳのアーキテクチャを示す。読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ３４、アンプ（ＡＭＰ）トランジスタ３３およびリセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ３１はＶ−ＡＰＳピクセルのコンポーネントであり、Ｃ−ＡＰＳピクセルと類似の方法で機能する。抵抗負荷３５をピクセル出力ノードに接続し、アンプ（ＡＭＰ）トランジスタ３３および読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ３４の分岐における電流を出力電圧に変換する。抵抗負荷３５は抵抗負荷デバイスまたはトランジスタ負荷デバイスを含む。前記入力信号電圧ＶＧは、ほぼユニティゲインに近いピクセル出力電圧に変換される。前記Ｖ−ＡＰＳは前記Ｃ−ＡＰＳと同様に、リセット周期、インテグレーション周期、および読み出し周期という３つの動作周期において使用が可能である。前記Ｃ−ＡＰＳと同様に、前記Ｖ−ＡＰＳにも、回路内の不均一性の影響を補正するために二重抽出機構を適用することができる。前記Ｖ−ＡＰＳのアーキテクチャに伴う問題は、本質的に前記入力信号に増幅率が提供されないことである。加えて、現在最先端の非晶質シリコン技術を用いても、大カラムのバスキャパシタンスの充電および放電が行われるときにこのアーキテクチャを使用してリアルタイムの読み出しを達成することは困難である。
【００１４】
従って、高い増幅率を達成するために大きいピクセル出力電流を供給する一方で、リアルタイムの読み出しを達成し、より広範な入力信号を感知することのできるピクセル設計が必要である。
【００１５】
この背景情報は、本発明の関連情報であると本発明の出願者が考える情報を提示する目的で提供されるものである。必ずしも、前述の情報によって、先行技術が本発明に対抗するものであることを承認する意図はなく、そのように解釈されるべきでもない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の目的の１つはマルチモード・デジタル・イメージング装置およびシステムを提供することである。本発明の特徴の１つに基づき、デジタルイメージング装置が提供され、この装置は、入射する光子に応答して第１の信号を生成する検出器および、前記検出器に接続され、前記第１の信号を受信し、前記第１の信号を表す第２の信号を生成するためのマルチモード読み出し回路とを有するものであって、前記マルチモード読み出し回路は２若しくはそれ以上の動作モード間で切替可能であって、望ましい動作モードは前記第１の信号の特徴に基づいて決定される。
【００１７】
本発明の別の特徴に基づいて、デジタルイメージング装置のアレイを有するデジタル・イメージング・システムが提供され、各デジタルイメージング装置は、入射する光子に応答して第１の信号を生成する検出器および、前記検出器に接続され、前記第１の信号を受信し、前記第１の信号を表す第２の信号を生成するためのマルチモード読み出し回路とを有するものであって、前記マルチモード読み出し回路は２若しくはそれ以上の動作モード間で切替可能であって、望ましい動作モードは前記第１の信号の特徴に基づいて決定される。
【００１８】
本発明の別の特徴に基づいて、デジタルイメージング装置が提供され、この装置は入射する光子に応答して第１の信号を生成する検出器および、前記検出器に接続され、前記第１の信号を表す第２の信号を生成するための読み出し回路とを有し、前記読み出し回路は、望ましい信号を生成するための電流減算回路を含み、前記読み出し回路は前記第２の信号と前記望ましい信号とを結合し、前記読み出し回路は前記結合された第２の信号と望ましい信号とを表す第３の信号を生成する。
【００１９】
本発明の別の特徴に基づいて、デジタルイメージング法が提供され、この方法は、入射する光子を検出器によって検出する工程と、前記光子に応答して第１の信号を前記検出器によって生成する工程と、前記検出器に接続されているマルチモード読み出し回路によって前記第１の信号を受信する工程と、前記マルチモード読み出し回路によって前記第１の信号を表す第２の信号を生成する工程とを有し、前記マルチモード読み出し回路は２若しくはそれ以上の動作モード間で切替可能であり、望ましい動作モードは前記第１の信号の特徴に基づいて決定され、この方法はさらに、前記第２の信号をデジタル信号プロセッサに転送する工程を有する。
【００２０】
本発明の別の特徴に基づいて、デジタルイメージング法が提供され、この方法は、入射する光子を検出器によって検出する工程と、前記光子に応答して第１の信号を前記検出器によって生成する工程と、前記検出器に接続されている読み出し回路によって前記第１の信号を受信する工程と、前記読み出し回路によって前記第１の信号を表す第２の信号を生成する工程とを有し、前記読み出し回路は望ましい信号を生成するための電流減算回路を含み、この方法はさらに、前記第２の信号と前記望ましい信号とを結合する工程と、前記結合された第２の信号と望ましい信号を表す第３の信号を生成する工程と、前記第３の信号をデジタル信号プロセッサに転送する工程とを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
定義
「検出器」という用語は、電磁スペクトルの任意の領域における放射線の光子を電荷に変換するデバイスを定義するように使われている。
【００２２】
「センサー」という用語は、１若しくはそれ以上の検出器と読み出し回路との組み合わせを定義するように使われている。
【００２３】
「ユニティゲイン」という用語は、電流または電圧の増幅率を定義するために使われるものであって、入力信号が増幅された結果として得られる出力信号は、前記入力信号と同一の大きさまたは異なる大きさを有するものである。
【００２４】
特に別の定義付けがない限り、本明細書で使用するすべての技術用語および科学用語は、本発明の分野の当業者によって一般に理解されている意味と同義である。
【００２５】
本発明は、読み出し回路に接続されている検出器を有するデジタル・イメージング・アーキテクチャを提供するものであって、前記読み出し回路は特定のモードで機能し、前記モードは、前記検出器から前記読み出し回路に転送される入力信号の特徴、若しくは前記読み出し回路から要求される出力信号の特徴に基づいて使用することができる。各検出器は同検出器に入射する光子に応答して光キャリアを生成し、電荷を発生させることにより、前記検出器の両端の電圧の変化をもたらす。この電圧変化により前記読み出し回路に対して前記入力信号が発生し、次に前記読み出し回路は前記入力信号を表す電流または電荷を出力する。例えば、前記入力信号がある特定の大きさを有する場合、前記読み出し回路は、前記入力信号を測定可能なレベルに増幅することができる第１のモードで機能し、前記入力信号が別の大きさを有する場合、別の増幅を伴う、若しくは増幅を伴わない前記入力信号を読み出し可能な代替モードで機能することができる。低線量透視検査、高線量透視胸部Ｘ線撮影、マンモグラフィーなどのアプリケーションにおける本発明を実施形態場合、周知であるように、２つのモードによって、これらのＸ線検出技術、あるいは別の検出技術にとって十分なダイナミックレンジを提供することが可能である。しかし、前記入力信号に様々なレベルの増幅を提供するために追加的なモードを実装することが可能であり、例えば、３つ若しくはそれ以上の前記読み出し回路の動作モードを実装することができる。さらに、同じ入力信号の読み出しに２つ以上のモードを用いることも可能である。一部の実施形態においては、前記読み出し回路の動作モードの選択は、手動または自動で実行される。例えば、自動切り替えシステムは、周知であるように、前記読み出し回路の適切な動作モードを自動選択することを可能にするフィードバック回路、前記読み出し回路の適切な動作モードを自動選択することを可能にする事前にプログラムされたシーケンス、若しくは前記読み出し回路の適切な動作モードを自動選択することを可能にするその他の手段を有することができる。従って、本発明のデジタルイメージング装置およびシステムは幅広いダイナミックレンジの検出を提供することが可能であり、同ダイナミックレンジにより、高速なピクセル読み出し時間において、検出器からの敏感な信号を増幅して外部ノイズ源に対する前記入力信号のノイズ排除性を向上させ、更に増幅を殆どまたは全く行わずにより大きな信号を読み出すことができる。
【００２６】
本発明の実施形態は、前記読み出し回路に電流減算回路を実装することによって、ダイナミックレンジの検出をさらに向上する手段も提供する。この電流減算回路は、例えば、電荷増幅率が高くなる場合に飽和する可能性のある、前記読み出し回路の一部を通って流れる総電流量を減少ために使用することができる。総出力電流の減少により、前記入力信号の増幅がより大きくなるため、より小さな入力信号の検出が可能となり、その結果、前記センサーの前記ダイナミックレンジが拡大する。
【００２７】
各ピクセルは、通常、１つの検出器を有するが、各ピクセルに２つ以上の検出器が存在する場合があると考えられる。また、前記読み出し回路は、パネル上のピクセル内に部分的に存在し、イメージングパネル外に部分的に存在すること、あるいは実質的にイメージングパネル上に存在する場合がある。前記イメージングパネルは、例えばガラス基板などを有する硬質なものでも、例えば、柔軟なプラスチックまたは柔軟な金属基板など柔軟なものでもよい。また、本発明は２つ以上のイメージングパネルを有することもできる。例えば、１つのパネルに前記センサーの一部が含まれ、別のパネルに前記センサーのその他の部分が含まれる場合がある。さらに、前記ピクセルエレクトロニクスを、単一のチップまたは複数のチップ上に加工することができる。また、高充填比を提供するために、ピクセル内に存在する前記読み出し回路を、物理的に、前記検出器と同一平面上に配置してもよいし、この読み出し回路を前記検出器の下に埋め込でもよいし、若しくは前記検出器上に加工してもよい。
【００２８】
ピクセルの列、行、またはグループに共通の読み出し回路の部分を、１配列におけるこれらのピクセルの間で多重化することができる。従って、本発明の様々な実施形態において、列、行、あるいはグループに共通の読み出し回路をピクセル間で多重化することができ、この多重化には、例えば、切り替え回路または多重回路など追加的な回路が必要とされる場合があることを、当業者であれば容易に理解するであろう。加えて、マルチプレクサを用いて、例えばピクセルの列、行、あるいはグループに必要とされる増幅器の総数を減少させて、前記読み出し回路の複雑さを軽減するために使用することも可能である。さらに、列または行に共通の読み出し回路を実装し、前記共通読み出し回路を各ピクセルに個別に割り当てることもできる。また、周知であるように、様々な実施形態のピクセルを任意のサイズのアレイに実装してもよい。さらに、読み出し回路の一部が１若しくはそれ以上のピクセルの列によって共有されている場合、前記回路は１若しくはそれ以上のピクセルの行あるいは１若しくはそれ以上のピクセルのグループによって同等に共有され得るものと理解されるものである。
【００２９】
本発明の実施形態は、様々な切り替えシーケンスおよびタイミングシーケンスで動作可能である。例えば、二重抽出法が用いられた場合、前記トランジスタ切り替えおよびタイミングは、二重抽出法が用いられていないシーケンスとは異なることがある。本明細書に記載する本発明の様々な実施形態において、関連するトランジスタ切り替え周期、タイミング周期およびシーケンスは実施例として提供されているものであって、当業者にとって自明のものであるが、その他数多くの周期とシーケンスが可能である。
【００３０】
前記検出器は任意のタイプの検出器でよく、例えば、ａ−Ｓｉ：Ｈのような固体光検出器、非晶質セレンまたはカドミウム亜鉛テルライドを基材とする検出器、あるいはその他任意の適切な検出器などでよい。さらに、モリブデン・ショトキー・ダイオードなど、直接検出に基づく検出器、および例えばガドリニウム酸硫化物検出器あるいはヨウ化セシウム検出器など、リン光体を有する検出器のような間接検出に基づく検出器を用いてもよい。さらに、当業者であれば容易に理解するように、Ｘ線検出のためにその他任意のタイプの検出器が使用可能である。当業者であれば容易に理解するように、本発明の様々な実施形態に用いられるトランジスタは、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、薄膜トランジスタ（ＴＦＴｓ）、多結晶シリコンＴＦＴｓトランジスタ、微結晶シリコンＴＦＴｓトランジスタ、ナノ結晶シリコンＴＦＴｓトランジスタ、結晶シリコントランジスタ、あるいは他の類似した任意のデバイスでよい。当業者であれば容易に理解するように、さらに別の実施形態においては、前記電磁スペクトルの適切な部分を検出可能にするために製造された検出器およびデバイスを選択し、本発明を利用することにより、前記電磁スペクトルの任意の領域における放射線の検出が可能である。
【００３１】
当業者であれば容易に理解するように、本発明は任意のデジタルイ・メージング・アプリケーションに適用することができる。例えば、本発明は、医療イメージング、飛行機の翼の検査に使用するようなＸ線検査システム、空港での荷物のスクリーニングのような警備システム、非破壊性の材料試験、Ｘ線撮影または光学的イメージング、および容易に理解されるであろうその他の形式のデジタル・イメージング・アプリケーションに適用することができる。
【００３２】
図４ａは、本発明の１つの実施形態に基づいたイメージングアーキテクチャを図示するものである。この実施形態において、前記読み出し回路は、前記入力信号が比較的小さい場合、例えば、低線量、リアルタイムのＸ線透視検査などのアプリケーションにおいては増幅モードで機能し、また、前記入力信号が比較的大きい場合、例えば、より高いエネルギーを必要とするリアルタイムのＸ線透視検査または胸部Ｘ線撮影のように、より高いコントラストが生じるイメージングアプリケーションにおいてはユニティゲインモードで機能することが可能である。前記図４ａの実施形態において、前記イメージングパネル上の各ピクセル４００内に、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ４１、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ４２、検出器４３、アンプ（ＡＭＰ）トランジスタ４４、および読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ４５が存在する。電荷積分器４７１、電荷積分器４７２、フィードバックキャパシタ４６１、フィードバックキャパシタ４６２、アンプリセット１（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ１）トランジスタ４８１、アンプリセット２（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ２）トランジスタ４８２は、前記読み出し回路の一部を形成し、前記ピクセルからの信号を読み出すために使用され、また、パネル外のコンポーネントでもパネル上のコンポーネントでもよい。
【００３３】
検出器４３からの前記入力信号は、前記増幅モードまたはユニティゲインモードのいずれか、若しくはそれら両方のモードを使用して読み出すことが可能である。前記増幅モードおよび前記ユニティゲインモードの両方を同じ入力信号の読み出しに使用することが可能だが、これは、前記増幅モードの間、前記信号読み出しは前記入力信号に対し本質的に「非破壊的」であるため、前記入力信号が前記ユニティゲインモードでのその後の読み出しに使用可能なまま維持されるからである。前記ユニティゲインモードの間は、読み出しが「破壊的」な性質を有するため、同読み出しモードは、通常、前記増幅モードでの読み出しの後に実行される。小さく、ノイズの影響を受けやすい信号収集する目的で前記増幅モードのみで前記センサーを動作するために、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ４２はオフのまま維持される。このモードにおいては、前記読み出し回路は、リセット周期、インテグレーション周期、および読み出し周期で機能することが可能である。前記センサーを前記ユニティゲインモードのみで動作するために、読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ４５およびリセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ４１はオフのまま維持され、前記読み出し回路は、リセット／読み出し周期とインテグレーション周期で機能することができる。
【００３４】
図４ｂは、検出器４３からの各入力信号が、前記増幅モードで読み出された後に前記ユニティゲインモードで読み出されるシーケンスのタイミング図の実施例を図示するものである。このシーケンスでは、インテグレーション周期４１０、増幅モード読み出し周期４２０、電荷増幅器リセット周期４３０、ユニティゲインモード読み出し周期４４０、およびリセット周期４５０という５つの周期が用いられる。当業者であれば容易に理解するように、後続の信号処理方法を使って前記読み出し回路の出力信号を解釈することができる。例えば、前記入力信号が特定のモードのダイナミックレンジ外である場合、これを前記信号処理手段によって適宜解釈することが可能である。
【００３５】
前記インテグレーション周期４１０の間、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ４２、読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ４５、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ４１はオフのまま維持され、アンプリセット１（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ１）トランジスタ４８１およびアンプリセット２（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ２）トランジスタ４８２はオンのまま維持される。検出器４３に入射する光子によって、検出器４３のキャパシタンスＣ検出器（ＣＤＥＴＥＣＴＯＲ）に放電または充電を行う電子と正孔のペアが生成されることにより、ノード４０１における電圧、すなわちＶＧが(ＶＧ量分低下または上昇する。当業者であれば容易に理解するように、Ｃ検出器（ＣＤＥＴＥＣＴＯＲ）はノード４０１でのキャパシタンスであって、主に前記検出器キャパシタンスおよび使用可能な任意の蓄電キャパシタとを含む。
【００３６】
前記増幅モード読み出し周期４２０は前記インテグレーション周期４１０に続き、この増幅モード読み出し周期中に、読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ４５はオンになり、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ４１はオフのまま維持され、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ４２はオフのまま維持され、アンプリセット１（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ１）トランジスタ４８１はオンになり、前記アンプリセット２（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ２）トランジスタ４８２はオフになる。これにより、ＶＧ±ΔＶＧに比例する電流（ＩＢＩＡＳ±ΔＩＢＩＡＳ）が、前記アンプ（ＡＭＰ）トランジスタ４４および読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ４５の分岐に流れる。次に、前記電流（ＩＢＩＡＳ±ΔＩＢＩＡＳ）は、電荷増幅器４７２によって統合され、出力電圧（ＶＯＵＴ２）を得て、同電圧を前記増幅器フィードバックキャパシタ４６２に蓄電する。当業者であれば容易に理解するように、ＶＯＵＴ２は後続過程で信号プロセッサによって記録および操作可能な増幅入力信号を表す。
【００３７】
前記電荷増幅器リセット周期４３０は前記増幅モード読み出し周期４２０に続き、前記電荷増幅器リセット周期中に、読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ４５はオフになり、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ４１はオフのまま維持され、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ４２はオフのまま維持され、アンプリセット１（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ１）トランジスタ４８１はオンのまま維持され、前記アンプリセット２（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ２）トランジスタ４８２はオンになる。これにより、電荷増幅器４７２の出力はリセットされる。当業者であれば容易に理解するように、前記図４ａのピクセル４００における前記読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタの出力と前記読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ４５の出力とを多重化した隣接ピクセルが存在する場合にのみ、前記電荷増幅器リセット周期が必要となる可能性がある。
【００３８】
前記ユニティゲインモード読み出し周期４４０は、前記電荷増幅器リセット周期４３０に続き、このユニティゲインモード読み出し周期中に、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ４２はオンになり、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ４１はオフのまま維持され、読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ４５はオフのまま維持され、アンプリセット２（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ２）トランジスタ４８２はオンのまま維持され、アンプリセット１（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ１）トランジスタ４８１はオフになる。この時点でノード４０１における前記電圧ＶＧは、前記フィードバックキャパシタ４６１に転送および蓄電されて、出力電圧ＶＯＵＴ１として現れる。当業者であれば容易に理解するように、ＶＯＵＴ１は後続過程で信号プロセッサによって記録可能なユニティゲインを有する前記入力信号を表す。さらに別の１実施形態においては、フィードバックキャパシタ４６１に対する適切値を使用して、前記ユニティゲインモードで前記入力信号を増幅する場合もある。
【００３９】
本発明の様々な実施形態において、複数のフィードバックキャパシタを前記読み出し回路の前記増幅器に接続することが可能であることに注目されたい。当業者であれば容易に理解するように、必要に応じて異なる増幅率を提供するために、これらのキャパシタは様々な容量値を有し、並列に配置され、且つ切り替え選択が可能なように設計される場合がある。また、当然ながら、別の方法で増幅率を変更することも可能である。
【００４０】
前記リセット周期４５０は、前記ユニティゲインモード読み出し周期４４０に続いて起こり、このリセット周期においては、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ４１はオンにパルスされ、また、Ｃ検出器（ＣＤＥＴＥＣＴＯＲ）が充電または放電されて、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ４１がオンである間に、ノード４０１において電圧がＶＧにリセットされる。このリセット周期中に、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ４２はオフになり、読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ４５はオフのまま維持され、アンプリセット１（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ１）トランジスタ４８１オンになり、アンプリセット２（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ２）トランジスタ４８２はオンのまま維持される。
【００４１】
前記図４ａの実施形態における前記ピクセル出力は、比較的小さい入力信号および大きい入力信号に対して線形であることが可能なため、周知であるように、イメージングに通常適用される標準的な二重抽出技術およびオフセットとゲインの補正技術を使用して、イメージャー製造工程（ｉｍａｇｅｒ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｓｓ）における不均一性、トランジスタの準安定性における不均一性、および外部回路の不均一性が及ぼす影響を緩和することが可能である。
【００４２】
図４ｃは、図４ａの実施形態を３ｘ３のアクティブ・マトリクス・イメージング・アレイの形で図示するものである。読み出し増幅器回路４９２および４９３の列または行は、隣接ピクセルの読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ４２１と読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ４５１の隣接ピクセルの間で多重化されている。読み出し増幅器回路４９１は列１の読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ４２１に接続され、読み出し増幅器回路４９４は列３の読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ４５１に接続されている。周知であるように、本発明の実施形態は、任意のサイズのアレイに実装することができる。さらに、列または行に共通の回路を隣接ピクセル間で多重化するか、若しくは追加的なマルチプレクサを使用して多重化してもよい。
【００４３】
図５ａは、本発明の別の実施形態に基づいたイメージングアーキテクチャ図示するものである。この実施形態は、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ４１を除去した点を除いては、図４ａの実施形態と類似している。このアーキテクチャにより、ピクセルサイズをより小さくする、寄生容量をより低減する、読み出し時間をより速くするという利点を提供することが可能である。
【００４４】
前記読み出し回路は、前記入力信号が比較的小さい場合は、図４ａの実施形態と同様に、増幅モードで機能することができ、また、前記入力信号が比較的大きい場合は、図４ａの実施形態と同様に、ユニティゲインモードで機能することが可能である。
【００４５】
図５ａの実施形態において、前記イメージングパネル上の各ピクセル５００内に、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ５２、検出器５３、アンプ（ＡＭＰ）トランジスタ５４、および読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ５５が存在する。電荷積分器５７１、電荷積分器５７２、フィードバックキャパシタ５６１、フィードバックキャパシタ５６２、アンプリセット１（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ１）トランジスタ５８１、アンプリセット２（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ２）トランジスタ５８２は、前記読み出し回路の一部を形成し、前記ピクセルからの信号を読み出すために使用され、また、パネル外のコンポーネントでもパネル上のコンポーネントでもよい。
【００４６】
検出器５３からの入力信号は、前記増幅モードまたはユニティゲインモードのいずれか、若しくはそれら両方のモードを使用して読み出すことが可能である。この実施形態の場合も同様に、前記増幅モードの間は、前記信号読み出しが前記入力信号に対して「非破壊的」であるため、前記増幅モードと前記ユニティゲインモードの両方を同じ入力信号の読み出しに使用することができる。前記ユニティゲインモードの間は、図４ａの実施形態と同様に、前記読み出しが本質的に「破壊的」な性質を有するため、同ユニティゲインモードでの読み出しは、通常、前記増幅モードでの読み出しの後に実行される。
【００４７】
図５ｂは、検出器５３からの各入力信号が、前記増幅モードで読み出された後に前記ユニティゲインモードで読み出されるシーケンスのタイミング図の実施例を図示するものである。ここでは、インテグレーション周期５１０、増幅モード読み出し周期５２０、電荷増幅器リセット周期５３０、およびユニティゲインモード読み出し周期５４０という４つの周期が前記シーケンスで用いられる。
【００４８】
前記インテグレーション周期５１０の間、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ５２および読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ５５はオフのまま維持され、アンプリセット１（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ１）トランジスタ５８１およびアンプリセット２（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ２）トランジスタ５８２はオンのまま維持される。検出器５３に入射する光子によって、検出器５３のキャパシタンスＣ検出器（ＣＤＥＴＥＣＴＯＲ）に放電または充電を行う電子と正孔のペアが生成されることにより、ＶＧが(ＶＧ量分、低下または上昇する。Ｃ検出器（ＣＤＥＴＥＣＴＯＲ）はノード５０１におけるキャパシタンスであって、当業者であれば容易に理解するように、主に、前記検出器キャパシタンスおよび使用可能な任意の蓄電キャパシタとを含む。
【００４９】
前記増幅モード読み出し周期５２０は前記インテグレーション周期５１０に続き、この増幅モード読み出し周期中に、読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ５５はオンになり、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ５２はオフのまま維持され、アンプリセット１（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ１）トランジスタ５８１はオンのまま維持され、前記アンプリセット２（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ２）トランジスタ５８２はオフになる。これにより、ＶＧ±ΔＶＧに比例する電流（ＩＢＩＡＳ±ΔＩＢＩＡＳ）が、前記アンプ（ＡＭＰ）トランジスタ５４および読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ５５の分岐に流れる。次に、前記電流（ＩＢＩＡＳ±ΔＩＢＩＡＳ）は、電荷増幅器５７２によって統合され、出力電圧（ＶＯＵＴ２）を得て、同電圧を前記増幅器フィードバックキャパシタ５６２に蓄電する。当業者であれば容易に理解するように、ＶＯＵＴ２は後続過程で信号プロセッサによって記録および操作可能な増幅入力信号を表す。
【００５０】
前記電荷増幅器リセット周期５３０は前記増幅モード読み出し周期５２０に続き、前記電荷増幅器リセット周期中に、読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ５５はオフになり、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ５１はオフのまま維持され、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ５２はオフのまま維持され、アンプリセット１（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ１）トランジスタ５８１はオンのまま維持され、前記アンプリセット２（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ２）トランジスタ５８２はオンになる。これにより、電荷増幅器５７２の出力はリセットされる。当業者であれば容易に理解するように、前記図５ａのピクセル５００における前記読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタの出力と前記読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ５５の出力とを多重化した隣接ピクセルが存在する場合にのみ、前記電荷増幅器リセット周期５３０が必要となる可能性がある。
【００５１】
前記ユニティゲインモード読み出し周期５４０は、前記電荷増幅器リセット周期５３０に続き、このユニティゲインモード読み出し周期中に、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ５２はオンになり、前記読み出し２（ＲＥＡＤ２）トランジスタ５５はオフのまま維持され、アンプリセット２（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ２）トランジスタ５８２はオンのまま維持され、アンプリセット１（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ１）トランジスタ５８１はオフになる。前記ユニティゲインモード読み出し周期中に、ＶＢＩＡＳをＶＤＤなどの適切なリセット電圧に設定することにより、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ５２は多重化され、前記ピクセルノード５０１において前記入力信号の読み出しおよび前記電圧ＶＧのリセットの両方を行う。同周期以外の周期中は、接地などをしてＶＢＩＡＳの電圧を設定してもよい。前記ユニティゲインモード読み出し周期５４０中に、ノード５０１における前記電圧ＶＧは、前記フィードバックキャパシタ５６１に転送および蓄電されて、出力電圧ＶＯＵＴ１として現れる。当業者であれば容易に理解するように、ＶＯＵＴ１は後続過程で信号プロセッサによって記録および操作可能なユニティゲインを有する前記入力信号を表す。さらに別の１実施形態においては、フィードバックキャパシタ５６１に対する適切値を使用して、前記ユニティゲインモードで前記入力信号を増幅する場合もある。後続の信号処理方法を使って前記読み出し回路出力信号を解釈することができる。
【００５２】
この実施形態における前記ピクセル出力もまた、比較的小さい入力信号および大きい入力信号に対して線形であることが可能なため、周知であるように、イメージングに通常適用される標準的な二重抽出技術およびオフセットとゲインの補正技術を使用して、前記イメージャー製造工程における不均一性、トランジスタの準安定性における不均一性、および外部回路の不均一性が及ぼす影響を緩和することができるものである。
【００５３】
図６は、本発明のさらに別の実施形態に基づいたイメージングアーキテクチャ図示するものである。前記図４ａの実施形態と比較すると、この実施形態では、ピクセル上のトランジスタの数が１つ少ない。トランジスタの数が１つ少なくなることにより、ピクセルサイズがより小さくなり、寄生容量がより低減されるという利点を提供することが可能になり、その結果、ノイズをより低減し、電荷増幅率をより高めることができる。
【００５４】
前記図６の実施形態における前記読み出し回路は、また、前記入力信号が比較的小さい場合は、増幅モードで機能することもでき、前記入力信号が比較的大きい場合は、ユニティゲインモードで機能することが可能である。また、前記増幅モードおよび前記ユニティゲインモードの両モードの間、前記信号読み出しは前記入力信号に対して、本質的に「非破壊的」であるため、これらの両モードを同入力信号の読み出しに使用することも可能である。従って、前記信号を両モードを使用して読み出す場合、前記ユニティゲインモードでの読み出しを行う以前または以後に、前記増幅モードでの読み出しを行うことができる。当業者であれば容易に理解するように、後続の信号処理方法を使って前記読み出し回路出力信号を解釈することができる。
【００５５】
この実施形態における前記ユニティゲインモードの利点は、前記信号が実質的に劣化することなく、パネル上またはパネル外のマルチプレクサに容易に接続できることである。従って、シグナルインテグリティが重要となるアプリケーションにおいて有用である場合がある。
【００５６】
前記図６の実施形態において、前記イメージングパネル上の各ピクセル６００内に、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ６１、読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ６５、検出器６３、およびアンプ（ＡＭＰ）トランジスタ６４が存在する。ピクセル外の再設定可能な回路６７は、単一列または単一行のピクセルで共有可能であり、さらに、配列された隣接ピクセル間で多重化するか、若しくは追加的なマルチプレクサを使用して多重化することができる。さらに、再設定可能な回路６７は、パネル外であっても、パネル内であってもよい。
【００５７】
前記入力信号を効率的に読み出すために、前記増幅モードでこの実施形態を使用する場合は、再設定可能な回路６７を電荷増幅器として設定することができ、また、前記ユニティゲインモードでこの実施形態を使用する場合は、同再設定可能な回路を電圧増幅器、電圧バッファ、または負荷回路として設定することができる。例えば、負荷回路として設定された前記再設定可能な回路は、読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ６５のソース端子とアース端子の間の飽和領域、読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ６５のソース端子とアース端子の間に接続された抵抗器、または読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ６５のソース端子とアース端子の間に接続された任意のデバイス内へ付勢がかかったＴＦＴである場合がある。周知であるように、前記ユニティゲインモードにおいて、前記再設定可能な回路６７の別の様々な実施形態が可能である。
【００５８】
この実施形態に基づいたセンサーアーキテクチャが、前記ユニティゲインモードにある場合、同センサーは、比較的大きい線形信号を呈し、また、前記ピクセル出力は前記増幅モードおよび前記ユニティゲインモードの両モードにおいて線形である可能性がある。従って、イメージングに通常適用される標準的な二重抽出技術を使用して、不均一性が前記センサーに及ぼす影響を緩和することが可能である。
【００５９】
図７ａで図示されている１実施形態において、図６の再設定可能な回路６７は、電荷増幅器６７１および電圧増幅器６７２を有する回路によって実行され、各増幅器は、前記増幅モードおよび前記ユニティゲインモードの各モードで動作中に、スイッチ６９１および６９２を使用して作動することが可能である。さらに別の１実施形態においては、周知であるように、切り替えのための適切な回路が実装された両モードに同一の増幅器を使用してもよい。
【００６０】
検出器６３からの前記入力信号は、前記増幅モードまたは前記ユニティゲインモードのいずれか、若しくはこれらの両モードを使用して読み出すことができる。例えば、小さく、ノイズの影響を受けやすい入力信号を収集する目的で前記増幅モードのみで前記センサーを動作するために、スイッチトランジスタ６９２はオフのまま維持され、一方、スイッチトランジスタ６９１はオンのまま維持される。このモードにおいては、前記読み出し回路は、リセット周期、インテグレーション周期、および読み出し周期で機能することが可能である。前記センサーをユニティゲインモードのみで動作するために、スイッチトランジスタ６９１はオフのまま維持されるが、スイッチトランジスタ６９２および前記読み出し回路は、リセット周期、インテグレーション周期、および読み出し周期で機能することが可能である。
【００６１】
図７ｂは、検出器６３からの各入力信号が、前記増幅モードで読み出された後に前記ユニティゲインモードで読み出されるシーケンスのタイミング図の実施例を図示するものである。ここでは、インテグレーション周期６１０、増幅モード読み出し周期６２０、ユニティゲインモード読み出し周期６３０、およびリセット周期６４０という４つの周期が前記シーケンスで用いられる。
【００６２】
前記インテグレーション周期６１０の間、読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ６５はオフのまま維持され、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ６１はオフのまま維持され、スイッチトランジスタ６９１はオフのまま維持され、また、スイッチトランジスタ６９２はオフのまま維持されるが、アンプリセット（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ）トランジスタ６８１はオンのまま維持される。検出器６３に入射する光子によって、検出器６３のキャパシタンスＣ検出器（ＣＤＥＴＥＣＴＯＲ）に放電または充電を行う電子と正孔のペアが生成されることにより、ノード６０１における電圧ＶＧが(ＶＧ量分、低下または上昇する。Ｃ検出器（ＣＤＥＴＥＣＴＯＲ）はノード６０１におけるキャパシタンスであって、当業者であれば容易に理解するように、主に、前記検出器キャパシタンスおよび使用可能な任意の蓄電キャパシタとを含む。
【００６３】
前記増幅モード読み出し周期６２０は前記インテグレーション周期６１０に続き、この増幅モード周期中に、読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ６５はオンになり、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ６１はオフのまま維持され、アンプリセット１（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ１）トランジスタ６８１はオフになり、スイッチトランジスタ６９２はオフのまま維持され、スイッチトランジスタ６９１はオンになる。これにより、ＶＧ±ΔＶＧに比例する電流（ＩＢＩＡＳ±ΔＩＢＩＡＳ）が、前記アンプ（ＡＭＰ）トランジスタ６４および読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ６５の分岐に流れる。次に、前記電流（ＩＢＩＡＳ±ＩＢＩＡＳ）は、電荷増幅器６７１によって統合され、出力電圧（ＶＯＵＴ１）を得て、同電圧を前記増幅器フィードバックキャパシタ６６１に蓄電する。当業者であれば容易に理解するように、ＶＯＵＴ１は後続過程で信号プロセッサによって記録および操作可能な増幅入力信号を表す。
【００６４】
前記ユニティゲインモード読み出し周期６３０は、前記増幅モード読み出し周期６２０に続き、このユニティゲインモード読み出し周期中に、読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ６５はオンのまま維持され、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ６１はオフのまま維持され、アンプリセット（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ）トランジスタ６８１はオンになり、スイッチトランジスタ６９１はオフになり、スイッチトランジスタ６９２はオンになる。ノード６０１における電圧ＶＧは、電圧増幅器６７２の出力に転送され、出力電圧ＶＯＵＴ２として現れる。ＶＯＵＴ２は、後続過程で信号プロセッサによって記録および操作可能な、ユニティゲインを有する前記入力信号を表す。さらに別の１実施形態においては、前記電圧増幅器を適切に設計することによって、前記ユニティゲインモードでの前記入力信号を増幅する場合もある。
【００６５】
前記リセット周期６４０は、前記ユニティゲインモード読み出し周期６３０に続いて起こり、前記リセット周期中に、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ６１はオンにパルスされ、また、Ｃ検出器（ＣＤＥＴＥＣＴＯＲ）が充電または放電されて、リセット（ＲＥＳＥＴ）トランジスタ６１がオンである間に、ノード６０１において電圧がＶＧにリセットされる。前記リセット周期中に、読み出し（ＲＥＡＤ）トランジスタ６５はオフになり、スイッチトランジスタ６９１はオフのまま維持され、スイッチトランジスタ６９２はオフになり、アンプリセット（ＡＭＰ＿ＲＥＳＥＴ）トランジスタ６８１はオンのまま維持される。前記タイミングシーケンスのさらに別の実施例においては、前記信号読み出しは前記入力信号に対して「非破壊的」な性質を有するため、前記増幅モード読み出し周期６２０および前記ユニティゲインモード読み出し周期６３０を入れ替えることが可能である。
【００６６】
図８は、前記図６の実施形態における前記ユニティゲインモードがフォロワ設定またはバッファ設定の電圧増幅器を使用して実装された、本発明の別の実施形態を図示するものである。当業者であれば自明のものであるが、様々なフォロワ設定およびバッファ設定を含む数々のユニティゲインモード設定が可能である。
【００６７】
図９および図１０で図示された本発明のさらに別の実施形態においては、前記入力信号を、増幅モード、アクティブ・ピクセル・ユニティゲイン・モード、およびパッシブ・ピクセル・ユニティゲイン・モードという３つの独立モード、若しくはそれらの任意の組み合わせで読み出すことが可能である。
【００６８】
図９で図示された実施形態において、ピクセル回路９００は、前記図４ａの実施形態におけるピクセル回路４００に類似している。図１０で図示された実施形態において、ピクセル回路９０３は、前記図５ａの実施形態におけるピクセル回路５００に類似している。前記ピクセル外の回路は、前記図８の実施形態における回路６０４と類似する回路９０２を有する。回路９０２は、再設定可能な回路の１実施形態を図示するが、図６に関連して上記で記載したように、別の様々な実施形態が可能である。さらに、回路９０４は、前記図５ａの実施形態における回路５０１に類似している。
【００６９】
前記センサーが前記増幅モードで動作する場合、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ９２はオフになり、スイッチ９６２はオフになり、スイッチ９６１はオンになる。前記アクティブ・ピクセル・ユニティゲイン・モードで動作する場合、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ９２はオフになり、スイッチ９６１はオフになり、スイッチ９６２はオンになる。前記センサーがパッシブピクセル増幅モードで動作する場合、スイッチ９６１はオフになり、スイッチ９６２はオフになり、読み出し１（ＲＥＡＤ１）トランジスタ９２はオンになる。
【００７０】
現在の最新技術のａ：Ｓｉ：Ｈ技術を用いた前記増幅モードおよび前記パッシブ・ピクセル・ユニティゲイン・モードは、例えば、入力信号が大幅に変化するリアルタイム・イメージング・アプリケーションに使用することに非常に適しているといえる。これは、前記アクティブ・ピクセル・ユニティゲイン・モードと比較すると、これらの検出方法によって、より高速な読み出し時間が達成されるためである。より弱い入力信号は前記増幅モードを使用して検出することが可能であり、一方、より強い信号は前記パッシブ・ピクセル・ユニティゲイン・モードを使用して検出することが可能である。前記増幅モードおよび前記アクティブ・ピクセル・ユニティゲイン・モードは、例えば、前記読み出し回路の一部がパネル上またはパネル外のマルチプレクサに接続されている場合、または長列の出力線が駆動され、信号に高度な統合性が要求される場合のアプリケーションに非常に適しているといえる。従って、このような３モードの実施形態は、リアルタイムイメージングのために幅広いダイナミックレンジおよび非常に高性能な静的検出を必要とするアプリケーションにおいて有用であるといえる。
【００７１】
本明細書に提示した実施形態は、実施例として提供されているものであって、当業者であれば容易に理解するように、別の様々な実施形態が可能であり、異なる動作モードを有する代替的な読み出し回路を組み合わせて、本明細書で定義した前記マルチモード回路を形成することが可能である。例えば、ある特定のモードで読み出しができるタイプの回路を代替モードで読み出しができる別のタイプの回路と組み合わせることが可能である。例えば、静的読み出し用のアプリケーションのためにユニティゲインモードでの読み出しが可能なタイプの回路をリアルタイム読み出し用アプリケーションのためのユニティゲインモード読み出し回路と組み合わせることが可能である。
【００７２】
電流減算
図４ａ、図５ａ、図７ａ、図９、および図１０で図示した本発明の実施形態に関して、前記増幅モード中は、前記ピクセル出力電流は、ＩＢＩＡＳ±ΔＩＢＩＡＳを有し、ΔＩＢＩＡＳは、前記小信号検出器の入力電圧変化ΔＶＧと比例する。小さい入力信号の場合、高いｇｍおよびＧｉの両方を達成し、前記望ましい信号の検出を可能にするために、通常、大きなＩＢＩＡＳが必要とされる。しかしながら、大きなＩＢＩＡＳによって、前記ピクセル外の電荷増幅器が一定のＩＢＩＡＳで飽和する可能性があり、その結果、達成可能な最大増幅率を制限することになる。
【００７３】
本発明の１実施形態においては、電流減算回路が前記ＩＢＩＡＳ±ΔＩＢＩＡＳのパスに実装されおり、同電流減算回路は、単独でプログラム可能な電流源からの電流を前記ＩＢＩＡＳ±ΔＩＢＩＡＳのパスに取り入れる。前記電流源によって生成された電流はプログラム可能であるため、同生成電流がＩＢＩＡＳ±ΔＩＢＩＡＳと結合した際、同結合電流は、ΔＩＢＩＡＳと等しくなり、同電流が後続過程で前記ピクセル外の電荷増幅器に入力された際に、通常、前記電荷増幅器を飽和させることはない。このようにして、前記ピクセル外の電荷増幅器が飽和する可能性を低減する一方で、小さい入力信号の増幅率を高くすることが可能である。
【００７４】
図１１、図１２、図１３、および図１４は、図４ａ、図５ａ、図７ａ、および図１０の各図に電流減算回路１１００、１２００、１３００、および１４００の各回路の実施形態を追加した実施形態を図示するものである。各電流減算回路は、前記増幅モード中に各ピクセルから前記電流ＩＢＩＡＳを減算するために使用される、プログラム可能な電流源１１０を有する。プログラム可能な電流源１１０は、パネル上であっても、パネル外であってもよい。スイッチ１１５は、前記電流減算回路１１００から前記読み出し回路のそれ以外の部分に流れる電流の流れを制御するために使用することができ、共通の回路が多重化されている場合は有益であるといえる。達成電流電荷増幅器（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｒｅａｃｈｉｎｇ  ｃｈａｒｇｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１１６は、通常小さいΔＩＢＩＡＳのみであり、通常、その電流の統合によって前記電荷増幅器が早期に飽和することはない。電流源１１０から流れる電流は、抵抗器１１２および抵抗器１１３を選択することによって、単独でプログラムすることが可能である。さらに別の実施形態においては、当業者であれば容易に理解するように、前記外部電流源１１０は、別の回路の実施形態を利用することによって、単独でプログラムすることが可能な場合がある。従って、高いｇｍおよびＧｉ値を達成するために、大きいＩＢＩＡＳ値を使用することが可能である。前記電流減算回路を使用してより小さい入力信号を検出することが可能なため、前記入力信号の高増幅率を達成することができ、その結果、前記イメージングアレイの前記ダイナミックレンジが拡大する。さらに、前記増幅動作モードにおいては、二重抽出は必要とされない場合もある。
【００７５】
前記電流減算回路は、大出力電流によってデバイスが飽和し、前記イメージングシステムの前記ダイナミックレンジが制限される任意のイメージングアーキテクチャと伴に使用することが可能である。当業者であれば容易に理解するように、例えば、電流減算回路を図２ａで図示されているＣ−ＡＰＳのアーキテクチャ、若しくはその他任意のイメージングアーキテクチャに適切に実装することが可能である。
【００７６】
上記に本発明の実施形態を記載してきたが、同実施形態は、様々な方法で変更される場合があることは言うまでもない。そのような変更が本発明の精神および範囲からの逸脱として見なされるべきではなく、当業者であれば自明のものであるが、そのような変更は以下の請求の範囲内に含まれることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】図１は、先行技術に基づいたパッシブ・ピクセル・センサー（ＰＰＳ）を示す。
【図１ｂ】図１ｂは、図１ａのＰＰＳのタイミング図の実施例を示す。
【図２ａ】図２ａは、前記先行技術に基づいた電流媒介アクティブ・ピクセル・センサー（Ｃ−ＡＰＳ）を示す。
【図２ｂ】図２ｂは、図２ａのＣＡＰＳのタイミング図の実施例を示す。
【図３】図３は、先行技術に基づいた電圧媒介アクティブ・ピクセル・センサー（Ｖ−ＡＰＳ）を示す。
【図４ａ】図４ａは、本発明の１実施形態を４トランジスタピクセル、デュアルモードで実施した図である。
【図４ｂ】図４ｂは、図４ａの実施形態のタイミング図の実施例を示す。
【図４ｃ】図４ｃは、１実施形態に基づいた３ｘ３配列における図４ａの実施形態を示す。
【図５ａ】図５ａは、本発明の１実施形態を３トランジスタ・ピクセル、デュアルモードで実施した図である。
【図５ｂ】図５ｂは、図５ａの実施形態のタイミングチャートの実施例を示す。
【図６】図６は、本発明の１実施形態を３トランジスタピクセル、デュアルモードで実施した図である。
【図７ａ】図７ａは、本発明の１実施形態を３トランジスタピクセル、デュアルモードで実施した図である。
【図７ｂ】図７ｂは、図７ａの実施形態のタイミングチャートの実施例を示す。
【図８】図８は、本発明の１実施形態を３トランジスタピクセル、デュアルモードで実施した図である。
【図９】図９は、本発明の１実施形態をトライモードで実施した図である。
【図１０】図１０は、本発明の１実施形態をトライモードで実施した図である。
【図１１】図１１は、本発明の１実施形態に基づいて実装された電流減算回路を有する図４ａの実施形態を示す。
【図１２】図１２は、本発明の１実施形態に基づいて実装された電流減算回路を有する図５ａの実施形態を示す。
【図１３】図１３は、本発明の１実施形態に基づいて実装された電流減算回路を有する図７ａの実施形態を示す。
【図１４】図１４は、本発明の１実施形態に基づいて実装された電流減算回路を有する図１０の実施形態を示す。
【図１】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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