(57)【要約】【課題】解像度を向上させるために画素サイズを縮小した場合でも感度低下が発生せず、かつ、製造時に複雑なプロセスを必要としない、間接変換方式の放射線撮像装置を提供する。【解決手段】入射された放射線を光に変換して出射する放射線−光変換層と、画素ごとに薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と該ＴＦＴのドレイン電極に接続された蓄積容量とを有するアクティブマトリクスアレイとを備えた放射線撮像装置の駆動方法であって、蓄積容量に電荷を所定量充電する充電ステップ（ｔ６）と、放射線−光変換層に放射線を照射して出射させた光をオフ状態のＴＦＴに照射して、充電ステップで充電した電荷を蓄積容量から放電させる放電ステップと、放電ステップの後、オン状態のＴＦＴを介して、蓄積容量に残存する電荷を読み出す電荷読み出しステップ（ｔ３）とを含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された放射線を光に変換して出射する放射線−光変換層と、
画素ごとに薄膜トランジスタと該薄膜トランジスタのドレイン電極に接続された蓄積容量とを有するアクティブマトリクスアレイとを備えるとともに、
上記薄膜トランジスタは、オフ状態において上記放射線−光変換層が出射した光が照射された時、上記蓄積容量に充電された電荷を放電させるものであることを特徴とする放射線撮像装置。
【請求項２】
上記放電後、オン状態の上記薄膜トランジスタを介して、上記蓄積容量に残存する電荷を読み出す電荷読み出し回路を具備することを特徴とする請求項１に記載の放射線撮像装置。
【請求項３】
入射された放射線を光に変換して出射する放射線−光変換層と、画素ごとに薄膜トランジスタと該薄膜トランジスタのドレイン電極に接続された蓄積容量とを有するアクティブマトリクスアレイとを備えた放射線撮像装置の駆動方法であって、
上記蓄積容量に電荷を所定量充電する充電ステップと、
上記放射線−光変換層に放射線を照射して出射させた光をオフ状態の上記薄膜トランジスタに照射して、上記充電ステップで充電した電荷を上記蓄積容量から放電させる放電ステップと、
上記放電ステップの後、オン状態の上記薄膜トランジスタを介して、上記蓄積容量に残存する電荷を読み出す電荷読み出しステップとを含むことを特徴とする放射線撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に医療用途や工業用途で、放射線像を撮像する放射線撮像装置に関するものであって、特に、光応答性を有する薄膜フォトトランジスタ（ＴＦＴ）を光検出素子に用いた放射線撮像装置およびその駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、医療診断の分野では、放射線（特にＸ線）像を撮影する手段として、増感紙とフィルムを組み合わせたＳ／Ｆ（Ｓｃｒｅｅｎ／Ｆｉｌｍ）方式、イメージングプレートに記録された潜像をレーザ走査で読み取るＣＲ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ  Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ）方式、電子増倍管とＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）素子を組み合わせたＩ．Ｉ．−ＴＶ（Ｉｍａｇｅ  Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ  ＴＶ）方式の放射線撮像装置が使用されてきた。近年、これらに置き換わる新しいタイプの放射線撮像装置として、フラットパネル型の放射線撮像装置の開発が活発化している。
【０００３】
フラットパネル型の放射線撮像装置は、アクティブマトリクス型液晶ディスプレイ等に用いられている大面積の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）アレイと、放射線を電気信号に変換する変換素子とを組み合わせたフラットな形態のセンサパネルをキーデバイスとして用いるものであり、従来の放射線撮像装置に比べて種々の利点を有している。すなわち、従来のＳ／Ｆ方式に比べて、フィルムレス化が実現でき、デジタル画像処理を用いた画質改善や診断支援、電子ファイリング、ネットワーク化が容易である。また、ＣＲ方式に比べると、撮像結果を即時に画像信号に変換することができる。さらに、Ｉ．Ｉ．−ＴＶ方式に比べると、大幅な薄型化が実現でき、大面積で高解像度のＸ線画像を得ることが可能となる。
【０００４】
フラットパネル型の放射線撮像装置は、放射線の検出原理の違いによって「間接変換方式」と「直接変換方式」に大別できる。間接変換方式とは、放射線情報を蛍光体（Ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ）によって一旦光に変換した後、フォトダイオードで光を電気信号に変換する方式である。一方、直接変換方式とは、放射線情報を変換層（Ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）によって直接電気信号に変換する方式である。
【０００５】
ここで、図８は、非特許文献１に記載されている、従来の間接変換方式の放射線撮像装置１００の１画素部分の構成を示す断面図である。放射線（Ｘ線）が入射される面には、放射線を光に変換する変換層として蛍光体（シンチレータ、増感紙とも呼ぶ）１０３が配置される。その後方には、アクティブマトリクスアレイが配置されており、アクティブマトリクスアレイの各画素には、入射した光を電気信号に変換する光電変換素子としてのフォトダイオード１０１、その電気信号を線順次に読み出すためのスイッチ素子としてのＴＦＴ１０２が形成されている。光電変換素子としては、図８に示すＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造や、ｐｉｎ構造のフォトダイオードが主に用いられる。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｔ．Ｋａｍｅｓｈｉｍａ  ｅｔ  ａｌ．，”Ｎｏｖｅｌ  Ｌａｒｇｅ  Ａｒｅａ  ＭＩＳ−ｔｙｐｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒｆｏｒ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ”，ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．３３３６，ｐｐ．４５３−４６２，１９９８
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の間接変換方式の放射線撮像装置１００の場合、アクティブマトリクスアレイに形成する光電変換素子としてフォトダイオード１０１を用いている。フォトダイオード１０１は、電極からの電荷注入（２次電流）を阻止し、光吸収によって励起された電荷（１次電流）のみを出力する仕組みになっている。このため、フォトダイオード１０１から出力される電荷量は、バイアス電圧の大小にはほとんど依存せず、フォトダイオード素子の有効面積（光が照射される面積）に比例する。よって、通常は、フォトダイオード１０１の感度を向上させるために、できるだけフォトダイオード素子の有効面積を大きくするようなレイアウト、すなわちフィルファクター（充填率）を大きくするレイアウトが導入される。
【０００８】
ところで、放射線撮像装置として高精細化を図る場合、画素サイズが小さくなることから、画素サイズの縮小比率に比例してフォトダイオード素子の有効面積が小さくなる。厳密には、画素面積の縮小に伴いフィルファクターも小さくなるため、画素サイズの縮小比率以上にフォトダイオード素子の有効面積が小さくなる。その結果、放射線撮像装置１００では、フォトダイオード１０１から出力される電荷量が減少してしまい、十分な感度が得られないという問題が発生する。
【０００９】
また、間接変換方式であるため、放射線撮像装置１００では、アクティブマトリクス基板の一画素内にフォトダイオード１０１およびＴＦＴ１０２の両素子を組み込む必要があるが、これらの素子は両方とも高精度な製造プロセスを必要とする半導体素子である。よって、一画素を構成する素子構成や製造プロセスが複雑となり、製造プロセスの増加や歩留まりの低下を招くといった問題も抱えている。
【００１０】
なお、図８に示す画素構造では、これらプロセス面の問題を解決するために、フォトダイオード１０１およびＴＦＴ１０２を同じプロセスで形成する工夫が盛り込まれている。ところがこの場合、フォトダイオード１０１およびＴＦＴ１０２の両者に、同じ膜質・厚みの半導体膜や絶縁膜を適用する必要がでてくるために、個別の素子最適化が困難になるといった別の問題が発生してしまう。
【００１１】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、解像度を向上させるために画素サイズを縮小した場合でも感度低下が発生せず、かつ、製造時に複雑なプロセスを必要としない、間接変換方式の放射線撮像装置およびその駆動方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の放射線撮像装置は、入射された放射線を光に変換して出射する放射線−光変換層と、画素ごとに薄膜トランジスタと該薄膜トランジスタのドレイン電極に接続された蓄積容量とを有するアクティブマトリクスアレイとを備えるとともに、上記薄膜トランジスタは、オフ状態において上記放射線−光変換層が出射した光が照射された時、上記蓄積容量に充電された電荷を放電させるものであることを特徴としている。
【００１３】
さらに、本発明の放射線撮像装置は、上記放電後、オン状態の上記薄膜トランジスタを介して、上記蓄積容量に残存する電荷を読み出す電荷読み出し回路を具備することを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の放射線撮像装置の駆動方法は、入射された放射線を光に変換して出射する放射線−光変換層と、画素ごとに薄膜トランジスタと該薄膜トランジスタのドレイン電極に接続された蓄積容量とを有するアクティブマトリクスアレイとを備えた放射線撮像装置の駆動方法であって、上記蓄積容量に電荷を所定量充電する充電ステップと、上記放射線−光変換層に放射線を照射して出射させた光をオフ状態の上記薄膜トランジスタに照射して、上記充電ステップで充電した電荷を上記蓄積容量から放電させる放電ステップと、上記放電ステップの後、オン状態の上記薄膜トランジスタを介して、上記蓄積容量に残存する電荷を読み出す電荷読み出しステップとを含むことを特徴としている。
【００１５】
上記の構成および方法により、放射線−光変換層は、外部から照射された放射線に応じて発光する特性を有している。なお、放射線−光変換層は、放射線の強度に応じた強度の光を出射する特性を有していてもよい。
【００１６】
また、薄膜トランジスタ（以下「ＴＦＴ」と略記する）は、放射線−光変換層から出射した光がチャネル領域に照射される。そして、ＴＦＴは、オフ状態（すなわち、ゲート電極に印加する電圧がオフ電圧（Ｖｇｌ））では、光照射の有無によって、ソースドレイン間の抵抗が変化する電気特性を有する。具体的には、オフ状態のＴＦＴでは、光非照射時にはソースドレイン間が高抵抗なためにソースドレイン間電流（Ｉｓｄ＝Ｉｄａｒｋ）がほとんど流れないが、光が照射されるとソースドレイン間が低抵抗化しソースドレイン間電流（Ｉｓｄ＝Ｉｐｈｏｔｏ）が流れやすくなる。上記放射線撮像装置では、ＴＦＴの上記電気特性を利用して、ＴＦＴを光検出素子およびスイッチング素子として利用している。
【００１７】
よって、上記放射線撮像装置は、次のように駆動させることができる。第１に、放射線（Ｘ線）の照射停止期間に、蓄積容量駆動回路等によりあらかじめ蓄積容量を所定量に充電する。
【００１８】
第２に、放射線の照射期間に、撮像対象を撮像した放射線を放射線−光変換層に照射して、放射線−光変換層の発光をアクティブマトリクスアレイに照射する。このとき、放射線−光変換層の発光が照射された画素では、ＴＦＴのソースドレイン間の抵抗値が低くなるため、蓄積容量の電荷がＴＦＴのソース側に流れて放電する。これに対して、放射線−光変換層の発光が照射されない画素では、ＴＦＴのソースドレイン間の抵抗値が低くならないため、蓄積容量の電荷が保持される。その結果、放射線照射期間に放射線が照射された場所と照射されなかった場所、すなわち、放射線−光変換層の発光が照射された画素と照射されなかった画素とでは、蓄積容量に残存する電荷量、すなわち、ＴＦＴのドレイン電圧に差が生じる。
【００１９】
第３に、放射線の照射停止期間に、ＴＦＴをオン状態にして、蓄積容量に残存する電荷を読み出すことによって、画像情報を取得する。なお、電荷読み出しをゲートラインを線順次にスキャンすることによって行い、ゲートラインごとに電荷読み出し終了後に蓄積容量の充電を行ってもよい。
【００２０】
ここで、ＴＦＴの上記電気特性は、ソースドレイン電極によって規定されるチャネル長Ｌとチャネル幅Ｗの比Ｗ／Ｌによって決定される。すなわち、上記の比Ｗ／Ｌが一定であれば、ＴＦＴの素子サイズが小さくなっても、ＴＦＴの電気特性を維持することができる。このため、代表的なＴＦＴは、チャネル長が数μｍとなるような小さなサイズで設計されることが多い。
【００２１】
このため、上記放射線撮像装置では、高精細化（高解像度化）を図るために画素サイズを小さくする場合であっても、ＴＦＴのサイズや形状を大きく変更する必要がない。また、仮にＴＦＴのサイズを小さくする必要が出てきた場合でも、上記の比Ｗ／Ｌを一定にしておけば、ＴＦＴの特性を維持することができる。それゆえ、フォトダイオードを用いた従来の放射線撮像装置で問題となっていた、高精細化すなわち画素サイズの縮小にともなう感度の低下を避けることが可能となる。
【００２２】
また、上記放射線撮像装置では、光検出素子としてフォトダイオードを別途設ける必要がなく、一画素内にＴＦＴと蓄積容量のみを配置した簡単な構造のアクティブマトリクスアレイを用いることができる。
【００２３】
一般に、蓄積容量は、フォトダイオードに比べると、半導体を必要とせず、かつ、ＴＦＴの製造過程で一緒に形成できるため、製造時に複雑なプロセスを必要とせず、従来の放射線撮像装置ようにプロセスの増加や歩留まりの低下を招くことなく、アクティブマトリクスアレイを製造できる。さらに、一画素にＴＦＴと蓄積容量を配置するアクティブマトリクスアレイは、ＴＦＴ−ＬＣＤ（ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｄｉｓｐｌａｙ）の分野においてその構造や製造プロセスが確立されているため、ＴＦＴ−ＬＣＤの既存製造ラインをそのまま利用して作成することができる。
【００２４】
したがって、上記の構成および方法によれば、解像度を向上させるために画素サイズを縮小した場合でも感度低下が発生せず、かつ、製造時に複雑なプロセスを必要としない、間接変換方式の放射線撮像装置を実現することが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について図１から図７に基づいて説明すれば、以下のとおりである。
【００２６】
まず、図２は、本実施の形態に係る放射線撮像装置１が備えるアクティブマトリクスアレイ２０の等価回路図である。
【００２７】
図２に示すように、アクティブマトリクスアレイ２０は、ソース配線（データ線とも呼ぶ）ｓ１，…，ｓｎ（以下「ｓ」と示す）とゲート配線（走査線とも呼ぶ）ｇ１，…，ｇｎ（以下「ｇ」と示す）とが互いに直交するマトリクス状に配設されている。そして、ゲート配線ｇの端部には、ゲート配線ｇを駆動する駆動回路２３が接続されている。また、ソース配線ｓの端部には、データ信号を読み出す読み出し回路（電荷読み出し回路）２４が接続されている。
【００２８】
アクティブマトリクスアレイ２０は、ゲート配線ｇとソース配線ｓとの格子に基づき画素が区画されており、各画素には、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）２１および蓄積容量（画素容量）２２がそれぞれ配設されている。各ＴＦＴ２１は、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極が、それぞれゲート配線ｇ、ソース配線ｓ、蓄積容量２２に接続されている。各蓄積容量２２は、ゲート配線ｇと平行に配設された容量配線（Ｃｓ配線）ｃ１，…，ｃｎ（以下「ｃ」と示す）に接続されており、容量配線ｃはＣｓ駆動回路（Ｖｃｓ；蓄積容量駆動回路）（図示せず）に接続されている。
【００２９】
次に、図３は、上記放射線撮像装置１の一画素辺りの断面構造を示す模式図である。
【００３０】
ＴＦＴ２１は、ガラス等からなる絶縁性基板３１上に、アルミニウム（Ａｌ）やタンタル（Ｔａ）等からなるゲート電極３２が形成されており、このゲート電極３２および絶縁性基板３１を覆うように、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるゲート絶縁膜３３が形成されている。ゲート電極３２上には、ゲート絶縁膜３３を挟んで、ゲート電極３２と対向する位置に、ｉ型アモルファス・シリコン（ｉ−ａ−Ｓｉ）からなる半導体層（感光性半導体層）３４が形成されている。この半導体層３４上には、所定の間隔を隔てて相対向する位置にソース電極３５およびドレイン電極３６が形成されている。これらソース電極３５およびドレイン電極３６は、それぞれｎ＋シリコンからなるコンタクト層３７を介して半導体層３４と接続されている。また、ソース電極３５およびドレイン電極３６の上部には、保護絶縁膜３８が形成されている。このように、ＴＦＴ２１は、逆スタガー型の薄膜トランジスタとして構成されている。
【００３１】
また、ＴＦＴ２１の近傍には、ＴＦＴ２１の形成時にモノリシックに蓄積容量２２が形成されている。具体的には、蓄積容量２２は、Ｃｓ電極３９がゲート電極３２と同じ材料およびプロセスによって形成され、容量性絶縁膜４０がゲート絶縁膜３３と同じ材料およびプロセスによって形成され、Ｃｓ電極３９に対向する蓄積容量用電極４１がドレイン電極３６と同じ材料およびプロセスによって形成されている。このように、蓄積容量２２はＴＦＴ２１とモノリシックに形成されるため、蓄積容量２２の形成には特有の材料やプロセスは不要である。
【００３２】
さらに、このような画素構造を有するアクティブマトリクスアレイ２０の上層には、平坦化層４２が必要に応じて形成される。この平坦化層４２は、アクリル樹脂やポリイミド樹脂からなる層であり、アクティブマトリクスアレイ２０の表面凹凸を吸収し、表面を平坦化する役割を果たす。
【００３３】
また、平坦化層４２もしくは保護絶縁膜３８の上層には、放射線を光に変換する変換層（放射線−光変換層）４３が配設される。この変換層４３は、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）を蒸着する方法や、Ｘ線フイルムで用いられている増感紙を貼り付ける方法などによって形成される。なお、変換層４３は、シンチレータ、増感紙、蛍光体とも呼ばれる。
【００３４】
また、変換層４３の上層には、変換層４３を湿気や機械的な損傷から守るために、保護板４４が配設されている。保護板４４としては、薄いガラス板と遮光材（カーボン板など）を組み合わせたものや、金属板を使用することができる。
【００３５】
上述のように、放射線撮像装置１は、少なくとも変換層４３とアクティブマトリクスアレイ２０とが積層されて構成されている。そして、変換層４３は、入射された放射線を光に変換して出射するものである。また、アクティブマトリクスアレイ２０は、画素ごとにＴＦＴ２１と、該ＴＦＴ２１のドレイン電極３６に蓄積容量用電極４１が接続された蓄積容量２２とを有する。そして、ＴＦＴ２１は、オフ状態において変換層４３が出射した光が照射された時、蓄積容量２２に充電された電荷を放電させる。さらに、読み出し回路２４は、放射線が照射されることで変換層４３が発した光により、蓄積容量２２が放電した後、オン状態のＴＦＴ２１を介して、蓄積容量２２に残存する電荷を読み出す。
【００３６】
このように、放射線撮像装置１では、アクティブマトリクスアレイ２０に用いるＴＦＴ２１が、光検出機能とスイッチング機能との両機能を備えている。すなわち、放射線撮像装置１では、アクティブマトリクスアレイ２０が単体で光検出アレイとして機能する。そして、放射線撮像装置１は、アクティブマトリクスアレイ２０に変換層４３を組み合わせたものである。よって、放射線撮像装置１は、変換層４３において入射した放射線情報が光情報に変換され、その光情報をアクティブマトリクスアレイ２０で検出することで、放射線情報を読み取ることができる。
【００３７】
次に、図４は、図２に示したアクティブマトリクスアレイ２０のうちの１本のソース配線ｓの等価回路と、そのソース配線ｓに接続されている読み出し回路２４の基本構成図である。なお、読み出し回路２４は、検出ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）とも呼ばれる。
【００３８】
読み出し回路２４は、電荷積分アンプ（ＣＳＡ）５１、増幅アンプ５２、サンプルホールド回路５３等を、検出するライン数分（例えば数百ライン）備えている。また、読み出し回路２４は、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路５３の後段に、アナログマルチプレクサ（図示せず）を介して、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路５４を１つ備えている。
【００３９】
電荷積分アンプ５１の出力は、増幅アンプ５２に入力され、所定の倍率に増幅されて出力される。なお、電荷積分アンプ５１と増幅アンプ５２の間に、ノイズ成分をカットするローパスフィルタ（図示せず）を挿入してもよい。
【００４０】
そして、増幅アンプ５２の出力は、サンプルホールド回路５３に入力され、一旦保持された後、保持された値がアナログマルチプレクサの複数入力の１入力に出力される。アナログマルチプレクサの出力は、次段のＡ／Ｄ変換回路５４に入力されて、アナログデータからデジタルデータに変換された後、外部に出力される。
【００４１】
なお、電荷積分アンプ５１のリセットスイッチＳＷおよび帰還容量５５については後述する。
【００４２】
つづいて、図５を参照しながら、放射線撮像装置１の動作および駆動方法について具体的に説明する。
【００４３】
変換層４３は、外部から照射された放射線の強度に応じて発光する特性を有している。その光はＴＦＴ２１のチャネル（シリコン層）に照射される。このとき、ＴＦＴ２１のゲート電極３２に印加する電圧をオフ電圧（Ｖｇｌ）にしておくと、光照射の有／無によって、ＴＦＴ２１の特性（ソースドレイン間の抵抗）が図５に示すように変化する。なお、変換層４３およびＴＦＴ２１は、変換層４３が発する光の波長が、ＴＦＴ２１のソースドレイン間の抵抗を変化させる光の波長の少なくとも一部を含むように設定されている。
【００４４】
図５は、横軸にゲート電圧Ｖｇ、縦軸にソースドレイン間に流れる電流値Ｉｓｄをプロットしたもので、ＴＦＴの電気特性を示すものである。図５に示すように、ＴＦＴ２１は、ゲート電圧がＶｇｌの時、光非照射時にはソースドレイン間が高抵抗なために電流（Ｉｓｄ＝Ｉｄａｒｋ）がほとんど流れないが、光が照射されるとソースドレイン間が低抵抗化し電流（Ｉｓｄ＝Ｉｐｈｏｔｏ）が流れやすくなる特性を有している。この特性を利用することで、ＴＦＴ２１を光検出素子に利用することができる。
【００４５】
なお、アクティブマトリクスアレイ２０に備えられているＴＦＴ２１は、本来、線順次走査のためのスイッチ素子と作用するものであるから、同じＴＦＴ２１を光検出素子として兼用するためには、専用の駆動方法を採用する必要がある。
【００４６】
具体的には、ＴＦＴ２１は、図６に示したフローチャートに従って動作する。
まず、画素の蓄積容量２２に電荷を所定量充電する（Ｓ１：充電ステップ）。次に、蓄積容量２２への電荷の充電完了後、ＴＦＴ２１をオフ状態にし、かつ、変換層４３に放射線を照射することによってＴＦＴ２１に光を照射することにより、蓄積容量２２に充電された電荷を放電する（Ｓ２：放電ステップ）。次に、電荷の放電後に、ＴＦＴ２１をオン状態にして、蓄積容量２２の残存電荷を読み出す（Ｓ３：電荷読み出しステップ）。
【００４７】
つづいて、図１および図７のタイミングチャートを参照しながら、放射線撮像装置１の動作例を時間を追って説明する。なお、図７は、放射線撮像装置１の全期間の動作を示すタイミングチャートである。図１は、図７のうちの１スキャン期間の動作を示すタイミングチャートである。
【００４８】
（ステップＳ１）時間ｔ４〜ｔ７
時間ｔ４において、電荷積分アンプ５１のリセットスイッチＳＷがオン状態になるため、電荷積分アンプ５１の帰還容量５５がショートされ、電荷積分アンプ５１の出力は基準電圧（Ｖｒｅｆ）になる。このため、増幅アンプ５２の出力もＶｒｅｆとなる。
【００４９】
この状態で、時間ｔ５において、Ｃｓ電極駆動電圧がオンされると、蓄積容量２２（Ｃｓ）より電荷がＴＦＴ２１のドレイン側に流れ込んでくる。ただし、ＴＦＴ２１がオン状態で電荷積分アンプ５１がリセットされているため、この電荷は消滅する。
【００５０】
次に、時間ｔ６において、ゲート駆動信号がオフされた後、時間ｔ７において、Ｃｓ電極駆動電圧がオフされると、蓄積容量２２の電位が変化する。すなわち、蓄積容量２２がプリ充電される。
【００５１】
なお、図４では、Ｃｓ電極３９を駆動することで蓄積容量２２のプリ充電を行う例を示しているが、電荷積分アンプ５１の基準電位（Ｖｒｅｆ）を駆動することで、ＴＦＴ２１を介して蓄積容量２２のプリ充電を行うことも可能である。
【００５２】
（ステップＳ２）時間ｔ７〜ｔ１
つづいて、時間ｔ７において、蓄積容量２２に充電された電荷は、ＴＦＴ２１がオフ状態にあるため、時間ｔ７〜時間ｔ１の間（すなわち、次のサイクルまでの間）、ＴＦＴ２１のオフ抵抗値と蓄積容量値で決定される時定数で保持される。
【００５３】
ここで、時間ｔ７〜時間ｔ１の間に、所定の期間、撮像対象を撮像した放射線を変換層４３に照射する。このとき、変換層４３の発光が照射された画素では、ＴＦＴ２１の抵抗値が低抵抗化するため、蓄積容量２２の電荷がＴＦＴ２１のソース側に流れて、ＴＦＴ２１のドレイン電圧がＶｒｅｆに近づく。これに対して、変換層４３の発光が照射されない画素では、ＴＦＴ２１が高抵抗値を保っているために、蓄積容量２２の電荷が保持されて、ＴＦＴ２１のドレイン電圧は大きく変化しない。この結果、時間ｔ７〜ｔ１の間に放射線が照射された場所、すなわち、変換層４３の発光が照射された画素と照射されなかった画素とでは、ＴＦＴ２１のドレイン電圧（蓄積容量２２の残存電荷量）に差が生じる。
【００５４】
（ステップＳ３）時間ｔ１〜ｔ４
つづいて、時間ｔ１において、電荷積分アンプ５１のリセットスイッチＳＷがオンからオフに切り替えられ、電荷積分アンプ３１のリセットが解除される。
【００５５】
次に、時間ｔ２において、ゲート駆動信号がオンされて、ＴＦＴ２１がオンする。ＴＦＴ２１がオンすると、画素の蓄積容量２２の電荷が電荷積分アンプ５１の帰還容量５５に移動し、それにともなって電荷積分アンプ５１の出力が決定される。ここで、図１に示すように、電荷積分アンプ５１の出力は、放射線が照射された画素では低くなり（実線）、放射線が照射されなかった画素では高くなる（波線）。
【００５６】
次に、増幅アンプ５２の出力は、電荷積分アンプ５１で出力値×Ｇ（ゲイン）に増幅され、この値が時間ｔ３においてサンプルホールドされる。これにより、放射線（Ｘ線）の照射期間（＝スキャン停止期間）に得られた撮像対象の画像情報を電気信号として得ることが可能となる。なお、スキャン期間（＝放射線の照射停止期間）では、放射線照射をオフしておき、データの読み出し（スキャン）の際のＴＦＴ２１の動作に放射線、すなわち変換層４３の発光が影響しないようにしておく。
【００５７】
最後に、データ読み出しが終われば、時間ｔ４に戻り、次のフレームを撮像するために、電荷積分アンプ５１のリセットスイッチＳＷをオンにする。
【００５８】
図７に示すように、放射線撮像装置１は、上記のステップＳ１〜Ｓ３をスキャン期間ごとに繰り返すことで、複数のフレーム（図７では、フレーム１〜３）の画像情報を連続して取得することができる。
【００５９】
ところで、通常、放射線撮像装置１は、ゲートライン（走査線）を複数本有するため、全体的なシーケンスとしては、図１に示すものになる。
【００６０】
図１では、一例として、ゲートラインが１０００本の場合を示している。このように、アクティブマトリクスアレイ２０は、放射線（Ｘ線）の照射期間に蓄積容量２２の残存電荷（すなわち、ドレイン電圧）に差を生じさせ、放射線の照射停止期間にゲートラインを線順次にスキャンして、蓄積容量２２の残存電荷に対応した出力を得ることによって、画像情報を取得する。また、ゲートラインごとに読み出し終了後にプリ充電を行っている。
【００６１】
なお、上記の説明では、ゲートラインとデータライン電極間の寄生容量Ｃｇｓ、ゲート電極とドレイン電極間の寄生容量Ｃｇｄに起因するフィードスルー（すなわち、ゲート信号の変化に対するＣｇｓ、Ｃｇｄのカップリング効果）の影響については、説明を簡潔にするため省略している。
【００６２】
また、放射線撮像装置１では、変換層４３の発光による光照射の有／無によって、ＴＦＴ２１のソースドレイン電極間の抵抗値が変化する特性を利用する。そして、このソースドレイン電極間の抵抗値は、ＴＦＴ素子のサイズではなく、ソースドレイン電極によって規定されるチャネル長Ｌとチャネル幅Ｗの比（Ｗ／Ｌ）によって決定される。よって、Ｗ／Ｌが一定であれば、ＴＦＴの素子サイズが小さくなっても、ＴＦＴの特性は維持される。なお、代表的なＴＦＴは、チャネル長が数μｍとなるような小さなサイズで設計されることが多い。
【００６３】
このため、放射線撮像装置１では、光検出素子としてＴＦＴ２１を用いるので、高精細化（高解像度化）を図るために画素サイズを小さくする場合であっても、ＴＦＴ２１のサイズや形状を大きく変更する必要がない。また、仮にＴＦＴ２１のサイズを小さくする必要が出てきた場合でも、上記の比Ｗ／Ｌを一定にしておけば、ＴＦＴ２１の特性を維持することができる。それゆえ、フォトダイオードを用いた従来の放射線撮像装置で問題となっていた、高精細化すなわち画素サイズの縮小にともなう感度の低下を避けることが可能となる。
【００６４】
加えて、放射線撮像装置１では、ＴＦＴ２１が光検出機能とスイッチング機能との両機能を備えるため、従来のように、光検出素子としてフォトダイオードを別途設ける必要がなく、一画素内にＴＦＴ２１と蓄積容量２２のみを配置した簡単な構造のアクティブマトリクス基板（アクティブマトリクスアレイ２０）を用いることができる。
【００６５】
一般に、蓄積容量は、フォトダイオードに比べると、半導体を必要とせず、かつ、ＴＦＴの製造過程で一緒に形成できるため、製造時に複雑なプロセスを必要とせず、従来のようにプロセスの増加や歩留まりの低下を招くことなく、アクティブマトリクスアレイを製造できる。さらに、一画素にＴＦＴと蓄積容量を配置するアクティブマトリクス基板は、ＴＦＴ−ＬＣＤの分野においてその構造や製造プロセスが確立されているため、ＴＦＴ−ＬＣＤの既存製造ラインをそのまま利用して作成することができる。
【００６６】
また、上述した駆動方法を用いれば、簡単な構造のアクティブマトリクスアレイ２０を用いた「間接変換方式」の放射線撮像装置１を駆動することができる。
【００６７】
なお、本実施の形態は本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、以下のように構成することができる。
【００６８】
本実施の形態の放射線撮像装置は、放射線情報を光情報に変換する放射線−光変換層と、該光情報を電気的に読み出すアクティブマトリクスアレイとを組み合わせた「間接変換方式」の放射線撮像装置において、上記アクティブマトリクスアレイの各画素には、光検出機能とスイッチング機能との両機能を兼用するＴＦＴ（薄膜トランジスタ）と、該ＴＦＴに接続された蓄積容量とが設けられていてもよい。
【００６９】
ＴＦＴ構造の光検出素子では、光の照射によってソースドレイン電極間の抵抗値が変化する特性を利用する。このソースドレイン電極間の抵抗値は、ＴＦＴ素子のサイズではなく、ソースドレイン電極によって規定されるチャネル長Ｌとチャネル幅Ｗとの比（Ｗ／Ｌ）によって決定される。したがって、Ｗ／Ｌが一定であれば、ＴＦＴの素子サイズが小さくなっても、ＴＦＴの特性は維持される。このため、ＴＦＴ−ＬＣＤに見られるような代表的なＴＦＴは、チャネル長が数μｍとなるような小さなサイズで設計されることが多い。
【００７０】
このため、光検出素子にＴＦＴを用いた上記放射線撮像装置では、撮像装置の高精細化を図る、すなわち画素サイズを小さくする場合であっても、ＴＦＴのサイズや形状を大きく変更する必要がない。また、仮にＴＦＴのサイズを小さくする必要が出てきた場合でも、上記の比Ｗ／Ｌを一定にしておけば、ＴＦＴの特性を維持することができる。その結果、放射線撮像装置の高精細化、すなわち画素サイズを縮小するにともない感度が低下するといった、従来のフォトダイオードを用いた場合の問題を避けることが可能になる。
【００７１】
加えて、上記放射線撮像装置では、ＴＦＴが光検出機能とスイッチング機能と両機能とを兼用するため、従来のように、光検出素子としてフォトダイオードを別途設ける必要がなく、一画素内にＴＦＴと蓄積容量のみを配置した簡単な構造のアクティブマトリクス基板を用いることができる。また、蓄積容量は、フォトダイオードに比べると、半導体を必要とせず、かつＴＦＴの製造過程で一緒に形成することができるものであるから、従来のようにプロセス長の増加や歩留まりの低下を招くといった問題を回避することが可能になる。さらに、一画素にＴＦＴと蓄積容量を配置するアクティブマトリクス基板は、ＴＦＴ−ＬＣＤの分野においてその構造や製造プロセスが確立されているため、ＴＦＴ−ＬＣＤの既存製造ラインをそのまま利用して作成することができるといった利点も有する。
【００７２】
また、本実施の形態の放射線撮像装置の駆動方法は、放射線を光に変換する放射線−光変換層と、該光を電気的に読み出すアクティブマトリクスアレイとを組み合わせた「間接変換方式」の放射線撮像装置の駆動方法において、上記アクティブマトリクスアレイの各画素には、光検出機能とスイッチング機能との両機能を兼用する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）と該ＴＦＴに接続されたデータバスラインが設けられており、上記蓄積容量に電荷を所定量充電する第１のステップと、上記蓄積容量への電荷の充電完了後に、上記ＴＦＴをオフ状態にして、該ＴＦＴに上記光を照射することで上記蓄積容量に充電された電荷を放電する第２のステップと、上記電荷の放電後に、上記ＴＦＴをオン状態にして、上記蓄積容量の残存電荷を読み出す第３のステップとの３つのステップにより、上記光の照射強度を検出するシーケンスを含む方法であってもよい。
【００７３】
上記の駆動方法によれば、一つのＴＦＴが、光検出用ＴＦＴとして作用する第２ステップと、スイッチング用ＴＦＴとして作用する第３ステップを含んでいるので、上述したような簡単な構造のアクティブマトリクスアレイを用いた「間接変換方式」の放射線撮像装を駆動することが可能になる。
【００７４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の放射線撮像装置は、入射された放射線を光に変換して出射する放射線−光変換層と、画素ごとに薄膜トランジスタと該薄膜トランジスタのドレイン電極に接続された蓄積容量とを有するアクティブマトリクスアレイとを備えるとともに、上記薄膜トランジスタは、オフ状態において上記放射線−光変換層が出射した光が照射された時、上記蓄積容量に充電された電荷を放電させるものである。
【００７５】
さらに、本発明の放射線撮像装置は、上記放電後、オン状態の上記薄膜トランジスタを介して、上記蓄積容量に残存する電荷を読み出す電荷読み出し回路を具備する構成である。
【００７６】
また、本発明の放射線撮像装置の駆動方法は、入射された放射線を光に変換して出射する放射線−光変換層と、画素ごとに薄膜トランジスタと該薄膜トランジスタのドレイン電極に接続された蓄積容量とを有するアクティブマトリクスアレイとを備えた放射線撮像装置の駆動方法であって、上記蓄積容量に電荷を所定量充電する充電ステップと、上記放射線−光変換層に放射線を照射して出射させた光をオフ状態の上記薄膜トランジスタに照射して、上記充電ステップで充電した電荷を上記蓄積容量から放電させる放電ステップと、上記放電ステップの後、オン状態の上記薄膜トランジスタを介して、上記蓄積容量に残存する電荷を読み出す電荷読み出しステップとを含む方法である。
【００７７】
それゆえ、上記放射線撮像装置は、次のように駆動させることができる。第１に、放射線（Ｘ線）の照射停止期間に、蓄積容量駆動回路等によりあらかじめ蓄積容量を所定量に充電する。第２に、放射線の照射期間に、撮像対象を撮像した放射線を放射線−光変換層に照射して、放射線−光変換層の発光をアクティブマトリクスアレイに照射する。このとき、放射線照射期間に放射線が照射された場所と照射されなかった場所、すなわち、放射線−光変換層の発光が照射された画素と照射されなかった画素とでは、蓄積容量に残存する電荷量、すなわち、ＴＦＴのドレイン電圧に差が生じる。第３に、放射線の照射停止期間に、ＴＦＴをオン状態にして、蓄積容量に残存する電荷を読み出すことによって、画像情報を取得する。
【００７８】
よって、高精細化（高解像度化）を図るために画素サイズを小さくする場合であっても、ＴＦＴのサイズや形状を大きく変更する必要がない。したがって、フォトダイオードを用いた従来の放射線撮像装置で問題となっていた、高精細化すなわち画素サイズの縮小にともなう感度の低下を避けることが可能となるという効果を奏する。
【００７９】
また、光検出素子としてフォトダイオードを別途設ける必要がなく、一画素内にＴＦＴと蓄積容量のみを配置した簡単な構造のアクティブマトリクスアレイを用いることができる。したがって、製造時に複雑なプロセスを必要とせず、従来の放射線撮像装置ようにプロセスの増加や歩留まりの低下を招くことなく、アクティブマトリクスアレイを製造できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る放射線撮像装置のスキャン期間の動作を示すタイミングチャートである。
【図２】上記放射線撮像装置が備えるアクティブマトリクスアレイの等価回路図である。
【図３】上記放射線撮像装置の断面構造を示す模式図である。
【図４】
上記放射線撮像装置が備えるアクティブマトリクスアレイのうちの１本のソース配線の等価回路と、そのソース配線に接続されている読み出し回路の基本構成とを示す説明図である。
【図５】光検出用ＴＦＴの一般的な特性である、ゲート電圧とソース−ドレイン間電流との関係を示すグラフである。
【図６】上記放射線撮像装置による画像情報の取得動作を示すフローチャートである。
【図７】上記放射線撮像装置の全期間の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】従来の技術に係る放射線撮像装置の断面構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１    放射線撮像装置
２０    アクティブマトリクスアレイ
２１    ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）
２２    蓄積容量
２４    読み出し回路（電荷読み出し回路）
３６    ドレイン電極
４３    変換層（放射線−光変換層）
Ｓ１    充電ステップ
Ｓ２    放電ステップ
Ｓ３    電荷読み出しステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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