(57)【要約】【課題】  光電変換素子からの出力の転送効率を維持可能な放射線検出装置を提供する。【解決手段】  放射線を電荷に変換する光電変換素子と、当該光電変換素子と前記電荷を読み出す信号線との間に配置され、前記電荷を前記信号線に転送するスイッチとして機能するスイッチ素子と、当該スイッチ素子の閾値電圧に応じて前記スイッチ素子をオンオフする駆動電圧を印加する駆動装置とを有することを特徴とする放射線検出装置を提供する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線を電荷に変換する光電変換素子と、
前記電荷を読み出すための信号線に前記電荷を転送するスイッチとして機能するスイッチ素子と、
当該スイッチ素子の閾値電圧に応じて前記スイッチ素子を駆動する駆動電圧を印加する駆動装置とを有することを特徴とする放射線検出装置。
【請求項２】
前記駆動装置は、前記スイッチ素子の転送効率に応じて前記駆動電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の放射線検出装置。
【請求項３】
前記スイッチ素子の転送効率を測定する測定部を更に有することを特徴とする請求項１又は２記載の放射線検出装置。
【請求項４】
前記放射線検出装置は、前記光電変換素子に所定のバイアスを可変的に印加するバイアス印加手段を更に有し、
前記測定部は、前記スイッチ素子の転送効率を前記バイアス線に印加するバイアスを変更して測定することを特徴とする請求項３記載の放射線検出装置。
【請求項５】
前記バイアス印加手段は、少なくとも３種類のバイアス電源を有することを特徴とする請求項４記載の放射線検出装置。
【請求項６】
前記測定部は、前記放射線を曝射して前記スイッチ素子の転送効率を測定することを特徴とする請求項３記載の放射線検出装置。
【請求項７】
前記光電変換素子はＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型光電変換素子であり、前記スイッチ素子は薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項１記載の放射線検出装置。
【請求項８】
放射線を電荷に変換する光電変換素子と、
前記電荷を読み出すための信号線に前記電荷を転送するスイッチとして機能するスイッチ素子と、
前記スイッチ素子を駆動する駆動電圧を印加すると共に変更する駆動装置とを有することを特徴とする放射線検出装置。
【請求項９】
前記駆動装置は、前記駆動電圧を前記スイッチ素子の転送効率が所定の範囲内になるように変更することを特徴とする請求項８記載の放射線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には、医療用画像診断装置、非破壊検査装置、放射線を用いた分析装置等に応用される光電変換装置及び放射線検出装置に係り、特に、放射線検出装置における読み出し又は転送処理に関する。なお、本明細書では、可視光等の電磁波やＸ線、α線、β線、γ線等も放射線に含まれるものとする。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被写体を透過した放射線を検知し、デジタル画像として表示装置に出力する放射線検出装置として、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型光電変換素子と薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）スイッチとから構成されたＭＩＳ−ＴＦＴ構造の光センサと、放射線を可視光に変換するための蛍光体を組み合わせた放射線検出装置が知られている（例えば、特許文献１を参照のこと）。
【０００３】
ＴＦＴを用いた液晶パネルの製造技術の発展や、光電変換素子を有するエリアセンサーの各分野への利用（例えばＸ線撮像装置）の進展により、ＴＦＴを用いたパネルの大画面化が急速に進んでいる。また、例えば、Ｘ線撮像装置ではこれまでの静止画から動画への利用要求が高まっており、静止画に比べると撮影枚数も格段に増えるため、長期間にわたる装置の性能維持が望まれている。
【０００４】
かかる放射線検出装置は、典型的に、マトリックス状にＭＩＳ−ＴＦＴ構造の光センサを配置する。各行の光電変換素子は共通のバイアス線に接続され、読み出し装置から一定のバイアスが印加されている。各列のＴＦＴのゲート電極はゲート駆動装置に共通のゲート線を介して接続され、一定のゲート駆動電圧が供給されていた。また、各ＴＦＴのソース又はドレイン電極は、読み出し装置に接続されている共通の信号線に接続されている。被検体に向けて曝射された放射線は、被検体により減衰を受けて透過し、図示しない蛍光体層で可視光に変換され、この可視光が光電変換素子に入射して電荷に変換される。この電荷は、ゲート駆動装置により印加されるゲート駆動電圧によりＴＦＴを介して信号線に転送され、読み出し装置により外部に読み出される。その後、共通のバイアス線により、光電変換素子で発生し転送されきれなかった電荷が除去される。この動作はリフレッシュと呼ばれている。
【特許文献１】特開平１０−２８５４６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の放射線検出装置では撮影枚数の増加に伴ってＴＦＴの飽和ドレイン電流が小さくなり、ＴＦＴの転送効率が低下するという問題があった。換言すれば、従来の放射線検出装置は長期間にわたる装置の性能維持の要請を満足することができなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、光電変換素子からの出力の転送効率を維持可能な放射線検出装置を提供することを例示的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての放射線検出装置は、放射線を電荷に変換する光電変換素子と、前記電荷を読み出すための信号線に前記電荷を転送するスイッチとして機能するスイッチ素子と、当該スイッチ素子の閾値電圧に応じて前記スイッチ素子を駆動する駆動電圧を印加する駆動装置とを有することを特徴とする。
【０００８】
前記駆動装置は、前記スイッチ素子の転送効率に応じて前記駆動電圧を印加してもよい。前記放射線検出装置は、前記スイッチ素子の転送効率を測定する測定部を更に有してもよい。前記放射線検出装置は、前記光電変換素子に所定のバイアスを可変的に印加するバイアス印加手段を更に有し、前記測定部は、前記スイッチ素子の転送効率を前記バイアス線に印加するバイアスを変更して測定してもよい。前記バイアス印加手段は、少なくとも３種類のバイアス電源を有してもよい。前記測定部は、前記放射線を曝射して前記スイッチ素子の転送効率を測定してもよい。前記光電変換素子はＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型光電変換素子であり、前記スイッチ素子は薄膜トランジスタであってもよい。
【０００９】
本発明の別の側面としての放射線検出装置は、放射線を電荷に変換する光電変換素子と、前記電荷を読み出すための信号線に前記電荷を転送するスイッチとして機能するスイッチ素子と、前記スイッチ素子を駆動する駆動電圧を印加すると共に変更する駆動装置とを有することを特徴とする。前記駆動装置は、前記駆動電圧を前記スイッチ素子の転送効率が所定の範囲内になるように変更してもよい。
【００１０】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、光電変換素子からの出力の転送効率を維持可能な放射線検出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態の放射線検出装置１００について説明する。ここで、図１は放射線検出装置１００の等価回路図であり、図２は放射線検出装置１００の平面図である。放射線検出装置１００は、読み出し装置１１０と、ゲート駆動装置１２０と、絶縁基板１３０上に形成された画素エリア１４０とを有する。画素エリア１４０には、ＭＩＳ型光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４５と、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）（スイッチ）Ｔ１１〜Ｔ４５が配置され、それぞれ画素を構成している。なお、図１に示す画素エリア１４０は４×５画素を示しているが、実際には、例えば、１０００×２０００画素が絶縁基板１３０に配置されている。
【００１３】
光電変換素子Ｐ１１〜Ｐ４５は共通のバイアス線Ｖｓ１〜Ｖｓ４に接続されており、読み出し装置１１０から一定バイアスが印加されている。各ＴＦＴのゲート電極は、共通のゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ５に接続されており、ゲート駆動装置１２０からＴＦＴのゲートのＯＮ、ＯＦＦを制御する。また、各ＴＦＴのソース又はドレイン電極は、共通の信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４に接続されており、信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４は、読み出し装置１１０に接続されている。なお、以下の説明においては、ゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ５はＶｇ線１７０として、信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４はＳｉｇ線１７２として、バイアス線Ｖｓ１〜Ｖｓ４はＶｓ線１７６として総括される場合がある。
【００１４】
被検体に向けて曝射されたＸ線は、被検体により減衰を受けて透過し、図示しない蛍光体層で可視光に変換され、この可視光が光電変換素子に入射し、電荷に変換される。この電荷は、ゲート駆動装置１２０により印加されるゲート駆動パルスによりＴＦＴを介して信号線に転送され、読み出し装置１１０により外部に読み出される。その後、共通のバイアス線により、光電変換素子で発生し転送されきれなかった電荷が除去される。（リフレッシュ）。
【００１５】
光電変換素子１４２とＴＦＴスイッチ１４４は光センサ１４１を構成する。図３（ａ）及び（ｂ）は、ＭＩＳ−ＴＦＴ構造光センサ１４１の１画素の層構成を示す平面図及び断面図である。ＭＩＳ型光電変換素子１４２は第１の電極層（下部電極）１５０、絶縁層１５１、第１の半導体層１５２、ｎ＋型半導体層１５３、第２の電極層１５４から構成され、下部電極１５１はＴＦＴ１４４のソース・ドレイン電極１６４と接続されている。光電変換素子１４２には、Ｖｓ線１７６が接続され、バイアスが印加されている。ＴＦＴ１４４は、ゲート電極層１６０、ゲート絶縁層１６１、第２の半導体層１６２、オーミックコンタクト層１６３、ソース・ドレイン電極１６４を備えている。各Ｖｇ線１６０はＴＦＴのゲート電極層１６０に、各Ｓｉｇ線１７２はソース・ドレイン電極層１６４にそれぞれ接続されている。第２の電極層１５４の上にはポリイミド層１８０、接着層１８２及び蛍光体層１８４が設けられ、蛍光体層１８４は、被検体を透過した放射線を可視光に変換する。なお、図３に示す構成には当業界で既知の材料及び構造を適用することができるため、ここでは詳しい説明は省略する。
【００１６】
本発明者は、従来の放射線検出装置において撮影枚数の増加に伴ってＴＦＴの飽和ドレイン電流が小さくなり、ＴＦＴの転送効率が低下する原因を鋭意検討した結果、ＴＦＴ１４４の閾値電圧Ｖｔｈの増加にあることを発見した。図４にＴＦＴのしきい値電圧Ｖｔｈと撮影枚数の関係を示す。図４に示すように、撮影枚数が増えるに従いＴＦＴ１４４のＶｔｈは大きくなる。ＴＦＴ１４４の飽和ドレイン電流Ｉｄは、ゲート駆動電圧Ｖｇ、しきい値電圧Ｖｔｈ、チャネル幅Ｗ、チャネル長Ｌ、単位面積当たりの容量Ｃ、移動度μとすると以下の数式１で与えられる。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
つまり、本発明者は、従来の構成ではＴＦＴのゲート駆動電圧Ｖｇが一定であったため、撮影枚数が増えるに従いＩｄは小さくなり、ＴＦＴの転送効率は低下していたことを発見した。かかる問題を解決するために、放射線検出装置１００は使用時間又は撮影枚数に応じて定期的にＴＦＴの転送効率を測定し、又は、予め得ていた撮影枚数とＶｔｈとＶｇの関係から適切なＶｇを選択することとしている。
【００１９】
本実施形態では、図４の関係を予め取得しておいて、ゲート駆動装置１２０はＴＦＴのゲート駆動電圧を複数選択できる機能を有している。図４の関係から、一定のＩｄを得る（転送効率を一定にする）ためには、Ｖｔｈの変化に応じてＶｇを変更すればよい。図４からＩｄが一定になるようにＶｇを算出すると、図５のようになる。例えば、１枚目にＶｔｈ＝２Ｖ、Ｖｇ＝１０Ｖとするならば、２０万枚目にはＶｔｈ＝３Ｖとなるため、図５からＶｇ＝１１Ｖとすれば、１枚目と同様の転送効率を得ることができる。これにより、撮影枚数に対するＴＦＴの転送効率の低下を防止できる。
【００２０】
別の実施形態においては、放射線検出装置１００は、図５に示すグラフの代わりに図６に示すグラフを利用する。ここで、図６は、ＴＦＴ転送効率と、転送効率を１００％にするのに必要なＴＦＴの駆動電圧Ｖｇの関係を示すグラフである。本実施形態においては、放射線検出装置１００は、ＴＦＴ１４４の転送効率を測定することができる。ゲート駆動装置１２０はＴＦＴ１４４のゲート駆動電圧を複数選択できる機能を有している。
【００２１】
ＴＦＴ１４４の転送効率の測定に関しては、例えば、Ｖｓ線に印加するバイアスを蓄積時にＶｓ＝１２Ｖ、リフレッシュ時にＶｓ＝９Ｖとした場合、測定時にはまずＶｓ＝９Ｖで読み出し、次にＶｓ＝１０Ｖで読み出し、その差分をとる。例えば、１枚目、１００枚目、１０００枚目、１万枚目と各撮影の前に定期的に行い、１枚目直前の差分を１００％の転送効率としておけば、放射線を曝射せずに容易に転送効率の測定が行える。また、図６に示す関係が予めわかっていればＶｇの選択も容易になる。但し、従来はＶｓ用の電源は２種類であったのに対して本実施形態では３種類必要になる。また、ここでは転送効率の測定に放射線は用いていないが、放射線を曝射して測定してもよいし、測定も各撮影前に行ってもよい。
【００２２】
以上のように、図６に示すグラフを使用しても図５と同様に、放射線検出装置１００は、各撮影時のＴＦＴの転送効率の低下を防止できる。
【００２３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変更及び変形が可能である。例えば、本実施形態では転送効率を１００％になるように駆動電圧Ｖｇを変更するが、本発明は転送効率が完全に１００％にならなくても所定の範囲（例えば、９５％〜１００％の範囲）内になるように駆動電圧Ｖｇを調節すれば足りる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の放射線検出装置の等価回路図である。
【図２】図１に示す放射線検出装置の平面図である。
【図３】図１に示す放射線検出装置の１画素の平面図及び断面図である。
【図４】図１に示す放射線検出装置の撮影枚数とＴＦＴの閾値電圧の関係を示すグラフである。
【図５】図１に示す放射線検出装置の撮影枚数とＴＦＴの駆動電圧の関係を示すグラフである。
【図６】図１に示す放射線検出装置が、図５に示すグラフの代わりに使用するグラフである。
【符号の説明】
【００２５】
１００                    放射線検出装置
１１０                    読み出し装置
１２０                    ゲート駆動装置
１３０                    絶縁基板
１４０                    画素エリア
１４２                    光電変換素子
１４４                    ＴＦＴ
【図４】
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【図５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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