(57)【要約】【課題】  ダイナミックレンジの制限を回避して高い感度を得ることができる光電変換装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】  共通ゲート線Ｖｇ１に接続された画素については、期間ｔ2〜ｔ3において電荷量Ｑ０のプリチャージを行い、期間ｔ4において光電変換及び放電を行うことにより、ΔＱだけ電荷量を低下させる。次いで、期間ｔ5〜ｔ6においてプリチャージされた電荷（電荷量：Ｑ０）の差し引きを行うことにより、蓄積容量における残存電荷量をΔＱとする。そして、期間ｔ7〜ｔ8において入射光量に対応した電荷量ΔＱの読み出しを行う。【選択図】  図２
2007005938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出機能とスイッチング機能を有する薄膜トランジスタと、
前記薄膜トランジスタに接続された蓄積容量と、
前記蓄積容量に蓄積されている電荷の量を読み出す読み出し手段と、
前記薄膜トランジスタ及び読み出し手段の動作を制御する制御手段と、
を有し、
前記制御手段は、
第１のインターバルにおいて、前記蓄積容量に所定量の電荷をプリチャージし、
前記第１のインターバルに続く第２のインターバルにおいて、前記薄膜トランジスタをオフ状態にしながら、前記薄膜トランジスタに光を入射させることにより、前記蓄積容量にプリチャージされている電荷の少なくとも一部を放電させ、
前記第２のインターバルに続く第３のインターバルにおいて、前記蓄積容量に残存している電荷の量から、前記プリチャージされた所定量の電荷を差し引き、
前記第３のインターバルに続く第４のインターバルにおいて、前記蓄積容量に残存している電荷の量を前記読み出し手段に読み出させることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記薄膜トランジスタのゲート電極が接続されたゲート駆動手段と、
前記蓄積容量に接続され、少なくとも第１の電圧と第２の電圧とを切り替えて前記蓄積容量に印加することが可能な電源手段と、
を有し、
前記制御装置は、前記ゲート駆動手段及び電源の制御も行うことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記読み出し手段は、前記薄膜トランジスタのソース電極に接続された一方の入力端子をリセット可能な積分アンプを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記制御手段は、
前記第１のインターバルにおいて、前記積分アンプをリセットし、前記薄膜トランジスタをオフにした状態で、前記電源手段を前記第１の電圧から前記第２の電圧へ変化させ、
前記第２のインターバルにおいて、前記積分アンプをリセットし、前記薄膜トランジスタをオフにし、前記電源手段を前記第２の電圧にした状態で、前記薄膜トランジスタに光を入射させ、
前記第３のインターバルにおいて、前記積分アンプをリセットし、前記薄膜トランジスタをオフにした状態で、前記電源手段を前記第２の電圧から前記第１の電圧へと変化させ、
前記第４のインターバルにおいて、前記電源手段を前記第１の電圧に維持した状態で、前記積分アンプのリセットを終了させ、前記薄膜トランジスタをオンにすることにより、前記蓄積容量に蓄積されている電荷を前記読み出し手段に読み出させることを特徴とする請求項３に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記電源手段は複数種の電圧値を設定可能であり、
前記制御手段は複数種の電荷量で前記蓄積容量をプリチャージ可能であることを特徴とする２乃至４のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記薄膜トランジスタは、少なくともアモルファスシリコン又はポリシリコンの少なくとも一方を原料として構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項７】
照射された放射線の波長を光線の波長に変換する波長変換体を更に含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電変換装置と、
前記光電変換装置に対してＸ線を照射するＸ線発生手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記薄膜トランジスタ、読み出し手段及びＸ線発生手段の動作を制御することにより、被写体を透過したＸ線画像を前記読み出し手段に読み取らせることを特徴とするＸ線撮影システム。
【請求項９】
光検出機能とスイッチング機能を有する薄膜トランジスタ及び前記薄膜トランジスタに接続された蓄積容量を含む画素を備えた光電変換装置の駆動方法であって、
前記蓄積容量に所定量の電荷をプリチャージする第１のインターバルと、
前記薄膜トランジスタをオフ状態にしながら、前記薄膜トランジスタに光を入射させることにより、前記蓄積容量にプリチャージされている電荷の少なくとも一部を放電させる第２のインターバルと、
前記蓄積容量に残存している電荷の量から、前記プリチャージされた所定量の電荷を差し引く第３のインターバルと、
前記蓄積容量に残存している電荷の量を前記読み出し手段に読み出す第４のインターバルと、
を有することを特徴とする光電変換装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光応答性を有する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を光検出素子として用いた光電変換装置及びその駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、アモルファスシリコンなどの光応答性を有するＴＦＴを光検出素子として用いる光電変換装置について報告がされている。図５は、光電変換装置の構成を示す回路図である。
【０００３】
この光電変換装置には、蓄積容量ＣＳと薄膜トランジスタＴｒとを備えた画素がアレイ状に配列された２次元エリアセンサアレー２が設けられている。ここでは、便宜上、４行４列の画素が配列されたものとする。各画素の薄膜トランジスタＴｒのゲート電極は、行毎に共通ゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ４に接続されている。また、薄膜トランジスタＴｒのソース電極は、列毎に共通信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４に接続されている。蓄積容量ＣＳの一方の電極は薄膜トランジスタＴｒのドレイン電極に接続され、他方の電極は共通Ｃｓ駆動線（バイアスライン）Ｖｃｓに接続されている。共通ゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ４は、シフトレジスタ（図示せず）等を含むゲートドライバ（ゲート駆動装置）４に接続されている。共通信号線Ｓｉｇ１〜Ｓｉｇ４は読み出し回路５に接続されている。
【０００４】
読み出し回路５には、共通信号線毎に、リセットスイッチ及び積分容量を有する積分アンプＡｍｐ、並びにサンプルホールド回路が設けられている。積分アンプＡｍｐは、リセットスイッチでリセット可能な構成となっている。積分アンプＡｍｐの他方の入力は基準電位（ここでは、接地電位ＧＮＤ）が接続されている。更に、読み出し回路５には、各サンプルホールド回路ＳＨの後段に接続されたアナログマルチプレクサ６及びバッファアンプＢＡが設けられている。読み出し回路５の後段には、Ａ／Ｄ変換回路７が設けられており、読み出し回路５から出力されたアナログ信号がデジタル信号に変換され、デジタル出力バスから出力される。
【０００５】
また、共通Ｃｓ駆動線Ｖｃｓは、２種類の電圧ＶＡ（低電位）及びＶＢ（高電圧）を切り替えて出力することが可能な電源３に接続されている。更に、電源３、ゲートドライバ４及び読み出し回路５の動作を制御する制御回路１が設けられている。例えば、制御回路１から電源３にＣｓ＿ＤＲＶ信号が出力され、読み出し回路５内のリセットスイッチにＲＣ信号が出力され、読み出し回路５内のサンプルホールド回路にＳＨ信号が出力される。ＲＣ信号、ＳＨ信号により、夫々リセットスイッチ、サンプルホールド回路のスイッチのオン／オフが切り替えられる。図１２は、電源３の詳細を示す図である。
【０００６】
次に、各画素及びその駆動方法の詳細について説明する。図６は、１画素及びこの周辺回路を示す回路図である。上述のように、２次元エリアセンサアレーの画素には蓄積容量ＣＳ及び薄膜トランジスタＴｒが設けられており、蓄積容量ＣＳの一方の電極と薄膜トランジスタＴｒのドレイン電極とが互いに接続されている。また、薄膜トランジスタＴｒのゲート電極がゲートドライバ４に接続され、ソース電極が読み出し回路５の積分アンプＡｍｐの一方の入力に接続されている。積分アンプＡｍｐの出力はサンプルホールド回路に接続されている。蓄積容量ＣＳの他方の電極は電源３に接続されている。
【０００７】
図７は、図６に示す画素の構造を模式的に示す断面図である。画素には、スイッチング機能及び光電変換機能を具えた薄膜トランジスタＴｒと、この薄膜トランジスタＴｒに接続された蓄積容量ＣＳが設けられている。薄膜トランジスタＴｒは、例えばアモルファスシリコンを用いたボトムゲート型ＴＦＴである。即ち、ガラス基板１０１上にゲート電極１０２が設けられ、ゲート電極１０２の上にアモルファスシリコン窒化膜等からなる絶縁膜１０４が形成されている。絶縁膜１０４は蓄積容量ＣＳ内まで延在しているが、ゲート電極１０２上の部分がゲート絶縁膜として機能する。更に、絶縁膜１０４（ゲート絶縁膜）上にチャネル部としてアモルファスシリコン半導体層１０５が形成され、半導体層１０５上の２箇所にｎ+層１０６が形成されている。そして、２個のｎ+層１０６上に導電層１０６及び１０７が形成されている。導電層１０６は蓄積容量ＣＳ内まで延在しているが、ｎ+層１０６上の部分がドレイン電極として機能し、導電層１０７がソース電極として機能する。一方、蓄積容量ＣＳについては、ガラス基板１０１上に下電極１０３が形成されている。そして、下電極１０３上に、薄膜トランジスタＴｒから延在する絶縁膜１０４及び導電層１０８が形成されている。絶縁膜１０４及び導電層１０８の下電極１０３上の部分が、夫々容量絶縁膜、上電極として機能する。そして、これらが保護層１０９により覆われている。なお、薄膜トランジスタＴｒのゲート電極と蓄積容量の下電極とは同一の層から形成され、薄膜トランジスタＴｒのゲート絶縁膜と蓄積容量ＣＳの絶縁層とが同一の層から構成され、薄膜トランジスタＴｒのソース電極及びドレイン電極と蓄積容量ＣＳの上電極とが同一の層で形成されている。
【０００８】
ここで、光応答性を有する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の特性について説明する。図８は、光応答性を有するＴＦＴの特性（ＴＦＴのソースドレイン間電流Ｉｄｓのゲート電圧依存性）を示すグラフである。即ち、図８は、ソースドレイン間に電圧Ｖｄｓを印加した状態で、ゲート電圧Ｖｇを変化させた時の電流Ｉｄｓの変化を示したものである。図８に示すように、ＴＦＴがオフになるようにゲート電極に負電位を印加した状態で光が入射すると、電流ＩｄｓがＩｄａｒｋからＩｐｈｏｔｏへと変化する。即ち、光入射によりＴＦＴのオフ抵抗値が変化する。従来の光電変換装置では、このような抵抗値の変化を利用している。
【０００９】
図９は、従来の光電変換装置における１画素の駆動方法を示すタイミングチャートである。図９において、Ｌｉｇｈｔは薄膜トランジスタＴｒへの光照射、ＲＣは積分アンプＡｍｐのリセットスイッチへのＲＣ信号、Ｖｇは薄膜トランジスタＴｒのゲートパルス、Ｃｓ＿ＤＲＶは電源３から蓄積容量ＣＳに印加されるパルス、Ｖｄは薄膜トランジスタＴｒのドレイン電極の電位、Ｖｏｕｔは積分アンプＡｍｐの出力、ＳＨはサンプルホールド回路のスイッチへのＳＨ信号の変化を夫々示している。以下の制御は、主に制御回路１により行われる。
【００１０】
上述のような画素の駆動に当たっては、期間ｕ1において、薄膜トランジスタＴｒをオン状態として、ＲＣをハイにする。従って、ＶｄがＧＮＤにリセットされる。
【００１１】
期間ｕ2において、電源３を制御することにより、Ｃｓ＿ＤＲＶの電位をＶＢにする。この結果、蓄積容量ＣＳの電源３側の電位がＶＢとなるが、薄膜トランジスタＴｒはオンのままであり、且つ、リセットスイッチもオンのままであるため、ＶｄはＧＮＤのまま変化しない。
【００１２】
期間ｕ3において、薄膜トランジスタＴｒをオフ状態にする。但し、ドレイン電極の電位ＶｄはＧＮＤのまま変化しない。
【００１３】
期間ｕ4において、Ｃｓ＿ＤＲＶの電位をＶＢからＶＡに変化させる。この結果、電源３から供給される電位がΔＶだけ変化する。このとき、薄膜トランジスタＴｒがオフ状態となっているため、Ｖｄは−ΔＶとなる。一方、薄膜トランジスタＴｒのソース電極の電位は、リセットスイッチがオンのままであるため、ＧＮＤ電位に保持されている。即ち、期間ｕ4において、薄膜トランジスタＴｒのソース−ドレイン間にΔＶの電位差が生じる。言い換えると、蓄積容量ＣＳの静電容量をＣｓとすると、蓄積容量ＣＳに、ΔＶ×Ｃｓで表される電荷Ｑ０がプリチャージされる。
【００１４】
期間ｕ5において、薄膜トランジスタＴｒに光を入射させる。光入射により、電流Ｉｐｈｏｔｏがソース−ドレイン間に流れ、期間ｕ4で蓄積容量ＣＳにプリチャージされた電荷の少なくとも一部が放電される。即ち、光入射時間をＴｐｈｏｔｏとすれば、Ｉｐｈｏｔｏ×Ｔｐｈｏｔｏで表される電荷ΔＱが放電される。但し、期間ｕ5では積分アンプＡｍｐがリセットされ続けているため、放電された電荷ΔＱが信号として読み出されることはない。
【００１５】
期間ｕ6において、光入射をオフとする。光が入射していない時にもオフ電流Ｉｄａｒｋが流れるが、この値は極めて小さいため、蓄積容量ＣＳに蓄積されている電荷はそのまま保持され続ける。
【００１６】
期間ｕ7において、リセットスイッチをオフとし、積分アンプＡｍｐのリセット動作を終了する。このとき、薄膜トランジスタＴｒがオフ状態となっているため、蓄積容量ＣＳの電荷は保持されたままである。
【００１７】
期間ｕ8において、薄膜トランジスタＴｒのゲート電極にゲートドライバ４よりパルスを印加し、薄膜トランジスタＴｒをオンにする。この結果、蓄積容量ＣＳに保持されていた電荷（Ｑ０−ΔＱ）が積分アンプＡｍｐの積分容量に転送され、出力Ｖｏｕｔが変化する。ドレインの電位Ｖｄは、電荷の移動に伴って基本的にはＧＮＤに収束する。
【００１８】
その後、期間ｕ9において、読み出し回路５において積分アンプＡｍｐの出力をサンプルホールドし、期間ｕ10において、サンプルホールドを終了する。
【００１９】
そして、期間ｕ1に戻り、Ｖｄ及びＶｏｕｔをＧＮＤに収束させ、更に、期間ｕ1〜ｕ10の処理を繰り返し行う。
【００２０】
このような制御は、次のように言い換えることもできる。即ち、期間ｕ1〜ｕ4において、蓄積容量ＣＳに初期電荷Ｑ０をプリチャージする（プリチャージ期間）。期間ｕ5において、入射光の強度及び時間に応じて電荷ΔＱを放電させ、電荷量を「Ｑ０−ΔＱ」とする（光電変換期間）。期間ｕ8〜ｕ9において、残存電荷「Ｑ０−ΔＱ」を読み出す（読み出し期間）。即ち、従来の光電変換装置は、プリチャージ期間、光電変換期間及び読み出し期間を繰り返すことにより、光検出動作を行っているということができる。
【００２１】
図９に示すタイミングチャートは、図６に示すような１画素に関するものであるが、図５に示すような２次元エリアセンサアレー２を備えた光電変換装置の動作を示すタイミングチャートは、図１０に示すようなものとなる。図１０において、Ｖｇ１〜Ｖｇ３は共通ゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ３に印加されるゲートパルス、Ｖｄ１〜Ｖｄ３は共通ゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ３に接続された薄膜トランジスタＴｒのドレイン電極の電位、Ｖｏｕｔ１は共通信号線Ｓｉｇ１に接続された積分アンプＡｍｐの出力の変化を夫々示している。その他の信号に関しては図９に示すものと同様である。
【００２２】
図５に示す光電変換装置においても、その基本的な動作は図９に示すものと同様とするが、共通ゲート線毎のプリチャージ期間を設け、このプリチャージ期間の後にすべての画素に共通の光電変換期間を設け、この光電変換期間の後に共通ゲート線毎の読み出し期間を設け、これらを繰り返すことにより、光検出動作を行う。
【００２３】
即ち、共通ゲート線Ｖｇ１に接続された画素については、期間ｕ5において光電変換及び放電を行い、期間ｕ8〜ｕ9において読み出しを行い、期間ｕ11〜ｕ14においてプリチャージを行い、これらを繰り返す。
【００２４】
また、共通ゲート線Ｖｇ２に接続された画素については、期間ｕ5において光電変換及び放電を行い、期間ｕ16〜ｕ17において読み出しを行い、期間ｕ19〜ｕ22においてプリチャージを行い、これらを繰り返す。
【００２５】
また、共通ゲート線Ｖｇ３に接続された画素については、期間ｕ5において光電変換及び放電を行い、期間ｕ24〜ｕ25において読み出しを行い、期間ｕ27〜ｕ30においてプリチャージを行い、これらを繰り返す。
【００２６】
更に、図示していないが、共通ゲート線Ｖｇ４に接続された画素については、期間ｕ5において光電変換及び放電を行い、期間ｕ32〜ｕ33（図示せず）において読み出しを行い、期間ｕ35〜ｕ38（図示せず）においてプリチャージを行い、これらを繰り返す。
【００２７】
このような従来の光電変換装置では、蓄積容量ＣＳに電荷Ｑ０（＝ΔＶ×Ｃｓ）をプリチャージし、その後、所定期間ΔＴ（＝Ｔｐｈｏｔｏ）の光入射に応じてΔＱ（＝Ｉｄｓ×ΔＴ）の電荷を放電させ、残存電荷「Ｑ０−ΔＱ」を読み出し、積分アンプＡｍｐの出力を得ている。積分容量の静電容量をＣｆとすると、積分アンプＡｍｐの出力電圧は（Ｑ０−ΔＱ）／Ｃｆとなる。なお、図１０には、共通信号線Ｓｉｇ１に接続された積分アンプＡｍｐの出力の変化のみを示しているが、他の共通信号線Ｓｉｇ２〜４に接続された積分アンプＡｍｐにおいても、入射光量に応じてその出力が変化する。
【００２８】
このような光電変換装置及びその駆動方法は、例えば特許文献（特開２００４−１４７１０２号公報）及び非特許文献１（IDW '03 p.363-366）等に開示されている。
【００２９】
【特許文献１】特開２００４−１４７１０２号公報
【非特許文献１】IDW '03 p.363-366
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
従来の光電変換装置では、入射光量がゼロの場合、ΔＱが０となるため、積分アンプＡｍｐの出力電圧は「Ｑ０／Ｃｆ」となる。即ち、図１１に示すように、積分アンプＡｍｐの出力電圧は入射光量に対してオフセットを持つこととなる。そして、図１１に示すように、このオフセットの量はプリチャージの際の電位差ΔＶに比例する。
【００３１】
しかしながら、従来の光電変換装置では、オフセットが読み出し回路５の積分アンプＡｍｐの有限のダイナミックレンジに制限されるため、プリチャージの際の電位差ΔＶを大きくすることができない。
【００３２】
光入射に伴って流れる電流Ｉｄｓはプリチャージの際の電圧差ΔＶに比例する。この特性を利用すれば、ΔＶを大きく設定することにより、入射光量に対する電流Ｉｄｓの変化を大きくすることができる。しかしながら、図１１に示すように、電位差ΔＶを大きくするとオフセットも大きくなるため、積分アンプＡｍｐのダイナミックレンジを超えて出力飽和を起こしてしまうのである。
【００３３】
即ち、従来の光電変換装置には、ΔＶの電位差（プリチャージ量）が積分アンプＡｍｐのダイナミックレンジに制限されるという課題がある。また、この制限のために、高感度化が困難であるという課題もある。
【００３４】
本発明は、ダイナミックレンジの制限を回避して高い感度を得ることができる光電変換装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【００３６】
本願発明に係る光電変換装置は、光検出機能とスイッチング機能を有する薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタに接続された蓄積容量と、前記蓄積容量に蓄積されている電荷の量を読み出す読み出し手段と、前記薄膜トランジスタ及び読み出し手段の動作を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、第１のインターバルにおいて、前記蓄積容量に所定量の電荷をプリチャージし、前記第１のインターバルに続く第２のインターバルにおいて、前記薄膜トランジスタをオフ状態にしながら、前記薄膜トランジスタに光を入射させることにより、前記蓄積容量にプリチャージされている電荷の少なくとも一部を放電させ、前記第２のインターバルに続く第３のインターバルにおいて、前記蓄積容量に残存している電荷の量から、前記プリチャージされた所定量の電荷を差し引き、前記第３のインターバルに続く第４のインターバルにおいて、前記蓄積容量に残存している電荷の量を前記読み出し手段に読み出させることを特徴とする。
【００３７】
本願発明に係る光電変換装置の駆動方法は、光検出機能とスイッチング機能を有する薄膜トランジスタ及び前記薄膜トランジスタに接続された蓄積容量を含む画素を備えた光電変換装置の駆動方法であって、前記蓄積容量に所定量の電荷をプリチャージする第１のインターバルと、前記薄膜トランジスタをオフ状態にしながら、前記薄膜トランジスタに光を入射させることにより、前記蓄積容量にプリチャージされている電荷の少なくとも一部を放電させる第２のインターバルと、前記蓄積容量に残存している電荷の量から、前記プリチャージされた所定量の電荷を差し引く第３のインターバルと、前記蓄積容量に残存している電荷の量を前記読み出し手段に読み出す第４のインターバルと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、読み出し装置を構成する積分アンプのダイナミックレンジの制約を受けずに、光応答性の薄膜トランジスタに印加する電圧を高くすることができる。このため、感度をより一層高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００４０】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。第１の実施形態では、制御回路１の機能及び動作が図５及び図６に示す従来の光電変換装置のものと相違している。図１は、本発明の第１の実施形態における１画素の駆動方法を示すタイミングチャートである。図９と同様に、Ｌｉｇｈｔは薄膜トランジスタＴｒへの光照射、ＲＣは積分アンプＡｍｐのリセットスイッチへのＲＣ信号、Ｖｇは薄膜トランジスタＴｒのゲートパルス、Ｃｓ＿ＤＲＶは電源３から蓄積容量ＣＳに印加されるパルス、Ｖｄは薄膜トランジスタＴｒのドレイン電極の電位、Ｖｏｕｔは積分アンプＡｍｐの出力、ＳＨはサンプルホールド回路のスイッチへのＳＨ信号の変化を夫々示している。以下の制御は、主に制御回路１により行われる。
【００４１】
本実施形態では、期間ｔ1において、薄膜トランジスタＴｒをオン状態として、ＲＣをハイにする。従って、ＶｄがＧＮＤにリセットされる。また、Ｃｓ＿ＤＲＶの電位はＶＢに設定しておく。
【００４２】
期間ｔ2において、薄膜トランジスタＴｒをオフ状態にする。但し、ドレイン電極の電位ＶｄはＧＮＤのまま変化しない。
【００４３】
期間ｔ3において、Ｃｓ＿ＤＲＶの電位をＶＢからＶＡに変化させる。この結果、電源３から供給される電位がΔＶだけ変化する。このとき、薄膜トランジスタＴｒがオフとなっているため、Ｖｄは−ΔＶとなる。一方、薄膜トランジスタＴｒのソース電極の電位は、リセットスイッチがオンのままであるため、ＧＮＤ電位に保持されている。即ち、期間ｔ3において、薄膜トランジスタＴｒのソース−ドレイン間にΔＶの電位差が生じる。言い換えると、蓄積容量ＣＳの静電容量をＣｓとすると、蓄積容量ＣＳに、ΔＶ×Ｃｓで表される電荷Ｑ０がプリチャージされる。
【００４４】
期間ｔ4において、薄膜トランジスタＴｒに光を入射させる。光入射により、電流Ｉｐｈｏｔｏがソース−ドレイン間に流れ、期間ｔ3で蓄積容量ＣＳにプリチャージされた電荷の少なくとも一部が放電される。即ち、光入射時間をＴｐｈｏｔｏとすれば、Ｉｐｈｏｔｏ×Ｔｐｈｏｔｏで表される量ΔＱの電荷が放電される。但し、期間ｔ4では積分アンプＡｍｐがリセットされ続けているため、放電された電荷ΔＱが信号として読み出されることはない。
【００４５】
期間ｔ5において、光入射をオフとする。光が入射していない時にもオフ電流Ｉｄａｒｋが流れるが、この値は極めて小さいため、蓄積容量ＣＳに蓄積されている電荷はそのまま保持され続ける。
【００４６】
期間ｔ6において、Ｃｓ＿ＤＲＶの電位をＶＡからＶＢに変化させる。このとき、薄膜トランジスタＴｒがオフ状態となっているため、ＶｄはΔＶだけ上昇する。即ち、Ｖｄには期間ｔ4で放電された電荷の量ΔＱに対応する電位が現れる。
【００４７】
期間ｔ7において、リセットスイッチをオフとし、積分アンプＡｍｐのリセット動作を終了する。このとき、薄膜トランジスタＴｒがオフ状態となっているため、蓄積容量ＣＳの電荷は保持されたままである。
【００４８】
期間ｔ8において、薄膜トランジスタＴｒのゲート電極にゲートドライバ４よりパルスを印加し、薄膜トランジスタＴｒをオンにする。この結果、ドレイン電極の電位Ｖｄ、即ち電荷量ΔＱ（＝Ｉｐｈｏｔｏ×Ｔｐｈｏｔｏ）が積分アンプＡｍｐの積分容量に転送され、出力電圧Ｖｏｕｔが変化する。即ち、積分容量の静電容量をＣｆとすると、積分アンプＡｍｐの出力電圧Ｖｏｕｔは「ΔＱ／Ｃｆ」となる。
【００４９】
その後、期間ｔ9において、読み出し回路５において積分アンプＡｍｐの出力をサンプルホールドし、期間ｔ10において、サンプルホールドを終了する。
【００５０】
そして、期間ｔ1に戻り、ＶｏｕｔをＧＮＤに収束させ、更に、期間ｔ1〜ｔ10の処理を繰り返し行う。
【００５１】
このような制御は、次のように言い換えることもできる。即ち、期間ｔ1〜ｔ3において、蓄積容量ＣＳに初期電荷Ｑ０をプリチャージする（プリチャージ期間）。期間ｕ4において、入射光の強度及び時間に応じてΔＱの電荷を放電させ、電荷量を「Ｑ０−ΔＱ」とする（光電変換期間）。期間ｔ5〜ｔ6において、プリチャージ電荷Ｑ０の差し引きを行い、残存電荷量を放電した量と同じΔＱとする（差し引き期間）。期間ｔ7〜ｔ8において、残存電荷量ΔＱを読み出す（読み出し期間）。即ち、本実施形態に係る光電変換装置は、プリチャージ期間、光電変換期間、差し引き期間及び読み出し期間を繰り返すことにより、光検出動作を行っているのである。
【００５２】
図１に示すタイミングチャートは、図６に示すような１画素に関するものであるが、図５に示すような２次元エリアセンサアレー２を備えた光電変換装置の動作を示すタイミングチャートは、図２に示すようなものとなる。図１０と同様に、Ｖｇ１〜Ｖｇ３は共通ゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ３に印加されるゲートパルス、Ｖｄ１〜Ｖｄ３は共通ゲート線Ｖｇ１〜Ｖｇ３に接続された薄膜トランジスタＴｒのドレイン電極の電位、Ｖｏｕｔ１は共通信号線Ｓｉｇ１に接続された積分アンプＡｍｐの出力の変化を夫々示している。その他の信号に関しては図１に示すものと同様である。
【００５３】
２次元センサアレー２を備えた光電変換装置においても、その基本的な動作は図１に示すものと同様とするが、すべての画素に共通のプリチャージ期間、光電変換期間及び差し引き期間を設け、これらの期間の後に、共通ゲート線毎の読み出し期間を設け、これらを繰り返すことにより、光検出動作を行う。
【００５４】
即ち、共通ゲート線Ｖｇ１に接続された画素については、期間ｔ2〜ｔ3においてプリチャージを行い、期間ｔ4において光電変換及び放電を行い、期間ｔ5〜ｔ6においてプリチャージされた電荷の差し引きを行い、期間ｔ7〜ｔ8において入射光量に対応した電荷量ΔＱの読み出しを行い、これらを繰り返す。
【００５５】
また、共通ゲート線Ｖｇ２に接続された画素については、期間ｔ2〜ｔ3においてプリチャージを行い、期間ｔ4において光電変換及び放電を行い、期間ｔ5〜ｔ6においてプリチャージされた電荷の差し引きを行い、期間ｔ13〜ｔ14において入射光量に対応した電荷量ΔＱの読み出しを行い、これらを繰り返す。
【００５６】
また、共通ゲート線Ｖｇ３に接続された画素については、期間ｔ2〜ｔ3においてプリチャージを行い、期間ｔ4において光電変換及び放電を行い、期間ｔ5〜ｔ6においてプリチャージされた電荷の差し引きを行い、期間ｔ19〜ｔ20において入射光量に対応した電荷量ΔＱの読み出しを行い、これらを繰り返す。
【００５７】
更に、図示していないが、共通ゲート線Ｖｇ４に接続された画素については、期間ｔ2〜ｔ3においてプリチャージを行い、期間ｔ4において光電変換及び放電を行い、期間ｔ5〜ｔ6においてプリチャージされた電荷の差し引きを行い、期間ｔ25〜ｔ26において入射光量に対応した電荷量ΔＱの読み出しを行い、これらを繰り返す。
【００５８】
なお、図２には、共通信号線Ｓｉｇ１に接続された積分アンプＡｍｐの出力の変化Ｖｏｕｔ１のみを示しているが、他の共通信号線Ｓｉｇ２〜４に接続された積分アンプＡｍｐにおいても、入射光量に応じてその出力が変化する。
【００５９】
このような第１の実施形態では、制御回路１が、各画素においてプリチャージ期間、光電変換期間、差し引き期間及び読み出し期間が繰り返されるように、電源３及びゲートドライバ４、読み出し回路５を制御している。即ち、本実施形態では、従来の技術とは異なり、プリチャージした電荷量Ｑ０を差し引き期間において差し引いている。このため、プリチャージした電荷量Ｑ０がオフセットとならずに、放電された電荷量ΔＱのみを信号として読み出すことが可能である。
【００６０】
図３は、第１の実施形態に係る光電変換装置における入射光量と積分アンプＡｍｐの出力との関係を示すグラフである。本実施形態では、上述のように、放電された電荷量ΔＱのみを読み出すことが可能であるため、図３に示すように、オフセットの発生を防止することができる。このため、Ｃｓ＿ＤＲＶの電位差ΔＶを大きくして、感度をより高くすることが容易である。
【００６１】
なお、第１の実施形態では、Ｃｓ＿ＤＲＶの電位をＶＡ及びＶＢの２種類とし、光電変換期間中に光応答性の薄膜トランジスタＴｒのソース−ドレイン間にΔＶ＝ＶＡ−ＶＢの電位差を印加することとしているが、他の制御可能な電位ＶＣを印加可能として、入射光量、光照射時間及び／又は必要とされるＳ／Ｎ比に応じて、バイアスを切り換えるようにすることがより望ましい。
【００６２】
また、本発明における入射線は、可視光線だけでなくＸ線等の種々の放射線とすることができる。Ｘ線を検出するための装置では、その断面構造は図１３に示すようなものとなる。即ち、図７における保護層１０９上に蛍光体層１１２が接着層１１１により貼り付けられたものとなる。このような光電変換装置では、蛍光体層１１１によりＸ線が可視光線に波長変換され、この可視光線が薄膜トランジスタＴｒに入射することとなる。制御の内容は可視光線が入射される場合と同一である。従って、タイミングチャートを描くと、図１及び図２における「Light」を「Ｘ線」に置き換えたものとなる。なお、蛍光体層１１１（波長変換体）は、例えば、Ｇｄ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ2Ｓ及びＣｓＩのうちから選ばれた１種を母体材料として構成されている。
【００６３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、第１の実施形態に係る光電変換装置のＸ線画像撮影システムへの応用例（第２の実施形態）を示す模式図である。
【００６４】
Ｘ線チューブ６０５０で発生したＸ線６０６０は患者又は被験者６０６１の胸部６０６２を透過し、第１の実施形態に係る光電変換装置を内部に備えたイメージセンサ６０４０に入射する。この入射したＸ線には患者６０６１の体の内部の情報が含まれている。Ｘ線の入射に対応してシンチレータ（蛍光体）は発光し、これをセンサーパネルの光電変換素子が光電変換して、電気的情報を得る。イメージセンサ６０４０は、この情報をＡ／Ｄ変換されたデジタル出力としてイメージプロセッサ６０７０に出力する。画像処理手段としてのイメージプロセッサ６０７０は、受信した信号に対して画像処理を施して、制御室の表示手段であるディスプレイ６０８０に出力する。ユーザは、ディスプレイ６０８０に表示された画像を観察して、患者６０６１の体の内部の情報を得ることができる。なお、イメージプロセッサ６０７０は、制御手段の機能も有しており、光電変換装置内の電源３、読み出し回路４及びゲートドライバ５を制御したり、イメージセンサ６０４０、Ｘ線チューブ（Ｘ線発生装置）６０５０、ディスプレイ６０８０及び６０８１、フィルムプロセッサ６１００等を制御したりすることも可能である。
【００６５】
また、イメージプロセッサ６０７０は、イメージセンサ６０４０から出力された電気信号を電話回線６０９０等の伝送処理手段を介して遠隔地へ転送し、ドクタールーム等の別の場所にある表示手段（ディスプレイ）６０８１に表示することもできる。また、イメージセンサ６０４０から出力された電気信号を光ディスク等の記録手段に保存し、この記録手段を用いて遠隔地の医師が診断することも可能である。また、記録手段となるフィルムプロセッサ６１００によりフィルム６１１０に記録することもできる。
【００６６】
なお、本発明の実施形態は、例えばコンピュータがプログラムを実行することによって実現することができる。また、プログラムをコンピュータに供給するための手段、例えばかかるプログラムを記録したＣＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体又はかかるプログラムを伝送するインターネット等の伝送媒体も本発明の実施形態として適用することができる。また、上記のプログラムも本発明の実施形態として適用することができる。上記のプログラム、記録媒体、伝送媒体及びプログラムプロダクトは、本発明の範疇に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、例えば、画像撮影装置及びＸ線画像撮影装置等に応用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第１の実施形態における１画素の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図２】第１の実施形態に係る光電変換装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図３】第１の実施形態に係る光電変換装置における入射光量と積分アンプの出力との関係を示すグラフである。
【図４】第１の実施形態に係る光電変換装置のＸ線画像撮影システムへの応用例（第２の実施形態）を示す模式図である。
【図５】光電変換装置の構成を示す回路図である。
【図６】１画素及びこの周辺回路を示す回路図である。
【図７】図６に示す画素の構造を模式的に示す断面図である。
【図８】光応答性を有するＴＦＴの特性を示すグラフである。
【図９】従来の光電変換装置における１画素の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図１０】従来の光電変換装置の駆動方法を示すタイミングチャートである。
【図１１】従来の光電変換装置における入射光量と積分アンプの出力との関係を示すグラフである。
【図１２】電源３の詳細を示す図である。
【図１３】放射線撮像装置における１画素の構造を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１：制御回路
２：２次元エリアセンサアレー
３：電源
４：ゲートドライバ
５：読み出し回路
６：アナログマルチプレクサ
７：Ａ／Ｄ変換回路
ＣＳ：蓄積容量
Ｔｒ：薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）
【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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【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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