(57)【要約】【課題】  消費電力特性、ノイズ特性、ダイナミックレンジ特性を向上させることができる撮像装置を提供することを課題とする。【解決手段】  光電変換素子（１０２）とスイッチ素子（１０３）とを有する画素が行及び列方向に複数配置されたセンサアレーと、列方向の複数の前記スイッチ素子に接続された信号配線（１０８）と、前記信号配線に接続された読み出し回路部（１０５）とを有し、ここで、前記読み出し回路部は、前記信号配線に接続された第１の増幅回路（２０１）を含む第１の動作領域（１０６）と、前記第１の動作領域の後段に接続された第２の増幅回路（２１１）を含む第２の動作領域（１０７）とを有し、前記第１の増幅回路の電源電圧範囲の最大値が、前記第２の増幅回路の電源電圧範囲の最大値より大きいことを特徴とする撮像装置が提供される。【選択図】  図１
2007312361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光又は放射線を電気信号に変換する変換素子とスイッチ素子とを有する画素が行及び列方向に複数配置されたセンサアレーと、列方向の複数の前記スイッチ素子に接続された信号配線と、前記信号配線に接続された読み出し回路部と、を有する撮像装置であって、
前記読み出し回路部は、第１の増幅回路を含む第１の動作領域と、前記第１の動作領域の後段に接続された第２の増幅回路を含む第２の動作領域とを有し、
前記第１の増幅回路の電源電圧範囲の最大値が、前記第２の増幅回路の電源電圧範囲の最大値より大きいことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記第１の増幅回路は前記信号配線に接続され、積分容量Ｃｆを有し、
前記スイッチ素子はゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を有し、
前記信号配線は列方向の複数の前記スイッチ素子のソース電極又はドレイン電極の一方に接続されており、
前記スイッチ素子のゲート及びソース間の寄生容量をＣｇｓ、前記スイッチ素子のオン電圧をＶｏｎ、前記スイッチ素子のオフ電圧をＶｏｆｆとすると、前記第１の動作領域の電源電圧Ｖ１は、
Ｖ１＞Ｃｇｓ×（Ｖｏｎ−Ｖｏｆｆ）／Ｃｆ
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第１の動作領域の電源電圧Ｖ１は、
Ｖ１／２≧Ｃｇｓ×（Ｖｏｎ−Ｖｏｆｆ）／Ｃｆ
の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第１の動作領域及び前記第２の動作領域は、同一の結晶シリコン基板に形成された集積回路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第１の動作領域は、前記第１の増幅回路として一方の入力端子が前記信号配線に接続された演算増幅器を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記演算増幅器は、積分容量が接続された電荷読み出しアンプを構成することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第２の動作領域は、Ａ／Ｄ変換器を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記Ａ／Ｄ変換器は、前記信号配線に対応した数だけ設けられていることを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
さらに、前記第１の動作領域の電源電圧と前記第２の動作領域の電源電圧のうちの少なくとも一方を変化させることが可能な制御部を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の撮像装置と、放射線を発生する放射線発生手段と、を有することを特徴とする放射線撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置、及び放射線撮像システムに関する。なお、本明細書では、Ｘ線、γ線などの電磁波やα線、β線も放射線に含めるものとして説明する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガラス等の絶縁基板上に成膜、形成したアモルファスシリコンやポリシリコンを材料とし、光電変換素子とＴＦＴで構成される画素を二次元的に配列したエリアセンサアレーを用いたフラットパネル型の光電変換装置や放射線撮像装置が知られている。これらは光電変換素子で光電変換された電荷を、ＴＦＴを用いてマトリクス駆動を行うことにより、読み出し回路部へ転送して読み出すものが一般的である。
【０００３】
以下で従来技術について説明する。従来のフラットパネル型エリアセンサは、ガラス基板上に形成された、アモルファスシリコンのＰＩＮ型フォトダイオードと薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）からなる画素を二次元に配列したセンサアレーを有する。そのエリアセンサは、マトリクス駆動される。各画素のＰＩＮ型フォトダイオードの共通電極側には電源からバイアス電圧が印加されている。また各画素のＴＦＴのゲート電極は共通ゲート線に接続されており、共通ゲート線はシフトレジスタ等で構成されるゲート駆動回路部に接続される。
【０００４】
一方、各ＴＦＴのソース電極は共通信号線に接続され、演算増幅器、サンプルホールド、アナログマルチプレクサ、バッファアンプ等で構成される読み出し回路部に接続される。
【０００５】
読み出し回路部から出力されるアナログ信号は、Ａ／Ｄコンバータでデジタル化され、メモリ、プロセッサ等で構成される画像処理手段で処理され、モニタ等の表示装置に出力、又はハードディスク等の記録装置に保管される。
【０００６】
上述のようにエリアセンサアレーを読み出し回路部とゲート駆動回路部を用いてマトリクス駆動を行い、画像信号を得るフラットパネル型の光電変換装置あるいは放射線装置に関しては、以下の特許文献１〜３に詳細に記されている。
【０００７】
いずれの文献においても、エリアセンサの基本的動作に加えて、読み出し回路部が各共通信号線に接続された初段増幅器、マルチプレクサ等を有する構成について記されている。またいくつかの文献においては、読み出し回路部はさらに複数段の増幅器等を有している。さらには増幅器が結晶半導体で形成されている例等も開示されている。
【特許文献１】特開平０９−３０７６９８号公報
【特許文献２】特開平０４−２１２４５６号公報
【特許文献３】特開２００４−０３１６５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に医療用のＸ線撮像システム等に用いられる放射線撮像装置においては、民生品の撮像装置と比較して、消費電力特性、ノイズ特性、ダイナミックレンジ特性等の項目でより厳しい性能が求められる。
【０００９】
特に透視撮影（＝動画撮影）と静止画撮影の両方を実施可能な医療用のＸ線撮像システムを実現するためには、低消費電力でありながら、低ノイズであること及び十分なダイナミックレンジを有することが求められる。しかし、従来技術例においてはこれらすべての特性が満足されているとは言えない。
【００１０】
たとえば、特許文献３においては、消費電力低減とノイズ低減の両立という課題に対して、読み出し回路部の複数段増幅回路の各回路領域における供給電流を以下のように変更・制御可能とする構成について記されている。
【００１１】
すなわち、透視（動画）撮影では、ノイズ低減のために複数段増幅回路への供給電流を大に制御し、静止画撮影では、複数段増幅回路への供給電流を小に制御する。この特許文献３は透視撮影、静止画撮影で供給電流を一定とする構成と比較すれば、総合的な消費電力は低減される。
【００１２】
しかしながら一般に撮影時間、すなわち読み出し回路部への通電時間を考慮すると、「透視撮影時間  ＞＞  静止画撮影時間」の関係があるため、実質的な効果の点で十分とは言えない場合があった。
【００１３】
特に透視撮影をメインに行うシステムに適用する場合、消費電力による発熱は無視できず、温度による画質の劣化や、冷却機構を要することによる装置の大型化という弊害を生む場合があった。
【００１４】
また特許文献３を除く上記文献においては、消費電力特性といった概念そのものが記されておらず、また上記文献のすべてにおいてエリアセンサアレーに接続される読み出し回路部に必要とされるダイナミックレンジ特性の概念が記されていない。
【００１５】
上述のように、特許文献１〜３はいずれも、消費電力特性、ノイズ特性、ダイナミックレンジ特性の改善という課題の概念がなく、またこれらを解決可能な構成の具体的開示がない。
【００１６】
本発明は上記背景を鑑みてなされたもので、消費電力特性、ノイズ特性、ダイナミックレンジ特性を向上させることができる撮像装置、放射線撮像装置及び放射線撮像システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の撮像装置は、光又は放射線を電気信号に変換する変換素子とスイッチ素子とを有する画素が行及び列方向に複数配置されたセンサアレーと、列方向の複数の前記スイッチ素子に接続された信号配線と、前記信号配線に接続された読み出し回路部とを有し、前記読み出し回路部は、第１の増幅回路を含む第１の動作領域と、前記第１の動作領域の後段に接続された第２の増幅回路を含む第２の動作領域とを有し、前記第１の増幅回路の電源電圧範囲の最大値が、前記第２の増幅回路の電源電圧範囲の最大値より大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、撮像装置において、読み出し回路部の消費電力を、ひいては撮像装置全体の消費電力を低減することができる。また、消費電力による発熱を低減しつつ、低ノイズで十分なダイナミックレンジを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
ここで本発明者が見出した、読み出し回路部に必要とされるダイナミックレンジ特性について図１３（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。図１３（ａ）はセンサアレーの１画素と、信号線に接続される読み出し回路部の等価回路である。実際には各信号線に接続される画素は複数であるが、ここでは簡単のために省略している。また読み出し回路部の増幅器等も実際には複数であるが、同様に省略している。
【００２０】
図中、ＶｏｎはＴＦＴ（スイッチ素子）のゲート電極に対しゲート駆動回路部から印加されるオン電圧であり、Ｖｏｆｆはゲート駆動回路部からＴＦＴのゲート電極に印加されるオフ電圧である。また信号線に接続される演算増幅器は基準電圧をＶｒｅｆ、電源電圧をＶｄｄ／ＧＮＤとし、容量Ｃｆを有し、電荷読み出し回路を構成している。さらに図中、ＣｇｓはＴＦＴのゲート−ソース間寄生容量である。
【００２１】
図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の等価回路が動作する際の各部の信号を示すタイミング図である。まずＲＣ信号がハイレベルになると演算増幅器のスイッチＲＣが閉じ、信号線及びアンプ出力がＶｒｅｆにリセットされる。スイッチＲＣがオフした後、続いてＴＦＴがオンし光電変換素子に蓄積されていた信号電荷が読み出し回路部の容量Ｃｆに転送され、電圧に変換される。
【００２２】
ここで留意すべき点は、ＴＦＴがオンした際に寄生容量により、概略以下の式で示される電荷Ｑｃが一時的に読み出し回路部に注入されることである。
寄生容量による注入電荷Ｑｃ＝Ｃｇｓ×（Ｖｏｎ−Ｖｏｆｆ）
これは初段の増幅器の出力電圧ＶｏｕｔがＴＦＴをオンする際、一時的に以下の式のようになることを示す。
初段増幅器出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ−（Ｑｃ／Ｃｆ）
上式の関係は以下のことを示唆している。すなわち、エリアセンサアレーに接続される読み出し回路部において、消費電力低減のために徒に電源電圧を下げることは、ＴＦＴをオンした際に増幅回路の飽和を生じさせ、ダイナミックレンジ特性を悪化させる可能性がある。したがって、読み出し回路部の電源電圧は注意深く選択する必要がある。
【００２３】
以下で本発明の第１の実施形態について図を用いて詳しく説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の放射線撮像装置の模式図である。センサアレー１０１は、変換素子を構成するＰＩＮ型フォトダイオード１０２とスイッチ素子としての薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１０３を有する。ＴＦＴ１０３は、ゲート、ソース及びドレイン電極を有する。ゲートドライバ（駆動回路部）１０４は、ＴＦＴ１０３のゲート線（駆動配線）に電圧を供給する。読み出し回路部（読み出し回路部）１０５は、第１領域（第１の動作領域）１０６及び第２領域（第２の動作領域）１０７を有し、ＴＦＴ１０３のソースに接続される信号線（信号配線）１０８に接続される。第１領域１０６には、増幅器２０１を有し、電源電圧Ｖ１（５Ｖ）が供給される。第２領域１０７には、電源電圧Ｖ２（３．３Ｖ）が供給される。
【００２４】
センサアレー１０１は、行及び列方向に複数配置されたアモルファスシリコンのＰＩＮ型フォトダイオード（光電変換素子）１０２とＴＦＴ（スイッチ素子）１０３からなる画素が二次元に配列され、マトリクス駆動される。各画素のＰＩＮ型フォトダイオード１０２の共通電極側（本図ではダイオードのカソード側）にはバイアス電圧が印加されている。また各画素のＴＦＴ１０３のゲート電極は共通にゲート線（駆動配線）に接続されており、ゲート線はシフトレジスタ等で構成されるゲートドライバ１０４に接続される。信号線１０８は、列方向の複数のＴＦＴ１０３に接続される。
【００２５】
図２は、図１の読み出し回路部１０５の具体的構成を示す模式的回路図であり、図４（ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態のダイナミックレンジ特性の説明図である。読み出し回路部１０５は、モノリシックな集積回路で構成されている。第１領域１０６は、演算増幅器２０１、サンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）２０３、アナログマルチプレクサ２０２、電荷蓄積容量Ｃｆ及びスイッチＲＣを有する。第２領域１０７は、プログラマブルゲインアンプ２１１、Ａ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ変換器）２１２及びロジック部２１３を有する。電源電圧Ｖ１は、第１領域１０６内の演算増幅器２０１及びアナログマルチプレクサ２０２に供給される。電源電圧Ｖ２は、第２領域１０７内のプログラマブルゲインアンプ２１２、Ａ／Ｄコンバータ２１２及びロジック部２１３に供給される。
【００２６】
信号線１０８は、列方向の複数のＴＦＴ１０３のソース電極又はドレイン電極の一方に接続される。第１領域１０６は、信号線１０８に接続される。第２の領域１０７は、第１領域１０６の後段に接続される。第１領域１０６は、信号線１０８に接続された演算増幅器（増幅回路）２０１を有する。第２領域１０７は、第１領域１０６の後段に接続されたプログラマブルゲインアンプ（増幅回路）２１１を有する。
【００２７】
電圧Ｖｏｎは、ＴＦＴ１０３のゲート電極に対しゲートドライバ１０４から印加されるオン電圧である。電圧Ｖｏｆｆは、ゲートドライバ１０４からＴＦＴ１０３のゲート電極に印加されるオフ電圧である。また、信号線１０８に接続される演算増幅器２０１は、基準電圧をＶｒｅｆ、電源電圧をＶ１／ＧＮＤ（グランド）とし、電荷蓄積用の積分容量Ｃｆを有し、電荷読み出しアンプを構成している。さらに図中、容量ＣｇｓはＴＦＴ１０３のゲート及びソース間の寄生容量である。
【００２８】
各ＴＦＴ１０３のソース電極は共通信号線１０８に接続され、演算増幅器２０１、サンプルホールド回路２０３、アナログマルチプレクサ２０２、プログラマブルアンプ２１１、Ａ／Ｄコンバータ２１２等で構成される読み出し回路部１０５に接続される。
【００２９】
アナログ信号はＡ／Ｄコンバータ２１２でデジタル化され、図示しないメモリ、プロセッサ等で構成される画像処理手段で処理され、図示しないモニタ等の表示装置に出力される、あるいはハードディスク等の記録装置に保管される。
【００３０】
放射線照射手段から被写体情報を含む放射線が蛍光体などの波長変換体によって光に変換され、変換された光がエリアセンサアレー１０１に入射する。フォトダイオード１０２は、光電変換により、光を電気信号に変換する。さらにリセット信号により、増幅器２０１に設けられたリセットスイッチＲＣがオンして、増幅器２０１の積分容量Ｃｆ及び各共通信号線１０８がリセットされる。続いて、第１ラインの共通ゲート線に転送パルスが印加され、第１ラインの共通ゲート線に接続されたＴＦＴ１０３がオンし、フォトダイオード１０２で発生した信号電荷が、共通信号線１０８を介して、読み出し回路部１０５へ転送される。転送された電荷は、各信号線１０８に接続された増幅器２０１で電圧へ変換される。
【００３１】
次に、サンプルホールド回路２０３にサンプルホールド信号が印加され、演算増幅器２０１からの電圧出力がサンプリングされる。この後、サンプルホールド回路２０３の容量にサンプリングされた電圧が保持され、その電圧がアナログマルチプレクサ２０２でシリアル変換され、プログラマブルゲインアンプ２１１を介してアナログ信号としてＡ／Ｄコンバータ２１１に入力される。Ａ／Ｄコンバータ２１２に入力されたアナログ信号はデジタル信号に変換され、Ａ／Ｄコンバータ２１２の分解能に応じてデジタル信号として画像処理手段へ入力される。
【００３２】
続いて、再びスイッチＲＣにより増幅器２０１の積分容量Ｃｆ及び各共通信号線１０８がリセットされた後、第２ラインの共通ゲート線に転送パルスが印加され、第２ラインのフォトダイオード１０２の電荷がＴＦＴ１０３を介して読み出される。同様の動作が３ライン目以降のゲート線に対して繰り返され、センサアレー全体の電荷すなわち画像出力データが読み出される。
【００３３】
図３は、第１の実施形態のセンサアレー１０１の画素断面図である。ガラス基板３０１上には、フォトダイオード３１０、ＴＦＴ３１１及び配線部３１２が設けられる。フォトダイオード３１０は、上電極層３０６、ｎ層３０７、半導体層３０９、ｐ層３０８及び下電極層３０５を有する。ＴＦＴ３１１は、ゲート電極３０２、ドレイン電極３０３及びソース電極３０４を有する。保護層３１３は、フォトダイオード３１０、ＴＦＴ３１１及び配線部３１２を覆う。接着層３１４は、保護層３１３の上に設けられる。蛍光体層３１５は、接着層３１４の上に設けられる。Ｘ線３１６は、蛍光体層３１５の上方から入射する。ここで、蛍光体３１５は接着層３１４上に必ずしも設けられなくてもよく、保護層３１３上に直接蒸着などにより設けられても良い。蛍光体層３１５は、Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：ＴｂやＧｄ２Ｏ３：Ｔｂ等のガドリニウム系、あるいはヨウ化セシウム（ＣｓＩ）等のアルカリハライド系を主材料として用いることができる。
【００３４】
各画素のＰＩＮ型フォトダイオード３１０は、ガラス基板３０１上に、下電極層３０５、アモルファスシリコンｐ層３０８、アモルファスシリコン半導体層３０９、アモルファスシリコンｎ層３０７、上電極層３０６が積層された構成である。ＴＦＴ３１１は、ゲート電極層（下電極）３０２、絶縁層（アモルファスシリコン窒化膜）、アモルファスシリコン半導体層、アモルファスシリコンｎ層、ソース電極層（上電極）３０４及びドレイン電極層（上電極）３０３が積層された構成である。ガラス基板３０１上に成膜、形成されているフォトダイオード３１０、ＴＦＴ３１１、及び配線部３１２上には読み取る放射線３１６に対して透過率の高いアモルファスシリコン窒化膜等の保護層３１３が設けられ、全体を覆っている。蛍光体層３１５は、Ｘ線３１６を光に変換する。フォトダイオード３１０は、その光を電気信号（電荷）に変換する。蛍光体層３１５及びフォトダイオード３１０は、Ｘ線（放射線）３１６を電気信号に変換する変換素子である。
【００３５】
図１４（ａ）は、本実施形態の放射線撮像装置の読み出し回路部に用いられるアンプの模式的表記を示す。図１４（ｂ）及び（ｃ）は、図１４（ａ）のアンプの模式的標記を具体的な回路構成として記したものである。図１４（ｂ）はＭＯＳトランジスタを組み合わせてテレスコピック型でアンプを構成した例であり、図１４（ｃ）はフォールデッド・カスコード型でアンプを構成した例である。いずれの型のアンプも前述の読み出し回路部の電源電圧Ｖ１、Ｖ２のどちらの領域にも用いることができる。また電源電圧や、要求される特性（ゲイン、ダイナミックレンジ）などにより、図１４（ｂ）又は（ｃ）のいずれかのアンプを選択することが望ましく、読み出し回路部内で異なる型を採用しても良い。さらには、当然ながら図１４（ｂ）、（ｃ）以外の型を選択しても良い。
【００３６】
はじめに図１を用いて、本実施形態の放射線撮像装置の構成について説明する。読み出し回路部１０５が少なくとも電源電圧Ｖ１（ここでは＋５Ｖ）／ＧＮＤで動作する第１領域１０６と、電源電圧Ｖ２（ここでは３．３Ｖ）／ＧＮＤで動作する第２領域１０７を有しており、Ｖ１＞Ｖ２の関係がある。第１領域１０６にはエリアセンサアレー１０１の各信号線１０８に対応して増幅器２０１が設けられている。
【００３７】
本図では読み出し回路部１０５を複数（ここでは２個）設けて説明しているが、これは本質的ではなく、単数でも複数でもよい。また電源電圧Ｖ１及びＶ２も５Ｖ及び３．３Ｖの片電源で説明しているが、±電源でもよく、電源範囲としてＶ１（例えば±５Ｖ）＞Ｖ２（例えば±３．３Ｖ）の関係を満たせばよい。第１領域１０６の電源電圧範囲Ｖ１の最大値は、第２領域１０７の電源電圧範囲Ｖ２の最大値より大きい。すなわち、演算増幅器２０１の電源電圧範囲Ｖ１の最大値は、プログラマブルゲインアンプ２１１の電源電圧範囲Ｖ２の最大値より大きい。
【００３８】
図２は、第１の実施形態の放射線撮像装置に用いられる読み出し回路部１０５の具体的構成及び第１領域１０６、第２領域１０７を詳しく説明したものである。本図では、センサアレー１０１の信号線１０８に一方の入力端子が接続された初段増幅器２０１及びサンプルホールド回路２０３、アナログマルチプレクサ２０２等が電源電圧Ｖ１（ここでは５Ｖ）で駆動される第１領域１０６に形成される。また、アナログマルチプレクサ２０２からの出力を受けるプログラマブルゲインアンプ２１１、Ａ／Ｄコンバータ２１２、及び高速のクロック等を処理するロジック部２１３等は電源電圧Ｖ２（ここでは３．３Ｖ）で駆動される第２領域１０７に形成される。
【００３９】
さらに本実施形態では第１領域１０６及び第２領域１０７を含む読み出し回路部１０５は同一の結晶シリコン基板にモノリシックに形成された集積回路であり、かつＡ／Ｄコンバータ２１２を第２領域１０７に形成してデジタル出力としている点が特徴である。
【００４０】
本図のように、電源電圧Ｖ１の第１領域１０６と電源電圧Ｖ２の第２領域１０７を設けることにより、すべてを電源電圧Ｖ１で形成した場合と比較して消費電力を飛躍的に低減することが可能となる。
【００４１】
また、Ｖ１＞Ｖ２とすることにより、信号線１０８に接続された初段増幅器２０１のゲインを上げることができるため、ノイズ的に有利な読み出し回路部１０５を構成可能である。さらに、プログラマブルゲインアンプ２１１に直接接続されたＡ／Ｄコンバータ２１２を内蔵している点もノイズ特性的に有利な構成である。
【００４２】
さらに、Ｖ１＞Ｖ２とすることにより、ＴＦＴをオンする際の初段増幅器への電荷注入による飽和を防ぐことが可能となり、良好なダイナミックレンジ特性を得ることが可能となる。
【００４３】
本図では、信号線１０８に接続された初段増幅器２０１、サンプルホールド回路２０３、アナログマルチプレクサ２０２を第１領域１０６に、マルチプレクサ２０２後のプログラマブルゲインアンプ２１１、Ａ／Ｄコンバータ２１２を第２領域１０７に形成する。これは消費電力的に好ましい例であるが、第１領域１０６と第２領域１０７の境界はこの例に限定されるものではない。さらに図２のようにクロック等の高速ロジック部２１３を第２領域１０７に形成することは消費電力の観点で望ましい。
【００４４】
また本図では簡易的に２本の信号線１０８（２チャンネル）に相当する回路で説明しているが、６４〜２５６本の信号線に対応する回路（すなわち６４〜２５６チャンネル）をモノリシックで形成することが望ましい。
【００４５】
一方で、第１領域１０６、第２領域１０７をモノリシックに形成することは、必ずしも必要条件ではなく、異なるシリコン基板に形成した後、ハイブリッド的に形成した集積回路でもよい。ハイブリッド的に同じパッケージに形成すれば、独立のチップに構成する場合と比較して、配線を短くすることが可能となり、外来ノイズや信頼性的に有利となる。
【００４６】
またセンサアレー１０１の光電変換素子１０２は、アモルファスシリコンのＰＩＮ型フォトダイオードに限定されず、ポリシリコン又は有機材料を主材料とするものでもよい。また、光電変換素子１０２と蛍光体３１５によって構成される変換素子は、アモルファスセレン、ガリウム砒素、ガリウムリン、ヨウ化鉛、ヨウ化水銀、ＣｄＴｅ、ＣｄＺｎＴｅ等、Ｘ線等の放射線を直接電荷に変換する直接型変換素子でもよい。
【００４７】
さらにＴＦＴ１０３の材料は、絶縁基板上に形成されたアモルファスシリコンに限定されず、ポリシリコンや有機材料を主材料とするＴＦＴ（スイッチ素子）であってもよい。
【００４８】
図４（ａ）、（ｂ）を用いて本実施形態のより好ましい形態を説明する。図４（ｂ）に示すようにスイッチＲＣのオン信号により信号線１０８及び増幅器２０１の出力は電圧Ｖｒｅｆにリセットされる。続いて、ＴＦＴ１０３がオンする際、寄生容量Ｃｇｓにより下記の電荷Ｑｃが注入され、初段増幅器２０１の出力電圧Ｖｏｕｔは一時的にほぼ次式となる。
Ｑｃ＝Ｃｇｓ×（Ｖｏｎ−Ｖｏｆｆ）
Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ−（Ｑｃ／Ｃｆ）
すなわち、ΔＶ＝Ｑｃ／Ｃｆ＝Ｃｇｓ×（Ｖｏｎ−Ｖｏｆｆ）／Ｃｆが出力に対する寄生容量の影響である。今、信号線１０８に接続された初段増幅器２０１のダイナミックレンジがほぼ電圧Ｖ１（ここでは５Ｖ）と仮定する。その場合、読み出し回路部１０５が光電変換素子１０２からの電荷を正確に読み出すために、第１領域１０６の電源電圧Ｖ１とΔＶの間に以下の関係が成り立つことが望ましい。
Ｖ１＞ΔＶ＝Ｃｇｓ×（Ｖｏｎ−Ｖｏｆｆ）／Ｃｆ
さらに、十分なダイナミックレンジを得て、良好な画像を得るには以下の関係が成り立つことがより望ましい。
Ｖ１／２≧ΔＶ＝Ｃｇｓ×（Ｖｏｎ−Ｖｏｆｆ）／Ｃｆ
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態の放射線撮像装置の模式的回路図である。本実施形態の基本的な構成については図１と同様であり、読み出し回路部１０５の内部の構成のみが図２で説明した第１の実施形態と異なる。
【００４９】
本実施形態で留意すべき第１の実施形態との差異は、プログラマブルゲインアンプ２１１及びＡ／Ｄコンバータ２１２が信号線１０８に対応した数だけ設けられ、Ａ／Ｄ変換後のデジタルデータをデジタルマルチプレクサ５０１で切り替えて出力している点である。デジタルマルチプレクサ５０１は、図２のアナログマルチプレクサ２０２の代わりに設けられ、２個のＡ／Ｄコンバータ２１２の出力信号をシリアル信号に変換し、出力する。第２領域１０７内のデジタルマルチプレクサ５０１には、電源電圧Ｖ２が供給される。
【００５０】
本実施形態では、第１領域１０６及び第２領域１０７がモノリシックに形成されている。各信号線１０８に接続される演算増幅器２０１で構成された電荷読み出しアンプ、サンプルホールド回路２０３が電源電圧Ｖ１（ここでは５Ｖ）の第１領域１０６に形成される。プログラマブルゲインアンプ２１１、Ａ／Ｄコンバータ２１２、デジタルマルチプレクサ５０１が電源電圧Ｖ２（ここでは３．３Ｖ）の第２領域１０７に形成される。
【００５１】
本実施形態は、第１の実施形態と比較して、Ａ／Ｄコンバータ２１２の数が多く回路的に複雑だが、Ａ／Ｄ変換の速度を低くできるため、ノイズ特性の観点でより有利な構成である。
【００５２】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態の放射線撮像装置の模式的回路図である。本実施形態の基本的な動作については図１と同様であり、読み出し回路部１０５の内部の構成のみが図２、図５で説明した第１の実施形態、第２の実施形態と異なる。
【００５３】
すなわち、本実施形態で留意すべき第１の実施形態、第２の実施形態との差異は、モノリシックに形成された読み出し回路部１０５がＡ／Ｄコンバータ２１２を有しておらず、アナログ出力の構成である点である。
【００５４】
第２領域１０７は、電源電圧Ｖ２が供給されるプログラマブルゲインアンプ２１１、アナログマルチプレクサ６０１及び出力用アンプ６０２を有する。アナログマルチプレクサ６０１は、２個のプログラマグルアンプ２１１の出力信号をシリアル信号に変換し、出力用アンプ６０２に出力する。出力用アンプ６０２は、アナログマルチプレクサ６０１の出力信号を増幅して出力する。
【００５５】
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態の放射線撮像装置の模式的回路図である。基本的な構成は第１の実施形態の図１と類似しているが、下記の点が異なる。
【００５６】
すなわち、本実施形態で留意すべき点は、放射線撮像装置が図１の第１の実施形態に加えて制御部７０１を有しており、かつ制御部７０１が電源電圧Ｖ１及び／又はＶ２を変更制御可能な構成である点である。しかしながら、本実施形態においても以下の関係は保たれる。
・電源電圧Ｖ１で駆動される第１領域１０６がセンサアレー１０１の各信号線１０８に接続されること
・Ｖ１  ＞  Ｖ２であること
制御部７０１は、図示しないタイマーや、温度センサ、Ｘ線モニタ、読み出し回路部１０５の出力モニタ等の信号を基に、電源電圧Ｖ１及びＶ２の両方又は一方を変更可能であることが望ましい。例えば、Ｘ線量が少ない場合、温度センサで検出される放射線撮像装置の温度上昇が大きい場合に、電源電圧Ｖ１を下げる制御を行うこと等が望ましい。
【００５７】
（第５の実施形態）
図８、図９及び図１０は、本発明の第５の実施形態の放射線撮像装置の説明図である。図８は模式的回路図であり、図９は読み出し回路部１０５の内容をさらに詳しく説明する模式的回路図であり、図１０は第５の実施形態で用いられるエリアセンサアレー１０１の画素断面図である。
【００５８】
基本的な動作はそれぞれ第１の実施形態の図１、図２、図３と類似しているが、本実施形態は以下の点が異なる。
【００５９】
すなわち、本実施形態ではエリアセンサアレー１０１の光電変換素子はアモルファスシリコンのＭＩＳ型光電変換素子８０１である点で留意すべきである。また、図９に示すように、演算増幅器２０１の入力端子のうち、信号線１０８に接続されていない方の電位を電圧ＶＡ又はＶＢに変化可能な構成である点に留意すべきである。
【００６０】
ＭＩＳ型光電変換素子８０１を有するエリアセンサアレー１０１を駆動する場合、図９に示すように、信号線１０８に接続されていない方の演算増幅器２０１の入力電位をＶＡ又はＶＢに変化させるリフレッシュ駆動を行う場合がある。
【００６１】
この際、電源電圧Ｖ１と電圧ＶＡ、ＶＢの間には、Ｖ１≧ＶＡ＞ＶＢの関係を持たすことが望ましく、かつ電圧ＶＡとＶＢの電位差は大きいほど望ましい。この観点からも、第１領域１０６に供給する電源電圧Ｖ１を第２領域１０７に供給する電源電圧Ｖ２より高く設定することが望ましい。
【００６２】
図１０の断面図を用いて、第５の実施形態の放射線撮像装置に用いられるエリアセンサアレー１０１についてさらに詳細に説明する。ＭＩＳ型センサ１００１の層構成は、ガラス基板３０１から順に、下電極（メタル）層１００２、アモルファスシリコン窒化膜等の絶縁層１００３、アモルファスシリコン半導体層１００４、アモルファスシリコンｎ＋層１００５、上電極（メタル）層１００６、アモルファスシリコン窒化膜等の保護層３１３を積層した構造である。
【００６３】
本実施形態は、Ｘ線撮像装置の例を示しているため、保護層３１３の上には接着層３１４を介して蛍光体層３１５が設けられている。蛍光体層３１５は、ガドリニウム系及びヨウ化セシウム等が用いられる。ここで、蛍光体３１５は必ずしも接着層３１４を介して設けられなくてもよく、保護層３１３上に直接蒸着などにより設けられても良い。
【００６４】
（第６の実施形態）
図１１は、本発明の第６の実施形態の放射線撮像装置の模式的回路図である。本実施形態において、エリアセンサアレー１０１の画素はＰＩＮ型フォトダイオード１１０１、リセット用ＴＦＴ１１０４、ソースフォロアＴＦＴ１１０２、転送ＴＦＴ１１０３で構成されている。リセット用ＴＦＴ１１０４は、ＰＩＮ型フォトダイオード１１０１及びソースフォロアＴＦＴ１１０２のゲートをリセットし、画素を初期化するためのものである。各画素の転送用ＴＦＴ１１０３のソース電極に接続される共通信号線１０８が読み出し回路部１０５の電源電圧Ｖ１で駆動される第１領域１０６に接続されている。これまで説明した他の実施形態同様、読み出し回路部１０５には電源電圧Ｖ２で駆動される第２領域１０７があり、Ｖ１＞Ｖ２の関係にある。
【００６５】
フォトダイオード１１０１のカソードには、バイアス電圧源１１０８が接続される。ゲートドライバ１０４ａは、リセットＴＦＴ１１０４のゲートに電圧を供給する。リセットＴＦＴ１１０４は、リセット電源電圧１１０５に接続される。ソースフォロアＴＦＴ１１０２は、ソースフォロア電源電圧１１０６に接続される。ゲートドライバ１０４ｂは、転送ＴＦＴ１１０３のゲートに電圧を供給する。信号線１０８は、定電流源１１０７に接続される。
【００６６】
ゲートドライバ１０４ａの制御によりリセットＴＦＴ１１０４がオンすると、フォトダイオード１１０１の電荷はリセットされる。フォトダイオード１１０１は、光電変換により、電荷を生成して蓄積する。ソースフォロアＴＦＴ１１０２は、フォトダイオード１１０１の蓄積電荷量に応じた電圧を出力する。転送ＴＦＴ１１０３は、ゲートドライバ１０４ｂの制御に応じてオンし、ソースフォロアＴＦＴ１１０２の出力電圧を信号線１０８に転送する。
【００６７】
画素にソースフォロアＴＦＴ１１０２を有するエリアセンサアレー１０１は出力電荷量が大きいので、本実施形態の構成はより望ましい。
【００６８】
（第７の実施形態）
図１５は、本発明の第７の実施形態の放射線撮像装置の模式的回路図である。なお、図１５において、上述の実施形態で説明されたものと同一の構成要素は同一の番号を付与し、詳細な説明は割愛する。
【００６９】
本実施形態は、図８に示される第５の実施形態と類似しているが、本実施形態は第５の実施形態と以下の点で相違する。
【００７０】
第５の実施形態では、１つの画素にＭＩＳ型光電変換素子８０１と転送用ＴＦＴ１０３を有していたが、本実施形態では、更にリフレッシュ用ＴＦＴ１５０３を有している。リフレッシュ用ＴＦＴ１５０３は、ＭＩＳ型光電変換素子をリフレッシュし、画素を初期化するためのものである。また、転送用ＴＦＴに共通に接続されるゲート線（第１の駆動配線）ＶｇＴ（ｎ）がゲートドライバ（第１の駆動回路）１０４に接続されていることは第５の実施形態と同様である。本実施形態では、更にリフレッシュ用ＴＦＴ１５０３に共通に接続されるゲート線（第２の駆動配線）ＶｇＲ（ｎ）がゲートドライバ（第２の駆動回路）１５０４に接続されている。
【００７１】
図１５は、本実施形態の動作を説明するためのタイミング図である。図１５に示されているように、本実施形態では、所定行のゲート線ＶｇＲ（ｎ）とその次行のゲート線ＶｇＴ（ｎ＋１）とに同時にオン電圧が印加されるように駆動信号が与えられている。ただし、本発明はそれに限定されるものではなく、所定行のゲート線ＶｇＲ（ｎ）とその次行のゲート線ＶｇＴ（ｎ＋１）とが異なるタイミングでオン電圧が印加されるように駆動信号が与えられてもよい。
【００７２】
ここで、本実施形態では、以下の点に留意する必要がある。第５の実施形態と比べて、リフレッシュ用のゲート線ＶｇＴと信号線１０８との交点に寄生容量ＣＡが存在し、ＴＦＴ１５０３がオンする際の、寄生容量ＣＡによるの電荷がさらに注入される。そのため本実施形態においてＶ１＞Ｖ２とすることは、さらに大きな効果を生む。
【００７３】
ここで、転送用ＴＦＴ１０３のオン電圧をＶｏｎ１、オフ電圧をＶｏｆｆ１、リフレッシュ用ＴＦＴ１５０３のオン電圧をＶｏｎ２、オフ電圧をＶｏｆｆ２とする。所定行のゲート線ＶｇＲ（ｎ）とその次行のゲート線ＶｇＴ（ｎ＋１）とが異なるタイミングでオン電圧が印加される場合には、Ｖ１は以下の式を満たすように設定される。
Ｖ１＞ΔＶ１＝Ｃｇｓ×（Ｖｏｎ１−Ｖｏｆｆ２）／Ｃｆ  且つ
Ｖ１＞ΔＶ２＝ＣＡ×（Ｖｏｎ２−Ｖｏｆｆ２）／Ｃｆ
更に、十分なダイナミックレンジを得て、良好な画像を得るには以下の関係が成り立つことがより望ましい。
Ｖ１／２≧ΔＶ１＝Ｃｇｓ×（Ｖｏｎ１−Ｖｏｆｆ２）／Ｃｆ  且つ
Ｖ１／２≧ΔＶ２＝ＣＡ×（Ｖｏｎ２−Ｖｏｆｆ２）／Ｃｆ
また、所定行のゲート線ＶｇＲ（ｎ）とその次行のゲート線ＶｇＴ（ｎ＋１）とに同時にオン電圧が印加される場合には、Ｖ１は以下の式を満たすように設定される。
Ｖ１＞ΔＶ１＋ΔＶ２＝（Ｃｇｓ×（Ｖｏｎ１−Ｖｏｆｆ２）／Ｃｆ）＋（ＣＡ×（Ｖｏｎ２−Ｖｏｆｆ２）／Ｃｆ）
更に、十分なダイナミックレンジを得て、良好な画像を得るには以下の関係が成り立つことがより望ましい。
Ｖ１／２≧ΔＶ＝（Ｃｇｓ×（Ｖｏｎ１−Ｖｏｆｆ１）／Ｃｆ）＋（ＣＡ×（Ｖｏｎ２−Ｖｏｆｆ２）／Ｃｆ）
本実施形態は、ＭＩＳ型光電変換素子を用いた例を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＰＩＮ型フォトダイオードを用いてもよい。その場合、ＴＦＴ１５０３は、ＰＩＮ型フォトダイオードをリセットして画素を初期化するよう動作するものである。
【００７４】
（第８の実施形態）
図１２は、本発明の第８の実施形態によるＸ線撮像システムのシステム図である。本実施形態は、第１〜第７の実施形態の放射線撮像装置をＸ線撮像システムに応用したものである。本Ｘ線撮像システムの特徴は、以下の点である。すなわち、エリアセンサアレー１０１、ゲートドライバ１０４，１０４ａ，１０４ｂ、読み出し回路部１０５等で構成されたフラットパネル型放射線撮像装置が、イメージセンサ６０４０内部に設けられている。イメージプロセッサ６０７０は、Ｘ線チューブ（Ｘ線発生装置）６０５０、イメージセンサ６０４０、表示装置６０８０、及び通信手段６０９０を制御している。
【００７５】
Ｘ線ルームでは、Ｘ線チューブ（放射線発生手段）６０５０は、Ｘ線（放射線）６０６０を発生し、被撮影者６０６２を介してイメージセンサ６０４０にＸ線（放射線）６０６０を照射する。イメージセンサ６０４０は、被撮影者６０６２の画像情報を生成する。
【００７６】
コントロールルームでは、イメージプロセッサ６０７０は、その画像情報をディスプレイ６０８０に表示したり、通信手段６０９０を介してフィルムプロセッサ６１００に送信することができる。
【００７７】
ドクタールームでは、フィルムプロセッサ６１００は、その画像情報をディスプレイ６０８１に表示したり、その画像情報をレーザープリンタによりフィルム６１１０に印刷させることができる。
【００７８】
第１〜第７の実施形態の放射線撮像装置を適用することにより、低消費電力でさらにノイズ特性、ダイナミックレンジ特性に優れた医療用のＸ線撮像システムを実現することが可能となる。
【００７９】
また消費電力が小さく発熱が小さいため、熱による画質劣化が少ない、あるいは大規模な放熱機構を必要としない高信頼性で安価でありながら、画質に優れたＸ線撮像システムを実現することができる。消費電力を低減することができる。また、消費電力による発熱を低減しつつ、低ノイズで十分なダイナミックレンジを有する医療用の透視Ｘ線撮像システム等に好適な、放射線撮像装置を実現することができる。
【００８０】
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明の撮像装置及び放射線撮像装置は、医療用の放射線撮像システムや非破壊検査用の放射線撮像システムに好適に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の第１の実施形態の放射線撮像装置の模式的回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の放射線撮像装置に用いられる読み出し回路部の模式的回路図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の放射線撮像装置に用いられるエリアセンサアレーの画素断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の放射線撮像装置の動作説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の放射線撮像装置に用いられる読み出し回路部の模式的回路図である。
【図６】本発明の第３の実施形態の放射線撮像装置に用いられる読み出し回路部の模式的回路図である。
【図７】本発明の第４の実施形態の放射線撮像装置の模式的回路図である。
【図８】本発明の第５の実施形態の放射線撮像装置の模式的回路図である。
【図９】本発明の第５の実施形態の放射線撮像装置に用いられる読み出し回路部の模式的回路図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態の放射線撮像装置に用いられるエリアセンサアレーの画素断面図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態の放射線撮像装置の模式的回路図である。
【図１２】本発明の第７の実施形態のＸ線撮像システム図である。
【図１３】本発明の放射線撮像装置の課題を説明する図である。
【図１４】本発明の第１の実施形態の放射線撮像装置の読み出し回路部に用いられる増幅回路を示す図である。
【図１５】本発明の第７の実施形態の放射線撮像装置の模式的回路図である。
【図１６】本発明の第７の実施形態の放射線撮像装置の動作説明図である。
【符号の説明】
【００８３】
１０１  センサアレー
１０２  フォトダイオード
１０３  ＴＦＴ
１０４  ゲートドライバ
１０５  読み出し装置
１０６  第１領域
１０７  第２領域
１０８  信号線
２０１  演算増幅器
【図１】
2007312361.tif 000003
【図２】
2007312361.tif 000004
【図３】
2007312361.tif 000005
【図４】
2007312361.tif 000006
【図５】
2007312361.tif 000007
【図６】
2007312361.tif 000008
【図７】
2007312361.tif 000009
【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】
2007312361.tif 000014
【図１３】
2007312361.tif 000015
【図１４】
2007312361.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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