(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光エネルギーを電気信号に変換する光電変換手段と、
前記光電変換手段と電気的に接続され、前記光電変換手段から出力される前記電気信号が入力される第１及び第２の増幅手段と、
前記光電変換手段と前記第２の増幅手段との間に設けられた第１のスイッチ手段と、を有する画素を複数備え、
前記第１の増幅手段は第１の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含み、前記第２の増幅手段は第２の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含んでおり、前記第１及び第２の絶縁ゲート型電界効果トランジスタはそれぞれソースフォロワアンプの一部を構成しており、
前記第１の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極の面積は、前記第２の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極の面積より小さく、
前記第１及び第２の絶縁ゲート型電界効果トランジスタは共通の信号線に並列に接続されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像素子において、前記光電変換手段と、前記第１の絶縁ゲート型トランジスタのゲートとは配線を介して直接接続されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項３】
請求項１に記載の撮像素子において、前記第１のスイッチ手段は、前記光電変換手段と前記第２の絶縁ゲート型トランジスタのゲートとの間に設けられ、
第１の画像取り込みモードのときには、前記第１のスイッチ手段をオフし、前記第１の増幅手段を介して共通の信号線から信号を読出し、
第２の画像取り込みモードのときには、前記第１のスイッチ手段をオンさせ、前記第２の増幅手段を介して共通の信号線から信号を読み出すことを特徴とする撮像素子。
【請求項４】
請求項１に記載の撮像素子において、前記光電変換手段と前記第１の絶縁ゲート型トランジスタのゲートとの間に第２のスイッチ手段が設けられ、
第１の画像取り込みモードのときには、前記第２のスイッチ手段をオンさせ、前記第１の増幅手段を介して前記共通の信号線から信号を読出し、
第２の画像取り込みモードのときには、第１のスイッチ手段をオンさせ、前記第２の増幅手段を介して前記共通の信号線から信号を読み出すことを特徴とする撮像素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子において、前記第１、第２の絶縁ゲート型トランジスタのゲートのW／Ｌが等しいことを特徴とする撮像素子。
【請求項６】
請求項３又は請求項４に記載の撮像素子において、前記第１の画像取り込みモードは高感度モードであり、前記第２の画像取り込みモードは通常モードであることを特徴とする撮像素子。
【請求項７】
請求項３又は請求項４に記載の撮像素子において、前記第１の画像取り込みモードは動画モードであり、前記第２の画像取り込みモードは静止画モードであることを特徴とする撮像素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像素子において、前記第１及び第２の増幅手段は電荷蓄積部を有し、前記第１の増幅手段の電荷蓄積部の容量は前記第２の増幅手段の電荷蓄積部の容量より小さいことを特徴とする撮像素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像素子において、前記光電変換手段と前記第１及び第２のスイッチ手段との間に転送スイッチ手段と容量とを更に有することを特徴とする撮像素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像素子を複数枚配置して形成した撮像装置と、放射線を光に変換するシンチレータとを備えたことを特徴とする放射線撮像装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の放射線撮像装置は、前記シンチレータと前記撮像装置との間に等倍光学伝達手段を有することを特徴とする放射線撮像装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の放射線撮像装置において、前記等倍光学伝達手段はファイバーオプティックプレートを有することを特徴とする放射線撮像装置。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の放射線撮像装置と、
前記放射線撮像装置からの信号を処理する信号処理手段と、
前記信号処理手段からの信号を記録するための記録手段と、
前記信号処理手段からの信号を表示するための表示手段と、
前記信号処理手段からの信号を伝送するための伝送処理手段と、
前記放射線を発生させるための放射線源と、を具備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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像素子、その撮像素子を用いた放射線撮像装置及びそれを用いた放射線撮像システムに関する。本発明は、特に、X線やガンマ線等の高エネルギー放射線を使って画像を読み取る大面積放射線（X線）撮像装置とそのシステム、それに用いることができる撮像素子に好適に用いられるものである。
【０００２】
【従来の技術】
医療のさまざまな分野でディジタル化が進んでいる。X線診断の分野では、入射するX線をシンチレータ（蛍光体）とI.I.（イメージインテンシファイア）により可視光に変換し、TVカメラでかかる可視光像を撮像する2次元のディジタルX線高感度透視装置が開発されている。
【０００３】
さらにこの透視システムとフィルム撮影システムを組み合わせて透視（動画）と撮影（静止画）のシステムを構成したものがある。
【０００４】
また静止画の撮像装置としては2次元X線撮像装置が開発されてきている。
【０００５】
2次元X線撮像装置としては、例えば歯科用に小型CCD型撮像素子が実用化されており、乳房撮影用、胸部撮影用には最大43cm□のアモルファスシリコン（a - Si）を用いた大板の静止画撮像装置が作られている。ガラス基板上のアモルファスシリコン半導体を使った撮像素子は大板のものを得やすく、このパネルを4枚タイル貼りして、大板のX線撮像装置を実現しているものがある。この種の技術の例として、米国特許第5315101号に記載のものがある。
【０００６】
また複数の単結晶撮像素子（シリコン撮像素子など）を用いて大板のX線撮像装置を構成する提案がある。この種の技術の例として、米国特許第4323925号や米国特許第6005911号に記載のものがある。単結晶撮像素子としてはシリコンを使ったCCD型撮像素子撮像素子やMOS型、CMOS型撮像素子などがある。
【０００７】
このようにディジタル化の進む医療のX線診断分野では、静止画像撮像装置の更なる高感度化、次世代の動画像撮像装置（透視等）が期待されている。
【０００８】
ところで、撮像素子を用いたX線撮像装置は、X線源から放射されたX線に反応して光を発生する蛍光板、および蛍光板の発光を撮像する撮像素子を備えている。このようなX線撮像装置を用いて撮影を行う場合には、本撮影の前の位置決めの際には人体に影響の少ない微量のX線を照射し、本撮影では精細度の高い画像を撮影するために、より強いX線を照射する。このため、位置決め時は画像は多少劣っても感度の高い画像が必要となり、本撮影の際にはより大きな階調表現が可能でノイズの少ない画像を得る必要がある。単純なやり方としては、出力をセンサチップ外の回路でゲインをかける方法や、センサ内で出力段にゲインをかける方法がある。しかしながら、この方法ではセンサチップ内で発生するノイズ自体も増幅されてしまうというデメリットがあり、また、撮影モード毎にダイナミックレンジを変えることも困難である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
（第１の課題）
上述したＸ線診断分野において、透視（動画）を行う場合と静止画撮影を行う場合とでは、X線の照射条件が大きく異なり、これらの性能を同一の撮像装置で実現することは困難であった。
【００１０】
図１１に医療分野における透視（動画）、撮影（静止画）時のX線量と出力の関係を示す。透視（動画）を撮像するにはX線を連続的に人間に照射することになり、X線の被曝線量を極力減らすために、静止画撮影に比べX線の照射量を数10から100分の1にする必要がある。また読取速度としては最大で60から90フレーム／秒が求められており、この読取りを行うには、静止画撮影に比べ透視（動画）用撮像装置には数10倍の高感度と数10倍の高速性が求められる。また静止画撮影では4桁近いダイナミックレンジが要求されるが、透視（動画）では2桁程度のダイナミックレンジでよい。
【００１１】
従来のI.I.（イメージインテンシファイア）とTVカメラのX線撮像装置は、高感度だがTVカメラのダイナミックレンジは、フィルムのダイナミックレンジに比べ小さく診断用静止画撮影に用いることは難しい。またI.I.（イメージインテンシファイア）の解像度は診断用静止画撮影には十分ではないので、一般に透視（動画）に用いられる。さらに装置、システムが大きくなりコストが嵩む。またI.I.（イメージインテンシファイア）／TVカメラにフィルムシステムを組み合わせた透視／撮影システムは同様に装置、システムが大きくなりコストが嵩む。
【００１２】
CCD型撮像素子は完全空乏型で高感度であるが、大面積の撮像素子としては不向きになる。CCD型撮像素子は電荷転送型であるが故に、大面積になり転送段数が増加する（高画素になる）程、転送が問題になる。即ち駆動電圧が駆動端と中心付近では異なり完全転送が困難になる。また消費電力はCVf 2（Cは基板とウエル間の容量、Vはパルス振幅、ｆはパルス周波数）で表されるが、大面積である程、CとVが大きくなり、消費電力がCMOS型撮像素子に比較して10倍以上大きくなる。この結果、周辺の駆動回路が発熱源、ノイズ源となり高S／Nではなくなる。この様にCCD型撮像素子は大型撮像素子には適さない面をもっている。
【００１３】
単結晶撮像素子を多数用いた単純な大板撮像装置の構成では各撮像素子の合わせ部に、必ずデッドスペースができ（シフトレジスタ、マルチプレクサ、アンプ等の周辺回路や、外部との信号や電源のやり取りのための外部端子や静電気に対する保護ダイオードや保護抵抗からなる保護回路を設けるための領域が画素領域とは別に必ず必要となる）、この部分がライン欠陥（画像の繋ぎ目）になり、画質が落ちる。そのためテーパ状FOP（ファイバーオプティックプレート）を用いて、シンチレータからの光を、デッドスペースを避けて撮像素子の画素領域に導く構成がとられているが、非常に高価なテーパ状FOPが必要となり製造コストを高める。更にテーパ状FOPではテーパ角度に応じてシンチレータからの光がFOPに入射しにくくなり、出力光量低下が起こり撮像素子の感度を相殺して装置全体の感度が悪くなる問題がある。
【００１４】
アモルファスシリコン型大板撮像装置の製造プロセスはCCD型撮像素子やCMOS型撮像素子に比較し大板のものを得ると言う点で有利であるが、単結晶シリコン半導体基板に比べガラス基板上の半導体の微細加工が難しく、その結果出力信号線の容量が大きくなる。この容量は最も大きなノイズの原因（kTCノイズ）となり感度の向上には限界がある。さらにアモルファスシリコンは、高速動作に対しての半導体特性が十分でなく、大板での30フレーム／秒以上の動画撮影は困難になってくる。
【００１５】
（第２の課題）
位置決め時の撮影と本撮影とで、求められる画像の違いを解決する一つの方法として、センサ内の画素セルにおいて、ダイナミックレンジおよびゲインを切り替える手段がある。その例を図１２で説明する。PDはフォトダイオードであり、あらかじめリセット電位VrにMOSトランジスタM1を介してリセットされている。高感度の撮影時には、蓄積期間（もしくはX線照射時間）にフォトダイオードPDに発生した電荷はPDおよび寄生容量C1に蓄積され、転送トランジスタM2によって読み出され、容量C3に溜められる。この時の電位変化をトランジスタM６で構成されるソースフォロワアンプによって電流増幅し出力される。なお、トランジスタM4は画素の行選択スイッチである。この際、容量C3を小さく設計することで光電荷に対するC3の電位変化を大きくすることが可能であり、高い感度での読み出しが可能である。一方、本撮影においてはトランジスタM3をオンすることにより転送トランジスタM2から転送された光電荷を受ける容量はC2+C3となり、より大きなダイナミックレンジを得ることが可能となる。
【００１６】
以上の方法では、感度の切り替えおよびダイナミックレンジの切り替えは実現することができるが、画素ソースフォロワのトランジスタ（図１２のM6）のサイズは高感度撮影モードに適したサイズに設計する必要がありゲート電極の大きさは小さい方が好ましい。しかしながら、この場合MOSトランジスタの1/fノイズが画質を劣化させてしまう。一般にMOSトランジスタの1/fノイズはゲート電極の面積に反比例すると言われており、小さいゲートサイズの場合には1/fノイズの影響は大きくなる。
【００１７】
（本発明の目的）
本発明の目的は、高速・高感度での透視（動画）、高精細・広ダイナミックレンジでの静止画撮影を可能とし、繋ぎ目のない全面画像を提供できる大面積薄型の放射線撮像装置、特にX線撮像装置を提供することである。
【００１８】
また本発明の他の目的は、ゲイン切り替えおよびダイナミックレンジの切り替えを行うことができる撮像素子を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の撮像素子は、光エネルギーを電気信号に変換する光電変換手段と、
前記光電変換手段と電気的に接続され、前記光電変換手段から出力される前記電気信号が入力される第１及び第２の増幅手段と、
前記光電変換手段と前記第２の増幅手段との間に設けられた第１のスイッチ手段と、を有する画素を複数備え、
前記第１の増幅手段は第１の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含み、前記第２の増幅手段は第２の絶縁ゲート型電界効果トランジスタを含んでおり、前記第１及び第２の絶縁ゲート型電界効果トランジスタはそれぞれソースフォロワアンプの一部を構成しており、
前記第１の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極の面積は、前記第２の絶縁ゲート型電界効果トランジスタのゲート電極の面積より小さく、
前記第１及び第２の絶縁ゲート型電界効果トランジスタは共通の信号線に並列に接続されていることを特徴とする。
【００２０】
また本発明の放射線撮像装置は、上記本発明の撮像素子を複数枚配置して形成した撮像装置と、放射線を光に変換するシンチレータとを備えたことを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の放射線撮像システムは上記本発明の放射線撮像装置を用いたものである。
【００２２】
本発明の好適な態様は、例えば、画像取り込みモードにより異なるゲートサイズのソースフォロワアンプを選択することで1/fノイズに対しても対策を施すものである。すなわち、画素毎に複数のゲート面積の異なるソースフォロワアンプをもち、また、そのソースフォロワアンプのゲートの寄生容量を用いて、光電荷を受け取る容量値を選択的に変化させる。高感度撮影の場合（前述のX線センサの場合の位置決め撮影）、ゲートサイズの小さいソースフォロワアンプを選択することにより高感度の撮影が可能となり、また、広いダイナミックレンジの撮影を行う場合（前述のX線センサの場合の本撮影）、ゲートサイズの大きなソースフォロワアンプを選択することにより、1/fノイズが小さく、広いダイナミックレンジをもつ撮影が可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１は本発明による第１の実施形態の撮像素子の画素セルの等価回路図である。
【００２５】
図１において、ＰＤはフォトダイオード、Ｃ１はフォトダイオードＰＤのカソード側に接続される、寄生容量もしくは付加容量によって形成される容量、Ｍ１はフォトダイオードＰＤ及び容量Ｃ１〜Ｃ３をリセットするリセットトランジスタである。Ｍ２は容量Ｃ１に接続される転送スイッチとなるトランジスタ、Ｃ２はフォトダイオードＰＤおよび容量Ｃ１から転送される電荷を蓄積する容量、Ｍ４は選択スイッチ、Ｍ６はゲートが容量Ｃ２に接続されるソースフォロワトランジスタである。またＭ３は容量Ｃ１に接続される転送スイッチとなるトランジスタ、Ｃ３はフォトダイオードＰＤおよび容量Ｃ１から転送される電荷を蓄積する容量、Ｍ５は選択スイッチ、Ｍ７はゲートが容量Ｃ２に接続されるソースフォロワトランジスタである。このように、フォトダイオードＰＤおよび容量Ｃ１に蓄積された電荷は２系統の出力手段を介して出力されるようになっている。
【００２６】
図１の画素セルの動作を説明する。フォトダイオードＰＤ、寄生容量もしくは付加容量によって形成される容量Ｃ１の電位はリセットトランジスタＭ１によってリセット電位Ｖｒにリセットされる。蓄積期間にフォトダイオードＰＤに光が入射すると、発生した光電荷はフォトダイオードＰＤおよび容量Ｃ１に溜められる。転送スイッチとなるトランジスタＭ２もしくは転送スイッチとなるトランジスタＭ３をＯＮすることで容量Ｃ２もしくは容量Ｃ３の電位は発生した光電荷に応じて変化する。
【００２７】
ここで容量Ｃ２および容量Ｃ３はそれぞれトランジスタＭ６、Ｍ７のゲート電極の寄生容量が支配的である。トランジスタＭ４、Ｍ５は行選択スイッチであり、２次元にアレイされている画素セルのある行を選択するためのスイッチである。トランジスタＭ４、Ｍ５は電源Ｖに接続されている。出力のノードＯＵＴは、図には示していないが定電流源に接続されており、トランジスタＭ４、Ｍ６と共に、ソースフォロワアンプを形成している。トランジスタＭ５、Ｍ７もトランジスタＭ４、Ｍ６と同様に定電流源とでソースフォロワアンプを形成しており、トランジスタＭ２とＭ４を選択するか、トランジスタＭ３とＭ５を選択することで、いずれかのソースフォロワアンプを選択することができる。
【００２８】
本実施形態ではトランジスタＭ６に対してトランジスタＭ７のゲート電極サイズを大きくすることで容量Ｃ２に対して容量Ｃ３を大きくすることが可能である。回路動作上、寄生容量はゲート−ドレイン間の寄生容量の影響が大きいため、具体的にはトランジスタＭ６、Ｍ７のゲート幅Ｗを変えることで容量Ｃ２、Ｃ３を調整することが可能である。また、トランジスタＭ６、Ｍ７のゲート幅Ｗとゲート長Ｌを同じ比率で変えた場合には、トランジスタの電流駆動能力は変化しないため、同様なソースフォロワのＤＣ特性を得ることができ、設計が容易になる。
【００２９】
読み出しの容量Ｃ２、Ｃ３を場合によって選べることの利点は従来技術で説明した通りであり、撮影条件によって、ダイナミックレンジ（Ｄ−ｒａｎｇｅ）を選択できることにある。さらに本発明では、以下の利点がある。
【００３０】
一般に、ＭＯＳトランジスタによって形成される撮像素子（ＣＭＯＳセンサ）のＳＮ劣化の原因として１／ｆノイズがある。１／ｆノイズはＭＯＳトランジスタの微細化によりゲート電極面積が小さくなると影響が大きくなる。１／ｆノイズのパワー密度はＭＯＳトランジスタのＷ×Ｌに反比例すると言われている。ＳＮを向上させるために従来の方法でダイナミックレンジを広げ、蓄積時間を長く、あるいは光量を多くして撮影した場合、ＫＴＣノイズ、光ショットノイズは向上するものの１／ｆノイズに関しては、改善が見込めない。本発明によれば、ダイナミックレンジを広げて撮影するモードの際には、従来技術で得られるＳＮ向上の効果に加えて、１／ｆノイズの改善も得ることができる。
【００３１】
仮に、トランジスタＭ６のゲートサイズをＷ＝１μｍ、Ｌ＝１μｍ、トランジスタＭ７のゲートサイズをＷ＝１０μｍ、L＝１０μｍとすると、トランジスタＭ７のゲート−ソース容量は１０倍となる。すなわち容量Ｃ３はＣ２の１０倍となり、ダイナミックレンジは１０倍となる。よって、同一光量の撮像をする場合、蓄積時間１０倍までダイナミックレンジ内で動作することが可能である。一方、１／ｆノイズに関しては、ゲート電極面積の影響（１００分の１）により、１／100に低減することが可能である。
【００３２】
このため、本発明によれば、ソースフォロワアンプの１／ｆノイズが改善されることによりＳＮの良好な撮像素子を得ることができる。さらに、容量形成とソースフォロワのゲート電極を共通化しているために、集積度を向上することができ、ひいては、フォトダイオードの面積の増大による感度の向上、ＳＮ比の向上の効果を得ることもできる。
【００３３】
なお、上記説明および等価回路ではソースフォロワトランジスタのＭＯＳの特性はＮＭＯＳの場合について述べているが、トランジスタをＰＭＯＳで構成した場合にも同様な効果を得ることができる。また、駆動のタイミングに関しては、上述の例にとらわれる事なく、あらかじめトランジスタＭ２、Ｍ４（あるいはトランジスタＭ３，Ｍ５）をＯＮした状態で、フォトダイオードＰＤ、容量Ｃ１、容量Ｃ２（あるいは容量Ｃ３）をリセットし、リセットトランジスタＭ１を閉じた後に蓄積を開始しても構わない。この場合にはトランジスタＭ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５のゲートの開閉によるフィードスルーを無くすことが可能である。
【００３４】
また、トランジスタＭ２のゲートとトランジスタＭ４のゲート配線を共通化し、配線を減らすことが可能である。同様にトランジスタＭ３とトランジスタＭ５のゲート配線を共通化することも可能である。
【００３５】
本発明をX線撮像装置に応用した場合、従来技術で述べた通り、X線撮像装置では感度、ダイナミックレンジの切り替えが行えるメリットが大きいことと、X線撮像装置では大判の撮像装置を用いる事が携帯型のカメラに比べ容易であることから、画素サイズを大きくするデメリットは小さく、画素の構成を本発明による構成とすることが容易である。よって、本発明による撮像素子はX線撮像装置に応用した場合に特に効果的である。
【００３６】
（第２の実施形態）
本発明による第２の実施形態を図２で説明する。図２は本発明による第２の実施形態の撮像素子の画素セルの等価回路図である。
【００３７】
本実施形態ではトランジスタＭ２を介さず、容量Ｃ１は直接、トランジスタＭ６のゲートに接続されている。高感度を必要とする場合トランジスタＭ４を選択する。このとき容量はＣ１＋Ｃ２となる。広いダイナミックレンジが必要な場合はＭ３とＭ５を選択する。このときの容量はＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３となる。このときの容量比を１０とする。つまりＣ１＋Ｃ２＋Ｃ３＝１０（Ｃ１＋Ｃ２）となる。よってＣ３＝９（Ｃ１＋Ｃ２）となる。本実施形態を用いた撮像装置を第４の実施形態で説明する。そこで詳述しているが、フォトダイオードの接合容量Ｃ１は高感度を実現するために極力小さくする。本実施形態では、トランジスタＭ６のゲートサイズをＷ＝１μｍ、Ｌ＝１μｍ、トランジスタＭ７のゲートサイズをＷ＝９μｍ、L＝９μｍとすると、トランジスタＭ７のゲート−ソース容量Ｃ３は容量Ｃ２の９倍となる。トランジスタＭ４を選択する場合とＭ3、Ｍ５を選択する場合でダイナミックレンジは１０倍になる。１／ｆノイズ低減の効果は第1の実施形態と同様に考えると１／８１程度に改善され、本発明の効果は本実施形態においても有効である。
【００３８】
（第３の実施形態）
本発明は完全転送タイプのフォトダイオードをもつ撮像素子においても同様の効果を得ることができる。本発明による第３の実施形態を図３で説明する。図３は本発明による第３の実施形態の撮像素子の画素セルの等価回路図である。
【００３９】
本実施形態ではフォトダイオードＰＤ部を、リセット動作により完全に空乏化させてから光電荷の蓄積を開始する。リセットの方法としては、トランジスタＭ１とトランジスタＭ８を同時にＯＮ状態にすることでフォトダイオードＰＤの完全空乏化が可能である。蓄積後、発生した光電荷は転送スイッチＭ８によって容量Ｃ１に転送される。再びフォトダイオードＰＤが再び完全空乏化するように設計することにより、発生した光電荷の全てを容量Ｃ１に転送することが可能であり、感度の良いセンサを得ることが可能である。トランジスタＭ２〜Ｍ７の動作については第１の実施形態と同様である。これにより、ダイナミックレンジの選択を行うことが可能であり、かつノイズの少ない画像を得ることが可能である。また、第２の実施形態と同様にトランジスタＭ２を省略した場合にも本実施例の効果は有効である。
【００４０】
（第４の実施形態）
図４は実施形態2の1画素回路を有するCMOS型撮像素子をX線撮像装置に用いた場合の1個の撮像素子の部分平面図を示す。各画素は後述するように動画モード（高感度モード）用の増幅MOS型トランジスタ（図２のＭ６）と、これに比べ光量が100倍以上になり、広いダイナミックレンジを要求される静止画モード（通常モード）時の面積の大きい増幅MOS型トランジスタ（図２のＭ７）とを有する。さらに各画素は、これらの動作モードの切替えに応じて感度を切替える手段を有する。これにより静止画撮影時には広ダイナミックレンジ、動画撮影時には高感度で撮影できる撮像素子を実現する。本実施形態では、後述するように、この撮像素子を9枚タイル貼りして大板の撮像装置を構成する。
【００４１】
図４において、１１は撮像素子の端部、１２は画素セルの境界、１３は走査回路としての垂直シフトレジスタのブロック、１４はマルチプレクサ、水平シフトレジスタ、共通アンプ等の共通処理回路のブロック、１５は外部端子、１６は外部端子１５上に設けられたバンプ、１７は保護抵抗、１８は保護ダイオードを示す。
【００４２】
図７は現在主流の8インチウエハから1個の撮像素子を取り出す場合を示す。CMOSプロセスによって136mm□のCMOS型撮像素子を1枚取りで作成する。
【００４３】
医療用のX線撮像装置では画素（画素セル）の大きさは、100μm□〜200μm□程度に大きくてよい。本実施形態でのサイズは160μm□とした。
【００４４】
図８はこの撮像素子を9枚張り合わせて形成した408mm□の大面積X線動画撮像装置の撮像素子部分を示す。
【００４５】
図９は図８のA−A’断面を示す。ユウロピウム、テルビウム等を付活性体として用いたGd2O2SやCsIなどからなるシンチレータ２１をFOP（等倍光学伝達手段）２２の上に設置する。X線はシンチレータ２１に当たり可視光等の光に変換される。この可視光等の光を撮像素子２３で検出する。シンチレータ２１はその発光波長が撮像素子２３の感度に適合するように選択するのが好ましい。本実施形態ではシンチレータ２１を透過したX線が撮像素子２３に当たるのを防ぐためにFOP２２を用いているが、低いエネルギーのX線を用いるなどシンチレータ２１で十分X線が吸収される場合はFOPを用いる必要はない。基台２４は撮像素子２３を搭載するものであり、基板２５は撮像素子２３の電源、クロック等を供給し、又、撮像素子２３から信号を取り出して処理する回路を有する外部処理基板である。フレキ２６は各撮像素子と外部処理基板とのTAB(Tape Automated Bonding)による電気的接続部である。
【００４６】
本実施形態では、従来撮像素子の外周部に配置していた垂直シフトレジスタ、水平シフトレジスタ、マルチプレクサ、出力アンプ、外部端子、静電気保護回路等（保護ダイオードと保護抵抗）を撮像素子の画素領域に配置する。この構成により撮像素子全面が画素領域となるので、この撮像素子をタイル貼りする場合、周辺に画素欠陥になるデッドスペースを生じない。
【００４７】
これらの撮像素子をタイル状に実質的に隙間がないように並べることで、大板の撮像装置を形成できる。ここで、実質的に隙間ができないこととは、9枚の撮像素子により形成される画像に撮像素子間の欠落ができないということである。さらに前記回路構成とすることで繋ぎ目のない大板の画像を得ることができる。さらに1つのラインを処理するシフトレジスタの1ブロックを1ピッチ内に収まるように配置する。これらのブロックを並べて一連の垂直シフトレジスタブロックとし、水平シフトレジスタブロックとする。これらのブロックは垂直方向、水平方向に直線状に伸びている。
【００４８】
撮像素子のクロック等や電源の入力、撮像素子からの信号の出力は撮像素子端部に設けた外部端子に接続したTABフレキを通して、撮像素子の裏側に配置した外部処理基板との間で行う。TABフレキの厚さはサイズに対して十分薄く撮像素子の間の隙間を通しても、画像上の欠陥は生じない。
【００４９】
図５は図４中の垂直シフトレジスタの単位ブロック（1行を選択し駆動するための単位）を1領域（1画素セル）に1画素回路と共に配置した画素セルの様子を示す。1画素回路は実施形態2に示すものである。単位ブロックと画素回路の面積は、模式図のため実施形を反映してない。また実際のレイアウトでは画素回路のフォトダイオード以外は遮光層（不図示）で覆われており、シンチレータからの光がフォトダイオード以外に入射するのを防止している。垂直シフトレジスタは転送信号ΦTX、リセット信号ΦRES、選択信号ΦSELを作り出すためにスタティック型シフトレジスタと転送ゲートで構成した簡単な回路を示す。これらはクロック信号線（不図示）からの信号により駆動する。シフトレジスタの回路構成はこの限りではなく、加算や間引き読み出し等のさまざまな駆動のさせ方により、任意の回路構成をとることができる。ただし本実施形態のように機能ブロックを一つの画素セルの中に画素回路と共に配置し、画素領域内にシフトレジスタを設け、全面画素領域の撮像素子を実現する。
【００５０】
走査回路として、シフトレジスタではなくn対2nデコーダを使用することもできる。デコーダの入力に順次インクリメントするカウンタの出力を接続することによりシフトレジスタと同様に順次走査することが可能となり、一方デコーダの入力に画像を得たい領域のアドレスを入力することによりランダム走査による任意の領域の画像を得ることができる。
【００５１】
画素領域内の各領域（画素セル）内に配置する共通処理回路とは、最終信号出力アンプ、シリアル・パラレル変換マルチプレクサ、バッファは、各種ゲート回路等の複数を一括して共通に処理する回路を意味する。
【００５２】
図６に実施形態2に対応する1画素回路のレイアウト（模式図）を示す。画素セルの大きさは160μm□である。
【００５３】
図６において、３１は光電変換部としてのフォトダイオード、３２は動画モード（高感度モード）対応の第1の増幅MOS型トランジスタ（画素アンプ1）、３３は撮影モード（通常モード）対応の第2の増幅MOS型トランジスタ（画素アンプ2）、３４は動画モード（高感度モード）と撮影モード（通常モード、広ダイナミックレンジモード）の切替えMOS型トランジスタ（モード切替えスイッチ）、３５は光電変換部を選択をするための選択MOS型トランジスタ、３６は光電変換部に蓄積された電荷を放電するためのリセットMOS型トランジスタ（リセットスイッチ）、３７は出力信号線である。第1の増幅MOS型トランジスタのサイズをW=1μm、L=1μmとする。第2の増幅MOS型トランジスタのサイズをW=10μm、L=10μmとする。
【００５４】
画素部では、フォトダイオードで発生した信号電荷を接合寄容量に蓄積する。蓄積された電荷はソースフォロワーとして機能する増幅MOS型トランジスタ（画素アンプ）により電荷／電圧変換され電圧として出力される。
【００５５】
透視（動画）、撮影（静止画）兼用のX線撮像素子での光電変換部に求められる特有の条件がある。この条件を満たすためにとった本実施形態について詳述する。
【００５６】
（動画モード）
pn接合を有するフォトダイオードにおいて、光生成キャリアQPをフォトダイオード部の容量Cに蓄積し、電圧に変換する場合、光生成キャリアによる光信号電圧VP は、
VP ＝ QP ／C   ・・・・  （１）
となる。フォトダイオードをリセットする度に発生するリセットノイズがある。これはランダムノイズとして現われる。リセットノイズVNは、
VN ＝ √（kT C）    ・・・・  （２）
（ｋ：ボルツマン定数、T：温度（K））
となる。S／N比は、
VP ／VN  ＝ QP ・√（1／（kT C））  ・・・・  （３）
となる。動画撮影時に最高感度（S／N比）を得るためには、蓄積容量Cをできるだけ小さくすることが望ましい。
【００５７】
またソースフォロワ（画素アンプ）出力の大きさΔVは以下のように表わせる。
【００５８】
ΔV ＝ G・QP／CMOS
ここで、Gはソースフォロワーの利得、CMOSは画素アンプの寄生容量を、QPはCMOSに蓄積された信号電荷とする。同じ信号電荷QPに対してΔVが大きいほど、電荷／電圧変換利得が大きくなり、S／N面等の観点から有利となる。同じ信号電荷Qに対しΔVを大きくするためには、ソースフォロワーの利得Gは通常0.7〜0.9程度とほとんど変化しないので、容量CMOSを極力小さくする。
【００５９】
本実施形態の動画モード（高感度モード）ではモード切替スイッチ（図２のＭ３）をOFFすることによりフォトダイオードと第1の増幅MOS型トランジスタ（画素アンプ1）が直結される。このとき信号蓄積容量はフォトダイオードの接合容量CPD（図２のＣ１）と第1の増幅MOS型トランジスタ（画素アンプ1）に寄生する容量C1（図２のＣ２）の合成容量となる。動画モード（高感度モード）で最高感度を得るために、CPDを最小容量となるように設定する。光利用率を大きくとるためにはフォトダイオード面積が大きい方がよいが、フォトダイオード面積を大きくとると容量CPDが大きくなりやすいので電極部（不図示）を極力小さい面積とすることで、CPDが増加しないような構造とする。同様に第1の増幅MOS型トランジスタ（画素アンプ1）寄生する容量C1（図２のＣ２）も同様に最小容量となるように設定する。寄生容量は、第1の増幅MOS型トランジスタ（画素アンプ1）の面積に依存するので、極力小さな面積となるようにする。
【００６０】
（静止画モード）
蓄積容量に蓄積できる電荷量は、
QP ＝ VP・C   ・・・・  （１）
となる。蓄積できる電荷量に比例してダイナミックレンジは大きくなるので、静止画撮影時にダイナミックレンジを広くするには、蓄積容量Cを必要に応じて大きくする必要がある。本発明では、この大きい蓄積容量のみを画素内に別途設けず、静止画モード用の大きい面積の第2の増幅MOS型トランジスタ（画素アンプ2）を設け、このトランジスタの寄生容量を蓄積容量として利用する。
【００６１】
またMOS型トランジスタには1／fノイズ（フリッカ・ノイズ）や熱ノイズが発生しやすく、これはランダムノイズであり、ランダムなバックグラウンド画像を生じる。デバイス設計的にはMOS型トランジスタのチャネル長をＬ、チャネル幅をＷとすると、熱ノイズは√（L／W）に比例し、1／fノイズはL・Wに反比例するのでMOS型トランジスタのノイズを小さくするにはチャネル長Lを最小とし、チャネル幅Wを大きく設定すればよい。特に大きなノイズ源となるアンプとしてのソースフォロワでの低周波で大きくなる1／fノイズは、静止画モードでは特に問題となる。動画モードで高感度となるように設計された第1の増幅MOS型トランジスタ（画素アンプ1）を静止画モードで共用し、広ダイナミックレンジ用の大きい蓄積容量を画素内に別途設ける構造では、この画素アンプの1／fノイズが大きく画質に悪影響を及ぼしてしまう。一方高速動画撮影時は1／fノイズは問題とならない。そこで静止画モード用の大きい面積の第2の増幅MOS型トランジスタ（画素アンプ2）を設け、これを静止画モードに選択するモード切替えスイッチを設ける構造とする。静止画モードでは低ノイズ画素アンプを使うこと画質の向上を図り、さらにこのトランジスタの寄生容量を静止画モードの蓄積容量として利用することで広ダイナミックレンジを確保することができる。
【００６２】
さらに本実施形態では、本質的に1／fノイズが小さいPMOS型トランジスタをソースフォロワとして利用している。これによりNMOS型トランジスタに比べ1／10程度の大きさに低減できる。また本発明になる撮像素子をX線撮像装置に用いる場合シンチレータを通り抜けたX線が直接トランジスタに当たる。PMOS型トランジスタはNMOS型トランジスタに比べX線耐久性が強い（リーク電流増加、閾値Vth変動が少ない）のでさらに好適である。
【００６３】
本実施形態の画素回路では転送スイッチは設けず、フォトダイオードと増幅トランジスタのゲートを直結し光電変換部とした。本実施形態では完全転送ではないので光電変換部のリセット時にkTCノイズが発生するが、このノイズを除去するために、二重サンプリング回路を使用することは公知である。
【００６４】
医療用のX線撮像装置では、画素の大きさは、50μm□〜200μm□程度に大きくてよいので、画素セル内に動作モードに応じた2個の増幅MOSトランジスタを配置しても十分大きい開口率を実現できる。
【００６５】
本実施形態ではシフトレジスタを画素領域内に配置するので、シンチレータを抜けたX線が直接シフトレジスタに当たる。シフトレジスタ回路はパルス信号を順次転送するために用いられている。シフトレジスタとしてスタティックシフトレジスタを用いる。原理的にはスタティック型はX線の影響を比較的受けにくく、本実施形態のようにX線が直接当たる場所に用いることができる。従ってスタティック型シフトレジスタを用いればX線ダメージやエラーの少なく、信頼性が向上した撮像装置を実現できる。
【００６６】
本実施形態は撮像素子としてCMOS型撮像素子を用いているので消費電力が少なく、大板の撮像装置を構成する場合に好適である。
【００６７】
なお撮像素子内にマルチプレクサを作りこむのは撮像素子での動作を早くするためである。
【００６８】
また撮像素子からは外部端子を経由して外部に信号を取り出すが、この外部端子周りには大きな浮遊容量がある。従って外部端子の前段にアンプを設けることにより信号の伝送特性を補償することができる。
さらに9枚の撮像素子は、共通の駆動パルスで駆動できるので周辺の駆動パルス発生回路も容易になる。また、共通駆動により撮像素子駆動回路の共通化もでき、従って実装的にも優れていることが分かる。
【００６９】
（第５の実施形態）
図１０は本発明による放射線撮像装置のX線診断システムへの応用例を示したものである。
Ｘ線チューブ６０５０で発生したＸ線６０６０は患者あるいは被験者６０６１の胸部６０６２を透過し、図９に示したようなシンチレータ２１、ＦＯＰ２２、撮像素子２３、外部処理基板２５を備える放射線撮像装置６０４０に入射する。この入射したＸ線には患者６０６１の体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は発光し、これを撮像素子が光電変換して、電気的情報を得る。この情報はディジタルに変換されイメージプロセッサ６０７０により画像処理され制御室のディスプレイ６０８０で観察できる。
【００７０】
また、この情報は電話回線６０９０等の伝送手段により遠隔地へ転送でき、別の場所のドクタールームなどディスプレイ６０８１に表示もしくは光ディスク等の記録手段に保存することができ、遠隔地の医師が診断することも可能である。また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。
【００７１】
以上説明したように、本発明は医療用のX線センサに応用することが可能であるが、それ以外の用途に応用した場合にも有効である。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
（1）  各画素内に画像取り込みモードに応じたサイズの異なる増幅MOSトランジスタ等の増幅手段とモード切替え手段（スイッチ手段）を設けることで、高速・高感度動画像撮影／広ダイナミックレンジ・低ノイズ静止画撮影が1つの撮像素子で可能となる。
（2）  上記効果を有する複数の撮像素子を配置することで繋ぎ目のない全面画像を提供でき、高速・高感度動画像撮影／広ダイナミックレンジ・低ノイズ静止画撮影を兼用できる大板薄型X線撮像装置を提供することができる。
【００７３】
(3)  また本発明による撮像素子では、ＭＯＳトランジスタ等の増幅手段を各画素に２種類もち、いずれかを選択することでゲイン切り替えおよびダイナミックレンジの切り替えを行うことができる。また、それらを異なるゲートサイズのソースフォロワとすることで、1/fノイズを抑制することができ、撮影モードの切り替えによって高感度の画像の撮影をする場合と、広いダイナミックレンジをもち、低ノイズの画像の撮影をする場合を選択できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の撮像素子の画素セルの等価回路図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の撮像素子の画素セルの等価回路図である。
【図３】本発明の第３の実施形態の撮像素子の画素セルの等価回路図である。
【図４】本発明の第４の実施形態の撮像素子の部分平面図である。
【図５】図４中の画素回路と垂直シフトレジスタの単位ブロックの関係を示す図である。
【図６】図４中の画素セルにおける光電変換部と画素アンプの関係を示した概念的平面図である。
【図７】本発明の実施形態による撮像素子とその元となるウエハを示す平面図である。
【図８】本発明の実施形態による撮像素子の３×３配列及び走査回路の配列を示す平面図である。
【図９】本発明の実施形態による撮像装置の構成を示す断面図であり、図８のＡ−Ａ’断面を示す。
【図１０】本発明の実施形態５による放射線撮影システムの構成を示す概念図である。
【図１１】医療分野における透視（動画）、撮影（静止画）時のＸ線量と出力の関係を示す特性図である。
【図１２】従来の撮像素子の画素セルの等価回路図である。
【符号の説明】
ＰＤ  フォトダイオード
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３  容量
Ｍ１〜Ｍ７  トランジスタ
１１  撮像素子の端部
１２  画素セルの境界
１３  垂直シフトレジスタのブロック
１４  水平シフトレジスタを含む共通処理回路のブロック
１５  外部端子
１６  バンプ
１７  保護抵抗
１８  保護ダイオード
２１  シンチレータ
２２  ＦＯＰ
２３  撮像素子
２４  基台
２５  基板（外部処理基板）
２６  フレキシブル基板（TAB電気的接続部）
３１  フォトダイオード
３２  第1の増幅MOS型トランジスタ（画素アンプ1）
３３  第2の増幅MOS型トランジスタ（画素アンプ2）
３４  切替えMOS型トランジスタ（モード切替えスイッチ）
３５  選択MOS型トランジスタ
３６  リセットMOS型トランジスタ（リセットスイッチ）
３７  出力信号線
【図１】
0003984814.tif 000002
【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】
0003984814.tif 000008
【図８】
0003984814.tif 000009
【図９】
0003984814.tif 000010
【図１０】
0003984814.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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