JP2002344809A - 撮像装置、撮像装置の駆動方法、放射線撮像装置及びそれを用いた放射線撮像システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣＭＯＳ型撮像素子等の増幅型撮像素子を用
いた場合、撮像素子の接続部で画像の相関がなくなる。 【解決手段】 画素内に光信号用とノイズ信号用のサン
プルホールド回路を設け、光信号とノイズ信号を露光と
は独立して保存すると共に、サンプルホールドからは同
時に出力（各列２線出力）する構造とする。これによ
り、撮像素子間、画素間で一括露光（電子シャッタ機
能）を実現し、且つ、ノイズ補正を確実に行えるように
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、撮像装置、その駆
動方法、放射線撮像装置及びそれを用いた放射線撮像装
置システムに関し、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の放射線撮像
装置及びそれを用いたシステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、医療の様々な分野でディジタル化
が進んでいる。Ｘ線診断の分野でも、画像のディジタル
化のために、入射するＸ線をシンチレータ（蛍光体）に
より可視光に変換し、更に、撮像素子でかかる可視光像
を撮像する２次元Ｘ線撮像装置が開発されてきている。

【０００３】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）を用いた大面積の静止画撮像装置
が実用化されている。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面積のものを作製し易
く、このパネルを４枚タイル貼りして、大面積の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５３１５１０１号に記載のものがある。

【０００４】また、複数の単結晶撮像素子（シリコン撮
像素子等）を用いて大面積のＸ線撮像装置を構成する提
案がなされている。この種の技術の例として、米国特許
４３２３９２５号や米国特許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型撮像素子やＭＯＳ型、ＣＭＯＳ型撮像素子等
がある。このようにディジタル化の進む医療Ｘ線診断分
野では、静止画像撮像装置の次世代の動画像撮像装置
（透視等）が期待されている。

【０００５】ここでの技術的課題としては、（１）高感
度、高速読取り技術、（２）大型化、（３）低コスト化
等が挙げられる。（１）高感度、（２）高速読取りの課
題に関しては、動画を撮像するにはアモルファスシリコ
ンを用いた撮像装置に比較して、１０倍以上の高感度性
と読取り速度が求められる。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るが、Ｘ線照射による
影響を考慮するとＸ線の照射量を数十から百分の１に、
読取速度としては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数十倍の高感度と数十倍
の高速性が要求される。

【０００６】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、これを用いた大面積の撮
像装置では、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）となる。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ＣＭ
ＯＳ型撮像素子に比較して大面積のものを得ると言う点
で有利である。しかし、光電変換部が完全空乏型でな
く、撮像素子の駆動回路とアンプが外部に必要であり
（特開平８−１１６００４号公報の図５２参照）、撮像
素子の良品判定も周辺部品を組込後行う必要があるた
め、撮像素子そのものは割と低価格であるが、最終的に
コストは高くなっていた。以上により前述のような要求
の実現は困難である。

【０００７】また、ＣＣＤ型撮像素子については、完全
空乏型で高感度であるが、大面積の撮像装置としては不
向きである。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
ＣＶｆ² （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
ない面を持っている。

【０００８】更に、単結晶撮像素子を多数用いた単純な
大面積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、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
子や保護回路を設けるための領域が領域とは別に必ず必
要）、この部分がライン欠陥になり、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に導く構成が採られているが、余
計なＦＯＰが必要で製造コストがかかる。特に、テーパ
状ＦＯＰは非常にコストがかかる。更に、テーパ状ＦＯ
Ｐではテーパ角度に応じてシンチレータからの光がＦＯ
Ｐ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。

【０００９】以上のようなアモルファスシリコン撮像素
子やＣＣＤ型撮像素子の欠点を補うために大面積のＣＭ
ＯＳ型撮像素子をタイル貼りした構成が提案されている
（特開２０００−１８４２８２号公報）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＣＭＯＳ型撮像素子等の増幅型撮像素子には、以下のよ
うな不都合があった。 （ａ）一般的な増幅型撮像素子の駆動方法では、同一行
の水平走査線を単位として１水平走査線づつの蓄積電荷
が順次読み出される。ある水平走査線から蓄積電荷を読
み出している間に残りの水平走査線では電荷の蓄積が行
われる。この場合水平走査線毎に電荷の蓄積時間が異な
ってしまう。この電荷を読み出して画像に再生すると走
査期間毎に異なるタイミングの映像となってしまう。静
止画の撮影では、この蓄積時間の違いが問題になること
は少ないが、動画の撮影では画像が流れてしまい問題と
なる。特に、複数枚の撮像素子（複数の画素が形成され
た撮像素子パネル）をタイル貼りした撮像装置では、後
述するように各撮像素子間の画像にも不連続性が生じ大
きな問題となる。また、Ｘ線動画撮影では、ある水平走
査線の読み出し時間中は他の水平走査線の露光時間であ
り、部分的に不用なＸ線照射をしなければならず、被爆
線量を極力減らすべき医療分野ではこの方法の適用は困
難である。 （ｂ）最初に読み出しを行う水平走査線と後から読み出
しを行う水平走査で電荷の蓄積期間が異なってしまうこ
とを防止するために、機械式のシャッタを設けて各水平
走査線における電荷の蓄積期間を一定にする方法がある
が、この方法では装置が大型になってしまうという欠点
がある。

【００１１】このような大面積ＣＭＯＳ型撮像素子を４
枚タイル貼りした撮像装置を用いて高速動画撮影する場
合の、特に上記（ａ）に関する問題点を以下に説明す
る。図１４は撮像素子を４枚タイル貼りした撮像装置の
平面図を示す。撮像領域（撮像素子パネル）Ａ１、Ａ
２、Ｂ１、Ｂ２は、画素部が水平及び垂直方向に複数配
置することで構成されている。撮像領域中Ｈｎは列走査
回路で走査される列を、Ｖｎは行走査回路で走査される
行を示す。また、撮像領域毎に列走査回路、行走査回
路、メモリ回路、出力アンプが設けられている。

【００１２】図１５は各撮像素子の１画素部及び信号読
み出し回路の概略構成を示す。図１５では行毎に走査
し、読み出す方法が採られている。また、図１５の従来
回路では、詳しく後述するように信号読み出し回路は２
重サンプリング回路になっている。図１５において、Ｖ
ＳＲは行走査回路、ＨＳＲは列走査回路である。また、
ＰＤはフォトダイオード、ＴＲ１は転送スイッチ、ＴＲ
２はリセットスイッチ、ＴＲ３は行選択スイッチ、ＴＲ
４は増幅トランジスタ、ＴＲ５は信号線をリセットする
スイッチ、ＴＲ６，７はサンプルスイッチ、ＴＲ８，Ｔ
Ｒ９は読み出しスイッチである。ＴＲ１〜ＴＲ９はＭＯ
Ｓトランジスタである。また、Ｃ_TSは光信号保持容量、
Ｃ_TNはリセット信号保持容量である。

【００１３】図１５の従来回路では詳しくは後述する
が、リセット信号（ノイズ成分、暗電流成分）をリセッ
ト信号保持容量Ｃ_TNに保持し、光信号（光信号成分、ノ
イズ成分、暗電流成分）を光信号保持容量Ｃ_TSに保持す
る。その後、各々の保持容量Ｃ _TN，Ｃ_TSに保持された信
号を読み出し、差動回路（図示せず）で差動検出するこ
とにより、ノイズ成分を取り除いた光信号が出力され
る。このような複数の撮像素子を貼り合わせた撮像装置
は、動く被写体を撮像する場合、撮像素子間の動画像の
“つなぎ”が重要になる。

【００１４】図１６は４枚の撮像素子を貼り合わせ場合
の画像合成を示す。図１６に矢印で示すような走査方向
で、４枚の撮像素子を別々に独立に駆動すると、４枚の
画面のつなぎ部（撮像領域Ａ１とＢ２の接続部、撮像領
域Ｂ１とＡ２の接続部、撮像領域Ａ１とＢ１の接続部、
撮像領域Ｂ２とＡ２の接続部）で画像の相関性がなくな
る。例えば、撮像領域Ａ１とＢ２の接続部近傍の隣接す
る、撮像領域Ａ１の行（走査の終了となる行）と撮像領
域Ｂ２の行（走査の開始となる行）とでは、行方向の走
査期間分の時間的なずれを生じるので、画像の相関性が
なくなることになる。その時、動画像の“つなぎ”が懸
念されるのは、基本的には、画像が接続される撮像領域
Ａ１とＢ１、撮像領域Ａ１とＢ２、撮像領域Ｂ２とＡ
２、撮像領域Ｂ１とＡ２の部分である。このようにＣＭ
ＯＳ型撮像素子等の増幅型撮像素子を用いた撮像素子を
貼り合わせた構成では、撮像素子間のつなぎ目で画像の
相関がなくなり、画質が低下する問題があった。

【００１５】本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされ
たもので、その目的は、複数の撮像素子を貼り合わせて
も、高速高感度で繋ぎ目のない画像を得ることが可能な
撮像装置、撮像装置の駆動方法、放射線撮像装置及びそ
れを用いた放射線撮像システムを提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の撮像装置は、２
次元に配列された複数の画素を有する撮像素子を含み、
前記画素は、光電変換を行う光電変換手段と、前記光電
変換手段で発生した光信号を蓄積する光信号蓄積手段
と、ノイズ信号を蓄積するノイズ信号蓄積手段とを有す
ることを特徴とする。

【００１７】また、本発明の撮像装置は、２次元に配列
された複数の画素を有する撮像素子を複数含み、前記画
素毎に光電変換を行う光電変換手段と、前記光電変換手
段で発生した光信号を蓄積する光信号蓄積手段を有し、
且つ、前記複数の撮像素子の画素の光信号を一括して前
記光信号蓄積手段に転送する手段と、前記光信号蓄積手
段に蓄積された光信号を画素毎に順次出力線に出力する
手段と、を有することを特徴とする。

【００１８】更に、本発明の放射線撮像装置は、請求項
１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の撮像装置と、
シンチレータと、等倍光学伝達手段とを備えたことを特
徴とする。

【００１９】また、本発明の放射線撮像システムは、請
求項１５乃至１６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。

【００２０】更に、本発明の撮像装置の駆動方法は、２
次元に配列された複数の画素を有する撮像素子を複数有
し、前記画素は光電変換を行う光電変換手段と、前記光
電変換手段で発生した光信号を蓄積する光信号蓄積手段
とを有する撮像装置の駆動方法であって、前記複数の撮
像素子を同一のタイミングで一括リセットし、前記複数
の撮像素子を同一のタイミングで一括露光し、露光後の
信号を前記光信号蓄積手段に蓄積することを特徴とす
る。

【００２１】本発明においては、画素内に光信号用、ノ
イズ信号用のサンプルホールド回路を設けているので、
一括露光とし、このタイミングに放射線露光をパルス照
射することで被爆線量を適正にできる。また、複数枚の
撮像素子で高速撮影しても、画像の繋ぎ目や流れ等が起
こらない。また、各トランジスタ等のばらつきによるＦ
ＰＮの補正を画素毎に行うことができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について詳細に説明する。

【００２３】（第１の実施形態）図１は本発明による撮
像装置の第１の実施形態を示す回路図である。図１は１
画素の回路図である。本実施形態では、撮像素子を貼り
合わせて時間的、空間的に繋ぎ目のない高速、高感度の
動画像を実現している。また、ＣＭＯＳ型撮像素子を用
いて全ての素子から共通の時間に蓄積した電荷を高信号
対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）で読み出せるようにしている。な
お、本願明細書でいう撮像素子とは、複数の画素が２次
元に配列された撮像素子パネルをいう。この撮像素子パ
ネルは全面が画素領域になっていて、複数の撮像素子パ
ネルを基台上に貼り合わせることによって、大面積の撮
像装置を実現するものである（図４参照）。

【００２４】図１において、ＰＤは光電変換を行うフォ
トダイオード、Ｃ_PDはフォトダイオードの接合容量（破
線で表示）、Ｃ_FDは電荷を蓄積するフローティングディ
フュージョン（浮遊拡散領域）の容量（破線で表示）、
Ｍ１はフォトダイオードＰＤで生成された電荷をフロー
ティングディフュージョンに転送する転送ＭＯＳトラン
ジスタ（転送スイッチ）、Ｍ２はフローティングディフ
ュージョンに蓄積された電荷を放電するためのリセット
ＭＯＳトランジスタ（リセットスイッチ）、Ｍ３は光電
変換部を選択するための選択ＭＯＳトランジスタ（選択
スイッチ）、Ｍ４はソースフォロワーとして機能する増
幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ１）である。

【００２５】また、Ｍ８は本実施形態の特徴である光信
号蓄積用のサンプルホールド回路を構成するサンプルス
イッチとしてのＭＯＳトランジスタ、ＣＨ１は光信号用
ホールド容量である。Ｍ１１はノイズ信号蓄積用のサン
プルホールド回路を構成するサンプルスイッチとしての
ＭＯＳトランジスタ、ＣＨ２はノイズ信号用ホールド容
量である。Ｍ１０は光信号用サンプルホールドからの出
力を増幅して信号線に出力するためのソースフォロワー
としての増幅トランジスタ（画素アンプ２）である。Ｍ
１３はノイズ信号用サンプルホールドからの出力を増幅
して信号線に出力するためのソースフォロワーとしての
増幅トランジスタ（画素アンプ３）である。更に、Ｍ
９，Ｍ１２は画素アンプ２，３の選択スイッチとしての
ＭＯＳトランジスタである。

【００２６】本実施形態においては、各撮像素子を同じ
タイミングで一括リセット、一括露光を行うために、こ
れらの光信号、ノイズ信号用サンプルホールド回路を用
いている。また、このサンプルホールド回路の部分に画
像信号を露光と独立に保存できるため、非破壊で露光期
間中に何度でも光信号、ノイズ信号を読み出すことがで
きる。この機能を使って露光を行いながら自動露光のた
めの信号読み出しを行うこともできる。

【００２７】次に、ノイズについて説明する。一般に、
ＣＭＯＳ型撮像素子等の増幅型撮像素子では、読み出し
時の信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を改善するために内部に
増幅手段（画素内アンプ）を設けて信号の利得を増大さ
せている。この増幅手段として一般に用いられるＭＯＳ
トランジスタのソースフォロワーでは、ＭＯＳトランジ
スタの閾値Ｖｔｈがばらつき易い。このばらつきは素子
の設計及び製造に固有のものであり、画素毎、素子毎に
変化するという点で悪質である。特に、Ｘ線撮像装置用
の撮像素子は大型であり、素子内のばらつきが大きくな
りがちである。また、複数枚の撮像素子を用いる場合、
素子間のばらつきも大きい。このばらつきは、固定的な
出力のばらつき、いわゆる固定パターンノイズ（ＦＰ
Ｎ）、不均一なバックグラウンド画像として現われる。

【００２８】また、ＭＯＳトランジスタには１／ｆノイ
ズ（フリッカ・ノイズ）や熱雑音が発生し易く、これは
ランダムノイズであるため、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、熱雑音
は（Ｌ／Ｗ）・１／２に比例し、１／ｆ雑音はＬ・Ｗに
反比例するので、ＭＯＳトランジスタの雑音を小さくす
るにはチャネル長Ｌを最小とし、チャネル幅Ｗを大きく
設定すればよいが、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ーのチャネル幅Ｗを大きく設定す
ると、ゲート・ドレイン間の寄生容量が大きくなり、ゲ
インを落としてしまい感度の低下を招いてしまうので実
施が難しい。

【００２９】本実施形態では、本質的に１／ｆノイズが
小さいＰＭＯＳトランジスタを少なくともソースフォロ
ワーとして使用している。これにより、ＮＭＯＳ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、シンチレータを通り抜けたＸ線が直接トランジスタ
に当たってもＰＭＯＳトランジスタはＮＭＯＳ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Ｖ
ｔｈ変動が少ない）ので更に好適である。

【００３０】一般に、１／ｆノイズや閾値のばらつきに
よる固定パターンノイズ（ＦＰＮ）等の低周波ノイズ成
分、電源からのノイズを低減するために、二重サンプリ
ング回路を使用することは公知である。図１５は前述の
ように従来の１画素回路と信号読み出し回路における二
重サンプリング回路を示す。

【００３１】この回路では、まず、リセット信号ΦＲＥ
ＳによってリセットスイッチＴｒ２を閉じ、次にフォト
ダイオードＰＤをリセットする。次に、行選択ＭＯＳト
ランジスタＴｒ３を閉じ、暗信号は増幅ＭＯＳトランジ
スタＴｒ４を通して出力信号線に現われる。この際、サ
ンプルスイッチＴｒ６を閉じることで、リセット信号
（ノイズ成分、暗電流成分）をリセット信号保持容量Ｃ
_TNに保持した後、サンプルスイッチＴｒ６を開く。次い
で、リセットスイッチＴｒ２を開き、フォトダイオード
ＰＤに蓄積された光信号電荷を転送ＭＯＳトランジスタ
Ｔｒ１を開いて増幅ＭＯＳトランジスタＴｒ４に転送す
る。同時に、行選択ＭＯＳトランジスタＴｒ３を閉じ、
光信号は増幅ＭＯＳトランジスタＴｒ４を通して出力信
号線に現われる。この時、サンプルスイッチＴｒ７を閉
じることで、光信号（光信号成分、ノイズ成分、暗電流
成分）を光信号保持容量Ｃ_TSに保持した後、サンプルス
イッチＴｒ７を開く。

【００３２】次いで、読み出しスイッチＴｒ８，Ｔｒ９
を同時に開き、リセット信号保持容量Ｃ_TNに保持された
リセット信号、光信号保持容量Ｃ_TSに保持された光信号
を差動回路（図示せず）へ読み出し、リセット信号から
光信号を減算することによりノイズを取り除いた光信号
が出力される。次に、全部の行を読み出すために、各列
ラインを選択的にサンプリングし、その後、次の行を選
択し、再び同じ動作を繰り返し行う。

【００３３】ここで、光電変換部での熱ノイズ（ｋＴＣ
ノイズ）は画素スイッチで完全空乏転送を行えば発生し
ない。また、フローティングディフュージョンでのリセ
ットノイズ（ｋＴＣノイズ）は、この相関二重サンプリ
ング回路により、１／ｆノイズ及び閾値Ｖｔｈばらつき
によるＦＰＮと共に取り除かれる。ところが、列毎の相
関二重サンプリング回路用の２個のソースフォロワーや
容量は概略的には同一であるが、完全に同一ではないた
め閾値Ｖｔｈや容量のばらつき等を生じ、出力差分信号
に（各列について）ライン状の固定パターンを生じてし
まう。

【００３４】また、閾値Ｖｔｈは温度によって指数関数
的に変化してしまうので、各ソースフォロワーが１℃以
下の温度差を持っても出力の変動として現われ、Ｘ線透
視のように低照射線量で撮影する場合、このわずかの変
動も画質を左右するものとなる。そのため、サンプルホ
ールド回路の二つのソースフォロワーでは、後述するよ
うにレイアウト的に閾値Ｖｔｈのばらつきが極力ない配
置構造とし、更に動作中に温度差が発生しない機構とし
なければならない。従来のように光信号とノイズ信号の
サンプルホールドからの読み出しタイミングが異なる
と、この時間差で温度変化が起こる。

【００３５】そこで、本実施形態では、前述のように画
素内に光信号用とノイズ信号用のサンプルホールド回路
を設け、光信号とノイズ信号を露光とは独立して保存す
ると共に、サンプルホールド回路からは同時に出力（各
列２線出力）する構造としている。一括露光のために
は、画素内にメモリを設ける必要があり、このサンプル
ホールド回路は画素内メモリとしてまず機能する。更
に、ノイズ除去の機能を持たせている。光信号とノイズ
信号は非常に速い時間差で、画素アンプ１からサンプル
ホールド回路に取り込まれるので、低周波数で大きい１
／ｆノイズを無視することができる。

【００３６】また、この回路を利用して画素アンプでの
熱ノイズ、１／ｆノイズ、ＦＰＮを除去している。２つ
のサンプルホールド回路素子のばらつきは、コンデンサ
を極力画素内の近傍に配置し、出力のソースフォロワー
は、これを通常のＭＯＳ回路レイアウトで用いられるク
ロス配置とし、閾値Ｖｔｈのばらつきを極力減らす工夫
を行うことで極力減らしている。このようにこのサンプ
ルホールド回路は一括露光のための画素毎の蓄積手段と
して働き、また、ノイズ除去のための手段としても働
く。

【００３７】図２は簡単のため３×３画素の場合の全体
回路の概略図を示す。１画素回路部分の詳細は図１に示
す通りである。転送スイッチＭ１のゲートは垂直走査回
路の一種である垂直シフトレジスタＶＳＲからのΦＴＸ
に接続され、リセットスイッチＭ２のゲートは垂直走査
回路からのΦＲＥＳに接続されている。また、選択スイ
ッチＭ３のゲートは垂直走査回路からのΦＳＥＬに接続
されている。簡単のため、制御線はこの三本のみを示し
ている。各画素からの光信号とノイズ信号は２本の信号
出力線で列走査回路（水平シフトレジスタ、マルチプレ
クサ）を介して差動アンプＡ１に出力される。列選択Ｍ
ＯＳトランジスタＭ２０は水平シフトレジスタＨＳＲか
らの信号によって動作し、列方向の信号線を選択するた
めのスイッチである。

【００３８】図３は本実施形態における画素部の動作タ
イミングを示すタイミングチャートである。以下、図３
に基づいて回路動作を説明する。まず、光電変換はフォ
トダイオードＰＤで行う。また、露光は一括露光であ
り、各撮像素子の全画素で同一のタイミング、期間で行
う。よって、撮像素子間、走査線間での画像の時間的ズ
レは一切生じない。光電荷の蓄積期間中は転送スイッチ
Ｍ１はオフ状態であり、発生した光電荷は接合容量Ｃ_PD
に蓄積される。画素アンプ１（Ｍ４）を構成するソース
フォロワーのゲート部に形成されるフローティングディ
フュージョンＣ_FDには、この間光電荷は転送されない。

【００３９】フォトダイオードＰＤの蓄積を終了する
と、図３（ｃ）に示すように全画素一括で垂直シフトレ
ジスタＶＳＲからの信号ΦＴＸをハイレベルとし、転送
スイッチＭ１をオンすることでフォトダイオードＰＤに
蓄積されていた電荷を画素アンプ１を構成するソースフ
ォロワーＭ４のゲート部に形成されたフローティングデ
ィフュージョンＣ_FDに完全転送する。その後、全画素一
括で信号ΦＴＸをローレベルとし、転送スイッチＭ１を
オフし、図３（ｄ）に示すように全画素一括で垂直シフ
トレジスタＶＳＲからの信号ΦＳＥＬ１をハイレベルと
する。これにより選択スイッチＭ３がオンし、負荷電流
源Ｉと画素アンプ１で構成されたソースフォロワー回路
を動作状態とする。

【００４０】同時に、図３（ｆ）に示すように垂直シフ
トレジスタＶＳＲからの信号ΦＳＨ１をハイレベルと
し、サンプルスイッチＭ８をオンすることでフォトダイ
オードＰＤからの信号を画素アンプ１（Ｍ４）を通して
容量ＣＨ１に一括転送する。同時に、図３（ｃ）に示す
ように全画素一括で信号ΦＴＸをローレベルとすること
で、フォトダイオードＰＤは次のフレームの露光が可能
な状態となる。同時に、図３（ｄ）に示すように全画素
一括で信号ΦＳＨ１をローレベルとし、サンプルスイッ
チＭ８をオフすることで、サンプルホールド回路への光
信号電荷の保持動作を終了する。

【００４１】次に、図３（ｂ）に示すように全画素一括
で垂直シフトレジスタＶＳＲからの信号ΦＲＥＳをハイ
レベルとし、リセットスイッチＭ２をオンすることでフ
ローティングディフュージョンＣ_FDがリセットされる。
すかさず、図３（ｇ）に示すように全画素一括で垂直シ
フトレジスタＶＳＲからの信号ΦＳＨ２をハイレベルと
し、サンプルスイッチＭ１１をオンすることでリセット
信号を容量ＣＨ２に転送する。次いで、全画素一括で信
号ΦＳＨ２をローレベルとし、サンプルスイッチＭ１１
をオフすることで、光信号、ノイズ信号のサンプルホー
ルド回路への転送保持を終了する。

【００４２】また、垂直シフトレジスタＶＳＲに入力さ
れる信号により図３（ｅ）に示すように信号ΦＳＥＬ２
を各行毎にハイレベルとし、選択スイッチＭ９，Ｍ１２
をオンすることで負荷電流源と画素アンプ２，３（Ｍ１
０，Ｍ１３）で構成されたソースフォロワー回路を動作
状態とする。これにより、ホールド容量ＣＨ１，ＣＨ２
に保持された光信号とノイズ信号とを画素アンプ２，３
を通して同時にノイズ信号出力線と光信号出力線に転送
する。ノイズ信号出力線と光信号出力線に転送された信
号は、ノイズ信号出力線と光信号出力線とに接続された
減算出力アンプで（図示せず）、（信号−ノイズ）の減
算処理を行い、熱雑音、１／ｆノイズ、ＦＰＮが除去さ
れた信号が出力される。なお、減算出力アンプは図２の
差動アンプに対応する。

【００４３】以上の動作においては、フォトダイオード
ＰＤからの電荷はフローティングディフュージョンＣ_FD
に完全転送されるので、ｋＴＣノイズは発生しない。し
かし画素の大きさが１６０μｍ□と大きい場合、完全転
送が困難になる。この場合はｋＴＣノイズが発生し、上
記読出しでは光信号、ノイズ信号に含まれるフローティ
ングディフュージョンでのリセットノイズ（ｋＴＣノイ
ズ）は相関がないのでランダムノイズとして出力され
る。しかしながら、動画撮影時には、ランダムノイズよ
りも、固定パターンノイズが画質を大きく左右するの
で、本実施形態では完全転送が困難な場合も十分な高画
質が得られる。リセットノイズを更に除去する例は後述
する。

【００４４】このようにしてフォトダイオードＰＤの一
括リセットを行った後に一括露光を行い、画素内のサン
プルホールド回路に光信号、ノイズ信号を蓄積すること
で、次のフレームの露光とこれらの信号の読み出しを独
立で行うことができる。これにより、高速読み出しを行
いながら、露光が行えるので大面積のＸ線撮像装置のよ
うに低照射線量下での多画素駆動、高速動作でも蓄積時
間を可能な限り長くとれ、光信号強度を大きくでき、更
にノイズ低減を行い、信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を改善
することができる。

【００４５】更に、複数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簡単
になる。また、共通駆動により撮像素子駆動回路の共通
化も図れ、実装的にも優れていることが分かる。

【００４６】図４は図１の画素を有する１３６ｍｍ□の
撮像素子を、９枚貼り合わせることにより４０８ｍｍ□
の大面積放射線動画撮像装置を構成した場合の例を示
す。撮像素子１００は基台上に９枚貼り合わされ、全体
で大画面の撮像装置が構成されている。

【００４７】図５は図４のＡ−Ａ線における断面図を示
す。シンチレータ１０１は、ユウロピウム、テルビウム
等を付活性体として用いたＧｄ₂ Ｏ₂ ＳやＣｓＩ等から
構成され、ＦＯＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｐｌａｔ
ｅ）１０２上に設置されている。ＦＯＰ１０２はシンチ
レータ１０１で発生した光を等倍で撮像素子に導くため
の等倍光学伝達手段である。また、ＦＯＰ１０２はシン
チレータ１０１で吸収されなかったＸ線を吸収し、撮像
素子をＸ線ダメージから守る働きをするものである。

【００４８】Ｘ線はシンチレータ１０１に当たり可視光
に変換され、この可視光はＦＯＰ１０２で伝達され、撮
像素子で検出される。シンチレータはその発光波長が撮
像素子の感度に適合するように選択するのが好ましい。
外部処理基板１０３は撮像素子の電源、クロック等を供
給し、又、撮像素子から信号を取り出して処理する回路
を有する基板である。フレキシブル基板１０４は、各撮
像素子と外部処理基板とのＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏ
ｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）による電気的接続を行う
配線基板である。なお、放射線としてＸ線を用いている
が、α線、β線、γ線等を用いることもできる。

【００４９】９枚の撮像素子１００は基台１０５上に実
質的に撮像素子間に隙間ができないように貼り合わされ
ており、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。撮像素子のクロック等や電源の入
力や撮像素子からの信号の出力は、撮像素子の端部にお
ける電極パッドに接続されたフレキシブル基板１０４を
通して、撮像素子の裏側に配置された外部処理基板１０
３との間で行う。ＴＡＢフレキシブル基板１０４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。

【００５０】図６は現在主流の８インチウエハ３０１か
ら一個の撮像素子を取り出す場合の例を示す。ＣＭＯＳ
プロセスによって１３６ｍｍ□のＣＭＯＳ型撮像素子基
板を１枚取りで作成する。医療用のＸ線撮像装置では画
素の大きさは、１００μｍ□〜２００μｍ□程度に大き
くてよい。本実施形態では画素サイズは１６０μｍ□と
している。また、図６に示すように撮像素子内には垂直
シフトレジスタ、水平シフトレジスタが形成され、水平
シフトレジスタの近傍の素子端部には外部端子（電極パ
ッド）が設けられている。この電極パッドは前述のよう
にフレキシブル基板との接続に用いられる。

【００５１】図７は垂直シフトレジスタの単位ブロック
（一行を選択し駆動するための単位）を１領域（１セ
ル）に１画素回路と共に配置した様子を示す。１画素回
路は図１に示すものである。単位ブロックと画素回路の
面積は、模式図のため実際の素子レイアウトを反映して
ない。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を作成するためにスタ
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
の信号により駆動される。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様々
な駆動方法により任意の回路構成をとることができる。
但し、本実施形態のように機能ブロックを一つのセルの
中に画素回路と共に配置し、有効領域にシフトレジスタ
を設け、全面有効領域の撮像素子を実現するものとす
る。

【００５２】また、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。この
場合、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。有効領域内の各領域（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、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。

【００５３】図８はシフトレジスタが配される１領域
（セル）のレイアウトを示す。中央に受光領域が配置さ
れ、その周囲に走査回路（シフトレジスタ等）領域、画
素アンプ、配線領域、信号用、ノイズ用Ｓ／Ｈ回路領域
が設けられている。

【００５４】また、セルサイズ：１６０μｍ□ Ｓ／Ｈ回路領域：１５μｍ×３２０μｍ 画素の受光領域：１３０μｍ□ 画素アンプ、配線領域：１５μｍ×３２０μｍ シフトレジスタブロック：１５μｍ×１６０μｍ としている。よって、開口率は６６％である。シフトレ
ジスタが配されない１領域のレイアウトは、図８に示す
ものからシフトレジスタブロックが削除されたものであ
り、シフトレジスタが配されない１領域のうちの少なく
とも受光領域は、シフトレジスタが配される１領域（セ
ル）の受光領域と同一である。

【００５５】図９は本実施形態の撮像素子の構成（平面
図）を示す。本実施形態では垂直シフトレジスタと水平
シフトレジスタが撮像素子の有効領域に配置され、撮像
素子内に複数の画素が垂直、水平方向に２次元に配置さ
れている。また、１つのラインを処理するシフトレジス
タの１ブロックが１ピッチ内に収まるように配置されて
おり、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。

【００５６】更に、少なくとも受光領域は全画素で等し
い面積とする。図９においては１画素回路の面積、１画
素回路内の受光領域の面積はセル間で等しい。また、全
てのセル間で受光領域の面積を等しくするのが好ましい
が、撮像素子の端部の１ライン内のセル内における受光
領域の面積はスライス用のマージンをとるために、内部
のセル内の受光領域の面積とは異なることはありうる。
また、図９において、外部端子上にバンプが設けられ、
このバンプには静電気から内部回路を保護するための保
護抵抗と保護ダイオードが接続されている。

【００５７】本実施形態においては、各撮像素子内、撮
像素子間で受光領域を均一サイズ、且つ、重心を等ピッ
チの配置にすることで、シフトレジスタ等を有効領域に
配置しても各撮像素子間、撮像素子内での感度ばらつき
や、受光領域の重心のばらつきを生じないので、タイル
貼りした構成でも実質的に繋ぎ目のない画像を得ること
ができる。また、撮像素子の周辺にデッドスペースが生
じないので、撮像素子全面が有効領域となる。

【００５８】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、大面積の撮像装置を形成
できる。更に、前述のような回路構成とすることで実質
的に時間的、空間的に繋ぎ目のない大面積の画像を得る
ことができる。ここで、医療用のＸ線撮像装置では、画
素の大きさは、１００μｍ□〜２００μｍ□程度に大き
くてよいので、有効画素領域にシフトレジスタを配置し
ても画素内にサンプルホールドのような回路を配置して
も十分大きい開口率を実現できるので、何等問題となら
ない。

【００５９】また、本実施形態では、シフトレジスタを
有効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が、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ことでＸ線によ
る影響を受けないようにしている。シフトレジスタ回路
は、パルス信号を順次転送するのに用いられる。即ち、
原理的にスタティック型はＸ線の影響を比較的受けにく
いので、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い、信頼
性が向上した撮像装置を実現できる。

【００６０】更に、本実施形態では撮像素子としてＣＭ
ＯＳ型撮像素子を用いているので、消費電力が少なく、
大面積の撮像装置を構成する場合に好適である。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。また、撮像素子からは
電極パッドを経由して外部に信号を取り出すが、この電
極パッドの周りには大きな浮遊容量がある。従って、電
極パッド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。

【００６１】本実施形態では、等倍光学伝達手段にＦＯ
Ｐを用いたが、セルフォックレンズ等の等倍レンズ光学
系を用いても良い。ＦＯＰに比べレンズ光学系では光の
利用効率が落ちるが、撮像装置の製造コストを大幅に低
減できる利点がある。

【００６２】（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。第２の実施形態の撮像装置
は、基本構成は第１の実施形態と同じであるが、１画素
の回路構成が第１の実施形態と異なっている。図１０は
本発明の第２の実施形態の１画素回路を示す。本実施形
態では、光電変換部でのｋＴＣ補正を画素内で行うよう
にし、更に感度切替え手段を画素内に設けることで、静
止画撮影と高速動画撮影をモード切替で実現している。

【００６３】ここで、静止画撮影、動画撮影兼用のＸ線
撮像素子での光電変換部に求められる特有の条件につい
て説明する。動画撮影時の照射Ｘ線量は静止画撮影時の
１／１００程度であり、画素当たり高々数個のＸ線ホト
ンの量（実際画素に入射するのはこのＸ線が変換された
可視光）であり、撮像素子としては最大の感度が求めら
れる。但し、ダイナミックレンジは問題ない。更に、読
取速度としては６０から９０フレーム／秒が求められ
る。画素の解像度は２００μｍ□から４００μｍ□と粗
くともよい。一方、静止画撮影時には、８０ｄＢ近いダ
イナミックレンジが要求される。画素の解像度は１００
μｍ□から２００μｍ□が必要である。これらの仕様を
同時に満たす撮像素子はこれまでなかった。

【００６４】そこで、本実施形態では、ＣＭＯＳ型撮像
素子において図１０に示すような画素回路構成とするこ
とで、これらの仕様を満たす撮像素子を実現している。
図１０において、ＰＤは光電変換部としてのＣＣＤ等で
用いられているものと同じ埋め込み型のフォトダイオー
ドである。埋め込み型のフォトダイオードは表面に不純
物濃度が高いｐ⁺ 層を設けることで、ＳｉＯ₂ 面で発生
する暗電流を抑制するものである。また、フォトダイオ
ードＰＤの容量Ｃ_PDは、動画撮影時に最大感度を得るた
めに最小となるように設計している。後述するようにフ
ォトダイオードＰＤの容量を小さくすると、ダイナミッ
クレンジが縮小する。動画時に比べて照射Ｘ線量が１０
０倍以上になる静止画撮影時にはダイナミックレンジが
不足するので、ダイナミックレンジ拡大用の容量Ｃ１を
フォトダイオードＰＤと並列に設けている。

【００６５】Ｍ１４は静止画モード（高ダイナミックレ
ンジ）と動画モード（高感度モード）を切り替える切り
替えスイッチである。電荷を蓄積するフローティングデ
ィフュージョン（浮遊拡散領域）容量Ｃ_FD（不図示）も
動画時に最大感度となるよう最小容量に設計する。フロ
ーティングディフュージョン（浮遊拡散領域）は増幅Ｍ
ＯＳトランジスタＭ４のゲート部に接続して形成されて
いる。Ｍ２はフローティングディフュージョンに蓄積さ
れた電荷を放電するためのリセットＭＯＳトランジスタ
（リセットスイッチ）、Ｍ３は画素アンプ１を選択をす
るための選択ＭＯＳトランジスタ（選択スイッチ）、Ｍ
４はソースフォロワーとして機能する増幅ＭＯＳトラン
ジスタ（画素アンプ１）である。

【００６６】この画素アンプ１の後段に本実施形態の特
徴であるクランプ回路が設けられている。このクランプ
回路により光電変換部で発生するｋＴＣノイズを除去す
る。Ｃ_CLはクランプ容量、Ｍ５はクランプスイッチであ
る。クランプ回路の後に第１の実施形態と同様にサンプ
ルホールド回路を設けている。Ｍ６は画素アンプ２を選
択するための選択ＭＯＳトランジスタ（選択スイッ
チ）、Ｍ７はソースフォロワーとして機能する増幅ＭＯ
Ｓトランジスタ（画素アンプ２）である。Ｍ８は光信号
蓄積用のサンプルホールド回路を構成するサンプルＭＯ
Ｓトランジスタスイッチ、ＣＨ１はホールドコンデンサ
である。

【００６７】また、Ｍ９は画素アンプ３を選択するため
の選択ＭＯＳトランジスタ（選択スイッチ）、Ｍ１０は
ソースフォロワーとして機能する増幅ＭＯＳトランジス
タ（画素アンプ３）である。Ｍ１１はノイズ信号蓄積用
のサンプルホールド回路を構成するサンプルＭＯＳトラ
ンジスタスイッチ、ＣＨ２はホールドコンデンサであ
る。Ｍ１２は画素アンプ３を選択をするための選択ＭＯ
Ｓトランジスタ（選択スイッチ）、Ｍ１３はソースフォ
ロワーとして機能する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素ア
ンプ３）である。

【００６８】本実施形態においては、第１の実施形態と
同様に各撮像素子を同じタイミングで一括リセット、一
括露光を行うためにこれらの光信号、ノイズ用画素内サ
ンプルホールド回路を用いている。また、この部分に画
像信号を露光と独立に保存できるため、非破壊で露光期
間中に何度でも光信号、ノイズ信号を読み出すことがで
きる。この機能を使って、露光を行いながら自動露光の
ための信号読み出しを行うこともできる。

【００６９】次に、画素部の構成について説明する。従
来の画素部では、フォトダイオードで発生した信号電荷
が転送スイッチによりフローティングディフュージョン
に転送され、フローティングディフュージョンに蓄積さ
れた電荷は電荷／電圧変換され、ソースフォロワーとし
て機能する増幅ＭＯＳトランジスタ（画素アンプ）によ
り電圧として出力される。面積の小さなフォトダイオー
ドの場合は、転送トランジスタのゲートに十分大きな電
圧を加える等して信号電荷をフローティングディフュー
ジョンへ完全転送でき、フォトダイオードを完全空乏化
することができる。この場合、完全転送のためｋＴＣノ
イズは発生しない。しかしながら、前述のように静止画
撮影、動画撮影兼用の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、
本実施形態では以下に説明するような構成としている。

【００７０】まず、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Ｑ_P をフォトダイオード部の
容量Ｃ_PD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Ｖ_P は、 Ｖ_P ＝Ｑ_P ／Ｃ_PD …（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Ｖ_N は、 Ｖ_N ＝√（ｋＴＣ_PD） …（２） となる。ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：温度（Ｋ）である。

【００７１】また、Ｓ／Ｎ比は、 Ｖ_P ／Ｖ_N ＝Ｑ_P ・√（１／（ｋＴＣ_PD）） …（３） となる。光利用率を大きくとるためにはフォトダイオー
ドの面積が大きい方がよいが、フォトダイオードの面積
を大きくとると容量Ｃ_PDも大きくなる。動画撮影時に最
高感度（Ｓ／Ｎ比）を得るためには、フォトダイオード
の容量Ｃ_PDをできるだけ小さくすることが望ましい。ま
た、フローティングディフュージョンアンプ構造を有す
る画素アンプ出力の大きさΔＶは、以下のように表され
る。

【００７２】ΔＶ＝Ｇ・Ｑ_P ／Ｃ_FD …（４） Ｇはソースフォロワーの利得、Ｃ_FDはフローティングデ
ィフュージョンの容量、Ｑ_P は容量Ｃ_FDに蓄積された信
号電荷である。

【００７３】（４）式から明らかなように同じ信号電荷
Ｑ_P 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に対して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、フォトダイオードと同様に容量Ｃ_FDを
極力小さくする必要がある。

【００７４】本実施形態では画素が１６０μｍ□と大き
いため、適度な開口率（フォトダイオードの面積）で容
量Ｃ_PDを小さくするには限界がある。フォトダイオード
の面積はそのままで電極面積を小さくする方法をとるこ
とで容量Ｃ_PDを小さくできるが、この方法では電極への
電荷の収集効率が落ち、転送スイッチにより信号電荷を
フローティングディフュージョンへ完全転送することが
困難になる。本実施形態では完全転送を行わない設計と
し、転送スイッチは設けず、フォトダイオードとフロー
ティングディフュージョンを直結し光電変換部としてい
る。また、動画撮影時に最高感度となるようにフォトダ
イオードの容量Ｃ_PDとフローティングディフュージョン
の容量Ｃ_FDは最小となるように設計している。

【００７５】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ノイズが発生してしまう
が、回路的にこのｋＴＣノイズ（リセットノイズ）を除
去することは光電変換装置の高Ｓ／Ｎ化の重要なポイン
トとなる。そのため、本実施形態ではクランプ回路を画
素毎に設ける構成としている。ｋＴＣノイズ除去のため
にクランプ回路を用いることは公知である。画素のサイ
ズが５０から１００μｍ□と比較的小さく完全転送が可
能な場合は光電変換部でのｋＴＣノイズは発生しないの
でこの限りではない。

【００７６】第１の実施形態のように動画撮影時はｋＴ
ＣノイズよりもＦＰＮの方を重視する場合も、この限り
ではない。しかしながら、静止画モードと動画モードを
兼用する撮像素子とするためには、静止画モードでもｋ
ＴＣノイズの除去は必要であり、画素内にクランプ回路
を設けることは必須となる。本実施形態では一括露光の
動画モードでもｋＴＣノイズを除去できるように一括露
光用のサンプルホールド回路の前段にクランプ回路を設
けている。

【００７７】また、静止画撮影用にフォトダイオードの
ダイナミックレンジを大きくするためには容量Ｃ_PDが大
きい方が良いが、そうすると信号電圧が下がってしまう
ので、Ｓ／Ｎが下がってしまう。動画撮影時の最高感度
を維持しながら静止画撮影時のダイナミックレンジを広
げるために、感度（ダイナミックレンジ）切り替え回路
を設け、容量と切り替えスイッチを本実施形態では各画
素に設けている。静止画撮影時は容量が増えるのでＳ／
Ｎが悪くなってしまうが、Ｓ／Ｎをよくするためには、
特にｋＴＣノイズを除去するクランプ回路が必要であ
る。

【００７８】図１１は本実施形態における画素部の動作
タイミングを示すタイミングチャートである。以下、図
１１を用いて回路動作を説明する。まず、光電変換はフ
ォトダイオードＰＤで行う。露光は一括露光であり、各
撮像素子の全画素で同一のタイミング、期間で行う。よ
って、撮像素子間、走査線間での画像の時間的ズレは一
切生じない。本実施形態では、フォトダイオードＰＤの
電荷をフローティングディフュージョンに完全に転送し
ない構造としており、転送スイッチは有していない。フ
ォトダイオードＰＤで発生した光電荷は容量Ｃ_PDとＣ_FD
に蓄積される。この光電荷には前のフレーム終了時のリ
セットノイズ（ｋＴＣノイズ）が含まれている。この状
態からの動作を説明する。なお、動画モードでは信号Φ
ＳＣをローレベルとする。

【００７９】まず、図１１（ｃ）に示すように全画素一
括で垂直シフトレジスタＶＳＲからの信号ΦＳＥＬ１を
ハイレベルとし、選択スイッチＭ３，Ｍ６をオンするこ
とで容量Ｃ_PDとＣ_FDに蓄積されていた電荷を画素アンプ
１（Ｍ４）を構成するソースフォロワーにより電圧に変
換し、クランプ容量Ｃ_CLに保持する。このクランプ容量
Ｃ_CLは、前のフレームのリセット時に光電変換部のリセ
ットノイズを含むリセットレベルにクランプされてお
り、ここにリセットノイズを含む光電荷を保持すること
によりクランプ容量Ｃ_CLからはリセットノイズの除去さ
れた光信号が出力される。

【００８０】また、図１１（ｆ）に示すように垂直シフ
トレジスタＶＳＲからの信号ΦＳＥＬ１と同時に信号Φ
ＳＨ１をハイレベルとし、サンプルスイッチＭ８をオン
することでこの光信号を画素アンプ２（Ｍ７）を通して
容量ＣＨ１に一括転送する。次いで、全画一括で信号Φ
ＳＨ１をローレベルとし、サンプルスイッチＭ８をオフ
することで、サンプルホールド回路への光信号電荷の保
持を終了する。すかさず、図１１（ｂ）に示すように全
画素一括で垂直シフトレジスタＶＳＲからの信号ΦＲＥ
Ｓをハイレベルとし、リセットスイッチＭ２をオンする
ことでフローティングディフュージョンＣ_FDがリセット
される。

【００８１】同時に、図１１（ｅ）に示すように垂直シ
フトレジスタＶＳＲからの信号ΦＣＬをハイレベルと
し、クランプスイッチＭ５をオンすることでクランプ容
量Ｃ_CLを基準電圧にセットする。また、同時に図１１
（ｇ）に示すように全画素一括で垂直シフトレジスタＶ
ＳＲからの信号ΦＳＨ２をハイレベルとし、サンプルス
イッチＭ１１をオンすることで基準電圧に設定されたと
きのノイズ信号を容量ＣＨ２に転送する。次いで、全画
素一括で信号ΦＳＨ２をローレベルとし、光信号、ノイ
ズ信号のサンプルホールド回路への転送保持を終了す
る。

【００８２】次いで、シフトレジスタＶＳＲに入力され
る信号により図１１（ｄ）に示すように信号ΦＳＥＬ２
を各行毎にハイレベルとし、選択スイッチＭ９，Ｍ１２
をオンすることで負荷電流源と画素アンプ３，４（Ｍ１
０，Ｍ１３）で構成されるソースフォロワー回路を動作
状態とする。これにより、ホールド容量ＣＨ１，ＣＨ２
に保持された光信号とノイズ信号とを画素アンプ３，４
を通して同時にノイズ信号出力線と光信号出力線に転送
する。

【００８３】ノイズ信号出力線と光信号出力線に転送さ
れた信号はノイズ信号出力線と光信号出力線とに接続さ
れた減算出力アンプ（図示せず）で、（信号−ノイズ）
の減算処理を行う。この時、光信号とノイズ信号は非常
に速い時間差で、画素アンプ２からサンプルホールド回
路に取り込まれるので、低周波数で値の大きい１／ｆノ
イズを除去でき、高周波の成分は無視できる。また、こ
の時間差では出力段ソースフォロワーの温度差による閾
値Ｖｔｈのばらつきもない。ホールド容量に蓄えられて
いた出力電荷は、１個の画素アンプについての、リセッ
ト時と信号電荷入力時の両者の場合の出力を時間的に連
続して得たものであり、更にこれら両出力の差分をとる
ことにより、画素アンプでの熱ノイズ、１／ｆノイズ、
温度差、プロセスばらつきによるＦＰＮを除去すること
ができる。

【００８４】このようにしてフォトダイオードＰＤの一
括リセットを行った後に一括露光を行い、画素内のサン
プルホールド回路に光信号、ノイズ信号を蓄積すること
で、次のフレームの露光とこれらの信号の読み出しを独
立で行うことができる。これにより、高速読み出しを行
いながら露光が行えるので大面積Ｘ線撮像装置のように
低照射線量下での多画素駆動、高速動作でも蓄積時間を
可能な限り長くとれ、光信号強度を大きくでき、更にノ
イズ低減を行い、信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を改善する
ことができる。

【００８５】一方、静止画モードでは、信号ΦＳＣをハ
イレベルとし、容量Ｃ１をフォトダイオードＰＤに並列
接続した段階で、上記と同様な動作を行う。この場合、
容量Ｃ１には容量Ｃ_FDの１０倍近い容量を持たせている
ので、広いダイナミックレンジを実現できる。また、光
電変換部のｋＴＣノイズはクランプ回路により画素毎に
除去できる。更に、画素中に光信号蓄積用、ノイズ信号
蓄積用のサンプルホールド回路を設けることで、画素ア
ンプでの熱ノイズ、１／ｆノイズ、温度差、プロセスば
らつきによるＦＰＮを除去することができる。これによ
り、動画モードでは９枚の撮像素子で時間的、空間的に
繋ぎ目のない高速、高感度の動画像撮影を実現できる。
一方、静止画モードでは高感度、高ダイナミックレンジ
の静止画像撮影を実現できる。

【００８６】（第３の実施形態）図１２は図１又は図１
０の画素を含む撮像素子を用いて撮像装置を構成した場
合の全体構成を示すブロック図である。図１２におい
て、被写体（例えば人間の胸部）１１０にはＸ線源１１
１から放射線が照射され、被写体１１０を透過した放射
線は撮像素子ユニット１１２に入射する。撮像素子ユニ
ットは第１又は第２の実施形態の９枚の撮像素子をタイ
リングし、更に、Ｘ線を可視光に変換するシンチレー
タ、Ｘ線遮蔽部材及び周辺駆動回路等から構成されてい
る。撮像素子の画素は第１又は第２の実施形態の構成で
ある。また、シンチレータを組合わせることで放射線撮
像装置を構成することができる。

【００８７】撮像素子ユニット１１２からの、４×８系
統の信号（９つの撮像素子から９×２出力線により出力
される信号）は信号用Ａ／Ｄ変換器１１３とＦＰＮ用Ａ
／Ｄ変換器１１４でアナログ信号からデジタル信号に変
換される。撮像素子駆動部１１５は撮像素子ユニット１
１２に隣接して実装されている。Ａ／Ｄ変換された信号
は画像処理回路１１６に送られ、画像処理回路１１６と
メモリ１１７で９枚の撮像素子の画像信号の合成や欠陥
ノイズの補正等を行う。その処理信号は、記録部１１８
に記録され、あるいは表示部（モニタ）１１９に表示さ
れ、必要に応じてプリントされる。これらの回路や各装
置はコントローラ１２０で全体制御が行われ、更に、コ
ントローラ１２０ではＸ線源１１１と撮像素子のタイミ
ング等の制御を行う。

【００８８】一時蓄積メモリ１１７に記憶されたメモリ
信号は各撮像素子信号を一枚の画像として合成するため
の画像処理（γ処理、補間処理等）がなされ（画像処理
回路１１６）、その出力は大型の画像メモリに記憶さ
れ、メモリ出力は表示部１１９等に表示される。撮影が
終わるとともに画像処理は終了となる。撮像装置に取り
込まれたデータはパソコン等に転送され、そこで被写体
を分析するためのソフト処理等を行う。

【００８９】なお、このような画像処理方法はパソコン
等のコンピュータに記憶されたプログラムに基づいて行
うことができる。また、本発明はかかるプログラムを記
録したＣＤＲＯＭ等の情報記録媒体も含まれる。そし
て、ＣＤＲＯＭ等に記録されたプログラムを読み込むこ
とで、本発明にかかる画像処理方法を実行することがで
きる。

【００９０】（第４の実施形態）図１３は本発明の放射
線撮像装置を用いてＸ線撮像システムを構成した場合の
例を示す図である。図１３において、Ｘ線チューブ６０
５０で発生したＸ線６０６０は患者あるいは被験者６０
６１の胸部６０６２を透過し、シンチレータ、ＦＯＰ、
撮像素子、外部処理基板等を含む放射線撮像装置６０４
０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おり、Ｘ線の入射に対応してシン
チレータが発光し、これを撮像素子が光電変換すること
で電気的情報が得られる。この情報はディジタル信号に
変換され、イメージプロセッサ６０７０により画像処理
され、更に、制御室のディスプレイ６０８０で観察する
ことができる。

【００９１】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
ーム等のディスプレイ６０８１に表示もしくは光ディス
ク等の保存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。

【００９２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、以下の効
果を得ることができる。 （１）画素内に光信号用、ノイズ信号用のサンプルホー
ルド回路を設けているので、一括露光とすることで貼合
わせた各撮像素子の撮像領域の撮像露光時間を同時刻に
でき、ノイズ補正回路を画素毎にでき、高画質な高速動
画像撮影を行うことができる。 （２）複数の撮像素子を同種類の撮像素子で構成できる
ので、撮像素子ユニット製造までの工程を簡略化するこ
とでき、製造が容易になるため、低コスト化を実現でき
る。 （３）複数の撮像素子を共通の駆動パルスで駆動できる
ので、周辺の駆動回路が少なくて済み、実装も簡単で、
更に、低消費電力、低ノイズ、低コストを図ることがで
きる。 （４）高感度撮像素子で放射線撮像装置を構成でき、一
括露光のタイミングに放射線露光をパルス照射すること
で被爆線量を適正にできるので、放射線照射量をかなり
低減でき、人体に優しい装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による撮像装置の第１の実施形態の画素
回路を示す回路図である。

【図２】図１の実施形態の撮像素子の全体回路を示す図
である。

【図３】図１の実施形態による画素回路の動作を説明す
るためのタイミングチャートである。

【図４】図１の実施形態の撮像素子のレイアウトを示す
図である。

【図５】図４のＡ−Ａ線における断面図である。

【図６】一枚のウェアから１つの撮像素子を作製する場
合の例を示す図である。

【図７】図１の実施形態の垂直シフトレジスタの単位ブ
ロックを１領域（セル）に１画素回路と共に配置した様
子を示す図である。

【図８】図１の実施形態のシフトレジスタを含む１領域
（セル）のレイアウトを示す図である。

【図９】図１の実施形態の画素が配列された状態を示す
図である。

【図１０】本発明による第２の実施形態の画素回路を示
す回路図である。

【図１１】図１０の実施形態の動作タイミングを示すタ
イミングチャートである。

【図１２】本発明の放射線撮像装置の一実施形態を示す
ブロック図である。

【図１３】本発明の放射線撮像システムの一実施形態を
示す図である。

【図１４】従来例の撮像装置を示す平面図である。

【図１５】従来例の撮像装置の画素回路を示す回路図で
ある。

【図１６】図１４の撮像装置の画像合成を説明するため
の図である。

【符号の説明】

Ｍ１ 転送スイッチ Ｍ２ リセットスイッチ Ｍ３ 選択スイッチ Ｍ４ 増幅ＭＯＳトランジスタ Ｍ５ クランプスイッチ Ｍ６ 選択スイッチ Ｍ７ 増幅ＭＯＳトランジスタ Ｍ８，Ｍ１１ サンプルスイッチ Ｍ９，Ｍ１２ 選択スイッチ Ｍ１０，Ｍ１３ 増幅トランジスタ Ｍ１４ モード切り替えスイッチ ＰＤ フォトダイオード ＣＨ１ 光信号用ホールド容量 ＣＨ２ ノイズ信号用ホールド容量 Ｃ_PD フォトダイオードの接合容量 Ｃ_FD フローティングディフュージョン容量 １００ 撮像素子 １０１ シンチレータ １０２ ＦＯＰ １０３ 外部処理基板 １０４ フレキシブル基板 １０５ 基台 １１０ 被写体 １１１ Ｘ線源 １１２ 撮像素子ユニット １１３、１１４ Ａ／Ｄ変換器 １１５ 撮像素子駆動回路 １１６ 画像処理回路 １１７ メモリ １１８ 記録部 １１９ 表示部 １２０ コントローラ ６０４０ 放射線撮像装置 ６０５０ Ｘ線チューブ ６０６０ Ｘ線 ６０７０ イメージプロセッサ ６０８１ ディスプレイ ６０９０ 電話回線 ６１００ フィルムプロセッサ ６１１０ フィルム

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 27/146 Ｈ０１Ｌ 31/00 Ａ 31/09 27/14 Ａ Ｈ０４Ｎ 5/32 Ｋ (72)発明者 海部 紀之 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 2G088 EE01 FF02 GG15 GG19 GG20 JJ05 JJ09 KK05 KK18 KK32 LL11 LL12 LL15 LL18 4M118 AA05 AA06 AB01 BA14 CA02 CB11 DD04 DD12 FA06 FA33 GA09 HA27 HA31 5C024 AX11 BX02 CX03 DX04 GX03 GY35 GZ01 HX02 JX00 5F088 AA01 AB05 BA03 BB07 EA04 JA14 JA17 KA08 KA10 LA07 LA08

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２次元に配列された複数の画素を有する
   撮像素子を含み、前記画素は、光電変換を行う光電変換
   手段と、前記光電変換手段で発生した光信号を蓄積する
   光信号蓄積手段と、ノイズ信号を蓄積するノイズ信号蓄
   積手段とを有することを特徴とする撮像装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の撮像装置において、前
   記撮像素子を複数有することを特徴とする撮像装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の撮像装置において、前
   記複数の撮像素子の画素の光信号をそれぞれ、対応する
   前記光信号蓄積手段に一括して転送し、前記複数の撮像
   素子の画素のノイズ信号をそれぞれ、対応する前記ノイ
   ズ信号蓄積手段に一括して転送する手段を有することを
   特徴とする撮像装置。
4. 【請求項４】 ２次元に配列された複数の画素を有する
   撮像素子を複数含み、前記画素毎に光電変換を行う光電
   変換手段と、前記光電変換手段で発生した光信号を蓄積
   する光信号蓄積手段を有し、且つ、前記複数の撮像素子
   の画素の光信号を一括して前記光信号蓄積手段に転送す
   る手段と、前記光信号蓄積手段に蓄積された光信号を画
   素毎に順次出力線に出力する手段と、を有することを特
   徴とする撮像装置。
5. 【請求項５】 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に
   記載の撮像装置において、 前記画素は、 前記光電変換手段からの信号を増幅して出力する増幅手
   段と、 前記増幅手段の入力部をリセットするリセット手段と、 前記増幅手段からの信号を蓄積する光信号蓄積手段とノ
   イズ信号蓄積手段とを有することを特徴とする撮像装
   置。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に
   記載の撮像装置において、 前記画素は、 前記光電変換手段からの信号を増幅して出力する第１の
   増幅手段と、 前記第１の増幅手段の入力部をリセットするリセット手
   段と、 前記第１の増幅手段からの信号をクランプする信号クラ
   ンプ手段と、 前記信号クランプ手段からの信号を増幅して出力する第
   ２の増幅手段と、 前記第２の増幅手段からの信号を蓄積する光信号蓄積手
   段とノイズ信号蓄積手段とを有することを特徴とする撮
   像装置。
7. 【請求項７】 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に
   記載の撮像装置において、前記光信号蓄積手段と前記ノ
   イズ信号蓄積手段はサンプルホールド回路を有すること
   を特徴とする撮像装置。
8. 【請求項８】 請求項６乃至請求項７のいずれか１項に
   記載の撮像装置において、前記画素は、更に前記光電変
   換手段に接続された感度切替え手段を有することを特徴
   とする撮像装置。
9. 【請求項９】 請求項８に記載の撮像装置において、 前記感度切替え手段は、 前記光電変換手段に並列に接続された電荷蓄積手段と、 前記光電変換手段と前記電荷蓄積手段の間に配置された
   感度切替えスイッチとを有することを特徴とする撮像装
   置。
10. 【請求項１０】 請求項６乃至請求項７のいずれか１項
    に記載の撮像装置において、前記画素は、前記光信号蓄
    積手段からの信号を増幅して出力する第３の増幅手段
    と、前記ノイズ信号蓄積手段からのノイズ信号を増幅し
    て出力する第４の増幅手段とを有することを特徴とする
    撮像装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の撮像装置におい
    て、前記第３の増幅手段と前記第４の増幅手段はクロス
    配置されていることを特徴とする撮像装置。
12. 【請求項１２】 請求項１乃至請求項１１のいずれか１
    項に記載の撮像装置において、前記光信号蓄積手段とノ
    イズ信号蓄積手段は画素内の隣接領域に配置されている
    ことを特徴とする撮像装置。
13. 【請求項１３】 請求項１乃至請求項１１のいずれか１
    項に記載の撮像装置において、前記増幅手段はＰ型ＭＯ
    Ｓトランジスタからなることを特徴とする撮像装置。
14. 【請求項１４】 請求項１乃至請求項１３のいずれか１
    項に記載の撮像装置において、前記光電変換手段は、完
    全空乏転送形式であることを特徴とする撮像装置。
15. 【請求項１５】 請求項１乃至請求項１４のいずれか１
    項に記載の撮像装置と、シンチレータと、等倍光学伝達
    手段とを備えたことを特徴とする放射線撮像装置。
16. 【請求項１６】 請求項１５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
    ックプレートであることを特徴とする放射線撮像装置。
17. 【請求項１７】 請求項１５乃至請求項１６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。
18. 【請求項１８】 ２次元に配列された複数の画素を有す
    る撮像素子を複数有し、前記画素は光電変換を行う光電
    変換手段と、前記光電変換手段で発生した光信号を蓄積
    する光信号蓄積手段とを有する撮像装置の駆動方法であ
    って、前記複数の撮像素子を同一のタイミングで一括リ
    セットし、前記複数の撮像素子を同一のタイミングで一
    括露光し、露光後の信号を前記光信号蓄積手段に蓄積す
    ることを特徴とする撮像装置の駆動方法。