JP5258940B2

JP5258940B2 - 撮像装置及び放射線撮像システム

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Publication number: JP5258940B2
Application number: JP2011179517A
Authority: JP
Inventors: 登志男亀島; 忠夫遠藤; 朋之八木; 克郎竹中; 啓吾横山
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Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2026-04-27
Also published as: JP2012023743A

Description

本発明は、撮像装置及び放射線撮像システムに関するものである。

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、読み出し回路へ電荷に基づく信号を転送して読み出すものが一般的である。

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し、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一つの電源からエリアセンサの全面に対して共通にバイアス配線を介してバイアス電圧が印加されている。また各画素のＴＦＴのゲート電極は行方向で共通に駆動配線に接続されており、各駆動配線はシフトレジスタ等で構成される駆動回路に接続される。

一方、各ＴＦＴのソース電極は列方向で共通に信号配線に接続され、演算増幅器、サンプルホールド回路、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に接続される。読み出し回路において、各信号配線に対応して設けられる演算増幅器の一方の入力端子には、共通の一つの電源から基準電位が供給されている。

読み出し回路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。

上述のようにエリアセンサアレーを読み出し回路と駆動回路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。

いずれの文献においても、エリアセンサの基本構造及び動作に加えて、読み出し回路が各共通信号配線に対応して設けられた初段増幅器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、ラインノイズ等の構造的なエラーすなわちアーチファクトを低減又は補正する構成について開示されている。

特開平０９−３０７６９８号公報特開２００１−３４０３２４号公報特開２００３−１６３３４３号公報

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、システムのノイズ特性が被写体の被爆量に影響する場合があるので、民生品と比較して、より厳しいノイズ性能が求められる。

これらの中でも、透視撮影（＝動画撮影）を実施可能な撮像システムを実現するためには、静止画撮影用の装置と比較して、さらに低ノイズのシステムであることが求められるが、従来技術例においては必ずしも十分とは言えない場合があった。

特にノイズの中でも、ラインノイズは、エリアセンサや読み出し回路の構成、及びリセット動作やサンプルホールド動作が行方向の複数のスイッチ素子に接続される駆動配線により一括で行われるマトリクス駆動に起因する。そのラインノイズは、構造的なエラーすなわちアーチファクトとなるため、ランダムノイズよりも、人間の視覚特性上、顕在化しやすく、画質を劣化させる、あるいは診断能を低下させる場合があった。

上述の従来技術例はいずれも強度が小さく、かつ空間的に低周波のラインノイズアーチファクトを、有効画素を犠牲にすることなくリアルタイムで低減可能な放射線撮像装置の構成に関する具体的記述がない。

本発明は、医療用のＸ線透視撮像システム等に好適な、十分な撮影領域、表示の即時性を有しつつラインノイズによるアーチファクトを低減した良好な撮影画像を取得可能な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。

特に本発明は、簡単な構成で、複雑な演算を用いることなく、ラインノイズアーチファクトを低減可能な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。ラインノイズアーチファクトは、エリアセンサアレー、読み出し回路、駆動回路に供給される電源のゆらぎ（電源ノイズ）に起因するものである。

本発明の撮像装置は、行及び列方向に複数配置され、各々が放射線又は光を電荷に変換する変換素子と、前記電荷に基づく電気信号を出力するスイッチ素子と、を有する複数の画素と、列方向の複数の前記スイッチ素子に接続された複数の信号配線と、前記複数の信号配線に対応する複数のサンプルホールド回路を有し、前記複数の信号配線に接続された読み出し回路と、を有する撮像装置であって、前記複数の画素は、複数の群に分割されており、前記複数の群のうちの所定の群の画素の列と当該所定の群の画素の列と連続して配置された別の群の画素の列とが繰り返し並ぶように分割されており、前記複数の信号配線は、前記所定の群の画素の列の複数の前記スイッチ素子に接続された信号配線と、前記別の群の画素の列の複数の前記スイッチ素子に接続された信号配線と、が繰り返し並ぶように、複数の群に分割されており、前記複数のサンプルホールド回路は、前記複数の信号配線の複数の群に対応して複数の群に分割されており、前記複数のサンプルホールド回路は、前記複数の画素のうち所定行の画素から前記複数の信号配線を介して前記読み出し回路に並列に出力された電気信号のサンプルホールドを、前記複数の群毎に異なるタイミングで行うことを特徴とする。

本発明により、ラインノイズによるアーチファクトを低減した良好な撮影画像を取得することができる。また、電源のゆらぎ（電源ノイズ）に起因するラインノイズアーチファクトを簡単な構成で、複雑な演算を用いることなく低減することができる。

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。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電源の模式的回路図である。本発明の第１の実施形態の効果を説明する図である。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。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。本発明の第４の実施形態の放射線撮像装置のタイミング図である。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。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。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。本発明の第７の実施形態のＸ線撮像システムを示す図である。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（ａ）は本発明の放射線撮像装置（ラインノイズ源がＶｒｅｆ）の課題を説明する図、図１４（ｂ）は本発明の放射線撮像装置（ラインノイズ源がＶｓ）の課題を説明する図である。本発明の放射線撮像装置の課題を説明するための模式的回路図である。本発明の放射線撮像装置の課題を説明するためのタイミング図である。

（第１の実施形態）
図１３は、Ｘ線撮影において被写体の読み取り動作中にラインノイズが生じた場合の画像例である。図１３（ａ）は取得した画像をディスプレイ上に表示したものであり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の画像のＩ−ＩＩ間の列プロファイルである。図１３（ｂ）の横軸は画像の列を示し、縦軸はセンサ出力値すなわち画像濃度を示す。本図では画像に比較的強度が大きく、かつ空間周波数の高いラインノイズが生じて著しく画質を劣化させている例であるが、さらに強度が小さく空間周波数の低いラインノイズであっても画質の劣化が生じる場合がある。

本発明者は、経験上、以下の式（１）が成り立つ場合、構造的なラインノイズが視覚的に画質を劣化させることを導いた。

σｐｉｘｅｌ／１０＜ σｌｉｎｅ・・・（１）

ここでσｐｉｘｅｌはダーク状態におけるエリアセンサアレー各画素出力の標準偏差を求めたもの、すなわちランダムノイズであり、σｌｉｎｅはゲートライン毎の画素出力平均値に対して標準偏差を求めたもの、すなわちラインノイズである。このように画素のランダムノイズと比較して、強度的に非常に小さなラインノイズであっても、構造的なアーチファクトとなり画質を劣化させる場合があることを見出した。

また、本発明者は、図１４（ａ）、（ｂ）、図１５、図１６に示すように、エリアセンサアレー、読み出し回路、駆動回路に供給される電源のゆらぎ（電源ノイズ）量と、ラインノイズ量の関係を、以下に記すように定量的に導いた。

図１４（ａ）は、読み出し回路に供給される基準電位がゆらぎ、すなわちノイズを有する場合のラインノイズ量を示す説明図である。図示されるように、電位ＶｒｅｆがＶｎ１（Ｖｒｍｓ）のゆらぎを持ち、エリアセンサアレーの信号配線の寄生容量がＣ［Ｆ］の場合、演算増幅器のノイズゲインに従い、出力としては、次式（２）のゆらぎが観察される。

Ｖｎ１（Ｖｒｍｓ）×（Ｃｆ＋Ｃ）／Ｃｆ・・・（２）

図１５及び図１６に示すように、従来例では電位Ｖｒｅｆは読み出し回路に共通に供給され、リセットスイッチＲＣ及びサンプルホールド回路ＳＨはエリアセンサアレーの各ゲートラインに対して一括で動作するため、式（２）で導かれる量がラインノイズとなる。

さらに図１４（ｂ）はエリアセンサアレーの各信号配線が、センサバイアスライン寄生容量Ｃｓで結合し、かつセンサバイアス電位Ｖｓがゆらぎを持つ場合のラインノイズを説明する図である。

図示されるように、センサバイアス電位ＶｓがＶｎ２（Ｖｒｍｓ）のゆらぎを持つ場合、読み出し回路には電荷Ｃｓ×Ｖｎ２（Ｖｒｍｓ）が注入され、出力電圧Ｖｏｕｔとしては、次式（３）のゆらぎ電圧ΔＶｏｕｔが観察される。

ΔＶｏｕｔ＝Ｖｎ２（Ｖｒｍｓ）× Ｃｓ／Ｃｆ・・・（３）

前述した電位Ｖｒｅｆと類似して、図１５及び図１６に示すように、センサバイアス電位Ｖｓはエリアセンサアレー全体に共通に供給される。そして、リセットスイッチＲＣ及びサンプルホールド回路ＳＨはエリアセンサアレーの各駆動配線に対して一括で動作するため、式（３）で導かれる量がラインノイズとなる。

ラインノイズによるアーチファクト低減を目的として、上記のいくつかの文献に技術開示があり、これらはおおまかに２つに分類される。

第１の手法として、遮光したマスク画素の出力を用いて補正を行うもの、あるいはマスク画像を含む画像を解析してラインノイズ量を求め補正を行うものが挙げられる（特許文献２）。

また、第２の手法として、エリアセンサアレーや読み出し回路、駆動回路の電源のゆらぎ（電源ノイズ）に起因するラインノイズを低減するために、各電源に低域通過フィルタを設けたものが挙げられる（特許文献３）。

いずれもラインノイズ低減に対して、ある程度の効果を有するが、それぞれ以下の観点で十分とは言えない場合があった。また効果の定量性においても、十分とは言えない場合があった。

たとえば、第１の手法は高い空間周波数を有し（パルス的）かつ比較的強度の大きなラインノイズの除去には効果的である。しかしながら画素のランダムノイズの１／１０程度の精度でラインノイズを補正・除去するためには、ラインノイズ検出や演算のアルゴリズムが複雑となり、透視撮影のように表示の即時性を要するシステムへの適用が困難な場合があった。

また統計の教えより、画素のランダムノイズの１／１０程度のラインノイズを精度よく求めるためには十分多数のマスク画素を必要するため、有効画素領域が減少する場合があった。あるいは十分な数のマスク画素を配置できない場合はかえって演算により誤差を増す場合があった。

一方、第２の手法はエリアセンサアレー、読み出し回路、駆動回路の電源のゆらぎに由来する特に高周波のラインノイズを低減するためには効果的である。しかしながらノイズ低減の効果を増すために低域通過フィルタの帯域を下げると、電源の応答性が悪くなる、あるいは電源の１／ｆノイズ等空間的に非常に低周波のラインノイズになり得るものに対しては効果が乏しい場合があった。

ここで留意すべきは、上述の従来技術例はいずれも強度が小さく、かつ空間的に低周波のラインノイズアーチファクトを、有効画素を犠牲にすることなくリアルタイムで低減可能な放射線撮像装置の構成に関する具体的記述がない点である。

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的回路図である。１０１はセンサアレー、１０２は光電変換素子であるＰＩＮ型フォトダイオード、１０３はスイッチ素子である薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１０３である。ＴＦＴ１０３は、ゲート、ソース及びドレイン電極を有する。１０４は、行方向の複数のＴＦＴ１０３のゲート電極に共通に接続された駆動配線に電圧を供給する駆動回路である。１０５は、列方向の複数のＴＦＴ１０３のソース電極に接続された信号配線１１０に接続された読み出し回路（読み出し手段）である。読み出し回路１０５は、演算増幅器１０６、サンプルホールド回路１０７、マルチプレクサ１０８、出力用アンプ１０９、電荷蓄積用容量Ｃｆ、リセットスイッチＲＣ等を有する。

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。信号配線１１０に接続される読み出し回路１０５が、偶数奇数の２系統（群）に分割されており、各系統（群）の演算増幅器１０６に対して基本的に相関のない個別の基準電位Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２を供給可能な構成であることを特徴としている。演算増幅器１０６の分割の方法は偶数奇数に限ったものではないが、視覚特性を考慮すると偶数奇数が好ましい。

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等の非単結晶半導体の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複数配列され、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、バイアス配線を介してバイアス電圧Ｖｓが印加されている。また各画素のＴＦＴ１０３のゲート電極は行方向で共通に駆動配線に接続されており、駆動配線はシフトレジスタ等で構成される駆動回路１０４に接続される。信号配線１１０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。

複数の演算増幅器１０６は、複数の信号配線１１０に対応して設けられる。奇数列の演算増幅器１０６の入力端子は、信号配線１１０及び基準電圧Ｖｒｅｆ１の電源に接続される。偶数列の演算増幅器１０６の入力端子は、信号配線１１０及び基準電圧Ｖｒｅｆ２の電源に接続される。基準電圧Ｖｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２は、同一の電圧値であり、それぞれ相関のない独立の電源により生成される。演算増幅器１０６は、信号配線１１０が接続された入力端子に、電荷蓄積用容量Ｃｆを接続した電荷読み出しアンプを構成している。基準電圧Ｖｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２の電源は、読み出し回路１０５内の演算増幅器１０６の基準電源である。

出力用アンプ１０９の出力は、Ａ／Ｄコンバータでデジタル化され、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。

放射線照射手段から被写体情報を含む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、演算増幅器１０６に設けられたリセットスイッチＲＣがオンして、演算増幅器１０６の電荷蓄積用容量Ｃｆ及び各信号配線１１０がリセットされる。続いて、第１行目の駆動配線に転送パルスが印加され、第１行目の駆動配線に接続されたＴＦＴ１０３がオンする。それにより、フォトダイオード１０２で発生した電荷に基づく信号が、ＴＦＴ１０３及び信号配線１１０を介して、読み出し回路１０５へ転送される。転送された信号は、信号配線１１０に接続された読み出し回路１０５の演算増幅器１０６で電圧へ変換される。

次に、サンプルホールド回路１０７は、サンプルホールド信号を入力し、演算増幅器１０６からの電圧出力をサンプリングする。この後、サンプルホールド回路１０７の容量にサンプリングされた電圧が保持され、その電圧がマルチプレクサ１０８でシリアル変換される。出力用アンプ１０９は、マルチプレクサ１０８の出力信号を増幅する。

続いて、再びスイッチＲＣにより演算増幅器１０６の電荷蓄積用容量Ｃｆ及び各信号配線１１０がリセットされた後、第２行目の駆動配線に転送パルスが印加され、第２行目のフォトダイオード１０２の電荷がＴＦＴ１０３及び信号配線１１０を介して読み出し回路に読み出される。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１０１全体の電荷すなわち画像出力データが読み出される。

奇数列の演算増幅器１０６には、基準電圧Ｖｒｅｆ１が入力される。奇数列のリセットスイッチＲＣがオンすると、奇数列の演算増幅器１０６及び信号配線１１０が短絡され、奇数列の信号配線１１０は電圧Ｖｒｅｆ１／２にリセットされる。信号配線１１０のリセット電圧Ｖｒｅｆ１／２は、ＴＦＴ１０３を介してフォトダイオード１０２のアノードに供給される。基準電圧Ｖｒｅｆ１の電源は、信号配線１１０及びＴＦＴ１０３を介してフォトダイオード１０２にリセット電圧を供給するための電源である。

また、偶数列の演算増幅器１０６には、基準電圧Ｖｒｅｆ２が入力される。偶数列のリセットスイッチＲＣがオンすると、偶数列の演算増幅器１０６及び信号配線１１０が短絡され、偶数列の信号配線１１０は電圧Ｖｒｅｆ２／２にリセットされる。信号配線１１０のリセット電圧Ｖｒｅｆ２／２は、ＴＦＴ１０３を介してフォトダイオード１０２のアノードに供給される。基準電圧Ｖｒｅｆ２の電源は、信号配線１１０及びＴＦＴ１０３を介してフォトダイオード１０２にリセット電圧を供給するための電源である。

センサーアレー１０１内の複数の画素は、複数の系統（群）に分割され、例えば奇数列及び偶数列の系統（群）に分割される。基準電圧Ｖｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２の２個の電源は、複数の系統（群）毎に独立して設けられる。基準電圧Ｖｒｅｆ１の電源は、奇数列の系統（群）のフォトダイオード１０２にリセット電圧を供給する。基準電圧Ｖｒｅｆ２の電源は、偶数列の系統（群）のフォトダイオード１０２にリセット電圧を供給する。

図２は、本実施形態の放射線撮像装置に用いられ、読み出し回路１０５に基準電位Ｖｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２を供給する具体的な電源回路例を示す。基準電位Ｖｒｅｆ１を生成するための電源回路は、電圧源２０１ａ、抵抗２０２ａ、容量２０３ａ及び演算増幅器２０４ａを有する。基準電位Ｖｒｅｆ１は、奇数列の演算増幅器１０６に入力される。基準電位Ｖｒｅｆ２を生成するための電源回路は、電圧源２０１ｂ、抵抗２０２ｂ、容量２０３ｂ及び演算増幅器２０４ｂを有する。基準電位Ｖｒｅｆ２は、偶数列の演算増幅器１０６に入力される。

本図では各基準電位Ｖｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２をそれぞれバンドギャップリファレンス電圧源２０１ａ，２０１ｂに低域通過フィルタ２０２ａ，２０３ａ，２０２ｂ，２０３ｂを接続し、さらに十分低ノイズの演算増幅器２０４ａ，２０４ｂを接続する。本構成の回路によれば、読み出し回路１０５の偶数奇数それぞれに対して、相関のない電位Ｖｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２を与えるため、上記のラインノイズ値σｌｉｎｅを低減することができる。

エリアセンサアレー１０１及び読み出し回路１０５では、行方向の複数のＴＦＴ１０３に共通に接続された駆動配線により行単位で信号の転送が行われ、列方向の複数のＴＦＴ１０３に共通に接続された信号配線１１０及び読み出し回路１０５により列単位で読み出し処理が行われる。図１５のように、全列の演算増幅器に同一の基準電位Ｖｒｅｆを供給すると、基準電位Ｖｒｅｆの電源のゆらぎが全列の演算増幅器のノイズとして現れる。その結果、１行内のすべての画素信号に同じタイミングの基準電源Ｖｒｅｆからのノイズが生じ、ラインノイズとなる。ラインノイズは、視覚的に画質劣化を感じやすい。

本実施形態では、基準電位Ｖｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２の電源が独立しているので、仮に基準電位Ｖｒｅｆ１の電源のゆらぎが生じても、基準電位Ｖｒｅｆ２の電源のゆらぎが生じない。逆に、仮に基準電位Ｖｒｅｆ２の電源のゆらぎが生じても、基準電位Ｖｒｅｆ１の電源のゆらぎが生じない。その結果、１行内のすべての画素信号に同じタイミングの基準電源からのノイズが生じることがなく、ノイズが分散され、ラインノイズを防止することができる。基準電位Ｖｒｅｆ１又はＶｒｅｆ２のゆらぎが生じたとしてもゆらぎが異なるため、ランダムノイズに近いものとなり、視覚的にノイズが目立たなく、画質を向上させることができる。

本構成は、基準電位Ｖｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２の電源電圧作成に用いる増幅器２０４ａ，２０４ｂの１／ｆノイズが大きな場合等に特に効果的である。また本図ではバンドギャップリファレンス電圧源２０１ａ，２０１ｂ、低域通過フィルタ２０２ａ，２０３ａ，２０２ｂ，２０３ｂ、演算増幅器２０４ａ，２０４ｂのすべてを偶数列及び奇数列で独立して設けているが、これに限定されない。演算増幅器２０４ａ，２０４ｂのみを偶数列及び奇数列で独立の構成にしてもよい。基準電位Ｖｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２の電源は、少なくとも異なる演算増幅器２０４ａ及び２０４ｂを有する。

図３は、本実施形態のラインノイズ低減の効果を説明するための図であり、読み出し回路１０５を分割する系統（群）数（すなわち基準電位Ｖｒｅｆの電源分割数）と、上記のラインノイズ値σｌｉｎｅ（相対値）の関係を示す。本図より、偶数列及び奇数列に分割して基準電位Ｖｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２を演算増幅器１０６に供給した場合、基準電位Ｖｒｅｆ１又はＶｒｅｆ２のゆらぎに起因するラインノイズσｌｉｎｅが分割しない場合と比較して原理的に１／√２に低減される。また、４系統（群）に分割してそれぞれ相関のない電源を供給した場合に１／２に低減される。

図４は、本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の画素断面図である。ガラスなどの絶縁基板３０１上には、光電変換素子であるフォトダイオード３１０、スイッチ素子である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型の不純物半導体層３０７、真性半導体層３０９、ｐ型の不純物半導体層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。それぞれの半導体層はアモルファスシリコンなどの非単結晶半導体により絶縁基板３０１上に形成される。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線などの放射線３１６は、蛍光体層３１５の上方から入射する。ここで、接着層３１４は必ずしも必要ではなく、保護層３１３上に直接蛍光体層３１５を蒸着などにより設けてもよい。

各画素のＰＩＮ型フォトダイオード３１０は、絶縁基板３０１上に、下電極層３０５、ｐ型の不純物半導体層３０８、真性半導体層３０９、ｎ型の不純物半導体層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、ゲート絶縁層（アモルファスシリコン窒化膜）、真性半導体層、ｎ型の不純物半導体層、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。配線部３１２は、信号配線１１０を示し、各画素でＴＦＴ３１１のソース電極３０４に接続されている。絶縁基板３０１上に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、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線などの放射線３１６を光電変換素子が感知可能な波長帯域の光に変換する。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。

本実施形態は、透視等の医療用Ｘ線撮像システムに適用するために、保護層３１３の上部に接着層３１４を介してＸ線３１６等の放射線を可視光に変換する蛍光体層（波長変換体）３１５を有している。

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）等を主材料として用いることができる。

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の変換素子でもよい。

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。

本実施形態の構成は、大判で信号配線１１０の寄生容量が大きなエリアセンサアレー１０１を用いた放射線撮像装置において、特に有効である。

（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。本実施形態は第１の実施形態と類似しているが、以下の点で基本的に異なる。すなわち、本実施形態は、図１とは異なり、読み出し回路１０５の基準電圧Ｖｒｅｆは共通の１つの電源から供給されている。一方で、エリアセンサアレー１０１のバイアス配線は偶数列及び奇数列の２系統（群）に分割され、かつ相関のない独立した電源Ｖｓ１及びＶｓ２から供給されている。

奇数列のフォトダイオード１０２のカソードには、バイアス電圧Ｖｓ１が供給される。偶数列のフォトダイオード１０２のカソードには、バイアス電圧Ｖｓ２が供給される。バイアス電圧Ｖｓ１及びＶｓ２は、同じ電圧値である。バイアス電圧Ｖｓ１及びＶｓ２の電源は、相関のない独立した電源回路である。バイアス電圧Ｖｓ１及びＶｓ２の電源は、フォトダイオード１０２のバイアス電源である。また、全列の演算増幅器１０６には、同一電源の基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。

バイアス電圧Ｖｓ１及びＶｓ２の各電源の具体的な構成方法は、図２の基準電圧Ｖｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２と同様、少なくとも異なる演算増幅器で供給することが望ましい。

また、本実施形態の効果についても、図３の第１の実施形態と同様である。本構成により、バイアス線電位のゆらぎにより生じるラインノイズ成分が原理的に１／√２となる。

フォトダイオード１０２のカソードに接続されるバイアス配線を複数の系統（群）に分割した構成については、前述の特許文献１の図２３でも記されている。しかしながら、特許文献１の図２３は分割された複数系統（群）のバイアス線をスイッチで切換えているが、最終的に接続されているのは同一の電源である。したがって、特許文献１は、本実施形態とは構成が異なり、また特許文献１の図２３ではラインノイズ低減の効果も得られない。

（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。本実施形態の特徴は、以下の２点である。すなわち、読み出し回路１０５が４系統（群）に分割され、４分割された各演算増幅器１０６の基準電位端子に電圧値は同じであるが、それぞれ相関がなく独立した電源の電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２、Ｖｒｅｆ３、Ｖｒｅｆ４が入力されている。また、エリアセンサアレー１０１がバイアス配線において４系統（群）に分割されており、各系統（群）のバイアス配線に対して、電圧値は同じであるが、相関がなく独立した電源の電圧Ｖｓ１、Ｖｓ２、Ｖｓ３、Ｖｓ４が供給されている。

第１列及び第５列等の演算増幅器１０６には、基準電圧Ｖｒｅｆ１が入力される。第２列及び第６列等の演算増幅器１０６には、基準電圧Ｖｒｅｆ２が入力される。第３列及び第７列等の演算増幅器１０６には、基準電圧Ｖｒｅｆ３が入力される。第４列及び第８列等の演算増幅器１０６には、基準電圧Ｖｒｅｆ４が入力される。

第１列及び第５列等のフォトダイオード１０２のカソードに接続されるバイアス配線には、バイアス電圧Ｖｓ１が供給される。第２列及び第６列等のフォトダイオード１０２のカソードに接続されるバイアス配線には、バイアス電圧Ｖｓ２が供給される。第３列及び第７列等のフォトダイオード１０２のカソードに接続されるバイアス配線には、バイアス電圧Ｖｓ３が供給される。第４列及び第８列等のフォトダイオード１０２のカソードに接続されるバイアス配線には、バイアス電圧Ｖｓ４が供給される。

本構成によれば、読み出し回路１０５の基準電源電圧Ｖｒｅｆ１〜Ｖｒｅｆ４に起因するラインノイズ成分が１／２になり、またセンサバイアス電源電圧Ｖｓ１〜Ｖｓ４のゆらぎに起因するラインノイズ成分も１／２になる。本実施形態の構成は、大判で信号配線１１０の寄生容量が大きなエリアセンサアレー１０１を用いた放射線撮像装置において、第１の実施形態及び第２の実施形態と比較して、さらに有効である。

（第４の実施形態）
図７及び図８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、及びタイミング図である。基本的な構成は第３の実施形態と類似しているが、下記の点が異なる。すなわち、本実施形態は、２系統（群）に分割された読み出し回路１０５に、基準電位Ｖｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２を供給することに加えて、リセット信号ＲＣ１，ＲＣ２、サンプルホールド信号ＳＨ１，ＳＨ２を２系統（群）に分割して供給可能な構成である。

奇数列（第１列及び第３列等）の演算増幅器１０６には、基準電圧Ｖｒｅｆ１が入力される。偶数列（第２列及び第４列等）の演算増幅器１０６には、基準電圧Ｖｒｅｆ２が入力される。基準電圧Ｖｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２は、電圧値が同じであるが、相互に相関がなく独立した電源の電圧である。

奇数列（第１列及び第３列等）のフォトダイオード１０２のカソードに接続されるバイアス配線には、バイアス電圧Ｖｓ１が供給される。偶数列（第２列及び第４列等）のフォトダイオード１０２のカソードに接続されるバイアス配線には、バイアス電圧Ｖｓ２が供給される。バイアス電圧Ｖｓ１及びＶｓ２は、電圧値が同じであるが、相互に相関がなく独立した電源の電圧である。

複数のリセットスイッチ（リセット回路）ＲＣは、複数の信号配線１１０に対応して設けられる。奇数列（第１列及び第３列等）のスイッチＲＣの制御端子には、リセット信号ＲＣ１が入力される。偶数列（第２列及び第４列等）のスイッチＲＣの制御端子には、リセット信号ＲＣ２が入力される。リセット信号ＲＣ１及びＲＣ２は、ハイレベルになるタイミングが異なる。リセット信号ＲＣ１及びＲＣ２のスイッチＲＣは、奇数列及び偶数列の系統（群）毎に異なるハイレベルのタイミングでオンする。

複数のサンプルホールド回路１０７は、複数の信号配線１１０に対応して設けられる。奇数列（第１列及び第３列等）のサンプルホールド回路１０７の制御端子には、サンプルホールド信号ＳＨ１が入力される。偶数列（第２列及び第４列等）のサンプルホールド回路１０７の制御端子には、サンプルホールド信号ＳＨ２が入力される。サンプルホールド信号ＳＨ１及びＳＨ２は、ハイレベルになるタイミングが異なる。サンプルホールド信号ＳＨ１及びＳＨ２のサンプルホールド回路１０７は、奇数列及び偶数列の系統（群）毎に異なるハイレベルのタイミングでサンプルホールドし、電圧を保持する。

Ｘ線源などの放射線照射手段から信号ＸＲＡＹのハイレベルタイミングでＸ線が放射線撮像装置に入射する。Ｘ線は、蛍光体層３１５（図４）によりフォトダイオード３１０が感知可能な波長帯域の光（可視光）に変換される。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。次に、リセット信号ＲＣ１のパルスにより、奇数列のスイッチＲＣがオンして、奇数列の演算増幅器１０６の電荷蓄積用容量Ｃｆ及び信号配線１１０が電位Ｖｒｅｆ１にリセットされる。次に、リセット信号ＲＣ２のパルスにより、偶数列のスイッチＲＣがオンして、偶数列の演算増幅器１０６の電荷蓄積用容量Ｃｆ及び信号配線１１０が電位Ｖｒｅｆ２にリセットされる。続いて、駆動配線Ｖｇ１に転送パルスが印加され、駆動配線Ｖｇ１に共通に接続されたＴＦＴ１０３がオンし、第１行のフォトダイオード１０２で発生した電荷に基づく信号が、ＴＦＴ１０３及び信号配線１１０を介して、読み出し回路１０５の演算増幅器１０６へ転送される。演算増幅器１０６は、信号配線１１０の電荷を電圧に変換する。

次に、サンプルホールド信号ＳＨ１のパルスが印加され、奇数列のサンプルホールド回路１０７は、奇数列の演算増幅器１０６の出力電圧をサンプリングして保持する。次に、サンプルホールド信号ＳＨ２のパルスが印加され、偶数列のサンプルホールド回路１０７は、偶数列の演算増幅器１０６の出力電圧をサンプリングして保持する。マルチプレクサ１０８は、全列のサンプルホール回路１０７の出力電圧をシリアル信号に変換する。出力用アンプ１０９は、マルチプレクサ１０８の出力電圧を増幅して出力する。

続いて、再びリセット信号ＲＣ１及びＲＣ２により、奇数列及び偶数列の演算増幅器１０６の電荷蓄積用容量Ｃｆ及び信号配線１１０が電位Ｖｒｅｆ１及びＶｒｅｆ２にリセットされる。その後、駆動配線Ｖｇ２に転送パルスが印加され、第２行のフォトダイオード１０２の電荷に基づく信号がＴＦＴ１０３及び信号配線１１０を介して読み出し回路１０５に読み出される。同様の動作が駆動配線Ｖｇ３以降に対して繰り返され、センサアレー１０１全体の電荷が読み出される。

図８のタイミング図で示されるように、信号ＲＣ１、ＲＣ２及び信号ＳＨ１、ＳＨ２はタイミングをずらして入力されている。また、本構成によれば、各駆動配線Ｖｇ１〜Ｖｇ４上の信号についてサンプリングのタイミングをずらしている。そのため、放射線撮像装置に供給される電源のゆらぎに起因するラインノイズの低減に加えて、空間や、筐体、ＡＣラインを介して伝播する外来ノイズに起因するラインノイズをも低減することが可能となる。

本実施形態はバイアス電源電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２、読み出し回路１０５の基準電源電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２、リセット信号ＲＣ１，ＲＣ２及びサンプルホールド信号ＳＨ１，ＳＨ２のタイミングを偶数列及び奇数列の２系統（群）としている。ただし、さらに多系統（群）として、相対的な位相を変えることにより、ラインノイズ低減の効果が増すことは明白であり、より望ましい。

（第５の実施形態）
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９は模式的回路図であり、図１０はエリアセンサアレー１０１の画素断面図である。基本的な動作はそれぞれ第４の実施形態の図７と類似しているが、本実施形態は以下の点が異なる。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（ＭＩＳ型センサ）９０１である点に留意すべきである。すなわち、ＭＩＳ型光電変換素子９０１は、図７のＰＩＮ型フォトダイオード１０２の代わりに設けられる。

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、ガラス等の絶縁基板３０１から順に、下電極（メタル）層１００２、シリコン窒化膜等の絶縁層１００３、真性半導体層１００４、ｎ⁺型の不純物半導体層１００５、上電極（メタル）層１００６、シリコン窒化膜等の保護層３１３を積層した構造である。各半導体層は、絶縁基板３０１上にアモルファスシリコンなどの非単結晶半導体によって設けられている。

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。

（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。本実施形態は基本的に図５の第２の実施形態と類似しているが、以下の点が異なる。すなわち、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ＴＦＴ１００３で構成されている。各画素の転送用ＴＦＴ１００３のソース電極が信号配線１１０に接続されている。

奇数列のフォトダイオード１１０１のカソードには、バイアス電圧Ｖｓ１が接続される。偶数列のフォトダイオード１１０１のカソードには、バイアス電圧Ｖｓ２が接続される。リセット用ゲートドライバ１０４ａは、リセット用駆動配線を介してリセット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。転送用ゲートドライバ１０４ｂは、転送用駆動配線を介して転送ＴＦＴ１１０３のゲートに電圧を供給する。信号配線１１０には、ソースフォロアＴＦＴ１１０２をソースフォロア動作させる定電流源１１０７が接続される。

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に蓄積された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の出力電圧を信号配線１１０に転送する。

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。

このような画素構成においても、ラインノイズ低減のために複数系統（群）のセンサバイアス電圧Ｖｓ１，Ｖｓ２を設けて、相関のない独立の電源を接続することは望ましい。また、第４の実施形態のように、読み出し回路１０５の複数系統（群）の基準電源電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２を入力可能な構成とし、相関のない独立の電源を接続することが望ましい。さらにはリセット電源１１０５およびソースフォロア電源１１０６についても、偶数系統、奇数系統などの複数系統に分けて相関のない独立の電源を接続することは、これらの電源に起因するラインノイズを低減することになり、より望ましい。

（第７の実施形態）
図１２は、本発明の第７の実施形態によるＸ線（放射線）撮像システムのシステム図である。本実施形態は、第１〜第６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。

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。

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。

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。

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、十分な撮影領域、表示の即時性を有しつつラインノイズによるアーチファクトを低減した良好な撮影画像を取得可能な透視撮像システムを実現できる。上記実施形態は、放射線撮像装置は、構造や駆動に起因するラインノイズ特性に優れた放射線撮像装置を実現することができる。

医療用のＸ線透視撮像システム等に好適な、十分な撮影領域、表示の即時性を有しつつラインノイズによるアーチファクトを低減した良好な撮影画像を取得可能な放射線撮像装置を実現できる。特に、エリアセンサアレー、読み出し回路、駆動回路に供給される電源のゆらぎ（電源ノイズ）に起因するラインノイズのアーチファクトを簡単な構成で、複雑な演算を用いることなく低減可能な放射線撮像装置を実現できる。

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。

１０１エリアセンサアレー
１０２フォトダイオード
１０３ＴＦＴ
１０４駆動回路
１０５読み出し回路
１０６演算増幅器
１０７サンプルホールド回路
１０８マルチプレクサ
１０９出力用アンプ

Claims

行及び列方向に複数配置され、各々が放射線又は光を電荷に変換する変換素子と、前記電荷に基づく電気信号を出力するスイッチ素子と、を有する複数の画素と、
列方向の複数の前記スイッチ素子に接続された複数の信号配線と、
前記複数の信号配線に対応する複数のサンプルホールド回路を有し、前記複数の信号配線に接続された読み出し回路と、
を有する撮像装置であって、
前記複数の画素は、複数の群に分割されており、前記複数の群のうちの所定の群の画素の列と当該所定の群の画素の列と連続して配置された別の群の画素の列とが繰り返し並ぶように分割されており、
前記複数の信号配線は、前記所定の群の画素の列の複数の前記スイッチ素子に接続された信号配線と、前記別の群の画素の列の複数の前記スイッチ素子に接続された信号配線と、が繰り返し並ぶように、複数の群に分割されており、
前記複数のサンプルホールド回路は、前記複数の信号配線の複数の群に対応して複数の群に分割されており、
前記複数のサンプルホールド回路は、前記複数の画素のうち所定行の画素から前記複数の信号配線を介して前記読み出し回路に並列に出力された電気信号のサンプルホールドを、前記複数の群毎に異なるタイミングで行うことを特徴とする撮像装置。
前記撮像装置は、行方向の複数の前記スイッチ素子に接続された複数の駆動配線と、前記複数の駆動配線に接続され、前記駆動配線毎に前記スイッチ素子を導通するための電圧を供給する駆動回路と、を更に有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記複数のサンプルホールド回路は、前記駆動回路から前記電圧が供給された前記複数の駆動配線のうちの所定の駆動配線に対応する前記所定行の画素から並列に出力された電気信号のサンプルホールドを、前記複数の群毎に異なるタイミングで行うことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
前記画素は奇数列の群と偶数列の群に分割され、
前記複数のサンプルホールド回路は、前記奇数列の群及び前記偶数列の群で異なるタイミングで前記所定行の画素から並列に出力された電気信号のサンプルホールドを行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
行及び列方向に複数配置され、各々が放射線又は光を電荷に変換する変換素子と、前記電荷に基づく電気信号を出力するスイッチ素子と、を有する複数の画素と、
列方向の複数の前記スイッチ素子に接続された複数の信号配線と、
前記複数の信号配線をリセットするリセット動作を行うための複数のリセット回路を前記複数の信号配線に対応して有し、前記複数の信号配線に接続された読み出し回路と、
を有する撮像装置であって、
前記複数の画素は、複数の群に分割されており、前記複数の群のうちの所定の群の画素の列と当該所定の群の画素の列と連続して配置された別の群の画素の列とが繰り返し並ぶように分割されており、
前記複数の信号配線は、前記所定の群の画素の列の複数の前記スイッチ素子に接続された信号配線と、前記別の群の画素の列の複数の前記スイッチ素子に接続された信号配線と、が繰り返し並ぶように、複数の群に分割されており、
前記複数のリセット回路は、前記複数の信号配線の複数の群に対応して複数の群に分割されており、
前記複数のリセット回路は、前記複数の画素のうち所定行の画素からの電気信号の出力と、前記複数の画素のうち前記所定行とは異なる他の行の画素からの電気信号の出力と、の間の期間に、前記複数の群毎に異なるタイミングで前記リセット動作を行うことを特徴とする撮像装置。
前記撮像装置は、行方向の複数の前記スイッチ素子に接続された複数の駆動配線と、前記複数の駆動配線に接続され、前記駆動配線毎に前記スイッチ素子を導通するための電圧を供給する駆動回路と、を更に有することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
前記複数のリセット回路は、前記駆動回路が前記複数の駆動配線のうち前記所定行に対応する所定の駆動配線に前記電圧を与えてから前記複数の駆動配線のうち前記所定の駆動配線とは異なる前記他の行に対応する駆動配線に前記電圧を与えるまでの間に、前記複数の群毎に異なるタイミングで前記リセット動作を行うことを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
前記画素は奇数列の群と偶数列の群に分割され、
前記複数のリセット回路は、前記奇数列の群及び前記偶数列の群で異なるタイミングで前記リセット動作を行うことを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の撮像装置。
請求項１から８のいずれか１項に記載の撮像装置のうち、前記変換素子が放射線を電荷に変換するものである放射線撮像装置と、
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。