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【発明の名称】 固体撮像装置
【発明者】 【氏名】森 治通

【氏名】藤田 一樹

【氏名】久嶋 竜次

【氏名】本田 真彦

【要約】 【課題】S/N比がよい撮像をすることができてデンタル用途にも好適な固体撮像装置を提供する。

【構成】固体撮像装置1では、受光部10において複数個の画素部が2次元配列されており、各画素部P,nには2個のフォトダイオードPD,PDが含まれている。フォトダイオードPD,PDそれぞれで発生した電荷は信号読出部20に入力され、その電荷量に応じた電圧値が信号読出部20から出力される。信号読出部20から出力された電圧値はAD変換部40に入力され、この入力電圧値に応じたデジタル値がAD変換部40から出力される。加算部50において、受光部10の各画素部Pm,nについて、該画素部に含まれる2個のフォトダイオードPD,PDそれぞれで発生した電荷の量に応じてAD変換部40から出力されるデジタル値の総和が演算され、その総和値であるデジタル値が出力される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
各々複数個のフォトダイオードを含む複数個の画素部が2次元配列された受光部と、
前記受光部の各画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した電荷の量に応じた電圧値を出力する信号読出部と、
前記信号読出部から出力された電圧値を入力しAD変換して、この入力電圧値に応じたデジタル値を出力するAD変換部と、
前記受光部の各画素部について、該画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した電荷の量に応じて前記AD変換部から出力されるデジタル値の総和を演算し、その総和値であるデジタル値を出力する加算部と、
を備え、
前記受光部の各画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれの光感応領域が全体として正方形である、
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項2】
前記受光部の各画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれの光感応領域が互いに等しい面積を有している、ことを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、各々フォトダイオードを含む複数個の画素部が2次元配列された受光部を備える固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、歯科治療におけるX線撮影の分野では、従来のX線感光フィルムを用いた撮影から、フィルムを使わないX線イメージインテンシファイア等の撮像管を用いた撮像装置や、シンチレータとCCDとを組み合わせた固体撮像装置などによる撮像へ移行しつつある。しかし、イメージインテンシファイアは、撮像管であることから、サイズが大きく、撮像領域の周辺では画像に歪みが生じるなどの問題がある。また、CCDは、大きな面積の受光部を作ることが技術的に困難であるため、ラインスキャナ方式で撮像するなどの制約がある。
【0003】
これらの問題点を解決する撮像装置として、CMOS−X線フラットパネルセンサが挙げられる。X線フラットパネルセンサは、各々フォトダイオードを含む複数個の画素部が2次元配列された受光部を備えるCMOS固体撮像装置を用いることから、周辺部の歪みが無く、受光部の2次元大面積化(例えば12cm×12cm程度)が容易である。可視光と異なりX線はレンズによる集光が出来ないので、この固体撮像装置は、デンタル用(特にデンタル3D-CT)へ適用する場合のように、大きな面積を一度に撮影するときには、大きな面積の受光部が必要となる。
【0004】
また、このような医療用の固体撮像装置は、撮像対象が例えば生体であることから、要求される解像度が低く、また、X線被爆量を極力抑える一方で感度を高める必要がある。このことから、他の一般的な撮像用の固体撮像装置と比較して、医療用の固体撮像装置では、受光部に含まれる各画素部の光感応領域(光入射に応じて電荷を発生する領域)の面積は10倍〜100倍程度も大きい。
【0005】
例えば、デンタル3D-CT用では、CT像の再構成に用いるVOXELが正方形であることから、各画素部の光感応領域の形状は、一辺の長さが例えば150μm〜200μmの正方形であることが必須となる。このように各画素部の光感応領域が大面積であることは、受光部に含まれる画素部の個数が少ないことを意味するので、30フレーム/秒のビデオレートでの駆動をする点では有利になる。
【特許文献1】特開2005−333250号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、各画素部の光感応領域が大きいと、フォトダイオードの接合容量値も大きくなり、このことから、ノイズも大きくなる。これに対して、必要なS/N比を確保しようとすると、固体撮像装置へ入射するX線の量を大きくする必要が生じる。ところが、デンタル用途ではX線が人体に照射されるので、X線量を低減して人体へのX線被爆量を減らすことが絶対命題であり、X線量の増大は抑制されなければならない。
【0007】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、S/N比がよい撮像をすることができてデンタル用途にも好適な固体撮像装置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】
【0008】
本発明に係る固体撮像装置は、(1) 各々複数個のフォトダイオードを含む複数個の画素部が2次元配列された受光部と、(2) 受光部の各画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した電荷の量に応じた電圧値を出力する信号読出部と、(3) 信号読出部から出力された電圧値を入力しAD変換して、この入力電圧値に応じたデジタル値を出力するAD変換部と、(4) 受光部の各画素部について、該画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した電荷の量に応じてAD変換部から出力されるデジタル値の総和を演算し、その総和値であるデジタル値を出力する加算部と、を備えることを特徴とする。さらに、受光部の各画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれの光感応領域が全体として正方形であることを特徴とする。また、受光部の各画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれの光感応領域が互いに等しい面積を有しているのが好適である。
【0009】
この固体撮像装置では、受光部において複数個の画素部が2次元配列されており、各画素部には複数個のフォトダイオードが含まれている。受光部の各画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した電荷は信号読出部に入力され、その電荷量に応じた電圧値が信号読出部から出力される。信号読出部から出力された電圧値はAD変換部に入力され、この入力電圧値に応じたデジタル値がAD変換部から出力される。そして、加算部において、受光部の各画素部について、該画素部に含まれる複数個のフォトダイオードそれぞれで発生した電荷の量に応じてAD変換部から出力されるデジタル値の総和が演算され、その総和値であるデジタル値が出力される。
【発明の効果】
【0010】
本発明に係る固体撮像装置は、S/N比がよい撮像をすることができて、デンタル用途にも好適に用いられ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0012】
図1は、本実施形態に係る固体撮像装置1の構成図である。この図に示される固体撮像装置1は、受光部10、信号読出部20、バッファ回路30、AD変換部40、加算部50、行選択部60および列選択部70を備える。
【0013】
受光部10は、M×N個の画素部P1,1〜PM,NがM行N列に2次元配列されたものである。画素部Pm,nは第m行第n列に位置する。ここで、M,Nそれぞれは2以上の整数であり、mは1以上M以下の整数であり、nは1以上N以下の整数である。M×N個の画素部P1,1〜PM,Nそれぞれは、共通の構成を有しており、2個のフォトダイオードPD,PDおよび 2個のスイッチSW,SWを含む。
【0014】
各画素部Pm,nに含まれるスイッチSW,SWは、行選択部60から出力される第m行選択信号Vsel(m)により開閉動作が制御される。各画素部Pm,nに含まれるフォトダイオードPDは、アノード端子が接地されており、カソード端子がスイッチSWを介して配線Ln,1に接続されており、スイッチSWが閉じているときに入射光量に応じた量の電荷を配線Ln,1へ出力する。また、各画素部Pm,nに含まれるフォトダイオードPDは、アノード端子が接地されており、カソード端子がスイッチSWを介して配線Ln,2に接続されており、スイッチSWが閉じているときに入射光量に応じた量の電荷を配線Ln,2へ出力する。
【0015】
信号読出部20は、受光部10の各画素部Pm,nに含まれる2個のフォトダイオードPD,PDそれぞれで発生した電荷の量に応じた電圧値を出力するものであり、2N個の積分回路211,1〜21N,2 および2N個の保持回路221,1〜22N,2 を含む。2N個の積分回路211,1〜21N,2それぞれは、共通の構成を有している。また、2N個の保持回路221,1〜22N,2それぞれは、共通の構成を有している。
【0016】
各積分回路21n,kは、配線Ln,kを経て入力した電荷を蓄積し、その蓄積電荷量に応じた電圧値を出力する。各保持回路22n,kは、積分回路21n,kから出力された電圧値を入力して保持し、列選択部70からの指示に基づいて、その保持した電圧値Vn,を出力する。ここで、kは1または2である。このとき、信号処理部20は、電圧値V1,1,V1,2,V2,1,V2,2,V3,1,V3,2,…,Vn,1,Vn,2,…,VN,1,VN,2 の順に出力する。
【0017】
AD変換部40は、信号処理部20から出力されバッファ回路30を経た電圧値Vn,を入力しAD変換して、この入力電圧値Vn,kに応じたデジタル値Dn,kを出力する。加算部50は、受光部10の各画素部Pm,nについて、該画素部Pm,nに含まれる2個のフォトダイオードPD,PDそれぞれで発生した電荷の量に応じてAD変換部40から出力されるデジタル値Dn,1,Dn,2の総和を演算し、その総和値であるデジタル値D(=Dn,1+Dn,2)を出力する。
【0018】
行選択部60は、受光部10の第m行にあるN個の画素部Pm,1〜Pm,Nそれぞれに含まれるスイッチSW,SWの開閉動作を制御する第m行選択信号Vsel(m)を出力する。これらM個の行選択信号Vsel(1)〜Vsel(M)は順次にハイレベルとなる。行選択部60は、第m行選択信号Vsel(m)がハイレベルであるときに、第m行にあるN個の画素部Pm,1〜Pm,Nそれぞれに含まれるフォトダイオードPD,PDで発生した電荷を、同画素部のスイッチSW,SWを経て配線Ln,1,Ln,2へ出力させる。
【0019】
列選択部70は、信号読出部20に含まれる2N個の保持回路221,1〜22N,2それぞれに対して保持電圧の出力を制御して、信号読出部20から電圧値V1,1,V1,2,V2,1,V2,2,V3,1,V3,2,…,Vn,1,Vn,2,…,VN,1,VN,2 の順に出力させる。
【0020】
図2は、本実施形態に係る固体撮像装置1の画素部Pm,n,積分回路21n,kおよび保持回路22n,kそれぞれの回路図である。なお、この図では、これらが代表で示されている。前述したように、mは1以上M以下の整数であり、nは1以上N以下の整数であり、kは1または2である。
【0021】
各積分回路21n,kは、アンプA21,容量素子C21およびスイッチSW21を備える。積分回路21n,kに含まれるアンプA21の入力端子は、配線Ln,kを介して、画素部Pm,nに含まれるスイッチSWに接続されている。容量素子C21およびスイッチSW21は、アンプA21の入力端子と出力端子との間に並列的に設けられている。この積分回路21n,kは、スイッチSW21が閉じることで、容量素子C21が放電され、積分回路21n,kから出力される電圧値が初期化される。また、積分回路21n,kは、スイッチSW21が開いているときに、配線Ln,kを経て入力した電荷を容量素子C21に蓄積し、その蓄積電荷量に応じた電圧値を保持回路22n,kへ出力する。
【0022】
各保持回路22n,kは、容量素子C22およびスイッチSW221,SW222を備える。容量素子C22の一端は、スイッチSW221を介して積分回路21n,kのアンプA21の出力端子と接続され、また、スイッチSW222を介してバッファ回路30と接続されている。容量素子C22の他端は接地電位に接続されている。この保持回路22n,kは、スイッチSW221が閉状態から開状態に転じることで、その時点において積分回路21n,kから出力されていた電圧値Vn,kを容量素子C22に保持する。そして、保持回路22n,kは、スイッチSW222が閉じているときに、容量素子C22に保持している電圧値Vn,kをバッファ回路30へ出力する。
【0023】
図3は、本実施形態に係る固体撮像装置1の画素部Pm,nに含まれる2個のフォトダイオードPD,PDそれぞれの光感応領域の形状を示す平面図である。同図に示されるように、各画素部Pm,nに含まれる2個のフォトダイオードPD,PDそれぞれの光感応領域は、全体として正方形である。また、各画素部Pm,nに含まれる2個のフォトダイオードPD,PDそれぞれの光感応領域は、互いに等しい面積を有しているのが好適である。各画素部Pm,nに含まれる2個のフォトダイオードPD,PDそれぞれの光感応領域は、図3(a),(b)に示されるように長方形であってもよいし、図3(c)に示されるように三角形であってもよいし、図3(d)に示されるように台形であってもよい。
【0024】
次に、本実施形態に係る固体撮像装置1の動作について説明する。固体撮像装置1は、行選択部60および列選択部70、ならびに、固体撮像装置1全体の動作を制御する制御部により、制御されて動作する。図4は、本実施形態に係る固体撮像装置1の動作を説明するタイミングチャートである。この図には、(a) 各積分回路21n,kのスイッチSW21の開閉動作、(b) 第m行の各画素部Pm,nのスイッチSW,SWの開閉動作、(c) 各保持回路22n,kのスイッチSW221の開閉動作、(d) 各保持回路22n,kのスイッチSW222の開閉動作、(e) AD変換部40におけるAD変換動作、(f) 加算部50における加算動作、が示されている。
【0025】
第m行にあるN個の画素部Pm,1〜Pm,Nそれぞれの入射光量に応じたデジタル値D〜Dを求めるに際して、先ず、2N個の積分回路211,1〜21N,2それぞれにおいて、スイッチSW21が一定期間だけ閉じて、これにより、容量素子C21が放電され、出力電圧値が初期化される。
【0026】
その後、第m行にあるN個の画素部Pm,1〜Pm,Nそれぞれにおいて、入力される第m行選択信号Vsel(m)が一定期間だけハイレベルとなって、スイッチSW,SWが一定期間だけ閉じ、これらが閉じている期間に、それまでフォトダイオードPD,PDにおける光入射に応じて接合容量部に蓄積されていた電荷は、スイッチSW,SWを経て配線Ln,1,Ln,2へ出力される。このとき、各積分回路21n,kにおいて、スイッチSW21が開いているので、画素部Pm,nから配線Ln,kを経て入力された電荷は容量素子C21に蓄積され、その蓄積電荷量に応じた電圧値が保持回路22n,kへ出力される。
【0027】
また、第m行選択信号Vsel(m)がハイレベルとなっている期間に、各保持回路22n,において、スイッチSW221が一定期間だけ閉じ、このスイッチSW221が閉状態から開状態に転じる時に積分回路21n,kから出力されていた電圧値Vn,kが容量素子C22により保持される。
【0028】
その後、列選択部70による制御により、各保持回路22n,kのスイッチSW222が順次に一定期間だけ閉じる。これにより、信号処理部20からバッファ回路40へ電圧値V1,1,V1,2,V2,1,V2,2,V3,1,V3,2,…,Vn,1,Vn,2,…,VN,1,VN,2 の順に出力される。
【0029】
そして、AD変換部40において、信号処理部20から出力されバッファ回路30を経た電圧値Vn,kがAD変換され、この入力電圧値Vn,kに応じたデジタル値Dn,kが加算部50へ出力される。このとき、AD変換部40から加算部50へデジタル値D1,,D1,2,D2,1,D2,2,D3,1,D3,2,…,Dn,1,Dn,2,…,DN,,DN,2 の順に出力される。
【0030】
さらに、加算部50において、AD変換部40から出力されるデジタル値Dn,1,Dn,2の総和が演算され、その総和値であるデジタル値D(=Dn,1+Dn,2)が出力される。このとき、加算部50からデジタル値D,D,D,…,D,…,Dの順に出力される。
【0031】
ここで、デジタル値Dn,kは、第m行第n列に位置する画素部Pm,nのフォトダイオードPDで発生した電荷の量に応じた値、すなわち、画素部Pm,nのフォトダイオードPDへの入射光量に応じた値である。また、デジタル値Dは、画素部Pm,nに含まれる2個のフォトダイオードPD,PDそれそれで発生した電荷の総量に応じた値、すなわち、画素部Pm,nへの入射光量に応じた値である。
【0032】
このようにして第m行にあるN個の画素部Pm,1〜Pm,Nそれぞれの入射光量に応じたデジタル値D〜Dが得られると、続いて、次の第(m+1)行にあるN個の画素部Pm+1,1〜Pm+1,Nそれぞれの入射光量に応じたデジタル値D〜Dが同様にして得られる。このような動作が全ての行について行われることにより、受光部10のM×N個の画素部P1,1〜PM,Nそれぞれへの入射光量に応じたデジタル値が得られ、撮像データが得られる。
【0033】
以上のように、本実施形態に係る固体撮像装置1では、受光部10の各画素部Pm,nに2個のフォトダイオードPD,PDが含まれていて、フォトダイオードPD,PDで発生した電荷の量に応じた電圧値Vn,1,Vn,2およびデジタル値Dn,1,Dn,2が得られ、そして、画素部Pm,nへの入射光量に応じたデジタル値D(=Dn,+Dn,2)が得られる。このことから、例えば、固体撮像装置1がデンタル用途に用いられる場合であって、各画素部Pm,nの光感応領域が大面積であることが必要であるときであっても、S/N比がよい撮像をすることができる。
【0034】
すなわち、比較例として、各画素部が1個のフォトダイオードを含み、そのフォトダイオードの接合容量値がCである場合を想定する。このとき、AD変換部から出力されるデジタル値に含まれるノイズ成分の大きさは「A×C」と表される。ここで、Aは、積分回路に含まれるアンプにより決定される定数である。
【0035】
これに対して、本実施形態では、各画素部が2個のフォトダイオードを含み、各画素部の全体の光感応領域の面積が上記比較例と同じであるとすると、個々のフォトダイオードの接合容量値はC/2となる。したがって、AD変換部40から出力されるデジタル値Dn,kに含まれるノイズ成分の大きさは「A×C/2」と表され、加算部50から出力されるデジタル値Dに含まれるノイズ成分の大きさは「A×C/20.5」と表される。このように、本実施形態では、各画素部Pm,nへの入射光量に応じたデジタル値Dに含まれるノイズ成分の大きさは、上記比較例と比較すると1/20.5倍となる。
【0036】
また、光検出のダイナミックレンジの上限は、フォトダイオードの接合容量部に蓄積可能な電荷量の上限、および、その電荷を読み出す積分回路の出力電圧の飽和レベル、の何れか低い方によって決まる。デンタル用途の場合のように、フォトダイオードの光感応領域の面積が大きいと、フォトダイオードの接合容量部に蓄積可能な電荷量も大きいので、積分回路の出力電圧の飽和によってダイナミックレンジは制限される。また、近年の低消費電力化のための電源電圧低下に伴い、アンプの駆動電圧も低くなる傾向にあることから、一層、アンプの飽和電圧レベルは下がる傾向にある。これでは、フォトダイオードの接合容量部に多くの電荷を蓄積することができたとしても、積分回路に含まれるアンプの飽和以上の電荷は無駄になる。
【0037】
これに対して、本実施形態では、上記比較例と比較すると、個々の積分回路において蓄積される電荷量は半分になるので、個々の画素部については2倍の電荷量まで信号として扱うことができる。このことから、例えば、AD変換部40からの出力デジタル値が12ビットである場合、加算部50からの出力デジタル値は13ビットに拡大される。また、前述したように、ノイズ成分の大きさは1/20.5倍となっているので、ダイナミックレンジの上限でのS/N比は2√2倍となる。
【0038】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、各画素部に含まれるフォトダイオードの個数は、上記実施形態では2個としたが、3個以上であってもよい。また、本発明は、人体にX線を照射するという点において、歯科治療用途に限らず、医療用のX線固体撮像装置全般に係る。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本実施形態に係る固体撮像装置1の構成図である。
【図2】本実施形態に係る固体撮像装置1の画素部Pm,n,積分回路21n,kおよび保持回路22n,kそれぞれの回路図である。
【図3】本実施形態に係る固体撮像装置1の画素部Pm,nに含まれる2個のフォトダイオードPD,PDそれぞれの光感応領域の形状を示す平面図である。
【図4】本実施形態に係る固体撮像装置1の動作を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
【0040】
1…固体撮像装置、10…受光部、20…信号読出部、21…積分回路、22…保持回路、30…バッファ回路、40…AD変換部、50…加算部、60…行選択部、70…列選択部、A…アンプ、C…容量素子、PD…フォトダイオード、SW…スイッチ。
【出願人】 【識別番号】000236436
【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社
【出願日】 平成18年7月4日(2006.7.4)
【代理人】 【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹

【識別番号】100092657
【弁理士】
【氏名又は名称】寺崎 史朗

【識別番号】100124291
【弁理士】
【氏名又は名称】石田 悟

【識別番号】100110582
【弁理士】
【氏名又は名称】柴田 昌聰


【公開番号】 特開2008−17019(P2008−17019A)
【公開日】 平成20年1月24日(2008.1.24)
【出願番号】 特願2006−184514(P2006−184514)