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TW200818890A - Solid-state imaging device - Google Patents

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TW200818890A
TW200818890A TW096124323A TW96124323A TW200818890A TW 200818890 A TW200818890 A TW 200818890A TW 096124323 A TW096124323 A TW 096124323A TW 96124323 A TW96124323 A TW 96124323A TW 200818890 A TW200818890 A TW 200818890A
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TW
Taiwan
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pixel
solid
photodiodes
unit
imaging device
Prior art date
Application number
TW096124323A
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English (en)
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TWI424741B (zh
Inventor
Harumichi Mori
Kazuki Fujita
Ryuji Kyushima
Masahiko Honda
Original Assignee
Hamamatsu Photonics Kk
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics Kk filed Critical Hamamatsu Photonics Kk
Publication of TW200818890A publication Critical patent/TW200818890A/zh
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Publication of TWI424741B publication Critical patent/TWI424741B/zh

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Description

200818890 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種具備攝像區域之固體攝像裝置，而該 攝像區域係二維排列各自包含光二極體之複數個像素者。 【先前技術】 - 近年，在牙科治療之X射線攝影領域，係漸由先前之使 . 用X射線感光膠片之攝影，轉為採用不使用膠片之x射線 ^ 影像增強器（image intensifier)等之攝像管的攝像裝置，或 丨 組合閃爍器（scintillat〇r)及CCD之固體攝像裝置等而進行 攝像（參照專利文獻1)。但是，由於影像增強器係攝像管， 故有尺寸較大，且在攝像區域之周邊，影像會產生變形等 之問題。又，由於CCD在製作大面積之攝像區域上存有技 術〖生之困難，故有以線掃描（line scanner)方式進行攝像等 之制約。 、，作為解决此等問題點之攝像裝置，可舉出射線 面感測器。由於X射線平面感測器係使用具備攝像區域 之OVIOS固體攝像裝置，而該攝像區域為二維排列各自包 合光一極體之複數個像素者，故無周邊部變形，且易於讓 攝像區域之二維大面積化（例如12 cm>U2 cm左右）。因為與 ^ 〃不同Χ射線無法藉由透鏡而聚光，故該固體攝像 衣置適用於如牙科用途（特別係牙科3D-CT)上時，在一次 就攝影大面積之情況時，需要大面積之攝影區域。人 又，此種醫療用之固體攝像裝置，攝像對象例如係活 體，故所要求之解析度低，再者，極力抑制X射線暴露量 122329.doc 200818890 之同時，又需提高感度。因此，相較於其他一般的攝像用 固體攝像裝置，在醫療用之固體攝像裝置中，攝像區域内 所包合之各像素的光感應區域（因應光入射而產生電荷之 區域）之面積，係大上1〇倍〜1〇〇倍左右。 例如’在牙科3D-CT用途中，用於CT影像之再生成上的 VOXEL係正方形，故各像素之光感應區域的形狀，必須係 • 一邊之長度為例如150 μιη〜200 μηι之正方形。如此，各像 素之光感應區域為較大之面積，此係意味著包含於攝像區 域内之像素個數少，故在進行30圖框/秒之視頻率之驅動 點上係為有利。 專利文獻1:日本特開2005-333250號公報 【發明内容】 〔發明所欲解決之問題〕 但疋，各像素之光感應區域較大時，光二極體之接合電 容值亦變大，因此，雜訊亦變大。對此，要確保所需之 ( S/N比時，有必要增加向固體攝像裝置入射之X射線量。然 而在牙科用途中，因為係向人體照射X射線，故降低χ 射線量以減少人體之X射線暴露量，係一絕對所需課題， ’ 必須抑制X射線量之增加。 -本發明係、為解決前述問題點而完成者，纟目的在於提供 一種可進行S/N比良好之攝像，且適於牙科用途之固體攝 像裝置。 〔解決問題之技術手段〕 本發明之固體攝像裝置，其特徵在於包含有：⑴攝像 122329.doc 200818890 區域’其係一維排列有各自包含複數個光二極體之複數個 像素者；（2)信號讀出部，其係輸出因應電荷量之電壓，而 前述電荷量係由攝像區域之各像素内所包含之複數個光二 極體各自所産生者；（3)AD變換部，其係將從信號讀出部 所輸出之電壓予以輸入並進行AD變換後，輸出與該輸入 電壓對應之數位值者；及（4)加算部，其係對攝像區域之各 像素’演算數位值之總和並輸出該總和值之數位值者，而 前述數位值係對應於該像素内所包含之複數個光二極體各 自所産生之電荷量，而從AD變換部輸出者。再者，攝像 區域内所包含之複數個光二極體各自之光感應區域，係整 體為正方形。又，攝像區域之各像素内所包含之複數個光 二極體各自之光感應區域，宜具有彼此相等之面積。並 且’此等之面積可有5%以内之誤差。 該固體攝像裝置中，在攝像區域係二維排列有複數個像 素，且各像素包含有複數個光二極體。包含於攝像區域之 各像素内之複數個光二極體各自所產生之電荷，係輸入至 信號讀出部，且從信號讀出部輸出因應該電荷量之電壓。 從信號讀出部輸出之電壓係輸入至AD變換部，且從ad變 換部輸出因應該輸人電壓之數位值β χ，在加算部中，對 攝像區域之各像素演算數位值之總和並輸出該總和值之數 位值，前述數位值仙應包含於該像素内之複數個光二極 體各自所產生之電荷量，而從AD變換部輸出者。 〔發明之效果〕 本發明之固體攝像裝置係可進行S/N比良好之攝像，且 122329.doc 200818890 亦可適用於牙科。 【實施方式】 处以下，參照附圖’詳細說明用於實施本發明之較佳形 態。並且，在圖面之說明中，對相同之元件賦予相同之符 號，並省略重複之說明。 • W1係本實施形態之固體攝像裝置!之構成圖。該圖所示 之固體攝像裝置卜包含有攝像區域1〇、信號讀出部2〇、 〇 緩衝電路30、AD變換部40、加算部50、列選擇部6〇及行 選擇部70。 攝像區域10係Μ列N行地二維排列ΜχΝ個之像素 Pu〜PM，N者。像素Pm，n位於第爪列第η行。此處，M、N分別 係2以上之整數，讀心上河以下之整數，咖以上n以下 之整數。MxN個之像素Ά,Ν係分別具有相同之構成， 包含2個光二極體pDl、1>1)2及2個開關sw。SW2。 匕έ於各像素Pm n内之開關s Wi、s W2，係藉由從列選擇 部6G輸出之第111列選擇信號VSel(m)來控制開關動作。包含 於各像素Pm，n之光二極體PDi，係陽極端子接地，陰極端子 則經由開關SWl而連接於佈線Lnj，開關SWi關閉時，向佈 線LnJ輸出因應入射光量之電荷。又，包含於各像素匕a之 光二極體PD2，係陽極端子接地，陰極端子則經由開^ 請2而連接於佈線Ln2,開關Μ關閉時，向佈以 因應入射光量之電荷。 ’出 信號讀出部20 ’係輸出因應包含於攝像區域10之各像素 Pm，„内之2個光二極體PDi、ρ〇2各自產生之電荷量的電應 122329.doc 200818890 者，且包含2N個積分電路21l，1〜2lN，2及2N個保持電路 221(1〜22N，2。2N個積分電路21"〜21N，2係分別具有相同之構 成。又，2N個保持電路22ij〜22N，2係分別具有相同之構 成。 各積分電路21n，k係蓄積經由佈線！^^輸入之電荷，並輸 出因應該蓄積電荷量之電壓。各保持電路22nk係輸入並保 持k積分電路21n，k輸出之電壓，並根據來自行選擇部之 指示而輸出該保持之電壓Vn，k。此處，让係！或2。此時，信 號處理部20依次輸出電壓Vl l、Vi 2、V2，、V 、λ/ ， ， 2 51 V2,2、V3，1、 V3’2、…、Vn’i、Vn 2、…、Vnj、VN，2。 AD變換部40輸入從信號處理部20輸出並經由緩衝電路 30之電壓Vn，k，進行AD變換後，輸出因應該輸入電壓v π，k 之數位值Dn，k。加算部5〇對攝像區域1〇之各像素，演算 數位值Dn>1、Dn，2之總和，並輸出該總和值之數位值^^(二 Dq+Du)，前述數位值ο。、Du，係根據包含於該像素 Pm，n内之2個光二極體pDi、PR各自產生之電荷量，而從 AD變換部40輸出者。 列選擇部60係輸出第㈤列選擇信號Vsel(m)，該第❿列選 擇信號Vsel(m)係控制位於攝像區域1 〇之第m列之N個像素 Pm，!〜Pm，N所分別包含之開關SWi、SI之開關動作者。此 等Μ個列選擇信號Vsel⑴〜Vse_係依次成為高位準。列 選擇部⑼當第111列選擇信號Vsel(m)為高位準時，係將位元 於第m列之N個像素Pm i〜Pm N所分別包含之光二極體叫、 PD2產生之電荷，經由同像素之開關sWi、而向佈線 122329.doc 200818890
Ln，l、Ln 2輸出。 行選擇部70係分別對包含於信號讀出部20内之2N個保持 電路22 u〜22N，2，控制保持電壓之輸出，並從信號讀出部 2〇依次輸出電壓 Vll、Vi2、vu、ν22、ν3ϊ1、v32、...、
Vn’i、Vn，2、…、Vnj、Vn，2。 圖2係本實施形態之固體攝像裝置i之像素Pm n之積分電 路21n，k及保持電路22n，k各自之電路圖。並且，在該圖中係 代表性顯示此等電路。如前所述，瓜係1以上M以下之整 數，η係1以上n以下之整數，k係1或2。 各積分電路21n，k係具備放大器An、電容器Cn及開關 。包含於積分電路21nk内之放大器八21之輸入端子， 係經由佈線Ln，k而連接於包含在像素Pmn内之開關SWk。電 容器Cn及開關sWn係並列設置於放大器An之輸入端子與 輸出端子之間。該積分電路21 n k係藉由開關sw2 i關閉而讓 電容器Cn放電，且從積分電路21以輸出之之電壓加以初 始化。又，積分電路21n，k當開關sWn開啟時，係將經由佈 線Ln，k而輸入之電荷蓄積於電容器c21，並向保持電路22
Π J K 輸出因應該蓄積電荷量之電壓。 各保持電路22n，k係具備電容器c22及開關sw221、 si22。電容器Ου之一端係經由開關sW22i而與積分電路 2ln，k之放大器八^之輸出端子連接，又，經由開關sW222而 ’、緩衝電路30連接。電谷器〇22之另一端係連接於接地電 位。該保持電路22n，k係藉由開關swm從關閉狀態轉變為 開啟狀怨’而於該時點將從積分電路21 n k輸出之電壓vn k 122329.doc -11 - 200818890 保持於電容器c22。且保持電路22nk在開關請222關閉時， 向緩衝電路30輸出保持於電容器c22之電壓Vn k。
圖3係顯示本實施形態之固體攝像装置】之像素L’n内所 包含之2個光二極體PDi、pD2各自之光感應區域形：之平 面圖。如同圖所示，包含於各像素I内之2個光二極體 PD】、PD2各自之光感應區域，整體呈正方形。正方形鄰接 之2邊亦可有5%以下之誤差。又，包含於各像素1之2個 光二極體PDl、PD2各自之光感應區域，宜有彼此相等之面 積。並且，此等之面積亦可有5%以内之誤差。包含於各 像素Pm，ni2個光二極體PR、PR各自之光感應區域，可 如圖3-(a)、圖3-(b)所示係長方形，亦可如圖3_(c)所示係三 角形，抑或如圖3_(d)所示係梯形。 其次’說明本實施形態之固體攝像裝置1之動作。固體 攝像裝置1係藉由列選擇部60及行選擇部7〇，以及控制固 體攝像裝置1整體動作之控制部控制，而受到控制並進行 動作。圖4係說明本實施形態之固體攝像裝置1之動作的時 序圖。 圖4_(a)係顯示各積分電路2in k之開關swn之時序，圖4· (b)係顯示第！!!列之各像素Pmn之開關SWl、SW2之時序，圖 4_(c)係顯示各保持電路22n k之開關sw221之時序，圖4·(ά1) 係顯示保持電路22Μ之開關SW222之時序，圖4-(d2)係顯示 保持電路22〗，2之開關SW222之時序，圖4-(d3)係顯示保持電 路222，i之開關SWm之時序，圖4-(d4)係顯示保持電路22 之開關SW222之時序，圖4-(d5)係顯示保持電路22w之開關 122329.doc -12- 200818890 SW:2之時序’圖Μ6)係顯示保持電路223,2之開關SW222 之日，，圖4·⑷係顯示AD變換部4〇之輸出時序，圖‘⑴ 係顯示加算部50之輸出時序。 Ο
亦即，該圖中係顯示：⑷各積分電路21n,k之開關SW21 之開關動作；⑻第m列之各像素Pm n之開關，丨、sw2之開 關動作；⑷各保持電路22nk之開關I之開關動作； (dl)〜(d6)各保持電路&之開關SW222之開關動作；⑷μ 變換部40之AD變換動作；及⑺加算部5〇之加算動作。 求取因應位於第m列之N個像素Pm i〜Pm N各自之入射光 量之數位值Dl〜DN時’首先，在2N個各積分電路 〜21N，2中，開關SW2^關閉一定期間，藉此，電容器 Cn放電，輸出電壓初始化。 此後，在位於第m列之N個各像素Pmi〜PmN，所輸入之 第m列選擇信號Vsel(m)係僅一定期間成為高位準，且開關 SWr SW2僅關閉一定期間，在此等關閉期間内，因應迄 止光二極體PDl、PD2中之光入射而蓄積於接合電容^電 荷，係經由開關SWl、SW2向佈線Lni、Ln，2輪出。此時， 在各積分電路21〇中，因為開關SW2^]啟’故從像素 經由佈線Ln，k輸入之電荷係蓄積於電容器Cy，且向保持電 路22n，k輸出因應該蓄積電荷量之電壓。 位準之期間，在各 定期間，且該開關 從積分電路21n，k輸 又，在第m列選擇信號Vsel(m)成為高 保持電路22n，k中，開關8冒221僅關閉一 SW221從關閉狀態轉變為開啟狀態時， 出之電壓乂以係藉由電容器Cn加以保持 122329.doc -13- 200818890 此後，藉由行選擇部70之控制，各保 SW222依次僅關閉—定期 2以之開關 期間。糟此，從信號處理部20向緩 衝電路30依次輸出電壓 、’、 V”、、Vl、v " Vl’2、I、v2,2、v3>1、 3’2 …Vl Vn，2、.··、VN，1、VN，2。 又’在AD變換部4〇中你 〇 攸仏旒處理部20輸出並經由缓 衝電路30之電壓VnK進行AD變換 、由級 該輸入電塵vn，K之數位值1>。此° 口异相輸出因應 算部依次輸出數位值Dii、D n灸換°M0向加 η η 丨，1 Dl’2、D2，1、d2,2、d3 丨、 3 2、…n l、Dn，2、··.、〜、DN，2。 再者，在加算部5〇演瞀你 〜^從AD變換部4〇輸出之數位 、鳴，2之總和，並輸出該總和值之數位值〇心〇
Dn，2)。此時，從加算部5〇依次輸出數位 ^ 〇3、…、Dn、…、Dn。 1 〇2、 "此處，數位值Dn，k係根據位於“列第晴之像 光一極體PDk產生之電荷詈夕伯 . m,n 了里之值，亦即係因應朝向像 之光二極體PD入射光詈 m,n ^… 光里之值。又’數位值Dn係根據包含 於像素、之2個光二極體PD丨，PD2各自所產生之電 總里值，亦即係因應朝向像素PM之入射光量之值。 如此仔到因應分別位於第m列之N個像素〜 射光量之數位❹心後，接著同樣可得到因應分別位於 :一者，即第（m+1)列之N個像素Pm+Ii〜pm+】,N之入 里之數位值Di~Dn。藉由對所有的列進行該動作，可以田 到因應朝向攝像區域1〇2Mxis^ 于 ., 像素M M，N之入射 光里的數位值，而可獲致攝像資料。 122329.doc •14- 200818890 如上，本實施形態之固體攝像裝置〗中，在攝像區域1〇 之各像素Pm，n内包含2個光二極體pDi、ρΓ>2，可獲致因應 光極體PDl、PD2產生之電荷量之電壓vn，！、Vn，2以及數 位值Dn，！、Dn，2，繼之可得到因應朝向像素n之入射光量 之數位值〇〆=〇“ +Dn，2)。因此，例如即使係將固體攝像 虞置1用於牙科料，且各像素^之光感應區域需要為較 大面積時，亦可進行S/N比良好之攝像。
一亦即作為比較例，假定各像素包含1個光二極體，該 光一極體之接合電容係c之情形。此時，從AD變換部輸出 之數位值中所包含之雜訊成分大小，係表示為「Αχ。」。 此處，A係藉自包含於積&電路之放大器所決定之常數。 相較於此，本實施形態中，若設定各像素包含2個光二 極體，且各像素整體之域應、區域的面積與前述比較例相 同時，各個光二極體之接合電容值為c/2。因此，從八〇變 換部40輸出之數位值Dn，k所包含之雜訊成分大小，係表示 為「AxC/2」，而從加算部50輸出之數位值w所包含之雜I 成分大小，係表示A「AxC/2。'。如此，在本實施形態 中，因應朝向各像素Pm，n之人射光量之數位值％所包含之 雜訊成分大小，與前述比較例相比較時係為1/2G 5倍。 又，尤柷凋I動態靶圍之上限，係藉由可蓄積於光二極 體之接合電容部之電荷量上限，及讀出該電荷之積分;路 之輸出電壓的飽和位準中較低者來決金 ^ m 低有术决疋。如牙科用途之情 形，若光二極體之光感應區域之面積軔女主 ®檟早又大時，因可蓄積於 光二極體之接合電容部之電荷量亦大，故 石又稭甶積分電路之 122329.doc -15- 200818890 輸出電壓飽和，動態範圍受到限制。又，伴隨著近年來因 低消耗電力化而使得電源電壓降低，放大器之驅動電壓亦 處於降低之傾向，故放大器之飽和電壓位準處於進一步降 低之傾向。如此，即使可以在光二極體之接合電容部蓄積 較多之電荷，包含於積分電路内之放大器中飽和以上之電 荷仍為浪費。 相較於此，本實施形態中，與前述比較例比較時，因各 積分電路中所蓄積之電荷量為一半，故對各像素可以至2 倍之電荷量而作為信號進行處理。藉此，例如來自ad變 換部40之輸出數位值係12位元時，來自加算部5〇之輸出數 位值即擴大至13位元。又，如前所述，因為雜訊成分之大 小為1/2()5倍，故在動態範圍之上限之8/：^[比成為2/'2倍。 本發明並不限定於前述實施形態，可進行各種變形。例 如，包含於各像素中之光二極體之個數，在前述實施形態 中係2個，但亦可為3個以上。又，本發明在對人體照射X 射線之點上’並不限定於牙科治療用途，而係有關於整個 醫療用之X射線固體攝像裝置。 【圖式簡單說明】 圖1係本實施形態之固體攝像裝置1之構成圖。 圖2係本實施形態之固體攝像裝置1之像素n、積分電 路21n，k、及保持電路22以各自之電路圖。 圖3係顯示本實施形態之固體攝像裝置1之像素pm，n所包 含之2個光一極體PDi、PD2各自之光感應區域形狀之平面 圖’圖3-(a)係顯示橫向鄰接之長方形之光二極體對，圖％ 122329.doc -16 - 200818890 (b)係顯示縱向鄰接之長方形之光二極體對，圖3·(幻係顯 示相互鄰接之三角形之光二極體對’圖3_(d)係顯示相互鄰 接之梯形之光二極體對。 圖4係說明本實施形態之固體攝像裝置1之動作時序圖， 圖4-(a)係顯示各積分電路21n k之開關SWn之時序，圖2(匕） 係顯示第m列之各像素Pmn之開關SWi、sw〗之時序，圖4_ - ⑷係顯示各保持電路22nk之開關.η丨之時序，圖4·㈣係 〇 顯不保持電路221’1之開關SW222之時序’圖4-(d2)係顯示保 持電路22l，2之開關SW222之時序，圖4侦）係顯示保持電路 …之開關SW222之時序，圖4_(d4)係顯示保持電路&之 開關請222之時序’圖4侧係顯示保持電路2231之開關 222之時序’圖4·((16)係顯不保持電路22”之開關請2。 之時序，圖4-⑷係顯*AD變換部4〇之輸出時序，圖4_⑴ 係顯示加算部5 0之輸出時序。 【主要元件符號說明】 1 固體攝像裝置 10 攝像區域 20 信號讀出部 21 積分電路 22 保持電路 30 緩衝電路 40 AD變換部 50 加算部 60 列選擇部 122329.doc -17- 200818890 70 行選擇部 A 放大器 C 電容器 PD 光二極體 SW 開關 Ο 122329.doc -18-

Claims (1)

  1. 200818890 十、申請專利範圍： 1 · 一種固體攝像裝置，Α牲 ，、荷城在於包含有： 攝像區域，其係二維排 $非列有分別包含複數個光二極體 之複數個像素者； 信號讀出部，其係輸出與電荷量對應之電壓，而前述 電荷量係由前述攝像區域之各像素内所包含之複數個光 二極體所各自產生者； AD變換部，其係將從前述信號讀出部所輸出之電壓予 以輸入並進行AD變換後，於山, 士人 _ ^ ^輸出與此輸入電壓對應之數位 值者；及 加算部’其係對前述攝像區域之各像素，演算數位值 之總和並輸出其總和值之數位值者，而前述數位值係對 應於該像素内所包含之複數個光二極體所各自產生之電 荷量，而從前述AD變換部輸出者；且 丽述攝像區域之各像素内所包含之複數個光二極體各 自之光感應區域，係整體為正方形。 2·如請求項1之固體攝像裝置，其中 前述攝像區域之各像素内所包含之複數個光二極體各 自之光感應區域，係具有彼此相等之面積。 122329.doc
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