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(57)【要約】
【課題】撮像画像の画質を向上させることが可能な放射
線撮像装置を提供する。
【解決手段】放射線撮像装置は、放射線に基づいて信号
電荷を発生する複数の画素と、画素毎に光電変換素子を
有する素子基板と、素子基板の光入射側に設けられ、放
射線を他の波長に変換する波長変換層と、波長変換層を
画素毎に分離する隔壁とを備え、波長変換層と素子基板
との間の間隙が、撮像対象物の空間周波数に応じて、予
め設定された閾値以上または閾値以下となるように構成
されているものである。
【選択図】図3
10
(2)
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【特許請求の範囲】
【請求項1】
放射線に基づいて信号電荷を発生する複数の画素と、
前記画素毎に光電変換素子を有する素子基板と、
前記素子基板の光入射側に設けられ、前記放射線を他の波長に変換する波長変換層と、
前記波長変換層を画素毎に分離する隔壁と
を備え、
前記波長変換層と前記素子基板との間の間隙が、撮像対象物の空間周波数に応じて、予
め設定された閾値以上または前記閾値以下となるように構成されている
放射線撮像装置。
10
【請求項2】
前記空間周波数がナイキスト周波数の1/2以下である場合、
前記間隙は前記閾値以下に設定されている
請求項1に記載の放射線撮像装置。
【請求項3】
前記空間周波数がナイキスト周波数の1/2以上である場合、
前記間隙は前記閾値以上に設定されている
請求項1に記載の放射線撮像装置。
【請求項4】
前記波長変換層と前記素子基板との間に第1の中間層を備え、
20
前記閾値(d0)は、以下の式(1),(2)によって表されるものである
d0=(Δs+w/2)/tanθ2 ………(1)
θ2=sin-1(n1・sinθ1/n2) ………(2)
但し、
Δs:光電変換素子端から画素端までの距離の最小値
w:隔壁の幅
θ1:波長変換層および第1の中間層の界面への入射角
θ2:波長変換層および第1の中間層の界面における屈折角
n1:波長変換層の屈折率
n2:第1の中間層の屈折率
30
とする
請求項1に記載の放射線撮像装置。
【請求項5】
前記第1の中間層は、前記波長変換層と同一の構成材料からなる
請求項4に記載の放射線撮像装置。
【請求項6】
前記第1の中間層は、平坦化層である
請求項4に記載の放射線撮像装置。
【請求項7】
前記波長変換層と前記素子基板との間に、前記波長変換層の側から順に第1の中間層お
40
よび第2の中間層を備え、
前記閾値(d0')は、以下の式(3)∼(8)によって表されるものである
d0'=d1+d2 ………(3)
d1=(Δs1/tanθ2 ………(4)
d2=(Δs2/tanθ3 ………(5)
θ2=sin-1(n1・sinθ1/n2) ………(6)
θ3=sin-1(n2・sinθ2/n3) ………(7)
Δs1+Δs2=Δs+w/2 ………(8)
但し、
Δs:光電変換素子端から画素端までの距離の最小値
50
(3)
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w:隔壁の幅
d1:第1の中間層の膜厚、d2:第2の中間層の膜厚
θ1:波長変換層および第1の中間層の界面への入射角
θ2:波長変換層および第1の中間層の界面における屈折角(第1および第2の中間層
の界面への入射角)
θ3:第1および第2の中間層の界面における屈折角
n1:波長変換層の屈折率,n2:第1の中間層の屈折率,n3:第2の中間層の屈折率
とする
請求項1に記載の放射線撮像装置。
【請求項8】
10
前記第1の中間層は空気層であり、
前記第2の中間層は平坦化層である
請求項7に記載の放射線撮像装置。
【請求項9】
前記第1の中間層は接着層であり、
前記第2の中間層は平坦化層である
請求項7に記載の放射線撮像装置。
【請求項10】
前記接着層または前記平坦化層は、前記波長変換層と同一の構成材料を含有する
請求項9に記載の放射線撮像装置。
20
【請求項11】
放射線撮像装置と、この放射線撮像装置により得られた撮像信号に基づく画像表示を行
う表示装置とを備え、
前記放射線撮像装置は、
放射線に基づいて信号電荷を発生する複数の画素と、
前記画素毎に光電変換素子を有する素子基板と、
前記素子基板の光入射側に設けられ、前記放射線を他の波長に変換する波長変換層と、
前記波長変換層を画素毎に分離する隔壁と
を備え、
前記波長変換層と前記素子基板との間の間隙が、撮像対象物の空間周波数に応じて、予
30
め設定された閾値以上または前記閾値以下となるように構成されている
放射線撮像表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、入射した放射線に基づいて画像を取得する放射線撮像装置、およびそのよう
な放射線撮像装置を備えた放射線撮像表示システムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、X線などの放射線に基づく画像を電気信号として取得する放射線撮像装置が開発
40
されている(例えば特許文献1)。このような放射線撮像装置は、いわゆる間接変換型の
ものと直接変換型のものに大別される。間接変換型の放射線撮像装置では、例えばX線を
可視光に変換する変換層を備えた波長変換基板(シンチレータプレート)と、可視光に基
づいて電気信号を発生する光電変換素子を備えたセンサ基板とが貼り合わせられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2002−228757号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
50
(4)
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【0004】
上記のような放射線撮像装置では、センサ基板と変換基板との間隙を最適化して撮像画
像の画質向上を図ることが可能な素子構造の実現が望まれている。
【0005】
本開示はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、撮像画像の画質を向上さ
せることが可能な放射線撮像装置、およびそのような放射線撮像装置を備えた放射線撮像
表示システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示の放射線撮像装置は、放射線に基づいて信号電荷を発生する複数の画素と、画素
10
毎に光電変換素子を有する素子基板と、素子基板の光入射側に設けられ、放射線を他の波
長に変換する波長変換層と、波長変換層を画素毎に分離する隔壁とを備え、波長変換層と
素子基板との間の間隙が、撮像対象物の空間周波数に応じて、予め設定された閾値以上ま
たは閾値以下となるように構成されているものである。
【0007】
本開示の放射線撮像表示システムは、上記本開示の放射線撮像装置と、この放射線撮像
装置により得られた撮像信号に基づく画像表示を行う表示装置とを備えたものである。
【0008】
本開示の放射線撮像装置および放射線撮像表示システムでは、画素毎に光電変換素子を
有する素子基板と、波長変換層との間隙が、撮像対象物の空間周波数に応じて、所定の閾
20
値以上またはその閾値以下となるように構成されている。これにより、素子基板と波長変
換層との間隙が撮像対象物の空間周波数に応じて最適化され、撮像画像のMTF(鮮鋭度
)の低減が抑制され、あるいはモアレの発生などが抑制される。
【発明の効果】
【0009】
本開示の放射線撮像装置および放射線撮像表示システムによれば、画素毎に光電変換素
子を有する素子基板と、放射線を他の波長へ変換する波長変換層との間隙が、撮像対象物
の空間周波数に応じて、所定の閾値以上またはその閾値以下となるように構成されている
。これにより、素子基板と波長変換層との間隙が最適化され、撮像画像のMTFの低減あ
るいはモアレの発生などを抑制できる。よって、撮像画像の画質を向上させることが可能
30
となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本開示の一実施の形態に係る放射線撮像装置の全体構成例を表すブロック図であ
る。
【図2】図1に示した画素等の詳細構成例を表す回路図である。
【図3】図1に示した画素部の構成を表す断面図である。
【図4】図3に示した画素部の平面模式図である。
【図5】図1に示した列選択部の詳細構成例を表すブロック図である。
【図6】本開示の第1の実施の形態に係る画素部の構成を表す断面図である。
40
【図7A】比較例1に係る画素部の作用を説明するための模式図である。
【図7B】図6に示した画素部の作用を説明するための模式図である。
【図8】本開示の第2の実施の形態に係る画素部の構成を表す断面図である。
【図9A】比較例2に係る画素部の作用を説明するための模式図である。
【図9B】図8に示した画素部の作用を説明するための模式図である。
【図10】本開示の第3の実施の形態に係る画素部の構成を表す断面図である。
【図11】変形例1−1に係る画素部の要部構成を表す断面図である。
【図12】変形例1−2に係る画素部の要部構成を表す断面図である。
【図13】変形例1−3に係る画素部の要部構成を表す断面図である。
【図14】変形例2に係る画素等の構成を表す回路図である。
50
(5)
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【図15】変形例3に係る画素等の構成を表す回路図である。
【図16】変形例4−1に係る画素等の構成を表す回路図である。
【図17】変形例4−2に係る画素等の構成を表す回路図である。
【図18】適用例に係る放射線撮像表示システムの概略構成を表す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。尚、説明は以下
の順序で行う。
1.全体構成(放射線撮像装置および画素部の構成例)
2.第1の実施の形態(撮像対象物の空間周波数がナイキスト周波数以下の場合において
10
素子基板と波長変換層との間隙を最適化した例)
3.第2の実施の形態(撮像対象物の空間周波数がナイキスト周波数以上の場合において
素子基板と波長変換層との間隙を最適化した例)
4.第3の実施の形態(素子基板と波長変換層との間に屈折率の異なる2つの中間層が介
在する場合の例)
5.変形例1−1(2つの中間層が介在する場合の他の例)
6.変形例1−2(2つの中間層が介在する場合の他の例)
7.変形例1−3(2つの中間層が介在する場合の他の例)
8.変形例2(パッシブ型の他の画素回路の例)
9.変形例3(パッシブ型の他の画素回路の例)
20
10.変形例4−1,4−2(アクティブ型の画素回路の例)
11.適用例(放射線撮像表示システムの例)
【0012】
<全体構成>
図1は、本開示の一実施の形態に係る放射線撮像装置(放射線撮像装置1)の全体のブ
ロック構成を表すものである。ここでは、後述の第1∼第3の実施の形態の説明に先立ち
、各実施の形態に共通の構成について説明する。放射線撮像装置1は、入射する放射線(
例えばX線)に基づいて被写体の情報を読み取る(被写体を撮像する)ものである。この
放射線撮像装置1は、画素部11を備えると共に、この画素部11の駆動回路として、行
走査部13、A/D変換部14、列走査部15およびシステム制御部16を備えている。
30
この放射線撮像装置1は、例えば間接変換型FPD(flat panel detector)である。詳
細は後述するが、画素部11では、放射線が一度可視光に変換された後、その可視光に基
づく電気信号が得られるようになっている。
【0013】
(画素部11)
画素部11は、放射線に基づいて信号電荷を発生させる複数の画素(撮像画素,単位画
素)20を備えたものである。複数の画素20は、行列状(マトリクス状)に2次元配置
されている。尚、図1中に示したように、画素部11内における水平方向(行方向)を「
H」方向とし、垂直方向(列方向)を「V」方向とする。
【0014】
40
図2は、画素20の回路構成(いわゆるパッシブ型の回路構成)を、A/D変換部14
内のチャージアンプ回路171(後述)の回路構成とともに例示したものである。このパ
ッシブ型の画素20には、例えば1つの光電変換素子21と、1つのTFT22とが設け
られている。この画素20にはまた、H方向に沿って延在する読み出し制御線Lread(走
査線、ゲート線)と、V方向に沿って延在する信号線Lsigとが接続されている。
【0015】
光電変換素子21は、例えばPIN(Positive Intrinsic Negative)型のフォトダイ
オードまたはMIS(Metal-Insulator-Semiconductor)型センサからなり、入射光量に
応じた電荷量の信号電荷を発生させる。尚、この光電変換素子21のカソードは、ここで
は蓄積ノードNに接続されており、アノードは例えば接地あるいはバイアス線に接続され
50
(6)
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ている。
【0016】
TFT22は、読み出し制御線Lreadから供給される行走査信号に応じてオン状態とな
ることにより、光電変換素子21により得られた信号電荷(入力電圧Vin)を信号線Lsi
gへ出力するトランジスタ(読み出し用トランジスタ)である。このTFT22は、例え
ばNチャネル型(N型)の電界効果トランジスタ(FET;Field Effect Transistor)
により構成されている。但し、TFT22はPチャネル型(P型)のFET等により構成
されていてもよい。
【0017】
このTFT22は、例えば半導体層(活性層)を間にして2つのゲート電極が対向配置
10
された、いわゆるデュアルゲート型(両面ゲート型、ダブルゲート型)の素子構造を有し
ている。あるいは、ボトムゲート型あるいはトップゲート型の素子構造を有していてもよ
い。TFT22の半導体層は、例えば非晶質シリコン(アモルファスシリコン)、微結晶
シリコンまたは多結晶シリコン(ポリシリコン)等のシリコン系半導体により構成され、
望ましくは低温多結晶シリコン(LTPS:Low Temperature Poly-silicon)により構成
されている。但し、これらのシリコン系半導体に限定されず、例えば酸化インジウムガリ
ウム亜鉛(InGaZnO)または酸化亜鉛(ZnO)等の酸化物半導体により構成され
ていてもよい。
【0018】
図3は、上記のような画素20からなる画素部11の断面構成を表したものである。図
20
4は、画素部11の平面構成を模式的に表したものである。画素部11は、素子基板(セ
ンサ基板)110の光入射側(受光面側)に、波長変換層25を備えたものである。波長
変換層25は、隔壁26によって画素20毎に分離されている。波長変換層25および隔
壁26は、例えば支持基板120の一面に形成されており、波長変換基板(シンチレータ
プレート)を構成する。画素部11では、例えば支持基板120と素子基板110とが、
波長変換層25および隔壁26を間にして貼り合わせられている。以下に説明する各実施
の形態では、素子基板110と波長変換層25との間に、1または複数の中間層(中間層
24)が介在する。尚、図3では、簡便化のため、3つの画素20が配列された構成を図
示しているが、画素部11の画素数および画素配列はこれに限定されるものではない。
【0019】
30
素子基板110は、ガラスなどの基板110a上に、上述の光電変換素子21およびT
FT22が形成されると共に、配線23などが形成されたものである。配線23は、例え
ば読み出し制御線Lread、信号線Lsigあるいはバイアス線(Lbias)等に相当するもの
である。素子基板110において、光電変換素子21、TFT22および配線23(Lre
ad,Lsig,Lbias)は、例えば図4に示したようにレイアウトされる。例えば、読み出
し制御線Lreadと信号線Lsigとが互いに交差するように、かつ隔壁26に対向して配置
されている。また、バイアス線Lbiasは、例えば信号線Lsigと並行して配置されている
。TFT22は、ノイズ低減およびフィルファクタ低減抑制のため、読み出し制御線Lre
adおよび信号線Lsigに隣接して(あるいは近傍に)形成されている。光電変換素子21
は、これらの読み出し制御線Lread、信号線Lsigおよびバイアス線LbiasとTFT22
40
とによって囲まれた領域に形成されている。
【0020】
隔壁26は、画素20間の領域に形成され、波長変換層25を画素毎に分離するもので
ある。換言すると、隔壁26は、例えば図4に示したような格子状を成し、この格子によ
って囲まれた各部分(開口部分)に、波長変換層25が充填されている。このような隔壁
26は、例えば感光性ガラス(例えばセラミック粉と低融点ガラスとが混合されたもの)
により構成されている。隔壁26の厚み(高さ)は例えば0.1mm∼3.0mmであり
、隔壁26の幅(幅w)は、例えば0.02mm∼0.06mmである。
【0021】
波長変換層25は、放射線Rrad(例えばα線,β線,γ線,X線等)を、光電変換素
50
(7)
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子21の感度域の波長に変換するものであり、例えばX線を吸収して可視光を発する蛍光
体(例えば、シンチレータ)からなる。蛍光体材料としては、例えばCsI(Tl添加)
,Gd2O2S,BaFX(XはCl,Br,I等),NaIまたはCaF2等が挙げられ
る。波長変換層25の厚みは、隔壁26の厚み(高さ)と同等かそれ以下である。
【0022】
支持基板120は、例えばガラス、セラミック、半導体、金属、高分子材料、などより
なる。例えば、石英,ホウ珪酸ガラスおよび化学的強化ガラスなどの板ガラス、サファイ
ア、チッ化珪素および炭化珪素などのセラミック、シリコン,ゲルマニウム,ガリウム砒
素,ガリウム燐およびガリウム窒素などの半導体、アルミニウム(Al),鉄(Fe)お
よび銅(Cu)等の金属あるいはこれらの金属をその金属酸化物で被膜したものなどが挙
10
げられる。また、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミド
、炭素繊維強化樹脂等の高分子材料(プラスチック)であってもよい。
【0023】
中間層24は、上述のように素子基板110と波長変換層25との間において、例えば
素子基板110の全面にわたって設けられている。中間層24は、詳細は後述するが、所
定の材料によって構成されていてもよいし、空気層であってもよい。この中間層24は、
素子基板110と波長変換層25との間の距離(間隙d)を規定するものである。この中
間層24の屈折率および膜厚等を適切に設定することにより、以下の各実施の形態では、
撮像対象物の空間周波数(fs)に応じて間隙dが最適化される。尚、間隙dは、詳細に
は、素子基板110の光電変換素子21の受光面と波長変換層25の光出射面との間の距
20
離に相当する。
【0024】
具体的には、間隙dは、空間周波数fsに応じて、予め設定された閾値d0以下あるい
は閾値d0以上となるように設定されている。閾値d0は、波長変換層25を出射した光が
、隣接画素の光電変換素子21の端縁(受光領域と非受光領域との境界)に入射するとき
の間隙の大きさである。即ち、閾値d0は、以下の式(1),(2)によって表される。
但し、Δsは、光電変換素子21の端縁から画素20の端縁までの距離の最小値(図4参
照)に相当する値である。また、θ1は波長変換層25と中間層24との界面への入射角
(最大値)、θ2は波長変換層25と中間層24との界面における屈折角、n1は波長変換
層25の屈折率、n2は中間層24の屈折率である。
30
d0=(Δs+W/2)/tanθ2 ………(1)
θ2=sin-1(n1・sinθ1/n2) ………(2)
【0025】
各パラメータおよび閾値d0の一例を挙げると、θ1=20°(+20°,−20°)で
ある。θ1が20°を超えると、隔壁26における反射による減衰によって、可視光は波
長変換層25の外に出射されにくいためである。また、n1=2.2、n2=1.5、Δs
=10μm、w=25μmと設定することができる。このように設定した場合、d0=3
8.8μmとなる。
【0026】
(行走査部13)
40
行走査部13は、後述のシフトレジスタ回路や所定の論理回路等を含んで構成されてお
り、画素部11の複数の画素20に対して行単位(水平ライン単位)での駆動(線順次走
査)を行う画素駆動部(行走査回路)である。具体的には、各画素20の読み出し動作や
リセット動作等の撮像動作を例えば線順次走査により行う。尚、この線順次走査は、読み
出し制御線Lreadを介して前述した行走査信号を各画素20へ供給することによって行わ
れる。
【0027】
(A/D変換部14)
A/D変換部14は、複数(ここでは4つ)の信号線Lsigごとに1つ設けられた複数
の列選択部17を有しており、信号線Lsigを介して入力された信号電圧(信号電荷に応
50
(8)
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じた電圧)に基づいてA/D変換(アナログ/デジタル変換)を行うものである。これに
より、デジタル信号からなる出力データDout(撮像信号)が生成され、外部へ出力され
る。
【0028】
各列選択部17は、例えば図5に示したように、チャージアンプ172、容量素子(コ
ンデンサあるいはフィードバック容量素子等)C1、スイッチSW1、サンプルホールド
(S/H)回路173、4つのスイッチSW2を含むマルチプレクサ回路(選択回路)1
74、およびA/Dコンバータ175を有している。これらのうち、チャージアンプ17
2、容量素子C1、スイッチSW1、S/H回路173およびスイッチSW2は、信号線
Lsig毎に設けられている。尚、これらのうち、チャージアンプ172、容量素子C1お
10
よびスイッチSW1は、図2に示したチャージアンプ回路171に相当する。マルチプレ
クサ回路174およびA/Dコンバータ175は、列選択部17毎に設けられている。
【0029】
チャージアンプ172は、信号線Lsigから読み出された信号電荷を電圧に変換(Q−
V変換)するためのアンプ(増幅器)である。このチャージアンプ172では、負側(−
側)の入力端子に信号線Lsigの一端が接続され、正側(+側)の入力端子には所定のリ
セット電圧Vrstが入力されるようになっている。チャージアンプ172の出力端子と負
側の入力端子との間は、容量素子C1とスイッチSW1との並列接続回路を介して帰還接
続(フィードバック接続)されている。即ち、容量素子C1の一方の端子がチャージアン
プ172の負側の入力端子に接続され、他方の端子がチャージアンプ172の出力端子に
20
接続されている。同様に、スイッチSW1の一方の端子がチャージアンプ172の負側の
入力端子に接続され、他方の端子がチャージアンプ172の出力端子に接続されている。
尚、このスイッチSW1のオン・オフ状態は、システム制御部16からアンプリセット制
御線Lcarstを介して供給される制御信号(アンプリセット制御信号)によって制御され
る。
【0030】
S/H回路173は、チャージアンプ172とマルチプレクサ回路174(スイッチS
W2)との間に配置されており、チャージアンプ172からの出力電圧Vcaを一時的に保
持するための回路である。
【0031】
30
マルチプレクサ回路174は、列走査部15による走査駆動に従って4つのスイッチS
W2のうちの1つが順次オン状態となることにより、各S/H回路173とA/Dコンバ
ータ175との間を選択的に接続または遮断する回路である。
【0032】
A/Dコンバータ175は、スイッチSW2を介して入力されたS/H回路173から
の出力電圧に対してA/D変換を行うことにより、上記した出力データDoutを生成して
出力する回路である。
【0033】
(列走査部15)
列走査部15は、例えば図示しないシフトレジスタやアドレスデコーダ等を含んで構成
40
されており、上記した列選択部17内の各スイッチSW2を走査しつつ順番に駆動するも
のである。このような列走査部15による選択走査によって、信号線Lsigの各々を介し
て読み出された各画素20の信号(上記出力データDout)が、順番に外部へ出力される
ようになっている。
【0034】
(システム制御部16)
システム制御部16は、行走査部13、A/D変換部14および列走査部15の各動作
を制御するものである。具体的には、システム制御部16は、前述した各種のタイミング
信号(制御信号)を生成するタイミングジェネレータを有しており、このタイミングジェ
ネレータにおいて生成される各種のタイミング信号を基に、行走査部13、A/D変換部
50
(9)
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14および列走査部15の駆動制御を行う。このシステム制御部16の制御に基づいて、
行走査部13、A/D変換部14および列走査部15がそれぞれ画素部11内の複数の画
素20に対する撮像駆動(線順次撮像駆動)を行うことにより、画素部11から出力デー
タDoutが取得されるようになっている。
【0035】
以下、上記のような放射線撮像装置1において、空間周波数fsに応じた間隙dの最適
化について説明する。
【0036】
<第1の実施の形態>
[構成]
10
図6は、本開示の第1の実施の形態に係る画素部11の断面構成を表したものである。
本実施の形態では、撮像対象物の空間周波数fsがナイキスト周波数fn(例えば画素ピ
ッチpの1/2)以下(fs≦fn)である場合の間隙dの最適化について説明する。こ
の場合、画素部11は、間隙dが上記閾値d0以下の値(dA)となるように構成されてい
る。即ち、間隙dAは、以下の式(A),(2)によって表される。
d=dA≦(Δs+W/2)/tanθ2 ………(A)
θ2=sin-1(n1・sinθ1/n2) ………(2)
【0037】
素子基板110と波長変換層25との間には、上述した中間層24の一具体例として中
間層24A(第1の中間層)が形成されている。中間層24Aは、例えば波長変換層25
20
と同一の構成材料(シンチレータ)からなることが望ましい。あるいは、波長変換層25
と異なる材料から構成されていてもよいが、波長変換層25との間において屈折率差(屈
折率n1,n2の差)の少ない材料から構成されることが望ましい。素子基板110と波長
変換層25との間が例えば空気層である場合に比べ、屈折角θ2が小さくなり間隙dAの設
計範囲が拡がることから、プロセスマージンが拡大するためである。また、中間層24と
してシンチレータ材料が粉体または液体であれば、充填が容易である。
【0038】
[作用,効果]
本実施の形態の放射線撮像装置1では、例えばX線などの放射線が画素部11へ入射す
ると、波長変換層25において放射線が吸収され可視光を発生する。この可視光は、波長
30
変換層25から出射した後、素子基板110において画素20毎(光電変換素子21毎)
に受光される。これにより、各画素20(光電変換素子21)では、入射光に基づく信号
電荷が発生する(光電変換がなされる)。このとき、蓄積ノードN(図2)では、発生し
た信号電荷の蓄積によって、ノード容量に応じた電圧変化が生じる。この電圧変化に応じ
て、TFT22のドレインには入力電圧Vin(信号電荷に対応した電圧)が供給される。
その後、読み出し制御線Lreadから供給される行走査信号に応じてTFT22がオン状態
になると、上記した信号電荷が信号線Lsigへ読み出される。
【0039】
読み出された信号電荷は、信号線Lsigを介して複数(ここでは4つ)の画素列ごとに
、A/D変換部14内の列選択部17へ入力される。列選択部17では、まず、各信号線
40
Lsigから入力される信号電荷毎に、チャージアンプ172等からなるチャージアンプ回
路においてQ−V変換(信号電荷から信号電圧への変換)を行う。次いで、変換された信
号電圧(チャージアンプ172からの出力電圧Vca)毎に、S/H回路173およびマル
チプレクサ回路174を介してA/Dコンバータ175においてA/D変換を行い、デジ
タル信号からなる出力データDout(撮像信号)を生成する。このようにして、各列選択
部17から出力データDoutが順番に出力され、外部へ伝送される(または図示しない内
部メモリーへ入力される)。
【0040】
ここで、本実施の形態では、画素部11において、間隙dAが閾値d0以下となるように
構成されている。これにより、空間周波数fsがナイキスト周波数fn以下である場合に
50
(10)
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、撮像画像の画質を向上させることができる。その理由について説明する。
【0041】
即ち、放射線撮像装置1は、上述のように、素子基板110と、波長変換層25および
隔壁26が形成された支持基板120とを、貼り合わせて形成されるものである。このと
き、素子基板110と波長変換層25とが画素部11の全面において密着されることが理
想的である。ところが、実際には、素子基板110の歪みあるいは表面の凹凸などに起因
して、素子基板110と波長変換層25との間に空隙が生じる。図7Aに示したように、
この空隙がある程度大きい(空隙の大きさd100>d0)と、波長変換層25を出射した光
(L100)が、1つの画素20内に留まらず、隣接画素まで及ぶことがある。また、空隙
における屈折あるいは散乱によって、受光量が低減する場合もある。これらのことは、セ
10
ンサーとしての分解能を低下させる要因となる。また、そのような空隙の大きさが面内で
ばらつくと、撮像画像において面内の明るさが不均一になってしまう。
【0042】
これに対し、本実施の形態では、図7Bに示したように、素子基板110と波長変換層
25との間に中間層24Aを設け、間隙dが間隙dA(≦d0)となるように構成されてい
る。これにより、間隙dが最適化され、波長変換層25を出射した光LAが隣接画素に漏
れ込みにくく、1つの画素20内において受光される。また、中間層24Aの介在により
、屈折や散乱を抑制できることから、より多くの光を取り込み易くなり、受光量の低減を
抑制することができる。よって、撮像画像のMTF(鮮鋭度)の低減が抑制される。
20
【0043】
以上のように本実施の形態では、画素20毎に光電変換素子21を有する素子基板11
0と、波長変換層25との間隙dが、撮像対象物の空間周波数fsに応じて、閾値d0以
上または閾値d0以下となるように構成されている。具体的には、本実施の形態では、空
間周波数fsがナイキスト周波数fn以下である場合に、間隙dが閾値d0以下となるよ
うに構成されているので、空間周波数fsに応じて間隙dが最適化され、撮像画像のMT
F(鮮鋭度)の低減等を抑制できる。よって、撮像画像の画質を向上させることが可能と
なる。
【0044】
以下、上記第1の実施の形態の他の実施の形態および変形例について説明する。尚、上
記第1の実施の形態の構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する
30
。
【0045】
<第2の実施の形態>
[構成]
図8は、本開示の第2の実施の形態に係る画素部11の断面構成を表したものである。
本実施の形態では、撮像対象物の空間周波数fsがナイキスト周波数fn以上(fs≧f
n)である場合の間隙dの最適化について説明する。この場合、画素部11は、間隙dが
上記閾値d0以上の値(dB)となるように構成されている。即ち、間隙dBは、以下の式
(B),(2)によって表される。
d=dB≧(Δs+W/2)/tanθ2 ………(B)
40
-1
θ2=sin
(n1・sinθ1/n2) ………(2)
【0046】
素子基板110と波長変換層25との間には、上述した中間層24の一具体例として平
坦化層24B(第1の中間層)が形成されている。平坦化層24Bは、例えば有機材料な
どの平坦化材料から構成されている。平坦化層24Bの介在により、間隙dを最適化しつ
つ、素子基板110の歪みや凹凸を緩和することができる。このため、素子基板110と
波長変換層25との間が例えば空気層のみである場合に比べ、間隙dの面内ばらつきを抑
制して明るさが不均一になることを抑制できる。
【0047】
[作用,効果]
50
(11)
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本実施の形態においても、上記第1の実施の形態と同様、例えばX線などの放射線が画
素部へ入射すると、波長変換層25において放射線が吸収され、可視光を発生する。この
可視光が、素子基板110において画素20毎(光電変換素子21毎)に受光される。こ
れにより、各画素20では入射光に基づく信号電荷が発生し、発生した信号電荷が信号線
Lsigへ読み出される。読み出された信号電荷は、出力データDoutとして、外部へ伝送さ
れる(または図示しない内部メモリーへ入力される)。
【0048】
ここで、本実施の形態では、画素部11において、間隙dBが閾値d0以上となるように
構成されている。これにより、空間周波数fsがナイキスト周波数fn以上である場合に
、撮像画像の画質を向上させることができる。その理由について説明する。
10
【0049】
図9Aおよび図9Bに、画素部11の要部構成と共に、空間周波数fsがナイキスト周
波数fn以上である場合の撮像対象物のX線透過率の波形(実線:S1)と、各画素20
から得られた信号値の波形(一点鎖線:S101,S2)とを、模式的に示す。この場合
、波長変換層25において発生した可視光は、隔壁26によって拡散反射されにくい。こ
のため、図9Aに示したように間隙d101が閾値d0より小さいと、波長変換層25から出
射した光L101は、対応する画素20において選択的に受光され易い。この結果、波形S
101に示したように、いわゆるエイリアシングノイズが発生し、撮像画像においてモア
レが生じてしまう。
【0050】
20
これに対し、本実施の形態では、図9Bに示したように、素子基板110と波長変換層
25との間隙dが間隙dB(≧d0)となるように構成されている。これにより、間隙dが
最適化され、波長変換層25を出射した光LBが、対応する画素20だけでなく隣接画素
にまで分散されて受光される。この結果、波形S2に示したように、エイリアシングノイ
ズが低減され、撮像画像におけるモアレの発生が抑制される。
【0051】
以上のように本実施の形態では、画素20毎に光電変換素子21を有する素子基板11
0と、波長変換層25との間隙dが、撮像対象物の空間周波数fsに応じて、閾値d0以
上または閾値d0以下となるように構成されている。具体的には、本実施の形態では、空
間周波数fsがナイキスト周波数fn以上である場合に、間隙d(dB)が閾値d0以上と
30
なるように構成されているので、空間周波数fsに応じて間隙dが最適化され、撮像画像
においてモアレの発生等を抑制できる。よって、撮像画像の画質を向上させることが可能
となる。
【0052】
<第3の実施の形態>
図10は、本開示の第3の実施の形態に係る画素部11の断面構成を表したものである
。上記第1および第2の実施の形態では、素子基板110と波長変換層25との間に設け
られる中間層が1層である場合について説明したが、中間層は2層以上の複数層から構成
されていてもよい。ここでは、上記第2の実施の形態において説明した場合(fs≧fn
の場合)を例に挙げ、中間層が2層である場合の間隙dの最適化について説明する。具体
40
的には、本実施の形態では、上述の中間層24として、波長変換層25の側から順に、中
間層24C(第1の中間層)および中間層24c2D(第2の中間層)を有している。
【0053】
本実施の形態における閾値d0'は、以下の式(3)∼(8)によって表される。但し、
d1は中間層24Cの膜厚、d2は中間層24Dの膜厚、θ1は波長変換層25および中間
層24Cの界面への入射角(最大値)、θ2は波長変換層25および中間層24Cの界面
における屈折角(中間層24C,24Dの界面への入射角)、θ3は中間層24C,24
Dの界面における屈折角、n2は中間層24Cの屈折率、n3は中間層24Dの屈折率であ
る。
d0'=d1+d2 ………(3)
50
(12)
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d1=(Δs1/tanθ2 ………(4)
d2=(Δs2/tanθ3 ………(5)
θ2=sin-1(n1・sinθ1/n2) ………(6)
θ3=sin-1(n2・sinθ2/n3) ………(7)
Δs1+Δs2=Δs+w/2 ………(8)
【0054】
このように中間層24C,24Dを有する場合には、上記のような閾値d0'を用いて、
空間周波数fsに応じた間隙dの最適化がなされる。例えば空間周波数fsがナイキスト
周波数fn以上である場合には、画素部11は、間隙dが閾値d0'以上となるように構成
されている。あるいは、図示はしないが、空間周波数fsがナイキスト周波数fn以下で
10
ある場合には、画素部11は、間隙dが閾値d0'以下となるように構成されていればよい
。
【0055】
本実施の形態においても、中間層24C,24Dの屈折率および膜厚等を適切に設定す
ることにより、間隙dを最適化することができる。よって、上記第1の実施の形態(また
は上記第2の実施の形態)と同等の効果を得ることができる。
【0056】
尚、ここでは、中間層が2層である場合を例に挙げて説明したが、中間層は3層以上で
あってもよい。その場合には、d,θ,n,Δs等のパラメータの数を追加して、波長変
換層25を出射した光が、隣接画素の光電変換素子21の端縁に入射するときの間隙dを
20
閾値として設定すればよい。
【0057】
以下、上記第3の実施の形態の変形例(変形例1−1∼1−3)として、上記中間層2
4C,24Dの具体例について説明する。
【0058】
<変形例1−1>
図11は、変形例1−1に係る画素部の要部構成を表したものである。このように、素
子基板110と波長変換層25との間に、波長変換層25の側から空気層24c1および
平坦化層24d1が設けられていてもよい。空気層24c1は、例えば隔壁26の開口部
の一部に波長変換層25が形成される(開口部の一部にシンチレータ材料が充填される)
30
ことにより、形成されている。尚、平坦化層24d1は、上記第2の実施の形態と同様の
平坦化材料から構成されている。
【0059】
<変形例1−2>
図12は、変形例1−2に係る画素部の要部構成を表したものである。このように、素
子基板110と波長変換層25との間に、波長変換層25の側から接着層24c2および
平坦化層24d2が設けられていてもよい。接着層24c2は、例えばUV硬化性樹脂な
どよりなり、平坦化層24d2は、上記第2の実施の形態と同様の平坦化材料から構成さ
れている。
【0060】
40
<変形例1−3>
図13は、変形例1−3に係る画素部の要部構成を表したものである。このように、素
子基板110と波長変換層25との間に、波長変換層25の側から接着層24c3および
平坦化層24d3が設けられていてもよい。接着層24c3は、例えばUV硬化樹脂など
に、波長変換層25と同一の構成材料(シンチレータ材料)を含有させたものである。尚
、平坦化層24d3は、上記第2の実施の形態と同様の平坦化材料から構成されている。
また、図示はしないが、平坦化層24d3にシンチレータ材料がシンチレータ材料が含有
した構成であってもよい。
【0061】
<変形例2>
50
(13)
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図14は、変形例2に係る画素(画素20A)の回路構成を、上記実施の形態で説明し
たチャージアンプ回路171の回路構成例と共に表したものである。本変形例の画素20
Aは、実施の形態の画素20と同様にいわゆるパッシブ型の回路構成となっており、1つ
の光電変換素子21と1つのTFT22とを有している。また、この画素20AにはH方
向に沿って延在する読み出し制御線Lreadと、V方向に沿って延在する信号線Lsigとが
接続されている。
【0062】
但し、本変形例の画素20Aでは、上記実施の形態の画素20とは異なり、光電変換素
子21のアノードが蓄積ノードNに接続され、カソードがグランドに接続(接地)されて
いる。このように、画素20Aにおいて光電変換素子21のアノードに蓄積ノードNが接
10
続されるようにしてもよい。
【0063】
<変形例3>
図15は、変形例3に係る画素(画素20B)の回路構成を、上記実施の形態で説明し
たチャージアンプ回路171の回路構成例と共に表したものである。本変形例の画素20
Bは、実施の形態の画素20と同様にいわゆるパッシブ型の回路構成を有し、1つの光電
変換素子21を有すると共に、H方向に沿って延在する読み出し制御線Lreadと、V方向
に沿って延在する信号線Lsigとに接続されている。
【0064】
但し、本変形例では、画素20Bが、2つのTFT22を有している。これら2つのT
20
FT22は、互いに直列に接続されている(一方のソースまたはドレインと他方のソース
またはドレインとが電気的に接続されている。このように1つの画素20Bに2つのTF
T22を設けることにより、オフリークを低減させることができる。
【0065】
<変形例4−1,4−2>
図16は、変形例4−1に係る画素(画素20C)の回路構成を、以下説明するチャー
ジアンプ回路171Aの回路構成例とともに表したものである。また、図17は、変形例
4−2に係る画素(画素20D)の回路構成を、チャージアンプ回路171Aの回路構成
例とともに表したものである。これらの画素20C,20Dはそれぞれ、これまで説明し
た画素20,20A,20Bとは異なり、いわゆるアクティブ型の画素回路を有している
30
。
【0066】
このアクティブ型の画素20C,20Dには、1つの光電変換素子21と、3つのTF
T22,23,24とが設けられている。これらの画素20C,20Dにはまた、H方向
に沿って延在する読み出し制御線Lreadおよびリセット制御線Lrstと、V方向に沿って
延在する信号線Lsigとが接続されている。
【0067】
画素20C,20Dではそれぞれ、TFT22のゲートが読み出し制御線Lreadに接続
され、ソースが信号線Lsigに接続され、ドレインが、ソースフォロワ回路を構成するト
ランジスタ23のドレインに接続されている。トランジスタ23のソースは電源VDDに
40
接続され、ゲートは、蓄積ノードNを介して、光電変換素子21のカソード(図16の例
)またはアノード(図17の例)と、リセット用トランジスタとして機能するトランジス
タ24のドレインとに接続されている。トランジスタ24のゲートはリセット制御線Lrs
tに接続され、ソースにはリセット電圧Vrstが印加されるようになっている。変形例4−
1では、光電変換素子21のアノードがグランドに接続され、変形例4−2では、光電変
換素子21のカソードがグランドに接続されている。
【0068】
また、チャージアンプ回路171Aは、前述したチャージアンプ回路171におけるチ
ャージアンプ172、容量素子C1およびスイッチSW1に代わりに、アンプ176およ
び定電流源177を設けたものである。アンプ176では、正側の入力端子には信号線L
50
(14)
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sigが接続されると共に、負側の入力端子と出力端子とが互いに接続され、ボルテージフ
ォロワ回路が形成されている。尚、信号線Lsigの一端側には定電流源177の一方の端
子が接続され、この定電流源177の他方の端子には電源VSSが接続されている。
【0069】
<適用例>
続いて、上記実施の形態および変形例に係る放射線撮像装置は、以下に説明するような
放射線撮像表示システムへ適用することも可能である。
【0070】
図18は、適用例に係る放射線撮像表示システム(放射線撮像表示システム5)の概略
構成例を模式的に表したものである。放射線撮像表示システム5は、上記実施の形態等に
10
係る画素部11等を有する放射線撮像装置1と、画像処理部52と、表示装置4とを備え
ている。
【0071】
画像処理部52は、放射線撮像装置1から出力される出力データDout(撮像信号)に
対して所定の画像処理を施すことにより、画像データD1を生成するものである。表示装
置4は、画像処理部52において生成された画像データD1に基づく画像表示を、所定の
モニタ画面40上で行うものである。
【0072】
この放射線撮像表示システム5では、放射線撮像装置1が、X線源などの放射線源51
から被写体50に向けて照射された放射線に基づき、被写体50の画像データDoutを取
20
得し、画像処理部52へ出力する。画像処理部52は、入力された画像データDoutに対
して上記した所定の画像処理を施し、その画像処理後の画像データ(表示データ)D1を
表示装置4へ出力する。表示装置4は、入力された画像データD1に基づいて、モニタ画
面40上に画像情報(撮像画像)を表示する。
【0073】
このように、本適用例の放射線撮像表示システム5では、放射線撮像装置1において被
写体50の画像を電気信号として取得可能であるため、取得した電気信号を表示装置4へ
伝送することによって画像表示を行うことができる。即ち、放射線写真フィルムを用いる
ことなく、被写体50の画像を観察することが可能となり、また、動画撮影および動画表
示にも対応することが可能となる。
30
【0074】
以上、実施の形態、変形例および適用例を挙げたが、本開示内容はこれらの実施の形態
等に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態等の画素部における
画素の回路構成は、上述したもの(画素20,20A∼20Dの回路構成)には限られず
、他の回路構成であってもよい。同様に、行走査部や列選択部等の回路構成についても、
上記実施の形態等で説明したものには限られず、他の回路構成であってもよい。
【0075】
更に、上記実施の形態等で説明した画素部、行走査部、A/D変換部(列選択部)およ
び列走査部等はそれぞれ、例えば同一基板上に形成されているようにしてもよい。具体的
には、例えば低温多結晶シリコンなどの多結晶半導体を用いることにより、これらの回路
40
部分におけるスイッチ等も同一基板上に形成することができるようになる。このため、例
えば外部のシステム制御部からの制御信号に基づいて、同一基板上における駆動動作を行
うことが可能となり、狭額縁化(3辺フリーの額縁構造)や配線接続の際の信頼性向上を
実現することができる。
【0076】
尚、本開示は以下のような構成を取ることも可能である。
(1)
放射線に基づいて信号電荷を発生する複数の画素と、
前記画素毎に光電変換素子を有する素子基板と、
前記素子基板の光入射側に設けられ、前記放射線を他の波長に変換する波長変換層と、
50
(15)
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前記波長変換層を画素毎に分離する隔壁と
を備え、
前記波長変換層と前記素子基板との間の間隙が、撮像対象物の空間周波数に応じて、予
め設定された閾値以上または前記閾値以下となるように構成されている
放射線撮像装置。
(2)
前記空間周波数がナイキスト周波数の1/2以下である場合、
前記間隙は前記閾値以下に設定されている
上記(1)に記載の放射線撮像装置。
10
(3)
前記空間周波数がナイキスト周波数の1/2以上である場合、
前記間隙は前記閾値以上に設定されている
上記(1)に記載の放射線撮像装置。
(4)
前記波長変換層と前記素子基板との間に第1の中間層を備え、
前記閾値(d0)は、以下の式(1),(2)によって表されるものである
d0=(Δs+w/2)/tanθ2 ………(1)
θ2=sin-1(n1・sinθ1/n2) ………(2)
但し、
Δs:光電変換素子端から画素端までの距離の最小値
20
w:隔壁の幅
θ1:波長変換層および第1の中間層の界面への入射角
θ2:波長変換層および第1の中間層の界面における屈折角
n1:波長変換層の屈折率
n2:第1の中間層の屈折率
とする
上記(1)∼(3)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(5)
前記第1の中間層は、前記波長変換層と同一の構成材料からなる
上記(4)に記載の放射線撮像装置。
30
(6)
前記第1の中間層は、平坦化層である
上記(4)または(5)に記載の放射線撮像装置。
(7)
前記波長変換層と前記素子基板との間に、前記波長変換層の側から順に第1の中間層お
よび第2の中間層を備え、
前記閾値(d0')は、以下の式(3)∼(8)によって表されるものである
d0'=d1+d2 ………(3)
d1=(Δs1/tanθ2 ………(4)
d2=(Δs2/tanθ3 ………(5)
40
-1
θ2=sin
(n1・sinθ1/n2) ………(6)
θ3=sin-1(n2・sinθ2/n3) ………(7)
Δs1+Δs2=Δs+w/2 ………(8)
但し、
Δs:光電変換素子端から画素端までの距離の最小値
w:隔壁の幅
d1:第1の中間層の膜厚、d2:第2の中間層の膜厚
θ1:波長変換層および第1の中間層の界面への入射角
θ2:波長変換層および第1の中間層の界面における屈折角(第1および第2の中間層
の界面への入射角)
50
(16)
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θ3:第1および第2の中間層の界面における屈折角
n1:波長変換層の屈折率,n2:第1の中間層の屈折率,n3:第2の中間層の屈折率
とする
上記(1)∼(3)のいずれかに記載の放射線撮像装置。
(8)
前記第1の中間層は空気層であり、
前記第2の中間層は平坦化層である
上記(7)に記載の放射線撮像装置。
(9)
前記第1の中間層は接着層であり、
10
前記第2の中間層は平坦化層である
上記(7)に記載の放射線撮像装置。
(10)
前記接着層または前記平坦化層は、前記波長変換層と同一の構成材料を含有する
上記(9)に記載の放射線撮像装置。
(11)
放射線撮像装置と、この放射線撮像装置により得られた撮像信号に基づく画像表示を行
う表示装置とを備え、
前記放射線撮像装置は、
放射線に基づいて信号電荷を発生する複数の画素と、
20
前記画素毎に光電変換素子を有する素子基板と、
前記素子基板の光入射側に設けられ、前記放射線を他の波長に変換する波長変換層と、
前記波長変換層を画素毎に分離する隔壁と
を備え、
前記波長変換層と前記素子基板との間の間隙が、撮像対象物の空間周波数に応じて、予
め設定された閾値以上または前記閾値以下となるように構成されている
放射線撮像表示システム。
【符号の説明】
【0077】
1…放射線撮像装置、11…画素部、13…行走査部、14…A/D変換部、15…列
30
走査部、16…システム制御部、17…列選択部、171,171A…チャージアンプ回
路、172…チャージアンプ、173…S/H回路、174…マルチプレクサ回路、17
5…A/Dコンバータ、176…アンプ、177…定電流源、20,20A∼20D…画
素(撮像画素)、21…光電変換素子、22,23,24…トランジスタ、110…素子
基板、23…配線、24,24A,24C,24D…中間層、24B…平坦化層、25…
波長変換層、26…隔壁、120…支持基板、4…表示装置、40…モニタ画面、5…放
射線撮像表示システム、50…被写体、51…光源(放射線源)、52…画像処理部、L
sig…信号線、Lread…読み出し制御線、Lbias…バイアス線、Lrst…リセット制御線、
Lcarst…アンプリセット制御線、Dout…出力データ、N…蓄積ノード、SW1…スイッ
チ、d…間隙、d0,d0'…閾値、w…隔壁幅、p…画素ピッチ。
40
(17)
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
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(18)
【図5】
【図6】
【図7A】
【図8】
【図7B】
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(19)
【図9A】
【図10】
【図9B】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
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【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
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(72)発明者 千田 みちる
東京都港区港南1丁目7番1号 ソニー株式会社内
Fターム(参考) 2G188 AA03 AA25 BB02 BB04 BB05 BB06 CC12 CC15 CC22 DD05
EE32 FF14
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JP 2015-25665 A 2015.2.5 10 (57)【要約】 【課題】撮像画像の画質を