JP2008527345A - 電流増幅器を実装された画素 - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の個別のセンサ素子、例えば画素を特色とする放射線センサを提供する。センサ素子の夫々は、電磁放射線の衝突に応答して電流を発生させるよう構成された放射線検出部と、放射線検出部によって発生した電流を増幅させる電流増幅器とを有する。従って、電流増幅器は、放射線センサ自体の夫々の画素内で局所的に実行される。この局所的電流増幅は、放射線センサの感度及び応答性を向上させることを効果的に可能にし、従って、ＣＭＯＳ技術を基に放射線センサの実施を可能にする。電流増幅によって、放射線センサは、別個の入力仕様を特色とする信号処理モジュール及び読取装置による読み取りに適合され得る。更に、画素で実施される電流増幅によって取得されるバイアス電流は、夫々の画素内で再生され、連続する又は隣接して配置されたセンサ素子又は画素へ結合され、それによって、カスケード式のバイアス電流再生及びバイアス電流分配方式を提供する。

Description

本発明は、放射線検出の分野に関し、特に、Ｘ線の検出に限定されない。

Ｘ線の検出は、例えば人体内に置かれた構造体の光学検査など、特に医療試験目的のＸ線試験にとって重要な技術である。Ｘ線検出器は、多種多様な様々なコンピュータ断層撮影（ＣＴ）用途のために開発されてきた。通常、Ｘ線検出器は、別個のフォトダイオードの２次元配列を特色とする多数のセンサチップを有する。これらのチップの夫々は画像画素を表す。更に、Ｘ線検出器は、通常、取得された放射線を基に視覚画像を発生させるための信号処理手段及び読取用電子機器を使用する。これらは外部装置又はユニットとして実施される。このような状況で、外部装置又は外部ユニットは、Ｘ線検出器の放射線高感度検出領域の外で、即ちセンサチップの外で実施される装置に関連する。

光電変換手段として機能するフォトダイオードは、電磁放射線の衝突に応答して電荷の発生を提供する。原理上、Ｘ線検出のためにも、この場合にフォトダイオードは通常シンチレーターに結合され、これらのフォトダイオードは相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）に基づいて実施され得る。特にＸ線検出に関して、ＣＭＯＳ実装のフォトダイオードは、通常、Ｘ線用途のために特別に設計される専用の高価なフォトダイオードに対して、限定された感度と、低下した応答性とを特色とする。ＣＭＯＳ実装のフォトダイオードによって発生した電流の増幅によって、ＣＭＯＳ実装のフォトダイオード配列の感度及び応答性は、一般的に増大しうる。

しかし、例えば、Ｘ線からシンチレーター材料を介して変換された光の衝突に応答してフォトダイオードによって発生した電流は、むしろ振幅が低く、従って、外乱及び摂動に極めて敏感である。従って、雑音低減の態様が、光電流の増幅を伴うＸ線検出の実施に際して考慮されなければならない。

更に、ＣＭＯＳ技術を基にフォトダイオード配列を実施する際に、ＣＭＯＳ実装でないフォトダイオードのために開発された既存の読取用電子機器又は読取装置を使用することが有益となりうる。ＣＭＯＳフォトダイオード配列は、通常、Ｘ線専用フォトダイオードに比して異なった出力パラメータを特色とするので、ＣＭＯＳ実装のフォトダイオードの費用効果が高い配列は、原理上、必要な放射線検出性能を提供せず、既存の読取用電子機器又は読取装置への直接的又は一般的な結合を可能にし得ない。

従って、本発明は、雑音の全体的影響を低減し且つセンサ出力を特定のセンサ読取装置に適合させるために電流増幅を伴う放射線センサを供給することを目的とする。

本発明は、複数のセンサ素子を有する放射線センサを提供する。前記センサ素子の夫々は、電磁放射線の衝突に応答して電流を発生させるよう構成された放射線検出部と、前記電流の連続的な増幅のための電流増幅手段とを有する。通常、放射線センサは、センサ素子の一次元又は二次元の配列を特色とする。前記センサ素子の夫々は、また、画素として表され、それらの夫々は、当該放射線センサの最小の別個の放射線検出領域を表す。本発明に従って、これらの画素の夫々は、入射する放射線の強さに応答して電流、即ち光電流を供給する、例えばフォトダイオードのような放射線感知部を有する。この光電変換手段に加えて、当該放射線センサの夫々の画素は、更に、発生した光電流を局所的に増幅する電流増幅手段を有する。

結果として、従って、増幅は、画素自体における画素レベルで直接的に実行される。これは、雑音面に関して有益である。この局所的内蔵型電流増幅によって、極めて雑音感度の高い、振幅が低い光電流の転送は有効に回避される。このようにして、画素に実装される電流増幅器は、相当の大きさを有する夫々の画素の電流出力を提供する。このような電流出力は雑音及び外乱にそれほど敏感ではない。従って、これは、取得された信号の転送と、遠く離れた場所、即ち、センサチップの領域内にない場所にある夫々の信号処理手段の実施とを可能にする。

更に、当該放射線センサの夫々のセンサ素子によって発生した光電流を増幅することによって、当該放射線センサの電流出力は、専用の読取用電子機器及び読取装置の仕様に任意に適合し得る。このようにして、当該放射線センサの多様な普遍的使用は、有意に拡大され、様々な読取装置のほとんどの任意の仕様にセンサ出力を適合させることを可能にする。

好ましい実施例で、前記電流増幅手段は、バイアス電流の使用によって前記電流の連続的な増幅を提供する。更に、当該放射線センサのセンサ素子の夫々は、第１のセンサ素子から入力電流を受け取って、前記電流増幅手段へ前記バイアス電流を供給するバイアス電流再生モジュールを有する。前記バイアス電流再生モジュールは、更に、連続センサ素子のための入力バイアス電流となる出力バイアス電流を発生させるよう構成される。従って、前記電流再生モジュールは、入力電流を受け取ったことに応答して出力電流を供給するのみならず、バイアス電流を発生させるよう構成される。

前記バイアス電流は、前記センサ素子の前記電流増幅手段へ供給され、一方、前記出力電流は、他の、通常隣接して配置されたセンサ素子へ供給される。前記他のセンサ素子で、前記出力電流は、対応する電流再生モジュールに供給される。前記電流再生モジュールは、バイアス電流の複製の再生、重複又は発生を提供し、従って、中央バイアス電流分配機構を用いずに当該放射線センサの前記センサ素子の夫々１つへ前記バイアス電流を供給することを可能にする。

特に、前記電流再生モジュールは、複数のセンサ素子への、望ましくは、当該放射線センサの全てのセンサ素子又は画素へのバイアス電流の分散的分配を可能にする。結果として、前記バイアス電流の分配は、夫々のセンサ素子自体で実施される。これは、主として、当該放射線センサの前記複数のセンサ素子の結合のための多種多様なアーキテクチャを可能にする。

夫々のセンサ素子の前記電流増幅手段の仕様に依存して、前記電流再生モジュールは、前記入力電流とは異なり且つ前記バイアス電流とも異なる出力電流を生成するよう構成され得る。これは、必要ならば、当該放射線センサの異なるセンサ素子への異なるバイアス電流の分配を可能にする。例えば、前記電流再生モジュールによって発生した出力電流は、２つの連続するセンサ素子へ並列に結合されても良い。この場合に、全てのセンサ素子に等しい入力電流を有するために、前記出力電流は係数２によって増幅されなければならない。

本発明の更なる好ましい実施例に従って、当該放射線センサの前記センサ素子は、該センサ素子の電流再生モジュールによってカスケード方式で結合される。このようにして、第１の電流センサの電流再生モジュールによって発生した出力電流は、入力電流として第２のセンサ素子の電流再生モジュールへ結合される。次に、この電流再生モジュールは、第３のセンサ素子の電流再生モジュールへ結合される出力電流を供給し、以下同様に続く。従って、放射線センサの全てのセンサ素子は、例えばデイジー・チェーン・アーキテクチャ又はトポロジーに従ってそれらの電流再生モジュールによって有効に結合され得る。放射線センサがセンサ素子の２次元配列を特色とする場合に、前記センサ素子は、例えば、行型又は列型に結合されても良い。更に、放射線センサの様々なセンサ素子の行列型結合も可能である。

例えば、行型デイジー・チェーン・アーキテクチャにより、１行目の最後のセンサ素子は、２行目の最後のセンサ素子へ結合され得る。次に、２行目の最後のセンサ素子は、同じく２行目の最後から２番目のセンサ素子へ結合され、以下同様に続く。このような連結アーキテクチャで、入出力（Ｉ／Ｏ）ポートに関する配線複雑性は低レベルに保たれる。これは、費用効果及び製造の複雑さに対して有利である。

本発明の更なる好ましい実施例に従って、前記電流再生モジュールは、ひと組のセンサ素子へ結合され、更に、該ひと組のセンサ素子の夫々のセンサ素子に前記入力電流を供給するよう構成される。この実施例で、当該放射線センサの様々なセンサ素子は、通常、センサ素子の組に集められ、ひと組のセンサ素子の夫々のセンサ素子は、共通のセンサ素子から入力電流を受け取る。結果として、ひと組のセンサ素子はひとまとめにされ、該一群のセンサ素子へ供給される入力電流は、前記群のセンサ素子へ内部で分配される。厳密なカスケード方式の代わりに、この実施例は、センサ素子の組をひとまとめにすることを可能にする。これは、専用の放射線センサ用途にとって有利となりうる。

本発明の好ましい実施例に従って、前記電流再生モジュールの前記入力電流及び前記出力電流は実質的に等しい大きさである。従って、前記電流再生モジュールは、連続する、例えば隣接して置かれたセンサ素子へ入力電流の複製を提供するよう、又はコピーを提供するよう働く。従って、当該放射線センサの夫々のセンサ素子又は画素は、前記入力電流を受け取り、等しい大きさの出力電流を供給する。これは、センサ素子の夫々の入力ポートが他のセンサ素子のまさに１つの出力ポートへ結合される場合に、同質のバイアス電流を保証する。このようにして、当該放射線センサのほぼ全てのセンサ素子は、同じ構造及び同じ電気的特性を特色としうる。

当該放射線センサのセンサ素子の複数個の中で、２つのセンサ素子のみが、連続する又は隣接して置かれたセンサ素子へそれ相応に結合され得ない。通常、外部のバイアス電流源へ結合された少なくとも１つのセンサ素子と、他のセンサ素子の入力ポートへ結合されない出力ポートを有する少なくとも１つのセンサ素子とが存在する。しかし、前記電流増幅手段へ結合される前記バイアス電流は、前記電流再生モジュールの入力電流及び出力電流とはやはり異なっても良い。原理上、前記電流再生モジュールから前記電流増幅手段へ結合されるバイアス電流は、それが前記電流増幅手段へバイアス電流として結合される前に、前記電流再生モジュールによって増幅又は減衰をされ得る。この特徴は、バイアス電流に対して異なる仕様を特色とする多種多様な電流増幅器への特定の電流再生モジュールの一般的適合を可能にする。

更に、前記バイアス電流及び前記入力電流は、また、実質的に等しい大きさである。前記入力電流及び前記出力も実質的に等しい大きさであることを更に考慮すると、全ての３つの電流は、即ち、バイアス電流、入力電流及び出力電流は、全て等しい大きさである。この場合に、前記電流再生モジュールは、入力電流の２つの同一のコピーを発生させる電流複製モジュールとして働く。これは、当該放射線センサ全体の一様なアーキテクチャを可能にする。その場合に、夫々のセンサ素子、即ち画素は、同一の内部構造を特色とする。

本発明の更なる好ましい実施例に従って、前記電流増幅手段及び／又は前記電流再生モジュールは、少なくとも１つの電流ミラー回路を有する。電流増幅のための電流ミラー回路の使用は、前記放射線検出部の電気的特性に大きな影響を与えることなく前記放射線検出部によって発生した電流を増幅することを可能にする。また、電流ミラー回路の使用は、入力電流を供給する連続センサ素子の出力ポートの電気的特性に無視しても良い影響を与えながら入力電流の有効な再生を可能にする。従って、電流ミラー回路の使用は、前記電流再生モジュール及び電流増幅手段によって夫々供給されるバイアス電流再生及び電流増幅器のための、費用効果が高く効率的な手段である。

本発明の更なる好ましい実施例に従って、前記電流増幅手段はトランスインピーダンス増幅器を有する。このトランスインピーダンス増幅器は、抵抗による内部の電流−電圧変換を使用する。

更に、前記電流増幅手段は、また、前記放射線検出部によって供給される電流を実質的に線形に増幅するよう構成されても良い。前記電流ミラー回路及び前記トランスインピーダンス増幅器は、両方とも、望ましくは、線形増幅モードで動作可能である。従って、電流ミラー回路及びトランスインピーダンス増幅器の動作点は、光電流の実質的に線形な増幅を提供するために任意に変更され得る。

更に、前記電流ミラー回路は、また、制限電流ミラー回路として実施されても良く、当該電流ミラー回路の全利得を最終的に決定する第１及び第２の利得を特色とする少なくとも第１及び第２のトランジスタを更に有しても良い。前記電流ミラー回路の利得は、通常、夫々の第１及び第２のトランジスタの形状の比によって支配される。

他の実施例で、当該放射線センサは、前記電流ミラー回路に前記バイアス電流を供給する電流源を有する。該電流源によって、前記電流ミラー回路の動作点は、所与の用途のための帯域幅仕様が整合され得ることを確実にするよう適切に調整され得る。

本発明の更なる好ましい実施例に従って、前記電流再生モジュールは、更に、前記電流増幅手段へ前記バイアス電流を結合し且つ前記増幅されたバイアス電流を結合する第２の電流ミラー回路を有する。通常、前記電流増幅手段は、前記センサ素子の前記放射線検出部によって発生した光電流の増幅のみならず、前記バイアス電流の増幅を提供する。増幅されたバイアス電流は、信号処理及び画像取得のために有用となりうる前記取得された放射線の如何なる情報も提供しないので、前記光電流の増幅の副産物であるところの前記増幅されたバイアス電流は、前記電流増幅手段の増幅された出力信号から減じられなければならない。

望ましくは、前記電流再生モジュールの前記第２の電流ミラーは、前記電流増幅手段の出力電流からの増幅されたバイアス電流の減算を効果的に提供する。結果として、前記電流再生モジュールの両電流ミラー回路の使用によって、前記電流増幅手段の動作点は適切に調整され得、その増幅された出力信号は、それが増幅された光電流のみを表すように変更され得る。

本発明の更なる好ましい実施例で、前記電流増幅手段は、前記放射線検出部から前記電流を受け取ったことに応答して、増幅された電流を発生するよう構成される。前記電流増幅手段によって発生した前記増幅された電流は、また、前記放射線検出部によって発生した電流に比して反対符号を有しても良い。電流方向のこのような反転は必須ではないが、外部の読取装置に対する当該放射線センサの適合のために必要とされることがある。読取装置の形式及び当該放射線センサの特定の実施に依存して、画素で実施される電流増幅の利得及び前記増幅された電流の極性は適切に適合され得る。

本発明の更なる好ましい実施例に従って、前記放射線検出部及び／又は前記電流増幅手段及び／又は前記電流再生モジュールは、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術又は同様の集積回路製造工程を基に実施される。更に、夫々のセンサ素子の単一構成要素、即ち、放射線検出部、電流増幅手段及び電流再生モジュールは、全て共通の基板上に隣接して配置される。特に、このようなＣＭＯＳ技術実施は、当該放射線センサの費用効果の高い実現を可能にし、更に、放射線センサ及びセンサ素子の大量生産に適する。

本発明の更なる好ましい実施例に従って、夫々のセンサ素子の前記放射線検出部又は光電検出手段はＸ線に反応する。従って、前記光電検出手段は、例えば、発光物質とともにフォトダイオードとして実施され得る。その意味で、当該放射線センサ全体は、Ｘ線検出に適用可能であり、望ましくは、媒体の全体に置かれたアクセス不可能な構造体又は生物組織のＸ線試験のための、例えばＣＴスキャナのようなＸ線試験装置に組み込まれるよう設計される。

他の態様で、本発明は、複数のセンサ素子を有する放射線センサであって、前記センサ素子の夫々は、電磁放射線の衝突に応答して電流を発生させるよう構成された光電検出部と、前記電流の連続的な増幅のための手段によって、増幅された電流を発生させる電流増幅器とを有する放射線センサを提供する。前記センサ素子は、通常、当該放射線センサの画素に対応する。次に、当該放射線センサは、通常、センサ素子、即ち画素の一又は二次元配列を有する。この状況で、前記電流の連続的な増幅は、前記電流増幅器が連続動作モードを特色とする態様に関する。従って、前記センサ素子の前記電流増幅器は、増幅の影響下となる電荷を蓄積するようにパルスモードでは動かされない。

好ましい実施例に従って、当該放射線センサの前記センサ素子の夫々１つは、更に、第１のセンサ素子から入力電流を受け取って、前記電流増幅器へバイアス電流を供給し、且つ、連続センサ素子のための入力電流となる出力電流を発生させるための電流再生モジュールを有する。望ましくは、前記連続センサ素子及び前記第１のセンサ素子は、前記センサ素子に対して隣接して配置される。前記バイアス電流に対して相互に結合されたセンサ素子のこのような隣接配置は、配線複雑性に関して有利であり、当該放射線センサの全てのセンサ素子へのバイアス電流のカスケード式の、一様且つ極めて効率的な分配を可能にする。

更なる他の態様で、本発明は、複数のセンサ素子を有する少なくとも１つの放射線センサを有するＸ線試験装置であって、前記センサ素子の夫々は、電磁放射線の衝突に応答して電流を発生させるよう構成された光電検出部と、前記電流の連続的な増幅のための手段によって、増幅された電流を発生させる電流増幅器とを有するＸ線試験装置を提供する。前記センサ素子は、通常、前記放射線センサの画素に対応する。次に、前記放射線センサは、通常、センサ素子、即ち画素の一又は二次元配列を有する。この状況で、前記電流の連続的な増幅は、前記電流増幅器が連続動作モードを特色とする態様に関する。従って、前記センサ素子の前記電流増幅器は、増幅の影響下となる電荷を蓄積するようにパルスモードでは動かされない。

好ましい実施例に従って、前記放射線センサの前記センサ素子の夫々１つは、更に、第１のセンサ素子から入力電流を受け取って、前記電流増幅器へバイアス電流を供給し、且つ、連続センサ素子のための入力電流となる出力電流を発生させるための電流再生モジュールを有する。望ましくは、前記連続センサ素子及び前記第１のセンサ素子は、前記センサ素子に対して隣接して配置される。前記バイアス電流に対して相互に結合されたセンサ素子のこのような隣接配置は、配線複雑性に関して有利であり、前記放射線センサの全てのセンサ素子へのバイアス電流のカスケード式の、一様且つ極めて効率的な分配を可能にする。

更に、留意すべきは、特許請求の範囲の如何なる参照符号も、本発明の適用範囲を限定するよう解釈されるべきではない。

以下、本発明の様々な実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、少なくとも１つのセンサ素子１０２を有する放射線センサのブロック図を示す。センサ素子１０２は、放射線検出領域又は放射線検出部１０４と、電流増幅器１０６とを有する。放射線検出部１０４は、電磁放射線１０８の検出に応答して電流増幅器１０６へ電流を供給する。通常、放射線検出領域１０４は、増幅器１０６へ光電流を供給するＣＭＯＳフォトダイオードとして実施される。光電流の大きさは、入射する電磁放射線１０８の強さに対応する。通常、放射線検出部１０４は、センサ素子１０２の領域の大部分を占める。また、電流増幅器１０６は、放射線検出部１０４の隣に隣接して配置され、放射線検出部１０４及び電流増幅器１０６は、両方とも、共通の基板上に実装される。

放射線検出部１０４によって供給される光電流に応答して増幅器１０６によって発生した増幅された電流は、通常、信号処理モジュール１１０へ結合される。電流増幅により、信号処理モジュール１１０は、センサ素子１０２に対して遠く離れた場所に実装可能である。例えば、それは、放射線センサ１００及びセンサ素子１０２のその配列の領域の外に実装されても良い。特に、このような実装は、電流増幅器１０６と信号処理モジュール１１０との間に夫々の導電体を必要とする。電流増幅器１０６の実装は、増幅された電流が外乱及び雑音にそれほど敏感ではなくなる点で有益である。更に、画素内増幅器１０６による増幅は、ＣＭＯＳ技術に基づいて放射線検出部１０４を実装することを可能にし、従って、高価な専用の光電検出素子に対してＣＭＯＳ実装の放射線検出部１０４の制限された感度及び応答を補償する役目を果たす。

通常、信号処理モジュール１１０は、複数のセンサ素子１０２へ結合される。例えば、信号処理モジュール１１０は、放射線センサ全体の読取装置として働いても良い。従って、信号処理モジュール１１０は、例えばＣＭＯＳ実装の放射線センサ１００によって取得される信号の全てを処理するよう構成されうる。望ましくは、センサ素子１０２及び信号処理モジュール１１０は、集積回路によって実施される。

信号処理モジュール１１０は、例えば、ＣＭＯＳ技術に基づいて実施されない異なった形式の放射線センサ１００のために設計されても良い。特に、放射線検出器１００の夫々の画素１０２に実装された電流増幅器を用いて、放射線検出器１００は、一般的に、別個の信号処理モジュール１１０又は対応する読取装置による読取のために構成されうる。電流増幅は、信号処理モジュール１１０又は類似の読取装置の入力仕様に対するセンサ素子の出力の整合を提供する。

図２は、放射線検出器１６０のブロック図を図式的に示す。ここで、放射線検出器１６０は、３つの放射線センサ１３０、１４０、１５０を有する。放射線センサ１３０の内部構造が例示的に表される。放射線センサ１３０は、センサ素子１０２、１１２、１２２・・・の配列を有する。これらのセンサ素子１０２、１１２、１２２の夫々１つは、図１で表されたように、放射線検出領域１０４、例えばフォトダイオードと、電流増幅器１０６とを有する。センサ素子１０２、１１２、１２２の夫々１つは、電磁放射線、特にＸ線の衝突に応答して夫々のフォトダイオードによって発生した光電流を別々に増幅するよう構成される。一般的な実施において、例えばＸ線試験装置において、このような放射線検出器１６０は、例えば数百といった大量の放射線センサを有しうる。これらの放射線センサ１３０、１４０、１５０は、また、感光チップとして表される。また、一般的な実施において、夫々の放射線センサ１３０、１４０、１５０は、数百又は数千といった大量の画素を有しうる。これらの画素の夫々は、平方ミリメートル又はそれ以下の面積サイズを特色とする。

特に、ＣＭＯＳ技術の使用による共通の基板上への光電変換部及び夫々の前置処理手段の集積化の実現により、このようなチップ１３０は、大量生産工程において費用効果が高い方法で製造され得る。

更に、センサ素子１０２、１１２、１２２の夫々１つは、バイアス電流再生モジュールを有しても良く、配列状に配置されたセンサ素子１０２、１１２、１２２は、バイアス電流再生及びバイアス電流分配のためのそれらのバイアス電流再生モジュールによって連結される。望ましくは、様々なセンサ素子又は画素１０２、１１２、１２２は、デイジー・チェーン構成で又はカスケード方式、例えば、行型若しくは列型又は行型及び列型の組合せで連結される。

図３は、少なくとも２つのセンサ素子１０２、１１２を有する放射線センサ１３０のブロック図を示す。夫々のセンサ素子１０２、１１２は、例えばフォトダイオード１１４、１２４のような光電変換手段と、電流増幅器（１０６、１１６）と、バイアス電流再生モジュール（１１８、１２８）とを有する。フォトダイオード１０４、１２４は、入射する放射線１０８に応答して電荷を発生させるよう構成される。フォトダイオードによって発生した電荷は、電流増幅器（１０６、１１６）へ光電流として供給される。電流増幅器は、増幅された電流が増幅器出力１０７、１１７を介して、例えば、取得した放射線１０８に基づく視覚画像を発生させるための次に続く信号処理手段へ結合される前に、光電流の有意な増幅を提供する。

電流増幅器１０６、１１６は、通常、異なった形状の少なくとも２つのトランジスタと、それらの少なくとも２つのトランジスタの増幅を線形に保つ役目を果たす演算増幅器とを使用する電流ミラー回路によって実施される。この線形増幅で、電流増幅器１０６、１１６のトランジスタは、バイアス電流再生モジュール１１８、１２８によって供給される別個のバイアス電流を必要とする。例えば、バイアス電流再生モジュール１１８は電流増幅器１０６へバイアス電流を供給し、バイアス電流再生モジュール１２８は電流増幅器１１６へバイアス電流を供給する。

バイアス電流再生モジュール１１８は、再生入力ポート１２１を介して外部電流源１３２から入力電流を受け取る。バイアス電流再生モジュール１１８は、次に、再生出力ポート１１９へ供給される出力電流を発生させ、また、再生出力ポート１１５を介して電流増幅器１０６へ結合されるバイアス電流を発生させる。望ましくは、出力電流及びバイアス電流は等しい大きさを有し、両方とも、電流源１３２によって供給される入力電流と同じ大きさを特色とする。

再生出力部１１９へ供給される出力電流は、隣接して配置されたセンサ素子１１２のバイアス電流再生モジュール１２８の入力電流となる。従って、再生モジュール１１８の出力ポート１１９は、再生モジュール１２８の入力ポート１３１へ結合される。次に、バイアス電流再生モジュール１２８は、バイアス電流再生モジュール１１８とほとんど同じように動作する。それは、出力ポート１２５を介して電流増幅器１１６へバイアス電流を供給し、出力ポート１２９を介して次に続くセンサ素子へ他の出力電流を供給する。このようにしてバイアス電流結合に関して、放射線センサ１３０の様々なセンサ素子１０２、１１２は、例えば、デイジー・チェーン構成を特色とするカスケード方式で結合される。

バイアス電流のこのようなカスケード又は連結結合は、効果的に中央バイアス電流分配アーキテクチャに取って代わり、効果的に放射線センサ１３０の様々なセンサ素子１０２、１１２の配線の複雑さを低レベルに保つ。これは、特に、製造費用及び放射線センサ設計に関して有利である。また、この実施は、センサ素子１０２、１１２の間で相互に与える影響が実質的に等しいので、様々なセンサ素子１０２、１１２の高度な対称性を提供する。

センサ素子１０２、１１２の連結の一般的トポロジーは、決して、表されるデイジー・チェーン・アーキテクチャに限定されない。ひと組のセンサ素子の集積化を利用する他の連結アーキテクチャも可能である。更に、特定のバイアス電流再生モジュール１１８、１２８のバイアス電流、出力電流及び入力電流のような様々な電流は、決して、実質的に等しい大きさを有する必要はない。センサ素子１０２、１１２の連結アーキテクチャに依存して、例えばバイアス電流再生モジュール１１８によって供給される出力電流は、対応する複数のセンサ素子の複数のバイアス電流再生モジュールへ結合され得る。

画素で実施されるバイアス電流再生により、放射線センサチップ又は放射線センサ１３０の全体及びそのセンサ素子の全ては、外部バイアス電流源１３２への放射線センサ１３０の単一結合によって共通のバイアス電流を別々に供給され得る。従って、バイアス電流の分配及び再生は、放射線センサ及びそのセンサ素子１０２、１１２自体によって内部供給される。特に、このセンサで実施されるバイアス電流再生及び分配は、放射線センサ１３０、電流源１３２及び放射線センサの読取用電子機器が別々の取り替え可能なモジュールとして提供されうる場合に、モジュール放射線センサコンセプトの実現を可能にする。これは、完全な放射線検知又は放射線検出システムの一般的な一般性及び利用領域を増大させることを可能にする。

図４は、トランスインピーダンス増幅器によって実施される電流増幅器１０６のブロック図を示す。ここで、電流増幅器１０６は、例えば、演算相互コンダクタンス増幅器（ＯＴＡ）のような演算増幅器１６４と、２つの抵抗１６６、１６８とを有する。演算増幅器１６４及び抵抗１６６は、トランスインピーダンス増幅器に有効に対応する。例えば、フォトダイオード１１４によって発生した光電流を供給する入力ポート１６２は、演算増幅器１６４の反転入力ポートへ結合される。この場合に、演算増幅器１６４の正転入力ポートは接地へ結合されている。抵抗１６６は、演算増幅器１６４の反転入力ポートへ及びその出力ポートへ並列に結合されている。次に、抵抗１６８は、演算増幅器１６４の出力部へ及び電流増幅器１０６の出力ポート１０７へ直列に結合されている。この電流増幅器１０６の利得係数は、Ｒ１が抵抗１６６に相当し、Ｒ２が抵抗１６８に相当する場合に、おおよそＲ１／Ｒ２によって与えられる。

図５は、制限電流ミラーとして実施される電流増幅器１０６の内部構造を表す。ここで、放射線検出部は、電流増幅器１０６の入力ポート１６２で光電入力電流を供給するフォトダイオード１１４によって表される。通常、フォトダイオード１１４は、ＣＭＯＳ技術に基づいて実施される。電流増幅器１０６は、更に、トランジスタ１７６及び１７８と、例えば、演算相互コンダクタンス増幅器（ＯＴＡ）のような演算増幅器１７４とを有する。更に、電流増幅器１０６は電流源１７０及び１７２を有する。

フォトダイオード１１４は、フォトダイオードで入射する放射線の強さを表す光電流を供給する。電流源１７０は、両トランジスタ１７６、１７８にバイアス電流を供給する。この電流供給１７０により、トランジスタ１７６、１７８の動作点は適切に調整される。トランジスタ１７６は一定の形状（Ｗ／Ｌ）_１を有し、一方、トランジスタ１７８は形状（Ｗ／Ｌ）_２を特色とする。なお、Ｗ及びＬは、夫々、トランジスタの幅及び長さである。電流増幅器１０６の全利得は、その場合に、トランジスタ１７６の形状によって割られるトランジスタ１７８の形状の比によって与えられ、従って、Ｎ、即ち、Ｎ＝（Ｗ／Ｌ）_２／（Ｗ／Ｌ）_１によって与えられる。演算増幅器１７４の２つの入力ポートは、トランジスタ１７６及びトランジスタ１７８のドレインへ結合されている。演算増幅器１７４は、２つのトランジスタ１７６、１７８の如何なる非線形増幅効果も補償する役目を果たす。従って、演算増幅器１７４の出力部は、トランジスタ１７６及び１７８のソースへ結合される。演算増幅器、例えばＯＴＡは、トランジスタ１７６、１７８が利得係数の正確な整合のために実質的に等しいドレイン−ソース間電圧を提供するように、トランジスタ１７６、１７８の動作点を調整する役目を果たす。この意味で、トランジスタの非線形動作は効果的に無効にされ得る。

第２の電流源１７２は、トランジスタ１７８を流れる電流がＮ×（Ｉ_ｂｉａｓ＋Ｉ_{ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ}）に等しいので、バイアス電流Ｉ_ｂｉａｓのＮ倍である電流を減じる役目を果たす。なお、Ｉ_{ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ}は、フォトダイオード１１４によって供給される電流に相当する。従って、電流源１７２は、有効に、トランジスタ１７８の電流から増幅されたバイアス電流Ｎ×Ｉ_ｂｉａｓを減じる役目を果たす。このようにして、出力ポート１０７での出力電流は、必要に応じ、Ｎ×Ｉ_{ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ}に実質的に等しい。トランジスタ１７８の出力からの電流の減算を実質的に提供する電流源１７２は、例えば、このブロック図で示されるように、類似の電流ミラーアプローチの仕様によって実施され得る。

一般に、出力電流の極性は、フォトダイオード１１４によって供給される光電流の極性に対して反転される。従って、出力ポート１０７から得られる出力電流は、異なる方向で流れ、一般に、係数Ｎだけ大きさが異なる。信号処理モジュール１１０又は読取装置によって必要とされるならば、出力電流の極性は、光電流と同じ極性を特色とするように切り換えられても良い。

図４及び５によって表される電流増幅器アプローチは、両方とも、放射線センサの電流増幅を画素内で提供するために使用され得る。このようにして、取得される電気信号、即ち電流は、それがデータ処理目的のために伝達される前に、局所的に増幅される。このようにして、データ取得及び信号伝達のメカニズム全体は、雑音及び他の外乱にそれほど敏感ではなくなる。更に、局所内蔵型電流増幅を提供することによって、放射線検出器の感度及び応答性は効果的に向上して、例えばＸ線試験装置用の、費用効果が高いＣＭＯＳベースの検出器配列の実施を可能にする。本発明は、また、Ｘ線検出器及び夫々の読取電子部品のモジュールコンセプトを確立する。

図６は、センサ素子１０２の内部構造を図式的に示す。この図で、電流増幅器１０６及びバイアス電流再生モジュール１１８は、２つの別個の導体によって接続される。バイアス電流再生モジュール１１８の出力ポート１１５は、フォトダイオード１１４によって供給される光電流の増幅のために特定のバイアス電流を供給するよう電流増幅器１０６へ結合される。この図で、電流増幅モジュール１１８を指し示す出力ポート１１５の矢印は、バイアス電流の極性を明らかにする。増幅器出力１１３は、バイアス電流再生モジュール１１８へ増幅されたバイアス電流を供給する。電流増幅器１０６は、通常、光電流及びバイアス電流の両方を増幅するよう構成されるので、増幅されたバイアス電流は、電流増幅器１０６によって発生した増幅された電流全体から減じられなければならない。従って、図６の出力ポート１１５は、図５のバイアス電流源１７０に相当し、一方、図６の増幅器出力１１３は、図５のバイアス電流源１７２に相当する。

このようにして、増幅されたバイアス電流は、バイアス電流再生モジュール１１８へ帰還され、取得された電磁放射線１０８を表す増幅された光電流は、その後の信号処理のために増幅器出力ポート１０７で供給される。電流増幅器１０６へ供給されたバイアス電流は、通常、電流増幅器１０６からバイアス電流再生モジュール１１８へ流れるような極性を有する。

図７は、バイアス電流再生モジュール１１８の詳細な回路図を表す。バイアス電流再生モジュール１１８は、トランジスタ１８４、１８６と、例えば演算相互コンダクタンス増幅器（ＯＴＡ）などの演算増幅器１８０とを特色とする第１の電流ミラー回路を有する。更に、再生モジュール１１８は、トランジスタ１９０、１９２と、演算増幅器１８２とを有する第２の電流ミラー回路を有する。２つの電流ミラー回路は、トランジスタ１８８を介して互いへ結合されている。特に、第２の電流ミラー回路は、電流増幅器１０６へ結合されている。それは、ポート１１５を介してバイアス電流を及び増幅器ポート１１３へ増幅されたバイアス電流を供給する役目を果たす。望ましくは、トランジスタ１８４、１８６、１８８、１９０及びトランジスタ１９２は、同じ電気的特性を特色とし、実質的に等しい利得を有する。対照的に、トランジスタ１９４は、トランジスタ１８４、１８６、１８８、１９０、１９２の利得よりもＮ倍大きい。係数Ｎは、電流増幅器１０６の利得に対応し、従って、また、バイアス電流の大きさと増幅されたバイアス電流の大きさとの間の係数を表す。

第１の電流ミラー回路は、有効に、入力ポート１２１を介してバイアス電流再生モジュール１１８に結合された入力電流を再生する役目を果たす。この入力電流は、外部のバイアス電流源によって、又は隣接して置かれた画素のバイアス電流再生モジュールによって供給されうる。トランジスタ１８４、１８６及び演算増幅器１８０から成る第１の電流ミラー回路は、入力電流の複製を発生させて、この複製された入力電流を出力ポート１１９へ供給する役目を果たす。出力ポート１１９は、通常、放射線センサの連続したセンサ素子へ結合される。第２の電流ミラー回路は、入力ポート１２１で受け取られた入力電流を出力ポート１１５へ結合するよう構成される。従って、それは、バイアス電流として電流増幅器１０６へ入力電流を中継又は転送する役目を果たす。

更に、トランジスタ１９４によって、第２の電流ミラー回路は、電流増幅器１０６から増幅されたバイアス電流を受け取るよう、又は、出力ポート１１５によって供給されるバイアス電流と比して異なった極性を有する夫々の増幅されたバイアス電流を電流増幅器１０６へ結合するよう構成される。

特に、入力電流の複製の使用によって、光電流の画素での増幅のためのバイアス電流は、繰り返し再生されて、放射線センサの連続した又は隣接して配置されたセンサ素子へ送られ得る。これは、放射線センサの配線複雑性を低減することを効果的に可能にし、バイアス電流源、放射線センサ及び後の信号処理のための読取用電子機器のモジュールコンセプトを実現することを可能にする。画素で実施される電流増幅及びバイアス電流再生は、光電流の局所増幅を効果的に可能にし、従って、信号取得及び信号送信のメカニズム全体は、雑音及び類似する外乱にそれほど敏感でなくなる。従って、局所の画素実施の電流増幅及びバイアス電流再生は、放射線検出器の応答性を向上させることを可能にするのみならず、感度を向上させることを可能にする。これは、放射線センサの構成要素がＣＭＯＳ技術に基づいて実施される場合に特に有利である。

放射線センサ及びセンサ素子のブロック図を表す。 夫々が複数のセンサ素子を有する複数の放射線センサを備えた放射線検出器のブロック図を表す。 放射線センサの連結されたセンサ素子のブロック図を示す。 トランスインピーダンス増幅器として実施される電流増幅器のブロック図を表す。 電流ミラーとして実施される電流増幅器のブロック図を示す。 センサ素子の内部構造のブロック図を示す。 電流再生モジュールの詳細な回路図を示す。

Claims (15)

1. 複数のセンサ素子を有する放射線センサであって、
   前記センサ素子の夫々は：
   電磁放射線の衝突に応答して電流を発生させるよう構成された放射線検出部，及び
   前記電流の連続的な増幅のための電流増幅手段，
   を有する放射線センサ。
2. 前記電流増幅手段は、バイアス電流の使用によって前記電流の連続的な増幅を提供し、
   前記センサ素子の夫々は、更に、第１のセンサ素子から入力電流を受け取って、前記電流増幅手段へ前記バイアス電流を供給し、且つ、連続センサ素子のための入力電流となる出力電流を発生させるための電流再生モジュールを有する、請求項１記載の放射線センサ。
3. 前記複数のセンサ素子のうちのセンサ素子は、当該センサ素子の電流再生モジュールによってカスケード方式で結合される、請求項２記載の放射線センサ。
4. 前記電流再生モジュールは、ひと組のセンサ素子へ結合され、更に、該ひと組のセンサ素子の夫々のセンサ素子に前記入力電流を供給するよう構成される、請求項１記載の放射線センサ。
5. 前記入力電流及び前記出力電流は実質的に等しい大きさである、請求項２記載の放射線センサ。
6. 前記電流増幅手段及び／又は前記電流再生モジュールは、少なくとも１つの電流ミラー回路を有する、請求項２記載の放射線センサ。
7. 前記電流増幅手段はトランスインピーダンス増幅器を有する、請求項１記載の放射線センサ。
8. 前記電流再生モジュールは、更に、前記電流増幅手段へ前記バイアス電流を結合し且つ前記増幅されたバイアス電流を結合する第２の電流ミラー回路を有する、請求項２記載の放射線センサ。
9. 前記電流増幅手段は、前記電流に応答して増幅された電流を発生するよう構成され、
   前記増幅された電流は、前記電流に比して反対符号を有する、請求項１記載の放射線センサ。
10. 前記放射線検出部、前記電流増幅手段及び前記電流再生モジュールは、相補型金属酸化膜半導体技術を基に実施され、共通の基板上に隣接して配置される、請求項１記載の放射線センサ。
11. 前記放射線検出部はＸ線に反応する、請求項１記載の放射線センサ。
12. 複数のセンサ素子を有する放射線センサであって、
    前記センサ素子の夫々は：
    電磁放射線の衝突に応答して電流を発生させるよう構成された光電検出部，及び
    前記電流の連続的な増幅のための手段によって、増幅された電流を発生させる電流増幅器，
    を有する放射線センサ。
13. 前記電流増幅器は、バイアス電流の使用によって前記電流の連続的な増幅を提供し、
    前記センサ素子の夫々は、更に、第１のセンサ素子から入力電流を受け取って、前記電流増幅器へ前記バイアス電流を供給し、且つ、連続センサ素子のための入力電流となる出力電流を発生させるための電流再生モジュールを有する、請求項１２記載の放射線センサ。
14. 複数のセンサ素子を有する少なくとも１つの放射線センサを有するＸ線試験装置であって、
    前記センサ素子の夫々は：
    電磁放射線の衝突に応答して電流を発生させるよう構成された光電検出部，及び
    前記電流の連続的な増幅のための手段によって、増幅された電流を発生させる電流増幅器，
    を有するＸ線試験装置。
15. 前記電流増幅器は、バイアス電流の使用によって前記電流の連続的な増幅を提供し、
    前記センサ素子の夫々は、更に、第１のセンサ素子から入力電流を受け取って、前記電流増幅器へ前記バイアス電流を供給し、且つ、連続センサ素子のための入力電流となる出力電流を発生させるための電流再生モジュールを有する、請求項１４記載のＸ線試験装置。

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