JP2009545132A - 電磁放射線の検出器及び検出方法 - Google Patents

Abstract

電磁放射線１０６を検出するための検出ユニット３０１であり、この検出ユニット３０１は、入射した電磁放射線１０６を電荷キャリアに変換するために適合させられた変換材料３３２と、変換させられた電荷キャリアを収集するために適合させられた電荷収集電極３３１と、電荷収集電極３３１とともにキャパシタンスを形成するよう適合させられた遮蔽電極３３４，３３５と、電荷収集電極３３３１に電気的に結合され収集された電荷キャリアに基づいて電磁放射線１０６を評価するために適合させられた評価回路３１２ないし３１５と、を有する。

Description

本発明は、検出ユニットに関する。

本発明はさらに、検出装置に関する。

さらに、本発明は、電磁放射線を検出する方法に関する。

その上、本発明は、プログラム要素に関する。

また、本発明は、コンピュータ読取可能媒体に関する。

Ｘ線イメージングは、医療用途を含む数多くの技術分野で重要である。

医学的画像形成は、外部からは見えない被検体の体の領域を医師が評価する処理である。医学的画像形成は、特定の人の患者における病気を診断し検査するよう臨床的に動機付けされうるものである。或いは、生きている有機体における過程を理解するために研究者が用いることができるものである。医学的画像形成のために開発された技術の多くは、科学的かつ工業的な用途も有する。

放射線透過写真術の場合、プローブは、骨や筋肉、脂肪などの異なる組織タイプにおいて異なるレートで吸収されるＸ線ビームである。検査中の対象物の体を通じて伝搬した後、その透過したＸ線ビームは、検査中の対象物の内部構造を示す強度パターンを発生する。

現在、市場における殆どの固体ディジタルＸ線検出器は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）薄膜電子部及びその上部におけるＸ線変換層を備えた平坦なガラスプレートにより構成されている。これらは、フォトダイオードのアレイの上部におけるシンチレータを備えた間接変換型のものか、又は電極のアレイの上部における光導電体を用いた直接変換型のものである。突き当たるＸ線は、当該変換層において吸収され、当該アレイの各画素における当該発生電荷を介して、Ｘ線吸収のディジタル画像を生成する。

ガラス上の薄膜電子部の代わりとしては、画素電子部のための単結晶シリコンのウェーハの使用がある。上述したように、フォトダイオードを伴うか又は伴わない画素は、間接か又は直接のＸ線変換のために構成可能である。単結晶シリコンにおける標準のＣＭＯＳ処理の使用は、一般的には、ａ−Ｓｉ画素回路と比較してノイズが少なく機能性に富んだ電子回路を導くものである。間接変換検出器の場合、シンチレータは、Ｓｉウェーハ上に直接付着又は成長させられることが可能である。直接Ｘ線変換材料としては、２つの可能性もある。すなわち、例えばバンプボールにより個別組立層を接続するか、又はシリコン上の直接堆積である。間接変換型のＣＭＯＳ検出器の例は、H. Mori氏、R. Kyuushima氏、K. Fujita氏、M. Honda氏の "High Resolution and High Sensitivity CMOS PANEL SENSORS for X-ray", IEEE 2001 Nuclear Science Symposium Conference Record, Vol. 1, pp. 29-33 (2001)において読むことができる。

さらに、W. Zhao氏、G. DeCrescenzo氏、J. A. Rowlands氏の "Investigation of lag and ghosting in amorphous selenium flat-panel x-ray detectors", SPIE Medical Imaging Vol. 4682, pp. 9-20, 2002が参照される。

しかしながら、従来の検出器は、特定の用途に対しては不十分となりうる感度を有するものである。

本発明の目的は、十分に感度の高い検出器を提供することである。

上記目的を達成するため、独立請求項に記載の電磁放射線の検出ユニット、検出装置、検出方法、プログラム要素及びコンピュータ読取可能媒体が提供される。

本発明の模範的実施例によれば、電磁放射線を検出するための検出ユニットであって、入射した電磁放射線を電荷キャリアに変換するために適合させられた変換材料と、当該変換された電荷キャリアを収集するために適合させられた電荷収集電極と、前記電荷収集電極とともにキャパシタンスを形成するよう適合させられた遮蔽電極と、前記電荷収集電極の少なくとも一部（又は全体）と電気的に結合され、当該収集された電荷キャリアに基づいて電磁放射線を評価するために適合させられた評価回路と、を有するユニットが提供される。オプションとしては、
前記評価回路は、前記遮蔽電極と（例えば、オーム結合により）電気的に結合されるようにしてもよい。

本発明の他の模範的実施例によれば、電磁放射線を検出するための検出装置であって、上述した特徴を有する相互接続された（例えば、行ライン及び列ラインを有するマトリクス状アレイに配列された）複数の検出ユニットを有する検出装置が提供される。

本発明のまたさらに他の模範的実施例によれば、電磁放射線の検出方法であって、入射する電磁放射線を電荷キャリアに変換すること、電荷収集電極において変換された電荷キャリアを収集すること、及び評価回路によって当該収集された電荷キャリアに基づいて電磁放射線を評価することを有し、当該評価回路は、オプションとして、当該電荷収集電極とともにキャパシタンスを形成するために設けられた遮蔽電極の少なくとも一部に電気的に結合されることを可能にした、方法が提供される。

本発明のまた別の模範的実施例によれば、プロセッサにより実行されるときに上述した特徴を有する方法を制御又は実行するよう適合させられる、電磁放射線を検出するコンピュータプログラムが記憶されるコンピュータ読取可能媒体が提供される。

本発明のさらに別の模範的実施例によれば、プロセッサにより実行されるときに、上述した特徴を有する方法を制御又は実行するよう適合される、電磁放射線を検出するプログラム要素が提供される。

本発明の実施例により行うことのできる処理制御及び／又はデータ評価の目的のためのデータ処理は、コンピュータプログラム、すなわちソフトウェアにより、或いは１つ又は複数の特定の電子最適化回路すなわちハードウェアを用いることにより、或いはハイブリッド形態ですなわちソフトウェア構成部とハードウェア構成部の手段により、実現可能である。

この出願の内容において、「電磁放射線」なる文言は、特に、変換材料の感応性の対象である所望の波長又は周波数領域の光子を指しうるものである。特に、γレジーム、Ｘ線領域、赤外線領域、光領域及び紫外線領域における電磁放射線を、この文言によってカバーすることができる。

「変換材料」なる文言は、特に、入射する電磁放射線（例えば特定の周波数又は周波数範囲のもの）を（負に帯電された）電子及び／又は（正に帯電された）正孔のような電荷キャリアに変換することの可能な材料を指すことができる。Ｘ線放射線に関するこのような変換材料の例には、セレン、ヨウ化水銀、酸化鉛又はＣｄＴｅがある。特定の用途のための変換材料の選択は、当該変換材料が感応する対象の電磁放射線に応じて行われることが可能である。

「評価回路」なる文言は、特に、トランジスタ、インピーダンス、オーム抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、論理ゲート、マイクロプロセッサなどのような回路構成部を有することのできる、何らかの慣例的配線又は集積のなされた回路を指すものである。このような評価回路は、検出ユニットの構成部により発生され、検出ユニット又は画素に突き当たる電磁ビームの（例えばエネルギの）量を示す電気信号（電荷信号又は電圧信号若しくは電流信号のようなもの）を評価する能力を有しうる。このような評価回路は、例えば、シリコンウェーハのような単結晶基板の上及び／又は中において、集積回路として形成可能である。

「ブートストラップ」なる文言は、特に、入力信号を対応のレベルに従わせるよう基準電位又は遮蔽電位が強制的にかけられる際に応じるべき対象の回路又はロジックを指すことができる。

「遮蔽電極」なる文言は、特に、評価回路に対して電荷収集電極を遮蔽する電極を指すことができる。したがって、この遮蔽電極は、評価回路から当該電荷収集電極を電気的に少なくとも一部が結合解除させるので、例えば当該評価回路における比較的大なる電圧が電荷収集電極のセンサ精度に悪い影響を与えないようにすることができる。

遮蔽電極及び電荷収集電極により形成される容量は、生成された量の電荷を、検出信号を担う電圧に変換するために用いることができる。これにより、当該容量の値は、感度への影響を持つことができる。評価回路に関する電荷収集電極を遮蔽することによって、電荷収集電極の電荷収集精度を妨害する可能性のある評価回路において伝搬する電気信号により生じる不要な作用を抑制又は排除することができる。

集積回路技術において実現される検出ユニットの積層シーケンスにおいて、評価回路は、変換材料の下に位置づけられた電荷収集電極の下に位置づけられた遮蔽電極の下において基板の中に埋め込まれ及び／又は上に設けられるようにすることができる。したがって、遮蔽電極は、評価回路と電荷収集電極との間に挟み込まれるようにすることができる。

模範的実施例によれば、検出ユニットの遮蔽電極は、評価回路に（例えばオームの法則に従って）少なくとも一部が電気的に結合され、これにより、遮蔽電極と電荷収集電極との間に形成されるキャパシタンスの値を大幅に減少させることを可能にする。この方策を採用することによって、検出ユニットの感度を大幅に改善することができる。

当該容量の値を低下させるため、本発明の模範的実施例は、有効画素キャパシタンス（直接変換センサ材料とのＸ線の相互作用により発生される電荷を統合するために用いることができる）を減少させるブートストラップ回路を用い、これにより、出力電圧対入力電荷について、より高い感度をもたらしうる。

遮蔽電極を２つ以上の構成部（オーム減結合されうる）に分割し、一部をブートストラップ回路に接続し一部を基準電位に接続することによって、有効画素キャパシタンスは、ブートストラップ回路に接続された遮蔽電極の一部により付与される低い値と、基準電位に接続された遮蔽電極の一部により付与される高い値との間で、ユーザが規定した態様で選択的に調整されることが可能である。これにより、自動的に又はユーザの制御の下で検出器の感度を（無段階で又は段階的に）調整することができる。この目的のため、制御スイッチ又はレギュレータを想定することができる。このようなスイッチによって、各個別の電極構造を基準電位又は評価回路に選択的に接続することができることになる。したがって、このような選択は、有効容量への影響を奏しうる。

但し、模範的実施例によれば、両方の構成部（接地部分及び評価回路に結合された部分）は、当該容量への寄与に関して有効なものとなる。電極の一部がブートストラップ回路にも基準電位にも接続されない場合、当該遮蔽は、中断又は非連続とされ、画素電極とその下に位置する電子構成部との間の容量は、効果的なものとなる。実用的な実現形態において、遮蔽電極の全ての構成部を（規定された）電位又は構成部のうちの１つに接続することは有利となる場合がある。したがって、接続されていない「フローティング」電極は、主として可能であるが、多くのケースにおいて望まれないものである。

したがって、模範的実施例によれば、高い感度を持つ直接変換ＣＭＯＳ−Ｘ線検出器を提供することができる。本発明の実施例は、ＣＭＯＳ画素回路と組み合わされる直線Ｘ線変換を用いるＸ線検出器に関する。

このような画素回路は、電荷収集電極の有効キャパシタンスを減少させることができるブートストラップ回路によって非常に高い感度を提供することができる。

通常、フラットタイプＸ線検出器における画素ピッチは、１００μｍを下回る画素サイズが普通であるマンモグラフィや歯科イメージングを除き、１５０μｍから２００μｍに至る。Ｘ線イメージングでは、トレンドとして、心臓病学、神経病学及び脈管系用途のための空間解像度は増加されつつあることを観察することができる。単結晶シリコン検出器の画素サイズは、トランジスタ及びその他の電子素子のためにこの技術によって可能となる小さい特徴サイズのため、１００μｍを遥かに下回る値にまで容易に減少可能である。

但し、間接変換検出器の場合、空間解像度は、シンチレータにおいて拡散する光により限定されることがある。多くの場合、その厚さは、高いＸ線吸収量を維持するよう小さくすることができない。小さい画素を持つ検出器の高い空間解像度を全て利用するため、直接Ｘ線変換をより良好に適したものとすることができる。セレン、ヨウ化水銀、酸化鉛又はＣｄＴｅのような直線変換材料は、医療用画像形成に対し代表的なビーム品質をもってＸ線の８０％を超えて吸収するのに十分な厚さに容易に形成可能である。発生した電荷キャリア（電子及び／又は正孔）は、画素電極の表面そして大抵は構造化されていない上部電極に直角に走る、付与されたバイアス場の力線に追従するので、非常に高い空間解像度を得ることができる。直接変換型ＣＭＯＳ検出器の一例は、M. P. Andre氏らのSPIE Medical Imaging Vol. 3336, pp. 204 (1998)に開示されている。

空間解像度の他に、直接変換ＣＭＯＳ検出器の他の利点は、小さな画素におけるフォトダイオードの限定された曲線因子を克服することができることである。直接変換検出器において、画素領域ほぼ全体をカバーする金属層は、画素電極を担うことができる。

直接変換固体Ｘ線検出器の場合、ほぼ全部の画素表面は、収集電極として振る舞うことができる。この電極は、画素キャパシタンスの一部となりうるものであり、下に存在する電子構成部からの入力電荷及び妨害信号の双方に対して非常に高い感応性を持つことができる。よって、基準電位に接続された遮蔽電極は、画素キャパシタのための安定した第２の電極を設け、不要な妨害信号が電荷収集電極に届くことを避けるように、収集電極の下に実現することができる。

電荷収集電極及び遮蔽電極のこの構成は、入力キャパシタンスを形成することができるものであり、或いは入力キャパシタンスに寄与しうるものである。このキャパシタンスの値は、画素サイズ及び画素を構築するために用いられる実際の組立処理によって決定可能であり、望んだものよりもしはしば大きいものとなりうるものであり、これにより当該回路の感度が過剰に低いものとなる。

本発明の実施例は、有効画素キャパシタンス（直接変換センサ材料によるＸ線の相互作用により発生される電荷を統合するために用いられるもの）を減少させることができ、これにより出力電圧対入力電荷に関してより高い感度をもたらすことができるブートストラップ回路を使用してもよい。

遮蔽電極を分割し、一部をブートストラップ回路に一部を基準電位（接地電位のようなもの）に結合することによって、有効な画素キャパシタンスは、ブートストラップ回路のみによって与えられる非常に低い値と遮蔽電極における基準電位のみによって与えられる高い値との間で調整可能である。

本発明の実施例は、直接Ｘ線変換及び画素電子構成部を用いて、特にＣＭＯＳ技術を用いて全ての種類のＸ線検出器に適用可能である。ＣＭＯＳは、特に、本発明の実施例に対して適している。何故なら、それは適切に開発され広く普及されているからである。但し、本発明の実施例は、他の技術においても実現可能である。

本発明の実施例の用途の模範的分野は、例えば、心臓血管Ｘ線、一般的Ｘ線、神経病学、整形外科学、マンモグラフィ及び歯科イメージングとすることができる。

（遠）赤外線に反応する変換材料をセンサの上に置くことによって、熱的画像形成装置が構成可能となる。したがって、本発明の実施例は、非常に異なる範囲の波長に対して実現可能である。

Ｘ線システムの模範的な医療用途は、人類の検査を含みうるが、動物の検査でもよく、本発明の実施例は、獣医学の分野にも使われることは可能である。

次に、検出ユニット（例えば検出装置の画素）の他の模範的実施例を説明する。但し、これら実施例は、検出装置（例えば複数の画素を有するアレイ）、方法、プログラム要素及びコンピュータ読取可能媒体にも当てはまる。

評価回路は、遮蔽電極の少なくとも一部に電気的に（例えばオームの法則に従って）結合されることができる。これにより、電荷収集電極及び遮蔽電極により形成された容量Ｃの値を減らすことができ、これが検出器又はセンサの感度に対する影響を有しうる。例えば、電荷量Ｑが放射線の入射ビームに基づいて変換材料において発生するとき、容量Ｃは、この電荷Ｑの検出器電圧Ｕへの変換に寄与しうる。簡単な式ＣＵ＝Ｑ又はＵ＝Ｑ／Ｃに従って、キャパシタンスＣの値が小さくなると、電荷当たりの電圧が高くなり、これにより感度が向上する。

遮蔽電極の少なくとも一部は、基準電位に電気的に結合されることができる。このような当該遮蔽電極の部分は、容量Ｃの値が小さすぎることにならないことを保証することができ、また、Ｕが上側閾値を超えないことも保証する。したがって、遮蔽電極の接地された部分は、評価回路の過電圧又は飽和を呈しうる。

当該遮蔽電極は、評価回路に電気的に結合された第１の部分を有することができ、また、評価回路から電気的に結合解除される第２の部分を有することができる。換言すれば、当該遮蔽要素は、ブートストラップアーキテクチャにおいて構成されうる評価回路に直接接続される第１の部分に分離されるようにしてもよい。これとは対照的に、第２の部分は、評価回路からそしてまた遮蔽電極の第１の部分から電気的に結合解除（例えばオームの法則に従って結合解除）されるようにしてもよい。この方策を採ることによって、第１の部分は、当該キャパシタンスへの低い寄与を提供することができるのに対して、第２の部分は、当該キャパシタンスへの大きな寄与を提供することができる。したがって、第１の部分及び／又は第２の部分を検出ユニットの残りの構成部に対して「オン」又は「オフ」に選択的に切り換えることによって、有効キャパシタンスの選択的な調整を得ることができる。また、遮蔽電極は、複数の（２つを超える数の）部分に、すなわち第１の部分及び第２の部分に加えて少なくとも１つの追加の部分に分離されることも可能である。このような処置は、調整事項を洗練させることを可能にする。但し、「フローティング」電極は、望ましくない。

当該第２の部分は、基準電位、例えば接地電位（Ｖ_ｓｓ）と電気的に結合可能である。但し、第２の部分は、集積回路の（例えば電源電圧Ｖ_ｄｄの）上側電位と電気的に結合されることも可能である。

検出ユニットは、第１の部分及び第２の部分のうちの少なくとも１つを調整することによって、遮蔽電極及び電荷収集電極により形成されるキャパシタンスの値を調整するために適合させられた調整ユニットを有してもよい。このような調整は、キャパシタンスが所望の態様で制御されうるので、検出ユニットを用いる柔軟性を増加させることができるようにしてもよい。このような「調整」は、遮蔽電極の部分を選択的に接続又は接続解除すること、電極寸法及び／又は幾何学的配置形状の調整、及び／又は当該電極を特定の電位又は特定の回路構成部へ結合することを含むことができる。

評価回路は、ブートストラップ回路として構成可能である。この構成によって、検出ユニットの感度を大幅に向上させることができる。何故なら、検出ユニットの遮蔽電極は、ここでは、当該システムの機能を向上させるよう、評価回路にも接続されることができるからである。

評価回路は、リセットラインを介して供給される制御信号を用いて電荷収集電極を選択的にリセットするために適合されたスイッチ素子を有してもよい。このようなスイッチ素子は、トランジスタとしてもよく、トランジスタ（電界効果トランジスタなど）のゲート接続部へ供給される信号は、当該トランジスタの導電状態を制御するための制御信号として作用しうる。適切な制御信号によって、当該スイッチ素子は、導電又は非導電となることができ、これにより、前の検出により発生した電荷を例えばグランドに案内することにより、或いは電荷収集電極を所定の電位に持ち込むことにより、評価回路の検出状態をリセットすることが可能となる。

評価回路は、さらに、電荷収集要素に結合され電荷収集電極の電位をバッファ処理するよう適合されたバッファ要素（増幅器の機能も有しうる）を有してもよい。したがって、かかる電位は、後の分析のために、当該バッファ要素において「コピー」又は記憶されることが可能である。当該バッファ要素により与えられる利得係数は、１に近いものとすることができる。

例えば、バッファ素子は、ソースフォロワ、特に、そのソースコンタクトに電気的に結合されるバルクコンタクトを有するソースフォロワを有するようにしてもよい。このようなソースフォロワは、対応する形で制御される電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）としてもよい。バルクコンタクトをソースコンタクトに電気的に結合させた構成において、検出の精度をさらに向上させることができる。

前述した実施例に再度触れると、評価回路は、さらに、バッファ素子と読出ラインとの間に接続され、当該読出ラインに対して当該バッファユニットを選択的に結合又は結合解除するために適合させられた他のスイッチ素子を有しうる。読出ラインは、当該検出ユニットの検出アレイ又は検出装置の他の検出ユニットへの接続部とすることができ、検出ユニットの検出結果を示す信号は、読出ラインにより中央制御ユニットに供給されるようにしてもよい。

評価回路は、遮蔽電極の少なくとも一部に結合される負荷素子（例えば抵抗器、すなわちオーム負荷素子）を有しうる。このような負荷素子を評価回路に接続することによって、評価回路の動作ポイントは、適正に規定されることができ、これにより、当該システムの精度を向上させることが可能となる。抵抗の代替えとしては、（定）電流源を用いることがより一層望ましいものとなりうる。

変換材料は、直接変換材料としもよい。換言すれば、検出ユニットは、電磁放射線の電荷量への直接変換のために適合したものとしてもよい。

かかる変換材料は、電荷収集電極上に配置可能である。例えば、電荷収集電極は、半導体スタックにおける金属層とすることができ、これは、その上に堆積されるべき変換材料がカバーされうるものである。変換材料の上部において、高電圧上部接続を設けることができる。

以下では、検出装置の他の模範的実施例を説明する。但し、これら実施例は、検出ユニット、方法、プログラム要素及びコンピュータ読取媒体にも当てはまる。

検出装置の少なくとも一部は、モノリシックに集積された回路として形成可能であり、特に、ＣＭＯＳテクノロジーで形成可能である。したがって、当該検出器の少なくとも一部は、基板、特に半導体基板、より具体的にはシリコン基板内にモノリシックに集積されうる。但し、本発明の実施例は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体（ガリウム砒素など）の場合にも適用可能である。このようなモノリシックな集積は、検出ユニットの寸法を大幅に短くすることができ、これにより、空間解像度を向上させることができる。さらに、信号処理経路は、集積化された方策においては短いままとすることができるので、当該信号が妨害効果により悪影響を受ける可能性があるところの導電パスの長さを短くすることができる。したがって、このようなモノリシックに集積された検出器は、特に有利となりうる。

検出装置は、Ｘ線検出装置、光検出装置及び赤外線検出装置からなるグループのうちの少なくとも１つとして構成可能である。したがって、Ｘ線検出装置は、Ｘ線源により発生され検査中のオブジェクトを透過し及び／又は当該オブジェクトにより散乱されたＸ線を検出することができるようにすることができる。赤外線検出装置においては、赤外線を検出することができる。変換材料が可視光に感応性がある場合、検出装置は、カメラとしても機能しうる。より一般的には、特定周波数範囲の電磁放射線に対して感応性があるものとすべき直接変換材料を選択して、殆どあらゆる所望の放射線周波数を、当該検出の基礎として用いることができる。

検出装置は、心臓血管装置、神経学的装置、整形外科的装置、マンモグラフィ装置、歯科画像形成装置、手荷物検査装置、医療用途装置、材料検査装置又は材料科学分析装置として構成可能である。より一般的には、検出装置は、Ｘ線又は他の電磁放射線の透過又は吸収を測定することのできるいずれの分野においても使用可能である。

本発明の上記態様及びその他の態様は、以下に説明する具体的実施例から明らかであり、これら具体的実施例を参照して説明する。

以下、本発明を、具体的実施例を参照してより詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図に示されるものは概略的なものである。異なる図において、同様の又は同じ要素には同じ参照符号が付されている。

以下、図１を参照して、本発明の模範的実施例によるコンピュータ断層撮影装置１００を説明する。

コンピュータ断層撮影装置１００において、検出装置１２３が含まれ、これは、本発明の模範的実施例による複数の検出ユニット３０１により形成される。検出装置１２３は、図３を参照してより詳細に説明される。検出ユニット３０１の実施例は、図２を参照して概略的に、図５ないし図８を参照してより詳細に説明される。

図１に示されるコンピュータ断層撮影装置１００は、扇ビームＣＴスキャナである。図１に示されるスキャナは、ガントリ１０１を有し、これが回転軸１０２の周りを回転可能である。ガントリ１０１は、モータ１０３により駆動される。参照数字１０４は、本発明の一態様により、多色の放射線又は本質的に単色の放射線を発することができるＸ線源のような放射線源を指す。

参照数字１０５は、放射線源１０４から発せられた放射線ビームを扇状放射線ビーム１０６に整形する絞りシステムを指している。扇ビーム１０６は、ガントリ１０１の中心すなわちスキャナ１００の検査領域に配される関心対象１０７を貫通し検出器１２３上へ入射するように差し向けられる。図１から分かるように、検出器１２３は、放射線源１０４とは反対にガントリ１０１上に配置され、検出器１２３の表面が扇ビーム１０６によりカバーされるようにしている。

図１に示される検出装置１２３は、関心対象１０７を通過したＸ線を各々が検出することができる複数の検出素子又は検出ユニット３０１を有する。

関心対象１０７のスキャンの間、放射線源１０４、絞りシステム１０５及び検出器１２３は、矢印１１６により示される方向においてガントリ１０１に沿って回転される。放射源１０４、絞りシステム１０５及び検出器１２３を伴うガントリ１０１の回転のため、モータ１０３は、モータ制御ユニット１１７に接続され、このユニットは、計算又は判定ユニット１１８に接続される。

図１において、関心対象１０７は、コンベヤベルト（図示せず）上に配置された鞄のアイテムである。関心対象１０７のスキャンにおいて、ガントリ１０１が鞄１０７のアイテムの周りを回転している間、コンベヤベルトは、ガントリ１０１の回転軸１０２に平行な方向に沿って関心対象１０７を変位させる。これにより、関心対象１０７は、ヘリカルスキャンパスに沿ってスキャンされる。コンベアベルトは、当該スキャンの間に停止させられこれにより信号スライスを測定することも可能である。コンベアベルトを設けることに代えて、例えば、関心対象１０７が患者である場合の医療用途においては、可動テーブルを用いてもよい。但し、説明されるケースの全てにおいては、回転軸１０２に平行な方向における変位がなく回転軸１０２の周りのガントリ１０１の回転のみとなる場合は円形スキャンを行うこともできる。

図１に示されるように、この実施例は、扇ビーム構成により実現することができる。一次扇ビームを発生するため、絞りシステム１０５は、スリットコリメータとして構成される。

検出器１２３は、判定ユニット１１８に接続される。判定ユニット１１８は、検出結果、すなわち検出器１２３の検出素子からの読取値を受信し、これら読取値に基づいてスキャン結果を判定する。さらに、判定ユニット１１８は、コンベアベルトによりモータ１０３及び１０２によりガントリ１０１の動きを調整するためにモータ制御ユニット１１７と通信する。

判定ユニット１１８は、トモグラフィ復元を用いて検出器１２３の読取値から画像を復元するために適合させられうる。計算ユニット１１８により発生された復元画像は、表示ユニット１３０により出力可能である。

判定ユニット１１８は、検出器１２３の検出素子３０１からの読取値を処理するデータプロセッサによって実現可能である。

さらに、図１から分かるように、判定ユニット１１８は、例えば、鞄１０７のアイテムにおいて怪しい物の検出があった場合にアラームを自動的に出力するよう、ラウドスピーカ１２１に接続されるようにしてもよい。

検出装置１２３の実施例は、ＣＴ装置の代替えとして、他の所望の技術用途、例えば２Ｄ投射Ｘ線システムのために用いることができる。

以下では、図２を参照して、本発明の模範的実施例による検出ユニット３０１を詳細に説明する。

検出ユニット３０１は、Ｘ線を検出するために適合させられており、入射した電磁放射線１０６を電荷キャリア、すなわち電子及び／又は正孔に変換するために適合させられた直接変換材料３３２を有する。

直接変換材料３３２は、当該変換された電荷キャリアを収集するために適合させられた電荷収集電極３３１と接触しこれにより電気的に接続される。この機能的接続は、矢印２５１により示される。

さらに、遮蔽電極３３５が設けられ、これが電荷収集電極３３１とともにキャパシタンスを形成するよう適合させられている。換言すれば、構成部３３１及び３３５は、互いに対向して配置される導電性平面部分を有し、これによりキャパシタンスを形成する。

この他、評価回路２００は、電荷収集電極３３１に電気的に結合され（矢印２５２参照）、（質的及び／又は量的に）当該収集された電荷キャリアに基づいて電磁放射線１０６を評価するために適合させられた集積回路として設けられる。さらに、評価ユニット２００は、矢印２５３により示されるように、遮蔽電極３３５と電気的に結合される。

図２には示されていないが、遮蔽電極３３５は、電荷収集電極３３１と評価回路２００との間に配されている。したがって、遮蔽電極３３５は、電荷収集電極３３１が、評価回路２００において生じる比較的に高い電圧により悪影響を受けることを回避する。

評価回路２００は、電磁放射線１０６の量、エネルギなどを示す出力信号２０４を発生することができる評価回路を有する。このような結果信号は、さらなる処理、解析又は出力のためのプロセッサに供給されるようにしてもよい。

以下、図３を参照して、本発明の模範的実施例による検出装置１２３を説明する。

検出装置１２３は、Ｘ線写真術システム又はＸ線検出が望まれる他の技術環境において、コンピュータ断層撮影装置（図１に示されるようなもの）に実現可能である。

図３に示されるように、固体Ｘ線検出器１２３は、画素セル３０１のアレイ２０１と、関連のラインドライバ回路２０２と、読出増幅器／マルチプレクサ２０３とを有する。間接変換検出ユニット３０１´は、図４に示されるような回路を用いてもよい。

これは、リセットライン３２１により制御されるスイッチング装置３１２によって電源電圧へリセットされることが可能なフォトダイオード３１１を有する。この接続は、入力ノードＡにも差し向けられる。Ｘ線又は光の露出は、入力ノードＡの電圧を低下させる。読み取りの間、このノードにおける電圧は、ソースフォロア３１３のようなバッファによりコピーされ、制御ライン３２２により作動させられる読取スイッチ３１４によって読取ライン３２３上に位置づけられる。通常のｎチャネルソースフォロワ３１３は、ｐ型エピタキシャル層上に標準ＣＭＯＳ工程により製造可能であり、概して０．８のゲインを有することが可能であり、これにより、入力ノードＡからの信号は、読出ライン３２３に低減された形態でのみコピーされ、当該得られうる信号対雑音比に影響を及ぼす。

本発明の模範的実施例による直接変換検出器３０１は、図５に示されるような回路を用いることができる。

図５に示されるような直接変換Ｘ線検出ユニット３０１の場合、図４のフォトダイオード３１１は、電荷収集電極３３１と、第１の例では基準電位３４０に接続される遮蔽電極３３４とに置き換えられる。電荷収集電極３３１は後端スタックの頂部金属において、基準電極３３４はその次に下にある金属層において、形成可能である。直接変換材料３３２は、電荷収集電極３３１に接続され、高電圧源ＨＶに接続される頂部コンタクト３３３も具備する。

電極３３１及び３３４は、入力キャパシタンスＣ_inの大部分を形成し、その残りは、当該接続部、リセットスイッチ３１２及びソースフォロワ３１３に割り当てられる。

図５の回路の機能は、図４の前のケースとは変わらないものであり、唯一の違いは、ここでの直接変換材料３３２から収集される電荷が画素キャパシタンスを充填し、これにより入力ノードＡにおける電圧を変えることである。

図６には、本発明の他の模範的実施例による直接変換検出器が示される。

図６の実施例は、電磁放射線を検出するための検出ユニット３０１を示し、入射した電磁放射線を直接的に電荷キャリアに変換するために適合させられた直接変換材料３３２を有する。

さらに、電荷収集電極３３１は、変換された電荷キャリアを収集するために設けられ適合させられるものである。この他、高電圧源（ＨＶ）に接続される頂部コンタクト３３３も示される。

遮蔽エレメント３３５は、電荷収集電極３３１から電気的に結合解除され、電荷収集電極３３１とともにキャパシタンスを形成するよう適合させられる。

評価回路は、構成部３１２から３１５により形成される。これについては、以下により詳しく説明する。評価回路３１２ないし３１５は、電荷収集電極３３１にオーム結合され、収集された電荷キャリアに基づいて電磁放射線を評価するために適合させられる。図６から分かるように、評価回路３１２から３１５は、遮蔽電極３３５にも電気的に結合される。

評価回路は、スイッチ素子３１２のゲート端子にリセットライン３２１により供給された制御信号の値に応じて、基準電位に対して電荷収集電極３３１を選択的に結合又は結合解除するよう適合させられたスイッチ素子３１２を有する。このスイッチ素子３１２によって、画素３０１は、新しい測定のためのデフォルトの状態にリセットされることができる。

評価回路はさらに、ソースフォロワトランジスタ３１３の形態のバッファ素子３１３を有するようにしてもよい。バッファ素子３１３は、電荷収集電極３３１に結合され、電荷収集電極３３１により収集された電荷キャリアをバッファ処理するよう適合させられる。

他のスイッチ素子３１４は、評価回路に設けられ、一方のバッファ素子３１３と他方の読出ライン３２３との間に接続され、読出ライン３２３に対してバッファユニット３１３を選択的に結合又は結合解除するために適合させられる。この目的のため、制御ライン３２２は、トランジスタスイッチ３１４のゲート端子に接続されて設けられ、これにより、トランジスタ３１４を導電させるか否かを制御する。

この他に、評価回路は、遮蔽電極３３５に結合された負荷素子３１５を有する。負荷素子３１５は、接地電位３４０に持ち込まれる１つの接続部を有する。

図６において、基準電極３３４は、ここではソースフォロワ３１３のソースに接続するブートストラップ電極３３５により置換される。オプションの光学負荷装置３１５は、集積の間に規定される動作ポイントを与えるよう適用可能であるが、負荷装置３１５なしでも、当該回路は、いずれにせよ、規定されるソース電流が読み出しの間に供給されたときに機能することになる。

入力ノードＡの電圧が露出の間に変化すると、ブートストラップ接続部Ｂの電圧は、ソースフォロワ３１３のゲインに従うことになる。入力ノードの或るチャージは、入力キャパシタンスＣ_inの前のケースにおけるものと同じ電圧差に依然として作用するが、入力ノードＡとのブートストラップポイントＢの結合により、より小さな有効入力キャパシタンス
Ｃ_eff＝Ｃ_in・（1-g）
に対応して、基準電位に対する入力ノードＡの電圧振幅はより大きくなる。

よって、ブートストラップ回路は、入力電荷当たりの出力電圧に関して高い感度を提供することができる。

他の改善点は、ソースフォロワ３１３を１．０に非常に近いゲインを有する装置に変更することによって達成することができる。そのような装置は、バルクコンタクトがソースコンタクトに付されることのできるソースフォロワとすることができる。標準のＣＭＯＳ処理において、これは、大抵、図７に示されるようなｐチャネルトランジスタである。オプションの負荷装置３１５は、ここでも、ソースフォロワ３１３のソースに接続される。

バルクコンタクトをソースに接続することにより、１．０に非常に近いゲインを有するソースフォロワ３１３が導かれ、これにより、前のセクションにおいて説明したような有効キャパシタンスの減少も非常に大きくなる。

それに対応して、感度を大幅に上昇させることができる。

図８には、本発明の好適実施例による回路が示される。

図８の実施例において、遮蔽電極は、評価回路、より具体的には負荷素子３１５及びソースフォロワ３１３に電気的に結合される第１の部分３３５を有する。これとは対照的に、遮蔽電極の第２の部分３３４は、評価回路から結合解除され、接地電位３４０に持ち込まれる。

図８の実施例は、感度を調整するため、ブートストラッピング、１．０に近いゲインのバッファの使用及びブートストラップされた遮蔽電極３３５と固定電位の基準電極３３４との組み合わせなどの数多くの改善点を含む。

基準電極の各部が当該固定の基準電位か又はブートストラップポイントＢに切り換えられることができる場合、動作の間において感度を選択することができる。

図８に示される回路は、漏れ電流に対して部分的に自己防衛している。ｎＭＯＳリセットスイッチ３１２が直接変換材料に対する負の高い電圧とともに用いられる場合、大なる漏れ電流がリセットスイッチをオンにし、電流が電源電圧に流出されることになる。

正の高電圧が用いられる場合、ｐ−ＭＯＳリセットスイッチは、同様に過剰電流を排出し、バッファを保護することになる。

なお、「有する」なる文言は、他の要素又は特徴を排除するものではなく、単数表現は複数を排除しない。また、異なる実施例に関連して説明した要素を組み合わせることもできる。

請求項における参照符号は、請求項の範囲を限定するものと解釈してはならない。

本発明の模範的実施例による検出装置が実現されるコンピュータ断層撮影装置を示す図。 本発明の模範的実施例による検出ユニットを示す図。 本発明の模範的実施例による検出装置を示す図。 検出装置の検出ユニットを示す図。 本発明の模範的実施例による検出装置の検出ユニットを示す図。 本発明の模範的実施例による検出装置の検出ユニットを示す図。 本発明の模範的実施例による検出装置の検出ユニットを示す図。 本発明の模範的実施例による検出装置の検出ユニットを示す図。

Claims (23)

1. 電磁放射線を検出するための検出ユニットであって、
   入射した電磁放射線を電荷キャリアに変換するために適合させられた変換材料と、
   当該変換された電荷キャリアを収集するために適合させられた電荷収集電極と、
   前記電荷収集電極とともにキャパシタンスを形成するよう適合させられた遮蔽電極と、
   前記電荷収集電極と電気的に結合され、当該収集された電荷キャリアに基づいて電磁放射線を評価するために適合させられた評価回路と、
   を有するユニット。
2. 請求項１に記載の検出ユニットであって、前記評価回路は、前記遮蔽電極の少なくとも一部と電気的に結合される、ユニット。
3. 請求項１に記載の検出ユニットであって、前記遮蔽電極の少なくとも一部は、基準電位と電気的に結合される、ユニット。
4. 請求項１に記載の検出ユニットであって、前記遮蔽電極は、前記評価回路に電気的に結合された第１の部分を有し、前記評価回路から電気的に結合解除された第２の部分を有する、ユニット。
5. 請求項４に記載の検出ユニットであって、前記第２の部分は、基準電位と電気的に結合される、ユニット。
6. 請求項４に記載の検出ユニットであって、前記第１の部分及び前記第２の部分のうちの少なくとも一方を調整することによって、前記遮蔽電極及び前記電荷収集電極により形成されるキャパシタンスを調整するために適合させられる調整ユニットを有するユニット。
7. 請求項１に記載の検出ユニットであって、前記評価回路は、ブートストラップ回路として構成される、ユニット。
8. 請求項１に記載の検出ユニットであって、前記評価回路は、リセットラインを介して供給される制御信号を用いて電荷収集電極を選択的にリセットするために適合させられるスイッチ素子を有する、ユニット。
9. 請求項１に記載の検出ユニットであって、前記評価回路は、前記電荷収集電極に結合され前記電荷収集電極の電位をバッファ処理するよう適合させられたバッファ素子を有する、ユニット。
10. 請求項９に記載の検出ユニットであって、前記バッファ素子は、ソース端子に電気的に結合されるバルク端子を有するソースフォロワその他のソースフォロワを有する、ユニット。
11. 請求項９に記載の検出ユニットであって、前記評価回路は、前記バッファ素子と読出ラインとの間に接続され前記読出ラインに対して前記バッファユニットを選択的に結合又は結合解除するために適合させられた他のスイッチ素子を有する、ユニット。
12. 請求項１に記載の検出ユニットであって、前記評価回路は、前記遮蔽電極の少なくとも一部に結合される、オーム負荷素子又は電流源を含む負荷素子を有する、ユニット。
13. 請求項１に記載の検出ユニットであって、前記変換材料は、直接変換材料である、ユニット。
14. 請求項１に記載の検出ユニットであって、前記変換材料は、前記電荷収集電極に設けられる、ユニット。
15. 請求項１に記載の検出ユニットであって、前記遮蔽電極は、前記評価回路、制御ライン及び供給ラインからなるグループのうちの少なくとも１つに対して前記電荷収集電極を電気的に遮蔽するよう適合させられる、ユニット。
16. 請求項１に記載の検出ユニットであって、前記評価回路は、漏れ電流を抑制するよう適合させられた自己防衛メカニズムを有する、ユニット。
17. 電磁放射線を検出する検出装置であって、請求項１に記載の複数の相互接続された検出ユニットを有する装置。
18. 請求項１７に記載の検出装置であって、当該検出装置の少なくとも一部は、ＣＭＯＳテクノロジにより形成されることの可能なモノリシックに集積された回路として形成される、装置。
19. 請求項１８に記載の検出装置であって、Ｘ線検出装置、紫外線検出器、光学検出装置及び赤外線検出装置からなるグループのうちの少なくとも１つとして適合させられる装置。
20. 請求項１８に記載の検出装置であって、心臓血管装置、神経病学的装置、整形外科学的装置、マンモグラフィ装置、歯科画像形成装置、手荷物検査装置、医療用途装置、材料検査装置及び材料科学分析装置からなるグループのうちの１つとして構成される装置。
21. 電磁放射線を検出する方法であって、
    入射した電磁放射線を電荷キャリアへ変換すること、
    当該変換された電荷キャリアを電荷収集電極において収集すること、
    評価回路によって、当該収集された電荷キャリアに基づいて前記電磁放射線を評価すること、及び
    前記電荷収集電極とともにキャパシタンスを形成するように適合させられた遮蔽電極を設けること、
    を有する方法。
22. 電磁放射線を検出するコンピュータプログラムが記憶されるコンピュータ読取可能媒体であって、プロセッサにより実行させられるとき、請求項２１に記載の方法を制御又は実行するよう適合させられる媒体。
23. 電磁放射線を検出するプログラム要素であって、プロセッサにより実行させられるとき、請求項２１に記載の方法を制御又は実行するよう適合させられるプログラム要素。

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