JP2014529923A - デジタルシリコン光電子増倍管アレイに関する位置敏感な読み出しモード - Google Patents

Abstract

光子検出器１０は、光子の衝突に基づき、ブレイクダウンするよう構成される単一光子アバランシェダイオードＳＰＡＤ検出器１４を含む検出器アレイ１２を有する。トリガー回路３４は、上記検出器アレイのＳＰＡＤ検出器のブレイクダウンに基づき、トリガー信号を生成するよう構成される。ラッチ２０、２２は、ブレイクダウンにある上記検出器アレイのＳＰＡＤ検出器の位置座標を格納するよう構成される。ラッチは、上記トリガー回路により生成されるトリガー信号に基づき、ラッチするよう構成される。ラッチは、上記検出器アレイの対応する行のＳＰＡＤ検出器の論理的「ＯＲ」組合せにそれぞれ接続される行ラッチ２２と、上記検出器アレイの対応する列のＳＰＡＤ検出器の論理的「ＯＲ」組合せにそれぞれ接続される列ラッチ２０とを含むことができる。時間デジタル変換器ＴＤＣ回路２８が、上記トリガー信号に関するデジタル時間スタンプを生成することができる。

Description

本願は、放射線検出技術に関する。本願はより詳細には、物理学、天文学、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）又は単一光子放出断層撮影（ＳＰＥＣＴ）といった放射線撮像等の用途に関する高速の及び高い空間分解能の放射線検出器に関する。

光子計数光検出は、例えば物理学、天文学及び医療撮像といった多様な分野において用途を見い出す。いくつかの説明的な例を用いて、光子計数光検出は、チェレンコフ計数管といった物理学用途、例えば光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）用途といった工学技術用途、例えば弱蛍光測定、弱光天体望遠鏡施設といった生物学用途等において有益である。（本書で使用される、用語「光子」は、電磁放射線の量子粒子を指す。用語「光子」は、可視光光子、例えば６３２．８ｎｍのＨｅＮｅレーザー光の１つの量子粒子に対応する１．９６ｅＶの光子を含む。用語「光子」は、可視スペクトル外にある「光」又は電磁気エネルギーの量子粒子も含む。例えば、用語「光子」は、紫外線又は赤外線放射線の量子粒子も含む。）

光子計数は従来は、光電子増倍管（ＰＭＴ）検出器を用いて実現される。これは、光電性の光電陰極及び「増倍管」陽極端子のセットを有する。光電陰極は、光子の衝突に応じて少なくとも１つの電子を放出し、この電子は続いて、連続した陽極端子にぶつかる。斯かる各イベントは、カスケード状の電子放出をもたらし、測定可能な電気パルスを生じさせる増倍効果が生成される。ＰＭＴは、高速光子計数が可能である。ＰＭＴ検出器は、高い電圧で作動し、かつ真空管設計及び高い操作電圧による故障に影響されやすい大きな光学ウィンドウを持つ比較的大きな別々のデバイスであるという不利な点を持つ。

シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）デバイスは、これらの不利な点のいくつかを克服するため、及びシリコンベースの信号／データ処理回路に容易に集積される光子計数検出器を提供するために開発された。いくつかの実施形態において、ＳｉＰＭデバイスは、光センサとしてアバランシェフォトダイオードを使用する。そのブレイクダウン電圧以上にバイアスされるとき、アバランシェダイオードは、単一光子の衝突に応じてブレイクダウンに入る。斯かるデバイスは、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）検出器と呼ばれることがある。典型的なＳＰＡＤ検出器において、アバランシェフォトダイオードは、そのブレイクダウン電圧以上に逆バイアスされ、クエンチングレジスタと直列にある。単一光子の衝突は、測定可能な電流としてＳＰＡＤ検出器に流れる電子の倍数的な（即ち「アバランシェ」）カスケードにおいて、ＰＮ接合がブレイクダウンすることをもたらす。この電流は、比較的迅速にクエンチされる。なぜなら、電流が原因によるレジスタにわたる電圧が、そのブレイクダウン電圧を下回るレベルまで、アバランシェダイオードにわたる逆バイアスを低下させるからである。追加的に又は代替的に、（例えば）１つ又は複数のダイオード、レジスタ及び／又はトランジスタを有するアクティブクエンチングサブ回路が、より急速なクエンチングを提供することができる。

ＳＰＡＤ検出器は、比較的小さい。しかし、より大きな領域検出が、ＳＰＡＤ検出器の二次元アレイにより実現されることができる。読み出しは、アナログ又はデジタルとすることができる。アナログ設計において、任意の１つのＳＰＡＤ検出器のブレイクダウンが論理的「ＯＲ」の組合せを作動させるよう、ＳＰＡＤ検出器は論理的「ＯＲ」回路において相互接続される。デジタル設計において、アレイは、積分期間後読み出されるディジタルカウンタを作動させる。いずれの場合でも、読み出し回路は、単一のチャネルを持つ。

例えばタイムオブフライト陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）撮像といったいくつかの用途では、検出の時間が重要である。有利には、時間デジタル変換（ＴＤＣ）回路を含むシリコンベースの時間スタンプ機能が、この目的のためにシリコン・プラットフォーム上でＳＰＡＤアレイにモノリシック的に一体化される。

しかしながら、ＳＰＡＤアレイを備えつつ高い空間分解能を実現することは、困難である。ＳＰＡＤ検出器の論理的「ＯＲ」組合せを使用する既存のデザインは、組合せのどのＳＰＡＤ検出器が光子を検出したかを区別することができない。可能性のあるソリューションは、各ＳＰＡＤ検出器に関して個別的読み出し回路を提供することである。しかしながら、これは、システム複雑さ及びコストを上昇させる。なぜなら、各ＳＰＡＤ検出器が、それ自身の読み出しチャネルを持つからである。ＳＰＡＤアレイを備えつつ高い空間分解能及び高い時間分解能を実現することは、さらに困難である。各ＳＰＡＤ検出器に関して個別的読み出し及び個別的時間スタンピングを提供することは、通常は実際的でない。

本願は、上述した限界及びその他を克服する改良された装置及び方法を想定する。

１つの側面によれば、ある装置は、光子検出器を有し、この光子検出器は、光子の衝突に基づき、ブレイクダウンするよう構成される単一光子アバランシェダイオード(SPAD)検出器を備える検出器アレイと、上記検出器アレイのＳＰＡＤ検出器のブレイクダウンに基づき、トリガー信号を生成するよう構成されるトリガー回路と、ブレイクダウンにある上記検出器アレイのＳＰＡＤ検出器の位置座標を格納するよう構成され、上記トリガー回路により生成されるトリガー信号に基づき、ラッチするよう構成されるラッチとを含む。

別の側面によれば、ある方法が、光子の衝突に基づきブレイクダウンするよう構成される単一光子アバランシェダイオード(SPAD)検出器を含む検出器アレイを提供するステップと、ブレイクダウンにある上記検出器アレイのＳＰＡＤ検出器の位置座標を格納するよう構成されるラッチを提供するステップと、上記検出器アレイのＳＰＡＤ検出器のブレイクダウンに基づき、トリガー信号を生成するステップと、上記トリガー信号に基づき、上記ラッチをラッチするステップとを有する。

別の側面によれば、ある装置は、光子検出器を有し、この光子検出器は、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）検出器のアレイと、ブレイクダウンにある上記アレイのＳＰＡＤ検出器の位置座標を格納するよう構成されるラッチと、上記アレイのＳＰＡＤ検出器のブレイクダウンに基づき、トリガー信号を生成するよう構成されるトリガー回路であって、上記トリガー信号が、上記ラッチがラッチすることをもたらす、トリガー回路と、上記ラッチされたラッチに格納される位置座標に基づき、光子検出位置を出力するよう構成される処理回路とを含む。

別の側面によれば、ある装置は、光子検出器を有し、この光子検出器は、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）検出器のアレイと、ブレイクダウンにある上記アレイのＳＰＡＤ検出器の位置座標を格納するよう構成されるラッチと、上記アレイのＳＰＡＤ検出器のブレイクダウンに基づきトリガー信号を生成するよう構成されるトリガー回路であって、上記トリガー信号が、上記ラッチのラッチングをもたらす、トリガー回路と、上記積分時間分上記ラッチングを遅延させる少なくとも１つの遅延要素と、上記ラッチされたラッチに格納される位置座標に基づき、上記積分時間にわたり検出される光子の検出位置を出力するよう構成される処理回路とを含む。

１つの利点は、単一の（ｘ，ｙ）位置チャネルを持つ比較的簡単な読み出し回路を使用するＳＰＡＤアレイで、高い空間分解能を提供することにある。

別の利点は、単一の（ｘ，ｙ）位置チャネル及び単一の時間出力チャネルを持つ比較的簡単な読み出し回路を使用するＳＰＡＤアレイで、高い空間分解能及び高い時間分解能を提供することにある。

以下詳細な説明を読むとき、多数の追加的な利点及び利点が、当業者には明らかであろう。

単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）検出器のアレイ並びに関連付けられる空間位置読み出し及び時間スタンプ回路の俯瞰又は平面表示を図式的に示す図である。 図１のＳＰＡＤアレイの１つの開示された動作モードのタイミング側面を図式的に示す図である。 図１のＳＰＡＤアレイの別の開示された動作モードのタイミング側面を図式的に示す図である。 検出器として図１及び２を参照して説明されるＳＰＡＤアレイを使用するタイムオブフライト（ＴＯＦ）陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）撮像システムを図式的に示す図である。

本発明は、様々な要素及び要素の配列の形式を取り、様々な処理動作及び処理動作の配列の形式を取ることができる。図面は、好ましい実施形態を説明するためだけにあり、本発明を限定するものとして解釈されるべきものではない。

図１を参照すると、光子検出器１０は、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）検出器１４のアレイを含む検出器アレイ１２を有する。各ＳＰＡＤ検出器１４は、そのブレイクダウン電圧以上に逆バイアスされ、クエンチング回路に接続されるアバランシェダイオードを適切に有する。クエンチング回路は例えば、いくつかの実施形態において、アバランシェダイオードと直列に電気的に配置される受動的なクエンチングレジスタ、又はアクティブトランジスタベースのクエンチング回路（詳細は図示省略）である。ＳＰＡＤ検出器は、光子計数又はガイガーモードにおいて作動する。このモードでは、アバランシェダイオードでの単一光子の衝突が、ブレイクダウン、それに伴う電子増倍及び実質的な電流フローを生成する。これは、クエンチング回路によりクエンチされる。説明的な検出器アレイ１２は、Ｘ０〜Ｘ４でインデックス化された５つの列及びＹ０〜Ｙ５でインデックス化された６つの行の矩形のアレイを有する。これは単に説明的なものであり、検出器アレイは、実質的に任意の数の行及び列を持つことができる。

説明的な光子検出器１０は、シリコン基板１６上に製造されるシリコンベースのデバイスである。これは、検出器アレイ１２が、補助的なシリコンベースの要素を持つシリコン基板１６上にモノリシック的に一体化されることを可能にする。補助的な要素は例えば、説明的なシリコンベースの列読み出しラッチ２０（列座標が説明的な実施形態ではＸで表される）、説明的なシリコンベースの行読み出しラッチ２２（行座標が説明的な実施形態ではＹで表される）、説明的なシリコンベースの位置読み出し回路２４、説明的なシリコンベースのリセット回路２６、説明的なシリコンベースの時間デジタル変換（ＴＤＣ）回路２８、及び説明的なシリコンベースの時間及び位置の処理及び出力回路３０である。これらの様々な要素１４、２０、２２、２４、２６、２８、３０が、説明的な実施形態においてシリコンベースであるが、これらのシリコンベースの要素は、様々な酸化物、絶縁体又は誘電体（例えば、シリコン酸化物、窒化物、酸化窒化物、又は非シリコン含有誘電体）といった非シリコン及び／又はシリコン合金材料、様々なシリコン合金（例えば、シリコンゲルマニウム又はシリコンゲルマニウム炭素合金）、金属又は金属合金の層等を含むことができる点を理解されたい。更に、様々な回路が、別々の要素、集積回路（ＩＣ）又はこれらの様々な組み合わせにより、多様な態様で実現されることができる。

説明的な光子検出器１０は、光子検出イベントに関する高い空間分解能（光子を検出した個別のＳＰＡＤ検出器１４に対して通常は下がる）及び光子検出イベントに関する高い時間分解能（例えば、ＴＤＣ回路２８の分解能又はこれに近い時間分解能）を可能にする読み出し回路を使用する。この目的のため、検出器アレイ１２のＳＰＡＤ検出器１４は、行及び列において電気的に相互接続される。ここで、各行ラッチ２２（ラッチＹ０...Ｙ５）は、検出器アレイ１２の対応する行のＳＰＡＤの論理的「ＯＲ」組合せに接続され、各列ラッチ２０（ラッチＸ０...Ｘ４）は、検出器アレイ１２の対応する列のＳＰＡＤ検出器の論理的「ＯＲ」組合せに接続される。

説明的な図１において、（ラッチ２０、２２との論理的「ＯＲ」接続は、論理的「ＯＲ」ゲート要素シンボルを用いて、図式的に示される。しかしながら、本明細書で用いられる用語「論理的ＯＲ」が、検出器の論理的「ＯＲ」組合せのＳＰＡＤ検出器の１つがブレイクダウン状態にあるときいつでも、値としての「真」又は「オン」又は「アクティベーテッド」（その他）を出力する任意の包含的選言又は代替を含む点を理解されたい。論理的「ＯＲ」組合せの特有の実現は、論理的「ＯＲ」ゲート要素を使用しても、又は使用しなくてもよい。例えば、検出器の論理的「ＯＲ」組合せは、ド・モルガンの法則に基づき、論理的「ＮＯＴ」及び論理的「ＮＡＮＤ」ゲート要素の組合せにより実現されることができる。「ワイヤードＯＲ」実施形態において、ＳＰＡＤ検出器は、論理的「ＯＲ」を実現するため、一緒に物理的に有線接続される。

読み出し回路は、トリガー回路３４も含む。これは、図１において鎖点入りのラインにより図式的に示される。トリガー回路は、検出器アレイ１２のすべてのＳＰＡＤ検出器１４に接続され、検出器アレイ１２の任意のＳＰＡＤ検出器１４のブレイクダウンは、トリガー回路３４にトリガー信号を生成させる。言い換えると、トリガー回路３４は、検出器アレイ１２のＳＰＡＤ検出器１４のブレイクダウンに基づき、トリガー信号を生成するよう構成される。トリガー信号は、トリガー回路３４を介して、時間スタンプの生成が起動されるＴＤＣ回路２８へと、及びラッチ２０、２２へと伝搬する。ここで、この信号は、ラッチ２０、２２がラッチすることをもたらす。従って、検出器アレイ１２の任意のＳＰＡＤ検出器１４が光子及び従ってブレイクダウンを検出するとき、それは、トリガー回路３４上でトリガー信号を生成し、平行して、ラッチは、ブレイクダウンを受けるＳＰＡＤ検出器１４の位置を格納する。

図１を引き続き参照すると、図の例では、アスタリスク（＊）が、検出器アレイ１２の行Ｙ１及び列Ｘ３のＳＰＡＤ検出器１４に示される。このブレイクダウンは、列ラッチ２２のラッチＹ１及び行ラッチ２０の行ラッチＸ３が、「真」又は「オン」又は「アクティベーテッド」を示す値を格納することをもたらす。同時に、行Ｙ１及び列Ｘ３でのＳＰＡＤ検出器１４のブレイクダウンは、トリガー回路３４が、トリガー信号を生成することをもたらす。この信号は、時間スタンプを生成するため、ＴＤＣ回路２８へと、及びラッチＹ１及びＸ３の「真」又は「オン」又は「アクティベーテッド」を示す値を保存するべく、ラッチ２０、２２のラッチをもたらすため、ラッチ２０、２２へと伝搬する。位置読み出し回路２４は、適切な（及びオプションで比較的ゆっくりした）読み出し技術を用いて、ラッチ２０、２２から、これらの位置値を読み出すことができる。この技術は例えば、ラッチ２０、２２のビットパターンを、バイナリ数又は他の位置表現へと変換するルックアップテーブル又は経時的なカウンタである。

この読み出し手法は、ラッチ／位置読み出し動作の前にラッチ２０、２２に格納されるＳＰＡＤ検出器１４のブレイクダウンに依存する。トリガー信号伝搬及びラッチ格納動作の相対的な速度に基づき、動作のこの順序は、自然に発生することができる（例えば、論理的「ＯＲ」接続及びラッチ２０、２２が、トリガー回路３４より実質的に速く作動する場合）。しかしながら、高い時間分解能に関して、高分解能時間スタンプを得るため、トリガー回路３４が、実行可能な態様で速く作動することが望ましい。

従って、説明的な実施形態において、ラッチするときラッチ２０、２２がＳＰＡＤ検出器１４の位置座標を格納することを確実にするのに実効的な量の分、ラッチ２０、２２へのトリガー信号の伝搬を遅延させるため、遅延要素４０、４２が提供される。この検出器のブレイクダウンが、トリガー回路３４が、トリガー信号を生成することをもたらす。個別のラッチ２０、２２に関する遅延を提供するのに、説明的な図２では２つの遅延要素４０、４２が示されるが、トリガー回路の物理的な配置に基づき、単一の遅延要素を用いることが可能である（例えば、ある遅延要素があり、この後ろで、行及び列ラッチをフィードするため、送信ラインが中断する）。

図１及び更に図２を参照すると、光子検出器１０の動作が更に説明される。イベント５０において、光子は、検出器アレイ１２のＳＰＡＤ検出器１４に衝突する。これが、そのＳＰＡＤ検出器１４のアバランシェブレイクダウンをもたらす。このブレイクダウンは、２つの異なる結果を生じさせる。結果５２において、ブレイクダウンは、トリガー回路３４にトリガー信号を生成及び伝搬させる。結果５４において、ブレイクダウンは、個別の列及び行ラッチ２０、２２に対して論理的「ＯＲ」接続を介して、ブレイクダウンを経験するＳＰＡＤ検出器１４の位置座標が伝搬することをもたらす。

トリガー信号は続いて、３つの結果のイベントチェーンをもたらす。第１のイベントチェーンにおいて、トリガー信号は、ＴＤＣ回路２８に伝搬する。ここで、この信号は、ＴＤＣ回路２８が時間スタンプを生成することをもたらす。説明的な図２において、時間スタンプ動作は、２つのサブ動作を伴う。それは、アナログ時間測定５６と、デジタル時間スタンプを生成するためアナログ時間測定がデジタル化されるデジタル化動作５８とである。アナログ時間測定５６は、遅延送信ライン、リング発振器等の任意のイベント時間測定技術を利用することができる。デジタル化動作５８は、アナログ時間測定をデジタル化する。通常、アナログ時間測定は、高い時間分解能を提供する精細な時間測定を提供する。いくつかの実施形態においてデジタル化動作５８は、デジタル時計の拡張された時間スケール上で高分解能時間スタンプを生成するため、デジタル時計（これは、送信遅延回路、リング発振器又は他の精細なアナログ時間測定と比較して粗い時間測定を提供する）の値に、この精細な（デジタル化された）時間測定を加える。

トリガー信号によりもたらされる第２のイベントチェーンにおいて、列（即ち、Ｘ）位置座標は、トリガー信号に基づき、列（Ｘ）ラッチ２０によりラッチされる。このイベントチェーンは、オプションの遅延要素４０により導入されるオプションの初期遅延６０を含む。図２に示されるタイミングにおいて、遅延６０は、ラッチ２０、２２への位置座表伝搬５４が、ラッチ動作の前に完了されることを確実にする。この動作は、列（Ｘ）ラッチ２０のラッチ６４に先行するするセットアップ時間６２と、その後のホールド時間６６とを含む。セットアップ及びホールド時間６２、６６は、列ラッチ２０の設計により決定され、ラッチ動作に先行する及び後続する時間インターバルである。この間、ラッチ２０に格納される値は、ラッチ動作６４の完全性を確実にするため、安定しているべきである。

トリガー信号によりもたらされる第３のイベントチェーンにおいて、行（即ち、Ｙ）位置座標は、トリガー信号に基づき、行（Ｙ）ラッチ２２によりラッチされる。このイベントチェーンは、オプションの遅延要素４２により導入されるオプションの初期遅延７０を含む。図２に示されるタイミングにおいて、遅延７０は、ラッチ２０、２２への位置座標伝搬５４が、ラッチ動作の前に完了されることを確実にする。この動作は、行（Ｙ）ラッチ２２のラッチ７４に先行するセットアップ時間７２と、後続のホールド時間７６とを含む。セットアップ及びホールド時間７２、７６は、行ラッチ２２の設計により決定され、ラッチ動作に先行する及び後続する時間インターバルである。この間、ラッチ２２に格納される値は、ラッチ動作７４の完全性を確実にするため、安定しているべきである。

図２に示されるラッチ動作要素６２、６４、６６、７２、７４、７６は、単に説明的なものであり、詳細なラッチ動作は、ラッチ２０、２２の設計及び特性に基づき変化することができる。更に、図２は、持続時間に関して同一であるものとして、行及び列ラッチイベントチェーンを示すが、行及び列ラッチイベントチェーンがいくらか異なるタイミング特性を持つことも想定される。

図２に示される図式的な動作８０は、光子検出処理及び出力を完了するときに伴われる動作を集合的に示す。動作８０は、トリガー回路３４のリセット（図１において図式的に示されるリセット回路２６により実行される）、並びに光子検出イベントに関する時間及び位置データの処理及びバッファリング（図１において図式的に示される時間及び位置処理及び出力回路３０により実行される）を含む。

ＳＰＡＤ検出器がブレイクダウンした後いくらかの時間において、ＳＰＡＤ検出器のクエンチングサブ回路が、それをクエンチ及びリセットすることをもたらす。クエンチ時間８２が、図２に図式的に示される。このクエンチ時間は、ＳＰＡＤ検出器のアバランシェダイオードが、非導電性逆バイアス状態に戻る時間を示す。クエンチ時間８２で、ＳＰＡＤ検出器は、再び別の光子を検出する用意が整う。しかしながら、クエンチ時間８２では、ＳＰＡＤ検出器はもはや、ブレイクダウンにはない。従って、ラッチ動作６２、６４、６６、７２、７４、７６は、クエンチ時間８２の前に完了されなければならない。他方、時間スタンプデジタル化５８及び完了動作８０は、クエンチ時間８２の前及び／又は後に実行されることができる。言い換えると、一旦アナログ時間測定５６及びラッチ６２、６４、６６、７２、７４、７６が完了すると、時間的及び空間分解能は、実現され、残りのデータ処理は、ＳＰＡＤ検出器クエンチングにより課される積極的な時間制約条件下にはない。他方、デジタル化５８、処理８０及びクエンチング（クエンチ時間８２で終わる）を出来るだけ早く完了することは、有利である。なぜなら、これらの動作が完了するまで、ＳＰＡＤ検出器は、別の光子を検出するために用いられることができないからである。

（完了動作８０に含まれる）トリガー回路３４をリセットするタイミングは、トリガー回路３４の動作に依存する。トリガー回路３４が、ブレイクダウンに移行するＳＰＡＤ検出器に応じて、トリガー信号を生成する場合、ＳＰＡＤ検出器がクエンチされる前に、トリガー回路３４をリセットすることが可能である。他方、トリガー回路３４が、ブレイクダウンにあるＳＰＡＤ検出器に応じて、トリガー信号を生成する場合、ＳＰＡＤ検出器がクエンチされた後まで（即ち、図２に示されるクエンチ時間８２の後まで）、トリガー回路３４はリセットされることができない。

完了動作８０のリセット部分は、ラッチ２０、２２をアンラッチすることも含む。これは一般に、ラッチされた位置データが処理及びバッファリングされた後の任意の時間で実行されることができる。いくつかの実施形態において、例えばホールド時間６６、７６が完了した後、ラッチ２０、２２は自動的にアンラッチすることができる。他の実施形態において、リセット回路２６は、ラッチ２０、２２をアンラッチするため、信号を送信する。完了動作８０のリセット部分はオプションで、例えばラッチ２０、２２に対して適切な制御信号を送信するリセット回路２６により、ラッチ２０、２２に格納される値をリセットすることも含むことができる。代替的に、ラッチ２０、２２が、ラッチする前に０−＞１及び１−＞０への移行に従うタイプである場合、ラッチ２０、２２に格納される値は、一旦ブレイクダウンにあるＳＰＡＤ検出器がクエンチされると（即ちクエンチ時間８２になれば）自動的にリセットされることができる。なぜなら、この時間で、ラッチに結びつけられる論理的「ＯＲ」が、論理的「ＯＲ」の組合せにおいてＳＰＡＤ検出器のいずれもが、ブレイクダウンにないことを示す「偽」又は「オフ」又は「ディアクティベーテッド」（等）の値に戻るからである。

図２を参照して説明される光子検出器１０の動作は、高い空間及び時間分解能を持つ単一光子計数能力を提供する。衝突する光子流量が十分に低い用途に関して、連続した入力光子の間の平均時間が図２を参照して説明される処理の時間より長いことが、有効である。２つの光子が一緒に到達することがたまに起きるが、これは、斯かるイベントの結果が、２つの列ラッチ又は２つの行ラッチをセットすることである限り収容されることができる。従って、これは、完了動作８０により検出されることができ、データは、放棄又は適切に調整されることができる。

いくつかの用途において、少なくとも関心時間インターバルにわたり、衝突する光子流量はより高くなることができる。その結果、図２を参照して説明される処理が、連続した光子検出イベントの間のインターバルの間に完了されることができない。例えば、シンチレータにより検出される放射線粒子に基づき、光子の短いバースト（即ち、シンチレーションイベント）を生成するシンチレータと連動して光子検出器１０用いられるとき、斯かる状態は起こることができる。別の用途例は、低い強度であるが、図２の手法を使用するほど低くはない光状態の下での撮像である。

図１及び更に図３参照すると、斯かるより高い光子流量用途に関して、別の動作モードが使用されることができる。このタイミングは、図３に図式的に示される。図２の操作モードにおいて、ラッチ６２、６４、６６、７２、７４、７６が実行される前に、位置データがラッチ２０、２２に格納されることを確実にするため、遅延６０、７０がオプションで含まれる。図３の実施形態において、これらの遅延６０、７０は、遅延要素４０、４２により再び適切に実現されるより長い積分時間遅延６０ｉにより置換される。言い換えると、遅延要素４０、４２により導入される遅延時間６０ｉは、積分時間を提供するため、図３の実施形態においてより長い。図３の実施形態において、行及び列位置データが同じ時間６０ｉに関して積分されるよう、両方の遅延要素４０、４２により同じ遅延時間６０ｉが導入されることも有利である。（前述したように、いくつかの想定された実施形態において、これは、個別の列及び行ラッチ２０、２２に関する遅延要素４０、４２を単一の遅延要素として構築することにより実現される。ここで、ラッチ信号が、その単一の遅延要素からラッチ２０、２２の両方のセットへと枝分かれする。）

遅延時間６０ｉは、光子検出イベントに関する位置データが累算される積分時間を提供するよう選ばれる。図３の実施形態において、１つ以上の光子が積分時間６０ｉの間、検出器アレイ１２に衝突するよう、光子の入力流量が十分高いと設定される。各光子検出イベントは、光子を検出するＳＰＡＤ検出器１４が、ブレイクダウン状態に入り、その位置データをラッチ２０、２２にロードすることをもたらす。積分時間６０ｉが終わった後、光子検出イベントに関する位置データをラッチするため、図２を参照してすでに説明されたように、ラッチ６２、６４、６６、７２、７４、７６が実行される。平行して、動作５６、５８は、図２を参照して説明されるよう作動するが、第１の光子検出イベントによってのみ起動される。その結果、結果として生じるデジタル時間スタンプは、第１の光子検出イベントに対するものである。

積分時間６０ｉにわたりすべての光子検出イベントに関する位置データを累算するため、ラッチが発生するまで、ラッチ２０、２２に格納される位置データは保持されるべきである。これは、クエンチ時間８２が（説明的な図３の実施形態に示される）積分時間６０ｉの終了後に発生する場合、自然に発生する。なぜなら、その場合、ブレイクダウンにあるアバランシェダイオードは、ラッチする時にまだクエンチしていないことになるからである。他方、クエンチ時間が、積分時間６０ｉより短い場合、ラッチ２０、２２は、「真」又は「オン」又は「アクティベーテッド」（等）の値を保持するタイプであるべきで、ＳＰＡＤ検出器のクエンチングの際リセットしない。（言い換えると、ラッチは、０−＞１移行に追従するべきだが、０−＞１移行に追従するべきではない）。この場合、アバランシェダイオードのクエンチングの際、ラッチは「偽」又は「オフ」又は「ディアクティベーテッド」に戻らない。（斯かるラッチは、図２の実施形態においても用いられることができるが、斯かるラッチが用いられるときはいつでも、完了動作８０のリセット部分が、ラッチ２０、２２に格納される値をリセットすることを含むべきである点に留意されたい）。

図３の実施形態において、完了回路８０は、有益な位置情報を生成するため、データを処理する。いくつかの実施形態において、これは、各光子検出イベントに関する（Ｘ，Ｙ）座標を決定することを伴う。こうして、これらのイベントの「マップ」が生成される。他の実施形態において、完了回路８０は、光子検出イベントのセットのセンター測定（例えば、中心軌跡又は重心）及び／又は幅測定（例えば、空間半値全幅若しくはＦＷＨＭ、又は最大拡散）といった、光子検出イベントのいくつかの統計的集合を生成するために、データを処理する。

図３の実施形態において、完了回路８０は、複数の光子検出イベントに関する位置データの曖昧さを完全になくすことができない場合がある。例えば、列ラッチＸ１及びＸ２が「オン」で、行ラッチＹ１及びＹ２が「オン」である場合、これは、以下の光子検出イベントセットのいずれかに対応することができる。［（Ｘ１、Ｙ２）及び（Ｘ２，Ｙ１）］、又は［（Ｘ１、Ｙ１）及び（Ｘ２，Ｙ２）］、又は、［（Ｘ１，Ｙ２）及び（Ｘ２，Ｙ１）、並びに（Ｘ１、Ｙ１）及び／又は（Ｘ２，Ｙ２）の一方又は両方］、又は［（Ｘ１、Ｙ１）及び（Ｘ２，Ｙ２）、並びに（Ｘ１，Ｙ２）及び／又は（Ｘ２，Ｙ１）の一方又は両方］。明確に結論付けられることができることは、この２ｘ２のＳＰＡＤ検出器方形において、２〜４の光子イベントが起こったということである。この曖昧な状態は、適切な近似の処理により完了回路８０において処理可能（addressable）である。この処理は例えば、光子検出イベントの位置として、曖昧な２ｘ２ＳＰＡＤ検出器方形の２又は３つのＳＰＡＤ検出器をランダムに選択することである。一般に、積分時間６０ｉ及び入射する光子流量が、検出器アレイ１２にわたる光子検出イベントの分布がまばらなであるようなものである場合、図３の手法は、（上述した曖昧性を回避する意味において）最も有効であると予想される。これは、任意の単一の行又は列に沿った２つ又はこれ以上の光子検出イベントの発生が（あったとしても）ほとんどないことを意味する。

位置データの曖昧さをより正確になくすための別の手法は、スイッチトキャパシタ又は送信ゲートといったストレージ要素（図示省略）にこれらのデータを高速でラッチすることにより、検出器アレイ１２の行及び列をサンプリングすることである。ここで、ラッチングは、トリガー回路３４により生成されるトリガー信号により開始される。サンプリングが、（光子検出イベントの平均レートと比較して）十分高速である場合、ラインがその状態を変化させた時間が記録され、記録された時間は、トリガー信号に対する光子の到着の時間を決定するだけでなく、行及び列位置を相関させるために用いられることができる。

複数の光子検出イベントによる曖昧性が、図２の操作モードにおいても可能であり、１つ又は複数の追加的な光子がイベント５０、５２の時間及び遅延６０、７０の終了の間で検出される場合に発生することもできる点に留意されたい。しかしながら、これらの遅延６０、７０は短い。これは、複数の光子を検出する可能性を減らす。また、図２の操作モードは通常、入射光子流量が低い用途において使用される。それにもかかわらず、図２の操作モードにおいて発生する場合、斯かる曖昧な状態は、容易に検出される。なぜなら、完了回路８０が、対応するラッチが「真」又は「オン」又は「アクティベーテッド」（その他）の値を格納する２つ又はこれ以上の行及び／又は２つ又はこれ以上の列を検出するからである。斯かる場合、処理及び出力回路３０は、（トリガー回路３４により生成されるトリガー信号に基づくラッチングの後）２つ又はこれ以上のＳＰＡＤ検出器がブレイクダウンにあることを示すラッチに基づき、エラー信号を出力するよう適切に構成される。

開示された光子検出器１０は、高い空間及び高い時間分解能を提供する。いくつかの実施形態において、高い時間分解能は、必要ではないか、又は、実際的に実現可能である。例えば、図３に適合する実施形態において、処理５６、５８により生成される時間スタンプは、積分時間６０ｉの開始に対応する。時間分解能は、積分時間６０ｉにより制限され、デジタル時間スタンプの時間分解能が、積分時間６０ｉより実質的に精細であることは有益でない。斯かる場合、処理５６、５８はオプションで省略されることができ、ＴＤＣ回路２８は、（例えば）取得された光子検出イベントデータの現在のクロックサイクルを単に記録することにまで簡単化される。いくつかの斯かる実施形態において、ＴＤＣ回路２８は、完全に省略されることができ、時間スタンピングは、このデータに時間スタンプを割り当てることにより「オフチップ」で実行されることができる。なぜなら、これは、シリコンチップ又は基板１６から離れて通信されるからである。

開示された光子検出器は、物理学、天文学、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）又は単一光子放出断層撮影（ＳＰＥＣＴ）といった放射線撮像等において、多様な用途を見いだす。

図４を参照すると、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）撮像用途が、説明的な例として図式的に示される。この用途において、ＰＥＴスキャナ９０は、関心領域９２を囲むリングとして配置される複数の開示された光子検出器１０を含む。ＰＥＴ検出器リングは、筐体又はガントリー９４に適切に取り付けられ、シンチレータリング９６が、光子検出器１０のリングの内部に配置される。その結果、関心領域９２に配置されるＰＥＴ撮像対象物から放射する５１１ｋｅＶの粒子が、近接する光子検出器１０により検出される光子のバースト（即ち、シンチレーション）を生成するため、シンチレータリング９６により吸収される。この用途において、図３の積分操作モードは、最も有益になりそうである。しかし、低光子収率を持つ（例えば、各５１１ｋｅＶのシンチレーションにおいて、わずか１又は２、３の光子を放出する）薄いシンチレータと連動して、図２の操作モードを使用することも想定される。

結果として生じるＰＥＴデータは、例えば、適切にプログラムされたコンピュータ１００として実現される電子部品処理デバイス９８により処理される。デジタル時間スタンプ及び（積分時間６０ｉの間に検出される光子の数から推定される）粒子エネルギーと共に、光子検出イベント（又は、図３の操作モードにおいて決定される光子検出イベントのマップのセンター）は、リストモードデータメモリ１０２に格納されるリストモードＰＥＴデータを形成する。５１１ｋｅＶの一致検出器１０４は、適切な時間的及びエネルギーウィンドウ化を用いて、リストモードデータにおいて一致する５１１ｋｅＶの検出イベントを特定する。一致する５１１ｋｅＶの検出イベントの各ペアは、ラインオブレスポンス（ＬＯＲ）を規定し、供給電子ホール消滅イベントは、タイムオブフライト（ＴＯＦ）データとしての時間スタンプを用いて、ＬＯＲに沿って局所化されることができる。ＴＯＦ−ＰＥＴデータは、メモリ１０６に格納され、再構成画像を形成する適切なＰＥＴ撮像データ再構成プロセッサ１０８により再構成される。この画像は、メモリ１１０に適切に格納され、コンピュータ１００のディスプレイ１１２に表示され、又は、他の態様で利用される。

図４は、ＰＥＴ用途を示すが、より一般には、開示された光子検出器は、放射線撮像システムと共に用いられることができる。例えば、説明的なＰＥＴスキャナ９０、又は関心領域の周りで放射線検出器ヘッドの周りを回るよう構成されるロボットアーム又はガントリーに取り付けられるガンマカメラの放射線検出器ヘッドの光子検出器と共に用いられることができる。

本発明が、好ましい実施形態を参照して説明されてきた。もちろん、上記の説明を読み、理解すれば、他者は修正及び変更を思いつくであろう。それらの修正及び変更が添付の特許請求の範囲又はその均等物の範囲内にある限り、本発明は、すべての斯かる修正及び変更を含むものとして構築されることが意図される。

Claims (20)

1. 光子検出器を有する装置であって、前記光子検出器が、
   光子の衝突に基づき、ブレイクダウンするよう構成される単一光子アバランシェダイオード検出器を備える検出器アレイと、
   前記検出器アレイの単一光子アバランシェダイオード検出器のブレイクダウンに基づき、トリガー信号を生成するよう構成されるトリガー回路と、
   ブレイクダウンにある前記検出器アレイの単一光子アバランシェダイオード検出器の位置座標を格納するよう構成され、前記トリガー回路により生成されるトリガー信号に基づき、ラッチするよう構成されるラッチとを含む、装置。
2. ラッチするとき、前記トリガー回路に前記トリガー信号を生成させたブレイクダウンのあった前記単一光子アバランシェダイオード検出器の位置座標を前記ラッチが格納することを確実にするのに有効な遅延時間分、前記ラッチへの前記トリガー信号の伝搬を遅延させる少なくとも１つの遅延要素を更に有する、請求項１に記載の装置。
3. 積分時間インターバル分、前記ラッチへの前記トリガー信号の伝搬を遅延させる少なくとも１つの遅延要素を更に有し、ラッチした後、前記ラッチが、前記積分時間インターバルにわたりブレイクダウンする前記単一光子アバランシェダイオード検出器に関する位置座標を提供する、請求項１に記載の装置。
4. 前記ラッチが、
   行ラッチであって、各行ラッチが、前記検出器アレイの対応する行の単一光子アバランシェダイオード検出器の論理的「ＯＲ」組合せに接続される、行ラッチと、
   列ラッチであって、各列ラッチが、前記検出器アレイの対応する列の単一光子アバランシェダイオード検出器の論理的「ＯＲ」組合せに接続される、列ラッチとを有する、請求項１乃至３の任意の一項に記載の装置。
5. 前記検出器アレイ、前記トリガー回路及び前記ラッチを含む前記光子検出器が、シリコン基板にモノリシックに配置される、請求項１乃至４の任意の一項に記載の装置。
6. 前記光子検出器が更に、前記トリガー回路により生成されるトリガー信号に関するデジタル時間スタンプを生成するよう構成される時間デジタル変換器回路を含む、請求項１乃至５の任意の一項に記載の装置。
7. 前記光子検出器が更に、前記トリガー回路により生成されるトリガー信号、及び前記ラッチのラッチングをもたらす前記トリガー信号に対して前記時間デジタル変換器回路により生成されるデジタル時間スタンプに基づき、ラッチング後のラッチに格納される値に基づき、ブレイクダウンにある単一光子アバランシェダイオード検出器の位置座標を有する光子検出位置を生成及び出力する処理及び出力回路を更に含む、請求項６に記載の装置。
8. 前記処理及び出力回路が、２つ又はこれ以上の単一光子アバランシェダイオード検出器がブレイクダウンにあることを示すラッチング後の前記ラッチに基づき、エラー信号を出力するよう更に構成される、請求項７に記載の装置。
9. 関心領域を囲む検出器リングとして構成される複数の前記光子検出器を含む陽電子放出断層撮影スキャナを更に有する、請求項１乃至８の任意の一項に記載の装置。
10. 光子の衝突に基づきブレイクダウンするよう構成される単一光子アバランシェダイオード検出器を含む検出器アレイを提供するステップと、
    ブレイクダウンにある前記検出器アレイの単一光子アバランシェダイオード検出器の位置座標を格納するよう構成されるラッチを提供するステップと、
    前記検出器アレイの単一光子アバランシェダイオード検出器のブレイクダウンに基づき、トリガー信号を生成するステップと、
    前記トリガー信号に基づき、前記ラッチをラッチするステップとを有する、方法。
11. 前記ラッチングより前に前記トリガー信号の生成をもたらしたブレイクダウンのあった前記単一光子アバランシェダイオード検出器の位置座標を前記ラッチが格納することを確実にするのに有効な遅延インターバル分、前記ラッチへの前記トリガー信号の伝搬を遅延させるステップを更に有する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ラッチした後、前記トリガー信号の生成をもたらしたブレイクダウンのあった前記単一光子アバランシェダイオード検出器の位置を決定するため、前記ラッチを読み出すステップを更に有する、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 積分時間分前記ラッチへの前記トリガー信号の伝搬を遅延させるステップと、
    前記ラッチした後、前記積分インターバルにわたりブレイクダウンした前記検出器アレイの前記単一光子アバランシェダイオード検出器の画像を生成するため、前記ラッチを読み出すステップとを更に有する、請求項１０に記載の方法。
14. 前記トリガー信号の生成をもたらしたブレイクダウンのあった前記単一光子アバランシェダイオード検出器の前記ブレイクダウンに関する時間スタンプを生成するため、前記トリガー信号により起動される時間デジタル変換を実行するステップを更に有する、請求項１０乃至１３の任意の一項に記載の方法。
15. 光子検出器を有する装置であって、前記光検出器が、
    単一光子アバランシェダイオード検出器のアレイと、
    ブレイクダウンにある前記アレイの単一光子アバランシェダイオード検出器の位置座標を格納するよう構成されるラッチと、
    前記アレイの単一光子アバランシェダイオード検出器のブレイクダウンに基づき、トリガー信号を生成するよう構成されるトリガー回路であって、前記トリガー信号が、前記ラッチがラッチすることをもたらす、トリガー回路と、
    前記ラッチされたラッチに格納される位置座標に基づき、光子検出位置を出力するよう構成される処理回路とを含む、装置。
16. 前記光子検出器が更に、前記トリガー回路により生成されるトリガー信号に関するデジタル時間スタンプを生成するよう構成される時間デジタル変換器回路を有し、
    前記処理回路が更に、前記ラッチのラッチングをもたらす前記トリガー信号に関する前記デジタル時間スタンプに基づき、光子検出時間を出力するよう構成される、請求項１５に記載の装置。
17. 前記光子検出器が更に、前記トリガー回路に前記トリガー信号を生成させたブレイクダウンのあった前記単一光子アバランシェダイオード検出器の位置座標を前記ラッチが格納することを確実にするのに有効な遅延時間分、前記ラッチのラッチングを遅延させるよう構成される少なくとも１つの遅延要素を有する、請求項１５又は１６に記載の装置。
18. 光子検出器を有する装置であって、前記光子検出器が、
    単一光子アバランシェダイオード検出器のアレイと、
    ブレイクダウンにある前記アレイの単一光子アバランシェダイオード検出器の位置座標を格納するよう構成されるラッチと、
    前記アレイの単一光子アバランシェダイオード検出器のブレイクダウンに基づきトリガー信号を生成するよう構成されるトリガー回路であって、前記トリガー信号が、前記ラッチのラッチングをもたらす、トリガー回路と、
    積分時間分前記ラッチングを遅延させる少なくとも１つの遅延要素と、
    前記ラッチされたラッチに格納される位置座標に基づき、前記積分時間にわたり検出される光子の検出位置を出力するよう構成される処理回路とを含む、装置。
19. シンチレータにより吸収される放射線粒子に基づき、シンチレータにより放出されるシンチレーション光子を検出する前記光子検出器により見られるシンチレータを更に有し、
    前記処理回路が、前記積分時間にわたり前記光子検出器により検出される光子の前記出力された検出位置のセンターとして、前記放射線粒子検出の位置を計算するよう構成される、請求項１８に記載の装置。
20. 前記シンチレータ及び前記光子検出器を有する放射線撮像システムを更に有し、
    前記光子検出器が、関心領域を囲む放射線検出器リング、及び関心領域の周りで前記放射線検出器ヘッドの周りを回るよう構成されるロボットアーム又はガントリーに取り付けられる放射線検出器ヘッドのいずれかとして構成される、請求項１９に記載の装置。

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