JP2019009253A - 光検出器及び光検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の光検出ピクセルと単一の出力端子とを有する構成において、光が検出されたピクセルを好適に判別することが可能な光検出器及び光検出装置を提供する。【解決手段】１次元または２次元に配列され、それぞれ光の入射に応じて検出信号を生成するＮ個の光検出ピクセル５２と、Ｎ個の光検出ピクセル５２のそれぞれで生成される検出信号Ｓ０を出力する単一の出力端子１６とによって、光検出器５０を構成する。Ｎ個の光検出ピクセル５２のそれぞれは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオード５３と、アバランシェフォトダイオード５３に対して直列に接続されたクエンチング抵抗５４とを有するとともに、Ｎ個の光検出ピクセル５２は、互いに異なる時間波形を有する検出信号Ｓ０を出力するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光の検出に用いられる光検出器、及び光検出装置に関するものである。
ポジトロン断層撮影（ＰＥＴ：Positron EmissionTomography）装置では、被験者に対して陽電子（ポジトロン）を放出する放射性同位元素（ＲＩ）で標識された物質をトレーサとして投入する。そして、ＲＩ物質から放出された陽電子が通常物質中の電子と対消滅して生成される一対のγ線を放射線検出器で計測することによって、被験者についての情報を取得する。
このようなＰＥＴ装置等の計測装置においてγ線などの放射線の検出に用いられる放射線検出器は、例えば、放射線の入射に応じてシンチレーション光を生成するシンチレータと、シンチレーション光を検出して検出信号を出力する光検出器とを組み合わせることによって、好適に構成することができる（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１４−１６００４２号公報 特許第５５３１０２１号公報
Chen-Ming Chang et al., "Time-over-thresholdfor pulse shape discrimination in a time-of-flight phoswich PET detector",Phys. Med. Biol. Vol.62 (2017) pp.258-271
ＰＥＴ装置の放射線検出器での光検出器として、例えばＭＰＰＣ（Multi-PixelPhoton Counter）が用いられている。ＭＰＰＣは、ＳｉＰＭ（SiliconPhotomultiplier）の一種であり、それぞれ光の入射に応じて検出信号を生成する複数の光検出ピクセル（ミクロピクセル）と、複数の光検出ピクセルのそれぞれで生成される検出信号を外部へと出力する単一の出力端子とを有して構成される。また、このようなＭＰＰＣは、ＰＥＴ装置以外の分野でも広く用いられている。
ＭＰＰＣは、光検出ピクセルに入射した単一光子を検出することが可能であり、微弱光計測におけるフォトンカウンティング等に好適に適用することができる。しかしながら、ＭＰＰＣでは、複数の光検出ピクセルを有するのに対して、検出信号を外部へと出力する出力端子が１個であるため、どのピクセルで光が検出されたのかを判別することができないという問題がある。
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、複数の光検出ピクセルと単一の出力端子とを有する構成において、光が検出された光検出ピクセルを好適に判別することが可能な光検出器、及び光検出装置を提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明による光検出器は、（１）１次元または２次元に配列され、それぞれ光の入射に応じて検出信号を生成するＮ個の光検出ピクセル（Ｎは２以上の整数）と、（２）Ｎ個の光検出ピクセルのそれぞれで生成される検出信号を出力する単一の出力端子とを備え、（３）Ｎ個の光検出ピクセルのそれぞれは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードと、アバランシェフォトダイオードに対して直列に接続されたクエンチング抵抗とを有するとともに、（４）Ｎ個の光検出ピクセルは、互いに異なる時間波形を有する検出信号を出力するように構成されている。
上記した光検出器では、Ｎ個の光検出ピクセルで生成される検出信号に対して、単一の出力端子を設けるとともに、各光検出ピクセルを、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードと、クエンチング抵抗とによって構成している。さらに、このような構成において、入射光の検出に用いられるＮ個の光検出ピクセルを、互いに異なる時間波形を有する検出信号を出力するように構成している。このような構成によれば、検出信号の時間波形、例えば検出信号の時間波形を示す時定数により、入射光が検出された光検出ピクセルを好適に特定、判別することが可能となる。
ここで、上記の光検出器において、Ｎ個の光検出ピクセルの具体的な構成については、Ｎ個の光検出ピクセルにおけるクエンチング抵抗が、互いに異なる抵抗値を有する構成を用いることができる。このような構成によれば、Ｎ個の光検出ピクセルが互いに異なる時間波形の検出信号を出力する構成を、好適に実現することができる。
また、Ｎ個の光検出ピクセルの具体的な構成については、Ｎ個の光検出ピクセルのそれぞれが、クエンチング抵抗と出力端子との間に直列に接続された周波数フィルタを有し、Ｎ個の光検出ピクセルにおける周波数フィルタが、互いに異なる周波数特性を有する構成を用いることができる。このような構成によっても、Ｎ個の光検出ピクセルが互いに異なる時間波形の検出信号を出力する構成を、好適に実現することができる。
上記のように光検出ピクセルに周波数フィルタを設ける場合、Ｎ個の光検出ピクセルにおける周波数フィルタのそれぞれは、具体的には、互いに異なるカットオフ周波数を有するハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、またはバンドパスフィルタである構成とすることができる。
また、Ｎ個の光検出ピクセルの具体的な構成については、Ｎ個の光検出ピクセルのそれぞれが、アバランシェフォトダイオードに対して並列に接続されたコンデンサを有し、Ｎ個の光検出ピクセルにおけるコンデンサが、互いに異なる容量値を有する構成を用いることができる。このような構成によっても、Ｎ個の光検出ピクセルが互いに異なる時間波形の検出信号を出力する構成を、好適に実現することができる。
本発明による光検出装置は、（１）上記した構成を有する光検出器と、（２）光検出器の出力端子から出力された検出信号の時間波形についての計測を行う時間波形計測部と、（３）時間波形計測部での計測結果に基づいて、検出信号の時間波形を示す時定数を求める解析部とを備える。
上記した光検出装置では、互いに異なる時間波形を有する検出信号を出力するように構成されたＮ個の光検出ピクセルと、検出信号を出力する単一の出力端子とを有する光検出器を用いるとともに、光検出器から出力される検出信号に対し、時間波形計測部と、解析部とを設けている。このような構成によれば、解析部において、検出信号の時間波形を示す時定数を求めることにより、検出信号が、Ｎ個の光検出ピクセルのいずれから出力されたのかについての情報を好適に取得することができる。
光検出装置の具体的な構成については、時間波形計測部が、第１閾値電圧と検出信号とを比較して、検出信号の電圧値が第１閾値電圧を超えている時間に相当する第１時間幅を有する第１デジタル信号を出力する第１コンパレータと、第１デジタル信号の第１時間幅を計測する第１時間幅計測器と、第１閾値電圧とは異なる第２閾値電圧と検出信号とを比較して、検出信号の電圧値が第２閾値電圧を超えている時間に相当する第２時間幅を有する第２デジタル信号を出力する第２コンパレータと、第２デジタル信号の第２時間幅を計測する第２時間幅計測器とを有し、解析部が、第１時間幅及び第２時間幅に基づいて、検出信号の時定数を求める構成とすることができる。
上記した光検出装置では、光検出器から出力される検出信号に対し、互いに異なる閾値電圧が設定された第１、第２コンパレータを設ける。そして、それら２個のコンパレータから出力された第１、第２デジタル信号の互いに異なる時間幅を、第１、第２時間幅計測器によって計測し、得られた第１時間幅及び第２時間幅に基づいて、光の検出に応じた検出信号の時間波形を示すパラメータである時定数を求める。このような構成によれば、検出信号の時間波形情報を簡易な構成で好適に取得、判別することが可能となる。
また、上記の光検出装置において、解析部は、求められた時定数に基づいて、検出信号が、Ｎ個の光検出ピクセルのいずれから出力された検出信号かを判別する構成としても良い。このような構成では、検出信号の時定数により、光検出ピクセルの判別を確実に行うことができる。
本発明の光検出器、及び光検出装置によれば、Ｎ個の光検出ピクセルで生成される検出信号に対して、単一の出力端子を設け、各光検出ピクセルを、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードと、クエンチング抵抗とによって構成するとともに、Ｎ個の光検出ピクセルを、互いに異なる時間波形を有する検出信号を出力するように構成することにより、光が検出された光検出ピクセルを好適に判別することが可能となる。
光検出器の第１実施形態の構成を概略的に示す図である。 図１に示した光検出器の構成を示す平面図である。 図２に示した光検出器の構成を一部拡大して示す平面図である。 光検出器の第２実施形態の構成を概略的に示す図である。 光検出器の第３実施形態の構成を概略的に示す図である。 図１に示した光検出器を含む光検出装置の一実施形態の構成を概略的に示す図である。 図６に示した光検出装置における光検出方法について示すフローチャートである。 光検出器から出力される検出信号の時間波形について示すグラフである。 検出信号の第１、第２時間幅について示すグラフである。 図１に示した光検出器を含む放射線検出装置の一実施形態の構成を概略的に示す図である。 図１０に示した検出装置を用いたＰＥＴ装置の構成を示す図である。 シンチレータから出力されるシンチレーション光の時間波形の立上り時間及び立下り時間を示す図表である。
以下、図面とともに本発明による光検出器、及び光検出装置の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
図１は、光検出器の第１実施形態の構成を概略的に示す図である。本実施形態による光検出器５０は、Ｎを２以上の整数として、Ｎ個の光検出ピクセル（光検出部）５２を備えて、ＭＰＰＣとして構成されている。図２は、図１に示した光検出器５０の構成を示す平面図である。また、図３は、図２に示した光検出器５０の構成を一部拡大して示す平面図である。図３では、図２に示した光検出器５０における中心部の領域５１の拡大図を示している。なお、ＭＰＰＣの具体的な構成については、例えば、特許文献１を参照することができる。
光検出器５０は、１次元または２次元に配列され、それぞれ光の入射に応じて検出信号Ｓ０を生成するＮ個の光検出ピクセル（ミクロピクセル）５２と、Ｎ個の光検出ピクセル５２のそれぞれで生成される検出信号Ｓ０を外部へと出力する単一の出力端子１６とを有して構成されている。
図２、図３に示す構成例では、Ｎ個の光検出ピクセル５２は、光検出器５０の検出器チップ上に２次元に配列されている。また、検出器チップの中央部には、各光検出ピクセル５２からの検出信号Ｓ０が収集される共通電極５８が配置されている。なお、図２においては、共通電極５８の見易さ等のため、検出器チップの両端部周辺のみについて、光検出ピクセル５２を図示している。
光検出器５０におけるＮ個の光検出ピクセル５２のそれぞれは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche Photodiode）５３と、ＡＰＤ５３に対して直列に接続されたクエンチング抵抗５４とを有している。また、クエンチング抵抗５４は、図３に示すように、信号線５９を介して、共通電極５８及び出力端子１６へと接続されている。光検出ピクセル５２で生成された検出信号Ｓ０は、信号線５９、及び共通電極５８を介して、出力端子１６から外部へと出力される。
また、光検出器５０におけるＮ個の光検出ピクセル５２は、互いに異なる時間波形（互いに異なる時定数）を有する検出信号Ｓ０を出力するように構成されている。本構成例では、具体的には、光検出器５０は、Ｎ個の光検出ピクセル５２において検出信号の時間波形、時定数を決めるクエンチング抵抗５４が、互いに異なる抵抗値を有するように構成されている。
上記実施形態による光検出器５０の効果について説明する。
図１〜図３に示した光検出器５０では、Ｎ個の光検出ピクセル５２で生成される検出信号Ｓ０に対して、単一の出力端子１６を設けるとともに、各光検出ピクセル５２を、ガイガーモードで動作するＡＰＤ５３と、クエンチング抵抗５４とによって構成している。さらに、このような構成において、光の検出に用いられるＮ個の光検出ピクセル５２を、互いに異なる時間波形を有する検出信号Ｓ０を出力するように構成している。
このような構成によれば、検出信号Ｓ０の時間波形、例えば検出信号Ｓ０の時間波形を示すパラメータである時定数τにより、入射光が検出された光検出ピクセル５２を好適に特定、判別することが可能となる。上記構成では、例えば、光検出器５０で単一光子が入射、検出される微弱光計測において、光の入射位置に関する情報を取得することができ、これにより、光検出の空間分解能を向上することが可能となる。
また、上記のように光検出ピクセル５２がＡＰＤ５３及びクエンチング抵抗５４を有する構成では、光検出ピクセル５２で生成される検出信号Ｓ０の時間波形は、クエンチング抵抗５４の抵抗値等に依存して決まる所定の波形となる。通常のＭＰＰＣでは、このようなクエンチング抵抗５４の抵抗値は、全ての光検出ピクセル５２において同一の抵抗値となるように設定されている。この場合、Ｎ個の光検出ピクセル５２は、略同一の時間波形を有する検出信号Ｓ０を出力する。
これに対して、上記構成例による光検出器５０では、Ｎ個の光検出ピクセル５２の具体的な構成について、Ｎ個の光検出ピクセル５２におけるクエンチング抵抗５４が、互いに異なる抵抗値を有する構成としている。このような構成によれば、光検出器５０におけるＮ個の光検出ピクセル５２が互いに異なる時間波形の検出信号Ｓ０を出力する構成を、好適に実現することができる。
また、光検出器５０における、互いに異なる時間波形の検出信号を出力するＮ個の光検出ピクセル５２の構成については、図１に示した構成以外にも、具体的には様々な構成を用いることが可能である。
図４は、光検出器の第２実施形態の構成を概略的に示す図である。本実施形態による光検出器５０Ａは、光検出器５０と同様に、１次元または２次元に配列され、それぞれ光の入射に応じて検出信号Ｓ０を生成するＮ個の光検出ピクセル５２と、Ｎ個の光検出ピクセル５２のそれぞれで生成される検出信号Ｓ０を外部へと出力する単一の出力端子１６とを有して構成されている。
光検出器５０ＡにおけるＮ個の光検出ピクセル５２のそれぞれは、ガイガーモードで動作するＡＰＤ５３と、ＡＰＤ５３に対して直列に接続されたクエンチング抵抗５４と、クエンチング抵抗５４及び出力端子１６の間に直列に接続された周波数フィルタ５５とを有している。
また、本構成例では、光検出器５０Ａは、Ｎ個の光検出ピクセル５２における周波数フィルタ５５が、互いに異なる周波数特性を有するように構成されている。このような構成によっても、光検出器５０ＡにおけるＮ個の光検出ピクセル５２が互いに異なる時間波形の検出信号Ｓ０を出力する構成を、好適に実現することができる。
また、このような構成において、Ｎ個の光検出ピクセル５２における周波数フィルタ５５のそれぞれは、例えば、互いに異なるカットオフ周波数を有するハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、またはバンドパスフィルタである。また、本構成例では、Ｎ個の光検出ピクセル５２におけるクエンチング抵抗５４については、同一の抵抗値を有する構成としても良く、互いに異なる抵抗値を有する構成としても良い。
図５は、光検出器の第３実施形態の構成を概略的に示す図である。本実施形態による光検出器５０Ｂは、光検出器５０と同様に、１次元または２次元に配列され、それぞれ光の入射に応じて検出信号Ｓ０を生成するＮ個の光検出ピクセル５２と、Ｎ個の光検出ピクセル５２のそれぞれで生成される検出信号Ｓ０を外部へと出力する単一の出力端子１６とを有して構成されている。
光検出器５０ＢにおけるＮ個の光検出ピクセル５２のそれぞれは、ガイガーモードで動作するＡＰＤ５３と、ＡＰＤ５３に対して直列に接続されたクエンチング抵抗５４と、ＡＰＤ５３に対して並列に接続されたコンデンサ５６とを有している。
また、本構成例では、光検出器５０Ｂは、Ｎ個の光検出ピクセル５２におけるコンデンサ５６が、互いに異なる容量値を有するように構成されている。このような構成によっても、光検出器５０ＢにおけるＮ個の光検出ピクセル５２が互いに異なる時間波形の検出信号Ｓ０を出力する構成を、好適に実現することができる。また、本構成例では、Ｎ個の光検出ピクセル５２におけるクエンチング抵抗５４については、同一の抵抗値を有する構成としても良く、互いに異なる抵抗値を有する構成としても良い。
図６は、図１に示した光検出器を含む光検出装置の一実施形態の構成を概略的に示す図である。本実施形態による光検出装置１Ａは、光検出器１５と、時間波形計測部２０と、解析部３０とを備えて構成されている。また、本構成例では、光検出器１５として、図１に示した構成を有する光検出器５０を用いている。なお、光検出器１５としては、図４に示した光検出器５０Ａ、または図５に示した光検出器５０Ｂ等を用いても良い。
光検出器１５は、Ｎ個の光検出ピクセル５２を有し、入射した光を検出して、生成された電気信号（電圧信号）を検出信号Ｓ０として出力する。光検出器１５の具体的な構成、及び光検出器１５から出力される検出信号Ｓ０の時間波形等については、図１に示す光検出器５０に関して上述した通りである。光検出器１５で生成された検出信号Ｓ０は、単一の出力端子１６、及びアンプ１８を介して、後段の時間波形計測部２０へと出力される。なお、アンプ１８については、不要であれば設けない構成としても良い。
時間波形計測部２０は、光検出器１５の出力端子１６から出力された検出信号Ｓ０の時間波形について計測を行う計測回路部である。本構成例における時間波形計測部２０は、第１コンパレータ２１と、第２コンパレータ２２と、第１時間幅計測器２３と、第２時間幅計測器２４とを有する。光検出器１５からアンプ１８を介して出力された検出信号Ｓ０は、分岐点１７において分岐され、分岐された検出信号Ｓ０は、それぞれ第１コンパレータ２１、第２コンパレータ２２へと入力される。
第１コンパレータ２１には、第１閾値電圧Ｖ１が与えられている。第１コンパレータ２１は、第１閾値電圧Ｖ１と、電圧信号である検出信号Ｓ０とを比較して、検出信号Ｓ０の電圧値が閾値電圧Ｖ１を超えている時間に相当する第１時間幅Ｔ１を有する第１デジタル信号Ｓ１を出力する。また、第２コンパレータ２２には、第１閾値電圧Ｖ１とは異なる電圧値を有する第２閾値電圧Ｖ２が与えられている。第２コンパレータ２２は、第２閾値電圧Ｖ２と、検出信号Ｓ０とを比較して、検出信号Ｓ０の電圧値が閾値電圧Ｖ２を超えている時間に相当する第２時間幅Ｔ２を有する第２デジタル信号Ｓ２を出力する。
第１時間幅計測器２３は、第１コンパレータ２１から出力された第１デジタル信号Ｓ１の第１時間幅Ｔ１を計測して、得られた第１時間幅Ｔ１のデータを後段の解析部３０へと出力する。また、第２時間幅計測器２４は、第２コンパレータ２２から出力された第２デジタル信号Ｓ２の第２時間幅Ｔ２を計測して、得られた第２時間幅Ｔ２のデータを解析部３０へと出力する。第１時間幅計測器２３及び第２時間幅計測器２４のそれぞれは、好ましくは、時間−デジタル変換器（ＴＤＣ：Time to Digital Converter）によって構成される。
解析部（解析装置）３０は、第１、第２時間幅計測器２３、２４からそれぞれ入力された第１時間幅Ｔ１及び第２時間幅Ｔ２に基づいて、検出信号Ｓ０の時間波形を示すパラメータである時定数τを求める。時定数τは、例えば、後述する検出信号Ｓ０の時間波形における立下り時間τｄである。また、解析部３０は、時定数τとして、立下り時間τｄ以外の時間波形を示すパラメータを求めても良い。また、解析部３０は、必要に応じて、時定数τに基づいて、検出信号Ｓ０の時間波形における波高値Ｅをさらに求めても良い。解析部３０としては、例えば、ＣＰＵ及びメモリ等を含むコンピュータ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等を用いることができる。
解析部３０には、表示部（表示装置）３１、及び記憶部（記憶装置）３２が接続されている。表示部３１は、上記のように導出された時定数τなどの解析部３０による検出信号Ｓ０の解析結果等を、必要に応じて表示する。記憶部３２は、解析部３０に入力された第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２のデータ、解析部３０で導出された時定数τなどの解析結果のデータ等を記憶する。
上記実施形態による光検出装置１Ａの効果について説明する。
図６に示した光検出装置１Ａでは、互いに異なる時間波形を有する検出信号Ｓ０を出力するように構成されたＮ個の光検出ピクセル５２と、検出信号Ｓ０を出力する単一の出力端子１６とを有する光検出器１５を用いるとともに、光検出器１５から出力される検出信号Ｓ０に対し、その時間波形を計測する時間波形計測部２０と、解析部３０とを設けている。このような構成によれば、解析部３０において、光の検出に応じた検出信号Ｓ０の時間波形を示す時定数τを求めることにより、検出信号Ｓ０が、Ｎ個の光検出ピクセル５２のいずれから出力されたのかについての情報を好適に取得することができる。
また、上記の光検出装置１Ａでは、時間波形計測部２０の構成について、具体的に、光検出器１５からの検出信号Ｓ０に対し、互いに異なる閾値電圧Ｖ１、Ｖ２が設定された第１、第２コンパレータ２１、２２を設ける。そして、それらのコンパレータ２１、２２から出力された第１、第２デジタル信号Ｓ１、Ｓ２の互いに異なる時間幅を、第１、第２時間幅計測器２３、２４によって計測し、得られた第１時間幅Ｔ１及び第２時間幅Ｔ２に基づいて、解析部３０において、検出信号Ｓ０の時間波形を示すパラメータである時定数τを求める。このような構成によれば、検出信号Ｓ０の時間波形情報を、波形サンプリング等を行うことなく、簡易な構成で好適に取得、判別することが可能となる。
また、上記の光検出装置１Ａにおいて、解析部３０は、検出信号Ｓ０について求められた時定数τに基づいて、検出信号Ｓ０が、Ｎ個の光検出ピクセル５２のいずれから出力された検出信号かを判別する構成としても良い。このような構成によれば、検出信号Ｓ０の時定数τにより、光検出ピクセル５２の判別を確実に行うことができる。
また、上記の光検出装置１Ａにおいて、解析部３０は、上記の時定数τに加えて、時定数τに基づいて、検出信号Ｓ０の時間波形における波高値Ｅをさらに求める構成としても良い。このような構成によれば、コンパレータ２１、２２、及び時間幅計測器２３、２４を含む時間波形計測部２０とは別個に、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ：Analog to Digital Converter）などの波高値計測器を追加で設けることなく、検出信号Ｓ０の波高値Ｅを高速かつ低消費電力で容易に求めることができる。なお、このような波高値Ｅについては、不要であれば求めない構成としても良い。
図７は、図６に示した光検出装置１Ａにおいて実行される光検出方法について示すフローチャートである。また、図８は、光検出器１５から出力される検出信号Ｓ０の時間波形について示すグラフである。また、図９は、検出信号Ｓ０に対して第１、第２閾値電圧Ｖ１、Ｖ２を適用して得られる第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２について示すグラフである。以下、本実施形態による光検出方法について、検出信号Ｓ０の時間波形、及び時定数τの導出方法の具体例等とともに説明する。
図７に示す光検出方法では、まず、上記した光検出器５０等から構成される光検出器１５において光（例えば単一光子）が検出され、光検出器１５の出力端子１６から、光の入射に応じた検出信号Ｓ０が出力される（ステップＳ１１）。図８は、光検出器１５から出力される検出信号Ｓ０の時間波形の一例を模式的に示している。図８のグラフにおいて、横軸は、時間を示し、縦軸は、検出信号Ｓ０の電圧値を示している。
図８に示す検出信号Ｓ０の時間波形において、信号ピークＳｐよりも前の部分が立上り信号部Ｓｒであり、信号ピークＳｐよりも後の部分が立下り信号部Ｓｄである。また、図８に示すような形状を有する検出信号Ｓ０の時間波形は、例えば、下記式（１）によって表すことができる。
Figure 2019009253
ここで、式（１）において、Ｅは信号ピークＳｐでの電圧値である波高値を示し、τｒは立上り信号部Ｓｒでの立上り時間（立上り時定数）を示し、τｄは立下り信号部Ｓｄでの立下り時間（立下り時定数）を示している。
光検出器１５から出力された検出信号Ｓ０は、アンプ１８及び分岐点１７を経て、時間波形計測部２０の第１、第２コンパレータ２１、２２へと入力される。第１コンパレータ２１は、第１閾値電圧Ｖ１と検出信号Ｓ０とを比較して、図９のグラフに示すように、検出信号Ｓ０の電圧値が閾値電圧Ｖ１を超えている時間に相当する第１時間幅Ｔ１を有する第１デジタル信号Ｓ１を出力する。また、第２コンパレータ２２は、第２閾値電圧Ｖ２と検出信号Ｓ０とを比較して、同様に、検出信号Ｓ０の電圧値が閾値電圧Ｖ２を超えている時間に相当する第２時間幅Ｔ２を有する第２デジタル信号Ｓ２を出力する（ステップＳ１２）。これらの第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２は、第１、第２時間幅計測器２３、２４においてそれぞれ計測される（ステップＳ１３）。
なお、図８、図９では、検出信号Ｓ０の時間波形における信号ピークＳｐが電圧に対して正の方向にある場合を示しているが、検出信号Ｓ０の信号ピークＳｐが電圧に対して負の方向にある場合には、上記の時間幅については、例えば、検出信号の正負を反転した検出信号Ｓ０の電圧値が閾値電圧を超えている時間に相当する時間幅を求めれば良い。これは、元の検出信号の電圧値が閾値電圧を下回っている時間に対応している。
解析部３０は、第１、第２時間幅計測器２３、２４において計測された第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２等に基づいて、検出信号Ｓ０の時間波形を示す時定数τを導出する（ステップＳ１４）。また、解析部３０は、必要に応じて、第１、第２時間幅Ｔ１、Ｔ２、及び時定数τ等に基づいて、検出信号Ｓ０の時間波形における波高値Ｅを導出する（ステップＳ１５）。また、解析部３０は、求められた時定数τに基づいて、検出信号Ｓ０が、Ｎ個の光検出ピクセル（光検出部）のうちのいずれから出力された検出信号かを判別する（ステップＳ１６）。
ここで、光検出器１５から出力される検出信号Ｓ０の時間波形において、立上り時間τｒが立下り時間τｄに対して充分に短い場合、第１閾値電圧Ｖ１に対する検出信号Ｓ０の第１時間幅Ｔ１は、下記式（２）
Figure 2019009253
によって表される。また、第２閾値電圧Ｖ２に対する検出信号Ｓ０の第２時間幅Ｔ２は、同様に下記式（３）
Figure 2019009253
によって表される。
したがって、解析部３０において時間波形のパラメータとして導出する時定数τを、検出信号Ｓ０の時間波形での立下り時間τｄとすると、時定数τは、下記式（４）によって求めることができる。
Figure 2019009253
このような式（４）を用いることにより、検出信号Ｓ０の時定数τを好適、かつ容易に求めることができる。
また、解析部３０において、時定数τに加えて検出信号Ｓ０の波高値Ｅを求める場合、波高値Ｅは、上記で時定数τとして求められた立下り時間τｄを用いて、下記式（５）によって求めることができる。
Figure 2019009253
なお、第１、第２コンパレータ２１、２２における第１、第２閾値電圧Ｖ１、Ｖ２については、時定数τ等が求めやすいように、任意に設定、調整することができる。
また、検出信号Ｓ０において、立上り時間τｒが立下り時間τｄに対して充分に短いとの上記した波形条件については、具体的には例えば、検出信号Ｓ０の時間波形における立上り時間τｒが、立下り時間τｄに対して条件
（τｒ／τｄ）＜０．１
を満たすことが好ましい。
なお、本構成例では、上記したように、光検出器１５がＮ個の光検出ピクセル５２を含むこととしたが、光検出ピクセル５２の個数Ｎについては、２個以上で任意に設定して良い。例えば、光検出器１５が、所定の時間波形の検出信号を出力する第１光検出ピクセルと、第１光検出ピクセルとは異なる時間波形の検出信号を出力する第２光検出ピクセルとを含む場合に、求められた時定数τに基づいて、検出信号Ｓ０が、第１、第２光検出ピクセルのいずれから出力された検出信号かを判別することできる。
図６に示した光検出装置１Ａについては、光検出器１５に対してシンチレータを設けることにより、放射線検出装置として構成することも可能である。図１０は、図１に示した光検出器を含む放射線検出装置の一実施形態の構成を概略的に示す図である。本実施形態による放射線検出装置１Ｂは、放射線検出器１０と、時間波形計測部２０と、解析部３０とを備えて構成されている。これらのうち、時間波形計測部２０及び解析部３０の構成については、図６に示した構成と同様である。また、図１０においては、解析部３０に接続された表示部３１、記憶部３２について、図示を省略している。
放射線検出器１０は、入射した放射線を検出して、生成された電気信号（電圧信号）を検出信号として出力する。本構成例における放射線検出器１０は、シンチレータ１１と、光検出器１５とを有する。シンチレータ１１は、所定のシンチレーション材料からなり、検出対象となる放射線の入射に応じてシンチレーション光を生成する。シンチレータ１１で生成されるシンチレーション光の時間波形は、シンチレーション材料の発光特性等に依存して決まる所定の波形となる。また、シンチレータ１１において検出される放射線は、例えば、γ線、Ｘ線、電子、荷電粒子、宇宙線等である。
光検出器１５は、シンチレータ１１から出力されたシンチレーション光を検出して、検出信号を出力する。本構成例では、光検出器１５として、図１に示した構成を有する光検出器５０を用いている。なお、光検出器１５としては、図４に示した光検出器５０Ａ、または図５に示した光検出器５０Ｂ等を用いても良い。また、検出信号Ｓ０の時間波形は、上記したシンチレーション光の時間波形、及び光検出器１５における光検出ピクセル５２の構成等に依存して決まる所定の波形となる。
図１０に示した構成の放射線検出装置１Ｂは、例えばＰＥＴ装置において好適に適用することができる。図１１は、図１０に示した放射線検出装置を適用したＰＥＴ装置の構成について示す図である。ＰＥＴ装置２Ａは、シンチレータ１１及び光検出器１５を含む放射線検出器１０を複数、被験者Ｐを取り囲むように配置して構成されている。また、各放射線検出器１０から出力される検出信号Ｓ０に対して、図６、図１０に示した時間波形計測部２０及び解析部３０を含む信号処理部６０が設けられている。
ＰＥＴ装置２Ａでは、被験者Ｐの内部で陽電子の対消滅によって生成された一対のγ線が、複数の放射線検出器１０によって検出される。図１１に示した例では、被験者Ｐの内部の計測点Ｐ１で生成された一対のγ線が、放射線検出器１０１、１０２によって検出されている。また、計測点Ｐ２で生成された一対のγ線が、放射線検出器１０３、１０４によって検出されている。
放射線検出器１０の光検出器１５から出力された検出信号Ｓ０は、信号処理部６０へと入力され、図６に関して上述したように、信号処理部６０において、検出信号Ｓ０の時間波形の計測、及び時間波形の時定数τの導出等が行われる。また、求められた時定数τに基づいて、光検出器１５における光検出ピクセル５２の判別等が行われる。光検出ピクセルの判別等の情報は、例えば、ＰＥＴ装置２Ａの性能向上に用いることができる。
また、図１２は、シンチレータから出力されるシンチレーション光の時間波形の立上り時間τｒ及び立下り時間τｄを示す図表である。図１２では、ＰＥＴ装置に用いられる既存のシンチレータとして、ＬＳＯ、ＬＹＳＯ、ＬａＢｒ３、ＧＳＯ、ＧＡＧＧについて、時間波形の立上り時間τｒ、及び立下り時間τｄを示している。これらのシンチレータについては、立上り時間τｒが立下り時間τｄに対して充分に短いとの波形条件を充分に満たしていると考えられる。
本発明による光検出器、及び光検出装置は、上記した実施形態、及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、図６、図１０に示した構成では、光検出器１５から出力される検出信号Ｓ０に対してアンプ１８を設けているが、このアンプ１８については、不要であれば設けない構成としても良い。また、検出信号Ｓ０の時間波形を計測する時間波形計測部２０についても、具体的には様々な構成を用いて良い。また、解析部３０は、時間波形計測部２０での計測結果に基づいて、検出信号Ｓ０の時定数τを求めれば良い。
また、光検出器５０における、互いに異なる時間波形の検出信号Ｓ０を出力するＮ個の光検出ピクセル５２の構成についても、図１、図４、図５に示した構成に限らず、具体的には様々な構成を用いて良い。
本発明は、複数の光検出ピクセルと単一の出力端子とを有する構成において、光が検出された光検出ピクセルを好適に特定、判別することが可能な光検出器、及び光検出装置として利用可能である。
５０、５０Ａ、５０Ｂ…光検出器、５１…領域、５２…光検出ピクセル、５３…アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、５４…クエンチング抵抗、５５…周波数フィルタ、５６…コンデンサ、５８…共通電極、５９…信号線、
１Ａ…光検出装置、１Ｂ…放射線検出装置、２Ａ…ＰＥＴ装置、１０…放射線検出器、１１…シンチレータ、１５…光検出器、１６…出力端子、１７…分岐点、１８…アンプ、２０…時間波形計測部、２１…第１コンパレータ、２２…第２コンパレータ、２３…第１時間幅計測器、２４…第２時間幅計測器、３０…解析部、３１…表示部、３２…記憶部、６０…信号処理部、
Ｓ０…検出信号、Ｓｐ…信号ピーク、Ｓｒ…立上り信号部、Ｓｄ…立下り信号部、Ｓ１…第１デジタル信号、Ｓ２…第２デジタル信号、Ｖ１…第１閾値電圧、Ｖ２…第２閾値電圧、Ｔ１…第１時間幅、Ｔ２…第２時間幅。

Claims (8)

  1. １次元または２次元に配列され、それぞれ光の入射に応じて検出信号を生成するＮ個の光検出ピクセル（Ｎは２以上の整数）と、
    前記Ｎ個の光検出ピクセルのそれぞれで生成される前記検出信号を出力する単一の出力端子とを備え、
    前記Ｎ個の光検出ピクセルのそれぞれは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードに対して直列に接続されたクエンチング抵抗とを有するとともに、
    前記Ｎ個の光検出ピクセルは、互いに異なる時間波形を有する検出信号を出力するように構成されている、光検出器。
  2. 前記Ｎ個の光検出ピクセルにおける前記クエンチング抵抗は、互いに異なる抵抗値を有する、請求項１記載の光検出器。
  3. 前記Ｎ個の光検出ピクセルのそれぞれは、前記クエンチング抵抗と前記出力端子との間に直列に接続された周波数フィルタを有し、
    前記Ｎ個の光検出ピクセルにおける前記周波数フィルタは、互いに異なる周波数特性を有する、請求項１または２記載の光検出器。
  4. 前記Ｎ個の光検出ピクセルにおける前記周波数フィルタのそれぞれは、互いに異なるカットオフ周波数を有するハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、またはバンドパスフィルタである、請求項３記載の光検出器。
  5. 前記Ｎ個の光検出ピクセルのそれぞれは、前記アバランシェフォトダイオードに対して並列に接続されたコンデンサを有し、
    前記Ｎ個の光検出ピクセルにおける前記コンデンサは、互いに異なる容量値を有する、請求項１〜４のいずれか一項記載の光検出器。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項記載の光検出器と、
    前記光検出器の前記出力端子から出力された前記検出信号の時間波形についての計測を行う時間波形計測部と、
    前記時間波形計測部での計測結果に基づいて、前記検出信号の時間波形を示す時定数を求める解析部と
    を備える、光検出装置。
  7. 前記時間波形計測部は、
    第１閾値電圧と前記検出信号とを比較して、前記検出信号の電圧値が前記第１閾値電圧を超えている時間に相当する第１時間幅を有する第１デジタル信号を出力する第１コンパレータと、
    前記第１デジタル信号の前記第１時間幅を計測する第１時間幅計測器と、
    前記第１閾値電圧とは異なる第２閾値電圧と前記検出信号とを比較して、前記検出信号の電圧値が前記第２閾値電圧を超えている時間に相当する第２時間幅を有する第２デジタル信号を出力する第２コンパレータと、
    前記第２デジタル信号の前記第２時間幅を計測する第２時間幅計測器とを有し、
    前記解析部は、前記第１時間幅及び前記第２時間幅に基づいて、前記検出信号の前記時定数を求める、請求項６記載の光検出装置。
  8. 前記解析部は、前記時定数に基づいて、前記検出信号が、前記Ｎ個の光検出ピクセルのいずれから出力された検出信号かを判別する、請求項６または７記載の光検出装置。
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