JP2019028057A - 放射線検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放射線の投影画像を短時間で得る。【解決手段】放射線検出装置は、放射線の入射に応じてシンチレーション光を発するシンチレータと、シンチレーション光を光電変換し、シンチレーション光の光量に応じた画素信号を出力する複数の画素がアレイ状に配置された画素基板と、画素信号をA/D(Analog to Digital)変換するA/D変換部を有し、画素基板に積層された検出回路基板と、A/D変換部から出力されるディジタルデータを圧縮する圧縮部とを備える。本技術は、例えば、X線を検出することにより撮像するX線撮像装置等に適用することができる。【選択図】図１７

Description

本技術は、放射線検出装置に関し、特に、例えば、放射線の投影画像を短時間で得ることができるようにする放射線検出装置に関する。

X線の光子の１つ１つを個別に検出し、特定のエネルギ範囲のX線の光子の個数を、画素ごとにカウントすることで、X線の投影画像を生成するフォトンカウンティング方式のFPD(Flat Panel Detector)装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開2017-020912号公報

現在、放射線の投影画像を短時間で得ることが要請されている。

本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、放射線の投影画像を短時間で得ることができるようにするものである。

本技術の放射線検出装置は、放射線の入射に応じてシンチレーション光を発するシンチレータと、前記シンチレーション光を光電変換し、前記シンチレーション光の光量に応じた画素信号を出力する複数の画素がアレイ状に配置された画素基板と、前記画素信号をA/D(Analog to Digital)変換するA/D変換部を有し、前記画素基板に積層された検出回路基板と、前記A/D変換部から出力されるディジタルデータを圧縮する圧縮部とを備える放射線検出装置である。

本技術の放射線検出装置においては、画素基板には、前記シンチレーション光を光電変換し、前記シンチレーション光の光量に応じた画素信号を出力する複数の画素がアレイ状に配置されている。検出回路基板は、前記画素信号をA/D(Analog to Digital)変換するA/D変換部を有し、前記画素基板に積層されている。そして、圧縮部では、前記A/D変換部から出力されるディジタルデータが圧縮される。

なお、放射線検出装置は、独立した装置であっても良いし、１つの装置を構成している内部ブロックであっても良い。

本技術によれば、放射線の投影画像を短時間で得ることができる。

なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

本技術の放射線検出装置を適用したX線撮像装置の一実施の形態の構成例を示す俯瞰図である。 透過撮像モード及び断層撮像モードそれぞれの場合のX線撮像装置１０の状態の例を示す図である。 検出装置１２の構成例を示す平面図である。 光検出ブロック２２の構成例を示す平面図である。 フォトンカウントモードにおいて、光検出ブロック２２の画素２００の画素信号のA/D変換後に得られる、各画素２００の画素値の例を示す平面図である。 画素２００の構成例を示す回路図である。 画素２００及び検出回路３３の信号検出部２６（図６）の動作の例を説明するタイミングチャートである。 検出回路３３の構成例を示す図である。 画素基板３０に採用し得る画素の第１の他の例を示す図である。 画素基板３０に採用し得る画素の第２の他の例を示す図である。 画素基板３０に採用し得る画素の第３の他の例を示す図である。 フォトンカウントモードにおいて、光検出ブロック２２の画素３３０の画素信号のA/D変換後に得られる、各画素３００の画素値の例を示す平面図である。 検出装置１２の光センサ基板２１の製造方法の例の概略を説明する図である。 本技術の放射線検出装置を適用したX線撮像装置の他の一実施の形態の構成例を示す俯瞰図である。 検出装置４０１の構成例を示す断面図である。 検出装置４０１において、光検出ブロック２２の画素２００の画素信号のA/D変換後に得られる、各画素２００の画素値の例を示す平面図である。 検出装置４０１において、光センサ基板４３０が有する光検出ブロック２２の論理圧縮回路３４での圧縮について説明する平面図である。 本開示に係る技術を適用し得るX線撮影システムの構成例を説明するブロック図である。 本開示に係る技術に適用し得る固体撮像装置の構成例を示す断面図である。

例えば、医療分野においては、X線を照射することによって投影される投影画像を動画や静止画としてモニタするX線医療撮像装置が活用されている。X線医療撮像装置は、X線の発生部であるX線管と、被検体を挟んで、X線管に対向する位置に配置されたX線の検出装置（X線検出装置）としてのFPD装置とを含んで構成される。

X線医療撮像装置には、低被爆化への対応とともに、X線の投影画像の画質の向上が求められている。さらに、X線医療撮像装置は、コーンビームCT(Computed Tomography)や、トモシンセシス等の断層の画像（断層画像）を撮像する断層撮像機能を有することがあり、断層撮像機能を有するX線医療撮像装置では、FPD装置が、X線の検出装置として使用される。

X線の検出装置としてのFPD装置において、X線を検出する検出面は、X線の入射に応じて蛍光（シンチレーション光）を発するシンチレータプレートと、光（ここでは、シンチレーション光）に応じて光電変換を行うPD(Photodiode)を有する画素のアレイ（画素アレイ）とで構成される。

FPD装置の各画素においては、X線がシンチレータプレートに照射されることに応じて生じるシンチレーション光が、PDによって電荷に変換される。PDの電荷に対応する電気信号としての画素信号は、画素が内蔵する画素Tr（トランジスタ）を含む読み出し回路によって読み出され、A/D変換器によりディジタル値に変換されて、X線の照射量（透過量）として検出される。

画素信号の読み出しは、静止画の投影画像を得る撮像では、例えば、１回〜数回行われ、動画の投影画像を得る撮像では、１秒間に１０回ないし３０回程度の頻度で実施される。FPD装置では、各画素のPDに、多数のX線によるシンチレーション光に対応する電荷が積分的に蓄積され、その電荷に対応する画素信号が画素ごとに読み出される。そして、各画素の画素信号が、その画素に入射する、被検体を透過したX線である透過X線の光量に比例するとみなして、投影画像が生成される。

以上のように、画素から、PDに積分的に蓄積された電荷に対応する画素信号を読み出して、投影画像を生成する、いわば積分方式のFPD装置には、ノイズの蓄積の問題がある。

すなわち、シンチレータプレートの発光量は、X線のエネルギにほぼ比例し、また、シンチレータプレート自身は、発光ばらつきを有する。X線管が発するX線のエネルギには、スペクトルの幅があり、そのX線のスペクトルごとのエネルギのばらつきとシンチレータプレートの発光ばらつきとは、X線の入射ごとに発生する。そして、画素のPDには、X線のエネルギのばらつき及びシンチレータプレートの発光ばらつきが、ノイズとして蓄積されていく。画素では、X線のエネルギのばらつき及びシンチレータプレートの発光ばらつきに起因するノイズに、画素そのものが発する読み出しノイズが追加されたノイズが、画素から読み出された画素信号のノイズとして、投影画像に反映される。

さらに、X線管が、幅の広いエネルギスペクトルを有するX線を発する場合、低エネルギのX線と高エネルギのX線とでは、物質の透過率が異なるため、その透過率が異なることに起因して、投影画像のぼけが発生するビームハードニングと呼ばれる現象が生じる。

また、散乱して位置情報を失ったX線が、積分方式のFPD装置に入射した場合、そのX線は、投影画像にとって、ノイズになる。

以上のような積分方式のFPD装置に生じるノイズの蓄積の問題を克服するFPD装置として、X線の光子の１つ１つを個別に検出し、特定のエネルギ範囲のX線の光子の個数を、画素ごとにカウントすることで、X線の投影画像を生成するフォトンカウンティング方式のFPD装置が提案されている。

フォトンカウンティング方式のFPD装置では、X線の１光子が発する微弱な信号の１つ１つを捉える必要があるため、画素には、極めて高い感度と高速な応答性とが要求される。そのため、フォトンカウンティング方式のFPD装置を実現するための試みでは、シンチレータプレートを用いてX線を間接的に電荷に変換する間接変換ではなく、CdTeやCZTに代表される特殊な半導体材料を用いてX線を直接的に電荷に変換する直接変換が想定されている。

例えば、CZT結晶が個々のX線の入射により発生する電荷を、CZT結晶の下層に画素ごとに配置したシリコン検出器を用いて検出し、コンパレータで閾値と比較しながら、一定範囲の大きさの電荷（に対応する信号）を、カウンタによってカウントしていくフォトンカウンティング方式が提案されている。

しかしながら、CdTeやCZTのような半導体材料は、非常に高価であり、また、結晶性や、結晶の安定性、結晶の均一性に問題がある。そして、その結晶性等の問題に起因したフロアノイズや状態の不安定さから、大面積のFPD装置を製造することは、いまのところ困難である。

また、電荷（に対応する信号）を、カウンタによってカウントする場合には、カウンタ
のビット数で、X線の検出のダイナミックレンジ（X線の光子をカウントするカウント値のダイナミックレンジ）が制限される。一般に、コーンビームCTやトモシンセシスのような断層画像を撮像する断層撮像では、２次元の投影画像を撮像する２次元透過撮像に比較して、短時間で多量の投影画像を撮像する必要があり、X線の線量が、桁違いに高くなる。ここでは、X線の線量とは、X線が照射される頻度や、X線の本数（密度）を意味する。

X線の線量が高い場合、そのX線に対応する電荷が、パルス状ではなく、連続的に絶え間なく発生し、電荷をカウントすることが困難となる。

したがって、電荷をカウンタによってカウントするフォトンカウンティング方式のFPD装置では、断層撮像を行う場合のような高線量のX線を検出することは困難である。かかるフォトカウンティング方式のFPD装置において、高線量のX線に対応するためには、フォトンカウンティング方式の回路とは別に、高線量のX線を検出する回路を、画素ごとに搭載し、切り替えて使用する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、FPD装置が高コスト化する。

そこで、本技術では、低コストで、断層撮像等に用いられる高線量の放射線、及び、２次元透過撮像等に用いられる低線量の放射線のいずれをも検出することができるようにする。

＜本技術を適用したX線撮像装置の一実施の形態＞

図１は、本技術の放射線検出装置を適用したX線撮像装置の一実施の形態の構成例を示す俯瞰図である。

図１において、X線撮像装置１０は、X線照射装置１１及び検出装置１２を有する。

X線照射装置１１と検出装置１２とは、被検体１を挟んで対向して配置される。

X線照射装置１１は、放射線の１つであるX線を発生する放射線発生部であり、X線を、被検体１に対して照射する。

検出装置１２は、例えば、X線を検出するFPD装置であり、X線照射装置１１が発生し、被検体１を透過したX線（の光子）を検出し、そのX線に対応する２次元の投影画像を生成する。

X線撮像装置１０は、２次元の投影画像を撮像する２次元透過撮像を行う透過撮像モードと、２次元の多数の投影画像を撮像して、その多数の投影画像から断層画像を取得する断層撮像を行う断層撮像モードとを、撮像モードとして有する。

図２は、透過撮像モード及び断層撮像モードそれぞれの場合のX線撮像装置１０の状態の例を示す図である。

図２のＡは、透過撮像モードのX線撮像装置１０の状態の一例を示している。図２のＡでは、X線撮像装置１０を構成するX線照射装置１１及び検出装置１２は、被検体１を挟む所定の位置に固定され、被検体１の一部の範囲の投影画像が撮像される。

図２のＢは、透過撮像モードのX線撮像装置１０の状態の他の一例を示している。図２のＢでは、X線撮像装置１０を構成するX線照射装置１１及び検出装置１２は、同一方向にスライドされながら、被検体１の広い範囲に亘って、投影画像を撮像する。

図２のＣは、断層撮像モードのX線撮像装置１０の状態の一例を示している。図２のＣでは、X線照射装置１１が、被検体１を中心に回転するように移動されるとともに、検出装置１２が、X線照射装置１１の移動の方向とは逆方向にスライドされる。

図２のＤは、断層撮像モードのX線撮像装置１０の状態の他の一例を示している。図２のＤでは、X線照射装置１１及び検出装置１２が、被検体１を中心に、一体的に回転される。

図２のＣ及びＤの断層撮像モードでは、被検体１の一部の箇所が、複数の様々な角度から撮像されることで、その複数の様々な角度から見た複数の投影画像が生成され、その複数の投影画像から３次元の断層画像が生成される。断層撮像モードでは、限られた一定時間内に、多数の投影画像を撮像する必要があり、その撮像には、例えば、高線量のX線が用いられる。

＜検出装置１２の構成例＞

図３は、検出装置１２の構成例を示す平面図である。

検出装置１２は、板状のシンチレータプレート２０を、例えば、Siよりなる光センサ基板２１に貼り合わせて構成される。図３には、シンチレータプレート２０を光センサ基板２１に貼り合わせる前の検出装置１２が示されている。

シンチレータプレート２０は、例えば、柱状結晶のCsI:Tlよりなるシンチレータの薄膜を主体として構成される。シンチレータプレート２０の表面に入射したX線は、可視光であるシンチレーション光に変換される。

シンチレータプレート２０のシンチレータ膜厚は、シンチレーション光ができるだけ平面状に拡散しないように、用途に応じて最適化される。例えば、マンモグラフィの用途では、X線照射装置１１は、比較的低エネルギ（15keVないし45keV程度）のX線を照射し、この場合、シンチレータ膜厚としては、１５０μｍ程度が採用される。また、例えば、歯科用や、血管や心臓等の臓器の撮像の用途では、X線照射装置１１は、比較的高エネルギ（100keVないし130keV程度）のX線を照射し、この場合、シンチレータ膜厚としては、６００μｍ程度が採用される。

光センサ基板２１は、例えば、半導体Siの製造工程を利用して製造することができる。

光センサ基板２１には、光検出部２３、出力回路２４、及び、タイミング制御回路２５が形成される。

光検出部２３は、複数の光検出ブロック２２がアレイ状に２次元に配置されて構成される。シンチレータプレート２０は、光センサ基板２１の光検出部２３が形成されている面側に貼り合わされるが、光検出ブロック２２は、シンチレータプレート２０の、光検出ブロック２２に対向する部分のシンチレーション光を検出し、そのシンチレーション光に対応する電気信号から得られるデータを出力する。

すなわち、光検出ブロック２２は、所定の単位時間ごとに、シンチレーション光を検出する光検出を行い、その光検出により得られる、シンチレーション光に対応する電気信号をA/D(Analog to Digital)変換する。さらに、光検出ブロック２２は、A/D変換後の電気信号のデータ量を圧縮し、その結果得られるデータを、出力回路２４に伝送する。

出力回路２４は、光検出部２３の光検出ブロック２２が出力するデータを、検出装置１２の外部に出力する。

タイミング制御回路２５は、光検出ブロック２２及び出力回路２４の動作のタイミングを制御する。

＜光検出ブロック２２の構成例＞

図４は、図３の光検出ブロック２２の構成例を示す平面図である。

光検出ブロック２２は、少なくとも２枚のSi基板としての画素基板３０と検出回路基板３１とが積層されて構成される。

ここで、図４では、図が煩雑になるのを避けるため、画素基板３０と検出回路基板３１とが積層された状態ではなく、画素基板３０と検出回路基板３１とのそれぞれの平面図が示されている。

画素基板３０には、複数の（アクティブ）画素２００、及び、接続部２１１が形成されている。

画素基板３０には、複数の画素２００がアレイ状に２次元に配置されている。図４では、画素基板３０に、横×縦が４×４画素の画素２００が配置されているが、画素基板３０の画素２００の配置は、４×４画素に限定されるものではない。

画素２００は、画素Tr（トランジスタ）２０１を有する。また、画素２００は、図４には図示していないPDやアンプ等を含み、画素２００に入射するシンチレーション光を受光し、そのシンチレーション光に対応する画素信号を読み出して出力する。

画素Tr２０１は、画素２００からの画素信号の読み出しを行い、垂直信号線６３を介して、接続部２１１に供給する。

接続部２１１は、画素基板３０と検出回路基板３１とが積層された状態になっているときに、検出回路基板３１の接続部３２と接続される。これにより、画素基板３０と検出回路基板３１とが電気的に接続され、画素基板３０と検出回路基板３１との間で、電気信号のやりとりが可能になる。

例えば、画素Tr２０１が画素２００から読み出した画素信号は、接続部２１１を介して、検出回路基板３１（の接続部３２）に伝送される。

検出回路基板３１は、画素基板３０の画素２００の受光面の裏面側に積層される。

検出回路基板３１には、接続部３２、複数の検出回路３３、論理圧縮回路３４、水平転送回路３５、駆動回路３６、論理制御回路３７、及び、参照信号発生（Ref発生）回路３８が形成される。

接続部３２は、画素基板３０と検出回路基板３１とが積層された状態になっているときに、画素基板３０の接続部２１１と接続される。また、接続部３２は、検出回路３３と接続されており、画素基板３０の画素２００から読み出された画素信号は、垂直信号線６３、接続部２１１及び３２を介して、検出回路３３に供給される。

検出回路３３は、画素基板３０の画素２００から、垂直信号線６３、接続部２１１及び３２を介して供給される画素信号に対して、少なくともA/D変換を行うことで、その画素信号に対応するシンチレーション光の発光の元になったX線を検出し、そのX線の検出結果としての画素信号のA/D変換結果（ディジタル値）を出力する。

図４では、１個の検出回路３３は、１個の画素２００に割り当てられており、したがって、検出回路基板３１には、４×４画素の画素２００と同一の数の１６個の検出回路３３が設けられている。

図４では、検出回路３３は、その検出回路３３に割り当てられた画素２００の画素信号のA/D変換を担当する。

なお、１個の検出回路３３は、２個等の複数の画素２００に割り当てること、すなわち、１個の検出回路３３を、複数の画素２００で共有することができる。この場合、検出回路基板３１に設ける検出回路３３の数は少なくなる。また、この場合、検出回路３３は、その検出回路３３を共有する複数の画素２００の画素信号のA/D変換を、時分割で行う。

検出回路３３で行われるA/D変換については、量子化幅（量子化単位）を調整することができるようになっている。

ここで、X線撮像装置１０（図１）の動作モードには、積分モードとフォトンカウントモードとがある。

積分モードでは、画素２００において、X線に対してシンチレータプレート２０が発するシンチレーション光に対応する電荷が積分的に蓄積され、その積分的に蓄積された電荷に対応した広ダイナミックレンジの画素信号が出力される。積分モードは、例えば、コーンビームCTやトモシンセシスによる断層撮像を行う場合等の、高線量のX線の検出に適した動作モードである。

フォトンカウントモードでは、画素２００において、X線に対してシンチレータプレート２０が発するシンチレーション光に対応する電荷が蓄積され、その電荷に対応する画素信号が出力されるが、その画素信号としては、例えば、X線の１光子に対応する微小レベルの画素信号が出力される。フォトンカウントモードは、例えば、２次元の投影画像の撮像を行う場合等の、低線量のX線の検出に適した動作モードである。

積分モードでは、X線照射装置１１（図１）が発生するX線の線量が高線量にされ、フォトンカウントモードでは、X線照射装置１１が発生するX線の線量が低線量にされる。その他、必要に応じて、積分モードでは、画素２００の露光時間が大にされ、フォトンカウントモードでは、画素２００の露光時間が小にされる。

検出回路３３のA/D変換については、積分モードでは、量子化幅が１電子（若しくは正孔）以上の画素信号に対応する大きな量子化幅に調整され、広ダイナミックレンジの画素信号が、その広ダイナミックレンジを表現することができるディジタル値に変換される。

一方、フォトンカウントモードでは、量子化幅が１電子（若しくは正孔）未満の画素信号に対応する小さな量子化幅に調整され、微小レベルの画素信号が、低量子化ノイズのディジタル値に変換される。

検出回路３３が出力する各画素２００の画素信号のディジタル値（A/D変換結果）は、論理圧縮回路３４に転送される。

論理圧縮回路３４は、検出回路３３からの各画素２００の画素信号のディジタル値を、様々な方法で削減する圧縮を行う。

例えば、各検出回路３３のA/D変換の階調が、１０ビットである場合、論理圧縮回路３４には、１６個の検出回路３３から、１６個の画素２００の画素信号の１０ビットのディジタル値、すなわち、１６×１０＝１６０ビットのディジタル値（バイナリデータ）が供給（転送）される。

例えば、論理圧縮回路３４は、複数の画素２００の画素信号のディジタル値を加算することで、１６個の画素２００それぞれの画素信号の１０ビットのディジタル値を圧縮する。具体的には、例えば、論理圧縮回路３４は、隣接する２×２画素の画素２００を１単位として、その２×２画素の画素２００の画素信号の１０ビットのディジタル値を加算し、その結果得られる加算値を、１単位の画素値として出力する。この場合、論理圧縮回路３４では、１２ビットの（階調の）画素値が、４（＝１６／（２×２））単位分だけ出力される。

したがって、１６個の画素２００の画素信号のディジタル値である１６×１０＝１６０ビットは、４単位分の画素値である１２×４＝４８ビットに圧縮される。

以上のように、論理圧縮回路３４において、画素信号のディジタル値の圧縮を行うことにより、検出装置１２から出力する投影画像となるデータのデータ量を少なくし、例えば、１フレームの投影画像となるデータを短時間で出力することができる。したがって、高速な撮像を行い、放射線の投影画像を短時間で得ることができる。

論理圧縮回路３４が出力するディジタル値は、水平転送回路３５に供給される。

水平転送回路３５は、例えば、シフトレジスタで構成され、論理圧縮回路３４から出力される複数のディジタル値（画素値）を、シフトレジスタに記憶して、順次転送し、出力回路２４（図３）に供給する。

検出回路３３のA/D変換と水平転送回路３５のディジタル値の転送とは、パイプライン的に並列で実行され、水平転送回路３５において、ある単位時間（フレーム）におけるディジタル値が水平転送されている間に、検出回路３３において、次の単位時間の画素信号がA/D変換される。

駆動回路３６は、画素基板３０の各画素２００を駆動する。すなわち、駆動回路３６は、接続部３２及び２１１に類似した図示せぬ接続部を介して、画素基板３０の各画素２００の駆動線（図示せず）に接続されている。駆動回路３６は、各画素２００の駆動線に、駆動信号を供給することにより、例えば、画素基板３０の画素２００すべてを、同時並列に一斉駆動する。

論理制御回路３７は、タイミング制御回路２５（図３）の制御に従って、光検出ブロック２２を構成する各ブロックの内部の回路の駆動を適切に制御する。

参照信号発生回路３８は、検出回路３３のA/D変換に用いる参照信号を発生し、検出回路３３に供給する。参照信号は、例えば、所定の一定の傾きでレベル（電圧）が減少（又は増加）するスロープ区間を含む信号である。

なお、図４では、１個の画素基板３０に、４×４画素の画素２００が配置されているが、実際には、画素基板３０には、より多くの画素２００、すなわち、例えば、１２８×１２８画素の画素２００が配置される。この場合、画素２００の平面のサイズが、例えば、５０μｍ角であるとすると、光検出ブロック２２の平面のサイズは、約６．４ｍｍ角になる。

＜フォトンカウントモード＞

図５は、フォトンカウントモードにおいて、光検出ブロック２２の画素２００の画素信号のA/D変換後に得られる、各画素２００の画素値（画素信号のディジタル値）の例を示す平面図である。

なお、図５では、暗い部分ほど、画素値が小さいことを表し、明るい部分ほど、画素値が大きいことを表す。

図５には、（横×縦が）２４×２４画素の画素値が示されている。

フォトンカウントモードでは、X線照射装置１１（図１）は、被検体１に、低線量のX線を照射し、検出装置１２では、画素２００において、被検体１を透過したX線に対応するシンチレーション光を受光することにより、そのX線に対応する投影画像の撮像が行われる。

フォトンカウントモードでは、撮像の単位時間、すなわち、１フレームの投影画像の撮像の露光時間は、短時間である、例えば、１０μ秒程度に設定される。この場合、フレームレートは、１０万fps(frame per second)という非常に高速なレートになる。なお、フレームレートは、検出回路３３のA/D変換に要する時間や、水平転送回路３５のディジタル値の転送に要する時間により律速される。

以上のように、フォトンカウントモードでは、低線量のX線を用いて、短時間の露光時間での撮像が行われる。

いま、例えば、マンモグラフィ用に１５０μｍ厚のシンチレータ層を有するシンチレータプレート２０を使用すると、そのシンチレータプレート２０に、X線の１光子が入射することにより、２００個程度のシンチレーション光の光子が発生する。

図５では、X線の２個の光子が検出装置１２に入射し、その２個の光子（によって発生したシンチレーション光の光子）が、約３００μｍ径の輝点Ｂ１及びＢ２として、それぞれ観察されている。

低線量のX線を用いた、短時間の露光時間での撮像が行われるフォトンカウントモードでは、ほとんどの画素２００が出力する画素信号は、ノイズを含んだダークの画素信号になり、このようなダークの画素信号については、光検出ブロック２２から、階調を表すディジタル値を出力しても、無駄である。

そこで、論理圧縮回路３４では、例えば、各検出回路３３からの各画素２００の画素信号のディジタル値については、所定の小さな値である閾値を用いて、閾値処理を行い、閾値以下のディジタル値は、完全なダーク（ゼロ）とみなすことにより、ディジタル値の階調を圧縮し、論理圧縮回路３４が出力するディジタル値のデータ量を削減することができる。

この場合、論理圧縮回路３４が出力する階調が圧縮されたディジタル値を、X線の光子に起因する輝点のデータとして用いて、その輝点のデータを処理することにより、X線の投影画像を生成することができる。

また、論理圧縮回路３４では、例えば、図５に点線で示すように、６×６画素等の所定のサイズの領域を、画素値（ディジタル値）のピーク（極大値）を検出する検出領域として、検出領域を、画素２００のピッチでスキャンし、検出領域内の画素２００の画素信号のディジタル値の総和のピークを検出することで、所定値以上のピークが得られた検出領域の位置及びそのピークを、X線の光子に起因する輝点のデータとして出力することができる。

以上のように、論理圧縮回路３４において、所定値以上のピークが得られた検出領域の位置及びそのピークだけを、X線の光子に起因する輝点のデータとして出力することにより、論理圧縮回路３４が出力するデータ量を大幅に圧縮（削減）することができる。

輝点のデータとしての（ディジタル値の総和のピークが得られた）検出領域の位置としては、例えば、検出領域の中心の位置（６×６画素の矩形の検出領域の２つの対角線が交わる位置）や、画素信号のディジタル値を重みとする重心位置を採用することができる。

（画素信号のディジタル値を重みとする）重心位置の座標を(Xc,Yc)で表すとともに、検出領域の画素２００の座標を(x,y)で表し、位置(x,y)の画素２００の画素信号のディジタル値をW(x,y)で表すこととすると、重心位置(Xc,Yc)は、次式に従って求めることができる。

Xc=Σ（x×W(x,y)）／ΣW(x,y)
Yc=Σ（y×W(x,y)）／ΣW(x,y)
・・・（１）

ここで、式（１）において、Σは、検出領域内の画素２００すべての位置(x,y)について、サメーションをとることをあらわす。

論理圧縮回路３４が出力するデータ量の削減は、特に、フォトンカウントモードにおいて、高いフレームレートでの撮像を行う場合に有効である。

なお、例えば、論理圧縮回路３４での画素信号のディジタル値の圧縮の処理が複雑で、時間を要する場合には、検出回路３３のA/D変換、論理圧縮回路３４３での圧縮、水平転送回路３５での転送の３つの処理をパイプライン化して並列に行うことができる。

論理圧縮回路３４において、ディジタル値の総和のピークが得られた検出領域の位置及びそのピークだけを、X線の光子に起因する輝点のデータとして出力する場合、そのピークが得られた検出領域の位置及びそのピークを、それぞれ、X線の光子が入射した入射位置及びその光子のエネルギ（に相当する値）とみなして、X線の投影画像を生成することができる。

この場合、X線は、シンチレータプレート２０で光拡散されるが、X線の入射位置は、画素２００のピッチの解像度で求められるか、又は、画素２００のピッチの解像度より細かい解像度で求められる。

さらに、この場合、X線の入射位置とともに、そのX線の光子のエネルギを特定することができるので、そのエネルギを利用して、X線の散乱光（被検体１をまっすぐ透過していないX線）により生じる輝点の除去や、エネルギレベルごとのX線の吸収率の補正、被検体１を構成する物質の弁別等を行うことができる。

＜画素２００の構成例＞

図６は、図４の画素２００の構成例を示す（等価）回路図である。

図６において、画素２００は、PD５１、転送Tr（トランジスタ）５５、増幅Tr５６、リセットTr５７、及び、検出ノード５８を備える。

転送Tr５５ないしリセットTr５７としては、例えば、n型のMOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が用いられる。

PD５１は、例えば、略正方形状の平面形状を有する。PD５１は、PD５１に入射した光子を電荷に変換し、そのカソードである蓄積ノード５２に蓄積する。すなわち、PD５１は、シンチレータプレート２０によって発生されたシンチレーション光の光子の入射に応じて電子と正孔のペアを発生させ、そのうちの電子を蓄積ノード５２に蓄積する。

PD５１は、PD５１のリセットによる電荷排出時に、蓄積ノード５２が完全空乏化される、埋め込み型のPDになっている。すなわち、蓄積ノード５２が、転送Tr５５、検出ノード５８、及び、リセットTr５７を介して、電源配線５３に接続されることにより、蓄積ノード５２に蓄積された電荷としての電子が、電源配線５３に排出されるリセットが行われると、PD５１では、キャリアとしての電子又は正孔はすべて排出されて、ドナー又はアクセプタによる固定電荷のみで、ポテンシャルが固定される。このとき、そのポテンシャルより深いポテンシャルを持つノードを、蓄積ノード５２に接続しても、蓄積ノード５２のポテンシャルは変化しない。

転送Tr５５は、図４における光検出ブロック２２の駆動回路３６を構成する行駆動部６０からの制御に従い、蓄積ノード５２に蓄積されている電荷を、検出ノード５８に転送する。

増幅Tr５６は、ゲートが検出ノード５８に、ドレインが電源配線５３に、ソースが垂直信号線６３に、それぞれ接続されており、ゲートに印加される、検出ノード５８の電圧に応じて負荷の大きな垂直信号線６３を駆動する。

増幅Tr５６は、図４の検出回路３３を構成する定電流源６１とともにソースフォロワを形成しており、検出ノード５８の電圧を、１弱のゲインで垂直信号線６３に伝達する。この垂直信号線６３に伝達された電圧が、画素２００から読み出された画素信号として、検出回路３３を構成する信号検出部６２に出力される。

リセットTr５７は、ゲートが行駆動部６０に、ドレインが電源配線５３に、ソースが検出ノード５８に、それぞれ接続されており、検出ノード５８に蓄積されている電荷を電源配線５３に排出することで、検出ノード５８のリセットを行う。また、リセットTr５７は、蓄積ノード５２に蓄積されている電荷を、転送Tr５５を介して、電源配線５３に排出することで、PD５１（の蓄積ノード５２）のリセットを行う。

検出ノード５８は、FD(Floating Diffusion)であり、転送Tr５５を介してPD５１から転送される電荷を蓄積し、その蓄積した電荷量に応じたアナログ値の電圧を発生する。この電圧は、増幅Tr５６のゲートに印加される。

図６において、行駆動部６０は、駆動回路３６（図４）を構成し、転送Tr５５及びリセットTr５７を駆動する。

すなわち、行駆動部６０は、例えば、転送Tr５５及びリセットTr５７を同時にオン状態に制御することにより、蓄積ノード５２に蓄積された電荷としての電子を、転送Tr５５及びリセットTr５７を介して、電源配線５３に排出させるとともに、検出ノード５８に蓄積された電荷としての電子を、リセットTr５７を介して、電源配線５３に排出させる。これにより、画素２００は、PD５１が電荷を蓄積する前の暗状態、すなわち、シンチレーション光の光子が未入射の状態にリセット（初期化）される。

また、行駆動部６０は、転送Tr５５のみをオン状態に制御することにより、PD５１（の蓄積ノード５２）に蓄積された電荷を、転送Tr５５を介して、検出ノード５８に転送させる。

さらに、行駆動部６０は、リセットTr５７のみをオン状態に制御することにより、検出ノード５８に蓄積された電荷を、リセットTr５７を介して、電源配線５３に排出させて、検出ノード５８の電荷量を初期化する（検出ノード５８をリセットする）。

図６において、定電流源６１及び信号検出部６２は、検出回路３３を構成する。定電流源６１は、例えば、MOSFET等で構成され、垂直信号線６３に一定の電流を流す。信号検出部６２は、画素２００から垂直信号線６３上に読み出された画素信号のA/D変換等を行う。

ここで、転送Tr５５、増幅Tr５６、及び、リセットTr５７が、画素Tr２０１（図４）である。

画素２００では、PD５１は、リセットされてから所定の露光時間の間、PD５１に入射するシンチレーション光を光電変換し、その光電変換によって得られる電荷を蓄積する。そして、画素２００では、露光時間の経過後、転送Tr５５が一時的にオンにされることにより、PD５１に蓄積された電荷が、検出ノード５５に転送され、その電荷に対応した画素信号が、垂直信号線６３上に読み出される。

画素２００では、PD５１での露光時間の間の電荷の蓄積と、その電荷に対応する画素信号の読み出しとが繰り返し行われ、これにより、露光時間にPD５１に入射したシンチレーション光の光子の光量に対応する画素信号が取得される。

ところで、画素２００に採用されている埋め込み型のPD５１の特徴は、そのカソードである蓄積ノード５２と検出ノード５８が、読み出し時に容量結合しないことである。この結果、検出ノード５８の寄生容量を低減させるほど、PD５１の光電変換の変換効率が向上し、１光子の入射に対する感度を向上させることができる。また、PD５１を大型化しても変換効率が悪化することはないので、PD５１を大型化すればするほど、同じ光束密度の光の入射に対する画素２００の１画素あたりの感度を向上させることができる。

また、画素２００は、電荷としての電子を増加させる電子増倍を伴わないので、画素２００から読み出される画素信号は、増幅Tr５６や後段の検出回路３３に含まれるA/D変換を行う回路に起因するノイズ（読み出しノイズ）の影響を受ける。

但し、上述したように、画素２００の感度を向上させれば、画素信号に対する読み出しノイズの影響を相対的に低減することができる。例えば、検出ノード５８の寄生容量をできる限り低減するとともに、PD５１を、その内部を１電子がドリフトで移動することができる範囲内でできる限り大型化することによって、画素２００から読み出される画素信号のS/N(Signal to Noise ratio)を最大化し、X線を超高感度で検出する超高感度検出器としての光検出ブロック２２を実現することができる。

完全空乏化される蓄積ノード５２を有する埋め込み型のPD５１を採用した画素２００の構造は、X線の透過光の既存の撮像に用いられてきたPDの構造とは大きく異なる。画素２００は、僅かな光子の入射にも精度よく反応し、画素信号を、垂直信号線６３を介して、信号検出部６２に速やかに出力することができる。

なお、画素２００の構造は、ディジタルカメラ等に使用されるCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサの画素の構造に類似しているが、設計思想はまったく異なる。

画素２００の面積が大きいほど、PD５１を大面積化して開口率を上げやすく、検出回路３３を共有する画素２００の数を少なくして、高速化が容易となる。すなわち、図４で説明したように、１個の検出回路３３は、複数の画素２００で共有することができるが、PD５１、ひいては、画素２００を大面積化する場合には、検出回路３３が占有することができる面積に余裕ができるので、１個の検出回路３３を共有する画素２００の数を少なくすることができる。例えば、画素２００の平面のサイズを、５０μｍ角とした場合には、図４で説明したように、１個の検出回路３３を、１個の画素２００に割り当てることができる。さらに、この場合、例えば、１０万fps等の高フレームレートを実現することが可能となる。

また、画素２００（のPD５１）を大面積化する場合には、X線の１光子に対応するシンチレーション光の拡散領域におけるフロアノイズが減少する。

そこで、画素２００の面積は、例えば、４００μｍ^２以上とすることが望ましい。

画素２００の大型化にあたっては、画素２００の面積の上限は、埋め込み型PD５１内の電子のドリフトによる移動によって規定（制限）される。画素２００については、PD５１内の遠端で発生した１電子が、検出ノード５８に、高速で転送されるように、PD５１内のポテンシャルを設計する必要がある。

なお、ここでは、PD５１のカソードであるn型拡散層が、蓄積ノード５２となって電子が蓄積されることを前提としたが、極性をすべて逆にして、PD５１のアノードであるp型拡散層を、蓄積ノード５２として正孔を蓄積するようにしてもよい。

＜画素２００及び信号検出部６２の動作＞

図７は、画素２００及び検出回路３３の信号検出部２６（図６）の動作の例を説明するタイミングチャートである。

本実施の形態では、光検出ブロック２２において、１個の検出回路３３が、１個の画素２００に割り当てられているため、各光検出ブロック２２では、すべての画素２００が一斉に同時に動作する。

なお、１個の検出回路３３が、例えば、２個の画素２００に割り当てられ、１個の検出回路３３と、２個の画素２００とが、垂直信号線６３を介して接続されている場合、画素２００と、垂直信号線６３との間に、検出回路３３に接続する画素２００を選択するためのパストランジスタが設けられる。そして、２個の画素２００が、交互に選択されて、１個の検出回路３３に接続され、検出回路３３は、２個の画素２００のうちの、検出回路３３に接続されている方の画素２００が出力する画素信号のA/D変換を、以下に説明するように行う。

検出回路３３の信号検出部６２では、シンチレーション光の光子がPD５１に入射していない暗状態での検出ノード５８（図６）に蓄積された電荷に対応する画素信号としてのリセット信号のA/D変換と、露光時間の間にPD５１に蓄積され、検出ノード５８に転送された電荷に対応する画素信号としての蓄積信号のA/D変換が行われる。

さらに、信号検出部６２では、蓄積信号のA/D変換結果から、リセット信号のA/D変換結果を減算することにより、各種のノイズを相殺するCDS(Correlated Double Sampling)が行われ、リセット信号及び蓄積信号が読み出された画素２００の画素値（ディジタル値）として出力される。

図７では、時刻t1において、行駆動部６０は、転送Tr５５を一時的にオンにする。転送Tr５５がオンになることにより、PD５１の蓄積ノード５２に蓄積された電荷が、検出ノード５８に転送される。

その後、転送Tr５５がオフになると、蓄積ノード５２は、浮遊状態となって、PD５１に光が入射することにより発生する新たな電荷の蓄積を開始する。

転送Tr５５がオフになった後の時刻t2において、行駆動部６０は、リセットTr５７を一時的にオンにする。リセットTr５７がオンになることにより、検出ノード５８に蓄積された電荷が、電源配線５３に排出される。

その後、リセットTr５７がオフになると、検出ノード５８の電位は、リセットTr５７のゲートとのカップリングを受けて基準電位から幾分低下して浮遊状態となる。検出ノード５８であるFDには、その容量に起因して、kTCノイズと呼ばれる有意なノイズとなる電荷が発生する。

画素２００では、リセットTr５７がオフになった直後に、検出ノード５８に蓄積された電荷に対応する画素信号が、リセット信号として読み出され（CDSに用いる信号の１回目の読み出し）、垂直信号線６３を介して、信号検出部６２に供給される。

信号検出部６２は、以上のようにして画素２００から供給されるリセット信号のA/D変換を行う。

その後、時刻t3において、行駆動部６０は、時刻t1の場合と同様に、転送Tr５５を一時的にオンにする。転送Tr５５がオンになることにより、PD５１の蓄積ノード５２に蓄積された電荷が、検出ノード５８に転送される。このとき、検出ノード５８のポテンシャルが十分に深ければ、蓄積ノード５２に蓄積された電荷としての電子は、すべて検出ノード５８に転送され、蓄積ノード５２は完全空乏状態になる。

その後、転送Tr５５がオフになると、蓄積ノード５２は、浮遊状態となって、PD５１に光が入射することにより発生する新たな電荷の蓄積を開始する。

また、検出ノード５８には、時刻t1で転送Tr５５がオフになってから、時刻t3で転送Tr５５がオフになるまでの期間を露光時間として、その露光時間の間に、蓄積ノード５２に蓄積された電荷が転送され、検出ノード５８では、その電荷に対応する電圧が維持される。

すなわち、時刻t3において、転送Tr５５がオンになっている間に、露光時間の間に蓄積ノード５２に蓄積された電荷が、蓄積ノード５２から転送Tr５５を介して、検出ノード５８に転送される。これにより、検出ノード５８の電位は、蓄積ノード５２から電荷が転送される前に比較して、蓄積ノード５２から転送された電荷に対応する分だけ下降し、ポテンシャルが浅くなる。

画素２００では、時刻t3で転送Tr５５がオフになった後の、検出ノード５８に蓄積された電荷に対応する画素信号が、蓄積信号として読み出され（CDSに用いる信号の２回目の読み出し）、垂直信号線６３を介して、信号検出部６２に供給される。

信号検出部６２は、以上のようにして画素２００から供給される蓄積信号のA/D変換を行う。

信号検出部６２は、蓄積信号のA/D変換を行うと、蓄積信号のA/D変換結果から、直前のリセット信号のA/D変換結果を減算して、CDSを行う。かかるCDSによって、kTCノイズを含む画素２００で生じる低周波ノイズ、及び、A/D変換において蓄積信号（及びリセット信号）に混入するノイズを削除（相殺）し、露光時間の間に、PD５１に入射した光よって発生した電荷に対応する画素信号のディジタル値を得ることができる。

露光時間の間のPD５１の電荷の蓄積、画素２００からのリセット信号及び蓄積信号の読み出し、並びに、画素２００から読み出されたリセット信号及び蓄積信号のA/D変換（とA/D変換後のリセット信号及び蓄積信号を用いたCDS）は、繰り返し行われる。

なお、リセット信号及び蓄積信号のA/D変換（及びCDS）と、A/D変換により得られるディジタル値の検出回路基板３１（図４）から出力回路２４（図３）への転送と、そのディジタル値の出力回路２４から外部への出力とは、パイプライン化され、並列して行われる。

＜検出回路３３の構成例＞

図８は、図４の検出回路３３の構成例を示す図である。

検出回路３３は、定電流源６１、アンプ回路７０、及び、A/D変換器８０を有する。アンプ回路７０及びA/D変換器８０は、信号検出部６２を構成する。

定電流源６１は、垂直信号線６３に接続されており、垂直信号線６３に接続された画素２００を構成する増幅Tr５６とともに、ソースフォロアを形成する。

アンプ回路７０は、コンデンサ７１、アンプ（オペアンプ）７２、及び、可変コンデンサ７３を有する。

コンデンサ７１の一端は、垂直信号線６３に接続され、コンデンサ７１の他端は、アンプ７２の入力端子に接続されている。したがって、画素２００から読み出された画素信号（リセット信号、蓄積信号）は、コンデンサ７１を介して、アンプ７２に入力される。

アンプ７２の入力端子は、コンデンサ７１の他、可変コンデンサ７３の一端と接続され、アンプ７２の出力端子は、可変コンデンサ７３の他端に接続されている。

アンプ回路７０では、画素２００から垂直信号線６３上に読み出された画素信号が、所定のゲインで増幅され、A/D変換器８０に出力される。

A/D変換器８０は、いわゆるシングルスロープ方式のA/D変換器であり、コンデンサ８１及び８２、コンパレータ８３、並びに、カウンタ８４を有する。

コンデンサ８１及び８２は、カップリング用の同一の容量のコンデンサであり、コンデンサ８１の一端は、コンパレータ８３の非反転入力端子(+)に接続され、コンデンサ８２の一端は、コンパレータ８３の反転入力端子(-)に接続されている。

コンデンサ８１の他端には、アンプ回路７０が出力する画素信号が供給される。したがって、アンプ回路７０が出力する画素信号は、コンデンサ８１を介して、コンパレータ８３の非反転入力端子(+)に供給される。

コンデンサ８２の他端は、参照信号線８５に接続されている。参照信号線８５には、参照信号発生回路３８（図４）が出力する参照信号が供給される。したがって、参照信号発生回路３８が出力する参照信号は、コンデンサ８２を介して、コンパレータの反転入力端子(-)に供給される。

コンパレータ８３は、非反転入力端子(+)に供給される画素信号としての電圧と、反転入力端子(-)に供給される参照信号としての電圧とを比較し、その比較結果を、カウンタ８４に供給する。

カウンタ８４は、コンパレータ８３からの画素信号（としての電圧）と参照信号（としての電圧）との比較結果に応じて、参照信号が一定の傾きで減少し始めてから、参照信号と画素信号との大小関係が反転するまでの時間をカウントし、その時間を表すカウント値を、画素信号のA/D変換結果として出力する。すなわち、カウンタ８４は、参照信号が一定の傾きで減少し始めるタイミングでカウントを開始し、参照信号と画素信号との大小関係が反転すると、カウントを停止する。カウンタ８４は、カウントを停止したときのカウント値を、画素信号のA/D変換結果として出力する。

なお、A/D変換器８０では、リセット信号のA/D変換を行った後、そのリセット信号のA/D変換結果を初期値として、リセット信号のA/D変換の場合とは反対方向に、蓄積信号のA/D変換としてのカウント値のカウントを行うことにより、蓄積信号のA/D変換とCDSとを同時に行うことができる。

ここで、リセット信号のA/D変換の場合とは反対方向に、蓄積信号のA/D変換としてのカウント値のカウントを行うとは、例えば、リセット信号のA/D変換において、カウント値をデクリメントするカウントを行った場合には、蓄積信号のA/D変換として、カウント値をインクリメントするカウントを行うことを意味する。

検出装置１２は、A/D変換器８０のA/D変換の量子化幅を、可変に調整する調整機構を有する。調整機構は、例えば、A/D変換の量子化幅を、１電子未満の画素信号に対応する量子化幅、又は、１電子以上の画素信号に対応する量子化幅に調整する。

ここで、フォトンカウントモードでは、X線照射装置１１が低線量のX線を出力し、検出装置１２のシンチレータプレート２０（図３）では、X線の１光子に対して、例えば、数百光子のシンチレーション光が発生され、かかるシンチレーション光が、複数の画素２００に分散して入射する。そのため、シンチレーション光が入射する画素２００であっても、その画素２００に入射するシンチレーション光の光子は、数個のレベルであり、シンチレーション光の入射により発生する電荷としての電子は、数個の電子となる。

フォトンカウントモードでは、かかる数個の電子の画素信号（数個の電子に対応する画素信号）を精度よく検出するために、A/D変換の量子化幅が、１電子未満の画素信号に対応する量子化幅に調整される。

すなわち、フォトンカウントモードでは、量子化ノイズを低減するために、A/D変換の量子化幅が、例えば、１電子の画素信号より十分小さい画素信号に対応する小さい量子化幅に調整される。そして、その小さい量子化幅で、画素２００から読み出される画素信号のA/D変換が行われる。

一方、積分モードでは、X線照射装置１１が高線量のX線を出力するため、画素２００には、X線の複数の光子によって発生されたシンチレーション光が入射し、そのシンチレーション光の入射により発生する電荷としての電子が、最大で、数千電子になることがある。

A/D変換器８０において、例えば、１０ビットのA/D変換が行われる場合、（０から）数千電子までの画素信号を、１０２４＝２^１０の階調で表現する必要があるので、数千電子までの画素信号を、ディジタル値で、適切に表現するために、A/D変換の量子化幅が、１電子以上の画素信号、例えば、４電子の画素信号に対応する大きい量子化幅に調整される。そして、その大きい量子化幅で、画素２００から読み出される画素信号のA/D変換が行われる。

A/D変換器８０のA/D変換の量子化幅を可変に調整する調整機構（以下、量子化幅調整機構ともいう）としては、例えば、アンプ回路７０を採用することができる。

いま、アンプ回路７０がなく、かつ、参照信号の傾きが所定の傾きである場合のA/D変換器８０のA/D変換の量子化幅（以下、デフォルト量子化幅ともいう）が、例えば、４電子の画素信号に対応する量子化幅（以下、４電子分の量子化幅ともいう）であることとする。

この場合、アンプ回路７０のゲインを、例えば、０dB（１倍）に調整すると、アンプ回路７０を介してA/D変換器８０に供給される画素信号のA/D変換の量子化幅は、実質的に、デフォルト量子化幅である４電子分の量子化幅に調整される。

また、アンプ回路７０のゲインを、例えば、２４dB（１６倍）に調整すると、アンプ回路７０を介してA/D変換器８０に供給される画素信号のA/D変換の量子化幅は、実質的に、デフォルト量子化幅である４電子分の量子化幅の１／１６である０．２５電子分の量子化幅に調整される。この場合、A/D変換の量子化で生じる量子化ノイズ及びA/D変換器８０の回路ノイズは、いずれも、デフォルト量子化幅を使用する場合に比較して、１／１６となる。

量子化幅調整機構としては、アンプ回路７０以外の機構を採用することができる。

すなわち、量子化幅調整機構としては、例えば、参照信号発生回路３８を採用することができる。

参照信号発生回路３８において、参照信号が減少する傾きを、デフォルトの場合の１／１６に調整することにより、A/D変換器８０には、２４ｄＢのゲインがかかって、量子化幅を、実質的に、デフォルトの場合の１／１６に調整することができる。

また、例えば、画素２００の内部に、画素信号を増幅する可変ゲインのアンプを組み込み、その可変ゲインのアンプを、量子化幅調整機構として採用することができる。

さらに、図６に示すように、画素２００のFDである検出ノード５８に、スイッチとコンデンサとを直列に接続した回路１０１を接続し、その回路１０１を、量子化幅調整機構として採用することができる。回路１０１は、スイッチのオン／オフにより、画素２００からコンパレータ８３に供給される画素信号のゲインを調整するゲイン調整部として機能する。回路１０１によれば、スイッチをオンにすることにより、コンデンサを、検出ノード５８に接続し、これにより、画素２００にマイナスのゲインを持たせ、量子化幅を、実質的に、回路１０１のスイッチがオフである場合よりも大きい値に調整することができる。

以上のように、検出装置１２は、A/D変換器８０のA/D変換の量子化幅を調整する量子化幅調整機構を備えることができ、かかる量子化幅調整機構によって、A/D変換の量子化幅を、１電子未満の画素信号に対応する量子化幅、又は、１電子以上の画素信号に対応する量子化幅に調整することにより、低コストで、高線量のX線、及び、低線量のX線のいずれをも検出することができる。すなわち、フォトンカウントモード及び積分モードのそれぞれについて、X線の検出を行う検出回路を、画素２００ごとに設けなくても、同一の検出回路３３でX線の検出を行うことができる。

より具体的には、CdTe等の特殊な材料を用いることなく、シンチレーション光を利用したフォトンカウンティング方式によるX線の投影画像を取得することができるとともに、断層撮像に対応した高線量に耐えられる広いダイナミックレンジを、フォトンカウンティング方式でのX線の検出が可能な検出装置１２で実現することができる。

また、検出装置１２によれば、近年、CMOSイメージセンサで確立された画素技術、回路技術、及び、積層技術を再構成することで、フォトンカウンティング方式に要求される高感度と高速な応答を、シンチレーション光を利用して達成し、フォトンカウンティング方式のFPD装置を実現することができる。

さらに、検出装置１２によれば、画素２００の高感度化によって、X線の投影画像の画質を劣化させることなく、被検体１に照射するX線の線量を大幅に低減すること、又は、X線の線量を低減しないのであれば、X線の投影画像の画質を大幅に向上させることができる。

また、検出装置１２において、異なるエネルギ帯のX線を独立してカウントすることで、物質によって異なるX線の透過率を利用した物質の弁別が可能になる。

以上のような検出装置１２は、例えば、医療やセキュリティ分野に活用される、X線を検出するFPD装置等に適用することができる。

＜画素基板３０に採用し得る画素の他の例＞

図９は、画素基板３０（図４）に採用し得る画素の第１の他の例を示す図である。

すなわち、図９のＡは、画素基板３０に採用し得る画素の第１の他の例としての画素３１０の構成例を示す回路図であり、図９のＢは、画素３１０の構成例を示す平面図である。

なお、図中、図６の場合と対応する部分については、同一の符号を付してあり、以下では、その説明は適宜省略する。

ここで、画素２００（図５、図６）の平面では、PD５１が、画素２００の面積のほとんどを占める。PD５１のサイズ（大きさ）は、PD５１内を、その端部から転送Tr５５の入り口まで、電子がドリフトによってスムーズに移動し得る距離によって制限される。

そこで、電子がPD内をスムーズに移動することができるように、画素基板３０に採用する画素においては、必要に応じて、PDを分割して設けること、すなわち、画素に、複数のPDを設けることができる。画素に複数のPDを設ける場合には、画素の回路構成やレイアウトに、様々なバリエーションが生じる。

また、PD内での、電子のスムーズなドリフトには、空乏化したPD内に適切なポテンシャル勾配がつくように、PDを構成する半導体の不純物の濃度を注意深く設計する必要がある。かかる設計においては、平面の縦方向及び横方向のそれぞれの電子の移動距離が同等な移動距離になる正方形状のPDよりも、縦方向及び横方向のうちのいずれか一方の電子の移動距離が他方の電子の移動距離の半分以下となる長方形状のPDの方が、不純物の濃度の設計が容易である。

そこで、画素基板３０に採用する画素には、複数の長方形状のPDを設けて、画素を正方形状に構成することや、画素に、１個の長方形状のPDを設けて、画素を長方形状に構成することができる。

図９では、画素３１０は、縦横比（縦：横）が約２：１の２個のPD５１ａ及び５１ｂを有し、図９のＢに示すように、その２個のPD５１ａ及び５１ｂを横方向に並べて配置することで、正方形状に構成されている。

図９において、画素３１０は、PD５１ａ及び５１ｂ、転送Tr５５ａ及び５５ｂ、増幅Tr５６、リセットTr５７、並びに、検出ノード５８を備える。

画素３１０は、増幅Tr５６、リセットTr５７、及び、検出ノード５８を有する点で、図６の画素２００と共通する。但し、画素３１０は、PD５１及び転送Tr５５に代えて、PD５１ａ及び５１ｂ、並びに、転送Tr５５ａ及び５５ｂが設けられている点で、図６の画素２００と相違する。

PD５１ａは、転送Tr５５ａを介して、検出ノード５８に接続され、PD５１ｂは、転送Tr５５ｂを介して、検出ノード５８に接続される。したがって、PD５１ａに蓄積された電荷は、転送Tr５５ａを介して、検出ノード５８に転送され、PD５１ｂに蓄積された電荷は、転送Tr５５ｂを介して、検出ノード５８に転送される。

その結果、検出ノード５８には、PD５１ａに蓄積された電荷と、PD５１ｂに蓄積された電荷とを加算した電荷である合成電荷が蓄積され、画素３１０からは、合成電荷に対応する画素信号が出力される。

画素３１０では、図９のＢに示すように、PD５１ａ及び５１ｂに挟まれるように、画素Tr５９を配置することができる。図９では、転送Tr５５ａ及び５５ｂ、増幅Tr５６、並びに、リセットTr５７が、画素Tr５９である。

なお、PD５１ａ及び５１ｂの形状は、完全な長方形である必要はなく、レイアウトの都合に合わせてエッジ部等を変形しても良い。ここでは、長辺が短辺の２倍以上となっている縦長又は横長の略矩形状の形状を、長方形と称している。

図１０は、画素基板３０（図４）に採用し得る画素の第２の他の例を示す図である。

すなわち、図１０は、画素基板３０に採用し得る画素の第２の他の例としての画素３２０の構成例を示す平面図である。

画素３２０は、縦横比が約４：１の４個のサブ画素３２１を有し、その４個のサブ画素３２１を横方向に並べて配置することで、正方形状に構成されている。

サブ画素３２１は、画素２００（図６）と同様に構成される。但し、PD５１の平面形状は、正方形状ではなく、縦横比が約４：１の長方形状になっている。

また、サブ画素３２１では、右下に、画素Tr３２２が配置されている。画素Tr３２２は、画素２００（図６）の転送Tr５５、増幅Tr５６、及び、リセットTr５７に相当する。

４個のサブ画素３２１の画素Tr３２２の出力（増幅Tr５６（図６）のソース）は、垂直信号線６３に接続され、４個のサブ画素３２１は、同時に、同様の動作を行う。

したがって、４個のサブ画素３２１それぞれの画素Tr３２２が読み出した画素信号は、垂直信号線６３上で合成され、略平均化される。そして、その合成によって得られる信号が、画素３２０の画素信号として、検出回路３３に供給される。

図９の画素３１０及び図１０の画素３２０は、複数の長方形状のPDを有するが、その他、画素基板３０に採用し得る画素としては、例えば、１個の長方形状のPDを有する長方形状の画素を採用することができる。

図１１は、画素基板３０（図４）に採用し得る画素の第３の他の例を示す図である。

すなわち、図１１は、画素基板３０に採用し得る画素の第３の他の例としての画素３３０を有する画素基板３０の構成例を示す平面図である。

なお、図中、図４の場合と対応する部分については、同一の符号を付してあり、以下では、その説明は、適宜省略する。

図１１において、画素基板３０は、正方形状の画素２００に代えて、長方形状の画素３３０が設けられていることを除き、図４の場合と同様に構成される。

画素３３０は、画素２００（図６）と同様に構成される。但し、PD５１の平面形状は、正方形状ではなく、縦横比が約４：１の長方形状になっている。そして、画素３３０の平面形状は、PD５１の平面形状と同様に、長方形状になっている。

なお、図４では、画素基板３０に、正方形状の画素２００が、４×４画素の配置で並べられているが、図１１では、画素基板３０に、長方形状の画素３３０が、８×２画素の配置で並べられている。

図１１では、図４の場合と同様に、画素３３０において、画素Tr２０１が、画素信号を読み出し、その画素信号は、接続部２１１を介して、検出回路基板３１（図４）に供給される。

図１２は、画素基板３０に長方形状の画素３３０が形成されている場合に、フォトンカウントモードにおいて、光検出ブロック２２の画素３３０の画素信号のA/D変換後に得られる、各画素３００の画素値（画素信号のディジタル値）の例を示す平面図である。

なお、図１２では、図５の場合と同様に、暗い部分ほど、画素値が小さいことを表し、明るい部分ほど、画素値が大きいことを表す。

ここで、図５で説明したように、論理圧縮回路３４において、複数の画素３３０の領域（例えば、図中、点線で囲む領域）を、画素値のピークを検出する検出領域として、検出領域を、画素３３０のピッチでスキャンし、検出領域内の画素３３０の画素信号のディジタル値の総和のピークを検出することで、所定値以上のピークが得られた検出領域の位置及びそのピークを、X線の光子に起因する輝点のデータ、すなわち、輝点の位置及びエネルギとして出力することとする。

また、例えば、画素３３０の長辺が１００μｍで、短辺が２５μｍであることとし、検出領域として、３００μｍ角の領域、すなわち、１２×３画素の領域を採用することとする。

さらに、輝点の位置として、（ピークが得られた）検出領域の中心の位置を採用することとする。

この場合、輝点の位置の横方向の空間解像度（x座標）は、画素３３０の短辺に等しい２５μｍ間隔となって、高くなるが、輝点の位置の縦方向の空間解像度（y座標）は、画素３３０の長辺に等しい１００μｍ間隔となって、低く（粗く）なる。

このように、検出領域の中心の位置を用いる場合に空間解像度が低くなる輝点の位置の縦方向のy座標については、図５で説明したように、検出領域の重心位置のy座標Ycを採用することが望ましい。検出領域の重心位置のy座標Ycは、上述した式（１）に従って求めることができる。

なお、輝点の位置の横方向のx座標としては、検出領域の中心の位置を採用することもできるし、検出領域の重心位置のx座標Xcを採用することもできる。

また、上述の場合には、検出領域として、３００μｍ角の領域を採用することとしたが、検出領域としては、その他、例えば、より小さい１００μｍ角の領域である４×１画素の領域や、１画素の領域等を採用することができる。

検出領域として、３００μｍ角の領域より小さい１００μｍ角の領域や１画素の領域等の小領域を採用する場合には、その小領域を検出領域として求められた輝点の位置を、３００μｍ角の検出領域の位置として、その３００μｍ角の検出領域の重心位置を求め、その重心位置のy座標Ycを、最終的に、輝点の位置の縦方向のy座標として取得することができる。輝点の位置の横方向のx座標についても同様である。

なお、フォトンカウントモードにおいて、輝点は、検出領域をスキャンし、検出領域内の画素値（画素信号のディジタル値）の総和のピークを検出することにより検出する以外の任意のアルゴリズムで検出することができる。

＜検出装置１２の製造方法＞

図１３は、検出装置１２の光センサ基板２１の製造方法の例の概略を説明する図である。

検出装置１２の図示せぬ製造装置は、半導体製造工程に従い、第１の半導体基板としてのシリコンウエハW1上に、複数としての多数の光検出ブロック２２をアレイ状に並べた状態で製造する。さらに、製造装置は、シリコンウエハW1上の光検出ブロック２２の試験を行って、シリコンウエハW1から、光検出ブロック２２の個片を切り出す。

また、製造装置は、出力回路２４及びタイミング制御回路２５が形成された第２の半導体基板としての光センサ基板２１を製造する。

そして、製造装置は、出力回路２４及びタイミング制御回路２５が形成された光センサ基板２１上に、試験で良品と判定された光検出ブロック２２の個片をアレイ状にマウントし、光センサ基板２１と光検出ブロック２２とを、TSV(Through-Silicon Via)を介して、電気的に接続し、光センサ基板２１を完成させる。

以上のように、光センサ基板２１とは別に、光検出ブロック２２を製造して試験を行い、良品の光検出ブロック２２のみを選んで、光センサ基板２１にマウントすることで、（X線を受光する面が）大面積の検出装置１２を、良好な歩留まりで製造することができる。

＜本技術を適用したX線撮像装置の他の一実施の形態＞

図１４は、本技術の放射線検出装置を適用したX線撮像装置の他の一実施の形態の構成例を示す俯瞰図である。

なお、図中、図１と対応する部分については同一の符号を付してあり、以下では、その説明は適宜省略する。

図１４において、X線撮像装置４００は、X線照射装置１１及び検出装置４０１を有する。

したがって、X線撮像装置４００は、X線照射装置１１を有する点で、図１のX線撮像装置１０と共通する。

但し、X線撮像装置４００は、検出装置１２に代えて、検出装置４０１が設けられている点で、X線撮像装置１０と相違する。

X線照射装置１１と検出装置４０１とは、被検体１を挟んで対向して配置される。

検出装置４０１は、図１で示した検出装置１２と同様に、例えば、X線を検出するFPD装置であり、X線照射装置１１が発生し、被検体１を透過したX線（の光子）を検出し、そのX線に対応する２次元の投影画像を生成する。

X線撮像装置４００は、図１で示したX線撮像装置１０と同様に、透過撮像モードと、断層撮像モードとを、撮像モードとして有する。

＜検出装置４０１の構成例＞

図１５は、検出装置４０１の構成例を示す断面図である。

検出装置４０１は、板状のシンチレータプレート４１０、FOP(Fiber Optic Plate)４２０、及び、光センサ基板４３０が、X線の入射する側（X線の受光面側）からその順に配置されて構成される。

シンチレータプレート４１０は、複数のシンチレータセル４１１それぞれが隔壁４１２により隔離されてアレイ状に２次元に配置されたセル型シンチレータである。

シンチレータプレート４１０は、１個のシンチレータセル４１１に対して、光センサ基板４３０が有する１個以上の所定数の画素２００が割り当てられるように構成される。

シンチレータセル４１１は、例えば、柱状結晶のGOS（ガドリニウムオキシサルファイド）よりなる多結晶のシンチレータの薄膜を主体として構成される。シンチレータセル４１１に入射したX線は、可視光であるシンチレーション光に変換される。シンチレータセル４１１で変換されたシンチレーション光は、そのシンチレータセル４１１に割り当てられた画素２００で受光される。

隔壁４１２は、アレイ状に２次元に配置された複数のシンチレータセル４１１をそれぞれ隔離するように（各シンチレータセル４１１を囲むように）形成される。隔壁４１２によってシンチレータセル４１１が隔離されていることにより、X線の光子に起因する輝点、すなわち、シンチレータセル４１１で変換されたシンチレーション光による輝点が、他のシンチレータセル４１１で変換されたシンチレーション光による輝点と重なることが防止される。

ここで、シンチレータセル４１１の平面の形状は略矩形であり、シンチレータセル４１１の平面の形状のサイズとしては、例えば、８０μｍ角程度を採用することができる。また、シンチレータセル４１１の膜厚としては、例えば、１５０μｍ程度を採用することができる。

さらに、隔壁４１２の厚さ（アレイ状に２次元に配置された複数のシンチレータセル４１１のうちの隣接するシンチレータセル４１１どうしの間隔）としては、例えば、１０μｍ程度を採用することができる。

FOP４２０は、例えば、鉛ガラスの光ファイバを束ねた光学デバイスであり、シンチレータプレート４１０を介して入射するX線を遮断する。これにより、FOP４２０は、X線の入射により光センサ基板４３０がダメージを受けることを抑制する。なお、検出装置１２（図３）にも、FOP４２０を設けることができる。

光センサ基板４３０は、図３に示される光センサ基板２１と同様に構成される。したがって、光センサ基板４３０は、図１５には図示していない、図３の光検出部２３、出力回路２４、及び、タイミング制御回路２５を有する。

そして、光検出部２３は、図３に示したように、複数の光検出ブロック２２がアレイ状に２次元に配列されて構成され、光検出ブロック２２は、図４に示したように、画素２００等を有する画素基板３０と、検出回路３３等を有する検出回路基板３１とが積層されて構成される。

ここで、光センサ基板４３０が有する（図１５には図示していない画素基板３０にアレイ状に２次元に配置されている）画素２００の平面の形状のサイズとしては、例えば、４０μｍ角程度を採用することができる。

この場合、上述のように、シンチレータセル４１１の平面の形状のサイズとして、８０μｍ角程度を採用することで、各シンチレータセル４１１に対して、（横×縦が）２×２画素の４個の画素２００を割り当てることができる。

ここで、本実施の形態では、各シンチレータセル４１１に対して、２×２画素の４個の画素２００が割り当てられるが、各シンチレータセル４１１に対して割り当てられる画素２００は、２×２画素の４個に限定されるものではなく、例えば、１画素や３×３画素、２×３画素等を採用することができる。以下では、特に断らない限り、各シンチレータセル４１１に対して、２×２画素の４個の画素２００が割り当てられることとする。

図１６は、図１５の検出装置４０１において、光検出ブロック２２の画素２００の画素信号のA/D変換後に得られる、各画素２００の画素値（画素信号のディジタル値）の例を示す平面図である。

なお、図１６では、図５と同様に、暗い部分ほど、画素値が小さいことを表し、明るい部分ほど、画素値が大きいことを表す。

図１６では、フォトンカウントモードにおいて撮像が行われた場合の、撮像の単位時間、すなわち、１フレームの投影画像の撮像の露光時間の各画素２００の画素値（画素信号のディジタル値）が示されている。

また、図１６では、X線の５個の光子が異なるシンチレータセル４１１にそれぞれ入射した場合の、それぞれのX線の光子に起因する輝点（の領域）が観察されている。

ここで、シンチレータプレート４１０のように、シンチレータセル４１１を隔壁４１２で隔離する構造をとらない、任意の位置でシンチレーション光が生じるシンチレータプレートを採用した検出装置を、非セル型検出装置という。

X線の線量を高線量にすると、X線の光子が多くなり、X線の光子に起因する輝点が多くなる。したがって、X線の線量を高線量にすると、非セル型検出装置では、輝点（の領域）どうしが重なる可能性が高くなり、輝点どうしが重なると、X線を検出すること、すなわち、非セル型検出装置に入射した個々のX線（の光子）の入射位置を求めることが困難になる。

そのため、非セル型検出装置では、フォトンカウントモードにおいて、X線の線量を低線量にし、X線の光子の数を少なくして、投影画像の撮像を行う必要がある。その結果、多数のフレームの投影画像を撮像しなければならず、必要な投影画像を得るのに時間を要する。

一方、検出装置４０１では、シンチレータプレート４１０がシンチレータセル４１１を有し、そのシンチレータセル４１１が隔壁４１２によって区切られている（隔離されている）ので、X線の光子に起因する輝点（の位置）が、シンチレータセル４１１の範囲内（２×２画素の４個の画素２００）に制限される。したがって、高線量のX線を用いる場合でも、１個のシンチレータセル４１１に最大でX線の１個の光子が入射する限り、X線を正確に検出することができる。

以上のように、検出装置４０１では、X線の光子に起因する輝点が、シンチレータセル４１１の範囲内に制限されるので、あるシンチレータセル４１１に入射したX線の光子に起因する輝点と、他のシンチレータセル４１１に入射したX線の光子に起因する輝点とが重なることが防止される。したがって、検出装置４０１では、１個のシンチレータセル４１１に最大でX線の１個の光子が入射する限り、入射した個々のX線の光子を正確に検出することができる。

なお、本件発明者が行ったシミュレーションによれば、非セル型検出装置において輝点の重なりがほぼ生じない線量の１０倍程度の高線量を用いた場合、１個のシンチレータセル４１１に、X線の複数の光子が入射することがほぼないことが確認された。

したがって、検出装置４０１では、非セル型検出装置で用いられる線量の１０倍程度の高線量のX線について、個々のX線（の光子）を検出することができる。そして、検出装置４０１において、非セル型検出装置で用いられる線量の１０倍程度の高線量を用いる場合には、投影画像の撮像時間を、非セル型検出装置の１/１０倍程度に短縮することができ、撮像画像を短時間で得ることができる。

以上から、検出装置４０１によれば、例えば、医療機関でのX線を用いた診察において、診察時間を短縮することができる。

図１７は、図１５の検出装置４０１において、光センサ基板４３０が有する光検出ブロック２２の論理圧縮回路３４での圧縮について説明する平面図である。

図１７では、図４と同様に、画素基板３０と検出回路基板３１とが積層された状態ではなく、画素基板３０と検出回路基板３１とのそれぞれの平面図が示されている。

図１７に示すように、検出装置４０１では、各シンチレータセル４１１に対して、２×２画素の４個の画素２００が割り当てられている。

あるシンチレータセル４１１にX線（の光子）が入射すると、そのシンチレータセル４１１は、シンチレーション光を発する。シンチレータセル４１１が発したシンチレーション光は、そのシンチレータセル４１１に割り当てられた２×２画素の４個の画素２００のうちの１画素以上で受光され、そのシンチレーション光の受光量に対応する画素信号が、検出回路３３で、ディジタル値にA/D変換される。検出回路３３で得られる画素信号のディジタル値は、論理圧縮回路３４に供給される。

論理圧縮回路３４は、検出回路３３からの画素信号のディジタル値の圧縮を行う。

ここで、図１６で説明したように、検出装置４０１では、シンチレータセル４１１に入射したX線の光子に起因する輝点は、シンチレータセル４１１の範囲内に制限されるので、論理圧縮回路３４では、例えば、１個のシンチレータセル４１１に対して割り当てられた２×２画素の４個の画素２００を１単位として、画素信号のディジタル値の圧縮を行うことができる。

具体的には、例えば、論理圧縮回路３４は、１単位の２×２画素の４個の画素２００の画素信号のディジタル値を加算し、その結果得られる加算値を、１単位の画素値として出力する。

この場合、１個の画素２００の画素信号のディジタル値が１０ビットであるとすると、１単位分、すなわち、２×２画素の４個分の画素２００の画素信号のディジタル値である４（画素）×１０（ビット）＝４０ビットは、１２ビットの画素値に圧縮される。

また、例えば、論理圧縮回路３４は、シンチレータセル４１１に対して割り当てられた１単位の２×２画素の４個の画素２００のうちの画素信号のディジタル値が最大の画素２００を検出する。そして、論理圧縮回路３４は、１単位の２×２画素の４個の画素２００の位置のうちのディジタル値が最大の画素２００の位置を、X線の（光子の）入射位置として選択し、１単位の２×２画素の４個の画素２００の位置における、X線の入射位置を表す２ビットの位置情報を出力する。これにより、論理圧縮回路３４は、いわば、２×２画素の４個の画素２００の画素の位置を、１個の画素２００の位置に圧縮する。

論理圧縮回路３４が入射位置を表す２ビットの位置情報を出力する場合、シンチレータセル４１１に対して割り当てられた２×２画素の４個の画素２００の画素信号のディジタル値である４×１０＝４０ビットは、２×２画素の４個の画素２００の画素信号のディジタル値を加算して得られる１２ビットの加算値と、２ビットの位置情報との合計で１４ビットのX線の光子に起因する輝点のデータに圧縮される。

以上により、論理圧縮回路３４において、検出装置４０１から出力する投影画像となるデータのデータ量を削減し、例えば、１フレームの投影画像となるデータを短時間で出力することができる。したがって、高速な撮像を行い、放射線の投影画像を短時間で得ることができる。

ここで、論理圧縮回路３４では、上述の圧縮に加えて、又は、上述の圧縮に代えて、任意の圧縮を行うことができる。

フォトンカウントモードにおいて、図１６で説明したように、高線量のX線を用いる場合でも、検出装置４０１において、多くの画素２００が出力する画素信号は、ノイズを含んだダークの画素信号になる。

したがって、各検出回路３３が出力する各画素２００の画素信号のディジタル値については、図５で説明したように、論理圧縮回路３４において閾値処理を行い、閾値以下の画素信号のディジタル値を、完全なダーク（ゼロ）とみなすことにより、多くの画素２００の画素信号のディジタル値が、０になる。

このような０が多いデータについては、任意の圧縮により、データ量を大幅に削減することができ、データをより短時間で出力することが可能になるので、論理圧縮回路３４において任意の圧縮を行うことは、極めて有効である。

なお、本実施の形態では、画素信号のディジタル値の圧縮を、光センサ基板４３０の内部で行うこととしたが、画素信号のディジタル値の圧縮は、光センサ基板４３０の外部で行ってもよい。

以上のように、検出装置４０１は、隔壁４１２によってシンチレータセル４１１が隔離されているので、X線の光子に起因する輝点、すなわち、シンチレータセル４１１で変換されたシンチレーション光による輝点が、他のシンチレータセル４１１で変換されたシンチレーション光による輝点と重なることを防止することができる。

したがって、検出装置４０１では、高線量のX線を用いる場合でも、１個のシンチレータセル４１１に最大でX線の１個の光子が入射する限り、入射した個々のX線の光子を正確に検出することができる。

これにより、検出装置４０１では、フォトンカウントモードにおいて、非セル型検出装置よりも高線量を用いることができ、放射線の投影画像を短時間で得ることができる。

また、以上のように、論理圧縮回路３４において、画素信号のディジタル値の圧縮を行うことにより、検出装置４０１から出力する投影画像となるデータのデータ量を少なくし、例えば、１フレームの投影画像となるデータを短時間で出力することができる。したがって、高速な撮像を行い、放射線の投影画像を短時間で得ることができる。

＜本開示に係る技術を適用し得るX線撮影システムの構成例＞

図１８は、本開示に係る技術を適用し得るX線撮影システムの構成例を説明するブロック図である。

X線撮影システム５００は、制御装置５１０、撮影装置５１１、X線発生装置５１２、X線管５１３、表示部５１４、操作部５１５、及び、AC/DCコンバータ５２３を有する。X線撮影システム５００は、例えば、回診車やCアーム、CT撮影システムなどである。

制御装置５１０は、システム全体の制御を実行する。制御装置５１０は、同期制御部５１６、アンプ設定部５１７、撮影条件設定部５１８、画像処理部５１９、及び、表示制御部５２０を有する。撮影条件設定部５１８は、操作部５１５や外部からのオーダ入力に基づいて撮影装置５１１及びX線発生装置５１２に対して撮影条件を指示する。

同期制御部５１６は、不図示の照射スイッチの押下に応じてX線管５１３のX線照射と、撮影装置５１１のX線受光及び読み出しを同期させる同期制御とを行う。同期制御は、例えば、撮影装置５１１及びX線発生装置５１２にパルス信号を発信することで行う。同期制御により、X線発生装置５１２は、所定のタイミングでX線管５１３からX線を発生させる。発生されたX線により、撮影装置５１１が得た撮影画像は、制御装置５１０に送られる。

撮影画像は、画像処理部５１９による所定の処理の後、表示制御部５２０により表示部５１４に表示される。制御装置５１０による制御によって画像の出力が連続的に複数回繰り返されることで動画撮影が実行され、単発の撮影により静止画撮影が実行されることとなる。

アンプ設定部５１７は、撮影装置５１１のイメージセンサに含まれる画素アンプの起動タイミングを制御するための設定を行う。画素アンプは、光電変換素子で生じた電気信号をサンプルホールド回路に送る際に駆動させ、その他の場合には駆動させないよう設定する。さらに、イメージセンサの部分領域毎にアンプの起動タイミングを個別に設定する。画素アンプの制御に関する設定は、操作部５１５からの入力、外部装置からの情報受信、又は制御装置５１０内の不図示のメモリに記憶された設定情報の少なくともいずれかによって行われる。

撮影装置５１１は、主にイメージセンサ１１１と当該センサを制御する撮影制御部５２２とを有する。この撮影装置５１１は、例えば、X線撮影に用いられるフラットパネルディテクタあるいはX線検出器である。不図示の蛍光体によりX線を可視光に変換し、可視光をイメージセンサ５２１で受光し電荷を生成することで、撮影装置５１１に到達したX線の線量分布に応じたX線画像を得ることができる。

以上、本開示に係る技術を適用し得るX線撮影システム５００の一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮影装置５１１に適用され得る。具体的には、検出装置１２及び４０１は、撮影装置５１１に適用することができる。撮影装置５１１に本開示に係る技術を適用することにより、放射線の投影画像を短時間で得ることができる。

＜本開示に係る技術に適用し得る固体撮像装置の断面構成例＞

図１９は、本開示に係る技術に適用し得る固体撮像装置の構成例を示す断面図である。

固体撮像装置では、PD（フォトダイオード）20019が、半導体基板20018の裏面（図では上面）側から入射する入射光20001を受光する。PD20019の上方には、平坦化膜20013が設けられており、平坦化膜20013を介して入射した入射光20001を、受光面20017で受光して光電変換が行われる。

例えば、PD20019は、n型半導体領域20020が、電荷（電子）を蓄積する電荷蓄積領域として形成されている。PD20019においては、n型半導体領域20020は、半導体基板20018のp型半導体領域20016，20041の内部に設けられている。n型半導体領域20020の、半導体基板20018の表面（下面）側には、裏面（上面）側よりも不純物濃度が高いp型半導体領域20041が設けられている。つまり、PD20019は、HAD(Hole-Accumulation Diode)構造になっており、n型半導体領域20020の上面側と下面側との各界面において、暗電流が発生することを抑制するように、p型半導体領域20016，20041が形成されている。

半導体基板20018の内部には、複数の画素20010の間を電気的に分離する画素分離部20030が設けられており、この画素分離部20030で区画された領域に、PD20019が設けられている。図中、上面側から、固体撮像装置を見た場合、画素分離部20030は、例えば、複数の画素20010の間に介在するように格子状に形成されており、PD20019は、この画素分離部20030で区画された領域内に形成されている。

各PD20019では、アノードが接地されており、固体撮像装置において、PD20019が蓄積した信号電荷（例えば、電子）は、図示せぬ転送Tr(MOS FET)等を介して読み出され、電気信号として、図示せぬVSL（垂直信号線）へ出力される。

配線層20050は、半導体基板20018のうち、遮光膜20014が設けられた裏面（上面）とは反対側の表面（下面）に設けられている。

配線層20050は、配線20051と絶縁層20052とを含み、絶縁層20052内において、配線20051が各素子に電気的に接続するように形成されている。配線層20050は、いわゆる多層配線の層になっており、絶縁層20052を構成する層間絶縁膜と配線20051とが交互に複数回積層されて形成されている。ここでは、配線20051としては、転送Tr等のPD20019から電荷を読み出すためのTrへの配線や、VSL等の各配線が、絶縁層20052を介して積層されている。

配線層20050の、PD20019が設けられている側に対して反対側の面には、支持基板20061が設けられている。例えば、厚みが数百μｍのシリコン半導体からなる基板が、支持基板20061として設けられている。

遮光膜20014は、半導体基板20018の裏面（図では上面）の側に設けられている。

遮光膜20014は、半導体基板20018の上方から半導体基板20018の裏面へ向かう入射光20001の一部を、遮光するように構成されている。

遮光膜20014は、半導体基板20018の内部に設けられた画素分離部20030の上方に設けられている。ここでは、遮光膜20014は、半導体基板20018の裏面（上面）上において、シリコン酸化膜等の絶縁膜20015を介して、凸形状に突き出るように設けられている。これに対して、半導体基板20018の内部に設けられたPD20019の上方においては、PD20019に入射光20001が入射するように、遮光膜20014は、設けられておらず、開口している。

つまり、図中、上面側から、固体撮像装置を見た場合、遮光膜20014の平面形状は、格子状になっており、入射光20001が受光面20017へ通過する開口が形成されている。

遮光膜20014は、光を遮光する遮光材料で形成されている。例えば、チタン(Ti)膜とタングステン(W)膜とを、順次、積層することで、遮光膜20014が形成されている。この他に、遮光膜20014は、例えば、窒化チタン(TiN)膜とタングステン(W)膜とを、順次、積層することで形成することができる。

遮光膜20014は、平坦化膜20013によって被覆されている。平坦化膜20013は、光を透過する絶縁材料を用いて形成されている。

画素分離部20030は、溝部20031、固定電荷膜20032、及び、絶縁膜20033を有する。

固定電荷膜20032は、半導体基板20018の裏面（上面）の側において、複数の画素20010の間を区画している溝部20031を覆うように形成されている。

具体的には、固定電荷膜20032は、半導体基板20018において裏面（上面）側に形成された溝部20031の内側の面を一定の厚みで被覆するように設けられている。そして、その固定電荷膜20032で被覆された溝部20031の内部を埋め込むように、絶縁膜20033が設けられている（充填されている）。

ここでは、固定電荷膜20032は、半導体基板20018との界面部分において正電荷（ホール）蓄積領域が形成されて暗電流の発生が抑制されるように、負の固定電荷を有する高誘電体を用いて形成されている。固定電荷膜20032が負の固定電荷を有するように形成されていることで、その負の固定電荷によって、半導体基板20018との界面に電界が加わり、正電荷（ホール）蓄積領域が形成される。

固定電荷膜20032は、例えば、ハフニウム酸化膜（HfO2膜）で形成することができる。また、固定電荷膜20032は、その他、例えば、ハフニウム、ジルコニウム、アルミニウム、タンタル、チタン、マグネシウム、イットリウム、ランタノイド元素等の酸化物の少なくとも１つを含むように形成することができる。

以上のような固体撮像装置は、検出装置１２や検出装置４０１の光検出ブロック２２に適用することができる。

以上、本技術の放射線検出装置を、X線を検出するX線撮像装置１０に適用した場合について説明したが、本技術は、X線の他、例えば、アルファ線等の任意の放射線を検出する装置に適用することができる。また、本技術は、例えば、宇宙線の検出や科学計測、産業用CT、セキュリティ用に供されるX線検査等に適用することができる。

また、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

さらに、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。

なお、本技術は、以下の構成をとることができる。

＜１＞
放射線の入射に応じてシンチレーション光を発するシンチレータと、
前記シンチレーション光を光電変換し、前記シンチレーション光の光量に応じた画素信号を出力する複数の画素がアレイ状に配置された画素基板と、
前記画素信号をA/D(Analog to Digital)変換するA/D変換部を有し、前記画素基板に積層された検出回路基板と、
前記A/D変換部から出力されるディジタルデータを圧縮する圧縮部と
を備える放射線検出装置。
＜２＞
前記シンチレータは、複数のシンチレータセルそれぞれが隔壁により隔離されてアレイ状に配置されたセル型シンチレータであり、
各シンチレータセルに対して、１個以上の画素が割り当てられた
＜１＞に記載の放射線検出装置。
＜３＞
各シンチレータセルに対して、２個以上の画素が割り当てられ、
前記圧縮部は、前記シンチレータセルに割り当てられた前記２個以上の画素の前記ディジタルデータを加算することにより圧縮する
＜２＞に記載の放射線検出装置。
＜４＞
各シンチレータセルに対して、２個以上の画素が割り当てられ、
前記圧縮部は、前記シンチレータセルに割り当てられた前記２個以上の画素の位置のうちの前記ディジタルデータが最大の前記画素の位置を、前記放射線の入射位置として選択する
＜２＞に記載の放射線検出装置。
＜５＞
各シンチレータセルに対して、２個以上の画素が割り当てられ、
前記圧縮部は、前記シンチレータセルに割り当てられた前記２個以上の画素の前記ディジタルデータを加算することにより圧縮するとともに、前記シンチレータセルに割り当てられた前記２個以上の画素の位置のうちの前記ディジタルデータが最大の前記画素の位置を、前記放射線の入射位置として選択する
＜２＞に記載の放射線検出装置。
＜６＞
前記画素基板と、前記検出回路基板とが積層されて構成される複数の光検出ブロックがアレイ状に配置された
＜１＞ないし＜５＞のいずれかに記載の放射線検出装置。
＜７＞
前記光検出ブロックは、前記圧縮部を含む
＜６＞に記載の放射線検出装置。
＜８＞
複数の前記光検出ブロックを第１の半導体基板上に形成し、
前記第１の半導体基板から、前記光検出ブロックの個片を切り出し、
前記光検出ブロックの複数の個片を、第２の半導体基板上にアレイ状に配置する
ことで製造される
＜６＞又は＜７＞に記載の放射線検出装置。
＜９＞
被検体を挟んだ位置に配置される、前記放射線を発生する放射線発生部をさらに備える
＜１＞ないし＜８＞のいずれかに記載の放射線検出装置。
＜１０＞
前記画素は、平面形状が略長方形で、長辺が短辺の２倍以上のPD(Photodiode)を有する
＜１＞ないし＜９＞のいずれかに記載の放射線検出装置。
＜１１＞
前記画素は、平面形状が略長方形で、長辺が短辺の２倍以上の複数のPDを有する
＜１０＞に記載の放射線検出装置。
＜１２＞
前記A/D変換の量子化幅を、１電子若しくは正孔未満の前記画素信号に対応する量子化幅、又は、１電子若しくは正孔以上の前記画素信号に対応する量子化幅に調整する調整機構をさらに備える
＜１＞ないし＜１１＞のいずれかに記載の放射線検出装置。
＜１３＞
前記A/D変換部は、
所定の傾きで変化する参照信号と、前記画素信号とを比較し、前記参照信号と前記画素信号との比較結果を出力するコンパレータと、
前記比較結果に応じて、前記参照信号と前記画素信号との大小関係が反転するまでの時間をカウントし、カウント値を出力するカウンタと
を有し、
前記コンパレータに供給される前記画素信号を増幅する、ゲインの調整可能なアンプを、前記調整機構として備える
＜１２＞に記載の放射線検出装置。
＜１４＞
前記A/D変換部は、
所定の傾きで変化する参照信号と、前記画素信号とを比較し、前記参照信号と前記画素信号との比較結果を出力するコンパレータと、
前記比較結果に応じて、前記参照信号と前記画素信号との大小関係が反転するまでの時間をカウントし、カウント値を出力するカウンタと
を有し、
前記参照信号を発生する、前記参照信号の傾きの調整可能な参照信号発生部を、前記調整機構として備える
＜１２＞に記載の放射線検出装置。
＜１５＞
前記A/D変換部は、
所定の傾きで変化する参照信号と、前記画素信号とを比較し、前記参照信号と前記画素信号との比較結果を出力するコンパレータと、
前記比較結果に応じて、前記参照信号と前記画素信号との大小関係が反転するまでの時間をカウントし、カウント値を出力するカウンタと
を有し、
前記画素は、前記コンパレータに供給される前記画素信号のゲインを調整するゲイン調整部を、前記調整機構として有する
＜１２＞に記載の放射線検出装置。

１ 被検体， １０ X線撮像装置， １１ X線照射装置， １２ 検出装置， ２０ シンチレータプレート， ２１ 光センサ基板， ２２ 光検出ブロック， ２３ 光検出部， ２４ 出力回路， ２５ タイミング制御回路， ３０ 画素基板， ３１ 検出回路基板， ３２ 接続部， ３３ 検出回路， ３４ 論理圧縮回路， ３５ 水平転送回路， ３６ 駆動回路， ３７ 論理制御回路， ３８ 参照信号発生回路， ５１，５１ａ，５１ｂ PD， ５２ 蓄積ノード， ５３ 電源配線， ５５，５５ａ，５５ｂ 転送Tr， ５６ 増幅Tr， ５７ リセットTr， ５８ 検出ノード(FD)， ５９ 画素Tr， ６０ 行駆動部， ６１ 定電流源， ６２ 信号検出部， ６３ 垂直信号線， ７０ アンプ回路， ７１ コンデンサ， ７２ アンプ， ７３ 可変コンデンサ， ８０ A/D変換器， ８１，８２ コンデンサ， ８３ コンパレータ， ８４ カウンタ， ８５ 参照信号線， １０１ 回路， ２００ 画素， ２０１ 画素Tr， ２１１ 接続部， ３１０，３２０ 画素， ３２１ サブ画素， ３３０ 画素， ４００ X線撮像装置， ４０１ 検出装置， ４１０ シンチレータプレート， ４１１ シンチレータセル， ４１２ 隔壁， ４２０ FOP， ４３０ 光センサ基板， ５００ X線撮影システム， ５１０ 制御装置， ５１１ 撮影装置， ５１２ X線発生装置， ５１３ X線管， ５１４ 表示部， ５１５ 操作部， ５１６ 同期制御部， ５１７ アンプ設定部， ５１８ 撮影条件設定部， ５１９ 画像処理部， ５２０ 表示制御部， ５２１ イメージセンサ， ５２２ 撮影制御部， ５２３ AC/DCコンバータ

Claims (15)

1. 放射線の入射に応じてシンチレーション光を発するシンチレータと、
   前記シンチレーション光を光電変換し、前記シンチレーション光の光量に応じた画素信号を出力する複数の画素がアレイ状に配置された画素基板と、
   前記画素信号をA/D(Analog to Digital)変換するA/D変換部を有し、前記画素基板に積層された検出回路基板と、
   前記A/D変換部から出力されるディジタルデータを圧縮する圧縮部と
   を備える放射線検出装置。
2. 前記シンチレータは、複数のシンチレータセルそれぞれが隔壁により隔離されてアレイ状に配置されたセル型シンチレータであり、
   各シンチレータセルに対して、１個以上の画素が割り当てられた
   請求項１に記載の放射線検出装置。
3. 各シンチレータセルに対して、２個以上の画素が割り当てられ、
   前記圧縮部は、前記シンチレータセルに割り当てられた前記２個以上の画素の前記ディジタルデータを加算することにより圧縮する
   請求項２に記載の放射線検出装置。
4. 各シンチレータセルに対して、２個以上の画素が割り当てられ、
   前記圧縮部は、前記シンチレータセルに割り当てられた前記２個以上の画素の位置のうちの前記ディジタルデータが最大の前記画素の位置を、前記放射線の入射位置として選択する
   請求項２に記載の放射線検出装置。
5. 各シンチレータセルに対して、２個以上の画素が割り当てられ、
   前記圧縮部は、前記シンチレータセルに割り当てられた前記２個以上の画素の前記ディジタルデータを加算することにより圧縮するとともに、前記シンチレータセルに割り当てられた前記２個以上の画素の位置のうちの前記ディジタルデータが最大の前記画素の位置を、前記放射線の入射位置として選択する
   請求項２に記載の放射線検出装置。
6. 前記画素基板と、前記検出回路基板とが積層されて構成される複数の光検出ブロックがアレイ状に配置された
   請求項１に記載の放射線検出装置。
7. 前記光検出ブロックは、前記圧縮部を含む
   請求項６に記載の放射線検出装置。
8. 複数の前記光検出ブロックを第１の半導体基板上に形成し、
   前記第１の半導体基板から、前記光検出ブロックの個片を切り出し、
   前記光検出ブロックの複数の個片を、第２の半導体基板上にアレイ状に配置する
   ことで製造される
   請求項６に記載の放射線検出装置。
9. 被検体を挟んだ位置に配置される、前記放射線を発生する放射線発生部をさらに備える
   請求項１に記載の放射線検出装置。
10. 前記画素は、平面形状が略長方形で、長辺が短辺の２倍以上のPD(Photodiode)を有する
    請求項１に記載の放射線検出装置。
11. 前記画素は、平面形状が略長方形で、長辺が短辺の２倍以上の複数のPDを有する
    請求項１０に記載の放射線検出装置。
12. 前記A/D変換の量子化幅を、１電子若しくは正孔未満の前記画素信号に対応する量子化幅、又は、１電子若しくは正孔以上の前記画素信号に対応する量子化幅に調整する調整機構をさらに備える
    請求項１に記載の放射線検出装置。
13. 前記A/D変換部は、
    所定の傾きで変化する参照信号と、前記画素信号とを比較し、前記参照信号と前記画素信号との比較結果を出力するコンパレータと、
    前記比較結果に応じて、前記参照信号と前記画素信号との大小関係が反転するまでの時間をカウントし、カウント値を出力するカウンタと
    を有し、
    前記コンパレータに供給される前記画素信号を増幅する、ゲインの調整可能なアンプを、前記調整機構として備える
    請求項１２に記載の放射線検出装置。
14. 前記A/D変換部は、
    所定の傾きで変化する参照信号と、前記画素信号とを比較し、前記参照信号と前記画素信号との比較結果を出力するコンパレータと、
    前記比較結果に応じて、前記参照信号と前記画素信号との大小関係が反転するまでの時間をカウントし、カウント値を出力するカウンタと
    を有し、
    前記参照信号を発生する、前記参照信号の傾きの調整可能な参照信号発生部を、前記調整機構として備える
    請求項１２に記載の放射線検出装置。
15. 前記A/D変換部は、
    所定の傾きで変化する参照信号と、前記画素信号とを比較し、前記参照信号と前記画素信号との比較結果を出力するコンパレータと、
    前記比較結果に応じて、前記参照信号と前記画素信号との大小関係が反転するまでの時間をカウントし、カウント値を出力するカウンタと
    を有し、
    前記画素は、前記コンパレータに供給される前記画素信号のゲインを調整するゲイン調整部を、前記調整機構として有する
    請求項１２に記載の放射線検出装置。

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