JP6814848B1 - 光検出素子の信号読出回路、信号読出装置および信号読出方法 - Google Patents

光検出素子の信号読出回路、信号読出装置および信号読出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】光の入射位置を特定可能な光検出素子において、複数の位置に同時に光が入射した場合でもそれらを区別して検出することが可能な信号読出回路、信号読出装置および信号読出方法で、回路規模の大型化を抑制しする。【解決手段】信号読出回路１１は、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７１を有する光検出素子７４からの信号を読み出す回路であって、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の光検出ピクセル７１それぞれから検出信号を入力し、光の入射を示す信号を出力するＮ個の光入射検出部１３と、Ｎ個の光入射検出部１３からの出力信号の合計値を検出する合計値検出部１４とを備える。各光入射検出部１３は、各光検出ピクセル７１に対応して異なる重み付けがなされた信号を出力する。その重みは、個々の光検出ピクセル７１および光検出ピクセル７１同士の全ての組み合わせパターンに対して合計値が互いに異なるように設定される。【選択図】図６

Description

本開示は、光検出素子の信号読出回路、信号読出装置および信号読出方法に関する。
特許文献１には、放射線検出器に関する技術が開示されている。この放射線検出器は、２次元的に結合された複数個のシンチレータを含むシンチレータ群と、シンチレータ群に光学的に結合された光学センサとを備え、シンチレータ群に入射したガンマ線の入射位置を検出する。シンチレータ群は、各シンチレータ同士を密着または近接させて構成されている。シンチレータ群には複数個の光センサが光学的に結合され、各光センサにおいて検出された検出光量に基づき、光量分布の重心を求めてガンマ線の入射位置を検出する。
特開平７−３１１２７０号公報
Andrew L. Goertzen et al., "Design and Performance of aResistor Multiplexing Readout Circuit for a SiPM Detector", IEEETransactions on Nuclear Science, Vol. 60, No. 3, June 2013 Vladimir Popov et al., "A novel readout concept for multianodephotomultiplier tubes with pad matrix anode layout", Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research, A 567, pp.319-322 (2006)
例えばＭＰＰＣ（Multi-Pixel Photon Counter）やマルチアノードＰＭＴ（Photomultiplier Tube）といったマルチチャンネル型の光検出素子から信号を読み出す際、最も広く用いられている方式は、抵抗チェーンを用いる方式である。図１４は、一例として、抵抗チェーンを用いた放射線検出器の構成を概念的に示す。この放射線検出器１００は、一次元状または二次元状に配列された複数のシンチレータ１０２からなるシンチレータ群１０１と、このシンチレータ群１０１に貼着されたマルチチャンネル型の光検出素子１０３とを備える。光検出素子１０３の各光検出ピクセル（チャンネル）１０４は、隣接する光検出ピクセル１０４同士を接続する複数の抵抗１０６からなる抵抗チェーン１０５を介して互いに電気的に接続されている。この放射線検出器１００では、抵抗チェーン１０５の両端から信号を読み出し、その大きさに基づいて光の入射位置（すなわち放射線の入射位置）を特定する。このような方式は、特にマルチアノードＰＭＴからの信号の読み出しに多く用いられ、ポジトロン断層撮影（Positron Emission Tomography；ＰＥＴ）や放射線計測器などにおいて幅広く採用されている。
しかしながら、このような抵抗チェーン方式には次の課題が存在する。すなわち、光の入射位置を特定するための信号処理に数十〜数百マイクロ秒を要するので、検出素子自体の応答速度が比較的速い（例えば１００ナノ秒以下）にもかかわらず、信号処理速度が装置全体の応答速度を遅くしてしまう。また、複数の位置において同時に光が入射した場合にはそれらを区別して検出することができず、入射位置情報が失われてしまう。
抵抗チェーン方式が有するこれらの課題に対し、光検出ピクセル１０４と同数の読み出し回路を設け、個々の光検出ピクセル１０４からの出力信号を個別に読み出す方式が考えられる（図１５を参照）。しかしながら、このような方式では光検出ピクセル１０４の個数に応じて読み出し回路の規模が拡大し、例えば６４個や２５６個といった光検出ピクセル数に対しては膨大な回路規模となる。
本開示は、上記課題を解決するために、回路規模の大型化を抑制しつつ、複数の位置において同時に光が入射した場合であってもそれらを区別して検出することが可能な光検出素子の信号読出回路、信号読出装置および信号読出方法を提供することを目的とする。
本開示による光検出素子の信号読出回路は、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を有する光検出素子からの信号を読み出す回路であって、複数の光検出ピクセルに含まれるＮ個（Ｎは２以上の整数）の光検出ピクセルのうち、対応する光検出ピクセルから検出信号を入力し、当該光検出ピクセルへの光子の入射があったことを示す予め設定された大きさのパルス信号を出力するＮ個の光入射検出部と、Ｎ個の光入射検出部からの出力信号の合計値を検出する合計値検出部と、を備える。予め設定された大きさのパルス信号は、各光検出ピクセルに対応して異なる重み付けがなされた信号であり、その重みは、Ｎ個の光検出ピクセルにおける個々の光検出ピクセルおよび光検出ピクセル同士の全ての組み合わせパターンに対して合計値が互いに異なるように設定されており、Ｎ個の光検出ピクセルのいずれの一つ又は複数に光子が入射したかを合計値から一意に判定することができる。
本開示による光検出素子の信号読出方法は、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を有する光検出素子からの信号を読み出す方法であって、複数の光検出ピクセルに含まれるＮ個（Ｎは２以上の整数）の光検出ピクセルそれぞれからの信号に基づいて、対応する光検出ピクセルへの光子の入射があったことを示す予め設定された大きさのパルス信号をＮ個の光検出ピクセルごとに生成する第１ステップと、Ｎ個の光検出ピクセルごとに生成した予め設定された大きさのパルス信号の合計値を検出する第２ステップと、を含む。予め設定された大きさのパルス信号は、各光検出ピクセルに対応して異なる重み付けがなされた信号であり、その重みは、Ｎ個の光検出ピクセルにおける個々の光検出ピクセルおよび光検出ピクセル同士の全ての組み合わせパターンに対して合計値が互いに異なるように設定されており、Ｎ個の光検出ピクセルのいずれの一つ又は複数に光子が入射したかを合計値から一意に判定することができる。
上記の信号読出回路および信号読出方法では、光入射検出部（第１ステップ）において光入射を示す信号を生成する際、各光検出ピクセルに対応して異なる重み付けがなされ、重み付けされたＮ個の信号の合計値が合計値検出部（第２ステップ）において検出される。その重みは、個々の光検出ピクセルおよび光検出ピクセル同士の全ての組み合わせパターンに対して合計値が互いに異なるように設定される。従って、何れの光検出ピクセル（１つ若しくは複数）に光が入射したかを合計値から一意に判定することができる。故に、この信号読出回路および信号読出方法によれば、複数の位置において同時に光が入射した場合であってもそれらを区別して検出することが可能となる。また、Ｎ個の光検出ピクセルそれぞれに対応するＮ個の信号読出回路を設ける場合と比較して、回路規模の大型化を抑制することができる。
上記の信号読出回路において、各光入射検出部がコンパレータを含んでもよい。この場合、光検出ピクセルからの検出信号に対して閾値を設定し、光が入射したか否かを精度良く判定することができる。また、コンパレータの信号出力条件（電圧値等）をコンパレータ毎に異ならせることにより、個々の光検出ピクセルおよび光検出ピクセル同士の全ての組み合わせパターンに対して合計値が互いに異なるように重みを設定することも容易にできる。
上記の信号読出回路において、Ｎ個の光入射検出部からの出力信号がアナログ信号であり、合計値検出部は、Ｎ個の光入射検出部からの出力信号を重ね合わせた信号をディジタル信号に変換するアナログ−ディジタル変換回路を含んでもよい。例えばこのような構成により、Ｎ個の光入射検出部からの出力信号の合計値を検出することができる。
上記の信号読出回路において、第ｎ番目（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）の光入射検出部の重みが２(n-1)であってもよい。例えばこのように重みを設定することにより、個々の光検出ピクセルおよび光検出ピクセル同士の全ての組み合わせパターンに対して合計値を互いに異ならせることができる。
本開示による光検出素子の信号読出装置は、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をそれぞれ含むＭ個（Ｍは２以上の整数）の光検出ピクセル群を有する光検出素子からの信号を読み出す装置であって、上記いずれかの光検出素子の信号読出回路であるＭ個の信号読出回路を備え、Ｍ個の信号読出回路それぞれは、Ｍ個の光検出ピクセル群それぞれからの信号を読み出す。
この信号読出装置によれば、Ｍ個の信号読出回路を上記いずれかの信号読出回路とすることにより、回路規模の大型化を抑制しつつ、複数の位置において同時に光が入射した場合であってもそれらを区別して検出することができる。また、光検出素子の多数の光検出ピクセルをＭ個の光検出ピクセル群に区分けし、光検出ピクセル群毎に信号読出回路を設けることにより、単一の信号読出回路を用いる場合と比較して、光入射検出部の個数Ｎを小さくすることができる。故に、Ｎ個の光検出ピクセルにより実現される全ての組み合わせパターンの個数が大きくなり過ぎることを抑制できる。
本開示に係る光検出素子の信号読出回路、信号読出装置および信号読出方法によれば、回路規模の大型化を抑制しつつ、複数の位置において同時に光が入射した場合であってもそれらを区別して検出することができる。
一実施形態に係る放射線検出器１Ａの外観を示す斜視図である。 シンチレータアレイ５の外観を示す斜視図である。 光検出素子７の外観を示す斜視図である。 光検出素子７の光入射面７ａを示す平面図である。 信号読出装置１０の外観を示す斜視図である。 信号読出回路１１の内部構成を概略的に示す図である。 （ａ）一つの光検出ピクセル群７４を示す図である。（ｂ）（ａ）に示された４個の光検出ピクセル７１のそれぞれに対応する光入射検出部１３の重み値の例を示す。 合計値検出部１４において検出されるＮ個の光入射検出部１３からの出力信号の合計値と、チャンネル番号の組み合わせとの関係を示す図表である。 （ａ）〜（ｅ）光検出素子７の何れの光検出ピクセル７１に光子が入射したかを判定した例を概念的に示す図である。 信号読出回路１１の動作例を概念的に示す図である。 信号読出回路１１の別の動作例を概念的に示す図である。 一実施形態に係る信号読出方法を示すフローチャートである。 光検出素子７の光入射面７ａの変形例を示す平面図である。 抵抗チェーンを用いた放射線検出器の構成を概念的に示す図である。 光検出ピクセルと同数の読み出し回路を設け、個々の光検出ピクセルからの出力信号を個別に読み出す方式を備える放射線検出器の構成を概念的に示す図である。
以下、添付図面を参照しながら本開示による光検出素子の信号読出回路、信号読出装置および信号読出方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、一実施形態に係る放射線検出器１Ａの外観を示す斜視図である。この放射線検出器１Ａは、シンチレータアレイ５、光検出素子７、及び信号読出装置１０を備える。シンチレータアレイ５は、光検出素子７の一端面（光入射面）上に配置されている。信号読出装置１０は、光検出素子７の他端面（信号出力面）上に配置されている。言い換えると、放射線の入射方向において、光検出素子７はシンチレータアレイ５と信号読出装置１０との間に配置されている。
図２は、シンチレータアレイ５の外観を示す斜視図である。シンチレータアレイ５は、Ｌ個（Ｌは２以上の整数、図ではＬ＝１６の場合を示す）のシンチレータ５１を有する。Ｌ個のシンチレータ５１は、それぞれ直方体状の外形を有しており、一次元状又は二次元状に並んで配列されている。図示例では、１６個のシンチレータ５１が４行×４列の二次元状に配列されている。各シンチレータ５１は、放射線が入射すると光子（フォトン）を発生する。互いに隣接するシンチレータ５１の間には光を遮蔽する壁が設けられており、シンチレータ５１内で発生した光子の少なくとも一部は、隣接する他のシンチレータ５１に移動することなく、放射線が入射した面とは反対側の面に移動する。なお、シンチレータ５１の材料としては、プラスチック等が挙げられる。
図３は、光検出素子７の外観を示す斜視図である。光検出素子７は、例えばＭＰＰＣやマルチアノードＰＭＴといったマルチチャンネル型の光検出素子であって、例えばＭＰＰＣの場合、シリコン等の半導体材料により主に構成されている。光検出素子７は、光入射面７ａ内にＬ個の光検出ピクセル７１を有する。Ｌ個の光検出ピクセル７１は、シンチレータアレイ５におけるシンチレータ５１の配列に対応して、一次元状又は二次元状に並んで配列されている。すなわち、各光検出ピクセル７１は、各シンチレータ５１に対して一対一で対応し、各シンチレータ５１と対向している。図示例では、１６個の光検出ピクセル７１が４行×４列の二次元状に配列されている。また、光検出素子７は、Ｌ個の出力端子７２を更に有する。各出力端子７２は、光入射面７ａとは反対側の信号出力面７ｂから突出しており、各光検出ピクセル７１と一対一で対応して設けられている。
Ｌ個の光検出ピクセル７１のそれぞれは、シンチレータ５１からの光子の入射に応じて検出信号を生成する。各光検出ピクセル７１は、例えば、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 Photo Diode）と、ＡＰＤに対して直列に接続されたクエンチング抵抗とを含んで構成されている。クエンチング抵抗は、出力端子７２と電気的に接続されている。各光検出ピクセル７１にて生成された検出信号は、出力端子７２から光検出素子７の外部へと出力される。
図４は、光検出素子７の光入射面７ａを示す平面図である。本実施形態では、Ｌ個の光検出ピクセル７１を、それぞれＮ個の光検出ピクセル７１を含むＭ個（Ｍは２以上の整数）の光検出ピクセル群７４に区分けする。図示例では、１６個の光検出ピクセル７１を４個の光検出ピクセル群７４に均等に区分けしている。この場合、各光検出ピクセル群７４に含まれる光検出ピクセル７１の個数Ｎは４となる。また、図示例では、互いに隣接するＮ1行×Ｎ2列（Ｎ1，Ｎ2は１以上の整数、且つＮ1×Ｎ2＝Ｎ）の光検出ピクセル７１を１つの光検出ピクセル群７４に区分けし、且つ、行数Ｎ1及び列数Ｎ2が互いに等しい場合（具体的には、Ｎ1＝Ｎ2＝２）を示している。なお、光検出ピクセル群７４の個数Ｍは４に限定されず、例えばＭ＝２やＭ＝６といった様々な数とすることができる。同様に、光検出ピクセル群７４に含まれる光検出ピクセル７１の個数Ｎは４に限定されず、例えばＮ＝２やＮ＝６といった様々な数とすることができる。行数Ｎ1及び列数Ｎ2も任意である。
図５は、信号読出装置１０の外観を示す斜視図である。信号読出装置１０は、Ｍ個の信号読出回路１１を有する。Ｍ個の信号読出回路１１は、光検出素子７における光検出ピクセル群７４の配列に対応して、一次元状又は二次元状に並んで配列されている。すなわち、各信号読出回路１１は、各光検出ピクセル群７４に対して一対一で対応している。各信号読出回路１１は、対応する光検出ピクセル群７４のＮ個の出力端子７２と接続されるＮ個の入力端子１２を有する。図示例では、信号読出回路１１の個数Ｍは４であり、入力端子１２の個数Ｎは４である。
図６は、信号読出回路１１の内部構成を概略的に示す図である。信号読出回路１１は、Ｎ個の光入射検出部１３と、一つの合計値検出部１４とを備える。Ｎ個の光入射検出部１３それぞれは、Ｎ個の光検出ピクセル７１それぞれに対応して設けられ、出力端子７２及び入力端子１２を介して対応する光検出ピクセル７１と電気的に接続されている。すなわち、各光入射検出部１３は、対応する光検出ピクセル７１と、抵抗値が実質的にゼロである配線を介して接続されている。各光入射検出部１３は、対応する光検出ピクセル７１から検出信号を入力し、該光検出ピクセル７１への光子の入射を示す信号を出力する。光子の入射を示す信号とは、例えば矩形状の時間波形を有するパルス信号である。一実施例では、光入射検出部１３はコンパレータを含む。光検出ピクセル７１から検出信号が所定の閾値を超えた場合に、コンパレータは予め設定された大きさのパルス信号を出力する。
上記の「予め設定された大きさのパルス信号」は、各光入射検出部１３毎に異なる重み付けがなされた信号であり、各光入射検出部１３毎に異なる大きさを有する。一例では、各光入射検出部１３のコンパレータは、光子の入射を検出した際に、或る一定の大きさのパルス信号を生成する。そして、各光入射検出部１３のコンパレータは、該パルス信号を、各光入射検出部１３毎に決められた重みに応じて、各光入射検出部１３毎に異なる大きさのパルス信号に変換する。
合計値検出部１４は、インピーダンスが実質的にゼロである信号伝送系を介してＮ個の光入射検出部１３と電気的に接続されており、Ｎ個の光入射検出部１３からの出力信号の合計値を検出する。各光入射検出部１３から合計値検出部１４への信号伝送時間を等しくするため、合計値検出部１４との間の線長は、Ｎ個の光入射検出部１３において互いに等しい。また、Ｎ個の光入射検出部１３からの信号伝送系は、ノードＮｄにおいて一つに結合されたのち、合計値検出部１４に達する。一実施例では、Ｎ個の光入射検出部１３からの出力信号がアナログ信号であり、合計値検出部１４はアナログ−ディジタル変換回路を含む。この場合、合計値検出部１４は、Ｎ個の光入射検出部１３からの出力信号を重ね合わせた信号をディジタル信号に変換する。すなわち、或る光入射検出部１３がＶ1（Ｖ）の信号を出力し、別の光入射検出部１３がＶ2（Ｖ）の信号を出力した場合、合計値検出部１４はＶ1＋Ｖ2（Ｖ）の信号をディジタル信号に変換する。合計値検出部１４から出力されたディジタル信号は、放射線検出器１Ａの外部へ出力される。
ここで、Ｎ個の光入射検出部１３について更に詳細に説明する。図７（ａ）は、一つの光検出ピクセル群７４を示す図である。この例では、２行×２列の４個の光検出ピクセル７１が示されている。これらの光検出ピクセル７１には、便宜的に（１）〜（４）のチャンネル（ＣＨ）番号が付されている。そして、各光入射検出部１３は、各光検出ピクセル７１に対応して異なる重み付けがなされた信号を出力する。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示された４個の光検出ピクセル７１のそれぞれに対応する光入射検出部１３の重み値の例を示す。この例では、チャンネル番号（１）に重み１を与え、チャンネル番号（２）に重み２を与え、チャンネル番号（３）に重み４を与え、チャンネル番号（４）に重み８を与えている。言い換えると、チャンネル番号が第ｎ番目（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）である光入射検出部１３の重み値が２(n-1)となっている。各光入射検出部１３の重みは、例えばコンパレータに供給する電圧を抵抗分割等により当該重みに応じた大きさに調整することによって実現できる。合計値検出部１４に要求される最小の分解能は、当該合計値検出部１４に接続される光入射検出部１３の個数Ｎによって規定される。例えばＮ＝４である場合、合計値検出部１４に要求される最小の分解能は４ビットである。
図８は、合計値検出部１４において検出されるＮ個の光入射検出部１３からの出力信号の合計値と、チャンネル番号の組み合わせとの関係を示す図表である。例えば、合計値がゼロである場合、いずれの光検出ピクセル７１にも光子が入射していないことを示す。合計値が１である場合、チャンネル番号（１）の光検出ピクセル７１のみに光子が入射したことを示す。合計値が２である場合、チャンネル番号（２）の光検出ピクセル７１のみに光子が入射したことを示す。合計値が３である場合、チャンネル番号（１）及び（２）の２つの光検出ピクセル７１に光子が同時に入射したことを示す。このように、Ｎ個の光検出ピクセル７１における個々の光検出ピクセル７１および光検出ピクセル７１同士の全ての組み合わせパターンに対して、合計値が互いに異なる（重複しない）。
図９は、光検出素子７の何れの光検出ピクセル７１に光子が入射したかを判定した例を概念的に示す図である。図９（ａ）には、２行×２列（計４個）の光検出ピクセル７１をそれぞれ含む４つの光検出ピクセル群７４が示されている。例えば、図９（ｂ）に示すように、４つの光検出ピクセル群７４にそれぞれ対応する４つの信号読出回路１１が、それぞれ１，１，６，２の合計値を出力したとする。このとき、合計値が１である２つの光検出ピクセル群７４では、図９（ｃ）に示すように、チャンネル番号（１）の光検出ピクセル７１のみに光子が入射したと判定される（光子が入射したと判定された光検出ピクセル７１をハッチングにて示す）。合計値が６である光検出ピクセル群７４では、チャンネル番号（２）及び（３）の２つの光検出ピクセル７１に光子が同時に入射したと判定される。合計値が２である光検出ピクセル群７４では、チャンネル番号（２）の光検出ピクセル７１のみに光子が入射したと判定される。
別の例では、図９（ｄ）に示すように、４つの光検出ピクセル群７４にそれぞれ対応する４つの信号読出回路１１が、それぞれ０，１４，０，２の合計値を出力したとする。このとき、合計値が０である２つの光検出ピクセル群７４では、図９（ｅ）に示すように、いずれの光検出ピクセル７１にも光子は入射していないと判定される。合計値が１４である光検出ピクセル群７４では、チャンネル番号（２）、（３）及び（４）の３つの光検出ピクセル７１に光子が同時に入射したと判定される。合計値が２である光検出ピクセル群７４では、チャンネル番号（２）の光検出ピクセル７１のみに光子が入射したと判定される。
図１０は、信号読出回路１１の動作例を概念的に示す図である。例えば、チャンネル番号（１）及び（３）の２つの光検出ピクセル７１に光子がほぼ同時に入射したとする。このとき、チャンネル番号（１）に対応する光入射検出部１３からは、高さ（電圧値）が１であるパルス信号Ｐ１が出力される。また、チャンネル番号（３）に対応する光入射検出部１３からは、高さ（電圧値）が４であるパルス信号Ｐ２が出力される。なお、パルス信号Ｐ１，Ｐ２の高さは相対値である。
これらのパルス信号Ｐ１，Ｐ２は、ノードＮｄにおいて互いに重なり合い、ピーク高さ（最大電圧値）が５であるパルス信号Ｐ３となって、合計値検出部１４であるＡ／Ｄ変換回路へ入力される。合計値検出部１４は、パルス信号Ｐ３のピーク高さに応じたディジタル信号を生成し、該ディジタル信号を信号読出装置１０の外部へ出力する。なお、図１０に示すように、パルス信号Ｐ１，Ｐ２の発生タイミングが僅かにずれても、そのずれがパルス信号Ｐ１，Ｐ２の時間幅以下であれば許容される。
光入射検出部１３から出力されるパルス信号の時間幅は、放射線検出器１Ａの応答速度に影響する。従って、使用環境及び要求仕様に応じて時間幅を任意に設定できることが望ましい。また、光入射検出部１３から出力されるパルス信号の時間幅が合計値検出部１４の処理周期（処理速度）に対して短過ぎると、複数のパルス信号が時間的に分離した場合に、合計値検出部１４に入力される信号がそれらの合計値とはならず、誤検出につながるおそれがある。従って、合計値検出部１４の処理周期に応じて、パルス信号の時間幅を設定するとよい。
図１１は、信号読出回路１１の別の動作例を概念的に示す図である。この例においても、チャンネル番号（１）及び（３）の２つの光検出ピクセル７１に光子がほぼ同時に入射したとする。このとき、チャンネル番号（１）に対応する光入射検出部１３からは、パルス面積（すなわちパルス高さの時間積分値。典型的には、パルス時間幅×パルス高さ）が１であるパルス信号Ｐ４が出力される。また、チャンネル番号（３）に対応する光入射検出部１３からは、パルス面積が４であるパルス信号Ｐ５が出力される。なお、パルス信号Ｐ４，Ｐ５の面積は相対値である。
これらのパルス信号Ｐ４，Ｐ５は、合計値検出部１４であるＡ／Ｄ変換回路へ入力される。合計値検出部１４は、パルス信号Ｐ４，Ｐ５の合計面積に応じたディジタル信号を生成し、該ディジタル信号を信号読出装置１０の外部へ出力する。なお、合計値検出部１４は、所定の処理周期内に存在するパルス信号の合計面積に応じたディジタル信号を生成し、２つのパルス信号がそれぞれ異なる処理周期内で生じた場合には、それらのパルス信号の面積は合計せず、個別のタイミングでＡ／Ｄ変換を行う。つまり、図１１に示すように、パルス信号Ｐ４，Ｐ５の発生タイミングが僅かにずれても、そのずれが合計値検出部１４の処理周期以下であれば同時入射として扱われる。
図１２は、本実施形態に係る信号読出方法を示すフローチャートである。この信号読出方法は、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７１を有する光検出素子７からの信号を読み出す方法であって、例えば本実施形態の信号読出回路１１を使用して実現され得る。
まず、第１ステップＳ１において、光検出ピクセル群７４に含まれるＮ個の光検出ピクセル７１それぞれからの信号に基づいて、光の入射を示すＮ個の信号を生成する。この第１ステップＳ１は、例えばＮ個の光入射検出部１３において行われる。次に、第２ステップＳ２において、Ｎ個の信号の合計値を検出する。この第２ステップＳ２は、例えば合計値検出部１４において行われる。そして、第１ステップＳ１では、各光検出ピクセル７１に対応して異なる重み付けがなされた信号を生成し、その重みを、当該光検出ピクセル群７４における個々の光検出ピクセル７１および光検出ピクセル７１同士の全ての組み合わせパターンに対して合計値が互いに異なるように設定する（図８を参照）。
以上に説明した、本実施形態による信号読出装置１０および信号読出回路１１、並びに信号読出方法によって得られる効果について説明する。
本実施形態の信号読出回路１１および信号読出方法では、光入射検出部１３（第１ステップＳ１）において光の入射を示す信号を生成する際、各光検出ピクセル７１に対応して異なる重み付けがなされ、重み付けされたＮ個の信号の合計値が合計値検出部１４（第２ステップＳ２）において検出される。図８に示すように、その重みは、個々の光検出ピクセル７１および光検出ピクセル７１同士の全ての組み合わせパターンに対して合計値が互いに異なるように設定される。従って、何れの光検出ピクセル７１（１つ若しくは複数）に光が入射したかを合計値から一意に判定することができる。故に、この信号読出回路１１および信号読出方法によれば、複数の位置において同時に光が入射した場合であってもそれらを区別して検出することが可能となる。また、Ｎ個の光検出ピクセル７１それぞれに対応するＮ個の信号読出回路を設ける場合と比較して、回路規模の大型化を抑制することができる。
なお、特許文献１に開示された放射線検出器においても、各光検出ピクセルからの出力信号に対して重み付けを行っている。しかし、重み値の決定方法が本実施形態とは異なるので、複数の位置において同時に光が入射した場合、それらを区別して検出することができない。本実施形態の信号読出回路１１および信号読出方法は、複数の位置において同時に光が入射した場合であってもそれらを区別して検出することができるという、特許文献１に記載された技術には無い格別な効果を奏するものである。
また、本実施形態の信号読出装置１０では、光検出素子７の多数の光検出ピクセル７１をＭ個の光検出ピクセル群７４に区分けし、光検出ピクセル群７４毎に信号読出回路１１を設ける。これにより、単一の信号読出回路１１を用いる場合と比較して、光入射検出部１３の個数Ｎを小さくすることができる。故に、Ｎ個の光検出ピクセル７１により実現される全ての組み合わせパターンの個数が大きくなり過ぎることを抑制できる。また、一つの光検出ピクセル７１に対して一つの信号読出回路を設ける場合と比較して、回路規模をＮ分の１とすることができる。
本実施形態のように、各光入射検出部１３はコンパレータを含んでもよい。この場合、光検出ピクセル７１からの検出信号に対して閾値を設定し、光が入射したか否かを精度良く判定することができる。また、コンパレータの信号出力条件（電圧値等）をコンパレータ毎に異ならせることにより、個々の光検出ピクセル７１および光検出ピクセル７１同士の全ての組み合わせパターンに対して合計値が互いに異なるように重みを設定することも容易にできる。
本実施形態のように、Ｎ個の光入射検出部１３からの出力信号がアナログ信号であり、合計値検出部１４は、Ｎ個の光入射検出部１３からの出力信号を重ね合わせた信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路を含んでもよい。例えばこのような構成により、Ｎ個の光入射検出部１３からの出力信号の合計値を好適に検出することができる。
本実施形態のように、第ｎ番目（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）の光入射検出部１３の重みは２(n-1)であってもよい。例えばこのように重みを設定することにより、個々の光検出ピクセル７１および光検出ピクセル７１同士の全ての組み合わせパターンに対して合計値を互いに異ならせることができる。但し、光入射検出部１３の重み値はこれに限られず、個々の光検出ピクセル７１および光検出ピクセル７１同士の全ての組み合わせパターンに対して合計値が互いに異なりさえすれば、他の様々な重み値を用いてもよい。
（変形例）
図１３は、光検出素子７の光入射面７ａの変形例を示す平面図である。上記実施形態の図４では、互いに隣接するＮ1行×Ｎ2列の光検出ピクセル７１を１つの光検出ピクセル群７４に区分けし、且つ、行数Ｎ1及び列数Ｎ2が互いに等しい場合（具体的には、Ｎ1＝Ｎ2＝２）を示したが、図１３に示すように、行数Ｎ1及び列数Ｎ2は互いに異なってもよい。図１３の例では、６４個の光検出ピクセル７１が８行×８列の二次元状に配列された光入射面７ａにおいて、各光検出ピクセル群７４の行数Ｎ1を８、列数Ｎ2を１としている。或いは、１つの光検出ピクセル群７４に含まれるＮ個の光検出ピクセル７１のうち少なくとも１つが、他の光検出ピクセル７１と隣接せずに分離していてもよい。このように、光検出ピクセル群７４の区分けパターンは任意であり、どのような区分けであっても上記実施形態の効果を好適に奏することができる。
本開示による光検出素子の信号読出回路、信号読出装置および信号読出方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、光入射検出部１３から出力される信号のパルス高さ（電圧値）またはパルス面積に対して重み付けを行ったが、光入射検出部１３から出力される信号の他の様々な特徴値に対して重み付けを行ってもよい。また、上記実施形態では、光入射検出部１３としてコンパレータを採用し、重み付けされた信号をコンパレータから出力させているが、光入射検出部１３の構成はこれに限られず、例えば各コンパレータから一定の大きさの信号を出力させ、コンパレータの後段に接続された種々の重み付け回路を使って各コンパレータからの出力信号に重み付けを行ってもよい。或いは、光入射検出部１３は、論理回路及びデコーダを用いて構成されてもよい。
１Ａ…放射線検出器、５…シンチレータアレイ、７…光検出素子、７ａ…光入射面、７ｂ…信号出力面、１０…信号読出装置、１１…信号読出回路、１２…入力端子、１３…光入射検出部、１４…合計値検出部、５１…シンチレータ、７１…光検出ピクセル、７２…出力端子、７４…光検出ピクセル群、１００…放射線検出器、１０１…シンチレータ群、１０２…シンチレータ、１０３…光検出素子、１０４…光検出ピクセル、１０５…抵抗チェーン、１０６…抵抗、Ｎｄ…ノード、Ｐ１〜Ｐ５…パルス信号。

Claims (6)

  1. 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を有する光検出素子からの信号を読み出す回路であって、
    前記複数の光検出ピクセルに含まれるＮ個（Ｎは２以上の整数）の光検出ピクセルのうち、対応する光検出ピクセルから前記検出信号を入力し、当該光検出ピクセルへの光子の入射があったことを示す予め設定された大きさのパルス信号を出力するＮ個の光入射検出部と、
    前記Ｎ個の光入射検出部からの出力信号の合計値を検出する合計値検出部と、
    を備え、
    前記予め設定された大きさのパルス信号は、各光検出ピクセルに対応して異なる重み付けがなされた信号であり、その重みは、前記Ｎ個の光検出ピクセルにおける個々の光検出ピクセルおよび光検出ピクセル同士の全ての組み合わせパターンに対して前記合計値が互いに異なるように設定されており、前記Ｎ個の光検出ピクセルのいずれの一つ又は複数に光子が入射したかを前記合計値から一意に判定することができる、光検出素子の信号読出回路。
  2. 各光入射検出部がコンパレータを含む、請求項１に記載の光検出素子の信号読出回路。
  3. 前記Ｎ個の光入射検出部からの出力信号がアナログ信号であり、
    前記合計値検出部は、前記Ｎ個の光入射検出部からの出力信号を重ね合わせた信号をディジタル信号に変換するアナログ−ディジタル変換回路を含む、請求項１または２に記載の光検出素子の信号読出回路。
  4. 第ｎ番目（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ）の前記光入射検出部の重みが２（ｎ−１）である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出素子の信号読出回路。
  5. 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をそれぞれ含むＭ個（Ｍは２以上の整数）の光検出ピクセル群を有する光検出素子からの信号を読み出す装置であって、
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の光検出素子の信号読出回路であるＭ個の信号読出回路を備え、
    前記Ｍ個の信号読出回路それぞれは、前記Ｍ個の光検出ピクセル群それぞれからの信号を読み出す、光検出素子の信号読出装置。
  6. 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を有する光検出素子からの信号を読み出す方法であって、
    前記複数の光検出ピクセルに含まれるＮ個（Ｎは２以上の整数）の光検出ピクセルそれぞれからの信号に基づいて、対応する光検出ピクセルへの光子の入射があったことを示す予め設定された大きさのパルス信号を前記Ｎ個の光検出ピクセルごとに生成する第１ステップと、
    前記Ｎ個の光検出ピクセルごとに生成した前記予め設定された大きさのパルス信号の合計値を検出する第２ステップと、
    を含み、
    前記予め設定された大きさのパルス信号は、各光検出ピクセルに対応して異なる重み付けがなされた信号であり、その重みは、前記Ｎ個の光検出ピクセルにおける個々の光検出ピクセルおよび光検出ピクセル同士の全ての組み合わせパターンに対して前記合計値が互いに異なるように設定されており、前記Ｎ個の光検出ピクセルのいずれの一つ又は複数に光子が入射したかを前記合計値から一意に判定することができる、光検出素子の信号読出方法。
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