TW201527722A - 二次元光子計數元件 - Google Patents

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Kazuki Fujita
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Hamamatsu Photonics Kk
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Abstract

加算部53係將與配置於某像素電極部周圍的像素電極部中之特定之像素電極部連接的信號生成部51中生成之輸入信號、和與上述某像素電極部連接的信號生成部51中生成之輸入信號相加。載子輸入圖案判斷部56係判斷載子輸入圖案是否與複數個判斷圖案之任一者一致，該載子輸入圖案係針對每個像素電極部而表示有無向上述某像素電極部及配置於該某像素電極部周圍的上述像素電極部輸入載子。於載子輸入圖案判斷部56中判斷為載子輸入圖案與複數個判斷圖案之任一者一致，且自加算部53輸出之加算後之輸入信號的大小超過特定之閾值之情形時，計數部57對光子數進行加算。

Description

二次元光子計數元件
本發明係關於一種二次元光子計數元件。
於專利文獻1中，記載有於X射線等之光子入射至包含複數個檢測區域之感測器時的信號處理方法。於專利文獻1中，記載有因光子之入射而於感測器中產生之電荷未能處於一像素中，而是擴散至複數個像素中的現象(電荷分享)。為了即便於產生電荷分享之情形時亦指定光子之入射位置及強度，於專利文獻1所記載之方法中係首先，算出複數個像素中之電荷量超過閾值之像素(中心像素)。然後，作為中心像素與周邊像素之組合，考慮有複數個組合圖案。針對每個組合圖案對組合圖案所包含之像素之電荷量進行加算，並將最大之加算值作為中心像素之電荷量輸出。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：美國專利第7667205號說明書
二次元光子計數元件係藉由二次元地檢測光子之入射位置及強度，並將其入射次數針對每個位置進行累計，而對微弱之放射線像或光像進行拍攝的元件。二次元光子計數元件包括：板狀或層狀轉換部，其將光子轉換為電荷等載子；以及計數電路，其自與該轉換部連 接之複數個像素電極部輸入載子，進行載子之檢測及光子數之計數。
於此種二次元光子計數元件中，理想的是，將因向轉換部之光子之入射而產生之複數個載子收集於某一個像素電極部。與上述某一個像素電極部連接之信號生成部生成與所收集之載子之個數對應的輸入信號。於所生成之輸入信號之大小超過特定之閾值之情形時，計數電路將該像素之計數值加1。
因光子之入射而產生之複數個載子存在因例如熱擴散或載子彼此之斥力等各種現象，而分散地被收集於複數個像素電極部之情況。於此種情形時，會產生光子之能量被過小地判定之問題、或相對於一個光子之入射而於複數個像素中對計數值進行加算之問題(以下稱為雙重計數)。於專利文獻1所記載之方法中，認為於決定中心像素時必須調整成為基準之閾值。然而，將該閾值設定為適當之大小並不容易。又，為了防止雙重計數，必須對輸入信號施加其他處理，從而有輸入信號之處理變得極複雜之虞。例如，於具有某種大小之能量之光子被相互鄰接之兩個像素各分享50%之情形時，有兩者之入射位置一併被捕捉為入射中心(impact center)，而發生雙重計數之虞。為了防止此種現象，必須對輸入信號另外進行處理。
本發明之一態樣之目的在於提供一種即便於載子分散地被收集於複數個像素電極部之情形時，亦可抑制雙重計數之發生並且減少計數漏失，從而能容易地指定光子入射之位置的二次元光子計數元件。
本發明之一態樣係二次元光子計數元件，其具備計數電路，該計數電路連接於呈M列N行(M及N為二以上之整數)之二次元狀排列之複數個像素電極部，並檢測經由複數個像素電極部而自將光子轉換為載子之轉換部收集之載子，從而對光子進行計數，且計數電路包括：信號生成部，其生成與輸入至複數個像素電極部中之某像素電極部 (以下稱為自電極部)之載子之數量對應之大小的輸入信號；加算部，其將於與配置於自電極部之周圍的像素電極部(以下稱為周圍電極部)中之特定之像素電極部(以下稱為特定電極部)連接之信號生成部中生成之輸入信號、與於與自電極部連接的信號生成部中生成之輸入信號相加；載子輸入圖案判斷部，其判斷載子輸入圖案是否與複數個判斷圖案之任一者一致，該載子輸入圖案係針對每個像素電極部而表示有無向自電極部及周圍電極部輸入載子；以及計數部，其於在載子輸入圖案判斷部中判斷為載子輸入圖案與複數個判斷圖案之任一者一致，且自加算部輸出之加算後之輸入信號之大小超過特定之閾值之情形時對光子數進行加算。
於本態樣中，載子輸入圖案判斷部判斷與特定之像素電極群對應之載子輸入圖案是否與複數個判斷圖案之任一者一致。特定之像素電極群係包含與該載子輸入圖案判斷部連接之自電極部、及配置於自電極部之周圍的全部或一部分的周圍電極部的群。於一例中，周圍電極部係指包含自電極部之行的前行及後行、以及包含自電極部之列的前列及後列中之至少任一行或列中所含的8個像素電極部、或其中之一部分(例如7個)像素電極部。載子輸入圖案係表示載子是否被輸入至該像素電極群中之任一像素電極部的圖案。
根據上述二次元光子計數元件，能僅藉由判斷載子輸入圖案是否與複數個判斷圖案一致，而決定是否認為光子入射至與各像素電極部對應之轉換部之區域。因此，即便於載子分散地被收集於複數個像素電極部之情形時，亦可抑制雙重計數之發生並且減少計數漏失，從而極容易地指定光子入射之位置。
於上述二次元光子計數元件中，於信號生成部，生成與載子之數量對應之大小的輸入信號。然後，藉由加算部對自與上述像素電極群中之自電極部及特定電極部連接的信號生成部所輸出之輸入信號進 行加算。特定電極部係被看作為於對光子數進行計數時、包含於因該光子而引起之載子之分散範圍內的周圍電極部，且係自周圍電極部之中任意地且預先被決定。於自加算部輸出之相加後之輸入信號之大小超過特定之閾值之情形時，認為一個以上之作為測定對象之光子入射至分散範圍內。因此，計數部係於判斷為載子輸入圖案與複數個判斷圖案之任一者一致、且自加算部輸出之加算後之輸入信號之大小超過特定之閾值之情形時，對光子數進行加算。藉此，即便於載子分散地被收集於複數個像素電極部之情形時，亦可對應於一個以上之作為測定對象之光子之入射，精度良好地進行計數。
於本態樣中，於載子被輸入至周圍電極部中之除特定電極部以外之像素電極部之情形時之載子輸入圖案亦可與複數個判斷圖案之任一者均不一致。於該情形時，可簡單地進行圖案判斷。
於本態樣中，複數個判斷圖案亦可包含與於載子未被輸入至自電極部之情形時的載子輸入圖案相當之圖案。於該情形時，由於載子未被輸入至自電極部之載子輸入圖案被納入至複數個判斷圖案之一部分，故而可進而減少計數漏失，而更精度良好地指定光子入射之位置。
於本態樣中，亦可使於載子被輸入至包含自電極部之列或行中所含的特定電極部中之至少一個特定電極部、且載子被輸入至自電極部之情形時之載子輸入圖案與上述複數個判斷圖案之任一者一致。
於本態樣中，亦可使計數電路包括如下構件作為上述計數部：第1計數部，其於判斷為載子輸入圖案與複數個判斷圖案之任一者一致、且自加算部輸出之加算後之輸入信號之大小超過第1閾值之情形時，對光子數進行加算；以及第2計數部，其於判斷為載子輸入圖案與複數個判斷圖案之任一者一致、且自加算部輸出之加算後之輸入信號之大小超過大於第1閾值之第2閾值之情形時，對光子數進行加算。
於本態樣中，亦可使複數個判斷圖案不包含如下載子輸入圖案，該載子輸入圖案係當載子被輸入至包含自電極部之列之前列及後列中之其中一列中所含的周圍電極部、及包含自電極部之行之前行及後行中之其中一行中所含的周圍電極部之任一者之情形時的載子輸入圖案，並使不包含於其中一列及其中一行之任一者之周圍電極部成為特定電極。於該情形時，可適當地避免相對於一個光子之入射而於複數個像素電路中對光子數進行加算。
於本態樣中，亦可使複數個判斷圖案包含如下載子輸入圖案，該載子輸入圖案係當載子被輸入至不包含於其中一行而包含於包含自電極部之列中的周圍電極部，且載子被輸入至不包含於其中一列而包含於包含自電極部之行中的周圍電極部，並且載子未被輸入至自電極部之情形時的載子輸入圖案。
根據本發明之上述一態樣，可提供一種即便於載子分散地被收集於複數個像素電極部之情形時，亦可抑制雙重計數之發生並且減少計數漏失，從而能容易地指定光子入射之位置的二次元光子計數元件。
1A‧‧‧二次元光子計數元件
3‧‧‧轉換部
3a‧‧‧正面
3b‧‧‧背面
5‧‧‧計數電路
5a‧‧‧像素電路
5b‧‧‧像素電路
31‧‧‧偏壓電極(共用電極)
51‧‧‧信號生成部
52a、52b‧‧‧電流輸出部
53‧‧‧加算部
54、54a、54b‧‧‧比較部
55‧‧‧載子輸入信號生成部
56、56a、56b‧‧‧載子輸入圖案判斷部
57、57a、57b‧‧‧計數部
B‧‧‧像素電極部
B0‧‧‧自電極部
B1~B8‧‧‧周圍電極部
b‧‧‧電極
E1‧‧‧能量
E2‧‧‧能量
P‧‧‧光子
P1~P40‧‧‧判斷圖案
Pk1‧‧‧峰
Pk2‧‧‧峰
S1‧‧‧判定結果信號
S1a、S1b‧‧‧判定結果信號
S2‧‧‧載子輸入信號
S3‧‧‧判斷信號
S3a‧‧‧判斷信號
S3b‧‧‧判斷信號
SC‧‧‧電流信號
SP1‧‧‧輸入信號
SP2‧‧‧電壓信號
vth1‧‧‧第1閾值
vth2‧‧‧第2閾值
圖1係表示本發明之一實施形態之二次元光子計數元件之構成之圖。
圖2(a)、(b)係表示轉換部之背面的複數個像素電極部之配置之俯視圖。
圖3係表示各像素電路之內部構成之一例之圖。
圖4(a)、(b)係表示各像素電極部包含複數個電極之情形時之電路例之圖。
圖5係表示自電極部、及包圍自電極部之8個周圍電極部之圖。
圖6(a)~(j)係表示10個判斷圖案來作為設定於載子輸入圖案判斷部之複數個判斷圖案之一例的圖。
圖7係表示二次元光子計數元件之動作之流程圖。
圖8(a)~(j)係表示作為第1變化例之10個判斷圖案之圖。
圖9(a)~(j)係表示作為第2變化例之10個判斷圖案之圖。
圖10(a)~(j)係表示作為第3變化例之10個判斷圖案之圖。
圖11係表示第4變化例之像素電路之內部構成之一例之圖。
圖12係用以說明第4變化例之效果之曲線圖，且係表示入射至轉換部之X射線之能量與事件數(計數之數)之關係之一例的曲線圖。
以下，參照隨附圖式，對本發明之實施形態詳細地進行說明。再者，於說明中，對相同要素或具有相同功能之要素，使用相同符號，並省略重複之說明。
圖1係表示本發明之一實施形態之二次元光子計數元件1A之構成之圖。如圖1所示，本實施形態之二次元光子計數元件1A包括轉換部3、複數個像素電極部B、及計數電路5。
轉換部3係吸收光或X射線等之光子P而產生載子的塊狀或層狀構件。轉換部3係由含有例如CdTe、CdZnTe、GaAs、InP、TIBr、HgI2、PbI2、Si、Ge、及a-Se中之至少一種之材料構成。轉換部3係沿與光子P之入射方向交叉之平面擴展，且具有正面3a及背面3b。於正面3a上，以覆蓋正面3a之整個面之方式設置有偏壓電極(共用電極)31。光子P通過偏壓電極31而入射至正面3a。
複數個像素電極部B設置於轉換部3之背面3b。於複數個像素電極部B與偏壓電極31之間，作為偏壓電壓而施加有高電壓。圖2所示之(a)係表示轉換部3之背面3b的複數個像素電極部B之配置之俯視圖。自光子P之入射方向觀察，複數個像素電極部B排列為M列×N行 (M、N為2以上之整數)之二次元狀。M×N個像素電極部B之各者於轉換部3中係分別形成M列N行之像素區域。各像素電極部B收集在對應之像素區域中產生之載子。於圖2所示之(a)中，各像素電極部B包含一個電極。亦可如圖2中之(b)所示般，例如，一個像素電極部B包含複數個電極b。
計數電路5係針對每個像素區域而檢測於轉換部3中產生之載子，且針對每個像素區域對光子數進行計數。計數電路5係藉由例如ASIC(Application Specific Integrated Circuit，特殊應用積體電路)等積體電路而實現。計數電路5包含複數個像素電路(M×N個像素電路)5a。各像素電路5a係檢測於對應之像素電極部B中收集之載子，從而對光子數進行計數。
圖3係表示各像素電路5a之內部構成之一例之圖。如圖3所示，像素電路5a包括信號生成部51、電流輸出部52a、52b、加算部53、比較部54、載子輸入信號生成部55、載子輸入圖案判斷部56、及計數部57。
信號生成部51係與複數個像素電極部B中之與該像素電路5a連接之像素電極部B電性連接。信號生成部51係藉由進行載子之電荷電壓轉換而生成輸入信號SP1。於以下之說明中，存在將與該像素電路5a連接之像素電極部B稱為自電極部B0之情況。輸入信號SP1係具有與從自電極部B0輸入至像素電路5a之載子之數量對應之大小之電壓波形的信號。於各像素電極部B包含複數個電極b之情形時(參照圖2所示之(b))，如圖4中之(a)所示般，使複數個電極b連接於一個信號生成部51之輸入端即可。或者，亦可如圖4中之(b)所示般，設置複數個信號生成部51，而使複數個電極b之各者連接於複數個信號生成部51之各者。
電流輸出部52a連接於信號生成部51之輸出端，且自信號生成部 51接受輸入信號SP1。電流輸出部52a生成與作為電壓信號之輸入信號SP1對應之大小的電流信號SC，並將電流信號SC提供至與配置於自電極部B0之周圍的像素電極部B中之特定之像素電極部B連接的像素電路5a。於以下之說明中，存在將配置於自電極部B0之周圍的像素電極部B稱為周圍電極部之情況。
此處，參照圖5。圖5係表示自電極部B0與包圍自電極部B0之8個周圍電極部B1~B8之圖。於圖5所示之一例中，周圍電極部B1~B3包含於自電極部B0之前列，周圍電極部B4、B5與自電極部B0包含於同一列，周圍電極部B6~B8包含於自電極部B0之後列。又，周圍電極部B1、B4、B6包含於自電極部B0之前行，周圍電極部B2、B7與自電極部B0包含於同一行，周圍電極部B3、B5、B8包含於自電極部B0之後行。於本實施形態中，電流輸出部52a將電流信號SC提供至與周圍電極部B1、B2、B4連接之像素電路5a。
再次參照圖3。電流輸出部52b係連接於信號生成部51之輸出端，且自信號生成部51接受輸入信號SP1。電流輸出部52b生成與作為電壓信號之輸入信號SP1對應之大小的電流信號SC，並將電流信號SC提供至加算部53。加算部53連接於與周圍電極部B1~B8中之特定之電極部(以下稱為特定電極部)B5、B7、B8連接之3個像素電路5a的電流輸出部52a，並自該等電流輸出部52a接受電流信號SC之提供。加算部53係將所提供之3個電流信號SC與自該像素電路5a之電流輸出部52b提供之電流信號SC相加，並生成與相加後之電流對應之大小的電壓信號SP2。電壓信號SP2係具有與輸入至自電極部B0及特定電極部B5、B7、B8之載子數之總和對應之大小的電壓波形的信號。特定電極部B5、B7、B8係被看作為於在各像素電路5a中對光子數進行計數時、因該光子P而引起之載子之分散範圍內所含的周圍電極部，且係自周圍電極部B1~B8中任意地且預先被決定。於因例如自電極部B0存在於 列端或行端等原因而導致與自電極部B0對應之特定電極部B5、B7、B8之一部分不存在之情形時，加算部53亦可不對來自不存在之特定電極部之電流信號SC進行加算。於因例如自電極部B0存在於列端且行端等原因而導致與自電極部B0對應之特定電極部B5、B7、B8之全部不存在之情形時，加算部53及其之後之電路部分並非必需而可省略。
比較部54連接於加算部53之輸出端，且自加算部53接受電壓信號SP2。比較部54判定電壓信號SP2之峰電壓之大小是否超過特定之閾值。即，比較部54判定於自電極部B0之周邊是否產生了與一個以上之作為測定對象之光子P相應之數量的載子。比較部54係於電壓信號SP2之峰電壓之大小超過特定之閾值之情形時，輸出高(High)位準(有效值)作為判定結果信號S1。比較部54係於電壓信號SP2之峰電壓之大小未超過上述特定之閾值之情形時，輸出低(Low)位準(無效值)作為判定結果信號S1。
載子輸入信號生成部55連接於信號生成部51之輸出端，且自信號生成部51接受輸入信號SP1。就載子輸入信號生成部55而言，於輸入有超過某閾值(例如，稍微大於雜訊位準之值)之輸入信號SP1之情形時，為了表示有載子向自電極部B0輸入，而輸出高位準(有效值)作為載子輸入信號S2。就載子輸入信號生成部55而言，於輸入有不超過上述閾值之輸入信號SP1之情形時，輸出低位準(無效值)作為載子輸入信號S2。載子輸入信號S2被提供至分別連接於周圍電極部B2~B8之7個像素電路5a。
載子輸入圖案判斷部56係自分別連接於周圍電極部B1~B7之7個像素電路5a，接受載子輸入信號S2之提供。載子輸入圖案判斷部56係基於該等載子輸入信號S2，判斷載子輸入圖案是否與複數個判斷圖案中之任一者一致。載子輸入圖案係針對每個電極而表示有無向自電極部B0及周圍電極部B1~B7輸入載子。於載子輸入圖案中，係關於載子 是否被輸入至自電極部B0及周圍電極部B1~B8中之任一像素電極部B這一事項進行圖案化。載子輸入圖案判斷部56係於載子輸入圖案與複數個判斷圖案中之任一者一致、且輸入有高位準(有效值)作為判定結果信號S1之情形時，輸出高位準(有效值)作為判斷信號S3。載子輸入圖案判斷部56係於載子輸入圖案不與複數個判斷圖案中之任一者一致之情形時、及/或輸入有低位準(無效值)作為判定結果信號S1之情形時，輸出低位準(無效值)作為判斷信號S3。藉此，於計數部57中，於在載子輸入圖案判斷部56中判斷為載子輸入圖案與複數個判斷圖案之任一者一致、且電壓信號SP2之峰電壓之大小超過特定之閾值之情形(即判斷信號S3為高位準(有效值)之情形)時，進行光子數之加算。於本實施形態中，由於周圍電極部B8有無載子之入射不會對判斷產生影響，故而載子輸入圖案判斷部56無需自連接於周圍電極部B8之像素電路5a接受載子輸入信號S2之提供。於本實施形態中，計數部57係對於每個像素電極部B而設置有一個，但計數部57亦可對於二個以上之像素電極部B僅設置有一個。
此處，參照圖6。圖6中之(a)~(j)係表示10個判斷圖案P1~P10來作為設定於載子輸入圖案判斷部56之複數個判斷圖案之一例的圖。於圖6中，於與輸出有載子輸入信號S2之(即輸入有載子之)像素電路5a對應的像素電極部中記載為「H」。為了容易地理解判斷圖案P1~P10，將自電極部B0及特定電極部B5、B7、B8以粗框表示。自電極部B0及周圍電極部B1~B7之符號僅示於圖6中之(a)，而於圖6中之(b)~(j)中省略。載子輸入圖案判斷部56亦可藉由複數個邏輯電路之組合而構成。於該情形時，被組合之複數個邏輯電路係根據來自周圍電極部B1~B7之載子輸入信號S2及自電極部B0之載子輸入信號S2的組合，而決定是否為有效。藉此，於載子輸入圖案判斷部56中，可判斷載子輸入圖案是否與複數個判斷圖案(例如判斷圖案P1~P10)中之任一者一 致。又，計數電路5亦可包含記憶複數個判斷圖案(例如，判斷圖案P1~P10)之記憶體。於該情形時，載子輸入圖案判斷部56判斷記憶於上述記憶體之複數個判斷圖案之任一者是否與載子輸入圖案一致。於載子輸入圖案判斷部56藉由複數個邏輯電路之組合而構成之情形時，無需記憶體等物理構成，而可簡化計數電路5之構成。
圖6所示之10個判斷圖案P1~P10係依據若干個規則而確定。載子被輸入至周圍電極部B1~B8中之除特定電極部B5、B7、B8以外之像素電極部B1~B4、B6之情形時的載子輸入圖案與判斷圖案P1~P10之任一者均不一致。換言之，於該等判斷圖案P1~P10中，不包含與如下載子輸入圖案相當之圖案，該載子輸入圖案係於載子被輸入至包含自電極部B0之列之前列及後列中之其中一列(於本實施形態中為前列)中所含的周圍電極部B1~B3、及包含自電極部B0之行之前行及後行中之其中一行(於本實施形態中為前行)中所含的周圍電極部B1、B4、B6之任一者之情形時的載子輸入圖案。因此，於載子被輸入至周圍電極部B1~B4、B6之任一者之情形時，與自電極部B0連接之像素電路5a之載子輸入圖案判斷部56將載子輸入圖案判斷為與複數個判斷圖案P1~P10之任一者均不一致者。於載子被輸入至該等周圍電極部B1~B4、B6之任一者之情形時，於與除自電極部B0以外之任一像素電極部B連接之像素電路5a中，載子輸入圖案必定與判斷圖案P1~P10之任一者一致。因此，藉由依據上述判斷規則設定判斷圖案P1~P10，可適當地避免相對於一個光子P之入射而於複數個像素電路5a中對光子數進行加算。為了容易地理解判斷圖案P1~P10，於周圍電極部B1~B4、B6中標註有×記號。自與標註有×記號之周圍電極部B1~B4、B6連接之像素電路5a，輸出有實際上與空白之像素相同之「低(Low)」的載子輸入信號S2。該判斷規則係於如本實施形態般不包含於上述其中一列(前列)及上述其中一行(前行)之任一者的周圍電極部B5、B7、B8成為 特定電極之情形時為有效。
於該等判斷圖案P1~P10中，包含與如下載子輸入圖案相當之圖案，該載子輸入圖案係於載子被輸入至不包含於上述其中一列(前列)及上述其中一行(前行)之任一者、而包含於包含自電極部B0之列或行之周圍電極部B5、B7中之至少一個周圍電極部、且載子被輸入至自電極部B0之情形時的所有載子輸入圖案。換言之，於載子被輸入至包含自電極部B0之列或行中所含的特定電極部B5、B7中之至少一個特定電極部，且載子被輸入至自電極部B0之情形時之載子輸入圖案必定與複數個判斷圖案P1~P10中之任一者一致。具體而言，載子被輸入至周圍電極部B5及自電極部B0之情形時之所有圖案係藉由判斷圖案P2、P5、P7、P8而表示。載子被輸入至周圍電極部B7及自電極部B0之情形時之所有圖案係藉由判斷圖案P3、P6、P7、P8而表示。藉由依據此種判斷規則設定判斷圖案，可適當地判定可否於該像素電路5a中進行光子數之加算。
於該等判斷圖案P1~P10中，包含與如下載子輸入圖案相當之圖案，該載子輸入圖案係於載子被輸入至不包含於上述其中一行(前行)而包含於包含自電極部B0之列的周圍電極部B5、載子被輸入至不包含於上述其中一列(前列)而包含於包含自電極部B0之行的周圍電極部B7、並且載子未被輸入至自電極部B0之情形時的載子輸入圖案。具體而言，載子被輸入至周圍電極部B5、B7兩者，且載子未被輸入至自電極部B0之所有圖案係藉由判斷圖案P9、P10而表示。藉由依據此種判斷規則設定判斷圖案，可適當地判定可否於該像素電路5a中進行光子數之相加。於判斷圖案P1~P10中，亦包含基本無電荷分享之影響、載子僅被輸入至自電極部B0之情形時之判斷圖案P1。
對具備以上構成之本實施形態之二次元光子計數元件1A之動作進行說明。圖7係表示二次元光子計數元件1A之動作之流程圖。
於二次元光子計數元件1A中，首先，藉由將光像或放射線像等之光子P入射至轉換部3，而於轉換部3中產生複數個載子(S11)。複數個載子係於轉換部3之內部移動，且被輸入至複數個像素電極部B中之一個或兩個以上之像素電極部B(S12)。於與輸入有載子之像素電極部B連接之各像素電路5a中，在信號生成部51中，生成輸入信號SP1(S13)。然後，該輸入信號SP1藉由電流輸出部52a、52b而被轉換為電流信號SC(S14)。自電流輸出部52a輸出之電流信號SC被提供至與和各像素電路5a對應之自電極部B0所對應之周圍電極部B1、B2、B4連接的像素電路5a(S15)。又，自電流輸出部52b輸出之電流信號SC被提供至加算部53。
繼而，於加算部53中，自與特定電極部B5、B7、B8連接之3個像素電路5a之電流輸出部52a接受電流信號SC之提供。然後，將所提供之3個電流信號SC、與於該像素電路5a之電流輸出部51b中生成之電流信號SC相加，而生成電壓信號SP2(S16)。繼而，於比較部54中，判定電壓信號SP2之峰電壓之大小是否超過特定之閾值(S17)。於電壓信號SP2之峰電壓之大小超過特定之閾值之情形時，判定結果信號S1成為高位準(有效值)。
與上述一連串動作S14~S17並行地進行動作S18。於動作S18中，於輸入有超過某閾值之輸入信號SP1之情形時，為了表示有載子向自電極部B0輸入，藉由載子輸入信號生成部55而生成之載子輸入信號S2成為高位準(有效值)。載子輸入信號S2被提供至分別與周圍電極部B2~B8連接之7個像素電路5a(S19)。
繼而，於載子輸入圖案判斷部56中，判斷載子輸入圖案是否與複數個判斷圖案中之任一者一致，該載子輸入圖案係針對每個電極而表示有無向自電極部B0及周圍電極部B1~B8輸入載子(S20)。然後，於在動作S20中判斷為一致、且判定結果信號S1為高位準(有效值)之 情形時(於S21中為「是」)，判斷信號S3成為高位準(有效值)，於計數部57中進行光子數之加算(S22)。
對利用以上所說明之本實施形態之二次元光子計數元件1A所獲得的效果進行說明。如上所述，因光子P向轉換部3之入射而產生之複數個載子存在分散地被收集於複數個像素電極部之情況。於其分散範圍相對較小之情形時(例如，於分散範圍為2×2像素內之情形時)，載子之分散係由例如熱擴散或載子彼此之斥力而引起。於光電轉換之情形時，可於轉換部3中之入射有光子P之部位將所有能量轉換為光電子，但該高能量之光電子係一面損失能量一面於轉換部3之內部移動，與此同時，產生載子。於此種情形時，亦產生載子之分散。
於本實施形態之二次元光子計數元件1A中，載子輸入圖案判斷部56判斷與包含自電極部B0及周圍電極部B1~B8之像素電極群對應之載子輸入圖案是否與複數個判斷圖案P1~P10之任一者一致。然後，載子輸入圖案判斷部56基於該判斷結果，決定是否將來自比較部54之輸出輸出至計數部57。如此，根據本實施形態之二次元光子計數元件1A，可僅藉由判斷載子輸入圖案是否與複數個判斷圖案P1~P10一致，而決定是否對光子數進行計數(換言之，是否認為光子P入射至與各像素電極部B對應之轉換部3之像素區域)。因此，於二次元光子計數元件1A中，即便於載子分散地被收集於複數個像素電極部B之情形(產生電荷分享之情形)時，亦可抑制雙重計數並且降低計數漏失。其結果為，可藉由二次元光子計數元件1A極容易地指定光子P入射之位置，而無需繁雜之處理。
如上所述，於本實施形態中，生成與輸入至各像素電路5a之載子數對應之大小的輸入信號SP1並將其轉換為電流信號SC，於加算部53中將與自電極部B0及特定電極部B5、B7、B8連接之像素電路5a的電流信號SC相加。然後，於自加算部53輸出之相加後之電壓信號SP2的大 小超過特定之閾值之情形時，換言之，於認為一個以上之作為測定對象之光子P入射至分散範圍內之情形時，自與自電極部B0連接之比較部54輸入至載子輸入圖案判斷部56之判定結果信號S1成為高位準(有效值)。藉此，即便於載子分散地被收集於複數個像素電極部B之情形時，亦可對應於一個以上之作為測定對象之光子P之入射，而精度良好地進行計數。
實際上，亦存在與上述之載子之分散(散射)之態樣不同的態樣之散射。作為不同之態樣之散射，亦存在與上述之載子之散射相比散射距離較大之態樣，但該態樣極少。於本實施形態中，預先決定有作為對象之電荷分享，並基於成為對象之電荷分享之擴展之預測，而設定有周圍電極部等之範圍。意即，產生極大之散射距離之現象未被作為測定之對象。藉此，可進行簡單地修正處理，而無需進行如專利文獻1般之繁雜之處理(依序逐漸增加加算區域等處理)。
於本實施形態中，於判斷圖案P1~P10之中，包含與於載子未被輸入至自電極部B0之情形時之載子輸入圖案相當的圖案即判斷圖案P9、P10。一般而言，於載子未被輸入至某像素電極部B之情形時，於與該像素電極部B連接之像素電路5a中並不對光子數進行加算。然而，於例如在轉換部3中產生K-escape(K逃脫)之現象等情形時，存在載子未被輸入至與光子P之入射位置對應之像素電極部B之情況。於本實施形態中，即便為此種情形時，載子未被輸入至自電極部B0之載子輸入圖案亦被納入至複數個判斷圖案P1~P10之一部分，因此，可進一步減少計數漏失。其結果為，可藉由二次元光子計數元件1A更精度良好地指定光子P入射之位置。所謂K-escape係指例如L殼或M殼之電子落於K殼之光電子遺失之位置，而發射出差分之X射線的現象。
繼而，對複數個判斷圖案之變化例進行說明。於上述實施形態 中，例示出圖6所示之10個判斷圖案P1~P10，但於本實施形態之二次元光子計數元件1A中，可應用其他各種判斷圖案。
(第1變化例)
圖8係表示作為第1變化例之10個判斷圖案P11~P20之圖。圖8所示之判斷圖案P11~P20係於特定電極部為B4、B6、B7之情形時較佳之圖案。該等判斷圖案P11~P20係依據與上述實施形態之判斷圖案P1~P10(參照圖6)相同之規則而確定。首先，載子被輸入至周圍電極部B1~B8中之除特定電極部B4、B6、B7以外之像素電極部B1~B3、B5、B8之情形時的載子輸入圖案與判斷圖案P11~P20之任一者均不一致。換言之，於該等判斷圖案P11~P20中，不包含與如下載子輸入圖案相當之圖案，該載子輸入圖案係於載子輸入至包含自電極部B0之列之前列及後列中之其中一列(於本變化例中為前列)中所含的周圍電極部B1~B3、及包含自電極部B0之行之前行及後行中之其中一行(於本變化例中為後行)中所含的周圍電極部B3、B5、B8之任一者之情形時的載子輸入圖案。因此，於載子被輸入至周圍電極部B1~B3、B5、B8之任一者之情形時，與自電極部B0連接之像素電路5a之載子輸入圖案判斷部56判斷為載子輸入圖案與複數個判斷圖案P11~P20之任一者均不一致。
於該等判斷圖案P11~P20中，包含與如下載子輸入圖案相當之圖案，該載子輸入圖案係於載子被輸入至不包含於上述其中一列(前列)及上述其中一行(後行)之任一者、而包含於包含自電極部B0之列或行之周圍電極部B4、B7中之至少一個周圍電極，且載子被輸入至自電極部B0之情形時的所有載子輸入圖案。換言之，於載子被輸入至包含自電極部B0之列或行中所含的特定電極部B4、B7中之至少一個特定電極部、且載子被輸入至自電極部B0之情形時的載子輸入圖案必定與複數個判斷圖案P11~P20之任一者一致。具體而言，載子被輸入至周圍 電極部B4及自電極部B0之情形時之所有圖案係藉由判斷圖案P12、P15、P17、P18而表示。載子被輸入至周圍電極部B7及自電極部B0之情形時的所有圖案係藉由判斷圖案P13、P16、P17、P18而表示。
於該等判斷圖案P11~P20中，包含與如下載子輸入圖案相當之圖案，該載子輸入圖案係於載子被輸入至不包含於上述其中一行(後行)而包含於包含自電極部B0之列之周圍電極部B4、載子被輸入至不包含於上述其中一列(前列)而包含於包含自電極部B0之行之周圍電極部B7、且載子未被輸入至自電極部B0之情形時的載子輸入圖案。具體而言，載子被輸入至周圍電極部B4、B7兩者、且載子未被輸入至自電極部B0之所有圖案係藉由判斷圖案P19、P20而表示。
即便於將本變化例之複數個判斷圖案P11~P20用作載子輸入圖案判斷部56中使用之複數個判斷圖案之情形時，二次元光子計數元件1A亦可發揮與上述實施形態相同之效果。
(第2變化例)
圖9係表示作為第2變化例之10個判斷圖案P21~P30之圖。圖9所示之判斷圖案P21~P30係於特定電極為B1、B2、B4之情形時較佳之圖案。該等判斷圖案P21~P30亦係依據與上述實施形態之判斷圖案P1~P10(參照圖6)相同之規則而確定。首先，載子被輸入至周圍電極部B1~B8中之除特定電極部B1、B2、B4以外之像素電極部B3、B5~B8之情形時的載子輸入圖案與判斷圖案P21~P30之任一者均不一致。換言之，於該等判斷圖案P21~P30中，不包含與如下載子輸入圖案相當之圖案，該載子輸入圖案係於載子被輸入至包含自電極部B0之列之前列及後列中之其中一列(於本變化例中為後列)中所含的周圍電極部B6~B8、及包含自電極部B0之行之前行及後行中之其中一行(於本變化例中為後行)中所含的周圍電極部B3、B5、B8之任一者之情形時的載子輸入圖案。因此，於載子被輸入至周圍電極部B3、B5~B8之任一者之 情形時，與自電極部B0連接之像素電路5a之載子輸入圖案判斷部56判斷為載子輸入圖案與複數個判斷圖案P21~P30之任一者均不一致。
於該等判斷圖案P21~P30中，包含與如下載子輸入圖案相當的圖案，該載子輸入圖案係於載子被輸入至不包含於上述其中一列(後列)及上述其中一行(後行)之任一者、而包含於包含自電極部B0之列或行之周圍電極部B2、B4中之至少一個周圍電極部、且載子被輸入至自電極部B0之情形時的所有載子輸入圖案。換言之，於載子被輸入至包含自電極部B0之列或行中所含的特定電極部B2、B4中之至少一個特定電極部、且載子被輸入至自電極部B0之情形時的載子輸入圖案必定與複數個判斷圖案P21~P30之任一者一致。具體而言，於載子被輸入至周圍電極部B4及自電極部B0之情形時的所有圖案係藉由判斷圖案P22、P25、P27、P28而表示。於載子被輸入至周圍電極部B2及自電極部B0之情形時的所有圖案係藉由判斷圖案P23、P26、P27、P28而表示。
於該等判斷圖案P21~P30中，包含與如下載子輸入圖案相當之圖案，該載子輸入圖案係於載子被輸入至不包含於上述其中一行(後行)而包含於包含自電極部B0之列之周圍電極部B4、載子被輸入至不包含於上述其中一列(後列)而包含於包含自電極部B0之行之周圍電極部B2、且載子未被輸入至自電極部B0之情形時的載子輸入圖案。具體而言，載子被輸入至周圍電極部B2、B4兩者，且載子未被輸入至自電極部B0之所有圖案係藉由判斷圖案P29、P30而表示。
即便於將本變化例之複數個判斷圖案P21~P30用作載子輸入圖案判斷部56中使用之複數個判斷圖案之情形時，二次元光子計數元件1A亦可發揮與上述實施形態相同之效果。
(第3變化例)
圖10係表示作為第3變化例之10個判斷圖案P31~P40之圖。圖10 所示之判斷圖案P31~P40係於特定電極為B2、B3、B5之情形時較佳之圖案。該等判斷圖案P31~P40亦係依據與上述實施形態之判斷圖案P1~P10(參照圖6)相同之規則而確定。首先，載子被輸入至周圍電極部B1~B8中之除特定電極部B2、B3、B5以外之像素電極部B1、B4、B6~B8之情形時的載子輸入圖案與判斷圖案P31~P40之任一者均不一致。換言之，於該等判斷圖案P31~P40中，不包含與如下載子輸入圖案相當之圖案，該載子輸入圖案係於載子被輸入至包含自電極部B0之列之前列及後列中之其中一列(於本變化例中為後列)中所含的周圍電極部B6~B8、及包含自電極部B0之行之前行及後行中之其中一行(於本變化例中為前行)中所含的周圍電極部B1、B4、B6之任一者之情形時的載子輸入圖案。因此，於載子被輸入至周圍電極部B1、B4、B6~B8之任一者之情形時，與自電極部B0連接之像素電路5a之載子輸入圖案判斷部56判斷為載子輸入圖案與複數個判斷圖案P31~P40之任一者均不一致。
於該等判斷圖案P31~P40中，包含與如下載子輸入圖案相當之圖案，該載子輸入圖案係於載子被輸入至不包含於上述其中一列(後列)及上述其中一行(前行)之任一者、且包含於包含自電極部B0之列或行之周圍電極部B2、B5中之至少一個周圍電極部、並且載子被輸入至自電極部B0之情形時的所有載子輸入圖案。換言之，載子被輸入至包含自電極部B0之列或行中所含的特定電極部B2、B5中之至少一個特定電極部、且載子被輸入至自電極部B0之情形時的載子輸入圖案必定與複數個判斷圖案P31~P40之任一者一致。具體而言，載子被輸入至周圍電極部B5及自電極部B0之情形時的所有圖案係藉由判斷圖案P32、P35、P37、P38而表示。載子被輸入至周圍電極部B2及自電極部B0之情形時的所有圖案係藉由判斷圖案P33、P36、P37、P38而表示。
於該等判斷圖案P31~P40中，包含與如下載子輸入圖案相當之 圖案，該載子輸入圖案係於載子被輸入至不包含於上述其中一行(前行)而包含於包含自電極部B0之列之周圍電極部B5、且載子被輸入至不包含於上述其中一列(後列)而包含於包含自電極部B0之行之周圍電極部B2、並且載子未被輸入至自電極部B0之情形時的載子輸入圖案。具體而言，載子被輸入至周圍電極部B2、B5兩者、且載子未被輸入至自電極部B0之所有圖案係藉由判斷圖案P39、P40而表示。
即便於將本變化例之複數個判斷圖案P31~P40用作載子輸入圖案判斷部56中使用之複數個判斷圖案之情形時，二次元光子計數元件1A亦可發揮與上述實施形態相同之效果。
(第4變化例)
其次，參照圖11，對作為第4變化例之像素電路5b之變化例進行說明。圖11係表示第4變化例之像素電路5b之內部構成之一例之圖。如圖11所示般，像素電路5b包括信號生成部51、電流輸出部52a、52b、加算部53、比較部54a、54b、載子輸入信號生成部55、載子輸入圖案判斷部56a、56b、以及計數部57a、57b。信號生成部51、電流輸出部52a、52b、加算部53、以及載子輸入信號生成部55之構成及動作係與上述實施形態相同，因此省略其等之構成及動作之詳細之說明。
比較部54a、54b連接於加算部53之輸出端，且自加算部53接受電壓信號SP2。比較部54a判定電壓信號SP2之峰電壓之大小是否超過特定之第1閾值。比較部54a係於電壓信號SP2之峰電壓之大小超過第1閾值之情形時，輸出高位準(有效值)作為判定結果信號S1a。比較部54b判定電壓信號SP2之峰電壓之大小是否超過大於第1閾值之第2閾值。比較部54b係於電壓信號SP2之峰電壓之大小超過第2閾值之情形時，輸出高位準(有效值)作為判定結果信號S1b。於上述以外之情形時，比較部54a、54b係輸出低位準(無效值)作為判定結果信號S1a、S1b。
載子輸入圖案判斷部56a、56b係自分別與周圍電極部B1~B7連接之7個像素電路5b接受載子輸入信號S2之提供。載子輸入圖案判斷部56a、56b係基於該等載子輸入信號S2，判斷載子輸入圖案是否與複數個判斷圖案中之任一者一致。載子輸入圖案係針對每個電極而表示有無向自電極部B0及周圍電極部B1~B7輸入載子。載子輸入圖案判斷部56a係於載子輸入圖案與複數個判斷圖案中之任一者一致、且輸入有高位準(有效值)作為判定結果信號S1a之情形時，輸出高位準(有效值)作為判斷信號S3a，並於除此以外之情形時輸出低位準(無效值)作為判斷信號S3a。同樣地，載子輸入圖案判斷部56b係於載子輸入圖案與複數個判斷圖案中之任一者一致、且輸入有高位準(有效值)作為判定結果信號S1b之情形時，輸出高位準(有效值)作為判斷信號S3b，並於除此以外之情形時輸出低位準(無效值)作為判斷信號S3b。
計數部57a、57b分別作為本實施形態之第1及第2計數部而發揮功能。於計數部57a中，係於載子輸入圖案判斷部56a中判斷為載子輸入圖案與複數個判斷圖案之任一者一致、且輸出有高位準(有效值)作為判定結果信號S1a之情形(即判斷信號S3a為高位準(有效值)之情形)時，進行光子數之加算。同樣地，於計數部57b中，係於載子輸入圖案判斷部56b中判斷為載子輸入圖案與複數個判斷圖案之任一者一致、且輸出有高位準(有效值)作為判定結果信號S1b之情形(即判斷信號S3b為高位準(有效值)之情形)時，進行光子數之加算。
如本變化例之像素電路5b般，像素電路亦可包括複數個比較部。於此種情形時，亦可獲得與上述實施形態相同之效果。又，藉由如本變化例般設置複數個比較部，可進而獲得以下所說明之效果。
圖12係用以說明本變化例之效果之曲線圖，且係表示入射至轉換部3之X射線之能量與事件數(計數之數)之關係之一例的曲線圖。於該例中，於某能量E1時計數之數為峰Pk1，於大於能量E1之能量E2時 計數之數為另一峰Pk2。此處，假設為與峰Pk1對應之能量E1為對提高畫質尤其有效之能量值(例如，對比度提高之X射線能量帶)。於此種情形時，若特定之閾值僅為小於能量E1之1個值(圖中之閾值vth1)，則具有vth1以上之能量值之光子全部被計數。相對於此，可藉由設定第1閾值vth1、與大於能量E1之第2閾值vth2，並求出閾值vth1之計數值與閾值vth2之計數值之差，而以一次測定獲得精度更良好之資料(期望之能量帶之資料)。
若如例如γ射線般光子能量已知，則亦可用作堆積(pile up)對策。即，於預先已知入射之光子之能量必定包含於閾值vth1以上且閾值vth2以下之範圍內之情形時，推測為於為超過閾值vth2之能量之情形時有兩個光子連續地入射。藉此，於本變化例中，對光子能以兩個進行計數。於上述實施形態之方式(參照圖3)中，於兩個光子連續地入射之情形時有以1個進行計數之虞，但根據本變化例，如上所述般能進而減少計數漏失。
本發明之二次元光子計數元件並非限於上述實施形態者，可進行其他各種變化。例如，於上述實施形態及各變化例中，將前列及後列、以及前行及後行中所含的8個像素電極部B1~B8作為周圍電極部，且於包含自電極部B0之3×3像素之區域中設定判斷圖案。於本發明中，對成為判斷圖案之對象的區域之大小並無制約，可於例如4×4像素或5×5像素等各種大小之區域中任意地設定判斷圖案。於上述實施形態及各變化例中，作為特定電極部，例示有2×2像素(包含自電極部)之區域，但特定電極部亦可自周圍電極部之中任意地確定。
於本實施形態及本變化例中，比較部54、54a、54b位於載子輸入圖案判斷部56、56a、56b之前段，但比較部54、54a、54b之位置並不限定於此。例如，比較部54、54a、54b亦可位於載子輸入圖案判斷部56、56a、56b之後段。於該情形時，載子輸入圖案判斷部56、56a、 56b連接於加算部53之輸出端，且自加算部53接受電壓信號SP2。載子輸入圖案判斷部56、56a、56b係於載子輸入圖案與複數個判斷圖案中之任一者一致、且自加算部53輸入有電壓信號SP2之情形時，將電壓信號SP2輸出至比較部54、54a、54b。比較部54、54a、54b判定自加算部53通過載子輸入圖案判斷部56、56a、56b而輸入至電壓信號SP2之峰電壓之大小是否超過特定之閾值。於計數部57、57a、57b中，係於自比較部54、54a、54b輸出之判定結果信號S1為高位準(有效值)之情形時，進行光子數之加算。
[產業上之可利用性]
本發明可用於二次元光子計數元件。
5a‧‧‧像素電路
51‧‧‧信號生成部
52a、52b‧‧‧電流輸出部
53‧‧‧加算部
54‧‧‧比較部
55‧‧‧載子輸入信號生成部
56‧‧‧載子輸入圖案判斷部
57‧‧‧計數部
B‧‧‧像素電極部
B0‧‧‧自電極部
S1‧‧‧判定結果信號
S2‧‧‧載子輸入信號
S3‧‧‧判斷信號
SC‧‧‧電流信號
SP1‧‧‧輸入信號
SP2‧‧‧電壓信號

Claims (5)

  1. 一種二次元光子計數元件，其包括計數電路，該計數電路連接於呈M列N行(M及N為二以上之整數)之二次元狀排列之複數個像素電極部，並檢測經由上述複數個像素電極部而自將光子轉換為載子之轉換部所收集的載子，從而對上述光子進行計數，且上述計數電路包括：信號生成部，其生成與輸入至上述複數個像素電極部中之某像素電極部之載子之數量對應之大小的輸入信號；加算部，其將於與配置於上述某像素電極部之周圍的上述像素電極部中之特定之像素電極部連接之上述信號生成部中生成之上述輸入信號、與於與上述某像素電極部連接之上述信號生成部中生成之上述輸入信號相加；載子輸入圖案判斷部，其判斷載子輸入圖案是否與複數個判斷圖案之任一者一致，該載子輸入圖案係針對每個像素電極部而表示有無向上述某像素電極部及配置於該某像素電極部之周圍的上述像素電極部輸入載子；及計數部，其於在上述載子輸入圖案判斷部中判斷為上述載子輸入圖案與上述複數個判斷圖案之任一者一致，且自上述加算部輸出之加算後之上述輸入信號之大小超過特定之閾值之情形時，對光子數進行加算。
  2. 如請求項1之二次元光子計數元件，其中於載子被輸入至配置於上述某像素電極部之周圍的上述像素電極部中之除上述特定之像素電極部以外之上述像素電極部之情形時，上述載子輸入圖案與上述複數個判斷圖案之任一者均 不一致。
  3. 如請求項1或2之二次元光子計數元件，其中上述複數個判斷圖案包含與於上述載子未被輸入至上述某像素電極部之情形時之載子輸入圖案相當的圖案。
  4. 如請求項1至3中任一項之二次元光子計數元件，其中於上述載子被輸入至包含上述某像素電極部之列或行中所含的上述特定之像素電極部中之至少一個上述特定之像素電極部、且載子被輸入至上述某像素電極部之情形時，載子輸入圖案與上述複數個判斷圖案之任一者一致。
  5. 如請求項1至4中任一項之二次元光子計數元件，其中上述計數電路作為上述計數部係包括如下構件：第1計數部，其於判斷為上述載子輸入圖案與上述複數個判斷圖案之任一者一致，且自上述加算部輸出之加算後之上述輸入信號之大小超過第1閾值之情形時，對光子數進行加算；及第2計數部，其於判斷為上述載子輸入圖案與上述複數個判斷圖案之任一者一致，且自上述加算部輸出之加算後之上述輸入信號之大小超過大於上述第1閾值之第2閾值之情形時，對光子數進行加算。
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