TWI818339B - 輻射攝像裝置 - Google Patents

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都木克之
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國立大學法人靜岡大學
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Abstract

本發明的輻射攝像裝置1具備：產生對應於入射的輻射的能量或粒子數的電荷之複數個像素G；連接複數個像素G的各個且基於像素G所提供的電荷產生數位值的複數個訊號處理單元45；以及包含複數個像素G及複數個訊號處理單元45的輻射檢測器2被配置成二維狀的電路基板3。複數個訊號處理單元45分別包含：將基於電荷的類比值轉換為數位值的訊號轉換單元46；以及提供數位值產生用的時鐘訊號給訊號轉換單元46的時鐘訊號產生單元48。

Description

輻射攝像裝置
本發明係關於一種輻射攝像裝置。
檢測輻射的技術正在開發中。檢測輻射的技術被期待應用在醫療領域、工業領域、保全(security)領域等。作為檢測輻射的裝置，有得到輻射圖像的輻射攝像裝置。輻射攝像裝置輸出顯示入射的輻射的狀態的圖像數據。圖像數據的產生，例如執行如將類比訊號轉換為數位訊號的訊號處理。該訊號處理是藉由對發揮期望功能的電子電路提供驅動該電子電路的時鐘(clock)訊號而實施。專利文獻1及專利文獻2揭露檢測X射線或輻射的裝置。再者，專利文獻1及專利文獻2顯示該等的裝置依據時鐘而動作。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本公開專利特表2020-507753號公報
[專利文獻2]國際公開第2020/077217號
在輻射攝像裝置的技術領域，期望有效畫素區域的大面積化。有效畫素區域的擴大會伴隨畫素數的增加。增加畫素數時，消耗電力也有增加的傾向。
本發明係以提供能抑制消耗電力的增加之輻射攝像裝置為目的。
本發明之一態樣的輻射攝像裝置，具備：產生對應於入射的輻射的能量或粒子數的電荷之複數個像素；連接複數個像素的各個且基於像素所提供的電荷而產生數位值的複數個訊號處理單元；以及包含複數個像素及複數個訊號處理單元的輻射檢測器被配置成二維狀的電路基板。複數個訊號處理單元分別包含：將基於電荷的類比值轉換為數位值的訊號轉換單元；以及提供數位值產生用的時鐘訊號給訊號轉換單元的時鐘訊號產生單元。
該輻射攝像裝置在每個畫素設置有訊號處理單元。然後，訊號處理單元分別包含訊號轉換單元以及時鐘訊號產生單元。亦即，該輻射攝像裝置在每個畫素設置有時鐘訊號產生單元。若是依據如此的構成，可以執行只驅動對應於輻射線入射的像素的訊號轉換單元，而不驅動對應於輻射線沒有入射的像素的訊號轉換單元之動作。所以，即使於像素數增加的情況，因不使無需動作的訊號轉換單元動作，而可抑制消耗電力的增加。
時鐘訊號產生單元也可將起因於輻射線對像素的入射之電荷的產生作為觸發點，來開始對訊號轉換單元提供時鐘訊號。根據該構成，每次輻射線入射時可進行訊號轉換單元的動作。
本發明之一態樣的輻射攝像裝置，也可再具備：傳送訊號產生單元，係將傳送訊號提供給複數個訊號處理單元的各個，該傳送訊號係用於使數位值從訊號處理單元輸出給電路基板；以及配線單元，係傳送傳送訊號給訊號處理單元。根據該構成，可以使複數個訊號處理單元的輸出動作同步。
根據本發明，提供能抑制消耗電力的增加之輻射攝像裝置。
1:輻射攝像裝置
2:輻射檢測器
3:電路基板
3a:電路主面
4:圖像產生單元
5:控制單元
10:電荷產生單元
11:半導體檢測單元
11a:半導體入射面
11b:半導體輸出面
12:控制電極單元
13:電荷輸出電極
20:讀出單元
30:中間基板
30a:中間輸入面
30b:中間輸出面
30R:中間輸出區域
30S:中間輸入區域
31:第1中間電極
32:第2中間電極
33:配線
40:引出基板
40a:引出輸入面
40b:引出輸出面
40S:引出輸入單元
40R:引出輸出單元
41:第1引出電極
42:第2引出電極
45:訊號處理單元
46:訊號轉換單元
47:記憶體
48:時鐘訊號產生單元
51:配線
G:像素
P31:第1中間電極31的間距
P32:第2中間電極32的間距
S1:輻射
Figure 110139667-A0202-12-0014-14
1:電荷
Figure 110139667-A0202-12-0014-15
2:數位訊號
θ1:傳送訊號
θ2:時鐘訊號
圖1係表示關於實施態樣的輻射攝像裝置的構成的立體圖。
圖2係分解圖1所示的輻射攝像裝置且從第1視角觀察的立體圖。
圖3係分解圖1所示的輻射攝像裝置且從第2視角觀察的立體圖。
圖4係表示圖1的輻射攝像裝置所具備的輻射檢測器的放大圖。
圖5係表示圖4的輻射攝像裝置所具備的訊號處理單元的構成的方塊圖。
圖6係用以說明輻射攝像裝置的動作的圖。
圖1所示的輻射攝像裝置1係基於來自檢查對象的輻射來得到二維圖像。所謂輻射例如是γ射線、X射線、α射線及β射線等。輻射攝像裝置1具備複數個輻射檢測器2及電路基板3。輻射檢測器2安裝在電路基板3的電路主面3a。輻射檢測器2會輸出對應於入射的輻射的像素訊號。輻射檢測器2包含複數個像素G(參考圖4)，對每個像素G輸出像素訊號。像素訊號是用於在圖像產生單元4產生輻射圖像。電路基板3接收來自輻射檢測器2輸出的像素訊號。電路基板3具有從控制單元5向輻射檢測器2提供控制訊號用的訊號線。而且，電路基板3具有向圖像產生單元4輸出像素訊號用的訊號線。而且，電路基板3也可具有電連接輻射檢測器2彼此的訊號線。
如圖2及圖3所示，輻射檢測器2具備電荷產生單元10及讀出單元20。電荷產生單元10及讀出單元20的形狀為板狀。輻射檢測器2具有積層結構。電荷產生單元10配置在讀出單元20上。電荷產生單元10電連接讀出單元20。電荷產生單元10產生對應於入射的輻射之電荷。電荷產生單元10輸出電荷給讀出單元20。讀出單元20利用電荷產生單元10所產生的電荷來產生像素訊號。
電荷產生單元10具備半導體檢測單元11、控制電極單元12及電荷輸出電極13。
半導體檢測單元11藉由接收的X射線而產生電子電洞對(電荷對)。亦即，半導體檢測單元11將接收的輻射轉換為對應其能量的電流訊號(電荷訊號)。半導體檢測單元11的平面形狀為矩形。半導體檢測單元11的大小例如為9.6mm×9.6mm左右。半導體檢測單元11具有接收X射 線等的輻射的半導體入射面11a及輸出電荷的半導體輸出面11b。基於電荷的訊號，從半導體輸出面11b提供給讀出單元20。作為半導體檢測單元11，可利用例如Cd(Zn)Te電荷產生器、Si電荷產生器、Ge電荷產生器、GaAs電荷產生器、GaN電荷產生器及TlBr電荷產生器等。而且，作為半導體檢測單元11，也可使用具備閃爍器(scintillator)及光檢測器的裝置。閃爍器將X射線轉換成光。光檢測器將閃爍器所產生的光轉換成電荷。
控制電極單元12設置在半導體入射面11a。控制電極單元12覆蓋半導體入射面11a的全部表面。俯視時，控制電極單元12的平面形狀與半導體入射面11a的平面形狀相同。控制電極單元12在配置半導體檢測單元11的區域形成電場。電場決定於半導體檢測單元11所產生的電荷的移動方向。控制電極單元12係以在半導體檢測單元11內部電荷向半導體輸出面11b移動的方式產生電場。
複數個電荷輸出電極13設置於半導體輸出面11b。電荷輸出電極13也可為凸塊。1個電荷輸出電極13對應於1個畫素G。所以，配置有電荷輸出電極13的區域為畫素區域。例如，在第1邊配置n個電荷輸出電極13且在第2邊配置m個電荷輸出電極13的情況，電荷輸出電極13的總數為k個(k=n×m)。於該情況，1個輻射檢測器2的像素數可以說是k。然後，輻射攝像裝置1具有p個輻射檢測器2的情況，輻射攝像裝置1的像素數可以說是r(r=k×p)。
1個輻射檢測器2的像素數例如是96。所以，電荷輸出電極13的數目也為96。如前述，半導體檢測單元11的大小為9.6mm×9.6mm 左右的正方形的話，電荷輸出電極13的間隔為100μm。再者，於圖2等，在圖式的方便上，電荷輸出電極13的數目顯示為少於96個。
讀出單元20係產生基於半導體檢測單元11所產生的電荷之像素訊號。像素訊號為數位值。讀出單元20向電路基板3輸出像素訊號。讀出單元20具有中間基板30及引出基板40。
中間基板30將半導體檢測單元11所產生的電荷導向引出基板40。詳細情況後述，但電荷輸出電極13的配置與第1引出電極41的配置不同。所以，中間基板30達成連接配置在互為不同的位置的電極彼此的功能。該功能稱為間距轉換(pitch conversion)。中間基板30將半導體檢測單元11所具有的電荷輸出電極13的間距轉換為引出基板40的第1引出電極41的間距。
中間基板30具有中間輸入面30a及中間輸出面30b。中間輸入面30a面對電荷產生單元10。中間輸出面30b面對引出基板40。
中間輸入面30a面對半導體檢測單元11的半導體輸出面11b。在中間輸入面30a，俯視時，設定有矩形的中間輸入區域30S。中間輸入區域30S設定為幾乎橫跨中間輸入面30a的全部表面。例如中間輸入區域30S也可為中間輸入面30a的全部表面。在中間輸入區域30S，複數個第1中間電極31配置成等間隔的二維狀。第1中間電極31電連接半導體檢測單元11的電荷輸出電極13。所以，互相相鄰的第1中間電極31的間距與電荷輸出電極13的間距相同。例如電荷輸出電極13的間距為100μm的話，第1中間電極31的間距也為100μm。在中間輸入面30a，中間輸入區域30S對應於像素區域。
在中間輸出面30b，俯視時，設定有矩形的中間輸出區域30R。俯視時，中間輸出區域30R的全部與中間輸入區域30S重疊。亦即，中間輸出區域30R的面積比中間輸入區域30S的面積小。在中間輸出區域30R，複數個第2中間電極32(第2電極)配置成二維狀。
第1中間電極31(參考圖2)被配置在中間基板30的側面附近。另一方面，第2中間電極32(參考圖3)沒有被配置在中間基板30的側面附近。被配置在最外圍的第2中間電極32與中間基板30的側面分離。從第2中間電極32到中間基板30的側面的距離，比第1中間電極31到中間基板30的側面的距離大。例如從第2中間電極32到中間基板30的側面的距離大於幾個第2中間電極32的長度。該距離對應後述的引出輸出單元40R的寬度。引出輸出單元40R的寬度為200μm的話，一般來說從第2中間電極32到中間基板30的側面的距離也是200μm。
如圖4所示，1個第1中間電極31電連接1個第2中間電極32。所以，中間基板30具有第1中間電極31連接到第2中間電極32的配線33。配線33的構成無特別限制。例如配線33可為中間基板30的厚度方向延伸的部分及中間基板30的表面方向延伸的部分的組合。而且，配線33可以從第1中間電極31向第2中間電極32以直線狀延伸。如此的配線結構稱為斜接(Oblique via)。根據斜接，可以縮短從第1中間電極31到第2中間電極32的配線距離，亦即間距轉換距離。該結果可減少雜散電容的影響。
第1中間電極31的數目與第2中間電極32的數目相同。互相鄰接的第2中間電極32的間距P32比互相鄰接的第1中間電極31的間 距P31小。第1中間電極31的間距P31為100μm的話，例如第2中間電極32的間距P32為80μm。再者，於本實施態樣，複數個第2中間電極32是等間隔配置，但是第2中間電極32的間距P32不限於等間隔。
再次參考圖2及圖3。引出基板40接收電荷，產生對應於接收的電荷之像素訊號。引出基板40具有引出輸入面40a及引出輸出面40b。引出輸入面40a面對中間輸出面30b。引出輸出面40b面對電路基板3。而且，引出基板40具有引出輸入單元40S、引出輸出單元40R及複數個訊號處理單元45(參考圖4)。
引出輸入單元40S被形成在引出輸入面40a。引出輸入單元40S包含複數個第1引出電極41。第1引出電極41的配置對應於第2中間電極32的配置。亦即，第1引出電極41面對第2中間電極32。結果1個第1引出電極41電連接1個第2中間電極32。然後，第1引出電極41接收來自第2中間電極32的電荷。
引出輸出單元40R是作為輻射檢測器2與其他構成要件(控制單元5及圖像產生單元4)之間的訊號的輸入輸出單元的功能。例如引出輸出單元40R接收來自控制單元5的控制訊號。而且，引出輸出單元40R向圖像產生單元4輸出數位值。引出輸出單元40R被形成為圍繞引出輸入單元40S。例如引出輸出單元40R的寬度為200μm。俯視時，引出輸出單元40R具有框形。
引出輸出單元40R包含複數個第2引出電極42。例如在框形的引出輸出單元40R，一個邊配置有50個第2引出電極42。所以，在構成引出輸出單元40R的4個邊，配置有200個第2引出電極42。1個第 2引出電極42連接1個訊號處理單元45。第2引出電極42圍繞引出輸入單元40S。換言之，在引出輸入面40a，複數個第2引出電極42被配置為圍繞複數個第1引出電極41。第2引出電極42為貫通電極。亦即，第2引出電極42是從引出輸入面40a到達引出輸出面40b。第2引出電極42是通過被設置在引出輸出面40b的凸塊而電連接電路基板3。
如圖4所示，訊號處理單元45將電荷轉換為數位值，亦即像素訊號。1個訊號處理單元45連接1個第1引出電極41。亦即，1個訊號處理單元45連接1個像素G。所以，讀出單元20包含複數個訊號處理單元45。訊號處理單元45接收來自引出輸入單元40S的電荷。訊號處理單元45從引出輸出單元40R輸出數位值。更詳細地，訊號處理單元45將電荷產生單元10所輸出的電荷轉換為像素訊號，亦即能量積分訊號。能量積分訊號至少包含入射的輻射所具有的能量的訊息。
如圖5所示，訊號處理單元45分別具有訊號轉換單元46、記憶體47及時鐘訊號產生單元48。訊號處理單元45因連接每個像素G，訊號處理單元45的數目與像素G的數目相同。同樣地，訊號轉換單元46的數目也與像素G的數目相同，記憶體47的數目也與像素G的數目相同，時鐘訊號產生單元48的數目也與像素G的數目相同。亦即，對於1個像素G，連接1個訊號轉換單元46、1個記憶體47及1個時鐘訊號產生單元48。
訊號轉換單元46是通過中間基板30的配線33連接電荷產生單元10的電荷輸出電極13。訊號轉換單元46接收來自電荷產生單元10的電荷
Figure 110139667-A0202-12-0009-7
1。訊號轉換單元46將基於電荷
Figure 110139667-A0202-12-0009-8
1的類比訊號予以離散。類比 訊號係以電壓表現。電壓是對應於：入射至電荷產生單元10所對應的像素G的輻射的能量或粒子數。所以，訊號轉換單元46是輸出數位訊號的A/D轉換器。例如訊號轉換單元46的解析度可為10位元。
訊號轉換單元46係依據從時鐘訊號產生單元48提供的時鐘訊號θ2而動作。訊號轉換單元46接收時鐘訊號θ2後，執行傳送來自像素G起因於輻射的入射而產生的類比訊號的動作、重設累積在像素G的電荷的動作以及將傳送的類比訊號轉換為數位訊號的動作。再者，訊號轉換單元46除了上述的動作也可執行其他期望的動作。
時鐘訊號產生單元48產生訊號轉換單元46的動作所需的時鐘訊號θ2。然後，時鐘訊號產生單元48提供時鐘訊號θ2給訊號轉換單元46。亦即，1個訊號轉換單元46連接1個時鐘訊號產生單元48。換言之，某個時鐘訊號產生單元48的輸出目的地是特定的1個訊號轉換單元46。訊號轉換單元46被設置於每個像素G。所以，時鐘訊號產生單元48可以說是被設置於每個像素G。根據如此的構成，能以鄰接訊號轉換單元46的方式配置時鐘訊號產生單元48。結果，可縮短從時鐘訊號產生單元48到訊號轉換單元46的訊號線的長度。若訊號線的長度變短，因時鐘訊號θ2的傳送距離也變短，而變得不易產生訊號的延遲。再者，時鐘訊號的頻率也可提高至100MHz左右。
時鐘訊號產生單元48係以輻射入射至對應的像素G(參考圖6的符號S1)作為觸發點，來開始產生時鐘訊號θ2。時鐘訊號產生單元48依據觸發點來輸出預定數量的脈衝。被輸出的脈衝數可為訊號轉換單元46 的類比-數位轉換動作所需的數目。例如，1次的輻射入射被檢測到時，時鐘訊號產生單元48輸出16個脈衝作為時鐘訊號θ2。
時鐘訊號產生單元48因被設置在每個像素G，各像素G的動作可以獨立。換言之，複數個訊號轉換單元46的動作不需要同步。所以，不需要為了使複數個訊號轉換單元46的動作同步的訊號。例如於輻射入射至某個像素G的情況，訊號轉換單元46可以立即開始產生數位訊號的動作。亦即，訊號轉換單元46的動作可以說是對輻射的入射同步。根據如此的動作，因可以在輻射的入射後立即進行訊號轉換的處理，而不會產生相位差的問題。而且，也不產生不必要的等待時間。如此的動作對每個隨機入射的粒子進行訊號轉換處理的光子計數型檢測器而言具有高親和力。
再者，在某一時間點，即使輻射入射至複數個像素G的情況，可以分別獨立地開始產生數位訊號的動作。再者，可以只有使對應於有產生輻射的入射的像素G的訊號轉換單元46動作，而使對應於沒有產生輻射的入射的像素G的訊號轉換單元46不動作。對於全部的像素G一律進行訊號轉換動作的情況，像素數增加時，消耗電力也與像素數成正比而增加。但是，本實施態樣的輻射攝像裝置1，因可以只讓需要的訊號轉換單元46動作，所以消耗電力不與像素數成比例。所以，可以同時抑制像素數的增加與消耗電力的增加。
記憶體47連接訊號轉換單元46。記憶體47接收來自訊號轉換單元46的數位訊號
Figure 110139667-A0202-12-0011-9
2。然後，記憶體47每次輸入數位訊號
Figure 110139667-A0202-12-0011-10
2時保存數位訊號
Figure 110139667-A0202-12-0011-12
2。記憶體47在預定的記憶體空間逐次保存數位訊號
Figure 110139667-A0202-12-0011-11
2。記憶體47通過配線51(配線單元)連接到控制單元5。配線51的輸入為1 個，配線51的輸出為複數個。然後，配線51的輸入連接到控制單元5，配線51的輸出連接到訊號處理單元45的記憶體47。亦即，從1個控制單元5將傳送訊號θ1輸出到複數個記憶體47。輸出傳送訊號θ1的控制單元5具有作為傳送訊號產生單元的功能。
記憶體47依據從控制單元5所提供的傳送訊號θ1，將數位訊號
Figure 110139667-A0202-12-0012-13
2輸出給圖像產生單元4。亦即，記憶體47因不接收時鐘訊號θ2，不受時鐘訊號θ2控制。換言之，訊號轉換單元46的動作與記憶體47的動作是基於彼此不同的訊號。所以，各個動作也互相獨立。
輻射攝像裝置1具備：產生對應於入射的輻射的能量或粒子數的電荷的複數個像素G；連接複數個像素G的各個且基於從像素G所提供的電荷產生數位值的複數個訊號處理單元45；以及包含複數個像素G及複數個訊號處理單元45的輻射檢測器2被配置成二維狀的電路基板3。複數個訊號處理單元45分別包含將基於電荷的類比值轉換為數位值的訊號轉換單元46以及提供數位值產生用的時鐘訊號給訊號轉換單元的時鐘訊號產生單元48。
輻射攝像裝置1在每個像素G設置訊號處理單元45。然後，訊號處理單元45分別包含訊號轉換單元46及時鐘訊號產生單元48。亦即，輻射攝像裝置1在每個像素G設置時鐘訊號產生單元48。根據如此的構成時，可以進行只驅動對應於輻射有入射的像素G的訊號轉換單元46，且不驅動對應於輻射沒有入射的像素G的訊號轉換單元46的動作。所以，即使像素G的數目增加的情況，因可以使無需動作的訊號轉換單元46不動作，可抑制消耗電力的增加。
本發明的輻射攝像裝置1不限於上述實施態樣。
2:輻射檢測器
3:電路基板
3a:電路主面
10:電荷產生單元
20:讀出單元
11:半導體檢測單元
11a:半導體入射面
11b:半導體輸出面
12:控制電極單元
13:電荷輸出電極
30:中間基板
30a:中間輸入面
30b:中間輸出面
31:第1中間電極
32:第2中間電極
33:配線
40:引出基板
40a:引出輸入面
40b:引出輸出面
41:第1引出電極
42:第2引出電極
45:訊號處理單元
46:訊號轉換單元
47:記憶體
48:時鐘訊號產生部
G:像素
P31,P32:間距

Claims (3)

  1. 一種輻射攝像裝置，具備：複數個像素，係產生對應於入射的輻射的能量或粒子數的電荷；複數個訊號處理單元，係連接複數個前述像素的各個且基於前述像素所提供的前述電荷而產生數位值；以及電路基板，係輻射檢測器被配置成二維狀，該輻射檢測器包含複數個前述像素及複數個前述訊號處理單元；其中，複數個前述訊號處理單元係於每個該訊號處理單元分別包含：將基於前述電荷的類比值轉換為前述數位值的訊號轉換單元；以及提供前述數位值產生用的時鐘訊號給前述訊號轉換單元的時鐘訊號產生單元。
  2. 如請求項1所述之輻射攝像裝置，其中前述時鐘訊號產生單元將起因於前述輻射對前述像素的入射之前述電荷的產生作為觸發點，來開始對前述訊號轉換單元提供前述時鐘訊號。
  3. 如請求項1或2所述之輻射攝像裝置，其更具備：傳送訊號產生單元，係將傳送訊號提供給複數個前述訊號處理單元的各個，該傳送訊號係用於使前述數位值從前述訊號處理單元輸出給前述電路基板；以及配線單元，係傳送前述傳送訊號給前述訊號處理單元。
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