WO2013084839A1 - 撮像装置、電子機器、輝尽発光検出スキャナーおよび撮像方法 - Google Patents

撮像装置、電子機器、輝尽発光検出スキャナーおよび撮像方法 Download PDF

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西原　利幸
角　博文
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Definitions

  • This technology relates to an imaging device.
  • the present invention relates to an imaging device including an imaging device that detects weak light, an electronic apparatus including the imaging device, and an imaging method.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • This technology was created in view of these circumstances, and aims to improve the accuracy of photon counting.
  • the present technology has been made to solve the above-described problems, and the first side of the present technology is light that is incident on an imaging device in which a plurality of pixels are arranged and is a detection target of the number of photons.
  • the imaging apparatus includes a light uniformizing unit that substantially uniforms the distribution of incident light in a direction orthogonal to the optical axis and supplies the uniformed light to the imaging element. This brings about the effect that the incident light which is the detection target of the number of photons is made substantially uniform, and the uniformed light is made incident on the image sensor.
  • the image sensor performs digital determination on the number of incident photons by the uniformized light supplied to each of the plurality of pixels, and determines the determination result value of the digital determination as described above.
  • Output for each of the plurality of pixels sum the output determination result values for each of the plurality of pixels in units of frames, and calculate the number of photons of the incident light during the exposure period of the frame based on the summed sum value You may make it further provide the calculation part to calculate.
  • the number of incident photons of the uniformed light is digitally determined for each pixel, and the number of photons of the incident light is calculated based on the total value obtained by summing the determination result values of the digital determination in units of frames. .
  • the calculation unit calculates the number of photons of the incident light using difference correction information indicating a relationship between the number of photons actually incident on the plurality of pixels and the total value. You may make it calculate based on the said total value. Accordingly, there is an effect that the number of photons of incident light is calculated based on the total value using the difference correction information indicating the relationship between the number of photons actually incident on the plurality of pixels and the total value.
  • the image sensor performs binary determination as the digital determination
  • the calculation unit performs the calculation using the Poisson distribution or information related to a relation approximated to the Poisson distribution as the difference correction information. You may make it perform. This brings about the effect that the number of photons of the incident light is calculated based on the total value using the information related to the Poisson distribution or the relationship approximated to the Poisson distribution.
  • the calculation unit calculates the determination result value of the pixel having a large dark current based on pixel position information for identifying a pixel having a large dark current among the plurality of pixels.
  • the total value may be calculated by excluding it. Thereby, based on the pixel position information for identifying a pixel with a large dark current among a plurality of pixels, the determination result value of the pixel with a large dark current is excluded, and the total value is calculated.
  • the calculation unit may correct the total value based on a ratio between the number of pixels from which the determination result value is excluded and the total number of the plurality of pixels. This brings about the effect that the total value is corrected based on the ratio between the number of pixels from which the determination result value is excluded and the total number of pixels.
  • the imaging device performs binary determination as the digital determination
  • the calculation unit uses the difference information related to the Poisson distribution or the relationship approximated to the Poisson distribution to calculate the number of photons of the incident light. May be calculated based on the corrected total value.
  • the total value corrected based on the ratio between the number of pixels from which the determination result value is excluded and the total number of the plurality of pixels is further corrected using the difference information, and the number of photons is calculated. Bring.
  • the imaging device includes a plurality of pixel arrays that are independently driven, and the light uniformizing unit is provided in pairs for each of the plurality of pixel arrays. It may be. Accordingly, there is an effect that a plurality of imaging units each including a pair of the light uniformizing unit and the pixel array are provided in the imaging element.
  • the optical system further includes a dividing unit that substantially uniforms the distribution of the incident light in the orthogonal direction of the optical axis and divides the uniformed incident light into a plurality of incident lights.
  • the uniformizing unit may supply the incident light divided into the plurality to the pair of pixel arrays. Thereby, the uniformized incident light is divided, and the divided light is supplied to each imaging unit provided with a pair of light uniformizing units and a pixel array.
  • the plurality of pixel arrays have the same exposure period length and start timing, and each of the plurality of pixel arrays is supplied to each of the plurality of pixels in the pixel array.
  • a calculation unit that calculates the number of photons of the incident light during the exposure period based on the summed sum value may be further included.
  • a plurality of imaging units each provided with a pair of light uniformizing units and a pixel array are driven at the same timing, and a value obtained by summing up the total values in the plurality of imaging units is calculated as a total value in the exposure period. This brings about the effect.
  • the plurality of pixel arrays are classified into a plurality of groups having different exposure period start timings, and each of the plurality of pixel arrays is supplied to each of the plurality of pixels in the pixel array.
  • Digital determination is performed on the number of incident photons by the emitted light, the determination result value of the digital determination is output for each of the plurality of pixels, and the determination result value of each of the plurality of output pixels is summed in units of the group.
  • the second aspect of the present technology is a direction orthogonal to the optical axis of incident light that is an object of detection of the number of photons on an image sensor in which a plurality of pixels are arranged and is an object of detection of the number of photons.
  • the light uniformizing unit for substantially uniforming the distribution of light and supplying the uniformed light, and performing digital determination for each of a plurality of pixels with respect to the number of incident photons by the supplied light, and the determination result of the digital determination
  • the image sensor that outputs a value for each of the plurality of pixels and the output determination result value of each of the plurality of pixels are summed in units of frames, and the number of photons of the incident light in the exposure period of the frame is summed.
  • the electronic device includes a calculating unit that calculates based on the total value.
  • the incident light which is the detection target of the number of photons is made to be substantially uniform and incident on the image sensor, and the photon counting is performed based on the uniformed light.
  • a third aspect of the present technology provides a light homogenizer that substantially uniformizes the distribution of incident light, which is a detection target of the number of photons, in a direction orthogonal to the optical axis, and supplies the uniformized light.
  • a detection unit including a plurality of imaging units each including a plurality of pixels that perform digital determination on each of a plurality of pixels with respect to the number of incident photons by the supplied light and output a determination result value of the digital determination for each of the plurality of pixels.
  • This is a stimulated emission detection scanner.
  • the fourth aspect of the present technology provides an incident light that is a detection target of the number of photons to an imaging element in which a plurality of pixels are arranged and is orthogonal to an optical axis of the incident light that is a detection target of the number of photons. For each of the plurality of pixels with respect to the number of incident photons by the supplied light to each of the plurality of pixels, and a light uniformization procedure for supplying the uniformed light to the image sensor.
  • a calculation procedure for performing a digital determination and summing the determination result values of each of the plurality of pixels in units of frames, and calculating the number of photons of the incident light during the exposure period of the frame based on the summed sum value An imaging method comprising the steps of: Thereby, the incident light that is the detection target of the number of photons is made substantially uniform and incident on the image sensor, and the number of photons received by the uniformed light is digitally determined for each pixel, and the determination result value of this determination The summation is performed in frame units, and the number of photons of incident light is calculated based on the summed sum value.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of a circuit configuration of a pixel 310 according to the first embodiment of the present technology.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating an example of a functional configuration example of a determination circuit 113 and an operation example of the determination circuit 113 according to the first embodiment of the present technology.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the average number of photons incident on each pixel during a unit exposure period and the count probability in the first embodiment of the present technology. It is a figure showing typically an example of exposure operation and read-out operation of image sensor 110 of a 1st embodiment of this art.
  • An example of a detection head (detection head 101) to which the light detection device 10 according to the first embodiment of the present technology is applied and an example of a conventional detection head (detection head 191) to which a photomultiplier tube is applied are schematically illustrated.
  • FIG. It is a flowchart which shows an example of the process sequence when the photon detection apparatus 10 of 1st Embodiment of this technique performs photon counting operation
  • FIG. 501 It is a schematic diagram which shows an example of the module (imaging module 501) which mounted the imaging device (imaging device 500) provided with two or more imaging circuits. It is a conceptual diagram which shows an example of the detection head (detection head 502) to which the imaging module 501 in the 3rd Embodiment of this technique is applied. It is a conceptual diagram which shows an example of the classification into the four groups of the image pick-up circuit of the image pick-up element (image pick-up element 500) in 4th Embodiment of this technique. It is a figure showing typically an example of exposure operation and read-out operation for every group of image pick-up circuit 520 classified into four groups in a 4th embodiment of this art.
  • First embodiment imaging control: an example in which incident light is uniformized by a light uniformizing unit to perform photon counting
  • Second Embodiment Imaging Control: Example of performing photon counting by masking a pixel with a large dark current
  • Third Embodiment Imaging Control: Example in which a plurality of pixel array units are provided in one imaging element
  • Fourth Embodiment Imaging Control: Example in which a plurality of pixel array units are grouped and different exposure operations are performed for each group) 5.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a functional configuration related to the light detection device 10 according to the first embodiment of the present technology.
  • the photodetection device 10 is an imaging device that performs photon (photon) counting using a CMOS (Complementary Metal Metal Oxide Semiconductor) sensor, and includes a detection unit 100 and a data processing unit 120.
  • CMOS Complementary Metal Metal Oxide Semiconductor
  • the detection unit 100 converts light incident on the detection unit 100 into a digital signal, and includes a light uniformizing unit 200 and an image sensor 110.
  • the light homogenizer 200 irradiates the pixel array of the image sensor 110 with a substantially uniform distribution of light (photon count target light) incident on the detector 100 and substantially uniformed photon count target light. . That is, the light homogenizing unit 200 applies the same number of photon count target light incident on the incident surface (in the direction orthogonal to the optical axis of the image sensor 110) to each pixel of the pixel array of the image sensor 110. It plays the role of distributing so that it is incident one by one.
  • the light homogenizing unit 200 includes, for example, a kaleidoscope using reflection, an integrated lens such as a fly lens with a small lens, a diffractive optical element (DOE) using diffraction, fine particles that scatter light on glass or resin, This is realized by a light scattering material to which dots are added. It can also be realized by an optical fiber having a light uniforming function or a light guide in which a plurality of optical fibers having a light uniforming function are bundled. In addition, since the reason for making light uniform by the light uniformizing unit 200 will be described with reference to FIG. 6, description thereof is omitted here.
  • DOE diffractive optical element
  • the image sensor 110 photoelectrically converts incident light into an electrical signal to generate an image signal, and pixels are arranged in an array.
  • the image sensor 110 is realized by a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor, for example. Note that the image sensor 110 will be described with reference to FIGS.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • the presence or absence of photon incidence on each pixel is binary-determined in the image sensor.
  • the image sensor 110 supplies data (digital data) indicating the binary determination result to the data processing unit 120.
  • the data processing unit 120 calculates the intensity (count value) of photon counting target light based on data (digital data) supplied from the image sensor 110.
  • the data processing unit 120 includes a counting unit 130 and a recording unit 140.
  • the counting unit 130 calculates the intensity (count value) of photon counting target light per frame based on the data supplied from the image sensor 110. For example, the count unit 130 calculates the count value per frame by adding the digital data values (0 or 1) of all the pixels. The count unit 130 supplies the calculated count value to the recording unit 140 and causes the recording unit 140 to record the count value.
  • the count unit 130 is an example of a calculation unit described in the claims.
  • a mask process for a pixel with a strong dark current and a correction process for a count value for a pixel with a strong dark current can be performed. Note that an example of performing mask processing for pixels with strong dark current and count value correction processing for pixels with strong dark current will be described in the second embodiment of the present technology, so the first embodiment of the present technology will be described. Now, an example in which dark current is not considered will be described.
  • the recording unit 140 records the count value supplied from the counting unit 130.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an example of a detection head (detection head 101) to which the light detection device 10 according to the first embodiment of the present technology is applied.
  • the detection head 101 receives light emitted from the detection target spot (detection spot 109) (which will be described here assuming fluorescence) and measures the intensity of the light.
  • a hole 103, a light uniformizing unit 200, and an image sensor 110 are provided.
  • digital data output from the image sensor 110 is supplied to the data processing unit 120 via the signal line 104.
  • the light uniformizing unit 200, the image sensor 110, and the data processing unit 120 shown in FIG. 2 have been described with reference to FIG.
  • a band-pass filter and a cut-off filter are arranged on the optical path so that the excitation light is shielded and only the fluorescence passes through the pinhole 103, but these are also omitted.
  • the condensing lens 102 condenses light, and condenses light incident on the incident surface of the condensing lens 102 out of the fluorescence emitted from the detection spot 109 in a pinhole (pinhole 103).
  • the pinhole 103 is a hole provided at a position where the fluorescence emitted from the detection target spot and passing through the condenser lens 102 is condensed again. Since the fluorescence generated outside the focus position (detection target spot) is not condensed on the pinhole 103, most of the fluorescence generated outside the focus position is shielded by the light shielding member that forms the pinhole 103. Thereby, the incidence
  • the fluorescence that has passed through the pinhole 103 is incident on the light uniformizing unit 200, and the light that is uniformized by the light uniformizing unit 200 is incident on the image sensor 110.
  • the fluorescence that has passed through the pinhole 103 is detected by a photomultiplier tube (PMT: PhotoMultiplier Tube) (see a in FIG. 8), but in the embodiment of the present technology, the photomultiplier tube Instead, the light uniformizing unit 200 and the image sensor 110 are provided.
  • PMT PhotoMultiplier Tube
  • the fluorescence intensity distribution in a wide inspection region can be detected by step-moving the detection head 101 and the excitation light source as shown in FIG. 2 relative to the subject.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating an example of a basic configuration example of the image sensor 110 according to the first embodiment of the present technology.
  • the image sensor 110 includes a pixel array unit 300, a first vertical drive circuit 112, a determination circuit 113, a register 114, a second vertical drive circuit 115, and an output circuit 118.
  • the determination circuit and the register for processing the pixel signal driven by the second vertical drive circuit 115 are the determination circuit (the determination circuit 113) for processing the pixel signal driven by the first vertical drive circuit 112. ) And the register (register 114), the description is omitted.
  • the pixel array unit 300 includes a plurality of pixels (pixels 310) arranged in a two-dimensional matrix (n ⁇ m).
  • pixels 310 pixels arranged in a two-dimensional matrix (n ⁇ m).
  • n ⁇ m two-dimensional matrix
  • the pixels 310 of 128 rows ⁇ 128 columns are arranged in the pixel array unit 300.
  • a part of the pixels 310 of 128 rows ⁇ 128 columns is shown.
  • Half of the pixels 310 arranged in the pixel array unit 300 (pixels located in the upper half of the pixel array unit 300 in FIG. 3) have a control line (control line 330) from the first vertical drive circuit 112. Wired in rows.
  • control lines are wired from the second vertical drive circuit 115 in units of rows. Note that the circuit configuration of the pixel 310 will be described with reference to FIG.
  • a vertical signal line (vertical signal line 341) is wired to the pixel 310 in units of columns.
  • the vertical signal line 341 is wired as a separate line for each vertical drive circuit to which the pixel 310 is connected.
  • the vertical signal line 341 connected to the pixel to which the control line 330 is wired from the first vertical drive circuit 112 is connected to the determination circuit 113 facing the upper side of the pixel array unit 300.
  • the vertical signal line 341 connected to the pixel to which the control line 330 is routed from the second vertical drive circuit 115 is connected to the determination circuit 113 facing the lower side of the pixel array unit 300.
  • the first vertical drive circuit 112 supplies a signal to the pixel 310 via the control line 330 and sequentially scans the pixel 310 in units of rows in the vertical direction (column direction). As the first vertical drive circuit 112 performs selective scanning in units of rows, a signal is output from the pixels 310 in units of rows.
  • the control line 330 includes a pixel reset line 331 and a charge transfer line 332. The pixel reset line 331 and the charge transfer line 332 will be described with reference to FIG.
  • the second vertical drive circuit 115 is the same except that the pixel 310 to be controlled is different from the first vertical drive circuit 112, and thus the description thereof is omitted here.
  • the determination circuit 113 determines whether or not photons are incident on the pixel 310 based on the output signal supplied from the pixel 310 (binary determination). This determination circuit 113 is provided for each vertical signal line 341. That is, at the position facing the upper side of the pixel array unit 300, 128 pieces connected to 128 vertical signal lines 341 wired to pixels (64 rows ⁇ 128 columns) driven by the first vertical drive circuit 112, respectively. Determination circuit 113 is provided. Further, at the position facing the lower side of the pixel array unit 300, 128 pieces connected to 128 vertical signal lines 341 wired to pixels (64 rows ⁇ 128 columns) driven by the second vertical drive circuit 115, respectively. Determination circuit 113 is provided.
  • the determination circuit 113 supplies the determination result to the register 114 connected to each determination circuit 113.
  • the register 114 is provided for each determination circuit 113 and temporarily holds the determination result supplied from the determination circuit 113.
  • the register 114 sequentially outputs the determination results to be held to the output circuit 118 during the period in which the signal of the next row of pixels is read (reading period).
  • the output circuit 118 outputs a signal generated by the image sensor 110 to an external circuit.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an example of a circuit configuration of the pixel 310 according to the first embodiment of the present technology.
  • the pixel 310 converts an optical signal that is incident light into an electrical signal by performing photoelectric conversion.
  • the pixel 310 amplifies the converted electric signal and outputs it as a pixel signal.
  • the pixel 310 amplifies an electric signal by an FD amplifier having a floating diffusion layer (floating diffusion: FD).
  • the pixel 310 includes a photodiode 311, a transfer transistor 312, a reset transistor 313, and an amplifier transistor 314.
  • the photodiode 311 has its anode terminal grounded and its cathode terminal connected to the source terminal of the transfer transistor 312.
  • the transfer transistor 312 has a gate terminal connected to the charge transfer line 332 and a drain terminal connected to the source terminal of the reset transistor 313 and the gate terminal of the amplifier transistor 314 via the floating diffusion (FD 322).
  • the reset transistor 313 has its gate terminal connected to the pixel reset line 331 and its drain terminal connected to the power supply line 323 and the drain terminal of the amplifier transistor 314.
  • the source terminal of the amplifier transistor 314 is connected to the vertical signal line 341.
  • the photodiode 311 is a photoelectric conversion element that generates an electric charge according to the intensity of light.
  • pairs of electrons and holes are generated by photons incident on the photodiode 311, and the generated electrons are accumulated.
  • the transfer transistor 312 transfers electrons generated in the photodiode 311 to the FD 322 in accordance with a signal (pulse) from the vertical drive circuit (the first vertical drive circuit 112 or the second vertical drive circuit 115).
  • the transfer transistor 312 becomes conductive when, for example, a signal (pulse) from the charge transfer line 332 supplied to its gate terminal is supplied to the gate terminal, and transfers electrons generated in the photodiode 311 to the FD 322.
  • the reset transistor 313 is for resetting the potential of the FD 322 in accordance with a signal (reset pulse) supplied from the vertical drive circuit (the first vertical drive circuit 112 or the second vertical drive circuit 115).
  • the reset transistor 313 becomes conductive when a reset pulse is supplied to the gate terminal via the pixel reset line 331, and a current flows from the FD 322 to the power supply line 323.
  • a reset potential As a result, electrons accumulated in the floating diffusion (FD 322) are extracted to the power source, and the floating diffusion is reset (hereinafter, this potential is referred to as a reset potential). Note that when the photodiode 311 is reset, the transfer transistor 312 and the reset transistor 313 are simultaneously turned on.
  • a potential (power supply) flowing through the power supply line 323 is a power supply used for resetting and a source follower, and for example, 3 V is supplied.
  • the amplifier transistor 314 amplifies the potential of the floating diffusion (FD 322) and outputs a signal (output signal) corresponding to the amplified potential to the vertical signal line 341.
  • a signal output signal
  • the amplifier transistor 314 outputs an output signal (hereinafter referred to as a reset signal) corresponding to the reset potential vertically.
  • the amplifier transistor 314 outputs an output signal (hereinafter referred to as an accumulated signal) corresponding to the amount of transferred electrons to the vertical signal. Output to line 341.
  • the basic circuit and operation mechanism of the pixel as shown in FIG. 4 are the same as those of a normal pixel, and various other variations are possible.
  • the pixel assumed in the present technology is designed so that the conversion efficiency is significantly higher than that of the conventional pixel.
  • the pixel is designed so that the parasitic capacitance (parasitic capacitance of the FD 322) of the gate terminal of the amplifier (amplifier transistor 314) constituting the source follower is effectively reduced to the limit.
  • This design can be performed by, for example, a method of devising the layout or a method of feeding back the output of the source follower to a circuit in the pixel (see, for example, JP-A-5-63468 and JP-A-2011-119441).
  • the parasitic capacitance is reduced so that a sufficiently large output signal is output to the vertical signal line 341 even if the number of electrons accumulated in the FD 322 is small.
  • the magnitude of this output signal only needs to be sufficiently larger than the random noise of the amplifier transistor 314. If the output signal when one photon is accumulated in the FD 322 becomes sufficiently larger than the random noise of the amplifier transistor 314, the signal from the pixel is quantized and the number of accumulated photons in the pixel can be detected as a digital signal. .
  • the output signal is sufficiently larger than the random noise, so in principle one photon Can be detected.
  • the noise after the output of the output signal by the amplifier transistor 314 can be made substantially zero.
  • binary determination is performed on a pixel array of 128 rows ⁇ 128 columns, it is possible to photon count up to a maximum of 16,384 (128 ⁇ 128) photons.
  • FIG. 4 illustrates an example of a pixel in which one pixel can be detected by designing the pixel so that the parasitic capacitance is effectively reduced to the minimum
  • the present invention can be similarly implemented by a pixel that amplifies electrons obtained by photoelectric conversion within the pixel.
  • a pixel in which a plurality of stages of CCD multiplication transfer elements are embedded between the photodiode in the pixel and the gate terminal of the amplifier transistor is conceivable (see, for example, JP 2008-35015 A).
  • the photoelectrically converted electrons are multiplied by about 10 times in the pixel.
  • one-photon detection can be performed by multiplying the image of electrons in a pixel, and an image sensor in which such a pixel is arranged can be used as the image sensor 110.
  • the determination circuit 113 that determines whether or not photons are incident on the pixel 310 based on the output signal supplied from the pixel 310 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating an example of a functional configuration example of the determination circuit 113 and an example of an operation example of the determination circuit 113 according to the first embodiment of the present technology.
  • an ACDS (Analog Correlated Double Sampling) unit 410 As a functional configuration of the determination circuit 113, an ACDS (Analog Correlated Double Sampling) unit 410, a DCDS (Digital CDS; digital correlation double sampling) unit 420, and a binary determination unit 430. Is shown.
  • the vertical signal line 341 connected to the determination circuit 113, a part of the pixel 310 connected to the vertical signal line 341, and the pixel array unit 300 have the functional configuration of the determination circuit 113. Show together.
  • the ACDS unit 410 performs noise removal by analog CDS, and includes a switch 412, a capacitor 413, and a comparator 411.
  • the switch 412 is a switch for connecting the vertical signal line 341 to either an input terminal for inputting a reference voltage to the comparator 411 or an input terminal for inputting a signal to be compared to the comparator 411.
  • the switch 412 connects the vertical signal line 341 to an input terminal (a left terminal to which the capacitor 413 is connected) for inputting a reference voltage.
  • the comparator 411 outputs the result of analog CDS
  • the switch 412 connects the vertical signal line 341 to an input terminal (right terminal without a capacitor) for inputting a signal to be compared.
  • the capacitor 413 is a storage capacitor for sample-holding the reset signal of the pixel 310.
  • the comparator 411 outputs the difference between the sampled and held signal and the signal to be compared. That is, the comparator 411 outputs the difference between the reset signal sampled and held and the signal (accumulated signal or reset signal) supplied from the vertical signal line 341. That is, the comparator 411 outputs a signal from which noise generated in the pixel 310 such as kTC noise is removed.
  • the comparator 411 is realized by an operational amplifier with a gain of 1, for example.
  • the comparator 411 supplies the difference signal to the DCDS unit 420.
  • the difference signal between the reset signal and the reset signal is referred to as no signal
  • the difference signal between the reset signal and the accumulation signal is referred to as a net accumulation signal.
  • the DCDS unit 420 performs noise removal by digital CDS, and includes an AD (Analog Digital) conversion unit 421, a register 422, a switch 423, and a subtractor 424.
  • AD Analog Digital
  • the AD conversion unit 421 performs AD conversion on the signal supplied from the comparator 411.
  • the switch 423 is a switch for switching the supply destination of the signal after AD conversion generated by the AD conversion unit 421.
  • the switch 423 supplies the signal to the register 422 and causes the register 422 to latch (hold) it.
  • the offset value of the AD conversion unit 421 is held in the register 422.
  • the switch 423 supplies this signal to the subtractor 424 when the AD conversion unit 421 outputs the result of AD conversion of the net accumulated signal (digital net accumulated signal).
  • the register 422 holds the result of no signal AD conversion.
  • the register 422 supplies the non-signal A / D conversion result (digital non-signal) held to the subtractor 424.
  • the subtractor 424 subtracts the digital no-signal value from the digital net accumulated signal value.
  • the subtractor 424 supplies the subtraction result (net digital value) to the binary determination unit 430.
  • the binary determination unit 430 performs binary determination (digital determination).
  • the binary determination unit 430 compares the output (net digital value) of the subtractor 424 with the reference signal (REF) to make a binary determination as to whether or not a photon is incident on the pixel 310, and the determination result (FIG. 5 indicates “BINOUT”).
  • FIG. 5 b shows a flowchart showing an example of the operation example of the determination circuit 113.
  • corresponds to the frame surrounding each structure shown by a of FIG. That is, the procedure indicated by the double frame indicates the procedure of the pixel 310, the procedure indicated by the long dashed line frame indicates the procedure of the ACDS unit 410, and the procedure indicated by the short dashed line frame indicates the procedure of the DCDS unit 420.
  • the procedure indicated by the thick solid frame indicates the procedure of the binary determination unit 430.
  • the ACDS processing by the ACDS unit 410 is not illustrated, and will be described together in a procedure when the DCDS unit 420 performs AD conversion.
  • the potential of the gate terminal of the amplifier transistor 314 (the potential of the FD 322) is reset, and a reset signal is output to the vertical signal line 341 (step 441).
  • the reset signal output from the pixel 310 is sampled and held by the capacitor 413 of the ACDS unit 410 (step 442). Thereafter, a difference signal (no signal) between the reset signal sampled and held and the reset signal output from the pixel 310 is AD-converted by the AD conversion unit 421 of the DCDS unit 420 (step 443).
  • the AD-converted no signal includes noise generated by the comparator 411 and the AD converter 421, and a value for canceling (offset) these noises is digitally detected. .
  • the result of this AD conversion without signal is held in the register 422 as an offset value (step 444).
  • the electrons accumulated in the photodiode 311 are transferred to the FD 322, and an accumulation signal is output from the pixel 310 (step 445).
  • a difference signal (net accumulated signal) between the sampled and held reset signal and the accumulated signal output from the pixel 310 is AD converted by the AD converting unit 421 of the DCDS unit 420 (step 446). Note that the AD conversion result includes noise generated by the comparator 411 and the AD conversion unit 421.
  • the subtracter 424 outputs a value obtained by subtracting the result of the non-signal AD conversion (first time) held in the register 422 from the value of the AD conversion result (second time) of the net accumulated signal. (Step 447). As a result, noise (offset component) caused by the comparator 411 and the AD conversion unit 421 is canceled, and the digital value (net digital value) of only the accumulated signal output from the pixel 310 is output.
  • the reference signal (REF) is near an intermediate value between the digital value of the signal (no signal) output from the pixel 310 when no photon is incident and the digital value of the signal (no signal) output from the pixel 310 when the photon is incident. (For example, “50” between “0” and “100” is a reference signal).
  • the value of the digital value output from the subtractor 424 exceeds the value of the reference signal (REF)
  • the value “1” is set as “photon incident”.
  • Signal (BINOUT) is output.
  • a signal (BINOUT) having a value of “0” is output as “no photon incidence”. That is, the image sensor 110 outputs the presence or absence of photon incidence as a digital value (0 or 1) as a binary determination result.
  • the description has been made on the assumption that binary determination (binary determination) between “with photon incidence” and “without photon incidence” has been made, but by preparing a plurality of reference signals (REF). Determination of two or more values is possible. For example, two systems of reference signals (REF) are prepared, and one system is set to an intermediate value between a digital value when the number of photons is “0” and a digital value when the number of photons is “1”. The other system is set to an intermediate value between the digital value when the number of photons is “1” and the digital value when the number of photons is “2”.
  • REF reference signals
  • the signal output from the pixel 310 is determined as a digital value by the determination circuit 113, so that it is compared with a conventional image sensor that handles analog output (1024 gradations for 10-bit data). Thus, it is almost completely unaffected by noise during transmission.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the average number of photons incident on each pixel during a unit exposure period and the count probability in the first embodiment of the present technology.
  • the photon is uniformly and randomly incident on each pixel of the image sensor 110 by the light uniformizing unit 200 on each pixel of the image sensor 110. It is assumed that photons are incident uniformly and randomly over time.
  • the average number of photons incident on each pixel within the unit exposure period (average photon number) and the probability that the incident photons are counted (determined as “1” by the determination circuit 113) (count probability)
  • count probability The relation to is in accordance with the Poisson distribution.
  • P (k) is a probability that photon incidence occurs k times (k photons are incident) in the unit pixel within the unit exposure period.
  • ⁇ is the average number of photons incident on the unit pixel (average photon number) within the unit exposure period.
  • E is the base of the natural logarithm ( ⁇ 2.718).
  • the probability P (k) of the above-described formula 1 indicates the probability that the number of incident photons is the number k of photons when the number of photons incident on each pixel during the unit exposure period is the average number of photons ⁇ . .
  • the average photon number and the count probability explain the relationship.
  • the determination circuit 113 of the image sensor 110 binaryly determines whether or not a photon is incident on a pixel.
  • the digital value output from the determination circuit 113 is “0”
  • the number of photons incident on the unit pixel is zero. That is, the probability that the digital value is “0” is “0.8105”, which is the probability of the case where the number of photons incident on the unit pixel is zero.
  • the probability that the digital value is “1” (count probability) is “0.1894”, which is the sum of the probabilities of one or more photons incident on the unit pixel.
  • the count probability “0.1894” indicates that about 10% of the incident photons are not counted (count loss). This count loss is caused by counting “1” when two or more photons are incident on a unit pixel within the unit exposure period. Therefore, the count loss increases as the average photon number ⁇ increases.
  • the average photon number ⁇ is “0.21”.
  • the relationship between the average photon number ⁇ and the count probability is such that the photons are spatially and temporally uniform. It is unique when incident randomly. That is, when the vertical axis is the axis indicating the count probability and the horizontal axis is the average number of photons incident on each pixel during the unit exposure period, the relationship between the count probability and the average photon number is represented by the solid line ( The relationship is shown by a line 451).
  • the position of the average photon number shown with a chain line shows the position (10% detection loss position) where about 10% of the incident photons are lost.
  • a count loss of about 10% is allowed and linearity can be guaranteed when the average number of photons is “0.21” or less. If this is viewed from the side of the digital output value generated by the image sensor 110, that is, if the count probability in the digital value generated by the image sensor 110 is "0.1894" or less, the illuminance and exposure conditions that can guarantee linearity It is determined that the image was taken. On the other hand, when the count probability exceeds “0.1894” (the range indicated by the compression region 453 in FIG. 6), it is determined that the count loss is large and linearity cannot be guaranteed.
  • the count value can be corrected.
  • a count probability (a ratio of pixels having a value of “1” in all pixels) is calculated based on the digital value generated by the image sensor 110, and the relationship shown in the table of FIG.
  • the average number of photons is calculated from the data shown.
  • the number of photons incident on the image sensor 110 is calculated from the calculated average number of photons.
  • the imaging plate stores an X-ray latent image transmitted through the human body.
  • the imaging plate emits light (stimulated light emission) according to the latent image of X-rays when irradiated with excitation light by a fluorescent scanner.
  • the fluorescent scanner detects the generated photostimulated luminescence, thereby acquiring an X-ray photograph with a wide dynamic range without using a film or dark room development.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating an example of the exposure operation and the read operation of the image sensor 110 according to the first embodiment of the present technology.
  • the horizontal direction is a direction indicating a time axis
  • the vertical direction is a direction indicating a row from which a signal is read (reading row address)
  • signal reading timings (reading timings 462 to 464) of the image sensor 110 are illustrated. Is schematically shown. 7A shows a period from the start to the end of exposure (unit exposure period 466) and excitation light irradiation timing (excitation light irradiation timing 467).
  • the readout timing at which light generated by excitation at the excitation light irradiation timing 467 is detected is shown by making the oblique lines indicating the read timings 462 to 464 thick bold lines.
  • the readout timing at which light generated by this excitation is detected corresponds to the readout timing 463. That is, all the accumulated signals generated by the pixels by the light generated by the excitation are read from the reading of the first row at the reading timing 463 (left end of the reading timing 463) to the reading of the last row (right end of the reading timing 463). .
  • the position of the detection target (detection spot) is moved immediately after the previous reading is completed (the right end of the reading timing 462). Then, the moved detection spot is irradiated with an excitation light pulse (excitation light irradiation timing 467).
  • excitation light irradiation timing 467 an excitation light pulse
  • photostimulated light emission occurs according to the amount of X-ray absorption (latent image) at the detection spot.
  • the generation of light (fluorescence) due to this stimulated emission attenuates in about 1 ⁇ sec. 1 microsecond is shorter than the readout period for one row of the image sensor 110. For example, when the time for one round of reading (the time from the left end to the right end of the read timing 463) is 320 ⁇ sec, 1 ⁇ sec is very short, and a large number of photons are generated almost simultaneously.
  • the photons incident on the condenser lens 102 are irradiated on the pixel array unit 300 of the image sensor 110 substantially uniformly and randomly by the light uniformizing unit 200.
  • photons are dispersed and received by the pixels 310 of 128 rows ⁇ 128 columns, and electrons are accumulated.
  • a read timing read timing 463
  • an accumulation signal corresponding to the accumulated electrons is sequentially read for each row.
  • the horizontal axis is the same time axis as in FIG. 7a, and the vertical axis is the axis indicating the number of counts (count number) of the digital value “1”. It is shown schematically. In addition, since all 64 lines (128 lines / 2) cannot be displayed, the number of lines (number of bars) is a schematic one.
  • FIG. 7 b shows a diagram that is omitted, reading out 64 times at the read timing 463 (reading 128 rows in two systems) completes the reading of all the rows, and the image sensor 110. All incident photons on the pixel array unit 300 are read out.
  • 7C and 7D show a case in which excitation light is irradiated while readout for each row is sequentially performed in the image sensor 110 (while an intermediate row is being read out).
  • FIG. 7C schematically shows the signal readout timing (readout timings 472 to 475) of the image sensor 110, as in FIG. 7a. Further, in FIG. 7d, the count number for each read row is schematically shown as in FIG. 7b. Note that the unit exposure period 476 and the excitation light irradiation timing 477 in FIG. 7C correspond to the unit exposure period 466 and the excitation light irradiation timing 467 in FIG. Further, the count readout period 479 by the stimulated light in FIG. 7D corresponds to the count readout period 469 by the stimulated light in FIG. 7B.
  • the unit exposure period shown in FIGS. 7A and 7B can be shortened by resetting the photodiode at a timing different from the readout timing. Further, this unit exposure period can be extended by providing an extra blank period that does not provide any interval between the read timing of the immediately preceding cycle and the read timing of the current cycle.
  • the unit exposure period (unit exposure period 476) in FIG. 7c indicates an exposure period (normal exposure period) that is neither shortened nor extended.
  • a unit exposure period (unit exposure period 466) in FIG. 7A indicates an extended exposure period.
  • the adjustment of the unit exposure period functions as a diaphragm for adjusting the amount of incident light with respect to light irradiation that lasts substantially uniformly over time.
  • reading operation from the image sensor 110 will be described using numerical values.
  • reading of each row is sequentially performed in a cyclic manner. As shown in FIG. 3, since two rows (two systems) are read out simultaneously, 128 rows make a round with 64 times (cycles) of reading. Since the photodiode is reset when the accumulated charge is transferred for reading, the exposure period is between reading and reading. This exposure period is also an accumulation period of photoelectrically converted charges.
  • the basic unit of the exposure period of each pixel is 320 ⁇ s (5 ⁇ s ⁇ 64 cycles) in which reading is completed. In this case, 3125 cycles (1 sec / 320 ⁇ sec (0.00032 sec)) are read out per second.
  • the photons to be detected are incident almost instantaneously, so that the temporal element is ignored and only the in-plane uniformity and randomness are guaranteed.
  • the upper limit of the number of incident photons to the pixel array unit that can guarantee linearity is indicated by the number of counts in a period in which reading from the pixels is completed (a period corresponding to reading of one frame), 3440 ( 128 ⁇ 128 ⁇ 0.21). If correction by Poisson distribution is added to this, the dynamic range is expected to be improved by an order of magnitude.
  • the data output rate from the image sensor 110 Since the image sensor 110 reads out two rows of 128 columns of pixels simultaneously, 256 (bit) binaries are output simultaneously. Since the reading of one row is 5 ⁇ s, the data output rate is 51 Mbps (256 bits / 5 ⁇ s (5 ⁇ 10 ⁇ 6 seconds)).
  • This is a general CPU (Central Even in a system using a processing unit, it is a data output rate at which data from a large number of image sensors can be simultaneously received and processed in parallel.
  • a counter is provided in the output circuit of the image sensor 110 (see the output circuit 118 in FIG. 3), and only the total value of the count is output every time the entire pixel array is read out (one frame is read out). If this is done, the output data rate will be extremely low.
  • the performance of the imaging device 110 assumed in the above description is roughly estimated with a certain margin with reference to the performance of the current general CMOS image sensor.
  • CMOS image sensor since signals from pixels are read by sequentially switching rows to be read, there is a minimum time required until the next reading. For this reason, in general light detection, a photon counter using a semiconductor imaging chip such as a CMOS image sensor has a considerably low time resolution of light detection in each pixel operation, and is greatly inferior to a photomultiplier tube.
  • the light uniformizing unit 200 causes the incidence of photons to be random and uniform, and randomly and uniformly irradiates a large number of planarly integrated pixels. . Therefore, for example, in a counter head using a photomultiplier tube, all photons incident on a single light receiving surface are photon-counted only with time resolution, whereas the photodetection device 10 shares them uniformly with a large number of pixels. To do. As a result, the light homogenization unit 200 guarantees that the incidence of photons on one pixel is very low. Thereby, the count accuracy and dynamic range of the photodetection device 10 become higher than the count accuracy and dynamic range of the photomultiplier tube.
  • the photodetection device 10 can compensate for the low time resolution with the spatial resolution of the light receiving surface in an equivalent form.
  • the photodetection device 10 includes a determination device (determination circuit 113) mounted on a semiconductor imaging chip (imaging device 110), and digitally determines the amount of incident light for each pixel. Enables counting accuracy and dynamic range to surpass photomultiplier tubes.
  • the AD conversion circuit is speeded up, three or more lines are simultaneously selected and processed in parallel, or a super-high parallel using a three-dimensional structure (for example, (See JP 2011-71958).
  • a three-dimensional structure for example, (See JP 2011-71958).
  • FIG. 8 shows an example of a detection head (detection head 101) to which the photodetection device 10 according to the first embodiment of the present technology is applied, and an example of a conventional detection head (detection head 191) to which a photomultiplier tube is applied.
  • FIG. 8 shows an example of a detection head (detection head 101) to which the photodetection device 10 according to the first embodiment of the present technology is applied, and an example of a conventional detection head (detection head 191) to which a photomultiplier tube is applied.
  • FIG. 8a shows an example of a detection head 191 to which a conventional photomultiplier tube is applied.
  • the detection head 191 includes a condenser lens 192, a pinhole 193, a photomultiplier tube 195, an AD conversion unit 197, and a data processing unit 198.
  • a detection spot 199 is shown on the left side of the condenser lens 192.
  • the condensing lens 192 and the pinhole 193 are the same as the condensing lens 102 and the pinhole 103 shown in FIG.
  • the photomultiplier tube 195 amplifies electrons generated by photoelectric conversion by avalanche and outputs the amplified result as an analog pulse.
  • the photomultiplier tube 195 requires a high voltage for accelerating the electrons in order to amplify the electrons.
  • the photomultiplier tube 195 supplies the generated analog pulse (analog signal) to the AD conversion unit 197 via the signal line 196.
  • the AD conversion unit 197 converts the analog pulse supplied from the photomultiplier tube 195 into a digital value and outputs it as a digital value for each sample section.
  • the AD conversion unit 197 supplies the digital value to the data processing unit 198.
  • the data processing unit 198 calculates the intensity of light to be detected based on the digital value supplied from the AD conversion unit 197. For example, the data processing unit 198 tabulates the digital values output from the AD conversion unit 197 for each fixed sample period, and uses the summation result as the fluorescence intensity of the detection spot 199.
  • the conventional detection head uses a photomultiplier tube.
  • Conventional detection heads are expensive because photomultiplier tubes are expensive.
  • an apparatus for supplying a high voltage is also required.
  • an AD conversion unit 197 is necessary.
  • FIG. 8b shows an example of a detection head (detection head 101) to which the light detection device 10 according to the first embodiment of the present technology is applied. Note that the detection head 101 shown in FIG. 8b is the same as that shown in FIG. 2, and thus detailed description thereof is omitted here.
  • a digital value signal (digital signal) is output from the image sensor 110. Since a digital signal is output in this way, it is less susceptible to noise than an analog signal.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure when the photodetection device 10 according to the first embodiment of the present technology performs a photon counting operation.
  • step S901 the light of the number of photons to be detected (photon count target) is incident on the light uniformizing unit 200 of the detecting unit 100 (step S901). Subsequently, the distribution of the light incident on the light homogenizer 200 is uniformized by the light homogenizer 200 (step S902). Then, the uniformized light enters the pixel array unit 300 of the image sensor 110, and then the digital determination of the number of photons incident on the pixel is performed for each pixel by the determination circuit 113 based on the accumulation signal for each pixel. (Step S903).
  • step S902 is an example of a light homogenization procedure described in the claims.
  • Step S903 is an example of a determination procedure described in the claims.
  • step S904 is an example of a calculation procedure described in the claims.
  • the light uniformizing unit 200 by providing the light uniformizing unit 200, it is possible to irradiate the pixel array unit 300 of the image sensor 110 with light having a uniform photon distribution. That is, by providing the light uniformizing unit 200, light suitable for photon counting (light having a uniform photon distribution) can be supplied to the imaging device. Thereby, according to 1st Embodiment of this technique, the precision of photon counting can be improved.
  • Second Embodiment> The first embodiment of the present technology has been described on the assumption that all of the pixels in the pixel array unit are suitable for photon counting. However, at present, it is difficult to create all pixels in a CMOS image sensor as pixels having uniform properties. For example, a pixel with a large leak current (dark current) generated even in a dark state is not suitable for photon counting.
  • FIG. 10 is a diagram schematically illustrating a relationship between the magnitude of dark current (dark current level) generated in the pixel 310 according to the second embodiment of the present technology and the number of pixels 310 (pixel existence probability). It is.
  • the horizontal axis is the axis indicating the dark current level (logarithm), and the vertical axis is the axis indicating the pixel existence probability (logarithm). (Characteristic 490) is shown.
  • dark current will be described.
  • a slight leak current (dark current) is generated even in a dark state.
  • the leak current is generated via the leak current corresponding to the size of the recombination center.
  • a leakage current is generated even when a charge leak occurs in the floating diffusion (FD 322 in FIG. 2) that is in a floating state during the read operation period.
  • These leak currents are dark counts that are counted when no photons are incident during photon counting, which causes a deterioration in detection accuracy.
  • This dark current is known to vary greatly from pixel to pixel.
  • This variation characteristic is shown in the graph shown in FIG.
  • a characteristic 490 shown in this graph indicates the number of generated pixels for each dark current level. That is, as indicated by the characteristic 490, the number of pixels (existence probability) with almost no leakage current is the largest. And the number (existence probability) decreases as the leak current increases. For example, when the degree of dark current in the image sensor 110 is an average of about 0.5 electron leaks per pixel, most of the leaks are caused by about 10% of pixels with large dark current and poor performance. ing.
  • the relationship between the image sensor 110 according to the embodiment of the present technology and a pixel having a large dark current level will be described.
  • Light (fluorescence) from the detection target is made uniform by the light uniformizing unit 200 and then irradiated to each pixel of the pixel array unit 300 of the image sensor 110. Since the light to be detected is made uniform by the light uniformizing unit 200, the arrangement (distribution state) of the pixels having a large dark current level in the pixel array unit 300 does not affect the detection result, and the pixels having the large dark current level are not affected. Only the quantity matters.
  • the count value by the pixel having a large dark current level is ignored if the ratio of the pixels having a large dark current level is 10% or less. (Disabling) makes it possible to significantly reduce the dark count. In addition, since only the count value due to the pixel having a large dark current level is ignored, the dark count can be greatly reduced without substantially deteriorating the detection range or accuracy.
  • the total number of pixels (number of effective pixels) of the pixel array unit 300 is M and the number of pixels whose dark current level is worse than a predetermined standard is N.
  • N the number of pixels whose dark current level is worse than a predetermined standard.
  • the positions of N pixels are detected, and information about the positions (mask pixel position information) is recorded in the count unit 130.
  • the count value of N pixels whose positions are recorded is invalidated (masked), and the number of received photons per frame (per exposure period) is calculated. To do. That is, the binary determination result of these pixels is set to “0”, and the count values of all the pixels in the pixel array unit 300 are summed to calculate the number of received photons per unit exposure period.
  • the ratio of the masked pixel (N) to the effective pixel number M is known, the number of received photons per unit exposure period can be corrected. This correction is performed, for example, by multiplying the total count by M / (MN).
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating an example of a detection processing procedure when the light detection device 10 according to the second embodiment of the present technology performs a mask target pixel detection operation.
  • imaging in the dark state is performed a plurality of times (for example, 1000 times), and the total count of dark counts is calculated for each pixel by adding the count results of the plurality of times of imaging for each pixel (step S911).
  • imaging is performed with an accumulation period of 33 msec at an ambient temperature of 60 ° C. (the dark current increases as the temperature increases).
  • a pixel having a total dark count greater than or equal to a specified value (threshold value) is determined as a high dark current pixel (mask target pixel), and the address information of the determined pixel is held in the count unit 130 (step S912).
  • a specified value for example, when the number of effective pixels is 128 rows ⁇ 128 columns, a memory area of about 2 kbytes is provided in the count unit 130, and pixel addresses and memory addresses are associated with each other in a one-to-one correspondence. “1” is recorded in the current pixel, and “0” is recorded in the normal pixel.
  • step S912 the detection processing procedure is finished.
  • FIG. 11 demonstrated the example which hold
  • the mask pixel position information may be prepared by the time when photon counting is executed.
  • a mask target pixel detection operation may be performed in a pre-shipment inspection of a semiconductor imaging chip (imaging device 110) and recorded in a nonvolatile memory provided in the semiconductor imaging chip.
  • the data processing unit 120 for example, the fluorescence inspection system
  • the fluorescence inspection system that processes the signal from the image sensor 110 acquires the mask pixel position information from the semiconductor imaging chip before the photon counting is performed, and the acquired Use information by copying it to internal memory.
  • a mask target pixel detection operation is performed without irradiating excitation light. Pixel position information may be generated.
  • the mask target pixel detection operation function is mounted inside the semiconductor imaging chip as one of the operation modes, the image sensor 110 acquires the address of the mask target pixel, and the acquired address is subjected to data processing. You may make it provide the function notified to a part.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure when the photon detection device 10 according to the second embodiment of the present technology performs a photon counting operation with a mask.
  • step S921 it is determined whether or not photon detection is to be executed using the image sensor 110 (step S921), and if it is determined not to be executed, the process waits until it is executed.
  • the binary determination result (digital value) of each pixel in the readout target row (target row) in the image sensor 110 can identify the pixel address.
  • the state is output for each pixel (step S922). For example, when two rows are selected in one reading, the presence or absence of photon incidence in each pixel arranged in the two rows is output as a binary data stream.
  • a pixel (determination target pixel) to be subjected to mask determination is set by the count unit 130 (step S923).
  • the mask pixel position information is referred based on the set address of the determination target pixel, and information indicating whether or not the determination target pixel is the mask target pixel is referred to by the count unit 130 (step S924). ).
  • the counting unit 130 determines whether or not the pixel is a mask target pixel (step S925). If it is determined that the pixel is a mask target pixel, the process proceeds to step S927.
  • step S926 if it is determined that the pixel is not a mask target pixel (step S926), the binary determination result (“0” or “1”) of the determination target pixel is added to the total count (photon count value per frame). If it is determined that the pixel is a mask target pixel, step S926 is skipped and the process proceeds to step S927 to perform mask processing (masking) in which the binary determination result of the mask target pixel is invalidated.
  • the counting unit 130 determines whether or not all the pixels in the target row are mask target pixels (step S927). If it is determined that determination has not been performed for all the pixels in the target row (step S927), the process returns to step S923, and a new determination target pixel is set from the pixels for which determination has not been performed.
  • step S927 if it is determined that the mask target pixel has been determined for all the pixels in the target row (step S927), whether or not the mask target pixel has been determined for all the pixel rows of the image sensor 110. Is determined by the counting unit 130 (step S928). If it is determined that the process has not been performed for all the rows (step S928), the next row is set as a read target row (step S929). Then, after step S929, the process returns to step S922, and the output of the binary determination result from the image sensor 110 and the determination of the mask target pixel are repeated. Thus, the mask target pixel is determined for the pixels of one frame, and the binary determination results of the normal pixels (pixels not to be masked) are integrated.
  • the count unit 130 corrects the total count performed according to the number of mask target pixels. (Step S931). This correction is performed, for example, by multiplying the total count by M / (MN) according to the ratio of the mask target pixel number N and the total effective pixel number M, as shown in FIG.
  • step S932 the total number of counts that have been corrected is output as a detection result of photon counting (step S932), and the processing procedure of the photon counting operation with a mask ends.
  • the accuracy of photon counting can be improved by masking a pixel having a large dark current.
  • the correction of the total number of counts has been described assuming only the correction of the total number of counts based on the number of mask target pixels.
  • the present invention is not limited to this.
  • the accuracy of the photon counting detection result can be further improved.
  • the average number of photons is obtained from the count probability (the total number of counts / the number of effective pixels).
  • the total number of counts with corrected count loss can be obtained. In this case, since the substantial decrease in the number of effective pixels due to masking has already been corrected in step S931, it can be ignored.
  • the present invention is not limited to this.
  • the processing procedure of the photon counting operation with a mask is performed in the image sensor 110. Everything is done in Even in this case, the accuracy of the photon counting detection result can be further improved by correcting the count value according to the Poisson distribution in the semiconductor imaging chip.
  • FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating an example of an image sensor (image sensor 500) including a plurality of pixel array units according to the third embodiment of the present technology.
  • FIG. 13 a top view of the image sensor 500 will be described assuming an XY axis where the vertical direction is the Y axis and the horizontal direction is the X axis.
  • imaging circuit 520 eight circuits (hereinafter referred to as imaging circuit 520) shown in the imaging device 110 in FIG. 3 are provided on a single semiconductor imaging chip (imaging device 500). Yes.
  • the image sensor 500 is provided with eight pixel array units (see the pixel array unit 300 in FIG. 3) that are driven independently.
  • the eight image pickup circuits 520 are provided with light uniformizing sections 530, respectively.
  • pads for exchanging signals with an external device are arranged at the ends of the image sensor 110 (upper side and lower side in FIG. 13).
  • power supply and synchronization signal input pads are wired so as to be shared by eight image pickup circuits 520, and digital data (bit stream of binary determination results) generated by the eight image pickup circuits 520 is supplied from independent pads. Wired to separate pads for output.
  • the eight imaging circuits 520 operate in parallel at the same time, and the photon count result is output from the output pad corresponding to each.
  • FIG. 14 is a schematic diagram illustrating an example of a module (imaging module 501) on which an imaging device (imaging device 500) including a plurality of imaging circuits is mounted.
  • FIG. 14 a cross-sectional view of the imaging module 501 will be described with the vertical direction as the Z axis and the horizontal direction as the X axis.
  • FIG. 14 shows an imaging module 501 in which the imaging element 500 is mounted using an LGA (Land Grid Array) type package. Since it is an LGA package, pads (pads 541) are arranged in a lattice pattern on the bottom surface of the package (package 540), and the pads 541 and the pads 510 of the image sensor 500 are connected to each other via lead wires. .
  • LGA Land Grid Array
  • an opening window (connector 531) is provided for each of the plurality of imaging circuits 520, and a light uniformizing unit 530 is provided between the connector 531 and the imaging circuit 520.
  • the connector 531 can be welded with an optical fiber, and the light to be detected is guided to the light uniformizing unit 530 by the optical fiber.
  • Each imaging circuit 520 of the imaging module 501 shown in FIG. 14 can be used as each detection unit of a detection head of a device that simultaneously detects a plurality of detection spots, for example.
  • each imaging circuit 520 of the imaging module 501 shown in FIG. 14 can also be used for performing parallel detection by branching light from one detection spot substantially uniformly.
  • the dynamic range of the image pickup becomes eight times.
  • the maximum number of photons that can be detected simultaneously is 131072 (128 ⁇ 128 ⁇ 8), and linear gradation output of 14 bits to 15 bits can be obtained without performing count correction using the Poisson distribution. .
  • FIG. 15 is a conceptual diagram illustrating an example of a detection head (detection head 502) to which the imaging module 501 according to the third embodiment of the present technology is applied.
  • the detection head 502 includes a condenser lens 102, a pinhole 103, a light homogenizer 560, an optical fiber 570, a light homogenizer 530, an imaging circuit 520, and an image sensor 500. Since the detection head 502 is a modification of the detection head 101 shown in FIG. 2, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted here. In FIG. 15, the package of the imaging module 501 is not illustrated, and the light uniformizing unit 530, the imaging circuit 520, and the imaging element 500 are illustrated as the imaging module 501.
  • the detection head 502 is provided with a first-stage light uniformizing unit (light uniformizing unit 560) where light from the detection spot 109 passes through the pinhole 103.
  • a plurality of optical fibers are connected to the output side of the light homogenizer 560.
  • the optical fiber 570 is connected to each of a plurality of light uniformizing units 560 provided in the imaging circuit 520.
  • the light homogenizer 560 makes the distribution of incident light (photon count target light) substantially uniform, similar to the light homogenizer 200 shown in FIG.
  • the light homogenizer 560 supplies substantially uniform light to each of the plurality of optical fibers 570 connected thereto. That is, the same number of photons are supplied to the plurality of optical fibers 570, respectively.
  • the light uniformizing unit 560 is an example of a dividing unit described in the claims.
  • the optical fiber 570 is for irradiating the imaging circuit 520 on the imaging device 500 with the light uniformized by the light uniformizing unit 560.
  • the optical fiber 570 is for irradiating the imaging circuit 520 on the imaging device 500 with the light uniformized by the light uniformizing unit 560.
  • the branched lights guided by the optical fiber 570 are substantially uniformed by the second-stage light homogenizer (light homogenizer 530), respectively, and irradiated to the corresponding imaging circuits 520, respectively.
  • the optical fiber 570 has a function of homogenizing light, it is possible to omit the light homogenizer (the light homogenizer 530) disposed in the vicinity of the imaging circuit 520.
  • the plurality of imaging circuits 520 of the detection head 502 are driven in parallel at the same time because the power supply and the synchronization signal are shared.
  • the data processing unit 120 performs mask processing, addition, and count correction described in the first and second embodiments of the present technology for each of the eight imaging circuits 520. To be done. Then, the count values of the eight imaging circuits 520 are added and summed, and the count value of incident light from the detection spot is calculated.
  • a plurality of imaging circuits can be provided on one imaging element (single semiconductor imaging chip).
  • FIG. 16 is a conceptual diagram illustrating an example of classification of image pickup circuits (image pickup elements 500) into four groups of the image pickup element (image pickup element 500) according to the fourth embodiment of the present technology.
  • the image sensor 500 is the same as that shown in FIG. In FIG. 16, four groups of the imaging circuit (imaging circuit 520) are assigned with codes (A, B, C, D) indicating the groups in the light uniformizing unit 530 provided in the imaging circuit 520. And show.
  • the eight image pickup circuits 520 are equally classified into a total of four groups (A, B, C, and D). That is, in the fourth embodiment of the present technology, two imaging circuits form one group, and the imaging circuit 520 is driven for each group.
  • FIG. 17 is a diagram schematically illustrating an example of an exposure operation and a read operation for each group of the imaging circuits 520 classified into four groups in the fourth embodiment of the present technology.
  • the signal readout timing in the explanation of FIG. 17 is referred to as the “n” -th readout timing, and the timing of reading out the previous signal is referred to as the “n ⁇ 1” -th readout timing. .
  • FIG. 17a the exposure operation and the readout operation of the imaging circuit 520 of the A group are shown with the horizontal direction as the direction indicating the time axis and the vertical direction as the direction indicating the row from which the signal is read (read row address).
  • FIG. 17A the “n ⁇ 1” -th read timing (read timing (n ⁇ 1) 621) and the “n” -th read timing (read timing (n) 622) of the imaging circuit 520 of the A group are shown.
  • FIG. 17a shows a reference exposure period (unit exposure period (reference) 624) that is neither shortened nor extended as described in FIG.
  • FIG. 17a shows a reset timing 623, which is a timing for resetting the photodiode and removing electrons accumulated in the photodiode.
  • FIG. 17b shows the exposure operation and readout operation of the image pickup circuit 520 of the B group in the same manner as FIG. 17a.
  • FIG. 17c shows the exposure operation and readout operation of the C group imaging circuit 520
  • FIG. 17b shows the exposure operation and readout operation of the D group imaging circuit 520. Note that the timings and periods shown in b to d of FIG. 17 correspond to those shown in FIG.
  • the imaging circuit 520 sets the reset timing 623 so that a period that is 1 ⁇ 4 of the length of the unit exposure period (reference) 624 becomes the exposure period, and resets the accumulation of electrons in the photodiode at this timing. That is, the accumulation of electrons in the photodiode is reset at a timing (reset timing 623) about 3/4 of the length of the unit exposure period (reference) 624 from the read timing (n-1) 621.
  • Electrons are accumulated in a period from the reset timing 623 to the readout timing (n) 622 (a quarter of the length of the unit exposure period (reference) 624), and accumulated at the readout timing (n) 622. Read out as a signal. In this manner, the imaging circuit 520 is driven so as to receive photons in an exposure period that is 1 ⁇ 4 of the reference unit exposure period.
  • the differences between the exposure operation and readout operation groups will be described.
  • the imaging circuit 520 of the A group the imaging circuits 520 of the B group to the D group are driven so that the photons accumulated in the exposure period 1 ⁇ 4 of the reference unit exposure period become an accumulation signal.
  • the timing of a quarter exposure period (referred to as a group exposure period) for receiving a photon serving as an accumulation signal differs for each group.
  • the imaging circuit 520 of the B group is driven so as to be the reset timing 633 at the same timing as the readout timing (n) 622 of the A group.
  • the read timing (n) 632 is a timing at which about 1 ⁇ 4 of the length of the unit exposure period has elapsed since the reset timing 633.
  • the imaging circuit 520 of the C group has a reset timing 643 at the same timing as the readout timing (n) 632 of the B group, and the readout timing (n is about a quarter of the unit exposure period from this timing. 642.
  • the image pickup circuit 520 of the D group has a reset timing 653 at the same timing as the C group read timing (n) 642, and the read timing (n ) 652.
  • the eight image pickup circuits 520 are driven so that the exposure periods do not overlap between the groups. This eliminates the period in which no photons are detected even though the accumulated signal is generated while accumulating photons for a time shorter than the length of the unit exposure period.
  • FIG. 18 showing a diagram in which exposure periods of four groups are arranged on the time axis.
  • FIG. 18 is a diagram schematically illustrating an example of the effect of performing the photon counting by classifying the imaging circuits 520 into four groups according to the fourth embodiment of the present technology.
  • FIG. 18 shows a diagram in which the exposure periods of the four groups (A, B, C, and D) shown in FIGS. 17A to 17D are arranged on the same time axis.
  • the exposure period of the four groups is an exposure period obtained by dividing a reference exposure period (unit exposure period (reference) 661) that is neither shortened nor extended into four equal parts.
  • the count number of photon counting is explained. Since the eight image pickup circuits 520 of the image pickup device 500 are classified into four groups as shown in FIG. 16, there are two image pickup circuits 520 belonging to one group. Therefore, when the count unit 130 calculates the number of counts in the exposure period of each group, the count unit 130 calculates the sum of the count values of the imaging circuits 520 belonging to the group, the number of imaging circuits 520 belonging to the group, and the imaging circuit 520. The number of counts is calculated with correction based on the ratio to the total number of.
  • the eight image pickup circuits 520 are divided into four groups by dividing the eight image pickup circuits 520 into four groups, the total number of the count values of the two image pickup circuits 520 belonging to the same group is quadrupled so that the count number in the exposure period Can be calculated.
  • the count number in the exposure period of the A group is calculated by multiplying the sum of the count values of the two imaging circuits 520 of the A group by four.
  • the count number in the exposure period of the B group is calculated by multiplying the sum of the two imaging circuits 520 of the B group by four.
  • this correction ensures that light is equalized in the first-stage light homogenizer (light homogenizer 560 in FIG. 15) and that approximately eight photon quantities are incident on the eight imaging circuits. Therefore, it can be performed with high accuracy.
  • the time resolution can be improved by classifying the eight imaging circuits into a plurality of groups and performing different driving for each group. That is, according to the fourth embodiment of the present technology, the accuracy of photon counting can be improved.
  • the photodetectors (imaging devices) according to the first to fourth embodiments of the present technology can be widely applied to conventional electronic devices provided with a photomultiplier tube, an avalanche photodiode, or a photodiode. it can.
  • the present invention can be applied to a fluorescence scanner for an imaging plate and a scintillation counter for radiation.
  • the present invention can also be applied to DNA chip detectors, X-ray imaging devices called DR (Digital Radiography), CT (Computed Tomography) devices, SPECT (Single Photon Emission Tomography) devices, and the like.
  • DR Digital Radiography
  • CT Computed Tomography
  • SPECT Single Photon Emission Tomography
  • FIG. 19 is a schematic diagram illustrating an example of a fluorescence scanner that detects fluorescence of a plurality of spots in parallel by applying the embodiment of the present technology.
  • FIG. 19 shows an inspection table 711, an inspection material 712, four detection modules 720, an excitation light source 713, and a data processing unit 120.
  • FIG. 19 is described assuming a fluorescent scanner in which the inspection material 712 is an imaging plate. That is, the fluorescent scanner shown in FIG. 19 is an example provided with a plurality of detection modules 720 in order to detect photostimulated luminescence from the imaging plate at high speed.
  • the detection module 720 includes an objective lens 721, an excitation light irradiation unit 722, a beam splitter 723, and a detection head 101.
  • excitation light is irradiated from the excitation light irradiation unit 722.
  • the excitation light passes through the beam splitter 723 and is incident on the objective lens 721, and is focused (condensed) in a spot shape by the objective lens 721 and irradiated onto the inspection material 712.
  • the position (focus position) where the excitation light strikes in the state of being most focused on the inspection material 712 is the detection spot shown in the first to fourth embodiments of the present technology.
  • the excitation light generates fluorescence according to the amount of the X-ray latent image.
  • the fluorescence incident on the objective lens 721 is reflected by the beam splitter 723, and then the optical path is guided so as to enter the detection head 101. Then, the detection head 101 performs photon counting of the incident fluorescence.
  • the fluorescence scanner shown in FIG. 19 four detection modules 720 are arranged, and excitation light is simultaneously irradiated to four detection spots, and fluorescence detection is performed in parallel.
  • the inspection table 711 is moved by one spot by the stepping motor, and the next detection is performed.
  • the example which supplies excitation light to the excitation light irradiation part 722 of each detection module from the same light source (excitation light source 713) was shown in FIG. 19, in addition, the light source which generates excitation light for every detection module (for example, an example in which an LED (Light Emitting Diode) is installed is also conceivable.
  • the band filter in the middle of the optical path is omitted, but the accuracy of detection is improved by setting various band filters at appropriate positions. For example, by providing a filter that limits the band of excitation light at the excitation light exit of the excitation light source 713, the probability that only target fluorescence is generated is improved.
  • a background noise can be reduced by providing a filter that transmits only the fluorescence wavelength.
  • the embodiment of the present technology is applied to a fluorescent scanner, a plurality of detection heads can be easily provided. This is because the place (image sensor 110) for detecting the light of the detection head is a CMOS image sensor, so that it can be mass-produced at a low price. That is, if the embodiment of the present technology is applied to a fluorescent scanner, the detection speed can be improved as compared with the use of an expensive photomultiplier tube.
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing an example different from FIG. 19 of the fluorescence scanner that detects the fluorescence of a plurality of spots in parallel by applying the embodiment of the present technology.
  • FIG. 20 shows an example of a fluorescent scanner that performs line scanning by applying the embodiment of the present technology.
  • the fluorescent scanner of FIG. 20 includes an inspection table 751, an inspection material 752, and a microlens array 753.
  • the fluorescent scanner includes an excitation light irradiation unit 754, an optical fiber 755, a light uniformizing unit 761, an image sensor 762, and a data processing unit 120.
  • FIG. 20a description will be made assuming a YZ axis in which the vertical direction is the Y axis and the horizontal direction is the Z axis.
  • FIG. 20b shows a diagram focusing on the microlens array 753 and the excitation light irradiation unit 754, assuming an XZ axis where the vertical direction is the X axis and the horizontal direction is the Z axis.
  • the microlenses are arranged in a line in a line (one line in the Y-axis direction of a in FIG. 20a).
  • an excitation light irradiation unit 754 is provided in parallel with the microlenses arranged in a line.
  • the excitation light irradiating unit 754 irradiates the individual light condensing positions (detection spots) of the plurality of microlenses arranged in a line of the microlens array 753 in a lump.
  • the relationship between one microlens in the microlens array 753 and the excitation light from the excitation light irradiation unit 754 is shown in FIG. 20b assuming the XZ axis.
  • the excitation light is collectively irradiated.
  • the fluorescence generated from each detection spot (corresponding to a detection pixel) is collected by the microlens of the microlens array 753.
  • the condensed fluorescence is incident on the optical fibers 755 corresponding to the respective microlenses, and the optical fibers 755 are guided to the corresponding light uniformizing units 761.
  • the light is uniformed by the light uniformizing unit 761 and the pixel array unit of the corresponding image sensor 762 is irradiated substantially uniformly.
  • the optical fiber 755 when the optical fiber 755 is an optical fiber having a light uniformizing function, the optical fiber 755 has the function of the light uniformizing unit 761.
  • the light uniformizing unit 761 can be omitted.
  • a fluorescent scanner capable of performing line scanning can be manufactured at a low price, and the detection speed can be improved.
  • FIG. 21 is a schematic diagram showing an example in which the embodiment of the present technology is applied to an X-ray scintillation detector.
  • FIG. 21 shows a scintillator 732, an optical fiber 733, a light uniformizing unit 741, and an image sensor 742.
  • X-rays X-rays 731
  • An optical fiber 733 (or a light guide) is connected to the scintillator 732 for each detection unit (detection pixel unit in the case of conventional photodiode detection).
  • the photons incident on each detection unit are guided to the optical fiber 733 and reach the light uniformizing unit 741, are substantially uniformed, and are radiated substantially uniformly onto the pixel array unit of the image sensor 742.
  • the optical fiber 733 is an optical fiber having a light uniformizing function
  • the optical fiber 733 has a function of the light uniformizing unit 741.
  • the light uniformizing unit 741 can be omitted.
  • the embodiment of the present technology can be applied to a scintillation detector.
  • a scintillation detector For example, if such a configuration is introduced into a detector of a CT apparatus, it becomes possible to detect scintillation light with a much higher sensitivity than a detector using a conventional photodiode or the like. It can contribute to low exposure. Furthermore, since a large-scale external device including an AD converter is not required, the device can be reduced in size and cost.
  • a similar configuration can be introduced for detection of gamma rays, such as SPECT and PET, which conventionally used a photomultiplier tube.
  • FIGS. 19 to 21 the example of the four imaging elements has been described.
  • the imaging module (imaging module 501) according to the third embodiment of the present technology, the size and weight can be further reduced. Furthermore, the price can be reduced.
  • the detection head in the applied electronic device for example, a fluorescence detection device
  • the detection head in the applied electronic device for example, a fluorescence detection device
  • the influence of noise on the signal can be reduced.
  • the light detection unit image pickup device
  • the light detection unit image pickup device
  • it can be manufactured extremely inexpensively. That is, high parallelization of hundreds or thousands can be easily realized. For this reason, for example, in the case of a fluorescent scanner, it is possible to secure high throughput by increasing the parallelism while reducing the detection spot size and increasing the resolution.
  • the effect is not limited only to an electronic device provided with a large number of detection heads, but the same effect can be obtained in an electronic device using a single detection head.
  • a pocket dosimeter having a small size and a light weight and an ultra-high sensitivity can be realized using an inexpensive semiconductor imaging device.
  • the accuracy of photon counting can be improved by making the light uniformized by the light uniformizing unit incident on the image sensor.
  • the embodiment of the present technology has been described assuming fluorescence detection, but the present technology is not limited to fluorescence, and the embodiment of the present technology can be applied to various apparatuses that require measurement of weak light. .
  • photon counting according to embodiments of the present technology is very effective, and high-precision photon counting can be performed inexpensively and easily.
  • man-machine interface and diabetes diagnosis by measuring the amount of reflected light by irradiating blood vessels with near-infrared light in a specific band and detecting differences in light absorption due to hemoglobin and blood sugar. Is underway.
  • the application of the present technology is also effective as a photodetector in such a field.
  • the processing procedure described in the above embodiment may be regarded as a method having a series of these procedures, and a program for causing a computer to execute these series of procedures or a recording medium storing the program. You may catch it.
  • this recording medium for example, a hard disk, CD (Compact Disc), MD (MiniDisc), DVD (Digital Versatile Disc), memory card, Blu-ray Disc (Blu-ray Disc (registered trademark)) or the like can be used.
  • this technique can also take the following structures. (1) Distribution of light incident on an image pickup device in which a plurality of pixels are arranged and whose number of photons is to be detected in a direction orthogonal to the optical axis is made substantially uniform, and the uniformized light An image pickup apparatus including a light uniformizing unit that supplies the image pickup element to the image pickup element. (2) The image pickup device performs digital determination on the number of incident photons by the supplied uniformized light to each of the plurality of pixels, and outputs a determination result value of the digital determination for each of the plurality of pixels.
  • the calculation unit uses difference correction information indicating a relationship between the number of photons actually incident on the plurality of pixels and the total value, and calculates the number of photons of the incident light based on the total value.
  • the imaging device according to (2) which is calculated.
  • the image sensor performs binary determination as the digital determination,
  • the calculation unit excludes the determination result value of the pixel having a large dark current based on pixel position information for identifying a pixel having a large dark current among the plurality of pixels, and calculates the total value.
  • the imaging device any one of (2) to (4), wherein: (6) The imaging device according to (5), wherein the calculation unit corrects the total value based on a ratio between a number of pixels from which the determination result value is excluded and a total number of the plurality of pixels.
  • the image sensor performs binary determination as the digital determination, The imaging device according to (6), wherein the calculation unit calculates the number of photons of the incident light based on the corrected total value using difference information related to a Poisson distribution or a relationship approximated to a Poisson distribution.
  • the imaging device includes a plurality of pixel arrays each driven independently, The imaging apparatus according to any one of (1) to (7), wherein the light uniformizing unit is provided in pairs for each of the plurality of pixel arrays. (9) It further comprises a dividing unit that substantially uniforms the distribution of the incident light in the orthogonal direction of the optical axis and divides the uniformed incident light into a plurality of incident lights. The imaging apparatus according to (8), wherein the light uniformizing unit supplies the plurality of incident light beams to the pair of pixel arrays.
  • the plurality of pixel arrays have the same exposure period length and start timing; Each of the plurality of pixel arrays performs digital determination on the number of incident photons by the supplied light to each of the plurality of pixels in the pixel array, and outputs a determination result value of the digital determination for each of the plurality of pixels.
  • the calculation unit further includes a calculation unit that sums the output determination result values of the plurality of pixels for each exposure period, and calculates the number of photons of the incident light in the exposure period based on the summed total value.
  • the plurality of pixel arrays are classified into a plurality of groups having different exposure period start timings, Each of the plurality of pixel arrays performs digital determination on the number of incident photons by the supplied light to each of the plurality of pixels in the pixel array, and outputs a determination result value of the digital determination for each of the plurality of pixels. Summing up the output determination result values of each of the plurality of pixels in the group unit, and based on a ratio between the number of pixel arrays belonging to the group related to the summed sum value and the total number of the plurality of pixel arrays.
  • the imaging apparatus further including a calculation unit that corrects the total value and calculates the number of photons of the incident light during the exposure period of the group based on the corrected total value.
  • Distribution of the incident light which is a target for detecting the number of photons on an image sensor in which a plurality of pixels are arranged, and which is the target for detecting the number of photons, in a direction orthogonal to the optical axis is made substantially uniform.
  • a light homogenizer for supplying the homogenized light;
  • An image sensor that performs digital determination for each of a plurality of pixels with respect to the number of incident photons by the supplied light, and outputs a determination result value of the digital determination for each of the plurality of pixels;
  • a calculation unit that sums the output determination result values of the plurality of pixels in units of frames and calculates the number of photons of the incident light during the exposure period of the frame based on the summed total value.
  • a light homogenizer that substantially uniformizes the distribution of incident light, which is a detection target of the number of photons, in a direction orthogonal to the optical axis, and supplies the uniformed light; and incident photons by the supplied light
  • a photostimulated luminescence detection scanner including a detection unit including a plurality of imaging units each including a plurality of imaging units that perform digital determination for each of a plurality of pixels and output a determination result value of the digital determination for each of the plurality of pixels.
  • the incident light that is the detection target of the number of photons to the image sensor in which a plurality of pixels are arranged and the distribution of the incident light that is the detection target of the number of photons in the direction orthogonal to the optical axis is made substantially uniform.
  • An imaging method comprising: calculating a sum of determination result values of each of the plurality of pixels in units of frames, and calculating the number of photons of the incident light during the exposure period of the frame based on the summed total value.

Abstract

　撮像装置において、フォトンカウンティングの精度を向上させることを目的とする。　撮像装置は、光均一化部を具備するものである。この撮像装置に具備される光均一化部は、撮像装置における複数の画素が配置されている撮像素子へ入射する入射光であって光子数を検出する対象となる入射光の光軸に対する直交方向への光子の分布を略均一化させる。光均一化部は、この均一化された光を、撮像装置における複数の画素が配置されている撮像素子に供給する。

Description

撮像装置、電子機器、輝尽発光検出スキャナーおよび撮像方法
　本技術は、撮像装置に関する。詳しくは、微弱光を検出する撮像素子を備える撮像装置、これを備える電子機器および撮像方法に関する。
　近年、微弱光を検出する装置が、医療現場や研究現場を中心に幅広く導入されている。このような装置では、微弱光の検出部として、比較的に値段が高い光電子増倍管が用いられることが多い。
　また、光電子増倍管の代わりに、安値で製造できるＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサを用いて微弱光を検出する装置も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０１１－９７５８１号公報
　上述の従来技術では、ＣＭＯＳイメージセンサの各画素に入射した光子数をカウント（フォトンカウンティング）することにより、微弱光を検出する。
　このように、各画素に入射した光子数を画素ごとにカウントする場合には、フォトンカウンティングに適した光を各画素に供給して、フォトンカウンティングの精度を向上させることが重要になる。
　本技術はこのような状況に鑑みて生み出されたものであり、フォトンカウンティングの精度を向上させることを目的とする。
　本技術は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第１の側面は、複数の画素が配置されている撮像素子への入射光であって光子数の検出対象となる入射光の光軸に対する直交方向への分布を略均一化させ、上記均一化された光を上記撮像素子に供給する光均一化部を具備する撮像装置である。これにより、光子数の検出対象である入射光を略均一化させ、この均一化された光を撮像素子に入射させるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記撮像素子は、上記複数の画素のそれぞれに上記供給された上記均一化された光による入射光子数についてデジタル判定を行い、上記デジタル判定の判定結果値を上記複数の画素ごとに出力し、上記出力された上記複数の画素ごとの判定結果値をフレーム単位で総和し、上記フレームの露光期間における上記入射光の光子数を上記総和された総和値に基づいて算出する算出部をさらに具備するようにしてもよい。これにより、均一化された光の入射光子数を画素ごとにデジタル判定させ、デジタル判定の判定結果値をフレーム単位で総和した総和値に基づいて入射光の光子数が算出されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記算出部は、上記複数の画素に実際に入射した光子数と上記総和値との間の関係を示す差分補正情報を用いて、上記入射光の光子数を上記総和値に基づいて算出するようにしてもよい。これにより、複数の画素に実際に入射した光子数と総和値との間の関係を示す差分補正情報を用いて、入射光の光子数が総和値に基づいて算出されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記撮像素子は、上記デジタル判定としてバイナリ判定を行い、上記算出部は、ポワソン分布またはポワソン分布に近似した関係に関する情報を上記差分補正情報として用いて上記算出を行うようにしてもよい。これにより、ポワソン分布またはポワソン分布に近似した関係に関する情報を用いて、入射光の光子数が総和値に基づいて算出されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記算出部は、上記複数の画素のうちの暗電流が大きい画素を識別するための画素位置情報に基づいて、上記暗電流が大きい画素の上記判定結果値を除外して上記総和値を算出するようにしてもよい。これにより、複数の画素のうちの暗電流が大きい画素を識別するための画素位置情報に基づいて、暗電流が大きい画素の判定結果値が除外されて総和値が算出されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記算出部は、上記判定結果値が除外された画素の個数と上記複数の画素の総数との比に基づいて上記総和値を補正するようにしてもよい。これにより、判定結果値が除外された画素の個数と複数の画素の総数との比に基づいて総和値が補正されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記撮像素子は、上記デジタル判定としてバイナリ判定を行い、上記算出部は、ポワソン分布またはポワソン分布に近似した関係に関する差分情報を用いて、上記入射光の光子数を上記補正された総和値に基づいて算出するようにしてもよい。これにより、判定結果値が除外された画素の個数と複数の画素の総数との比に基づいて補正された総和値を、さらに差分情報を用いて補正して光子数が算出されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記撮像素子は、それぞれが独立して駆動される画素アレイを複数備え、上記光均一化部は、上記複数の画素アレイのそれぞれに対して一対ずつ設けられるようにしてもよい。これにより、光均一化部と画素アレイとが一対ずつ設けられた撮像単位が撮像素子に複数設けられるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記入射光の光軸の直交方向への分布を略均一化し、上記均一化された入射光を複数の入射光に分割する分割部をさらに具備し、上記光均一化部は、上記複数に分割された入射光を上記一対となる画素アレイに供給するようにしてもよい。これにより、均一化された入射光が分割されて、分割された光が光均一化部と画素アレイとが一対ずつ設けられた撮像単位にそれぞれ供給されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記複数の画素アレイは、露光期間の長さおよび開始タイミングが同一であり、上記複数の画素アレイそれぞれは、当該画素アレイにおける複数の画素それぞれへの上記供給された光による入射光子数についてデジタル判定を行い、上記デジタル判定の判定結果値を上記複数の画素ごとに出力し、上記出力された上記複数の画素それぞれの判定結果値を上記露光期間単位で総和し、上記露光期間における上記入射光の光子数を上記総和された総和値に基づいて算出する算出部をさらに具備するようにしてもよい。これにより、光均一化部と画素アレイとが一対ずつ設けられた複数の撮像単位が同一タイミングで駆動され、複数の撮像単位における総和値を総和した値が、露光期間における総和値として算出されるという作用をもたらす。
　また、この第１の側面において、上記複数の画素アレイは、露光期間の開始タイミングが異なる複数のグループに分類され、上記複数の画素アレイそれぞれは、当該画素アレイにおける複数の画素それぞれへの上記供給された光による入射光子数についてデジタル判定を行い、上記デジタル判定の判定結果値を上記複数の画素ごとに出力し、上記出力された上記複数の画素それぞれの判定結果値を上記グループ単位で総和し、上記総和した総和値に係るグループに属する画素アレイの数と上記複数の画素アレイの総数との比に基づいて上記総和値を補正し、上記グループの露光期間における上記入射光の光子数を、上記補正された総和値に基づいて算出する算出部をさらに具備するようにしてもよい。これにより、複数の撮像単位を複数のグループに分類し、グループに属する撮像単位により生成された総和値に基づいてグループごとの露光期間における総和値が算出されるという作用をもたらす。
　また、本技術の第２の側面は、複数の画素が配置されている撮像素子への光子数の検出対象である入射光であって光子数の検出対象となる入射光の光軸に対する直交方向への分布を略均一化させ、上記均一化された光を供給する光均一化部と、上記供給された光による入射光子数について複数の画素それぞれについてデジタル判定を行い、上記デジタル判定の判定結果値を上記複数の画素ごとに出力する撮像素子と、上記出力された上記複数の画素それぞれの判定結果値をフレーム単位で総和し、上記フレームの露光期間における上記入射光の光子数を上記総和された総和値に基づいて算出する算出部とを具備する電子機器である。これにより、光子数の検出対象である入射光を略均一化させて撮像素子に入射させ、この均一化させた光に基づいてフォトンカウンティングを行わせるという作用をもたらす。
　また、本技術の第３の側面は、光子数の検出対象となる入射光の光軸に対する直交方向への分布を略均一化させ、上記均一化された光を供給する光均一化部と、上記供給された光による入射光子数について複数の画素それぞれについてデジタル判定を行い、上記デジタル判定の判定結果値を上記複数の画素ごとに出力する撮像素子とを備える撮像部を複数備える検出部を具備する輝尽発光検出スキャナーである。これにより、光子数の検出対象である入射光を略均一化させて撮像素子に入射させ、この均一化させた光に基づいてフォトンカウンティングを行わせるという作用をもたらす。
　また、本技術の第４の側面は、複数の画素が配置されている撮像素子への光子数の検出対象である入射光であって光子数の検出対象となる入射光の光軸に対する直交方向への分布を略均一化させ、上記均一化された光を上記撮像素子に供給する光均一化手順と、上記複数の画素それぞれへの上記供給された光による入射光子数について上記複数の画素ごとにデジタル判定を行う判定手順と、上記複数の画素それぞれの判定結果値をフレーム単位で総和し、上記フレームの露光期間における上記入射光の光子数を上記総和された総和値に基づいて算出する算出手順とを具備する撮像方法である。これにより、光子数の検出対象である入射光を略均一化させて撮像素子に入射させ、この均一化させた光により受光した光子の数を画素ごとにデジタル判定させ、この判定の判定結果値フレーム単位で総和し、総和された総和値に基づいて入射光の光子数を算出させるという作用をもたらす。
　本技術によれば、フォトンカウンティングの精度を向上させることができるという優れた効果を奏し得る。
本技術の第１の実施の形態における光検出装置１０に関する機能構成の一例を示すブロック図である。 本技術の第１の実施の形態における光検出装置１０を適用した検出ヘッド（検出ヘッド１０１）の一例を示す概念図である。 本技術の第１の実施の形態の撮像素子１１０の基本構成例の一例を示す概念図である。 本技術の第１の実施の形態の画素３１０の回路構成の一例を示す模式図である。 本技術の第１の実施の形態の判定回路１１３の機能構成例の一例および判定回路１１３の動作例の一例を示す概念図である。 本技術の第１の実施の形態において、単位露光期間に各画素に入射する光子の平均数とカウント確率との関係を示すグラフである。 本技術の第１の実施の形態の撮像素子１１０の露光動作および読み出し動作の一例を模式的に示す図である。 本技術の第１の実施の形態の光検出装置１０を適用した検出ヘッド（検出ヘッド１０１）の一例と、光電子増倍管を適用した従来の検出ヘッド（検出ヘッド１９１）の一例とを模式的に示す図である。 本技術の第１の実施の形態の光検出装置１０がフォトンカウンティング動作を行う際の処理手順の一例を示すフローチャートである。 本技術の第２の実施の形態の画素３１０において発生する暗電流の大きさ（暗電流レベル）と、画素３１０の数（画素の存在確率）との関係を模式的に示す図である。 本技術の第２の実施の形態の光検出装置１０がマスク対象画素検出動作を行う際の検出処理手順の一例を示すフローチャートである。 本技術の第２の実施の形態の光検出装置１０がマスク付き光子カウント動作を行う際の処理手順の一例を示すフローチャートである。 本技術の第３の実施の形態における画素アレイ部を複数備える撮像素子（撮像素子５００）の一例を示す概念図である。 撮像回路を複数備える撮像素子（撮像素子５００）を実装したモジュール（撮像モジュール５０１）の一例を示す模式図である。 本技術の第３の実施の形態における撮像モジュール５０１を適用した検出ヘッド（検出ヘッド５０２）の一例を示す概念図である。 本技術の第４の実施の形態における撮像素子（撮像素子５００）の撮像回路の４個のグループへの分類の一例を示す概念図である。 本技術の第４の実施の形態において４個のグループに分類された撮像回路５２０のグループごとの露光動作および読み出し動作の一例を模式的に示す図である。 本技術の第４の実施の形態において４個のグループに撮像回路５２０を分類してフォトンカウンティングを行うことの効果の一例を模式的に示す図である。 本技術の実施の形態を適用して複数スポットの蛍光を並列に検出する蛍光スキャナーの一例を示す模式図である。 本技術の実施の形態を適用して複数スポットの蛍光を並列に検出する蛍光スキャナーの図１９とは異なる一例を示す模式図である。 本技術の実施の形態をＸ線のシンチレーション検出器に適用した一例を示す模式図である。
　以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）について説明する。説明は以下の順序により行う。
　１．第１の実施の形態（撮像制御：光均一化部により入射光を均一化させてフォトンカウンティングを行う例）
　２．第２の実施の形態（撮像制御：暗電流が大きい画素をマスクしてフォトンカウンティングを行う例）
　３．第３の実施の形態（撮像制御：複数の画素アレイ部が１個の撮像素子に設けられる例）
　４．第４の実施の形態（撮像制御：複数の画素アレイ部をグループ分けし、グループごとに異なる露光動作を行う例）
　５．本技術の適用例
　＜１．第１の実施の形態＞
　［光検出装置の機能構成例］
　図１は、本技術の第１の実施の形態における光検出装置１０に関する機能構成の一例を示すブロック図である。
　光検出装置１０は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサを用いてフォトン（光子）カウントを行う撮像装置であり、検出部１００と、データ処理部１２０とを備える。
　検出部１００は、検出部１００に入射した光をデジタルの信号に変えるものであり、光均一化部２００と、撮像素子１１０とを備える。
　光均一化部２００は、検出部１００に入射した光（フォトンカウント対象光）の分布を略均一させて、略均一化させたフォトンカウント対象光を撮像素子１１０の画素アレイに照射するものである。すなわち、光均一化部２００は、入射面（撮像素子１１０の光軸に対して直交方向）に不均一な分布で入射したフォトンカウント対象光を、撮像素子１１０の画素アレイの各画素に同じ数ずつ入射するように分配する役割を果たす。
　光均一化部２００は、例えば、反射を用いたカライドスコープ、小型レンズを敷き詰めたフライレンズ等のインテグレートレンズ、回折を用いた回折光学素子（ＤＯＥ）、ガラスや樹脂に光を散乱させる微粒子やドットを添加した光散乱材等により実現される。また、光均一化機能を備えた光ファイバーや、複数の光均一化機能を備えた光ファイバーを束ねたライトガイドなどによっても実現することもできる。なお、光均一化部２００により光を均一化させる理由については、図６を参照して説明するため、ここでの説明を省略する。
　撮像素子１１０は、入射光を電気信号に光電変換して画像信号を生成するものであり、画素がアレイ状に配置されている。撮像素子１１０は、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサにより実現される。なお、撮像素子１１０については、図３乃至図５を参照して説明するため、ここでの説明を省略する。撮像素子１１０では、各画素への光子入射の有無が撮像素子内でバイナリ判定される。撮像素子１１０は、バイナリ判定の結果を示すデータ（デジタルデータ）を、データ処理部１２０に供給する。
　データ処理部１２０は、撮像素子１１０から供給されたデータ（デジタルデータ）に基づいて、フォトンカウント対象光の強度（カウント値）を算出するものである。このデータ処理部１２０は、カウント部１３０と、記録部１４０とを備える。
　カウント部１３０は、撮像素子１１０から供給されたデータに基づいて、１フレーム当たりのフォトンカウント対象光の強度（カウント値）を算出するものである。このカウント部１３０は、例えば、全ての画素のデジタルデータの値（０か１）を、加算することにより、１フレーム当たりのカウント値を算出する。このカウント部１３０は、算出したカウント値を記録部１４０に供給し、カウント値を記録部１４０に記録させる。なお、カウント部１３０は、請求の範囲に記載の算出部の一例である。
　なお、カウント部１３０に暗電流が強い画素の位置情報（アドレス情報）を保持させれば、暗電流が強い画素のマスク処理および暗電流が強い画素に関するカウント値の補正処理を行うことができる。なお、暗電流が強い画素のマスク処理および暗電流が強い画素に関するカウント値の補正処理を行う例については本技術の第２の実施の形態において説明するため、本技術の第１の実施の形態では暗電流を考慮しない例について説明する。
　記録部１４０は、カウント部１３０から供給されたカウント値を記録するものである。
　次に、光検出装置１０の適用の一例として、蛍光検出器の検出ヘッドの模式図を、図２において説明する。
　［検出ヘッドの構成例］
　図２は、本技術の第１の実施の形態における光検出装置１０を適用した検出ヘッド（検出ヘッド１０１）の一例を示す概念図である。
　検出ヘッド１０１は、検出対象スポット（検出スポット１０９）が発した光（ここでは、蛍光を想定して説明する）を受光して光の強度を測定するものであり、集光レンズ１０２と、ピンホール１０３と、光均一化部２００と、撮像素子１１０とを備える。なお、図２では、撮像素子１１０が出力したデジタルデータが、信号線１０４を介してデータ処理部１２０に供給されている。図２において示す光均一化部２００、撮像素子１１０およびデータ処理部１２０は、図１において説明したため、ここでの説明を省略する。
　なお、蛍光の励起光に関する構成については、説明の便宜上、図示を省略し、検出ヘッド１０１に着目して説明する。また、励起光は遮光されて蛍光のみがピンホール１０３を通過するように、帯域フィルターやカットオフフィルターが光路上に配置されるが、それらについても省略する。
　集光レンズ１０２は、光を集光するものであり、検出スポット１０９が発した蛍光のうち集光レンズ１０２の入射面に入射した光をピンホール（ピンホール１０３）に集光する。
　ピンホール１０３は、検出対象スポットで発せられて集光レンズ１０２を通過した蛍光が再び集光する位置に設けられたホールである。合焦位置（検出対象スポット）以外において発生した蛍光はピンホール１０３に集光しないため、合焦位置以外において発生した蛍光の大部分はピンホール１０３を形作る遮光部材において遮光される。これにより、合焦位置以外において発生した蛍光の光均一化部２００への入射が妨げられる。すなわち、ピンホール１０３は、合焦位置以外（検出スポット１０９以外）で発せられた蛍光の光均一化部２００への入射を減少させて、バックグラウンドノイズを低減させる。
　図２に示すように、検出ヘッド１０１では、ピンホール１０３を通過してきた蛍光が光均一化部２００へ入射し、そして、光均一化部２００により均一化された光が撮像素子１１０へ入射する。従来の検出ヘッドではピンホール１０３を通過した蛍光を光電子増倍管（ＰＭＴ:PhotoMultiplier Tube）で検出していたが（図８のａ参照）、本技術の実施の形態では、光電子増倍管の代わりに、光均一化部２００および撮像素子１１０が設けられる。
　例えば、蛍光スキャナーにおいては、この図２に示すような検出ヘッド１０１および励起光源を被写体に対して相対的にステップ移動させることにより、広域な検査領域の蛍光強度分布を検出することができる。
　次に、撮像素子１１０の構成例について、図３乃至図５を参照して説明する。
　［撮像素子の構成例］
　図３は、本技術の第１の実施の形態の撮像素子１１０の基本構成例の一例を示す概念図である。
　なお、図３では、読み出しを高速化するために、２個の垂直制御回路で駆動（制御）することを想定して説明する。
　撮像素子１１０は、画素アレイ部３００と、第１垂直駆動回路１１２と、判定回路１１３と、レジスタ１１４と、第２垂直駆動回路１１５と、出力回路１１８とを備える。なお、第２垂直駆動回路１１５により駆動される画素の信号を処理するための判定回路およびレジスタは、第１垂直駆動回路１１２により駆動される画素の信号を処理するための判定回路（判定回路１１３）およびレジスタ（レジスタ１１４）と同様のものであるため、説明を省略する。
　画素アレイ部３００は、２次元マトリックス状（ｎ×ｍ）に配置された複数の画素（画素３１０）を備える。なお、本技術の第１の実施の形態では、１２８行×１２８列の画素３１０が画素アレイ部３００に配置されていることを想定する。図３に示す画素アレイ部３００には、１２８行×１２８列の画素３１０の一部が示されている。画素アレイ部３００に配置されている画素３１０のうちの半分の画素（図３の画素アレイ部３００の上半分に位置する画素）は、第１垂直駆動回路１１２から制御線（制御線３３０）が行単位に配線される。一方、もう半分の画素（図３の画素アレイ部３００の下半分に位置する画素）は、第２垂直駆動回路１１５から制御線が行単位に配線される。なお、画素３１０の回路構成については、図４を参照して説明するため、ここでの説明を省略する。
　また、画素３１０には、列単位で垂直信号線（垂直信号線３４１）が配線される。この垂直信号線３４１は、画素３１０が接続される垂直駆動回路ごとに別々の線が配線される。第１垂直駆動回路１１２から制御線３３０が配線される画素に接続される垂直信号線３４１は、画素アレイ部３００の上辺に面する判定回路１１３に接続される。また、第２垂直駆動回路１１５から制御線３３０が配線される画素に接続される垂直信号線３４１は、画素アレイ部３００の下辺に面する判定回路１１３に接続される。
　第１垂直駆動回路１１２は、制御線３３０を介して画素３１０に信号を供給し、順次垂直方向（列方向）に行単位で画素３１０を選択走査するものである。第１垂直駆動回路１１２により行単位で選択走査が行われることにより、行単位により画素３１０から信号が出力される。なお、制御線３３０には、画素リセット線３３１および電荷転送線３３２が含まれる。画素リセット線３３１および電荷転送線３３２については、図４を参照して説明するため、ここでの説明を省略する。
　また、第２垂直駆動回路１１５については、制御対象の画素３１０が第１垂直駆動回路１１２と異なる以外は同様であるため、ここでの説明を省略する。第１垂直駆動回路１１２および第２垂直駆動回路１１５により画素３１０を駆動することにより、略同時に２行が選択走査され、略同時に２行から読み出しが行われる。
　判定回路１１３は、画素３１０から供給された出力信号に基づいて、画素３１０への光子の入射の有無を判定（バイナリ判定）するものである。この判定回路１１３は、垂直信号線３４１ごとに備えられる。すなわち、画素アレイ部３００の上辺に面した位置には、第１垂直駆動回路１１２が駆動する画素（６４行×１２８列）に配線される１２８本の垂直信号線３４１にそれぞれ接続される１２８個の判定回路１１３が備えられる。また、画素アレイ部３００の下辺に面した位置には、第２垂直駆動回路１１５が駆動する画素（６４行×１２８列）に配線される１２８本の垂直信号線３４１にそれぞれ接続される１２８個の判定回路１１３が備えられる。
　判定回路１１３は、判定結果を、判定回路１１３ごとに接続されているレジスタ１１４に供給する。
　レジスタ１１４は、判定回路１１３ごとに備えられ、判定回路１１３から供給された判定結果を一時的に保持するものである。このレジスタ１１４は、画素の次の行の信号が読み出されている期間（読み出し期間）に、保持する判定結果を出力回路１１８に順番に出力する。
　出力回路１１８は、撮像素子１１０が生成した信号を外部の回路に出力するものである。
　次に、画素３１０の回路構成の一例について、図４を参照して説明する。
　［画素の回路構成例］
　図４は、本技術の第１の実施の形態の画素３１０の回路構成の一例を示す模式図である。
　画素３１０は、光電変換を行うことによって、入射光である光信号を電気信号に変換するものである。画素３１０は、その変換された電気信号を増幅して、画素信号として出力する。この画素３１０は、例えば、浮遊拡散層（フローティングディフュージョン：ＦＤ：Floating-Diffusion）を有するＦＤアンプにより電気信号を増幅する。
　画素３１０は、フォトダイオード３１１と、転送トランジスタ３１２と、リセットトランジスタ３１３と、アンプトランジスタ３１４とを備える。
　画素３１０において、フォトダイオード３１１は、そのアノード端子が接地され、カソード端子が転送トランジスタ３１２のソース端子に接続される。また、転送トランジスタ３１２は、そのゲート端子が電荷転送線３３２に接続され、そのドレイン端子がフローティングディフュージョン（ＦＤ３２２）を介してリセットトランジスタ３１３のソース端子とアンプトランジスタ３１４のゲート端子とに接続される。
　また、リセットトランジスタ３１３は、そのゲート端子が画素リセット線３３１に接続され、そのドレイン端子が電源線３２３とアンプトランジスタ３１４のドレイン端子とに接続される。また、アンプトランジスタ３１４のソース端子が垂直信号線３４１に接続される。
　フォトダイオード３１１は、光の強度に応じて電荷を発生させる光電変換素子である。このフォトダイオード３１１では、フォトダイオード３１１に入射した光子により電子とホールのペアが発生し、この発生された電子が蓄積される。
　転送トランジスタ３１２は、垂直駆動回路（第１垂直駆動回路１１２または第２垂直駆動回路１１５）からの信号（パルス）に従って、フォトダイオード３１１において発生した電子をＦＤ３２２に転送するものである。この転送トランジスタ３１２は、例えば、そのゲート端子に供給される電荷転送線３３２からの信号（パルス）がゲート端子に供給されると導通状態となり、フォトダイオード３１１において発生した電子をＦＤ３２２に転送する。
　リセットトランジスタ３１３は、垂直駆動回路（第１垂直駆動回路１１２または第２垂直駆動回路１１５）から供給される信号（リセットパルス）に従って、ＦＤ３２２の電位をリセットするためのものである。リセットトランジスタ３１３は、画素リセット線３３１を介してリセットパルスがゲート端子に供給されると導通状態となり、ＦＤ３２２から電源線３２３に電流が流れる。これにより、フローティングディフュージョン（ＦＤ３２２）に蓄積された電子が電源へ引き抜かれ、フローティングディフュージョンがリセットされる（以降では、この時の電位をリセット電位と称する）。なお、フォトダイオード３１１をリセットする場合には、転送トランジスタ３１２とリセットトランジスタ３１３とが同時に導通状態とされる。これによりフォトダイオード３１１に蓄積された電子が電源へ引き抜かれ、光子が未入射の状態（暗状態）にリセットされる。なお、電源線３２３に流れる電位（電源）は、リセットやソースフォロアに使用される電源であり、例えば、３Ｖが供給されている。
　アンプトランジスタ３１４は、フローティングディフュージョン（ＦＤ３２２）の電位を増幅して、その増幅された電位に応じた信号（出力信号）を垂直信号線３４１に出力するものである。このアンプトランジスタ３１４は、フローティングディフュージョン（ＦＤ３２２）の電位がリセットされている状態の場合（リセット電位の場合）には、このリセット電位に応じた出力信号（以降では、リセット信号と称する）を、垂直信号線３４１に出力する。また、アンプトランジスタ３１４は、フォトダイオード３１１が蓄積した電子がＦＤ３２２に転送されている場合には、この転送された電子の量に応じた出力信号（以降では、蓄積信号と称する）を、垂直信号線３４１に出力する。
　なお、図４において示したような画素の基本回路や動作機構は通常の画素と同様であり、他にもさまざまなバリエーションが考えられる。しかしながら、本技術で想定する画素は、従来の画素に比べ、変換効率が著しく高くなるように設計される。その為には、ソースフォロアを構成するアンプ（アンプトランジスタ３１４）のゲート端子の寄生容量（ＦＤ３２２の寄生容量）が、実効的に極限まで小さくなるように画素を設計する。この設計は、例えば、レイアウトを工夫する手法や、ソースフォロアの出力を画素内の回路にフィードバックする手法（例えば、特開平５－６３４６８、特開２０１１－１１９４４１を参照）により行うことができる。
　このように寄生容量を小さくして、ＦＤ３２２に蓄積された電子が少数であっても、十分大きな出力信号が垂直信号線３４１へ出力されるように工夫する。この出力信号の大きさは、アンプトランジスタ３１４のランダムノイズより十分大きければよい。１光子がＦＤ３２２に蓄積された時の出力信号がアンプトランジスタ３１４のランダムノイズより十分大きな状態になれば、画素からの信号は量子化され、画素の蓄積光子数をデジタル信号として検出できるようになる。
　例えば、アンプトランジスタ３１４のランダムノイズが５０μＶ～１００μＶぐらいであり、出力信号の変換効率が６００μＶ／ｅ－ぐらいに引き上げられた場合には、出力信号はランダムノイズより十分大きいため、原理的に１光子の検出が可能である。
　なお、単位露光期間中の光子入射の有無をバイナリ判定し、その結果をデジタル出力するとすれば、アンプトランジスタ３１４による出力信号の出力以降のノイズを実質上ゼロにすることができる。例えば、１２８行×１２８列の画素アレイについてバイナリ判定を実施する場合には、最大１６，３８４個（１２８×１２８）の光子までをフォトンカウンティングすることが可能である。
　なお、図４では、寄生容量が実効的に極限まで小さくなるように画素を設計して１光子が検出可能な画素の例について説明したが、これに限定されるものではない。他に、光電変換で得られた電子を画素内で増幅する画素によっても同様に実施することができる。例えば、画素内のフォトダイオードとアンプトランジスタのゲート端子との間に複数段のＣＣＤ増倍転送素子が埋め込まれた画素が考えられる（例えば、特開２００８－３５０１５を参照）。この画素では、光電変換された電子が画素内で１０倍程度に増倍される。このように、画素内で電子を像倍することによっても１光子検出は可能であり、このような画素を配置した撮像素子を撮像素子１１０として用いることもできる。
　次に、画素３１０から供給された出力信号に基づいて光子の画素３１０への入射の有無を判定する判定回路１１３について図５を参照して説明する。
　［判定回路１１３の構成例］
　図５は、本技術の第１の実施の形態の判定回路１１３の機能構成例の一例および判定回路１１３の動作例の一例を示す概念図である。
　図５のａでは、判定回路１１３の機能構成として、ＡＣＤＳ（Analog Correlated Double Sampling；アナログ相関２重サンプリング）部４１０と、ＤＣＤＳ（Digital CDS；デジタル相関２重サンプリング）部４２０と、バイナリ判定部４３０とが示されている。
　また、図５のａでは、判定回路１１３に接続される垂直信号線３４１と、この垂直信号線３４１に接続される画素３１０の一部と、画素アレイ部３００とを判定回路１１３の機能構成と一緒に示す。
　ＡＣＤＳ部４１０は、アナログＣＤＳによりノイズ除去を行うものであり、スイッチ４１２と、キャパシタ４１３と、比較器４１１とを備える。
　スイッチ４１２は、比較器４１１に基準電圧を入力する入力端子と、比較器４１１に比較対象の信号を入力する入力端子とのいずれかに垂直信号線３４１を接続するためのスイッチである。このスイッチ４１２は、画素３１０のリセット信号をサンプルホールドさせる場合には、基準電圧を入力する入力端子（キャパシタ４１３が接続されている左側の端子）に垂直信号線３４１を接続する。また、スイッチ４１２は、アナログＣＤＳの結果を比較器４１１が出力する場合には、比較対象の信号を入力する入力端子（キャパシタが無い右側の端子）に垂直信号線３４１を接続する。
　キャパシタ４１３は、画素３１０のリセット信号をサンプルホールドするための保持容量である。
　比較器４１１は、サンプルホールドした信号と、比較対象の信号との差分を出力するものである。すなわち、比較器４１１は、サンプルホールドされたリセット信号と、垂直信号線３４１から供給された信号（蓄積信号またはリセット信号）との差分を出力する。すなわち、比較器４１１は、ｋＴＣノイズなどの画素３１０において生じたノイズが除去された信号を出力する。比較器４１１は、例えば、ゲイン１のオペアンプにより実現される。比較器４１１は、差分の信号を、ＤＣＤＳ部４２０に供給する。なお、ここでは、リセット信号とリセット信号との差分の信号を無信号と称し、リセット信号と蓄積信号との差分の信号を正味の蓄積信号と称する。
　ＤＣＤＳ部４２０は、デジタルＣＤＳによりノイズ除去を行うものであり、ＡＤ（Analog Digital）変換部４２１と、レジスタ４２２と、スイッチ４２３と、減算器４２４とを備える。
　ＡＤ変換部４２１は、比較器４１１から供給された信号をＡＤ変換するものである。
　スイッチ４２３は、ＡＤ変換部４２１が生成したＡＤ変換後の信号の供給先を切り替えるスイッチである。スイッチ４２３は、ＡＤ変換部４２１が無信号のＡＤ変換の結果（デジタルの無信号）を出力した場合には、この信号をレジスタ４２２に供給し、レジスタ４２２にラッチ（保持）させる。これにより、ＡＤ変換部４２１のオフセットの値がレジスタ４２２に保持される。また、スイッチ４２３は、ＡＤ変換部４２１が正味の蓄積信号のＡＤ変換の結果（デジタルの正味の蓄積信号）を出力した場合には、この信号を減算器４２４に供給する。
　レジスタ４２２は、無信号のＡＤ変換の結果を保持するものである。レジスタ４２２は、保持する無信号のＡＤ変換の結果（デジタルの無信号）を減算器４２４に供給する。
　減算器４２４は、デジタルの正味の蓄積信号の値からデジタルの無信号の値を減算するものである。減算器４２４は、減算した結果（正味のデジタル値）を、バイナリ判定部４３０に供給する。
　バイナリ判定部４３０は、バイナリ判定（デジタル判定）を行うものである。このバイナリ判定部４３０は、減算器４２４の出力（正味のデジタル値）と、参照信号（ＲＥＦ）とを比較して、画素３１０への光子の入射の有無をバイナリ判定し、その判定結果（図５では「ＢＩＮＯＵＴ」と示す）を出力する。
　ここで、１個の画素３１０における光子の入射の有無をバイナリ判定する場合の判定回路１１３の動作について図５のｂを参照して説明する。
　図５のｂでは、判定回路１１３の動作例の一例を示すフローチャートが示されている。なお、図５のｂで示すフローチャートの各手順の枠は、図５のａにおいて示した各構成を囲む枠と対応する。すなわち、２重の枠で示す手順は画素３１０の手順を示し、長い線の破線の枠で示す手順はＡＣＤＳ部４１０の手順を示し、短い線の破線の枠で示す手順はＤＣＤＳ部４２０の手順を示し、太い実線の枠で示す手順はバイナリ判定部４３０の手順を示す。なお、説明の便宜上、ＡＣＤＳ部４１０によるＡＣＤＳ処理については、図示を省略し、ＤＣＤＳ部４２０がＡＤ変換を行う際の手順で一緒に説明する。
　まず、選択された行の画素（画素３１０）において、アンプトランジスタ３１４のゲート端子の電位（ＦＤ３２２の電位）がリセットされ、垂直信号線３４１にリセット信号が出力される（ステップ４４１）。
　続いて、画素３１０から出力されたリセット信号が、ＡＣＤＳ部４１０のキャパシタ４１３によってサンプルホールドされる（ステップ４４２）。その後、サンプルホールドされたリセット信号と、画素３１０から出力されたリセット信号との差分の信号（無信号）が、ＤＣＤＳ部４２０のＡＤ変換部４２１によりＡＤ変換される（ステップ４４３）。なお、このＡＤ変換された無信号には、比較器４１１やＡＤ変換部４２１によって発生するノイズが含まれており、これらのノイズを相殺（オフセット）するための値がデジタル検出されたものである。そして、この無信号のＡＤ変換の結果が、オフセット値としてレジスタ４２２に保持される（ステップ４４４）。
　続いて、画素３１０において、フォトダイオード３１１が蓄積した電子がＦＤ３２２に転送され、画素３１０から蓄積信号が出力される（ステップ４４５）。その後、サンプルホールドされたリセット信号と、画素３１０から出力された蓄積信号との差分の信号（正味の蓄積信号）が、ＤＣＤＳ部４２０のＡＤ変換部４２１によりＡＤ変換される（ステップ４４６）。なお、このＡＤ変換の結果には、比較器４１１やＡＤ変換部４２１によって発生するノイズが含まれている。
　そして、減算器４２４によって、正味の蓄積信号のＡＤ変換の結果（２回目）の値から、レジスタ４２２に保持された無信号のＡＤ変換の結果（１回目）の値が差し引かれた値が出力される（ステップ４４７）。これにより、比較器４１１やＡＤ変換部４２１に起因するノイズ（オフセット成分）がキャンセルされ、画素３１０が出力した蓄積信号のみのデジタル値（正味のデジタル値）が出力される。
　その後、減算器４２４から出力された正味のデジタル値と、参照信号（ＲＥＦ）とが、バイナリ判定部４３０によって比較される（ステップ４４８）。参照信号（ＲＥＦ）は、光子入射なしの時に画素３１０が出力する信号（無信号）のデジタル値と、光子入射ありの時に画素３１０が出力する信号（無信号）のデジタル値との中間値付近の値が設定される（例えば、「０」と「１００」の中間の「５０」が参照信号）。減算器４２４が出力したデジタル値（画素３１０が出力した蓄積信号のみのデジタル値）の値が参照信号（ＲＥＦ）の値を超えている場合には、「光子入射あり」として「１」の値の信号（ＢＩＮＯＵＴ）が出力される。一方、減算器４２４が出力したデジタル値の値が参照信号（ＲＥＦ）の値を超えていない場合には、「光子入射なし」として「０」の値の信号（ＢＩＮＯＵＴ）が出力される。すなわち、撮像素子１１０からは、光子入射の有無がバイナリ判定結果のデジタル値（０か１）として出力される。
　なお、図５では、「光子入射あり」と「光子入射なし」との２値判定（バイナリ判定）をすることを前提にして説明したが、複数系統の参照信号（ＲＥＦ）を用意することにより、２値以上の判定が可能となる。例えば、参照信号（ＲＥＦ）を２系統用意し、１系統を、光子数が「０」の時のデジタル値と、光子数が「１」の時のデジタル値との中間値にする。また、もう１系統を、光子数が「１」の時のデジタル値と、光子数が「２」の時のデジタル値との中間値にする。これにより、光子数が「０」、「１」、「２」の３つの判定が可能となり、撮像のダイナミックレンジが向上する。なお、このような多値判定は、画素ごとの変換効率のばらつき等による影響が大きくなるため、２値判定の製造より高い精度で製造を行う必要がある。しかしながら、画素が生成した信号をデジタル出力として扱う点においては、画素が生成した信号から光子入射の有無のみ（０か１）を判定するバイナリ判定と同様である。
　このように、撮像素子１１０では、画素３１０が出力した信号が判定回路１１３においてデジタル値として判定されるため、アナログ出力として扱う従来の撮像素子（１０ｂｉｔのデータにする場合は１０２４階調）と比較して、伝送中のノイズの影響をほぼ完全に受けない。
　次に、各画素に入射した光子の数と検出結果との関係について、図６を参照して説明する。
　［各画素に入射した光子の数と検出結果との関係例］
　図６は、本技術の第１の実施の形態において、単位露光期間に各画素に入射する光子の平均数とカウント確率との関係を示すグラフである。
　撮像素子１１０の各画素には、光均一化部２００によって、撮像素子１１０の各画素に対して光子が均一かつランダムに入射する。なお、光子は、時間的にも均一かつランダムに入射することを想定する。
　このような条件において、単位露光期間内に各画素に入射する光子の平均数（平均光子数）と、入射した光子がカウント（判定回路１１３で「１」と判定）される確率（カウント確率）との関係は、ポワソン分布（Poisson distribution）に従う。ポワソン分布に従うため、平均光子数とカウント確率との関係は、次の式１に示す関係になる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、Ｐ（ｋ）は、単位露光期間内において、単位画素に光子入射がｋ回発生（ｋ個の光子が入射）する確率である。また、λは、単位露光期間内において、単位画素に入射する光子の平均個数（平均光子数）である。また、ｅは、自然対数の底（≒２．７１８）である。
　すなわち、上述の式１の確率Ｐ（ｋ）は、単位露光期間中に各画素に入射する光子の数が平均光子数λの場合において、入射する光子の数が光子数ｋである確率を示す。
　ここで、単位露光期間中において撮像素子１１０の各画素に入射した光子の数の平均（平均光子数λ）が「０．２１」であることを想定して、平均光子数とカウント確率との関係を説明する。この場合において、光子数ｋと、確率Ｐ（ｋ）とは、上述の式１に基づいて、次のような関係になる。
　単位画素に入射する光子が０個（ｋ＝０）の確率：０．８１０５
　単位画素に入射する光子が１個（ｋ＝１）の確率：０．１７０２
　単位画素に入射する光子が２個（ｋ＝２）の確率：０．０１７９
　単位画素に入射する光子が３個（ｋ＝３）の確率：０．００１３
　・・・（これ以下は、値が非常に小さい（０．００００７以下）ので省略）
　次に、このような確率で光子が入射する場合における撮像素子１１０が生成する信号について説明する。
　撮像素子１１０の判定回路１１３は、画素への光子の入射の有無をバイナリ判定する。判定回路１１３が出力するデジタル値が「０」となる場合は、単位画素に入射する光子が０個のケースである。すなわち、デジタル値が「０」となる確率は、単位画素に入射する光子が０個のケースの確率の「０．８１０５」である。
　一方、判定回路１１３が出力するデジタル値が「１」となる場合は、単位画素に入射する光子が１個以上の全てのケースである。すなわち、デジタル値が「１」となる確率（カウント確率）は、単位画素に入射する光子が１個以上のケースの確率を総和した値の「０．１８９４」ある。
　なお、平均光子数λが「０．２１」であることから、カウント確率「０．１８９４」は、入射した光子の約１０％がカウントされない（カウントロス）ことを示している。このカウントロスは、単位露光期間内において、単位画素に２個以上の光子入射があったものを「１」とカウントしたことに起因して生じている。従って平均光子数λが大きくなるほどカウントロスも大きくなる。
　ここまでは、平均光子数λが「０．２１」であることを想定して説明したが、このような平均光子数λとカウント確率との関係は、空間的かつ時間的に光子が均一かつランダムに入射する場合には一意的である。すなわち、縦軸をカウント確率を示す軸とし、横軸を単位露光期間に各画素に入射する光子の平均光子数とすると、カウント確率と平均光子数との関係は、図６の表の実線（線４５１）に示す関係になる。
　なお、図６の表において、鎖線（鎖線４５２）で示す平均光子数の位置は、入射した光子の約１０％がカウントロスされる位置（１０％検出ロス位置）を示す。なお、本技術の実施の形態では、約１０％のカウントロスを許容し、平均光子数が「０．２１」以下の場合にはリニアリティを保証できるものとして説明する。これを撮像素子１１０が生成したデジタル出力値の側からみれば、すなわち撮像素子１１０が生成したデジタル値におけるカウント確率が「０．１８９４」以下である場合には、リニアリティを保証できる照度と露光条件で撮像したものと判断される。一方、カウント確率が「０．１８９４」を超えている場合（図６の圧縮領域４５３で示す範囲）には、カウントロスが多く、リニアリティを保証できないと判断される。
　なお、カウント確率と平均光子数との間には図６の表に示すような関係があるため、この表に示すような関係を示すデータ（例えば、ポワソン分布またはポワソン分布に近似させた関数やテーブル）を保持させることにより、カウント値の補正を施すことができる。この補正は、まず、撮像素子１１０が生成したデジタル値に基づいてカウント確率（「１」の値の画素の全画素における割合）を算出し、このカウント確率と、図６の表に示す関係を示すデータとから平均光子数を算出する。そして、その算出した平均光子数から、撮像素子１１０に入射した光子の数を算出する。この補正を行う場合には、リニアリティを保証できる範囲内で使用する場合（補正なしの場合）と比較して、一桁程度検出ダイナミックレンジを上げることが可能になる。
　次に、光検出装置１０をＸ線のイメージングプレート用蛍光スキャナーに搭載して蛍光検出を行った場合を想定し、撮像素子１１０の露光動作および読み出し動作について図７を参照して説明する。
　ここで、イメージングプレートとは、人体を透過したＸ線の潜像を保存するものである。このイメージングプレートは、蛍光スキャナーによって励起光が照射された場合には、Ｘ線の潜像に応じて光（輝尽発光）を発生する。蛍光スキャナーは、発生した輝尽発光を検出することで、フィルムや暗室現像を用いることなく広いダイナミックレンジのＸ線写真を取得する。
　［撮像素子１１０の露光動作および読み出し動作の一例］
　図７は、本技術の第１の実施の形態の撮像素子１１０の露光動作および読み出し動作の一例を模式的に示す図である。
　なお、図７のａおよびｂでは、Ｘ線のイメージングプレートに励起光を照射した直後に、最初の行から読み出しが順次行われる場合を想定して説明する。また、図７のｃおよびｄでは、読み出しが順次行われている最中（途中の行を読み出している間）に励起光を照射した場合を想定して説明する。
　図７のａには、横方向を時間軸を示す方向とし、縦方向を信号が読み出される行（読み出し行アドレス）を示す方向として、撮像素子１１０の信号の読み出しタイミング（読み出しタイミング４６２乃至４６４）が模式的に示されている。また、この図７のａには、露光の開始から終了までの期間（単位露光期間４６６）と、励起光の照射タイミング（励起光照射タイミング４６７）とが示されている。
　なお、励起光照射タイミング４６７における励起により発生した光が検出される読み出しタイミングは、読み出しタイミング４６２乃至４６４を示す斜線を太い斜線にして示す。この図７のａでは、この励起により発生した光が検出される読み出しタイミングは、読み出しタイミング４６３に対応する。すなわち、読み出しタイミング４６３における最初の行の読み出し（読み出しタイミング４６３の左端）から最後の行の読み出し（読み出しタイミング４６３の右端）までに、励起により発生した光により画素が生成した蓄積信号が全て読み出される。
　ここで、イメージングプレートに励起光を照射した直後に最初の行から読み出しが順次行われる場合における光検出装置１０の読み出し動作について説明する。
　このイメージングプレートに励起光を照射した直後に最初の行から読み出しが順次行われる場合では、前回の読み出しが完了した直後（読み出しタイミング４６２の右端）に検出対象の位置（検出スポット）を移動させる。そして、その移動させた検出スポットに励起光パルスを照射する（励起光照射タイミング４６７）。この励起光の照射によって、検出スポットにおけるＸ線の吸収量（潜像）に応じて輝尽発光が発生する。この輝尽発光による光（蛍光）の発生は、１μ秒程度で減衰する。１μ秒は、撮像素子１１０の１行分の読み出し期間より短い。例えば、読み出しが一巡する時間（読み出しタイミング４６３の左端から右端までの時間）が３２０μ秒の場合には、１μ秒は非常に短く、略同時に多数の光子が発生したことになる。
　この発生した光子のうち集光レンズ１０２に入射した光子は、光均一化部２００によって、略均一かつランダムに撮像素子１１０の画素アレイ部３００に照射される。これにより、１２８行×１２８列の画素３１０に光子が分散して受光され、電子が蓄積される。その後、読み出しタイミング（読み出しタイミング４６３）が開始されると、蓄積された電子に応じた蓄積信号が行ごとに順次読み出される。
　図７のｂには、横方向を図７のａと同じ時間軸とし、縦軸をデジタル値「１」のカウント回数（カウント数）を示す軸として、読み出された行ごとのカウント数が模式的に示されている。なお、６４行（１２８行／２）を全て表示できないため、行数（バーの数）が模式的なものを示す。
　励起光を照射した直後に最初の行から読み出しが順次行われる場合では、図７のａの読み出しタイミング４６３において蓄積された電子に応じた蓄積信号が行ごとに順次読み出される。このため、図７のｂでは、図７のａの読み出しタイミング４６３に対応する期間（輝尽光によるカウントの読み出し期間４６９）において、異なるカウント数を示す複数のバーが示されている。
　なお、図７のｂでは省略した図を示しているが、読み出しタイミング４６３において６４回読み出される（１２８行を２系統で読み出し）ことにより、全ての行の読み出しがが一巡し、撮像素子１１０の画素アレイ部３００への全ての入射光子が読み出される。
　図７のｃおよびｄでは、撮像素子１１０において行ごとの読み出しが順次行われている最中（途中の行を読み出している間）に励起光を照射した場合が示されている。
　図７のｃには、図７のａと同様に、撮像素子１１０の信号の読み出しタイミング（読み出しタイミング４７２乃至４７５）が模式的に示されている。また、図７のｄには、図７のｂと同様に、読み出された行ごとのカウント数が模式的に示されている。なお、図７のｃの単位露光期間４７６および励起光照射タイミング４７７は、図７のａの単位露光期間４６６および励起光照射タイミング４６７に対応する。また、図７のｄの輝尽光によるカウントの読み出し期間４７９は、図７のｂの輝尽光によるカウントの読み出し期間４６９に対応する。
　図７のｃに示すように、読み出し最中のタイミング（励起光照射タイミング４７７）で励起光が照射された場合には、その照射の後に読み出される行（読み出しタイミング４７３の太線の区間の左端）から輝尽光によるカウントが読み出される。そして、次の読み出しサイクル（読み出しタイミング４７４）において、輝尽光によるカウントが読み出されていない行のカウント値が読み出される（読み出しタイミング４７４の太線の区間の右端）。それ以降（読み出しタイミング４７４の太線の区間の右端以降）は、輝尽光によるカウント値は理想的には読み出されない。
　このように、読み出しの最中のタイミングで励起光が照射された場合には、２サイクルの読み出しタイミングにまたがって、データが読み出される。
　なお、図７のａおよびｂにおいて示した単位露光期間は、読み出しタイミングとは別のタイミングでフォトダイオードをリセットすることで短縮することができる。また、この単位露光期間は、直前のサイクルの読み出しタイミングと今のサイクルの読み出しタイミングとの間の間隔を何もしないブランク期間を余分に設けて広げることにより、延長することもできる。ちなみに、図７のｃの単位露光期間（単位露光期間４７６）は、短縮も延長もしていない露光期間（通常の露光期間）を示している。また、図７のａの単位露光期間（単位露光期間４６６）は、延長された露光期間を示している。この単位露光期間の調整は、時間的に略均一に持続する光照射に対して、入射光量を調整する絞りとして機能する。
　ここで、撮像素子１１０からの読み出し動作について、数値を用いて説明する。撮像素子１１０では、各行の読み出しが順次循環的に行われる。図３において示したように、２行（２系統）の読み出しが同時に行われるため、１２８行は、６４回（サイクル）の読み出しで一巡する。読み出しのために蓄積電荷が転送された時点でフォトダイオードがリセットされるので、読み出しと読み出しとの間が露光期間である。なお、この露光期間は、光電変換された電荷の蓄積期間でもある。
　例えば、１行の読み出し手順の実行に５μ秒を費やす場合には、各画素の露光期間は、読み出しが一巡する３２０μ秒（５μ秒×６４サイクル）が基本単位となる。なお、この場合には、１秒間に３１２５サイクル（１秒／３２０μ秒（０．０００３２秒））の読み出しが実施される。
　ここで時間的にランダムに光子が入射する一般的な光検出を例にとると、各画素への光子が１個ずつ入射してカウントされる場合には、１秒間に最大で５１．２×１０６個（１２８×１２８×３１２５）の光子をカウントすることができる。
　なお、この場合において、図６において示したように約１０％のカウントロスまでを許容すると、カウント確率が「０．１８９４」を超えない範囲内のカウントであれば、ポワソン分布を用いた補正を行わないでリニアリティを保証することができる。すなわち、リニアリティを保証することができる画素アレイ部への入射光子数の上限は、９．７×１０６個／秒（５１．２×１０６個／秒×０．２１）となる。
　一方、イメージングプレートにおける輝尽発光の検出においては、検出すべき光子はほぼ一瞬で入射するため、時間的要素は無視されて、面内の均一性とランダム性のみが保証されることになる。この場合、リニアリティを保証することができる画素アレイ部への入射光子数の上限を、画素からの読み出しが一巡する期間（１フレームの読み出しに相当する期間）におけるカウント数で示すと、３４４０個（１２８×１２８×０．２１）となる。これにポワソン分布による補正を加えると、さらに一桁程度ダイナミックレンジの向上が見込まれる。
　次に、撮像素子１１０からのデータの出力レートについて説明する。撮像素子１１０からは、１２８列の画素が２行同時に読み出されるため、２５６個（ｂｉｔ）のバイナリが同時に出力される。１行の読み出しが５μ秒であるため、データ出力レートは、５１Ｍｂｐｓ（２５６ｂｉｔ／５μ秒（５×１０－６秒））となる。これは、一般的なＣＰＵ（Central
Processing Unit）を用いたシステムでも、多数の撮像素子からのデータを同時に受信して、並列処理することが十分可能なデータ出力レートである。
　なお、撮像素子１１０の出力回路（図３の出力回路１１８参照）にカウンタを設置し、画素アレイ全体の読み出しが一巡する（１フレームの読み出しが終了する）ごとにカウントの総合計値のみを出力するようにした場合には、出力のデータレートは極めて低くなる。
　なお、ここまでの説明において想定した撮像素子１１０の性能は、現行の一般的なＣＭＯＳイメージセンサにおける性能を参考に、ある程度のマージンをとって粗く見積もったものである。一般に、ＣＭＯＳイメージセンサは、読み出し対象の行を順次切り替えて画素からの信号が読み出されるため、次の読み出しまでに最低限必要な時間がある。このため一般的な光検出において、ＣＭＯＳイメージセンサなどの半導体撮像チップを用いたフォトンカウンタは、個々の画素動作における光検出の時間分解能はかなり低く、光電子増倍管に大きく劣る。
　しかしながら、本技術の第１の実施の形態の光検出装置１０では、光均一化部２００により光子の入射をランダムかつ均一な分布にし、面状に多数集積された画素にランダムかつ均一に照射する。従って、例えば、光電子増倍管によるカウンタヘッドでは、単一の受光面に入射する全光子を時間分解能のみでフォトンカウントするのに対し、光検出装置１０は、それらを多数の画素で均一にシェアする。その結果、１個の画素に対する光子の入射頻度が非常に低くなることが、光均一化部２００により保証される。これにより、光検出装置１０のカウント精度およびダイナミックレンジは、光電子増倍管のカウント精度およびダイナミックレンジよりも高くなる。すなわち、光検出装置１０は、受光面の空間分解能をもって、時間分解能が低いことを等価な形で補うことができる。特に、光検出装置１０は、半導体撮像チップ（撮像素子１１０）に判定器（判定回路１１３）を搭載し、画素ごとの入射光量をデジタル判定することで、数万～数百万という画素集積が可能になり、カウント精度およびダイナミックレンジは光電子増倍管を凌駕する。
　なお、時間分解能（検出速度）についても、ＡＤ変換回路の高速化、３系統以上の行を同時選択して並列処理する高並列化、または、三次元構造を使用した超高並列化（例えば、特開２０１１－７１９５８参照）等により向上が可能である。時間分解能を向上させることにより、単位露光期間は感度低下を伴うことなく短縮され、１個の画素に入射する平均光子数はさらに減少し、カウント精度およびダイナミックレンジをさらに向上させることができる。
　さらに蛍光検出を高速に実行する場合、励起光パルスの照射タイミングから蛍光が減衰するタイミングまでの僅かな時間内に、受光面には多数の光子がまとめて入射する。光電子増倍管をカウンタヘッドに備える従来のイメージングプレート用蛍光スキャナーでは、このまとめて入射した多数の光子を時間分解能のみで個々にカウントすることは困難である。このため、光電子増倍管をウンタヘッドに備える従来のイメージングプレート用蛍光スキャナーでは、まとめて入射した多数の光子をまとめて検出する。すなわち、光電子増倍管の出力はアナログパルスとして扱われ、外付けのＡＤ変換器によってデジタル化される（後の図８のａを参照）。なお、放射線１光子が多数の光子を同時発生させるシンチレーション検出の場合も同様である。一方、本技術を用いれば、まとめて入射した多数の光子を個々にカウントするフォトンカウントは可能であり、超高精度な蛍光検出が可能になる。
　［効果例］
　図８は、本技術の第１の実施の形態の光検出装置１０を適用した検出ヘッド（検出ヘッド１０１）の一例と、光電子増倍管を適用した従来の検出ヘッド（検出ヘッド１９１）の一例とを模式的に示す図である。
　図８のａには、従来の光電子増倍管を適用した検出ヘッド１９１の一例が示されている。この検出ヘッド１９１には、集光レンズ１９２と、ピンホール１９３と、光電子増倍管１９５と、ＡＤ変換部１９７と、データ処理部１９８とを備える。また、検出スポット１９９が集光レンズ１９２の左側に示されている。なお、集光レンズ１９２およびピンホール１９３は、図２において示した集光レンズ１０２およびピンホール１０３と同様のものであるため、ここでの説明を省略する。
　光電子増倍管１９５は、光電変換によって発生した電子を電子なだれにより増幅し、増幅した結果をアナログパルスとして出力するものである。この光電子増倍管１９５は、電子を増幅するために、電子を加速するための高電圧を必要とする。光電子増倍管１９５は、生成したアナログパルス（アナログ信号）を、信号線１９６を介してＡＤ変換部１９７に供給する。
　ＡＤ変換部１９７は、光電子増倍管１９５から供給されたアナログパルスをデジタル変換し、サンプル区間ごとのデジタル値として出力するものである。このＡＤ変換部１９７は、デジタル値をデータ処理部１９８に供給する。
　データ処理部１９８は、ＡＤ変換部１９７から供給されたデジタル値に基づいて、検出対象の光の強度を算出するものである。例えば、データ処理部１９８は、ＡＤ変換部１９７が出力したデジタル値を一定のサンプル期間ごとに集計し、この集計結果を、検出スポット１９９の蛍光強度とする。
　このように、従来の検出ヘッド（検出ヘッド１９１）では、光電子増倍管が用いられる。従来の検出ヘッドは、光電子増倍管が高価なため値段が高くなる。また、高電圧を必要とするため、高電圧を供給するための装置も必要になる。さらに、光電子増倍管がアナログパルスを出力するためＡＤ変換部１９７が必要になる。また、アナログパルスが伝送されることを考慮した検出ヘッドの設計が必要となる。
　図８のｂには、本技術の第１の実施の形態における光検出装置１０を適用した検出ヘッド（検出ヘッド１０１）の一例が示されている。なお、図８のｂにおいて示す検出ヘッド１０１は、図２において示したものと同様のものであるため、ここでの詳細な説明を省略する。
　図８のｂに示すように、光均一化部２００を備えているため、撮像素子１１０の各画素に対して光子が均一かつランダムに入射する。これにより、図６において示したように光子のカウントが可能となり、容易にフォトンカウンティングを行うことができる。
　また、図８のｂに示すように、撮像素子１１０からは、デジタル値の信号（デジタル信号）が出力される。このようにデジタル信号が出力されるため、アナログ信号と比較して、ノイズの影響を受けにくい。
　［光検出装置の動作例］
　次に、本技術の第１の実施の形態においてフォトンカウンティングを行う際の光検出装置１０が行う動作について図面を参照して説明する。
　図９は、本技術の第１の実施の形態の光検出装置１０がフォトンカウンティング動作を行う際の処理手順の一例を示すフローチャートである。
　まず、光子数の検出対象（フォトンカウント対象）の光が、検出部１００の光均一化部２００に入射する（ステップＳ９０１）。続いて、その光均一化部２００に入射した光の分布が、光均一化部２００により均一化される（ステップＳ９０２）。そして、均一化された光が撮像素子１１０の画素アレイ部３００に入射し、その後、画素ごとの蓄積信号に基づいて、画素に入射した光子数のデジタル判定が判定回路１１３により画素ごとに行われる（ステップＳ９０３）。なお、ステップＳ９０２は、請求の範囲に記載の光均一化手順の一例である。また、ステップＳ９０３は、請求の範囲に記載の判定手順の一例である。
　次に、画素ごとのデジタル判定の結果値がフレーム単位で総和され、光子数の検出対象の光における光子数が、カウント部１３０により算出される（ステップＳ９０４）。そして、ステップＳ９０４の後に、フォトンカウンティング動作の処理手順は終了する。なお、ステップＳ９０４は、請求の範囲に記載の算出手順の一例である。
　このように、本技術の第１の実施の形態によれば、光均一化部２００を設けることによって、光子の分布が均一な光を撮像素子１１０の画素アレイ部３００に照射することができる。すなわち、光均一化部２００を設けることによって、フォトンカウンティングに適した光（光子の分布が均一な光を）を撮像素子に供給することができる。これにより、本技術の第１の実施の形態によれば、フォトンカウンティングの精度を向上させることができる。
　＜２．第２の実施の形態＞
　本技術の第１の実施の形態では、画素アレイ部における画素の全てがフォトンカウンティングに適していることを前提として説明した。しかしながら、現状、ＣＭＯＳイメージセンサにおける全ての画素を均一な性質の画素として作成することは困難である。例えば、暗状態においても僅かながら発生するリーク電流（暗電流）が大きい画素は、フォトンカウンティングに適さない。
　そこで、本技術の第２の実施の形態では、暗電流が大きい画素のカウントを無効とする（マスクする）ことによりフォトンカウンティングの精度を向上させる例について、図１０乃至図１２を参照して説明する。
　［暗電流の大きさと画素の数との関係の一例］
　図１０は、本技術の第２の実施の形態の画素３１０において発生する暗電流の大きさ（暗電流レベル）と、画素３１０の数（画素の存在確率）との関係を模式的に示す図である。
　図１０には、横軸を暗電流レベル（対数）を示す軸とし、縦軸を画素の存在確率（対数）を示す軸として、暗電流レベルの大きさと画素の存在確率との関係を示す特性（特性４９０）が示されている。
　ここで、暗電流について説明する。画素３１０では、一般的に、暗状態においても僅かながらリーク電流（暗電流）が発生する。このリーク電流は、例えば、フォトダイオード３１１のカソード端子付近に不純物等による再結合中心がある場合には、再結合中心の大きさに応じたリーク電流がそこを介して発生する。また、リーク電流は、読み出し動作期間中に、浮遊状態となったフローティングディフュージョン（図２のＦＤ３２２）で電荷リークが発生した場合においても発生する。これらのリーク電流（暗電流）は、フォトンカウンティングの際には、光子の入射が無いのにカウントされるダークカウントとなり、検出精度の悪化要因となる。
　この暗電流は、画素ごとに大きなバラつきがあることが知られている。このバラつきの特性が、図１０において示すグラフで示されている。このグラフで示す特性４９０は、暗電流レベルごとの発生画素数を示す。すなわち、特性４９０に示すように、リーク電流が殆ど無い画素の数（存在確率）が最多になる。そして、リーク電流が大きな画素ほど数（存在確率）が少なくなる。例えば、撮像素子１１０における暗電流の度合いが画素当たり平均０．５個程度の電子のリークである場合には、その殆どのリークは、暗電流が大きく性能が悪い１０％程度の画素で引き起こされている。
　ここで、本技術の実施の形態における撮像素子１１０と、暗電流レベルが大きい画素との関係について説明する。検出対象からの光（蛍光）は、光均一化部２００により均一化された後に、撮像素子１１０の画素アレイ部３００の各画素へ照射される。検出対象の光が光均一化部２００により均一化されるため、画素アレイ部３００における暗電流レベルが大きい画素の配置（分布状態）は検出結果に影響を与えず、暗電流レベルが大きい画素の数量だけが問題となる。
　例えば、補正を許容するカウント値の割合の上限を１０％とすると、暗電流レベルが大きい画素の全画素数に対する割合が１０％以下であれば、暗電流レベルが大きい画素によるカウント値を無視する（無効にする）ことで、ダークカウントを大幅に低減することが可能になる。なお、暗電流レベルが大きい画素によるカウント値を無視するだけであるため、検出のレンジや精度などを殆ど悪化させることなくダークカウントを大幅に低減することができる。
　ここで、画素アレイ部３００の全画素数（有効画素数）をＭ個とし、暗電流レベルが所定の基準より悪い画素の数をＮ個として説明する。この場合において、まず、フォトンカウンティングを行う前にＮ個の画素の位置を検出し、その位置に関する情報（マスク画素位置情報）をカウント部１３０に記録する。そして、フォトンカウンティングを行う際には、位置を記録しておいたＮ個の画素のカウント値を無効とし（マスクし）、１フレーム当たり（１回の露光期間当たり）の受光した光子数を算出する。すなわち、これらの画素のバイナリ判定結果を「０」として画素アレイ部３００全ての画素のカウント値を総和して単位露光期間当たりの受光した光子数を算出する。
　なお、マスクした画素（Ｎ）の有効画素数Ｍに対する割合が分かっているため、単位露光期間当たりの受光した光子数を補正することができる。この補正は、例えば、カウント総数をＭ／（Ｍ－Ｎ）倍することにより行われる。
　このように、暗電流レベルが大きくフォトンカウンティングに適していない画素の位置を特定し、その画素のバイナリ判定結果を無効とする（マスクする）ことにより、ダークカウントを大幅に低減することが可能である。これにより、画素アレイ部３００に暗電流レベルが大きい画素があるとしても、極めて微弱な発光も正確に検出することができる。
　［暗電流レベルが大きい画素を検出する際の光検出装置の動作例］
　次に、本技術の第２の実施の形態において暗電流レベルが大きい画素（高暗電流画素）を検出して位置を記録する際に光検出装置１０が行う動作（マスク対象画素検出動作）について図面を参照して説明する。
　図１１は、本技術の第２の実施の形態の光検出装置１０がマスク対象画素検出動作を行う際の検出処理手順の一例を示すフローチャートである。
　まず、暗状態における撮像を複数回（例えば、１０００回）実施し、この複数回の撮像におけるカウント結果を画素ごとに加算することにより、ダークカウント総数を画素ごとに算出する（ステップＳ９１１）。なお、この検出では、例えば、測定条件を厳しくするため、６０℃の周辺温度下（温度が高いほど暗電流が大きくなる）において３３ｍ秒の蓄積期間を設けて撮像する。
　次に、ダークカウント総数が規定値（閾値）以上の画素を高暗電流画素（マスク対象画素）と決定し、決定された画素のアドレス情報をカウント部１３０に保持する（ステップＳ９１２）。例えば、有効画素の数が１２８行×１２８列である場合には、約２ｋバイトのメモリ領域をカウント部１３０に設け、画素アドレスとメモリアドレスとを一対一に対応させて、決定された高暗電流画素には"１"を記録し、通常の画素には"０"を記録する。
　そして、ステップＳ９１２において高暗電流画素の検出および記録が終了すると、検出処理手順は終了する。
　なお、図１１では、マスク対象画素の位置に関する情報（マスク画素位置情報）をカウント部１３０に保持する例について説明したが、これに限定されるものではない。マスク画素位置情報は、フォトンカウンティングを実行する時までに用意されてあればよい。
　このため、例えば、半導体撮像チップ（撮像素子１１０）の出荷前検査においてマスク対象画素検出動作が実施され、その半導体撮像チップ内に設けられた不揮発性メモリに記録することも考えられる。この場合には、撮像素子１１０からの信号をデータ処理するデータ処理部１２０（例えば、蛍光検査システム）は、フォトンカウンティングを実行する前に半導体撮像チップからマスク画素位置情報を取得し、その取得した情報をシステム内部のメモリにコピーして利用する。
　また、例えば、光検出装置１０が設けられた装置（例えば、蛍光検査システム）の電源投入時（起動時）に、励起光を照射しない状態でマスク対象画素検出動作が実施され、この実施によりマスク画素位置情報が生成されるようにしてもよい。なお、この場合には、マスク対象画素検出動作を行う機能を動作モードの一つとして半導体撮像チップの内部に搭載し、マスク対象画素のアドレスを撮像素子１１０が取得し、取得したアドレスをデータ処理部に通知する機能を設けるようにしてもよい。
　［暗電流レベルが大きい画素をマスクしてカウントする際の光検出装置の動作例］
　次に、本技術の第２の実施の形態において暗電流レベルが大きい画素（高暗電流画素）をマスクして光子をカウントする際に光検出装置１０が行う動作（マスク付き光子カウント動作）について図面を参照して説明する。
　図１２は、本技術の第２の実施の形態の光検出装置１０がマスク付き光子カウント動作を行う際の処理手順の一例を示すフローチャートである。
　まず、撮像素子１１０を用いて光子の検出を実行するか否かが判断され（ステップＳ９２１）、実行しないと判断された場合には、実行するまで待機する。
　一方、光子の検出を実行すると判断された場合には（ステップＳ９２１）、撮像素子１１０における読み出し対象の行（対象行）の各画素のバイナリ判定結果（デジタル値）が、画素のアドレスが識別できる状態で画素ごとに出力される（ステップＳ９２２）。例えば、一回の読み出しで２行が選択される場合には、この２行に配置されている各画素における光子入射の有無が、バイナリデータのストリームとして出力される。
　続いて、バイナリ判定結果が出力された行の画素のうちから、マスク判定の対象となる画素（判定対象画素）がカウント部１３０によって設定される（ステップＳ９２３）。そして、その設定された判定対象画素のアドレスに基づいてマスク画素位置情報が参照され、その判定対象画素がマスク対象画素であるか否かを示す情報の参照がカウント部１３０によって行われる（ステップＳ９２４）。
　その後、マスク対象画素であるか否かがカウント部１３０により判断される（ステップＳ９２５）。そして、マスク対象画素であると判断された場合には、ステップＳ９２７へ進む。
　一方、マスク対象画素でないと判断された場合には（ステップＳ９２６）、カウント総数（１フレーム当たりのフォトンカウント値）に判定対象画素のバイナリ判定結果（「０」か「１」）を加算する。なお、マスク対象画素であると判断された場合にステップＳ９２６を飛ばしてステップＳ９２７に進むことにより、マスク対象画素のバイナリ判定結果が無効にされるマスク処理（マスキング）が行われる。
　その後、対象行の全ての画素についてマスク対象画素であるか否かの判断が行われたか否かが、カウント部１３０により判断される（ステップＳ９２７）。そして、対象行の全ての画素について判断が行われていないと判断された場合には（ステップＳ９２７）、ステップＳ９２３に戻り、判断が行われていない画素のうちから新たな判定対象画素が設定される。
　一方、対象行の全ての画素についてマスク対象画素の判断が行われたと判断された場合には（ステップＳ９２７）、撮像素子１１０の画素の行の全てについてマスク対象画素の判断が行われたか否かがカウント部１３０により判断される（ステップＳ９２８）。そして、全ての行について行われていないと判断された場合には（ステップＳ９２８）、次の行が読み出しの対象の行に設定される（ステップＳ９２９）。そして、ステップＳ９２９の後に、ステップＳ９２２に戻り、バイナリ判定結果の撮像素子１１０からの出力と、マスク対象画素の判定とが繰り返される。こうして、１フレーム分の画素についてマスク対象画素の判断が行われるとともに、通常画素（マスクの対象外の画素）のバイナリ判定結果の積算が行われる。
　また、全ての行についてマスク対象画素の判断が行われていると判断された場合には（ステップＳ９２８）、マスク対象画素の数に応じて行われるカウント総数の補正が、カウント部１３０により行われる（ステップＳ９３１）。この補正は、例えば、図１０において示したように、マスク対象画素数Ｎと全有効画素数Ｍとの比率に従ってカウント総数をＭ／（Ｍ－Ｎ）倍することにより行われる。
　その後、補正が行われたカウント総数が、フォトンカウンティングの検出結果として出力され（ステップＳ９３２）、マスク付き光子カウント動作の処理手順は終了する。
　このように、本技術の第２の実施の形態によれば、暗電流が大きい画素をマスクすることにより、フォトンカウンティングの精度を向上させることができる。
　なお、図１２では、カウント総数の補正として、マスク対象画素の数に基づくカウント総数の補正のみを想定して説明したが、これに限定されるものではない。このマスク対象画素の数に基づく補正の後にポワゾン分布に従ったカウント値の補正を行うことにより、フォトンカウンティングの検出結果（カウント総数）の精度をさらに向上させることができる。図６において説明したように、光均一化部２００により均一かつランダムに被写体光を画素アレイ部３００に照射しているため、カウント確率（カウント総数／有効画素数）から平均光子数が求められる。そして、平均光子数と有効画素数とに基づいてカウント総数を算出することにより、カウントロスが補正されたカウント総数を求めることができる。なお、この場合において、マスキングによる有効画素数の実質的減少はステップＳ９３１においてすでに補正してあるため、無視することができる。
　なお、本技術の第２の実施の形態では、データ処理部１２０のカウント部１３０においてカウントを行う例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、撮像素子１１０内（半導体撮像チップ内）にカウンタを設けて、１フレーム分の読み出しごとにカウントの合計値のみを出力する場合には、マスク付き光子カウント動作の処理手順は撮像素子１１０内で全て実施される。この場合においても、ポワゾン分布に従ったカウント値の補正を半導体撮像チップ内で行えるようにすることにより、フォトンカウンティングの検出結果の精度をさらに向上させることができる。
　＜３．第３の実施の形態＞
　本技術の第１および第２の実施の形態では、１２８行×１２８列の画素の画素アレイ部が撮像素子に１個の例について説明した。このように画素の数が少ない画素アレイ部を備える撮像素子は非常に小型になる（例えば、２ｍｍ角）。これは、半導体製造においては、ウエハー加工工程に対して実装工程が相対的にコスト高となる可能性がある。そのため、複数の検出装置（検出ヘッド）を実装する装置に対しては、駆動回路や読み出し回路がそれぞれに設けられた画素アレイ部を撮像素子上に複数並べて一括で実装すると便利である。
　そこで、本技術の第３の実施の形態では、画素アレイ部を撮像素子上に複数設けた例について、図１３乃至図１５を参照して説明する。
　［画素アレイ部を複数備える撮像素子の例］
　図１３は、本技術の第３の実施の形態における画素アレイ部を複数備える撮像素子（撮像素子５００）の一例を示す概念図である。
　なお、図１３では、上下方向をＹ軸とし、左右方向をＸ軸とするＸＹ軸を想定し、撮像素子５００の上面図を説明する。
　この図１３において示す撮像素子５００には、図３の撮像素子１１０に示した回路（以降では、撮像回路５２０と称する）が単一の半導体撮像チップ（撮像素子５００）上に８個設けられている。すなわち、撮像素子５００には、それぞれが独立して駆動される８個の画素アレイ部（図３の画素アレイ部３００を参照）が設けられている。
　また、８個の撮像回路５２０には、光均一化部５３０がそれぞれに設けられている。
　撮像素子１１０において、外部の装置と信号をやり取りするためのパッド（パッド５１０）は、撮像素子１１０の端部（図１３では上辺と下辺）に配置される。例えば、電源や同期信号の入力パッドは８個の撮像回路５２０で共有されるように配線され、８個の撮像回路５２０により生成されたデジタルデータ（バイナリ判定結果のビットストリーム）は独立したパッドから出力されるように別々のパッドに配線される。この場合には、８個の撮像回路５２０は同時並列に動作し、各々に対応する出力パッドから光子のカウント結果が出力される。
　次に、図１３において説明した半導体撮像チップ（撮像素子５００）を実装したモジュール（撮像モジュール）の一例について、図１４を参照して説明する。
　［撮像モジュールの例］
　図１４は、撮像回路を複数備える撮像素子（撮像素子５００）を実装したモジュール（撮像モジュール５０１）の一例を示す模式図である。
　なお、図１４では、上下方向をＺ軸とし、左右方向をＸ軸とし、撮像モジュール５０１の断面図を説明する。
　図１４には、ＬＧＡ(Land Grid Array)型のパッケージにより撮像素子５００を実装した撮像モジュール５０１が示されている。ＬＧＡパッケージであるため、パッケージ（パッケージ５４０）の底面にパッド（パッド５４１）が格子状に配置され、このパッド５４１と、撮像素子５００のパッド５１０とは、リード線を介してそれぞれ接続されている。
　また、パッケージ５４０には、複数の撮像回路５２０のそれぞれに対して開口窓（コネクタ５３１）が設けられており、コネクタ５３１と撮像回路５２０との間に光均一化部５３０がそれぞれ設けられている。このコネクタ５３１は、光ファイバーが溶接できるようになっており、検出対象の光が光ファイバーにより光均一化部５３０に導かれる。
　図１４に示した撮像モジュール５０１のそれぞれの撮像回路５２０は、例えば、複数の検出スポットを同時に検出する装置の検出ヘッドのそれぞれの検出部として用いることができる。
　また、図１４に示した撮像モジュール５０１のそれぞれの撮像回路５２０は、１個の検出スポットからの光を略均一に分岐させて並列検出を行うことに用いることもできる。この場合には、８個の撮像回路５２０のカウント値を合計すれば、撮像のダイナミックレンジが８倍になる。すなわち、同時に検出できる光子数の最大が、１３１０７２個（１２８×１２８×８）となり、ポワソン分布を用いたカウント補正をしなくとも、１４ビット～１５ビットのリニアな階調出力を得ることができる。
　次に、１個の検出スポットからの光を略均一に分岐させて並列検出を行う検出ヘッドの例について、図１５を参照して説明する。
　［検出ヘッドの構成例］
　図１５は、本技術の第３の実施の形態における撮像モジュール５０１を適用した検出ヘッド（検出ヘッド５０２）の一例を示す概念図である。
　検出ヘッド５０２は、集光レンズ１０２と、ピンホール１０３と、光均一化部５６０と、光ファイバー５７０と、光均一化部５３０と、撮像回路５２０と、撮像素子５００とを備える。なお、検出ヘッド５０２は、図２において示した検出ヘッド１０１の変形例であるため、同一のものには同一の符号を付してここでの説明を省略する。また、図１５では、撮像モジュール５０１のパッケージについては図示を省略し、撮像モジュール５０１として、光均一化部５３０と、撮像回路５２０と、撮像素子５００とを示す。
　検出ヘッド５０２では、検出スポット１０９からの光がピンホール１０３を通過した先に、一段目の光均一化部（光均一化部５６０）が設けられている。そして、この光均一化部５６０の出力側には、複数の光ファイバー（光ファイバー５７０）が接続されている。この光ファイバー５７０は、撮像回路５２０に設けられた複数の光均一化部５６０にそれぞれ接続されている。
　ここで、光均一化部５６０および光ファイバー５７０に着目して説明する。
　光均一化部５６０は、図２において示した光均一化部２００と同様に、入射した光（フォトンカウント対象光）の分布を略均一にするものである。光均一化部５６０は、略均一化した光を、接続された複数の光ファイバー５７０にそれぞれ供給する。すなわち、複数の光ファイバー５７０には、同数の光子がそれぞれ供給される。なお、光均一化部５６０は、請求の範囲に記載の分割部の一例である。
　光ファイバー５７０は、光均一化部５６０が均一化した光を、撮像素子５００上の撮像回路５２０に照射するためのものである。複数本の光ファイバー５７０が光均一化部５６０の出力側に接続されることにより、光均一化部５６０が均一化した光が複数に均等に分割される。
　そして、光ファイバー５７０により導かれた分岐光は、二段目となる光均一化部（光均一化部５３０）によってそれぞれ略均一化されて、対応する撮像回路５２０にそれぞれ照射される。
　なお、光ファイバー５７０が光を均一化する機能を備えている場合には、撮像回路５２０に近接して配置された光均一化部（光均一化部５３０）を省くことも可能である。
　この検出ヘッド５０２の複数の撮像回路５２０は、電源や同期信号が共有されているため、同時並列に駆動される。バイナリ判定結果が撮像素子５００から出力されると、データ処理部１２０において、本技術の第１および第２の実施の形態において説明したマスク処理、加算、カウント補正が８個の撮像回路５２０のそれぞれに対して行われる。そして、８個の撮像回路５２０のカウント値が加算合計され、検出スポットからの入射光のカウント値が算出される。
　このように、本技術の第３の実施の形態によれば、複数の撮像回路（撮像単位）を１個の撮像素子（単一の半導体撮像チップ）上に設けることができる。これにより、複数の撮像単位を容易に設けることができるため、ダイナミックレンジの向上などが容易になり、フォトンカウンティングの精度を向上させることができる。
　＜４．第４の実施の形態＞
　本技術の第３の実施の形態では、８個の撮像回路が同時並列に動作する例について説明したが、これに限定されるものではない。８個の撮像回路の動作を別々に駆動すれば、８個の撮像回路で別々の露光期間を設定することができる。すなわち、駆動方法を工夫することで、検出ヘッドの使用用途をさらに広げることができる。
　そこで、本技術の第４の実施の形態では、８個の撮像回路を複数のグループに分類し、グループごとに異なるタイミングで露光するように露光期間を設定して時間分解能を向上させる例について、図１６乃至図１８を参照して説明する。
　なお、図１６乃至図１８では、本技術の第３の実施の形態において示した撮像素子（撮像素子５００）の撮像回路を４個のグループに分けて露光期間を設定する例について説明する。
　［撮像回路のグループ分けの例］
　図１６は、本技術の第４の実施の形態における撮像素子（撮像素子５００）の撮像回路の４個のグループへの分類の一例を示す概念図である。
　なお、図１６では、撮像素子５００については図１３と同様のものを示す。また、図１６では、撮像回路（撮像回路５２０）の４個のグループを、撮像回路５２０にそれぞれ設けられている光均一化部５３０にグループを示す符号（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を付して示す。
　図１６の撮像素子５００に示すように、本技術の第４の実施の形態では、合計４個のグループ（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）に８個の撮像回路５２０が均等に分類される。すなわち、本技術の第４の実施の形態では、２個の撮像回路で１個のグループを構成し、グループごとに撮像回路５２０が駆動される。
　次に、露光動作および読み出し動作がグループごとに設定される例について、図１７を参照して説明する。
　［撮像素子１１０の露光動作および読み出し動作の一例］
　図１７は、本技術の第４の実施の形態において４個のグループに分類された撮像回路５２０のグループごとの露光動作および読み出し動作の一例を模式的に示す図である。
　なお、図１７では、説明の便宜上、図１７における説明で信号を読み出すタイミングを「ｎ」回目の読み出しタイミングと称し、１回前の信号を読み出すタイミングを「ｎ－１」回目の読み出しタイミングと称する。
　図１７のａには、横方向を時間軸を示す方向とし、縦方向を信号が読み出される行（読み出し行アドレス）を示す方向として、Ａグループの撮像回路５２０の露光動作および読み出し動作が示されている。この図１７のａには、Ａグループの撮像回路５２０の「ｎ－１」回目の読み出しタイミング（読み出しタイミング（ｎ－１）６２１）と、「ｎ」回目の読み出しタイミング（読み出しタイミング（ｎ）６２２）とが示されている。また、この図１７のａには、図７において説明した短縮も延長もしていない基準の露光期間（単位露光期間（基準）６２４）が示されている。また、図１７のａには、フォトダイオードをリセットしてフォトダイオードに蓄積された電子を取り除くタイミングであるリセットタイミング６２３が示されている。
　図１７のｂには、図１７のａと同様にして、Ｂグループの撮像回路５２０の露光動作および読み出し動作が示されている。そして、図１７のｃにはＣグループの撮像回路５２０の露光動作および読み出し動作が示され、図１７のｂにはＤグループの撮像回路５２０の露光動作および読み出し動作が示されている。なお、図１７のｂ乃至ｄにおいて示す各タイミングおよび期間は、図１７のａにおいて示したものにそれぞれ対応するため、説明を省略する。
　ここで、Ａグループ乃至Ｄグループの撮像回路５２０の露光動作および読み出し動作について説明する。まず、共通する動作について、図１７のａを参照して説明する。撮像回路５２０は、単位露光期間（基準）６２４の長さの１／４の期間が露光期間になるようにリセットタイミング６２３を設定し、このタイミングでフォトダイオードにおける電子の蓄積をリセットする。すなわち、読み出しタイミング（ｎ－１）６２１から単位露光期間（基準）６２４の長さの３／４ほど経過したタイミング（リセットタイミング６２３）において、フォトダイオードにおける電子の蓄積がリセットされる。そして、このリセットタイミング６２３から読み出しタイミング（ｎ）６２２までの間の期間（単位露光期間（基準）６２４の長さの１／４の期間）において電子が蓄積され、読み出しタイミング（ｎ）６２２において蓄積信号として読み出される。このようにして、基準の単位露光期間の１／４の露光期間において光子を受光するように撮像回路５２０が駆動される。
　次に、露光動作および読み出し動作のグループ間の違いについて説明する。Ｂグループ乃至Ｄグループの撮像回路５２０についても、Ａグループの撮像回路５２０と同様に、基準の単位露光期間の１／４の露光期間において蓄積された光子が蓄積信号となるように駆動される。しかしながら、蓄積信号となる光子を受光する１／４の露光期間のタイミング（グループの露光期間と称する）がグループごとに異なる。
　Ｂグループの撮像回路５２０は、Ａグループの読み出しタイミング（ｎ）６２２と同じタイミングでリセットタイミング６３３となるように駆動される。また、Ｂグループの撮像回路５２０は、このリセットタイミング６３３から単位露光期間の長さの１／４ほどの時間が経過したタイミングが読み出しタイミング（ｎ）６３２となる。
　また、Ｃグループの撮像回路５２０は、Ｂグループの読み出しタイミング（ｎ）６３２と同タイミングでリセットタイミング６４３となり、このタイミングから単位露光期間の長さの１／４ほど経過したタイミングで読み出しタイミング（ｎ）６４２となる。
　そして、Ｄグループの撮像回路５２０は、Ｃグループの読み出しタイミング（ｎ）６４２と同タイミングでリセットタイミング６５３となり、このタイミングから単位露光期間の長さの１／４ほど経過したタイミングで読み出しタイミング（ｎ）６５２となる。
　このように、グループ間で露光期間が重複しないように８個の撮像回路５２０が駆動される。これにより、単位露光期間の長さより短い時間しか光子を蓄積しないで蓄積信号を生成しているにもかかわらず、光子を検出していない期間が無くなる。
　次に、図１８において、時間軸上に４個のグループの露光期間を並べた図を示しながらこの駆動の効果について説明する。
　［グループ分けの効果例］
　図１８は、本技術の第４の実施の形態において４個のグループに撮像回路５２０を分類してフォトンカウンティングを行うことの効果の一例を模式的に示す図である。
　図１８には、図１７のａ乃至ｄにおいて示した４個のグループ（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の露光期間を同一の時間軸上に並べた図が示されている。
　図１８に示すように、４個のグループの露光期間は、短縮も延長もしていない基準の露光期間（単位露光期間（基準）６６１）を４等分した露光期間になる。
　ここで、フォトンカウンティングのカウント数について説明する。撮像素子５００の８個の撮像回路５２０が図１６に示すように４個のグループに分類されているため、１個のグループに属する撮像回路５２０は、各グループ２個ずつである。このため、カウント部１３０は、各グループの露光期間におけるカウント数を算出する場合には、そのグループに属する撮像回路５２０のカウント値の総和を、そのグループに属する撮像回路５２０の数と撮像回路５２０の総数との比に基づいて補正してカウント数を算出する。すなわち、８個の撮像回路５２０を４等分にして４グループに分類したため、同一グループに属する２個の撮像回路５２０のカウント値の総和の値を４倍にすることで、露光期間におけるカウント数を算出することができる。
　例えば、Ａグループの露光期間におけるカウント数は、Ａグループの２個の撮像回路５２０のカウント値の総和を４倍して算出される。また、Ｂグループの露光期間におけるカウント数は、Ｂグループの２個の撮像回路５２０の総和を４倍して算出される。
　なお、この補正は、１段目の光均一化部（図１５の光均一化部５６０）において光の均一化を行って８個の撮像回路に略等しい数の光子量が入射することが保証されているため、精度よく行うことができる。
　このように、本技術の第４の実施の形態によれば、８個の撮像回路を複数のグループに分類してグループごとに異なる駆動をすることによって、時間分解能を向上させることができる。すなわち、本技術の第４の実施の形態によれば、フォトンカウンティングの精度を向上させることができる。
　＜５．本技術の適用例＞
　本技術の第１乃至第４の実施の形態における光検出装置（撮像装置）は、光電子増倍管やアバランシェフォトダイオード、或いはフォトダイオードなどが設けられていた従来の電子機器に幅広く適用することができる。例えば、イメージングプレートの蛍光スキャナー、放射線のシンチレーションカウンタ、に適用することができる。他にも、ＤＮＡチップの検出器、ＤＲ（Digital Radiography）と呼ばれるＸ線撮像装置、ＣＴ（Computed Tomography）装置、ＳＰＥＣＴ（Single Photon Emission Tomography）装置などにも適用することができる。そこで、このような光検出装置が適用された電子機器の例を図１９乃至図２１で示す。
　［電子機器への適用例］
　図１９は、本技術の実施の形態を適用して複数スポットの蛍光を並列に検出する蛍光スキャナーの一例を示す模式図である。
　この図１９には、検査台７１１と、検査資料７１２と、４個の検出モジュール７２０と、励起光源７１３と、データ処理部１２０とが示されている。
　図１９では、検査資料７１２がイメージングプレートである蛍光スキャナーを想定して説明する。すなわち、この図１９に示す蛍光スキャナーは、イメージングプレートとからの輝尽発光の検出を高速にするために複数の検出モジュール７２０を備えた例である。
　検出モジュール７２０は、対物レンズ７２１と、励起光照射部７２２と、ビームスプリッタ７２３と、検出ヘッド１０１とを備える。
　検出モジュール７２０においては、励起光照射部７２２から励起光が照射される。この励起光は、ビームスプリッタ７２３を通過して対物レンズ７２１に入射し、この対物レンズ７２１によりスポット状に絞られて（集光されて）検査資料７１２に照射される。なお、検査資料７１２に最も集光された状態で励起光が当たる位置（合焦位置）が、本技術の第１乃至第４の実施の形態において示した検出スポットである。そして、励起光により、Ｘ線の潜像の量に応じて蛍光が発生する。
　検査資料７１２において発生した蛍光のうち対物レンズ７２１に入射した蛍光は、ビームスプリッタ７２３により反射され、その後、検出ヘッド１０１へ入射するように光路が誘導される。そして、検出ヘッド１０１は、入射した蛍光をフォトンカウンティングする。
　この図１９において示す蛍光スキャナーでは、検出モジュール７２０が４個配置されており、４箇所の検出スポットに対して同時に励起光が照射され、並列で蛍光検出が実施される。４箇所の同時検出が終わると、検査台７１１がステッピングモータで１スポット分移動して、次の検出が実施される。
　なお、図１９では、同一の光源（励起光源７１３）から各検出モジュールの励起光照射部７２２へ励起光を供給する例について示したが、他に、検出モジュールごとに励起光を発生する光源（例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode））を設置する例なども考えられる。なお、ここでは説明の便宜上、光路途中の帯域フィルターを省いて説明したが、各種の帯域フィルターを適切な位置に設定することで、検出の精度が向上する。例えば、励起光の帯域を制限するフィルターを励起光源７１３の励起光射出口に設けることで、目的の蛍光のみが発生する確率が向上する。また、ビームスプリッタ７２３から検出ヘッド１０１への蛍光の光路において、蛍光の波長のみを透過させるフィルターを設けることで、バックグラウンドノイズを低減させることができる。
　このように、本技術の実施の形態を蛍光スキャナーに適用すれば、複数の検出ヘッドを容易に設けることができる。これは、検出ヘッドの光を検出する所（撮像素子１１０）がＣＭＯＳイメージセンサであるため、安値で大量生産することができるためである。すなわち、本技術の実施の形態を蛍光スキャナーに適用すれば、値段が高い光電子増倍管を用いるよりも検出速度を向上させることができる。
　図２０は、本技術の実施の形態を適用して複数スポットの蛍光を並列に検出する蛍光スキャナーの図１９とは異なる一例を示す模式図である。
　この図２０では、本技術の実施の形態を適用してラインスキャンを行う蛍光スキャナーの例を示す。図２０の蛍光スキャナーは、検査台７５１と、検査資料７５２と、マイクロレンズアレイ７５３とを備える。また、この蛍光スキャナーは、励起光照射部７５４と、光ファイバー７５５と、光均一化部７６１と、撮像素子７６２と、データ処理部１２０とを備える。なお、図２０のａでは、上下方向をＹ軸とし、左右方向をＺ軸とするＹＺ軸を想定して説明する。また、図２０のｂでは、上下方向をＸ軸とし、左右方向をＺ軸とするＸＺ軸を想定し、マイクロレンズアレイ７５３および励起光照射部７５４に着目した図を示す。
　図２０の蛍光スキャナーでは、マイクロレンズアレイ７５３においてマイクロレンズがライン状に１列に並んでいる（図２０のａのＹ軸方向に１列）。また、このライン状に並んだマイクロレンズに平行して励起光照射部７５４が備えられる。この、励起光照射部７５４は、マイクロレンズアレイ７５３のライン状に並んだ複数のマイクロレンズの個々の集光位置（検出スポット）に励起光を一括で照射する。なお、マイクロレンズアレイ７５３における１個のマイクロレンズと、励起光照射部７５４からの励起光との関係が、ＸＺ軸を想定した図２０のｂにおいて示されている。
　この図２０の蛍光スキャナーでは、マイクロレンズアレイ７５３と平行して配置された励起光照射部７５４から、ライン状に並んだ複数ピクセルに相当する検査資料７５２の複数の検出スポット（ライン状検査領域）に対して、励起光が一括照射される。各検出スポット（検出ピクセルに相当）から発生した蛍光は、マイクロレンズアレイ７５３のマイクロレンズにより集光される。そして、集光された蛍光は、それぞれのマイクロレンズに対応する光ファイバー７５５に入射し、光ファイバー７５５がそれぞれ対応する光均一化部７６１へ導かれる。そして、光均一化部７６１により略均一化されて、対応する撮像素子７６２の画素アレイ部に略均一に照射される。なお、本技術の第１の実施の形態において説明したように、光ファイバー７５５が光均一化機能を備えた光ファイバーである場合には、光ファイバー７５５が光均一化部７６１の機能を備えているため、光均一化部７６１を省略することができる。
　このように、本技術の実施の形態を蛍光スキャナーに適用すれば、ラインスキャンを行うことができる蛍光スキャナーを安値で製造することができ、検出速度を向上させることができる。
　図２１は、本技術の実施の形態をＸ線のシンチレーション検出器に適用した一例を示す模式図である。
　図２１には、シンチレータ７３２と、光ファイバー７３３と、光均一化部７４１と、撮像素子７４２とが示されている。
　Ｘ線（Ｘ線７３１）がシンチレータ７３２に入射すると、入射したＸ線のエネルギー強度に従って複数の光子が略同時に発生させる。シンチレータ７３２には、検出単位（従来のフォトダイオード検出の場合、検出ピクセル単位）ごとに光ファイバー７３３（またはライトガイド）が接続されている。各検出単位に入射した光子は、光ファイバー７３３に導かれて光均一化部７４１に到達し、略均一化されて、撮像素子７４２の画素アレイ部に略均一に照射される。なお、本技術の第１の実施の形態において説明したように、光ファイバー７３３が光均一化機能を備えた光ファイバーである場合には、光ファイバー７３３が光均一化部７４１の機能を備えているため、光均一化部７４１を省略することができる。
　このように、本技術の実施の形態をシンチレーション検出器にも適用することができる。例えば、このような構成をＣＴ装置の検出器に導入すれば、従来のフォトダイオード等による検出器より遥かに高感度なシンチレーション光の検出が可能となり、検出の高精度化やＸ線量の低下による低被爆化に寄与することができる。さらに、ＡＤ変換器を含む大規模な外部装置も不要となるので、装置の小型化、低価格化も可能となる。同様の構成はＳＰＥＣＴやＰＥＴ等、従来光電子増倍管を用いていたガンマ線の検出にも導入することができる。
　なお、図１９乃至図２１では、４枚の撮像素子の例について説明したが、本技術の第３の実施の形態の撮像モジュール（撮像モジュール５０１）を用いることにより、さらに小型軽量化ができるとともに、さらに低価格化ができる。
　このように、本技術の実施の形態を電子機器に適用すると、簡単な構造の検出ヘッドを安値で多く設けられるため、適用する電子機器（例えば、蛍光検出装置）における検出ヘッドを容易に小型軽量化することが可能である。また、外付けのＡＤ変換器を必要としないため、信号へのノイズの影響を減少させることができる。特に、汎用のＣＭＯＳイメージセンサと同様の半導体製造プロセスで光の検出部（撮像素子）が製造できるため、極めて安価に製造することができる。すなわち、数百、数千という高並列化も容易に実現が可能である。このため、例えば、蛍光スキャナーの場合には、検出スポットを小型化して解像度を高めつつ、高並列化により高スループットを確保することが可能になる。
　なお、検出ヘッドを多く設ける電子機器のみで効果があるわけでなく、単一の検出ヘッドを用いる電子機器においても同様の効果を得ることができる。例えば、放射線のシンチレーション線量計に本技術を適用すれば、安価な半導体撮像素子を用いて小型軽量で超高感度のポケット線量計を実現することができる。
　このように、本技術の実施の形態によれば、光均一化部により均一化された光を撮像素子に入射することにより、フォトンカウンティングの精度を向上させることができる。
　なお、本技術の実施の形態では蛍光検出を想定して説明したが、蛍光に限られるものではなく、微弱光の測定を必要とする種々の装置において本技術の実施の形態は適用可能である。特に、光量の検出精度が高いことが求められる分野においては、本技術の実施の形態によるフォトンカウンティングは非常に有効であり、高精度のフォトンカウンティングが安価かつ手軽に実施できる。例えば、近年、血管に特定帯域の近赤外光を照射して反射光量を測定し、ヘモグロビンや血糖による光吸収量の差異を検出することで、マン－マシン・インターフェースや糖尿病診断に応用する研究が進められている。このような分野の光検出器としても、本技術の適用は有効である。
　なお、上述の実施の形態は本技術を具現化するための一例を示したものであり、実施の形態における事項と、請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本技術の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本技術は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。
　また、上述の実施の形態において説明した処理手順は、これら一連の手順を有する方法として捉えてもよく、また、これら一連の手順をコンピュータに実行させるためのプログラム乃至そのプログラムを記憶する記録媒体として捉えてもよい。この記録媒体として、例えば、ハードディスク、ＣＤ（Compact Disc）、ＭＤ（MiniDisc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、メモリカード、ブルーレイディスク（Blu-ray Disc（登録商標））等を用いることができる。
　なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）　複数の画素が配置されている撮像素子への入射光であって光子数の検出対象となる入射光の光軸に対する直交方向への分布を略均一化させ、前記均一化された光を前記撮像素子に供給する光均一化部を具備する撮像装置。
（２）　前記撮像素子は、前記複数の画素のそれぞれに前記供給された前記均一化された光による入射光子数についてデジタル判定を行い、前記デジタル判定の判定結果値を前記複数の画素ごとに出力し、
　前記出力された前記複数の画素ごとの判定結果値をフレーム単位で総和し、前記フレームの露光期間における前記入射光の光子数を前記総和された総和値に基づいて算出する算出部をさらに具備する
前記（１）に記載の撮像装置。
（３）　前記算出部は、前記複数の画素に実際に入射した光子数と前記総和値との間の関係を示す差分補正情報を用いて、前記入射光の光子数を前記総和値に基づいて算出する
前記（２）に記載の撮像装置。
（４）　前記撮像素子は、前記デジタル判定としてバイナリ判定を行い、
　前記算出部は、ポワソン分布またはポワソン分布に近似した関係に関する情報を前記差分補正情報として用いて前記算出を行う
前記（３）に記載の撮像装置。
（５）　前記算出部は、前記複数の画素のうちの暗電流が大きい画素を識別するための画素位置情報に基づいて、前記暗電流が大きい画素の前記判定結果値を除外して前記総和値を算出する前記（２）から（４）のいずれかに記載の撮像装置。
（６）　前記算出部は、前記判定結果値が除外された画素の個数と前記複数の画素の総数との比に基づいて前記総和値を補正する前記（５）に記載の撮像装置。
（７）　前記撮像素子は、前記デジタル判定としてバイナリ判定を行い、
　前記算出部は、ポワソン分布またはポワソン分布に近似した関係に関する差分情報を用いて、前記入射光の光子数を前記補正された総和値に基づいて算出する
前記（６）に記載の撮像装置。
（８）　前記撮像素子は、それぞれが独立して駆動される画素アレイを複数備え、
　前記光均一化部は、前記複数の画素アレイのそれぞれに対して一対ずつ設けられる
前記（１）から（７）のいずれかに記載の撮像装置。
（９）　前記入射光の光軸の直交方向への分布を略均一化し、前記均一化された入射光を複数の入射光に分割する分割部をさらに具備し、
　前記光均一化部は、前記複数に分割された入射光を前記一対となる画素アレイに供給する
前記（８）に記載の撮像装置。
（１０）　前記複数の画素アレイは、露光期間の長さおよび開始タイミングが同一であり、
　前記複数の画素アレイそれぞれは、当該画素アレイにおける複数の画素それぞれへの前記供給された光による入射光子数についてデジタル判定を行い、前記デジタル判定の判定結果値を前記複数の画素ごとに出力し、
　前記出力された前記複数の画素それぞれの判定結果値を前記露光期間単位で総和し、前記露光期間における前記入射光の光子数を前記総和された総和値に基づいて算出する算出部をさらに具備する
前記（９）に記載の撮像装置。
（１１）　前記複数の画素アレイは、露光期間の開始タイミングが異なる複数のグループに分類され、
　前記複数の画素アレイそれぞれは、当該画素アレイにおける複数の画素それぞれへの前記供給された光による入射光子数についてデジタル判定を行い、前記デジタル判定の判定結果値を前記複数の画素ごとに出力し、
　前記出力された前記複数の画素それぞれの判定結果値を前記グループ単位で総和し、前記総和した総和値に係るグループに属する画素アレイの数と前記複数の画素アレイの総数との比に基づいて前記総和値を補正し、前記グループの露光期間における前記入射光の光子数を、前記補正された総和値に基づいて算出する算出部をさらに具備する
前記（９）に記載の撮像装置。
（１２）　複数の画素が配置されている撮像素子への光子数の検出対象である入射光であって光子数の検出対象となる入射光の光軸に対する直交方向への分布を略均一化させ、前記均一化された光を供給する光均一化部と、
　前記供給された光による入射光子数について複数の画素それぞれについてデジタル判定を行い、前記デジタル判定の判定結果値を前記複数の画素ごとに出力する撮像素子と、
　前記出力された前記複数の画素それぞれの判定結果値をフレーム単位で総和し、前記フレームの露光期間における前記入射光の光子数を前記総和された総和値に基づいて算出する算出部と
を具備する電子機器。
（１３）　光子数の検出対象となる入射光の光軸に対する直交方向への分布を略均一化させ、前記均一化された光を供給する光均一化部と、前記供給された光による入射光子数について複数の画素それぞれについてデジタル判定を行い、前記デジタル判定の判定結果値を前記複数の画素ごとに出力する撮像素子とを備える撮像部を複数備える検出部を具備する輝尽発光検出スキャナー。
（１４）　複数の画素が配置されている撮像素子への光子数の検出対象である入射光であって光子数の検出対象となる入射光の光軸に対する直交方向への分布を略均一化させ、前記均一化された光を前記撮像素子に供給する光均一化手順と、
　前記複数の画素それぞれへの前記供給された光による入射光子数について前記複数の画素ごとにデジタル判定を行う判定手順と、
　前記複数の画素それぞれの判定結果値をフレーム単位で総和し、前記フレームの露光期間における前記入射光の光子数を前記総和された総和値に基づいて算出する算出手順と
を具備する撮像方法。
　１０　光検出装置
　１００　検出部
　１０１　検出ヘッド
　１０２　集光レンズ
　１０３　ピンホール
　１１０　撮像素子
　１２０　データ処理部
　１３０　カウント部
　１４０　記録部
　２００　光均一化部

Claims (14)

  1. 　複数の画素が配置されている撮像素子への入射光であって光子数の検出対象となる入射光の光軸に対する直交方向への分布を略均一化させ、前記均一化された光を前記撮像素子に供給する光均一化部を具備する撮像装置。
  2. 　前記撮像素子は、前記複数の画素のそれぞれに前記供給された前記均一化された光による入射光子数についてデジタル判定を行い、前記デジタル判定の判定結果値を前記複数の画素ごとに出力し、
    　前記出力された前記複数の画素ごとの判定結果値をフレーム単位で総和し、前記フレームの露光期間における前記入射光の光子数を前記総和された総和値に基づいて算出する算出部をさらに具備する
    請求項１記載の撮像装置。
  3. 　前記算出部は、前記複数の画素に実際に入射した光子数と前記総和値との間の関係を示す差分補正情報を用いて、前記入射光の光子数を前記総和値に基づいて算出する
    請求項２記載の撮像装置。
  4. 　前記撮像素子は、前記デジタル判定としてバイナリ判定を行い、
    　前記算出部は、ポワソン分布またはポワソン分布に近似した関係に関する情報を前記差分補正情報として用いて前記算出を行う請求項３記載の撮像装置。
  5. 　前記算出部は、前記複数の画素のうちの暗電流が大きい画素を識別するための画素位置情報に基づいて、前記暗電流が大きい画素の前記判定結果値を除外して前記総和値を算出する請求項２記載の撮像装置。
  6. 　前記算出部は、前記判定結果値が除外された画素の個数と前記複数の画素の総数との比に基づいて前記総和値を補正する請求項５記載の撮像装置。
  7. 　前記撮像素子は、前記デジタル判定としてバイナリ判定を行い、
    　前記算出部は、ポワソン分布またはポワソン分布に近似した関係に関する差分情報を用いて、前記入射光の光子数を前記補正された総和値に基づいて算出する
    請求項６記載の撮像装置。
  8. 　前記撮像素子は、それぞれが独立して駆動される画素アレイを複数備え、
    　前記光均一化部は、前記複数の画素アレイのそれぞれに対して一対ずつ設けられる
    請求項１記載の撮像装置。
  9. 　前記入射光の光軸の直交方向への分布を略均一化し、前記均一化された入射光を複数の入射光に分割する分割部をさらに具備し、
    　前記光均一化部は、前記複数に分割された入射光を前記一対となる画素アレイに供給する
    請求項８記載の撮像装置。
  10. 　前記複数の画素アレイは、露光期間の長さおよび開始タイミングが同一であり、
    　前記複数の画素アレイそれぞれは、当該画素アレイにおける複数の画素それぞれへの前記供給された光による入射光子数についてデジタル判定を行い、前記デジタル判定の判定結果値を前記複数の画素ごとに出力し、
    　前記出力された前記複数の画素それぞれの判定結果値を前記露光期間単位で総和し、前記露光期間における前記入射光の光子数を前記総和された総和値に基づいて算出する算出部をさらに具備する
    請求項９記載の撮像装置。
  11. 　前記複数の画素アレイは、露光期間の開始タイミングが異なる複数のグループに分類され、
    　前記複数の画素アレイそれぞれは、当該画素アレイにおける複数の画素それぞれへの前記供給された光による入射光子数についてデジタル判定を行い、前記デジタル判定の判定結果値を前記複数の画素ごとに出力し、
    　前記出力された前記複数の画素それぞれの判定結果値を前記グループ単位で総和し、前記総和した総和値に係るグループに属する画素アレイの数と前記複数の画素アレイの総数との比に基づいて前記総和値を補正し、前記グループの露光期間における前記入射光の光子数を、前記補正された総和値に基づいて算出する算出部をさらに具備する
    請求項９記載の撮像装置。
  12. 　複数の画素が配置されている撮像素子への光子数の検出対象である入射光であって光子数の検出対象となる入射光の光軸に対する直交方向への分布を略均一化させ、前記均一化された光を供給する光均一化部と、
    　前記供給された光による入射光子数について複数の画素それぞれについてデジタル判定を行い、前記デジタル判定の判定結果値を前記複数の画素ごとに出力する撮像素子と、
    　前記出力された前記複数の画素それぞれの判定結果値をフレーム単位で総和し、前記フレームの露光期間における前記入射光の光子数を前記総和された総和値に基づいて算出する算出部と
    を具備する電子機器。
  13. 　光子数の検出対象となる入射光の光軸に対する直交方向への分布を略均一化させ、前記均一化された光を供給する光均一化部と、前記供給された光による入射光子数について複数の画素それぞれについてデジタル判定を行い、前記デジタル判定の判定結果値を前記複数の画素ごとに出力する撮像素子とを備える撮像部を複数備える検出部を具備する輝尽発光検出スキャナー。
  14. 　複数の画素が配置されている撮像素子への光子数の検出対象である入射光であって光子数の検出対象となる入射光の光軸に対する直交方向への分布を略均一化させ、前記均一化された光を前記撮像素子に供給する光均一化手順と、
    　前記複数の画素それぞれへの前記供給された光による入射光子数について前記複数の画素ごとにデジタル判定を行う判定手順と、
    　前記複数の画素それぞれの判定結果値をフレーム単位で総和し、前記フレームの露光期間における前記入射光の光子数を前記総和された総和値に基づいて算出する算出手順と
    を具備する撮像方法。
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