(57)【要約】【課題】光子計測精度を向上させることのできる光検出装置およびＣＴ装置を提供する。【解決手段】本実施形態による光検出装置は、入射した光子を検出し電気信号に変換する光電変換素子を有する第１のセルが複数個アレイ状に配列された第１のセルアレイと、入射した光子を検出し電気信号に変換する光電変換素子を有する第２のセルが複数個アレイ状に前記第１のセルアレイに隣接して配置された第２のセルアレイと、を有する光検出素子部と、前記第１のセルアレイから出力される電気信号の波高分析を行う第１の波高分析部と、前記第２のセルアレイから出力される電気信号の波高分析を行う第２の波高分析部と、前記第１の波高分析部の出力信号と前記前記第２の波高分析部の出力信号を用いて前記第１のセルアレイと前記第２のセルアレイに入射される光子分布の偏りを判定し、出力する信号処理部と、を備えている。【選択図】図１
2014241543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光子を検出し電気信号に変換する光電変換素子を有する第１のセルが複数個アレイ状に配列された第１のセルアレイと、入射した光子を検出し電気信号に変換する光電変換素子を有する第２のセルが複数個アレイ状に前記第１のセルアレイに隣接して配置された第２のセルアレイと、を有する光検出素子部と、
前記第１のセルアレイから出力される電気信号の波高分析を行う第１の波高分析部と、
前記第２のセルアレイから出力される電気信号の波高分析を行う第２の波高分析部と、
前記第１の波高分析部の出力信号と前記前記第２の波高分析部の出力信号を用いて前記第１のセルアレイと前記第２のセルアレイに入射される光子分布の偏りを判定し、出力する信号処理部と、
を備えている光検出装置。
【請求項２】
前記第２のセルアレイは、前記第１のセルアレイの周囲に配置される請求項１記載の光検出装置。
【請求項３】
前記第２のセルアレイは複数個に分割される請求項１または２記載の光検出装置。
【請求項４】
前記第１のセルアレイの前記第１のセルおよび前記第２のセルアレイの前記第２のセルは、セルピッチおよび開口率が互いに異なっている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項５】
前記第１および第２のセルの光電変換素子は、アバランシェフォトダイオードである請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項６】
前記第１のセルアレイの前記アバランシェフォトダイオードは並列に接続され、前記第２のセルアレイの前記アバランシェフォトダイオードは並列に接続される請求項５記載の光検出装置。
【請求項７】
入射した光子を検出し電気信号に変換する光電変換素子を有する第１のセルが複数個アレイ状に配列された第１のセルアレイと、入射した光子を検出し電気信号に変換する光電変換素子を有する第２のセルが複数個アレイ状に前記第１のセルアレイに隣接して配置された第２のセルアレイと、入射した光子を検出し電気信号に変換する光電変換素子を有する第３のセルが複数個アレイ状に前記第１のセルアレイに隣接して配置された第３のセルアレイと、を有する光検出素子部と、
前記第１のセルアレイから出力される電気信号の波高分析を行う波高分析部と、
前記第２および第３のセルアレイから出力される電気信号を用いて前記第1のセルアレイと前記第２のセルアレイに入射される光子分布の偏りを判定し禁止信号を出力する偏り検出回路部と、
前記第１の波高分析部の出力信号と前記偏り検出回路部の出力信号を処理して、出力する信号処理部と、
を備えている光検出装置。
【請求項８】
前記第１乃至第３のセルの光電変換素子は、アバランシェフォトダイオードである請求項７記載の光検出装置。
【請求項９】
前記第１のセルアレイの前記アバランシェフォトダイオードは並列に接続され、前記第２のセルアレイの前記アバランシェフォトダイオードは並列に接続され、前記第３のセルアレイの前記アバランシェフォトダイオードは並列に接続される請求項８記載の光検出装置。
【請求項１０】
前記光検出素子部は、放射線により蛍光を発生するシンチレータを更に備え、前記光電変換素子は、前記シンチレータから出力された蛍光を電気信号に変換する請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光検出装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の光検出装置と、
放射線を発生する放射線発生部と、
前記放射線発生部から発生される放射線のエネルギーおよび発生タイミングを制御するとともに前記光検出部からの出力との同期をとるコントローラと、
前記信号処理部からの出力データを格納するデータ格納部と、
前記データ格納部に格納されたデータに基づいて画像を再構成する画像再構成部と、
前記画像再構成部によって再構成された画像を表示する表示部と、
を備えたＣＴ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光検出装置およびＣＴ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＳｉＰＭ（Silicon Photomultiplier）は、アバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ）を２次元的に並列配列し、ＡＰＤの降伏電圧よりも高い逆バイアス電圧条件にて動作させることで、ガイガーモードと呼ばれる領域で駆動させる光検出素子である。ガイガーモード動作時のＡＰＤの利得は１×１０５〜１×１０６と非常に高いため、光子１個の微弱な光でさえ計測可能となる。
【０００３】
各ＡＰＤにはクエンチ抵抗と呼ばれる高抵抗が直列に接続しており、光子１個が入射されガイガー放電した際に、クエンチ抵抗による電圧降下によって、増幅作用が終端するため、パルス状の出力信号が得られる。ＳｉＰＭにおいては、各ＡＰＤがこの働きをするため、複数のＡＰＤにおいてガイガー放電が生じた場合は、ＡＰＤ１つの出力信号に対して、ガイガー放電したＡＰＤ数倍の電荷量またはパルス波高値の出力信号が得られる。したがって、出力信号からガイガー放電したＡＰＤ数、つまりはＳｉＰＭに入射した光子数が計測できるため、光子１個１個の光子計測が可能となる。
【０００４】
前述したように、ＳｉＰＭは複数の光子が入射した場合においても、ＡＰＤアレイが各々ガイガー放電を行うため、各ＡＰＤに光子が１つずつ入射した場合は正確に光子数をカウントできる。しかしながら、ガイガー放電をしたＡＰＤは、元の逆バイアス電位状態に回復するまでにある時間を有し、この時間に光子が入射した場合はＡＰＤに十分な逆バイアスが掛かっていない状態になる。このため、光子検出としてカウントされない。そのため、この回復時間はデットタイムと呼ばれている。このデットタイム期間にＡＰＤに到達した光子数が多い場合は、光子の数え落しが生じるため、出力信号は、光子数に対して非線形な値を示す。このため、結果的に光子計測精度を大幅に悪化させてしまう。
【０００５】
この要因としては、ＳｉＰＭに入射してくる光子の空間分布及び、時間分布が大きく寄与している。例えば、同一エネルギーの光が入射されたとして、ＳｉＰＭに一様な分布で入射した場合と局所的な分布で入射した場合、局所的な分布の場合は短期間に同一ＡＰＤに入射される割合が増加するため、出力信号が一様な分布の場合に比べて小さくなる。しかしながら、ＳｉＰＭのＡＰＤは並列接続されているため、どのタイミングでどのＡＰＤがガイガー放電したのか情報がないため、結果的には入射してきた光子数が少ないといった誤信号のまま扱ってしまい、ＳｉＰＭのエネルギー分解能を低下させる。
【０００６】
ＳｉＰＭの特性改善として、入射してくる光子の受け皿となるＳｉＰＭのＡＰＤのアレイ数を増加や、デットタイムの短縮といった対策が行われているが、ＡＰＤのアレイ数増加はＡＰＤの面積を低減させる。このため光子検出効率や利得が低下してしまう。デットタイムの短縮はノイズ増加や利得の低下といったトレードオフの関係があるため、根本的な課題解決には至っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２５３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本実施形態は、光子計測精度を向上させることのできる光検出装置およびＣＴ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施形態による光検出装置は、入射した光子を検出し電気信号に変換する光電変換素子を有する第１のセルが複数個アレイ状に配列された第１のセルアレイと、入射した光子を検出し電気信号に変換する光電変換素子を有する第２のセルが複数個アレイ状に前記第１のセルアレイに隣接して配置された第２のセルアレイと、を有する光検出素子部と、前記第１のセルアレイから出力される電気信号の波高分析を行う第１の波高分析部と、前記第２のセルアレイから出力される電気信号の波高分析を行う第２の波高分析部と、前記第１の波高分析部の出力信号と前記前記第２の波高分析部の出力信号を用いて前記第１のセルアレイと前記第２のセルアレイに入射される光子分布の偏りを判定し、出力する信号処理部と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態による光検出装置を示すブロック図。
【図２】第１実施形態に用いられるＳｉＰＭの第１の例を示す平面図。
【図３】図２に示す領域Ａを拡大した３×３のＡＰＤセルアレイの平面図。
【図４】図３に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したＳｉＰＭの断面図。
【図５】第１実施形態に係わるＳｉＰＭの動作原理を説明するためのガイガーモードＡＰＤセルの断面図。
【図６】第１実施形態に係わるＳｉＰＭの動作原理を説明するためのＳｉＰＭの等価回路図。
【図７】比較例のＳｉＰＭの平面図。
【図８】比較例のＳｉＰＭの出力を示すヒストグラム。
【図９】第１実施形態による光検出装置を説明するためのＳｉＰＭの平面図。
【図１０】第１実施形態による光検出装置の構成を示す図。
【図１１】第１実施形態による光検出装置における波高分析部の出力と信号処理部の出力を示すヒストグラム。
【図１２】第１実施形態に用いられるＳｉＰＭの第２の例を示す平面図。
【図１３】第１実施形態に用いられるＳｉＰＭの第３の例を示す平面図。
【図１４】第１実施形態に用いられるＳｉＰＭの第４の例を示す平面図。
【図１５】第１実施形態に用いられるＳｉＰＭの第５の例を示す平面図。
【図１６】第１実施形態の変形例による光検出装置を示すブロック図。
【図１７】第１実施形態に係わる信号処理回路のタイミングチャート。
【図１８】第２実施形態による光検出装置の示すブロック図。
【図１９】第２実施形態に係わる光検出素子を示す断面図。
【図２０】図２０（ａ）、２０（ｂ）は、シンチレーション深さと頻度との特性をシミュレーションで求めた図。
【図２１】第２実施形態に係わる光検出素子を示す透視図。
【図２２】図２２（ａ）乃至２２（ｄ）は、シンチレーション位置におけるシンチレーション光子のＳｉＰＭへの到達分布を示す図。
【図２３】第３実施形態による光検出装置を示すブロック図。
【図２４】第３実施形態に係わる光検出素子を示す断面図。
【図２５】第３実施形態の光検出装置をＣＴ装置に応用した場合の外観概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
第１実施形態による光検出装置を図１に示す。図１は、第１実施形態の光検出装置３の構成を示すブロック図である。この光検出装置３は、計測対象となる光子を検出し電気信号に変換する光検出素子１と、光検出素子１で光電変換された電気信号を処理する信号処理回路２と、を備えている。光検出素子１は光電変換デバイスとしてＳｉＰＭ１０を有している。信号処理回路２はＳｉＰＭ１０から出力されたアナログ電気信号をデジタル変換する波高分析部２０および波高分析部２１と、波高分析部２０および波高分析部２１からのデジタル信号を処理する信号処理部２２と、を備えている。信号処理回路２には、電圧電源回路や温度補償制御回路等の光検出装置の駆動や特性に関わる回路も含まれるが、本実施形態の説明を簡略化するため図示していない。波高分析部２０および波高分析部２１は、説明上信号処理回路２に含まれているが、半導体基板からなるＳｉＰＭ１０と同一チップ上にオンチップ回路として形成しても良い。信号処理部２２でデジタル信号処理された出力信号４は、例えばＵＳＢケーブルを介してＰＣ等の情報端末に転送される。
【００１３】
次に、第１実施形態の光検出装置３について、具体的な構成および動作について説明する。
【００１４】
図２は、第１実施形態に係わるＳｉＰＭ１０の平面図である。ＳｉＰＭ１０は、光電変換を行うＡＰＤセル５が２次元的配置され２つのアレイ、すなわち第１のＡＰＤセルアレイ１０１および第２のＡＰＤセルアレイ１０２を備えている。第１のＡＰＤセルアレイ１０１と第２のＡＰＤセルアレイ１０２は、素子分離領域５９によって電気的に分離されている。
【００１５】
各ＡＰＤセルアレイ１０１、１０２においては、ＡＰＤセル５が並列に接続されており、第１のＡＰＤセルアレイ１０１は電極１０１ａに接続され、第２のＡＰＤセルアレイ１０２は電極１０２ａに接続されている。
【００１６】
図２に示す領域Ａを拡大した３×３のＡＰＤセルアレイの平面図を図３に示す。図３に示す切断線Ｂ−Ｂによって切断したＳｉＰＭ１０の断面図を図４に示す。ＡＰＤセル５は、ｎ＋型の半導体基板５２上にエピタキシャル成長により形成されたｐ型エピ層５０を備えている。各ＡＰＤセル５のｐ型エピ層５０は絶縁膜からなる素子分離領域５７によって素子分離されている。ｐ型エピ層５０は不純物濃度の低いｐ−層であり、アクセプタ不純物の注入することによりｐ型エピ層５０にｐ＋層５０ａ、５０ｂが形成され、アバランシェ層５１となる。
【００１７】
このアバランシェ層５１で発生した電荷を取り出すためにｐ＋層５０ａに接続されるコンタクト５５、クエンチ抵抗５３、および信号配線５４が設けられる。これらのコンタクト５５、クエンチ抵抗５３、および信号配線５４は層間絶縁膜５８によって覆われる。
【００１８】
また、半導体基板５２の裏面側には金属電極５６をスパッタやメッキ処理等で形成する。なお、図３はＳｉＰＭを簡単に説明するための一例であり、平面レイアウトはこの限りではない。また、図４はｎ＋型の半導体基板５２の上にｐ型エピ層５０とアクセプタ不純物を注入した縦型ＡＰＤセル構造であったが、内部不純物濃度分布の異なる縦型構造や横型構造のＡＰＤセルも用いてもよい。
【００１９】
次に、図５、図６を参照してＳｉＰＭ１０の動作原理について説明する。図５はＳｉＰＭ１０の動作原理を説明するためのガイガーモードＡＰＤセル５の断面図である。図５に示すＡＰＤセル５は図４に示す断面構造と同じとしている。ｎ＋型の半導体基板５２の上にｐ型エピ層５０とアクセプタ不純物を注入した縦型構造のため、金属電極５６はカソード電極となり、金属電極５６に逆バイアス電圧を印加すると、アバランシェ層５１に電界が生じる。逆バイアス電圧をさらに高くしていくと電界強度が強くなり、ある逆バイアス電圧にてアバランシェ降伏が生じ、大電流が流れる。このアバランシェ降伏を起こす降伏電圧以上の電圧を与えて駆動させるＡＰＤをガイガーモードＡＰＤと呼ばれる。
【００２０】
ガイガーモードＡＰＤがアバランシェ降伏を起こす条件として、高電界が掛かっている空乏層領域で種となる電子または正孔が必要になる。ここで、光子がこの領域で吸収されて光電変換を起こし、電子正孔対を生成すると、アバランシェ降伏を引き起こし、大電流が流れ続ける。このため、電荷を引き抜くアノード側にクエンチ抵抗５３が直列に接続されている。クエンチ抵抗５３を直列に接続することで、アバランシェ降伏によって大電流が流れるとともに電圧降下が起こるため、アノードとカソード間に掛かる電位が降伏電圧まで低下し、アバランシェ層５１の増幅作用が終端する。したがって、出力信号はパルス状の信号となり、このパルス信号を発生させる起因が光子１個であることから光子計測が可能となる。
【００２１】
図６はＳｉＰＭ１０の等価回路図を図６に示す。この等価回路は、アノード側にクエンチ抵抗５３を直列接続したＡＰＤセル５が並列に接続されている。図５を用いて説明したように、ＡＰＤセル５それぞれで光子１個を検出できるため、並列接続されたＡＰＤセル５はそれぞれが光子を検出し、ＳｉＰＭ１０内のＡＰＤセル５の数に応じて光子計測できる光子の上限値が決定される。
【００２２】
以上のように、ガイガーモードＡＰＤセル５を用いて光子計測が可能なことを説明した。しかしながら、降伏電圧まで低下した電位が再びガイガーモード動作電位まで回復し、再び光子検出が可能となるまでには、ＡＰＤセル５の容量とクエンチ抵抗５３から決まるＲＣ時定数に応じた回復時間が必要となる。この間に光子が入ってきても十分な増幅作用が得られず、出力信号を得るには至らない。そのため、この回復時間はデッドタイムと呼ばれている。同様にアバランシェ降伏中に光子が入ってきても出力信号は変化しない。つまり、ＳｉＰＭ１０に入ってくる光子の状況によっては光子の数え落しが発生し、光子計測精度を低下させる。この具体的な事例を比較例として説明する。
【００２３】
比較例によるＳｉＰＭ１０Ａの平面図を図７に示す。比較例のＳｉＰＭ１０Ａは、ＡＰＤセル５が２次元配列されており、全てのＡＰＤセルが並列接続されてＡＰＤセルアレイの電極１０１ａに接続されている。ここで光子数が等しく、空間分布が異なる３つの光子到達分布領域６ａ、６ｂ、６ｃについて考えてみる。光子到達分布領域６ａはＳｉＰＭ１０Ａの全面に一様に分布している条件、光子到達分布領域６ｂはＳｉＰＭ１０Ａの４分の１領域に分布している条件、光子到達分布領域６ｃはＳｉＰＭ１０Ａの中央部に分布している条件となっている。この時、ＳｉＰＭ１０Ａの出力信号のヒストグラムを図８に示す。図８に示すヒストグラムは横軸がガイガー放電を起こした（発火した）ＡＰＤセル５の数、すなわち検出した光子数を示し、縦軸が頻度を示す。図８からわかるように、ＳｉＰＭ１０Ａへの到達光子数は一定の条件にも関わらず、あたかも到達光子数が異なるかのような出力信号のヒストグラムとなる。これは、光子が到達するＡＰＤセル５の数が変化することと、光子密度が高くなることでデッドタイム期間に到達する光子の割合が増えるためである。
【００２４】
第１実施形態による光検出装置３を説明するためのＳｉＰＭ１０の平面図を図９に示す。図９に示す第１実施形態の光検出装置３の光子到達分布領域６ａ、６ｂ、６ｃは図７に示す比較例と同じ領域としている。図１０に示すように、第１のＡＰＤセルアレイ１０１と第２のＡＰＤセルアレイ１０２から出力されたアナログ電気信号は信号処理回路２の波高分析部２０と波高分析部２１にそれぞれ入力され、デジタル信号に変換された後、信号処理部２２に入力される。波高分析部２０、波高分析部２１はそれぞれ、入力されたパルスを波形整形する波形整形機能と、波形整形したパルスの波高値をＡＤ変換するＡＤ変換機能と、ＡＤ変換された値に応じて区分けされた信号の数を記憶するメモリ機能と、パルス波高の頻度分布の解析を行う波高分析機能とを有している。波高分析部２０、波高分析部２１、信号処理部２２の出力をそれぞれ図１１（ａ）、１１（ｂ）、１１（ｃ）に示す。図１１（ａ）、１１（ｂ）、１１（ｃ）に示すヒストグラムは横軸がガイガー放電を起こした（発火した）ＡＰＤセル５の数、すなわち検出した光子数を示し、縦軸が頻度を示す。波高分析部２０、波高分析部２１の出力は、光子の到達領域に該当するＡＰＤセル５の数に応じた値となる。このため、図７に示す比較例のＳｉＰＭ１０Ａと同様に光子到達分布領域６ａ、６ｂ、６ｃにより、検出する光子数が異なる。また、第１のＡＰＤセルアレイ１０１と第２のＡＰＤセルアレイ１０２の該当ＡＰＤセル５の数が異なるため、光子の到達する領域によって検出される光子数も異なる。信号処理部２２では、波高分析部２０と波高分析部２１の信号の比をとり、その比が所定の範囲内（例えば、ＳｉＰＭ１０の第１のＡＰＤセルアレイ１０１と第２のＡＰＤセルアレイ１０２のＡＰＤセル５の数の比±数％の範囲内）であれば波高分析部１０１で分析した信号を記録し、所定の範囲から外れた場合は波高分析部１０１で分析した信号を記録しない処理を行う。したがって、信号処理部２２からの出力信号は、図１１（ｃ）に示すように、光子がＳｉＰＭ１０に一様な分布で到達した光子到達分布６ａの場合の波高分析部１０１の出力信号のみ出力され、光子到達に偏りがある光子到達領域６ｂ、６ｃの場合の出力信号は最終的には出力されない。
【００２５】
比較例では、計測する光子数が同じ条件下でもＳｉＰＭ１０に到達する領域によって異なる光子計測値を示していた。これに対して、第１実施形態に光検出装置３を用いることにより、光子の到達する領域の偏りを判定し、偏りがある場合の計測値を出力しないことでバラツキを抑制し、光子計測精度を向上させることが可能となる。
【００２６】
また、第１実施形態の光検出装置３は、図１０に記載した構成だけに限定されない。例えば、ＳｉＰＭ１０は、図１２に示すように第２のＡＰＤセルアレイ１０２を電気的に分離した複数のＡＰＤセルアレイ１０２Ａ、１０２Ｂに分割しても良い。
【００２７】
また、図１３に示すように、ＡＰＤセル５で構成した第１のＡＰＤセルアレイ１０１と、ＡＰＤセル５とはセルピッチや開口率が異なる第２のＡＰＤセル５ａで構成した第２のＡＰＤセルアレイ１０２Ａ、１０２ＢでＳｉＰＭ１０を構成しても良い。図２、１２においては、第１のＡＰＤセルアレイ１０１と第２のＡＰＤセルアレイ１０２との間にＡＰＤセル５間の素子分離層５７よりも十分に幅の広い素子分離領域５９を設けている。
【００２８】
しかし、図１４、図１５に示すようにＡＰＤセル５を比較例のＳｉＰＭ１０Ａのようにマトリクス状のアレイ配置にしても良い。この場合は、信号配線５４のパターニングにより第１のＡＰＤセルアレイ１０１と第２のＡＰＤセルアレイ１０２を任意の配置にすることが可能となる。
【００２９】
（変形例）
図１６に示す第１実施形態の変形例による光検出装置３Ａを図１６に示す。この変形例による光検出装置３Ａは、図１２に示すＳｉＰＭ１０と、信号処理回路２Ａとを備えている。この信号処理回路２Ａは、扱う信号の数に応じて変更した構成を有している。信号処理回路２Ａは、到達光子の偏りを検出する偏り検出部２４と、波高分析部２０と、信号処理部２２と、を備える。偏り検出部２４は、２つの第２のＡＰＤセルアレイ１０２が出力するパルスの差分の絶対値を出力する差分出力回路２４ａと、差分出力回路２４ａの出力信号がある閾値を超えた場合に禁止信号を出力する禁止信号出力回路２４ｂと、を備える。波高分析部２０は、第１のＡＰＤセルアレイ１０１が出力するパルスを波形整形する波形整形部２０ａと、偏り検出部２４で生成された禁止信号を検出した時のみ波形整形部２０ａの出力の通過を禁止する禁止信号検出部２０ｂと、禁止信号検出部２０ｂを通過した波形整形部２０ａの出力パルスのピークを検出し保持するピーク検出保持部２０ｃと、ピーク検出保持部２０ｃの出力をＡＤ変換するＡＤ変換部２０ｄと、を備える。
【００３０】
なお、信号処理回路２、偏り検出部２４、波高分析部Ａ２０の構成は、この構成でなくともよい。ＳｉＰＭ１０への到達光子が一様な場合は、図１７に示すように、２つの第２のＡＰＤセルアレイ１０２の出力信号が同程度となるため、差分出力回路２４ａの出力は小さくなる。
【００３１】
一方、到達光子が局所的な偏りがある場合は、図１７に示すように、２つの第２のＡＰＤセルアレイ１０２の出力信号が異なるため、差分出力回路２４ａの出力が大きくなる。差分出力回路２４ｂの出力が禁止信号出力回路２４ｂで設定した閾値を超えた場合は、到達光子に偏りがあると判定し、コンパレータ２４ｂ出力として禁止信号のトリガパルスを生成、出力させる。波高分析部２０は、禁止信号検出部２０ｂに禁止信号が入力されたときは出力されないため、信号処理部２２への入力信号は、光子到達が一様な場合のみとなるため、信号処理部２２の出力、すなわち光子計測精度は向上する。またこの回路構成の場合は、信号処理部２２の処理が軽減される。
【００３２】
また、信号処理部２２の信号処理方法によっては、光子計数率を低下させないことも可能となる。例えば、図１０に示す光検出装置において、光子が到達する領域によって、第１のＡＰＤセルアレイ１０１と第２のＡＰＤセルアレイ１０２が検出する光子数の比が変化する。ここで、信号処理部２２に予め備えられた、第１のＡＰＤセルアレイ１０１のデジタル信号値と、第１のＡＰＤセルアレイ１０１と第２のＡＰＤセルアレイのデジタル値の比と、補正係数からなる補正テーブルを用いて、第１のＡＰＤセルアレイ１０１のデジタル値を補正して出力させる。これにより、第１のＡＰＤセルアレイ１０１から出力された全ての信号を出力させるため、光子計数率を低下させない。
【００３３】
以上のように、第１実施形態による光検出装置は、ＳｉＰＭ１０のＡＰＤセル５の配置、第２のＡＰＤセルアレイの出力信号数に関わらず、また信号処理回路の構成や信号処理方法にも制限を設けない。いずれの場合にせよ、ＳｉＰＭ１０が検出する光子の到達分布を検出し、光子計測精度を低下させる出力信号を出力せず、または補正する等の処理を施し、最終的な出力信号から得られる光子計測精度を向上させる。
【００３４】
（第２実施形態）
第２実施形態の光検出装置を図１８に示す。図１８は、第２実施形態の光検出装置３を示すブロック図である。この第２実施形態の光検出装置３は計測対象となる光子を検出し電気信号に変換する光検出素子１Ａと、光検出素子１Ａで光電変換された電気信号を処理する信号処理回路２とを備えている。光検出素子１Ａは、放射線により蛍光を発するシンチレータ１１と、シンチレータで発生した蛍光を検出するＳｉＰＭ１０とを備える。
【００３５】
信号処理回路２は、ＳｉＰＭ１０からの出力アナログ電気信号をデジタル変換する波高分析部２０および波高分析部２１と、波高分析部２０および波高分析部２１からのデジタル信号を処理する信号処理部２２と、を備えている。信号処理部２２でデジタル信号処理された出力信号４は、例えばＵＳＢケーブルを介してＰＣ等の情報端末に転送される。
【００３６】
第２実施形態に係る光検出素子１Ａの断面図を図１９に示す。第１実施形態と同様に、半導体基板５２に形成され、アバランシェ層５１を含むＡＰＤセルがアレイ状に配置されたＳｉＰＭ１０が設けられている。このＳｉＰＭ１０は、図４に示す第１実施形態のＳｉＰＭ１０と同じ構成を有している。この第２実施形態においては、このＳｉＰＭ１０の上方にシンチレータ１１が設けられている。シンチレータ１１とＳｉＰＭ１０は接着層１３によって接合される。シンチレータ１１の、ＳｉＰＭ１０と貼り合わせる面以外の５つの面が反射材１２で被覆されている。また、第１実施形態と同様に、半導体基板５２の裏面側には金属電極５６が設けられている。
【００３７】
シミュレーションによって求めた、シンチレーション深さと頻度との特性を図２０（ａ）、２０（ｂ）に示す。シンチレータ材料はＬＧＳＯ（Ｌｕ２−ＸＧｄＸＳｉＯ５：Ｃｅ）、シンチレータへ入射する放射線エネルギーは１２０ｋｅＶとし、厚み１０ｍｍと２ｍｍの条件でシミュレーションを行った。
【００３８】
また、第２実施形態に係る光検出素子を示す透視図を図２１に示し、シミュレーションによって求めた、シンチレーション１１の位置Ｂ、Ｃ、Ｄ、ＥにおけるＳｉＰＭ１０の光子到達分布の特性をそれぞれ図２２（ａ）、２２（ｂ）、２２（ｃ）、２２（ｄ）に示す。シンチレーション１１の位置Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅと、光子到達分布には相関があり、シンチレータの入射面近傍でシンチレーションが生じている場合は、光子は一様な分布となりＳｉＰＭ１０全領域に広がっている（図２２（ａ）、２２（ｂ））。これに対して、シンチレータの光子出射面近傍では、局所的な到達分布になっている（図２２（ｃ）、２２（ｄ））。図２０（ａ）、２０（ｂ）からわかるように、シンチレーション頻度は放射線が入射される表面より指数関数的に減衰しており、シンチレータ１１の厚みが厚いほど光子出射面近傍でシンチレーションが生じる確率が小さくなっている。つまりシンチレータ１１の厚みを厚くすることで、局所的な光子分布を引き起こす確率を低減できるものの、コストの増加やシンチレータ加工が困難になる等の新たな課題が生じる。また、計測する頻度、タイミングによっては、所定以上の割合で局所的な分布の光子計数値含まれるため、本質的な改善にはならない。
【００３９】
一方、第２実施形態の光検出装置３Ａにおいては、第１のＡＰＤセルアレイ１０１と第２のＡＰＤセルアレイ１０２から出力されたアナログ電気信号は、信号処理回路２の波高分析部２０と波高分析部２１にそれぞれ入力され、デジタル信号に変換された後、信号処理部２２に入力される。信号処理部２２では、波高分析部２０と波高分析部２１の信号の比をとり、その比が所定の範囲内（例えば、ＳｉＰＭ１０の第１のＡＰＤセルアレイ１０１と第２のＡＰＤセルアレイ１０２のＡＰＤセル５の数の比±数％の範囲内）であれば波高分析部１０１で分析した信号を記録し、所定の範囲から外れた場合は波高分析部１０１で分析した信号を記録しない処理を行う。従って、信号処理部２２からの出力信号は、光子がＳｉＰＭ１０に一様な分布で到達した場合の出力信号のみ出力されるため、シンチレータ１１のシンチレーション位置による局所的な光子到達の影響を受けない。
【００４０】
従来は、シンチレータのシンチレーション位置による光子到達分布によって、計測する光子数が同じ条件下でもＳｉＰＭ１０に到達する領域によって異なる光子計測値を示していた。
【００４１】
これに対して、第２実施形態の光検出装置を用いることで、光子の到達する領域の偏りを判定し、偏りがある場合の計測値を出力しないことでバラツキを抑制し、光子計測精度を向上させることが可能となる。
【００４２】
また、第２実施形態の光検出装置は、図１８に示した構成に限定されない。ＳｉＰＭ１０のＡＰＤセル５の配置、第２のＡＰＤセルアレイの出力信号数、信号処理回路２の構成、信号処理方法として、例えば、図１６に示したものを用いることができる。例えば、ＳｉＰＭ１０が検出する光子の到達分布を検出し、光子計測精度を低下させる出力信号を出力しない。または、補正する等の処理を施し、最終的な出力信号から得られる光子計測精度を向上させることができる。
【００４３】
（第３実施形態）
第３実施形態による光検出装置を図２３に示す。図２３は、第３実施形態の光検出装置３Ｂを示すブロック図である。この光検出装置３Ｂは、計測対象となる光子を発生させる光発生部６１と、光子を検出し電気信号に変換する光検出素子１Ｂと、光検出素子１Ｂで光電変換された電気信号を処理する信号処理回路２と、信号処理回路２からの出力信号のデータ解析や、光発生部６１と光検出装置の制御を行う機能を備有するコントロールユニット部７と、を備えている。
【００４４】
光発生部６１から出射される光の波長が放射線領域の場合、光検出素子１Ｂは図２４に示すように、放射線により蛍光を発するシンチレータ１１と、シンチレータで発生した蛍光を検出するＳｉＰＭ１０をアレイ化した構成になる。第２実施形態と同様に、半導体基板５２にアレイ状に配置されたＳｉＰＭ１０が設けられている。このＳｉＰＭ１０は、図４に示す第１実施形態のＳｉＰＭ１０と同じ構成を有している。この第３実施形態においては、これらのアレイ状に配置されたＳｉＰＭ１０の上方にアレイ状に配置されたシンチレータ１１が設けられている。シンチレータ１１とＳｉＰＭ１０は接着層１３によって接合される。シンチレータ１１の、ＳｉＰＭ１０と貼り合わせる面以外の５つの面が反射材１２で被覆されている。また、第１実施形態と同様に、半導体基板５２の裏面側には金属電極５６が設けられている。また、光発生部６１から出射される光の波長が３００ｎｍ以上の紫外線、可視光線、赤外線の場合は、光検出素子１ＢはＳｉＰＭ１０のみで構成しても良い。
【００４５】
第３実施形態による光検出装置３Ｂにおいては、コントロールユニット部７は、コントローラ７１によって光発生部６１の光エネルギーや出射タイミングを制御するとともに信号処理回路２の制御も行い、光検出素子１Ｂからの出力と同期をとる。ＳｉＰＭ１０の第１のＡＰＤセルアレイ１０１と第２のＡＰＤセルアレイ１０２のから出力されたアナログ電気信号は、信号処理回路２の波高分析部２０と波高分析部２１にそれぞれ入力され、デジタル信号に変換された後、信号処理部２２に入力される。信号処理部２２では、波高分析部２０と波高分析部２１の信号の比をとり、その比が所定の範囲内（例えば、ＳｉＰＭ１０の第１のＡＰＤセルアレイ１０１と第２のＡＰＤセルアレイ１０２のＡＰＤセル５の数の比±数％の範囲内）であれば波高分析部１０１で分析した信号を記録し、所定の範囲から外れた場合は波高分析部１０１で分析した信号を記録しない処理を行う。
【００４６】
したがって、信号処理部２２からの出力信号は、光子がＳｉＰＭ１０に一様な分布で到達した場合の出力信号のみ出力されるため、シンチレータ１１のシンチレーション位置による局所的な光子到達の影響を受けない。出力信号はコントロールユニット部７内のデータ格納部７２に記録、保存され、画像再構成部７３にて任意の画像データに変換し、表示部７４に表示される。
【００４７】
次に、第３実施形態の光検出装置３Ｂの応用例としては医用画像診断用のＣＴ(Computed Tomography)装置が挙げられる。第３実施形態の光検出装置３ＢをＣＴ装置に応用した場合の外観概略図を図２５に示す。光発生部６１と光検出装置３Ｂは対向してガントリ８１に取り付けられる。光発生部６１から出射された放射線は被験者８の体内を透過し、光検出装置３Ｂで検出される。放射線は被験者８の体内を通過する過程で、体内物質によって光子が透過または吸収が生じるため、出力信号ヒストグラムは体内物質で吸収された放射線エネルギーのみ頻度が低減する。これを画像再構成処理することで、体内物質の弁別と位置関係が明確になる。この時、光子計測精度が低いと、本来体内物質を透過した放射線エネルギーのカウントが低減するだけでなく、体内物質で吸収される放射線エネルギーのカウントが加算され、得られる再構成画像に大きな影響を及ぼす。つまり、本来あるはずの疾病を見落としてしまう可能性がある。
【００４８】
これに対して、第３実施形態の光検出装置３Ｂを用いたＣＴ装置では、他の放射線エネルギーのカウントを加算する恐れはない。
【００４９】
以上説明したように、第３実施形態の光検出装置を用いることで、光発生部から出射した光子を、ＳｉＰＭに到達する領域の偏りを判定し、偏りがある場合の計測値を出力しないことでバラツキを抑制し、光子計測精度を向上させることが可能となる。
【００５０】
また、第３実施形態の光検出装置は、図２３乃至図２５に示した構成に限定されない。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５２】
１  光検出素子
２  信号処理回路
３、３Ａ、３Ｂ  光検出装置
５  アバランシェフォトダイオードセル（ＡＰＤセル）
１０  ＳｉＰＭ
１０１  第１のＡＰＤセルアレイ
１０１ａ  第１のＡＰＤセルアレイの電極
１０２  第２のＡＰＤセルアレイ
１０２ａ  第２のＡＰＤセルアレイの電極
１１  シンチレータ
１２  反射材
１３  接着層
２０  波高分析部
２０ａ  波形整形部
２０ｂ  禁止信号検出部
２０ｃ  ピーク検出保持部
２０ｄ  ＡＤ変換部
２１  波高分析部
２２信号処理部
２４  偏り検出部
２４ａ  差分出力回路
２４ｂ  コンパレータ
【図１】
2014241543.tif 000003
【図２】
2014241543.tif 000004
【図３】
2014241543.tif 000005
【図４】
2014241543.tif 000006
【図５】
2014241543.tif 000007
【図６】
2014241543.tif 000008
【図７】
2014241543.tif 000009
【図８】
2014241543.tif 000010
【図９】
2014241543.tif 000011
【図１０】
2014241543.tif 000012
【図１１】
2014241543.tif 000013
【図１２】
2014241543.tif 000014
【図１３】
2014241543.tif 000015
【図１４】
2014241543.tif 000016
【図１５】
2014241543.tif 000017
【図１６】
2014241543.tif 000018
【図１７】
2014241543.tif 000019
【図１８】
2014241543.tif 000020
【図１９】
2014241543.tif 000021
【図２０】
2014241543.tif 000022
【図２１】
2014241543.tif 000023
【図２３】
2014241543.tif 000024
【図２４】
2014241543.tif 000025
【図２５】
2014241543.tif 000026
【図２２】
2014241543.tif 000027