(57)【要約】【課題】撮像素子において非常に短時間の露光を実現する技術を提供する。【解決手段】光電変換素子は、光を電荷に変換して蓄積する。浮遊拡散層は、光電変換素子から転送された電荷の量に応じた電圧を生成する。浮遊拡散層リセットトランジスタは、生成された電圧を初期化する。変換部は、電圧をデジタル信号に変換する変換処理を行う。光電変換素子リセットトランジスタは、電圧が初期化された後の所定のタイミングにおいて光電変換素子に蓄積された電荷の量を初期化する。転送トランジスタは、変換処理に要する時間より短い露光時間が所定のタイミングから経過したときに光電変換素子から浮遊拡散層への転送を行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を電荷に変換して蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子から転送された前記電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散層と、
前記生成された電圧を初期化する浮遊拡散層リセットトランジスタと、
前記電圧をデジタル信号に変換する変換処理を行う変換部と、
前記電圧が初期化された後の所定のタイミングにおいて前記光電変換素子に蓄積された前記電荷の量を初期化する光電変換素子リセットトランジスタと、
前記変換処理に要する時間より短い露光時間が前記所定のタイミングから経過したときに前記光電変換素子から前記浮遊拡散層への前記転送を行う転送トランジスタと
を具備する撮像素子。
【請求項２】
前記光電変換素子、前記浮遊拡散層、前記浮遊拡散層リセットトランジスタ、前記光電変換素子トランジスタおよび前記転送トランジスタをそれぞれが備える複数の画素からなる画素アレイ部を具備し、
前記画素アレイ部は、複数の領域に区分され、
前記変換部は、前記変換したデジタル信号を前記領域ごとに出力する
請求項１記載の撮像素子。
【請求項３】
前記初期化された電圧から変換されたデジタル信号をノイズ成分として保持するノイズ成分保持部を前記複数の領域のそれぞれに設けた保持部と、
前記転送が行われると前記電圧から変換された前記デジタル信号に対して前記保持されたノイズ成分を除去するノイズ除去処理を行うノイズ除去部と
をさらに具備し、
前記光電変換素子リセットトランジスタは、前記所定のタイミングに前記複数の領域の全てにおいて前記電荷の量を初期化し、
前記転送トランジスタは、前記露光時間が前記所定のタイミングから経過したときに前記複数の領域の全てにおいて前記転送を行い、
前記変換部は、前記初期化された電圧と前記転送が行われたときの前記電圧のそれぞれに対して前記変換処理を行って前記デジタル信号に変換する
請求項２記載の撮像素子。
【請求項４】
前記初期化された電圧から変換されたデジタル信号を前記複数の領域のいずれかのノイズ成分として保持するノイズ成分保持部と、
前記転送が行われると前記電圧から変換された前記デジタル信号に対して前記保持されたノイズ成分を除去するノイズ除去処理を行うノイズ除去部と
をさらに具備し、
前記光電変換素子リセットトランジスタは、前記複数の領域のいずれかにおいて前記電荷の量を初期化し、
前記転送トランジスタは、前記複数の領域のいずれかにおいて前記転送を行う
請求項２記載の撮像素子。
【請求項５】
前記変換部が配置された変換部配置基板と、
前記光電変換素子、前記浮遊拡散層リセットトランジスタ、前記光電変換素子トランジスタおよび前記転送トランジスタが配置され、前記変換部配置基板に積層された画素配置基板と
を具備する請求項１記載の撮像素子。
【請求項６】
放射線が入射されると光を生成するシンチレータと、
前記生成された光を電荷に変換して蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子から転送された前記電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散層と、
前記生成された電圧を初期化する浮遊拡散層リセットトランジスタと、
前記電圧をデジタル信号に変換する変換処理を行う変換部と、
前記電圧が初期化された後の所定のタイミングにおいて前記光電変換素子に蓄積された前記電荷の量を初期化する光電変換素子リセットトランジスタと、
前記変換処理に要する時間より短い露光時間が前記所定のタイミングから経過したときに前記光電変換素子から前記浮遊拡散層への前記転送を行う転送トランジスタと、
前記ノイズが除去されたデジタル信号に基づいて露光時間内に放射線が入射されたか否かを検出する放射線検出部と
を具備する放射線検出装置。
【請求項７】
前記光電変換素子、前記浮遊拡散層、前記浮遊拡散層リセットトランジスタ、前記変換部、前記光電変換素子トランジスタおよび前記転送トランジスタをそれぞれが備える複数の画素が配置された撮像素子を複数具備し、
前記検出部は、前記撮像素子ごとに前記放射線が入射されたか否かを検出する
請求項６記載の放射線検出装置。
【請求項８】
前記放射線検出部は、一定期間内の前記放射線の検出数から前記放射線の検出頻度を求め、
前記光電変換素子トランジスタは、前記放射線の検出頻度が所定頻度より高い場合には前記電圧が初期化された後の前記所定のタイミングにおいて前記電荷の量を初期化させ、前記所定頻度が前記検出頻度より高い場合には前記電圧が初期化される前に前記電荷の量を初期化させる
請求項６記載の放射線検出装置。
【請求項９】
前記転送トランジスタは、前記放射線の検出頻度が所定頻度より高い場合には前記変換処理に要する時間より短い露光時間が前記所定のタイミングから経過したときに前記転送を行い、前記所定頻度が前記検出頻度より高い場合には少なくとも前記変換処理に要する時間が前記所定のタイミングから経過したときに前記転送を行う
請求項８記載の放射線検出装置。
【請求項１０】
光を電荷に変換して蓄積する光電変換素子から転送された前記電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散層において生成された前記電圧を浮遊拡散層リセットトランジスタが初期化する浮遊拡散層リセット手順と、
変換部が、前記電圧をデジタル信号に変換する変換処理を行う変換手順と、
光電変換素子リセットトランジスタが、前記電圧が初期化された後の所定のタイミングにおいて前記光電変換素子に蓄積された前記電荷の量を初期化する光電変換素子リセット手順と、
転送トランジスタが、前記変換処理に要する時間より短い露光時間が前記所定のタイミングから経過したときに前記光電変換素子から前記浮遊拡散層への前記転送を行う転送手順と
を具備する撮像素子の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、撮像素子、放射線検出装置および撮像素子の制御方法に関する。詳しくは、微弱光を検出する撮像素子、放射線検出装置および撮像素子の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＳＰＥＣＴ（Single Photon Emission Computed Tomography:ガンマカメラ）やＰＥＴ（Positron Emission Tomography）などを用いた医療診断機器の導入が進んでいる。これらのＳＰＥＣＴやＰＥＴにおける放射線のフォトンカウンティングでは、検出装置に高い時間分解能を要求されると同時に、個々の放射線１光子が持つエネルギー強度の検出が求められ、エネルギー強度に応じたカウントのフィルタリングが実施される。
【０００３】
例えば、体内にテクネチウム等微量のガンマ線源を導入し、放出されるガンマ線の位置情報からガンマ線源の体内分布を求めることで、体内の血流状態や虚血症等の関連疾患が診断される。この検出にはＳＰＥＣＴ（ガンマカメラ）装置が使用され、ＳＰＥＣＴ装置においてシンチレータおよび光電子増倍管を使用する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、ガンマ線の入射位置のほか、ガンマ線のエネルギー強度を検出するＳＰＥＣＴ装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
ＳＰＥＣＴ装置におけるガンマ線検出の概略を説明する。このＳＰＥＣＴ装置は、コリメータ、シンチレータ、光電子増倍管、変換装置、および、演算装置を備える。体内のガンマ線源から発生したガンマ線が、コリメータを通過してシンチレータに入射すると、シンチレータは蛍光を発し、アレイ状に配置された光電子増倍管において、その光が検出される。光電子増倍管が、その光を増幅して電流パルスを発し、それらの電流パルスは電圧変換器、アンプおよびＡＤ変換機よりなる変換装置を介して、各光検出素子への入射光量値として演算装置に出力される。
【０００５】
一方、体内でコンプトン散乱を受けて減衰したガンマ線が、コリメータを通過して検出される場合がある。この信号は本来の位置情報を失ったノイズである。或いは宇宙線などにより異常に高い信号として発するノイズもある。ＳＰＥＣＴ装置はこれらのノイズを、散乱を受けないプライマリのガンマ線からエネルギー弁別によってフィルタリングする。演算装置は各光電子増倍管に接続された変換装置からの出力をもとに、個々のガンマ線についてノイズの弁別と位置判定を行なう。シンチレータが一枚板でなる場合、その発光は複数の光電子増倍管によって同時に検出される。演算装置は例えば出力の総和からガンマ線のエネルギーを、出力の重心からガンマ線の入射位置を特定する。個々のガンマ線入射を独立したイベントとして判定するためには、これらの作業は非常に高速に行われる必要がある。こうしてプライマリ（すなわち、ノイズではない）と判定されたガンマ線のイベント回数がカウントされ、ガンマ線源の体内分布が同定される。
【０００６】
このようなエネルギー弁別を伴った放射線のフォトンカウンティングは、位置情報が失われてノイズとなった散乱線をフィルタリングすることができ、高い撮像コントラストを得られることから、近年Ｘ線の透過撮像にも採用され、その効果が認識されつつある。フォトンカウンティングをＸ線の透過画像の撮像に用いる装置が提案されており（例えば、特許文献３および特許文献４参照。）、それらはマンモグラフィーやＸ線ＣＴ（Computed Tomography）への応用が期待されている。
【０００７】
一方、本願の発明者は、時分割及び複数画素による面分割を併用してダイナミックレンジを上げた、フォトンカウンティングによる新しい撮像素子を提案している（例えば、特許文献５参照。）。この撮像素子では、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）イメージャーの回路構成が踏襲されている。このようなデバイスはチップ内の画素アレイ全体を１つの受光面としたフォトンカウンティング用デバイスとして使用することもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２４２９５８号公報
【特許文献２】特表２００６−５０８３４４号公報
【特許文献３】特開２０１１−２４７７３号公報
【特許文献４】特開２００４−７７１３２号公報
【特許文献５】特開２０１１−９７５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上述の装置では、光子数を正確に検出することが困難である。まず、特許文献１乃至５に記載のように、半導体ＣＭＯＳイメージャー、あるいは、その類似構造を用いた半導体フォトンカウンタとシンチレーションを組み合わせて、放射線計数を行うものと仮定する。このような構造で光検出を行う場合、光検出の時間分解能はフレームレートによって規定される。このフレームレートは、有効画素全てを読み出して出力するために要する回路性能によって規定され、通常数ミリ秒から数十ミリ秒のオーダーである。
【００１０】
一方、例えば受光部１平方ミリメートルあたりに入射される放射線の個数は、ガンマカメラでは１秒当たり１００個以下であるのに対し、マンモグラフィーでは数万〜数百万個、ＣＴ撮像ではさらに桁オーダーで高くなる。これらを全てカウントするには数マイクロ秒、あるいはナノ秒オーダーで検出および判定のサイクルを完了する必要がある。したがって、放射線フォトンカウンティングをマンモグラフィーやＣＴ撮像に応用するためには、時間分解能が不足する問題がある。
【００１１】
ここで、６４行ｘ６４列の画素がアレイ状に配置されているＣＭＯＳイメージャーを想定する。このＣＭＯＳイメージャーは、検出判定回路、レジスタおよび出力回路をさらに備えるものとする。ＣＭＯＳイメージャーにおいて、各画素で検出された入射光は、光電変換された電荷として画素内に蓄積される。検出判定回路は、列ごとに設けられる。それぞれの検出判定回路は、例えば、ＡＤ（Analog to Digital）変換器を有し、それぞれのＡＤ変換器に列内の６４画素が接続される。検出回路への画素出力の読出し時には１行が選択され、６４画素の出力が６４個の検出回路に並列に読み出されてＡＤ変換され、フォトンの有無がデジタル判定される。検出および判定された各画素の出力結果は、一旦レジスタに保存され、次行の読出し期間内に出力回路に転送されて、デジタルデータとして出力される。
【００１２】
各行の読出しは順次循環的に行われ、６４回の読出しで一巡する。読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はリセットされるため、あるフレームの読出しから、次のフレームの読出しまでの間に、露光時間と光電変換された電荷の蓄積期間とが設けられる。
【００１３】
このようなＣＭＯＳイメージャーを単一の受光面をもつ受光素子として、上述の光電子増倍管の替わりに使用することを考える。例えば各イメージャーの前面には光拡散手段が配置され、シンチレータからの蛍光は、ほぼ均一にイメージャーに入射するものとする。
【００１４】
あるフレームのＸ行目の露光時間内の時刻Ｔ２＿１においてシンチレータにＸ線が入射すると、そのとき発した蛍光は全ての画素に同時に受光され、行毎の読出しに伴って逐次出力される。そして全有効行の読出しが一巡するまでの期間、有意な出力Ｄ２＿１が発生し続ける。さらに、次のフレームのＹ行目の露光時間内の時刻Ｔ２＿２において次のＸ線がシンチレータに入射すると、同様に出力Ｄ２＿２が発生する。
【００１５】
例えば、ＣＭＯＳイメージャーにおける各行の読出しに５マイクロ秒を要するとすると、６４行を一巡させるには３２０マイクロ秒が必要であり、出力Ｄ２＿１およびＤ２＿２はその期間発生し続ける。ここでＸ線が３２０マイクロ秒より短い間隔でシンチレータに入射した場合、Ｄ２＿１とＤ２＿２の出力は混合されて、Ｘ線のエネルギー判定も、フォトンカウンティングも不可能となる。すなわち、イメージャーの時間分解能は、所謂フレームレートによって規定されてしまう。フレームレートでは、前述したようにフォトンカウンティングにおいて時間分解能が不足し、フォトンカウンティングの精度を向上させることが困難である。
【００１６】
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、撮像素子において非常に短時間の露光を実現する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
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、光を電荷に変換して蓄積する光電変換素子と、上記光電変換素子から転送された上記電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散層と、上記生成された電圧を初期化する浮遊拡散層リセットトランジスタと、上記電圧をデジタル信号に変換する変換処理を行う変換部と、上記電圧が初期化された後の所定のタイミングにおいて上記光電変換素子に蓄積された上記電荷の量を初期化する光電変換素子リセットトランジスタと、上記変換処理に要する時間より短い露光時間が上記所定のタイミングから経過したときに上記光電変換素子から上記浮遊拡散層への上記転送を行う転送トランジスタとを具備する撮像素子、および、その制御方法である。これにより、変換処理に要する時間より短い露光時間が所定のタイミングから経過したときに光電変換素子から浮遊拡散層への転送が行われるという作用をもたらす。
【００１８】
また、この第１の側面において、上記光電変換素子、上記浮遊拡散層、上記浮遊拡散層リセットトランジスタ、上記光電変換素子トランジスタおよび上記転送トランジスタをそれぞれが備える複数の画素からなる画素アレイ部を具備し、上記画素アレイ部は、複数の領域に区分され、上記変換部は、上記変換したデジタル信号を上記領域ごとに出力してもよい。これにより、デジタル信号が領域ごとに出力されるという作用をもたらす。
【００１９】
また、この第１の側面において、上記初期化された電圧から変換されたデジタル信号をノイズ成分として保持するノイズ成分保持部を上記複数の領域のそれぞれに設けた保持部と、上記転送が行われると上記電圧から変換された上記デジタル信号に対して上記保持されたノイズ成分を除去するノイズ除去処理を行うノイズ除去部とをさらに具備し、上記光電変換素子リセットトランジスタは、上記所定のタイミングに上記複数の領域の全てにおいて上記電荷の量を初期化し、上記転送トランジスタは、上記露光時間が上記所定のタイミングから経過したときに上記複数の領域の全てにおいて上記転送を行い、上記変換部は、上記初期化された電圧と上記転送が行われたときの上記電圧のそれぞれに対して上記変換処理を行って上記デジタル信号に変換してもよい。これにより、露光時間が所定のタイミングから経過したときに上記複数の領域の全てにおいて転送が行われるという作用をもたらす。
【００２０】
また、この第１の側面において、上記初期化された電圧から変換されたデジタル信号を上記複数の領域のいずれかのノイズ成分として保持するノイズ成分保持部と、上記転送が行われると上記電圧から変換された上記デジタル信号に対して上記保持されたノイズ成分を除去するノイズ除去処理を行うノイズ除去部とをさらに具備し、上記光電変換素子リセットトランジスタは、上記複数の領域のいずれかにおいて上記電荷の量を初期化し、上記転送トランジスタは、上記複数の領域のいずれかにおいて上記転送を行ってもよい。これにより、複数の領域のいずれかにおいて電荷の量が初期化され、転送が行われるという作用をもたらす。
【００２１】
また、この第１の側面において、上記変換部が配置された変換部配置基板と、上記光電変換素子、上記浮遊拡散層リセットトランジスタ、上記光電変換素子トランジスタおよび上記転送トランジスタが配置され、上記変換部配置基板に積層された画素配置基板とを具備してもよい。これにより、変換部が配置された変換部配置基板に積層された画素配置基板に画素が配置されるという作用をもたらす。
【００２２】
また、本技術の第２の側面は、放射線が入射されると光を生成するシンチレータと、上記生成された光を電荷に変換して蓄積する光電変換素子と、上記光電変換素子から転送された上記電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散層と、上記生成された電圧を初期化する浮遊拡散層リセットトランジスタと、上記電圧をデジタル信号に変換する変換処理を行う変換部と、上記電圧が初期化された後の所定のタイミングにおいて上記光電変換素子に蓄積された上記電荷の量を初期化する光電変換素子リセットトランジスタと、上記変換処理に要する時間より短い露光時間が上記所定のタイミングから経過したときに上記光電変換素子から上記浮遊拡散層への上記転送を行う転送トランジスタと、上記ノイズが除去されたデジタル信号に基づいて露光時間内に放射線が入射されたか否かを検出する放射線検出部とを具備する放射線検出装置である。これにより、変換処理に要する時間より短い露光時間が所定のタイミングから経過したときに光電変換素子から浮遊拡散層への転送が行われるという作用をもたらす。
【００２３】
また、この第２の側面において、上記光電変換素子、上記浮遊拡散層、上記浮遊拡散層リセットトランジスタ、上記変換部、上記光電変換素子トランジスタおよび上記転送トランジスタをそれぞれが備える複数の画素が配置された撮像素子を複数具備し、上記検出部は、上記撮像素子ごとに上記放射線が入射されたか否かを検出してもよい。これにより、撮像素子ごとに放射線が入射されたか否かが検出されるという作用をもたらす。
【００２４】
また、この第２の側面において、上記放射線検出部は、一定期間内の上記放射線の検出数から上記放射線の検出頻度を求め、上記光電変換素子トランジスタは、上記放射線の検出頻度が所定頻度より高い場合には上記電圧が初期化された後の上記所定のタイミングにおいて上記電荷の量を初期化させ、上記所定頻度が上記検出頻度より高い場合には上記電圧が初期化される前に上記電荷の量を初期化させてもよい。これにより、放射線の検出頻度が所定頻度より高い場合には電圧が初期化された後の上記所定のタイミングにおいて電荷の量が初期化され、所定頻度が検出頻度より高い場合には電圧が初期化される前に電荷の量が初期化されるという作用をもたらす。
【００２５】
また、この第２の側面において、上記転送トランジスタは、上記放射線の検出頻度が所定頻度より高い場合には上記変換処理に要する時間より短い露光時間が上記所定のタイミングから経過したときに上記転送を行い、上記所定頻度が上記検出頻度より高い場合には少なくとも上記変換処理に要する時間が上記所定のタイミングから経過したときに上記転送を行ってもよい。これにより、放射線の検出頻度が所定頻度より高い場合には変換処理に要する時間より短い露光時間が所定のタイミングから経過したときに転送が行われ、所定頻度が検出頻度より高い場合には少なくとも変換処理に要する時間が所定のタイミングから経過したときに転送が行われるという作用をもたらす。
【発明の効果】
【００２６】
本技術によれば、撮像素子の露光時間を短縮することができるという優れた効果を奏し得る。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の実施の形態における放射線検出装置の一構成例を示すブロック図である。
【図２】第１の実施の形態における撮像素子の一構成例を示すブロック図である。
【図３】第１の実施の形態における画素の一構成例を示す回路図である。
【図４】第１の実施の形態における画素の制御の一例を示すタイミングチャートである。
【図５】第１の実施の形態における画素アレイ部および検出回路の一構成例を示す図である。
【図６】第１の実施の形態における検出回路の動作の一例を示すフローチャートである。
【図７】第１の実施の形態における、二次元画像を取得する際の露光制御の一例を示す図である。
【図８】第１の実施の形態における光検出を行う際の露光制御の一例を示す図である。
【図９】第１の実施の形態の第１の変形例における画素の制御の一例を示すタイミングチャートである。
【図１０】第１の実施の形態の第１の変形例における長時間露光を行う際の露光制御の一例を示す図である。
【図１１】第１の実施の形態の第１の変形例における各区画を順に選択する露光制御の一例を示す図である。
【図１２】第１の実施の形態の第２の変形例における放射線検出装置の一構成例を示すブロック図である。
【図１３】第２の実施の形態における検出回路の一構成例を示す図である。
【図１４】第２の実施の形態における画素の制御の一例を示すタイミングチャートである。
【図１５】第２の実施の形態における撮像素子の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１６】第２の実施の形態の変形例における画素の制御の一例を示すタイミングチャートである。
【図１７】第３の実施の形態における放射線検出装置の一構成例を示す斜視図である。
【図１８】第３の実施の形態における画素ブロックの一構成例を示す図である。
【図１９】第３の実施の形態における検出ブロックの一構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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（サンプリング期間より短い露光時間により露光する例）
２．第２の実施の形態（サンプリング期間より短い露光時間により全区画で一斉に露光する例）
３．第３の実施の形態（積層された基板においてサンプリング期間より短い露光時間により露光する例）
【００２９】
＜１．第１の実施の形態＞
［半導体光検出装置の構成例］
図１は、第１の実施の形態における放射線検出装置１００の一構成例を示すブロック図である。この放射線検出装置１００は、コリメータ１１０、シンチレータ１２０、光ガイド１３０、撮像素子２００およびデータ処理部１４０を有する。
【００３０】
コリメータ１１０は、撮像素子２００に対して垂直に入射された放射線のみを通過させるものである。このコリメータ１１０は、例えば、鉛を用いて形成される。コリメータ１１０を通過した放射線は、シンチレータ１２０に入射される。
【００３１】
シンチレータ１２０は、コリメータ１１０を通過した放射線を受けてシンチレーション光を発するものである。光ガイド１３０は、シンチレーション光を集光して撮像素子２００に導くものである。また、この光ガイド１３０は光均一化機能を内蔵しており、撮像素子２００の受光面にはシンチレーション光が略均一化されて照射される。
【００３２】
撮像素子２００は、微弱なシンチレーション光を検出するものである。この撮像素子２００は複数の画素を備え、画素ごとに、シンチレーション光の光強度を測定する。撮像素子２００は、光強度の測定結果をデジタルデータとして信号線１４９を介してデータ処理部１４０に供給する。
【００３３】
データ処理部１４０は、各光強度結果をもとに放射線のエネルギー弁別を行うとともに、有意なデータの発生回数を計測し、放射線のフォトンカウンティングを実施するものである。なお、データ処理部１４０は、特許請求の範囲に記載の放射線検出部の一例である。
【００３４】
［撮像素子の構成例］
図２は、第１の実施の形態における撮像素子２００の一構成例を示すブロック図である。この撮像素子２００は、駆動回路２１０と、画素アレイ部２２０と、検出回路２４０および２６０と、レジスタ２８５および２８６と、出力回路２８７とを備える。
【００３５】
画素アレイ部２２０は、２次元格子状に配列された複数の画素２３０を備える。画素アレイ部２２０において、例えば、８行×３２列の画素２３０が配列される。ここで、行は画素アレイ部２２０においてある一方向に複数の画素２３０が配列されたものであり、列は画素アレイ部２２０において行と直交する方向に複数の画素２３０が配列されたものである。これらの画素２３０の形状は長方形であり、その行方向のサイズと列方向のサイズとの比は約１：４である。したがって、これらの長方形の画素２３０を８行×３２列配列した画素アレイ部２２０の形状は、略正方形となる。
【００３６】
また、画素アレイ部２２０は、４区画に分割されている。１つ目の区画は、１行目および５行目の２行からなる区画であり、２つ目の区画は、２行目および６行目の２行からなる区画である。３つ目の区画は、３行目および７行目の行からなり、４つ目の区画は４行目および８行目の行からなる。各区画内の２行においては、駆動回路２１０により、同時により露光時間が制御され、検出回路２４０および２６０により、同時にデジタルデータの読出しが行われる。つまり、各区画は、露光制御および読出しの単位として用いられる。
【００３７】
ここで、「露光」とは機械的にシャッターを開閉して撮像素子２００に光を導くことではなく、駆動回路２１０が画素２３０を電子的に制御して、光から変換した電荷を蓄積させることを意味する。このような露光は、電子シャッターを用いた露光と呼ばれる。電子シャッターを用いる露光の制御においては、光電変換素子に蓄積された電荷の量の初期化により露光が開始し、光電変換素子から浮遊拡散層への電荷の転送により露光が終了する。
【００３８】
なお、画素アレイ部２２０を２行単位で４つの区画に分割しているが、この分割方法に限定されない。例えば、２行以外の数の行を１つの区画として分割してもよいし、所定数の列を１つの区画として分割してもよい。
【００３９】
画素２３０は、光を電荷に変換して、その電荷の量に応じた電圧を生成するものである。この画素２３０には、行方向および列方向に対して垂直な方向に沿ってシンチレーション光が入射光として入射される。画素２３０は、その入射光を電荷に変換（光電変換）して、その電荷の量に応じた電圧を生成する。
【００４０】
また、画素２３０のそれぞれは、信号線２１７、２１８および２１９を介して駆動回路２１０に接続される。ここで、検出回路２４０および２６０は、列ごとに設けられる。１乃至４行目の行において、各列の画素２３０は、その列に対応する検出回路２４０に垂直信号線２３８を介して接続される。一方、５乃至８行目の行において、各列の画素２３０は、その列に対応する検出回路２６０に垂直信号線２３９を介して接続される。
【００４１】
駆動回路２１０は、画素アレイ部２２０における４区画を順に選択するものである。この駆動回路２１０には、撮像素子２００の外部からの制御信号が入力される。この制御信号は、ユーザの操作に従って生成される信号であり、露光時間を設定する設定信号や、フォトンカウンティングの開始および終了を指示する指示信号などを含む。駆動回路２１０は、フォトンカウンティングの開始が指示されると、４区画を順に選択して、選択した区画内の画素２３０を同時に露光させ、露光量に応じた電圧を出力させる。
【００４２】
検出回路２４０は、画素２３０に蓄積された電荷量に応じた電圧を検出するものである。この検出回路２４０は、デジタルＣＤＳ（Correlated Double Sampling）回路を使用して、露光量に応じた電圧をデジタル信号に変換（言い換えれば、サンプリング）する。そして、検出回路２４０は、サンプリングした電圧に基づいて、画素２３０への光子の入射の有無を判定する。検出回路２４０は、判定結果をレジスタ２８５に保持させる。
【００４３】
レジスタ２８５および２８６は、画素２３０への光子の入射についての判定結果を保持するものである。レジスタ２８５は、検出回路２４０ごとに配置され、それらの検出結果を保持する。また、レジスタ２８６は、検出回路２６０ごとに配置され、それらの検出結果を保持する。
【００４４】
出力回路２８７は、レジスタ２８５および２８６に保持された判定結果をデジタルデータとして、順に出力するものである。
【００４５】
［画素の構成例］
図３は、第１の実施の形態における画素２３０の一構成例を示す回路図である。この画素２３０は、ＰＤリセットトランジスタ２３１と、ノード２３２および２３５と、フォトダイオード２３３と、転送トランジスタ２３４、ＦＤリセットトランジスタ２３６と、アンプトランジスタ２３７とを備える。転送トランジスタ２３４、ＦＤリセットトランジスタ２３６およびアンプトランジスタ２３７として、例えば、ＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタが用いられる。
【００４６】
ＰＤリセットトランジスタ２３１は、フォトダイオード２３３をリセットするスイッチング素子である。フォトダイオード２３３のリセットとは、フォトダイオード２３３によりノード２３２に蓄積された電荷の量を初期値にすることである。ＰＤリセットトランジスタのゲートは信号線２１９に接続され、ドレインはノード２３２に接続される。なお、ＰＤリセットトランジスタ２３１は、特許請求の範囲に記載の光電変換素子リセットトランジスタの一例である。
【００４７】
ノード２３２は、光電変換された電荷を蓄積するものである。フォトダイオード２３３は、シンチレーション光を電荷に変換してノード２３２に蓄積するものである。埋込み型フォトダイオード、いわゆるＨＡＤ（Hole Accumulated Diode）を、フォトダイオード２３３として用いることが望ましい。なお、ノード２３２およびフォトダイオード２３３は、特許請求の範囲に記載の光電変換素子の一例である。
【００４８】
転送トランジスタ２３４は、光電変換された電荷をノード２３２からノード２３５へ転送するものである。転送トランジスタ２３４のゲートは、信号線２１８に接続され、ソースはノード２３２に接続され、ドレインはノード２３５に接続される。
【００４９】
ノード２３５は、転送された電荷を蓄積して蓄積した電荷量に応じた電圧を生成するものである。このノード２３５は、浮遊拡散層などにより形成される。
【００５０】
ＦＤリセットトランジスタ２３６は、浮遊拡散層をリセットするものである。ここで、浮遊拡散層のリセットとは、ノード２３５の電荷量を初期値にすることにより、その電荷量に応じた電圧を初期値にすることである。ＦＤリセットトランジスタ２３６のゲートは、信号線２１７に接続され、ソースは電源ＶＤＤに接続され、ドレインは、ノード２３５に接続される。なお、ＦＤリセットトランジスタ２３６は、特許請求の範囲に記載の浮遊拡散層リセットトランジスタの一例である。
【００５１】
アンプトランジスタ２３７は、浮遊拡散層（ノード２３５）の電圧を増幅して、その増幅された電位に応じた信号を垂直信号線２３９に出力するためのものである。アンプトランジスタ２３７のゲートは、ノード２３５に接続され、ソースは電源ＶＤＤに接続され、ドレインは、垂直信号線２３９に接続される。この構成により、アンプトランジスタ２３７は、浮遊拡散層の電圧が初期値にリセットされている場合には、その初期値の電圧（以下、「リセットレベル」と称する。）に応じたリセット信号を、垂直信号線２３９に出力する。また、フォトダイオード２３３が蓄積した電荷がノード２３５に転送された場合には、アンプトランジスタ２３７は、その電荷の量に応じた電圧（以下、「信号レベル」と称する。）の蓄積信号を、垂直信号線２３９に出力する。
【００５２】
ここで、駆動回路２１０は、転送トランジスタ２３４をオフ状態にしたまま、ＰＤリセットトランジスタ２３１をオン状態に制御することにより、フォトダイオード２３３のリセットを開始する。これにより、ノード２３２に蓄積された電荷が全て電源ＶＤＤに引き抜かれる。そして、駆動回路２１０は、ＰＤリセットトランジスタ２３１をオフ状態に制御することにより、フォトダイオード２３３のリセットを終了する。フォトダイオード２３３は、リセットにより完全空乏化され、リセット操作完了の直後から、新たな電荷蓄積を開始する。
【００５３】
即ち駆動回路２１０はＰＤリセットトランジスタ２３１をオン状態からオフ状態することにより、フォトダイオード２３３に露光蓄積を開始させる。そして、駆動回路２１０は、転送トランジスタ２３４をオン状態に制御し、次いでオフ状態に制御することにより、露光蓄積を終了させる。
【００５４】
また、駆動回路２１０は、転送トランジスタ２３４をオフ状態にしたまま、ＦＤリセットトランジスタ２３６をオン状態に制御することにより、浮遊拡散層のリセットを開始する。そして、駆動回路２１０は、ＦＤリセットトランジスタ２３６をオフ状態に制御することにより、浮遊拡散層のリセットを終了する。ここで注意すべきは、リセット完了状態における浮遊拡散層の電位は正確な電源電圧にあるのではなく、オフ時のフィードスルーやｋＴＣノイズが含まれることである。さらに垂直信号線２３９に現れる出力信号には、アンプトランジスタ２３７のオフセットも含まれる。この出力信号（リセット信号および蓄積信号）は画素２３０ごとに、さらに浮遊拡散層のリセットのたびに変動するため、各画素の露光操作ごとに、検出回路２６０によりサンプリングして保存する必要がある。ｋＴＣノイズ等を低減した蓄積信号は、このリセット信号と蓄積信号との間の差分から求められる。このように、リセット信号および蓄積信号の差分を検出することにより、ｋＴＣノイズ等を低減する手法は、ＣＤＳ（相間二重サンプリング）と呼ばれる。
【００５５】
ところで、画素２３０以外の画素の中には、ＦＤリセットトランジスタおよび転送トランジスタを両方ともオンにすることによりフォトダイオードに蓄積された電荷の引き抜きを行う構成のものが存在する。しかし、この構成では、電荷の引き抜き後に転送トランジスタをオフした時点でフォトダイオードのリセットが完了し、その時点から露光が開始される。一方、浮遊拡散層のリセットと、電圧の検出とはその後に改めて実施する必要がある。したがって、リセット信号のサンプリング期間中に、露光が継続することになり、蓄積信号の転送および検出は少なくとも、その後となる。このため、ＦＤリセットトランジスタおよび転送トランジスタを両方ともオンにして電荷量の初期化を開始する構成では、露光時間を極端に短縮することが困難となる。
【００５６】
［画素の制御例］
図４は、第１の実施の形態における画素２３０の制御の一例を示すタイミングチャートである。画素が選択されていない初期状態において、ＦＤリセットトランジスタ２３６およびＰＤリセットトランジスタ２３１はオン状態であり、転送トランジスタ２３４はオフ状態であるものとする。初期状態では、ＰＤリセットトランジスタ２３１がオン状態であるため、フォトダイオード２３３の電荷は全て排出されている。また、ＦＤリセットトランジスタ２３６がオン状態であるため、浮遊拡散層の電位は、ほぼ電源電圧（例えば、３Ｖ）に初期化されている。
【００５７】
駆動回路２１０は時刻Ｔ１において画素を選択したものとする。駆動回路２１０は、まず、ＦＤリセットトランジスタ２３６をオフ状態に制御する。これにより、浮遊拡散層の電位は、浮遊状態となり、そのポテンシャルを反映した電位が垂直信号線２３９から出力される。
【００５８】
時刻Ｔ１から一定時間が経過した時刻Ｔ２において、検出回路２６０は、そのときの電位をリセットレベルとして、そのサンプリングを開始する。ここで、浮遊状態となった浮遊拡散層の電位が安定するには、一定時間（例えば、１００ナノ秒）が必要であり、その時間が経過した後に、サンプリングが開始されるものとする。また、リセットレベルのサンプリングに要するサンプリング期間は、例えば、１マイクロ秒（μｓ）である。なお、信号レベルのサンプリング期間も同程度であるものとする。
【００５９】
そして、リセットレベルのサンプリング期間内の時刻Ｔ３において、駆動回路２１０は、ＰＤリセットトランジスタ２３１をオフ状態に制御する。これにより、フォトダイオード２３３がリセットされて、信号電荷の露光蓄積、すなわち露光が開始される。
【００６０】
時刻Ｔ３から、予め設定された露光時間が経過する時刻Ｔ４の直前において、駆動回路２１０は、転送トランジスタ２３４をオン状態に制御して、信号電荷を浮遊拡散層に転送させる。そして、露光時間が経過した時刻Ｔ４において、駆動回路２１０は、転送トランジスタ２３４をオフ状態に制御する。これにより、露光が完了する。また、この時刻Ｔ４において、リセットレベルのサンプリングが終了する。
【００６１】
ここで、露光時間は、リセットレベルや信号レベルのサンプリング期間より短い時間に設定されているものとする。サンプリング期間が、１マイクロ秒（μｓ）である場合、露光時間は、例えば、１００ナノ秒（ｎｓ）に設定される。
【００６２】
なお、駆動回路２１０は、リセットレベルのサンプリング期間中に露光を開始させる構成としているが、この構成に限定されない。駆動回路２１０は、リセットレベルのサンプリング期間の経過と同時、または、サンプリング期間が経過した後に、露光を開始させてもよい。
【００６３】
また、露光の終了と同時にサンプリングが終了する構成としているが、この構成に限定されない。露光の終了前に、サンプリングが終了するタイミングで駆動回路２１０が露光を開始してもよい。
【００６４】
時刻Ｔ４から一定時間が経過して浮遊拡散層の電位が安定した時刻Ｔ５において、検出回路２６０は、浮遊拡散層に蓄積された信号電荷の量に応じた電圧を信号レベルとしてサンプリングする。そして、検出回路２６０は、保持しておいたリセットレベルと信号レベルとの差分を求めて、その差分の電圧の信号を、ノイズを低減した蓄積信号として出力する。
【００６５】
信号レベルのサンプリングが終了した時刻Ｔ６において、駆動回路２１０は、ＰＤリセットトランジスタ２３１をオン状態に制御してフォトダイオード２３３の電荷を全て排出する。なお、駆動回路２１０は、信号レベルのサンプリングが終了した後に、ＰＤリセットトランジスタ２３１をオン状態に制御してもよい。
【００６６】
上述の制御においては、露光開始前に浮遊拡散層がリセットされ、リセットレベルのサンプリングが開始されている。露光時間中にリセットレベルのサンプリングを行わないため、リセットレベルのサンプリングにかかるサンプリング期間以上に露光時間を長くする必要がない。この露光時間は、ＰＤリセットトランジスタ２３１および転送トランジスタ２３４の制御タイミングと、フォトダイオード２３３から浮遊拡散層への電荷の転送に要する時間とにより規定されている。このため、上述の制御によれば、露光時間を数十ナノ秒（ｎｓ）あるいは、それ以下のオーダーに短縮することができる。
【００６７】
なお、検出回路２６０がＣＤＳを問題なく実行するためには、リセットレベルのサンプリングから、信号レベルのサンプリングまでの間において、浮遊拡散層において発生する暗電流が十分に小さくなければならない。一般に、浮遊拡散層の暗電流は、フォトダイオード２３３の暗電流より数桁多いため、このようなＣＤＳ手順は、短時間露光においてきわめて有効となる方法である。
【００６８】
［検出回路の構成例］
図５は、第１の実施の形態における画素アレイ部２２０および検出回路２６０の一構成例を示す図である。同図の画素アレイ部２２０においては、１つの検出回路２６０に接続される４つの画素２３０のみが記載され、残りの画素２３０は省略されている。この検出回路２６０は、アナログＣＤＳ回路２６１、デジタルＣＤＳ回路２６５およびバイナリ判定部２７０を備える。
【００６９】
アナログＣＤＳ回路２６１は、アナログＣＤＳによりオフセット除去を行うものであり、スイッチ２６２と、キャパシタ２６３と、比較器２６４とを備える。
【００７０】
スイッチ２６２は、垂直信号線２３９の接続先を切り替えるものである。このスイッチ２６２は、１つの入力端子と２つの出力端子とを備える。入力端子には垂直信号線２３９が接続される。２つの出力端子の一方は、基準電圧を出力する端子であり、キャパシタ２６３と比較器２６４の入力端子の一方と接続される。２つの出力端子の他方は、基準電圧と比較する対象の信号を出力するための端子であり、比較器２６４の入力端子の他方に接続される。
【００７１】
このスイッチ２６２は、画素２３０のリセット信号を保持させる場合には、基準電圧を出力する端子（キャパシタ２６３が接続されている方の端子）に垂直信号線２３９を接続する。また、スイッチ２６２は、アナログＣＤＳの結果を比較器２６４が出力する場合には、比較対象の信号を出力する端子（キャパシタ２６３が接続されていない方の端子）に垂直信号線２３９を接続する。
【００７２】
キャパシタ２６３は、画素３１１のリセット信号を保持するための保持容量である。キャパシタ２６３は、スイッチ２６２の出力端子の一方と比較器２６４とに接続される。
【００７３】
比較器２６４は、キャパシタ２６３に保持された信号と、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２６４は、保持されたリセット信号と、垂直信号線２３９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２６４は、ｋＴＣノイズなどの画素２３０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２６４は、例えば、ゲインが「１」のオペアンプにより実現される。比較器２６４は、差分の信号を、デジタルＣＤＳ回路２６５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。
【００７４】
デジタルＣＤＳ回路２６５は、デジタルＣＤＳによりノイズ除去を行うものであり、ＡＤ変換部２６６と、スイッチ２６７と、レジスタ２６８と、減算器２６９とを備える。
【００７５】
ＡＤ変換部２６６は、比較器２６４から供給された信号をＡＤ変換するものである。なお、ＡＤ変換部２６６は、特許請求の範囲に記載の変換部の一例である。
【００７６】
スイッチ２６７は、ＡＤ変換部２６６が生成したＡＤ変換後の信号の供給先を切り替えるものである。このスイッチ２６７は、１つの入力端子と２つの出力端子とを備える。入力端子は、比較器２６４に接続される。２つの出力端子の一方は、減算器２６９に接続され、他方はレジスタ２６８に接続される。
【００７７】
スイッチ２６７は、ＡＤ変換部２６６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２６８に供給し、そのレジスタ２６８にラッチ（保持）させる。これにより、比較器２６４やＡＤ変換部２６６のオフセットの値がリセットレベルとしてレジスタ２６８に保持される。また、スイッチ２６７は、ＡＤ変換部２６６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２６９に供給する。
【００７８】
レジスタ２６８は、ノイズ成分が含まれる無信号のＡＤ変換の結果を保持するものである。レジスタ２６８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２６９に供給する。なお、レジスタ２６８は、特許請求の範囲に記載のノイズ成分保持部の一例である。
【００７９】
減算器２６９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２６９は、減算した結果（正味のデジタル値）を、バイナリ判定部２７０に供給する。なお、減算器２６９は、特許請求の範囲に記載のノイズ成分除去部の一例である。
【００８０】
バイナリ判定部２７０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２７０は、減算器２６９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２３０への光子の入射の有無をバイナリ判定し、その判定結果をレジスタ２６８へ出力する。図５における「ＢＩＮＯＵＴ」は、この判定結果を示す。
【００８１】
［検出回路の動作例］
図６は、第１の実施の形態における検出回路２６０の動作の一例を示すフローチャートである。同図に示すフローチャートの各手順の枠は、その手順を実行する構成を示す。すなわち、２重の枠で示す手順は画素２３０の手順を示し、長い線の破線の枠で示す手順はアナログＣＤＳ回路２６１の手順を示す。短い線の破線の枠で示す手順はデジタルＣＤＳ回路２６５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２７０の手順を示す。なお、説明の便宜上、アナログＣＤＳ回路２６１によるアナログＣＤＳ処理については、図示を省略し、デジタルＣＤＳ回路２６５がＡＤ変換を行う際の手順で一緒に説明する。
【００８２】
まず、選択された行の画素２３０は、駆動回路２１０の制御に従って、浮遊拡散層（ノード２３５）の電位をリセットし、垂直信号線２３９にリセット信号を出力する（ステップＳ９０１）。
【００８３】
続いて、画素２３０から出力されたリセット信号が、アナログＣＤＳ回路２６１のキャパシタ２６３によって保持される（ステップＳ９０２）。その後、保持されたリセット信号と、画素２３０から出力されたリセット信号との差分の信号（無信号）が、デジタルＣＤＳ回路２６５のＡＤ変換部２６６によりＡＤ変換される（ステップＳ９０３）。なお、このＡＤ変換された無信号には、比較器２６４やＡＤ変換部２６６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２６８に保持される。一方、画素２３０は、露光を開始し、予め設定された露光時間の経過後に露光を終了する（ステップＳ９０４）。ここで、露光時間は、サンプリング期間より短い時間に設定される。
【００８４】
続いて、画素２３０においてフォトダイオード２３３が蓄積した電子が浮遊拡散層（ノード２３５）に転送され、画素２３０は蓄積信号を出力する（ステップＳ９０５）。その後、サンプルホールドされたリセット信号と、画素２３０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、デジタルＣＤＳ回路２６５のＡＤ変換部２６６によりＡＤ変換される（ステップＳ９０６）。なお、このＡＤ変換の結果には、比較器２６４やＡＤ変換部２６６によって発生するノイズが含まれている。
【００８５】
そして、デジタルＣＤＳ回路２６５内の減算器２６９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２６８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Ｓ９０７）。これにより、比較器２６４やＡＤ変換部２６６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２３０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。
【００８６】
その後、減算器２６９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２７０によって比較される。参照信号（ＲＥＦ）には、光子入射なしの時に画素２３０が出力する信号のデジタル値（例えば、「０」）と、光子入射ありの時に画素２３０が出力する信号のデジタル値（例えば、「１００」）との中間値付近の値（例えば、「５０」）が設定される。ステップＳ９０８の後、検出回路２６０は、１つの動作を終了する。
【００８７】
減算器２６９が出力したデジタル値（画素２３０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、バイナリ判定部２７０は、「光子入射あり」として「１」の値の信号（ＢＩＮＯＵＴ）を出力する。一方、減算器２６９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、バイナリ判定部２７０は、「光子入射なし」として「０」の値の信号（ＢＩＮＯＵＴ）を出力する。すなわち、撮像素子２００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（ステップＳ９０８）。ステップＳ９０８の後、撮像素子２００は、選択した区画におけるデジタル値の出力動作を終了する。
【００８８】
なお、図５および図６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。また、デジタルＣＤＳにより、アナログ出力に伴う伝送中のノイズは完全に除去される。
【００８９】
なお、各画素に平均数個あるいは、それ以上のレベルで光子が入射するような、比較的照度の高い環境下における光検出では、ステップＳ９０８のバイナリ判定のステップは省略し、その前のステップＳ９０７のデジタル値を各画素の受光光量値として採用しても良い。
【００９０】
なお、デジタルＣＤＳ回路２６５は、検出器側のオフセットと同時に、垂直信号線２３９に現れる画素信号のランダムノイズに対しても、その低周波成分をキャンセルしているが、その高周波数成分をさらにキャンセルすることもできる。例えば、垂直信号線２３９に適切な帯域カット容量を接続する等でカットすることができる。このように、画素２３０は、画素信号のランダムノイズを低周波側と高周波側の双方から絞り込むことが可能であり、１光子レベルの高精度な検出を行うことができる。
【００９１】
図７は、第１の実施の形態における、二次元画像を取得する際の露光制御の一例を示す図である。駆動回路２１０は、４区画を１区画ずつ順に選択して露光制御を行う。
【００９２】
例えば、駆動回路２１０は、時刻Ｔ２１において１行目および５行目からなる区画を最初に選択して、ＦＤリセットトランジスタ２３６をオフにしてリセットレベルのサンプリングを開始させる。そして、駆動回路２１０は、サンプリング期間内に露光蓄積を開始させる。サンプリング期間の経過後、駆動回路は、信号レベルのサンプリングを開始させる。
【００９３】
なお、厳密には、時刻Ｔ２１において駆動回路２１０がＦＤリセットトランジスタ２３６をオフに制御した時点と同時にサンプリングが開始されるのでなく、前述したように、その時点から一定期間が経過したときにサンプリングが開始される。しかし、この一定期間は非常に短いため、記載の便宜上、図７では、時刻Ｔ２１にサンプリングが開始されるように図示している。２区画目以降についても同様である。
【００９４】
時刻Ｔ２２において、最初の区画のサンプリングが終了すると、検出回路２６０は、リセットレベルおよび信号レベルから得られる蓄積信号を出力する。また、駆動回路２１０は、２行目および６行目からなる２つ目の区画を選択して同様の露光制御を行う。
【００９５】
このように、リセット信号のサンプリング、露光蓄積、信号レベルのサンプリングおよび出力の一連の露光制御が、循環的に行われる。その結果出力された差分信号は、一旦、レジスタ２８６に保持され、チップ内における差分信号の転送と出力とは、そのレジスタ２８６を介してパイプライン化されて実行される。
【００９６】
時刻Ｔ２３において２番目の区画のサンプリングが終了すると、駆動回路２１０は、３つ目の区画を選択して同様の露光制御を行い、時刻Ｔ２４において３番目の区画のサンプリングが終了すると最後の区画を選択して同様の露光制御を行う。
【００９７】
このように、複数の区画を順に選択して露光させる制御は、ローリングシャッター方式と呼ばれる。例えば、非常に明るい場所で、露光時間を極めて短い時間にして二次元画像を撮像する場合などに、図７に例示した制御が行われる。
【００９８】
一方、このような撮像素子２００を単一の光検出器として使用し、シンチレーションによる発光パルス等を検出する場合には、各パルスにおいて露光されるのは最大１区画のみである。したがって、駆動回路２１０は、４区画のうち１区画のみを選択して、その区画における露光制御を繰り返し行ってもよい。
【００９９】
図８は、第１の実施の形態における光検出を行う際の露光制御の一例を示す図である。例えば、駆動回路２１０は、１番目の区画（１行目および５行目）のみを選択する。そして駆動回路２１０は、その区画において、リセット信号のサンプリング、露光蓄積、信号レベルのサンプリングおよび出力の一連の露光制御を繰り返し行う。その結果出力された差分信号は、一旦、レジスタ２８６に保持され、チップ内における差分信号の転送と出力とは、そのレジスタ２８６を介してパイプライン化されて実行される。バイナリ判定は必要に応じて出力回路２８７またはチップ外で実行される。
【０１００】
一般に、撮像素子内の全画素を同時に動作させ、同時に露光させる制御は、グローバルシャッター方式と呼ばれる。図８においては、撮像素子内の全画素でなく、１つの区画内においてのみ、グローバルシャッター方式と同様の露光制御が行われている。この露光制御により、露光時間内に撮像素子２００に入射された光パルスのみが検出される。なお、スキャナー用のラインセンサー型検出器に撮像素子２００を使用した場合にも同様の駆動が行われる。
【０１０１】
１区画のアクセスにトータルで５マイクロ秒（μｓ）を要するとしても、図８の露光制御では、露光時間を、例えば５０ナノ秒（ｎｓ）に短縮できる。したがって、５マイクロ秒（μｓ）の周期で１区画についての露光が繰り返される中で、露光時間は、その１／１００の５０ナノ秒のみであり、露光時間外に入射した放射線が発する光パルスは検出されずに無視される。そこで、データ処理部１４０は、リセットレベルのサンプリング開始から信号レベルのサンプリング終了までの測定期間と、露光時間との比に応じて光パルス数を補正する。例えば、露光時間が測定期間の１／１００である場合、データ処理部１４０は、露光時間中に検出された光パルス数を略１００倍して、シンチレータに入射した放射線個数を推定する。このように、放射線検出装置１００では、高頻度の放射線入射に対してもその計数が可能になる。
【０１０２】
このように、本技術の第１の実施の形態によれば、撮像素子２００は、サンプリング期間より短い露光時間が経過したときに光電変換素子から浮遊拡散層への電荷を転送させるため、露光時間をサンプリング期間より短くすることができる。これにより、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。
【０１０３】
また、このような超短時間露光は一般のＣＭＯＳイメージャーにおいても高照度環境での撮像等に有用であるが、後述するように放射線フォトンカウンティングの時間分解能を飛躍的に高めることが可能になる。
【０１０４】
さらに本発明を用いた撮像素子２００は、光通信の安価で簡易な受信機として利用することも可能である。
【０１０５】
また、この撮像素子２００を放射線のシンチレーション光の検出に利用することにより、放射線検出装置１００は、放射線計数において、検出のダイナミックレンジを飛躍的に向上させることができる。これによってガンマカメラのみならず、ＣＴ装置やマンモグラフィー等においても放射線計数（フォトンカウンティング）の導入が可能となり、エネルギーによる散乱線の分別や、放射線のエネルギー分析が可能になる。
【０１０６】
この放射線検出装置１００を線量計に使用した場合、放射線のエネルギー検出とフォトンカウントとを同時に行うことができるため、例えば放射線のエネルギーに応じた計数率、即ち放射線のエネルギースペクトルを計測することができる。このため、例えば、特開２００４−１０８７９６号公報に記載されたようなＧ関数法やＤＢＭ（Discrimination Bias Modulation）法等による線量補正を適切に実施することができる。しかも、放射線検出装置１００の出力は既にデジタル化されているので、マルチチャンネルアナライザも不要であり、安価なワンチップマイコンで、補正を含めた全ての後段処理を行うことができる。これによって小型軽量かつ高精度で、しかも安価な線量計を実現することが可能になる。
【０１０７】
［第１の変形例］
上述の第１の実施の形態では、撮像素子２００は、露光時間をサンプリング期間より短くして露光を行っていたが、その場合、測定期間において、光検出に用いられない不感期間（測定期間のうち露光時間以外の期間）が生じてしまう。しかし、低頻度の放射線入射に対しては、少ない入射回数を漏れなくカウントできるように、この不感期間は存在しない方が望ましい。そこで、通常のＣＭＯＳイメージャーに準じた動作制御により、露光時間を測定期間に近づけると、シンチレーション光のパルスをもれなく計測することができる。つまり、放射線の検出頻度に応じて、露光期間を変更することが望ましい。第１の実施の形態の第１の変形例の撮像素子２００は、放射線の検出頻度に応じて露光時間を変更する点において第１の実施の形態と異なる。
【０１０８】
具体的には、第１の変形例の撮像素子２００におけるデータ処理部１４０は、一定時間が経過するたびに、その一定時間内の放射線の検出回数から放射線の検出頻度を測定する。そして、データ処理部１４０は、その検出頻度が所定頻度よりも高いか否かを示す制御信号を撮像素子２００に供給する。
【０１０９】
第１の変形例の撮像素子２００は、ＦＤリセットトランジスタ２３６をオフにするタイミング以前においても、ＰＤリセットトランジスタ２３１をオフに制御することができる。ＦＤリセットトランジスタ２３６をオフにするタイミング以前にＰＤリセットトランジスタ２３１をオフに制御することにより、撮像素子２００は、サンプリング期間以上の時間に、露光時間を設定することができる。
【０１１０】
撮像素子２００は、放射線の検出頻度が所定頻度より高い場合には、露光時間をサンプリング期間未満に設定し、そうでない場合には露光時間をサンプリング期間以上に設定して露光を行う。
【０１１１】
図９は、第１の実施の形態の第１の変形例における画素２３０の制御の一例を示すタイミングチャートである。駆動回路２１０は、例えば、リセットレベルおよび信号レベルのサンプリングを一定のタイミングおよび一定間隔により実施し、露光開始のタイミングのみを変更することで、露光時間の切り替えを行う。
【０１１２】
放射線の検出頻度が所定頻度以下である場合、駆動回路２１０は、時刻Ｔ１１においてＰＤリセットトランジスタ２３１をオフにして露光を開始させ、その後の時刻Ｔ１２においてＦＤリセットトランジスタ２３６をオフにする。その後の時刻Ｔ１３において、検出回路２６０がリセットレベルのサンプリングを開始する。そして、時刻Ｔ１４において駆動回路２１０は、転送トランジスタ２３４を制御して露光を終了させる。また、時刻Ｔ１４においてリセットレベルのサンプリングが終了する。露光終了後の時刻Ｔ１５において検出回路２６０は、信号レベルのサンプリングを開始し、時刻Ｔ１６において信号レベルのサンプリングが終了する。
【０１１３】
一方、放射線の検出頻度が所定頻度より高い場合には、駆動回路２１０は、図４に例示したように、露光時間をサンプリング期間より短くして露光を行う。
【０１１４】
図４および図９に例示したように、第１の変形例の駆動回路２１０は、ＰＤリセットトランジスタ２３１をオフにするタイミングを、ＦＤリセットトランジスタ２３６をオフにするタイミングを跨いで変更することができる。信号レベルのサンプリングに３マイクロ秒（μｓ）を要し、測定期間が２０マイクロ秒（μｓ）である場合、最長で１６乃至１７マイクロ秒（μｓ）程度の露光が可能となる。一方、最短では、数十ナノ秒（ｎｓ）オーダー、例えば、５０ナノ秒の露光が可能である。放射線の検出頻度が所定頻度より高いときの露光時間と、そうでないときの露光時間とのそれぞれは、この５０ナノ秒乃至１６マイクロ秒の範囲内で、測定条件に基づいて任意に設定することができる。
【０１１５】
例えば、放射線検出装置１００が一秒間に約百万回の光パルスを受光する場合について考える。この場合、パルス入射は、平均して、１マイクロ秒（μｓ）に１回である。この条件下において放射線検出装置１００は、放射線の検出頻度が所定頻度より高いと判断して、露光時間を０．１マイクロ秒（すなわち、１００ナノ秒）にする。この結果、露光時間内に平均０．１回のパルスが入射されることとなる。このため、放射線検出装置１００は、異なる複数のパルスのそれぞれをほぼ正確に分別することができる。
【０１１６】
また、放射線検出装置１００が、２０マイクロ秒（μｓ）の周期で露光を繰り返すと、１秒間に５万回のデータを取得することができるため、約五千ものパルスをカウントすることができる。放射線検出装置１００が、このカウント数に測定期間（２０マイクロ秒）と、露光時間（０．１マイクロ秒）との比「２００」を乗算すれば、単位時間当たりの入射パルス数を導出することができる。
【０１１７】
一方、１秒間に１００回のパルスしか受光しない場合は、放射線検出装置１００は、検出頻度が所定頻度以下であると判断して露光時間を最長の１６μ秒とする。この結果、１秒当たり約８０回のパルスが検出されるため、放射線検出装置１００は、このパルス数にサイクル時間と露出時間の比（２０／１６＝１．２５）を掛けることにより、入射パルス数を導出することができる。
【０１１８】
図１０は、第１の実施の形態の第１の変形例における長時間露光を行う際の露光制御の一例を示す図である。同図は、放射線の検出頻度が所定頻度以下であり、長時間に亘って露光を行う場合を想定している。この場合、駆動回路２１０は、例えば、１番目の区画（１行目および５行目）と２番目の区画（２行目および６行目）とを交互に選択して、選択した区画において露光蓄積およびサンプリングを行う。リセットレベルおよび信号レベルのサンプリングに約５マイクロ秒（μｓ）を要する場合、それぞれの区画は、約５マイクロ秒（μｓ）の間隔で選択される。また、露光期間もそれぞれ５マイクロ秒に設定される。このように、露光期間を設定すれば、常時いずれかの区画が露光されることとなり、撮像素子２００全体では不感期間は存在しなくなる。また、光パルス検出の時間分解能は５マイクロ秒（μｓ）となる。
【０１１９】
図１１は、第１の実施の形態の第１の変形例における各区画を順に選択する露光制御の一例を示す図である。同図は、放射線の検出頻度が所定頻度以下である場合を想定している。
【０１２０】
駆動回路２１０は、４つの区画を約５マイクロ秒（μｓ）の間隔で順に選択し、それぞれの露光時間は１５マイクロ秒（μｓ）に設定されている。この設定では、常時、３区画が露光されることになる。図１０に例示した制御と比較して、時間分解能は１５マイクロ秒（μ秒）に低下するものの、露光される画素数が３倍になるために光パルスに対する検出感度が高くなる。すなわち、図１１に例示した露光制御では、パルス強度の測定精度が向上する。このため、パルス強度の測定精度を時間分解能の向上より優先する際に、図１１に例示したように、全区画を順に選択する露光制御が行われる。
【０１２１】
このように、第１の変形例によれば、放射線の検出頻度に基づいて露光時間を変更するため、適切な露光時間により露光を行うことができる。
【０１２２】
［第２の変形例］
上述の第１の実施の形態の第１の変形例では、光ガイド１３０および撮像素子２００のそれぞれを１つのみ設ける構成としていたが、複数の光ガイド１３０と複数の撮像素子２００とを設けてもよい。第１の実施の形態の第２の変形例の放射線検出装置１００は、複数の光ガイド１３０と複数の撮像素子２００とを設けた点において第１の変形例と異なる。
【０１２３】
図１２は、第１の実施の形態の第２の変形例における放射線検出装置１００の一構成例を示すブロック図である。第２の変形例の放射線検出装置１００では、１つのシンチレータ１２０に対して、例えば、３つの光ガイド１３０が設けられる。それぞれの光ガイド１３０には、撮像素子２００が１つ設けられる。つまり、３つの光ガイド１３０と３つの撮像素子２００とにより、１つのシンチレータ１２０が共用される。なお、第２の変形例の放射線検出装置１００は、１つのシンチレータ１２０に対して、３つ以外の個数の複数の撮像素子２００を設ける構成であってもよい。
【０１２４】
それぞれの撮像素子２００は、第１の実施の形態と同様に、複数の区画に分割されているが、例えば、これらのうち１区画のみが放射線の検出に用いられる。
【０１２５】
データ処理部１４０は、撮像素子２００の各々からの出力を受けて、個々の放射線（例えば、ガンマ線）についてノイズの弁別と位置判定を行なう。シンチレータ１２０が一枚板でなる場合、その発光は複数の撮像素子２００によって同時に検出される。データ処理部１４０は、例えば同時発生したイベントの出力の総和からガンマ線のエネルギーを求め、その出力の重心からガンマ線の入射位置を特定する。こうしてプライマリ（すなわち、ノイズではない）と判定されたガンマ線のイベント回数がカウントされ、ガンマ線源の体内分布が同定される。
【０１２６】
複数の撮像素子２００の出力から放射線のエネルギーと入射位置とを判定するデータ処理部１４０には、既存のガンマカメラにおけるデジタル処理に準じてさまざまなバリエーションが存在し得る。光電子増倍管と比較して、撮像素子２００は小型軽量かつ安価なので、高密度に多数実装することが可能であり、放射線の入射位置の検出精度は、その分高くなる。あるいは複数のガンマ線がほぼ同時に異なる場所に入射した場合でも、撮像素子２００が高密度実装されていれば出力の強度分布に顕れるので、パターンマッチング等を利用してそれを判別し、検出することが可能となる。
【０１２７】
また複数の撮像素子２００を使用した撮像では、図７に例示した露光制御を撮像素子ごとに行うことで、最良の画像を得ることができる。
【０１２８】
なお、撮像素子２００ごとに、放射線の検出頻度に応じて露光時間を制御してもよい。例えば、データ処理部１４０は、撮像素子２００ごとに放射線の検出頻度を測定し、放射線の検出頻度が所定頻度より高い撮像素子２００は露光時間を短くし、放射線の検出頻度が所定頻度以下の撮像素子２００は露光時間を長くする。
【０１２９】
このように、第２の変形例によれば、複数の撮像素子２００により光を検出するため、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。
【０１３０】
＜２．第２の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態では撮像素子２００が複数の区画を１つずつ順に露光していたが、その場合、一度に露光される画素数は、２行分の６４画素であり、その他の画素に入射された光は検出されない。あるいは、１回の露光に対して６４画素の各々の検出結果をバイナリ判定した場合、６４は２６であることから、エネルギー検出において６ビットの階調しか得られない。すなわち、１区画ずつ順に露光を行う構成では、エネルギー検出のダイナミックレンジが貧弱であり、ダイナミックレンジは同時に露光する画素の個数により制限されることになる。
【０１３１】
したがって、複数の区画において同時に超短時間の露光を行うような機構の存在が求められる。これはＣＭＯＳイメージセンサにおいては、いわゆるグローバルシャッター動作に相当する。複数の区画において同時に露光を行うことにより、撮像素子２００の回路規模を増加させることなく多くの画素を光検出に使用することができ、エネルギー検出におけるダイナミックレンジを向上させることができる。この第２の実施の形態の撮像素子２００は、複数の区画を同時に露光する点において第１の実施の形態と異なる。
【０１３２】
また、この第２の実施の形態の撮像素子２００は、画素アレイ部２２０において画素ごとに選択トランジスタ（不図示）をさらに備える。そして、第２の実施の形態の駆動回路２１０は、選択トランジスタを制御して各区画を順に選択して、選択した区画内の画素の出力信号を検出回路２６０に供給させる。
【０１３３】
［検出回路の構成例］
図１３は、第２の実施の形態における検出回路２６０の一構成例を示す図である。第２の実施の形態の検出回路２６０は、デジタルＣＤＳ回路２６５が、スイッチおよびレジスタを複数備える点において第１の実施の形態と異なる。
【０１３４】
第２の実施の形態のアナログＣＤＳ回路２６１は、第１の実施の形態と同様である。ただし、アナログＣＤＳ回路２６１は、１行目のリセットレベルの信号を基準信号として保持するとともに、１行目のリセット信号としてデジタルＣＤＳ回路２６５に供給する。また、アナログＣＤＳ回路２６１は、２行目以降の各行のリセット時の出力信号と、基準信号との差分を２行目以降の各行のリセット信号として、それぞれデジタルＣＤＳ回路２６５に供給する。
【０１３５】
デジタルＣＤＳ回路２６５は、デジタルＣＤＳ回路２６５に接続された行数と同じ個数のレジスタを備える。接続された行が４行である場合、デジタルＣＤＳ回路２６５は、スイッチ２７１、２７２、２７３、２７４および２７５と、レジスタ２７６、２７７、２７８および２７９と、スイッチ２８０、２８１、２８２および２８３とを備える。
【０１３６】
スイッチ２７１は、ＡＤ変換部２６６と減算器２６９との間の経路を開閉するものである。スイッチ２７１の一端はＡＤ変換部２６６に接続され、他端は減算器２６９に接続される。スイッチ２７１は、信号レベルのサンプリング期間において閉状態となり、それ以外の期間に開状態となる。
【０１３７】
スイッチ２７２乃至２７５は、ＡＤ変換部２６６と対応するレジスタとの間の経路を開閉するものである。スイッチ２７２の一端は、ＡＤ変換部２６６に接続され、他端はレジスタ２７６に接続される。また、スイッチ２７３の一端は、ＡＤ変換部２６６に接続され、他端はレジスタ２７７に接続される。また、スイッチ２７４の一端は、ＡＤ変換部２６６に接続され、他端はレジスタ２７８に接続される。また、スイッチ２７５の一端は、ＡＤ変換部２６６に接続され、他端はレジスタ２７９に接続される。
【０１３８】
これらのスイッチ２７２乃至２７５は、対応する行のリセットレベルのサンプリング期間において閉状態となり、それ以外の期間において開状態となる。具体的には、スイッチ２７２は１行目のリセットレベルのサンプリング期間において閉状態となり、スイッチ２７３は２行目のリセットレベルのサンプリング期間において閉状態となる。また、スイッチ２７４は３行目のリセットレベルのサンプリング期間において閉状態となり、スイッチ２７５は４行目のリセットレベルのサンプリング期間において閉状態となる。
【０１３９】
レジスタ２７６乃至２７９は、対応する行のリセットレベルを保持するものである。レジスタ２７６は１行目のリセットレベルを保持し、レジスタ２７７は２行目のリセットレベルを保持する。また、レジスタ２７８は３行目のリセットレベルを保持し、レジスタ２７９は４行目のリセットレベルを保持する。
【０１４０】
スイッチ２８０乃至２８３は、対応するレジスタと減算器２６９との間の経路を開閉するものである。スイッチ２８０の一端は、レジスタ２７６に接続され、他端は減算器２６９に接続される。また、スイッチ２８１の一端は、レジスタ２７７に接続され、他端は減算器２６９に接続される。また、スイッチ２８２の一端は、レジスタ２７８に接続され、他端は減算器２６９に接続される。また、スイッチ２８３の一端は、レジスタ２７９に接続され、他端は減算器２６９に接続される。
【０１４１】
これらのスイッチ２８０乃至２８３は、対応する行の信号レベルのサンプリング期間において閉状態となり、それ以外の期間において開状態となる。具体的には、スイッチ２８０は１行目の信号レベルのサンプリング期間において閉状態となり、スイッチ２８１は２行目の信号レベルのサンプリング期間において閉状態となる。また、スイッチ２８２は３行目の信号レベルのサンプリング期間において閉状態となり、スイッチ２８３は４行目の信号レベルのサンプリング期間において閉状態となる。
【０１４２】
［撮像素子の動作例］
図１４は、第２の実施の形態における画素の制御の一例を示すタイミングチャートである。初期状態において、ＦＤリセットトランジスタ２３６およびＰＤリセットトランジスタ２３１はオン状態であり、転送トランジスタ２３４はオフ状態であるものとする。
【０１４３】
駆動回路２１０は時刻Ｔ１において全行のＦＤリセットトランジスタ２３６をオフ状態に制御する。これにより、浮遊拡散層の電位は、浮遊状態となり、そのポテンシャルを反映した電位が垂直信号線２３９から出力される。駆動回路２１０は、選択トランジスタを制御して、４行分のリセットレベルの信号を順に検出回路２６０に供給させる。
【０１４４】
なお、駆動回路２１０は、４行のＦＤリセットトランジスタ２３６を同時にオフ状態に制御しているが、順にオフ状態に制御してもよい。
【０１４５】
時刻Ｔ１から一定期間が経過した時刻Ｔ２において、検出回路２６０は、１行目のリセットレベルをサンプリングして保持する。そして、検出回路２６０は、２行目乃至４行目のリセットレベルを順にサンプリングして保持する。
【０１４６】
また、リセットレベルのサンプリング期間内の時刻Ｔ３において、駆動回路２１０は、全行のＰＤリセットトランジスタ２３１をオフ状態に制御する。これにより、フォトダイオード２３３がリセットされて、信号電荷の露光蓄積、すなわち露光が開始される。ここで、露光時間は、各行のリセットレベルのサンプリング期間より短い時間に設定されているものとする。
【０１４７】
時刻Ｔ３から、予め設定された露光時間が経過する時刻Ｔ４の直前において、駆動回路２１０は、全行の転送トランジスタ２３４をオン状態に制御して、信号電荷を浮遊拡散層に転送させる。そして、露光時間が経過した時刻Ｔ４において、駆動回路２１０は、全行の転送トランジスタ２３４をオフ状態に制御する。これにより、露光が完了する。また、この時刻Ｔ４において、４行目のリセットレベルのサンプリングが終了する。
【０１４８】
駆動回路２１０は、選択トランジスタを制御して、４行分の蓄積信号を順に検出回路２６０に供給させる。
【０１４９】
時刻Ｔ４から一定時間が経過した時刻Ｔ５において、検出回路２６０は、１行目の信号レベルをサンプリングする。次いで、検出回路２６０は、２行目乃至４行目の信号レベルを順にサンプリングする。
【０１５０】
４行目の信号レベルのサンプリングが終了した時刻Ｔ６において、駆動回路２１０は、全行のＰＤリセットトランジスタ２３１をオン状態に制御してフォトダイオード２３３の電荷を全て排出する。
【０１５１】
上述の制御において、Ｔ４の露光終了後に各行の信号レベルのサンプリングを順次実施する際、例えば１行目から３行目までがサンプリングされる間、４行目の信号電荷は浮遊拡散層に保持されている。例えば、各行のサンプリングに２マイクロ秒（μｓ）を要した場合、その間の保持期間は６マイクロ秒（μｓ）程度である。しかし、検出回路２６０を各行が共有する第２の実施の形態では、同時露光される画素数の増加に比例して、信号電荷を、最終行の浮遊拡散層が保持する時間が長くなり、浮遊拡散層の暗電流が問題になり始める。したがって、同時露光する画素数の上限は１６個以下に留めるのが望ましい。
【０１５２】
図１５は、第２の実施の形態における撮像素子２００の動作の一例を示すフローチャートである。
【０１５３】
まず、全ての画素２３０は、駆動回路２１０の制御に従って浮遊拡散層（ノード２３５）の電位をリセットする（ステップＳ９１０）。駆動回路２１０は、いずれかの区画を選択し、選択された区画内の画素は、リセット信号を出力する（ステップＳ９１１）。
【０１５４】
駆動回路２１０は、選択した区画が最初の区画であるか否かを判断する（ステップＳ９１２）。最初の区画である場合には（ステップＳ９１２：Ｙｅｓ）、アナログＣＤＳ回路２６１（ＡＣＤＳ）はリセット信号を検出し、そのリセット信号を基準信号として保持する（ステップＳ９０２）。２つ目以降の区画が選択された場合には、ＡＣＤＳにより、基準信号と、画素２３０からの出力信号との差分がリセット信号としてデジタルＣＤＳ回路２６５（ＤＣＤＳ）へ供給される。
【０１５５】
２つ目以降の区画である場合（ステップＳ９１２：Ｎｏ）、またはステップＳ９０２の後、ＤＣＤＳにより、ＡＣＤＳからのリセット信号がＡＤ変換される（ステップＳ９０３）。
【０１５６】
そして、駆動回路２１０は、選択した区画が最後の区画であるか否かを判断する（ステップＳ９１３）。最後の区画でない場合には（ステップＳ９１３：Ｎｏ）、駆動回路２１０により、次の区画が選択される（ステップＳ９１４）。ステップＳ９１４の後、ステップＳ９１１が再度実行される。
【０１５７】
最後の区画である場合には（ステップＳ９１３：Ｙｅｓ）、全ての画素２３０は、露光を開始し、予め設定された露光時間の経過後に露光を終了する（ステップＳ９１５）。ここで、露光時間は、サンプリング期間より短い時間に設定される。
【０１５８】
露光が終了すると、駆動回路２１０により区画が選択され、その選択された区画内の画素２３０が蓄積信号を出力する（ステップＳ９１６）。その後、サンプルホールドされたリセット信号と、画素２３０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によりＡＤ変換される（ステップＳ９０６）。
【０１５９】
そして、ＤＣＤＳ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、選択された区画のレジスタ２６８内の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Ｓ９０７）。
【０１６０】
その後、減算器２６９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２７０によって比較され、光子入射の有無がバイナリ判定結果のデジタル値として出力される（ステップＳ９０８）。
【０１６１】
そして、駆動回路２１０は、選択した区画が最後の区画であるか否かを判断する（ステップＳ９１７）。最後の区画でない場合には（ステップＳ９１７：Ｎｏ）、駆動回路２１０は、次の区画を選択する（ステップＳ９１８）。ステップＳ９１８の後、ステップＳ９１６が再度実行される。最後の区画である場合には（ステップＳ９１７：Ｙｅｓ）、撮像素子２００は、全区画の露光制御を終了する。
【０１６２】
このように、第２の実施の形態によれば、全区画の画素２３０がフォトダイオード２３３に蓄積された電荷量を初期化（露光を開始）し、全区画の画素２３０が電荷を転送（露光を終了）するため、多くの画素を光検出に使用することができる。これにより、放射線のエネルギー検出におけるダイナミックレンジを向上させることができる。
【０１６３】
［変形例］
上述の第２の実施の形態では、撮像素子２００は、露光時間をサンプリング期間より短くして露光を行っていたが、放射線の検出頻度に基づいて露光期間をサンプリング期間以上にすることもできる。第２の実施の形態の変形例の撮像素子２００は、放射線の検出頻度に基づいて露光時間を切り替えて露光を行う点において第２の実施の形態と異なる。
【０１６４】
具体的には、変形例の撮像素子２００におけるデータ処理部１４０は、一定時間が経過するたびに、その一定時間内の放射線の検出回数から放射線の検出頻度を測定する。そして、データ処理部１４０は、その検出頻度が所定頻度よりも高いか否かを示す制御信号を撮像素子２００に供給する。
【０１６５】
撮像素子２００は、放射線の検出頻度が所定頻度より高い場合には露光時間をサンプリング期間未満に設定し、そうでない場合には露光時間をサンプリング期間以上に設定して露光を行う。
【０１６６】
図１６は、第２の実施の形態の変形例における画素の制御の一例を示すタイミングチャートである。
【０１６７】
放射線の検出頻度が所定頻度以下である場合、駆動回路２１０は、時刻Ｔ１１においてＰＤリセットトランジスタ２３１をオフにして露光を開始させ、その後の時刻Ｔ１２においてＦＤリセットトランジスタ２３６をオフにする。その後の時刻Ｔ１３において、検出回路２６０が全行のリセットレベルのサンプリングを開始する。時刻Ｔ１４において駆動回路２１０は、転送トランジスタ２３４を制御して露光を終了させる。また、時刻Ｔ１４において全行のリセットレベルのサンプリングが終了する。検出回路２６０は、時刻Ｔ１５において全行の信号レベルのサンプリングを開始し、時刻Ｔ１６において全行の信号レベルのサンプリングが終了する。
【０１６８】
このように、第２の実施の形態の変形例によれば、放射線の検出頻度に基づいて露光時間を変更するため、適切な露光時間により露光を行うことができる。
【０１６９】
＜３．第３の実施の形態＞
上述の第２の実施の形態では、同じ基板に画素２３０および検出回路２６０を設けていたが、シリコンの３次元積層技術により積層された２つの基板の一方に画素を配置し、他方に検出回路を設けることもできる。この第３の実施の形態の放射線検出装置１００は、積層された２つの基板の一方に画素を配置し、他方に検出回路を配置した点において第１の実施の形態と異なる。
【０１７０】
図１７は、第３の実施の形態における放射線検出装置１００の一構成例を示す斜視図である。第３の実施の形態の放射線検出装置１００は、シンチレータ１２０、光ガイド１３０および撮像素子２００の代わりに、複数のシンチレータ素子１２１と撮像素子２０１とを備える点において第１の実施の形態と異なる。なお、同図において、コリメータ１１０およびデータ処理部１４０は省略されている。
【０１７１】
撮像素子２０１は、駆動回路２１０（不図示）と、積層された２つの基板とを備える。これらの２つの基板のうち、シンチレータ素子１２１に接続される方の基板に画素ブロック３１０が配置され、そうでない方の基板に検出ブロック３２０が配置される。
【０１７２】
それぞれの画素ブロック３１０には、２×２の４つの画素が設けられる。画素ブロック３１０内に配置する画素として、例えば、フォトダイオードが配置された裏面に光が照射される裏面照射型の画素が用いられる。
【０１７３】
検出ブロック３２０は、画素ブロック３１０内の画素に蓄積された電荷量に応じた電圧を検出するものである。それぞれの検出ブロック３２０は、画素ブロック３１０に１対１で対応付けて配置される。
【０１７４】
１つの画素ブロック３１０と、対応する検出ブロック３２０とは、例えばウエファーレベルで張り合わされて、１つの検出ユニットを構成する。このような検出ユニットが、１ミリ平方メートルのシリコンチップ上において、二次元格子状に一定数（例えば、２０×２０個）配置される。なお、検出ユニットの配置に関しては、透過型Ｘ線撮像やＣＴ撮像におけるパルス計数等、用途に応じて柔軟な構成を取ることができる。
【０１７５】
放射線検出装置１００は、前述したように、例えば１００マイクロ秒（μｓ）のサイクルで放射線検出を実施し、１０ナノ秒（ｎｓ）以下の超短時間露光を行うことができる。この場合、各ユニットは平均１００ナノ秒の間隔で入射する放射線を分別して検出することができるため、１秒に１Ｅ７個の放射線をカウントすることができる。また、放射線検出装置１００は、合計４００のユニットを並列に動作させて、各々独立に放射線を検出することができる。したがって、１平方ミリメートルのモジュール（撮像素子２００およびシンチレータ素子１２１）が１秒間に計数できる放射線数は４Ｅ９個となる。すなわち、４Ｇ／（ｓ・ｍｍ＾２）の放射線数が計測される。
【０１７６】
また、各検出ユニットの各々の露出期間を独立して制御することができるため、計測の予備測定から最適な露光設定を行うことができる。露光期間を延ばした不感期間の殆ど無いユニットは、１秒間に数個の放射線入射でもほぼ正確に計数することができる。
【０１７７】
ＣＴ撮像では例えばこの１平方ミリメートルのモジュールを単位検出器として放射線計数を行う。露光制御はモジュール単位でまとめて実行してもよい。
【０１７８】
Ｘ線撮像ではこのモジュールをさらに敷き詰めるか、あるいは、より多数の検出ユニットを敷き詰めたモジュールを用いて放射線計数を行う。この場合５０平方マイクロメートルの各検出ユニットに１画素を配置し、検出ユニットごとに露光制御を実施するのが望ましい。このようにして実現された放射線検出装置は僅かな線量でも際立ったコントラストを実現することができ、低被ばくで高感度な放射線撮像を行うことが可能である。
【０１７９】
シンチレータ素子１２１は、柱状に形成されたシンチレータ素子である。それぞれのシンチレータ素子１２１は、反射材または低屈折率の物質（不図示）で区切られており、その反射材等により形成される柱の内部にシンチレーション光が閉じ込められる。シンチレータ素子１２１は、例えば、画素ブロック３１０ごとに設けられる。
【０１８０】
図１８は、第３の実施の形態における画素ブロック３１０の一構成例を示す図である。画素ブロック３１０は、２行×２列に配置された４つの画素３１１と、４つの選択トランジスタ３１２と電極パッド３１３とを備える。選択トランジスタ３１２として、例えば、ＭＯＳトランジスタが用いられる。画素３１１の構成は、第１の実施の形態における画素２３０と同様である。
【０１８１】
選択トランジスタ３１２は、いずれかの画素２３０を選択して検出ブロック３２０に供給するトランジスタである。選択トランジスタ３１２は、画素３１１ごとに設けられる。
【０１８２】
また、選択トランジスタ３１２のゲートは、駆動回路２１０に接続され、ソースは画素３１１に接続され、ドレインは電極パッド３１３を介して検出ブロック３２０に接続される。
【０１８３】
駆動回路２１０は、選択トランジスタ３１２を制御して、４つの画素３１１のそれぞれの出力信号を順に検出ブロック３２０に供給させる。また、駆動回路２１０は、画素ブロック３１０内の４つの画素３１１において同時に露光を開始させ、同時に露光を終了させる。また、前述したように、駆動回路２１０は、画素ブロック３１０のそれぞれに、独立して露光時間を設定することができる。
【０１８４】
図１９は、第３の実施の形態における検出ブロック３２０の一構成例を示すブロック図である。この検出ブロック３２０は、アナログＣＤＳ回路３２１、電極パッド３２２、定電流回路３２３、メモリ３２４、バイナリ判定部３２５およびデジタルＣＤＳ回路３２６を備える。
【０１８５】
アナログＣＤＳ回路３２１、デジタルＣＤＳ回路３２６およびバイナリ判定部３２５の構成は、図１４に例示した第２の実施の形態のアナログＣＤＳ回路２６１、デジタルＣＤＳ回路２６５およびバイナリ判定部２７０と同様である。
【０１８６】
バイナリ判定部３２５は、生成したデジタル値をメモリ３２４に保持させる。また、アナログＣＤＳ回路３２１は、電極パッド３２２を介して画素ブロック３１０から出力信号を受け取る。メモリ３２４に保持されたデジタル値は、データ処理部１４０により、適切なタイミングにおいて読み出される。
【０１８７】
定電流回路３２３は、一定の電流を供給するものである。この定電流回路３２３と、画素３１１内のアンプトランジスタとにより、ソースフォロワ回路が構成される。
【０１８８】
このように、第３の実施の形態によれば、積層した２つの基板の一方に画素を設け、他方に検出回路を設けたため、検出回路を同一基板上に配置する構成と比較して受光面積を広くすることができる。
【０１８９】
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、特許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、特許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。
【０１９０】
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、ＣＤ（Compact Disc）、ＭＤ（MiniDisc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、メモリカード、ブルーレイディスク（Blu-ray（登録商標）Disc）等を用いることができる。
【０１９１】
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【０１９２】
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）光を電荷に変換して蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子から転送された前記電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散層と、
前記生成された電圧を初期化する浮遊拡散層リセットトランジスタと、
前記電圧をデジタル信号に変換する変換処理を行う変換部と、
前記電圧が初期化された後の所定のタイミングにおいて前記光電変換素子に蓄積された前記電荷の量を初期化する光電変換素子リセットトランジスタと、
前記変換処理に要する時間より短い露光時間が前記所定のタイミングから経過したときに前記光電変換素子から前記浮遊拡散層への前記転送を行う転送トランジスタと
を具備する撮像素子。
（２）前記光電変換素子、前記浮遊拡散層、前記浮遊拡散層リセットトランジスタ、前記光電変換素子トランジスタおよび前記転送トランジスタをそれぞれが備える複数の画素からなる画素アレイ部を具備し、
前記画素アレイ部は、複数の領域に区分され、
前記変換部は、前記変換したデジタル信号を前記領域ごとに出力する
前記（１）記載の撮像素子。
（３）前記初期化された電圧から変換されたデジタル信号をノイズ成分として保持するノイズ成分保持部を前記複数の領域のそれぞれに設けた保持部と、
前記転送が行われると前記電圧から変換された前記デジタル信号に対して前記保持されたノイズ成分を除去するノイズ除去処理を行うノイズ除去部と
をさらに具備し、
前記光電変換素子リセットトランジスタは、前記所定のタイミングに前記複数の領域の全てにおいて前記電荷の量を初期化し、
前記転送トランジスタは、前記露光時間が前記所定のタイミングから経過したときに前記複数の領域の全てにおいて前記転送を行い、
前記変換部は、前記初期化された電圧と前記転送が行われたときの前記電圧のそれぞれに対して前記変換処理を行って前記デジタル信号に変換する
前記（２）記載の撮像素子。
（４）前記初期化された電圧から変換されたデジタル信号を前記複数の領域のいずれかのノイズ成分として保持するノイズ成分保持部と、
前記転送が行われると前記電圧から変換された前記デジタル信号に対して前記保持されたノイズ成分を除去するノイズ除去処理を行うノイズ除去部と
をさらに具備し、
前記光電変換素子リセットトランジスタは、前記複数の領域のいずれかにおいて前記電荷の量を初期化し、
前記転送トランジスタは、前記複数の領域のいずれかにおいて前記転送を行う
前記（２）または（３）に記載の撮像素子。
（５）前記変換部が配置された変換部配置基板と、
前記光電変換素子、前記浮遊拡散層リセットトランジスタ、前記光電変換素子トランジスタおよび前記転送トランジスタが配置され、前記変換部配置基板に積層された画素配置基板と
を具備する前記（１）記載の撮像素子。
（６）放射線が入射されると光を生成するシンチレータと、
前記生成された光を電荷に変換して蓄積する光電変換素子と、
前記光電変換素子から転送された前記電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散層と、
前記生成された電圧を初期化する浮遊拡散層リセットトランジスタと、
前記電圧をデジタル信号に変換する変換処理を行う変換部と、
前記電圧が初期化された後の所定のタイミングにおいて前記光電変換素子に蓄積された前記電荷の量を初期化する光電変換素子リセットトランジスタと、
前記変換処理に要する時間より短い露光時間が前記所定のタイミングから経過したときに前記光電変換素子から前記浮遊拡散層への前記転送を行う転送トランジスタと、
前記ノイズが除去されたデジタル信号に基づいて露光時間内に放射線が入射されたか否かを検出する放射線検出部と
を具備する放射線検出装置。
（７）前記光電変換素子、前記浮遊拡散層、前記浮遊拡散層リセットトランジスタ、前記変換部、前記光電変換素子トランジスタおよび前記転送トランジスタをそれぞれが備える複数の画素が配置された撮像素子を複数具備し、
前記検出部は、前記撮像素子ごとに前記放射線が入射されたか否かを検出する
前記（６）記載の放射線検出装置。
（８）前記放射線検出部は、一定期間内の前記放射線の検出数から前記放射線の検出頻度を求め、
前記光電変換素子トランジスタは、前記放射線の検出頻度が所定頻度より高い場合には前記電圧が初期化された後の前記所定のタイミングにおいて前記電荷の量を初期化させ、前記所定頻度が前記検出頻度より高い場合には前記電圧が初期化される前に前記電荷の量を初期化させる
前記（６）または（７）に記載の放射線検出装置。
（９）前記転送トランジスタは、前記放射線の検出頻度が所定頻度より高い場合には前記変換処理に要する時間より短い露光時間が前記所定のタイミングから経過したときに前記転送を行い、前記所定頻度が前記検出頻度より高い場合には少なくとも前記変換処理に要する時間が前記所定のタイミングから経過したときに前記転送を行う
前記（８）記載の放射線検出装置。
（９）光を電荷に変換して蓄積する光電変換素子から転送された前記電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散層において生成された前記電圧を浮遊拡散層リセットトランジスタが初期化する浮遊拡散層リセット手順と、
変換部が、前記電圧をデジタル信号に変換する変換処理を行う変換手順と、
光電変換素子リセットトランジスタが、前記電圧が初期化された後の所定のタイミングにおいて前記光電変換素子に蓄積された前記電荷の量を初期化する光電変換素子リセット手順と、
転送トランジスタが、前記変換処理に要する時間より短い露光時間が前記所定のタイミングから経過したときに前記光電変換素子から前記浮遊拡散層への前記転送を行う転送手順と
を具備する撮像素子の制御方法。
【符号の説明】
【０１９３】
１００  放射線検出装置
１１０  コリメータ
１２０  シンチレータ
１２１  シンチレータ素子
１３０  光ガイド
１４０  データ処理部
２００、２０１  撮像素子
２１０  駆動回路
２２０  画素アレイ部
２３０  画素
２３１  ＰＤリセットトランジスタ
２３２、２３５、３１３、３２２  ノード
２３３  フォトダイオード
２３４  転送トランジスタ
２３６  ＦＤリセットトランジスタ
２３７  アンプトランジスタ
２４０、２６０  検出回路
２６１、３２１  アナログＣＤＳ回路
２６２、２６７、２７１、２７２、２７３、２７４、２７５、２８０、２８１、２８２、２８３  スイッチ
２６３  キャパシタ
２６４  比較器
２６５、３２６  デジタルＣＤＳ回路
２６６  ＡＤ変換部
２６８、２７６、２７７、２７８、２７９、２８５、２８６  レジスタ
２６９  減算器
２７０、３２５  バイナリ判定部
２８７  出力回路
３１０  画素ブロック
３１１  画素
３１２  選択トランジスタ
３２０  検出ブロック
３２３  定電流回路
３２４  メモリ
【図１】
2015076773.tif 000003
【図２】
2015076773.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2015076773.tif 000007
【図６】
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【図７】
2015076773.tif 000009
【図８】
2015076773.tif 000010
【図９】
2015076773.tif 000011
【図１０】
2015076773.tif 000012
【図１１】
2015076773.tif 000013
【図１２】
2015076773.tif 000014
【図１３】
2015076773.tif 000015
【図１４】
2015076773.tif 000016
【図１５】
2015076773.tif 000017
【図１６】
2015076773.tif 000018
【図１７】
2015076773.tif 000019
【図１８】
2015076773.tif 000020
【図１９】
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