(57)【要約】      単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングが、特定の計数率に至るまでの高感度、直線性および精度で到着光子率を測定することを可能にする。パルスパイルアップによって引き起こされるシステム内の麻痺作用に起因して高計数率で性能の低下が生じる。本発明は、検出器アレイのセル内に調整可能な不感時間を備えた即時リトリガ能力を適用することによって改善された高率計数性能を備えた光子計数イメージングのための方法および装置を含む。単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法が、感光材の層と、感光材の層内に配置されるＬｘＫアレイの光検出器素子と、増幅素子を含むＮｘＭアレイの読み出し単位セルであって、１個またはいくつかの読み出し単位セルが１個または複数の光検出器素子に対してあり、この読み出し単位セルが信号処理素子によって制御され、各読み出し単位セルが、それぞれの光検出器素子内の入射光子または複数の入射光子によって生成される電子正孔対の増幅された信号を代表する識別器出力信号を生成することを可能にする内部信号処理素子を備え、識別器出力信号が所定の閾値と増幅された信号を比較することによって生成され、および、増幅された信号が閾値を上回るときはいつでも識別器出力信号が生成される、読み出し単位セルと、識別器出力信号の関数としてカウントを登録するカウンタユニットと、を用いる装置で動作する。この装置によって実行される方法は、次のように動作する：識別器入力での増幅された信号が最初に閾値を上回り、したがって読み出し単位セル内の計数をトリガーする時、カウントが登録される。カウンタのいかなる麻痺をも防止するために、カウントが登録されたときはいつでも所定の不感時間間隔（ｔ＿ｄｅａｄ）が始められ、ピクセルが不感時間間隔の終了の後でリトリガされることができる。したがって、増幅された信号が再評価され、および増幅された信号が不感時間間隔の後でなお閾値を上回る場合、計数がリトリガされ、したがって、新規のカウントを登録し、および、新規の不感時間間隔が更なる潜在的リトリガに対して始められる。不感時間は、調整可能である。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
感光材の層と、前記感光材の層内に配置されるＬｘＫアレイの光検出器素子と、増幅素子を含むＮｘＭアレイの読み出し単位セルであって、Ｋ、Ｌ、ＭおよびＮが１以上の数であり、１個またはいくつかの読み出し単位セルが、１個または複数の光検出器素子に対してあり、前記読み出し単位セルが信号処理素子によって制御され、各読み出し単位セルが、前記それぞれの光検出器素子内の入射光子または複数の入射光子によって生成される電子正孔対の増幅された信号を代表する識別器出力信号を生成することを可能にする内部信号処理素子を備え、前記識別器出力信号が所定の閾値と前記増幅された信号を比較することによって生成され、および前記識別器出力信号が、前記増幅された信号が前記閾値を上回るときはいつでも生成される、読み出し単位セルと、前記識別器出力信号の関数としてカウントを登録するカウンタユニットと、を用いる単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
前記カウントが、各信号パルスに対して、前記増幅された信号が最初に前記閾値を上回るときはいつでも、不感時間間隔シーケンスを始めることによって前記識別器出力での前記信号パルスの幅に対応する所定の幅の不感時間間隔の数を計数し、かつ前記増幅された信号が前記閾値を上回る限り直接後続する不感時間間隔の数を計数することによって登録される
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
カウントが登録され、および何の不感時間間隔シーケンスも現在動作しておらず、かつ前記増幅された信号が最初に前記閾値を上回るときはいつでも、不感時間間隔シーケンスが始まり、各不感時間間隔の終了の後、前記増幅された信号が再評価され、および、前記増幅された信号が前記閾値を上回る場合、前記計数がリトリガされ、したがって、新規のカウントを登録し、および、前記不感時間生成が更なる潜在的リトリガのために新たに始まり、さもなければ、前記増幅された信号が前記不感時間間隔の終了の後で前記閾値を上回らない場合、前記計数がリトリガされず、したがって、何の新規のカウントも登録せず、および、前記不感時間間隔シーケンスが終えられる
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１−２のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
前記生成出力信号には、時計によって生成されるタイムスタンプが付いてくる
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１−３のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
前記不感時間が、各読み出し単位セルに対して全般的にまたは個々に調整可能である
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１−４のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
同じ不感時間が、各読み出し単位セルに対して調節される
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１−５のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
同じ不感時間オーバラップが、各読み出し単位セルに対して調節され、パルス幅対不感時間幅比率、すなわち公称単一光子パルスの幅に対する前記不感時間の幅の比率として規定される前記不感時間オーバラップを伴い、前記公称単一光子パルスが、実効処理パラメータ設定のために単一入射光子によって生成されるそれぞれのパルスとして規定される
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１−６のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
いくつかの動作モードが、前記通常の読み出し単位セルアレイの追加的な仮想列または行内の仮想読み出し単位セルとしてアクセスされ、かつ通常のアレイアクセスを提供するモードレジスタをプログラムすることによって活性化されるかまたは非活性化されることができる
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１−７のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
計数率補正を得るために、カウンタ値それ自体に従う所定の係数を、前記露光時間中にリトリガされた計数を伴う全ての計数された識別器出力信号パルスから得られる各読み出し単位セルの最終のカウンタ値（すなわちパイルアップパルスを含む全ての識別器出力信号パルスの累積された幅に対応する数）に掛けることによって前記到着光子率が決定される
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１−８のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
事象駆動パルス信号評価および計数率補正を得るために、カウンタ値それ自体に従う個々の所定の係数を、それらの各々がリトリガされた計数を伴う１つの識別器出力信号パルスだけから生じる、各読み出し単位セルの個々のカウンタ値（すなわち単一識別器出力信号パルスまたはパイルアップパルスの幅に対応する数）に掛けることによって前記到着光子率が決定される
ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１−９のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
各読み出し単位セルが複数の個々の識別器出力信号を生成することを可能にし、前記識別器出力信号の各々が、個々の所定の閾値と前記増幅された信号を比較することによって生成され、個々の識別器あたり１カウンタユニットが、前記個々の識別器出力信号の関数としてカウントを登録し、カウントが、前記増幅された信号が最初に前記個々の閾値を上回るときはいつでも、個々の不感時間間隔シーケンスを始めることによって個々の所定の幅の不感時間間隔の数を計数し、かつ前記増幅された信号が前記個々の閾値を上回る限り直接後続する個々の不感時間間隔の数を個々に計数することによって登録される
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
各読み出し単位セルの得られるカウンタ値が、その読み出し単位セルの前記個々のカウンタの加重された個々のカウンタ値の合計によって決定され、前記加重された個々のカウンタ値が個々の所定の係数を掛けられる個々のカウンタ値として規定される
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
感光材の層と、前記感光材の層内に配置されるＬｘＫアレイの光検出器素子と、増幅素子を含むＮｘＭアレイの読み出し単位セルであって、Ｋ、Ｌ、ＭおよびＮが１以上の数であり、１個またはいくつかの読み出し単位セルが１個または複数の光検出器素子に対してあり、前記読み出し単位セルが信号処理素子によって制御され、各読み出し単位セルが、前記それぞれの光検出器素子内に入射光子または複数の入射光子によって生成される電子正孔対の増幅された信号を代表する識別器出力信号を生成することを可能にする内部信号処理素子を備え、前記識別器出力信号が所定の閾値と前記増幅された信号を比較することによって生成され、および前記識別器出力信号が、前記増幅された信号が前記閾値を上回るときはいつでも生成される、読み出し単位セルと、前記識別器出力信号の関数としてカウントを登録するカウンタユニットと、を備える単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための装置であって、
前記計数回路が、不感時間生成回路を備え、前記不感時間が所定の幅を有し、計数が前記識別器出力信号の関数としてトリガーされるときはいつでも、前記不感時間の開始が、前記不感時間生成回路の前記入力での前記識別器出力信号の関数として可能にされ、かつ前記計数プロセスを再び可能にし、かつ、前記増幅された信号がなお前記閾値を上回るならば前記不感時間の後で計数をリトリガする前記不感時間生成回路の前記出力で遅延信号を供給する
ことを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための装置であって、
前記不感時間生成回路が、前記不感時間の前記幅を調節するための調整可能な回路素子（例えば電流源、電圧源、トランジスタ、抵抗器、コンデンサ）を備える
ことを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための装置であって、
前記不感時間生成回路が、前記不感時間の前記幅を調節するためのタップ付遅延回路素子（例えばインバータ）またはタップ付遅延線を備える
ことを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１２−１４のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための装置であって、
それが、前記個々の読み出し単位セルの前記識別器または前記不感時間生成回路の前記出力信号の外部測定のための多重化手段を備え、公称単一光子パルスの幅または前記不感時間の幅を実験的に決定するために、前記公称単一光子パルスが、実効処理パラメータ設定のために単一入射光子によって生成される前記それぞれのパルスとして規定される
ことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一Ｘ線計数のための高められた光子計数イメージング方法および装置に関する。
【０００２】
Ｘ線回折パターンは、複数の用途で、例えばタンパク質およびウイルス分子のような、分子構造の分析のために役立ち、かつ光子計数イメージング装置を必要とする。特に、タンパク質およびウイルス結晶学は、とりわけＸ線供給源が、実験が迅速に実行されることを可能にする高磁束シンクロトロン放射線であるところで、ｘ線検出器に厳しい要求を課す。
【０００３】
さらに、重要で発展している分野は、結晶学または粉末回折分析のような、シンクロトロン放射線を用いる時間分解回折実験である。サンプル、すなわち結晶または粉末内の時間依存反応を監視することは、同様に化学反応で生じる時間依存結晶または分子変化を解明することができる。高時間分解能および速度が、この種の監視にしばしば重要である。
【背景技術】
【０００４】
単一Ｘ線計数のための先進光子計数イメージング装置が、（特許文献１）（（特許文献２））内に開示され、かつ、光子計数イメージング装置の時間分解能を向上することを目的とする。これは、感光材の層と、バイアス電位の供給源と、閾値電源の供給源と、感光材の層を用いて形成されるＮｘＭアレイの光検出器素子であって、各光検出器素子が、バイアス電位インタフェースおよび光検出器素子出力インタフェースを有し、各光検出器素子のバイアス電位インタフェースがバイアス電位に接続される、光検出器素子と、ＮｘＭアレイの高ゲイン低ノイズ読み出し単位セルであって、１個の読み出し単位セルが各光検出器素子に対してあり、各読み出し単位セルが、光検出器素子出力インタフェースに接続される入力インタフェースを含む、読み出し単位セルと、識別器ユニットを含む高ゲイン電圧増幅ユニットと、デジタルカウンタおよび直列に接続されるデジタルカウンタ出力インタフェースを含むデジタルカウンタユニットであって、各デジタルカウンタユニットが識別器ユニットの出力信号を計数し、出力信号がそれぞれの光検出器素子内に光子によって生成される複数の電子正孔対に比例する、デジタルカウンタユニットと、デジタルカウンタ内に実際に記憶されたデジタルデータをデジタルカウンタ出力インタフェースに読み出すために、各読み出し単位セルにアクセスすることを可能にする行選択および列選択回路を含む多重化ユニットであって、各デジタルカウンタ出力インタフェースが出力バスに接続され、および出力バスが多重化ユニットを制御するデータ処理ユニットに接続される、多重化ユニットと、を含む単一Ｘ線計数のための光子計数イメージング装置によって達成される。
【０００５】
この装置の欠点は、この装置およびその計数が麻痺するようになる可能性があるという事実に見られることである。カウンタは、基本的に識別器出力信号のエッジによってトリガーされ、したがって特定の状況の下で麻痺するようになる可能性がある。入射光子または複数の入射光子によって生成される電子正孔対の増幅された信号を代表する識別器出力信号が、前の識別器出力信号に重なり合うときはいつでも、これが生じる。すべての識別器出力信号パルスが計数されるので、一旦それらが互いにマージし始めるならば、個々の単一光子パルスは単一パルスとしてもはや正確に検出可能でないか、または可算でない。装置が単一のこの種のパルスを計数することが可能であるとはいえ、それらが順にあまりに間近に来る場合、それは正確にこの種のパルスを計数することが可能でない。詳細には：高光子束で、個々のパルスが重なり合う間に、到着電荷パルスのパイルアップが光子計数検出器を麻痺させる可能性がある。一般に、識別器入力信号が識別器閾値を越えて上回る場合、電荷パルスが検出される。この閾値遷移は、したがって、カウンタ増加が個々の電荷パルスを計数させる。非常に高光子束で、識別器入力信号が閾値を連続的に上回るように電荷パルスがパイルアップする場合がある。その結果、第１の電荷パルスだけが計数され、およびパイルアップ内に含まれる残りの電荷パルスは欠けている閾値遷移に起因して計数されない。したがって、計数が麻痺され、観測計数率が到着光子率から逸脱する。到着光子率が高くなればなるほど、より多くのパルスが重なり合い、麻痺に起因して観測計数率の逸脱がより大きくなる。非常に高率で、観測計数率は増加する光子率とともに減少しさえして、かつゼロ観測計数率を伴う完全麻痺に最終的に帰着する。この特性は、観測計数率と到着光子率との間の曖昧な関係を示し、かつ明確な計数率補正を不可能にする。（特許文献１）（（特許文献２））はパルスパイルアップに起因する計数落しの問題に対処しない。これが本発明の出発点であり、その目的は、あまりに多くの光子が到着してパルスパイルアップ問題を引き起こす時生じる計数落しおよび麻痺作用を防止することによって、光子計数性能を更に改善することである。
【０００６】
（特許文献３）が、放射線事象の計数率損失を補正するための方法を開示する。この種の損失は、収集時間中の検出器不感時間に起因して生じる可能性がある。示唆されるのは、ａ）放射線検出器事象トリガーの連続を得るために収集時間中の不感時間損失を被る放射線事象（Ｚ）を検出し、次にｂ）各検出放射線事象に対して不感時間信号（ＤＴ）を与え、それの幅が、検出放射線事象（Ｚ）によって生成される不感時間に対応し、次にｃ）収集時間を評価時間間隔（ＥＴＩ）の連続に再分割することである。この種の方法の実行の間に、更に示唆されるのは、ｄ）計数率損失に対する方策を得るために各評価時間間隔内の不感時間の端数合計（ＤＴ‘）を測定し、次にｅ）不感時間の端数合計（ＤＰ）から、複製確率ｒを不感時間の任意の特定の端数合計（ＤＰ）に対して１未満であるようにするくらいの大きさだけである複製数ｍに従い、複製確率ｒを評価することである。次に、最終的には、１つの評価時間の終わりと次に続く１つの終わりとの間に検出される全ての放射線事象を評価してｆ１）後続する評価時間の終わりの間の各検出放射線事象に対する１つのパルス（Ｐ）、およびｆ２）その選択が複製確率ｒに対応し、かつ、そのパルス数が複製数ｍに対応するランダムに選択された事象に対する一連の複数のパルス（Ｐ、Ｐ‘、Ｐ“）を生成する。要約すると、パルスパイルアップに起因する計数落しの問題が、以下の方法で対処される：露光時間が、連続した評価時間間隔に再分割される；評価時間間隔内のパイルアップ確率に対する方策が、高周波を有し、かつパルスに非同期である別々の時間計数クロックを用いて、全パルス幅の合計を測定することによって決定される；追加的な計数パルスが、前の評価時間間隔内の計数落しを補正するために、パイルアップ確率に対する方策に従って後の評価時間間隔内に、ランダムに複製される。このアプローチは、以下の根本的な欠点を有する：連続的露光時間が、別々の評価時間間隔に再分割されなければならない；計数落し補正が、評価時間間隔あたり実行されてかつ前の評価時間間隔内に決定される方策に基づく；計数落し補正が推定されてパイルアップに対する普通の方策に基づき、かつあたり事象ベースで実行されず、したがって、計数率を統計上補正するだけである；別々の高周波クロックが、時間計数のために必要とされる；時間計数クロックは、パルス事象に非同期でかつ時間測定に量子化ノイズを導入する；パルス複製が、ランダムに生成されてかつ対応するパイルアップ事象に結びつけられない。
【０００７】
（特許文献４）が、医用イメージングシステムを開示する。このシステムは、パルスの流れを示す電圧レベル信号を受信するように構成される入力回路、受信された電圧レベル信号の形状特性を決定するように構成される電圧レベル信号形状分析器および受信された電圧レベル信号が所定の形状にマッチする時間の合計を含む。更なる計数回路が、形状特性および時間の合計からパルスの真の数を決定するように構成される。換言すれば、パルスパイルアップに起因する計数落しの問題が、以下の方法で対処される：各パルス事象のパルス幅が、高周波を有し、かつパルスに非同期である別々の時間計数クロックを用いて測定される；測定されたパルス幅が、各測定されたパルスに対する到着パルスの数を推定するために用いられる。このアプローチは、以下の根本的な欠点を有する：別々の高周波クロックが、時間計数のために必要とされる；時間計数クロックがパルス事象に非同期で、かつ時間測定に量子化ノイズを導入する；測定された時間値から推定された数のパルスを生成するために複雑な回路が必要とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７，５１４，６８８  Ｂ２号明細書
【特許文献２】国際特許第２００４／０６４１６８  Ａ１号明細書
【特許文献３】欧州特許第０，１４４，６７４  Ｂ１号明細書
【特許文献４】米国特許出願第２００６／０２７６７０６  Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した文献のいずれも、検出器アレイのセル内の厳しい面積および複雑性制約を伴う現実の光子計数イメージング装置内に確実に実現されることができるパルスパイルアップ問題に対する真の解決策を教示しない。パルスパイルアップに起因する計数落しの問題は、次のように記述されることができる：カウンタが、識別器出力信号のエッジによって基本的にトリガーされ、したがって特定の状況の下で麻痺するようになる可能性がある。入射光子または複数の入射光子によって生成される電子正孔対の増幅された信号を代表する識別器出力信号が前の識別器出力信号に重なり合うときはいつでも、これが生じる。すべての識別器出力信号パルスが計数されるので、一旦それらが互いにマージし始めるならば、個々の単一光子パルスはもはや単一パルスとして正確に検出可能でないかまたは可算でない。したがって、この種の麻痺を確実に防止することによってならびに高率計数性能および計数率補正手段を改善することによって、全部の光子計数イメージング装置の性能および信頼性を向上することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、請求項１の序文部分に記載の方法を用いてパルスパイルアップ問題に対する解決策を提供し、かつカウントが、各信号パルスに対して、増幅された信号が最初に閾値を上回るときはいつでも、不感時間間隔シーケンスを始めることによって識別器出力での信号パルスの幅に対応する所定の幅の不感時間間隔の数を計数し、かつ増幅された信号が閾値を上回る限り直接後続する不感時間間隔の数を計数することによって登録されることを特徴とする。このため、カウントが登録されたあと所定の不感時間の後、ピクセル（読み出し単位セル）内の計数がリトリガされることができる、すなわち、増幅された信号が再評価され、および、ピクセルがそれに応じて計数を再び可能にされる。本質的には、不感時間間隔の後、識別器入力での増幅された信号がなお閾値を上回る場合、ピクセルは再び計数する。不感時間は調整可能で、かつ各ピクセル内の回路によって生成されることができる。正確に増幅された信号が最初に閾値を上回る時、不感時間間隔シーケンスが始動される。不感時間幅は、識別器入力または出力の公称単一光子パルス幅と比べてより短く、同等に、またはより長く設定されることができる。公称単一光子パルスは、実効処理パラメータ設定に対して単一入射光子によって生成されるそれぞれのパルスとして規定される。ピクセル毎の変動を補正するために、調整可能な不感時間が、各ピクセル内の不感時間トリムレジスタをプログラムすることによって各ピクセルに対してトリムされることができる。即時リトリガ能力を備えた光子計数イメージング法が、請求項１２に記載の装置によって実行可能である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の方法および装置の両方の利点は、明らかである：即時リトリガ能力を通して、検出器およびその計数が非麻痺型になる。それゆえに、ピクセル内の観測計数率は、到着光子率の単調増加関数である。これは、より高い精度の計数率補正および入射光子の数へのカウンタ値の曖昧でない変換を実行することを可能にする。この非麻痺型計数法は、高カウント率および曖昧でない計数率補正を可能にする。調整可能な不感時間による即時リトリガ能力を備えた光子計数イメージング方法および装置は、改善された高率計数性能および改善された計数率補正を達成する。
【００１２】
上述した文献によって反映される現状技術と比較して、本発明は以下の基本的利点を有する：信号パルスの幅を識別するために、高周波を有し、かつ信号パルスに非同期である別々の時間計数クロックによってパルス幅を測定することとは対照的に、本発明は同期方法で典型的単一光子パルスの複製を生成することに基づく。したがって、複製パルスによる直接の識別が、正確なタイミング精度を達成するために適用されることができる。複製パルスが同期して生成されてかつ信号パルスと同じ時間で起動するので、これが唯一可能になる。それとは対照的に、上述した文献に従う方法は良いタイミング精度を達成するために高速な時間計数クロックを必要とする。とりわけ、時間計数クロックが信号パルスに非同期であり、時間測定はパルス幅測定の開始および終わりの両方に対する量子化ノイズを被る。従って、達成可能な時間測定精度は計数クロックの時間軸分解能によって限定される。高周波を備えた時間計数クロックは、消費電力を増加させてかつ高感度ピクセルアレイ内に追加的なクロストークを導入し、かつ時間測定を処理するために追加的な評価回路が必要である。本発明の重要な利点は、生成された不感時間間隔のパルス幅が、公称単一光子パルス幅に等しいかまたはほぼその程度であることであり、一方、非同期時間計数クロックによる記述された方法では、必要なクロックパルス幅は、公称単一光子パルス幅と比べて数桁短いものでなければならないことである。
【００１３】
基本的問題およびこの発明に従う解決策が、図面を考慮して更なる詳細で記述される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
以下に示されるのが：
【図１】従来の（麻痺型）およびリトリガされた（非麻痺型）計数に従う実際の到着光子率対観測計数率；
【図２】従来の（麻痺型）読み出し単位セル（ピクセル）の詳細なブロック図；
【図３】従来の（麻痺型）およびリトリガされた（非麻痺型）計数に従う電気信号の図；
【図４】１不感時間オーバラップ（１と等しい不感時間オーバラップ）によるリトリガされた（非麻痺型）計数に従う電気信号の図；
【図５】高不感時間オーバラップ（１．５と等しい不感時間オーバラップ）によるリトリガされた（非麻痺型）計数に従う電気信号の図；
【図６】低不感時間オーバラップ（０．１と等しい不感時間オーバラップ）によるリトリガされた（非麻痺型）計数に従う電気信号の図；
【図７】ピクセル毎のパラメータ変動による異なる読み出し単位セル（ピクセル）に対するリトリガされた（非麻痺型）計数に従う実際の到着光子率対観測計数率；
【図８】不感時間生成回路を含むリトリガされた（非麻痺型）読み出し単位セル（ピクセル）の詳細なブロック図；
【図９】調整可能な不感時間を備えた不感時間生成回路の基本的回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
光効果による電子正孔対の生成は、これが基本的物理であり、かつ、（特許文献１）（（特許文献２））内に網羅的に記述されているのでここで示されず、かつ説明されない。図１は、光子計数イメージング装置内の実際の到着光子率対観測計数率を示す。これらの特性曲線は、理想とされたパルス波形によって統計学的に分散されたパルスのシステム−レベルシミュレーションを代表する。下部および点曲線１０１が、従来の（麻痺型）計数、ならびに上部および実曲線１０２が、計数回路の即時リトリガ能力によって得られる、高められた（非麻痺型）計数を代表する。この即時リトリガ能力が、本発明の鍵となる特性である。
【００１６】
図２内に、従来の（麻痺型）読み出し単位セル（ピクセル）の詳細なブロック図が示される。このピクセルは、アナログ部分２０１およびデジタル部分２０２に分割される。アナログ部分２０１は、光検出器素子へのインタフェースのための、かつ前置増幅器（プリアンプ）「ｐｒｅａｍｐ」およびシェーパー「ｓｈａｐｅｒ」から成る電荷増幅器の入力２０４に接続されるバンプパッド２０３を含む。光検出器素子内に生成された任意の電荷パルスが、増幅器によって増幅されかつ増幅器の出力２０５で電圧パルス信号に変換される。電圧パルスのサイズは、入射光子によって生成される電子正孔対を代表する。較正目的のために、端子「ｃａｌ」での校正電圧を備えた電圧源が、加えて、較正コンデンサ２０６経由で増幅器の入力２０４に接続される。較正コンデンサ２０６の容量は、ほぼおよそ１ｆＦ程度の典型値を有し、較正コンデンサ２０６に印加される校正電圧の電圧変化が、増幅器の出力２０５で典型的サイズのパルス信号を生成するために増幅器によって十分に増幅されるのに十分に高感度であることを可能にする。増幅器出力信号は、調整可能な閾値で、かつ個々に調整可能な閾値補正で識別器「ｃｏｍｐ」の入力２０５に接続される。識別器「ｃｏｍｐ」は、識別器「ｃｏｍｐ」の閾値を規定する端子「ｖｃｍｐ」の閾値電圧を備えた電圧源におよび閾値補正のトリム範囲を規定する端子「ｖｔｒｍ」のトリム電圧を備えた電圧源に接続される。加えて、識別器「ｃｏｍｐ」はピクセルの個々のトリム設定のためのトリム値を記憶し、かつデジタル部分２０２内に位置するトリムラッチ「ｔｒｉｍｌａｔｃｈ」の出力２０６に接続される。閾値電圧、トリム電圧およびトリム値を調節することによって、識別器「ｃｏｍｐ」の閾値が各ピクセルに対して任意の目標値に個々に設定されることができる。したがって、識別器「ｃｏｍｐ」は光生成電荷またはそれの任意の端数を代表する任意のサイズの電荷パルスを検出するために用いられることができる。デジタル部分２０２は、計数回路を含む。識別器「ｃｏｍｐ」の出力２０７は、端子「ｅｎ」によって制御されるゲート素子２０９を用いてパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力２０８に接続される。端子「ｅｎ」は、計数を可能にしてかつ露光、すなわち入射光子が計数回路によって計数される時間間隔を制御するために用いられる。計数回路は、パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」、クロック発生器「ｃｌｋｇｅｎ」およびカウンタ「ｃｏｕｎｔｅｒ」を含む。パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」はその入力２０８で所定の極性のエッジを検出してかつ活性エッジが生じるときはいつでも、その出力２１０で所定の幅の信号パルスを生成する。同時に、パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」がロックされて、その入力２０８で新規のエッジを検出するのを妨げられる。その後のクロック発生器「ｃｌｋｇｅｎ」が、信号パルスあたり１カウントを登録するためにカウンタ「ｃｏｕｎｔｅｒ」の入力２１１に供給されるべき適切なクロック信号を生成する。加えて、計数回路はリセット発生器「ｒｅｓｇｅｎ」を含む。パルス発生器入力信号およびクロック発生器出力信号の両方がカウントの登録の後で終わったときはいつでも、それがパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力２０８およびクロック発生器「ｃｌｋｇｅｎ」の出力２１１を処理してかつパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力２１２でリセット信号を生成する。パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力２１２でのリセット信号が、パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」をアンロックしておよびしたがって、その入力２０８で新規のエッジを検出することを可能にする。その結果、計数はパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力２０８で信号の活性エッジによって基本的にトリガーされ、および何のエッジも生じない場合、計数が麻痺されるようになることができる。露光の完了の後、カウンタ値が読み出され、かつマルチプレクサ２１３、ゲート素子２１４ならびに端子「ｄｉｎ」、「ｄｃｌｋ」および「ｄｏｕｔ」を用いてリセットされる。カウンタ値は次いで、実効露光時間に従って計数率値に変換されてかつ適切な計数率補正を適用することによって計数中の誤差に対して補正される。
【００１７】
図３は、麻痺型計数の基本的問題およびその解法を例示する電気信号の図を示す。上部図３０１は、入射光子に対する増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」を時間の関数として示す。左に、単一光子の単一パルス３０２が示される。中央には、２個の光子のパイルアップパルス３０３が例示され、および右側は短いシーケンスで到着したより多数の光子を代表するパイルアップパルス３０４を示す。このパイルアップパルス３０４は、複数の重なり合う単一パルスを代表し、かつより長い時間の間閾値ｖｔｈｒを上回る。第２の図３０５は、第１の図３０１内の増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」に対応する識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」を示す。識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」のパルスの幅は、所定の閾値に対して増幅器出力端での単一およびパイルアップパルスの幅を代表する。識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」内の左のパルス３０６の幅は、単一光子パルスの幅と等しい。中央のパルス３０７は、２個の光子のパイルアップを参照し、かつ単一光子パルスと比べていくぶん長い。右のパルス３０８は、より多数の光子のパイルアップであってかつ単一光子パルスと比べて非常に長い。第３の図３０９は、従来の（麻痺型）計数に対するカウント信号「ｃｏｕｎｔ（麻痺済）」を示す。識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」が上昇するたびに、短いパルスがカウント信号「ｃｏｕｎｔ（麻痺済）」内に生成され、カウンタが＋１増加される。したがって、左の単一光子パルス３０６が、１カウント３１０を正確に生成する。しかしながら、中央の２個の光子のパイルアップパルス３０７は、２の代わりに１カウント３１１だけを生成する。および、より多数の光子を代表する、右のパイルアップパルス３０８は、識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」が一度だけ上昇して長い時間の間持続することに起因して１カウント３１２だけを誤ってまた生成し、したがって、従来の計数を麻痺させる。第４の図３１３は、リトリガされた計数に対する不感時間生成回路（不感時間発生器）の出力での信号「ｄｅａｄｇｅｎｏｕｔ」を示す。この信号は、上記の増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」からまたは上記の識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」から導かれることができる。識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」が最初に上昇するときはいつでも、不感時間間隔が始まり、所定の幅ｔｄｅａｄの不感時間パルスが不感時間発生器の出力で生成される。各不感時間パルスの終了の後、識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」が再評価される。したがって、識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」が高い場合、新規の不感時間間隔が始まり、新規の不感時間パルスが不感時間発生器の出力で生成される。さもなければ、識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」が低い場合、識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」が新たに上昇するまで、不感時間発生器出力信号「ｄｅａｄｇｅｎｏｕｔ」は低いままである。第５の図３１４は、リトリガされた（非麻痺型）計数に対するカウント信号「ｃｏｕｎｔ（リトリガ済）」を示す。この信号は、上記の不感時間発生装置出力信号「ｄｅａｄｇｅｎｏｕｔ」と上記の識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」を組み合わせることによってまたは不感時間発生器出力信号「ｄｅａｄｇｅｎｏｕｔ」から直接に導かれることができる。不感時間発生器出力信号「ｄｅａｄｇｅｎｏｕｔ」が上昇するたびに、短いパルスがカウント信号「ｃｏｕｎｔ（リトリガ済）」内に生成されて、カウンタが＋１増加される。したがって、左の単一光子パルス３０２は、１カウント３１５を正確に生成し、および、中央の２個の光子のパイルアップパルス３０３は、２個のカウント３１６を正確に生成する。計数が即座にリトリガされるので、２個の光子のパイルアップパルス３０３は明確に即時リトリガ能力を示し、ここで「即座に」は、公称単一光子パルスの幅と等しい期間の後を意味する。より多数の光子を代表する右のパイルアップパルス３０４は、複数のカウント３１７を生成し、および、何の麻痺もこのリトリガされた計数で生じない。しかしながら、このパイルアップパルス３０４のカウント数は暗黙的に光子の数に正確にマッチしない。全体として、図内に示される全部の時間セグメントは、少なくとも７個の未知の数の入射光子に対応する。従来の（麻痺済）場合では３個のカウント３１０  ３１１  ３１２だけが登録されるのに対して、リトリガされた（非麻痺型）場合は７個のカウント３１５  ３１６  ３１７を生じ、それは、入射光子の実際の数に対する非常により良い推測である。リトリガされた計数の場合には、増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」の第１のパルス３０２の立ち上がりエッジ３１８が不感時間間隔３１９を始めて第１のカウント３１５を開始する。一旦不感時間間隔３１９が終了すると、この単一光子パルス３０２の増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」は閾値ｖｔｈｒより下になり、何の更なるカウントもまたは不感時間間隔も開始されない。増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」の第２のパルス３０３の立ち上がりエッジ３２０で、新規の不感時間間隔３２１が始まり、カウント３２２が開始される。この不感時間間隔３１２が終了する時、この２個の光子パイルアップパルス３０３の増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」はなお閾値ｖｔｈｒを上回り、それが別の不感時間間隔３２３を始めさせかつカウンタをリトリガさせ、したがって、この２個の光子パイルアップパルス３０３に対する第２のカウント３２４を正確に加える。新しく始まった不感時間間隔３２３が終了する時、増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」は閾値ｖｔｈｒより下であり、何の更なるカウントもまたは不感時間間隔も開始されない。増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」の第３のパルス３０４の立ち上がりエッジ３２５だけで、新規の不感時間間隔３２６が始まり、カウント３２７が開始される。この不感時間間隔３２６−この長いパイルアップパルス３０４の第１の不感時間間隔−が終了する時、増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」はなお閾値ｖｔｈｒを上回る。これは、第２の不感時間間隔３２８をこの不感時間間隔シーケンス３２９で始めさせ、かつカウンタをリトリガさせ、したがって、新規のカウント３３０を加える。実際の不感時間間隔シーケンス３２９内のリトリガのこのプロセスは、同時に、不感時間間隔が終了し、かつ増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」が閾値より下になるまで繰り返す。その後、増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」が新たに閾値ｖｔｈｒを上回る時だけ、不感時間間���の新規の開始および新規のカウントが生じる。示された時間セグメント内に、増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」が閾値ｖｔｈｒより下に戻らないので、増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」の第３のパルス３０４の不感時間間隔シーケンス３２９は終了しない。したがって、計数は示された時間セグメントの間このパルス３０４に対して３回リトリガされ、合計４個のカウント３１７がそれぞれ登録される。
【００１８】
即時リトリガ能力を備えた光子計数イメージングのための方法は、カウントが識別器出力で各信号パルスの幅に対応する所定の幅の不感時間間隔の各数を計数することによって登録されるという点で特徴づけられる。これは、増幅された信号が最初に閾値を上回るときはいつでも不感時間間隔シーケンスを始めることによって、かつ増幅された信号が閾値を上回る限り直接後続する不感時間間隔の数を計数することによって達成される。特定の実施態様において、カウントが登録され、かつ、同時に、何の不感時間間隔シーケンスも現在動作しておらず、かつ増幅された信号が最初に閾値を上回るときはいつでも、不感時間間隔シーケンスが始まる。更に、連続する不感時間間隔シーケンスの各不感時間間隔の終了の後、増幅された信号が再評価される。増幅された信号がその時閾値を上回る場合、計数がリトリガされ、したがって、新規のカウントを登録し、および、不感時間生成が更なる潜在的リトリガのために新たに始まる。さもなければ、増幅された信号が不感時間間隔の終了の後で閾値を上回らない場合、計数はリトリガされず、したがって、何の新規のカウントも登録せず、および、不感時間間隔シーケンスが終えられる。
【００１９】
光子計数イメージング法の時間分解能を向上するために、生成出力信号には時計によって生成されるタイムスタンプが付いてくることができる。光子計数イメージング法の通常動作に加えてこの方策に起因して、増幅された出力信号が、それぞれの光検出器素子に衝突する光子の発生に対して別々に処理されることができる。時計は、特定の周波数でパルス制御されるカウンタとして実現されることができる。タイムスタンプはしたがって、光子が光検出器素子に衝突し、かつ同時出力信号が生じる時、カウンタの実効値によって導き出される。
【００２０】
一般に、不感時間の幅は、回路パラメータ設定、計数分解能および信号評価精度に関して最高の値が用いられることができるように調整可能である。不感時間の幅は、識別器入力または出力での公称単一光子パルス幅と比べてより短く、同等に、またはより長く設定されることができる。公称単一光子パルスは、実効処理パラメータ設定のために単一入射光子によって生成されるそれぞれのパルスとして規定される。図４から６は、異なる不感時間オーバラップに対する不感時間生成を例示する電気信号の図を示す。不感時間オーバラップは、パルス幅対不感時間比率、すなわち公称単一光子パルスの幅に対する不感時間の幅の比率として規定される。
【００２１】
図４は１の単一不感時間オーバラップに対する不感時間生成を例示し、それは不感時間ｔｄｅａｄの幅が公称単一光子パルス４０２の幅４０１と等しいことを意味する。その結果、公称単一光子パルス４０２は１個のカウントを正確に生成し、および、任意のより長いパルス、例えばパイルアップパルスは追加的なカウントを生成する。しかしながら、例えばパラメータ変動またはノイズに起因して、単一光子パルスの幅４０１または不感時間ｔｄｅａｄの幅の任意の逸脱がわずかに１を超える不感時間オーバラップに帰着し、かつ公称単一光子パルス４０２に対して誤って２個のカウントを生成する可能性がある。したがって、パラメータ変動に対処するために、１を超える不感時間オーバラップが用いられることができる。
【００２２】
図５は、１．５の高い不感時間オーバラップに対する不感時間生成を例示し、それは、不感時間ｔｄｅａｄの幅が公称単一光子パルス５０２の幅５０１の１．５倍であることを意味する。その結果、パルス幅５０１または不感時間ｔｄｅａｄがわずかに変化する場合であっても、公称単一光子パルス５０２は正確に１個のカウントを生成する。パルス波形および入射光子の統計値に従い、不感時間オーバラップが、最も正確な計数に対して最適値に調節されることができる。原理的に、リトリガされた計数は識別器出力信号パルスの幅が調節された不感時間と等しい低分解能を用いて測定されるかまたは識別されることを意味する。この測定または識別の精度を向上させるために、分解能が不感時間をより低い値に調節することによって向上されることができる。
【００２３】
図６は０．１の低い不感時間オーバラップに対する不感時間生成を例示し、それは不感時間ｔｄｅａｄの幅が、公称単一光子パルス６０２の幅６０１と比べて１０倍短いことを意味する。その結果、公称単一光子パルス６０２は１０個のカウントを生成する。したがって、０．１の換算係数が、パルスカウントに基づいて入射光子の数を決定するために用いられることができる。パルスあたりベースでこうする時、カウント数がパラメータ変動またはノイズに起因して１０とわずかに異なる場合であっても、１個の光子の正確な数が測定から導かれることができる。一般に、リトリガされた計数は、増幅された信号が不感時間と等しい分解能を用いて識別器閾値をこえている総時間を測定することに対応する。特に、測定が非同期で実行され、増幅された信号それ自体によって活性化される。これは何の同期クロック信号も必要とされないこと、および、アイドル状態で、すなわち、何の信号パルスも存在しない時、何の計数も活性でないことを意味する。加えて、単一パルスが識別器閾値をこえている時間の測定は、測定の出発点が正確でかつクロック信号同期に起因して何の量子化誤差も生成しないので、同期クロック信号による標準測定と比べてより正確である。増幅された信号が識別器閾値をこえている時間の測定の精度は、調整可能な不感時間によって決定されることができる。高精度は、高時間分解能およびしたがって、小不感時間オーバラップに帰着する短い不感時間を必要とする。増幅された信号が識別器閾値をこえている時間は、入射光子の数を決定する良い方策である。即時リトリガ能力を備えた光子計数イメージングは、非同期事象駆動開始活性化、静かなアイドル状態および調整可能な時間分解能による固有のパルス幅測定を意味する。
【００２４】
不感時間調節は、包括的にまたはピクセル的に実行されることができる。特に、不感時間は、ピクセル毎の変動を補正するために、その特性に従って各単一ピクセルに対して個々に調節されることができる。図７は、ピクセル毎のパラメータ変動による異なるピクセルに対するリトリガされた（非麻痺型）計数に従って実際の到着光子率対観測計数率を示す。各ピクセルは、変動に起因するそれ自体の公称単一光子パルス幅を有する。加えて、包括的に調節された不感時間は回路パラメータ変動に起因してピクセル毎に変動する。したがって、各ピクセルは実際の到着光子率対観測計数率を代表するそれ自体の特性曲線７０１を有する。個々の特性曲線を改善してかつ全てのこれらの変動を補正するために、調整可能な不感時間が不感時間トリムレジスタをピクセルの中でプログラムすることによって各ピクセルに対してトリムされることができる。不感時間のトリミングは、代わりとして各ピクセルに対して同じ一定の不感時間に、またはピクセルアレイの各ピクセルに対して同じ一定の不感時間オーバラップに目標を定められることができる。不感時間オーバラップは、パルス幅対不感時間比率、すなわち公称単一光子パルスの幅に対する不感時間の幅の比率として規定される。
【００２５】
この方法を実行するための装置は好ましくは、全部の装置または単一ピクセルの挙動を変えるために異なる動作モードを選ぶことを可能にする。動作モードは、モードレジスタをプログラムすることによって活性化されるかまたは非活性化されることができる。追加的な周辺回路およびインタフェースを回避するために、モードレジスタは、仮想列または行によって拡張されたピクセルアレイの一部である仮想ピクセルとして実現されることができる。これらの仮想ピクセルは、検出器アレイの何の通常の物理ピクセルでもないが、しかしアレイの通常のピクセルのようにアクセスされる。したがって、既存のアドレス指定および通信機構が動作モードをプログラムするために用いられることができる。例えば、動作モードは麻痺された計数とリトリガされた計数との間を選択するために、すなわち従来の（麻痺型）計数とリトリガされた（非麻痺型）計数との間を選択するために用いられることができる。または、動作モードは正極性と逆極性との間を選択するために、すなわち入力で陽電荷パルスまたは陰電荷パルスが処理されて検出されるかどうかを選択するために用いられることができる。または、動作モードはオーバーフローを起こしやすいカウンタオーバーランとオーバーフローのないカウンタオーバーランとの間を選択するために、すなわち、オーバーランがカウンタをオーバーフローさせるかまたは止めるかどうかを選択するために用いられることができる。
【００２６】
計数率補正が、主にパイルアップに起因して実際の到着光子率と比較して逸脱を補正するために観測計数率に適用される。完了された露光の後で計数率補正を各ピクセルの最終のカウンタ値に適用することが、適切であることができる。したがって、正確な到着光子率が図１内に示される関係を用いて各ピクセルの観測計数率から決定されることができる。例えば、正確な到着光子率はカウンタ値それ自体に依存する所定の係数を、それに掛けることによって各ピクセルの最終のカウンタ値から決定されることができる。各ピクセルの最終のカウンタ値は、露光時間中のリトリガされた計数による全ての計数された識別器出力信号パルスからの結果である。この数は、パイルアップパルスを含む全ての識別器出力信号パルスの累積された幅に対応する。所定の係数は、カウンタ値に依存し、したがって、高計数率で導入される誤差を補正する。代わりとして、露光中に計数率補正を個々の識別器出力信号パルスまたはパイルアップパルスに適用することが、有利であることができる。したがって、正確な到着光子率はリトリガされた計数を用いて単一識別器出力信号パルスに属する個々のカウント数から、パルスあたりベースで決定される。この数は、単一識別器出力信号パルスまたはパイルアップパルスの幅に対応する。例えば、正確な到着光子率はカウンタ値それ自体に依存する個々の所定の係数をこれらの個々のカウント数に掛けることによって、かつ得られた値を合計することによって単一パルスまたはパイルアップパルスのカウント数から決定されることができる。所定の係数はパルスまたはパイルアップパルスあたりカウント数に依存し、したがって、パイルアップパルスの入射光子の数とこのパルスの幅との間の非線形関係を補正する。この方式は、事象駆動パルス信号評価を代表し、かつ改善された計数率補正を達成する。
【００２７】
光子計数イメージング法は、ピクセルあたり複数識別器を用いて改善されることができる。したがって、識別器の各々が、個々の所定の閾値と増幅された信号を比較することによって識別器出力信号を生成する。個々の識別器に対して、不感時間生成回路および個々の識別器出力信号の関数としてカウントを登録するカウンタユニットがある。したがって、増幅された信号が最初に個々の閾値を上回るときはいつでも、個々の不感時間間隔シーケンスが始まり、カウントが個々の所定の幅の不感時間間隔の数を計数することによって登録される。増幅された信号が個々の閾値を上回る限り、直接後続する個々の不感時間間隔の数が個々に計数される。正確な到着光子率が次いで、そのピクセルの異なる識別器に対応する各ピクセル内の異なるカウンタ値から決定されることができる。例えば、これはそのピクセルの個々のカウンタの加重された個々のカウンタ値を合計することによって実行されることができる。加重された個々のカウンタ値は、個々の所定の係数を掛けられた個々のカウンタ値として規定される。
【００２８】
図８は、不感時間生成回路（不感時間発生器）を含むリトリガされた（非麻痺型）読み出し単位セル（ピクセル）の一実施態様の詳細なブロック図を示す。図２に従う従来の（麻痺型）読み出し単位セルに加えて、図８内のこの方式は、即時リトリガ能力を実現するために不感時間発生器「ｄｅａｄｇｅｎ」、追加マルチプレクサ８０１および２個の追加端子「ｖｄｅｌ」および「ｓｅｌｒｅｔｒｉｇ」を備える。従来の回路におけるとは異なり、ここでリセット発生器「ｒｅｓｇｅｎ」は、リセット信号を生成するためにパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力８０２での信号を用いず、しかしその代わりに不感時間発生器「ｄｅａｄｇｅｎ」の出力８０３での信号を用いる。不感時間発生器「ｄｅａｄｇｅｎ」は、パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の出力８０４に接続され、かつその出力８０３に、活性エッジがその入力８０４に現れる時始まり、かつ所定の幅を有するパルス信号を生成する。このパルス信号の幅が、この回路の不感時間を決定し、かつ端子「ｖｄｅｌ」に印加される電圧を変えることによって調節されることができる。リセット発生器「ｒｅｓｇｅｎ」は、不感時間発生器「ｄｅａｄｇｅｎ」の出力８０３およびクロック発生器「ｃｌｋｇｅｎ」の出力８０５を処理し、かつ、不感時間発生器出力信号およびクロック発生器出力信号の両方がカウントの登録の後で終わったときはいつでもパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力８０６でリセット信号を生成する。パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力８０６のリセット信号が、パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」をアンロックさせ、およびしたがってその入力８０２で新規のエッジを検出することを可能にする。パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」は、それが２つの場合にその出力８０４で所定の幅の信号パルスを生成するような方法で設計される。第１に、パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」がロックされず、かつ活性エッジがその入力８０２に生じるときはいつでも、それぞれのパルスが生成される。第２に、パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」がその入力８０６でリセット信号によってアンロックされ、一方同時に、その入力８０２での信号が活性、すなわち、その入力８０２での信号が活性状態にあり、かつ何のエッジも現在生じてないときはいつでも、それぞれのパルスが生成される。その結果、計数は基本的にパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力８０２での信号の活性エッジによって、かつ最後のカウントの後で不感時間を生じるパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力８０２での信号の活性状態によってトリガーされる。したがって、計数は不感時間の後で即座にリトリガされてかつ何のエッジも生じない場合であっても、麻痺されるようになる可能性はない。端子「ｓｅｌｒｅｔｒｉｇ」およびマルチプレクサ８０１を用いて、この回路の計数モードが図２に従う従来の（麻痺型）計数とリトリガされた（非麻痺型）計数との間で切替えられることができる。更に、入射光子の数とカウント数との間の曖昧でない関係を有するために、オーバーフローのないカウンタがこの回路内に用いられる。これは、一旦それが所定の高いカウンタ値に達するならば、より多くの光子が到着する場合でさえ計数が止まることを意味する。計数を止めるためのこの所定のカウンタ値に加えて、前述の１を越える追加的な所定のカウンタ値が、特別目的のために用いられることができる。例えば、このカウント値コーディングがピクセル無効状態、すなわち計数を抑止することによってピクセルを無効にするカウンタ状態に用いられることができる。
【００２９】
図９は、調整可能な不感時間を備えた不感時間生成回路の実施態様の基本的回路図を示す。アイドルモードでは、この不感時間生成回路のスイッチＳ１は開いており、電流源Ｉ１がコンパレータＡ１の入力の内部ノード９０１を正電源電圧９０２まで充電する。これは、回路の出力９０３を非活性化する。シングルエンド形または明確に規定された閾値との差動コンパレータが、コンパレータＡ１、例えば単純なインバータまたは一連のインバータに対して用いられることができる。計数がピクセル内の増幅された信号によってトリガーされるときはいつでも正エッジがピクセル内の識別器の出力に生じ、カウント信号内の短いパルスが１だけカウンタ値を増加させるためにピクセルのデジタル部分によって生成される。このパルスは、また、不感時間間隔の開始を可能にするために端子「ｓｔａｒｔ」経由で、ここで示す不感時間生成回路の入力でスイッチＳ１に供給される。パルスは、短時間の間スイッチＳ１を閉じてかつ負電源電圧９０４にこの回路の内部ノード９０１を放電しておよびしたがって、回路の出力９０３を活性化する。短いパルスの終了の後、スイッチＳ１が閉じ、および、内部ノード９０１のコンデンサＣ１が調整可能な電流源Ｉ１によって再充電される。内部ノード９０１の電圧がコンパレータＡ１の閾値電圧を上回るとすぐに、回路の出力９０３が再び非活性化され、およびこのステップによって、不感時間間隔が終了される。この回路の出力９０３での遅延パルス信号Ｖｄｅａｄｇｅｎｏｕｔが、ピクセルのデジタル部分内に用いられて、計数プロセスを再び可能にし、したがって、識別器出力信号が活性の場合、計数をリトリガする、すなわちカウント信号内に別のパルスを生成する。したがって、不感時間は、端子「ｓｔａｒｔ」でのカウント信号の短いパルスの幅、調整可能な電流源Ｉ１を用いて負電源電圧９０４からコンパレータＡ１の閾値電圧までコンデンサＣ１を充電するために必要とされる時間、およびコンパレータＡ１の応答時間によって決定される。不感時間は、電流源Ｉ１を制御する電圧Ｖｄｅｌによって調節されることができる所定の幅を有する。例えば、単一トランジスタが電流源として用いられることができる。不感時間調節は、調整可能な電流源を用いて定電圧までコンデンサを充電することによって達成される。代替技術としては、コンパレータの調整可能な閾値電圧または調整可能なコンデンサのような他の調整可能な回路素子が、不感時間を調節するために用いられることができる。例えば、不感時間調節が定電流源を用いて調整可能な電圧までコンデンサを充電することによって達成されることができる。さらに、一連の遅延回路素子または遅延線が不感時間を生成するために用いられることができる。この場合、不感時間の幅は様々な位置で直列または遅延線をタップすることによって調節されることができる。
【００３０】
ピクセルに関する不感時間調節のために、不感時間が不感時間トリムレジスタをピクセルの中でプログラムすることによって各ピクセルに対してトリムされることができる。不感時間トリミングの単一ビットが、識別器閾値トリミングの閾値トリムビットと同じ方法で、カウンタ経由で不感時間トリムレジスタに書き込まれる。不感時間トリムレジスタは、不感時間生成回路、例えば調整可能な電流の生成のためのＤ／Ａコンバータ内の調整可能な回路素子を制御する。例えば、図９内の不感時間生成回路内の調整可能な電流源Ｉ１は、包括的に設定可能な電流源および不感時間トリムビットによって制御される並列の複数の電流源によって実現されることができる。
【００３１】
公称単一光子パルスの幅または不感時間の幅を実験的に決定するために、光子計数イメージング装置が、個々のピクセルの識別器または不感時間生成回路の出力信号の外部測定用の多重化手段を備える。図８に対応する好ましい実施態様において、同じ端子「ｄｏｕｔ」が通常動作中のピクセル内のカウンタの通常の読み出しのために、および例えばテストモードを用いた時間測定動作中のそれぞれのパルス幅の測定のために、の両方に用いられる。
【００３２】
即時リトリガ能力を備えた光子計数イメージング法は、非麻痺型計数および良い高率計数性能を達成する。しかしながら、図１内の実曲線１０２で示すように、観測計数率は非常に高い到着光子率に対して飽和する。飽和値は、不感時間に依存してかつ公称単一光子パルス幅によって基本的に限定される。飽和は計数率補正を低下させ、したがって、公称単一光子パルス幅が最大使用可能な計数率を限定する。リトリガされた計数の高率計数能力を更に改善するために、公称単一光子パルス幅が検出電荷パルスを活性的にリセットすることによって減少させられることができる。活性リセットは、前置増幅器内の通常のフィードバックと並列の追加変調またはスイッチフィードバック抵抗またはトランジスタによって実現されることができる。電荷パルスが識別器によって検出されるときはいつでも、この追加的なフィードバックが活性化されかつ前置増幅器をすぐに放電し、したがって、電荷パルスを終了させる。その結果、パルス幅が減少させられ、改善された高率計数性能が達成される。
【符号の説明】
【００３３】
１０１  点曲線
１０２  実曲線
２０１  アナログ部分
２０２  デジタル部分
２０３  バンプパッド
２０４  入力
２０５  出力  入力
２０６  較正コンデンサ  出力
２０７  出力
２０８  入力
２０９  ゲート素子
２１０  出力
２１１  出力  入力
２１２  入力
２１３  マルチプレクサ
２１４  ゲート素子
３０１  第１の図
３０２  単一パルス
３０３、３０４  パイルアップパルス
３０５  第２の図
３０６  左のパルス
３０７  中央のパルス
３０８  右のパルス
３０９  第３の図
３１０  １カウント
３１１  １カウント
３１２  １カウント  不感時間間隔
３１３  第４の図
３１４  第５の図
３１５  １カウント
３１６  ２個のカウント
３１７  複数のカウント
３１８  立ち上がりエッジ
３１９  不感時間間隔
３２０  立ち上がりエッジ
３２１  不感時間間隔
３２２  カウント
３２３  不感時間間隔
３２４  第２のカウント
３２５  立ち上がりエッジ
３２６  不感時間間隔
３２７  カウント
３２８  不感時間間隔
３２９  不感時間間隔シーケンス
３３０  カウント
４０１  パルス４０２の幅
４０２  公称単一光子パルス
５０１  パルス５０２の幅
５０２  公称単一光子パルス
６０１  パルス６０２の幅
６０２  公称単一光子パルス
７０１  特性曲線
８０１  追加マルチプレクサ
８０２  入力
８０３  出力
８０４  出力  入力
８０５  出力
８０６  入力
９０１  内部ノード
９０２  正電源電圧
９０３  出力
９０４  負電源電圧
【図４】
2014527162.tif 000003
【図５】
2014527162.tif 000004
【図６】
2014527162.tif 000005
【図１】
2014527162.tif 000006
【図２】
2014527162.tif 000007
【図３】
2014527162.tif 000008
【図７】
2014527162.tif 000009
【図８】
2014527162.tif 000010
【図９】
2014527162.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成26年3月10日(2014.3.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
感光材の層と、前記感光材の層内に配置されるＬｘＫアレイの光検出器素子（バンプパッド２０３、ｐｒｅａｍｐ  ２０４、ｓｈａｐｅｒ  ２０５、ｃｏｍｐ  ２０７）と、増幅素子（ｐｒｅａｍｐ  ２０４、ｓｈａｐｅｒ  ２０５）を含むＮｘＭアレイの読み出し単位セルであって、Ｋ、Ｌ、ＭおよびＮが１以上の数であり、１個またはいくつかの読み出し単位セルが、１個または複数の光検出器素子に対してあり、前記読み出し単位セルが信号処理素子によって制御され、各読み出し単位セルが、前記それぞれの光検出器素子内の入射光子または複数の入射光子によって生成される電子正孔対の増幅された信号を代表する識別器出力信号（２０７）を生成することを可能にする内部信号処理素子（ｃｏｍｐ  ２０７）を備え、前記識別器出力信号（２０７）が所定の閾値と前記増幅された信号を比較することによって生成され、および前記識別器出力信号（２０７）が、前記増幅された信号が前記閾値を上回るときはいつでも生成される、読み出し単位セルと、前記識別器出力信号の関数としてカウントを登録するカウンタユニット（ｃｏｕｎｔｅｒ）と、を用いる単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
前記カウントが、各信号パルスに対して、前記増幅された信号が最初に前記閾値（Ｖｔｈｒ）を上回るときはいつでも、不感時間間隔シーケンスを始めることによって前記識別器出力での前記信号パルス（４０２）の幅に対応する所定の幅の不感時間間隔（４０１）の数を計数し、かつ前記増幅された信号が前記閾値（Ｖｔｈｒ）を上回る限り直接後続する不感時間間隔（４０１）の数を計数することによって登録される
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
カウントが登録され、および何の不感時間間隔シーケンスも現在動作しておらず、かつ前記増幅された信号が最初に前記閾値（Ｖｔｈｒ）を上回るときはいつでも、不感時間間隔シーケンスが始まり、各不感時間間隔（４０１）の終了の後、前記増幅された信号が再評価され、および、前記増幅された信号が前記閾値（Ｖｔｈｒ）を上回る場合、前記計数がリトリガされ、したがって、新規のカウントを登録し、および、前記不感時間生成が更なる潜在的リトリガのために新たに始まり、さもなければ、前記増幅された信号が前記不感時間間隔の終了の後で前記閾値（Ｖｔｈｒ）を上回らない場合、前記計数がリトリガされず、したがって、何の新規のカウントも登録せず、および、前記不感時間間隔シーケンスが終えられる
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１−２のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
前記生成出力信号（２０７）には、時計によって生成されるタイムスタンプが付いてくる
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１−３のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
前記不感時間（２０７）が、各読み出し単位セルに対して全般的にまたは個々に調整可能である
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１−４のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
同じ不感時間（２０７）が、各読み出し単位セルに対して調節される
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１−５のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
同じ不感時間オーバラップが、各読み出し単位セルに対して調節され、パルス幅対不感時間幅比率、すなわち公称単一光子パルスの幅に対する前記不感時間の幅の比率として規定される前記不感時間オーバラップを伴い、前記公称単一光子パルスが、実効処理パラメータ設定のために単一入射光子によって生成されるそれぞれのパルスとして規定される
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１−６のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
いくつかの動作モードが、前記通常の読み出し単位セルアレイの追加的な仮想列または行内の仮想読み出し単位セルとしてアクセスされ、かつ通常のアレイアクセスを提供するモードレジスタをプログラムすることによって活性化されるかまたは非活性化されることができる
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項２−７のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
計数率補正を得るために、カウンタ値それ自体に従う所定の係数を、前記露光時間中にリトリガされた計数を伴う全ての計数された識別器出力信号パルスから得られる各読み出し単位セルの最終のカウンタ値（すなわちパイルアップパルスを含む全ての識別器出力信号パルスの累積された幅に対応する数）に掛けることによって前記到着光子率が決定される
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項２−７のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
事象駆動パルス信号評価および計数率補正を得るために、カウンタ値それ自体に従う個々の所定の係数を、それらの各々がリトリガされた計数を伴う１つの識別器出力信号パルスだけから生じる、各読み出し単位セルの個々のカウンタ値（すなわち単一識別器出力信号パルスまたはパイルアップパルスの幅に対応する数）に掛けることによって前記到着光子率が決定される
ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１−９のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
各読み出し単位セルが複数の個々の識別器出力信号を生成することを可能にし、前記識別器出力信号（２０７）の各々が、個々の所定の閾値（Ｖｔｈｒ）と前記増幅された信号を比較することによって生成され、個々の識別器あたり１カウンタユニットが、前記個々の識別器出力信号の関数としてカウントを登録し、カウントが、前記増幅された信号が最初に前記個々の閾値（Ｖｔｈｒ）を上回るときはいつでも、個々の不感時間間隔シーケンスを始めることによって個々の所定の幅の不感時間間隔（４０１）の数を計数し、かつ前記増幅された信号が前記個々の閾値（Ｖｔｈｒ）を上回る限り直接後続する個々の不感時間間隔の数を個々に計数することによって登録される
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための方法であって、
各読み出し単位セルの得られるカウンタ値が、その読み出し単位セルの前記個々のカウンタの加重された個々のカウンタ値の合計によって決定され、前記加重された個々のカウンタ値が個々の所定の係数を掛けられる個々のカウンタ値として規定される
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
感光材の層と、前記感光材の層内に配置されるＬｘＫアレイの光検出器素子と、増幅素子を含むＮｘＭアレイの読み出し単位セルであって、Ｋ、Ｌ、ＭおよびＮが１以上の数であり、１個またはいくつかの読み出し単位セルが１個または複数の光検出器素子（バンプパッド２０３）に対してあり、前記読み出し単位セルが信号処理素子によって制御され、各読み出し単位セルが、前記それぞれの光検出器素子（バンプパッド２０３）内に入射光子または複数の入射光子によって生成される電子正孔対の増幅された信号を代表する識別器出力信号を生成することを可能にする内部信号処理素子（ｐｒｅａｍｐ  ２０４、ｓｈａｐｅｒ  ２０５）を備え、前記識別器出力信号が所定の閾値と前記増幅された信号を比較することによって生成され、および前記識別器（ｃｏｍｐ）出力信号（２０７）が、前記増幅された信号が前記閾値を上回るときはいつでも生成される、読み出し単位セルと、前記識別器（ｃｏｍｐ）出力信号（２０７）の関数としてカウントを登録するカウンタユニット（ｃｏｕｎｔｅｒ）と、を備える単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための装置であって、
前記計数回路が、不感時間生成回路（デジタル部分）を備え、前記不感時間が所定の幅を有し、計数が前記識別器（ｃｏｍｐ）出力信号の関数としてトリガーされるときはいつでも、前記不感時間の開始が、前記不感時間生成回路の前記入力での前記識別器（ｃｏｍｐ）出力信号の関数として可能にされ、かつ前記計数プロセスを再び可能にし、かつ、前記増幅された信号がなお前記閾値を上回るならば前記不感時間の後で計数をリトリガする前記不感時間生成回路の前記出力で遅延信号を供給する
ことを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための装置であって、
前記不感時間生成回路が、前記不感時間の前記幅を調節するための調整可能な回路素子（例えば電流源、電圧源、トランジスタ、抵抗器、コンデンサ）を備える
ことを特徴とする装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための装置であって、
前記不感時間生成回路が、前記不感時間の前記幅を調節するためのタップ付遅延回路素子（例えばインバータ）またはタップ付遅延線を備える
ことを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１２−１４のうちいずれか一項に記載の単一Ｘ線計数のための光子計数イメージングのための装置であって、
それが、前記個々の読み出し単位セルの前記識別器（ｃｏｍｐ）または前記不感時間生成回路の前記出力信号（２０７）の外部測定のための多重化手段を備え、公称単一光子パルスの幅または前記不感時間の幅（４０１）を実験的に決定するために、前記公称単一光子パルス（４０２）が、実効処理パラメータ設定のために単一入射光子によって生成される前記それぞれのパルスとして規定される
ことを特徴とする装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一Ｘ線計数のための高められた光子計数イメージング方法および装置に関する。
【０００２】
Ｘ線回折パターンは、複数の用途で、例えばタンパク質およびウイルス分子のような、分子構造の分析のために役立ち、かつ光子計数イメージング装置を必要とする。特に、タンパク質およびウイルス結晶学は、とりわけＸ線供給源が、実験が迅速に実行されることを可能にする高磁束シンクロトロン放射線であるところで、ｘ線検出器に厳しい要求を課す。
【０００３】
さらに、重要で発展している分野は、結晶学または粉末回折分析のような、シンクロトロン放射線を用いる時間分解回折実験である。サンプル、すなわち結晶または粉末内の時間依存反応を監視することは、同様に化学反応で生じる時間依存結晶または分子変化を解明することができる。高時間分解能および速度が、この種の監視にしばしば重要である。
【背景技術】
【０００４】
単一Ｘ線計数のための先進光子計数イメージング装置が、（特許文献１）内に開示され、かつ、光子計数イメージング装置の時間分解能を向上することを目的とする。これは、感光材の層と、バイアス電位の供給源と、閾値電源の供給源と、感光材の層を用いて形成されるＮｘＭアレイの光検出器素子であって、各光検出器素子が、バイアス電位インタフェースおよび光検出器素子出力インタフェースを有し、各光検出器素子のバイアス電位インタフェースがバイアス電位に接続される、光検出器素子と、ＮｘＭアレイの高ゲイン低ノイズ読み出し単位セルであって、１個の読み出し単位セルが各光検出器素子に対してあり、各読み出し単位セルが、光検出器素子出力インタフェースに接続される入力インタフェースを含む、読み出し単位セルと、識別器ユニットを含む高ゲイン電圧増幅ユニットと、デジタルカウンタおよび直列に接続されるデジタルカウンタ出力インタフェースを含むデジタルカウンタユニットであって、各デジタルカウンタユニットが識別器ユニットの出力信号を計数し、出力信号がそれぞれの光検出器素子内に光子によって生成される複数の電子正孔対に比例する、デジタルカウンタユニットと、デジタルカウンタ内に実際に記憶されたデジタルデータをデジタルカウンタ出力インタフェースに読み出すために、各読み出し単位セルにアクセスすることを可能にする行選択および列選択回路を含む多重化ユニットであって、各デジタルカウンタ出力インタフェースが出力バスに接続され、および出力バスが多重化ユニットを制御するデータ処理ユニットに接続される、多重化ユニットと、を含む単一Ｘ線計数のための光子計数イメージング装置によって達成される。
【０００５】
この装置の欠点は、この装置およびその計数が麻痺するようになる可能性があるという事実に見られることである。カウンタは、基本的に識別器出力信号のエッジによってトリガーされ、したがって特定の状況の下で麻痺するようになる可能性がある。入射光子または複数の入射光子によって生成される電子正孔対の増幅された信号を代表する識別器出力信号が、前の識別器出力信号に重なり合うときはいつでも、これが生じる。すべての識別器出力信号パルスが計数されるので、一旦それらが互いにマージし始めるならば、個々の単一光子パルスは単一パルスとしてもはや正確に検出可能でないか、または可算でない。装置が単一のこの種のパルスを計数することが可能であるとはいえ、それらが順にあまりに間近に来る場合、それは正確にこの種のパルスを計数することが可能でない。詳細には：高光子束で、個々のパルスが重なり合う間に、到着電荷パルスのパイルアップが光子計数検出器を麻痺させる可能性がある。一般に、識別器入力信号が識別器閾値を越えて上回る場合、電荷パルスが検出される。この閾値遷移は、したがって、カウンタ増加が個々の電荷パルスを計数させる。非常に高光子束で、識別器入力信号が閾値を連続的に上回るように電荷パルスがパイルアップする場合がある。その結果、第１の電荷パルスだけが計数され、およびパイルアップ内に含まれる残りの電荷パルスは欠けている閾値遷移に起因して計数されない。したがって、計数が麻痺され、観測計数率が到着光子率から逸脱する。到着光子率が高くなればなるほど、より多くのパルスが重なり合い、麻痺に起因して観測計数率の逸脱がより大きくなる。非常に高率で、観測計数率は増加する光子率とともに減少しさえして、かつゼロ観測計数率を伴う完全麻痺に最終的に帰着する。この特性は、観測計数率と到着光子率との間の曖昧な関係を示し、かつ明確な計数率補正を不可能にする。
【０００６】
本出願の優先日の後で公開された（特許文献２）が、改善された光子計数装置を開示する。しかし、この文献はパルスパイルアップ問題に起因した麻痺問題に対処しない。それは、入射光子の位置分解能の向上に対処するだけである。位置分解能を高めるための前記手段が、２個の近傍の光検出器ダイオードの信号を比較する比較手段を備える。２個の近傍の光検出器ダイオードからの信号の比較によって、２個の近傍の光検出器ダイオードの間の薄明帯内に生成される電子正孔対の電荷が２個の近傍の光検出器ダイオード内に部分的に観測されることができる場合には、光子が仮想中間光検出器ダイオードに割り当てられることができる。この知識が本発明の出発点であり、その目的は、あまりに多くの光子が到着してパルスパイルアップ問題を引き起こす時生じる麻痺作用を防止することによって光子計数を更に改善することである。
【０００７】
（特許文献３）が、放射線事象の計数率損失を補正するための方法を開示する。この種の損失は、収集時間中の検出器不感時間に起因して生じる可能性がある。示唆されるのは、ａ）放射線検出器事象トリガーの連続を得るために収集時間中の不感時間損失を被る放射線事象（Ｚ）を検出し、次にｂ）各検出放射線事象に対して不感時間信号（ＤＴ）を与え、それの幅が、検出放射線事象（Ｚ）によって生成される不感時間に対応し、次にｃ）収集時間を評価時間間隔（ＥＴＩ）の連続に再分割することである。この種の方法の実行の間に、更に示唆されるのは、ｄ）計数率損失に対する対策を得るために各評価時間間隔内の不感時間の端数合計ＤＴ‘を測定し、次にｅ）不感時間の端数合計ＤＴ‘から、複製確率ｒを不感時間の任意の特定の端数合計ＤＴ‘に対して１未満であるようにするくらいの大きさだけである複製数ｍに従い、複製確率ｒを評価することである。次に、最終的には、１つの評価時間の終わりと次に続く１つの終わりとの間に検出される全ての放射線事象を評価してｆ１）後続する評価時間の終わりの間の各検出放射線事象に対する１つのパルス（Ｐ）、およびｆ２）その選択が複製確率ｒに対応し、かつ、そのパルス数が複製数ｍに対応するランダムに選択された事象に対する一連の複数のパルス（Ｐ、Ｐ‘、Ｐ“）を生成する。
【０００８】
（特許文献４）が、医用イメージングシステムを開示する。このシステムは、パルスの流れを示す電圧レベル信号を受信するように構成される入力回路、受信された電圧レベル信号の形状特性を決定するように構成される電圧レベル信号形状分析器および受信された電圧レベル信号が所定の形状にマッチする時間の合計を含む。更なる計数回路が、形状特性および時間の合計からパルスの真の数を決定するように構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７，５１４，６８８  Ｂ２号明細書
【特許文献２】国際特許第２００４／０６４１６８  Ａ１号明細書
【特許文献３】欧州特許第０，１４４，６７４号明細書
【特許文献４】米国特許出願第２００６／０２７６７０６  Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これらの文献のいずれも、以下に記述されることができるようなパルスパイルアップ問題に対する真の解決策を教示しない。カウンタが、識別器出力信号のエッジによって基本的にトリガーされ、したがって特定の状況の下で麻痺するようになる可能性がある。入射光子または複数の入射光子によって生成される電子正孔対の増幅された信号を代表する識別器出力信号が前の識別器出力信号に重なり合うときはいつでも、これが生じる。すべての識別器出力信号パルスが計数されるので、一旦それらが互いにマージし始めるならば、個々の単一光子パルスはもはや単一パルスとして正確に検出可能でないかまたは可算でない。したがって、この種の麻痺を確実に防止することによってならびに高率計数性能および計数率補正手段を改善することによって、全部の光子計数イメージング装置の性能および信頼性を向上することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、請求項１の序文部分に記載の方法を用いてパルスパイルアップ問題に対する解決策を提供し、かつカウントが、各信号パルスに対して、増幅された信号が最初に閾値を上回るときはいつでも、不感時間間隔シーケンスを始めることによって識別器出力での信号パルスの幅に対応する所定の幅の不感時間間隔の数を計数し、かつ増幅された信号が閾値を上回る限り直接後続する不感時間間隔の数を計数することによって登録されることを特徴とする。このため、カウントが登録されたあと所定の不感時間の後、ピクセル（読み出し単位セル）内の計数がリトリガされることができる、すなわち、増幅された信号が再評価され、および、ピクセルがそれに応じて計数を再び可能にされる。本質的には、不感時間間隔の後、識別器入力での増幅された信号がなお閾値を上回る場合、ピクセルは再び計数する。不感時間は調整可能で、かつ各ピクセル内の回路によって生成されることができる。正確に増幅された信号が最初に閾値を上回る時、不感時間間隔シーケンスが始動される。不感時間幅は、識別器入力または出力の公称単一光子パルス幅と比べてより短く、同等に、またはより長く設定されることができる。公称単一光子パルスは、実効処理パラメータ設定に対して単一入射光子によって生成されるそれぞれのパルスとして規定される。ピクセル毎の変動を補正するために、調整可能な不感時間が、各ピクセル内の不感時間トリムレジスタをプログラムすることによって各ピクセルに対してトリムされることができる。即時リトリガ能力を備えた光子計数イメージング法が、請求項１２に記載の装置によって実行可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の方法および装置の両方の利点は、明らかである：即時リトリガ能力を通して、検出器およびその計数が非麻痺型になる。それゆえに、ピクセル内の観測計数率は、到着光子率の単調増加関数である。これは、より高い精度の計数率補正および入射光子の数へのカウンタ値の曖昧でない変換を実行することを可能にする。この非麻痺型計数法は、高カウント率および曖昧でない計数率補正を可能にする。調整可能な不感時間による即時リトリガ能力を備えた光子計数イメージング方法および装置は、改善された高率計数性能および改善された計数率補正を達成する。
【００１３】
上述した文献によって反映される現状技術と比較して、本発明は以下の基本的利点を有する：信号パルスの幅を識別するために、高周波を有し、かつ信号パルスに非同期である別々の時間計数クロックによってパルス幅を測定することとは対照的に、本発明は同期方法で典型的単一光子パルスの複製を生成することに基づく。したがって、複製パルスによる直接の識別が、正確なタイミング精度を達成するために適用されることができる。複製パルスが同期して生成されてかつ信号パルスと同じ時間で起動するので、これが唯一可能になる。それとは対照的に、上述した文献に従う方法は良いタイミング精度を達成するために高速な時間計数クロックを必要とする。とりわけ、時間計数クロックが信号パルスに非同期であり、時間測定はパルス幅測定の開始および終わりの両方に対する量子化ノイズを被る。従って、達成可能な時間測定精度は計数クロックの時間軸分解能によって限定される。高周波を備えた時間計数クロックは、消費電力を増加させてかつ高感度ピクセルアレイ内に追加的なクロストークを導入し、かつ時間測定を処理するために追加的な評価回路が必要である。本発明の重要な利点は、生成された不感時間間隔のパルス幅が、公称単一光子パルス幅に等しいかまたはほぼその程度であることであり、一方、非同期時間計数クロックによる記述された方法では、必要なクロックパルス幅は、公称単一光子パルス幅と比べて数桁短いものでなければならないことである。
【００１４】
基本的問題およびこの発明に従う解決策が、図面を考慮して更なる詳細で記述される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
以下に示されるのが：
【図１】従来の（麻痺型）およびリトリガされた（非麻痺型）計数に従う実際の到着光子率対観測計数率；
【図２】従来の（麻痺型）読み出し単位セル（ピクセル）の詳細なブロック図；
【図３】従来の（麻痺型）およびリトリガされた（非麻痺型）計数に従う電気信号の図；
【図４】１不感時間オーバラップ（１と等しい不感時間オーバラップ）によるリトリガされた（非麻痺型）計数に従う電気信号の図；
【図５】高不感時間オーバラップ（１．５と等しい不感時間オーバラップ）によるリトリガされた（非麻痺型）計数に従う電気信号の図；
【図６】低不感時間オーバラップ（０．１と等しい不感時間オーバラップ）によるリトリガされた（非麻痺型）計数に従う電気信号の図；
【図７】ピクセル毎のパラメータ変動による異なる読み出し単位セル（ピクセル）に対するリトリガされた（非麻痺型）計数に従う実際の到着光子率対観測計数率；
【図８】不感時間生成回路を含むリトリガされた（非麻痺型）読み出し単位セル（ピクセル）の詳細なブロック図；
【図９】調整可能な不感時間を備えた不感時間生成回路の基本的回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
光効果による電子正孔対の生成は、これが基本的物理であり、かつ、（特許文献１）（（特許文献２））内に網羅的に記述されているのでここで示されず、かつ説明されない。図１は、光子計数イメージング装置内の実際の到着光子率対観測計数率を示す。これらの特性曲線は、理想とされたパルス波形によって統計学的に分散されたパルスのシステム−レベルシミュレーションを代表する。下部および点曲線１０１が、従来の（麻痺型）計数、ならびに上部および実曲線１０２が、計数回路の即時リトリガ能力によって得られる、高められた（非麻痺型）計数を代表する。この即時リトリガ能力が、本発明の鍵となる特性である。
【００１７】
図２内に、従来の（麻痺型）読み出し単位セル（ピクセル）の詳細なブロック図が示される。このピクセルは、アナログ部分２０１およびデジタル部分２０２に分割される。アナログ部分２０１は、光検出器素子へのインタフェースのための、かつ前置増幅器（プリアンプ）「ｐｒｅａｍｐ」およびシェーパー「ｓｈａｐｅｒ」から成る電荷増幅器の入力２０４に接続されるバンプパッド２０３を含む。光検出器素子内に生成された任意の電荷パルスが、増幅器によって増幅されかつ増幅器の出力２０５で電圧パルス信号に変換される。電圧パルスのサイズは、入射光子によって生成される電子正孔対を代表する。較正目的のために、端子「ｃａｌ」での校正電圧を備えた電圧源が、加えて、較正コンデンサ２０６経由で増幅器の入力２０４に接続される。較正コンデンサ２０６の容量は、ほぼおよそ１ｆＦ程度の典型値を有し、較正コンデンサ２０６に印加される校正電圧の電圧変化が、増幅器の出力２０５で典型的サイズのパルス信号を生成するために増幅器によって十分に増幅されるのに十分に高感度であることを可能にする。増幅器出力信号は、調整可能な閾値で、かつ個々に調整可能な閾値補正で識別器「ｃｏｍｐ」の入力２０５に接続される。識別器「ｃｏｍｐ」は、識別器「ｃｏｍｐ」の閾値を規定する端子「ｖｃｍｐ」の閾値電圧を備えた電圧源におよび閾値補正のトリム範囲を規定する端子「ｖｔｒｍ」のトリム電圧を備えた電圧源に接続される。加えて、識別器「ｃｏｍｐ」はピクセルの個々のトリム設定のためのトリム値を記憶し、かつデジタル部分２０２内に位置するトリムラッチ「ｔｒｉｍｌａｔｃｈ」の出力２０６に接続される。閾値電圧、トリム電圧およびトリム値を調節することによって、識別器「ｃｏｍｐ」の閾値が各ピクセルに対して任意の目標値に個々に設定されることができる。したがって、識別器「ｃｏｍｐ」は光生成電荷またはそれの任意の端数を代表する任意のサイズの電荷パルスを検出するために用いられることができる。デジタル部分２０２は、計数回路を含む。識別器「ｃｏｍｐ」の出力２０７は、端子「ｅｎ」によって制御されるゲート素子２０９を用いてパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力２０８に接続される。端子「ｅｎ」は、計数を可能にしてかつ露光、すなわち入射光子が計数回路によって計数される時間間隔を制御するために用いられる。計数回路は、パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」、クロック発生器「ｃｌｋｇｅｎ」およびカウンタ「ｃｏｕｎｔｅｒ」を含む。パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」はその入力２０８で所定の極性のエッジを検出してかつ活性エッジが生じるときはいつでも、その出力２１０で所定の幅の信号パルスを生成する。同時に、パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」がロックされて、その入力２０８で新規のエッジを検出するのを妨げられる。その後のクロック発生器「ｃｌｋｇｅｎ」が、信号パルスあたり１カウントを登録するためにカウンタ「ｃｏｕｎｔｅｒ」の入力２１１に供給されるべき適切なクロック信号を生成する。加えて、計数回路はリセット発生器「ｒｅｓｇｅｎ」を含む。パルス発生器入力信号およびクロック発生器出力信号の両方がカウントの登録の後で終わったときはいつでも、それがパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力２０８およびクロック発生器「ｃｌｋｇｅｎ」の出力２１１を処理してかつパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力２１２でリセット信号を生成する。パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力２１２でのリセット信号が、パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」をアンロックしておよびしたがって、その入力２０８で新規のエッジを検出することを可能にする。その結果、計数はパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力２０８で信号の活性エッジによって基本的にトリガーされ、および何のエッジも生じない場合、計数が麻痺されるようになることができる。露光の完了の後、カウンタ値が読み出され、かつマルチプレクサ２１３、ゲート素子２１４ならびに端子「ｄｉｎ」、「ｄｃｌｋ」および「ｄｏｕｔ」を用いてリセットされる。カウンタ値は次いで、実効露光時間に従って計数率値に変換されてかつ適切な計数率補正を適用することによって計数中の誤差に対して補正される。
【００１８】
図３は、麻痺型計数の基本的問題およびその解法を例示する電気信号の図を示す。上部図３０１は、入射光子に対する増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔを時間の関数として示す。左に、単一光子の単一パルス３０２が示される。中央には、２個の光子のパイルアップパルス３０３が例示され、および右側は短いシーケンスで到着したより多数の光子を代表するパイルアップパルス３０４を示す。このパイルアップパルス３０４は、複数の重なり合う単一パルスを代表し、かつより長い時間の間閾値ｖｔｈｒを上回る。第２の図３０５は、第１の図３０１内の増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」に対応する識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」を示す。識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」のパルスの幅は、所定の閾値に対して増幅器出力端での単一およびパイルアップパルスの幅を代表する。識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」内の左のパルス３０６の幅は、単一光子パルスの幅と等しい。中央のパルス３０７は、２個の光子のパイルアップを参照し、かつ単一光子パルスと比べていくぶん長い。右のパルス３０８は、より多数の光子のパイルアップであってかつ単一光子パルスと比べて非常に長い。第３の図３０９は、従来の（麻痺型）計数に対するカウント信号「ｃｏｕｎｔ（麻痺済）」を示す。識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」が上昇するたびに、短いパルスがカウント信号「ｃｏｕｎｔ（麻痺済）」内に生成され、カウンタが＋１増加される。したがって、左の単一光子パルス３０６が、１カウント３１０を正確に生成する。しかしながら、中央の２個の光子のパイルアップパルス３０７は、２の代わりに１カウント３１１だけを生成する。および、より多数の光子を代表する、右のパイルアップパルス３０８は、識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」が一度だけ上昇して長い時間の間持続することに起因して１カウント３１２だけを誤ってまた生成し、したがって、従来の計数を麻痺させる。第４の図３１３は、リトリガされた計数に対する不感時間生成回路（不感時間発生器）の出力での信号「ｄｅａｄｇｅｎｏｕｔ」を示す。この信号は、上記の増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」からまたは上記の識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」から導かれることができる。識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」が最初に上昇するときはいつでも、不感時間間隔が始まり、所定の幅ｔｄｅａｄの不感時間パルスが不感時間発生器の出力で生成される。各不感時間パルスの終了の後、識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」が再評価される。したがって、識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」が高い場合、新規の不感時間間隔が始まり、新規の不感時間パルスが不感時間発生器の出力で生成される。さもなければ、識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」が低い場合、識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」が新たに上昇するまで、不感時間発生器出力信号「ｄｅａｄｇｅｎｏｕｔ」は低いままである。第５の図３１４は、リトリガされた（非麻痺型）計数に対するカウント信号「ｃｏｕｎｔ（リトリガ済）」を示す。この信号は、上記の不感時間発生装置出力信号「ｄｅａｄｇｅｎｏｕｔ」と上記の識別器出力信号「ｃｏｍｐｏｕｔ」を組み合わせることによってまたは不感時間発生器出力信号「ｄｅａｄｇｅｎｏｕｔ」から直接に導かれることができる。不感時間発生器出力信号「ｄｅａｄｇｅｎｏｕｔ」が上昇するたびに、短いパルスがカウント信号「ｃｏｕｎｔ（リトリガ済）」内に生成されて、カウンタが＋１増加される。したがって、左の単一光子パルス３０２は、１カウント３１５を正確に生成し、および、中央の２個の光子のパイルアップパルス３０３は、２個のカウント３１６を正確に生成する。計数が即座にリトリガされるので、２個の光子のパイルアップパルス３０３は明確に即時リトリガ能力を示し、ここで「即座に」は、公称単一光子パルスの幅と等しい期間の後を意味する。より多数の光子を代表する右のパイルアップパルス３０４は、複数のカウント３１７を生成し、および、何の麻痺もこのリトリガされた計数で生じない。しかしながら、このパイルアップパルス３０４のカウント数は暗黙的に光子の数に正確にマッチしない。全体として、図内に示される全部の時間セグメントは、少なくとも７個の未知の数の入射光子に対応する。従来の（麻痺済）場合では３個のカウント３１０  ３１１  ３１２だけが登録されるのに対して、リトリガされた（非麻痺型）場合は７個のカウント３１５  ３１６  ３１７を生じ、それは、入射光子の実際の数に対する非常により良い推測である。リトリガされた計数の場合には、増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」の第１のパルス３０２の立ち上がりエッジ３１８が不感時間間隔３１９を始めて第１のカウント３１５を開始する。一旦不感時間間隔３１９が終了すると、この単一光子パルス３０２の増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」は閾値ｖｔｈｒより下になり、何の更なるカウントもまたは不感時間間隔も開始されない。増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」の第２のパルス３０３の立ち上がりエッジ３２０で、新規の不感時間間隔３２１が始まり、カウント３２２が開始される。この不感時間間隔３１２が終了する時、この２個の光子パイルアップパルス３０３の増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」はなお閾値ｖｔｈｒを上回り、それが別の不感時間間隔３２３を始めさせかつカウンタをリトリガさせ、したがって、この２個の光子パイルアップパルス３０３に対する第２のカウント３２４を正確に加える。新しく始まった不感時間間隔３２３が終了する時、増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」は閾値ｖｔｈｒより下であり、何の更なるカウントもまたは不感時間間隔も開始されない。増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」の第３のパルス３０４の立ち上がりエッジ３２５だけで、新規の不感時間間隔３２６が始まり、カウント３２７が開始される。この不感時間間隔３２６−この長いパイルアップパルス３０４の第１の不感時間間隔−が終了する時、増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」はなお閾値ｖｔｈｒを上回る。これは、第２の不感時間間隔３２８をこの不感時間間隔シーケンス３２９で始めさせ、かつカウンタをリトリガさせ、したがって、新規のカウント３３０を加える。実際の不感時間間隔シーケンス３２９内のリトリガのこのプロセスは、同時に、不感時間間隔が終了し、かつ増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」が閾値より下になるまで繰り返す。その後、増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」が新たに閾値ｖｔｈｒを上回る時だけ、不感時間間隔���新規の開始および新規のカウントが生じる。示された時間セグメント内に、増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」が閾値ｖｔｈｒより下に戻らないので、増幅された信号「ｓｈａｐｅｒｏｕｔ」の第３のパルス３０４の不感時間間隔シーケンス３２９は終了しない。したがって、計数は示された時間セグメントの間このパルス３０４に対して３回リトリガされ、合計４個のカウント３１７がそれぞれ登録される。
【００１９】
即時リトリガ能力を備えた光子計数イメージングのための方法は、カウントが識別器出力で各信号パルスの幅に対応する所定の幅の不感時間間隔の各数を計数することによって登録されるという点で特徴づけられる。これは、増幅された信号が最初に閾値を上回るときはいつでも不感時間間隔シーケンスを始めることによって、かつ増幅された信号が閾値を上回る限り直接後続する不感時間間隔の数を計数することによって達成される。特定の実施態様において、カウントが登録され、かつ、同時に、何の不感時間間隔シーケンスも現在動作しておらず、かつ増幅された信号が最初に閾値を上回るときはいつでも、不感時間間隔シーケンスが始まる。更に、連続する不感時間間隔シーケンスの各不感時間間隔の終了の後、増幅された信号が再評価される。増幅された信号がその時閾値を上回る場合、計数がリトリガされ、したがって、新規のカウントを登録し、および、不感時間生成が更なる潜在的リトリガのために新たに始まる。さもなければ、増幅された信号が不感時間間隔の終了の後で閾値を上回らない場合、計数はリトリガされず、したがって、何の新規のカウントも登録せず、および、不感時間間隔シーケンスが終えられる。
【００２０】
光子計数イメージング法の時間分解能を向上するために、生成出力信号には時計によって生成されるタイムスタンプが付いてくることができる。光子計数イメージング法の通常動作に加えてこの方策に起因して、増幅された出力信号が、それぞれの光検出器素子に衝突する光子の発生に対して別々に処理されることができる。時計は、特定の周波数でパルス制御されるカウンタとして実現されることができる。タイムスタンプはしたがって、光子が光検出器素子に衝突し、かつ同時出力信号が生じる時、カウンタの実効値によって導き出される。
【００２１】
一般に、不感時間の幅は、回路パラメータ設定、計数分解能および信号評価精度に関して最高の値が用いられることができるように調整可能である。不感時間の幅は、識別器入力または出力での公称単一光子パルス幅と比べてより短く、同等に、またはより長く設定されることができる。公称単一光子パルスは、実効処理パラメータ設定のために単一入射光子によって生成されるそれぞれのパルスとして規定される。図４から６は、異なる不感時間オーバラップに対する不感時間生成を例示する電気信号の図を示す。不感時間オーバラップは、パルス幅対不感時間比率、すなわち公称単一光子パルスの幅に対する不感時間の幅の比率として規定される。
【００２２】
図４は１の単一不感時間オーバラップに対する不感時間生成を例示し、それは不感時間ｔｄｅａｄの幅が公称単一光子パルス４０２の幅４０１と等しいことを意味する。その結果、公称単一光子パルス４０２は１個のカウントを正確に生成し、および、任意のより長いパルス、例えばパイルアップパルスは追加的なカウントを生成する。しかしながら、例えばパラメータ変動またはノイズに起因して、単一光子パルスの幅４０１または不感時間ｔｄｅａｄの幅の任意の逸脱がわずかに１を超える不感時間オーバラップに帰着し、かつ公称単一光子パルス４０２に対して誤って２個のカウントを生成する可能性がある。したがって、パラメータ変動に対処するために、１を超える不感時間オーバラップが用いられることができる。
【００２３】
図５は、１．５の高い不感時間オーバラップに対する不感時間生成を例示し、それは、不感時間ｔｄｅａｄの幅が公称単一光子パルス５０２の幅５０１の１．５倍であることを意味する。その結果、パルス幅５０１または不感時間ｔｄｅａｄがわずかに変化する場合であっても、公称単一光子パルス５０２は正確に１個のカウントを生成する。パルス波形および入射光子の統計値に従い、不感時間オーバラップが、最も正確な計数に対して最適値に調節されることができる。原理的に、リトリガされた計数は識別器出力信号パルスの幅が調節された不感時間と等しい低分解能を用いて測定されるかまたは識別されることを意味する。この測定または識別の精度を向上させるために、分解能が不感時間をより低い値に調節することによって向上されることができる。
【００２４】
図６は０．１の低い不感時間オーバラップに対する不感時間生成を例示し、それは不感時間ｔｄｅａｄの幅が、公称単一光子パルス６０２の幅６０１と比べて１０倍短いことを意味する。その結果、公称単一光子パルス６０２は１０個のカウントを生成する。したがって、０．１の換算係数が、パルスカウントに基づいて入射光子の数を決定するために用いられることができる。パルスあたりベースでこうする時、カウント数がパラメータ変動またはノイズに起因して１０とわずかに異なる場合であっても、１個の光子の正確な数が測定から導かれることができる。一般に、リトリガされた計数は、増幅された信号が不感時間と等しい分解能を用いて識別器閾値をこえている総時間を測定することに対応する。特に、測定が非同期で実行され、増幅された信号それ自体によって活性化される。これは何の同期クロック信号も必要とされないこと、および、アイドル状態で、すなわち、何の信号パルスも存在しない時、何の計数も活性でないことを意味する。加えて、単一パルスが識別器閾値をこえている時間の測定は、測定の出発点が正確でかつクロック信号同期に起因して何の量子化誤差も生成しないので、同期クロック信号による標準測定と比べてより正確である。増幅された信号が識別器閾値をこえている時間の測定の精度は、調整可能な不感時間によって決定されることができる。高精度は、高時間分解能およびしたがって、小不感時間オーバラップに帰着する短い不感時間を必要とする。増幅された信号が識別器閾値をこえている時間は、入射光子の数を決定する良い方策である。即時リトリガ能力を備えた光子計数イメージングは、非同期事象駆動開始活性化、静かなアイドル状態および調整可能な時間分解能による固有のパルス幅測定を意味する。
【００２５】
不感時間調節は、包括的にまたはピクセル的に実行されることができる。特に、不感時間は、ピクセル毎の変動を補正するために、その特性に従って各単一ピクセルに対して個々に調節されることができる。図７は、ピクセル毎のパラメータ変動による異なるピクセルに対するリトリガされた（非麻痺型）計数に従って実際の到着光子率対観測計数率を示す。各ピクセルは、変動に起因するそれ自体の公称単一光子パルス幅を有する。加えて、包括的に調節された不感時間は回路パラメータ変動に起因してピクセル毎に変動する。したがって、各ピクセルは実際の到着光子率対観測計数率を代表するそれ自体の特性曲線７０１を有する。個々の特性曲線を改善してかつ全てのこれらの変動を補正するために、調整可能な不感時間が不感時間トリムレジスタをピクセルの中でプログラムすることによって各ピクセルに対してトリムされることができる。不感時間のトリミングは、代わりとして各ピクセルに対して同じ一定の不感時間に、またはピクセルアレイの各ピクセルに対して同じ一定の不感時間オーバラップに目標を定められることができる。不感時間オーバラップは、パルス幅対不感時間比率、すなわち公称単一光子パルスの幅に対する不感時間の幅の比率として規定される。
【００２６】
この方法を実行するための装置は好ましくは、全部の装置または単一ピクセルの挙動を変えるために異なる動作モードを選ぶことを可能にする。動作モードは、モードレジスタをプログラムすることによって活性化されるかまたは非活性化されることができる。追加的な周辺回路およびインタフェースを回避するために、モードレジスタは、仮想列または行によって拡張されたピクセルアレイの一部である仮想ピクセルとして実現されることができる。これらの仮想ピクセルは、検出器アレイの何の通常の物理ピクセルでもないが、しかしアレイの通常のピクセルのようにアクセスされる。したがって、既存のアドレス指定および通信機構が動作モードをプログラムするために用いられることができる。例えば、動作モードは麻痺された計数とリトリガされた計数との間を選択するために、すなわち従来の（麻痺型）計数とリトリガされた（非麻痺型）計数との間を選択するために用いられることができる。または、動作モードは正極性と逆極性との間を選択するために、すなわち入力で陽電荷パルスまたは陰電荷パルスが処理されて検出されるかどうかを選択するために用いられることができる。または、動作モードはオーバーフローを起こしやすいカウンタオーバーランとオーバーフローのないカウンタオーバーランとの間を選択するために、すなわち、オーバーランがカウンタをオーバーフローさせるかまたは止めるかどうかを選択するために用いられることができる。
【００２７】
計数率補正が、主にパイルアップに起因して実際の到着光子率と比較して逸脱を補正するために観測計数率に適用される。完了された露光の後で計数率補正を各ピクセルの最終のカウンタ値に適用することが、適切であることができる。したがって、正確な到着光子率が図１内に示される関係を用いて各ピクセルの観測計数率から決定されることができる。例えば、正確な到着光子率はカウンタ値それ自体に依存する所定の係数を、それに掛けることによって各ピクセルの最終のカウンタ値から決定されることができる。各ピクセルの最終のカウンタ値は、露光時間中のリトリガされた計数による全ての計数された識別器出力信号パルスからの結果である。この数は、パイルアップパルスを含む全ての識別器出力信号パルスの累積された幅に対応する。所定の係数は、カウンタ値に依存し、したがって、高計数率で導入される誤差を補正する。代わりとして、露光中に計数率補正を個々の識別器出力信号パルスまたはパイルアップパルスに適用することが、有利であることができる。したがって、正確な到着光子率はリトリガされた計数を用いて単一識別器出力信号パルスに属する個々のカウント数から、パルスあたりベースで決定される。この数は、単一識別器出力信号パルスまたはパイルアップパルスの幅に対応する。例えば、正確な到着光子率はカウンタ値それ自体に依存する個々の所定の係数をこれらの個々のカウント数に掛けることによって、かつ得られた値を合計することによって単一パルスまたはパイルアップパルスのカウント数から決定されることができる。所定の係数はパルスまたはパイルアップパルスあたりカウント数に依存し、したがって、パイルアップパルスの入射光子の数とこのパルスの幅との間の非線形関係を補正する。この方式は、事象駆動パルス信号評価を代表し、かつ改善された計数率補正を達成する。
【００２８】
光子計数イメージング法は、ピクセルあたり複数識別器を用いて改善されることができる。したがって、識別器の各々が、個々の所定の閾値と増幅された信号を比較することによって識別器出力信号を生成する。個々の識別器に対して、不感時間生成回路および個々の識別器出力信号の関数としてカウントを登録するカウンタユニットがある。したがって、増幅された信号が最初に個々の閾値を上回るときはいつでも、個々の不感時間間隔シーケンスが始まり、カウントが個々の所定の幅の不感時間間隔の数を計数することによって登録される。増幅された信号が個々の閾値を上回る限り、直接後続する個々の不感時間間隔の数が個々に計数される。正確な到着光子率が次いで、そのピクセルの異なる識別器に対応する各ピクセル内の異なるカウンタ値から決定されることができる。例えば、これはそのピクセルの個々のカウンタの加重された個々のカウンタ値を合計することによって実行されることができる。加重された個々のカウンタ値は、個々の所定の係数を掛けられた個々のカウンタ値として規定される。
【００２９】
図８は、不感時間生成回路（不感時間発生器）を含むリトリガされた（非麻痺型）読み出し単位セル（ピクセル）の一実施態様の詳細なブロック図を示す。図２に従う従来の（麻痺型）読み出し単位セルに加えて、図８内のこの方式は、即時リトリガ能力を実現するために不感時間発生器「ｄｅａｄｇｅｎ」、追加マルチプレクサ８０１および２個の追加端子「ｖｄｅｌ」および「ｓｅｌｒｅｔｒｉｇ」を備える。従来の回路におけるとは異なり、ここでリセット発生器「ｒｅｓｇｅｎ」は、リセット信号を生成するためにパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力８０２での信号を用いず、しかしその代わりに不感時間発生器「ｄｅａｄｇｅｎ」の出力８０３での信号を用いる。不感時間発生器「ｄｅａｄｇｅｎ」は、パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の出力８０４に接続され、かつその出力８０３に、活性エッジがその入力８０４に現れる時始まり、かつ所定の幅を有するパルス信号を生成する。このパルス信号の幅が、この回路の不感時間を決定し、かつ端子「ｖｄｅｌ」に印加される電圧を変えることによって調節されることができる。リセット発生器「ｒｅｓｇｅｎ」は、不感時間発生器「ｄｅａｄｇｅｎ」の出力８０３およびクロック発生器「ｃｌｋｇｅｎ」の出力８０５を処理し、かつ、不感時間発生器出力信号およびクロック発生器出力信号の両方がカウントの登録の後で終わったときはいつでもパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力８０６でリセット信号を生成する。パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力８０６のリセット信号が、パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」をアンロックさせ、およびしたがってその入力８０２で新規のエッジを検出することを可能にする。パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」は、それが２つの場合にその出力８０４で所定の幅の信号パルスを生成するような方法で設計される。第１に、パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」がロックされず、かつ活性エッジがその入力８０２に生じるときはいつでも、それぞれのパルスが生成される。第２に、パルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」がその入力８０６でリセット信号によってアンロックされ、一方同時に、その入力８０２での信号が活性、すなわち、その入力８０２での信号が活性状態にあり、かつ何のエッジも現在生じてないときはいつでも、それぞれのパルスが生成される。その結果、計数は基本的にパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力８０２での信号の活性エッジによって、かつ最後のカウントの後で不感時間を生じるパルス発生器「ｐｕｌｓｇｅｎ」の入力８０２での信号の活性状態によってトリガーされる。したがって、計数は不感時間の後で即座にリトリガされてかつ何のエッジも生じない場合であっても、麻痺されるようになる可能性はない。端子「ｓｅｌｒｅｔｒｉｇ」およびマルチプレクサ８０１を用いて、この回路の計数モードが図２に従う従来の（麻痺型）計数とリトリガされた（非麻痺型）計数との間で切替えられることができる。更に、入射光子の数とカウント数との間の曖昧でない関係を有するために、オーバーフローのないカウンタがこの回路内に用いられる。これは、一旦それが所定の高いカウンタ値に達するならば、より多くの光子が到着する場合でさえ計数が止まることを意味する。計数を止めるためのこの所定のカウンタ値に加えて、前述の１を越える追加的な所定のカウンタ値が、特別目的のために用いられることができる。例えば、このカウント値コーディングがピクセル無効状態、すなわち計数を抑止することによってピクセルを無効にするカウンタ状態に用いられることができる。
【００３０】
図９は、調整可能な不感時間を備えた不感時間生成回路の実施態様の基本的回路図を示す。アイドルモードでは、この不感時間生成回路のスイッチＳ１は開いており、電流源がコンパレータＡ１の入力の内部ノード９０１を正電源電圧９０２まで充電する。これは、回路の出力９０３を非活性化する。シングルエンド形または明確に規定された閾値との差動コンパレータが、コンパレータＡ１、例えば単純なインバータまたは一連のインバータに対して用いられることができる。計数がピクセル内の増幅された信号によってトリガーされるときはいつでも正エッジがピクセル内の識別器の出力に生じ、カウント信号内の短いパルスが１だけカウンタ値を増加させるためにピクセルのデジタル部分によって生成される。このパルスは、また、不感時間間隔の開始を可能にするために端子「ｓｔａｒｔ」経由で、ここで示す不感時間生成回路の入力でスイッチＳ１に供給される。パルスは、短時間の間スイッチＳ１を閉じてかつ負電源電圧９０４にこの回路の内部ノード９０１を放電しておよびしたがって、回路の出力９０３を活性化する。短いパルスの終了の後、スイッチＳ１が閉じ、および、内部ノード９０１のコンデンサＣ１が調整可能な電流源によって再充電される。内部ノード９０１の電圧がコンパレータＡ１の閾値電圧を上回るとすぐに、回路の出力９０３が再び非活性化され、およびこのステップによって、不感時間間隔が終了される。この回路の出力９０３での遅延パルス信号Ｖｄｅａｄｇｅｎｏｕｔが、ピクセルのデジタル部分内に用いられて、計数プロセスを再び可能にし、したがって、識別器出力信号が活性の場合、計数をリトリガする、すなわちカウント信号内に別のパルスを生成する。したがって、不感時間は、端子「ｓｔａｒｔ」でのカウント信号の短いパルスの幅、調整可能な電流源を用いて負電源電圧９０４からコンパレータＡ１の閾値電圧までコンデンサＣ１を充電するために必要とされる時間、およびコンパレータＡ１の応答時間によって決定される。不感時間は、電流源を制御する電圧Ｖｄｅｌによって調節されることができる所定の幅を有する。例えば、単一トランジスタが電流源として用いられることができる。不感時間調節は、調整可能な電流源を用いて定電圧までコンデンサを充電することによって達成される。代替技術としては、コンパレータの調整可能な閾値電圧または調整可能なコンデンサのような他の調整可能な回路素子が、不感時間を調節するために用いられることができる。例えば、不感時間調節が定電流源を用いて調整可能な電圧までコンデンサを充電することによって達成されることができる。さらに、一連の遅延回路素子または遅延線が不感時間を生成するために用いられることができる。この場合、不感時間の幅は様々な位置で直列または遅延線をタップすることによって調節されることができる。
【００３１】
ピクセルに関する不感時間調節のために、不感時間が不感時間トリムレジスタをピクセルの中でプログラムすることによって各ピクセルに対してトリムされることができる。不感時間トリミングの単一ビットが、識別器閾値トリミングの閾値トリムビットと同じ方法で、カウンタ経由で不感時間トリムレジスタに書き込まれる。不感時間トリムレジスタは、不感時間生成回路、例えば調整可能な電流の生成のためのＤ／Ａコンバータ内の調整可能な回路素子を制御する。例えば、図９内の不感時間生成回路内の調整可能な電流源は、包括的に設定可能な電流源および不感時間トリムビットによって制御される並列の複数の電流源によって実現されることができる。
【００３２】
公称単一光子パルスの幅または不感時間の幅を実験的に決定するために、光子計数イメージング装置が、個々のピクセルの識別器または不感時間生成回路の出力信号の外部測定用の多重化手段を備える。図８に対応する好ましい実施態様において、同じ端子「ｄｏｕｔ」が通常動作中のピクセル内のカウンタの通常の読み出しのために、および例えばテストモードを用いた時間測定動作中のそれぞれのパルス幅の測定のために、の両方に用いられる。
【００３３】
即時リトリガ能力を備えた光子計数イメージング法は、非麻痺型計数および良い高率計数性能を達成する。しかしながら、図１内の実曲線１０２で示すように、観測計数率は非常に高い到着光子率に対して飽和する。飽和値は、不感時間に依存してかつ公称単一光子パルス幅によって基本的に限定される。飽和は計数率補正を低下させ、したがって、公称単一光子パルス幅が最大使用可能な計数率を限定する。リトリガされた計数の高率計数能力を更に改善するために、公称単一光子パルス幅が検出電荷パルスを活性的にリセットすることによって減少させられることができる。活性リセットは、前置増幅器内の通常のフィードバックと並列の追加変調またはスイッチフィードバック抵抗またはトランジスタによって実現されることができる。電荷パルスが識別器によって検出されるときはいつでも、この追加的なフィードバックが活性化されかつ前置増幅器をすぐに放電し、したがって、電荷パルスを終了させる。その結果、パルス幅が減少させられ、改善された高率計数性能が達成される。
【符号の説明】
【００３４】
１０１  点曲線
１０２  実曲線
２０１  アナログ部分
２０２  デジタル部分
２０３  バンプパッド
２０４  入力
２０５  出力  入力
２０６  較正コンデンサ  出力
２０７  出力
２０８  入力
２０９  ゲート素子
２１０  出力
２１１  出力  入力
２１２  入力
２１３  マルチプレクサ
２１４  ゲート素子
３０１  第１の図
３０２  単一パルス
３０３、３０４  パイルアップパルス
３０５  第２の図
３０６  左のパルス
３０７  中央のパルス
３０８  右のパルス
３０９  第３の図
３１０  １カウント
３１１  １カウント
３１２  １カウント  不感時間間隔
３１３  第４の図
３１４  第５の図
３１５  １カウント
３１６  ２個のカウント
３１７  複数のカウント
３１８  立ち上がりエッジ
３１９  不感時間間隔
３２０  立ち上がりエッジ
３２１  不感時間間隔
３２２  カウント
３２３  不感時間間隔
３２４  第２のカウント
３２５  立ち上がりエッジ
３２６  不感時間間隔
３２７  カウント
３２８  不感時間間隔
３２９  不感時間間隔シーケンス
３３０  カウント
４０１  パルス４０２の幅
４０２  公称単一光子パルス
５０１  パルス５０２の幅
５０２  公称単一光子パルス
６０１  パルス６０２の幅
６０２  公称単一光子パルス
７０１  特性曲線
８０１  追加マルチプレクサ
８０２  入力
８０３  出力
８０４  出力  入力
８０５  出力
８０６  入力
９０１  内部ノード
９０２  正電源電圧
９０３  出力
９０４  負電源電圧
【国際調査報告】
2014527162.tif 000012
2014527162.tif 000013