CN105830432B - 二维光子计数元件 - Google Patents

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Abstract

相加部(53)将与配置于某像素电极部的周围的像素电极部中的特定的像素电极部连接的信号生成部(51)中生成的输入信号、和与上述某像素电极部连接的信号生成部(51)中生成的输入信号相加。载流子输入图案判别部(56)判别按每个像素电极部表示向上述某像素电极部及配置于该某像素电极部的周围的上述像素电极部的载流子的输入的有无的载流子输入图案是否与多个判别图案的任一个一致。在载流子输入图案判别部(56)中判别为载流子输入图案与多个判别图案的任一个一致且自相加部(53)输出的相加后的输入信号的大小超过规定的阈值的情况下，计数部(57)对光子数进行相加。

Description

二维光子计数元件
技术领域
本发明涉及一种二维光子计数(photon counting)元件。
背景技术
在专利文献1中记载有在X射线等的光子入射至包含多个检测区域的传感器时的信号处理方法。在专利文献1中记载有因光子的入射而在传感器中产生的电荷未收集于一个像素而是扩散至多个像素的现象(电荷分享(charge share))。为了即使在产生电荷分享的情况下也特定光子的入射位置及强度，在专利文献1所记载的方法中，首先，算出多个像素中电荷量超过阈值的像素(中心像素)。然后，作为中心像素与周边像素的组合，考虑多个组合图案。对每个组合图案加上组合图案所包含的像素的电荷量，并将最大的相加值作为中心像素的电荷量来输出。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第7667205号说明书
发明内容
发明所要解决的问题
二维光子计数元件是通过二维地检测光子的入射位置及强度并将其入射次数按每个位置进行累计，从而对微弱的放射线像或光像进行摄像的元件。二维光子计数元件包括：板状或层状的转换部，其将光子转换为电荷等载流子；以及计数电路，其自与该转换部连接的多个像素电极部输入载流子，进行载流子的检测及光子数的计数。
在这样的二维光子计数元件中，理想上，因向转换部的光子的入射而产生的多个载流子被收集于某一个像素电极部。与上述某一个像素电极部连接的信号生成部生成与所收集的载流子的个数对应的输入信号。在所生成的输入信号的大小超过规定的阈值的情况下，计数电路将该像素中的计数值加1。
存在因光子的入射而产生的多个载流子由于例如热扩散或载流子彼此的斥力等各种现象而分散地被收集于多个像素电极部的情况。在这样的情况下，会产生光子的能量被过小地判定等的问题、或相对于一个光子的入射而在多个像素中对计数值进行相加等的问题(以下，称为双重计数)。在专利文献1所记载的方法中，认为在决定中心像素时有必要调整成为基准的阈值。然而，将该阈值设定为适当的大小是不容易的。另外，为了防止双重计数，有必要对输入信号施加其它处理，从而有输入信号的处理变得极其复杂的担忧。例如，在具有某种大小的能量的光子被相互邻接的两个像素各分享50％的情况下，有两者的入射位置均被捕捉为入射中心(impact center)而发生双重计数的担忧。为了防止这样的现象，有必要对输入信号另外进行处理。
本发明的一个方式的目的在于，提供一种即使在载流子分散地被收集于多个像素电极部的情况下，也可抑制双重计数的发生并且可减少计数漏失，从而能够容易地特定光子入射的位置的二维光子计数元件。
解决问题的技术手段
本发明的一个方式是二维光子计数元件，具备：计数电路，其连接于排列成M行N列(M及N为二以上的整数)的二维状的多个像素电极部，检测自将光子转换为载流子的转换部经由多个像素电极部而收集的载流子并对光子进行计数，计数电路包括：信号生成部，其生成与输入至多个像素电极部中的某像素电极部(以下，称为自电极部)的载流子的数量对应的大小的输入信号；相加部，其将在与配置于自电极部的周围的像素电极部(以下，称为周围电极部)中的特定的像素电极部(以下，称为特定电极部)连接的信号生成部中生成的输入信号、和在与自电极部连接的信号生成部中生成的输入信号相加；载流子输入图案判别部，其判别按每个像素电极部表示向自电极部及周围电极部的载流子的输入的有无的载流子输入图案是否与多个判别图案的任一个一致；以及计数部，其在载流子输入图案判别部中判别为载流子输入图案与多个判别图案的任一个一致且自相加部输出的相加后的输入信号的大小超过规定的阈值的情况下对光子数进行相加。
在本方式中，载流子输入图案判别部判别相对于规定的像素电极群的载流子输入图案是否与多个判别图案的任一个一致。规定的像素电极群是由与该载流子输入图案判别部连接的自电极部、及配置于自电极部的周围的全部或一部分的周围电极部构成的群。在一个例子中，周围电极部是指包含自电极部的列的前列及后列、以及包含自电极部的行的前行及后行中的至少任一列或行所包含的8个像素电极部、或其中的一部分(例如7个)像素电极部。载流子输入图案是表示载流子是否输入至该像素电极群中的任一像素电极部的图案。
根据上述二维光子计数元件，能够仅通过单单地判别载流子输入图案是否与多个判别图案一致而决定是否可认为光子入射至与各像素电极部对应的转换部的区域。因此，即使在载流子分散地被收集于多个像素电极部的情况下，也可抑制双重计数的发生并且减少计数漏失，从而能够极其容易地特定光子入射的位置。
在上述二维光子计数元件中，在信号生成部中，生成与载流子的数量对应的大小的输入信号。然后，通过相加部对自与上述像素电极群中的自电极部及特定电极部连接的信号生成部输出的输入信号进行相加。特定电极部是被看作为在对光子数进行计数时包含于因该光子而引起的载流子的分散范围的周围电极部，且自周围电极部中任意且预先被决定。在自相加部输出的相加后的输入信号的大小超过规定的阈值的情况下，可认为一个以上的作为测定对象的光子入射至分散范围内。因此，计数部在判别为载流子输入图案与多个判别图案的任一个一致且自相加部输出的相加后的输入信号的大小超过规定的阈值的情况下，对光子数进行相加。由此，即使在载流子分散地被收集于多个像素电极部的情况下，也可对应于一个以上的作为测定对象的光子的入射，精度良好地进行计数。
在本方式中，在载流子输入至周围电极部中的特定电极部以外的像素电极部的情况下的载流子输入图案也可与多个判别图案的任一个均不一致。在该情况下，可简单地进行图案判别。
在本方式中，多个判别图案也可包含与在载流子未被输入至自电极部的情况下的载流子输入图案相当的图案。在该情况下，由于载流子未被输入至自电极部的载流子输入图案被纳入多个判别图案的一部分，因而可进一步减少计数漏失，从而可更精度良好地特定光子入射的位置。
在本方式中，在载流子被输入至包含自电极部的行或列所包含的特定电极部中的至少一个特定电极部且载流子被输入至自电极部的情况下的载流子输入图案也可与上述多个判别图案的任一个一致。
在本方式中，计数电路也可包括作为上述计数部的第1计数部和第2计数部，其中，所述第1计数部在判别为载流子输入图案与多个判别图案的任一个一致且自相加部输出的相加后的输入信号的大小超过第1阈值的情况下对光子数进行相加，所述第2计数部在判别为载流子输入图案与多个判别图案的任一个一致且自相加部输出的相加后的输入信号的大小超过大于第1阈值的第2阈值的情况下对光子数进行相加。
在本方式中，多个判别图案也可不包含载流子被输入至包含自电极部的行的前行及后行中的一方的行所包含的周围电极部、及包含自电极部的列的前列及后列中的一方的列所包含的周围电极部的任一个的情况下的载流子输入图案，在一方的行和一方的列的任一者中均不包含的周围电极部成为特定电极。在该情况下，可适当地避免相对于一个光子的入射而在多个像素电路中对光子数进行相加。
在本方式中，多个判别图案也可包含载流子被输入至不包含于一方的列而包含于包含自电极部的行中的周围电极部且载流子被输入至不包含于一方的行而包含于包含自电极部的列中的周围电极部并且载流子未被输入至自电极部的情况下的载流子输入图案。
发明的效果
根据本发明的上述一个方式，可提供一种即使在载流子分散地被收集于多个像素电极部的情况下，也可抑制双重计数的发生并且可减少计数漏失，从而能够容易地特定光子入射的位置的二维光子计数元件。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的二维光子计数元件的结构的图。
图2是表示转换部的背面上的多个像素电极部的配置的平面图。
图3是表示各像素电路的内部结构的一个例子的图。
图4是表示各像素电极部包含多个电极的情况下的电路例的图。
图5是表示自电极部、及包围自电极部的8个周围电极部的图。
图6是表示作为设定于载流子输入图案判别部的多个判别图案的一个例子的10个判别图案的图。
图7是表示二维光子计数元件的动作的流程图。
图8是表示作为第1变形例的10个判别图案的图。
图9是表示作为第2变形例的10个判别图案的图。
图10是表示作为第3变形例的10个判别图案的图。
图11是表示第4变形例所涉及的像素电路的内部结构的一个例子的图。
图12是用以说明第4变形例的效果的曲线图，且是表示入射至转换部的X射线的能量与事件数(计数数)的关系的一个例子的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细的说明。再者，在说明中，对相同要素或具有相同功能的要素，使用相同符号，省略重复的说明。
图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的二维光子计数元件1A的结构的图。如图1所示，本实施方式的二维光子计数元件1A包括转换部3、多个像素电极部B、及计数电路5。
转换部3是吸收光或X射线等的光子P而产生载流子的块体(bulk)状或层状的构件。转换部3由含有例如CdTe、CdZnTe、GaAs、InP、TlBr、HgI2、PbI2、Si、Ge、及a-Se中的至少一种的材料构成。转换部3沿与光子P的入射方向交叉的平面扩展，且具有表面3a及背面3b。在表面3a上，以覆盖表面3a的整个面的方式设置有偏置电极(共同电极)31。光子P通过偏置电极31而入射至表面3a。
多个像素电极部B设置于转换部3的背面3b。在多个像素电极部B与偏置电极31之间，作为偏置电压而施加有高电压。图2所示的(a)是表示转换部3的背面3b上的多个像素电极部B的配置的平面图。自光子P的入射方向观察，多个像素电极部B排列为M行×N列(M、N为2以上的整数)的二维状。M×N个像素电极部B的各个在转换部3中分别形成M行N列的像素区域。各像素电极部B收集在对应的像素区域中产生的载流子。在图2所示的(a)中，各像素电极部B由一个电极构成。也可如图2中的(b)所示，例如，一个像素电极部B包含多个电极b。
计数电路5按每个像素区域检测在转换部3中产生的载流子，且按每个像素区域对光子数进行计数。计数电路5通过例如ASIC(Application Specific Integrated Circuit(特殊应用集成电路))等集成电路而实现。计数电路5包含多个像素电路(M×N个像素电路)5a。各像素电路5a检测在对应的像素电极部B中收集的载流子，从而对光子数进行计数。
图3是表示各像素电路5a的内部结构的一个例子的图。如图3所示，像素电路5a包括信号生成部51、电流输出部52a、52b、相加部53、比较部54、载流子输入信号生成部55、载流子输入图案判别部56、及计数部57。
信号生成部51与多个像素电极部B中的与该像素电路5a连接的像素电极部B电连接。信号生成部51通过进行载流子的电荷电压转换而生成输入信号SP1。在以下的说明中，存在将与该像素电路5a连接的像素电极部B称为自电极部B0的情况。输入信号SP1是具有与从自电极部B0输入至像素电路5a的载流子的数量对应的大小的电压波形的信号。在各像素电极部B包含多个电极b的情况下(参照图2所示的(b))，如图4中的(a)所示，使多个电极b连接于一个信号生成部51的输入端即可。或者，也可如图4中的(b)所示，设置多个信号生成部51，使多个电极b的各个连接于多个信号生成部51的各个。
电流输出部52a连接于信号生成部51的输出端，且自信号生成部51接受输入信号SP1。电流输出部52a生成与作为电压信号的输入信号SP1对应的大小的电流信号SC，并将电流信号SC提供至与配置于自电极部B0的周围的像素电极部B中的特定的像素电极部B连接的像素电路5a。在以下的说明中，存在将配置于自电极部B0的周围的像素电极部B称为周围电极部的情况。
此处，参照图5。图5是表示自电极部B0与包围自电极部B0的8个周围电极部B1～B8的图。在图5所示的一个例子中，周围电极部B1～B3包含于自电极部B0的前行，周围电极部B4、B5包含于与自电极部B0相同的行，周围电极部B6～B8包含于自电极部B0的后行。另外，周围电极部B1、B4、B6包含于自电极部B0的前列，周围电极部B2、B7包含于与自电极部B0相同的列，周围电极部B3、B5、B8包含于自电极部B0的后列。在本实施方式中，电流输出部52a将电流信号SC提供至与周围电极部B1、B2、B4连接的像素电路5a。
再次参照图3。电流输出部52b连接于信号生成部51的输出端，且自信号生成部51接受输入信号SP1。电流输出部52b生成与作为电压信号的输入信号SP1对应的大小的电流信号SC，并将电流信号SC提供至相加部53。相加部53连接于与周围电极部B1～B8中的特定的电极部(以下称为特定电极部)B5、B7、B8连接的3个像素电路5a的电流输出部52a，并自这些电流输出部52a接受电流信号SC的提供。相加部53将所提供的3个电流信号SC与自该像素电路5a的电流输出部52b提供的电流信号SC相加，并生成与相加后的电流对应的大小的电压信号SP2。电压信号SP2是具有与输入至自电极部B0及特定电极部B5、B7、B8的载流子数的总和对应的大小的电压波形的信号。特定电极部B5、B7、B8是可被看作为在各像素电路5a中对光子数进行计数时包含于因该光子P而引起的载流子的分散范围的周围电极部，且自周围电极部B1～B8中任意且预先被决定。在因例如自电极部B0存在于行端或列端等而导致相对于自电极部B0的特定电极部B5、B7、B8的一部分不存在的情况下，相加部53也可不对来自不存在的特定电极部的电流信号SC进行相加。在因例如自电极部B0存在于行端且列端等而导致相对于自电极部B0的特定电极部B5、B7、B8的全部不存在的情况下，相加部53及其之后的电路部分并非必需而可省略。
比较部54连接于相加部53的输出端，且自相加部53接受电压信号SP2。比较部54判定电压信号SP2的峰电压的大小是否超过规定的阈值。即，比较部54判定在自电极部B0的周边是否产生与一个以上的作为测定对象的光子P相当的数量的载流子。比较部54在电压信号SP2的峰电压的大小超过规定的阈值的情况下，输出高(High)电平(有效值)作为判定结果信号S1。比较部54在电压信号SP2的峰电压的大小未超过上述规定的阈值的情况下，输出低(Low)电平(非有效值)作为判定结果信号S1。
载流子输入信号生成部55连接于信号生成部51的输出端，且自信号生成部51接受输入信号SP1。载流子输入信号生成部55，在输入有超过某阈值(例如，稍微大于噪声电平的值)的输入信号SP1的情况下，为了表示有载流子向自电极部B0输入，而输出高电平(有效值)作为载流子输入信号S2。载流子输入信号生成部55，在输入有不超过上述阈值的输入信号SP1的情况下，输出低电平(非有效值)作为载流子输入信号S2。载流子输入信号S2被提供至分别连接于周围电极部B2～B8的7个像素电路5a。
载流子输入图案判别部56自分别连接于周围电极部B1～B7的7个像素电路5a，接受载流子输入信号S2的提供。载流子输入图案判别部56基于这些载流子输入信号S2，判别载流子输入图案是否与多个判别图案中的任一个一致。载流子输入图案按每个电极表示向自电极部B0及周围电极部B1～B7的载流子的输入的有无。在载流子输入图案中，载流子是否被输入至自电极部B0及周围电极部B1～B8中的任一像素电极部B被图案化。载流子输入图案判别部56在载流子输入图案与多个判别图案中的任一个一致、且输入有高电平(有效值)作为判定结果信号S1的情况下，输出高电平(有效值)作为判别信号S3。载流子输入图案判别部56在载流子输入图案不与多个判别图案中的任一个一致的情况、及/或输入有低电平(非有效值)作为判定结果信号S1的情况下，输出低电平(非有效值)作为判别信号S3。由此，在计数部57中，在载流子输入图案判别部56中判别为载流子输入图案与多个判别图案的任一个一致、且电压信号SP2的峰电压的大小超过规定的阈值的情况(即判别信号S3为高电平(有效值)的情况)下，进行光子数的相加。在本实施方式中，由于周围电极部B8中有无载流子的入射不会对判别产生影响，因而载流子输入图案判别部56无需自连接于周围电极部B8的像素电路5a接受载流子输入信号S2的提供。在本实施方式中，计数部57按每个像素电极部B而逐一设置，但计数部57也可对于二个以上的像素电极部B仅设置一个。
此处，参照图6。图6中的(a)～(j)是表示10个判别图案P1～P10来作为设定于载流子输入图案判别部56的多个判别图案的一个例子的图。在图6中，对与输出有载流子输入信号S2的(即输入有载流子的)像素电路5a对应的像素电极部标记为“H”。为了容易地理解判别图案P1～P10，将自电极部B0及特定电极部B5、B7、B8以粗框表示。自电极部B0及周围电极部B1～B7的符号仅示于图6中的(a)，在图6中的(b)～(j)中省略。载流子输入图案判别部56也可通过多个逻辑电路的组合而构成。在该情况下，被组合的多个逻辑电路根据来自周围电极部B1～B7的载流子输入信号S2及自电极部B0的载流子输入信号S2的组合，决定是否为有效。由此，在载流子输入图案判别部56中，可判别载流子输入图案是否与多个判别图案(例如判别图案P1～P10)中的任一个一致。另外，计数电路5也可包含存储多个判别图案(例如，判别图案P1～P10)的存储器。在该情况下，载流子输入图案判别部56判别存储于上述存储器的多个判别图案的任一个是否与载流子输入图案一致。在载流子输入图案判别部56通过多个逻辑电路的组合而构成的情况下，无需存储器等物理结构，而可简化计数电路5的结构。
图6所示的10个判别图案P1～P10依据若干规则而确定。载流子输入至周围电极部B1～B8中的特定电极部B5、B7、B8以外的像素电极部B1～B4、B6的情况下的载流子输入图案与判别图案P1～P10的任一个均不一致。换言之，在这些判别图案P1～P10中，不包含与如下载流子输入图案相当的图案，该载流子输入图案是在载流子被输入至包含自电极部B0的行的前行及后行中的一方的行(在本实施方式中为前行)所包含的周围电极部B1～B3、及包含自电极部B0的列的前列及后列中的一方的列(在本实施方式中为前列)所包含的周围电极部B1、B4、B6的任一个的情况下的载流子输入图案。因此，在载流子被输入至周围电极部B1～B4、B6的任一个的情况下，与自电极部B0连接的像素电路5a的载流子输入图案判别部56将载流子输入图案判别为与多个判别图案P1～P10的任一个均不一致。在载流子被输入至这些周围电极部B1～B4、B6的任一个的情况下，在与除了自电极部B0的任一像素电极部B连接的像素电路5a中，以载流子输入图案必定与判别图案P1～P10的任一个一致的方式，设定判别图案P1～P10。因此，通过依据上述判别规则设定判别图案P1～P10，可适当地避免相对于一个光子P的入射而在多个像素电路5a中对光子数进行相加。为了容易地理解判别图案P1～P10，对周围电极部B1～B4、B6标注有×记号。自与标注有×记号的周围电极部B1～B4、B6连接的像素电路5a，输出有实际上与空白的像素相同的“低(Low)”的载流子输入信号S2。该判别规则在如本实施方式那样均不包含于上述一方的行(前行)及上述一方的列(前列)的任一者的周围电极部B5、B7、B8成为特定电极的情况下是有效的。
在这些判别图案P1～P10中，包含与如下载流子输入图案相当的图案，该载流子输入图案是在载流子被输入至均不包含于上述一方的行(前行)及上述一方的列(前列)的任一者、且包含于包含自电极部B0的行或列的周围电极部B5、B7中的至少一个周围电极部、且载流子被输入至自电极部B0的情况下的所有载流子输入图案。换言之，在载流子被输入至包含自电极部B0的行或列所包含的特定电极部B5、B7中的至少一个特定电极部且载流子被输入至自电极部B0的情况下的载流子输入图案必定与多个判别图案P1～P10中的任一个一致。具体而言，载流子被输入至周围电极部B5及自电极部B0的情况下的所有图案通过判别图案P2、P5、P7、P8而表示。载流子被输入至周围电极部B7及自电极部B0的情况下的所有图案通过判别图案P3、P6、P7、P8而表示。通过依据这样的判别规则设定判别图案，可适当地判定可否在该像素电路5a中进行光子数的相加。
在这些判别图案P1～P10中，包含与如下载流子输入图案相当的图案，该载流子输入图案是在载流子被输入至不包含于上述一方的列(前列)且包含于包含自电极部B0的行的周围电极部B5、载流子被输入至不包含于上述一方的行(前行)且包含于包含自电极部B0的列的周围电极部B7、并且载流子未被输入至自电极部B0的情况下的载流子输入图案。具体而言，载流子被输入至周围电极部B5、B7两者，且载流子未被输入至自电极部B0的所有图案通过判别图案P9、P10而表示。通过依据这样的判别规则设定判别图案，可适当地判定可否在该像素电路5a中进行光子数的相加。在判别图案P1～P10中，也包含基本无电荷分享的影响、载流子仅被输入至自电极部B0的情况下的判别图案P1。
对具备以上结构的本实施方式的二维光子计数元件1A的动作进行说明。图7是表示二维光子计数元件1A的动作的流程图。
在二维光子计数元件1A中，首先，通过将光像或放射线像等的光子P入射至转换部3，而在转换部3中产生多个载流子(S11)。多个载流子在转换部3的内部移动，且被输入至多个像素电极部B中的一个或两个以上的像素电极部B(S12)。在与输入有载流子的像素电极部B连接的各像素电路5a中，在信号生成部51中，生成输入信号SP1(S13)。然后，该输入信号SP1通过电流输出部52a、52b而被转换为电流信号SC(S14)。自电流输出部52a输出的电流信号SC被提供至与相对于与各像素电路5a对应的自电极部B0的周围电极部B1、B2、B4连接的像素电路5a(S15)。另外，自电流输出部52b输出的电流信号SC被提供至相加部53。
继而，在相加部53中，自与特定电极部B5、B7、B8连接的3个像素电路5a的电流输出部52a接受电流信号SC的提供。然后，将所提供的3个电流信号SC、与在该像素电路5a的电流输出部51b中生成的电流信号SC相加，而生成电压信号SP2(S16)。继而，在比较部54中，判定电压信号SP2的峰电压的大小是否超过规定的阈值(S17)。在电压信号SP2的峰电压的大小超过规定的阈值的情况下，判定结果信号S1成为高电平(有效值)。
与上述一连串动作S14～S17并行地进行动作S18。在动作S18中，在输入有超过某阈值的输入信号SP1的情况下，为了表示有载流子向自电极部B0输入，通过载流子输入信号生成部55生成的载流子输入信号S2成为高电平(有效值)。载流子输入信号S2被提供至分别与周围电极部B2～B8连接的7个像素电路5a(S19)。
继而，在载流子输入图案判别部56中，判别载流子输入图案是否与多个判别图案中的任一个一致，该载流子输入图案按每个电极表示向自电极部B0及周围电极部B1～B8的载流子的输入的有无(S20)。然后，在动作S20中判别为一致、且判定结果信号S1为高电平(有效值)的情况下(在S21中为“是”)，判别信号S3成为高电平(有效值)，在计数部57中进行光子数的相加(S22)。
对利用以上所说明的本实施方式的二维光子计数元件1A所获得的效果进行说明。如上所述，因光子P向转换部3的入射而产生的多个载流子存在分散地被收集于多个像素电极部的情况。在其分散范围相对较小的情况下(例如，在分散范围为2×2像素内的情况下)，载流子的分散由例如热扩散或载流子彼此的斥力而引起。在光电转换的情况下，在转换部3中的入射有光子P的部位将所有能量转换为光电子，但该高能量的光电子一边损失能量一边在转换部3的内部移动而产生载流子。在这样的情况下，也产生载流子的分散。
在本实施方式的二维光子计数元件1A中，载流子输入图案判别部56判别相对于由自电极部B0及周围电极部B1～B8构成的像素电极群的载流子输入图案是否与多个判别图案P1～P10的任一个一致。然后，载流子输入图案判别部56基于该判别结果，决定是否将来自比较部54的输出输出至计数部57。这样，根据本实施方式的二维光子计数元件1A，可仅通过单单地判别载流子输入图案是否与多个判别图案P1～P10一致而决定是否对光子数进行计数(换言之，是否可认为光子P入射至与各像素电极部B对应的转换部3的像素区域)。因此，在二维光子计数元件1A中，即使在载流子分散地被收集于多个像素电极部B的情况(产生电荷分享的情况)下，也可抑制双重计数并且可降低计数漏失。其结果，可通过二维光子计数元件1A极其容易地特定光子P入射的位置，而无需繁杂的处理。
如上所述，在本实施方式中，生成与输入至各像素电路5a的载流子数对应的大小的输入信号SP1并转换为电流信号SC，在相加部53中将与自电极部B0及特定电极部B5、B7、B8连接的像素电路5a的电流信号SC相加。然后，在自相加部53输出的相加后的电压信号SP2的大小超过规定的阈值的情况下，换言之，在可认为一个以上的作为测定对象的光子P入射至分散范围内的情况下，自与自电极部B0连接的比较部54输入至载流子输入图案判别部56的判定结果信号S1成为高电平(有效值)。由此，即使在载流子分散地被收集于多个像素电极部B的情况下，也可对应于一个以上的作为测定对象的光子P的入射而精度良好地进行计数。
实际上，也存在与上述的载流子的分散(散射)的方式不同的方式的散射。作为不同的方式的散射，也存在与上述的载流子的散射相比散射距离较大的方式，但该方式极少。在本实施方式中，预先决定作为对象的电荷分享，并基于成为对象的电荷分享的扩展的预测，而设定有周围电极部等的范围。即，产生极大的散射距离的现象未被作为测定的对象。由此，可进行简单地修正处理，而无需进行如专利文献1那样的繁杂的处理(依序逐渐增加相加区域等处理)。
在本实施方式中，在判别图案P1～P10中，包含与在载流子未被输入至自电极部B0的情况下的载流子输入图案相当的图案即判别图案P9、P10。一般而言，在载流子未被输入至某像素电极部B的情况下，在与该像素电极部B连接的像素电路5a中不对光子数进行相加。然而，在例如在转换部3中产生K-escape(K逃脱)的现象等情况下，存在载流子未被输入至与光子P的入射位置对应的像素电极部B的情况。在本实施方式中，即使在这样的情况下，载流子未被输入至自电极部B0的载流子输入图案也被纳入至多个判别图案P1～P10的一部分，因此，可进一步减少计数漏失。其结果，可通过二维光子计数元件1A更精度良好地特定光子P入射的位置。所谓K-escape是指例如L壳或M壳的电子落于K壳的光电子遗失的位置，而发射出差分的X射线的现象。
继而，对多个判别图案的变形例进行说明。在上述实施方式中，例示出图6所示的10个判别图案P1～P10，但在本实施方式的二维光子计数元件1A中，可应用其它各种判别图案。
(第1变形例)
图8是表示作为第1变形例的10个判别图案P11～P20的图。图8所示的判别图案P11～P20是在特定电极部为B4、B6、B7的情况下优选的图案。这些判别图案P11～P20依据与上述实施方式的判别图案P1～P10(参照图6)相同的规则而确定。首先，载流子被输入至周围电极部B1～B8中的特定电极部B4、B6、B7以外的像素电极部B1～B3、B5、B8的情况下的载流子输入图案与判别图案P11～P20的任一个均不一致。换言之，在这些判别图案P11～P20中，不包含与如下载流子输入图案相当的图案，该载流子输入图案是在载流子输入至包含自电极部B0的行的前行及后行中的一方的行(在本变形例中为前行)所包含的周围电极部B1～B3、及包含自电极部B0的列的前列及后列中的一方的列(在本变形例中为后列)所包含的周围电极部B3、B5、B8的任一个的情况下的载流子输入图案。因此，在载流子被输入至周围电极部B1～B3、B5、B8的任一个的情况下，与自电极部B0连接的像素电路5a的载流子输入图案判别部56判别为载流子输入图案与多个判别图案P11～P20的任一个均不一致。
在这些判别图案P11～P20中，包含与如下载流子输入图案相当的图案，该载流子输入图案是在载流子被输入至均不包含于上述一方的行(前行)及上述一方的列(后列)的任一者、且包含于包含自电极部B0的行或列的周围电极部B4、B7中的至少一个周围电极、且载流子被输入至自电极部B0的情况下的所有载流子输入图案。换言之，在载流子被输入至包含自电极部B0的行或列所包含的特定电极部B4、B7中的至少一个特定电极部、且载流子被输入至自电极部B0的情况下的载流子输入图案必定与多个判别图案P11～P20的任一个一致。具体而言，载流子被输入至周围电极部B4及自电极部B0的情况下的所有图案通过判别图案P12、P15、P17、P18而表示。载流子被输入至周围电极部B7及自电极部B0的情况下的所有图案通过判别图案P13、P16、P17、P18而表示。
在这些判别图案P11～P20中，包含与如下载流子输入图案相当的图案，该载流子输入图案是在载流子被输入至不包含于上述一方的列(后列)且包含于包含自电极部B0的行的周围电极部B4、载流子被输入至不包含于上述一方的行(前行)且包含于包含自电极部B0的列的周围电极部B7、且载流子未被输入至自电极部B0的情况下的载流子输入图案。具体而言，载流子被输入至周围电极部B4、B7两者、且载流子未被输入至自电极部B0的所有图案通过判别图案P19、P20而表示。
即使在将本变形例的多个判别图案P11～P20用于载流子输入图案判别部56中使用的多个判别图案的情况下，二维光子计数元件1A也可发挥与上述实施方式相同的效果。
(第2变形例)
图9是表示作为第2变形例的10个判别图案P21～P30的图。图9所示的判别图案P21～P30是在特定电极为B1、B2、B4的情况下优选的图案。这些判别图案P21～P30也依据与上述实施方式的判别图案P1～P10(参照图6)相同的规则而确定。首先，载流子被输入至周围电极部B1～B8中的特定电极部B1、B2、B4以外的像素电极部B3、B5～B8的情况下的载流子输入图案与判别图案P21～P30的任一个均不一致。换言之，在这些判别图案P21～P30中，不包含与如下载流子输入图案相当的图案，该载流子输入图案是在载流子被输入至包含自电极部B0的行的前行及后行中的一方的行(在本变形例中为后行)所包含的周围电极部B6～B8、及包含自电极部B0的列的前列及后列中的一方的列(在本变形例中为后列)所包含的周围电极部B3、B5、B8的任一个的情况下的载流子输入图案。因此，在载流子被输入至周围电极部B3、B5～B8的任一个的情况下，与自电极部B0连接的像素电路5a的载流子输入图案判别部56判别为载流子输入图案与多个判别图案P21～P30的任一个均不一致。
在这些判别图案P21～P30中，包含与如下载流子输入图案相当的图案，该载流子输入图案是在载流子被输入至均不包含于上述一方的行(后行)及上述一方的列(后列)的任一者、且包含于包含自电极部B0的行或列的周围电极部B2、B4中的至少一个周围电极部、且载流子被输入至自电极部B0的情况下的所有载流子输入图案。换言之，在载流子被输入至包含自电极部B0的行或列所包含的特定电极部B2、B4中的至少一个特定电极部、且载流子被输入至自电极部B0的情况下的载流子输入图案必定与多个判别图案P21～P30的任一个一致。具体而言，在载流子被输入至周围电极部B4及自电极部B0的情况下的所有图案通过判别图案P22、P25、P27、P28而表示。在载流子被输入至周围电极部B2及自电极部B0的情况下的所有图案通过判别图案P23、P26、P27、P28而表示。
在这些判别图案P21～P30中，包含与如下载流子输入图案相当的图案，该载流子输入图案是在载流子被输入至不包含于上述一方的列(后列)且包含于包含自电极部B0的行的周围电极部B4、载流子被输入至不包含于上述一方的行(后行)且包含于包含自电极部B0的列的周围电极部B2、且载流子未被输入至自电极部B0的情况下的载流子输入图案。具体而言，载流子被输入至周围电极部B2、B4两者且载流子未被输入至自电极部B0的所有图案通过判别图案P29、P30而表示。
即使在将本变形例的多个判别图案P21～P30用于载流子输入图案判别部56中使用的多个判别图案的情况下，二维光子计数元件1A也可发挥与上述实施方式相同的效果。
(第3变形例)
图10是表示作为第3变形例的10个判别图案P31～P40的图。图10所示的判别图案P31～P40是在特定电极为B2、B3、B5的情况下优选的图案。这些判别图案P31～P40也依据与上述实施方式的判别图案P1～P10(参照图6)相同的规则而确定。首先，载流子被输入至周围电极部B1～B8中的特定电极部B2、B3、B5以外的像素电极部B1、B4、B6～B8的情况下的载流子输入图案与判别图案P31～P40的任一个均不一致。换言之，在这些判别图案P31～P40中，不包含与如下载流子输入图案相当的图案，该载流子输入图案是在载流子被输入至包含自电极部B0的行的前行及后行中的一方的行(在本变形例中为后行)所包含的周围电极部B6～B8、及包含自电极部B0的列的前列及后列中的一方的列(在本变形例中为前列)所包含的周围电极部B1、B4、B6的任一个的情况下的载流子输入图案。因此，在载流子被输入至周围电极部B1、B4、B6～B8的任一个的情况下，与自电极部B0连接的像素电路5a的载流子输入图案判别部56判别为载流子输入图案与多个判别图案P31～P40的任一个均不一致。
在这些判别图案P31～P40中，包含与如下载流子输入图案相当的图案，该载流子输入图案是在载流子被输入至均不包含于上述一方的行(后行)及上述一方的列(前列)的任一者、且包含于包含自电极部B0的行或列的周围电极部B2、B5中的至少一个周围电极部、并且载流子被输入至自电极部B0的情况下的所有载流子输入图案。换言之，载流子被输入至包含自电极部B0的行或列所包含的特定电极部B2、B5中的至少一个特定电极部、且载流子被输入至自电极部B0的情况下的载流子输入图案必定与多个判别图案P31～P40的任一个一致。具体而言，载流子被输入至周围电极部B5及自电极部B0的情况下的所有图案通过判别图案P32、P35、P37、P38而表示。载流子被输入至周围电极部B2及自电极部B0的情况下的所有图案通过判别图案P33、P36、P37、P38而表示。
在这些判别图案P31～P40中，包含与如下载流子输入图案相当的图案，该载流子输入图案是在载流子被输入至不包含于上述一方的列(前列)且包含于包含自电极部B0的行的周围电极部B5、且载流子被输入至不包含于上述一方的行(后行)且包含于包含自电极部B0的列的周围电极部B2、并且载流子未被输入至自电极部B0的情况下的载流子输入图案。具体而言，载流子被输入至周围电极部B2、B5两者、且载流子未被输入至自电极部B0的所有图案通过判别图案P39、P40而表示。
即使在将本变形例的多个判别图案P31～P40用于载流子输入图案判别部56中使用的多个判别图案的情况下，二维光子计数元件1A也可发挥与上述实施方式相同的效果。
(第4变形例)
其次，参照图11，对作为第4变形例的像素电路5b的变形例进行说明。图11是表示第4变形例所涉及的像素电路5b的内部结构的一个例子的图。如图11所示，像素电路5b包括信号生成部51、电流输出部52a、52b、相加部53、比较部54a、54b、载流子输入信号生成部55、载流子输入图案判别部56a、56b、以及计数部57a、57b。信号生成部51、电流输出部52a、52b、相加部53、以及载流子输入信号生成部55的结构及动作与上述实施方式相同，因此省略这些结构及动作的详细的说明。
比较部54a、54b连接于相加部53的输出端，且自相加部53接受电压信号SP2。比较部54a判定电压信号SP2的峰电压的大小是否超过规定的第1阈值。比较部54a在电压信号SP2的峰电压的大小超过第1阈值的情况下，输出高电平(有效值)作为判定结果信号S1a。比较部54b判定电压信号SP2的峰电压的大小是否超过大于第1阈值的第2阈值。比较部54b在电压信号SP2的峰电压的大小超过第2阈值的情况下，输出高电平(有效值)作为判定结果信号S1b。在上述以外的情况下，比较部54a、54b输出低电平(非有效值)作为判定结果信号S1a、S1b。
载流子输入图案判别部56a、56b自分别与周围电极部B1～B7连接的7个像素电路5b接受载流子输入信号S2的提供。载流子输入图案判别部56a、56b基于这些载流子输入信号S2，判别载流子输入图案是否与多个判别图案中的任一个一致。载流子输入图案按每个电极表示向自电极部B0及周围电极部B1～B7的载流子的输入的有无。载流子输入图案判别部56a在载流子输入图案与多个判别图案中的任一个一致、且输入有高电平(有效值)作为判定结果信号S1a的情况下，输出高电平(有效值)作为判别信号S3a，并在除此以外的情况下输出低电平(非有效值)作为判别信号S3a。同样地，载流子输入图案判别部56b在载流子输入图案与多个判别图案中的任一个一致、且输入有高电平(有效值)作为判定结果信号S1b的情况下，输出高电平(有效值)作为判别信号S3b，并在除此以外的情况下输出低电平(非有效值)作为判别信号S3b。
计数部57a、57b分别作为本实施方式的第1及第2计数部而发挥功能。在计数部57a中，在载流子输入图案判别部56a中判别为载流子输入图案与多个判别图案的任一个一致、且输出有高电平(有效值)作为判定结果信号S1a的情况(即判别信号S3a为高电平(有效值)的情况)下，进行光子数的相加。同样地，在计数部57b中，在载流子输入图案判别部56b中判别为载流子输入图案与多个判别图案的任一个一致、且输出有高电平(有效值)作为判定结果信号S1b的情况(即判别信号S3b为高电平(有效值)的情况)下，进行光子数的相加。
如本变形例的像素电路5b那样，像素电路也可包括多个比较部。在这样的情况下，也可获得与上述实施方式相同的效果。另外，通过如本变形例那样设置多个比较部，可进一步获得以下所说明的效果。
图12是用以说明本变形例的效果的曲线图，且是表示入射至转换部3的X射线的能量与事件(event)数(计数数)的关系的一个例子的曲线图。在该例子中，在某能量E1时计数数为峰Pk1，在大于能量E1的能量E2时计数数为另一峰Pk2。此处，假设为与峰Pk1对应的能量E1为对提高画质特别有效的能量值(例如，对比度提高的X射线能量带)。在这样的情况下，若规定的阈值仅为小于能量E1的1个值(图中的阈值vth1)，则具有vth1以上的能量值的光子全部被计数。相对于此，可通过设定第1阈值vth1、与大于能量E1的第2阈值vth2，并求出阈值vth1的计数值与阈值vth2的计数值的差，从而以一次测定获得精度更良好的数据(期望的能量带的数据)。
若如例如γ射线那样光子能量已知，则也可用作堆积(pile up)对策。即，在预先已知入射的光子的能量必定包含于阈值vth1以上且阈值vth2以下的范围内的情况下，推测为在超过阈值vth2的能量的情况下两个光子连续地入射。由此，在本变形例中，能够以光子两个进行计数。在上述实施方式的方式(参照图3)中，在两个光子连续地入射的情况下有以1个进行计数的担忧，但根据本变形例，如上所述能够进一步减少计数漏失。
本发明的二维光子计数元件并不限于上述实施方式，可进行其它各种变形。例如，在上述实施方式及各变形例中，将前行及后行、以及前列及后列所包含的8个像素电极部B1～B8作为周围电极部，且在包含自电极部B0的3×3像素的区域中设定判别图案。在本发明中，对成为判别图案的对象的区域的大小并无制约，可在例如4×4像素或5×5像素等各种大小的区域中任意地设定判别图案。在上述实施方式及各变形例中，作为特定电极部，例示有2×2像素(包含自电极部)的区域，但特定电极部也可自周围电极部中任意地确定。
在本实施方式及本变形例中，比较部54、54a、54b位于载流子输入图案判别部56、56a、56b的前段，但比较部54、54a、54b的位置并不限定于此。例如，比较部54、54a、54b也可位于载流子输入图案判别部56、56a、56b的后段。在该情况下，载流子输入图案判别部56、56a、56b连接于相加部53的输出端，且自相加部53接受电压信号SP2。载流子输入图案判别部56、56a、56b在载流子输入图案与多个判别图案中的任一个一致、且自相加部53输入有电压信号SP2的情况下，将电压信号SP2输出至比较部54、54a、54b。比较部54、54a、54b判定自相加部53通过载流子输入图案判别部56、56a、56b而输入的电压信号SP2的峰电压的大小是否超过规定的阈值。在计数部57、57a、57b中，在自比较部54、54a、54b输出的判定结果信号S1为高电平(有效值)的情况下，进行光子数的相加。
产业上的可利用性
本发明可用于二维光子计数元件。
符号的说明
1A…二维光子计数元件、3…转换部、5…计数电路、5a…像素电路、51…信号生成部、52a、52b…电流输出部、53…相加部、54…比较部、55…载流子输入信号生成部、56…载流子输入图案判别部、57…计数部、B…像素电极部、B0…自电极部、B1～B8…周围电极部、P…光子、P1～P40…判别图案、S1…判定结果信号、S2…载流子输入信号、SP1…输入信号、SP2…电压信号。

Claims (7)

1.一种二维光子计数元件，其特征在于，
包括：计数电路，其连接于排列成M行N列的二维状的多个像素电极部，检测自将光子转换为载流子的转换部经由所述多个像素电极部而收集的载流子并进行所述光子的计数，其中，M及N为二以上的整数，
所述计数电路包括：
信号生成部，其生成与输入至所述多个像素电极部中的某像素电极部的载流子的数量对应的大小的输入信号；
相加部，其将在与配置于所述某像素电极部的周围的所述像素电极部中的特定的像素电极部连接的所述信号生成部中生成的所述输入信号、和在与所述某像素电极部连接的所述信号生成部中生成的所述输入信号相加；
载流子输入图案判别部，其进行载流子输入图案是否与多个判别图案的任一个一致的判别，该载流子输入图案按每个像素电极部表示向所述某像素电极部及配置于该某像素电极部的周围的所述像素电极部的载流子的输入的有无；及
计数部，其在所述载流子输入图案判别部中判别为所述载流子输入图案与所述多个判别图案的任一个一致且自所述相加部输出的相加后的所述输入信号的大小超过规定的阈值的情况下，对光子数进行相加。
2.如权利要求1所述的二维光子计数元件，其特征在于，
载流子输入至配置于所述某像素电极部的周围的所述像素电极部中的所述特定的像素电极部以外的所述像素电极部的情况下的所述载流子输入图案与所述多个判别图案的任一个均不一致。
3.如权利要求1所述的二维光子计数元件，其特征在于，
所述多个判别图案包含与所述载流子未被输入至所述某像素电极部的情况下的载流子输入图案相当的图案。
4.如权利要求2所述的二维光子计数元件，其特征在于，
所述多个判别图案包含与所述载流子未被输入至所述某像素电极部的情况下的载流子输入图案相当的图案。
5.如权利要求1至4中任一项所述的二维光子计数元件，其特征在于，
所述载流子被输入至包含所述某像素电极部的行或列所包含的所述特定的像素电极部中的至少一个所述特定的像素电极部且载流子被输入至所述某像素电极部的情况下的载流子输入图案与所述多个判别图案的任一个一致。
6.如权利要求1至4中任一项所述的二维光子计数元件，其特征在于，
所述计数电路包括作为所述计数部的第1计数部和第2计数部，其中，所述第1计数部在判别为所述载流子输入图案与所述多个判别图案的任一个一致且自所述相加部输出的相加后的所述输入信号的大小超过第1阈值的情况下，对光子数进行相加，所述第2计数部在判别为所述载流子输入图案与所述多个判别图案的任一个一致且自所述相加部输出的相加后的所述输入信号的大小超过大于所述第1阈值的第2阈值的情况下，对光子数进行相加。
7.如权利要求5所述的二维光子计数元件，其特征在于，
所述计数电路包括作为所述计数部的第1计数部和第2计数部，其中，所述第1计数部在判别为所述载流子输入图案与所述多个判别图案的任一个一致且自所述相加部输出的相加后的所述输入信号的大小超过第1阈值的情况下，对光子数进行相加，所述第2计数部在判别为所述载流子输入图案与所述多个判别图案的任一个一致且自所述相加部输出的相加后的所述输入信号的大小超过大于所述第1阈值的第2阈值的情况下，对光子数进行相加。
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