JP6821596B2 - 光パルス検出装置、光パルス検出方法、放射線計数装置、および生体検査装置 - Google Patents
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Description
本技術の第2の側面の光パルス検出装置は、複数の画素が二次元格子状に配列された画素アレイ部と、前記画素アレイ部の各画素の出力信号を1ビットより大きな階調のデジタル値に変換するAD変換器と、前記デジタル値を第1の閾値および前記第1の閾値より小さい第2の閾値と比較し、前記第1の閾値と前記第2の閾値の範囲外の前記デジタル値をエラーとして破棄するエラー判定処理を行うとともに、前記第1の閾値と前記第2の閾値の範囲以内の前記デジタル値を合算した合算値を、エラーとして破棄した画素数に応じて補正した合算値を算出して出力する制御回路とを備える。
本技術の第2の側面においては、画素アレイ部の各画素の出力信号が1ビットより大きな階調のデジタル値に変換され、変換されたデジタル値が第1の閾値および前記第1の閾値より小さい第2の閾値と比較され、前記第1の閾値と前記第2の閾値の範囲外の前記デジタル値をエラーとして破棄するエラー判定処理が行われるとともに、前記第1の閾値と前記第2の閾値の範囲以内の前記デジタル値を合算した合算値を、エラーとして破棄した画素数に応じて補正した合算値が算出して出力される。
1.放射線計数装置の第1の実施の形態(光検出器に対して1個のシンチレータを配置した構成例)
2.放射線計数装置の第2の実施の形態(光検出器に対して複数個のシンチレータを配置した構成例)
3.光検出器の半導体基板構造例
4.画素回路のその他の構成例
5.光検出器のその他の適用例
<1.1 放射線計数装置の構成例>
図1は、本技術を適用した放射線計数装置の第1の実施の形態の構成例を示している。
図2は、光検出器23の回路構成を示している。
次に、図3を参照して、画素41の回路構成について説明する。
放射線計数装置1は、例えば1個の放射線31がシンチレータ21に光電吸収されることによって生じた、例えば数千個の光子32よりなる微弱発光パルスを測定する。光検出器23は、測定対象の微弱発光パルスを、複数個の画素41よりなる画素アレイ部51で受光し、各画素41が受光量に応じて独立した出力を発生する。各画素41の出力は、AD変換器91で1ビットより大きな階調を持つデジタル値に変換される。さらに各画素41は、複数個の光子を検知することができる。
光検出器23が行う、画素アレイ部51の各画素41の画素出力から異常値を判断して除外するエラー判定処理について、詳しく説明する。
P(k)=(λs)k*e-λs/k!
である。図5に示されるポアソン累積分布は、k=0としたP(0)、k=1としたP(1)、k=2としたP(2)、・・・の累積である。
λs=N/総画素数
N=シンチレータの全光収率x放射線エネルギーxシンチレーション光の光検出器への入射率x光検出器の量子効率
図12を参照して、画素41の動作について説明する。図12は、画素41の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。
次に、図13を参照して、4行単位で同時に画素出力を行う場合の画素アレイ部51全体の読み出し動作について説明する。
初めに、単位検出期間TACC中に複数のパルス発光がある場合の対処方法について説明する。
P(k)=(λp)k*e-λp/k!
で表すことができ、発光パルスの計数率Psは、確率P(k)のk=1からk=∞までの累積となる。その中で正しくエネルギー検出されているのはk=1の時のみであり、図15のAのグラフの破線に相当する。
図16は、許容できるエラー発生率に基づいて単位検出期間TACCを制御する検出周期制御処理のフローチャートを示している。この処理は、例えば、放射線計数装置1が放射線の計数を実行するとき開始される。
Ap=ηM
σp=η√M
であり、各フレームに入射される放射線個数Mは、
M=(Ap/σp)2
で表される。
(1)サンプルレートが上限値に到達するまで、発光パルスの計数率Psが第1の計数率Ps_A1以下となるように蓄積時間を短縮してサンプリングレートを上げていく第1段階、
(2)サンプルレートが上限値に到達してから、発光パルスの計数率Psが第2の計数率Ps_A2となるまで、算出された発光パルスの計数率Psから平均発光回数λpを算出し、放射線量を導出する第2段階、
(3)発光パルスの計数率Psが第2の計数率Ps_A2を超えてから、M=(Ap/σp)2により、積分的に放射線量を導出する第3段階
の3段階の工程に分けて、放射線量を検出することができる。
次に、読み出し期間中にパルス発光がある場合の対処方法について説明する。
(1)読み出したデータ群から、単一のパルス光入射に対応するデータを判定して抽出する判定処理の導入
(2)露光期間と読み出し期間を独立して制御し、露光の開始と終了を全画素一斉に実施する、所謂グローバルシャッタの導入
初めに、(1)の対処方法、即ち、読み出したデータ群から、単一のパルス光入射に対応するデータを判定して抽出する判定処理について説明する。
次に、(2)の対処方法、即ち、グローバルシャッタにより、読み出し期間中に非選択画素が露光されないようにする方法について説明する。
(第1の工程)各画素41のフォトダイオード71から電荷が排出され、全画素一斉に露光が開始される。
(第2の工程)次に、各画素41の検出ノード76がリセットされる。
(第3の工程)次に、リセット信号が、画素41ごとに検出回路52に読み出される。
(第4の工程)次に、フォトダイオード71の蓄積信号が検出ノード76に転送され、全画素一斉に露光が完了する。
(第5の工程)最後に、蓄積信号が、画素41ごとに検出回路52に読み出される。
図24は、本技術を適用した放射線計数装置の第2の実施の形態の構成例を示している。
図25は、光検出器23の半導体基板構造例を示している。
ところで、図3に示した画素41の回路構成は、カメラ用のCMOSイメージセンサにしばしば採用されている構成ではある。
微弱光パルスを検出する光検出器23は、上述した放射線計数装置以外にも適用することができる。そこで、放射線計数装置以外の装置に光検出器23を適用した例として、生体検査装置について説明する。
(1)
複数の画素が二次元格子状に配列された画素アレイ部と、
前記画素アレイ部の各画素の出力信号を1ビットより大きな階調のデジタル値に変換するAD変換器と、
前記デジタル値を第1の閾値と比較し、前記第1の閾値より大きい前記デジタル値をエラーとして破棄するエラー判定処理を行う制御回路と
を備える光パルス検出装置。
(2)
前記制御回路は、さらに、前記デジタル値を前記第1の閾値と異なる第2の閾値と比較し、前記第2の閾値より小さい前記デジタル値を無信号として破棄するエラー判定処理を行う
前記(1)に記載の光パルス検出装置。
(3)
前記制御回路は、前記第1の閾値以下の前記デジタル値を合算し、その結果得られる合算値を出力する
前記(1)に記載の光パルス検出装置。
(4)
前記制御回路は、前記第1の閾値以下の前記デジタル値を合算した合算値に対して、エラーとして破棄した画素分を補正して出力する
前記(1)または(3)に記載の光パルス検出装置。
(5)
前記制御回路は、前記エラー判定処理を、複数画素からなる画素グループ単位の前記デジタル値で行う
前記(1)乃至(4)のいずれかに記載の光パルス検出装置。
(6)
前記画素は、
光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部の電荷をリセットするリセットトランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷を前記出力信号として出力する出力トランジスタと
を備える
前記(1)乃至(5)のいずれかに記載の光パルス検出装置。
(7)
前記画素は、
前記光電変換素子に直結され、前記光電変換素子の電荷をリセットする第2のリセットトランジスタをさらに備える
前記(6)に記載の光パルス検出装置。
(8)
前記画素は、前記第2のリセットトランジスタを複数備える
前記(7)に記載の光パルス検出装置。
(9A)
前記画素アレイ部は、露光の開始と終了を全画素同時に行う
前記(1)乃至(8)のいずれかに記載の光パルス検出装置。
(9B)
複数枚の半導体基板の積層構造で構成されている
前記(1)乃至(8)のいずれかに記載の光パルス検出装置。
(10)
複数の画素が二次元格子状に配列された画素アレイ部と、前記画素アレイ部の各画素の出力信号を1ビットより大きな階調のデジタル値に変換するAD変換器と、前記デジタル値を所定の閾値と比較し、前記閾値より大きい前記デジタル値をエラーとして破棄するエラー判定処理を行う制御回路とを備える光パルス検出装置が、
前記画素アレイ部の各画素の出力信号を1ビットより大きな階調のデジタル値に変換し、
前記デジタル値を所定の閾値と比較し、前記閾値より大きい前記デジタル値をエラーとして破棄するエラー判定処理を行う
光パルス検出方法。
(11)
前記(1)に記載の光パルス検出装置と、
シンチレータと
を備え、
前記光パルス検出装置は、放射線が前記シンチレータに入射されて発光した発光パルスを検出する
放射線計数装置。
(12)
前記光パルス検出装置で検出された前記発光パルスの回数から、前記発光パルスの計数率を算出し、算出された前記発光パルスの計数率に基づいて、前記画素の蓄積時間を制御するデータ処理部をさらに備える
前記(11)に記載の放射線計数装置。
(13)
前記データ処理部は、算出された前記発光パルスの計数率が規定範囲よりも大きいと判定された場合、前記画素の蓄積時間が現在よりも短くなるサンプルレートに変更する
前記(12)に記載の放射線計数装置。
(14)
前記データ処理部は、算出された前記発光パルスの計数率が規定範囲よりも大きいと判定された場合、前記画素アレイ部の一部の画素行のみを使用するように制御して、前記画素の蓄積時間が現在よりも短くなるサンプルレートに変更する
前記(13)に記載の放射線計数装置。
(15)
前記データ処理部は、算出された前記発光パルスの計数率が第1の計数率よりも大きく、第2の計数率以下であると判定された場合、算出された前記発光パルスの計数率から平均発光回数を算出し、放射線量を導出する
前記(12)に記載の放射線計数装置。
(16)
前記データ処理部は、算出された前記発光パルスの計数率が前記第2の計数率よりも大きいと判定された場合、積分的な放射線量の導出を行う
前記(15)に記載の放射線計数装置。
(17)
前記データ処理部は、読み出し単位の出力信号が規定の判定閾値を超えた場合、発光パルス出力の開始であると判定し、前記発光パルスの光量を導出する
前記(12)に記載の放射線計数装置。
(18)
前記シンチレータは、光学的に分離された複数のシンチレータが配列されたシンチレータアレイで構成されており、
前記画素アレイ部は、前記複数のシンチレータに対応する受光領域を有する
前記(11)乃至(17)のいずれかに記載の放射線計数装置。
(19)
前記画素アレイ部は、前記複数のシンチレータに対応する受光領域の間に遮光部を有する
前記(18)に記載の放射線計数装置。
(20)
前記(1)に記載の光パルス検出装置を備え、
前記光パルス検出装置は、流体内の検体にレーザ光が照射されることにより励起された蛍光または散乱光を検出する
生体検査装置。
Claims (20)
- 複数の画素が二次元格子状に配列された画素アレイ部と、
前記画素アレイ部の各画素の出力信号を1ビットより大きな階調のデジタル値に変換するAD変換器と、
前記デジタル値を第1の閾値と比較し、前記第1の閾値より大きい前記デジタル値をエラーとして破棄するエラー判定処理を行うとともに、前記第1の閾値以下の前記デジタル値を合算した合算値を、エラーとして破棄した画素数に応じて補正した合算値を算出して出力する制御回路と
を備える光パルス検出装置。 - 複数の画素が二次元格子状に配列された画素アレイ部と、
前記画素アレイ部の各画素の出力信号を1ビットより大きな階調のデジタル値に変換するAD変換器と、
前記デジタル値を第1の閾値および前記第1の閾値より小さい第2の閾値と比較し、前記第1の閾値と前記第2の閾値の範囲外の前記デジタル値をエラーとして破棄するエラー判定処理を行うとともに、前記第1の閾値と前記第2の閾値の範囲以内の前記デジタル値を合算した合算値を、エラーとして破棄した画素数に応じて補正した合算値を算出して出力する制御回路と
を備える光パルス検出装置。 - 前記制御回路は、前記エラーとして破棄した画素数が所定数以下である場合には、エラーとして破棄した画素数に応じた合算値の補正を行わない
請求項1または2に記載の光パルス検出装置。 - 前記エラーとして破棄した画素数に応じて補正した合算値は、前記画素アレイ部の全画素数に換算することにより算出される
請求項1または2に記載の光パルス検出装置。 - 前記制御回路は、前記エラー判定処理を、複数画素からなる画素グループ単位の前記デジタル値で行う
請求項1または2に記載の光パルス検出装置。 - 前記画素は、
光電変換素子により光電変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部の電荷をリセットするリセットトランジスタと、
前記電荷蓄積部の電荷を前記出力信号として出力する出力トランジスタと
を備える
請求項1または2に記載の光パルス検出装置。 - 前記画素は、
前記光電変換素子に直結され、前記光電変換素子の電荷をリセットする第2のリセットトランジスタをさらに備える
請求項6に記載の光パルス検出装置。 - 前記画素は、前記第2のリセットトランジスタを複数備える
請求項7に記載の光パルス検出装置。 - 前記画素アレイ部は、露光の開始と終了を全画素同時に行う
請求項1または2に記載の光パルス検出装置。 - 複数の画素が二次元格子状に配列された画素アレイ部と、前記画素アレイ部の各画素の出力信号を1ビットより大きな階調のデジタル値に変換するAD変換器と、前記デジタル値を所定の閾値と比較し、前記閾値より大きい前記デジタル値をエラーとして破棄するエラー判定処理を行う制御回路とを備える光パルス検出装置が、
前記画素アレイ部の各画素の出力信号を1ビットより大きな階調のデジタル値に変換し、
前記デジタル値を所定の閾値と比較し、前記閾値より大きい前記デジタル値をエラーとして破棄するエラー判定処理を行うとともに、前記閾値以下の前記デジタル値を合算した合算値を、エラーとして破棄した画素数に応じて補正した合算値を算出して出力する
光パルス検出方法。 - 請求項1または2のいずれかに記載の光パルス検出装置と、
シンチレータと
を備え、
前記光パルス検出装置は、放射線が前記シンチレータに入射されて発光した発光パルスを検出する
放射線計数装置。 - 前記光パルス検出装置で検出された前記発光パルスの回数から、前記発光パルスの計数率を算出し、算出された前記発光パルスの計数率に基づいて、前記画素の蓄積時間を制御するデータ処理部をさらに備える
請求項11に記載の放射線計数装置。 - 前記データ処理部は、算出された前記発光パルスの計数率が規定範囲よりも大きいと判定された場合、前記画素の蓄積時間が現在よりも短くなるサンプルレートに変更する
請求項12に記載の放射線計数装置。 - 前記データ処理部は、算出された前記発光パルスの計数率が規定範囲よりも大きいと判定された場合、前記画素アレイ部の一部の画素行のみを使用するように制御して、前記画素の蓄積時間が現在よりも短くなるサンプルレートに変更する
請求項13に記載の放射線計数装置。 - 前記データ処理部は、算出された前記発光パルスの計数率が第1の計数率よりも大きく、第2の計数率以下であると判定された場合、算出された前記発光パルスの計数率から平均発光回数を算出し、放射線量を導出する
請求項12に記載の放射線計数装置。 - 前記データ処理部は、算出された前記発光パルスの計数率が前記第2の計数率よりも大きいと判定された場合、積分的な放射線量の導出を行う
請求項15に記載の放射線計数装置。 - 前記データ処理部は、読み出し単位の出力信号が規定の判定閾値を超えた場合、発光パルス出力の開始であると判定し、前記発光パルスの光量を導出する
請求項12に記載の放射線計数装置。 - 前記シンチレータは、光学的に分離された複数のシンチレータが配列されたシンチレータアレイで構成されており、
前記画素アレイ部は、前記複数のシンチレータに対応する受光領域を有する
請求項11に記載の放射線計数装置。 - 前記画素アレイ部は、前記複数のシンチレータに対応する受光領域の間に遮光部を有する
請求項18に記載の放射線計数装置。 - 請求項1または2のいずれかに記載の光パルス検出装置を備え、
前記光パルス検出装置は、流体内の検体にレーザ光が照射されることにより励起された蛍光または散乱光を検出する
生体検査装置。
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