JP6984417B2 - 撮像素子および駆動方法、並びに電子機器 - Google Patents

撮像素子および駆動方法、並びに電子機器 Download PDF

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Description

本技術は撮像素子および駆動方法、並びに電子機器に関し、特に、低電圧および低消費電力で安定して駆動でき、かつ検出の時間分解能を確保することができるようにした撮像素子および駆動方法、並びに電子機器に関する。
検出器に入射した放射線の線量を、入射光子単位で個々のエネルギ分別を行いつつカウントする放射線計数（フォトンカウント）は、サーベイメータやPET(Positron Emission Tomography)、ガンマカメラ等、現在さまざまな分野に応用されている。
検出器としては、通常、シンチレータおよび光電子増倍管が使用され、その検出器に入射した放射線のエネルギと個数が計数される。
シンチレータに放射線の光子が１個以上入射すると、シンチレータは発光し、放射線のエネルギに比例した光量の可視光のパルス（以下、発光パルスとも称する）を放つ。
このような発光パルスは、シンチレータに放射線光子が入射するごとに発せられ、光電子増倍管によって検知される。
ここで、シンチレータは、光電子増倍管に向けられた面のみを開口状態にした隔壁に覆われている。この隔壁は外部からの可視光の侵入を遮断するとともに、望ましくは内部から生じた光を反射して、その全てを光電子増倍管に入射させる。
シンチレータおよび光電子増倍管からなる放射線計数器においては、光電子増倍管が発光パルスを電子に変換し、それを増幅することでアナログ電気パルスを発生させる。
このアナログ電気パルスのパルス高はシンチレータの発光光量、すなわち放射線のエネルギに比例する。そして、放射線光子が１個入射するごとに独立したパルスが出力されるため、放射線計数器は、そのパルス数を数えることによって、入射した放射線光子の個数を求めることができる。
上述の放射線計数器において検出回路はパルスを増幅、整形して適度な遅延をもったアナログ波に変え、AD(Analog to Digital)変換器によりデジタル値に変換する。これによって、放射線計数器は、入射した放射線光子ごとのエネルギをデジタル値で導出できる。
放射線計数器内のデジタル処理回路は、所定期間における検出回路の出力結果を集積し、放射線光子のエネルギスペクトルを導出する。これは放射線計数器が捉えた放射線光子の、エネルギごとの存在比率を示す。これによって、放射線計数器は、放射線源を特定したり、既知の線源から直接入射した放射線と中途で散乱してエネルギを失った放射線を分別したりすることができる。
また、放射線計数器として、シンチレータと撮像素子を組み合わせたものも提案されている（例えば、特許文献１参照）。この放射線計数器では、撮像素子が放射線の検出器として用いられ、放射線のエネルギと個数が計数される。
特開２０１５−７６７７３号公報
ところで、上述のような放射線計数器は、シンチレータおよび光電子増倍管を用いたものが主流である。しかし、光電子増倍管は高価である上、小型軽量化に適さず、磁場の影響を受けやすいという性質を有している。
そこで、光電子増倍管の代わりに、APD(Avalanche Photo Diode)やSiPM(Silicon Photo Multipliers)のアレイや、上述した撮像素子を用いた放射線計数器も提案されている。
しかしながら、APDを用いたものでは、出力信号が極めて微弱な上に温度による出力変動が激しく、外部環境の影響を受けやすい。また、SiPMを用いたものでは、高電界を要するために暗電流が大きく、アフタパルスやクロストーク等によりフロアノイズが大きくなってしまう。
さらにAPDおよびSiPMの何れも高電圧を使うため、別途電源回路が必要であり、出力もアナログ信号である。このため、別途アンプや積分回路、AD変換回路を外付けする必要があり、信号伝達の過程で外部ノイズの影響を受けやすくなってしまう。
また、撮像素子を用いたものでは、入射した放射線により発生する発光パルスの検出について、十分な時間分解能を確保することが困難であった。
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、低電圧および低消費電力で安定して駆動でき、かつ検出の時間分解能を確保することができるようにするものである。
本技術の第１の側面の撮像素子は、入射した光を光電変換する第１の光電変換部と、前記光電変換により得られた電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散部と、前記第１の光電変換部から前記浮遊拡散部へと前記電荷を転送する転送部とを有し、間欠的に前記電圧に応じた信号の読み出しが行われる複数の第１の画素と、継続的に出力が監視される、光の入射を検出する複数の第２の画素とを有する画素アレイ部と、複数の前記第２の画素の前記出力の総和または平均値に基づいて、前記第２の画素への光の入射と同期した信号を出力するイベント検出部とを備える。
撮像素子には、前記イベント検出部からの信号の出力に応じて、前記第１の画素からの信号の読み出しを制御する駆動部をさらに設けることができる。
前記駆動部には、前記イベント検出部からの信号の出力に応じて前記転送部を制御させて、前記光電変換により得られた前記電荷を前記浮遊拡散部に転送させ、前記第１の画素からの信号の読み出しを制御させることができる。
撮像素子には、前記第１の画素から読み出された信号に基づいて、前記第１の画素へと入射した光の光量を示すデジタル信号を生成する検出部をさらに設けることができる。
撮像素子には、複数の前記第１の画素ごとに得られた前記デジタル信号に基づいて、前記画素アレイ部に入射した光の光量を算出する出力部をさらに設けることができる。
前記第１の画素には、前記浮遊拡散部により生成された前記電圧に応じた信号を出力する第１の増幅部と、制御に応じて導通状態または非導通状態となり、前記導通状態となったときに前記第１の増幅部から出力された信号を前記検出部に出力する選択部とをさらに設けることができる。
前記第２の画素には、入射した光を光電変換する第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部による前記光電変換により得られた電荷に応じた信号を出力する第２の増幅部とを設けることができる。
前記第１の画素を非倍増型の画素とし、前記第２の画素を倍増型の画素とすることができる。
前記第２の画素の受光面を、前記第１の画素の受光面よりも大きくすることができる。
本技術の第１の側面の撮像素子の駆動方法は、入射した光を光電変換する光電変換部と、前記光電変換により得られた電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散部と、前記光電変換部から前記浮遊拡散部へと前記電荷を転送する転送部とを有する複数の第１の画素と、光の入射を検出する複数の第２の画素とを有する画素アレイ部を備える撮像素子の駆動方法であって、継続的に複数の前記第２の画素の出力を監視して、複数の前記第２の画素の前記出力の総和または平均値に基づいて前記第２の画素への光の入射を検出し、前記第１の画素を定期的にリセットするとともに、前記第２の画素への光の入射の検出に応じて、前記第１の画素からの前記電圧に応じた信号の読み出しを制御するステップを含む。
本技術の第１の側面においては、入射した光を光電変換する光電変換部と、前記光電変換により得られた電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散部と、前記光電変換部から前記浮遊拡散部へと前記電荷を転送する転送部とを有する複数の第１の画素と、光の入射を検出する複数の第２の画素とを有する画素アレイ部を備える撮像素子において、継続的に複数の前記第２の画素の出力が監視されて、複数の前記第２の画素の前記出力の総和または平均値に基づいて前記第２の画素への光の入射が検出され、前記第１の画素が定期的にリセットされるとともに、前記第２の画素への光の入射の検出に応じて、前記第１の画素からの前記電圧に応じた信号の読み出しが制御される。
本技術の第２の側面の電子機器は、入射した光を光電変換する光電変換部と、前記光電変換により得られた電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散部と、前記光電変換部から前記浮遊拡散部へと前記電荷を転送する転送部とを有し、間欠的に前記電圧に応じた信号の読み出しが行われる複数の第１の画素と、継続的に出力が監視される、光の入射を検出する複数の第２の画素とを有する画素アレイ部と、複数の前記第２の画素の前記出力の総和または平均値に基づいて、前記第２の画素への光の入射と同期した信号を出力するイベント検出部とを備える。
本技術の第２の側面においては、電子機器に、入射した光を光電変換する光電変換部と、前記光電変換により得られた電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散部と、前記光電変換部から前記浮遊拡散部へと前記電荷を転送する転送部とを有し、間欠的に前記電圧に応じた信号の読み出しが行われる複数の第１の画素と、継続的に出力が監視される、光の入射を検出する複数の第２の画素とを有する画素アレイ部が設けられ、複数の前記第２の画素の前記出力の総和または平均値に基づいて、前記第２の画素への光の入射と同期した信号が出力される。
本技術の第１の側面および第２の側面によれば、低電圧および低消費電力で安定して駆動でき、かつ検出の時間分解能を確保することができる。
放射線計数装置の構成例を示す図である。 放射線計数装置の構成例を示す図である。 画素出力について説明する図である。 放射線計数装置のオペレーション例について説明する図である。 光量測定用の画素の構成例を示す図である。 放射線計数時における画素の駆動の一例を示す図である。 放射線計数時における画素の駆動の一例を示す図である。 放射線計数時における画素の駆動の一例を示す図である。 発光イベント検出専用の画素の構成例を示す図である。 比較器の構成例を示す図である。 画素のレイアウト例を示す図である。 放射線計数時における画素および比較器の駆動の一例を示す図である。 発光イベント検出専用の画素の他の構成例を示す図である。 発光イベント検出専用の画素の他の構成例を示す図である。 光検出器の構成例を示す図である。 放射線計数装置の他の構成例を示す図である。 光検出器の他の構成例を示す図である。 本技術をフローサイトメトリに適用した例について説明する図である。 イベント検出と露光および読み出しについて説明する図である。 光検出器の構成例を示す図である。
以下、図面を参照して、本技術を適用した実施の形態について説明する。
〈第１の実施の形態〉
〈放射線計数装置の構成例〉
本技術は、放射線計数等の微弱パルス光の光量と入射タイミングを高精度で検出することができるようにしたものである。特に本技術によれば、微弱パルス光の光量と入射タイミングを検出する際に、低電圧および低消費電力で安定して駆動でき、かつ十分な時間分解能を確保することができる。
例えば、本技術は、放射線計数器、フローサイトメトリ、PET等の核医学診断装置などの各種の電子機器に適用することができる。以下では、まず、本技術を放射線計数器に適用した場合を例として説明を行う。
本技術を適用した放射線計数器は、放射線計数を正確に行うことができ、小型軽量で環境変動に強く、低電圧および低消費電力で安定して駆動することができる。さらに、この放射線計数器では、検出の時間分解能も十分に確保することができ、PET等の核医学診断装置の同時計数にも使用することができる。
図１および図２は、本技術を適用した放射線計数器である放射線計数装置の一実施の形態の構成例を示す図である。なお、図１は、放射線計数装置１１の断面図を示しており、図２は、放射線計数装置１１の斜視図を示している。また、図１および図２において対応する部分には同一の符号が付されている。
放射線計数装置１１は、受光部２１およびデータ処理部２２を有している。
受光部２１は、シンチレータ３１、隔壁３２、および光検出器３３から構成される。なお、図２では、隔壁３２の図示は省略されている。
シンチレータ３１は、放射線が入射されると光子を生成するものである。このシンチレータ３１は、例えば、LSO(Lu2SiO5：Ce)を含み、２ミリメートル(mm)角に柱状加工されている。
隔壁３２は、シンチレータ３１を覆い、可視光を遮断するものである。但し、この隔壁３２は、光検出器３３に対向する面のみが開口されている。また、隔壁３２は、例えば、アルミニウムなどの光を反射する反射性物質により構成されることが望ましい。これにより、シンチレータ３１で発生した光子の殆どを光検出器３３に入射させることができる。
光検出器３３は、例えばCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサなどの固体撮像素子からなり、シンチレータ３１から入射する光を検出してデジタル信号を生成する。
この光検出器３３は、シンチレータ３１と対向する受光面を有し、その受光面には、二次元格子状に複数（例えば、１００×１００）の画素回路４１が設けられている。さらに光検出器３３の受光面には、少なくとも画素回路４１とは用途が異なる画素回路４２が、１行分アレイ内に挿入されている。これらの画素回路４１および画素回路４２は、例えば非倍増型の画素とされる。
図２に示す例では、図２中、横方向および縦方向がそれぞれｘ方向およびｙ方向とされており、受光面上のｘ方向およびｙ方向に複数の画素回路が並べられて配置されている。なお、ここでは複数の画素回路のうちの一部のみに符号が付されているが、受光面上の四角形により表される画素回路のうち、斜線の施された画素回路が画素回路４２を表しており、斜線の施されていない画素回路が画素回路４１を表している。
したがって、この例では、画素回路のアレイ内にｘ方向に並ぶ画素回路４２からなる１行分の画素行が挿入されていることが分かる。なお、以下、画素回路４１を単に画素４１とも称し、画素回路４２を単に画素４２とも称することとする。
光検出器３３は、画素４１や画素４２がシンチレータ３１から入射した光を受光して光電変換することで得られたデジタル信号を、信号線４３を介してデータ処理部２２に供給する。
データ処理部２２は、光検出器３３から供給されたデジタル信号を処理して放射線計数を行う。また、データ処理部２２は、シンチレータ３１に入射した放射線のタイムスタンプを記録するとともに、シンチレータ３１への放射線の入射に応じて発生した発光パルスの光量を評価して該放射線のエネルギ判定を行う。
ここで、タイムスタンプは、シンチレータ３１への放射線の入射時刻を示すものであり、画素４２からの出力に基づいて生成される。また、発光パルスの光量の導出は、画素４１からの出力に基づいて行われる。
なお、光検出器３３の受光面での画素４２の挿入方法、つまり画素４２の配列はどのようなものであってもよく、例えば画素４２を複数行挿入するようにしてもよい。しかし、光量測定に使用される画素４１が多くの光を受光できるように、光検出器３３の受光面全体における画素４２の占有面積を受光面の半分以下、望ましくは１／４以下とするとよい。
また、シンチレータ３１と光検出器３３とは、適切な屈折率をもつ光学接着剤により接着されるのが望ましい。また、それらのシンチレータ３１と光検出器３３の中間にファイバガラス等によるライトガイドを挿入してもよい。
さらに、シンチレータ３１と光検出器３３の組を図２におけるｘ方向およびｙ方向にタイリング（アレイ）することで、PETやガンマカメラ等の空間分解能をもつ放射線計数器を構成することが可能である。
ところで、放射線計数では、図１に示すように例えば１個の放射線L11がシンチレータ３１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L12よりなる微弱な発光パルスの測定が行われる。光検出器３３では、このようにして発生した発光パルスの光子L12を複数個の画素４１および画素４２からなる画素アレイで受光し、各画素は受光状態に応じて独立した出力を行う。
例えば画素４１は、内部の光電変換素子が生成した電荷を画素４１内に蓄積する。画素４１は、複数光子の入射に対応した複数電荷を蓄積することが可能である。つまり、画素４１の出力は、その画素４１に入射した光子の数に応じて変化する。
画素４１の出力である、画素４１の蓄積電荷に応じた信号は、必要に応じて所望のタイミングで読み出され、AD変換器で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。また、画素４１は光子入射の無い暗状態に内部をリセットする機能を有している。
一方、画素４２は、内部の光電変換素子が生成した電荷に応じて、受光した発光パルスに同期した信号を出力する。各画素４２の出力は、発光パルスの検出期間中常時モニタされ、発光パルスの発光イベントとして検知される。
ここで、画素４１群の出力の一例を図３に示す。
図３では、各四角形が１つの画素４１を表しており、それらの四角形内の数値は画素４１の出力信号の値（デジタル値）を示している。
この例では、１LSB(Least Significant Bit)を最小単位とすると、画素４１が１つの光子を受光したときの出力信号の値は１０LSBに対応している。各出力信号には、受光した光子に対応する信号と、読み出しノイズとが含まれており、読み出しノイズの大きさによっては、出力信号の値が負の値となることもある。
なお、ここでは出力信号の値がそのまま負の値で記載されているが、全画素４１の出力信号に対してオフセットをかけて処理するようにしてもよいし、値が負となる出力信号については、その値をゼロに切り上げるようにしてもよい。
このように光検出器３３は、各々が階調出力を持つ高感度光検出セルである画素４１の集合体である。
画素４１は、APDやSiPMのような強電界による電子増倍を行わない非倍増型の画素であり、出力信号は微小である。そのため、画素４１の出力信号には有意な読み出しノイズが含まれるので、個々の画素４１における光子入射数は曖昧である。しかし、これらの画素４１の出力信号を総合することで、放射線１個に対応する発光パルスの光量を高い精度で求めることができる。
例えば、光電子倍増管や通常のAPDは単一の検出器で発光パルスを検出し、その光量に応じたアナログパルスを発生する。一方、SiPMは発光パルスを画素アレイで受けるが、光子入射があった画素のみが一定の電荷パルスをバイナリで出力する。そして最終的な出力強度はパルス発砲した画素数により決定される。
すなわち、これらは何れも光検出器３３の形態とは異なっている。また、これらの光電子倍増管やAPD、SiPMからなる光検出器は、発光パルスとしての光子の入射に同期して信号を出力する点において画素４２に近い応答となっており、画素４１とは明らかに異なっている。なお、画素４１および画素４２の詳細な構成例については後述する。
〈放射線計数装置のオペレーションについて〉
続いて、放射線計数装置１１のオペレーション例について説明する。
例えば図４に示すように光検出器３３の一部と、データ処理部２２の一部とから制御回路７１が実現され、この制御回路７１によって放射線計数時における光検出器３３の動作が制御されるとする。なお、図４において図１における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。また、図４では横方向は時間を示している。
各画素４１は制御回路７１からのリセット信号を受けて定期的に、望ましくは一斉にリセットされる。
図４では、制御回路７１と画素４１とを結ぶ点線の矢印がリセット信号を表しており、リセット信号による画素４１のリセットとその次のリセットの間の期間が単位検出期間とされる。各画素４１は、各単位検出期間の間、シンチレータ３１から入射した光子を光電変換して得られた電荷を蓄積するとともに、リセット信号に応じてそれらの蓄積された電荷を排出し、画素４１をリセットする。
また、シンチレータ３１に放射線が入射して発光パルスが発生し、光検出器３３の画素４２がその発光パルス、すなわち発光パルスの光子を受光すると、光検出器３３は画素４２からの出力信号に応じてイベント信号を出力する。
このイベント信号は、画素４２により発光パルスが受光されたときに出力され、シンチレータ３１に１つの放射線が入射したことを示す信号である。
特に、光検出器３３では、継続的に、つまり常時、画素４２の出力が監視されて発光パルスの画素４２への入射が検出され、画素４２への発光パルスの入射が検出されると、直ちにその旨のイベント信号が出力される。換言すれば、イベント信号は、発光パルスの発生と略同時に出力される信号、つまり発光パルスの画素４２への入射と同期した信号ということができる。以下では、イベント信号により示される発光パルスの発生を発光イベントとも称することとする。
光検出器３３からのイベント信号の供給を受けた制御回路７１は、データオブジェクトDB11を生成し、そのデータオブジェクトDB11に発光イベントのタイムスタンプを記述するとともに、画素４１からの出力信号の読み出しを開始させる。
この例では、矢印A11に示すタイミングで画素４１からの出力信号の読み出しが開始されており、受光面に並ぶ複数の画素４１から順次、出力信号が読み出される。
そして、例えば制御回路７１は、各画素４１から読み出した出力信号の値の総和（加算値）を発光パルスの光量を示す値としてデータオブジェクトDB11に記述する。以下では、全画素４１の出力信号の値の総和を出力総合値とも称することとする。
このように画素４２は常時、出力が監視されるのに対して、画素４１からの信号の読み出しは、発光イベントが検出されたときのみ行われる。つまり、画素４１からの信号の読み出しは間欠的に行われる。
全画素４１からの出力信号の読み出しが完了すると、その後、所定のタイミングで画素４１は再びリセットされ、次の単位検出期間が開始される。このようにタイムスタンプと画素４１の出力総合値とがセットとなったデータオブジェクトDB11は、外部または制御回路７１内のメモリに保存される。
なお、制御回路７１は機能の全部または一部が光検出器３３に内蔵されていてもよいし、データ処理部２２に内蔵されているようにしてもよい。
また、例えば放射線源が既知の場合には、制御回路７１がさらに出力総合値が妥当なエネルギ範囲にあるか否かを判定して、妥当なエネルギ範囲にないと判定された、つまりエラーとみなされた出力総合値のデータオブジェクトを破棄するようにしてもよい。さらに制御回路７１が妥当なエネルギ範囲にあるか否かの判定後、タイムスタンプと、いくつかのフラグのみを保存するようにしてもよい。逆にタイムスタンプが不要な場合は、制御回路７１が出力総合値に関わるデータのみを保存するようにしてもよい。
以上のようなオペレーションによる発光パルスの検出は、有意な発光信号、つまり発光パルスを受光して得られた出力信号に対してのみ読み出しが実施され、その後の処理や記録が行われるため、データ処理量や消費電力の大幅な低減が可能となる。
したがって、光検出器３３はあらゆるパルス光検出に利用できるが、特に有効なのはパルス光の発生タイミングが未知のケースである。例えばサーベイメータやPET、SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography)のような放射線計数、フローサイトメトリにおける蛍光や側方散乱光検出等が、そのようなケースに該当する。
また、特にPETにおけるガンマ線の同時計数等、パルス検出にナノ秒レベルの時間分解能が必要とされる分野において、本技術は有効である。
電荷蓄積型であり、かつ出力が発光パルスに同期しない画素４１は、小型化や低電圧化、環境耐性や安定動作に有利な半面、ナノ秒レベルの時間分解能を単独で得るのは困難である。これは、画素４１だけではどの時点で発光イベントが発生したかを知ることができず、画素４１からなる１行分の出力信号の読み出し時間や、全画素４１からの信号の１度の読み出しを１フレームとしたときのフレームレートを超える時間分解能を得ることができないからである。
そこで、放射線計数装置１１では、光検出器３３に別途、発光イベント検出専用の画素４２を設けることで、正確なタイムスタンプを生成可能とし、高い時間分解能の確保と、小型化かつ低電圧および低消費電力での安定駆動とを両立できるようにした。
〈光量測定用の画素の構成例〉
次に、発光パルスの光量を測定するための画素４１のより詳細な構成について説明する。
発光パルスの光量を測定するための画素４１は、例えば図５に示すように構成される。
すなわち、画素４１は、フォトダイオード１０１、蓄積ノード１０２、転送トランジスタ１０３、検出ノード１０４、リセットトランジスタ１０５、増幅トランジスタ１０６、および選択トランジスタ１０７を有している。
例えば転送トランジスタ１０３、リセットトランジスタ１０５、増幅トランジスタ１０６、および選択トランジスタ１０７としてｎ型のMOS(Metal-Oxide Semiconductor)トランジスタが用いられる。また、フォトダイオード１０１は非倍増型のフォトダイオードとされる。
フォトダイオード１０１は、蓄積ノード１０２を介して転送トランジスタ１０３に接続されており、シンチレータ３１から入射した発光パルスの光子を受光して光電変換する。すなわち、フォトダイオード１０１は、画素４１のシリコン基板に入射した光子から、光電変換により電子とホールのペアを発生させ、そのうちの電子（電荷）を蓄積ノード１０２に蓄積する。このフォトダイオード１０１は、リセットによる電荷排出時には完全空乏化される埋め込み型であることが望ましい。
転送トランジスタ１０３は、行駆動回路１１１の制御に従って、蓄積ノード１０２から検出ノード１０４へと電荷を転送する。検出ノード１０４は、例えば浮遊拡散層からなり、転送トランジスタ１０３から転送されてきた電荷を蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じたアナログの電圧を生成する。この電圧は、増幅トランジスタ１０６のゲートに印加される。
リセットトランジスタ１０５は、蓄積ノード１０２や検出ノード１０４に蓄積された電荷を電源１１２に引き抜いて、すなわち蓄積された電荷を排出させて初期化するものである。このリセットトランジスタ１０５のゲートは行駆動回路１１１に接続され、ドレインは電源１１２に接続され、ソースは検出ノード１０４に接続される。
行駆動回路１１１は、例えばリセットトランジスタ１０５を転送トランジスタ１０３と同時にオン状態に制御することで、蓄積ノード１０２に蓄積された電子（電荷）を電源１１２に排出させ、画素４１を電荷蓄積前の暗状態、すなわちフォトダイオード１０１に光が未入射の状態に初期化する。換言すれば、フォトダイオード１０１がリセットされる。また、行駆動回路１１１は、リセットトランジスタ１０５のみをオン状態に制御することにより、検出ノード１０４に蓄積された電荷を電源１１２に排出させ、その電荷量を初期化する。
増幅トランジスタ１０６は、ゲートの電圧を増幅するものである。この増幅トランジスタ１０６のゲートは検出ノード１０４に接続され、ドレインは電源１１２に接続され、ソースは選択トランジスタ１０７に接続される。増幅トランジスタ１０６と定電流回路１１３とは、ソースフォロワを形成しており、検出ノード１０４の電圧は、増幅トランジスタ１０６によって、１弱のゲインで垂直信号線１１４に出力される。
増幅トランジスタ１０６から選択トランジスタ１０７を介して垂直信号線１１４に出力される電圧の電気信号は、画素４１に入射した光子の光量を示す信号であり、図示せぬAD変換回路を含む検出回路１１５により取得される。
選択トランジスタ１０７は、行駆動回路１１１の制御に従って導通状態または非導通状態となり、導通状態となっているときに、増幅トランジスタ１０６から出力された、検出ノード１０４の電圧に応じた電気信号を出力する。この選択トランジスタ１０７のゲートは行駆動回路１１１に接続され、ドレインは増幅トランジスタ１０６に接続され、ソースは垂直信号線１１４に接続される。
画素４１は、フォトダイオード１０１がリセットされてから、入射した光子の光量に応じた信号の読み出しが行われるまでの期間、光電変換により得られた電荷を内部に蓄積し、読み出し時に蓄積電荷に応じた信号を出力する。画素４１では、このような単位期間の電荷の蓄積と読み出しが繰り返し行われ、電荷蓄積中に発光パルスの光子が画素４１に入射すると、読み出し時にその結果を得ることができる。
ところで、このような埋め込み型のフォトダイオード１０１の特徴は、検出ノード１０４とフォトダイオード１０１の蓄積ノード１０２が読み出し時に容量結合しないことである。その結果、検出ノード１０４の寄生容量を低減させるほど蓄積電荷の電圧信号への変換効率が向上し、１光子の入射に対する感度を向上させることができる。
また、読み出し時に検出ノード１０４と蓄積ノード１０２が容量結合しないことから、フォトダイオード１０１を巨大化しても、つまりフォトダイオード１０１の受光面の面積を大きくしても、変換効率が悪化することはない。
従ってフォトダイオード１０１を巨大化すればするほど、より多くの光子を受光することができるので、同じ光束密度に対する画素４１あたりの感度は向上する。なお、同様の性質はMOS型の光電変換素子においても観察される。
また、このような画素４１は一般的にAPDや、SiPM、光電子倍増管のような電子増倍を伴わない。従ってこのような画素４１の出力は増幅トランジスタ１０６や後段のAD変換回路に起因する読み出しノイズの影響を受けるが、上記の性質を用いて画素感度を最大化することにより、その影響は相対的に最小化される。
すなわち、検出ノード１０４の寄生容量を出来る限り低減させるとともに、フォトダイオード１０１を１電子転送が可能な範囲で出来る限り巨大化することで、画素４１の出力のSN比(Signal to Noise Ratio)は最大化される。これにより、放射線計数装置１１で用いられる高感度検出器としての画素４１が実現される。
〈光量測定用の画素の駆動例１〉
続いて、放射線計数時における画素４１の駆動、つまり画素４１の動作について説明する。図６は放射線計数時における画素４１の駆動の一例を示すタイミングチャートである。
なお、図６において、横方向は時間を示している。また、図６において、折れ線DP11乃至折れ線DP13は、それぞれ転送トランジスタ１０３、リセットトランジスタ１０５、および選択トランジスタ１０７のオンまたはオフの状態を示している。
すなわち、折れ線DP11乃至折れ線DP13のそれぞれが上に突の区間は、各トランジスタがオン状態、つまり導通状態となっている区間を示しており、折れ線DP11乃至折れ線DP13のそれぞれが下に突の区間は、各トランジスタがオフ状態、つまり非導通状態となっている区間を示している。
まず、行駆動回路１１１は、露光期間直前のタイミングＴ１において、転送トランジスタ１０３およびリセットトランジスタ１０５をともにオン状態に制御する。つまり、行駆動回路１１１は、それらのトランジスタのゲートに供給する駆動信号をＨレベル（ハイレベル）とすることで、転送トランジスタ１０３およびリセットトランジスタ１０５をオンさせる。
この制御により、フォトダイオード１０１および転送トランジスタ１０３の間の蓄積ノード１０２に蓄積された電荷が全て電源１１２へ排出され、フォトダイオード１０１がリセットされる。以下では、このような制御をPD(Photo Diode)リセットとも称する。
PDリセットの後、行駆動回路１１１は転送トランジスタ１０３をオフ状態に制御する。この制御により蓄積ノード１０２は浮遊状態となって、新たな電荷蓄積が開始される。すなわち、PDリセットが解除されて画素４１の露光期間が開始される。
露光期間においては、フォトダイオード１０１は、シンチレータ３１から入射した光（光子）を受光して光電変換する。そして、フォトダイオード１０１による光電変換で得られた電荷（電子）が蓄積ノード１０２へと蓄積されていく。
また、行駆動回路１１１は、PDリセット後、より詳細には露光期間開始後、リセットトランジスタ１０５をオフ状態に制御する。なお、電荷蓄積中、リセットトランジスタ１０５はオン状態のままであってもよい。
一方、選択トランジスタ１０７は、垂直信号線１１４に接続された他の画素４１へのアクセス、つまり他の画素４１からの信号の読み出しを可能とするために、オフ状態に制御される。
次に蓄積信号の読み出し動作について説明する。読み出し動作では、まず前処理としてリセット信号のサンプリングが実施され、次に露光期間を終了させて蓄積信号のサンプリングが実施される。すなわち、２ステップのサンプリングによって実施される。
ここで、タイミングＴ２は、発光イベントが検出されたタイミング、すなわち例えば図４の矢印A11に示したタイミングである。なお、信号の読み出しが画素４１の行ごとに行われる場合には、矢印A11に示したタイミング後、その行が読み出し行として指定されたタイミングがタイミングＴ２となる。
そして、露光期間終了に先立つタイミングＴ２において、行駆動回路１１１は、リセットトランジスタ１０５および選択トランジスタ１０７をオン状態に制御する。
選択トランジスタ１０７をオン状態とする制御によって画素４１が選択状態となり、その画素４１が電気的に垂直信号線１１４に接続される。すなわち、増幅トランジスタ１０６からの出力が、選択トランジスタ１０７および垂直信号線１１４を介して検出回路１１５により読み取り可能となる。
また、リセットトランジスタ１０５をオン状態とする制御により、増幅トランジスタ１０６の入力である検出ノード１０４と電源１１２とが短絡される。これにより、選択された画素４１に基準電位が生成される。すなわち、検出ノード１０４の電位が電源１１２の電位にリセットされる。
タイミングＴ２からパルス期間、すなわち１パルス分の期間が経過すると、行駆動回路１１１は、リセットトランジスタ１０５をオフ状態に制御する。この制御により、検出ノード１０４の電位は、リセットトランジスタ１０５のゲートとのカップリングを受けて基準電位から幾分低下し、浮遊状態となる。
さらに、この際に検出ノード１０４には、有意なkTCノイズが発生する。一般に検出ノード１０４として浮遊拡散層(Floating Diffusion)が用いられる。そこで、以下では、タイミングＴ２でリセットトランジスタ１０５をオン状態とした後、リセットトランジスタ１０５をオフ状態として検出ノード１０４をリセットする制御を、FDリセットとも称することとする。
FDリセットが行われると、その後、露光期間の終了までの間に検出回路１１５は１回以上（例えば、４回）のサンプリングを行う。
具体的には、検出回路１１５は垂直信号線１１４の電位の信号を、画素４１のリセット信号としてAD変換し、デジタル信号Ds1を得る。検出回路１１５はこのようなサンプリングを何回か行う。
このようなサンプリングによって、検出ノード１０４の電圧に応じた信号が、増幅トランジスタ１０６、選択トランジスタ１０７、および垂直信号線１１４を介して検出回路１１５に読み出され、その読み出された信号がAD変換されてデジタル信号Ds1とされる。
検出回路１１５によるリセット信号のサンプリングは、相関二重サンプリングにおいて１回目の読出しとして扱われる。
また、露光期間が終了するよりも前のタイミングＴ３において、行駆動回路１１１は、転送トランジスタ１０３をオン状態に制御する。
この制御により、蓄積ノード１０２に蓄積された電荷が、転送トランジスタ１０３によって検出ノード１０４へと転送される。その際、検出ノード１０４のポテンシャルが十分に深ければ、蓄積ノード１０２に蓄積されていた電子（電荷）は、検出ノード１０４に全て転送され、蓄積ノード１０２は完全空乏状態になる。
タイミングＴ３からパルス期間が経過すると、行駆動回路１１１は、転送トランジスタ１０３をオフ状態に制御する。
この制御により、検出ノード１０４の電位は、転送トランジスタ１０３の駆動前と比較して、蓄積電荷量の分だけ下降する。すなわち、検出ノード１０４のポテンシャルが浅くなる。この電位下降分の電圧が増幅トランジスタ１０６によって増幅され、選択トランジスタ１０７を介して垂直信号線１１４へと出力される。
換言すれば、検出ノード１０４の電圧に応じた信号が、増幅トランジスタ１０６、選択トランジスタ１０７、および垂直信号線１１４を介して検出回路１１５に供給される。
このようにして転送トランジスタ１０３がオフ状態とされると、露光期間は終了する。
露光期間が終了すると、その後、タイミングＴ４までの間に、検出回路１１５は、１回以上（例えば、４回）のサンプリングを行う。
具体的には、検出回路１１５は垂直信号線１１４の電位の信号を、画素４１の蓄積信号としてAD変換し、デジタル信号Ds2を得る。検出回路１１５はこのようなサンプリングを何回か行う。
このようなサンプリングによって、検出ノード１０４の電圧に応じた信号が、増幅トランジスタ１０６、選択トランジスタ１０７、および垂直信号線１１４を介して検出回路１１５に読み出され、その読み出された信号がAD変換されてデジタル信号Ds2とされる。
検出回路１１５による蓄積信号のサンプリングは、相関二重サンプリングにおいて２回目の読出しとして扱われる。
検出回路１１５は、サンプリングした蓄積信号、すなわちデジタル信号Ds2と、リセット信号、すなわちデジタル信号Ds1とを比較して、その比較結果に基づいて画素４１への入射光子量を判定する。
例えば、検出回路１１５はサンプリングにより得られた複数のデジタル信号Ds1を全て加算し、その加算結果を画素４１のリセットレベルを示す信号とする。
同様に、検出回路１１５はサンプリングにより得られた複数のデジタル信号Ds2を全て加算し、その加算結果を画素４１の信号レベルを示す信号とする。
そして、検出回路１１５はデジタル信号Ds1の加算結果（加算値）と、デジタル信号Ds2の加算結果（加算値）との差分を正味の蓄積信号、つまり画素４１に入射した光子の光量を示す最終的なデジタルの出力信号として算出し、後段へと出力する。
なお、ここではデジタル信号Ds1やデジタル信号Ds2の加算値を求める例について説明したが、それらのデジタル信号Ds1やデジタル信号Ds2の平均値を算出し、それらの平均値の差分を最終的な画素４１の出力信号としてもよい。
さらに、タイミングＴ４において、行駆動回路１１１は選択トランジスタ１０７をオフ状態に制御して、画素４１からの１単位検出期間における出力信号の読み出しが終了する。
以上のような画素４１の駆動では、FDリセットの際に生じるkTCノイズは、デジタル信号Ds1とデジタル信号Ds2の差分を正味の蓄積信号とすることにより相殺され、最終的にノイズの少ない出力信号を得ることができる。また、デジタル信号Ds1やデジタル信号Ds2のサンプリングを複数回行うことで信号が平均化されるので、ノイズの少ない出力信号を得ることができるようになる。
上述したように、各画素４１の露光期間はPDリセット動作と、蓄積信号の読み出し動作との間の期間である。より詳細には、タイミングＴ１直後に転送トランジスタ１０３がオフしてから、タイミングＴ３直後に転送トランジスタ１０３がオフするまでの期間が露光期間とされる。
この露光期間にフォトダイオード１０１に光子が入射して電荷が発生すると、それはリセット信号と蓄積信号との差分となり、その差分の値が出力信号の値として上述の手順に従って検出回路１１５により導出される。
なお、図４に示したオペレーション（シーケンス）例では、発光イベントが検出されないと蓄積電荷に対応する蓄積信号の読み出しは行われない。つまり、画素４１からの蓄積信号の読み出しは間欠的に行われる。そのため、発光イベントが検出されなかった場合には、PDリセットとその次のPDリセットの間の期間が露光期間となる。このような暗状態での定期的なPDリセットは、暗電流等によって蓄積されたノイズ電荷の排出が主たる目的である。
〈光量測定用の画素の駆動例２〉
図６を参照して説明した画素４１の駆動シーケンスは、蓄積型画素の駆動シーケンスの典型的一例であるが、用途に応じて異なる駆動を行うようにしてもよい。すなわち、例えば図７に示すように画素４１を駆動するようにしてもよい。
なお、図７において、横方向は時間を示している。また、図７において、折れ線DP21乃至折れ線DP23は、それぞれ転送トランジスタ１０３、リセットトランジスタ１０５、および選択トランジスタ１０７のオンまたはオフの状態を示している。特に、それらの折れ線DP21乃至折れ線DP23が上に突の状態がオン状態を示しており、折れ線DP21乃至折れ線DP23が下に突の状態がオフ状態を示している。
図７に示す例では、転送トランジスタ１０３の駆動は図６に示した例と同じ駆動となっている。また、図７に示す例でタイミングＴ１１の駆動も図６に示したタイミングＴ１の駆動と同じとなっており、タイミングＴ１１でPDリセットが行われる。
タイミングＴ１１でPDリセットが行われて転送トランジスタ１０３がオフされ、露光が開始されると、リセットトランジスタ１０５がオフ状態に制御された後、タイミングＴ１２において、行駆動回路１１１は選択トランジスタ１０７をオン状態に制御する。そして、露光期間の終了までの間に検出回路１１５は１回以上のリセット信号のサンプリングを行う。
図６に示した例では、読み出し動作の前処理として、露光期間終了の直前にFDリセット後、リセット信号のサンプリングが行われるのに対して、図７に示す例では露光期間開始直後にリセット信号のサンプリングのみが予め行われる。また、この際、FDリセットはPDリセットに付随して実施されている。
タイミングＴ１１後に行われたリセット信号のサンプリングの結果、つまり各サンプリングで得られたデジタル信号Ds1は、検出回路１１５で一時的に保持される。
リセット信号のサンプリングが終了すると、その後、行駆動回路１１１は選択トランジスタ１０７をオフ状態に制御する。
また、画素４２による発光パルスの受光によって発光イベントが検出されると、タイミングＴ１３において、行駆動回路１１１は、転送トランジスタ１０３をオン状態に制御して蓄積ノード１０２から検出ノード１０４への電荷の転送を開始させる。
そして、その後、行駆動回路１１１は、転送トランジスタ１０３をオフ状態に制御して、電荷の転送を終了させ、これにより露光期間が終了する。
タイミングＴ１４において、行駆動回路１１１は選択トランジスタ１０７をオン状態に制御する。これにより、検出ノード１０４の電圧に応じた信号が、増幅トランジスタ１０６、選択トランジスタ１０７、および垂直信号線１１４を介して検出回路１１５に供給されるので、検出回路１１５は、１回以上の蓄積信号のサンプリングを行う。その結果、デジタル信号Ds2が得られる。
蓄積信号のサンプリングが行われると、その後、行駆動回路１１１は選択トランジスタ１０７をオフ状態に制御して、画素４１からの１単位検出期間における出力信号の読み出しが終了する。
以上のような図７に示した駆動の利点は、露光のタイミングＴ１１およびタイミングＴ１３と、信号のサンプリングのタイミングＴ１２およびタイミングＴ１４とが独立していることであり、柔軟なタイミング設定が可能になる。
例えば複数の画素４１が１つの検出回路１１５に接続されている場合でも、露光の開始と終了を全画素４１で同時一斉に行い、信号の読み出しは画素４１ごとに順次実施する、所謂グローバルシャッタを導入することが可能である。
また、図６を参照して説明した駆動において、タイミングＴ１のPDリセットを省略し、読み出し時のタイミングＴ３での電荷転送に伴うフォトダイオード１０１からの電荷排出をこれと兼用すれば、次の露光期間はその直後から開始されることになる。
〈光量測定用の画素の駆動例３〉
また、図７を参照して説明した駆動において、タイミングＴ１１における転送トランジスタ１０３へのパルス印加、つまり転送トランジスタ１０３のオン、オフ制御を省略し、検出ノード１０４のみをリセットしてもよい。これにより、画素４１に入射した光子が検知されない不感期間はほぼゼロになる。
このような場合、画素４１の駆動は図８に示すようになる。なお、図８において図７における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。また、図８において、折れ線DP31は転送トランジスタ１０３のオンまたはオフの状態を示している。
図８に示す例では、タイミングＴ１１において転送トランジスタ１０３は駆動されずにオフ状態のままとされ、リセットトランジスタ１０５のみがオン状態とされた後、オフ状態とされてFDリセットが行われる。これにより、フォトダイオード１０１や蓄積ノード１０２に蓄積されている電荷は保持されたまま検出ノード１０４のみがリセットされる。
そして、タイミングＴ１２において選択トランジスタ１０７がオン状態に制御された後、リセット信号のサンプリングが行われ、その後、選択トランジスタ１０７がオフ状態に制御される。
さらにタイミングＴ１３において、転送トランジスタ１０３がオン状態に制御され、フォトダイオード１０１および蓄積ノード１０２から検出ノード１０４への電荷の転送が開始される。そして、その後、転送トランジスタ１０３がオフ状態に制御されると露光期間は終了する。
このとき、フォトダイオード１０１および蓄積ノード１０２から検出ノード１０４への電荷の転送が、同時にPDリセットとなり、フォトダイオード１０１での次の電荷蓄積が開始される。つまり、転送トランジスタ１０３がオフ状態とされて露光期間が終了すると同時に、次の露光期間が開始される。
したがって、図８に示す駆動では、画素４１による発光パルスの光量検出の不感期間はゼロとなる。また、フォトダイオード１０１での電荷の蓄積時間（露光期間）は、１単位検出期間の時間、つまり１フレーム分の時間と等しくなる。
さらに、その後のタイミングＴ１４以降の駆動は、図７に示した例と同様の駆動となる。
〈発光イベント検出専用の画素の構成例〉
次に、発光パルスの発光を検出するための画素４２のより詳細な構成について説明する。
発光パルスの発生、すなわち発光イベントを検出するための発光イベント検出専用の画素４２は、例えば図９に示すように構成される。
すなわち、画素４２は、フォトダイオード１４１、蓄積ノード１４２、転送トランジスタ１４３、検出ノード１４４、リセットトランジスタ１４５、増幅トランジスタ１４６、およびリセットトランジスタ１４７を有している。
この例では、製造工程の増加を極力抑えるため、画素４２の構造として画素４１に類似した構造が採用されている。
すなわち、画素４２に設けられた転送トランジスタ１４３、検出ノード１４４、増幅トランジスタ１４６、およびリセットトランジスタ１４５は、画素４１の転送トランジスタ１０３、検出ノード１０４、増幅トランジスタ１０６、およびリセットトランジスタ１０５と同じサイズかつ同じ構造となっている。また、フォトダイオード１４１は非増倍型のフォトダイオードとされる。
フォトダイオード１４１は、シンチレータ３１から入射した発光パルスの光子を受光して光電変換し、その結果得られた電荷（電子）を蓄積ノード１４２に蓄積する。
画素４２では、フォトダイオード１４１には、蓄積ノード１４２を介して転送トランジスタ１４３およびリセットトランジスタ１４７が接続されており、蓄積ノード１４２に蓄積された電荷が転送トランジスタ１４３により検出ノード１４４へと転送される。
検出ノード１４４は、例えば浮遊拡散層からなり、転送トランジスタ１４３から転送されてきた電荷を蓄積して、その蓄積した電荷の量に応じたアナログの電圧を生成する。
リセットトランジスタ１４５のドレインは電源１５１に接続され、ソースは検出ノード１４４に接続されている。また、リセットトランジスタ１４７のドレインは電源１５１に接続され、ソースは蓄積ノード１４２に接続されている。これらのリセットトランジスタ１４５およびリセットトランジスタ１４７は、例えば行駆動回路１１１により駆動される。
さらに、増幅トランジスタ１４６のゲートは検出ノード１４４に接続され、ドレインは電源１５１に接続され、ソースは垂直信号線１５３に接続される。画素４２では、増幅トランジスタ１４６は定電流回路１５２とソースフォロアを構成しており、検出ノード１４４の電荷（電圧）は、増幅トランジスタ１４６によって増幅され、電圧信号として垂直信号線１５３に出力される。
但し、画素４２は発光イベント検出専用であるため、放射線計数装置１１では画素４２の出力、すなわち垂直信号線１５３の常時モニタが必要である。
そのため、転送トランジスタ１４３は常時オン状態とされており、フォトダイオード１４１での光電変換により得られた電荷は、即座に検出ノード１４４に転送されて、画素４２の出力に反映される。
また、放射線計数装置１１では、複数の画素４２の垂直信号線１５３が短絡されており、これにより増幅トランジスタ１４６に起因する1/Fノイズや熱雑音が平均化されて低減されている。
さらに、発光イベントの検出期間中は、常時、垂直信号線１５３が比較器１５４に電気的に接続される。そして、画素４２から垂直信号線１５３に出力された信号と比較電位CVとが比較器１５４で比較されて、その比較結果が出力増幅器１５５を介してイベント信号として出力される。
また、比較器１５４は、例えば図１０に示すような構成とされる。
図１０に示す比較器１５４は、一般的な比較器の回路であり、入力端子１８１の電位は比較電位CVとなるようにされ、入力端子１８２には、垂直信号線１５３が接続されている。また、出力端子１８３は、出力増幅器１５５に接続されている。
このような比較器１５４では、駆動信号線１８４に接続されたPMOSのゲートをオンすることでオートゼロが実施され、オートゼロが実施されると比較器１５４の出力は、比較判定がなされる上下の基準値の中間電位となる。
〈受光面における画素のレイアウト例〉
また、画素４２に設けられたフォトダイオード１４１は、画素４１に設けられたフォトダイオード１０１の例えば２倍のサイズに拡大されている。そのため、画素４２のサイズも画素４１の２倍となり、例えば画素４２は画素４１に対して行方向に２倍のピッチで配置される。
これは、単一のパルス発光に対する画素あたりの平均信号量、つまり画素４２の出力信号の値を高めるためである。
発光イベント検出では、各画素４２の出力信号の平均値と、比較電位CVとが比較器１５４で比較され、その比較結果に基づいて発光イベント、つまり放射線の入射があったかが検出される。そのため、発光イベントが発生した場合には、各出力信号の値がなるべく大きくなるように、画素４２の受光部分の面積、つまりフォトダイオード１４１の受光面が、画素４１のフォトダイオード１０１の受光面よりも大きくなるようになされている。
このような場合、蓄積ノード１４２から検出ノード１４４へと転送しきれない電荷が発生し得るが、リセットによってそれらの電荷が完全に排出されるように、画素４２には別途、リセットトランジスタ１４７が設けられている。
ここで、図１１に光検出器３３の受光面上における画素４１と画素４２のレイアウト例を示す。なお、図１１において、図５または図９における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。また、図１１においては、図中、横方向が行方向、つまり図２におけるｘ方向を示しており、図中、縦方向が列方向、つまり図２におけるｙ方向を示している。
図１１の例では、画素４２は画素４１に対して、行方向に２倍のピッチで配置されており、画素４２のフォトダイオード１４１は、画素４１のフォトダイオード１０１の２倍強の大きさになっている。
それに伴って、画素４２においては、画素４１と同様なリセットトランジスタ１４５に加えて、フォトダイオード１４１に第二のリセットトランジスタ１４７が接続されている。これによってリセット時には、フォトダイオード１４１全体の電荷が確実に排出される。
〈発光イベント検出専用の画素の駆動例〉
続いて、放射線計数時における画素４２および比較器１５４の駆動、つまり画素４２および比較器１５４の動作について説明する。図１２は放射線計数時における画素４２および比較器１５４の駆動の一例を示すタイミングチャートである。
なお、図１２において、横方向は時間を示している。また、図１２において、折れ線DP41はリセットトランジスタ１４５およびリセットトランジスタ１４７のオンまたはオフの状態を示している。折れ線DP41では、上に突の状態がオン状態であることを示しており、下に突の状態がオフ状態であることを示している。
また、曲線DP42は垂直信号線１５３の電位を示しており、折れ線DP43は駆動信号線１８４の電位、すなわち駆動信号線１８４により比較器１５４に供給される駆動信号の電圧レベルを示している。さらに、折れ線DP44は比較電位CVを示しており、曲線DP45は比較器１５４から出力される比較結果を示す信号の電位（レベル）を示している。
図１２の例では、画素４２は画素４１とともに定期的にリセットされ、それらのリセットとリセットの間に蓄積された暗電流が排出される。すなわち、画素４２および比較器１５４の動作工程は、リセット動作（リセットシーケンス）と、発光パルス受光時のイベント信号の出力とからなる。
リセット動作では、タイミングＴ２１において、行駆動回路１１１は、画素４２に設けられたリセットトランジスタ１４５およびリセットトランジスタ１４７をオン状態に制御する。これにより、フォトダイオード１４１の電荷が残らず排出されるとともに、検出ノード１４４の電位が電源１５１の電圧にリセットされる。すなわちフォトダイオード１４１および検出ノード１４４のリセットが行われる。ここで、リセットのタイミングＴ２１は、例えば図６に示した画素４１のリセットのタイミングＴ１と同時刻とされる。
また、タイミングＴ２１の後、行駆動回路１１１は、リセットトランジスタ１４５およびリセットトランジスタ１４７をオフ状態に制御し、フォトダイオード１４１および検出ノード１４４のリセットを解除する。
検出ノード１４４は、リセットトランジスタ１４５がオフされると、そのゲートとのカップリングを受けて、電源１５１の供給電圧よりやや低下したレベルで安定し、それがほぼリニアに垂直信号線１５３に反映される。
一方、比較器１５４においては、タイミングＴ２１において、駆動信号線１８４を介してPMOSのゲートに供給される駆動信号がＬレベル（ローレベル）とされ、これによりPMOSのゲートがオンしてオートゼロ動作が行われる。
このオートゼロ動作によって、垂直信号線１５３の電位と、比較電位CVとがバランス状態となるように比較器１５４の入力端子１８１と入力端子１８２が短絡される。
すると、比較器１５４の出力端子１８３から出力増幅器１５５へと出力される、比較器１５４での比較結果を示す信号は、比較判定がなされる上下の基準値の中間電位となる。その後、駆動信号線１８４を介してPMOSのゲートに供給される駆動信号がＨレベルとされて、オートゼロ動作が完了する。
また、オートゼロ動作が完了した後、タイミングＴ２２において、比較電位CVに所定の負のオフセットが加えられ、画素４２と比較器１５４のリセットが完了する。
このとき、タイミングＴ２２で比較電位CVに負のオフセットを加えると、比較器１５４の出力、すなわち比較結果を示す信号はＨレベルで安定する。
なお、ここでのオフセット量は、光入射の有無を判定するための基準となるものであり、比較器や発光イベント検出専用の画素４２の特性ばらつきやノイズによる誤検出が頻発せず、かつ高い感度を得られるレベルに適切に設定されるべきものである。そのために特性ばらつきをキャンセルするキャリブレーション回路や、チップごとにレベルをプログラミングする機構を搭載してもよい。
その後、例えばタイミングＴ２３において、シンチレータ３１から画素４２に発光パルスの光子が入射すると、画素４２のフォトダイオード１４１ではシンチレータ３１から入射した光子の光電変換が行われる。フォトダイオード１４１における光電変換で得られた電荷は、直ちに蓄積ノード１４２および転送トランジスタ１４３を介して検出ノード１４４に転送される。
すると、検出ノード１４４の電位は、検出ノード１４４に転送された電荷の分だけ下降し、その下降分の電圧が増幅トランジスタ１４６によって増幅されて垂直信号線１５３へと出力されて、垂直信号線１５３のレベルが低下する。
そして、垂直信号線１５３と短絡された複数の画素４２から出力される信号の平均値が比較電位CVよりも小さくなると、つまり比較電位CVに加えられたオフセットを超えると、比較器１５４の出力である比較結果を示す信号がＨレベルからＬレベルへと反転する。
この比較結果は出力増幅器１５５により増幅され、イベント信号として出力される。すなわち、出力増幅器１５５からは、シンチレータ３１での発光パルスの発生に同期して、その発光パルスの発生を示すイベント信号が出力される。したがって、この例では、比較結果がＬレベルの信号であるときに出力増幅器１５５から出力されるイベント信号が、発光イベントが検出された旨のイベント信号となる。
〈発光イベント検出専用の画素の他の構成例１〉
なお、以上においては、光検出器３３の製造工程数の増加を抑えるため、発光イベント検出専用の画素４２の構造として、光量測定用の画素４１と類似した構造を採用する例について説明した。しかし、画素４２はパルス光に同期して明確な出力を発し、画素回路や周辺回路が発するランダムノイズに対して高いSN比を確保することが望ましい。
そのための有効な方法のひとつはフォトダイオード内部での高電界による電子増倍であり、APDのような増倍型のフォトダイオードの使用である。すなわち、画素４２を倍増型の画素とすることである。また、その際、増倍率が十分高ければ、画素４２内に増幅トランジスタを設けない構成とすることもできる。以下、そのような場合における画素４２の構成例を図１３および図１４に示す。なお、図１３および図１４において、図９における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図１３に示す例では、画素４２は、フォトダイオード１４１およびリセットトランジスタ１４７から構成され、フォトダイオード１４１はAPD等の増倍型のフォトダイオードとされる。
この例では、リセットトランジスタ１４７がオンされた後、さらにオフされて画素４２が暗状態へとリセットされる。すなわち、フォトダイオード１４１の電荷がリセットトランジスタ１４７を介して電源１５１に排出される。このとき、垂直信号線１５３は電源１５１に接続され、リセット後は浮遊状態に保たれる。
また、フォトダイオード１４１には、その不純物プロファイルや電源１５１の設定によって高電界が印加される。発光パルスの光子がフォトダイオード１４１に入射し、フォトダイオード１４１に増倍電流が流れると、垂直信号線１５３のレベル（電位）が低下する。
各画素４２の垂直信号線１５３が短絡されている場合、垂直信号線１５３に生じる信号は各画素４２の出力、すなわち各画素４２のフォトダイオード１４１で得られた電荷に応じた信号の総和となる。このようにして垂直信号線１５３で得られる信号と、適切に設定された閾値（比較電位CV）とを比較器１５４で比較すれば、発光パルスの入射に同期した発光イベント出力、つまりイベント信号を得ることができる。
なお、ガイガーモードで動作するAPDのようにフォトダイオードの増倍率が特に高い場合は、リセットトランジスタ１４７を高抵抗素子に替えてもよい。そのような場合、発光パルスで発砲した画素４２は一定の時間を経て自律的に暗状態にリセットされる。
〈発光イベント検出専用の画素の他の構成例２〉
また、図１４に示す画素４２の構成例では、画素４２はフォトダイオード１４１、リセットトランジスタ１４７、および容量素子２１１から構成され、フォトダイオード１４１はAPD等の増倍型のフォトダイオードとされる。
この例では、フォトダイオード１４１とリセットトランジスタ１４７との間にあるノード２１２に容量素子２１１が付加されており、垂直信号線１５３はフォトダイオード１４１のアノード側に接続されている。
この画素４２では、リセットトランジスタ１４７がオンされた後、さらにオフされて画素４２が暗状態へとリセットされ、これにより容量素子２１１が電源１５１のレベルにチャージされる。つまり、容量素子２１１に電荷が蓄積される。このとき垂直信号線１５３の電位は、例えばグランドレベル近辺に設定されており、フォトダイオード１４１には高電界が印加されてガイガーモードでの増倍動作となる。
フォトダイオード１４１に発光パルスの光子が入射してフォトダイオード１４１が導通すると、容量素子２１１にチャージされていた電荷が垂直信号線１５３に流れ込み、フォトダイオード１４１への光（光子）の入射量に関わらず画素４２ごとに一定の信号が出力される。すなわち、各フォトダイオード１４１への光子の入射の有無に応じて、その有無を示す１または０のバイナリの信号が各画素４２から垂直信号線１５３へと出力される。
各画素４２の垂直信号線１５３が短絡されている場合、垂直信号線１５３に生じる信号は、光入射で発砲した画素４２の数の総和に比例する。このようにして垂直信号線１５３で得られる信号と、適切に設定された閾値（比較電位CV）とを比較器１５４で比較すれば、発光パルスの入射に同期した発光イベント出力、つまりイベント信号を得ることができる。
なお、図１４に示した画素４２においても、リセットトランジスタ１４７を高抵抗素子に替えてもよい。そのような場合、発光パルスで発砲した画素４２は一定の時間を経て自律的に暗状態にリセットされる。
以上のような増倍型の画素４２は高電界を用いるので、各素子の電気的分離のために大面積を占有し、高い開口率を確保することが困難である。しかし、その一方で僅かな光子入射でも強い信号を画素４２の出力として得ることができる。
画素の開口率は通常、光量測定の精度に直結するが、画素４２のように発光イベント検出専用の画素４２であれば特に不都合は生じない。これは、開口率の高い非増幅型の画素４１により、別途、高精度に発光パルスの光量を得ることができるからである。
〈光検出器の構成例〉
次に、図１５を参照して、以上において説明した光検出器３３のより具体的な構成例について説明する。光検出器３３は、例えば図１５に示すように構成される。なお、図１５において、図５または図９における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
なお、この例においては、複数の画素４１および画素４２のうちの一部の画素にのみ符号が付されており、図１５中、横方向が行方向であり、縦方向が列方向である。つまり行方向に直交する方向が列方向である。
図１５に示す光検出器３３は、画素アレイ部２４１、検出回路１１５、検出回路２４２、スイッチ２４３、スイッチ２４４、参照電圧生成回路２４５、行駆動回路１１１、タイミング制御回路２４６、出力回路２４７、イベント検出回路２４８、および出力増幅器１５５を有しており、これらの回路は１つのチップに設けられている。
画素アレイ部２４１には、二次元格子状に複数の画素４１が設けられている。以下では、行方向に並ぶ画素を画素行とも称することとし、列方向に並ぶ画素を画素列とも称することとする。
この例では、検出回路１１５、検出回路２４２、スイッチ２４３、およびスイッチ２４４は、画素列ごとに設けられており、図を見やすくするため、一部の検出回路やスイッチにのみ符号が付されている。
画素アレイ部２４１では、１つの検出回路１１５には１つの画素列を構成する複数の画素４１が接続されており、同様に１つの検出回路２４２には１つの画素列を構成する複数の画素４１が接続されている。
また、図１５では、各画素行を識別するために画素行の図中、左側に、それらの画素行を示す数値「０」乃至「３」が記されており、以下では、各画素行を、例えば第０行といったように、適宜それらの数値を用いて記すこととする。
例えば、第０行の画素４１は垂直信号線１１４を介して検出回路１１５に接続され、第１行の画素４１は、垂直信号線１１４に対応する垂直信号線２５１を介して検出回路２４２に接続されている。
また、画素４１のそれぞれは、制御線２５２を介して行駆動回路１１１に接続されている。より詳細には、制御線２５２は、複数の制御線からなり、それらの制御線は、それぞれ図５に示した画素４１の転送トランジスタ１０３のゲート、リセットトランジスタ１０５のゲート、および選択トランジスタ１０７のゲートに接続されている。
さらに、画素アレイ部２４１には、複数の画素４２が行方向に並べられて設けられている。各画素４２は垂直信号線１５３を介して、図９に示した比較器１５４を含むイベント検出回路２４８に接続されている。
イベント検出回路２４８の出力は出力増幅器１５５によって低インピーダンス化され、イベント信号として出力される。また、画素４２のそれぞれは、制御線２５３を介して行駆動回路１１１に接続される。例えば画素４２が図９に示した構成とされる場合には、制御線２５３は、図９に示したリセットトランジスタ１４５のゲートおよびリセットトランジスタ１４７のゲートに接続されることになる。
行駆動回路１１１は、タイミング制御回路２４６の制御に従って画素４１のそれぞれを制御する。この行駆動回路１１１は、画素４１の全てを一括でPDリセットし、新たな露光蓄積を開始させる。この制御は、例えば図６を参照して説明したタイミングＴ１の制御に対応する。
さらに行駆動回路１１１は、読み出し時においては、列方向において２行を同時選択してそれらの行を構成する画素４１にアナログの電気信号を出力させる。この電気信号は、検出回路１１５および検出回路２４２により読み出されてデジタル信号に変換され、各画素４１の出力信号が生成される。
このとき選択される２つの画素行は、例えば列方向に隣接している、検出回路１１５に接続されている画素４１からなる画素行、および検出回路２４２に接続されている画素４１からなる画素行である。この制御は、例えば図６を参照して説明したタイミングＴ２からタイミングＴ４までの制御に対応する。
行駆動回路１１１は、選択した２行分の読出しが完了すると、次の２行を選択し、同様の制御を行う。このように２行ごとに読み出しを行っていくのは、各検出回路１１５および検出回路２４２が、列方向に並ぶ複数の画素４１で共有となっているためである。
さらに、行駆動回路１１１は、タイミング制御回路２４６の制御に従って画素４２のリセットを実施する。
画素４１からなる画素行全てについて読み出しが完了すると、１フレーム分、すなわちパルス検出の１単位（１単位検出期間）に相当する画像データが出力されることになる。
例えば画素アレイ部２４１に、100行×100列の画素４１が設けられ、２行の処理のそれぞれに１６マイクロ秒（μｓ）を要する場合、１フレームの読み出し出力には、５０回の処理を要し、全体として約０．８ミリ秒（ｍｓ）を要することになる。
このとき、例えば検出回路１１５は、タイミング制御回路２４６の制御に従って第０行の画素４１からの電気信号をデジタル信号に変換し、その結果得られたデジタル信号をスイッチ２４３を介して出力回路２４７に供給する。
一方、検出回路２４２は、タイミング制御回路２４６の制御に従って第１行の画素４１からの電気信号をデジタル信号に変換し、その結果得られたデジタル信号をスイッチ２４４を介して出力回路２４７に供給する。
より詳細には、検出回路１１５および検出回路２４２は、例えば図６を参照して説明したように画素４１から電気信号を読み出してAD変換し、その結果得られたデジタル信号から出力信号を生成し、その出力信号をスイッチ２４３やスイッチ２４４を介して出力回路２４７に供給する。
スイッチ２４３は、対応する検出回路１１５と出力回路２４７との間の経路を開閉するものである。画素列ごとに設けられた各スイッチ２４３は、画素列を順番に選択する列駆動回路（不図示）の制御に従って順番にオン、オフし、検出回路１１５から供給された出力信号を出力回路２４７に供給する。
スイッチ２４４は、対応する検出回路２４２と出力回路２４７との間の経路を開閉するものである。画素列ごとに設けられた各スイッチ２４４も、スイッチ２４３と同様に、列駆動回路の制御に従って順番にオン、オフし、検出回路２４２から供給された出力信号を出力回路２４７に供給する。
出力回路２４７は、画像処理装置などにデジタル信号を出力するものである。例えば出力回路２４７は、スイッチ２４４から供給された各画素４１の出力信号と、スイッチ２４３から供給された各画素４１の出力信号とから、１フレーム期間（単位検出期間）における全画素４１の出力信号の値の総和を発光パルスの光量を示す出力総合値として算出し、信号線４３を介してデータ処理部２２に供給する。この出力総合値は、シンチレータ３１から画素アレイ部２４１へと入射した発光パルスの光量を示す値である。
タイミング制御回路２４６は、行駆動回路１１１、参照電圧生成回路２４５、検出回路１１５、検出回路２４２、およびイベント検出回路２４８の動作タイミングを制御する。
タイミング制御回路２４６は、例えば画素行の走査タイミングを示すタイミング制御信号を生成して行駆動回路１１１に供給する。また、タイミング制御回路２４６は、参照電圧の供給動作を制御するDAC(Digital to Analog)制御信号を生成して参照電圧生成回路２４５に供給する。
さらに、タイミング制御回路２４６は、検出回路１１５および検出回路２４２の動作を制御する検出制御信号を検出回路１１５および検出回路２４２に供給する。その他、タイミング制御回路２４６は、イベント検出回路２４８のリセットを所定の手順で実施する。
参照電圧生成回路２４５は、DAC制御信号に従って、AD変換に用いる参照電圧Vrefを生成して検出回路１１５および検出回路２４２のそれぞれに供給する。さらに参照電圧生成回路２４５は第二のDAC制御信号に従って比較電位CVをイベント検出回路２４８に供給する。
例えば図１５に示す例では、各単位検出期間においては、PDリセットが行われた後、画素４１の露光が開始される。また、イベント検出回路２４８により常時画素４２の出力が監視（モニタ）され、画素４２の出力に応じて垂直信号線１５３から、イベント検出回路２４８内の比較器１５４に入力される信号と、比較電位CVとが比較される。
そして、比較器１５４からの比較結果が出力増幅器１５５により増幅されてイベント信号とされ、そのイベント信号が信号線４３を介してデータ処理部２２に供給される。
データ処理部２２は、出力増幅器１５５からのイベント信号に基づいて発光イベントを検出し、発光イベントが検出されると、データオブジェクトを生成して保持する。
すなわち、データ処理部２２は、発光イベントが検出されると、その発光イベントの発生時刻を示すタイムスタンプを生成してデータオブジェクトに格納するとともに、光検出器３３、より詳細には光検出器３３のタイミング制御回路２４６等に信号の読み出しを指示する。
すると、光検出器３３の各部は読み出し動作を行う。このとき、出力回路２４７は、スイッチ２４４から供給された出力信号と、スイッチ２４３から供給された出力信号とから、１単位検出期間における出力総合値を算出し、データ処理部２２に供給する。データ処理部２２は、このようにして出力回路２４７から供給された出力総合値をデータオブジェクトに格納する。
なお、ここでは出力回路２４７が各画素４１の出力信号から出力総合値を算出すると説明したが、データ処理部２２が出力総合値を算出するようにしてもよい。そのような場合、出力回路２４７は、各画素４１の出力信号をデータ処理部２２に供給する。
また、図１５に示した光検出器３３の構成例では、複数の画素４１が検出回路１１５や検出回路２４２に接続されて、それらの検出回路が複数の画素４１で共有されていた。しかし、画素４１のサイズが大型化し、さらに光検出器３３が後述するような積層構成とされる場合、１つの画素４１の直下に検出回路をそれぞれ配置して画素４１と検出回路を一対一で対応させることも可能である。この場合、例えば１フレームは１６μ秒とされ、全画素４１一括に読み出しが行われる。
以上のように、本技術を適用した放射線計数装置１１によれば、放射線計数を正確に行うことができるとともに、小型軽量で環境変動に強く、低電圧および低消費電力で安定して駆動することのできる放射線計数装置を得ることができる。さらに、放射線計数装置１１では、光検出器３３に光量測定用の画素４１とは別に発光イベント検出専用の画素４２を設けたので、放射線検出時に十分な時間分解能を確保することもできる。したがって、放射線計数装置１１を、例えば同時計数を行うPET等の核医学診断装置にも適用することができる。
〈第２の実施の形態〉
〈放射線計数装置の構成例〉
また、第１の実施の形態では、光検出器３３に１つのシンチレータ３１を対応させており、シンチレーション光は光検出器３３の開口部全面に拡散されていた。一方、同様の光検出器にシンチレータアレイを対応させることで、検出面（受光面）で空間分解能を確保することも可能である。
そのような場合、放射線計数装置は、例えば図１６に示すように構成される。なお、図１６において図１における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図１６に示す放射線計数装置２８１は、受光部２９１およびデータ処理部２２を有している。また、受光部２９１は光検出器３０１およびシンチレータアレイ３０２から構成されている。
シンチレータアレイ３０２は、図示せぬ隔壁により互いに光学的に分離された４つのシンチレータ部３１１−１乃至シンチレータ部３１１−４からなり、各シンチレータ部は、図１に示したシンチレータ３１に対応する。なお、以下、シンチレータ部３１１−１乃至シンチレータ部３１１−４を特に区別する必要のない場合、単にシンチレータ部３１１とも称する。
光検出器３０１は、図１の光検出器３３に対応し、光検出器３０１の開口部、すなわち受光面は、分割された各シンチレータ部３１１に対応して４つの領域Ｃ１１−１乃至領域Ｃ１１−４に分かれている。なお、以下、領域Ｃ１１−１乃至領域Ｃ１１−４を特に区別する必要のない場合、単に領域Ｃ１１とも称することとする。
各領域Ｃ１１には、画素４１および画素４２が設けられており、各シンチレータ部３１１で発生した発光パルスの光量測定は、シンチレータ部３１１に対応する領域Ｃ１１内の画素４１が用いられて行われる。すなわち、この例では領域Ｃ１１ごとに光量測定が行われる。
また、各領域Ｃ１１に画素４２が設けられており、発光パルスの発生タイミングの検出、すなわち発光イベントの検出も領域Ｃ１１ごとに行われる。
領域Ｃ１１−１乃至領域Ｃ１１−４の何れかで発光イベントが発生すると、その発光イベントの発生区域である領域Ｃ１１内の画素４１に対して、選択的に読み出し動作が実施されて発光パルスの光量を示す出力総合値が算出される。そして、その出力総合値とタイムスタンプとからなるデータオブジェクトが記録される。
なお、この例では画素４１や画素４２のリセットについては、全領域Ｃ１１の画素４１や画素４２で一括してリセットが実施されるようにしてもよい。
また、光検出器３０１では、受光面に設けられた領域Ｃ１１−１乃至領域Ｃ１１−４は、遮光部３１２によって分離されており、これにより非対応のシンチレータ部３１１からの光の漏れ込みが防止されている。
このような構成とすることで、例えばシンチレータ部３１１−１に入射したガンマ線により生じた発光パルスの光子は、対応する領域Ｃ１１−１内の画素アレイ部にしか到達しない。これにより、１つの光検出器３０１に空間分解能をもたせることが可能となり、さらに光検出器３０１とシンチレータアレイ３０２をタイリングすることで、空間分解能を向上させたガンマカメラやPETを構成することができる。
なお、ここでは遮光部３１２により光検出器３０１の受光面を各領域Ｃ１１に分割する例について説明したが、遮光部３１２は必ずしも設けられていなくてもよい。
〈第３の実施の形態〉
〈光検出器の構成例〉
また、図１に示した光検出器３３や図１６に示した光検出器３０１は、積層構成とされるようにしてもよい。例えば光検出器３３が積層構成とされる場合、光検出器３３は図１７に示すように構成される。なお、図１７において図１５における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図１７に示す光検出器３３は、上側基板３４１および下側基板３４２を積層して得られた１つのチップにより構成されている。
上側基板３４１には、画素アレイ部２４１が設けられており、画素アレイ部２４１内には、図１５を参照して説明したように、画素４１および画素４２が並べられて配置されている。
また、下側基板３４２には、検出回路１１５、検出回路２４２、イベント検出回路２４８、行駆動回路１１１、参照電圧生成回路２４５、タイミング制御回路２４６、および出力回路２４７などが設けられている。なお、ここでは一部の検出回路１１５および検出回路２４２のみに符号が付されているが、下側基板３４２には、複数の検出回路１１５および検出回路２４２が設けられている。
例えば上側基板３４１と下側基板３４２とは、シリコンウエハの張り合わせ等のシリコン積層技術により積層されている。
この例では、画素アレイ部２４１の画素４１や画素４２に対して図中、上側にシンチレータ３１が位置しており、それらの画素４１や画素４２には図中、上側から発光パルスの光子が入射する。このように画素アレイ部２４１における光の入射側とは反対側に各回路が設けられた下側基板３４２を積層することで、受光面、すなわち画素アレイ部２４１の各画素の開口率を向上させることができる。
その結果、光検出器３３に対して、放射線感度を上げるために大型のシンチレータ３１を接続しても、シンチレータ３１で発生した発光パルスの多くを受光することができる。
特に、図１６に示した例のようにタイリングを行う場合、つまり受光面をいくつかの領域に分割し、各領域で独立して放射線計数を行う場合には、発光パルスの収率を向上させることができる。図１７に示した使用例においても、画素４１や画素４２からなる開口部以外のフリンジ部を最小化することは、図１６の遮光部３１２に対応する遮光部の幅を狭めつつ均一な開口でのタイリングを可能にする。
このような大型の半導体画素の量子効率は100％に近いので、多くの用途においてエネルギ分解能は光電子倍増管に匹敵するものになる。また、半導体光検出器は市販のCMOSイメージセンサと同じ製造ラインで、同様の製造プロセスにより量産することができる。
このようにして製造した光検出器３３を有する放射線計数装置１１は小型軽量となり、環境変動にも強く、特性も安定しておりメンテナンスも容易である。また、光検出器３３の出力はデジタル信号であるため、後段の回路もデジタル信号の処理のみでよく、周囲からの雑音の影響も受けにくいだけでなく、多数の受光部から出力されたデータを容易に処理することができる。
以上のように画素４１や画素４２と、検出回路１１５や検出回路２４２等の回路とを異なる基板に設けて積層することで、光検出器３３の受光面における画素アレイ部２４１の面積の割合（開口率）をより高くすることができ、エネルギ分解能を向上させることができる。
〈第４の実施の形態〉
〈フローサイトメトリへの適用例について〉
ところで、本技術を適用した光検出器３３は、放射線計数以外にも用いることが可能である。例えば、光検出器３３による放射線計数以外での微弱な蛍光パルス等の取得例としては、フローサイトメトリが挙げられる。
以下、図１８を参照して、本技術をフローサイトメトリに適用した例について説明する。なお、図１８において図１における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図１８に示す例では、サンプルチューブ３７１から流される細胞等の検体３７２はサンプル流３７３の中で一列に並び、そこに光源３７４から発せられたレーザ光が照射される。レーザー光の照射スポット３７５内を検体３７２が通過すると、散乱光や蛍光マーカ等から励起された蛍光が発生する。
すると、光量の大きい前方散乱光はフォトダイオード３７６によって受光され、検体３７２の大きさが検出される。
一方、側方散乱光または検体３７２に付着した蛍光マーカが発する蛍光は、微弱なパルス光となってパルス光検出器として機能する光検出器３３により検知される。蛍光や側方散乱光によって検体３７２の種類や内部構造についての情報が取得される。
ここで、微弱パルス検出の様子を図１９に示す。なお、図１９において図中、横方向は時間方向を示している。また、矢印W11に示す曲線は、各時刻における検体３７２から光検出器３３へと入射する光、すなわち側方散乱光または蛍光の強度を示している。さらに、矢印W12に示す曲線は、各時刻における検体３７２から光検出器３３の１つの画素４２へと入射する光、すなわち側方散乱光または蛍光の強度を示している。
側方散乱光または蛍光の強度は、レーザ光の照射スポット３７５における検体３７２の通過に伴って、矢印W11に示す曲線のうちの矢印W13に示す部分のようなパルス形状となる。矢印W11に示す曲線の各パルス部分が、１個の検体３７２の照射スポット３７５の通過に対応する。
光検出器３３に含まれる発光イベント検出専用の画素４２は、矢印W13に示す部分の側方散乱光または蛍光のなかで画素４２に入射したパルス光W14の積分信号から、タイミングＴ３１において、検体３７２の通過タイミングにほぼ同期したイベント信号EV11を出力する。
ここで、光検出器３３における光量測定用の画素４１の露光の完了と出力の読み出しは、検体３７２の照射スポット３７５の通過に伴うイベント信号に同期して実施される。
具体的には、光検出器３３は、図８を参照して説明した駆動、すなわち側方散乱光または蛍光の不感期間が殆どないグローバルシャッタ駆動を行う。
このとき、検体通過のイベント信号EV11に同期して画素４１内での電荷転送が行われ、露光期間が終了して読み出しが開始される。さらに次の露光期間が全画素４１で一斉に開始される。
すなわち、光検出器３３は、イベント信号EV11が取得された後、検体３７２の流速と大きさを考慮した一定のディレイを経たタイミングＴ３２において、光量測定用の各画素４１における露光（蓄積）を完了するとともに、画素４１からの蓄積信号の読み出しを開始する。
ここで、タイミングＴ３２は図８におけるタイミングＴ１３に対応する。イベント信号EV11が取得されてから、つまり発光イベントが検出されてから、一定時間後に露光期間を終了させることで、検体３７２から発せられた光、つまり矢印W13に示す部分の光を全て画素４１で受光することが可能となる。
また、光検出器３３は、蓄積信号の読み出しを開始すると同時に、画素４１の次の露光（蓄積）を開始する。なお、リセット信号の読み出し（サンプリング）は、直前の蓄積信号の読み出し終了時から、露光期間の終了前の間に行っておけばよい。
各読み出しシーケンスにおける画素４１の出力の合計値、すなわち画素４１の出力信号の総和である出力総合値は、側方散乱光または蛍光であるパルス光ごとに光検出器３３が受光した光子の総量に相当する。これにより検体３７２ごとの側方散乱光や蛍光の強度が導出される。
なお、フローサイトメータのように間隔はゆらぎながらもほぼ間断なく検体が流動し、光パルスが100μ秒以下の間隔で発生し続ける場合には、図４で示した定期的リセットは殆ど発生する余地がない。したがって、検出のシーケンスから画素の定期的なリセットを省略するようにしてもよい。
以上のように本技術をフローサイトメトリにおける蛍光検出等に用いる場合においても、装置を小型化することができ、かつ環境変動に強い安定した操作を実現することができる。また、発光イベント検出について十分な時間分解能を確保することができる。
〈第５の実施の形態〉
〈光検出器の構成例〉
ところで、発光イベント検出に用いる画素の配置方法には様々なバリエーションがあり、例えば上述した画素４１などの光量測定用の画素からなる画素アレイとは分離して、その周辺に独立に、画素４２のような発光イベント検出用の画素を配置してもよい。
また、通常は光量測定用に使用する画素をスイッチ機構によってイベント検出用画素に切り替えて使ってもよい。そのような場合、光検出器３３は、例えば図２０に示すように構成される。なお、図２０において図１５における場合と対応する部分には同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
図２０に示す光検出器３３では、画素アレイ部２４１には、複数の画素４１が行方向および列方向にアレイとして並べられており、列方向に並ぶ複数の画素４１が１つの垂直信号線１１４に接続されている。なお、これらの画素４１は、例えば図５に示した回路構成とされる。
垂直信号線１１４には、スイッチ４０１の入力端子が接続されており、スイッチ４０１は、必要に応じてその出力先を検出回路１１５とイベント検出回路２４８の何れか一方に切り替える。すなわち、スイッチ４０１の入力端子は垂直信号線１１４に接続されており、スイッチ４０１の一方の出力端子には検出回路１１５が接続されており、スイッチ４０１の他方の出力端子にはイベント検出回路２４８が接続されている。
例えば発光イベントのモニタの必要がない場合、つまり発光イベントの検出を行う必要のない場合、スイッチ４０１は検出回路１１５側の出力端子に接続されたまま固定され、各画素４１の出力は、垂直信号線１１４およびスイッチ４０１を介して検出回路１１５に供給される。そして、検出回路１１５によって画素行ごとに画素４１からの蓄積電荷の読み出しが定期的に実施される。
一方、光入射を検出してから読み出しを実施したい場合、すなわち、発光イベントのモニタを行う場合には、以下のようなスイッチ４０１の切り替え動作が実施される。
この場合、例えば画素４１からなる１つの画素行４０２によって発光イベントの検出が行われる。すなわち、画素行４０２を構成する画素４１が発光イベント検出用の画素として機能する。
まず、各画素４１のフォトダイオード１０１が一斉にリセットされ、発光パルスの入射の有無がモニタされている間、特定の画素行４０２を構成する全画素４１が、発光イベント検出用に用いる画素として常時選択される。つまり、画素行４０２の各画素４１の転送トランジスタ１０３および選択トランジスタ１０７が、行駆動回路１１１によりオン状態に制御される。
また、これと同時にスイッチ４０１はイベント検出回路２４８側の出力端子に接続され、画素行４０２の各画素４１の出力は、垂直信号線１１４およびスイッチ４０１を介してイベントモニタ用コンパレータ、すなわちイベント検出回路２４８に供給される。そして、それらの画素４１の出力がイベント検出回路２４８によって継続的にモニタされる。
イベント検出回路２４８によって、発光イベントが検出されると、光検出器３３は、スイッチ４０１を制御して、スイッチ４０１を検出回路１１５側の出力端子に接続し、各画素４１の出力が垂直信号線１１４およびスイッチ４０１を介して検出回路１１５に供給されるようにする。
そして、行駆動回路１１１は、発光イベントの検出に使用した画素行４０２を除く他の全ての画素行を順次選択し、それらの選択状態とされた画素行の画素４１からの出力が検出回路１１５に供給されるようにする。
検出回路１１５は、各画素４１から読み出された信号をAD変換し、その結果得られた、画素４１に入射した光子の光量を示すデジタルの出力信号を、図示せぬ出力回路２４７に供給する。さらに、出力回路２４７は、検出回路１１５から供給された各画素４１の出力信号に基づいて発光パルスの光量を示す出力総合値を算出する。
このような図２０に示す光検出器３３の構成の利点は、同一のチップを用途によって通常の撮像にも、発光イベント検出にも使用できることである。
さらに、スイッチ４０１と行駆動回路１１１の選択によって、所望の場所の画素４１を発光イベント検出用画素として使用できる利点もある。これによって暗電流が非常に大きい不良画素を避けて発光イベントの検出を実施することもできるので、不良画素に伴う発光イベントの誤検出を低減できる利点もある。
なお、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
さらに、本技術は、以下の構成とすることも可能である。
（１）
入射した光を光電変換する第１の光電変換部と、
前記光電変換により得られた電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散部と、
前記第１の光電変換部から前記浮遊拡散部へと前記電荷を転送する転送部と
を有し、間欠的に前記電圧に応じた信号の読み出しが行われる複数の第１の画素と、
継続的に出力が監視される、光の入射を検出する第２の画素と
を有する画素アレイ部を備える
撮像素子。
（２）
前記第２の画素の前記出力に基づいて、前記第２の画素への光の入射と同期した信号を出力するイベント検出部をさらに備える
（１）に記載の撮像素子。
（３）
前記イベント検出部からの信号の出力に応じて、前記第１の画素からの信号の読み出しを制御する駆動部をさらに備える
（２）に記載の撮像素子。
（４）
前記駆動部は、前記イベント検出部からの信号の出力に応じて前記転送部を制御して、前記光電変換により得られた前記電荷を前記浮遊拡散部に転送させ、前記第１の画素からの信号の読み出しを制御する
（３）に記載の撮像素子。
（５）
前記第１の画素から読み出された信号に基づいて、前記第１の画素へと入射した光の光量を示すデジタル信号を生成する検出部をさらに備える
（１）乃至（４）の何れか一項に記載の撮像素子。
（６）
複数の前記第１の画素ごとに得られた前記デジタル信号に基づいて、前記画素アレイ部に入射した光の光量を算出する出力部をさらに備える
（５）に記載の撮像素子。
（７）
前記第１の画素は、
前記浮遊拡散部により生成された前記電圧に応じた信号を出力する第１の増幅部と、
制御に応じて導通状態または非導通状態となり、前記導通状態となったときに前記第１の増幅部から出力された信号を前記検出部に出力する選択部と
をさらに有する（５）または（６）に記載の撮像素子。
（８）
前記第２の画素は、
入射した光を光電変換する第２の光電変換部と、
前記第２の光電変換部による前記光電変換により得られた電荷に応じた信号を出力する第２の増幅部と
を有する（１）乃至（７）の何れか一項に記載の撮像素子。
（９）
前記第１の画素は非倍増型の画素であり、前記第２の画素は倍増型の画素である
（１）乃至（７）の何れか一項に記載の撮像素子。
（１０）
前記第２の画素の受光面は、前記第１の画素の受光面よりも大きい
（１）乃至（９）の何れか一項に記載の撮像素子。
（１１）
入射した光を光電変換する光電変換部と、
前記光電変換により得られた電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散部と、
前記光電変換部から前記浮遊拡散部へと前記電荷を転送する転送部と
を有する複数の第１の画素と、
光の入射を検出する第２の画素と
を有する画素アレイ部を備える撮像素子の駆動方法であって、
継続的に前記第２の画素の出力を監視して、前記第２の画素の前記出力に基づいて前記第２の画素への光の入射を検出し、
前記第１の画素を定期的にリセットするとともに、前記第２の画素への光の入射の検出に応じて、前記第１の画素からの前記電圧に応じた信号の読み出しを制御する
ステップを含む駆動方法。
（１２）
入射した光を光電変換する光電変換部と、
前記光電変換により得られた電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散部と、
前記光電変換部から前記浮遊拡散部へと前記電荷を転送する転送部と
を有し、間欠的に前記電圧に応じた信号の読み出しが行われる複数の第１の画素と、
継続的に出力が監視される、光の入射を検出する第２の画素と
を有する画素アレイ部を備える
電子機器。
１１ 放射線計数装置， ２１ 受光部， ２２ データ処理部， ３１ シンチレータ， ３３ 光検出器， ４１ 画素， ４２ 画素， １０１ フォトダイオード， １０３ 転送トランジスタ， １０４ 検出ノード， １０６ 増幅トランジスタ， １１１ 行駆動回路， １１５ 検出回路， １４１ フォトダイオード， １４６ 増幅トランジスタ， １５４ 比較器

Claims (11)

  1. 入射した光を光電変換する第１の光電変換部と、
    前記光電変換により得られた電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散部と、
    前記第１の光電変換部から前記浮遊拡散部へと前記電荷を転送する転送部と
    を有し、間欠的に前記電圧に応じた信号の読み出しが行われる複数の第１の画素と、
    継続的に出力が監視される、光の入射を検出する複数の第２の画素と
    を有する画素アレイ部と、
    複数の前記第２の画素の前記出力の総和または平均値に基づいて、前記第２の画素への光の入射と同期した信号を出力するイベント検出部と
    を備える撮像素子。
  2. 前記イベント検出部からの信号の出力に応じて、前記第１の画素からの信号の読み出しを制御する駆動部をさらに備える
    請求項１に記載の撮像素子。
  3. 前記駆動部は、前記イベント検出部からの信号の出力に応じて前記転送部を制御して、前記光電変換により得られた前記電荷を前記浮遊拡散部に転送させ、前記第１の画素からの信号の読み出しを制御する
    請求項２に記載の撮像素子。
  4. 前記第１の画素から読み出された信号に基づいて、前記第１の画素へと入射した光の光量を示すデジタル信号を生成する検出部をさらに備える
    請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の撮像素子。
  5. 複数の前記第１の画素ごとに得られた前記デジタル信号に基づいて、前記画素アレイ部に入射した光の光量を算出する出力部をさらに備える
    請求項４に記載の撮像素子。
  6. 前記第１の画素は、
    前記浮遊拡散部により生成された前記電圧に応じた信号を出力する第１の増幅部と、
    制御に応じて導通状態または非導通状態となり、前記導通状態となったときに前記第１の増幅部から出力された信号を前記検出部に出力する選択部と
    をさらに有する請求項４または請求項５に記載の撮像素子。
  7. 前記第２の画素は、
    入射した光を光電変換する第２の光電変換部と、
    前記第２の光電変換部による前記光電変換により得られた電荷に応じた信号を出力する第２の増幅部と
    を有する請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の撮像素子。
  8. 前記第１の画素は非倍増型の画素であり、前記第２の画素は倍増型の画素である
    請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の撮像素子。
  9. 前記第２の画素の受光面は、前記第１の画素の受光面よりも大きい
    請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の撮像素子。
  10. 入射した光を光電変換する光電変換部と、
    前記光電変換により得られた電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散部と、
    前記光電変換部から前記浮遊拡散部へと前記電荷を転送する転送部と
    を有する複数の第１の画素と、
    光の入射を検出する複数の第２の画素と
    を有する画素アレイ部を備える撮像素子の駆動方法であって、
    継続的に複数の前記第２の画素の出力を監視して、複数の前記第２の画素の前記出力の総和または平均値に基づいて前記第２の画素への光の入射を検出し、
    前記第１の画素を定期的にリセットするとともに、前記第２の画素への光の入射の検出に応じて、前記第１の画素からの前記電圧に応じた信号の読み出しを制御する
    ステップを含む駆動方法。
  11. 入射した光を光電変換する光電変換部と、
    前記光電変換により得られた電荷の量に応じた電圧を生成する浮遊拡散部と、
    前記光電変換部から前記浮遊拡散部へと前記電荷を転送する転送部と
    を有し、間欠的に前記電圧に応じた信号の読み出しが行われる複数の第１の画素と、
    継続的に出力が監視される、光の入射を検出する複数の第２の画素と
    を有する画素アレイ部と、
    複数の前記第２の画素の前記出力の総和または平均値に基づいて、前記第２の画素への光の入射と同期した信号を出力するイベント検出部と
    を備える電子機器。
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