光探測器和計算斷層攝影裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種光探測器和計算斷層攝影裝置。根據(jù)實施例的光探測器包括：包括以陣列排列的多個第一單元的第一單元陣列和包括以陣列排列的多個第二單元的第二單元陣列的光探測器元件單元，第一和第二單元的每一個包括光電轉(zhuǎn)換元件，第二單元陣列被布置為鄰近第一單元陣列；分析從第一單元陣列輸出的電信號的脈沖高度的第一脈沖高度分析單元；分析從第二單元陣列輸出的電信號的脈沖高度的第二脈沖高度分析單元；以及使用第一脈沖高度分析單元的輸出信號和第二脈沖高度分析單元的輸出信號來確定進入第一和第二單元陣列的光子分布的非均勻性的信號處理單元。
【專利說明】光探測器和計算斷層攝影裝置
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請基于2013年6月12日在日本提交的日本專利申請N0.2013-123821并要求其的優(yōu)先權(quán)，其整體內(nèi)容通過引用而結(jié)合于此。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本文所述實施例大體涉及光探測器和計算斷層攝影(computed tomography)裝置。

【背景技術(shù)】
[0004]硅光電倍增器(SiPM)是包括二維排列的雪崩光電二極管(以下簡稱為“APD”)的光探測器元件，當(dāng)高于APD的擊穿電壓的反向偏置電壓被施加時，其操作于被稱為“蓋革(Geiger)模式”的模式中。在蓋革模式下工作的APD的增益非常高，I X 15到I X 16。因此，可以使用APD測量單個光子的非常微弱的發(fā)光。
[0005]被稱為“淬滅電阻(quenching resistor) ”的具有高阻值的電阻被串聯(lián)連接到SiPM的每個APD。當(dāng)單個光子進入APD以引起蓋革放電，該淬滅電阻引起電壓降來終止放大。因此，脈沖輸出信號可被獲得。SiPM的每個APD以這種方式運行。相應(yīng)地，如果蓋革放電發(fā)生于多個APD，輸出信號可被獲得，該輸出信號指示通過單個APD的輸出信號乘以其中發(fā)生蓋革放電的APD的數(shù)量所得到的電荷值或脈沖高度值。因此，其中發(fā)生蓋革放電的APD的數(shù)量，即進入SiPM的光子的數(shù)量，可通過這樣的輸出信號來確定。這實現(xiàn)對光子數(shù)量的計數(shù)。
[0006]如上描述，如果多個光子進入SiPM，只要單個光子進入APD陣列的每個APD，光子的數(shù)量即可被準(zhǔn)確計數(shù)，因為蓋革放電發(fā)生于每個Aro中。然而，對于其中發(fā)生蓋革放電的APD，需要一定時間來恢復(fù)到初始的反向偏置電位狀態(tài)。如果光子在該時間期間進入，足夠的反向偏置沒有施加到該APD。結(jié)果，該光子沒有被計數(shù)。因此，該恢復(fù)時間被稱為“死區(qū)時間”。如果大量的光子在死區(qū)時間中到達APD陣列，在光子的計數(shù)中會有丟失。相應(yīng)地，輸出信號顯示相對于光子數(shù)的非線性值。因此，光子計數(shù)的精度被大大降級。
[0007]進入SiPM的光子的空間分布和時間分布與這樣的降級的原因十分相關(guān)。例如，考慮其中具有相同能量的光線均勻地和非均勻地進入SiPM的情況。如果光線非均勻地進入，單個Aro在短時段內(nèi)接收光線的頻率增加。相應(yīng)地，在此情況下的輸出信號變得低于其中光線均勻地進入的情況。然而，SiPM的APD并聯(lián)連接，且沒有關(guān)于哪個APD在哪個定時下處于蓋革模式的信息。因此，這樣的輸出信號(其為含有數(shù)量比實際數(shù)量低的光子進入的信息的錯誤信號)，SiPM的能量分辨率被降低。
[0008]為了改善SiPM的特性，用于接收光子的APD陣列的數(shù)量被增加，或者在一些SiPM中的死區(qū)時間被縮短。不過，如果Aro陣列的數(shù)量增加，每個Aro的面積可能被減少。這可能降低光子檢測的效率和增益。死區(qū)時間的縮短與噪聲的增加或增益的減少相權(quán)衡。因此，這不能根本上解決問題。
[0009]附圖簡述
[0010]圖1是示出根據(jù)第一實施例的光探測器的框圖。
[0011]圖2是示出包含于第一實施例中的SiPM的第一示例的平面圖。
[0012]圖3是示出包括3X3的APD單元的APD單元陣列的平面圖，其為如圖2所示的SiPM的區(qū)域A的放大視圖。
[0013]圖4是沿B-B線截取的如圖3所示的SiPM的橫截面圖。
[0014]圖5是用于解釋根據(jù)第一實施例的SiPM的操作原理的蓋革模式APD單元的橫截面圖。
[0015]圖6是根據(jù)第一實施例的SiPM的等效電路圖，用于解釋該SiPM的操作原理。
[0016]圖7是根據(jù)比較例的SiPM的平面圖。
[0017]圖8是示出來自根據(jù)該比較例的SiPM的輸出的柱狀圖。
[0018]圖9是用于解釋根據(jù)第一實施例的光探測器的SiPM的平面圖。
[0019]圖10是用于解釋根據(jù)第一實施例的光探測器的配置的示圖。
[0020]圖11(a)到11(c)是示出來自根據(jù)第一實施例的光探測器的脈沖高度分析單元和信號處理單元的輸出的柱狀圖。
[0021]圖12是示出包含于第一實施例中的SiPM的第二示例的平面圖。
[0022]圖13是包含于第一實施例中的SiPM的第三示例的平面圖。
[0023]圖14是包含于第一實施例中的SiPM的第四示例的平面圖。
[0024]圖15是包含于第一實施例中的SiPM的第五示例的平面圖。
[0025]圖16是示出根據(jù)第一實施例的修改的光探測器的框圖。
[0026]圖17是根據(jù)第一實施例的信號處理電路的時序圖。
[0027]圖18是示出根據(jù)第二實施例的光探測器的框圖。
[0028]圖19是示出根據(jù)第二實施例的光探測器元件的橫截面圖。
[0029]圖20(a)和20 (b)是各自示出通過仿真獲得的閃爍深度和發(fā)生頻率之間的特征關(guān)系的不圖。
[0030]圖21是根據(jù)第二實施例的光探測器元件的透視圖。
[0031]圖22(a)到22(d)是各自示出在閃爍位置到達SiPM的閃爍光子的分布的示圖。
[0032]圖23是示出根據(jù)第三實施例的光探測器的框圖。
[0033]圖24是示出根據(jù)第三實施例的光探測器元件的橫截面圖。
[0034]圖25是在其中根據(jù)第三實施例的光探測器被應(yīng)用到計算斷層攝影裝置的情形的示意外部視圖。

【具體實施方式】
[0035]根據(jù)實施例的光探測器包括:包括其中多個第一單元被排列成陣列的第一單元陣列的光探測器元件單元，該第一單元的每一個包括檢測入射光子并將光子轉(zhuǎn)換為電信號的光電轉(zhuǎn)換元件，以及其中多個第二單元被排列成陣列的第二單元陣列，該第二單元的每一個包括檢測入射光子并將光子轉(zhuǎn)換為電信號的光電轉(zhuǎn)換元件，第二單元陣列被安排成鄰近第一單元陣列；分析從第一單元陣列輸出的電信號的脈沖高度的第一脈沖高度分析單元；分析從第二單元陣列輸出的電信號的脈沖高度的第二脈沖高度分析單元；以及利用第一脈沖高度分析單元的輸出信號和第二脈沖高度分析單元的輸出信號來確定進入第一單元陣列和第二單元陣列的光子的分布的非均勻性的信號處理單元。
[0036]現(xiàn)在將參照附圖來解釋實施例。
[0037](第一實施例)
[0038]圖1是示出根據(jù)第一實施例的光探測器3的結(jié)構(gòu)的框圖。光探測器3包括用于檢測要被計數(shù)并轉(zhuǎn)換為電信號的光子的光探測器元件1，以及用于處理由光探測器元件I光電地轉(zhuǎn)換的電信號的信號處理電路2。光探測器元件I包括充當(dāng)光電轉(zhuǎn)換設(shè)備的硅光電倍增器(SiPM) 10。信號處理電路2包括用于模-數(shù)轉(zhuǎn)換從SiPM 10輸出的模擬電信號的脈沖高度分析單元20和21，以及用于處理來自脈沖高度分析單元20和21的數(shù)字信號的信號處理單元22。信號處理電路2也包括涉及光探測器的驅(qū)動和特性的電路，如電壓電源電路以及溫度補償和控制電路，出于對第一實施例的描述的簡單起見而未示出。盡管脈沖高度分析單元20和21被描述為包含于信號處理電路2中，它們可與形成于半導(dǎo)體襯底上的SiPM10 一起形成在公共芯片上，作為片上電路。輸出信號4(其經(jīng)受由信號處理單元22執(zhí)行的模-數(shù)信號處理)通過例如USB電纜傳送到信息終端(諸如個人計算機)。
[0039]接下來，將描述根據(jù)第一實施例的光探測器3的特定結(jié)構(gòu)和操作。
[0040]圖2為根據(jù)第一實施例的SiPM 10的平面圖。該SiPM 10包括兩個陣列，第一 APD單元陣列101和第二 APD單元陣列102，其中執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換的APD單元5為二維排列。第一APD單元陣列101和第二 APD單元陣列102通過元件隔離區(qū)59與彼此電氣隔離。
[0041]在每個APD單元陣列101、102中，APD單元5彼此并聯(lián)。第一 APD單元陣列101連接到電極1la而第二 APD的單元陣列102連接到電極102a。
[0042]圖3為包括3X3APD單元的APD單元陣列的平面圖，其為圖2內(nèi)所示的區(qū)域A的放大視圖。圖4為示出如圖3內(nèi)所示的SiPM 10被線B-B切開的橫截面圖。每個APD單元5包括外延生長于n+型半導(dǎo)體襯底52上的P型外延層50。該p型外延層50由絕緣膜形成的元件隔離區(qū)57隔離。該P型外延層50為具有低雜質(zhì)濃度的P-層。通過植入受主雜質(zhì)到P型外延層50,形成P+層50a、50b。p型外延層50和p+層50a、50b組成雪崩層51。
[0043]為了獲得由雪崩層51產(chǎn)生的電荷，形成觸點55、淬滅電阻53、以及連接到P+層50a的信號布線54。觸點55、淬滅電阻53、以及信號布線54由層間絕緣膜58覆蓋。
[0044]金屬電極56通過濺射或電鍍形成于半導(dǎo)體襯底52的背面。如圖3中所示的平面布局僅為用于簡單解釋SiPM的示例，并不限于圖3。進一步地，盡管圖4示出其中P型外延層50形成于η+型半導(dǎo)體襯底52上且受主雜質(zhì)被植入于其中的垂直APD單元結(jié)構(gòu)，但是也可采用內(nèi)部雜質(zhì)濃度分布不同的另一種類型的垂直結(jié)構(gòu)，或橫向APD單元結(jié)構(gòu)。
[0045]接下來，將參照圖5和6描述SiPM 10的操作原理。圖5為蓋革模式APD單元5的橫截面圖，用于解釋SiPM 10的操作原理。如圖5內(nèi)所示的APD單元5的橫截面結(jié)構(gòu)和圖4中的一樣。此APD單元5具有其中P型外延層50形成于η+型半導(dǎo)體襯底52上且受主雜質(zhì)被植入其中的垂直結(jié)構(gòu)。因此，金屬電極56作為陰極電極，且當(dāng)反向偏置電壓被施加于該金屬電極56時,在雪崩層51中產(chǎn)生電場。如果該反向偏置電壓進一步增加，電場強度增加到在特定反向偏置電壓時引起雪崩擊穿以允許大電流流動。這樣的通過施加超過擊穿電壓的電壓以引起雪崩擊穿來激活的APD被稱為蓋革模式APD。
[0046]為了使得蓋革模式APD引起雪崩擊穿，在施加高電場的耗盡層區(qū)域中需要作為種子的電子或空穴。如果光子在此區(qū)域中被吸收以引起光電轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生電子-空穴對，則弓丨起雪崩擊穿以允許大電流持續(xù)流動。為了避免這樣，淬滅電阻53被串聯(lián)連接到陽極側(cè)，電荷是從其獲得的。因為淬滅電阻53串聯(lián)連接，在雪崩擊穿發(fā)生以允許大電流流動的同時電壓降發(fā)生。相應(yīng)地，陽極和陰極之間的電位下降到擊穿電壓來終結(jié)雪崩層51的倍增功能。因此，輸出信號成為脈沖信號。因為單個電子形成這樣的脈沖信號，可進行光子計數(shù)。
[0047]圖6是SiPM 10的等效電路圖。在該等效電路中，多個APD單元5 (每個連接到位于陽極側(cè)的淬滅電阻53)被并聯(lián)連接。如參照圖5已被描述的，每個APD單元5能夠檢測到單個光子。相應(yīng)地，并聯(lián)連接的APD單元5的每一個檢測光子，以及因此能被檢測到的光子的數(shù)量限值由SiPM 10中的APD單元5的數(shù)量來確定。
[0048]如上所述，光子計數(shù)可通過使用操作在蓋革模式的APD單元5來執(zhí)行。然而，它需要恢復(fù)時間來恢復(fù)電位(其已經(jīng)降低到擊穿電壓)到蓋革模式操作電位以再次啟用光子檢測，恢復(fù)時間基于由APD單元5的容量和淬滅電阻53確定的RC時間常數(shù)。如果光子在恢復(fù)時間期間進入AH)單元5，不能滿意地獲得倍增功能以產(chǎn)生輸出信號。由于這個原因，恢復(fù)時間也被稱為“死區(qū)時間”。相似地，如果光子在雪崩擊穿時間期間進入，輸出信號無變化。因此，依據(jù)SiPM 10的狀態(tài)，在計數(shù)中發(fā)生遺漏，這降低了光子計數(shù)的精度。這種情況的特定示例將作為比較示例進行描述。
[0049]圖7為根據(jù)比較示例的SiPM 1A的平面圖。該比較示例的SiPM 1A包括彼此并聯(lián)連接并進一步連接到APD單元陣列的電極1la的二維排列的APD單元5?？紤]SiPM 1A的三個光子接收區(qū)6a、6b、6c的情形，接收區(qū)各自有不同尺寸且位于不同部分，并且各自有相同數(shù)量的光子進入。光子接收區(qū)6a覆蓋SiPM 1A的整個面積，光子接收區(qū)6b覆蓋SiPM1A面積的四分之一，以及光子接收區(qū)6c位于SiPM 1A的中心部分。圖8示出來自SiPM1A的輸出信號的柱狀圖。圖8中所示的柱狀圖的橫軸表示其中發(fā)生蓋革放電(其被激發(fā))的APD單元5的數(shù)量，即，所檢測到的光子數(shù)量，而縱軸表示發(fā)生的頻率。如從圖8可以理解的，盡管進入SiPM 1A的每個區(qū)域的光子數(shù)量上的條件是相同的，輸出信號的柱狀圖顯示好像在每個區(qū)域內(nèi)的光子數(shù)量不同。這是由這樣的原因引起，即在每個光子接收區(qū)中的APD單元5的數(shù)量改變，以及由于增加的光子密度使得在死區(qū)時間期間接收到的光子的比例增加。
[0050]圖9為根據(jù)第一實施例的SiPM 10的平面圖，用于解釋光探測器3。根據(jù)如圖9內(nèi)所示的第一實施例的光探測器3的光子接收區(qū)6a、6b、6c位于與如圖7內(nèi)所示的比較示例中的光子接收區(qū)相同的位置。如圖10中所示，輸出自第一 APD單元陣列101和第二 APD單元陣列102的模擬電信號分別被輸入到信號處理電路2的脈沖高度分析單元20和脈沖高度分析單元21，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并隨后輸入到信號處理單元22。脈沖高度分析單元20、21各自具有用于整形輸入脈沖的波形的波形整形功能，用于模-數(shù)轉(zhuǎn)換經(jīng)整形脈沖的脈沖高度值的AD轉(zhuǎn)換功能，用于將信號的數(shù)量存儲在依據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換值分類的每個組中的存儲功能，以及用于分析脈沖高度的頻率分布的脈沖高度分析功能。圖11 (a) U 1(b)、和11 (c)分別示出脈沖高度分析單元20、脈沖高度分析單元21、以及信號處理單元22的輸出。如圖11 (a)、11(b)、和11(c)中所不柱狀圖的每一個的橫軸表不其中發(fā)生蓋革放電(其被激發(fā))的APD單元5的數(shù)量，S卩，所檢測到的光子數(shù)量，而縱軸表示發(fā)生的頻率。脈沖高度分析單元20、21的輸出為對應(yīng)于光子進入的AH)單元5的數(shù)量的值。因此，如圖7中所示的比較示例的SiPM 1A的情形中，所檢測到的光子數(shù)量在每個光子接收區(qū)6a、6b、6c中不同。進一步地，因為在第一 APD單元陣列101和第二 APD單元陣列102之間，相應(yīng)的APD單元5的數(shù)量不同，在光子接收區(qū)之間，所檢測到的光子數(shù)量不同。信號處理單元22計算脈沖高度分析單元20和脈沖高度分析單元21的信號之間的比值，且如果該比值處于預(yù)定的范圍內(nèi)(例如，SiPM10的第一 APD單元陣列101中的APD單元5的數(shù)量和第二 APD單元陣列102中的APD單元5的數(shù)量的比值的土百分之幾)，由脈沖高度分析單元101分析的信號被記錄，且如果該比值超過了預(yù)定的范圍，由脈沖高度分析單元101分析的信號不被記錄。因此，如圖11(C)所示，信號處理單元22僅在SiPMlO的光子接收區(qū)6a(光子均勻地入射到其上)的情況下輸出脈沖高度分析單元101的信號，但在光子接收區(qū)6b、6c (光子不均勻地入射到其上)的情況下不輸出信號。
[0051]在比較示例中，即使要計數(shù)的光子數(shù)量相同，SiPM 10的每個區(qū)域顯示不同的計數(shù)值。相比之下，根據(jù)第一實施例的光探測器3能夠確定光子入射區(qū)域的非均勻性，且如果光子以非均勻的方式入射則不輸出計數(shù)值，以便抑制變異，從而提高了光子計數(shù)精度。
[0052]第一實施例的光探測器3的結(jié)構(gòu)不限于圖10中所示。例如，SiPM 10的第二 APD單元陣列102可電氣上劃分為多個第二 APD單元陣列102A、102B，如圖12中所示。
[0053]進一步地，如圖13中所示，SiPM 10可由包括APD單元5的第一 APD單元陣列101以及包括具有與APD單元5不同的單元間距和孔徑比的第二 APD單元5a的第二 APD單元陣列102AU02B形成。在圖2和12中，元件隔離區(qū)59存在于第一 APD單元陣列101和第二 APD單元陣列102之間，其比APD單元5之間的元件隔離區(qū)57寬得多。
[0054]Aro單元5可以以矩陣形式排列于如圖14和15中所示的陣列中，如同比較示例的SiPM 1A中。在這種情況下，第一 APD單元陣列101和第二 APD單元陣列102可通過適當(dāng)?shù)貓D案化信號布線54而被定位于任意位置。
[0055](修改)
[0056]圖16示出根據(jù)第一實施例的修改的光探測器3A。該根據(jù)修改的光探測器3A包括如圖12中所示的SiPM 10和信號處理電路2A。信號處理電路2A可具有依賴于要處理的信號數(shù)量的配置。信號處理電路2A包括用于檢測入射光子的非均勻性的非均勻性檢測單元24、脈沖高度分析單元20、以及信號處理單元22。非均勻性檢測單元24包括用于輸出從兩個第二AH)單元陣列102輸出的脈沖之間差異的絕對值的差異輸出電路24a，以及用于當(dāng)該差異輸出電路24a的輸出信號超過預(yù)定閾值時輸出禁用信號的禁用信號輸出電路24b。脈沖高度分析單元20包括用于整形從第一 APD單元陣列101輸出的脈沖波形的波形整形單元20a，用于僅當(dāng)由非均勻性檢測單元24產(chǎn)生的禁用信號被檢測到時不通過波形整形單元20a的輸出的禁用信號檢測單元20b，用于檢測并保持通過禁用信號檢測單元20b的波形整形單元20a的輸出脈沖的峰值的峰值檢測和保持單元20c，以及用于模-數(shù)轉(zhuǎn)換峰值檢測和保持單元20c的輸出的AD轉(zhuǎn)換單元20d。
[0057]包括于信號處理電路2A、非均勻性檢測單元24、以及脈沖高度分析單元20的元件不限于以上所述。如果光子均勻地進入SiPM 10，兩個第二 Aro單元陣列102的輸出信號處于如圖17所示的相同水平，且差異輸出電路24a的輸出變得較低。
[0058]另一方面，如果光子非均勻地進入，兩個第二 Aro單元陣列102的輸出信號彼此不同，如圖17中所示，且差異輸出電路24a的輸出變得較高。如果差異輸出電路24a的輸出超過由禁用信號輸出電路24b所設(shè)置的閾值，則判定光子非均勻地進入，并且用于生成禁用信號的觸發(fā)脈沖被生成并從禁用信號輸出電路24b輸出。如果該禁用信號被輸入到禁用信號檢測單元20b，則脈沖高度分析單元20不輸出信號。相應(yīng)地，僅當(dāng)光子均勻地進入時，信號被輸入到信號處理單元22。因此，信號處理單元22的輸出，即，光子計數(shù)精度，被改進。在這個電路設(shè)置中，信號處理單元22的負(fù)載被降低。
[0059]信號處理單元22的處理可以調(diào)整，以不降低光子計數(shù)率。例如，在如圖10中所示的光探測器中，在由第一Aro單元陣列ιο?所檢測到的光子數(shù)量和由第二Aro單元陣列102所探測到的光子數(shù)量之間的比值將依據(jù)光子進入到哪里而改變。在這種情況下，通過使用包括預(yù)先存儲于信號處理單元22中的校正系數(shù)的校正表，基于第一 Aro單元陣列101的數(shù)字信號值、第一 APD單元陣列101的數(shù)字值和第二 APD單元陣列102的數(shù)字值之間的比值校正第一 APD單元陣列101的數(shù)字值。在這種方式下，從第一 APD單元陣列101輸出的所有信號可被計數(shù)，且光子計數(shù)率不會降低。
[0060]如上，第一實施例的光探測器不受SiPM 10中的APD單元5的安排和第二 APD單元陣列的輸出信號的數(shù)量的影響，且不受信號處理電路的配置或信號處理方法的限制。在任何情況下，第一實施例的光探測器檢測由SiPM 10檢測到的光子的分布，確定不輸出降低光子計數(shù)精度的信號，或校正該信號，例如，從而改善從最終輸出信號所獲得的光子計數(shù)精度。
[0061](第二實施例)
[0062]圖18為示出根據(jù)第二實施例的光探測器3的框圖。該根據(jù)第二實施例的光探測器3包括用于檢測要計數(shù)的光子并將其轉(zhuǎn)換為電信號的光探測器元件1A，以及用于處理由光探測器元件IA光電轉(zhuǎn)換的電信號的信號處理電路2。光探測器元件IA包括用于當(dāng)接收到輻射時發(fā)出熒光的閃爍器11，和用于檢測由閃爍器發(fā)出的熒光的SiPM 10。
[0063]信號處理電路2包括用于模-數(shù)轉(zhuǎn)換輸出自SiPM 10的模擬電信號的脈沖高度分析單元20、21，以及用于處理輸出自脈沖高度分析單元20、21的數(shù)字信號的信號處理單元22。由信號處理單元22模-數(shù)處理的輸出信號4通過例如USB電纜傳送到信息終端(諸如個人計算機)。
[0064]圖19為示出根據(jù)第二實施例的光探測器元件IA的橫截面圖。如在第一實施例的情況下，根據(jù)第二實施例的光探測器元件IA包括SiPM 10，其形成于半導(dǎo)體襯底52中且其中各自包括雪崩層51的APD單元被排列成陣列形式。SiPM 10具有與如圖4中所示的第一實施例的SiPM 10相同的配置。第二實施例的光探測器元件IA進一步包括位于SiPM 10之上的閃爍器11。閃爍器11和SiPM 10通過粘附層13彼此結(jié)合。閃爍器11中要結(jié)合到SiPMlO的表面以外的五個表面被反射器12所覆蓋。進一步地，如在第一實施例的情況下，金屬電極56被設(shè)置于半導(dǎo)體襯底52的背側(cè)。
[0065]圖20(a)和20 (b)各自示出通過仿真獲得的閃爍深度和發(fā)生頻率的特征。該仿真在閃爍材料(LGSO (Lu2_xGdxSi O5: Ce)，具有I Omm和2mm的厚度)上執(zhí)行，其中120keV的輻射能量入射。
[0066]圖21為根據(jù)第二實施例的光探測器元件的透視圖。圖22(a)、22(b)、22 (C)、和22(d)示出通過仿真獲得的當(dāng)閃爍發(fā)生于閃爍器11中的點B、C、D和E時在SiPM 10的光子分布的特征。閃爍器11中的位置B、C、D、和E與光子分布之間可以找到相關(guān)性。如果閃爍發(fā)生于靠近閃爍器的入射表面，光子均勻地分布且散布在SiPM 10的整個區(qū)域(圖22 (a)和22(b))。與此相反，如果閃爍發(fā)生于發(fā)射光子的閃爍器的表面附近，光子非均勻地(以集中的方式)分布(圖22(c)和22(d))。如可從圖20(a)和20(b)理解到的，閃爍頻率從輻射進入的表面指數(shù)衰減。因此，隨著閃爍器11的厚度增加，靠近光子發(fā)射表面的閃爍的發(fā)生可能性降低。從而，非均勻光子分布的發(fā)生可能性可通過增加閃爍器11的厚度來降低，但這會引起增加成本和使得閃爍器工藝?yán)щy的新問題。進一步地，依據(jù)計數(shù)的頻率和時序，非均勻分布的光子可以以高于期望計數(shù)率的計數(shù)率被計數(shù)。因此，增加厚度不能本質(zhì)上改進計數(shù)。
[0067]另一方面，在根據(jù)第二實施例的光探測器3A中，從第一 APD單元陣列101和第二APD單元陣列102輸出的模擬電信號被分別輸入到信號處理電路2的脈沖高度分析單元20和脈沖高度分析單元21，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸入到信號處理單元22。信號處理單元22獲得從脈沖高度分析單元20和脈沖高度分析單元21輸出的信號之間的比值，且如果該比值在預(yù)定范圍內(nèi)(例如，SiPM 10的第一 APD單元陣列101中的APD單元5的數(shù)量和第二 APD單元陣列102中的APD單元5的數(shù)量的比值的土百分之幾)，由脈沖高度分析單元101分析的信號被記錄，且如果該比值超過了該范圍，由脈沖高度分析單元101分析的信號不被記錄。因此，僅在其中光子均勻分布于SiPM 10的情況下從信號處理單元22輸出信號。因此，由閃爍器11的閃爍位置引起的非均勻地分布的光子不影響輸出信號。
[0068]傳統(tǒng)設(shè)備依據(jù)進入SiPM 10的光子的分布提供不同的光子計數(shù)值，其受到閃爍器內(nèi)閃爍發(fā)生位置的影響，即使要計數(shù)的光子數(shù)量是相同的。
[0069]如果使用第二實施例的光探測器，光子到達區(qū)域中的非均勻性被檢測到，且在這種情況下的光子計數(shù)值不被輸出以避免計數(shù)值的變異。以這種方式，光子計數(shù)精度可被改進。
[0070]根據(jù)第二實施例的光探測器的配置不限于如圖18中所示，例如，SiPMlO中的APD單元5的安排、來自第二 APD單元陣列的輸出信號的數(shù)量、信號處理電路2的配置、以及處理信號的方法可以按照如圖16中所示的那些。例如，由SiPM 10檢測到的光子的分布被獲得，且降級光子計數(shù)精度的輸出信號將不被輸出。進一步地，信號的校正可被執(zhí)行以改進從最終輸出信號獲得的光子計數(shù)精度。
[0071](第三實施例)
[0072]圖23為示出根據(jù)第三實施例的光探測器3B的框圖。光探測器3B包括用于生成要計數(shù)的光子的光生成單元61，用于檢測光子且將它們轉(zhuǎn)換為電信號的光探測器元件1B，用于處理由光探測器元件IB光電轉(zhuǎn)換的電信號的信號處理電路2，以及用于分析來自信號處理電路2的輸出信號并控制光生成單元61和光探測器的控制單元7。
[0073]如果從光生成單元61發(fā)出的光的波長在一輻射范圍內(nèi)，光探測器元件IB包括用于響應(yīng)于福射發(fā)射突光光束的閃爍器11的陣列，以及用于檢測從閃爍器發(fā)射的突光光束的SiPM 10，如圖24所示。如第二實施例中的情況，SiPM 10被排列成半導(dǎo)體襯底52上的陣列。每個SiPM 10具有與根據(jù)如圖4中所示的第一實施例的SiPM 10相同的配置。在第三實施例中，排列成陣列的閃爍器11位于排列成陣列的SiPM 10之上。閃爍器11和SiPMlO通過粘附層13彼此結(jié)合。閃爍器11中要結(jié)合到相應(yīng)SiPM 10的表面以外的五個表面被反射器12所覆蓋。如在第一實施例的情況下,金屬電極56被設(shè)置于半導(dǎo)體襯底52的背側(cè)。如果從光生成單元61發(fā)射的光為具有波長為300nm或以上的紫外光、可見光以及紅外光的任何一種，光探測器元件IB可僅由SiPMs 10形成。
[0074]在根據(jù)第三實施例的光探測器3B中，控制單元7通過控制器71控制光生成單元61的光能量和發(fā)射時序，并且還控制信號處理電路2以與光探測器元件IB的輸出同步。從每個SiPM 10的第一 APD單元陣列101和第二 APD單元陣列102輸出的模擬電信號被分別輸入到信號處理電路2的脈沖高度分析單元20和脈沖高度分析單元21，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸入到信號處理單元22。信號處理單元22獲得從脈沖高度分析單元20和脈沖高度分析單元21發(fā)送的信號之間的比值，且如果該比值在預(yù)定范圍內(nèi)(例如，SiPM 10的第一 APD單元陣列101中的APD單元5的數(shù)量和第二 APD單元陣列102中的APD單元5的數(shù)量的比值的土百分之幾)，由脈沖高度分析單元20分析的信號被記錄，且如果該比值超過了預(yù)定范圍，由脈沖高度分析單元20分析的信號不被記錄。
[0075]因此，僅當(dāng)光子均勻分布到SiPM 10時，從信號處理單元22輸出信號。因此，由閃爍器11的閃爍位置引起的非均勻光子分布不影響輸出信號。該輸出信號被記錄并存儲于控制單元7的數(shù)據(jù)存儲單元72，由圖像重建單元73轉(zhuǎn)換為任意圖像數(shù)據(jù)，并由顯示單元74顯不O
[0076]根據(jù)第三實施例的光探測器3B可應(yīng)用于計算斷層攝影(CT)裝置以用于醫(yī)療成像診斷。圖25示出根據(jù)第三實施例的光探測器3B被應(yīng)用于計算斷層攝影裝置的情形的示意性外部視圖。光生成單元61和光探測器3B被固定到臺架81以便彼此相對。從光生成單元61發(fā)出的輻射穿過人8的身體并被光探測器3B檢測到。該輻射的光子穿過身體或被身體內(nèi)的物質(zhì)所吸收。相應(yīng)地，輸出信號的柱狀圖將顯示，頻率由被體內(nèi)物質(zhì)吸收的輻射能量的量所降低。通過重建圖像，體內(nèi)的物質(zhì)可被鑒別，且它們之間的位置關(guān)系被明確。如果光子計數(shù)精度低，穿過身體物質(zhì)的輻射能量的計數(shù)值降低，且被身體物質(zhì)所吸收的輻射能量的計數(shù)值增加。這將極大地影響要獲得的重建圖像，且現(xiàn)有的疾病有可能被忽略。
[0077]于此相反，包括根據(jù)第三實施例的光探測器3B的計算斷層攝影裝置并不增加輻射能量的計數(shù)值。
[0078]如上所述，根據(jù)第三實施例的光探測器能夠判斷從光生成單元發(fā)射并到達SiPM的光子的非均勻性，并在非均勻性發(fā)生時確定不輸出計數(shù)值，從而避免數(shù)據(jù)的變異，并改進光子計數(shù)的精度。
[0079]根據(jù)第三實施例的光探測器的配置和特征不限于如圖23到25所示的那些。
[0080]雖然已經(jīng)描述某些實施例，這些實施例僅以示例的形式被介紹，并且不旨在限制本發(fā)明的范圍。事實上，本文所述的新穎方法和系統(tǒng)可以以各種其他形式來實施；進一步地，可以對本文所述方法和系統(tǒng)的形式進行各種省略、替代和改變而不背離本發(fā)明的精神。在所附權(quán)利要求及其等效方案旨在覆蓋如將屬于本發(fā)明的范圍和精神之內(nèi)的這些形式或修改。
【權(quán)利要求】
1.一種光探測器，包括: 光探測器元件單元，包括其中多個第一單元被排列成陣列的第一單元陣列以及其中多個第二單元被排列成陣列的第二單元陣列，所述第一單元的每一個包括檢測入射光子并將光子轉(zhuǎn)換為電信號的光電轉(zhuǎn)換元件，所述第二單元的每一個包括檢測入射光子并將光子轉(zhuǎn)換為電信號的光電轉(zhuǎn)換元件，所述第二單元陣列被布置成鄰近于所述第一單元陣列； 第一脈沖高度分析單元，分析從所述第一單元陣列輸出的電信號的脈沖高度； 第二脈沖高度分析單元，分析從所述第二單元陣列輸出的電信號的脈沖高度； 信號處理單元，使用所述第一脈沖高度分析單元的輸出信號和所述第二脈沖高度分析單元的輸出信號來確定進入所述第一單元陣列和所述第二單元陣列的光子的分布的非均勻性。
2.如權(quán)利要求1所述的光探測器，其特征在于，所述第二單元陣列被布置成圍繞所述第一單元陣列。
3.如權(quán)利要求1所述的光探測器，其特征在于，所述第二單元陣列被劃分為多個單元陣列。
4.如權(quán)利要求1所述的光探測器，其特征在于，所述第一單元陣列的第一單元在單元間距和孔徑比上與所述第二單元陣列的第二單元不同。
5.如權(quán)利要求1所述的光探測器，其特征在于，所述第一單元和第二單元的光電轉(zhuǎn)換元件為雪崩光電二極管。
6.如權(quán)利要求5所述的光探測器，其特征在于，所述第一單元陣列的雪崩光電二極管彼此并聯(lián)連接，且所述第二單元陣列的雪崩光電二極管彼此并聯(lián)連接。
7.如權(quán)利要求1所述的光探測器，其特征在于，所述光探測器元件單元進一步包括響應(yīng)于輻射發(fā)射熒光的閃爍器，且所述光電轉(zhuǎn)換元件將從所述閃爍器發(fā)射的熒光轉(zhuǎn)換為電信號。
8.一種光探測器，包括: 光探測器元件單元，包括其中多個第一單元被排列成陣列的第一單元陣列、其中多個第二單元被排列成陣列的第二單元陣列以及其中多個第三單元被排列成陣列的第三單元陣列，所述第一單元的每一個包括檢測入射光子并將光子轉(zhuǎn)換為電信號的光電轉(zhuǎn)換元件，所述第二單元的每一個包括檢測入射光子并將光子轉(zhuǎn)換為電信號的光電轉(zhuǎn)換元件，所述第二單元陣列被布置成鄰近于所述第一單元陣列，所述第三單元的每一個包括檢測入射光子并將光子轉(zhuǎn)換為電信號的光電轉(zhuǎn)換元件，所述第三單元陣列被布置成鄰近于所述第一單元陣列； 脈沖高度分析單元，分析從所述第一單元陣列輸出的電信號的脈沖高度； 非均勻性檢測電路，通過使用從所述第二單元陣列和第三單元陣列輸出的電信號來檢測入射到所述第一單元陣列和第二單元陣列的光子的分布的非均勻性；以及 信號處理單元，處理來自所述第一脈沖高度分析單元的輸出信號和來自所述非均勻性檢測電路的輸出信號，并輸出結(jié)果。
9.如權(quán)利要求8所述的光探測器，其特征在于，所述第一單元、第二單元、和第三單元的光電轉(zhuǎn)換元件為雪崩光電二極管。
10.如權(quán)利要求9所述的光探測器，其特征在于，所述第一單元陣列的雪崩光電二極管彼此并聯(lián)連接，所述第二單元陣列中的雪崩光電二極管彼此并聯(lián)連接，以及所述第三單元陣列的雪崩光電二極管彼此并聯(lián)連接。
11.如權(quán)利要求8所述的光探測器，其特征在于，所述光探測器元件單元進一步包括響應(yīng)于福射發(fā)射突光的閃爍器，且每個光電轉(zhuǎn)換兀件將來自所述閃爍器的突光轉(zhuǎn)換為電信號。
12.—種計算斷層攝影裝置，包括: 如權(quán)利要求7所述的光探測器； 發(fā)射輻射的輻射生成單元； 控制器，控制來自所述輻射生成單元的輻射能量以及時序以發(fā)射要與來自所述光探測器元件單元的輸出同步的輻射能量； 數(shù)據(jù)存儲單元，存儲從所述信號處理單元輸出的數(shù)據(jù)； 圖像重建單元，基于存儲在所述數(shù)據(jù)存儲單元中的數(shù)據(jù)重建圖像；以及 顯示單元，顯示由所述圖像重建單元重建的圖像。
13.一種計算斷層攝影裝置，包括: 如權(quán)利要求11所述的光探測器； 發(fā)射輻射的輻射生成單元； 控制器，控制來自所述輻射生成單元的輻射能量以及時序以發(fā)射要與來自所述光探測器元件單元的輸出同步的輻射能量； 數(shù)據(jù)存儲單元，存儲從所述信號處理單元輸出的數(shù)據(jù)； 圖像重建單元，基于存儲在所述數(shù)據(jù)存儲單元中的數(shù)據(jù)重建圖像；以及 顯示單元，顯示由所述圖像重建單元重建的圖像。
【文檔編號】G01T1/20GK104237926SQ201410255409
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月12日
【發(fā)明者】佐佐木啟太, 木村俊介 申請人:株式會社東芝