特許 7436754 ＳＰＡＤベースデバイスのダイナミックレンジ拡張

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-13

(45)【発行日】2024-02-22

(54)【発明の名称】ＳＰＡＤベースデバイスのダイナミックレンジ拡張

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/42 20060101AFI20240214BHJP

   G01J 1/44 20060101ALI20240214BHJP

   H04N 25/773 20230101ALI20240214BHJP

【ＦＩ】

G01J1/42 H

G01J1/44 E

H04N25/773

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023513747

(86)(22)【出願日】2021-08-26

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-09-21

(86)【国際出願番号】 EP2021073688

(87)【国際公開番号】W WO2022043473

(87)【国際公開日】2022-03-03

【審査請求日】2023-02-27

(31)【優先権主張番号】2013579.4

(32)【優先日】2020-08-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】521548733

【氏名又は名称】アーエムエス インターナショナル アーゲー

【氏名又は名称原語表記】ＡＭＳ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＡＧ

【住所又は居所原語表記】Ｅｉｃｈｗｉｅｓｓｔｒａｓｓｅ １８ｂ， Ｊｏｎａ， Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ヴァン デル アヴォワード アンドレ

(72)【発明者】

【氏名】ダニエル ボビー

(72)【発明者】

【氏名】ルース エリック ヤン

(72)【発明者】

【氏名】プラサンナ クマール ジャグルース

【審査官】井上 徹

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２１７９６５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表平１０－５０５４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５２０１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１２９２６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１９７５２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｊ １／００ －Ｇ０１Ｊ １／６０

Ｇ０１Ｊ １１／００

Ｈ１０Ｋ ３０／６０ －Ｈ１０Ｋ ３０／６５

Ｈ１０Ｋ ３９／３０

Ｈ０４Ｎ ２３／２０ －Ｈ０４Ｎ ２３／３０

Ｈ０４Ｎ ２５／００

Ｈ０４Ｎ ２５／２０ －Ｈ０４Ｎ ２５／６１

Ｈ０４Ｎ ２５／６１５－Ｈ０４Ｎ ２５／７９

Ｇ０１Ｎ ２１／６２ －Ｇ０１Ｎ ２１／７４

Ｇ０１Ｔ １／００ －Ｇ０１Ｔ １／１６

Ｇ０１Ｔ １／１６７－Ｇ０１Ｔ ７／１２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）（１０５－０・・Ｎ）と、
前記複数のＳＰＡＤの読み出し速度を入射放射線の強度に関連して適合させるように構成された回路（１１５）と、を備え、
前記回路（１１５）は、
閾値を超える前記入射放射線の強度に応答して、前記読み出し速度を増加させ、
前記閾値以下の前記入射放射線の強度に応答して、前記読み出し速度を低下させ、
前記入射放射線の強度に関連して読み出される前記複数のＳＰＡＤ（１０５－０・・Ｎ）のＳＰＡＤの量を適合させる、ように構成され、
前記強度が高い場合、前記入射放射線の前記強度を判定するために少量のＳＰＡＤ（１０５－０・・Ｎ）が読み出され、前記強度が比較的低い場合、前記入射放射線の前記強度を判定するために比較的多量のＳＰＡＤ（１０５－０・・Ｎ）が読み出され、
前記複数のＳＰＡＤ（１０５－０・・Ｎ）の各ＳＰＡＤが、光子衝突を記録するための関連付けられたシングルビットカウンタ（１１０－０・・Ｎ）を有し、
前記ＳＰＡＤ（１０５－０・・Ｎ）ごとに１秒あたりに読み取ることができる光子の最大数は、

【数1】

として定義され、式中、
ＳＰＡＤ _{ＭＡＸ（ＰＨＯＴＯＮ／ＳＥＣ）} は、前記ＳＰＡＤ（１０５－０・・Ｎ）ごとに１秒あたりに読み取ることができる光子の数に相当し、
Ｎｕｍ _ＳＰ は、最小放射線強度で所要のＳＮＲを達成するために必要なＳＰＡＤの数であり、
Ｔ _{１＿ＳＰＡＤ} は、各シングルビットカウンタ（１１０－０・・Ｎ）の読み出し及びリセットに必要な時間であり、
ＤＣＲは暗計数率である、放射線感応性デバイス（４２０）。

【請求項2】

前記閾値がプログラム可能である、請求項１に記載の放射線感応性デバイス（４２０）。

【請求項3】

前記入射放射線の強度が、前記複数のＳＰＡＤ（１０５－０・・Ｎ）の少なくとも一部を読み出す１回以上のサイクルによって判定される、請求項１または２に記載の放射線感応性デバイス（４２０）。

【請求項4】

前記読み出し速度が、読み出すべきＳＰＡＤ（１０５－０・・Ｎ）の量によって決まる、請求項１～３のいずれかの１項に記載の放射線感応性デバイス（４２０）。

【請求項5】

前記回路（１１５）は、前記入射放射線の強度の１回以上の測定に基づいて、その後の１回以上の強度測定のために読み出すべきＳＰＡＤ（１０５－０・・Ｎ）の読み出し速度及び対応する量を適合させるように構成された制御ループを備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の放射線感応性デバイス（４２０）。

【請求項6】

複数のＳＰＡＤ（１０５－０・・Ｎ）を含む放射線感応性デバイス（４２０）のダイナミックレンジを増加させる方法であって、
前記方法が、前記複数のＳＰＡＤの読み出し速度を入射放射線の強度に関連して適合させることと、
閾値を超える前記入射放射線の強度に応答して、前記読み出し速度を増加させることと、
前記閾値以下の前記入射放射線の強度に応答して、前記読み出し速度を低下させることと、
前記入射放射線の強度に関連して読み出される前記複数のＳＰＡＤ（１０５－０・・Ｎ）のＳＰＡＤの量を適合させることと、
前記入射放射線の強度が高い場合、前記入射放射線の前記強度を判定するために、少量のＳＰＡＤを読み出すことと、前記入射放射線の強度が比較的低い場合、前記入射放射線の前記強度を判定するために、比較的多量のＳＰＡＤ（１０５－０・・Ｎ）を読み出すことと、を含み、
前記複数のＳＰＡＤ（１０５－０・・Ｎ）の各ＳＰＡＤが、光子衝突を記録するための関連付けられたシングルビットカウンタ（１１０－０・・Ｎ）を有し、
前記ＳＰＡＤ（１０５－０・・Ｎ）ごとに１秒あたりに読み取ることができる光子の最大数は、

【数1】

として定義され、式中、
ＳＰＡＤ _{ＭＡＸ（ＰＨＯＴＯＮ／ＳＥＣ）} は、前記ＳＰＡＤ（１０５－０・・Ｎ）ごとに１秒あたりに読み取ることができる光子の数に相当し、
Ｎｕｍ _ＳＰ は、最小放射線強度で所要のＳＮＲを達成するために必要なＳＰＡＤの数であり、
Ｔ _{１＿ＳＰＡＤ} は、各シングルビットカウンタ（１１０－０・・Ｎ）の読み出し及びリセットに必要な時間であり、
ＤＣＲは暗計数率である、方法。

【請求項7】

標本からの発光及び／または蛍光の強度を判定するための、ポイントオブケア検査もしくは診断の用途、または電子鼻用途での請求項１～５のいずれかに記載の放射線感応性デバイス（４２０）の使用法。

【請求項8】

請求項１～５のいずれかに記載の放射線感応性デバイス（４２０）を備えた電子鼻装置またはポイントオブケア装置であって、前記放射線感応性デバイスが、標本からの発光及び／または蛍光の強度を判定するように構成されている、装置。

【請求項9】

環境放射線検知用途での請求項１～５のいずれかに１項に記載の放射線感応性デバイス（４２０）の使用法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ポイントオブケア検査または電子鼻の用途、及び環境放射線検知など、大きなダイナミックレンジを必要とする測定に使用するためのＳＰＡＤベースデバイスの分野にある。

【背景技術】

【0002】

発光及び蛍光放射線センサの分野では、大きなダイナミックレンジ（ＤＲ）で放射線放出を検出することが必要とされる。このようなセンサは、例えば、ポイントオブケア（ＰｏＣ）検査もしくは電子鼻（Electronic nose：Ｅノーズ）の用途タイプ、または環境放射線センサの用途に使用することができる。

【0003】

ＰｏＣの用途では、液体または空気中の生物学的物質または化学物質の存在は、化学発光または蛍光放射線の放出を生じさせ得る相補的物質との相互作用によって検出することができる。放出される放射線のレベルは、非常に低いレベルと高いレベルとの間で動的に変化し得る。信号を完全に取り込むことを可能にするために、このような用途での使用に適した放射線センサは、非常に高いダイナミックレンジを示さなければならない。

【0004】

単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ：Single Photon Avalanche Diode）をベースにした光子カウンタは、個々の光子をカウントすることにより、非常に低いレベルの放射線を検出する機能を提供する。検出可能な信号の最低レベルは、暗計数率（ＤＣＲ）によるノイズによって制限される可能性がある。検出可能な信号の最高レベルは、ＳＰＡＤダイオード自体の速度、ＳＰＡＤと関連しているカウンタの容量、及び／または関連付けられた回路の機能によって制限され得る。いくつかの用途では、これによりＳＰＡＤベースセンサのダイナミックレンジが制限される場合がある。

【0005】

いくつかのセンサ実装は、低放射線レベルでの信号対雑音比を改善するために、大量のＳＰＡＤを含む場合がある。しかしながら、そのような大量のＳＰＡＤは、関連回路の増加をもたらす可能性があり、達成可能なダイナミックレンジをさらに制限する可能性がある。

【0006】

他の先行技術のセンサ実装では、異なるＳＰＡＤ領域に入射する放射線強度を調整するために、異なるＳＰＡＤ領域を、１つ以上のピンホールと組み合わせて、単一デバイス内で使用することができる。例えば、黒色媒体内に開口部をずらされた積み重ねたピンホールを実装して、入射放射線の強度を低減させることができる。そのようなソリューションを実装するセンサは、大型になる可能性があり、追加の構成要素が必要になる可能性があり、比較的低い信号対雑音比を示す可能性がある。

【0007】

したがって、信号対雑音比を損なうことなく、または追加の構成要素を必要とせずに、もしくはデバイスサイズの大幅な増加を必要とせずに、ＰｏＣ検査またはＥノーズの用途に適した大きなダイナミックレンジを有する放射線センサを提供することが望ましい。

【0008】

したがって、本開示の少なくとも１つの態様の少なくとも１つの実施形態の目的は、上記で特定された先行技術の欠点の少なくとも１つを除去すること、または少なくとも軽減することである。

【発明の概要】

【0009】

本開示は、ＳＰＡＤベースデバイスの分野にあり、特に、ポイントオブケア検査、電子鼻の用途、及び環境放射線検知用途での使用に適した大きなダイナミックレンジを有するＳＰＡＤベースデバイスに関する。

【0010】

本開示の第１の態様によれば、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）と、複数のＳＰＡＤの読み出し速度を入射放射線の強度に関連して適合させるように構成された回路とを備える放射線感応性デバイスが提供される。

【0011】

有利なことに、読み出し速度を適合させることによって、所与のＳＰＡＤが光子の衝突を検出するために利用できる時間を、それに応じて適合させることができる。各ＳＰＡＤは、各読み出しサイクルの合間に単一の光子衝突イベントしか記録できないので、例えば、比較的高強度の入射放射線の期間中に比較的長い読み出し時間があると、複数のＳＰＡＤのかなりの量が光子衝突イベントを記録しないことになり、したがって測定できる放射線強度が制限される可能性がある。入射放射線の強度に関連して読み出し速度を適合させることにより、光子衝突イベントを記録していないＳＰＡＤの量を最小限に抑えることができるので、適切な信号対雑音比を維持しながら、放射線感応性デバイスのダイナミックレンジを増加させることができる。

【0012】

回路は、閾値を超える入射放射線の強度に応答して、読み出し速度を増加させるように構成され得る。回路は、閾値以下の入射放射線強度に応答して、読み出し速度を低下させるように構成され得る。

【0013】

有利なことに、十分な信号対雑音比が維持され、同時に放射線感応性デバイスのダイナミックレンジの増加をも提供することを確保するために必要な読み出し速度を、閾値、例えば所定の閾値により設定することができる。例えば、読み出し速度を適合させることにより、測定可能な放射線強度の限界がそれに応じて適合される。読み出し速度を変化させることにより、所与の読み出し期間内に読み出し可能な複数のＳＰＡＤのＳＰＡＤの量を変化させることもできる。有益なことに、閾値を設定することで、利用可能なＳＰＡＤの量と読み出し速度との間のトレードオフが可能になり、したがって達成可能な信号対雑音比とダイナミックレンジとのトレードオフを効果的に行うことができる。入射放射線の強度が高いレベルでは、より少数のＳＰＡＤで十分な、したがってより高い読み出し速度、及びそれによってより広いダイナミックレンジを可能にし得る十分な信号対雑音比が存在することが認識されている。

【0014】

閾値はプログラム可能であり得る。

【0015】

有利なことに、閾値は、ユーザがプログラム可能なフィールドによって設定することができ、したがってダイナミックレンジと達成可能な信号対雑音比との間のプログラム可能なトレードオフを可能にする。例えば、デバイスは、１つ以上の閾値を設定するための１つ以上のプログラム可能なレジスタを有することができる。

【0016】

いくつかの実施形態では、複数の閾値を設定することができる。例えば、入射放射線の強度が第１の閾値未満から第１の閾値を超えるまで増加するとき、複数のＳＰＡＤのうちの少なくともいくつかの読み出し速度が、第１の速度から、より高い第２の速度まで増加してもよい。入射放射線の強度が第２の閾値未満から第２の閾値を超えるまでさらに増加する場合に、複数のＳＰＡＤのうちの少なくともいくつかの読み出し速度が、第２の速度から、より高い第３の速度までさらに増加してもよい。入射放射線の強度が、閾値、例えば第２の閾値または第１の閾値を下回るように低下する場合、複数のＳＰＡＤのうちの少なくともいくつかの読み出し速度が、それに応じて低下することが理解されよう。

【0017】

入射放射線の強度は、複数のＳＰＡＤの少なくとも一部を読み出す１回以上のサイクルによって判定することができる。

【0018】

有利なことに、入射放射線の強度の判定を使用して、その後の入射放射線の強度を判定のため、読み出し速度、したがって読み出され得るＳＰＡＤの量を判定することができる。

【0019】

回路は、入射放射線の強度に関連して読み出される複数のＳＰＡＤのＳＰＡＤの量を適合させるように構成することができる。

【0020】

有利には、必要な信号対雑音比を満たすのに必要な最小量のＳＰＡＤを読み出すことができる。読み出されるＳＰＡＤの量を最小限に抑えることによって、全体の読み出し速度を最大化することができる。すなわち、ＳＰＡＤ数「Ｎｕｍ_ＳＰＡＤ」を含む放射線感応性デバイスの場合、各ＳＰＡＤと関連しているラッチを読み出してリセットするのに必要な時間は「Ｔ_{１＿ＳＰＡＤ}」であり、複数のＳＰＡＤの総読み出し時間はＮｕｍ_ＳＰＡＤ×Ｔ_{１＿ＳＰＡＤ}である。各ＳＰＡＤは、各読み出しサイクルの合間に１つのイベントしか記録することができない。したがって、ＳＰＡＤごとに１秒あたりに読み取ることができる光子の最大数は、暗計数率の寄与を差し引いた１／（Ｎｕｍ_ＳＰＡＤ×Ｔ_{１＿ＳＰＡＤ}）に制限される。読み出しサイクルでＳＰＡＤごとに複数の光子が到着するように入射放射線の強度が増加すると、光子衝突イベントの記録に失敗する可能性がある。必要なＳＰＡＤの数を最小限に抑えることで、総読み出し時間を短縮することができるので、個々のＳＰＡＤを読み出すことができる速度を上げて、とらえ損なう光子衝突の量を最小限に抑えることができる。

【0021】

強度が高い場合、入射放射線の強度を判定するために少量のＳＰＡＤを読み出すことができる。強度が比較的低い場合、入射放射線の強度を判定するために比較的多量のＳＰＡＤを読み出すことができる。

【0022】

好都合なことに、入射放射線の強度が高いレベルでは、所望の信号対雑音比を達成するために、比較的多量のＳＰＡＤを必要としない場合があり、したがって、比較的少量のＳＰＡＤを使用して、ＳＰＡＤの全体的な読み出し速度を向上させることができる。入射放射線の強度が比較的低いレベルでも同じ原理が適用され、所望の信号対雑音比を達成するために、比較的多量のＳＰＡＤが必要となる場合があり、したがって、より多くのＳＰＡＤが使用され、それによってＳＰＡＤの全体的な読み出し速度を低下させることができる。

【0023】

複数のＳＰＡＤの各ＳＰＡＤは、光子衝突を記録するための関連付けられたシングルビットカウンタを有することができる。

【0024】

好都合なことに、各ＳＰＡＤにシングルビットカウンタのみを関連付けることによって、放射線感応性デバイスの全体サイズを最小化することができる。光子衝突イベントをとらえ損なう可能性を最小限に抑えるために、ＳＰＡＤごとにマルチビットカウンタを使用できる代替アーキテクチャでは、デバイス全体の面積が大きくなることに関連したコストを負う可能性がある。

【0025】

シングルビットカウンタはラッチまたはスイッチであってもよいことが理解されよう。すなわち、いくつかの実施形態では、シングルビットカウンタは、イベントを記録する、例えば信号をラッチするように構成された１つ以上の回路構成要素であってもよい。そのようなシングルビットカウンタは、ＳＰＡＤの読み出し速度によって定義される速度でクリア、例えばリセットすることができる。

【0026】

さらに、「読み出し（read-out）」という用語は、シングルビットカウンタがセットされているかどうか、例えばラッチが光子衝突イベントをラッチしているかどうかを判定するプロセスに対応するものと理解される。例えば、ＳＰＡＤのアレイを読み出すことは、ＳＰＡＤと関連しているシングルビットカウンタのどれが光子衝突イベントをカウントしているか、例えばラッチしているかを、回路が判定することを含むことになる。

【0027】

読み出し速度は、読み出されるＳＰＡＤの量によって決まり得る。

【0028】

上記のように、読み出し速度は、１／（Ｎｕｍ_ＳＰＡＤ×Ｔ_{１＿ＳＰＡＤ}）で定義され得る。それにより、ＳＰＡＤの量の減少、例えばＮｕｍ_ＳＰＡＤを低下させることは、全体的な読み出し速度を増加させることになる。有利なことに、読み出し速度の増加は、とらえ損なう光子衝突イベントの量を最小限に抑えることになる。

【0029】

回路は、入射放射線の強度の１回以上の測定に基づいて、その後の１回以上の強度測定のために読み出すべきＳＰＡＤの読み出し速度及び対応する量を適合させるように構成された制御ループを備えてもよい。

【0030】

有利なことに、制御ループを設けることにより、放射線感応性デバイスが変動条件に動的に適合できるようになる。例えば、入射放射線の強度が増加するとき、それに応じて本デバイスは、使用されるＳＰＡＤの量及び／または読み出し速度を適合させて、入射放射線の強度の正確な測定を十分な信号対雑音比で確実に行うことができるようにする。したがって、始動期間に１つ以上の閾値を設定することにより、放射線感応性デバイスを含むシステムは、その後、入射放射線の様々なレベルの強度に応じてＳＰＡＤの読み出し速度及び対応する量を動的に適合させながら、ある程度自律して動作する。

【0031】

本開示の第２の態様によれば、複数のＳＰＡＤを含む放射線感応性デバイスのダイナミックレンジを増加させる方法であって、本方法が、複数のＳＰＡＤの読み出し速度を入射放射線の強度に関連して適合させることを含む、方法が提供される。

【0032】

有利なことに、読み出し速度を適合させることによって、ＳＰＡＤが光子の衝突を検出するために利用できる時間を、それに応じて適合させることができる。入射放射線の強度に関連して読み出し速度を適合させることにより、光子衝突イベントを記録していないＳＰＡＤの量を最小限に抑えることができるので、適切な信号対雑音比を維持しながら、放射線感応性デバイスのダイナミックレンジを増加させることができる。

【0033】

本方法は、入射放射線の強度に関連して読み出される複数のＳＰＡＤのＳＰＡＤの量を適合させることを含むことができる。

【0034】

この方法は、入射放射線の強度が高い場合、少量のＳＰＡＤを読み出すことと、入射放射線の強度が比較的低い場合、比較的多量のＳＰＡＤを読み出すこととを含むことができる。

【0035】

本開示の第３の態様によれば、標本からの発光及び／または蛍光の強度を判定するための、ポイントオブケア検査もしくは診断の用途、または電子鼻用途での第１の態様による放射線感応性デバイスの使用法が提供される。

【0036】

非常に広いダイナミックレンジでの放射線放出の検出は、生物学的物質または化学物質と相補的物質との間の相互作用によって放出される化学発光または蛍光放射線のレベルが、極端に低いレベルと高いレベルとの間で動的に変化し得るので、そのようなポイントオブケア検査もしくは診断の用途、または電子鼻用途で特に必要とされる。

【0037】

本開示の第４の態様によれば、第１の態様による放射線感応性デバイスを備えた電子鼻装置またはポイントオブケア装置であって、放射線感応性デバイスが、標本からの発光及び／または蛍光の強度を判定するように構成されている装置が提供される。

【0038】

本開示の第４の態様によれば、環境放射線検知用途での第１の態様による放射線感応性デバイスの使用方法が提供される。

【0039】

放射線感応性デバイスは、環境放射線レベルを判定するために、カメラ、例えばスマートフォンのカメラなどの撮像装置に実装することができる。判定された環境放射線レベルを使用して、撮像装置によって取り込まれた画像を適合させることができる。判定された環境放射線レベルは、絞り、フラッシュなどの動作を制御するなど、撮像装置を構成するために使用することができる。

【0040】

放射線感応性デバイスは、画面またはディスプレイの明るさを調整するために、環境放射線レベルを判定するためのものであり得る。

【0041】

上記の概要は、単なる例示であり、限定を意図したものではない。本開示は、１つ以上の対応する態様、実施形態、または特徴を、単独でまたは様々な組み合わせで具体的に述べられている（特許請求されていることを含む）かどうかにかかわらず、その組み合わせでまたは単独で含むものである。本開示の任意の態様に従って上記で定義された特徴、または本開示の任意の特定の実施形態に関して以下で定義された特徴は、単独でもしくは任意の他の定義された特徴と組み合わせて、任意の他の態様または実施形態で利用することができ、または本開示のさらなる態様または実施形態を形成することができることを理解されたい。

【0042】

次に、本開示のこれら及び他の態様を、添付の図面を参照しながら、単なる例として説明する。

【図面の簡単な説明】

【0043】

【図1】本開示の実施形態によるＳＰＡＤベースセンサのアーキテクチャを示す。

【図2】本発明の実施形態による、入射放射線の強度に応じて必要とされるＳＰＡＤの量を示すグラフである。

【図3】本発明の実施形態による、関連付けられたＳＰＡＤの読み出し速度に対して必要とされるＳＰＡＤの量を示すグラフである。

【図4】本発明の実施形態による放射線感応性デバイスを示す。

【発明を実施するための形態】

【0044】

いくつかの用途では、ＳＰＡＤベースのデバイスで信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させるために、例えば非常に低い光レベルを正確に検出するために、かなりの量のＳＰＡＤを実装することが有益であり得ることが認識されている。すなわち、そのようなデバイスは、十分なＳＮＲで入射放射線の強度を正確に測定するために、数百または数千ものＳＰＡＤを含むＳＰＡＤアレイを実装することができる。

【0045】

しかしながら、所与のＳＰＡＤアレイによって測定できる最大放射線強度は、その飽和レベルによって判定される可能性がある。

【0046】

飽和は、ＳＰＡＤデバイス自体が検出を実行できる速度の限界に光子速度が達すると発生する可能性がある。例えば、ＳＰＡＤベースのデバイスが光子衝突イベントをカウントできる最速速度は、光子衝突イベントとＳＰＡＤの回復時間との間の時間によって判定される。回復時間は、所与のＳＰＡＤが回復して再び準備ができるまでに必要な時間である。これは、「不感時間」として当技術分野で知られている。この回復時間は、実装された特定のクエンチング回路に応じて、数十ナノ秒またはそれ以上の範囲になる場合がある。例えば、不感時間が１００ナノ秒の場合、理論上の最大光子数はＳＰＡＤごとに１秒あたり１０^７になる。

【0047】

飽和は、ＳＰＡＤと関連している回路、例えば、各ＳＰＡＤに取り付けられている読み取り及び計数回路が限界に達したときに、追加的または代替的に発生し得る。

【0048】

いくつかの例では、一つ一つのＳＰＡＤが、光子衝突イベントを記録するための専用の読み出し帯域幅を有する。これにより、所与のアーキテクチャで測定可能な最大信号が物理的に制限されることになる。

【0049】

例えば、いくつかの例では、全てのＳＰＡＤは、光子衝突イベントを格納するシングルラッチ、例えばシングルビットカウンタのみを備える。このラッチは、読み取られるたびにリセットされ得る。最小読み出し間隔は、そのようなラッチを全て読み出すために必要な時間である。

【0050】

図１は、本発明の実施形態による、ＳＰＡＤ及び関連付けられたシングルビットカウンタを備えるＳＰＡＤベースセンサアーキテクチャ１００の例を示す。図１のＳＰＡＤベースセンサアーキテクチャ１００は、本開示の例、すなわち、複数のＳＰＡＤを備える放射線感応性デバイスを使用して、入射放射線の強度を判定することを提供し、複数のＳＰＡＤの読み出し速度を入射放射線の強度に関連して適合させるように回路が構成されている。

【0051】

図１は単なる例示的実施形態であり、本開示の原理を説明する目的で提供されていることを理解されたい。例えば、他の実施形態は、ＳＰＡＤの実質的により大きなアレイ及び関連付けられたシングルビットカウンタを含むことができる。例えば、いくつかの実施形態は、数百または数千ものＳＰＡＤを有するアレイを備えることがある。さらに、ＰｏＣまたはＥノーズ用途での使用に適したセンサなど、本開示を具現化する例示的なデバイスは、複数のＳＰＡＤアレイを備えることができる。

【0052】

図１のＳＰＡＤベースセンサアーキテクチャ１００は、複数のＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎを備える。図１の各ＳＰＡＤは、関連付けられたシングルビットカウンタ１１０－０～１１０－Ｎを有する。いくつかの実施形態では、シングルビットカウンタ１１０－０～１１０－Ｎは、ラッチ、スイッチなどを使用して実装され得る。

【0053】

シングルビットカウンタ１１０－０～１１０－Ｎは、処理回路１１５に結合され得る。

【0054】

そのような処理回路１１５は、複数のＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎのうちの少なくとも１つを使用して入射放射線の強度を判定するように構成されてもよく、複数のＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎの読み出し速度は、入射放射線の強度に関連して適合されてもよい。

【0055】

本開示の実施形態は、以下の原理に基づいている。すなわち、光強度を測定するために複数のＳＰＡＤが共に使用される場合、（統計的）信号対雑音比は、以下の２つのパラメータの平方根に比例する。すなわち、（１）測定に使用されるＳＰＡＤの数、及び（２）測定が行われる時間窓である。

【0056】

したがって、本開示の実施形態は、以下でより詳細に説明するように、高放射線レベルで過剰なＳＮＲをダイナミックレンジと効果的にトレードオフする。測定される放射線の強度、すなわち信号レベルが増加するにつれて、測定が行われなければならない時間窓のサイズが減少することが認識されている。

【0057】

図１のＳＰＡＤベースセンサアーキテクチャ１００に関して、全てのＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎは、光子衝突イベントを格納するためにシングルビットカウンタ１１０－０～１１０－Ｎのみを有するので、このシングルビットカウンタは、読み取られるたびにリセットされて、その後の光子衝突イベントをとらえ損なうことを避ける必要がある。読み出し間隔は、シングルビットカウンタ１１０－０～１１０－Ｎの全てを読み取るのに必要な時間である。

【0058】

「Ｎｕｍ_Ｓｐ」は、最小放射線強度で所要のＳＮＲを達成するために必要なＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎの数を示す。各シングルビットカウンタ１１０－０～１１０－Ｎを読み出してリセットするのに必要な時間は、「Ｔ_{１＿ＳＰＡＤ}」によって示される。各シングルビットカウンタ１１０－０～１１０－Ｎの読み出し及びリセットに必要な時間を考えると、総読み出し時間はＮｕｍ_ＳＰ×Ｔ_{１＿ＳＰＡＤ}である。

【0059】

各ＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎは、各読み出しサイクルの合間に１つのイベントしか記録できないため、ＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎごとに１秒あたりに読み取ることができる光子の最大数は、次のように定義することができる。

【数1】

式中、
－ ＳＰＡＤ_{ＭＡＸ（ＰＨＯＴＯＮ／ＳＥＣ）}は、ＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎごとに１秒あたりに読み取ることができる光子の数に相当する。
－ Ｎｕｍ_ＳＰは、最小放射線強度で所要のＳＮＲを達成するために必要なＳＰＡＤの数である。
－ Ｔ_{１＿ＳＰＡＤ}は、各シングルビットカウンタ１１０－０～１１０－Ｎの読み出し及びリセットに必要な時間である。
－ ＤＣＲは暗計数率である。

【0060】

読み出しサイクルでＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎごとに複数の光子が到着するように入射放射線の強度が増加すると、光子衝突イベントの記録に失敗する可能性がある。

【0061】

本発明の実施形態では、処理回路１１５は、入射放射線の強度が、必要なＳＮＲを達成するために全てのＳＰＡＤＳ１０５－０～１０５－Ｎが必要とされる最小値を大幅に上回ったかどうかを検出するように構成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、処理回路は、制御システム及び／または制御ループを実装することができる。

【0062】

例えば、処理回路１１５は、１つ以上の読み出し間隔中にセットされるシングルビットカウンタ１１０－０～１１０－Ｎの数量に基づいて、入射放射線の強度を判定するように構成され得る。処理回路１１５によって、入射放射線の強度が最小レベルを超えていると判定された場合、その時間間隔において読み出すことができるＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎの量を適合させることができ、したがって、それに応じて、ＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎの読み出し速度を適合させることができる。

【0063】

例えば、入射放射線の強度が、ＳＮＲを満たすのに必要な最小レベルによって設定される閾値を２倍上回っている場合、処理回路１１５は、各時間間隔中、ＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎの４分の１のみの読み出しを開始するように構成され得る。すなわち、放射線強度レベルが２倍になった場合は、Ｎｕｍ_Ｓｐ／２^２に等しい数のＳＰＡＤからのデータがあれば十分であり得る。

【0064】

したがって、読み出し時間を４分の１に短縮することができ、すなわち読み出し速度を増加させることができる。したがって、読み取り可能な最大放射線レベルもまた、４倍に増加する。

【0065】

いくつかの実施形態では、図１を参照してより詳細に後述するように、処理回路は、複数のそのような閾値を実装して、それに応じてＳＰＡＤの数及び関連した読み出し速度を減少または増加させるように構成され得る。

【0066】

図１の例示的実施形態は、放射線強度を測定するために使用されるＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎの数が、放射線レベル自体の大きさに対して対数の関係で減少するように設計されているＳＰＡＤベースセンサアーキテクチャ１００を表す。例示のみを目的として、これは、６４個のＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎを含むアレイとして示され、それぞれが関連付けられたシングルビットカウンタ１１０－０～１１０－Ｎ、例えばラッチを有する。他の実施形態では、ＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎのより大きなアレイまたはより小さなアレイを実装してもよいことが理解されよう。すなわち、図１の例では、「Ｎｕｍ_Ｓｐ」、例えば、必要なＳＮＲを達成するためにＳＰＡＤベースセンサアーキテクチャ１００によって必要とされるＳＰＡＤ１０５－Ｎの総数は、６４である。各シングルビットカウンタの読み出し及びリセットに必要な時間Ｔ_{１＿ＳＰＡＤ}は、１００ｎｓであると想定される。

【0067】

例のために、低強度の入射放射線から始まる使用事例について説明する。デフォルトでは、処理回路は、式１によって定義されるように、ＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎの全てを第１の読み出しレートで読み出すように構成され得る。読み出し間隔は、全てのシングルビットカウンタを読み取るのに必要な時間であり、６４×１００ｎｓ＝６．４ｕｓになる。したがって、ＳＰＡＤ１０５－Ｎは、１秒あたり１５６２５０回の最大速度で読み出されることになる。

【0068】

入射放射線の強度が所定の閾値を超えて増加する場合、読み出されるＳＰＡＤ１０５－Ｎの量を減少させることができ、対応する読み出し速度を増加させることができる。例えば、所定の閾値は、いくつかの実施形態ではユーザによってプログラムされ得、所与の読み出し間隔内で光子衝突イベントを検出するＳＰＡＤ１０５－Ｎの量に対応し得る。所定の閾値は、平均化、外挿及び／または補間のプロセスを使用して、複数の読み出し間隔から光子衝突イベントを検出するＳＰＡＤ１０５－Ｎの量に対応し得る。すなわち、いくつかの実施形態では、以下でより詳細に説明するように、ＳＰＡＤ１０５－Ｎ、またはＳＰＡＤのアクティブなサブセットを読み出す１つ以上のサイクルによって、入射放射線の強度を判定することができる。

【0069】

各シングルビットカウンタ１１０－０～１１０－Ｎを読み出してリセットするように構成された処理回路１１５は、そのような閾値が満たされているか、または超えられているかを判定することができる。次いで、処理回路１１５は、入射放射線の強度の後続の測定のために、ＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎの第１のサブセット１２０を選択することができる。いくつかの実施形態では、第１のサブセット１２０は、強度が閾値未満であると判定されたときに入射放射線を測定するために使用されるＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎの４分の１に対応し得る。

【0070】

すなわち、いくつかの実施形態では、処理回路１１５は、入射放射線の強度の１回以上の測定に基づいて、その後の１回以上の強度測定のために読み出すべきＳＰＡＤの読み出し速度及び関連付けられた対応する量を適合させるように構成された制御ループを備えてもよい。

【0071】

図１は、隣り合ったＳＰＡＤを含む第１のサブセット１２０を示しているが、これは例示のみを目的としており、他の実施形態では、第１のサブセット１２０、または実際にはサブセット１２０、１２５のいずれかを形成するＳＰＡＤが、必ずしも互いに隣り合っていなくてもよいことが理解されよう。すなわち、いくつかの実施形態では、サブセット１２０、１２５を形成するために選択されたＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎが、アレイ内で散在していてもよく、または別の方法でグループ化されていてもよい。

【0072】

入射放射線の強度を必要なＳＮＲで測定するのにＳＰＡＤの４分の１のみが必要ならば、読み出し間隔は１６×１００ｎｓ＝１．６ｕｓになる。つまり、読み出し間隔も４分の１に短縮されるため、読み出し速度は１／１．６ｕｓ＝６２５０００回／秒へと４倍に増加している。増加した読み出し速度は、測定可能な入射放射線の最大強度を直接増加させ、それによってＳＰＡＤベースセンサアーキテクチャ１００のダイナミックレンジを増加させる。

【0073】

図１の例を続けると、入射放射線の強度が所定の第２の閾値を超えて増加する場合、読み出されるＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎの量をさらに減少させることができ、対応する読み出し速度をさらに増加させることができる。第２の閾値、及び実際に実装され得る複数の閾値のいずれかは、いくつかの実施形態では、ユーザによってプログラムされ得る。

【0074】

各シングルビットカウンタ１１０－０～１１０－Ｎを読み出してリセットするように構成された処理回路１１５は、そのような第２の閾値が満たされているか、または超えられているかを判定することができる。次いで、処理回路１１５は、入射放射線の強度の後続の測定のために、ＳＰＡＤの第２のサブセット１２５を選択することができる。いくつかの実施形態では、第２のサブセット１２５は、第１のサブセット１２０で使用されるＳＰＡＤの４分の１に相当し得る。すなわち、第２のサブセット１２５は、いくつかの実施形態では、ＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎの第１のサブセット１２０のサブセットから形成され得る。

【0075】

入射放射線の強度を必要なＳＮＲで測定するのに、先のＳＰＡＤ量の４分の１のみ、例えば、総ＳＰＡＤ量の１６分の１のみが必要ならば、読み出し間隔は４×１００ｎｓ＝０．４ｕｓになる。つまり、読み出し間隔もさらに４分の１に短縮されるため、読み出し速度は１／０．４ｕｓ＝２，５００，０００回／秒へとさらに４倍に増加している。読み出し速度のさらなる増加は、測定可能な入射放射線の最大強度を直接増加させ、それによってＳＰＡＤベースセンサアーキテクチャ１００のダイナミックレンジを増加させる。

【0076】

したがって、入射放射線の強度を判定するために、強度が高い場合、比較的少量のＳＰＡＤ、例えばサブセット１２５が読み出されてもよく、入射放射線の強度を判定するために、強度が比較的低い場合、比較的多量のＳＰＡＤ、例えばサブセット１２０または全てのＳＰＡＤ１０５－０～１０５－Ｎが読み出されてもよい。

【0077】

この動作原理は、図２及び図３のグラフに示されている。図２は、入射放射線の強度に対する入射放射線を測定するために使用できるＳＰＡＤの量を示す。例示のみを目的として、入射放射線の強度は、必要なＳＮＲを達成するために全てのＳＰＡＤが必要とされる最小値を「１」の値が表すようにスケール変更されている。

【0078】

この例では、必要なＳＮＲで入射放射線の強度を測定するには、１０２４個のＳＰＡＤが必要であることがわかる。

【0079】

グラフのｘ軸は時間を表す。入射放射線の強度が時間が経つにつれて増加するとき、入射放射線の強度の２倍の増加に対応する第１の閾値に達する。この段階で、本発明を具現化するデバイスの処理回路は、閾値が満たされているか、または超えられていると判定し、その後の測定に使用されるＳＰＡＤの量が、４分の１ないし２５６分の１に減少することになる。対応する図３は、測定に使用されるＳＰＡＤの数に応じた正規化された読み出し速度を示しており、閾値を超えると読み出し速度も４倍に増加することを示している。すなわち、使用されるＳＰＡＤの数が１０２４から２５６に減少すると、読み出し速度は０．０１５６から０．６２５へと４倍に増加する。読み出し速度は、例のために、最大値が「１」になるようにスケール変更されており、実際の読み出し速度は、各ＳＰＡＤと関連しているラッチを読み出してリセットするのに必要な時間、例えば上記の「Ｔ_{１＿ＳＰＡＤ}」に依存することに留意されたい。

【0080】

図２及び３はさらに、入射放射線の強度が増加及び減少するとき、それに応じて、ＳＰＡＤの数、したがって関連付けられた読み出し速度が、どのように適合され得るかを示す。すなわち、複数のＳＰＡＤの読み出し速度は、入射放射線の強度に関連して適合され得る。

【0081】

図４は、本発明の実施形態による放射線感応性デバイス４２０を含む装置４００を示す。いくつかの例示的実施形態では、装置４００は、ポイントオブケア（ＰｏＣ）検査もしくは電子鼻（Ｅノーズ）の用途タイプ、または環境放射線センサの用途のための装置であり得る。

【0082】

放射線感応性デバイス４２０は、複数のＳＰＡＤ４０５を備える。複数のＳＰＡＤ４０５は、１つ以上のＳＰＡＤ４０５のアレイとして配置され得る。

【0083】

放射線感応性デバイス４２０はまた、複数のシングルビットカウンタ４１０、例えばラッチを備える。図１を参照して先に述べたように、複数のシングルビットカウンタ４１０の各シングルビットカウンタは、複数のＳＰＡＤ４０５のＳＰＡＤに関連付けられる。ＳＰＡＤ４０５及び関連付けられたシングルビットカウンタ４１０は、図１のＳＰＡＤベースセンサアーキテクチャ１００に従って配置され得る。

【0084】

放射線感応性デバイス４２０はまた、処理回路４１５を備える。いくつかの実施形態では、処理回路４１５は、複数のＳＰＡＤ４０５を制御するように構成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、処理回路４１５は、ＳＰＡＤ４０５のクエンチング、及び／またはＳＰＡＤ４０５のうちの１つ以上のリセットまたは有効化を制御するように構成され得る。処理回路４１５はまた、１つ以上の障害のあるＳＰＡＤ４０５を検出するように構成され得る。

【0085】

いくつかの実施形態では、処理回路４１５は、シングルビットカウンタ４１０を読み取るように構成され得る。いくつかの実施形態では、処理回路４１５は、必要に応じてシングルビットカウンタ４１０をリセットするように構成することもできる。処理回路４１５は、ＣＰＵ、マイクロコントローラ、状態機械、組み合わせ論理などのうちの少なくとも１つを備えることができる。

【0086】

いくつかの実施形態では、処理回路４１５は、複数のＳＰＡＤ４０５のうちの少なくとも１つを使用して入射放射線の強度を判定するように構成されてもよく、複数のＳＰＡＤの読み出し速度は、入射放射線の強度に関連して適合される。

【0087】

いくつかの実施形態では、ＳＰＡＤ４０５と放射線源との間に、絞り、レンズ、光学カバー、回折格子、または１つ以上の他の光学デバイスが配置され得る。そのようなデバイスは、例えば、ＳＰＡＤ４０５に入射する放射線を集束及び／または拡散するように構成され得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の開口部を積み重ねて、ずらされた開口部またはピンホールの積層体を形成することができる。そのような積層体は、ＳＰＡＤ４０５上またはＳＰＡＤ４０５に近接して配置され得る。そのような実施形態では、ＳＰＡＤ４０５の少なくとも一部は、放射線感応性デバイス４２０の他のＳＰＡＤよりも低い強度の入射放射線にさらされ得る。そのようなずらされた開口部を上記の技法のいずれかと組み合わせて使用することにより、放射線感応性デバイス４２０のダイナミックレンジをさらに増加させることができる。

【0088】

本開示は、上記のように特定の実施形態に関して説明されてきたが、これらの実施形態は単なる例示であり、特許請求の範囲はこれらの実施形態に限定されないことを理解されたい。当業者は、本開示を考慮して修正形態及び代替形態を実施することができるようになるが、これらは添付の特許請求の範囲に含まれるものとして企図されている。本明細書で開示または説明された各特徴は、単独で、または本明細書で開示または説明された他の任意の特徴と任意の適切な組み合わせで、任意の実施形態に組み込むことができる。

【符号の説明】

【0089】

１００ ＳＰＡＤベースセンサアーキテクチャ
１０５－０・・Ｎ ＳＰＡＤ
１１０－０・・Ｎ シングルビットカウンタ
１１５ 処理回路
１２０ 第１のサブセット
１２５ 第２のサブセット
４００ 装置
４０５ ＳＰＡＤ
４１０ シングルビットカウンタ
４１５ 処理回路
４２０ 放射線感応性デバイス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】