JP7614592B2 - 放射線撮像装置 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 発行日 ２０１９年１０月８日 刊行物（刊行物名、巻数、号数、該当ページ、発行所／発行元等） ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ３Ｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，３ＤＩＣ 論文集、公開先：ｈｔｔｐｓ：／／ｉｅｅｅｘｐｌｏｒｅ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｄｏｃｕｍｅｎｔ／９０５８８９４／ｍｅｔｒｉｃｓ＃ｍｅｔｒｉｃｓ 発行元：ＩＥＥＥ［刊行物等］ 開催日 ２０１９年１０月８日～１０月１０日（発表日：２０１９年１０月９日） 集会名、開催場所 ＩＥＥＥ ２０１９ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ３Ｄ ＳＹＳＴＥＭＳ ＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ 宮城野区文化センター パトナシアター 〒９８３－０８４２ 宮城県仙台市宮城野区五輪２－１２－７０［刊行物等］ 開催日 ２０１９年１０月１３日～１０月１７日（発表日：２０１９年１０月１６日） 集会名、開催場所 ２３６ｔｈ ＥＣＳ Ｍｅｅｔｉｎｇ Ｈｉｌｔｏｎ Ａｔｌａｎｔａ ２５５ Ｃｏｕｒｔｌａｎｄ Ｓｔｒｅｅｔ ＮＥ，Ａｔｌａｎｔａ，Ｇｅｏｒｇｉａ，３０３０３，ＵＳＡ［刊行物等］ 開催日 ２０１９年１０月２６日～１１月２日（発表日：２０１９年１０月３０日） 集会名、開催場所 ２０１９ ＩＥＥＥ ＮＳＳ－ＭＩＣ Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｗｉｎｄｍｉｌｌ Ｓｔｒｅｅｔ，Ｐｅｔｅｒｓｆｉｅｌｄ，Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ，Ｇｒｅａｔｅｒ Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ Ｍ２ ３ＧＸ，Ｅｎｇｌａｎｄ［刊行物等］ 開催日 ２０２０年９月２５～９月２６日（発表日：２０２０年９月２５日） 集会名、開催場所 ２１ｓｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｙｏｕｎｇ Ｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｈｉｇｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ－ＳＰＯ ２０２０ ＯＮＬＩＮＥ オンライン開催

本発明は、放射線撮像装置に関する。

放射線を検出する技術が開発されている。放射線検出技術は、医療分野、工業分野、セキュリティ分野などへの応用が期待されている。放射線を検出する装置として、放射線画像を得る放射線撮像装置がある。例えば、特許文献１が開示する放射線撮像装置は、放射線検出素子と、集積回路素子と、を備えている。放射線検出素子は、集積回路素子とは別の部品である。放射線検出素子は、集積回路素子の上に配置されている。そして、放射線検出素子の裏面と集積回路素子の主面とが複数の電極によって電気的に接続されている。検出素子と回路素子とが積層された構造を採用したセンサは、例えば、特許文献２にも開示されている。

特開２００７－１５５５６２号公報 特開２０１２－９６０７号公報

放射線撮像装置の技術分野では、有効画素領域の大面積化が望まれている。しかしながら、放射線撮像装置を構成する放射線検出器は、１個あたりの大面積化が難しい。そこで、複数の放射線検出器を回路基板に配置することにより、有効画素領域を拡大する構造が検討されている。

また、放射線検出器は、放射線を電荷に変換する第１の基板と、電荷を所定の信号情報に変換する第２の基板と、を備えている。この構成によれば、第１の基板を第２の基板に電気的に接続する電極構造が必要であり、さらに、第２の基板を複数の放射線検出器が配置される回路基板に電気的に接続する電極構造が必要である。これらの電極構造は、互いに干渉しない位置に配置する必要がある。

上記の条件を満たすように電極構造などを配置した結果、放射線検出器の画素から、隣接する別の放射線検出器の画素までの間には、隙間が生じる。この隙間には画素が配置されないので、隙間は有効画素領域ではない。つまり、複数の放射線検出器を配置する構造によれば、画素数を増やすことは達成できる。しかし、有効画素領域を良好に拡大するという視点からすれば、改善の余地があった。

本発明は、有効画素領域を拡大可能な放射線撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態である放射線撮像装置は、入射した放射線のエネルギ又は粒子の数に対応する電荷を生成する電荷生成部及び電荷に基づくデジタル値を出力する読出部を有する放射線検出器と、複数の放射線検出器が二次元状に配置された回路基板と、を備える。読出部は、デジタル値を出力する複数の信号処理部が二次元状に配置されたリードアウト基板と、電荷生成部とリードアウト基板との間に配置され、電荷生成部に対面する第１の主面及びリードアウト基板に対面する第２の主面を含む中間基板と、を有する。第１の主面には、電荷生成部に電気的に接続される複数の第１の電極が配置される。第２の主面には、リードアウト基板の信号処理部及び第１の電極のそれぞれに電気的に接続される複数の第２の電極が配置される。複数の第２の電極の配置間隔は、複数の第１の電極の配置間隔と異なる。

放射線撮像装置では、放射線検出器が放射線を受けて電荷を発生させる。この電荷は、第１の電極を介して中間基板に移動する。そして、電荷は、第２の電極を介して中間基板からリードアウト基板の信号処理部に移動する。ここで、複数の第２の電極の配置間隔は、複数の第１の電極の配置間隔と異なっている。そして、第１の電極の配置は、放射線検出器における画素の配置に対応する。また、第２の電極の配置は、リードアウト基板の信号処理部の配置に対応する。つまり、リードアウト基板の信号処理部の配置は、放射線検出器における画素の配置と異なっている。従って、中間基板によれば、リードアウト基板の信号処理部の配置によって、放射線検出器における画素の配置が拘束されない。その結果、放射線検出器における画素の配置の自由度が高まるので、有効画素領域を良好に拡大できる。

一形態において、複数の第２の電極の配置間隔は、複数の第１の電極の配置間隔より狭くてもよい。この構成によれば、リードアウト基板が有する信号処理部の配置に対応するように、第２の電極を配置することができる。

一形態において、電荷生成部とリードアウト基板との間には、複数の中間基板が配置されてもよい。この構成によれば、第１の電極を第２の電極に対して電気的に接続する配線の長さを揃えることができる。

一形態において、リードアウト基板は、中間基板の第２の電極と電気的に接続される第３の電極を含むと共に中間基板が配置される入力部と、回路基板に電気的に接続される第４の電極を含み、入力部に隣接するように設けられた出力部と、を含んでもよい。この構成によれば、リードアウト基板は、中間基板から良好に電荷を受けることが可能であると共に、回路基板にデジタル値を出力することができる。

一形態において、中間基板を平面視した場合の外形は、電荷生成部を平面視した場合の外形よりも小さくてもよい。また、リードアウト基板を平面視した場合の外形は、電荷生成部を平面視した場合の外形よりも小さくてもよい。

一形態において、中間基板を平面視した場合の外形は、電荷生成部を平面視した場合の外形よりも大きくてもよい。また、リードアウト基板を平面視した場合の外形は、電荷生成部を平面視した場合の外形よりも大きくてもよい。

一形態において、第１の電極は、第１の配置間隔と、第１の配置間隔とは異なる第２の配置間隔とに従って配置されていてもよい。また、第２の電極は、第３の配置間隔と、第３の配置間隔とは異なる第４の配置間隔とに従って配置されていてもよい。

本発明によれば、有効画素領域を拡大可能な放射線撮像装置が提供される。

図１は、実施形態に係る放射線撮像装置の構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示す放射線撮像装置を分解すると共に第１の視点から見た斜視図である。 図３は、図１に示す放射線撮像装置を分解すると共に第２の視点から見た斜視図である。 図４は、図１の放射線撮像装置が備える放射線検出器を拡大して示す図である。 図５は、図４に示す放射線撮像装置が備える信号処理部の構成を示すブロック図である。 図６（ａ）は、比較例の放射線撮像装置における有効画素領域を説明するための図である。図６（ｂ）は、実施形態の放射線撮像装置における有効画素領域を説明するための図である。 図７（ａ）は変形例１の放射線撮像装置が有する画素ブロックを示す図である。図７（ｂ）は変形例２の放射線撮像装置が有する画素ブロックを示す図である。 図８は変形例３の放射線撮像装置が有する画素ブロックを示す図である。

図１に示す放射線撮像装置１は、検査対象から到達する放射線に基づく二次元画像を得る。放射線とは、例えば、ガンマ線、Ｘ線、アルファ線、ベータ線などである。放射線撮像装置１は、複数の放射線検出器２と、回路基板３と、を有する。放射線検出器２は、回路基板３の回路主面３ａに取り付けられている。放射線検出器２は、入射した放射線に応じた画素信号を出力する。放射線検出器２は、複数の画素構造Ｇ（図４参照）を含んでおり、画素構造Ｇごとに画素信号を出力する。画素信号は、画像生成部４において放射線画像の生成に用いられる。回路基板３は、放射線検出器２から出力された画素信号を受ける。回路基板３は、制御信号を制御部５から放射線検出器２に提供するための信号線を有する。また、回路基板３は、画素信号を画像生成部４に出力するための信号線を有する。また、回路基板３は、放射線検出器２同士を電気的に接続する信号線を有してもよい。

図２及び図３に示すように、放射線検出器２は、電荷生成部１０と、読出部２０と、を有する。電荷生成部１０及び読出部２０の形状は、板状である。放射線検出器２は、積層構造を有する。電荷生成部１０は、読出部２０の上に配置されている。電荷生成部１０は、読出部２０に対して電気的に接続されている。電荷生成部１０は、入射した放射線に応じた電荷を生成する。電荷生成部１０は、電荷を読出部２０に出力する。読出部２０は、電荷生成部１０が生成した電荷を利用して画素信号を生成する。

電荷生成部１０は、半導体検出部１１と、制御電極部１２と、電荷出力電極１３と、を有する。

半導体検出部１１は、受けたＸ線によって電子正孔対（電荷対）を生成する。つまり、半導体検出部１１は、受けた放射線をそのエネルギに対応した電流信号（電荷信号）に変換する。半導体検出部１１の平面形状は、矩形である。半導体検出部１１の大きさは、例えば、９．６ｍｍ×９．６ｍｍ程度である。半導体検出部１１は、Ｘ線などの放射線を受ける半導体入射面１１ａと、電荷を出力する半導体出力面１１ｂと、を有する。電荷に基づく信号は、半導体出力面１１ｂから読出部２０に提供される。半導体検出部１１としては、例えば、Ｃｄ（Ｚｎ）Ｔｅ電荷生成器、Ｓｉ電荷生成器、Ｇｅ電荷生成器、ＧａＡｓ電荷生成器、ＧａＮ電荷生成器、ＴｌＢｒ電荷生成器等を利用してよい。また、半導体検出部１１として、シンチレータと光検出器とを備えた装置を用いてもよい。シンチレータは、Ｘ線を光に変換する。光検出器は、シンチレータが生成した光を電荷に変換する。

制御電極部１２は、半導体入射面１１ａに設けられている。制御電極部１２は、半導体入射面１１ａの全面を覆う。平面視すると、制御電極部１２の平面形状は、半導体入射面１１ａの平面形状と一致する。制御電極部１２は、半導体検出部１１が配置される領域に、電界を形成する。電界は、半導体検出部１１に発生した電荷が移動する方向を決める。制御電極部１２は、半導体検出部１１の内部において電荷が半導体出力面１１ｂに向かって移動するように電界を発生させる。

複数の電荷出力電極１３は、半導体出力面１１ｂに設けられている。電荷出力電極１３は、バンプであってもよい。１個の電荷出力電極１３は、１個の画素に対応する。従って、電荷出力電極１３が配置されている領域は、画素領域である。例えば、第１の辺にｎ個の電荷出力電極１３が配置され、第２の辺にｍ個の電荷出力電極１３が配置されている場合には、電荷出力電極１３の総数はｋ個（ｋ＝ｎ×ｍ）である。この場合には、１個の放射線検出器２の画素数は、ｋであるといえる。そして、放射線撮像装置１がｐ個の放射線検出器２を有する場合には、放射線撮像装置１の画素数は、ｒ（ｒ＝ｋ×ｐ）であるといえる。

１個の放射線検出器２の画素数は、例えば、９６である。従って、電荷出力電極１３の数も９６である。前述したように半導体検出部１１の大きさが９．６ｍｍ×９．６ｍｍ程度の正方形であるとすれば、電荷出力電極１３の間隔は、１００μｍである。なお、図２などでは、図示の都合上、電荷出力電極１３の数は９６より少ない数として図示している。

読出部２０は、半導体検出部１１が発生した電荷に基づく画素信号を生成する。画素信号は、デジタル値である。読出部２０は、画素信号を回路基板３に出力する。読出部２０は、中間基板３０と、リードアウト基板４０と、を有する。

中間基板３０は、半導体検出部１１が発生した電荷をリードアウト基板４０に導く。詳細は後述するが、電荷出力電極１３の配置は、第１リードアウト電極４１の配置と異なっている。そこで、中間基板３０は、互いに異なる位置に配置された電極同士を接続する機能を奏する。この機能をピッチ変換と称する。従って、中間基板３０は、ピッチ変換基板である。中間基板３０は、半導体検出部１１が有する電荷出力電極１３のピッチを、リードアウト基板４０の第１リードアウト電極４１のピッチに変換する。

中間基板３０は、中間入力面３０ａ（第１の主面）と、中間出力面３０ｂ（第２の主面）と、を有する。中間入力面３０ａは、電荷生成部１０に対面する。中間出力面３０ｂは、リードアウト基板４０に対面する。

中間入力面３０ａは、半導体検出部１１の半導体出力面１１ｂに対面する。中間入力面３０ａには、平面視して矩形の中間入力領域３０Ｓが設定されている。中間入力領域３０Ｓは、中間入力面３０ａのほぼ全面に亘って設定されている。例えば、中間入力領域３０Ｓは、中間入力面３０ａの全面としてもよい。中間入力領域３０Ｓには、複数の第１中間電極３１（第１の電極）が二次元状に等間隔に配置されている。第１中間電極３１には、半導体検出部１１の電荷出力電極１３が電気的に接続される。従って、互いに隣り合う第１中間電極３１のピッチ（間隔）は、電荷出力電極１３のピッチと同じである。例えば、電荷出力電極１３のピッチが１００μｍであるとすれば、第１中間電極３１のピッチも１００μｍである。中間入力面３０ａにおいて中間入力領域３０Ｓは、画素領域に対応する。

中間出力面３０ｂには、平面視して矩形の中間出力領域３０Ｒが設定されている。平面視すると、中間出力領域３０Ｒの全体は、中間入力領域３０Ｓと重複する。つまり、中間出力領域３０Ｒの面積は、中間入力領域３０Ｓの面積よりも小さい。中間出力領域３０Ｒには、複数の第２中間電極３２（第２の電極）が二次元状に配置されている。

第１中間電極３１（図２参照）は、中間基板３０の側面の近傍にまで配置される。一方、第２中間電極３２（図３参照）は、中間基板３０の側面の近傍には配置されない。最外周に配置される第２中間電極３２は、中間基板３０の側面から離間する。第２中間電極３２から中間基板３０の側面までの距離は、第１中間電極３１から中間基板３０の側面までの距離よりも大きい。例えば、第２中間電極３２から中間基板３０の側面までの距離は、第２中間電極３２の数個分の長さよりも大きい。この距離は、後述するリードアウト出力部４０Ｒの幅に対応する。リードアウト出力部４０Ｒの幅が２００μｍであるとすれば、第２中間電極３２から中間基板３０の側面までの距離もおおむね２００μｍである。

図４に示すように、１個の第１中間電極３１は、１個の第２中間電極３２に電気的に接続されている。従って、中間基板３０は、第１中間電極３１を第２中間電極３２に接続する配線３３を有する。配線の構成は特に制限はない。例えば、配線は、中間基板３０の厚み方向に延びる配線部（垂直ビア）と、中間基板３０の表面の方向に延びる配線部（斜め配線層）との組み合わせであってもよい。また、配線は、第１中間電極３１から第２中間電極３２へ向かって直線状に延びる構成（斜めビア）であってもよい。斜めビアは、斜め方向に延びる。斜めビアによれば、第１中間電極３１から第２中間電極３２までの配線の距離であるピッチ変換距離を短くできる。その結果、浮遊容量の影響を低減することができる。

第１中間電極３１の数は、第２中間電極３２の数と同じである。互いに隣接する第２中間電極３２のピッチＰ３２は、互いに隣接する第１中間電極３１のピッチＰ３１よりも小さい。第１中間電極３１のピッチＰ３１が１００μｍであるとすれば、第２中間電極３２のピッチＰ３２として８０μｍが例示できる。なお、本実施形態では、複数の第２中間電極３２は、等間隔に配置されているが、第２中間電極３２のピッチＰ３２は等間隔に限定されない。第２中間電極３２の配置例は、変形例の欄においていくつか例示する。

再び図２及び図３を参照する。リードアウト基板４０は、電荷を受けて、受けた電荷に対応する画素信号を生成する。リードアウト基板４０は、リードアウト入力面４０ａと、リードアウト出力面４０ｂと、を有する。リードアウト入力面４０ａは、中間出力面３０ｂに対面する。リードアウト出力面４０ｂは、回路基板３に対面する。また、リードアウト基板４０は、リードアウト入力部４０Ｓ（入力部）と、リードアウト出力部４０Ｒ（出力部）と、複数の信号処理部４５と、を有する。

リードアウト入力部４０Ｓは、リードアウト入力面４０ａに形成されている。リードアウト入力部４０Ｓは、複数の第１リードアウト電極４１（第３の電極）を含む。第１リードアウト電極４１の配置は、第２中間電極３２の配置に対応している。つまり、第１リードアウト電極４１は、第２中間電極３２に対面する。その結果、１個の第１リードアウト電極４１は、１個の第２中間電極３２に電気的に接続される。そして、第１リードアウト電極４１は、第２中間電極３２から電荷を受ける。

リードアウト出力部４０Ｒは、放射線検出器２と別の構成要素（制御部５及び画像生成部４）との間における信号の入出力部として機能する。例えば、リードアウト出力部４０Ｒは、制御部５から放射線検出器２を動作させるための制御信号を受ける。また、リードアウト出力部４０Ｒは、画像生成部４に対して、デジタル値を出力する。リードアウト出力部４０Ｒは、リードアウト入力部４０Ｓを囲むように形成されている。例えば、リードアウト出力部４０Ｒの幅は、２００μｍである。平面視するとリードアウト出力部４０Ｒは、枠形状を有する。

リードアウト出力部４０Ｒは、複数の第２リードアウト電極４２（第４の電極）を含む。例えば、枠状のリードアウト出力部４０Ｒにおいて、１つの辺には、５０個の第２リードアウト電極４２が配置されている。従って、リードアウト出力部４０Ｒを構成する４つの辺において、２００個の第２リードアウト電極４２が配置されている。１個の第２リードアウト電極４２は、１個の信号処理部４５に接続されている。第２リードアウト電極４２は、リードアウト入力部４０Ｓを囲む。換言すると、リードアウト入力面４０ａにおいて、複数の第２リードアウト電極４２は、複数の第１リードアウト電極４１を囲むように配置されている。第２リードアウト電極４２は、貫通電極である。つまり、第２リードアウト電極４２は、リードアウト入力面４０ａからリードアウト出力面４０ｂに至る。第２リードアウト電極４２は、リードアウト出力面４０ｂに設けられたバンプを介して回路基板３に電気的に接続されている。

信号処理部４５は、電荷をデジタル値である画素信号に変換する。１個の信号処理部４５は、１個の第１リードアウト電極４１に接続されている。信号処理部４５は、リードアウト入力部４０Ｓから電荷を受ける。信号処理部４５は、リードアウト出力部４０Ｒからデジタル値を出力する。より詳細には、信号処理部４５は、電荷生成部１０が出力する電荷を画素信号であるエネルギ積分信号に変換する。エネルギ積分信号は、少なくとも入射した放射線が有していたエネルギの情報を含む。

図５に示すように、読出部２０は、信号変換部４６と、メモリ４７と、を有する。信号変換部４６及びメモリ４７は、信号処理部４５を構成する。つまり、電荷生成部１０の１つの画素に対して、１個の信号変換部４６、及び１個のメモリ４７が接続されている。

１個の信号変換部４６は、中間基板３０の配線３３を介して電荷生成部１０の１個の電荷出力電極１３に接続されている。信号変換部４６は、電荷生成部１０から電荷φ１を受ける。信号変換部４６は、電荷φ１に基づくアナログ信号を離散化する。アナログ信号は、電圧として表現される。電圧は、電荷生成部１０の対応する画素に入射した放射線のエネルギ又は粒子の数に対応する。従って、信号変換部４６は、デジタル信号を出力するＡ／Ｄ変換器である。例えば、信号変換部４６の分解能は、１０ビットであるとしてよい。

メモリ４７は、信号変換部４６に接続される。メモリ４７は、信号変換部４６からデジタル信号φ２を受ける。そして、メモリ４７は、デジタル信号φ２が入力されるたびに、デジタル信号φ２を保存する。メモリ４７は、デジタル信号φ２を所定のメモリ空間に逐次保存する。そして、メモリ４７は、制御部５から提供される制御信号θに応じて、デジタル信号φ２を画像生成部４に出力する。

放射線の検出器として、シンチレーション検出器と半導体検出部とが挙げられる。シンチレーション検出器と半導体検出部とを比較した場合に、半導体検出部はＸ線のイメージング技術において高感度及び高解像を容易に実現することができる。半導体検出部を備えた放射線撮像装置１は、より細かなＸ線画像をより短時間で撮像することができる。その結果、半導体検出部を備えた放射線撮像装置１は、医療、工業、非破壊検査、セキュリティ及び産業・社会インフラ検査などで利用されている。

しかし、半導体検出部は、単一の素子で大きな検出面積を実現することが難しい。単一の半導体検出部における検出面積は、一例として２０ｍｍ×２０ｍｍ程度である。上述した放射線撮像装置１が利用される分野では、例えば４００ｍｍ×４００ｍｍといった検出面積が要求される。そこで、単一の半導体検出部では実現できない大きな検出面積を、複数の半導体検出部によって実現する手法が検討されている。

放射線の入射によって半導体検出部が出力する信号は、半導体検出部だけでは読み出すことができない。つまり、放射線撮像装置１は、半導体検出部に加えて、半導体検出部が出力する信号を処理する読出回路を備えている。半導体検出部と読出回路は積層されている。このように、半導体検出部と読出回路とを備えたものを、検出器モジュールと呼ぶ。そして、半導体検出部の画素ごとに出力される信号は、読出回路における信号処理によってデジタル値に変換される。

さらなる信号処理によって、デジタル値を用いて放射線画像を生成する。従って、放射線画像を生成するような処理を行う処理装置に読出回路からデジタル値を伝送する必要がある。つまり、処理装置と読出回路とを電気的に接続する必要がある。

このような接続構成として、回路基板と読出回路とをボンディングワイヤによって接続する構成が挙げられる。しかし、ボンディングワイヤによる接続構成では、回路基板に対してボンディングパッドを配置する必要がある。その結果、互いに隣り合う半導体検出部の間に大きな隙間が生じてしまう。半導体検出部の間の隙間は、放射線の検出領域として機能しない。その結果、イメージング装置として不利である。

別の接続構成として、ある検出器モジュールの一部に、隣り合う別の検出器モジュールの一部を重ねるという構成も検討されている。このような配置によると検出器モジュールのそれぞれは、高さ方向に斜めに配置される。つまり、隣の検出器モジュールの下に読み出し用の電極を配置することによって、検出器モジュール間の隙間が生じないようにしている。しかし、このような配置によれば、放射線の線源に対して検出器モジュールの入射面が傾く。その結果、放射線の線源から検出器モジュールまでの距離が画素によって異なってしまう。また、そもそも検出器モジュールを傾けて実装することが難しい。

そこで発明者らは、検出器モジュールを斜めに実装することなく、複数の検出器モジュールを回路基板に配置する技術を提案するに至った。その結果、大きな検出面積を実現するとともに、検出器間の隙間を最小とすることが可能な放射線撮像装置を提供することができた。

本実施形態の放射線撮像装置１では、放射線検出器２が放射線を受けて電荷を発生させる。この電荷は、第１中間電極３１を介して中間基板３０に移動する。そして、電荷は、第２中間電極３２を介して中間基板３０からリードアウト基板４０の信号処理部４５に移動する。ここで、複数の第２中間電極３２の配置間隔は、複数の第１中間電極３１の配置間隔と異なっている。具体的には、複数の第２中間電極３２の配置間隔は、複数の第１中間電極３１の配置間隔より小さい。

そして、第１中間電極３１の配置は、放射線検出器２における画素の配置に対応する。また、第２中間電極３２の配置は、リードアウト基板４０の信号処理部４５の配置に対応する。つまり、リードアウト基板４０の信号処理部４５の配置は、放射線検出器２における画素の配置と異なっている。従って、中間基板３０によれば、リードアウト基板４０の信号処理部４５の配置によって、放射線検出器２における画素の配置が拘束されない。その結果、放射線検出器２における画素の配置の自由度が高まるので、複数の放射線検出器２の間における有効画素領域を良好に拡大できる。

具体例を参照して、さらに詳細に説明する。図６（ａ）は、比較例の放射線撮像装置１００が備える２個の放射線検出器１０２において、電荷生成部１１０の電極１１３とリードアウト基板１４０の電極１４１とを重複させて図示する。電極１１３は、リードアウト基板１４０の電極１４１に対して直接に接続される。放射線検出器１０２は、電荷生成部１１０と、リードアウト基板１４０と、を備えている。つまり、放射線検出器１０２は、中間基板を備えない。従って、リードアウト基板１４０の電極１４１は、電荷生成部１１０の電極１１３に対して直接に接続される。その結果、電荷生成部１１０の電極１１３は、リードアウト基板１４０の電極１４１の配置に一致させる必要がある。

リードアウト基板１４０は、複数の入出力電極が配置されるリードアウト出力部１４０Ｒを備えている。リードアウト出力部１４０Ｒと重複する領域には、電荷生成部１１０と接続される電極１４１を配置できない。つまり、リードアウト基板１４０の電極１４１は、リードアウト出力部１４０Ｒに囲まれた領域に配置される。前述したように、リードアウト基板１４０の電極１４１の配置は、電荷生成部１１０の電極１１３の配置に一致する。従って、平面視すると電荷生成部１１０の電極１１３もリードアウト出力部１４０Ｒに囲まれた領域に配置される。その結果、電荷生成部１１０の電極１１３と、隣の電荷生成部１１０の電極１１３との間には、間隔が形成されてしまう。電荷生成部１１０の電極１１３の配置は、画素の配置に相当する。従って、放射線検出器１０２が形成する画素と、隣の放射線検出器１０２の画素との間に、間隔Ｐ１００が形成される。この間隔Ｐ１００には、画素が存在しないので、放射線を検出することができない。その結果、画素数は増加するが、有効画素領域が良好に拡大できるとは言えなかった。

図６（ｂ）は、実施形態の放射線撮像装置１が備える２個の放射線検出器２における第１中間電極３１を示す。実施形態の放射線撮像装置１は、中間基板３０を備えている。中間基板３０によれば、電荷生成部１０の電荷出力電極１３の配置は、中間基板３０の第１中間電極３１の配置に一致していればよく、第１リードアウト電極４１の配置に一致させる必要がない。従って、電荷生成部１０の電荷出力電極１３は、電荷生成部１０の基板の側面に近づけて配置することができる。このような配置によれば、放射線検出器２の電荷出力電極１３と隣の放射線検出器２の電荷出力電極１３との間の間隔Ｐａが縮まる。つまり、有効画素領域ではない領域が縮小されるので、広い有効画素領域を確保することができる。その結果、画素数が増加させることが可能であり、さらには有効画素領域も良好に拡大できる。

有効画素領域は、半導体検出部１１の面積である。従って、半導体検出部１１の下部に配置される中間基板３０及びリードアウト基板４０は、構造が損なわれない範囲で、半導体検出部１１より大きくてもよい。換言すると、中間基板３０及びリードアウト基板４０により構成されるＬＳＩである読出部２０は、電荷生成部１０よりも大きくてもよい。逆に、中間基板３０及びリードアウト基板４０は、半導体検出部１１より小さくてもよい。つまり、中間基板３０及びリードアウト基板４０の大きさは、半導体検出部１１の大きさと必ずしも一致しなくてもよい。

例えば、中間基板３０と半導体検出部１１との大きさの差異は、画素構造Ｇのピッチの１／２程度を最大としてもよい。これは、中間基板３０が半導体検出部１１より大きい場合にも採用できるし、中間基板３０が半導体検出部１１より小さい場合にも採用できる。また、リードアウト基板４０と半導体検出部１１の大きさの差異も、同様の構成を採用してよい。リードアウト基板４０と半導体検出部１１との大きさの差異は、画素構造Ｇのピッチの１／２程度を最大としてもよい。

放射線検出器２を回路基板３に配置したとき、半導体検出部１１（放射線検出器２）の側面から当該半導体検出部１１に隣接する別の半導体検出部１１（放射線検出器２）の側面までの距離は、完全に０にはならない。この距離を、間隔Ｐｂと称する。図６（ｂ）に示すように、間隔Ｐｂは、間隔Ｐａの内側に存在する。そのため隣り合うリードアウト出力部４０Ｒとの最縁部の第１リードアウト電極４１の画素ピッチが、単独のリードアウト出力部４０Ｒに配置内の画素ピッチ（例えば上述した１００ｕｍ）と等しくなるように半導体検出部１１の外形サイズを小さくする。この構成によれば、最縁部の有感面積を小さくすることにより、複数の半導体検出部１１をまたいでも画素ピッチが保たれた実装を行うことができる。

この技術を用いても間隔Ｐｂがリードアウト出力部４０Ｒの画素ピッチに比べて影響があるほど大きくしなければならない場合、間隔Ｐｂに画素ピッチに相当する余白を追加する。この場合において、隣り合うリードアウト出力部４０Ｒの最縁部間のピッチを画素ピッチ×Ｎ（Ｎは１より大きい整数）とする。その結果、リードアウト出力部４０Ｒ間で画素ピッチを保つような実装を行うことができる。

別の視点から本実施形態の放射線撮像装置１の作用効果を説明する。実施形態の放射線撮像装置１は、半導体検出部１１のフットプリントから読出電極である第２リードアウト電極４２がはみ出ない回路構造を採用する。つまり、第２リードアウト電極４２は、回路基板３の主面に対して垂直方向へ延びる形状を有する。さらに、実施形態の放射線撮像装置１は、モジュールをタイリングする基板に多層構造を採用する。つまり、基板の内側に配置されたモジュールが出力する信号は、内層及び裏面に設けられた配線を介して外部に出力される。

放射線撮像装置１は、モジュールの外形と検出面積が等しい。換言すると、放射線撮像装置１では、電極が水平方向にはみ出すことがない。その結果、複数の放射線検出器２を回路基板３に配置する場合に、電極を配置するための隙間を設ける必要がない。さらに、隙間を縮小する配置とするために、放射線撮像装置１は、放射線検出器２を斜めに実装する必要もない。つまり、複数の放射線検出器２は、回路基板３に対して水平に実装することができる。

複数の第２中間電極３２の配置間隔は、複数の第１中間電極３１の配置間隔より狭い。この構成によれば、リードアウト基板４０が有する信号処理部４５の配置に対応するように、第２中間電極３２を配置することができる。

リードアウト基板４０は、中間基板３０の第２中間電極３２と電気的に接続される第１リードアウト電極４１を含むと共に中間基板３０が配置されるリードアウト入力部４０Ｓと、回路基板３に電気的に接続される第２リードアウト電極４２を含み、リードアウト入力部４０Ｓを囲むように設けられたリードアウト出力部４０Ｒと、を含む。この構成によれば、リードアウト基板４０は、中間基板３０から良好に電荷を受けることが可能であると共に、回路基板３にデジタル値を出力することができる。

本発明の放射線撮像装置１は、上記の実施形態に限定されない。例えば、中間基板３０の構成には、様々な変形例が採用できる。上記の実施形態では、中間基板３０が有する第２中間電極３２の配置は、一様であった。換言すると、第２中間電極３２のピッチは、すべて同じであった。しかし、第２中間電極３２のピッチは、すべて同じである必要はない。

例えば、図７（ａ）に示すように、中間基板３０Ａは、４個の画素ブロックＰＢ１を有していてもよい。画素ブロックＰＢ１には、それぞれ複数の第２中間電極３２が均等に配置される。互いに隣接する画素ブロックＰＢ１の間隔は、画素ブロックＰＢ１に含まれる第２中間電極３２の間隔よりも、広い。このような配置によれば、第１中間電極３１を第２中間電極３２に接続する配線の長さの相違を小さくすることができる。より詳細には、第２中間電極３２を中間出力面３ｂの全面に対して一様に配置した場合には、基板の中央付近に配置された第１中間電極３１と第２中間電極３２との位置のずれは、小さい。つまり、配線の長さ（ピッチ変換距離）は短い。これに対して、基板の周辺に配置された第１中間電極３１と第２中間電極３２との位置のずれは、大きい。つまり、配線の長さは長い。配線の長さは、配線を通過する信号に影響を与える可能性がある。例えば、配線の構成は、浮遊容量を発生させる要因になり得る。つまり、第１中間電極３１と第２中間電極３２との接続構成ごとに、浮遊容量の相違を考慮するというノイズへの対策が望まれる。従って、中間基板３０において配線の長さの最大値と最小値との相違は、小さいほうが好ましい。

図７（ａ）に示す第２中間電極３２の配置によれば、中間基板３０において配線の長さの最大値と最小値との相違を小さくすることができる。従って、信号が受ける影響の相違も小さくなるので、良好な放射線画像を得ることができる。

なお、図７（ａ）に示す第２中間電極３２の配置を採用する場合には、第１リードアウト電極４１の配置も、図７（ａ）に示す第２中間電極３２の配置と一致する。この場合には、リードアウト基板４０には、第１リードアウト電極４１が設けられない領域が形成される。この領域には、所望の機能を持たせた電極や制御回路などを付加的に形成してよい。その一方で、電荷生成部１０の電荷出力電極１３の配置は、図７（ａ）に示す第２中間電極３２の配置に拘束されない、つまり、実施形態と同様の配置を採用することができる。なお、図７（ａ）に示す第２中間電極３２の配置は、１個の中間基板３０Ａによって実現される場合に限定されない。複数の中間基板によって実現されてもよい。

図７（ｂ）は、中間基板３０Ｂが備える第２中間電極３２の別の配置の例示である。図７（ａ）に示すように、画素ブロックＰＢ１の数は、実施形態のように１個である場合及び変形例１のように４個である場合に限定されない。図７（ｂ）に示すように、中間基板３０Ｂは、１６個の画素ブロックＰＢ２を形成していてもよい。また、図８に示す第２中間電極３２の配置は、複数の中間基板によって実現されてもよい。

図８は、中間基板３０Ｃが備える第２中間電極３２のさらに別の配置の例示である。図８に示すように、画素ブロックＰＢ３の形状は、正方形に限定されない。換言すると、画素ブロックＰＢ３に配置される第２中間電極３２の配置において、縦に並ぶ第２中間電極３２の数と、横に並ぶ第２中間電極３２の数と、は互いに一致する必要はない。換言すると、縦に並ぶ第２中間電極３２の数は、横に並ぶ第２中間電極３２の数と異なってもよい。図８に示すように、縦に並ぶ第２中間電極３２の数を４個とすると共に、横に並ぶ第２中間電極３２の数を８個としてもよい。また、変形例３でも例示したように、図８に示す第２中間電極３２の配置は、１個の中間基板３０によって実現されてもよいし、複数個の中間基板３０によって実現されてもよい。

１…放射線撮像装置、２…放射線検出器、３…回路基板、４…画像生成部、５…制御部、１０…電荷生成部、２０…読出部、１１…半導体検出部、１２…制御電極部、１３…電荷出力電極、１１ａ…半導体入射面、１１ｂ…半導体出力面、３０…中間基板、４０…リードアウト基板、３０ａ…中間入力面（第１の主面）、３０ｂ…中間出力面（第２の主面）、３０Ｓ…中間入力領域、３１…第１中間電極（第１の電極）、３０Ｒ…中間出力領域、３２…第２中間電極（第２の電極）、４０ａ…リードアウト入力面、４０ｂ…リードアウト出力面、４５…信号処理部、４１…第１リードアウト電極（第３の電極）、４２…第２リードアウト電極（第４の電極）、４６…信号変換部、４７…メモリ。

Claims (5)

1. 入射した放射線のエネルギ又は粒子の数に対応する電荷を生成する電荷生成部及び前記電荷に基づくデジタル値を出力する読出部を有する放射線検出器と、
   複数の前記放射線検出器が二次元状に配置された回路基板と、を備え、
   前記読出部は、
   前記デジタル値を出力する複数の信号処理部が二次元状に配置されたリードアウト基板と、
   前記電荷生成部と前記リードアウト基板との間に配置され、前記電荷生成部に対面する第１の主面及び前記リードアウト基板に対面する第２の主面を含む複数の中間基板と、を有し、
   前記第１の主面には、前記電荷生成部に電気的に接続される複数の第１の電極が配置され、
   前記第２の主面には、前記リードアウト基板の前記信号処理部及び前記第１の電極のそれぞれに電気的に接続される複数の第２の電極が配置され、
   複数の前記第２の電極の配置間隔は、複数の前記第１の電極の配置間隔より狭く、
   前記リードアウト基板は、
   前記中間基板の前記第２の電極と電気的に接続される第３の電極を含むと共に前記中間基板が配置される入力部と、
   前記回路基板に電気的に接続される第４の電極を含み、前記入力部に隣接するように設けられた出力部と、を含み、
   前記中間基板を平面視した場合の外形は、前記電荷生成部を平面視した場合の外形よりも小さく、
   前記第４の電極は、前記入力部が形成された前記リードアウト基板の主面から前記出力部が形成された前記リードアウト基板の裏面に至る貫通電極であり、
   前記第２の主面には、複数の前記第２の電極を含む画素ブロックが複数形成され、
   互いに隣接する前記画素ブロックの間隔は、前記第２の電極の配置間隔よりも広い、放射線撮像装置。
2. 前記リードアウト基板を平面視した場合の外形は、前記電荷生成部を平面視した場合の外形よりも小さい、請求項１に記載の放射線撮像装置。
3. 前記リードアウト基板を平面視した場合の外形は、前記電荷生成部を平面視した場合の外形よりも大きい、請求項１に記載の放射線撮像装置。
4. 前記第１の電極は、第１の配置間隔と、前記第１の配置間隔とは異なる第２の配置間隔とに従って配置されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の放射線撮像装置。
5. 前記第２の電極は、第３の配置間隔と、前記第３の配置間隔とは異なる第４の配置間隔とに従って配置されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の放射線撮像装置。

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