Die Erfindung betrifft einen Sensorchip der für einen Positronen-Emissions-Tomographie- Detektorring geeignet ist.

Nach dem Stand der Technik werden Positronen-Emissions-Tomographie-Detektorringe eingesetzt um die ß ⁺ ß ^· Annihilationsstrahlung zu detektieren. Die Ringe bestehen aus Szintil- lationskristallen an die Sensoren angrenzen, die dazu in der Lage sind die Szintillationsstrah- lung zu detektieren. Typische Detektoren sind SiPM (Silizium Photomultiplier). Der Aufbau gestaltet sich derart, dass der Detektorring in der Regel kreisförmig ist, wobei das zu ver- messende Objekt, beispielsweise ein Körperteil eines Patienten oder Tieres in das Zentrum des Detektorrings (PET-Ring) gelegt wird. Durch die Verwendung von Radiodiagnostika wird ß ⁺ ß ^· Annihilationsstrahlung erzeugt, die detektiert werden soll. Die ß ⁺ ß ^· Annihilationsstrah- lung, im Folgenden Vernichtungsstrahlung genannt, trifft auf Szintillationskristalle, die ring- förmig um das zu untersuchende Objekt angeordnet sind und erzeugt die Szintillationsstrah- lung. Die Szintillationsstrahlung wird wiederum von den SiMP registriert, die sich bezogen auf die Strahlungsquelle, in der konzentrischen Anordnung hinter dem Szintillationskristall befindet. Die SiMP können jedoch auch an anderen Seiten des Szintillationskristalls ange- ordnet sein, beispielsweise vor dem Szintillationskristall oder seitlich davon. Der Szintillati- onskristall ist ein dreidimensionaler Körper. Bezogen auf eine Anordnung, bei der das zu untersuchende Objekt vom Zentrum des Detektorrings Vernichtungsstrahlung emittiert, spannt der Querschnitt auf den die Vernichtungsstrahlung auf den Szintillationskristall trifft, eine xy-Ebene auf. Die Tiefe des Szintillationskristalls wird in dieser Nomenklatur als z- Achse bezeichnet. In einer idealisierten Darstellung befindet sich im Zentrum des Detektor- rings ein zu untersuchendes Objekt bzw. eine Emissionsquelle für Strahlung einer Energie von 51 1 keV, die idealerweise senkrecht auf die xy-Ebene des Szintillationskristalls trifft und eine Eindringtiefe entlang der z-Achse des Szintillationskristalls aufweist. Die 51 1 keV Ver- nichtungsstrahlung löst dann an einem Punkt des Szintillationskristalls entlang der z-Achse eine Szintillation aus, die vom Sensor, beispielsweise einem SiPM, als Signal registriert wird. Ein SiPM ist fähig sogar einzelne Photonen zu detektieren. Wenn das minimal benötigte Licht auf die aktive Sensorfläche trifft, erfährt die SiPM-Mikrozelle einen Durchbruch der Diode Die Mikrozellen werden deshalb auch Single Avalanche Photo Diode, SPAD genannt. Dies generiert einen Strompuls, welcher am Ausgang des Bauteiles gemessen werden kann. Ein sogenannter Quench-Widerstand verhindert, dass die Zelle einen kritischen Strom gene- riert, der so hoch wird, dass das Bauteil zerstört wird. Der Ausgangsstrom einer SiPM- Mikrozelle ist unabhängig von der Menge Licht, welche den Sensor erreicht und den Durch- bruchprozess gestartet hat. Eine SiPM-Mikrozelle ist ein binärer Sensor, welcher detektiert, ob Licht einfällt oder nicht. Um quantitative Informationen über das einfallende Licht zu erhal- ten, besteht ein SiPM aus einer Vielzahl von Mikrozellen. Eine Mikrozelle besteht dabei aus einer Photodiode und einem Quenchwiderstand. Die Anzahl der durchgebrochenen Zellen gibt dann Informationen über die eingefallene Lichtmenge an.

Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Sensitivität des Szintillationskristalls und des- sen Länge entlang der z-Achse. Je dicker (längere Ausdehnung in z-Richtung) der Szintillati- onskristall dimensioniert ist, desto empfindlicher ist er, da es umso wahrscheinlicher zu einem Szintillationsereignis kommt.

Bei der Detektion der Vernichtungsstrahlung werden von dem Punkt, an dem die Vernich- tungsstrahlung emittiert wird, Strahlen in zwei entgegengesetzte Richtungen emittiert, so dass die Strahlen einen Winkel von 180° ausbilden. Die Linie, die durch diese Strahlen ge- bildet wird, wird als„line of response“ (LOR) bezeichnet. Entsprechend treffen bei einem ringförmigen Detektor entlang der LOR zwei Strahlen auf Szintillationskristalle, die - bezogen auf die ringförmige Anordnung in deren Zentrum sich die Emissionsquelle befindet - auf gegenüberliegenden Seiten liegen.

Für Detektoren mit einer Lichtdetektion durch Photodioden in Form von SiPMs an nur einer Seite des Szintillatioskristalls existieren verschiedene etablierte Methoden, um die x- und y- Position eines Events zu bestimmen. Diese beinhalten jedoch nicht die z-Position und somit ist nicht die genaue Position im Szintillationskristall bestimmt, wo das Gammaphoton auf der z-Achse gestoppt und in Licht umgewandelt wurde (Photokonversion). Wird die z-Position nicht mit bestimmt, kommt es bei der Bestimmung der LOR zu Parallaxefehlern, die auf das beschriebene Interaktionstiefenproblem (DOI-Problem) zurückzuführen sind. Das DOI- Problem kommt immer dann zu Stande, wenn die LOR nicht parallel zur z-Achse des Szintil- latorkristalls ist. Je weiter sich das Emissionszentrum für eine LOR außerhalb des Zentrums der transaxialen Ebene eines PET-Rings befindet, desto größer wird das Problem. Dadurch kommt es beim Design eines PET-Ringes zu einem Kompromiss zwischen Erhöhung der Sensitivität durch längere Szintillationskristalle und Verringerung der DOI-Fehler durch kür- zere Szintillationskristalle. In einigen Bereichen der PET-Anwendung besteht der Bedarf, eng am Untersuchungsobjekt anliegende PET-Ringe (Detektorringe) zu verwenden. Das ist insbesondere in der Medizin der Fall, wenn Patienten gleichzeitig mit einem MRT-Verfahren und einem PET-Verfahren untersucht werden sollen. Dann muss der PET-Ring in die Öff- nung der MRT-Scannerröhre passen. Das hat zur Folge, dass der verwendete PET-Ring im Durchmesser klein dimensioniert sein muss, damit er in die Öffnung des MRT-Rings passt. Bei einer kleinen Dimensionierung des PET-Rings besteht jedoch das Problem, dass das zu untersuchende Objekt, beispielsweise ein Körperteil eines Kleintiers oder auch eines Men- schen, zwar zentriert angeordnet werden kann, jedoch gemessen an dem Durchmesser des PET- Rings so dimensioniert ist, dass er bis weit in die Randbereiche der Öffnung des PET- Rings reicht. Damit sind jedoch auch Punkte, von denen Vernichtungsstrahlung ausgeht so dicht am PET-Ring positioniert, dass das DOI-Problem erheblich wird.

In den vergangenen Jahren wurde insbesondere die Auflösung bei Kleintier-PET-Scannern mit der Verwendung von pixilierten Szintillationskristallblöcken mit immer kleineren Pixelgrö- ßen deutlich verbessert. Dabei ist die Pixelung auf der xy-Ebene verwirklicht, so dass sich im Szintillationskristall Röhren von Pixeln, die in z-Richtung ausgerichtet sind, ausbilden. Eine Verkleinerung der Pixelgröße in der xy-Ebene wurde besonders durch den Bedarf an immer höherer Ortsauflösung in Kleintier-PET-Scannern gefördert, da das untersuchte Objekt sehr klein ist. Mittlerweile hat die Pixelgröße bereits den Submillimeterbereich erreicht. Deswegen kommt es verstärkt zu zwei Problemen, die gelöst werden müssen. Erstens bestehen die pixilierten Kristallblöcke aus Kleber und Reflektorfolie, welche sich zwischen den einzelnen Szintillationskristallen befindet, um so einen pixilierten Block mit optisch gegeneinander isolierten Pixeln aufzubauen. Die Schicht Kleber und Reflektorfolie hat eine ungefähre Dicke von 70mm. Demzufolge haben pixilierte Arrays mit besonders geringem Pixelabstand einen erhöhten Sensitivitätsverlust. Im Falle eines Arrays mit 0.8 cm x 0.8 cm großen Kristallpixeln, wie sie zum Beispiel in [1] verwendet wurden, verringert sich das Verhältnis von Kleber und Folie zu Szintillationskristall deutlich, so dass Kleber und Folie bereits einen Anteil von 29 % ausmachen. Der Szintillationskristallanteil ist folgerichtig auf 71 % reduziert. In den anderen 29 % Volumen können Gammaquanten nur sehr ineffizient gestoppt und in Licht umgewan- delt werden. Verwendet man noch kleinere pixilierte Arrays von beispielsweise 0.5 cm x 0.5 cm, reduziert sich der Kristallanteil sogar auf 59 %. Deswegen ist die Erhöhung der Auflö- sung mit pixilierten Arrays immer an einen Verlust von Sensitivität gebunden. Das zweite Problem mit pixilierten Szintillationskristallarrays ist, dass das emittierte Licht auf einen klei- neren Bereich der SiPM-Detektorfläche konzentriert wird. Ein SiPM besteht aus mehreren Mikrozellen, welche, wie oben Beschrieben, als binäre Elemente funktionieren. Je mehr Licht einen SiPM trifft, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei oder mehr Lichtquanten auf die gleiche Mikrozelle des SiPM treffen. Diese zusätzlichen Lichtquanten können dann nicht detektiert werden. Konsequenter Weise ist die Wahrscheinlichkeit von Sättigung eines SIPM deutlich höher, wenn pixilierte Szintillationskristallarrays verwendet werden, da diese das Licht stärker auf einen kleinen Bereich des SiPM konzentrieren. Sättigungseffekte führen auch zu einer schlechteren Energieauflösung und Zeitauflösung der Detektoren.

Wie eingangs erwähnt, verwenden Detektoren vom Stand der Technik SiPM-basierte Sen- sortechnologien, um Magnetresonanztomographiekompatibilität (MRI-Kompatibilität) für den Gebrauch in MR/PET Hybridscannern zu ermöglichen. Ein weiteres Problem mit Hyb- ridscannern ist, dass der Platz für PET-Detektoren und zugehörige Elektronik durch den Röhrendurchmesser des Magnetresonanztomographens (MRT) begrenzt ist. Dies trifft ins- besondere für Ultra-Hochfeld-Tomographen zu. Als Konsequenz des schmaleren Röhren- durchmessers müssen die PET-Szintillationskristalle so kurz wie möglich sein. Kürzere Szin- tillationskristalle verringern ebenfalls die Sensitivität. Die bedeutet auch, dass sich durch die Bedingungen des Röhrendurchmessers der PET-Ring näher am Untersuchungsobjekt befin- det. Abgesehen von Beschränkungen durch Hybridgeräte versucht man auch auf Grund einer höheren Sensitivität und geringerer Kosten PET-Ringe mit möglichst geringem Durch- messer zu verwenden.

Weiterhin ist bekannt, dass viele SiPM-Sensorkonzepte für PET Geräte eine Kodierung der Ausgangskanäle beinhalten, da durch die Erhöhung der Ausgangskanäle die Leistungsauf- nahme des PET-Ringes erhört wird. Diese ist allerdings konstruktionsbedingt limitiert. Eine einfache Rechnung verdeutlicht dies. Ein PET-Ring mit einem Durchmesser von 8 cm und einer Länge von 10 cm resultiert in einer Detektoroberfläche von 251 cm ² . Wird eine 1-zu-1- Kopplung von Szintillationskristallen und SiPMs mit einer Kristallpixelgröße von 0.8 mm verwendet, werden bereits 39270 Auslesekanäle benötigt, falls jeder Kanal individuell ausge- lesen wird.

Um höhere Ortsauflösungen zu erzielen, bestehen aktuelle Sensordesigns aus Sensorchips mit kleineren Pixelgrößen (d.h. aus mehreren, unabhängigen und in einer Matrix angeordne- ten, SiPMs). Hierbei bezeichnet ein Pixel des Sensorchips mehrere individuelle, parallel geschaltete Mikrozellen. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung der Auslesekanäle, welche durch die Leistungsaufnahme, Platz und Datenraten begrenzt sind. Als Konsequenz daraus wurden positionssensitive (PS) Kodierungsmethoden entwickelt, um die Anzahl der Auslese- kanäle eines Chips zu reduzieren [1 -3, 15]. Das aktuellste entwickelte Konzept heißt PS- SSPM [1] und basiert auf ladungsteilenden PS-SiPMs. Ladungsteilenden PS-SiPM- Mikrozellen detektieren das Licht wie herkömmliche SiPM-Mikrozellen. Jedoch beinhaltet dieses Sensorkonzept ein Widerstandsnetzwerk, welches die generierte Ladung abhängig von der Position und der Kodierung verteilt. Der in [1] vorgestellte Detektoraufbau besteht aus einem pixilierten Kristallarray mit einem Abstand von 0.8 mm.

Dieses aktuellste Detektorkonzept ermöglicht den Vorteil einer Ausgangskanalreduzierung durch die Kanalkodierung bei gleichzeitiger hoher Detektorarrayauflösung, welche durch den Gebrauch von pixilierten Szintillationskristallarrays mit einem Abstand von weniger als einem Millimeter erreicht wird. Allerdings beinhaltet es keine DOI-lnformationsdetektion.

Ein in [4] publiziertes Konzept beweist die Möglichkeit einen PET-Detektor bestehend aus monolithischen Kristallen und SiPMs aufzubauen. Wie bereits zuvor erwähnt, lösen monoli- thische Kristalle das Problem von Sensitivitätsverlusten durch den Platzbedarf von Reflektor- folien und zugehörigen Klebern. Außerdem fallen durch das entfallende Zuschneiden und Verkleben der Szintillatorpixel die Produktionskosten von monolithischen Kristallen geringer aus. Die verwendete Dicke der Kristalle beträgt 2mm. Dadurch werden mit dem in [4] ver- wendeten Aufbau Parallaxefehler vermieden, was jedoch durch die geringe Ausdehnung des Szintillationskristalls in z-Richtung erkauft wird. Gleichzeitig ist die Detektionseffizienz durch die geringe Kristallhöhe jedoch gering.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten DOI-lnformationen zu messen und damit Parallaxefehler zu korrigieren, welche zusätzlich an einer weiteren Kristallseite Licht detektieren. Besonders für SiPMs vom Stand der Technik erhöhen sich die Kosten dadurch immens. Ein Konzept für DOI-Detektion, welches nur an einer Kristallseite Licht detektiert und dabei monolithische Kristalle verwendet, ist in [5] publiziert und in [6] patentiert. Es verwendet das bekannte Prinzip, dass die Lichtverteilung des Kristalls abhängig von der DOI ist. Das verwendete Detektorkonzept ist mit monolithischen Kristallen an positionssensitive Photomultiplier (PMT) H8500 von Hamamatsu gekoppelt. Außerdem wird ein Widerstandsnetzwerk verwendet, welches Positionskodierung und damit auch Ausgangskanalreduzierung ermöglicht. Dabei wird die Standardabweichung der Lichtverteilung verwendet, um die DOI abzuschätzen. Zur Berechnung der Standardabweichung benötigt man das Moment der 1. und 2. Ordnung der Lichtverteilung. Das Moment 1. Ordnung ist bereits durch die Linearkodierung der Aus- gangskanäle gegeben. Zur Bestimmung des Moments 2. Ordnung ist ein Summennetzwerk entwickelt worden und in das Widerstandsnetzwerk integriert

Einen Überblick von PET-Detektoren mit DOI-Detektion ist in [7] zusammengefasst. Be- schreibungen und Ergebnisse von Kleintier-PET- und MR/PET-Hybridscannern, welche in den letzten Jahren entwickelt worden sind, befinden sich in [8-1 1].

Detektorkonzepte, welche auf aktueller SiPM-basierter Technologie bestehen und eine Posi- tionskodierung zur Kanalreduktion enthalten, beinhalten keine DOI-Detektion. Deswegen beinhalten PET-Ringe, die mit diesen Detektoren aufgebaut sind, Parallaxefehler in den rekonstruierten Bildern. Darüber hinaus verwenden die meisten Szintillationsdetektoren pixilierten Szinitllatorkristallarrays. Dieses führt wie oben beschrieben zu einem Verlust an Sensitivität bedingt durch die Reflektorfolie und dem Kleber zwischen den Kristallen des Arrays. Aufgrund der fehlenden DOI-lnformation ist man bei der dicke der Kristalle begrenzt. Eine Erhöhung der Sensitivität durch dickere Kristalle geht einher mit einem Verlust an Ortsauflösung bedingt durch fehlende DOI-lnformation und die daraus resultierenden Pa- rallaxefehler. Die in [7] genannten DOI-Konzepte für pixilierte Kristalle sind prinzipiell auch mit beliebig kleinen Szinitllatorkristallen realisierbar, die erwähnten Nachteile wie Sättigungs- effekte und Sensitivtätsverlust gelten aber auch für diese Konzepte.

Aktuell sind SiPM-Sensoren eine der teuersten Komponenten eines PET-Rings.

Das Konzept, welches in [5, 6] realisiert ist, verwendet positionssensitive PMT, welche nicht in starken magnetischen Feldern verwendet werden können. Dadurch sind sie nicht MRT- kompatibel. Das Konzept könnte mit MRT-kompatiblen Avalanche Photodioden (APD) reali- siert werden, was bis heute noch nicht geschehen ist. APDs sind Photodioden, welche durch Anlegen einer geeigneten Bias Spannung im proportionalen Arbeitsbereich betrieben wer- den. Ein von einem optischen Photon generiertes Ladungsträgerpaar erzeugt hierbei durch wiederholte sekundäre Ionisierung weitere Ladungsträgerpaare (Ladungsträgerlawinen). Der resultierende Photostrom hängt von der Lichtintensität ab, wie es bei PMTs der Fall ist. Trotzdem ist eine Realisierung dieses Konzeptes auf SiPM-Mikrozellenebene eine andere Herausforderung, da SiPM-Mikrozellen binäre Sensoren sind und in einem anderen Modus, dem sogenannten Geiger-Modus betrieben werden.

Die Möglichkeit von DOI-Detektion mit positionssensitiven PMTs ist in [10, 11] bewiesen worden.

Forschungsergebnisse mit Detektoren bestehend aus SiPMs und monolithischen Kristallen sind in [12] publiziert. In diesem Ansatz werden SiPMs auf der gleichen Art und Weise be- nutzt, wie das ursprüngliche Konzept für PMTs und APDs in [5, 6] publiziert wurde.

Die Deutschen Patentanmeldungen 10 2016 006 056, 10 2016 014 113 und 10 2016 008 904 offenbaren Sensorchips, mit denen das DOI Problem gelöst oder vermindert werden kann.

Bei dem in der Deutschen Patentanmeldung 102016 006 056 offenbarten Sensorchip müs- sen die Kodierwiderstände und die Widerstände, welche für den Stromteiler verwendet wer- den, signifikant kleiner sein, also mindestens um den Faktor 100, besser 1000 kleiner sein, als die Summierwiderstände, welche wiederum signifikant kleiner sein müssen als die Quenchwiderstände also um den Faktor 100, besser 1000. Dadurch wird wegen des be- grenzten verfügbaren Platzes auf dem Sensorchip die Anzahl der zu kodierenden Mikrozel- lenpositionen begrenzt. Der dort offenbarte Sensorchip basiert jedoch darauf möglichst viele, einzelne Mikrozellen zu kodieren. Dies sollte darüber hinaus für eine möglichst große photo- sensitive Sensorfläche (d.h. große Ausdehnung in x- und/oder y- Richtung) gewährleistet sein. Weiterhin werden pro x- und/oder y- Richtung jeweils zwei Kodierwiderstände benötigt. Darüber hinaus wird die Differenz bzw. der Unterschied in der Größe zu den Nachbarwider- ständen immer geringer, je mehr Mikrozellenpositionen entlang der x- bzw. y- Richtung kodiert werden müssen. Dies führt zu Limitierungen des mit den Sensorchips durchgeführten Kodierverfahrens. Genauso kann dieses Verfahren durch technische Produktionslimitierung begrenzt werden, wo es nicht mehr möglich ist, Widerstandsgrößen präzise zu integrieren bzw. es komplizierter ist, Widerstände vieler verschiedener Werte zu realisieren. Die

Quench- und Summierwiderstände haben jeweils die gleiche Werte, im Gegensatz zu den Kodierwiderständen, was mit gängigen Technologien zur IC (Integrated circuits = integrierte Schaltungen) Herstellung leichter zu realisieren ist.

Ein weiterer Nachteil ist, dass produzierte ICs mit gleicher Kodierung von Kodierwiderstän- den nicht miteinander und deren Kanäle zusammengefasst werden können, ohne die Positi- onskodierung und die Wechselwirkungstiefenkodierung unwiederbringlich zu deaktivieren. Ein zusammenschalten mehrere Sensorchips mit kleiner Sensorfläche zu einer größeren Einheit mit großer Sensorflächer bei Beibehaltung der korrekten Positionskodierung und die Wechselwirkungstiefenkodierung ist sehr Vorteilhaft, da die Produktionsausbeute pro Flä- cheneinheit bei Sensorschips mit kleiner Fläche größer ist als bei Sensorschips mit großer Fläche. Dies wirkt sich sehr vorteilhaft auf die Produktionsstückkosten aus. Weiterhin neh- men die Widerstände auf dem IC relativ viel Platz ein, weswegen verfügbare der Platz für Photodioden verringert ist, was zu einer Reduzierung der Photosensitiven Fläche und somit der Effizienz der Photodetektion (Photodetection Efficiency (PDE) führt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Sensorchip zur Verfügung zu stellen, der die Nachtei- le des Standes der Technik überwindet mit dem der Parallaxenfehler bei der Bestimmung einer LOR verringert werden kann. Es soll ein Sensorchip zur Verfügung gestellt werden, der die Verwendung von Szintillations-Einkristallen für die Detektion von Signalen bei der Positronen-Emissions-Tomographie ermöglicht, wobei das DOI-Problem vermieden werden kann, indem der Parallaxenfehler bei der Bestimmung der LOR verringert wird.

Die Empfindlichkeit und die Auflösung des Sensorchips sollen verbessert werden. Weiterhin soll der Sensorchip geeignet sein zusammen mit einem MRT insbesondere bei hohen Mag- netfeldern und geringen Magnetinnendurchmessern betrieben zu werden. Die Genauigkeit von klein dimensionierten PET-Ringen bzw. bei PET-Ringen, die eng am Untersuchungsob- jekt anliegen, soll verbessert werden. Der Platzbedarf durch die der Messanordnung zugehö- rige Elektronik soll verringert werden. Die Kosten für die Vorrichtung sollen verringert wer- den. Der Sensorchip soll in seiner Anwendung nicht auf die Verwendung in der PET be- schränkt sein, sondern soll generell für Szintillations-Einkristalle verwendet werden können. Weiterhin soll die Anzahl der Mikrozellenpositionen, die kodiert werden sollen, erhöht wer- den. Eine Kodierung über eine größere Anzahl von Mikrozellen als nach dem Stand der Technik soll ermöglicht werden, wobei die Limitierung durch auf dem IC realisierbare Wider- standswerte vermindert oder aufgehoben werden soll. Die von den Widerständen benötigte Fläche soll verringert werden, so dass auf dem Chip mehr Platz für Mikrozellen bzw. SPADs vorhanden ist. Aufgabe der Erfindung ist es auch gleichzeitig sowohl eine lineare Kodierung der Mikrozellenströme als auch eine quadratische Kodierung der von den Mikrozellenströme erzeugten Spannungsabfällen entsprechend ihrer xy Position zu erreichen, wobei die Kodie- rung insbesondere über die Grenzen eines individuellen Sensorchips erreicht werden soll um eine erfolgreiche Bestimmung der Position und Tiefe der Detektionsposition im monolithi- schen Kristall des Szintillationsdetektors zu erreichen, wenn monolithische Kristalle verwen- det werden, die größer als ein einzelner Sensorchip sind, und deshalb mehrere Sensorchips zum registrieren des Szintillationslichtes erforderlich sind. Der Sensorchip soll eine Lichtde- tektion, insbesondre im IR-, im visuellen und im UV-Bereich ermöglichen.

Ausgehend von dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs angegebenen Merkmalen.

Die eingangs genannten Aufgaben werden gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Sensorchip ist es nunmehr möglich, Parallaxenfehler bei der Bestimmung der LOR's, insbesondere bei Szintillations-Einkristallen, zu verringern. Die Empfindlichkeit und die Auflösung der Messmethode und der Vorrichtung werden verbessert. Der Einsatz von in z-Richtung längeren Szintillations-Einkristallen soll ermöglicht werden.

Der Detektor kann zusammen mit einem MRT-Gerät betrieben werden. Insbesondere bei Geräten mit kleiner Dimensionierung oder wenn der PET-Ring eng am Untersuchungsobjekt anliegt wird der Parallaxenfehler verringert. Es wird Platz für die zugehörige Elektronik und Kosten eingespart. Der erfindungsgemäße Sensorchip erreicht eine sehr hohe Detailgenau- igkeit. Denn die Anzahl der Abtastungen der Lichtverteilungsfunktion wird dadurch signifikant erhöht, da sogar eine Abtastung auf Mikrozellebene möglich ist. Dadurch erhöht sich die Granularität, welche für die Bestimmung des 2. Momentes verfügbar ist, um einen Faktor, der abhängig von den später beschriebenen Implementierungsmethoden bis zu 160 oder höher gegenüber herkömmlichen SiPM's, Photomultipliem bzw. Avalanche-Dioden betragen kann. Dies führt zu einer genaueren Bestimmung des Moments 2.0rdnung führt. Weiterhin wird die Anzahl der Mikrozellenpositionen, die kodiert werden sollen, erhöht. Eine Kodierung über eine größere Fläche von Mikrozellen als nach dem Stand der Technik wird ermöglicht, wobei keine Limitierung von Widerstandsgrößen vorliegt oder diese vermindert wird. Der Platz, den die Widerstände auf dem Chip einnehmen, wird verringert, weswegen verfügbare der Platz für Photodioden vergrößert wird. Es können Sensorchips mit größeren photosensi- tiven Flächen (größere Anzahl von Mikrozellen) kodiert werden. Eine Linearkodierung der Ströme und eine quadratische Kodierung der Spannungsabfälle sind über mehrere Sen- sorchips möglich. Es wird eine Lichtdetektion im IR-, im visuellen und im UV-Bereich ermög- licht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im Folgenden wird die Erfindung in ihrer allgemeinen Form beschrieben, ohne dass dies einschränkend auszulegen ist.

Erfindungsgemäß wird bei einem Sensorchip eine Linearkodierung von Strömen in einer Ausleserichtung x oder in zwei Ausleserichtungen x und y vorgenommen, wobei die Linear- kodierung in x- und/oder y-Richtung durch eine Reihenschaltung von Kodierwiderständen erfolgt.

Dabei kann das linear-kodierte Signal für die x-Richtung an den Ausgängen Ch _A , und Ch _B , und für die y-Richtung an den Ausgängen Ch _C , und Che, abgegriffen werden. Hierbei ergibt sich annährend lineare, ansteigende oder absteigende Abhängigkeiten zwischen den Signa- len am Ausgang und der x-y-Position an welcher eine Signalinjektion durch die Mikrozellen in das Kodiernetzwerk erfolgt.

Das Verfahren kann mit allen Photosensoren, die eine Ortskodierung beinhalten, wobei diese möglichst einer Linearkodierung entsprechen soll, durchgeführt werden.

Hierbei muss sich das Ausgangssignal eines Kanals oder einer Kombination aus Kanälen möglichst linear aufsteigend mit der x- oder y Position ändern, während das Ausgangssignal eines anderen Kanals oder einer Kombination aus Kanälen sich möglichst linear absteigend mit der x- oder y- Position ändert. Unter einer Linearkodierung im Sinne der Erfindung ist jede Kodierung zu verstehen, die der Formel 1 entspricht. Hierbei ist Q1 die Ladung der über die e-Position aufsteigenden Ausgangskanäle und Q2 die Ladung der über die e-Position absteigenden Ausgangskanäle. Die Größe e bezeichnet die Kodierungsrichtung, also x oder y, C _1-6 bezeichnen Konstanten.

Die Klammern für die Ausdrücke c ₁ , c ₄ , c ₃ und C ₆ in Formel 1 sind offene Intervalle im ma- thematischen Sinne.

Formel 1 nimmt Rücksicht darauf, dass Ausführungsformen, die nicht den Anforderungen an eine exakte Linearität genügen, also nur annähernd lineare Kodierungen erzeugen, noch geeignet sein können, die erfindungsgemäße Lehre zu verwirklichen. Im Idealfall ist die Linearkodierung exakt linear. Für den Fall der exakten Linearität sind c ₂ =1 und c ₅ =1.

In Abhängigkeit von der Position der Mikrozelle wird der Photostrom auf die Ausgänge ver- teilt und mündet in Positionen innerhalb der Reihenschaltungen, welche eine der zu kodie- renden Position entsprechende Anzahl von Kodierwiderständen R _h in Richtungen x bzw. R _v in y-Richtung haben. Abhängig von dieser Position werden die Photoströme auf die Ausgän- ge Ch _A , Ch _B , Ch _C und Ch _D verteilt, da abhängig von der Position mehr oder weniger Wider- stände zwischen der Mikrozellenposition und den entsprechenden Ausgängen liegen und somit der Gesamtwiderstand zu den entsprechenden Ausgängen mit der Position variiert. Hierbei sind für N x-Positionen nur N+1 gleich große Widerstände nötig bzw. für M y- Positionen nur M+1 gleich große Widerstände nötig.

Im Folgenden werden Begriffe betreffend den Widerstand definiert.

Unter Widerstandswert im Sinne der Erfindung ist der nominale Wert des Widerstandes in Ohm zu verstehen. Bei Widerstandsmaterialen mit gleicher elektrischer Leitfähigkeit sind die Widerstandswerte bei gleicher Widerstandsgeometrie gleich groß. Bei Widerstandswerten mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit sind die Widerstandswerte bei gleicher Wi- destansgeometrie unterschiedlich groß. Bei Widerstandsmaterialien gleicher Leitfähigkeit und unterschiedlicher Widerstandsgeometrie sind die Widerstandswerte auch unterschiedlich groß.

Der Begriff Widerstand bezeichnet den physischen Widerstand als körperlichen Gegenstand der funktionell bezeichnet ist, ohne dass der Widerstandswert damit nominal festgelegt wer- den soll.

Der Sensorchip weist erfindungsgemäß eine Vielzahl von Mikrozellen auf, die sich dadurch auszeichnen, dass jeder Mikrozelle eine eigene (x,y)-Position zugeordnet wird. Eine Mikro- zelle im Sinne der Erfindung besteht aus mindestens einer Photodiode D _n,m , und einem Stromteiler S _q,nm , mit Ausgängen S _q,v,nm , für die y-Richtung und Ausgängen S _q,h,nm für die x- Richtung, mit Mitteln zum Quenchen, beispielsweise Quenchwiderständen R _q,h,nm und R _q,v,nm der den generierten Photostrom der Dioden in zwei gleich große Anteile teilt. Alternativ kön- nen auch mehre Photodioden D _n , _m ... D _n+l,m+k, mit zugehörigen Stromteilern und Quenchwider- ständen zu einer Mikrozelle zusammengefasst werden, wobei I und k beliebige und dem Bedarf entsprechende ganze Zahlen sind. (Figur 2)

In den genannten Abkürzungen für die Stromteiler S und die Quenchwiderstände R _q bedeutet die Indizierung h, dass die entsprechenden Signalbusse in den Ausgang Ch _A , Ch _B , für die Indentifizierung der x Position, führt und dass die Indizierung v, dass die entsprechenden Signalbusse in den Ausgang Ch _C , Ch _D für die Identifizierung der y Position führt.

Als Photodioden können insbesondere Single Avalanche Photodiods (SPAD's) verwendet werden, wobei sich die Quenchwiderstände gleichzeitig die Funktion des Stromteilers über- nehmen.

Anstelle eines Quenchwiderstandes kann der Quenchprozess auch durch aktives Quenchen, mit den dem Fachmann bekannten Methoden bzw. Mitteln zum Quenchen, z. B. unter Ver- wendung eines Transistors und eines Komparators, eingeleitet werden. In der folgenden Beschreibung wird in den offenbarten Ausführungsformen ein Quenchwiderstand Rq bezie- hungsweise ein mit den Quenchwiderständen R _q,v,nm und R _q,h,nm realisierter Stromteiler S offenbart. Jedoch kann bei allen Ausführungsformen auch ein anderes äquivalentes Mittel zum Quenchen, beispielsweise ein Transistor oder Komparator eingesetzt werden, so dass die Offenbarung nicht auf die Verwendung eines Quenchwiderstandes beschränkt ist.

Die Mikrozellen sind in einem Raster angeordnet, bei dem die Mikrozellen in Reihen in x- Richtung und in y-Richtung angeordnet sind. Dabei sind die Mikrozellen in Reihen bzw.

Spalten vorzugsweise parallel zur der x- Achse und der y-Achse angeordnet. Typischerweise sind 10, 50, 100 oder 1000 Mikrozellen in jeweils der x-Richtung und der y-Richtung ange- ordnet. Die Anordnung enthält dann N Spalten in x-Richtung x _n = x ₁ , x ₂ , x ₃ , . . . .x _N mit n = 1 , 2, ... N und M Reihen in y-Richtung y _m = y ₁ , y ₂ , y ₃ ·· · · y _M mit m = 1 , 2, ....M. Darüberhinaus sind N und M jeweils auch die Anzahl der Mikrozellen in x und y Richtung. Die Richtungen x und y sind vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet, sie können jedoch auch in einem Winkel angeordnet sein, der von 90° abweicht, so dass ein Rautenmuster entsteht.

Diese Anordnung bildet einen Block. Ein Sensorchip kann eine Mehrzahl von Blöcken auf- weisen, die in einem Raster angeordnet sind. Dabei kann ein Block auf dem gleichen Sub- strat (oder Waver, oder Chip) untergebracht werden, oder auf unterschiedlichen. Die Ausgänge der mit den Quenchwiderständen realisierten Stromteiler S _q , _nm , sind über die Verbindungen C _h,nm und C _v,nm mit Signalbussen N _s,h,n für die x- und Signalbussen N _s,v,m für die y-Richtung verbunden. Die Signalbusse N _s,h,n münden in die Knotenpunkten K _h,n (n = 1 ,

2, 3 ...N) und sind über Reihenschaltung von Kodierwiderständen R _h,0 , R _h,1 , ... R _h,N , mit den

Ausgängen Ch _A , Ch _B verbunden. Die Signalbusse N _s,v,m münden an den Knotenpunkten K _v,m

(m = 1 , 2, 3 . M) und sind über Reihenschaltung von Kodierwiderständen R _v,0 , R _v,1 , ...

R _v,NM , mit den Ausgängen Ch _C , Ch _D verbunden.

Darüber hinaus kann über Kontakte des Sensorchips eine elektrische Verbindung der Sig- nalbusse N _s,v,0 ... N _s,v,M und N _s,h,0 ... N _s,h,N zwischen verschiedenen Sensorchips und mit ex- ternen elektronischen oder elektrischen Schaltungen ermöglicht werden.

Der 1. Ausgang aller Stromteiler in derselben Spalte n des Sensorchips sind mit dem glei- chen Signalbus N _s,h,n des Sensorchips verbunden. Somit gelangen alle Signale aus einer Spalte des Sensorchips in denselben Signalbus der außerdem an dem Knotenpunkt K _h,n in die Reihenschaltung von Kodierwiderständen R _h,0 , R _h,1 , ... R _h,N , mündet.

Der 2. Ausgang aller Stromteiler in derselben Reihe h des Sensorchips sind mit dem glei- chen Signalbus N _s,v,m des Sensorchips verbunden. Somit gelangen alle Signale aus einer Spalte des Sensorchips in denselben Signalbus der außerdem an dem Knotenpunkt K _v,m in die Reihenschaltung von Kodierwiderständen R _h,0 , R _v,1 , ... R _v , _M , mündet.

Mit der Reihenschaltung aus den Kodierwiderständen R _h,0 , R _h,1 , ... R _h,N , wird die Linearkodie- rung der Ströme in horizontaler Ausleserichtung (d.h. x-Richtung) gewährleistet. Mit der Reihenschaltung aus den Kodierwiderständen R _v,0 , R _v,1 , ... R _v,NM , w ird die Linearkodierung der Ströme in vertikaler Ausleserichtung (d.h. y-Richtung) gewährleistet.

Um eine lineare Kodierung der Ströme in x-Richtung zu erwirken, müssen die Kodierwi- dersdtandswerte R _h,1 , ... R _h,N-1 den gleichen Wert R _h haben. Um eine lineare Kodierung der Ströme in y-Richtung zu erwirken, müssen die Kodierwiderstandswerte R _v,1 , ... R _v,M-1 den gleichen Wert R _v haben.

Ist die Anzahl der Pixel in x-Richtung und y-Richtung verschieden, so können sich die Ko- dierwiderstandswerte für die x-Richtung und die y-Richtung unterschieden.

Die Anzahl der Kodierwiderstände N für R _h und M für R _v pro Sensorchip beträgt mindestens zwei, und kann Werte von 0,001 Ohm bis 100 MOhm annehmen. Die Anzahl ist dabei eher durch praktische Gegebenheiten begrenzt. Die Kodierwiderstandswerte für Kodierung Ch _A und Ch _B der x-Richtung sowie Ch _C und Ch _D entsprechend der y-Richtung können verschieden groß sein. Dies kann beispielsweise vor- teilhaft sein, wenn in x- und y- Richtung unterschiedliche viele Mikrozellen vorhanden sind, so dass der Sensorchip oder die Mikrozellen von der quadratischen Form abweichen. In diesem Fall können die Kodierwiderstandswerte, die die größere Anzahl von Pixel kodieren, kleiner sein als in die entlang der anderen Richtung, in der weniger viele Pixelpostionen zu kodieren sind. In einer Ausführungsform können die Summen der Kodierwiderstandswerte für die beiden Richtungen x und y gleich sein.

Um eine Verbindung mehrerer Sensorchips untereinander zu ermöglichen, müssen die Widerstandswerte R _h,0 und R _h,N den gleichen Wert R _h /2 haben. Um eine Verbindung mehrerer Sensorchips untereinander zu ermöglichen, müssen die Widerstandswerte R _v,0 und R _v,M den gleichen Wert R _v /2 haben. Ist die Verbindung hergestellt, so summieren sich die beiden Widerstände R _h /2 bzw. R _v /2 zu einem Widerstand R _h bzw. R _v auf.

Insgesamt sind für N bzw. M x- bzw. y- Positionen nur N+1 bzw. M+1 Kodierwiderstände erforderlich.

Der X und Y Mittelwert der mit der aktiven Sensorfläche des Sensorchip detektierten Licht- verteilung kann gemäß

<X>=(B-A)/(A+B)

<Y>=(C-D)/(C+D) berechnet werden.

Die Gesamtlichtmenge E bestimmt sich zu <E>=A+B+C+D.

A, B, C, D sind die Signale, welche über die Ausgänge Ch _A , Ch _B, Ch _C und Ch _D abgegriffen werden können. Sie sind im allgemeinen Ströme, es können Ladungen sein, wenn die Strö- me durch entsprechende elektronische Bauteile über Zeitintervalle integriert werden.

Bei der Verwendung des Sensorchips mit einem Szintillator ist <E> proportional zur Energie des detektierten Gammaphotons. <X> und <Y> liefern nach Kalibrierung die x und y - Positi- onen der Fotokonversion innerhalb der aktiven Sensorfläche des Sensorchips.

Um die aktive Sensorfläche des Sensorchips zu vergrößern, kann der Sensorchip vergrößert werden.

Alternativ können identische und auf gleiche Weise produzierte Chips problemlos zusam- mengefasst werden. Dabei werden die die Ausgangskanäle Ch _A , Ch _B , Ch _C und Ch _D der verschiedenen Sensorchips so miteinander verbunden, dass jeweils nur zwei Kanäle an den beiden Enden des Chips je Kodierrichtung ausgelesen werden müssen. (Figur 4) Dadurch wird es möglich, über noch größere Flächen zu kodieren, da die zu kodierende Fläche nicht mehr durch die Kodierwiderstandsgrößen limitiert ist.

Für jede Pixelspalte x und/oder Pixelreihe y der beiden Ausführungsformen werden die Potentiale an den Signalbussen N _S,h,1 , N _{S,h, 2} ... N _S,h,N bzw. N _S,v,1 , N _{S,v, 2} ... N _S,v,M über die Summierwiderstände R _S,h,n bzw. R _S,v,m , abgegriffen und in ein Summiernetzwerk N _S,h bzw. N _S,v mit nachgeschalteter Summierverstärker O _h bzw. O _v mit den Ausgangskanälen Ch _E und Ch _F geführt. Dabei ist eine Ausführungsform möglich, bei der die Signalbusse N _S,h,1 , N _S,h,2 , ... N _S,h,N für die x-Richtung und/oder die Signalbusse N _S,v,1 , N _{S,v, 2} ... N _S,v,M für die y-Richtung an ein externe Summierschaltung bestehend aus Summiernetzwerken N _S,h und N _S,v , nachge- schalteter Summierverstärkern O _h und O _v mit den Ausgangskanälen Ch _E und Ch _F ange- schlossen sind. Die Widerstandswerte für die Summierwiderstände R _S,h,n bzw. R _S,v,m sind jeweils in einem Summiernetzwerk N _S,h bzw. N _S,v gleich groß. Die Summierwiderstandswerte können zwischen 1 W bis 100 MW liegen. Die Summierwiderstände R _S,h,n bzw. R _S,v,m müssen dabei so groß sein, dass der generierte Photostrom von den Mikrozellen nicht wesentlich beeinflusst wird, jedoch klein genug, um nicht das Quenchverhalten der Mikrozellen zu be- einflussen. Die Summierwiderstände R _S,h,n bzw. R _S,v,m sind über die Signalbusse der Sum- miernetzwerke Ns, _h bzw. N _S,v zusammengeführt. Somit werden die Signale aufsummiert. Die Summierverstärker O _h und/oder O _v können einen Operationsverstärker OP _h bzw. OP _v , bein- halten, der geerdet ist und eine negative Rückkopplung mit einem Widerstand R _S,h bzw. R _S,v besitzt. Über das Verhältnis von R _S,h /R _S,h,n bzw. Rs.v/R _S,v,m kann die Verstärkung des Signals der Ausgangskanäle Ch _E und Ch _F eingestellt werden. Die Summierschaltung bestehend aus Summiernetzwerken N _S,h und N _S,v , nachgeschalteter Summierverstärkern O _h und O _v können in den Sensorchip intergiert sein oder es können sich jeweils Teile davon weniger bevorzugt außerhalb des Sensorchips befinden. Insbesondere können die Widerstände R _S,h,1 , .... R _S,h,n und R _S,v,1 , R _S,v,m auf den Sensorchip integriert werden, so dass nur die Summiernetzwer- ke N _S,h und N _S,v als Signalbusse aus dem betreffenden Sensorchips herausgeführt werden müss en und mit externen Summierverstärkern O _h und/oder O _v verbunden werden können. Befindet sich die gesamte Summierschaltung bestehend aus Summiernetzwerken Ns.h und N _S,v , nachgeschalteter Summierverstärkern O _h und O _v außerhalb des Sensorchips, so hat dies zur Folge, dass alle Netze N _S,h,n und/oder N _S,v,m als Signalbusse aus dem Sensorchip herausgeführt werden, was zu einer sehr hohen Anzahl von Ausgangskanälen führt. Sind die Summierwiderstände R _S,h,n und/oder R _S,v,m in dem Sensorchip integriert, müssen nur die Summiernetzwerke N _S,h und/oder N _S,v aus dem Sensorchip herausgeführt werden, was mit jeweils einem Ausgangskanal pro Netzwerk realisiert werden kann. Es ist daher zum Ermög- lichen der Vernetzung mehrerer Sensorchips bevorzugt, nicht die komplette Summierschal- tung bestehend aus Summiernetzwerken N _S,h und N _S,v , nachgeschalteter Summierverstär- kern O _h und O _v in den Sensorchip zu integrieren und die Signalbusse N _S,h,1 , N _S,h,2 , ... , N _S,h,N und N _S,v,1 , N _S,V,2 , ... , N _S,v,M aus dem Sensorchip herauszuführen, sondern nur die Wider- stände R _S,h,1 , ..., R _S,h,n und R _S,v,1 , .... R _S,v,m auf den Sensorchip zu integrieren und nur die Summiernetzwerke N _S,h und N _S,v aus dem betreffenden Sensorchips herauszuführen.

Die Potentiale F (N _S,h,n ) bzw. F (N _S,v,m ) an den Signalbussen N _S,h,n und N _S,v,m sollten jeweils möglichst genau eine quadratisch Abhängigkeit der Position der Photoströme der Mikrozel- len in x- und y-Richtung aufweisen. Dies ist erforderlich um das Moment 2. Ordnung der Signalverteilung entlang der x-Richtung und entlang der y-Richtung zu erhalten. Dies ist annäherungsweise gewährleistet, wenn die Widerstandswerte der Summierwiderstände R _S,h,1 , ..., R _S,h,n und R _S,v,1 , .. , R _S,v,m deutlich größer (> Faktor 10) als die Widerstandswerte der Widerstände R _h,0 , R _h,1 , ... R _h,N, und R _v,0 , R _v,1 , ... R _v,M sind. In diesem Fall ist der Strom, welcher über die Widerstände R _S,h,1 , .... R _S,h,N und R _S,v,1 , ..., R _S,v,M fließt vernachlässigbar zum Strom welcher über die Reihenschaltungen R _h,0 , R _h,1 , ... R _h und R _v,0 , R _v,1 , ... R _v,M fließt. Die Ausgänge Ch _A , Ch _B , Ch _C und Ch _D werden vorzugsweise mit den Eingängen von externen (nicht auf dem Chip integrierten) Verstärker mit sehr geringer Eingangsimpednaz verbunden, weshalb das Potential der Ausgänge Ch _A , Ch _B , Ch _C und Ch _D bezogen auf die Knotenpunkte K _h,1 , ... , K _h,N und K _v,1 , ... , K _v,M 0 ist, d.h. auf Masse liegt. Dann ergibt sich für den Gesamt- widerstand, welcher der Strom auf dem Signalbuss N _S,h,i an i-ter Position entlang der x- Richtung sieht:

Dieser hängt quadratisch von der Position i ab. Wegen des Ohm’schen Gesetzes U=R*I sind dann auch die Potentiale an den Knotenpunkten K _h,i , welche sich aus dem Produkt von

und den von den mit dem Signalbuss N _{S, h,i} verbundenen Mikrozellen kommenden Strom ergeben, quadratisch in der Position kodiert. Wie in [5] beschrieben, bildet die Reihenschal- tung R _h,0 , R _h,1 , ... R _h,N einen Spannungsteiler für den in den Knotenpunkten K _h,i injizierten Strom, welcher zu zusätzliche aufsummierten Spannungsbeiträgen führt, welche letztendlich aber nur als von i unabhängiger Proportionalitätsfaktor N/2. Äquivalente Betrachtungen gelten für N _S,v,i an i-ter Position entlang der y-Richtung. Bei Verwendung der Widerstands- werte R _h,0 = R _h,N = R _h /2 und R _v,0 = R _v,M = R _v /2 und R _h,i ,... , R _h,N-1 = R _h und R _v,i ,..., R _v,M-1 = R _v stellt sich ein quadratischer Gesamtwiderstandswert an den Knotenpunkten K _h,1 , ... , K _h,N und K _v,1 , ... , K _v , _M und damit die benötigte quadratisch verlaufende Potentialverteilung in den Signal- bussen N _S,v,m und/oder N _S,h,n automatisch ein. Die daraus resultierenden Signale an den Ausgängen Ch _E , Ch _F der Summiernetzwerke O _h und O _v sind proportional zur Breite der Lichtverteilung, welche auf dem Sensorchip auftrifft. Die Breite der Lichtverteilung korreliert stark mit der wechselwirkungstiefe des Gammaphotons und erlaubt deshalb nach Kalibrie- rung der Schaltungen in Abbildungen 1-7 die Bestimmung derselben. Gleichzeitig ist die lineare Kodierung für den Photostrom gegeben, welcher über die Ausgängen Ch _A , Ch _B , Ch _C und Ch _D eine Bestimmung der Wechselwirkungspostion in der x-y Ebene erlaubt. Die Poten- tiale F(N _S,h,n ) bzw. F (N _S,v,m ) an den Signalbussen N _S,h,n und N _S,v,m können durch entspre- chende zusätzliche Widerstände oder durch modifizierte Kodierwiderstände auch von einer exakten quadratischen Kodierung abweichen. Hierbei muss für die resultierende Potential- kodierung ( F ²ⁿ ) ^k mit n= 1 , 2, 3... und 0,5 < k < 1 ,5 gelten.

Die Implementierung der beschrieben linearen und quadratischen Kodierung mithilfe der Reihenschaltung R _h,0 , R _h,1 , ... R _h,N und R _v,0 , R _v,1 , ... R _v,M , der Herausführung der Signalbusse N _S,h,1 , N _S,h,2 ... N _S,h,N und N _S,v,1 , N _S,v,2 ... N _S,v,M bzw., der Integration der Summierwiderstände

R _S,h,1 , .... R _S,h,N und R _S,v,1 ,..., R _S,v,M auf dem Sensorchip und Herausführung der Signalbusse N _S,h und N _S,v und die Verwendung externer Summiernetzwerke O _h und O _v bzw. externer Operationsverstärker mit Rückkopplungswiderständen R _S,h und R _S,v (Fig. 6) erlaubt eine Zusammenschaltung von mehreren Sensorchips gemäß Figuren 3 und 7 unter Beibehaltung der Information über die Wechselwirkungstiefe und die Wechselwirkungsposition ind er x-y- Ebene.

Die Potentiale F(N _S,h,n ) bzw. F (N _S,v,m ) an den Netzen N _S,h,n und N _S,v,m können durch entspre- chende zusätzliche Widerstände oder durch modifizierte Kodierwiderstände auch von einer exakten quadratischen Kodierung abweichen. Hierbei muss für die resultierende Potential- kodierung (F ²ⁿ ) ^k mit n= 1 , 2, 3... und 0,5 < k < 1 ,5 gelten.

Die Figuren zeigen Darstellungen des erfindungsgemäßen Schaltkreises eines Sensorchips und Teilen davon.

Es zeigt:

Fig.1 :.Eine Darstellung in der einzelne Mikrozellen über Signalbusse mit den Ausgangskanä len mit der erfindungsgemäßen Linearkodierung verbunden sind. Fig.2: Eine Ausführungsform, bei der vier SPADs mit zugehörigen Quenchwiderständen zu einer Mikrozelle zusammengefasst sind

Fig.3: Summierschaltung bestehend aus Summiernetzwerken und nachgeschalteten Sum- mierverstärkern.

Fig.4: Eine Ausführungsform, bei der 4 Sensorchips über eine gesamte Reihe und Spalte verbunden sind.

Fig.5: Eine Darstellung wie in Figur 1 mit Summiernetzwerken.

Fig.6: Summierverstärker als externe Beschaltung für auf dem Sensorchip integrierte Sum- miernetzwerke.

Fig.7: Eine Darstellung wie in Figur 4 mit auf dem Sensorchip implementierten Summier netzwerken.

In Figur 1 sind Mikrozellen mit Photodioden D _nm dargestellt, welche in einen Stromteiler S _q,nm münden, der mit den Quenchwiderständen R _q,h,nm , R _q,v,nm realisiert ist. Die Ausgänge der Stromteiler R _q,h,nm münden in Signalbusse N _{S, h,n} , welche in die Knotenpunkte K _h,n und über die Reihenschaltung R _h,0 , R _h,1 , ... R _h,N , in die Ausgangskanäle Ch _A und Ch _B münden. Die Ausgänge der Stromteiler R _q,v,nm münden in Signalbusse N _S,v,m , welche in die Knotenpunkte Kv.m und über die Reihenschaltung R _v,0 , R _v,1 , ... R _v,M in die Ausgangskanäle Ch _C und Ch _D münden. In den Ausgängen Ch _A und Ch _B bzw. Ch _C und Ch _D befindet sich eine Reihenschal- tung mit den Widerständen R _h,0 - R _h,N R _v,0 - R _v,M .

In Figur 2 sind vier SPADs mit zugehörigen Quenchwiderständen zu einer Mikrozelle zu- sammengesetzt. In ihr haben die gleichen Elemente der Mikrozelle dieselben Bezeichnun- gen, wie in Figur 1 . Innerhalb dieses Sensors münden alle Ausgänge der Stromteiler mit den Kodierwiderständen Rh.nm in einen Punkt C _{h, 1 1} der mit dem Eingang eines nicht dargestellten Signalbus N _S,h,n verbunden wird. Innerhalb dieses Sensors münden alle Ausgänge der Stromteiler mit den Widerständen R _v,nm in einen Punkt C _{v, 1 1} der mit dem Eingang eines nicht dargestellten Signalbus N _S,v,m verbunden wird.

Figur 3 zeigt Summierschaltungen, in der die Summiernetzwerke N _S,v und N _S,h , die mit Ope- rationsverstärkern OP _v bzw. OP _h verbunden sind, und an ihrem nicht invertierenden Eigang mit einer Erdung verbunden sind. Über den Ausgangskanal Ch _E , bzw. Ch _F wird eine negative Rückkopplung mittels der Widerstände Widerstand R _S,h bzw. R _S,v erreicht.

Figur 4 zeigt vier Sensorchips M ₁ , M ₂ , M ₃ , M ₄ die über Ch _1A , Ch _1B , Ch _2A und Ch _2B bzw. Ch _3A , Ch _3B , Ch _4A und Ch _4,B sowie die Ausgangskanäle Ch _3D , Ch _3C , Ch _1D und Ch _1C bzw. Ch _4D , Ch _4C , Ch _2D und Ch _2C verbunden sind.

Analog sind die Summiernetzwerke N _{S1 ,v,1} - NS _{2,v, 1} , N _{S 1 ,v,2} - N _S2,v,2 , N _{S1 ,v, M} - N _S2,v,M sowie N _S3,v,1 - N _S4,v,1 , N _S3,v,2 - N _S4,v,2 , N _S3,v,M - N _S4,v,M und N _S3,h,1 - N _{S1 ,h, 1} , N _S3,h,2 - N _{S1 ,h,2} , N _S3,h,N - N _{S1 ,h,N} sowie N _S4,h,1 - N _S2,h,1 , N _S4,h,2 - N _S2,h,2 , N _{S4 h N} - N _S2,h,N über die Sensorchips M ₁ , M ₂ , M ₃ , M ₄ verbunden.

In Figur 5 sind Mikrozellen mit Photodioden D _nm dargestellt, welche in einen Stromteiler S _q,nm münden, der mit den Quenchwiderständen R _q,h,nm , R _q,v,nm realisiert ist. Die Ausgänge der Stromteiler R _q,h,nm münden in Signalbusse N _S,h,n , welche in die Knotenpunkte K _h,n und über die Reihenschaltung R _h,0 , R _h,1 , ... R _h,N , in die Ausgangskanäle Ch _A und Ch _B münden. Die Ausgänge der Stromteiler R _q,v,nm münden in Signalbusse N _{S, v,m} , welche in die Knotenpunkte K _v,m und über die Reihenschaltung R _v,0 , R _v,1 , ... R _v,M in die Ausgangskanäle Ch _C und Ch _D münden. Die Wiedrstände R _h,0 - R _h,N bzw. R _v,0 - R _v,M bilden eine Reihenschaltung deren Enden die Ausgänge Ch _A und Ch _B bzw. Ch _C und Ch _D sind. Die Widerstände R _S,h,1 , ..., R _S,h,n und R _S,v,1 , ..., R _S,v,m sind auf den Sensorchip integriert und nur die Summiernetzwerke N _S,h und N _S,v werden aus dem Sensorchips herausgeführt.

In Figur 6 münden Summiernetzwerke N _S,v und N _S,h in die Operationsverstärker OP _v und OP _h . , welche geerdet sind und in die Ausgangskanäle Ch _F und Ch _E münden. Die Operati- onsverstärker werden über die Widerstände R _S,v und R _S,h negativ rückgekoppelt.

Figur 7 zeigt vier Sensorchips M ₁ , M ₂ , M ₃ , M ₄ über die sich die Ausgangskanäle Ch ₁ Ch _{1 B} , Ch _2A und Ch _2B bzw. Ch _3A , Ch _3B , Ch _4A und Ch ₄ , _B sowie die Ausgangskanäle Ch _3D , Ch _3C , Ch _1D und Ch _1C bzw. Ch _4D , Ch _4C , Ch _2D und Ch _2C verbunden sind.

Analog sind die Summiernetzwerke N _{S1 ,v} - N _S4,v und N _{S1 ,h} - N _S4,h über die Sensorchips M ₁ , M ₂ , M ₃ , M ₄ verbunden.

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