CN102362199A - 优化从固态探测器中的闪烁器晶体提取光的方法 - Google Patents

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Abstract

一种诸如闪烁元件(50)或光纤(50’)的光传输元件具有涂覆有超材料(62)的侧表面，超材料对于在光传输元件中传输的光的折射率小于1，并且优选地接近0。光子晶体(80)或超材料层将光传输元件的光输出面与光敏元件(52)光学耦合，光敏元件诸如是硅光电倍增管(SiPM)。薄的金属层(64)阻挡辐射探测器(22)中的相邻闪烁元件(50)之间的光传输，辐射探测器诸如是核成像系统(10)的辐射探测器。

Description

优化从固态探测器中的闪烁器晶体提取光的方法
本申请涉及辐射探测领域。其具有与正电子发射断层摄影(PET)系统结合的特别应用，并且将特别参照这个对其进行描述。然而，应当理解，其也具有与其它核成像系统和使用闪烁器的其它非直接辐射探测系统结合的应用，其它核成像系统诸如是单正电子发射计算机断层(SPECT)系统。
核成像系统典型地包括探测器，其接收入射辐射并响应于每个入射辐射事件而输出电信号。一个一般的探测器包括光学耦合至光电探测器阵列的闪烁晶体阵列，光电探测器诸如是固态或模拟光电倍增管。
对于较高分辨率，闪烁晶体和光电探测器相对小、具有与分辨率相称的横截面、以及紧密地封装。为了防止来自一个闪烁晶体的光到达邻近的闪烁晶体并经由它引导至邻近的光电探测器，在相邻闪烁晶体之间设置相对薄的不透光阻挡物。为了优化闪烁器效率，阻挡物经常是光反射的，使得入射到闪烁晶体的侧壁上的光反射回到晶体中并且最终到达光电探测器。该反射阻挡物的范例可以包括诸如铝的金属或金属化层、反射白漆、TeflonTM层等。在闪烁晶体和光电探测器之间的界面中，典型地施加诸如光学油脂的光学耦合剂、光导管等以最大化光的传送。
虽然已经进行了许多努力来改善至光电倍增管或其它光探测器的光的传输，但是传输损耗典型地在50％或更高的量级。
本申请设想克服了上述问题和其它问题的新的改善的系统和方法。
根据一方面，提供了一种光器件。所述光器件包括：光传输元件；光敏元件，光学耦合至所述光传输元件的光输出面。折射率小于1的超材料(metamaterial)设置于所述光传输元件的一个或多个面上。
根据另一方面，提供了一种辐射探测器，闪烁元件的阵列均具有输出面和多个其它面。超材料覆盖每个其它面。固态光敏元件的阵列光学耦合至输出面。
根据另一方面，核扫描仪包括多个辐射探测器和重建处理器，重建处理器将光敏元件生成的电信号重建为电子图像表示。图像存储器存储电子图像表示。视频处理器选择所存储的图像表示并编排它们的格式，以在监视器上呈现人可读的显示。
根据另一方面，提供了一种制造光器件的方法。将光传输元件与光敏元件光学耦合。利用超材料涂覆所述光传输元件的表面，超材料配置为在所述光传输元件传输的光的频率或频率范围优化从光传输元件至光敏元件的光传输。
根据另一方面，提供了一种探测辐射的方法。利用闪烁元件将辐射转换为特征频率或频率范围的光。利用耦合至所述闪烁元件的光输出面的光敏元件将所述特征频率或频率范围的光转换为电信号。利用超材料将撞击所述闪烁元件的未光学耦合至所述光敏元件的表面的光反射回到所述闪烁元件中，所述超材料被配置为在所述特征频率或频率范围的折射率小于1。
一个优点在于减小了光传输损耗。
另一优点在于更大的光捕获效率。
对于本领域技术人员来说，在阅读并理解以下详细描述后，进一步的优点和益处将变得明显。
本创新可以采取各种部件和部件的布置的形式，并可以采取各种步骤和步骤的布置的形式。附图仅为示例优选实施例的目的并且不应视为限制性的。
图1是核成像系统，特别是PET成像系统的示意图；
图2是核成像系统的一个探测器的部分的透视图；
图3是一对相邻的闪烁光传输元件和光探测器的横截面视图；
图4是闪烁器表面涂层结构的详细视图；
图5是光传输元件的光输出端的示意图；以及
图6示例光纤实施例。
参照图1，核成像系统10包括托台12，托台12限定配置为容纳对象支撑体16的检查区域14，对象支撑体16支撑待成像的对象18。接近成像期间的开始，将放射性指示剂注入对象，该放射性指示剂发射附着至代谢物质的具有特征能量的γ射线等，代谢物质是例如葡萄糖等。发射的γ射线由一个或多个辐射探测器头20探测，该一个或多个辐射探测器头20包括与所述检查区域14相邻设置的一个或多个探测器阵列22。在SPECT相机中，有限数量的探测器头典型地安装为绕对象旋转，以在围绕患者180°的弧上并且更典型地在360°的弧上接收从对象发射的辐射。
在示例的PET探测器中，每个辐射衰减事件引起以180°的相反方向发射一对511keV的γ射线，限定响应线(LOR)。在PET成像系统中，360°围绕检查区域14非旋转地安装相对大数量的探测器头，以探测每个辐射事件发射的该对γ射线。时间戳电路30以时间戳标记每个事件并且加时间戳的事件存储在缓冲器32中。一致(coincidence)探测器34确定与辐射事件的对应的公共的一个事件关联的每对γ射线并限定对应的LOR。在飞行时间PET扫描仪中(TOF-PET)，飞行时间处理器36还分析属于每个LOR的时间戳以定位沿LOR的对应辐射事件。因为γ射线以已知速度行进，即光速，所以对对应对的每个γ射线的探测之间的小的时间差提供用于定位沿LOR的辐射衰减事件的定位信息。LOR与它们的飞行时间定位信息一起按它们的时间戳的年代顺序，即以列表模式存储在列表模式存储器或缓冲器38中。重建处理器40将LOR重建为存储在图像存储器42中的图像描述。在用户接口46的控制下的视频处理器44选择图像存储器42中的图像数据的要在显示装置48上转换为人可读的显示的合适部分。典型的显示包括一个或多个切片图像、投影图像、表面或体积渲染等。
参照图2，每个探测器阵列22包括多个光发送元件，诸如闪烁元件、闪烁器晶体或其它闪烁器50，它们中的每一个都耦合至诸如硅光电倍增管(SiPM)的光敏元件52。光学耦合层54设置在闪烁器与SiPM之间以优化光传输。合适的闪烁器包括：LYSO、LSO、LuYAP等。每个闪烁器具有与期望的分辨率相称的横截面面积、以及与闪烁材料的γ射线停止功率相称的长度。
继续参照图2并另外参照图3，未光学耦合到光传感器52的每个闪烁器的表面覆盖有反射层60。更具体地，层60包括折射率小于空气的折射率的内层62，即小于1.0的内层62。在描述的实施例中，内层62包括超材料或其它材料，这些材料至少在闪烁器发射的光的频率或频谱处具有比闪烁器的折射率低的折射率。较低的折射率，特别是小于1.0的折射率，提供更多的反射。接近零的折射率或甚至负折射率提高的反射更多。能够仅为数纳米厚的诸如薄的铝或其它金属化层的光阻挡层64围绕内层或超材料层62，以阻挡串扰，内层或超材料层62特别是在邻接另一闪烁晶体的表面上。
光学器件中遇到的诸如玻璃或水的许多材料具有正电容率ε和正磁导率μ。金属能够具有负电容率，即它们不透光。超材料具有的磁导率与电容率的比率导致能够小于1或甚至为负的折射率N，这对于常规材料是不可能的。当传播通过晶体的光接近与超材料的界面时，菲涅耳定律表述为：
Ncrystalsinθ1＝Nmetasinθ2
其中，Ncrystal为闪烁晶体的折射率，
θ1为入射角，
Nmeta为超材料的折射率，以及
θ2为折射角。
根据以上公式，全反射的临界角是arcsin(Nmeta/Ncrystal)。对所有角的全反射的理想情况发生在Nmeta＝0，其中临界角为0。有趣的是，如果Nmeta＜0，但是＞-Ncrystal，则临界角变为负的，那意味着射线在法线的相同侧反射回。对于Nmeta＜-Ncrystal，角变为复数的(complex)。最优地，Nmeta尽可能接近0，但是为正。全反射不必在法线的相同侧折射。随着临界角变得更小，入射角大于临界角的条件更容易实现。
参照图4，超材料就与来自闪烁晶体的光相互作用的规模上从它们的结构，特别是它们的表面结构获得它们的性质。超材料包括金属、硅、类似的杆或光纤70的阵列，长度为波长的分数，例如为波长的1/4，它们的长度、直径、宽度、厚度以及根据闪烁晶体发射的光的频率或频谱选择的其它特性。闪烁晶体，均典型地发射特征频率或频谱的光，经常在蓝色或绿色范围，即约400-540nm。利用杆构建超材料，杆的谐振频率与选择的闪烁晶体的特征频率匹配。以此方式，当闪烁晶体光使得硅杆以它们的谐振频率谐振时，实现了全反射。如果任何光将通过超材料，则箔层64反射光并阻挡其通过进入到下一晶体中。
在一个实施例中，通过在闪烁器的面72上镀覆选择的材料的薄层来形成杆70，选择的材料例如是金、硅等。激光刻蚀等用于切除层的不需要的部分，留下杆。替代地，能够在薄片中制造杆并将其施加于晶体表面。
图4中的杆70通常彼此平行，以简化示例和制造。平行杆大部分与对应偏光性的光反应。因为闪烁晶体生成的光典型地是随机偏振的，所以其对使杆具有不同取向是有利的。通过以多个取向对杆进行激光切割、施加一个或多个具有取向的杆的附加层、形成随机取向的杆的垫子、环结构等，能够实现这个。在一个实施例中，氧化物结合物或层74将杆70与阻挡层62相互分开。
在一个实施例中，在闪烁器的输出面，光学耦合层54包括作为闪烁器的优选地由一般晶体材料构成光子晶体80，或具有相同折射率的另一晶体。如果光传输元件50包括掺杂有闪烁器的非闪烁材料，则光子晶体能够是非闪烁材料。光子晶体的介电常数具有周期性调制。光子晶体典型地大小制作为1/2波长，而超材料的大小制作为约四分之一波长或更小。在光子晶体中，晶胞的尺寸确定性质，而在超材料中，为谐振器本身。在另一实施例中，光学耦合层54为超材料。超材料控制角度范围，在该角度范围以外，光离开光传输元件50。通过将光限制为更接近垂直于光敏元件面的角度，反射减小了且光透射提高了。
参照图5，闪烁晶体具有孔的阵列或紧密封装的格栅82，孔中填充有光学耦合剂84和光学耦合油脂，光学耦合剂84与例如SiPM 52的光接收面86光学匹配。孔的中心-中心间距在光的波长的一半至一倍半的量级，即对于400-540nm范围内的光，中心-中心间距为约200-800nm。孔的深度为中心-中心间距的约三分之一，例如约60-300nm。
参照图6，替代闪烁光传输元件50，超材料和/或光子晶体层能够施加于诸如光纤50’的其它光传输元件。光纤50’的侧面72’覆盖有具有杆的超材料层62，杆以传输的光的频率或频谱谐振。光子晶体层80限定于输出端并且类似的光子晶体80’限定于输入端。可选地，光纤50’包括闪烁材料。

Claims (20)

1.一种光器件，包括：
光传输元件(50，50’)；
光敏元件(52)，光学耦合至所述光传输元件(50，50’)的输出面；
超材料(62)，折射率小于1，设置于所述光传输元件(50，50’)的一个或多个面(72)上。
2.根据权利要求1所述的光器件，其中，所述光传输元件(50，50’)包括闪烁材料，所述闪烁材料将γ射线转换为特征频率或频谱的光。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的光器件，还包括：
围绕所述超材料层(62)的金属层(64)。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的光器件，其中，所述超材料层覆盖所述光传输元件(50，50’)的光学耦合至所述光敏元件(52)的表面。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的光器件，还包括：
设置于所述光传输元件(50，50’)的光输出面的光子晶体(80)。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的光器件，其中，所述超材料层包括：
多个杆(70)，所述多个杆的尺寸制作为以所述光传输元件(50，50’)传输的光的频率或频谱谐振。
7.根据权利要求6所述的光器件，其中，所述杆(70)在多个方向上取向为与多个偏光性的光起反应。
8.根据权利要求6和7中的任一项所述的光器件，其中，所述特征频率或频谱的光的波长在400-540nm的范围内。
9.根据权利要求8所述的光器件，其中，所述杆的长度为约100-160nm。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的光器件，其中，所述光敏元件(52)包括硅光电倍增管(SiPM)。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的光器件，其中，所述超材料具有接近零的折射率。
12.一种辐射探测器，包括：
根据权利要求1-11中的任一项所述的光器件的阵列。
13.根据权利要求12所述的辐射探测器，其中，所述阵列的所述闪烁光传输元件(50)的除所述光输出面以外的面覆盖有所述超材料层(62)，并且还包括设置于相邻的闪烁光传输元件的所述超材料层之间的金属箔层(64)以防止光学串扰。
14.一种辐射探测器，包括：
闪烁光传输元件(50)的阵列，每个闪烁光传输元件(50)具有输出面和多个其它面；
超材料(62)，覆盖每个所述其它面；
固态光敏元件(52)的阵列，光学耦合至所述输出面。
15.根据权利要求14所述的辐射探测器，还包括：
超材料光学耦合层(54)，光学耦合于所述闪烁光传输元件和所述固态光敏元件之间。
16.一种核扫描仪，包括：
多个根据权利要求12-15中的任一项所述的辐射探测器；
重建处理器(40)，其将所述光敏元件(52)生成的电信号重建为电子图像表示；
图像存储器(42)，其存储所述电子图像表示；
视频处理器(44)，其选择所存储的图像表示的部分，并编排它们的格式以在监视器(48)上呈现人可读的显示。
17.一种制造光器件的方法，包括：
将光传输元件(50，50’)与光敏元件(52)光学耦合；
利用超材料(62)涂覆所述光传输元件(50，50’)的表面，所述超材料配置为在所述光传输元件传输的光的频率或频谱处的折射率小于1，并且优选地接近0。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述光传输元件包括闪烁器，所述闪烁器在被辐射撞击时发射光，并且所述方法还包括利用金属层(64)覆盖所述超材料。
19.根据权利要求17和18中的任一项所述的方法，还包括：
在所述光传输元件(50，50’)的光输出面形成光子晶体(80)或超材料层，用于将所述光传输元件与所述光探测元件(52)光学耦合。
20.一种探测辐射的方法，包括：
利用闪烁元件(50)将辐射转换为特征频率或频谱的光；
利用耦合至所述闪烁元件的输出面的光敏元件(52)将所述特征频率或频谱的光转换为电信号；
利用超材料(62)将撞击所述闪烁元件的未光学耦合至所述光敏元件的表面的光反射回到所述闪烁元件中，所述超材料(62)被配置为在所述特征频率或频谱处的折射率小于1。
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