CN103176200A - 闪烁体面板、放射线检测设备以及放射线检测系统 - Google Patents

闪烁体面板、放射线检测设备以及放射线检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种闪烁体面板、放射线检测设备以及放射线检测系统，其中所述闪烁体面板包括将放射线转换为波长能被光电转换元件检测到的光的闪烁体。所述闪烁体面板具有包括多个彼此相邻的凸部的表面。所述相邻的凸部以小于针对所述闪烁体发出的光的波长的衍射极限的间距配置。因此，本发明所提供的闪烁体面板提高了闪烁体发出的光的可利用率。

Description

闪烁体面板、放射线检测设备以及放射线检测系统
技术领域
本发明涉及闪烁体面板、放射线检测设备以及包括放射线检测设备的放射线检测系统。
背景技术
传统上，一种放射线检测设备包括传感器面板和设置于该传感器面板上的闪烁体面板。该传感器面板具有多个光电转换元件，所述光电转换元件以具有行和列的矩阵形式配置。该闪烁体面板具有闪烁体层，该闪烁体层将放射线转换为波长能被光电转换元件检测到的光。美国专利申请2004/017495公开了一种在闪烁体和光电转换元件之间具有改进的光学耦合的放射线检测设备。该放射线检测设备包括具有光接收面的传感器面板，该光接收面具有凸凹以提高光吸收。在该传感器面板和该闪烁体层之间从该传感器面板侧按顺序设置有空隙和抗反射层。
如果抗反射层和空隙在折射率上存在差异，则背景技术中所描述的放射线检测设备可能在抗反射层和空隙之间引起光反射。这种反射会导致散射并且会不必要地降低闪烁体所发出的光的强度，从而使得到达传感器面板的光的强度(量)低。因此，闪烁体所发出的光在传感器面板上可用的量低，这会劣化图像质量。
发明内容
根据本发明的一方面，闪烁体面板包括将放射线转换为波长能被光电转换元件检测到的光的闪烁体。所述闪烁体面板具有包括多个彼此相邻的凸部的表面。所述相邻的凸部以小于针对所述闪烁体发出的光的波长的衍射极限的间距配置。根据本发明的另一方面，放射线检测设备包括：包括光电转换元件的传感器面板；包括将放射线转换为波长能被所述光电转换元件检测到的光的闪烁体的闪烁体面板；与所述闪烁体面板的与所述传感器面板相对的表面具有不同的折射率的构件。所述闪烁体设置在所述传感器面板上且所述构件设置于所述表面和所述光电转换元件之间。所述表面包括多个彼此相邻的凸部。所述相邻的凸部以小于针对所述闪烁体发出的光的波长的衍射极限的间距配置。
有利地，根据本发明至少一个实施例公开的闪烁体面板和放射线检测装置提高了闪烁体发出的光的可利用率。
根据下面参考所附图示的典型实施例的描述，本发明的其他特征将变得更加明显。
附图说明
图1A是根据本发明实施例的放射线检测设备的示意性平面图。
图1B是沿图1A中的IB-IB线的示意性剖视图。
图2是放射线检测设备中的一个像素的示意性剖视图。
图3A是示出放射线检测设备中的闪烁体表面上的凸凹的示意性平面图。
图3B是沿图3A中的IIIB-IIIB线的示意性剖视图。
图4A至图4C是示出闪烁体面板的制造过程的示意性剖视图。
图5A至图5D是示出放射线检测设备的制造过程的示意性剖视图。
图6A是示出根据本发明另一实施例的放射线检测设备的示意性平面图。
图6B是沿图6A中的VIB-VIB线的示意性剖视图。
图7是示出包括根据本发明另一实施例的放射线检测设备的放射线检测系统的例子的示意图。
具体实施方式
现在将参考图1A、图1B、图2、图3A和图3B详细描述根据本发明实施例的放射线检测设备。图1A是根据本实施例的放射线检测设备100的示意性平面图。图1B是沿图1A中的IB-IB线的示意性剖视图。图2是以放大视图示出一个像素的示意性剖视图。图3A是示出闪烁体表面上的凸凹的示意性平面图。图3B是沿图3A中的IIIB-IIIB线的示意性剖视图。
如图1A和图1B中所示，放射线检测设备100包括容纳传感器面板110和闪烁体面板120的壳体180。传感器面板110包括以具有行和列的矩阵形式配置的多个像素112。闪烁体面板120包括与传感器面板110相对设置的闪烁体121。像素112至少包括稍后将描述的光电转换元件202。光电转换元件202的宽度对应于像素112的宽度，可以为50μm至200μm。至少利用密封部130将传感器面板110和闪烁体面板120接合在一起。放射线检测设备100还包括具有驱动电路141的驱动柔性电路板142、驱动印刷电路板143、具有信号处理电路151的信号处理柔性电路板152以及信号处理印刷电路板153。放射线检测设备100还包括具有控制和电力供给电路171的印刷电路板172。驱动印刷电路板143通过柔性电路板161连接至印刷电路板172。信号处理印刷电路板153通过柔性电路板162连接至印刷电路板172。
如图1B和图2中所示，闪烁体面板120包括将放射线转换为波长能被光电转换元件202检测到的光的闪烁体121。闪烁体面板120还包括支承体127和覆盖层125。支承体127包括衬底122、反射层123以及绝缘层124。将放射线转换为波长能被光电转换元件202检测到的光的闪烁体121可以为柱状晶体闪烁体或粒状闪烁体。柱状晶体闪烁体的例子包括碱金属卤化物闪烁体，如通过添加铊(Tl)等活化剂来活化的碘化铯(CsI)等(即CsI:Tl)。例如，可使用平均厚度约为300μm至500μm、平均柱直径为8μm以及用电感耦合等离子体(ICP)发射光谱法所测得的Tl浓度约为1.0mol%的CsI:Tl柱状晶体。粒状闪烁体的例子包括含有微量铽(Tb)的硫氧化钆(即Gd2O2S:Tb)。衬底122可由无定形碳(a-C)或铝(Al)等具有高放射线透射率的材料形成。反射层123向传感器面板110反射闪烁体121发出的光。反射层123可由银(Ag)或Al等具有高光(光学)反射率和高放射线透射率的材料形成。如果衬底122由Al形成，则可以省略反射层123。绝缘层124防止衬底122和反射层123与闪烁体121之间的电化学腐蚀。绝缘层124可以由聚(对-苯二亚甲基)等有机绝缘材料形成或由SiO2等无机绝缘材料形成。例如，如果衬底122由Al形成，则绝缘层124可由Al2O3形成。例如，覆盖层125保护闪烁体121免受湿度劣化。对于高效吸湿的CsI:Tl，可以形成覆盖层125以覆盖闪烁体121。用于覆盖层125的材料的例子包括硅树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂和氟聚合物树脂等常见的有机密封材料，以及聚酯、聚烯烃和聚酰胺等热熔树脂。特别地，覆盖层125可由具有低透湿性的树脂形成。这种树脂的例子包括由化学气相沉积法(CVD)形成的聚(对-苯二亚甲基)等有机树脂，以及聚烯烃等热熔树脂。热熔树脂的例子为折射率为1.47以及涂布厚度为15μm至25μm的聚烯烃热熔树脂。氟聚合物树脂的例子为涂布厚度为4μm的FLUORO SURF FG-3020(由氟化科技公司(Fluoro Technology)市售)。这种树脂为能够透射可见光且折射率为1.35、粘度为400cPs的液体树脂。在本实施例中，闪烁体面板120的与传感器110相对的表面，即覆盖层125的与传感器110相对的表面，具有包括极小凸凹的亚波长结构125a。
如图3A和3B中所示，亚波长结构125a包括凸部301。每两个相邻的凸部301之间具有小于针对闪烁体121发出的光的波长的衍射极限的间距P(P<λ/2n)。这种结构被称为亚波长结构(SWS)。符号λ为光的波长，符号n为折射率。衍射极限的含义为，由于光表现为波的形式，因此光不能区分比其波长小的结构。在具有不同折射率的多个构件之间的界面处，光实际上只能将周期小于衍射极限(<λ/2n)的结构检测为“平均值”。因此，光检测到具有不同折射率的多个构件之间折射率的逐渐变化，这意味着不存在对光的折射率急剧变化的界面。这减少了多个构件间的反射。如果凸部301的间距P未落入针对闪烁体121发出的光的波长的衍射极限之下，则光能够在凸部301内形成一个波长。这允许光在凸部301和其他物体之间的界面处被反射，从而降低所传播的光的强度。两个构件之间的反射包括，光从较高折射率的构件向较低折射率的构件的反射以及光从较低折射率的构件向较高折射率的构件的反射。形成在闪烁体面板120表面上的亚波长结构125a减小了闪烁体面板120发出的光在传感器面板110上由于闪烁体面板120表面上的反射而引起的可利用率降低。因此，能够提供具有高光学输出和高分辨率的闪烁体面板和放射线检测设备。在本实施例中，亚波长结构125a的凸部301是间距P为200nm、高度H为300nm的半椭圆形。在本实施例中，以恒定间距P规则地配置的凸部301也可以以不规则的间距配置。在这种情况下，平均间距落入针对闪烁体121发出的光的波长的衍射极限之下。也就是说，如果凸部301以不规则的间距配置，则间距P为平均间距。间距P为凸部301重心间的距离。
为了有效利用闪烁体121发出的光，波长λ可以为最大发射波长。为了更有效地利用闪烁体121发出的光，波长λ可以为最低发射波长。最大发射波长为闪烁体121发出的强度最高的光的波长。最低发射波长为闪烁体121发出的光的最短波长。例如，如果闪烁体121是最大发射波长为550nm的CsI:Tl，则小于275nm的间距P会落入针对峰值波长的衍射极限之下。如果闪烁体121是最大发射波长典型地为520nm至580nm的GOS:Tb，则小于260nm的间距P会落入针对最大发射波长的衍射极限之下。尽管凸部301的高度H可以与间距P相类似以简化制造工艺，但也可以不限制高度H。间距P的下限为能够形成亚波长结构125a的制造极限，即半导体曝光设备的曝光极限—40nm或更大。
传感器面板110包括玻璃衬底等具有绝缘表面的衬底111，该绝缘表面上设置有以矩阵形式配置的像素112、布线113、钝化层114和保护层115。像素112包括光电转换元件202和开关元件201。光电转换元件202设置在开关元件201之上，且层间绝缘层203位于光电转换元件202与开关元件201之间。每个光电转换元件202具有连接至相应的开关元件201的一个电极。在本实施例中，光电转换元件202为薄膜半导体工艺形成的光电转换元件，包括金属绝缘半导体(MIS)传感器以及基于非晶硅等非单晶半导体材料的PIN光电二极管。开关元件201设置于衬底111和光电转换元件202之间且通过设置于层间绝缘层203中的接触孔连接至光电转换元件202。在本实施例中，开关元件201为由薄膜半导体工艺形成的薄膜半导体元件，包括基于非晶硅和多晶硅等非单晶半导体材料的薄膜晶体管。像素112具有50μm至200μm的宽度。像素112以与其宽度相等的间距、以矩阵的形式周期性地配置。布线113连接至像素112。布线113包括用于驱动像素112的驱动线、用于传输由像素112生成的电信号的信号线以及用于向光电转换元件202提供偏压的偏压线。钝化层114覆盖像素112和布线113。钝化层114由对闪烁体121发出的光具有高透射率的无机材料形成，稍后将描述。无机材料的例子包括SiNX、SiO2、TiO2、LiF、Al2O3和MgO。例如，钝化层114是厚度为0.5μm、折射率为1.90的氮化硅层。保护层115至少覆盖像素112上的钝化层114。保护层115由对闪烁体121发出的光具有高透射率的有机树脂形成。有机树脂的例子包括聚苯硫醚树脂、含氟聚合物树脂、聚醚醚酮树脂、聚醚腈树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚芳酯树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、环氧树脂以及硅树脂。在本实施例中，保护层115由与覆盖层125具有不同折射率的材料形成。例如，保护层115为厚度为7μm、折射率为1.70的聚酰亚胺树脂层。在本实施例中，传感器面板110与闪烁体面板120相对的表面，即保护层115的表面，具有亚波长结构115a。亚波长结构115a与亚波长结构125a相类似。应当注意，亚波长结构115a是可选的；保护层115的表面也可以是光滑的。可选地，亚波长结构可以形成在钝化层114与闪烁体121相对的表面而不设置保护层115。在这种情况下，例如，亚波长结构可以通过经由使用半导体曝光装置光刻形成的点光阻图案的蚀刻来形成。
在本实施例中，利用封装部130将闪烁体面板120和传感器面板110接合在一起，构件126设置于闪烁体面板120和传感器面板110之间。而在本实施例中，构件126是厚度为25μm的空气层(折射率为1)，作为空气层的替代，也可以采用具有高的光透射率并具有与覆盖层125不同的折射率的粘合剂。粘合剂的使用提高了闪烁体面板120与传感器面板110之间的粘合性。另一方面，由于如果使用了粘合剂，则其厚度将增加光电转换元件202与闪烁体121之间的距离而可能因此降低分辨率，因而为了获得高分辨率可以使用空气层。粘合剂可以为非常柔软且贴服于表面形状的材料以使得亚波长结构能够被传递。例如，粘合剂可以是在涂布时为液体、在堆叠后通过热固化处理能够被固体化的材料。这种材料的例子包括低粘度的有机硅树脂、含氟聚合物树脂、丙烯酸类树脂和环氧树脂。丙烯酸类树脂的例子为折射率为1.55、涂布厚度为25μm的丙烯酸类粘合剂。含氟聚合物树脂粘合剂的例子为FLUOROSURF FG-3020(由氟化科技公司(Fluoro Technology)市售)。这种树脂是能够透射可见光且折射率为1.35、粘度为400cPs的液体树脂。可选择地，传感器面板110和闪烁体面板120可以结合在一起而之间不具有构件126。在这种情况下，特别地，通过向闪烁体121的表面涂布液体树脂并在该液体树脂固化前将其堆叠在传感器面板110上来形成覆盖层125。结果，保护层115的亚波长结构被传递到覆盖层125的表面。然后，固化液体树脂以形成覆盖层125。
为了提高闪烁体面板120的耐湿性，密封部130可以与覆盖层125一样，由环氧树脂或丙烯酸类树脂等具有低透湿性的材料形成。
接着，将参考图4A至图4C以及图5A至图5D描述根据本发明实施例的制造放射线检测设备的方法。图4A至图4C是示出根据该实施例的闪烁体面板的制造过程的剖视图。图5A至图5D是示出根据该实施例的传感器面板和放射线检测设备的制造过程的剖视图。
现在，将参考图4A至图4C描述根据该实施例的闪烁体面板的制造过程。如图4A中所示，形成层125’以覆盖形成在支承体127的绝缘层124上的闪烁体121，其中支承体127包括衬底122、反射层123和绝缘层124。如图4B中所示，将表面上具有亚波长结构的模具401按压至层125’与闪烁体121相反一侧的表面。如图4C中所示，将模具401从层125’的表面上移除，以形成在与闪烁体121相反一侧的表面上具有亚波长结构125a的覆盖层125。由此提供了表面上具有亚波长结构125a的闪烁体面板120。
接着，将参考图5A至图5D描述根据该实施例的传感器面板和放射线检测设备的制造过程。如图5A中所示，形成无机绝缘膜以覆盖通过已知的半导体制造技术形成在衬底111上的像素112和布线113，并在该无机绝缘膜中的适当位置处形成开口以形成钝化层114。然后在钝化层114上形成层115’。如图5B中所示，将表面上具有亚波长结构的模具401按压至层115’的表面。如图5C中所示，将模具401从层115’的表面上移除以形成表面上具有亚波长结构115a的保护层115。由此提供了表面上具有亚波长结构115a的传感器面板110。然后，利用密封部130将传感器面板110和闪烁体面板120接合在一起，以使得亚波长结构125a面向亚波长结构115a和像素112、且构件126位于亚波长结构125a与亚波长结构115a之间。最后，将信号处理柔性电路板152等电路板安装到传感器面板110上，以通过各向异性导电构件等连接部154连接至布线113。由此提供了图1A和图1B中所示的放射线检测设备。
尽管本实施例中使用了包括光电转换元件和由薄膜半导体工艺形成的开关元件的传感器面板，但本发明不限于此。例如，也可以使用包括基于单晶硅等单晶半导体材料的光电转换元件（包括有源像素传感器和电荷耦合器件(CCD)传感器）的传感器面板。替代使用模具401，可以通过经由使用半导体曝光设备光刻形成的点光阻图案的干蚀刻来形成亚波长结构。尽管亚波长结构125a形成于覆盖层125的表面上，但本发明不限于此。例如，亚波长结构125a可形成在闪烁体120的与传感器面板110相对的表面上而不形成覆盖层125。即，亚波长结构125a可形成在与传感器面板110相对的任何表面上。特别地，对于具有高耐湿性的粒状闪烁体，可以选择这种结构。对于比柱状晶体闪烁体散射更多光的粒状闪烁体，通过去除覆盖层125来减小闪烁体121与传感器面板110之间的距离，在锐度方面更有效。
如图6A和图6B中所示，将具有栅格功能的光吸收构件601设置于传感器面板110和闪烁体面板120之间。图6A是示出根据本发明另一实施例的放射线检测设备的示意性平面图。图6B是沿图6A中的VIB-VIB线的剖视图。将光吸收构件601设置于传感器面板110和闪烁体面板120之间，以使得光吸收构件601的正交投影位于像素112之间的区域的至少一部分中。光吸收构件601由能够吸收闪烁体121发出的光的材料形成，例如，包含黑色颜料的树脂。构件601可以具有粘合性。这种树脂的例子包括有机硅树脂、环氧树脂和丙烯酸树脂等粘合性树脂。构件601需要通过点胶、喷墨印刷或丝网印刷等处理来形成，以使像素112之间具有高对准精度。这要求树脂具有相对低的粘度，优选为100Pa.s或更低，更优选为50Pa.s或更低。构件601可以具有间隔功能以可靠地限定传感器面板110与闪烁体120之间的距离。例如，构件601可以具有40μm的宽度和5μm的高度，并由AE-901T-DA(由味之素科技有限公司(Ajinomoto Fine-TechnoCo.,Inc.)市售)等黑色环氧树脂形成。
接着，将参考图7描述根据本发明实施例的包括放射线检测设备的放射线检测系统的例子。
对应于放射线源的X射线管6050发出X射线6060。X射线6060穿过病患或对象6061的胸部6062，并入射到包括在根据本实施例的放射线检测设备6040中的转换单元的转换元件。入射的X射线包含关于病患6061的身体的信息。转换单元将入射的X射线转换为电荷，从而获得电信息。该信息被转换为数字数据、由对应于信号处理单元的图像处理器6070处理并可以显示在控制室中对应于显示单元的显示器6080上。
该信息还可以通过电话线6090等传输处理单元传输到远处、显示在远处医生办公室中对应于显示单元的显示器6081上或记录于光盘等记录设备上，医生可以使用所显示或所记录的信息进行诊断。该信息还可以通过对应于记录单元的记录薄膜处理器6100将记录在对应于记录介质的记录薄膜6110上。
可以通过下面的方法使用该放射线检测设备生成的图像信号来估计根据本发明实施例的放射线检测设备的接收光量和锐度。结果表明，相较于包括表面上不具有亚波长结构的覆盖层的放射线检测设备，根据本实施例的放射线检测设备具有较大的接收光量和较高的锐度。
现在将描述估计接收光量的方法。将放射线检测设备设置在测试设备上。将具有用于去除软X射线的20mm间距的Al滤片设置在对应于放射线源的X射线源与放射线检测设备之间。将放射线检测设备与X射线源之间的距离调整为130cm。在这种状态下，用以80千伏的X射线管电压和250mA的X射线管电流得到的脉冲宽度为50ms的脉冲X射线照射放射线检测设备以获得图像。根据X射线照射中心处的图像输出值来确定接收光量。
接着将描述用于估计作为锐度的度量标准的调制传递函数(MTF)的方法。将放射线检测设备设置在测试设备上。将具有用于去除软X射线的20mm间距的Al滤片设置在对应于放射线源的X射线源与放射线检测设备之间。将放射线检测设备与X射线源之间的距离调整为130cm。将钨MTF图设置在测量位。这里所使用的MTF具有2线对数/毫米(LP/mm)。在这种状态下，用以80千伏的X射线管电压和250mA的X射线管电流得到的脉冲宽度为50ms的脉冲X射线照射放射线检测设备以获得图像。也可以在相同条件下照射放射线检测设备而不使用MTF图来获得图像。分析这些图像以确定MTF。
尽管参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不局限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。

Claims (12)

1.一种闪烁体面板，包括：
闪烁体，将放射线转换为波长能被光电转换元件检测到的光，
其中，所述闪烁体面板具有包括多个彼此相邻的凸部的表面，以及
所述相邻的凸部以小于针对所述闪烁体发出的光的波长的衍射极限的间距配置。
2.根据权利要求1所述的闪烁体面板，其特征在于，进一步包括用于覆盖所述闪烁体的覆盖层，
其中，所述表面为所述覆盖层的表面，以及
所述间距满足：40nm≤P<λ/2n，
其中P为所述间距，λ为所述闪烁体发出的光的波长，n为所述相邻的凸部的折射率。
3.根据权利要求2所述的闪烁体面板，其特征在于，所述闪烁体为柱状晶体碱金属卤化物闪烁体。
4.根据权利要求1所述的闪烁体面板，其特征在于，所述闪烁体为粒状闪烁体，
其中，所述表面为所述闪烁体的表面。
5.根据权利要求1所述的闪烁体面板，其特征在于，所述间距小于针对最大发射波长的衍射极限，所述最大发射波长为所述闪烁体发出的强度最高的光的波长。
6.根据权利要求1所述的闪烁体面板，其特征在于，所述间距小于针对最低发射波长的衍射极限，所述最低发射波长为所述闪烁体发出的光的最短波长。
7.一种放射线检测设备，包括：
传感器面板，包括光电转换元件；
闪烁体面板，包括将放射线转换为波长能被所述光电转换元件检测到的光的闪烁体；
构件，具有与所述闪烁体面板的与所述传感器面板相对的表面不同的折射率，所述闪烁体设置在所述传感器面板上且所述构件设置于所述表面和所述光电转换元件之间，
其中，所述表面包括多个彼此相邻的凸部，以及
所述相邻的凸部以小于针对所述闪烁体发出的光的波长的衍射极限的间距配置。
8.根据权利要求7所述的放射线检测设备，其特征在于，所述传感器面板包括以矩阵形式配置的多个像素，所述像素包括所述光电转换元件，
其中，所述构件包括吸收所述闪烁体发出的光的光吸收构件，以及
所述光吸收构件设置于所述传感器面板与所述闪烁体面板之间，从而使得所述光吸收构件的正交投影位于所述像素间的区域的至少一部分中。
9.根据权利要求7所述的放射线检测设备，其特征在于，所述构件包括空气。
10.根据权利要求7所述的放射线检测设备，其特征在于，所述闪烁体面板进一步包括覆盖所述闪烁体的覆盖层，
其中，所述表面为所述覆盖层的与所述传感器面板相对的表面，以及
所述间距为40nm或更大。
11.根据权利要求7所述的放射线检测设备，其特征在于，所述表面为所述闪烁体的与所述传感器面板相对的表面。
12.一种放射线检测系统，包括：
根据权利要求7所述的放射线检测设备；
信号处理单元，用于处理来自所述放射线检测设备的信号；
记录单元，用于记录来自所述信号处理单元的信号；
显示单元，用于显示来自所述信号处理单元的信号；以及
传输处理单元，用于传输来自所述信号处理单元的信号。
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