CN111244121B - 放射线图像探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种放射线图像探测器。放射线图像探测器包括：基板；位于基板上的光学图像探测器，光学图像探测器包括复数个周期性排列的光敏像素的阵列；像素化的遮光结构，位于光敏像素远离基板一侧，遮光结构包括至少一个遮光层，每个遮光层包括至少一个通孔；像素化的聚光结构，位于遮光结构远离光敏像素的一侧，聚光结构包括至少一个凸透镜，凸透镜的光轴垂直于遮光层并贯穿通孔；放射线转换层，位于聚光结构的远离遮光结构一侧，将放射线转换成可见光；聚光结构，将放射线转换层发出的靠近光轴的可见光汇聚到通孔。本发明能够改善串扰现象提高图像分辨率。

Description

放射线图像探测器
技术领域
本发明涉及图像探测技术领域，尤其涉及一种放射线图像探测器。
背景技术
平板式放射线图像探测器已经被广泛应用于数字化医疗诊断和放射线治疗的实时监控。这种平板式图像探测器具有快捷、低成本、低曝光量、高图像质量等优点，并且便于数据的存储，发送和运算，能够融入数字化医疗系统中。随着技术的发展动态的X光影像也成为了可能，不仅可以应用在胸部透视和心血管动态X光影像等大尺寸的医疗影像应用场合，而且也已经逐渐渗透到牙科等小面积的摄像和诊断应用领域。
平板式放射线图像探测器根据探测原理和结构，大致可以分为两类：直接变换式和间接变换式。其中，间接变换式探测器主要包括放射线转换层和光学图像探测器，放射线转换层能够将放射线转换成可见光，光学图像探测器包括多个光电转换器件。可见光被光电转换器件接收后产生电子空穴对，电子空穴对在电场的作用下分离后，分别向着光电转换器件的阳极和阴极移动后被收集，然后产生电信号并且输出给外部电路，最终实现图像的探测。
在目前的间接变换式探测器中，经放射线转换层的作用将放射线转换成可见光，而可见光在到达光电转换器件所在膜层时，可能会由于到达位置存在偏差，不仅不能对图像信号产生贡献，而且会导致图像的空间解析度或图像的对比度的降低，影响图像质量。
发明内容
本发明实施例提供一种放射线图像探测器，以解决现有技术中图像的空间解析度或图像的对比度的低，图像质量差的问题。
本发明实施例提供一种放射线图像探测器，包括：
基板；
位于基板上的光学图像探测器，光学图像探测器包括复数个周期性排列的光敏像素的阵列；
像素化的遮光结构，位于光敏像素远离基板一侧，遮光结构包括至少一个遮光层，每个遮光层包括至少一个通孔；
像素化的聚光结构，位于遮光结构远离光敏像素的一侧，聚光结构包括至少一个凸透镜，凸透镜的光轴垂直于遮光层并贯穿通孔；
放射线转换层，位于聚光结构的远离遮光结构一侧，将放射线转换成可见光；
其中，聚光结构，将放射线转换层发出的靠近光轴的可见光汇聚到通孔。
本发明实施例提供的放射线图像探测器，具有如下有益效果：聚光结构中的凸透镜能够将凸透镜对应上方的靠近光轴的小角度的光线汇聚到遮光层的通孔处，光线穿透通孔后到达下方的光敏像素内，而与光轴呈较大夹角的光线穿透聚光结构后会被遮光层遮挡，不能进入光敏像素内对图像信号的做出贡献。遮光结构与聚光结构的配合相当于光学准直器，能够对放射线转换层射出的可见光具有准直效果，能够实现对大角度光线的遮挡，避免可见光入射的光敏像素的位置存在偏差，从而能够改善串扰现象，提高图像分辨率，提升图像质量。另外，通过对光学准直器的结构进行调整，能够实现限定光敏像素所采集到的光线偏离光轴的最大立体角。也即能够调整凸透镜和遮光层上的通孔构成的光学准直器的准直效应的强弱，从而能够控制由通孔射入光敏像素的可见光量，进而能够实现根据不同的应用需求以及闪烁体材料的特性，在图像探测系统的低空间频率的DQE和高空间频率的DQE之间进行平衡。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。
图1为相关技术中图像探测器的截面示意图；
图2为本发明实施例提供的放射线图像探测器的一种可选实施方式的局部截面示意图；
图3为本发明实施例原理示意图；
图4为本发明试验得到的MTF仿真曲线一；
图5为本发明试验得到的DQE仿真曲线二；
图6为仿真得到的不同的通孔直径的系统的DQE和空间频率之间的关系；
图7为仿真得到的系统的DQE和系统中通孔直径之间的关系；
图8为本发明实施例提供的放射线图像探测器的另一种可选实施方式局部示意图；
图9为本发明实施例提供的放射线图像探测器的另一种可选实施方式局部俯视示意图；
图10为图9中切线A-A＇位置处截面示意图；
图11为本发明实施例提供的放射线图像探测器的另一种可选实施方式局部示意图；
图12为本发明实施例提供的放射线图像探测器的另一种可选实施方式局部俯视示意图；
图13为图12中切线B-B＇位置处截面示意图；
图14为本发明实施例提供的放射线图像探测器的另一种可选实施方式局部俯视示意图；
图15为图14中切线C-C＇位置处截面示意图；
图16为本发明实施例提供的放射线图像探测器的另一种可选实施方式局部俯视示意图；
图17为本发明实施例提供的放射线图像探测器的另一种可选实施方式示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例和所揭示的概念和方法，本领域技术人员所获得的所有其他结构和实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
图1为相关技术中图像探测器的截面示意图。如图1中示意出了两个光敏像素P＇、以及光敏像素P＇之间的间隙J＇、放射线转换层105＇。还示意出了承载板106＇和反射膜107＇。入射的放射线(X-ray)依次穿透承载板106＇和反射膜107＇后进入放射线转换层105＇，经放射线转换层105＇作用产生的可见光的光子辐射是向各个方向等概率发射的。向上辐射的光线在经顶部反射膜107＇的反射后折返回来和原来向下发射的光子一样有机会最终会进入光敏像素P＇中，产生光生电子或空穴的电信号。然而，从发光点(产生可见光光子的位置)以大角度辐射的光子，不会到达其正下方光敏像素P＇内，而是进入到周边的光敏像素P＇内，造成串扰现象。而辐射角度(即辐射方向与垂直于图像探测器的方向之间的夹角)越大的光子就有可能到达越远的光敏像素P＇，对于图像细节的模糊作用就越大。以接近和放射线转换层105＇平行的大角度辐射的光子在远距离的传输过程中可能会发生多重散射，增加传播的曲折路径，逐渐被放射线转换层中的闪烁体所吸收而消失。
经上述分析可以知道，部分大角度辐射出的可见光会偏离了本来的像素位置，由这部分可见光的贡献产生的图像信号会叠加在附近像素的原有图像信号之上，就造成了图像的串扰或者模糊，降低了图像的空间调制传递函数MTF(Modulation TransferFunction)。并且越是在放射线转换层顶部(放射线入射侧)吸收的放射线产生的光子，其横向辐射的分量对于光斑的扩散就越加明显(大角度辐射的光子所到达的像素位置距离本来的像素位置越远)，则对于图像MTF的衰减作用就越大。而且，入射到闪烁体内的放射线的强度沿着穿透的深度方向，呈指数性衰减，也就是说，在放射线转换层顶部的光的产额更大，其对于图像MTF的劣化作用也就更加显著。
入射到放射线转换层的放射线的穿透深度与放射线自身的能量以及放射线转换层对放射线的阻尼作用有关。在放射线转换层厚度方向上的不同位置处，均可能存在经放射线和闪烁体作用而产生的可见光，也即增加放射线转换层的厚度能够提高光量子的产额。为了获得更高的放射线转换效率需要放射线转换层的厚度较厚。而通过减小放射线转换层的厚度能够缩短大角度辐射出的可见光的传播距离，能够在一定程度上减弱图像串扰现象。放射线转换效率和图像MTF这两个参数对于探测器结构要求相互矛盾，使得对探测器性能的优化受到了限制。
为了提高图像的MTF，相关技术中的一种方案是，采用非晶状态的闪烁体制作放射线转换层，比如碘化铯CsI(Tl)或者CsI(Na)，通过一定角度的蒸发或者利用基板上微小的周期性凸起结构，来形成对可见光具有导向作用的柱状晶体结构，将发光点发出的大部分的可见光导向正下方的光敏像素中。然而该种技术中蒸发制作的闪烁体，对于湿气和温度的异常敏感，从而影响图像探测器的性能稳定性。而且该种制作方式对闪烁体晶体种类也有一定的限定。
相关技术中的另一种方案是，在光敏像素阵列和放射线转换层之间制作具有准直作用的光纤面板FOP(fiber optical plate)，通过仅仅提取出从放射线转换层发出的垂直光线，可以很有效地过滤掉造成相邻像素图像串扰的光线。然而FOP本身有着一定的开口率，光纤之间的黑色隔离层吸收部分有效的可见光线，对光电转换效率有一定的影响。而且大尺寸的FOP在制造工艺上非常困难限制了其应用，所以目前只能用在小型的摄像芯片比如CCD(Charge Coupled Device)或者CIS(CMOS Imaging Sensor)上面。
基于相关技术中的问题，本发明实施例提供一种放射线图像探测器，能够适用于各种类型的闪烁体晶体，能够改善串扰现象，提高图像MTF，或者提高高空间频率的探测量子效率。
图2为本发明实施例提供的放射线图像探测器的一种可选实施方式的局部截面示意图。图3为本发明实施例原理示意图。
如图2所示，放射线图像探测器包括：
基板101，基板101可以采用刚性材料制作，或者采用柔性材料制作。
位于基板101上的光学图像探测器102，光学图像探测器102包括复数个周期性排列的光敏像素P的阵列；其中，复数个理解为多个，也即光敏像素所组成的阵列中包括多个光敏像素。并且相邻的光敏像素P通过刻蚀或者绝缘膜等方式隔离，防止像素之间的信号串扰和驱动脉冲的干涉噪声。所以在相邻的光敏像素P之间存在沟壑区J。可选的，光敏像素P包括光电转换器件，光电转换器件可以为光电二极管，如图中示意的，光敏像素包括在基板101之上依次堆叠的第一电极C1、第一掺杂层Z1、光电转换层G、第二掺杂层Z2和第二电极C2。当第一电极为阳极时，第一掺杂层为p型掺杂层，则第二电极为阴极，第二掺杂成为n型掺杂层。当第一电极为阴极时，第一掺杂层为n型掺杂层，则第二电极为阳极，相应的第二掺杂成为p型掺杂层。
像素化的遮光结构103，位于光敏像素P远离基板101一侧，遮光结构103包括至少一个遮光层Z，每个遮光层Z包括至少一个通孔K，图中仅以一个遮光层Z进行示意，本发明中对于一个遮光层Z中具有通孔K的个数不做具体限定；像素化的遮光结构也即每个光敏像素P均对应有遮光结构103。
像素化的聚光结构104，位于遮光结构103远离光敏像素P的一侧，聚光结构104包括至少一个凸透镜T，凸透镜T的光轴S垂直于遮光层Z并贯穿通孔K；像素化的聚光结构也即每个光敏像素P均对应有聚光结构104。
作为一种简单和容易制造的像素结构，光敏像素阵列中，各个光敏像素的遮光结构的结构相同，且各个光敏像素的聚光结构的结构相同。
放射线转换层105，位于聚光结构104的远离遮光结构103一侧，将放射线转换成可见光；放射线根据其能量的分布，可以是1KeV到几百KeV的X射线或者超过1MeV的高能量辐射的γ(Gamma)射线。放射线转换层103包括闪烁体或荧光体的薄膜或者晶体，比如掺杂金属铊的碘化铯CsI(Tl)的薄膜或者晶体，或者是钨酸铬(CdWO4)或者GOS(Gd2O2S:Pr,硫氧化钆闪烁体)等能够将放射线转换成可见光的薄膜或晶体。
其中，聚光结构104，将放射线转换105层发出的靠近光轴S的可见光汇聚到通孔K。光轴S为凸透镜T的光轴，则本发明实施例中通孔K与凸透镜T相对应。在本发明实施例中，放射线转换105层发出的靠近光轴S的可见光理解为由放射线转换层105射出的与光轴S之间的夹角较小的可见光，该部分可见光会被聚光结构104汇聚到通孔K位置处。
可选的，如图2中示意的，放射线图像探测器还包括盖板106和反射层107。其中，反射层107位于放射线转换层105远离光学图像探测器102一侧，盖板106位于反射层107远离放射线转换层105的一侧。盖板106的制作材料包括放射线容易穿透的材料，比如可以是碳纤维薄板或合金铝板。反射层107的制作材料包括放射线容易穿透且对可见光具有高反射作用的材料，比如可以包括金属铝或者金属银的薄膜或粉末。其中，盖板106可以为平面盖板，也可以为曲面盖板。
结合图3对本发明实施例的原理进行说明，图3中仅作简化示意，放射线转换层105的厚度为H，入射的放射线在放射线转换层105中深度为DH的位置处转换成可见光，在向所有方向发射的可见光中，向着下方发射而且在一个圆锥形的立体角θ1内的光线在通过凸透镜T作用之后可以通过遮光层Z的通孔K之后，最后到达光敏像素P内，可见光被汇聚到通孔K的位置，则通孔K相当于光圈；向着上方发射的而且在一个圆锥形的立体角θ2内的光线可以经过反射层107的反射后，再依次通过最后凸透镜T和遮光层Z的通孔K后到达光敏像素P内。而与光轴S呈较大夹角的光线L1穿透聚光结构104之后，会被遮光层Z遮挡。也即，聚光结构中的凸透镜能够将凸透镜对应上方的靠近光轴的小角度的光线汇聚到遮光层的通孔处，光线穿透通孔后到达下方的光敏像素内，而与光轴呈较大夹角的光线穿透聚光结构后会被遮光层遮挡，不能进入光敏像素内对图像信号的做出贡献。遮光结构与聚光结构的配合相当于光学准直器，能够对放射线转换层射出的可见光具有准直效果，能够实现对大角度光线的遮挡，避免可见光入射的光敏像素的位置存在偏差，从而能够改善串扰现象，提高图像分辨率，提升探测图像质量。
进一步的，继续参考上述图3中的示意，立体角θ1和立体角θ2的大小不仅和DH和H有关，而且与凸透镜T的直径、通孔K的面积大小、以及通孔K和凸透镜T之间的相对距离有关。通过调整通孔K的面积、凸透镜T和通孔K相对位置，能够限定光敏像素所采集到的光线偏离光轴的最大立体角。如图3所示的，凸透镜T的正上方，与光轴S平行的光线L2构成的圆柱形空间内的、且与光轴S之间满足一定夹角的光线均能够被凸透镜T汇聚到通孔K的位置处。当放射线转换层105的厚度H足够大时，与光轴S平行的光线L2构成的圆柱形空间之外的光线，比如图中示意的光线L3也能够经过凸透镜T汇聚到通孔K。光线L3可能是来自于周边光敏像素对应的放射线转换层，而通过调整通孔K的大小、通孔K距凸透镜T的距离，能够防止光线L3被汇聚到通孔K处，也即能够调整射入通孔K的光线的角度，进而控制射入光敏像素的光量。
在一种实施例中，当聚光结构中的凸透镜为球面凸透镜时，遮光层位于球面的球心远离放射线转换层的一侧。从而凸透镜的光学焦点，也即平行于凸透镜的光线在经凸透镜的作用后聚焦的位置，位于球面的球心远离放射线转换层的一侧，避免经凸透镜作用后的光线在穿过光学焦点位置处再次被遮光层遮挡，导致了光线的损失。
在一些可选的实施方式中，遮光层包括不透光的金属层，金属层包括金属铬层或者表面覆盖氧化铬的金属铬层；其中至少有一层金属层用于给光敏像素提供驱动电压。
当遮光层包括金属铬层时，金属铬层与光敏像素的靠近放射线转换层一侧电极电连接，其中，电极为透明电极，比如ITO(氧化铟锡)，从而能够实现遮光层为光敏像素提供驱动电压，能够提高透明电极的导电性能。
当遮光层包括表面覆盖氧化铬的金属铬层，金属铬层与光敏像素的靠近放射线转换层一侧电极电连接，从而能够实现遮光层为光敏像素提供驱动电压，提高光敏像素的透明电极的导电性能，同时氧化铬还具有吸光性能，避免射向遮光层的大角度光线被反射。
在一种实施例中，遮光层为组合膜层，组合膜层包括掺有碳粉的有机黑色遮光膜和无机薄膜，将有机黑色遮光膜覆盖在氧化硅或者氮化硅的无机薄膜上形成组合膜层，从而在遮光的同时保护了遮光层下方的光电二极管免受上层薄膜的制造工艺的损害，比如能够避免在有机膜的制造工艺中释放的溶剂对光电二极管的影响。
继续参考上述图2所示的，聚光结构104还包括基底层1041，基底层1041不仅能够作为承载凸透镜T的基底，而且还能够对下方的光敏像素阵列的表面起到平坦化的作用。基底层1041的制作材料可与凸透镜T的制作材料相同，或者也可以采用折射率基本相同的材料制作，以减少可见光穿透膜层界面时的反射。基底层1041的制作材料包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、丙烯酸树脂中的任意一种。
在一种制作过程中，可以首先在光敏像素阵列之上制作一层含有溶剂的有机膜，然后采用加热烘烤或者UV固化的方式将有机膜内的溶剂挥发掉，以形成基底层1041。然后再在基底层1041之上制作凸透镜。其中，凸透镜可以采用刻蚀工艺制作，首先制作有机薄膜，在凸透镜对应的位置将有机薄膜刻蚀出台阶状结构，然后高温烘烤，台阶状结构的边缘依靠有机材料膜的软化流动性形成圆弧形状，从而形成凸透镜结构。在该制作过程中，基底层和凸透镜分别制作。在另一种制作过程中，凸透镜和基底层可以通过半灰阶光罩，在一次工艺制程中制作。
通过上述原理说明能够得知，在本发明实施例中，遮光结构与聚光结构的配合形成的光学准直器，能够实现将对应在凸透镜T正上方的靠近光轴S的小角度光线汇聚后射入光敏像素中，对图像信号做出贡献。而凸透镜T正上方的发光点发出的部分大角度光可能不会被收集到而造成光信号的损失，导致低空间频率的DQE(Detective QuantumEfficiency，探测量子效率)会有所降低，但是高空间频率的DQE则会有大幅提高。下面对提高探测系统的MTF以及提高高空间频率的DQE的原理进行说明。
图4为本发明试验得到的MTF仿真曲线一。其中，横坐标为空间频率(1/mm)，纵坐标为空间调制传递函数MTF。其中，MTF-1表示没有凸透镜阵列的闪烁体的MTF，MTF-2表示设置有凸透镜和遮光层通孔的闪烁体的MTF，MTF-3表示探测器像素电极的SINC函数。
MTF-3表示探测器阵列(光敏像素阵列)的像素电极的MTF。可以看出MTF-3是一个典型的SINC函数的特性，也就是[Sin(x)/x]^2的特性,该曲线在像素电极宽度的倒数的空间频率处，也就是光敏像素阵列的空间采样频率处，为第一个零点。
MTF-1为具有一定厚度的各向同性闪烁体(也即放射线转换层)自身的MTF。可以看出放射线转换层的MTF随着空间频率的增加快速衰减，这种特征体现了在没有各向异性的特性的结构中，比如在非晶碘化铯构成的闪烁体内，经闪烁体作用后光线会均匀地各向同性地向周围发散。
MTF-2为设置有凸透镜和遮光层通孔的闪烁体的MTF。在计算模拟中采用的像素结构模型中，每个光电二极管上方对应设置了遮光结构和聚光结构，聚光结构中设置3*3共9个凸透镜，相应的在遮光结构的遮光层中设置9个通孔与凸透镜相对应，也就是说在探测平面的一个方向上有三个凸透镜对应的独立的探测单元。如图中曲线所示，MTF-2在一定程度上呈现了SINC函数的形状，但是其空间采样频率近似地等于光电二极管的空间采样频率的三倍。可以根据上述图3示意的原理进行理解，在探测平面的一个方向上有三个凸透镜对应的独立的探测单元，相邻凸透镜在一定程度上会分享来自同一个发光点发出的光子群，因此在凸透镜直径的倒数的空间频率处，也就是凸透镜在一维空间的重复频率处，MTF虽然达到最小值但不会为零。也即MTF-2不会像MTF-1那样存在零点。
上述图4中的MTF-2曲线验证了上述图3对应的原理说明。在增加了聚光结构(至少一个凸透镜)和遮光结构(至少一个与凸透镜对应的通孔)之后，凸透镜正对的放射线转换层中的靠近光轴射出的小角度光线会被凸透镜汇聚到通孔位置处，然后进入光敏像素内，而其他大角度的远离光轴的光线则被遮光层所遮挡住，从而能够改善串扰现象，提升图像的MTF。
放射线图像探测器作为一个探测系统，其系统的MTF由光电二极管阵列(也即光敏像素阵列)的MTF和闪烁体的MTF的乘积所决定，则得到：
MTFSYS＝MTF3×MTF2，其中，MTFSYS表示整个探测系统的MTF，MTF3表示光敏像素阵列的MTF，MTF2表示闪烁体的MTF。结合上述图4中的曲线以及对仿真试验的说明，在仿真试验中将设置有凸透镜和遮光层通孔的闪烁体作为一个整体得到MTF-2的曲线。将上述公式应用在本发明实施例中，MTF2表示设置有凸透镜和遮光层通孔的闪烁体的MTF。在本发明实施例中，MTF2明显增大，可见整个探测系统的MTF也能够明显的增加。
进一步的，对本发明实施例提供的放射线图像探测器的综合图像探测能力，也即探测量子效率DQE进行了仿真试验验证。图像探测器的综合图像探测能力是由探测量子效率DQE所决定的。一个探测系统的DQE的定义为输出信噪比和输入信噪比的比例的平方。在量子噪声极限的场合，也就是说输入X光线的量子散弹噪声功率远超过探测器系统的电子噪声功率的场合，也能简化为零空间频率的DQE和系统MTF的平方的乘积。如下述公式所示，
Figure BDA0002377687200000121
其中，DQESYS为图像探测器系统的探测量子效率，NPS是等效噪声功率，下标的IN代表输入参数，OUT代表输出参数。根据上述公式可知，图像探测器系统的探测量子效率与探测系统的MTF有关。
图5为本发明试验得到的DQE仿真曲线二。其中，横坐标为空间频率(1/mm)，纵坐标为探测量子效率DQE。如图5所示，在低空间频率的区域，增加了聚光结构和遮光结构的系统的探测量子效率小于不设置聚光结构和遮光结构的系统的探测量子效率。这可能是由于上述图3原理中示意的光学准直器(本发明实施中由凸透镜和遮光层的通孔共同构成)遮挡了部分大角度光线造成的。但是，由于系统的MTF大幅提升，系统的高空间频率的探测量子效率有了明显的增加。所以本发明实施例提供的放射线图像探测器，能够提高探测系统辨识图像细节的能力。这种系统性能的优化调整对于需要提取X射线图片细节的很多医疗诊断应用来说非常的有效且有价值。
在相关技术中，往往要在增加闪烁体厚度(也即本发明放射线转换层)以便提高光量子的产额，和减少闪烁体的厚度以便提高图像的清晰度(即提高MTF)，这两个相互矛盾的技术参数上难以取舍。而本发明实施例提供了有效的途径去优化系统的探测功能指标(MTF、DQE等)，以便满足医疗诊断或放射线治疗时对探测图像的各种需求。
进一步的，本发明以通孔为圆形通孔为例，对通孔的直径大小与系统的探测量子效率之间的关系进行了研究。
图6为仿真得到的不同的通孔直径的系统的DQE和空间频率之间的关系。如图6所示，横坐标为空间频率(1/mm)，纵坐标为探测量子效率DQE。其中，DAP代表通孔的直径，分别对DAP＝5μm、DAP＝10μm、DAP＝20μm的系统进行了研究，系统中除了通孔直径不同外，其他参数均相同。由图中曲线进行比较，可以看出，在低空间频率领域，通孔的直径小，则系统的DQE小；在靠近奈奎斯特频率的附近(奈奎斯特频率等于空间采样频率的1/2)，随着通孔直径的减小，DQE出现从增加到最后减少的一个非单调变化的过程。这是因为，当通孔直径很小的时候，光敏像素之间的信号混合带来的MTF的降低变得可以忽略，每个光敏像素获得的光学信号随着通孔直径单调地减少，但是光子的散弹噪声是按照光子数目的平方根的规律减少，所以信噪比随着通孔直径的进一步减小而衰减。由上述仿真结果可以得知，在高空间频率区域，或者说在靠近奈奎斯特频率的附近，可能存在一个光圈的最佳值使得这个区域的DQE达到最大值。
进一步的，选择一个空间频率，以凸透镜对应的通孔直径为变量，计算了系统的DQE。图7为仿真得到的系统的DQE和系统中通孔直径之间的关系。如图7所示，对于所选择的空间频率，存在一个最佳的通孔直径或者范围，使得这个频率区域的系统的DQE达到最大值，或者保持在相对比较高的DQE值。这个通孔直径的范围，根据医疗诊断的用途和所需观察的人体部位或物体的细节、根据使用的闪烁体的厚度和材料特性、根据光电二极管阵列的解析度、以及凸透镜的直径、凸透镜到通孔的相对距离、以及制造工艺特别是光刻和薄膜固化工艺的精度而有所不同，也即，能够使得系统DQE达到最大值的通孔直径范围是一个依赖很多上述变量的复杂函数。对于通常使用的闪烁体和光电探测的解析度和尺寸参数，用于间接变换式图像探测器的凸透镜对应的通孔直径的最小值为1微米，最大值大约为凸透镜直径的2/3。当遮光结构中包括多个遮光层时，上述通孔直径尺寸的范围则给出了在垂直于基板的方向上交叠的多个通孔中的最小通孔的最佳尺寸范围。
通过上述分析说明可知，在本发明实施例中，在光敏像素和放射线转换层之间增加了聚光结构和遮光结构构成的光学准直器，聚光结构中的凸透镜能够将靠近光轴的小角度光线汇聚到遮光结构的通孔位置处，然后射入光敏像素对图像信号的做出贡献，遮光层能够对大角度的光线进行遮挡，避免可见光入射的光敏像素的位置存在偏差，从而能够改善串扰现象。其中，遮光层能够遮挡的大角度光线不仅包括由周边的光敏像素对应的放射线转换层射出的光线，还会包括由凸透镜对应的正上方的放射线转换层射出的部分大角度光线(也即靠近凸透镜光轴的大角度光线)。而靠近凸透镜光轴的大角度光线的光信号的损失，导致了低空间频率的DQE有所降低，但是相应的高空间频率的DQE会相应的增大。所以在本发明实施例中，通过对光学准直器的结构进行调整，能够实现限定光敏像素所采集到的光线偏离光轴的最大立体角。也即能够调整凸透镜和遮光层上的通孔构成的光学准直器的准直效应的强弱，从而能够控制由通孔射入光敏像素的可见光量，进而能够实现根据不同的应用需求以及闪烁体材料的特性，在图像探测系统的低空间频率的DQE和高空间频率的DQE之间进行平衡。
在一种实施例中，放射线图像探测器还包括增透膜，增透膜覆盖在凸透镜表面，也即在聚光结构层和放射线转换层之间增加增透膜，用于增加凸透镜对可见光的透过率。由于放射线转换层的制作材料的折射率和凸透镜的制作材料的折射率不同，在界面上会造成光线反射。在凸透镜表面蒸镀上一层增透膜，增透膜的折射率介于放射线转换层的制作材料的折射率和凸透镜材料的折射率之间，从而能够提高凸透镜表面的光线透过率。另外，增透膜可将可能释放的有害气体封止在聚光结构一侧，避免影响到闪烁体材料的稳定性。
本发明实施例中，遮光结构还包括N个遮光层，N为大于或等于2的整数。在一种实施例中，如图8所示仅以遮光结构包括2个遮光层进行示意，图8为本发明实施例提供的放射线图像探测器的另一种可选实施方式局部示意图。如图8所示的仅以一个光敏像素进行示意，在垂直于基板101的方向e上，每个通孔K均与其它遮光层Z上的一个通孔K发生交叠；在通孔K交叠处，靠近聚光结构104的通孔K的面积大于远离聚光结构104的通孔K的面积。如图8示意出了遮光层Z1和遮光层Z2，与凸透镜T的光轴S呈较大夹角、且由相邻的光敏像素对应的放射线转换层射出的光线L4，虽然能够穿透凸透镜后由遮光层Z1的通孔K射向下方的光敏像素，但是光线L4会被遮光层Z2所遮挡，不能够射入光敏像素中。该实施方式中的设置能够实现对入射可见光的逐渐收敛，进一步确保光学准直器对大角度光杂散光的限制。另外，相邻的两个遮光层之间的相对距离越大，则其对光线的准直效果越明显。
在一种实施例中，聚光结构包括M个凸透镜在平行于光敏像素的平面上排布形成的透镜阵列，一个透镜阵列与一个光敏像素相对应，M为大于或等于2的整数，每个凸透镜的光轴贯穿与其相对应的通孔。参考下述图9和图10进行理解，图9为本发明实施例提供的放射线图像探测器的另一种可选实施方式局部俯视示意图。图10为图9中切线A-A＇位置处截面示意图。如图9所示，仅以M＝9进行示意，一个光敏像素P对应9个凸透镜T。每个凸透镜T的光轴S贯穿与其相对应的通孔K。通过这种透镜阵列的设计，一个光敏像素对应多个凸透镜，则凸透镜的尺寸远小于光敏像素尺寸时，在制作时可以不考虑凸透镜和光敏像素的精确对位也可以达到很好的对光线准直的效果。在制作时，可以首先制作包括凸透镜阵列和遮光层的凸透镜面板，然后将凸透镜面板覆盖在光学探测器的表面，然后将放射线变换膜或者放射线变换板盖在凸透镜面板上。在制作时，也可以是在柔性基材上制作凸透镜阵列和遮光层，得到凸透镜薄膜，然后将凸透镜薄膜覆盖在光学探测器的表面，再将放射线变换膜或者放射线变换板盖在凸透镜薄膜之上，从而降低了探测器系统的制造成本。
另外，在相关技术中，有在光敏像素上方设置微透镜以汇聚更多的光线进入光电二极管的方案。但是在相关技术中都是在每一个光敏像素上方对应设置一个和光敏像素尺寸大小基本相同的微型透镜，力图将光敏像素上方的所有光线都聚焦到对应的光敏像素的光电二极管中，从而降低光线在光敏像素的边缘区域的损失。而通常应用于医疗用途的放射线图像探测器中，考虑到影像的大面积和信号噪声比例，像素的尺寸通常都大于50微米。对于乳腺X光探测器像素一般设定在100微米，对于心血管，胸部和其他部位的放射线诊断和医疗用的图像探测器，通常的像素尺寸设定在200微米左右。根据光学透镜的基本原理和设计，无论是凸透镜还是凹透镜，透镜的高度应该和其直径在一个数量级或者基本相同，而透镜的尺寸越大，其工艺制作难度越大。然而想要在一个较大面积的基板上，比如200mm*200mm的基板上，制作高度为50微米甚至100微米的凸透镜，其工艺的复杂性和难度非常大，而且透镜制作工艺对光敏像素中光电转换层的不良影响也是不可预期的。
而本发明实施中，在一个光敏像素上方可以设置一个凸透镜阵列，根据光敏像素的大小和凸透镜的直径，一个光敏像素上可以至少放置四个或四个以上的凸透镜。在一种可选的制作方法中，首先涂布有机薄膜；然后采用UV固化方式蒸发掉部分溶剂；然后对有机薄膜进行刻蚀，形成台阶状结构；然后高温烘烤，台阶状结构的边缘依靠有机材料膜层的软化流动性形成圆弧形状，从而形成凸透镜结构。根据薄膜涂布工艺、UV固化或者热固化，以及刻蚀等工艺的能力，通常凸透镜的半径，或者凸透镜的高度，最大为几个微米到十几个微米。对于广泛应用于乳腺X射线诊断的探测器来说，一个50μm*50μm的像素的上面可能要放置16个直径为10μm的凸透镜。采用本发明实施例提供的结构在每个像素上面都设置一个凸透镜的阵列，工艺简单、制作难度小。
在一种实施例中，图11为本发明实施例提供的放射线图像探测器的另一种可选实施方式局部示意图。如图11所示，放射线转换层105包括光敏像素P在放射线转换层105上的正投影区域的放射线转换单元105Y；聚光结构104将来自放射线转换单元105Y的靠近光轴S的可见光汇聚到通孔K，来自放射线转换单元105Y周围的可见光的绝大部分被遮光层Z所遮挡。该实施方式能够通过调整凸透镜T的直径、通孔K的面积大小、以及通孔K和凸透镜T之间的相对距离、以及放射线转换层105的厚度，实现将来自放射线转换单元105Y的靠近光轴S的可见光汇聚到通孔K，从而确保凸透镜和遮光层的通孔构成的光学准直器的光学准直效果，确保光敏像素P所采集的光线基本上都是靠近光轴的小角度光线，有效阻挡杂散光线射入光敏像素中，进一步提升图像分辨率。
在一些可选的实施方式中，放射线图像探测器还包括：像素化的支撑结构，位于放射线转换层和基板之间，使得聚光结构和放射线转换层之间保持0.7微米以上的间隙。通常情况下碘化铯晶体发出的可见光光谱的中心波长为0.5μm左右，光谱范围从0.4μm到0.7μm。其它广泛应用的闪烁体比如GOS(硫氧化钆)发出的可见光光谱的中心波长在0.55μm左右。本发明实施例中设置聚光结构和放射线转换层之间保持0.7微米以上的间隙，间隙的距离大于光谱主要波长的长度，并且能够防止闪烁体表面的凹凸不平造成闪烁体的局部表面直接接触到凸透镜的表面，从而能够避免多重反射造成的干涉，避免影响聚光作用和聚光能力的均匀性。
在一种实施中，支撑结构包括环形封闭或非封闭的支撑墙，支撑墙环绕聚光结构所设置。参考下述图12和图13进行理解，图12为本发明实施例提供的放射线图像探测器的另一种可选实施方式局部俯视示意图。图13为图12中切线B-B＇位置处截面示意图。图12仅以环形封闭的支撑墙ZC进行示意，支撑墙ZC环绕凸透镜阵列，支撑墙ZC能够支撑上方的放射线转换层105、反射层107以及盖板106。如图13所示的，支撑墙ZC超出凸透镜T的高度为AG，其中，AG至少为0.7微米，保证聚光结构和放射线转换层105之间的间隙大于放射线转换层105发出的光谱的主要波长的长度，从而能够避免多重反射造成的干涉。进一步的，支撑墙ZC可以采用不透光的黑色有机材料制作，从而支撑墙ZC能够对相邻的光敏像素对应的放射线转换层发出的可见光进行遮挡，在一定程度上改善串扰现象。图13中仅以遮光结构包括一个遮光层Z进行示意，可选的，遮光结构也可以包括2个或者2个以上的遮光层，在此不再附图示意。
在一种实施例中，支撑结构包括非封闭的支撑墙，非封闭的支撑墙包括至少一个缺口，从而支撑墙制作工艺中或者光学图像探测器与闪烁体组件(包括放射线转换层、反射层和盖板的结构)贴合工艺中的流体或者气体，能够从缺口位置处排出，避免流体或者气流滞留在聚光结构和放射线转换层之间对聚光性能产生影响。
在一种实施例中，环形封闭或非封闭的支撑墙与相邻的两个光敏像素的间隙相对应，从而能够减少支撑墙对部分可见光的遮挡程度，尽可能使得更多的光线射入光敏像素内。
在另一种实施例中，支撑结构包括支撑平台，位于光敏像素的中心区域；凸透镜包括环形柱状凸透镜，环形柱状凸透镜环绕支撑平台所设置；参考下述图14和图15进行理解，图14为本发明实施例提供的放射线图像探测器的另一种可选实施方式局部俯视示意图。图15为图14中切线C-C＇位置处截面示意图。如图14示意的，支撑结构包括支撑平台ZCT，环形柱状凸透镜TH环绕支撑平台ZCT。遮光层的通孔包括一个环形通孔HK，环形柱状凸透镜TH能够将可见光汇聚到环形通孔HK位置处。如图15中的截面图示意，环形柱状凸透镜TH的光轴S垂直于遮光层Z，并贯穿环形通孔HK，并且在遮光层上也有一个与支撑平台ZCT相对应的通孔，保证射向支撑平台ZCT的可见光能够穿透支撑平台ZCT后由对应的通孔射入光敏像素中。
该实施方式支撑平台位于光敏像素的中心区域，能够对上方的闪烁体组件起到支撑作用，同时，来自光敏像素正上方的闪烁体内发出的大角度光线也有更大的可能到达下方的光敏像素中，从而提高可见光的利用率。同时环形柱状凸透镜环绕支撑平台所设置，环形柱状凸透镜与环形通孔相配合，能够使得光敏像素的边缘区域对应的闪烁体内发出的小角度光线，能够通过环形通孔射入光敏像素中，而来自相邻像素对应的闪烁体内发出的大角度光线会被遮光层所遮挡，从而改善了串扰现象，提升图像分辨率。在光敏像素的边缘区域尽量收集小角度的光线，同时将相邻像素对应区域射入的大角度光线进行遮挡；在中心区域尽量采集更多的光线，其中，包括一些大角度光线。从而保证图像探测系统的低空间频率、中空间频率和高空间频率的探测量子效率都有所提升。
在一种实施例中，在支撑平台ZCT的表面制作一层增透膜，该增透膜的折射率介于放射线转换层的折射率和支撑平台制作材料的折射率之间，从而能够提高光线穿透支撑平台的透过率。
图14和图15对应的实施例中，支撑平台的尺寸大小可以根据放射线转换层的厚度进行优化。具体的，当放射线转换层的厚度越厚时，经闪烁体作用出射的可见光的横向扩散的风险越高，也就是光线射入周边相邻光敏像素的可能性越高，此时可以相应的设置支撑平台的尺寸越小。当放射线转换层的厚度越薄时，光线横向扩散的风险越低，支撑平台的尺寸可以设置的越大。
继续参考图15所示的，支撑平台ZCT超出环形柱状凸透镜TH的高度为AG，其中，AG至少为0.7微米，保证聚光结构和放射线转换层105之间的间隙大于放射线转换层发出的光谱的主要波长的长度，从而能够避免多重反射造成的干涉和起因于空气间隙内的多重光干涉的牛顿环。
进一步的，如图16所示，图16为本发明实施例提供的放射线图像探测器的另一种可选实施方式局部俯视示意图。与上述图14和图15对应的实施例相同，支撑结构包括支撑平台ZCT，位于光敏像素的中心区域；不同的是，图16实施例中，多个凸透镜T围绕支撑平台ZCT设置，在遮光层中每个凸透镜T的下方可以对应的设置一个通孔，或者也可以在遮光层中设置一个环形通孔，该环形通孔与多个凸透镜T同时对应。该实施例同样能够实现，在光敏像素的边缘区域尽量收集小角度的光线，同时将相邻像素对应区域射入的大角度光线进行遮挡；在中心区域尽量采集更多的光线，其中，包括一些大角度光线。从而保证图像探测系统的低空间频率、中空间频率和高空间频率的探测量子效率都有所提升。
在一种实施例中，放射线图像探测器还包括填充物，填充物填充了放射线转换层和聚光结构之间的空隙，以上述图13示意的结构中增加填充物进行示意说明，如图17所示，图17为本发明实施例提供的放射线图像探测器的另一种可选实施方式示意图，填充物W填充了放射线转换层105和聚光结构104之间的空隙，填充物W的折射率小于放射线转换层105折射率，也小于聚光结构104的折射率。填充物W的设置避免放射线转换层和聚光结构之间留有空气，导致可见光由放射线转换层射向聚光结构时在多个界面上发生折射造成光损失，同时填充物也能够将可能释放的有害气体封止在聚光结构一侧，避免影响到闪烁体材料的稳定性。
需要说明的是，在放射线转换层和聚光结构之间的空隙填充填充物的方案同样适用于上述图14和图16对应的实施例。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种放射线图像探测器，其特征在于，包括：
基板；
位于所述基板上的光学图像探测器，所述光学图像探测器包括复数个周期性排列的光敏像素的阵列；
像素化的遮光结构，位于所述光敏像素远离所述基板一侧，每个所述光敏像素均对应有所述遮光结构，所述遮光结构包括至少一个遮光层，每个所述遮光层包括至少一个通孔；
像素化的聚光结构，位于所述遮光结构远离所述光敏像素的一侧，每个所述光敏像素均对应有所述聚光结构，所述聚光结构包括至少一个凸透镜，所述凸透镜的光轴垂直于所述遮光层并贯穿所述通孔；
放射线转换层，位于所述聚光结构的远离所述遮光结构一侧，将放射线转换成可见光；
其中，所述聚光结构，将所述放射线转换层发出的靠近所述光轴的所述可见光汇聚到所述通孔；
所述聚光结构包括透镜阵列，一个所述透镜阵列与一个所述光敏像素相对应，每个所述透镜阵列包括M个所述凸透镜，M个所述凸透镜在平行于所述光敏像素的平面上排布形成所述透镜阵列，其中，M为大于或等于2的整数，每个所述凸透镜的光轴贯穿与其相对应的所述通孔。
2.根据权利要求1所述的放射线图像探测器，其特征在于，
所述遮光结构还包括N个所述遮光层，N为大于或等于2的整数；
在垂直于所述基板的方向上，每个所述通孔均与其它所述遮光层上的一个所述通孔发生交叠；
在所述通孔交叠处，靠近所述聚光结构的通孔的面积大于远离所述聚光结构的通孔的面积。
3.根据权利要求1所述的放射线图像探测器，其特征在于，
所述放射线转换层包括所述光敏像素在所述放射线转换层上的正投影区域的放射线转换单元；
所述聚光结构将来自所述放射线转换单元的靠近所述光轴的所述可见光汇聚到所述通孔，来自所述放射线转换单元周围的可见光的绝大部分被所述遮光层所遮挡。
4.根据权利要求1至3任一项所述的放射线图像探测器，其特征在于，
所述放射线图像探测器还包括：像素化的支撑结构，位于所述放射线转换层和所述基板之间，使得所述聚光结构和所述放射线转换层之间保持0.7微米以上的间隙。
5.根据权利要求4所述的放射线图像探测器，其特征在于，所述支撑结构包括环形封闭或非封闭的支撑墙，所述支撑墙环绕所述聚光结构所设置。
6.根据权利要求4所述的放射线图像探测器，其特征在于，
所述支撑结构包括支撑平台，位于所述光敏像素的中心区域；
所述凸透镜包括环形柱状凸透镜，所述环形柱状凸透镜环绕所述支撑平台所设置；
所述通孔包括一个环形通孔，所述环形柱状凸透镜的光轴垂直于所述遮光层，并贯穿所述环形通孔。
7.根据权利要求1所述的放射线图像探测器，其特征在于，
所述放射线图像探测器还包括增透膜，所述增透膜覆盖在所述凸透镜表面，用于增加所述凸透镜对所述可见光的透过率。
8.根据权利要求1所述放射线图像探测器，其特征在于，
所述遮光层包括不透光的金属层，所述金属层包括金属铬层或者表面覆盖氧化铬的金属铬层；其中至少有一层所述金属层用于给所述光敏像素提供驱动电压。
9.根据权利要求1所述放射线图像探测器，其特征在于，
所述放射线图像探测器还包括填充物，所述填充物填充了放射线转换层和聚光结构之间的空隙；
所述填充物的折射率小于所述放射线转换层折射率，也小于所述聚光结构的折射率。
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