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Die Erfindung betrifft einen Röntgendetektor gemäß dem Patentanspruch 1 sowie zwei Verfahren zur Herstellung eines Röntgendetektors gemäß den Patentansprüchen 9 und 10.
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Röntgenflachdetektoren sind heute flächendeckend in vielen Bereichen der medizinischen Röntgendiagnostik und Intervention eingeführt, beispielsweise in der Radiographie, der interventionellen Radiologie, Kardangiographie, aber auch zur Bildgebung in der Chirurgie, der Therapie im Rahmen der Kontrolle und Bestrahlungsplanung oder der Mammographie. Eine Bildgebung wird dadurch realisiert, dass eine ein Untersuchungsobjekt durchstrahlende Röntgenstrahlung absorbiert und daraus ein Messsignal erzeugt wird. Die Absorption kann entweder indirekt durch Szintillatoren oder durch Direktkonverter erfolgen. Bei integrierenden Röntgendetektoren mit Szintillatoren werden die Röntgenquanten mittels des Szintillators in Licht umgewandelt und das Licht von einer aktiven Matrix (z.B. aus amorphem Silizium (a-Si)) mit einer Vielzahl von Pixel(auslese)elementen in ein elektrisches Messsignal umgewandelt. Die individuellen Pixelelemente weisen eine Photodiode und ein Schaltelement auf; zudem besitzt der Röntgendetektor Ansteuer- und Ausleseelektronik. Alternativ kann die aktive Matrix z.B. auf Basis von CMOS bzw. verwandten Technologien oder auch auf Basis von p-Si (polykristallinem Silizium) ausgeführt sein. Auch aktive Matrizen auf der Basis von organischen Photodioden sind bekannt.
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Im Allgemeinen werden heute Szintilatoren aus CsJ verwendet. Je nach Strahlenqualität liegt die Quanteneffizienz für einen derartigen Szintillator aus CsJ mit einer Schichtdicke von z.B. 600 μm etwa zwischen 50% und 80% (siehe z.B.
Martin Spahn, "Flat detectors and their clinical applications", Eur Radiol 2005 15, Seiten 1934–1947). Die ortsfrequenzabhängige DQE(f) (detective quantum efficiency) wird hierdurch nach oben begrenzt und liegt für typische Pixelgrößen von z.B. 150 µm bis 200 μm und für die für Applikationen interessanten Ortsfrequenzen von 1 bis 2 lp/mm noch deutlich niedriger.
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Ein weiteres Ziel bei der Herstellung von Röntgendetektoren besteht darin, das Signal-zu-elektrischem-Rausch-Verhältnis (SENR) zu maximieren. Wegen des Schaltelements (z.B. TFT bei a-Si-basierten aktiven Matrizen) und den notwendigen Zuleitungen (Bias-, Gate- und Data Line) kann nur ein Teil der Oberfläche eines Pixelelements von der lichtempfindlichen Photodiode gebildet werden; die übrigen Bereiche, an denen sich z.B. Schaltelement und Zuleitungen befinden, sind lichtunempfindlich. Das Verhältnis der lichtempfindlichen Photodiodenfläche zur Fläche des gesamten Pixelelements heißt Füllfaktor. Typische Füllfaktoren bei in der Angiographie üblichen Pixelelementgrößen liegen bei 60% bis 70%, bei kleineren Pixelelementgrößen, wie sie mit 70 µm bis 100 μm in der Mammographie üblich sind, sind die Füllfaktoren geringer. Füllfaktoren von deutlich mehr als 70% sind bisher nicht realisierbar. Das bedeutet, dass mindestens 30% bis 40% des umgewandelten Lichts nicht absorbiert wird oder durch Reflektion oder Brechung an anderen Stellen, d.h. von anderen Pixeln, gemessen wird. Dies führt dazu, dass es zu einer Verringerung des maximal möglichen Signals (Anzahl detektierter optischer Photonen pro absorbiertem Röntgenquant) durch Verlust an optischen Photonen kommt und dass eine Verschlechterung der Auflösung durch Detektion von optischen Photonen am falschen Ort auftritt, was wiederum zum sogenannten LFD (Iow frequency drop) führt. Wegen des elektrischen Rauschens des Pixelelements und der gesamten Auslesekette ist insbesondere für Niedrigdosisanwendungen (z.B. Fluoroskopie) ein hohes Signal wichtig, um das SENR zu optimieren. Zudem ist es wünschenswert, den LFD zu verringern, da dieser z.B. für 3D-Bildgebung mit C-Bogen-Systemen nachteilig ist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Röntgendetektor bereitzustellen, bei welchem die Nachteile, die durch einen geringen Füllfaktor entstehen, vermieden werden und die Bildqualität erhöht wird. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Röntgendetektors bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Röntgendetektor gemäß dem Patentanspruch 1 und durch zwei Verfahren zur Herstellung eines derartigen Röntgendetektors gemäß den Ansprüchen 9 und 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Röntgendetektor weist einen Szintillator zur Umwandlung einer Röntgenstrahlung in Licht und eine unterhalb des Szintillators angeordnete aktive Matrix mit einer Vielzahl von Pixelelementen auf, wobei die Pixelelemente jeweils eine Photodiode mit einer lichtempfindlichen Photodiodenfläche und ein Schaltelement aufweisen, wobei die Oberfläche der Pixelelemente sich aus lichtempfindlichen Photodiodenflächen und lichtunempfindlichen Bereichen zusammensetzt, wobei zwischen dem Szintillator und der aktiven Matrix eine Strukturschicht angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, Licht, welches nicht direkt auf eine Photodiodenfläche trifft, derart zu beeinflussen, dass es auf eine insbesondere angrenzende Photodiodenfläche geleitet wird. Durch die Strukturschicht wird also das Licht, das bei Röntgendetektoren gemäß dem Stand der Technik verloren geht oder falsche Signale erzeugen würde, auf einfache Weise auf eine nächstgelegene Photodiodenfläche geleitet, so dass es zu einer hochqualitativen Bildgebung beiträgt. Dies führt zu einer besseren Bildqualität mit geringerem Rauschen sowie zu einem höheren Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Röntgendetektors. Die Auflösung des Röntgendetektors wird verbessert und der low frequency drop zum großen Teil vermieden. Außerdem kann die Röntgendosis wegen der hohen Qualität der Bildgebung gesenkt werden; dadurch kann auch die gesundheitliche Belastung einer Röntgenaufnahme für einen Patienten verringert werden.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Strukturschicht oberhalb der lichtempfindlichen Photodiodenfläche transparent ausgebildet und weist oberhalb der lichtunempfindlichen Bereiche Reflektorelemente oder Reflektorstrukturen auf, welche das auftreffende Licht auf eine angrenzende Photodiodenfläche ablenken. Die Reflektorelemente oder Reflektorstrukturen sind mit der Struktur der aktiven Matrix aliniert. Eine derartig ausgebildete Strukturschicht gewährleistet, dass direkt auf die Photodiode fallendes Licht unbeeinflusst zur Bildgebung beiträgt und auf einen lichtunempfindlichen Bereich fallendes Licht an den Reflektorelementen oder Reflektorstrukturen reflektiert und auf eine Photodiode gelenkt wird, so dass es ebenfalls zur Bildgebung genutzt werden kann.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das auf die Reflektorelemente oder Reflektorstrukturen auftreffende Licht auf die nächstgelegene Photodiode abgelenkt. Auf diese Weise wird die Auflösung des Röntgendetektors wesentlich verbessert.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Reflektorelemente oder -strukturen von einem zweidimensionalen Reflektorgitter oder Raster mit sich kreuzenden Gitterstäben gebildet, welches Reflektorgitter oder Raster sich oberhalb der lichtunempfindlichen Bereiche erstreckt. Oberhalb bedeutet in diesem Zusammenhang oberhalb in Bezug auf die Richtung, aus der die Röntgenstrahlung bzw. das Licht eingestrahlt wird. Bevorzugt bedeckt das Reflektorgitter die lichtunempfindlichen Bereiche vollständig, so dass kein auftreffendes Licht verloren gehen kann, sondern stets auf die Photodiode geleitet wird. Das Reflektorgitter weist eine Maschenstruktur auf; es besitzt sich rechtwinklig kreuzende Gitterstäbe in zwei Dimensionen. Durch die transparenten Maschen zwischen den Gitterstäben kann das Licht direkt auf die Photodiode auftreffen.
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In vorteilhafter Weise sind die Gitterstäbe des Reflektorgitters in ihrem Querschnitt keilförmig ausgebildet, wobei die Keilspitzen in Richtung des Szintillators zeigen und die Keilbasis die lichtunempfindlichen Bereiche bündig gegenüber von oben, also aus dem Szintillator, einfallendem Licht abdeckt. Durch die sich in Richtung Keilspitze verjüngenden Wände des Reflektorgitters wird auftreffendes Licht direkt auf die nächstgelegene Photodiode geleitet. Die sich verjüngenden Wände können auch leicht konkav oder konvex geformt sein.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Oberseiten der Reflektorelemente oder Reflektorstrukturen mit reflektierendem Metall beschichtet. Hierdurch findet eine besonders effektive Ablenkung des Lichtes auf die nächstgelegene Photodiode statt.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Reflektorelemente oder Reflektorstrukturen aus einem gegenüber der übrigen Strukturschicht optisch dünnerem Medium gebildet, so dass beim Auftreffen von Licht auf die Reflektorelemente oder Reflektorstrukturen eine Totalreflexion des Lichts auftritt. So kann z.B. vorgesehen seien, dass die übrige Strukturschicht aus einem Polymer gebildet ist und die Reflektorelemente oder Reflektorstrukturen als Aussparungen aus Luft gebildet sind.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Röntgendetektors mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- – Aufbringen eines Grundmaterials des Reflektorgitters,
- – Definieren einer Struktur des Reflektorgitters,
- – Ätzen der Struktur des Reflektorgitters in das Grundmaterial,
- – Aufbringen eines Metalls auf das Grundmaterial des Reflektorgitters und
- – Aufbringen eines transparenten Mediums auf das Reflektorgitter.
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Außerdem wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Röntgendetektors mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- – Verbindung einer Schicht aus transparentem Material mit einem Trägerelement,
- – Herstellung eines Prägewerkzeugs in der negativen Form des Reflektorgitters,
- – Prägung eines Reflektorgitters in das transparente Material zur Herstellung der Strukturschicht,
- – Aufbringen der Strukturschicht auf eine aktive Matrix und
- – Entfernen des Trägerelements.
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Die Schritte der beiden erfindungsgemäßen Verfahren können zum Beispiel mittels Herstellungsverfahren aus der Dünnschichttechnologie durchgeführt werden.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf vier Pixelelemente einer aktiven Matrix nach dem Stand der Technik;
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2 einen Schnitt durch einen Röntgendetektor nach dem Stand der Technik;
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3 eine Draufsicht auf ein auf vier Pixelelementen angeordnetes Reflektorgitter eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors;
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4 eine Draufsicht auf ein weiteres auf vier Pixelelementen angeordnetes Reflektorgitter eines erfindungsgemäßen Röntgendetektors;
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5 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Röntgendetektor;
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6 einen Schnitt durch eine Strukturschicht mit einem Reflektorgitter;
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7 eine Draufsicht auf die Strukturschicht mit Reflektorgitter gemäß 6;
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8 einen Schnitt durch eine Strukturschicht mit einem metallbeschichteten Reflektorgitter;
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9 einen Schnitt durch eine Strukturschicht mit einem als Aussparung ausgebildeten Reflektorgitter;
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10 einen Herstellungsprozess für eine Strukturschicht wie in 8 gezeigt; und
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11 einen weiterer Herstellungsprozess für eine Strukturschicht wie in 9 gezeigt.
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In der 1 ist eine Draufsicht auf vier Pixelelemente 13 einer aktiven Matrix eines bekannten indirekt konvertierenden Röntgen(flach)detektors gezeigt. Jedes der Pixelelemente 13 weist eine Photodiode 10, ein Schaltelement 11, zum Beispiel ein TFT, und Zuleitungen 12 auf. Die Zuleitungen 12 sind zum Beispiel die so genannte Gate line, Bias line und Data line. In der 2 ist ein Schnitt durch einen bekannten, indirekt konvertierenden Röntgendetektor gezeigt. Der Röntgendetektor weist eine Szintillatorschicht 14, eine aktive Matrix 15 und ein Glassubstrat 16 auf. Ein auf der Szintillatorschicht 14 auftreffendes Röntgenquant 17 wird dort in mehrere Lichtquanten 18 umgewandelt. Ein Teil dieser Lichtquanten fällt anschließend direkt auf die Photodiode 10, um dort in elektrische Ladungen umgewandelt zu werden. Ein anderer Teil der Lichtquanten fällt jedoch beispielsweise auf das Schaltelement 11 oder eine Zuleitung 12 und wird dort zurückreflektiert und geht der Bildgebung verloren. Ein weiterer Teil der Lichtquanten gelangt durch die Lücken 38 zwischen den Photodioden in das Glassubstrat und wird nach einigen Reflexionen an den Wänden des Glassubstrats auf eine von der ursprünglichen Photodiode weit entfernte Photodiode transportiert. Hier erzeugt es ein Signal; da dieses jedoch am falschen Ort erzeugt wird, trägt es zu einer Verschlechterung der Bildqualität bei.
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In der 5 ist ein erfindungsgemäßer Röntgendetektor mit einer zwischen der Szintillatorschicht 14 und der aktiven Matrix 15 angeordneten Strukturschicht 20 gezeigt, wobei die Strukturschicht 20 sich aus einem Reflektorgitter 19 und einem transparenten Medium 21 zusammensetzt. Das Reflektorgitter 19 erstreckt sich oberhalb der lichtunempfindlichen Bereiche der aktiven Matrix 15, also oberhalb der Zuleitungen 12 und/oder der Schaltelemente 11 und/oder der Lücken 38. In den 3 und 4 sind in Draufsicht zwei Beispiele für die Form des Reflektorgitters 19 gezeigt. In der 3 erstreckt sich das Reflektorgitter 19 mit Gitterstäben 39 hauptsächlich oberhalb der Zuleitungen und teilweise oberhalb der Schaltelemente. In der 4 erstreckt sich das Reflektorgitter 19 sowohl oberhalb der Zuleitungen als auch der Schaltelemente und der Lücken. Es kann dabei ein leichter Überlapp mit der Photodiode 10 bestehen, wobei dieser jedoch möglichst klein sein sollte. Idealerweise bedeckt das Reflektorgitter 19 im Bereich seiner Basis die lichtunempfindlichen Bereiche bündig. Wie in der 5 gezeigt, bedeutet bündig hierbei, dass die breitesten Bereiche des Reflektorgitters 19 lichtunempfindlichen Bereiche bündig bedecken.
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Wie im Schnitt erkennbar ist sind die Gitterstäbe 39 des Reflektorgitters 19 keilförmig ausgebildet, wobei die Keilspitzen in Richtung der Szintillatorschicht zeigen und die Keilbasis die lichtunempfindlichen Bereiche bedeckt. Alle Bereiche der Strukturschicht 20, die nicht das Reflektorgitter 19 einnimmt, sind mit dem transparenten Medium 21 ausgefüllt. Das Reflektorgitter 19 muss nicht perfekt keilförmig sein; seine sich in Richtung der Keilspitzen verjüngenden Wände 40 können auch leicht konkav oder konvex geformt sein. Wichtig ist, dass die Wände 40 des Reflektorgitters auftreffendes Licht in Richtung der nächstliegenden Photodiode ablenken. Wie in der 5 gezeigt, führt dies dazu, dass auch nicht direkt auf die Photodiode fallende Lichtquanten 18 zur Bildgebung beitragen können. Zwischen dem Reflektorgitter 19 und den lichtunempfindlichen Bereichen kann ein Kleber 22 vorhanden sein. Es kann auch ein Kleber oder eine Folie zwischen der Szintillatorschicht und der Strukturschicht 20 angeordnet sein.
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In den 6 und 7 ist eine weitere Variante einer Strukturschicht 20 in Draufsicht (7) und im Schnitt (6) gezeigt. Hier sind die Wände leicht konvex geformt.
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In der 8 ist ein Schnitt durch eine Strukturschicht 20 mit einem mit Metall beschichteten Reflektorgitter 19 gezeigt. Das Grundmaterial des Reflektorgitters 19 kann zum Beispiel ein Polymer 24 sein, welches mit einer Metallschicht 23 beschichtet ist. In der 10 ist ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Strukturschicht 20 mit einem mit Metall beschichteten Reflektorgitter 19 gezeigt. Die Verfahrensschritte können zum Beispiel mittels Dünnschichttechnologie durchgeführt werden. In einem ersten Schritt 28 wird das Grundmaterial des Reflektorgitters 19 auf die aktive Matrix 15 aufgebracht. Das Grundmaterial kann zum Beispiel ein Polymer oder Kupfer sein. Das Aufbringen erfolgt zum Beispiel durch Laminieren. In einem zweiten Schritt 29 wird die gewünschte Form des Reflektorgitters definiert. Dies kann z.B. durch Lithographie oder Spin-Coating erfolgen. In einem dritten Schritt 30 wird die gewünschte Form des Reflektorgitters aus dem Grundmaterial durch selektives Ätzen erstellt. In einem vierten Schritt 31 wird anschließend zum Beispiel durch Electroplating die reflektierende Metallschicht (z.B. Ag, Al, Au) aufgebracht. Anschließend wird in einem fünften Schritt 32 das transparente Medium zwischen den Maschen des Reflektorgitters aufgebracht.
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Es können aber auch direkt metallische Werkstoffe auf dem Empfänger-Substrat abgeschieden und strukturiert werden (subtraktiv: ganzflächige Abscheidung, aktive Fläche öffnen; oder additiv: nur dort Metall abscheiden, wo der Reflektor benötigt wird). Auch hier eignen sich hochreflektierende Metalle wie Ag, Au, Al.
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In der 9 ist ein Schnitt durch eine Strukturschicht 20 mit einem als Aussparung 25 in dem transparenten Medium 21 gebildeten Reflektorgitter 19 gezeigt. Die Aussparungen können zum Beispiel Luft enthalten. Hier wird der Effekt der Totalreflexion genutzt, der bei der Ausbreitung von Licht auftritt, wenn es sich von einem optisch dichten Medium in ein optisch dünneres Medium ausbreitet. Szintillator-Kristalle besitzen eine hohe optische Brechzahl (1.8 ... 2.2). Es ist daher zweckmäßig, als transparentes Medium der Strukturschicht einen "optischen Kleber" zu verwenden, welcher einen angepassten optischen Index hat, um Reflektionsverluste im Kristall zu minimieren. Ist die Brechzahl des benutzten transparenten Polymers gleich hoch wie die des Kristalls, kann man maximale Lichtauskopplung erreichen (Keine Reflexion an der Grenzfläche zwischen beiden.). Nutzt man ein solches Polymer mit hohem Index, erfolgt am Interface zu einem Medium kleinerer Brechzahl für schräge Winkel eine Totalreflexion. Als optisch dünnes Material eignet sich Luft, da es mit n = 1 den größten Effekt erlaubt (n+ = 2, n– = 1, Winkel zur Normale für Totalreflexion ca. 30°).
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In der 11 ist ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Strukturschicht 20 mit Aussparungen gezeigt. In einem sechsten Schritt 33 wird hier ein Trägerelement 26 auf eine Schicht aus einem transparenten Medium 21 aufgebracht, zum Beispiel durch Polymer-Bonding. In einem siebten Schritt 34 wird anschließend ein Prägewerkzeug 27 z.B. aus Metall oder Silizium hergestellt, welches die negative Form des gewünschten Reflektorgitters aufweist. Das Prägewerkzeug kann z.B. durch einen Ätzprozess hergestellt werden. In einem achten Schritt 35 wird zum Beispiel mittels Heiß-Prägung die Form des Reflektorgitters in das transparente Medium 21 eingebracht, so dass die Strukturschicht 20 entsteht. In einem neunten Schritt 36 wird die Strukturschicht 20 auf die aktive Matrix aufgebracht, z.B. durch Bonding oder Kleben. In einem zehnten Schritt 37 wird das Trägerelement 26 abgelöst, zum Beispiel durch UV-Ablösen.
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Die aktive Matrix des erfindungsgemäßen Röntgen(flach)detektors kann z.B. aus amorphem Silizium oder alternativ z.B. auf Basis von CMOS bzw. verwandten Technologien oder auch auf Basis von p-Si (polykristallinem Silizium) ausgeführt sein. Es kann auch eine aktive Matrix auf der Basis von organischen Photodioden verwendet werden.
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Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Für eine verbesserte Bildgebungsqualität ist ein Röntgen(flach)detektor, aufweisend einen Szintillator zur Umwandlung einer Röntgenstrahlung in Licht und aufweisend eine unterhalb des Szintillators angeordnete aktive Matrix mit einer Vielzahl von Pixelelementen, wobei die Pixelelemente jeweils eine Photodiode mit einer lichtempfindlichen Photodiodenfläche und ein Schaltelement aufweisen, wobei die Oberfläche der Pixelelemente sich aus lichtempfindlichen Photodiodenflächen und lichtunempfindlichen Bereichen zusammensetzt, wobei zwischen dem Szintillator und der aktiven Matrix eine Strukturschicht angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, Licht, welches nicht direkt auf eine Photodiodenfläche trifft, derart zu beeinflussen, dass es auf eine insbesondere angrenzende Photodiodenfläche geleitet wird, vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Martin Spahn, "Flat detectors and their clinical applications", Eur Radiol 2005 15, Seiten 1934–1947 [0003]
