JP2004150932A - 放射線平面検出器 - Google Patents

Abstract

【目的】シンチレータ層のＸ線入射面の近傍で発光された光を効率よく光電変換部に導くとともに、発光された光の情報をリニアに電気信号に変換できる放射線平面検出器を提供する。
【解決手段】この発明の放射線平面検出器１は、マトリクス状に配置された複数の画素を含む光電変換基板１１上に、個々の画素に対応して設けられた導光体１７と導光体および光電変換基板の全面を覆うように設けられたシンチレータ層１２を有する。導光体の形状は、円柱、角柱、円錐もしくは角錐状等が利用可能である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、画素単位の光電変換部に、画素毎にシンチレータ層を設けた放射線平面検出器に係り、特にシンチレータ層内で発生された光を効率良く光電変換部に導くとともに、シンチレータ層で発光された光の情報を、リニアに電気信号に変換できる放射線平面検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放射線平面検出器として、入力放射線をシンチレータ膜により光に変換し、その光を光電変換膜で電子もしくは電荷からなる電気信号に変換する方式においては、光電変換膜をマトリクス状の複数の光電変換素子により形成し、各光電変換素子にシンチレータ層を接触させた放射線平面検出器が注目を集めている。
【０００３】
放射線平面検出器は、固体検出器であることから、画質性能や安定性の面でも極めて期待が高く、しかもリアルタイムでＸ線検出像が得られる。
【０００４】
このような背景から、比較的大きな線量で、静止画像を得ることのできる一般撮影用の放射線平面検出器が既に実用化されている。また、透視線量下で、秒３０コマ以上の動画を得ることのできる放射線平面検出器も開発されつつある。
【０００５】
なお、シンチレータ２により変換された光を分散することなく光電変換素子１に導光する光ファイバープレート３を有する放射線検出器がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２４１５５１号（図１、段落［００２２］、要約書）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した放射線平面検出器においては、入射Ｘ線により発生される発光光のうち、シンチレータ層のＸ線入射面の近傍で発生された発光光は、シンチレータ層内部（厚さ方向の全域）を透過して光電変換素子に到達する。なお、放射線平面検出器で用いられるシンチレータ層の厚さは、例えば放射線がＸ線の場合は、被検対象物を透過したＸ線を吸収するために、例えば数百μｍ程度ある。また、シンチレータ層は、発光光の波長に対して完全に透明ではないため、発光光は、シンチレータ層内で反射・散乱され、その一部は吸収される。
【０００８】
このため、シンチレータ層の光電変換素子から遠い部分すなわちシンチレータ層の放射線入射面の近傍で発生された発光光の一部または全部が、対応する画素の光電変換素子に到達できない問題がある。
【０００９】
このことは、個々の光電変換素子から出力される信号出力を低下させるとともに、シンチレータ層を透過した放射線の強度（情報）を、リニアに電気信号に変換できないことを示している。この場合、正確な画像情報が得られなくなる問題がある。
【００１０】
また、シンチレータ層の光電変換素子から遠い部分で発光した発光光がシンチレータ層の厚さ方向と非並行な方向に進む成分が存在することから、画素相互間でクロストークが発生する問題がある。
【００１１】
この発明の目的は、シンチレータ層の放射線入射面の近傍で発光された光を高い効率で光電変換部に導くとともに、発光された光の情報を、リニアに電気信号に変換できる放射線平面検出器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上述した問題点に基づきなされたもので、マトリクス状に配置された複数の画素を有する光電変換部と、この光電変換部上に形成されたシンチレータ層とを有する放射線平面検出器において、前記シンチレータ層に、シンチレータ層内で発生した光を前記光電変換部へ導く導光体を設けたことを特徴とする放射線平面検出器である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明においては、放射線のうち、Ｘ線について詳細に説明する。
【００１４】
図１に示すように、Ｘ線を検出してＸ線の強度に対応する電気信号を出力する放射線平面検出器１は、複数の画素（光電変換素子）がｍ行×ｎ列のマトリクス状に配列されたマトリクス光電変換基板（以下、単に光電変換基板と略称する）１１を有する。光電変換基板１１の一方の面には、シンチレータ層１２が積層されている。
【００１５】
個々の画素は、シンチレータ層１２と詳述しない基材（支持体）との間に、例えば画素電極１３、電荷蓄積キャパシタ１４、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）１５およびフォトダイオード１６を含む。なお、画素電極１３とシンチレータ層１２とが相互に接触されている。
【００１６】
個々の画素には、シンチレータ層１２でＸ線から変換された光が入力される。各画素に入力された光は、画素電極１３からフォトダイオード１６に供給され、フォトダイオード１６により電荷に変換されて、キャパシタ１４に蓄積される。なお、画素電極１３の大きさは、個々の画素に占めるＴＦＴ１５と個々の画素を区分する信号線（データライン）１１１とゲート線（制御ライン）１１２により制約を受けるので、データライン１１１と制御ライン１１２のそれぞれにより区画された面積を画素の面積とすると、６０〜７０％である。
【００１７】
各画素のキャパシタ１４に蓄積された電荷は、走査制御回路１１３により一行分のＴＦＴ１５が同時にオンされることで、データライン１１１に転送され、各データライン１１１に接続されている電荷増幅器１１４に出力される。また、各画素電極の電位（キャパシタ１４に蓄積されている電荷）は、ＴＦＴ１５がオンされることでリセットされる。一行分毎に電荷増幅器１１４に入力された個々の画素の出力は、例えば並列／直列変換器またはマルチプレクサ１１５により複合化され、例えばアナログ−デジタル変換機またはデジタイザ１１６に送られる。
【００１８】
各画素の画素電極１３上には、画素電極１３上に配置されているシンチレータ層１２で発生された光を画素電極１３に向けて案内する導光体１７が、画素毎に独立して設けられている。
【００１９】
導光体１７は、例えば画素電極１３側の面積がシンチレータ層１２のＸ線入射側の断面積よりも大きくなるように形成された円錐状である。また、導光体１７は、個々の画素電極１３の概ね中央に少なくとも１つ設けられることが好ましいが、２以上の画素電極に亘って配列されてもよい。
【００２０】
なお、導光体１７は、例えばマイクロレンズアレイを形成する方法に類似した工程で、容易に形成できる。例えば、フォトレジストマスクを用い、露光、現像することにより、導光体１７は、容易に形成することができる。また、シンチレータ層１２に用いられるＧＯＳ粒子（蛍光体）は、画素電極１３上に導光体１７が配置された後、導光体１７および画素電極１３の周囲に、バインダーを介して塗布（結着）される。
【００２１】
ところで、前に説明した通り、放射線平面検出器に用いられるシンチレータ層１２の厚さは、Ｘ線のエネルギーを確実に吸収可能とするために、数百μｍにも及ぶ。このため、シンチレータ層１２が単一の材料で形成されている場合には、Ｘ線の入射面近傍で発生した光信号（発光光）は、光電変換面（各画素の光電変換素子を総称）へ向かう間に、シンチレータ層１２内で、反射し、吸収され、あるいは散乱により光電変換面と平行な方向に移動する等に起因して、大幅に減衰する。また、シンチレータ層１２が、例えば粒形（粒子状）の材料をバインダーにより層状に結着したものである場合、個々の粒子の境界で反射や散乱が生じ、その際に、単一の材料を用いる場合と同様に、吸収により減衰することが認められる。
【００２２】
シンチレータ層１２は、今日では、蛍光体であるＧＯＳ（Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ）粒子をバインダーにて結着したものが広く用いられている。このため、シンチレータ層１２で発光した光の殆どはＧＯＳ粒子の界面で反射される。従って、透過および１回の入射における吸収は、大きくない。
【００２３】
しかしながら、シンチレータ層１２の任意のＧＯＳ粒子で発光した光は、光電変換面までの間、途中に存在する多くのＧＯＳ粒子の個々の界面で、反射・散乱を繰り返すことから、透過および１回の入射における吸収が少ないが、光電変換面に到達する光の総量は、画素エリアのシンチレータ層１２内で最初に発光した光の十数％程度と予測される。なお、この減衰は、ＧＯＳ粒子の充填率や粒径、さらに反射層の有無に大きく影響される。
【００２４】
より詳細には、シンチレータ層１２内部での（シンチレータ層で発光した）光の減衰は、図２に示すようなモデル（立方体ブロック）を考えた場合、ブロック内部で発光した光は、立方体のそれぞれの面から出て行くので、各面から出る光は、内部で発光した光の約１／６となる。なお、シンチレータの各面から出る光の量は、シンチレータの個々の粒子の界面（境界）における吸収により、さらに少なくなる。
【００２５】
しかしながら、シンチレータ層１２においては、粒子（立方体ブロック）は、無数に隣接しているので、図３に示すモデルにより表されるように、各ブロックから出る光と同数の光が、隣接するブロックから入ってくることとなる。
【００２６】
このように、シンチレータ層１２の任意の位置に位置されたＧＯＳ粒子からの光は、反射・散乱されながら僅かずつ吸収されて、光電変換面へ案内される。
【００２７】
なお、図３に示したモデルにおいては、蛍光体粒子を立方体ブロックとみなしたので、ＧＯＳ粒子をバインダーにより結着させたシンチレータ層においては、光の入射および出射に関して、当然誤差が生じるが、大よその挙動とすることができる。
【００２８】
ところで、シンチレータ層１２は、厚さが数百μｍにも及ぶことから、Ｘ線の入射面の近傍ではＸ線の強度が高いことに関連して発光量も多いが、光電変換面側では、Ｘ線強度が低くなり、発光量も少なくなる。
【００２９】
このことから、Ｘ線入射面の近傍で発光した光が光電変換面へ出力される効率は、非常に低くなる。
【００３０】
このため、上述した導光体１７を個々の画素の画素電極１３上に設け、シンチレータ層１７のＸ線入射面の近傍で発生した光を画素電極１３に案内することにより、個々の画素電極１３に入射する光の量を向上できる。なお、シンチレータ層１２の厚さに起因して、画素電極１３と接する側または画素電極１３の近傍のシンチレータ層１２において発生される光の量は、（シンチレータ層１２の）Ｘ線入射面の近傍で発生される光の量に比較して少ない。このため、導光体１７は、例えば図１、図４および図５に示すように、好ましくは、シンチレータ層１２のＸ線入射面の側の断面積が画素電極１３側よりも小さくなる円錐状、角錐状や半球状（球面）に形成される。また、導光体１７の形状は、図示しないが円柱状や円錐台または角錐台もしくは画素の画素電極の形状に合わせて底面部の形状を任意に設定し、所定高さに盛り上げた形状等のいずれの形状であってもよい。
【００３１】
なお、導光体１７を、図１に示した円錐状や、図４および図５に示したような角錐状もしくは半球状とすることで、図６に示す光の導光体での屈折のように、導光体１７の界面の内部反射により、導光体１７に入射した光が画素電極１３の方向に反射されることも期待できる。また、導光体１７がシンチレータ層１２よりも屈折率の高い材質で形成される場合は、導光体１７に入射された光が画素電極１３の方向へより屈折されることにより画素電極に案内される光の量が高められる。
【００３２】
導光体１７は、シンチレータ層１２に用いられるＧＯＳ粒子がエポキシ樹脂をバインダーに用いて結着されている場合は、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、フェノール樹脂あるいはポリスチレンにより形成される。一方、導光体１７は、バインダーにシリコン樹脂が用いられる場合には、シリコン樹脂、ポリカーボネート、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリスチレン、塩化ビニルあるいはＰＭＭＡ（ｐｏｌｙ ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）等が利用可能である。なお、導光体１７は、シンチレータ層１２により発生される光の波長に対して透明、シンチレータ層１２を構成するバインダーの屈折率と同等もしくは大きな屈折率の材質であれば、上述した材料以外の材料も利用可能である。
【００３３】
図７は、導光体１７のさらに別の形状の一例を説明している。
【００３４】
図１、図４および図５に示した円錐状または角錐状もしくは半球状の導光体においては、図６により説明した画素電極１３の側への導光効果が得られるが、図３を用いて立方体モデルで説明した隣接する導光体に向けて出射した光と同数の光が隣接する導光体から入射することを考慮すると、導光体１７の形状は、図７に示すような、立方体、またはシンチレータ層１２の厚さと画素電極１３の面積とにより各辺の長さが定義される角柱状とすることが好ましい。この場合、隣接する導光体に向けて出射し、あるいは隣接する導光体から入射される光を、効率よく画素電極１３に導くことができる。
【００３５】
なお、上述したさまざまな形状の導光体１７を用いることにより、導光体１７が無い場合に比較して、シンチレータ層１２が画素電極１３と接する面積に実質的に導光体１７の側壁の面積に増大される。このことは、導光体１７を設けることによるシンチレータ層１２に用いられる蛍光体（ＧＯＳ）の減少によりシンチレータ層全体での発光量が減少することを意味するが、画素電極に案内される光量は、導光体１７を用いる本発明の方が大きくなる。また、導光体を用いない周知のシンチレータ層においては、シンチレータ層から発光される光の量は、画素電極に近づくに従って少なくなるので、導光体を用いることに起因する画素電極近傍において、シンチレータ層を構成する蛍光体の総量が減少することに関しても、実質的な影響は無い。
【００３６】
以上説明したように、マトリクス状に配置された画素（光電変換素子）毎に、シンチレータ層で発生された光を画素の画素電極（受光部）に案内する導光体を設けたことにより、シンチレータ層のＸ線入射面の近傍で発光した光が各画素に入射される効率を高めることができる。なお、導光体の形状および屈折率を最適に設定することで、光電変換面（画素）に導かれる光の量は、一層増大される。
【００３７】
このことにより、シンチレータ層のＸ線入射面の近傍に入射されたＸ線情報をリニアに光電変換でき、しかも変換された光を効率よく光電変換素子（画素）に導くことができる。また、シンチレータ層で発生された光の大部分は、導光体と対応される画素（光電変換素子）に案内されるので、クロストークの少ない放射線平面検出器が得られる。
【００３８】
なお、この発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々な変形・変更が可能である。また、各実施の形態は、可能な限り適宜組み合わせて実施されてもよく、その場合、組み合わせによる効果が得られる。
【００３９】
また、本実施例においては、放射線のうち、特にＸ線について説明したが、他の放射線についても、本発明を用いることにより同様の効果を得ることができる。
【００４０】
また、本発明の放射線平面検出器は、縦横の複数の画素が配列された構成について説明したが、縦横の画素の比率が異なる（例えば、一方の画素が１個の場合等）一見すると線状に構成された放射線検出器にも適用可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、画素間のクロストークが少なく、入力放射線をリニアに電気信号に変換できる放射線平面検出器が得られる。
【００４２】
また、個々の画素に到達可能な光が増大されることにより実質的な感度が向上されるので、検査対象物（検体）に照射しなければならない放射線量が低減可能となり、検体が人体である場合には被爆量を抑止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態が適用可能な放射線平面検出器の一例を説明する概略図。
【図２】図１に示した放射線平面検出器のシンチレータ層内の光の挙動を説明するモデルを示す概略図。
【図３】図１に示した放射線平面検出器のシンチレータ層内の光の挙動を説明するモデルを示す概略図。
【図４】図１に示した放射線平面検出器のシンチレータ層に組み込まれる導光体の別の実施の形態の一例を説明する概略図。
【図５】図１に示した放射線平面検出器のシンチレータ層に組み込まれる導光体の別の実施の形態の一例を説明する概略図。
【図６】図１、図４および図５に示した導光体の屈折による光のガイド機能を説明する概略図。
【図７】図１に示した放射線平面検出器のシンチレータ層に組み込まれる導光体のさらに別の実施の形態の一例を説明する概略図。
【符号の説明】
１ ・・・放射線平面検出器、
１１ ・・・光電変換基板、
１２ ・・・シンチレータ、
１３ ・・・画素電極、
１４ ・・・電荷蓄積キャパシタ、
１５ ・・・ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、
１６ ・・・フォトダイオード、
１７ ・・・導光体。

Claims (6)

1. マトリクス状に配置された複数の画素を有する光電変換部と、この光電変換部上に形成されたシンチレータ層とを有する放射線平面検出器において、
   前記シンチレータ層に、シンチレータ層内で発生した光を前記光電変換部へ導く導光体を設けたことを特徴とする放射線平面検出器。
2. 前記導光体は、円錐、角錐、半球、円柱、角柱、円錐台、角錐台あるいは任意に設定した底面形状から所定の高さまで盛り上げた形状であることを特徴とした請求項１記載の放射線平面検出器。
3. 前記導光体は、前記光電変換部の個々の画素に概ね対応して配置されることを特徴とする請求項２記載の放射線平面検出器。
4. 前記導光体の屈折率は、前記シンチレータ層に含まれるバインダーの屈折率と同等以上であることを特徴とした請求項１ないし３のいずれかに記載の放射線平面検出器。
5. 前記導光体は、前記シンチレータ層からの光を、前記シンチレータ層において蛍光体を結着させるバインダーの屈折率との差により、前記光電変換部の画素に向けることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の放射線平面検出器。
6. 前記導光体は、前記シンチレータ層からの光を内部反射により、前記光電変換部の画素に向けることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の放射線平面検出器。

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