JP2013195295A - 放射線検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体より発せられる蛍光の検出効率を高めることができる放射線検出装置を提供する。
【解決手段】本実施形態の放射線検出装置は、放射線を可視光に変換する蛍光体を有するシンチレータと、前記シンチレータの蛍光体から放出された可視光を検出し電気信号に変換する光検出素子を含むセルを複数個備えている光検出素子アレイと、前記セルのそれぞれに対応して各セル上に設けられ前記可視光を対応するセルの光検出素子に入射させる複数のレンズと、を備えている。
【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、放射線検出装置に関する。

Ｘ線撮像装置、コンピュータ断層撮像システム（ＣＴ(Computerized Tomography)）などの放射線撮像システムでは、Ｘ線源が患者や荷物などの検査対象や被検物に向けてＸ線を放出するのが一般的である。Ｘ線ビームは検査対象によって減衰を受けた後、アレイ状に配置された放射線検出器に入射する。各検出器の位置で受け取った放射線強度は、典型的にはＸ線の減衰に依存する。アレイ状に配置された検出器の各検出素子は、各検出素子で受け取った減衰ビームを表す電気信号を別々に発生させる。これらの信号は、解析のためにデータ処理システムに伝送され、このデータ処理システムで最終的に画像が作成される。

放射線検出には、シンチレータなどの蛍光体に放射線を入射し、発生した蛍光をホトダイオードや、光電子増倍管などによって検出する方式が一般的である。このときに用いる蛍光体より放出される蛍光光子の数は、蛍光体に入射する放射線エネルギーに比例するという性質を有する。このため、上記蛍光体より放出された蛍光光子の数を計数することによって被検体を透過した放射線のエネルギーを測定することが可能となる。この性質をＣＴなどに適用することによって、エネルギー弁別によるＣＴ画像、すなわち、カラーＣＴ画像を得ることが可能となる。

光子検出式のＣＴを実現するために、Ｇｅｉｇｅｒモードで動作するアバランシェホトダイオードを検出素子としてアレイ状に配置し、検出器に入射する光子数を計数することによる蛍光光子の数の検出が検討されている。Ｇｅｉｇｅｒモードで動作するアバランシェホトダイオードにはＳｉ材料などの利用が検討されている。

Ｇｅｉｇｅｒモードで動作するアバランシェホトダイオード（以下、ＡＰＤともいう）とは、ホトダイオードに１光子入射するにつき、１電流パルスを放出するホトダイオードである。このＡＰＤをアレイ状に配置することで、光子が入射したＡＰＤの数に比例した波高の電流パルスを放出する。このパルスの波高を測定することで、検出器に入射した光子数、すなわち、蛍光体に入射した放射線のエネルギーを測定することが可能となる。

後述するように、本発明者達の検討結果によれば、シンチレータとＡＰＤアレイとを組み合わせた受光システムを用いて光子を計数する従来の放射線検出装置においては、放射線から可視光への変換における光子を十分に取り出すことができず、また可視光を取りこぼしなく計数することができないことがわかった。

このため、従来の放射線検出装置においては、蛍光体より発せられる蛍光の検出効率を高めることができなかった。

特開２００８−３１１６５１号公報

本実施形態は、蛍光体より発せられる蛍光の検出効率を高めることができる放射線検出装置を提供する。

本実施形態による放射線検出装置は、放射線を可視光に変換する蛍光体を有するシンチレータと、前記シンチレータの蛍光体から放出された可視光を検出し電気信号に変換する光検出素子を含むセルを複数個備えている光検出素子アレイと、前記セルのそれぞれに対応して各セル上に設けられ前記可視光を対応するセルの光検出素子に入射させる複数のレンズと、を備えていることを特徴とする

放射線検出装置の概要を示す模式図。 放射線検出装置のＡＰＤアレイを示す平面図。 図３（ａ）、３（ｂ）はそれぞれ、ＡＰＤセルを示す平面図および断面図。 第１実施形態の放射線検出装置に係るＡＰＤアレイを示す断面図。 第１実施形態の放射線検出装置に係るＡＰＤアレイを示す平面図。 第１実施形態の放射線検出装置に係るＡＰＤセルを示す断面図。 図７（ａ）、７（ｂ）は、シミュレーションモデルを説明する図。 図８（ａ）、８（ｂ）は、第１実施形態の効果を説明する図。 図９（ａ）乃至図９（ｄ）は、レンズ半径とセルサイズとの関係を説明する図。 図１０（ａ）乃至図１０（ｄ）は、レンズの高さとセルサイズとの関係を説明する図。 図１１（ａ）、１１（ｂ）は、レンズおよびセルが正方配列された場合を示す平面図および斜視図。 図１２は、レンズおよびセルが六方最密配列された場合を示す平面図。 図１３（ａ）乃至図１３（ｄ）は、レンズアレイの製造方法を説明する図。 図１４（ａ）、１４（ｂ）は、シンチレータの光取り出し効率の問題点を説明する図。 図１５（ａ）乃至図１５（ｄ）は、第２実施形態による放射線検出装置を説明する図。 図１６（ａ）、１６（ｂ）は、第２実施形態による放射線検出装置の好適な一例を示す図。 第３実施形態による放射線検出装置を示す断面図。 第４実施形態による放射線検出装置のＡＰＤアレイを示す平面図。 グレーティングの回折効果による反射光の分布を説明する図。 第５実施形態によるＣＴを説明する模式図。 第５実施形態のＣＴの動作手順を説明するフローチャート。

まず、実施形態を説明する前に、本実施形態に至った経緯を説明する。

図１に示すように、Ｇｅｉｇｅｒモードで動作するｐｎ接合型のアバランシェホトダイオード（ＡＰＤ）からなるＡＰＤセルがアレイ状に配置されたＡＰＤアレイ１０と、入射されたＸ線に対応した蛍光を発生する蛍光体を有するシンチレータ１００と、を有し、ＡＰＤアレイ１０と、シンチレータ１００は接着層１５０によって接着されている構成の放射線検出装置を考える。

この放射線検出装置に用いられるＡＰＤアレイ１０の一例を図２に示す。このＡＰＤアレイ１０は、２つのＡＰＤセル１２ａ、１２ｂを一組とし、複数の組がアレイ状に配置された構成を有している。ＡＰＤセル１２ａは、ＡＰＤアクティブ領域１４ａを有するＡＰＤと、このＡＰＤから出力される電流を制限するための抵抗１６ａを有している。また、ＡＰＤセル１２ｂは、ＡＰＤアクティブ領域１４ｂを有するＡＰＤと、このＡＰＤから出力される電流を制限するための抵抗１６ｂを有している。なお、抵抗１６ａ、１６ｂは例えば、ポリシリコンから形成される。各組のＡＰＤセル１２ａ、１２ｂは隣接して行方向に配置される。行方向に隣接する組の間には、列方向に延在する配線１８が設けられている。すなわち、各組の行方向の両側には配線１８が設けられており、この配線１８は同じ列方向に配置された組に対して共通の配線となっている。例えば、図２では、１つの組についてＡＰＤセル１２ａは行方向の左側、ＡＰＤセル１２ｂは右側に配置されている。組を構成する抵抗１６ａは、アクティブ領域１４ａと、組の左側に設けられた配線１８とを接続し、アクティブ領域１４ａの三方を取り囲むように設けられている。組を構成する抵抗１６ｂは、アクティブ領域１４ｂと、組の右側に設けられた配線１８とを接続し、アクティブ領域１４ｂの三方を取り囲むように設けられている。このため、組を形成する隣接するＡＰＤセル１２ａ、１２ｂにおいては、抵抗１６ａと抵抗１６ｂは、列方向の線に対して線対称となるように形成される。配線１８を挟んで行方向に隣接するＡＰＤセル１２ａ、１２ｂの平面図を図３（ａ）に示し、図３（ａ）に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面を図３（ｂ）に示す。ＡＰＤのアクティブ領域１４ａ、１４ｂは、半導体基板５０に形成される。アクティブ領域１４ａは、コンタクト１５ａ_１を介して引き出し配線１５ａに接続され、この引き出し配線１５ａはコンタクト１５ａ_２を介して抵抗１６ａに接続される。抵抗１６ａはコンタクト１７ａを介して配線１８に接続される。同様に、アクティブ領域１４ｂは、コンタクト１５ｂ_１を介して引き出し配線１５ｂに接続され、この引き出し配線１５ｂはコンタクト１５ｂ_２を介して抵抗１６ｂに接続される。抵抗１６ｂはコンタクト１７ｂを介して配線１８に接続される。アクティブ領域１４ａ、１４ｂ、引き出し配線１５ａ、１５ｂ、コンタクト１５ａ_１、１５ａ_２、１５ｂ_１、１５ｂ_２、抵抗１６ａ、１６ｂ、コンタクト１７ａ、１７ｂ、および配線１８は、層間絶縁膜２４によって覆われている。このようなＡＰＤアレイでは、ＡＰＤセルのサイズ（セルの一辺の長さ）が大きくなれば、開口率（すなわちセルの面積に対するアクティブ領域の面積の比）は大きくなり、セルの面積に対するデッドスペース（すなわちアクティブ領域以外の抵抗１６ａ、１６ｂ等が占める領域）の比は小さくなる。

上記放射線検出装置において、放射線のエネルギーの弁別が可能な程度に十分に光子を検出し、十分な空間分解能を達成するためには、ＡＰＤセルを１０００個程度、１空間分解エリアにアレイ状に配置する必要がある。例えば、現行のコンピュータ断層撮像システム（ＣＴ）の分解能である５００μｍを達成するためには５００μｍ四方の空間に１０００個程度のＡＰＤセルをアレイ状に配置したＡＰＤアレイが必要となる。この場合、ＡＰＤセル間の間隔は１０μｍ〜２０μｍ程度となる。

一方、ＧｅｉｇｅｒモードでＡＰＤアレイが動作するためには、十分な耐圧を有する必要がある。このため、ＡＰＤには耐圧を得るのに十分な配線スペースが必要となる。また、ＡＰＤの間隔を１０μｍ〜２０μｍ程度としたとき、入射光子によってＡＰＤ内部でアバランシェを起こし、その過程において発生した光子が隣のＡＰＤへ移るという、光学クロストークが問題となっている。

光学的クロストークは、ホトダイオード間にトレンチと呼ばれる光学的アイソレーションを設けることで抑制可能であることが知られている。しかし、ホトダイオード間の配線スペースは、ホトダイオードの耐圧によって決まるものであり、容易に省スペース化することはかなわず、ホトダイオードの開口率、すなわち、検出効率を低下させる要因となっている。

蛍光体において発生する蛍光をＧｅｉｇｅｒモードで動作するホトダイオードアレイへ入射させ、蛍光光子数を計数する際に、十分な計数精度を得るためにホトダイオードアレイを１０００個程度５００μｍ四方内に設けた場合、ホトダイオード間の配線スペースはホトダイオード間隔によって張られる面積の７０％以上に及ぶ。このため、配線スペースの分、検出効率は低下する。

この配線スペースを小さくする、あるいは新規の構造を持たせることでＡＰＤセルの開口率を実効的に向上させることが検出効率を高める上で重要であると、本発明者達は考えた。

また、蛍光体であるシンチレータは、放射線の入射量に応じた光子を発生させるが、発生した光子は、シンチレータと受光素子とを接合する部材である接着剤と、シンチレータの屈折率によるミスマッチングによって決まる立体角でのみ、シンチレータ外に取り出される。

これらの材料の選定によって決まる光取出し効率は、例えばシンチレータにＬＹＳＯ（Ｌｕ_{２（１−ｘ）}Ｙ_２ｘ（ＳｉＯ_４）Ｏ）（屈折率１．８２）、接着剤にエポキシ材料（屈折率１．５６）を用いた場合、光の取出し効率は３０％と小さい。この場合、具体的に１２０ｋＶの放射線がＬＹＳＯに入射した場合、約３０００光子が発生するが、その光子の内取り出せるものは１０００光子に満たない。さらに、後段の受光素子で光子数を計数する場合は受光素子の開口率（＜３０％）によって、真に検出できる光子は３００光子に満たない。すなわち、医療用ＣＴにおいて、シンチレータとＡＰＤアレイとを組み合わせた検出系では十分なエネルギー分解能を持つほど光子数を計数できないこととなる。

したがって、シンチレータとＡＰＤアレイとを組み合わせた受光システムによって光子を計数する場合、放射線から可視光の変換における光子を十分に取り出すこと、および可視光を取りこぼしなく計数することが必要である。本発明者達は鋭意研究し、上記要件を満足することのできる放射線検出装置を得ることができた。この放射線検出装置について以下に実施形態として説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態による放射線検出装置について、図４乃至図６を参照して説明する。この実施形態の放射線検出装置は、図１に示す放射線検出装置において、ＡＰＤアレイ１０を図４に示すＡＰＤアレイ１０Ａに置き換えた構成となっている。すなわち、本実施形態の放射線検出装置は、入射されたＸ線に対応した蛍光を発生する蛍光体を有するシンチレータ１００と、シンチレータ１００から発生された蛍光を検出するＧｅｉｇｅｒモードで動作するアバランシェホトダイオード（ＡＰＤ）を有するＡＰＤセルがアレイ状に配置されたＡＰＤアレイ１０Ａと、を備えている。図４は、本実施形態の放射線検出装置に係るＡＰＤアレイ１０Ａの断面図である。このＡＰＤアレイ１０Ａは、図２乃至図３（ｂ）に示すＡＰＤアレイ１０において、ＡＰＤセルのアクティブ領域および抵抗を図５に示す形状に変えるとともに、各ＡＰＤセル１２上にマイクロレンズ２０を設けた構成となっている。すなわち、図５に示すように、ＡＰＤセルのアクティブ領域１４ａ、１４ｂは円形であり、抵抗１６ａ、１６ｂはアクティブ領域１４ａ、１４ｂを取り囲むように形成されている。また、マイクロレンズ２０は、例えば半球状の形状を有している。マイクロレンズ２０の中心は、アクティブ領域１４の中心と実質的に一致するように、マイクロレンズ２０が配置される。

ＡＰＤアレイ１０Ａは、図５に示すように、２つのＡＰＤセル１２ａ、１２ｂを一組とし、複数の組がアレイ状に配置された構成を有している。ＡＰＤセル１２ａは、ＡＰＤアクティブ領域１４ａを有するＡＰＤと、このＡＰＤから出力される電流を制限するための抵抗１６ａを有している。また、ＡＰＤセル１２ｂは、ＡＰＤアクティブ領域１４ｂを有するＡＰＤと、このＡＰＤから出力される電流を制限するための抵抗１６ｂを有している。なお、抵抗１６ａ、１６ｂは例えば、ポリシリコンから形成され、図２乃至図３（ｂ）に示す場合と同様に、ＡＰＤセル１２ａ、１２ｂ内の半導体基板５０上に形成される。

このように、本実施形態においては、ＡＰＤセルの直上にマイクロレンズ２０を設けることによって、ＡＰＤアレイ１０Ａの実効的開口率が向上する。例えば、図６に示すように、ＡＰＤセル１２ａには、マイクロレンズ２０の表面に垂直な光線（波線で示す光線）は、屈折せずにマイクロレンズ２０を直進し、マイクロレンズ２０の表面の法線から傾いた光線（実線で示す光線）は、マイクロレンズ２０によって屈折されて、アクティブ領域１４ａに入射する。これにより、ＡＰＤアレイ１０Ａの実効的開口率が向上する。

一般に、イメージセンサにおいては、センサ画素に効率よく光を集光するためにイメージセンサの上部にマイクロレンズアレイを設けることが行われる。この場合、マイクロレンズとセンサとの位置関係は、メインレンズ−真空−マイクロレンズアレイ−真空−イメージセンサとなる。

この関係を、本実施形態の放射線検出装置へ適用した場合、シンチレータ−真空−マイクロレンズアレイ−真空−ＡＰＤアレイとなる。このとき、マイクロレンズアレイ−真空間では屈折率のミスマッチングが生じてしまい、上述したように光の損失を生む。ＡＰＤアレイへは光の損失なく集光したいので、本実施形態では、ＡＰＤアレイと、マイクロレンズアレイを接着する形で構成する。この関係を概念的に示したものが図４となる。通常のイメージセンサ＋レンズアレイの関係との違いは、
１）レンズの凸面が光線入射側を向いている。
２）屈折回数を増やすことでデッドスペース領域に入射する光線がＡＰＤセルへ入射する機会が増えると考えられる。
３）レンズとＡＰＤセルは結像系にはなっていない。ＡＰＤセルアクティブエリア領域の任意の位置に光子が到達した時点でアバランシェ効果による増倍が発生するため、レンズによる屈折が大きくなるようなレンズの配置および設計を行えば良い。
４）ＡＰＤセルとレンズアレイのレンズが一対一に対応している。
５）イメージセンサ＋マイクロレンズアレイのように、レンズとイメージセンサが一対一に対応していなくとも、集光効果によってＡＰＤアレイの実効的開口率の向上が見込める。しかし、屈折によってＡＰＤアレイのデッドスペースへ光線が入射してしまう可能性が残る。より確実に光をＡＰＤセルアクティブ領域へ導くため、レンズアレイレンズとＡＰＤセルは一対一に対応していることが好ましい。

本実施形態では、レンズによって像をアクティブ領域に結ぶ必要がないため、イメージセンサ上で一点に集光する必要がない。また、この特徴にしたがってレンズを設計した場合、ＡＰＤの微細化とともにレンズアレイのレンズ面は微細化する。微細化するほど半導体プロセスとの相性が良くなるため、ＡＰＤアレイとレンズアレイを同一クリーンルーム内で作成し、組み立てることが可能となる。

次に、ＡＰＤアレイに対してレンズアレイが有効であることと、レンズアレイの最適な条件とを光学シミュレーションによって説明する。シミュレーションには光線追跡を用いた。

（シミュレーションモデルの構築）
図７（ａ）、７（ｂ）に本実施形態で用いたシミュレーションモデルの概略を示す。シミュレーションには、平面状の任意の点から２π内で任意の立体角に放射するような面光源を用いた。面光源の直下（５０μｍ）にはＡＰＤアレイを設置した。ＡＰＤセルサイズは、２０×２０μｍ^２、アクティブ領域（円形）の半径は４．５μｍとし、ＡＰＤセルの個数は３×３であった。この場合のＡＰＤセルの開口率１５％であった。ＡＰＤアレイと光源の間は屈折率１．５６の材料（エポキシ系接着剤を想定）で満たした。ＡＰＤセルの直上にはＡＰＤセルと接する形でレンズを設置し、レンズの屈折率は必要に応じて変化させた。 本実施形態では屈折率２．０のＳ−ＬＡＨ７９（Ｅｄｍｕｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ社の資料参照）、ガラスの屈折率として２種類の値１．５および１．６をシミュレーションで用いた。ＡＰＤセルアクティブ領域上に入射した光線と、アクティブ領域外に入射した光線の線量の差で評価した。評価した領域は、図８（ａ）、８（ｂ）に示す中央の領域である。以下の等を用いて、ＡＰＤアレイの実効的開口率Ｎｅを評価した。
Ｎｅ＝（アクティブ領域上に入射した光線量）／［（アクティブ領域上に入射した光線量）＋（アクティブ領域外に入射した光線量）／９］

なお、シミュレーションでは、ＡＰＤアレイ上の領域全域に均一に光線が入射していると仮定している。本実施形態のシミュレーションでは面光源を用いているため、この仮定は保証される。

図８（ａ）、８（ｂ）では、実際にＡＰＤセル上に、ＡＰＤセルサイズを直径とするような半球レンズを設置した場合の光線追跡シミュレーションの結果を示している。図８（ａ）はレンズアレイ無し、図８（ｂ）がレンズアレイ有りの場合の光線追跡シミュレーション結果のイメージである。この結果より、実効的な開口率Ｎｅを評価し、レンズアレイ無しの場合に１５．７％、レンズアレイ有りの場合に５８．４％と見積もった。この結果から、レンズアレイの有無でＡＰＤアレイセルのアクティブ領域上に到達する割合が３倍以上となることが分かる。すなわち、本実施形態のように、ＡＰＤセル直上にレンズアレイを設置することが有効であることが分かる。

（最適なレンズのパラメータ）
次に、シミュレーションによって求めた、ＡＰＤセルとレンズアレイを組み合わせる場合の最適なレンズのパラメータについて説明する。

ａ）シミュレーションによる最適化（レンズ半径とセルサイズの関係）
図９（ａ）、９（ｂ）、９（ｃ）、９（ｄ）に示すように、半球レンズ径（直径）ＤとセルサイズＬとの比Ｄ／ＬをパラメータとしてＡＰＤセルの実効的開口率を評価した。ＡＰＤセルには図７（ａ）、７（ｂ）で説明した条件、すなわちセルサイズ２０×２０μｍ^２、開口率１５％を用いた。図９（ａ）、９（ｂ）、９（ｃ）はそれぞれ、比Ｄ／Ｌが１．０より小さい場合、１．０に等しい場合、１．０よりも大きい場合のセルの断面図を示す。図９（ｄ）はシミュレーション結果を示す。図９（ｄ）からわかるように、実効開口率はＤ／Ｌ＝１、すなわち、レンズ径がセルサイズに等しい時に実効的開口率が最も高くなる。このシミュレーションにより、開口率１５％のＡＰＤアレイに対して最も有効なレンズの径はＡＰＤアレイのセルサイズに等しいということがわかる。また、図９（ｄ）からわかるように、比Ｄ／Ｌが０．６〜１．２の範囲にあれば、実効開口率が３０％以上となり、好ましい。

ｂ）シミュレーションによる最適化（球面レンズ高さとレンズ曲率との関係）
図１０（ａ）、１０（ｂ）、１０（ｃ）、１０（ｄ）に示すように、ＡＰＤアレイ直上の球面レンズの高さＨと、レンズの曲率半径ｌとの比によって、レンズの半球度をＨ／ｌで定義する。Ｈ／ｌ＝１．０のとき、レンズは半球となり１．０よりも大きい時、レンズは真球に近くなる。図１０（ａ）、１０（ｂ）、１０（ｃ）はそれぞれ、比Ｈ／ｌが１．０よりも小さい場合、１．０に等しい場合、１．０よりも大きい場合のセルの断面図を示す。図１０（ｄ）は、レンズ半球度と実効開口率との関係を、レンズの屈折率をパラメータとして、シミュレーションによって求めた結果を示す。図１０（ｄ）からわかるように、半球度に対して実効開口率がピークを持つことから、最適なレンズ半球度が存在する。この評価を、レンズ屈折率が２．０、１．６、１．５であるレンズそれぞれに対して実施した。結果から、レンズ屈折率ごとに最適な半球度が異なり、且つ、レンズ屈折率低下と共に最適な半球度が大きくなることが分かる。これは、屈折率の違いで入射光線の屈折の具合が異なるからであると考えられる。また、図１０（ｄ）の矢印に示すように、レンズの屈折率に応じてピークがシフトする。

ｃ）最適化されたＡＰＤアレイとレンズアレイ
図１１（ａ）、１１（ｂ）に、シミュレーションによって導かれた最適なレンズアレイの構造の第１例を示す。図１１（ａ）は、最適なレンズアレイの第１例の上面図を示し、図１１（ｂ）は、斜視図を示す。最適なレンズアレイの第１例は、正方配列となっている。この正方配列の構造は、開口率が１５％と小さいＡＰＤセルに対して実施した場合であることを注意しておく。最適なレンズ条件の例を図１１（ｃ）に示す。本実施形態ではＡＰＤアレイとして実施可能であるものに対してレンズアレイを組み合わせた場合の条件を示している。

実効的な開口率Ｎｅが３０％を超える条件を選定した場合、セルサイズ５μｍの場合のレンズアレイの曲率半径２．５μｍ、レンズ高さＨを１．７５μｍ〜５．０μｍと見積もった。

実効的な開口率Ｎｅが４０％を超える条件ではレンズ高さＨが２．５μｍ〜４．２５μｍと見積もられる。セルサイズが１０μｍ、１５μｍの場合も同様に見積もっている。

以上のことから、最適なレンズの条件としては、レンズの曲率半径はセルのサイズの半分であり、開口率が３０％より大きい条件ではレンズの半球度は０．７〜２．０である。また、開口率が４０％より大きい条件ではレンズの半球度は１．０〜１．５である。

図１２に、最適化されたＡＰＤアレイ＋レンズアレイの第２例を示す。この第２例は、六方最密充填構造をとった場合の配置である。図１２の右上に示すように、ＡＰＤセルを正方配列のとした場合、レンズが球面であることから、レンズ間にデッドスペースが生じる。このデッドスペースに入射する光線成分を有効に利用するためには、図１２に示すような六方最密構造が好ましい。この六方最密構造の配置によって、レンズ間のデッドスペースを小さくすることが可能となり、より有効に光線を利用できる。

（レンズアレイの製造方法）
次に、レンズアレイの製造方法について、図１３（ａ）乃至図１３（ｄ）を参照して説明する。図１３（ａ）に示すように、レンズ高さとして所望の深さにエッチングされた溝を有するＳｉウェハ６０にシリカビーズ６４を溝内にセルフアラインで整列する。シリカビーズを溝内に六方最密構造で配置させる場合には溝内に支柱を設けなくともよい。しかし、正方配列させる場合には、図１３（ａ）、１３（ｂ）に示すように、支柱６２は必要なる。この場合、支柱６２は四角柱であることが好ましい。

このように、Ｓｉウェハ６０の溝内にシリカビーズ６４を整列させた後、Ｓｉとシリカビーズの選択比を利用してシリカビーズ６４をエッチングする。続いて、平坦化する（図１３（ｃ））。

続いて、図１３（ｄ）に示すように、アクティブ領域６６ａが形成された受光素子アレイ６６をマウントする。マウントする際は、位置ずれを小さくするためのマーキングを適宜利用する。

以上説明したように、第１実施形態によれば、可視光を取りこぼしなく計数することが可能となり、蛍光体より発せられる蛍光の検出効率を高めることができる放射線検出装置を得ることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による放射線検出装置について説明する。この第２実施形態の放射線検出装置は、取り出し部に突起構造を配することによるシンチレータ光の取出し効率を向上させたものである。シンチレータ内で発生した光を取り出す際、その取出し効率を決めているのは、シンチレータ−センサ間に満たされた接合部の屈折率とシンチレータの屈折率のミスマッチングである。これは材料を選定の時点で決定してしまうため、大きな立体角を光取り出しに使えるような構造を検討する必要がある。

そこで本発明者達は、鋭意研究に努めた結果、シンチレータ光の取出し部分に角錐状の突起物構造を用いることにより、光取出しに用いることが可能な立体角を大きくすることが可能となることに想到し、これをシミュレーションで確かめた。このことおよびその最適な構造を第２実施形態で説明する。

図１４（ａ）、１４（ｂ）は、基本的なシンチレータ１００−接合部１５０−ＡＰＤアレイ１０の斜視図、断面図をそれぞれ示す。シンチレータ１００の側面と放射線入射部には高反射率材料１４０が塗られている。このため、シミュレーション上では反射率９８％のコーティングを定義している。また、接着層１５０には典型的な接着剤であるエポキシ（屈折率１．５６）を用い、その厚さは５０μｍとした。シンチレータ１００の大きさとしては、ＣＴ／ＰＥＴへの利用が検討されている０．５×０．５×２ｍｍ^３を用いた。シンチレータに何も施さない場合の光の取出し効率は４５％程度である。

（シンチレータ構造＋角錐構造による光取出し構造とシミュレーションによる最適化）
図１５（ａ）に示すように、シンチレータ１００がＡＰＤアレイ１０と対向する面に角錐上の突起物構造１７０を配置した。本実施形態では、図１５（ｂ）に示すように、突起物構造１７０は、四角錐構造である。この突起物構造１７０の屈折率はシンチレータ１００と同じである。シミュレーションではシンチレータとしてＬＹＳＯを用いているため、屈折率は１．８２である。この構造において、図１５（ｃ）に示すように、突起物構造１７０の各構成要素１７０ａの底面の正方形の１辺の長さをＬとし、四角錐の高さをＨとし、アスペクト比Ｈ／Ｌに対して光取出し効率についてシミュレーションにより評価した。この評価結果を図１５（ｄ）に示す。黒い菱形が低屈折率（１．４）の接着剤を用いた場合の結果であり、白い四角は接着率が１．５６のエポシキ樹脂を用いた場合の結果であり、黒い丸が高屈折率（１．７）の接着剤を用いた場合の結果を示す。図１５（ｄ）からわかるように、アスペクト比が０．１〜０．５のとき、接着層１５０にどの屈折率の材料を用いても光取出し効率が６０％を越える。

（シンチレータ＋角錐構造）
図１６（ａ）に第２実施形態による放射線検出装置の断面を示す。この第２実施形態の放射線検出装置は、シンチレータ１００と、このシンチレータ１００の光取り出し側に設けられた突起物構造１７０と、ＡＰＤアレイ１０と、を備えており、ＡＰＤアレイ１０と突起物構造１７０は、接着層１５０によって接着されている。

この第２実施形態においては、光取り出し効率は、突起物構造１７０の角錐のアレイ数などによらず、アスペクト比Ｈ／Ｌによって決定される。突起物構造１５０は、例えば四角錐であり、この四角錐の底面の一辺Ｌと高さＨとで定義されるアスペクト比Ｈ／Ｌは０．１〜０．５が好ましい。好適なアスペクト比は、シンチレータ１００とＡＰＤアレイ１０との間に設けられる接着層１５０の屈折率に依存する。好適なアスペクト比の上記範囲（０．１〜０．５）は、低屈折率（１．４以上〜１．５５未満）から高屈折率（１．５５以上〜１．７以下）の接着層１５０を用いた場合の光取り出し効率が６０％となる範囲である。

このように、光取り出し効率は、アスペクト比Ｈ／Ｌによって決定されるため、突起物構造１７０とＡＰＤアレイ１０を組み合わせて実施する場合、独立に最適化構造をとることができる。好適な突起物構造１７０の範囲として、四角錐（ピラミッドともいう）のピッチ（底辺の一辺の長さ）Ｌが５μｍ、１０μｍ、２０μｍのそれぞれに対してピラミッドの高さＨの範囲を図１６（ｂ）に示す。

突起物構造１７０は、微細化するほど半導体プロセスとの相性が良くなるが、光の波長よりは大きな構造であることが望ましい。また、突起物構造１７０としては、例えば円錐構造や多角錐構造を用いることができる。円錐構造の場合、空間的な充填の際に平坦面が現れるため、突起構造をシンチレータの表面に隙間なく埋めることができない。多角錐構造の場合、シンチレータの表面に隙間なく埋めることが可能なのである。例えば、六角錐等を用いてもよい。しかし、この場合も、円錐構造の場合と同様、シンチレータ側の面では角錐構造のデッドスペースが発生する。これを解決するため一例としては、一例として、シンチレータを六角注型とすればよい。

以上説明したように、第２実施形態によれば、シンチレータ光の取出し効率を向上させことが可能となり、蛍光体より発せられる蛍光の検出効率を高めることができる放射線検出装置を得ることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態による放射線検出装置を図１７に示す。この第３実施形態の放射線検出装置は、第１実施形態と第２実施形態の放射線検出装置を組み合わせた構成となっている。すなわち、シンチレータ１００と、このシンチレータ１００の第１実施形態で説明したＡＰＤアレイ１０Ａと、シンチレータ１００のＡＰＤアレイ１０Ａと対向する面に設けられた突起物構造１７０と、を備えている。なお、突起物構造１７０とＡＰＤアレイ１０Ａとは接着層１５０によって接着される。

このような構成を採用したことにより、組み合わせ前は１０％に満たなかった全体の系としての光取出し効率が４０％以上となる。

ＡＰＤアレイ１０Ａに設けられたレンズ２０のレン直径Ｄは、ＡＰＤアレイにおけるＡＰＤセルのサイズＬによって決定され、Ｄ＝Ｌであることが好ましい。また、レンズ２０の高さはレンズ半径の０．７〜２．０倍であることが好ましい。実効的な開口率が４０％以上となるように、条件を設定すると、レンズ２０の高さＨはレンズ半径Ｒの１．０〜１．５倍であることが好ましい。

以上説明したように、第３実施形態によれば、可視光を取りこぼしなく計数することが可能となるとともに、シンチレータ光の取出し効率を向上させことが可能となり、蛍光体より発せられる蛍光の検出効率を高めることができる放射線検出装置を得ることができる。

（第４実施形態）
第４実施形態による放射線検出装置について図１８を参照して説明する。この第４実施形態の放射線検出装置は、第１実施形態の放射線検出装置において、ＡＰＤアレイ１０Ａを図１８（ａ）に示すＡＰＤアレイ１０Ｂに置き換えた構成となっている。このＡＰＤアレイ１０Ｂは、ＡＰＤアレイ１０Ａからレンズを削除するとともに、ＡＰＤセルのデットスペースに反射性のグレーティング（回折格子）１８０を設けた構成となっている。このグレーティング１８０は、図１８（ｂ）に示すように、アクティブ領域１４ａ、１４ｂおよび抵抗１６ａ、１６ｂが形成された半導体基板５０上に設けられる。

第４実施形態においては、図１８（ｂ）に示すようにセルの小型化に伴って大きくなるデッドスペースに反射性のグレーティング１８０を設けたものである。デッドスペースに入射する光を正反射した場合、光の利用効率の向上は小さいが、グレーティング１８０による光散乱を用いることで、反射した光を再びＡＰＤアクティブ領域１４ａ、１４ｂへ入射させることが可能となる（図１９参照）。

グレーティング１８０には正反射成分があるが、１次〜ｎ次の回折光を有するため、散乱による光子の入射確率の向上が可能となる。ＬＹＳＯのように青色に発光するシンチレータを用いた場合、格子間隔を６００ｎｍ〜１０００ｎｍとすることが望ましい。この構造によって、１０×１０μｍ^２のデッドスペース領域に２０個程度の格子をおくことができるため、回折現象を利用した光取出し効率向上が可能となる。

なお、グレーティング１８０は、例えば金属膜をエッチングすることなどにより深さ１μｍ程度の凹凸を作成することにより形成される。

図１９に示すように、６００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の格子間隔で、入射光を効率よく有る角度方向へ反射し、受光素子へ光線を導くことができる。グレーティング１８０の高さは１μｍ〜２μｍであることが好ましい。開口率１５％程度の場合、セルエリアには１０×１０μｍ^２程度のデッドスペースが存在する。この領域には１０〜２０個程度の格子を置くことができる。

この第４実施形態によれば、デットスペースに入射する光を利用することが可能となり、蛍光体より発せられる蛍光の検出効率を高めることができる放射線検出装置を得ることができる。

また、第４実施形態で説明したグレーティング１８０は、第１乃至第３実施形態の放射線検出装置に用いることができる。

（第５実施形態）
第５実施形態によるコンピュータ断層撮像システム（ＣＴ）を図２０に示す。このＣＴは、Ｘ線発生装置２００と、放射線検出装置３００とを備えている。放射線検出装置３００は、第１乃至第４実施形態のいずれかの放射線検出装置である。台座５００上に臥された被験者４００に、Ｘ線発生装置２００からＸ線が放射され、被験者４００を通過して減衰したＸ線が放射線検出装置３００によって検出され、Ｘ線撮像が得られる。その手順を図２１に示す。まず、Ｘ線発生装置２００から、６０ｋｅＶ〜１２０ｋｅＶのＸ線が発生され、被験者４００に照射される（ステップＳ１、Ｓ２）。すると、Ｘ線と被験者間の相互作用により、Ｘ線が被験者４００を透過する間にＸ線のエネルギーが減衰する（ステップＳ３）。被験者４００を透過し減衰したＸ線が放射線検出装置３００のシンチレータへ入射する（ステップＳ４）。入射Ｘ線のエネルギーに応じてシンチレータ内で光子が生成される（ステップＳ５）。生成された光子はＡＰＤにて計測される（ステップＳ６）。Ｘ線の物質による光電吸収に関する知見からＸ線が透過した物質の弁別が行われる（ステップＳ７）。

この第５実施形態のＣＴは、放射線検出装置として、蛍光の検出効率が高い第１乃至第４実施形態のいずれかの放射線検出装置を用いているので、Ｘ線発生装置から発生されるＸ線の量を少なくすることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０ ＡＰＤアレイ
１０Ａ ＡＰＤアレイ
１２ａ ＡＰＤセル
１２ｂ ＡＰＤセル
１４ａ アクティブ領域
１４ｂ アクティブ領域
１５ａ 引き出し配線
１５ａ_１ コンタクト
１５ａ_２ コンタクト
１５ｂ 引き出し配線
１５ｂ_１ コンタクト
１５ｂ_２ コンタクト
１６ａ 抵抗
１６ｂ 抵抗
１８ 配線
２０ マイクロレンズ
２４ 層間絶縁膜
５０ 半導体基板
１００ シンチレータ
１５０ 接着層
１７０ 突起物構造
１８０ グレーティング

Claims (10)

1. 放射線を可視光に変換する蛍光体を有するシンチレータと、
   前記シンチレータの蛍光体から放出された可視光を検出し電気信号に変換する光検出素子を含むセルを複数個備えている光検出素子アレイと、
   前記セルのそれぞれに対応して各セル上に設けられ前記可視光を対応するセルの光検出素子に入射させる複数のレンズと、
   を備えていることを特徴とする放射線検出装置。
2. 前記レンズは、前記可視光が入射する側が凸のレンズであることを特徴とする請求項１記載の放射線検出装置。
3. 前記レンズの曲率半径ｒ、前記セルのサイズをｌとすると、比２ｒ／ｌが０．６〜１．２の範囲あることを特徴とする請求項２記載の放射線検出装置。
4. 前記レンズの曲率に対する前記レンズの高さの比が１．２〜１．５であることを特徴とする請求項２または３記載の放射線検出装置。
5. 前記シンチレータの前記可視光を出射する面に設けられた突起物構造を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の放射線検出装置。
6. 放射線を可視光に変換する蛍光体を有するシンチレータと、
   前記シンチレータの前記可視光を出射する面に設けられた突起物構造と、
   前記シンチレータの蛍光体から放出された可視光を検出し電気信号に変換する光検出素子を含むセルを複数個備えている光検出素子アレイと、
   前記セルのそれぞれに対応して各セル上に設けられ前記可視光を対応するセルの光検出素子に入射させる複数のレンズと、
   を備えていることを特徴とする放射線検出装置。
7. 前記突起物構造は、多角錐状の突起部を複数個有し、前記突起部は前記シンチレータの前記可視光を出射する面に配列され、前記突起部の底面の一辺の長さに対する前記突起部の高さの比が０．１〜０．５であることを特徴とする請求項５または６記載の放射線検出装置。
8. 前記光検出素子はｐｎ接合型のアバランシェホトダイオードであり、前記セルは、前記アバランシェホトダイオードのアクティブ領域を取り囲むように設けられた抵抗を更に有していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の放射線検出装置。
9. 前記セルの前記アクティブ領域および前記抵抗を除く領域に前記可視光を反射する反射部材が設けられていることを特徴とする請求項８記載の放射線検出装置。
10. 前記反射部材は、グレーティングであることを特徴とする請求項９記載の放射線検出装置。