JP2014202692A - 放射線画像検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】励起光を光検出素子とは異なる方向に進行させて、光検出素子での励起光の検出を抑制することができる放射線画像検出装置を提供すること。【解決手段】放射線画像検出装置２０は、放射線画像が記録されているイメージングプレートＩＰに励起光が照射されることによってイメージングプレートＩＰから放出される蛍光光を検出し、蛍光光を検出する光検出素子１０と、イメージングプレートＩＰに向かう励起光の光路上で且つ光検出素子１０とイメージングプレートＩＰとの間に配置されたプリズム５を備え、プリズム５は、イメージングプレートＩＰと対向する側面５ｃと、側面５ｃに対して傾斜する側面５ａ（入射面）と、入射面と対向する側面５ｂとを有し、励起光を入射面又は入射面と対向する側面５ｂから出射させて、光検出素子１０は、励起光が出射する領域とは異なる領域に対向して配置されている。【選択図】図５

Description

本発明は、放射線画像検出装置に関する。

蓄積性蛍光体にレーザ光（励起光）を照射し、そのレーザ光によって励起されて蓄積性蛍光体から放出される光を光検出素子によって電気信号に変換するようにした読取装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平６―１３０５２６号公報

本発明は、励起光を光検出素子とは異なる方向に進行させて、光検出素子での励起光の検出を抑制することができる放射線画像検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る放射線画像検出装置は、放射線画像が記録されている記録媒体に励起光が照射されることによって記録媒体から放出される蛍光光を検出する放射線画像検出装置であって、蛍光光を検出する光検出素子と、記録媒体に向かう励起光の光路上で且つ光検出素子と記録媒体との間に位置するように配置されたプリズムと、を備え、プリズムは、表面として記録媒体に対向する第一面と第一面に対し傾斜する第二面及び第三面とを有すると共に、第二面から入射する励起光が内部を伝搬して第一面から出射し且つ第一面から入射する記録媒体からの反射光が内部を伝搬して第二面又は第三面から出射するように配置され、光検出素子は、プリズムの表面における、記録媒体からの反射光が出射する領域とは異なる領域に対向して配置されていることを特徴とする。

この放射線画像検出装置では、記録媒体と対向しない第二面から励起光を入射させて、入射した励起光を記録媒体と対向しない第二面又は第三面から出射させているので、光検出素子に励起光が入射し難く、光検出素子が励起光を検出してしまうことを抑制することができる。

第三面は、励起光を透過する面であり、プリズムは、第一面から入射する記録媒体からの反射光が第三面から出射するように配置されていてもよい。この場合、放射線画像検出装置は、第二面から入射させた励起光を記録媒体に照射させた後に、第二面と対向する第三面から出射させることができる。このように、放射線画像検出装置では、入射した励起光を記録媒体と対向しない第二面から入射させて、入射した励起光を記録媒体と対向しない第三面から出射させているので、光検出素子に励起光が入射し難く、光検出素子が励起光を検出してしまうことを抑制することができる。

第三面は、励起光を反射する面であり、プリズムは、第二面から入射する励起光が第三面で反射して第一面から出射し且つ第一面から入射する記録媒体からの反射光が第二面から出射するように配置されていてもよい。この場合、放射線画像検出装置は、第二面から入射させた励起光を第三面で反射させて、記録媒体に照射させた後に、第二面から出射させることができる。このように、放射線画像検出装置では、入射した励起光を記録媒体と対向しない第二面から入射させて、入射した励起光を記録媒体と対向しない第二面から出射させているので、光検出素子に励起光が入射し難く、光検出素子が励起光を検出してしまうことを抑制することができる。

光検出素子は、第二面における、励起光が入射する領域とは異なる領域に対向して配置されていてもよい。この場合、放射線画像検出装置では、第二面における励起光が入射する領域とは異なる領域に対向した位置に光検出素子を配置しているので、光検出素子に励起光が入射し難く、光検出素子が励起光を検出してしまうことを抑制することができる。

光検出素子は、第三面における、記録媒体からの反射光が出射する領域とは異なる領域に対向して配置されていてもよい。この場合、放射線画像検出装置では、第三面における励起光が出射する領域とは異なる領域に対向した位置に光検出素子を配置しているので、光検出素子に励起光が入射し難く、光検出素子が励起光を検出してしまうことを抑制することができる。

プリズムは、表面として第一面に対向する第四面を有し、光検出素子は、第四面に対向して配置されていてもよい。この場合、放射線画像検出装置では、励起光が出射する第二面又は第三面とは異なる、第四面に対向した位置に光検出素子が配置されるので、光検出素子に励起光が入射し難く、光検出素子が励起光を検出してしまうことを抑制することができる。

光検出素子は、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードと、それぞれのアバランシェフォトダイオードに対して直列に接続されたクエンチング抵抗と、を有しているフォトダイオードアレイを１つのチャンネルとして、複数のチャンネルとしてもよい。この場合、放射線画像検出装置は、励起光を光検出素子の配置位置から外れる方向に出射させるので、光検出素子に励起光が入射し難く、アバランシェ増倍により増大し得る励起光による影響を最小限に留めることができる。

本発明によれば、励起光を光検出素子とは異なる方向に進行させて、光検出素子での励起光の検出を抑制することができる放射線画像検出装置を提供することができる。

本実施形態に係る放射線画像検出装置を示す概略構成図である。 本実施形態に係るフォトダイオードアレイの斜視図である。 図２に示したフォトダイオードアレイのＩＩ−ＩＩ矢印断面図（ａ）と、その回路図（ｂ）である。 本実施形態に係るフォトダイオードアレイの全体の回路図である。 プリズムの断面図である。 プリズムの別の変形例を示す断面図である。 プリズムの更に別の変形例を示す断面図である。 変形例のプリズムを含む放射線画像検出装置を示す概略構成図である。 プリズムの更に別の変形例を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照して、本実施形態に係る放射線画像検出装置２０を説明する。図１は、本実施形態に係る放射線画像検出装置２０を示す概略構成図である。

放射線画像検出装置２０は、放射線画像が記録されている記録媒体であるイメージングプレートＩＰに励起光ＥＬを照射し、イメージングプレートＩＰから放出される蛍光光を検出する装置である。イメージングプレートＩＰから放出される蛍光光の波長は、励起光の波長とは異なる。

放射線画像検出装置２０は、励起光源２と、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラー３と、スキャンレンズ４と、プリズム５と、プリズム５の上端面に光検出素子１０とを備える。

励起光源２から発せられた励起光ＥＬは、ＭＥＭＳミラー３で反射し、スキャンレンズ４を通過して、励起光ＥＬの光路上に配置されているプリズム５に入射する。そして、プリズム５に入射した励起光ＥＬは、プリズム５内で屈折してイメージングプレートＩＰへ照射される。

励起光ＥＬがイメージングプレートＩＰへ照射されると、蛍光光を発光する。光検出素子１０は、当該蛍光光を検出する。光検出素子１０は、フォトダイオードアレイ１１を一つのチャンネルとして、複数のチャンネルを有する。ここで、図２〜図４を参照して、本実施形態に係るフォトダイオードアレイ１１の構成を説明する。

図２は、フォトダイオードアレイ１１の斜視図であり、図３は、図４に示したフォトダイオードアレイ１１のＩＩ−ＩＩ矢印断面図（ａ）と、その回路図（ｂ）である。図４は、フォトダイオードアレイ１１の全体の回路図である。

フォトダイオードアレイ１１は、複数のフォトダイオードＤ１（図４参照）をＮ型（第１導電型）の半導体基板１Ｎに形成してなる。

個々のフォトダイオードＤ１は、半導体基板１Ｎの一方の表面側に形成されたＰ型（第２導電型）の第１半導体領域１ＰＡと、第１半導体領域１ＰＡ内に形成されこの第１半導体領域１ＰＡよりも高い不純物濃度を有するＰ型（第２導電型）の第２半導体領域１ＰＢと、を有している。フォトダイオードＤ１は、半導体基板１Ｎに電気的に接続された第１電極Ｅ１と、第２半導体領域１ＰＢ上に形成された表面電極Ｅ３と、を有している。第１半導体領域１ＰＡの平面形状は、四角形である。第２半導体領域１ＰＢは、第１半導体領域の内側に位置し、平面形状は四角形である。第１半導体領域１ＰＡの深さは、第２半導体領域１ＰＢよりも深い。図３中の半導体基板１は、Ｎ型の半導体基板１Ｎと、Ｐ型の半導体領域１ＰＡ，１ＰＢの双方を含んだものを示している。

フォトダイオードアレイ１１は、個々のフォトダイオードＤ１毎に、第１半導体領域１ＰＡの外側の半導体基板１Ｎ上に、絶縁層Ｌ（図３参照）を介して形成された金属層からなる第１反射体Ｅ２と、表面電極Ｅ３に、その一方端が連続し、第１半導体領域１ＰＡ上の絶縁層Ｌの表面に沿って延びた抵抗層（クエンチング抵抗）Ｒ１と、を備えている。図２では、構造の明確化のため、図３に示した絶縁層Ｌの記載を省略している。

第１反射体Ｅ２は、平面形状がＬ字型の金属層からなる反射体Ｅ２１からなる。半導体基板１Ｎ上に位置する第１反射体Ｅ２１（Ｅ２）と、第１開口を有する環状の表面電極Ｅ３とは、電気的に隔離されている。すなわち、フォトダイオードＤ１のアノードとカソードには、それぞれ電極が設けられるが、一方の表面電極Ｅ３は、第１反射体Ｅ２から電気的に分離している。これにより、第１反射体Ｅ２は、表面電極Ｅ３とは明確に区別され、反射に適した箇所にこれを配置するための設計の自由度が増加している。個々のフォトダイオードＤ１に接続される抵抗層Ｒ１の他方端は、必要に応じて抵抗層Ｒ１に連続した配線電極を介して、共通の信号読出線ＴＬに電気的に接続されている。

図２においては、列方向に隣接する一対のフォトダイオード（半導体領域１ＰＡの直下の領域）は、共に、抵抗層Ｒ１を介して、行方向に延びる信号読出線ＴＬに接続されている。１つの信号読出線ＴＬには、複数対のフォトダイオードが、それぞれ抵抗層Ｒ１を介して接続されている。行方向に延びる信号線ＴＬは、列方向に沿って複数本整列している。個々の信号線ＴＬに対しても、同様に複数対のフォトダイオードが、それぞれ、抵抗層Ｒ１を介して接続されている。図４に示される各信号線ＴＬは、最終的には全て接続され、回路的には１本の信号線ＴＬとして、図４に示すような回路を構成する。

抵抗層Ｒ１は、これが接続される表面電極Ｅ３よりも抵抗率が高く、また、第１反射体Ｅ２よりも抵抗率が高い。具体的には、抵抗層Ｒ１は、ポリシリコンからなり、残りの電極及び反射体は全てアルミニウムなどの金属からなる。半導体基板１がＳｉからなる場合には、電極材料としては、アルミニウムの他に、ＡｕＧｅ／Ｎｉなどもよく用いられる。Ｓｉを用いた場合におけるＰ型不純物としてはＢなどの３族元素が用いられ、Ｎ型不純物としては、Ｎ、Ｐ又はＡｓなどの５族元素が用いられる。半導体の導電型であるＮ型とＰ型は、互いに置換して素子を構成しても、当該素子を機能させることができる。これらの不純物の添加方法としては、拡散法やイオン注入法を用いることができる。

絶縁層Ｌの材料としては、ＳｉＯ_２又はＳｉＮを用いることができる。絶縁層Ｌの形成方法としては、これが例えばＳｉＯ_２からなる場合には、熱酸化法やスパッタ法を用いることができる。

上述の構造の場合、Ｎ型の半導体基板１ＮとＰ型の第１半導体領域１ＰＡとの間に、ＰＮ接合が構成されることで、フォトダイオードＤ１が形成されている。半導体基板１Ｎは、基板裏面に形成された第１電極Ｅ１に電気的に接続され、第１半導体領域１ＰＡは、第２半導体領域１ＰＢを介して、表面電極Ｅ３に接続されている。抵抗層Ｒ１はフォトダイオードＤ１に対して直列に接続されている（図３の（ｂ）参照）。

フォトダイオードアレイ１１においては、個々のフォトダイオードＤ１をガイガーモードで動作させる。ガイガーモードでは、フォトダイオードＤ１のブレークダウン電圧よりも大きな逆方向電圧（逆バイアス電圧）をフォトダイオードＤ１のアノード／カソード間に印加する。すなわち、アノードには（−）電位Ｖ１を、カソードには（＋）電位Ｖ２を印加する。これらの電位の極性は相対的なものであり、一方の電位をグランド電位とすることも可能である。

アノードはＰ型の半導体領域１ＰＡであり、カソードはＮ型の半導体基板１Ｎである。フォトダイオードＤ１は、アバランシェフォトダイオードとして機能する。フォトダイオードＤ１に光（フォトン）が入射すると、基板内部で光電変換が行われて光電子が発生する。図３の（ａ）に示したＰ型半導体領域１ＰＡのＰＮ接合界面の近傍領域ＡＶＣにおいて、アバランシェ増倍が行われ、増幅された電子群は電極Ｅ１に向けて流れる。

第１反射体Ｅ２は、第２半導体領域１ＰＢに対して、相対的に低不純物濃度の第１半導体領域１ＰＡの外側の半導体基板１Ｎの表面上に設けられている。半導体基板１Ｎの露出面の領域は、光入射に対しては、殆ど検出に寄与しないデッドスペースである。第１反射体Ｅ２は、入射した光を反射し、第２反射体（たとえば、金属パッケージ内面など）に入射させる。第２反射体は、入射した光を再度反射させ、再反射された光を、有効にフォトダイオードＤ１に導く。

個々のフォトダイオードＤ１に接続された抵抗層Ｒ１の他方端は、半導体基板１Ｎの表面に沿って共通の信号読出線ＴＬに電気的に接続されている。複数のフォトダイオードＤ１は、ガイガーモードで動作しており、各フォトダイオードＤ１は、共通の信号線ＴＬに接続されている。このため、複数のフォトダイオードＤ１に同時にフォトンが入射した場合、複数のフォトダイオードＤ１の出力は全て共通の信号線ＴＬに入力され、全体としては入射フォトン数に応じた高強度の信号として計測される。信号読出線ＴＬには、信号読み出し用の電圧降下が生じる負荷抵抗を接続してもよい。

上述の構造は、表面入射型のフォトダイオードアレイの構造であるが、裏面入射型のフォトダイオードアレイの構造を採用してもよい。この場合には、半導体基板１Ｎの厚みを薄くして、裏面側の電極Ｅ１を透明電極とすればよい。また、裏面側の電極Ｅ１を、半導体基板１Ｎの別の位置（例えば基板表面側）に配置してもよい。

続いて、本発明の要部であるプリズム５について、図５を参照して詳細に説明する。図５は、プリズム５の断面図である。図５に示すように、プリズム５は、断面が台形形状であり、台形の平行な辺のうち長い辺を含む面である側面５ｃ（第一面）の表面が、イメージングプレートＩＰと対向している。台形の平行な辺のうち短い辺を含む面である側面５ｄ（第四面）の表面が光検出素子１０と対向している。側面５ｄには、励起光カットコーティングが施されている。

イメージングプレートＩＰと対向する面ではない側面５ａ（第二面）が入射面になり、当該側面５ａには、反射防止コーティングが施されている。また、側面５ａは、側面５ｃに対して傾斜している。側面５ａに対向する側面５ｂ（第三面）は、励起光透過面であり、側面５ｃに対して傾斜している。

放射線画像検出装置２０が励起光ＥＬを側面５ａから入射させた場合、励起光ＥＬがプリズム５内部を伝搬して、側面５ｃから出射し、その後にイメージングプレートＩＰ上で照射される。この結果、イメージングプレートＩＰ上から蛍光光ＦＬが放出される。側面５ｄと対向した位置に配置されている光検出素子１０は、当該蛍光光ＦＬを検出する。イメージングプレートＩＰからの反射光である励起光ＥＬは、側面５ｃから入射し、プリズム５内部を伝搬して、側面５ｂから出射する。

このように、放射線画像検出装置２０では、光検出素子１０とイメージングプレートＩＰとの間の側面５ａから励起光ＥＬを入射させ、当該励起光ＥＬをイメージングプレートＩＰ上に照射させて、側面５ｂから出射させる。この場合、放射線画像検出装置２０は、蛍光光ＦＬとは異なる方向に励起光ＥＬを出射させることになる。そして、放射線画像検出装置２０は、励起光ＥＬの出射領域とは異なる側面５ｄと対向した位置に光検出素子１０を配置しているので、光検出素子１０に励起光が入射し難い。よって、放射線画像検出装置２０は、励起光ＥＬを光検出素子１０とは異なる方向に進行させて、光検出素子１０での励起光ＥＬの検出を抑制することができる。また、放射線画像検出装置２０では、プリズム５の側面５ｄに励起光カットコーティングを施しているので、光検出素子１０が励起光ＥＬを検出してしまうことをより一層抑制することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。

例えば、図６に示すように、側面５ｂに反射コーティングを施して側面５ｂを励起光反射面とするようにしてもよい。この場合、側面５ａから入射した励起光ＥＬがプリズム５内部を伝搬して、側面５ｂで反射した後に、イメージングプレートＩＰ上で照射される。この結果、イメージングプレートＩＰ上から蛍光光ＦＬが放出される。側面５ｄと対向した位置に配置されている光検出素子１０は、当該蛍光光ＦＬを検出する。イメージングプレートＩＰからの反射光である励起光ＥＬは、側面５ｃから入射し、内部を伝搬して、側面５ａから出射する。これによれば、放射線画像検出装置２０は、蛍光光ＦＬとは異なる方向に励起光ＥＬを出射させることになる。よって、放射線画像検出装置２０は、励起光ＥＬを光検出素子１０とは異なる方向に進行させて、光検出素子１０での励起光ＥＬの検出を抑制することができる。

例えば、図７に示すように、側面５ｄをレンズ形状とするようにしてもよい。この場合でも、放射線画像検出装置２０は、蛍光光ＦＬとは異なる方向に励起光ＥＬを出射させることになる。そして、放射線画像検出装置２０は、側面５ｄと対向した位置に光検出素子１０を配置している。よって、放射線画像検出装置２０は、励起光ＥＬを光検出素子１０とは異なる方向に進行させて、光検出素子１０での励起光ＥＬの検出を抑制することができる。さらに放射線画像検出装置２０は、蛍光光ＦＬの集光効率を向上させることができる。

上述の実施形態では、放射線画像検出装置２０におけるプリズム５の断面が台形形状である場合について述べたが、図８に示すように、放射線画像検出装置２０におけるプリズム５の断面を三角形状（すなわち、三角柱）とするようにしてもよい。

図９に、プリズム５の断面を三角形状とした場合における断面図を示す。断面の三角形における長い辺を含む面である側面５ｃがイメージングプレートＩＰと対向しており、側面５ａが入射面となる。側面５ａと側面５ｂとの接続部分付近（イメージングプレートＩＰと対向する位置）にそれぞれ光検出素子１０を配置する。すなわち、入射面である側面５ａの内、励起光が入射しない領域と、出射面である側面５ｃの内、イメージングプレートＩＰに照射された反射光である励起光ＥＬが出射しない領域とに光検出素子１０が配置される。

この場合、放射線画像検出装置２０は、入射面となる側面５ａの内、光検出素子１０とイメージングプレートＩＰとの間に励起光ＥＬを入射させると、当該励起光ＥＬがイメージングプレートＩＰ上に照射される。そして、イメージングプレートＩＰ上に照射された励起光ＥＬが側面５ｂにおける光検出素子１０とイメージングプレートＩＰとの間から出射する。

これによれば、放射線画像検出装置２０は、蛍光光ＦＬとは異なる方向に励起光ＥＬを出射させることになる。そして、放射線画像検出装置２０では、励起光が入射しない領域と、反射光である励起光ＥＬが出射しない領域とに光検出素子１０が配置される。よって、放射線画像検出装置２０は、励起光ＥＬを光検出素子１０とは異なる方向に進行させて、光検出素子１０での励起光ＥＬの検出を抑制することができる。さらに、側面５ａと側面５ｂとの接続部分付近に２つの光検出素子１０を配置することができる。

上述の実施形態では、光検出素子１０は、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードと、それぞれのアバランシェフォトダイオードに対して直列に接続されたクエンチング抵抗と、を有しているフォトダイオードアレイ１１を１つのチャンネルとして、複数チャンネル有している。この場合、放射線画像検出装置２０は、光検出素子１０の配置位置から外れる方向に励起光ＥＬを出射させるので、アバランシェ増倍により増大し得る励起光ＥＬによる影響を最小限に留めることができる。

１…半導体基板、２…励起光源、３…ＭＥＭＳミラー、４…スキャンレンズ、５…プリズム、１０…光検出素子、１１…フォトダイオードアレイ、２０…放射線画像検出装置、ＥＬ…励起光、ＦＬ…蛍光光、ＩＰ…イメージングプレート。

Claims (7)

1. 放射線画像が記録されている記録媒体に励起光が照射されることによって前記記録媒体から放出される蛍光光を検出する放射線画像検出装置であって、
   前記蛍光光を検出する光検出素子と、
   前記記録媒体に向かう励起光の光路上で且つ前記光検出素子と前記記録媒体との間に位置するように配置されたプリズムと、を備え、
   前記プリズムは、表面として前記記録媒体に対向する第一面と前記第一面に対し傾斜する第二面及び第三面とを有すると共に、前記第二面から入射する励起光が内部を伝搬して前記第一面から出射し且つ前記第一面から入射する前記記録媒体からの反射光が内部を伝搬して前記第二面又は第三面から出射するように配置され、
   前記光検出素子は、前記プリズムの前記表面における、前記記録媒体からの反射光が出射する領域とは異なる領域に対向して配置されていることを特徴とする、放射線画像検出装置。
2. 前記第三面は、励起光を透過する面であり、
   前記プリズムは、前記第一面から入射する前記記録媒体からの反射光が前記第三面から出射するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の放射線画像検出装置。
3. 前記第三面は、励起光を反射する面であり、
   前記プリズムは、前記第二面から入射する励起光が前記第三面で反射して前記第一面から出射し且つ前記第一面から入射する前記記録媒体からの反射光が前記第二面から出射するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の放射線画像検出装置。
4. 前記光検出素子は、前記第二面における、励起光が入射する領域とは異なる領域に対向して配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置。
5. 前記光検出素子は、前記第三面における、前記記録媒体からの反射光が出射する領域とは異なる領域に対向して配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置。
6. 前記プリズムは、前記表面として前記第一面に対向する第四面を有し、
   前記光検出素子は、前記第四面に対向して配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置。
7. 前記光検出素子は、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードと、それぞれの前記アバランシェフォトダイオードに対して直列に接続されたクエンチング抵抗と、を有しているフォトダイオードアレイを１つのチャンネルとして、複数のチャンネルとしていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の放射線画像検出装置。
   

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