JP2016118390A - 放射線イメージセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】放射線デジタルイメージングで高い放射線強度での撮影と高い空間分解能とを両立させる。【解決手段】シンチレータと撮像素子で画像を取得する放射線イメージセンサにおいて、蛍光の一部を遮光するアパーチャーをシンチレータと撮像素子の間に設け、また、アパーチャによる光透過率を画素毎で均一にする。シンチレータで発生した蛍光の一部が遮光されることで撮像素子の飽和を抑制し、高い放射線強度での撮影を可能にする。また、蛍光の遮光手段がアパーチャであり、また、蛍光の光透過率が画素毎に均一であることで、高い空間分解能を維持する。【選択図】 図１

Description

本発明は、放射線イメージセンサに関する。例えば、放射線イメージングにおいて高分解能でS/Nの高い画像を取得するためのイメージセンサに関するものである。

放射線イメージングにおいて、デジタルに変換した画像を出力するイメージセンサは内部構造を非破壊で観察できる利点から、医療診断、工業製品の異物検査など、幅広い分野で使用されている。

撮像装置のうち、シンチレータを用いて放射線を蛍光に変換し、さらに蛍光をCCDなどのカメラで画像として取得しているものは高精細な画像が撮影できる。蛍光の伝送にはレンズなどの光学系によるもの、光ファイバプレートによるものがある。さらに、光ファイバプレート上に形成するシンチレータ膜を柱状結晶で形成するものが実用化されている。

放射線イメージングでは、低コントラストの異常部分を認識、検出するために高S/Nが必要とされることがある。放射線イメージングにおいて、画像のS/Nは放射線強度の強さの平方根に比例するショット(量子化)ノイズが支配的であるため、強い放射線強度での画像撮影が求められる。撮像素子によるデジタルイメージングでは、撮影に際しての放射線強度の上限は撮像素子の飽和によって決定される。このため、より強い放射線強度で画像撮影ができるよう、特許文献１や特許文献２のような提案が行われている。

特開平11-352230号公報 特開2001-296363号公報

特許文献１では、蛍光体、光ファイバプレート、二次元固体撮像素子で構成されるＸ線画像検出素子において、光ファイバプレートと固体撮像素子の間にエレクトロクロミック膜(以下EC膜と略す)を有する構造が提案されている。EC膜は膜の両面に印加する電圧差によって光の透過率が変化するため、放射線により蛍光体内で発生した蛍光の一部を遮り、撮像素子に入射する蛍光画像の光量を変えることができるものである。EC膜は外部からの電圧印加で内部の物質に化学変化を起こさせることで光の透過率を可逆的に変化させるものである。光の透過率を変える物質には有機高分子構造などの化学物質が使用されるが、本目的に使用される程度の放射線強度においては化学物質の放射線による変質を充分抑制できず、EC膜の透過率変化量低下が避けられない。このためこの構成では、放射線照射を重ねるに従って飽和Ｘ線強度の調整幅が低下するという欠点があった。

特許文献２では、蛍光体と撮像素子の間に光吸収部材を設ける構造が提案されている。光吸収部材により蛍光の一部を遮り、撮像素子に入射する蛍光画像の光量を固定的に調整するものである。光吸収部材として光学フィルタを使用する例が記載されている。光学フィルタは通常、光学ガラスやフィルム中に光吸収物質を分散させて製作するため、厚み中での光の拡散が抑制できない。そのため、撮影像の空間分解能が劣化するという欠点があった。高S/Nの画像を必要とする用途は低コントラストである異常部分の観察であるので、空間分解能の劣化は異常部分のコントラストを低下させ、異常部分の発見が困難になるため大きな問題である。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、放射線デジタルイメージングで高い放射線強度での撮影と高い空間分解能との両立が従来はできなかった点である。

本発明の１つの側面は、シンチレータと固体撮像素子で画像を取得する放射線イメージセンサにおいて、蛍光の一部を遮光するアパーチャーをシンチレータと撮像素子の間に設け、また、アパーチャによる光透過率を画素毎で均一にすることを特徴とする。

本発明の放射線イメージセンサは、放射線によってシンチレータ内で発生した蛍光が、シンチレータと撮像素子の間に設けたアパーチャーで一部遮光されることによって撮像素子の飽和を抑制するため、高強度の放射線照射下において撮影できる。さらに、蛍光の遮光手段がアパーチャであり、また、光透過率を画素毎で均一にすることで撮影した画像の空間分解能を高く維持できる。

放射線イメージセンサの実施方法を示した説明図である。（実施例１） 本発明の放射線イメージセンサにおいて、光透過率を変更した場合の信号強度の挙動を示した説明図である。 本発明の放射線イメージセンサを使用した撮像方法を示した説明図である。 放射線イメージセンサの実施方法を示した説明図である。（実施例２） 放射線イメージセンサの実施方法を示した説明図である。（実施例３） 放射線イメージセンサの実施方法を示した説明図である。（実施例４） 実施例４における光ファイバプレートの構造を示した説明図である。（実施例４） 実施例４における光ファイバプレートの構造を示した説明図である。（実施例４） 放射線イメージセンサの実施方法を示した説明図である。（実施例５） 放射線イメージセンサの実施方法を示した説明図である。（実施例５）

図１は、本発明装置の１実施例の断面図であって、１１はシンチレータ、１２は光ファイバプレート、１３はアパーチャ、１４は固体撮像素子、１５は固体撮像素子中の画素領域である。また、５１は本発明装置へ入射する放射線である。なお、本発明の主体は蛍光の伝送部分にあるので、画素領域１５からの読み出し回路など図示しない電気系、機構系の説明は省略する。また、本例では固体撮像素子を用いて説明するが、本発明は固体撮像素子に限定されるものではない。

シンチレータ１１に放射線５１が入射すると放射線５１は吸収され、蛍光が発生する。蛍光の発生量は放射線５１の空間分布を反映しているため、蛍光の空間分布は放射線５１の空間分布を反映したものになる。発生した蛍光は光ファイバプレート１２により伝送され、アパーチャ１３に到達する。アパーチャ１３は固体撮像素子１４の製造時に同時に形成し、各画素上に同一割合で蛍光を遮るように形成されている。アパーチャ１３はパターニングした金属薄膜で形成するため、アパーチャ１３厚みは０．５μｍ以下でよい。光ファイバプレート１２により伝送されてきた蛍光は、それぞれの画素において同一の割合でアパーチャ１３の開口部を通過し、固体撮像素子１４に到達する。固体撮像素子１４内において蛍光は電気信号に変換され、画素領域１５ごとに収集される。その後、図示しない電気回路、配線を経由して外部に情報読み出しを行い、イメージデータを形成する。

本発明では、アパーチャ１３の開口率によって同一の放射線強度に対する固体撮像素子１４からの信号出力を変えることを特徴とする。図２に開口率と信号出力の関係を示す。放射線イメージセンサ１に放射線を照射すると、蛍光入射に伴って信号出力が増加する。開口率の高いアパーチャ１３を形成した場合の信号出力１００が急速に増加するのに対し、開口率の低いアパーチャ１３を形成した場合の信号出力１０１は緩やかに増加する。一方、固体撮像素子１４の固有の特性として、飽和信号出力１０２とノイズレベル１０３がある。このため、信号出力が飽和信号出力１０２以下でかつノイズレベル１０３以上となる場合のときに放射線強度分布を反映したイメージの取得ができる。

放射線イメージセンサによる撮像装置を設計する場合、目的の照射線量レベルの最強値での信号出力レベルが飽和信号出力１０２をぎりぎり超えない程度に調整するのが最適である。デジタルイメージングでは信号出力を既定のビット数のデジタル信号にアナログ−デジタル変換するので、前記の場合が最も精細でS/Nの高い画像を取得できるためである。したがって、アパーチャ１３の開口率を調整し、撮像装置に合わせた信号出力レベルに調整することでS/Nの高く、空間分解能の高い画像を取得する撮像装置を構成できる。

アパーチャ１３は金属膜であるため薄くても充分遮光できる。したがって、蛍光の拡散による空間分解能の劣化は抑制される。アパーチャ１３は固体撮像素子１４の製造時に同時にパターニングするため、各画素の遮光割合は均一で、遮光ムラによる偽パターンの発生はない。また、アパーチャ１３は固体撮像素子１４の表面に位置しているため、アパーチャ１３製造工程の追加、変更が容易で、固体撮像素子１４の製造プロセスに影響はない。

一方、固体撮像素子１４の特性である飽和信号出力１０２とノイズレベル１０３は、固体撮像素子１４の設計、製造プロセスで決定されるため変更は容易ではない。本発明の方式を用いれば、撮像装置ごとに個々の撮像条件に合わせて放射線イメージセンサ１の出力レベルを調整でき、高強度の放射線照射下での撮影で高い空間分解能のイメージセンサ１を構築できる。

図３に図１に示した本発明の放射線イメージセンサを用いた撮像装置の一例を示す。図３の例での固体撮像素子１４はTDI(time delay integration, 時間遅延積分)センサとして動作するように回路設計してあるものである。

高速で製造される試料シート６０中に金属異物の混入があるかどうか、製造速度に合わせて異物検査する撮像装置である。試料シート６０はガイドロール６２で位置を安定させ、かつ一定の速度で搬送されている。Ｘ線源５０から放射線ビーム５１が試料シート６０に向けて照射される。試料シート６０を透過した放射線ビームは放射線イメージセンサ１に入射し、Ｘ線の強度分布が検出される。試料シート６０のみの場所と比べ、金属異物６１の混入した部位では放射線の透過量が少ない。放射線イメージセンサ１で検出されるＸ線の強度分布は正常部位に対して、金属異物６１混入部位では少なくなる。放射線イメージセンサ１の出力は画像処理装置３０で画像処理された上で画像表示装置３１に表示される。また、画像処理装置３０では異物判定シーケンスを用いて異物の有無を判断し、警報信号を出力してもよい。

本例では、金属異物６１の寸法が５０μｍ以下の検出を行う。金属異物６１が小さいため、試料シート６０での信号出力と金属異物６１位置の信号出力の差が小さく、ショットノイズを極力抑えた画像が必要となる。そこで、放射線イメージセンサ１をTDI動作させ、Ｘ線の検出信号を積分した。Ｘ線源５０による照射線量をTDIセンサの積算段数倍したものが蓄積の照射線量となる。さらに、Ｘ線源５０を試料６０に近接させ、Ｘ線強度を高めている。本構成は本発明の発明者らが先に出願した特許(知本受付番号211150579)に記載していたものであるが、本発明の放射線イメージセンサ１と組み合わせることにより、さらにＸ線強度を高めることができ、さらに微小な金属異物６１の検出が可能になるものである。

図１に示す放射線イメージセンサ１では、シンチレータ１１で発生した蛍光の一部を遮光する構造として固体撮像素子１４の製造時に同時にパターニングしたアパーチャ１３を用いたが、別に形成したアパーチャを固体撮像素子１４の表面に張り付けることで構成してもよい。この場合、アパーチャのパターニングは実施例１と同様に画素ごとに同一割合での遮光となるようにしてもよいが、画素より微細な開口を多数開けて貼り合わせれば位置合わせ不要となり、製作がより容易になる。たとえば５０μｍ角程度の画素サイズであれば、１０μｍピッチで格子状に開口を配置すれば、画素あたり縦５個、横５個の開口が配置され、固体撮像素子１４のパターニング位置との位置合わせがなくとも各画素の開口割合が均一になる。

また、アパーチャーの形成位置をシンチレータ１１と光ファイバプレート１２の間に変更してもよい。シンチレータ１１で発生した蛍光はアパーチャで一部遮光されたうえで光ファイバプレート１２に伝送される。光ファイバプレート１２では光ファイバ素線内で光が伝送されるので、蛍光は拡散せず、固体撮像素子１４に伝送される。この場合、固体撮像素子１４との位置合わせが困難になるので、アパーチャのパターニングは画素より微細な開口にした方が製作が容易である。

図４にアパーチャ１３上にシンチレータ１１を直接配置した場合の本発明装置の断面図を示す。本例ではアパーチャ１３の上に直接シンチレータ１１を配置する。シンチレータ１１で発生した蛍光は、アパーチャ１３で一部が遮光され、固体撮像素子１４に伝送される。本例では光ファイバプレート１２による光の損失が少ないため、より弱い放射線照射下での飽和線量の調整が容易であるという利点がある。

図５にアパーチャを光ファイバプレートと一体化して形成した場合の本発明装置の断面図を示す。本例では光ファイバプレート１２を構成する素線の一部が光透過率の低い部材に入れかえてある。光ファイバプレート１２の製作において、光透過率の高い素線と低い素線は均一に分布するように並べて形成する。光ファイバプレート１２の素線は通常１０μｍ以下であるので、本例においても固体撮像素子１４と光ファイバプレート１２の貼り合わせにおいて、位置合わせは不要である。

図６にアパーチャを光ファイバプレートと一体化して形成した場合の本発明装置の断面図を示す。本例では光ファイバプレート１２の構成部材であるコアとクラッドの割合を変えて光透過率を調整する。光ファイバプレートではコアに入射した光の一部が伝送されるが、クラッドに入射した光は伝送されない。本例ではコアとクラッドの割合を変えた光ファイバプレートを使用することで光透過率を調整する。図７に光透過率の高い光ファイバプレートの上面図を、図８に光透過率の低い光ファイバプレートの上面図を示す。どちらも同一形状のコア７１が規則的に並んでおり、コア７１の間にはクラッド７２がさしはさまれている。図７と図８の違いはコア７１とクラッド７２の比率で、コア７１の比率が多い図７の光透過率は高く、コア７１の比率が少ない図８の光透過率は低い。本実施例では光ファイバプレート１２自身がアパーチャ機能をもつので、部品点数が少なくでき、また組み立ても容易である。

図９、図１０にアパーチャを光ファイバプレートと一体化して形成した場合の本発明装置の光ファイバ素線の断面図を示す。光ファイバ素線は屈折率の高いコア７３と屈折率の低いクラッド７４で形成されている。光ファイバで伝送される光７５はコア７３とクラッド７４の屈折率によって、許容される角度が異なる。図９のコア７３とクラッド７４の屈折率は差が大きいため、伝送される光７５は光ファイバ中心軸との離軸角が大きな角度まで伝送される。一方、図１０のコア７３とクラッド７４の屈折率は差が小さいため、伝送される光７５は光ファイバ中心軸との離軸角が小さな角度範囲しか伝送されない。シンチレータ１１内で発生する蛍光は発光位置から等方的に放射されるため、図９の素線で作られた光ファイバプレートでは図１０の素線で作られた光ファイバプレートより多くの光を伝送することになる。本実施例も実施例４と同様、光ファイバプレート１２自身がアパーチャ機能をもつので、部品点数が少なくでき、また組み立ても容易である。

以上、本発明の例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に理解される。各実施例を適宜組み合わせることも、本発明の範囲である。

１ 放射線イメージセンサ
１１ シンチレータ
１２ 光ファイバプレート
１３ アパーチャ
１４ 固体撮像素子
１５ 画素領域
３０ 画像処理装置
３１ 画像表示装置
５０ Ｘ線源
５１ 放射線ビーム
６０ 試料シート
６１ 金属異物
６２ ガイドロール
７１ 光ファイバプレートのコア
７２ 光ファイバプレートのクラッド
７３ 光ファイバ素線のコア
７４ 光ファイバ素線のクラッド
７５ 伝送される光
１００ 光透過率が高い場合の信号強度
１０１ 光透過率が低い場合の信号強度
１０２ 素子の飽和信号出力
１０３ 素子のノイズレベル

Claims (4)

1. 放射線を吸収して蛍光を発生するシンチレータと、
   蛍光を検出する撮像素子と、
   前記シンチレータと前記撮像素子の間に位置し、蛍光の一部を遮るアパーチャーと、
   を備えたことを特徴とする放射線イメージセンサ。
2. 請求項１において、
   前記アパーチャが前記シンチレータと前記撮像素子の間に位置し、かつ、前記撮像素子の画素毎の開口率が均一であることを特徴とする放射線イメージセンサ。
3. 請求項２において、
   前記アパーチャが前記撮像素子の表面に形成されたパターニングされた膜で構成され、かつ、撮像素子の画素毎の開口率が均一であることを特徴とする放射線イメージセンサ。
4. 請求項１において、
   前記アパーチャが前記シンチレータの蛍光を伝送する光ファイバプレートの光透過性を抑制し、かつ、撮像素子の画素毎に前記光ファイバプレートの光透過性が均一であることを特徴とする放射線イメージセンサ。