JP5186665B2 - 向上した空間分解能を有する画像センサ及び該センサの製作方法 - Google Patents

Description

本発明は画像センサに関する。また、本発明はそのようなセンサの製作方法にも関する。本発明は画像センサが観測放射線、例えばＸ線又はガンマ線領域の放射を、通常可視の検出放射線へ変換するためのシンチレータを含む、放射線画像の分野で特に役立つ。

画像センサの分野で既に知られているのは、検出器に面して配置され、Ｘ線放射を受ける放射線画像の増感スクリーンを含む、電子Ｘ線放射センサである。最も一般的に使用される検出器は、放射線学、目標物を伴うカメラ、電荷結合素子（ＣＣＤ）の棒状モジュール組品又はマトリックス、或いは更にＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）検出器のマトリックスの分野である。これらの検出器はＸ線を直接検出するためには比較的有効でない。その理由は、検出器は、この目的のために、Ｘ線領域の放射を検出器の感度のスペクトル、例えば可視スペクトルにおける放射線へと変換するシンチレータと組み合わせられることが多いからである。

該変換を得るために用いられる材料、すなわちシンチレータの材料はガドリニウム酸硫化物であることが多い。これは一般的におよそ５０〜３００μｍの薄膜の形態で使用される。この膜は結合剤で接合されたこの材料の粒子から作られる。この材料の全体厚さを通じた全方向への可視光線の放出は、検出器の解像力の損失及び、従ってＸ線放射センサの損失をもたらす。

針状の、タリウムでドーピングされたヨウ化セシウムＣｓＩは、典型的な断面寸法が３〜６μｍにわたる針の導波路効果と組み合わされた、更に大きな光効率のための興味深い代替手段を提供する。入力スクリーン・シンチレータが真空蒸着によって基板上に堆積されたヨウ化セシウムで作られ、蒸着が冷間又は熱間の基板上で行なわれ得る製品が従って知られている。針はそれを支える基板の表面に直角に向いている。それらは互いに部分的にのみ結合されている。それらは従って２０〜２５％の多孔率を与える。ＣｓＩの好適な屈折率（１．７８）と組み合わせられ、空気で満たされたこれらの孔隙又は隙間は、各々の針において放出された可視の光子の案内路を提供し、より高い感度及び解像力を与える。

図１はシンチレータ１、及び検出器２を備えた放射線画像センサを図式的に表わす。シンチレータ１は、針５（又は凹凸）の形態をとる発光物質４、例えばヨウ化セシウムの層で覆われ、例えばカーボンから作られた基板３を含む。例えば電荷結合素子の片である検出器２は、可視放射線に高感受性を有する素子６を含む。発光物質４の層の厚さは基板の全面にわたり一定である。

基板３は実線の垂直の矢印記号で表わされるＸ光子（観測放射線）の流れを受ける。図中の破線は、ヨウ化セシウムの針５において入射Ｘ光子に相当する可視放射線により辿られる経路１０、１１の例を表わす。発光物質４から現れる可視放射線（検出放射線）は、検出器２を照射する。通常の経路１０はＸ光子の経路とほぼ平行な方向を有し、それらはヨウ化セシウムで作られた針５の端部を通じてシンチレータから現れる。また図中に符号１１で示されているように、ヨウ化セシウムで作られた針５において運ばれる可視放射線の横方向の拡散も存在する。

シンチレータの光効率は、シンチレータに対する入射観測放射線のエネルギーと、シンチレータにより放出される検出放射線のエネルギーとの比率として定義される。

放射線画像センサの空間分解能は、効果的に可視放射線を導くヨウ化セシウムの針５の容量に依存する。この容量は発光物質４の層の厚さの関数である。発光物質４の層の厚さ増加は、放射線画像センサの空間分解能の劣化をもたらす。

更に、検出器２の受感素子６が可視放射線により照射された時、受感素子６は電子を生成し、該電子は検出器の外側の電気的画像へ変換されるために、受感素子自体の中に一時的に格納される。受感素子６は或る場合に、シンチレータ１により局部的に放出される可視放射線によって発生する電子の数よりも少ない可能性がある、電子格納容量を有する。格納された電子の局部的な飽和が電気的画像に対する飽和をもたらすのを避けるため、検出器２に到達する可視放射線のスペクトルを修正するか、又はシンチレータの光効率の低減をもたらす、発光物質４により放出される可視放射線のエネルギーを弱めることさえ必要な可能性がある。

本発明はシンチレータ１により放出される可視放射線のレベルが、検出器２の受感素子６の格納容量にそれを適合させるため低減されねばならない時に有利であり、同時に画像センサの空間分解能を改善する。

シンチレータ１により放出される可視放射線のレベルを低減する既知の方法は、非常に細かい金属の膜で作られたフィルター８で発光物質４を覆うことにある。しかしながら、フィルター８の製作は高価であり、そしてこの適用方法は長時間に及ぶ。この方法はその上、シンチレータ１の全面にわたって、一様な検出放射線の弱い減衰を得るように調整するためには細心の注意を要する。更に、フィルター８をシンチレータ１に適用することはＸ線センサの空間分解能を改善しない。

したがって、本発明の一つの重要な目的は、検出器に到達する可視放射線のエネルギーを適合させることにより課される問題を解決し、そして画像センサの空間分解能を改善することである。

この目的を達成するため、本発明は、発光物質の層で覆われた基板を備えた入力スクリーン・シンチレータを含み、発光物質の層が基板と接触している第一の面と、表面が凹凸を有し隙間で分離された第二の面とを含み、発光物質が基板を通して観測放射線により照射された時に検出放射線が発光物質の層の第二の面から現れる画像センサであって、発光物質の層の第二の面が、検出放射線を部分的に吸収しかつそれ自体を発光物質の層の第二の面の表面凹凸に合致させているコーティング材の膜で覆われることを特徴とする、画像センサを提案する。

本発明のもう一つの目的は、コーティング材の膜が少なくとも一つの作業で針の表面に堆積され、該作業が基板の材料、発光物質、及びコーティング材に対して不活性である溶剤を含む、低い表面エネルギーを有するコーティング溶液内へ発光物質の層をゆっくり浸漬させる第一ステップを含み、その後に溶剤が乾燥蒸気相へ蒸発する第二ステップが続くことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の画像センサの製作方法を考案することである。

上述の最先端技術と比較して、本発明は
―空間分解能の向上と、
―単純な適用方法と
の二重の利点を提供する。

空間分解能の向上は非常に顕著である。例えば、変調伝達関数の値の増加は１ｍｍ当り８対の線の空間周波数において、およそ３０％になり得る。シンチレータの表面での光効率の減衰の均一性は該適用のためには理想的であり、最後に本方法の再現性はシンチレータの大規模生産にとって主要な利点である。

本適用方法の単純さは安価な装置への投資費用、適用時間の短縮及び、例えば真空蒸着技術の実施に必要とされる装置よりも遥かに低い適用装置の故障のリスクをもたらす。

本発明のその他の特性及び利点は、例として与えられている以下に続く詳細な説明を読み、そして添付された図面を参照することから明らかになろう。

説明を読むことをより容易にするため、同じ符号は異なる図において同じ要素を示す。

図２は本発明による放射線センサ入力スクリーン・シンチレータ１を含む画像センサを図式的に表わし、画像は観測放射線から形成される。

シンチレータ１は基板３を備え、その片面は発光物質４の層で覆われている。発光物質４の層は基板３にほぼ平行である。発光物質４の層の第一の面１５は基板３と接触している。発光物質４の層の第二の面１６は、真空蒸着技術を用いて得られる柱状面構造を有する。第二の面１６はその表面に、例えば針の形態を取っている非常に多数の凹凸５を含む。各々の針５は基板３と接触している第一端と、第二端とを有する。針５の第二端は、発光物質４の層の第二の面１６の凹凸５を形成する。

本発明によるもう一つの実施形態において、シンチレータ１の凹凸５は粉の粒子の集積により形成される。この場合、発光物質４は基板３の上に粉末状に堆積される。

発光物質４の層の第二の面を形成する凹凸は隙間７により分離される。隙間の直径はそれらの固有の寸法の一つを形成する。隙間７の平均直径は凹凸５の平均直径よりも小さく、言い換えれば発光物質４は個体よりも小さい密度を有する。例えば、発光物質４の密度は０．４〜０．９の間の値を有する。

観測放射線が基板３を通過して発光物質４の層内へ差し込むとき、発光物質４は望ましくは針５の第二端を介して発光物質４の層から現れる検出放射線１０、１１を生成する。

観測放射線は例えばＸ線又はガンマ線放射タイプであり、検出放射線は例えば可視放射線タイプである。

図２に示すシンチレータ１はフィルター８がコーティング材９に置き換えられている事実により、図１に表わされたものから差別化される。コーティング材９は発光物質４の層の凹凸５の形と非常に密接に合致している。

特に、柱状面構造（針又は粉末粒子）の全体はコーティング材９の膜で覆われている。

図１及び２において符号１０の付いた検出放射線は、基板に対する入射観測放射線と類似の方向を有し、針５の第二端に検出信号を運ぶ。反対に、図１及び２において符号１１の付いた検出放射線は、観測放射線の角度と非常に異なる方向を辿り、針５の第二端を通じた発光物質４の層からは現れない。これ以降「斜め放射線」という用語が用いられる。検出放射線１１の存在は放射線画像センサの空間分解能を低下させる。

図２において、検出放射線１０はコーティング材９の膜を一回通過する。検出放射線１１の経路の斜めの性質によって、該検出放射線１１は検出器２の受感素子６に達する前に、コーティング材９の膜を数回通過することになる。コーティング材９の膜が検出放射線を部分的に吸収する特性を有する時、発光物質４から現れる放射線１１のエネルギーは放射線１０のエネルギーよりも大幅に減衰し、それは放射線画像センサの空間分解能にプラスとなる。

図２において、示されている検出放射線１１の経路はコーティング材の膜を三回通過している。例えば、コーティング材９の膜が各々の通過ごとに検出放射線の５０％を吸収する場合、検出放射線１０は検出器２への到達の際にτ_１＝５０％減衰し、そして斜め放射線１１は検出器２への到達の際にτ_２＝１−τ_１×τ_１×τ_１＝８７．５％減衰する。

図３はシンチレータ１を含み放射線検査、例えば乳房Ｘ線撮影に使用できる、本発明による画像センサの第二の実施形態を図式的に断面にて表わす。

画像センサ５０は層状構造を有する。最上層は例えばカーボンで作られ、第一の面に観測放射線を受ける基板３である。基板の第二の面には、例えば真空蒸着により発光物質を含む層４９が堆積され、その表面状態は検出放射線を部分的に吸収しかつ発光物質の表面構造に非常に密接に合致しているコーティング材の膜で覆われた凹凸を有する。この層４９の片面は、検出放射線を運ぶことが出来る一束の光ファイバー３０の第一端２９に接着で結合されている。光ファイバー束の第二端３１は検出放射線検出器２、例えば電荷結合素子の片に接着で固定されている。

発光物質４の層が基板３を通して観測放射線により照射される時、発光物質４の層は検出放射線１０、１１を生成する。発光物質から現れる検出放射線１０、１１はコーティング材９の膜及び微厚の接着剤２０を通過し、光ファイバー３０の束の中へ入る。光ファイバーの束を出る際、検出放射線１０、１１は電気的画像を供給する検出器２の受感素子６を駆動する前に、もう一つの接着剤の厚み４０を通過する。

図４において、曲線１００及び１０１は空間周波数に関して、本発明による画像センサの場合（曲線１０１）は、従来技術による画像センサの場合（曲線１００）よりも変調伝達関数（ＭＴＦ）が高いことを示す。例えば、１ｍｍ当り８対の線（ｐｌ／ｍｍ）の空間周波数における変調の向上は３０％高く、一方、コーティング材９の膜により観測放射線に対して生じる、検出器に到達する検出放射線のエネルギー減衰は、τ_１＝５０％である。

本発明による画像センサに使用されるシンチレータ１を製作するために、片面を発光物質４で覆われた基板３を備えるシンチレータ１は、コーティング材９及び溶剤を含むコーティング溶液内に浸漬される。シンチレータ１の短時間の浸漬は、コーティング材９を発光物質４の層の第二の面の凹凸内へ拡散させる一つの方法である。

本発明による画像センサの一つの実施形態において、シンチレータ１のコーティング材９は有機着色剤を有する。

本発明による画像センサの別の実施形態において、シンチレータ１のコーティング材９は微細化された鉱物着色剤を有し、そして該コーティング材９は隙間７の平均直径よりも小さい粒径を有し、それによってコーティング材９が第二の面１６の表面構造を形成しつつ、凹凸５の表面を密接して覆うことが可能になる。

本発明による画像センサの一つの実施形態において、シンチレータ１の発光物質４はアルカリ塩を含み、そしてコーティング材９は１リットル当り２ｇのシクロヘキサン濃度においてシクロヘキサンと混合された、米国を拠点とするアルドリッチ社（ＡＬＤＲＩＣＨ ｃｏｍｐａｎｙ）、ＣＡＴ１９９６６−４の参照番号を有する着色剤を含む。

シンチレータ１は次に痕跡の形成を避けるため、ゆっくりとコーティング溶液から引き上げられ、そして乾燥される。一旦乾燥すると、コーティング材９は発光物質４の層の凹凸５の表面上で薄い膜に広げられる。

コーティング材の膜の平均厚さは１０ナノメートル（ｎｍ）よりも小さい。

表面張力とも呼ばれる液体の表面エネルギーは、所定の媒体中で可能な最小値を取るように液体表面の傾向を特徴づける。それはまた、この表面を増加させるために液体の内部凝縮力を克服する必要があるため、液体の凝集を特徴づける。機械的に、それは表面の拡張に対抗する力として表わされ、長さの単位に関連する。使用される単位はＮ／ｍである。

コーティング材９の膜は発光物質４の層の第二の面１６上に少なくとも一つの作業で堆積され、該作業は基板３の材料及び発光物質４ならびにコーティング材９に対して不活性の溶剤を含むコーティング溶液内へ発光物質４の層をゆっくり浸漬する第一ステップを含み、該コーティング溶液は低い表面エネルギーを有し、その後に溶剤が乾燥蒸気相に蒸発する第二ステップが続く。

図５は本発明による画像センサにおいて使用されるシンチレータ１を製作するための装置１９９を図式的に表わす。該装置１９９は
―サンプル２０４と、
―タンク２００と、
―サンプルホルダー板２０３と
を備える。

サンプル２０４は、片面が発光物質４の層で覆われている基板により形成される。

サンプルがタンク内へ導入できるように適応しているタンク２００は、中間の高さまでコーティング溶液で満たされている。コーティング溶液は溶剤中に混合された着色剤の生成物質であり得る。タンク内に置かれるコーティング溶液の量は、該コーティング溶液２０１の深さが全てのサンプル２０４をコーティング溶液内に浸すのに十分なように選択される。タンクの底部はコーティング溶液を含み、タンクの最上部は乾燥蒸気の乾燥区域２０２を形成する。

サンプルホルダー板２０３はサンプル２０４を支持する。サンプル２０４とサンプルホルダー板２０３の間の接触部は非常に小さい。板２０３はゆっくりした垂直の並進運動によって動かすことができる。ゆっくりした下向きの動き２１０で良好な同一の着色を得るために、板２０３はサンプル２０４をコーティング溶液内に徐々に浸す。サンプル２０４を短時間浸した後、板２０３は上向きの動き２１１でサンプル２０４をゆっくりとタンクの底部からタンクの上端部に上昇させる。このようにして、サンプル２０４の表面上での溶液のあらゆる滞留が避けられ、その除去は非常に均一である。サンプル２０４のおよそ数分間のコーティング溶液内での浸漬は検出放射線の減衰の値を決定し、従ってシンチレータ１の光効率の値を決定する。要求される値への光効率の適合は、相次ぐコーティング溶液内への浸漬の段階と乾燥段階を含む作業の繰り返しにより獲得される、連続的な低減によって得ることが出来る。

真溶液では、材料は溶剤に溶かされ、均一の相を形成しつつ溶剤の全体にわたって分割される。他の固有の特性の中では、そのような溶液は分離なしに最も細かいフィルターを通過する。溶解した粒子（分子又はイオン）のサイズは０．１〜数ナノメートル（ｎｍ）に分布する。

本発明による画像センサで使用されるシンチレータ１を製作する方法の一つの実施形態において、コーティング材９は溶剤中で真溶液として作用する。

本発明によるシンチレータ１を製作する方法の一つの実施形態において、コーティング材が粉末の形態で堆積される場合には、微細化されたコーティング材９は溶剤中で安定溶液として作用する。

本発明によるシンチレータ１を製作する方法のもう一つの実施形態において、溶剤はシクロヘキサンを含む。

既に記述されたように、画像が観測放射線から形成される従来技術による画像センサを示す。 シンチレータを含む本発明による画像センサを示す。 本発明による画像センサの断面での第二の実施形態を表わす。 本発明により与えられる変調伝達関数（ＭＴＦ）における改善を示す、二つの曲線を表わす。 本発明による画像センサ及び、特に画像センサにおいて使用されるシンチレータを製作する方法を実施するための装置を表わす。

符号の説明

１ シンチレータ
２ 検出器
３ 基板
４ 発光物質
５ 針、凹凸
６ 受感素子、素子
７ 隙間
８ フィルター
９ コーティング材
１０ 検出放射線、経路
１１ 検出放射線、経路、斜め放射線
１５ 第一の面
１６ 第二の面
２０ 接着剤
２９ 光ファイバー束の第一端
３０ 光ファイバー
３１ 光ファイバー束の第二端
４０ 接着剤
４９ 発光物質を含む層
５０ 画像センサ
１００ 曲線
１０１ 曲線
１９９ 装置
２００ タンク
２０１ コーティング溶液
２０２ 乾燥蒸気の乾燥区域
２０３ サンプルホルダー板
２０４ サンプル
２１０ 下向きの動き
２１１ 上向きの動き

Claims (15)

1. 発光物質（４）から作られた針（５）で形成された層により部分的に覆われた基板（３）を備えたシンチレータ（１）を含み、前記針（５）が前記基板と接する基部と頂点とを有し、隣接する前記針（５）が隙間（７）によって分離され、前記針（５）の基部が前記基板（３）を通して観測放射線により照射される時に、検出放射線が前記針（５）の表面から現れる画像センサであって、前記針の前記基部から前記頂点までの全表面が、前記検出放射線を部分的に吸収するコーティング材（９）の膜で覆われることを特徴とする画像センサ。
2. 前記シンチレータ（１）の針により形成された層が柱状の構造を有することを特徴とする請求項１に記載の画像センサ。
3. 前記シンチレータ（１）の前記針（５）は、前記基板（３）上に粉末が集積して形成される凹凸であることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の画像センサ。
4. 前記観測放射線がＸ線放射タイプであ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画像センサ。
5. 前記観測放射線がガンマ線放射タイプであ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画像センサ。
6. 前記検出放射線が可視放射線タイプであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の画像センサ。
7. 前記発光物質（４）がタリウムでドーピングされたヨウ化セシウムであ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画像センサ。
8. 前記シンチレータ（１）の前記コーティング材（９）の膜の平均厚さが１０ナノメートル（ｎｍ）よりも小さいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の画像センサ。
9. 前記シンチレータ（１）の前記コーティング材（９）が有機着色剤を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の画像センサ。
10. 前記シンチレータ（１）の前記コーティング材（９）が微細化された鉱物着色剤を有すること、および前記コーティング材（９）は前記隙間（７）の平均直径よりも小さい粒径を有し、それによって前記コーティング材（９）が前記針（５）の表面を密接して覆うことが可能になることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の画像センサ。
11. 前記シンチレータ（１）の前記発光物質（４）がアルカリ塩を含むことを特徴とする請求項１０に記載の画像センサ。
12. 前記コーティング材（９）の膜が少なくとも一つの作業で前記針（５）の表面に堆積され、該作業が前記基板（３）の材料、前記発光物質（４）および前記コーティング材（９）に対して不活性である溶剤を含む、低い表面エネルギーを有するコーティング溶液内へ前記発光物質（４）の層を浸漬させる第一ステップを含み、その後に前記溶剤が乾燥蒸気相へ蒸発する第二ステップが続くことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の画像センサの製作方法。
13. 請求項１０に記載の画像センサを製作する方法において、
    前記コーティング材（９）が前記溶剤中で真溶液として作用することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 請求項１０に記載の画像センサを製作する方法において、
    前記微細化されたコーティング材（９）が前記溶剤中で安定的に分散されていることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 請求項１１に記載の画像センサを製作する方法において、
    前記溶剤がシクロヘキサンを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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