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HOCHAUFLÖSENDES STRAHLUNGSABBILDUNGSSYSTEM - Dokument DE69836190T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69836190T2 23.08.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000921414
Titel HOCHAUFLÖSENDES STRAHLUNGSABBILDUNGSSYSTEM
Anmelder General Electric Co., Schenectady, N.Y., US
Erfinder Albagli, Douglas, Clifton Park, New York 12065, US;
Kwasnick, Robert Forrest, Schenectady, New York 12309, US;
Possin, George Edward, Niskayuna, New York 12309, US
Vertreter Rüger und Kollegen, 73728 Esslingen
DE-Aktenzeichen 69836190
Vertragsstaaten DE, FR, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 06.10.1998
EP-Aktenzeichen 983081423
EP-Offenlegungsdatum 09.06.1999
EP date of grant 18.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.08.2007
IPC-Hauptklasse G01T 1/20(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft ganz allgemein Halbleiter-Strahlungsbildwandler und insbesondere eine verbesserte räumliche Auflösung bei Bildwandlern, die einen mit einer Photosensormatrix verbundenen Szintillator enthalten.

Halbleiter-Strahlungsbildwandlermatrices weisen gewöhnlich eine mit einem Szintillator verbundene Photosensormatrix auf. Die zu erfassende Strahlung (z.B. Röntgenstrahlung oder dergleichen) dringt in den Szintillator ein und wird von dem Szintillatormaterial in einem Vorgang absorbiert, der zur Freigabe optischer Photonen führt. Die mit dem Szintillator verbundene Photosensormatrix dient dazu, die optischen Photonen zu erfassen, wobei eine räumliche Position (x, y) in der Matrix erzeugt wird, die dem Punkt in dem Szintillator entspricht, an dem die einfallende Strahlung absorbiert wurde. Ein Auslesen der Photosensormatrix erlaubt die Erzeugung elektrischer Signale, die dem Muster einer absorbierten Strahlung entsprechen. Die in derartigen elektrischen Signalen verkörperten Daten können in Form einer visuellen Wiedergabe angezeigt oder in sonstiger Weise verarbeitet werden, um eine Analyse des Strahlungsmusters zu ermöglichen.

Eine gute räumliche Auflösung in einem Bildwandler setzt voraus, dass die in einem Absorptionsereignis erfassten optischen Photonen durch einen in unmittelbarer Nähe des Absorptionsereignisses befindlichen Photosensor erzeugt werden, so dass das elektrische Signal, das die absorbierte Strahlung repräsentiert, von einem Sensor in der Matrix nahe dem Absorptionsereignis stammt. Bei dem Absorptionsereignis erzeugte Photonen werden allerdings in sämtliche Richtungen emittiert und bewegen sich ungehindert durch das gewöhnlich weitgehend optisch transparente Szintillatormaterial. Die von einem Absorptionsereignis ausgehende multidirektionale Emission optischer Photonen führt dazu, dass sich etwa die Hälfte der Photonen in eine von der Photosensormatrix abgewandte Richtung bewegen; diese Photonen werden nicht nur nicht direkt durch die Photosensormatrix erfasst, sondern werden möglicherweise auch von der der Photosensormatrix gegenüberliegenden Fläche des Szintillators längs Pfaden reflektiert, die veranlassen, dass sie auf der Photosensormatrix an einer Stelle auftreffen, die von der räumlichen Position (x, y) des Absorptionsereignisses entfernt angeordnet ist, was die durch den Bildwandler vorgesehene räumlichen Auflösung und Bildqualität verschlechtert. Das US-Patent 5 635 720 beschreibt eine absorbierende Schicht, die auf der einen Seite eines Szintillators aufgebracht ist, um seitlich verlaufendes Licht von dem Szintillator zu eliminieren.

Um die räumliche Auflösung und Bildqualität zu verbessern, ist eine Verringerung eines optischen Übersprechens, d.h. eine Reduzierung optischer Photonen wünschenswert, die auf die Photosensormatrix an einer von der räumlichen Position (x, y) des Absorptionsereignisses entfernt angeordneten Stelle auftreffen.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Strahlungsbildwandler zum Umwandeln einfallender Strahlung in ein der einfallenden Strahlung entsprechendes elektrisches Signal geschaffen, wobei der Bildwandler aufweist: einen Szintillator mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche; eine Photosensormatrix mit mehreren Pixeln, die optisch mit der zweiten Oberfläche des Szintillators verbunden sind, und einen optischen Übersprechabschwächer, der optisch mit der ersten Oberfläche des Szintillators verbunden ist, wobei der Übersprechabschwächer wenigstens ein optisches Absorptionsmaterial aufweist, das so angeordnet ist, dass es die Reflexion auf die erste Oberfläche des Szintillators einfallender optischer Photonen zurück in den Szintillator entlang Übersprechreflexionspfaden verhindert, die so ausgerichtet sind, dass dadurch hindurchtretende Photonen auf die Photosensormatrix außerhalb eines Fokusbereiches, der räumlich dem Absorptionspunkt der einfallenden Strahlung in dem Szintillator entspricht, einfallen würden; dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillator eine nadelartige Struktur hat, wobei die erste Oberfläche des Szintillators mehrere säulenartige Vorsprünge aufweist, um so eine texturierte Oberfläche zu präsentieren; und dass der optische Übersprechabschwächer eine optische Verbindungsschicht aufweist, die in engem Kontakt zu der ersten Oberfläche des Szintillators angeordnet ist.

Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen eingehender beschrieben:

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Strahlungsbildwandler-Photosensormatrix;

2 zeigt eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Strahlungsbildwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

3 zeigt eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Strahlungsbildwandlers, der außerhalb des Gegenstand der vorliegenden Erfindung fällt;

4 zeigt eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Strahlungsbildwandlers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung der vorliegenden Erfindung;

5 zeigt eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Strahlungsbildwandlers gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

6 zeigt eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Strahlungsbildwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die Figur vielfältige Reflexionswinkel des Lichts in dem Bildwandler veranschaulicht;

7 zeigt eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Strahlungsbildwandlers gemäß noch einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

8 zeigt eine grafische Darstellung des Reflexionskoeffizienten in Abhängigkeit von dem Einfallswinkel von Licht, das sich zwischen Cäsiumjodid und Siliziumoxid ausbreitet.

Ein Halbleiter-Strahlungsbildwandler 100 weist gewöhnlich, wie in 1 veranschaulicht, eine Photosensormatrix 110 mit vielen in Zeilen und Spalten angeordneten Pixeln 120 auf. Die Photosensormatrix 110 ist optisch mit einem über der Photosensormatrix angeordneten Szintillator 150 (2) gekoppelt/verbunden. Im Betrieb ist der Bildwandler 100 so positioniert, dass eine abzubildende Strahlung, beispielsweise Röntgenstrahlung und dergleichen, auf den Szintillator 150 auftrifft, der gewöhnlich auf einem Material wie Cäsiumjodid oder dergleichen basiert. Die einfallende Strahlung tritt gewöhnlich über eine erste Oberfläche 160 in den Szintillator 150 ein und wird in dem Szintillatormaterial in einem Vorgang absorbiert, der zur Erzeugung optischer Photonen führt. Eine durch die Photosensormatrix 110 durchgeführte Detektion der optischen Photonen, die emittiert werden, wenn die einfallende Strahlung von dem Szintillatormaterial absorbiert wird, gestattet die Erzeugung eines elektrischen Signals, das dem Muster der einfallenden Strahlung entspricht.

In der Photosensormatrix 110 weist jedes der Pixel 120 einen Photosensor 122 auf, beispielsweise eine Photodiode, die über eine Schaltereinrichtung 124 mit Adressleitungen 126, 128 verbunden wird. Die Schaltereinrichtung 124 basiert gewöhnlich auf einem Dünnschicht-Feldeffekttransistor ("TFT" oder "FET"); die Adressleitung 126 wird gewöhnlich als eine Abtastzeile bezeichnet und wird mit den entsprechenden Steuerelektroden von TFTs 124 in Pixeln verbunden, die entlang einer Zeile in der Photosensormatrix 110 angeordnet sind. Ein an eine Abtastzeile angelegtes Signal bewirkt, dass der TFT 124 leitend wird, und ermöglicht dadurch das Auslesen eines auf dem Photosensor 122 vorhandenen elektrischen Signals aus der üblicherweise als eine Datenleitung bezeichneten Adressleitung 128.

Im günstigsten Fall werden sämtliche durch die Absorption eines Photons einer einfallenden Strahlung erzeugten optischen Photonen durch ein Pixel 120 in der Photosensormatrix 110 erfasst, das am ehesten der räumlichen (x, y)-Position der (in 2 mit "E" bezeichneten) Emissionsposition entspricht. In dem hier verwendeten Sinne entspricht die räumliche Position der Position "L" (2), die in der Ebene der Photosensormatrix 110 die Koordinaten (x, y) aufweist (wobei in diesem Schriftstück die Orientierung des Bildwandlers 100 zum Zweck einer Veranschaulichung und nicht zur Beschränkung als horizontale Ebene bezeichnet ist), und zwar unabhängig von der Entfernung, bis zu der das Photon der einfallenden Strahlung in die Dicke des Szintillators 150 eingedrungen ist, bevor es absorbiert wird (z.B. in die zu der horizontalen Ebene orthogonal verlaufenden Ebene, die als die vertikale Ebene bezeichnet ist).

Da das für die Fertigung des Szintillators 150 verwendete Material (für die Wellenlänge der erzeugten Photonen) im Wesentlichen optisch transparent ist, kann ein optisches Übersprechen die räumliche Auflösung des Bildwandlers verschlechtern. In dem hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff "optisches Übersprechen" auf in einem Absorptionsereignis an einer vorgegebenen räumlichen Position (x, y) in dem Szintillator erzeugte optische Photonen, die durch ein Photosensormatrixpixel erfasst werden, das von dem Pixel abweicht, dass sich nächster Nähe zu der räumlichen Position des Absorptionsereignisses befindet. Der Begriff "räumliche Auflösung" und dergleichen bezeichnet die Fähigkeit des Bildwandlers ein elektrisches Signal zu erzeugen, das dem räumlichen Muster einer einfallenden Strahlung genau entspricht (einer der maßgebenden Faktoren für die Genauigkeit des Signals basiert darauf, dass optische Photonen hauptsächlich durch das Photosensorpixel erfasst werden, das sich in nächster Nähe zu dem Absorptionsereignis befindet).

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Bildwandler 100 ferner einen optischen Übersprechabschwächer 200, der über einer ersten Oberfläche 160 des Szintillators 150 angeordnet ist. In dem hier verwendeten Sinne beziehen sich die Begriffe "über", "oberhalb", "unter" und dergleichen auf die gegenseitige Anordnung von Elementen des Bildwandlers 100, wie sie in den Figuren veranschaulicht sind, und sollen keinerlei Beschränkung hinsichtlich der Orientierung oder des Betriebs des Bildwandlers 100 beinhalten. Der optische Übersprechabschwächer 200 ist optisch mit dem Szintillator 150 gekoppelt/verbunden (d.h., er ist so positioniert, dass optische Photonen, die über die erste Oberfläche 160 nach oben aus dem Szintillator 150 heraus gelangen, auf den Übersprechabschwächer 200 auftreffen), so dass, wie im Einzelnen weiter unten beschrieben, eine Reflexion einfallender optischer Photonen von der ersten Oberfläche 160 des Szintillators längs Übersprechreflexionspfaden 185 zurück in den Szintillator 150 verhindert ist. In 2 ist der optische Übersprechabschwächer 200 mit einer Stützplatte 220 veranschaulicht; diese Darstellung dient der Veranschaulichung und beabsichtigt keine Beschränkung hinsichtlich der nachstehend erläuterten vielfältigen Ausführungsbeispiele des Übersprechabschwächers 200.

Beispielsweise, und nicht als beschränkend zu verstehen, ruft eine in dem Szintillator 150 absorbierte einfallende Strahlung, wie in 2 gezeigt, an der Position "E" eine Emission optischer Photonen hervor. Optische Photonen breiten sich von der Position "E" aus in sämtliche Richtungen aus; vorzugsweise werden von der Position "E" ausgehende optische Photonen in einem Fokusbereich 170 erfasst, der den Abmessungen der aktiven Pixelphotosensorfläche 122 entspricht, die sich in nächster Nähe zu der räumlichen Position "L" der Absorptionsposition "E" der einfallenden Strahlung befindet (beispielsweise ist "L" in 2 unmittelbar unter der Position des Absorptionsereignisses "E" veranschaulicht). Beispielsweise werden optische Photonen, die sich auf direkten Pfaden 165 bewegen, auf das Pixel 120 in dem Fokusbereich 170 einfallen. Optische Photonen, die sich längs exemplarischer indirekter Pfade 175 bewegen, treffen jedoch auf die erste Oberfläche 160 des Szintillators. Ohne das Vorhandensein eines Übersprechabschwächers 200 werden solche Photonen gewöhnlich von der Fläche 160 längs Übersprechreflexionspfaden 185 reflektiert, wie sie zur Veranschaulichung dargestellt sind.

Die Übersprechreflexionspfade 185 beziehen sich auf Pfade, auf denen optische Photonen von der ersten Oberfläche 160 des Szintillators reflektiert werden, und die so ausgerichtet sind, dass die Photonen in der Regel auf Abschnitte der Photosensormatrix 110 einfallen, die außerhalb des Fokusbereichs 170 liegen.

Ein veranschaulichendes Ausführungsbeispiel des optischen Übersprechabschwächers 200 für den Einsatz in einem Szintillator mit einer ebenmäßigen ersten Oberfläche 160 ist in 3 veranschaulicht. In diesem der Veranschaulichung dienenden Ausführungsbeispiel ist die erste Oberfläche 160 des Szintillators ebenmäßig, beispielsweise eine polierte Fläche, die gewöhnlich eine Oberflächenrauhigkeit aufweist, die wesentlich geringer ist als die Wellenlänge des einfallenden Lichts (beispielsweise etwa um eine Größenordnung geringer als die Wellenlänge &lgr; (z.B. &lgr;/10)). Für eine derartige Szintillatoranordnung weist der optische Übersprechabschwächer 200 gewöhnlich ein auf einem Verstärkungselement 220 angeordnetes optisches Absorptionsmaterial 210 auf, wobei der Abschwächer 200 so über dem Szintillator 150 angeordnet ist, dass das Absorptionsmaterial 210 der ersten Oberfläche 160 des Szintillators zugewandt ist. Das optische Absorptionsmaterial 210 weist gewöhnlich eine optische Durchlässigkeit im Bereich zwischen ungefähr 25 % und weniger als 1 % auf. Darüber hinaus weist das optische Absorptionsmaterial vorzugsweise einen Querschnitt geringer Absorption hinsichtlich des Typs der durch den Bildwandler 100 abzubildenden einfallenden Strahlung auf; beispielsweise ist es im Falle von Röntgenbildgebung erwünscht, dass oberhalb der ersten Oberfläche des Szintillators angeordnete Materialien nur wenige Prozent des einfallenden Röntgenstrahls absorbieren. Beispielsweise basiert ein derartiges Absorptionsmaterial 210 auf einem dünnen schwarzen Farbanstrich, der als eine Deckschicht mit einer Dicke im Bereich zwischen ungefähr 10 &mgr;m und etwa 1 &mgr;m auf dem Verstärkungselement 220 aufgetragen ist. Das Verstärkungselement 220 weist vorzugsweise ebenfalls, wie oben erwähnt, einen Querschnitt geringer Absorption hinsichtlich der abzubildenden Strahlung auf. Das Verstärkungselement 220 basiert üblicherweise auf einer dünnen Polyesterfolie (oder in einer Abwandlung auf einer Graphit- oder Kunststoffplatte) mit einer Dicke im Bereich von ungefähr 1 mm bis etwa 5 &mgr;m. Auf den Übersprechabschwächer 200 einfallende optische Photonen werden gewöhnlich (z.B. an der Position "A" in 3) absorbiert, wobei ausgeschlossen ist, dass sie längs einem Übersprechpfad 185 abwärts in den Szintillator hinein reflektiert werden.

Der in dem Bildwandler 100 verwendete Szintillator 150 kann in einer Abwandlung eine nadelartige Struktur aufweisen, wobei die Nadeln in der vertikalen Ebene orientiert sind und sich dabei von einer (der Photosensormatrix 110 zugewandt angeordneten) zweiten Oberfläche 162 des Szintillators aus in Richtung der ersten Oberfläche 160 des Szintillators erstrecken. Eine derartige Szintillatorstruktur wird durch Steuerung des Prozesses der Beschichtung des Szintillatormaterials (z.B. CsI) über der Photosensormatrix 110 gebildet. Diese nadelartige Struktur dient dazu, optische Photonen zu lokalisieren, die bei der Absorption einfallender Strahlung erzeugt werden; eine räumliche Lokalisierung ist ermöglicht, da ein gewisser Teil der erzeugten optischen Photonen eine Totalreflexion in der Nadel erfahren, so dass sie in dem gewünschten Fokusbereich 170 aus der zweiten Oberfläche des Szintillators austreten. Gewöhnlich weisen derartige Nadelformationen einen Durchmesser im Bereich von etwa 1 &mgr;m bis ungefähr 10 &mgr;m auf; daher sind über jedem einzelnen Pixel 120 in der Photosensormatrix 110 eine Vielzahl von Nadelstrukturen angeordnet (die seitlichen Abmessungen eines Pixels in solchen Matrizen liegen gewöhnlich im Bereich von ungefähr 30 &mgr;m und etwa 1 mm).

Eine nadelartige Szintillatorstruktur 200 (2) weist eine erste Oberfläche 160 des Szintillators mit einer Vielzahl säulenartiger Vorsprünge 155 auf. Die erste Oberfläche 160 weist eine unebene (oder texturierte) Oberflächengüte auf, die nicht poliert ist, um die Integrität entsprechender nadelartiger Strukturen in dem Szintillator 150 aufrecht zu erhalten. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der optische Übersprechabschwächer 200 insbesondere für den Einsatz in einem Szintillator mit Vorsprüngen 155 auf der ersten Oberfläche 160 ferner eine optisch koppelnde Schicht 230, die zwischen der ersten Oberfläche 160 des Szintillators und dem optischen Absorptionsmaterial 210 angeordnet ist. Optisch koppelndes Material 230 basiert gewöhnlich auf einem Material, wie einem auf Druck ansprechenden Klebstoff (PSA = Pressure Sensitive Adhesive) (z.B. PSA, Artikelnummer V320 von FLEXcon Co. von Spencer, MA), das optisch verhältnismäßig transparent ist (z.B. eine optische Durchlässigkeit im Bereich von ungefähr 50 % und 100 % aufweist). Vorteilhafterweise hat standardmäßig auf Wasser basierendes PSA, das als optisch koppelndes Material verwendet wird, einen Brechungsindex, der dem optischen Brechungsindex des Szintillatormaterials entspricht (z.B. ein Brechungsindex dessen Wert innerhalb von ± 20 % des Werts des Brechungsindex des Szintillators liegt). Aufgrund der Effekte der internen Totalreflexion ist es bevorzugt, dass das koppelnde Material einen Brechungsindex aufweist, der größer als der Brechungsindex des Szintillators ist, obwohl Materialien mit kleineren Brechungsindices ebenfalls eine angemessene Leistung vorsehen. Beispielsweise weist CsI einen Brechungsindex von etwa 1,79 auf; wirkungsvolle Optokopplermaterialien für den Einsatz in Verbindung mit CsI weisen vorzugsweise entsprechende Brechungsindices im Bereich von ungefähr 1,79 und etwa 2,15 auf; Materialien mit einem Brechungsindex im Bereich von ungefähr 1,79 und 1,43 sind ebenfalls geeignet.

Das Optokopplermaterial 230 weist ferner vorzugsweise eine ausreichende Viskosität auf, so dass es bei seiner Aufbringung über der texturierten ersten Oberfläche 160 des Szintillators ausreichend flüssig ist, um in engen Kontakt mit sämtlichen Oberflächen der säulenartigen Vorsprünge 155 zu kommen. In dem hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff "enger Kontakt" und dergleichen den Umstand, dass Material so in Nachbarschaft zu der ersten Oberfläche 160 des Szintillators angeordnet ist, dass optische Photonen sich über eine Fläche von mehr als etwa 50 % der ersten Oberfläche unmittelbar (d.h., ohne intermediäre Lufteinschlüsse zu durchqueren) aus der ersten Oberfläche 160 des Szintillators heraus in das Optokopplermaterial hinein bewegen. Die optische Verbindungsschicht 230 (Optokopplerschicht) weist gewöhnlich eine Dicke im Bereich zwischen ungefähr 10 &mgr;m und etwa 1 mm auf.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in 4 veranschaulicht ist, ist ein optisches Absorptionsmaterial (wie durch die Sprenkelung in der Verbindungsschicht 230 in 4 dargestellt) in die optisch koppelnde Schicht 230 gemischt. Das Hinzufügen eines optischen Absorptionsmaterials, z.B. eines feinen Kohlenstoffpulvers, zu der optisch koppelnden Schicht 230 bewirkt, dass die Verbindungsschicht 230 zu einer weiteren absorbierenden Schicht wird, die gewöhnlich eine optische Durchlässigkeit für einen "Einzeldurchgang" im Bereich von ungefähr 40 % bis kleiner als 1 % aufweist (um im Falle einer Reflexion von dem Absorptionsmaterial 210 wieder in den Szintillator einzutreten, müssten optische Photonen die absorbierende optisch koppelnde Schicht 230 zweimal durchlaufen; auf diese Weise stellt sogar ein Material mit einer hohen Durchlässigkeit von 40 % sicher, dass weniger als 16 % des Lichts wieder in den Szintillator eintreten würde). Ein Beispiel einer derartigen absorbierenden Verbindungsschicht 230 basiert auf feinem (beispielsweise eine Partikelgröße im Bereich von weniger als etwa 1 &mgr;m und etwa 10 &mgr;m aufweisender) Kohlenstoffstaub, der mit Haftmaterial vermischt ist.

Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Übersprechabschwächers 200 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 5 veranschaulicht und weist eine schwach absorbierende optisch koppelnde Schicht 230 und eine über der schwach absorbierenden Verbindungsschicht 230 angeordnete optische Reflexionsschicht 240 auf. In dem hier verwendeten Sinne bezeichnet "schwach absorbierend" eine optische Durchlässigkeit im Bereich zwischen ungefähr 90 % und etwa 40 %. Zu beachten ist, dass diese Durchlässigkeitswerte die Durchlässigkeit für einen Einzeldurchgang durch die optisch koppelnde Schicht repräsentieren; wie im Vorliegenden beschrieben, durchläuft ein die erste Oberfläche 160 des Szintillators verlassendes optisches Photon in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Verbindungsschicht 230 gewöhnlich zweimal, bevor es wieder über die erste Oberfläche 160 des Szintillators in den Szintillator 200 eintritt. In dieser Anordnung werden von der Absorptionsposition "E" der einfallenden Strahlung ausgehende optische Photonen, die auf die erste Oberfläche 160 des Szintillators treffen, gewöhnlich in die schwach absorbierende Verbindungsschicht 230 eindringen. Photonen, die unter Winkeln eintreten, die verhältnismäßig kurze Pfade durch die schwach absorbierende optisch koppelnde Schicht 230 zur Folge haben (veranschaulicht als Pfad 255 in 5), werden auf die Reflexionsschicht 240 auftreffen und längs Pfaden reflektiert, die gewöhnlich dazu führen, dass das reflektierte Photon in dem gewünschten Fokusbereich 170 (2) auf die Photosensormatrix 110 einfällt. Im Gegensatz hierzu werden Photonen, die längs optischer Übersprechpfade 265 (5) in die schwach absorbierende Verbindungsschicht eintreten, eine größere Strecke durch die schwach absorbierende optisch koppelnde Schicht wandern und daher mit höherer Wahrscheinlichkeit vor einem Wiedereintritt in den Szintillator 150 in der Schicht 230 absorbiert. Eine Einstellung der optischen Durchlässigkeit der Verbindungsschicht 230 (indem beispielsweise (z.B. während der Herstellung) die Konzentration des optisch absorbierenden Materials in der Verbindungsschicht 230 verändert wird) ermöglicht, dass die "Feinenstellung" des optischen Übersprechabschwächers eine gewünschte räumliche Auflösung (z.B. Reduzierung eines optischen Übersprechens) hervorbringt, während noch eine gewisse Zahl der optischen Photonen einfangen werden, die längs Pfaden emittiert werden, die in Richtung der ersten Oberfläche 160 des Szintillators verlaufen. In einer Abwandlung kann während der Herstellung auch das Reflexionsvermögen der reflektierenden Schicht 240 eingestellt werden, um eine gewünschte feineinstellende Wirkung für den optischen Übersprechabschwächer 200 bereitzustellen.

Ein Anordnen des optischen Übersprechabschwächers über der ersten Oberfläche 160 des Szintillators in einem Bildwandler ermöglicht eine erwünschte Verbesserung der Bildwandlerleistung. Ein Maß für die Bildwandlerleistung ist beispielsweise die Modulationsübertragungsfunktion ("MTF = Modulation Transfer Function"), wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Beispielsweise, und nicht als beschränkend zu verstehen, stellen die folgenden Daten vergleichend gegenüber: 1) einen Bildwandler mit (lediglich) einem reflektierenden Film, der in engem Kontakt mit der ersten Oberfläche 160 des Szintillators steht; 2) ein ebenmäßiges Graphitstück (Farbe: grau), das (z.B. etwa 200 &mgr;m) oberhalb der ersten Oberfläche 160 des Szintillators angeordnet ist; und 3) einen optischen Übersprechabschwächer gemäß der vorliegenden Erfindung, der eine klare optisch koppelnde Schicht aufweist, über der eine optische Absorptionsschicht angeordnet ist (schwarzes Polyestersubstrat in Verbindung mit einem klaren auf Druck ansprechenden Klebstoff (PSA), der über der ersten Oberfläche 160 des Szintillators aufgebracht ist). Für die drei Bildwandleranordnungen wurden (bei der räumlichen Frequenz von 2,5 lp/mm) MTF-Werte ermittelt, die weiter unten zusammenfassend beschrieben sind:

Der optische Übersprechabschwächer gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine verbesserte Bildwandlerleistung und dient dazu, die Zahl optischer Photonen zu reduzieren, die von der ersten Oberfläche 160 des Szintillators reflektiert werden und sich längs Übersprechreflexionspfaden in dem Szintillator ausbreiten.

Die Leistung des Bildwandlers 100 kann gemäß der vorliegenden Erfindung zusätzlich mittels einer optischen Schirmschicht 300 verbessert werden, die an die zweite Oberfläche 162 des Szintillators optisch gekoppelt ist (6 und 7), die der Photosensormatrix 110 zugewandt angeordnet ist (d.h., entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche 160 des Szintillators angeordnet ist). Die optische Schirmschicht 300 basiert auf einem weitgehend transparenten Material (das z.B. einer optischen Durchlässigkeit von mehr als etwa 80 % aufweist); das Material der Schirmschicht 300 ist ferner ausgewählt, um einen Brechungsindex aufzuweisen, der kleiner als derjenige des Szintillatormaterials ist. Dieser gegenüber dem Wert des Brechungsindex des Szintillatormaterials niedrigere Brechungsindexwert der Schirmschicht 300 bewirkt, dass ein Teil der optischen Photonen, die von der zweiten Oberfläche des Szintillators her auf der Schirmschicht einfallen, in den Szintillator 150 zurückgeworfen werden. Je kleiner der Wert des Brechungsindex gegenüber demjenigen des Szintillators 150 ist, um so größer ist der Anteil einfallender optischer Photonen, die in den Szintillator 150 zurückgeworfen werden (d.h., die optischen Photonen erfahren eine interne Totalreflexion in dem Szintillator). Die Wahl eines Materials für die Schirmschicht 300, das einen speziellen Brechungsindex aufweist, ermöglicht somit, das Verhältnis der internen Reflexion "feineinzustellen"; eine derartige Feineinstellung ermöglicht ein konstruktionsmäßiges Wählen zwischen vorgezogenen Steigerungen des MTF-Werts (die sich aus einem reduzierten optischen Übersprechen ergeben) und entsprechenden Signalpegelreduzierungen (z.B. einer Reduzierung der Anzahl optischer Photonen, die die Photosensormatrix erreichen).

Der Einsatz der Schirmschicht 300 für die "Feineinstellung" eines Bildwandlers, wie er oben beschrieben ist, lässt sich insbesondere nutzen, wenn ein Szintillatormaterial wie Cäsiumjodid verwendet wird. Das Feineinstellungsverfahren wird verbessert, indem einer Schirmschicht gewählt wird, die einen kritischen Brechungsindex aufweist, der die Reflexion optischer Photonen vorsieht, die auf die Schirmschicht 300 in einem Winkel auftreffen, der größer ist als ein kritischer Szintillatorwinkel, so dass eine angemessen genaue Unterscheidung zwischen Photonen, die als unerwünschtes übersprechendes Licht reflektiert werden, und solchen Photonen zur Verfügung steht, die in der Lage sind, durch die Schirmschicht 300 hindurch in die Photosensormatrix 110 zu dringen. In dem hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff "kritischer Brechungsindex" und dergleichen einen Brechungsindexwert der Schirmschicht, der den Brechungsindexwert des Szintillators um einen Betrag unterschreitet, der sich aus der Reflexion einfallender Photonen ergibt, die unter einem Winkel auf der Schirmschicht auftreffen, der einen kritischen Szintillatorwinkel überschreitet. Der Begriff "kritischer Szintillatorwinkel" und dergleichen bezeichnet den Einfallswinkel für Photonen, die von der zweiten Oberfläche des Szintillators ausgehen, an der eine Reflexion von der Schirmschicht 300 weg zurück in Richtung des Szintillators 150 auftreten wird. Der kritische Szintillatorwinkel weist einen Wert auf, der gewählt ist, um, wie im Einzelnen weiter unten beschrieben, ein optisches Übersprechen in dem Szintillator zu reduzieren.

In einem Bildwandler mit einem Cäsiumjodid-Szintillator basiert die optische Schirmschicht 300 gewöhnlich auf Siliziumoxid, einem Material, das über eine gewünschte optische Transparenz (z.B. < 1 % Absorption) verfügt, sich ohne weiteres während des Herstellungsverfahrens (z.B. in einem mittels Plasma verfeinerten chemischen Aufdampf-(PECVD)-Verfahren) gleichmäßig abscheiden lässt und einen optischen Brechungsindex von etwa 1,5 aufweist, der einen gewünschten kritischen Szintillatorwinkel bereitstellt, um Photonen zu reflektieren, die sich von der zweiten Oberfläche des Szintillators her ausbreiten. In einer Abwandlung können nach Eignung Materialien wie Magnesiumfluorid (MgF2) und Polyimid verwendet werden, um unterschiedliche kritische Szintillatorwinkel bereitzustellen. Die optische Schirmschicht 300 weist gewöhnlich eine Dicke auf, die ausreicht, um eine wesentliche Reflexion (z.B. eine Reflexion von etwa 50 % oder mehr der optischen Photonen, die unter einem Winkel einfallen, der gleich oder größer dem kritischen Szintillatorwinkel ist) hervorzubringen, jedoch ausreichend dünn ist, um eine Verschlechterung der räumlichen Auflösung (z.B. aufgrund der seitlichen Ausbreitung von Licht) zu vermeiden. Gewöhnliche Dicken für eine auf Siliziumoxid basierende optische Schirmschicht 300 liegen im Bereich von ungefähr 25 nm und etwa 5 &mgr;m.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine optische Schirmschicht 300 wirkungsvoll in Verbindung mit einer beliebigen Szintillatorstruktur verwendet werden. Die Schirmschicht 300 ist jedoch besonders wirkungsvoll, wenn sie in Verbindung mit Szintillatoren verwendet wird, die keine starke Streuung aufweisen, beispielsweise mit einem Szintillator, der eine Vielzahl aus der Szintillatorfläche vortretende säulenartige Vorsprünge (oder Nadeln) 152 aufweist (wie sie in 6 als parallele Linien in der vertikalen Ebene in dem Szintillator 150 veranschaulicht sind). Die säulenartigen Vorsprünge 152 dienen dazu, einen Teil der optischen Photonen zu isolieren, die von der Position "E" eines Absorptionsereignisses ausgehen. Die lange dünne nadelförmige Struktur des säulenartigen Vorsprungs 152 (der einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 5 &mgr;m und etwa 10 &mgr;m und eine Länge im Bereich von ungefähr 50 &mgr;m und 1000 &mgr;m aufweist) dient dazu, praktisch sämtliches Licht einzufangen, das in einem Winkel emittiert wird, der größer ist als ein durch die Grenzfläche zwischen der CsI-Säule 152 und dem die Säule umgebenden Material bestimmter kritischer Winkel. Falls die Säule beispielsweise von Luft umgeben ist, beträgt der kritische Winkel etwa 34 Grad; somit erfahren sämtliche Lichtphotonen, die in einem Einfallswinkel von 34 Grad oder mehr auf die Seitenwand der Säule auftreffen, eine interne Totalreflexion in der Nadelsäule. Wie durch Pfad "T" in 6 veranschaulicht, wird dieses Licht die Säulen 152 durchqueren und auf die zweite Oberfläche 162 des Szintillators unter einem Winkel zwischen etwa 0 Grad (senkrecht zur Fläche) und etwa 56 Grad (in Bezug auf die Normale) auftreffen. Da dieses Licht die räumliche (x, y)-Position des Absorptionsereignisses genau repräsentiert, ist es erwünscht, dass diese optischen Photonen durch die Schirmschicht 300 zu der Photosensormatrix 110 gelangen.

Optische Photonen, die auf die Seitenwand des säulenartigen Vorsprungs 152 in einem kleineren Winkel als dem kritischen Winkel auftreffen, werden aus dem säulenartigen Vorsprung 152 austreten. Wie oben erwähnt, beträgt der kritische Winkel für Szintillatornadeln, die auf Cäsiumjodid (Brechungsindex 1,79) basieren, das von einem Luftspalt (Brechungsindex 1,00) umgeben ist, etwa 34 Grad. Von dem säulenartigen Vorsprung 152 ausgehende Photonen, die auf die zweite Oberfläche 162 des Szintillators auftreffen, werden daher einen Einfallswinkel von 56 Grad oder größer aufweisen (nämlich den in 6 mit "CA" bezeichneten "kritischen Szintillatorwinkel"), wobei der kritische Szintillatorwinkel ausgehend von der Normalen der zweiten Szintillatorfläche 162 zu dem Pfad des einfallenden Photons gemessen wird. 8 veranschaulicht grafisch den effektiven Reflexionskoeffizienten des CsI gegenüber der optischen Schirmgrenzfläche (für SiOx), wobei angezeigt ist, dass der kritische Szintillatorwinkel bei einem Winkel von 56 Grad auftritt, bei dem nahezu Totalreflexion entsteht. Der optische Schirm 300 basiert auf einem Material, das einen kritischen Brechungsindex aufweist, d.h. einen Brechungsindex, der eine Reflexion von Photonen hervorruft, die auf dem optischen Schirm unter dem kritischen Szintillatorwinkel auftreffen. Auf diese Weise werden im Wesentlichen sämtliche Photonen, die dem säulenartigen Vorsprung 152 entkommen und von der zweiten Oberfläche 162 des Szintillators abgehen, durch den optischen Schirm 300 zurück in den Szintillator 150 reflektiert.

Der optische Schirm 300 ist gewöhnlich unmittelbar benachbart zu der zweiten Oberfläche 162 des Szintillators angeordnet (d.h., es sind keine dazwischenliegenden Materialschichten vorhanden). In einer Abwandlung ist der optische Schirm 300 optisch mit der zweiten Oberfläche 162 des Szintillators gekoppelt, und zwar über dazwischenliegende Schichten 50 (7), die auf einem Material wie Siliziumnitrid (SiN) basieren (das gewöhnlich einen Brechungsindex zwischen etwa 1,9 und 2,0 aufweist), die beispielsweise benachbart zu dem Szintillator 150 angeordnet sind, um das Szintillatormaterial gegen Umgebungseinflüsse zu schützen. Solange derartige intermediäre Schichten einen größeren Brechungsindex als CsI (z.B. etwa 1,84 bis ungefähr 2,1) aufweisen, wirkt sich die Anwesenheit derartiger Zwischenschichten nicht nachteilig auf die Fähigkeit des optischen Schirms aus, optische Photonen zu reflektieren, die die zweite Oberfläche 162 des Szintillators unter dem kritischen Szintillatorwinkel (oder unter einem Winkel, der kleiner ist als der kritische Szintillatorwinkel) verlassen.

Der Bildwandler 100 weist vorteilhafterweise, jedoch nicht notwendig, wie in 6 veranschaulicht, sowohl den optischen Übersprechabschwächer 200 als auch die optische Schirmschicht 300 auf.


Anspruch[de]
Strahlungsbildwandler (100) zum Umwandeln einfallender Strahlung in ein der einfallenden Strahlung entsprechendes elektrisches Signal, wobei der Bildwandler aufweist:

einen Szintillator (150) mit einer ersten Oberfläche (160) und einer zweiten Oberfläche (162);

eine Photosensormatrix (110) mit mehreren Pixeln (122), die optisch mit der zweiten Oberfläche (162) des Szintillators (150) verbunden sind, und

einen optischen Übersprechabschwächer (200), der optisch mit der ersten Oberfläche (160) des Szintillators verbunden ist, wobei der Übersprechabschwächer (200) wenigstens ein optisches Absorptionsmaterial aufweist, das so angeordnet ist, dass es die Reflexion auf die erste Oberfläche (160) des Szintillators einfallender optischer Photonen zurück in den Szintillator (150) entlang Übersprechreflexionspfaden (185) verhindert, die so ausgerichtet sind, dass dadurch hindurchtretende Photonen auf die Photosensormatrix (110) außerhalb eines Fokusbereiches (170), der räumlich dem Absorptionspunkt der einfallenden Strahlung in dem Szintillator (150) entspricht, einfallen würden;

dadurch gekennzeichnet, dass:

der Szintillator (150) eine nadelartige Struktur hat, wobei die erste Oberfläche (160) des Szintillators (150) mehrere säulenartige Vorsprünge (155) aufweist, um so eine texturierte Oberfläche zu präsentieren; und dadurch, dass

der optische Übersprechabschwächer (200) eine optische Verbindungsschicht (230) aufweist, die zu der ersten Oberfläche (160) des Szintillators in engem Kontakt angeordnet ist.
Bildwandler nach Anspruch 1, wobei der optische Übersprechabschwächer (200) ferner ein Unterstützungselement (220) aufweist, das das optische Absorptionsmaterial (210) wenigstens auf einer Oberfläche davon angeordnet hat, wobei das Verstärkungselement (220) über dem Szintillator (150) so angeordnet ist, dass das optische Absorptionsmaterial (210) der ersten Oberfläche (160) des Szintillators zugewandt angeordnet ist. Bildwandler nach Anspruch 1, wobei die optische Verbindungsschicht (230) zwischen der ersten Oberfläche (160) des Szintillators und einer optischen Absorptionsschicht (210) auf dem Verstärkungselement (220) angeordnet ist. Bildwandler nach Anspruch 3, wobei die optische Verbindungsschicht (230) in einem engen Kontakt mit der ersten Oberfläche (160) des Szintillators so angeordnet ist, dass sie um die Vorsprünge (155) herum angeordnet ist. Bildwandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optische Verbindungsschicht (230) ferner ein optisch absorbierendes Material so aufweist, dass die Verbindungsschicht (230) eine geringere optische Durchlässigkeit als etwa 20 % hat. Bildwandler nach Anspruch 1, wobei der optische Übersprechabschwächer ferner aufweist:

eine optische Reflexionsschicht (240), die über der optischen Verbindungsschicht (230) auf einer Oberfläche der optischen Verbindungsschicht (230) gegenüber der in engen Kontakt mit der ersten Oberfläche (160) des Szintillators stehenden Oberfläche angeordnet ist;

wobei die optische Verbindungsschicht (230) einen optischen Brechungsindex mit einem Wert innerhalb ± 20 % des Wertes des optischen Brechungsindexes des Szintillators (150) aufweist:

wobei die optische Verbindungsschicht (230) ferner eine Durchlässigkeit innerhalb eines abgestimmten Absorptionsbereiches hat, um eine bevorzugte Absorption von optischen Photonen bereitzustellen, die von der optischen Reflexionsschicht (240) in einem größeren Winkel als einem ausgewählten Übersprechreduzierungswinkel im Vergleich zu optischen Photonen reflektiert werden, die von der optischen Reflexionsschicht (240) in einem kleineren Winkel als dem ausgewählten optischen Übersprechwinkel reflektiert werden.
Strahlungsbildwandler nach Anspruch 1, welcher ferner eine optisch mit der zweiten Oberfläche (162) des Szintillators verbundene optische Schirmschicht (300) aufweist, wobei die optische Schirmschicht (300) ein im Wesentlichen transparentes Material mit einem Brechungsindex aufweist, der kleiner als der des Szintillatormaterials ist, um so eine interne Totalreflexion von optischen Photonen innerhalb des Szintillators (150) von auf die Schicht (300) in einem größeren Winkel als ein kritischer Szintillatorwinkel einfallenden optischen Photonen zu bewirken. Bildwandler nach Anspruch 7, wobei der Szintillator (150) Cäsiumjodid aufweist, und die optische Schirmschicht (300) aus der aus Siliziumoxid, Magnesiumfluorid und Polyimid bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Bildwandler nach Anspruch 7 oder 8, wobei die säulenartigen Vorsprünge der ersten Oberfläche (160) des Szintillators einen Brechungsindex von etwa 1,8 aufweisen und die optische Schirmschicht (300) ein Material mit einem entsprechenden Brechungsindex in der Weise aufweist, dass innerhalb der Begrenzungen einer Szintillatornadel eingefangene Photonen aus dem Szintillator (150) in die Schirmschicht (300) in einem Winkel in dem Bereich von etwa 0 Grad und etwa 56 Grad in Bezug auf die Senkrechte der zweiten Oberfläche (162) des Szintillators übergehen.






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