JPH0763859A - 放射線２次元検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高感度でＳ／Ｎ比の高い良質の画像が得ら
れ、且つ、単位時間当たりの画像収集枚数が大きくとれ
る光応答性に優れた固体走査方式の放射線２次元検出器
を得る。 【構成】 Ｘ線による画像を光の画像に変換するシンチ
レータ１、透光性電極２、光導電膜３、スイッチング素
子マトリックス５を順次積層し、光導電膜３を阻止型接
触を持つ電極に挟まれた電荷増倍作用をもつ非晶質半導
体層とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｘ線撮像装置などの医
療用診断装置に用いるに好適なＸ線等の放射線を検出す
る固体走査方式の放射線２次元検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】医用分野におけるＸ線画像を電気信号に
変換する２次元のＸ線検出器としては、一般にイメージ
インテンシファイアとテレビジョン撮像管とを組み合わ
せたものが用いられている。イメージインテンシファイ
アの画素は少なくとも［数百×数百］のマトリックス相
当から［数千×数千］マトリックス相当の画素数を持っ
ている。

【０００３】このＸ線２次元検出器は、イメージインテ
ンシファイアで画像増倍された可視光画像をイメージイ
ンテンシファイアと光学的に結合するテレビジョン撮像
管で電子ビーム走査により撮像する構成であるために、
Ｘ線画像から最終の電気的画像信号が得られるまでに、
Ｘ線−可視光線−電子−可視光線−光学系−可視光線−
電気信号という多くの変換工程が含まれるので、変換効
率が悪化し最終画像のＳ／Ｎ比を低下させると共に、装
置が複雑・大型になるという問題がある。

【０００４】イメージインテンシファイアで画像増倍さ
れた可視光画像をテレビジョン撮像管で電子ビーム走査
により撮像するかわりに、Ｘ線を感知するセンサーと薄
膜トランジスタ等で構成されたスイッチング素子マトリ
ックスを一体化し、スイッチング素子を２次元的に走査
し、画像信号を得るようにした固体走査方式の放射線２
次元検出器が種々提案されている。

【０００５】例えば、特開平３−１８５８６５号公報に
は、アモルファスシリコン層に逆バイアスの電圧を印加
し、Ｘ線の吸収によって生成された電子正孔対（電荷）
をマトリックス状に設けたアモルファスシリコン薄膜ト
ランジスタによって走査・撮像するようにした放射線検
出器が開示されている。特開平４−２０６５７３号公報
には、Ｘ線をシンチレータ層で光に変換した後、薄膜ホ
トダイオードと薄膜トランジスタにより撮像するように
した放射線検出器が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような固体走査方式の放射線２次元検出器では、信号電
流が小さいためにスイッチング素子による画素切り替え
時に起こるスパイクノイズが画素ノイズとなり、画質を
悪化させる。この画質悪化を軽減するためには十分な積
分時間を要して信号を取り出したり、また、放射線画像
を電荷の画像に変換する光導電膜の電荷蓄積作用を用い
ないで、各々の画素を積分する構造となっているために
やはり十分な積分時間を必要とする。そのために単位時
間当りの画像収集枚数を多くできない、換言すれば、光
応答性が悪いという問題がある。

【０００７】一方、特開平３−１８５８６５号公報に示
すＸ線を光に変換せずに直接検出し電気信号に変換する
タイプのものは、Ｘ線吸収の感応層である半導体層の厚
みを数百μｍ以上にまで成膜しなければ大きな信号が得
られないという問題がある。さらに、半導体層の厚みを
大きくすると、電子正孔対の移動度に関係する時定数が
大きくなり、その結果残像が大きくなるという性能上の
問題がある。

【０００８】本発明は、上記に鑑み、高感度でＳ／Ｎ比
の高い良質の画像が得られ、且つ、単位時間当たりの画
像収集枚数が大きく取れる光応答性に優れていると共
に、構造が簡単で、しかも大視野にすることのできる放
射線２次元検出器を提供することを目的とする。また、
電荷増倍作用を起こす、阻止型接触を持つ電極に挟まれ
た電荷増倍作用をもつ非晶質半導体層からなる光導電膜
と、Ｘ線を光に変換するシンチレータを最適の条件でそ
れぞれ独立に形成することを可能にした放射線２次元検
出器をも提供することをも目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決し、上
記目的を達成するために、第１の発明の放射線２次元検
出器は、放射線による画像を光の画像に変換するシンチ
レータと、透光性電極を介して密接した光導電膜からな
るターゲット膜とを備え、ターゲット膜は電圧が印加さ
れた阻止型接触を持つ電極に挟まれた電荷増倍作用を持
つ非晶質半導体層からなる光導電膜で構成され、ターゲ
ット膜を走査し信号を取り出すために光導電膜に接して
２次元的に配置されたスイッチング素子マトリックス
と、このスイッチング素子マトリックスの駆動、およ
び、信号取り出し回路を設けた、ことを特徴としてい
る。

【００１０】第２の発明の放射線２次元検出器は、シン
チレータと阻止型接触を持つ電極に挟まれた電荷増倍作
用を持つ非晶質半導体層からなる光導電膜（透光性電極
も含む）との間に、表面が平坦な透明平板を介在させ
た、ことを特徴としている。

【００１１】

【作用】シンチレータは、入力した放射線を光に変換す
る。この変換された光は透光性電極を透過して光導電膜
に入射し、この膜内に電子正孔対（電荷）を生成する。
生成された電子正孔対は、光導電膜内の電界によって膜
内を移動し、この際電子正孔対を増倍する。この結果と
して、ターゲット膜の電位を入射光量に応じて大きく変
化させる。ターゲット膜は、面方向に対しては大きな電
界がないため入射像に対応した電位分布がターゲット膜
上に現れる。

【００１２】光導電膜内部での電荷増倍作用で増倍され
た電荷は、光導電膜に接してマトリックス状に配置され
たスイッチング素子がそれの駆動回路によって順次駆動
されて、信号取り出し回路で順次読み出される。この信
号取り出し回路で読み出される電気信号は、ターゲット
膜内のそれぞれの画素に応じた電位によって流れる電流
で、放射線画像に対応した画像信号である。この画像信
号は、光導電膜内部での電荷増倍作用のために非常に大
きく、且つ、ダイナミックレンジの大きなものとなるこ
とから、高感度で、Ｓ／Ｎ比の高い高画質の画像が得ら
れる放射線２次元検出器が提供できる。

【００１３】しかも、阻止型ターゲット膜であることか
ら残像が少ないので、単位時間当たりの画像収集枚数が
大きく取れる光応答性に優れた放射線２次元検出器が得
られる。また、放射線の光への変換は、ＣｓＩ等のシン
チレータで行うので、シンチレータを厚くすることで、
放射線を効率良く光に変換することがき、光導電膜を薄
くできる。

【００１４】すなわち、、シンチレータによる放射線か
ら光への高効率変換と阻止型ターゲット膜のその内部で
の電荷増倍作用と相俟って大きな画像信号が得られるこ
とから、高感度の放射線２次元検出器が提供できる。ア
モルファスセレン等の非晶質半導体層は、熱に弱く３０
℃を越えると結晶化し、破壊する。また、シンチレータ
としてＣｓＩを用いた場合には基板温度（蒸着温度）で
結晶状態が大きく変化し、有効なＣｓＩシンチレータを
得るには２００〜３００℃程度の基板温度が好ましい。
このように非晶質半導体層とＣｓＩシンチレータの形成
条件が相違しており、その条件が相反している。

【００１５】第２の発明では、シンチレータと阻止型接
触を持つ電極に挟まれた電荷増倍作用を持つ非晶質半導
体層からなる光導電膜との間に、表面が平坦な透明平板
を介在させたので、非晶質半導体層の形成とは別に透明
平板上にシンチレータを最適な温度条件で形成すること
が可能となり、シンチレータの形成時の熱的ダメージを
非晶質半導体層に与えることがない。なお、シンチレー
タが形成された透明平板は、別の基板上に形成された非
晶質半導体層からなる光導電膜と光学的接着剤で接合一
体化される。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の好ましい一実施例について図
面を参照しながら説明する。図１は本発明の放射線２次
元検出器の基本構成を示す模式図である。代表的な放射
線として７０ＫｅＶのエネルギを持つＸ線の場合、シン
チレータ１は、Ｘ線を十分吸収し発光を起こすように２
００〜４００μｍの厚に形成する。 シンチレータに沃
化セシウム（ＣｓＩ）を用いた場合、７０ＫｅＶのＸ線
に対しては、５０〜７０％を吸収し、このＸ線吸収によ
り光を放出する。シンチレータ１に光学的に密接して透
光性電極２が設けられており、この電極は酸化インジウ
ムスズ（ＩＴＯ）膜等よりなり、光の散乱の影響を少な
くすのためにできるだけ薄く形成されている。

【００１７】さらに、この電極２に密接して、光導電膜
３であるターゲット膜が１〜数十μｍの厚さで設けられ
ている。なお、透光性電極２は抵抗が小さく、電導率の
小さい光導電膜３に一定の電位を与えるために設けられ
ている。この光導電膜３は、セレンを主成分とする非晶
質半導体３１を酸化セシウムで作られた電極３２と硫化
アンチモン３３で作られた電極で挟まれた構造となって
おり、これらの電極はそれぞれ正孔・電子の電荷注入を
阻止する、所謂、阻止型接触を持つ電極で、光導電膜層
３内に強い電界が作られるように外部に設けられた電源
装置４によって透光性電極２を通して電圧が印加されて
いる。

【００１８】シンチレータ１で発光した光は、光導電膜
３で吸収され電子正孔対（電荷）を生成し、これらの電
荷が電界によって移動する際に電荷増倍作用を引き起こ
して光導電膜３の電位を変化させる。これらの過程にお
いて入射光子数に対して利得１以上で電子正孔対が生成
するため、光導電膜に現れる電位変化は従来の光導電膜
より非常に大きく、高感度である。また、この電位は、
面方向に対しては大きな電界がないので、通常の画素走
査時間では、電位の緩和現象に伴う画像のボケは無視で
き、入射したＸ線透過像に対応した電位分布が膜上に現
れる。

【００１９】光導電膜３に現れた電位の読みだしは、２
次元的に配置したスイッチング素子５で行われる。この
スイッチング素子５は、所謂、薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）や薄膜ダイオード（ＴＦＤ）素子であり、前者はシ
リコン半導体層と絶縁層および電極で構成されたトラン
ジスタであり、後者には一般にアモルファスシリコンダ
イオードやタンタル電極−タンタル酸化物−クロム電極
で構成されたＭＩＭ素子型ダイオードが考えられる。

【００２０】これらのマトリックス状に配置されたスイ
ッチング素子は、駆動回路６により順次駆動され、光導
電膜３に現れた電位を初期電位にリセットするために流
れる電流が、各画素毎に信号取り出し回路７によって読
みだされる。なお、透光性電極２は省略してもよい。

【００２１】［実施例１］スイッチング素子５としてシ
リコン半導体ＴＦＴ素子を用いた第１の発明の実施例に
ついて説明する。まず、表面が十分に平滑された絶縁基
板（図示せず）の上にプラズマＣＶＤなどの気相成長法
やスパッタ法、または、フォトリソグラフィー技術を用
いて半導体素子をマトリックス状に設け、それぞれの素
子に電極を設ける。絶縁基板にはガラス基板が最も好ま
しく、またＴＦＴの特性劣化を避けるためにはナトリウ
ム含有量の非常に少ない、所謂、無アルカリガラスが最
も適している。さらに、その平滑度は数ｃｍの範囲での
曲率が２００μｍ以下、１ｍｍ程度の範囲での、所謂、
ウネリが数ｎｍ以下であることが望ましい。半導体素子
には、アモルファスシリコンや多結晶シリコンを用いる
ことができる。

【００２２】アモルファスシリコンを用いれば低温での
素子形成が可能であるため安価なガラスが使用でき、経
済的には好ましい。また、多結晶シリコンは、ＴＦＴ素
子内のキャリア移動度がアモルファスシリコンに比べて
大きいために素子特性上は、多結晶シリコンが好まし
い。この半導体素子の上に上記に述べた阻止型接触の電
極を持つ光導電膜３、および、透光性電極２が蒸着法や
スパッタ法により形成される。さらに、その上に、シン
チレータ１が蒸着法により設けられる。シンチレータ１
に沃化セシウム（ＣｓＩ）を用いた場合は、沃化セシウ
ムが潮解性を持ち、湿度によりその発光特性が劣化する
のを避けるために、全体を封止するか、真空容器内に収
容することが好ましい。

【００２３】次に光導電膜３に現れる電位の読み出しに
ついて、図２の電気的等価回路を用いて説明する。光導
電膜は、構造的には検出部全体で一体の膜であるが、電
気的には各画素毎にキャパシタンスと抵抗からなる並列
回路で表され、その一端の透光性電極側は電源装置４に
よって同電位に保たれている。Ｘ線がシンチレータ１に
入射するとシンチレーション発光が生じ、その光は透光
性電極２を経て光導電膜３に導かれる。光導電膜３の各
画素に光が入射するとキャパシタンスに充電された電位
が光の入射量に応じて変化する。

【００２４】駆動回路６によって、例えば、［ｉ］行が
選択されたとすると、［ｉ］行上のＴＦＴ素子がオンに
なり、それぞれの画素を再充電するための電流が流れ、
各画素は初期電位にリセットされる。この時の電流量が
信号となって信号取り出し回路７を通じて各列［ｊ−
１，ｊ，ｊ＋１・・・］ごとに読み出される。信号取り
出し回路７が出力する信号は、サンプルホールド回路
（図示せず）やマルチプレクサ回路（図示せず）、Ａ／
Ｄ変換回路（図示せず）等を通してデジタル画像信号と
して記録することができ、また、適当なタイミング回路
（図示せず）と組み合わせてテレビ信号のようなアナロ
グ画像信号とすることもできる。 ［実施例２］スイッチング素子としてアモルファスシリ
コン半導体素子を用いた第１の発明の他の実施例につい
て説明する。なお、本実施例もつぎに示す実施例３もス
イッチング素子部分の構成のみが実施例１と相違してお
り、他の構成は実施例１で示した構造と同じである。ま
ず、表面が十分に平滑されたガラス基板の上に気相成長
法等を用いて、アモルファスシリコンを堆積し、フォト
リソグラフィー技術を用いて、ダイオード素子をマトリ
ックス状に形成する。それぞれのダイオード素子には駆
動用の電極と信号読みだし用の電極がマトリックス状に
設けられている。その上に実施例１と同様に光導電膜
３、および、透光性電極２が形成され、さらに、シンチ
レータ１が設けられる。光導電膜３上に現れる電位は、
駆動回路によって、ある選択行のダイオード素子がオン
になることで、各画素の信号が信号取り出し回路を通し
て読み出される。 ［実施例３］スイッチング素子と
してＭＩＭ素子を用いた、第１の発明のさらに他の実施
例について説明する。十分に平滑された表面を持つガラ
ス基板の上にタンタル金属をスパッタ法により堆積した
後、フォトリソグラフィー技術を用いて不要部分を取り
除く。次に、このタンタル金属を陽極酸化法により表面
を酸化させタンタル酸化物を形成する。さらに、クロム
金属をタンタル金属同様にスパッタ法により堆積し、不
要部分を取り除く。

【００２５】この様にしてＭＩＭダイオードが作られ、
この素子の上に光導電膜３および透光性電極２が形成さ
れ、さらに、シンチレータ１が設けられる。光導電膜３
上に現れる電位は駆動回路によって、ある選択行のＭＩ
Ｍ素子がオンになることで、各画素の信号が信号取り出
し回路を通して読み出される。この方法は素子作成の工
程が少なく簡便で経済的に有利である。

【００２６】以上に示した実施例１から実施例３は、光
導電膜３上に設けた透光性電極２上にシンチレータ１を
蒸着し、シンチレータ１と光導電膜３とを密接形成した
実施例であるが、つぎにシンチレータと光導電膜との間
に表面が平坦な透明平板を介在させ、シンチレータと光
導電膜とを別個に作成することを可能にするために、両
者間に表面が平坦な透明平板を介在させた第２の発明を
図にしたがって説明する。

【００２７】［実施例４］図３に示す実施例は、透明平
板として薄板ガラスを用いたもので、薄板ガラス９の上
にシンチレータを形成する。これに別途ガラス基板８の
上に、スイッチング素子５と光導電膜３、および、透光
性電極２を設けたものを光学的接着剤９１で接合してい
る。また、図示していないが接合面の平滑化と素子の保
護のためにポリイミド層を透光性電極２の上に形成する
ことも有効である。例えば、ＣｓＩをシンチレータに選
んだ場合に、ＣｓＩは被蒸着面の温度（いわゆる基板温
度）によって形成される結晶構造が大きく変化すること
が分かっており、基板温度としては、２００〜３００℃
が適している。

【００２８】この方法によれば、薄板ガラス９を用いて
いるので、光導電膜やスイッチング素子部の形成とシン
チレータ部の形成を分離できるので、シンチレータの形
成に際し、光導電膜やスイッチング素子の熱による特性
劣化を考慮する必要がなくなり、ＣｓＩ蒸着に最適な温
度制御が可能となる。また、蒸着速度が大きい場合の被
蒸着面の温度上昇も考慮する必要がなく、短時間でのＣ
ｓＩ蒸着が可能となり、最適の条件でシンチレータが作
成でき、且つ、光導電膜等を熱により劣化させることが
ない。

【００２９】また、薄板ガラス９では強度的に弱く取扱
いが困難であるため、直径数μｍ程度のガラスファイバ
ーを束ねて一枚の成形した、いわゆるＦＯＰ（ファイバ
ー・オプティカル・プレート）を光学研磨して使用すれ
ば、光の分散による分解能の劣化がなく、ＦＯＰを支持
基板として厚みを持たせることができ、取扱いが簡便で
ある。

【００３０】［実施例５］ＦＯＰを用いた他の実施例を
図４に示す。十分に光学研磨されたＦＯＰ９２の一方の
面に透光性電極２と光導電膜３をそれぞれスパッタ法・
蒸着法を用いて形成する。また、もう一方の面にはシン
チレータ１を形成する。これらは、画素毎に分割されて
いない一つの膜であるので、フォトリソグラフィー法等
の高度な位置合わせ技術は必要ないため、比較的簡便に
作製可能である。 一方、別のガラス基板８の上にマト
リックス状のスイッチング素子５を形成し、導電性接着
剤９３を用いて、ＦＯＰに形成した光導電膜３と組み合
わせる。

【００３１】導電性接着剤９３には、市販の銀を主成分
としたものなどを使用することもできるが、半球状のハ
ンダバンプを画素毎に設け、低温接着することや、水銀
系の化合物を用いて接着することもできる。なお、この
実施例では、シンチレータと光導電膜とを別個に作成で
きるので、ＦＯＰの一方に、まず、基板の温度を上げて
シンチレータを蒸着形成した後に、他方の面に光導電膜
を形成するようにすれば、光導電膜にシンチレータ形成
時の熱による特性劣化を与えることがない。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、シンチレータで放射線
を光に効率よく変換でき、この変換された光は強い電界
のかけられた阻止型接触を持つ電極に挟まれた電荷増倍
作用をもつ非晶質半導体層からなる光導電膜に導かれ、
それ内の電荷増倍作用と前記シンチレータによる放射線
から光への高効率変換と相俟って得られる信号量が極め
て大きくなり、Ｓ／Ｎ比の良い高画質の画像が得られる
と共に、単位時間当たりの画像収集枚数も大きくでき
る。

【００３３】また、ＣｓＩ等のシンチレータを大きな面
積で形成することは従来のイメージインテンシファイア
製造技術上可能であり、アモルファスセレンの光導電膜
の大型化も容易であることから、従来のイメージインテ
ンシファイアと同様に［数百×数百］から［数千×数
千］マトリックスの大画素をもつ、大面積視野で薄型の
放射線２次元検出器が経済的にも有利な形で実現でき、
しかも、その構造、ならびに、製作が簡単である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の一実施例にかかる放射線２次元検
出器の構造を示す模式図。

【図２】図１の等価回路図。

【図３】第２の発明の一実施例を製造方法との関連で示
した模式図。

【図４】第２の発明の他の実施例を製造方法との関連で
示した模式図。

【符号の説明】

１…シンチレータ ２…透光性電極 ３…光導電膜 ３１：非晶質半導体 ３２：硫化アンチモン ３
３：酸化セシウム ４…電源装置 ５…スイッチング素子 ６…駆
動回路 ７…信号取り出し回路 ８…絶縁基板（ガラス基
板） ９…薄板ガラス ９１：光学的接着剤 ９２：ＦＯＰ ９３：導電性
接着剤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 27/14 31/09 7630−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 31/00 Ａ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放射線による画像を光の画像に変換する
   シンチレータと、シンチレータからの光の画像を電荷の
   画像に変換するターゲット膜と、上記ターゲット膜を２
   次元的に走査し、ターゲット膜に蓄えられた電荷を読み
   出すスイッチング素子マトリックスとを積層してなる放
   射線２次元検出器において、上記ターゲット膜が阻止型
   接触を持つ電極に挟まれた電荷増倍作用をもつ非晶質半
   導体層からなる光導電膜であることを特徴とする放射線
   ２次元検出器。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の放射線２次元検出器に
   おいて、上記シンチレータと光導電膜との間に表面が平
   坦な透明平板を介在したことを特徴とする放射線２次元
   検出器。