撮像システム
【課題】Ｘ線、または、粒子線の強度分布を、高い空間分解能で検出すること。
【解決手段】Ｘ線、または、粒子線をシンチレター繊維束により、光電検出器で検出可能な光に変換し、シンチレター繊維束からの出力光を高品位の光電検出器に整合的に接続して、高品位の画像信号を得る。
【解決手段】Ｘ線、または、粒子線をシンチレター繊維束により、光電検出器で検出可能な光に変換し、シンチレター繊維束からの出力光を高品位の光電検出器に整合的に接続して、高品位の画像信号を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
Ｘ線または粒子線を検出する検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、入手可能なＸ線像撮影システムは、ＣＣＤに代表される固体検出器や、ヴィジコンに代表される非晶質薄膜電子管型検出器にシンチレターを組み合わせたものである。そのため、検出画素の面積は最も小さいもので(10μm)2、一般的なものでは(50μm)2であるが、Ｓ／Ｎの大きな良質の信号を得るためには、後者の寸法が必要である。
【０００３】
検出系の画素寸法(50μm)2は、光信号によって発生する電荷の変化を検出する形式の検出器では、原理的な極限と考えられる。従って、被写体が拡大できない限り、検出器の画素寸法より小さいものは検出できない。したがって、Ｘ線や粒子線のように拡大光学系が作れない放射線を用いた撮影では(50μm)2が検出限界である。
【０００４】
Ｘ線（光量子）のエネルギーは、１０４〜１０５ｅＶ（１万〜１０万電子ボルト）と大きく、これは物質との相互作用に適した１〜１０ｅＶからは、著しく懸離れている。このため、通常は、Ｘ線（光量子）のエネルギーを電子工学的に直接検出することは出来ない。そこで、重原子を含む蛍光体（シンチレター）で１〜１０ｅＶの光を発生させて電子光学的に検出する。
【０００５】
Ｘ線は、物質との相互作用が非常に小さいためレンズで結像することは出来ない。したがって、Ｘ線像は、全て古典的な影絵法で撮られる。このため、撮像系の画素寸法より小さい被写体は、画像として検出することは出来ない。
【０００６】
なお、レーザ光を用いた検出システムについては、特許文献１などに示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２１１６６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明は、現時点で検出不能だった分解能(1μm)2 と言う高解像度の検出を可能とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
光電変換素子の単位画素より小さな断面をもつシンチレター繊維束、たとえば、直径(1μm)2のシンチレター繊維束を作る。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、Ｘ線または粒子線を、良質の電気信号を発生する光電変換素子が検出可能な波長領域の光に変換するシンチレター繊維束と、このシンチレター繊維束からの射出する(信号)光を、高品質の光電変換素子と整合接続して、Ｘ線または粒子線の像、または、それらの空間強度分布を検出する。
【００１１】
シンチレター繊維の直径(または、シンチレター柱の断面)を必要な寸法（たとえば、1μｍ程度まで）に細くし、これを一定の形状に集合することによって、高分解能のＸ線または粒子線の撮像を可能とする。
【００１２】
前記シンチレター繊維(または、シンチレター柱)を平行に、かつ、一定の長さで直線状に配列して束とした場合、繊維の配列方向に進むＸ線または粒子線のみを検出する、すなわち、指向性を持つことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
使用目的により随意の形態にすることが出来る。たとえば、添付図面のように最稠密の平面にすることも出来るし、ある幅を持った帯状の1次元検出器にもなる。また、目的に応じて入射面を曲面にすることができる。
【００１４】
「原理」
繊維束の形状の如何に係わらず、動作原理は同じなので、添付図面で説明する。また、蛍光を発生する過程は、Ｘ線も粒子線も類似なので、Ｘ線として説明する。また、細長い柱も、繊維と同様な作用を持つので、ここでは繊維として説明する。
【００１５】
（１）Ｘ線と物質との相互作用は非常に小さいので、繊維の中を長さ方向に進んだＸ線のみが、以下の過程で蛍光を発し、入射Ｘ線に対応した光信号を出力する。(a) シンチレイション(以下、蛍光と呼ぶ場合がある)は、Ｘ線光量子と重原子の軌道に所属している電子との衝突で発生する。この衝突は、決まった場所・決まった時間に起こると言うことのない典型的な確率過程である。しかし、(b) 繊維内を進んだＸ線光量子と繊維に含まれている重原子の軌道上電子との衝突は、入射Ｘ線の伝搬距離が十分あれば必ずその繊維内で起こり、繊維内で蛍光を発生する。
【００１６】
（２）斜入射Ｘ線により発生する蛍光は、たとえ、入射方向が同じであっても、上述のような確率過程での蛍光発生では、衝突、すなわち、発光するシンチレター繊維は時間的にも空間的にもバラバラとなる。すなわち、雑音レベル(background noise)を上げることになるが、信号とはなら無い。
【００１７】
（３）繊維の屈折率は、通常、かなり大きいので、繊維内で発生した蛍光が他所の繊維に拡散する可能性(cross talk)は無いので、解像度劣化の最大要素である斜入射Ｘ線の影響を完全に除去することができる。
【００１８】
入力情報を良質な電気信号して取り出すためには、高品位の光電変換機が必要であるが、現在では低雑音で量子効率90％を超えるback-thinned child ＣＣＤを用いるのが最適と考えられる。このＣＣＤの画素は、ほぼ、(50μm)2 である。したがって、光電変換素子で検出可能になったＸ線信号を、良質な電気信号に変換するためには、光電変換素子(ＣＣＤ)の各々の画素が各繊維と１対１に対応するようにしなければならない。
【００１９】
この繊維束と光電変換器との整合方法は、シンチレイション繊維束の形状によって変わる。
【００２０】
「原理を説明する為の構成」
本実施形態においては、繊維状のシンチレター(蛍光体）を作製し、これを多数まとめて繊維束とする。
【００２１】
たとえば、Fig.１に示すように、面内方向にＮ本の繊維を並べた最稠密六方構造の繊維柱(Fig.1)を作ると、垂直な断面内の繊維数は３Ｎ・（Ｎ＋１）本である。従って、１本の繊維の直径を１μｍ、Ｎ＝１０００とすると、一辺１ｍｍの６角柱束となり、これは３００万画素の検出器となる。
【００２２】
シンチレターの繊維束の長手方向に検出対象となるＸ線が入射するように配置する(Fig２)。繊維束の一端面から入射したＸ線は、繊維束内において光電的に検出可能な蛍光に変換されて射出される。この射出光は、各々の繊維が光電検出器の各画素と1対１に対応するように接続すると、画素毎の電気信号に変換され、入射Ｘ線の強弱が電気信号となり、これを用いると像が得られる。
【００２３】
このように、シンチレターの繊維束を用いると、一端から入射したＸ線を、他端から光電的に検出可能な蛍光として出力することができる。各々の繊維からの射出光を光電検出器の各画素と1対１に対応するように拡大し、一画素の寸法が（50μｍ×50μｍ）程度の光電変換素子を用いることが出来るようにすれば、Ｓ／Ｎの大きな高品質な（高解像度の）信号を得ることができる。
【００２４】
Ｓ／Ｎの大きな高品質な信号が期待できる光電変換素子であるためには、原理的に一画素の面積が（５０μｍ）２以上が必要と考えられる。したがって、一画素の面積が（１μｍ）２、または、それ以下という繊維のシンチレター繊維束を用い、この出力を高品位の光電検出器と整合的に接続することにより、超高分解能のＸ線検出器が実現可能となる。
【００２５】
Ｘ線入射面を、球面または２次曲面に研磨し、繊維をこの曲面に垂直に配列することにより、理想的な画像収録素子を作ることが出来る。また、適当な幅を持った１次元検出器となるように、繊維群を配列することも出来る。
【００２６】
シンチレイターで発生した蛍光の検出には、量子効率が９０％以上の背面研磨・冷却ＣＣＤを用いることにより、非常に高品質の信号、すなわち、良質の画像情報とすることが出来る。
【００２７】
この原理により、中性子、陽子（ｐｏｓｉｔｒｏｎ）等の粒子線を、鋭い指向性をもって検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】シンチレータ繊維束のＸ線入射面を示す模式図である。
【図２】実施形態に係る検出システムの構成を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
Ｘ線または粒子線を検出する検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、入手可能なＸ線像撮影システムは、ＣＣＤに代表される固体検出器や、ヴィジコンに代表される非晶質薄膜電子管型検出器にシンチレターを組み合わせたものである。そのため、検出画素の面積は最も小さいもので(10μm)2、一般的なものでは(50μm)2であるが、Ｓ／Ｎの大きな良質の信号を得るためには、後者の寸法が必要である。
【０００３】
検出系の画素寸法(50μm)2は、光信号によって発生する電荷の変化を検出する形式の検出器では、原理的な極限と考えられる。従って、被写体が拡大できない限り、検出器の画素寸法より小さいものは検出できない。したがって、Ｘ線や粒子線のように拡大光学系が作れない放射線を用いた撮影では(50μm)2が検出限界である。
【０００４】
Ｘ線（光量子）のエネルギーは、１０４〜１０５ｅＶ（１万〜１０万電子ボルト）と大きく、これは物質との相互作用に適した１〜１０ｅＶからは、著しく懸離れている。このため、通常は、Ｘ線（光量子）のエネルギーを電子工学的に直接検出することは出来ない。そこで、重原子を含む蛍光体（シンチレター）で１〜１０ｅＶの光を発生させて電子光学的に検出する。
【０００５】
Ｘ線は、物質との相互作用が非常に小さいためレンズで結像することは出来ない。したがって、Ｘ線像は、全て古典的な影絵法で撮られる。このため、撮像系の画素寸法より小さい被写体は、画像として検出することは出来ない。
【０００６】
なお、レーザ光を用いた検出システムについては、特許文献１などに示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２１１６６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明は、現時点で検出不能だった分解能(1μm)2 と言う高解像度の検出を可能とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
光電変換素子の単位画素より小さな断面をもつシンチレター繊維束、たとえば、直径(1μm)2のシンチレター繊維束を作る。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、Ｘ線または粒子線を、良質の電気信号を発生する光電変換素子が検出可能な波長領域の光に変換するシンチレター繊維束と、このシンチレター繊維束からの射出する(信号)光を、高品質の光電変換素子と整合接続して、Ｘ線または粒子線の像、または、それらの空間強度分布を検出する。
【００１１】
シンチレター繊維の直径(または、シンチレター柱の断面)を必要な寸法（たとえば、1μｍ程度まで）に細くし、これを一定の形状に集合することによって、高分解能のＸ線または粒子線の撮像を可能とする。
【００１２】
前記シンチレター繊維(または、シンチレター柱)を平行に、かつ、一定の長さで直線状に配列して束とした場合、繊維の配列方向に進むＸ線または粒子線のみを検出する、すなわち、指向性を持つことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
使用目的により随意の形態にすることが出来る。たとえば、添付図面のように最稠密の平面にすることも出来るし、ある幅を持った帯状の1次元検出器にもなる。また、目的に応じて入射面を曲面にすることができる。
【００１４】
「原理」
繊維束の形状の如何に係わらず、動作原理は同じなので、添付図面で説明する。また、蛍光を発生する過程は、Ｘ線も粒子線も類似なので、Ｘ線として説明する。また、細長い柱も、繊維と同様な作用を持つので、ここでは繊維として説明する。
【００１５】
（１）Ｘ線と物質との相互作用は非常に小さいので、繊維の中を長さ方向に進んだＸ線のみが、以下の過程で蛍光を発し、入射Ｘ線に対応した光信号を出力する。(a) シンチレイション(以下、蛍光と呼ぶ場合がある)は、Ｘ線光量子と重原子の軌道に所属している電子との衝突で発生する。この衝突は、決まった場所・決まった時間に起こると言うことのない典型的な確率過程である。しかし、(b) 繊維内を進んだＸ線光量子と繊維に含まれている重原子の軌道上電子との衝突は、入射Ｘ線の伝搬距離が十分あれば必ずその繊維内で起こり、繊維内で蛍光を発生する。
【００１６】
（２）斜入射Ｘ線により発生する蛍光は、たとえ、入射方向が同じであっても、上述のような確率過程での蛍光発生では、衝突、すなわち、発光するシンチレター繊維は時間的にも空間的にもバラバラとなる。すなわち、雑音レベル(background noise)を上げることになるが、信号とはなら無い。
【００１７】
（３）繊維の屈折率は、通常、かなり大きいので、繊維内で発生した蛍光が他所の繊維に拡散する可能性(cross talk)は無いので、解像度劣化の最大要素である斜入射Ｘ線の影響を完全に除去することができる。
【００１８】
入力情報を良質な電気信号して取り出すためには、高品位の光電変換機が必要であるが、現在では低雑音で量子効率90％を超えるback-thinned child ＣＣＤを用いるのが最適と考えられる。このＣＣＤの画素は、ほぼ、(50μm)2 である。したがって、光電変換素子で検出可能になったＸ線信号を、良質な電気信号に変換するためには、光電変換素子(ＣＣＤ)の各々の画素が各繊維と１対１に対応するようにしなければならない。
【００１９】
この繊維束と光電変換器との整合方法は、シンチレイション繊維束の形状によって変わる。
【００２０】
「原理を説明する為の構成」
本実施形態においては、繊維状のシンチレター(蛍光体）を作製し、これを多数まとめて繊維束とする。
【００２１】
たとえば、Fig.１に示すように、面内方向にＮ本の繊維を並べた最稠密六方構造の繊維柱(Fig.1)を作ると、垂直な断面内の繊維数は３Ｎ・（Ｎ＋１）本である。従って、１本の繊維の直径を１μｍ、Ｎ＝１０００とすると、一辺１ｍｍの６角柱束となり、これは３００万画素の検出器となる。
【００２２】
シンチレターの繊維束の長手方向に検出対象となるＸ線が入射するように配置する(Fig２)。繊維束の一端面から入射したＸ線は、繊維束内において光電的に検出可能な蛍光に変換されて射出される。この射出光は、各々の繊維が光電検出器の各画素と1対１に対応するように接続すると、画素毎の電気信号に変換され、入射Ｘ線の強弱が電気信号となり、これを用いると像が得られる。
【００２３】
このように、シンチレターの繊維束を用いると、一端から入射したＸ線を、他端から光電的に検出可能な蛍光として出力することができる。各々の繊維からの射出光を光電検出器の各画素と1対１に対応するように拡大し、一画素の寸法が（50μｍ×50μｍ）程度の光電変換素子を用いることが出来るようにすれば、Ｓ／Ｎの大きな高品質な（高解像度の）信号を得ることができる。
【００２４】
Ｓ／Ｎの大きな高品質な信号が期待できる光電変換素子であるためには、原理的に一画素の面積が（５０μｍ）２以上が必要と考えられる。したがって、一画素の面積が（１μｍ）２、または、それ以下という繊維のシンチレター繊維束を用い、この出力を高品位の光電検出器と整合的に接続することにより、超高分解能のＸ線検出器が実現可能となる。
【００２５】
Ｘ線入射面を、球面または２次曲面に研磨し、繊維をこの曲面に垂直に配列することにより、理想的な画像収録素子を作ることが出来る。また、適当な幅を持った１次元検出器となるように、繊維群を配列することも出来る。
【００２６】
シンチレイターで発生した蛍光の検出には、量子効率が９０％以上の背面研磨・冷却ＣＣＤを用いることにより、非常に高品質の信号、すなわち、良質の画像情報とすることが出来る。
【００２７】
この原理により、中性子、陽子（ｐｏｓｉｔｒｏｎ）等の粒子線を、鋭い指向性をもって検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】シンチレータ繊維束のＸ線入射面を示す模式図である。
【図２】実施形態に係る検出システムの構成を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線または粒子線を電子光学的に検出可能な波長領域の光に変換するシンチレター繊維(または、シンチレター柱)の径を、光電検出素子(たとえば、ＣＣＤやヴィヂコン)の画素サイズより小さくし、これを束ねて、空間分解能を上述の光電検出素子の画素より小さくしたＸ線または粒子線の検出器、ならびに、これを用いた撮像システム。
【請求項２】
このシンチレター繊維束からの射出光(信号)を、良質な電気信号に変換することが可能な画素サイズを持った光電変換系に整合するための光学系を用いて、空間分解能を向上したＸ線または粒子線の検出器、ならびに、これを用いた撮像システム。
【請求項３】
シンチレター繊維、または、シンチレター柱の長さ方向に進むＸ線または粒子線のみを検出する指向性を有する検出器、ならびに、これを用いた撮像システム。
【請求項４】
シンチレター繊維、または、シンチレター柱の集合形態を計測目的に応じて、Ｘ線の入射面の形状を平面、帯、半球面などに変形し、効率良くＸ線または粒子線を検出するシステム、ならびに、これを用いた撮像システム。
【請求項１】
Ｘ線または粒子線を電子光学的に検出可能な波長領域の光に変換するシンチレター繊維(または、シンチレター柱)の径を、光電検出素子(たとえば、ＣＣＤやヴィヂコン)の画素サイズより小さくし、これを束ねて、空間分解能を上述の光電検出素子の画素より小さくしたＸ線または粒子線の検出器、ならびに、これを用いた撮像システム。
【請求項２】
このシンチレター繊維束からの射出光(信号)を、良質な電気信号に変換することが可能な画素サイズを持った光電変換系に整合するための光学系を用いて、空間分解能を向上したＸ線または粒子線の検出器、ならびに、これを用いた撮像システム。
【請求項３】
シンチレター繊維、または、シンチレター柱の長さ方向に進むＸ線または粒子線のみを検出する指向性を有する検出器、ならびに、これを用いた撮像システム。
【請求項４】
シンチレター繊維、または、シンチレター柱の集合形態を計測目的に応じて、Ｘ線の入射面の形状を平面、帯、半球面などに変形し、効率良くＸ線または粒子線を検出するシステム、ならびに、これを用いた撮像システム。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００７−３１５９０８（Ｐ２００７−３１５９０８Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４５７１５（Ｐ２００６−１４５７１５）
【出願日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【出願人】（５９１１５０４９８）ラトックシステムエンジニアリング株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【出願人】（５９１１５０４９８）ラトックシステムエンジニアリング株式会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
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