JP3582825B2 - 光学素子及びこれを用いた放射線検出器 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、光学素子及びこれを用いた放射線検出器に関し、特に、大面積の受光部を有する放射線検出器及びこれに用いる光学素子に関する。
背景技術
医療、工業等の分野において、放射線イメージを迅速かつ高精度に検出、撮像する放射線検出器の必要性が高まっている。この必要性に応えるべく、例えば、放射線イメージを光イメージに変換するシンチレータ、かかる光イメージを撮像する撮像素子、及び、シンチレータから出力された光イメージを撮像素子に導く導光用光学部材を備えた放射線検出器が知られている。
また、上記導光用光学部材として、数百万本／ｃｍ2の光ファイバを互いに平行に配置して一体成形した光学部材が用いられることが多い。かかる光学部材は、その入射端面に入射した光イメージを分解能の高い状態でその出射端面まで伝送し、出射端面から出射させることができるからである。
さらに、受光面を大きくし、比較的広範囲にわたる放射線イメージの検出、撮像を行うことのできる放射線検出器として、例えば、特開平７−２１１８７７号公報に開示された放射線検出器が知られている。かかる放射線検出器は、互いに直交する入射端面と出射端面とを有する上記光学部材の入射端面にシンチレータを設け、出射端面に撮像素子を設けた放射線検出ユニットを複数個配列した構成となっている。
しかし、上記放射線検出器には、以下に示すような問題点があった。すなわち、上記放射線検出器は、特殊形状（三角柱形状）の上記光学部材を含む複数の放射線検出ユニットを、その受光面が同一平面上に配置されるように配列する必要があるため、受光面を大面積化することは容易ではない。また、撮像素子の配置上の制約等から受光面の大面積化には限度があり、医療、工業等の用途から生じる要請を満たす程度の十分な大面積化が図れない。
発明の開示
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、受光面を容易かつ十分に大きくすることができる光学素子及び放射線検出器を提供することを課題とするものである。
上記課題を解決するために、本発明の光学素子は、複数の光ファイバを互いに平行に配置して一体成形され、互いに略平行な入射端面、出射端面を有する平板形状の光学部材を複数有し、上記光学部材は、上記入射端面それぞれが略同一平面上に配置されるように配列され、互いに隣接する上記光学部材の側面それぞれは、接着剤により接着され、上記側面を接着されることにより一体化された上記入射端面には、放射線の入射に伴い光を発するシンチレータが堆積されていることを特徴としている。また、本発明の放射線検出器は、上記光学素子と、上記光学部材の上記出射端面から出力される光イメージを撮像する撮像素子とを備えたことを特徴としている。
複数の上記光学部材を、入射端面が略同一平面上に配置されるように配列し、互いに隣接する光学部材の側面を接着剤により接着し、一体化された上記入射端面にシンチレータを成長させることで、放射線検出器の受光面を容易かつ十分に大きくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施形態にかかる放射線検出器の斜視図である。
図２は、図１のI-I線に沿った一部拡大断面図である。
図３は、本発明の実施形態にかかる光学素子の斜視図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施形態にかかる放射線検出器について図面に基づいて説明する。また、各図面における寸法、形状は実際のものとは必ずしも同一ではなく、理解を容易にするため誇張している部分がある。
まず本実施形態にかかる放射線検出器の構成について説明する。図１は、本実施形態にかかる放射線検出器の斜視図であり、図２は図１のI-I線に沿った一部拡大断面図である。なお、本発明の光学素子は、本実施形態にかかる放射線検出器に含まれるものであり、本実施形態にかかる放射線検出器から分離して表すと、図３に示すようになる。
本実施形態にかかる放射線検出器１０は、入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａが略同一平面上に配置されるように配列された３枚の光学部材１２，１４，１６と、光学部材１２，１４，１６の入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａ上に成長されたシンチレータ１８と、光学部材１２，１４，１６の出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂから出力される光イメージを撮像する複数のＣＣＤ２０（撮像素子）と、光学部材１２，１４，１６の出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂから出力される光イメージをＣＣＤ２０に導く複数の導光用光学部材２２を備えて構成される。以下、詳細に説明する。
光学部材１２，１４，１６はそれぞれ同様の形状を有するため、以下、光学部材１２についてのみ説明する。光学部材１２は、数百万本／ｃｍ2の光ファイバ（直径約６μｍ程度）を互いに平行に配置して一体成形して構成され、当該光ファイバの軸とほぼ垂直に交差するとともに互いに略平行な入射端面１２ａ及び出射端面１２ｂを有している。すなわち、入射端面１２ａに入射した光イメージは、光学部材１２を構成する上記各光ファイバ内を伝搬し、出射端面１２ｂから出力される。
光学部材１２の入力端子１２ａ及び出射端面１２ｂは、短辺が６３ｍｍ程度、長辺が２７０ｍｍ程度の長方形状となっており、入射端面１２ａと出射端面１２ｂとの間隔は４ｍｍ程度となっている。従って、光学部材１２は、６３ｍｍ×２７０ｍｍ程度の長方形状の底面を有し、厚さが４ｍｍ程度の平板形状となっている。
３枚の光学部材１２，１４，１６は、入力端子１２ａ，１４ａ，１６ａがほぼ同一平面上に配置されるように配列される。より具体的には、光学部材１２，１４，１６の長辺側の側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃが互いに隣接するように配列される。
３枚の光学部材１２，１４，１６の互いに隣接する側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃは、接着剤２４により接着、固定されている。ここで、接着剤２４としては、シンチレータ１８内で生じて接着剤２４に入射する光を吸収することのできるものが用いられ、特に、シンチレータ１８内で生じて接着剤２４に入射する光うち５０％以上を吸収することのできるものが用いられることが好ましい。かかる接着剤２４の一例を挙げれば、ＥＰＯＸＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ社製のＥＰＯ−ＴＥＫ３５３ＮＤ（商品名）などを用いることが可能である。
上述の如く、３枚の光学部材１２，１４，１６を配列することで、入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａを一体化することが可能となる。より具体的には、３枚の光学部材１２，１４，１６を配列、接着し、その外周面を研磨することにより、実質的に１８６ｍｍ×２４８ｍｍ程度の大面積の入射端面が形成される。ここで、大量の光ファイバを一体成形することによって、大面積の入射端面を有する光学部材をはじめから形成することも考えられるが、一体成形する光学部材の入射端面が大きくなるに従って、その均質性の制御等も困難となることから、上記の如く比較的小面積の入射端面を有する光学部材を複数配列させて大面積の入射端面を形成する方法は極めて実際的かつ経済的である。
また、３枚の光学部材１２，１４，１６の互いに隣接する側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃ間には接着剤２４が注入されているため、かかる接着剤２４が注入された部分は、入射端面側から出射端面側に光イメージを伝搬することができないデッドスペースとして作用する。従って、３枚の光学部材１２，１４，１６の互いに隣接する側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃの間隔、すなわち、接着剤２４が注入された領域の幅はできるだけ狭い方が好ましい。本実施形態にかかる放射線検出器１０においては、接着剤２４の注入によって生ずるデッドスペースの幅と接着剤２４の接着能力とを比較考量し、３枚の光学部材１２，１４，１６の互いに隣接する側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃの間隔、すなわち、接着剤２４が注入された領域の幅を１０〜１５μｍとしている。また、３枚の光学部材１２，１４，１６の側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃのうち互いに隣接しない側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃ、すなわち、外部に露出する側面には、光透過率が５０％以下である遮光材２５が塗布により形成されている（図１（図３も同様）においては一部切り欠いて示している）。
３枚の光学部材１２，１４，１６を配列することによって一体化された入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａ上には、Ｘ線等の放射線の入射に伴い可視光を発するシンチレータ１８が気相成長によって形成されている。シンチレータ１８は、ＣｓＩから形成されるとともに入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａから略垂直方向に６００μｍ程度延びる柱状構造体の配列として形成されている。
また、シンチレータ１８上には、シンチレータ１８を機械的に保護するとともにシンチレータ１８を形成するＣｓＩの潮解を防止する保護膜２６が形成されている。保護膜２６は、シンチレータ１８上に、第１の層２８（耐湿保護層）、第２の層３０、第３の層３２を順次積層した３層構造となっている。より詳細には、保護膜２６は、シンチレータ１８上だけでなくシンチレータ１８の側面及び光学部材１２，１４，１６の側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃまでを覆うように形成されている。
第１の層２８は、ポリパラキシリレン樹脂からなり、シンチレータ１８に接するように形成されている。より具体的には、ＣｓＩの柱状構造体の間隙を満たすとともに、当該柱状構造体の最頂部からさらに１０μｍ程度成長して形成される。かかるポリパラキシリレン樹脂としては、スリーボンド社製のパリレン（商品名）などが存在する。ポリパラキシリレン樹脂は、水蒸気及びガスの透過が極めて少なく、撥水性、耐薬品性も高いほか、薄膜でも優れた電気絶縁性を有し、放射線、可視光線に対して透明であるなど、シンチレータ１８を保護するにふさわしい優れた特徴を有している。
ポリパラキシリレンによるコーティングの詳細については、スリーボンド・テクニカルニュース（１９９２年４年９月２３日発行）に記されており、ここでは、その特徴を述べる。
ポリパラキシリレンは、金属の真空蒸着と同様に真空中で支持体の上に蒸着する化学的蒸着（ＣＶＤ）法によってコーティングすることができる。これは、原料となるジパラキシリレンモノマーを熱分解して、生成物をトルエン、ベンゼンなどの有機溶媒中で急冷しダイマーと呼ばれるジパラキシリレンを得る工程と、このダイマーを熱分解して、安定したラジカルパラキシリレンガスを生成させる工程と、発生したガスを素材上に吸着、重合させて分子量約５０万のポリパラキシリレン膜を重合形成させる工程からなる。
ポリパラキシリレン蒸着と金属の真空蒸着には、２つの大きな違いがある。まず、ポリパラキシリレン蒸着時の圧力は、金属真空蒸着の場合の圧力０．００１トールに比べて高い０．１〜０．２トールであること、そして、ポリパラキシリレン蒸着の適応係数が金属蒸着の適応係数１に比べて２桁から４桁低いことである。このため、蒸着時には、単分子膜が被着物全体を覆った後、その上にポリパラキシリレンが蒸着していく。したがって、０．２μｍ厚さからの薄膜をピンホールのない状態で均一な厚さに生成することができ、液状では不可能だった鋭角部やエッジ部、ミクロンオーダの狭い隙間へのコーティングも可能である。また、コーティング時に熱処理等を必要とせず、室温に近い温度でのコーティングが可能なため、硬化に伴う機械的応力や熱歪みが発生せず、コーティングの安定性にも優れている。さらに、ほとんどの固体材料へのコーティングが可能である。
第２の層３０は、Ａｌからなり、第１の層２８上に０．２５μｍ程度の厚さをもって形成されている。Ａｌは、放射線を透過させ、可視光を反射させる性質を有するため、シンチレータ１８で発生した光が外部に漏れるのを防ぎ、放射線検出器１０の感度を向上させることができる。
第３の層３２は、第１の層２８と同様にポリパラキシリレン樹脂からなり、第２の層３０上に１０μｍ程度の厚さをもって形成されている。第２の層３０を形成するＡｌは空気中で腐食しやすいが、第２の層３０が、ポリパラキシリレン樹脂から成る第１の層２８及び第３の層３２に挟まれていることで、当該Ａｌが腐食から守られている。
導光用光学部材２２も、光学部材１２等と同様に、数百万本／ｃｍ2の光ファイバを互いに平行に配置して一体成形して構成され、当該光ファイバの軸と交差する入射端面２２ａ及び出射端面２２ｂを有している。ただし、導光用光学部材２２は、入射端面２２ａと比較して出射端面２２ｂが小さくなるようなテーパ形状を有している。従って、入射端面２２ａに入射した光イメージは、導光用光学部材２２を構成する上記各光ファイバ内を伝搬し、縮小されて出射端面２２ｂから出力される。
それぞれの導光用光学部材２２の入射端面２２ａは、光学部材１２，１４，１６の出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂに接している。ここで、それぞれの導光用光学部材２２は、光学部材１２，１４，１６の出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂそれぞれに対応して設けられていなくても良く、３枚の光学部材１２，１４，１６を配列することによって一体化された出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂを任意に分割したエリア毎に設けられていても良い。本実施形態にかかる放射線検出器１０においては、３枚の光学部材１２，１４，１６を配列することによって一体化された出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂを縦方向に３つ、横方向に４つ、合計１２個のエリアに分割し、各エリアに１つずつの導光用光学部材２２が設けられている。従って、合計１２個の導光用光学部材２２が設けられていることになる。
それぞれの導光用光学部材２２の出射端面２２ｂには、ＣＣＤ２０が接続されている。従って、本実施形態にかかる放射線検出器１０は、１２個のＣＣＤ２０を備えている。
続いて、本実施形態にかかる放射線検出器の作用及び効果について説明する。シンチレータ１８に放射線イメージが入射すると、ＣｓＩの放射線−可視光変換作用により、入射した放射線イメージに相当する可視光のイメージ（以下光イメージという）がシンチレータ１８の内部で生成される。
シンチレータ１８の内部で生成された光イメージは、光学部材１２，１４，１６の入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａからその内部に入射し、当該光学部材１２，１４，１６内を伝搬してその出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂから出射される。
光学部材１２，１４，１６の出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂから出射された光イメージは、複数の部分（本実施形態においては１２個の部分）に分割され、それぞれ対応する位置に配置された導光用光学部材２２の入射端面２２ａに入射する。
導光用光学部材２２の入射端面２２ａに入射した、分割された光イメージは、導光用光学部材２２の作用によりそれぞれ縮小され、導光用光学部材２２の出射端面２２ｂから出射され、それぞれの導光用光学部材２２の出射端面２２ｂに接続されたＣＣＤ２０によって撮像される。その後、それぞれのＣＣＤ２０によって撮像された撮像画像を、画像処理等によって再配置することで、入射した放射線イメージの撮像画像を得ることが可能となる。
ここで、本実施形態にかかる放射線検出器１０は、３枚の光学部材１２，１４，１６を、それらの入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａが略同一平面上に配置されるように配列し、それらの隣接する側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃを接着剤２４で接着固定していることで、容易に入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａを一体化し、大面積の受光面を得ることが可能となる。その結果、極めて広範囲にわたる放射線イメージを撮像することが可能となる。
また、本実施形態にかかる放射線検出器１０は、それぞれの光学部材にシンチレータを形成してその後に配列したものと異なり、配列により一体化された入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａにシンチレータ１８を成長させている。従って、シンチレータを構成するＣｓＩの成長の不均一等に起因して光学部材の縁部に形成されるデッドスペースの発生を最小限に抑えることが可能となる。すなわち、それぞれの光学部材にシンチレータを形成してその後に配列したものは、それぞれの光学部材の縁部に上記デットスペースが発生するため、かかる光学部材を配列した場合は、その受光面に格子状のデッドスペースが発生する。これに対して、本実施形態にかかる放射線検出器１０の如く、配列により一体化された入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａにシンチレータ１８を成長させた場合は、一体化された受光面の最外郭の縁部にのみデットスペースが生じ、格子状のデッドスペースは生じない。その結果、デッドスペースを極めて小さくすることが可能となる。
また、本実施形態にかかる放射線検出器１０において、接着剤２４は、放射線の入射に伴いシンチレータ１８内で生じて当該接着剤２４に入射する光を吸収する特性、特に、放射線の入射に伴いシンチレータ１８内で生じて当該接着剤２４に入射する光の５０％以上を吸収する特性を有している。光学部材１２，１４，１６を構成する光ファイバは、その入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａにほぼ垂直に配列されることが多いが、必ずしも完全な垂直とは限らず、光ファイバのコアが側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃに露出する場合もあり、当該側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃから光が漏洩する場合もある。かかる漏洩光は撮像画像に対してノイズとなり、放射線検出器のＳ／Ｎ比を低下させる原因となる。ここで、本実施形態にかかる放射線検出器１０においては、光学部材１２，１４，１６の側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃから漏洩する漏洩光を接着剤２４が吸収することで、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能となる。また、かかる接着剤２４は、有色である場合が多く、製造時における不良品の目視検査が容易となる。
また、本実施形態にかかる放射線検出器１０は、互いに隣接する光学部材１２，１４，１６の間隔を１０〜１５μｍとしている。接着剤２４が挿入された、互いに隣接する光学部材１２，１４，１６の間隙は、入射端面側から出射端面側に光イメージを伝搬することができないデッドスペースとして作用する。また、互いに隣接する光学部材１２，１４，１６の間隙に挿入された接着剤２４は、光学部材１２，１４，１６の入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａからみて凹形状となる場合が多い。このような凹形状の発生によりシンチレータ１８が均一に堆積できなかったり、凹部への不純物の混入がシンチレータ１８の剥離を引き起こす原因となる場合がある。さらに、接着剤２４の間隔が広くなればなるほど、凹部の深さは大きくなるので、剥離がより起こりやすくなってしまう。従って、互いに隣接する光学部材１２，１４，１６の間隔はできるだけ狭い方が好ましい。
表１は、光学部材１２，１４，１６の間隔（表中では単に間隔という）を変化させた場合に、シンチレータ１８の剥離が発生しない割合、すなわち良品率を示している。
表１からわかるように、光学部材１２，１４，１６の間隔を５０μｍ以下とすることで、６７％以上の良品率を得ることが可能となり、さらに２０μｍ以下とすることで、ほぼ１００％の良品率を得ることが可能となる。
ここで、本実施形態にかかる放射線検出器１０は、光学部材１２，１４，１６の間隔を１０〜１５μｍとしている。従って、互いに隣接する光学部材１２，１４，１６の間で生ずるデッドスペースの幅が２０〜３０μｍと極めて小さくなるとともに、シンチレータ１８の剥離を防止することができる。
また、本実施形態にかかる放射線検出器１０は、シンチレータ１８上に、ポリパラキシリレン樹脂から成る第１の層２８、Ａｌからなる第２の層３０、ポリパラキシリレン樹脂から成る第３の層を積層した保護膜２６を設けている。ここで、ポリパラキシリレン樹脂から成る第１の層２８は、水蒸気等を排除することによりシンチレータ１８を構成するＣｓＩの潮解を防止し、シンチレータ１８の放射線−光変換特性を良好に維持する。また、Ａｌからなる第２の層３０は、放射線の入射に伴ってシンチレータ１８内で発生した光を閉じ込め、放射線検出器１０の検出感度を向上させる。また、ポリパラキシリレン樹脂から成る第３の層３２は、水蒸気等を排除することにより第２の層３０を構成するＡｌの腐食を防止する。
また、本実施形態にかかる放射線検出器は、ＣＣＤ２０を設けることで、シンチレータ１８に入射した放射線イメージを効果的に撮像することが可能となる。さらに、導光用光学部材２２を備えることで、光学部材１２，１４，１６の出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂから出射した光イメージを、効率よくＣＣＤ２０に導くことが可能となる。
上記実施形態にかかる放射線検出器１０においては、保護膜２６を構成する第１の層２８、第３の層３２をポリパラキシリレン樹脂によって形成していたが、これは、ポリパラクロロキシリレン樹脂によって形成しても良い。第１の層２８、第３の層３２をポリパラクロロキシリレン樹脂で形成しても、ＣｓＩの潮解、Ａｌの腐食を効果的に防止することが可能となる。ここで、ポリパラクロロキシリレン樹脂の一例としては、スリーボンド社製のパリレンＣ（商品名）などが挙げられる。
また、上記実施形態にかかる放射線検出器１０においては、Ｘ線の入射に伴い可視光を発するシンチレータ１８を用いていたが、これに限定されるものではない。例えば、Ｘ線の入射に伴い紫外光を発するシンチレータであっても良い。この場合は、紫外光の波長領域に感度を有する撮像素子を用いることにより、放射線イメージを撮像することが可能となる。
産業上の利用可能性
本発明の光学素子及び放射線検出器は、例えば、医療用あるいは工業用等の分野で用いられる大面積の受光部を必要とする放射線検出器に利用できる。
本発明は、光学素子及びこれを用いた放射線検出器に関し、特に、大面積の受光部を有する放射線検出器及びこれに用いる光学素子に関する。
背景技術
医療、工業等の分野において、放射線イメージを迅速かつ高精度に検出、撮像する放射線検出器の必要性が高まっている。この必要性に応えるべく、例えば、放射線イメージを光イメージに変換するシンチレータ、かかる光イメージを撮像する撮像素子、及び、シンチレータから出力された光イメージを撮像素子に導く導光用光学部材を備えた放射線検出器が知られている。
また、上記導光用光学部材として、数百万本／ｃｍ2の光ファイバを互いに平行に配置して一体成形した光学部材が用いられることが多い。かかる光学部材は、その入射端面に入射した光イメージを分解能の高い状態でその出射端面まで伝送し、出射端面から出射させることができるからである。
さらに、受光面を大きくし、比較的広範囲にわたる放射線イメージの検出、撮像を行うことのできる放射線検出器として、例えば、特開平７−２１１８７７号公報に開示された放射線検出器が知られている。かかる放射線検出器は、互いに直交する入射端面と出射端面とを有する上記光学部材の入射端面にシンチレータを設け、出射端面に撮像素子を設けた放射線検出ユニットを複数個配列した構成となっている。
しかし、上記放射線検出器には、以下に示すような問題点があった。すなわち、上記放射線検出器は、特殊形状（三角柱形状）の上記光学部材を含む複数の放射線検出ユニットを、その受光面が同一平面上に配置されるように配列する必要があるため、受光面を大面積化することは容易ではない。また、撮像素子の配置上の制約等から受光面の大面積化には限度があり、医療、工業等の用途から生じる要請を満たす程度の十分な大面積化が図れない。
発明の開示
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、受光面を容易かつ十分に大きくすることができる光学素子及び放射線検出器を提供することを課題とするものである。
上記課題を解決するために、本発明の光学素子は、複数の光ファイバを互いに平行に配置して一体成形され、互いに略平行な入射端面、出射端面を有する平板形状の光学部材を複数有し、上記光学部材は、上記入射端面それぞれが略同一平面上に配置されるように配列され、互いに隣接する上記光学部材の側面それぞれは、接着剤により接着され、上記側面を接着されることにより一体化された上記入射端面には、放射線の入射に伴い光を発するシンチレータが堆積されていることを特徴としている。また、本発明の放射線検出器は、上記光学素子と、上記光学部材の上記出射端面から出力される光イメージを撮像する撮像素子とを備えたことを特徴としている。
複数の上記光学部材を、入射端面が略同一平面上に配置されるように配列し、互いに隣接する光学部材の側面を接着剤により接着し、一体化された上記入射端面にシンチレータを成長させることで、放射線検出器の受光面を容易かつ十分に大きくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施形態にかかる放射線検出器の斜視図である。
図２は、図１のI-I線に沿った一部拡大断面図である。
図３は、本発明の実施形態にかかる光学素子の斜視図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施形態にかかる放射線検出器について図面に基づいて説明する。また、各図面における寸法、形状は実際のものとは必ずしも同一ではなく、理解を容易にするため誇張している部分がある。
まず本実施形態にかかる放射線検出器の構成について説明する。図１は、本実施形態にかかる放射線検出器の斜視図であり、図２は図１のI-I線に沿った一部拡大断面図である。なお、本発明の光学素子は、本実施形態にかかる放射線検出器に含まれるものであり、本実施形態にかかる放射線検出器から分離して表すと、図３に示すようになる。
本実施形態にかかる放射線検出器１０は、入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａが略同一平面上に配置されるように配列された３枚の光学部材１２，１４，１６と、光学部材１２，１４，１６の入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａ上に成長されたシンチレータ１８と、光学部材１２，１４，１６の出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂから出力される光イメージを撮像する複数のＣＣＤ２０（撮像素子）と、光学部材１２，１４，１６の出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂから出力される光イメージをＣＣＤ２０に導く複数の導光用光学部材２２を備えて構成される。以下、詳細に説明する。
光学部材１２，１４，１６はそれぞれ同様の形状を有するため、以下、光学部材１２についてのみ説明する。光学部材１２は、数百万本／ｃｍ2の光ファイバ（直径約６μｍ程度）を互いに平行に配置して一体成形して構成され、当該光ファイバの軸とほぼ垂直に交差するとともに互いに略平行な入射端面１２ａ及び出射端面１２ｂを有している。すなわち、入射端面１２ａに入射した光イメージは、光学部材１２を構成する上記各光ファイバ内を伝搬し、出射端面１２ｂから出力される。
光学部材１２の入力端子１２ａ及び出射端面１２ｂは、短辺が６３ｍｍ程度、長辺が２７０ｍｍ程度の長方形状となっており、入射端面１２ａと出射端面１２ｂとの間隔は４ｍｍ程度となっている。従って、光学部材１２は、６３ｍｍ×２７０ｍｍ程度の長方形状の底面を有し、厚さが４ｍｍ程度の平板形状となっている。
３枚の光学部材１２，１４，１６は、入力端子１２ａ，１４ａ，１６ａがほぼ同一平面上に配置されるように配列される。より具体的には、光学部材１２，１４，１６の長辺側の側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃが互いに隣接するように配列される。
３枚の光学部材１２，１４，１６の互いに隣接する側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃは、接着剤２４により接着、固定されている。ここで、接着剤２４としては、シンチレータ１８内で生じて接着剤２４に入射する光を吸収することのできるものが用いられ、特に、シンチレータ１８内で生じて接着剤２４に入射する光うち５０％以上を吸収することのできるものが用いられることが好ましい。かかる接着剤２４の一例を挙げれば、ＥＰＯＸＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ社製のＥＰＯ−ＴＥＫ３５３ＮＤ（商品名）などを用いることが可能である。
上述の如く、３枚の光学部材１２，１４，１６を配列することで、入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａを一体化することが可能となる。より具体的には、３枚の光学部材１２，１４，１６を配列、接着し、その外周面を研磨することにより、実質的に１８６ｍｍ×２４８ｍｍ程度の大面積の入射端面が形成される。ここで、大量の光ファイバを一体成形することによって、大面積の入射端面を有する光学部材をはじめから形成することも考えられるが、一体成形する光学部材の入射端面が大きくなるに従って、その均質性の制御等も困難となることから、上記の如く比較的小面積の入射端面を有する光学部材を複数配列させて大面積の入射端面を形成する方法は極めて実際的かつ経済的である。
また、３枚の光学部材１２，１４，１６の互いに隣接する側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃ間には接着剤２４が注入されているため、かかる接着剤２４が注入された部分は、入射端面側から出射端面側に光イメージを伝搬することができないデッドスペースとして作用する。従って、３枚の光学部材１２，１４，１６の互いに隣接する側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃの間隔、すなわち、接着剤２４が注入された領域の幅はできるだけ狭い方が好ましい。本実施形態にかかる放射線検出器１０においては、接着剤２４の注入によって生ずるデッドスペースの幅と接着剤２４の接着能力とを比較考量し、３枚の光学部材１２，１４，１６の互いに隣接する側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃの間隔、すなわち、接着剤２４が注入された領域の幅を１０〜１５μｍとしている。また、３枚の光学部材１２，１４，１６の側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃのうち互いに隣接しない側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃ、すなわち、外部に露出する側面には、光透過率が５０％以下である遮光材２５が塗布により形成されている（図１（図３も同様）においては一部切り欠いて示している）。
３枚の光学部材１２，１４，１６を配列することによって一体化された入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａ上には、Ｘ線等の放射線の入射に伴い可視光を発するシンチレータ１８が気相成長によって形成されている。シンチレータ１８は、ＣｓＩから形成されるとともに入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａから略垂直方向に６００μｍ程度延びる柱状構造体の配列として形成されている。
また、シンチレータ１８上には、シンチレータ１８を機械的に保護するとともにシンチレータ１８を形成するＣｓＩの潮解を防止する保護膜２６が形成されている。保護膜２６は、シンチレータ１８上に、第１の層２８（耐湿保護層）、第２の層３０、第３の層３２を順次積層した３層構造となっている。より詳細には、保護膜２６は、シンチレータ１８上だけでなくシンチレータ１８の側面及び光学部材１２，１４，１６の側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃまでを覆うように形成されている。
第１の層２８は、ポリパラキシリレン樹脂からなり、シンチレータ１８に接するように形成されている。より具体的には、ＣｓＩの柱状構造体の間隙を満たすとともに、当該柱状構造体の最頂部からさらに１０μｍ程度成長して形成される。かかるポリパラキシリレン樹脂としては、スリーボンド社製のパリレン（商品名）などが存在する。ポリパラキシリレン樹脂は、水蒸気及びガスの透過が極めて少なく、撥水性、耐薬品性も高いほか、薄膜でも優れた電気絶縁性を有し、放射線、可視光線に対して透明であるなど、シンチレータ１８を保護するにふさわしい優れた特徴を有している。
ポリパラキシリレンによるコーティングの詳細については、スリーボンド・テクニカルニュース（１９９２年４年９月２３日発行）に記されており、ここでは、その特徴を述べる。
ポリパラキシリレンは、金属の真空蒸着と同様に真空中で支持体の上に蒸着する化学的蒸着（ＣＶＤ）法によってコーティングすることができる。これは、原料となるジパラキシリレンモノマーを熱分解して、生成物をトルエン、ベンゼンなどの有機溶媒中で急冷しダイマーと呼ばれるジパラキシリレンを得る工程と、このダイマーを熱分解して、安定したラジカルパラキシリレンガスを生成させる工程と、発生したガスを素材上に吸着、重合させて分子量約５０万のポリパラキシリレン膜を重合形成させる工程からなる。
ポリパラキシリレン蒸着と金属の真空蒸着には、２つの大きな違いがある。まず、ポリパラキシリレン蒸着時の圧力は、金属真空蒸着の場合の圧力０．００１トールに比べて高い０．１〜０．２トールであること、そして、ポリパラキシリレン蒸着の適応係数が金属蒸着の適応係数１に比べて２桁から４桁低いことである。このため、蒸着時には、単分子膜が被着物全体を覆った後、その上にポリパラキシリレンが蒸着していく。したがって、０．２μｍ厚さからの薄膜をピンホールのない状態で均一な厚さに生成することができ、液状では不可能だった鋭角部やエッジ部、ミクロンオーダの狭い隙間へのコーティングも可能である。また、コーティング時に熱処理等を必要とせず、室温に近い温度でのコーティングが可能なため、硬化に伴う機械的応力や熱歪みが発生せず、コーティングの安定性にも優れている。さらに、ほとんどの固体材料へのコーティングが可能である。
第２の層３０は、Ａｌからなり、第１の層２８上に０．２５μｍ程度の厚さをもって形成されている。Ａｌは、放射線を透過させ、可視光を反射させる性質を有するため、シンチレータ１８で発生した光が外部に漏れるのを防ぎ、放射線検出器１０の感度を向上させることができる。
第３の層３２は、第１の層２８と同様にポリパラキシリレン樹脂からなり、第２の層３０上に１０μｍ程度の厚さをもって形成されている。第２の層３０を形成するＡｌは空気中で腐食しやすいが、第２の層３０が、ポリパラキシリレン樹脂から成る第１の層２８及び第３の層３２に挟まれていることで、当該Ａｌが腐食から守られている。
導光用光学部材２２も、光学部材１２等と同様に、数百万本／ｃｍ2の光ファイバを互いに平行に配置して一体成形して構成され、当該光ファイバの軸と交差する入射端面２２ａ及び出射端面２２ｂを有している。ただし、導光用光学部材２２は、入射端面２２ａと比較して出射端面２２ｂが小さくなるようなテーパ形状を有している。従って、入射端面２２ａに入射した光イメージは、導光用光学部材２２を構成する上記各光ファイバ内を伝搬し、縮小されて出射端面２２ｂから出力される。
それぞれの導光用光学部材２２の入射端面２２ａは、光学部材１２，１４，１６の出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂに接している。ここで、それぞれの導光用光学部材２２は、光学部材１２，１４，１６の出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂそれぞれに対応して設けられていなくても良く、３枚の光学部材１２，１４，１６を配列することによって一体化された出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂを任意に分割したエリア毎に設けられていても良い。本実施形態にかかる放射線検出器１０においては、３枚の光学部材１２，１４，１６を配列することによって一体化された出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂを縦方向に３つ、横方向に４つ、合計１２個のエリアに分割し、各エリアに１つずつの導光用光学部材２２が設けられている。従って、合計１２個の導光用光学部材２２が設けられていることになる。
それぞれの導光用光学部材２２の出射端面２２ｂには、ＣＣＤ２０が接続されている。従って、本実施形態にかかる放射線検出器１０は、１２個のＣＣＤ２０を備えている。
続いて、本実施形態にかかる放射線検出器の作用及び効果について説明する。シンチレータ１８に放射線イメージが入射すると、ＣｓＩの放射線−可視光変換作用により、入射した放射線イメージに相当する可視光のイメージ（以下光イメージという）がシンチレータ１８の内部で生成される。
シンチレータ１８の内部で生成された光イメージは、光学部材１２，１４，１６の入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａからその内部に入射し、当該光学部材１２，１４，１６内を伝搬してその出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂから出射される。
光学部材１２，１４，１６の出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂから出射された光イメージは、複数の部分（本実施形態においては１２個の部分）に分割され、それぞれ対応する位置に配置された導光用光学部材２２の入射端面２２ａに入射する。
導光用光学部材２２の入射端面２２ａに入射した、分割された光イメージは、導光用光学部材２２の作用によりそれぞれ縮小され、導光用光学部材２２の出射端面２２ｂから出射され、それぞれの導光用光学部材２２の出射端面２２ｂに接続されたＣＣＤ２０によって撮像される。その後、それぞれのＣＣＤ２０によって撮像された撮像画像を、画像処理等によって再配置することで、入射した放射線イメージの撮像画像を得ることが可能となる。
ここで、本実施形態にかかる放射線検出器１０は、３枚の光学部材１２，１４，１６を、それらの入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａが略同一平面上に配置されるように配列し、それらの隣接する側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃを接着剤２４で接着固定していることで、容易に入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａを一体化し、大面積の受光面を得ることが可能となる。その結果、極めて広範囲にわたる放射線イメージを撮像することが可能となる。
また、本実施形態にかかる放射線検出器１０は、それぞれの光学部材にシンチレータを形成してその後に配列したものと異なり、配列により一体化された入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａにシンチレータ１８を成長させている。従って、シンチレータを構成するＣｓＩの成長の不均一等に起因して光学部材の縁部に形成されるデッドスペースの発生を最小限に抑えることが可能となる。すなわち、それぞれの光学部材にシンチレータを形成してその後に配列したものは、それぞれの光学部材の縁部に上記デットスペースが発生するため、かかる光学部材を配列した場合は、その受光面に格子状のデッドスペースが発生する。これに対して、本実施形態にかかる放射線検出器１０の如く、配列により一体化された入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａにシンチレータ１８を成長させた場合は、一体化された受光面の最外郭の縁部にのみデットスペースが生じ、格子状のデッドスペースは生じない。その結果、デッドスペースを極めて小さくすることが可能となる。
また、本実施形態にかかる放射線検出器１０において、接着剤２４は、放射線の入射に伴いシンチレータ１８内で生じて当該接着剤２４に入射する光を吸収する特性、特に、放射線の入射に伴いシンチレータ１８内で生じて当該接着剤２４に入射する光の５０％以上を吸収する特性を有している。光学部材１２，１４，１６を構成する光ファイバは、その入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａにほぼ垂直に配列されることが多いが、必ずしも完全な垂直とは限らず、光ファイバのコアが側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃに露出する場合もあり、当該側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃから光が漏洩する場合もある。かかる漏洩光は撮像画像に対してノイズとなり、放射線検出器のＳ／Ｎ比を低下させる原因となる。ここで、本実施形態にかかる放射線検出器１０においては、光学部材１２，１４，１６の側面１２ｃ，１４ｃ，１６ｃから漏洩する漏洩光を接着剤２４が吸収することで、Ｓ／Ｎ比を向上させることが可能となる。また、かかる接着剤２４は、有色である場合が多く、製造時における不良品の目視検査が容易となる。
また、本実施形態にかかる放射線検出器１０は、互いに隣接する光学部材１２，１４，１６の間隔を１０〜１５μｍとしている。接着剤２４が挿入された、互いに隣接する光学部材１２，１４，１６の間隙は、入射端面側から出射端面側に光イメージを伝搬することができないデッドスペースとして作用する。また、互いに隣接する光学部材１２，１４，１６の間隙に挿入された接着剤２４は、光学部材１２，１４，１６の入射端面１２ａ，１４ａ，１６ａからみて凹形状となる場合が多い。このような凹形状の発生によりシンチレータ１８が均一に堆積できなかったり、凹部への不純物の混入がシンチレータ１８の剥離を引き起こす原因となる場合がある。さらに、接着剤２４の間隔が広くなればなるほど、凹部の深さは大きくなるので、剥離がより起こりやすくなってしまう。従って、互いに隣接する光学部材１２，１４，１６の間隔はできるだけ狭い方が好ましい。
表１は、光学部材１２，１４，１６の間隔（表中では単に間隔という）を変化させた場合に、シンチレータ１８の剥離が発生しない割合、すなわち良品率を示している。
ここで、本実施形態にかかる放射線検出器１０は、光学部材１２，１４，１６の間隔を１０〜１５μｍとしている。従って、互いに隣接する光学部材１２，１４，１６の間で生ずるデッドスペースの幅が２０〜３０μｍと極めて小さくなるとともに、シンチレータ１８の剥離を防止することができる。
また、本実施形態にかかる放射線検出器１０は、シンチレータ１８上に、ポリパラキシリレン樹脂から成る第１の層２８、Ａｌからなる第２の層３０、ポリパラキシリレン樹脂から成る第３の層を積層した保護膜２６を設けている。ここで、ポリパラキシリレン樹脂から成る第１の層２８は、水蒸気等を排除することによりシンチレータ１８を構成するＣｓＩの潮解を防止し、シンチレータ１８の放射線−光変換特性を良好に維持する。また、Ａｌからなる第２の層３０は、放射線の入射に伴ってシンチレータ１８内で発生した光を閉じ込め、放射線検出器１０の検出感度を向上させる。また、ポリパラキシリレン樹脂から成る第３の層３２は、水蒸気等を排除することにより第２の層３０を構成するＡｌの腐食を防止する。
また、本実施形態にかかる放射線検出器は、ＣＣＤ２０を設けることで、シンチレータ１８に入射した放射線イメージを効果的に撮像することが可能となる。さらに、導光用光学部材２２を備えることで、光学部材１２，１４，１６の出射端面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂから出射した光イメージを、効率よくＣＣＤ２０に導くことが可能となる。
上記実施形態にかかる放射線検出器１０においては、保護膜２６を構成する第１の層２８、第３の層３２をポリパラキシリレン樹脂によって形成していたが、これは、ポリパラクロロキシリレン樹脂によって形成しても良い。第１の層２８、第３の層３２をポリパラクロロキシリレン樹脂で形成しても、ＣｓＩの潮解、Ａｌの腐食を効果的に防止することが可能となる。ここで、ポリパラクロロキシリレン樹脂の一例としては、スリーボンド社製のパリレンＣ（商品名）などが挙げられる。
また、上記実施形態にかかる放射線検出器１０においては、Ｘ線の入射に伴い可視光を発するシンチレータ１８を用いていたが、これに限定されるものではない。例えば、Ｘ線の入射に伴い紫外光を発するシンチレータであっても良い。この場合は、紫外光の波長領域に感度を有する撮像素子を用いることにより、放射線イメージを撮像することが可能となる。
産業上の利用可能性
本発明の光学素子及び放射線検出器は、例えば、医療用あるいは工業用等の分野で用いられる大面積の受光部を必要とする放射線検出器に利用できる。
Claims (16)
- 複数の光ファイバを互いに平行に配置して一体成形され、互いに略平行な入射端面、出射端面を有する平板形状の光学部材を複数有し、
前記光学部材は、前記入射端面それぞれが略同一平面上に配置されるように配列され、
互いに隣接する前記光学部材の側面それぞれは、接着剤により接着され、
前記側面を接着されることにより一体化された前記入射端面には、放射線の入射に伴い光を発するシンチレータが堆積されていることを特徴とする光学素子。 - 前記シンチレータは、気相成長により成長されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
- 前記シンチレータは、柱状に成長された柱状構造体の配列から成ることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
- 前記シンチレータは、Ｘ線の入射に伴い可視光を発するシンチレータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。
- 前記シンチレータは、Ｘ線の入射に伴い紫外光を発するシンチレータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。
- 前記シンチレータは、ＣｓＩを含んで構成されることを特徴とする請求項４または５に記載の光学素子。
- 前記接着剤は、放射線の入射に伴い前記シンチレータで生じ、該接着剤に入射する光を吸収する接着剤であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学素子。
- 前記接着剤は、放射線の入射に伴い前記シンチレータで生じ、該接着剤に入射する光の５０％以上を吸収する接着剤であることを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
- 互いに隣接しない前記光学部材の側面には、光透過率が５０％以下である遮光材が形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学素子。
- 互いに隣接する前記光学部材の間隔は５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学素子。
- 互いに隣接する前記光学部材の間隔は２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の光学素子。
- 前記シンチレータ上に、保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学素子。
- 前記保護膜は、前記シンチレータに接するように形成されたポリパラキシリレンからなる耐湿保護層を含んで形成されることを特徴とする請求項１２に記載の光学素子。
- 前記保護膜は、前記シンチレータに接するように形成されたポリパラクロロキシリレンからなる耐湿保護層を含んで形成されることを特徴とする請求項１２に記載の光学素子。
- 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の光学素子と、前記光学部材の前記出射端面から出力される光イメージを撮像する撮像素子とを備えたことを特徴とする放射線検出器。
- 前記光学部材の前記出射端面から出力される光イメージを前記撮像素子に導く導光用光学部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１５に記載の放射線検出器。
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