Brevet FR2778021A1 — publié le 19991029

DETECTEUR D'IMAGE UTILISANT UN ECRAN SCINTILLATEUR La présente invention se rapporte aux détecteurs d'images dans lesquels sont associés un écran scintillateur et un capteur photosensible en matériau semi-conducteur. L'invention concerne plus précisément des moyens pour coupler l'écran scintillateur au capteur photosensible, et elle a pour but de réduire voire de supprimer certains effets, liés à ce couplage, et qui tendent à dégrader le contraste de l'image. L'invention s'applique notamment à la détection d'images radiologiques. En prenant pour exemple le domaine de l'imagerie en rayons X, les détecteurs d'images radiologiques nouvellement développés, sont i0 généralement basés sur l'association d'un écran scintillateur et d'un capteur photosensible en matériaux semi-conducteur. L'écran scintillateur a pour fonction de convertir un rayonnement incident à détecter (un rayonnement X dans l'exemple) contenant une image, afin de l'adapter à la sensibilité du capteur photosensible. Un écran scintillateur est généralement constitué par une couche d'une substance scintillatrice, sensible à un rayonnement ayant une gamme de longueurs d'onde donnée: la substance scintillatrice a la propriété d'absorber ce rayonnement, d'être excitée par lui et d'émettre en réponse à cette excitation, un second rayonnement de longueur d'onde visible ou proche du visible. En fonction de l'application envisagée, différentes compositions de substances scintillatrices sont utilisées comme par exemple l'oxysulfure de gadolinium dopé terbium (Gd202S:Tb), ou encore l'iodure de césium dopé thallium (Csl:TI). Le capteur photosensible comprend généralement une matrice de détection dont les élément détecteurs sont réalisés à partir de matériaux semi-conducteurs, le plus souvent du silicium cristallin ou amorphe. Le silicium cristallin ne peut être obtenu qu'en surfaces relativement faibles, aussi il sert le plus généralement à réaliser des capteurs photosensibles du type CCD (de l'anglais "Charges Coupled Device" soit en français dispositif à transfert de charges), dont le fonctionnement est basé sur un transfert de charges d'une zone semi- conductrice à une zone semi-conductrice contiguë. Ces capteurs du type CCD sont plus particulièrement utilisés dans le cadre de l'imagerie dentaire ou en mammographie. Le silicium amorphe hydrogéné permet de réaliser des capteurs photosensibles de grandes dimensions (pouvant atteindre par exemple 50 cm x 50 cm). Il est utilisé généralement à l'aide de techniques de dépôt de films en couches minces, pour constituer des matrices d'éléments détecteurs photosensibles, des photodiodes notamment. Ces matrices de détection, de dimensions variables, sont applicables à l'ensemble des domaines de la radiologie classique. De tels détecteurs d'image utilisant l'association d'un écran scintillateur et d'un capteur photosensible en matériau semi-conducteur sont bien connus, notamment par les documents indiqués ci-après: I'article nAmorphous Silicon X-ray Image Sensor"', par J. Chabbal et al., publié en 1996 dans la revue SPIE 2708, pages 499-510; l'article "Development of a high résolution, active matrix, flat panel imager with enhanced fill factor", par L. E. Antonuk et all., publié en 1997 dans la revue SPIE 3032, pages 2-13; le brevet US 5.276.329; on peut citer aussi une demande de brevet français 8614058 (n de publication 2605166), qui décrit une structure de détecteur d'image utilisant un écran scintillateur et une matrice de photodiodes en silicium amorphe, ainsi que le fonctionnement du détecteur d'image. Dans ces détecteurs d'images radiologiques, Il est courant de fabriquer séparément la couche scintillatrice et le capteur photosensible, et de les coupler par l'intermédiaire d'une couche de colle transparente. C'est le cas notamment lorsque l'écran scintillateur est du type dit "écran renforç,ateur", en Gd202S:Tb par exemple. Mais c'est aussi une configuration qui s'applique au cas des écrans scintillateurs du type obtenu par évaporation, comme par exemple les scintillateurs en l'iodure de césium dopé thallium (Csl:TI), qu'il est parfois nécessaire d'élaborer séparément afin de pouvoir leur appliquer des traitements thermiques ou chimiques incompatibles avec le capteur photosensible. La couche de colle se trouve ainsi située entre deux matériaux présentant généralement des indices de réfraction élevés. Par suite elle constitue un guide d'onde dans lequel la lumière de scintillation, produite au regard d'un pixel donné par la substance scintillatrice sous irradiation, peut se propager avant d'être captée par un détecteur photosensible autre que celui du pixel intéressé. La lumière qui se propage ainsi dans la couche de colle constitue un signal parasite, qui entraîne une dégradation du contraste de l'image. La figure annexée représente une structure classique d'un détecteur d'images radiologiques, par une vue en coupe permettant de situer la position de la couche de colle ci-dessus mentionnée, et d'illustrer la propagation de la lumière dans cette couche de colle. Le détecteur d'images comporte un écran scintillateur 5, et un capteur photosensible 6. Le capteur photosensible 6 est constitué par o10 exemple d'une matrice de détection 7 en silicium (cristallin ou amorphe), réalisée sur un substrat isolant 8. La matrice 7 comporte une pluralité d'éléments détecteurs D1, D2, D3, D4 dont quatre seulement sont représentés sur la figure pour simplifier cette dernière. Ces quatre éléments détecteurs D1 à D4 (symbolisés par des rectangles) sont disposés suivant un pas P, le long d'une même ligne parallèle au plan de la figure; ils définissent chacun un pixel auquel correspond une zone Zl, Z2, Z3, Z4 de l'écran scintillateur 5. Suivant une forme de réalisation la plus courante, I'écran scintillateur 5 est disposé sur la matrice 7 à l'opposé du substrat 8, c'est à dire du côté par lequel arrive un rayonnement X à détecter. La couche de substance scintillatrice qui forme l'écran 5, est appliquée et fixée sur la matrice 7 à l'aide d'une couche de colle 9 transparente vis à vis de la lumière produite dans l'écran scintillateur 5. Cette couche de colle 9 a une épaisseur E par exemple comprise entre 10 micromètres et 50 micromètres. La couche de colle 9 est obtenue habituellement à l'aide de polymères tels que des gels ou élastomères silicone, ayant un indice de réfraction voisin de 1,5. La silicium cristallin ou amorphe qui constitue la matrice de détection 7, possède un indice de réfraction très élevé, de l'ordre de 4; mais la matrice de détection 7 est généralement recouverte d'une couche de passivation 10 dont l'indice de réfraction est moins élevé: de l'ordre de 1,8 par exemple dans le cas habituel d'une couche 10 en nitrure de silicium. Les écrans scintillateurs 5 ont eux aussi fréquemment un indice de réfraction élevé: par exemple 1,8 pour l'iodure de césium. Dans cette configuration, le second rayonnement c'est à dire la lumière engendrée dans l'écran scintillateur 5 par l'exposition de ce dernier au rayonnement X, est transmise dans la couche de colle 9 o elle peut être distinguée suivant deux types de trajet qu'elle effectue: - a) une partie de cette lumière suit un trajet sensiblement normal au plan de l'écran scintillateur 5 et de la couche de colle 9, comme représenté par un premier rayon R1; la lumière qui suit un tel trajet est transmise de façon pratiquement directe dans la matrice 7 de détection, o elle est captée par un premier élément détecteur D1; on remarque que dans ce cas, cette lumière est captée par l'élément détecteur D1 correspondant à la première zone Z1 de l'écran scintillateur 5, zone dans laquelle cette lumière a été produite sous l'action d'un rayon X. - b) pour son autre partie représentée par un second rayon R2, la lumière venant du scintillateur 5 est diffusée (dans la couche de colle) aux interfaces entre la couche de colle 9 et les autres matériaux, c'est à dire l'écran scintillateur 5 et la couche de passivation 10. Cette lumière se trouve ainsi piégée dans le guide d'onde constitué par la couche de colle 9 placée entre deux milieux d'indice de réfraction plus élevés; elle peut alors se propager latéralement, assez loin du point d'impact des rayons X détectés, c'est à dire assez loin de la zone o elle a été produite; par conséquent, elle peut être captée par d'autres éléments détecteurs D2, D3, D4 que le détecteur D1 auquel elle était destinée. La lumière qui se propage latéralement dans la couche de colle 9 comme illustré par le second rayon R2, devient un signal parasite. Ce signal parasite constitue une cause importante et bien connue de la perte de contraste de l'image, aux basses fréquences spatiales. La présente invention concerne les détecteurs d'images dans lesquels un écran scintillateur et un capteur photosensible en matériau semiconducteur, sont associés à l'aide d'une couche appelée "couche de couplage" dans la suite de la description, formant une couche de colle ou non. L'invention a pour but de réduire la propagation latérale du signal lumineux dans cette couche de couplage, en vue d'améliorer le contraste de l'image. A cette fin, l'invention propose de rendre absorbante la couche de couplage, de manière qu'elle apporte d'une part, une atténuation de la transmission de lumière qui reste négligeable pour les trajets les plus courts, ceux qui correspondent à traverser la couche de couplage suivant une direction sensiblement normale au plan de cette couche, c'est à dire suivant son épaisseur; et qu'elle apporte d'autre part, une atténuation beaucoup plus forte pour les trajets qui correspondent à une propagation latérale dans la couche de couplage. En fait l'invention résulte notamment de la remarque que l'épaisseur E de la couche de colle 9 ou couche de couplage, est très inférieure au pas P suivant lequel se succèdent les éléments détecteurs D1 à D4 de la matrice 7. En conséquence, la longueur du trajet dans la couche 9 est beaucoup plus faible pour la lumière qui traverse suivant l'épaisseur E pour être captée par l'élément détecteur appartenant au pixel dans lequel elle été produite, que pour la lumière qui se propage latéralement en direction d'autres éléments détecteurs, et qui constitue un signal parasite néfaste au contraste de l'image. La mise en oeuvre de l'invention a donc pour conséquence bénéfique, de produire une plus forte atténuation de la transmission pour cette lumière qui se propage latéralement. Selon l'invention, un détecteur d'image comportant un écran scintillateur associé à un capteur photosensible par une couche de couplage, I'écran scintillateur étant exposé à un rayonnement à détecter qu'il convertit en un second rayonnement ayant une gamme de longueurs d'onde correspondant à la sensibilité du capteur photosensible, le capteur photosensible comportant des éléments détecteurs en matériau semi- conducteur disposés suivant un pas plus grand qu'une épaisseur de la couche de couplage, est caractérisé en ce que la couche de couplage est absorbante et atténue au moins une partie des longueurs d'onde du second rayonnement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif, et illustrée par l'unique figure annexée qui représente de manière schématique un détecteur d'images auquel peut s'appliquer l'invention. La figure déjà partiellement décrite pour expliquer les problèmes qui existent dans l'art connu, représente un détecteur d'image dont la structure générale permet de mettre en oeuvre l'invention. En fait, la seule différence entre un détecteur d'image conforme à l'invention et un détecteur d'image connu réside, dans la nature ou composition de la couche de couplage qui sert à associer un écran scintillateur et un capteur photosensible. En conséquence, toutes les explications déjà données à propos de l'écran scintillateur 5 et du capteur photosensible 6 restent valables pour la description qui suit. Pour éviter toute confusion, cette couche de couplage qui sert à associer l'écran scintillateur 5 et le capteur photosensible 6 conformément à l'invention, porte le repère 15, alors que la couche de colle de l'art connu portait le repère 9. La figure représente donc un détecteur d'image suivant l'invention, comportant un écran scintillateur 5 et un capteur photosensible 6 tels que déjà expliqués. L'écran scintillateur 5 coopère avec le capteur l0 photosensible 6 par l'intermédiaire d'une couche de couplage 15. Suivant une caractéristique de l'invention, la couche de couplage est légèrement absorbante pour au moins une partie de la lumière de scintillation, c'est à dire vis à vis d'au moins une partie des longueurs d'onde du second rayonnement (représenté par les rayons R1, R2) délivré par 1.5 l'écran scintillateur 5. Il est à noter que dans l'exemple non limitatif décrit, la couche de couplage 15 est une couche de colle, mais que l'invention peut s'appliquer aussi bien si cette couche 15 remplit une fonction différente. De façon classique, la lumière engendrée dans l'écran scintillateur 5 par l'exposition de ce dernier au rayonnement X, est transmise vers la couche de couplage 15 dans laquelle elle est susceptible d'effectuer les deux types de trajets représentés par les rayons R1 et R2, comme expliqué précédemment. Dans la configuration nouvelle qui résulte de ce que la couche de couplage 15 est absorbante: la transmission de la lumière qui suit des trajets comparables à celui du premier rayon R1 (trajets dont la longueur est la plus faible car elle correspond sensiblement à l'épaisseur E de la couche de couplage 15) peut ne subir qu'une atténuation faible, qui peut être considérée comme négligeable. L'absorption de la lumière de scintillation dans la couche de couplage 15, peut être obtenue par addition dans cette dernière d'un pigment noir ou coloré, par des méthodes en elles-mêmes classiques. En ajustant la concentration de ce pigment de façon à ce que l'absorption soit faible pour la lumière qui traverse la couche de couplage , parallèlement à l'épaisseur E de cette couche, on altère très peu la sensibilité du détecteur d'images. Par contre, pour une même concentration en pigments, I'atténuation étant dépendante de la distance parcourue dans la couche 15, la lumière qui se propage latéralement et qui suit des trajets semblables à celui représenté par le second rayon R2, couvre des distances beaucoup plus grandes. La transmission de cette lumière dite parasite qui se propage latéralement subit donc une atténuation beaucoup plus forte, au point même que son niveau peut devenir inférieur à celui qui est nécessaire à activer un élément détecteur D2 à D4. On peut considérer qu'avec une concentration en pigments lo permettant d'atténuer d'environ 2%, la transmission de la lumière qui effectue le trajet le plus court (la lumière qui traverse parallèlement à l'épaisseur E de la couche de couplage 15 comme symbolisé par le premier rayon R1), on obtient déjà des résultats intéressants montrant une amélioration notable de la réponse spatiale à grande distance, avec une diminution infime de la sensibilité du détecteur d'image. On détermine ainsi un pourcentage d'atténuation de la lumière par unité de longueur de la distance parcourue, avec comme unité la valeur de l'épaisseur E. Un assez bon compromis entre la sensibilité du détecteur et l'amélioration du contraste, est obtenu avec une concentration en pigments qui réalise une atténuation de l'ordre de 5% sur la transmission de la lumière traversant la couche de couplage 15 au plus court, soit parallèlement à l'épaisseur E de cette dernière et donc parallèlement au premier rayon R1; avec une telle concentration en pigments, on altère encore très peu la sensibilité, mais on atténue déjà beaucoup la propagation latérale. Dans ces conditions en effet, en supposant d'une part que l'épaisseur de la couche de couplage 15 soit de 15 micromètres, et d'autre part que les éléments détecteurs D1 à D4 soient disposés suivant un pas P égal par exemple à 150 micromètres (ce qui est voisin d'un cas courant en pratique): une lumière produite dans l'écran scintillateur 5 au niveau par exemple de la première zone Z1, et se propageant latéralement dans la couche de couplage 15 comme le second rayon R2, doit parcourir une distance de l'ordre de 500 micromètres avant de sortir de cette couche pour atteindre par exemple le quatrième élément détecteur D4, soit une distance égale à 30 fois l'épaisseur E. On voit que dans ces conditions, la lumière parasite a été fortement absorbée car sa transmission vaut alors: (1-0,05)3 -=0,2 soit une atténuation de 80%. Différents compromis sont possibles, selon que l'on souhaite privilégier la sensibilité du détecteur d'image ou le contraste de l'image: en augmentant l'absorption de la couche de couplage 15, on réduit la sensibilité au profit d'une absorption sur une distance plus courte. Le pigment qui détermine l'absorption de la couche de coupage , peut aussi être choisi pour absorber sélectivement certaines longueurs d'onde. Il peut être choisi par exemple pour laisser passer sans absorption notable une lumière appelée nde remise à zéro", souvent nécessaire dans l0 certains capteurs photosensibles à base de silicium amorphe. Ainsi par exemple, on trouve plusieurs types d'écrans scintillateurs, notamment ceux en CsI:TI, qui émettent autour de 550 nanomètres (vert); en utilisant une couche de couplage 15 dont l'absorption est sélective en longueur d'onde, la lumière de remise à zéro peut avantageusement être rouge (650 nanomètres). Il est facile à cet effet de trouver et d'incorporer dans la couche de couplage 15, un colorant transparent autour de 650 nanomètres et absorbant vers 550 nanomètres. L'invention s'applique à tous les détecteurs d'image dans lesquels, un écran scintillateur et un capteur photosensible en matériau semiconducteur sont associés à l'aide d'une couche de couplage destinée ou non à coller l'écran scintillateur sur le capteur. Les domaines d'application sont par exemple ceux de la mammographie, de l'imagerie dentaire, et de la radiographie générale. L'invention s'applique également aux détecteurs d'image associant un écran fluorescent et un capteur pour l'imagerie ultraviolette ou infrarouge. REVENDICATIONS 1. Détecteur d'image comportant un écran scintillateur (5) associé à un capteur photosensible (6) à l'aide d'une couche de couplage (15), l'écran scintillateur (5) étant exposé à un rayonnement à détecter qu'il convertit en un second rayonnement (R1, R2) ayant une gamme de longueurs d'onde correspondant à la sensibilité du capteur photosensible (6), le capteur photosensible (6) comportant des éléments détecteurs (D1 à D4) en matériau semi-conducteur disposés suivant un pas (P) plus grand qu'une épaisseur (E) de la couche de couplage (15), caractérisé en ce que la couche de couplage (15) est absorbante et atténue au moins une partie des longueurs d'onde du second rayonnement (R1, R2). 2. Détecteur d'image suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'atténuation du second rayonnement (R1, R2) dans la couche de couplage (15), est liée à la distance parcourue par ce dernier dans ladite couche de couplage. 3. Détecteur d'image suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'atténuation du second rayonnement (R1, R2)) dans la couche de couplage (15), est égale ou supérieure à 2% pour une distance parcourue dans la couche de couplage (15) correspondant à l'épaisseur (E) de cette couche. 4. Détecteur d'image suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'atténuation du second rayonnement (R1, R2)) dans la couche de couplage (15), est égale ou supérieure à 5% pour une distance parcourue dans la couche de couplage (15) correspondant à l'épaisseur (E) de cette couche. 5. Détecteur d'image suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de couplage (15) est absorbante de manière sélective en longueurs d'onde. 6. Détecteur d'image suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'absorption par la couche de couplage (15) est centrée sensiblement sur des longueurs d'onde correspondant au second rayonnement (R1, R2) délivré par l'écran scintillateur (5). 7. Détecteur d'image suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de couplage (15) est une couche de colle. 8. Détecteur d'image suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de couplage (15) a une épaisseur (E) comprise entre 10 micromètres et 50 micromètres. 9. Détecteur d'image suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rayonnement à détecter est un rayonnement X. 10. Détecteur d'image suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur est du silicium.