(57)【要約】デジタルＸ線イメージング用の方法及び装置が、上部電極層（１２）、誘電体層（１４）、感光層及び電荷回収電極（２４）を包含する複数個のピクセルを有するセンサー（１６）、電荷回収電極（２４）へ接続している薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を読取マトリクス（１８）、上部電極層（１２）とＴＦＴ読取マトリクス（１８）との間にある範囲の電圧を与えるべく適合されている可変電源（７０）を有するイメージング装置（１０）を使用する。上部電極層（１２）とＴＦＴ読取マトリクス（１８）との間の電圧を変化させることは、単一電圧において与えられるよりもより大きな範囲の露光にわたって許容可能な信号対雑音比を与える。本方法は非破壊的テスティング適用例にとって有用である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタルＸ線イメージング装置において、
上部電極層、
前記上部電極層の下側の誘電体層、
前記誘電体層の下側であって感光層及び各々が電荷回収電極を構成する複数個のピクセルを有しているセンサー層、
前記電荷回収電極へ接続されている薄膜トランジスタ読取マトリクス、
前記上部電極層と前記読取マトリクスとの間にある範囲の電圧を供給すべく適合されている可変電源、
を有しているデジタルＸ線イメージング装置。
【請求項２】
請求項１において、前記可変電源がプログラム可能電源を有しているデジタルＸ線イメージング装置。
【請求項３】
請求項１において、前記感光層がセレン、ヨウ化鉛、臭化タリウム、ヨウ化インジウム、テルル化カドミウムからなるグループから選択した元素を有しているデジタルＸ線イメージング装置。
【請求項４】
請求項３において、前記感光層が約１００乃至約１０００ミクロンの厚さであるデジタルＸ線イメージング装置。
【請求項５】
請求項４において、前記感光層が約５００ミクロンの厚さのセレン層を有しているデジタルＸ線イメージング装置。
【請求項６】
請求項１において、前記電源が少なくとも約２：１のターンダウン比である範囲の電圧を供給すべく適合されているデジタルＸ線イメージング装置。
【請求項７】
請求項５において、前記電源が約１．５ｋＶ及び約３．０ｋＶの間の範囲の電圧を供給すべく適合されているデジタルＸ線イメージング装置。
【請求項８】
上部電極層と読取マトリクスとを具備するデジタルＸ線イメージング装置において、前記上部電極層と前記読取マトリクスとの間にある範囲の電圧を与えるべく適合されている可変電源を有する改善がされているデジタルＸ線イメージング装置。
【請求項９】
デジタルＸ線イメージング装置に対する広い動的範囲を与える方法において、
前記デジタルＸ線イメージング装置が、上部電極層と、誘電体層と、感光層及び各々が電荷回収電極を有している複数個のピクセルを有するセンサー層と、前記電荷回収電極へ接続している薄膜トランジスタ読取マトリクスと、前記上部電極層と前記読取マトリクスとの間に電圧を供給する電源とを有しており、
本方法が、単一の電圧において与えられるよりもより大きな範囲の露光にわたり許容可能な信号対雑音比を与えるために前記上部電極層と前記読取マトリクスとの間の電圧を変化させることを包含している方法。
【請求項１０】
請求項９において、更に、１つ又はそれ以上のオブジェクトの非破壊的テスト方法を使用することを包含している方法。
【請求項１１】
請求項１０において、更に、プリント回路基板、ワックス鋳造、金属鋳造、タービンブレード、ロケットコーンからなるグループから選択したオブジェクトに関して非破壊的テストを実施することを包含している方法。
【請求項１２】
請求項９において、約１．５ｋＶと約３．０ｋＶとの間の範囲において電圧を変化させることを包含している方法。
【請求項１３】
請求項９において、約１０ＫｅＶから約１０ＭｅＶへのＸ線エネルギの範囲で前記デジタルイメージングＸ線装置を使用することを包含している方法。
【請求項１４】
請求項９において、少なくとも約５０の信号対雑音比を与えることを包含している方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はデジタルイメージングシステムに関するものであって、更に詳細には、デジタルイメージングシステムにおいて許容可能な信号対雑音比で広い動的範囲を与える方法及び該方法と共に使用するために動作可能なデジタルイメージングシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非破壊的テスティングは、Ｘ線、超音波、赤外イメージングを包含する多数の異なる技術を利用する場合がある。全非破壊的テスティング検査の約２５％は現在のところＸ線を使用して実施されている。デジタルＸ線イメージング装置は、特に、非破壊的イメージングにとって有用なものである。Ｘ線非破壊的テスティングにおいて使用される適用例の全範囲は、低ＫｅＶからＭｅＶ適用例の大きなエネルギスペクトルをカバーしており、例えば、約４０ＫｅＶから約１０ＭｅＶであって、プリント回路基板、ワックス鋳造、金属鋳造、タービンブレード、ロケットコーン等の品目を制限なしでカバーしている。従って、広い動的範囲のエネルギレベルにわたって大面積高分解能イメージを与えることが可能なシステムは多くの適用例において満足の行く性能に対し望ましいものである。
【０００３】
デジタルイメージング期間中に検査されるオブジェクトの特徴は、通常、「ホトン制限型」であり、低コントラストの詳細を区別することが可能であるように高いラディエーション露光が使用されることを意味している。これらの適用例は低信号対雑音比条件から非常に高い信号対雑音比条件の範囲にわたっている。典型的に、高い画像コントラストが所望され、そのことは高い信号対雑音比を必要とする。高い信号対雑音比に対する願望は、与えられたシステムを最適化することが可能な適用例の数を制限する。従って、全てのＸ線非破壊的テスティング適用例を最適に満足させるためには、現在のところいずれか１つのシステムでは全エネルギ範囲に対しての信号対雑音比の条件を満足することが不可能であるので、一揃いのイメージングシステムが必要とされる場合がある。
【０００４】
スクリーン・フィルムはデジタルシステムと典型的に比較されるアナログイメージングの最適なスタンダードである。現在使用中であり且つ開発中の多くのデジタルＸ線システムは、２，３の例を挙げると、幾つかは電荷結合素子（ＣＣＤ）技術に基づいており、その他のものは光励起格納蛍光技術に基づいており、且つ更にその他は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）技術に基づいている。これらのデジタルシステムのうちの幾つかは性能においてフィルムに匹敵するものであるが、全ての範囲の適用例にわたるものではない。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第５，３１３，０６６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、広い範囲の適用例及びエネルギレベルにわたって単一の装置を使用することが可能であるようにデジタルＸ線システムの動的範囲及び信号対雑音比を制御する方法を提供することが望ましい。特に、ＴＦＴを基礎としたデジタルＸ線システムに関してこのような方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、デジタルＸ線イメージング装置及び方法を有している。本イメージング装置は、上部電極層、誘電体層、感光層と各々が電荷回収電極を有している複数個のピクセルとを有するセンサー層、該電荷回収電極へ接続されている薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）読取マトリクス、該上部電極層と該ＴＦＴ読取マトリクスとの間にある範囲の電圧を供給すべく適合されている可変電源とを有している。該可変電源は、プログラム可能な電源を有することが可能であり、且つ約１．５ｋＶと約３．０ｋＶとの間のある範囲の電圧を与えるように約２：１のターンダウン比を有することが可能である。
【０００８】
上述したようなデジタルＸ線イメージング装置の場合、本発明は該装置に対し広範な動的範囲を与える方法を有している。本方法は、単一の電圧において供給されるよりもより大きな範囲の露光にわたり許容可能な信号対雑音比を与えるために上部電極層とＴＦＴ読取マトリクスとの間の電圧を変化させることを包含している。本方法は、これらに限定されるものではないが、プリント回路基板、ワックス鋳造、金属鋳造、タービンブレード、ロケットコーン等の１つ又はそれ以上のオブジェクトの非破壊的テスティングのために使用することが可能である。本方法は、少なくとも約５０の信号対雑音比を与えることを包含することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ＴＦＴデジタルＸ線システムは当該技術において公知であり、例えばＬｅｅ  ｅｔ  ａｌ．に対して発行されている米国特許第５，３１３，０６６号において記載されており、それを引用により本明細書に取込む。薄膜技術（ＴＦＴ）は、当初は、アクティブマトリクス液晶ディスプレイ（ＡＭＬＣＤ）において使用される大面積電子回路に対して開発されたものである。結晶シリコンを使用して製造されるスタンダードの電子部品と異なり、ＴＦＴはアモルファスシリコンを使用し且つガラス基板上に付着形成される。従って、該装置は比較的大型に製造することが可能であり、その寸法は基板の寸法に制限される。ピクセルをターンオン又はターンオフさせるためにＴＦＴスイッチを使用するＡＭＬＣＤと異なり、ＴＦＴを基礎としたデジタルイメージングシステムはピクセルから信号を読取るためにＴＦＴスイッチを使用する。ＴＦＴを基礎としたデジタルイメージングシステムにおいて使用される２つの方法のイメージキャプチャが存在しており、即ち間接的及び直接的変換である。
【００１０】
間接的デジタルシステムは間接的変換検知器を使用し、その場合に、タリウムでドープしたヨウ化セシウム（ＣｓＩ（Ｔｌ））等のシンチレーターがＸ線エネルギをキャプチャし且つそれを光へ変換させる。薄膜ダイオード（ＴＦＤ）のアレイが光ホトンを電子的信号へ変換する。これらの電子的信号はＴＦＴを使用して読取られる。然しながら、シンチレーターにおける光散乱がイメージの品質を危うくする場合がある。
【００１１】
直接的デジタルシステムは、間接的システムにおいて本質的な光散乱から悪影響を受けることはない。直接的システムにおいては、感光体がＸ線を吸収し且つイメージ品質を劣化させる中間のステップなしで電子的信号を直接的に発生する。外部電界の影響下において、該電子的信号はピクセル電極に向かってドリフトし且つピクセルコンデンサ上に回収される。電子的信号は電界線に沿って移動するので、電荷の横方向の移動は存在しない。このことは、非常に狭い点に広がった応答を発生し、それは物理的なピクセルの寸法によって制限される。
【００１２】
図１は本発明の例示的なＴＦＴを基礎とした検知システム１０の断面である。検知システム１０は、上部電極１２と、誘電体層１４と、アモルファスシリコンＴＦＴ読取マトリクス１８へ結合したセンサー１６とを有するイメージングアレイを有している。該イメージングアレイ（要素１２−１８）は、典型的に、機械的安定性のためにガラス基板２０の上に装着される。センサー１６は、好適には、これらに制限されるものではないが、例えば、アモルファスのセレン（Ｓｅ）、ヨウ化鉛（ＰｂＩ２）、臭化タリウム（ＴｌＢｒ）、ヨウ化インジウム（ＩｎＩ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、及びその他の感光性物質等のＸ線半導体層を有しており、ピクセルマトリクス内の複数個のピクセル２４（電荷回収電極）を収容している。以下において本発明をセレン層について説明するが、その他の適宜の化合物のいずれかを置換させることが可能であることを理解すべきである。各ピクセル２４はその上に電子阻止層２６を有することが可能である。ＴＦＴ読取マトリクス１８は複数個のＴＦＴ３０及び単一格納コンデンサ３２を有している。例えば非破壊的テスティング適用例において使用する例示的な検知器１０は、ピクセルマトリクスが３０７２×２５６０個のピクセルを包含し、各ピクセルが１３９μｍ×１３９μｍの寸法である１４インチ×１７インチの寸法のアクティブなイメージング区域を有することが可能である。
【００１３】
ピクセル２４は二次元アレイに配列されており、図２に示したように、ゲート制御線４１の行４０及びイメージ出力線４３の列４２を有している。電荷増幅器４４及び関連する電荷積分器回路４５が各画像出力線へ取付けられており且つ当該技術において公知の如く相関型二重サンプリング回路４６へ接続している。各ピクセル要素は、図１における要素６０により模式的に示されているような３コンデンサ直列回路と電気的に類似している。動作について説明すると、最大でミクロン当たり約１０ボルトのバイアス電界を、ＴＦＴアレイ１８の底部を接地し且つ電源７０（図１に示してある）を使用して上部電極１２へ高電圧を印加することによりセレン層を横断して形成させる。次いで、図１に示したように、該検知器をＸ線に露光させる。その結果発生する強度が変調されたＸ線フラックスが吸収されるＸ線エネルギの量に比例して該セレン内に電子・正孔対を発生する。
【００１４】
バイアス用電界は、電荷対を分離し、次いで、それらは表面に対してほぼ直交する電界線に沿って移動する。フラットパネルＸ線検知器において使用するためのマサチューセッツ州ピーボディのアナロジックの子会社であるＡＮＲＡＤにより製造される合金のようなセレン合金を適切な移動度及び長いディープトラッピング（ｄｅｅｐ−ｔｒａｐｐｉｎｇ）寿命を与えるような構成とすることが可能であり、従って殆どの電荷は再結合なしで半導体の厚さを介して移動する。電子５０は真っ直ぐ上方へ移動し且つセレン・誘電体界面１５に蓄積する。正孔５２はＴＦＴアレイ構成体上側の最も近いピクセル電極、典型的には初期的発生位置のすぐ下側の電極へ向かって下方へ牽引される。全ての移動された正孔はどれかのピクセルによって回収され、且つ精密なピクセル製造ホトリソグラフィが一様な電荷の回収を確保する。直接変換検知器は１つの画像形成変換プロセスのみが関与するので、ピクセル利得変動を導入する付加的なプロセスは存在しない。
【００１５】
セレン・誘電体界面１５に蓄積する電子５０は印加電界に対向する電界を形成する。従って、非常に高い入力信号において、印加電界が減少され、そのことは各ピクセルに位置している格納コンデンサ３２上に蓄積することが可能な電荷の量を制限する。このメカニズムはＴＦＴアレイを過剰な露光に起因する損傷から保護する。
【００１６】
図３はＸ線エネルギの関数としてのセレン感光体の５００μｍ層内におけるＸ線の吸収のプロットを示している。この吸収は低エネルギにおいての１００％に近いものから３００ＫｅＶを超えるエネルギにおいての１％未満のものの範囲にわたっている。この吸収効率は、イメージの品質を損なうことなしに感光体層をより厚いものとすることにより改善することが可能である。
【００１７】
アナログＸ線イメージングシステムの分解能特性は、変調伝達関数（ＭＴＦ）を使用して広く特性付けられている。然しながら、デジタル放射線システムにおけるＭＴＦはエイリアシングに起因する誤った応答を包含する場合がある。一般的に、デジタルシステムにおける全体的なＭＴＦは次式で表わすことが可能であり、
【００１８】
【数１】
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【００１９】
尚、ＭＴＦaはアナログ入力のＭＴＦであり、ＭＴＦSはサンプリングピクセルアパーチャのＭＴＦであり、＊はコンボリューション演算を示しており、且つＭＴＦRはフィルタリング及びディスプレイ等のシステムの残部に起因するＭＴＦである。
【００２０】
（ＭＴＦa×ＭＴＦS）の積はデジタルシステムのプレサンプリングＭＴＦと呼称され、且つそれは幾何学的アンシャープネス、検知アンシャープネス、及びサンプリングアパーチャアンシャープネスを包含している。プレサンプリングＭＴＦは、サンプリング前のデジタルシステムの本来的な分解能能力を特性付ける。
【００２１】
図４は多少角を付けたエッジ技術を使用して測定したプレサンプリングＭＴＦのグラフを示している。ＭＴＦ計算に関してのエイリアシングの効果を最小とさせるために、ナイフエッジを横断して複合微細サンプル型データセットを発生するために注意を行った。ラインスプレッド関数（ＬＳＦ）を得るためにエッジ応答の第一導関数をとる場合にノイズの最小化も必要であった。ＬＳＦは一次元光学的伝達関数（ＯＴＦ）を与えるために変換されたフーリエである。ＭＴＦは複合ＯＴＦの振幅として定義した（ＭＴＦ＝｜ＯＴＦ｜）。幾つかの単一行ＭＴＦを測定し且つそれらの値を平均化させた。図４に示したようなプレサンプリングＭＴＦは正方形ピクセルアパーチャＭＴＦの理論値に密接に追従しており、セレンの５００μｍ層の使用に起因する分解能における劣化は殆どないことを表わしている。約１００乃至約１０００ミクロンの範囲内の厚さを有するセレン層が望ましい。
【００２２】
非破壊的テスティング適用例は、典型的に、全て信号対雑音制限型適用例である。イメージング性能は、コントラストにおける小さな変化を測定することにより支配され、典型的な変化は約２％である。コントラストを改善するために、信号対雑音比を増加させることが必要である。約５０の最小の信号対雑音比は２％の感度を与える。散乱ラジエーションは画像品質に悪影響を与え、従って、実際上、信号対雑音比は５０よりも著しく高い場合がある。殆どのイメージングシステムはあるエネルギ範囲において動作すべく最適化されている。このことは、その他のエネルギ範囲においてのそれらの性能を制限する。
【００２３】
上述したように、電源７０を使用してセンサー層１６を横断してバイアス電圧を印加する。センサー層１６内の感光体と相互作用を行うＸ線が電子・正孔対を発生し、該対は印加電界によって分離される。回収される電荷の数は印加電界の関数である。電界が増加されると、より高い信号が回収され、それに対応して、より高いノイズが一定の信号対雑音比を維持する。信号対雑音比における損失がないことを確保するために最小の電界（ＥC）が必要であるが、電界がこの最小値を超えて増加されると、信号対雑音比は一定に止まる。従って、印加電界がＥCを超えて増加されると、デジタル電子飽和点が減少し、動的範囲を減少させる。従って、プログラム可能な印加電界を有する本発明の単一イメージングシステムは多くの適用例を満足させることが可能である。従って、本発明のイメージングシステム１０はプログラム可能な印加電界を与えることが可能なプログラム可能な高電圧電源７０を有している。
【００２４】
図５は印加高電圧の関数としての入力・出力伝達特性（デジタルカウント対ｍＲ単位での露光）のプロットを示している。図５に示したように、高電圧が３．０ｋＶから１．５ｋＶへ変化されると、飽和点が２５ｍＲから７５ｍＲへ変化し、従ってリニア範囲において３×の増加を発生する。
【００２５】
図６は高電圧の関数としての異なる露光レベルにおいての信号対雑音比のプロットである。高電圧が３．０ｋＶから１．５ｋＶへ減少されると、信号対雑音比は１８０から飽和前の３３０へ増加する。１．５ｋＶの印加電圧において、信号対雑音比を数％だけ減少させる信号の損失が存在している。約１．５ｋＶと約３．０ｋＶとの間の範囲を有する電源が望ましい。何故ならば、それは約１０ＫｅＶから約１０ＭｅＶのＸ線エネルギの範囲で使用することを可能とし、そのことは広範囲の業界における非破壊的テスティングアプリケーションを受付けることを可能とする。可変電源により与えられる高電圧範囲は３．０ｋＶより大きいか又は１．５ｋＶより小さい値へ拡張することが可能であり、且つ電源は本明細書に記載した約１．５乃至３．０ｋＶの範囲の約２：１のターンダウン比より大きいか又は小さい動作範囲を有することが可能である。本明細書において使用されているように、「ターンダウン比」という用語は、電源により与えられる電圧範囲内の最も高い電圧の該範囲内の最も低い電圧に対する比のことを意味している。
【００２６】
従って、上述したように、セレン・感光体を基礎とした医学的デジタルイメージングシステム等のデジタルイメージングシステムは大面積高空間分解能及び広い動的範囲を与えるべく設計し且つ最適化させることが可能であり、該システムを特に非破壊的テスティング適用例に対して有用なものとさせることが可能である。感光体を横断して印加される電界を変化させることにより、該装置が殆どのＸ線非破壊的テスティング適用例をカバーするように信号対雑音の挙動を修正させることが可能である。本装置はプリント回路基板、ワックス鋳造、金属鋳造、タービンブレード、ロケットコーン等の全ての産業的適用例における非破壊的テスティングにとって有用である。本発明から利点を得ることが可能な業界及び製品のリストは無限である。散乱ラジエーションを減少させることは改善した画像コントラストを与える場合がある。非破壊的テスティングにとって特に有用であるが、本発明のデジタルイメージングシステムはいずれかの特定の使用に制限されるものではない。
【００２７】
プログラム可能な電源７０は、基本的に、可変電圧供給源及び該電圧供給源に対するプログラム可能な制御器を有している。該プログラム可能な制御器は、本Ｘ線システムで画像形成すべき資料に関してのあるデータ（例えば、厚さ、構成物質等）をユーザが入力することが可能なソフトウエアへリンクさせることが可能であり、該データから該ソフトウエアは電圧設定を計算することが可能である。あるタイプの資料に対して適切な電圧を確保することは、更なる試行錯誤を必要とする場合があり、従って、プログラム可能な制御器は各タイプの資料に関連して使用するために多数のプリセット設定を保存することを可能とする。従って、例えば、同一のイメージングユニットが多数の異なる品目に対して日常的に使用される場合には、各タイプの品目は要求された場合に呼び出すことが可能なそれ自身の保存された設定を有している場合がある。
【００２８】
可変電源に関連してプログラム可能な制御器を使用することが望ましいが、可変電源は手作業により制御することが可能であり、且つ、例えば、ユーザが所望の設定に電圧を設定するために使用することが可能なデジタル又はアナログのインジケーターを有することが可能である。従って、開始点としての最適電圧の計算及びある資料に対しての好適電圧の保存はソフトウエアを使用する代わりにユーザにより手作業により行うことが可能である。
【００２９】
上述した説明に基づいて当業者が、特に、上述した例において使用した実際の数値に関して多数の修正を行うことは自明である。このような修正の全ては特許請求の範囲に記載される本発明の技術的範囲内に包含されるものとして解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の例示的なＴＦＴを基礎とした検知システムの概略断面図。
【図２】ピクセル及び基本的読取回路の二次元配列の概略図。
【図３】入力Ｘ線エネルギの関数としての５００μｍ厚さのセレン感光体の吸収特性のグラフ。
【図４】ミリメーター当たりのライン対（ｌｐ／ｍｍ）で測定した周波数の関数としての例示的なイメージングアレイのプレサンプリング変調伝達関数（ＭＴＦ）のグラフ。
【図５】ｍＲにおいての入力露光強度の範囲にわたっての高電圧の関数としての入力・出力伝達特性のグラフ。
【図６】ｍＲでの入力露光強度の範囲にわたっての高電圧の関数としての信号対雑音比（ＳＮＲ）のグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004533122.tif 000029
2004533122.tif 000030