放射线成像装置和放射线成像方法与流程

本发明涉及一种放射线成像装置，尤其涉及一种通过超分辨率化实现了空间分辨率的提高的新的放射线成像装置和放射线成像方法。

背景技术：

1、放射线成像装置、特别是利用了x射线的成像装置被用作如半导体设备那样的微细加工产品的非破坏检查工具，或者被用作在从物质科学、生命科学到基础物理的广泛领域中优秀的观察和分析工具。在这样的用途中使用的间接摄影方式的x射线成像装置一般构成为具备通过闪烁体将x射线像转换为可见光像并通过图像传感器进行曝光的摄像机光学系统以及进行以来自图像传感器的摄像信号为基础的图像处理而得到解析影像的信号处理系统。另一方面，在半导体集成电路设备的领域中，近年来，线宽的微细化的进展快，要求与其对应的高分辨率的x射线成像装置。针对所述的要求，迄今为止在摄像机光学系统和信号处理系统中分别进行了各种高分辨率化的改进。在下述专利文献1中示出了针对包含闪烁体的摄像机光学系统的空间分辨率的改善对策之一。

2、现有技术文献

3、专利文献

4、专利文献1：日本特开2019-20336号公报

技术实现思路

1、发明要解决的问题

2、专利文献1提出了以下内容：在所谓的间接摄影方式的x射线成像装置中，通过采用将用于使入射x射线转换为可见光的作为闪烁体的荧光膜以保持折射率的均匀性的方式形成于由折射率接近该荧光膜的折射率的固体光学材料构成的透镜状基体的一面而得到的透镜一体型的闪烁体、所谓的固体浸没透镜(solid immersion lens：sil)，来将空间分辨率提高至接近理论极限值的100nm左右。然而，这样的固体浸没透镜由于制作的技术难度高，因此在实用化方面仍有问题。即，实际情况是，由于这样的sil的实用化需要亚微米左右的极薄的闪烁体膜、在薄膜加工时闪烁体内的光学品质容易劣化而无法进行高精度的光学设计等原因，难以得到稳定品质的产品。另外，即使实现了如专利文献1那样的使用sil的x射线成像装置，也是达到就光学系统而言的理论极限值，因此无法期望大幅超过该理论极限值的空间分辨率，存在无法满足在纳米级上日益微细化的摄像对象物的观察要求的问题。

3、一般性公开

4、在此，本发明的基本思路在于，将到达闪烁体的放射线以能够被观察为以光子或粒子为单位发生了离散的可见点像的程度的极短的曝光时间多次拍摄，将可见点像辨别为对焦信号和非对焦信号，仅使用对焦信号来生成放射线观测图像。通过将图像传感器的曝光时间控制得短，能够将到达闪烁体的x射线像作为以x射线的一个光子为单位在空间上离散的可见点像子帧群而得到。并且，能够通过将图像传感器上的可见点像的受光图案与同光学系统的数值孔径、闪烁体的荧光波长相应的理论上的对焦可见点像的受光图案(艾利斑)进行比较，来辨别对焦信号和非对焦信号。

5、这样，即使到达作为闪烁体的荧光膜的x射线光子的穿透距离不固定从而在物镜的景深以外的位置进行了可见光转换，也能够通过将这样的排除了非对焦信号的只有对焦信号的子帧群叠加来构成观测图像，由此放宽对荧光膜的厚度的要求地得到清晰的图像。

6、从本发明的另一观点来看，其特征在于，在如上述那样辨别并提取出的对焦信号中，还应用以相较于图像传感器的像素尺寸而言更精细的精度确定对焦信号的点像的中心位置的光子局域化法，由此实现x射线图像的超高精细化。光子局域化法本身是已经周知的图像信号的超分辨率处理的一种方法，通过与上述对焦信号子帧群的图像信号处理一并使用，能够获得更清晰的精细图像。

7、并且，从本发明的另一观点来看，其特征在于，在如上述那样辨别并提取出的对焦信号中，还根据x射线的一个光子所对应的进行可见光转换得到的可见光子数来辨别透射了摄像对象试样的x射线的能量。由此，能够高精度地得到观察对象试样的构成材料的特定信息。

8、总之，本发明是一种放射线成像装置，具备：放射线摄像机，其具有闪烁体、成像光学系统以及图像传感器，从放射线源透射了摄像对象物的放射线入射至所述闪烁体，并且所述闪烁体射出波长比所述放射线的波长长的荧光，所述成像光学系统通过使景深与设定在所述闪烁体的样本面相匹配的物镜来在成像面成像，所述图像传感器配置于所述成像面，具有由多个像素构成的受光面；以及控制部，其基于从该放射线摄像机的所述图像传感器输出的每个所述像素的传感器信号来生成图像，

9、所述控制部具有：曝光时间控制部，其控制图像传感器的曝光时间，使得到达所述闪烁体的放射线的景深处的对焦荧光和景深以外的非对焦荧光在所述图像传感器的受光面处按所述放射线的每一个粒子离散地被拍摄；对焦信号辨别部，其用于将各个子帧中离散地包含的、与所述对焦荧光光斑对应的受光像素群的传感器信号以及与非对焦荧光光斑对应的受光像素群的传感器信号以各所述荧光光斑的广度进行辨别；以及图像信号处理部，其基于来自与所述对焦荧光光斑对应的受光像素群的传感器信号来生成所述图像。

10、此外，此处在本发明中所说的放射线能够理解为x射线、紫外线、或者电子等粒子线，在以后的说明中，以x射线为本发明的最优选的应用例的代表。

11、在本发明的一个方式中，提供一种放射线成像装置。可以为，放射线成像装置具有放射线摄像机，放射线摄像机具有：闪烁体，从放射线源透射了摄像对象物的放射线入射至闪烁体，并且闪烁体射出波长比放射线的波长长的荧光；成像光学系统，其通过使景深与设定在闪烁体的样本面相匹配的物镜来在成像面成像；以及图像传感器，其配置于成像面，具有由多个像素构成的受光面。可以为，放射线成像装置具有控制部，控制部基于从放射线摄像机的图像传感器输出的多个像素中的每个像素的传感器信号来生成图像。可以为，控制部具有曝光时间控制部，曝光时间控制部控制图像传感器的子帧曝光时间，使得到达闪烁体的放射线所产生的景深处的对焦荧光和景深以外的非对焦荧光在图像传感器的受光面处按放射线的每一个粒子离散地被拍摄。可以为，控制部具有对焦信号辨别部，对焦信号辨别部用于辨别各个子帧中离散地包含的、与对焦荧光的光斑对应的受光像素群的点像传感器信号以及与非对焦荧光的光斑对应的受光像素群的点像传感器信号。可以为，控制部具有图像信号处理部，图像信号处理部将基于来自与对焦荧光的光斑对应的受光像素群的点像传感器信号的子帧数据进行累计来生成图像。

12、可以为，图像信号处理部包含点像信号检测部，点像信号检测部对来自与对焦荧光的光斑对应的受光像素群的点像传感器信号进行处理来计算在该受光像素群中的点像的中心位置，基于中心位置来生成图像。

13、可以为，图像信号处理部包含放射线能量分解图像生成部，放射线能量分解图像生成部将与具有不同的能量且以粒子为单位离散地入射至闪烁体的放射线对应地产生的对焦荧光的每个光斑的受光传感器信号电平在连续的多个子帧中划分为多个电平范围，基于相同的电平范围内包含的对焦荧光的光斑彼此的传感器信号来生成与放射线的能量分布对应的图像。

14、可以为，曝光时间控制部根据放射线的强度进行曝光时间的控制使得图像传感器中的放射线检测频度成为0.02光子/像素/子帧以下，获得由多个子帧构成的至少6.4×105张连续摄像信号来生成图像。

15、可以为，物镜包含在放射线的入射面侧一体地形成有作为闪烁体的荧光膜的固体浸没透镜结构的最前部透镜。

16、可以为，物镜包含由作为闪烁体的荧光膜和在放射线的入射面侧一体地形成有荧光膜的透镜状基体构成的最前部透镜，并且荧光膜由将构成透镜状基体的固体光学材料作为母料并添加预先决定的活化剂而得到的固体光学材料构成。

17、可以为，物镜具有由作为闪烁体的荧光膜和在入射面侧一体地形成有该荧光膜的透镜状基体构成的最前部透镜，荧光膜与透镜状基体之间的折射率差小于0.1％。

18、可以为，物镜包含由具有闪烁体功能的材料形成的固体浸没透镜结构的最前部透镜。

19、可以为，透镜状基体由无添加的石榴石晶体形成，荧光膜由向无添加的石榴石晶体中添加活化剂而得到的石榴石晶体形成。

20、可以为，透镜状基体由无添加的钆铝镓石榴石(gagg)形成，荧光膜由添加了作为活化剂的铈的钆铝镓石榴石(ce∶gagg)形成。

21、可以为，放射线成像装置具有使放射线的一个光子或一个粒子在荧光膜生成的荧光被图像传感器的受光面上的像素检测为50个电子以上的点像信号的放射线-信号综合转换效率。

22、可以为，放射线为x射线，表示向由图像传感器检测的传感器信号的转换效率的x射线-信号综合转换效率ηtotal满足条件式，该条件式中使用光学系统的发光效率ηly(e)、依赖于数值孔径na的光学系统的光回收效率ηce(na)、光学系统的透射率ηto以及图像传感器针对荧光的量子效率ηvqe，该条件式是ηtotal＝ηly(e)×ηce(na)×ηto×ηvqe>50。

23、在本发明的一个方式中，提供一种放射线成像方法。放射线成像方法可以使用以通过具有由多个像素构成的受光面的图像传感器来观测来自固体浸没型最前部透镜的可见光像的摄像机部为主体的放射线成像装置，摄像机部可以在放射线的入射面侧具备将入射放射线转换为可见光的闪烁体，摄像机部可以包含使出射面侧成为透镜形状的固体浸没型最前部透镜，可以控制图像传感器的每个子帧的曝光时间来将入射至闪烁体的放射线提取为按每一个粒子离散的可见光光斑的点像信号，之后可以将各子帧中的点像信号辨别为在固体浸没型最前部透镜的景深处发光而得到的对焦光光斑的点像信号和在景深以外发光而得到的非对焦光光斑的点像信号，可以将基于对焦光光斑的点像信号的子帧数据叠加来生成放射线观测图像。

24、在本发明的一个方式中，提供一种放射线成像方法。可以为，放射线成像方法包括控制阶段，在控制阶段中，在放射线成像装置中基于从图像传感器输出的多个像素中的每个像素的传感器信号来生成图像，放射线成像装置具有：闪烁体，从放射线源透射了摄像对象物的放射线入射至所述闪烁体，所述闪烁体射出波长比放射线的波长长的荧光；成像光学系统，其通过使景深与设定在闪烁体的样本面相匹配的物镜来在成像面成像；以及图像传感器，其配置于成像面，具有由多个像素构成的受光面。可以为，控制阶段包括曝光时间控制阶段，在曝光时间控制阶段中，控制图像传感器的子帧曝光时间，使得到达闪烁体的放射线所产生的景深处的对焦荧光和景深以外的非对焦荧光在图像传感器的受光面处按放射线的每一个粒子离散地被拍摄。可以为，控制阶段包括对焦信号辨别阶段，在对焦信号辨别阶段中，辨别各个子帧中离散地包含的、与对焦荧光的光斑对应的受光像素群的传感器信号以及与非对焦荧光的光斑对应的受光像素群的传感器信号。可以为，控制阶段包括图像信号处理阶段，在图像信号处理阶段中，将基于来自与对焦荧光的光斑对应的受光像素群的传感器信号的子帧数据叠加来生成图像。

25、可以为，放射线为x射线，放射线摄像机是包含被光学设计为使从x射线向由图像传感器检测的传感器信号转换的x射线的每一个光子的转换效率就电子数而言成为50个以上的、闪烁体和物镜的x射线摄像机，控制阶段还包括进行检测对焦荧光的光斑的点像中心位置的信号处理的阶段。可以为，控制阶段还包括将由检测出的点像中心位置的点像中心数据构成的子帧数据叠加来生成超分辨率x射线图像的阶段。

26、根据本发明，仅提取闪烁体上的对焦信号来构成图像，因此能够得到对比度高的高品质的x射线图像，同时具有不需要闪烁体的薄膜化的优点。由此，能够廉价地提供抑制了闪烁体加工时的应变发生的光学品质高的固体浸没透镜。另外，通过应用光子局域化法的信号处理，能够实现超出了固体浸没透镜的理论空间分辨率的极限的纳米级的超分辨率x射线成像。