激光雕刻系统、各向异性的闪烁体及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及激光雕刻系统、各向异性的闪烁体及其制造方法，具体揭示一种各向异性的闪烁体，其用于捕获成像系统中的光子。各向异性的闪烁体包括闪烁体元件及形成于闪烁体元件内的三维结构。三维结构包括多个各向异性的部分。多个各向异性的部分包括从多种光学特性中选择出的至少一种光学特性，以用于保存空间信息。每个各向异性的部分包括多个空隙或气泡，每个空隙或气泡的直径小于1微米。三维结构用于控制光子在形成于各向异性的闪烁体中的多个通道区域内传播，从而降低能够在多个通道区域之间传播的光子的数量。本发明还提供一种用于制造各向异性的闪烁体的方法以及激光雕刻系统。
【专利说明】
激光雕刻系统、各向异性的闪烁体及其制造方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种在闪烁体材料内产生光学各向异性的方法，具体而言，涉及一种在闪烁体元件内产生光学各向异性的方法，以应用于医学成像。
【背景技术】
[0002]医学成像利用闪烁体将伽马射线或X射线转换成光学光子。闪烁体通常耦合至光电探测器，从而将上述光学光子转换为电流。通过这种方式，伽马射线和X射线可以被探测到，并被利用于例如计算机断层扫描(computed tomography，简称CT)、正电子发射断层扫描(positron emiss1n tomography，简称PET)、单光子发射计算机断层扫描(singlephoton emiss1n computed tomography，简称SPECT)、以及X射线成像等应用中。在这些应用中，伽马射线或者X射线的相互作用的位置由光电探测器对光学光子的响应来确定。
[0003]闪烁体的特点和性能对成像性能起着显著的作用。例如，闪烁体的厚度通常必须被增加，为了实现以所需的效率来阻止输入的伽马射线或X射线。然而，随着厚度的增加，所发射的光学光子在闪烁体内部的传播会降低探测器的空间分辨率。
[0004]为了保存光学光子中所包含的空间信息，需要有一种光学各向异性的闪烁体，使得所发射的光学光子被优先地传送到闪烁体中靠近光电探测器的位置点，伽马射线或X射线与闪烁体在该位置点相互作用。
[0005]在依赖于形心探测以确定相互作用的位置的应用中，光学各向异性的精确控制是必需的，以保存空间?目息。
[0006]此外，精确的控制是必需的，以确保信号能够足够地传播，使得信号能够在离散的探测器元件之间共享以达到可靠的质心测定。因此，非常需要一种改进方法以控制光学光子在闪烁体内传播。
[0007]现有的方法是使用一个锯在闪烁体内形成网格图案状的深槽，以在闪烁体的不同区域之间提供光学隔离。通常，这样的隔离仅是部分的。锯痕通常填充有反射材料以改善光学性能。但是，这种通过除去闪烁体材料的锯切割方法的缺点是产生了相对大的死区。
[0008]因此，非常需要一种制造各向异性的闪烁体的方法，各向异性的闪烁体可精确控制光学光子在所获得的闪烁体中传播。此外，也非常需要一种制造各向异性的闪烁体的方法，该方法具有成本效益，可靠且没有产生不期望的死区。
【发明内容】
[0009]结合本公开的一个或多个实施例，本发明在于提供了一种各向异性的闪烁体。
[0010]—种各向异性的闪烁体，其用于捕获成像系统中的光子，该各向异性的闪烁体包括:
[0011]闪烁体元件；及
[0012]形成于闪烁体元件内的三维结构，该三维结构包括多个各向异性的部分；
[0013]其中，该多个各向异性的部分包括从多种光学特性中选择出的至少一种光学特性，以用于保存空间信息；每个各向异性的部分包括多个空隙或气泡，每个空隙或气泡的直径小于I微米；
[0014]其中，该三维结构用于控制光子在形成于各向异性的闪烁体中的多个通道区域内传播，从而降低能够在多个通道区域之间传播的光子的数量。
[0015]—种用于制造各向异性的闪烁体的方法，该各向异性的闪烁体用于捕获成像系统中的光子并且包括闪烁体元件及形成于闪烁体元件内的三维结构，该三维结构包括多个各向异性的部分；该方法包括:
[0016]使用激光将闪烁体元件内的多个离散位置的光学特性修改为光学各向异性，从而产生该多个各向异性的部分；
[0017]其中，该多个各向异性的部分包括从多种光学特性中选择出的至少一种光学特性，以用于保存空间信息；每个各向异性的部分包括多个空隙或气泡，每个空隙或气泡的直径小于I微米；
[0018]其中，该三维结构用于控制光子在形成于各向异性的闪烁体中的多个通道区域内传播，从而降低能够在多个通道区域之间传播的光子的数量。
[0019]—种激光雕刻系统，其包括:
[0020]各向异性的闪烁体，用于捕获成像系统中的光子并包括:
[0021]闪烁体元件；及
[0022]形成于闪烁体元件内的三维结构，该三维结构包括多个各向异性的部分；
[0023]及激光发生器，用于产生激光以将闪烁体元件内的多个离散位置的光学特性修改为光学各向异性，从而产生多个各向异性的部分；
[0024]其中，该多个各向异性的部分包括从多种光学特性中选择出的至少一种光学特性，以用于保存空间信息；每个各向异性的部分包括多个空隙或气泡，每个空隙或气泡的直径小于I微米；
[0025]其中，该三维结构用于控制光子在形成于各向异性的闪烁体中的多个通道区域内传播，从而降低能够在多个通道区域之间传播的光子的数量。
[0026]上述各向异性的闪烁体及其制造方法、激光雕刻系统，其中三维结构包括多个各向异性的部分，每个各向异性的部分包括多个空隙或气泡，每个空隙或气泡的直径小于I微米。由于每个空隙或气泡的直径较小，因此能够在多个通道区域之间传播的光子的数量比现有技术少，该各向异性的闪烁体的光学性能更好。
【附图说明】
[0027]通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中:
[0028]图1是利用本发明一种实施方式的成像组件的医学成像系统的示意图。
[0029]图2是激光雕刻系统产生图1所述成像组件的示意图，该成像组件未被处理。
[0030]图3是图1所示成像组件的示意图，该成像组件被部分处理。
[0031]图4是图1所示成像组件的示意图，该成像组件被全部处理。
[0032]图5是图3所示各向异性部分所包括的多个空隙或气泡的示意图。
[0033]图6是图5所示的一个空隙或气泡的示意图。
[0034]图7是利用脉冲激光以逐层的方式来产生位于闪烁体元件内部的三维结构的示意图。
[0035]图8是利用激光聚焦线来产生位于闪烁体元件内的三维结构的示意图
[0036]图9是本发明一种实施方式的温度控制室的示意图。
[0037]图10是用于图9所示温度控制室的传感器和控制器的示意图。
【具体实施方式】
[0038]在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，或者为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。
[0039]除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。此外，“电路”或者“电路系统”以及“控制器”等可以包括单一组件或者由多个主动元件或者被动元件直接或者间接相连的集合，例如一个或者多个集成电路芯片，以提供所对应描述的功能。
[0040]图1所示为医学成像系统100的示意图，医学成像系统100利用本发明一种实施方式的成像组件12。医学成像系统100是说明性的，并且意在表示多种成像系统，例如计算机断层扫描(computed tomography，简称CT)、正电子发射断层扫描(positron emiss1ntomography，简称 PET)、单光子发射计算机断层扫描(single photon emiss1n computedtomography，简称SPECT)、以及X射线成像等。但是应当理解的是，示出的医学成像系统100是表示一个CT或X射线系统，但是可能不是PET或SPECT系统的精确表示。在这些后来的系统中，病人通常被注射具生物活性的放射性示踪剂，这些示踪剂被允许在病人体内停留一段时间，使得其分布由待成像的生物学功能来决定。示踪剂的放射性衰变产生的伽马射线是来源于病人体，并且可以通过成像组件12来检测。图示的医学成像系统100并不意在限制本发明。
[0041]医学成像系统100包括射线发生器14，射线发生器14产生成像射线16，例如X射线或伽马射线等。成像射线16通过成像对象18，例如一个病人，通过这样做被给予可用于医学成像的信息。为了将成像射线16转变为可用形式，成像组件12包括闪烁体组件20和与闪烁体组件20通信的光电探测器22。闪烁体组件20将成像射线16转变为光子，光电探测器22将光子转变为可被利用来形成医学图像的电流。
[0042]光学各向异性的闪烁体是许多医学成像应用所必须的，本发明利用独特的方法来产生一种改进的闪烁体。
[0043]如图2所示，激光雕刻系统200用于对闪烁体元件24进行处理，从而制造上述光学各向异性的闪烁体。激光雕刻系统200包括激光发生器26、聚焦装置28及控制装置42。
[0044]可以预见的是，本发明可以采用很多种闪烁体元件24，举例来说，玻璃闪烁体，单晶闪烁体，陶瓷元件均是预期的选择。图2所示闪烁体元件24处于预处理状态30。
[0045]在预处理状态30中，闪烁体元件24包括各向同性部分32，各向同性部分32的光学特性是恒定的。在一种实施方式中，整个闪烁体元件24是各向同性的。在其他实施方式中，仅有一部分的闪烁体元件24是各向同性的。
[0046]利用激光发生器26和聚焦装置28，对各向同性部分32进行修改。
[0047]激光发生器26用于产生激光34。聚焦装置28用于对激光34进行聚焦以产生焦点36。在一种实施方式中，为了产生较小的焦点36，聚焦装置28的数值孔径大于0.1。术语焦点36也旨在包括焦体积。激光34被用来改变在焦点36的位置处的闪烁体元件24的光学特性。以这种方式，各向同性部分32被修改为各向异性。
[0048]如图3所示，通过使用由激光发生器26和聚焦装置28组成的翻译装置38，焦点36的位置相对于闪烁体元件24移动，从而使得闪烁体元件24内的多个离散位置的光学特性被修改为光学各向异性，并且复杂的各向异性部分40可以产生。尽管翻译装置38被示出为改变焦点36的位置，但是应当理解的是，同样的效果可以通过闪烁体元件24的相对运动来完成。
[0049]如图4所示，与激光发生器26和聚焦装置28通信的控制装置42可以被进一步利用来创建复杂的三维结构44。控制装置42也有利于通过允许一致和可靠的再生闪烁体元件24。
[0050]可以预见的是，各种各样的光学特性可能被修改来产生在焦点36的位置具有各向异性特性的三维结构44。可以预见的是，这些特性可以包括，但不限于，改变结晶闪烁体的晶体结构，在单晶体中创建与周围的结晶材料具有不同晶向的局部晶畴(英文名为crystal domains)，在其它非结晶材料(例如玻璃)内创建局部结晶区域，在闪烁体元件24内产生微空隙，改变焦点36位置的折射率，改变焦点36位置的光学吸收，改变焦点36位置的光子散射特性，或者通过其他的方式损坏闪烁体元件24。
[0051]利用可重复的方法，激光34可以构造出复杂结构。在一个实施方式中，三维结构44包括形成于闪烁体元件24内的多个第一平面46和多个第二平面48。多个第二平面48与多个第一平面46垂直。多个第二平面48与多个第一平面46相交，以在闪烁体元件24内形成多个通道区域50。通道区域50可以被利用来引导光学光子进入光电探测器22。
[0052]三维结构44用于控制光子在形成于各向异性的闪烁体40中的多个通道区域50内传播，从而降低能够在多个通道区域50之间传播的光子的数量。三维结构44包括多个各向异性的部分40。
[0053]作为一种非限制的例子，如图5所示，每个各向异性的部分40包括多个空隙或气泡400，每个空隙或气泡400的直径小于I微米(如图6所示)。在一种实施方式中，每个空隙或气泡400的直径在I X 10 7m到5 X 10 6m范围内。
[0054]在一种实施方式中，在每个激光焦点区域产生的空隙或气泡400的数量大于1000个。因此，可以阻止或者降低相邻通道区域50之间的串扰。
[0055]虽然激光发生器26至此已经作了一般地描述，可以预见的是，激光发生器26最好是脉冲激光发生器。虽然纳秒脉冲可能被利用，本发明有可能从通常被称为“超快”脉冲的极短脉冲中受益。这些脉冲的一个例子被称为皮秒和飞秒激光。超快脉冲的使用提供了很多优点。焦点36和闪烁体元件24之间的相互作用机制通常是非谐振，非线性，多光子相互作用。由于非谐振相互作用，相互作用过程几乎是独立于激光波长，从而允许相同的激光发生器26被利用于多种材料。
[0056]相互作用的非线性性质:(相互作用强度不线性地依赖于激光强度，而是随着强度的幂增加)相互作用在比焦点36小的区域内是最强的。采用多光子相互作用的相互作用倾向于表现出阈值行为。低于某一阈值时，相互作用不会发生。当超过某一阈值时，相互作用突然地发生。
[0057]当利用紧密聚焦的光束时，阈值仅在焦体积36的中心被超过，以提供严格控制。通过将非线性特征与多光子相互作用结合，可导致形成的特征小于激光34的焦点36产生的特征。因此，使用超快激光形成的特征小于那些长脉冲产生的特征。
[0058]通过超快激光产生的快速相互作用可以改变小区域内的光学特性，而不会传递大量的热量到周围的材料。
[0059]在使用烧蚀以产生空隙或气泡400的实例中，过多的热传递会导致产生裂纹或者其他损坏。超快激光可引起烧蚀，然而，通过从固体直接过渡到等离子体，导致相对较小的热量被传递到周围的材料。
[0060]如图7所示，其描述了利用脉冲激光以逐层的方式来形成位于闪烁体元件24内部的三维结构44。
[0061]如图8所示，其描述了利用激光聚焦线260来形成位于闪烁体元件24内部的三维结构44。相对于激光聚焦点的扫描方式，激光聚焦线260的扫描方式可以缩短激光扫描时间以及达到较高的效率。
[0062]如图9所示，激光雕刻系统100还包括温度控制室202。闪烁体元件24被设置于温度控制室202内。激光发生器26产生的激光通过温度控制室202的光学窗口 204被导向闪烁体元件24。
[0063]激光雕刻系统100还包括装载/卸载机构件900。装载/卸载机构件900可以将闪烁体元件24装载入温度控制室202或将闪烁体元件24从温度控制室202卸载出来。
[0064]如图10所示，激光雕刻系统200还包括加热器205、传感器206和控制器208。作为一个非限定的例子，温度控制室202被设置于加热器205上(请参图9)。在其它实施方式中，激光雕刻系统200包括两个或多于两个传感器206。
[0065]在激光雕刻过程中，加热器205用于加热温度控制室202，以升高闪烁体元件24的温度。传感器206用于侦测温度控制室202的温度。控制器208用于根据侦测到的温度控制加热器205，以调整闪烁体元件24的温度。
[0066]在一种实施方式中，闪烁体元件24的温度在100摄氏度到600摄氏度的范围内。
[0067]温度控制室202用于降低闪烁体元件102内部的温度梯度，因此在激光雕刻过程中，闪烁体元件102的裂纹问题得到了降低，从而提高了良率。
[0068]虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
【主权项】
1.一种各向异性的闪烁体，其用于捕获成像系统中的光子，该各向异性的闪烁体包括: 闪烁体元件；及 形成于闪烁体元件内的三维结构，该三维结构包括多个各向异性的部分； 其中，该多个各向异性的部分包括从多种光学特性中选择出的至少一种光学特性，以用于保存空间信息；每个各向异性的部分包括多个空隙或气泡，每个空隙或气泡的直径小于I微米； 其中，该三维结构用于控制光子在形成于各向异性的闪烁体中的多个通道区域内传播，从而降低能够在多个通道区域之间传播的光子的数量。2.如权利要求1所述的各向异性的闪烁体，其特征在于:每个空隙或气泡的直径在1X10 7m 到 5X10 6m 范围内。3.如权利要求1所述的各向异性的闪烁体，其特征在于:该三维结构包括形成于闪烁体元件内的多个第一平面和多个第二平面，该多个第二平面垂直于多个第一平面，该多个第二平面与多个第一平面相交以形成多个通道区域。4.一种用于制造各向异性的闪烁体的方法，该各向异性的闪烁体用于捕获成像系统中的光子并且包括闪烁体元件及形成于闪烁体元件内的三维结构，该三维结构包括多个各向异性的部分；该方法包括: 使用激光将闪烁体元件内的多个离散位置的光学特性修改为光学各向异性，从而产生该多个各向异性的部分； 其中，该多个各向异性的部分包括从多种光学特性中选择出的至少一种光学特性，以用于保存空间信息；每个各向异性的部分包括多个空隙或气泡，每个空隙或气泡的直径小于I微米； 其中，该三维结构用于控制光子在形成于各向异性的闪烁体中的多个通道区域内传播，从而降低能够在多个通道区域之间传播的光子的数量。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于:在每个激光焦点区域产生的空隙或气泡的数量大于1000个。6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法还包括: 使用聚焦装置对激光进行聚焦以产生焦点； 其中，该聚焦装置的数值孔径大于0.1。7.如权利要求4所述的方法，其特征在于:每个空隙或气泡的直径在1X107m到5 X 10 6m范围内。8.如权利要求4所述的方法，其特征在于:该激光包括超快脉冲激光，该超快脉冲激光的预定波长在750nm到IlOOnm范围内。9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法还包括: 设置闪烁体元件于温度控制室内；及 通过温度控制室的光学窗口将激光导向闪烁体元件； 其中，该温度控制室用于降低闪烁体元件内的温度梯度。10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法还包括: 使用加热器对温度控制室进行加热，以升高闪烁体元件的温度； 侦测温度控制室的温度； 根据侦测到的温度控制加热器对闪烁体元件的温度进行调节。11.如权利要求10所述的方法，其特征在于:所述闪烁体元件的温度在100摄氏度到600摄氏度的范围内。12.—种激光雕刻系统，其包括: 各向异性的闪烁体，用于捕获成像系统中的光子并包括: 闪烁体元件；及 形成于闪烁体元件内的三维结构，该三维结构包括多个各向异性的部分； 及激光发生器，用于产生激光以将闪烁体元件内的多个离散位置的光学特性修改为光学各向异性，从而产生多个各向异性的部分； 其中，该多个各向异性的部分包括从多种光学特性中选择出的至少一种光学特性，以用于保存空间信息；每个各向异性的部分包括多个空隙或气泡，每个空隙或气泡的直径小于I微米； 其中，该三维结构用于控制光子在形成于各向异性的闪烁体中的多个通道区域内传播，从而降低能够在多个通道区域之间传播的光子的数量。13.如权利要求12所述的激光雕刻系统，其特征在于，该激光雕刻系统还包括: 具有光学窗口的温度控制室； 其中，该闪烁体元件设置于温度控制室内，该光学窗口用于将激光导向闪烁体元件，该温度控制室用于降低闪烁体元件内的温度梯度。14.如权利要求13所述的激光雕刻系统，其特征在于，该激光雕刻系统还包括: 加热器，用于对温度控制室进行加热，以升高闪烁体元件的温度； 至少一个传感器，用于侦测温度控制室的温度；以及 控制器，用于根据侦测到的温度控制加热器对闪烁体元件的温度进行调节。15.如权利要求14所述的激光雕刻系统，其特征在于:所述闪烁体元件的温度在100摄氏度到600摄氏度的范围内。16.如权利要求12所述的激光雕刻系统，其特征在于:在每个激光焦点区域产生的空隙或气泡的数量大于1000个。17.如权利要求12所述的激光雕刻系统，其特征在于，该激光雕刻系统还包括: 聚焦装置，用于对激光进行聚焦以产生焦点； 其中，该聚焦装置的数值孔径大于0.1。18.如权利要求12所述的激光雕刻系统，其特征在于:每个空隙或气泡的直径在1X10 7m 到 5X10 6m 范围内。19.如权利要求12所述的激光雕刻系统，其特征在于:该激光包括超快脉冲激光，该超快脉冲激光的预定波长在750nm到IlOOnm范围内。20.如权利要求12所述的激光雕刻系统，其特征在于:该三维结构包括形成于闪烁体元件内的多个第一平面和多个第二平面，该多个第二平面垂直于多个第一平面，该多个第二平面与多个第一平面相交以形成多个通道区域。
【文档编号】B23K26/70GK105988131SQ201510067486
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月9日
【发明人】郭锐, 彭志学, 高博, 高一博
【申请人】通用电气公司