フラットパネルディテクタの解像度について

2021年8月23日 | Christian Jeuschede

最適なフラットパネルディテクタを探す際、必ずしも最高解像度がすべてではありません。Christian Jeuschedeが、100 µmではなく139 µmおよび150 µmのピクセルピッチをあえて採用し続ける理由と、最適な製品を選定する際の留意点について解説します。

最適なフラットパネルディテクタを検討する際、必ずしも最高解像度が求められるわけではありません。高エネルギー・高分解能CTシステムYXLON FF85 CTでは、2種類の異なるディテクタアレイをご用意しています。なぜそれらがお客様のアプリケーションに最適なのか、そしてなぜ100 µmではなくあえて139 µmおよび150 µmのピクセルピッチを採用し続けているのか、その理由をご紹介します。

お客様の要件に合わせて、以下の選択肢をご用意しています。

ディテクタ4343HEは高エネルギー仕様のモデルで、側面配置の電子回路と完全なシールド構造により、最大600 kVまでの使用が可能です。ピクセルピッチは139 µm、ピクセルマトリクスは3072 x 3072です。フレームレートは、フル解像度で4フレーム/秒、ビニングモードで15フレーム/秒です。有効面積は約43 x 43 cmです。

ディテクタ4343Nは、YXLON FF35 CTおよびYXLON FF20 CTシステムで使用されている4343CTディテクタと同等の技術を採用しています。ピクセルピッチは150 µm、ピクセルマトリクスは2880 x 2880です。4343Nの大きなメリットは、電子回路の感度と直線性がはるかに高く、フレームレートが大幅に優れている点です。フル解像度で4フレーム/秒の4343HEに対し、15フレーム/秒と高速です。内部シールドの仕様上、現在のところ最大450 kVまでの対応となります。

共通認識として：

ピクセルピッチとは、あるピクセルの中心から隣接するピクセルの中心までの距離を指します。この距離が短いほど、得られる画像の解像度は高くなります。
ピクセルマトリクスとは、ディテクタに含まれるピクセルの配置と数を意味します。ピクセル数が多いほど解像度は高くなります。
ビニングモードを使用すると、ピクセルが2 x 2のピクセルブロックに統合されます。この方法により、S/N比の向上、フレームレートの高速化、データ量の削減が可能になります。その結果、解像度は低下します。フレームとは、ディテクタによって撮影された単一の画像を指します。したがって、1秒間に取得するフレーム数が多いほど、ディテクタおよびCTシステムの動作は高速になります。

計算してみましょう：

従来のCTシステムではピクセルピッチ200 µmのディテクタが使用されていましたが、今日の要件において200 µmピッチの解像度ではもはや不十分であることは否定できません。現在では、400 mm x 400 mmのディテクタにおいて100 µmの解像度を求める声が多く聞かれます。しかし、CTユーザーの検査および後処理のタスクにとって、現時点で最適な解像度は139 µmおよび150 µmであると確信しています。
実例をご覧ください：

例えばピストンを200 µmピクセルピッチのディテクタ（ピクセルマトリクス2048 x 2048）で1回スキャンした場合のCTデータファイルサイズは16 GBです。ピクセルピッチを150 µm（ピクセルマトリクス2880 x 2880）に下げると、CTファイルサイズは46 GBになります。100 µmのディテクタ（4096 x 4096ピクセル）の場合、CTファイルサイズは134 GBに達します。

すでに十分に高性能な512 GBのRAMを搭載したPCを使用していると仮定します。検査対象が大きいなどの理由で水平方向のスキャン視野拡張が必要な場合、ファイルサイズは200 µmディテクタで107 GB、150 µmピクセルピッチディテクタで307 GBのデータになり、100 µmでは857 GBのCTファイルサイズとなります。つまり、512 GBのPC構成では、4096 x 4096ピクセルの100 µmディテクタを使用したシンプルな水平方向のスキャン視野拡張ですら、もはや処理できません。再構成アルゴリズムによってはデータが再構成されるかもしれませんが、フル解像度で開くことも、欠陥検出などの解析を行うことも不可能です。100 µmディテクタを使用した場合、単純なスキャン視野拡張だけでもデータサイズが大きすぎます。100 µmディテクタとスキャン視野拡張を使用する際にこれらの問題を回避するには、ビニングモードを使用する方法があります。しかし、それでは10年以上前の水準である200 µmのピクセルピッチになってしまいます。

さらに2倍の垂直方向のスキャン視野拡張が必要な場合、ファイルサイズは200 µmディテクタで214 GB、150 µmディテクタで614 GB、100 µmディテクタでは1.7 TBになります。1 TBのメモリ（1024 GB RAM）を搭載したPCであっても、ファイルを開いたり、VGSTUDIO MAXなどを使用して欠陥検出を実行したりすることは不可能です。また、3倍のスキャン視野拡張では、100 µmピクセルピッチディテクタで約2.5 TBのデータとなります。これではスキャン視野拡張や、大型部品のフル解像度での検査全般を行うことは不可能です。

1024 GBのRAMメモリを考慮すると、139 µmまたは150 µmのピクセルピッチこそが、あらゆるスキャン視野拡張を問題なく実行でき、CTシステムのフル解像度を活かせる最適な解像度であることが明らかです。