JP2003507870A - 電子衝撃能動画素センサー - Google Patents
電子衝撃能動画素センサーInfo
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Abstract
(57)【要約】
【解決手段】説明された低光量のシステムでは，光電陰極31に向けられたイメージにより生成された電子が直接能動画素センサーに衝突する。能動画素センサーおよび光電陰極の出力部の両方が，真空エンベロープに配置される。光電陰極31から放出された電子は，能動画素センサー32へと向けられる。能動画素センサー32の検出器の出力は，記憶され，遠隔地で見ることができ，表示することができる。種々の応用例が説明され，この新規なカメラに含まれる。
Description
【０００１】
発明の分野
本発明は，低光量で検知し，イメージ化するための光電陰極を使用する，電子
衝撃モードの能動画素センサー使用して，低光量で，有用なイメージをイメージ
化し，または検出する装置および方法に関する。
衝撃モードの能動画素センサー使用して，低光量で，有用なイメージをイメージ
化し，または検出する装置および方法に関する。
【０００２】
発明の背景
低光量で動作するカメラについて，いろいろな分野で多くの重要な応用がなさ
れている。この中には，写真用，暗視用，監視用，さらには科学用のものが含ま
れる。最新の暗視システムは，たとえば，直視システムから，カメラを利用した
装置に今や急速に変わりつつある。これらは，ビデオ表示や処理の連続した進歩
により加速されている。ビデオを利用したシステムは，遠隔表示を可能にすると
ともに，前方監視赤外線センサーからのような他のイメージと融合して，見るこ
と，記録すること，さらにイメージ処理を可能にする。監視応用例もまたビデオ
を利用することが優勢になってきているが，この例では，カメラの大きさ，性能
および低光量感度がしばしば問題となる。科学応用例では，広いスペクトル範囲
および高フレームレートにわたって良好な光子感度をもつカメラを必要としてい
る。これらの応用例などでは，ビデオの直接出力がなされる，改良された低光量
センサーの必要性がより求められている。
れている。この中には，写真用，暗視用，監視用，さらには科学用のものが含ま
れる。最新の暗視システムは，たとえば，直視システムから，カメラを利用した
装置に今や急速に変わりつつある。これらは，ビデオ表示や処理の連続した進歩
により加速されている。ビデオを利用したシステムは，遠隔表示を可能にすると
ともに，前方監視赤外線センサーからのような他のイメージと融合して，見るこ
と，記録すること，さらにイメージ処理を可能にする。監視応用例もまたビデオ
を利用することが優勢になってきているが，この例では，カメラの大きさ，性能
および低光量感度がしばしば問題となる。科学応用例では，広いスペクトル範囲
および高フレームレートにわたって良好な光子感度をもつカメラを必要としてい
る。これらの応用例などでは，ビデオの直接出力がなされる，改良された低光量
センサーの必要性がより求められている。
【０００３】
イメージセンサーのアレーを組み込むイメージ検知装置が一般的に電子カメラ
に使用されている。各画素は，入射光に応答して出力信号を生成する。その信号
はイメージを形成するために，典型的に一度にローを一つ，読み出される。従来
技術のカメラは，イメージセンサーとして，電荷結合デバイス（CCD）を利用し
ていた。感度を高めるために，増幅器を各画像に組み込むイメージセンサーが能
動画素センサー（APSとしても参照される）として知られている。能動画素セン
サーは，たとえば，Merrillによる，1998年8月4日に発行された米国特許第5,789
,774号，Dickinson等による，1996年5月20日に発行された米国特許第5,631,704
号，Tomura等による，1996年5月28日に発行された米国特許第5,521,639号，Merr
illによる，1998年2月24日に発行された米国特許第5,721,425号，Lee等による，
1997年4月29日に発行された米国特許第5,625,210号，Merrillによる，1997年3月
25日に発行された米国特許第5,614,744号，およびAckland等による，1998年4月1
4日に発行された米国特許第5,739,562号に開示されている。能動画素センサーの
関連した分野では，Fossumによる論文"CMOSイメージセンサー：一チップ上の電
子カメラ"，IEEE Transactions on Electron Devices，第44巻，第10号，第1689
−1698頁（1997）があり，この論文は参考文献としてここに組み込まれる。
に使用されている。各画素は，入射光に応答して出力信号を生成する。その信号
はイメージを形成するために，典型的に一度にローを一つ，読み出される。従来
技術のカメラは，イメージセンサーとして，電荷結合デバイス（CCD）を利用し
ていた。感度を高めるために，増幅器を各画像に組み込むイメージセンサーが能
動画素センサー（APSとしても参照される）として知られている。能動画素セン
サーは，たとえば，Merrillによる，1998年8月4日に発行された米国特許第5,789
,774号，Dickinson等による，1996年5月20日に発行された米国特許第5,631,704
号，Tomura等による，1996年5月28日に発行された米国特許第5,521,639号，Merr
illによる，1998年2月24日に発行された米国特許第5,721,425号，Lee等による，
1997年4月29日に発行された米国特許第5,625,210号，Merrillによる，1997年3月
25日に発行された米国特許第5,614,744号，およびAckland等による，1998年4月1
4日に発行された米国特許第5,739,562号に開示されている。能動画素センサーの
関連した分野では，Fossumによる論文"CMOSイメージセンサー：一チップ上の電
子カメラ"，IEEE Transactions on Electron Devices，第44巻，第10号，第1689
−1698頁（1997）があり，この論文は参考文献としてここに組み込まれる。
【０００４】
一般的に，星明かりおよびより低い照度レベルの場合のような極端に低い光レ
ベルを含む，広範囲な光量にわたって高質なイメージを生成するカメラを提供す
ることが望ましい。さらに，カメラは，大きさが物理的に小さく，電子パワーの
条件が緩やかであるべきで，このことにより携帯することができ，頭部に据え付
けることができ，さらに，他のバッテリーで稼動するものとすることができる。
能動画素センサーカメラは，小型化および低パワー条件を満たすが，低光量では
感度が低く，その性能は，0.1ルックス（薄明かり）または高光量の条件に限定
される。
ベルを含む，広範囲な光量にわたって高質なイメージを生成するカメラを提供す
ることが望ましい。さらに，カメラは，大きさが物理的に小さく，電子パワーの
条件が緩やかであるべきで，このことにより携帯することができ，頭部に据え付
けることができ，さらに，他のバッテリーで稼動するものとすることができる。
能動画素センサーカメラは，小型化および低パワー条件を満たすが，低光量では
感度が低く，その性能は，0.1ルックス（薄明かり）または高光量の条件に限定
される。
【０００５】
極端に低い光量の下で動作する暗視カメラが従来知られている。今日使用され
ている標準的な低光量のカメラは，イメージ強化CCDまたはICCDカメラを形成す
るために，CCDに光学的に結合した第三世代（GaAs光電陰極）または第二世代（
多重アルカリ光電陰極）イメージ増強管ファイバーに基づいたものである。イメ
ージ化されるシーンは，入力レンズにより，光電陰極フェイスプレート組立体に
焦点合わせされる。入射光エネルギーは，光電子を光電陰極から電子イメージに
解放し，電子イメージを形成する。電子イメージは，マイクロチャネル・プレー
ト（MCP）電子マルチプライヤー（これは，イメージの幾何学的な完全性を維持
しながら，二次増幅により電子イメージを強化する）の入力部近傍に焦点合わせ
される。強化された電子イメージは，蛍光スクリーン（これは電子イメージを可
視イメージ（典型的にファイバー光学出力窓を通して見ることができる）に変換
する）近くに焦点合わせされる。ファイバー光学テーパーまたは伝達レンズがつ
ぎに，この増幅された視覚イメージを標準CCDセンサー（これは，光イメージを
，ビデオ信号を形成する電子に変換する）に伝達する。これら既存の，従来技術
のICCDカメラにおいて，イメージがサンプル化される五つのインターフェイスが
あり，各インターフェイスは解像度を低下させ，ICCDカメラの信号にノイズを加
える。これまで避けることのできなかったこのイメージの劣化は，高品質の出力
を要求するシステムには重大な欠点である。ICCDセンサーはまた，溶融ファイバ
ー光学要素のために，大きく，重い。第三世代のMCPイメージ増強管は，たとえ
ば，Johnson等の1994年12月13日に発行された米国特許第5,373,320号に記述され
ている。この特許に記述されたカメラ・アタッチメントは，標準的な昼光ビデオ
カメラを日中／夜間カメラに変換する。
ている標準的な低光量のカメラは，イメージ強化CCDまたはICCDカメラを形成す
るために，CCDに光学的に結合した第三世代（GaAs光電陰極）または第二世代（
多重アルカリ光電陰極）イメージ増強管ファイバーに基づいたものである。イメ
ージ化されるシーンは，入力レンズにより，光電陰極フェイスプレート組立体に
焦点合わせされる。入射光エネルギーは，光電子を光電陰極から電子イメージに
解放し，電子イメージを形成する。電子イメージは，マイクロチャネル・プレー
ト（MCP）電子マルチプライヤー（これは，イメージの幾何学的な完全性を維持
しながら，二次増幅により電子イメージを強化する）の入力部近傍に焦点合わせ
される。強化された電子イメージは，蛍光スクリーン（これは電子イメージを可
視イメージ（典型的にファイバー光学出力窓を通して見ることができる）に変換
する）近くに焦点合わせされる。ファイバー光学テーパーまたは伝達レンズがつ
ぎに，この増幅された視覚イメージを標準CCDセンサー（これは，光イメージを
，ビデオ信号を形成する電子に変換する）に伝達する。これら既存の，従来技術
のICCDカメラにおいて，イメージがサンプル化される五つのインターフェイスが
あり，各インターフェイスは解像度を低下させ，ICCDカメラの信号にノイズを加
える。これまで避けることのできなかったこのイメージの劣化は，高品質の出力
を要求するシステムには重大な欠点である。ICCDセンサーはまた，溶融ファイバ
ー光学要素のために，大きく，重い。第三世代のMCPイメージ増強管は，たとえ
ば，Johnson等の1994年12月13日に発行された米国特許第5,373,320号に記述され
ている。この特許に記述されたカメラ・アタッチメントは，標準的な昼光ビデオ
カメラを日中／夜間カメラに変換する。
【０００６】
ICCDカメラの複数の光学インターフェイスから生じたイメージの劣化に加え，
MCPが比較的ノイズのある増幅器であることはさらに問題である。利得処理にお
ける，この付加されたノイズは，低光量のイメージ品質をさらに劣化させる。MC
Pのノイズ特性は，過度のノイズ因子Kfにより特徴つけられる。KfはMCPの入力で
の信号対ノイズのパワー比を，増幅後のMCPの出力での信号対ノイズのパワー比
で割った比として定義される。このKfはMCP利得処理のために，信号対ノイズの
比の劣化の尺度である。Kfの典型的な値は，第三世代のイメージ増強管に対して
4.0である。第三世代のイメージ増強管で使用する，低ノイズで，高利得のMCPは
Aebi等により，1993年12月7日に発行された米国特許第5,268,612号に開示されて
いる。
MCPが比較的ノイズのある増幅器であることはさらに問題である。利得処理にお
ける，この付加されたノイズは，低光量のイメージ品質をさらに劣化させる。MC
Pのノイズ特性は，過度のノイズ因子Kfにより特徴つけられる。KfはMCPの入力で
の信号対ノイズのパワー比を，増幅後のMCPの出力での信号対ノイズのパワー比
で割った比として定義される。このKfはMCP利得処理のために，信号対ノイズの
比の劣化の尺度である。Kfの典型的な値は，第三世代のイメージ増強管に対して
4.0である。第三世代のイメージ増強管で使用する，低ノイズで，高利得のMCPは
Aebi等により，1993年12月7日に発行された米国特許第5,268,612号に開示されて
いる。
【０００７】
他の利得メカニズムが，電子衝撃半導体（EBSとも参照される）利得処理によ
り達成される。この利得処理において，利得は，高速の電子ビームが半導体でそ
のエネルギーを分散させるときに生じる電子増幅により達成される。分散したエ
ネルギーは電子‐ホールの対を生成する。半導体シリコンに対して，一つの電子
‐ホール対は，約3.6電子ボルト（eV）の入射エネルギー毎に生成される。これ
は，1に近いKf値をもつ，非常に低いノイズ利得処理である。1のKfは，ノイズが
付加されない利得処理を示す。
り達成される。この利得処理において，利得は，高速の電子ビームが半導体でそ
のエネルギーを分散させるときに生じる電子増幅により達成される。分散したエ
ネルギーは電子‐ホールの対を生成する。半導体シリコンに対して，一つの電子
‐ホール対は，約3.6電子ボルト（eV）の入射エネルギー毎に生成される。これ
は，1に近いKf値をもつ，非常に低いノイズ利得処理である。1のKfは，ノイズが
付加されない利得処理を示す。
【０００８】
電子衝撃半導体利得処理は，LaRue等による1994年12月20日に発行された米国
特許第5,347,826号，およびLaRue等による1995年12月12日に発行された米国特許
第5,475,227号に開示されているように，光電陰極，焦点電極および検出器に配
置された半導体ダイオードからなる陽極の集まりからなる，焦点が合わされた電
子衝撃ハイブリッド光電子増倍管において使用された。開示されたハイブリッド
光電子増倍管は非常に感度がよいが，イメージを検知しない。
特許第5,347,826号，およびLaRue等による1995年12月12日に発行された米国特許
第5,475,227号に開示されているように，光電陰極，焦点電極および検出器に配
置された半導体ダイオードからなる陽極の集まりからなる，焦点が合わされた電
子衝撃ハイブリッド光電子増倍管において使用された。開示されたハイブリッド
光電子増倍管は非常に感度がよいが，イメージを検知しない。
【０００９】
電子衝撃半導体利得処理は，ICCD低光量カメラにおけるイメージの劣化にかか
わるために使用された。後方照明CCDが電子衝撃CCD（EBCCD）を形成するために
，光電陰極とほぼ焦点があった陽極として使用される。光電陰極からの光電子は
，加速され，後方照明CCDに直接イメージ化される。利得は，低ノイズの電子衝
撃半導体利得処理により達成される。EBCCDは，MCP，蛍光スクリーン，ファイバ
ー光学系をなくし，その結果より小型化したカメラにおいて，改良されたイメー
ジの品質および高められた感度が得られる。従来のイメージ伝達の連鎖による劣
化した分解能および高ノイズの顕著な改良がEBCCDにより実現した。EBCCDが，Le
monierによる，1987年8月18日に発行された米国特許第4,687,922号に開示されて
いる。EBCCDの関連した背景には，イービ等による論文"ガリウムヒ素電子衝撃CC
D技術"SPIE，第3434巻，第37-44頁（1998）があり，この論文もここに参考文献
として組み入れられる。
わるために使用された。後方照明CCDが電子衝撃CCD（EBCCD）を形成するために
，光電陰極とほぼ焦点があった陽極として使用される。光電陰極からの光電子は
，加速され，後方照明CCDに直接イメージ化される。利得は，低ノイズの電子衝
撃半導体利得処理により達成される。EBCCDは，MCP，蛍光スクリーン，ファイバ
ー光学系をなくし，その結果より小型化したカメラにおいて，改良されたイメー
ジの品質および高められた感度が得られる。従来のイメージ伝達の連鎖による劣
化した分解能および高ノイズの顕著な改良がEBCCDにより実現した。EBCCDが，Le
monierによる，1987年8月18日に発行された米国特許第4,687,922号に開示されて
いる。EBCCDの関連した背景には，イービ等による論文"ガリウムヒ素電子衝撃CC
D技術"SPIE，第3434巻，第37-44頁（1998）があり，この論文もここに参考文献
として組み入れられる。
【００１０】
最適な低光量のEBCCD性能を発揮するには，特別のCCDを必要とする。CCDは後
面において，高電子衝撃半導体利得を可能にするように，薄くするように要求さ
れる。ゲート構成物が，光電子が半導体に着くことを阻止し，低電子衝撃半導体
利得が適度の加速電圧で得られるとき，CCDは，標準CCDカメラにおいて使用され
る正面衝撃モードで使用できない。ゲート構造物を貫くために必要な高加速電圧
は，CCDに輻射ダメージを与え，CCDの寿命を短くする。フレーム伝達フォーマッ
トもまた，CCDがチップ上のイメージ領域および記憶領域の両方をもつ場合には
必要となる。イメージおよび記憶領域はほぼ同じ大きさである。フレーム伝達フ
ォーマットが二つの理由で必要となる。まず，CCDイメージ領域は，可能である
ならば，高充填因子（最小デッドエリア）をもつことである。フレーム伝達CCD
アーキテクチャーはこの条件を満たす。行間電圧アーキテクチャーは，（70−80
％のオーダの）実質的なデッドエリアをもたらす。能動エリアの減少は光電子を
失わせる。このことは，光電子陰極量子化効率または感度の低下を意味する。最
も低い光量（星明かりまたは曇りの星明かり）では，低光量カメラの性能は，光
子統計により表される。十分に低い光量の分解能および性能のためには，最大数
の光子が，イメージャー（imager）により検出されることが基本である。第二に
，フレーム伝達フォーマットにより，信号の集積が，集積期間に加え，記憶領域
の読み出しの間に起こることができる。このことにより，電荷が，収集された信
号をほぼ連続して最大化して集積され得る。
面において，高電子衝撃半導体利得を可能にするように，薄くするように要求さ
れる。ゲート構成物が，光電子が半導体に着くことを阻止し，低電子衝撃半導体
利得が適度の加速電圧で得られるとき，CCDは，標準CCDカメラにおいて使用され
る正面衝撃モードで使用できない。ゲート構造物を貫くために必要な高加速電圧
は，CCDに輻射ダメージを与え，CCDの寿命を短くする。フレーム伝達フォーマッ
トもまた，CCDがチップ上のイメージ領域および記憶領域の両方をもつ場合には
必要となる。イメージおよび記憶領域はほぼ同じ大きさである。フレーム伝達フ
ォーマットが二つの理由で必要となる。まず，CCDイメージ領域は，可能である
ならば，高充填因子（最小デッドエリア）をもつことである。フレーム伝達CCD
アーキテクチャーはこの条件を満たす。行間電圧アーキテクチャーは，（70−80
％のオーダの）実質的なデッドエリアをもたらす。能動エリアの減少は光電子を
失わせる。このことは，光電子陰極量子化効率または感度の低下を意味する。最
も低い光量（星明かりまたは曇りの星明かり）では，低光量カメラの性能は，光
子統計により表される。十分に低い光量の分解能および性能のためには，最大数
の光子が，イメージャー（imager）により検出されることが基本である。第二に
，フレーム伝達フォーマットにより，信号の集積が，集積期間に加え，記憶領域
の読み出しの間に起こることができる。このことにより，電荷が，収集された信
号をほぼ連続して最大化して集積され得る。
【００１１】
EBCCDカメラはさらに欠点をもつ。フレーム遷移CCDアーキテクチャーは，CCD
上のイメージおよび記憶領域の条件のために，必要な真空エンベロープの大きさ
を二倍化にすることが必要なEBCCDの例に対して，困難な問題を有する。この条
件はまた，フレーム伝達CCDチップがイメージ領域の大きさを二倍以上とするこ
とを意味する。このことは，チップがシリコンウエハ毎に製造することができず
，行間伝達CCDまたは能動画素センサーチップに関して，CCEのコストを実質的に
増加させる。EBCCD利用カメラはまた，高電子衝撃半導体利得に対して，半導体
を薄くし，後面を不動態化するために，特別な処理を必要とするCCDの後方照明
の欠点を有する。この処理は，シリコン産業において標準ではなく，EBCCD製造
コストを実質的の増加させる。EBCCDカメラは，CCDクロック条件のために，数ワ
ットのパワーを消費し，カメラ全体用の外部電子系を必要とする。外部カメラ電
子系の大きさは，そのカメラを製造することの利点をもつ応用例の妨げとなる。
最後に，CCDは，主要なCMOS半導体製造技術と互換性のない特別な半導体製造ラ
インを必要とする。これはさらに，CCDを利用するカメラのコストを増大させる
。
上のイメージおよび記憶領域の条件のために，必要な真空エンベロープの大きさ
を二倍化にすることが必要なEBCCDの例に対して，困難な問題を有する。この条
件はまた，フレーム伝達CCDチップがイメージ領域の大きさを二倍以上とするこ
とを意味する。このことは，チップがシリコンウエハ毎に製造することができず
，行間伝達CCDまたは能動画素センサーチップに関して，CCEのコストを実質的に
増加させる。EBCCD利用カメラはまた，高電子衝撃半導体利得に対して，半導体
を薄くし，後面を不動態化するために，特別な処理を必要とするCCDの後方照明
の欠点を有する。この処理は，シリコン産業において標準ではなく，EBCCD製造
コストを実質的の増加させる。EBCCDカメラは，CCDクロック条件のために，数ワ
ットのパワーを消費し，カメラ全体用の外部電子系を必要とする。外部カメラ電
子系の大きさは，そのカメラを製造することの利点をもつ応用例の妨げとなる。
最後に，CCDは，主要なCMOS半導体製造技術と互換性のない特別な半導体製造ラ
インを必要とする。これはさらに，CCDを利用するカメラのコストを増大させる
。
【００１２】
発明の要約
本発明の目的は，従来技術の種々の欠点を除去し，改良された低光量のイメー
ジシステムおよび対応する方法を提供することである。このことは，光電陰極セ
ンサーをもつ真空エンベロープにおいて，能動画素センサーCMOSイメージャーを
電子衝撃モードで利用することにより達成される。電子衝撃能動画素センサーは
，レンズ，ハウジング，パワーおよび制御インターフェイスをもつ，低光量カメ
ラからなる。
ジシステムおよび対応する方法を提供することである。このことは，光電陰極セ
ンサーをもつ真空エンベロープにおいて，能動画素センサーCMOSイメージャーを
電子衝撃モードで利用することにより達成される。電子衝撃能動画素センサーは
，レンズ，ハウジング，パワーおよび制御インターフェイスをもつ，低光量カメ
ラからなる。
【００１３】
本発明の他の目的は，能動画素センサーCMOSイメージャーおよび直接電子衝撃
を利用する，改良された低光量のカメラを記述することである。
を利用する，改良された低光量のカメラを記述することである。
【００１４】
さらに，本発明の目的は，当該イメージ回路が使用される軽量な構造の形成を
容易にするための，パワー条件を顕著に緩和し，種々の低光量のイメージ化応用
例に対する改良された装置を提供できる，新規なチップまたはイメージ回路を記
述することである。
容易にするための，パワー条件を顕著に緩和し，種々の低光量のイメージ化応用
例に対する改良された装置を提供できる，新規なチップまたはイメージ回路を記
述することである。
【００１５】
さらに，本発明の特徴および実施例は，添付の図面とともに以下の説明から明
らかになる。
らかになる。
【００１６】
発明の詳細な説明
能動画素センサーチップが図１に示されている。光ゲート能動画素センサーの
アーキテクチャーは，図２に示され，図３のフォトダイオード能動画素センサー
のものである。
アーキテクチャーは，図２に示され，図３のフォトダイオード能動画素センサー
のものである。
【００１７】
図１において，論理タイミングおよび制御回路12により制御される画素アレー
11が示されている。信号が，アナログプロセッサおよびアナログ‐デジタルコン
バータを含む信号プロセッサにより処理される。カラム選択制御回路が符号15で
示され，出力信号が，矢印16のように，能動画素センサーから与えられることが
示されている。矢印16での出力は，能動画素センサーが使用され，または信号が
供給されるシステムに依存するデジタルまたはアナログ信号からなってもよい。
11が示されている。信号が，アナログプロセッサおよびアナログ‐デジタルコン
バータを含む信号プロセッサにより処理される。カラム選択制御回路が符号15で
示され，出力信号が，矢印16のように，能動画素センサーから与えられることが
示されている。矢印16での出力は，能動画素センサーが使用され，または信号が
供給されるシステムに依存するデジタルまたはアナログ信号からなってもよい。
【００１８】
二つの基本的な画素アーキテクチャーが，画素アレー11の個々の画素を形成す
るために使用される。画素用の第一のアーキテクチャーは光ゲート画素構成であ
る。第二の画素用のアーキテクチャーはフォトダイオード画素構成である。
るために使用される。画素用の第一のアーキテクチャーは光ゲート画素構成であ
る。第二の画素用のアーキテクチャーはフォトダイオード画素構成である。
【００１９】
図２において，光ゲート型画素構成が示されている。入射光子束により生成さ
れた光電子は，光ゲート74の下に集積される。光ゲート（CCD上に形成されたゲ
ートと近似する）は，電荷蓄積領域にわたった誘電層上にポリシリコン電極を有
する。光ゲートは符号67に示すところに適用される電源によりバイアスされる。
光ゲートは伝達ゲート75およびブリッジ拡散73によりにより，浮動出力拡散モー
ド72から分離される。伝達ゲートは，符号66に示すところに適用される電源によ
りバイアスされる。半導体の，これらの適用バイアス電位により生じたポテンシ
ャル井戸は破線により示されているが，適用バイアス電位により，光ゲートの下
方に電荷が集積される。読み出しのために，浮動出力拡散電極は，符号61により
示されたところに適用される電圧（ドレイン電圧としても参照される）によりリ
セットされるが，この電圧の適用は，通常はオフとなったリセットトランジスタ
64のゲート62が，トランジスタをオンにし，ドレイン電圧への浮動出力拡散をセ
ットするために，電源のパルスを受けたときである。光ゲート電圧は，収集され
た電荷を浮動出力拡散電極72に伝達するために，瞬時に脈動するものである。光
を生成した電荷は，ロー選択トランジスタ63が，電圧パルスをトランジスタ69に
適用することによりオンとなるときに，検知される。電荷は，ソースフォロワト
ランジスタ59により増幅され，電圧はカラムバス65に接続されたアナログ信号処
理回路（図１を参照）により検知される。光ゲート構成（図２）（図３に示され
たフォトダイオード画素構成に匹敵）は読み出されたノイズが低いという利点を
有するが，その理由は，ソースフォロワトランジスタによる測定された電圧がリ
セットされたレベルと信号レベルとの差であるときに，関連した二重サンプリン
グ読み出しを画素に集積することができることからであるが，しかし，介入ポリ
シリコン層への光吸収のために，光学的感度が低いという欠点を有する。
れた光電子は，光ゲート74の下に集積される。光ゲート（CCD上に形成されたゲ
ートと近似する）は，電荷蓄積領域にわたった誘電層上にポリシリコン電極を有
する。光ゲートは符号67に示すところに適用される電源によりバイアスされる。
光ゲートは伝達ゲート75およびブリッジ拡散73によりにより，浮動出力拡散モー
ド72から分離される。伝達ゲートは，符号66に示すところに適用される電源によ
りバイアスされる。半導体の，これらの適用バイアス電位により生じたポテンシ
ャル井戸は破線により示されているが，適用バイアス電位により，光ゲートの下
方に電荷が集積される。読み出しのために，浮動出力拡散電極は，符号61により
示されたところに適用される電圧（ドレイン電圧としても参照される）によりリ
セットされるが，この電圧の適用は，通常はオフとなったリセットトランジスタ
64のゲート62が，トランジスタをオンにし，ドレイン電圧への浮動出力拡散をセ
ットするために，電源のパルスを受けたときである。光ゲート電圧は，収集され
た電荷を浮動出力拡散電極72に伝達するために，瞬時に脈動するものである。光
を生成した電荷は，ロー選択トランジスタ63が，電圧パルスをトランジスタ69に
適用することによりオンとなるときに，検知される。電荷は，ソースフォロワト
ランジスタ59により増幅され，電圧はカラムバス65に接続されたアナログ信号処
理回路（図１を参照）により検知される。光ゲート構成（図２）（図３に示され
たフォトダイオード画素構成に匹敵）は読み出されたノイズが低いという利点を
有するが，その理由は，ソースフォロワトランジスタによる測定された電圧がリ
セットされたレベルと信号レベルとの差であるときに，関連した二重サンプリン
グ読み出しを画素に集積することができることからであるが，しかし，介入ポリ
シリコン層への光吸収のために，光学的感度が低いという欠点を有する。
【００２０】
図３において，フォトダイオード型画素構成が示されている。入射光子束によ
り生成された光電子は，通常はオフとなっているリセットトランジスタ24が，ト
ランジスタをオンにし，フォトダイオードバイアスをドレイン電圧にセットする
ために，電源によりパルス信号を受けると，適用される符号21により示されると
ころ（ドレイン電圧とも参照される）に適用される電源により，逆バイアスされ
たフォトダイオード20上に収集される。光生成の電荷は，ロー選択トランジスタ
23が，電圧パルスをトランジスタゲート29に適用することによりオンとなるとき
に，検知される。電荷はソースフォロワトランジスタ19により増幅され，その電
圧は，コラムバス25に接続されたアナログ信号処理回路13（図１を参照）により
検知される。
り生成された光電子は，通常はオフとなっているリセットトランジスタ24が，ト
ランジスタをオンにし，フォトダイオードバイアスをドレイン電圧にセットする
ために，電源によりパルス信号を受けると，適用される符号21により示されると
ころ（ドレイン電圧とも参照される）に適用される電源により，逆バイアスされ
たフォトダイオード20上に収集される。光生成の電荷は，ロー選択トランジスタ
23が，電圧パルスをトランジスタゲート29に適用することによりオンとなるとき
に，検知される。電荷はソースフォロワトランジスタ19により増幅され，その電
圧は，コラムバス25に接続されたアナログ信号処理回路13（図１を参照）により
検知される。
【００２１】
能動画素センサーを有するカメラは，電荷結合デバイスをもつカメラを越えた
，重要な利点をもつ。これらの利点は，必要なカメラ電子の大部分が，電子系が
統合されたタイミングおよび制御電子系を含むところのAPSチップ上に統合され
ている実質的に高度な電子系の統合，パワー要件の顕著の緩和，低コストの標準
CMOS製造技術の使用，カメラの容積の全体的な減少，および可変性のあるイメー
ジ読み出しである。イメージ読み出しモードが，全体のアレーのサブ領域の窓読
み出し，またはn番目毎に画素が読み出される（nは整数）スキップ読み出しを含
むことができる。これらのモードの両者において，画素の一部分が高いフレーム
レートを可能にして読み出される。
，重要な利点をもつ。これらの利点は，必要なカメラ電子の大部分が，電子系が
統合されたタイミングおよび制御電子系を含むところのAPSチップ上に統合され
ている実質的に高度な電子系の統合，パワー要件の顕著の緩和，低コストの標準
CMOS製造技術の使用，カメラの容積の全体的な減少，および可変性のあるイメー
ジ読み出しである。イメージ読み出しモードが，全体のアレーのサブ領域の窓読
み出し，またはn番目毎に画素が読み出される（nは整数）スキップ読み出しを含
むことができる。これらのモードの両者において，画素の一部分が高いフレーム
レートを可能にして読み出される。
【００２２】
図４において，本発明にしたがった電子衝撃能動画素センサー真空システムま
たは管33が示されている。このシステムは，光電陰極31，好適には，高性能の応
用例ではGaAsまたはInP/InGaAs伝達電子光電陰極のような半導体光電陰極（これ
は管の電極を形成する特別の能動画素センサーチップ32とほぼ焦点があっている
）を含んでもよい。光電子35は，符号36の矢印により示された入射光に応答して
，光電陰極31から放出される。これらの電子は，能動画素センサー32が捕える，
チップ内での電子利得を可能にするのに十分なエネルギーに，適用電圧により加
速される。このことは，チップを，他の要素と容易なインターフェイスを行わせ
る接地電位近くにバイアスすることを可能にする。制御信号およびバイアス電圧
38が能動画素センサー32に適用され，ビデオ出力信号40がセンサー32から取り出
され得る。図４の管30のベースは透明なフェイスプレートであり，管の側壁39は
，光電陰極31が位置する透明なフェイスプレートとヘッダー組立体34（APSチッ
プが位置する）との間に伸長する。ヘッダー組立体34はまた，電圧38をAPSチッ
プに適用するための電気フィードスルーおよびAPSチップからのビデオ出力信号4
0のための手段を与える。
たは管33が示されている。このシステムは，光電陰極31，好適には，高性能の応
用例ではGaAsまたはInP/InGaAs伝達電子光電陰極のような半導体光電陰極（これ
は管の電極を形成する特別の能動画素センサーチップ32とほぼ焦点があっている
）を含んでもよい。光電子35は，符号36の矢印により示された入射光に応答して
，光電陰極31から放出される。これらの電子は，能動画素センサー32が捕える，
チップ内での電子利得を可能にするのに十分なエネルギーに，適用電圧により加
速される。このことは，チップを，他の要素と容易なインターフェイスを行わせ
る接地電位近くにバイアスすることを可能にする。制御信号およびバイアス電圧
38が能動画素センサー32に適用され，ビデオ出力信号40がセンサー32から取り出
され得る。図４の管30のベースは透明なフェイスプレートであり，管の側壁39は
，光電陰極31が位置する透明なフェイスプレートとヘッダー組立体34（APSチッ
プが位置する）との間に伸長する。ヘッダー組立体34はまた，電圧38をAPSチッ
プに適用するための電気フィードスルーおよびAPSチップからのビデオ出力信号4
0のための手段を与える。
【００２３】
電子衝撃センサー利得は好適に，読み出されたノイズに打ち勝つほど十分に高
い。これにより，一つの光電子の検出が可能になる。
い。これにより，一つの光電子の検出が可能になる。
【００２４】
この適用例のための能動画素センサーは，電子感度に対し，電子衝撃半導体メ
カニズムを使用して修正される。好適な実施例は，表面電子衝撃モードで，能動
画層センサーチップの後面を薄くすること，および不動態化することといった条
件をなくすことである。表面電子衝撃のアプローチは，電子衝撃能動画素センサ
ーの要素を最もコストの低いものにする。しかし，低光量の性能がこのアプロー
チで著しく低下することはないことは重要なことである。これは，高い充填率を
可能にするために，画素領域の相当な割合をフォトダイオードが占めることによ
る。50％を越える充填因子が，良い低光量の性能に対して望ましい。50％の充填
因子は，電子衝撃能動画素センサーに対し，第三世代のイメージ増強管を使用す
るイメージ増強管CCDシステムと同等の低ノイズ感度をもたらす。
カニズムを使用して修正される。好適な実施例は，表面電子衝撃モードで，能動
画層センサーチップの後面を薄くすること，および不動態化することといった条
件をなくすことである。表面電子衝撃のアプローチは，電子衝撃能動画素センサ
ーの要素を最もコストの低いものにする。しかし，低光量の性能がこのアプロー
チで著しく低下することはないことは重要なことである。これは，高い充填率を
可能にするために，画素領域の相当な割合をフォトダイオードが占めることによ
る。50％を越える充填因子が，良い低光量の性能に対して望ましい。50％の充填
因子は，電子衝撃能動画素センサーに対し，第三世代のイメージ増強管を使用す
るイメージ増強管CCDシステムと同等の低ノイズ感度をもたらす。
【００２５】
表面電子衝撃画素センサーチップを組み込む電子衝撃能動画素センサー要素が
好適に，フォトダイオード能動画素アーキテクチャーを使用する。これは，すべ
ての上に位置する材料を，この画素配置となったフォトダイオード半導体表面に
移すことができることによる。半導体と入射電子との間に介在する材料は，電子
を吸収し，低電子衝撃半導体利得をもたらし，高加速電圧を必要とする電子エネ
ルギーを分散することができる。光ゲート能動画素センサーのアーキテクチャー
は，典型的な加速エネルギー（2keV）に対して入射光電子の収集を妨げる，上に
位置するポリシリコンまたは他の材料を必要とする欠点をもつ。入射電子はまた
，誘電体への輻射損失を生じさせ，シリコンインターフェイスは，表面電子衝撃
光ゲート能動画素センサーチップに対し短い動作寿命をもたらす。
好適に，フォトダイオード能動画素アーキテクチャーを使用する。これは，すべ
ての上に位置する材料を，この画素配置となったフォトダイオード半導体表面に
移すことができることによる。半導体と入射電子との間に介在する材料は，電子
を吸収し，低電子衝撃半導体利得をもたらし，高加速電圧を必要とする電子エネ
ルギーを分散することができる。光ゲート能動画素センサーのアーキテクチャー
は，典型的な加速エネルギー（2keV）に対して入射光電子の収集を妨げる，上に
位置するポリシリコンまたは他の材料を必要とする欠点をもつ。入射電子はまた
，誘電体への輻射損失を生じさせ，シリコンインターフェイスは，表面電子衝撃
光ゲート能動画素センサーチップに対し短い動作寿命をもたらす。
【００２６】
フォトダイオードは，比較的低い電子加速電圧（好適には2,000ボルト以下）
で，高電子衝撃半導体利得をもつことが望ましい。このことは，能動画素センサ
ーチップ上の，シリコンまたは上に位置する構成物への電子衝撃により生じるX
線のため，CMOSイメージャーへの輻射損失を最小化する。低電圧動作はまた，適
用される電圧の制御により，増強管における容易なゲート動作を可能にするため
に望ましい。さらに，電荷の蓄積を放出し，静電放電により損傷を防止できるよ
うな伝導性をもつ，上に位置する保護層を与えることで，隣接したCMOS回路を電
子衝撃から保護することが望ましい。保護はまた，下に位置するCMOS回路へのX
線照射を減少させる。
で，高電子衝撃半導体利得をもつことが望ましい。このことは，能動画素センサ
ーチップ上の，シリコンまたは上に位置する構成物への電子衝撃により生じるX
線のため，CMOSイメージャーへの輻射損失を最小化する。低電圧動作はまた，適
用される電圧の制御により，増強管における容易なゲート動作を可能にするため
に望ましい。さらに，電荷の蓄積を放出し，静電放電により損傷を防止できるよ
うな伝導性をもつ，上に位置する保護層を与えることで，隣接したCMOS回路を電
子衝撃から保護することが望ましい。保護はまた，下に位置するCMOS回路へのX
線照射を減少させる。
【００２７】
低電子加速電圧での，高電子衝撃半導体利得には，表面でのキャリヤの再結合
を最小化するために，フォトダイオード表面から，上に位置する層を除去するこ
と，および半導体表面の良い不動態化が必要される。この不動態化は，従来技術
から知られている多くに技術により達成できるものである。一つの標準的な技術
は，半導体表面で，薄くドープされた領域を形成することである。このドープさ
れた領域の厚さは，所望の動作電圧において，固体中で電子列（range）に等し
いかまたはそれよりも小さいこと，好適には実質的に小さいことが望ましい。2,
000ボルトの動作では，電子列はシリコンで約600オングストロームである。固体
中の，おおよその電子列は，Gruen列，RGにより与えられるが，ここでRG＝400Eb 1.75 ／ρである。RGはオングストローム，EbはkeV，ρはgm/cm3単位である。シ
リコンの場合，バルク密度，ρは2.33g/cm3である。
を最小化するために，フォトダイオード表面から，上に位置する層を除去するこ
と，および半導体表面の良い不動態化が必要される。この不動態化は，従来技術
から知られている多くに技術により達成できるものである。一つの標準的な技術
は，半導体表面で，薄くドープされた領域を形成することである。このドープさ
れた領域の厚さは，所望の動作電圧において，固体中で電子列（range）に等し
いかまたはそれよりも小さいこと，好適には実質的に小さいことが望ましい。2,
000ボルトの動作では，電子列はシリコンで約600オングストロームである。固体
中の，おおよその電子列は，Gruen列，RGにより与えられるが，ここでRG＝400Eb 1.75 ／ρである。RGはオングストローム，EbはkeV，ρはgm/cm3単位である。シ
リコンの場合，バルク密度，ρは2.33g/cm3である。
【００２８】
ドープされた領域は，下に位置する領域よりも大きい自由キャリヤ濃度をもつ
同じキャリヤタイプをもつようにドープされる。ドープ密度の増加は，所望の少
数のキャリヤが，再結合し，逆バイアスされたフォトダイオードにより収集され
ない表面に到着することを防止するポテンシャル（電位）バリヤを形成する。少
数のキャリヤがその表面に到着することを防止ために，ポテンシャルバリヤを形
成する他の技術は従来から知られている。不動態化技術は，Janesik等により，1
989年4月18日に発行された米国特許第4,822,748号，Janesikにより，1988年7月2
6日に発行された米国特許第4,760,031号に開示されている。
同じキャリヤタイプをもつようにドープされる。ドープ密度の増加は，所望の少
数のキャリヤが，再結合し，逆バイアスされたフォトダイオードにより収集され
ない表面に到着することを防止するポテンシャル（電位）バリヤを形成する。少
数のキャリヤがその表面に到着することを防止ために，ポテンシャルバリヤを形
成する他の技術は従来から知られている。不動態化技術は，Janesik等により，1
989年4月18日に発行された米国特許第4,822,748号，Janesikにより，1988年7月2
6日に発行された米国特許第4,760,031号に開示されている。
【００２９】
本発明の他の実施例は，後面衝撃能動画素センサーチップを利用する。この実
施例において，APSチップは下に向けて配置され，シリコン基板は，薄くされた
能動画素センサーチップを残して，機械的に，化学的に除去される。
施例において，APSチップは下に向けて配置され，シリコン基板は，薄くされた
能動画素センサーチップを残して，機械的に，化学的に除去される。
【００３０】
CCDに関連した基板を薄くする方法は，米国特許第4,687,922号に開示されてい
る。この開示された方法は，APS構成物の後面を薄くするために使用することが
でき，ここに参考文献として組み込まれる。一般的に，後面を薄くすることは，
感受性のある領域の下の基板を薄くすることにより達成され得る。
る。この開示された方法は，APS構成物の後面を薄くするために使用することが
でき，ここに参考文献として組み込まれる。一般的に，後面を薄くすることは，
感受性のある領域の下の基板を薄くすることにより達成され得る。
【００３１】
基板を薄くする前のフォトダイオード画素構成物の断面が図５に示されている
。図３のフォトダイオード20は，図５では，領域55として示されている。画素中
に関連したトランジスタ（図３ではトランジスタ19，22，および23）から成るCM
OS回路は領域53に含まれる。まず，基板の51の大部分を除去するために，急速等
方エッチング工程が実行される。たとえば，基板が最初約400μmであるとき，こ
のエッチング工程は，基板層51の約380μmが，基板材の約20μmの薄い層を残し
て，エッチングされるまで続く。このエッチング工程は，割合が5：3：3の硝酸
，酢酸，およびフッ化水素酸の溶液，または従来から知られた溶液を利用して実
行される。このエッチングの間，基板を回転させることにより，良好な一貫性を
もつ最終厚さが形成される。遅いエッチングがつぎに残りの基板材を除去するた
めに実行され，エッチングは層57で停止される。このエッチングは350ml当たり5
mlの割合で過酸化水素が存在する酸性溶液または従来技術の同様の溶液で，割合
が3：8：1の硝酸，酢酸およびフッ化水素酸で行われる。層57と51との間のドー
ピング差が，エッチング感受性を得るために利用される。エッチングは，厚さが
良好な一様性をもつことを確実にするために実行される。能動画素センサーを薄
くした後，後面は，表面の再結合速度を減少させ，低動作電圧（＜2kV）で高い
電子衝撃利得を確実に得るようにするために，不動態化される。
。図３のフォトダイオード20は，図５では，領域55として示されている。画素中
に関連したトランジスタ（図３ではトランジスタ19，22，および23）から成るCM
OS回路は領域53に含まれる。まず，基板の51の大部分を除去するために，急速等
方エッチング工程が実行される。たとえば，基板が最初約400μmであるとき，こ
のエッチング工程は，基板層51の約380μmが，基板材の約20μmの薄い層を残し
て，エッチングされるまで続く。このエッチング工程は，割合が5：3：3の硝酸
，酢酸，およびフッ化水素酸の溶液，または従来から知られた溶液を利用して実
行される。このエッチングの間，基板を回転させることにより，良好な一貫性を
もつ最終厚さが形成される。遅いエッチングがつぎに残りの基板材を除去するた
めに実行され，エッチングは層57で停止される。このエッチングは350ml当たり5
mlの割合で過酸化水素が存在する酸性溶液または従来技術の同様の溶液で，割合
が3：8：1の硝酸，酢酸およびフッ化水素酸で行われる。層57と51との間のドー
ピング差が，エッチング感受性を得るために利用される。エッチングは，厚さが
良好な一様性をもつことを確実にするために実行される。能動画素センサーを薄
くした後，後面は，表面の再結合速度を減少させ，低動作電圧（＜2kV）で高い
電子衝撃利得を確実に得るようにするために，不動態化される。
【００３２】
基板の除去および後面の不動態化により，確実に，光子および光電子が，ポテ
ンシャル源に十分に近い点で吸収され，この実施例では，逆バイアスされたフォ
トダイオードで達成される電荷収集が，生成された電荷をバルクまたは表面再結
合または横方向拡散なしで，目的地に着くようにさせることができる。
ンシャル源に十分に近い点で吸収され，この実施例では，逆バイアスされたフォ
トダイオードで達成される電荷収集が，生成された電荷をバルクまたは表面再結
合または横方向拡散なしで，目的地に着くようにさせることができる。
【００３３】
露出モードにおいて，光電陰極からの電子は，前述したEBCCDの場合と同様に
，チップの後面上に入射する。このアプローチは，APSチップの取り付けおよび
薄くすることのための付加的な処理を必要とするが，電子衝撃表面上に介在構造
物がないことから，100％の充填率が得られ，入射光電子のすべてが潜在的に，
従来技術として知られている方法で，ドーピングプロファイルを操作することに
より，適切な静電ポテンシャル分布を固体内に作りこむことで除去できるといる
利点がある。後面露出および後面を薄くすることは，フォトダイオードか，フォ
トゲート画素構造物かいずれかと適合する。層57内のポテンシャル分布は，CMOS
回路から離れる，生成された電子をフォトダイオードまたはフォトゲート構造物
に偏向するように形成され得る。これにより，優れた低光量の感度が可能となる
。
，チップの後面上に入射する。このアプローチは，APSチップの取り付けおよび
薄くすることのための付加的な処理を必要とするが，電子衝撃表面上に介在構造
物がないことから，100％の充填率が得られ，入射光電子のすべてが潜在的に，
従来技術として知られている方法で，ドーピングプロファイルを操作することに
より，適切な静電ポテンシャル分布を固体内に作りこむことで除去できるといる
利点がある。後面露出および後面を薄くすることは，フォトダイオードか，フォ
トゲート画素構造物かいずれかと適合する。層57内のポテンシャル分布は，CMOS
回路から離れる，生成された電子をフォトダイオードまたはフォトゲート構造物
に偏向するように形成され得る。これにより，優れた低光量の感度が可能となる
。
【００３４】
好適というわけではないが，本発明の他の実施例は，電子‐光変換層でコーテ
ィングされた前面衝撃能動画素センサーチップを利用する。このことは，図６に
関連して説明される。
ィングされた前面衝撃能動画素センサーチップを利用する。このことは，図６に
関連して説明される。
【００３５】
このアプローチは，直接の電子感度に対して，修正されなかった標準チップを
利用するという利点をもつ。このタイプの能動画素センサーが図６に示されてい
る。図６において，前面の電子‐光変換層をもつ能動センサーの断面が示されて
いる。フォトダイオード（図３での符号20）またはフォトゲート（図２での74）
は図６では領域85として示されている。画素中の関連したとトランジスタまたは
ゲート（図３のトランジスタ19，22および23）または図２のトランジスタおよび
ゲート75，64，63，59）からなるCMOS回路が領域83に含まれる。これらの構成物
は，基板81に含まれる。光学的保護層86が，電子‐光変換層84で生成された光が
領域83に入ることを防止するために使用される。生成した光が，光変換層（ここ
では反射が，光が到着する領域85（ここで，フォトダイオードまたはフォトゲー
ト構造物により検知される）で生じる）に反射して戻ることができるようにアル
ミニウムまたは他の高反射率の金属で層86が作られる。光変換層84は，光学的に
反射性をもつ，電気伝導性のある層82でコーティングされている。層82は電子衝
撃能動画素センサーに対して伝導性電極層を形成し，入射電子を収集し，バイア
ス電源へと排出することができる。層82はまた，層84で生成された光が光電陰極
に着くことを防止する。この層からの光が光電陰極に着くと，光学的フィードバ
ックがもたらされ，検知されたイメージに過度のノイズが付加される。典型的に
，層82は，層84から光電陰極に着く光を，光学的フィードバック効果を最小化す
るために，少なくとも三桁分減衰する。
利用するという利点をもつ。このタイプの能動画素センサーが図６に示されてい
る。図６において，前面の電子‐光変換層をもつ能動センサーの断面が示されて
いる。フォトダイオード（図３での符号20）またはフォトゲート（図２での74）
は図６では領域85として示されている。画素中の関連したとトランジスタまたは
ゲート（図３のトランジスタ19，22および23）または図２のトランジスタおよび
ゲート75，64，63，59）からなるCMOS回路が領域83に含まれる。これらの構成物
は，基板81に含まれる。光学的保護層86が，電子‐光変換層84で生成された光が
領域83に入ることを防止するために使用される。生成した光が，光変換層（ここ
では反射が，光が到着する領域85（ここで，フォトダイオードまたはフォトゲー
ト構造物により検知される）で生じる）に反射して戻ることができるようにアル
ミニウムまたは他の高反射率の金属で層86が作られる。光変換層84は，光学的に
反射性をもつ，電気伝導性のある層82でコーティングされている。層82は電子衝
撃能動画素センサーに対して伝導性電極層を形成し，入射電子を収集し，バイア
ス電源へと排出することができる。層82はまた，層84で生成された光が光電陰極
に着くことを防止する。この層からの光が光電陰極に着くと，光学的フィードバ
ックがもたらされ，検知されたイメージに過度のノイズが付加される。典型的に
，層82は，層84から光電陰極に着く光を，光学的フィードバック効果を最小化す
るために，少なくとも三桁分減衰する。
【００３６】
この実施例において，標準的な能動画素センサーチップが，図６に示された電
子‐光変換層および関連した構造物の適用例とともに使用することができる。陰
極から陽極へ加速された電子は変換層により光子に変換され，APS画素により検
出される。このスクリーンは，能動画素センサーチップ上に直接付着される。こ
のアプローチにおいて，層82は，比較的低入射電子エネルギーで，良好な光学反
射性および良好な電子透過性の特性をもつアルミニウムを使用して製造される。
光学的反射性は，生成した光のより多くをフォトゲートまたはフォトダイオード
に到着させ，より高い感度とするために重要である。この場合，層82に突き当た
る光は，画素に反射して戻り，検出されて，スクリーン効率が増加する。層84は
，P20またはP43（緑色で放出する）のような高効率の蛍光体を使用して製造され
る。能動画素センサーのピーク感度波長と整合する波長をもつ光を放出する蛍光
体を選択することにより，さらに最適化される。変換層は，従来技術において知
られているタイプの標準的な金属化された蛍光スクリーンからなってもよい。
子‐光変換層および関連した構造物の適用例とともに使用することができる。陰
極から陽極へ加速された電子は変換層により光子に変換され，APS画素により検
出される。このスクリーンは，能動画素センサーチップ上に直接付着される。こ
のアプローチにおいて，層82は，比較的低入射電子エネルギーで，良好な光学反
射性および良好な電子透過性の特性をもつアルミニウムを使用して製造される。
光学的反射性は，生成した光のより多くをフォトゲートまたはフォトダイオード
に到着させ，より高い感度とするために重要である。この場合，層82に突き当た
る光は，画素に反射して戻り，検出されて，スクリーン効率が増加する。層84は
，P20またはP43（緑色で放出する）のような高効率の蛍光体を使用して製造され
る。能動画素センサーのピーク感度波長と整合する波長をもつ光を放出する蛍光
体を選択することにより，さらに最適化される。変換層は，従来技術において知
られているタイプの標準的な金属化された蛍光スクリーンからなってもよい。
【００３７】
表面に変換層を使用するアプローチの欠点は，能動画素センサーチップにより
，電子の直接の検出と比較して，解像度はより低くなり，ノイズはより高くなる
。解像度の低下は，画素対画素のクロストークをもたらし，変調伝達関数を減少
させる光変換層における光の散乱から起こる。光変換スクリーンと一体的となっ
た付加的な変換工程による過度のノイズ因子の低下から，より高いノイズが生じ
る。より高いノイズはまた，電子加速電圧が良好な変換利得を達成するために，
実質的により高いものとする必要があることからも生じる。このことは，良好な
変換効率のために，4kVよりも高い電圧を，典型的に必要とする光変換層におけ
る非効率性のためである。高加速電圧はX線発生率を著しく増加させる。光電陰
極により検出されたX線は大きなノイズパルスをもたらす。X線はまた，輻射損失
効果のため，能動画素センサーチップの寿命を極端に縮める。最大の効率のため
に，光変換構成物を最適化すること，前述した技術を使用して低電圧操作を可能
にすることは，ノイズ効果を減少させ得る。
，電子の直接の検出と比較して，解像度はより低くなり，ノイズはより高くなる
。解像度の低下は，画素対画素のクロストークをもたらし，変調伝達関数を減少
させる光変換層における光の散乱から起こる。光変換スクリーンと一体的となっ
た付加的な変換工程による過度のノイズ因子の低下から，より高いノイズが生じ
る。より高いノイズはまた，電子加速電圧が良好な変換利得を達成するために，
実質的により高いものとする必要があることからも生じる。このことは，良好な
変換効率のために，4kVよりも高い電圧を，典型的に必要とする光変換層におけ
る非効率性のためである。高加速電圧はX線発生率を著しく増加させる。光電陰
極により検出されたX線は大きなノイズパルスをもたらす。X線はまた，輻射損失
効果のため，能動画素センサーチップの寿命を極端に縮める。最大の効率のため
に，光変換構成物を最適化すること，前述した技術を使用して低電圧操作を可能
にすることは，ノイズ効果を減少させ得る。
【００３８】
図７において，種々のイメージ化システムを示すために，本発明にしたがった
カメラが示されている。この図において，符号140は，レンズ141を介して，光電
陰極142に焦点が合わされたイメージを示す。光電陰極142に，電源145からの電
圧リード線143が接続されている。電源145はまた，リード線146を介して能動画
素センサー147に接続されている。真空チェンバー148が光電陰極142を能動画素
センサー147から分離している。壁150はチェンバーのシールされた外壁を示す。
カメラが示されている。この図において，符号140は，レンズ141を介して，光電
陰極142に焦点が合わされたイメージを示す。光電陰極142に，電源145からの電
圧リード線143が接続されている。電源145はまた，リード線146を介して能動画
素センサー147に接続されている。真空チェンバー148が光電陰極142を能動画素
センサー147から分離している。壁150はチェンバーのシールされた外壁を示す。
【００３９】
図に示されたカメラ配置は，本発明に関連して有用なシステムを示すためのも
のである。カメラシステムが容易に最適化されるべきであり，特定の応用例にお
いて，従来技術において知られているように修正することもできる。したがって
，監視システムにおいて，捕捉されるイメージは建物領域の内側のもの，または
外側のものを含んでもよく，ここでカメラレンズは，イメージを光電陰極（順に
，空間的形状をもって，イメージを能動画素センサー（順に，イメージを見るた
めの，出力陰極線システムまたは他のディスプレーを提供する）に伝達する）に
焦点を合わせる。明らかなように，イメージ140は，能動画素センサーの出力が
提供されるシステムにおいて統合されたディスプレー上または遠隔地でみること
ができる。このようなスクリーンはシステムの出力部として，符号154に示され
ているように，配置できる。
のである。カメラシステムが容易に最適化されるべきであり，特定の応用例にお
いて，従来技術において知られているように修正することもできる。したがって
，監視システムにおいて，捕捉されるイメージは建物領域の内側のもの，または
外側のものを含んでもよく，ここでカメラレンズは，イメージを光電陰極（順に
，空間的形状をもって，イメージを能動画素センサー（順に，イメージを見るた
めの，出力陰極線システムまたは他のディスプレーを提供する）に伝達する）に
焦点を合わせる。明らかなように，イメージ140は，能動画素センサーの出力が
提供されるシステムにおいて統合されたディスプレー上または遠隔地でみること
ができる。このようなスクリーンはシステムの出力部として，符号154に示され
ているように，配置できる。
【００４０】
図示のタイプのカメラは，星明かりのようなレベルの光で作動して，イメージ
化し，イメージを再生することができるが，典型的にそして好適には，明るい環
境で作動（このような環境とは，夜間に人が通過できる程度に十分に明るくなく
ともよい）されるべきである。このことは一般的に，ほとんどのシステムおよび
条件に対して十分であり，したがって，システムにおいて使用される要素の規格
をより低いものにすることができる。夜間視認の目的のためのように，低光量の
イメージ化が十分に行えることを必要とする応用例の場合（飛行が非常に低く，
建物，木々，または電力線に関する事故について関心があるといったヘリコプタ
ー飛行の応用例），システムは，図示のように設計されてもよく，バッテリー動
作，ヘルメットなどのような，夜間視認装置に付随するユニークな手段を含んで
もよい。
化し，イメージを再生することができるが，典型的にそして好適には，明るい環
境で作動（このような環境とは，夜間に人が通過できる程度に十分に明るくなく
ともよい）されるべきである。このことは一般的に，ほとんどのシステムおよび
条件に対して十分であり，したがって，システムにおいて使用される要素の規格
をより低いものにすることができる。夜間視認の目的のためのように，低光量の
イメージ化が十分に行えることを必要とする応用例の場合（飛行が非常に低く，
建物，木々，または電力線に関する事故について関心があるといったヘリコプタ
ー飛行の応用例），システムは，図示のように設計されてもよく，バッテリー動
作，ヘルメットなどのような，夜間視認装置に付随するユニークな手段を含んで
もよい。
【００４１】
科学的な応用例においては，極端に暗い状況で動作させる必要がある。また，
人が破損させることなく装置を取り扱う必要もある。暗視用に調節されたシステ
ムは，これらの目的に対してほとんど有用である。他の科学的な応用例において
，非常に低い光量の光放出をイメージ化することができること，または一つの光
子でさえも検出することができることが要求される。記述したシステムは，これ
らの応用例に対しても適している。
人が破損させることなく装置を取り扱う必要もある。暗視用に調節されたシステ
ムは，これらの目的に対してほとんど有用である。他の科学的な応用例において
，非常に低い光量の光放出をイメージ化することができること，または一つの光
子でさえも検出することができることが要求される。記述したシステムは，これ
らの応用例に対しても適している。
【００４２】
関連した出願が，発明者がKenneth A. Costelloの，Electron Bombarded Acti
ve Pixel Sensor Camera Incorporating Gain Control と題して同時に行われ，
本発明に関連して参照されるものである。
ve Pixel Sensor Camera Incorporating Gain Control と題して同時に行われ，
本発明に関連して参照されるものである。
【００４３】
本発明は特定の実施例に関連して説明されているが，当業者には明らかなよう
に，本発明を実施する上で種々の変更が行い得ることは明らかであろう。したが
って，本発明は特許請求の範囲に沿って画成されるべきである。
に，本発明を実施する上で種々の変更が行い得ることは明らかであろう。したが
って，本発明は特許請求の範囲に沿って画成されるべきである。
【図１】
図１は，能動画素センサーチップのアーキテクチャーの概略図である。
【図２】
図２は，光ゲート型能動画素センサーのアーキテクチャーの概略図である。
【図３】
図３は，能動画素センサーの典型的なフォトダイオード型アーキテクチャーの
概略図である。
概略図である。
【図４】
図４は，本発明にしたがった，真空管装置の，電子衝撃能動画素センサーを示
す略示図である。
す略示図である。
【図５】
図５は，フォトダイオード画素構造物の断面図である。
【図６】
図６は，上に位置する光変換層をもつ能動画素センサーの略示図である。
【図７】
図７は，本発明の応用例を示すイメージシステムまたはカメラを示す。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｕ
Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｋ
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，
ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ
Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ
，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，
ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ
Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ
，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，
ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，
ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ
Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ
，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，
ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ
Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ
，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，
ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ
Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ
，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，
ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ
(72)発明者 イービ，ヴァール・ダブリュ
アメリカ合衆国カリフォルニア州94025，
メンロ・パーク，ローレル・ストリート
220
(72)発明者 ボイル，ジョン・ジェームズ
アメリカ合衆国マサチューセッツ州01545，
シュルーズバリ，キャメロット・ドライヴ
61
Ｆターム(参考） 4M118 AA01 AB01 BA14 CA03 CA07
CB01 CB02 CB03 DD12 EA01
FA06 GA10
5C022 AB01 AB21 AC01 AC42 AC54
5C024 AX01 AX17 CX41 GX03 GX24
5C037 AA07 AA09 AB08 AB23 EE01
EE03
Claims (19)
- 【請求項１】真空装置であって， 当該真空装置にあり，光を受けたときに，その真空装置内に電子を放出する真
空装置の壁部としての，光電陰極と， 該光電陰極と向かい合って，当該装置の真空チェンバー内に位置する能動画素
センサーと， 前記光電陰極と前記能動画素センサーとの間にあり，当該装置の真空チェンバ
ーをシールする壁構造物と， 前記光電陰極から，真空チェンバー内に放出された電子を直接，前記能動画素
センサーへ移動させる電場と， 外部での使用のために，前記センサーからの信号を供給する，当該装置の外へ
伸長する前記能動画素センサーからの電子接続子と， を含む真空装置。 - 【請求項２】能動画素センサーは，前記センサーの前面が前記光電陰極から
の電子により衝撃を受ける位置に配置される，請求項１に記載の真空装置。 - 【請求項３】能動画素センサーは，前記センサーの後面が前記光電陰極から
の電子により衝撃を受ける位置に配置される，請求項１に記載の真空装置。 - 【請求項４】前記能動画素センサーの表面が電子光変換層によりコーティン
グされる，請求項２に記載の真空装置。 - 【請求項５】基板の後面が薄くされ，電子は，後面が薄くされた基板に向け
られる，請求項３に記載の真空装置。 - 【請求項６】低光量のカメラであって， 入力イメージの焦点を対象平面上に合わせるレンズと， 焦点が合わされるイメージの露出を受ける，前記対象平面の位置にある光電陰
極と， 該光電陰極と向かい合う位置にある能動画素センサーと， 前記光電陰極からの電子を直接，前記能動画素センサーに伝達することを容易
にするため，前記光電陰極と前記能動画素センサーとの間にある真空エンクロー
ジャーと， 焦点が合わされるイメージに応答して，前記光電陰極から放出される電子を，
前記入力イメージと一致する空間関係で，前記能動画素センサーに移動させる電
場と， 前記真空エンクロージャーの外に信号を供給し，前記能動画素センサーで受信
されたイメージを，前記真空エンクロージャーの外で表示する手段と， を含むカメラ。 - 【請求項７】能動画素センサーは，電子から光への変換層でコーティングさ
れ，前記変換層は，前記光電陰極から放出される電子が直接，前記変換層に衝突
するように位置する，請求項６に記載のカメラ。 - 【請求項８】 能動画素センサーの後面は薄くされ，前記光電陰極からの電子は，前記能動画
素センサーの，前記薄くされた後面の層に向けられる，請求項６に記載のカメラ
。 - 【請求項９】 フォトゲートが前記能動画素センサーの一部として使用される，請求項６に記
載のカメラ。 - 【請求項１０】 フォトダイオードが前記能動画素センサーの要素とし使用される，請求項６に
記載のカメラ。 - 【請求項１１】 後面が薄くされている，真空エンベロープ内に使用される能動画素センサーチ
ップ。 - 【請求項１２】真空エンベロープ内に使用され，上に位置する蛍光層を有し
，前記真空エンベロープ内で，前記層上に衝突する電子を光に変換する，能動画
素センサーチップ。 - 【請求項１３】低光量のイメージを記録する方法であって， 記録されるべきイメージを光電陰極に投射し，前記光電陰極から電子を，入力
イメージの空間形状をもって真空チェンバーに放出させる工程と， 真空チェンバー内で，電子イメージの受信面に，能動画素センサーを配置する
工程と， 前記能動画素センサーの出力を前記真空チェンバーから記録装置へ向ける工程
と， を含む方法。 - 【請求項１４】真空管であって， 当該真空管内で，低光量のイメージに露出されるとき，その真空管に電子を放
出する光電陰極と， 電子イメージを前記光電陰極から受信するために，前記真空管内に配置される
能動画素センサーと， 前記光電陰極と，前記能動画素センサーとの間にあって，前記光電陰極および
前記センサーを当該管の真空チェンバー内にシールする壁構造物と， 前記光電陰極から真空チェンバーへ放出される電子を直接，イメージ形状をも
って，前記能動画素センサーに移動させるための電場と， 当該管の外で使用するために，前記センサーからの信号を提供するための，当
該管から伸長する，前記能動画素センサーからの電気的接続子と， を含む真空管。 - 【請求項１５】前記能動画素センサーはフォトゲートを含み，前記電子イメ
ージは前記能動画素センサーの前面に向けられる，請求項１４に記載の真空管。 - 【請求項１６】前記能動画素センサーはフォトゲートを含み，前記電子イメ
ージは前記能動画素センサーの後面に向けられる，請求項１４に記載の真空管。 - 【請求項１７】前記能動画素センサーは前記フォトゲートを含み，前記電子
イメージは前記能動画素センサーの後面に向けられ，前記後面が薄くされる，請
求項１６に記載の真空管。 - 【請求項１８】後面が薄くされた能動画素センサーが使用され，電子イメー
ジが前記能動画素センサーの薄くされた後面に向けられる，請求項１３に記載の
方法。 - 【請求項１９】電子イメージを光イメージに変換するための，オーバーコー
ティング層をもつ能動画素センサーが，前記光電陰極からの電子イメージが前記
能動画素センサーのオーバーコーティング層に向くように，配置される，請求項
１３に記載の方法。
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