JP2005322581A - 撮像素子及びそれを用いた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、光電変換膜に蓄積された正孔の読み出しに必要な電子量を確保しつつ、電子放出源から放出された電子群の広がりを抑止できる撮像素子及びそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 互いに対向する第１の透光性基板１０１及び第２の基板２０１と、第１の透光性基板の第２の基板に対向する面側に設けられた透光性導電膜１０２及び光電変換膜１０３と、第２の基板の第１の透光性基板に対向する面側に設けられた複数の電子放出源を有し構成される撮像素子において、第１の透光性基板及び第２の基板間で第１の透光性基板及び第２の基板それぞれに直交する方向の磁界を形成する磁石５０１を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像素子及びそれを用いた撮像装置に関し、互いに対向する基板上に形成された光電変換膜と、電界によって電子を引き出す複数の電子放出源を有し構成される撮像素子及びそれを用いた撮像装置に関する。

加熱しないで、電界によって電子を引き出す電子放出源が、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）と呼ばれる平面ディスプレイの電子放出源として用いられている。また、前記電子放出源と光電変換膜とを対向させた撮像装置が例えば特許文献１で提案されている。この撮像装置は、複数のＳｐｉｎｄｔ型電子放出源をマトリックス状に配列したアレイと、これに対向する光電変換膜で構成されており、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源が形成されたマトリックスアレイから放出された電子群によって光電変換膜に正孔が生成及び蓄積され、この正孔を読み出すことで時系列の映像信号が得られる。

しかし、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源から放出される電子群は一般的にエミッタ先端部から約３０度の広がりを持つこと、また、通常の撮像条件では電子群による走査直前の光電変換膜の電位が低いことから、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源と光電変換膜との間の真空空間で、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源から放出された電子群の広がりがさらに助長される。その結果、光電変換膜上に投影される電子群の広がりが大きくなり、解像度の低下により画質が劣化するという問題がある。

上記の問題を解消するために、例えば、特許文献２に記載されているように、電子放出源と光電変換膜との間に多数の開口を有するメッシュ状のグリッド電極を挿入した撮像装置が知られている。この撮像装置では、グリッド電極に電子放出源に印加される電圧に比べて格段に高い電圧を常時印加することで、電子放出源から放出された電子群が光電変換膜に到達するまでの時間を短縮し、電子放出源と光電変換膜との間の真空空間での電子群の広がりを抑制している。

また、ＦＥＤにおいても、電子放出源から放出される電子群を電界によって蛍光膜上に集束する方法として、例えば特許文献３や非特許文献１に記載のように、電子放出源を取り囲むように電子放出源と同一の平面上もしくはその上部に絶縁物を介して集束電極を設ける方法が知られている。

この集束電極付電子放出源及び集束電極付電子放出源アレイでは、通常、集束電極に電子放出のために電子放出源や電子放出源アレイに印加される電圧より低い電圧を印加することで、電子放出源から放出された電子群が蛍光膜に至るまでの真空空間での広がりを抑制している。
特開平６−１７６７０４号公報 特開２０００−４８７４３号 特開平１０−１９９４００号 Ｗ．Ｄ．Ｋｅｓｌｉｎｇ ｅｔ ａｌ．"Ｂｅａｍ Ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｆｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙｓ"，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｖａｃｕｕｍ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｇｒｅｎｏｂｌｅ，Ｆｒａｎｃｅ，４−７Ｊｕｌｙ，１９９４，ＰＰ．１３５−１３８

複数の電子放出源と光電変換膜とを真空空間を挟んで対向させた撮像素子において、従来の技術では、電子放出源と光電変換膜との間に高い電圧を印加したグリッド電極を挿入することで、電子放出源から放出された電子群が光電変換膜に到達するまでの時間を短縮し、真空空間での電子群の広がりを抑制している。

しかし、この従来技術では、真空空間での電子群の広がりの原因となる電子放出源から放出された直後の電子群の光電変換膜に平行な方向の速度成分は、電子群が光電変換膜に到達するまでの間に変化しないため、原理上、電子群の真空空間での広がりをある程度許容せざるを得ない。そのため、放出された直後の電子群が大きな広がりを持つＳｐｉｎｄｔ型電子放出源を用いたときには、光電変換膜上に投影される電子群の広がりが画素面積よりも大きくなり、解像度等の画質が劣化するおそれがある。

これを抑制するには、グリッド電極の電極をさらに高める必要があるが、一方でグリッド電極に印加できる電圧の上限はグリッド電極と電子放出源との間の絶縁耐圧で制限される。また、グリッド電極を挿入することで、電子放出源から放出された電子群の一部がグリッド電極に捕獲されるため、光電変換膜に蓄積された正孔を読み出す電子量の減少を招くという問題を生じる。

また、従来技術では、電子群の広がりを抑制するための集束電極を設けた電子放出源アレイを作製することができ、このような集束電極付電子放出源アレイの撮像素子への適用も十分に可能である。しかし、電子放出源アレイ内に集束電極を形成するための面積を確保しなければならず、その結果、アレイ内に電子放出源を形成することのできる面積が小さくなり、アレイから放出される電子量が減少するという問題を生じる。

これに加えて、集束電極付の電子放出源アレイでは、電子放出源から放出された電子群の広がりを抑制するには、通常、集束電極に、電子放出のために電子放出源アレイに印加される電圧より低い電圧が印加されるが、この集束電極に印加される電圧が低くなるほど、すなわち、電子群の広がりを抑制するほど、電子放出源から取り出せる電子量が減少することが知られている。

これらのことから、集束電極を設けた電子放出源アレイの撮像装置への適用においては、電子群の真空空間での広がりの抑制と、光電変換膜に蓄積された正孔の読み出しに必要な電子量の確保とは相反事項となる。特に、画素が小さくなるほど、電子群の広がりの抑制と電子量の確保とを両立させることが難しくなり、電子群の広がりを抑制して高い解像度を得ようとすると、光電変換膜に蓄積された電荷を全て読み出すことができず、残像の発生等を招くという不具合を生じる。

更に、個々の電子放出源もしくは複数の電子放出源をひとつの単位として、これらを取り囲むように集束電極を電子放出源アレイ内の全領域にわたって均一に形成することは難しく、その結果、集束電極の効果が個々の電子放出源または複数の電子放出源毎に異なるという問題を生じる。さらに、微細・高集積化された電子放出源アレイに、このような集束電極を形成するには、より複雑な作製工程が必要となり、電子放出源アレイの作製歩留まりの低下等を招く。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、光電変換膜に蓄積された正孔の読み出しに必要な電子量を確保しつつ、電子放出源から放出された電子群の広がりを抑止できる撮像素子及びそれを用いた撮像装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、互いに対向する第１の透光性基板及び第２の基板と、前記第１の透光性基板の前記第２の基板に対向する面側に設けられた透光性導電膜及び光電変換膜と、前記第２の基板の前記第１の透光性基板に対向する面側に設けられた複数の電子放出源を有し構成される撮像素子において、
前記第１の透光性基板及び第２の基板間で前記第１の透光性基板及び第２の基板それぞれに直交する方向の磁界を形成する磁石を備えたことにより、
光電変換膜に蓄積された正孔の読み出しに必要な電子量を確保しつつ、電子放出源から放出された電子群の広がりを防止できる。

請求項２に記載の発明では、前記磁石は、前記第１の透光性基板及び第２の基板を空洞内に収納する円筒型の永久磁石であることにより、請求項１の発明を実現できる。

請求項３に記載の発明では、前記磁石は、前記第１の透光性基板を空洞内に収納する円筒型の第１の永久磁石と、
前記第２の基板の前記第１の透光性基板に対向する面とは逆側に前記第２の基板と対向する円盤形の第２の永久磁石で構成されることにより、請求項１の発明を実現できる。

請求項５に記載の発明では、前記磁石は、前記第１の透光性基板の前記第２の基板に対向する面とは逆側に前記第１の透光性基板と対向する円盤形の透光性永久磁石と、
前記第２の基板の前記第１の透光性基板に対向する面とは逆側に前記第２の基板と対向する円盤形の第３の永久磁石で構成されることにより、請求項１の発明を実現できる。

請求項６に記載の発明では、前記透光性永久磁石は、前記第１の透光性基板の少なくとも一部として使用することにより、小型化が可能になる。

請求項７に記載の発明では、前記透第３の永久磁石は、前記第２の基板の少なくとも一部として使用することにより、小型化が可能になる。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像素子を用いて構成したことを特徴とする撮像装置である。

本発明によれば、光電変換膜に蓄積された正孔の読み出しに必要な電子量を確保しつつ、電子放出源から放出された電子群の広がりを抑止できる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

まず、本発明の原理を説明する。透光性導電膜と電子放出源それぞれがｚ方向に離間してｘ−ｙ平面に配置されている場合（図１参照、ｙ軸の向きは紙面の表から裏）、電子放出源からｚ方向に対し斜めに発射された電子は互いに垂直なｘ方向、ｙ方向、ｚ方向それぞれの速度成分を持つ。ｚ方向に平行な磁界があるとき、透光性導電膜に平行な速度成分による電子の運動はローレンツ力によって回転運動をし（ｚ方向の運動にはローレンツ力が働かない）、電子の軌道はｚ軸を中心とする螺旋状となり、ある時間でｘ方向とｙ方向の原点、即ちｚ軸上に戻る。このｚ軸上に戻る時点が透光性導電膜上となるように磁束密度または透光性導電膜と電子放出源の離間距離を調節することによって、電子放出源から斜めに発射された電子は透光性導電膜上に集束される。

なお、磁界がｚ方向に平行でなくなると、ｚ方向の運動にもローレンツ力が働くため、電子放出源からｚ方向に発射された電子でも軌道が螺旋状に歪むため、透光性導電膜及び電子放出源に対してできるだけ垂直に、つまりｚ軸に平行に磁界を発生させることが必要である。

図１は、本発明の撮像素子の第１実施形態の断面図を示す。同図中、本撮像素子は、内部に空洞を有する円筒型の永久磁石５０１と、前記永久磁石５０１の空洞内に配置される撮像素子本体部とから構成されている。

撮像素子本体部は、真空容器の一部を兼ねる透光性基板１０１及び基板２０１と、真空容器３０１とによって内部が真空に保たれている。透光性基板１０１の真空側表面（基板２０１に対向する面側）には、透光性導電膜１０２が形成され、更に、光電変換膜１０３が形成されている。基板２０１の真空側表面（透光性基板１０１に対向する面側）には、カソード電極２０２と電子源２０３とゲート電極２０４及び絶縁層２０５とからなる電子放出源を複数有する電子放出源アレイが形成されている。透光性導電膜１０２と電子放出源アレイそれぞれはｚ方向に所定距離だけ離間してｘ−ｙ平面に配置されている。

また、光電変換膜１０３と電子放出源アレイとの離間間隔の中間点は、永久磁石５０１のｚ方向の中間点を通るｘ−ｙ平面上に位置し、かつ、光電変換膜１０３の有効撮像領域の中心点は永久磁石５０１の内径の中心軸上に位置し、上記中心軸はｘ−ｙ平面に垂直に交わるよう、円筒型の永久磁石５０１の空洞内に撮像素子本体部が収納されて配置されている。

きらに、図１には示されない、永久磁石５０１と撮像素子本体部とを保持する機構、及び、永久磁石５０１から生じる磁力線の外部への漏洩を防止する磁気シールドを備えている。

透光性基板１０１としては、例えば可視光撮像の場合はガラス、紫外光撮像の場合はサファイアや石英ガラス、Ｘ線撮像の場合はベリリウム（Ｂｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ボロンナイトライド（ＢＮ）及び酸化アルミ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の公知の基板材料が撮像する光の波長に応じて用いられる。前記透光性基板１０１上に真空蒸着法やスパッタリング法等により形成される透光性導電膜１０２としては、例えば酸化錫（ＳｎＯ_２）膜やＩＴＯ膜またはアルミニウム等の金属薄膜が用いられる。

また、前記透光性導電膜１０３上に真空蒸着法等により形成される光電変換膜１０３としては、従来から知られている酸化鉛（ＰｂＯ）、三硫化アンチモン（Ｓｂ_２Ｓ_３）、セレン（Ｓｅ）、シリコン（Ｓｉ）、カドミウム（Ｃｄ）、カドミウムセレン（ＣｄＳｅ）亜鉛（Ｚｎ）、ヒ素（Ａｓ）、テルル（Ｔｅ）等からなる半導体材料が用いられるが、なかでも非晶質Ｓｅを主体とする半導体材料を用いて高電界を印加した場合には、膜内で光生成電荷のアバランシェ増倍を生じさせて感度を飛躍的に高めることができる。

電子放出源アレイとしては、高融点金属を堆積して作られるＳｐｉｎｄｔ型電子放出源や、シリコンをエッチングして作られるシリコンコーン型電子放出源やシリコンを陽極酸化してポーラス状にすることで作られる平面型電子源等、公知の電子放出源からなるアレイが用いられる。

また、電子放出源アレイには１次元のアレイと２次元のマトリックスアレイとがあるが、本撮像素子には、どちらのアレイも適用することができる。本実施形態では、電子放出源アレイとして、２次元のＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイを用いた例を示す。

図２は、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイの部分拡大斜視図を示す。同図中、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイでは、ガラス、シリコン、石英、セラミックス、樹脂等からなる基板２０１上にカソード電極２０２、絶縁層２０５及びゲート電極２０４が形成される。カソード電極２０２はｙ方向に延在し、ゲート電極２０４はこれと直交するｘ方向に延在し、Ｘ−Ｙマトリクスを構成している。

カソード電極２０２とゲート電極２０４が交差して区画される領域を画素と呼び、各画素内のゲート電極２０４には絶縁層２０５を貫通し、カソード電極２０２の表面に達する細孔が形成され、この細孔内にカソード電極２０２から突出したコーン状電子源２０３が設けられている。電子源２０３は、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）等の高融点金属で作製され、通常、１つの画素内には、複数（図２では、３×３）の細孔及び電子源２０３が設けられている。

また、図示はしないが、各画素内には、電子源２０３から放出される電子量の時間変動を抑制すること等を目的に保護抵抗層や電流制限トランジスタ等が形成される場合がある。

撮像素子本体部では、光は透光性基板１０１及び透光性導電膜１０２を透過し、光電変換膜１０３に到達する。透光性導電膜１０２に信号ピン１０４を介して電子源２０３に印加される電圧より高い電圧が印加されると、光によって光電変換膜１０３内に生じた電子・正孔対の内、正孔は光電変換膜１０３のＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ側に移動し、そこに蓄積される。

一方、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイのカソード電極２０２及びゲート電極２０４にはパルス電圧が印加され、これにより、順次選択された画素内の電子源２０３から電子群が放出される。この電子群が光電変換膜１０３に蓄積された正孔と再結合する際に、信号ピン１０４を介して外部回路に流れる電流を出力として取り出すことで、入射光像に対応した映像信号を得ることができる。

永久磁石５０１には、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）−ストロンチウム（Ｓｒ）−バリウム（Ｂａ）等からなるストロンチウム系フェライト磁石、酸化鉄−酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）−バリウム−コバルト（Ｃｏ）−ランタン（Ｌａ）等からなるランタンコバルト系フェライト磁石、マンガン（Ｍｎ）−アルミニウム−カーボン（Ｃ）等からなるマンガンアルミニウムカーボン磁石、鉄（Ｆｅ）−クロム（Ｃｒ）−コバルト等からなる鉄クロムコバルト磁石、サマリウム（Ｓｍ）−コバルト等からなるサマリウムコバルト磁石、ネオジウム（Ｎｅ）−鉄−ホウ素（Ｂ）等からなるネオジウム系磁石、鉄−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト−アルミニウムや鉄−ニッケル−コバルト−アルミニウム−チタンや鉄−ニッケル−コバルト−アルミニウム−銅（Ｃｕ）等からなるアルニコ磁石、バリウム−酸化鉄−酸素（Ｏ）等からなるバリウム磁石、上記の磁石材料の粉体を、塩化ビニール、塩素化ポリエチレンゴム、エラストマー、ニトリルゴム、ナイロン、ＰＰＳ樹脂、エポキシ樹脂等に混ぜ合わせたボンド磁石等の公知の永久磁石が用いられる。

図１には、永久磁石５０１の端面５０２をＮ極、端面５０２に対向する端面５０３をＳ極とした例を示しているが、端面５０２をＳ極、端面５０３をＮ極としてもよい。永久磁石５０１のＮ極である端面５０２から出発した磁力線の内、永久磁石５０１の空洞内に向かう磁力線６０１は、磁石５０１の空洞のｚ方向の中間点を横切るｘ−ｙ平面を垂直に通過した後、Ｓ極である端面５０３に入る。

このため、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイから放出された電子群が走行する真空空間４０１において、ｚ方向にほぼ平行な磁界を形成することができる。前記真空空間４０１に形成される磁界の強度は永久磁石５０１の材質、形状、配置等によって制御できるため、この磁界強度を調整することで、電子源２０３から放出された電子群の真空空間４０１での広がりを抑制して、電子群を光電変換膜１０３上に収束させて結像させることができる。

また、磁界の有無による電子源２０３の電子放出特性には差異はなく、永久磁石５０１を適用しても、永久磁石５０１がない場合と同等な放出電子量を得ることができる。一方、永久磁石５０１の代りに電磁石を用いることで上記と同様な効果を得ることができる。しかし、電磁石では消費電力の増加を招くという不具合があるのに対して、永久磁石では消費電力の増加を招くことはない。

なお、本実施形態では、永久磁石５０１に近づくほど、空洞内に形成される磁界の強度は急激に増すため、永久磁石５０１の内径及び外径を有効撮像領域より十分に広くすることで、電子群が走行する真空空間４０１における磁界強度の一様性を高めることができる。また、永久磁石５０１の円筒のｚ方向の長さを十分に確保することで、電子群が走行する真空空間４０１でのｚ方向以外の磁界成分を減らすことができる。

図３は、本発明の撮像素子の第２実施形態の断面図を示す。この実施形態では、形状の異なる２つ永久磁石を備える。同図中、本撮像素子は、撮像素子本体部の光電変換膜１０３と平行に、内部に空洞を有する円筒型の永久磁石５１１が、その空洞内に透光性基板１０１，透光性導電膜１０２，光電変換膜１０３を収納した状態で配置されている。

また、撮像素子本体部の基板２０１の透光性基板１０１に対向する面とは逆側（大気側）に、基板２０１と対向して円盤形の永久磁石５２１が配置されている。永久磁石５２１の直径は、撮像素子本体部の有効撮像領域の対角長より長く、かつ、永久磁石５１１の内径より短く設定されている。また、永久磁石５１１の内径の中心軸と永久磁石５２１の中心軸が一致し、撮像素子本体部の有効撮像領域の中心点は上記中心軸上に位置し、かつ、上記中心軸はｘ−ｙ平面に垂直に交わるよう、永久磁石５１１と撮像素子本体部及び永久磁石５２１が配置されている。

また、図３には示さないが、永久磁石５１１及び永久磁石５２１と撮像素子本体部とを保持する機構、及び、永久磁石５１１及び永久磁石５２１から生じる磁力線の外部への漏洩を防止する磁気シールドを備えている。

本実施形態では、永久磁石５１１の端面５１２をＮ極、端面５１２に対向する端面５１３をＳ極、また、永久磁石５２１の端面５２２をＳ極、端面５２２に対向する端面５２３をＮ極とするが、永久磁石５１１の端面５１２をＳ極、端面５１２に対向する端面５１３をＮ極、また、永久磁石５２１の端面５２２をＮ極、端面５２２に対向する端面５２３をＳ極としてもよい。

永久磁石５１１のＮ極である端面５１２から出発した磁力線の内、撮像素子本体部の電子群が走行する真空空間４０１に向かう磁力線６１１は、永久磁石５１１の空洞のｚ方向の中間点を横切るｘ−ｙ平面を垂直に通過した後、そのまま直進し、永久磁石５２１のＳ極である端面５２２に入る。

このため、本撮像素子では、電子群が走行する真空空間４０１において、ｚ方向にほぼ平行な磁界を形成することができ、高解像度で、かつ、歪みのない画像を得ることができる。

なお、上記本実施形態では、永久磁石５１１及び永久磁石５１２を撮像素子本体部の外部に配置しているが、図４に示すように、基板２０１に貫通孔２０６を設け、前記基板２０１のＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイとは反対の方向に真空容器３０２によって囲まれた真空空間４０２を形成し、真空空間４０２内に永久磁石５２１を配置してもよい。

更に、図５に示すように、透光性基板１０１、基板２０１、真空容器３０１、カソード電極２０２、ゲート電極２０４、絶縁層２０５を拡大して、永久磁石５１１が真空容器３０１の一部を構成するようにしてもよい。

なお、永久磁石５２１を真空内に配置する場合や永久磁石５１１を真空容器３０１の一部として用いる場合には、高真空維持の観点から、ボンド磁石以外の永久磁石を用いることが望ましい。

図６は、本発明の撮像素子の第３実施形態の断面図を示す。この実施形態では、２つの永久磁石を備え、その永久磁石の１つに透光性の永久磁石を用いる。同図中、本撮像素子は、撮像素子本体部の透光性基板１０１の基板２０１に対向する面とは逆側（大気側）に光電変換膜と平行に円盤形の透光性永久磁石５３１を配置し、また、基板２０１の透光性基板１０１に対向する面とは逆側（大気側）に透光性永久磁石５３１と平行に円盤形の永久磁石５４１を配置している。

透光性永久磁石５３１には、２酸化チタン（ＴｉＯ_２）−コバルト等からなる公知の透光性永久磁石が用いられる。また、透光性永久磁石５３１及び永久磁石５４１の直径は撮像素子本体部の有効撮像領域の対角長より大きく設定されている。

本実施形態では、透光性永久磁石５３１の端面５３２をＳ極、端面５３２に対向する端面５３３をＮ極、また、永久磁石５４１の端面５４２をＳ極、端面５４２に対向する端面５４３をＮ極とした例を示しているが、透光性永久磁石５３１の端面５３２をＮ極、端面５３２に対向する端面５３３をＳ極、また、永久磁石５４１の端面５４２をＮ極、端面５４２に対向する端面５４３をＳ極としてもよい。

本撮像素子では、透光性永久磁石５３１のＮ極である端面５３３から出発した磁力線は、光電変換膜１０３に垂直に入射し、そのまま永久磁石５４１のＳ極である端面５４２に入るため、電子群が走行する真空空間に、ｚ方向に平行な磁界を形成することができる。また、電子群が走行する真空空間４０１は、透光性永久磁石５３１及び永久磁石５４１の外周部分から離れた場所に位置するため、真空空間４０１には強度が一様な磁界を形成することができる。さらに、透光性永久磁石５３１及び永久磁石５４１が撮像素子本体部に接触して配置されているため、撮像素子及びこれを用いた撮像装置を小型化できる。

図７は、本発明の撮像素子の第４実施形態の断面図を示す。同図中、本撮像素子は、撮像素子本体部の透光性基板として透光性永久磁石５５１を用い、また、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイが形成される基板として永久磁石５６１を用いたものである。

透光性永久磁石５５１としては、２酸化チタン−コバルト等からなる透光性永久磁石の絶縁性をより高めたものが用いられ、また、永久磁石５６１にはストロンチウム系フェライト磁石、ランタンコバルト系フェライト磁石、バリウム磁石等の絶縁性の高い永久磁石が用いられる。

本実施形態では、前述の第３実施形態と同様に、電子群が走行する真空空間に、ｚ方向に平行で、かつ、強度が一様な磁界を形成することができる。また、透光性永久磁石５５１及び永久磁石５６１が撮像素子本体部に組み込まれているため、撮像素子及びこれを適用した撮像装置の大きさを従来と同等にすることができる。

なお、本実施形態では撮像素子本体部の透光性基板の一部として透光性永久磁石５５１を用いても良く、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイが形成される基板の一部として永久磁石５６１を用いてもよい。また、永久磁石５６１の代わりにＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイを構成するカソード電極２０２またはゲート電極２０４のいずれかとして導電性の永久磁石を用いてもよい。更に、永久磁石５６１、カソード電極２０２、ゲート電極２０４の代わりに、絶縁層２０５として絶縁性の永久磁石を用いてもよい。

図８は、本発明の撮像素子を適用した撮像装置の概略構成図を示す。同図中、本撮像装置は、光学レンズ８０１を通過した光が、光電変換膜に垂直に入射し、かつ、焦点を結ぶように、本発明の撮像素子８２１を配置している。撮像素子８２１から出力された信号は信号増幅及び画像処理回路８３１に供給されて増幅及び画像処理される。駆動回路８３２は撮像素子８２１を動作させるために必要なパルス電圧等を生成して撮像素子８２１に供給する。同期回路８３３は同期信号を生成して、信号増幅及び画像処理回路８３１及び駆動回路８３２に供給する。

このように、本願発明では、光電変換膜と電子放出源に垂直な方向に強度が一様な磁界を形成することが可能となり、電子群の真空空間での広がりを抑制でき、電子群を光電変換膜上に収束して結像することができるため、高い解像度を得ることができる。

また、電子群の真空空間での広がりの抑制に永久磁石による磁界を利用することで、電子放出源アレイ内に電子放出源を形成するための十分な面積を確保することができるとともに、電子群の集束効果を高めても電子放出源の電子放出特性に影響を及ぼすことなく十分な量の電子を取り出すことができるため、残像の低減とダイナミックレンジの拡大とが可能になる。更に、電子群の真空空間での広がりの抑制に永久磁石による磁界を利用しているため、消費電力の増加をもたらすことがない。

なお、永久磁石５１１が請求項記載の第１の永久磁石に対応し、永久磁石５２１が第２の永久磁石に対応し、永久磁石５４１が第３の永久磁石に対応する。

本発明の撮像素子の第１実施形態の断面図である。 Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイの部分拡大斜視図である。 本発明の撮像素子の第２実施形態の断面図である。 本発明の撮像素子の第２実施形態の変形例の断面図である。 本発明の撮像素子の第２実施形態の他の変形例の断面図である。 本発明の撮像素子の第３実施形態の断面図である。 本発明の撮像素子の第４実施形態の断面図である。 本発明の撮像素子を適用した撮像装置の概略構成図である。

符号の説明

１０１ 透光性基板
１０２ 透光性導電膜
１０３ 光電変換膜
１０４，１１４ 信号ピン
１０５ 貫通孔
２０１ 基板
２０２ カソード電極
２０３ 電子源
２０４ ゲート電極
２０５ 絶縁層
３０１，３０２ 真空容器
４０１，４０２ 真空空間
５０１，５１１，５２１，５４１，５６１ 永久磁石
５０２，５１２，５２３，５３３，５４３，５５３，５６３ 端面（Ｎ極）
５０３，５１３，５２２，５３２，５４２，５５２，５６２ 端面（Ｓ極）
５３１，５５１ 透光性永久磁石
６０１，６１１，６２１，６３１ 磁力線
８０１ 光学レンズ
８２１ 撮像素子
８３１ 信号増幅及び画像処理回路
８３２ 駆動回路
８３３ 同期回路
８３４ 電源

Claims (8)

1. 互いに対向する第１の透光性基板及び第２の基板と、前記第１の透光性基板の前記第２の基板に対向する面側に設けられた透光性導電膜及び光電変換膜と、前記第２の基板の前記第１の透光性基板に対向する面側に設けられた複数の電子放出源を有し構成される撮像素子において、
   前記第１の透光性基板及び第２の基板間で前記第１の透光性基板及び第２の基板それぞれに直交する方向の磁界を形成する磁石を備えたことを特徴とする撮像素子。
2. 前記磁石は、前記第１の透光性基板及び第２の基板を空洞内に収納する円筒型の永久磁石であることを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
3. 前記磁石は、前記第１の透光性基板を空洞内に収納する円筒型の第１の永久磁石と、
   前記第２の基板の前記第１の透光性基板に対向する面とは逆側に前記第２の基板と対向する円盤形の第２の永久磁石で構成されることを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
4. 前記第１の永久磁石は、前記第１の透光性基板及び第２の基板を収納する真空容器の一部を兼用することを特徴とする請求項３記載の撮像素子。
5. 前記磁石は、前記第１の透光性基板の前記第２の基板に対向する面とは逆側に前記第１の透光性基板と対向する円盤形の透光性永久磁石と、
   前記第２の基板の前記第１の透光性基板に対向する面とは逆側に前記第２の基板と対向する円盤形の第３の永久磁石で構成されることを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
6. 前記透光性永久磁石は、前記第１の透光性基板の少なくとも一部として使用することを特徴とする請求項５記載の撮像素子。
7. 前記第３の永久磁石は、前記第２の基板の少なくとも一部として使用することを特徴とする請求項５または６記載の撮像素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像素子を用いて構成したことを特徴とする撮像装置。

Images