JP2006134804A - 撮像素子及びそれを用いた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子放出源アレイの信頼性や寿命の低下、電子放出源アレイのマトリックス駆動に要する電力の増大、及び、映像信号のＳ／Ｎの低下を招くことなく、広いダイナミックレンジを有する高精細な撮像素子及びそれを用いた撮像装置を提供する。
【解決手段】真空空間を挟んで対向するように各々別の基板上に形成された光電変換膜及び電子放出源アレイとを具える撮像素子において、前記光電変換膜と電子放出源アレイとの間に設けられ、前記電子放出源アレイから放出された電子の量を、二次電子放出を利用して増倍する電子増倍部をさらに具えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

発明の分野

本発明は、真空空間を挟んで対向するように各々別の基板上に形成された光電変換膜及び電子放出源アレイとを具える撮像素子に関するもので、特に電子増倍部を具えた撮像素子に関する。本発明は、このような撮像素子を具える撮像装置にも関する。

加熱しないで電界によって電子を引き出す電子放出源を用いたマトリックスアレイは、ＦＥＤ（Field Emission Display）と呼ばれる平面ディスプレイに用いられている。上述したような電子放出源アレイ及び光電変換膜を真空空間を挟んで対向させた撮像装置も提案されている。例えば、特開平５−６７４９号公報は、平面形状の金属（Ｍ）、絶縁膜（Ｉ）、金属（Ｍ）から構成されるＭＩＭ型電子放出源を適用した２次元マトリックスアレイを、真空空間を挟んで光電変換膜と対向させた撮像装置を開示している。また、特開平６−１７６７０４号公報は、円錐形状の電子源の周囲に絶縁物を介して丸い開口を有するゲート電極を設けたＳｐｉｎｄｔ型電子放出源の２次元マトリックスアレイに、真空空間を挟んで光電変換膜を対向させた撮像装置を開示している。これらの撮像装置では、電子放出源が形成されたマトリックスアレイの各交差部から次々に放出される電子群によって光電変換膜に正孔が生成、蓄積され、これを読み出すことによって、入射光像に対応した時系列の映像信号が得られる。
特開平５−６７４９号公報 特開平６−１７６７０４号公報

上述した特開平５−６７４９号公報に記載の技術では、ＭＩＭ型電子放出源マトリックスアレイと光電変換膜とを真空空間を挟んで対向させることで撮像装置を構成しているが、このような撮像装置では、ＭＩＭ型電子放出源の電子放出効率は約１％と低く、ＭＩＭ型電子放出源から取り出せる単位面積あたりの電子量は、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源から取り出せる単位面積あたりの電子量に比べて格段に少ないため、光電変換膜に強い光が入射したときには、光電変換膜において生成、蓄積された多量の正孔をすべて読み出すことができず、ダイナミックレンジの低下や残像の発生を招くという問題があった。

上述した特開平６−１７６７０４号公報に記載の技術では、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイと光電変換膜とを真空空間を挟んで対向させることで撮像装置を構成しているが、撮像装置の高精細化を図るために、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイを微細化、高集積化したときには、マトリックスアレイの各交差部の面積が減少することから、各交差部に形成できるＳｐｉｎｄｔ型電子放出源の数が少なくなり、放出電子量の減少を招くという問題があった。また、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源では、円錐状の電子源とゲート電極との間により高い電圧を印加することで、より多くの量の電子を取り出すことができるが、このような動作条件では、電子源とゲート電極との間で絶縁破壊が生じやすくなると共に、電子源から放出された高密度な電子群によって残留ガスの電離が加速され、それによって生じた陽イオンの射突による電子源の劣化が助長され、信頼性や寿命の低下を招くといった問題があった。さらに、電子源とゲート電極との間に印加する電圧の上昇は、容量性負荷であるＳｐｉｎｄｔ型電子放出源アレイのマトリックス駆動に要する電力を増大させると共に、マトリックス駆動のために印加されたパルス電圧がＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイと透過性導電膜との間の容量を介して出力映像信号に飛び込むことを助長し、Ｓ／Ｎが劣化するという問題もあった。また、上記以外にも、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源を微細化、高集積化してマトリックスアレイの各交差部により多くの数のＳｐｉｎｄｔ型電子放出源を配置することで各交差部からの放出電子量の増加を図ることができるが、微細化、高集積化されたＳｐｉｎｄｔ型電子放出源を各交差部に一様に形成するには、より高度で複雑な作成工程が必要で、作成歩留まりが著しく低下するといった問題もあった。

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、電子放出源アレイの信頼性や寿命の低下、電子放出源アレイのマトリックス駆動に要する電力の増大、及び、映像信号のＳ／Ｎの低下を招くことなく、広いダイナミックレンジを有する高精細な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。

前記課題を解決するための、請求項１記載の撮像素子は、真空空間を挟んで対向するように各々別の基板上に形成された光電変換膜及び電子放出源アレイとを具え、前記光電変換膜と電子放出源アレイとの間に設けられ、前記電子放出源アレイから放出された電子の量を、二次電子放出を利用して増倍する電子増倍部をさらに具える構成とした。かかる構成によれば、前記電子放出源アレイから放出された電子群は、前記電子放出源アレイに印加された電圧より高い電圧が印加された前記電子増倍部に入射し、前記電子増倍部において二次電子放出現象を利用することで入射した電子量の数倍から数桁倍の電子群に増倍される。この増倍された電子群により、光電変換膜に蓄積された正孔を読み出すため、ダイナミックレンジを拡大できる。

請求項２記載の撮像素子は、請求項１記載の撮像素子において、前記電子増倍部と光電変換膜との間に設けられた、多数の開口を有するグリッド電極をさらに具える構成とした。かかる構成によれば、この増倍された電子群は、前記電子増倍部よりさらに高い電圧が印加された前記グリッド電極によって、前記光電変換膜側により効率的に引き出された後、前記光電変換膜に到達し、そこに蓄積された正孔を読み出す。このため、前記電子放出源から放出される電子量がわずかであっても、強い光が入射したときに光電変換膜に蓄積されるすべての正孔を読み出すことができる。

請求項３記載の撮像素子は、請求項２記載の撮像素子において、前記電子増倍部及びグリッド電極を、コンデンサを経て接地した構成とした。かかる構成によれば、前記電子増倍部及びグリッド電極を、コンデンサを介して接地し、これらをシールド電極として用いることで、マトリックス駆動時における駆動パルスの出力映像信号への飛び込みを実用上問題のないレベルに軽減することができる。

請求項４記載の撮像素子は、請求項１ないし請求項３のいずれかの撮像素子において、前記電子放出源アレイと同一平面状又はその上部に絶縁部を介して設けられ、前記電子放出源が露出するような開口を有する電極をさらに具える構成とした。かかる構成によれば、前記電子増倍部及びグリッド電極に加えて、絶縁物を介して前記電子放出源を取り囲んだ電極に、前記電子放出源に印加される電圧より低い電圧が印加されることで、前記電子放出源から放出された電子群をより効率的に前記電子増倍部に導き、電子群の真空空間での広がりを抑制することが可能になる。

請求項５記載の撮像装置は、請求項１ないし請求項４のいずれかの撮像素子を具える構成とした。

本発明は、電子放出源アレイの信頼性や寿命の低下、マトリックスアレイ駆動に要する電力の増大、及び映像信号のＳ／Ｎの低下を招くことなく、広いダイナミックレンジを有した撮像素子及び撮像装置を提供することができる。

以下に、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１及び図２に第１の実施の形態を示す。図１は、本実施の形態の撮像素子の概略斜視図である。図２は、前記撮像素子の概略断面図である。本撮像素子は、透光性基板１０１と、透光性基板１０１上に形成した透光性導電膜１０２と、透光性導電膜１０２上に形成した光電変換膜１０３と、光電変換膜１０３と真空空間を挟んで対向するＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０と、光電変換膜１０３とＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０との間に設けた電子増倍部３０１とを具える。図１及び図２には示さないが、本撮像素子は、電子放出源アレイ２１０と、光電変換膜１０３と、電子増倍部３０１とを所定の間隔で対面保持させ、かつ、駆動に必要な電圧を供給できる機構や、電子放出源アレイ２１０と光電変換膜１０３との間を真空に保つための真空容器等をさらに具える。

透光性基板１０１には、例えば、可視光撮像の場合にはガラス、紫外光撮像にはサファイアや石英ガラス、Ｘ線撮像にはベリリウム（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）等のように、撮像する光の波長に応じて選択した公知の基板材料を用いる。

透光性導電膜１０２を透光性基板１０１上に、真空蒸着法やスパッタリング法等によって形成する。透光性導電膜１０２には、例えば、酸化スズ（ＳｎＯ_２）膜やＩＴＯ膜、又は、アルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜を用いる。

光電変換膜１０３を透光性導電膜１０２上に、真空蒸着法等によって形成する。光電変換膜１０３には、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）等から成る半導体材料を用いるが、なかでも非結晶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２１０には、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（Ｓｉ）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、シリコン（Ｓｉ）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放出源等、公知の電子放出源から成るアレイを用いる。また、電子放出源アレイには１次元のアレイと二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。本実施の形態では、電子放出源アレイ２１０として２次元のＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ（以後、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイと呼ぶ）を用いた例を示す。Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０は、ガラス、シリコン（Ｓｉ）、石英、セラミックス、樹脂等から成る基板２０１と、基板２０１上に順次形成されたカソード電極２０２と、絶縁層２０５と、ゲート電極２０４とを具える。カソード電極２０２とゲート電極２０４とを互いに直交する方向に配列し、Ｘ−Ｙマトリックスを形成する。カソード電極２０２とゲート電極２０４の交差部において、ゲート電極２０４及び絶縁層２０５を貫通し、カソード電極２０２の表面に達する細孔を形成し、この細孔内にカソード電極２０２から突出した電子源２０３を設ける。電子源２０３を、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する。通常、各交差部には複数の細孔及び電子源２０３を設ける。また、図示はしないが、各交差部には、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などを目的に保護抵抗層や電流制限トランジスタを形成してもよい。

電子増倍部３０１は、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｂ）等の金属、ステンレス（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ）、銅−ベリリウム（Ｃｕ−Ｂｅ）、ニッケル−ベリリウム（Ｎｉ−Ｂｅ）、銀−ベリリウム（Ａｇ−Ｂｅ）、銅−マグネシウム（Ｃｕ−Ｍｇ）、銀−マグネシウム（Ａｇ−Ｍｇ）、銅−アルミニウム（Ｃｕ−Ａｌ）等の合金、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムリン（ＧａＰ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ガリウムヒ素リン（ＧａＡｓＰ）等の半導体から成る基板と、この基板の表面又は表面の一部の上に形成された、例えば、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｂ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、カリウム−セシウム−アンチモン（Ｋ−Ｃｓ−Ｓｂ）、セシウム−アンチモン（Ｃｓ_３Ｓｂ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化セシウム（ＣｓＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、ガリウムリン（ＧａＰ）、ガリウムリン−セシウム（ＧａＰ：Ｃｓ）、ガリウムヒ素リン（ＧａＡｓＰ）、酸化ベリリウム−セシウム（ＢｅＯ：Ｃｓ）、セシウム酸化物−セシウム（ＣｓＯ_２：Ｃｓ）等の公知の材料から成る二次電子放出体とを具える単一又は多段のダイノードか、両端に電極を形成すると共に内壁を抵抗体及び二次電子放出体とした複数の貫通孔を有する鉛ガラス等の絶縁物の板状の基板、又は、両端に電極を形成すると共に内壁に二次電子放出体を形成した複数の貫通孔を有するシリコン（Ｓｉ）等の半導体の板状の基板を具える、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）に代表されるダイノードである。本実施の形態では、電子増倍部３０１は、金属から成るメッシュ状の基板３０３と、基板３０３の表面にメッキ法や蒸着法、スパッタリング法等により形成された二次電子放出体３０２とを具える。

本撮像素子において、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。透過性導電膜１０２に電子源２０３に印加する電圧より高い電圧を印加すると、光によって光電変換膜１０３内に生じた電子・正孔対のうち、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２１０側に移動し、そこに蓄積される。Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０のカソード電極２０２及びゲート電極２０４にパルス電極を印加すると、これによって順次選択されたカソード電極２０２とゲート電極２０４との交差部に形成された電子源２０３から電子群が放出される。電子増倍部３０１の基板３０２に、電子放出源アレイ２１０に印加する電圧より高く、かつ、二次電子放出体３０３からの二次電子の放出比が１を超えるような電圧を印加する。これによって、電子源２０３から放出された電子は加速され、電子増倍部２０３の二次電子放出体３０３に衝突し、二次電子放出体３０３は、入射した電子の量を超える電子群を放出する。この増倍された電子群は光電変換膜１０３に蓄積された正孔と再結合し、その際に透光性導電膜１０２を介して外部回路（図示せず）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。

本実施の形態による撮像素子では、電子源２０３から放出された電子の量は電子増倍部３０１において増倍されるため、電子源２０３から放出される電子量がわずかであっても、光電変換膜１０３に蓄積されたすべての正孔を読み出すことができ、広いダイナミックレンジを得ることができる。また、電子増倍部３０１を具えることで、電子を放出させるためにＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０のカソード電極２０１とゲート電極２０４との間に印加する電圧を下げることができるため、上記広ダイナミックレンジの実現において、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０の信頼性や寿命の低下、マトリックス駆動に要する電力の増大、及び、映像信号のＳ／Ｎの低下等の弊害を招くことがない。さらに、電子増倍部３０１の基板３０３を、コンデンサを介して接地し、これをシールド電極として用いることによって、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０のマトリックス駆動時における駆動パルスの出力映像信号への飛び込みを抑制することができる。

なお、本実施の形態では、単一のメッシュ状の基板３０３の表面に二次電子放出体３０２を形成した電子増倍部３０１を用いたが、図３に示すように、多段に配置されたメッシュ状の基板３２３の各々の表面に二次電子放出体３２２を形成した電子増倍部３２１を用い、基板３２３の各々に二次電子放出による電子増倍に必要な電圧を印加するか、基板３２３の各々を抵抗体で接続してその両端の基板に二次電子放出による電子増倍に必要な電圧を印加することによって、電子増倍部３２１での電子の増倍率を格段に高めることもできる。これによって、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０を微細化、高集積化した場合でも、光電変換膜１０３に蓄積されたすべての正孔を読み出すことができ、広ダイナミックレンジを実現することができる。

図４及び図５に本発明の第２の実施の形態を示す。図４は、本実施の形態の撮像素子の概略斜視図である。図５は、撮像素子の概略断面図である。図１及び図２と同様の構成要素を同じ符号で示す。本撮像素子は、第１の実施の形態の撮像素子と同様に、透光性基板１０１と、透光性基板１０１上に形成した透光性導電膜１０２と、透光性導電膜１０２上に形成した光電変換膜１０３と、光電変換膜１０３と真空空間を挟んで対向するＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０とを具える。本撮像素子はさらに、光電変換膜１０３とＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０との間に設けた電子増倍部であるマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）３１１と、光電変換膜１０３とＭＣＰ３１１との間に設けたメッシュ状のグリッド電極４０１とを具える。図４及び図５には示さないが、本撮像素子は、Ｓｐｉｎｄｔ電子放出源アレイ２１０と、光電変換膜１０３と、ＭＣＰ３１１と、グリッド電極４０１とを所定の間隔で対面保持させ、かつ、駆動に必要な電圧を供給できる機構や、電子放出源アレイ２１０と光電変換膜１０３との間を真空に保つための真空容器等をさらに具える。

ＭＣＰ３１１は、複数の斜行した貫通孔３１３を有し鉛ガラス等の絶縁物又はシリコン（Ｓｉ）等の半導体から成る基板３１４を具える。貫通孔３１３を、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０のカソード電極２０１とゲート電極２０４との各交差部に形成された複数の電子源２０３と、貫通孔３１３のＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０側とが互いに１対１で対向するように配置する。基板３１４が鉛ガラスの場合、例えば基板３１４を水素中で還元処理することによって、貫通孔３１３の内壁３１５を抵抗体及び二次電子放出体にし、さらに貫通孔３１３の各々の端に電子入射側電極３１６及び電子放出側電極３１２を設ける。基板３１４がシリコン等の半導体の場合、塗布法、メッキ法、蒸着法、スパッタリング法等によって貫通孔３１３の内壁３１５に公知の二次電子放出体を形成し、さらに貫通孔３１３の各々の端に電子入射側電極３１６及び電子放出側電極３１２を設ける。

グリッド電極４０１は、多数の開口を有するメッシュ状の金属電極や、エッチング法等により多数の開口を設けた絶縁物や半導体にメッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等によって金属等の導電体をコーティングした電極等である。

ＭＣＰ３１１の電子入射側電極３１６に、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０に印加する電圧より高い電圧を印加し、電子放出側電極３１２に、電子入射側電極３１６に印加する電圧よりさらに高い電圧を印加する。したがって、抵抗体である内壁３１５は、電子入射側電極３１６から電子放出側電極３１２に向かって電位が上昇する電位勾配を持つ。さらに、グリッド電極４０１に、ＭＣＰ３１１の電子放出側電極に印加する電圧より高い電圧を印加する。そのため、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０の電子源２０３から放出された電子は、ＭＣＰ３１１側に向かって引き出された後、加速されて貫通孔３１３の内壁３１５に射突する。内壁３１５に形成された二次電子放出体の種類等に合わせて電子入射側電極３１６に印加する電圧を調節し、内壁３１５から入射電子の量を超える二次電子群が放出されるようにする。このようにして増倍された電子群は、内壁３１５の電位勾配によって電子放出側電極３１２に向かって加速され、再び内壁３１５に射突することによってその量を増やす。このようにＭＣＰ３１１の貫通孔３１３を通過する電子群は、内壁３１５への射突と、そこからの二次電子放出を繰り返すことによって、内壁３１５に形成された二次電子放出体の種類や内壁３１５の電位勾配及び貫通孔３１３の長さに応じて、入射電子量の数倍から数十万倍に増幅され、ＭＣＰ３１１から放出される。ＭＣＰ３１１から放出された電子群は、電子放出側電極３１２に印加された電圧より高い電圧を印加されたグリッド電極４０１によって、光電変換膜１０３側に加速されて引き出された後、光電変換膜１０３に達し、そこに蓄積された正孔を読み出す。

このようにして、本実施の形態の撮像素子は、第１の実施の形態の撮像素子と同様に、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０の信頼性の低下、マトリックス駆動に要する電力の増大、映像信号のＳ／Ｎの低下等の弊害を招くことなく、高ダイナミックレンジを得ることができる。また、図４及び図５に示すように、光電変換膜１０３に対して斜行させた貫通孔３１３を有するＭＣＰ３１１を用いることで、二次電子放出による電子増倍をより効率的に行うことができると共に、貫通孔３１３の内部で発生した陽イオンが直接電子源２０３に射突することがないため、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０の長寿命化を実現することができる。さらに、ＭＣＰ３１１の電子入射側電極３１６及び電子放出側電極３１２と、グリッド電極４０１とを各々コンデンサを介して接地し、これらの電極をシールド電極として用いることによって、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０のマトリックス駆動時における駆動パルスの出力映像信号への飛込みをより少なくすることができると共に、ＭＣＰ３１１から放出された電子群はグリッド電極４０１によって加速されて光電変換膜１０３側に引き出されるため、ＭＣＰ３１１と光電変換膜１０３との間の真空空間での電子群の広がりが抑制され、より高い解像度を得ることができる。

なお、本実施の形態では、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０のカソード電極２０１とゲート電極２０４との各交差部に形成された複数の電子源２０３と、ＭＣＰ３１１の貫通孔３１３のＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０側の開口とが互いに１対１で対向する例を示したが、電子源２０３の面積に比べて貫通孔３１３の開口面積を格段に小さくし、貫通孔３１３の数を増やして高密度に形成しても同等の効果を得ることができる。また、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０とＭＣＰ３１１とを平行に対向配置するために、図６に示すように、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０に絶縁物２０６を形成又は配置し、この上にＭＣＰ３１１を形成又は配置してもよい。

図７は、本発明の第３の実施の形態である撮像素子の概略断面図である。図１、図２、図３及び図４と同様の構成要素を同じ符号で示す。本撮像素子は、第２の実施の形態の撮像素子と同様に、透光性基板１０１と、透光性基板１０１上に形成した透光性導電膜１０２と、透光性導電膜１０２上に形成した光電変換膜１０３と、光電変換膜１０３と真空空間を挟んで対向するＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０と、光電変換膜１０３とＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０との間に設けた電子増倍部であるマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）３１１とを具える。本撮像素子は、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０上に絶縁物２０８を介して設けられた、電子源２０３が露出するような開口を有する電極２０７と、ＭＣＰ３１１の電子放出側電極３１２上に絶縁物５０２を介して設けられた、貫通孔３１３の開口が露出するような開口を有する電極グリッド電極５０１とをさらに具える。図７には示さないが、本撮像素子は、Ｓｐｉｎｄｔ電子放出源アレイ２１０と、光電変換膜１０３と、ＭＣＰ３１１とを所定の間隔で対面保持させ、かつ、駆動に必要な電圧を供給できる機構や、電子放出源アレイ２１０と光電変換膜１０３との間を真空に保つための真空容器等をさらに具える。

Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０上に設けられた電極２０７に、電子放出のためにＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０に印加する電圧より低い電圧を印加する。これにより、電子源２０３から放出された電子群がＭＣＰ３１１の貫通孔３１３の内壁３１５に至るまでの真空空間において広がるのを抑制することができ、電子源２０３から放出された電子群を貫通孔３１３内により効率的に導くことができる。ＭＣＰ３１１の電子放出側電極３１２上に設けたグリッド電極５０１に、電子放出側電極３１２に印加する電圧より高い電圧を印加する。これにより、ＭＣＰ３１１から放出された電子群が光電変換膜１０３に至るまでに広がるのを抑制することができ、より高い解像度を得ることができると共に、例えば第２の実施の形態のようにグリッド電極４０１を適用した場合に比べて、電子群が走行するＭＣＰ３１１と光電変換膜１０３との間の空間において電子群が捕捉されることがほとんどないため、より広いダイナミックレンジを実現することができる。

なお、本実施の形態では、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０の電子源２０３から放出された電子群の真空空間における広がりを抑制するために、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０上に絶縁物を介して、貫通孔３１３の開口が露出するような開口を有する電極２０７を設けた例を示したが、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０と同一平面上に、ゲート電極２０４と絶縁分離され、電子源２０３が露出するような開口を有する電極を設けるか、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０上に絶縁物２０８を介して、個々の電極を取り囲む複数の電極を設け、これらの電極に電子放出のためにＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０に印加する電圧より低い電圧を印加すれば、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

図８は、本発明の第４の実施の形態である撮像素子の概略断面図である。図１、図２、図３及び図４と同様の構成要素を同じ符号で示す。本撮像素子は、第２の実施の形態の撮像素子と同様に、透光性基板１０１と、透光性基板１０１上に形成した透光性導電膜１０２と、透光性導電膜１０２上に形成した光電変換膜１０３と、光電変換膜１０３と真空空間を挟んで対向するＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０と、光電変換膜１０３とＳｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０との間に設けた電子増倍部であるマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）３１１とを具える。本撮像素子は、内部に円筒状の空洞を有する円筒型の永久磁石６０１と、永久磁石の空洞内に配置された真空容器１０５とをさらに具える。透光性基板１０１と、透光性導電膜１０２と、光電変換膜１０３と、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０と、ＭＣＰ３１１とを、永久磁石６０１の空洞内に配置する。透光性基板１０１と、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイの基板２０１とは、真空容器１０５の一部として内部を真空に保つ。本撮像素子は、ＭＣＰ３１１の電子放出側電極３１２に接続され、これを支持する支持体７０１と、ＭＣＰ３１１の電子入射側電極３１６に接続され、これを支持する支持体７０３と、電子放出側電極３１２に接続され、これに駆動電圧を印加する給電端子７０２と、電子入射側電極３１６に接続され、これに駆動電圧を印加する給電端子７０４と、透光性導電膜１０２に接続され、信号を外部回路（図示せず）に出力する信号ピン１０４とをさらに具える。さらに、図８には示さないが、本撮像素子は、永久磁石６０１と空洞内の各要素とを保持する機構と、永久磁石６０１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機構も具える。

永久磁石６０１を、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）−ストロンチウム（Ｓｒ）−バリウム（Ｂａ）等から成るストロンチウム系フェライト磁石、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）−酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）−バリウム（Ｂａ）−コバルト（Ｃｏ）−ランタン（Ｌａ）等から成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（Ａｌ）−カーボン（Ｃ）等から成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（Ｃｏ）等から成る鉄クロムコバルト磁石、サマリウム（Ｓｍ）−コバルト（Ｃｏ）等から成るサマリウムコバルト磁石、ネオジウム（Ｎｅ）−鉄（Ｆｅ）−ホウ素（Ｂ）等から成るネオジウム系磁石、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）−アルミニウム（Ａｌ）や、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）−アルミニウム（Ａｌ）−チタン（Ｔｉ）や、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）−アルミニウム（Ａｌ）−銅（Ｃｕ）等から成るアルニコ磁石、バリウム（Ｂａ）−酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）−酸素（Ｏ）等から成るバリウム磁石、上記の磁石材料の紛体を、塩化ビニール、塩素化ポリエチレンゴム、エラストマ、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、公知の永久磁石とする。図８は、永久磁石６０１の端面６０２をＮ極、端面６０３をＳ極とした例を示すが、端面６０２をＳ極、端面６０３をＮ極としてもよい。

本撮像素子において、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０の電子源２０３から放出された電子群は、ＭＣＰ３１１によって数倍から数十万倍の量の電子群に増倍された後、光電変換膜１０３に到達し、そこに蓄積された正孔を読み出す。永久磁石６０１のＮ極である端面６０２から出発した磁力線のうち、永久磁石６０１の空洞内に向かう磁力線９０１は、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６０３に入る。これにより、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０と光電変換膜１０３との間の真空空間において、ｚ方向にほぼ平行な磁界が形成される。このようにして前記真空空間に形成される磁界の強度は、永久磁石６０１の材質、形状等によって制御可能であるため、電子源２０３から放出された後、ＭＣＰ３１１によって増倍された電子群を、光電変換膜１０３上に小さく結像させることができる。ＭＣＰ３１１では、その両端に設けられた電子入射側電極３１６及び電子放出側電極３１２に垂直な方向の磁界による電子像倍率の減少は非常に小さいため、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイ２１０を微細化、集積化した際にも、広ダイナミックレンジと高解像度とを同時に得ることができる。

なお、本実施の形態では、単一の永久磁石６０１を用いた例を示したが、複数の永久磁石を適用した場合においても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

図９は、本発明の第５の実施の形態である、本発明による撮像素子を適用した撮像装置の概略断面図である。本撮像装置は、光学レンズ８０１と、本発明による撮像素子８２１と、駆動回路８３２と、信号増幅処理回路８３１と、同期回路８３３と、電源８３４とを具える。光学レンズ８０１及び撮像素子８２１を、光学レンズ８０１を通過した光が撮像素子８２１の光電変換膜に垂直に入射し、焦点を結ぶように配置する。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や直流電圧等を生成、供給する。信号増幅処理回路８３１は、撮像素子８２１から出力された信号を増幅、処理する。同期回路８３３は、同期信号を生成し、信号増幅処理回路８３１及び駆動回路８３２に供給する。電源８３４は、信号増幅処理回路８３１、駆動回路８３２及び同期回路８３３に給電する。本実施の形態の撮像素子は、撮像素子８２１を具えているので、広いダイナミックレンジを有した撮像装置を実現できる。

本発明の第１の実施の形態である撮像素子の概略斜視図である。 本発明の第１の実施の形態である撮像素子の概略断面図である。 本発明の第１の実施の形態である撮像素子の変形例の概略断面図である。 本発明の第２の実施の形態である撮像素子の概略斜視図である。 本発明の第２の実施の形態である撮像素子の概略断面図である。 本発明の第２の実施の形態である撮像素子の変形例の概略断面図である。 本発明の第３の実施の形態である撮像素子の概略断面図である。 本発明の第４の実施の形態である撮像素子の概略断面図である。 本発明の第５の実施の形態である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 信号ピン
１０５ 真空容器
２０１、３０３、３１４、３２３ 基板
２０２ カソード電極
２０４ ゲート電極
２０５ 絶縁層
２０６、２０８、５０２ 絶縁物
２１０ Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源アレイ
３０１、３２１、３１１ 電子増倍部
３０２、３２２ 二次電子放出体
３１２ 電子放出側電極
３１３ 貫通孔
３１５ 内壁
３１６ 電子入射側電極
４０１、５０１ グリッド電極
６０１ 永久磁石
６０２、６０３ 端面
７０１、７０２ 支持体
７０２、７０４ 給電端子
８０１ 光学レンズ
８２１ 撮像素子
８３１ 信号増幅処理回路
８３２ 駆動回路
８３３ 同期回路
８３４ 電源
９０１ 磁力線

Claims (5)

1. 真空空間を挟んで対向するように各々別の基板上に形成された光電変換膜及び電子放出源アレイとを具える撮像素子において、前記光電変換膜と電子放出源アレイとの間に設けられ、前記電子放出源アレイから放出された電子の量を、二次電子放出を利用して増倍する電子増倍部をさらに具えることを特徴とする撮像素子。
2. 請求項１に記載の撮像素子において、前記電子増倍部と光電変換膜との間に設けられた、多数の開口を有するグリッド電極をさらに具えることを特徴とする撮像素子。
3. 請求項２に記載の撮像素子において、前記電子増倍部及びグリッド電極を、コンデンサを経て接地したことを特徴とする撮像素子。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の撮像素子において、前記電子放出源アレイと同一平面状又はその上部に絶縁部を介して設けられ、前記電子放出源が露出するような開口を有する電極をさらに具えることを特徴とする撮像素子。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の撮像素子を具えることを特徴とする撮像装置。