JP2007533107A

JP2007533107A - 増強されたハイブリッド固体センサ

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Publication number: JP2007533107A
Application number: JP2007508477A
Authority: JP
Inventors: ルドルフジー．ベンツ，; ニルスアイ．トーマス，; アーリンダブリュー．スミス，
Original assignee: アイティーティーマニュファクチャリングエンタープライジーズ，インコーポレイテッド
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2025-04-11
Also published as: AU2005239319B2; RU2006139943A; AU2005239319A1; DE602005017603D1; RU2383963C2; KR101107000B1; KR20070007801A; CN1943000A; WO2005106916A1; US20050167575A1; US7015452B2; EP1741121B1; EP1741121A1; JP5197002B2; CA2563154A1

Abstract

画像からの光を電子に変換する光電陰極（５４）と、光電陰極からの電子を受け取る電子倍増化デバイス（５３）と、電子倍増化デバイス（５３）の複数のチャネルを介することにより電子倍増化デバイスからの電子を受け取る複数の画素を含んだ固体画像センサ（５６）とを含む増強された固体画像化センサ（４１）である。固体画像センサ（５６）は、電子倍増化デバイス（５３）から受け取った電子から増強された画像信号を生成する。複数のチャネルが複数のチャネルパターンで配列され、複数の画素が複数の画素パターンで配置される。複数のチャネルパターンの各々は、複数のチャネルパターンの各々からの電子信号が、複数の画素パターンのうちのそれぞれの単一の画素パターンによって実質的に受け取られるように、複数の画素パターンのうちのそれぞれの１つにマッピングされる。

Description

（関連出願）
本出願は、発明者ＲｕｄｏｌｐｈＧ．Ｂｅｎｚ，ＮｉｌｓＩ．Ｔｈｏｍａｓ，およびＡｒｌｙｎｎＷ．Ｓｍｉｔｈの利益のために２００１年１０月９日に出願され、ＩＮＴＥＮＳＩＦＩＥＤＨＹＢＲＩＤＳＯＬＩＤ−ＳＴＡＴＥＳＥＮＳＯＲＷＩＴＨＡＮＩＮＳＵＬＡＴＩＮＧＬＡＹＥＲ題された係属中の米国特許第０９／９７３，９０７号の一部係属出願である。上記出願は、本発明の譲受人に譲渡されており、参照のため、本明細書に援用される。

（技術分野）
本発明は、増強されたハイブリッド固体センサを対象としている。特に、本発明は、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ；ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｐｌａｔｅ）と光電陰極とに物理的に近接して接続されたＣＭＯＳまたはＣＣＤ検出デバイスを用いた画像増強器に関する。

本発明は、例えばＣＭＯＳまたはＣＣＤデバイスのような固体センサを用いた画像増強デバイスに関する。画像増強デバイスは、輝度が低い光を増幅するためまたは不可視光を容易に視覚可能な光に変換するために用いられる。特に、画像増強デバイスは、赤外光からの画像を提供することに有用であり、多くの産業的応用と軍事的応用とを有する。例えば、画像増強管は、飛行士の夜間視力を高めるために、天体を撮影するために、および網膜色素変性症（夜盲症）の患者に夜間視力を提供するために用いられる。

従来技術において、既知な画像増強デバイスは、３種類存在する。カメラ用の画像増強管、全固体のＣＭＯＳまたはＣＣＤセンサ、ハイブリッドなＥＢＣＣＤ／ＣＭＯＳ（電子打ち込み式（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＢｏｍｂａｒｄｅｄ）ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサ）。

画像増強管は、良く知られており、多くの産業にわたって用いられている。図１を参照すると、現状における従来技術の第３世代（ＧＥＮＩＩＩ）画像増強管１０が示されている。そのような従来技術におけるＧＥＮＩＩＩ画像増強管の使用例は、ＲＥＰＬＡＣＥＭＥＮＴＤＥＶＩＣＥＦＯＲＡＤＲＩＶＥＲ’ＳＶＩＥＷＥＲと題されたＮａｓｅｌｌｉ等による特許文献１、およびＴＥＬＥＳＣＯＰＩＣＳＩＧＨＴＦＯＲＤＡＹＬＩＧＨＴＶＩＥＷＩＮＧと題されたＰｈｉｌｌｉｐｓによる特許文献２に例示されている。示されているＧＥＮＩＩＩ画像増強管１０、および両引用文献におけるＧＥＮＩＩＩ画像増強管は、本明細書における譲受人であるＩＴＴＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって現在製造されている種類のものである。図１に示されている画像増強管１０において、赤外エネルギーは、光電陰極１２に入射する。光電陰極１２は、片面を反射防止層１６によってコートされているガラス面プレート１４、ガリウム・アルミニウム・ヒ素（ＧａＡｌＡｓ；ｇａｌｌｉｕｍａｌｕｍｉｎｕｍａｒｓｅｎｉｄｅ）ウィンドウ層１７、およびガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ；ｇａｌｌｉｕｍａｒｓｅｎｉｄｅ）アクティブ層１８から構成されている。赤外エネルギーは、ＧａＡｓアクティブ層１８によって吸収され、これにより、電子／ホールの対が生成される。その後、生成された電子は、ＧａＡｓアクティブ層１８上に存在する陰電子親和性（ＮＥＡ；ｎｅｇａｔｉｖｅｅｌｅｃｔｒｏｎａｆｆｉｎｉｔｙ）コート２０を介して、真空の筺体２２に放射される。

マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）２４は、真空の筺体２２内に配置され、光電陰極１２のＮＥＡコーティング２０に隣接している。従来、ＭＣＰ２４は、導電性の入力表面２６と導電性の出力表面２８とを有するガラスから形成されていた。一旦電子が光電陰極１２を出ると、上記電子は、入力表面２６と光電陰極１２との間の約３００〜９００ボルトの電位差により、ＭＣＰ２４の入力表面２６に向かって加速される。ＭＣＰ２４の入力表面２６に電子が打ち込まれる際、ＭＣＰ２４内で第２の電子が生成される。ＭＣＰ２４は、数百の電子を生成し、各電子は、入力表面２６に入る。ＭＣＰ２４は、典型的には約１１００ボルトである入力表面２６と出力表面２８との間の電位差を被る。これにより、上記電位差は、電子の倍増を可能にする。

倍増された電子がＭＣＰ２４を出る際、上記電子は、蛍光体スクリーン３０と出力表面２８との間の約４２００ボルトの電位差により、真空の筺体２２を介して蛍光体スクリーン３０に向かって加速される。電子が蛍光体スクリーン３０に入射する際、１つの電子に対して多数の光子が生成される。光子は、画像増強管１０に対する出力画像を光学的変換エレメント３１の出力表面２８の上に生成する。

図１に示されているような画像増強器は、その他の形態の画像増強器に対する利点を有している。第１に、増強器は、対数的なゲイン曲線を有している。すなわち、ゲインは、入力光のレベルが増加するのに伴って減少する。このことは、ヒトの目が、明るい光が暗い光と同じ光景に存在するときに、特に応答することにマッチしている。ほとんどの固体デバイスは、線形応答を有する。すなわち、明るい光ほど出力信号が明るくなる。結果として、固体システムを見る人にとって、明るい光は過度に明るく見えるようになり、場面（ｓｃｅｎｅ）を洗い流してしまう傾向がある。固体センサは、入力光が増加するのに伴ってゲインを減少させるように改変され得るが、これには、シャッターを用いるかアンチ・ブルーミング制御を用いるかして増幅器のゲインを変化させることが必要になる。

画像増強器のその他の利点は、広範囲の入力光レベルにわたる機能性である。電力供給は、陰極の電圧を制御し、これにより、管（ｔｕｂｅ）のゲインを場面に適合するように変化させることができる。このため、管は、曇天下での星明りから日中の条件にまで機能することができる。

しかしながら、画像増強器／Ｉ^２カメラは、数多くの不都合を被る。蛍光体スクリーンの電子光学素子は、低コントラスト画像を生成する。この結果、画像増強器を介して見たときに、人間の観測者または固体センサからは、対象がぼやけて見えることになる。この欠点は、さらなる画像増強器の発展によりいくぶん低減されてきたが、一般に、固体画像器（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅｉｍａｇｅｒ）は、より優れた性能を有している。

画像増強器／Ｉ^２カメラに関する別の不都合は、「光輪（ｈａｌｏ）」である。光輪は、ＭＣＰまたはスクリーンのいずれかから反射した電子から発生する。その後、反射した電子は、増幅され、オリジナル画像の周辺において、輪の形態をした光に変換される。画像管において、ＭＣＰから反射した電子からの光輪は、最近製造されている管では無視し得る程度の効果に低減されている。しかしながら、陰極の光輪はある程度存在しなくても、スクリーン部からの光輪は、依然として存在する。それにも関わらず、スクリーンの光輪は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳの配列が画像増強器に接続されるときに、画像化システムにおいて、依然として顕著な欠陥となる。このことは、これらの配列が、スクリーンの光輪における低レベルの光を、目よりも感知することができるためである。

別の不都合は、画像増強器が電子的な読み出しを提供する方法を有していないという点である。電子的な読み出しは、熱センサからの画像を増強された画像と組み合わせ、その結果、両スペクトラムからの情報を同時に視覚され得るようにするために、必要とされる。１つの解決策は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳの配列を画像増強管と結合させることにより、Ｉ^２カメラを作ることであった。固体デバイスが画像管に結合されるとき、その結果物としてのカメラは、低コントラストな画像管の性能欠陥のすべてを有し、結合の非効率性とカメラに対する画像管の追加的な費用のために、しばしば限界分解能が低くなる。

典型的に、固体デバイスは、ＣＣＤまたはＣＭＯＳを有する。これらは、直接的に光を検出することにより、信号を固体増幅器に電気的に転送し、その後テレビ方式の受像管または液晶ディスプレイのようなディスプレイのいずれかに画像を表示する。図２ａおよび２ｂは、典型的なＣＣＤセンサのフローチャートとブロック図とを示している。

ＣＣＤおよびＣＭＯＳセンサは、固体デバイスである。すなわち、真空の被覆は存在せず、出力信号は、センサ内部を除くどこかに表示され得る電子信号である。固体デバイスは、５〜１５ボルトの電力で動作する。光は、「ｓ」とラベル付けされた個々の画素において検出され、複数の電子に変換される。上記電子は、画素が格納レジスタによって読み出されるまで、この画素に格納される。その後、複数の画素に格納された電子的な情報は、格納レジスタから読み出しレジスタに転送され、さらにその後、出力増幅器に、またその後、陰極線管のようなビデオ表示デバイスに転送される。

全固体デバイスの不都合な点は、低い光レベルでの性能が低いことと、明るい光源からの潜在的なブルーミングと、限界分解能が低いことと、電力消費量が高いことである。低い光レベルでの性能の低さは、信号対ノイズ比を低くする結果をもたらす暗電流と読み出しノイズとに起因する。ノイズ源に打ち勝つように十分な信号が提供されるため、読み出しに先立って信号のゲイン機構が提供される場合にこの問題点は打ち消される。通常、固体デバイスのアーキテクチャは、読み出しに先立つ増幅部を許容しない。限界分解能の低さは、画素のサイズに起因する。通常、画素のサイズは、大きな信号を収集し、これにより信号対ノイズ比を増加させるように選択される。これらの不都合は、夜間視力アプリケーションにおいて固体センサを用いることを実質的に妨げてきた。固体デバイスの利点は、特に固体センサがＣＭＯＳ配列である場合における、画像増強器／Ｉ^２カメラと比較して優れた画像コントラストと、電子的読み出しの可用性と、低コストである。

以上のように、画像増強器と固体センサの強さと弱さを互いに補い合い、両デバイスを理論的に組み合わせることは、より優れた性能を付与し得る。画像増強器／Ｉ^２カメラの代替物として提供されるそのような組み合わせの１つは、電子打ち込み式ＣＣＤ／ＣＭＯＳ（ＥＢＣＣＤ／ＣＭＯＳ）センサである。このデバイスは、光電陰極と、画像管の被覆体（ｂｏｄｙｅｎｖｅｌｏｐｅ）と、この被覆体の内部に統合されたＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサのいずれかによって構成される。ＥＢＣＣＤ／ＣＭＯＳの説明のための例示は、図３に示されている。結果として生じる電子が、電子打ち込みにより、固体センサのシリコン内で増幅されるように、電極と固体センサとの間に高電圧が印加される。

ＥＢＣＣＤ／ＣＭＯＳデバイスの利点は、上記デバイスが電子読み出しを提供するという点である。しかしながら、不都合な点は数多く存在する。第１に、場面内のダイナミックレンジは、圧縮される。このことは、明るい物体が暗い物体と隣合っているときに、場面内の全コントラストが、画像増強器／Ｉ^２カメラならびに全固体デバイスと比較して低減されるということを意味している。第２に、センサは、電子が固体センサから反射されるために、明るい光の周辺において、画像の「光輪」による劣化を被る。この光輪は、通常の画像管に存在する。しかしながら、技術的な進展は、存在しないと言ってもよい程度にまで、光輪を低減している。第３に、デバイスを動作させるために要求される超高電圧（２〜１０ｋＶ）は、シリコン表面にダメージを与え、時間につれ性能の低下をもたらす。

このため、本発明の目的は、優れた信号対ノイズ比、高い対数的ゲインの画像増強器の機能と、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）または電荷結合素子（ＣＣＤ）のいずれかの電子読み出し機能とを組み合わせることである。
米国特許第５，０２９，９６３号明細書米国特許第５，０８４，７８０号明細書

（発明の要約）
本発明の例示的な実施形態にしたがうと、増強された固体画像化センサは、画像からの光を電子に変換する光電陰極を含む。増強された固体画像化センサはまた、光電陰極からの電子を受け取る電子倍増化デバイスをも含む。電子倍増化デバイスは、電子倍増化デバイスが光電陰極から受け取るよりも多数の電子を出力する。増強された固体画像化センサはまた、電子倍増化デバイスの複数のチャネルを介することにより、電子倍増化デバイスからの電子を受け取る、複数の画像を含む固体画像センサをも含む。固体画像センサは、電子倍増化デバイスから受け取った電子から増強された画像信号を生成する。複数のチャネルは、複数のチャネルパターンで配置されており、複数の画素は、複数の画素パターンで配置されている。複数のチャネルパターンの各々は、複数のチャネルパターンの各々からの電子信号が、複数の画素パターンのうちのそれぞれの単一の画素パターンによって実質的に受け取られるように、複数の画素パターンのうちのそれぞれの１つにマッピングされている。

本発明がさらに明確に理解されるようにするため、本発明は、添付の図面と関連して、さらに詳細に開示される。

（好ましい実施形態に関する詳細な記述）
本発明の実施形態の好ましい特徴は、図面を参照して以下で記述される。本発明の精神および範囲は、説明のために選択された実施形態に制限されないことが理解され得る。さらに、図面は特定の倍率または比率にはされていない。以下で記述される任意の構成および材料は、本発明の範囲内で改変され得ることを意図されている。

同時係属中のシリアル番号０９／９７３，９０７号の米国特許において、本発明は、増強されたハイブリッド固体センサを提供するものとして記述されている。本発明による固体センサは、画像増強器の陰極と、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）と、被覆体とから組み立てられた固体センサを備える画像化デバイスを含む。このデバイスは、優れた信号対ノイズ比、高い対数的ゲインの画像強化器の最良の機能と、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）または電荷結合素子（ＣＣＤ）のいずれかの電子読み出し機能とを組み合わせる。本発明の応用は、暗い光の感度が優れ高いゲインが要求される夜間視力システムが主なものである。

図４Ｂは、本発明にしたがう増強されたハイブリッド固体センサデバイス４１のスキーム的表現である。センサ４１は、標準的な画像管の光電陰極５４と、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）５３と、固体画像化センサ５６とを備える。固体画像化センサ５６は、任意のタイプの固体画像化センサであり得る。好ましくは、固体画像化センサ５６は、ＣＣＤデバイスである。さらに好ましくは、固体画像化センサ５６は、ＣＭＯＳ画像化センサである。図５Ａは、画像化センサ５６’のような背面薄板化型（ｂａｃｋ−ｔｈｉｎｎｅｄ）ＣＣＤ画像化デバイスを示している。本実施形態において、ＭＣＰ５３は、背面薄板型ＣＣＤセンサ５６’に接続されている。背面薄板型ＣＣＤ５６’は、例えば拡散収集領域（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｒｅａ）５６’のような電子受け取り表面と、読み出し領域６２とを備える。図５Ｂは、標準的なＣＣＤ５６’’に接続されたＭＣＰ５３を含む、代替的な標準的ＣＣＤ画像化デバイスを示している。ＣＣＤ５６’’は、酸化物のカバー６３と複数の収集ウェル６４とを含む。図５Ｃは、ＣＭＯＳ基板５６’’と複数の収集ウェル６５とを含むＣＭＯＳセンサのようなセンサを示している。

様々な理由により、ＣＣＤベースの画像センサは、多くの用途に対して限定的であるか、実用的ではない。第１に、ＣＣＤは、高性能を達成するために、埋め込み型チャネルの埋め込みを有する少なくとも２つのポリシリコン層を必要とする。このことは、ＣＣＤは標準的なＣＭＯＳ製造工程によっては製造され得ないということを意味する。第２に、ＣＣＤベースの画像器が自らとアプリケーション内のその他のデバイスとを統合させるのに必要なデバイスを含まないために、ＣＣＤベースの画像器によって達成され得る統合のレベルが、低いということである。最後に、例えばデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ；ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）やその他の画像処理回路のような、システム基板上のその他のデバイスに対する画像配列の外にデータを転送するのに用いられる回路は、その他の回路よりも大きな容量を有し、高い電圧を必要とするということである。これらのキャパシタに対する充電と放電とに関連する電流は、通常は顕著であり、ＣＣＤ画像器は、携帯型または充電動作型のアプリケーションに対して特によく適合している。

そのようなものとしては、標準的なＣＭＯＳ工程を用いた集積回路から製造される低価格な画像センサが望ましい。特に、ＣＭＯＳタイプの画像器センサ、光ダイオード、光トランジスタまたはその他の類似のデバイスが、光検出エレメントとして用いられる。光検出エレメントの出力は、上記エレメントによって受け取られる光の大きさにほぼ比例する大きさのアナログ信号である。ＣＭＯＳ画像器は、小さな電力しか用いず、製造コストが安く、ＣＣＤ工程を用いて製造された画像器と比較して高いシステム統合性を提供するため、いくつかのアプリケーションに好適である。さらに、ＣＭＯＳ画像器は、論理トランジスタの製造に用いられるのに一般に用いられる工程を用いて製造され得るという追加的な利点を有する。本発明の好ましい実施形態は、ＣＭＯＳセンサを画像センサ５６として実装するが、任意の固体画像化センサが機能し、本出願の範囲内に存在し得る。

再び図４Ｂを参照すると、光電陰極５４は、任意の既知のタイプの画像増強デバイスに用いられるのと同じ標準的な光電陰極であり得る。光電陰極５４は、ＧａＡｓ，Ｂｉａｌｋａｌｉ，ＩｎＧａＡｓ，および類似のものであり得るが、それらには制限されない。光電陰極５４は、入力側５４ａと出力側５４ｂとを含む。ＭＣＰ５３は、シリコン材料またはガラス材料であり得るがそれらには限定されず、好ましくは約１０ｍｍ〜２５ｍｍの厚さであり得る。ＭＣＰ５３は、入力表面４９と出力表面５０との間に形成された複数のチャネル５２を有する。複数のチャネル５２は、任意のタイプの輪郭、例えば円形の輪郭５２’（図６Ａ）または四角い輪郭５２’’（図６Ｂ）を有し得る。ＭＣＰ５３は、画像化センサ５６の電子受け取り表面５６ａに接続されている。

好ましくは、ＭＣＰ５３の出力表面５０は、画像化センサ５６の電子受け取り表面５６ａと物理的に接触している。しかしながら、ＭＣＰ５３と画像化センサ５６との間に絶縁が必要であり得る。したがって、薄型絶縁スペーサ５５が、ＭＣＰ５３の出力表面５０と画像化センサ５６の電子受け取り面５６ａとの間に挿入され得る。絶縁スペース５５は、厚さがわずか数ミクロンの任意の電気的絶縁材料、好ましくは薄層で形成され得、画像化センサ５６の電子受け取り面５６ａの上に堆積される。例えば、そのような絶縁スペーサは、約１０μｍの薄膜であり得るが、それには制限されない。代替的に、絶縁スペーサ５５は、ＭＣＰ５３の出力表面５０の上に形成される膜（図示されず）であり得る。

ＣＭＯＳ画像化センサ５６は、電子受け取り表面５６ａと出力表面５６ｂとを含む。ＭＣＰ５３から放射された多数の電子４７は、電子受け取り表面５６ａに衝突する。電子受け取り表面５６ａは、ＣＭＯＳ基板５６’’’と複数の収集ウェル６５とを備える（図５Ｃ）。収集ウェル６５に収集される電子４７（図４Ｂ）は、ＣＭＯＳセンサに対する標準的な信号処理装置を用いて画像信号を生成するように処理され、上記信号は、出力５６ｂを介することにより、画像表示デバイス４６に送信される。

電気的バイアス回路４４は、センサ４１にバイアス電流を提供する。電気的バイアス回路４４は、第１の電気的接続４２と第２の電気的接続４３とを含む。第１の電気的接続４２は、光電陰極５４とＭＣＰ５３との間にバイアス電圧を提供する。第１の電気的接続４２からのバイアス電圧は、ＣＣＤ電圧、すなわち２〜１０ｋＶに対するＥＢＣＣＤ／ＣＭＯＳセンサ電極のバイアス電圧に比べて好ましくは低くなるように設定される。例えば、好ましいバイアス電圧の１つは、画像管のそれと同等、例えば〜１４００Ｖであり得る。第２の電気的接続４３は、ＭＣＰ５３とＣＭＯＳセンサ５６との間のバイアス電圧を印加する。好ましくは、第２の電気的接続４３を介して印加されるバイアス電圧は、従来技術においては約４２００Ｖである（図１参照）画像管、すなわちスクリーンよりも顕著に低い。例えば、第２の電気的接続４３を介して印加されるバイアス電圧は、〜１００Ｖであり得るが、それには制限されない。図４Ａは、センサ４１の潜在的な構成の１つを図示している。この構成において、光電陰極５４、ＭＣＰ５３、および画像化センサ５６は、単一ユニットとして、互いに物理的に隣接し合って真空の筺体または被覆６１に維持される。

図４Ｂを参照すると、動作中、画像５７からの光５８、５９は、光電陰極５４の入力側５４ａを介することにより、増強されたハイブリッド固体センサ４１に入る。光電陰極５４は、光電陰極５４の出力側５４ｂからの出力である電子４８への入力光を変化させる。光電陰極５４を出る電子４８は、ＭＣＰ５３の入力表面４９を介して複数のチャネル５２に入る。電子４８は、ＭＣＰ５３の入力表面４９に打ち込まれ、第２の電子がＭＣＰ５３の複数のチャネル５２内で生成される。ＭＣＰ５３は、複数のチャネル５２の各々において、各電子が入力表面４９を介して入る間に、数百の電子を生成し得る。このため、複数のチャネル５２を出る電子４７の数は、複数のチャネル５２に入る電子４８の数よりも顕著に多くなる。増強された数の電子４７は、ＭＣＰ５３の出力表面５２を介して複数のチャネル５２を出、ＣＭＯＳ画像化デバイス５６の電子受け取り表面５６ａに衝突する。

図６Ａ〜６Ｂは、多数の電子４７がいかにして複数のチャネル５２（すなわち、図６Ａにおける複数のチャネル５２’、図６Ｂにおける複数のチャネル５２’’）を出てＣＭＯＳ画像化センサ５６の特定の収集ウェル６５’に衝突するかを図示している。これらの図示に見ることができるように、収集ウェル６５’と電子４７を放射する多数のチャネル５２との間にある関係が存在する。一般に、ＭＣＰ５３の隣接しあう複数のチャネル５２は、所定のチャネルピッチ５２ａによって分離されている。図６Ａ〜６Ｂは、収集ウェル６５’あたりに２つ以上のチャネル５２をもたらすチャネルピッチ５２ａを図示している。

図７Ａ〜７Ｃは、本発明にしたがうＣＭＯＳウェル／チャネルピッチの関係についての３つの異なる代替物を示している。図７Ａは、チャネルピッチ５２とＣＭＯＳウェル６５’との間の１つの関係を図示している。この場合、ＣＭＯＳウェル６５’のサイズが比較的大きい一方で、チャネルピッチ５２は比較的小さい。このことは、２つ以上のチャネル５２からのいくつかの電子４７がＣＭＯＳ収集ウェル６５’に衝突することを可能にする。図７Ｂは、別のＣＭＯＳウェル／チャネルピッチの関係を図示している。この実施形態において、チャネルピッチ５２とＣＭＯＳ収集ウェル６５’のサイズとは、ほぼ１対１の関係にある。そのような単一のチャネル５２からの電子４７’は、単一の収集ウェル６５’に衝突する。図７Ｃは、別のＣＭＯＳウェル／チャネルピッチの関係を図示しており、ここではチャネルピッチ５２は比較的大きくＣＭＯＳ収集ウェル６５’のサイズは比較的小さい。この場合、単一のチャネル５２からの電子４７’’は、複数の収集ウェル６５’に衝突する。これら構造の各々は様々な利点を提供するが、図７Ａに図示されている関係が、本発明に好適である。

結果として、増強されたハイブリッド固体センサは、その他の従来技術のどの考え方によるものよりも、異なる条件下で動作する。結果として、ＭＣＰ５３は、ハイブリッドデバイスを与えるＣＭＯＳセンサ５６の上に直接的に搭載され得る。上記ハイブリッドデバイスは、全固体デバイスと同等なコントラストであり、光輪が小さく、信号対ノイズ比が優れ、画像管の対数的ゲインを有するハイブリッドデバイスである。動作電圧が低いため、画像強化器が曇天下での星明りの条件から日中の動作までの動作を許容するのと同様に、ハイブリッドデバイスは、ゲートされ得る。ハイブリッドセンサは、ＭＣＰ５３とＣＭＯＳセンサ５６との間の物理的ギャップの不足（ｌａｃｋ）に由来する優れた光輪を有する。２つのコンポーネントにおけるこの物理的ギャップの不足はまた、ＥＢＣＣＤ／ＣＭＯＳまたは画像強化されたカメラと比較したときにコントラストが改良されていることの理由でもある。ハイブリッドデバイスはまた、画像管の対数的ゲイン曲線を有する。ＥＢＣＣＤ／ＣＭＯＳセンサとは異なり、ハイブリッドセンサは、低電極電圧のためにゲートされ得る。

画像増強管における多くのコンポーネントは、サンプリングデバイスに関係する。そのようなサンプリングデバイスは、入力信号の離散的な空間サンプル（ｓｐａｔｉａｌｓａｍｐｌｅ）を収集し、サンプリングされた離散的な出力信号を提供する。画像増強管におけるそのようなサンプリングデバイスの例は、マイクロチャネルプレートと光ファイバースクリーンである。例えば、ＭＣＰは、入力電子を細孔／チャネルに収集し、全く同じ正孔／チャネルから電子を出力する。光ファイバーデバイスの場合、個々のファイバーは光の空間サンプルを収集し、これにより、光をファイバー内に束縛し、サンプリングされた画像をファイバーの出力に投影する。

そのような空間的にサンプリングされた信号がいくつかのパターンのそれぞれにいつオーバーレイされるかは、出力において観察され得る。図８は、電子倍増化デバイスの複数のチャネルによってオーバーレイされた固体画像センサの画素に関係する構成８００を図示している。特に、構成８００は、電子倍増化デバイスのチャネル８０４ａ，８０４ｂ，８０４ｃ，８０４ｄ，８０４ｅ，８０４ｆ、および８０４ｇによってオーバーレイされた固体画像センサの画素８０２ａ，８０２ｂ，８０２ｃおよび８０２ｄを図示している。構成８００は、固体画像センサと電子倍増化デバイスとの間のサンプリングの位置あわせミス（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を図示している。特に、チャネル８０４ａ、８０４ｂ，８０４ｃ，８０４ｄ，８０４ｅ，８０４ｆおよび８０４ｇの一部は、画素８０２ａ，８０２ｂ，８０２ｃ，および８０２ｄと位置あわせされている。しかしながら、チャネル８０４ａ，８０４ｂ，８０４ｃ，８０４ｄ，８０４ｅ，８０４ｆおよび８０４ｇの他の部分は、画素８０２ａ，８０２ｂ，８０２ｃおよび８０２ｄと位置あわせされている。

これら位置あわせミスは、（例えばモニタを見る人によって）視覚されるとき、多くの望ましくない電気光学的パターンのうちの１つとして出現し得る。例えば、そのような電気光学的パターンは、モアレ（Ｍｏｉｒｅ）として知られている。モアレ（およびエイリアシングのようなその他の電気光学的パターン）は、そのような位置あわせミスされたパターンを介して実際の対象物を見ようとする人を非常に当惑させる傾向がある。

そのような光学的パターン（すなわち、位置あわせミスされたパターン）は、１つのエレメントから別のエレメントへの光学的伝送品質が非常に優れているときに、しばしば明確になる。例えば図８は、そのような高い伝送品質を図示している。図８において、画素の辺（ｅｄｇｅ）および／またはチャネルがそれほど明確ではない（すなわち、辺があいまいである）ときに、視覚されている実際の画像は、モアレパターンを表示し得ない。電子倍増化デバイス（例えば、ＭＣＰ）が固体画像センサ（例えば、ＣＭＯＳ画像器）と接触している（または実質的に接触している）ときに、電子倍増化デバイスのチャネルと固体画像センサの画素との間で非常に高品質な伝送が発生し得る。そのような構成において、例えばモアレのような光学的位置あわせミスされたパターンは、視覚可能となる傾向がある。

本発明の例示的な実施形態にしたがうと、モアレとその他の望ましくない光学的パターンとは、以下により、無効化されるか実質的に低減される。（１）電子倍増化デバイスの複数のチャネルを複数のチャネルパターンに配置すること、（２）固体画像センサの複数の画素を複数の画素パターンに配置すること、（３）複数のチャネルパターンの各々を、複数のチャネルパターンの各々からの電子信号が複数の画素パターンのうちのそれぞれの単一の画素パターンによって実質的に受け取られるように、複数の画素パターンのそれぞれの１つにマッピングすること。この位置あわせは、複数のチャネルパターンの各々からの信号が、（図８に図示されているような）光学的位置あわせミスが発生しないように複数の画素パターンのうちのそれぞれの１つに実質的に位置あわせされている限りにおいて、多くの構成のうちの任意のものであり得る。

本発明の別の実施形態にしたがうと、複数のチャネルパターンの各々は、上記複数の画素パターンのうちのそれぞれの１つと回転的に並べられているか、並進的に並べられている。

例えば、図９Ａは、例示的なマッピング９００を図示しており、ここではマッピング９００は、電子倍増化デバイスの複数のチャネル（４チャネルパターンとして配置され、各々のチャネルパターンは単一のチャネルを含む）によってオーバーレイされた固体画像センサの複数の画素（４画素パターンとして配置され、各々の画素パターンは単一の画素を含む）を含んでいる（図９Ａにおける複数の画素パターンに対する複数のチャネルパターンののマッピング／記録により、マッピングの各々は単一の四角形として現れる。しかしながら、四角形の各々は、実際にはチャネルパターンによってオーバーレイされる画素パターンを表している）。特に、マッピング９００は、複数のチャネル９０４ａ，９０４ｂ，９０４ｃ，および９０４ｄ（各々は単一チャネルを有するチャネルパターンを表している）によってオーバーレイされた固体画像センサの画素９０２ａ，９０２ｂ，９０２ｃ，および９０２ｄ（各々は単一画素を有する画素パターンを表している）を図示している。この実施形態において、複数のチャネル９０４ａ，９０４ｂ，９０４ｃ，および９０４ｄのうちの１つは、複数の画素９０２ａ，９０２ｂ，９０２ｃ，および９０２ｄのうちの対応する１つに位置あわせ／マッピングされている。さらに、複数のチャネル（例えばＭＣＰの細孔）は、複数の画素と実質的に同じサイズであり、複数の画素と実質的に同じ中心間（ｃｅｎｔｅｒ−ｔｏ−ｃｅｎｔｅｒ）スペースを有している。

本発明の特定の例示的な実施形態において、画像化センサの組み立ての間に、電子倍増化デバイスのチャネルを固体画像センサの画素と位置あわせすることが望ましい。適切な位置あわせを確実にするための組み立て方法の１つは、電子倍増化デバイスを介して光を放ち、これにより固体画像センサの反射パターンの観察を可能にする方法である。望ましくない位置あわせミスのパターン（例えばモアレ）が視覚可能であるとき、電子倍増化デバイスのチャネルは、実質的に固体画像化センサの画素と位置あわせされる。もちろん、位置あわせのためのその他の方法も利用することができる。

図９Ａは、電子倍増化デバイスのチャネルパターンと固体画像センサのそれぞれの画素パターンとの位置あわせを提供する多くのマッピング構成のうちのただ１つに過ぎない。多くの追加的構成が可能である。図９Ｂ〜９Ｅは、そのようなマッピング構成の追加的な例である。

図９Ｂは、例示的なマッピング９１０を図示しており、ここでは、マッピング９１０は、電子倍増化デバイスの複数のチャネル（４チャネルパターンとして配置され、各々のチャネルパターンは単一のチャネルを含む）によってオーバーレイされた固体画像センサの複数の画素（４画素パターンとして配置され、各々の画素パターンは単一の画素を含む）を含んでいる。特に、マッピング９１０は、複数のチャネルパターン９１４ａ，９１４ｂ，９１４ｃ，および９１４ｄ（各々は単一チャネルを有するチャネルパターンを表している）によってオーバーレイされた固体画像化センサの画素９１２ａ，９１２ｂ，９１２ｃ，および９１２ｄ（各々は単一画素を有する画素パターンを表している）を図示している。この実施形態において、複数のチャネル９１４ａ，９１４ｂ，９１４ｃおよび９１４ｄのうちの１つは、複数の画素９１２ａ，９１２ｂ，９１２ｃおよび９１２ｄのうちの対応する１つに位置あわせされている。図９Ｂに図示されている実施形態は、図９Ａに図示されている実施形態に類似している。図９Ａにおいては、電子倍増化デバイスのチャネルと固体画像センサの画素との間に１対１の相関関係が存在する。しかしながら、図９Ｂにおける電子倍増化デバイスのチャネルは、固体画像センサの画素とは実質的には同じサイズおよび／または形状ではない。それにも関わらず、電子倍増化デバイスのチャネルと固体画像センサの画素とは互いに位置あわせされている。位置あわせのため、望ましくない光学的パターン（例えばモアレ）の実質的な低減が潜在的に存在する。

図９Ｃは、例示的なマッピング９２０を図示しており、ここでは、マッピング９２０は、電子倍増化デバイスの複数のチャネル（４チャネルパターンとして配置され、各々のチャネルパターンは単一のチャネルを含む）によってオーバーレイされた固体画像センサの複数の画素（４画素パターンとして配置され、各々の画素パターンは単一の画素を含む）を含んでいる。特に、マッピング９２０は、複数のチャネル９２４ａ，９２４ｂ，９２４ｃ，および９２４ｄ（これらの４つとも、単一のチャネルパターンを表している）によってオーバーレイされた固体画像センサの複数の画素９２２ａ，９２２ｂ，９２２ｃ，および９２２ｄ（各々は単一画素を有する画素パターンを表している）を図示している。この実施形態において、複数の画素９２２ａ，９２２ｂ，９２２ｃ，および９２２ｄのうちの１つは、対応するチャネルパターンにマッピング／位置あわせされている。上記チャネルパターンにおいて、各チャネルパターンは、４つのチャネル（すなわち、それぞれ９２４ａ，９２４ｂ，９２４ｃ，９２４ｄの４つのチャネル）を含んでいる。電子倍増化デバイスのチャネルパターンと固体画像センサの画素パターンとのマッピング／位置あわせは、望ましくない光学的パターン（例えばモアレ）の実質的な低減を潜在的に発生する。

図９Ｄは、例示的なマッピング９３０を図示しており、ここでは、マッピング９３０は、電子倍増化デバイスの複数のチャネル（９チャネルパターンとして配置され、各々のチャネルパターンは単一のチャネルを含む）によってオーバーレイされた固体画像センサの複数の画素（９画素パターンとして配置され、各々の画素パターンは単一の画素を含む）を含んでいる。特に、マッピング９３０は、複数のチャネル９３４ａ，９３４ｂ，９３４ｃ，９３４ｄ，９３４ｅ，９３４ｆ，９３４ｇ，９３４ｈ，および９３４ｉ（各々は単一のチャネルを含むチャネルパターンを表している）によってオーバーレイされた固体画像センサの複数の画素９３２ａ，９３２ｂ，９３２ｃ，９３２ｄ，９３２ｅ，９３２ｆ，９３２ｇ，９３２ｈ，および９３２ｉ（各々は単一画素を含む画素パターンを表している）を図示している。この実施形態において、複数のチャネル９３４ａ，９３４ｂ，９３４ｃ，９３４ｄ，９３４ｅ，９３４ｆ，９３４ｇ，９３４ｈ，および９３４ｉのうちの１つは、複数の画素９３２ａ，９３２ｂ，９３２ｃ，９３２ｄ，９３２ｅ，９３２ｆ，９３２ｇ，９３２ｈ，および９３２ｉのうちの対応する１つに位置あわせ／マッピングされている。電子倍増化デバイスのチャネルパターンと固体画像センサの画素パターンとのマッピング／位置あわせは、望ましくない光学的パターン（例えばモアレ）の実質的な低減を潜在的に発生する。

図９Ｅは、例示的なマッピング９４０を図示しており、ここでは、マッピング９４０は、電子倍増化デバイスの複数のチャネル（４チャネルパターンとして配置され、各々のチャネルパターンは単一のチャネルを含む）によってオーバーレイされた固体画像センサの複数の画素（４画素パターンとして配置され、各々の画素パターンは４つの画素を含む）を含んでいる。特に、マッピング９４０は、電子倍増化デバイスの複数のチャネル９４４ａ，９４４ｂ，９４４ｃ，および９４４ｄ（各々は単一チャネルを有するチャネルパターンを表している）によってオーバーレイされた固体画像センサの複数の画素９４２ａ，９４２ｂ，９４２ｃ，および９４２ｄ（これらの４つとも、単一の画素パターンを表している）を図示している。この実施形態において、複数のチャネル９４４ａ，９４４ｂ，９４４ｃ，および９４４ｄのうちの１つは、対応する画素パターンにマッピング／位置あわせされている。上記画素パターンにおいて、各画素パターンは、４つの画素（すなわち、それぞれ９４２ａ，９４２ｂ，９４２ｃ，および９４２ｄ）を含んでいる。電子倍増化デバイスのチャネルパターンと固体画像センサの画素パターンとのマッピング／位置あわせは、望ましくない光学的パターン（例えばモアレ）の実質的な低減を潜在的に発生する。

図９Ａ〜９Ｅに図示され上記で記述された本発明の実施形態は、本質的に例示のためのものである。様々な代替的構成が検討される。例えば、各チャネルパターンにおけるチャネルの数および／または各画素パターンにおける画素の数は、本発明にしたがって変動し得る。さらに、チャネルおよび／または画素のサイズおよび／または形状は、本発明にしたがって変動し得る。またさらに、チャネルパターンの画素パターンへのマッピングもまた、本発明にしたがって変動し得る。

本明細書において用いられているように、画素とは、電子または電子エネルギーを受け取る画像センサ（すなわち、固体画像センサ）のエレメントを参照するように意図されている。画素は、受け取った電子エネルギーを格納するためのウェルを含む。

本発明の好ましい実施形態についての上記における詳細な記述は、本出願の時点において本発明を実行するのに最良の形態であると発明者が考える形態が述べられており、例示を目的として提供されており、制限を目的としては提供されていない。したがって、本分野に関係のある当業者にとって明らかな様々な改変およびバリエーションは、以下の請求の範囲に述べられている本発明の範囲と精神との範囲内に存在するものと考えられる。

図１は、典型的な画像増強管の概略図である。図２Ａは、典型的なＣＣＤセンサのフローチャートである。図２Ｂは、典型的なＣＤ画像化表面の概略図である。図３は、典型的な電子打ち込み式ＣＣＤデバイスの断面図である。図４Ａは、本発明にしたがう増強されたハイブリッド固体センサの断面図である。図４Ｂは、本発明にしたがう増強されたハイブリッド固体センサのスキーム的表現である。図５Ａは、本発明に用いるマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）および背面薄板化型ＣＣＤの概略図である。図５Ｂは、本発明に用いるマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）および標準的なＣＣＤの概略図である。図５Ｃは、本発明に用いるＣＭＯＳ型画像センサの透視図である。図６Ａは、円形の輪郭とＣＭＯＳウェルとを有するＭＣＰチャネルの透視図である。図６Ｂは、四角い輪郭とＣＭＯＳウェルとを有するＭＣＰチャネルの透視図である。図７Ａは、本発明にしたがう、センサ表面の単位領域あたりにおける大きな画素／小さなＭＣＰチャネルピッチに関するスキーム的平面図である。図７Ｂは、本発明にしたがう、センサ表面の単位領域あたりにおけるＭＣＰチャネルに対して１対１な画素のスキーム的平面図である。図７Ｃは、本発明にしたがう、センサ表面の単位領域あたりにおける小さなＣＭＯＳ画素のピッチ／大きなＭＣＰチャネルに関するスキーム的平面図である。図８は、本発明の例示的実施形態の利益を記述するための、電子倍増化デバイスのチャネルパターンと画像センサの画素パターンとの位置あわせミスを示している。図９Ａは、本発明の例示的実施形態にしたがう、電子倍増化デバイスのチャネルパターンと画像センサの画素パターンとの位置あわせを示している。図９Ｂは、本発明の別の例示的実施形態にしたがう、電子倍増化デバイスのチャネルパターンと画像センサの画素パターンとの別の位置あわせを示している。図９Ｃは、本発明の別の例示的実施形態にしたがう、電子倍増化デバイスのチャネルパターンと画像センサの画素パターンとのさらに別の位置あわせを示している。図９Ｄは、本発明の別の例示的実施形態にしたがう、電子倍増化デバイスのチャネルパターンと画像センサの画素パターンとのさらに別の位置あわせを示している。図９Ｅは、本発明の別の例示的実施形態にしたがう、電子倍増化デバイスのチャネルパターンと画像センサの画素パターンとのさらに別の位置あわせを示している。

Claims

増強された固体画像化センサであって、
画像からの光を電子に変換する光電陰極と、
該光電陰極からの電子を受け取る電子倍増化デバイスであって、該電子倍増化デバイスは、該電子倍増化デバイスが該光電陰極から受け取るよりも多数の電子を出力する、電子倍増化デバイスと、
該電子倍増化デバイスの複数のチャネルを介することにより、該電子倍増化デバイスからの電子を受け取る、複数の画素を含む固体画像センサであって、該固体画像センサは、該電子倍増化デバイスから受け取った電子から、増強された画像信号を生成する、固体画像センサと
を備え、該複数のチャネルは、複数のチャネルパターンで配置されており、該複数の画素は、複数の画素パターンで配置されており、該複数のチャネルパターンの各々は、該複数のチャネルパターンの各々からの電子信号が、該複数の画素パターンのうちのそれぞれの単一の画素パターンによって実質的に受け取られるように、該複数の画素パターンのうちのそれぞれの１つにマッピングされている、固体画像化センサ。
前記複数のチャネルパターンの各々は、単一のチャネルを備え、前記複数の画素パターンの各々は、単一の画素を備える、請求項１に記載の増強された固体画像化センサ。
前記複数のチャネルパターンの各々は、前記複数の画素パターンのそれぞれの１つと実質的に同じサイズと形状である、請求項２に記載の増強された固体画像化センサ。
前記複数のチャネルパターンの各々は、複数のチャネルを備え、前記複数の画素パターンの各々は、単一の画素を備える、請求項１に記載の増強された固体画像化センサ。
前記複数のチャネルパターンの各々は、単一のチャネルを備え、前記複数の画素パターンの各々は、複数の画素を備える、請求項１に記載の増強された固体画像化センサ。
前記複数のチャネルパターンの各々は、複数のチャネルを備え、前記複数の画素パターンの各々は、複数の画素を備える、請求項１に記載の増強された固体画像化センサ。
前記複数のチャネルパターンの各々は、前記複数の画素パターンのうちのそれぞれの１つと回転的に並べられているか、または並進的に並べられている、請求項１に記載の増強された固体画像化センサ。
前記電子倍増化デバイスは、マルチチャネルのプレートを備え、前記複数のチャネルは、該マルチチャネルのプレートの複数の細孔を備える、請求項１に記載の増強された固体画像化センサ。
前記固体画像センサは、ＣＣＤデバイスである、請求項１に記載の増強された固体画像化センサ。
前記固体画像センサは、ＣＭＯＳデバイスである、請求項１に記載の増強された固体画像化センサ。