JP2011239236A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度光が入射した際のブルーミングの発生による解像度の劣化を抑制しつつ、高輝度光に対する実効的な階調再現性を向上させた撮像装置を提供する。
【解決手段】
電子放出源アレイと光電変換膜とを具え、映像信号出力期間毎に１又は複数の水平走査ラインを所定順序で選択し、選択された水平走査ラインに含まれる電子放出源から光電変換膜に向けて電子を放出して映像信号を出力する撮像装置において、映像信号出力期間を繰り返しながら映像信号を順次出力する際に、１フレーム期間内の一又は複数の水平帰線消去期間において、映像信号を読み出すために電子放出源に印加する読み出し用パルス電圧よりも振幅の小さい過剰電荷除去用パルス電圧を電子放出源に印加し、過剰電荷除去用パルス電圧の電圧値と、１フレーム期間内における過剰電荷除去用パルス電圧の印加タイミングとに基づく圧縮比で所定光量以上の入射光による映像信号を圧縮する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子放出源をマトリクス状に配置した電子放出源アレイと光電変換膜とを具え、映像信号出力期間及び水平帰線消去期間に電子放出源アレイから電子を放出する撮像装置に関する。

従来、素子を加熱することなく電界によって電子を引き出す電子放出源をマトリクス状に配置した電子放出源アレイと光電変換膜とを具える撮像装置が提案されている。この電子放出源アレイは、複数のＳｐｉｎｄｔ型電子放出源をマトリクス状に配列したアレイであり、真空空間を隔てて光電変換膜と対向するように保持されている。このような撮像装置では、外部から光が入射することで光電変換膜に生成されて蓄積（以下、「生成・蓄積」と略す）された正孔をＳｐｉｎｄｔ型電子放出源アレイから順次放出される電子で読み出すことにより、時系列の映像信号を得ている（例えば、特許文献１参照）。

この撮像装置では、高輝度光が光電変換膜の一部に入射すると、その光電変換膜の部分の電子走査側に多量の正孔が蓄積され、その部分の電位が局所的に上昇する。このため、電子放出源アレイから順次、放出される電子のうち、高輝度光が入射した光電変換膜部の周辺に向けて放出される電子は、電位の格段に高い高輝度光入射部分に向けて軌道が曲げられ（以下、ベンディングという）、そこに蓄積された正孔の一部を読み出す。その結果、出力映像では、高輝度な被写体が実際より膨らんで見える現象（以下、ブルーミングという）が生じ、解像度等の画質の劣化を招く。

また、高輝度光が光電変換膜の一部に入射し、その部分に多量の正孔が生成・蓄積されると、電子放出源アレイから放出される電子での１回の走査では、生成・蓄積された正孔をすべて読み出すことができず、著しい残像が発生する。

このような問題を解消するために、映像信号出力期間に水平走査ライン上の画素信号を読み出した後も、それに続く映像信号出力期間外の過蓄積電荷掃き出し期間に、電子放出源アレイから電子を放出する平面撮像素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

高輝度な被写体を撮影した場合に生じる白つぶれやスミア、解像度の劣化等を防止するため、特許文献２には、映像信号出力期間に続く映像信号出力期間外の過蓄積電荷掃き出し期間に、その直後に映像信号が出力される水平走査ラインのゲート電極に電圧を印加し、カソード電極の電位を基準走査面電位より高く設定することにより、映像信号出力期間に読み出せる以上の蓄積電荷を予め取り除く撮像素子が開示されている。

さらに、映像信号出力期間外にその直後に映像信号が出力される水平走査ライン又は前記水平走査ライン含む複数の水平走査ラインに対応する位置に設けられた全ての電子放出源の印加電圧を変化させて電子を放出することで、光電変換膜に蓄積された過剰な正孔の除去能力を向上させた撮像素子が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平６−１７６７０４号公報 特開２００４−１３４１４４号公報 特開２００８−２８８１７６号公報

しかしながら、特許文献２、３に記載の撮像素子では、高輝度な光が入射したときの解像度劣化や残像の発生を抑制することができるものの、光電変換膜に蓄積された過剰な電荷を取り除く際に、一定の値以上に蓄積された電荷を除去していくため、除去された値以上の信号成分を検出することができず、高輝度の光が入射した部分の階調の再現性が損なわれる場合があった。

そこで、本発明は、高輝度光が入射した際のブルーミングの発生による解像度の劣化を抑制しつつ、高輝度光に対する実効的な階調再現性を向上させた撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一局面の撮像装置は、電子放出源がマトリクス状に配置される電子放出源アレイと、前記電子放出源アレイに対向保持される光電変換膜とを具え、映像信号出力期間毎に１又は複数の水平走査ラインを所定順序で選択し、当該選択された水平走査ラインに含まれる電子放出源から前記光電変換膜に向けて電子を放出して映像信号を出力する撮像装置において、前記映像信号出力期間を繰り返しながら前記映像信号を順次出力する際に、前記映像信号出力期間に選択されていない１又は複数の水平走査ラインに含まれる電子放出源に、一又は複数の水平帰線消去期間おきに電子放出用の電圧を段階的に印加する。

また、前記電子放出源アレイは、前記水平帰線消去期間を複数の期間に分割した分割期間内に前記電子を放出させるための電圧値を段階的に変更することにより、前記一又は複数の水平帰線消去期間おきに前記電子放出源に電子放出用の電圧を段階的に印加してもよい。

また、前記電子放出源アレイは、前記水平帰線消去期間に前記電子を放出させるための電圧値を段階的に変更することにより、前記一又は複数の水平帰線消去期間おきに前記電子放出源に電子放出用の電圧を段階的に印加してもよい。

また、前記電子放出源アレイは、電子を放出するための第１電極と、前記第１電極との間に電位差を形成するための第２電極とを具え、前記第１電極と前記第２電極との間に前記電子放出用の電圧に相当する電位差を形成することにより、前記第１電極から電子を放出させてもよい。

また、前記水平帰線消去期間において、任意の水平走査ラインに含まれる前記第１電極に、前記映像信号出力期間に前記映像信号を出力させるために前記第１電極に印加される第１電圧よりも高い第２電圧を印加することにより、前記一又は複数の水平帰線消去期間おきに前記電子放出源に電子放出用の電圧を段階的に印加してもよい。

本発明によれば、高輝度光が入射した際のブルーミングの発生による解像度の劣化を抑制しつつ、高輝度光に対する実効的な階調再現性を向上させた撮像装置を提供できるという特有の効果が得られる。

実施の形態１の撮像装置を概略的に示す断面図である。 実施の形態１の撮像装置に含まれる撮像素子の構成を示す図であり、（ａ）は撮像素子２００を概略的に示す斜視部分断面図、（ｂ）は撮像素子の要部を拡大して示す断面図である。 実施の形態１の撮像装置に含まれる電子放出源アレイ２５０の駆動系を平面視で概略的に示す図である。 実施の形態１の撮像装置の電子放出源アレイ２５０を駆動するためのパルス電圧を印加するタイミングを示すタイミングチャートである。 実施の形態１による撮像装置の陰極電圧と光電変換膜２３０の電子放出源アレイ２５０側（電子走査側）の電位との時間的変化を示す図である。 従来の撮像装置における陰極電圧と光電変換膜の電子走査側の電位との時間的変化を示す図である。 実施の形態１の撮像装置と比較用の従来の撮像装置とにおける入射光量と出力の関係を示す図である。 実施の形態１の変形例による撮像装置の電子放出源アレイ２５０を駆動するためのパルス電圧を印加するタイミングを示すタイミングチャートの変形例である。 実施の形態１の変形例による撮像装置の陰極電圧と光電変換膜２３０の電子放出源アレイ２５０側（電子走査側）の電位との時間的変化を示す図である。 実施の形態２の撮像装置を概略的に示す断面図である。 実施の形態２の撮像装置に含まれる撮像素子２００の構成を概略的に示す斜視部分断面図である。 実施の形態２の撮像装置に含まれる撮像素子２００の要部の構成を拡大して概略的に示す図である。 実施の形態２の撮像装置に含まれる電子放出源アレイ２５０Ａの駆動系を平面視で概略的に示す図である。 実施の形態２の撮像装置の電子放出源アレイ２５０Ａに印加するパルス電圧の振 実施の形態２の撮像装置と比較用の従来の撮像装置とにおける入射光量と出力の関係を示す図である。幅及びタイミングを示すタイミングチャートである。

以下、本発明の撮像装置を適用した実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の撮像装置を概略的に示す断面図である。実施の形態１の撮像装置は、光学レンズ１００、撮像素子２００、信号増幅・処理回路３００、駆動回路４００、制御回路５００、及び電源６００を具える。

光学レンズ１００及び撮像素子２００は、光学レンズ１００を通過した光が撮像素子２００の光電変換膜に垂直に入射し、焦点を結ぶように配置される。

信号増幅・処理回路３００は、撮像素子２００から出力される映像信号を増幅・処理する。

駆動回路４００は、水平駆動回路４１０や垂直駆動回路４２０等から構成され、撮像素子２００を動作させるために必要なパルス電圧等を生成、供給する。

制御回路５００は、クロック信号や同期信号等を生成し、駆動回路４００及び信号増幅・処理回路３００に供給する。

電源６００は、撮像素子２００、信号増幅・処理回路３００、駆動回路４００及び制御回路５００に給電する。

図２は、実施の形態１の撮像装置に含まれる撮像素子２００の構成を示す図であり、（ａ）は撮像素子２００を概略的に示す斜視部分断面図、（ｂ）は撮像素子２００の要部を拡大して示す断面図である。

実施の形態１における撮像素子２００は、透光性基板２１０、透光性導電膜２２０、光電変換膜２３０、メッシュ状電極２４０、及びＳｐｉｎｄｔ型の電子放出源アレイ２５０を具える。

透光性導電膜２２０は、透光性基板２１０の上に形成され、光電変換膜２３０は、透光性導電膜２２０の上に形成される。また、Ｓｐｉｎｄｔ型の電子放出源アレイ２５０は、光電変換膜２３０と真空空間を隔てて対向するように保持されており、複数の開口を有するメッシュ状電極２４０は、光電変換膜２３０と電子放出源アレイ２５０との間に配設される。

図２（ａ）では簡略化のために省略するが、実際の撮像素子２００には、電子放出源アレイ２５０、光電変換膜２３０、及びメッシュ状電極２４０を所定間隔で対向保持する機構や、撮像素子２００の駆動に必要なパルス電圧やＤＣ電圧等を供給する電極や、電子放出源アレイ２５０と光電変換膜２３０との間を真空に保持するための真空容器等が含まれる。

また、Ｓｐｉｎｄｔ型の電子放出源アレイ２５０から放出される電子群を光電変換膜２３０上に集束させる機能を撮像素子２００が有しない場合は、撮像素子２００の外部に永久磁石又はソレノイドコイルを含む磁界集束系が具えられる。

透光性基板２１０は、例えば、撮像素子２００が可視光を撮像する撮像素子である場合はガラスで構成すればよく、また、紫外光を撮像する撮像素子である場合はサファイア又は石英ガラスで構成すればよい。また、Ｘ線を撮像する撮像素子である場合は、ベリリウム（Ｂｅ）、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、窒化ホウ素（ＢＮ）又は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等で構成すればよく、撮像する光の波長に応じて材料を選択すればよい。

透光性導電膜２２０は、例えば、酸化スズ（ＳｎＯ_２）膜、ＩＴＯ膜、又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜材料で構成することができる。この透光性導電膜２２０には、外部回路６１０が接続されており、この外部回路６１０に含まれる電源６１１によって電圧が印加される。この外部回路６１０は、図１に示す信号増幅・処理回路３００及び電源６００の一部として実現される。

光電変換膜２３０を作製するための材料としては、セレン（Ｓｅ）、シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料や、酸化鉛（ＰｂＯ）、三硫化アンチモン（Ｓｂ_２Ｓ_３）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）等の化合物半導体材料を用いることができる。

これらの材料のうち、セレン（Ｓｅ）やシリコン（Ｓｉ）等の半導体材料を用いて作製した非晶質半導体膜では、膜に高電界を印加することで、膜内で光生成電荷のアバランシェ増倍が生じて感度を飛躍的に向上させることができる。

メッシュ状電極２４０は、複数の開口が設けられていればよく、公知の金属材料、合金材料、又は半導体材料等によって構成される。また、このメッシュ状電極２４０には、電源６２０が接続されており、後述する電子放出源アレイ２５０のゲート電極に印加される電圧よりも高い電圧が印加される。電源６２０は、図１に示す電源６００の一部として実現される。

電子放出源アレイ２５０は、高融点金属を陰極に用いたＳｐｉｎｄｔ型電子放出源、シリコン（Ｓｉ）を陰極に用いたシリコンコーン型電子放出源、又は、ポーラスシリコンや酸化シリコン等を電極で挟んだ平面型電子放出源等の公知の電子放出源からなるマトリクスアレイによって構成される。

また、電子放出源アレイの駆動形式には様々な形式のものがあるが、電子放出源アレイ２５０としては、外部の駆動回路から供給されるパルス電圧によって駆動されるパッシブ電子放出源アレイ、駆動回路が内蔵された駆動回路内蔵パッシブ電子放出源アレイ、電子放出源アレイの各単位領域にトランジスタを内蔵したアクティブ電子放出源アレイ、又は、駆動回路を内蔵し、電子放出源アレイの各単位領域にトランジスタを内蔵した駆動回路内蔵アクティブ電子放出源アレイのいずれを用いることもできる。

実施の形態１では、電子放出源アレイ２５０としてＳｐｉｎｄｔ型パッシブ電子放出源アレイを用いる場合について説明する。以下、特に断らない限り、電子放出源アレイ２５０と記した場合は、Ｓｐｉｎｄｔ型パッシブ電子放出源アレイ２５０を示すこととする。

なお、電子放出源アレイ２５０に駆動回路４００が内蔵されている場合には、図１に示す外部の駆動回路４００は用いず、制御回路５００から撮像素子２００にクロック信号や同期信号等を直接供給する。また、電源６００から駆動に必要な電力を撮像素子２００に直接供給する。

図２（ａ）に示すように、実施の形態１の電子放出源アレイ２５０は、基板２５１、陰極電極２５２、陰極２５３、絶縁層２５４、及びゲート電極２５５を具える。

基板２５１は、ガラス、シリコン（Ｓｉ）、石英、セラミックス、又は樹脂等で構成される。この基板２５１の上には、陰極電極２５２、絶縁層２５４、及びゲート電極２５５が順次形成されている。

陰極電極２５２は、図２（ａ）中に示す垂直走査方向と長手方向が平行なストライプ状の電極であり、ゲート電極２５５は、同じく水平走査方向と長手方向が平行なストライプ状の電極である。このように、陰極電極２５２とゲート電極２５５とが互いに直交する方向に延在することにより、Ｘ−Ｙマトリクスが形成される。

ここでは、陰極電極２５２とゲート電極２５５が交差して区画される領域を「単位領域」と称し、以下、符号２５６を用いて表す。また、各ゲート電極２５５のストライプ状の領域に含まれる複数の単位領域２５６が水平走査方向に並んで構成されるラインを水平走査ラインと称し、符号２５７で表す。

各単位領域２５６内には、図２（ｂ）に示すように、絶縁層２５４及びゲート電極２５５を貫通し、陰極電極２５２の表面に達する細孔が形成され、この細孔内で陰極電極２５２から突出するように陰極２５３が配設される。

この陰極２５３は、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、又はタングステン（Ｗ）等の融点の高い金属材料によって作製される。通常、各単位領域２５６に複数の細孔を設け、各細孔に陰極２５３を一つずつ配設する。図２（ａ）には、各単位領域２５６に９つの細孔が形成され、９つの陰極２５３が配設される形態を示す。

ここでは、各単位領域２５６内に形成された電子放出制御が可能な最小単位数（９つ）の陰極２５３を「エレメント」と称する。

また、陰極電極２５２には、水平方向の走査を行うために、水平駆動回路４１０からパルス電圧が印加され、ゲート電極２５５には、垂直方向の走査を行うために、垂直駆動回路４２０のゲート電圧制御回路４２４からパルス電圧が印加される。この詳細については、図３を用いて後述する。

なお、図２には示さないが、単位領域２５６内に、陰極２５３から放出される電子群を光電変換膜２３０の上に集束させるために、陰極２５３を囲むようにゲート電極２５５上に絶縁物を介して集束電極を形成してもよい。

このような撮像素子２００内において、透光性基板２１０の上面側から入射する光は、透光性基板２１０及び透光性導電膜２２０を透過し、光電変換膜２３０に到達する。この透過光により、光電変換膜２３０内に電子・正孔対が生じる。

外部回路６１０に含まれる電源６１１によって、陰極２５３に印加される電圧より高い電圧が透光性導電膜２２０に印加されると、光電変換膜２３０内の正孔が、光電変換膜２３０の中を電子放出源アレイ２５０の側に向けて（光電変換膜２３０の厚さ方向を電子放出源アレイ２５０の側に向けて）移動し、光電変換膜２３０の電子放出源アレイ２５０側に蓄積される。

また、電子放出源アレイ２５０には駆動回路４００からパルス電圧が印加される。

図３は、実施の形態１の撮像装置に含まれる電子放出源アレイ２５０の駆動系を平面視で概略的に示す図である。図３には、電子放出源アレイ２５０の一部（水平方向の５エレメント、垂直方向の５エレメントの範囲で表される部分）を示す。

図３に示すように、電子放出源アレイ２５０には、水平方向及び垂直方向の走査を行うための水平駆動回路４１０及び垂直駆動回路４２０が接続されている。水平駆動回路４１０は、水平アドレス回路４１１、水平バッファ回路４１２、及び水平電圧制御回路４１３を含む。

水平アドレス回路４１１は、図１に示す電源６００によって給電されるとともに、制御回路５００から伝送されるクロック信号や同期信号を受け取り、各陰極電極に配設される水平バッファ回路４１２を選択して駆動する。

水平バッファ回路４１２は、水平アドレス回路４１１によって駆動される一対のトランジスタを含み、水平アドレス回路４１１によって選択される陰極電極にパルス電圧を供給する。

水平電圧制御回路４１３は、水平アドレス回路４１１によって制御され、水平バッファ回路４１２を介して陰極電極に供給するパルス電圧の値を制御する。

このような水平駆動回路４１０において、水平アドレス回路４１１で生成され、出力されるパルス電圧によって水平バッファ回路４１２が駆動制御される。この水平バッファ回路４１２の駆動により、水平電圧制御回路４１３から給電される電圧Ｖｈ１とＶｈ２（Ｖｈｌ＞Ｖｈ２）とからなるパルス電圧（振幅：Ｖｈ１−Ｖｈ２）が陰極電極２５２に供給される。このように、水平方向の走査は、水平駆動回路４１０から陰極電極にパルス電圧を印加することによって行われる。

また、垂直駆動回路４２０は、垂直アドレス回路４２１、垂直バッファ回路４２２、及び垂直電圧制御回路４２３を含む。

この垂直駆動回路４２０は、電子放出源アレイ２５０のゲート電極に接続されてパルス電圧をゲート電極に供給すること以外は、水平駆動回路４１０と構成が同一であり、垂直アドレス回路４２１、垂直バッファ回路４２２、及び垂直電圧制御回路４２３の機能及び動作も、ゲート電極を走査対象とすること以外は、水平アドレス回路４１１、水平バッファ回路４１２、及び水平電圧制御回路４１３と同一である。

このような垂直駆動回路４２０において、垂直アドレス回路４２１で生成、出力されたパルス電圧によって垂直バッファ回路４２２が駆動制御される。この垂直バッファ回路４２２の駆動により、垂直電圧制御回路４２３から給電される電圧Ｖｖ１とＶｖ２（Ｖｖ１＞Ｖｖ２）とで構成されるパルス電圧（振幅：Ｖｖ１−Ｖｖ２）がゲート電極２５５に供給される。このように、垂直方向の走査は、垂直駆動回路４２０からゲート電極にパルス電圧が印加されることによって行われる。

実施の形態１の撮像装置は、後述するタイミングで陰極電極２５２とゲート電極２５５にパルス電圧が印加されることにより、同時にパルス電圧が印加される陰極電極２５２とゲート電極２５５との交差部に位置する単位領域２５６に含まれる陰極２５３から、電子が放出される。

そして、パルス電圧を印加する陰極電極２５２とゲート電極２５５を水平方向及び垂直方向に走査することにより、水平走査における映像信号出力期間では、図３に示す１本の水平走査ライン２５７に含まれる各エレメントから、順次電子が放出される。このような動作が各水平走査ライン２５７で順次繰り返されることにより、電子放出源アレイ２５０の水平方向及び垂直方向における走査が実現される。

また、電子放出源アレイ２５０の各エレメントから、水平走査における映像信号出力期間に順次放出される電子は、ゲート電極２５５に印加される電圧（Ｖｘ）よりも高い電圧が印加されるメッシュ状電極２４０によって光電変換膜２３０側に引き出される。なお、各エレメントから放出された電子群が光電変換膜２３０に到達した際に、光電変換膜２３０上での電子群のスポットサイズによって決まる領域を「画素」と称する。

そして、電子放出源アレイ２５０から放出される電子と光電変換膜２３０に蓄積される正孔とが再結合する際に、透光性導電膜２２０を介して外部回路６１０に流れる電流を出力信号として取り出し、この出力信号を信号増幅・処理回路３００で増幅、処理することで、入射光像に対応した映像信号が得られる。

なお、図３には、それぞれ複数ある陰極電極及びゲート電極のいずれかを選択して順次パルス電圧を供給することにより、水平方向の走査を陰極電極で行い、垂直方向の走査をゲート電極で行う構成を示すが、これに代えて、垂直方向の走査を陰極電極で行い、水平方向の走査をゲート電極で行うように構成してもよい。

図４は、実施の形態１の撮像装置の電子放出源アレイ２５０を駆動するためのパルス電圧を印加するタイミングを示すタイミングチャートである。図４（ａ１）〜（ａｎ）は水平走査方向に配列される陰極電極２５２の各々に印加するパルス電圧を示し、ｎは水平走査方向の画素数に相当する任意の整数である。また、図４（ｂ１）〜（ｂ８）は垂直走査方向に順番に選択される８本の水平走査ラインのゲート電極２５５に印加されるパルス電圧を示す。なお、水平走査ライン数の８本は説明の便宜のためであって、もっと多い数であってよい。

ここで、実施の形態１の撮像装置では、水平電圧制御回路４１３から電子放出源アレイ２５０の各陰極電極２５２に給電されるパルス電圧に含まれる電圧Ｖｈ１、Ｖｈ２は、Ｖｈ１がＶｘ、Ｖａ１（ただし、Ｖｘ＞Ｖａ１＞０Ｖ）であり、Ｖｈ２が接地電位（０Ｖ）である。

また、垂直電圧制御回路４２３から電子放出源アレイ２５０の各ゲート電極２５５に給電されるパルス電圧に含まれる電圧Ｖｖ１、Ｖｖ２は、それぞれ、Ｖｖ１がＶｘ（Ｖｘ＞０Ｖ）、Ｖｖ２が接地電位（０Ｖ）に設定されている。

図４において、Ｔｆはフレーム期間を示し、Ｔｈは水平走査における映像信号出力期間を表し、Ｔｈｂは水平帰線消去期間を表す。

図４に示す１つのフレーム期間Ｔｆは、８つの映像信号出力期間Ｔｈ１〜Ｔｈ８と、８つの水平帰線消去期間Ｔｈｂ１〜Ｔｈｂ８と、を含み、最初の映像信号出力期間Ｔｈ１の開始直後に映像信号を読み出している。信号を読み出すタイミングをｔｒで示す。なお、信号読み出しのタイミングｔｒは微小幅を有する。

水平帰線消去期間Ｔｈｂ１〜Ｔｈｂ８に陰極電極に給電されるパルス電圧およびゲート電極に印加されるパルス電圧の幅は図４では水平帰線消去期間の幅と同じにしている。しかし、パルス電圧の幅については必ずしもその幅が必要ではなく、もっと小さくてもよい。

図４（ａ１）〜（ａｎ）に示すように、映像信号出力期間Ｔｈ１〜Ｔｈ８の各々では、陰極電極２５２に与えられる信号を読み出すタイミングｔｒが順番にずらされており、これにより、選択された水平走査ライン２５７の各々の中で水平走査方向に順番に信号の読み出しが行われるように構成されている。

すなわち、図４（ｂ１）〜（ｂ８）に示す映像信号出力期間Ｔｈ１〜Ｔｈ８で選択された単位領域２５６内の陰極２５３から、図４（ａ１）〜（ａｎ）の映像信号出力期間Ｔｈ１〜Ｔｈ８に示すタイミングｔｒで信号読み出し用の電子が放出される。これにより、水平走査における映像信号出力期間Ｔｈ１〜Ｔｈ８の各々では、図３に示す１本の水平走査ライン２５７に含まれる各エレメントから、順次電子が放出される。このような動作が各水平走査ライン２５７で順次繰り返されることにより、電子放出源アレイ２５０の水平方向及び垂直方向における走査が実現される。

また、図４（ａ１）〜（ａｎ）に示すように、水平帰線消去期間Ｔｈｂ１〜Ｔｈｂ８では、各陰極電極２５２に印加する電圧（以下、陰極電圧）は、Ｖａ１に設定されている。この電圧Ｖａ１は、通常Ｖｘよりも充分小さく設定されている。

また、図４（ｂ１）〜（ｂ８）に示すように、水平走査ラインのゲート電極２５５には、選択された水平走査ラインのゲート電極２５５に電圧値Ｖｘのパルス電圧（パルス幅はＴｈ）が印加され、選択されていない水平走査ラインのゲート電極２５５には０Ｖが印加される。また、水平帰線消去期間Ｔｈｂ１〜Ｔｈｂ８のうちのいずれかの期間で電圧Ｖｘが印加される。水平走査ラインに印加された電圧値Ｖｘのパルス電圧、水平帰線消去期間Ｔｈｂ１〜Ｔｈｂ８に印加された電圧値Ｖｘのパルス電圧ともゲート電極に順番に印加されてゆく。なお、以下では、ゲート電極２５５に印加する電圧をゲート電極電圧と称する。

ここで、図４（ｂ１）〜（ｂ８）に示すように、水平走査ラインの間でゲート電極２５５に印加されるパルス電圧（Ｖｘ）と、水平帰線消去期間Ｔｈｂ１〜Ｔｈｂ８の間に印加されるパルス電圧（Ｖｘ）は間隔が空けて設定されている。具体的には、図４（ｂ１）に示すように、選択される映像信号出力期間（Ｔｈ１）の後の４番目の水平帰線消去期間（Ｔｈｂ５）でゲート電極にパルス電圧（Ｖｘ）が印加されるように設定されている。このため、１つの水平走査ライン２５７に含まれる電子放出源（すなわち、すべての単位領域２５６内の陰極２５３）では、映像信号出力期間の後の４番目の水平帰線消去期間（Ｔｈｂ１〜Ｔｈｂ８のいずれか）で、すなわち、図４（ｂ１）〜（ｂ８）に示すタイミングで電子が放出される。

このように、実施の形態１の撮像装置は、水平帰線消去期間Ｔｈｂ１〜Ｔｈｂ８において、図４に示すパルス電圧を電子放出源アレイ２５０に印加することにより、ゲート電極電圧Ｖｘが印加されるゲート電極２５５と、０Ｖ、又はＶａ１の陰極電圧が印加される陰極電極２５２との交差部に位置する単位領域２５６に含まれる陰極２５３（すなわち、ゲート電極電圧Ｖｘが印加されるゲート電極２５５と、又はＶａ１の陰極電圧が印加される陰極電極との交差部に位置するエレメント）から、電子が放出される。

高輝度光によって光電変換膜２３０に多量の正孔が生成、蓄積され、正孔が蓄積される部分の電位がＶａ１以上になっていると、水平帰線消去期間ＴｈｂでＶａ１に保持された陰極２５３から放出される電子により、その部分の電位がＶａ１に下がるまで、その部分に蓄積された正孔が除去される。

実施の形態１の撮像装置では、このように入射光によって発生する正孔のうち、映像信号出力期間Ｔｈの後の４番目の水平帰線消去期間Ｔｈｂで過剰な分が選択的に除去されているため、高輝度光が入射した際の電位上昇に起因するブルーミングの発生による解像度の劣化の抑制ができ、かつ電荷（正孔）除去後も入射光によって発生する正孔を蓄積する時間があるため、高輝度光の階調再現性の低下を抑制することができる。

なお、光電変換膜２３０の電子放出源アレイ２５０側の電位は、水平走査における映像信号出力期間Ｔｈに光電変換膜２３０に蓄積された正孔が電子放出源アレイ２５０から放出された電子によってすべて読み出されると、水平走査における映像信号出力期間Ｔｈでの電子放出時の陰極２５３の電位（すなわち、０Ｖ）にリセットされる。その後、光電変換膜２３０に光が入射すると、光電変換膜２３０の電子放出源アレイ２５０側に光によって生成された正孔が蓄積され、一定の明るさの光が入射している場合は、その部分の電位が直線的に上昇する。

図５は、実施の形態１による撮像装置の陰極電圧と光電変換膜２３０の電子放出源アレイ２５０側（電子走査側）の電位との時間的変化を映像信号出力期間Ｔｈ１の画素について示す図である。図５に示すフレーム期間Ｔｆ、映像信号出力期間Ｔｈ１〜Ｔｈ８、水平帰線消去期間Ｔｈｂ１〜Ｔｈｂ８は、図４に示す各期間に対応する。なお、図５には、Ｔｈ１の映像信号を最初に読み出す期間となる場合を示し、Ｔｈ１のそれ以降の読み出し、およびＴｈ２〜Ｔｈ８の読み出しについては表示を省略している。

映像信号出力期間Ｔｈ１について、水平帰線消去期間Ｔｈｂ５で、陰極電圧Ｖａ１で電子が放出されるため、光電変換膜２３０の電子走査側の電位は、最大でＶａ１となる。

このような実施の形態１の撮像装置において、時刻ｔ＝０で水平走査ライン２５７に対応する光電変換膜２３０に高輝度光が入射すると、光電変換膜２３０の電子走査側に正孔が蓄積され始める。

ここで、高輝度光に相対光量が３倍の入射光と、相対光量が２倍の入射光とが含まれるものとし、それぞれの入射光によって生じる正孔による光電変換膜２３０の電子走査側の電位を破線（相対光量３）、一点鎖線（相対光量２）、及び実線（相対光量１）で表すこととする。

相対光量３による電位（破線）は、映像信号出力期間Ｔｈ４の終了時にＶａ３まで上昇するが、水平帰線消去期間Ｔｈｂ５において、Ｖａ１まで低下させられる。その後、映像信号出力期間Ｔｈ８の終了時にＶａ４まで上昇し、次のフレーム期間の最初のタイミングで映像信号として読み出される。これにより、相対光量３の入射光による出力は、Ｖａ４（＝Ｖａ１×４）に応じた値となる。

また、相対光量２による電位（一点鎖線）は、映像信号出力期間Ｔｈ４の終了時にＶａ２まで上昇するが、水平帰線消去期間Ｔｈｂ５において、Ｖａ１まで低下させられる。その後、映像信号出力期間Ｔｈ８の終了時にＶａ３まで上昇し、次のフレーム期間の最初のタイミングで映像信号として読み出される。これにより、相対光量２の入射光による出力は、Ｖａ３（＝Ｖａ１×３）に応じた値となる。

相対光量１による電位（実線）は、映像信号出力期間Ｔｈ４の終了時にＶａ１まで上昇するが、水平帰線消去期間Ｔｈｂ５で設定される陰極電圧はＶａ１であるため、低下させられることなくそのまま上昇し、映像信号出力期間Ｔｈ８の終了時にＶａ２まで上昇する。そして、次のフレーム期間の最初のタイミングで映像信号として読み出される。これにより、相対光量１の入射光による出力は、Ｖａ２（＝Ｖａ１×２）に応じた値となる。

このように、実施の形態１の撮像装置の光電変換膜２３０に相対光量が３：２：１の入射光が入射すると、その出力の比は、２：１．５：１となる。すなわち、高輝度な入射光の出力を圧縮することができ、同じ電子走査側の電位で、従来より３／２倍の入射光量まで信号出力が可能となる。また、水平帰線消去期間における陰極電圧をＶａ１より更に低い値として電子放出を行うか、過剰電荷除去を行うタイミングを後ろ側にずらすことで、相対光量３より更に大きい光量まで信号出力することが可能である。

図５より、信号読み出しの直前以外の水平帰線消去期間で、０Ｖより大きい陰極電圧で電子放出させた場合、電子走査側の電位をこの陰極電圧まで低下させ、かつその後に入射光による電荷蓄積が生じるので、入射光を圧縮する結果となる。また、１回の水平帰線消去期間だけでの電子放出ならば１回折れ曲がる圧縮特性となるが、２回の水平帰線消去期間での電子放出を行えば最大２回折れ曲がる圧縮特性を得られることが容易に推考できる。

次に、図６を用いて比較用に従来の各水平基線消去期間毎に過剰電荷除去を行う撮像装置における相対光量３、相対光量２、相対光量１の入射光の出力について説明する。

図６は、従来の撮像装置における陰極電圧と光電変換膜の電子走査側の電位との時間的変化を示す図である。ここで比較用に示す従来の撮像装置は、陰極電圧が常に一定値Ｖａ４に設定されるものとする。なお、図５と同様に、相対光量３の入射光によって生じる正孔による光電変換膜２３０の電子走査側の電位を破線で示し、相対光量２及び相対光量１の入射光による電位を一点鎖線及び実線で表す。

相対光量３による電位（破線）は、映像信号出力期間Ｔｈ４の終了時にＶａ４を超えるが、映像信号出力期間Ｔｈ６の後の水平帰線消去期間Ｔｈｂ７において、Ｖａ４まで低下させられる。以後、相対光量３による電位（破線）は、Ｖａ４を超えてもＴｈ６、Ｔｈ７、Ｔｈ８の終了時にＶａ４まで低下させられる。そして、次のフレーム期間の最初のタイミングで映像信号として読み出される。これにより、相対光量３の入射光による出力は、Ｖａ４（＝Ｖａ１×４）に応じた値となる。

相対光量２による電位（一点鎖線）は、映像信号出力期間Ｔｈ８の終了時にＶａ４に到達し、次のフレーム期間の最初のタイミングで映像信号として読み出される。これにより、相対光量２の入射光による出力は、Ｖａ４（＝Ｖａ１×４）に応じた値となる。

相対光量１による電位（実線）は、Ｔｈ８の終了時にＶａ２まで上昇し、次のフレーム期間の最初のタイミングで映像信号として読み出される。これにより、相対光量１の入射光による出力は、Ｖａ２（＝Ｖａ１×２）に応じた値となる。

このように、比較用に示した従来の撮像装置の光電変換膜に相対光量が４：２：１の入射光が入射すると、その出力の比は、２：２：１となり、相対光量２以上の入射光に対して出力が飽和することになる。出力の飽和は、高輝度光の階調再現性の低下に繋がる可能性がある。

図７は、実施の形態１の撮像装置と比較用の従来の各水平基線消去期間毎に過剰電荷除去を行う撮像装置とにおける入射光量と出力の関係を示す図である。ここでは、読み出し電子ビーム量の制限により、実施の形態１の特性が出力信号の相対値２で飽和するものとする（４番目のＴｈｂ以外のすべてのＴｈｂに従来例と同様な過剰電荷除去を行う場合も、同様に出力が飽和する）。

図７に示すように、相対光量１までは両者とも入射光量に応じて出力が線形的に増大する応答を示しているが、入射光量が相対光量１を超えると実施の形態１の撮像装置は増大度合が減るもの相対光量３まで入射光量の変化に対応した応答を示し、出力信号を高輝度側で圧縮できることが分かる。一方、比較用の従来の撮像装置は、入射光量が相対光量２に達するまでは一定の割合で線形的に出力が増大する応答を示すが、相対光量が２を超えると出力が飽和してしまう。

これは、実施の形態１の撮像装置は、比較用の従来の撮像装置に比べて、階調を再現できる入射光量の範囲が高輝度側に１．５倍になっていることを示している。

なお、図５において、読み出し直前に過剰電荷を除去するタイミング（映像信号出力期間Ｔｈ１の開始のタイミング）から信号を読み出すタイミングｔｒまでの時間は、陰極電極ごとに１映像信号出力期間内で異なるが、通常の平面撮像素子では１フレーム期間に対して１映像信号出力期間は十分短いため、影響は限定され、かつ過剰電荷を除去する電位以下の蓄積電荷に対しての影響は無視できる。

また、過剰電荷を除去するための陰極電圧Ｖａ１と、過剰電荷除去のタイミングを変更すれば、図７に示す入射光量と出力信号との特性を変更することができる。

以上の説明では、選択される映像信号出力期間（Ｔｈ）の後の４番目の水平帰線消去期間（Ｔｈｂ）でゲート電極にパルス電圧（Ｖｘ）を印加して電子を放出することにより、高輝度な入射光の出力を圧縮する場合について説明したが、圧縮用に電子を放出するタイミングと、そのときに陰極電極２５２に印加するパルス電圧の値とを調整すれば、様々な態様で入射光量と出力信号との特性を変更でき、様々な態様で高輝度な入射光の出力を圧縮することができる。

次に、水平帰線消去期間を時間的に３分割し、選択される映像信号出力期間（Ｔｈ）の後の４番目の水平帰線消去期間（Ｔｈｂ）に加えて、６番目と８番目の水平帰線消去期間（Ｔｈｂ）でゲート電極にパルス電圧（Ｖｘ）を印加する場合のタイミングチャートについて説明する。これは、図４に示すタイミングチャートの変形例である。

図８は、実施の形態１の変形例による撮像装置の電子放出源アレイ２５０を駆動するためのパルス電圧を印加するタイミングを示すタイミングチャートである。

水平帰線消去期間Ｔｈｂ１〜Ｔｈｂ８の各々は３分割されており、図８（ａ１）〜（ａｎ）に示すように、各陰極電極２５２に印加する電圧（以下、陰極電圧）は、３分割された各々の期間内でＶａ１、Ｖａ２、Ｖａ４と段階的に上昇するように設定されている。また、図８（ａ１）〜（ａｎ）に示すように、映像信号出力期間Ｔｈ１〜Ｔｈ８では、信号を読み出すためのパルスが各陰極電極２５２に与えられるタイミングｔｒが（ａ１）〜（ａｎ）の順にずらされている。図８（ａ１）〜（ａｎ）のそれぞれに示す水平帰線消去期間Ｔｈｂ１〜Ｔｈｂ８において３分割される期間はすべて同一であり、各期間における電圧値Ｖａ１、Ｖａ２、Ｖａ４もそれぞれ等しい。

また、図８（ｂ１）〜（ｂ８）に示すように、水平走査ラインのゲート電極２５５には、選択される映像信号出力期間（Ｔｈ）の後の４番目の水平帰線消去期間（Ｔｈｂ）に加えて、６番目と８番目の水平帰線消去期間（Ｔｈｂ５）でゲート電極にパルス電圧（Ｖｘ）を印加するように設定されており、かつ、４番目、６番目、８番目の順に過剰電子除去用の電子放出量が少なくなるように、３分割された水平帰線消去期間Ｔｈｂ１〜Ｔｈｂ８のうちで電圧Ｖｘを印加する期間がずらされている。

図８に示すように、映像信号出力期間Ｔｈ１〜Ｔｈ８では、選択された水平走査ラインのゲート電極２５５に電圧値Ｖｘのパルス電圧（パルス幅はＴｈ）が印加され、選択されていない水平走査ラインのゲート電極２５５に０Ｖが印加される。このように、水平走査ラインのゲート電極２５５は、水平帰線消去期間Ｔｈｂ１〜Ｔｈｂ８において、順番に選択される。

また、選択される映像信号出力期間（Ｔｈ）の後の４番目の水平帰線消去期間（Ｔｈｂ）に加えて、６番目と８番目の水平帰線消去期間（Ｔｈｂ）でゲート電極にパルス電圧（Ｖｘ）を印加される。例えば、図８（ｂ１）では、選択される映像信号出力期間Ｔｈ１の後の４番目のＴｈｂ５で陰極電極２５２にＶａ１が印加され、６番目のＴｈｂ７で陰極電極２５２にＶａ２が印加され、８番目のＴｈｂ８で陰極電極２５２にＶａ４が印加される。

次に、図８のタイミングチャートで得られる撮像装置の陰極電圧と光電変換膜２３０の電子放出源アレイ２５０側（電子走査側）の電位との時間的変化について図９を用いて説明する。

図９は、実施の形態１の変形例による撮像装置の陰極電圧と光電変換膜２３０の電子放出源アレイ２５０側（電子走査側）の電位との時間的変化を示す図である。

ここで、図９では、水平帰線消去期間Ｔｈｂ５及びＴｈｂ７において過剰電荷の除去を行うためにゲート電極電圧Ｖｘを印加するとともに、映像信号の読み出しを行う映像信号出力期間Ｔｈ１の直前の水平帰線消去期間Ｔｈｂ１においても過剰電荷の除去を行うためにゲート電極電圧Ｖｘを印加している。また、図９は、光電変換膜２３０に相対光量が４：２：１の入射光が入射する場合における陰極電圧と光電変換膜２３０の電子放出源アレイ２５０側（電子走査側）の電位との時間的変化を示す。

Ｔｈｂ１、Ｔｈｂ５、及びＴｈｂ７においてのみゲート電極電圧Ｖｘが印加されると、相対光量４による電位（破線）は、映像信号出力期間Ｔｈ４の終了時にＶａ４まで上昇するが、水平帰線消去期間Ｔｈｂ５において、Ｖａ１まで低下させられる。その後、相対光量４による電位（破線）は、Ｔｈ６の終了時にＶａ３まで上昇するが、水平帰線消去期間Ｔｈｂ７において、Ｖａ２まで低下させられる。そして、映像信号出力期間Ｔｈ８の終了時にＶａ４まで上昇し、次のフレーム期間の最初のタイミングで映像信号として読み出される。これにより、相対光量４の入射光による出力は、Ｖａ４（＝Ｖａ１×４）に応じた値となる。

相対光量２による電位（一点鎖線）は、映像信号出力期間Ｔｈ４の終了時にＶａ２まで上昇するが、水平帰線消去期間Ｔｈｂ５において、Ｖａ１まで低下させられる。その後、映像信号出力期間Ｔｈ８の終了時にＶａ３まで上昇し、次のフレーム期間の最初のタイミングで映像信号として読み出される。これにより、相対光量２の入射光による出力は、Ｖａ３（＝Ｖａ１×３）に応じた値となる。

相対光量１による電位（実線）は、映像信号出力期間Ｔｈ８の終了時にＶａ２まで上昇し、次のフレーム期間の最初のタイミングで映像信号として読み出される。これにより、相対光量１の入射光による出力は、Ｖａ２（＝Ｖａ１×２）に応じた値となる。

これにより、光電変換膜２３０に相対光量が４：２：１の入射光が入射した場合に、高輝度側で圧縮された２：１．５：１の信号出力が得られる。

また、図９に示すように、映像信号の読み出しを行う映像信号出力期間Ｔｈ１の直前の水平帰線消去期間Ｔｈｂ１において、過剰電荷の除去を行うためにゲート電極電圧Ｖｘを印加することにより、ブルーミングの発生をより効果的に抑制することができる。

以上のように、水平帰線消去期間を時間的に３分割し、陰極電極に与える電圧値を変更するようにしても、電子放出を行うことができる。なお、水平帰線消去期間を時間的に分割する数は３分割に限定されるものではない。また、Ｖａ１、Ｖａ２、Ｖａ４の電圧値、及びＶａ１、Ｖａ２、Ｖａ４を印加する順番は任意に決めることができる。

また、以上では、１フレーム期間Ｔｆに８つの映像信号出力期間Ｔｈ１〜Ｔｈ８が含まれる形態について説明したが、実際の映像信号出力期間の数は、例えば、２５０程度である。

また、以上で説明した実施の形態１の撮像装置では、垂直帰線消去期間について言及していないが、垂直帰線消去期間の一部の期間を水平帰線消去期間とみなすことにより、水平帰線消去期間と同様に過剰電荷の除去を行えば、上述の水平帰線消去期間の場合と同様の効果を得ることができる。

また、以上では、過剰電荷を除去するために、水平帰線消去期間Ｔｈｂ内に段階的に陰極電圧を増大させる形態について説明したが、撮像装置の用途や使用状況に応じて、以上のような陰極電圧の制御をキャンセルできるように構成してもよい。キャンセルした場合は、過剰電荷の除去を行わないようにすることができる。

［実施の形態２］
図１０は、実施の形態２の撮像装置を概略的に示す断面図である。実施の形態２の撮像装置は、撮像素子２００の構成及び駆動方法に実施の形態１とは異なる点がある。以下、相違点を中心に説明する。なお、実施の形態１の撮像装置と同一の要素には、同一符号を付し、その説明を省略する。

実施の形態２の撮像装置は、撮像素子２００の電子放出源アレイとして、Ｓｐｉｎｄｔ型アクティブ電子放出源アレイ２５０Ａを用いる点が実施の形態１の撮像装置と異なる。このため、駆動回路４００Ａ、水平駆動回路４１０Ａ、垂直駆動回路４２０Ａ、制御回路５００Ａの構成が異なる。

駆動回路４００Ａは、水平駆動回路４１０Ａ及び垂直駆動回路４２０Ａを含み、制御回路５００Ａから供給されたクロック信号や同期信号等を基に、撮像素子２００を動作させるために必要なパルス電圧等を生成、供給する。

図１１は、実施の形態２の撮像装置に含まれる撮像素子２００の構成を概略的に示す斜視部分断面図である。また、図１２は、実施の形態２の撮像装置に含まれる撮像素子２００の要部の構成を拡大して概略的に示す図である。

実施の形態２で撮像素子２００の電子放出源アレイとして用いるＳｐｉｎｄｔ型アクティブ電子放出源アレイ２５０Ａは、外部の駆動回路４００Ａから供給されるパルス電圧等によって駆動され、かつ、各単位領域２５６に対応する基板２５１Ａの領域にトランジスタ２５８ａ及び２５８ｂを内蔵している。

なお、電子放出源アレイの駆動形式には様々な形式のものがあるが、電子放出源アレイ２５０Ａとしては、外部の駆動回路から供給されるパルス電圧によって駆動されるパッシブ電子放出源アレイ、駆動回路が内蔵された駆動回路内蔵パッシブ電子放出源アレイ、電子放出源アレイの各単位領域にトランジスタを内蔵したアクティブ電子放出源アレイ、又は、駆動回路を内蔵し、電子放出源アレイの各単位領域にトランジスタを内蔵した駆動回路内蔵アクティブ電子放出源アレイのいずれを用いることもできる。

また、電子放出源アレイにも様々な形式のものがあるが、高融点金属を陰極に用いたＳｐｉｎｄｔ型電子放出源、シリコン（Ｓｉ）を陰極に用いたシリコンコーン型電子放出源、又は、ポーラスシリコンや酸化シリコン等を電極で挟んだ平面型電子放出源等の公知の電子放出源からなるマトリクスアレイのいずれを用いることもできる。

実施の形態２では、電子放出源アレイ２５０Ａとして用いＳｐｉｎｄｔ型アクティブ電子放出源アレイ２５０Ａは、基板２５１Ａ、単位領域分離陰極電極２５２Ａ、及びゲート電極２５５Ａの構成が異なる他は、基本的に実施の形態１の電子放出源アレイ２５０と同一である。以下、特に断らない限り、電子放出源アレイ２５０Ａと記した場合は、Ｓｐｉｎｄｔ型アクティブ電子放出源アレイ２５０Ａを示すこととする。

電子放出源アレイ２５０Ａの基板２５１Ａは、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の公知の半導体によって構成され、内部に各単位領域２５６に対応する複数のトランジスタ２５８ａ及び２５８ｂを含むＸ−Ｙマトリクスアレイが形成される。

この基板２５１Ａの上に形成される単位領域分離陰極電極２５２Ａは、隣り合う他の単位領域分離陰極電極と所定間隔を隔てて絶縁分離され、トランジスタ２５８ａに電気的に接続される。

実施の形態２では、単位領域分離陰極電極２５２Ａで区画される領域を「単位領域」２５６と称する。各単位領域２５６内にゲート電極２５５Ａ及び絶縁層２５４を貫通し、単位領域分離陰極電極２５２Ａの表面に達する細孔を形成し、この細孔内に単位領域分離陰極電極２５２Ａから突出する陰極２５３を設ける。この単位領域２５６内に形成された電子放出制御が可能な最小単位数の電子放出源を「エレメント」と称する。

また、ゲート電極２５５Ａはすべての単位領域２５６で共通である。

図１３は、実施の形態２の撮像装置に含まれる電子放出源アレイ２５０Ａの駆動系を平面視で概略的に示す図である。

電子放出源アレイ２５０Ａの垂直方向の走査は、垂直駆動回路４２０Ａ内の垂直アドレス回路４２１Ａから、垂直走査制御ライン４３０に電圧Ｖ１と電圧Ｖ２（Ｖ２＞Ｖｌ）からなるパルス電圧を印加し、各単位領域２５６内のトランジスタ２５８ａを制御することで行う。垂直走査制御ライン４３０に電圧Ｖ２が印加されると、トランジスタ２５８ａがオンになる。一方、垂直走査制御ライン４３０に電圧Ｖ１が印加されると、トランジスタ２５８ａがオフになる。

また、電子放出源アレイ２５０Ａの水平方向の走査は、水平駆動回路４１０Ａ内の水平アドレス回路４１１Ａから、水平走査制御ライン４４０に電圧Ｖ１と電圧Ｖ２（Ｖ２＞Ｖ１）からなるパルス電圧を印加し、各単位領域２５６内のトランジスタ２５８ｂを制御することで行う。水平走査制御ライン４４０に電圧Ｖ２が印加されると、トランジスタ２５８ｂがオンになる。一方、水平走査制御ライン４４０に電圧Ｖ１が印加されると、トランジスタ２５８ｂがオフになる。

また、垂直駆動回路４２０Ａは、各単位領域２５６内のトランジスタ２５８ｂに接続された陰極電圧制御ライン４０５に電圧を供給するための陰極電圧制御回路４１４Ａを有する。各単位領域２５６内のトランジスタ２５８ａ及びトランジスタ２５８ｂが共にオンにされたときに、陰極電圧制御回路４１４Ａから陰極電圧制御ライン４０５を介して単位領域分離陰極電極２５２Ａ及び陰極２５３に電圧が印加される。一方、ゲート電極２５５Ａには垂直駆動回路４２０Ａ内のゲート電圧制御回路４２４から電圧が供給される。

電子放出源アレイ２５０Ａでは、各単位領域２５６内のトランジスタ２５８ａ及びトランジスタ２５８ｂが共にオンになったときに、各単位領域２５６内の陰極２５３から、ゲート電圧制御回路４２４からゲート電極２５５Ａに印加される電圧と陰極電圧制御回路４１４Ａから陰極２５３に印加される電圧とによって決まる量の電子が放出される。

垂直駆動回路４２０Ａ内の垂直アドレス回路４２１Ａは、水平帰線消去期間Ｔｈｂに電圧Ｖ２を印加する垂直走査制御ライン４３０を選択する。

同様に、垂直アドレス回路４２１Ａは、垂直走査制御ライン４３０に電圧Ｖ２を印加する水平帰線消去期間Ｔｈｂの回数や、水平帰線消去期間Ｔｈｂ内での各垂直走査制御ライン４３０への電圧Ｖ２の印加時間を制御する。

なお、図１３には、垂直方向の走査をトランジスタ２５８ａの制御で行い、水平方向の走査をトランジスタ２５８ｂの制御で行う形態を示すが、これに代えて、垂直方向の走査をトランジスタ２５８ｂの制御で行い、水平方向の走査をトランジスタ２５８ａの制御で行うように構成してもよい。

図１４は、実施の形態２の撮像装置の電子放出源アレイ２５０Ａに印加するパルス電圧の振幅及びタイミングを示すタイミングチャートである。図１４（ａ１）〜（ａｎ）は、水平走査制御ライン４４０に印加するパルス電圧の振幅及びタイミングを示し、ｎは水平走査方向の画素数に相当する任意の整数である。また、図１４（ｂ１）〜（ｂ８）は８本の垂直走査制御ライン４３０に印加するパルス電圧の振幅及びタイミングを示し、（ｃ１）〜（ｃ８）は８本の陰極電極制御ライン４０５に印加するパルス電圧の振幅及びタイミングを示す。

図１４に示す１つのフレーム期間Ｔｆは、８つの水平帰線消去期間Ｔｈｂ１〜Ｔｈｂ８と、８つの映像信号出力期間Ｔｈ１〜Ｔｈ８とを含み、最初の映像信号出力期間Ｔｈ１の開始直後に映像信号を読み出している。信号を読み出すタイミングをｔｒで示す。なお、図１４には、Ｔｈ１が映像信号を読み出す期間となる場合を示す。

図１４（ａ１）〜（ａｎ）に示すように、水平走査制御ライン４４０には、水平帰線消去期間Ｔｈｂ１〜Ｔｈｂ８の各々で電圧値Ｖ２のパルス電圧（パルス幅Ｔｈｂ）を印加するとともに、映像信号出力期間Ｔｈ１〜Ｔｈ８の各々で、信号読み出しのタイミングｔｒをずらしながら電圧値Ｖ２のパルス電圧（パルス幅ｔｒ）を印加する。

また、図１４（ｂ１）〜（ｂ８）に示すような電圧が、８本の垂直走査制御ライン４３０の各々に印加される。水平帰線消去期間については、例えば１本目の垂直走査制御ラインには（ｂ１）に示すように、Ｔｈｂ１、Ｔｈｂ５、Ｔｈｂ７で電圧値Ｖ２のパルス電圧（パルス幅はＴｈｂより狭い）が印加され、それ以外のＴｈｂでは電圧値Ｖ１の電圧が印加される。映像信号出力期間Ｔｈ１〜Ｔｈ８では選択された垂直走査制御ライン４３０に電圧値Ｖ２のパルス電圧（パルス幅はＴｈ）が印加され、選択されていない垂直走査制御ライン４３０にＶ１が印加される。このように、垂直走査制御ライン４３０は、順番に選択される。

また、図１４（ｃ１）〜（ｃ８）に示す電圧が、８本の陰極電圧制御ライン４０５の各々に印加される。例えば１本目の陰極電圧制御ラインには図１４（ｃ１）に示すように、水平帰線消去期間Ｔｈｂ１で電圧値Ｖａ４のパルス電圧（パルス幅はＴｈｂ）が印加され、水平帰線消去期間Ｔｈｂ５で電圧値Ｖａ１のパルス電圧（パルス幅はＴｈｂ）が印加され、水平帰線消去期間Ｔｈｂ７で電圧値Ｖａ２のパルス電圧（パルス幅はＴｈｂ）が印加される。なお、Ｔｈｂ１、Ｔｈｂ５、Ｔｈｂ７以外の水平帰線消去期間では、陰極電圧制御ライン４０５には０Ｖが印加される。（ｃ２）（図示せず）〜（ｃ８）は、（ｃ１）の波形が１水平期間（Ｔｈ＋Ｔｈｂ）ずつずれた波形となっている。

ここで、映像信号出力期間Ｔｈ１〜Ｔｈ８で垂直走査制御ライン４３０に電圧Ｖ２が印加され、かつ、水平走査制御ライン４４０に電圧Ｖ２が印加されると、垂直走査制御ライン４３０と水平走査制御ライン４４０との交点に位置する単位領域２５６内のトランジスタ２５８ａ及びトランジスタ２５８ｂがオンになり、単位領域２５６に含まれる陰極２５３には電圧０Ｖが印加され、ゲート電極２５５Ａに印加されている電圧Ｖｘと電位差により、単位領域２５６に含まれる陰極２５３から電子が放出され、映像信号が生成される。

また、水平帰線消去期間については、例えば１本目の水平ラインのエレメントに着目すると、Ｔｈｂ１、Ｔｈｂ５、Ｔｈｂ７において、垂直走査制御ライン４３０及び水平走査制御ライン４４０にＶ２が印加される。そして、各水平走査ラインの陰極電圧制御ライン４０５には、水平帰線消去期間Ｔｈｂ１、Ｔｈｂ５、Ｔｈｂ７において、それぞれ電圧Ｖａ１、電圧Ｖａ２、電圧Ｖａ４（Ｖｘ＞Ｖａ４，Ｖａ２，Ｖａ１＞０Ｖ）が印加されるため、水平帰線消去期間Ｔｈｂ１、Ｔｈｂ５、Ｔｈｂ７において、単位領域２５６内の陰極２５３から電子が放出される。

以上のようなパルス電圧を電子放出源アレイ２５０Ａの垂直走査制御ライン４３０、水平走査制御ライン４４０、及び陰極電極制御ライン４０５に印加すると、光電変換膜２３０の電子放出源アレイ２５０側（電子走査側）の電位の時間的変化は、実施の形態１で図５に示した特性と同じように考えることができる。

すなわち、映像信号出力期間Ｔｈ１〜Ｔｈ４の後の水平帰線消去期間Ｔｈｂ５では、陰極電圧Ｖａ１で電子が放出されるため、光電変換膜２３０の電子走査側の電位は、最大でＶａ１となる。映像信号出力期間Ｔｈ５、Ｔｈ６の後の水平帰線消去期間Ｔｈｂ７では、陰極電圧Ｖａ２で電子が放出されるため、光電変換膜２３０の電子走査側の電位は、最大でＶａ２となる。水平帰線消去期間Ｔｈｂ８では、陰極電圧Ｖａ４で電子が放出されるため、光電変換膜２３０の電子走査側の電位は、最大でＶａ４となる。

これにより、実施の形態２の撮像装置の光電変換膜２３０に相対光量が４：２：１の入射光が入射すると、その出力の比は、２：１．５：１となる。

これを図６に比較用に示した従来の撮像装置の光電変換膜に相対光量が４：２：１の入射光が入射した場合と比べると、実施の形態２の撮像装置と比較用の従来の撮像装置（図６参照）とにおける入射光量と出力の関係は、図１５に示す通りである。

従来の撮像装置の出力の比は、２：２：１となり、相対光量２以上の入射光に対して出力が飽和することになる。出力の飽和は、高輝度光が入射した際の高輝度光の階調再現性の低下に繋がる可能性がある。

これに対して、実施の形態２の撮像装置の光電変換膜２３０に相対光量が４：２：１の入射光が入射すると、その出力の比は、２：１．５：１となる。すなわち、２回折れ曲がる圧縮特性が得られている。

図１５に示すように、相対光量１までは両者とも入射光量に応じて出力が線形的に増大する応答を示しているが、入射光量が相対光量１を超えると実施の形態２の撮像装置は増大度合が減るものの相対光量４まで入射光量の変化に対応した応答を示し、出力信号を高輝度側で圧縮できることが分かる。一方、比較用の従来の撮像装置は、入射光量が相対光量２に達するまでは一定の割合で線形的に出力が増大する応答を示すが、相対光量が２を超えると出力が飽和してしまう。

これは、実施の形態２の撮像装置は、比較用の従来の撮像装置に比べて、階調を再現できる入射光量の範囲が高輝度側に２倍になっていることを示している。

以上より、実施の形態１の撮像装置によれば、入射光によって発生する正孔のうち、映像信号出力期間Ｔｈの前の水平帰線消去期間Ｔｈｂで過剰な分が選択的に除去されているため、高輝度光が入射した際のブルーミングの発生による解像度の劣化が抑制でき、かつ電荷（正孔）除去後も入射光によって発生する正孔を蓄積する時間があるため、高輝度光の階調再現性の低下を抑制することができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の撮像装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１００ 光学レンズ
２００ 撮像素子
２１０ 透光性基板
２２０ 透光性導電膜
２３０ 光電変換膜
２４０ メッシュ状電極
２５０、２５０Ａ 電子放出源アレイ
２５１、２５１Ａ 基板
２５２ 陰極電極
２５２Ａ 単位領域分離陰極電極
２５３ 陰極
２５４ 絶縁層
２５５、２５５Ａ ゲート電極
２５６ 単位領域
２５７ 水平走査ライン
２５８ａ、２５８ｂ トランジスタ
３００ 信号増幅・処理回路
４００ 駆動回路
４１０、４１０Ａ 水平駆動回路
４１１、４１１Ａ 水平アドレス回路
４１２ 水平バッファ回路
４１３ 水平電圧制御回路
４１４ 陰極電圧制御回路
４２０、４２０Ａ 垂直駆動回路
４２１、４２１Ａ 垂直アドレス回路
４２２ 垂直バッファ回路
４２３ 垂直電圧制御回路
４２４ ゲート電圧制御回路
４３０ 垂直走査制御ライン
４４０ 水平走査制御ライン
５００、５００Ａ 制御回路
６００、６１１、６２０ 電源
６１０ 外部回路

Claims (5)

1. 電子放出源がマトリクス状に配置される電子放出源アレイと、前記電子放出源アレイに対向保持される光電変換膜とを具え、水平帰線消去期間に続く映像信号出力期間毎に１又は複数の水平走査ラインを所定順序で選択し、当該選択された水平走査ラインに含まれる電子放出源から前記光電変換膜に向けて電子を放出して映像信号を出力する撮像装置において、
   前記映像信号出力期間を繰り返しながら前記映像信号を順次出力する際に、１フレーム期間内の一又は複数の前記水平帰線消去期間において、前記映像信号を読み出すために前記電子放出源に印加する読み出し用パルス電圧よりも振幅の小さい過剰電荷除去用パルス電圧を前記電子放出源に印加し、前記過剰電荷除去用パルス電圧の電圧値と、前記１フレーム期間内における前記過剰電荷除去用パルス電圧の印加タイミングとに基づく圧縮比で、所定光量以上の入射光による前記映像信号を圧縮する、撮像装置。
2. 前記電子放出源アレイは、前記水平帰線消去期間を複数の期間に分割した分割期間内に前記電子を放出させるための電圧値を段階的に変更することにより、前記一又は複数の水平帰線消去期間おきに前記電子放出源に電子放出用の電圧を段階的に印加する、請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記電子放出源アレイは、前記水平帰線消去期間に前記電子を放出させるための電圧値を段階的に変更することにより、前記一又は複数の水平帰線消去期間おきに前記電子放出源に電子放出用の電圧を段階的に印加する、請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記電子放出源アレイは、電子を放出するための第１電極と、前記第１電極との間に電位差を形成するための第２電極とを具え、前記第１電極と前記第２電極との間に前記電子放出用の電圧に相当する電位差を形成することにより、前記第１電極から電子を放出させる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の撮像装置。
5. 前記水平帰線消去期間において、任意の水平走査ラインに含まれる前記第１電極に、前記映像信号出力期間に前記映像信号を出力させるために前記第１電極に印加される第１電圧よりも高い第２電圧を印加することにより、前記一又は複数の水平帰線消去期間おきに前記電子放出源に電子放出用の電圧を段階的に印加する、請求項４に記載の撮像装置。

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