JP4731881B2 - Image pickup device and image pickup apparatus using the same - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to an image pickup device including a photoelectric conversion film and an electron emission source array formed on different substrates so as to face each other with a vacuum space interposed therebetween, and more particularly to an image pickup device including an electron multiplier. About. The present invention also relates to an image pickup apparatus including such an image pickup element.
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。
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。 In the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-6749 described above, the imaging apparatus is configured by causing the MIM type electron emission source matrix array and the photoelectric conversion film to face each other with a vacuum space interposed therebetween. In the apparatus, the electron emission efficiency of the MIM type electron emission source is as low as about 1%, and the amount of electrons per unit area that can be extracted from the MIM type electron emission source is larger than the amount of electrons per unit area that can be extracted from the Spindt type electron emission source. Due to the extremely small amount, when strong light is incident on the photoelectric conversion film, it is impossible to read out all of the large amount of holes generated and accumulated in the photoelectric conversion film, resulting in a decrease in dynamic range and generation of afterimages. there were.
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。 In the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 6-176704 described above, the imaging apparatus is configured by causing the Spindt-type electron emission source matrix array and the photoelectric conversion film to face each other with a vacuum space interposed therebetween. When the Spindt-type electron emission source matrix array is miniaturized and highly integrated for refinement, the area of each crossing portion of the matrix array is reduced. Therefore, the Spindt-type electron emission source that can be formed at each crossing portion is reduced. There is a problem that the number is reduced and the amount of emitted electrons is reduced. In addition, in the Spindt type electron emission source, a higher amount of electrons can be taken out by applying a higher voltage between the conical electron source and the gate electrode. The breakdown of the electron source is likely to occur between the source and the gate electrode, and the ionization of the residual gas is accelerated by the high-density electrons emitted from the electron source. However, there was a problem that reliability and lifetime were reduced. Further, the increase in the voltage applied between the electron source and the gate electrode increases the power required for matrix driving of the Spindt-type electron emission source array, which is a capacitive load, and the pulse voltage applied for matrix driving. Has a problem that the S / N is deteriorated by promoting the jumping into the output video signal through the capacitance between the Spindt type electron emission source matrix array and the transparent conductive film. In addition to the above, the Spindt-type electron emission source is miniaturized and highly integrated, and a large number of Spindt-type electron emission sources are arranged at each intersection of the matrix array, so that the amount of electrons emitted from each intersection can be reduced. Although it can be increased, a more sophisticated and complicated manufacturing process is required to uniformly form a finely-divided and highly integrated Spindt-type electron emission source at each intersection, and the manufacturing yield is significantly reduced. There was also the problem of doing.
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。 The present invention has been made in view of the above circumstances. The reliability and lifetime of the electron emission source array are reduced, the power required for driving the matrix of the electron emission source array is increased, and the S / N ratio of the video signal is increased. An object of the present invention is to provide a high-definition image sensor having a wide dynamic range and an image pickup apparatus using the same without causing a decrease.
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、前記電子増倍部により倍増された電子群により、前記光電変換膜に蓄積された正孔を読み出す構成とした。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。 For solving the above problem, an imaging device according to claim 1 is comprising a light formed on each different substrate photoelectric conversion film and the electron emission source array so as to face each other across the vacuum space, the photoelectric conversion is provided between the membrane and the electron emission array, the amount of electrons emitted from the electron emission array, further comprising an electron multiplying section for multiplying by utilizing secondary electron emission, the electron multiplier The holes accumulated in the photoelectric conversion film are read by the electron group doubled by the unit . According to this configuration, the electron group emitted from the electron emission source array is incident on the electron multiplication unit to which a voltage higher than the voltage applied to the electron emission source array is applied, and the electron multiplication unit The secondary electron emission phenomenon is used to increase the number of incident electrons from several times to several orders of magnitude. Since the multiplied electron group reads out the holes accumulated in the photoelectric conversion film, the dynamic range can be expanded.
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。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the image pickup device according to the first aspect, further comprising a grid electrode provided between the electron multiplier and the photoelectric conversion film and having a large number of openings. According to this configuration, the multiplied electron group is efficiently extracted to the photoelectric conversion film side by the grid electrode to which a voltage higher than that of the electron multiplying unit is applied, and then the photoelectric conversion is performed. It reaches the film and reads the holes accumulated there. For this reason, even if the amount of electrons emitted from the electron emission source is small, all the holes accumulated in the photoelectric conversion film when strong light is incident can be read out.
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。 According to a third aspect of the present invention, in the image pickup device according to the second aspect, the electron multiplier and the grid electrode are grounded through a capacitor. According to such a configuration, the electron multiplier section and the grid electrode are grounded via the capacitor, and these are used as shield electrodes, so that it is practically problematic to drive pulses into the output video signal during matrix driving. Can be reduced to no level.
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上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。 The image pickup device according to claim 4 is the image pickup device according to any one of claims 1 to 3, wherein the image pickup device is provided on the same plane as or above the electron emission source array via an insulating portion, and the electron emission source is provided. The structure further includes an electrode having an opening that is exposed. According to this configuration, in addition to the electron multiplier and the grid electrode, a voltage lower than the voltage applied to the electron emission source is applied to the electrode surrounding the electron emission source via an insulator. Thus, it is possible to more efficiently guide the electron group emitted from the electron emission source to the electron multiplying unit, and to suppress the spread of the electron group in the vacuum space.
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。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an imaging apparatus comprising the imaging device according to any one of the first to fourth aspects.
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。 The present invention relates to an image pickup device and an image pickup apparatus having a wide dynamic range without causing a reduction in reliability and lifetime of an electron emission source array, an increase in power required for driving a matrix array, and a reduction in S / N of a video signal. Can be provided.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 and 2 show a first embodiment. FIG. 1 is a schematic perspective view of the image sensor of the present embodiment. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the image sensor. The imaging element includes a light-transmitting substrate 101, a light-transmitting conductive film 102 formed over the light-transmitting substrate 101, a photoelectric conversion film 103 formed over the light-transmitting conductive film 102, and a photoelectric conversion film 103. A Spindt type electron emission source matrix array 210 facing each other with a vacuum space interposed therebetween, and an electron multiplier 301 provided between the photoelectric conversion film 103 and the Spindt type electron emission source matrix array 210 are provided. Although not shown in FIGS. 1 and 2, the imaging device is necessary for driving the electron emission source array 210, the photoelectric conversion film 103, and the electron multiplier 301 while facing each other at a predetermined interval. A mechanism capable of supplying a voltage, a vacuum container for keeping a vacuum between the electron emission source array 210 and the photoelectric conversion film 103 are further provided.
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（Ａｌ２Ｏ３）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。 The translucent substrate 101 includes, for example, glass for visible light imaging, sapphire or quartz glass for ultraviolet light imaging, beryllium (Be), aluminum (Al), titanium (Ti), boron for X-ray imaging. A known substrate material selected according to the wavelength of light to be imaged, such as nitride (BN) and aluminum oxide (Al 2 O 3 ), is used.
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（ＳｎＯ２）膜やＩＴＯ膜、又は、アルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜を用いる。 A light-transmitting conductive film 102 is formed over the light-transmitting substrate 101 by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like. For the light-transmitting conductive film 102, for example, a tin oxide (SnO 2 ) film, an ITO film, or a metal thin film such as aluminum (Al) is used.
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（Ｓｂ２Ｓ３）、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。 The photoelectric conversion film 103 is formed over the light-transmitting conductive film 102 by a vacuum evaporation method or the like. The photoelectric conversion film 103 includes conventionally known lead oxide (PbO), antimony trisulfide (Sb 2 S 3 ), selenium (Se), silicon (Si), cadmium (Cd), cadmium selenium (CdSe), A semiconductor material made of zinc (Zn), arsenic (As), tellurium (Te), or the like is used. In particular, when a high electric field is applied using a semiconductor material mainly composed of amorphous Se, no light is generated within the film. The avalanche multiplication of the generated charge can be caused to greatly increase the sensitivity.
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。 The electron emission source array 210 includes a Spindt type electron emission source made by depositing a refractory metal, a silicon cone type electron emission source made by etching silicon (Si), and anodized silicon (Si). An array of known electron emission sources such as a planar electron emission source made by making it porous is used. Further, although the electron emission source array includes a one-dimensional array and a two-dimensional matrix array, either array can be applied to the imaging device. In this embodiment, an example in which a two-dimensional Spindt-type electron emission source matrix array (hereinafter referred to as a Spindt-type electron emission source matrix array) is used as the electron emission source array 210 will be described. The Spindt-type electron emission source matrix array 210 includes a substrate 201 made of glass, silicon (Si), quartz, ceramics, resin, etc., a cathode electrode 202 sequentially formed on the substrate 201, an insulating layer 205, and a gate electrode 204. With. The cathode electrode 202 and the gate electrode 204 are arranged in a direction orthogonal to each other to form an XY matrix. At the intersection of the cathode electrode 202 and the gate electrode 204, a pore that penetrates the gate electrode 204 and the insulating layer 205 and reaches the surface of the cathode electrode 202 is formed, and an electron source 203 protruding from the cathode electrode 202 is formed in the pore. Is provided. The electron source 203 is formed using a refractory metal such as molybdenum (Mo), niobium (Nb), or tungsten (W). Usually, each intersection is provided with a plurality of pores and an electron source 203. Although not shown, a protective resistance layer and a current limiting transistor may be formed at each intersection for the purpose of suppressing temporal fluctuations in the amount of electrons emitted from the electron source 203.
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（Ｃｓ３Ｓｂ）、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（ＣｓＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、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（ＣｓＯ２：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。 The electron multiplier 301 is made of metal such as silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), platinum (Pt), palladium (Pb), stainless steel (Fe—Ni—Cr), copper-beryllium (Cu—). Be), nickel-beryllium (Ni-Be), silver-beryllium (Ag-Be), copper-magnesium (Cu-Mg), silver-magnesium (Ag-Mg), alloys such as copper-aluminum (Cu-Al) A substrate made of a semiconductor such as silicon (Si), gallium phosphide (GaP), gallium arsenide (GaAs), gallium arsenide phosphide (GaAsP), and the surface of the substrate or a part of the surface, for example, Silver (Ag), copper (Cu), platinum (Pt), palladium (Pb), gold (Au), nickel (Ni), molybdenum (Mo), tungsten (W), potassium-cesium-an Mon (K-Cs-Sb), cesium - antimony (Cs 3 Sb), beryllium oxide (BeO), magnesium oxide (MgO), barium oxide (BaO), cesium oxide (CsO 2), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), Gallium phosphide (GaP), gallium phosphide-cesium (GaP: Cs), gallium arsenide phosphide (GaAsP), beryllium oxide-cesium (BeO: Cs), cesium oxide-cesium (CsO 2 : Cs), etc. Insulation such as single-stage or multi-stage dynodes having secondary electron emitters made of material, or lead glass having a plurality of through holes with electrodes formed at both ends and inner walls as resistors and secondary electron emitters A plate-like substrate of an object, or silicon having a plurality of through holes in which electrodes are formed on both ends and a secondary electron emitter is formed on the inner wall (S ) Comprises a semiconductor plate of a substrate such as a dynode typified by a microchannel plate (MCP). In this embodiment, the electron multiplier 301 includes a mesh-like substrate 303 made of metal, and a secondary electron emitter 302 formed on the surface of the substrate 303 by a plating method, a vapor deposition method, a sputtering method, or the like. Yeah.
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。 In this imaging element, light passes through the light-transmitting substrate 101 and the light-transmitting conductive film 102 and reaches the photoelectric conversion film 103. When a voltage higher than the voltage applied to the electron source 203 is applied to the transparent conductive film 102, among the electron-hole pairs generated in the photoelectric conversion film 103 by light, holes are Spindt-type electron emission of the photoelectric conversion film 103. It moves to the source matrix array 210 side and is accumulated there. When a pulse electrode is applied to the cathode electrode 202 and the gate electrode 204 of the Spindt-type electron emission source matrix array 210, an electron group is generated from the electron source 203 formed at the intersection of the cathode electrode 202 and the gate electrode 204 sequentially selected by this. Is released. A voltage higher than the voltage applied to the electron emission source array 210 and the emission ratio of secondary electrons from the secondary electron emitter 303 exceeds 1 is applied to the substrate 302 of the electron multiplier 301. As a result, the electrons emitted from the electron source 203 are accelerated and collide with the secondary electron emitter 303 of the electron multiplier 203, and the secondary electron emitter 303 emits an electron group exceeding the amount of incident electrons. To do. This multiplied electron group recombines with the holes accumulated in the photoelectric conversion film 103, and at that time, the current flowing to the external circuit (not shown) through the light-transmitting conductive film 102 is taken out as an output. Thus, a video signal corresponding to the incident light image can be obtained.
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。 In the imaging device according to the present embodiment, the amount of electrons emitted from the electron source 203 is multiplied by the electron multiplying unit 301, so that even if the amount of electrons emitted from the electron source 203 is small, photoelectric conversion is performed. All holes accumulated in the film 103 can be read out, and a wide dynamic range can be obtained. In addition, since the electron multiplier 301 is provided, the voltage applied between the cathode electrode 201 and the gate electrode 204 of the Spindt-type electron emission source matrix array 210 to emit electrons can be lowered. In the realization of a wide dynamic range, there are no adverse effects such as a decrease in reliability and lifetime of the Spindt-type electron emission source matrix array 210, an increase in power required for driving the matrix, and a decrease in S / N of the video signal. Further, the substrate 303 of the electron multiplier 301 is grounded via a capacitor, and this is used as a shield electrode, so that the drive pulse jumps into the output video signal when the Spindt type electron emission source matrix array 210 is driven in the matrix. Can be suppressed.
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。 In the present embodiment, the electron multiplier section 301 in which the secondary electron emitter 302 is formed on the surface of the single mesh substrate 303 is used. However, as shown in FIG. A voltage necessary for electron multiplication by secondary electron emission is applied to each of the substrates 323 using an electron multiplier 321 in which a secondary electron emitter 322 is formed on each surface of the mesh substrate 323, or the substrate It is also possible to remarkably increase the electron multiplication factor in the electron multiplier 321 by connecting each of the H.323s with resistors and applying a voltage necessary for electron multiplication by secondary electron emission to the substrates at both ends thereof. it can. Accordingly, even when the Spindt-type electron emission source matrix array 210 is miniaturized and highly integrated, all holes accumulated in the photoelectric conversion film 103 can be read, and a wide dynamic range can be realized.
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。 4 and 5 show a second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a schematic perspective view of the image sensor of the present embodiment. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the image sensor. Components similar to those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals. Similar to the image sensor of the first embodiment, the image sensor includes a translucent substrate 101, a translucent conductive film 102 formed on the translucent substrate 101, and a translucent conductive film 102. The photoelectric conversion film 103 is formed, and a Spindt-type electron emission source matrix array 210 facing the photoelectric conversion film 103 with a vacuum space in between. The imaging device further includes a microchannel plate (MCP) 311 which is an electron multiplier provided between the photoelectric conversion film 103 and the Spindt-type electron emission source matrix array 210, and between the photoelectric conversion film 103 and the MCP 311. And a mesh-like grid electrode 401 provided. Although not shown in FIG. 4 and FIG. 5, this imaging device holds the Spindt electron emission source array 210, the photoelectric conversion film 103, the MCP 311, and the grid electrode 401 facing each other at a predetermined interval, and is used for driving. A mechanism capable of supplying a necessary voltage, a vacuum container for maintaining a vacuum between the electron emission source array 210 and the photoelectric conversion film 103 are further provided.
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。 The MCP 311 includes a substrate 314 having a plurality of skewed through holes 313 and made of an insulator such as lead glass or a semiconductor such as silicon (Si). A plurality of electron sources 203 formed at each intersection of the cathode electrode 201 and the gate electrode 204 of the Spindt type electron emission source matrix array 210 and the Spindt type electron emission source matrix array 210 side of the through hole 313 Are arranged so as to face each other on a one-to-one basis. When the substrate 314 is lead glass, for example, by reducing the substrate 314 in hydrogen, the inner wall 315 of the through hole 313 is made a resistor and a secondary electron emitter, and further, an electron incident side is formed at each end of the through hole 313. An electrode 316 and an electron emission side electrode 312 are provided. When the substrate 314 is a semiconductor such as silicon, a known secondary electron emitter is formed on the inner wall 315 of the through-hole 313 by a coating method, a plating method, a vapor deposition method, a sputtering method, or the like, and furthermore, at each end of the through-hole 313. An electron incident side electrode 316 and an electron emission side electrode 312 are provided.
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。 The grid electrode 401 is a mesh-like metal electrode having a large number of openings, an insulator or a semiconductor provided with a large number of openings by an etching method, etc. An electrode coated with a conductor.
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。 A voltage higher than the voltage applied to the Spindt-type electron emission source matrix array 210 is applied to the electron incident side electrode 316 of the MCP 311, and a voltage higher than the voltage applied to the electron incident side electrode 316 is applied to the electron emission side electrode 312. To do. Therefore, the inner wall 315 that is a resistor has a potential gradient in which the potential increases from the electron incident side electrode 316 toward the electron emission side electrode 312. Further, a voltage higher than the voltage applied to the electron emission side electrode of the MCP 311 is applied to the grid electrode 401. Therefore, the electrons emitted from the electron source 203 of the Spindt-type electron emission source matrix array 210 are extracted toward the MCP 311 side, and then accelerated to hit the inner wall 315 of the through hole 313. The voltage applied to the electron incident side electrode 316 is adjusted according to the type of the secondary electron emitter formed on the inner wall 315 so that a secondary electron group exceeding the amount of incident electrons is emitted from the inner wall 315. . The electron group multiplied in this way is accelerated toward the electron emission side electrode 312 by the potential gradient of the inner wall 315, and the amount of the electron group increases by hitting the inner wall 315 again. In this way, the electron group passing through the through hole 313 of the MCP 311 repeatedly hits the inner wall 315 and emits secondary electrons therefrom, whereby the types of the secondary electron emitters formed on the inner wall 315 and the inner wall are increased. Depending on the potential gradient of 315 and the length of the through-hole 313, it is amplified several to several hundred thousand times the amount of incident electrons and emitted from the MCP 311. The electron group emitted from the MCP 311 is accelerated to the photoelectric conversion film 103 side by the grid electrode 401 to which a voltage higher than the voltage applied to the electron emission side electrode 312 is applied, and then extracted to the photoelectric conversion film 103. Reach and read the holes accumulated there.
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。 In this manner, the image sensor of the present embodiment, like the image sensor of the first embodiment, decreases the reliability of the Spindt-type electron emission source matrix array 210, increases the power required for matrix driving, and video A high dynamic range can be obtained without causing adverse effects such as a decrease in signal S / N. Further, as shown in FIGS. 4 and 5, by using the MCP 311 having the through hole 313 inclined with respect to the photoelectric conversion film 103, electron multiplication by secondary electron emission can be performed more efficiently. In addition, since cations generated inside the through-hole 313 do not directly strike the electron source 203, the life of the Spindt-type electron emission source matrix array 210 can be increased. Further, the electron incident side electrode 316 and the electron emission side electrode 312 of the MCP 311 and the grid electrode 401 are grounded through capacitors, and these electrodes are used as shield electrodes, whereby the Spindt-type electron emission source matrix array 210 is provided. The drive pulse can be reduced in the output video signal when driving the matrix, and the electrons emitted from the MCP 311 are accelerated by the grid electrode 401 and extracted to the photoelectric conversion film 103 side. The spread of the electron group in the vacuum space between the conversion film 103 is suppressed and higher resolution can be obtained.
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。 In the present embodiment, a plurality of electron sources 203 formed at each intersection of the cathode electrode 201 and the gate electrode 204 of the Spindt type electron emission source matrix array 210 and a Spindt type electron emission of the through hole 313 of the MCP 311. Although the example in which the openings on the source matrix array 210 side face each other on a one-to-one basis has been shown, the opening area of the through holes 313 is significantly smaller than the area of the electron source 203 and the number of through holes 313 is increased. Even if it is formed at a high density, the same effect can be obtained. Further, in order to dispose the Spindt type electron emission source matrix array 210 and the MCP 311 in parallel, an insulator 206 is formed or arranged on the Spindt type electron emission source matrix array 210 as shown in FIG. The MCP 311 may be formed or arranged.
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。 FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of an image sensor according to the third embodiment of the present invention. Components similar to those in FIGS. 1, 2, 3 and 4 are denoted by the same reference numerals. Similar to the image pickup device of the second embodiment, the image pickup device includes a light-transmitting substrate 101, a light-transmitting conductive film 102 formed on the light-transmitting substrate 101, and a light-transmitting conductive film 102. The formed photoelectric conversion film 103, the Spindt-type electron emission source matrix array 210 facing the photoelectric conversion film 103 across the vacuum space, and the electrons provided between the photoelectric conversion film 103 and the Spindt-type electron emission source matrix array 210 And a microchannel plate (MCP) 311 which is a multiplication unit. This imaging element is insulated on the Spindt-type electron emission source matrix array 210 via the insulator 208 and having an opening for exposing the electron source 203 and the electron emission side electrode 312 of the MCP 311. It further includes an electrode grid electrode 501 provided through the object 502 and having an opening through which the opening of the through hole 313 is exposed. Although not shown in FIG. 7, the imaging device has a mechanism that can hold the Spindt electron emission source array 210, the photoelectric conversion film 103, and the MCP 311 facing each other at a predetermined interval and supply a voltage necessary for driving. Further, a vacuum container or the like for maintaining a vacuum between the electron emission source array 210 and the photoelectric conversion film 103 is further provided.
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。 A voltage lower than the voltage applied to the Spindt type electron emission source matrix array 210 for electron emission is applied to the electrode 207 provided on the Spindt type electron emission source matrix array 210. Thereby, it is possible to suppress the electron group emitted from the electron source 203 from spreading in the vacuum space up to the inner wall 315 of the through hole 313 of the MCP 311, and the electron group emitted from the electron source 203 can be suppressed to the through hole 313. Can be guided more efficiently within. A voltage higher than the voltage applied to the electron emission side electrode 312 is applied to the grid electrode 501 provided on the electron emission side electrode 312 of the MCP 311. As a result, it is possible to suppress the electron group emitted from the MCP 311 from reaching the photoelectric conversion film 103 and to obtain a higher resolution. For example, as in the second embodiment, the grid electrode Compared with the case where 401 is applied, since the electron group is hardly captured in the space between the MCP 311 where the electron group travels and the photoelectric conversion film 103, a wider dynamic range can be realized.
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。 In the present embodiment, an insulator is provided on the Spindt type electron emission source matrix array 210 in order to suppress the spread of the electron group emitted from the electron source 203 of the Spindt type electron emission source matrix array 210 in the vacuum space. The electrode 207 having an opening through which the opening of the through hole 313 is exposed is shown. However, the gate electrode 204 is insulated and separated on the same plane as the Spindt type electron emission source matrix array 210, An electrode having an opening that exposes the source 203 is provided, or a plurality of electrodes surrounding the individual electrodes are provided on the Spindt-type electron emission source matrix array 210 via an insulator 208, and electron emission is performed on these electrodes. Therefore, a voltage lower than the voltage applied to the Spindt-type electron emission source matrix array 210 is applied. If, it is possible to obtain the same effect as in the present embodiment.
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。 FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an image sensor according to the fourth embodiment of the present invention. Components similar to those in FIGS. 1, 2, 3 and 4 are denoted by the same reference numerals. Similar to the image pickup device of the second embodiment, the image pickup device includes a light-transmitting substrate 101, a light-transmitting conductive film 102 formed on the light-transmitting substrate 101, and a light-transmitting conductive film 102. The formed photoelectric conversion film 103, the Spindt-type electron emission source matrix array 210 facing the photoelectric conversion film 103 across the vacuum space, and the electrons provided between the photoelectric conversion film 103 and the Spindt-type electron emission source matrix array 210 And a microchannel plate (MCP) 311 which is a multiplication unit. The imaging device further includes a cylindrical permanent magnet 601 having a cylindrical cavity inside, and a vacuum vessel 105 disposed in the cavity of the permanent magnet. The translucent substrate 101, the translucent conductive film 102, the photoelectric conversion film 103, the Spindt type electron emission source matrix array 210, and the MCP 311 are disposed in the cavity of the permanent magnet 601. The translucent substrate 101 and the substrate 201 of the Spindt-type electron emission source matrix array maintain a vacuum inside as a part of the vacuum container 105. The imaging device is connected to and supports the electron emission side electrode 312 of the MCP 311, the support 701 that supports the electron emission side electrode 316, the support 703 that supports and supports the electron incidence side electrode 316 of the MCP 311, and the electron emission side electrode 312. Are connected to the power supply terminal 702 for applying a drive voltage thereto, connected to the electron incident side electrode 316, and connected to the power supply terminal 704 for applying a drive voltage thereto, and the translucent conductive film 102, and the signal is transmitted to the outside. And a signal pin 104 for outputting to a circuit (not shown). Further, although not shown in FIG. 8, the image pickup device also includes a mechanism for holding the permanent magnet 601 and each element in the cavity, and a magnetic shield mechanism for preventing leakage of magnetic lines of force generated from the permanent magnet 601 to the outside. Yeah.
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。 The permanent magnet 601 is made of a strontium-based ferrite magnet made of iron oxide (Fe2O3) -strontium (Sr) -barium (Ba) or the like, iron oxide (Fe2O3) -strontium oxide (SrO) -barium (Ba) -cobalt (Co)- Lanthanum cobalt-based ferrite magnet composed of lanthanum (La), etc., manganese aluminum carbon magnet composed of manganese (Mn) -aluminum (Al) -carbon (C), etc., iron (Fe) -chromium (Cr) -cobalt (Co), etc. Iron chrome cobalt magnet composed of samarium cobalt magnet composed of samarium (Sm) -cobalt (Co), neodymium magnet composed of neodymium (Ne) -iron (Fe) -boron (B), iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) -aluminum (Al), iron (Fe Alnico composed of nickel (Ni) -cobalt (Co) -aluminum (Al) -titanium (Ti), iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) -aluminum (Al) -copper (Cu), etc. Magnets, barium magnets made of barium (Ba) -iron oxide (Fe2O3) -oxygen (O), etc., and powders of the above-mentioned magnet materials are made of vinyl chloride, chlorinated polyethylene rubber, elastomer, nitrile rubber, nylon, PPS resin, epoxy A known permanent magnet such as a bonded magnet mixed with resin or the like is used. FIG. 8 shows an example in which the end surface 602 of the permanent magnet 601 is an N pole and the end surface 603 is an S pole, but the end surface 602 may be an S pole and the end surface 603 may be an N pole.
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。 In this imaging device, the electron group emitted from the electron source 203 of the Spindt-type electron emission source matrix array 210 is multiplied by the MCP 311 to an electron group of several to several hundred thousand times, and then the photoelectric conversion film 103. To read the holes accumulated there. Of the magnetic field lines starting from the end face 602 which is the N pole of the permanent magnet 601, the magnetic field line 901 going into the cavity of the permanent magnet 601 passes through the xy plane perpendicular to the midpoint in the z direction of the cavity, and then S It enters the end face 603 which is a pole. As a result, a magnetic field substantially parallel to the z direction is formed in the vacuum space between the Spindt type electron emission source matrix array 210 and the photoelectric conversion film 103. Since the intensity of the magnetic field formed in the vacuum space in this manner can be controlled by the material, shape, etc. of the permanent magnet 601, the electron group multiplied by the MCP 311 after being emitted from the electron source 203 is A small image can be formed on the photoelectric conversion film 103. In the MCP 311, the decrease in the electron image magnification due to the magnetic field in the direction perpendicular to the electron incident side electrode 316 and the electron emission side electrode 312 provided at both ends of the MCP 311 is very small, so the Spindt type electron emission source matrix array 210 is miniaturized. Even when integrated, a wide dynamic range and high resolution can be obtained simultaneously.
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。 In this embodiment, an example in which a single permanent magnet 601 is used has been described. However, even when a plurality of permanent magnets are applied, the same effect as in this embodiment can be obtained.
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。 FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of an imaging apparatus to which an imaging element according to the present invention is applied, which is a fifth embodiment of the present invention. The imaging apparatus includes an optical lens 801, an imaging element 821 according to the present invention, a drive circuit 832, a signal amplification processing circuit 831, a synchronization circuit 833, and a power source 834. The optical lens 801 and the image sensor 821 are arranged so that light passing through the optical lens 801 is perpendicularly incident on the photoelectric conversion film of the image sensor 821 and is focused. The drive circuit 832 generates and supplies a pulse voltage, a DC voltage, and the like necessary for operating the image sensor 821. The signal amplification processing circuit 831 amplifies and processes the signal output from the image sensor 821. The synchronization circuit 833 generates a synchronization signal and supplies the signal to the signal amplification processing circuit 831 and the drive circuit 832. The power source 834 supplies power to the signal amplification processing circuit 831, the drive circuit 832, and the synchronization circuit 833. Since the imaging device of this embodiment includes the imaging device 821, an imaging device having a wide dynamic range can be realized.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Translucent substrate 102 Translucent conductive film 103 Photoelectric conversion film 104 Signal pin 105 Vacuum container 201,303,314,323 Substrate 202 Cathode electrode 204 Gate electrode 205 Insulating layer 206, 208, 502 Insulator 210 Spindt type electron emission Source array 301, 321, 311 Electron multiplier 302, 322 Secondary electron emitter 312 Electron emission side electrode 313 Through hole 315 Inner wall 316 Electron incidence side electrode 401, 501 Grid electrode 601 Permanent magnet 602, 603 End face 701, 702 Body 702, 704 Feeding terminal 801 Optical lens 821 Imaging element 831 Signal amplification processing circuit 832 Drive circuit 833 Synchronization circuit 834 Power source 901 Magnetic field line
Claims (5)
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、
前記電子増倍部により倍増された電子群により、前記光電変換膜に蓄積された正孔を読み出すことを特徴とする撮像素子。 An image sensor comprising a photoelectric formed by substrate each conversion film and the electron emission source array so as to face each other across the vacuum space,
An electron multiplier provided between the photoelectric conversion film and the electron emission source array, and further multiplying the amount of electrons emitted from the electron emission source array using secondary electron emission ;
An image pickup device , wherein holes accumulated in the photoelectric conversion film are read out by an electron group doubled by the electron multiplying unit .
An imaging apparatus comprising the imaging device according to claim 1.
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