JP5025577B2 - 撮像管 - Google Patents

Description

本発明は、医療あるいは一般産業の分野において、イメージインテンシファイアあるいはＸ線ビジコン等の代わりに用いられる、Ｘ線撮像管に好適な撮像管に関するものである。

Ｘ線撮像管は、入射したＸ線像に対応した電荷像を光導電膜上に形成し、その電荷像を電子ビームで走査することによりビデオ信号として取り出すものである。Ｘ線撮像管は、実時間での観測ができ高い解像度が得られることなどから、半導体ＩＣ等の非破壊検査や、生体内部の診断、結晶解析、材料分析などに有効であって、産業、計測、学術等の分野で広く利用されている。

Ｘ線撮像管では、従来、撮像管ターゲット部の面板として、Ｘ線を透し易い金属ベリリュウム薄板が従来から広く利用されており、また近年は窒化ほう素薄板を用いたＸ線撮像管も開示されている（例えば、特許文献１参照。）。光導電膜には、一般に酸化鉛、セレンカドミウム、非晶質セレン等の蒸着膜が用いられている。特に非晶質セレンは、高電界を印加すると内部で電荷のアバランシェ増倍現象が起こることが知られており、この現象を利用した高感度のＸ線撮像管も提案されている。

また特許文献２において、Ｘ線像に対応する電荷像が形成されるターゲットを電子銃よりの電子ビームの進行方向に向けて凸に湾曲する曲面に形成するとともに、ターゲットに対してプラス電位のフィールドメッシュを、ターゲットの電子ビーム入射側に接近して設けたＸ線撮像管が提案されている。
特願平２−２３０６５８号公報 特開平７−０９４１１４号公報

しかしながら、上述した特許文献２の開示技術では、電子ビームの進行方向に向けて凸に湾曲する曲面に形成し、これを精度よくセッティングする必要があるところ、製造労力の負担が増大し、ひいては製造コストが増大してしまうという問題点があった。また、特許文献１の開示技術では、また所望の感度まで効果的に増強することができないという問題点があった。そこで、本発明は、Ｘ線を撮像するための撮像管において、量子ドットを利用して安価でしかもより感度を効果的に増強可能な撮像管を提供することにある。

本発明者は、上述した課題を解決するために、電子ビームが走査され、入射した光の像を内部光電効果に基づいて電気信号に変換し電荷パターンとして蓄積するための光導電膜の光入射側に波長フィルタを配設し、この波長フィルタは、入射される３００ｎｍ以下の光の波長に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、基板内に上記第１の量子ドットより大体積で形成され、第１のエネルギー準位との共鳴に応じて第１の量子ドットから励起子が注入される第２のエネルギー準位と、当該第２のエネルギー準位から励起子の遷移が複数段に亘って生じるように設定された複数段の下位準位とを有する第２の量子ドットとを備えることにより、第２の量子ドットは、励起子の遷移により放出される光が上記光導電膜により吸収可能な波長となるように、その準位間のエネルギー差が設定され、入射される光の１光子を、上記励起子の遷移が生じる段数に応じた複数光子に変換する撮像管を発明した。

即ち、請求項１記載の撮像管は、電子ビームを出射する電子銃と、上記電子ビームが走査され、入射される光の像を内部光電効果に基づいて電気信号に変換し電荷パターンとして蓄積するための光導電膜と、上記光導電膜の光入射側に形成された波長フィルタとを備え、上記波長フィルタは、導電性の結晶により構成される基板と、上記基板内に形成され、入射される３００ｎｍ以下の光の波長に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、上記基板内に上記第１の量子ドットより大体積で形成され、上記第１のエネルギー準位との共鳴に応じて上記第１の量子ドットから励起子が注入される第２のエネルギー準位と、当該第２のエネルギー準位から励起子の遷移が複数段に亘って生じるように設定された複数段の下位準位とを有する第２の量子ドットとを備え、上記第２の量子ドットにおける少なくとも一の準位間は、上記励起子の遷移により放出される光が上記光導電膜により吸収可能な波長となるようにエネルギー差が設定され、入射される光の１光子を、上記励起子の遷移が生じる段数に応じた複数光子に変換することを特徴とする。

上述した構成からなる本発明では、Ｘ線を撮像するための撮像管において、量子ドットを利用してより感度を効果的に増強可能な撮像管を提供することが可能となる。また本発明では、部品点数が必要以上に多くなることも無くなり、製造労力の負担を減らし、製造コストの低下をも図ることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、テレビジョンカメラ等に適用される撮像管に関し、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明を適用した撮像管１は、例えば図１に示すように、真空管１０内に配設されてなるとともに電子ビームを出射する電子銃１１と、電子銃１１からの電子ビームが走査される内面１２ａ上に走査される光導電膜１２と、被写体像を撮像面としての光導電膜１２上に結像させるためのレンズ１４と、光導電膜１２から電子銃１１に至るまで、順次接続されている抵抗１８、電源１９と、真空管１０の内面周囲に設けられた偏向コイル１６とを備えている。また、このレンズ１４における光入射側には波長フィルタ４が配設されている。

電子銃１１は、図示しないヒータによりカソード３１を加熱して電子ビームを放出する。この電子銃１１から放出された電子は、偏向コイル１６による磁界により光導電膜１２における任意の位置に偏向集束されることになる。

光導電膜１２は、ＳｅやＳｉを主体とする非晶質半導体、或いはＰｂＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、Ｓｂ_２Ｓ_３等の光導電性の膜で構成される。この光導電膜１２は、いわゆる光の照射を受けて物質内部の伝導電子を増加させ、ひいては電気伝導率を増加させる内部光電効果を応用した光導電性の膜で構成されていてもよい。この光導電膜１２は、価電子帯や不純物準位等にある電子が、入射された光の光子エネルギーを吸収し、伝導帯へ励起され、伝導電子や正孔を増加させることによる導電性の向上を図ることが可能となる。即ち、この光導電膜１２は、光の当たらない箇所においては、絶縁体としての傾向を示し、また光の入射量に応じて抵抗が低くなる傾向を示す。

このような光導電膜１２に対して電子銃１１から電子ビームを走査することにより、電源１９、抵抗１８、光導電膜１２、電子ビームという回路が形成される。さらに、この光導電膜１２には、レンズ１４を介して被写体像が結像されることになる。このため、上述した内部光電効果による伝導電子や正孔の発生は、光導電膜１２上に写し出される被写体像に基づくものであり、また被写体像に応じてこの光導電膜１２の抵抗自体が変化することになる。

このため、上述した電源１９、抵抗１８、光導電膜１２、電子ビームという回路では、光導電膜１２上に結像される被写体像による光電変換に基づく電流が流れることになり、当該回路に流れる電流Ｉと、抵抗１８の抵抗値Ｒとの間で、Ｒ×Ｉの電圧降下が映像信号として取り出されることになる。

波長フィルタ４は、図２に示すように、導電性の結晶により構成される基板４１と、この基板４１内に含められている第１の量子ドット４２並びに第２の量子ドット４３とを備えている。

第１の量子ドット４２は、基板４１における光入射側に位置し、また第２の量子ドット４３は、基板４１における光出射側に位置している。

基板４１は、ガラスやＮａＣｌ等からなる結晶性基板、その他ＧａＮ、ＧａＡｓ等の材料やサファイヤ等で構成されている。この基板４１は、光透過性の材料であればいかなるもので構成されていればよい。

第１の量子ドット４２、第２の量子ドット４３は、これらは量子箱と呼ばれる立方体状で構成され、構成する材料系がＧａＮやＺｎＯである場合に、これらは球形或いは円盤形として構成される。因みに、第１の量子ドット４２と、第２の量子ドット４３とは、互いに相互作用が生じる程度に近接させて配置されている。

ここで量子ドット４２、４３におけるエネルギー準位Ｅ（n_x,n_y,n_z）は、粒子の質量をmとし、また量子ドットの辺長をLとしたときに、以下の式（１）により定義される。
Ｅ（n_x,n_y,n_z）＝h²/8π²m（π/L）²（n_x ²+n_y ²+n_z ²）・・・・・（１）

なお、本発明では、量子ドットの形状や材質に応じて、この式（１）で定義されるエネルギー準位Ｅ（n_x,n_y,n_z）の式以外に、他の一般的なエネルギー準位の式が適用される場合もある。

この式（１）に基づき、各量子ドット４２,４３のＥ（n_x,n_y,n_z）を計算する。ここで第１の量子ドット４２と、第２の量子ドット４３との辺長比が、およそ１：√２であるとき、図３に示すように、第１の量子ドット４２における第１のエネルギー準位が（１,１,１）であるときのＥ（１１１）と、第２の量子ドット４３におけるエネルギー準位が（２,１,１）であるときのＥ（２１１）とが等しくなる。即ち、第１の量子ドット１１における第１のエネルギー準位（１,１,１）と、第２の量子ドット１２における第２のエネルギー準位（２,１,１）は、それぞれ励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にある。

即ち、基板４１内において辺長比が互いに異なる各量子ドット４２,４３を形成させることにより、（１）式に基づく量子準位をほぼ等しくすることができ、これらの間で共鳴を起こさせることにより、体積の小さい第１の量子ドット４２から体積の大きい第２の量子ドット４３へ励起子を注入することができる。換言すれば、量子ドット４２、４３間で体積（サイズ）を互いに異ならせることにより、これらの間で励起子を伝送することができ、ひいては共鳴エネルギー移動を実現することができる。

量子ドットグループ４は、このような共鳴エネルギー移動を利用して、所定の機能を発現させることができる。

例えば、第１の量子ドット４２の量子準位（１,１,１）と、第２の量子ドット４３における量子準位（２,１,１）は、それぞれ励起子の励起エネルギー準位が共鳴する関係にあるが、実際これらの間で共鳴を起こさせるためには、第１の量子ドット４２における量子準位（１,１,１）に対応する周波数ω１の光Ａを供給することにより、かかる量子準位へ励起子を励起させることができる。

また、上述した共鳴が生じる場合に、第１の量子ドット４２に存在する量子準位（１,１,１）に存在する励起子が、第２の量子ドット４３における量子準位（２,１,１）へ移動し、また第２の量子ドット４２の量子準位（２,１,１）に存在する励起子が、第１の量子ドット４３における量子準位（１,１,１）へ移動するが、量子ドット１１,１２間において励起子がコヒーレントに結合して、見かけ上１つの励起モードが形成される。

即ち、本発明では、辺長比がそれぞれ１：√２である各量子ドット４２、４３を基板４１内に含めることにより、状態密度関数がほぼ等しくなる量子準位を作り出すことができ、これらの間で共鳴効果を起こさせることにより、第２の量子ドット４３の量子準位（２,１,１）に励起子を注入することができる。この注入された励起子は、第２の量子ドット４３の下位準位４３ａへ遷移する。この遷移する過程において出力光ｐが放出されることになる。

また第２の量子ドット４３における下位準位４３ａへ励起子を遷移させることにより、その下位準位４３ａにおける励起子の密度を、それよりも更に下位にある下位準位４３ｂよりも高めることができ、これら２つの下位準位４３ａ、４３ｂ間で見かけ上反転分布を生成することかできる。この生成された反転分布に応じて励起子が基底準位へ遷移することにより出力光ｑが放出されることになる。

ちなみに、この第２の量子ドット４３から放出される出力光ｐの波長は、第２の量子ドット４３における量子準位（２,１,１）と下位準位４３ａ間のエネルギー差に依存する。また、この第２の量子ドット４３から放出される出力光ｑの波長は、第２の量子ドット４３における下位準位４３ａと下位準位４３ｂ間のエネルギー差に依存する。

このため、これらのエネルギー差をいかに設定するかにより、出力光ｐ、ｑの波長が変わってくる。この出力光ｐ、ｑは、そのまま波長フィルタ４を出射し、光導電膜１２へと入射される。光導電膜１２により吸収可能な波長となるように、これら準位間のエネルギー差を設定しておくことにより、この波長フィルタ４から出射する光を、光導電膜１２の吸収感度に適合した波長に調整することが可能となる。

また、本発明では、光Ａにおける１光子を、出力光ｐの１光子、出力光ｑの１光子の合計２光子に変換することが可能となる。即ち、この波長フィルタ４に入射光を通過させることにより、波長変換に加えて光子数を増倍させてこれを出射させることが可能となることから、光電変換効率をより向上させることが可能となる。

なお、上述した実施の形態において、第１の量子ドット４２は、入射される３００ｎｍ以下の光Ａの波長に応じて励起子が励起されることを前提にしている。仮に光Ａが３００ｎｍである場合に、第１の量子ドット４２と第２の量子ドット４３とのサイズ比を１：√２とし、更に放出される出力光ｐ、ｑの波長が６００ｎｍとなるように準位間のエネルギー差を設定し、１光子の入射光Ａを２光子の出力光ｐ、ｑへと変換している。

しかし、これに限定されるものではなく、第１の量子ドット４２における第１のエネルギー準位（上述した量子準位（１,１,１）に相当）は、Ｘ線領域の光又はＸ線領域の光によって生成される紫外光の入射に応じて励起子が励起されるものであってもよい。かかる場合においても同様に、出力側の第２の量子ドット４３において、この第１の量子ドット４２における第１のエネルギー準位と共鳴準位を持つ第２のエネルギー準位を持つように、サイズを調整しておく。そして、この第２の量子ドット４３は、励起子の遷移により放出される光が光導電膜１２により吸収可能な波長となるように、第２のエネルギー準位と下位準位４３ａ間、又は下位準位４３ａと下位準位４３ｂ間のエネルギー差が設定されている。

これにより、撮像管１をＸ線を撮像するためのＸ線撮像管として適用する場合においても同様に、波長フィルタ４から出射する光を、光導電膜１２の吸収感度に適合した波長に調整することが可能となり、光子数を増倍させることにより光電変換効率向上の利点がある。

特に本発明においては、このような量子ドット４２、４３を含めた基板４１からなる波長フィルタ４を準備し、これをレンズ１４における光入射側に配設するのみで上述した機能を発揮させることが可能となることから、部品点数が必要以上に多くなることも無くなり、製造労力の負担を減らし、製造コストの低下をも図ることが可能となる。

なお本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、第２の量子ドット４３における少なくとも一の準位間が、光導電膜１２により吸収可能な波長となるようにエネルギー差が設定されていればよく、全ての準位間がかかる波長に対応したエネルギー差とされている点は必須とはならない。

図４は、本発明の他の実施の形態を示している。この例では、波長フィルタ４において、第１の量子ドット４２と、第２の量子ドット４３との間に第３の量子ドット４４を形成している。第３の量子ドット４４は、第１の量子ドット４２以上、第２の量子ドット４３以下のサイズで構成され、第１の量子ドット４２から第２の量子ドット４３へ注入される励起子を中継するために、これらと共鳴するエネルギー準位を有する。

特にＸ線領域の光又はＸ線領域の光によって生成される紫外光の波長と、光導電膜１２による吸収可能波長との間で大きな格差がある場合には、このように励起子を中継するための第３の量子ドット４４を形成させることが有効となる。ちなみに、図４の例では、この第３の量子ドット４４を、大きい方から順に量子ドット４４ａ、量子ドット４４ｂの２段階で構成される場合について示したが、これに限定されるものではなく、１段階以上で構成されていれば何段階であってもよい。

また、これら量子ドット４４ａ、４４ｂは、共鳴準位を介して励起子を移動させる役割を担うとともに、自身に搬送されてきた励起子を自身の下位準位へ放出させることにより、出力光ｗを放出させることが可能となる。特にこれら量子ドット４４において、出力光ｗの波長が光導電膜１２により吸収可能な波長となるように下位準位間のエネルギー差を設定しておくことにより、この波長フィルタ４から出射する光を、光導電膜１２の吸収感度に適合した波長に調整することが可能となる。また、これら量子ドット４４から放出される出力光ｗにより光子数を向上させることが可能となることから、光電変換効率をより向上させることが可能となる。

また図５は、１光子からなる入射光Ａを、３光子以上の出力光に変換する場合の例を示している。励起子が下位準位４３ｂから更に下位にある下位準位４３ｃに遷移する際において、出力光ｒが放出されることになる。その結果、この出力光ｒによって更に１光子分増えることになる。このように、この波長フィルタ４を通過させることにより、１光子から複数光子へと変換することが可能となる。

なお本発明は、図６に示すように、光導電膜１２の光入射側において面板１３を貼着するようにしてもよい。面板１３は、ナノ微粒子が含まれている。面板１３は、光透過性の材料で構成され、例えばガラスやＮａＣｌ等からなる結晶性基板、その他ＧａＮ、ＧａＡｓ等の材料やサファイヤ等で構成されている。この基板４１は、光透過性の材料であればいかなるもので構成されていればよい。図７は、光導電膜１２と、面板１３との間の界面近傍の拡大図を示している。面板１３内に含まれているナノ微粒子２１は、直径５０ｎｍ以下のナノオーダのサイズで構成されている。このナノ微粒子２１は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ等の金属、或いはＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等の半導体で構成されている。ちなみに、このナノ微粒子２１の配置位置は、光導電膜１２における外面１２ｂからの距離をＸ１としたとき、このＸ１がナノ微粒子２１の直径以下にあることが必須となる。

このような構成からなる撮像管１において被写体像に基づく光が照射されると、先ず面板１３内を通過することになる。そして、この面板１３内に含まれているナノ微粒子２１に光が到達すると、このナノ微粒子２１によって吸収される。そして、ナノ微粒子２１に吸収された光に基づいて、当該ナノ微粒子２１から光導電膜１２に向けて近接場光が滲出することになる。

ナノ微粒子２１は、上述したように直径５０ｎｍ以下のナノオーダで構成されており、しかも光導電膜１２における外面１２ｂからの距離Ｘ１は、かかるナノ微粒子２１の直径５０ｎｍ以下である。このため、ナノ微粒子２１から光導電膜１２に至るまでの間隔は、ほぼ回折限界以下のサイズで構成されている。

このため、ナノ微粒子２１から滲出する近接場光は、この回折限界以下の距離をおいて位置する光導電膜１２に到達し、また光導電膜１２に接触することになる。その結果、この滲出させた近接場光による近接場光相互作用に基づいて光導電膜１２における内部光電効果の効率を向上させることが可能となる。

仮にナノ微粒子２１が存在していない場合には、被写体像からの光はこの面板１３をそのまま通過して光導電膜１２へと入射されることになるが、ナノ微粒子２１を面板１３に含めた本発明では、被写体像からの光を吸い上げて、これを近接場光として滲出させるプロセスを通じて、当該光をピコ秒〜ナノ秒のレベルであっても、ナノ微粒子２１に留まらせることが可能となる。その結果、光（近接場光）と光導電膜１２との間での近接場光相互作用の作用時間を増大させることが可能となる。そして、この近接場光相互作用の作用時間を増大させることができれば、光導電膜１２における光電変換効率を向上させ、所望の感度まで上げることが可能となる。

特に本発明では、ナノ微粒子２１を含ませた面板１３を光導電膜１２に貼着するのみで上述した機能を発揮させることが可能となることから、部品点数が必要以上に多くなることも無くなり、製造労力の負担を減らし、製造コストの低下をも図ることが可能となる。

本発明を適用した撮像管の構成図である。 波長フィルタの詳細な構成例を示す図である。 量子ドット間における量子準位について説明するための図である。 第１の量子ドット、第２の量子ドット間において更に第３の量子ドットを配設する例を示す図である。 １光子からなる入射光Ａを、３光子以上の出力光に変換する場合の例を示す図である。 光導電膜の光入射側において面板を貼着する例を示す図である。 光導電膜と、基板との間の界面近傍の拡大図である。

符号の説明

１ 撮像管
４ 波長フィルタ
１０ 真空管
１１ 電子銃
１２ 光導電膜
１３ 面板
１４ レンズ
１６ 偏向コイル
１８ 抵抗
１９ 電源
２１ ナノ微粒子
３１ カソード
４１ 基板
４２ 第１の量子ドット
４３ 第２の量子ドット
４４ 第３の量子ドット

Claims (5)

1. 電子ビームを出射する電子銃と、
   上記電子ビームが走査され、入射される光の像を内部光電効果に基づいて電気信号に変換し電荷パターンとして蓄積するための光導電膜と、
   上記光導電膜の光入射側に形成された波長フィルタとを備え、
   上記波長フィルタは、
   導電性の結晶により構成される基板と、
   上記基板内に形成され、入射される３００ｎｍ以下の光の波長に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有する第１の量子ドットと、
   上記基板内に上記第１の量子ドットより大体積で形成され、上記第１のエネルギー準位との共鳴に応じて上記第１の量子ドットから励起子が注入される第２のエネルギー準位と、当該第２のエネルギー準位から励起子の遷移が複数段に亘って生じるように設定された複数段の下位準位とを有する第２の量子ドットとを備え、
   上記第２の量子ドットにおける少なくとも一の準位間は、上記励起子の遷移により放出される光が上記光導電膜により吸収可能な波長となるようにエネルギー差が設定され、
   入射される光の１光子を、上記励起子の遷移が生じる段数に応じた複数光子に変換すること
   を特徴とする撮像管。
2. 上記第１の量子ドットは、Ｘ線領域の光又はＸ線領域の光によって生成される紫外光の入射に応じて励起子が励起される第１のエネルギー準位を有すること
   を特徴とする請求項１記載の撮像管。
3. 上記波長フィルタは、上記第１の量子ドットと、上記第２の量子ドットとの間に形成された第３の量子ドットとを備え、
   上記第３の量子ドットは、上記第１の量子ドット以上、上記第２の量子ドット以下のサイズで構成され、上記第１の量子ドットから上記第２の量子ドットへ注入される励起子を中継するために、これらと共鳴するエネルギー準位を有するとともに、出力光の波長が光導電膜により吸収可能な波長となるように少なくとも一の下位準位間のエネルギー差が設定されていること
   を特徴とする請求項１又は２記載の撮像管。
4. 上記光導電膜と上記波長フィルタの間に配設され、直径５０ｎｍ以下のナノ微粒子を含み、当該ナノ微粒子が、上記光導電膜に対してその直径以下の位置に配置される面板をさらに備えること
   を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載の撮像管。
5. 上記ナノ微粒子は、上記入射される光を吸収し、この吸収した入射光に基づいて近接場光を少なくとも上記光導電膜へ滲出させ、この滲出させた近接場光による近接場光相互作用に基づいて上記光導電膜における内部光電効果の効率を向上させること
   を特徴とする請求項４記載の撮像管。

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