JP5221761B2

JP5221761B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP5221761B2
Application number: JP2011522658A
Authority: JP
Inventors: 貴伸佐藤
Original assignee: Pioneer Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2029-07-15
Also published as: WO2011007433A1; US20120153129A1; JPWO2011007433A1

Description

本発明は、複数の電子放出源が平面に配列された電子放出源アレイとこれに対して対向配置された光電変換膜とを有する光導電型の撮像素子に関し、特に、かかる撮像素子と磁界集束構造を用いた撮像装置に関する。

電界を印加することによって電子を引き出す微小な電子放出源の複数を基板平面にマトリクス状に配置した電子放出源アレイが冷陰極として知られている。

かかる電子放出源の各々は、低電圧駆動が可能であり、構造が簡素であり、電子放出源アレイを用いた小型の撮像デバイスへの応用研究も進められている。

例えば、撮像デバイス分野において、電子放出源アレイを用いた撮像素子と磁界集束構造を組み合わせた撮像デバイスの研究も行われている。電子放出源アレイ平面の垂直方向（電子放出源からの電子ビームの進行方向と平行な方向）の磁力線を形成することで電子ビームが集束可能であることが報告されている。（特許文献１、参照）。

従来の磁界集束構造を組み合わせた撮像デバイスにおいて、円筒形の磁石の空洞の中央に撮像素子を配置して、当該撮像素子の電子放出源からの電子放出方向に平行な方向の磁界を形成している。さらに、特許文献１では、撮像素子を囲む円筒形磁石の他に、撮像素子の背面側に、撮像素子と対向して円盤形の永久磁石を配置した撮像デバイスも提案している。

従来の円筒形磁石の空洞を用いた場合、受光する有効な光電変換膜の面積範囲に、電子放出方向に平行な方向の磁界を形成するためには、円筒長さと円筒直径の大きな円筒形磁石が必要である。

特開２００５−３２２５８１

そこで、発明者は撮像デバイスの小型化のために、実験を繰り返し、その結果、従来の撮像素子の周りに配置する磁界集束構造の円筒形磁石の内径を小さくすると磁界強度が不均一になり、かかる小型化は困難であることを知見した。

例えば、図１に、撮像素子８２１周りの円筒形磁石５１１と撮像素子背面の円盤磁石５２１とを用いた場合における、磁界分布のシミュレーションの実行結果（強さ）を示す。従来型の構成では、撮像素子が配置される点線内の磁力線は電子放出源アレイに垂直方向でなく、歪んでいることがわかる。図２に示すように、図中央の点線で示した撮像素子８２１の領域内の磁力線（矢印）は光電変換膜の垂直方向からずれていることが判る。この状態で電子放出源アレイから放出される電子ビームを集束させると、電子放出源アレイの中心部と外周部での集束度合いの違いから、画像に斑ができ撮像デバイスとして製品化するためには問題がある。さらに、撮像素子領域近辺の磁力線は電子放出源アレイと垂直方向でなく歪んでしまい、磁石外部にも漏えい磁界が大きくなり、撮像デバイスとして製品化するためには問題が生じる。

そこで本発明は、磁界集束構造を有する撮像素子内での磁界分布を均一化させるとともに、従来は磁石の内径を大きくしなければ均一磁界を得ることができなかった問題を解決し、装置の小型化に寄与する撮像装置を提供することが一例として挙げられる。

本発明の撮像装置は、光軸に垂直な平面に複数の電子放出源が配列された電子放出源アレイと、前記光軸上に空間を隔てて前記電子放出源アレイに対向して配置された光電変換膜を有する透光性基板と、を含み、前記電子放出源を点順次走査して電子を前記光電変換膜へ放出して、前記透光性基板からの光入射により前記光電変換膜上に投影された光学像に対応した電気信号として出力する撮像装置であって、
前記空間において前記透光性基板及び電子放出源アレイの主面それぞれに直交する方向の磁界を形成する磁石部を有し、
前記磁石部は、それぞれの磁極が前記光軸に平行な方向に順方向となりかつ、それぞれが接触しないように、前記光軸に平行に配置された複数の磁石からなることを特徴とする。

上記の撮像装置において、前記磁石部の前記複数の磁石は、各々がその対称軸に沿った空洞を画定し、前記透光性基板及び前記電子放出源アレイを前記空洞内の中央に収納する前記光軸上に同軸に整列された筒型の複数の永久磁石であることとすることができる。

上記の撮像装置において、前記磁石部の前記複数の磁石において、互いに隣り合う同士の間に間隙又は非磁性体が設けられていることとすることができる。

上記の撮像装置において、前記間隙又は非磁性体は前記光電変換膜よりも前記光入射側に設けられていることとすることができる。

上記の撮像装置において、前記磁石部の前記複数の磁石は、保磁力がそれぞれ異なる磁石であることとすることができる。

上記の撮像装置において、前記磁石部の前記複数の磁石は、磁石の内径がそれぞれ異なる磁石であることとすることができる。

上記の撮像装置において、前記磁石部の前記複数の磁石は、磁石の外径がそれぞれ異なる磁石であることとすることができる。

上記の撮像装置において、前記磁石部の前記複数の磁石は、磁石の厚さがそれぞれ異なる磁石であることとすることができる。

上記の撮像装置において、前記第２の磁石部を有し、前記第２の磁石部は、その対称軸が前記光軸上に同軸となるように、前記光軸上の光入射側の反対側に前記電子放出源アレイから空間を隔てて配置されかつ、前記電子放出源アレイと対向する円盤形の第２の永久磁石であることとすることができる。

上記の撮像装置において、前記第２の永久磁石は前記光軸上に同軸となる開口を有することとすることができる。

本発明による、光電変換膜と複数の電子放出源がアレイ状に配置された電子放出源アレイと、前記電子放出源アレイの放出電子ビームを集束させるための撮像素子周囲に配置された磁石と撮像素子後部に配置された磁石から構成される撮像素子において、撮像素子周囲に配置してある電子ビームを集束させる磁石が複数個で形成されているので、
本発明により、撮像素子内での磁界分布を均一化させたことより、従来では磁石の内径を大きくしなければ均一磁界を得ることができなかった問題を解決し、電子放出源アレイを用いた撮像装置の小型化を達成できる。

撮像素子周りの円筒形磁石と撮像素子背面の円盤磁石とを用いた場合における、撮像素子周りの磁界分布のシミュレーションを示す線図である。撮像素子周りの円筒形磁石と撮像素子背面の円盤磁石とを用いた場合における、撮像素子周りの磁力線を示す線図である。本発明による実施形態の撮像装置の円筒形の撮像素子の断面図である。本発明による実施形態の撮像装置の撮像素子における電子放出源アレイ及びこれを駆動する回路を含む電子放出源アレイチップと、装置全体を制御するコントローラの構成を示すブロック図である。本発明による実施形態のアクティブ駆動型電子放出源アレイの構造を説明する図であって、電子放出源部分を模式的に示す拡大部分断面図である。本発明による実施形態の撮像装置における撮像素子とその周囲の構成を模式的に示す概略断面図である。本発明による実施形態の撮像装置における撮像装置における撮像素子とその周囲の構成を模式的に示す一部切欠斜視面図である。本発明による実施形態の撮像装置における撮像素子周りの円筒形磁石と撮像素子背面の円盤磁石とを用いた場合における、撮像素子周りの磁界分布のシミュレーションを示す線図である。本発明による実施形態の撮像装置における撮像素子周りの円筒形磁石と撮像素子背面の円盤磁石とを用いた場合における、撮像素子周りの磁力線を示す線図である。本発明による他の実施形態の撮像装置における撮像素子とその周囲の構成を模式的に示す概略断面図である。本発明による他の実施形態の撮像装置における撮像素子とその周囲の構成を模式的に示す概略断面図である。本発明による他の実施形態の撮像装置における撮像素子とその周囲の構成を模式的に示す概略断面図である。本発明による他の実施形態の撮像装置における撮像素子とその周囲の構成を模式的に示す概略断面図である。本発明による他の実施形態の撮像装置における撮像素子とその周囲の構成を模式的に示す概略断面図である。本発明による実施形態の撮像装置における光入射側から撮像素子の光電変換膜を見た様子を示す概略正面図である。

４真空空間
５磁石部
５ｂ第２の磁石部
１０撮像素子
１１光電変換膜
１２透光性導電膜
１３透光性基板
１５メッシュ電極
２０電子放出源アレイ
２２Ｙ走査ドライバ
２３Ｘ走査ドライバ
２４電子放出源アレイチップ
２５サポート
２６コントローラ
３０素子基板
３１電子放出源
３３下部電極
３４電子供給層
３５絶縁体層
３６上部電極
３６ａブリッジ部
３７炭素層
７７素子分離膜
７４ゲート絶縁膜
７５ゲート電極
７２ソース電極
７６ドレイン電極
７０層間絶縁膜
７１コンタクトホール
８０拡大開口空間
９１電子放出部

以下に本発明の実施形態の撮像装置を図面を参照しつつ説明する。なお、実施形態は例示に過ぎずこれらに本発明は制限されないことはいうまでもない。

［撮像装置の撮像素子］
図３、図４及び図5を参照して、撮像装置の撮像素子の一例を説明する。この撮像素子は、光軸（Ｚ方向）に垂直な平面（ＸＹ平面）に複数の電子放出源が配列された電子放出源アレイ２０と、光軸上に空間を隔てて電子放出源アレイ２０に対向して配置された光電変換膜１１を有する透光性基板１３と、を含み、電子放出源を点順次走査して電子を光電変換膜１１へ放出して、透光性基板１３からの光入射により光電変換膜１１上に投影された光学像に対応した電気信号として出力するものである。

図３は、円筒形の撮像素子１０の断面図である。図４は、撮像素子１０の電子放出源アレイ２０及びこれを駆動するＹ走査ドライバ２２、Ｘ走査ドライバ２３を含む電子放出源アレイチップ２４と、素子全体を制御するコントローラ２６の構成を示すブロック図である。図５は、アクティブ駆動型電子放出源アレイを説明するために、シリコン素子基板３０に形成された電子放出源アレイチップの電子放出源３１の部分を拡大して模式的に示す拡大部分断面図である。

図３に示す撮像素子１０において、真空４の内部空間に面した光電変換膜１１は透光性導電膜１２上に形成され、透光性導電膜１２はガラスなどの透光性基板１３上に予め形成されている。

光電変換膜１１は撮影すべき物体からの光を受光する受光部であり、アモルファス・セレン（Ｓｅ）を主成分として構成されているが、他の材料、例えば、シリコン（Ｓｉ）や、酸化鉛（ＰｂＯ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等の化合物半導体などを用いることもできる。

透光性導電膜１２は、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、Ｓｅ−Ａｓ−Ｔｅ、などで形成することができる。透光性導電膜１２には、後述するように、透光性基板１３に設けられた接続端子Ｔ１を介して所定の正電圧が印加される。

透光性基板１３は、撮像素子１０が撮像する波長の光を透過する材料で形成されていればよい。例えば、可視光による撮像を行う場合には可視光を透過するガラス等の材料で形成され、紫外光による撮像の場合には紫外光を透過するサファイア、石英ガラス等の材料で形成されている。また、Ｘ線による撮像の場合には、Ｘ線を透過する材料、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）、シリコン（Ｓｉ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等で形成されていればよい。

光電変換膜１１の透光性導電膜１２側には、透光性導電膜１２から光電変換膜１１への正孔注入を阻止するためのＣｅＯ₂などの正孔注入阻止層を設け、さらに、真空空間側には、光電変換膜１１への電子注入を阻止するためのＳｂ₂Ｓ₃などの電子注入素子層を設けることができる。

真空空間のメッシュ電極１５には、複数の貫通開口が設けられており、公知の金属材料、合金、半導体材料等で形成されている。メッシュ電極１５には接続端子（図示せず）を介して所定の正電圧が印加される。メッシュ電極は、電子加速及び余剰電子回収のために設けられる中間電極である。これにより、電子ビームの方向性を良くして解像度を改善することができる。

電子放出源アレイチップ２４については、後に詳述するが、電子放出源を駆動するＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタのゲート電極はＸ走査ドライバ（水平走査回路）に接続され、ソース電極はＹ走査ドライバ２２（垂直走査回路）に接続され、点順次走査がなされる。Ｙ走査ドライバ及びＸ走査ドライバは電子放出源アレイチップ２４上に電子放出源アレイと一体に、１チップとして構成され、ガラスハウジング１０Ａ内にサポート２５上に設けられている。電子放出源アレイチップ２４の駆動に必要な信号や電圧などはガラスハウジング１０Ａに設けられた接続端子（図示せず）を介して供給される。

これら電子放出源アレイチップ２４と透光性基板１３は、真空空間４を挾み略平行に配置され、フリットガラスまたはインジウムメタルによってシールされた透光性基板１３とガラスハウジング１０Ａ内に真空封入されている。

図４に示すように、電子放出源３１の複数が基板平面（ＸＹ平面）にマトリクス状に配置され電子放出源アレイ２０を構成している。電子放出源アレイ２０及びこれを駆動するＹ走査ドライバ２２、Ｘ走査ドライバ２３を含む電子放出源アレイチップ２４として１チップとして構成されている。なお、コントローラ２６や、後述するその他の回路が当該チップ上に設けられていてもよい。

チップ上面に形成されている電子放出源アレイ２０は、Ｓｉウェハ上に形成した駆動回路ＬＳＩ上に電子放出源アレイを直接積層して一体化したアクティブ駆動型電界放出アレイ（ＦＥＡ：Field Emitter Array）として構成され、点順次スキャンがなされる撮像動作の高速駆動（例えば、１つの電子放出源３１の駆動パルス幅が数１０ｎｓ）に対応することができる。電子放出源アレイ２０は、Ｙ方向（垂直方向）及びＸ方向（水平方向）にそれぞれｎライン及びｍラインの走査駆動線（以下、走査ラインという。）に接続されたｎ行及びｍ列（画素数はｎ×ｍ）からなるマトリクス配列の複数の電子放出源３１から構成されている。

また、電子放出源アレイ２０の電子放出源３１の数は、例えば、1920×1080個であり、１つの電子放出源３１のサイズは20×20μｍ²である。１電子放出源３１の表面部には、電子放出のための開口部である電子放出部９１が設けられている。例えば、１電子放出源３１の8×8μｍ²の領域には、電子放出源の直径が約１μｍである電子放出部９１（１μｍφ）が3×3 個形成されている。１つの電子放出部９１からは、例えば、数マイクロアンペア（μＡ）の電子流が放出される（放出電流密度は、約４Ａ／ｃｍ²）。なお、本実施例において示す数値は単なる例示に過ぎず、撮像素子が用いられる装置、撮像素子の解像度、感度等に応じて、適宜変更して適用することが可能である。

Ｙ走査ドライバ２２及びＸ走査ドライバ２３はコントローラ２６からの垂直同期信号（V-Sync）、水平同期信号（H-Sync）、クロック信号（CLK）等の制御信号に基づいて点順次走査及び電子放出源３１の駆動を行う。すなわち、Ｙ方向に走査ライン（Ｙj，j=1,2,..,n）を順次走査し、ある１つの走査ライン（Ｙkとする）の選択時にＸ方向に走査ライン（Ｘi，i=1,2,..,m）を順次走査して当該走査ライン（Ｙk）上の各電子放出源３１を選択駆動することによって点順次走査を実行する。そして、電子を放出させる電子放出源３１のスイッチングはＭＯＳトランジスタのドレイン電位、すなわち、電子放出源３１の各電子放出源３１の下部電極の電位を走査ラインで制御することによって行われる。

図５は、アクティブ駆動される電子放出源アレイにおける電子放出源３１とそのスイッチングのためＭＯＳトランジスタを説明する図であって、電子放出源アレイチップ２４（図４）の電子放出源３１の部分を拡大してある。シリコン素子基板３０に形成された電子放出源アレイの電子放出源３１は、ＭＯＳトランジスタアレイからなる駆動回路やこれを駆動制御するＹ走査ドライバ及びＸ走査ドライバとを素子基板３０に形成した後、その上部に形成されている。

上部電極３６は、例えばＹ走査ドライバに接続され、それぞれに所定信号が印加される。下部電極３３は例えばＸ走査ドライバに接続され、垂直方向走査パルスに同期してそれぞれに所定信号が印加される。下部電極３３並び上部電極３６の交点が電子放出部９１の配置に対応するので、実施形態の撮像素子においては、下部電極及び上部電極３６により電子放出部９１が順次駆動され、放出電子で近接した光電変換膜領域を走査して、光電変換膜に結像された画像から光電変換された映像信号を得る。

図５に示すように、電子放出源３１は、下部電極３３、電子供給層３４、絶縁体層３５、例えばタングステン（Ｗ）からなる上部電極３６、炭素層３７の積層構造からなるＭＩＳ(Metal Insulator Semiconductor)型の電子放出源である。電子放出源アレイ２０の上部電極３６はラインごと共通になっており、下部電極３３および電子供給層３４を分割して各電子放出源３１を電気的に分離している。電子供給層３４まで絶縁体層３５及び上部電極３６を貫通する凹部９１が電子放出部である。

シリコン素子基板３０には複数のＭＯＳＦＥＴでは、シリコン素子基板３０中に素子分離膜７７が形成されており、これら素子分離膜７７間のシリコン素子基板３０上にゲート絶縁膜７４とポリシリコンからなるゲート電極７５とが形成されている。また、ゲート電極７５と素子分離膜７７とをマスクとしてシリコン素子基板３０に不純物を導入しこれを活性化することで、ソース電極７２とドレイン電極７６とが自己整合的に形成されている。下部電極３３は、層間絶縁膜７０を貫通しているコンタクトホール７１内のタングステンなどの金属を介してドレイン電極７６へ導通している。下部電極３３ごとに電子放出源３１が分離独立して、形成されている。下部電極３３上に、電子供給層３４、絶縁体層３５及び上部電極３６が順に積層されて、凹部として電子放出部９１が形成され炭素層３７で覆われている。電子放出源３１の間は電子供給層３４のエッチングにより除去された拡大開口空間８０で分離されている。電子供給層３４は下部電極３３と同様に電子放出源３１毎に分離独立しているが、上部電極３６のブリッジ部３６ａが、空間上に架設され、隣接する電子放出源３１を電気的に接続している。電子放出部９１の上部電極３６の上に炭素層３７が成膜されている。

［撮像装置の構成及び動作］
次に、撮像装置の動作について説明する。

図３に示す撮像素子１０において、外部からの光が透光性基板１３と透光性導電膜１２を経て光電変換膜１１に入射すると、透光性導電膜１２近傍の膜内部に入射光量に応じた電子・正孔対が生成される。このうち正孔は透光性導電膜１２を介して光電変換膜１１に印加された強い電界によって加速され、光電変換膜１１を構成する原子と次々衝突して新たな電子・正孔対を生み出す。このように、アバランシェ増倍された正孔が光電変換膜１１の電子放出源アレイ２０に対向する側（透光性導電膜１２の反対側）に蓄積され、入射光像に対応した正孔パターンが形成される。その正孔パターンと電子放出源アレイ２０から放出された電子とが結合する際の電流が入射光像に応じた映像信号として透光性導電膜１２から検出される。

図６は、撮像装置における撮像素子１０とその周囲の構成を模式的に示す断面図である。図７は、撮像装置における撮像素子１０とその周囲の構成を模式的に示す一部切欠斜視面図である。

撮像装置は、光軸上の撮像素子１０の周囲を囲む円筒形の磁石部５を含む。撮像素子を囲む円筒形の磁石部５は複数の環状の永久磁石である磁石（光入射側磁石環Ｍ１と基板側磁石環Ｍ２）で構成されており磁力線が光軸と平行に配向するように配置されている。また、光入射側磁石環Ｍ１と基板側磁石環Ｍ２は同一方向に極性を持つように配置している。さらに、磁石環Ｍ１、Ｍ２間には緩衝部Ｂ１が設けられてある。緩衝部Ｂ１はアルミニウム、真鍮、樹脂など非磁性体材料もしくは間隙であり、非磁性体材料であれば、光入射側磁石環Ｍ１と基板側磁石環Ｍ２の固定用部材としてもても構わない。

さらに、撮像素子の背面側には磁石部５とは逆の極性になるように配置された、環状であって緩衝部Ｂ２を備えた第２の磁石部５ｂが設けられてある。かかる第２の緩衝部Ｂ２は単なる貫通開口であるが、当該開口に充填したアルミニウム、真鍮、樹脂など非磁性体材料であってもよい。第２の磁石部５ｂは、その対称軸が光軸上に同軸となるように、光軸上の光入射側の反対側に電子放出源アレイ２０から空間を隔てて配置されかつ、電子放出源アレイ２０と対向する円盤形の第２の永久磁石を用いることができる。

図８に、２つの磁石環の間にアルミニウム緩衝部Ｂ１を有する円筒形磁石部５と撮像素子１０の背面の開口を有する第２の円盤磁石部５ｂとを用いた実施形態における、磁界分布のシミュレーションの実行結果（強さ）を示す。この実施形態では、円筒形磁石部５のアルミニウム緩衝部Ｂ１の入射側から見て奥側に撮像素子１０が配置される点線内の磁界強さが図１に示した従来のもよりも均一であることがわかる。

図９は、図８に示す実施形態の撮像装置における撮像素子周りの磁力線を示す。

図６〜図９に示すように、緩衝部Ｂ１を有する磁石部５は、光電変換膜１１と電子放出源アレイ２０の間の空間において透光性基板１３及び電子放出源アレイ２０の主面それぞれに直交する方向の磁界を形成する、すなわち、磁力線が光軸方向に配向することが判る。図６〜図９から明らかなように、緩衝部Ｂ１すなわち間隙又は非磁性体が光電変換膜１１よりも光軸上の光入射側に設けられていることによって、磁力線が光軸方向に配向することが判る。

また、図８と同様の分布を得るための実施形態の撮像装置の好適な部材の寸法範囲は、図６に示すように、円筒形磁石部５の環内径（半径）Ｒ１が１０〜３５ｍｍ及び環外径（半径）Ｒ２が２０〜４０ｍｍ、円筒形磁石部５の環長Ｌが１５〜２５ｍｍ、円筒形磁石部５の環厚Ｔが５〜１０ｍｍ、緩衝部Ｂ１の環位置が環長の１／２、撮像素子位置（光電変換膜１１の位置）Ｐが円筒形磁石部５の環入射端面から１０〜２０ｍｍである。なお、撮像素子サイズは光学１／２インチ（６．４ｍｍ×４．８ｍｍ）〜光学１インチ（１２．７ｍｍ×９．５２５ｍｍ）であり、磁石部の保磁力は５００〜１５００ｋＡ／ｍである。なお、撮像素子サイズのインチ数は図１５に示すように光電変換膜１１の矩形有効受光面の対角線長（破線）を示す。その結果、従来の磁石（図１）に比べて、この実施形態の磁石部５の内径で５６／９０の減少と、その光軸方向の長さを３４０／４８８の減少を達成し、装置全体の小型化を可能とした。

この撮像装置において、電子放出源アレイ２０と垂直方向の磁力線を持つような空間を複数の磁石環Ｍによって形成することで、電子放出源アレイ２０から広がりを持って放出された電子ビームは、ローレンツ力により磁力線に巻き付くように螺旋を描きながら光電変換膜１１に到達する。なお、光電変換膜１１と電子放出源アレイ２０の中間に配置したメッシュ電極１５に電圧を印加し、電子の速度を調整することで、光電変換膜１１に到達する電子ビームの直径を制御することが可能である。また、集束点はメッシュ電極１５の電圧により複数点形成することが可能である。

以上のように上記撮像装置によれば、筒型の光入射側磁石環Ｍ１と基板側磁石環Ｍ２の間に非磁性体または間隙からなる緩衝部Ｂ１を配置した磁石部５の空洞中央付近に撮像素子１０を配置して、２つの磁石環の中間付近の磁力を低減し、水平方向の磁界の均一性を向上させ、第２の磁石部５ｂの中央に穴（緩衝部Ｂ２）を設けることで、撮像素子１０付近の磁力線が電子放出源アレイ垂直方向と平行になるようにしてある。

このように、本実施形態では、磁石部５においては、複数の磁石Ｍのそれぞれの磁極が光軸に平行な方向に順方向となるようにかつ接触しないように、光軸に平行に配置される。そして、磁石部５の複数の磁石Ｍは、各々がその対称軸に沿った空洞を画定し、透光性基板及び電子放出源アレイを空洞内の中央に収納する光軸上に同軸に整列されるのである。

上記のような構成をとることで、電子放出源３１からの電子ビームを面内バラつき無く、拡散しようとする磁力線を空洞の中心部へ導き、その中央付近に配置してある撮像素子１０近傍の磁界を均一にし、磁力線が電子放出源アレイ２０と垂直方向になるように集束させることが可能となる。

［他の実施形態の撮像装置］
上記実施形態では、磁石部５を２つの磁石環を磁極を揃え重ねたが、図１０に示すように、さらに例えば７つの磁石環Ｍを磁極を揃え重ねて磁石部５を構成することもでき、多くの磁石環がそれぞれの磁極が光軸に平行な方向に順方向となるようにすれば、同様の効果が得られる。複数のリング状磁石Ｍと非磁性体Ｂを交互に積層することでも、同様な効果を得ることができるのである。

また、図１１に示すように、他の実施形態の撮像装置において、磁石部５の複数例えば７個の磁石環Ｍ（例えばそれぞれ光軸方向厚さ２ｍｍ）の７個を緩衝部Ｂ（光軸方向厚さ１ｍｍ）と交互に積層して、その内径（例えば光入射側からの磁石環の内側半分径を順にＲ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１５として、Ｒ１１＝１３ｍｍ、Ｒ１２＝１５ｍｍ、Ｒ１３＝２０ｍｍ、Ｒ１４＝２５ｍｍ、Ｒ１５＝３０ｍｍ）をそれぞれ異なるように構成としてもよい。

さらに、図１２に示すように、他の実施形態の撮像装置において、磁石部５を例えば７個の磁石環Ｍ（例えばそれぞれ光軸方向厚さ２ｍｍ）の７個を緩衝部Ｂ（光軸方向厚さ１ｍｍ）で交互に積層して、その外径（例えば光入射側からの磁石環の内側半分径を順にＲ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ２４として、Ｒ２１＝４０ｍｍ、Ｒ２２＝３９ｍｍ、Ｒ２３＝３８ｍｍ、Ｒ２４＝３７ｍｍ）をそれぞれ異なるように構成としてもよい。

また、図１３に示すように、他の実施形態の撮像装置において、複数の円筒形の磁石環を一つの構造体とし、同軸として内外径に変化をつけることでも同様な効果を得ることもできる。すなわち、電子放出源アレイの形状に合わせて、磁石部５を形成することも可能である。

また、図１４に示すように、他の実施形態の撮像装置において、光入射側から磁石環Ｍの厚み（例えば光入射側からの磁石環の厚みを順にＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６として、Ｌ１＝１ｍｍ、Ｌ２＝２ｍｍ、Ｌ３＝３ｍｍ、Ｌ４＝４ｍｍ、Ｌ５＝３ｍｍ、Ｌ６＝１ｍｍ）を変化させ、複数のリング状磁石Ｍと非磁性体Ｂ（光軸方向厚さ１ｍｍ）を交互に積層することでも、同様な効果を得ることができる。すなわち、他の実施形態の撮像装置において、磁石部５の複数の磁石環は、磁石の厚さがそれぞれ異なる磁石としてもよい。

さらには、磁石の内外形に変化をもたせるだけでなく、磁力の強度の異なる種類の磁石を配置することにより同様な効果を得ることが可能である。すなわち、他の実施形態の撮像装置において、磁石部５の複数の磁石環は、保磁力がそれぞれ異なる磁石としてもよい。

上記いずれの実施形態について、撮像素子１０周囲の筒形磁石部５は円筒形や円盤に限らず、撮像素子１０の撮像エリアに即して、長方形や正方形の矩形断面形状とすることができ、開口部も同様に矩形としても、上記実施形態と同様な効果を奏する。また、上記いずれの実施形態について、図には示さないが上記撮像装置は周囲に漏えい磁界を減少させるための防磁機構を備えている。

上記いずれの実施形態について、電子放出源アレイとして、電子供給層まで絶縁体層及び上部電極を貫通する凹部に炭素層を被覆した電子放出部の複数をマトリクス配置したものを説明しているが、本発明はこれには限定されず、いわゆる、Ｓｐｉｎｄｔ型電子放出源マトリックスアレイなど、他の平面タイプの電子放出源アレイを用いた撮像装置に適用できる。

上記実施形態において撮像装置について説明したが、本発明における電子放出源アレイの電子走行部の磁束の均一性向上構造は、平面型の表示デバイスや描画装置として応用することができる。

Claims

光軸に垂直な平面に複数の電子放出源が配列された電子放出源アレイと、前記光軸上に空間を隔てて前記電子放出源アレイに対向して配置された光電変換膜を有する透光性基板と、を含み、前記電子放出源を点順次走査して電子を前記光電変換膜へ放出して、前記透光性基板からの光入射により前記光電変換膜上に投影された光学像に対応した電気信号として出力する撮像装置であって、
前記空間において前記透光性基板及び電子放出源アレイの主面それぞれに直交する方向の磁界を形成する第１の磁石部を有し、前記第１の磁石部は、それぞれの磁極が前記光軸に平行な方向に順方向となりかつ、それぞれが接触しないように、前記光軸に平行に配置された複数の磁石からなること、並びに、
第２の磁石部を更に有し、前記第２の磁石部は、その対称軸が前記光軸上に同軸となるように、前記光軸上の光入射側の反対側に前記電子放出源アレイから空間を隔てて配置されかつ、前記電子放出源アレイと対向する円盤形の第２の永久磁石であり、前記第２の永久磁石は前記光軸上に同軸となる開口を有することを特徴とする撮像装置。
前記第１の磁石部の前記複数の磁石は、各々がその対称軸に沿った空洞を画定し、前記透光性基板及び前記電子放出源アレイを前記空洞内の中央に収納する前記光軸上に同軸に整列された筒型の複数の永久磁石であることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記第１の磁石部の前記複数の磁石において、互いに隣り合う同士の間に間隙又は非磁性体が設けられていることを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
前記間隙又は非磁性体は前記光電変換膜よりも前記光入射側に設けられていることを特徴とする請求項３記載の撮像装置。
前記第１の磁石部の前記複数の磁石は、保磁力がそれぞれ異なる磁石であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１記載の撮像装置。
前記第１の磁石部の前記複数の磁石は、磁石の内径がそれぞれ異なる磁石であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１記載の撮像装置。
前記第１の磁石部の前記複数の磁石は、磁石の外径がそれぞれ異なる磁石であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１記載の撮像装置。
前記第１の磁石部の前記複数の磁石は、磁石の厚さがそれぞれ異なる磁石であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１記載の撮像装置。