JPH01290383A - 撮像デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明はテレビジョンカメラ用撮像デバイスなどのイメ
ージセンサに係わるもので、特に電子像増強を行なって
、きわめて暗い被写体でも撮像を可能とした高感度の撮
像デバイスに関するものである。

「従来の技術」 従来、撮像デバイスの高感度化を図る方法として、撮像
素子の感光面の前にイメージ・インテンシファイヤ管（
以下ＩＩ管という）を配置してなるものがある。すなわ
ち、撮像しようとする被写体をＩＩ管によって輝度増強
し、これを撮像デバイスの入力像とすることで高感度化
を行うものである。そのためには、ＩＩ管の出力像を撮
像デバイスの感光面まで正しく伝達する必要があり、こ
の目的のため通常ＩＩ管の出力面と撮像デバイスの入力
面にそれぞれファイバープレートを用いている。例えば
第６図に示す電界（集束）型ＩＩ管（１３）と、ファイ
バープレート（１２ａ）を受光面に用いた光導電蓄積型
撮像管（例えばサチコン）（１５）とを結合したものを
用いたカラーテレビジョンカメラでは、通常のカラーテ
レビジョンカメラより１０〜１５倍の高感度が得られて
いる（大西、白下：ＮＨＫ技研月報、Ｖｏ１．２４．Ｎ
α１．’１９８１）。なお、第６図中、（２）は光電面
、（９）は電極、（１０）は絶縁物、（１２ｂ）　（１
２ｃ）は凹面ファイバープレート、　（１１）は蛍光面
、（１４）は光導電面である。また、感光層の材料が異
なるが同じ光導電型撮像管のカルニコンと結合した例（
弁上、相加：イメージインテンシファイヤ付き力ルニコ
ンの撮像特性、１９８４年テレビ学会全大予稿集２−２
）、ニュービコンと結合した例（山水：ファイバープレ
ート付きニュービコン、Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎ
ｉｃａｌ　Ｒｅｐｏｒｔ、Ｖｏｌ、２５．Ｎｃｉ２．１
９７９）などがある。さらに、第７図に示すように近接
（集束）型ＩＩ管（１６）を用いて、高感度化に加え小
型化と画像の歪みの除去を図った例もある（河村、Ｉａ
沢：近接型光電面技術の開発とイメージインテンシファ
イヤへの応用、テレビ誌Ｖｏ１．３６．魔３．１９８２
）、なお、第７図中、（２ｄ）はファイバープレート、
（１）はフェースプレートである。また、（３）は反射
防止層、（４）はメタルバック層、（５）と蛍光体層で
、これらにより蛍光面（１１）を構成している。その他
第６図と同一部分は同一符号とする。

一層の高感度化を図る場合は、ＩＩ管を多段結合とする
もの、あるいは、ＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート
）を内蔵して電子像増強を行うＩＩ管を用いるものなど
の例がある。このような手法は、その応用として、固体
撮像素子の高感度化を図る場合にも適用できる。例えば
第８図のように、固体撮像素子（８）の感光層（７）の
前面にファイバープレート（１２ａ）を密着して貼り付
け、これに、ＩＩ管（１６）を結合する方法である。こ
の場合、第６図に示した電界型ＩＩ管（１３）との結合
も考えられるが、固体撮像素子が小形で、無歪みである
という特長を生かすためには、画像歪みの生じやすい電
界型ＩＩ管（１３）より、歪みのない近接型ＩＩ管（１
６）を用いるほうが便利である。なお、第８図中、（８
ａ）は固体撮像素子用パッケージである。

つぎに、本発明と類似した形として、第９図に示すよう
に光電面（２）を有するイメージ管（１３）にＣＣＤの
ような固体撮像素子（８）を封じ込む例がある。この例
はＩ　ＣＣＤ　（Ｉｎｔｓｎｓｉｆｉｅｄ　Ｃｈａｒｇ
ｅ　Ｃ。

ｕｐｌｓｄ　Ｄｅｖｉｃｅｓ）と称するもので２０ｋＶ
の加速電圧によって２５００倍の高感度が得られるとし
ているが。

まだ、実用化されたものではない（Ｊ、ｌ、ｌＯｗｒａ
ｎｃａａｔ　ａｌ、、ＩＣＣＤ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎ
ｔ　ａｔ　Ｐｒ１ｎｃｅｔｏｎ　Ａｄｖ、Ｅ、Ｅ。

Ｐ、　、Ｖｏｌ、５２．ｐ、ｐ、４４１−４５２．１９
７９）。

「発明が解決しようとする課厘」 ＩＩ管を付加することによって撮像デバイスの高感度化
を図るための従来の技術においては、前述の如く、結像
されたＩＩ管の出力像を何らかの手段で、撮像デバイス
の感光面上に光学的に正しく移すことが必須の条件であ
る。このため第６図、第７図および第８図に示すように
、ＩＩ管と撮像デバイスの結合用として、基本的には、
ＩＩ管（１３）または（１６）の出力側用ファイバープ
レート（１２ｃ）または（１２ｄ）と、撮像デバイス（
１５）または（８）の入力側用ファイバープレート（１
２ａ）の少なくとも２枚を必要とする。これらのファイ
バープレート（１２ａ）（１２ｃ）（１２ｄ）の使用は
結果として得られる画像の画質を、ファイバープレート
の有する特性に起因して著しく劣化させる。ファイバー
プレートは、多数のオプティカルガラスファイバー（光
学ガラス繊維）を束ねて板状に加工したものであり、入
力面上の光学像を少ない光学損失で出力面上に移すとい
う優れた特性をもって入るが、同時にっぎのようないく
つかの欠点がある。

（１）光学損失が少ないとはいえ、通常用いる厚さ５〜
１ｏｒ＠のものでは透過率は７０％前後であり、ファイ
バープレートを２枚使えば、総合透過率は５０％前後と
なって、ＩＩ管による微増強度は半分になる。

（２）ファイバープレートによる像の伝達では、個々の
オプティカルファイバーによるサンプリングがあり、解
像度劣化が生ずる。さらに２枚を組み合わせる場合は、
ビートやモアレの様な像の干渉も起る。

（３）ファイバープレート製作中に生じるいくつかの光
学的欠陥がある。すなわち１個々のファイバーの断線や
失透により光が伝達されない部分を生じたり、ファイバ
ーの構造上存在する吸収体の偏在による傷、あるいは、
ファイバーをある程度まとめてマルチファイバーとし、
それをさらに束ねるときに生ずるブロックライン、また
はチキンワイヤと呼ばれるむら、マルチファイバーのね
じれやずれによって生ずる歪、各マルチファイバー間の
透過率に差によって生ずるシェーディングなど、これら
の多くの光学的欠陥はいずれも得られる画像の品質を劣
化させる。

（４）これらの光学的欠陥は、良質のファイバープレー
トを選択すれば、ある程度は避けられるが、逆に歩留り
が悪くかつきわめて高価なものとなる。

上述のように、ＩＩ管と撮像デバイスのファイバー結合
により高感度化を行う従来技術では、ファイバープレー
トの有する欠点から、感度損失、解像度劣化、画面での
キズやむらの発生があり。

この画質劣化を如何に解決するかが最大の問題点である
。

この一つの解決策として、例えば第１０図に示すように
、ＩＩ管（１６）の出力面ファイバー（１２ｄ）を結合
しようとする固体撮像素子（８）に接着剤によって貼り
付ける方法を取り、ファイバープレートを１枚減らす実
験を試みたところ、従来（第７図または第８図）のよう
に２枚（１２ａ）（１２ｄ）を用いる方法より画質の改
善効果があることを確かめたが、まだ十分ではなかった
８また。撮像デバイスとして撮像管を用いようとすると
きには、製作上から見てこの手法はとり難い。

その改良を試みた一例として、すでに第９図に示したよ
うに光電面（２）を有するイメージ管（１３）にＣＯＤ
のような固体撮像素子（８）を封じ込む方法があるがま
だ実用化されていない。この原因として、イメージ管（
１３）内に封じ込まれたＣＯＤ感光面部（７）に、イメ
ージ管（１３）の真空排気中における光電面製作時のア
ルカリ金属が付着することにより、直接的には解像度低
下あるいは徐々にＣＯＤの性能が劣化し、実験的なデー
タ程度は得られるとしても、動作寿命が短く実用化に至
らないものと考えられる。

本発明は、ＩＩ管と固体撮像素子を結合、一体化して高
感度、高操作性を得ようとする撮像デバイスにおいて、
厚さ０．５〜１．５ｍの極力薄いファイバープレートを
使用することにより、ファイバープレートによる画質劣
化を最小限に抑えるとともに、ＩＩ管内に固体撮像素子
を封じ込んだ場合に生ずるアルカリ金属付着の悪影響を
防止することを目的とするものである。

「課題を解決するための手段」 この目的を達成するため本発明の撮像デバイスは、光電
面を備えた光電面部と、蛍光体層に固体撮像素子を組み
合わせた蛍光面部とを基本構成要素とするイメージ・イ
ンテンシファイヤ管付撮像デバイスにおいて、前記固体
撮像素子上に、薄いファイバープレートを介在して前記
イメージ・インテンシファイヤ用の前記蛍光体層を積層
したことを特徴とするものである。

「作用」 被写体は光電面部の光電面上に結像され、この光電面か
らは入力像の明暗に応じて光電子が放出されるが、きわ
めて間隔の狭い光電面部と蛍光面部の間で高い直流電圧
で加速され、いわゆる近接集束の状態で、蛍光体層に入
射し蛍光体を発光させる。

蛍光体層で輝度増倍させた像は、薄いファイバープレー
トを通して固体撮像素子の感光層に入射し、固体撮像素
子の動作によって映像出力信号が得られることになる。

このように蛍光体層で輝度増倍された像がほとんど損失
なく固体撮像素子側に伝達できるので、ファイバープレ
ート使用による従来のような画質劣化がなく、高感度化
が行える。

「実施例」 以下、本発明による実施例を図面に基づき説明する。

実施例１ 本発明の基本的な構成と第１実施例を第１図に示す。本
発明は第１図から明らかなように従来の厚いファイバー
プレート（１，２ａ）の代りに０．５〜１．５ｍの極め
て薄いファイバープレート（６）を固体撮像素子（８）
に接着し、それとＩＩ管（１６）を一体化してＩＩ型固
体撮像素子としたものである。図に従って構成を説明す
ると、まず固体撮像素子（８）の感光層（７）に０．５
〜１．５ａｍの厚さの極めて薄いファイバープレート（
６）を固着する。この固着のとき接着剤を用いると、固
体撮像素子（８）をＩＩ管（１６）に封じ込んだときに
、この接着剤が蛍光面（１１）上などに付着して悪影響
を及ぼす、そこで、薄いファイバープレート（６）の周
辺部を金属製のキャップ（６ａ）により押え、このキャ
ップ（６ａ）を固体撮像素子（８）のパッケージ（８ａ
）のフランジ（８ｂ）に溶接することにより、薄いファ
イバープレート（６）を固体撮像素子（８）に密着させ
て固定する。このとき、薄いファイバープレート（６）
と固体撮像素子感光層（７）の間にできる隙間は、薄い
ファイバープレート（６）の固体撮像素子（８）側が十
分に平滑化されていれば問題とならない、この薄いファ
イバープレート（６）の表面に蛍光体層（５）を形成し
、さらにその上に、蛍光体層（５）の発光が光電面（２
）側に漏れないようにメタルバック層（４）を形成する
。

このメタルバック層（４）上には、光電面（２）を透過
してくる入射光が反射して再び光電面（２）に戻ること
で生ずるフレア現象を軽減するため反射防止層（３）を
設けることが望ましい。これら蛍光体層（５）、メタル
バック層（４）および反射防止層（３）によって蛍光面
（１１）が形成される。なお、？ａいファイバーフレー
ト（６）と蛍光面（１１）の間には、必要ならば、蛍光
体層（５）の発光スペクトル特性と固体撮像素子（８）
の感光層（７）の分光波長特性を適合させるための光学
的フィルター層（図示せず）を設けることも望ましい構
成である。

ここで前記メタルバック層（４）は、例えばアルミニウ
ムの高真空蒸着によって、また前記反射防止ＷＩ（３）
は例えばアルミニウムのアルゴンガス中での低真空蒸着
によって形成することができるもので周知の技術である
。

このように、固体撮像素子（８）上に薄いファイバープ
レート（６）を介して直接蛍光面部（１１）を形成した
ものを一体として、通常のＩＩ管の蛍光面に置き換え、
真空排気しつつ光電面（２）を形成した後真空封止して
、ＩＩ型固体撮像素子としたものである。近接型ＩＩ管
での光電面製作は、本願発明者らの開発した近接型光電
面製作技術を用いることによって容易に達成できる（特
公昭５３−３５４１１号参照）。

つぎに、第１図の撮像デバイスの動作を説明する。

被写体は光電面（２）上に結像され、この光電面（２）
からは入力像の明暗に応じて光電子が放出され、きわめ
て間隔の狭い光電面（２）と蛍光面（１１）の間で高い
直流電圧で加速され、いわゆる近接集束の状態で１反射
防止層（３）とメタルバック層（４）を通過して、蛍光
体層（５）に入射し蛍光体層（５）を発光させる。

この蛍光体層（５）で輝度増強された像は、薄いファイ
バープレート（６）を通して固体撮像素子（８）の感光
層（７）に伝達され、この固体撮像素子（８）の動作に
よって映像出力信号が得られることになる。

このように蛍光体層（５）で輝度増強された像が最小限
の損失で固体撮像素子（８）側に伝達できるので、従来
の厚いファイバープレート２枚使う方式よりも画質劣化
が少なく、高感度化が行える。

実施例２ 本発明の第２実施例は、第２図に示すような電界型ＩＩ
管（１３）に固体撮像素子（８）を組み合わせる形で実
現したものである。この電界型ｌｌ９（１３）の組合わ
せで得られる画像は、特に周辺の歪みの発生が避は難い
ため、無歪みの特長を有する固体撮像素子（８）との組
み合わせは適切とはいえず、また形状も大きくなって好
ましい例とはいえない。

しかし、製作方法は第１実施例より容易である。

また、この第２図の例では、画像歪みを軽減するため、
１丁管（１３）の入力面として凹面のファイバープレー
ト（１２ｂ）を用いているため画質劣化が太きい。これ
を平面ガラス面板に変えると１画像歪みが大きくなるこ
とになり実用性はさらに低くなるが、画質は良好となる
。

実施例３ ＩＩ型固体撮像素子（８）に、２次元像増倍素子として
知られるマイクロチャンネルプレート（以下ＭＣＰとい
う）　（１７）を挿入して、超高感度とした例を第３図
および第４図に示す。このうち、第３図は、第１図の近
接型ＩＩ管（１６）における光電面（２）と蛍光面（１
１）との間にＭ　ＣＰ　（１７）を挿入した例を示し、
また、第４図は第２図の電界型ＩＩ管（１３）における
光電面（２）と蛍光面（１１）との間にＭ　ＣＰ　（１
７）を挿入した例を示している。これらの例において、
画像歪みの点を考慮すれば第３図の近接型ＩＩ管（１６
）の場合が好ましい、ＭＣＰ（１７）の増倍度は、その
入出力端子間に印加する電圧により可変できるが、一般
に１ｏｏｏｖに対して１００００倍前後の増倍度があり
、さらに蛍光体層（５）における輝度増倍が加わるので
、ＭＣＰ（１７）の挿入により数万倍以上の像増倍度が
得られる超高感度素子となる。

実施例４ 固体撮像素子としては、第５図に示すように走査機能を
有する固体素子上に例えばアモルファスシリコンなどの
光導電体層（１８）を積層した、いわゆる積層型固体撮
像素子（１９）を用いることもできる。

「発明の効果」 従来技術において画質劣化の原因は、ＩＩ管と固体撮像
素子の結合用として用いた何枚かの厚いファイバープレ
ートにあった。本発明では、固体撮像素子を極力薄いフ
ァイバープレートを介して蛍光面と結合したものを直接
ＩＩ管内に封じ込むことにより画質劣化を最小限に抑え
、かつＩＩ管の光電面製作時および真空中で光電面と共
存する場合に生ずるアルカリ金属付着による特性劣化の
影響を、このファイバープレートによって防ぐようにし
た。そして、ファイバープレートを薄くしたことにより
、 （１）ファイバープレートの光学透過率による損失はほ
とんど無視できるほど少なくなり、ＩＩ管により輝度増
強を損失なく生かせる。

（２）ビート、モアレ発生などがなくなる。

（３）ファイバープレートが薄くなるので、マルチファ
イバー、吸収体など、構造からくる本質的な固定パター
ンによるむら１個々のファイバーの断線、失透、透過率
の差による欠陥むらやシェーディングが少なくなり、画
像品位が大幅に改善される。

（４）厚いファイバープレートを使わないので歩どまり
がよくなり、経済性が向上する。

（５）蛍光体層で輝度増強された光学像を固体撮像素子
の入力像とするため、蛍光体での輝度飽和効果によって
、強烈な光、いわゆるハイライトが入射したときにも、
固体撮像素子でのブルーミングやスミアなどの好ましく
ない現象の発生を防げる。

など大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による撮像デバイスの第１の実施例の構
成を示す図、第２図は本発明の第２の実施例の構成を示
す図、第３図および第４図はそれぞれ本発明の第３の実
施例の構成を示す図、第５図は本発明の第４の実施例の
構成を示す図、第６図、第７図、第８図、第９図および
第１０図は、それぞれ従来の構成を示す図である。 （１）・・フェースプレート、（２）・・・光電面、（
３）・・・反射防止層、（４）・・・メタルバック層、
（５）・・・蛍光体層。 （６）・・・薄いファイバープレート、（６ａ）・・・
金属製のキャップ、（７）・・・固体撮像素子感光層、
（８）・・・固体撮像素子、（８ａ）・・・固体撮像素
子用パッケージ、（８ｂ）・・・フランジ、（９）・・
電極、（１０）・・・絶縁物、　（１１）・・・蛍光面
、（１２）　（１２ａ）　（１２ｂ）　（１２ｃ）　（
１２ｄ）−ファイバープレート、（１３）・・・電界型
ＩＩ管、（１４）・・・光導電面、（１５）・・・ファ
イバープレート付き撮像管（サチコン）、（１６）・・
・近接型ＩＩ管、　（１７）・・・ＭＣＰ、（１８）・
・・光導電体層、（１９）・・・積層型固体撮像素子。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光電面を備えた光電面部と、蛍光体層に固体撮像
   素子を組合せた蛍光面部とを基本構成要素とするイメー
   ジ・インテンシファイヤ管付撮像デバイスにおいて、前
   記固体撮像素子上に、薄いファイバープレートを介在し
   て前記イメージ・インテンシファイヤ用蛍光体層を積層
   してなることを特徴とする撮像デバイス。
2. （２）イメージ・インテンシファイヤ管はマイクロチャ
   ンネル・プレートを有するものからなることを特徴とす
   る請求項（１）記載の撮像デバイス。
3. （３）固体撮像素子は、走査機能を有する固体素子に光
   導電体層を積層した積層型固体撮像素子からなることを
   特徴とする請求項（１）または（２）記載の撮像デバイ
   ス。