JPH01290384A

JPH01290384A - 撮像デバイス

Info

Publication number: JPH01290384A
Application number: JP63120179A
Authority: JP
Inventors: Tatsuro Kawamura; 河村　達郎; Fumihiko Ando; 文彦安藤; Masayuki Sugawara; 正幸菅原; Takashi Ando; 孝安藤; Masumi Tateno; 立野　眞純; Yasushi Watase; 渡瀬　泰志; Toshio Ikuma; 伊熊　利男; Kazumasa Kato; 和正加藤
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK; Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK; Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1988-05-17
Filing date: 1988-05-17
Publication date: 1989-11-22
Anticipated expiration: 2010-08-09
Also published as: EP0342954A2; EP0342954A3; US4974090A; DE68911029D1; JPH0775408B2; EP0342954B1; DE68911029T2

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
ｃｉｌ、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、相反：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　Ｔｅｃｈ
ｎｉｃａｌ　Ｒｅｐｏｒｔ、Ｖｏｌ、、２５．Ｎｎ２，
１９７９）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、柳
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ＶＱ１．３６．Ｎ［Ｌ３，１９
８２）、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、Ｍ　ＣＰ　（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
（１６）を用いるほうが便利である。なお、第８図中、
（８ａ）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　（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ　Ｃｈａｒ
ｇｅＣｏｕｐｌｅｄ　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、Ｌｏｗｒａｎｃｅａｔ　ａｌ、、ＩＣＣＤ　Ｄ
ｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｔ　Ｐｒ１ｎｃａｔｏｎ　Ａ
ｄｖ、Ｅ、Ｅ。

Ｐ、、Ｖｏｌ、５２．ｐ、ｐ、４４１−４５２．１９７
９）。

「発明が解決しようとする課題」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５．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）−
（１２ａ）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、同時につぎのよ
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１通常用いる厚さ５〜
１０＋ｍのものでは透過率は７部前後であり、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、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。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ＣＣＤ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
感度撮像デバイスを得ようとする撮像デバイスにおいて
、画質劣化の要因であるファイバープレートを除去する
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した撮像デバイ
スを提供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
素子上に薄い透明ガラス層を形成し、その上に前記イメ
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、透明ガラス層を通して
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（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ファイバープレート（
１２ａ）を使用せず、ＩＩ管（１６）と固体撮像素子（
８）を一体化してＩｆ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、第１１図に示すように
まず固体撮像素子（８）の感光層（７）に液状の水ガラ
ス、またはゾルゲルガラスを盛って、放置または適当な
過熱処理で硬化させる。硬化した透明ガラス層を光学研
磨により厚さ５０ミクロン以下にまで研磨して平滑なガ
ラスＪｔｊ（６）とする。この厚さは、透明ガラス層（
６）における像散乱を防止するため感光面の凹凸をガラ
スで埋め込み、かつガラスの平滑面が得られる程度に極
力薄いことが望ましい。なお、（５）は蛍光体層。

（２０）はボンディングワイヤである。また、第１２図
に示すように、液状のガラスではなく通常の板状ガラス
（２工）を用いる場合は、固体撮像素子（８）とパッケ
ージ（８ａ）の間を配線するボンディングワイヤが邪魔
となるので、これの代りとなる導体（２２）を板状ガラ
ス（２１）の下面に接着して用いればよい。

このとき、固体撮像素子（８）の感光面とガラス（２１
）の下面の間に隙間（２３）ができるが、導体（２２）
の厚さを１ミクロン程度とすれば問題はない、さらに、
第１３図に示すように固体撮像素子（８）の感光部の上
部に当たる部分をくり抜いた板状ガラス（２１）を接着
後に、液状の水ガラス或いは、ゾルゲルガラス（６）を
充填して硬化させれば前記隙間（２３）を埋めることが
できる。固体撮像素子（８）の表面は、一般にその製作
プロセス後凹凸があるので、その段差が蛍光体塗布法や
その後の特性に悪影響を及ぼす場合には平滑化する必要
があり、このガラス層（６）はその凹凸を埋め込み、か
つガラス層（６）の表面を研磨して平滑化、することに
よって、固体撮像素子（８）の表面と蛍光体層（５）の
間に起こり得る相互影響を防ぐ役割も果たす。この透明
ガラス層（６）の表面に蛍光体層（５）を形成し、さら
にその上に、第１図に示すように蛍光体層（５）の発光
が光電面（２）側に漏れないようにメタルバックＲ（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Ｊ
Ｐｊ（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、透明
ガラス層（６）と蛍光面（１１）の間には、必要ならば
、蛍光体Ｍ（５５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、また前記反射防止層（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）上に透明ガラス層（６
）または（２１）を介して直接蛍光面部（１１）を形成
したものを一体として、第１図に示すように、通常のＩ
Ｉ管（１６）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、１工型固体撮像素
子としたものである。近接型ＩＩ管（１６）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、反射
防止層（３）とメタルバック層（４）を通過して、蛍光
体Ｗｊ（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、透明ガラス
層（６）または（２１）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ＩＩ管（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７画像歪みを軽減するため、
ＩＩ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大きい。これ
を平面ガラス面板に変えると、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３ＴＩ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（１１
）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　（１７
）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。Ｍ　ＣＰ　（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、Ｍ　ＣＰ　（１７）の挿入により数万倍以上の微増
倍変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」従来技術の欠点、問題点の解決の鍵は、ＩＩ管と固体撮
像素子の結合用として用いたファイバープレートの除去
にあった。本発明ではこれを、固体撮像素子をファイバ
ープレートを介さず、直接ＩＩ管内に封じ込む方法によ
って行い、かつＩＩ管の光電面製作時および真空中での
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、固体撮像素子上に透明ガラス層を積
層することによって防ぐことを実施した。

このファイバープレートの除去により、（１）７フイパ
ープレートの光学透過率は７０％前後なので、２枚使用
による損失がなくなると感度が約２倍になる。

（２）解像度劣化やビート、モアレ発生などがなくなる
。

（３）ファイバープレートのマルチファイバー、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、
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なくなり、画像品位が大幅に改
善される。

（４）高価なファイバープレートを使わずに済み。

経済性が向上する。

（５）蛍光体層で輝度増倍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、第１１図、
第１２図および第１３図はそれぞれ本発明による撮像デ
バイスの異なる例の断面図である。（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）・・・透明ガラスＪｎ
、　（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）　（１
，２ｄ）−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

【特許請求の範囲】

（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透明ガラス層を形成し、その上
に前記イメージ・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）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）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。