JPH0775407B2 - 撮像デバイス - Google Patents

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、山
下:NHK技研月報、Vol.24,No.1,1981）。なお、第６図
中、（２）は光電面、（９）は電極、（10）は絶縁物、
（12b）（12c）は凹面ファイバープレート、（11）は螢
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
（井上、相原：イメージインテンシファイヤ付きカルニ
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（山本：ファイバープ
レート付きニュービコン、National Technical Report,
Vol.25,No.2,1979）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Vol.36,No.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（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IC
CD（Intensified Charge Coupled 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.
Lowrance et al.,ICCD Development at Princeton Adv.
E.E.P.,Vol.52,p.p.441〜452,1979）。

「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、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（12
c）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（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、通常用いる厚さ５
〜10mm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管による像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に
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CCD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CCD感光面部（７）に、イメージ管（1
3）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、高操作性を得ようとする撮像デバイスにおいて、厚
さ0.5〜1.5mm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」 本発明による撮像デバイスは、光電面に結像した入力画
像を電子増倍して螢光体層の螢光面に再生するイメージ
・インテンシファイアと、このイメージ・インテンシフ
ァイア内に封入して一体に結合し、前記螢光体層の螢光
面の再生画像を受光する感光層を有する固体撮像素子と
を具備してなり、前記固体撮像素子の感光層の受光面に
ファイバープレートを介して前記イメージ・インテンシ
ファイアの螢光体層を積層固着してなることを特徴とす
るものである。

「作用」 イメージ・インテンシファイアの光電面に結像した入力
画像は、光電面と螢光体層の間に印加した高い直流電圧
で電子増倍されて螢光体層の螢光面に再生される。すな
わち、被写体の撮像画像は光電面上に結像し、この光電
面から撮像画像の明暗に応じた光電子が放出し、高い直
流電圧で加速され、螢光体層に衝突して螢光体を発光す
る。

螢光体層の螢光面に再生した画像は、ファイバープレー
ト（例えば0.5〜1.5mmの極薄のファイバープレート）を
介して固体撮像素子の感光層に伝達され、固体撮像素子
の動作によって映像出力信号が得られる。

このように、イメージ・インテンシファイアの螢光面上
の輝度増倍された画像が、ほとんど損失なく固体撮像素
子側に伝達されるので、イメージ・インテンシファイア
内の真空を保持するのに必要な厚さ（例えば5mm以上）
を有するファイバープレートを必要とした従来例におけ
るような画質劣化がなく、高感度化が行なえる。

「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（12a）の代りに0.5〜1.5mm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0.5〜1.5mm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、薄い
ファイバープレート（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、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け難いため、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、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（11）との間にMC
P（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MCP（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。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1000V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、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妨げる、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、（1
5）……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。

フロントページの続き (72)発明者 菅原 正幸 東京都世田谷区砧１丁目10番11号 日本放 送協会放送技術研究所内 (72)発明者 安藤 孝 東京都渋谷区神南２丁目２番１号 日本放 送協会放送センター内 (72)発明者 立野 眞純 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 渡瀬 泰志 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 伊熊 利男 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 加藤 和正 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松ホ トニクス株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−83717（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−10584（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−10585（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−173966（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光電面に結像した入力画像を電子増倍して
   螢光体層の螢光面に再生するイメージ・インテンシファ
   イアと、このイメージ・インテンシファイア内に封入し
   て一体に結合し、前記螢光体層の螢光面の再生画像を受
   光する感光層を有する固体撮像素子とを具備してなり、
   前記固体撮像素子の感光層の受光面にファイバープレー
   トを介して前記イメージ・インテンシファイアの螢光体
   層を積層固着してなることを特徴とする撮像デバイス。
2. 【請求項２】イメージ・インテンシファイアはマイクロ
   チャンネル・プレートを具備してなる請求項（１）記載
   の撮像デバイス。
3. 【請求項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
   請求項（１）または（２）記載の撮像デバイス。