JPH08228313A

JPH08228313A - 撮像装置

Info

Publication number: JPH08228313A
Application number: JP7032577A
Authority: JP
Inventors: Takuma Yamamoto; 琢磨山本; Nobuyuki Nakagiri; 伸行中桐
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-02-21
Filing date: 1995-02-21
Publication date: 1996-09-03

Abstract

(57)【要約】【目的】分解能を高くする。【構成】互いに電気的に独立な複数の電荷蓄積部１ｃ
を有する電荷蓄積層１ｇと、電荷蓄積層１ｇの両面に配
置された２つの光導電体層１ｂ、１ｅと、２つの光導電
体層１ｂ、１ｅの電荷蓄積層１ｇが配置されていないそ
れぞれの面に配置される電荷読み出し側電極１ｆと、光
学像受光側電極１ａと、を有する撮像板１と、光学像受
光側電極１ａと電気的に接続される第１のバイアス電圧
印加手段７と、電荷読み出し側電極１ｆと電気的に接続
される第２のバイアス電圧印加手段８と、電荷読み出し
側電極１ｆと電気的に接続される電流測定手段６と、電
荷読み出し側電極１ｆに読み出し光を照射する読み出し
光源４と、からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｘ線顕微鏡等の高空間
分解能が得られる光学分析装置に好適な撮像装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、試料からの光学像を撮像するため
に撮像装置が用いられている。特に、高分解能な測定を
行う場合には、通常の可視光よりも分解能が高い撮像方
法としてＸ線を用いる方法がある。例えば、波長が２〜
５ｎｍの軟Ｘ線を用いるＸ線顕微鏡は、可視光（波長が
４００〜８００ｎｍ）を用いるよりも分解能が高く、ま
た生物試料を水中で生きたまま観察できるため医学や生
物光学の分野で有用である。

【０００３】このようなＸ線顕微鏡の撮像装置として
は、ＭＣＰ（マルチチャンネルプレート）に蛍光板を組
み合わせたものやＣＣＤ等が用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、Ｘ線の分解
能に対応した光学分析装置（例えばＸ線顕微鏡）を得る
ためには、この装置の光学系（結像系）または、撮像装
置（受光手段）の少なくとも一方の分解能を高める必要
がある。しかし、従来、撮像装置として使用していたＣ
ＣＤの１画素のサイズは約１０μｍであり、その撮像装
置としての分解能はＸ線の波長によって得られる分解能
よりも低い。同様に、ＭＣＰと蛍光板とを組み合わせた
場合も撮像装置としての分解能はＸ線の波長によって得
られる分解能よりも低く、前記分析装置の分解能は撮像
装置の分解能に制約されてしまう。そこで、光学系の倍
率を高くすることが考えられるが、ウォルター鏡及びシ
ュワルツシルド鏡等のＸ線光学素子は、加工精度上の問
題により倍率を大きくすることが困難である。従って、
これらの撮像装置では分解能の高い撮像を行うことがで
きないという問題点があった。

【０００５】本発明は、上記問題点を鑑みて成されたも
のであり、分解能の高い撮像装置を提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では、互い
に電気的に独立な複数の電荷蓄積部を有する電荷蓄積層
と、電荷蓄積層の両面に配置された２つの光導電体層
と、２つの光導電体層の電荷蓄積層が配置されていない
それぞれの面に配置される電荷読み出し側電極と、光学
像受光側電極と、を有する撮像板と、光学像受光側電極
と電気的に接続される第１のバイアス電圧印加手段と、
電荷読み出し側電極と電気的に接続される第２のバイ
アス電圧印加手段と、電荷読み出し側電極と電気的に接
続される電流測定手段と、電荷読み出し側電極に読み出
し光を照射する読み出し光源と、を有することを特徴と
する撮像装置を提供する。

【０００７】また、電荷読み出し側電極は電荷読み出し
側電極に照射される光に対して透明な透明電極であり、
透明電極は透明電極の一部に読み出し側電極に照射され
る光に対して不透明な遮光部分を設けることが好まし
い。また、読み出し光源と電荷読み出し側電極との間に
配置され、読み出し光源からの光を入射し、電荷読み出
し側電極に光を照射する光ファイバーと、光ファイバと
前記撮像板とを相対的に走査する走査手段と、を更に設
けることは好ましい。

【０００８】また、光ファイバの撮像板側に配置される
開口部を前記光ファイバを伝播する光の波長に対して十
分小さい開口とすることは好ましい。また、２つの光導
電体層のうち、光学像受光側電極側に配置される光導電
体層のバンドギャップを読み出し光源から射出される光
のエネルギーよりも大きくすることは好ましい。

【０００９】

【作用】以下、本発明の一例である図４の撮像装置を用
いて本発明の撮像装置の撮像原理を説明する。図４の撮
像装置では、２つの光導電体２２、２５が用いられてい
る。光導電体（光導電膜）は、光を照射しないと導電性
がなく、光を照射すると内部光電効果によって光が照射
された領域だけが導電性を示すものである。光導電体
（光導電膜）には、赤外光からＸ線までの光の波長に応
じて様々な材料が用いられている。例えば、光導電体
（光導電膜）の材料としては、三硫化アンチモン、セレ
ン化カドミウム、珪素、無定化セレン、酸化鉛等が見い
だされている。

【００１０】図４の撮像板２０に光学像受光側電極２１
側より試料からの光学像を照射すると、光学像受光側電
極２１と二次元に配置された電荷蓄積部２３との間の光
導電体２２中に、内部光電効果によりホールと電子のペ
アが生じる。このとき、光学像受光側電極２１に例えば
バイアス電圧＋Ｖ１を印加しておくと、光の照射量に応
じて生じるホールと電子のペアの数に相当する分の電流
が光学像受光側電極２１と電荷蓄積部２３の間に流れ、
照射された光の量に相当する量の電荷がそれぞれの電荷
蓄積部２３に蓄えられる。ここで、二次元に複数設けら
れている電荷蓄積部２３は絶縁体２４により互いに絶縁
されている。

【００１１】また、光学像受光側電極２１側から撮像板
２０に照射された光の一部は電荷読み出し側電極２６と
電荷蓄積部２３との間の光導電体２５においても電子と
ホールのペアが生じる。このとき電荷読み出し側電極２
６と電荷蓄積部２３との間に流れる電流が、電荷蓄積部
２３に蓄積される電荷を増加させる方向で働くようにす
るために、電荷読み出し側電極２６には光学像受光側電
極２１と同じ電位のバイアス電圧＋Ｖ１を印加してお
く。

【００１２】また、内部光電効果により生じたホールと
電子のペアにより効率よく電流が流れるようにするため
には、電荷蓄積部２３には、二つの電極に印加するバイ
アス電圧と異符号の電荷をあらかじめ蓄積させておくこ
とが好ましい。この異符号の電荷は、電荷読み出し側電
極２６に印加するバイアス電圧を試料の光学像照射時の
＋Ｖ１とは異符号の−Ｖ２とし、電荷読み出し側電極２
６側から光を照射し、電荷読み出し側電極２６と電荷蓄
積部２３の間の光導電体２５に導通を持たせることによ
り蓄積するが、この過程は試料からの光学像により蓄え
られる電荷の読み出しの過程と同様である。

【００１３】すなわち、二つの電極２１、２６にバイア
ス電圧＋Ｖ１を加えて、試料の光学像を撮像板に照射し
た後、再び電荷読み出し側電極２６に加えるバイアス電
圧を−Ｖ２として電荷読み出し側電極２６側から光を照
射し、各々の電荷蓄積部２３と電荷読み出し側電極２６
間に導通を持たせ、電流測定手段２７に流れる電流を測
定することにより、試料の光学像に対応してそれぞれの
電荷蓄積部２３に蓄えられた電荷量の情報を得ることが
できる。

【００１４】上記のように、本発明では、電荷蓄積部２
３が二次元に配列されているため、各電荷蓄積部２３は
ＣＣＤの画素に相当する。しかし、ＣＣＤと異なる点
は、光信号を電気信号に変換するための受光部分に生じ
た電気信号を撮像板の外部に出力するための転送ライン
を形成しておらず、受光部分のみを二次元的に形成して
いる点である。そのため、本発明では微小な画素（電荷
蓄積部２３）を形成して画素密度を高めることが容易に
でき、より高い空間分解能を有する撮像装置を実現する
ことができる。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明の実施例としてＸ線用の撮像
装置の例を示すが、本発明はこれに限定されるものでは
ない。図１は、本発明の撮像装置の構成の１例を示す概
略ブロック図である。本発明の撮像装置は、Ｘ線透過率
の高い金属電極（光学像受光側電極）１ａと、光導電体
１ｂと、二次元に配列された電荷蓄積部１ｃと絶縁体１
ｄとからなる電荷蓄積層１ｇと、光導電体１ｅと、透明
電極（電荷読み出し側電極）１ｆと、からなる撮像板１
と、光照射部２ａと、カンチレバー部２ｂとを有する光
ファイバー２と、光ファイバーを支持する支持体３と、
光ファイバー２に読み出し光を入射する読み出し光源４
と、光ファイバ２を撮像板１に対して走査する三次元ア
クチュエータ５と、電流測定手段６と、第一のバイアス
電源７と、第２のバイアス電源８と、コンピュータ９
と、駆動制御手段１０と、半導体レーザー１２と、撓み
検出手段１３と、ＣＲＴ１４と、を有している。また、
試料の透過像を有するＸ線１１は金属電極１ａ側より撮
像板１に照射される。

【００１６】本実施例で用いた撮像板１において、光導
電体１ｂおよび光導電体１ｅは光が照射されない状態で
は導電率がきわめて低く、各電荷蓄積部１ｃと金属電極
１ａならびに透明電極１ｆとの間は電気的に絶縁された
状態になっている。また、この撮像板１の電荷蓄積層１
ｇに二次元配列されている電荷蓄積部１ｃは、図２にの
ように配列されている。図２に示されるように、電荷蓄
積部１ｃは直径０．５μｍの円形であり、そのピッチは
１μｍである。本実施例の二次元に配列される電荷蓄積
部１ｃは、５００×５００で碁盤目状に形成されてい
る。尚、電荷蓄積部１ｃの形状、個数及び配列は任意に
選択することができる。

【００１７】撮像板１の透明電極１ｆ側に対向して光フ
ァイバー２が配置されている。光ファイバー２は先端部
付近で９０度曲げられており、先端の光照射部２ａは撮
像板１の面に対して垂直に光が射出されるように配置さ
れている。本実施例の光ファイバー２は直径が１ｍｍの
ものを用いているが、加熱した状態にして引き延ばすこ
とにより、先端付近の径はこれよりもずっと小さくなっ
ており、光照射部２ａから出射される光の径は１μｍ程
度まで小さくなっている。また光ファイバー２のカンチ
レバー部２ｂは、原子間力顕微鏡のカンチレバーと同様
にして働かせ、その撓みを光てこ法により検出するため
に、光てこ法の光の反射面を平に研磨してある。

【００１８】光ファイバー２は支持体３により支持され
ており、さらに光ファイバー２中には光源４より光が入
射されている。光源４はＬＥＤであり、光のＯＮ・ＯＦ
Ｆの為のシャッターを有している。。支持体３は三次元
アクチュエータ５に接続されており、駆動制御手段１０
による駆動により光ファイバー２の光照射部２ａを撮像
板１に対してＸＹ平面（撮像板平面）上に走査し、さら
にＺ方向（撮像板平面に垂直な方向）に調整も行う。ま
た、駆動制御手段１０はコンピュータ９により制御され
る。

【００１９】光ファイバー２のカンチレバー部２ｂの撓
みは、半導体レーザー１２からの光の反射光を二分割の
フォトダイオードからなる撓み検出手段１３により受光
することで検出する。カンチレバー部２ｂの撓みの情報
は、光照射部２ａと撮像板１の間の距離の調整に用い
る。尚、必要に応じて、カンチレバー部２ｂの半導体レ
ーザ１２からの光が照射される領域に反射膜を設けても
よい。

【００２０】撮像板１の金属電極１ａにはバイアス電圧
を印加する為の第一のバイアス電源７が接続されてい
る。また、透明電極１ｆには電流測定手段６ならびに第
二のバイアス電源８が接続されており、電流測定手段６
において測定された電流値はコンピュータ９に送られ、
光照射部２ａのＸＹ平面上での位置情報と対応させて二
次元の画像データとして記録される。

【００２１】次に、本実施例で用いた撮像板の作成方法
について図３を用いて説明する。まず、（１００）面方
位のｐ型シリコン基板３０の表面に、熱酸化法により酸
化シリコン３１を１００ｎｍ成長させる〔図３
（ａ）〕。次に、縮小露光装置を用いて、酸化シリコン
３１上にレジスト３２をパターンニングした後、ドライ
エッチングにより酸化シリコン３１を部分的に除去する
〔図３（ｂ）〕。

【００２２】次に、リフトオフ法により、電荷蓄積部
（アルミニウム）３３の二次元配列を形成する〔図３
（ｃ）〕。尚、アルミニウムの代わりに白金（Ｐｔ）、
タングステン（Ｗ）等を用いても良い。次に、アルミニ
ウムのパターン上にＣＶＤ法により、セレン化カドミウ
ム（ＣｄＳ）を５０ｎｍ成膜し光導電体膜３４を形成す
る。さらに、その上にＩＴＯ（透明電極）を成膜して透
明電極３５を形成する〔図３（ｄ）〕。

【００２３】次に、ｐ型シリコン基板３０の裏面を異方
性エッチングにより一部取り除き、裏面に酸化鉛（Ｐｂ
Ｏ）を５０ｎｍ蒸着し、光導電体膜３６とする。さらに
ベリリウムを５０ｎｍ蒸着する事により金属電極３７を
形成する〔図３（ｅ）〕。以上のようにして、本実施例
の撮像板を作成することができた。次に、図１により本
実施例の撮像装置を用いて試料の透過像（光学像）を撮
像する手順を説明する。

【００２４】まず、光てこ法によりカンチレバー部２ｂ
の撓みを検出し、カンチレバー部２ｂの撓みが一定にな
るように駆動電源１０にフィードバックを掛けながら光
照射部２ａを撮像板１に対してＸＹ方向に走査させる。
以上の操作により撮像板１の三次元アクチュエータ５の
ＸＹ方向に対する傾きの情報が得られ、以下の撮像過程
に置いて光照射部２ａを撮像板１に対して一定距離でＸ
Ｙ走査するのに利用する。また、以上の過程は撮像装置
にドリフトがない場合には撮像前に１度行えば良い。

【００２５】以下に、光学像を取得する過程について説
明するが、以下の過程を行う時には半導体レーザー１２
から射出する光が撮像板１に照射されないようにしてお
くことが好ましい。第２のバイアス電源８により透明電
極１ｆに＋５Ｖのバイアス電圧をかけた状態で、光照射
部２ａをアクチュエータ５により先に測定された撮像板
１の傾きの情報を基に光照射部２ａと撮像板１との距離
を５０ｎｍ一定として走査する。このとき、光照射部２
ａより照射される光により光導電体１ｅは導通を持ち、
二次元に配列された電荷蓄積部１ｃの各々には正の電荷
が蓄積される。以上により撮像の準備がなされる。

【００２６】次に、第１のバイアス電源７ならびに第２
のバイアス電源８により、撮像板１の金属電極１ａおよ
び透明電極１ｆにそれぞれ−５Ｖのバイアス電圧を印加
する。このとき光源４からの光は切った状態にしてお
く。また、光導電体１ｂと光導電体１ｅは光が照射され
ない状態では導電性を持たないため、電荷蓄積部１ｃに
蓄積されている正の電荷は保持される。この状態におい
て、試料の光学情報を有するＸ線１１を撮像板１に金属
電極１ａ側から照射する。周知な様に、ベリリウムはＸ
線の透過率が高いため、Ｘ線１１は光導電体１ｂに達す
る。光導電体１ｂとして用いられている酸化鉛（Ｐｂ
Ｏ）は、Ｘ線が照射されると電子と正孔を生じて導電性
を持つため、各々の電荷蓄積部１ｃに蓄積されている正
電荷は、Ｘ線が照射される量に応じて放電され、さらに
Ｘ線の照射量が多い場合には逆に負の電荷が電荷蓄積部
１ｃに蓄積される。

【００２７】その後、第２のバイアス電源８により＋５
Ｖのバイアス電圧を透明電極１ｆに印加する。そして、
読み出し光源４からの光を光ファイバ２を通して撮像板
１に照射しながら、三次元アクチュエータ５により光照
射部２ａを撮像板１上でＸＹ方向に走査する。このと
き、光照射部２ａと撮像板１との距離は５０ｎｍで一定
になるようにする。この結果、読み出し光源４からの光
の照射により光導電体１ｅが導通を持つ。従って、Ｘ線
の照射により各電荷蓄積部１ｃに蓄積されている電荷量
を電流測定手段６により電流値として測定することによ
り、撮像板１の各画素（各電荷蓄積部１ｃ）に照射され
たＸ線量の情報、すなわち試料の光学像を得ることが出
来る。この情報は、駆動電源１０からのＸＹ平面上の光
照射部２の位置情報と関連させてコンピュータ９に記憶
される。さらに、これらの情報は、コンピュータ９より
画像情報として、ＣＲＴ１４に送られ試料の像として画
面上に表示される。

【００２８】また、光学像を読み出す過程は、複数の電
荷蓄積部１ｃの各々に正の電荷を蓄積する工程も兼ねて
いる（次の撮像の準備を兼ねている）ため繰り返し画像
を測定することができる。本実施例においては、カンチ
レバーの撓み検出手段として光てこ法を用いたが、光を
使わない撓み検出法を用いることにより、カンチレバー
の撓みを検出しながら光ファイバー先端を撮像板に接触
させたまま走査させて光学像を読み出すことも可能であ
る。また、光ファイバーの先端部付近を遮光材で覆い、
先端に読み出し光の波長よりも微小な穴をあけることに
よりさらに空間分解能を高められる。また、必要以上の
範囲に光ファイバーからの光が照射されないようにする
ために撮像板中に遮光部分を作成することができる。さ
らに、光ファイバー以外の手段を用いて撮像板に光を照
射することも可能である。

【００２９】このようにして、本実施例の撮像装置にお
いては、光学像情報の読み出しが、次の撮像の準備を兼
ねているため、連続的に光学像を取る場合に有効であ
る。また、本実施例の撮像装置は、光学像受光側電極１
ａと電荷蓄積部１ｃ間の光導電体１ｂとして読み出し光
のエネルギーよりもバンドギャップが大きなものを用い
ているため、読み出し光により光学像受光側電極１ｆと
電荷蓄積部１ｃ間が導通するという問題は生じない。ま
た、本実施例の操作は全て真空中で行うことができるの
で、Ｘ線顕微鏡における試料観察の作業性の向上の効果
もある。

【００３０】尚、本実施例ではＸ線を用いた光学像を撮
像するための撮像装置について説明したが、可視光等の
他の波長の光を用いた光学像を撮像することにも有効で
ある。尚、本実施例では、光ファイバを高速で走査する
際に光ファイバの先端が磨耗することを防ぐために、光
ファイバの先端を撮像板から５０ｎｍ離して走査した
が、この距離は任意にすることができ、また、場合によ
っては撮像板に接触させながら走査しても良い。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、撮像板の
構造が簡単であるため、高い空間分解能での撮像が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による撮像装置の構成を示す概
略図である。

【図２】本発明の実施例による撮像板の製作方法を説明
するための概略図（ａ〜ｄ）である。

【図３】本発明の実施例による撮像板の構造を説明する
ための概略図である。

【図４】本発明の原理を説明するための概略図である。

【符号の説明】

１、２０・・・撮像板１ａ・・・金属電極１ｂ・・・光導電体１ｃ・・・電荷蓄積部１ｄ・・・絶縁物質１ｅ・・・光導電体１ｆ・・・透明電極１ｇ・・・電荷蓄積層２・・・光ファイバー２ａ・・光照射部２ｂ・・カンチレバー部３・・・支持体４・・・光源５・・・アクチュエータ６、２７・・・電流測定手段７、２８・・・第１のバイアス電源８、２９・・・第２のバイアス電源９・・・コンピュータ１０・・・駆動制御手段１１・・・Ｘ線１２・・・半導体レーザー１３・・・撓み検出手段１４・・・ＣＲＴ２１・・・光学像受光側電極２２・・・光導電体２３・・・電荷蓄積部２４・・・絶縁体２５・・・光導電体２６・・・電荷読み出し側電極３０・・・ｐ型シリコン基板３１・・・酸化シリコン３２・・・レジスト３３・・・電荷蓄積部３４・・・光導電体膜（ＣｄＳ）３５・・・透明電極（ＩＴＯ）３６・・・光導電体膜（酸化鉛）３７・・・金属電極（ベリリウム）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに電気的に独立な複数の電荷蓄積部
を有する電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層の両面に配置さ
れた２つの光導電体層と、前記２つの光導電体層の前記
電荷蓄積層が配置されていないそれぞれの面に配置され
る電荷読み出し側電極と、光学像受光側電極と、を有す
る撮像板と、前記光学像受光側電極と電気的に接続される第１のバイ
アス電圧印加手段と、前記電荷読み出し側電極と電気的に接続される第２のバ
イアス電圧印加手段と、前記電荷読み出し側電極と電気的に接続される電流測定
手段と、前記電荷読み出し側電極に読み出し光を照射する読み出
し光源と、を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】前記電荷読み出し側電極は該電荷読み出
し側電極に照射される光に対して透明な透明電極であ
り、前記透明電極は該透明電極の一部に前記読み出し側電極
に照射される光に対して不透明な遮光部分が設けられて
いることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】前記読み出し光源と前記電荷読み出し側
電極との間に配置され前記読み出し光源からの光を入射
し、前記電荷読み出し側電極に光を照射する光ファイバ
ーと、前記光ファイバと前記撮像板とを相対的に走査する走査
手段と、を更に有することを特徴とする請求項１または２に記載
の撮像装置。
【請求項４】前記光ファイバの前記撮像板側に配置さ
れる開口部は前記光ファイバを伝播する光の波長に対し
て十分小さい開口であることを特徴とする請求項３に記
載の撮像装置。
【請求項５】前記２つの光導電体層のうち、前記光学
像受光側電極側に配置される光導電体層のバンドギャッ
プが前記読み出し光源から射出される光のエネルギーよ
りも大きいことを特徴とする請求項１または２または３
または４に記載の撮像装置。