JPH11500263A - フラットパネル検出器およびイメージセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 フラットパネル・イメージセンサ（１０）は、フラットパネル電界放出（ＦＥＤ）システム用に共通に使用される冷陰極電界エミッタ（１４）の２次元アレイをもったビジコンの光伝導性イメージ電極を組合わせることにより与えられる。ＦＥＤは、陰極放出に比例した光出力を発生するために先行技術においてルミネセンス発光体に向かって加速される電子を放出するために通常動作する。発光体の方へ加速するよりも、電子は光伝導体層（１６）の方へ加速され、放射窓として働く透明性、電気的伝導性材料（１７）の層を介して光伝導体層（１６）に導かれる入射放射パターンにより該層から除去された電荷に置き換わる。透明性、電気的伝導性層（１７）は大領域センサ用に漂遊容量を減少するために区画され得る。そして区画された、電気的伝導性層（１７）は動作の並列読出しモードを認める。

Description

【発明の詳細な説明】 フラットパネル検出器およびイメージセンサ発明の分野 この発明は、イメージセンサに関し、そして特にフラットパネル・イメージセ ンサに関する。発明の背景 光伝導体材料は技術上周知であり、そして電子イメージセンサにおいて既知の 方法で使用される。実際には、イメージセンサは、放射がハウジングに入る電気 的伝導体材料の窓を有するハウジングを含む。光伝導体層、典型的にはセンサは 、電気的に絶縁され、そして窓を通して入射放射に曝される。 光伝導体の反対側表面が真空に曝されるように、真空がハウジング内に生成さ れる。動作上、正電圧が伝導層に供給され、そして光伝導体の真空側面は、応答 において、光伝導体をわたってバイアス電界を確立するカソード電位へ電子で充 電される。 充電されると直ぐに、あるパターンの放射に曝される時に、光伝導体は、伝導 層へ電子を移動しそしてホールを光伝導体の絶縁面へ移動するバイアス電界によ り掃引される電子ホール対を禁止する。ホールが絶縁表面に達すると、ホールは 入力放射を表す荷電パターンの表面における電子と再結合する。この作用は、標 準ビジコン型イメージ管の光伝導性動作の特性である。 記憶されるような電荷イメージは、例えば、米国特許番号５，１９５，１１８ により例示されているようなビジコンにおける電荷表面を走査する電子ビームに より読出されることができる。電子ビームは、光伝導体の真空側面から除去され る電荷に置き換わるので、容量性結合信号が、電気的伝導層に結合された前置増 幅器により検出される。走査ビーム方法はこのようなセンサにおいて良く動作す るが、このようなシステムへの固有の欠点は電子銃を指示する大きい真空ビンに 必要な物理的サイズと走査ビーム・デバイスの動作に必要な関連する電極である 。発明の簡単な記述 この発明の原理に従うと、フラットパネル電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）シ ステムに使用される冷陰極技術が、電子ビーム・ソースと置換する光伝導体層と 結合されている。従って、電界エミッタの１または２次元アレイは、アレイと光 伝導体層間の真空に電子を放射するために使用される。電子は、光伝導体から除 去された電荷を入射放射パターンにより置換するために使用される。電荷の置換 は、ピクセルごとに、光伝導体層と隣接する電気的伝導層に接続された前置増幅 器により検出されるデータ・ストリームを生成する。発生されたようなデータは 放射のイメージを表す。エミッタのアレイは、ビジコンを有する場合のように高 速度電子の代わりに低速度電子で光伝導体上の電荷パターンを充電しそして読出 すように動作する。以下に本発明は何らかのサイズのセンサを適用できるが、広 域Ｘ線感知イメージセンサに特に適用することができる。図面の簡単な説明 図１は、この発明の原理に従って電子エミッタ・チップと結合された先行技術 の目標電極の概略側面図である。 図２は、図１の目標電極の拡大概略側面図である。 図３は、図２に示される型の目標電極をもった電子エミッタ・チップのアレイ を含むフラットパネル・センサの拡張概略側面図である。 図４と５は、図３に示される型のフラットパネル・センサの別の実施例の概略 側面図である。 図６は、ストライプに区画された目標電極を有する図１に示される型のセンサ 用の目標電極の概略上面図である。 図７は、図６の実施例の概略側面図である。 図８と９は、電気的な読出し相互接続を示す図６の実施例の概略上面図である 。この発明の例示実施例の詳細な記述 図１は、この発明の原理に従うフラットパネル・センサ１０を示す。センサは 第１と第２の表面１３と１４を有するハウジング１１を含む。表面１３は、ハウ ジングにおいて窓を形成する電気的伝導性材料１７の透明層をもった光伝導体層 １６を含む。表面１４は、表面１３のアレイに並行な平面に配置された電子ビー ム・エミッタのアレイを含む。電子エミッタ・デバイスは、例えば、１９９４年 ７月、会報ＩＥＥＥ、８２巻、Ｎｏ．７にイヴァー ブローディー（Ｉｖｏｒ Ｂｒｏｄｉｅ）とパウル シュノベール（Ｐａｕｌ Ｓｃｈｎｅｂｅｌ）による 「真空マイクロエレクトロニクス・デバイス」に記述されている。光伝導体層と 電子エミッタ・デバイスのアレイは離れて、真空が維持されるその間のスペース １９を制限している。 動作において、正の電圧が光伝導体層上に印加され、そして層の真空側面は目 標電位以下の幾つかのカソード電位に低下して電子で充電する。放射イメージへ の露光は電子ホール対の生成をもたらす。電子は、伝導層（電極）へ掃引される 。ホールは光伝導体層の真空側面へ掃引される。ホールは、イメージを表す電荷 パターンになる真空側面で電子と再結合する。 図２は、入射Ｘ線をもった表面１３の詳細を例示する。図２に示される型の構 成が応答する放射は、以後により詳細に議論されるような供給電圧と選択材料に より決定される。Ｘ線またはガンマ線が使用される時に、それらは低いなだらか なＸ線露光用の臨界利得になる何千もの電子／ホール対を発生する。 図１と２のフラットパネル・センサの使用に適当な窓は、酸化錫または酸化イ ンジウム錫のような適切な透明伝導体または光伝導体層を支持するために使用さ れるアルミニュームまたはベリリュームのような金属Ｘ線窓を含む。典型的に、 光感知光伝導体は、酸化鉛三硫化アンチモン、アモルファスセレニューム、アモ ルファスシリコン、硫化カドミウム、またはサティコン（Ｓａｔｉｃｏｎ）、ニ ュービコン（Ｎｅｗｖｉｃｏｎ）およびチャルニコン（Ｃｈａｌｎｉｃｏｎ）型 ビジコンに見いだされる合成構成を含む。Ｘ線およびガンマ線応答のために、典 型的な光伝導性材料は、臭化タリウム（ＴｌＢｒ）、ヨウ化タリウム（ＴｌＩ） 、ブロモヨウ化タリウム、ヨウ化鉛、臭化鉛、またはブロモヨウ化鉛、またはセ レニウムのいずれかで構成され得る。また、光感知、光伝導体材料に対するヨウ 化セシウムまたはリン光体のような何らかのシンチレーション動作する材料の合 成サンドイッチは、また適切である。光伝導体の重要なパラメータは、それらが 所望のエネルギの光子に対して光伝導性でありそして電荷蓄積を与える、光感知 絶縁材料でなければならないことである。Ｘ線およびガンマ線センサは、低いな だらかな典型的な多くのＸ線イメージ・アプリケーションを増幅するのに十分な 利得をもたなければならない。それらはまた、所望のＸ線およびガンマ線エネル ギのために高い吸収率になるのに十分高い原子量をもたなければならない。特定 された材料のすべては、それらの要求を満たしている。 図３は、図２に示される構成における例示された分野のエミッタ・チップの拡 大図を示す。各エミッタ・チップ（３０、３１）からの放出は、絶縁体３４上に 形成されるゲート３３により制御される。ゲートは個々にアドレス指定可能であ りそして光伝導体層上の各個々のピクセルを充電しそして読出すためにタイム・ シーケンスされ得る。ピクセルのグループはまた、もし必要なら、共に組合わさ れてＣＣＤ技術においてされたように減少した解像度で読出し速度を増加するこ とができる。読出しがビジコン管で達成される方法とに類似して目標電極で信号 が検出される。さらに複合多重ゲート構成はまた、電子ビームをコリメートし、 焦点しそして制御するために使用され得る。ゲートはまたグループにアドレス指 定可能である。 エミッタ・チップ・アレイは、全体層の走査が放射イメージにより光伝導体層 に誘導された全体のイメージを表す一連の出力データを生成するように一時にひ とつのピクセルに対応する光伝導体層のエリアに電子を導くためにシーケンスさ れる。便宜上、ゲートはテレビジョン管に共通であるようにラスター・パターン にシーケンスされる。 ゲート用の駆動シーケンスの制御は、図１のブロック３７により表され、そし てセンサから読出されるデータを記憶するメモリは、図１のブロック３８により 表される。センサはまた光感知デバイスの窓へ光を入れるように動作するシャッ タを含むことができる。シャッタは、図１の３９に指示されている。シャッタ、 チップ・アレイ制御およびメモリの駆動およびタイミングは、コントローラ４０ により制御される。各種構成部品は記述されたように動作することができる何ら かの構成部品であり得る。さらに、各種の技術が、フィールド・エミッタ・チッ プのアレイを実現するために知られている。本発明の原理に従うセンサは、何ら かのこのような技術により実現されることができる。必要である全てのことは、 電子の個々に制御されるソースの各アレイが、真空を渡って光伝導体層の表面上 の対応するピクセル位置に導くために位置決めされることである。 また、非常に大きいエリア・センサのために、フラットパネル・ディスプレイ に使用される型のスペーサは、センサの２つの表面の間に均一な空隙を維持する ために使用されても良い。Ｘ線またはガンマ線の適用のため、真空が図４中の４ ２に指示されている分離真空窓により支持され得る。窓は、放射イメージと干渉 することなしにスペーサの必要なしに真空に抵抗するために十分な頑健さに作ら れることができる。 低速度ビーム・アライメントを考慮するため、分離フイールド・メッシュは図 ５に５０で指示されたように使用されて良い。このようなメッシュは良く理解さ れており、ゲート構成に必須に作られても良い。典型的には、フイールド・メッ シュはより複雑なゲート構成（図示されていない）に使用される。 この発明の原理に従うフラットパネル・イメージセンサの実施は、目標電極に 結合された漂遊容量により最終的に制限され得る。図６は、容量問題を最小化す るためストライプ６０のなかに区画された目標電極をもったフラットパネル・イ メージセンサを例示している。 漂遊容量を減少するためのストライプされて電極は、米国特許番号４，０５９ ，８４０により指示されているように知られている。しかし区画された電極は、 ここに開示された型のセンサにこのような電極の使用を制限する問題をもつ。こ の問題は、電極が目標電極中のスプリット付近の光伝導体層の真空側表面に取り 替えられる時に生じる。図７は、図示されるように、底にストライプされた電極 ７３ａ、７３ｂ…をもった光伝導体層の真空表面７１の断面図を示す。電極が交 換されるときに、図示されるように、蓄積された電子からの電界の力は光伝導体 層を通過して外へ放射しそして目標電極において交差する（即ち、容量結合）。 この結合作用は、出力信号である変位電流を目標電極に強制する。容量効果が 隣接する電極と交差する目標電極中のスプリットに電子ビームが接近する時に、 問題が惹起する。信号の損失またはクロスカップリングは、以下に述べられるよ うなイメージセンサのために実際的ではない区画した電極への標準的接近を行う 。この問題は、読出し配列を変えることにより克服される。 図８は、上述した信号の損失を避けながら区画された目標電極をもったフラッ トパネル・センサからデータを読出すための構成を例示する。特に、図８は、複 数のストライプ８０ａ、８０ｂ、…をもった目標電極８０を示している。各スト ライプは、多くの走査線を囲む幅を有する。各対の隣接するストライプは、図８ に８２で示されるように電気的に一緒に接続されている。各対のストライプから の共通の接続は、８３ａ、８３ｂ、…に指示されているように前置増幅器に接続 されている。 電子ビーム走査はストライプの長手寸法に従う。走査動作は、ストライプ間の ギャップがあたかも存在しないように進行する。実際に、ギャップは小さく、典 型的にはビーム幅の１／２から１／４である。走査は、次のストライプへの中間 に継続する。この点において、フライバックまたは簡単なクロック動作間隔の間 、第１の電極の接続は、実効的に解除されそして第２と第３の電極は、次の前置 増幅器（８３ｂ）にスイッチすることにより共に接続される。この結果、この方 法で前置増幅器のポーリングをシーケンスすることにより、電子ビームがギャッ プに接近するようにストライプは常に対に接続され、その結果生じる電界は前置 増幅器において両ストライプにより検出される。これは、ストライプ構成の実際 的問題を除去し、そしてどのような対のストライプ要素が選択されても漂遊容量 減少の利益を得る。対の、区画された電極配列は全ての光伝導性電子ビーム読出 しデバイスに適用可能であるが、特に大領域感知光伝導性センサに利益がある。 また、それは、図９に示されるようなフラットパネル冷陰極電界放出センサ（ ＦＥＳ）に適用可能である。ストライプの使用は重要な漂遊容量減少を提供する 。しかしＦＥＳ構成において、それはまた図９に例示したように並列読出しする 能力を提供する。これは、個々のカソードが制御されそして同時に動作される多 重カソード配列をＦＥＳが有するために達成される。このような構成において、 多重前置増幅器は、図９の実践９０、９１、９２により指示されたような電極対 に接続されている。 走査動作は次のように進行する。カソードのゲートは、あたかもストライプを 渡る走査線であるようにシーケンスされる。各対は、頂部電極の中央において走 査線を開始する。走査動作は、各対の第２の電極へギャップを渡って下方へ進行 し、そして第２の電極の中央に停止する。この走査動作の間、全対は、個々の前 置増幅器および増幅器を介して並列にディジタル・フレーム・グラビング（ｇｒ ａｂｂｉｎｇ）システム９６へ読出される。走査プロセスにおけるこの際に、各 対の頂部電極は電気的に各対から遮断される。各対の第２の電極は、線９３、９ ４、９５により指示されたように下方の対の頂部電極に接続されている。走査動 作はいま、各対の底部電極の中間に以前に停止された場所に継続する。この点で 、全センサ読出しが完了する。 区画された電極配列は、直列または並列読出しのいずれかのために何らかの接 続およびスイッチ機構により使用され得る。ストライプ読出しは、前置増幅器へ 向かう前にアナログスイッチにより切り換えられ得る。代わりに、各ストライプ は最初に取付けられた前置増幅器を有しても良く、そしてスイッチ動作は前置増 幅器の後に惹起しても良い。スイッチ動作および加算増幅器の組合わせがまた用 いられ得る。各対の各ストライプは、前置増幅器を介してアナログおよびディジ タル変換器へ進み、例えばディジタル的にスイッチされても良い。 並列読出しＦＥＳアプローチは非常に重要である。 １．重要な漂遊容量減少は増加するダイナミック・レンジに帰着する。これは 、とくに大領域センサのために利益がある。何らかの数のストライプが漂遊容量 減少の何らかの所望のレベルを達成するために使用され得る。 ２．より高い帯域／より高速の読出しが達成される。 ３．ＦＥＳ並列読出しは、高速および高解像度を与える。 ４．速い読出しは、非並列読出し技術の高解像度、低走査読出しのために要求 される光伝導体の電気固有抵抗の要求（即ち、蓄積時間の変化）を減少する。 ５．Ｘ線およびガンマ線アプリケーションのために、センサはＸ線露光中に継 続して読出されることができディジタル・メモリに信号を発生する。大露光のた めに、これは、解像度の改良に帰着しそして第２の電子放出のための電位を減少 する真空表面上に振動する電圧を減少する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＵＡ(ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ， ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 第１と第２の表面を含むハウジングを備え、前記第１と第２の表面は互い に並列であってその間に真空を含み、前記第１の表面は放射用の窓を含み、該窓 は放射透明性、電気的伝導性材料の層を含み、前記電気的伝導性層の下側に配置 されそして該電気的伝導性層に電気的に結合された光伝導体層を備え、該光伝導 体層は前記真空に面する表面を有し、前記第１の表面は多重ピクセル、放射イメ ージを受けるために配置され、前記第２の表面は、電子ビームソースのアレイを 含む、フラットパネル・イメージセンサであって、 前記電気的伝導性層上に電圧を印加して前記光伝導体層を渡るバイアス電界を 確立する手段と、前記イメージの連続するピクセル位置に対応する前記光伝導体 層上の連続する電荷を放電する方法で前記電子ビームソースを作動する手段と、 前記電気的伝導性層に接続され放電により生成された信号を読出す読出し手段と を含むフラットパネル・イメージセンサ。 ２． 前記第１の表面は、Ｘ線に透明性のある金属層を含む、請求項１に記載の フラットパネル・イメージセンサ。 ３． 前記第１と第２の表面に並列な平面における前記真空に位置されたフィー ルド・メッシュを含む、請求項１に記載のフラットパネル・センサ。 ４． 前記第１と第２の表面の間の真空を均一に維持するための分離ガラス窓を 含む、請求項２に記載のフラットパネル・イメージセンサ。 ５． 前記電気的伝導性材料は酸化錫を含む、請求項１に記載のフラットパネル ・イメージセンサ。 ６． 前記電気的伝導性材料は酸化インジウム錫を含む、請求項１に記載のフラ ットパネル・イメージセンサ。 ７． 前記窓はアルミニウムを含む、請求項１に記載のフラットパネル・イメー ジセンサ。 ８． 前記窓はベリリウムを含む、請求項１に記載のフラットパネル・イメージ センサ。 ９． 前記光伝導体層は、その表面に導かれる入射エネルギ光子に対して光伝導 性である高い電気固有抵抗、電気的絶縁材料を含む、請求項１に記載のフラット パネル・イメージセンサ。 １０． 前記光伝導体層は、臭化タリウム、ヨウ化タリウム、ブロモヨウ化タリ ウム、ヨウ化鉛、臭化鉛、ブロモヨウ化鉛、セレニウム、および光感知光伝導体 材料に対してヨウ化セシウムまたはリン光体のようなシンチレーション動作する 材料の合成サンドイッチからなる一組の光伝導体から得られる、請求項９に記載 のフラットパネル・イメージセンサ。 １１． 前記電子ビームソースのアレイは電界放出チップのアレイを含む、請求 項１に記載のフラットパネル・イメージセンサ。 １２． 前記電気的伝導性層はストライプに区画され、そして前記作動する手段 は、前記ストライプの長軸に沿って走査する方法で電子ビームを与え、そして入 射放射イメージのピクセルに対応する前記光伝導体の連続する領域を放電するた めに順番に前記ストライプを走査する、請求項１に記載のフラットパネル・イメ ージセンサ。 １３． 前記ストライプの隣接するひとつは、共通の増幅器に対で電気的に接続 されている、請求項１２に記載のフラットパネル・イメージセンサ。 １４． 前記電子ビームが前記第１の対の第２のストライプの中央に沿って走査 する時に、第１の対の増幅器から前記対の次の順番のひとつへ切り換わるための 手段を含む、請求項１３に記載のフラットパネル・イメージセンサ。 １５． 前記作動する手段は、並列に前記電子ビームソースを作動する手段と、 並列に前記増幅器から読出す手段とを含む、請求項１３に記載のフラットパネル ・イメージセンサ。 １６． 第１と第２の表面を含むハウジングを備え、前記第１と第２の表面は互 いに並列であってその間に真空を含み、前記第１の表面は放射用の窓を含み、該 窓は放射透明性、電気的伝導性材料の層を含み、前記電気的伝導性層の下側に配 置されそして該電気的伝導性層に電気的に結合された光伝導体層を備え、該光伝 導体層は前記真空に面する表面を有し、前記第２の表面は、電子ビームの個別ソ ースのアレイを含む、フラットパネル・イメージセンサ。 １７． 前記電気的伝導性層上に電圧を印加して前記光伝導体層を渡るバイアス 電界を確立する手段と、順次に放出チップを作動して前記光伝導体表面を走査す る手段とを含む、請求項１６に記載のフラットパネル・イメージセンサ。 １８． 第１と第２の表面を含むハウジングを備え、前記第１と第２の表面は互 いに並列であってその間に真空を含み、前記第１の表面は放射用の窓を含み、該 窓は放射透明性、電気的伝導性材料の層を含み、前記電気的伝導性層の下側に配 置されそして該電気的伝導性層に電気的に結合された光伝導体層を備え、該光伝 導体層は前記真空に面する表面を有し、前記第２の表面は、電子のソースのアレ イを含み、前記電気的伝導性材料の層はストライプに区画され、複数の増幅器と 、前記増幅器の関連するひとつと対に前記ストライプに接続する手段と、前記増 幅器からデータを選択的に読出す手段とをさらに備えたフラットパネル装置。