WO1999036754A1 - Appareil d'imagerie - Google Patents

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WO1999036754A1
WO1999036754A1 PCT/JP1999/000134 JP9900134W WO9936754A1 WO 1999036754 A1 WO1999036754 A1 WO 1999036754A1 JP 9900134 W JP9900134 W JP 9900134W WO 9936754 A1 WO9936754 A1 WO 9936754A1
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WO
WIPO (PCT)
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imaging device
image
signal
transfer
ccd
Prior art date
Application number
PCT/JP1999/000134
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English (en)
French (fr)
Inventor
Motohiro Suyama
Shogo Ema
Tadashi Maruno
Original Assignee
Hamamatsu Photonics K. K.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics K. K. filed Critical Hamamatsu Photonics K. K.
Priority to EP99900341A priority Critical patent/EP1048939A4/en
Priority to US09/600,414 priority patent/US6720996B1/en
Priority to AU18908/99A priority patent/AU1890899A/en
Publication of WO1999036754A1 publication Critical patent/WO1999036754A1/ja

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J31/00—Cathode ray tubes; Electron beam tubes
    • H01J31/08—Cathode ray tubes; Electron beam tubes having a screen on or from which an image or pattern is formed, picked up, converted, or stored
    • H01J31/26—Image pick-up tubes having an input of visible light and electric output
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2231/00—Cathode ray tubes or electron beam tubes
    • H01J2231/50—Imaging and conversion tubes
    • H01J2231/50005—Imaging and conversion tubes characterised by form of illumination
    • H01J2231/5001—Photons
    • H01J2231/50015—Light
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2231/00—Cathode ray tubes or electron beam tubes
    • H01J2231/50—Imaging and conversion tubes
    • H01J2231/50057—Imaging and conversion tubes characterised by form of output stage
    • H01J2231/50068—Electrical
    • H01J2231/50073—Charge coupled device [CCD]

Definitions

  • the present invention relates to an image pickup apparatus for picking up an image with weak light, and more particularly to an image pickup apparatus using an electron impact multiplier with a built-in charge transfer type solid state image pickup device.
  • an imaging device incorporating a FFT (Full Frame Transfer) type CCD having an imaging area covering almost the entire area of the CCD is disclosed. Then, in order to perform a readout operation by television using an FFT type CCD, incident light is shielded using a shirt or the like during the vertical transfer period. Furthermore, in order to correspond to the in-one evening scan of the television, that is, to correspond to the respective image information of the odd field composed of the image information of the odd columns and the even field composed of the image information of the even columns of the scanning lines of the television. By combining the image information signal of each horizontal pixel column of the CCD with the image information signal of one of the horizontal pixel columns before and after it by the horizontal transfer unit, the image information signal corresponding to each of the odd field and the even field is alternated. Output to
  • Japanese Patent Publication No. Sho 60-30059 discloses a technique for using an electron impact type multiplier equipped with an FT (Frame Transfer) type CCD capable of operating at a television rate as an image sensor.
  • Fig. 7 shows a schematic diagram of the pixel configuration of the CCD used here.
  • a transfer electrode 53 is formed on the surface of the Si substrate 51 opposite to the incident surface.
  • the transfer electrode 53 is composed of four electrodes 53a to 53d per pixel.
  • a potential well 52 is formed under the transfer electrodes 53a and 53b at the time of charge accumulation and reading of the even field, and at the time of charge accumulation and reading of the odd field.
  • a pseudo in-one race operation is realized. Therefore, this FT-CCD requires only half the number of pixels for the number of effective scanning lines.
  • the FT-type CCD disclosed in Japanese Patent Publication No. 60-30059 has a drawback that although the signal utilization rate is close to 100%, the ⁇ current of the CCD increases with electron beam irradiation. This is because when electrons emitted from the photocathode are accelerated to about 8 keV and irradiate the CCD, bremsstrahlung X-rays are generated at the electron incident surface of the CCD, and the X-rays are provided on the CCD surface side. It is believed that this is because an interface level is generated at the silicon monoxide film interface near the transfer electrode.
  • US Pat. No. 4,963,952 discloses a method of applying a negative voltage with respect to the substrate potential to a vertical transfer electrode during a signal accumulation period.
  • JP-B-60-30059 it was disclosed in the above-mentioned JP-B-60-30059.
  • the voltage of the signal charge in each pixel is changed in accordance with the switching between the even and odd fields, so that the voltage of the brass is applied to the gate electrode at the signal storage position during the storage period.
  • This technology could not be applied.
  • the effect of the ⁇ current due to X-ray damage was large, and the lifetime was shortened due to the deterioration of the interface due to X-rays.
  • the number of pixels in the vertical CCD was only half the number of TV scanning lines, and the resolution was not sufficient.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides an imaging apparatus using an electron impact multiplier with a built-in solid-state imaging device that has high resolution, high sensitivity, and improved S / N ratio and has a long lifetime.
  • the task is to
  • an imaging apparatus includes a photoelectric surface that emits electrons from a surface opposite to a light incident surface in response to incident light in a vacuum container that at least partially transmits light; It has a built-in charge transfer type solid-state imaging device that is arranged to face the photoelectron emission surface of the surface and detects the spatial distribution of photoelectrons as an image with a plurality of pixels.
  • An image pickup device comprising an electron impact multiplier to which a voltage is applied as an image pickup device, the image pickup device comprising: a horizontal pixel row in which a plurality of pixels are arranged in a main scanning direction; An image pickup unit that arranges a plurality of columns equal to or more than the required number of scanning lines in the direction and multiplies and accumulates the electrons incident on each pixel during the image accumulation period, and accumulates in the image pickup unit during this image accumulation period The charge And a storage unit that is transferred to each corresponding pixel during a subsequent vertical transfer period and accumulates, and a charge transfer electrode is formed on a surface of the imaging device opposite to the electron incident surface. At least during the image accumulation period, a negative voltage is applied to the transfer electrode of the imaging unit with respect to the substrate.
  • a so-called FT type solid-state imaging device of a back-illuminated type is arranged in the vacuum vessel so as to face the photoelectric surface.
  • the charge accumulated during the image accumulation period can be transferred to the accumulation section at high speed during the charge transfer period.
  • the storage period can be long enough.
  • a negative voltage is applied to the transfer electrode of the imaging unit during the image accumulation period, the ⁇ current accompanying the bremsstrahlung X-ray incidence is reduced. Further, since the number of vertical pixels is greater than the required output scanning line, the vertical resolution is ensured.
  • the imaging device sequentially scans the horizontal pixel row in the vertical direction and outputs an image signal corresponding to the accumulated charge of each pixel, and outputs the image signal to only the odd-numbered or even-numbered horizontal pixel row. It is preferable to further include a scan converter that converts the data into an interlaced signal and outputs the result by alternately outputting every other field.
  • the imaging device in the horizontal transfer unit, when n is a natural number, outputs the 2n-th output signal in the vertical direction of the horizontal pixel column to the 2n-1st or 2n + 1st horizontal pixel column.
  • the signal may be alternately integrated with the output signal every other field.
  • the image pickup unit and the storage unit of the image pickup device have the same format as the image pickup device of the sequential output operation, and the output signal of the image pickup device is converted into an interlace signal.
  • a frame memory that accumulates one frame of the image signal of the imaging device and a subtraction circuit that subtracts the output signal accumulated in the frame memory of the corresponding pixel from the output signal of the imaging device or the scan converter and outputs the result. It is preferable to further provide.
  • the difference between the pixel output stored in the frame memory and the output signal of the imaging device or the scan converter can be easily obtained.
  • the voltage value applied to the photocathode is 0 V during the vertical transfer period or a negative voltage value whose absolute value is smaller than the voltage value applied during the image accumulation period. It is preferred that
  • the potential difference formed between the photocathode and the photoelectron incident surface of the imaging device during the charge transfer period from the imaging unit to the storage unit of the imaging device is determined by the image accumulation period During the charge transfer period, the acceleration of photoelectrons from the photocathode to the photoelectron incidence surface of the device is suppressed, and during the charge transfer period, the energy of the electrons arriving at the electron incidence surface of the device is small. Therefore, the gain due to electron impact is reduced.
  • FIG. 1 is a block diagram of an imaging apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of an EB-CCD serving as an image pickup device of the image pickup apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is a schematic view of the FT-CCD of the EB-CCD of FIG.
  • FIG. 4 is a timing chart of the driving method of the FT-CCD of FIG.
  • FIG. 5 is a schematic diagram comparing the formation of a potential well between the imaging unit of the present invention and the conventional imaging unit.
  • FIG. 6 is an evening timing chart of the method of driving the FT-CCD according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the F T-C C D built in the conventional electron impact multiplier.
  • FIG. 1 is a block diagram of an imaging device of the present invention.
  • This imaging device controls a camera head 30 containing an electron impact multiplier (EB-CCD) 1 using CCD as an image sensor as an example of a charge transfer type solid-state imaging device, and £ 8- $ 01 etc. And a camera controller 40.
  • EB-CCD electron impact multiplier
  • the camera head 30 includes, in addition to the EB-CCD 1, a CCD driver 2 for driving the EB-CCD 1, a preamplifier 3 for amplifying the output from the EB-CCD 1, and a photoelectric surface (described later) in the EB-CCD 1.
  • a high-voltage power supply 4 for applying a high voltage is stored in 13, and a lens 5 for condensing a light image of a subject is arranged on the light incident surface side of the EB-CCD 1.
  • the camera controller 40 includes a timing generation circuit 21 for outputting a timing signal for controlling the CCD driver 2, a CPU 24 for controlling the evening timing generation circuit 21, a high-voltage controller 23 for controlling the high-voltage power supply 4, and a preamplifier.
  • a main amplifier 22 that amplifies the output of step 3, an AZD converter 25 that converts the output of the main amplifier 22 to a digital signal, and a non-in-time one-race signal output from the AZD converter 25 into an in-time signal.
  • a scan converter 26 for conversion, a frame memory 27 for storing an image output signal for one screen, a subtraction circuit 28 for subtracting the output signal stored in the frame memory 27 from an output signal of the scan converter 26, And a DZA converter 29 that converts a digital signal into an analog signal and outputs it.
  • the scan converter 26 stores the odd-numbered line memory 26 a for storing only the image information signal of the odd-numbered scanning line array of the image output among the outputs of the 80 converter 25, and stores only the image information signal of the even-numbered scanning line array. It consists of an even line memory 26b.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the EB-CCD 1 housed in the camera head 30.
  • the EB-CCD 1 incorporates a back-illuminated FT-type CCD 11.
  • a photoelectric surface 13 for performing photoelectric conversion according to light incidence is formed in the substrate.
  • the photocathode 13 is formed by stacking and depositing materials such as Sb, Na, K, and Cs.
  • the photocathode electrode 14 is formed by sequentially depositing Cr, Ni, and Cu.
  • the input face plate 12, the ceramic side tube 16, and the ceramic stem 17 to which the CCD 11 is fixed form an EB-CCD 1 container in which the CCD 11 and the photocathode 13 are housed, and the inside thereof is evacuated. maintain.
  • a drive signal is applied to the CCD 11 through a pin 18, a wire 19, and a bump 42 penetrating the ceramic stem 17, and an output signal is taken out.
  • Wire 1 The 9 and the bump 42 are electrically connected by aluminum wiring (not shown) formed on the connection board 41.
  • a shielding electrode 20 is provided between the wire 19 and the photocathode electrode 14.
  • the CCD 11 is a buried channel CCD in which an n-type layer is formed on a surface forming a transfer electrode opposite to the electron incident surface, based on a p-type substrate, and includes an imaging unit 11 a and a storage unit. Only the imaging section 11a is etched from the back surface, which is the light incident surface, and is reduced in thickness to about 20 / zm. On the other hand, the accumulation part 1 lb is maintained at a thickness of about 300 xm before etching.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of the CCD 11 pixel.
  • the CCD 11 includes the imaging unit 11a and the storage unit 11b.
  • the number of effective pixels is 658 in the horizontal direction (main scanning direction) and 490 in the vertical direction. It is. In FIG. 3, the number of pixels is omitted for simplification.
  • a vertical transfer unit 11c is configured by the imaging unit 11a and the storage unit 11b, and the output unit 11e is connected to the vertical transfer unit 11c via the horizontal transfer unit 11d.
  • the output section 11e has two FETs, an output FET 11f and a reset FET 11g.
  • This imaging device operates at 30Hz of television rate. Then, since the EB-CCD 1 as an image sensor performs a non-in-one race operation (sequential reading), image storage and reading of the stored charge are performed for each frame.
  • the time required to construct one frame is about 33 ms, of which about 0.5 ms is used as the vertical transfer period, and the rest is the pure image accumulation period.
  • a voltage of 18 kV is applied to the photocathode 13 shown in FIG. 2 via the photocathode electrode 14. This voltage is applied by the high voltage controller 23 controlling the high voltage power supply 4 based on the timing signal of the timing generation circuit 21 shown in FIG. The timing signal output from the timing generation circuit 21 is controlled by the CPU 24. You.
  • the accumulated charge accumulated in the potential well of each pixel during the image accumulation period is then transferred to the accumulation unit 11b during the vertical transfer period, as described in detail later, and then during the next image accumulation period.
  • This output signal is read out from the pin 18 to the outside of the EB-CCD 1 via the wire 19 and the bump 42 shown in FIG.
  • the substrate of the storage unit lib is thicker than the imaging unit 11a as described above, Near the back surface (incident surface), most of the multiplied electrons do not recombine and reach the transfer electrode portion of the storage section 11b, thereby suppressing the generation of noise.
  • the output signal read out in this way is amplified by the EB-CCD 1, preamplifier 3 and main amplifier 22 as shown in Fig. 1, and then sent to the A / D converter 25 to be converted into a digital signal.
  • the data is transferred to the scan converter 26.
  • this output signal is distributed to the odd line memory 26a and the even line memory 26b for each pixel output signal corresponding to the odd and even columns of the TV scanning line, and only the pixel output signal of the odd line is output.
  • Odd field and even line drawing Conversion to an in-night race signal is performed by alternately outputting even-numbered field signals consisting only of raw output signals.
  • the scan converter 26 can use various types of scan converters, such as circuits using delay circuits, for converting non-infrared race signals to interlace signals.
  • An image output signal for one screen (one frame) in a state where no light is incident, that is, in a dark state, is stored in the frame memory 27 in advance, and the output signal of the scan comparator is output by the subtraction circuit 28.
  • the output signal in the ⁇ state accumulated from, the noise in the ⁇ state inherent to the image sensor is subtracted, and the signal can be output at a high S / N ratio.
  • the frame memory 27 can be updated by turning on the power of the camera controller 40 or by external control via the CPU 24, and can respond to output changes in the dark state due to aging of the image sensor or the like. It is possible.
  • the output of the subtraction circuit 28 is converted to an analog signal by the DZA converter 29 and output.
  • the signals are processed by a computer or the like, the digital signal output from the subtraction circuit 28 is output as it is.
  • FIG. 4 is a timing chart of a voltage applied to each transfer electrode and the like inside the CCD 11
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a potential distribution in a silicon substrate in the present device and a conventional device.
  • the H level of the drive voltage of each transfer electrode is 6 V
  • the L level is 18 V.
  • an L level negative voltage is applied to both the transfer electrodes P 1 VS and P 2 VS of the imaging unit 11 a.
  • the potential of the silicon substrate is 0 V, and as a result, the n-channel layer of the transfer electrode is in an inverted state where holes gather. Therefore, the state where the interface state at the silicon monoxide interface is filled with holes Therefore, the dark current due to the interface state is greatly reduced.
  • the transfer electrodes P 1 VS and P 2 VS of the imaging unit 11 a and the transfer electrodes P 1 V 1 and P 2 V 1 of the storage unit 11 b are paired and alternately set to the L level. It is performed by applying a drive voltage periodically at 1 MHz (1 s period) so that it becomes H level. Also in this case, it is preferable that the L-level voltage that forms an inversion state in which holes collect in the n-channel layer is applied as long as possible without deteriorating the transfer efficiency.
  • the L-level period be longer than the H-level period in each cycle.
  • the negative value of the voltage applied to the photocathode 13 is made smaller than during the image accumulation period, so that multiplication of electrons incident on the imaging unit during the vertical transfer period is prevented, and transfer is performed. Smear caused by unnecessary signals inside can be greatly improved.
  • the applied voltage at this time is most preferably 0 V, but the same effect can be obtained even if the voltage is such that no gain occurs on the photocathode, for example, about 12 kV. In this case, there is an effect that the amplitude of the voltage pulse applied to the photocathode is reduced to 6 kV.
  • the charges transferred to the storage section 11b in this manner are read out from the storage section 11b during the next image storage period.
  • the drive electrodes of the H level and the L level are alternately applied to the transfer electrodes P 1 V 1 and P 2 V 1 of the storage section 11b.
  • the interval at which the H-level signal is applied to each electrode is about 60 ⁇ s (17 kHz).
  • the ⁇ ⁇ -level and L-level drive voltages are periodically applied in an inverted state with a period of about 75 ns (14 ⁇ ).
  • the accumulated charge is transferred to the output unit 11e for each pixel.
  • a constant voltage is applied to the drain ⁇ D of the output FET 11f, and the drain current modulated in accordance with the charge amount of the pixel transferred to the output section 11e is From source OS Power.
  • the voltage applied to the gate RG of the reset FET 1 1 g is set to the H level, and the gate potential of the output FET 11 f is fixed to the drain voltage RD of the reset FET 11 g. To reset. By repeating this, non-inverted race readout in which the accumulated charge of each pixel is sequentially read out for each horizontal pixel column is performed.
  • bremsstrahlung X-rays When accelerating electrons enter Si and decelerate, bremsstrahlung X-rays are always generated. The X-rays damage the silicon monoxide interface and increase dark current.
  • a positive voltage is applied to one of the vertical transfer electrodes during the image accumulation period. Therefore, it is impossible to avoid dark current caused by damage to the silicon monoxide interface due to bremsstrahlung X-rays.
  • all the transfer electrodes of the imaging unit 1 la are at the L level, that is, a state where a negative voltage is applied, and the interface state at the silicon monoxide interface is a hole. ⁇ ⁇ current is not generated at all due to damaging of bremsstrahlung X-rays.
  • an H level that is, a positive voltage is applied, but the period is 0.25 ms or less during one period, and is two digits or more shorter than the accumulation period. The increase in dark current due to lines is very small.
  • the dark current caused by X-ray damage can be reduced by two digits or more compared to the conventional example, and the lifetime can be extended accordingly.
  • the accumulating part lib has a thickness of about 300 m, electrons are absorbed near the surface, so even if bremsstrahlung X-rays are generated, they do not reach the vicinity of the electrodes, and the dark current does not increase. Absent.
  • the number of pixels in the vertical direction is twice that of the former conventional CCD, so that the vertical resolution is improved.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing a state of the transfer electrodes of the two image pickup units and a potential well during the charge accumulation thereof, and comparing them.
  • (a) shows the case of the conventional technology, in which the solid line represents the potential well during image storage of the odd field, and the dotted line represents the even field. 5 shows a potential well at the time of image accumulation of a field.
  • FIG. 2B shows the case of the present invention.
  • a silicon oxide layer 11i is provided on a silicon layer 11h serving as a substrate, and a transfer electrode 11j is formed on the silicon oxide layer 11i.
  • the number of vertical pixels with respect to the number of effective scanning lines is half, and a pseudo in-one race operation is performed in the vertical transfer unit.
  • the potential well below the ab electrode is used and the area under the cd electrode is not used.
  • the potential well under the cd electrode is used and the area under the ab electrode is not used.
  • the potential wells below the a'b 'and c'd' electrodes are always used.
  • the H level that is, the positive voltage is applied to the transfer electrode a during the image storage of the odd field and to the transfer electrode cd during the image storage of the even field.
  • the transfer electrode a the transfer electrode a during the image storage of the odd field and to the transfer electrode cd during the image storage of the even field.
  • an L level that is, a negative voltage can be applied to all transfer electrodes, so that dark current due to X-ray damage can be prevented.
  • the voltages of the transfer electrodes P 1 VS and P 2 VS of the imaging unit 11 a are maintained at the L level, and the initial voltage distribution in the subsequent vertical transfer period is shown in FIG. 5 (a).
  • the effect of the present invention of preventing dark current due to X-ray damage can be obtained.
  • the present invention is implemented in such a form, the first embodiment The advantage of a higher vertical resolution is lost, but a reasonable resolution can be obtained.
  • a high SZN ratio is obtained by using the frame memory 27 and the subtraction circuit 28 (see FIG. 1) to subtract the dark current output from the image signal output and output the result.
  • the generation of dark current due to bremsstrahlung X-rays is suppressed, but the current cannot be completely reduced to zero.
  • the subtraction circuit 28 the remaining ⁇ current can be effectively removed from the signal output.
  • the configuration of the imaging apparatus is a configuration in which only the scan converter 26 is removed from the first embodiment shown in FIG.
  • FIG. 6 shows a timing chart of the second embodiment.
  • the description of the same points as those in FIG. 4 which is the timing chart of the first embodiment will be omitted.
  • image storage and vertical transfer are repeated for each of the odd and even field outputs of the television screen. Therefore, the operation is repeated at a frequency of 60 Hz, which is twice the frequency of the first embodiment, at a cycle of about 16.5 ms.
  • the drive voltage applied to the photocathode and the transfer electrodes P 1 VS and P 2 VS of the imaging unit during the image accumulation period is the same as in the first embodiment in FIG.
  • the drive voltage applied to the transfer electrodes P 1 VS and P 2 VS of the imaging unit 11 a and the transfer electrodes P 1 V 1 and P 2 V 1 of the storage unit 11 b is changed in each cycle.
  • the L level period is set to be longer than the H level period
  • the transfer electrode PIVI (P 1 VS) is at the H level
  • the transfer electrode While P 2 VI (P 2VS) is at L level
  • transfer electrode PIVI (P 1 VS) is at L level
  • transfer electrode P 2 V 1 (P 2 VS) is alternately at L level so that transfer electrode P 2 V 1 (P 2 VS) is at H level.
  • H level is set to repeat.
  • the transfer electrode P 1 V 1 (P 1 VS) and the drive voltage applied to P 2V 1 (P 2VS) are prevented from going low at the same time. This is because when the L level and the H level are alternately repeated, the saturation charge (full well) becomes larger than when a drive voltage is applied so that the level becomes the L level at the same time. For this reason, in the first embodiment as well, a drive voltage having a waveform similar to that of the second embodiment is applied to the transfer electrodes ⁇ 1 V 1 (P 1 VS) and P 2 V 1 (P 2 VS). You may do so.
  • Electric charges are transferred from the imaging unit to the storage unit for each field.
  • the transferred charges are sent to the horizontal transfer unit 11d for every two horizontal pixel columns during the image accumulation period immediately after the transfer, and charge addition is performed.
  • the second n-th column and the second n-th column (n is a natural number) are added, and When outputting even-numbered fields, add the second and third columns, the fourth and fifth columns, and the 2n and 2n + 1 columns.
  • a vertical resolution can be ensured when converting to an in-night race signal.
  • the operation after the transfer in the horizontal transfer section is basically the same as that of the CCD 1 of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
  • the imaging device of the present invention may output a non-in-time one-race signal.
  • the scan converter 26 shown in the block diagram of FIG. 1 may be removed, and the output signal of the AZD converter 25 may be directly input to the frame memory 27 or the subtraction circuit 28.
  • the CCD may be driven in accordance with the evening imaging chart shown in FIG.
  • the non-infinity race signal output in this manner can be used by being input to a computer or the like.
  • an electron impact multiplier including a solid-state imaging device such as a back-illuminated FT-CCD is used as an imaging device, and an image is formed on a transfer electrode of an imaging unit of the imaging device. Braking because negative voltage is always applied during the storage period The generation of dark current due to radiated X-rays can be prevented, and high sensitivity is guaranteed. In addition, since the pixel has the same number of vertical pixels as the number of scanning lines, the vertical resolution is maintained.
  • the incidence of photoelectrons on the imaging device during charge transfer can be suppressed, and the S ratio can be further improved.
  • the imaging device is capable of imaging in a low-illuminance environment and imaging of weak light such as fluorescent light, so that it can be used for microscopic photography and observation of living things in the dark. It can be applied to

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Description

明細害
技術分野
本発明は微弱な光によるイメージを撮像する撮像装置に関し、 特に電荷転送型 固体撮像デバイスを内蔵した電子衝撃型増倍管を利用した撮像装置に関する。 背景技術
電荷転送型固体撮像デバイス、 例えば C C D撮像デバイスを内蔵した電子衝擊 型増倍管を撮像素子として利用する技術については、 G · Μ ·ウイリアムス · ジ ュニァら著 「低光レベル撮像用電子衝撃型裏面照射 C C Dセンサ一」 ( Electron-bombarded back-nlummated CCD sensors for low light level imaging applications, SPIE Vol.2415, 21ト 235頁、 1995年) に開示されて いる。
ここでは、 C C Dのほぼ全面積を撮像領域とする F F T (Full Frame Transfer) 型 C C Dを内蔵した撮像素子が開示されている。 そして、 F F T型の C C Dでテ レビレー卜での読み出し動作を行うため、 垂直転送期間中にシャツ夕一等を用い て入射光を遮光している。 さらに、 テレビのイン夕一レース走査に対応させるた め、 すなわち、 テレビの走査線の奇数列の画像情報からなる奇数フィールドと偶 数列の画像情報からなる偶数フィールドのそれぞれの画像情報に対応させるため、 C C Dの各水平画素列の画像情報信号をその前後いずれかの水平画素列の画像情 報信号と水平転送部で合成することによって、 奇数フィールド、 偶数フィールド のそれぞれに対応する画像情報信号を交互に出力している。
同様に、 テレビレートで動作可能な F T (Frame Transfer) 型 C C Dを内蔵し た電子衝撃型増倍管を撮像素子として利用する技術が、 特公昭 6 0 - 3 0 0 5 9 号に開示されている。 ここで用いられている C C Dの画素構成の概略図を第 7図 に示す。 S i基板 5 1の入射面と反対の面に転送電極 5 3が形成されており、 こ の転送電極 53は、 1画素当たり 53 a〜 53 dの 4つの電極で構成されている。 そして、前述のィン夕ーレース動作を行うためには、偶数フィールドの電荷蓄積 · 読み出し時には、転送電極 53 a, 53 bの下にポテンシャル井戸 52を形成し、 奇数フィールドの電荷蓄積 ·読み出し時には、 転送電極 53 c、 53 dの下にポ テンシャル井戸 52を形成することにより、 擬似的なイン夕一レース動作を実現 している。 したがって、 この FT— CCDでは、 有効走査線数に対する画素数は 半分ですむ。
しかし、 ウイリアムス ·ジュニアらが開示した FFT型 CCDでは、 転送期間 中に入射光を遮光する必要があるため、 その間の入射光のエネルギーを有効に利 用することができず、 特に、 入射光強度が低い場合に問題となる。 テレビレー卜 で動作させた場合は、 1フィ一ルドの撮像に利用できる蓄積時間は最長で 1 / 6 0秒 （1 7ms) であるが、 この CCDでは、 この 1フィールドの画像情報の転 送に要する時間が約 1 2ms必要となるので、 実際に 1フィールドの画像情報を 得るのに利用できる蓄積時間は約 5 m sにすぎず、 入射光の利用率は約 30 %に すぎない。 このため、 感度を上げることができなかった。 FFT— CCDでは、 S/N比や転送効率を維持したまま転送速度を向上させることが困難であり、 光 の利用率向上には限界がある。
—方、 特公昭 60— 300 59号に開示された FT型 CCDでは、 信号の利用 率は 100 %に近いものの、 電子線照射に伴い、 CCDの喑電流が増加するとい う欠点があった。 これは、 光電面から放出された電子を 8 k e V程度に加速して CCDに照射する際に C CDの電子入射面で制動放射 X線が発生し、 その X線が C C D表面側に設けられた転送電極近傍のシリコン一酸化膜界面に界面準位を発 生させるためであると考えられている。
こうした CCDの暗電流を低減する方法として、 信号蓄積期間中に、 垂直転送 電極に基板電位に対してマイナスの電圧を印加する方法が米国特許 496395 2号に開示されている。 しかし、 前述の特公昭 60— 30059号に開示された F T型 C C Dでは、 偶数、 奇数フィールドの切り替えに対応して各画素中の信号 電荷の蓄積位置を変更するため、 信号蓄積位置のゲート電極には蓄積期間中ブラ スの電圧を印加しており、 この技術を適用することができなかった。 このため、 X線ダメージによる喑電流の影響が大きく、 界面の X線による劣化によりライフ タイムも短くなつていた。 また、 垂直方向の C C Dの画素数がテレビ走査線の半 分しかなく、 解像度が充分ではなかった。
本発明は、 上記の問題点に鑑みて、 高解像度かつ高感度で、 S /N比を向上さ せたライフタイムの長い固体撮像デバイス内蔵の電子衝撃型増倍管を用いた撮像 装置を提供することを課題とする。
発明の開示
上記課題を解決するため、 本発明の撮像装置は、 少なくとも一部が光を透過す る真空容器内に、入射光に応じて光入射面の反対面から電子を放出する光電面と、 この光電面の光電子放出面に対向して配置され、 光電子の空間分布を複数の画素 により画像として検出する電荷転送型固体撮像デバイスを内蔵しており、 光電面 には撮像デバイスの基板に対して負の電圧が印加されている電子衝撃型増倍管を 撮像素子として備える撮像装置であって、 撮像デバイスは、 主走査方向に複数の 画素を配列させた水平画素列をこの主走査方向に直交する垂直方向に所要の出力 走査線数以上の複数列配置させ、 イメージ蓄積期間中に個々の画素に入射する電 子を増倍して蓄積する撮像部と、 このイメージ蓄積期間中に撮像部に蓄積された 電荷が後続の垂直転送期間中に対応するそれぞれの画素に転送されて蓄積する蓄 積部とが構成されており、 撮像デバイスの基板上の電子入射面と反対の面に電荷 転送電極が形成されており、 少なくともイメージ蓄積期間中は、 撮像部の転送電 極に、 基板に対して負の電圧が印加されていることを特徴とする。
これによれば、 真空容器内には、 光電面に対向して裏面入射型のいわゆる F T 型固体撮像デバイスが配置される。 F T型固体撮像デバイスでは、 イメージ蓄積 期間中に蓄積した電荷を電荷転送期間中に高速で蓄積部に転送できるので、 ィメ —ジ蓄積期間が十分に長くとれる。 また、 イメージ蓄積期間中は撮像部の転送電 極にマイナスの電圧が印加されているので、 制動放射 X線入射に伴う喑電流が低 減される。 さらに、 所要の出力走査線以上の垂直画素数を有するので垂直解像度 が確保される。
さらに、 撮像デバイスは、 水平画素列を垂直方向に順次走査して各画素の蓄積 電荷に相当する画像信号を出力しており、 画像信号を水平画素列の奇数列のみあ るいは偶数列のみを 1フィールドおきに交互に出力することにより、 ィンターレ —ス信号に変換して出力するスキャンコンバータをさらに備えていることが好ま しい。
あるいは、 撮像デバイスは、 水平転送部で、 nを自然数とするとき、 水平画素 列の垂直方向の 2 n番目の出力信号を、 2 n— 1番目あるいは 2 n + 1番目の水 平画素列の出力信号と 1フィールドおきに交互に積算するものでもよい。
これらによれば、 撮像デバイスの撮像部および蓄積部を、 順次出力動作の撮像 デバイスと同一形式としたうえで、 撮像素子の出力信号がインターレース信号に 変換される。
—方、 撮像デバイスの画像信号を 1フレーム分蓄積するフレームメモリと、 撮 像デバイスあるいはスキャンコンバータの出力信号から対応する画素のフレーム メモリに蓄積された出力信号を減算して出力する減算回路とをさらに備えている ことが好ましい。
これによれば、 フレームメモリに蓄積された画素出力と撮像デバイスあるいは スキャンコンバータの出力信号との差が容易に得られる。
さらに、 光電面に印加される電圧値は、 垂直転送期間中は、 0 Vであるか、 ィ メ一ジ蓄積期間中に印加される電圧値より絶対値が小さレ ^負の電圧値であること が好ましい。
これによれば、 撮像デバイスの撮像部から蓄積部への電荷転送期間中に光電面 と撮像デバイスの光電子入射面との間に形成される電位差は、 イメージ蓄積期間 中の電位差よりも小さくなり、 電荷転送期間中に光電面からデバイスの光電子入 射面への光電子の加速が抑制されて、 電荷転送期間中はデバイスの電子入射面に 到達した電子のエネルギーが小さくなるので、 電子衝撃によるゲインが小さくな る。
図面の簡単な説明
第 1図は本発明の撮像装置のブロックである。
第 2図は第 1図の撮像装置の撮像素子となる E B-CCDの概略図である。 第 3図は第 2図の EB—CCDの FT— CCDの概略図である。
第 4図は第 3図の FT— CCDの駆動方法のタイミングチヤ一トである。 第 5図は本発明と従来技術の撮像部のポテンシャル井戸形成の様子を比較した 模式図である。
第 6図は本発明の第 2の実施形態の F T— C C Dの駆動方法の夕イミングチヤ —卜である。
第 7図は従来の電子衝撃型増倍管に内蔵された F T— C C Dの断面概略図であ る。
発明を実施するための最良の形態
以下、 図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
第 1図は、 本発明の撮像装置のブロック図である。 この撮像装置は、 電荷転送 型固体撮像デバイスの一例として C C Dを利用した電子衝撃型増倍管 （E B— C CD) 1を撮像素子として収めたカメラヘッド 30と、 £8— 〇01等を制御 するカメラコントローラ 40からなる。
カメラヘッド 30には、 EB— CCD 1のほか、 EB— CCD 1を駆動する C CDドライバー 2と、 EB— CCD 1からの出力を増幅するプリアンプ 3と、 E B— CCD 1内の後述する光電面 13に高電圧を印加する高電圧電源 4とが収め られており、 EB— CCD 1の光入射面側には、 被写体の光像を集光するレンズ 5が配置されている。 一方、 カメラコントローラ 40は、 CCDドライバー 2を制御するタイミング 信号を出力するタイミング発生回路 21と、 夕イミング発生回路 21を制御する CPU 24と、 高電圧電源 4を制御する高電圧コントローラ 23と、 プリアンプ 3の出力を増幅するメインアンプ 22と、 メインアンプ 22の出力をデジタル信 号に変換する AZD変換器 25と、 この AZD変換器 25出力のノンイン夕一レ ース信号をイン夕一レース信号に変換するスキャンコンバータ一 26と、 1画面 分の画像出力信号を蓄積するフレームメモリ 27と、 フレームメモリ 27に蓄積 された出力信号をスキャンコンバータ 26の出力信号から減算する減算回路 28 と、 生成されたデジタル信号をアナログ信号に変換して出力する DZA変換器 2 9とから構成されている。 ここでスキャンコンバータ 26は、 八 0変換器25 の出力のうち画像出力の奇数走査線列の画像情報信号のみを蓄積する奇数ライン メモリ 26 aと、 偶数走査線列の画像情報信号のみを蓄積する偶数ラインメモリ 26 bとからなる。
カメラヘッド 30に収められる EB— CCD 1の概略図を第 2図に示す。 この EB— CCD 1には、 裏面入射型の FT型 CCD 1 1が内蔵されている。 EB— CCD 1の光入射面側には、 光を透過する入力面板 12が配置されており、 この 入力面板 12の内側で CCD 1 1の撮像部 1 1 aの光入射面側に対向した部分に は光入射に応じて光電変換を行う光電面 13が形成されている。 この光電面 13 は、 Sb、 Na、 K、 C s等の材料を積層して蒸着することで形成される。 また、 予め入力面板 12に接着された Ga As P結晶に真空中で C sを蒸着することで も形成することができる。 光電面電極 14は、 C r、 N i、 Cuを順に蒸着する ことで形成される。 そして、 入力面板 12、 セラミック側管 16および CCD 1 1が固定されたセラミックステム 17は、 CCD 1 1、 光電面 13が収容された EB— CCD 1の容器を形成してその内部を真空状態に維持する。 CCD 1 1に は、 セラミックステム 17を貫通するピン 18とワイヤ一 19およびバンプ 42 を介して駆動信号が印加され、 その出力信号が外部に取り出される。 ワイヤー 1 9とバンプ 42は、 接続基板 4 1上に形成されたアルミ配線 （図示せず） により 電気的に接続されている。 このワイヤー 1 9と光電面電極 1 4の間には、 遮蔽電 極 2 0が設けられている。
CCD 1 1は、 p型基板をベースにして、 電子入射面と反対面の転送電極を形 成する表面に n型層を形成した埋め込みチャンネル型 CCDであって、 撮像部 1 1 aと蓄積部 1 1 bからなり、 撮像部 1 1 aのみ光入射面である裏面からエッチ ングして厚さ約 2 0 /zmに薄型化してある。 一方、 蓄積部 1 l bはエッチング前 の厚さ約 3 00 xmに保たれている。 この CCD 1 1の画素の模式図を第 3図に 示す。
C C D 1 1は、 前述のように撮像部 1 1 aと蓄積部 1 1 bを備えており、 有効 画素数は、 水平方向 （主走査方向） が 6 5 8個、 垂直方向が 4 9 0個である。 第 3図では、 簡略化のため画素数を省略して描いている。 撮像部 1 1 aと蓄積部 1 1 bによって垂直転送部 1 1 cが構成されており、 これに水平転送部 1 1 dを介 して出力部 1 1 eが接続されている。 出力部 1 1 eには、 出力 FET 1 1 f とリ セット FET 1 1 gの 2つの FETを有している。
次に、 本撮像装置全体の動作の概要を説明する。 本撮像装置は、 テレビレー卜 の 3 0H zで動作する。 そして、 撮像素子である EB— CCD 1はノンイン夕一 レース動作 （順次読み出し） を行うので、 1フレーム毎にイメージ蓄積、 蓄積電 荷の読み出しを行う。 1フレームを構成するのに要する時間は約 3 3msだが、 このうち約 0.5msが垂直転送期間として用いられ、残りが純粋なィメージ蓄積 期間となる。
イメージ蓄積期間の大部分の期間中、 第 2図に示される光電面 1 3には、 光電 面電極 1 4を介して一 8 kVの電圧が印加されている。 この電圧は、 図 1に示さ れるタイミング発生回路 2 1のタイミング信号に基づいて、 高電圧コントローラ 2 3が高電圧電源 4を制御することにより印加されているものである。 タイミン グ発生回路 2 1が出力するタイミング信号は、 CPU 24によって制御されてい る。
第 2図に示すように入力面板 1 1を透過して光電面 1 3に光が入射すると、 入 射光に応じて光電面 1 3の光入射面と反対の面、 すなわち、 CCD 1 1に対向す る面から光電子が放出される。 一方、 CCD 1 1の基板電位は 0Vに保たれてい るので、 CCD 1 1の基板と光電面 1 3の間には電界が形成され、 この電界によ つて発生した光電子は加速されて、 CCD 1 1の撮像部 1 1 aの入射面に衝突す る。 このときに、 光電子は上記の電界によって 8 k e Vに加速されているため、 撮像部 1 1 aのシリコン基板中で運動エネルギーを失う際に、 入射電子 1個に対 して約 1 500個の電子一正孔対を生成する。 こうして発生した増倍電子は、 入 射面の反対側の転送電極が形成された表面側に移動し、 第 3図に示す撮像部 1 1 a下のポテンシャル井戸に到達する。
イメージ蓄積期間中に各画素のポテンシャル井戸に蓄積された蓄積電荷は、 そ の後、 後に詳述するように垂直転送期間中に蓄積部 1 1 bへ転送された後、 次の イメージ蓄積期間中に水平転送部 1 1 dを介して順次出力部 1 l eから出力され る。 この出力信号は、 第 2図に示されるワイヤー 1 9とバンプ 42を介してピン 1 8から EB— CCD 1の外部へ読み出される。 ここで、 蓄積部 1 1 bにィメ一 ジ蓄積期間中に増倍電子が侵入した場合でも、 蓄積部 l i bの基板は、 前述した ように撮像部 1 1 aに比較して厚いため、 基板の裏面 （入射面） 近傍でこの増倍 電子のほとんどは再結合して蓄積部 1 1 bの転送電極部分に達することがなく、 ノイズの発生を抑えることができる。
こうして読み出された出力信号は、 第 1図に示されるように EB— CCD 1力、 らプリアンプ 3、 メインアンプ 22で増幅されたうえで A/D変換器 25に送ら れてデジタル信号に変換され、 スキャンコンバータ 26に転送される。 スキャン コンバータ 26では、 テレビ走査線の奇数列および偶数列に対応する画素出力信 号毎にこの出力信号を奇数ラインメモリ 26 aと偶数ラインメモリ 26 bに振り 分け、 奇数ラインの画素出力信号のみからなる奇数フィールドと偶数ラインの画 素出力信号のみからなる偶数フィールドの信号を交互に出力することによりイン 夕一レース信号への変換を行う。
このスキャンコンバータ 2 6には上記の形式ではなく、 遅延回路を利用した回 路など各種のノンィン夕ーレース信号からインターレース信号へのスキャンコン バー夕を利用することができる。
フレームメモリ 2 7には、 予め光入射のない状態、 すなわち暗状態での画像出 力信号を 1画面 （1フレーム） 分蓄積しておき、 減算回路 2 8でスキャンコンパ —夕 2 6の出力信号から蓄積された喑状態での出力信号をそれぞれの画素につい て減算することにより撮像素子固有の喑状態でのノィズを差し引いて高 S /N比 で出力することができる。
このフレームメモリ 2 7は、 カメラコントローラ 4 0の電源投入時あるいは C P U 2 4を介して外部からの制御により更新することが可能であり、 撮像素子の 経年変化等による暗状態の出力変化に対応することが可能である。
減算回路 2 8の出力は、 D ZA変換器 2 9でアナログ信号に変換されて出力さ れる。 また、 コンピュータ等で処理するため、 減算回路 2 8からのデジタル信号 出力もそのままの形で出力される。
次に C C D 1 1の駆動方法について第 3図乃至第 5図を参照して詳細に説明す る。 第 4図は、 C C D 1 1内部の各転送電極等に印加される電圧のタイミングチ ャ一卜であり、 第 5図は、 本装置および従来の装置におけるシリコン基板中のポ テンシャル分布を模式的に示す図である。
第 4図のタイミングチャートにおいて、 各転送電極の駆動電圧の Hレベルは 6 Vであって、 Lレベルは一 8 Vである。
イメージ蓄積期間中、 撮像部 1 1 aの転送電極 P 1 V S、 P 2 V Sには、 いず れも Lレベルの負の電圧が印加されている。 このとき、 シリコン基板の電位は 0 Vであり、 この結果、 転送電極の nチャンネル層は、 ホールが集まる反転状態に なる。 したがって、 シリコン一酸化膜界面の界面準位がホールで埋められた状態 になるため、 界面準位に起因した暗電流は大幅に低減される。
イメージ蓄積期間に引き続く垂直転送期間 （0. 5ms) では、 撮像部 1 l a の各画素に蓄積された電荷が蓄積部 1 1 bの各画素に高速で転送される。 この垂 直転送は、 撮像部 1 1 aの転送電極 P 1 V S、 P 2 VSと蓄積部 1 1 bの転送電 極 P 1 V 1、 P 2 V 1とをそれぞれ対にして交互に Lレベルと Hレベルとなるよ う 1MHz (周期 1 s) で周期的に駆動電圧を印加することにより行われる。 この場合にも、 nチャンネル層にホールが集まる反転状態を形成する Lレベルの 電圧が、 転送効率を劣化させない範囲で、 極力長く印加されることが好ましい。 すなわち、 各周期において Lレベルの期間が Hレベルの期間より長いことが好ま しい。 この垂直転送期間中、 光電面 1 3への印加電圧の負の値をイメージ蓄積期 間中より小さくしているので、 垂直転送期間中に撮像部に入射する電子の増倍が 防止され、転送中の不要な信号に起因するスミアを大幅に改善することができる。 このときの印加電圧は、 0Vであることが最も好ましいが、 光電面でゲインが発 生しない程度の電圧、 例えば一 2 kV程度でも同様の効果が得られる。 この場合 は、 光電面に印加する電圧パルスの振幅を 6 kVに低減する効果がある。
こうして蓄積部 1 l bに転送された電荷は、 次のイメージ蓄積期間中に蓄積部 1 1 bから外部へ読み出される。 この読み出し動作のため、 蓄積部 1 1 bの転送 電極 P 1 V 1、 P 2 V 1には交互に Hレベルと Lレベルの駆動電圧が印加される。 それぞれの電極に Hレベルの信号が印加される間隔は、約 60 ;u s (17 kHz) である。 この結果、 この一周期ごとに蓄積部 1 1 bの水平画素列一列分の蓄積電 荷が水平転送部 1 1 dに転送される。
水平転送部 1 1 dの転送電極 P 1 H、 P 2 Hには、 約 75 n s ( 14λ Ηζ) 周期で、 Ηレベルと Lレベルの駆動電圧が反転状態で周期的に印加される。 こう して 1画素毎に蓄積電荷が出力部 1 1 eに転送される。 この出力部 1 1 eでは、 出力 FET 1 1 f のドレイン〇Dに一定電圧を印加しておき、 出力部 1 1 eに転 送されてきた画素の電荷量に応じて変調されるドレイン電流をソース OSより出 力する。 1画素の読み出し終了後、 リセット用の FET 1 1 gのゲート RGへの 印加電圧を Hレベルとし、 出力 FET 1 1 f のゲ一卜電位をリセッ卜 FET 1 1 gのドレイン電圧 RDに固定してリセットする。 これを繰り返すことにより、 各 画素の蓄積電荷を水平画素列毎に順次読み出すノンィン夕ーレース読み出しが行 われる。
加速電子が S iに入射して減速する際には、 必ず制動放射 X線が発生する。 こ の X線はシリコン一酸化膜界面にダメージを与え、 暗電流を増加させる。 特公昭 60- 30059号に開示されている FT— CCDでは、 イメージ蓄積期間中は 垂直転送電極のいずれかにプラス電圧が印加されている。 したがって、 制動放射 X線によるシリコン一酸化膜界面のダメージに起因する暗電流を避けることがで きない。
一方、 本発明によれば、 イメージ蓄積期間中は、 撮像部 1 l aの全ての転送電 極は Lレベルすなわち、 マイナス電圧が印加された状態であり、 シリコン一酸化 膜界面の界面準位がホールで満たされた反転状態となるので、 制動放射 X線のダ メージに起因する喑電流は全く発生しない。 垂直転送期間では、 Hレベル、 すな わちプラスの電圧が印加されるがその期間は一期間中に合わせて 0. 25ms以 下で、 蓄積期間より 2桁以上短いので、 垂直転送期間の X線による暗電流増加は 非常に少ない。 このように本発明では、 従来例に比べて X線のダメージに起因す る暗電流を 2桁以上低減でき、 その分、 ライフタイムを延長できる。 また、 蓄積 部 l i bは、 厚みが約 300 mあるため、 電子が表面付近で吸収されるので、 仮に制動放射 X線が発生しても電極付近に達することはなく、 暗電流の増加は起 こらない。 また、 前者の従来技術の CCDに比べて垂直方向の画素数が倍あるた め、 垂直解像度が向上する。
第 5図は両者の撮像部の転送電極とその電荷蓄積中のポテンシャル井戸の様子 を模式的に示して比較した図である。 同図 （a) は、 従来技術の場合を示し、 実 線が奇数フィールドのィメージ蓄積時のポテンシャル井戸を、 点線が偶数フィー ルドのイメージ蓄積時のポテンシャル井戸を示している。 同図 （b) は、 本発明 の場合を示している。 ともに、 基板となるシリコン層 1 1 hの上に酸化シリコン 層 1 1 iが設けられて、 酸化シリコン層 1 1 i上に転送電極 1 1 jが形成されて いる。 また、 bい b2、 b:i、 …電極、 dい d2、 d3、 …電極及び b! ' 、 b2 ' 、 b3 ' 、 …電極、 d 、 d2' 、 d3' 、 …電極には薄く p型不純物がドープされ ているので、 転送電極 a〜d (a' 〜d' ) に同じ電圧が印加された場合でも、 a 1 £i2、 a 3 , …電極、 C i 、 C 2、 C 3、 …電極及ひ a! 、 a2 ' 、 a3 ' 、 … 電極、 c 、 C 2 ' 、 c3' 、 …電極に比べて浅いポテンシャルとなる。 同図 （a) に示す従来技術の場合は、 有効走査線数に対する垂直画素数が半分で、 垂直転送 部で擬似的なイン夕一レース動作をするため、 奇数フィールドのイメージ蓄積時 は、 前述のように a b電極の下のポテンシャル井戸を用い、 c d電極下は使用せ ず、 偶数フィールドのイメージ蓄積時は逆に c d電極の下のポテンシャル井戸を 用い、 a b電極下は使用していない。 一方、 本発明の場合は、 有効走査線数と同 数以上の垂直画素数があるので、 常に a' b' 、 c ' d' 電極のそれぞれの電極 下のポテンシャル井戸を用いている。
このように従来技術では、 各フィールドにおいてポテンシャル井戸を形成する 位置が異なるため、 奇数フィールドのイメージ蓄積時には転送電極 a に、 また 偶数フィールドのイメージ蓄積時には転送電極 c dに Hレベル、 すなわちプラス の電圧を印加する必要がある。 このため、 前述のように X線によるシリコン—酸 化膜界面のダメージに起因する喑電流を避けることができない。 一方、 本発明で は、 イメージ蓄積時には、 全ての転送電極に Lレベル、 すなわちマイナスの電圧 を印加できるので、 X線ダメージに起因する暗電流を防ぐことができる。
ただし、 イメージ蓄積期間中、 撮像部 1 1 aの転送電極 P 1 VS、 P 2VSの 電圧を Lレベルに維持しておき、 続く垂直転送期間の最初の電圧配分を第 5図 (a) とすれば、 X線ダメージに起因する暗電流を防ぐという本発明の効果を得 ることができる。 このような形で本発明を実施した場合には、 第 1の実施形態に 比べて垂直解像度が高いというメリツ卜はなくなるが、 相応の解像度を得ること はできる。
また、 本撮像装置では、 フレームメモリ 27と減算回路 28 (第 1図参照） を 利用して、 画像信号出力から暗電流出力を減算して出力することにより高い SZ N比を得ている。 前述のように本撮像装置では、 制動放射 X線による暗電流発生 を抑制しているが、 喑電流を完全に 0にすることはできない。 減算回路 28を利 用することにより残る喑電流を効果的に信号出力から除去することができる。 次に、 本発明の第 2の実施形態について第 6図を参照して説明する。 この実施 形態では、 出力信号をスキャンコンパ一夕でインターレース出力に変換する代わ りに撮像素子内部の水平転送部でインターレース信号を生成することを特徴とす る。 撮像装置の構成は、 第 1図に示す第 1の実施形態からスキャンコンバータ 2 6のみを取り除いた構成である。 第 6図は、 この第 2の実施形態のタイミングチ ャ一トを示している。 ここでは、 第 1の実施形態のタイミングチャートである第 4図と重複する点についての説明は省略する。
本実施形態では、 テレビ画面の奇数、 偶数の各フィールド出力ごとにイメージ 蓄積と垂直転送を繰り返す。 したがって、 動作は第 1の実施形態の倍の周波数で ある 60Hz、 約 1 6. 5msサイクルで繰り返される。 第 6図に示されるよう に、 イメージ蓄積期間における光電面、 撮像部の転送電極 P 1 VS、 P 2VSに 印加される駆動電圧は、 第 4図の第 1の実施形態と同様である。
第 1の実施形態では、 撮像部 1 1 aの転送電極 P 1 VSと P 2VS及び蓄積部 1 1 bの転送電極 P 1 V 1と P 2 V 1に印加される駆動電圧は、 各周期において Lレベルの期間が Hレベルの期間より長くなるよう設定しているが、 第 2の実施 形態では、 第 6図に示すように、 転送電極 P I V I (P 1 VS) が Hレベルの間 は転送電極 P 2 V I (P 2VS) が Lレベル、 逆に転送電極 P I V I (P 1 VS) が Lレベルの間は転送電極 P 2 V 1 (P 2 VS) が Hレベルとなるように交互に Lレベルと Hレベルを繰り返すように設定している。即ち、転送電極 P 1 V 1 (P 1 VS) と P 2V 1 (P 2VS) に印加される駆動電圧が同時に Lレベルになら ないようにしている。 交互に Lレベルと Hレベルを繰り返すようにした方が、 同 時に Lレベルになるような駆動電圧のかけ方に比べて、飽和電荷量 (full well)が大 きくなるためである。 このような理由から、 第 1の実施形態においても第 2の実 施形態と同様な波形を有する駆動電圧を転送電極 Ρ 1 V 1 (P 1 VS) と P 2V 1 (P 2VS) に印加するようにしてもよい。
撮像部から蓄積部へは 1フィールド毎に電荷が転送される。転送された電荷は、 転送直後のイメージ蓄積期間において、 2列の水平画素列ごとに水平転送部 1 1 dへ送られて、 電荷加算が行われる。 このとき、 奇数フィールドの出力時には、 第 1列と第 2列、 第 3列と第 4列、 ···、 第 2 n— 1列と第 2 n列 （nは自然数） をそれぞれ足しあわせ、 偶数フィールドの出力時には、 第 2列と第 3列、 第 4列 と第 5列、 第 2 n列と第 2 n + 1列をそれぞれ足しあわせる。 これにより、 特別 な回路を付加する必要なしにィン夕ーレース信号への変換が可能となる。 また、 イン夕一レース信号への変換に際して垂直解像度を確保できる。 水平転送部転送 後の動作は基本的に第 1の実施形態の CCD 1と同じであるので、 説明を省略す る。
以上、 説明した実施形態では、 インターレース信号を出力する実施形態につい て説明してきたが、 本発明の撮像装置は、 ノンイン夕一レース信号を出力するも のでもよい。 この場合は、 第 1図のブロック図に示したスキャンコンバーター 2 6を取り除き、 AZD変換気 25の出力信号を直接フレームメモリ 27あるいは 減算回路 28に入力すればよい。 また、 CCDの駆動は、 第 4図に示した夕イミ ングチャートに従えばよい。 このようにして出力されたノンィン夕ーレース信号 は、 コンピュータ一等に入力させて利用することができる。
以上、 説明したように本発明によれば、 裏面照射型 FT— CCD等の固体撮像 デバイスを内蔵した電子衝撃型増倍管を撮像素子として利用し、 撮像素子の撮像 部の転送電極にィメ一ジ蓄積期間中常にマイナスの電圧を印加しているので制動 放射 X線による暗電流の発生が防止でき、 高感度が保証される。 また、 走査線と 同数の垂直画素数を有するので、 垂直解像度が維持される。
さらに、 スキャンコンバータあるいは水平転送時の隣接する水平画素列同士の 電荷加算により、 インターレース出力信号を得れば、 通常のテレビへの画像出力 が可能となる。
また、 暗電流時の出力信号をフレームメモリに蓄積しておき、 画像出力から減 算することで、 喑電流ノイズを除去して高 S ZN比を得ることができる。
さらに、電荷転送時に光電面に印加するマイナス電圧を小さくすることにより、 電荷転送時の撮像デバイスへの光電子入射を抑制し、 さらに S 比を向上させ ることができる。
産業上の利用可能性
本発明に係わる撮像装置は、 低照度環境下での撮像や蛍光のような微弱光の撮 像が可能であるので、 顕微鏡写真や暗闇での生物観察に用いることができるし、 またセキュリティ装置等に応用することができる。

Claims

請求の範囲
1 . 少なくとも一部が光を透過する真空容器内に、 入射光に応じて光入射面の 反対面から光電子を放出する光電面と、 前記光電面の光電子放出面に対向して配 δ 置され、 前記光電子の空間分布を複数の画素により画像として検出する電荷転送 型固体撮像デバイスを内蔵しており、 前記光電面には前記撮像デバイスの基板に 対して負の電圧が印加されている電子衝撃型増倍管を撮像素子として備える撮像 装置において、
前記撮像デバイスは、 主走査方向に複数の画素を配列させた水平画素列を前記0 主走査方向に直交する垂直方向に所要の出力走査線以上の複数列配置させ、 ィメ ージ蓄積期間中に個々の画素に入射する電子を増倍して蓄積する撮像部と、 前記 イメージ蓄積期間中に前記撮像部に蓄積された電荷が後続の垂直転送期間中に対 応するそれぞれの画素に転送されて蓄積する蓄積部とが構成されており、 前記撮 像デバイス φ基板上の前記電子入財面と反対の面に電荷転送電極が形成されてお5 り、 少なくとも前記イメージ蓄積期間中は、 前記撮像部の転送電極に、 前記基板 に対して負の電圧が印加されていることを特徴とする撮像装置。
2 . 前記撮像デバイスは、 前記水平画素列を前記垂直方向に順次走査して各画 素の蓄積電荷に相当する画像信号を出力しており、 前記画像信号を前記水平画素 列の奇数列のみあるいは偶数列のみを 1フィ一ルドおきに交互に出力することに0 より、 イン夕一レース信号に変換して出力するスキャンコンパ一夕をさらに備え ていることを特徴とする請求項 1記載の撮像装置。
3 . 前記撮像デバイスは、 水平転送部で、 ηを自然数とするとき、 前記水平画 素列の垂直方向の 2 η番目の出力信号を、 2 η— 1番目あるいは 2 η + 1番目の 前記水平画素列の出力信号と 1フィールドおきに交互に積算することを特徴とす5 る請求項 1記載の撮像装置。
4 . 前記撮像デバイスの前記画像信号を 1フレーム分蓄積するフレームメモリ と、 前記撮像デバイスあるいはスキャンコンパ一夕の出力信号から対応する画素 の前記フレームメモリに蓄積された出力信号を減算して出力する減算回路とをさ らに備えている請求項 1〜 3のいずれかに記載の撮像装置。
5 . 前記光電面に印加される電圧値は、 前記垂直転送期間中は、 0 Vであるか、 前記イメージ蓄積期間中に印加される電圧値より絶対値が小さい負の電圧値であ ることを特徴とする請求項 1〜 4のいずれかに記載の撮像装置。
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