撮像装置
【課題】電子ビーム非射突領域に蓄積した不所望な電荷による光電変換ターゲットの破損を低減し、且つ、高解像度画像を撮像する。
【解決手段】光透過性基板３の内面には入射光１に応じた信号電荷を発生し蓄積する光電変換膜２３を含む光電変換ターゲット２０が形成されている。電子源構体１０に形成された電界放出型冷陰極１５から放出された電子ビーム７０が光電変換ターゲット２０に射突して光電変換膜中に発生し蓄積した信号電荷が時系列電気信号として取り出される。光透過性基板と電子源構体との間には電子ビーム遮蔽電極３０が配置されており、電子ビーム遮蔽電極と電子源構体との間には複数の電子ビーム通過孔が形成されたメッシュ電極４０が配置されている。
【解決手段】光透過性基板３の内面には入射光１に応じた信号電荷を発生し蓄積する光電変換膜２３を含む光電変換ターゲット２０が形成されている。電子源構体１０に形成された電界放出型冷陰極１５から放出された電子ビーム７０が光電変換ターゲット２０に射突して光電変換膜中に発生し蓄積した信号電荷が時系列電気信号として取り出される。光透過性基板と電子源構体との間には電子ビーム遮蔽電極３０が配置されており、電子ビーム遮蔽電極と電子源構体との間には複数の電子ビーム通過孔が形成されたメッシュ電極４０が配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界放出型冷陰極を備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界放出型冷陰極を備えた撮像装置が特許文献１に開示されており、これを図７を用いて説明する。
【０００３】
光透過性基板１０３と、光透過性基板１０３に対向したシリコン基板などからなる陰極基板１０４と、光透過性基板１０３と陰極基板１０４との間のスペーサ部材１０５とが封着材料１０６を介して気密に一体に接合されて、外囲器１０２が構成されている。外囲器１０２内は所定の真空度に保持されている。光透過性基板１０３の内面には、外部からの入射光１０１に応じて信号電荷を発生し蓄積する光電変換膜１２３と透光性陽極電極１２２とからなる光電変換ターゲット１２０が形成されている。陰極基板１０４の光電変換ターゲット１２０に対向する側の面には、電子源構体１１０が設けられている。電子源構体１１０は、陰極基板１０４上に形成された複数のストライプ状のカソード電極１１１と、カソード電極１１１上に形成された、先端が尖った針状の多数の電界放出型冷陰極（以下「エミッタ」という）１１５と、各エミッタ１１５を囲むように複数のカソード電極１１１上に形成された絶縁層１１２と、絶縁層１１２上に形成された複数のストライプ状のゲート電極１１３とを備えている。ゲート電極１１３には、各エミッタ１１５に対応する位置に開口が形成されている。ストライプ状のカソード電極１１１の延設方向と、ストライプ状のゲート電極１１３の延設方向とは互いに直交している。複数のカソード電極１１１と複数のゲート電極１１３とが交差する複数の領域のそれぞれが撮像装置の画素に対応する。電子源構体１１０と光電変換ターゲット１２０との間には、各エミッタ１１５に対応する位置に貫通孔が形成されたシールドグリッド電極１３０が設けられている。
【０００４】
このような撮像装置において、外部からの入射光１０１が光透過性基板１０３及び透光性陽極電極１２２を通過して光電変換膜１２３に到達すると、光電変換膜１２３に入射光量に応じた電子正孔対が発生し、正孔が電子源構体１１０側に移動して信号電荷として蓄積される。エミッタ１１５に対してゲート電極１１３が所定の正電位となるようにカソード電極１１１及びゲート電極１１３に所定の電位を印加すると、エミッタ１１５の先端から約３０度の広がりを持った電子ビームが放出される。シールドグリッド電極１３０にはゲート電極１１３よりも高電位が印加されているので、電子ビームは加速され、その一部がシールドグリッド電極１３０の貫通孔を通過して光電変換ターゲット１２０に射突する。電子ビームの電子により光電変換膜１２３の電子源構体１１０側の電位がカソード電極１１１の電位にリセットされ、その際、透光性陽極電極１２２に接続された出力端子（図示せず）を介して電気信号が外囲器１０２外に出力される。マトリクス状に配置された多数の画素のうち電子ビームを放出する画素を順次切り替えて光電変換ターゲット１２０を電子ビームで順次走査することにより、入射光量の空間分布に対応した時系列電気信号を出力させることができる。
【特許文献１】特開２０００−４８７４３号公報
【特許文献２】特開平８−１９０８５６号公報
【特許文献３】特開２００１−１７６３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
撮像装置においては、撮像画像の更なる高解像度化が要求されており、これを実現するためには、光電変換ターゲット１２０上に電子ビームが形成するスポットの径（以下「スポット径」という）を小さくする必要がある。
【０００６】
図７に示した従来の撮像装置では、ゲート電極１１３に対向して正電位のシールドグリッド電極１３０が設けられている。これにより、ゲート電極１１３とシールドグリッド電極１３０との間で電子ビームが加速され電子ビームの広がりが抑えられ、光電変換ターゲット１２０上でのスポット径を小さくすることができる。
【０００７】
ところが、シールドグリッド電極１３０で電子ビームの一部が捕捉されることにより、光電変換ターゲット１２０上に電子ビームによって射突されない領域（以下「電子ビーム非射突領域」という）が形成される。この電子ビーム非射突領域では、入射光１０１によって発生した電荷が読み出されることなく蓄積され、やがて蓄積電荷による電位が光電変換膜１２３の耐圧限界を超えると、光電変換膜１２３と透光性陽極電極１２２との間で放電が生じ、光電変換膜１２３及び透光性陽極電極１２２を含む光電変換ターゲット１２０が破損するという問題が生じる。
【０００８】
本発明は従来の撮像装置が有する上記の問題を解決し、電子ビーム非射突領域に蓄積した不所望な電荷による光電変換ターゲットの破損が低減され、且つ、高解像度画像を撮像することが可能である撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の撮像装置は、その内部が真空に保持され、光透過性基板を有する外囲器と、複数の電界放出型冷陰極を有し、前記光透過性基板に対向して前記外囲器内に配置された電子源構体と、前記光透過性基板の前記電子源構体に対向する側の面に形成され、前記光透過性基板を透過した光に応じた信号電荷を発生し蓄積する光電変換膜を含む光電変換ターゲットと、前記光透過性基板と前記電子源構体との間に配置された電子ビーム遮蔽電極とを備える。
【００１０】
前記電界放出型冷陰極から放出された電子ビームを前記光電変換ターゲットに射突させて前記光電変換膜中に発生し蓄積した信号電荷が時系列電気信号として取り出される。
【００１１】
そして、本発明の撮像装置は、前記電子ビーム遮蔽電極と前記電子源構体との間に、複数の電子ビーム通過孔が形成されたメッシュ電極を更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電子ビーム非射突領域内の光電変換膜に蓄積した不所望な電荷は、複数の電子ビーム通過孔が形成されたメッシュ電極を用いて除去することができる。従って、電子ビーム非射突領域に蓄積した不所望な電荷による光電変換ターゲットの破損を防止することが出来る。即ち、電子ビーム非射突領域が存在することによる問題は解消される。
【００１３】
よって、電子ビーム非射突領域の発生の有無やその大小を考慮することなく、電子ビーム遮蔽電極で電子ビームの広がり角を小さくし且つ電子ビームの一部をトリミングすることが可能になる。従って、光電変換ターゲット上でのスポット径を小さくすることができるので、高解像度画像を撮像することができる。
【００１４】
よって、本発明によれば、高解像度画像の撮像と光電変換ターゲットの破損防止とを両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の上記の撮像装置において、前記電子源構体の画素と前記電子ビーム遮蔽電極に形成された貫通孔とが一対一に対応していることが好ましい。これにより、電子ビーム遮蔽電極は１画素に対応する電子ビーム束をトリミングするので、必要な電子ビームまでもがトリミングされてしまうのを防止できる。この結果、電子ビームの利用効率が向上し、高解像度画像を高効率で撮像することができる。
【００１６】
この場合において、電子源構体上の１画素のサイズが電子ビーム遮蔽電極に形成された１つの貫通孔のサイズ（開口径）より大きいことが好ましい。これにより、解像度向上のために真に有益なトリミングを実現できる。
【００１７】
前記電界放出型冷陰極から放出された前記電子ビームが前記電子ビーム遮蔽電極により遮蔽されることにより前記電子ビームが射突しない前記光電変換ターゲット上の領域に、電子ビームを射突させる電子ビーム射突手段を更に備えることが好ましい。これにより、簡単な構成で電子ビーム非射突領域に蓄積した不所望な電荷による光電変換ターゲットの破損を防止することが出来る。
【００１８】
前記電子ビーム射突手段が、前記メッシュ電極に設けられた複数の電子放出源を含むことが好ましい。
【００１９】
あるいは、前記メッシュ電極の数が２つ以上であり、前記２つ以上のメッシュ電極のうちの少なくとも１つが前記光電変換ターゲットに対して傾斜しており、前記電子ビーム射突手段が、前記光電変換ターゲットに対して傾斜した前記メッシュ電極を含むことが好ましい。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の概略構成を示した断面図である。実施の形態１に係る撮像装置を一実施例とともに説明する。
【００２２】
本実施の形態１に係る撮像装置は、光透過性基板３と、光透過性基板３に対向した陰極基板４と、光透過性基板３と陰極基板４との間のスペーサ部材５とからなる外囲器２を備える。光透過性基板３とスペーサ部材５との間、及び陰極基板４とスペーサ部材２との間はそれぞれ封着材料（図示せず）を介して気密に一体に接合されており、外囲器２内の空間は高真空（一実施例では約１０-7Ｔｏｒｒ）に保持されている。光透過性基板３の内面には、外部からの入射光１に応じて信号電荷を発生し蓄積する光電変換膜２３及び透光性陽極電極２２を含む光電変換ターゲット２０が形成されている。陰極基板４の光電変換ターゲット２０に対向する側の面には、電子源構体１０が設けられている。電子源構体１０が搭載された陰極基板４と光電変換ターゲット２０との間隔はスペーサ部材５により所定の距離（一実施例では３．２ｍｍ）に設定されている。電子源構体１０と光電変換ターゲット２０との間には、複数の電子ビーム通過孔（以下「開孔」という）が形成されたメッシュ電極４０が設けられている。メッシュ電極４０の光電変換ターゲット２０側の面の、各開孔の周縁又はその近傍には複数の補助電子源４１が設けられている。更に、メッシュ電極４０と光電変換ターゲット２０との間であって、光電変換ターゲット２０に近い位置に、複数の貫通孔が形成された電子ビーム遮蔽電極３０が設けられている。メッシュ電極４０及び電子ビーム遮蔽電極３０は、光透過性基板３及び陰極基板４に対して平行に、スペーサ部材５に支持されている。
【００２３】
電子源構体１０は、シリコン基板１１上にマトリクス状に形成された電子放出源となる多数の電界放出型冷陰極（エミッタ）１５と、各エミッタ１５を囲むようにシリコン基板１１上に形成された絶縁層１２と、絶縁層１２上に形成されたゲート電極１３とを備える。このような電子源構体１０は例えば特許文献２に記載の材料及び方法を用いて形成することができる。
【００２４】
多数のエミッタ１５が形成された領域は格子状に分割され、分割された各エリアが１画素に対応する。１画素に対応するエリア（以下「画素エリア」という）のそれぞれは、エミッタ１５と、エミッタ１５を取り囲むゲート電極１３の開口とからなる数十個から数百個の対を含む。各エミッタ１５はシリコンからなり、円錐形状又は四角錐などの多角錐形状のコーン型を有している。ゲート電極１３の略円形の開口の周縁が、エミッタ１５の先端から一定距離離れて、エミッタ１５の先端を取り囲んでいる。エミッタ１５とゲート電極１３とはシリコン酸化膜からなる絶縁層１２で電気的に分離されている。同一画素エリア内の複数のエミッタ１５同士、及び同一画素エリア内のゲート電極１３同士はそれぞれ互いに電気的に導通している。更に、格子点状に配置された複数の画素エリアのうち、同一列（縦方向ライン）上の複数の画素エリアに含まれるエミッタ１５は互いに電気的に導通しており、同一行（横方向ライン）上の複数の画素エリアに含まれるゲート電極１３は互いに電気的に導通している。
【００２５】
複数の縦方向ラインに沿った複数のエミッタ電極ライン及び複数の横方向ラインに沿った複数のゲート電極ラインは、スペーサ部材５を貫通して、又はスペーサ部材５と陰極基板４との間の封着材料を貫通して、外囲器２外に導出され、電子源駆動回路５３に接続されている。
【００２６】
一実施例では、電子源構体１０の多数のエミッタ１５が形成された領域は、縦横比４：３、対角軸方向長さ１６．９ｍｍ、縦４８０×横６４０の約３１万画素を有している。画素エリアは一辺約２１．２μｍの正方形で、この画素エリア内に約４００個のエミッタ１５が形成されている。電子源構体１０の外形寸法は、一辺約１５ｍｍの正方形、厚み０．７ｍｍである。
【００２７】
電子源構体１０と電子ビーム遮蔽電極３０とは、電子源構体１０の画素と電子ビーム遮蔽電極３０に形成された貫通孔とが一対一に対応するように配置されている。即ち、電子源構体１０の各画素（画素エリア）の中心を通り、陰極基板４の法線と平行な直線上に、この画素に対する電子ビーム遮蔽電極３０の貫通孔の中心が位置している。
【００２８】
複数のエミッタ電極ラインのうちの１つに負電位（一実施例では−２５Ｖ）を印加し、複数のゲート電極ラインのうちの１つの正電位（一実施例では＋３５Ｖ）を印加する。負電位が印加されたエミッタ電極ラインと正電位が印加されたゲート電極ラインとの交点に位置する画素エリアに含まれるエミッタ１５から電子ビームが放出される。負電位を印加するエミッタ電極ライン及び正電位を印加するゲート電極ラインを時間的に順次切り替えることで、電子ビームを放出する画素エリアをいわゆる点順次走査にて順次切り替える。
【００２９】
光透過性基板３及び陰極基板４としては、ソーダガラス、パイレックス（登録商標）ガラス、石英ガラスなどのガラス材やセラミック材などの絶縁材料であって、外囲器２内の真空気密性を保持できる材料が用いられる。一実施例では、汎用性の高いソーダガラスを用いることができる。
【００３０】
光透過性基板３上の透光性陽極電極２２及び光電変換膜２３は、スパッタリングや真空蒸着法などによって形成することができる。一実施例では、光透過性基板３上に約１０ｎｍ厚さのＳｎを含むＩｎ2Ｏ3膜をスパッタリング法により形成して透光性陽極電極２２とすることができる。この上に、厚さ約１５ｎｍのＣｅＯ2からなる正孔注入阻止層と、厚さ約５μｍの非結晶Ｓｅからなる光導電膜とを真空蒸着法により形成し、更に、厚さ約１００ｎｍのＳｂ2Ｓ3多孔質膜からなる電子ビームランディング層を低Ａｒガス雰囲気で蒸着法により形成して、光電変換膜２３とすることができる。透光性陽極電極２２は、光透過性基板３を気密に貫通する棒状の電極リードピン２６を介して外囲器２外の信号読取電源５１に接続されて、所定の電位が印加される。
【００３１】
本実施の形態１の撮像装置は、主に可視光に感度を有する撮像装置であるが、光電変換ターゲット２０が形成される光透過性基板３を、たとえばＢｅ、ＢＮ、Ａｌ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、又は有機高分子材料等のＸ線を透過しやすい材料に置き換えることにより、Ｘ線に感度を有する撮像装置を形成することもできる。
【００３２】
メッシュ電極４０及び電子ビーム遮蔽電極３０として、一実施例ではアルミニウムの板材をホトリソ法にて開孔加工したものを用いることができる。この他、電鋳法で開孔を形成したニッケル板を用いることもできる。
【００３３】
メッシュ電極４０の各開孔の周縁又はその近傍には補助電子源４１が設けられている。補助電子源４１としては例えば電界放出型電子源を用いることができ、一実施例では、例えば特許文献３に開示されたような周知の材質及び製造方法によって形成されたＣＮＴ（カーボンナノチューブ）電子源を用いることができる。電子源の電子放出を行う微粒子としては、ＣＮＴの他に、カーボンファイバー、ダイアモンドライクカーボン、グラファイト、フラーレン等の炭素材料、或いはボロンナイトライド、シリコン、金、白金を用いることもできる。
【００３４】
メッシュ電極４０及び電子ビーム遮蔽電極３０は、スペーサ部材５を気密に貫通する棒状の電極リードピン４６，３６を介して外囲器２外の電圧切替回路５２に接続されて、所定の電位が印加される。
【００３５】
本実施の形態１の撮像装置の撮像動作を図２を用いて説明する。電子源駆動回路５３によって所定の駆動電圧が印加された画素エリア１８内の各エミッタ１５から広がり（一実施例では広がり角は半角で約２５°）をもって電子ビーム７０が光電変換ターゲット２０に向かって放出される。電子ビーム７０が光電変換ターゲット２０に到達する過程で、電子ビーム７０は、ゲート電極１３、メッシュ電極４０、電子ビーム遮蔽電極３０、透光性陽極電極２２の各電位によって形成される電圧勾配（図２中に、等電位線を点線６０で図示）によって収束作用を受ける。実際の電子ビーム７０の軌道はこの電圧勾配により曲げられるが、図２ではこれを簡略化して直線で描いている（後述する図３、図５も同様である）。画素エリア１８内の複数のエミッタ１５からそれぞれ放出された電子ビーム７０の束のうち、周囲に位置する電子ビームは、この画素エリア１８に対応する電子ビーム遮蔽電極３０の貫通孔を通過できずに電子ビーム遮蔽電極３０に衝突しトリミングされる。電子ビーム遮蔽電極３０でトリミングされずにその貫通孔を通過した電子ビーム７０は光電変換ターゲット２０に射突して、画素エリア１８に対応する位置に電子ビームスポットを形成する。電子ビームスポットが形成された領域内において、入射した光量に対応して光電変換膜２３内に蓄積された電荷は電極リードピン２６を介して外囲器２外の信号読取電源５１に読み取り信号として出力される。マトリクス状に配置された多数の画素エリアのうち電子ビームを放出する画素エリアを順次切り替えて光電変換ターゲット２０を電子ビームで順次走査することにより、入射光量の空間分布に対応した時系列電気信号を出力させることができる。光電変換ターゲット２０上でのスポット径が所望する画素サイズになるように縮小化されるので、解像度及び鮮鋭度に優れた画像を得ることが出来る。上記において、画素エリア１８のエミッタから放出された電子ビーム７０の一部はメッシュ電極４０によっても捕捉されるが、メッシュ電極４０の主目的は、必要な電界を形成すること、及び補助電子源４１を支持することにあり、電子ビーム７０を捕捉することではないから、図２では電子ビーム７０はメッシュ電極４０によって捕捉されずにこれを素通りするように描いている。後述する図３、図５、図６も同様である。
【００３６】
図７に示した従来の撮像装置では、電子源構体１１０のエミッタ１１５とシールドグリッド電極１３０に形成された貫通孔とが一対一に対応していたので、エミッタ１１５からそれぞれ放出される電子ビームごとに、その一部がシールドグリッド電極１３０で捕捉されていた。従って、１画素を複数のエミッタ１１５で構成した場合であっても、この複数のエミッタ１１５からそれぞれ放出される電子ビームの一部がそれぞれ同様にシールドグリッド電極１３０で捕捉されてしまい、電子ビームの利用効率が悪かった。これに対して、本実施の形態１では、電子源構体１０の画素と電子ビーム遮蔽電極３０に形成された貫通孔とが一対一に対応しているので、１画素ごとに、電子ビーム７０の束のうち周囲に位置する不要な電子ビームのみが電子ビーム遮蔽電極３０でトリミングされる。即ち、電子ビーム７０の束のうち中央に位置する電子ビームはトリミングされずに光電変換ターゲット２０に到達する。従って、従来の撮像装置に比べて電子ビームの利用効率が向上するので、高解像度画像を高効率で撮像することができる。
【００３７】
一方、電子ビーム７０が電子ビーム遮蔽電極３０によりトリミングされることにより、電子ビームスポットが形成されない光電変換ターゲット２０上の領域（電子ビーム非射突領域）２５では、入射した光量に対応した電荷が光電変換膜２３内に蓄積される。
【００３８】
図７に示した従来の撮像装置では、この電荷が読み出されることなく光電変換膜１２３内に蓄積し、やがて蓄積電荷による電位が光電変換膜１２３の耐圧限界を超えると、光電変換膜１２３と透光性陽極電極１２２との間で放電が生じ、光電変換膜１２３及び透光性陽極電極１２２を含む光電変換ターゲット１２０が破損するという問題が生じていた。
【００３９】
本実施の形態１ではこの光電変換ターゲットの破損を防止することが出来る。これを図３を用いて説明する。
【００４０】
通常の撮像動作のためにエミッタ１５から電子ビーム７０が放出されているときは、図２に示したようにメッシュ電極４０及び電子ビーム遮蔽電極３０には同電位（一実施例では５００Ｖ）が印加される。一方、エミッタ１５から電子ビーム７０が放出されていないとき（例えば正電位が印加されるゲート電極ラインを切り替える際の隙間期間）は、図３に示すように、電圧切替回路５２により、メッシュ電極４０に電子ビーム遮蔽電極３０より低い電位（一実施例では２５０Ｖ）が印加される。この結果、メッシュ電極４０と電子ビーム遮蔽電極３０との間に電位差が生じ、両者間に電子ビーム遮蔽電極３０側を正とする電界（図３中に、等電位線を点線６１で図示）が生じる。この電界によって、メッシュ電極４０の電子ビーム遮蔽電極３０側の面に配置された補助電子源４１の先端周辺に強電界が生じ、補助電子源４１の先端から電子ビーム７１が電界放出される。
【００４１】
補助電子源４１から放出された電子ビーム７１は、メッシュ電極４０、電子ビーム遮蔽電極３０、透光性陽極電極２２の各電位によって形成される電界により光電変換ターゲット２０に向かう。電子ビーム７１が光電変換ターゲット２０に到達する過程で、電子ビーム７１の一部は電子ビーム遮蔽電極３０によってトリミングされ、残りは電子ビーム遮蔽電極３０の貫通孔を通過して光電変換ターゲット２０に射突する。光電変換ターゲット２０に射突する電子ビーム７１の軌道は、図２に示した撮像動作時にエミッタ１５から出射して光電変換ターゲット２０に射突する電子ビーム７０の軌道と異なる。従って、撮像動作時の光電変換ターゲット２０上の電子ビーム非射突領域２５にも電子ビーム７１が射突し、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷を電極リードピン２６を介して外囲器２外に出力することができる。出力された電荷は撮像の観点からは無意味であるが、光電変換ターゲット２０に蓄積された不所望な電荷を除去できるという観点からは大きな意味を有している。かくして、本実施の形態１によれば、撮像動作時に光電変換ターゲット２０の電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した不所望な電荷を除去することができるので、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷によって光電変換ターゲット２０が破損するのを防止することができる。
【００４２】
また、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した不所望な電荷を確実に除去することができるので、光電変換ターゲット２０上において電子ビーム非射突領域２５が存在したり、その面積が大きかったりすることは問題とはならない。従って、画素に対応する電子ビーム遮蔽電極３０に形成される貫通孔の開口径を小さくして、光電変換ターゲット２０上での電子ビームスポットの径を小さくすることで、更に高解像度化された撮像装置を容易に実現できる。
【００４３】
電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷を外囲器２外へ取り出す動作は、例えば各走査線の帰線期間内やフレーム間の帰線期間内に実施することが望ましい。
【００４４】
上記の説明において、実際には全ての補助電子源４１から電子ビーム７１が電界放出されるが、図３では理解しやすいように、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷を除去するのに有効なビームのみを描いている。
【００４５】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の概略構成を示した断面図である。実施の形態２に係る撮像装置を一実施例とともに説明する。図１に示した実施の形態１の撮像装置を構成する部材と同一の部材には同一の符号を付して、それらについての説明を省略する。以下、実施の形態１との相違点を中心に本実施の形態２の撮像装置を説明する。
【００４６】
電子源構体１０と電子ビーム遮蔽電極３０との間に、実施の形態１の撮像装置では１枚のメッシュ電極４０が設けられていたが、本実施の形態２の撮像装置では第１メッシュ電極４２及び第２メッシュ電極４３が設けられている。第１及び第２メッシュ電極４２，４３には、実施の形態１のメッシュ電極４０と異なり補助電子源４１は設けられていない。第１メッシュ電極４２は、光透過性基板３及び陰極基板４に対して平行に、スペーサ部材５に支持されている。一方、第２メッシュ電極４３は、光透過性基板３及び陰極基板４に対して傾斜して、スペーサ部材５に支持されている。第１及び第２メッシュ電極４２，４３として、実施の形態１のメッシュ電極４０と同様に、一実施例ではアルミニウムの板材をホトリソ法にて開孔加工したものを用いることができる。この他、電鋳法で開孔を形成したニッケル板を用いることもできる。第１メッシュ電極４２、第２メッシュ電極４３、及び電子ビーム遮蔽電極３０は、スペーサ部材５を気密に貫通する棒状の電極リードピン４７，４８，３６を介して外囲器２外の電圧切替回路５２に接続されて、所定の電位が印加される。
【００４７】
本実施の形態２の撮像装置の撮像動作時には図５に示すように第１及び第２メッシュ電極４２，４３及び電子ビーム遮蔽電極３０には同電位（一実施例では５００Ｖ）が印加される。従って、実施の形態１と同様に、エミッタから広がりをもって放出された電子ビーム７０は、光電変換ターゲット２０に到達する過程で、ゲート電極１３、第１及び第２メッシュ電極４２，４３、電子ビーム遮蔽電極３０、透光性陽極電極２２の各電位によって形成される電圧勾配（図５中に、等電位線を点線６０で図示）によって収束作用を受ける。また、画素エリア１８内の複数のエミッタ１５からそれぞれ放出された電子ビーム７０の束のうち、周囲に位置する電子ビームは、この画素エリア１８に対応する電子ビーム遮蔽電極３０の貫通孔を通過できずに電子ビーム遮蔽電極３０に衝突しトリミングされる。電子ビーム遮蔽電極３０でトリミングされずにその貫通孔を通過した電子ビーム７０は光電変換ターゲット２０に射突して、画素エリア１８に対応する位置に電子ビームスポットを形成する。電子ビームスポットが形成された領域内において、入射した光量に対応して光電変換膜２３内に蓄積された電荷を電極リードピン２６を介して外囲器２外の信号読取電源５１に読み取り信号として出力される。マトリクス状に配置された多数の画素エリアのうち電子ビームを放出する画素エリアを順次切り替えて光電変換ターゲット２０を電子ビームで順次走査することにより、入射光量の空間分布に対応した時系列電気信号を出力させることができる。光電変換ターゲット２０上でのスポット径が所望する画素サイズになるように縮小化されるので、解像度及び鮮鋭度に優れた画像を得ることが出来る。
【００４８】
一方、エミッタ１５から電子ビーム７０が放出されていないとき（例えば正電位が印加されるゲート電極ラインを切り替える際の隙間期間）は、図６に示すように、電圧切替回路５２により、第２メッシュ電極４３に第１メッシュ電極４２及び電子ビーム遮蔽電極３０より低い電位（一実施例では３５０Ｖ）が印加される。この結果、第１メッシュ電極４２と第２メッシュ電極４３との間、及び第２メッシュ電極４３と電子ビーム遮蔽電極３０との間に、それぞれ電位差が生じ、第１メッシュ電極２４と第２メッシュ電極４３との間、及び第２メッシュ電極４３と電子ビーム遮蔽電極３０との間に電界（図６中に、等電位線を点線６２，６３で図示）が生じる。ここで、第１メッシュ電極４２及び電子ビーム遮蔽電極３０は光透過性基板３及び陰極基板４に対して平行であるのに対して、第２メッシュ電極４３は光透過性基板３及び陰極基板４に対して傾斜している。従って、第１メッシュ電極４２と電子ビーム遮蔽電極３０との間に形成された電界は、光透過性基板３及び陰極基板４に平行な面内において不均一になる。この状態でエミッタ１５から電子ビーム７０を放出させると、電子ビーム７０は第１メッシュ電極４２と電子ビーム遮蔽電極３０との間において偏向され、偏向された電子ビーム７０の一部は電子ビーム遮蔽電極３０の貫通孔を通過して光電変換ターゲット７０に射突する。図６に示した光電変換ターゲット７０に射突する電子ビーム７０の軌道は、図５に示した撮像動作時の光電変換ターゲット２０に射突する電子ビーム７０の軌道と異なる。従って、撮像動作時の光電変換ターゲット２０上の電子ビーム非射突領域２５にも電子ビーム７０が射突し、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷を電極リードピン２６を介して外囲器２外に出力することができる。かくして、本実施の形態２によれば、撮像動作時に光電変換ターゲット２０の電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した不所望な電荷を除去することができるので、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷によって光電変換ターゲット２０が破損するのを防止することができる。
【００４９】
上記の説明において、実際には全てのエミッタ１５から電子ビーム７０が放出されるが、図６では理解しやすいように、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷を除去するのに有効な電子ビームのみを描いている。
【００５０】
また、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した不所望な電荷を確実に除去することができるので、光電変換ターゲット２０上において電子ビーム非射突領域２５が存在したり、その面積が大きかったりすることは問題とはならない。従って、画素に対応する電子ビーム遮蔽電極３０に形成される貫通孔の開口径を小さくして、光電変換ターゲット２０上での電子ビームスポットの径を小さくすることで、更に高解像度化された撮像装置を容易に実現できる。
【００５１】
実施の形態１と異なり、実施の形態２では、不所望電荷除去動作時に光電変換ターゲット２０に射突する電子ビーム７０はエミッタ１５から放出される。従って、不所望電荷除去動作時に第２メッシュ電極４３への電位の切り替え動作に同期して、エミッタ１５から電子ビーム７０が放出されるのに必要な電位が電子源構体１０のエミッタ電極ライン及びゲート電極ラインに印加されるように、電子源駆動回路５３が設計される。不所望電荷除去動作時には、電子源構体１０に含まれるすべてのエミッタ１５から電子ビーム７０を放出させる必要はなく、電子ビーム非射突領域２５に電子ビーム７０を射突させることができるのであれば、一部のエミッタ１５のみから電子ビーム７０を放出させても良い。
【００５２】
上記の実施の形態２では不所望電荷除去動作時には、第１メッシュ電極４２及び電子ビーム遮蔽電極３０には撮像動作時と同じ電位を印加し、第２メッシュ電極４３には撮像動作時より低い電位を印加したが、本発明はこれに限定されない。例えば、不所望電荷除去動作時に、第１メッシュ電極４２及び電子ビーム遮蔽電極３０には撮像動作時と同じ電位を印加しながら、第２メッシュ電極４３に撮像動作時より高い電位を印加したり、撮像動作時に比べて低い電位と高い電位とを時間的に切り替えて印加したりしても良い。これらの場合にも第１メッシュ電極４２と電子ビーム遮蔽電極３０との間に形成される電界を撮像動作時と不所望電荷除去動作時とで異ならせることができるので、光電変換ターゲット２０上の電子ビーム非射突領域２５に不所望電荷除去動作時に電子ビームを射突させることができ、本実施の形態２の上記の効果を得ることが出来る。
【００５３】
実施の形態２においても、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷を外囲器２外へ取り出す動作は、例えば各走査線の帰線期間内やフレーム間の帰線期間内に実施することが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の利用分野は特に制限はなく、高信頼性を有し、高解像度画像を撮像できる撮像装置として広範囲に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の概略構成を示した断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の撮像動作を示した断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の不所望電荷除去動作を説明する断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の概略構成を示した断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の撮像動作を示した断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の不所望電荷除去動作を説明する断面図である。
【図７】図７は、従来の電界放出型冷陰極を備えた撮像装置の概略構成を示した断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 入射光
２ 外囲器
３ 光透過性基板
４ 陰極基板
５ スペーサ部材
１０ 電子源構体
１１ シリコン基板
１２ 絶縁層
１３ ゲート電極
１５ 電界放出型冷陰極（エミッタ）
１８ 画素エリア
２０ 光電変換ターゲット
２２ 透光性陽極電極
２３ 光電変換膜
２５ 電子ビーム非射突領域
２６ 電極リードピン
３０ 電子ビーム遮蔽電極
３６ 電極リードピン
４０ メッシュ電極
４１ 補助電子源
４２ 第１メッシュ電極
４３ 第２メッシュ電極
４６，４７，４８ 電極リードピン
５１ 信号読取電源
５２ 電圧切替回路
５３ 電子源駆動回路
７０，７１ 電子ビーム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界放出型冷陰極を備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界放出型冷陰極を備えた撮像装置が特許文献１に開示されており、これを図７を用いて説明する。
【０００３】
光透過性基板１０３と、光透過性基板１０３に対向したシリコン基板などからなる陰極基板１０４と、光透過性基板１０３と陰極基板１０４との間のスペーサ部材１０５とが封着材料１０６を介して気密に一体に接合されて、外囲器１０２が構成されている。外囲器１０２内は所定の真空度に保持されている。光透過性基板１０３の内面には、外部からの入射光１０１に応じて信号電荷を発生し蓄積する光電変換膜１２３と透光性陽極電極１２２とからなる光電変換ターゲット１２０が形成されている。陰極基板１０４の光電変換ターゲット１２０に対向する側の面には、電子源構体１１０が設けられている。電子源構体１１０は、陰極基板１０４上に形成された複数のストライプ状のカソード電極１１１と、カソード電極１１１上に形成された、先端が尖った針状の多数の電界放出型冷陰極（以下「エミッタ」という）１１５と、各エミッタ１１５を囲むように複数のカソード電極１１１上に形成された絶縁層１１２と、絶縁層１１２上に形成された複数のストライプ状のゲート電極１１３とを備えている。ゲート電極１１３には、各エミッタ１１５に対応する位置に開口が形成されている。ストライプ状のカソード電極１１１の延設方向と、ストライプ状のゲート電極１１３の延設方向とは互いに直交している。複数のカソード電極１１１と複数のゲート電極１１３とが交差する複数の領域のそれぞれが撮像装置の画素に対応する。電子源構体１１０と光電変換ターゲット１２０との間には、各エミッタ１１５に対応する位置に貫通孔が形成されたシールドグリッド電極１３０が設けられている。
【０００４】
このような撮像装置において、外部からの入射光１０１が光透過性基板１０３及び透光性陽極電極１２２を通過して光電変換膜１２３に到達すると、光電変換膜１２３に入射光量に応じた電子正孔対が発生し、正孔が電子源構体１１０側に移動して信号電荷として蓄積される。エミッタ１１５に対してゲート電極１１３が所定の正電位となるようにカソード電極１１１及びゲート電極１１３に所定の電位を印加すると、エミッタ１１５の先端から約３０度の広がりを持った電子ビームが放出される。シールドグリッド電極１３０にはゲート電極１１３よりも高電位が印加されているので、電子ビームは加速され、その一部がシールドグリッド電極１３０の貫通孔を通過して光電変換ターゲット１２０に射突する。電子ビームの電子により光電変換膜１２３の電子源構体１１０側の電位がカソード電極１１１の電位にリセットされ、その際、透光性陽極電極１２２に接続された出力端子（図示せず）を介して電気信号が外囲器１０２外に出力される。マトリクス状に配置された多数の画素のうち電子ビームを放出する画素を順次切り替えて光電変換ターゲット１２０を電子ビームで順次走査することにより、入射光量の空間分布に対応した時系列電気信号を出力させることができる。
【特許文献１】特開２０００−４８７４３号公報
【特許文献２】特開平８−１９０８５６号公報
【特許文献３】特開２００１−１７６３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
撮像装置においては、撮像画像の更なる高解像度化が要求されており、これを実現するためには、光電変換ターゲット１２０上に電子ビームが形成するスポットの径（以下「スポット径」という）を小さくする必要がある。
【０００６】
図７に示した従来の撮像装置では、ゲート電極１１３に対向して正電位のシールドグリッド電極１３０が設けられている。これにより、ゲート電極１１３とシールドグリッド電極１３０との間で電子ビームが加速され電子ビームの広がりが抑えられ、光電変換ターゲット１２０上でのスポット径を小さくすることができる。
【０００７】
ところが、シールドグリッド電極１３０で電子ビームの一部が捕捉されることにより、光電変換ターゲット１２０上に電子ビームによって射突されない領域（以下「電子ビーム非射突領域」という）が形成される。この電子ビーム非射突領域では、入射光１０１によって発生した電荷が読み出されることなく蓄積され、やがて蓄積電荷による電位が光電変換膜１２３の耐圧限界を超えると、光電変換膜１２３と透光性陽極電極１２２との間で放電が生じ、光電変換膜１２３及び透光性陽極電極１２２を含む光電変換ターゲット１２０が破損するという問題が生じる。
【０００８】
本発明は従来の撮像装置が有する上記の問題を解決し、電子ビーム非射突領域に蓄積した不所望な電荷による光電変換ターゲットの破損が低減され、且つ、高解像度画像を撮像することが可能である撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の撮像装置は、その内部が真空に保持され、光透過性基板を有する外囲器と、複数の電界放出型冷陰極を有し、前記光透過性基板に対向して前記外囲器内に配置された電子源構体と、前記光透過性基板の前記電子源構体に対向する側の面に形成され、前記光透過性基板を透過した光に応じた信号電荷を発生し蓄積する光電変換膜を含む光電変換ターゲットと、前記光透過性基板と前記電子源構体との間に配置された電子ビーム遮蔽電極とを備える。
【００１０】
前記電界放出型冷陰極から放出された電子ビームを前記光電変換ターゲットに射突させて前記光電変換膜中に発生し蓄積した信号電荷が時系列電気信号として取り出される。
【００１１】
そして、本発明の撮像装置は、前記電子ビーム遮蔽電極と前記電子源構体との間に、複数の電子ビーム通過孔が形成されたメッシュ電極を更に備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電子ビーム非射突領域内の光電変換膜に蓄積した不所望な電荷は、複数の電子ビーム通過孔が形成されたメッシュ電極を用いて除去することができる。従って、電子ビーム非射突領域に蓄積した不所望な電荷による光電変換ターゲットの破損を防止することが出来る。即ち、電子ビーム非射突領域が存在することによる問題は解消される。
【００１３】
よって、電子ビーム非射突領域の発生の有無やその大小を考慮することなく、電子ビーム遮蔽電極で電子ビームの広がり角を小さくし且つ電子ビームの一部をトリミングすることが可能になる。従って、光電変換ターゲット上でのスポット径を小さくすることができるので、高解像度画像を撮像することができる。
【００１４】
よって、本発明によれば、高解像度画像の撮像と光電変換ターゲットの破損防止とを両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の上記の撮像装置において、前記電子源構体の画素と前記電子ビーム遮蔽電極に形成された貫通孔とが一対一に対応していることが好ましい。これにより、電子ビーム遮蔽電極は１画素に対応する電子ビーム束をトリミングするので、必要な電子ビームまでもがトリミングされてしまうのを防止できる。この結果、電子ビームの利用効率が向上し、高解像度画像を高効率で撮像することができる。
【００１６】
この場合において、電子源構体上の１画素のサイズが電子ビーム遮蔽電極に形成された１つの貫通孔のサイズ（開口径）より大きいことが好ましい。これにより、解像度向上のために真に有益なトリミングを実現できる。
【００１７】
前記電界放出型冷陰極から放出された前記電子ビームが前記電子ビーム遮蔽電極により遮蔽されることにより前記電子ビームが射突しない前記光電変換ターゲット上の領域に、電子ビームを射突させる電子ビーム射突手段を更に備えることが好ましい。これにより、簡単な構成で電子ビーム非射突領域に蓄積した不所望な電荷による光電変換ターゲットの破損を防止することが出来る。
【００１８】
前記電子ビーム射突手段が、前記メッシュ電極に設けられた複数の電子放出源を含むことが好ましい。
【００１９】
あるいは、前記メッシュ電極の数が２つ以上であり、前記２つ以上のメッシュ電極のうちの少なくとも１つが前記光電変換ターゲットに対して傾斜しており、前記電子ビーム射突手段が、前記光電変換ターゲットに対して傾斜した前記メッシュ電極を含むことが好ましい。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の概略構成を示した断面図である。実施の形態１に係る撮像装置を一実施例とともに説明する。
【００２２】
本実施の形態１に係る撮像装置は、光透過性基板３と、光透過性基板３に対向した陰極基板４と、光透過性基板３と陰極基板４との間のスペーサ部材５とからなる外囲器２を備える。光透過性基板３とスペーサ部材５との間、及び陰極基板４とスペーサ部材２との間はそれぞれ封着材料（図示せず）を介して気密に一体に接合されており、外囲器２内の空間は高真空（一実施例では約１０-7Ｔｏｒｒ）に保持されている。光透過性基板３の内面には、外部からの入射光１に応じて信号電荷を発生し蓄積する光電変換膜２３及び透光性陽極電極２２を含む光電変換ターゲット２０が形成されている。陰極基板４の光電変換ターゲット２０に対向する側の面には、電子源構体１０が設けられている。電子源構体１０が搭載された陰極基板４と光電変換ターゲット２０との間隔はスペーサ部材５により所定の距離（一実施例では３．２ｍｍ）に設定されている。電子源構体１０と光電変換ターゲット２０との間には、複数の電子ビーム通過孔（以下「開孔」という）が形成されたメッシュ電極４０が設けられている。メッシュ電極４０の光電変換ターゲット２０側の面の、各開孔の周縁又はその近傍には複数の補助電子源４１が設けられている。更に、メッシュ電極４０と光電変換ターゲット２０との間であって、光電変換ターゲット２０に近い位置に、複数の貫通孔が形成された電子ビーム遮蔽電極３０が設けられている。メッシュ電極４０及び電子ビーム遮蔽電極３０は、光透過性基板３及び陰極基板４に対して平行に、スペーサ部材５に支持されている。
【００２３】
電子源構体１０は、シリコン基板１１上にマトリクス状に形成された電子放出源となる多数の電界放出型冷陰極（エミッタ）１５と、各エミッタ１５を囲むようにシリコン基板１１上に形成された絶縁層１２と、絶縁層１２上に形成されたゲート電極１３とを備える。このような電子源構体１０は例えば特許文献２に記載の材料及び方法を用いて形成することができる。
【００２４】
多数のエミッタ１５が形成された領域は格子状に分割され、分割された各エリアが１画素に対応する。１画素に対応するエリア（以下「画素エリア」という）のそれぞれは、エミッタ１５と、エミッタ１５を取り囲むゲート電極１３の開口とからなる数十個から数百個の対を含む。各エミッタ１５はシリコンからなり、円錐形状又は四角錐などの多角錐形状のコーン型を有している。ゲート電極１３の略円形の開口の周縁が、エミッタ１５の先端から一定距離離れて、エミッタ１５の先端を取り囲んでいる。エミッタ１５とゲート電極１３とはシリコン酸化膜からなる絶縁層１２で電気的に分離されている。同一画素エリア内の複数のエミッタ１５同士、及び同一画素エリア内のゲート電極１３同士はそれぞれ互いに電気的に導通している。更に、格子点状に配置された複数の画素エリアのうち、同一列（縦方向ライン）上の複数の画素エリアに含まれるエミッタ１５は互いに電気的に導通しており、同一行（横方向ライン）上の複数の画素エリアに含まれるゲート電極１３は互いに電気的に導通している。
【００２５】
複数の縦方向ラインに沿った複数のエミッタ電極ライン及び複数の横方向ラインに沿った複数のゲート電極ラインは、スペーサ部材５を貫通して、又はスペーサ部材５と陰極基板４との間の封着材料を貫通して、外囲器２外に導出され、電子源駆動回路５３に接続されている。
【００２６】
一実施例では、電子源構体１０の多数のエミッタ１５が形成された領域は、縦横比４：３、対角軸方向長さ１６．９ｍｍ、縦４８０×横６４０の約３１万画素を有している。画素エリアは一辺約２１．２μｍの正方形で、この画素エリア内に約４００個のエミッタ１５が形成されている。電子源構体１０の外形寸法は、一辺約１５ｍｍの正方形、厚み０．７ｍｍである。
【００２７】
電子源構体１０と電子ビーム遮蔽電極３０とは、電子源構体１０の画素と電子ビーム遮蔽電極３０に形成された貫通孔とが一対一に対応するように配置されている。即ち、電子源構体１０の各画素（画素エリア）の中心を通り、陰極基板４の法線と平行な直線上に、この画素に対する電子ビーム遮蔽電極３０の貫通孔の中心が位置している。
【００２８】
複数のエミッタ電極ラインのうちの１つに負電位（一実施例では−２５Ｖ）を印加し、複数のゲート電極ラインのうちの１つの正電位（一実施例では＋３５Ｖ）を印加する。負電位が印加されたエミッタ電極ラインと正電位が印加されたゲート電極ラインとの交点に位置する画素エリアに含まれるエミッタ１５から電子ビームが放出される。負電位を印加するエミッタ電極ライン及び正電位を印加するゲート電極ラインを時間的に順次切り替えることで、電子ビームを放出する画素エリアをいわゆる点順次走査にて順次切り替える。
【００２９】
光透過性基板３及び陰極基板４としては、ソーダガラス、パイレックス（登録商標）ガラス、石英ガラスなどのガラス材やセラミック材などの絶縁材料であって、外囲器２内の真空気密性を保持できる材料が用いられる。一実施例では、汎用性の高いソーダガラスを用いることができる。
【００３０】
光透過性基板３上の透光性陽極電極２２及び光電変換膜２３は、スパッタリングや真空蒸着法などによって形成することができる。一実施例では、光透過性基板３上に約１０ｎｍ厚さのＳｎを含むＩｎ2Ｏ3膜をスパッタリング法により形成して透光性陽極電極２２とすることができる。この上に、厚さ約１５ｎｍのＣｅＯ2からなる正孔注入阻止層と、厚さ約５μｍの非結晶Ｓｅからなる光導電膜とを真空蒸着法により形成し、更に、厚さ約１００ｎｍのＳｂ2Ｓ3多孔質膜からなる電子ビームランディング層を低Ａｒガス雰囲気で蒸着法により形成して、光電変換膜２３とすることができる。透光性陽極電極２２は、光透過性基板３を気密に貫通する棒状の電極リードピン２６を介して外囲器２外の信号読取電源５１に接続されて、所定の電位が印加される。
【００３１】
本実施の形態１の撮像装置は、主に可視光に感度を有する撮像装置であるが、光電変換ターゲット２０が形成される光透過性基板３を、たとえばＢｅ、ＢＮ、Ａｌ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、又は有機高分子材料等のＸ線を透過しやすい材料に置き換えることにより、Ｘ線に感度を有する撮像装置を形成することもできる。
【００３２】
メッシュ電極４０及び電子ビーム遮蔽電極３０として、一実施例ではアルミニウムの板材をホトリソ法にて開孔加工したものを用いることができる。この他、電鋳法で開孔を形成したニッケル板を用いることもできる。
【００３３】
メッシュ電極４０の各開孔の周縁又はその近傍には補助電子源４１が設けられている。補助電子源４１としては例えば電界放出型電子源を用いることができ、一実施例では、例えば特許文献３に開示されたような周知の材質及び製造方法によって形成されたＣＮＴ（カーボンナノチューブ）電子源を用いることができる。電子源の電子放出を行う微粒子としては、ＣＮＴの他に、カーボンファイバー、ダイアモンドライクカーボン、グラファイト、フラーレン等の炭素材料、或いはボロンナイトライド、シリコン、金、白金を用いることもできる。
【００３４】
メッシュ電極４０及び電子ビーム遮蔽電極３０は、スペーサ部材５を気密に貫通する棒状の電極リードピン４６，３６を介して外囲器２外の電圧切替回路５２に接続されて、所定の電位が印加される。
【００３５】
本実施の形態１の撮像装置の撮像動作を図２を用いて説明する。電子源駆動回路５３によって所定の駆動電圧が印加された画素エリア１８内の各エミッタ１５から広がり（一実施例では広がり角は半角で約２５°）をもって電子ビーム７０が光電変換ターゲット２０に向かって放出される。電子ビーム７０が光電変換ターゲット２０に到達する過程で、電子ビーム７０は、ゲート電極１３、メッシュ電極４０、電子ビーム遮蔽電極３０、透光性陽極電極２２の各電位によって形成される電圧勾配（図２中に、等電位線を点線６０で図示）によって収束作用を受ける。実際の電子ビーム７０の軌道はこの電圧勾配により曲げられるが、図２ではこれを簡略化して直線で描いている（後述する図３、図５も同様である）。画素エリア１８内の複数のエミッタ１５からそれぞれ放出された電子ビーム７０の束のうち、周囲に位置する電子ビームは、この画素エリア１８に対応する電子ビーム遮蔽電極３０の貫通孔を通過できずに電子ビーム遮蔽電極３０に衝突しトリミングされる。電子ビーム遮蔽電極３０でトリミングされずにその貫通孔を通過した電子ビーム７０は光電変換ターゲット２０に射突して、画素エリア１８に対応する位置に電子ビームスポットを形成する。電子ビームスポットが形成された領域内において、入射した光量に対応して光電変換膜２３内に蓄積された電荷は電極リードピン２６を介して外囲器２外の信号読取電源５１に読み取り信号として出力される。マトリクス状に配置された多数の画素エリアのうち電子ビームを放出する画素エリアを順次切り替えて光電変換ターゲット２０を電子ビームで順次走査することにより、入射光量の空間分布に対応した時系列電気信号を出力させることができる。光電変換ターゲット２０上でのスポット径が所望する画素サイズになるように縮小化されるので、解像度及び鮮鋭度に優れた画像を得ることが出来る。上記において、画素エリア１８のエミッタから放出された電子ビーム７０の一部はメッシュ電極４０によっても捕捉されるが、メッシュ電極４０の主目的は、必要な電界を形成すること、及び補助電子源４１を支持することにあり、電子ビーム７０を捕捉することではないから、図２では電子ビーム７０はメッシュ電極４０によって捕捉されずにこれを素通りするように描いている。後述する図３、図５、図６も同様である。
【００３６】
図７に示した従来の撮像装置では、電子源構体１１０のエミッタ１１５とシールドグリッド電極１３０に形成された貫通孔とが一対一に対応していたので、エミッタ１１５からそれぞれ放出される電子ビームごとに、その一部がシールドグリッド電極１３０で捕捉されていた。従って、１画素を複数のエミッタ１１５で構成した場合であっても、この複数のエミッタ１１５からそれぞれ放出される電子ビームの一部がそれぞれ同様にシールドグリッド電極１３０で捕捉されてしまい、電子ビームの利用効率が悪かった。これに対して、本実施の形態１では、電子源構体１０の画素と電子ビーム遮蔽電極３０に形成された貫通孔とが一対一に対応しているので、１画素ごとに、電子ビーム７０の束のうち周囲に位置する不要な電子ビームのみが電子ビーム遮蔽電極３０でトリミングされる。即ち、電子ビーム７０の束のうち中央に位置する電子ビームはトリミングされずに光電変換ターゲット２０に到達する。従って、従来の撮像装置に比べて電子ビームの利用効率が向上するので、高解像度画像を高効率で撮像することができる。
【００３７】
一方、電子ビーム７０が電子ビーム遮蔽電極３０によりトリミングされることにより、電子ビームスポットが形成されない光電変換ターゲット２０上の領域（電子ビーム非射突領域）２５では、入射した光量に対応した電荷が光電変換膜２３内に蓄積される。
【００３８】
図７に示した従来の撮像装置では、この電荷が読み出されることなく光電変換膜１２３内に蓄積し、やがて蓄積電荷による電位が光電変換膜１２３の耐圧限界を超えると、光電変換膜１２３と透光性陽極電極１２２との間で放電が生じ、光電変換膜１２３及び透光性陽極電極１２２を含む光電変換ターゲット１２０が破損するという問題が生じていた。
【００３９】
本実施の形態１ではこの光電変換ターゲットの破損を防止することが出来る。これを図３を用いて説明する。
【００４０】
通常の撮像動作のためにエミッタ１５から電子ビーム７０が放出されているときは、図２に示したようにメッシュ電極４０及び電子ビーム遮蔽電極３０には同電位（一実施例では５００Ｖ）が印加される。一方、エミッタ１５から電子ビーム７０が放出されていないとき（例えば正電位が印加されるゲート電極ラインを切り替える際の隙間期間）は、図３に示すように、電圧切替回路５２により、メッシュ電極４０に電子ビーム遮蔽電極３０より低い電位（一実施例では２５０Ｖ）が印加される。この結果、メッシュ電極４０と電子ビーム遮蔽電極３０との間に電位差が生じ、両者間に電子ビーム遮蔽電極３０側を正とする電界（図３中に、等電位線を点線６１で図示）が生じる。この電界によって、メッシュ電極４０の電子ビーム遮蔽電極３０側の面に配置された補助電子源４１の先端周辺に強電界が生じ、補助電子源４１の先端から電子ビーム７１が電界放出される。
【００４１】
補助電子源４１から放出された電子ビーム７１は、メッシュ電極４０、電子ビーム遮蔽電極３０、透光性陽極電極２２の各電位によって形成される電界により光電変換ターゲット２０に向かう。電子ビーム７１が光電変換ターゲット２０に到達する過程で、電子ビーム７１の一部は電子ビーム遮蔽電極３０によってトリミングされ、残りは電子ビーム遮蔽電極３０の貫通孔を通過して光電変換ターゲット２０に射突する。光電変換ターゲット２０に射突する電子ビーム７１の軌道は、図２に示した撮像動作時にエミッタ１５から出射して光電変換ターゲット２０に射突する電子ビーム７０の軌道と異なる。従って、撮像動作時の光電変換ターゲット２０上の電子ビーム非射突領域２５にも電子ビーム７１が射突し、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷を電極リードピン２６を介して外囲器２外に出力することができる。出力された電荷は撮像の観点からは無意味であるが、光電変換ターゲット２０に蓄積された不所望な電荷を除去できるという観点からは大きな意味を有している。かくして、本実施の形態１によれば、撮像動作時に光電変換ターゲット２０の電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した不所望な電荷を除去することができるので、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷によって光電変換ターゲット２０が破損するのを防止することができる。
【００４２】
また、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した不所望な電荷を確実に除去することができるので、光電変換ターゲット２０上において電子ビーム非射突領域２５が存在したり、その面積が大きかったりすることは問題とはならない。従って、画素に対応する電子ビーム遮蔽電極３０に形成される貫通孔の開口径を小さくして、光電変換ターゲット２０上での電子ビームスポットの径を小さくすることで、更に高解像度化された撮像装置を容易に実現できる。
【００４３】
電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷を外囲器２外へ取り出す動作は、例えば各走査線の帰線期間内やフレーム間の帰線期間内に実施することが望ましい。
【００４４】
上記の説明において、実際には全ての補助電子源４１から電子ビーム７１が電界放出されるが、図３では理解しやすいように、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷を除去するのに有効なビームのみを描いている。
【００４５】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の概略構成を示した断面図である。実施の形態２に係る撮像装置を一実施例とともに説明する。図１に示した実施の形態１の撮像装置を構成する部材と同一の部材には同一の符号を付して、それらについての説明を省略する。以下、実施の形態１との相違点を中心に本実施の形態２の撮像装置を説明する。
【００４６】
電子源構体１０と電子ビーム遮蔽電極３０との間に、実施の形態１の撮像装置では１枚のメッシュ電極４０が設けられていたが、本実施の形態２の撮像装置では第１メッシュ電極４２及び第２メッシュ電極４３が設けられている。第１及び第２メッシュ電極４２，４３には、実施の形態１のメッシュ電極４０と異なり補助電子源４１は設けられていない。第１メッシュ電極４２は、光透過性基板３及び陰極基板４に対して平行に、スペーサ部材５に支持されている。一方、第２メッシュ電極４３は、光透過性基板３及び陰極基板４に対して傾斜して、スペーサ部材５に支持されている。第１及び第２メッシュ電極４２，４３として、実施の形態１のメッシュ電極４０と同様に、一実施例ではアルミニウムの板材をホトリソ法にて開孔加工したものを用いることができる。この他、電鋳法で開孔を形成したニッケル板を用いることもできる。第１メッシュ電極４２、第２メッシュ電極４３、及び電子ビーム遮蔽電極３０は、スペーサ部材５を気密に貫通する棒状の電極リードピン４７，４８，３６を介して外囲器２外の電圧切替回路５２に接続されて、所定の電位が印加される。
【００４７】
本実施の形態２の撮像装置の撮像動作時には図５に示すように第１及び第２メッシュ電極４２，４３及び電子ビーム遮蔽電極３０には同電位（一実施例では５００Ｖ）が印加される。従って、実施の形態１と同様に、エミッタから広がりをもって放出された電子ビーム７０は、光電変換ターゲット２０に到達する過程で、ゲート電極１３、第１及び第２メッシュ電極４２，４３、電子ビーム遮蔽電極３０、透光性陽極電極２２の各電位によって形成される電圧勾配（図５中に、等電位線を点線６０で図示）によって収束作用を受ける。また、画素エリア１８内の複数のエミッタ１５からそれぞれ放出された電子ビーム７０の束のうち、周囲に位置する電子ビームは、この画素エリア１８に対応する電子ビーム遮蔽電極３０の貫通孔を通過できずに電子ビーム遮蔽電極３０に衝突しトリミングされる。電子ビーム遮蔽電極３０でトリミングされずにその貫通孔を通過した電子ビーム７０は光電変換ターゲット２０に射突して、画素エリア１８に対応する位置に電子ビームスポットを形成する。電子ビームスポットが形成された領域内において、入射した光量に対応して光電変換膜２３内に蓄積された電荷を電極リードピン２６を介して外囲器２外の信号読取電源５１に読み取り信号として出力される。マトリクス状に配置された多数の画素エリアのうち電子ビームを放出する画素エリアを順次切り替えて光電変換ターゲット２０を電子ビームで順次走査することにより、入射光量の空間分布に対応した時系列電気信号を出力させることができる。光電変換ターゲット２０上でのスポット径が所望する画素サイズになるように縮小化されるので、解像度及び鮮鋭度に優れた画像を得ることが出来る。
【００４８】
一方、エミッタ１５から電子ビーム７０が放出されていないとき（例えば正電位が印加されるゲート電極ラインを切り替える際の隙間期間）は、図６に示すように、電圧切替回路５２により、第２メッシュ電極４３に第１メッシュ電極４２及び電子ビーム遮蔽電極３０より低い電位（一実施例では３５０Ｖ）が印加される。この結果、第１メッシュ電極４２と第２メッシュ電極４３との間、及び第２メッシュ電極４３と電子ビーム遮蔽電極３０との間に、それぞれ電位差が生じ、第１メッシュ電極２４と第２メッシュ電極４３との間、及び第２メッシュ電極４３と電子ビーム遮蔽電極３０との間に電界（図６中に、等電位線を点線６２，６３で図示）が生じる。ここで、第１メッシュ電極４２及び電子ビーム遮蔽電極３０は光透過性基板３及び陰極基板４に対して平行であるのに対して、第２メッシュ電極４３は光透過性基板３及び陰極基板４に対して傾斜している。従って、第１メッシュ電極４２と電子ビーム遮蔽電極３０との間に形成された電界は、光透過性基板３及び陰極基板４に平行な面内において不均一になる。この状態でエミッタ１５から電子ビーム７０を放出させると、電子ビーム７０は第１メッシュ電極４２と電子ビーム遮蔽電極３０との間において偏向され、偏向された電子ビーム７０の一部は電子ビーム遮蔽電極３０の貫通孔を通過して光電変換ターゲット７０に射突する。図６に示した光電変換ターゲット７０に射突する電子ビーム７０の軌道は、図５に示した撮像動作時の光電変換ターゲット２０に射突する電子ビーム７０の軌道と異なる。従って、撮像動作時の光電変換ターゲット２０上の電子ビーム非射突領域２５にも電子ビーム７０が射突し、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷を電極リードピン２６を介して外囲器２外に出力することができる。かくして、本実施の形態２によれば、撮像動作時に光電変換ターゲット２０の電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した不所望な電荷を除去することができるので、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷によって光電変換ターゲット２０が破損するのを防止することができる。
【００４９】
上記の説明において、実際には全てのエミッタ１５から電子ビーム７０が放出されるが、図６では理解しやすいように、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷を除去するのに有効な電子ビームのみを描いている。
【００５０】
また、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した不所望な電荷を確実に除去することができるので、光電変換ターゲット２０上において電子ビーム非射突領域２５が存在したり、その面積が大きかったりすることは問題とはならない。従って、画素に対応する電子ビーム遮蔽電極３０に形成される貫通孔の開口径を小さくして、光電変換ターゲット２０上での電子ビームスポットの径を小さくすることで、更に高解像度化された撮像装置を容易に実現できる。
【００５１】
実施の形態１と異なり、実施の形態２では、不所望電荷除去動作時に光電変換ターゲット２０に射突する電子ビーム７０はエミッタ１５から放出される。従って、不所望電荷除去動作時に第２メッシュ電極４３への電位の切り替え動作に同期して、エミッタ１５から電子ビーム７０が放出されるのに必要な電位が電子源構体１０のエミッタ電極ライン及びゲート電極ラインに印加されるように、電子源駆動回路５３が設計される。不所望電荷除去動作時には、電子源構体１０に含まれるすべてのエミッタ１５から電子ビーム７０を放出させる必要はなく、電子ビーム非射突領域２５に電子ビーム７０を射突させることができるのであれば、一部のエミッタ１５のみから電子ビーム７０を放出させても良い。
【００５２】
上記の実施の形態２では不所望電荷除去動作時には、第１メッシュ電極４２及び電子ビーム遮蔽電極３０には撮像動作時と同じ電位を印加し、第２メッシュ電極４３には撮像動作時より低い電位を印加したが、本発明はこれに限定されない。例えば、不所望電荷除去動作時に、第１メッシュ電極４２及び電子ビーム遮蔽電極３０には撮像動作時と同じ電位を印加しながら、第２メッシュ電極４３に撮像動作時より高い電位を印加したり、撮像動作時に比べて低い電位と高い電位とを時間的に切り替えて印加したりしても良い。これらの場合にも第１メッシュ電極４２と電子ビーム遮蔽電極３０との間に形成される電界を撮像動作時と不所望電荷除去動作時とで異ならせることができるので、光電変換ターゲット２０上の電子ビーム非射突領域２５に不所望電荷除去動作時に電子ビームを射突させることができ、本実施の形態２の上記の効果を得ることが出来る。
【００５３】
実施の形態２においても、電子ビーム非射突領域２５内に蓄積した電荷を外囲器２外へ取り出す動作は、例えば各走査線の帰線期間内やフレーム間の帰線期間内に実施することが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明の利用分野は特に制限はなく、高信頼性を有し、高解像度画像を撮像できる撮像装置として広範囲に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の概略構成を示した断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の撮像動作を示した断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の不所望電荷除去動作を説明する断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の概略構成を示した断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の撮像動作を示した断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の不所望電荷除去動作を説明する断面図である。
【図７】図７は、従来の電界放出型冷陰極を備えた撮像装置の概略構成を示した断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 入射光
２ 外囲器
３ 光透過性基板
４ 陰極基板
５ スペーサ部材
１０ 電子源構体
１１ シリコン基板
１２ 絶縁層
１３ ゲート電極
１５ 電界放出型冷陰極（エミッタ）
１８ 画素エリア
２０ 光電変換ターゲット
２２ 透光性陽極電極
２３ 光電変換膜
２５ 電子ビーム非射突領域
２６ 電極リードピン
３０ 電子ビーム遮蔽電極
３６ 電極リードピン
４０ メッシュ電極
４１ 補助電子源
４２ 第１メッシュ電極
４３ 第２メッシュ電極
４６，４７，４８ 電極リードピン
５１ 信号読取電源
５２ 電圧切替回路
５３ 電子源駆動回路
７０，７１ 電子ビーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その内部が真空に保持され、光透過性基板を有する外囲器と、
複数の電界放出型冷陰極を有し、前記光透過性基板に対向して前記外囲器内に配置された電子源構体と、
前記光透過性基板の前記電子源構体に対向する側の面に形成され、前記光透過性基板を透過した光に応じた信号電荷を発生し蓄積する光電変換膜を含む光電変換ターゲットと、
前記光透過性基板と前記電子源構体との間に配置された電子ビーム遮蔽電極と
を備え、
前記電界放出型冷陰極から放出された電子ビームを前記光電変換ターゲットに射突させて前記光電変換膜中に発生し蓄積した信号電荷を時系列電気信号として取り出す撮像装置であって、
前記電子ビーム遮蔽電極と前記電子源構体との間に、複数の電子ビーム通過孔が形成されたメッシュ電極を更に備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記電子源構体の画素と前記電子ビーム遮蔽電極に形成された貫通孔とが一対一に対応している請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記電界放出型冷陰極から放出された前記電子ビームが前記電子ビーム遮蔽電極により遮蔽されることにより前記電子ビームが射突しない前記光電変換ターゲット上の領域に、電子ビームを射突させる電子ビーム射突手段を更に備える請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記電子ビーム射突手段が、前記メッシュ電極に設けられた複数の電子放出源を含む請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記メッシュ電極の数が２つ以上であり、前記２つ以上のメッシュ電極のうちの少なくとも１つが前記光電変換ターゲットに対して傾斜しており、
前記電子ビーム射突手段が、前記光電変換ターゲットに対して傾斜した前記メッシュ電極を含む請求項３に記載の撮像装置。
【請求項１】
その内部が真空に保持され、光透過性基板を有する外囲器と、
複数の電界放出型冷陰極を有し、前記光透過性基板に対向して前記外囲器内に配置された電子源構体と、
前記光透過性基板の前記電子源構体に対向する側の面に形成され、前記光透過性基板を透過した光に応じた信号電荷を発生し蓄積する光電変換膜を含む光電変換ターゲットと、
前記光透過性基板と前記電子源構体との間に配置された電子ビーム遮蔽電極と
を備え、
前記電界放出型冷陰極から放出された電子ビームを前記光電変換ターゲットに射突させて前記光電変換膜中に発生し蓄積した信号電荷を時系列電気信号として取り出す撮像装置であって、
前記電子ビーム遮蔽電極と前記電子源構体との間に、複数の電子ビーム通過孔が形成されたメッシュ電極を更に備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記電子源構体の画素と前記電子ビーム遮蔽電極に形成された貫通孔とが一対一に対応している請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記電界放出型冷陰極から放出された前記電子ビームが前記電子ビーム遮蔽電極により遮蔽されることにより前記電子ビームが射突しない前記光電変換ターゲット上の領域に、電子ビームを射突させる電子ビーム射突手段を更に備える請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記電子ビーム射突手段が、前記メッシュ電極に設けられた複数の電子放出源を含む請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記メッシュ電極の数が２つ以上であり、前記２つ以上のメッシュ電極のうちの少なくとも１つが前記光電変換ターゲットに対して傾斜しており、
前記電子ビーム射突手段が、前記光電変換ターゲットに対して傾斜した前記メッシュ電極を含む請求項３に記載の撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−２３５２２１（Ｐ２００８−２３５２２１Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７７３２０（Ｐ２００７−７７３２０）
【出願日】平成１９年３月２３日（２００７．３．２３）
【出願人】（５０３２１７７８３）ＭＴ映像ディスプレイ株式会社 (176)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２３日（２００７．３．２３）
【出願人】（５０３２１７７８３）ＭＴ映像ディスプレイ株式会社 (176)
【Ｆターム（参考）】
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