JP2001169193A

JP2001169193A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2001169193A
Application number: JP35484199A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Maruno; 正丸野; Fumio Iwase; 富美雄岩瀬
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2001-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】良質な画像を得ることが可能な撮像装置を提
供する。【解決手段】ＥＢ−ＣＣＤは、電子の衝突による電子
増倍によって半導体撮像領域１ｉで発生した電子を転送
し、増幅器１ｔｏから画素信号を出力する撮像装置とし
て知られている。本撮像装置においては、設定パラメー
タが所定の関係（Ａ）又は（Ｂ）を有するので、従来で
は検出できなかった単一フォトンの二次元分布を検出す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は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素子を内蔵し
た電子衝撃型増倍管を利用した撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子衝撃型増倍管又は電子打ち込み型増
倍管（ＥＢ−ＣＣＤ）を利用した従来の撮像装置は、特
開昭６１−１３３５４０号公報に記載されている。同公
報に記載の撮像装置は、真空容器内に設けられた光電陰
極と、この光電陰極に対向配置され光電陰極との間に電
圧が印加される固体撮像素子（ＣＣＤ）を備えている。
この撮像装置は、光（エネルギー線）像の入射に応じ
て、これを電子に変換し、変換された電子を真空中に配
置されたＣＣＤに衝突させ、当該ＣＣＤからの画素信号
を読み出すものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の撮像装置においては、その検出感度が不十分であ
り、微弱エネルギー線像の入射に応じて光電陰極から出
射される微弱電子線像、すなわち、単位面積当たり数〜
数十個の電子からなる電子線像は到底検出することはで
きなかった。本発明は、このような課題に鑑みてなされ
たものであり、微弱エネルギー線像を検出可能な撮像装
置を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、エネルギー線の入射に応じて光電陰極で
発生した電子を真空容器内において加速し、光電陰極に
対向配置された半導体固体撮像素子の半導体撮像領域に
衝突させ、この電子の衝突による電子増倍によって半導
体撮像領域で発生した電子を転送して半導体固体撮像素
子に設けられた増幅器に入力することによって増幅器か
ら画素信号を出力する撮像装置において、光電陰極と半
導体固体撮像素子との間に印加される加速電圧をＶ
_P（Ｖ）、増幅器から出力される画素信号の読み出し速
度をｆ_R（Ｈｚ）、増幅器から出力される画素信号の読
み出し速度がｆ_R0（Ｈｚ）の時に増幅器に入力されるノ
イズ電荷数の二乗平均平方根値をｎ₀、電子増倍が起り
始めるときの光電陰極と半導体固体撮像素子との間のし
きい値電圧をＶ_TH（Ｖ）、半導体撮像領域における電子
正孔間結合エネルギーをＥ（ｅＶ）としたとき、以下の
関係を満たすことを特徴とする。

【０００５】

【数３】

【０００６】本発明の撮像装置は、エネルギー線（可視
光、赤外線、紫外線、Ｘ線を含む）像の入射に応じて、
これを電子に変換し、変換された電子を真空中に配置さ
れた半導体固体撮像素子の半導体撮像領域に衝突させ、
半導体固体撮像素子からの画素信号を増幅器を介して読
み出す。

【０００７】微弱エネルギー線像が従来の撮像装置に入
射した場合、半導体固体撮像素子から出力される画素信
号はノイズ電荷成分に埋もれてしまうため、これを検出
することができなかったが、本発明の撮像装置において
は、上記関係を満たすことにより、微弱エネルギー線像
の入射に応じて出射された微弱電子線像よりも低くノイ
ズレベルを抑えることができ、従来では検出できなかっ
た微弱エネルギー線像を撮像することができる。

【０００８】また、撮像装置は以下の関係を満たすこと
が更に好ましい。

【０００９】

【数４】

【００１０】上記ノイズレベルは時間的に変動し、ま
た、微弱電子線像の半導体固体撮像素子への衝突によっ
て発生した画素信号も揺らぎを有するので変動してい
る。したがって、本発明の撮像装置においては、上記関
係を満たすことにより、これらの変動によっても、ノイ
ズが画素信号に影響を与えない程度に、ノイズレベルと
画素信号レベルを離隔させる。したがって、本発明の装
置によれば、微弱エネルギー線像の検出精度を更に向上
させることができる。

【００１１】特に、半導体固体撮像素子がシリコンから
なる場合には、電子正孔間結合エネルギーＥは理論的に
は３．６ｅＶに設定される。また、試行実験によれば、
Ｅ値を５ｅＶに設定することで、更に高精度に微弱エネ
ルギー線像を検出することができる。また、このような
場合には閾値電圧Ｖ_THは４．８ｋＶに設定されることが
好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係る撮像装置
について説明する。同一要素又は同一機能を有する要素
には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略す
る。本実施形態の撮像装置は、電子衝撃型増倍管又は電
子打ち込み型増倍管（ＥＢ−ＣＣＤ）及びその駆動回路
から構成される。

【００１３】図１は、実施の形態に係る撮像装置のシス
テム構成図である。

【００１４】まず、ＥＢ−ＣＣＤ主要部の物理的構造に
ついて説明する。

【００１５】本装置は、エネルギー線（可視光を含む）
像ｈνを集光する集光レンズＬＳと、レンズＬＳに対向
配置され真空容器ＶＥの入力面板を構成する窓材ＷＭと
を備えている。真空容器ＶＥ内は減圧されており、真空
容器ＶＥ内には半導体固体撮像素子１及び光電陰極（光
電面）ＰＣが配置されている。なお、光電陰極ＰＣは窓
材ＷＭの内面に設けられており、真空容器ＶＥ、半導体
固体撮像素子１及び光電陰極ＰＣはＥＢ−ＣＣＤ本体１
０を構成する。

【００１６】光電陰極ＰＣは、Ｓｂ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ等
の材料を積層して蒸着することで形成される。また、光
電陰極ＰＣは、予め窓材ＷＭに接着されたＧａＡｓＰ結
晶上に、真空中でＣｓを蒸着することによっても形成す
ることができる。光電陰極ＰＣは、アルカリ金属等を含
有することにより仕事関数を低下させ、入射エネルギー
線ｈνに応じて電子を放出可能な材料（例えばＣｓＳ
ｂ）から構成される。また、光電陰極ＰＣには、Ｃｒ、
Ｎｉ、Ｃｕを順番に蒸着することによって形成された電
極（図示せず）を介してバイアス電位が与えられる。

【００１７】半導体固体撮像素子１は、裏面照射型の半
導体固体撮像素子であり、ｐ型半導体基板をベースにし
て、光入射面とは反対側の表面にｎ型層を形成し、この
上にＣＣＤの転送電極を形成した埋め込みチャンネル型
ＣＣＤである。半導体固体撮像素子１は、ＣＣＤ（電荷
結合素子）からなる画素が二次元状に配置された撮像領
域１ｉと、撮像領域１ｉと同一構造を有し、これに隣接
してなる蓄積領域１ａとを備えている。

【００１８】裏面照射型の半導体固体撮像素子において
は、撮像領域１ｉの厚みは、その周縁部の厚みよりも薄
く設定されている。本例の撮像領域１ｉは、光入射面で
ある裏面から半導体基板をエッチングすることにより厚
さ約２０μｍに薄型化してある。一方、蓄積領域１ａは
エッチング前の厚さ約３００μｍに保たれている。

【００１９】半導体固体撮像素子１の撮像領域１ｉは、
光電陰極ＰＣに対向しており、エネルギー線ｈνの入射
に応じて光電陰極ＰＣで発生した電子像（光電子）が直
接入射する。光電子は容器内部の電界によって加速され
るため、撮像領域１ｉ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２００〜６００
個の電子−正孔対が生成される。こうして発生した増倍
電子は、電子入射面とは反対側に形成されたＣＣＤの転
送電極側に移動し、撮像領域１ｉのポテンシャル井戸に
到達する。

【００２０】撮像領域１ｉ内で発生した電荷は蓄積領域
１ａに転送されるが、蓄積領域１ａは、これを蓄積する
ためのＣＣＤが二次元状に配列してなる。なお、半導体
固体撮像素子１の厚み方向に垂直であって直交する２方
向を、それぞれ垂直方向（列）及び水平方向（行）とす
る。

【００２１】半導体固体撮像素子１は、蓄積領域１ａに
対して撮像領域１ｉとは反対側に位置し蓄積領域１ａか
ら垂直方向に転送されてきた電荷を水平方向に転送する
水平シフトレジスタ１ｈｓを備えている。水平シフトレ
ジスタ１ｈｓは一次元ＣＣＤからなる。

【００２２】水平シフトレジスタ１ｈｓの電荷転送方向
終端部には、水平シフトレジスタ１ｈｓを介して転送さ
れた電荷を一時的に蓄積するコンデンサ１ｃが接続され
ている。コンデンサ１ｃには、リセット信号受信用トラ
ンジスタ（ＦＥＴ）１ｔｒが直列接続されており、リセ
ット信号受信用トランジスタ１ｔｒのゲートにリセット
信号Ｒが入力されると、電源ＶＤＤからコンデンサ１ｃ
に正電荷が流入し、コンデンサ１ｃを構成する一方の電
極側には正電荷が一杯に蓄積される。

【００２３】リセット後、水平シフトレジスタ１ｈｓを
介して負電荷（電子）がコンデンサ１ｃに転送されてく
ると、コンデンサ１ｃ内の正電荷の一部が消滅し、コン
デンサ１ｃ内に流入した電荷に比例した電圧が、リセッ
ト時のコンデンサ１ｃ両端間電圧から減じられて、画素
信号出力用トランジスタ１ｔｏのゲートに入力される。
画素信号出力用トランジスタ１ｔｏは、コンデンサ１ｃ
に対しては並列に接続されており、信号入力に応じて画
素信号出力用トランジスタ１ｔｏが導通すると、電源Ｖ
ＤＤから抵抗１ｒを介してグランドに電流が流れる。

【００２４】抵抗１ｒの両端間には、画素信号出力用ト
ランジスタ１ｔｏに入力された電圧レベル、換言すれ
ば、水平シフトレジスタ１ｈｓを介して順次転送されて
きた画素毎の電荷量に対応した出力電圧が現われ、これ
は画素信号として外部に出力される。

【００２５】なお、コンデンサ１ｃ、トランジスタ１ｔ
ｒ，１ｔｏ及び抵抗１ｒは、固体撮像素子１を構成する
半導体基板内に形成されている。

【００２６】次に、ＥＢ−ＣＣＤの駆動回路２について
説明する。

【００２７】駆動回路２は垂直走査回路２ｖｓを備えて
いる。垂直走査回路２ｖｓは、撮像領域１ｉへの電子の
入射に応じて発生した電子群を垂直方向に転送するため
の２相の転送電圧Ｐ_V1，Ｐ_V2を撮像領域１ｉのＣＣＤに
印加する。また、垂直走査回路２ｖｓは、撮像領域１ｉ
から転送された画素毎の電子群を垂直方向に転送するた
めの２相の転送電圧Ｐ’_V1，Ｐ’_V2を蓄積領域１ａのＣ
ＣＤに印加する。換言すれば、これらの領域１ｉ，１ａ
においては、垂直走査回路２ｖｓは、水平方向に配列し
た画素群が同時に垂直方向に転送されるように、垂直方
向に沿って隣接するＣＣＤ間に２相の転送電圧を印加す
る。

【００２８】駆動回路２は水平走査回路２ｈｓを備えて
いる。水平走査回路２ｈｓは、２相の転送電圧を水平シ
フトレジスタ１ｈｓのＣＣＤに印加する。換言すれば、
水平方向に隣接するＣＣＤ間に２相の転送電圧Ｐ_H1，Ｐ
_H2を印加する。水平シフトレジスタ１ｈｓの水平方向に
配列した各ＣＣＤには、画素電荷が蓄積されており、こ
の転送電圧の印加によって、これらの電荷は順次水平方
向に転送される。

【００２９】垂直及び水平走査回路２ｖｓ，２ｈｓは、
入力されたクロック信号Ｃに応じて上記転送電圧Ｐ（＝
Ｐ_V1，Ｐ_V2，Ｐ’_V1，Ｐ’_V2，Ｐ_H1，Ｐ_H2）を発生す
る。転送電圧Ｐの周波数は、クロック信号Ｃの周波数に
比例する。すなわち、クロック信号Ｃの周波数が高けれ
ば、転送電圧Ｐの周波数は高くなる。

【００３０】電子の入射に応じて半導体固体撮像素子１
の撮像領域１ｉ内では増倍電子群が発生するが、半導体
固体撮像素子１自体の電位は接地電位であり、転送電圧
Ｐが負の場合には、各画素上に形成された転送電極直下
の埋め込みｎ型領域内にポテンシャル井戸が形成され、
発生した電子群が蓄積される。

【００３１】なお、この電子群は必ずしもＣＣＤの１画
素内に全て捕らえられるわけではなく、例えば、画素サ
イズが２４μｍ×２４μｍの時、８ｋＶの加速電圧Ｖ_P
を印加すると、電子群は平均して２．５画素程度に分布
する。

【００３２】撮像時においては、露光（イメージ蓄積）
期間Ｔ１及び垂直転送期間Ｔ２が交互に設定される。露
光期間Ｔ１は例えば０．５ｓに設定され、垂直転送期間
は例えば０．５ｍｓに設定される。

【００３３】露光期間Ｔ１、すなわち、電子入射時にお
いては、撮像領域１ｉの各画素にポテンシャル井戸が形
成されるように、これに負の一定電圧を印加し、発生し
た電荷（電子）を各画素に蓄積する。

【００３４】この後の垂直転送期間Ｔ２においては、垂
直方向の転送電圧Ｐ_V1，Ｐ_V2，Ｐ’ _V1，Ｐ’_V2を撮像領
域１ｉ及び蓄積領域１ａに印加し、撮像領域１ｉの電荷
を蓄積領域１ａに転送する。この垂直転送においては、
撮像領域１ｉの転送電極及び蓄積領域１ａの転送電極に
Ｈレベルが交互に印加されるよう、転送電圧Ｐ_V1，Ｐ _V2
及びＰ’_V1，Ｐ’_V2を印加する。それぞれの電圧の周波
数は例えば１ＭＨｚ（周期：約１μｓ）に設定される。

【００３５】しかる後、次の露光期間Ｔ１において、転
送電圧Ｐ’_V1，Ｐ’_V2を蓄積領域１ａに印加することに
より、蓄積領域１ａの各ＣＣＤに蓄積された電荷を水平
ライン毎に水平シフトレジスタ１ｈｓに転送すると同時
に水平方向の転送電圧Ｐ_H1，Ｐ_H2を水平シフトレジスタ
１ｈｓに印加し、各ＣＣＤの電荷を水平シフトレジスタ
１ｈｓの端部から順次出力すると共に、各ＣＣＤからの
電荷の読み出し毎にリセット信号Ｒを加える。

【００３６】この際の転送電圧Ｐ’_V1，Ｐ’_V2の周波数
は例えば１７ｋＨｚ（周期：約６０μｓ）に設定され、
転送電圧Ｐ_H1，Ｐ_H2及びリセット信号Ｒの周波数は１４
ＭＨｚ（周期：約７５ｎｓ）に設定される。

【００３７】したがって、垂直転送期間Ｔ２における垂
直方向の転送電圧Ｐ_V1，Ｐ_V2と転送電圧Ｐ’_V1，Ｐ’_V2
の周波数（繰り返し周波数）ｆ_V2は同一であり、露光期
間Ｔ１内に設定される読み出し期間（ｔ１）における垂
直方向の転送電圧Ｐ’_V1，Ｐ’_V2の周波数ｆ_V1はこれよ
りも低い。また、読み出し期間（ｔ１）における水平方
向の転送電圧Ｐ_H1，Ｐ_H2の周波数（繰り返し周波数）ｆ
_Hは、周波数ｆ_V1、ｆ_V ₂よりも高く、リセット信号Ｒの
周波数（繰り返し周波数）ｆ_Rと同一である。

【００３８】駆動回路２は、垂直及び水平走査回路２ｖ
ｓ，２ｈｓにクロック信号Ｃを出力するタイミング制御
回路２ｔを備えている。本例のタイミング制御回路２ｔ
は周波数選択器であり、入力される異なる３つのベース
クロック信号ＣＬＫ１，ＣＬＫ２，ＣＬＫ３（ＣＬＫ１
の周波数＜ＣＬＫ２の周波数＜ＣＬＫ３の周波数とす
る）のうちのいずれか１つを選択して、上記クロック信
号Ｃとして出力する。いずれを選択するかは、タイミン
グ制御回路２ｔに入力されるタイミング制御信号に基づ
いて決定される。タイミング制御回路２ｔは、入力され
るタイミング制御信号に応じて出力周波数が可変するプ
ログラマブルデバイダによって構成することもできる。

【００３９】タイミング制御回路２ｔは、選択されたク
ロック信号に基づいて上述のリセット信号Ｒも発生して
いる。リセット信号Ｒの周波数ｆ_Rは、ベースクロック
信号ＣＬＫ１，ＣＬＫ２，ＣＬＫ３のうちの選択された
ものの周波数に比例する。上記リセットは、コンデンサ
１ｃへの１画素分の電荷流入の度に行う必要があるた
め、上記水平シフトレジスタ１ｈｓからコンデンサ１ｃ
内に高速に信号電荷が転送されてくる場合には（クロッ
ク周波数が高い場合）、リセットの周期は短くなり、低
速に信号電荷が転送されてくる場合には（クロック周波
数が低い場合）、リセットの周期は長くなる。

【００４０】すなわち、リセット信号Ｒの周波数をｆ_R
（Ｈｚ）とすると、これは画素信号の読み出し速度であ
り、本装置においては画素信号の読み出し速度ｆ_R（Ｈ
ｚ）をタイミング制御信号に基づいて変化させることが
できる。

【００４１】ここで、光電陰極ＰＣと半導体固体撮像素
子１との間には、高圧発生回路２ｈｖから高電圧Ｖ_Pが
印加されており、この電圧に比例して光電陰極ＰＣで発
生した電子が加速される。高圧発生回路２ｈｖは可変電
圧源であり、高圧発生回路２ｈｖに入力される高圧制御
信号に基づいて加速電圧Ｖ_Pを変化させることができ
る。

【００４２】光電陰極ＰＣで発生した電子は、加速電圧
Ｖ_Pによって加速され、撮像領域１ｉへ入射する。この
電子入射によって発生した電子群は、上述の如く転送さ
れ、画素毎にリセットされつつ画素信号として出力され
る。ここで、リセットおいてはコンデンサ１ｃに蓄積さ
れる電荷量に揺らぎが生じ、これがノイズ電圧として画
素信号出力用トランジスタ１ｔｏに入力される。、従来
の撮像装置においては、このようなノイズが原因で、単
位面積当たり数〜数十個の電子からなる電子線像を検出
することは到底できなかった。この単位面積は１画素の
面積に対応する。

【００４３】本実施形態の撮像装置は、以下の関係
（Ａ）を満たす。

【００４４】

【数５】

【００４５】本撮像装置は、エネルギー線像の入射に応
じて、これを電子に変換し、変換された電子を真空中に
配置された半導体固体撮像素子１の半導体撮像領域１ｉ
に衝突させ、半導体固体撮像素子１からの画素信号を増
幅器１ｔｏを介して読み出すものである。

【００４６】微弱エネルギー線像が従来の撮像装置に入
射した場合、半導体固体撮像素子１から出力される画素
信号はノイズ電荷成分に埋もれてしまうため、これを検
出することができなかったが、本撮像装置においては、
上記関係を満たすことにより、微弱エネルギー線像の入
射に応じて出射された微弱電子線像よりも低くノイズレ
ベルを抑えることができるため、従来では検出できなか
った微弱エネルギー線像を撮像することができる。

【００４７】また、本撮像装置は以下の関係（Ｂ）を満
たすことが更に好ましい。

【００４８】

【数６】

【００４９】（ｉ）上記ノイズレベルは時間的に変動
し、また、（ｉｉ）微弱電子線像の半導体固体撮像素子
１への衝突によって発生した画素信号も揺らぎを有する
ので変動している。

【００５０】（ｉ）について詳説すれば、例えば、ｆ_R
が１５０ｋＨｚの時に発生するノイズ電荷数ｎ₀を平均
で１５個とすると、ｆ_Rが３００ｋＨｚの時のノイズ電
荷数は平均で１５×（３００／１５０）^1/2≒２１個分
の電子に相当し、この平均値の３倍（２１×３＝６３
個）の値以下に、ノイズの９９％が存在するようにノイ
ズ電荷数は揺らぐこととなる。

【００５１】（ｉｉ）について詳説すれば、撮像領域１
ｉのＣＣＤに打ち込まれた１個の光電子によって、例え
ば約６４０個の電子が発生するが、６４０個の電子は電
子濃度勾配を有して約２．５画素に分布するので、電子
照射位置における画素には、少なくとも３００個以上の
電子が取り込まれ、単位画素当たり平均的には（３０
０）^1/2≒１７個のショットノイズが発生し、この平均
値の３倍（１７×３＝５１個）の値以下に、ショットノ
イズの９９％が存在するようにショットノイズのレベル
は揺らぐこととなる。

【００５２】したがって、本撮像装置においては、これ
らの変動によっても、ノイズが画素信号に影響を与えな
い程度に、すなわち、ノイズの９９％以上が画素信号レ
ベル以下となるように、関係（Ｂ）を満足させて、これ
らを離隔させる。したがって、本装置によれば、微弱エ
ネルギー線像の検出精度を更に向上させることができ
る。

【００５３】特に、半導体固体撮像素子１がシリコン
（Ｓｉ）からなる場合には、電子正孔間結合エネルギー
Ｅは理論的には３．６ｅＶに設定される。また、試行実
験によれば、Ｅ値を５ｅＶに設定することで、更に高精
度に微弱エネルギー線像を検出することができる。ま
た、このような場合には閾値電圧Ｖ_THは４．８ｋＶに設
定されることが好ましい。

【００５４】なお、上記半導体固体撮像素子１は、ＦＴ
（Frame Transfer）型のＣＣＤであるが、本発明はイン
ターライン転送（ＩＴ）型のＣＣＤ、ＦＦＴ（Full Fra
me Transfer）型のＣＣＤにも適用することができる。

【００５５】なお、ｎ₀＝１５、ｆ_R0＝１５０ｋＨｚ、
Ｖ_TH＝４．８ｋＶ、Ｅ＝５ｅＶとした場合の設定パラメ
ータの一例について説明しておく。

【００５６】例えば、ｆ_R＝３００ｋＨｚに設定した場
合、上記関係（Ａ）を満たすためのＶ_Pは５．１２（ｋ
Ｖ）よりも大きい。

【００５７】例えば、ｆ_R＝３００ｋＨｚに設定した場
合、上記関係（Ｂ）を満たすためのＶ_Pは５．２７（ｋ
Ｖ）よりも大きい。

【００５８】このような設定により、単一光子の入射に
応じて光電陰極ＰＣから電子が１個出力された場合にこ
れを検出することが可能となる。

【００５９】次に、上記撮像装置を備えた撮像システム
の構成について説明する。

【００６０】図２は、本撮像システムのブロック図であ
る。撮像装置は、ＥＢ−ＣＣＤ本体１０を撮像素子とし
て収めたカメラヘッド３０、ＥＢ−ＣＣＤ本体１０等を
制御するカメラコントローラ４０、カメラコントローラ
４０にコマンドを与えると共に映像出力が入力されるコ
ンピュータ５０からなる。

【００６１】カメラヘッド３０には、ＥＢ−ＣＣＤ本体
１０、駆動回路（固体撮像素子駆動回路）２、半導体固
体撮像素子１からの出力信号を増幅する初段映像アンプ
（プリアンプ）３、高電圧Ｖ_Pを印加する高圧発生回路
２ｈｖが収められ、カメラヘッド３０の被写体光像入射
側にはレンズＬＳが設けられている。

【００６２】ＣＣＤ駆動回路２は、上述の２相又は３相
の転送電圧Ｐを半導体固体撮像素子１の転送電極に印加
するが、このタイミングはカメラヘッド３０に設けられ
たタイミング発生回路２ｔ１及びカメラコントローラ４
０内に設けられたタイミング発生回路２ｔ２によって生
成される。換言すれば、図１に示したタイミング制御回
路２ｔは、タイミング発生回路２ｔ１及び２ｔ２に分離
されており、タイミング発生回路２ｔ２は、タイミング
発生回路２ｔ１に同期信号を送信し、タイミング発生回
路２ｔ１は、この同期信号とＣＰＵ２４からのタイミン
グ制御信号に基づいてＣＣＤ駆動回路２で生成される転
送電圧Ｐに用いられるクロックを発生している。なお、
タイミング発生回路２ｔ２は、システム内全体のベース
クロックを発生している。

【００６３】また、カメラコントローラ４０は、高圧制
御信号によって高圧発生回路２ｈｖを制御する高圧制御
回路２３とを備えており、高圧発生回路２ｈｖ及び高圧
制御回路２３は高電圧印加回路を構成する。高電圧印加
回路はＣＰＵ２４によって制御され、その電圧は可変で
ある。ＣＰＵ２４から出力された数ボルト（例えば０〜
６ボルト）の直流電圧信号は高電圧印加回路によって約
１０００倍の電圧に変換される。

【００６４】更に、カメラコントローラ４０は、プリア
ンプ３の出力を増幅する映像アンプ（メインアンプ）２
２と、メインアンプ２２の出力をデジタル信号に変換す
るＡ／Ｄ変換器２５と、このＡ／Ｄ変換器２５から出力
された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で蓄積又は生成されたデ
ジタル信号をアナログ信号に変換して出力するＤ／Ａ変
換器２９とを備えている。

【００６５】Ｄ／Ａ変換器２９の映像出力は表示器又は
表示器付コンピュータ５０に入力され、表示器上にはＥ
Ｂ−ＣＣＤ本体１０への入力像が表示される。コンピュ
ータ５０には、装置制御のための種々のコマンドが入力
され、ＣＰＵ２４はコンピュータ５０から入力されるコ
マンドに応じて、加速電圧Ｖ_Pと信号読出速度ｆ_Rをそれ
ぞれ独立に設定し、この調整によって高精度の画素信号
をＥＢ−ＣＣＤ本体１０から出力させる。

【００６６】次に、本システムの動作について説明す
る。

【００６７】図１に示した面板ＷＭを透過して光電陰極
ＰＣに光が入射すると、上述のようにしてＥＢ−ＣＣＤ
本体１０から画素信号が出力される。この信号は、プリ
アンプ３、メインアンプ２２で増幅されたうえでＡ／Ｄ
変換回路２５に送られてデジタル信号に変換され、フレ
ームメモリ２７内に一時的に格納され、しかる後、Ｄ／
Ａ変換回路２９を介して映像出力としてコンピュータに
入力される。アナログの映像出力は、コンピュータ５０
内で再びデジタル信号に変換して映像情報をメモリに格
納する。このアナログの映像信号は、直接テレビなどに
出力してもよい。

【００６８】なお、フレームメモリ２７に、暗状態での
画像出力信号を１画面（１フレーム）分蓄積し、フレー
ムメモリ２７内に格納されたデジタル画像データから上
記暗状態の画像データを減算すれば、バックグラウンド
ノイズを低減することができる。フレームメモリ２７
は、カメラコントローラ４０の電源投入時あるいはＣＰ
Ｕ２４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。フレームメモリ２７か
らのオーバーフローが検出した場合に、フィードバック
制御を行ってクロックＣを低下させる等の制御を行って
もよい。

【００６９】以上、説明したように、上記撮像装置は、
エネルギー線の入射に応じて光電陰極ＰＣで発生した電
子を真空容器ＶＥ内において加速し、光電陰極ＰＣに対
向配置された半導体固体撮像素子１の半導体撮像領域１
ｉに衝突させ、この電子の衝突による電子増倍によって
半導体撮像領域１ｉで発生した電子を転送して半導体固
体撮像素子１に設けられた増幅器１ｔｏに入力すること
によって増幅器１ｔｏから画素信号を出力する撮像装置
において、上述の関係（Ａ）又は（Ｂ）を有する。本撮
像装置においては、上記関係を満たすことにより、従来
では検出できなかった微弱エネルギー線像を撮像するこ
とができる。

【００７０】

【発明の効果】本発明の撮像装置によれば、従来では検
出できなかった微弱エネルギー線像を撮像することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】撮像装置のシステム構成図である。

【図２】撮像システムのブロック図である。

【符号の説明】

ＰＣ…光電陰極、ＶＥ…真空容器、１…半導体固体撮像
素子、１ｉ…半導体撮像領域、１ｔｏ…増幅器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4M118 AA01 AB01 BA12 BA13 DA03 DB06 DB07 DC07 FA06 GA02 GA10 5C024 AX16 CX03 CX41 CY16 EX42 GY03 HX17 HX23 HX46 HX58 JX23 5C037 AA09 EE01 EE06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エネルギー線の入射に応じて光電陰極で
発生した電子を真空容器内において加速し、前記光電陰
極に対向配置された半導体固体撮像素子の半導体撮像領
域に衝突させ、この電子の衝突による電子増倍によって
前記半導体撮像領域で発生した電子を転送して前記半導
体固体撮像素子に設けられた増幅器に入力することによ
って前記増幅器から画素信号を出力する撮像装置におい
て、前記光電陰極と前記半導体固体撮像素子との間に印加さ
れる加速電圧をＶ_P（Ｖ）、前記増幅器から出力される画素信号の読み出し速度をｆ
_R（Ｈｚ）、前記増幅器から出力される画素信号の読み出し速度がｆ
_R0（Ｈｚ）の時に前記増幅器に入力されるノイズ電荷数
の二乗平均平方根値をｎ₀、前記電子増倍が起り始めるときの前記光電陰極と前記半
導体固体撮像素子との間のしきい値電圧をＶ_TH（Ｖ）、前記半導体撮像領域における電子正孔間結合エネルギー
をＥ（ｅＶ）、としたとき、以下の関係を満たすことを
特徴とする撮像装置。【数１】
【請求項２】前記撮像装置は、以下の関係を満たすこ
とを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。【数２】
【請求項３】前記半導体固体撮像素子はシリコンから
なり、前記電子正孔間結合エネルギーＥは３．６ｅＶで
あることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装
置。
【請求項４】前記電圧Ｖ_THは４．８ｋＶであることを
特徴とする請求項３に記載の撮像装置。