(57)【要約】      （修正有）【課題】電子ビームの放出空間において強度が均一な磁界を得ることができる小型の撮像装置を提供する。【解決手段】電子ビームの放出空間Ａを挟んで表裏方向に対向配置した光電変換膜４３および電子放出源アレイ３３を有する撮像素子１１と、撮像素子１１の裏面側に配設され、表裏方向に磁極を形成した円板状の第１永久磁石５１と、撮像素子１１を囲繞すると共に、径方向に磁極を形成した円筒状の第２永久磁石５２とを備え、第２永久磁石５２の内側の磁極と第１永久磁石５１の表面側の磁極とを同極とする事により、放出空間Ａに表裏方向に配向された磁力線による均一な磁界を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームの放出空間を存して表裏方向に対向配置した光電変換膜および電子放出源アレイを有する撮像素子と、
前記撮像素子を囲繞すると共に、径方向に磁極を形成した円筒状の第１磁石と、
前記撮像素子の裏面側に配設され、前記表裏方向に磁極を形成した円板状の第２磁石と、を備え、
前記第１磁石の内側の磁極と前記第２磁石の表面側の磁極とが、同極であり、
前記第１磁石と前記第２磁石とは、前記放出空間に対し、前記表裏方向に配向された磁力線による一体の磁界を構成していることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
少なくとも前記第２磁石の一部は、前記表裏方向において前記第１磁石と重なるように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第１磁石は、間隙または非磁性体を存して配設した表面側の第３磁石と裏面側の第４磁石とを有していることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第４磁石の磁力が、前記第３磁石の磁力よりも強いことを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第１磁石を外側で保持すると共に、磁性体で構成されたホルダーを、更に備え、
前記ホルダーは、前記第１磁石に対し表面側に突出する環状突出部を有していることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第１磁石、前記第２磁石および前記撮像素子は、同軸上に配設され、
前記第２磁石は、前記同軸上において円形開口部を有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換膜および電子放出源アレイを有する撮像素子を用いた撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の撮像装置として、撮像素子（撮像素子本体部）と、円筒型の永久磁石と、円板形の永久磁石と、を備えたものが知られている（特許文献１参照）。撮像素子は、透光性基板に透光性導電膜を介して成膜した光電変換膜と、基板上に形成した電子放出源アレイと、を対向配置して構成されている。また、円筒型の永久磁石は空洞内に透光性基板を収容している。円板形の永久磁石は、上記基板の、透光性基板に対向する面とは逆側に、上記基板と対向するように配設されている。２つの永久磁石は、いずれも透光性基板および上記基板に直交する方向に磁極が形成され、これにより、透光性基板および上記基板に直交する方向の磁界を形成している。これにより、電子に作用するローレンツ力を利用して、電子放出源アレイから放出された電子群の広がりを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３２２５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような構成では、撮像装置の小型化に際して問題が生じた。具体的には、小型化に際し、円筒型の永久磁石の内径を小さくすると、撮像素子上における磁界強度が不均一になってしまうという問題があった。すなわち、永久磁石に近づくほど、磁界の強度が急激に増す。そのため、円筒型の永久磁石の内径を小さくすると、撮像素子上の永久磁石に近い側と遠い側とで、磁界強度に極端な差が生じてしまう。その結果、撮像素子上における磁界強度が不均一となる。これにより、光電変換膜と電子放出源アレイとの間の空間（電子ビームの放出空間）における磁界強度が不均一となり、放出された電子群（電子ビーム）の広がりを適切に抑制することができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、撮像装置の小型化に際し、電子ビームの放出空間上において強度が均一な磁界を得ることができる撮像装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の撮像装置は、電子ビームの放出空間を存して表裏方向に対向配置した光電変換膜および電子放出源アレイを有する撮像素子と、撮像素子を囲繞すると共に、径方向に磁極を形成した円筒状の第１磁石と、撮像素子の裏面側に配設され、表裏方向に磁極を形成した円板状の第２磁石と、を備え、第１磁石の内側の磁極と第２磁石の表面側の磁極とが、同極であり、第１磁石と第２磁石とは、放出空間に対し、表裏方向に配向された磁力線による一体の磁界を構成していることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、第１磁石と第２磁石とによる磁界の磁力線は、第１磁石の反発作用によって、径方向中央に集束される（押え込まれる）。これにより、電子ビームの放出空間には、電子ビームの放出方向と平行に、磁束密度の高い磁力線が配向される（図３参照）。このように、円筒状の第１磁石が磁力線を集束させる手段として機能する。そのため、第１磁石の内径を小さくしたとしても、電子ビームの放出空間上において、第１磁石における磁界強度の差の影響を受けない。ゆえに、撮像装置の小型化に際しても、電子ビームの放出空間上において強度が均一な磁界を形成することができる。また、磁力線を集束させる構成により、撮像装置の小型化に際し、電子ビームの放出空間上において高い磁束密度を効率良く得ることができる。これによって、加速度を持った電子ビームは、ローレンツ力が作用して発散されることなく光電変換膜に到達する。
【０００８】
この場合、少なくとも第２磁石の一部は、表裏方向において第１磁石と重なるように配設されていることが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、表裏方向において、第１磁石と第２磁石との間に間隙が生ずることがない。これにより、当該間隙を介して流れる磁力線が生じないので、磁力線の発散が抑制され、磁界強度の均一性をより向上させることができ、また磁気の漏えいを防止することができる。
【００１０】
この場合、第１磁石は、間隙または非磁性体を存して配設した表面側の第３磁石と裏面側の第４磁石とを有していることが好ましい。
【００１１】
これにより、第３磁石と第４磁石との磁力調整や磁力バランスの調整を簡単に行うことができる。
【００１２】
そして、第４磁石の磁力が、第３磁石の磁力よりも強いことが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、第４磁石の磁力を強くして、第２磁石からの磁力線を強く集束させることで、第２磁石からの磁力線の発散が強く抑制される。これにより、磁界強度の均一性をより向上させることができる。
【００１４】
また、第１磁石を外側で保持すると共に、磁性体で構成されたホルダーを、更に備え、ホルダーは、第１磁石に対し表面側に突出する環状突出部を有していることが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、環状突出部により、磁極が径方向に形成されている第１磁石による磁界の歪みを極力少なくすることができる。
【００１６】
一方、第１磁石、第２磁石および撮像素子は、同軸上に配設され、第２磁石は、同軸上において円形開口部を有していることが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、第２磁石の磁束密度が高い部分に、開口部を設けることで、磁界強度の均一性をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る撮像装置を模式的に示した断面図である。
【図２】放出アレイ部を模式的に示した斜視図である。
【図３】電子集束部で形成される磁界の磁力線の流れを示した図である。
【図４】変形例の電子集束部で形成される磁界の磁力線の流れを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る撮像装置について説明する。この撮像装置は、被写体からの反射光を入射させて、被写体を撮像するものであり、光電変換膜および電子放出源アレイを用いた小型のイメージセンサーである。特に、本撮像装置は、永久磁石（マグネット）の磁界を利用（ローレンツ力）して、電子ビームを集束させる構成において、当該磁界における強度の均一性を向上し、且つ当該磁界の磁束密度を向上する構造を有している。なお、以下の説明では、図１の上下を、撮像装置の上下として説明する。また、当該上下方向は、撮像素子の表裏方向と一致し、且つ入射光の光軸方向と一致している。
【００２０】
図１に示すように、撮像装置１は、撮像素子１１と、撮像素子１１を覆い、電子放出源アレイ３３から放出される電子ビームを磁界集束させる電子集束部１２と、を備えている。撮像素子１１は、電子集束部１２に形成された後述の貫通孔５３ａを介して、上方から入射した入射光を受光する。
【００２１】
撮像素子１１は、光電変換膜４３を有する受光変換部２１と、電子放出源アレイ３３を有する放出アレイ部２２と、平行状態で上下方向に対向配置した光電変換膜４３および電子放出源アレイ３３の間に配設されたメッシュ電極２３と、内部に光電変換膜４３、電子放出源アレイ３３およびメッシュ電極２３を収容するガラスハウジング２４と、を備えている。受光変換部２１、放出アレイ部２２およびメッシュ電極２３は、所定の間隙を存して、相互に平行に配設されている。また、受光変換部２１、放出アレイ部２２およびメッシュ電極２３は、電子ビームのビーム軸と直交するように配設されている。
【００２２】
図１および図２に示すように、放出アレイ部２２は、ガラス基板３１と、ガラス基板３１の上面に形成された駆動回路層３２と、駆動回路層３２の上面に形成されると共に複数の電子放出源３６を有する電子放出源アレイ３３と、を有している。
【００２３】
駆動回路層３２には、複数の電子放出源３６を駆動するアクティブマトリクス駆動回路（図示省略）が形成されている。また、ガラス基板３１の周辺部には、アクティブマトリクス駆動回路を制御する水平走査ドライバ３８および垂直走査ドライバ３９が配設されている。これらによって、所定の走査パターンで複数の電子放出源３６を、順次駆動する。
【００２４】
電子放出源アレイ３３は、ＨＥＥＤ（High-efficiency  Electron  Emission  Device）冷陰極アレイで構成されている。具体的には、電子放出源アレイ３３は、画素毎に設けられた複数の電子放出源３６がマトリクス状に配設されて構成されている。各電子放出源３６は、電子放出部３７がマトリクス状に複数配設されて構成されている。そして、各電子放出源３６は、駆動電圧の印加に伴って、光電変換膜４３に電子ビームを放出する。厳密には、各電子放出源３６は、光電変換膜４３上における、当該各電子放出源３６に対応した各領域に向かって電子を放出する。また、光電変換膜４３と電子放出源アレイ３３とは平行に配設されているので、各電子放出源３６と各領域との対向方向は、光電変換膜４３および電子放出源アレイ３３の平面方向に対する垂直方向となる。
【００２５】
受光変換部２１は、透光性基板４１と、透光性基板４１の下面に形成された透光性導電膜４２と、透光性導電膜４２の下面に形成された光電変換膜４３と、を備えている。また、図示は省略するが、受光変換部２１は、発生した電流を検出する回路に接続されている。なお、透光性基板４１の上面を、光入射面４１ａとしている。
【００２６】
光電変換膜４３は、ＨＡＲＰ（High-gain  Avalanche  Rushing  amorphous  Photoconductor）膜で構成されている。また、光電変換膜４３は、電子ビームの放出空間Ａを存して電子放出源アレイ３３に対向（対面）して配設されている。
【００２７】
光電変換膜４３が、その垂直方向上方から、透光性基板４１および透光性導電膜４２を介して入射光を受光すると、その光量に応じた電子・正孔対を生成させる。生成された正孔は、透光性導電膜４２に印加された電圧により加速され、光電変換膜４３を構成する原子と連続的に衝突して、新たな電子・正孔対を生成する（アバランシュ増倍）。アバランシュ増倍によって生成された正孔は、光電変換膜４３の下面付近に蓄積され、入射光像に対応する正孔パターンを形成する。そして、この正孔パターンと、電子放出源アレイ３３から放出された電子とが結合し、その結合時の電流を検出する。
【００２８】
メッシュ電極２３は、光電変換膜４３と電子放出源アレイ３３との間に配設されている。また、メッシュ電極２３には、複数の貫通開口が設けられている。そして、メッシュ電極２３には、接続端子を介して所定の電圧が印加される。この電圧印加により、電子放出源アレイ３３から電子を引き出し、また電子を加速させる。また、メッシュ電極２３は、余剰電子を吸収する役割も担っている。なお、メッシュ電極２３には、駆動回路層３２の駆動電圧に比べて格段に高い電圧が印加されている。また、メッシュ電極２３は、電子ビームの集束点を複数形成する。
【００２９】
ガラスハウジング２４は、メッシュ電極２３を保持すると共に、フリットガラスまたはインジウムメタルを介して透光性基板４１が気密に圧着されている。すなわち、ガラスハウジング２４は、これに圧着された透光性基板４１と共に、真空容器を構成している。そして、ガラスハウジング２４は、内部の真空空間に、光電変換膜４３、電子放出源アレイ３３およびメッシュ電極２３を収容している。
【００３０】
撮像素子１１では、複数の電子放出源３６から順次駆動により電子が放出される。そして、電子放出源アレイ３３から放出された電子は、メッシュ電極２３に印加された電圧によって、光電変換膜４３側に加速されると共に、電子放出源アレイ３３と光電変換膜４３との間に形成された磁界（詳細は後述する）によって、光電変換膜４３上（下面）に集束される。そして、放出された電子は、光電変換膜４３の表面付近に成長した正孔パターンと結合する。そして、電子と正孔パターンとの結合時の電流を出力として検出することで、入射光像に対応した映像信号を得る。
【００３１】
次に図１および図３を参照して、電子集束部１２について説明する。図１および図３に示すように、電子集束部１２は、撮像素子１１に対し下方から対面すると共に円板状を有した第１永久磁石（第２磁石）５１と、上下に並設された３個の個別磁石６１、６２、６３から成り、全体として円筒状を有した第２永久磁石（第１磁石）５２と、第１永久磁石５１および第２永久磁石５２を保持するフロント側ホルダー５３およびリア側ホルダー５４と、を備えている。第１永久磁石５１および第２永久磁石５２は、撮像素子１１と同軸上に配設されている。ホルダーは、フロント側ホルダー５３およびリア側ホルダー５４により、構成されている。
【００３２】
第１永久磁石５１は、下方から撮像素子１１に対向して配設された円板状のネオジウム磁石で構成されている。すなわち、第１永久磁石５１は、撮像素子１１の裏面側に配設されている。そして、第１永久磁石５１は、上下方向（円板の高さ方向）に磁極が形成されている。具体的には、上側（撮像素子１１側）にＮ極が形成され、下側（反撮像素子１１側）にＳ極が形成されている。すなわち、第１永久磁石５１は、上下方向に磁力線（磁界）を形成している。また、第１永久磁石５１は、その中央に円形の貫通開口部（円形開口部）５１ａを有している。この貫通開口部５１ａは、撮像素子１１と同軸上に形成されている。
【００３３】
第２永久磁石５２は、上下方向に並んで配設された３個の個別磁石６１、６２、６３で構成されており、全体として円筒状に形成されている。また、第２永久磁石５２は、上下方向に対する垂直方向において撮像素子１１を囲繞している。３個の個別磁石６１、６２、６３は、光電変換膜４３周りに配設された第１個別磁石６１および第２個別磁石６２と、第１永久磁石５１周りに配設された第３個別磁石６３とに分けられる。また、第１個別磁石６１および第２個別磁石６２と、第３個別磁石６３とは、間隙を存して配設されている。なお、第１個別磁石６１および第２個別磁石６２と、第３個別磁石６３とが、その間に非磁性体を存して配設されている構成であっても良い。
【００３４】
第１個別磁石６１および第２個別磁石６２は、同径且つリング状のネオジウム磁石で構成されており、光電変換膜４３周りで上下に並んで配設されている。そして、第１個別磁石６１および第２個別磁石６２は、その径方向に磁極が形成されている。具体的には、径方向内側（撮像素子１１側）にＮ極が形成され、径方向外側（反撮像素子１１側）にＳ極が形成されている。符号５５は、第１個別磁石６１および第２個別磁石６２を所定の間隔に離間させる非磁性体の固定用部材である。
【００３５】
第３個別磁石６３は、第１個別磁石６１および第２個別磁石６２より小径且つリング状のネオジウム磁石で構成されており、第１永久磁石５１周りに配設されている。厳密には、第３個別磁石６３は、上下方向において第１永久磁石５１と一部（第３個別磁石６３の下部と第１永久磁石５１の上部）が重なるように配設されている。また、第３個別磁石６３は、その径方向に磁極が形成されている。具体的には、径方向内側（撮像素子１１側および第１永久磁石５１側）にＮ極が形成され、径方向外側（反撮像素子１１側および反第１永久磁石５１側）にＳ極が形成されている。符号５６は、第３個別磁石６３および第１永久磁石５１を所定の位置に位置決めする非磁性体の固定用部材である。なお、第３個別磁石６３は、その磁力が、第１個別磁石６１および第２個別磁石６２の磁力に比べて強いものを用いる。また、第１個別磁石６１、第２個別磁石６２および第３個別磁石６３は、それぞれ周方向に６分割した円弧状磁石を連ねて構成されている。
【００３６】
フロント側ホルダー５３は、底部を上とした円筒椀状に形成されている。また、フロント側ホルダー５３の底部（上壁）には、貫通孔５３ａが形成されている。そして、フロント側ホルダー５３は、第１個別磁石６１および第２個別磁石６２を外側で保持している。また、フロント側ホルダー５３は、磁性体で構成されており、第１永久磁石５１および第２永久磁石５２により形成される磁界の磁気回路として機能している。さらに、フロント側ホルダー５３は、第１個別磁石６１に対して上側に突出する環状突出部５３ｂを有している。
【００３７】
リア側ホルダー５４は、底部を下とした円筒椀状に形成されている。そして、リア側ホルダー５４は、第１永久磁石５１および第３個別磁石６３を外側で保持している。また、リア側ホルダー５４は、磁性体で構成されており、第１永久磁石５１および第２永久磁石５２により形成される磁界の磁気回路として機能している。
【００３８】
次に図３を参照して、電子集束部１２により形成される磁界の磁力線の流れについて説明する。図３に示すように、電子集束部１２では、第１永久磁石５１および第２永久磁石５２により上下方向に磁力線を形成すると共に、当該磁力線を第２永久磁石５２の反発作用により中央寄りに集束させることで、電子ビームの放出空間Ａに対し、上下方向に配向された磁力線による一体の磁界が形成される。具体的には、第１永久磁石５１からの磁力線は、第２永久磁石５２により中央寄りに集束されつつ、撮像素子１１上を上方に進んでいく。そして、撮像素子１１を過ぎると、拡散してフロント側ホルダー５３（環状突出部５３ｂ）に達する。その後、フロント側ホルダー５３およびリア側ホルダー５４を介して、第１永久磁石５１および第２永久磁石５２に達する。
【００３９】
以上のような構成によれば、円筒形の第２永久磁石５２が磁力線を集束させる手段として機能する。そのため、第２永久磁石５２の内径を小さくしたとしても、電子ビームの放出空間Ａ上において、第２永久磁石５２における磁界強度の差の影響を受けない。ゆえに、撮像装置１の小型化に際しても、放出空間Ａ上において強度が均一な磁界を形成することができる。また、磁力線を集束させる構成により、撮像装置１の小型化に際し、放出空間Ａ上において高い磁束密度を効率良く得ることができる。これにより、ローレンツ力が作用して、電子ビームは、発散されることなく光電変換膜４３に到達する。
【００４０】
また、少なくとも第１永久磁石５１の一部が、上下方向において第２永久磁石５２と重なるように配設／形成されていることで、上下方向において、第１永久磁石５１と第２永久磁石５２との間に間隙が生じない。これにより、当該間隙を流れる磁力線が生じないので、磁力線の発散が抑制される。よって、磁界強度の均一性をより向上することができ、また磁気の漏えいを防止することができる。
【００４１】
さらに、撮像素子１１の裏面側に配設された磁石（第３個別磁石６３）の磁力を、撮像素子１１の表面側に配設された磁石（第１個別磁石６１および第２個別磁石６２）の磁力より強くすることにより、第１永久磁石５１からの磁力線が強く集束されるので、第１永久磁石５１からの磁力線の発散が抑制される。これにより、磁界強度の均一性をより向上させることができる。
【００４２】
またさらに、フロント側ホルダー５３に、環状突出部５３ｂを設けることで、磁極が径方向に形成されている第１磁石による磁界の歪みを極力少なくすることができる。
【００４３】
また、第１永久磁石５１の磁束密度が高い部分に、貫通開口部５１ａを設けることで、磁界強度の均一性をより一層向上させることができる。
【００４４】
なお、本実施形態においては、第１永久磁石５１と第２永久磁石５２（第３個別磁石６３）とを、上下方向で一部重なり合うように配設／形成する構成であったが、第１永久磁石５１の上面と第２永久磁石５２の下端面とが一致するように、第１永久磁石５１と第２永久磁石５２とを、配設／形成する構成であっても良い。
【００４５】
ひいては、第１永久磁石５１と第２永久磁石５２（第３個別磁石６３）とを、上下方向で離間するように配設／形成する構成であっても良い。
【００４６】
また、本実施形態においては、第１永久磁石５１は、上側にＮ極が形成されており、第２永久磁石５２（３個の個別磁石６１、６２、６３）は、径方向内側にＮ極が形成されている構成であったが、第１永久磁石５１における上下方向の撮像素子１１側の磁極の極性が、第２永久磁石５２における径方向の撮像素子１１側の磁極の極性と同極であれば、これに限るものではない。すなわち、図４に示すように、第１永久磁石５１は、上側にＳ極が形成されており、第２永久磁石５２は、径方向内側にＳ極が形成されている構成であっても良い。かかる場合、磁力線の流れが逆方向となる。
【００４７】
さらに、本実施形態においては、第２永久磁石５２において、撮像素子１１の表面側に配設された光電変換膜４３周りの磁石（第３磁石）を、第１個別磁石６１と第２個別磁石６２とに２分割し、撮像素子１１の裏面側に配設された第１永久磁石５１周りの磁石（第４磁石）を、一体の第３個別磁石６３で構成したが、光電変換膜４３周りの磁石および第１永久磁石５１周りの磁石の各分割数は、これに限るものではない。すなわち、第１永久磁石５１周りの磁石を上下で２分割する構成であっても良いし、光電変換膜４３周りの磁石を一体の個別磁石で構成する構成であっても良い。もちろん、光電変換膜４３周りの磁石および第１永久磁石５１周りの磁石を、３個以上の個別磁石に分割する構成であっても良い。上記実施形態およびこれらの場合において、第１永久磁石５１周りの磁石の磁力は、光電変換膜４３周りの磁石の磁力より強いことが好ましい。また、第２永久磁石５２全体を一体の円筒形の磁石で構成しても良い。
【００４８】
またさらに、本実施形態においては、撮像素子１１の配線を通す（外部に引き出す）ために、フロント側ホルダー５３とリア側ホルダー５４とで、ホルダーを上下２分割する構成であったが、フロント側ホルダー５３およびリア側ホルダー５４に一体に形成する構成であっても良い。かかる場合、非磁性体部分や磁束密度の弱い磁気回路部分から配線を通すことが好ましい。
【符号の説明】
【００４９】
１：撮像装置、  １１：撮像素子、  ３３：電子放出源アレイ、  ４３：光電変換膜、  ５１：第１永久磁石、  ５１ａ：貫通開口部、  ５２：第２永久磁石、  ５３：フロント側ホルダー、  ５３ｂ：環状突出部、  ５４：リア側ホルダー、  ６１：第１個別磁石、  ６２：第２個別磁石、  ６３：第３個別磁石、  Ａ：放出空間
【図１】
2014123462.tif 000003
【図２】
2014123462.tif 000004
【図３】
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【図４】
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