(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも外部からの入射光を透過する透明電極および入射光によって信号電荷を発生しそれを蓄積する光電変換膜からなる光電変換ターゲット部と、マトリクス状に配列された複数の電子放出源を有する陰極と、任意の前記電子放出源を選択できる電子放出源選択手段と、前記ターゲット部の任意の位置の画素に蓄積された信号電荷を電気信号として読み出す電荷読み出し手段と、該電荷読み出し手段により読み出された電気信号を直接デジタル信号に変換して外部に取り出すデジタル信号変換抽出手段とを具えたデジタル出力撮像装置であって、
前記マトリクス状に配列された複数の電子放出源を有する陰極として冷陰極アレイが用いられ、前記デジタル信号変換抽出手段として前記ターゲット部の単位画素に蓄積された信号電荷を前記冷陰極アレイのカソード電位を変化させて標本化することにより、前記電荷読み出し手段により読み出された電気信号を直接デジタル信号に変換して外部に取り出す標本化デジタル信号変換抽出手段が用いられることを特徴とするデジタル出力撮像装置
【請求項２】
前記ターゲット部の単位画素に蓄積された信号電荷を直接デジタル信号として取り出す時に、スイッチとして用いた電流を前記デジタル信号の余剰信号として外部にアナログ信号のままか、外部でさらにデジタル信号化することで上位ビットである前記デジタル信号に対し下位ビットのデジタル信号として利用することを特徴とする請求項１記載のデジタル出力撮像装置
【請求項３】
時間的に変化させる前記カソード電位の変化量が外部から制御可能であることを特徴とする請求項１または２記載のデジタル出力撮像装置
【請求項４】
前記透明電極を複数に分割した構造および該分割した各領域からの前記蓄積された信号電荷を読み出す分割読み出し手段を有し、前記各領域の相対的に同じ位置の画素に蓄積された信号電荷を同時に読み出すことを特徴とする請求項１から３いずれか記載のデジタル出力撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光子の入射によって光電変換膜中に空間分布的に発生、蓄積された信号電荷を、電子ビームの走査によって時系列の電気信号として読み出す平面型撮像装置に係り、特に、カソード電位により光電変換膜の走査側面電位の標本化を行うことで、直接デジタル信号として前記電気信号を外部に取り出す撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光電変換膜が入射光量に応じて信号電荷を発生してこれを蓄積し、この電荷を電子ビームの走査によって時系列的に外部回路に読み出し、入射光量の空間的分布に対応したアナログ電気信号を発生する撮像装置としては光導電型撮像装置が知られており、前記電子ビームを走査する手段として、冷陰極アレイを用いた光導電型撮像装置が特開平６−１７６７０４号に開示されている。
図３は、前記特開平記載の光導電型撮像装置の構造を示す模式的な斜視図である。
【０００３】
冷陰極アレイ３００は、基板３０１上に形成された陰極導体３０２を有している。陰極導体３０２の上には絶縁層３０３が設けられている。絶縁層３０３の上にはさらにゲート電極３０４が設けてれている。絶縁層３０３とゲート電極３０４にはホール３０５が形成され、ホール３０５内に露出した陰極導体３０２上にはコーン形状のエミッタ３０６が設けられている。陰極導体３０２とゲート３０４は共に帯状に形成され、互いに直交する方向に配設されてＸＹマトリクスを構成している。両電極をマトリクス駆動することによって、その交点の任意の位置にあるエミッタ群を選択して電子を放出させることができる。
冷陰極アレイ３００に対面してガラス基板３１０が設けられている。その内面には透光性の導体膜３１１および光電変換膜３１２が順次積層されて光電変換ターゲット３１３が構成されている。外部からの光３１４はガラス基板３１０外面側から導体膜３１１を透過して光電変換膜３１２に入射する構成になっている。
【０００４】
上記の構成において、冷陰極アレイ３００をマトリクス駆動させ、エミッタ３０６から放出された電子ビーム３０７で前記光電変換膜３１２を走査する。光電変換膜３１２の電子ビーム走査側、即ち走査面は２次電子を放出しにくい材料および／または構造になっており、電子ビーム３０７が到達すると走査面の電位は降下していくが、陰極導体３０２の電位に等しくなるとそれ以上電子ビーム３０７が到達し得なくなるため、電子ビーム３０７の走査直後の走査面電位は陰極導体３０２の電位に平衝する。
透光性導体膜３１１には陰極導体３０２に対して正のターゲット電圧ＶＴが印加されているため、光電変換膜３１２には透光性導体膜３１１側が正で走査面側が負の向きの電界が印加されることになる。
【０００５】
この状態で、外部からの入射光３１４が光電変換膜３１２に入射すると、その入射量に応じた電子正孔対が光電変換膜中に発生し、前記電界によって電子は透光性導体膜３１１側、正孔は走査面側に走行し、走査面電位は到達した正孔によって陰極導体電位から上昇していく。再び電子ビーム３０７が到達すると、走査面電位は陰極導体電位にリセットされ、その際、出力端子３１５から入射光量の空間電荷分布に対応する時系列のアナログ電気信号が得られる。
出力されたアナログ電気信号をデジタル信号に変換するには、出力端子３１５以降に外部に設けられた増幅器により増幅された後、さらに外部に設けられたＡ／Ｄコンバータにより行われていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術ではデジタル電気信号を得るため、出力された微弱なアナログ信号に外部に設けられた増幅器とＡ／Ｄコンバータを適用する必要があった。このため、撮像装置の画素数が増加するに従い増幅器の周波数帯域幅を広げる必要があり、ＳＮ比が劣化する問題があった。また、Ａ／Ｄコンバータの処理機能も高速性が要求されるが，一般にＡ／Ｄコンバータの高速性とビット数は相反関係にあるため、必要な階調数（ビット数）を得ることが非常に困難、または高価な装置となるという問題点があった。
そこで本発明の目的は、前述の問題点を解決し、高価な周辺回路を必要とせず、撮像素子から直接デジタル信号を出力することができるデジタル出力撮像装置を提供せんとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため本発明デジタル出力撮像装置は、少なくとも外部からの入射光を透過する透明電極および入射光によって信号電荷を発生しそれを蓄積する光電変換膜からなる光電変換ターゲット部と、マトリクス状に配列された複数の電子放出源を有する陰極と、任意の前記電子放出源を選択できる電子放出源選択手段と、前記ターゲット部の任意の位置の画素に蓄積された信号電荷を電気信号として読み出す電荷読み出し手段と、該電荷読み出し手段により読み出された電気信号を直接デジタル信号に変換して外部に取り出すデジタル信号変換抽出手段とを具え、前記マトリクス状に配列された複数の電子放出源を有する陰極として冷陰極アレイが用いられ、前記デジタル信号変換抽出手段として前記ターゲット部の単位画素に蓄積された信号電荷を前記冷陰極アレイのカソード電位を変化させて標本化することにより、前記電荷読み出し手段により読み出された電気信号を直接デジタル信号に変換して外部に取り出す標本化デジタル信号変換抽出手段が用いられる構成であってもよい。すなわち、後述の図１および図２を使用して説明されるように、１画素毎に、対応する冷陰極のカソード電位をカウント値を基に単位時間毎に変化させて、その時のカソード電位と光電変換膜上の走査面電位とを比較することで標本化を行う。走査面電位がカソード電位より高いときに走査面電位をカソード電位に平衡させるために流れる電流をスイッチとして用いることで、標本化された走査面電位を直接カウンタ値としてデジタル電気信号として取り出すことで、本発明の課題を解決することができる。
【０００９】
本発明はさらに、前記ターゲット部の単位画素に蓄積された信号電荷を直接デジタル信号として取り出す時に、スイッチとして用いた電流を前記デジタル信号の余剰信号として外部にアナログ信号のままか、外部でさらにデジタル信号化することで上位ビットである前記デジタル信号に対し下位ビットのデジタル信号として利用する構成であってもよい。かくて、階調数を飛躍的に増加することができる。
本発明はさらにまた、時間的に変化させる前記カソード電位の変化量が外部から制御可能である構成であってもよく、かくて所謂撮像装置で一般に実施されるγ補正が達成でき、また、前記透明電極を複数に分割した構造および該分割した各領域からの前記蓄積された信号電荷を読み出す分割読み出し手段を有し、前記各領域の相対的に同じ位置の画素に蓄積された信号電荷を同時に読み出す構成であってもよい。かくて、１画素の選択期間を長く取ることができるためカウンタのビット数を増やすことができ、結果として階調数を増やすことができ、さらに容易に本発明の課題を解決することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照し実施例により本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１に本発明デジタル出力撮像装置第１の実施例に係る構成ブロック線図を示し、図２にその動作原理を説明するための図を示す。図１の構成は後述の第２の実施例に係る複数同時信号読み出しに対応して単一信号読み出しと称せられるものである。
図１図示撮像素子１１３の構成は図３に示してきた前記特開平の光導電型撮像装置を構成する撮像素子の構造と全く同じである。
【００１１】
外部からの入射光１０７の強さに対応した正の電荷（正孔）が光電変換膜１１１中で発生し、走査面側に蓄積されてある電位を持つ。光電変換膜としては例えば１インチサイズ、厚さ８μｍのＨＡＲＰ(High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor)膜を用い、ＴＶ規格の白１００％を得るための基準信号量を例えば２００ｎＡとした場合、光電変換膜の裏面電位は３．２Ｖ程度となる。一方、光電変換膜中に蓄積された電荷を読み出す手段としてＸ−Ｙマトリクス構造の冷陰極アレイを用いる。垂直（Ｙ）方向のラインの選択にはゲート電極（図３では３０４）を用い、また水平方向（Ｘ）方向の画素の選択にはカソード電極（図３では３０２，図１では１１２）を用いる。
【００１２】
任意の１ライン（水平方向）の選択期間を例えば６３．５マイクロ秒とし、この期間にゲート電極に例えば８０Ｖ程度の電圧を印加する。選択された１ライン上のある画素の選択期間を例えば７５０ナノ秒（１ラインは約８０画素になる）とし、元クロック１０１パルスに合せて例えば４ビットカウンタを１６（２４）から０まで単位時間例えば４６. ９ナノ秒（元クロック１０１パルスの１周期となる）ごとに順次減算させ、このカウンタ１０２の出力値に対応して、予めルックアップテーブル１０３に設定されたカソード電位を例えば４Ｖから０Ｖまで０．２５Ｖ毎減じてカソード電極電位設定回路１０４より出力する。
【００１３】
光電変換膜走査面の電位が例えば３．２Ｖの場合、カソード電位が例えば３．０Ｖ（カウンタ値が例えば１２）と膜走査面電位を下回ったとき（電位比較１１４が働く）、冷陰極から電子ビームが放出（スイッチ１１５がオン）され走査面電位とカソード電位が平衡状態となるまで外部１１８に電流が流れる。外部１１８に流れる電流をスイッチ１１６として用い、平衡状態となった走査面電位に対応したカウンタ値を出力１１７することで直接デジタル単位画像信号が得られる。すなわち、光電変換膜の単位画素の走査面電位をカウンタ値に対応するカソード電位によって標本化し、外部に流れた電流をスイッチ１１６として用いることでデジタル信号を出力する（標本化デジタル信号変換抽出手段）。
【００１４】
また、スイッチ１１６として用いた外部に流れる電流１１８は平衡状態となった走査面電位に対しての余剰蓄積電荷量に等しい。従って、この電流をアナログ信号として用いることでより滑らかな画像情報を得ても良いが、さらにこのアナログ出力信号を例えば４ビットＡ／Ｄコンバータを用いてデジタル化することで上述のデジタル出力信号の下位ビット信号として併用することがより好ましい。
デジタル出力信号１１７が得られた後も光電変換膜裏面上にはまだ蓄積電荷が残っているので、カソード電位はそのままカウンタ値に従い，最終的にカウンタ値０すなはちカソード電位が０Ｖになるまで順次下げ、光電変換膜走査面上の全電荷を外部に電流として掃き出し走査面電位をリセットする必要がある。次に、カウンタ値を初期状態、例えば４ビットカウントの場合１６に設定し、隣の画素で同様な動作を繰り返すことで、撮像素子としての走査がなされ、直接デジタル画像信号が得られる。
【００１５】
さらに、外部から制御できる例えば４ビット程度の付加カウンタ１０６を設け、カソード電極の最高電位およびカウント値１ビット毎の電位変化量を変える（付加カウンタセット信号１０５で行う）ことにより、等価的にγ特性が変更でき、ダイナミックレンジを広げることが可能である。
なお、カソード電位を変化させるためのカウンタ１０２、付加カウンタ１０６、ルックアップテーブル１０３およびカソード電極電位設定回路１０４は、本発明撮像素子の外部に設けても良いが，本発明撮像素子内の冷陰極アレイに近接して設けるのが好ましく、その場合は図１図示構成のブロック線図全体が本発明のデジタル出力撮像装置となる。
【００１６】
図２は本発明装置の動作を説明するために記載した図であるが、図２（ａ）は１ライン中の各画素の面電位の分布を示しており（太線で示す、この場合１ラインは１１画素である）、横軸はライン方向の画素順を示し、縦軸は画素毎の蓄積電位を示しており、さらにその単位は前記カウンタ１０２のデジタル信号出力１１７に対応し、この図２（ａ）ではデジタル信号出力１１７の最大値は１１である。図２（ａ）で左から数えて第１画素の出力は丁度８デジタル出力、第２画素の出力は丁度１０デジタル出力であるが、第３画素の出力は８デジタル出力でなお余剰出力がある。
【００１７】
これを図２（ｂ）を使用して説明すると以下のようになる。図２（ｂ）では横軸は全体で１画素電位比較全体時間で（全体で１１単位時間）、縦軸は今度は画素の蓄積電位と比較すべきカソード電位（太線で表示）を示すもので単位は図２（ａ）のそれと同じである。前記第３画素の蓄積電位（Ａ）は前記カソード電極電位設定回路１０４により設定される前記元クロックパルス周期毎に変化する前記カソード電極電位１１２と順次比較され、３単位時間で始めて前記スイッチ１１５がオンとなり、図２（ｂ）の前記第３画素の右下り斜線部が前記アナログ信号出力１１８になり、同時にこれは前記スイッチ１１６をオンし、前記デジタル信号出力（前記第３画素の左下り斜線部）となる。そして前記アナログ信号出力１１８はさらに下位ビットのデジタル信号に変換される。
【００１８】
次に、本発明デジタル出力撮像装置第２の実施例に係る並列信号読み出し装置について説明する。光電変換膜へ印加電圧を供給するとともに、外部へ電流を取り出す透明電極（ＩＴＯ）を複数に、例えば１００分割し、分割された領域に対して相対的に同じ場所に蓄積された光電変換膜裏面上の電荷を同時に取り出そうとするものである。
かくすると、１つの分割領域内の画素数が格段に少なくなるため、１画素の選択期間が例えば１００倍長く取れ、カウントのビット数を例えば８ビット（２５６）以上とデジタル出力信号の階調教を増加できる。
また、第１の実施例同様、カウンタ値を出力する際のスイッチとして用いた外部に流れた電流をアナログ出力信号として併用しても、または、例えば４ビットＡ／Ｄコンバータを用いてデジタル出力信号の下位ビット信号として併用することで、さらに細かな階調を再現することができる。
この第２の実施例では複数の領域から同時に信号が出力されるため，画像合成処理回路を別に設けて画面情報の合成を行い，その後ＴＶ規格に沿ったシリアル信号として取り出す必要がある。
【００１９】
以上いくつかの実施例により本発明の実施の形態を詳細に説明してきたが、本発明はこれらに限定されることなく、発明の要旨内で各種の変形、変更の可能なことは自明であろう。
【００２０】
【発明の効果】
第１の実施例記載の手段を施すことにより高価な回路を必要とせず，撮像素子から直接デジタル信号を出力することができる。また、外部から付加カウンタを制御、またはルックアップテーブルの内容を更新することにより，必要に応じて任意の特性（例えば、γ補正）を作り出すことが可能となる。
第２の実施例記載の手段を施すことにより１画素の選択期間を長く取るとができるため、カウンタのビット数を増やすことができ、結果として階調数を増やすことができる。
また、第２の実施例では１画素の選択期間を長く取ることができるようになるため、高輝度の被写体を撮像した場合でも光電変換膜走査面上に蓄積された電荷を完全にリセットすることが可能となり，残像特性を著しく改善し、ダイナミックレンジを著しく拡大できる。
さらに、走査面電位をカソード電位に平衡させる際に外部に流れる電流を増幅器およびＡ／Ｄコンバータを介して下位ビットとして用いる際も、Ａ／Ｄコンバータが高速である必要はなく、かつ、周波数帯地域を狭く取ることができるため、安価でかつ高ＳＮ比を維持できる。このため、今後、画素数が飛躍的に増加した場合でも、透明電極の分割数を増やすことによって同様な効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明デジタル出力撮像装置第１の実施例に係る構成ブロック線図。
【図２】  本発明デジタル出力装置第１の実施例の動作を説明するための図。
【図３】  従来の撮像装置の基本構成を示す斜視図。
【符号の説明】
１０１  元クロックパルス
１０２  カウンタ
１０３  ルックアップテーブル
１０４  カソード電極電位設定回路
１０５  付加カウンタセット信号
１０６  付加カウンタ
１０７  外部からの入射光
１１１  光電変換膜
１１２  カソード電極
１１３  撮像素子
１１４  電位比較
１１５  スイッチ
１１６  スイッチ
１１７  デジタル信号出力
１１８  アナログ信号出力
３００  冷陰極アレイ
３０１  基板
３０２  陰極導体
３０３  絶縁層
３０４  ゲート電極
３０５  ゲートホール（ゲート開口部）
３０６  エミッタ（電子放出源）
３０７  電子ビーム
３１０  ガラス基板
３１１  透光性導電膜（透明電極）
３１２  光電変換膜
３１３  光電変換ターゲット部
３１４  外部からの入射光
３１５  出力端子
【図１】
0004054156.tif 000002
【図２】
0004054156.tif 000003
【図３】
0004054156.tif 000004