(57)【要約】  光電子電極は、入射された光を光電子に変換する。光電子増幅管は、内部が真空に保持され、光電子電極によって変換された光電子を増幅する。光電子倍増管によって増幅された光電子は、出力電力アレイに到達し、出力電極アレイに到達した光電子に起因した電流信号は、金属球や異方性導電ゴムを通じて光電子倍増管の外側で直接読み出される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された光を光電子に変換する光電子電極と、
内部が真空に保持され、前記光電子電極によって変換された光電子を増幅する光電子倍増管と、
前記光電子倍増管によって増幅された光電子が到達する出力電極アレイと、
前記光電子倍増管の外側に配置された取出電極アレイと、前記出力電極アレイとの電気的な接続を行う接続手段とを具えることを特徴とする光電撮像センサ。
【請求項２】
前記出力電極アレイが、上下方向において互いに隣接するようにしてアレイ配置された複数の平板電極と、上下方向において互いに対向する前記平板電極同士を電気的に接続する支持電極とを有することを特徴とする請求項１記載の光電撮像センサ。
【請求項３】
前記接続手段を、異方性導電ゴム又は金属球としたことを特徴とする請求項１又は２記載の光電撮像センサ。
【請求項４】
上下方向において互いに隣接するようにしてアレイ配置された複数の平板電極と、上下方向において互いに対向する前記平板電極同士を電気的に接続する支持電極とを有することを特徴とする光電撮像センサ用出力電極アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医学、宇宙科学、防災、防衛分野における稀現象のリアルタイム観測などに利用される光電撮像センサ及びそれに用いられる出力電極アレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光電撮像センサの感度及び解像度を向上するために、入射された光を光電子に変換する光電子電極と、内部が真空に保持され、光電子電極によって変換された光電子を増幅する光電子倍増管と、光電子倍増管によって増幅された光電子が到達する複数の出力電極と、これら出力電極にそれぞれ対応し、集積回路が組み込まれた複数の信号取出電極とを具え、各出力電極と、それに対応する信号取出電極とが絶縁されたものが提案されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平６−２８９９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような光電撮像センサでは、信号取出電極したがって集積回路が光電子倍増管の真空内部に配置されているので、集積回路によって生成されたイメージデータを光電子倍増管の真空内部から外部に出力する必要があり、高速な光検出の観点から好ましくない。また、集積回路からアウトガスが発生するために真空の保持が困難となる。さらに、集積回路が光電子倍増管の真空内部で高温にさらされるために耐熱対策を施す必要があり、光電撮像センサが高価なものとなる。【０００４】
本発明の目的は、高感度及び高解像度を維持しながら高速な光検出を行うことができ、かつ、真空の保持が容易であるとともに構成が廉価な光電撮像センサ及びそれに用いられる出力電極アレイを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による光電撮像センサは、
入射された光を光電子に変換する光電子電極と、
内部が真空に保持され、前記光電子電極によって変換された光電子を増幅する光電子倍増管と、
前記光電子倍増管によって増幅された光電子が到達する出力電極アレイと、
前記光電子倍増管の外側に配置された取出電極アレイと、前記出力電極アレイとの電気的な接続を行う接続手段とを具えることを特徴とする。【０００６】
本発明による光電撮像センサ用出力電極アレイは、
上下方向において互いに隣接するようにしてアレイ配置された複数の平板電極と、上下方向において互いに対向する前記平板電極同士を電気的に接続する支持電極とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明による光電撮像センサによれば、光電子倍増管の外側に配置された取出電極アレイと、出力電極アレイとの電気的な接続を行うので、出力電極アレイに到達した光電子に起因した電流信号を光電子倍増管の外側で直接読み出すことができ、その結果、高感度及び高解像度を維持しながら高速な光検出を行うことができる。また、信号取出電極及びそれに組み込まれた集積回路が光電子倍増管の外側に配置されているので、耐熱対策を施す必要がなくなるとともに集積回路の取替が容易となり、その結果、光電撮像センサを廉価に構成することができる。さらに、信号取出電極及びそれに組み込まれた集積回路が光電子倍増管の外側に配置されているので、集積回路のアウトガスによって真空の保持に悪影響が及ぼされなくなり、その結果、真空の保持が容易になる。【０００８】
好適には、前記出力電極アレイは、上下方向において互いに隣接するようにしてアレイ配置された複数の平板電極と、上下方向において互いに対向する前記平板電極同士を電気的に接続する支持電極とを有する。【０００９】
接続手段を異方性導電ゴムとした場合、出力電極アレイと信号取出電極との位置合わせの精度を比較的高くする必要がないので、廉価な構成の観点から有利である。接続手段を金属球とした場合、出力電極アレイと信号取出電極とのピッチを比較的短く（例えば、２０μｍ）とすることができ、高解像度の観点から有利である。【００１０】
本発明による光電撮像センサ用出力電極アレイによれば、高感度及び高解像度を維持しながら高速な光検出を行うことができ、かつ、真空の保持が容易であるとともに構成が廉価な光電撮像センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による光電撮像センサの実施の形態の概略図である。
【図２】図１に示す光電撮像センサの出力電極アレイの概略図である。
【図３】本発明による光電撮像センサの実施の形態のうちのマイクロチャネル型光電子倍増管を用いたものを示す図である。
【図４】本発明による光電撮像センサの実施の形態のうちのハイブリッド型光電子倍増管を用いたものを示す図である。
【図５】図４に示す光電撮像センサの一部拡大図である。
【図６】本発明による光電撮像センサの出力電極アレイから外部大気中に取り出された電流を処理する回路の一例を示す図である。
【図７】図６の回路の処理を説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明による光電撮像センサ及びそれに用いられる出力電極アレイの実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明による光電撮像センサの実施の形態の概略図であり、図２は、図１に示す光電撮像センサの出力電極アレイの概略図である。図１に示す光電撮像センサ１は、光電電極２と、光電子倍増管３と、出力電極アレイ４と、出力電極アレイ４及び取出電極アレイ５の電気的な接続を行う金属球６とを具える。【００１３】
本実施の形態では、光電子電極２は、光電子倍増管３の一方の主面に設けられた平板電極から構成され、光電子倍増管３における光電子電極２と出力電極アレイ４とによって挟まれた空間Ｓ内は真空に保持されている。出力電極アレイ４は、光電子倍増管３の他方の主面において光電子電極２と対向するように設けられ、図２に示すように、上下方向において互いに隣接するようにしてアレイ配置された複数の平板電極１１と、上下方向において互いに対向する平板電極１１同士を電気的に接続する支持電極１２とを有する。上側に配置された平板電極１１は、光電子倍増管３内の真空に維持された空間Ｓに位置し、下側に配置された平板電極１１は、光電子倍増管３の外側すなわち大気中に位置する。【００１４】
取出電極アレイ５は、出力電極アレイ４と対向するように設けられ、出力電極アレイ４と対向する側において、複数の平板電極１３が互いに隣接するように配置される。さらに、出力電極アレイ４の平板電極１１と取出電極アレイ５の平板電極１３とは、互いに一対一に対応するように設けられ、これらは金属球６によって互いに電気的に接続される。また、取出し電極アレイ５には、図示しない所定の集積回路が組み込まれている。【００１５】
平板電極１１及び１３を、例えば１２８個×１２８個のように配置することができる。また、各ピッチｐを０．０１〜０・０２ｍｍとすることができる。出力電極アレイ４と取出電極アレイ５との間の距離は、金属球６の大きさを微細化することによって、例えば２０μｍ以下に狭小化される。【００１６】
本実施の形態の動作を説明する。光電子電極２に入射された光は、光電子に変換され、光電子電極２によって変換された光電子は、光電子倍増管３によって増幅される。光電子倍増管３によって増幅された光電子は、出力電極アレイ４に到達する。出力電極アレイ４に到達した光電子に起因した電流信号が、光電子倍増管３の外側で直接読み出され、すなわち、出力電極アレイ４の上側の平板電極１１から支持電極１２を通じて下側の平板電極１１から出力される。【００１７】
下側の平板電極１１から出力された電流信号は、金属球６を通じて取出電極アレイ５に入力される。取出電極アレイ５に入力された電流信号は、取出電極アレイ５に組み込まれた集積回路（図示せず）によって処理され、イメージデータとして外部に出力される。【００１８】
高感度及び高解像度を維持しながら高速な光検出を行うために、従来は２次元半導体センサ、制御回路等を真空内部に封入し、直接電流分布を真空内で読み出し、電流分布を１本又は少数本数の電気信号線として外部に取り出す方式が用いられていた。しかしながら、複雑な構造物を真空中に封入するためにアウトガスなどの真空度劣化の原因を誘引し、さらに、真空中での発熱を抑える冷却の工夫や、真空中かつ高温中で作動する回路に課せられる仕様がセンサ全体のコスト高に大きく寄与する。それに対して、本実施の形態によれば、かかる不都合がなくなる。【００１９】
また、一度、真空中に封入された半導体センサは取り替えることが不可能であり、流用性、汎用性などの利便性を得ることができないが、本実施の形態によれば、２次元電流分布取り出しと読み出し回路処理との独立性を確保したため、組み合わせに自由度があり、汎用性が高くなるとともに、その生産性とコスト低減に大きく寄与する。【００２０】
図３は、本発明による光電撮像センサの実施の形態のうちのマイクロチャネル型光電子倍増管を用いたものを示す図である。本実施の形態では、光電子倍増管２１の真空空間において、二重のマイクロチャネルプレート２２が歯止２３によって支持され、光電子倍増管２１と光電子電極２４との間は、インジウムシール２５によって封止されている。【００２１】
光電子倍増管２１の外側に配置されるとともに集積回路２６が組み込まれた取出電極アレイ２７は、バックアッププレート２８上のプリント基板２９の上で支持され、金属球３０によって出力電極アレイ３１に電気的に接続される。集積回路２６によって生成したイメージデータは、Ａｕワイヤ３２を通じて外部に出力される。【００２２】
マイクロチャネル型光電子倍増管を用いた場合、光子レベルの微弱な光を光電子電極２４で光電変換して生じた電子を、真空中に配置されたマイクロチャンネルプレート２２にて高い増倍率（〜１０７倍）まで、高解像度（〜６μｍ）を保持したまま増倍し、電子線として出力電極アレイ３１に到達する。その際、本実施の形態のように出力電極アレイ３１が稠密に配置されるに従って、原理的には、高分解の２次元電流分布を、マイクロチャンネルプレート２２での増倍過程における限界解像度まで出力電極アレイ３１の背面から取り出すことができる。マイクロチャンネルプレート２２の限界解像度は、現在のCCDのような２次元半導体センサの限界解像度と同等である。すなわち、一般の光電子増倍管の利点である高速の検出速度(ns以下)及び高利得高感度(〜１０７)の電流読み出しを維持した状態でＣＣＤのような２次元半導体センサの解像度を簡便に得ることができる。【００２３】
図４は、本発明による光電撮像センサの実施の形態のうちのハイブリッド型光電子倍増管を用いたものを示す図であり、図５は、その一部拡大図である。本実施の形態では、光電子電極４１が光電子倍増管４２の主面に配置され、光電子倍増管４２の真空空間にはマルチピクセルホトダイオード４３が配置されている。【００２４】
マルチピクセルホトダイオード４３は、シリコン基板などの検出基板４４と、ｎ拡散領域４５と、ｐ注入領域４６とを有し、金属球４７によって出力電極アレイ４８に電気的に接続している。出力電極アレイ４８は、図２に示すものと同一構成を有し、光電子倍増管４２と光電子電極４１との間は、インジウムシール４９によって封止されている。【００２５】
光電子倍増管４２の外側に配置されるとともに集積回路５０が組み込まれた取出電極アレイ５１は、バックアッププレート５２上のプリント基板５３の上で支持され、異方性導電ゴム５４によって出力電極アレイ４８に電気的に接続される。集積回路５０によって生成したイメージデータは、配線５５及びＡｕワイヤ５６を通じて外部に出力される。【００２６】
ハイブリッド型光電子倍増管を用いた場合、光子レベルの微弱な光を光電子電極４１で光電変換して生じた電子を、検出基板４４に高電界（〜１０ｋＶ）で加速照射し、高い変換率（例えば、３．４電子ボルト／電子正孔対）で電子のエネルギーを多数の電子−正孔対に変換し、検出基板４４の背面にバイアス電界（〜１００Ｖ）で電子又は正孔を引き寄せ取り出すことによって、高い増倍率（〜１０４倍）の電流を取得し、又は、さらにその後にＰＮ接合によるアバランシュ増倍を利用して更に高い増倍率（〜１０７）の電流を得ることができる。【００２７】
シリコン半導体中の電子の移動度は１８００ｃｍ２／（Ｖ・ｓ）であり、入射加速電子が浸入して全エネルギーを電子−正孔対に変換するのに要する距離は数μｍであり、２次元位置情報は数μｍのぶれしかなく、その増倍過程に要する時間は０．１ｎｓ程度と高速である。すなわち、この半導体内部での増倍過程を利用して高速高精細の電流分布の読み出しができる。【００２８】
本実施の形態では、検出基盤４４における加速光電子の増倍過程の後、読み出された電流分布を２次元像として高解像度（数μｍ）を保持した状態で出力電極アレイ４８から外部に読み出す。その際、金属板-金属柱-金属板を稠密に配置した出力電極アレイ４８とｐ注入領域４６とを、金属球４７を介して接合し、真空中の検出基板４４で増倍された電流を外部大気中に導出する。すなわち、一般の光電子増倍管の利点である高速の検出速度(ns以下)及び高利得高感度(〜１０７)の電流読み出しを維持した状態でＣＣＤのような２次元半導体センサの解像度を簡便に得ることができる。【００２９】
図６は、本発明による光電撮像センサの出力電極アレイから外部大気中に取り出された電流を処理する回路の一例を示す図であり、図７は、図６の回路の処理を説明するための図である。この場合、光電撮像センサとして、図３に示す構造のものを使用し、出力電極アレイ及び取出電極として１２８個×１２８個の平板電極をアレイ配置したものを使用した。【００３０】
図６に示す回路は、出力電極アレイの一つの電極から取り出された電流が背景ノイズに比べて有意な信号であるかどうかを判定する弁別回路である。この場合、電極から導出され、弁別回路に入力された（図７において電流波形ａで示す）生の電流Ｉｉは、１段目の（オペアンプ６１並びにこれに並列なコンデンサ６２及びＦＥＴ６３から構成された）バンドパスフィルタ６４と、２段目の増幅器６５とによって整形され、ポイントＡにおいて電圧信号波形ｂ１、ｂ２、ｂ３（図７）が得られる。なお、電圧信号波形ｂ１、ｂ２、ｂ３はそれぞれ、ＦＥＴ６３のゲートへの印加電圧を０．４Ｖ，０．５Ｖ及び０．６Ｖと変えて有効的に抵抗値を変えたものに対応する。最終段のコンパレータ６６は、外部からの参照電圧Ｖcmpin（例えば、１．６Ｖ）をしきい値とし、整形された電圧波形がそのしきい値を超えたときだけ波高を弁別して、零ではなく、負電圧パルスｘｏ２から出力する。【００３１】
パルスの幅は，各整形電圧波形のしきい値を超えている間の時間に対応して数十ｎｓから１００ｎｓの短い時間幅で制御が可能である。この波高弁別出力信号が電極ごとに得られ、その２次元分布によって、本発明による光電撮像センサに入射した微弱高速光現象の瞬時の２次元パターンを瞬間ごとに判定すると、図７に示すように、得たい光現象を、背景ノイズからリアルタイムで有意かつ確実に識別できる。【００３２】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
例えば、光電子電極を、上記実施の形態のような平板以外の形状の電極とすることができる。また、出力電極アレイも、図２に示す構成以外の構成とすることができる。さらに、接続手段を、異方性導電ゴムや金属球以外のものによって実現することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、微弱電気信号検査、高速画像認識、診断、防災、防衛等の分野における検出感度の向上及び高速自動リアルタイムでの判断などに応用され、極微弱光自動計測装置、超高速撮影装置、リアルタイム監視装置、飛跡運動自動認識装置、リアルタイム医療診断装置、稀現象検出装置等に好適に用いることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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