著者 瀧口 吉郎

スピント型電界放射陰極アレイを用いた平面撮像管 の駆動方法に関する研究

著者 瀧口 吉郎

発行年 2010‑03‑22

出版者 静岡大学

URL http://doi.org/10.14945/00006368

静 岡大学 博士論文

スピント型電界放射陰極アレイを用いた 平面撮像管の駆動方法に関する研究

2009当 「 ^12月

大学院 自然科学系教育部 ナノビジョンエ学専攻

瀧 口 吉郎

目次

第

1章  

序論

1,1 

撮像デバイスの歴史・・・・ 口・・・・・・・・・ 00ロ ロ・・・・

1.2 

研究の背景と目的・・・・・

00・

・・・・・・ 口・・・・・・・・

1.3 

本論文の構成・・・・・^D● ●●ロロ

00000000・

_{・・・・・}

第

2章  

高感度平面撮像管の概要 と課題

2,1 

現状の高感度撮像デバイス・・・・・・・・・・ 口・・・・・・・・

2.2 

高感度平面撮像管の構造と動作原理・・・・・・・・・・・・・・・

2.3 

平面撮像管の課題・・・・・・・・ 甲・・・・・・^0・ ・・・・・・

2.4 

まとめ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

第

4章  

残 像 抑制 のた めの駆動方法

4.1 

従来撮像管お よび平面撮像管にお ける残像 。・・・・・・・・・・・

4,2 

残像 の抑制・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

00

4.2.1 残留電荷除去駆動の原理・・・・・・・・・・・・・・・・・

4.2.2 残留電荷除去駆動の効果・・・・・・・・・・・・・・・・・

4.3 

残留電荷除去駆動の応用・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

4.4 

ま とめ・

0000・

_・・・0・ ・・ ^D● ●●●●D● o● ●●・・・

1

1

5 6

9

9 13 15 16

第

3章  

高輝 度被写 体 に よる偽信 号抑 制 のための駆 動方法

       21

3.1 

高輝度被写体によるブルー ミングの発生メカニズム・・・ 口・・・・

 21

3.1.1 平面撮像管の動作 とブルー ミングの発生・・・・・・・・・・

 21

3.1.2 均一な裏面電位上昇 とビーム広が りとの関係・・・・ ・・・・

 24

3.1.3 局所的な裏面電位上昇 とビームベンディングとの関係・・・・

 28

3.1.4 ブルー ミング量の算出と測定・・・・・^0・ ・・・・・・・

D 31

3.2 

ブルー ミングの抑制・・・・・・ ・・・ ^0・ ・・・・・・・

00・

_・

  36

3.2.1 ブルー ミング抑制駆動の原理・・・・・・・・・・・・・・・

 36

3.2.2 ブルー ミング抑制駆動の効果・・・・・・・・・・・・・・

0 40

3.3 

ま とめ・・・ 口・・・・・・・ ・・・・・・ ロロ・・・・・・・・・

  45

47

47 54 54 56 59 62

第

5章  

ス ピン ト型 電 界放射 陰極 ア レイ

      64

5.1 

スピン ト型電界放射陰極ア レイ駆動回路の設計

00・

_・0・ ・・・・

 64

5.1.1  駆動方式の比較検討・ 口・・・・・・ ・・・・・・・・・・・

 64

5.1.2  画素 トランジスタの設計・・・・・

00・

_{・・・・・・・・}

0 74

5.1.3  駆動回路の全体構成・・・・・

00・

0・ ・・・・・・・・・

 82

5。

2 

駆動回路内蔵電界放射陰極ア レイお よび平面撮像管の試作・・・・・

 83

5.2.1  アクテ ィブマ トリクス駆動回路の平坦化・・ ^D● ●●●●。・

 83

5.2,2  駆動回路 内蔵電界放射陰極ア レイを適用 した平面撮像管の試作

 87

5.3 

駆動回路内蔵電界放射陰極ア レイおよび平面撮像管の諸特性・・ ^D●

 89

5.4 

まとめ・・・

 

_・

 

_・・・ ^0・ ・・・・・・・

0 0 00000 

_{・・・ 口}

0  94

第

6章  

結論

謝辞 研究業績

96

８   ９ ９   ９

第 1章   序論

1.1  撮像デバイスの歴史

テ レビジ ョンは、居 なが らに して遠方 の もの を見たい とい う人間の本質 的 な欲求を実 現 してきた。そ のテ レビジ ョンシステムのなかで、画像 の入力装置であ る撮 像デバイ ス については、

1800年

代 の後半か ら具体的 な 目標 として研究 が行 われた。 撮 像デバイス の基本的な機 能 は、

2次

元 の画像情報を時 系列 の電気信 号に変換す るこ とで あ り、1884 年 に

Nipkowが

初 めて機械的走査 によ りこれ を実現 した。 その後、Zworykin、 高柳 ら

によ り本格 的 な全電子式撮像管であるアイ コノスコープが

1933年

_{に発表 され た}^D"。

これは、外部光電効果 に よ り蓄積型 ターゲ ッ ト上に形成 した信号電荷 を、電子 ビームの 走査 によ り画像信号 として取 り出す ことを特徴 とす るもので、近代撮像デバ イスの先駆 的役割 を果 た した。アイ コノス コープはそ の後 改良が加 え られ てい くが、感 度 が不十分 で あった こ と、信 号電荷 を読み出す方法 として高速度の ビー ム ランデ ィングを用いてい たため、それ に伴 う

2次

電子 に よる偽信号 が発 生 しやすいな どの欠点を持 つていた。こ れ に対 して、

1946年 Roseら

によ り、低速 度 の ビームランデ ィングによる信号電荷の 読み出 し方法 を採用 したイ メー ジオル シ コンが発表 され た ^9。 イ メー ジオル シコンは、

アイ コノス コー プを大幅 に上回 る感度 と優れ た解像度 を有 してお り、その後

20年

_間に わたってテ レビスタジオでの番組制作や 中継 用 に用い られ、本格的なテ レビ時代の幕 を 開 くことに成功 した。

前述の撮像 管 はいずれ も光電変換部分 に光電子放出現象 (外部光電効果

)を

利用 した イ メージ型撮像 管であるが、一方 で、光導電膜 を用いて撮像管 を小型軽量化す る試みが 始 ま り、

1950年

に

Weimerら

に よつて光導電膜 に二硫化 ア ンチモ ン (Sb2S3)を 用いた ビジコンが発 表 された 。

.ビ

ジ コンは構造 が簡 単で小型化 には有利であつたが、感度が 十分でな く、光 導電膜の材料お よび構造 に起 因す る残像 が多か ったため、主 としてテ レ シネ用や工業用 として用い られ た。その後 、

1963年

に

Hannら

に よリー酸 化鉛 (PbO) を主成分 とした光導電膜 を用いたプ ランビコンが発明 され^D、 ビジコンの欠 点であった 感度 、残像 、暗電流が著 しく改善 された。 そ して、

1960年

代 の後半にはテ レビ放送か らイメー ジオル シ コンの王座 を奪 うこととなった。その後 も新 しい光導電膜 の研究は進 め られ、セ レン化 カ ドミウム (CdSe)を用 いたカル ニコン^0、 セ レン(Se)、 砒 素 (As)、

テルル (Te)を 主材 としたサチ コン リ、ニュー ビコン 0な どが次 々 と国内で開発 された。

この うちアモル ファス

Seを

主成分 とす るサ チ コンは、小型化 して も良好 な解像度が得 られたため、

1975年

以降、主 に放送用ハ ンデ ィカメラに用 い られ、様 々な番組制作 に

使用 された。

放送用

TVカ

メラ用 の光導電型撮像管の開発の対象は、その後標準

TV(国

内では走 査線数

525本

の

NrSC規

格に対応

)か

ら

HDTV(国

内では走査線数

1125本

のハイ ビ ジ ョン規格に対応

)に

移行 した。光導電膜に関 しては、当初

HDTV用

撮像管には分解 能の高いサチコンが用 い られていたが^9、 本撮像管 を用いた

HDTVカ

メラによる番組 試作 を進 める際に感 度不足が指摘 された。これは、

HDTVカ

メラで標準

TV用

カメラと 同等の被写界深度を得 るためには、光学 レンズを

2絞

りしばつて用いる必要があること、

HDTVで

は映像信号 の周波数帯域 が

30MHzと

広いために良好 な

S/Nを

得るには撮像 管の基準信号電流を大 きく設定 しなければならない ことに起因 している。これに対 して、

1987年

に谷 岡 らは 、新 しい動 作方 式 に基づ く高感度 光 電 変換 膜 で あ る

LttP

(High‐gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor)膜 を発表 した^10)lD。

HARP撮

像管では、光によつて生成 された電荷 をアバランシェ増倍す ることで高い感 度 を得 ることができ、

HDTV用

カメラヘの適用が急速に進んだ^1910。 一方電子光学系 では、

HDTVカ

メラの小型軽量化 、画面内での画質の均一性 向上、撮像管の駆動電力 の低減 を 目的に、電子 ビームの集東偏向系の見直 しが進んだ。

HDTV用

撮像管 には当 初、

MM(磁

界集東・磁界偏向

)型

集東偏向系が用い られたが^910、 コイルを必要 とす る

MM型

はカメラの小型軽量化 が困難で、偏向周波数の高い

HDTVで

は偏向コイルの 消費電力が大きくな るとい う欠点があつた。

1994年

に山岸 らよって発表 された

HDTV

用 2/3イ ンチ

SS tt HARP撮

像管 ^19では、コイル の不要な

SS(電

界集東・電界偏向)

型を採用するともに、パターン電極の形状を工夫す ることで、小型低消費電力 と画面内 での画質の均一性 とを両立させ ることに成功 した。 この 比妊

P膜

を適用 した

SS型

_撮

像管は、

HD]師

での番組制作に使用 され、高感度 、高解像度撮像管の発展に大 き く貢 献 した。

このよ うに、テ レビジ ョンの開発 当初から撮像管 は放送用カメラの撮像デバイス とし て、標準

TV放

送の発展および

HDTV放

送の立ち上げに貢献 してきたが、一方、固体 デバイスで撮像の機 能 を実現 しよ うとする試みが

1960年

代 か ら行われ、

1963年

に

Morrisonに

より固体撮像デバイスの概念が初めて提案 された ^10。 その後、

1967年

に Wecklerに より、

XYア

ドレス型

(MOS型

:Meta1 0xide Semiconductor)の_固体撮像 デバイスの原型が発 表 された ^1つ。 このデバイスは、半導体内で信号電荷を生成・蓄積 し、水平方向、垂直方 向の

MOSト

ランジスタのスイ ッチマ トリクスで画素を選択 し蓄 積 された電荷を読み 出すものであったが、当時の半導体加工技術では、撮像デバイスに 必要 とされる多数の画素配列を実現す るのが困難 であつた。

1970年

に、ベル研究所の

BOyleと

Smlthに

より

CCDが

発表 され、固体撮像デバイスの開発にはずみがついた^B)。

CCDは

、半導体内で光電変換 された電荷を、電極に印加 された電圧によ り生成 された ポテンシャル井戸の移動によつて転送 し、出力段のアンプで電圧 に変換 し出力するデバ イスである。その後

CCDは

日本のメーカー を主体 として研究開発が進め られ、1980 年代には標準

TV放

送でほぼ満足できる解像度が得 られ る

40万

画素のものが量産 され るようにな りЮ^)〜2)、放送用のみな らず家庭用の ビデオカメラの普及に大きく貢献 した。

さらに、その後急速に多画素化が進められ、現在ではハイ ビジ ョン用 として

200万

画 素のもの^2'〜20が実用化 されてお り、さらに多画素のもの ^2,も発表 されている。―方、

前 述 した

xYア

ドレス型 に つ い て は 、

CMOS(Complementary Meta1 0xide

Semiconductor)技 術の発達により性能が大幅に向上 し、消費電力が少な く高速で駆動 できる特徴 をいか して、

800万

画素級の

CMOS撮

像素子な どが開発 されている^20。 図 1.1に 各種撮像デバイスの比較写真 (ほぼ同一縮尺

)を

示す。

(a)ア

^{イ コノス コープ}

(b)イ

^{メー ジオル シヨン (3イ ンチ)}

(c)HDⅣ

用撮像管 (2/3インチ)

(d)HDT√

^用

^CCD(2/3イ

^ンチ)

図

11 

撮像デバイ スの比較

1.2 

_{研究 の背景 と目的}

現在、

HARP撮

像管を適用 した高感度カメラを除いて、ほ とん どの放送用の

TVカ

メ ラでは

CCDが

撮像デバイス として用い られている。

HDTV用

2/3インチ (有効撮像領 域の対角長

1lmm)の

性能を比較 した場合、厚 さ

25pmの HARP膜

_{を適用 した撮像管}

(カメラ実装時の感度 :16.5 1ux,F10)で は

CCD(カ

メラ実装時の感度 :2000 1ux,F10) の

100倍

以上の高い感度 を得 ることができる^2つ。 しか し、一方で以下に示す電子光学 系に関係す る諸課題 を抱えてお り、これ らの抜本的な改善が望まれていた。

①

 

デバイスのサイズが大きく、カメラの小型化が難 しい

②

 

画面内での画質の均一性 に劣る

③

 

駆動電力が大 きい

①に関 しては、図 1.1に 示すように、

CCDな

どの固体撮像素子がコンパ ク トな平面 構造なのに対 して、撮像管は全長が約

100mmと

大きく、カメラの小型化 を阻む大きな 要因 となってい る。②については、撮像管では、電界または磁界により電子 ビームを偏 向して光電変換膜に蓄積 された信号電荷 を読み出すために、偏向収差の影響 を受け、画 面周辺での解像度の劣化やシェーディング (画面内の位置による出力信号の変動

)の

発 生 といった問題 が生 じる。③の駆動電力については、

CCDの

_約

0.5Wに

_{対 して、撮像}

管

(SS型 )は

約

1.lWと

_{大きく、その大半 (約}

85%)が

熱陰極の加熱用 ヒーター電力 である。

これ らの諸課題 を解決す るために、

1990年

に小型化 と高画質 とを両立 させ る高感度 平面撮像管の開発が開始 された。高感度平面撮像管は、前述 した

HARP膜

と画素単位 に駆動す ることができる電界放射陰極ア レイ (Field Emttter Array:FEA)と を対向、

近接 させて配置 した ものである。筆者は、

2000年

か ら本研究開発に加 わ り、基礎実験 用の平面撮像管の開発や、標準

TV放

送相 当の解像度を有す る平面撮像管の開発などに 携わつた。これまでの平面撮像管の研究では、前述 した従来の撮像管の課題 の解決への 見通 しが得 られた一方で、以下の課題が依然 として解決 されていなかった。

①

 

高感度撮影時に強い光が入射す ると、その部分がふ くらんで撮影 され るブルー ミ ングと呼ばれ る偽信号が発生する。

②

 

残像が多い。

③

 

外部の駆動回路 との接続配線数が多 く、配線長が長い。

①、②は電子 ビームによる信号読み出 しに起因す るもので、従来の撮像管 と同様の課 題である。また、③については、平面撮像管の画素数 を増や して実用化を 目指す際に大 きな問題 となる。本論文は、これ らの課題 を解決す るために平面撮像管における電界放

射 陰極 ア レイの駆動 方法や駆動 回路 に関 してお こなった検討 について、お よびそれ らを もとに標準

TV放

送相 当の解像度 の平面撮像管 を開発 した成果 について纏 めた もので あ る。

1.3 

本論文の構成

本論文 を構成す る各 章の内容 について概説す る。

第

2章

では、現状 の高感度撮像 デバイスについ て述べ るとともに、ス ピン ト型

FEA

に

HARP膜

を近接 させ て対向配置 した平面型撮像 管 の基本構造 と動作原理 について述 べ る。 さらに、 これ までの平面撮像管の研究で得 られた結果 と、主 として

FEAの

駆動 に関す る課題 につ い て ま とめる。

第

3章

では従来 の

HARP撮

像 管や平面撮像 管 において、高感度撮影時 に画面 の一部 に強い光 (ハイ ライ ト

)が

入 つた場合 に、高輝度部 がふ くらんで撮影 され るブル ー ミン グ と呼 ばれ る偽信 号 について、その発生メカニズム について論 じる。また、ブル ー ミン グの発生 を抑制す る

FEAの

駆動方法お よびその効果 について述べ る。

第

4章

では平面撮 像 管の残像 について従来 の撮像管 と比較 して論 じる とともに、残像 の発生 を抑制す る

FEAの

駆動方法 お よびその効果 について述べ る。 さらに、本駆動法 を応用 した蛍光灯 な どの光源 による画面のち らつ き ^(フ リッカ

)の

抑制 について も述ベ る。

第

5章

では平面撮 像 管の多画素化 を 目指 して、電界放射陰極 ア レイに駆動 回路 を内蔵 す ることを検討 し、その駆動方式 について、アクテ ィブマ トリクス方式 とパ ッシブマ ト

リクス方式 とを比較 して検討す る。その結果 を基 に試作 した画素数

640X480の

駆 動 回 路 内蔵 ス ピン ト型 FEA、 お よび それ を適用 した平面撮像管の諸特性 について述べ る。

第

6章

では、本研 究 を総括 し、得 られた成果 をま とめる とともに、今後 の研 究課題 、 展望 について述べ る。

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9)磯

崎

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11)谷

岡

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13)江

上,山^岸

,岡

崎

,谷

岡

,倉

重

,奥,江

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15)山

岸

,難

波

,瀧

^口

,久

保 田

,岡

崎,加藤

,谷

^岡

,平

井

,高

寄

,大

岡

,本

坊,"ハ^{イ ビジ} ョン用 2/3イ ンチ^Super‐

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20)信

定

,板

^倉

,豊

^田,斎^藤

,国

仙谷,永^吉,田^中

,尾

崎,"2/3イ ンチ52万画素^16:9イ メ ー ジセ ンサ",テ レビ学技報,17,22,pp.25‐ 29(1993).

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出,浦^崎

,田

中

,寺

^川

,大

橋,内^菌

,浅

井 田,名 雲,‖2/3イ ンチ有効48万画素

CCD

撮像素子‖

,テ

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22)米

本

,阿

^部

,飯

^塚,和^田

,西 ,増

^田

,山

岸

,原

^田

,根

^岸

,"HD]Ⅳ

^用

200万

画 素

FIT‐

CCDイ

メー ジセ ンサ",テ レビ学技報,15,16,pp.7‐ 12(1991).

23)松

長,井^上

,富

^川,柴^田

,山

下

,能

見

,古

^川

,飯

^田

,遠

藤

,真

鍋,‖容量性残 像 の ない

200万

画素

PSID",テ

レビ学技報,16,18,pp.31‐ 36(1992).

24)森

本,織^原

,武

^藤,南

,畑

野

,冨

留宮

,新

^井

,中

野,川 上

,河

^合

,村

^上

,諏

訪 園,田^邊, 田中,加^藤

,浦

山,河^野

,竹

^内,寺^西

,穂

^苅,‖2/3イ ンチ

200万

画素^IT―

CCDイ

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第 2章   高 感 度 平 面 撮 像 管の 原理 と課 題

この章 で は、まず現状 の高感度撮像デバイスについて述べた後に、ス ピン ト型

FEA

に

HARP膜

を近接 させ て対 向配置 した平面型撮像管の基本構造 と動作原理 について述 べ る。 さ らに、 これまでの平面撮像管の研究で得 られた結果 と、主として

FEAの

_駆動

に関す る課題 についてま とめる。

21 

現 状 の 高 感 度 撮 像 デ バ イス

代表 的 な高感度撮像デバ イ スを表

21に

示す。 ここに示 している高感度デバイスは、

いずれ も光生成電荷 (電子、又は正子し

)を

電圧 に変換す る前 に、デバイ ス内部で何 らか の手段 に よ り電荷 を増倍 しているものである。現在、実用化 されてい る代表的な高感度 撮像デバ イ スには、①電荷転送路 (水平

CCD)の

最終段 に設 け られ た増倍 用

CCDに

おいて、イ ンパ ク トイオ ン化 (電界 に よ り加 速 された荷電粒 子 が結晶格子 との衝突によ り電子・正孔対 を生成す ること

)を

繰 り返す こ とで、光生成電荷 (電子

)を

1,000倍 程 度 に増倍 す る電子増倍型

CCD(EMCCD:ElectrOn Multiplying CCD)。

_{(図 21(a))、}

②アモル ファスセ レン (a‐

Se)膜

でのアバ ランシェ増倍 (厚さ35μ

mの

_{膜で最大電荷増}

倍率約

1000倍)を

利用 した

IIARP撮

_像管

'(図

^21(b))、 ③光を光電面で電 子に変換 し、その電子を数

kVの

電圧で加速 して背面照射型

CCD衝

突 させ ることで

10oo倍

_以 上に増倍す る電子打ち込み式

CCD(EBCCD:ElectrOn BOmbardment CCD)'(図

21(c))、 ④ 光によって光電面で発生 した電子 をマイ クロチャネルプ レー ト

(McP:

MicrO Channel Plate)で_最大

10000倍

に増倍 し、その電子によって発光 させた蛍光面 を

CCDで

再 撮す るイ メー ジイ ンテ ンシ フ ァイ アCCD(IICCD:Image lntenslfler CCD)

。_(図

21(d))な

どが あ る。 広 い意 味 で は 、電子打 ち込 み 式

CcDも

イ ンパ ク トイオ ン 化 による増倍 を利用 した高感度撮像デバ イ ス と見なす こ とができ、環在、高感度撮像デ バイスの分野では、イ ンパ ク トイオ ン化やイ ンパ ク トィォ ン化 を連続 して繰 り返 される アバ ランシ ェ増倍 を利用 したデバィスが主流になってい る。現状では、電子打ち込み式

CCDや

イ メー ジイ ンテ ンシファイ ア

CCDで

は非常に高 い電荷増倍度が得 られ る反面、

光電面の変換効率が

50%程

度 で光の利 用効率が十分でない、焼 き付 きが生 じるなどの 問題が あ る こ とか ら、イ ンパ ク トイオ ン化 を利用 した電 子増倍型

CCDや

、イ ンパク ト イオ ン化 が連続 して繰 り返 され るアバ ランシェ増倍を利用 した 地虹

P撮

像管 が注 目さ れ てい る。

表

2.1 

現状の高感度撮像デバイス デバイスの

分類

高感度化 の手段 インパ ク トイオン化

またはアバ ランシェ増倍 その他の増倍 固体撮像

デバイス 電子増倍型

CCD

電子打ち込み式

CCD

イメージインテンシファイア

CCD

(真空―固体撮像デバイス⁾ 真空撮像

デバイス

IIARP撮

像 管

読出し用

JKl「CCO

(al電子増倍型

CCD O IIARP撮

像管

増幅された光

CCD レく―ォブ テイクスプレート

Kcl電子打ち込み式

CCD    

③ イメ‐ジインテンシファイア

CCD

図

2.1 

高感度撮像デバイスの構造

マイクロ

"ネ

^{ルプレート 営光面}

電子増倍 型

CCDで

は、低電圧 での電子増倍 を可能 とす るため、イ ンパ ク トイオ ン化 の電圧 を 15〜

20Vに

抑 えてい る。 そのた め 1回のイ ンパ ク トイォン化 による電子の増 倍率 はわず か に

101〜 102倍

であるが、 これ を

400回

繰 り返す こ とで、約

1000倍

の 電子増倍 を実現 してい る。小型軽量、低消費電力で信頼性 に優れ 、通 常の

CCDの

_感度

を進かに超 える超高感度 を得 ることができるが、一方で、電子の増倍率 にば らつ きがあ る、暗電流 に よるノイ ズ を低減 し増倍率の変動 を少 な くす るために

CCDを

_{冷却 し温度}

を一定 に保 つ必要がある、暗部の階調再現 に乏 しく、強い光が入射す る と白詰ま りが生 じるな どの問題 があ り、超 高感度撮影時の画質の改善が課題 となってい る。

これ に対 して、

IIARP撮

像管は、光 開 口率が

loo%で

あ る、シ リコンに比べてバ ン ド キャ ップが よ り広 いセ レンを用 いてい るため暗電流が非常に少 ない、入射光によって

IIARP膜

内に生成 され た電荷 を低 ノイズで増倍できるな どの特徴 があ り、超高感度 と 高画質 とを両立できる撮像デバイス として高い評価 を得 ている。しか し一方で、撮像管 であるた め、画面全体での画質の均一性 に課題 があ り、カメラの小型・軽量化が難 しい、

また、消 費電力が大 きいな どの問題 があ り、これ らの改善が強 く望まれ ている。

IIARP

膜 を適用 した小型固体撮像 デバイスについては、筆者 らは過去 に

H̲4RP膜

を

CMOS型

読み出 し回路 の上部 に直接積層、またはィ ンジウムバ ンプを介 して接合 したデバイス等 の研究が行 った ●^0。 いずれ も、

HttlP膜

に欠陥が生 じる と、読み出 し回路 に 比任

P

膜 に印力日してい る電圧 がかかって しま うために、印加電圧 が低 く増倍率が小 さい

IIARP

膜 (厚さ1■

m以

下

)の

適用 に とどま り、実用化 にはつ なが らなかった。

これ ら高感度デバイ ス を放送用カメラに適用 して使用 した場合の課題 としては、夜間 の高感度撮影 時に車のヘ ッ ドライ トや街路灯な どのハイ ライ ト(局所 的な強い光

)が

入 射 した際 の画質劣化が挙 げ られ る。ハイ ライ トによ り、画質劣化 が生 じている例を図

22に

示 す。

H4RP撮

像 管 では、暗い部分 に撮影条件 を合 わせても明 るい部分での階調 が 自然 に圧 縮 されてい るものの、ハイ ライ トの部分 (街灯や ろ うそ く

)が

_{ふ くらんで撮}

影 され るブル ー ミング現 象 が現れ てい る。 イメージイ ンテ ンシファイ ア

CCDで

は、

HARP撮

像 管 よ りもブル ー ミング現象が大 きくなってい る。電子像倍型

CCDに

ついて は、同一条件 の撮影 では ないが、輝度が高い部分の信号 が飽和 してい るのがわかる。高 感度 カメ ラの実用性 を向上 させ るためには、感度を高めるだけでな く、この よ うなハイ

ライ トに対す る画質劣化 を抑制す ることも重要な課題の一つ となる。

(a)HARP撮

像管カメラ

(b)HCCDカ

^メラ

(C)EMCCDカ

^{メ ラ}

図

22 

ハイ ライ ト入射時の撮像例

22 

高 感度平面撮像 管の構造 と動作原理

前述 した よ うに、従来 の

IIARP撮

像管 は優れた高感 度特性 を持 つ が、画質の均―性 に課題 が あ り、またカ メ ラの小型・軽量化 、低消費電力化 に対応す るのが難 しい とい う 問題 が あ った。 これ らの解決 に向けて、平面撮像管の開発 を進 めてい る。

平面撮 像 管の構成 を従 来 の撮像管 と比較 して、図

23に

示す。図 23(a)に 示す よ うに、

平面撮像 管では、電圧 を印加す るこ とで電子 を放射す る微小な陰極 を平面上に多数並ベ たア レイ に、陰極 か ら放射 された電子 を

HARP膜

側 に引 き出す メ ッシュ電極 と、

IIARP

膜 とを近接 させて対 向配 置 してい る。図 231b)に 示す よ うに、従来の

IIARP撮

像管 で は入射 光 に よって

HJtP膜

内に生成 ・増倍・ 蓄積 され た電荷 (正孔

)を

、熱陰極 か ら 放射 され た 1本の電子 ビー ムで走査す ることで、時系列 の映像信号を得 ているのに対 し て、平 面型 撮像管では、図 23(a)に 示す よ うに、陰極 ア レイの各画素 (電子放射制御 が 可能 な最 小要素

)か

ら、順 次、放射 した電子で対向す る

]LRP膜

の電荷 を読み出す こ とで、時 系列 の映像信 号 を得 ることが で きる。

平面撮 像管では、陰極 ア レイの画素 を次々にスイ ッチ ング して走査 を行 うことで電子 ビームの偏 向が不要 とな るため、大幅 な小型化が可能 になる とともに原理的に偏向収差 が存在 しない。また、任意 の数お よび位 置の画素か らの電子 ビームを放射す ることが可 能であ るた め、並列走査や ランダム走査 を行 うことができる。

陰極 ア レイ には、加熱 を必要 とせず に電圧印加だけで電子放射が得 られ、かつア レイ 化 が可能 で画素の微細・ 高集積化 が見込 め る電界放射陰極 ア レイ

(FEA)を

選定 した。

電界 に よる電子放射現象 は

1897年

に

R W W00dに

よって発見 され つ、近年では平面 デ ィス プ レイヘの適用 を 目的に、ポイ ン ト^99、 ライ ン^10およびエ リア^n,からの電子放 射 が可能 な電界放射陰極

(FE)ま

たは FEA、 モ リブデ ン等の高融点金属^2)、 シ リコン

B'、 カー ボ ンナ ノチ ュー ブ^H)を陰極材料 として用いた

FEA等

が提案 され 、開発 が進 め られ てい る。平面撮像管では放射電流密度や応用実績 の観点か ら、主 として図 23(a) に示す構 造 の

FEを

_{採用 してい る。}

 

^この

^FEは

、

1976年

に

C A Spindtら

_{によつて初} めて報 告 され た もので、本論文ではこの陰極をスピン ト型FE、 ア レイ化 した ものをス ビン ト型

FEAと

呼ぶ。 ス ピン ト型

FEは

絶縁物 を挟 んで近接配置 され た 円錐状の陰極

(先端 の 曲率半径数十

nm)と

それ を取 り囲むゲー ト電極 とか ら構成 され、電極間に電 圧 を印加 す る と陰極先端 に電界が集 中 し、電界強度が

109Wm程

度 に達す る と、電子 が 放射 され る。平面撮像 管 に適用 され るス ピン ト型FDヽ は、基本的 には直交す る陰極配 線 とゲー ト電極配線 の交差部分 (画素

)に

上記スピン ト型

FEを

形 成 した ものであ る。

通常、よ り多 くの安定 した放射電流 を得 るために、各画素 には複数のス ピン ト型

FEを

配置 してい る。また、ス ピン ト型

FEで

は放射 され る電子 の広が りが大 きいため

1'(最

大発散角 20〜^{30° )、} 画素 サイズに見合 う解像度 を得 るた めにはこの電 子広が りの抑制 が重要 にな る。

ガラス

透明電極 ッシュ電極

放 射電子

HARP膜

印 加 電 圧

(a)平

面撮像管の構成 ^(左 :断 面図

 

右 :鳥敵図)

(bl  従来の撮像管の構成 ^(断面図)

図

23 

平面撮像管の構成

光 早

ス ピ ン ト型FE

HARP膜印加 電 圧

23 

_{平 面撮像管の課 題}

筆者 らはこれまでに、図

24に

示す ような構造の128×

96画

_素^10、 _および

256X192

画素^l‐lの基礎実験用の平面撮像管の試作を行い、その原理検証 を行ってきた。試作管 では、内側に段差を設 けた薄いガラス リングを用いてメッシュ電極を支持 し、その リン グの両端 に 鵬ヽ

RP膜

を形成 したガラス基板、

FEA基

板をそれぞれ、インジウムおょび フリッ トガラスで、接続・真空シール を行つている。平面撮像管内の排気は、

FEA基

板に設けた貫通孔 とツト気管を通 して行われ、最終的に加熱溶融す ることで真空封上が完 了す る。 このような構造によって、

HARP膜

_{・メッシュ電極・}

_FEAの

_{近接配置、お よ}

び高い管内真空度の維持 を可能に している。試作 した平面撮像管の外観を、従来の撮像 管 と比較 して図

25に

示す。試作管の厚 さは

10mmで

_{従来の撮像管 (約}

_10omm)と

_比

較 して、管長を約 1/10に 短縮す ることができた。 これ らの試作平面撮像管では、主 と して以下について確認することができた。

・

 

長時間、安定 して画像を出力できること。

・

 

従来の撮像管 と同様 に、

HARP膜

に由来する高感度特性が得 られ ること。

・

 

従来の撮像管では困難であった画面内での均―な画質 と管長 の大幅な短縮 との両立 が可能であること。

・

 

メ ッシュ電極に高い電圧を印加す ること (128×

96画

_素

)や

、適切な磁界を印カロす ること(256×

192画

_素

)で

、ス ピン ト型

FEか

ら放射 され る電子 ビームの広が りを 抑制 し、画素数に相 当する解像度が得 られること。

一方で、画素数を増や して平面撮像管を実用化に結びつけるためには、次のよ うな課 題があることがわかった。

① 画素の微細化に対応 できるような、十分な放射電流の確保、電子 ビームの広が りの 抑制が必要である。

②

 FEAの

駆動を外部 に設 けた駆動回路により行つているため、画素数の増加 とともに

FEA基

板からの配線接続が困難 になる (図 26)。

③ 画素数 の増加に伴 う駆動スピー ドの増加、配線幅の減少に対 して、外部からの駆動 が困難 になることが懸念 され る。

④

 FEAに

欠陥 (例えばゲー ト電極 と陰極 との絶縁不良

)が

生 じた場合、映像信号では 縦・横 のライン状欠陥 とな り、大幅に画質が劣化す る。

⑤ 高感度撮影時のハイ ライ ト入射に対するブルー ミング現象等の画質劣化が従来の撮 像管 と同様に生 じる。

これ らの課題の うち、①については

FEの

微細化および電子 ビーム集束系の課題であ るが、②か ら⑤については、

FEAの

駆動方法や駆動回路の改善により解決 を図ること ができる。例えば、②および③については、

FEAを

形成す る基板上に駆動回路を内蔵 す ることで、撮像管外部か ら入力す る信号の数を大幅に削減することができるとともに、

配線長を短縮す ることができるため高速駆動に有利になる。また、④については、図 23(a)に示 した平面撮像管の構成では、ゲー ト電極 と陰極 との絶縁不良が生 じると、絶 縁不良の画素を含むゲー ト電極配線 と陰極配線に正常な電圧がかからな くなるためで

ある。 これに対 しては、画素 ごとに電子放射 を

ON/OFFす

る トランジスタを設けるこ とで、ゲー ト電極 と陰極 との絶縁不良が生 じた場合でも、映像信号 としてはライン状で はなく点状の欠陥にとどめることができ、画像処理回路による欠陥の補正が容易になる と考えられ る。⑤については、

FEAで

は、前述 したように、複数の画素か ら同時に電 子を放射す ることが可能であ り、また電子 ビームの偏向を伴わないことか ら柔軟な駆動 が可能である。 これを利用 して、映像信号を読み出す時間外に 臥

RP膜

に蓄積 された 余剰な電荷を処理することで、ハイライ ト入射に対する偽信号を抑制できる可能性があ

る。

このように、

FEAの

新たな駆動回路や駆動方法を検討す ることで、これまでの平面 撮像管における課題の多 くについて、解消 もしくは改善す ることが可能であると考えら オ^tる。

23 

ま とめ

現状の高感度撮像デバイスの中では、画質面で

LttP撮

像管が有望であ り、さらに 電界放射陰極ア レイによる信号の読み出 しを行 う平面撮像管では、従来の

HARP撮

像 管で課題であつた画面内の画質の均一性の確保 と撮像管の小型化の両立に対 して有望 であることを示 した。

また、平面撮像管に新たな

FEA駆

動回路を適用す ることや、駆動方法を改善するこ とで、平面撮像管の多画素化 に伴 う課題の解消や、従来の超高感度撮像デバイスで問題 となつていたハイライ ト入射時の偽信号抑制の可能性があるとの見通 しを得た。

インジウム

フ リッ トガラス

HARPfiF ガ ラス基 板

図

24 

_{平面撮像管 の構造}

(a)平

面撮像管 (128×

96画

_素)

(b)従

来の撮像管

図

25 

平面撮像管 と従来の撮像管の外観

陰極配 線 (128本⁾

陰極配線 (256本⁾

FEA駆動 回路 (水平走査)

ゲー ト配 (96本)

ゲー ト配線 FEA駆動回路 (192本

) (垂

直走査⁾

(a)128× 96画素 平面撮像管

      (b)256×

^{192画素 平面撮像管}

図

26 

平面撮像管の配線

(a)FEAの

欠陥無 し

(b)FEAの

^{欠陥有 り}

×192画素)

図

27

撮像例 (256

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17)

第 3章   高 輝度 被 写 体 に よる偽 信 号 抑 制 の た め の駆動方 法

従来の

HJRP撮

像管や 平面撮像管では、高感度撮影 時 に画面の一部 に強い光 (ハイ ライ ト

)が

入 る と、その部 分 がふ くらんで撮影 され るブル ー ミングと呼ばれ る偽信号が 発 生す る。本章では、ブルー ミングの発生 メカニズムにつ いて論 じるとともに、ブルー

ミングの発 生 を抑制す る

FEAの

駆動方法お よびその効果 について述べ る。

31 

高 輝 度 被 写 体 に よ る ブル ー ミング の 発 生 メ カ ニ ズ ム

311 

平面撮像管の動作 とブルー ミングの発生

平面撮像 管 では、

HARP膜

に光が入射 す る と膜 内に入 射 光量に応 じた電子・ 正孔対 が生成 され る。この うち、正孔 は膜に印加 された強い電界 に よ リアバランシェ増倍 され 、 膜 の電子 ビー ム走査側 (以後 、裏面 と呼ぶ

)に

蓄積 され る。 この とき、

FEAの

_各画素

に対向す る

HARP膜

の裏 面電位 Иは次式で表 され る。

ここで、

0は

IIIARP膜 裏面の1画素に相 当す る領域に蓄積 された正孔の電荷量、αは

IIARP膜

の

1画

素に相当す る領域の静電容量、み はス ピン ト型

FEの

_{陰極電位である。}

一方、スピン ト型

FEAの

各画素からは、陰極配線およびゲー ト電極配線 に印加する 電圧を切 り替えることで、順次、電子 ビームが放射 され る。この電子 ビームは、スピン ト型

FEAの

動作電圧に比べて格段に高い電圧が印加 されたメッシュ電極 によつて引き 出 された後、対向する

IIARP膜

_{に到達する。最終的に}

FEAか

ら放射 された電子 とIIIARP 膜 に蓄積 された正孔が結合す る際に外部回路に流れる電流 を出力 として順次、取 り出す ことで、時系列の映像信号が得 られる。 このとき、

IIARP膜

_{の裏面電位}

%は

蓄積 され た正孔がすべて読み出されれば、スピン ト型

FEの

陰極電位

4に

リセ ッ トされ、その 後、蓄積 され る電荷に比例 して、再び

%は

上昇する。

通常

HARP膜

の裏面電位 はメッシュ電極の電位 よ りも格段に低 く、メッシュ電極を 通過 した電子は減速 し、比饉

P膜

裏面に到達す る直前の電子の垂直方向の速度は非常 に小 さくなる。従つて、局所的に光が入射 しその部分の裏面電位が上昇す ると、

HARP

膜近傍で電子 ビームは裏面電位が高い方向へ曲げられ る (以後、ビームベ ンデ ィングと 呼ぶ)。 図

31に

1画素相 当の領域に光が入射 した場合の模式図を示す。同図(a)に示す よ うに、入射光量が少ない場合、周辺画素で ビームベンデ ィングは生 じるものの、光入

(31)

十４ Ｑ Ｇ一 ４

射画素 までは到達 しな いため、ブル ー ミングは発生 しない。入射 光 が強 くなった場合^(ハ イ ライ トに相当^)、

HARP膜

裏面 に多量 の正孔が蓄積 され、裏面電位 が大 きく上昇す る。

その結 果 、同図lb)に示す よ うに、周 辺画素 の ビー ムベ ンデ ィングが大 きくな り、光入 射部 の電 荷 を読み 出す ために、被 写体 がふ くらんで撮影 され るブル ー ミングが発生す る。

図

32に

、ハイ ライ トが入射 した ときに発生 したブルー ミング発 生 の様子 を示す。同図 では、ハ イ ライ トが動 いた場合 に尾 をひいた よ うに撮影 され るコメ ッ トテール も生 じて いるのが わかる。

)rt.tZtN

メッシュ電極

一

走査

(al入射光 量 が少ない場合

一

走査

6)ハ

イライ ト入射時

工 ^{4 ::4}

図

31 

ブルー ミング発生の概念図

),v-->C

コメットテール

 

ブルーミング

(a)ハイ ライ ト入射 な し

       (b)ハ

イ ライ ト入射時

図

32 

ハイ ライ ト入射時の撮像例

312 

均―な裏面電位上昇と電子 ビームの広が りとの関係

前述 したブルー ミングの発生メカニズムを明 らかにするには、裏面電位の上昇が どの よ うに電子 ビームの軌道に影響を及ぼすのかを明 らかにする必要がある。ここでは、ま ず

IIARP膜

の裏面電位が全体で均―に上昇 した場合の影響について検討する。

平面撮像管で採用 しているスピン ト型

FEAで

は、

FEか

ら放射 され る電子 ビームが 最大^30° 程度の大きな発散角を持つために、画素数相当の解像度 を実現するには、こ れ を集束す る必要がある。筆者 らは これまでに、円筒型 と円盤形の

2つ

の永久磁石 を組 み合わせた磁界集東系を256×

192画

素、画素サイズ^50■

m× 50Fmの

平面撮像管に適 用 して、画素数に相 当す る解像度が得 られることを示 した 。②。本章では、以後 この試 作平面撮像管を例に、ブルー ミングの発生メカニズムの検討を行 う。検討 を行つた平面 撮像管の仕様を表

31の

仕様

1に

示す。この試作平面撮像管では、厚 さ

251mの

^II̲ARP

膜

(a:約

^{531× 10も}

^F)を

適用 してお り、陰極電位 路が

OVの

とき

100%の

_映像信号 に相 当す る裏面電位 は

7t=67と

なる。

まず、図

33に

示す単純化 したモデルで、

IIARP膜

の裏面電位 が均一に上昇 した場合 に、電子 ビームの広が りに及ぼす影響について検討す る。このモデルでは、以下を仮定

している。

① ゲー ト電極、メ ッシュ電極、IIIARP膜 裏面を平行平板 とす る

② ゲー ト電極、メ ッシュ電極、

HARP膜

裏面の電位を 琢 ‰ 、

%と

する。

③ ゲー ト電圧の 1/2乗 に比例 した初速度%ateの電子が、グー ト電極上の

1点

_(陰極に 相 当

)か

ら発散角 θで放射 され る。

① 各電極 と垂直な方向に、均一な磁界

Fを

印加す る。

電子の初速度しα^.θ はヽ電子の電荷量 を θ、質量を コ として、以下のよ うに表 され る。

(32)

また、

^yt≧

ちでは放射された電子は発散角によらず■証 P膜 に至

1達

するが、埓くちで

は発散角 が以下に示 すら こχ以下の電子 のみが 比虹

P膜

に到達す る。

ら α

=J21√

       09

上記の条件では、電子の水平方向の運動は円運動 とな り、

HARP膜

裏面での電子の中 心か らのずれ

,は

以下のように示 され る。

γ′α=θ

=J専 吾

D=2r卜

^j■_(号1")￨ ⁽³⁴⁾

叫 一

r=mツ ^{′α″ Siηθ} θ

θ3

ω =  ^{′ὰ′ S:ηθ} =

r

．一 Ｂ 認一れ

(35)

(36)

／

′

︲ ヽ ヽ

″

′ ι

Ъ

√

／

′

︲ ヽ ヽ

玲^̲んsれ2θ _v%roSθ

)+イ マ

^:ι7nt

7n―

%

^レh‑7r

(37) ここで、rは電子 の 円運動 の半径、ωは角速度 とな る。 また、ι′^a、 ιm=は それぞれ ゲ ー ト電極 とメッシュ電極 、お よびメ ッシュ電極 と]皿

RP膜

裏面 との距離で、■0は 電子 が

IIARP膜

裏面 に到 達す るまでの時間である。 これ らの式 を使 つて数値計算 を行 い、

電子 ビー ムの広が り (半径)と磁束密 度 の関係 を求 めた。計算においては、磁束密度以 外は表

31に

示す値 を用 い、発散角

0<θ

≦30°の分布 を持つ電子 ビームが

HARP膜

裏 面に到 達 した ときの

,の

最大値 を電 子 ビームの広 が りと した。計算結果 を図

34に

示 す。

100%の

映像信 号 に相 当す る

7F=6yで

_{は、 ビ}

^̲ム

_{広が りは約}

12 4pmで

_{画素サ イ} ズ と比較 して十分小 さく、良好に集束 されているのがわか る。また、^7・

=127(約 200%

の映像信 号 に相 当

)以

下においては、磁束密度

B=012Tで

電子 ビー ムの広 が りは最 小 値 とな るが (集束点)、 その時の広 が りは 比妊

P膜

の裏 面電位 Иが大 き くなるほ ど、

大 き くなるのがわか る。 これ は、式(33)か らわか るよ うに、 Иが大 きくなるほど発散 角の大 きな電子がIIIARP膜に到達 し、その結果、球 面収 差に起因す る

HARP膜

裏 面 で の電子 ビームの最小錯乱 円が大きくな るためである。これは、映像信号 レベルが大 き く なってい くと解像度 が低 下す ることを意味 している。

次に、塩

=3007お

_よび‰

_=600ソ

とした場合の裏面電位 と電子 ビームの広が りと の関係 を図

35に

示す。いずれも、磁界強度は

4=67で

電子 ビームの広が りが最小 に なるよ うに設定 している。メッシュ電極電圧および磁界強度を増 した場合、ビームの広 が り、すなわち解像度低 下を小 さくす ることが見込めるが、各電極間の耐電圧の確保や 磁石の設計などの制限により、これ らを著 しく大きく設定することは困難である。

v- -vs ^{sinz o} - ,llh -v s sinz el

表

3.1 

平面撮像管の仕様

撮像エ リア 画素サイズ 陰極形成エ リア

陰極一メッシュ電極 間の距離 メッシュ電極一

HARP膜

間の距離 磁界強度 (標準値)

HARP膜

の厚 さ

水平 ×垂直 水平 ×垂直 (Illm)

水平 ×垂直

(p)

水平 ×垂直

(pD

(Im)

図

3.3 

磁界集束のモデル

200

０                 ０                 ０ ５             ０             ５

︵Ｅュ

︶

︵邸

＋

︶ひ 築 恒 く︱

■

010

図

34

012     0■4     016     018

磁 界 強度 B(T)

磁界強度 とビーム広が りの関係

200

Vm=300ヽ Vg=50Ⅵ B=012T Vm=600Ⅵ _Vg=50Ⅵ B=0164T

０             ０             ０ ５             ０             ５

︵Ｅ ３  

︵中 十

︶ヽ 婆 撻 く︱

■

0     50    100    150    200    250 裏面電位 Vt(V)

図

35 

裏面電位 とビーム広が りの関係

ヽ ヽ    ｀

.

ヽ

   

｀ ヽ

ヽ

ヽ

―

Vt=・

V  

^{― ― ―}Vt=6V

‐―――‐vt=12V  _{― ・ ‐}vt=50V

――・・Vt=200V Vm=300Ⅵ _Vg=50V

313 

局所的な裏面電位上昇とビームベンデ ィングとの関係

局所的な裏面電位上昇による 比妊

P膜

近傍で発生する横方向の電界により、 どの程 度電子 ビームが曲げ られるか ^(ビームベンデ ィング量

)を

数値計算により求めた。計算 に際 しては、図

36に

示すモデル を用い、以下 を仮定 した。

①

 

比証

P膜

に

1画

素幅

(50pm)の

直線状の光が入射 し

,か

つ蓄積 される電荷の横方 向への広が りは無いもの とし、光入射部の裏面電位が Иに上昇 したとす る。

②

 IIARP膜

裏面,メ ッシュ電極,ス ピン ト型冷陰極のゲー ト電極 を平行平板 とみなす。

③

 

^{ゲー ト電圧の}

^12乗

に比例 した初速度乃αεθの電子が、ゲー ト電極上の

1点

(陰極 に相当

)か

ら発散角 θで放射 される。

上記の条件で電子の軌道を計算 し、光入射部に どれだけ離れた位置から放射 される電 子が光入射部に到達す るかを求め、その最大値 をビームベ ンディング量 とした。ここで の計算結果は、電子の初速を前項の計算 と同一 に しているので、前項で述べた面電位上 昇により発散角の大 きな電子が 地岨ぽ 膜に到達す る効果 も含んだ結果 となる。0=0° と

した場合 と、0≦ θ≦^30°とした場合の、光入射部の裏面電位 とビームベンデ ィング量 との関係 を図

37に

示す。θ=0°と比較 して0≦ θ≦^30°では、ベンディング量が大きく なっているが、

HARP膜

近傍での横方向の電界 により電子が光入射部に引き寄せ られ る効果の他に、前述 したような面電位上昇によ り発散角の大きな電子が

IIARP膜

に到 達す る効果が現れているため と考 えられる。

100%の

映像信号に相 当す る

yt=6yに

_お

けるビームベンデ ィング量 (0≦ 0≦ 30°

)は

約 ^13■

m程

度 と画素サイズと比較 して小 さく、通常の光量では画質に大きな影響を及ぼ さない と考えられ る。しか し、ハイ ライ トが入射により裏面電位が

50V程

度まで上昇す ると、ビームベ ンディング量は

1画

素

(50pm)以

上 とな り、画質劣化を引き起 こす可能性がある。

次にメッシュ電極電圧を変化 させ、磁界を集束点になるように した場合について計算 を行 つた。図

38に

示すように、メッシュ電極電圧 を

300Vか

ら

600Vへ

と高めること で、ビームベンデ ィングをある程度抑制することができる。これは、メッシュ電極の電 位 を高 くした場合、前述 したように ビームの広が りが抑制 され るとともに、メ ッシュ電 極 と

HARP膜

との間での電子の垂直方向の速度が大きくな り、蓄積電荷による水平方 向の電界の影響 を受 けにくくなるためである。

ov vr ov

200

-

0s6r<30o 0=O"

Vm=300Ⅵ _VL=50Ⅵ B=012T

・５︒

           

・０︒

            ５︒

？Ｌ︶嘲ヽハヽトハてく⁚■

0      100       200       300 裏面電位 Vt(V)

図

37 

ビームベ ンディング量 と裏面嘔位の関係

…

Vg{'V

図

3.6 

ピームベンディング量算出に用いたモデル

・５︒

           

・０︒

            ５︒

︐ ュ

︶ 嘲ヽ ハ︑ ト てハ く︱ コ

Vm=300、 Vg・50Ⅵ B=012T Vm=600Ⅵ _Vg=50Ⅵ B=0164T

50μm幅の光を入射

′

loo       200

裏 面 電位 Vt(V)

図

38 

ビームベンデイング量とメッシュ電極電圧 との関係