JPH0720300A

JPH0720300A - 撮像装置

Info

Publication number: JPH0720300A
Application number: JP5160902A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Nakagiri; 伸行中桐; Yoshihiko Suzuki; 美彦鈴木; Hiroyuki Kondo; 洋行近藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1995-01-24

Abstract

(57)【要約】【目的】小型で高分解能の撮像装置を提供する。【構成】所定の電磁波１３を透過させる透明電極５１と
該電極上に形成された光導電膜５２とで受光部材３１を
構成する。そして、走査手段３４によって導電性を有す
る探針３２を前記光導電膜に接触させたまま該光導電膜
上で走査させ、透明電極と探針との間に流れる電流を電
流測定手段３６で測定する。強度分布検出手段３７は、
受光部材上の探針の位置と、前記電流測定手段で測定さ
れた該位置における透明電極と探針との間に流れる電流
値とに基づいて受光部材に照射された電磁波の強度分布
を求め、これを電磁波の画像とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光の集光度テストに使
用される機器やＸ線顕微鏡、Ｘ線縮小露光等のＸ線光学
機器に使用される撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】撮像装置の一種として光電変換を利用し
た光導電形撮像管（ビジコン形撮像管）が知られてい
る。この光導電形撮像管は、透明電極とこの電極上に形
成された光電変換を行なう光導電体からなる膜（以下、
光導電膜という）とを有する。光導電膜は、光（電磁
波）が照射されていないときはほとんど導電性がない
（抵抗率が10¹²Ωcm以上）が、光が照射されると抵抗が
下がって導電性を示すものが用いられる。このような光
導電膜は、赤外光からＸ線までの光の波長に応じて種々
の異なる材料が用いられ、例えば、三硫化アンチモン、
セレン化カドミウム、珪素、無定型セレン、酸化鉛など
の材料が使用されている。

【０００３】ここで、光導電形撮像管の撮像過程を説明
する。前記透明電極をカソード（例えば電子銃のフィラ
メント）に対して正の電位（数10Ｖ程度）に設定する。
この状態で透明電極と反対側の光導電膜に電子ビームを
照射すると、光導電膜表面に負電荷が帯電していく。電
子ビームの照射面がカソードの電位（０Ｖ）まで低下す
ると電子はそれ以上光導電膜に入らなくなる。この時、
光導電膜の両面（透明電極側の面とカソード側の面）の
間には数10Ｖ程度の電位差が生じる。透明電極を通して
光導電膜に光が照射されると、入射した光の強度に応じ
て画素に相当する光導電膜の各部の抵抗が変化し、光電
変換による光電流が流れる。光導電膜の１画素について
みると、この画素はコンデンサと抵抗を有する等価回路
を構成する。そして、この等価回路についてみた場合、
画素に電子ビームが照射されるとコンデンサが充電され
ることになり、光導電膜の表面の電位がカソードの電位
に低下する。一方、電子ビームが照射されていないとき
はコンデンサが放電することになる。このとき、照射さ
れる光の光量によって抵抗が変化するため、明るい画素
は速く放電して表面電位が高くなり、暗い画素はほとん
ど放電せず電位がわずかに上昇する。電子ビームを走査
してこの画素にビームを照射すると、表面の電位は０Ｖ
に下がる。その際、電子は光導電膜に流入し電流が発生
する。この電流は光電流に比例するので、入射光の光量
に対応した出力（信号）を取り出すことができる。光が
照射されていない部分では光電変換が起きないので、電
子は光導電膜に流入できず、その手前のグリッドに吸収
されるので信号は得られない。このように、電流（信
号）の有無で光の入射の有無が分かり、電流の値を検出
すれば光の強さ（光量）が分かる。こうして電子ビーム
の照射によって入射光の光量に応じた出力を得ることが
でき、これにより光の像（画像）が検出される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の光導電形撮像管
は電子銃から出射されるビームを光導電膜に照射してい
たが、通常の電子銃はその寸法が比較的大きいため、こ
の光導電形撮像管は長さが約 100〜200mm になってい
た。しかし、このような撮像管を顕微鏡などの観察装置
における撮像手段として用いる場合、小型化した方が装
置の構成上配置の自由度が増すので有利であり、また、
撮像手段として組み込む装置の軽量化、小型化も達成で
きる。そのため、分解能を損なうことなく小型化された
撮像手段が望まれていた。また、撮像手段としては分解
能（空間分解能）はできるだけ高い方が好ましい。光導
電形撮像管では電子ビームによって光導電膜を走査し、
ビームの照射位置とこの位置で検出された電流値に基づ
いて受光した光の像を得るので分解能は電子ビームのビ
ーム径に依存する。従来の光導電形撮像管は電子銃のビ
ーム径が数十ミクロンオーダーほどであるため、撮像管
の分解能も数十ミクロンオーダーになる。分解能を高め
るにはビーム径を小さくすればよいが、そのためにはビ
ームを絞り込む電磁レンズの性能を向上させるなど電子
銃の改良が必要になる。しかし、そのような改良を行な
うと電子銃部分の大型化が避けられず、撮像手段自体も
大型化するという問題が生じる。本発明はこのような問
題に鑑みてなされたもので、小型で高分解能の撮像装置
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的のために、本発
明では、所定の電磁波を透過させる透明電極と該電極上
に形成された光導電膜とを有する受光部材、導電性を有
する探針、該探針を、前記受光部材の光導電膜に接触さ
せた状態で該光導電膜上で走査させる走査手段、前記透
明電極と探針との間に流れる電流を測定する電流測定手
段、および前記受光部材上の前記探針の位置と前記電流
測定手段で測定された該位置における前記透明電極と探
針との間に流れる電流値とに基づいて、前記受光部材に
照射された電磁波の強度分布を求める強度分布検出手段
とで撮像装置を構成した（請求項１）。また、探針の走
査時の前記探針と光導電膜との接触圧を所定の値で維持
できるように、前記探針を導電性を有する可撓体に設置
するとともに、該可撓体に光を照射する照射手段、前記
可撓体で反射した光を受光する受光手段および前記可撓
体を前記受光部材の方向に移動させる移動手段とを設け
た（請求項２）。

【０００６】

【作用】本発明では、光（電磁波）の像の読み出しに際
し、電子ビームで光導電膜上を走査する代わりに導電性
を有する鋭利な探針を光導電膜に接触させて走査する。
そして、探針と膜との間に流れる電流（または電圧）を
測定し、これら測定値と測定位置から照射された光（電
磁波）の強度分布を求め、これを光の像（画像）とす
る。本発明によれば、空間分解能は探針の先端半径に依
存する。探針の製作に際しては、原子間力顕微鏡（AFM
）の探針製作技術を用いることができ、これによって
探針の先端半径は0.01〜0.1 μｍとすることが可能であ
る。そのため、本発明の撮像装置ではサブミクロンオー
ダーの空間分解能が得られ、従来よりも分解能が向上す
る。図２は、本発明の撮像原理を説明する概略構成図で
ある。以下、図２をもとに本発明の作用を説明する。

【０００７】受光部材（以下、ターゲットという）２０
１は、観測したい光に対して十分な透過率を有するフェ
ースプレート２０２と、このプレートの一方の面上に形
成された透明電極２０３と、この電極上に形成された光
導電体からなる膜（光導電膜）２０４とで構成される。
なお、前記ターゲットの構成は従来のビジコンと同様の
ものである。撮像前に、まず、電源２０６により透明電
極２０３に正の電圧を印可する。電圧を印加する際は、
電源２０６を用いて探針２０５が透明電極２０３に対し
て負の電位となるように設定し、この探針２０５を光導
電膜２０４の表面に接触させたまま走査する。これによ
り、光導電膜２０４の表面に電子が注入されて、導電膜
２０４の両面（透明電極側の面と探針側の面）間に電位
差が生じる。このとき、フェースプレート２０２側から
光（電磁波）２０７を照射すると光導電膜２０４におい
て内部光電効果が生じて光が吸収され、移動可能な電子
とホールとが形成される。この電子は光導電膜２０４中
を移動して透明電極２０３に入り込む。一方、前記ホー
ルは透明電極２０３とは反対側に移動し光導電膜２０４
表面の電子と結合する。その結果、光導電膜２０４のフ
ェースプレート２０２側表面の電荷が放電されたことに
なる。光２０７がさらに入射すると放電量が増えて電位
が上昇する。

【０００８】この状態で、再度、電源２０６によって透
明電極２０３に対し負の電位となるように設定された探
針２０５を光導電膜２０４表面に接触させて走査する
と、放電された画素に相当する部分の光導電膜２０４で
は、探針２０５を通じてこの光導電膜２０４に電子が注
入される。その結果、透明電極２０３と探針２０５によ
って構成されるコンデンサに電流が流れ込む。また、こ
の電流によって、信号出力端子２０９で検出される電圧
が降下する。電流測定手段２０８で測定される電流の値
あるいは信号出力端子２０９で測定される電圧の降下量
は、光導電膜２０４の表面に注入された電荷量に比例す
る。つまり、光の照射によって放電された電荷量が多け
れば電流値または降下量は大きくなり、放電された電荷
が少なければ小さくなる。従って、電流の値または電圧
の降下量（以下、両者を「測定値」という）の少なくと
も一方を測定すれば、接触位置近傍に入射したＸ線の強
度が分かる。従って、光２０７が照射されている状態で
探針２０５を光導電膜２０４に接触させて走査するとと
もに、探針２０５と光導電膜２０４の接触点とこの接触
点で測定された前記測定値とを対応させれば、入射した
光２０７の強度分布を求めることができる。この強度分
布は、ターゲット２０１に入射した光２０７に含まれる
情報（画像）に相当する。

【０００９】本発明で用いるターゲットの構成および材
質は、ビジコン等の光導電形撮像管で用いられていたも
のを使用できる。用いる光（電磁波）の波長等に応じて
適宜設定することが可能である。なお、光導電膜２０４
に蓄積された正電荷は拡散によって広がる傾向にある
が、ビデオレート（１／30秒／画面）程度の速さで微小
電極を走査する場合は特に問題とならない。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明の一実施例であるＸ線顕微鏡
の構成を示す概略図である。このＸ線顕微鏡は、Ｘ線源
１１、試料（図示せず）を保持する試料ホルダ１２、Ｘ
線源１１から発したＸ線１３を前記試料に集光する照明
用ゾーンプレート１４、照明用ゾーンプレート１４と試
料ホルダ１２との間に配置されたピンホール１５、撮像
手段３０、前記試料を透過したＸ線１３を撮像手段３０
に集光（結像）させる結像用ゾーンプレート１６とを備
えている。また、Ｘ線１３の光路を所定の真空度に維持
する真空容器と排気手段（ともに図示せず）とを備えて
いる。

【００１１】撮像手段３０は、ターゲット３１、探針３
２、先端に探針３２が設けられた可撓性を有するカンチ
レバー３３、アクチュエータ３４、電圧印加手段３５、
電流測定手段３６、制御手段３７、およびＣＲＴ３８を
備えている。本実施例ではＸ線に含まれる像を撮像する
ことになるので、ターゲット３１の構成をＸ線に対応さ
せてある。

【００１２】ターゲット３１は、厚さ 0.3mmのBe（ベリ
リウム）板５１と、このBe板５１上に蒸着したPbO （酸
化鉛）からなる光導電膜５２により構成される。光導電
膜５２の厚さは0.1 〜１μｍとなるようにすればよい。
PbO の代わりに三硫化アンチモン、セレン化カドミウ
ム、珪素、無定型セレン等を用いてもよい。Be板５１は
Ｘ線を透過する金属であり、ターゲット３１におけるフ
ェースプレートと透明電極の２つの機能を有するもので
ある。なお、Beの他にAlなども使用することができる。
ターゲット３１は、Be板５１がＸ線１３の入射側に位置
するように設置される。

【００１３】探針３２とカンチレバー３３は、図４に示
すように一体に形成されている。そして、これら探針３
２とレバー３３は、SiN （シリコンナイトライド）から
なる芯体４０１と、この芯体４０１表面に形成された厚
さ１nmのNiCr合金からなる膜４０３と、NiCr合金膜４０
３上に形成された厚さ 390nmのAuの膜４０２とで構成さ
れている。芯体４０１は、原子間力顕微鏡（AFM ）で用
いるカンチレバーおよび探針と同様にリソグラフィー技
術を用いて作製した。芯体４０１にはSiN の他にSiO
₂（二酸化ケイ素）を用いることもできる。NiCr合金膜
４０３は、芯体４０１とAuの膜４０２との接着性を上げ
るために設けたもので、芯体との接着性がよい導電性物
質を用いる場合は設けなくてもよい。これら、NiCr合金
膜４０３およびAuの膜４０２は、ともに蒸着法によって
成膜した。カンチレバー３３は、長さが 300μｍ、バネ
定数が 0.1Ｎ／ｍとなるように作製した。また、探針３
２はその先端半径が0.01〜 0.1μｍとなるように作製し
た。カンチレバー３３は、アクチュエータ３４に取り付
けてある。

【００１４】電圧印加手段３５は、探針３２とBe板５１
との間に所定の電圧を印加する。探針３２とBe板５１と
の間に流れる電流値が大きいと探針３２の損傷、発熱等
が起こり、信号の検出精度が低下する恐れがある。これ
を防ぐには、探針３２とBe板５１間に流れる電流の値を
小さくするとよい。本実施例では電圧印加手段３５によ
って印加する電圧を調整し、流れる電流値がnA〜μA の
範囲内となるようにした。

【００１５】電流測定手段３６は、Be板５１と探針３２
との間に流れる電流を測定する。なお、電流を測定する
代わりに電圧降下量を測定してもよい。その場合は、光
（Ｘ線）の照射前に電圧印加手段３５で印加した電圧の
値からの電圧降下量を測定してＸ線の強度を求める。ア
クチュエータ３４は、カンチレバー３３をＸＹＺ方向に
移動させる。本実施例のアクチュエータ３４は、チュー
ブスキャナ型と呼ばれる図３に示すような構成とした。
このアクチュエータ３４は、円筒状の圧電セラミックス
３００の外周面にＸ方向走査用の圧電素子に対する電極
３０１ａ、３０１ｂおよびＹ方向走査用の圧電素子に対
する電極３０２ａ、３０２ｂが、それぞれＸ方向同士、
Ｙ方向同士で対向するように設けられている。圧電セラ
ミックス３００の内周面には、各電極３０１ａ、３０１
ｂ、３０２ａ、３０２ｂに対する共通電極３０３が設け
られている。Ｘ、Ｙ方向に走査するときは、それぞれの
方向の各電極間に大きさが同じで符号の異なる電位を印
加する。また、Ｚ方向に移動させる時は、正負どちらか
一方の電圧を設定してこの電圧をＸ、Ｙ全ての外周面の
各電極と共通電極３０３との間にそれぞれ等しく印加す
ることで、素子をＺ方向に伸縮させる。本実施例では、
アクチュエータ３４によって、光導電膜５２と探針３２
とを接触させた状態で探針３２を光導電膜５２（ターゲ
ット３１）に対して移動させる。このアクチュエータ３
４により、Ｘ線１３がターゲット３１に照射された領域
で探針３２を任意の範囲で走査させることができる。探
針３２を走査する移動速度および走査範囲は、制御手段
３７からアクチュエータ３４に送られる走査信号（３角
波）の周波数と振幅を変えることで設定できる。

【００１６】制御手段３７は、アクチュエータ３４を所
定の方向に駆動制御するとともに、ターゲット３１（光
導電膜５２）上での探針３２の位置と、この位置での電
流測定手段３６による測定結果とを対応させて、ターゲ
ット３１に照射されたＸ線１３の強度分布を求める。Ｃ
ＲＴ３８は、求めた強度分布をＸ線１３に含まれる画像
（試料像）として画面上に表示する。

【００１７】本実施例の撮像手段３０には、カンチレバ
ー３３の曲がり具合（探針３２の変位）を測定する探針
変位測定系が設けてあり、探針３２を一定圧力（ 0.1μ
Ｎ程度）で光導電膜５２表面に接触できるようにしてあ
る。この探針と光導電膜との接触圧は、探針３２の走査
によって光導電膜５２が傷まないように、0.1 μＮ以下
とすることが好ましい。探針変位測定系は、カンチレバ
ー３３における探針３２の近傍に設けられた反射面３３
ａに、測定光６１としてレーザ光を照射するレーザ光源
（図示せず）、反射面ａ３３で反射した測定光６１を検
出するための光検出手段６２、およびこの光検出手段６
２の出力からカンチレバー３３のたわみ量（変位量）を
検出し、このたわみ量が所定量となるように（光検出手
段６２の出力がある値となるように）制御手段３７を介
してアクチュエータ３４をＺ方向に駆動させるフィード
バックアンプを備えたＺ方向制御手段６３により構成さ
れている。光検出手段６２としては、２分割フォトディ
テクタを用いた。この変位測定系においては、測定光６
１を探針３２の反射面３３ａに照射し、その反射光を２
分割フォトディテクタ（光検出手段）６２で受けてその
差動出力から探針３２の変位を検出することができる。
ここで検出された変位量は探針３２と光導電膜５２間の
接触圧に対応するので、変位量が一定となるようにフィ
ードバック制御を行えば前記接触圧が一定となり、探針
３２と光導電膜５２との接触状態を安定させることがで
きる。変位測定系は、サブナノメートル程度の分解能を
有することが望ましい。このような測定系としては、本
実施例で用いたカンチレバー３３の反射面３３ａに測定
光６２を照射する構成の他に、反射面３３ａへの照射光
とその反射光とを干渉させて探針３２の変位を測定する
構成や、レバー３３の背面にＳＴＭ（走査型トンネル顕
微鏡）の探針を配置してこのＳＴＭの探針とレバー３３
との間に流れるトンネル電流を測定して変位を測定する
構成等を用いることができる。なお、この探針変位測定
系は、走査中、常に探針３２を一定の力で光導電膜５２
表面に接触させておくことができるならば設けなくても
よい。ただし、この変位測定系を設けることで、光導電
膜５２と探針３２とを接触させる際に両者が衝突して破
損するのを防止できる利点がある。

【００１８】以下、本実施例のＸ線顕微鏡による撮像過
程について説明する。まず、観察したい試料（図示せ
ず）を試料ホルダ１２に収納する。次に、Ｘ線１３の光
路が所定の真空度になるように前記排気手段を用いて真
空容器（図示せず）内を排気する。撮像手段３０では、
アクチュエータ３４を駆動してカンチレバー３３をＺ方
向に移動させ、探針３２をターゲット３１の光導電膜５
２表面に接触させる。その際、前記探針変位測定系を用
いて探針３２が光導電膜５２に接触したことを検出し、
接触した位置からさらに約５μｍ程探針３２をターゲッ
ト３１側に移動させて、探針３２と光導電膜５２との間
に約 0.1μＮの力が働くようにした。この後、電圧印加
手段３５を用いて探針３２がBe板５１に対して数十mV〜
数Ｖ低くなるような電圧を印加するとともに、制御手段
３７によりアクチュエータ３４を駆動して、探針３２を
光導電膜５２表面で走査する。これにより、光導電膜５
２の両面（Be板５１側の面と探針３２側の面）間に所定
の電位差が生じる。そして、この状態でＸ線源１１から
Ｘ線１３を出射する。

【００１９】Ｘ線源１１から出射したＸ線１３は、照明
用ゾーンプレート１４で集光され、ピンホール１５を通
過して単色化されて試料ホルダ１２に保持された試料を
照射する。試料を透過して発散するＸ線１３は、結像用
ゾーンプレート１６によって集光されてターゲット３１
（Be板５１）上に入射する。入射したＸ線１３は、前記
試料の構造等を反映した映像情報をＸ線の強度分布とし
て含んでいる。Ｘ線１３をターゲット３１（Be板５１）
に照射した状態で制御手段３７によりアクチュエータ３
４を駆動する。アクチュエータ３４の駆動によりカンチ
レバー３３が所定の方向に移動するので、レバー３３の
先端に設けられた探針３２は、光導電膜５２表面上を走
査する。探針３２の走査領域は、あらかじめ制御手段３
７により設定しておき、アクチュエータ３４はこの設定
に基づいて探針３２が所定領域内を走査するようにカン
チレバー３３を移動させる。なお、図１には示していな
いが、制御手段３７から出力されたアクチュエータ３４
の駆動信号は、Ｄ／Ａ変換された後増幅されてアクチュ
エータ３４に入力されるものとする。電流測定手段３６
は、探針３２による光導電膜５２上での走査位置（接触
位置）において探針３２とBe板５１との間に流れる電流
値を測定し、この結果を制御手段３７に出力する。この
電流値を示す信号は、プリアンプ（図示せず）で増幅さ
れた後、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）でＡ／Ｄされてから
制御手段３７に入力するものとする。制御手段３７は、
電流測定手段３６から入力した電流値と、この値が測定
されたターゲット３１（光導電膜５２）における探針３
２の位置からターゲット３１に照射されているＸ線１３
の強度分布を求め、この結果をＣＲＴ３８に出力する。
ＣＲＴ３８は、制御手段３７から送られたＸ線１３の強
度分布をＸ線１３が含む試料の像として画面上にグレー
スケール表示する。

【００２０】なお、撮像時の探針を走査する間、前記探
針変位測定系によりカンチレバー３３のたわみ量が一定
となるように制御し、探針３２を常に一定の接触圧で光
導電膜５２に接触させるようにしてもよい。ただし、カ
ンチレバー３３の反射面３３ａに測定光６１としてレー
ザ光を照射するため、このレーザ光がターゲット３１に
照射されるＸ線１３の強度分布の測定に影響を与えない
ように注意する必要がある。

【００２１】本実施例における撮像手段３０は、それ自
身の最大長さが約25mmであり、従来のビジコンの平均的
な長さ（ 100〜200 mm）よりも小さくすることができ
た。そのため、この撮像手段３０を組み込んだＸ線顕微
鏡自体も小型化することができた。また、サブミクロン
オーダーの空間分解能が得られ、Ｘ線の波長で決まる分
解能を損なうことなく像を観察することができた。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、本発明の撮像装置によれ
ば、電子ビームを用いる光導電形撮像管よりも高い空間
分解能を得ることができる。また、装置を小型化するこ
とができる。そのため、従来の光導電形撮像管に比較し
て、高分解能で小型化された撮像装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の一実施例を示すＸ線顕微鏡の概略
構成図である。

【図２】は、本実施例で用いた撮像手段の構成を示す概
略図である。

【図３】は、本実施例のアクチュエータの構成を示す概
略斜視図である。

【図４】は、カンチレバーの構成を示す概略断面図であ
る。

【主要部分の符号の説明】

１３Ｘ線（電磁波）３０撮像手段３１ターゲット３２探針３３カンチレバー３４アクチュエータ３５電圧印加手段３６電流測定手段３７制御手段（強度分布検出手段）３８ＣＲＴ５１ベリウム板５２光導電膜６１測定光６２光検出手段６３Ｚ方向制御手段２０１光導電ターゲット２０２フェースプレート２０３透明電極２０４光導電膜２０５探針２０６電源２０７光（電磁波）２０８電流測定手段２０９信号出力端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の電磁波を透過させる透明電極と該
電極上に形成された光導電膜とを有する受光部材、導電
性を有する探針、該探針を、前記受光部材の光導電膜に
接触させた状態で該光導電膜上で走査させる走査手段、
前記透明電極と探針との間に流れる電流を測定する電流
測定手段、および前記受光部材上の前記探針の位置と前
記電流測定手段で測定された該位置における前記透明電
極と探針との間に流れる電流値とに基づいて、前記受光
部材に照射された電磁波の強度分布を求める強度分布検
出手段とを有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】請求項１記載の撮像装置において、前記探針が設置された導電性を有する可撓体、該可撓体
に光を照射する照射手段、前記可撓体で反射した光を受
光する受光手段および前記可撓体を前記受光部材の方向
に移動させる移動手段とを備えたことを特徴とする撮像
装置。