JPH11126574A - 撮像装置 - Google Patents
撮像装置Info
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- JPH11126574A JPH11126574A JP9290718A JP29071897A JPH11126574A JP H11126574 A JPH11126574 A JP H11126574A JP 9290718 A JP9290718 A JP 9290718A JP 29071897 A JP29071897 A JP 29071897A JP H11126574 A JPH11126574 A JP H11126574A
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- Japan
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- image pickup
- electron beam
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 粒子線像を光像に変換し、光電面にアバラン
シェ増倍型撮像管を用いて撮影する撮像装置において、
変換素子てある蛍光体の変換効率を上げることにより、
微弱な入射粒子線像でも観察可能にする高感度化を目的
とする。 【解決手段】 蛍光体としてフッ化カルシウムを適用す
る。 【効果】 従来技術であるGSO蛍光体を用いた場合に
比べ、例えば100kVの入射電子線に対しては感度が4.2倍
向上した。
シェ増倍型撮像管を用いて撮影する撮像装置において、
変換素子てある蛍光体の変換効率を上げることにより、
微弱な入射粒子線像でも観察可能にする高感度化を目的
とする。 【解決手段】 蛍光体としてフッ化カルシウムを適用す
る。 【効果】 従来技術であるGSO蛍光体を用いた場合に
比べ、例えば100kVの入射電子線に対しては感度が4.2倍
向上した。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は特に高感度、高精細
な撮像を可能とする撮像装置と、これを具備した各種計
測装置に関する。
な撮像を可能とする撮像装置と、これを具備した各種計
測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】粒子線像を光像に変換して撮影する装置
は既に各種存在しており、例えば、蛍光体を用いて撮像
を行う撮像装置の例として、Ultramicroscopy(ウルトラ
マイクロスコピー)第52巻,p7-20(1993年)に開示されて
いるような、電子顕微鏡用カメラが挙げられる。この撮
像装置においては、蛍光体で電子線像を光像に変換し、
この光像を光学素子(本文献では光ファイバプレート、
光学レンズでも可)により撮像素子(本文献では電荷結合
素子(以下CCDと略)、撮像管でも可)上に結像し、こ
れを撮影していた。さらに撮像素子として、光電面が非
晶質セレン膜である撮像管を用いた実施例があり、例え
ば、特願平8-114572記載の蛍光装置およびこれを用いた
撮像装置が挙げられる。ここでは、非晶質セレン膜の光
電面間に高電圧を印加させることで、光入射により膜内
で発生した電子−正孔対をアバランシェ増倍させ、通常
撮像素子の数十倍の感度の向上を目指した、所謂アバラ
ンシェ増倍型撮像管を応用し、電子顕微鏡像を始めとし
た粒子線像を蛍光体で光像に変換し、これを撮像してい
た。この公知例では、更に撮像管の受光感度分布特性に
適合した蛍光体として、発光波長が350-450nmにあり、
大発光量を有する金属オキソシリケート系材料を用いる
ことに言及していた。ここで述べた金属オキソシリケー
ト系材料には、セリウムを添加したガドリニウムオキソ
シリケート(GSO;Gd2SiO5)、イットリウムオキソシ
リケート(YSO;Y2SiO5)、ルテシウムオキソシリケー
ト(LSO;Lu2SiO5)が含まれている。
は既に各種存在しており、例えば、蛍光体を用いて撮像
を行う撮像装置の例として、Ultramicroscopy(ウルトラ
マイクロスコピー)第52巻,p7-20(1993年)に開示されて
いるような、電子顕微鏡用カメラが挙げられる。この撮
像装置においては、蛍光体で電子線像を光像に変換し、
この光像を光学素子(本文献では光ファイバプレート、
光学レンズでも可)により撮像素子(本文献では電荷結合
素子(以下CCDと略)、撮像管でも可)上に結像し、こ
れを撮影していた。さらに撮像素子として、光電面が非
晶質セレン膜である撮像管を用いた実施例があり、例え
ば、特願平8-114572記載の蛍光装置およびこれを用いた
撮像装置が挙げられる。ここでは、非晶質セレン膜の光
電面間に高電圧を印加させることで、光入射により膜内
で発生した電子−正孔対をアバランシェ増倍させ、通常
撮像素子の数十倍の感度の向上を目指した、所謂アバラ
ンシェ増倍型撮像管を応用し、電子顕微鏡像を始めとし
た粒子線像を蛍光体で光像に変換し、これを撮像してい
た。この公知例では、更に撮像管の受光感度分布特性に
適合した蛍光体として、発光波長が350-450nmにあり、
大発光量を有する金属オキソシリケート系材料を用いる
ことに言及していた。ここで述べた金属オキソシリケー
ト系材料には、セリウムを添加したガドリニウムオキソ
シリケート(GSO;Gd2SiO5)、イットリウムオキソシ
リケート(YSO;Y2SiO5)、ルテシウムオキソシリケー
ト(LSO;Lu2SiO5)が含まれている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来技術の項で述べた
電子顕微鏡用撮像装置を例に取り、課題を説明する。金
属オキソシリケート系蛍光体とアバランシェ増倍型撮像
管の組み合わせによる従来装置においては、加速電圧30
0kV以下の熱電子銃を用いた汎用電子顕微鏡を用い、テ
レビレート、すなわち1画面1/30秒のリアルタイムで、
原子配列などを観察するような高倍率、すなわち20万倍
以上の高倍率観察する場合、撮像装置に入射する電子線
強度が1pA/cm2程度以下となり、像のS/Nが極めて低下
し、場合によっては観察不可能となった。電子顕微鏡は
本来高空間分解能を有しており、20万倍以上の高倍率観
察は、他の評価装置で不可能な原子レベルでの構造評価
が可能であることから、撮像装置の高感度化は極めて重
要な課題であった。
電子顕微鏡用撮像装置を例に取り、課題を説明する。金
属オキソシリケート系蛍光体とアバランシェ増倍型撮像
管の組み合わせによる従来装置においては、加速電圧30
0kV以下の熱電子銃を用いた汎用電子顕微鏡を用い、テ
レビレート、すなわち1画面1/30秒のリアルタイムで、
原子配列などを観察するような高倍率、すなわち20万倍
以上の高倍率観察する場合、撮像装置に入射する電子線
強度が1pA/cm2程度以下となり、像のS/Nが極めて低下
し、場合によっては観察不可能となった。電子顕微鏡は
本来高空間分解能を有しており、20万倍以上の高倍率観
察は、他の評価装置で不可能な原子レベルでの構造評価
が可能であることから、撮像装置の高感度化は極めて重
要な課題であった。
【0004】
【課題を解決するための手段】撮像装置の高感度化のた
めには、撮像素子の高感度化(高量子効率化)、光学素子
の高光透過率化が重要であるが、本出願においては、電
子線像を光像に変換する蛍光体の高変換効率化を行うこ
とにした。このため、受光感度分布特性などの撮像管特
性に適合した、従来蛍光体の数倍の発光量を有する蛍光
体材料の探索と、膜厚を始めとする構造の最適化を行っ
た。
めには、撮像素子の高感度化(高量子効率化)、光学素子
の高光透過率化が重要であるが、本出願においては、電
子線像を光像に変換する蛍光体の高変換効率化を行うこ
とにした。このため、受光感度分布特性などの撮像管特
性に適合した、従来蛍光体の数倍の発光量を有する蛍光
体材料の探索と、膜厚を始めとする構造の最適化を行っ
た。
【0005】
【発明の実施の形態】初めに、本出願の1実施例とし
て、電子顕微鏡像を撮影するための撮像装置の装置構成
概略を図1に示す。電子顕微鏡1において、電子線源2
から放射された電子線3は、対物レンズ10により、予
め薄膜化された試料9に照射される。電子線3は、試料
9において結晶構造や組成等を反映した回折などの相互
作用を受け、試料9を透過する。透過した電子線3は中
間レンズ、投射レンズ等の電子レンズ8でガラス窓5上
に薄膜化された蛍光体4上に結像される。蛍光体4以下
の装置が撮像装置12である。本装置構成では、ガラス
窓5から下は大気中に設置されている。撮像装置12に
おいて、蛍光体4で電子線像は光像に変換され、光学レ
ンズ6により撮像管7の光電面上に結像される。撮像管
7はカメラ本体11により駆動され、得られた映像信号
はコンピュータ13で表示、画像処理、記録などを施さ
れる。撮像素子としては、電荷結合素子(CCD)や、光
電面にZnCdTe,Si,Se膜などを用いた各種撮像管があり、
光電膜材料により、図2の受光感度分布特性に示される
ように、感度に入射光波長依存性がある。例えば、本出
願で用いた非晶質セレン(Se)膜を用いた撮像管では、40
0nm光に対し最大の感度を示し、代表的な蛍光体である
YAG(Y3Al5O12)の発光波長である550nmでは、400nm光
に比べ、60%程度の感度しか示さない。従って、蛍光体
4としては発光量の波長依存性を考慮する必要がある。
図3には3種類の蛍光体、すなわち従来CCDを用いた
電子顕微鏡用カメラで広く用いられてきたYAG、従来
技術の項で記載した、アバランシェ増倍型カメラにて従
来用られてきたGSOと、本出願のCaF2(Eu)の各種蛍光
体についての発光波長分布特性を示した。この図におい
ては、各材料ごとに最大発光波長における発光強度を1
として規格化してある。図3から明らかなように、各材
料ごとに発光波長には広がりがあるため、映像信号強度
は図2の受光感度分布特性と図3の発光波長分布特性を
掛け合わせ、全波長領域に渡って積算すれば良いが、電
子線照射時の発光量の絶対強度についてのデータは現在
のところ文献がないと考えられる。従って、非晶質セレ
ン膜を有するアバランシェ増倍型撮像管用蛍光体として
最適な材料と構造、特に膜厚の決定は、実際に蛍光体に
様々な加速電圧の電子線を照射し、該撮像管で実測によ
り得られた像強度を定量比較するのが適当であった。こ
の測定結果が図4である。この図においては、従来用い
られてきたGSO(膜厚は80μm1種)と、本出願にて見
出されたCaF2(Eu)(膜厚は60、80、100μmの3種)での像強
度を比較した。図4から以下のことが明らかとなった。
て、電子顕微鏡像を撮影するための撮像装置の装置構成
概略を図1に示す。電子顕微鏡1において、電子線源2
から放射された電子線3は、対物レンズ10により、予
め薄膜化された試料9に照射される。電子線3は、試料
9において結晶構造や組成等を反映した回折などの相互
作用を受け、試料9を透過する。透過した電子線3は中
間レンズ、投射レンズ等の電子レンズ8でガラス窓5上
に薄膜化された蛍光体4上に結像される。蛍光体4以下
の装置が撮像装置12である。本装置構成では、ガラス
窓5から下は大気中に設置されている。撮像装置12に
おいて、蛍光体4で電子線像は光像に変換され、光学レ
ンズ6により撮像管7の光電面上に結像される。撮像管
7はカメラ本体11により駆動され、得られた映像信号
はコンピュータ13で表示、画像処理、記録などを施さ
れる。撮像素子としては、電荷結合素子(CCD)や、光
電面にZnCdTe,Si,Se膜などを用いた各種撮像管があり、
光電膜材料により、図2の受光感度分布特性に示される
ように、感度に入射光波長依存性がある。例えば、本出
願で用いた非晶質セレン(Se)膜を用いた撮像管では、40
0nm光に対し最大の感度を示し、代表的な蛍光体である
YAG(Y3Al5O12)の発光波長である550nmでは、400nm光
に比べ、60%程度の感度しか示さない。従って、蛍光体
4としては発光量の波長依存性を考慮する必要がある。
図3には3種類の蛍光体、すなわち従来CCDを用いた
電子顕微鏡用カメラで広く用いられてきたYAG、従来
技術の項で記載した、アバランシェ増倍型カメラにて従
来用られてきたGSOと、本出願のCaF2(Eu)の各種蛍光
体についての発光波長分布特性を示した。この図におい
ては、各材料ごとに最大発光波長における発光強度を1
として規格化してある。図3から明らかなように、各材
料ごとに発光波長には広がりがあるため、映像信号強度
は図2の受光感度分布特性と図3の発光波長分布特性を
掛け合わせ、全波長領域に渡って積算すれば良いが、電
子線照射時の発光量の絶対強度についてのデータは現在
のところ文献がないと考えられる。従って、非晶質セレ
ン膜を有するアバランシェ増倍型撮像管用蛍光体として
最適な材料と構造、特に膜厚の決定は、実際に蛍光体に
様々な加速電圧の電子線を照射し、該撮像管で実測によ
り得られた像強度を定量比較するのが適当であった。こ
の測定結果が図4である。この図においては、従来用い
られてきたGSO(膜厚は80μm1種)と、本出願にて見
出されたCaF2(Eu)(膜厚は60、80、100μmの3種)での像強
度を比較した。図4から以下のことが明らかとなった。
【0006】(1)加速電圧100kVにおけるCaF2(Eu)の発光
量は、厚さに依る差はほとんど無く、従来用いていた80
μm厚-GSOの発光量の約4.2倍である。
量は、厚さに依る差はほとんど無く、従来用いていた80
μm厚-GSOの発光量の約4.2倍である。
【0007】(2)加速電圧に対し発光量に最大値があ
り、最大値を越えると、高加速電圧ほど発光量が低下す
る。
り、最大値を越えると、高加速電圧ほど発光量が低下す
る。
【0008】(3)(2)で述べた発光量の最大値は、蛍光体
厚さが薄いほど低加速電圧側にある。
厚さが薄いほど低加速電圧側にある。
【0009】以上の結果は、以下のように考察される。
低加速電圧(=100kV)では、電子線は全て蛍光体内で停止
しているため、蛍光体厚さに依らず平均の付与エネルギ
ー量、つまり発光量は加速電圧ごとに一定である。ま
た、高加速電圧(≧150kV)では、電子線は蛍光体を突き
抜けるため、薄い蛍光体から順に発光量低下を始める電
子線が蛍光体を突き抜ける際、付与エネルギー量はベー
テ(Bethe)の公式から明らかなように、ΔE∽ρ/E(E
は荷電粒子のエネルギー、ρは密度)である。これよ
り、発光量は高加速電圧ほど低下する現象が説明され
る。このように、発光量については定性的な説明が良く
つくことが分かった。また、密度がCaF2(Eu)の2.1倍あ
るGSOでは、ΔEが大きく、同一厚さの蛍光体でも阻
止能が大きい。このため、例えば80μm厚-CaF2(Eu)で
は、200kVの電子線は突き抜けを起こしているのに反
し、80μm厚-GSOでは、殆ど停止していると解釈でき
る。
低加速電圧(=100kV)では、電子線は全て蛍光体内で停止
しているため、蛍光体厚さに依らず平均の付与エネルギ
ー量、つまり発光量は加速電圧ごとに一定である。ま
た、高加速電圧(≧150kV)では、電子線は蛍光体を突き
抜けるため、薄い蛍光体から順に発光量低下を始める電
子線が蛍光体を突き抜ける際、付与エネルギー量はベー
テ(Bethe)の公式から明らかなように、ΔE∽ρ/E(E
は荷電粒子のエネルギー、ρは密度)である。これよ
り、発光量は高加速電圧ほど低下する現象が説明され
る。このように、発光量については定性的な説明が良く
つくことが分かった。また、密度がCaF2(Eu)の2.1倍あ
るGSOでは、ΔEが大きく、同一厚さの蛍光体でも阻
止能が大きい。このため、例えば80μm厚-CaF2(Eu)で
は、200kVの電子線は突き抜けを起こしているのに反
し、80μm厚-GSOでは、殆ど停止していると解釈でき
る。
【0010】撮像装置の性能としては、これまでに述べ
てきた感度と並んで、解像度が極めて重要である。解像
度は蛍光体内部での入射電子線広がり量に強く左右され
るが、上記議論から、蛍光体が厚くなるほど電子線の進
入、広がり深さが大きくなり、この結果解像度が低下す
ることが容易に推測される。つまり感度を得るために単
純に蛍光体厚さを大きくすることはできない。むしろ蛍
光体の最適膜厚は、どの程度の感度と解像度のバランス
で装置を製作するかという設計思想で決まってくると言
える。そのためCaF2(Eu)については、図4に示したよう
に60〜100μm厚さ全般に使用される可能性がある。しか
しいずれの厚さ、いずれの加速電圧においても、GSO
に対するCaF2(Eu)の発光量の優位性は維持されており、
解決しようとする課題の項で述べた、20万倍以上の高倍
率観察での高感度化に対しては、本出願の蛍光体は決定
的に有益であることが分かった。
てきた感度と並んで、解像度が極めて重要である。解像
度は蛍光体内部での入射電子線広がり量に強く左右され
るが、上記議論から、蛍光体が厚くなるほど電子線の進
入、広がり深さが大きくなり、この結果解像度が低下す
ることが容易に推測される。つまり感度を得るために単
純に蛍光体厚さを大きくすることはできない。むしろ蛍
光体の最適膜厚は、どの程度の感度と解像度のバランス
で装置を製作するかという設計思想で決まってくると言
える。そのためCaF2(Eu)については、図4に示したよう
に60〜100μm厚さ全般に使用される可能性がある。しか
しいずれの厚さ、いずれの加速電圧においても、GSO
に対するCaF2(Eu)の発光量の優位性は維持されており、
解決しようとする課題の項で述べた、20万倍以上の高倍
率観察での高感度化に対しては、本出願の蛍光体は決定
的に有益であることが分かった。
【0011】ここでは電子顕微鏡像を撮影するための撮
像装置について言及したが、アバランシェ像倍型撮像管
を用いた場合の電子顕微鏡以外の粒子線像撮影装置全般
において、CaF2(Eu)は高感度化を実現する。なぜなら
は、電子以外の粒子、例えば光子やイオンが蛍光体に入
射した場合でも、これらが2次的に電子線を励起し、電
子線によって蛍光が発生する場合が殆どであるため、上
記議論は同様に成り立つからである。この結果、CaF2(E
u)はX線CTやイオン顕微鏡、投射型走査電子顕微鏡な
どのための撮像装置の蛍光体としても有益であると言え
る。
像装置について言及したが、アバランシェ像倍型撮像管
を用いた場合の電子顕微鏡以外の粒子線像撮影装置全般
において、CaF2(Eu)は高感度化を実現する。なぜなら
は、電子以外の粒子、例えば光子やイオンが蛍光体に入
射した場合でも、これらが2次的に電子線を励起し、電
子線によって蛍光が発生する場合が殆どであるため、上
記議論は同様に成り立つからである。この結果、CaF2(E
u)はX線CTやイオン顕微鏡、投射型走査電子顕微鏡な
どのための撮像装置の蛍光体としても有益であると言え
る。
【0012】
【発明の効果】電子顕微鏡用撮像装置を例に取った場
合、撮像措置の感度が向上した結果、加速電圧300kV以
下の熱電子銃を用いた汎用電子顕微鏡を用いて、十分な
S/Nで20万倍程度以上の高倍率のリアルタイム観察が初
めて可能となった。同様にアバランシェ像倍型撮像管を
用いた場合の粒子線像撮影装置全般において、高感度化
が達成される。
合、撮像措置の感度が向上した結果、加速電圧300kV以
下の熱電子銃を用いた汎用電子顕微鏡を用いて、十分な
S/Nで20万倍程度以上の高倍率のリアルタイム観察が初
めて可能となった。同様にアバランシェ像倍型撮像管を
用いた場合の粒子線像撮影装置全般において、高感度化
が達成される。
【図1】電子顕微鏡とこれに設置した撮像装置の全体構
成図。
成図。
【図2】撮像素子の受光感度分布特性を示す図。
【図3】蛍光体の発光波長分布特性を示す図。
【図4】GSOとCaF2(Eu)の発光量の入射電子線加速電
圧、膜厚依存性を示す図。
圧、膜厚依存性を示す図。
1:電子顕微鏡、2:電子線源、3:電子線、4:蛍光
体、5:ガラス窓 6:光学レンズ、7:撮像管、8:電子レンズ、9:試
料、10:対物レンズ 11:カメラ本体、12:撮像装置、13:コンピュー
タ。
体、5:ガラス窓 6:光学レンズ、7:撮像管、8:電子レンズ、9:試
料、10:対物レンズ 11:カメラ本体、12:撮像装置、13:コンピュー
タ。
Claims (5)
- 【請求項1】粒子線像を光像に変換する蛍光体と、光像
を撮影する撮像素子と、該光像を該撮像素子に結像させ
るための光学素子から構成され、該撮像素子は、光電面
が非晶質セレン膜であること、かつ該蛍光体はフッ化カ
ルシウムであることを特徴とした撮像装置。 - 【請求項2】請求項1記載の粒子線像における粒子は、
電子線、イオン線、原子線、分子線、光子線であること
を特徴とした撮像装置。 - 【請求項3】請求項1記載のフッ化カルシウムには、ユ
ーロピウムが添加してあることを特徴とした撮像装置。 - 【請求項4】請求項1記載の撮像素子は、光電面間に高
電圧を印加させることで、光入射により膜内で発生した
電子−正孔対をアバランシェ増倍させることを特徴とし
た撮像装置。 - 【請求項5】請求項1記載のフッ化カルシウムは、該フ
ッ化カルシウムに入射する電子線のエネルギーが300キ
ロ電子ボルト以下の場合、厚さを100マイクロメータ以
下とすることを特徴とした撮像装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9290718A JPH11126574A (ja) | 1997-10-23 | 1997-10-23 | 撮像装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9290718A JPH11126574A (ja) | 1997-10-23 | 1997-10-23 | 撮像装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11126574A true JPH11126574A (ja) | 1999-05-11 |
Family
ID=17759632
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9290718A Pending JPH11126574A (ja) | 1997-10-23 | 1997-10-23 | 撮像装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11126574A (ja) |
-
1997
- 1997-10-23 JP JP9290718A patent/JPH11126574A/ja active Pending
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