JPH0320010B2

JPH0320010B2 -

Info

Publication number: JPH0320010B2
Application number: JP545484A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Kinoshita
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1984-01-13
Filing date: 1984-01-13
Publication date: 1991-03-18
Also published as: JPS60150545A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は高速で形状や明るさが変化する物体や
像等の連続撮影に適した短い時間間隔と高速シヤ
ツタ速度を待つ電子式の高速こま撮りカメラに関
する。

（従来技術）二次元的な観測対象の時間的な動きを観察する
ために、短い時間間隔で高速シヤツタを動作さ
せ、複数枚のこま撮り映像を得る高速度カメラが
利用されている。

このようなカメラとして、ミラーやプリズム等
の光学素子を機械的に高速で回転して、複数個の
こま撮り像を得る機械的な高速度カメラと、イメ
ージ管に電気的なパルスを印加してその時間だけ
映像を得る電子的な高速度カメラが知られてい
る。一般的にいつて、後者の電子的な高速度カメ
ラの方が機械的な高速度カメラより、短い撮像間
隔と速いシヤツタ速度が得られるから、変化の速
い撮像対象のためには電子的な高速度カメラが適
している。

第１図は従来用いられていたイメージ管を用い
た電子式高速度カメラを示す断面図である。

まず、通常動作のイメージ管の構成と動作を説
明する。

観測対象物体１の光像が光学レンズ２により、
イメージ管の光電面４に結像されると、この光像
の形状、明るさに対応して、光電子が放出され
る。そして、観測対象物体１の光像は光電面のご
く表面の真空中の光電子像５に変換される。

光電子像５の各部分はその部分に対応する光像
の各部の明るさに比例した個数の電子数をもち光
電子像５はこれ等の電子の個数の分布として規定
される。

光電面４には、負の高電圧（VK）が印加さ
れ、メツシユ電極６には負の高電圧だが、光電面
より正方向の電圧（VM）が印加されている。

光電子像５を形成している光電子群は、前記電
位差により、メツシユ電極６の方向に加速され移
動し、メツシユ電極６を透過する。

集束電極１０７には、光電面４より正方向より
の負高圧、アノード１０８には0V（接地電位）が
印加されており、メツシユ電極６を透過した電子
は偏向電極１０９の方へ進む。

一方光電面４での光像から光電子像への変換は
１ピコ秒より小さい時間、非常に高速の応答で行
われる。そのため時々刻々、その各時刻の形状、
明るさの光像に対応した光電子像が光電面４の表
面で次々と発生し、これを構成する光電子群が
次々とメツシユ電極６の方向に進んでいき、この
結果光電子ビームが光電面からアノード１０８の
方向に管軸に沿つて発生する。

この光電子ビームの管軸に垂直な各断面内に
は、各時刻における光像の形状および明るさの二
次元情報が光電子の空間密度に変換されて入つて
いることになる。

また管軸に沿つてその断面を偏向電極の方から
光電面側に見ていくと時刻の前の方から後の方に
順次各時刻における光像の二次元情報が各断面に
入つており、これらが順次偏向電極に流れ込んで
いくことになる。

これらのことから、この各断面の情報を螢光面
１１１の上に適当な間隔で区別できるように、順
次並べれば複数枚の時系列のこま撮り撮像が得ら
れることがわかる。

なお、光電子群は、光電面４から放出されたと
き０〜数eV程度の色々のエネルギーをもち、か
つ光電面に対して色々の角度で放出される。

このエネルギーは電子群がアノード１０８まで
加速された時得られるエネルギー、例えば10keV
程度に比べれば低いが、光電面４上の任意の点、
例えば光電子像のＡ点を形成している光電子群が
偏向電極１０９の方向に加速されるうちに、広が
つてしまいボケてしまうのでないかと言う疑問が
生じる。

しかし、このように光電子のエネルギーおよび
方向にバラツキがあつても、集束電極１０７に、
光電面の電圧より高い適当な電圧を印加して、こ
の部分に電子レンズを形成してあるので、広がつ
た電子を集束させて、螢光面１１１の対応する点
A′に収束させることができるから問題にならな
い。この光電子像の結像の様子を図中に電子軌道
を用いて示す。

図中P₁，P₂はそれぞれ光電面のＡ点，Ｂ点が
発生した光電子のうちで、初速が０のものの軌道
を示し、主軌道と呼ばれる。

一方P₁′，P₂′は、光電面のＡ点，Ｂ点における
法線に対して±αの角度、ε₀eVのエネルギーで
放出されたものの軌道で０≦α≦90゜の任意のα、
および光電子放出で得られる、０〜数eVの小さ
な任意のε₀の値を持つ光電子の軌道を示す。

集束電極１０７に、適当に調節された電圧を与
えれば、P₁′，P₂′の終点をそれぞれ主軌道が螢光
面にぶつかる点A′，B′点に実質的に一致させる
ことができる。

これは、光電子像５の他の任意の点に対して
も、同様である。

イメージ管に通常の動作をさせるときには、１
対の偏向電極１０９は接地電圧（0V）にしてお
くので、偏向電極１０９は、電子軌道に影響を与
えない。この螢光面に結像した光電子群は高速で
螢光面を衝撃するので、発光を生じ入力光像に対
応した出力映像が得られる。

入力光像の変化が螢光材料の応答速度を越える
ときは、螢光面１１１に形成される像が重なつて
しまい独立した画像として表示することができな
くなる。

したがつて、通常動作で、出力映像の変化から
入力光像の動きを観察できる範囲は、螢光材料の
特性と眼の応答性から制限をうける。

次にこま撮り動作の説明をする。

こま撮りを行わない通常のイメージ管動作のと
きは前述のように、光電面４に直流電圧（VK）
を常時印加し、偏向電極１０９ａ，１０９ｂには
0Vを印加し、偏向電極が電子軌道に影響を与え
ないようにしてある。しかし、こま撮り動作のと
きには光電面と偏向電極１０９ａまたは１０９ｂ
に印加する電圧を変化させる。

第２図にこま撮り動作時の光電面の電圧と偏向
電極に印加される偏向電圧を示す。

光電面には矩形波パルス電圧列W₁、偏向電極
間には階段電圧W₃が印加される。まず光電面４
とメツシユ電極６の部分に注目する。

メツシユ電極６には前述の通常動作のときと同
じ直流の負の高圧（VM）印加されている。

W₂（＝VM）として、第２図Ａに示す。光電面
４には電圧VK′（VK′＞VM）と電圧VK（VK＜
VM）の部分からなる周期T₂の矩形波パルス電
圧W₁が印加されている。

メツシユ電極６の電圧W₂（＝VM）と光電面４
の電圧W₁（VK′＞VM＞VK）の関係で電子式の
シヤツタ作用が行われる。

光電面４の電圧W₁がVK′のときはメツシユ電
極６の電圧VMより高いので、光電面４の放出し
た光電子がメツシユ電極電位によつて追い返され
てしまうので出力像は得られない。

光電面４の電圧W₁がVKのときはメツシユ電
極６の電圧VMより低いので、光電面４の放出し
た光電子がメツシユ電極電位によつて加速され、
集束電極７の空間に放出される。

光電面４の電圧がVKである期間T₁は、通常の
写真機の露光時間に相当する。

電子管の場合は光でないので、露出時間と呼ぶ
ことにする。

この矩形波パルス列W₁の周期T₂は露出間隔
（時系列的に得られるこま撮り映像の時間間隔）
である。

偏向電極１０９ｂは通常動作の時と同じ、0V
（接地電位）に保ち、偏向電極１０９ａに第２図
Ｂに示す階段状の電圧波形W₃を印加する。

光電子ビームは偏向電極１０９を通過する時、
その印加された偏向電圧に比例して、偏向され、
螢光面１１１に到達する。

第３図に３こま撮像の場合の出力像の位置関係
を略図示してある。

第２図に示す偏向電圧VD₁の印加されていると
き（時刻t₁〜t₁′）に偏向電極１０９の空間に到達
した光像に対応する電子は第３図の螢光面１１１
の出力像１の示す位置に結像させられる。同様に
して偏向電圧VD₂（＝０）の印加されているとき
（時刻t₂〜t₂′）に偏向電極１０９の空間に到達し
た光像に対応する電子は偏向されずに第３図の螢
光面１１１の出力像２の示す位置に結像させられ
る。

また偏向電圧VD₃の印加されているとき（時刻
t₃〜t₃′）に偏向電極１０９の空間に到達した光像
に対応する電子は第３図の螢光面１１１の出力像
３の示す位置に結像させられる。

これらの出力映像は例えばこれらの配列が始ま
る時から終わる時まで、シヤツタを開放にした第
１図に示す光学写真機１１３で記録される。

前述の露出時間T₁は通常の光学写真機の場合
の露光時間と同じ重要な意味を持ち、光像の変化
する時間に比較してT₁が大きすぎると、T₁の期
間は螢光面上の同じ位置で、入力光像に対応する
光像の発光を続けるで、それらの動く光像が重な
つてしまい、映像がボケてしまう。

またT₁が小さすぎると、螢光面上の発光は、
ほんの一瞬であとの光情報を持つ光電子ビームは
カツトされてしまうので、出力映像が暗くなつて
しまう。このため、通常入力光像の変化速度を考
慮して、像のボケない限り、大きなT₁を選ぶ。

換言すれば、そのように選ばれた時間T₁の間
は入力光像は略静止している。

偏向電極は、各々の露出時間に対応する光電子
像を螢光面上に配列する役割を持つている。

この露出時間T₁の間は、光電子ビームを螢光
面上の同じ位置に流入させるために偏向電圧は、
少なくともその期間一定でなくてはならない。

写真機１１３は、螢光面の発光をフイルム上に
記録する。この例では３こまの画像が記録され
る。

このようにして光学的装置では実現できない高
速度こま撮りカメラを実現できるが、この装置に
も限界がある。

前述のように、前記高速こま撮りカメラでは、
露出時間T₁の間は偏向電極１０９ａに印加する
偏向電圧VDを一定に保たなければならない。

これは、露出時間T₂が大きい間は、可能であ
るが、例えばT₂を数10nsより小さくすることは
容易ではない。

露出間隔T₂および露出時間T₁を短くした場合
の問題を第４図を参照して説明する。第４図にお
いて、W₄は第２図Ａに示した光電面４に印加さ
れる電圧W₁に対応する電圧、W₅は第２図Ｂに示
した偏向電極１０９ａに印加される階段電圧W₃
に対応する電圧を示す。

階段波形にならなくてはならない波形W₅は図
示のようになつてしまい、出力映像はボケてしま
う。

露出時間T₁が数10ns以下という非常に小さい
値ではやはり第４図の波形W₄のように光電面に
印加する波形W₄もなまつてしまう。

光電子ビームは光電面電位がメツシユ電極電位
より負方向にあればメツシユ電極を通過し、螢光
面を発光させる。

したがつて第４図からわかるように光電面電圧
が（VK）に等しくない途中の傾斜部分の波形の
電圧の時にも、螢光面を発光させる。

一方電子レンズは光電面電位がVKに等しい時
のみ、螢光面上に、光電子像を正しく結像し、そ
れ以外の時はボケてしまう。

したがつて、このような波形では出力映像はボ
ケてしまうことになる。

さらに、このようななまつた波形でさえ、W₄
は数10〜数100Vの振幅、W₅は数10〜数100Vの
段差で全体の高さで１〜2kVの電圧が必要であ
る。

そのためT₁，T₂が数10nsより小さいときには
第２図に示したような理想的な電圧を発生させる
回路を構成することは不可能である。

（発明の目的）本発明の目的は、より高速度のこま撮りを可能
にする新規な原理による高速こま撮りカメラを提
供することにある。

（構成の説明）前記目的を達成するために、本発明による高速
こま撮りカメラは基本的には、イメージ管を用い
光電面に形成された像のこま撮りをする高速こま
撮りカメラにおいて、光電子像を再結像させる第１の電子レンズと、前記光電子の像再結像位置が偏向中心となるよ
うに配置されている偏向手段と、前記偏向手段により偏向された電子ビームを順
次受け入れるように中心軸を前記偏向中心に向け
て配置された複数の第２電子レンズと、前記第２電子レンズの結像位置にそれぞれ配置
された複数の螢光面と、前記各電子レンズに動作電力を供給するレンズ
駆動回路と、前記偏向手段に偏向の程度が時間的に傾斜する
偏向を発生させる偏向手段駆動回路とから構成さ
れている。

さらに、より確実な動作を確保するために、前
記構成において、前記偏向手段を偏向手段駆動回
路により偏向の程度が時間的に傾斜する偏向を発
生させる動作電力を供給するようにし、起動回路
により、観察対象の発光を検出して発光に同期し
て前記偏向手段駆動回路を起動するように構成す
る。

前記高速こま撮りカメラは、光電面、螢光面、
電子レンズ作用をもつ電極群、偏向電極等を有す
るイメージ管を変形して構成することができる。
偏向手段を静電偏向手段で構成し、傾斜電圧を偏
向電圧として印加するときは、電極間に第５図に
示すような傾斜電圧を印加する。

高速こま撮りのためには、非常に高速度で変化
させる必要がある。

この偏向電圧は、アバランシエトランジスタや
電子管を用いて、作ることができる。

この傾斜電圧の中の特定の部分を通過した電子
ビームを第２の電子レンズ群で順次取り出してこ
ま撮りを行う。

従来装置のようにメツシユ電極によるシヤツタ
動作は不要となり、露出時間がT₁および露出間
隔T₂が数10ns程度にしてもボケもなく、確実な
高速こま撮りが可能である。

（実施例の説明）以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく
説明する。

第６図は本発明における高速こま撮りカメラの
電子管の実施例を示す管軸を含む断面図である。

高真空に保たれた気密容器内の構造部は、機能
から考えて第１電子像形成部、光電子ビームのシ
ヤツタ動作（つまり露出時間を定める動作）部お
よび出力光電子像の出力螢光面上への配列を行う
部分、第２電子像形成部の３つの部分に分けて考
えることができる。

第１電子像形成部は気密壁の一部を形成すると
ともに入力光像を受け入れる入力気密窓３、この
内側の表面に設けられた入力光像を、光電子像に
変換するための光電面４、光電面で発生した光電
子像５を偏向電極１１の管軸方向の中点を通り、
かつ管軸に垂直な面上に結像させるための電極群
から形成されている。

前記電極群は、光電面４の中心に垂直な管軸に
沿つて順次配列されている軸対称な形状のメツシ
ユ電極６、第１集束電極７、真中にアパーチヤを
有する第１アノード８、後述の偏向電極および第
２電子像形成部の入力部へ流入する時の光電子ビ
ームの角度を調節する電子ビーム角度調節電極
９、この電子ビーム角度調節電極９に近接して配
置される偏向電極１１の電位が互いに悪影響を及
ぼし合わないように各々の電極の形成する電場を
遮蔽し、かつ真中に光電子ビームを透過するため
のアパーチヤを有する遮蔽電極１０を含んでい
る。

光電子ビームのシヤツタ動作および出力光電子
像の出力螢光面上への配列を行う部分は、後述す
る出力の各スクリーン部分に光電子像を配列し、
各々のフレーム（こま撮り、撮影の１こま）で定
められた時間、露出を行うため機能するものであ
る。光電子ビームのシヤツタ動作および出力光電
子像の出力螢光面上への配列を行う部分は偏向電
極１１と適当な形状の開孔を複数個持つ光電子ビ
ーム阻止電極１３を含む。

２枚の平行な金属板１１ａ，１１ｂからなる偏
向電極１１は光電面４からの光電子ビームを偏向
する。

光電子ビーム阻止電極１３には、各々のフレー
ムにおいて、定められた時間だけ、順次光電子ビ
ームを通過させ、露出時間T₁を設定し、その時
間だけスクリーン上にビームを照射させるための
適当な形状の開孔が複数個設けられている。

この複数の開孔１２は、光電子ビームが偏向さ
れる帯状経路に沿つて、その経路の中心線上にそ
の開孔１２の中心がくるように配置されている。
その開孔１２の形状は、円形でもよいし一辺が、
この断面図の面に平行で他の一辺が、この断面に
垂直な矩形でも良い。

ビームが掃引される時、この開孔を、横切る時
間が電子像の露出時間T₁となり、かつ開孔中心
から次のとなりの開孔の中心までの時間が露出間
隔T₂になり、これについては後の動作の項目で
詳述する。

光電子ビーム阻止電極１３の各開孔部の表面
は、そこに到達する電子ビームに対して、垂直に
配置され、通常は、その隣合う開孔１２の中心と
偏向電極１１の中心を結ぶ直線の角度が等しくな
るよう配置されその開孔の数は、光電子ビームが
偏向電極の端にひつかかつたり、この開孔１２の
後にさらに接続される電子レンズ形成用の電極群
の配列が空間的に無理とならない限り必要数並べ
ることが可能である。偏向電極１１の中心と各開
孔１２，１２…までの距離は各々等しく配置され
る。この開孔１２の数がフレーム数に対応するこ
とになる。この実施例は３つの開孔を並べてあり
３フレームの撮影を行うカメラである。

第２電子像形成部は、偏向電極の管軸方向の中
間の平面内に結像された光電子の像を再び結像し
て、各スクリーン１６上に出力するものである。
各開孔毎に一つずつ第２電子像形成部が設けられ
る。

第２電子像形成部は、偏向電極の中心と、各開
孔の中心を結ぶ直線（軸）上に沿つて配置され
た、第２集束電極１４、第２アノード１５、およ
び塗布螢光面からなるスクリーン１６、出力気密
窓１７から形成されている。

第７図は本発明による前記高速こま撮りカメラ
の全体の構成を示すブロツク図である。

電子管の部分は先に第６図により詳しく説明し
たので、略図的に示してある。

光学レンズ２は観察対象物体１の像を光電面４
に形成するためのレンズである。

このレンズ２と光電面４の間にハーフミラー２
１を配置し観察対象物体１からの光を一部下方に
導く。

この光は他のレンズ２２により、高速光検出器
であるPINダイオード２３が集束される。

PINダイオード２３の出力は遅延回路２４で任
意の時間遅延させられて、傾斜電圧発生回路２５
に接続されている。PINダイオード２３と遅延回
路２４が偏向手段である偏向電極１１を駆動する
傾斜電圧発生回路２５を起動する。

この前記傾斜電圧の傾斜は観測したいこま撮り
映像の所望のこま撮り間隔または露出時間に応じ
て適当に定められるようになつている。

どの時刻の映像から出力画面上に並ばせるかを
決定する傾斜電圧の掃引開始のトリガは前記起動
回路により行われる。

前述した第１電子像形成部、第２電子像形成部
の電極には直流高圧発生回路４０から動作電圧が
提供される。

各部の電圧および電圧変化は動作とともに後述
する。

次に前記実施例装置の動作を説明する。

光学レンズ２によつて高速でその明るさや、形
状を変化する観察対象物体１の光像が光電面４に
入射し、気密窓３を介して結像される。

光電面４の応答スピードは１ピコ秒よりも速
く、この光像は非常に速い応答で光電子像に変換
される。

直流高圧発生回路４０から動作電圧として光電
面４には−10kV、近接して設けられたメツシユ
電極６は−8.5kVの電圧が印加されている。これ
によりこの光電子像を形成している電子群は、メ
ツシユ電極６方向に加速される。

一方光電面４には連続して光が照射されている
ので、次々と、光電子が発生し光電子ビームが光
電面４から偏向電極１１の方向に管軸に沿つて発
生する。この光電子ビームの管軸に垂直な各断面
内には各時刻における光像の形状や明るさの二次
元情報が電子の空間密度に変換されて入つてい
る。管軸に沿つてその断面を偏向電極１１の方か
ら、光電面４側に見ていくと、時刻の前の方から
後の方に順次各時刻における前記情報が入つてお
り、それが、順次偏向電極１１の方へ流れてい
く。光電子像５は流れていくうちにボケてしまう
が、第１集束電極７に適当な電圧を印加すること
により、偏向電極１１の管軸方向の中点を通り管
軸に垂直な断面に光電子像として再び結像させ
る。

第８図Ａは前述した電子光学系を幾何光学系に
置き換えて示したものであり、光電子像のＡ点、
Ｂ点を形成している電子群の軌道で代表して結像
の様子を示してある。各点から光電子の主軌道を
２０で示す。

各々の主軌道の両側に示されている軌道はＡ，
Ｂ点の一で光電面に立てた法線と任意の角度でも
つて、任意のエネルギーで放出された光電子の軌
道であり、以下この軌道をβ軌道と呼ぶ。

主軌道２０は、実際には光電面に投影された光
像の各点に対し、描けるものであるが、ここで
は、Ａ点、Ｂ点に対応するものだけ示してある。

これらの主軌道群が偏向電極１１および開孔１
２に入射する時の角度を概略平行または、少しせ
ばまつていくように電子レンズ１９で調節する。
電子レンズがこのような主軌道の発散角を調節で
きることは、よく知られている。第８図Ａに示さ
れた電子レンズ１８、電子レンズ１９は具体的に
はそれぞれ第６図に示される主として第１集束電
極７、電子ビーム角度調節電極９によつて作られ
る。この実施例では、電子レンズ１８は、−
8.5kVが印加されたメツシユ電極６、−8.8kVの印
加された第１集束電極７、接地電圧0Vの印加さ
れた第１アノード８によつて形成され、電子レン
ズ１９は0Vの印加がされた第１アノード８、−
7kV印加がされた電子ビーム角度調節電極９、
0Vの印加された遮蔽電極１０によつて形成され
る。前記の偏向電極１１の管軸方向の中点を通り
かつ管軸に垂直な面に電子像が結像し、主軌道群
が偏向電極１１や、開孔１２に概略平行または狭
まつていくように入射する。

せばまつて入射する場合をさらに第８図Ｂを参
照して説明する。

第８図Ａは、Ｍ点から放射されたと見なすこと
のできる電子ビームについてのみ時間の経過とと
もにビーム，，として示している。

これに対して、第８図Ｂはある時刻において、
光電子ビームが偏向中心に光電子像MNを形成し
た後全体としてどのようにして電子ビーム阻止電
極１３上の開孔１２を通過し、螢光面１６に像を
結ぶかを示す図であつて、表現と理解のために対
応する構成要素を示してあるが電極間隔等は前記
第８図Ｂと異なつている。

この場合、電極９の形成する電子レンズ１９
は、偏向電極１１および開孔１２に入射する時の
主軌道群の角度を少しせばめるように動作してい
る。これにより開孔１２において、全光電子ビー
ムの断面の外径を最少にし、開孔１２の径を小さ
くして露出時間（露光間隔）が小さくできるよう
にしてある。

これにより、電子レンズ２１を使用する径を小
さくすることにより、球面収差をできるだけ小さ
くするように構成することができる。

この場合の電子レンズ１９の動作については、
光学レンズと同様に考えることができる。

第１収束電極７の形成する電子レンズ１８で生
じるクロスオーバー点（主軌道が交わるかまたは
最少断面積となるところ）と、電子レンズ１９を
通過した後平行になり、クロスオーバー点が電子
レンズ１９の焦点距離より外にあればせばまるよ
うになる。

前述のようにして、偏向電極１１の中間面に結
像されるように入射した光電子ビームは、偏向電
極１１に印加される偏向電圧により、光電子ビー
ム阻止電極１３の表面上を掃引させられる。

第９図に偏向電圧を示す。図において１２ａ，
１２ｂはそれぞれ偏向電極１１ａ，１１ｂに印加
される傾斜電圧を示す。

なおこの実施例では、第９図に示すように、偏
向電極の両方に対称な偏向電圧を印加するように
なつているが、もちろん、一方の偏向電極を0V
に固定して、片方だけに傾斜状電圧を印加して光
電子ビームの偏向を行うことも可能である。

偏向電極の幅を２cm、管軸方向の長さを２cmそ
の間隔を１cmとする。光電面４は−10kV、遮蔽
電極１０は接地電位とすると、光電面は10keVの
エネルギーまで加速されて偏向電極１１に入射す
る。

偏向電極１１に入射した光電子ビームは管軸に
垂直な力のみを受けて偏向される。

管軸の方向の速さは、偏向電極に入射してから
も変わらないから、10keVのエネルギーに対応す
る速さでは、偏向電極１１の管軸の方向の長さ２
cmを通過する時間は、約340psである。この偏向
電極１１で光電子ビームが偏向される時の様子
は、光電子ビームがこの偏向電極を通り抜ける間
は偏向電極に印加されている偏向電圧が一定と見
なせるが、あるいは、その間にも大きく変化する
ほど偏向電極の変化が激しいかで、様子が異なつ
てくる。

まず、前者の場合について説明し、次に後者の
場合について説明する。

第９図に示す偏向電圧波形で、Ｔが例えば
1000nsの場合傾斜部分のどの位置で光電子ビーム
を入射しても10keVに相当する速さでは、偏向電
極を通過する間、偏向電圧は一定とみなせる。第
９図に示す傾斜電圧の傾斜の始まる所を時刻０に
とれば、例えば375ns後には、偏向電極１１ａ，
１１ｂには、それぞれ＋500V，−500Vの電圧が
印加される。

この電圧が印加されている時、偏向電極に入射
した光電子ビームが偏向される様子を第１０図を
参照して説明する。

ここで偏向電極の管軸方向の中間面の場所に、
点線で示した矢印は偏向電極１１に印加されてい
る偏向電圧が0Vの時（偏向電界が０）の光電子
像の結像を示す。

この矢印の左側で矢印の下端Ｍ点に入射してい
る３本の点線は、偏向電圧が0Vの時の、主軌道
およびβ軌道のＭ点への結像の様子を示し、電界
が０であるので、偏向電極入口からＭ点まで直進
している。

偏向電圧が０の時のこのあとの軌道は示してな
いが、その場合、光電子ビームはそのまま直進を
続け、像は再びボケていく。実際には、偏向電極
１１ａに＋500V、偏向電極１１ｂに−500V印加
されているので、偏向電極に光電子ビームが入射
すると、図中の実線で示すように光電子ビームは
放射線軌道を描いて、曲げられる。

光電子ビームは偏向電極１１から抜け出ると、
管壁電極３０および光電子ビーム阻止電極１３は
0V（グランド電位）であるので、再び電界は０と
なり、光電子ビームは直進する。ここで簡単な計
算によつて確かめられることであるが、第１０図
に示すように偏向電界を抜けたあと、直進運動に
なつてからの軌道の傾きで、偏向電極の方に点線
でその軌道を逆延長すると、主軌道も、β軌道も
Ｍ点に一致する。

これは偏向電極１１に±500Vの電圧が印加さ
れた場合の例であつて、他の時刻には、第９図か
らわかるように他の電圧が印加される。

この時は、偏向電極１１を抜け出たあとの光電
子ビームの位置、および傾きは±500Vの時と異
なるが、その直進運動に変わつてからの軌道を逆
向きに直線で延長すると、主軌道、β軌道ともに
Ｍ点に一致することを確認できる。

これは光電子ビームが偏向電極を抜けて直進運
動になつてからは、管の出力側からみるとどのよ
うに光電子ビームが偏向されようと、偏向電界が
０の時、例えばＭ点に集束するように進んできた
ビームは、そのＭ点から、直線的に放射されたか
のように見なすことができることを示している。

前記では、Ｍ点で説明してきたが、もちろんこ
れは矢印で示されたＭ点以外の任意の点について
もいえることである。

この原理により、本発明の新規な構成を実現で
きる。

さらに簡単な計算でわかることであるが、偏向
電圧０の時に偏向電極の中間面以外に、光電子像
を結像するよう入射した場合は、その結像の任意
の一点か発散してくる光電子ビーム（主軌道およ
びβ道）が偏向電極で偏向されさらに偏向電極を
抜けて、直進運動になつてからの軌道を逆延長し
たものは各偏向電圧については、偏向電極より右
側から見ると、ある一点から放射されているよう
に見える。しかし、その点は、偏向電圧が異なる
と別の場所の点であり、偏向電極の中間面に光電
子像が結像されるように、入射した時のように、
光電子ビームをどのように偏向しても、偏向電極
の右側から見た時、一点から放射されたように見
えるようにはならない。

これが光電子像を偏向電極の管軸方向の中間で
管軸に垂直な断面に結像する理由である。

また第９図に示す偏向電圧波形でＴが例えば
1.5nsの場合、光電子ビームが偏向電極を通過し
てしまうのに要する時間が約340psであるので、
偏向電極の印加電圧は変化してしまう。

この場合、光電面で発生した光電子像を偏向電
圧が０の時、偏向電極の管軸方向のの中間を通
り、管軸に垂直な断面に再び結像するよう入射し
た時どのように偏向されるか検討した。

その結果その偏向電圧が０の時その中間面に結
像している光電子像のある任意の一点Ｑから発散
してくる主軌道、β軌道は偏向された時ともに偏
向電極を出て、直進運動になつてから、その直線
を逆方向に延長すれば、管軸に垂直で偏向電極の
管軸の方向の中点の断面の特定の一点にその傾斜
電圧波形のどの時刻に入射しても結像され、この
一点は中間の断面内で偏向電極に電界を印加しな
い時の結像点Ｑからある特定距離ｄだけ、光電子
ビームの掃引される方向と逆の方向にずれた点で
あることがわかつた。このことを第１０図Ａ，Ｂ
を参照してさらに説明する。

第１０図Ａは偏向電極で偏向前後の主軌道とβ
軌道を示す図であり、第１０図Ｂは偏向電極に印
加される電圧の変化が速い場合について主軌道の
みを示した図である。

第１０図Ｂでは、偏向電圧の変化が速いため、
偏向電極中で電子ビームが途中で反対方向に曲げ
られている。

しかし偏向電界を印加しない状態で、偏向電極
内の結像面の点Ｑに向かつていた主軌道は高速に
偏向され、，，のように掃引される。

このときＱから掃引方向とｄだけ逆方向にずれ
た点から放射されたものとして取り扱えることが
理解できる。

前記特定距離ｄの値は偏向電極１１の長さ、光
電子ビームの管軸方向の速さ、偏向電圧の時間的
な変化率によつて定まるものである。

以上により、光電子ビーム偏向電極を通過して
いる間に偏向電圧の値が大きく変わつてしまうほ
ど速く光電子ビームが偏向される時も、またその
光電子ビームがどの方向に偏向された場合でも偏
向電圧が０の時結ばれる光電子像からｄだけ、光
電子ビームが掃引される方向と逆方向にその偏向
電極の管軸方向の中間点である結像面内で移動し
た所にその光電子像があり、そこから、直線的に
光電子ビームが放射されたかのように見なすこと
ができる。

このように、偏向電極に傾斜状電圧を与えて光
電子ビームが第８図Ａに示す光電子ビーム阻止電
極１３の開孔の断面上を動いていくにもかかわら
ず、偏向電極内の仮想上の静止した光電子像から
直線的に放射されてきたものとして、その光電子
ビームが扱える。

このことは、その光電子ビームを球面収差を無
視できる範囲内の径の電子レンズ２１に入射して
やれば、光電子ビームはそのレンズを移動して掃
引しているにもかかわらずその電子レンズ２１は
その仮想的な静止像を出力スクリーン上に結像す
ることができることを意味する。

この様子を、光電子ビームが偏向電極を通り抜
ける時間では、偏向電圧が変化しないと見なせる
場合について、第８図Ａのビーム，，に示
す。これらは、偏向電圧が０の時、光電面におけ
る光電子像５のＢ点を形成す電子群が偏向電極の
中間面上のＭ点に結像する主軌道とβ軌道からな
る光電子ビームについて示しており、この光電子
ビームは、偏向電界によつて図中に矢印で示され
る掃引方向にビーム，，と偏向されていく
が、どの光電子ビームも点Ｍから直線状に放射さ
れたものと扱つてよく、電子レンズ２１によつて
同一M′点に結像される。

なお、ビームとは開孔１２をその二つの端
ぎりぎりに通過したもので、ビームからの位
置までの掃引時間が露出時間となる。

結局、Ｂ点に関する光電子ビームはその露出時
間の間すべてM′点に結像され、他の光電子像の
任意の他の点、例えばＡ点についても同様に
N′点に結像される。

光電子ビーム、偏向電極を通り抜ける間に偏向
電圧が変化してしまう場合でも、第８図における
偏向電極内のMN点で示される光電子像をｄだけ
上方にずらした光電子像を電子レンズ２１で結像
したものと同じ結果となる。

このことは、偏向電極に階段状の電圧を印加し
なくて、傾斜電圧でも、像の偏向電界による移動
から生じる出力螢光面上のボケがなく、階段状の
電圧を印加して露出時間の間螢光面上に、像を静
止させたのと同じ効果を与えることができること
を示す。

また、偏向電極によつて偏向された光電子ビー
ムが光電子ビーム阻止電極１３上の開孔１２を横
切るのに要する時間が露出時間を定めることにな
る。また、電子レンズ１９により、主軌道の発散
をおさえて偏向電極に入射する主軌道群を平行ま
たは少し狭めるようにしたのは、開孔を有する阻
止電極に流入するまでに主軌道が広つてしまと、
開孔の掃引方向の長さを長くしかつ開孔のピツチ
を広げなくてはならず、こま撮り枚数（フレーム
数）を大きくとれないこと、電子レンズ２１の有
孔径も大きくしなくては球面収差が大きくなるた
めである。

以上の説明は光電子ビーム阻止電極１３上の任
意の一つの開孔について行つたが、他の開孔につ
いても同様である。

一つの開孔の中心から隣接する他の開孔の中心
までの光電子ビームの掃引時間が露出間隔にな
る。

第２電子像形成部は、第８図Ａの電子レンズ２
１と出力螢光面１６から構成されている。

電子レンズ２１は、第６図に示す光電子ビーム
阻止電極１３（接地電位）、第２集束電極１４
（−8kV）、第２アノード１５（0V、接地電位）
にして形成できる。これは各開孔１２毎に用意さ
れており、開孔の数はこま撮り数に一致する。

電子光学系は以上のように構成されているの
で、第７図に示すように、起動回路により観察対
象物１からの光の一部を検出し、傾斜電圧発生回
路により、傾斜電圧を発生することにより、極め
て短い露出時間の像を３個連続して順次各スクリ
ーンに１６に取り出すことができる。

（変形例）以上詳しく説明した実施例の第１および第２の
電子レンズを、第１１図に示す磁界集束型のコイ
ルに変更することができる。第８図の電子レンズ
１８の作用を第２フオーカスコイル３１により、
電子レンズ２１の作用を第１フオーカスコイル３
２，３２，３２により行わせる。

なお実施例ではメツシユ電極６を用いる例を示
したが、この電極は不可欠ではないが、メツシユ
電極６を用いない場合は、露出時間、露出間隔は
数10psが限界となる。同様に光電子ビーム角度調
節電極９を設けなくてもよいが、、その場合は開
孔の大きさ・間隔が非常に大きくなり、装置は大
型になる。

また、実施例として平行な平板２枚からなる偏
向電極を用いているが、第１２図Ａ，Ｂに示す偏
向電極を用いることができる。この電極は偏向感
度を上げ、さに出力側で光電子ビームが引つ掛か
らないようにしてある。

これらの偏向電極を用いる場合は、光電子像を
この偏向電極の管軸方向のどの位置を通り管軸に
垂直な断面に結ぶかであるが、（先の単に２枚の
平板電極からなる場合は管軸方向の偏向電極の長
さの中間）、偏向電極の管軸方向の形状によつて
異なり、先の実施例も含めて、より一般的にいえ
ば偏向中心と呼ばれる位置である。偏向中心とは
第１２図に示すように管軸に一致した光電子ビー
ムが偏向電極に入射して、その偏向電極の中で曲
線を描いて曲げられ、偏向電極から抜け、さら
に、直進運動する時、その直進運動部分を、その
まま、ビームの進んできたもとの方向に延長し、
また、偏向電極に管軸に一致して入射してくる直
線も延長すると、第１２図に示すように、その偏
向電極によつて定まるＰ点で、常に（どのように
偏向された時でも）交わる。これは、偏向量が大
きくても小さくても常に同じで、偏向電極の出力
側からみると常にその点から、直線的に偏向され
てきたかのように見えるので、偏向中心と呼ばれ
る。このＰ点を含む管軸に垂直な断面に光電子像
を結像すればよい。

（効果の説明）以上詳しく説明したように、本発明による高速
こま撮りカメラは、複数の第２電子レンズ側で像
の分離と露出時間を決定できるから、従来装置の
ようにメツシユ電極によるシヤツタ作用をさせる
必要がなく、メツシユ電極に印加するシヤツタ電
圧のなまりの問題は完全に解決できる。

また本発明による光電子ビームの露出および複
数のこま撮り像の配列に用いる動的印加電圧とし
て複雑な動作電圧波形を用いることなく、１つま
たは、１組の傾斜電圧だけを印加すればよい。

従来方式で、数10nsより短い露出時間、露出間
隔で、出力映像がボケるという現象があつたが、
本発明による高速こま撮りカメラではそのような
問題は生じない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の高速こま撮りカメラを示す管軸
を含む断面図である。第２図は前記高速こま撮り
カメラのメツシユ電極と偏向電極に印加される電
圧の変化を示す波形図である。第３図は前記高速
こま撮りカメラの動作を説明するための略図的断
面図である。第４図は前記高速こま撮りカメラの
高速度限界において予想されるメツシユ電極と偏
向電極のだれを説明するための波形図である。第
５図は、本発明による高速こま撮りカメラの偏向
電極間に印加される電圧変化を示すグラフであ
る。第６図は本発明による高速こま撮りカメラの
実施例を示す管軸を含む断面図である。第７図は
本発明による前記高速こま撮りカメラの全体の構
成を示すブロツク図である。第８図Ａと第８図Ｂ
は、前記実施例の電子光学系を説明するための説
明図である。第９図は、前記実施例の偏向電極に
印加される電圧を示す波形図である。第１０図Ａ
および第１０図Ｂは、前記実施例の偏向電極にお
ける電子ビームの経路を示す図である。第１１図
は、本発明による高速こま撮りカメラのさらに他
の実施例を示す管軸を含む断面図である。第１２
図は、静電偏向手段の変形例を示す略図である。１…観察対象物、３…入力気密窓、４…光電
面、５…光電子像、６…メツシユ電極、７…第１
集束電極、８…第１アノード、９…調節電極、１
０…遮蔽電極、１１…偏向電極、１２…開孔、１
３…光電子ビーム阻止電極、１４…第２集束電
極、１５…第２アノード、１６…スクリーン、１
７…出力気密窓、２１…ハーフミラー、２２…レ
ンズ、２３…PINダイオード、２４…遅延回路、
２５…傾斜電圧発生回路、４０…直流高圧発生回
路。

Claims

【特許請求の範囲】１イメージ管を用い光電面に形成された像のこ
ま撮りをする高速こま撮りカメラにおいて、光電子像を再結像させる第１の電子レンズと、前記光電子の像再結像位置が偏向中心となるよ
うに配置されている偏向手段と、前記偏向手段により偏向された電子ビームを順
次受け入れるように中心軸を前記偏向中心に向け
て配置された複数の第２電子レンズと、前記第２電子レンズの結像位置にそれぞれ配置
された複数の螢光面と、前記各電子レンズに動作電力を供給するレンズ
駆動回路と、前記偏向手段に偏向の程度が時間的に傾斜する
偏向を発生させる偏向手段駆動回路とから構成し
た高速こま撮りカメラ。２前記第１または第２の電子レンズは静電集束
型または電磁集束型である特許請求の範囲第１項
記載の高速こま撮りカメラ。３イメージ管を用い光電面に形成された像のこ
ま撮りをする高速こま撮りカメラにおいて、光電子像を再結像させる第１の電子レンズと、前記光電子の像再結像位置が偏向中心となるよ
うに配置されている偏向手段と、前記偏向手段により偏向された電子ビームを順
次受け入れるように中心軸を前記偏向中心に向け
て配置された複数の第２電子レンズと、前記第２電子レンズの結像位置にそれぞれ配置
された複数の螢光面と、前記各電子レンズに動作電力を供給するレンズ
駆動回路と、前記偏向手段に偏向の程度が時間的に傾斜する
偏向を発生させる動作電力を供給する偏向手段駆
動回路と、観察対象の発光を検出して発光に同期して前記
偏向手段を起動する起動回路とから構成した高速
こま撮りカメラ。４前記複数の第２電子レンズは、前記偏向手段
の複数の偏向の程度に対応して配置されている特
許請求の範囲第３項記載の高速こま撮りカメラ。５前記起動回路は光検出器と検出出力を遅延さ
せる遅延回路を含み、前記遅延回路の遅延量を調
節することにより、複数のこまを観察対象の任意
の時点に対応させるようにした特許請求の範囲第
３項記載の高速こま撮りカメラ。