JPH047938B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、超高速の繰り返し光現象を二次元的
に計測する装置、例えばレーザ励起蛍光の時間分
解分光計測やピコ秒域における空間時間分解計測
を行う超高速光現象の多チヤンネル同時計測装置
に関する。

（従来の技術） 高速で変化する光の強度分布を観察する装置と
してストリークカメラが知られている。

このストリークカメラで使用されるストリーク
管は光電面と蛍光面との間に偏向電極を配置した
電子管である。

ストリーク管の光電面に光が入射させられる
と、光電面が光電子を放出する。

この光電子が蛍光面方向に移動する過程で、前
記偏向電極で電界を作用させると（掃引すると）
入射光の強さの変化が蛍光面上の一方向（時間軸
方向）の輝度の変化として現れる。

この輝度の変化により得られる像をストリーク
像と呼んでいる。

ストリークカメラは前記のようなストリーク管
とこのストリーク管の光電面に被計測光を投影す
る光学系、このストリーク管に電圧を加える電源
等から構成されている。

本件発明者等は前記ストリーク管の原理を応用
して発光現象が高速繰り返し可能な場合につい
て、高速繰返しパルス光計測装置（特開昭59−
104519号および特開昭59−135330号）、高速繰返
しパルス光計測装置用電子管装置（特開昭59−
134538号）を提案している。いずれも高速で変化
する微弱の発光等の特性を計測するのに適してい
るが、ストリーク管の光電面の前記ストリーク管
の掃引方向に直角方向の情報を同時に取り出すこ
と（多チヤンネルの同時計測）ができない。

このストリーク管のストリーク像を解析する方
法として、蛍光面上のストリーク像をテレビジヨ
ンカメラで撮像し、得られた映像信号を処理する
方法が知られている。

この解析方法によつて高速繰り返しパルス光の
ストリーク像を撮像すると１フイールド期間にわ
たつてストリーク像が多数回重なることになるか
ら、大きな映像信号が得られると言う利点があ
る。しかしながら、次のような問題点があり、ス
トリーク画像の強度について10⁴〜10⁶という大き
なダイナミツクレンジが得られない。

撮像管のターゲツトではターゲツトの容量に
電荷を蓄積しているが、１フイールドで得られ
るダイナミツクレンジは通常100：１程度であ
る。

上述の１フイールド期間中にも撮像管固有の
暗電流が蓄積されるので低い輝度レベルの計測
が不正確になる。

複数フイールドの映像信号を積算する場合で
も、上記で総合のダイナミツクレンジが制
限され、1000：１程度の改善しか望めない。

これに対して、特開昭59−134538号の高速繰返
しパルス光計測装置用電子管装置にかかる発明で
はストリーク管の出力を光電子増倍管に入射する
ことによりダイナミツクレンジを改善できるが、
前述したように多チヤンネルの同時計測ができな
い。

また、どうしても、多チヤンネルを計測しよう
とすれば、１チヤンネルずつ計測して後でまとめ
る方法となり、計測時間が長くなるとともに、各
チヤンネルの同時性もなくなる。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明の目的は、超高速の繰り返し光現象を二
次元的に計測する装置、例えばレーザ励起蛍光の
時間分解分光計測やピコ秒域における空間時間分
解計測を行う超高速光現象の多チヤンネル同時計
測装置を提供することにある。

（問題を解決するための手段） 前記目的を達成するために本発明による超高速
光現象の多チヤンネル同時計測装置は、光電面に
形成された光の像に対応する電子像を偏向電極に
より偏向し、この偏向電極の後段に配置された偏
向方向に垂直なスリツトをもつスリツト板を介し
て蛍光面に投射するストリーク管と、被測定試料
の周期的な発光を前記ストリーク管の光電面に前
記ストリーク管の偏向方向に垂直方向に展開して
投射する光学手段と、前記被測定試料の発光に同
期して発光ごとに僅かずつ位相が変わる偏向電圧
を発生する偏向電圧発生手段と、前記ストリーク
管の蛍光面に前記偏向方向に垂直方向に展開して
配列されているホトダイオード群からなるホトダ
イオードアレイと、前記ホトダイオードアレイの
出力を処理する処理手段から構成されている。

（実施例） 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１図は本発明による超高速光現象の多チヤン
ネル同時計測装置の第１の実施例を示すブロツク
図である。

この実施例は被測定対象である試料をレーザに
より周期的に励起して、蛍光発光を誘起させて、
その蛍光発光を分光して測定するものである。

色素レーザ光源１は繰返し光パルス列を発生し
ている。

この光パルス列はハーフミラー２により分岐さ
れ、ハーフミラー２を透過した光は被測定対象３
を照射する。この照射により、被測定対象３は前
記光パルス列に対応する蛍光パルス列を発生す
る。

この周期的な発光は、光学手段により、ストリ
ーク管の光電面に前記ストリーク管の偏向方向に
垂直方向に展開して投射される。

この実施例では、前記光学手段は前記蛍光パル
ス列を分光する分光器４、分光器４で分光された
光を透過させるスリツト５、レンズ６から形成さ
れている。

前記スリツト板５と同一の機能を果たす部分が
分光器４と一体に設けられているときは独立した
スリツト板は不要である。

光学要素によつて周期的な発光をピンホール状
に分光器に接続し、分光器が前記ピンホール状に
入射された光をストリーク管の光電面に前記スト
リーク管の偏向方向に垂直方向に展開して投射す
ることができる場合には、前記スリツト５、レン
ズ６は不要である。

第１図において前記線状の像は紙面と同一面上
に形成され、図中下方向から上に向かつてλ₁，λ₂
〜λnの波長成分を含んでいる。

第２図は前記ストリーク管の断面図とストリー
ク管の電源回路を示す回路図である。

ストリーク管はストリーク管７の光軸を含み、
第１図において紙面に垂直方向（掃引方向）に切
断して示されている。

第３図に前記ストリーク管の電極等の配列とホ
トダイオードアレイの関係を展開的に示してあ
る。ストリーク管７の面板の内面には光電面７１
が形成されている。

光電面７１に対向するようにメツシユ電極７２
が設けられており、メツシユ電極７２により加速
された電子は集束電極７３により集束されアパー
チヤ板７４をとおり、偏向電極７５の形成する偏
向電界空間に入射させられる。

偏向電極７５には、前記蛍光発光に同期した掃
引電圧が印加されている。同期の関係については
後述する。

偏向電極７５で偏向された電子は、スリツト板
７７を介して、フアイバプレート７９の内面に形
成されている蛍光面７８に入射させられる。

各図から理解できるようにスリツト板７７のス
リツトはストリーク管７の偏向方向に直角であ
る。ストリーク管７の各部には、動作電源回路２
０または掃引電圧発生回路１５からの動作電圧が
供給されている。掃引電圧については後述する。

動作電源回路２０は電源２１，２６，２７、分
圧抵抗２２，２３，２４から構成されている。特
に電源２７によりスリツト板７７と蛍光面７８の
間に加速電圧3KV〜5KVを印加してさらに加速
するように構成してある。

第１図に示されているように、色素レーザ光源
１の光パルス列のハーフミラー２により反射され
た成分はPINホトダイオード９により検出され、
増幅器１０により増幅され遅延回路１２を介して
同調増幅器１４に接続される。

遅延回路１２の遅延量は遅延制御回路１６から
の信号により変えられる。

同調増幅器１４は前記遅延されたパルスに同調
した正弦波を発生する回路であつて、この正弦波
が掃引電圧発生回路１５で増幅されてストリーク
管の偏向電極に供給される。

この実施例では掃引波形として正弦波の直線領
域を使用している。

次に第４図と第５図を参照して偏向電圧と蛍光
面に到達する電子の関係を説明する。

第４図は前記実施例の測定の対象となる多くの
波長成分を含む繰返し発光中の単一パルスの発光
強度の変化を示す波形図である。

時間軸をｔ、波長軸をλ、強度軸をＩとして３
次元的に示している。

t₁の時点には主としてλ₄とλ₆の波長成分が、こ
のような位置と強度の関係を保つてストリーク管
の光電面に入射し、t₂の時点には主としてλ₃〜λ₆
の波長成分がこのような位置と強度の関係を保つ
てストリーク管の光電面に入射すると考えて良
い。

第５図は繰返し発光現象とサンプリングの関係
を示す波形図である。

(1)〜（ｍ）は、それぞれ蛍光の前記ストリーク
管７の光電面７１への第１回入射から第ｍ回入射
までの入射波形を示す。

分光器４により蛍光は分光されるので波長によ
り光電面７１への入射位置が変わる。

λj，λkはそれぞれ光電面７１のｊおよびｋの
位置に入射した光の強度を示す。掃引電圧発生回
路１５は各回の入射により発生した電子からそれ
ぞれ黒線で示す部分を前記スリツト板７７から取
り出すような掃引電圧を発生する。

ホトダイオードアレイ８は短冊状のホトダイオ
ードをストリーク管７の掃引方向に直角に配列し
たものである。

一つのホトダイオードの大きさ（幅）は目的に
応じて、選定できる。

この実施例では100μm×５mmの長方形にしてあ
る。

各ホトダイオードはそれぞれ特定の波長成分に
対応する蛍光面７８の発光に対応させられてい
る。各ホトダイオードの出力はそれぞれ１対１に
対応させられている増幅器群１７中の増幅器で増
幅される。

増幅器群１７中の各増幅器の出力は同様に１対
１に対応させられているＡ／Ｄ変換器群１８中の
Ａ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換される。

Ａ／Ｄ変換器群の出力はメモリ３０に記録され
る。これによりメモリ３０には蛍光の第１回の入
射による各波長成分の黒線で示した部分の情報、
第２回の入射による各波長成分の黒線で示した部
分の情報……第ｍ回の入射による各波長成分の黒
線で示した部分の情報が記録される。

これにより各波長成分毎に第１回から第ｍ回ま
での出力を総合することにより各波長成分の蛍光
発光波形を再構成することができる。

このメモリ３０の内容をＤ／Ａ変換器３２によ
り時系列的にアナログ変換して、遅延制御回路１
６の出力と同期してVDT等の出力装置３４によ
り出力すれば略リアルタイムで観察することがで
きる。

第６図は前記超高速光現象の多チヤンネル同時
計測装置で使用する他のストリーク管の断面図と
ストリーク管の電源回路を示す回路図である。

このストリーク管は第２図および第３図を参照
して説明したストリーク管の偏向電極７５とスリ
ツト板７７の間にマイクロチヤンネルプレート７
６を配置し、増倍された光電子をスリツト板７７
を介して蛍光面７８に入射させるようにしたもの
である。

電源２６はマイクロチヤンネルプレート７６の
動作電圧を供給するための電源、電源２５はマイ
クロチヤンネルプレート７６とスリツト板７７間
の加速電界を発生させる電源、電源２７はスリツ
ト７７と蛍光面７８間の加速電界を発生させる電
源である。このストリーク管を使用すれば、より
微弱な超高速光現象の多チヤンネル同時計測装置
を実現できる。

第７図は前記超高速光現象の多チヤンネル同時
計測装置で使用するさらに他のストリーク管およ
び前記ストリーク管の偏向方向に垂直方向に展開
して投射する光学手段の斜視図である。

第８図は第７図に示したストリーク管の光学手
段と光電面の接続部を切断して示した断面図であ
る。この実施例はストリーク管の光電面７１が形
成される面板の中央部の列に固着されたフアイバ
８０４−１〜８０４−ｘを延出させて延出端から
被測定光を入射するようにして、ストリーク管の
偏向方向に垂直方向に展開して投射する光学手段
を一体に設けたものである。

この実施例は面板７０２としてガラス板を用い
たものである。

ガラスの円筒状の本体７０１に金属の電極を兼
ねるリング７０３を介してコバールガラスの面板
７０２が固定されている。

面板７０２の中心部には、光フアイバ８０４−
１〜８０４−ｘが埋め込まれている。

光フアイバ８０４−１〜８０４−ｘの出力端は
コバールガラスの面板７０２と同一平面になるよ
うに固定され、この平面上に光電面７１が形成さ
れている。

光フアイバ８０４−１〜８０４−ｘはクラツド
の中にコアが形成されている通常の構造のもので
あり、クラツドの径は125〜200μm程度である。

コバールガラスの面板７０２に光フアイバ８０
４−１〜８０４−ｘを埋め込むには、まずコバー
ルガラスの面板７０２を直径で２つの部分に切断
する。

２つの部分の切断端面にフアイバを挟み込むた
めの対応する溝群を加工する。

この切断面の溝部で各フアイバの先端を挟み付
けて粉ガラスを付して加熱することによりフアイ
バを固定する。

前記接合の後、光電面が形成されるべき面を研
磨する。

面板７０２の内面には、光電面７１が形成され
ており、光電面７１に対向してメツシユ電極７２
が設けられている。

前記フアイバ８０４−１〜８０４−ｘの面板７
０２からの延出部を除き、面板７０２の表面に黒
色塗料よる遮光層７０５を形成し、各フアイバ８
０４−１〜８０４−ｘ以外からの光の入射を阻止
してある。

前記光フアイバ８０４−１〜８０４−ｘの先端
を種々位置で被測定試料の周期的な発光を受け入
れるように配置することにより、同時に複数位置
から発光を測定できる。

なお、ホトダイオードアレイ８を形成する各ダ
イオードと前記光フアイバ８０４−１〜８０４−
ｘの間には対応関係（例えば１対１の対応）を与
えておく。

なお、このストリーク管の実施例では、面板を
分割して溝を形成しフアイバと面板を接続した
が、ダイアモンドドリルで面板に直接孔を開け
て、フアイバを挿入して粉ガラス等で固定するこ
ともできる。

また、面板としてフアイバプレートを用いるこ
ともできる。

光電面７１の前面にフアイバのコアの径よりも
幅の狭いスリツトを有するアルミニユウムの遮光
スリツト板を形成した後に、光電面７１を形成し
ても良い。

このストリーク管は、光フアイバとストリーク
管の面板が一体に設けられているから、光電面の
光の入射位置に関する調整は不要であり、取り扱
いが簡単になる。また、ストリーク管の差し替え
などの保守が容易となる。

（第２の実施例） 第９図は本発明による超高速光現象の多チヤン
ネル同時計測装置の第２の実施例装置の主として
光学手段部分を示す配置図である。

第１０図は前記第２の実施例装置の観測対象の
発生する干渉縞の略図である。

物体をレーザ光で励起すると物体はその励起に
したがつて変形する。

この実施例はそのような変形に原因する干渉縞
を発生させて干渉縞の経時的な変化を観察するも
のである。

この構成は超高速の変位や振動解析等に利用で
きる。

レーザ光源１からのパルス列はハーフミラー５
１で励起用光パルスと他の光に分離される。

励起用光パルスは全反射鏡５２で反射させら
れて物体５８を励起する。

ハーフミラー５１で分岐された他のパルス列は
ハーフミラー５４により、照射光パルスと参照
光パルスに分岐される。

照射光パルスの物体５８の表面で反射された
光と前記参照光パルスはハーフミラー５６で合
成され物体表面の形状に対応する干渉像を形成す
る。干渉像の一例を第７図に示す。

ストリーク管７の前面にはスリツト板５が配置
されており、干渉縞の一部をスリツト状にストリ
ーク管７の光電面に形成する。

ホトダイオードアレイ８以降の構成、および掃
引電圧発生等の回路は、先に第１の実施例におい
て説明した所と変わらない。

物体は励起されると内部構造が歪み、表面が少
し曲がる。

メモリには、この変形の経時的な変化が記録さ
れる。

（変形例） 以上詳しく説明した実施例装置の各部に、本発
明の範囲内で種々の変形を施すことができる。

例えば、光電面の放出した電子を加速する電極
の例としてメツシユ電極を示したが、この電極は
スリツト状の開口部をもつ電極であつても良い。

（発明の効果） 以上詳しく説明したように、本発明による超高
速光現象の多チヤンネル同時計測装置は、偏向電
極の後段に配置された偏向方向に垂直なスリツト
を有するスリツト板をもつストリーク管を用い、
光学手段により被測定試料の周期的な発光を前記
ストリーク管の光電面に前記ストリーク管の偏向
方向に垂直方向に展開して入射し、偏向電圧発生
手段により、前記被測定試料の発光に同期して発
光ごとに僅かずつ位相が変わる偏向電圧を発生
し、ホトダイオードアレイにより並列に取り出す
ように構成してあるから従来不可能であつた超高
速光現象の多チヤンネル同時計測が可能になつ
た。

ホトダイオードアレイを構成するダイオードの
大きさは目的に応じて容易に変更できる。

また走査回路を設ける必要はなく、並列読み出
しを行うものであるから、高速処理が可能であ
る。直列読み出しには、シフトレジスタまたはデ
マルチプレクサが必要となり構成が複雑となる。

ラインセンサとしてレテイコンまたはCCDが
市販されている。これ等の各種センサを使用しな
いで、ダイオードアレイを使用しているので以下
の特徴が得られる。

（ノイズおよびダイナミツクレンジ） 完全並列読み出しであるため、ノイズが少なく
高Ｓ／Ｎ比、高ダイナミツクレンジの計測が可能
である。

ノイズの主なものは（スイツチングノイズ以外
で）アンプのノイズであるから、Ｓ／Ｎはダイオ
ードアレイの方が、n^1/2倍良いことになる。ダイ
オードアレイではリニアアレイの主なノイズ成分
であるスイツチングノイズが零である。

通常、リニアアレイの最小検出限界はスイツチ
ングノイズで制限されている。

しかし、ダイオードアレイではスイツチングノ
イズがないため、最小検出限界をアンプのノイズ
または、光電流のシヨツトノイズ域まで下げるこ
とができる。

（読み出し時間） ダイオード数、または画素数をｎ＝100にした
場合について比較する。

ラインセンサで１エレメント当たりｔ／ｎの読
み出し時間となる。

他方ダイオードアレイでは全エレメント並列読
み出しであるから、読み出し時間はｔ secとな
る。したがつてバンド幅はそれぞれ、ｎ／（2t），
１／（2t）となり、ダイオードアレイの方がｎ倍
長い。

（その他） 本発明ではホトダイオードアレイを用いている
ので、特定部分のみ信号を取り出すことも可能と
なつた。

場所によつて測定時間（積分時間）を変えるこ
とも可能となつた。

これに対してリニアアレイでは、ライン走査周
波数に上限がある。これはシフトレジスタで制限
され、一素子当たり100ns程度となる。

しかし、ダイオードアレイでは並列アンプを使
用するため、同一サンプリングをするには
100ns／ｎの読み取りとなる。（アンプの帯域が狭
くなる。） また、高速サンプリングは、同一アンプを考え
れば、ｎ倍となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超高速光現象の多チヤン
ネル同時計測装置の第１の実施例を示すブロツク
図である。第２図は前記超高速光現象の多チヤン
ネル同時計測装置で使用するストリーク管の断面
図とストリーク管の電源回路を示す回路図であ
る。第３図は前記ストリーク管の電極等の配列と
ホトダイオードアレイの関係を展開的に示した斜
視図である。第４図は前記実施例の測定の対象と
なる多くの波長成分を含む繰返し発光中の単一パ
ネルの発光強度の変化を示す波形図である。第５
は繰返し発光現象とサンプリングの関係を示す波
形図である。第６図は前記超高速光現象の多チヤ
ンネル同時計測装置で使用する他のストリーク管
の断面図とストリーク管の電源回路を示す回路図
である。第７図は前記超高速光現象の多チヤンネ
ル同時計測装置で使用するさらに他のストリーク
管および前記ストリーク管の偏向方向に垂直方向
に展開して投射する光学手段の斜視図である。第
８図は第７図に示したストリーク管の光学手段と
光電面の接続部を切断して示した断面図である。
第９図は本発明による超高速光現象の多チヤンネ
ル同時計測装置の第２の実施例装置の主として光
学手段部分を示す配置図である。第１０図は前記
第２の実施例装置の観測対象の発生する干渉縞の
略図である。 １……レーザ光源、２……ハーフミラー、３…
…被測定試料、４……分光器、５……スリツト板
（光学手段）、６……レンズ、７……ストリーク
管、７１……光電面、７２……メツシユ電極、７
３……集束電極、７４……アパーチヤ板、７５…
…偏向電極、７６……マイクロチヤンネルプレー
ト、７７……スリツト板（ストリーク管）、７８
……蛍光面、７９……フアイバプレート、８……
ホトダイオードアレイ、９……PINホトダイオー
ド、１０……増幅器、１２……遅延回路、１４…
…同調増幅器、１５……掃引電圧発生回路、１７
……増幅器群、１８……Ａ／Ｄ変換器群、２０…
…動作電源回路、３０……メモリ、３２……Ｄ／
Ａ変換器群、３４……出力装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光電面に形成された光の像に対応する電子像
   を偏向電極により偏向し、この偏向電極の後段に
   配置された偏向方向に垂直なスリツトをもつスリ
   ツト板を介して蛍光面に投射するストリーク管
   と、被測定試料の周期的な発光を前記ストリーク
   管の光電面に前記ストリーク管の偏向方向に垂直
   方向に展開して投射する光学手段と、前記被測定
   試料の発光に同期して発光ごとに僅かずつ位相が
   変わる偏向電圧を発生する偏向電圧発生手段と、
   前記ストリーク管の蛍光面に前記偏向方向に垂直
   方向に展開して配列されているホトダイオード群
   からなるホトダイオードアレイと、前記ホトダイ
   オードアレイの出力を処理する処理手段から構成
   した超高速光現象の多チヤンネル同時計測装置。 ２ 前記周期的な発光はレーザ装置の発生するレ
   ーザ光により周期的に励起された発光であり、前
   記偏向電圧発生手段は前記レーザ装置の発光に同
   期させられることにより前記被測定試料の発光に
   同期して発光ごとに僅かずつ位相が変わる偏向電
   圧を発生する特許請求の範囲第１項記載の超高速
   光現象の多チヤンネル同時計測装置。 ３ 前記レーザ装置は高速繰返し色素レーザ装置
   である特許請求の範囲第２項記載の超高速光現象
   の多チヤンネル同時計測装置。 ４ 前記光学手段は被測定試料の発光を分光する
   分光器と、分光方向に平行なスリツトをもつスリ
   ツト板と、前記スリツト板を透過した光を前記ス
   トリーク管の光電面に形成するレンズである特許
   請求の範囲第１項記載の超高速光現象の多チヤン
   ネル同時計測装置。 ５ 前記スリツトは分光器と一体に設けられてい
   る特許請求の範囲第４項記載の超高速光現象の多
   チヤンネル同時計測装置。 ６ 前記光学手段は被測定試料の発光をピンホー
   ル状に分光器に接続する光学要素と前記ピンホー
   ル状に入射された光をストリーク管の光電面に前
   記ストリーク管の偏向方向に垂直方向に展開して
   投射する分光器である特許請求の範囲第１項記載
   の超高速光現象の多チヤンネル同時計測装置。 ７ 前記光学手段は前記ストリーク管の光電面の
   形成されている面板に前記ストリーク管の偏向方
   向に垂直方向に被測定試料の発光を複数位置で受
   け入れる複数本のフアイバである特許請求の範囲
   第１項記載の超高速光現象の多チヤンネル同時計
   測装置。 ８ 前記周期的な発光は被測定物体の周期的変位
   に原因するものであり、前記光学手段は、周期的
   に発光するレーザ装置と、前記レーザ装置の発光
   を被測定物体に照射して励起する励起光路と、前
   記レーザ装置の発光を被測定物体表面に照射する
   照射光路と、前記照射光路を通過して物体から反
   射した光と干渉させられて前記ストリーク管に入
   射させられる参照光を導く参照光路と、前記照射
   光と参照光の形成する干渉縞パターンを前記スト
   リーク管の光電面に前記ストリーク管の掃引方向
   に直角な線状に切り出して接続するスリツト手段
   である特許請求の範囲第１項記載の超高速光現象
   の多チヤンネル同時計測装置。