JPH0675016B2 - 光サンプリング・システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光サンプリング・シス
テムに関する。

【０００２】

【従来技術及び発明が解決しようとする課題】ストリー
ク・カメラ又はストリーク・オシロスコープは、陰極線
管型の装置を用い、電子ビームを入射光信号で変調する
ことにより光信号の強度の変化を電子ビームの走査に変
換する装置である。電子ビームを蛍光表面上に走査する
につれてその電子ビームの強度が記録される。このよう
な装置では、入射光信号を光電陰極に光学的に集束さ
せ、この光電陰極面から電子ビームを放射させこの電子
ビームを蛍光面を含むターゲットに沿って走査させる。
この結果得られる入射光信号を表す「ストリーク」画像
は、フィルム上に記録することも出来るし、或いはテレ
ビ・カメラと同様の方法により読み出すことも出来る。
従来のストリーク・カメラ又はストリーク・オシロスコ
ープの時間分解能は、ターゲットに対して電子ビームを
偏向させるための偏向信号の速度によって制限される。

【０００３】光サンプリング・オシロスコープでは、一
般に光ファイバから受ける繰り返し光信号を記録する際
の時間分解能を向上する必要がある。しかし、十分に満
足出来る程のサンプリング速度は実現されていない。ま
た、サンプリング・オシロスコープは等価時間モード
（サンプリング測定モード）でのみ動作するように構成
された特殊用途の測定機器であり、リアル・タイム・モ
ードの測定には使用出来ない。

【０００４】ストリーク・カメラ又はストリーク・オシ
ロスコープの中には、サンプリング測定モードで用いる
特殊のターゲット構造を採用したものがある。この装置
のターゲットはスリットを具備しており、光変調された
電子ビームが偏向され、ある瞬間にこのスリットを通過
する。このスリットを通過した電子ビームは、光電子増
倍管で検出され、小信号が増幅されて入射光信号のサン
プルが得られる。残念ながら、１回の電子ビームの走査
毎に１個の微小サンプルの情報しか得られないので、入
力信号の完全な記録を再現する為には走査動作を多数回
繰り返さなければならない。このため、従来のサンプリ
ング・オシロスコープでは十分高速な所望のサンプリン
グ速度を実現出来なかったのである。

【０００５】従って、本発明の目的は、時間分解能が高
い光サンプリング・システムを提供することである。

【０００６】本発明の他の目的は、高速サンプリングが
可能な光サンプリング・システムを提供することであ
る。

【０００７】本発明の他の目的は、リアル・タイム・サ
ンプリング・モード及び従来のサンプリング・モードを
切り換え可能な光サンプリング・システムを提供するこ
とである。

【０００８】

【課題を解決する為の手段及び作用】本発明の光サンプ
リング・システムは、反復光入力信号の強度に応じて光
電陰極から出力される電子ビームを変調し、この電子ビ
ームをＣＣＤセルの２次元配列を含むターゲット上に走
査させ、ＣＣＤセルに生成した電荷サンプルを取り出
し、光入力信号のサンプルを得る。光電陰極からの電子
ビームは、Ｘ（水平方向）及びＹ（垂直方向）の偏向板
によりターゲット上を高速走査される。この時、Ｘ方向
の走査に比較してターゲットの長さが短いＹ方向の走査
の方が高速である。すなわち、実施例では、Ｘ方向の偏
向信号として正弦波を用い、Ｙ方向の偏向信号として矩
形波を用いている。矩形波の立ち上がり及び立ち下がり
部分の傾斜は正弦波の傾斜に比較して急激であり、この
結果、電子ビームはＹ方向により高速に走査される。タ
ーゲットのＣＣＤセルに生成した電荷サンプルは、順次
転送され、出力端から光入力信号のサンプルが出力され
る。一回の電子ビームの走査により多数のサンプルが得
られ、更に矩形波信号の立ち上がり及び立ち下がりの往
復走査によりサンプルが効率よく得られる。この結果、
時間分解能及びサンプリング速度が大幅に改善される。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明による好適実施例の構成を示
すブロック図である。レーザの如き光源１０からの反復
入力光信号がストリーク管１４の透明端面を介して光電
陰極１２に集束する（集束手段は図示していない）。ス
トリーク管１４は、従来の陰極線管に類似した構造を有
するが、従来の陰極線管の熱電子陰極の代わりに光電陰
極１２を有する。光電陰極１２は、光源１０からの入射
光線の強度に応じて電子を放出する。光源１０からの光
線が光電陰極１２の小さい点上に集束すると仮定する
と、入射光線の強度に比例したビーム電流を有する比較
的細い電子ビーム２４が放射され、この電子ビーム２４
はグリッド１６を通過し、更に第１アノード１８、集束
電極２０及び第２アノード２２から成る電子レンズを通
過し、最後にターゲット電極２６上の小さなスポット上
に集束する。

【００１０】ターゲット電極２６は、図２に示すＣＣＤ
（Charge-Coupled-Device）ターゲットで構成されてい
る。このＣＣＤターゲットは、書込み電子ビームに応じ
て電荷を蓄積するＣＣＤセルの２次元配列で構成されて
いる。従って、このターゲット２６の経路２８上をを電
子ビームが走査すると、この経路２８に沿ったＣＣＤセ
ルに順次電荷が書き込まれる。これらＣＣＤセルに書き
込まれる電荷は、そのセル上に照射される電子ビームの
平均強度を表している。図２のＣＣＤターゲット２６
は、垂直方向に８個、水平方向に３３個のＣＣＤセルで
構成された長方形のＣＣＤ配列である。しかし、図２の
セルの数は単に説明の便宜上の実施例に過ぎず、ＣＣＤ
配列の特定実施例では垂直方向に６４個、水平方向に５
２０個のセルを含むものを作成した。後述するように、
電子ビームが走査するターゲットの領域が水平方向（Ｘ
方向）より垂直方向（Ｙ方向）に短くなるようにターゲ
ットのアスペクト比を設定することが望ましい。電子ビ
ーム２４の走査は、垂直偏向信号発生器３４に駆動され
る垂直偏向板３２及び水平偏向信号発生器３８に駆動さ
れる水平偏向板３６を含む走査手段により達成される。

【００１１】ＣＣＤターゲット２６上の経路２８上に記
録された電荷情報は、同様の走査をターゲット上に複数
回実行した結果として得られる。相互に同期したＸ及び
Ｙ偏向信号による一連の走査により得られる結果は、光
入力信号の反復部分を表している。Ｘ及びＹの偏向信号
は、互いに周波数が等しく、その周波数が光入力信号の
周波数の約数になっていることが望ましい。理想的に
は、電子ビーム２４は一度に１個のＣＣＤセル３０に入
射するはずであるが、当業者周知の如く、電子ビームの
集束状態に応じて書込み経路２８に隣接するＣＣＤセル
にもある程度の電荷が蓄積される。経路２８に隣接する
セルに蓄積された電荷は、その後ＣＣＤターゲットから
Ｘ方向（水平方向）へシフトされ、シフト手段４０の動
作に応じて出力端子３８からビデオ信号が出力される。
このＣＣＤの動作がアナログ・レジスタと同様の動作で
あることは、当業者には良く理解出来よう。

【００１２】上述のように、偏向信号発生器３４及び３
８から出力される垂直及び水平偏向信号は、光源１０か
らの反復入力信号と同期しており、経路２８が重ねて多
数回書き込まれると光源からの入力信号の同じ部分が強
調して記録される。偏向信号発生器３４及び３８は、共
にプログラマブル遅延回路４２により駆動される。この
プログラマブル遅延回路４２は、入力信号に応じたトリ
ガ信号を入力端４４で受ける。このトリガ信号は、入力
信号から直接得ても良いし、入力信号に同期した他の信
号源から得ても良い。本実施例では、垂直偏向信号発生
器３４は矩形波を発生し、水平偏向信号発生器３８は、
正弦波を発生する。これら２つの偏向信号は、最小偏向
点であるゼロ・レベルと略近似した時点で交差するが、
２つの交差時点間には明確な時間間隔が存在する。

【００１３】 図１の２つの偏向信号信号を重ね合わせ
ると明きらかなように、矩形波のゼロ・クロス点は、正
弦波のゼロ・クロス点に比べて例えば３０゜という所定
量だけ位相が進んでいることが望ましい。矩形波４６及
び正弦波５０が共に初期状態で立ち下がり状態であり、
端子４４の入力信号と一致したトリガ信号に同期して発
生開始したと仮定すると、その後、矩形波４６は、図の
指示円５２で示すように立ち上がり、正弦波５０も指示
円５４で示すように立ち上がる。この結果得られるター
ゲット２６への走査パターンは、図２ではターゲットを
垂直（Ｙ）方向（又は僅かに垂直から傾斜した方向）に
横切る経路２８及び４８として示しているここで、矩形
波４６の両極値は、電子ビームがターゲット領域を超え
て偏向させられる程度に適宜設定される。図２から正弦
波５０によって水平走査の電子ビームは左から右へ又は
右から左へ比較的ゆっくりと偏向されていることが判
る。他方、矩形波信号４６はターゲット２６の経路２８
及び４８上で電子ビームを急激に上下に偏向させる。経
路４８は、矩形波及び正弦波の両偏向信号がゼロ軸付近
の立ち下がり状態の時のトレースである。

【００１４】矩形波４６及び正弦波５０の周波数が共に
光入力信号の周波数の半分の値であるとすると、走査経
路４８は、次の反復動作における入力信号の書込み部分
を表している。図示しているように、偏向信号波形４６
及び５０のゼロ・クロス点の僅かなずれは、ターゲット
上の２つの別々なトレース２８及び４８を表す。即ち、
これらトレース２８及び４８は、ターゲット２６上で水
平（Ｘ）方向の位置が不一致であり、互いに干渉するこ
とがない。一方向のみの走査の場合と比較して２倍のサ
ンプル点を取り込めるので、再トレース・ビームのブラ
ンキング（消去）動作は必要でなくなる。

【００１５】本明細書では矩形波という用語を用いた
が、偏向信号の波形は傾きが無限大の如き完全な矩形波
である必要はない。しかし、この矩形波の立ち上がり及
び立ち下がりの傾斜は、トレース２８及び４８がターゲ
ット２６上の実質的な横断路となるように正弦波５０に
比べて高速であることが必要である。また、水平偏向板
に印加する比較的低速の信号波形は正弦波である必要は
ないが、図２に示したものと同様の偏向パターン又は走
査パターンを形成するような増加及び減少変化を伴う周
期波形である。他の実施例として、水平偏向板３６に異
なる値の一定電圧を供給し、トレース２８がターゲット
２６の狭い領域を略垂直に横切るようにし、垂直偏向板
の矩形波４６の立ち下がりに応じてトレース４８が生成
される時には電子ビームをブランキング（消去）するよ
うに構成しても良い。しかし、取込みサンプル点の数を
増加出来る上にタイミング制御の問題を考慮すると、上
述の矩形波及び正弦波を組み合わせた実施例の方が好適
である。

【００１６】本発明の実施例の動作を説明する。上述の
ように、電子ビーム２４の走査は、光入力信号と実質的
に同期して行われる。実施例において入力信号は反復
（繰り返し）信号と仮定する。Ｘ及びＹの偏向信号は、
両方ともトリガ信号によって光入力信号に対してある時
間関係に維持されており、複数の偏向経路（トレース）
２８及び４８がターゲット２６上に形成され、光入力信
号の微小部分を各々が表す複数の電荷パターンが形成さ
れる。適当な電荷パターンを形成した後、例えばグリッ
ド１６の電位を制御したり又は一時的に電子ビーム２４
をターゲット２６から完全にはずれるように偏向したり
して一時的に電子ビーム２４によりターゲット２６が書
き込まれないようにする。その後、プログラマブル遅延
回路４２の制御により、入力トリガに同期した時点から
偏向信号を僅かに遅延させることにより、トリガ信号と
偏向信号４６及び５０との時間関係を僅かにずらす。タ
ーゲット上の経路２８及び４８に隣接するＣＣＤセルを
含むＣＣＤ列の総ての信号電荷が図２の左方向に向かっ
て従来のアナログ・シフト・レジスタと同様の動作によ
りシフトされる。即ち、走査経路２８及び４８に一致し
た電荷パターンが図で２８′及び４８′で示したように
左方向へシフトされ、元の電子ビームの走査経路２８及
び４８のＣＣＤセルの電荷はリフレッシュ（消去）され
る。

【００１７】トリガ信号とＸ及びＹの偏向信号との時間
間隔が変更されたので、電子ビームによりターゲットの
書込みが可能になると、光入力信号の新しい信号部分が
電子ビームを変調し、その電子ビームが経路２８及び４
８に沿って偏向される。このＣＣＤ配列のＸ方向に沿っ
て電荷パターンを順次シフトし、トリガ信号に対してＸ
及びＹの偏向信号を順次遅延させることにより、光入力
信号の強度を表す複数の信号部分を順次サンプリング
し、ＣＣＤ配列に沿って移動させ、更に新たな信号サン
プルを取込むことが出来る。以上の走査動作の遅延制御
は、取込みサンプル群が波形上で隣接するように、又は
互いに僅かずつ重なり合うように制御される。

【００１８】図２のＣＣＤ配列の最も左端の列のシフト
動作が実行されると、電荷サンプルが読み出され、これ
らアナログ値が図１のアナログ・デジタル変換器又はデ
ジタイザ５６に供給される。このデジタイザ５６は、各
セルから出力された電荷サンプルを表すデジタル値を発
生し、これらデジタル値は、プログラマブル遅延回路４
２からの対応するタイミング・データ６０と共にメモリ
・システム５８に記憶される。これらタイミング・デー
タ６０は、トリガ時点と偏向波形の発生時点間の時間差
を、ＣＣＤ配列に電荷が注入されてから読み出されるま
でに相当する時間だけ更に遅延させた時間を表してい
る。サンプリング動作は、関心のある光入力信号の総て
を取込むまで継続することが望ましい。メモリ・システ
ム５８の中に蓄積される多数のサンプル値を含むデータ
は、従来のデジタル技法によりサンプルが取り込まれた
時点に従って組み立てられる。メモリ・システム５８の
出力は、必要に応じて読み出し、時間に対する光入力信
号の強度の変化を完全に再現することが出来る。

【００１９】垂直偏向信号発生器３４の動作に応じてタ
ーゲットの狭い方の向きに高速偏向信号することによ
り、サンプリング速度及び時間分解能を改善することが
出来るという効果がある。高速な垂直偏向信号信号の発
生を実現するには、垂直偏向板３２の間隔を水平偏向板
の場合よりもっと接近させ、垂直偏向信号発生器３４か
らの矩形波４６に応じて電子ビーム２４を偏向させる効
率を最高にすることが望ましい。これは、ターゲットの
垂直方向が水平方向より狭くなっているので可能であ
る。また、入力信号の各サンプルを表す電荷を再生する
為に入力信号の所定の回数の繰り返し後、かなりの数の
サンプル（１個とか数個程度ではない）が得られるの
で、サンプリング速度を更に高速にすることが出来る。

【００２０】本発明に係る装置は、従来のストリーク・
オシロスコープの非サンプリング・モードを採用するこ
とも出来る。即ち、偏向信号を光入力信号の入射中に例
えば水平（Ｘ）偏向板にだけ偏向信号を印加し、その結
果得られる電荷パターンを連続的に読み出せば良い。こ
の場合、水平偏向板３６に供給する偏向信号は、矩形波
ではなく傾斜波が望ましい。この場合のストリーク・オ
シロスコープは、リアル・タイム・モードで動作する。

【００２１】更に、各光入力信号に対して多数の光信号
を発生させて同じ光電陰極１２に集束させ、別々の電子
ビーム２４を発生させることも可能であることに留意さ
れたい。従って、多数の入力チャンネルに対してサンプ
リング・モード及びリアル・タイム・モードの何れかで
動作させることが可能である。

【００２２】以上本発明の好適実施例について説明した
が、本発明はここに説明した実施例のみに限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱することなく必要に応
じて種々の変形及び変更を実施し得ることは当業者には
明らかである。

【００２３】

【発明の効果】本発明の光サンプリング・システムは、
ストリーク管のターゲットとしてＣＣＤセルの２次元配
列を採用し、電子ビームの偏向方向を略直交させた２つ
の偏向板に夫々正弦波信号及び矩形波信号を供給し、こ
れら正弦波信号と矩形波信号の周期を同一とし、且つ所
定の位相差を有するように構成にしたので、電子ビーム
をターゲット上で異なる往路と帰路に沿って往復掃引さ
せることが可能となり、従来の一方向掃引の場合の２倍
のサンプルを１回の往復掃引で得ることが可能となるの
で、サンプリング動作の時間分解能及びサンプリング速
度を飛躍的に向上出来る。更に、往復掃引における往路
と帰路との離間距離は、正弦波信号と矩形波信号との間
の所定の位相差で決まり、容易に相互干渉を除去でき
る。また、往復掃引でサンプリングできるので、従来の
ような一方向掃引の場合のようにブランキング動作をさ
せる必要がなく、回路構成及び制御が簡単になる上に、
ブランキング期間のような無駄な時間も発生しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光サンプリング・システムの好適実施
例のブロック図である。

【図２】図１の実施例のターゲットの動作を説明する図
である。

【符号の説明】

１２ 光電陰極 １６ グリッド １８、２０、２２ 電子レンズ ２４ 電子ビーム ２６ ターゲット ３２ 垂直偏向板 ３４ 垂直偏向信号発生器 ３６ 水平偏向板 ３８ 水平偏向信号発生器 ４０ 駆動回路 ４２ プログラマブル遅延回路 ４６ 垂直偏向信号 ５０ 水平偏向信号 ５６ デジタイザ ５８ メモリ・システム

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光入力信号に応じて電子ビームを発生す
   る光電陰極と、該光電陰極から離間して設けられ、上記
   電子ビームにより書込み可能な複数のＣＣＤセルの２次
   元配列を含むターゲットと、該ターゲット上に上記電子
   ビームを集束させる手段とを含む画像手段と、 第１偏向信号を受け、上記ターゲットの第１の方向に上
   記電子ビームを偏向させる第１偏向手段と、 第２偏向信号を受け、上記第１偏向手段による上記第１
   の方向への偏向速度より高速に上記第１の方向と略垂直
   な第２の方向に上記電子ビームを偏向させる第２偏向手
   段と、 上記ターゲットの上記２次元配列から上記光入力信号の
   サンプルを表す電荷を出力端に転送する駆動手段とを具
   え、 上記第１偏向信号は正弦波信号であり、上記第２偏向信
   号は上記正弦波信号と同一の周期を有し、且つ所定位相
   差を有する矩形波信号であり、上記電子ビームを上記タ
   ーゲット上で往路と帰路の異なる経路で往復掃引させる
   ことを特徴とする光サンプリング・システム。