JPS596015B2 - フレ−ミング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電子ビームのシャッタおよびフレーミング作
用をするフレーミング管を用いて極めて短い測定時間と
間隔で画像を得るフレーミング装置に関する。

例えばレーザ・ビームで重水のカプセルを爆縮したとき
に生じる極めて高速で変化する核融合の現象を高い時間
精度で得た連続した画像は核融合炉の開発などの貴重な
資料となる。

このような撮影には極めて短い露光時間と露光間隔が要
求される。

（以下この発明では画像のサンプリング期間を露光時間
、サンプリング間隔を露光間隔と言うことにする。

）フレーミング撮像装置はこのような用途に用いられる
装置で、フレーミング管はフレーミング撮像装置の中枢
に用いられる真空管である。

従来のフレーミング撮像装置およびフレーミング管は次
に述べるような構造を有し、動作をするものであるが構
造および動作が複雑で、かつ露光時間や露光間隔につい
て十分な精度が得られない。

従来のフレーミンク装置の第１例を第１図に示す。

１はフレーミンク管の断面で、円筒状気密容器１１の第
１の透明な底面１２の内壁に光電面１３を形成し、光電
面に平行かつ近接した網状電極１４を設け、円筒状気密
容器１１の第２の透明な底面１９の内壁に蛍光面１８を
形成し、網状電極１４と蛍光面１８の光電子ビームの通
路を挾んで偏向電極１６および１７を設けて゛ある。

なお１５は集束電極である。

光電面１３は直流電源２４によって蛍光面１８に対して
低電位に維持されているが、網状電極１４は直流電源２
３および抵抗２６によってさらに低電位に維持されてい
るので、光電面１３に光学像Ａが投影されても光電子は
網状電極１４に遮断されるがパルス電源２０から網状電
極１４に第２図１に示すような正電圧矩形波パルスがコ
ンデンサ２５を介して加えられた瞬間のみ通過し、同時
に偏向電極１６と１７の間にランプ電圧発生器２７から
上記パルスが数個発生する期間に光電子ビームを蛍光面
１８の一端から他端まで掃引するような第２図■に示す
ランプ電圧を加えて蛍光面１８に上記パルスの時間間隔
ごとに変化した光学像Ａを複数の画像Ａｌ 、Ａ２゜Ａ
３・・・として再現する。

このようなフレーミング撮像装置ではパルス発生技術上
の問題から１０ナノ秒以下の短い露光時間を得ることが
できない。

また露光間隔は、第２の画像Ａ２が第１の画像Ａ１に重
ならないように光電子ビーム偏向するに要する時間で決
まる。

すなわち、ランプ電圧発生器２７の送出する電圧の変化
の速度によって決まるが、５０ナノ秒が限界である。

なお、偏向電極１６と１７に加える電圧は、ランプ電圧
に代えて第２図■に示すようなパルス電源２０から矩形
パルスが送出する期間は定常で矩形パルスが送出しない
ときに変化するような電圧であれば一層鮮明な画像が得
られる。

また網状電極１４に正電圧パルスを加える代りに光電面
１３に負電圧パルスを加えてもよいが、上記の露光時間
や露光間隔に関する性能の限界は同等である。

従来のフレーミング撮像装置の第２例を第３図に示す。

３はフレーミング管の断面で円筒状気密容器３１の第１
の透明な底面３２の内壁に光電面３３を形成し、第２の
透明な底面４１の内壁に蛍光面４０を形成し、光電面３
３と蛍光面４０の間に複数の平行なスリット板３７１，
３７２，３７３を有するスリット板３７を光電面３３と
蛍光面４０の間にそれらと平行に設け、さらに光電面３
３とスリット板３７の間に光電子の通路を挾んで偏向電
流３５および３６が対をなすように設けてあり、スリッ
ト板３７と蛍光面４０の間に光電子の通路を挾んで偏向
電極３８および３９が設けである。

なお、３４は集束電極である。光電面３３は直流電源４
２によってスリット板３７に対して低電位に維持されて
いるから光電面３３に光学像Ｂが投影されたとき放出す
る光電子はスリット板３７に衝突する。

このときランプ電圧発生器４８から偏向電極３５と３６
の間にランプ電圧を加えると電子ビームはスリット３７
Ｌ３７２゜３７３に垂直に掃引され、光電子ビームが構
成する像の一端から１＠次スリット３７１を通過し、続
いて掃引速度とスリット間隔で決まる時間遅れてスリッ
ト３７２．さらにスリット３γ３を光電子ビーム像の一
端から順次通過する。

さらにスリン）３７１，３７２，３７３を通過した光電
子ビームは、上記掃引速度とスリット間隔で決まる時間
間隔の間に変化した光学像Ｂを一端から時系列に配列し
たものであるから、ランプ電圧発生器４７から偏向電極
３８と３９の間に逆極性のランプ電圧を加えると、蛍光
面上に上記時間間隔ごとの光学像Ｂを複数の画像Ｂｌ
、Ｂ２ 、Ｂ３ として再現する。

このフレーミング撮像装置によって得られる画像１３１
、Ｂ２．Ｂ３はいずれも時刻の異なる光学像Ｂの各
部分を再構成したものであって同一時刻の像ではない。

まだ、スリット板３７で電子ビームの大部分を遮ってい
るので蛍光面４０上で像を再現する光電子ビームの利用
率が悪い。

また、このようなフレーミング撮像装置ではランプ電圧
発生器４７および４８の送出する電圧の変化の速度の限
界によって露光時間および露光間隔が決まり、電子ビー
ム像がスリットを横切る時間１００ピコ秒以下、蛍光面
４０の上で像Ｂ１ とＢ２が重ならないために必要な偏
向時間５０ナノ秒以下の露光時間および露光間隔を得る
ことは困難である。

従来のフレーミング撮像装置の第３例を第４図に示す。

５はフレーミング管の断面で円筒状気密容器５１の第１
の透明な底面５２の内壁に光電面５３を形成し、第２の
透明な底面６４の内壁に蛍光面６３を形成し、光電面５
３と蛍光面６３の間にシャッタ電極５６，５７．補正電
極５９．６０、シフト電極６１，６２を設け、光電面５
３と蛍光面６３の間に直流電圧源６８を接続し、蛍光面
６３に対応して光電面５３を低電位に維持している。

このとき光電面に光学像Ｃが投撮されたとき、繰返し偏
向電圧発生器６５からシャッタ電極５６゜５γに第５図
■に示すような繰返し偏向電圧を加えて電子ビームを図
面の下から上へ偏向し、補正電極５９，６０に上記シャ
ッタ電極５６．５７とは逆の方向に同位相か僅かに遅延
した上記繰返し偏向電圧と同じ波形の偏向電圧を加える
ことによリ、特定の瞬間における電子ビームを通過させ
、さらに、ランプ電圧発生器６６からシフト電極６１、
６２に上記電子ビームが蛍光面６３を掃引するような第
５図Ｖに示すランプ電圧を加えて、蛍光面６３の上に上
記繰返し電圧波形の周期の２分の１の時間間隔ごとに変
化した光学像Ｃを複数の画像Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３として再
現する。

なお第４図において５４は集束電極、５５はアノード電
極、５８はアパーチャ板である。

このようなフレーミング撮像装置はランプ電圧発生器の
他に繰返し偏向電圧発生器を必要とする。

また、第１例の場合と同じ理由から露光時間はｌＯナノ
秒、露光間隔は繰返し偏向電圧の周期で決まり５０ナノ
秒が限界である。

この例においてもシフト電極６１と６２に加える電圧は
ランプ電圧に代えて第５図■に示すような繰返し偏向電
圧がＯボルトとなる前後では定常で、そうでないときに
変化するようノな電圧であれば一層鮮明な画像が得られ
る。

以上３例のフレーミング撮像装置で用いられる偏向電圧
は数キロボルト以上の振幅と１ボルト／ピコ秒程度の高
速の電圧の変化を要するが、このように大きな振幅と高
速の電圧の変化をする電圧の発生は技術的に極めて困難
である。

本発明は以上に述べたような従来のフレーミング撮像装
置の有する欠点を除去したフレーミング撮像装置を提供
することにある。

本発明によるフレーミング撮像装置は真空気密容器内に
設けた平行かつ対面する光電面と蛍光面の間に電極によ
り分割された複数の電子ビーム通路部分を持つシャツタ
板を有するフレーミング管を使用する。

被写体からの入射光は前記フレーミング管の複数の電子
ビーム通路部分に到達するように、半透明鏡等を含む光
学装置で、複数個に分割されて前記フレーミング管の光
電面の各部分に入射させられる。

フレーミング管のシャツタ板の前記電子ビームの通路に
対応する各電極の間にそれぞれ時間のずれたランプ電圧
を加えることにより、電子ビームのシャッタおよびフレ
ーミングが行われる。

本発明によるフレーミング撮像装置では露光間隔をきわ
めて短い時間において容易に変化させることができる。

以下、図面等を参照して本発明によるフレーミング撮像
装置を詳しく説明する。

第６図は本発明によるフレーミング撮像装置の実施例を
示す概略図である。

第７図は本装置で用いるフレーミング管のランプ電圧発
生回路の実施例を示す回路図である。

第８図はフレーミング管の動作を説明するための電圧波
形図である。

第９図はフレーミング管のシャツタ板の正面図である。

第１０図はフレーミング撮像装置により撮像されたフレ
ーミンク管の蛍光面上の像を示す図である。

第６図において、７１は高速で変化する被観測体、７２
，７３，７４，７５，７６．７７および７８ば、上記被
観測体７１の像を２つに分け、それぞれの像を等しい光
路長で、次に詳細に述べるフレーミング管８０の光電面
８２の異なる部分に投影する光学装置を構成する。

７２はリレーレンズ、７７および７８は結像レンズ、７
３は半透明鏡、７４，７５および７６は反射鏡である。

ここで像を２つに分けるとは像を幾何学的に２つの部分
に分割するのではなく、２つの同一な光学像を得ること
である。

線りおよびＥは被観測体７１から後述するフレーミング
管８０の光電面８２に結像する被観測体７１の光学像ま
での光の径路を示す。

８０はフレーミング管の断面で有底円筒状の気密容器８
１の第１の底面内壁に光電面８２を第２底面内壁に蛍光
面８６を形成してあり、上記光電面８２と蛍光面８６の
間に順次メツシュ状の電［８３，シャンタ板８４．マイ
クロチャンネルプレート８５を設けである。

メツシュ状の電極８３は後述するようにシャツタ板８４
にその面に平行な電圧を加えたときに生ずるその面に沿
った電位勾配にも拘わらす光電面８２から放出する光電
子をシャツタ板８４の方向へ一様に加速するために設け
である。

シャツタ板８４は第９図に示したその正面図によって説
明すれば、その面に垂直に直径数十ミクロンの貫通孔が
極めて多数段けられ、それ自体適当な電気抵抗を有する
板状体の一部に導電体からなる層を間隔をおいて形成し
て電極８４１．８４３および８４５とし、上記電極に挾
まれる部分を光電子ビームの通路８４２および８４４と
するもので、シャツタ板８４の電極８４１と８４３との
間の電圧がＯボルトまたは十分小さいとき光電子ビーム
の通路８４２に貫通孔に平行に入射した電子は貫通孔を
通過できるが、所定の電圧より太さいとき貫通孔の内壁
に衝突して吸収される。

従って電極８４１と８４３の間に極性が反転するような
ランプ電圧を加えると電圧がＯボルトとなる前後の極め
て短い期間のみ光電子ビームが通過するから電子ビーム
のシャッタとして動作する。

通路８４４も同様の動作を行う。８５はマイクロチャン
ネルプレートと呼ばれる電子増倍器で、平板状をなし、
その面に垂直または数度傾けた孔が設けてあり、上記貫
通孔内壁は二次電子放出能を有するもので両面の間に電
圧を加えたとき、低電位の面から入射した電子の数を増
倍して高電位の面から放射するものである。

直流電源９１によってメツシュ電極８３とシャツタ板８
４の中央の電極８４３の電位は光電面８２より１キロボ
ルト高り保たれており、マイクロチャンネルプレート８
５のシャツタ板８４に対面する面は直流電源９２によっ
てメツシュ電極８３よりさらに１キロボルト高く保たれ
ており、マイクロチャンネルプレート８５の蛍光面８６
に対面する面は直流電源９３によってそのシャツタ板８
４に対面する面より、８００ボルト高く保たれており、
蛍光面８６は直流電源９３によってそのシャツタ板８４
に対面する面より、８００ボルト高く保たれており、蛍
光面８６に対面する面よりさらに３キロボルト高く保た
れている。

シャツタ板８４の電極８４１はランプ電圧発生器１００
の出力端面図１１１より加える第８図に示す極性の反転
するランプ電圧■によって１００ボルトから一１００ボ
ルトまで変化する。

上記ランプ電圧は振幅がだかだか２００で十分であるか
ら第７図に示すようなトリガパルス発生器１０８の送出
するトリガパルスによって導通するスイッチングトラン
ジスタ１０１でキャパシタ１２１の電荷を放電すること
によって極めて高速で変化するランプ電圧が得られ、従
ってシャッタ時間を極めて短くすることができる。

例えばランプ電圧の変化の速度が５ボルト／ピコ秒であ
り、入射電子のエネルギが１キロボルトであり、貫通孔
の内径２５ミクロン、長さ５ミリメートル、電極８４１
と８４３との間隔をｌＯミリメートルとすれば１６ピコ
秒の露出時間となる。

同様に、シャツタ板８４の電極８４５に上述のようなラ
ンプ電圧をランプ電圧発生器１００の出力端１１２より
加えることによってシャッタ動作をする。

このとき第７図のトリガパルス発生器１０８からスイッ
チングトランジスタ１０２のベースまでの伝送線路の長
さＬ２ をトリガパルス発生器１０８からスイッチング
トリガ１０１のベースまでの伝送線路の長さＬｌ よ
り長くすることによって所望の時間だけ遅延させること
ができる。

例えばＬｌ よりＬ２を２０ミリメートルだけ長くすす
ることによって約１００ピコ秒遅延できる。

さらに上記伝送線路の一部に第１１図に示すような直列
のインダクタンス１０３と１０４およびその接続点に可
変キャパシタ１０５を並列に接続したＴ型回路網を挿入
し、可変キャパシタ１０５の容量をかえることによって
遅延時間を調整することができる。

このようにして得られたシャツタ板８４の電極８４１に
加わる電圧の波形を第８図■に電極８４５に加わる電圧
を■に時間軸を共通にして示しである。

上述の装置では、トリガパルス発生キャパシタ１０８は
独立にパルスを発生するが前述の被観測体７１の光学像
を光電面８２に投影するだめの光路長より短い光路長で
被観測体７１の発する光を検知するピンフォトダイオー
ドの出力パルスを用いれば被観測体７１の生ずる現象に
同期してフレーミング撮像することができる。

また第６図において被観測体７１から光電面までの二系
列の光路ＥとＤは等しい光路長であるとして説明しだが
、これらの光路長に差があってもよい。

このときは前述のトリガパルス発生キャパシタ１０８か
らトランジスタ１０１および１０２０ベースまでの伝送
線路の長さを調整することによって補償することができ
る。

上述の装置において被観測体７１の像はリレーレンズ７
２を経て半透明鏡７３によって透過するものと反射する
ものとの二系列に分岐され、一方は反射鏡７４．７５を
経て結像レンズによって光電面８２のシャツタ板８４０
通路８４２に対向する部分に結像する。

同様に他方は反射鏡７６を経て光電面８２のシャツタ板
８４の通路８４４に対向する部分に結像する。

従ってこれら２つの光学像はそれぞれ光電子ビーム像に
変換され、メツシュ電極８３により加速され、シャツタ
板８４の通路８４２および８４４に入射する。

この光電子ビームはシャツタ板８４の面に沿って１００
ボルト印加しであるから、貫通孔の管壁に吸収されシャ
ツタ板８４の通路を通過できない。

このとき電極８４１に第８図■に示すランプ電圧が、電
極８４５に第８図■に示すランプ電圧が加えられるとそ
れぞれ絶対値が４０ボルト以下となる１６ピコ秒間のみ
電子ビームは通過する。

上述のランプ電圧■と■は前述のように伝送線路の長さ
の差によって１００ピコ秒だけずらして発生すれば第１
０図に示すように１００ピコ秒の時間をおいた被観測体
７１の像７１１および７１２が蛍光面８６上に得られる
。

このとき可変キャパシタ１０５の容量を変化することに
よって２つの像７１１と７１２の時間差を変えることが
できる。

以上の説明は電子ビームの通路が２個所である場合につ
いて述べだがより多いときも本発明が成り立つことは明
白である。

このとき、より多くの反射鏡でより多くの光学像に分割
しなければならないが、電子ビームの通路の個所に相当
するそれぞれ時間間隔をもった像を得ることができる。

なお被観測体の発する光の強度の変化のみを観測すれば
よいときは、被観測体の像を結像する結像レンズを省略
することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は従来のフレーミング撮像装置の第１例を示す図
である。 第２図は第１図のフレーミング撮像装置において用いら
れる電圧波形を示す図、第３図は従来のフレーミング撮
像装置の第２例を示す図、第４図は従来のフレーミング
撮像装置の第３例を示す図で第５図は第４図のフレーミ
ング撮像装置において用いられる電圧波形を示す図であ
る。 第６図は本発明によるフレーミング撮像装置の実施例を
示す概略図である。 第７図は本装置で用いるフレーミング管のランプ電圧発
生回路の実施例を示す回路図である。 第８図はフレーミング管の動作を説明するだめの電圧波
形図である。 第９図はフレーミング管のシャツタ板の正面図である。 第１０図はフレーミング撮像装置により撮像されたフレ
ーミング管の蛍光面上の像を示す図である。 第１１図はランプ電圧発生器に必要に応じて挿入される
遅延回路の図である。 ７１・・・被観測体、７２・・リレーレンズ、７３・・
・半透明鏡、７４，７５，７６・・・反射鏡、７７．７
８・・・結像レンズ、８０・・・フレーミング！’、８
１・・・フレーミング管の容器、８２・・・光電面、８
３・・・メツシュ状ｉＥ極、８４・・・シャツタ板、８
４１，８４２゜８４３・・・シャツタ板の偏向電極、８
４２．８４３・・・シャツタ板の電子ビーム通路部分、
８５・・・マイクロチャンネルプレート、８６・・・蛍
光面、１００・・・ランプ電圧発生回路、１０１，１０
２・・・ランプ電圧発生回路に含まれるスイッチングト
ランジスタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空気密容器の第１の内面に設けられだ光電面、前
   記容器の前記第１の内面に平行な第２の面に設けられた
   蛍光面、前記蛍光面と光電面間に偏向電極で分割され、
   それぞれ衝突した電子を吸収する内面を持つ多数の貫通
   孔を有する複数の電子ビーム通路部分を持つシャツタ板
   を含むフレーミング管と、被観測体からの光を分割して
   前記フレーミング管の複数の電子ビーム通路部分に対応
   する光電面上の複数の位置に導く光学装置と、前記フレ
   ーミング管のシャツタ板の複数の電子ビーム通路部分に
   時間のずれたランプ電界を供給するように前記偏向電極
   にランプ電圧を供給するランプ電圧発生器とから構成し
   たフレーミング装置。 ２ 前記光学装置は被観測体の同一時点の像を複数に分
   割する半透明鏡と、分割された像を前記フレーミング管
   の複数の電子ビーム通路部分に対応する光電面方向に導
   く反射鏡と、前記光電面上に結像する光学レンズとから
   構成されている特許請求の範囲第１項記載のフレーミン
   グ装置。 ３ 前記ランプ電圧発生器が発生する各電子ビーム通路
   部分に対応するランプ電圧間の前記時間のずれは、ラン
   プ電圧発生器に設けられた遅延回路の遅延時間を調節す
   ることにより可変である特許請求の範囲第１項記載のフ
   レーミング装置。 ４ 前記フレーミング管のシャツタ板の上下端およびそ
   の中間の位置に設けられた３枚の偏向電極と２つの電子
   ビーム通路部分を持つ特許請求の範囲第１項記載のフレ
   ーミング装置。