JPS61182534A - 超高速光現象の多チャンネル同時計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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、例えばレーザ励起螢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
多チャ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
面と螢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。

この光電子が螢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
変化が螢光面上の一方向（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５９−３０４５１９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
るのに通しているが、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（多チャンネルの同時計測）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、螢光面上のストリーク像をテレビジョンカメラ
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。

この解析方法によっ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フイ一ルド期間にわたってストリー
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、次のような問題点かあ一す、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
ミックレンジが得られない。

■撮像管のターゲットではターゲットの容量に電荷をＮ
積しているが、１フイールドで得られるダイナミックレ
ンジは通常１００：１程度である。

■上述の１フイ一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。

■複数フィールドの映像信号を積算する場合でも、上記
■■で総合のダイナミッ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
イナミックレンジを改善できるが、前述したように多チ
ャンネルの同時計測ができない。

また、どうしても、多チャンネルを計測しようとすれば
、１チャ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、各チャンネルの同時性も
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、例えばレーザ励起螢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
現象の多チャ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
多チャ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ットをも
つスリット板を介して螢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螢光面に前記偏
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ャンネル同時
計測装置の第１の実施例を示すブロック図である。

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、螢光発光を誘起させて、その螢光発光を
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−２により分岐され、ハー
フミラ−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
る螢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螢光パルス列を分
光する分光器４、分光器４で分光された光を透過させる
スリット５、レンズ６から形成されている。

前記スリット板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ット板は不
要である。

光学要素によっ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
記スリット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って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（福引方向）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である。

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ュ電極７２が設けら
れており、メツシュ電極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ャ坂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、前記螢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、スリット板７７を介
して、ファイバプレート７９の内面に形成されている螢
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ット板７７のスリットは
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２０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２
２，２３．２４から構成されている。特に電源２７によ
りスリット板７７と螢光面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である。

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−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って、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螢光面に到達
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１として３次元的に
示している。

ｔｌ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っ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ってストリーク管
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）〜（に）は、それぞれ螢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により螢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、λにはそれぞれ光電面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
を前記スリット板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く幅）は目的に応じて、
選定できる。

この実施例では１００μｍＸ５ｍｍの長方形にしである
。

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
螢光面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変換変換器群中８中／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には螢光の第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
る各波長成分の点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螢光発光波形を再構
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１６の出力と同期
してＶＤ、Ｔ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ャ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とスリット板７７の間
にマイクロチャンネルプレート７６を配置し、増倍され
た光電子をスリット板７７を介して螢光面７８に入射さ
せるようにしたものである。

電源２６はマイクロチャンネルプレート７６の動作電圧
を供給するための電源、電源２５はマイクロチャンネル
プレート７６とスリット板７７間の加速電界を発生させ
る電源、電源２７はスリット７７と螢光面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ャンネル同時計
測装置を実現できる。

第７図は前記超高速光現象の多チャ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ァイバ８０４−１〜８０
４−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、光ファイバ８０４−１〜８０
４−ｘが埋め込まれている。

光ファイバ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。

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

コバールガラスの面板７０２に光ファイバ８０４−１〜
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ァ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ァ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ァイバを固定する。

前記接合の後、光電面が形成されるべき面を研暦する。

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

前記７ｙイハ８０４−１〜８０４−ｘ（７）面板７゜２
からの延出部を除き、面板７０２の表面に黒色塗料によ
る遮光層７０５を形成し、各ファイバ８０４−１〜８０
４−ｘ以外からの光の入射を阻止しである。

前記光ファイバ８０４−１〜８０４−ｘの先端を種々の
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
と前記光ファイバ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
溝を形成しファイバと面板を接続したが、ダイアモンド
ドリルで面仮に直接孔を開けて、ファイバを挿入して粉
ガラス等で固定することもできる。

また、面板としてファイバプレートを用いることもでき
る。

光電面７１の前面にファイバのコアの径よりも幅の狭い
スリットを有するアルミニュウムの遮光スリット板を形
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、光ファ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ャンネル同時
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っ
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−５１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−５１で分岐された他のパルス列はハーフミ
ラ−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−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の前面にはスリット板５が配置されてお
り、干渉縞の一部をスリッ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
てメツシュ電極を示したが、この電極はスリット状の開
口部をもつ電極であっても良い。

（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
の多チャ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ットを有するスリット板を
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で
あるから従来不可能であった超高速光現象の多チャンネ
ル同時計測が可能になった。

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ィコンまたはＣＯＤ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ックレンジ） 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（スイッ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、０１７２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ッチングノイ
ズが零である。

通常、リニアアレイの最小検出限界はスイッチングノイ
ズで制限されている。

しかし、ダイオードアレイではスイッチングノイズがな
いため、最小検出限界をアンプのノイズまたは、光電流
のショッ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。

ラインセンサでは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。

したがっ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っ　ノこ。

場所によって測定時間（積分時間）を変えることも可能
となった。

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、−素子光
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１００ｎ　ｓ　／　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ャンネル同時
計測装置の第１の実施例を示すブロック図である。 第２図は前記超高速光現象の多チャ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。 第６図は前記超高速光現象の多チャ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ャ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ャンネル同時
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１Ｏ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−３・
・・被測定試料　　　　４・・・分光器５・・・スリッ
ト板（光学手段）　　　６・・・レンズ７・・・ストリ
ーク管 ７１・・・光電面　　　　　７２・・・メツシュ電極７
３・・・集束電極　　　　７４・・・アパーチャ板７５
・・・偏向電極 ７６・・・マイクロチャンネルプレート７７・・・スリ
ット板（ストリーク管）７８・・・螢光面　　　　　７
９・・・ファイバプレート８・・・ホトダイオードアレ
イ ９・・・ＰＩＮホトダイオード

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （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ットをもつスリット板を介して螢
   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
   ストリーク管の螢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ャンネ
   ル同時計測装置。
2. （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ャンネル同時計測装置。
3. （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ャン
   ネル同時計測装置。
4. （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ットをもつスリット板と、
   前記スリッ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ャンネル同時計測装置。
5. （５）前記スリッ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ャンネル
   同時計測装置。
6. （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ャンネル
   同時計測装置。
7. （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
   ファイバである特許請求の範囲第１項記載の超高速光現
   象の多チャンネル同時計測装置。
8. （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ッ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ャンネル同時計
   測装置。