JPH01121766A - 電圧検出装置 - 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、光変調器を用いてピコ秒オーダの時間分解能
で電圧を検出する電圧検出装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、光変調器を用いて電圧を検出する装置が知られて
いる。

第４図、第５図はそれぞれ米国特許筒４．４４６．４２
５号、１９８６年１０月１５日に欧州特許庁で発行され
た特許出願公開明細書筒０．１９７．１９６号に開示さ
れているこの種の従来の電圧検出装置の概略構成図であ
る。

第４図の電圧検出装置では、パルス光源５ｏから１２０
フ工ムト秒程度の短光パルスを繰返し出力し、との短光
パルスをチョッパ５１．可変遅延器５２を介し被測定物
５３９例えば光電スイッチに入力させる一方、光変調器
４ｏに入射させている。光変調器４０は、偏光子５５．
ポッケルスセル５４９位相補償器５６．検光子５７で構
成され、入射した短光パルスが被測定物５３がらの電圧
により変調される現象を利用し、電圧波形を光強度の形
で取出すようになっている。より詳しくは短光パルスに
同期して被測定物５３がら出力される検出されるべき電
圧を光変調器４ｏのポッケルスセル５４に加える一方、
ポッケルスセル５４にはパルス光源５０からの短光パル
スのうち偏光子５５によって抽出された所定の偏光成分
のものを入射させる。ポッケルスセル５４には、電圧の
印加で屈折率が変化する例えばＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３゜
Ｌ　ｉ’　Ｔ　ａ　Ｏ３などの電気光学材料が用いられ
ている。電気光学材料の上記性質によって、ポッケルス
セル５４に入射した短光パルスは、被測定物５３からの
電圧により偏光状態が変化し変調されて出射光として出
射し、位相補償器５６を介して検光子５７に入射する。

検光子５７では、位相補償器５６からの出射光から直交
する２つの偏光成分を抽出し、それぞれ変調された光強
度信号を光変調器４０からの出力として光検出器５８．
５９に入射させるようになっている。光検出器５８゜５
つでは、各偏光成分の光強度を検出し、差動増幅器６０
で光検出器５８．５９からの出力信号を差動増幅し、ロ
ックインアンプ６１．平均器６２を介し検出結果をデイ
スプレィ６３に表示するようになっている。

なお、可変遅延器５２は、被測定物５３からの電圧発生
タイミングを徐々に遅延させて電圧波形のサンプリング
点を定めるためのものである。またロックインアンプ６
１は、差動増幅器６０からの出力のうち、チョッパ５１
の周波数で定まる周波数成分だけを増幅して取出すよう
になっており、これによりノイズを減少させることがで
きる。また、平均器６２はロックインアンプ６１の出力
を平均化するようになっている。

このような構成の電圧検出装置では、光変調器４０のポ
ッケルスセル５４に電圧Ｖが加わると、光変調器４０か
ら光検出器５９に出力される出射光の光強度■は、電圧
Ｖに対して第６図（ａ）に示すようなＶ−１特性となる
。いよ被測定物５３からの電圧が光変調器−〇、より詳
しくはポッケルスセル５４に加わっていないときに光検
出器５９への光強度Ｉは、位相補償器５６の設定を変え
ることによって変化する。ここで最大の光強度をＩｏと
するとき、光検出器５９への光強度を光強度Ｉ。の５０
％となるように位相補償器５６を設定すると、第６図（
ａ）の■−■特性かられかるように、光変調器４０には
見かけ上、動作点電圧ｖ７／２が加わったときと等価に
なり動作点がＡで示すところに定められる０位相補償器
５６をこのように設定すると、光変調器４ｏに被測定物
５３から第６図（ｂ）に示すような変調電圧ΔＶが加わ
るとき、検光子５７から光検出器５９に入射する出射光
の光強度Ｉは第６図（Ｃ）のようになる。

第６図（ａ）乃至（Ｃ）かられかるように動作点Ａでは
検光子５７からの出射光の光強度■は電圧変化にほぼ比
例して最も大きく変化するので、最大の交流成分ＩＡＣ
を得ることができる。一方、動作点Ａでは光強度Ｉに直
流成分■Ｄｃが含まれているが、差動増幅器６０におい
て光検出器５８．５９からの互いに逆位相の２つの出力
信号を差動増幅することにより直流成分Ｉ。０を取除き
交流成分ＩＡＣだけを電圧検出結果として感度良く検出
することができる。また差動増幅器６０からの出力は、
ロックインアンプ６１に加わり、チョッパ５１の周波数
、例えばＩＫＨ７で定まる周波数成分のみが増幅され、
ノイズを減少させることができる。

また第５図の電圧検出装置では、直流光源７０からのＣ
Ｗ光を光変調器４０を介してストリークカメラ７１に加
え、被測定物５３からの電圧によって変化する検光子５
７からの出射光の光強度をストリークカメラ７１で観測
し、ロックインアンプ６１．平均器６２を介しデイスプ
レィ６３に表示して電圧を検出するようになっている。

なお、被測定物５３から出力される電圧、およびロック
インアンプ６１の動作は、パルス発生器７２からのパル
スと同期している。またストリークカメラ７１の偏向器
（図示せず）に加わる掃引電圧は、パルス発生器７２か
らのパルスに対し、位相シフタ７３により徐々にずれた
タイミングとなっている。

このような構成の電圧検出装置では、検出器としてスト
リークカメラ７１を用いているため、動作点を第６図（
ａ）に符号Ｂで示すところに設定する。すなわちストリ
ークカメラ７１では、ダイナミックレンジを大きくとれ
ず、光強度Ｉの直流成分Ｉ、。が大きいと検出されるべ
き信号としての交流成分ＩＡＣを観測することができな
いので、光変調器４０に加わる電圧Ｖがｂ リークカメラ７１への光強度Ｉが最小となるよう位相補
償器５６を設定し、動作点がＢで示すところに定められ
る。

この動作点Ｂは、直流成分ｌ。Ｃを極めて小さくするこ
とができるので、直流成分■。Ｃに対する交流成分！、
。の比として定まる変調度ＭＯＤを最大にすることがで
きてダイナミックレンジの狭いストリークカメラ７１に
おいても交流成分夏ＡＣを観測することができる。なお
動作点Ｂは、動作点Ａに比べ交流成分■ＡＣがかなり減
少するが、ストリークカメラ７１の増倍機能により交流
成分ＩＡＣを増倍し測定可能にしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第４図の電圧検出装置では、動作点をＡに設定し最大の
交流成分ＩＡＣを得ることができるものの、光強度■に
は直流成分■。Ｃも含まれるため、ダイナミックレンジ
の狭い一般的な高速光検出器としてのストリークカメラ
を用いることができず、これにより光源には高価で取扱
いが難かしいパルス光源を用いねばならないという問題
があった。またパルス光源からの短光パルスはそのスペ
クトル幅が広いためにポッケルスセル５４において複屈
折の首長分散が生じ、これを補正しなければならないと
いう問題があった。

一方、第５図の電圧検出装置では、動作点をＢに設定し
、直流成分■。０を著しく減少させているので、直流光
源７０とストリークカメラ７１との組合せが可能となる
が、ダイナミックレンジの狭い一般的なストリークカメ
ラを用いているため、動作点はＢに固定され°動作点を
自由に設定することができず、融通性番こ°欠けるとい
う問題があった。

また動作点を光量が最小となるところに設定しているの
で、暗電流による雑音の影響を受は易く、さらには直線
性の良い出力信号を得ることができないという問題があ
った。

本発明は、動作点を自由に設定できて、また光源からの
光量が多い場合にも光検出器を飽和させずに被測定物の
電圧を極めて高感度にかつ直線性良く検出することの可
能な電圧検出装置を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、検出されるべき電圧に対応した光強度信号を
出力する光変調手段と、光変調手段からの光強度信号を
検出するサンプリング型高速光検出手段とを備え、前記
光強度信号は、前記サンプリング型高速光検出手段に入
射する以前にチョップされていることを特徴とする電圧
検出装置によって、上記従来技術の問題点を改善するも
のである。

〔作用〕

本発明では、光変調手段に被測定物の電圧が加わると、
入射光はその偏光状態が変化し変調されて、電圧の大き
さに対応した光強度信号となって光変調手段から出力さ
れ、サンプリング型高速検出手段に入力する。サンプリ
ング型高速光検出手段では、この光強度信号をサンプリ
ング抽出し光強度波形として観測し、これに基づき被測
定物の電圧を検出する。ところでサンプリング型高速光
検出手段は、ダイナミックレンジが広いので、光変調手
段からの光強度信号に直流成分が含まれていても、検出
されるべき信号としての交流成分を観測することができ
て、光変調手段の動作点を所望のところに自由に設定で
きる。しかしながら、サンプリング型高速光検出手段に
その入力許容しベル以上の強度の光強度信号が入力した
ときには、正常に動作しない、そこで本発明ではサンプ
リング型高速光検出手段に入力する以前に光強度信号を
チョップし、サンプリング型高速光検出手段への緯入射
光量を入力許容レベル以下にしている。

このとき緯入射光量は減少するもののサンプリングされ
るべき光強度信号の光量は減少していないので、これを
高感度に検出できる。なお光強度信号の交流成分が最大
となるよう動作点を設定すると、極めて高感度にかつ直
線性良く検出できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る電圧検出装置の一実施例の部分概
略構成図である。第１図において、第４図、第５図と対
応した箇所には同じ符号を付す。

本実施例の電圧検出装置は、直流光源７０と、直流光源
７０からのＣＷ光を所定のチョップ周波数でチョップす
る光変調器４と、チョップされたＣＷ光を被測定物５３
からの電圧により変調し、電圧に対応した光強度信号を
出力する光変調器４０と、光強度信号を検出するサンプ
リング型高速光検出器２とを有している。直流光源７０
は、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ、半導体レーザであり、光
変調器４は、音響光学的光変調器あるいは電気光学的変
調器である。

また光変調器４０は、ＣＷ光から所定の偏光成分を抽出
する偏光子５５と、偏光子５５からの光の偏光状態を被
測定物５３からの電圧により変化させて出射光として出
力するポッケルスセル５４と、ポッケルスセル５４から
の出射光の位相を調節する位相補償器５６と、位相補償
器５６からの出射光から所定の偏光成分を抽出し光強度
信号とする検光子５７とを備えている０位相補償器５６
は、例えばバビネ、ソレイユ補償器であり、位相変化を
与えて光変調器４０の動作点を移動させるようになって
いる。

第２図は、サンプリング型高速光検出器２の構成図であ
る。

第２図を参照すると、サンプリング型高速光検出器２は
、検光子５７からの出射光を集光するレンズ１０と、出
射光をその強度に対応した電子に変換する光電面１１と
、加速電極１２と、加速された電子を矢印Ｆの方向に掃
引する偏向器１３と、開口１４の設けられた開口部材１
５と、掃引された電子のうち開口１４を通過したものが
入射する電子増倍部１６とを備えている。

このようなサンプリング型高速光検出器２では、偏向器
１３に加わる偏向電圧のタイミングを徐々にずらすこと
により、光電面１１に繰返”し入射する出射光の光強度
信号の一部を、開口１４から順次に抽出しサンプリング
するようになっている。

なお電子増倍部１６は、開口１４を通過した電子を直接
増倍するダイノード群でも良いし、あるいは開口１４を
通過した電子の入射で発光する螢光面と、螢光面からの
発光を電子に再び変換し増倍する光電子増倍管とを組合
せたものでも良い。

このサンプリング型高速光検出器２では、電子・増倍部
１６には開口１４を通過した一部の電子しか入力しない
ので、第６図の電圧検出装置に用いられている一般的な
ストリークカメラ７１に比べてダイナミックレンジが広
い６例えばサンプリング型光オッシロスコープではダイ
ナミックレンジを１０００：１以上とすることができる
ようになっている。この結果、検゛光子５７からの出射
光の光強度Ｉに直流成分■、ｃが含まれていてもこれに
より交流成分■ＡＣを観測できなくなるという′＄態を
防止することができる。

しかしながら、直流光源７０からのＣＷ光の光量が多く
、光変調器４０の動作点がＡに設定されて（第６図（ａ
）参照）光電面１１に入射する光強度■が非常に大きい
ときには、光電面１１への入力が許容レベルを越えて光
電面１１が飽和状態になり正確な測定を行なうことがで
きない、このためにサンプリング型高速光検出器２の前
段にＮＤフィルタにュートラルデンシティフィルタ）を
設は光電面１１に入射する光強度■を小さくすることも
提案されたが、この仕方では、感度を犠牲にし、サンプ
リング型高速光検出器２の有する広いダイナミックレン
ジの特性を生かすことができない、従って、本実施例で
は、ＮＤフィルタを設けるかわりにＣＷ光をチョップし
て全体の光量を小さくする一方で、検出時の光量を減少
させないようにしている。

駆動回路５は、被測定物５３から所定の繰返し周波数の
電圧を出力させるためのトリガ信号ＴＲを出力する。こ
のトリガ信号ＴＲはまた分周回路６に入力し、そこで分
周されてトリガ信号ＴＲＩとなる。トリガ信号ＴＲＩに
同期した偏向電圧がサンプリング型高速光検出器２の偏
向器１３に加わり、トリガ信号ＴＲＩの周期で電子を掃
引する。

またトリガ信号ＴＲＩは、チョッパ駆動回路７に入力し
、チョッパ駆動回路７は、トリガ信号ＴＲ１に同期して
光変調器４を駆動する。これにより光変調器４のチョッ
プ周波数を゛サンプリング型高速光検出器２のサンプリ
ング周波数と同じにしている。

このような構成の電圧検出装置の動作を第３図（ａ）乃
至（＋３）に基づいて説明する。

駆動回路５からのトリガ信号ＴＲの繰返し周波数ｆ。を
例えば１００ＭＨ２に設定し、分周回路６からのトリガ
信号ＴＲＩの繰返し周波数ｆ。／ｎを２ＭＨ２に設定す
る（この例ではｎ＝５０とした。） 直流光源７０からは、第３図（ａ）に示すような強度Ｉ
。のＣＷ光が出力され、光変調器４に入射する。光変調
器４では、チョッパ駆動回路７からの信号によってチョ
ップ周波数ｆ　ｏ　／　ｎでＣＷ光をチョップする。チ
ョップ周波数ｆ　ｏ　／　ｎを２ＭＨに設定したので、
チョップの繰返し周期は第３図（１））に示すように５
００ナノ秒となる。第３図（ｂ）かられかるように、チ
ョップされたＣＷ光は、期間Ｔ。では光量がＩ。であり
元の光量と変わらないが、期間Ｔ、では光量が“Ｏ”と
なっている、このようにチョップされたＣＷ光は、光変
調器４０に入射し、偏光子５４において所定の偏光成分
が抽出され、ポッケルスセル５４において被測定物５３
からの電圧により偏光状態が変わる。

なお被測定物５３からの電圧は、繰返し周波数ｆ　　（
１００ＭＨ）のトリガ信号ＴＲに同期しｚ て第３図（Ｃ）に示すように繰返し周期１０ナノ秒で発
生する。被測定物５３からこのような電圧によって偏光
状態の変化したチョップされたＣＷ光は位相補償器５６
で位相が調節され、検光子５７で所定の偏光成分が抽出
されて光強度信号として光変調器４０から出射される。

光変調器４０の動作点が第６図（ａ）にＡで示すところ
に設定されるよう位相補償器５６を調節すると、光変調
器４０からの光強度信号は、第３図（ｄ）に示すように
なり、交流成分■ＡＣは最大となるが直流成分ＩＤＣを
も含む、光変調器４０からの光強度信号は、サンプリン
グ型高速光検出器２に入射する。ＣＷ光の光量Ｉ。が大
きく、また光強度信号がチョップされていない場合には
、サンプリング型高速光検出器２の光電面１１には入力
許容レベル以上の光量（直流成分Ｉ　による）が入射し
、交流成分”ＡＣＣ を忠実に光電変換できないが、本実施例では光強度信号
は第３図（ｄ）に示すようにチョップされており、１周
期（５００ナノ秒）当り光電面１１に入射する光量はチ
ョップされていない場合の光量に比べＴ　　／　（Ｔ　
ｏ　＋　Ｔ　ｉ　）に減少する。これによりＣＷ光の光
量Ｉ。が大きい場合にも光電面１．１への光量を全体と
して入力許容レベル以下にすることができて光電面１１
に期間Ｔ。の間、ＮＤフィルタ等によって光量の減少し
ていない光強度信号を与えても（第３図（ｄ）参照）、
光電面１１を飽和させずに光強度信号の波形を忠実に電
子に光電変換することができる。

サンプリング型高速光検出器２の偏向器１３に加わる偏
向電圧は、トリガ信号ＴＲＩに同期しているので、サン
プリング型高速光検出器２では、第３図（ｄ）に示す光
強度信号を５００ナノ秒の緑返し周期でサンプリングし
、第３図（ｅ）に示すような出力信号にして出力する。

なおサンプリング型高速光検出器２はダイナミックレン
ジが広いので、光電変換された光強度信号が大きなもの
であっても電子増倍部１６は飽和せず、光強度信号を忠
実にサンプリング抽出して出力することができる。

このように本実施例によれば、直流光源７ｏからのＣＷ
光の光量が多くまた動作点がどこに設定されても、ＣＷ
光をチョップすることによりサンプリング型高速光検出
器２への札入射光量を減らすことができるので、サンプ
リング型高速光検出器２の入力許容レベル以下で光強度
信号をサンプリング抽出し検出することができる。

また、サンプリング型高速光検出器２への札入射光量は
減少するものの、サンプリングされるべき光強度信号の
光量は減少していないので、光強度信号を高感度に検出
できる。特に動作点を第６図（ａ）に示すＡのところに
設定すると、極めて高感度で直線性の良い出力信号を得
ることができる。

なお、上述の実施例では、ＣＷ光をチョップする光変調
器４を直流光源７ｏと光変調器４ｏとの間に設けたが、
この光変調器４を光変調器４ｏとサンプリング型高速光
検出器２との間に設け、光変調器４０からの光強度信号
をチョップするようにしても良い。

また上述の実施例では、直流光源７ｏかちのＣＷ光をチ
ョップする場合について述べたが、直流光源７０のかわ
りにパルス光源を設け、このパルス光源をトリガＴＲＩ
に同期させて駆動し、パルス光源からのパルス光の強度
が被測定物５３からの電圧の繰返し周期よりも長い期間
にわたって一定であるようにすれば、光変調器４を設け
ずどもチョップした光強度信号を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば、ダイナミック
レンジの広いサンプリング型高速光検出手段を用いてい
るので、動作点を自由に設定できる。またサンプリング
型高速光検出手段に入射する以前に光強度信号をチョッ
プしているので、光源からの光量が多い場合にもサンプ
リング型高速光検出手段は正常に動作し被測定物の電圧
を高感度に検出できる。特に光強度信号の交流成分が最
大となるよう動作点を設定すると、被測定物の電圧を極
めて高感度にかつ直線性良く検出できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電圧検出装置の一実施例の構成図
、第２図はサンプリング型高速光検出器の構成図、第３
図（ａ）はＣＷ光の光量を示す図、第３図（ｂ）はチョ
ップされたＣＷ光の光量を示す図、第３図（Ｃ）は被測
定物から繰返し発生する電圧を示す図、第３図（ｄ）は
光強度信号を示す図、第３図（、ｅ　）は出力信号を示
す図、第４図、第５図はそれぞれ従来の電圧検出装置の
概略構成図、第６図（ａ）は電圧Ｖに対する光強度■を
示す図、第６図（ｂ）は被測定物からの変調電圧ΔＶを
示す図、第６図（Ｃ）は第６図（ａ）の動作点Ａのとこ
ろに第６図（ｂ）の変調電圧ΔＶを加えたときに得られ
る光強度■を示す図である。 ２・・・サンプリング型高速光検出器、４．４０・・・
光変調器、５３・・・被測定物、５４・・・ボッゲルス
セル、５５・・・偏光子、５６・・・位相補償器、５７
・・・検光子、　−７０・・・直流光源 第　　２　　図 第６図 （Ｃ） １　　　　　　　　　時間

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）検出されるべき電圧に対応した光強度信号を出力す
   る光変調手段と、光変調手段からの光強度信号を検出す
   るサンプリング型高速光検出手段とを備え、前記光強度
   信号は、前記サンプリング型高速光検出手段に入射する
   以前にチョップされることを特徴とする電圧検出装置。 ２）前記光変調手段は、前記光強度信号の交流成分が最
   大となるよう動作点が設定されることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の電圧検出装置。 ３）前記サンプリング型高速光検出手段は、スリットを
   もつストリーク管から構成されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の電圧検出装置。 ４）前記サンプリング型高速光検出手段は、サンプリン
   グ型光オッシロスコープであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の電圧検出装置。 ５）前記サンプリング型高速光検出手段は、シンクロス
   キャンフォトメータであることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載電圧検出装置。