JP2010223892A - 電磁界プローブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気または磁気光学効果を利用し電磁界プローブ装置で、特に液晶偏向器を備えて印加電圧で測定点を移動する。
【解決手段】電気（あるいは磁気）光学結晶と、第１偏光を出力する光源と、その光学結晶に集光する第１光学系と、その光学結晶の少なくとも１部を透過して電界（磁界）の情報を付与した偏光（第２偏光）を光電変換器に導く第２光学系と、第２偏光」の変化成分を光強度に変換する検波光学系と、検波光学系の光出力を電気信号として出力する光電変換器と、光電変換器出力を外部にて出力する出力回路と、光源から、光電検出器に至る光路上に配置し光学結晶面での偏向量を電気的に変える１つ以上の液晶偏向器を含む１つ以上の偏光調整手段と、光電変換器出力を用いて偏光調整手段の調整を行い、第１偏光または第２偏光を所定の状態に維持する制御回路と、を具備する。
【選択図】図６

Description

この発明は、電気光学効果または磁気光学効果を利用し電界または磁界検出に用いる電磁界プローブ装置に関している。

測定しようとする領域の電界、表面電位、あるいは磁界を殆ど乱すことなく測定する際に用いる測定装置として、ＥＯ（電気光学）効果やＭＯ（磁気光学）効果を用いた測定装置は既によく知られている。

例えば、特許文献１（米国特許第_３６０５０１３号明細書）には、ファラデイ効果を示す光ファイバーを用いた電流測定システムが開示されている。また、特許文献２（米国特許第４００２９７５号明細書）には、電場あるいは磁場の強度に従って偏光方向の変わる光学結晶を用いた電圧測定が開示されている。

また、特許文献３（特開２００５−２９２０６８号公報）には、交流電界や交流磁界などの物理量が印加されている電気光学結晶、磁気光学結晶、圧光学（光弾性）結晶などの光学結晶に光を入射させ、光学結晶から出射された光を検出することにより交流電界、交流磁界、音圧などに相当する信号を得る計測システムが開示されている。これは、光学結晶の変位による感度の低下を抑制することを目的にするもので、光源からの光源出力直線偏光を光学結晶に伝送し、光学結晶を介して光源出力直線偏光を被測定物理量により偏光変調してサーキュレータにより偏光調整器に伝送し、偏光調整器によって偏光変調光を任意偏光に変換し、任意偏光を偏光ビームスプリッターにより直交する分離直線偏光に分離し、分離直線偏光をそれぞれ光検出器により電気信号に変換し、電気信号を差動増幅器により差動信号として出力し、差動信号をロックインアンプにより被測定物理量の振幅信号と位相信号として出力し、光検出器の光電流とロックインアンプからの振幅信号を制御信号処理部に入力し、制御信号処理部により光電流が等しくかつ振幅信号が最大となるように偏光調整器を制御して任意偏光を調節するものである。

また、特許文献４（特開２００４−１７７２１４号公報）の図７には、電気光学結晶で構成された反射型の電界センサーアレイ全体にプローブ光を照射して、その反射光を２次元撮像装置で観測する３次元電界分布測定装置が開示されている。

また、非特許文献１（ＮＴＴ技術ジャーナル）には、図８に示す様に、光ファイバー、フェルール、コリメータレンズ、およびＥＯ（電気光学）結晶を用いて、金属素子を排除したＥＯプローブが記載されている。

本発明では、上記の電界センサーやＥＯプローブと異なり、液晶偏向器を用いるが、例えば、特許文献５（米国特許第４０６６３３４号明細書）の図２、図３に記載の液晶偏向器（liquid crystal light deflector）がある。その他、特許文献６（特開２００５−１８１１５０号公報）の図１１に記載の平面状の液晶偏向器や、特許文献７（米国特許第６１６９５９４号明細書）の図２に記載の楔状の液晶偏向器が知られている。

また、本発明では、上記の電界センサーやＥＯプローブと異なり、液晶レンズを用いているが、液晶レンズとしては、例えば特許文献８（特開２００４−４６１６号公報）の図１あるいは図６に記載の液晶レンズや、特許文献９（特開平７−１１０４８２号公報）の図６に記載の液晶電気光学素子、あるいは特許文献１０（米国特許第４１９３３０号明細書）に記載のレンズシステムを用いることができる。

米国特許第３６０５０１３号明細書 米国特許第４００２９７５号明細書 特開２００５−２９２０６８号公報 特開２００４−１７７２１４号公報 米国特許第４０６６３３４号明細書 特開２００５−１８１１５０号公報 米国特許第６１６９５９４号明細書 特開２００４−４６１６号公報 特開平７−１１０４８２号公報 米国特許第４１９３３０号明細書

都甲他「より正確な電界計測を可能にする電気光学プローブ」、ＮＴＴ技術ジャーナル、２００６年６月、２１−２４頁

片手で把持できる程度の大きさ、重量の容器に納めることができるプローブ部と、前期プローブ部と電気的・光学的に接続した電源部とから構成した、製造時および使用時の調整が容易な電磁界プローブ装置、および一度に複数点の測定が可能な電磁界プローブ装置を提案する。

この電磁界プローブ装置は、電気（あるいは磁気）光学効果を利用し、電界（あるいは磁界）による電気（あるいは磁気）光学結晶の屈折率変化を光学的に検出し電気量（例えば電圧）として出力する電磁界プローブ装置である。これは、光学機器的要素が重要な機能をもつ装置であるため、安定した測定結果を得る為には、構成する光学機器的要素を極めて正確に配置して製作することで求められる。例えば、温度や湿度による構成要素の膨張・伸縮による測定値への影響を減じ、また経時的な変動に対しても、安定な動作が維持されることが求められる。また片手で保持できる大きさ、重さで製作することも併せて重要である。

本発明の電磁界プローブ装置は、電界（あるいは磁界）で屈折率の変化する電気（あるいは磁気）光学結晶と、第１の偏光を出力する光源と、前記第1の偏光を前記電気（あるいは磁気）光学結晶に集光するための第１光学系と、前記電気（あるいは磁気）光学結晶またはその少なくとも１部を方向にかかわらず少なくとも１回以上透過して偏光状態の変化として電界（あるいは磁界）の情報を含んだ偏光（以下「第２の偏光」と称す）を光電変換器に導くための第２光学系と、第２の偏光の偏光状態の変化を光強度の変化に変換する検波光学系と、前記検波光学系の光出力を電気信号として出力する光電変換器と、前記光電変換器出力を外部に電気量として出力する出力回路と、上記光源から、上記電気（あるいは磁気）光学結晶を経て、上記光電検出器に至る光路上に配置し上記電気（あるいは磁気）光学結晶面での偏向量を電気的に変えることができる偏光調整手段でそれぞれ少なくとも１つ以上の液晶偏向器を含む偏光調整手段を少なくとも１つ以上と、前記光電変換器出力を用いて上記偏光調整手段の調整を行い、第1の偏光または第２の偏光を所定の状態に維持する制御回路と、を具備するものである。ここで、偏光の所定の状態に維持とは、偏光の、平行性、偏光状態、光の方向（光軸）についてのものである。

また、上記の構成において、前記光学結晶上にあって光軸と直交し、測定しようとする電界（あるいは磁界）を発する検体に近い面上に配置された反射層を具備するものである。

上記偏光調整手段は、さらに、第1の偏光を出力する上記光源から上記電気（あるいは磁気）光学結晶を経て、上記光電検出器に至る光路上に配置した少なくとも１つ以上の液晶レンズを具備するものである。

上記偏光調整手段は、さらに、第1の偏光を出力する上記光源から上記電気（あるいは磁気）光学結晶を経て、上記光電検出器に至る光路上に配置した少なくとも１つ以上の液晶リターダを具備するものである。

また、上記の構成において、さらに、前記反射層は、反射率や透過率などの光学的特性の部分的な変化によるマーカーを具備するものである。

前記制御回路は、上記偏光調整手段の上記液晶偏向器を制御して電気（あるいは磁気）光学結晶面を第１光学系による第1の偏光の集光位置を変えて走査しつつ、前記光学結晶上における電界（あるいは磁界）の強度分布を測定し、この測定結果をもとにデータ処理部が特定の標本点を決定し前期標本点における測定値を記憶し出力する、という機能を有するものである。

また、前記制御回路は、上記偏光調整手段の上記液晶偏向器を制御して電気（あるいは磁気）光学結晶面を第１光学系による第1の偏光の集光位置を変えて走査しつつ電界（あるいは磁界）の強度分布を測定し、データ処理部が前記強度分布上の最大値を記憶し出力する、という機能を有するものである。

また、前記制御回路は、上記偏光調整手段の上記液晶偏向器を制御して電気（あるいは磁気）光学結晶面を第１光学系による第1の偏光の集光位置を変えて走査しつつ電界（あるいは磁界）強度を測定し、データ処理部が走査位置情報と電界（あるいは磁界）強度を出力する、というものである。

（１）上記液晶レンズの焦点距離を順次徐々に変えながら、上記液晶偏向器を用いて上記電気（あるいは磁気）光学結晶面を第1の偏光で走査して行なう上記反射層の形成された前記電気（あるいは磁気）光学結晶面と同じ面に設けられたマーカーからの反射光または透過光の強度測定を行うか、（２）あるいは、上記液晶偏向器を用いて上記電気（あるいは磁気）光学結晶面を第1の偏光で走査して行なう上記反射層の形成された前記電気（あるいは磁気）光学結晶面と同じ面に設けられたマーカーからの反射光または透過光の強度測定を、上記液晶レンズの駆動電圧を順次徐々に変化させてその焦点距離を順次徐々に変化させながら、行い、（３）上記液晶偏向器の偏向量に対する反射光強度または透過光強度の変化が最大なる焦点距離をもって、上記液晶レンズの前記反射層上での焦点距離検出をデータ処理部で行い、上記液晶レンズの設定とする機能を有するものである。

上記液晶偏向器に印加する電圧を制御して、上記電気（あるいは磁気）光学結晶面を第１光学系による第1の偏光の集光位置を変えて走査し、前記結晶面上の反射層上のマーカーからの反射光または透過光の強度測定を行い、上記液晶偏向器による偏向量に対する反射光強度または透過光強度の変化が最大になる上記偏向器への印加電圧を検出し、データ処理部で液晶偏向器へのその検出した印加電圧に対する上記偏向量の校正を行う、という機能を有するものである。

また、上記電気（あるいは磁気）光学結晶は、結晶方位、結晶材質、結晶サイズ、あるいは厚みなどの異なる電気光学結晶素子の２つ以上から構成し、上記偏向器の偏向量を変えて測定する結晶素子を選択する機能を有する。結晶素子は電気あるいは磁気光学結晶であって、結晶軸が異なって感応する電界（あるいは磁界）のベクトルあるいは感度など物理特性が異なるようにしてもよい。また、電気光学結晶素子と磁気光学結晶素子が混在する配列としてもよい。本構成によって、ひとつのプローブ装置によって３次元ベクトルとしての電界および磁界の強度測定が可能である。前記電気（あるいは磁気）光学素子上に、光学的特性の異なる材質で構成するマーカーを備えて、上記の構成の効果を併せて得ることができることは自明である。

本発明の電磁界プローブ装置においては、上記制御回路は、上記偏光調整手段の設定データ、つまり液晶偏向器や液晶レンズの制御データや前記制御データの取得時に関連する温度、湿度、その他の環境データを記憶する記憶装置を備えるようにしてもよい。例えば、プローブ装置に新たに電源が投入されたときなどには、その投入時の環境データを取得して、その環境データに近いデータから記憶された最適データを読み出して、制御の初期値として用いる。これによって、電源投入から装置の安定までの制定時間を短縮することができる。

よく知られているように、一般的な導電式プローブ、例えばオシロスコープ等で使われているものは、回路の電圧を測定する先端に導体を有しこれを被測定物の当該部位に接触して電気信号を取り出す方式である。また先端の導体が鉤状のものもあり、これらは上記当該部位に固定可能でありまた、上記当該部位の導体であれば接触の位置が変動しても測定値に大きな変動が発生することはない。

本発明が提案する電気（あるいは磁気）光学効果および同結晶を利用する電磁界プローブ装置においては、検体に接触する必要がない。このため、高電圧で接触計測が危険または困難な部位においても、使用可能である。また、プローブ先端に金属などの導体を有しないため、測定しようとする電磁界を乱すことが少なく、測定対象に対して低侵襲性であることが特徴である。また、本発明の電界（あるいは磁界）プローブ装置は、検体に対して高インピーダンス特性を示し、その高周波動作に対する影響が極めて少なく、例えば１００ＭＨｚ以上の周波数の交流電界（あるいは磁界）の測定に極めて有効である。

また高周波交流電磁界は空間的な広がり、分布を持つため、測定に於いては検体と一定の相対位置にプローブを保持することは、きわめて重要である。然るに、人が把持する非接触型プローブにおいては接触型プローブに比して測定部位を保持することは極めて困難であり、そのため手ぶれにより測定値の変動が大きいなどの欠点を有する。

そこで、本発明の電磁界プローブ装置では、上記のように、偏光調整手段の液晶偏向器の印加電圧を制御することによって光軸の屈曲を調整することを特徴の１つとしている。これによって、光軸の曲がりに対しては、液晶偏向器によって屈折角度を変えることで電気的に調整が可能である。また、機械的な光軸の調整機構に換えて、より小型軽量な液晶偏向器を用いることでプローブ装置の小型化と計量化が実現できる。

さらに本発明偏向器の校正機能を備えているので、これを用いることで、光軸の屈曲を補正することができる。また、これによって、前記光学結晶上の所定の位置において偏光を変調する屈折率を測定することができる。本発明の構成によれば、プローブ装置の、例えば操作者の体温の伝播による、熱的な短期的屈曲や、加工歪の放出などによる長期的な屈曲などを相殺する制御機能を具備し安定した測定装置を実現できる。

さらに加えて、本発明は、偏光調整手段に液晶レンズが備えられている場合は、この液晶レンズを、光源から電気（あるいは磁気）光学結晶を経て光電検出器に至る光路上に、配置することになるので、前記光学結晶の光軸上の所定の焦点位置においてその偏光を変調する屈折率を測定することができる。ここで、液晶レンズは印加電圧を変えると焦点距離が変化するものであり、これを用いることで、光軸上の焦点位置を電気的に制御できることはよく知られている。換言すれば、固定焦点レンズを用いた系において、光路長を電気的に制御できることと等価である。液晶レンズを用いた場合も、上記と同様の理由による短期的伸縮や、その製造時の加工歪の放出などによる長期的な伸縮を相殺する制御機能を具備することになるので、計測器側を安定化することができる。

また、偏光調整手段に、液晶レンズと液晶偏向器との両方が備えられている場合は、液晶レンズの駆動電圧を変えてその焦点距離を徐々に変化させながら、液晶偏向器を用いて電気（あるいは磁気）光学結晶面を第１光学系により集光した第1の偏光で走査して、前記結晶面上の反射層上のマーカーからの反射光出力または透過光出力を、それぞれの焦点距離ごとに測定し、偏向量に対する反射光強度または透過光強度の変化を焦点距離ごとに得ることができる。これによって、上記液晶レンズを含む光学系（つまり偏光調整手段）が、前記反射層上に焦点を結んでいるか否かを検出できる。そしてさらに、制御回路は該検出結果にもとづいて焦点を所定の位置に制御することができる。上記の測定は、それぞれの焦点距離について上記の走査を行なうものであるが、逆に、上記の走査のそれぞれの位置について焦点距離を変えて上記の測定を行ってもよい。

さらに偏光調整手段に、液晶レンズと液晶偏向器との両方に加えて、液晶リターダが備えられている場合は、具備する第１または第２の光学系入出力の偏光の直線または円偏波などの偏波特性、左右の旋光特性を前記液晶リターダの印加電圧にて制御できるため、電気（あるいは磁気）光学結晶に対して、より高感度で好適な動作状態を維持することが可能である。

また、液晶リターダは、光の伝送状態が変化する光路に用いて、例えば空気の流れによる密度変化に起因する偏波面変動、伸びや応力によって伝送特性の変化する光ファイバーの変動の打ち消しに用いることができる。

このような本発明の構成によれば、製造時の微調整の簡易化に加えて、プローブ装置を構成する構造体や構成要素の、例えば操作者の体温による、急な温度上昇による短期的な変形、加工歪の放出などによる長期的な変形から光学的に安定な状態を電気的な手段で維持することが可能である。

上記のように、本発明では偏光調整手段の制御に制御回路を用い、測定データの処理にデータ処理部を用いる。前記制御装置で液晶偏向器を制御して電気（あるいは磁気）光学結晶面を第１光学系で集光された第1の偏光で常時走査することで、前記光学結晶上における電界（あるいは磁界）の強度分布を測定する。また、上記データ処理部では、その中から所定の条件を満たす標本点を決定し、前期標本点による測定値を保持し出力する。例えば、上記液晶偏向器は周期１ミリ秒毎に前記光学結晶を走査し、測定値分布上から所定の部位を検出し、前記部位の測定を次の捜査終了まで保持し出力する。ここで、所定の位置とは、例えば、測定値が凹状の極小値である分布箇所である。本機能によって、操作者の手振れによって電磁界プローブ装置のプローブの先端位置と検体との距離関係が微小な変動を起こしても、検体の所定の位置に対応する電気（あるいは磁気）光学結晶上の測定位置をプローブ側で検出して、上記液晶偏向器がそれを追尾するため、操作者の手ぶれによるプローブ出力の変動を相殺することができる。

さらに、上記の所定の部位としては、電界（あるいは磁界）の測定値の最大の値を示す部位である場合が多い。したがって、走査範囲における測定値の単なる最大値を選択して出力することで、十分な手振れ補正効果が得られることが多い。

本発明は、電気（あるいは磁気）光学結晶上の測定位置情報をその場所の電界（あるいは磁界）強度測定値と共に出力する機能を有するものある。本機能によって、本発明の電磁界プローブ装置出力を用いて電界（あるいは磁界）の強度分布を測定することができる。

また、本発明は、単一のプローブ装置を用いて、検体の発する電界（あるいは磁界）の３次元ベクトルを測定する機能を有する。これは、上記の様に、プローブの先端に、結晶方位、結晶サイズ、材質、厚みなど複数の特性の異なる電気（あるいは磁気）結晶を配置し、液晶偏向器で測定に用いる光学素子を選択することによって実現する。

また、本発明の電磁界プローブ装置において、制御回路は、液晶偏向器や液晶レンズの制御データ、あるいは測定時の温度や湿度、あるいは、その他の環境データを記憶する記憶装置を有する。上記電磁界プローブ装置に新たに電源が投入されたときなど、投入時の環境データを取得し、前記記憶装置から過去の液晶偏向器や液晶レンズの制御データの最適データを読み出して、制御の初期値として用いることによって、電源投入から装置の安定までの制定時間を短縮することができる。前記制御データの記録は、使用記録でもあって、プローブ装置の保守資料として再現の難しい故障の診断と解析に際しても有効である。

本発明の最も簡単な構成の電磁界プローブを備えた測定装置を示すブロック図である。本光源１から電気（あるいは磁気）光学結晶３を経て、光電変換器８にいたる光学系は一直線上に配置されている。電界（あるいは磁界）で屈折率の変化する電気（あるいは磁気）光学結晶３と、第1の偏光を出力する光源１と、前記第1の偏光を前記電気（あるいは磁気）光学結晶３に集光するための第１光学系２と、前記電気（あるいは磁気）光学結晶３の結晶方位を問わず少なくともその一部を１回以上透過して電界（あるいは磁界）による変調を受け、その電界（あるいは磁界）の情報を有する偏光（以下「第２の偏光」と称す）を光電変換器８に導くための第２光学系４と、第２光学系４と直列に配置されて前記第２の偏光から電界（あるいは磁界）による偏光の変化成分を光強度の変化に変換する検波光学系７と、検波光学系７の光出力を電気信号として出力する光電変換器８と、前記光電変換器８の出力を外部に電気量として出力するデータ処理回路９と、第1の偏光を出力する光源１から電気（あるいは磁気）光学結晶３を経て、光電検出器８に至る光路上に配置した少なくとも１つ以上の液晶偏向器１１を含む偏光調整手段と、更に、前記光電変換器８の出力から、第１光学系２、第２光学系４、および検波光学系７の配置状態を上記偏光調整手段をして所定の状態に維持するための出力を発生する制御回路１０と、を具備する。 本発明の電磁界プローブ装置の第２の構成例を示すブロック図である。電界（あるいは磁界）で屈折率の変化する電気（あるいは磁気）光学結晶３と、第1の偏光を出力する光源１と、前記第1の偏光を平行光線１２とするコリメータレンズ５と、ビームスプリッター６、平行光線１２を前記電気（あるいは磁気）光学結晶３に集光し前記電気（あるいは磁気）光学結晶３からの反射光である第２の偏光を集光して概ね平行光としてビームスプリッター６に導く第２光学系４と、ビームスプリッター６から反射する第２の偏光から電界（あるいは磁界）による偏光の変化成分を光強度の変化に変換する検波光学系７と、検波光学系の光出力を電気信号として出力する光電変換器８と、前記光電変換器出力を外部に電気量として出力するデータ処理回路９と、前記光電変換器出力から第２光学系、および検波光学系の状態を検出し所定の状態に維持するための出力を発生する制御回路１０と、更に、第１の偏光を出力する光源からビームスプリッター６、電気（あるいは磁気）光学結晶３を経て、光電検出器８に至る光路上に配置した少なくとも１つ以上の液晶偏向器１１を含む少なくとも１つ以上の偏光調整器と、を具備する。 電気（あるいは磁気）光学結晶面に設けたマーカーの実施例を示す図である。マーカーは電気（あるいは磁気）光学結晶の平面上の反射層あるいはその近傍に記された図形である。その図形部分で反射率または透過率が変化し、偏光で走査してマーカー部の反射光または透過光を読み取ることで、偏光の集光位置情報を得ることができる。（ａ）は、電気（あるいは磁気）光学結晶の周辺部に、反射層の形成面と同じ面上にグレイコードで符号化された図形を設けたものである。（ｂ）は、前記結晶の周辺部にテーパー状の模様を配置した物であって、前例と同様に辺と直交する方向にマーカーを読み取ると、マーカーの幅が座標に対応する構成である。（ｃ）は、前記（ａ）と（ｂ）のマーカーを併せ持つものである。（ｄ）は、前記結晶の中心部から、太さの異なる同心円のマーカー例である。（ｅ）は、中心を同じくし太さの異なる正方形で構成したマーカーの例である。 上記マーカーを液晶偏向器を用いて走査したときの、反射光（または透過光）の強度分布例を示す図である。（ａ）はマーカーの平面図であり、液晶偏向器によって焦点はＡ−Ａ′方向に走査されている。（ｂ）および（ｃ）はマーカーからの反射光（または透過光）強度（Ｙ軸）と偏向器駆動電圧（Ｘ軸）のプロット図である。図４（ｂ）と（ｃ）では液晶レンズへの印加電圧が異なり、図４（ｂ）では焦点面とマーカーの面が一致し、（ｃ）ではずれている場合である。 電気（あるいは磁気）光学結晶の占める領域上での電界（あるいは磁界）分布測定例を示す図である。走査位置情報と電界（あるいは磁界）の強度情報を組み合わせて出力することで実現する。（ａ）は、本発明の電界（あるいは磁界）プローブ装置の先端３０（以下プローブの先端３０と記す）が検体４０の近傍に置かれ、検体４０の表面上の電界（あるいは磁界）分布を測定するときのプローブ先端の模式図である。（ｂ）は、検体４０の発する電界（あるいは磁界）の模式的な強度分布図である。（ｃ）は、プローブの先端３０で測定した電界（あるいは磁界）強度の模式的な分布図で等高線表示を用いている。（ｄ）は、図(ｃ)から中央部を水平方向の強度分布を取り出して表したものである。 ビームスプリッターと第２光学系間に光ファイバーを用いて、プローブの先端部をより小型に構成した例を示す図である。 従来の接触型プローブの例を示す図である。 プローブ先端を固定したままで複数方向の電界（あるいは磁界）強度（ベクトル）を測定するためのもので、複数の電気（あるいは磁気）光学結晶をマトリクス状に配列して構成したプローブヘッドを示す図である。（ａ）は、電気光学結晶と磁気光学結晶とが交互に配置された配列である。（ｂ）は、結晶方位、結晶サイズ、材質、厚みなどの異なる複数の電気（あるいは磁気）光学結晶素子の配列で構成されたものである。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。また、以下の例における液晶偏向器については、光ビームを電気的に偏向できるものであれば、その代わりに用いることができる。また、光ビームを電気的に偏向するために印加する信号線は、乱雑な図面となるのを防ぐため、一部の図を除いて省略している。また、光ファイバーから出射される光は、拡がりを持った光束であるが、図面を簡明にするため、一部の図を除いてその光軸のみを示す。

本発明の最も簡単な構成の電磁界プローブ装置として第１の構成例を図１に示す。本発明の第１の構成例においては、光源１から電気（あるいは磁気）光学結晶３を経て、光電変換器８にいたる光学系は一直線上に配置されている。この第１の構成例は、電界（あるいは磁界）で屈折率の変化する電気（あるいは磁気）光学結晶３と、第1の偏光を出力する光源１と、前記第1の偏光を前記電気（あるいは磁気）光学結晶３に集光するための第１光学系２と、前記電気（あるいは磁気）光学結晶３の結晶方位を問わず少なくともその一部を１回以上透過して電界（あるいは磁界）による変調を受け、その電界（あるいは磁界）の情報を有する偏光（以下「第２の偏光」と称す）を光電変換器８に導くための第２光学系４と、第２光学系４と直列に配置されて前記第２の偏光から電界（あるいは磁界）による偏光の変化成分を光強度の変化に変換する検波光学系７と、検波光学系７の光出力を電気信号として出力する光電変換器８と、前記光電変換器８の出力を外部に電気量として出力するデータ処理回路９と、第1の偏光を出力する光源１から電気（あるいは磁気）光学結晶３を経て、光電検出器８に至る光路上に配置した少なくとも１つ以上の液晶偏向器１１を含む偏光調整手段と、更に、前記光電変換器８の出力から、第１光学系２、第２光学系４、および検波光学系７の配置状態を上記偏光調整手段をして所定の状態に維持するための出力を発生する制御回路１０と、を具備する。

光源１から出た第1の偏光は第一光学系２で集光され直列に配置された液晶偏向器１１による屈折によって偏向して電気（あるいは磁気）光学結晶３に入射する。このとき液晶偏向器１１への印加電圧を変えることで偏向量が変化し、これによって光学結晶面上の集光位置を変えることができる。前記電気（あるいは磁気）光学結晶３から出射される第２の偏光は、図示していない検体が発する電界（あるいは磁界）で光学結晶３によって偏光状態が変調されたものであって、第２光学系４によって光電変換器８に入射する。前記第２の偏光は、電気（あるいは磁気）光学結晶３から光電変換器８にいたる光路上に第２光学系４と直列に配置された検波光学系７によって、その偏光状態が光の強度変化に変換される。光電変換器８の出力は、検体の発する電磁界情報を含み、データ処理回路９に入力される。データ処理回路９は、光電変換器８の出力を処理して、電磁界強度信号を外部に出力する。電気（あるいは磁気）光学結晶３の出力を効率的に集めるため、電気（あるいは磁気）光学結晶３から光電変換器８に至る光路上に新たな液晶偏向器を設けてもよい。

さらにまた、光源１と第１光学系２との間、第２光学系４と検波光学系７との間、あるいは検波光学系７と光電変換器８との間を光ファイバーを用いて光学的に連結してもよい。光ファイバーを用いることによって、本発明の機能を損なうことなく必要な部分を手中に収めることが可能な形状、重量で製作することができる。

本発明の電磁界プローブ装置の第２の構成例を図２に示す。これは、電界（あるいは磁界）で屈折率の変化する電気（あるいは磁気）光学結晶３と、第1の偏光を出力する光源１と、前記第1の偏光を平行光線１２とするコリメータレンズ５と、ビームスプリッター６、平行光線１２を前記電気（あるいは磁気）光学結晶３に集光し前記電気（あるいは磁気）光学結晶３からの反射光である第２の偏光を集光して概ね平行光としてビームスプリッター６に導く第２光学系４と、ビームスプリッター６から反射する第２の偏光から電界（あるいは磁界）による偏光の変化成分を光強度の変化に変換する検波光学系７と、検波光学系の光出力を電気信号として出力する光電変換器８と、前記光電変換器出力を外部に電気量として出力するデータ処理回路９と、前記光電変換器出力から第２光学系、および検波光学系の状態を検出し所定の状態に維持するための出力を発生する制御回路１０と、更に、第１の偏光を出力する光源からビームスプリッター６、電気（あるいは磁気）光学結晶３を経て、光電検出器８に至る光路上に配置した少なくとも１つ以上の液晶偏向器１１を含む少なくとも１つ以上の偏光調整器と、を具備することを特徴とする電磁界プローブ装置である。

この第２の構成例では、電気（あるいは磁気）光学結晶に反射層１８を配置し、電気（あるいは磁気）光学結晶３を透過して反射した光を用いることを特徴とする。このように構成することで、電気（あるいは磁気）光学結晶３と検体とを１ｍｍ以内に接近させることが可能になる。上記の第１の構成例では、電気（あるいは磁気）光学結晶３の透過光を用いるが、本構成例では、電気（あるいは磁気）光学結晶３の第1の偏光の入射面と対向する面に反射層１８を設ける。つまり、第1の偏光は、電気（あるいは磁気）光学結晶３の第１の面に入射し、前記電気（あるいは磁気）光学結晶３を透過後に対向する第２の面に設けられた反射層１８にて反射し、再度前記電気（あるいは磁気）光学結晶３を透過後に第１の面から出射する。さらに、電気（あるいは磁気）光学結晶３から光源１に向かう光路上には、第２光学系４とビームスプリッター６とを配置して、電気（あるいは磁気）光学結晶３からの反射光を前記ビームスプリッター６で分離して、光電変換器８に導いている。

特に、光源１から出た第1の偏光はコリメータレンズ５によって平行光となりビームスプリッター６に入射して透過し、第２光学系４に入射する。第２光学系４によって第1の偏光は電気（あるいは磁気）光学結晶３に集光される。第1の偏光は、図示していない検体が発する電界（あるいは磁界）が印加された光学結晶３によって偏光状態が変調されて第２の偏光となる。第２の偏光は、反射層１８で反射されて反射光となる。この反射光は、光路を遡行してビームスプリッター６に入り、ここで２分岐される。あるいはビームスプリッター６に偏波依存型のものを用いると、反射光の殆どを検波光学系７に分岐することができる。その一方は検波光学系７を通過して光電変換器８に入射する。検波光学系７では、第１の構成例と同じく、偏光状態の変化が光の強度変化に変換される。光電変換器８は、検波光学系７からの入射光の強度変化を電気信号に変換する。

ここで液晶偏向器１１は、印加された電圧に応じて光路を傾ける機能を有するものであって、本発明の電界（あるいは磁界）プローブ装置では、電気（あるいは磁気）光学結晶３上に第1の偏光を照射する位置、つまり偏光状態を変える屈折率変化の読み取り位置（集光位置）を制御するために用いる。

この第２の構成例においては、液晶偏向器１１の配置位置には任意性があり、例えば、第１の配置例（１１ａ）としてはビームスプリッター６と第２光学系４との間、同第２の配置例（１１ｂ）としては第２光学系４と電気（あるいは磁気）光学結晶３の間、さらに第３の配置例（１１ｃ）としてはコリメータレンズ５とビームスプリッター６の間などに配置することが可能で、いずれの配置においても電気（あるいは磁気）光学結晶３上の集光位置を変化させることができる。前記第１（１１ａ）、第２の配置例（１１ｂ）ではビームスプリッター６から検波光学系７を経て光電変換器８に至る光学系の光路が液晶偏向器１１の動作によって影響を受けない。しかし、第３の液晶偏向器の配置例（１１ｃ）ではビームスプリッター６から光電検出器８に至る光路が変化する。

さらにまた、光源１とコリメータレンズ５との間、コリメータレンズ５とビームスプリッター６との間、ビームスプリッター６と第２光学系４との間、ビームスプリッター６と検波光学系７との間、あるいは検波光学系７と光電変換器８との間を光ファイバーを用いて光学的に連結してもよい。光ファイバーを用いることによって、本発明の機能を損なうことなく分割することが可能になる。つまり、電磁界プローブ装置のプローブの先端部に必要な部分を少なくし、その部分を手中に収めることが可能な形状、重量で制作することができるようになる。

例えば、図６に示す様に、ビームスプリッター６と第２光学系４間に光ファイバーを用いると、プローブの先端部をより小型に構成できる。図６は、第２の構成例において、光ファイバーをビームスプリッター６と第２光学系４間に用いた構成例である。コリメータレンズ１５ａ、１５ｂはファイバー１６の両端に具備している。これは、ここで用いる光ファイバーの両端にコリメータレンズを設けるとより光学的に安定するためである。

図３は、電気（あるいは磁気）光学結晶面に具備したマーカー実施例を示す。マーカーは電気（あるいは磁気）光学結晶の平面上の反射層あるいはその近傍に記された図形である。その図形部分で反射率または透過率が変化する。図３のいずれの例でも、偏光で走査してマーカー部の反射光または透過光を読み取ることで、偏光の集光位置情報を得ることができる。

図３（ａ）は、電気（あるいは磁気）光学結晶の周辺部に、反射層の形成面と同じ面上にグレイコードで符号化された図形を設けたものである。周辺部を辺と直交する方向にグレイコードパターンが形成されている。
図３（ｂ）は、前記結晶の周辺部にテーパー状の模様を配置した物であって、前例と同様に辺と直交する方向にマーカーを読み取ると、マーカーの幅が座標に対応する構成である。
図３（ｃ）は、前記（ａ）と（ｂ）のマーカーを併せ持つものである。
図３（ｄ）は、前記結晶の中心部から、太さの異なる同心円のマーカー例である。結晶の中心位置を求めるのに適している。さらに偏光の集光の焦点位置を検出するのに便利である。
図３（ｅ）は、中心を同じくし太さの異なる正方形で構成したマーカーの例である。結晶の中心位置を求めるのに適している。さらに偏光の集光の焦点位置を検出するのに便利である。
例記したいずれのマーカーを用いても、液晶偏向器の駆動電圧と偏向量間の校正を行うことができる。

液晶レンズは印加する電圧によって焦点距離を制御できるため、図１に示した第１の構成例における第１光学系２、第２光学系４の構成要素として、あるいは、図２に示した第２の構成例に示したコリメータレンズ５あるいは第２光学系２の構成要素として、液晶レンズを本装置の光路の偏光の調整手段に用いることによって電気（あるいは磁気）光学結晶の厚さ方向の集光位置（焦点面）を制御あるいは操作可能になる。この液晶レンズは、電気（あるいは磁気）光学結晶から光電変換器までの光路に偏光調整手段として適用することができる。また、コリメータレンズの近くに用いる場合は、上記偏光の形成する光束の調整手段とすることができる。つまり、図１の第１光学系２や第２光学系４の構成要素として、あるいは、図２の第２光学系２やコリメータレンズ５の構成要素として用いることもできる。このように液晶レンズを用いることによって、光軸方向の光路長の変動を抑制するように、光路を電気的に補償することができる。

図４は、前述のマーカーを液晶偏向器を用いて走査したときの、反射光（または透過光）の強度分布である。図４（ａ）はマーカーの平面図であり、液晶偏向器によって焦点はＡ−Ａ′方向に走査されている。図４（ｂ）および（ｃ）はマーカーからの反射光（または透過光）強度（Ｙ軸）と偏向器駆動電圧（Ｘ軸）のプロット図である。図４（ｂ）と（ｃ）では液晶レンズへの印加電圧が異なり、図４（ｂ）では焦点面とマーカーの面が一致し、（ｃ）ではずれている場合である。図４（ｂ）では立ち上がりの鋭い波形となるが、図４（ｃ）では、波形が丸みを帯びている。この様に、上記焦点面とマーカーの面が一致するときに立ち上がりの鋭い波形となるという特性を用いると、液晶レンズの駆動電圧を徐々に変化させながらマーカー上を液晶偏向器によって走査することで、マーカーと焦点面の一致する液晶駆動電圧をデータ処理回路を用いて求めることができる。また随時あるいは常時、マーカーと焦点面とが一致するように制御回路を通じて調整することができることは勿論である。

以上説明したように、本発明の電界（あるいは磁界）プローブ装置は、液晶偏向器、液晶レンズ、マーカーを備え、マーカーからの光を検出し、マーカー部を走査して得た検出信号をデータ処理回路で処理するものである。また、これら一連の動作を制御する制御回路を具備することによって、機械的な光学要素の位置其の他の変動が発生しても、自動的にこれを検出して補正する機能を有する。

液晶偏向器を用いて電気（あるいは磁気）光学結晶上を走査する機能の応用の一つとして、電気（あるいは磁気）光学結晶の占める領域上での電界（あるいは磁界）分布測定がある。これは、走査位置情報と電界（あるいは磁界）の強度情報を組み合わせて出力することで実現できる。図５（ａ）は本発明の電界（あるいは磁界）プローブ装置の先端３０（以下プローブの先端３０と記す）が検体４０の近傍に置かれ、検体４０の表面上の電界（あるいは磁界）分布を測定するときのプローブ先端の模式図である。図５に示すプローブの先端３０は、実施例２に示す反射型のプローブ構成例の一部である。プローブの先端３０は、図の下側に反射層とマーカーを具備した電気（あるいは磁気）光学結晶３、第２光学系４、液晶偏向器１１を具備する。

検体４０は、例えば、導体４１と接地板４２を具備したマイクロストリップラインである。中央部に切り欠き４３があり、左右の導体がエッジ結合しているため強い電界（あるいは磁界）を放射している。

また、図５では、集光点の液晶偏向器１１による走査軌跡３１は、導体４１を斜めに走査している。また、光ファイバー１６とコリメータレンズ１５を通じて導入された平行光１２は、電気（あるいは磁気）光学結晶３への入射光とそれからの出射光の双方向の光であって、図５で、上から下に第1の偏光が入射し、下から上に第２の偏光が出射する。平行光１２の上方にはビームスプリッター６がある。

図５（ｂ）は検体４０の発する電界（あるいは磁界）の模式的な強度分布図である。矢印は上記走査軌跡３１に対応している。図５（ｃ）は、プローブの先端３０で測定した電界（あるいは磁界）強度の模式的な分布図で等高線表示を用いている。図５（ｄ）は図(ｃ)から中央部を水平方向の強度分布を取り出して表したものである。このように走査情報位置情報と電界（あるいは磁界）の強度情報を組み合わせて出力することで各種の情報の表現が実現できる。

さらに進んだ応用として、手ぶれ補正機能を有する電界（あるいは磁界）プローブ装置がある。

従来の接触型プローブ４５は図７に示すごとく先端に鉤状の導体４６を有し、検体の測定端子４７などに引っ掛けて用いる。測定端子４７とプローブ４５の鉤状先端４６は機械的に固定されているため測定値は安定している。

一方、基本的に電気的な接触によって測定信号を取得しない電気（あるいは磁気）光学プローブは、その測定端と検体との固定手段を具備しないため、人の手などで保持される場合に手ぶれによる測定点の振れ、さらに測定値の変動が発生する。

本発明における手ぶれ補正機能は、液晶偏向器を用いて電気（あるいは磁気）光学結晶上を走査する機能の応用である。これは、電気（あるいは磁気）光学結晶の占める領域上での電界（あるいは磁界）分布測定を行い、強度分布データから特定の形状を抽出して標本点として定め、前記標本点の強度測定値を保持し続けるようにデータ処理回路を通じて出力の制御を行うものである。検体４０とプローブ先端３０の位置が相対的に変動しても、プローブ先端３０の有効感度範囲内で、且つ、電気（あるいは磁気）光学結晶の範囲内においては、検体の一定部分からの測定値を維持することができる。この機能を用いて、手振れによる出力変動を相殺する。前記標本点としては例えば、火山の火口に如き周辺を大きな値に囲まれた中の極小値を示す部位、つまり凹部、あるいは測定範囲内の最大値、あるいは最小値などがある。

さらに、プローブ先端３０に加速度センサーあるいは変位センサーを別途に設け、そのいずれかのセンサー出力によって、制御回路を通じて液晶偏向器を制御し、電界（あるいは磁界）強度を読み取る空間位置が一定になるように制御することも可能である。

また、液晶偏向器の応用として、プローブ先端３０を固定したままで複数の電気（あるいは磁気）光学結晶を用いて複数方向の電界（あるいは磁界）強度（ベクトル）を測定する機能を有する電磁界プローブ装置を実現することができる。

図８は、このような測定に用いる複合電気（あるいは磁気）光学結晶の構成例を示す。図８は、複数の電気（あるいは磁気）光学結晶をマトリクス状に配列して構成したプローブヘッドを示す。この配列要素を順次測定することによって、種々の測定をひとつのプローブヘッドで行うことができる。図８（ａ）は、電気光学結晶と磁気光学結晶とが交互に配置された配列である。また、図８（ｂ）は、結晶方位、結晶サイズ、材質、厚みなどの異なる複数の電気（あるいは磁気）光学結晶素子の配列で構成されたものである。また、それぞれの配列要素の表面に、それぞれの表面反射率が一律に等しくなるようにコーティングを施すことで、それぞれの電気（あるいは磁気）光学結晶に入射する光強度を揃えることができ、データ処理の手間を省くことが出来る。

さらに、図８（ｂ）に示す様に、上記のマトリクス状配列の欄外にはマーカーを設けて、この配列の向きを、上記入力光を偏向し走査して読取れるようにすることで、それぞれの電気（あるいは磁気）光学結晶と測定データとを容易に対応付けることができる。

一般に、測定装置は、製造後には調整が必要である。例えば、光ファイバーや集光レンズの取り付けのズレ、あるいは、電気（あるいは磁気）光学結晶の僅かな傾きによって感度のばらつき等が起こるので、平準化することが求められる。その調整が困難であれば、検査調整の手間が無視できなくなる。しかし、測定時の掃引や走査を目的にしない電磁界プローバ装置の場合でも、本発明の調整機構を組み込むことによって、製造ばらつきによって規格外になる割合を抑制することができる。さらに、手ぶれ補正機能を具備することによって、従来の導電型プローブと同等の使いやすさを提供することができる。

１ 光源
２ 第１光学系
３ 電気（あるいは磁気）光学結晶
４ 第２光学系
５ コリメータレンズ
６ ビームスプリッター
７ 検波光学系
８ 光電変換器
９ データ処理回路
１０ 制御回路
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 液晶偏向器
１２ 平行光線
１３ 制御装置
１５、１５ａ、１５ｂ コリメータレンズ
１６ 光ファイバー
１８ 反射層
２０、２０ａ、２０ｂ 集光レンズ
３０ プローブ先端
３１ 走査軌跡
４０ 検体
４１ 導体
４２ 接地板
４３ 切り欠き

Claims (12)

1. 電界（あるいは磁界）で屈折率の変化する電気（あるいは磁気）光学結晶と、
   第１の偏光を出力する光源と、
   第１の偏光を前記電気（あるいは磁気）光学結晶に集光するための第１光学系と、
   前記電気（あるいは磁気）光学結晶またはその少なくとも一部分を方向にかかわらず少なくとも１回以上透過して偏光状態の変化として電界（あるいは磁界）の情報を含んだ偏光（以下「第２の偏光」と称す）を光電変換器に導くための第２光学系と、第２の偏光の偏光状態の変化を光強度の変化に変換する検波光学系と、
   前記検波光学系の光出力を電気信号として出力する光電変換器と、
   第２の偏光を、上記検波光学系を経て上記光電変換器に導くための第２光学系と、
   前記光電変換器出力を外部に出力する出力回路と、
   上記光源から、上記電気（あるいは磁気）光学結晶を経て、上記光電検出器に至る光路上に配置し上記電気（あるいは磁気）光学結晶面での偏向量を電気的に変えることができる偏光調整手段でそれぞれ少なくとも１つ以上の液晶偏向器を含む偏光調整手段を少なくとも１つ以上と、
   前記光電変換器出力を用いて上記偏光調整手段の調整を行い、第１の偏光または第２の偏光を所定の状態に維持する制御回路と、
   を具備することを特徴とする電磁界プローブ装置。
2. 前記光学結晶上にあって光軸と直交し、測定対象の電界（あるいは磁界）を発する検体に近い面上に設けられた反射層、
   をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の電磁界プローブ装置。
3. 上記偏光調整手段は、少なくとも１つ以上の液晶レンズを具備することを特徴とする請求項１から２のいずれか１つに記載の電磁界プローブ装置。
4. 上記偏光調整手段は、さらに少なくとも１つ以上の液晶リターダを具備することを特徴とする請求項３に記載の電磁界プローブ装置。
5. 前記反射層は、反射率あるいは透過率などの光学的特性の部分的な変化により構成したマーカーを具備することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の電磁界プローブ装置。
6. 上記制御回路は、上記液晶偏向器を制御して上記電気（あるいは磁気）光学結晶面を第１の偏光で走査して前記光学結晶上における電界（あるいは磁界）の強度分布を測定し、
   測定した前記強度分布における特定の標本点を決定し、
   前記標本点における測定値を保持し出力するように制御するものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の電磁界プローブ装置。
7. 上記制御回路は、上記液晶偏向器を制御して上記電気（あるいは磁気）光学結晶面を第１の偏光で走査しつつ電界（あるいは磁界）の強度分布を測定し、
   上記強度分布上の最大値を保持し出力するように制御するものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の電磁界プローブ装置。
8. 上記制御回路は、上記液晶偏向器を制御して上記電気（あるいは磁気）光学結晶面を第１の偏光で走査しつつ電界（あるいは磁界）強度を測定し、
   走査位置情報と測定した電界（あるいは磁界）強度を出力するように制御するものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の電磁界プローブ装置。
9. 上記液晶レンズの焦点距離を順次徐々に変えながら、上記液晶偏向器を用いて上記電気（あるいは磁気）光学結晶面を第１の偏光で走査して行なう上記反射層の形成された前記電気（あるいは磁気）光学結晶面と同じ面に設けられたマーカーからの反射光または透過光の強度測定を行うか、あるいは、
   上記液晶偏向器を用いて上記電気（あるいは磁気）光学結晶面を第１の偏光で走査して行なう上記反射層の形成された前記電気（あるいは磁気）光学結晶面と同じ面に設けられたマーカーからの反射光または透過光の強度測定を、上記液晶レンズの焦点距離を順次徐々に変えながら、行い、
   上記液晶偏向器の偏向量に対する反射光または透過光強度の変化が最大となる焦点距離をもって、上記液晶レンズの設定とすることを特徴とする請求項４から５のいずれか１つに記載の電磁界プローブ装置。
10. 上記液晶偏向器への印加電圧を制御して上記電気（あるいは磁気）光学結晶面を第１の偏光で走査して上記反射層の形成された前記電気（あるいは磁気）光学結晶面と同じ面に設けられたマーカーからの反射光または透過光の強度測定を行い、
    上記液晶偏向器による偏向量に対する反射光または透過光強度の変化が最大になる偏向量を見出し、その見出した前記偏向量と該偏向量を実現する上記液晶偏向器への印加電圧とで、上記液晶偏向器の校正を行うことを特徴とする請求項５に記載の電磁界プローブ装置。
11. 上記電気（あるいは磁気）光学結晶は、結晶方位、結晶サイズ、材質、厚みなどの異なる複数の電気（あるいは磁気）光学結晶素子の配列で構成されたものであり、
    上記偏向器の偏向量を変えて目的とする電気（あるいは磁気）光学結晶素子を選択するものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の電磁界プローブ装置。
12. 上記制御回路は、上記偏光調整手段の設定データ、あるいは、上記偏光調整手段の設定データと前記設定データの取得時の温度および湿度を含む環境データとを記憶する記憶装置に接続され、
    要求に応じて、上記記憶装置から上記設定データまたは上記環境データを読み出して、上記制御回路の初期値として用いることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の電磁界プローブ装置。

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