JP2020051871A - 電界センサ - Google Patents
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Abstract
Description
これに対して、電気光学効果を用いた電界測定は、センサエレメントが金属製ではないため測定対象の電界を乱さずに測ることができ、さらに高空間分解の測定が可能である。このため、電気光学効果を用いた電界測定は、色々な用途で使われ始めている。なお、電気光学効果とは、電気光学結晶に電界が印加されると、電界強度に比例して電気光学結晶を透過する光の屈折率が変化する効果である。また、屈折率の変化は、光学結晶を通過する光波の位相変化を与える。電気光学効果を用いた電界測定では、位相の変化を測定することで、電気光学結晶に印加されている電界を測定することができる(例えば、特許文献1、2参照)。
図8は、電気光学効果を利用した従来の電界センサの構成例を示す図である。図8に示すように、電界センサ900は、光源901、偏光子902、波長板903、電気光学結晶904、偏光子905、および受光器906を有する。
外部電界Eが電気光学結晶904に印加されると、電気光学結晶904の屈折率変化の大きさΔnは、次式(1)で表される。
この時の光位相変化Δφは、次式(2)のように表される。
波長板903が、偏光子902で直線偏光にされた光にπ/2の位相差を与え、円偏光に変換した場合、検光子(偏光子905)から出る光電力強度Poutは、次式(3)のように表される。
図1は、本実施形態に係る電界センサ100の構成例を示す図である。
図1に示すように、電界センサ100は、光源1、レンズ2、偏光子3、λ/4波長板4、電気光学結晶5、偏光ビームスプリッタ6(受光手段)、レンズ7a(受光手段)、レンズ7b(受光手段)、受光器8a(受光手段)、受光器8b(受光手段)、差動増幅部9(受光手段)、濾過器10(第1分離部)、基準電源11(基準電界手段)、ロックインアンプ12(第2分離部)、利得制御部13、可変利得増幅器14、電界制御部15(基準電界手段)、および基準電界源16(基準電界手段)を備える。
電気光学結晶5の出力側の構成要素102(分離補正手段)は、偏光ビームスプリッタ6、レンズ7a、レンズ7b、受光器8a、受光器8b、差動増幅部9、濾過器10、ロックインアンプ12、利得制御部13(補正部)、および可変利得増幅器14(補正部)である。
受光手段1021は、偏光ビームスプリッタ6、レンズ7a、レンズ7b、受光器8a、受光器8b、および差動増幅部9を備える。
分離補正手段1022は、濾過器10、ロックインアンプ12、利得制御部13、および可変利得増幅器14を備える。
レンズ2は、光源1と偏光子3との間に配置される。偏光子3は、レンズ2とλ/4波長板4との間に配置される。λ/4波長板4は、偏光子3と電気光学結晶5との間に配置される。電気光学結晶5は、λ/4波長板4と偏光ビームスプリッタ6との間に配置される。偏光ビームスプリッタ6は、電気光学結晶5とレンズ7aとの間、電気光学結晶5とレンズ7bとの間に配置される。レンズ7aは、偏光ビームスプリッタ6と受光器8a(受光素子)との間に配置される。レンズ7bは、偏光ビームスプリッタ6と受光器8b(受光素子)との間に配置される。受光器8aは、レンズ7aの出射側に配置される。受光器8bは、レンズ7bの出射側に配置される。
受光器8aの出力端は、差動増幅部9の第1入力端子に接続されている。受光器8bの出力端は、差動増幅部9の第2入力端子に接続されている。差動増幅部9の出力端は、濾過器10の入力端とロックインアンプ12の第1入力端に接続されている。濾過器10の出力端は、可変利得増幅器14の入力端に接続されている。ロックインアンプ12は、第2入力端が基準電源11の一端と電界制御部15の入力端とに接続され、出力端が利得制御部13の入力端に接続されている。基準電源11は、他端が接地されている。利得制御部13の出力端は、可変利得増幅器14の制御端に接続されている。可変利得増幅器14の出力端は、電界センサ100の出力部に接続されている。電界制御部15は、他端が基準電界源16に接続されている。電気光学結晶5は、第1の面側に基準電界源16が設けられており、第1の面と対向する第2の面側が接地されている。
電界センサ100は、被対象物が発する電界の強度を測定する。図1においては、測定用電界源23が被測定対象である。
レンズ2は、コリメータレンズであり、光源が出射した光線を平行光に変換して出射する。
λ/4波長板4は、λ/4波長板であり、偏光子3が出射した光線を円偏光に偏光して出射する。なお、本実施形態では、電界の原点付近の感度を増加の目的や電界の極性を判定する目的で、電気光学結晶5の前にλ/4波長板4を入れて偏光している。ただし、感度増加や電界極性を判定する必要がない場合は、必ずしもλ/4波長板4を実装してなくてもよい。
レンズ7bは、コリメータレンズであり、偏光ビームスプリッタ6が出射したS偏光の光線を受光器8aに集光する。
受光器8bは、受光した光量を光電変換することにより電界強度に応じた電気信号VS(meas+fref)として差動増幅部9に出力する。
濾過器10は、差動増幅部9が出力した測定信号中の基準電界信号成分を除去した電気信号V(meas)を可変利得増幅器14に出力する。
ロックインアンプ12は、基準電源11が出力する基準信号を用いて、差動増幅部9が出力する電気信号の中から基準電界信号成分V(fref)を抽出する。なお、基準電界信号成分の抽出には、必ずしもロックインアンプ12ではなくても同期検波方式のアンプでもよい。
電界制御部15は、基準電源11が出力する基準信号を電界強度に駆動するドライバであり、駆動信号を基準電界源16に出力する。
電界センサ100は、センサ内に実装している電気光学結晶5に印加される電界強度に誘起される位相変化量を光学的手段で得ている。電気光学結晶5の電界に対する位相変化量の大きさ、すなわち感度に相当する一次電気光学定数r31は、光学結晶の複屈折の温度依存性により変化する。
更に、光学結晶材料の熱膨張係数により電気光学結晶5の光学作用長が変わる。また、応力により結晶内の偏波状態が変化することによる位相変化が加わるので、その位相変化を常時監視する機構を盛り込み、変化を補正することにより測定安定度の高い電界センサを提供する必要がある。
ここで、V(fref)の信号は光源から差動増幅器の入力まで共通なので、変動分に応じて、演算部(濾過器10、ロックインアンプ12、利得制御部13、可変利得増幅器14)で測定信号の感度を補正すれば、周囲温度等により一次電気光学定数reffが変化しても測定安定度の高い電界測定が可能となる。
図2は、本実施形態に係る電界センサ100の効果を説明するための図である。図2において、横軸は周波数であり、縦軸は電界センサ100のセンサゲインである。また、符号g101は基準信号の周波数frefを示し、符号g102は電界センサ100の周波数特性を示し、符号g103は測定周波数特性を示している。周波数frefは、例えば10Hzであり、測定周波数は例えば100Hzである。なお、基準信号成分V(fref)の周波数は、測定周波数帯に影響を及ぼさない周波数であればよく、図2に示したように測定周波数帯より低い周波数であってもよく、高い周波数であってもよい。
第2実施形態では、測定用電界にも変調をかける例を説明する。
図3に示すように、電界センサ100Aは、光源1、レンズ2、偏光子3、λ/4波長板4、電気光学結晶5、偏光ビームスプリッタ6、レンズ7a、レンズ7b、受光器8a、受光器8b、差動増幅部9、基準電源11(基準電界手段)、ロックインアンプ12a(第1分離部)、ロックインアンプ12b(第2分離部)、利得制御部13、可変利得増幅器14、電界制御部15(基準電界手段)、基準電界源16(基準電界手段)、測定用電源21(測定電界手段)、および測定用電界制御部22(測定電界手段)を備える。
電気光学結晶5の出力側の構成要素102A(分離補正手段)は、偏光ビームスプリッタ6、レンズ7a、レンズ7b、受光器8a、受光器8b、差動増幅部9、ロックインアンプ12a、ロックインアンプ12b、利得制御部13、および可変利得増幅器14である。
受光手段1021は、偏光ビームスプリッタ6、レンズ7a、レンズ7b、受光器8a、受光器8b、および差動増幅部9を備える。
分離補正手段1022Aは、ロックインアンプ12a、ロックインアンプ12b、利得制御部13、および可変利得増幅器14を備える。
受光器8aの出力端は、差動増幅部9の第1入力端子に接続されている。受光器8bの出力端は、差動増幅部9の第2入力端子に接続されている。差動増幅部9の出力端は、ロックインアンプ12aの第1入力端とロックインアンプ12bの第1入力端に接続されている。ロックインアンプ12bは、第2入力端が基準電源11の一端と電界制御部15の入力端とに接続され、出力端が利得制御部13の入力端に接続されている。基準電源11は、他端が接地されている。利得制御部13の出力端は、可変利得増幅器14の制御端に接続されている。可変利得増幅器14の出力端は、電界センサ100Aの出力部に接続されている。電界制御部15は、他端が基準電界源16に接続されている。電気光学結晶5は、第1の面側に基準電界源16と測定用電界源23が設けられており、第1の面と対向する第2の面側が接地されている。測定用電源21は、他端が接地されている。測定用電界制御部22は、他端が測定用電界源23に接続されている。
測定用電界制御部22は、測定用電源21が出力する測定用参照信号を電界強度に駆動するドライバであり、駆動信号を測定用電界源23に出力する。
測定用電界源23は、測定用電界制御部22が出力する駆動信号によって駆動され、電気光学結晶5に測定用電界E(fm)を与える。なお、このように、電気光学結晶5に基準電界測定用電界E(fm)を与えることは、測定用電界に周波数fmで変調をかけていることになる。
ロックインアンプ12bは、基準電源11が出力する基準信号を用いて、差動増幅部9が出力する電気信号の中から基準電界信号成分V(fref)を抽出する。
第2実施形態の電界センサ100Aを太陽電池の発生電界分布の測定に応用する例を説明する。
図5は、第2実施形態の電界センサ100Aを太陽電池の発生電界分布の測定に適用した場合の構成例を示す図である。
図5に示すように、電界センサ100Aは、電気光学結晶5への入力側の構成要素101(図3)、電気光学結晶5の出力側の構成要素102A(図3)、基準電源11、電界制御部15、基準電界源16、測定用電界制御部22(測定電界手段)、測定用電源21(測定電界手段)、および太陽電池照射用光源24(測定電界手段)を備える。
電界センサ100A’は、被対象物である太陽電池201が発する電界の強度を測定する。
測定用電界制御部22は、他端が太陽電池照射用光源24に接続されている。
測定用電源21は、測定用参照信号fmを発生させる。
測定用電界制御部22は、測定用電源21が出力する測定用参照信号を電界強度に駆動するドライバであり、駆動信号を太陽電池照射用光源24に出力する。
すなわち、電界センサ100A’では、図3の電界センサ100Aにおいて測定用電界源23の代わりに太陽電池201が発生する電界E(fm)が電気光学結晶5に印加されることになる。電界センサ100A’は、太陽電池201によって発生した電界E(fm)を測定する。
第1実施形態の電界センサ100をベースに導波路型電界センサに応用する例を説明する。なお、導波路型電界センサの構成例と動作例については、例えば参考文献1参照。
電気光学結晶303は、第1光導波路3031、電極3032(第3の電極)、電極3033(第1の電極)、電極3034(第2の電極)、および第2光導波路3035を備える。
光ファイバ302の他端は、電気光学結晶303の第1光導波路3031の入力端に接続されている。なお、光ファイバ302は、フォトカプラを介して電気光学結晶303の第1光導波路3031に接続されている。
電極3033は、外部との接続部が測定用電界源304と接続され、出力端が電極3034の入力端と接続されている。
第2光導波路3035は、Y字型に形成されていて、2つの入力端(第1の出力端と第2の出力端)と1つの出力端を備える。第2光導波路3035は、出力端が光ファイバ306の入力端に接続されている。
光ファイバ306の他端は、受光器307に接続されている。なお、光ファイバ306は、電気光学結晶303の第2光導波路3035に接続されている。
測定用電界源304は、測定用電界E(meas)を電極3033に印加することで、測定用電界E(meas)を電気光学結晶303に印加する。
基準電源305は、基準電界信号成分作成用の基準信号frefを発生させ、電極3034に印加することで、基準信号frefを電気光学結晶303に印加する。
受光器307は、光ファイバ306を介して電気光学結晶303から出射された光を受光し、受光した光を電気信号に変換する。
次に、縦型電界センサに本実施形態の電界センサを適用する例を説明する。なお、縦型電界センサの構成例と動作例については、例えば参考文献2参照。
図7に示すように、電界センサ100Dは、光源1、ビームスプリッタ401、λ/4波長板402、電気光学結晶5D、偏光ビームスプリッタ6、レンズ7a、レンズ7b、受光器8a、受光器8b、差動増幅部9、濾過器10(第1分離部)、基準電源11(基準電界手段)、ロックインアンプ12(第2分離部)、利得制御部13、可変利得増幅器14、電界制御部15(基準電界手段)、および基準電界源16(基準電界手段)を備える。
電気光学結晶5Dからの出力側の構成要素102(分離補正手段)は、偏光ビームスプリッタ6、レンズ7a、レンズ7b、受光器8a、受光器8b、差動増幅部9、濾過器10、ロックインアンプ12、利得制御部13、および可変利得増幅器14である。
また、電気光学結晶5Dの出力側の構成要素102は、受光手段1021と分離補正手段1022を備える。
電界センサ100と同じ機能を有する構成要素については、同じ符号を用いて説明を省略する。
ビームスプリッタ401は、光源1とλ/4波長板402との間に配置される。λ/4波長板402は、ビームスプリッタ401と電気光学結晶5との間に配置される。
電気光学結晶5は、接地されているITO電極5D1を有する面がλ/4波長板402と対向する側に配置され、ミラー5D2を有する面が基準電界源16と測定用電界源23と対向する側に配置される。
そして、本実施例においても、基準電界を発生する基準電界源16から基準電界を印加することで温度変化に対応できる。
Claims (8)
- 電気光学効果を利用した被対象物が発する電界を測定する電界センサであって、
光源と、
前記光源が出射した光に基づく所定の偏光状態の光が入射され、前記被対象物が発する電界を受ける電気光学結晶と、
信号レベルが既知の基準信号に基づく電界を前記電気光学結晶に印加する基準電界手段と、
前記電気光学結晶から出射される光を受光し、受光した光を電気信号に変換する受光手段と、
前記電気信号から前記被対象物が発する電界に基づく測定信号と前記基準信号とを分離し、分離した前記基準信号の信号レベルに基づいて前記測定信号の信号レベルを補正する分離補正手段と、
を備える電界センサ。 - 前記分離補正手段は、
前記電気信号から前記測定信号を分離する第1分離部と、
前記電気信号から前記基準信号を分離する第2分離部と、
分離された前記基準信号の信号レベルに基づいて、前記測定信号の信号レベルを補正する補正部と、を備える請求項1に記載の電界センサ。 - 信号レベルが既知の参照信号を前記被対象物に印加する測定電界手段、をさらに備え、
前記分離補正手段は、
前記電気信号から前記参照信号が重畳された前記測定信号を分離する第1分離部と、
前記電気信号から前記基準信号を分離する第2分離部と、
分離された前記基準信号の信号レベルに基づいて、前記測定信号の信号レベルを補正する補正部と、を備える請求項1に記載の電界センサ。 - 前記被対象物が太陽電池であり、
前記測定電界手段は、前記太陽電池に光を照射するための光源を備え、
前記電気光学結晶は、前記太陽電池が前記光源による光の照射によって発生した電界を、前記被対象物が発する電界として受ける、請求項3に記載の電界センサ。 - 前記電気光学結晶は、前記光源の光が入射される第1光導波路と、前記第1光導波路の第1出力に接続され前記被対象物が発する電界が入力される第1の電極と、前記第1の電極に接続され前記基準信号に基づく電界が印加される第2の電極と、前記光導波路の第1出力に接続され接地されている第3の電極と、第1入力に前記第2の電極が接続され第2入力に前記第3の電極が接続され出力が前記受光手段に接続される第2光導波路と、を備える、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電界センサ。
- 前記電気光学結晶は、
透明電極と、前記透明電極と対向する面にミラーとを備え、
前記光源が出射した光に基づく所定の偏光状態の光が前記透明電極から入射され、前記透明電極から入射した光を前記ミラーによって反射し、反射した光を前記透明電極から出射する、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電界センサ。 - 前記所定の偏光状態は、円偏光である、請求項1から請求項4、請求項6のいずれか1項に記載の電界センサ。
- 前記基準信号の周波数は、測定信号に影響を及ぼさない周波数帯である、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電界センサ。
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