JP2020118498A - 電界センサ - Google Patents

Abstract

【課題】電気光学効果を利用した電界センサにおいて、従来より構成を簡素化してレーザ光の揺らぎを除去することができる電界センサを提供することを目的とする。【解決手段】電界センサは、光源と、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、被対象物が発する電界を受ける電気光学結晶と、電気光学結晶から出射される光をＰ波とＳ波とに分離する分離手段と、分離手段の前段で、光の位相を変化させる波長板と、Ｐ波の光を受光し、受光した光を電気信号に変換する第１受光手段と、Ｓ波の光を受光し、受光した光を電気信号に変換する第２受光手段と、第１受光手段が変換した電気信号と、第２受光手段が変換した電気信号との差動信号を生成する差動増幅手段と、光源から光が出射され電気光学結晶に電界を印加した状態の差動増幅手段の直流成分の出力値を所定の値の範囲になるように、光源の波長を調整する制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電界センサに関する。

電界を測定する電界センサとしては、センサエレメントが一般的なダイポールアンテナのような金属製のものが一般的である。
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、電界強度に応じ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）。

ここで、電気光学効果を利用した電界センサの構成例と動作例を説明する。
図７は、従来技術に係る電気光学効果を利用した電界センサ９００の構成例と動作例を示す図である。図７に示すように、電界センサ９００は、レーザ光源９０１と、検光子９０２と、λ／４波長板９０３と、電界発生源９０４と、電気光学結晶９０５と、λ／２波長板９０６と、偏光ビームスプリッタ９０７と、フォトディテクタ９０８と、フォトディテクタ９０９と、差動増幅器９１０を有している。

レーザ光源９０１は、例えば半導体レーザである。検光子９０２は、レーザ光源９０１から入射した光線のうち直線偏光を出射する。λ／４波長板９０３は、検光子９０２から入射した光線を円偏光に偏光して出射する。

電界発生源９０４は、電気光学結晶９０５に対して電界を発生させる。電気光学結晶９０５は、電界発生源９０４によって印加される電界強度に応じた複屈折の変化により偏光状態を変化させる。電気光学結晶９０５は、楕円軸の方位が４５度に傾いた楕円偏光の光線を出射する。なお、楕円偏光の楕円率は、電界の強度によって変化する。λ／２波長板９０６は、電気光学結晶９０５が出射した光線を楕円偏光の楕円率を保ったまま、楕円偏光の方位が０度となる楕円偏光に変える。

偏光ビームスプリッタ９０７は、λ／２波長板９０６が出射した楕円偏光の方位が０度である楕円偏光の光線をＰ波とＳ波に分離する。フォトディテクタ９０８は、偏光ビームスプリッタ９０７から入射したＰ波を電気信号に変換し、変換したＰ波成分の電気信号を差動増幅器９１０の一方の入力端に出力する。フォトディテクタ９０９は、偏光ビームスプリッタ９０７から入射したＳ波を電気信号に変換し、変換したＳ波成分電気信号を差動増幅器９１０の他方の入力端に出力する。

差動増幅器９１０は、Ｐ波成分とＳ波成分の電気信号の差動成分を増幅して、増幅した電気信号を不図示の信号処理装置に出力する。なお、Ｐ波とＳ波の強度の時間変化は逆位相となるため、電界強度信号は、差動増幅器９１０によって２倍となる。

ここで、検光子９０２を透過後の光強度をＩ_Ｏとし、Ｐ波の光強度をＩ_Ｐとし、Ｓ波の光強度をＩ_Ｓとすると、Ｐ波の透過率Ｔ_Ｐは位相差Γを用いて次式（１）で表され、Ｓ波の透過率Ｔ_Ｓは位相差Γを用いて次式（２）で表される。

ここで、電気光学結晶９０５に印加される電圧が正弦波であり、位相差（Γ（ｔ）＝ａ・ｓｉｎ（２πｆｔ））が時間的に変動する場合、Ｐ波の透過率Ｔ_Ｐ（ｔ）は次式（３）のように表され、Ｓ波の透過率Ｔ_Ｓ（ｔ）は次式（４）のように表される。

ここで、Ｔ_Ｐ（ｔ）とＴ_Ｓ（ｔ）の差動バランスがあっている場合は、Ｐ波の平均光パワーＴ_ＰＯとＳ波の平均光パワーＴ_ＳＯが等しいため、図８のように動作する。図８は、Ｔ_Ｐ（ｔ）とＴ_Ｓ（ｔ）の差動バランスがあっている場合の動作を説明するための図である。図８の符号ｇ９２１が示すグラフにおいて、横軸は位相差Γであり、縦軸は透過率Ｔである。また、符号ｇ９２２はＰ波による変化を表し、符号ｇ９２３はＳ波による変化を表している。符号ｇ９２４のグラフは、平均位相差０におけるＰ波とＳ波の光強度の変化を表している。符号ｇ９２５は、平均位相差０における位相差の変化を表している。

これに対して、レーザ光に強度揺らぎ（雑音）がある場合、理想的にはＴ_Ｐ（ｔ）とＴ_Ｓ（ｔ）の波形に同相で重畳するため、その雑音の大きさはＰ波の平均光パワーＴ_ＰＯとＳ波の平均光パワーＰ_ＳＯに比例する。差動バランスがあっている場合は、Ｔ_ＰＯ＝Ｔ_ＳＯとなるため、差動増幅器９１０によって雑音成分をキャンセルすることができる。
しかしながら、現実的には電気光学結晶９０５を含む光学部品の旋光性や偏差や波長板の角度偏差等により、図９のように位相がずれてくる。図９は、Ｔ_Ｐ（ｔ）とＴ_Ｓ（ｔ）の差動バランスがずれている場合の動作を説明するための図である。図９の符号ｇ９３１が示すグラフにおいて、横軸は位相差Γであり、縦軸は透過率Ｔである。また、符号ｇ９３２はＰ波による変化を表し、符号ｇ９３３はＳ波による変化を表している。符号ｇ９３４のグラフは、位相差にオフセットΓ_０が加わったＰ波とＳ波の光強度の変化を表している。符号ｇ９３５は、位相差にオフセットΓ_０が加わった位相差の変化を表している。

差動バランスがずれている場合は、次式（５）と次式（６）のように、位相差にオフセットΓ_０が生じ、差動バランスがずれる。

レーザ光に強度揺らぎ（雑音）がある場合、Ｔ_Ｐ（ｔ）とＴ_Ｓ（ｔ）の波形に同相で重畳するため、上述したように雑音の大きさは平均パワーＴ_ＰＯとＴ_ＳＯに比例する。ここで、差動バランスがずれている場合は、Ｔ_ＰＯとＴ_ＳＯが等しくならず、雑音の大きさが異なる。このため、差動増幅器９１０によってキャンセルできない。また、図９の符号ｇ９３４のグラフに示したように、バランス点からずれると変調効率が小さい点にバイアスされるので、信号成分が減少する。このように、Ｐ波とＳ波のバランスが崩れた場合は、Ｓ／Ｎが劣化する。

このため、従来、組み立て調整で、図１０に示すように、波長板を回転させることでバランスを調整することが行われている。図１０は、波長板を回転させて差動バランスを調整する構成例を示す図である。図１０において、図７と同じ機能の部品には同じ符号を用いて説明を省略する。

図１０に示したように、電界センサ９００ａは、レーザ光源９０１と、検光子９０２と、λ／４波長板９０３ａと、電界発生源９０４と、電気光学結晶９０５と、λ／２波長板９０６ａと、偏光ビームスプリッタ９０７と、フォトディテクタ９０８と、フォトディテクタ９０９と、差動増幅器９１０を有している。
電気光学結晶９０５に電界が印加されていないときにおいても、光学的なバランス点のずれにより、フォトディテクタ９０８とフォトディテクタ９０９の両方の出力に差が生じて、差動増幅器９１０の出力が０にならない。このため、電界センサ９００ａでは、λ／４波長板９０３ａとλ／２波長板９０６ａを回転させてＰ波とＳ波のバランスを光学的に調整する。

特開２００２−１２２６２２号公報 特開２００７−１０１３８４号公報

しかしながら、図１０に示したようにλ／４波長板９０３ａとλ／２波長板９０６ａを回転させてＰ波とＳ波のバランスを光学的に調整した場合は、レーザ光の揺らぎを除去できるが、構成が複雑になり装置も大型になるという課題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、電気光学効果を利用した電界センサにおいて、従来より構成を簡素化してレーザ光の揺らぎを除去することができる電界センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る電界センサ（１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ）は、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（半導体レーザ１０２）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（１０７）と、前記電気光学結晶から出射される光をＰ波とＳ波とに分離する分離手段（偏光ビームスプリッタ１０９）と、前記分離手段の前段で、光の位相を変化させる波長板（λ／４波長板１０５、λ／２波長板１０８）と、前記Ｐ波の光を受光し、受光した光を電気信号に変換する第１受光手段（受光回路１１０）と、前記Ｓ波の光を受光し、受光した光を電気信号に変換する第２受光手段（受光回路１１１）と、前記第１受光手段が変換した電気信号と、前記第２受光手段が変換した電気信号との差動信号を生成する差動増幅手段（差動増幅器１１２）と、前記光源から光が出射され前記電気光学結晶に電界を印加した状態の前記差動増幅手段の直流成分の出力値を所定の値の範囲になるように、前記光源の波長を調整する制御部（ＤＣレベル測定部１１３、温度制御部１１４、温度調整器１０３）と、を備える。

上記の構成により、電界センサは、差動増幅手段の出力が所定の範囲になるように光源の温度を調整することでレーザの波長を変更する。これにより、上記構成によれば、レーザにより光強度の揺らぎ（雑音）をキャンセルすることができる。この結果、バランスずれが減少し、バランス点が適切な位置となるため、上記構成によれば、バランスがずれている場合と比較して信号強度が上がり、Ｓ／Ｎの劣化が少なく安定した電界測定を行うことができる。また、上記構成では、波長板を回転させないため、装置を従来より簡素化でき小型化することができる。これにより、上記構成によれば、測定安定度を損なうことなく、従来より構成を簡素化してレーザ光の揺らぎを除去することができる。

また、本発明の一態様に係る測定装置において、前記制御部は、前記光源から光が出射され前記電気光学結晶に電界を印加した状態の前記差動増幅手段の直流成分の出力値を所定の値の範囲になるように、前記光源の温度を調整することで前記光源の波長を調整するようにしてもよい。

上記の構成により、電界センサは、電気光学結晶に電界が印加されている状態の光学部品によるばらつきを制御部で調整するようにした。これにより、上記構成によれば、レーザにより光強度の揺らぎ（雑音）をよりキャンセルすることができる。この結果、バランスずれが減少し、バランス点が適切な位置となるため、上記構成によれば、バランスがずれている場合と比較して信号強度が上がり、Ｓ／Ｎの劣化が少なく安定した電界測定を行うことができる。

また、本発明の一態様に係る測定装置は、透明電極（ＩＴＯ１１６）と、ミラー（１１７）と、を備え、前記電気光学結晶は、一方の面に前記透明電極が対向して配置され、他方の面に前記ミラーが配置され、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し、前記透明電極から出射された光が前記分離手段に入射するようにしてもよい。

上記の構成により、電界センサは、構造が縦型であっても、レーザにより光強度の揺らぎ（雑音）をよりキャンセルすることができる。この結果、バランスずれが減少し、バランス点が適切な位置となるため、上記構成によれば、バランスがずれている場合と比較して信号強度が上がり、Ｓ／Ｎの劣化が少なく安定した電界測定を行うことができる。

また、本発明の一態様に係る測定装置は、前記第１受光手段の電気信号の利得を変更する第１利得可変手段（利得可変増幅器１２１）と、前記第２受光手段の電気信号の利得を変更する第２利得可変手段（利得可変増幅器１２２）と、をさらに備え、前記制御部は、前記光源から光が出射され前記電気光学結晶に電界が印加されていない状態の前記差動増幅手段の直流成分の出力値を所定の値の範囲になるように、前記第１利得可変手段の利得と前記第２利得可変手段の利得を調整するようにしてもよい。

上記の構成により、電界センサは、電気光学結晶に電界が印加されていない状態の光学部品によるばらつきを第１利得可変手段と第２利得可変手段で調整し、電気光学結晶に電界が印加されている状態の光学部品によるばらつきを制御部で調整するようにした。これにより、上記構成によれば、レーザにより光強度の揺らぎ（雑音）をよりキャンセルすることができる。この結果、バランスずれが減少し、バランス点が適切な位置となるため、上記構成によれば、バランスがずれている場合と比較して信号強度が上がり、Ｓ／Ｎの劣化が少なく安定した電界測定を行うことができる。

本発明によれば、従来より構成を簡素化してレーザ光の揺らぎを除去することができる。

第１実施形態に係る電界センサの構成例を示す図である。 レーザの周囲温度と発振波長の関係を示す図である。 第１実施形態に係るレーザ光源の構成例を示す図である。 第２実施形態に係る電界センサの構成例を示す図である。 第３実施形態に係る電界センサの構成例を示す図である。 第４実施形態に係る電界センサの構成例を示す図である。 従来技術に係る電気光学効果を利用した電界センサの構成例と動作例を示す図である。 Ｔ_Ｐ（ｔ）とＴ_Ｓ（ｔ）の差動バランスがあっている場合の動作を説明するための図である。 Ｔ_Ｐ（ｔ）とＴ_Ｓ（ｔ）の差動バランスがずれている場合の動作を説明するための図である。 波長板を回転させて差動バランスを調整する構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

＜第１実施形態＞
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、レーザ光源１０１（光源）と、検光子１０４と、λ／４波長板１０５（波長板）と、電界発生源１０６と、電気光学結晶１０７と、λ／２波長板１０８と、偏光ビームスプリッタ１０９（分離手段）と、受光回路１１０（第１受光手段）と、受光回路１１１（第２受光手段）と、差動増幅器１１２（差動増幅手段）と、ＤＣレベル測定器１１３（制御部）と、温度制御部１１４（制御部）を備えている。また、レーザ光源１０１は、半導体レーザ１０２（光源）と、温度調整器１０３（制御部）を備えている。なお、符号ｇ１１１に示すように、図１において、レーザ光源１０１から出射された光は進行方向に振動成分を持たない横波であり、進行方向に対し磁界振動方向をｘ軸とし、電界振動方向をｙ軸とする。

まず、電界センサ１００の光学的な構成要素の配置を説明する。
検光子１０４は、レーザ光源１０１とλ／４波長板１０５との間に配置される。λ／４波長板１０５は、検光子１０４と電気光学結晶１０７との間に配置される。電気光学結晶１０７は、λ／４波長板１０５とλ／２波長板１０８との間に配置される。λ／２波長板１０８は、電気光学結晶１０７と偏光ビームスプリッタ１０９との間に配置される。偏光ビームスプリッタ１０９は、λ／２波長板１０８と受光回路１１０との間、かつλ／２波長板１０８と受光回路１１１との間に配置される。

次に、電界センサ１００の電気的な構成要素の接続関係を説明する。
受光回路１１０の出力端は、差動増幅器１１２の第１入力端子に接続されている。受光回路１１１の出力端は、差動増幅器１１２の第２入力端子に接続されている。差動増幅器１１２の出力端は、不図示の信号処理装置に処理した信号を出力する。

次に、電界センサ１００の動作について説明する。
電界センサ１００は、センサ内に実装している電気光学結晶１０７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。なお、電界センサ１００は、被測定対象が発生する電界を電気光学結晶１０７に与えることで、差動増幅器１１２の出力値を不図示の信号処理装置によって測定することで、被測定対象が発生する電界の大きさを測定する。

半導体レーザ１０２は、例えば半導体レーザである。半導体レーザ１０２は、不図示のレーザ駆動部によって駆動され発光する。
温度調整器１０３は、半導体レーザ１０２に取り付けられている。温度調整器１０３は、例えばペルチェ素子である。温度調整器１０３は、温度制御部１１４の制御に応じて半導体レーザ１０２の温度を調整する。

検光子１０４は、レーザ光源１０１から入射した光線のうち直線偏光（符号ｇ１０１、ｇ１１１）を出射する。
λ／４波長板１０５は、光軸の方位をｘ軸に対して４５度傾けて配置されている。λ／４波長板１０５は、検光子１０４から入射した光線を円偏光（符号ｇ１０２、ｇ１１２）に偏光して出射する。換言すると、λ／４波長板１０５は、電気光学結晶１０７に入射する光に対して光学的にバイアスをかけている。

電界発生源１０６は、電気光学結晶１０７に対して電界を発生させる。
電気光学結晶１０７は、電界発生源１０６によって印加される電界強度に応じた複屈折の変化により偏光状態を変化させる。電気光学結晶１０７は、楕円軸の方位が４５度に傾いた楕円偏光（符号ｇ１０３、ｇ１１３）の光線を出射する。なお、楕円偏光の楕円率は、電界の強度によって変化する。電気光学結晶１０７は、例えばＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｂｉ１２ＳｉＯ２０（ＢＳＯ）、Ｂｉ１２ＧｅＯ２０（ＢＧＯ）、ＡＤＰ、ＫＤＰ等である。

λ／２波長板１０８は、光軸の方位をｘ軸に対して２２．５度傾けて配置されている。λ／２波長板１０８は、電気光学結晶１０７が出射した光線を楕円偏光の楕円率を保ったまま、楕円偏光の方位が０度となる楕円偏光（符号ｇ１０４、ｇ１１４）に変える。

偏光ビームスプリッタ１０９は、λ／２波長板１０８が出射した楕円偏光の方位が０度である楕円偏光の光線をＰ波（符号ｇ１０５、ｇ１１５）とＳ波（符号ｇ１０６、ｇ１１６）に分離する。

受光回路１１０は、フォトディテクタを有する。受光回路１１０は、偏光ビームスプリッタ１０９から入射したＰ波を電気信号に変換し、変換したＰ波成分の電気信号を差動増幅器１１２の第１入力端子に出力する。

受光回路１１１は、フォトディテクタを有する。受光回路１１１は、偏光ビームスプリッタ１０９から入射したＳ波を電気信号に変換し、変換したＳ波成分電気信号を差動増幅器１１２の第２入力端に出力する。

差動増幅器１１２は、Ｐ波成分とＳ波成分の電気信号の差動成分を増幅して、増幅した電気信号を信号処理装置に出力する。

ＤＣレベル測定器１１３は、差動増幅器１１２が出力するＤＣ（直流）のレベルを測定し、測定したＤＣレベルを示す値または情報を温度制御部１１４に出力する。
温度制御部１１４は、ＤＣレベル測定器１１３が出力するＤＣレベルを示す値または情報を取得する。温度制御部１１４は、ＤＣレベルを示す値が０Ｖを含む所定の値の範囲に入るように温度調整器１０３を制御する。

本実施形態では、差動増幅器１１２の出力からＤＣレベル測定器１１３によって直流成分を取り出し、取り出した直流成分が０Ｖを含む所定の範囲に入るように半導体レーザ１０２の温度を温度制御部１１４と温度調整器１０３によって制御する。なお、調整はリアルタイムで行う。

ここで、レーザの周囲温度と発振波長の関係を説明する。
図２は、レーザの周囲温度と発振波長の関係を示す図である。横軸は温度（度）であり、縦軸は発振波長（μｍ）である。図２に示したように、レーザの周囲温度が変化すると、発振波長も変化する。例えば、レーザの周囲温度が上昇すると、発振波長が上昇前より大きくなる。

次に、レーザ光源１０１の構成例を説明する。
図３は、本実施形態に係るレーザ光源１０１の構成例を示す図である。図３に示すレーザ光源１０１は、サーミスタ１０２ａと、ＰＤ（フォトディテクタ）１０２ｂと、ＬＤ（レーザ）チップ１０２ｃと、レンズ１０２ｄと、ペルチェ素子１０３ａを含んで構成されている。

サーミスタ１０２ａは、例えばＰＤ１０２ｂとＬＤチップ１０２ｃが取り付けられている基板の温度を測定する。
ＰＤ１０２ｂは、ＬＤチップ１０２ｃによって発光された光強度を測定し、測定した測定値を不図示のレーザ駆動部に出力する。レーザ駆動部は、ＰＤ１０２ｂが出力する測定値に基づいてＬＤチップ１０２ｃが出射する光強度を所定値に制御する。

ＬＤチップ１０２ｃは、レーザ駆動部の制御に応じて発光する。
レンズ１０２ｄは、ＬＤチップ１０２ｃが出射した光線を集光する。レンズ１０２ｄは、集光された光線を光ファイバ１２０に入射する。

図３に示す構造では、ペルチェ素子１０３ａ上にＬＤチップ１０２ｃが設けられている。この構成により、ＬＤチップ１０２ｃの温度を調整することで、半導体レーザ１０２の波長を調整することができる。

ここで、レーザの波長を変更することで、複屈折を有する電気光学結晶中を伝搬する光の位相差を変更することができる原理について説明する。
複屈折を持つ電気光学結晶の通過後の光学的位相差Γ（λ）は、次式（７）のように表される。

式（７）において、φ_ｆはｆａｓｔ軸の位相であり、φ_ｓはｓｌｏｗ軸の位相である。また、λ_ｆはｆａｓｔ軸の波長であり、λ_ｓはｓｌｏｗ軸の波長である。ｃは真空中の光速であり、ｃ_ｆはｆａｓｔ軸の位相速度であり、ｃ_ｓはｓｌｏｗ軸の位相速度である。λは真空中での波長であり、ｆは真空中での周波数である。ｄは電気光学結晶の厚さである。Δｎはｆａｓｔ軸とｓｌｏｗ軸の屈折率差である。なお、ｆａｓｔ軸とは複屈折を有する結晶中を光が速く伝搬する振動方向であり、ｓｌｏｗ軸とは複屈折を有する結晶中を光が遅く伝搬する振動方向である。

式（７）に示したように、真空中で波長がλであり周波数がｆである光が、厚さｄの複屈折を持つ電気光学結晶中を伝搬するとき、ｆａｓｔ軸の振動方向の光とｓｌｏｗ軸の振動方向の光との位相差Γ（λ）は、波長λに対して反比例の関係である。
ここで、屈折率ｎは、次式（８）である。

式（８）にいて、ｃ’は電気光学結晶中の光速であり、εは真空中の誘電率であり、ε_０は電気光学結晶中の誘電率であり、μは真空中の透磁率であり、μ_０は電気光学結晶中の透磁率である。

式（７）より、ｆａｓｔ時期とｓｌｏｗ軸の屈折率差Δｎは、次式（９）のようになる。

式（９）示したように、レーザの波長を変更することで、複屈折を有する電気光学結晶中を伝搬するｆａｓｔ軸の振動方向の光とｓｌｏｗ軸の振動方向の光の位相差を変更することができる。これは、図１０を用いて説明した従来技術における波長板を回転させて光学的なバランスを調整することと同等の効果を得ることができる。

上述したように、光学的なバランス点のずれによって、受光回路１１０と受光回路１１１の両出力に差が生じて差動増幅器１１２の出力に偏差電圧が生じる。本実施形態では、このような場合であっても、差動増幅器１１２の出力が０Ｖを含む所定の範囲になるように半導体レーザ１０２の温度を調整することでレーザの波長を変更する。これにより、本実施形態によれば、レーザにより光強度の揺らぎ（雑音）をキャンセルすることができる。この結果、バランスずれが減少し、バランス点が適切な位置となるため、図８、図９を用いて説明したように、本実施形態によれば、バランスがずれている場合と比較して信号強度が上がり、Ｓ／Ｎの劣化が少なく安定した電界測定を行うことができる。また、本実施形態では、波長板を回転させないため、装置を従来より簡素化でき小型化することができる。これにより、本実施形態によれば、測定安定度を損なうことなく、従来より構成を簡素化してレーザ光の揺らぎを除去することができる。

なお、レーザの波長を変更する手段は、上述した手段に限らない。温度制御部１１４は、図３に示したサーミスタ１０２ａが出力する情報も用いて、半導体レーザ１０２の波長を変更してもよい。または、外部共振型レーザを用いてもよい。この場合は、差動増幅器１１２から取り出した直流成分が所定の範囲になるように、外部共振型レーザの波長と光路長を変更するように制御するようにしてもよい。

＜第２実施形態＞
本実施形態では、電界センサが縦型構造の例を説明する。
図４は、本実施形態に係る電界センサ１００Ａの構成例を示す図である。図４に示すように、電界センサ１００Ａは、レーザ光源１０１と、電界発生源１０６と、電気光学結晶１０７と、偏光ビームスプリッタ１０９と、受光回路１１０と、受光回路１１１と、差動増幅器１１２と、ＤＣレベル測定器１１３と、温度制御部１１４と、偏光ビームスプリッタ１１５と、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）１１６と、ミラー１１７と、λ／４波長板１１８を備えている。また、レーザ光源１０１は、半導体レーザ１０２と、温度調整器１０３を備えている。なお、第１実施形態の電界センサ１００と同様の機能を有する構成要素には、同じ符号を用いて説明を省略する。

まず、電界センサ１００Ａの光学的な構成要素の配置を説明する。
偏光ビームスプリッタ１１５は、レーザ光源１０１とＩＴＯ１１６の第１面との間に配置される。λ／４波長板１１８は、偏光ビームスプリッタ１１５と偏光ビームスプリッタ１０９との間に配置される。電気光学結晶１０７は、ＩＴＯ１１６の第２面と、ミラー１１７の第１面に接して構成されている。偏光ビームスプリッタ１０９は、λ／４波長板１１８と受光回路１１０との間、かつλ／４波長板１１８と受光回路１１１との間に配置される。

次に、電界センサ１００Ａの動作について説明する。
電界センサ１００Ａは、センサ内に実装している電気光学結晶１０７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。なお、電界センサ１００Ａは、被測定対象が発生する電界を、ミラー１１７側から電気光学結晶１０７に与えることで、差動増幅器１１２の出力値を不図示の信号処理装置によって測定することで、被測定対象が発生する電界の大きさを測定する。

レーザ光源１０１が出射した光線は、偏光ビームスプリッタ１１５を通過して直線偏光でＩＴＯ１１６に入射した後、電気光学結晶１０７を透過してミラー１１７によって反射する。反射した光線は、電気光学結晶１０７とＩＴＯ１１６を透過して測定電界により楕円偏光となった光線は、再び偏光ビームスプリッタ１１５入射する。入射した光線は偏光ビームスプリッタ１１５で反射され、λ／４波長板１１８へ入射され、光学的にバイアスがかかり、偏光ビームスプリッタ１０９に入射される。偏光ビームスプリッタ１０９は、楕円偏光の光線をＰ波とＳ波に分離する。

ＩＴＯ１１６は、透明電極であり接地されている。
ミラー１１７は、第１面が鏡面である。

図４に示した構成を縦型構造の電界センサという。このような縦型構造の電界センサにおいても、レーザにより光強度の揺らぎ（雑音）がある場合、その雑音の大きさは光の平均パワーに比例する。このため、構成している光学部品の偏差や波長板の角度偏差などによって位相がずれた場合、差動バランスがずれてＳ／Ｎが劣化する。

本実施形態では、第１実施形態と同様に差動増幅器１１２の出力を０Ｖを含む所定の範囲になるように制御することで、差動バランスをリアルタイムで合わせる。これにより、本実施形態においても、レーザによる光強度の揺らぎ（雑音）をキャンセルすることができ、信号強度が雑音がある場合より大きくなり、雑音がある場合と比較してＳ／Ｎの劣化を低減することができる。

なお、レーザの波長を変更する手段は、上述した手段に限らない。本実施形態においても、温度制御部１１４は、図３に示したサーミスタ１０２ａが出力する情報も用いて、半導体レーザ１０２の波長を変更してもよい。または、外部共振型レーザを用いてもよい。この場合は、差動増幅器１１２から取り出した直流成分が所定の範囲になるように、外部共振型レーザの波長と光路長を変更するように制御するようにしてもよい。

＜第３実施形態＞
偏光ビームスプリッタで分離されるＰ波の成分とＳ波の成分それぞれの光は、受光回路が有するフォトディテクタで電気信号に変換されるが、偏光ビームスプリッタの分岐比のばらつきや、２個の受光回路それぞれが有するフォトディテクタの受光感度にもばらつきがある場合がある。このような場合も、Ｐ波による雑音成分の大きさとＳ波による雑音成分の大きさが異なるため、差動増幅器１１２によって雑音をキャンセルできない。

このような雑音に対して、本実施形態では、光学バイアスを波長板で調整した状態で、受光回路の後段に設けた利得可変増幅器を用いて差動バランスを電気的に０Ｖを含む第２の所定の範囲に調整した後、さらにレーザの波長を変化させることでリアルタイムに差動バランスを調整する。

図５は、本実施形態に係る電界センサ１００Ｂの構成例を示す図である。
図５に示すように、電界センサ１００Ｂは、レーザ光源１０１と、検光子１０４と、λ／４波長板１０５と、電界発生源１０６と、電気光学結晶１０７と、λ／２波長板１０８と、偏光ビームスプリッタ１０９と、受光回路１１０と、受光回路１１１と、差動増幅器１１２と、ＤＣレベル測定器１１３と、温度制御部１１４Ｂと、利得可変増幅器１２１と、利得可変増幅器１２２を備えている。また、レーザ光源１０１は、半導体レーザ１０２と、温度調整器１０３を備えている。なお、第１実施形態の電界センサ１００と同様の機能を有する構成要素には、同じ符号を用いて説明を省略する。
この構成においても、第１実施形態と同様にλ／４波長板１０５は、電気光学結晶１０７に入射する光に対して光学的にバイアスをかけている。

電界センサ１００Ｂの光学的な構成要素の配置は、電界センサ１００と同じである。電界センサ１００Ｂは、電界センサ１００と同様に、被測定対象が発生する電界を電気光学結晶１０７に与えることで、差動増幅器１１２の出力値を不図示の信号処理装置によって測定することで、被測定対象が発生する電界の大きさを測定する。

次に、電界センサ１００Ｂの電気的な構成要素の接続関係を説明する。
受光回路１１０の出力端は、利得可変増幅器１２１の入力端子に接続されている。利得可変増幅器１２１の出力端子は、差動増幅器１１２の第１入力端子に接続されている。利得可変増幅器１２１の制御端子は、温度制御部１１４Ｂに接続されている。
受光回路１１１の出力端は、利得可変増幅器１２２の入力端子に接続されている。利得可変増幅器１２２の出力端子は、差動増幅器１１２の第２入力端子に接続されている。利得可変増幅器１２２の制御端子は、温度制御部１１４Ｂに接続されている。
差動増幅器１１２の出力端は、不図示の信号処理装置に処理した信号を出力する。

温度制御部１１４Ｂは、レーザ光源１０１を発光させ電界発生源１０６によって電界を発生させていない状態で、差動増幅器１１２の出力が０Ｖを含む第２の所定の範囲になるように、利得可変増幅器１２１と利得可変増幅器１２２それぞれの利得を調整することで電気的に調整する。その後、温度制御部１１４Ｂは、第１実施形態等と同様に、レーザ光源１０１を発光させ電界発生源１０６によって電界を発生させた状態で、差動増幅器１１２の出力が０Ｖを含む所定の範囲になるように、温度調整器１０３を制御することで光学的に調整する。

以上のように、本実施形態によれば、２個の受光回路それぞれが有するフォトディテクタの受光感度にもばらつきがあっても差動バランスを調整することができる。これにより、本実施形態によれば、レーザによる光強度の揺らぎ（雑音）をキャンセルすることができ、信号強度が雑音がある場合より大きくなり、雑音がある場合と比較してＳ／Ｎの劣化を低減することができる。

なお、受光回路で生じる差動バランスの調整は、上述した利得可変増幅器に限らない。偏光ビームスプリッタ１０９と受光回路１１０の間に第１の光アッテネータ（不図示）を設け、偏光ビームスプリッタ１０９と受光回路１１１の間に第２の光アッテネータ（不図示）を設けるようにしてもよい。
この場合、温度制御部１１４Ｂは、レーザ光源１０１を発光させ電界発生源１０６によって電界を発生させていない状態で、差動増幅器１１２の出力が０Ｖを含む第２の所定の範囲になるように、第１の光アッテネータと第２の光アッテネータそれぞれの減衰率を調整することで光学的に調整するようにしてもよい。

なお、レーザの波長を変更する手段は、上述した手段に限らない。本実施形態においても、温度制御部１１４Ｂは、図３に示したサーミスタ１０２ａが出力する情報も用いて、半導体レーザ１０２の波長を変更してもよい。または、外部共振型レーザを用いてもよい。この場合は、差動増幅器１１２から取り出した直流成分が所定の範囲になるように、外部共振型レーザの波長と光路長を変更するように制御するようにしてもよい。

＜第４実施形態＞
第３実施形態で説明した利得可変増幅器を、第２実施形態で説明した縦型構造の電界センサに適用することもできる。
図６は、本実施形態に係る電界センサ１００Ｃの構成例を示す図である。図６に示すように、電界センサ１００Ｃは、レーザ光源１０１と、電界発生源１０６と、電気光学結晶１０７と、偏光ビームスプリッタ１０９と、受光回路１１０と、受光回路１１１と、差動増幅器１１２と、ＤＣレベル測定器１１３と、温度制御部１１４Ｂと、偏光ビームスプリッタ１１５と、ＩＴＯ１１６と、ミラー１１７と、λ／４波長板１１８と、利得可変増幅器１２１と、利得可変増幅器１２２を備えている。また、レーザ光源１０１は、半導体レーザ１０２と、温度調整器１０３を備えている。なお、第１実施形態の電界センサ１００、第２実施形態の電界センサ１００Ａ、および第３実施形態の電界センサ１００Ｂと同様の機能を有する構成要素には、同じ符号を用いて説明を省略する。

本実施形態においても、第２実施形態と同様に、λ／４波長板１１８は、偏光ビームスプリッタ１１５に入射する光に対して光学的にバイアスをかけている。
なお、電界センサ１００Ｃは、電界センサ１００Ａと同様に、被測定対象が発生する電界を、ミラー１１７側から電気光学結晶１０７に与えることで、差動増幅器１１２の出力値を不図示の信号処理装置によって測定することで、被測定対象が発生する電界の大きさを測定する。

本実施形態においても、第３実施形態と同様に、温度制御部１１４Ｂは、レーザ光源１０１を発光させ電界発生源１０６によって電界を発生させていない状態で、差動増幅器１１２の出力が０Ｖを含む第２の所定の範囲になるように、利得可変増幅器１２１と利得可変増幅器１２２それぞれの利得を調整することで電気的に調整する。その後、温度制御部１１４Ｂは、レーザ光源１０１を発光させ電界発生源１０６によって電界を発生させた状態で、差動増幅器１１２の出力が０Ｖを含む所定の範囲になるように、温度調整器１０３を制御することで光学的に調整する。

以上のように、本実施形態によれば、２個の受光回路それぞれが有するフォトディテクタの受光感度にもばらつきがあっても差動バランスを調整することができる。これにより、本実施形態によれば、レーザによる光強度の揺らぎ（雑音）をキャンセルすることができ、信号強度が雑音がある場合より大きくなり、雑音がある場合と比較してＳ／Ｎの劣化を低減することができる。

なお、本実施形態においても、受光回路で生じる差動バランスの調整は、上述した利得可変増幅器に限らない。偏光ビームスプリッタ１０９と受光回路１１０の間に第１の光アッテネータ（不図示）を設け、偏光ビームスプリッタ１０９と受光回路１１１の間に第２の光アッテネータ（不図示）を設けるようにしてもよい。
この場合、温度制御部１１４Ｂは、レーザ光源１０１を発光させ電界発生源１０６によって電界を発生させていない状態で、差動増幅器１１２の出力が０Ｖを含む第２の所定の範囲になるように、第１の光アッテネータと第２の光アッテネータそれぞれの減衰率を調整することで光学的に調整するようにしてもよい。

なお、レーザの波長を変更する手段は、上述した手段に限らない。本実施形態においても、温度制御部１１４Ｂは、図３に示したサーミスタ１０２ａが出力する情報も用いて、半導体レーザ１０２の波長を変更してもよい。または、外部共振型レーザを用いてもよい。この場合は、差動増幅器１１２から取り出した直流成分が所定の範囲になるように、外部共振型レーザの波長と光路長を変更するように制御するようにしてもよい。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形および置換を加えることができる。

１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…電界センサ、１０１…レーザ光源、１０２…半導体レーザ、１０３…温度調整器、１０４…検光子、１０５…λ／４波長板、１０６…電界発生源、１０７…電気光学結晶、１０８…λ／２波長板、１０９…偏光ビームスプリッタ、１１０…受光回路、１１１…受光回路、１１２…差動増幅器、１１３…ＤＣレベル測定器、１１４，１１４Ｂ…温度制御部、１１５…偏光ビームスプリッタ、１１６…ＩＴＯ、１１７…ミラー、１１８…λ／４波長板、１２１…利得可変増幅器、１２２…利得可変増幅器

Claims (4)

1. 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、
   前記電気光学結晶から出射される光をＰ波とＳ波とに分離する分離手段と、
   前記分離手段の前段で、光の位相を変化させる波長板と、
   前記Ｐ波の光を受光し、受光した光を電気信号に変換する第１受光手段と、
   前記Ｓ波の光を受光し、受光した光を電気信号に変換する第２受光手段と、
   前記第１受光手段が変換した電気信号と、前記第２受光手段が変換した電気信号との差動信号を生成する差動増幅手段と、
   前記光源から光が出射され前記電気光学結晶に電界を印加した状態の前記差動増幅手段の直流成分の出力値を所定の値の範囲になるように、前記光源の波長を調整する制御部と、
   を備える電界センサ。
2. 前記制御部は、前記光源から光が出射され前記電気光学結晶に電界を印加した状態の前記差動増幅手段の直流成分の出力値を所定の値の範囲になるように、前記光源の温度を調整することで前記光源の波長を調整する、請求項１に記載の電界センサ。
3. 透明電極と、ミラーと、を備え、
   前記電気光学結晶は、一方の面に前記透明電極が対向して配置され、他方の面に前記ミラーが配置され、
   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し、前記透明電極から出射された光が前記分離手段に入射する、請求項１または請求項２に記載の電界センサ。
4. 前記第１受光手段の電気信号の利得を変更する第１利得可変手段と、
   前記第２受光手段の電気信号の利得を変更する第２利得可変手段と、
   をさらに備え、
   前記制御部は、前記光源から光が出射され前記電気光学結晶に電界が印加されていない状態の前記差動増幅手段の直流成分の出力値を所定の値の範囲になるように、前記第１利得可変手段の利得と前記第２利得可変手段の利得を調整する、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。

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