JP2651682B2 - 電圧検出方法 - Google Patents
電圧検出方法Info
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- JP2651682B2 JP2651682B2 JP62280159A JP28015987A JP2651682B2 JP 2651682 B2 JP2651682 B2 JP 2651682B2 JP 62280159 A JP62280159 A JP 62280159A JP 28015987 A JP28015987 A JP 28015987A JP 2651682 B2 JP2651682 B2 JP 2651682B2
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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方法に関する。
能で電圧を検出する電圧検出方法に関する。
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。
ている。
第５図、第６図はそれぞれ米国特許第4,446,425号、1
986年10月15日に欧州特許庁で発行された特許出願公開
明細書第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。
986年10月15日に欧州特許庁で発行された特許出願公開
明細書第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５図の電圧検出装置では、パルス光源50から120フ
ェムト秒程度の短光パルスを繰返し出力し、この短光パ
ルスをチョッパ51,可変遅延器52を介し被測定物53,例え
ば光電スイッチに入力させる一方、光変調器40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54,
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か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から出力
される検出されるべき電圧を光変調器40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LiNbO3,LiTaO
3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58,59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ィス
プレイ63に表示するようになっている。
ェムト秒程度の短光パルスを繰返し出力し、この短光パ
ルスをチョッパ51,可変遅延器52を介し被測定物53,例え
ば光電スイッチに入力させる一方、光変調器40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54,
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か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から出力
される検出されるべき電圧を光変調器40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LiNbO3,LiTaO
3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58,59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ィス
プレイ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61
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。
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61
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Ｉは、電圧Ｖに対
して第７図（ａ）に示すようなＶ−Ｉ特性となる。いま
被測定物53からの電圧が光変調器40,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、その最大の光強度をI0とするとき、光
検出器59への光強度を光強度I0の50％となるように位相
補償器56を設定すると、第７図（ａ）のＶ−Ｉ特性から
わかるように、光変調器40には見かけ上、動作点電圧Ｖ
π/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。位相補償器56をこのように設定する
と、光変調器40に被測定物53から第７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７図（ｃ）のように
なる。第７図（ａ）乃至（ｃ）からわかるように動作点
Ａでは検光子57からの出射光の光強度Ｉ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I
AC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IDC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IDCを取除き交流成分I
AC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1KHZ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。
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Ｉは、電圧Ｖに対
して第７図（ａ）に示すようなＶ−Ｉ特性となる。いま
被測定物53からの電圧が光変調器40,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、その最大の光強度をI0とするとき、光
検出器59への光強度を光強度I0の50％となるように位相
補償器56を設定すると、第７図（ａ）のＶ−Ｉ特性から
わかるように、光変調器40には見かけ上、動作点電圧Ｖ
π/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。位相補償器56をこのように設定する
と、光変調器40に被測定物53から第７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７図（ｃ）のように
なる。第７図（ａ）乃至（ｃ）からわかるように動作点
Ａでは検光子57からの出射光の光強度Ｉ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I
AC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IDC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IDCを取除き交流成分I
AC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1KHZ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６図の電圧検出装置では、直流光源70からのCW
光（観測領域内で強度が一定の光）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57からの出射光の光強度をストリ
ークカメラ71で観測し、ディスプレイ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。
光（観測領域内で強度が一定の光）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57からの出射光の光強度をストリ
ークカメラ71で観測し、ディスプレイ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７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IDC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“0"Vのときにストリ
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。
トリークカメラ71を用いているため、動作点を第７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IDC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“0"Vのときにストリ
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IDCを極めて小さくするこ
とができるので、直流成分IDCに対する交流成分IAC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IAC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IACもかなり減少するが、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。
とができるので、直流成分IDCに対する交流成分IAC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IAC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IACもかなり減少するが、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。
しかしながら、第５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Ｉには直流成分IDC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。
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Ｉには直流成分IDC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。
一方、第６図の電圧検出装置では、動作点をＢに設定
し、直流成分IDC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、融通性に欠けるという問題があ
った。
し、直流成分IDC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、融通性に欠けるという問題があ
った。
また第５図，第６図の電圧検出装置は、最大の交流成
分IACを得たり、あるいは変調度MODを最大にすることが
できるものの、S/N比を最大にすることについては何ら
考慮されていないという問題があった。
分IACを得たり、あるいは変調度MODを最大にすることが
できるものの、S/N比を最大にすることについては何ら
考慮されていないという問題があった。
さらに第５図の電圧検出装置では、ロックインアンプ
61により差動増幅器60の出力からノイズを減少できるも
のの、差動増幅器60は、応答速度の遅い光検出器58,59
の出力信号の差をとってロックインアンプ61に入力させ
ているので、検出されるべき信号は、ロックインアンプ
61へ入力する際にはかなり変形したものとなり、ロック
インアンプ61では変調された信号すなわち交流成分IAC
を正確に増幅できないという問題があった。またロック
インアンプ61は、その時定数のためサンプリング周波数
が100KHZと低く、サンプリング周波数をさらに高くして
ノイズ，特に1/fノイズをさらに減少させることができ
ないという問題があった。
61により差動増幅器60の出力からノイズを減少できるも
のの、差動増幅器60は、応答速度の遅い光検出器58,59
の出力信号の差をとってロックインアンプ61に入力させ
ているので、検出されるべき信号は、ロックインアンプ
61へ入力する際にはかなり変形したものとなり、ロック
インアンプ61では変調された信号すなわち交流成分IAC
を正確に増幅できないという問題があった。またロック
インアンプ61は、その時定数のためサンプリング周波数
が100KHZと低く、サンプリング周波数をさらに高くして
ノイズ，特に1/fノイズをさらに減少させることができ
ないという問題があった。
本発明は、動作点を自由に設定することが可能である
とともに、さらに、S/N比を最大にして高精度の検出結
果を得ることが可能であり、また、検出されるべき信号
を正確に測定することができるとともにノイズをさらに
減少させることの可能な電圧検出方法を提供することを
目的としている。
とともに、さらに、S/N比を最大にして高精度の検出結
果を得ることが可能であり、また、検出されるべき信号
を正確に測定することができるとともにノイズをさらに
減少させることの可能な電圧検出方法を提供することを
目的としている。
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。
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。特にS/N比が最大となるように動作点を設定
すれば、ショットノイズを減少させることができて検出
精度を高めることができる。またチョッパやロックイン
アンプは不要となり、1/fノイズをさらに減少させるこ
とができる。
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。特にS/N比が最大となるように動作点を設定
すれば、ショットノイズを減少させることができて検出
精度を高めることができる。またチョッパやロックイン
アンプは不要となり、1/fノイズをさらに減少させるこ
とができる。
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５図，第６図と
対応した箇所には同じ符号を付す。
概略構成図である。第１図において、第５図，第６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（観測領域内で強度が一定の光）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１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、半導体レーザである。また光
変調器１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３と、位相補償器３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。位相補償器３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１の動作点を移
動させるようになっている。
70からのCW光（観測領域内で強度が一定の光）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１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、半導体レーザである。また光
変調器１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３と、位相補償器３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。位相補償器３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１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。
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15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。
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15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。
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。
このため、検光子57からの出射光の光強度Ｉに直流成分
IDCが含まれていてもこれにより交流成分IACを観測でき
なくなるという事態を防止することができる。
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。
このため、検光子57からの出射光の光強度Ｉに直流成分
IDCが含まれていてもこれにより交流成分IACを観測でき
なくなるという事態を防止することができる。
このような構成の電圧検出装置では、位相補償器３を
調節し、光変調器１の動作点を所望のところに設定す
る。直流光源70からのCW光は、偏光子55からポッケルス
セル54に入射し、そこで被測定物53の電圧により偏光状
態が変化し、出射光として位相補償器３に送られる。位
相補償器３では、出射光の位相を調節し、検光子57にお
いて、所定の偏光成分の出射光を抽出し、これをサンプ
リング型高速光検出器２に入力させる。サンプリング型
高速光検出器２では光電面11に入射する出射光の光強度
波形をサンプリング抽出することにより被測定物53の電
圧波形を観測する。ところで、サンプリング型高速光検
出器２は、前述のようにダイナミックレンジが光いの
で、出射光の光強度Ｉに直流成分IDCが含まれていて
も、これに重畳する微小な交流成分IACを観測できる。
これにより第６図の装置のように動作点をＢに固定せず
とも良く、位相補償器３を適宜調節して動作点をＡとＢ
の間に自由に設定できる。
調節し、光変調器１の動作点を所望のところに設定す
る。直流光源70からのCW光は、偏光子55からポッケルス
セル54に入射し、そこで被測定物53の電圧により偏光状
態が変化し、出射光として位相補償器３に送られる。位
相補償器３では、出射光の位相を調節し、検光子57にお
いて、所定の偏光成分の出射光を抽出し、これをサンプ
リング型高速光検出器２に入力させる。サンプリング型
高速光検出器２では光電面11に入射する出射光の光強度
波形をサンプリング抽出することにより被測定物53の電
圧波形を観測する。ところで、サンプリング型高速光検
出器２は、前述のようにダイナミックレンジが光いの
で、出射光の光強度Ｉに直流成分IDCが含まれていて
も、これに重畳する微小な交流成分IACを観測できる。
これにより第６図の装置のように動作点をＢに固定せず
とも良く、位相補償器３を適宜調節して動作点をＡとＢ
の間に自由に設定できる。
いま、最大のS/N比を得るように光変調器１の動作点
を設定することを考える。
を設定することを考える。
検光子57からの出射光の光強度Ｉは、 Ｉ＝I0Sin2〔（π/2）・（V/Vπ）〕 ……（１） のように、動作点を定める電圧Ｖを位相補償器３を調節
して変えることにより変化し、前述の第７図（ａ）に示
したと同様なＶ−Ｉ特性を与える。なお、I0は検光子57
に入射する出射光の光強度、Ｖπは半波長電圧である。
して変えることにより変化し、前述の第７図（ａ）に示
したと同様なＶ−Ｉ特性を与える。なお、I0は検光子57
に入射する出射光の光強度、Ｖπは半波長電圧である。
この光強度Ｉに含まれる交流成分IACすなわち検出さ
れるべき信号は、（１）式を電圧Ｖで微分することによ
り、 IAC＝π・I0・（ΔV/Vπ）・ sin〔（π/2）・（V/Vπ）〕・ cos〔（π/2）・（V/Vπ）〕 ……（２） として与えられる。ここでΔＶは被測定物53からの変調
電圧である。検光子57からの出射光の光強度Ｉが第３図
に示すような波形であるとすると、S/N比は、 となる。なお、ここでノイズ成分は、光強度Ｉに対し の大きさをもつショットノイズであるとした。
れるべき信号は、（１）式を電圧Ｖで微分することによ
り、 IAC＝π・I0・（ΔV/Vπ）・ sin〔（π/2）・（V/Vπ）〕・ cos〔（π/2）・（V/Vπ）〕 ……（２） として与えられる。ここでΔＶは被測定物53からの変調
電圧である。検光子57からの出射光の光強度Ｉが第３図
に示すような波形であるとすると、S/N比は、 となる。なお、ここでノイズ成分は、光強度Ｉに対し の大きさをもつショットノイズであるとした。
一方、変調度MODは、 IAC/（２・IDC＋IAC） ＝π・（ΔV/Vπ）sin〔（π/2）・ （V/Vπ）〕cos〔（π/2）・ （V/Vπ）〕／｛2sin2〔（Ｖπ/2）・（V/Vπ）〕・ ＋π（ΔV/Vπ）sin〔（π/2）・ （V/Vπ）〕cos〔（π/2）・ （V/Vπ）〕｝ ……（４） となる。
第４図（ａ）乃至（Ｃ）はそれぞれ、（１）式乃至
（３）式に基づき計算された交流成分IAC,S/N比，変調
度MODを示した図である。なお第４図（ａ）乃至（ｃ）
において横軸は、半波長電圧Ｖπで規格化した電圧V/V
πである。第４図（ａ），（ｃ）からわかるように、交
流成分IACは動作点を定める電圧Ｖが第７図（ａ）に示
す動作点Ａのところに設定されるときにすなわちＶ＝Ｖ
π/2のときに最大となり、変調度MODは電圧Ｖが第７図
（ａ）に示す動作点Ｂのところに設定されるときにすな
わちＶ＝“0"のときに最大となる。これらに対して、第
４図（ｂ）を参照すると、S/N比はV/Vπが10-1のところ
で最大となり、この動作点は、第７図（ａ）において動
作点ＡとＢとの間にある。
（３）式に基づき計算された交流成分IAC,S/N比，変調
度MODを示した図である。なお第４図（ａ）乃至（ｃ）
において横軸は、半波長電圧Ｖπで規格化した電圧V/V
πである。第４図（ａ），（ｃ）からわかるように、交
流成分IACは動作点を定める電圧Ｖが第７図（ａ）に示
す動作点Ａのところに設定されるときにすなわちＶ＝Ｖ
π/2のときに最大となり、変調度MODは電圧Ｖが第７図
（ａ）に示す動作点Ｂのところに設定されるときにすな
わちＶ＝“0"のときに最大となる。これらに対して、第
４図（ｂ）を参照すると、S/N比はV/Vπが10-1のところ
で最大となり、この動作点は、第７図（ａ）において動
作点ＡとＢとの間にある。
ところで、実際問題として、光強度Ｉの直流成分IDC
には、ダーク光が重畳しており、電圧Ｖ＝“0"のところ
を動作点に設定しても、ダーク光による直流成分Idが存
在する。
には、ダーク光が重畳しており、電圧Ｖ＝“0"のところ
を動作点に設定しても、ダーク光による直流成分Idが存
在する。
従って、光強度Ｉの実際の直流成分Irは、 Ir＝IDC＋Id ……（５） となり、このときのS/N比は、 となる。（６）式からS/N比が最大となる動作点を求め
ると、ダーク光がない場合と同様にV/Vπ＝10-1のとこ
ろになる。これにより、ダーク光を考慮した場合にも、
最大のS/N比を与える動作点は変わらず、位相補償器３
を適宜調節してショットノイズを減少させたS/N比の良
好な検出結果を得ることができる。
ると、ダーク光がない場合と同様にV/Vπ＝10-1のとこ
ろになる。これにより、ダーク光を考慮した場合にも、
最大のS/N比を与える動作点は変わらず、位相補償器３
を適宜調節してショットノイズを減少させたS/N比の良
好な検出結果を得ることができる。
また説明を簡単にするため直流光源70のかわりにパル
ス光源を用いると、サンプリング型高速光検出器２には
短パルスの光強度信号が入力することになり、この短パ
ルスの光強度信号がサンプリング型高速光検出器２の開
口14を通過するようサンプリング周波数（1MHZ以上に設
定可能）を設定すれば、光強度信号は、サンプリング周
波数に同期して狭帯域増幅される。すなわちサンプリン
グ型高速光検出器２は、ロックインアンプと同様な機能
を有することになる。
ス光源を用いると、サンプリング型高速光検出器２には
短パルスの光強度信号が入力することになり、この短パ
ルスの光強度信号がサンプリング型高速光検出器２の開
口14を通過するようサンプリング周波数（1MHZ以上に設
定可能）を設定すれば、光強度信号は、サンプリング周
波数に同期して狭帯域増幅される。すなわちサンプリン
グ型高速光検出器２は、ロックインアンプと同様な機能
を有することになる。
さらに1MHZ以上のサンプリング周波数は、通常のロッ
クインアンプの最大同期周波数100KHZよりもかなり高い
ので、チョッパ、ロックインアンプを設けずともサンプ
リング型高速光検出器２によりノイズ，特に1/fノイズ
をさらに減少させることができる。
クインアンプの最大同期周波数100KHZよりもかなり高い
ので、チョッパ、ロックインアンプを設けずともサンプ
リング型高速光検出器２によりノイズ，特に1/fノイズ
をさらに減少させることができる。
このように本実施例の電圧検出装置では、光変調器の
動作点を最大のS/N比を与えるところに設定すると、シ
ョットノイズのみならず1/fノイズをも同時に著しく減
少させることができて、極めて高精度の検出結果を得る
ことができる。
動作点を最大のS/N比を与えるところに設定すると、シ
ョットノイズのみならず1/fノイズをも同時に著しく減
少させることができて、極めて高精度の検出結果を得る
ことができる。
なお、上述の実施例の説明では、光源を主に安価でか
つ取扱い易い直流光源70としたが、パルス光源にしても
同様にしてサンプリング型高速光検出器２により高精度
の検出結果を得ることができる。またサンプリング型高
速光検出器２としてはサンプリング型光オッシロスコー
プ（例えば浜松ホトニクス社製OOS−01）やシンクロス
キャンフォトメータなどを用いることができる。
つ取扱い易い直流光源70としたが、パルス光源にしても
同様にしてサンプリング型高速光検出器２により高精度
の検出結果を得ることができる。またサンプリング型高
速光検出器２としてはサンプリング型光オッシロスコー
プ（例えば浜松ホトニクス社製OOS−01）やシンクロス
キャンフォトメータなどを用いることができる。
以上に説明したように、本発明によれば、光変調手段
からの光強度信号をサンプリング型高速検出手段で検出
しているので、光変調手段の動作点を自由に設定できて
融通性を著しく高めることができるとともに1/fノイズ
を著しく減少させることができる。また光変調手段の動
作点を最大のS/N比を与えるところに設定すれば、1/fノ
イズとともにショットノイズをも同時に減少させ極めて
高精度の検出結果を得ることができる。
からの光強度信号をサンプリング型高速検出手段で検出
しているので、光変調手段の動作点を自由に設定できて
融通性を著しく高めることができるとともに1/fノイズ
を著しく減少させることができる。また光変調手段の動
作点を最大のS/N比を与えるところに設定すれば、1/fノ
イズとともにショットノイズをも同時に減少させ極めて
高精度の検出結果を得ることができる。
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、第２図はサンプリング型ストリークカメラの
構成図、第３図は出射光の光強度波形の一例を示す図、
第４図（ａ）乃至（ｃ）はそれぞれ交流成分IAC,S/N
比，変調度MODの計算結果を示す図、第５図，第６図は
それぞれ従来の電圧検出装置の概略構成図、第７図
（ａ）は電圧Ｖに対する光強度Ｉを示す図、第７図
（ｂ）は被測定物からの変調電圧ΔＶを示す図、第７図
（ｃ）は第７図（ａ）の動作点Ａのところに第７図
（ｂ）の変調電圧ΔＶを加えたときに得られる光強度Ｉ
を示す図である。 １……光変調器、 ２……サンプリング型高速光検出器、 53……被測定物、54……ポッケルスセル、 55……偏光子、57……検光子、70……直流光源
略構成図、第２図はサンプリング型ストリークカメラの
構成図、第３図は出射光の光強度波形の一例を示す図、
第４図（ａ）乃至（ｃ）はそれぞれ交流成分IAC,S/N
比，変調度MODの計算結果を示す図、第５図，第６図は
それぞれ従来の電圧検出装置の概略構成図、第７図
（ａ）は電圧Ｖに対する光強度Ｉを示す図、第７図
（ｂ）は被測定物からの変調電圧ΔＶを示す図、第７図
（ｃ）は第７図（ａ）の動作点Ａのところに第７図
（ｂ）の変調電圧ΔＶを加えたときに得られる光強度Ｉ
を示す図である。 １……光変調器、 ２……サンプリング型高速光検出器、 53……被測定物、54……ポッケルスセル、 55……偏光子、57……検光子、70……直流光源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 卓也 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松 ホトニクス株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−253878（ＪＰ，Ａ)
Claims (7)
- 【請求項１】光源と、検出されるべき電圧に対応して屈
折率が変化する電気光学材料から構成され、前記光源か
ら出力された光を変調して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ており、光源に直流光
源が用いられる場合にも、前記光変調手段の動作点を、
前記光強度信号の交流成分が最小となる点と光強度信号
の交流成分が最大となる点との間に自由に設定可能な電
圧検出装置における電圧検出方法であって、前記光強度
信号を最大のS/N比で検出するため、前記光変調手段の
動作点を定める電圧Ｖを、前記光強度信号の交流成分が
最小となる点よりも大きく光強度信号の交流成分が最大
となる点よりも小さい適切な電圧値に設定することを特
徴とする電圧検出方法。 - 【請求項２】Ｖπを半波長電圧とするとき、前記光変調
手段の動作点を定める電圧Ｖを、Ｖ＝0.1Vπの近傍に設
定することを特徴とする特許請求範囲１項に記載の電圧
検出方法。 - 【請求項３】前記サンプリング型高速光検出手段は、サ
ンプリングスリットをもつストリーク管から構成され、
ダイナミックレンジが大きい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方法。 - 【請求項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方法。 - 【請求項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項に記載の電圧検出方法。 - 【請求項６】前記光変調手段は、光の位相を調整できる
位相補償器を備えていることを特徴とする特許請求範囲
第１項に記載の電圧検出方法。 - 【請求項７】前記位相補償器は、バビネ・ソレイユ補償
器であることを特徴とする特許請求範囲第６項に記載の
電圧検出方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62280159A JP2651682B2 (ja) | 1987-11-05 | 1987-11-05 | 電圧検出方法 |
| US07/264,706 US4975635A (en) | 1987-11-05 | 1988-10-31 | Voltage detector using a sampling type high-speed photodetector |
| GB8825812A GB2212265B (en) | 1987-11-05 | 1988-11-04 | A voltage detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62280159A JP2651682B2 (ja) | 1987-11-05 | 1987-11-05 | 電圧検出方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01121764A JPH01121764A (ja) | 1989-05-15 |
| JP2651682B2 true JP2651682B2 (ja) | 1997-09-10 |
Family
ID=17621135
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62280159A Expired - Fee Related JP2651682B2 (ja) | 1987-11-05 | 1987-11-05 | 電圧検出方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2651682B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3500215B2 (ja) * | 1995-02-07 | 2004-02-23 | 浜松ホトニクス株式会社 | 電圧測定装置 |
| JP2005127783A (ja) * | 2003-10-22 | 2005-05-19 | Yokogawa Electric Corp | 電気信号観測装置及び方法並びに電気信号標本化装置及び方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4603293A (en) * | 1984-03-27 | 1986-07-29 | University Of Rochester | Measurement of electrical signals with subpicosecond resolution |
-
1987
- 1987-11-05 JP JP62280159A patent/JP2651682B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01121764A (ja) | 1989-05-15 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |