JPH01121764A - Voltage detecting device - Google Patents

Voltage detecting device

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JPH01121764A
JPH01121764A JP62280159A JP28015987A JPH01121764A JP H01121764 A JPH01121764 A JP H01121764A JP 62280159 A JP62280159 A JP 62280159A JP 28015987 A JP28015987 A JP 28015987A JP H01121764 A JPH01121764 A JP H01121764A
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宏典 高橋
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裕 土屋
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紳一郎 青島
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Abstract

PURPOSE:To set an operation point freely and to obtain a large S/N by composing a voltage detecting device of an optical modulating means which outputs a light intensity signal corresponding to a voltage to be detected and a sampling type fast photodetecting means which detects the light intensity signal. CONSTITUTION:The voltage detecting device consists of the optical modulator 1 which modulates light from a DC light source 70 with a voltage from a body 53 to be measured and outputs the light intensity signal corresponding to the voltage and the light type fast photodetector 2 which detects the light intensity signal. Here, an He-Ne laser or semiconductor laser is used as the light source 70 and the optical modulator 1 consists of a polarizer 55 which extracts a prescribed polarized component, a Pockel's cell 54 which varies the polarization state with the voltage from a body 53 to be measured and generates projection light, a phase compensator 3 which adjusts the phase of the projection light, and an analyzer 3 which extracts a specific polarized component from the projection light to generate the light intensity signal. Thus, the light intensity waveform the projection light is extracted by a detector 2 and the voltage waveform of the body 53 to be measured is observed.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光変調器を用いてピコ秒オーダの時間分解−
で電圧を検出する電圧検出装置に量子る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention uses an optical modulator to resolve time-resolved images on the order of picoseconds.
Quantize the voltage detection device that detects the voltage.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

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。
2. Description of the Related Art Devices that detect voltage using optical modulators are conventionally known.

第5図、第6図はそれぞれ米国特許第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実弟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。
Figures 5 and 6 are respectively U.S. Patent No. 4.446.42.
5 is a schematic configuration diagram of a conventional voltage detection device of this kind disclosed in Patent Application Publication No. 0.197.196 issued by the European Patent Office on October 15, 1986.

第5図あ電圧検出装置では、パルス光源50から120
フ工ムト秒程度の短光パルスを電返し出力し、この短光
パルスをチョヅパ51.可変遅延器52を介し被測定物
531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541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L’ i N b O3
゜L * 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を介し不検光子57に入射する。
In the voltage detection device shown in FIG.
A short optical pulse of about 1000 seconds is outputted electrically, and this short optical pulse is sent to the chopper 51. The measured object 531 is inputted to, for example, a photoelectric switch via the variable delay device 52, and is also inputted to the optical modulator 40. The optical modulator 40 includes a polarizer 55 .
Pockels cell 541 phase compensator 56. It consists of an analyzer 57, and utilizes the phenomenon that an incident short pulse of light is modulated by the voltage from the object to be measured 53, and extracts a voltage waveform in the form of light intensity. More specifically, while applying the voltage to be detected output from the object to be measured 53 in synchronization with the short optical pulse to the Pockels cell 54 of the optical modulator 40,
A predetermined polarized light component extracted by a polarizer 55 among the short light pulses from the pulsed light source 50 is made incident on the Pockels cell 54 . The Pockels cell 54 has, for example, L' i N b O3 whose refractive index changes with the application of voltage.
Electro-optic materials such as °L*T a O3 are used. Due to the above-mentioned properties of the electro-optic material, the short optical pulse incident on the Pockels cell 54 changes its polarization state and is modulated by the voltage from the object to be measured 53, and is emitted as an output light. 57.

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
9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161.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。
The analyzer 57 extracts two orthogonal polarization components from the light emitted from the phase compensator 56, and outputs the modulated light intensity signals from the optical modulator 40 to the photodetector 58.
59. Photodetector 58°5
9 detects the light intensity of each polarization component, and a differential amplifier 60
differentially amplify the output signals from the photodetectors 58, 59, and lock-in amplifiers 161. The detection results are displayed on a display 63 via an averager 62.

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。
The variable delay device 52 is used to gradually delay the timing of voltage generation from the object under test 53 to determine sampling points of the voltage waveform. Also lock-in amplifier 6
1 is the chopper 51 of the output from the differential amplifier 60.
It is designed to amplify and extract only the frequency component determined by the frequency of , thereby reducing noise. Further, the averager 62 is configured to average the output of the lock-in amplifier 61.

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
。いよ被測定物53がらの電圧が光変調器40.より絆
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
■。と!るとき、光検出器59への光強度を光強度I。
In a voltage detection device having such a configuration, when a voltage V is applied to the Pockels cell 54 of the optical modulator 40, the light intensity I of the emitted light output from the optical modulator 40 to the photodetector 59 is different from the voltage V. As a result, a VI characteristic as shown in FIG. 7(a) is obtained. Now, the voltage across the object to be measured 53 is applied to the optical modulator 40. More specifically, the light intensity I to the photodetector 59 when not connected to the Pockels cell 54 is changed by changing the settings of the phase compensator 56. Here, ■ its maximum light intensity. and! At this time, the light intensity to the photodetector 59 is the light intensity I.

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特性かられかるように、光変調器4
0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40に被
測定物53から第7図(b)に示すような変it圧へV
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。
When the phase compensator 56 is set to 50% of the optical modulator 4, as can be seen from the VI characteristic in FIG.
When the 0 phase compensator 56 is set in this manner, the operating point is apparently equivalent to when the operating point voltage v7/2 is applied, and the operating point is determined at the location indicated by A. 53 to the change pressure V as shown in Fig. 7(b).
, the light intensity I of the emitted light entering the photodetector 59 from the analyzer 57 becomes as shown in FIG. 7(C).

第7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■AC
4!−得ることができる。一方、動作点Aでは光強度■
に直流成分■。0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!。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。
As can be seen from FIGS. 7(a) to (C), at the operating point A, the light intensity I of the light emitted from the analyzer 57 changes most largely in proportion to the voltage change, so the maximum AC component ■AC
4! -Can be obtained. On the other hand, at operating point A, the light intensity ■
■ DC component. However, by differentially amplifying the two output signals of mutually opposite phases from the photodetectors 58 and 59 in the differential amplifier 60, the DC component! . By removing 0, only the alternating current component IAC can be detected with high sensitivity as a voltage detection result. Further, the output from the differential amplifier 60 is applied to the lock-in amplifier 61, and only the frequency component determined by the frequency of the chopper 51, for example, IKH7, is amplified, thereby making it possible to reduce noise.

また第6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。
Further, in the voltage detection device shown in FIG.
The W light is applied to the streak camera 71 via the optical modulator 40, and the analyzer 5 changes depending on the voltage from the object to be measured 53.
The intensity of the light emitted from the lock-in amplifier 61.7 is observed with a streak camera 71. The voltage is detected by displaying it on a display 63 via an averager 62.

なお、被測定111ff53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。
Note that the voltage output from the device to be measured 111ff53 and the operation of the lock-in amplifier 61 are synchronized with the pulse from the pulse generator 72. Also streak camera 71
The timing of the sweep voltage applied to the deflector (not shown) is gradually shifted from the pulse from the pulse generator 72 by a phase shifter 73.

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■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■AC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“Onv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。
In the voltage detection device having such a configuration, since the streak camera 71 is used as a detector, the operating point is determined as shown in FIG.
In a), set the location indicated by the symbol B. That is, the streak camera 71 cannot have a large dynamic range, and if the DC component IDC of the light intensity ■ is large, the alternating current component AC as a signal to be detected cannot be observed. The phase compensator 56 is set so that the light intensity I to the streak camera 71 is minimized when "Onv", and the operating point is determined as indicated by B.

この動作点Bは、直流成分I。Cを極めて小さくするこ
とができるので、直流成分I。Cに対する交流成分■A
C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■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。
This operating point B is the DC component I. Since C can be made extremely small, the DC component I. AC component for C■A
Since the modulation degree MOD determined as the ratio of C can be maximized, the alternating current component AC can be observed even with the streak camera 71 having a narrow dynamic range. Note that at operating point B, the alternating current component IAC is also significantly reduced compared to operating point A, but the multiplication function of the streak camera 71 multiplies the alternating current component IAC to enable measurement.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

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’ACを得ることができるもの
の、光強度I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。− 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I。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
由に設定す葛ことができず、融通性に欠けるという問題
があった。
However, in the voltage detection device shown in Fig. 5, the operating point is set to A.
Although it is possible to obtain the maximum alternating current component 'AC' by setting it to , there is a direct current component (■) in the light intensity I. Because C is also included, it is not possible to use a streak camera as a general high-speed photodetector with a narrow dynamic range, and as a result, a pulsed light source that is expensive and difficult to handle must be used as a light source. . - On the other hand, in the voltage detection device of FIG. 6, the operating point is set to B, and the DC component I. 0 is significantly reduced, it is possible to combine the DC light source 70 and the streak camera 71. However, since a general streak camera with a narrow dynamic range is used, the operating point is fixed at B. There was a problem in that it was not possible to configure settings freely and lacked flexibility.

また第5図、第6図の電圧検出装置は、最大の交流成分
■AC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、ロックインアンチ6
1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5
8.59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、ロックインアンチ61では変調された信号すなわ
ち交流成分’AC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
サンプリンン周波数が100KH7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。
In addition, although the voltage detection devices shown in Figs. 5 and 6 can obtain the maximum alternating current component (AC) or maximize the modulation degree MOD, they do not take into consideration maximizing the S/N ratio. The problem was that it was not done.゛Furthermore, in the voltage detection device shown in Fig. 5, the lock-in anti-6
1 can reduce noise from the output of the differential amplifier 60, but the differential amplifier 60 has a slow response speed.
8. Take the difference between the output signals of 59 and lock-in amplifier 61
Therefore, the signal to be detected will be considerably deformed when it is input to the lock-in amplifier 61, and the lock-in anti 61 cannot accurately amplify the modulated signal, that is, the alternating current component 'AC. There was a problem. Further, the lock-in amplifier 61 has a sampling frequency as low as 100KH7 due to its time constant, and there is a problem in that it is not possible to further reduce noise, especially 1/f noise, by increasing the sampling frequency.

    ゛本発明は、動作点を自由に設定することの可
能な融通性のある電圧検出装置を提供することを目的と
している。
゛An object of the present invention is to provide a flexible voltage detection device that allows the operating point to be freely set.

本発明はさらに、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。
A further object of the present invention is to provide a voltage detection device capable of maximizing the S/N ratio and obtaining highly accurate detection results.

また本発明は、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
能な電圧検出装置を提供す”ることを目的としている。
Another object of the present invention is to provide a voltage detection device that can accurately measure the signal to be detected and further reduce noise.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

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。      ゛ 〔作用〕 本発明では、光変調手段に被測定軸の電圧が加わると、
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。
The present invention is characterized in that it includes a light modulation means that outputs a light intensity signal corresponding to the voltage to be detected, and a sampling type high-speed light detection means that detects the light intensity signal from the light modulation means. The voltage detection device improves the problems of the prior art described above. [Operation] In the present invention, when the voltage of the axis to be measured is applied to the optical modulation means,
The polarization state of the incident light is changed and modulated, and a light intensity signal corresponding to the magnitude of the voltage is outputted from the light modulation means and inputted to the sampling type high speed detection means. The sampling-type high-speed light detection means samples and extracts this light intensity signal, observes it as a light intensity waveform, and detects the voltage of the object to be measured based on this. By the way, the sampling type high-speed optical detection means has a wide dynamic range, so even if the optical intensity signal from the optical modulation means contains a DC component, it is possible to observe the AC component as the signal to be detected. The operating point of the light modulation means can be freely set at a desired location. In particular, if the operating point is set so that the S/N ratio is maximized, shot noise can be reduced and detection accuracy can be improved. Further, a chopper and a lock-in amplifier are not required, and 1/f noise can be further reduced.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below based on the drawings.

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。
FIG. 1 is a partial schematic diagram of an embodiment of a voltage detection device according to the present invention. In FIG. 1, parts corresponding to those in FIGS. 5 and 6 are given the same reference numerals.

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、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0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。
The voltage detection device of this embodiment includes a DC light source 70 and an optical modulator 1 that modulates CW light from the DC light source 70 with a voltage from an object to be measured 53 and outputs a light intensity signal corresponding to the voltage.
and a sampling type high-speed photodetector 2 that detects a light intensity signal. The DC light source 70 is, for example, He-Ne.
These are lasers and semiconductor lasers. Further, the optical modulator 1 has a CW
A polarizer 55 that extracts a predetermined polarized component from light, and a Pockels cell 54 that changes the polarization state of the light from the polarizer 55 using a voltage from the object to be measured 53 and outputs it as emitted light.
, a phase compensator 3 that adjusts the phase of the light emitted from the Pockels cell 54, and an analyzer 57 that extracts a predetermined polarization component from the light emitted from the phase compensator 3 and uses it as a light intensity signal. The phase compensator 3 is, for example, a Babinet-Soleil compensator, and is adapted to change the phase and move the operating point of the optical modulator 1.

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。
FIG. 2 is a configuration diagram of the sampling type high-speed photodetector 2. As shown in FIG.

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
、加速型[i12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。
Referring to FIG. 2, the sampling type high-speed photodetector 2 includes a lens 10 that collects the emitted light from the analyzer 57, a photocathode 11 that converts the emitted light into electrons corresponding to the intensity of the emitted light, and an accelerating type [i12, a deflector 13 that sweeps accelerated electrons in the direction of arrow F, an aperture member 15 provided with an aperture 14, and an electron multiplier into which the swept electrons that have passed through the aperture 14 are incident. 16.

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。
In such a sampling type high-speed photodetector 2, by gradually shifting the timing of the deflection voltage applied to the deflector 13, a part of the light intensity signal of the emitted light that repeatedly enters the photocathode 11 is sequentially transmitted from the aperture 14. It is designed to be extracted and sampled.

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。
The electron multiplier 16 may be a group of dynodes that directly multiplies the electrons that have passed through the aperture 14, or may include a fluorescent surface that emits light upon the incidence of electrons that have passed through the aperture 14, and an electron multiplier that converts the light emitted from the fluorescent surface into electrons. It may also be combined with a photomultiplier tube that converts and multiplies the electrons again.

このサンプリング型高速光検出器2では、電子増倍部1
6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I。0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′$態を防止することができ
る。
In this sampling type high-speed photodetector 2, an electron multiplier 1
6 inputs only a portion of the electrons that have passed through the aperture 14, so it has a wider dynamic range than the general streak camera 71 used in the voltage detection device shown in FIG. There is a direct current component I in the light intensity I of the emitted light. Even if 0 is included, this causes the AC component IAC
It is possible to prevent the '$ situation where it becomes impossible to observe.

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。
In the voltage detection device having such a configuration, the phase compensator 3 is adjusted to set the operating point of the optical modulator 1 to a desired position.

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0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。
The CW light from the DC light source 70 enters the Pockels cell 54 through the polarizer 55, where its polarization state changes depending on the voltage of the object to be measured 53, and is sent to the phase compensator 3 as output light. , adjusts the phase of the emitted light, extracts the emitted light with a predetermined polarization component in the analyzer 57, and inputs it to the sampling type high-speed photodetector 2.

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
クレンジが広いので、出射光の光強度Iに直流成分I。
The sampling type high-speed photodetector 2 observes the voltage waveform of the object to be measured 53 by sampling the light intensity waveform of the emitted light incident on the photocathode 11 . By the way, since the sampling type high-speed photodetector 2 has a wide dynamic range as mentioned above, the light intensity I of the emitted light has a direct current component I.

0が含まれていても、これに重畳する微小な交流成分I
ACを観測できる。
Even if 0 is included, a minute AC component I superimposed on this
AC can be observed.

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
ども良く、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。
This eliminates the need to fix the operating point at B as in the device shown in FIG.
It can be set freely between

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。
Now, consider setting the operating point of the optical modulator 1 so as to obtain the maximum S/N ratio.

検光子57からの出射光の光強度Iは、I =I o 
S + n   C(x / 2 ) ・(v/ vx
 ) )・・・・・・(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
しなと同様なV−I特性を与える。なお、Ioは検光子
57に入射する出射光の光強度、■ は半波長電圧であ
る。
The light intensity I of the light emitted from the analyzer 57 is I = I o
S + n C(x/2) ・(v/vx
) As shown in (1), it is changed by adjusting the phase compensator 3 to change the voltage V that determines the operating point, and it is similar to that shown in Fig. 7(a) above. Gives VI characteristics. In addition, Io is the light intensity of the emitted light incident on the analyzer 57, and 2 is the half-wave voltage.

π この光強度■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■で微分することに
より、 ■  =π・ ■  ・ (ΔV/V   )  ・A
COπ sin  C(π/2)  ・(V/V   )  )
  ・π cos  ((π/2)−(V/V   ))   ・
=・ (2)π 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、 I AC/ Ft習ゴ譚= πJI、(Δ■/V、r)
・cos  ((π/2)・(V/V  ))  /π 1+π (ΔV/V  ) /lan  C(π/2)
 ・π (V/V  ))            ・・・・・
・(3)π となる、なお、ここでノイズ成分は、光強度Iに対しE
丁の大きさをもつショットノイズであるとした。
π The AC component IAC included in this light intensity ■, that is, the signal to be detected is obtained by differentiating equation (1) with respect to the voltage ■, as follows:■ =π・■・(ΔV/V)・A
COπ sin C(π/2) ・(V/V) )
・π cos ((π/2)−(V/V)) ・
=・ (2) Given as π. Here, ΔV is a modulated voltage from the object to be measured 53. Assuming that the light intensity I of the light emitted from the analyzer 57 has a waveform as shown in FIG. 3, the S/N ratio is: I AC/Ft = πJI, (Δ■/V, r)
・cos ((π/2)・(V/V)) /π 1+π (ΔV/V) /lan C(π/2)
・π (V/V))
・(3)π, where the noise component is E for the light intensity I
It was assumed that the noise was shot noise with a size of 1.

一方、変調度MODは、 IAo/(2・ ■oo十■AC) π・(ΔV/V  )sin ((π/2)・π (V/V  ) )cos ((π/2) ・π (V/V  ) )  / (2sin 2π ((V  /2)・(V/V、))十π・π (AV/V   )sin  ((π/2)−π (V/V   )  〕cos  (:  (π/2)
 ・π (V/V)〕 1 π となる。
On the other hand, the modulation degree MOD is IAo/(2・■oo×AC) π・(ΔV/V) sin ((π/2)・π (V/V)) cos ((π/2)・π ( V/V) ) / (2sin 2π ((V/2)・(V/V,)) 1π・π (AV/V) sin ((π/2)−π (V/V)] cos (: (π/2)
・π (V/V)] 1 π.

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I   S/N比。
Figures 4(a) to (C) represent equations (1) to (3), respectively.
) AC component I S/N ratio calculated based on formula.

AC・ 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Vアで規格化した電
圧V/V  である、第4図(a) 、 (C)かπ られかるように、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■=■ア/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■=“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 が10−1のところで最大となり、
この動作点π は、第7図(a)において動作点AとBとの間にある。
It is a diagram showing AC/modulation degree MOD. In addition, in FIGS. 4(a) to (C), the horizontal axis is the voltage V/V normalized by the half-wave voltage Va. As shown in FIGS. 4(a) and (C), The component IAC becomes maximum when the voltage V that determines the operating point is set at the operating point A shown in FIG. It becomes maximum when it is set at the operating point B shown in FIG. 7(a), that is, when ■="0". Regarding these, referring to FIG. 4(b),
The S/N ratio reaches its maximum when ■/V is 10-1,
This operating point π is between operating points A and B in FIG. 7(a).

ところで、実際問題として、光強度■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I、
が存在する。
By the way, as a practical matter, the DC component IDC of the light intensity ■
Since dark light is superimposed on
exists.

従って、光強度Iの実際の直流成分Irは、1  = 
I oc 十I d・= ”・(5)「 となり、このときのS/N比は、 I Ac/  I 、 + I t、c=  πJゴ7
(ΔV/V、r)・cos  ((π/2)・ (V/
V  ))/π ・・・・・・(6) 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/V  =10
−1のところになる。これにより、ダーπ り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。
Therefore, the actual DC component Ir of the light intensity I is 1 =
I oc 1 d・= ”・(5) “ The S/N ratio at this time is I Ac/ I , + I t, c= πJgo7
(ΔV/V, r)・cos ((π/2)・(V/
V ))/π (6) If we find the operating point at which the S/N ratio is maximum from equation (6), we get V/V = 10, which is the same as when there is no dark light.
It will be at -1. As a result, even when dark light is taken into account, the operating point that provides the maximum S/N ratio remains the same, and the phase compensator 3 can be appropriately adjusted to reduce shot noise and achieve a good S/N ratio. Detection results can be obtained.

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(I M H
z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。
Furthermore, to simplify the explanation, if a pulsed light source is used instead of the DC light source 70, a short-pulse light intensity signal will be input to the sampling type high-speed photodetector 2, and this short-pulse light intensity signal will be sampled. The sampling frequency (I M H
(can be set to z or higher), the optical intensity signal is narrowband amplified in synchronization with the sampling frequency. In other words, the sampling type high-speed photodetector 2 has a function similar to that of a lock-in amplifier.

さらにIMH1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100KH7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L
/fノイズをさらに減少させることができる。
Furthermore, since the sampling frequency of IMH1 or higher is considerably higher than the maximum synchronous frequency of 100KH7 of a normal lock-in amplifier, the sampling-type high-speed photodetector 2 can eliminate noise, especially L
/f noise can be further reduced.

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。
In this way, in the voltage detection device of this embodiment, by setting the operating point of the optical modulator to a point that provides the maximum S/N ratio, it is possible to significantly reduce not only shot noise but also 1/f noise at the same time. As a result, extremely accurate detection results can be obtained.

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00S−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。
In the above embodiment, the light source was mainly the DC light source 70, which is inexpensive and easy to handle. However, even if a pulsed light source is used, highly accurate detection results can be obtained using the sampling type high-speed photodetector 2. Can be done. Further, as the sampling type high-speed photodetector 2, a sampling type optical oscilloscope (for example, 00S-01 manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd.), a synchro scan photometer, etc. can be used.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

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。
As explained above, according to the present invention, since the optical intensity signal from the optical modulation means is detected by the sampling type high-speed detection means, the operating point of the optical modulation means can be freely set, resulting in significant flexibility. 1/f noise can be significantly reduced. Furthermore, if the operating point of the optical modulation means is set to the point that gives the maximum S/N ratio, 1
/f noise and shot noise can be reduced at the same time, making it possible to obtain extremely highly accurate detection results.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

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I   S
/N比、変調度MODの計AC・ 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■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7A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・・・ボッゲルスセル、55・・・偏光子、
57・・・検光子、70・・・直流光源第  “2  
FIG. 1 is a partial schematic configuration diagram of an embodiment of a voltage detection device according to the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram of a sampling type streak camera, and FIG. 3 is a diagram showing an example of the light intensity waveform of emitted light.
FIGS. 4(a) to (C) are AC components I S
Figures 5 and 6 are schematic configuration diagrams of conventional voltage detection devices, respectively, and Figure 7 (a) shows the light intensity vs. voltage V. Figure 7(b) is a diagram showing the modulation voltage ΔV from the object under test, and Figure 7(C) shows the change in Figure 7(b) at operating point A in Figure 7(a). FIG. 3 is a diagram showing the light intensity I obtained when a 7A voltage ΔV is applied. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Optical modulator, 2... Sampling type high-speed photodetector, 53... Measured object, 54... Boggels cell, 55... Polarizer,
57...Analyzer, 70...DC light source No. 2
figure

Claims (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ていることを
特徴とする電圧検出装置。 2)前記光変調手段は、S/N比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、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項に記載の電圧検出装置。
[Scope of Claims] 1) A light modulation means for outputting a light intensity signal corresponding to the voltage to be detected, and a sampling type high-speed light detection means for detecting the light intensity signal from the light modulation means. A voltage detection device featuring: 2) The voltage detection device according to claim 1, wherein the optical modulation means has an operating point set such that the S/N ratio is maximized. 3) The voltage detection device according to claim 1, wherein the sampling type high-speed optical detection means is composed of a streak tube having a sampling slit and has a large dynamic range. 4) The voltage detection device according to claim 1, wherein the sampling type high-speed optical detection means is a sampling type optical oscilloscope. 5) The voltage detection device according to claim 1, wherein the sampling type high-speed light detection means is a synchro scan photometer.
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