WO2020066816A1 - 電界センサ - Google Patents

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WO2020066816A1
WO2020066816A1 PCT/JP2019/036677 JP2019036677W WO2020066816A1 WO 2020066816 A1 WO2020066816 A1 WO 2020066816A1 JP 2019036677 W JP2019036677 W JP 2019036677W WO 2020066816 A1 WO2020066816 A1 WO 2020066816A1
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WO
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electric field
signal
light
electro
measurement
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Application number
PCT/JP2019/036677
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English (en)
French (fr)
Inventor
憲典 松本
田中　宏明
純 勝山
品川　満
Original Assignee
横河電機株式会社
学校法人法政大学
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Publication date
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Priority to US17/275,464 priority patent/US11885841B2/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
    • G01R29/0864—Measuring electromagnetic field characteristics characterised by constructional or functional features
    • G01R29/0878—Sensors; antennas; probes; detectors
    • G01R29/0885—Sensors; antennas; probes; detectors using optical probes, e.g. electro-optical, luminescent, glow discharge, or optical interferometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass
    • G01R35/005—Calibrating; Standards or reference devices, e.g. voltage or resistance standards, "golden" references
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/0305—Constructional arrangements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G02F1/225—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference in an optical waveguide structure

Definitions

  • the present invention relates to an electric field sensor.
  • This application claims the priority based on Japanese Patent Application No. 2018-180875 for which it applied to Japan on September 26, 2018, and uses the content here.
  • the electro-optic effect is an effect in which when an electric field is applied to the electro-optic crystal, the refractive index of light passing through the electro-optic crystal changes in proportion to the electric field intensity. A change in the refractive index gives a phase change of the light wave passing through the optical crystal.
  • the electric field applied to the electro-optic crystal can be measured by measuring a change in phase (for example, see Patent Documents 1 and 2).
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional electric field sensor using the electro-optic effect.
  • the electric field sensor 900 includes a light source 901, a polarizer 902, a wave plate 903, an electro-optic crystal 904, a polarizer 905, and a light receiver 906.
  • the light source 901 is, for example, a semiconductor laser.
  • the polarizer 902 emits linearly polarized light (reference numeral 911) among the light beams incident from the light source 901.
  • the wave plate 903 is a ⁇ / 4 wave plate, and emits a light beam incident from the polarizer 902 after being polarized into circularly polarized light (reference numeral 912).
  • the electro-optic crystal 904 changes the polarization state by changing the birefringence according to the electric field intensity applied by the external electric field source.
  • the electro-optic crystal 904 emits an elliptically polarized light (reference numeral 913) whose polarization state has changed.
  • the polarizer 905 changes the light beam emitted from the electro-optic crystal 904 into linearly polarized light.
  • the light receiver 906 converts a light beam emitted by the polarizer 905 into an electric signal and outputs the electric signal.
  • the reason for using the wave plate 903 is to prevent the detection sensitivity of the same birefringent component as the polarization axis of the light source from being lowered when linearly polarized light is incident on the electro-optic crystal 904, and to determine the polarity of the electric field. This is because it is necessary to use circularly polarized light.
  • the electric field intensity to be measured is converted into the electric intensity by converting the light intensity change into a light receiver electric signal (for example, see Non-Patent Document 1).
  • the measured value may fluctuate due to a change in the light amount of the light source.
  • a description will be given of a configuration example in which a polarization beam splitter is arranged instead of a polarizer after the output of the electro-optic crystal to reduce fluctuation.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example in which a polarization beam splitter is arranged instead of the analyzer (polarizer 905) after the output of the electro-optic crystal 904. As shown in FIG.
  • the electric field sensor 900A includes a light source 901, a polarizer 902, a wave plate 903, an electro-optic crystal 904, a beam splitter 907, a mirror 908, a first light receiver 906a, a second light receiver 906b, and a differential.
  • An amplifier 909 is provided.
  • Beam splitter 907 is a polarizing beam splitter separates the incident light into horizontally polarized light components P P and the vertical polarization component P S.
  • the first photodetector 906a converts the horizontally polarized light component P P into an electric signal.
  • the second light receiver 906b converts the vertically polarized light component P S which is totally reflected by the mirror into an electrical signal.
  • the differential amplifier 909 performs a differential output of the two-component signal output from the first light receiver 906a and the second light receiver 906b. With this configuration, common fluctuation components such as light source fluctuations are removed (for example, see Non-Patent Document 2).
  • Equation (1) ⁇ n is a change in refractive index, n is a non-perturbed refractive index, E is an electric field strength, and r eff is a primary electro-optic coefficient.
  • the optical phase change ⁇ at this time is represented by the following equation (2).
  • ⁇ is a phase change
  • L is a crystal length
  • d is a crystal thickness
  • ⁇ is a wavelength.
  • P out is the optical power intensities emanating from the analyzer (polarizer 905)
  • P in is the optical power entering the electro-optic crystal.
  • the magnitude of the amount of phase change of the optical crystal with respect to the electric field that is, the first-order electro-optic constant r eff corresponding to the sensitivity changes due to the temperature dependence of the birefringence of the optical crystal.
  • the primary electro-optic constant r eff is added with a phase change due to a change in the polarization state in the crystal due to stress, such as expansion and contraction of the electro-optical action length of the crystal due to the thermal expansion coefficient of the optical crystal material, and
  • the sensor output fluctuates due to factors other than the measurement electric field, and the fluctuation is added to the original measurement output, and the measurement stability decreases.
  • One embodiment of the present invention provides an electric field sensor using an electro-optic effect, which can measure an electric field intensity without deteriorating measurement stability even when ambient temperature or the like changes.
  • An electric field sensor (100, 100A, 100A ', 100C, 100D) according to one embodiment of the present invention is an electric field sensor that measures an electric field generated by an object using an electro-optic effect, and includes a light source (1), An electro-optic crystal (5, 5D) that receives light of a predetermined polarization state emitted from the light source and receives an electric field generated by the object and an electro-optic crystal based on a reference signal having a known signal level.
  • a reference electric field applying unit reference power supply 11, electric field control unit 15, reference electric field source 16
  • a light receiving unit (1021) that receives light emitted from the electro-optic crystal and converts the received light into an electric signal.
  • the electric field sensor applies an electric field based on the reference signal whose signal level is known to the electro-optic crystal, and detects a change in the primary electro-optic constant r eff in the second separation unit by detecting only the reference signal. A change in the primary electro-optic constant r eff can be monitored.
  • the electric field sensor corrects the signal level of the measurement signal based on the signal level of the reference signal detected in this way, so that the electric field sensor using the electro-optic effect can measure the measurement stability even when the ambient temperature or the like changes.
  • the electric field intensity can be measured without deteriorating the electric field.
  • the separation correction unit includes a first separation unit (filter 10) that separates the measurement signal from the electric signal, and a second separation unit that separates the reference signal from the electric signal.
  • a separation unit lock-in amplifier 12
  • a correction unit gain control unit 13, variable gain amplifier 14 that corrects the signal level of the measurement signal based on the separated signal level of the reference signal. It may be.
  • the electric field sensor can obtain the amount of phase change induced by the electric field intensity applied to the electro-optic crystal.
  • an electric field sensor having high measurement stability can be provided by correcting the phase change by the separation correcting unit that constantly monitors the phase change.
  • the electric field sensor further includes: a measurement electric field application unit (measurement power supply 21 and measurement electric field control unit 22) that applies a reference signal having a known signal level to the object.
  • the correction unit includes a first separation unit (lock-in amplifier 12a) that separates the measurement signal on which the reference signal is superimposed from the electric signal, and a second separation unit (lock-in amplifier) that separates the reference signal from the electric signal.
  • An amplifier 12b) and a correction unit (gain control unit 13, variable gain amplifier 14) for correcting the signal level of the measurement signal based on the separated signal level of the reference signal may be provided.
  • the electric field sensor superimposes the reference signal on the measurement signal by applying an electric field based on the reference signal to the electric field generated by the object, and the first separation unit superimposes the reference signal from the electric signal.
  • the measurement signal is separated.
  • the electric field sensor can remove these noise components with the above-described configuration when there is, for example, noise due to capacitive coupling from a power supply or noise due to electromagnetic induction other than the electric field to be measured in the surroundings. .
  • the electric field sensor can accurately measure the electric field intensity even when the electric field intensity to be measured is small and the SN ratio is poor.
  • the object is a solar cell (201), the light source (solar cell irradiation light source 24) irradiates the solar cell with light, and the electro-optic crystal is Alternatively, the solar cell may receive an electric field generated by irradiation of light from the light source as an electric field generated by the object.
  • the electric field sensor can measure the electric field generated by irradiating the solar cell with light.
  • the electric field sensitivity of the electric field sensor can be corrected using the reference signal, so that highly stable measurement can be performed.
  • the electro-optic crystal is connected to a first optical waveguide (3031) to which the light from the light source is incident and a first output of the first optical waveguide.
  • a second optical waveguide (3035) A second optical waveguide (3035).
  • the electric field sensor can monitor a phase change with respect to a temperature change by applying an electric field based on the reference signal even in the optical waveguide type electric field sensor.
  • an electric field sensor having high measurement stability can be provided by correcting the phase change by the separation correcting unit that constantly monitors the phase change.
  • a transparent electrode ITO electrode 5D1 disposed on a first surface of the electro-optic crystal (5D), and a second surface facing the first surface of the electro-optic crystal.
  • a mirror disposed at a position where light emitted from the light source is incident from the transparent electrode, light incident from the transparent electrode is reflected by the mirror, and the reflected light is reflected from the transparent electrode. The light may be emitted.
  • the electric field sensor measures the electric field intensity by acquiring the phase change of the light that is reflected by the mirror through the transparent electrode and returns to the mirror.
  • the electric field sensor can monitor the phase change with respect to the temperature change by applying the electric field based on the reference even when a phase change occurs with respect to the electric field applied to the transparent electrode and the crystal lower surface. it can.
  • an electric field sensor having high measurement stability can be provided by correcting the phase change by the separation correcting unit that constantly monitors the phase change.
  • the predetermined polarization state may be circular polarization.
  • the electric field sensor can determine the polarity of the electric field by using circularly polarized light.
  • the frequency of the reference signal may be a frequency band that does not affect the measurement signal.
  • the electric field sensor does not affect the reference signal strength on the measurement signal, so that an electric field sensor with high measurement stability can be provided.
  • the light receiving unit is separated by the polarization beam splitter, which separates circularly polarized light emitted from the electro-optic crystal into P-polarized light and S-polarized light.
  • a differential amplification unit that amplifies a differential component between the P-polarized light and the S-polarized electric signal and outputs the amplified electric signal to the separation correction unit.
  • the electric field sensor corrects the signal level of the measurement signal based on the signal level of the reference signal detected in this manner, so that the ambient temperature or the like changes in the electric field sensor using the electro-optic effect.
  • the electric field strength can be measured without deteriorating the measurement stability.
  • the separation correction unit uses a filter that removes a signal component of an electric field based on the reference signal in the electric signal output by the differential amplification unit, and uses the reference signal.
  • An amplifier for extracting a signal component of an electric field based on the reference signal in the electric signal output by the differential amplifier, and an amplification factor according to the signal component of the electric field based on the reference signal output by the amplifier.
  • a gain control unit that generates a control signal to be controlled; and an amplification factor of an electric signal from which a signal component of an electric field based on the reference signal output by the filter is removed according to the control signal output by the gain control unit.
  • a variable gain amplifier for variably outputting the output.
  • the electric field sensor corrects the signal level of the measurement signal based on the signal level of the reference signal detected in this manner, so that the ambient temperature or the like changes in the electric field sensor using the electro-optic effect.
  • the electric field strength can be measured without deteriorating the measurement stability.
  • the electric field sensor further includes a measurement electric field applying unit that applies a reference signal having a known signal level to the object, and the light receiving unit includes a circularly polarized light emitted from the electro-optic crystal.
  • a polarization beam splitter that separates the light into P-polarized light and S-polarized light, and amplifies the differential component of the P-polarized light and the S-polarized electric signal separated by the polarization beam splitter, and converts the amplified electric signal.
  • a differential amplifying unit for outputting to the separation correcting unit.
  • the electric field sensor removes these noise components with the above configuration when there is, for example, noise due to capacitive coupling noise or electromagnetic induction from the power supply other than the electric field to be measured around. Can be.
  • the electric field sensor can accurately measure the electric field intensity even when the electric field intensity to be measured is small and the SN ratio is poor.
  • the separation correction unit uses the measurement signal to extract a signal component of an electric field based on the measurement signal in the electric signal output by the differential amplification unit.
  • An amplifier a second amplifier that extracts a signal component of an electric field based on the reference signal in the electric signal output by the differential amplifier, using the reference signal, and a reference signal output by the second amplifier.
  • a gain control unit that generates a control signal for controlling an amplification factor in accordance with a signal component of an electric field based on the measurement signal output by the first amplifier in response to the control signal output by the gain control unit
  • a variable gain amplifier that variably outputs the gain of the electric signal of the electric field signal component.
  • the electric field sensor removes these noise components with the above configuration when there is noise due to capacitive coupling noise from a power supply or electromagnetic induction, for example, in addition to the electric field to be measured around. Can be.
  • the electric field sensor can accurately measure the electric field intensity even when the electric field intensity to be measured is small and the SN ratio is poor.
  • the separation correction unit obtains a phase change of light that is emitted from the light source and is reflected by the mirror through the transparent electrode to return to the mirror. May be measured.
  • the electric field sensor can monitor the phase change with respect to the temperature change by applying the electric field based on the reference even when a phase change occurs with respect to the electric field applied to the transparent electrode and the crystal lower surface. it can.
  • the light receiving unit is separated by the polarization beam splitter, which separates circularly polarized light emitted from the electro-optic crystal into P-polarized light and S-polarized light.
  • a differential amplification unit that amplifies a differential component between the P-polarized light and the S-polarized electric signal and outputs the amplified electric signal to the separation correction unit.
  • an electric field sensor with high measurement stability can be provided by correcting the phase change by the separation correcting unit that constantly monitors the phase change.
  • the separation correction unit uses a filter that removes a signal component of an electric field based on the reference signal in the electric signal output by the differential amplification unit, and uses the reference signal.
  • An amplifier for extracting a signal component of an electric field based on the reference signal in the electric signal output by the differential amplifier, and an amplification factor according to the signal component of the electric field based on the reference signal output by the amplifier.
  • a gain control unit that generates a control signal to be controlled; and an amplification factor of an electric signal from which a signal component of an electric field based on the reference signal output by the filter is removed according to the control signal output by the gain control unit.
  • a variable gain amplifier for variably outputting the output.
  • an electric field sensor with high measurement stability can be provided by correcting the phase change by the separation correcting unit that constantly monitors the phase change.
  • the electric field intensity can be measured without deteriorating the measurement stability even when the ambient temperature or the like changes.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an effect of the electric field sensor according to the first embodiment. It is a figure showing the example of composition of the electric field sensor concerning a 2nd embodiment. It is a figure for explaining an effect of an electric field sensor concerning a 2nd embodiment. It is a figure showing the example of composition at the time of applying the electric field sensor of a 2nd embodiment to measurement of generated electric field distribution of a solar cell. It is a figure showing the example of composition at the time of applying the electric field sensor of a 1st embodiment to a waveguide type electric field sensor. It is a figure showing the example of composition which applied the electric field sensor of this embodiment to a vertical electric field sensor.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an effect of the electric field sensor according to the first embodiment. It is a figure showing the example of composition of the electric field sensor concerning a 2nd embodiment. It is a figure for explaining an effect of an electric field sensor concerning a 2nd embodiment. It is a figure showing the example of composition at the time of applying the electric field sensor of
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional electric field sensor using an electro-optic effect. It is a figure which shows the example of a structure which arrange
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of an electric field sensor 100 according to the present embodiment.
  • the electric field sensor 100 includes a light source 1, a lens 2, a polarizer 3, a ⁇ / 4 wavelength plate 4, an electro-optic crystal 5, a polarizing beam splitter 6 (light receiving unit, light receiving unit), and a lens 7 a (light receiving unit).
  • the components 101 on the input side to the electro-optic crystal 5 are the light source 1, the lens 2, the polarizer 3, and the ⁇ / 4 wavelength plate 4.
  • the constituent elements 102 (separation corrector, separation corrector) on the output side of the electro-optic crystal 5 include a polarization beam splitter 6, a lens 7a, a lens 7b, a light receiver 8a, a light receiver 8b, a differential amplifier 9, a filter 10 , A lock-in amplifier 12, a gain control unit 13 (correction unit), and a variable gain amplifier 14 (correction unit).
  • the component 102 on the output side of the electro-optic crystal 5 includes a light receiving unit 1021 and a separation correcting unit 1022.
  • the light receiving unit 1021 includes a polarization beam splitter 6, a lens 7a, a lens 7b, a light receiver 8a, a light receiver 8b, and a differential amplifier 9.
  • the separation correction unit 1022 includes a filter 10, a lock-in amplifier 12, a gain control unit 13, and a variable gain amplifier 14.
  • the lens 2 is disposed between the light source 1 and the polarizer 3.
  • the polarizer 3 is disposed between the lens 2 and the ⁇ / 4 wavelength plate 4.
  • the ⁇ / 4 wavelength plate 4 is arranged between the polarizer 3 and the electro-optic crystal 5.
  • the electro-optic crystal 5 is arranged between the ⁇ / 4 wavelength plate 4 and the polarization beam splitter 6.
  • the polarization beam splitter 6 is disposed between the electro-optic crystal 5 and the lens 7a and between the electro-optic crystal 5 and the lens 7b.
  • the lens 7a is arranged between the polarization beam splitter 6 and the light receiver 8a (light receiving element).
  • the lens 7b is disposed between the polarization beam splitter 6 and the light receiver 8b (light receiving element).
  • the light receiver 8a is arranged on the emission side of the lens 7a.
  • the light receiver 8b is arranged on the emission side of the lens 7b.
  • the output terminal of the light receiver 8a is connected to the first input terminal of the differential amplifier 9.
  • the output terminal of the light receiver 8b is connected to the second input terminal of the differential amplifier 9.
  • An output terminal of the differential amplifier 9 is connected to an input terminal of the filter 10 and a first input terminal of the lock-in amplifier 12.
  • An output terminal of the filter 10 is connected to an input terminal of the variable gain amplifier 14.
  • the lock-in amplifier 12 has a second input terminal connected to one end of the reference power supply 11 and an input terminal of the electric field control unit 15, and an output terminal connected to an input terminal of the gain control unit 13. The other end of the reference power supply 11 is grounded.
  • An output terminal of the gain control unit 13 is connected to a control terminal of the variable gain amplifier 14.
  • the output end of the variable gain amplifier 14 is connected to the output of the electric field sensor 100.
  • the other end of the electric field control unit 15 is connected to the reference electric field source 16.
  • a reference electric field source 16 is provided on the first surface side, and the second surface side facing the first surface is grounded.
  • the electric field sensor 100 measures the intensity of the electric field generated by the object.
  • the measurement electric field source 23 is an object to be measured.
  • the light source 1 is, for example, an LD (laser diode).
  • the lens 2 is a collimator lens, which converts a light beam emitted from the light source into a parallel light beam and emits the parallel light beam.
  • the polarizer 3 polarizes the light emitted from the lens 2 into linear light.
  • the ⁇ / 4 wavelength plate 4 polarizes the light beam emitted by the polarizer 3 into circularly polarized light and emits the light.
  • the ⁇ / 4 wavelength plate 4 is inserted in front of the electro-optic crystal 5 and polarized.
  • the ⁇ / 4 wavelength plate 4 need not necessarily be mounted.
  • the light beam emitted from the ⁇ / 4 wavelength plate 4 is incident on the electro-optic crystal 5, and the reference electric field E (fref) is applied to the electro-optic crystal 5 where the reference electric field E (fref) is applied by the reference electric field source 16.
  • a measurement electric field E (meas) is received by the measurement electric field source 23.
  • the electro-optic crystal 5 emits a circularly polarized light beam P (meas + fref) whose polarization state has been changed by a change in birefringence according to the reference electric field E (fref) and the measurement electric field E (meas).
  • the electro-optic crystal 5 is, for example, LiNbO 3 , LiTaO 3 , Bi 12 SiO 20 (BSO), Bi 12 GeO 20 (BGO), ADP, KDP, quartz, or the like.
  • the polarization beam splitter 6 separates the circularly polarized light emitted from the electro-optic crystal 5 into P-polarized light PH (meas + fref) and S-polarized light PS (meas + fref).
  • the lens 7a is a collimator lens, and focuses the P-polarized light emitted from the polarization beam splitter 6 on the light receiver 8a.
  • the lens 7b is a collimator lens, and focuses the S-polarized light emitted from the polarization beam splitter 6 on the light receiver 8b.
  • the light receiver 8a photoelectrically converts the received light amount and outputs the electric signal to the differential amplifier 9 as an electric signal VH (meas + fref) corresponding to the electric field intensity.
  • the light receiver 8b photoelectrically converts the received light amount and outputs the electric signal to the differential amplifier 9 as an electric signal VS (meas + fref) corresponding to the electric field intensity.
  • the differential amplifying unit 9 amplifies the differential component of the electric signal of the P polarization component and the S polarization component, and outputs the amplified electric signal V (meas + fref) to the input terminal of the filter 10 and the lock-in amplifier 12. .
  • the filter 10 outputs to the variable gain amplifier 14 an electric signal V (meas) from which the reference electric field signal component in the measurement signal output from the differential amplifier 9 has been removed.
  • the reference power supply 11 generates a reference signal fref for generating a reference electric field signal component, and outputs the generated reference signal to the lock-in amplifier 12 and the electric field control unit 15.
  • the lock-in amplifier 12 extracts the reference electric field signal component V (fref) from the electric signal output from the differential amplifier 9 using the reference signal output from the reference power supply 11.
  • the extraction of the reference electric field signal component is not necessarily the lock-in amplifier 12, but may be a synchronous detection type amplifier.
  • the gain control unit 13 generates a control signal for controlling the amplification factor in accordance with the reference electric field signal component output from the lock-in amplifier 12, and outputs the generated control signal to the variable gain amplifier 14. For example, when the magnitude of the known reference electric field signal decreases (the sensitivity decreases), the gain control unit 13 outputs a control signal for increasing the gain of the variable gain amplifier 14 to the variable gain amplifier 14. As described above, the gain control unit 13 has a function as AGC (Automatic Gain Control; automatic gain control).
  • AGC Automatic Gain Control
  • the variable gain amplifier 14 variably outputs the amplification factor of the signal output by the filter 10 according to the control signal output by the gain control unit 13 and outputs the variable gain amplifier.
  • the electric field control unit 15 is a driver that drives a reference signal output from the reference power supply 11 to an electric field intensity, and outputs a drive signal to the reference electric field source 16.
  • the reference electric field source 16 is a reference electric field source for monitoring a change in the electro-optic constant of the electro-optic crystal 5, is driven by a drive signal output from the electric field control unit 15, and applies a reference electric field E (fref) to the electro-optic crystal 5. )give.
  • applying the reference electric field E (fref) to the electro-optic crystal 5 means that the modulation is performed by the reference signal fref.
  • variable gain amplifier is used to adjust the gain in accordance with the variation of the reference signal to improve the measurement stability in a hardware manner.
  • the output of the measurement signal component and the reference signal component is output. May be subjected to A / D conversion and converted into numerical values, and then may be processed by software.
  • the electric field sensor 100 obtains the amount of phase change induced by the electric field intensity applied to the electro-optic crystal 5 mounted in the sensor by optical means.
  • the magnitude of the amount of phase change of the electro-optic crystal 5 with respect to the electric field that is, the first-order electro-optic constant r eff corresponding to sensitivity changes depending on the temperature dependence of the birefringence of the optical crystal.
  • the optical action length of the electro-optic crystal 5 changes depending on the thermal expansion coefficient of the optical crystal material. Since a phase change due to a change in the polarization state in the crystal due to the stress is applied, it is necessary to provide a mechanism for constantly monitoring the phase change and to provide an electric field sensor with high measurement stability by correcting the change.
  • a reference electric field signal E (fref) for generating a known electric field is applied to the electro-optic crystal, and a change in the primary electro-optic constant r eff is changed by the lock-in amplifier 12 at the subsequent stage to the reference signal component V ( By detecting only fref), it is possible to monitor a change in the primary electro-optic constant r eff . Since the signal of the reference signal component V (fref) is common from the light source to the input of the differential amplifier, the calculation unit (the filter 10, the lock-in amplifier 12, the gain control unit 13, and the variable gain amplifier 14) responds to the variation. If the sensitivity of the measurement signal is corrected, an electric field measurement with high measurement stability can be performed even if the primary electro-optic constant r eff changes due to ambient temperature or the like.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the effect of the electric field sensor 100 according to the present embodiment.
  • the horizontal axis represents frequency
  • the vertical axis represents the sensor gain of the electric field sensor 100.
  • Symbol g101 indicates the frequency fref of the reference signal
  • symbol g102 indicates the frequency characteristics of the electric field sensor 100
  • symbol g103 indicates the measured frequency characteristics.
  • the frequency fref is, for example, 10 Hz
  • the measurement frequency is, for example, 100 Hz.
  • the frequency of the reference signal component V (fref) may be any frequency that does not affect the measurement frequency band, and may be lower than the measurement frequency band as shown in FIG. Good.
  • the reference electric field is applied to the electro-optic crystal 5, the applied reference electric field is extracted, and the sensitivity of the signal to be measured is subjected to AGC by the gain control unit 13. Temperature fluctuations of each component are corrected.
  • the reference electric field whose electric field intensity is known is applied to the electro-optic crystal 5 during the measurement.
  • the measured value may change depending on the temperature even when the true measured value does not change.
  • the magnitude does not change with temperature, and the influence of the temperature dependence is corrected by taking the difference from this reference electric field with the magnitude of the known reference electric field as a reference.
  • the electric field signal E (meas) to be measured and the reference electric field signal E (fref) for monitoring the change of the primary electro-optic constant r eff are applied to the same electro-optic crystal, and The same light beam is used to probe the phase change of the optical crystal.
  • the polarization beam splitter 6 superimposes the measured electric field signal component fm and the reference electric field signal fref on the horizontal polarization component signal and the vertical polarization component signal, respectively.
  • the difference in sensitivity between the two light receivers (8a, 8b) and the change in the polarization separation ratio of the polarization beam splitter 6 are also determined by the differential amplifier 9 and the arithmetic unit (filter 10, It can be eliminated by the lock-in amplifier 12, the gain control unit 13, and the variable gain amplifier 14).
  • the reference signal is extracted by the lock-in amplifier 12, and the gain control unit 13 generates a signal corresponding to the required gain.
  • the gain of the variable gain amplifier 14 is actively adjusted to a gain that corrects the fluctuation of the electro-optic constant r eff , so that the electric field measurement can be performed with high stability even when the temperature or the like fluctuates. Can be realized.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the electric field sensor 100A according to the present embodiment.
  • the electric field sensor 100A includes a light source 1, a lens 2, a polarizer 3, a ⁇ / 4 wavelength plate 4, an electro-optic crystal 5, a polarization beam splitter 6, a lens 7a, a lens 7b, a light receiver 8a, and a light receiver.
  • differential amplifier 9 reference power supply 11 (reference electric field means, reference electric field applying unit), lock-in amplifier 12a (first separating unit), lock-in amplifier 12b (second separating unit), gain control unit 13, Variable gain amplifier 14, electric field control unit 15 (reference electric field means, reference electric field applying unit), reference electric field source 16 (reference electric field means, reference electric field applying unit), measurement power supply 21 (measuring electric field means, measuring electric field applying unit), And a measurement electric field control unit 22 (measurement electric field means, measurement electric field application unit).
  • the components 101 on the input side to the electro-optic crystal 5 are the light source 1, the lens 2, the polarizer 3, and the ⁇ / 4 wavelength plate 4.
  • the constituent elements 102A (separation corrector, separation corrector) on the output side of the electro-optic crystal 5 include a polarization beam splitter 6, a lens 7a, a lens 7b, a light receiver 8a, a light receiver 8b, a differential amplifier 9, a lock-in amplifier. 12a, a lock-in amplifier 12b, a gain control unit 13, and a variable gain amplifier 14.
  • the component 102 on the output side of the electro-optic crystal 5 includes a light receiving unit 1021 and a separation correcting unit 1022A.
  • the light receiving unit 1021 includes a polarization beam splitter 6, a lens 7a, a lens 7b, a light receiver 8a, a light receiver 8b, and a differential amplifier 9.
  • the separation correction unit 1022A includes a lock-in amplifier 12a (first amplifier), a lock-in amplifier 12b (second amplifier), a gain control unit 13, and a variable gain amplifier 14.
  • the output terminal of the light receiver 8a is connected to the first input terminal of the differential amplifier 9.
  • the output terminal of the light receiver 8b is connected to the second input terminal of the differential amplifier 9.
  • An output terminal of the differential amplifier 9 is connected to a first input terminal of the lock-in amplifier 12a and a first input terminal of the lock-in amplifier 12b.
  • the lock-in amplifier 12 a has a second input terminal connected to one end of the measurement power supply 21 and an input terminal of the measurement electric field control unit 22, and an output terminal connected to the input terminal of the variable gain amplifier 14.
  • the lock-in amplifier 12 b has a second input terminal connected to one end of the reference power supply 11 and an input terminal of the electric field control unit 15, and an output terminal connected to an input terminal of the gain control unit 13.
  • the other end of the reference power supply 11 is grounded.
  • An output terminal of the gain control unit 13 is connected to a control terminal of the variable gain amplifier 14.
  • the output terminal of the variable gain amplifier 14 is connected to the output of the electric field sensor 100A.
  • the other end of the electric field control unit 15 is connected to the reference electric field source 16.
  • the electro-optic crystal 5 is provided with a reference electric field source 16 and a measuring electric field source 23 on a first surface side, and a second surface side opposite to the first surface is grounded.
  • the other end of the measuring power supply 21 is grounded.
  • the other end of the measurement electric field control unit 22 is connected to the measurement electric field source 23.
  • the electric field sensor 100A measures the intensity of the electric field generated by the object.
  • the measurement electric field source 23 is an object to be measured.
  • the measurement power supply 21 generates a measurement reference signal fm.
  • the measurement electric field control unit 22 is a driver for driving the measurement reference signal output from the measurement power supply 21 to the electric field intensity, and outputs a drive signal to the measurement electric field source 23.
  • the measurement electric field source 23 is driven by a drive signal output from the measurement electric field control unit 22 and gives the electro-optic crystal 5 a measurement electric field E (fm).
  • applying the reference electric field measurement electric field E (fm) to the electro-optic crystal 5 means that the measurement electric field is modulated at the frequency fm.
  • the differential amplifier 9 amplifies the differential component of the P-polarized component and the S-polarized component of the electric signal, and outputs the amplified electric signal V (fm + fref) to the lock-in amplifier 12a and the lock-in amplifier 12b.
  • the lock-in amplifier 12a extracts the measurement electric field signal component V (fm) from the electric signal output from the differential amplifier 9 using the measurement signal output from the measurement power supply 21.
  • the lock-in amplifier 12b extracts a reference electric field signal component V (fref) from the electric signal output from the differential amplifier 9 using the reference signal output from the reference power supply 11.
  • variable gain amplifier 14 is used to adjust the gain in accordance with the variation of the reference signal to improve the measurement stability in a hardware manner.
  • the outputs of the measurement signal component and the reference signal component are A / D converted. After setting the numerical value, the calculation may be performed by software.
  • the reference signal E (fm) is added to the measured electric field in order to remove these noise components. ) Are superimposed. Then, also in the present embodiment, only the measurement signal component is detected by the component 102A on the output side of the electro-optic crystal 5. Also in the present embodiment, the level of the measurement signal is corrected by the gain control unit 13 and the variable gain amplifier 14 based on the magnitude of the reference signal detected by the lock-in amplifier 12b.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the effect of the electric field sensor 100A according to the present embodiment.
  • the horizontal axis represents frequency
  • the vertical axis represents the sensor gain of the electric field sensor 100A.
  • Symbol g101 indicates the frequency fref of the reference signal
  • symbol g102 indicates the frequency characteristics of the electric field sensor 100A
  • symbol g103 indicates the measured frequency characteristics.
  • Reference sign g104 indicates a reference frequency for measurement. As shown in FIG. 4, the frequency fref of the reference signal is different from the reference frequency for measurement.
  • the electric field sensor 100A of the present embodiment can obtain the same effect as the electric field sensor 100 of the first embodiment. Further, according to the present embodiment, when there is capacitive coupling noise from a power supply or noise due to electromagnetic induction or the like, these noise components can be removed. For this reason, according to the present embodiment, it is possible to further improve the SN ratio (signal-to-noise ratio) compared to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example when the electric field sensor 100A according to the second embodiment is applied to measurement of a generated electric field distribution of a solar cell.
  • the electric field sensor 100A includes a component 101 on the input side to the electro-optic crystal 5 (FIG. 3), a component 102A on the output side of the electro-optic crystal 5 (FIG.
  • a reference power supply 11 Control unit 15, reference electric field source 16, measurement electric field control unit 22 (measurement electric field unit, measurement electric field application unit), measurement power supply 21 (measurement electric field unit, measurement electric field application unit), and solar cell irradiation light source 24 (measurement unit)
  • Electric field means, a measurement electric field applying unit).
  • the solar cell 201 is an object to be measured.
  • the electric field sensor 100A ′ measures the intensity of an electric field generated by the solar cell 201 as an object.
  • connection of the electric field sensor 100A ' a connection different from that of the electric field sensor 100A will be described.
  • the other end of the measurement electric field control unit 22 is connected to the solar cell irradiation light source 24.
  • the measurement power supply 21 generates a measurement reference signal fm.
  • the measurement electric field control unit 22 is a driver that drives the measurement reference signal output from the measurement power supply 21 to the electric field intensity, and outputs a drive signal to the solar cell irradiation light source 24.
  • the solar cell irradiation light source 24 is a light source for causing the solar cell 201 to generate power.
  • the solar cell irradiation light source 24 is driven by a drive signal output from the measurement electric field control unit 22 and irradiates the solar cell 201 with a light beam P (fm) modulated by the measurement reference signal fm.
  • the solar cell 201 is irradiated with power generation light modulated by the measurement reference signal having the frequency fm.
  • the solar cell 201 generates an electric field E (fm) by the irradiated light.
  • Electric field sensor 100 ⁇ / b> A ′ applies electric field E (fm) generated by solar cell 201 to electro-optic crystal 5. Further, a reference electric field E (fref) modulated by a reference signal having a frequency fref is applied to the electro-optic crystal 5. That is, in the electric field sensor 100A ', an electric field E (fm) generated by the solar cell 201 is applied to the electro-optic crystal 5 instead of the electric field source 23 for measurement in the electric field sensor 100A of FIG. Electric field sensor 100A ′ measures electric field E (fm) generated by solar cell 201.
  • the reference of the electric field sensor 100A ′ is adjusted.
  • the power supply 11 can correct the electric field sensitivity of the electric field sensor 100A 'even when the ambient temperature changes, so that highly stable electric field measurement can be realized even when the temperature or the like fluctuates.
  • measurement with high stability is possible.
  • ⁇ Second embodiment> An example in which the electric field sensor 100 according to the first embodiment is applied to a waveguide electric field sensor will be described. For example, see Non-Patent Document 3 for a configuration example and an operation example of a waveguide-type electric field sensor.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration example when the electric field sensor 100 of the first embodiment is applied to a waveguide electric field sensor.
  • the electric field sensor 100C includes a light source 301, an optical fiber 302, an electro-optic crystal 303, a reference power supply 305, an optical fiber 306, a light receiver 307, and a separation correcting unit 308.
  • the electro-optic crystal 303 includes a first optical waveguide 3031, an electrode 3032 (third electrode), an electrode 3033 (first electrode), an electrode 3034 (second electrode), and a second optical waveguide 3035.
  • One end of an optical fiber 302 is connected to the light source 301.
  • the other end of the optical fiber 302 is connected to the input end of the first optical waveguide 3031 of the electro-optic crystal 303.
  • the optical fiber 302 is connected to the first optical waveguide 3031 of the electro-optic crystal 303 via a photo coupler.
  • the first optical waveguide 3031 is formed in a Y-shape, and has one input terminal and two output terminals (a first output terminal and a second output terminal).
  • the first optical waveguide 3031 has a first output terminal connected to the input terminal of the electrode 3032 and a second output terminal connected to the input terminal of the electrode 3033.
  • the electrode 3032 has an external connection portion grounded, and an output end connected to the first input end of the second optical waveguide 3035.
  • the electrode 3033 has a connection to the outside connected to the electric field source for measurement 304, and an output terminal connected to an input terminal of the electrode 3034.
  • the electrode 3034 has a connection to the outside connected to one end of the reference power supply 305, and an output end connected to a second input end of the second optical waveguide 3035.
  • the second optical waveguide 3035 is formed in a Y shape and has two input terminals (a first output terminal and a second output terminal) and one output terminal.
  • the output end of the second optical waveguide 3035 is connected to the input end of the optical fiber 306.
  • the other end of the optical fiber 306 is connected to the light receiver 307.
  • the optical fiber 306 is connected to the second optical waveguide 3035 of the electro-optic crystal 303.
  • the light beam entering the optical fiber 302 from the light source 301 is a linearly polarized light beam.
  • the measurement electric field source 304 applies the measurement electric field E (meas) to the electrode 3033 to apply the measurement electric field E (meas) to the electro-optic crystal 303.
  • the reference power supply 305 generates a reference signal fref for generating a reference electric field signal component, and applies the reference signal fref to the electrode 3034 to apply the reference signal fref to the electro-optic crystal 303.
  • the configuration emitted from the electro-optic crystal 303 to the optical fiber 306 is also linearly polarized light.
  • the light receiver 307 receives light emitted from the electro-optic crystal 303 via the optical fiber 306, and converts the received light into an electric signal.
  • the electric field sensor 100C measures the intensity of the electric field generated by the object.
  • the measurement electric field source 304 is an object to be measured.
  • the separation correction unit 308 detects a measurement signal and a reference signal from the electric signal output from the light receiver 307.
  • the separation correction unit 308 corrects the signal level of the measurement signal based on the detected signal level of the reference signal.
  • the separation correction unit 308 may include the filter 10 (first separation unit), the lock-in amplifier 12 (second separation unit), the gain control unit 13, and the variable gain amplifier 14, as in FIG. Good.
  • the separation and correction means 308 may be a CPU (Central Processing Unit), which A / D converts the output of the measurement signal component and the output of the reference signal component into numerical values, and then performs calculation and processing by software. Is also good.
  • the Barrack-type electro-optic crystal of FIG. 1 is replaced with an optical waveguide type electric field sensor.
  • the light source 301 corresponds to the light source 1 (FIG. 1)
  • the measurement electric field source 304 corresponds to the measurement electric field source 23
  • the reference power supply 305 corresponds to the reference power supply 11.
  • the signal component passing through the electrode 3032 is not affected by the electric field.
  • the phase of a signal component passing through the electrode 3033 and the electrode 3034 changes due to a change in the electric field E (meas) to be measured.
  • the signal component passing through the electrode 3032 and the signal component passing through the electrodes 3033 and 3034 are mixed by the second optical waveguide 3035.
  • Such a signal is received by the light receiver 307, and a phase change is obtained from the received signal based on a reference signal.
  • the effect of the temperature fluctuation is corrected by controlling the gain of the extracted signal in the same manner as the electric field sensor 100 (FIG. 1) by the gain control unit 13 (FIG.
  • the electric field sensor 100C converts a signal received by the light receiver 307 into an electric signal, and extracts a measurement signal component V (meas) from the converted electric signal by the filter 10 (FIG. 1). Then, the electric field sensor 100C detects the reference signal V (fref) by the lock-in amplifier 12 (FIG. 1), and the variable control amplifier 14 (FIG. 1) by the gain control unit 13 (FIG. 1) based on the detected reference signal V (fref). 1) is controlled.
  • the electric field sensor configured as shown in FIG. 6 also has a temperature dependency on a phase change of the electro-optic crystal 303.
  • components for applying a reference electric field a reference power supply 305 and an electrode 3034 are provided in order to monitor a phase change with respect to a temperature change.
  • the phase change with respect to the temperature change is monitored by the light receiver 307, and the intensity of the measurement signal is corrected by an arithmetic unit (not shown) according to the change, so that the ambient temperature and the like change.
  • the electric field measurement with high measurement stability can be performed.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example in which the electric field sensor of the present embodiment is applied to a vertical electric field sensor.
  • the example of FIG. 7 is an example in which the electric field sensor of the first embodiment is applied to a vertical electric field sensor.
  • the electric field sensor according to the second embodiment can of course be a vertical electric field sensor. As shown in FIG.
  • the electric field sensor 100D includes a light source 1, a beam splitter 401, a ⁇ / 4 wavelength plate 402, an electro-optic crystal 5D, a polarizing beam splitter 6, a lens 7a, a lens 7b, a light receiver 8a, a light receiver 8b, Differential amplifier 9, filter 10 (first separating unit), reference power supply 11 (reference electric field means, reference electric field applying unit), lock-in amplifier 12 (second separating unit), gain control unit 13, variable gain amplifier 14 , An electric field control section 15 (reference electric field means, reference electric field applying section), and a reference electric field source 16 (reference electric field means, reference electric field applying section).
  • the components 101D on the input side to the electro-optic crystal 5D are the light source 1, the beam splitter 401, and the ⁇ / 4 wavelength plate 402.
  • the constituent elements 102 (separation corrector, separation corrector) on the output side from the electro-optic crystal 5D include a polarizing beam splitter 6, a lens 7a, a lens 7b, a light receiver 8a, a light receiver 8b, a differential amplifier 9, a filter 10, a lock-in amplifier 12, a gain control unit 13, and a variable gain amplifier 14.
  • the component 102 on the output side of the electro-optic crystal 5D includes a light receiving unit 1021 and a separation correcting unit 1022.
  • an ITO (Indium Tin Oxide) electrode 5D1 is grounded.
  • the ITO electrode 5D1 is a transparent electrode.
  • a mirror 5D2 is provided on a second surface opposite to the first surface on which the ITO electrode 5D1 is arranged.
  • the electro-optic crystal 5 emits a circularly polarized light beam P (meas + fref) whose polarization state has been changed by a change in birefringence according to the reference electric field E (fref) and the measurement electric field E (meas).
  • the electro-optic crystal 5D is, for example, LiNbO 3 , LiTaO 3 , Bi 12 SiO 20 (BSO), Bi 12 GeO 20 (BGO), ADP, KDP, quartz, or the like.
  • Components having the same functions as those of the electric field sensor 100 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the beam splitter 401 is disposed between the light source 1 and the ⁇ / 4 wavelength plate 402.
  • ⁇ / 4 wavelength plate 402 is arranged between beam splitter 401 and electro-optic crystal 5.
  • the surface having the grounded ITO electrode 5D1 is arranged on the side facing the ⁇ / 4 wavelength plate 402, and the surface having the mirror 5D2 faces the reference electric field source 16 and the measuring electric field source 23. Placed on the side.
  • the electric field sensor 100D measures the intensity of the electric field generated by the object.
  • the measurement electric field source 23 is an object to be measured.
  • the beam splitter 401 splits the light beam emitted from the light source 1 into two, and emits one light beam from the polarization beam splitter 6 and the other light beam to the ⁇ / 4 wavelength plate 402.
  • the light beam emitted to the ⁇ / 4 wavelength plate 402 is reflected by the mirror 5D2 of the electro-optic crystal 5D, and the light beam transmitted through the ⁇ / 4 wavelength plate 402 enters the beam splitter 401.
  • the light beam of the light source 1 transmits through the ⁇ / 4 wavelength plate 402, transmits through the electro-optic crystal 5D, and passes through the mirror.
  • the light reflected by 5D2 and transmitted through the ⁇ / 4 wavelength plate 402 is also included.
  • the ⁇ / 4 wavelength plate 402 gives a phase difference of ⁇ / 4 to the wavelength of the light beam incident from the beam splitter 401, and a ⁇ / 4 phase difference to the wavelength of the light beam transmitted through the electro-optic crystal 5D and reflected by the mirror 5D2. give.
  • the phase changes with respect to the electric field (reference electric field, electric field for measurement) applied to the ITO electrode 5D1 and the lower surface of the electro-optic crystal 5D.
  • the electric field sensor 100D measures the electric field intensity by acquiring the phase change of the light that is reflected by the mirror 5D2 through the ITO electrode 5D1 and returns. Also in this embodiment, it is possible to cope with a temperature change by applying a reference electric field from the reference electric field source 16 that generates the reference electric field.
  • the configuration shown in FIG. 7 has been described based on the configuration of the electric field sensor 100 shown in FIG. 1, the configuration may be based on the configuration of the electric field sensor 100A shown in FIG.
  • the measurement reference signal may be supplied to the measurement electric field source 23 (FIG. 3) via the measurement electric field control unit 22 (FIG. 3).
  • the configuration of the separation correction unit 1022 is the same as that of the separation correction unit 1022A (FIG. 3).
  • 100, 100A, 100A ', 100C, 100D electric field sensor
  • 1 light source
  • 2 lens
  • 3 polarizer
  • 4 ⁇ / 4 wavelength plate
  • 5D electro-optic crystal
  • 6 polarization beam splitter
  • 10 ... Filter, 11 ... Reference power source, 12, 12a, 12b ... Lock-in amplifier, 13 ...
  • Gain control unit 14 Variable gain amplifier, 15 Electric field control unit, 16 Reference electric field source, 21 Power supply for measurement, 22 Electric field control unit for measurement, 23 Electric field source for measurement, 24 Light source for solar cell irradiation, 301 Light source Reference numeral 302, an optical fiber, 303, an electro-optic crystal, 304, a measurement electric field source, 305, a reference power source, 306, an optical fiber, 307, a light receiver, 101, 101D, components on the input side to the electro-optic crystal, 102 , 10 A: components on the output side of the electro-optic crystal, 401: beam splitter, 402: ⁇ / 4 wavelength plate, 3031: first optical waveguide, 3032: electrodes 3032, 3033: electrodes, 3034: electrodes, 3035: second light guide Wave path

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Abstract

電界センサは、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、光源と、光源から出射される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、信号レベルが既知の基準信号に基づく電界を電気光学結晶に印加する基準電界印加部と、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部と、電気信号から被対象物が発する電界に基づく測定信号と基準信号とを分離し、分離した基準信号の信号レベルに基づいて測定信号の信号レベルを補正する分離補正部と、を備える。

Description

電界センサ
　本発明は、電界センサに関する。
　本願は、２０１８年９月２６日に日本に出願された特願２０１８－１８０８７５に基づく優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　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。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。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）。
　電気光学効果を利用した従来の電界センサの構成と動作の概略を説明する。
　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。
　光源９０１は、例えば半導体レーザである。偏光子９０２は、光源９０１から入射した光線のうち直線偏光（符号９１１）を出射する。波長板９０３は、λ／４波長板であり、偏光子９０２から入射した光線を円偏光（符号９１２）に偏光して出射する。電気光学結晶９０４は、外部電界源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９０４は、偏光状態が変化した楕円偏光（符号９１３）の光線を出射する。偏光子９０５は、電気光学結晶９０４が出射した光線を直線偏光に変える。受光器９０６は、偏光子９０５が出射する光線を電気信号に変換して出力する。波長板９０３を用いている理由は、電気光学結晶９０４に直線偏光を入射させた場合に光源の偏光軸と同じ複屈折成分の検出感度が低下することを防ぐためと、電界の極性を判定するに円偏光を用いる必要があるためである。図８の構成では、光強度変化を受光器電気信号に変換することで、測定する電界強度を電気強度に変換する（例えば、非特許文献１参照）。
　図８の構成では光源の光量変化により測定値が変動することがある。変動低減のために電気光学結晶の出力の後に偏光子の代わりに偏光ビームスプリッタを配する構成例を説明する。図９は、電気光学結晶９０４の出力の後に検光子（偏光子９０５）の代わりに偏光ビームスプリッタを配する構成例を示す図である。図９に示すように、電界センサ９００Ａは、光源９０１、偏光子９０２、波長板９０３、電気光学結晶９０４、ビームスプリッタ９０７、ミラー９０８、第１受光器９０６ａ、第２受光器９０６ｂ、および差動増幅器９０９を有する。
　ビームスプリッタ９０７は、偏光ビームスプリッタであり、入射光を水平偏光成分ＰＰと垂直偏光成分ＰＳに分離する。例えば、第１受光器９０６ａは、水平偏光成分ＰＰを電気信号に変換する。第２受光器９０６ｂは、ミラーによって全反射された垂直偏光成分ＰＳを電気信号に変換する。差動増幅器９０９は、第１受光器９０６ａと第２受光器９０６ｂが出力する２成分信号の差動出力を行う。この構成により、光源変動等の共通変動成分を除去している（例えば、非特許文献２参照）。
　次に、電気光学結晶９０４の屈折率の変化、光位相変化、入射される光電力、出射する光電力について説明する。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式（１）において、Δｎは屈折率変化であり、ｎは非摂動屈折率であり、Ｅは電界強度であり、ｒｅｆｆは一次電気光学係数である。
　この時の光位相変化Δφは、次式（２）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　式（２）において、Δφは位相変化であり、Ｌは結晶長であり、ｄは結晶厚であり、λは波長である。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　式（３）において、Ｐｏｕｔは検光子（偏光子９０５）から出る光電力強度であり、Ｐｉｎは電気光学結晶に入る光電力である。
日本国特開２００２－１２２６２２号公報 日本国特開２００７－１０１３８４号公報
木原登喜夫、"光応用電界センサによる電圧測定法"、福井工業大学、福井工業大学研究記要　第１７号、ｐ３７－ｐ４５、１９８７ Xiaojun Zeng,Haiqing Chen," Electro-optical measurement ofhighly intense electric field with high frequency", Optical Sensing, Imaging and Manipulation for Biological and Biomedical Applications Held in Taipei, Taiwan on 26-27 July 2000,p298-307 伊藤博、市川正、"Ti:LiNbO3光集積回路を用いた電界強度測定器の開発"、豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー、Ｒ＆Ｄレビュー編集委員会編　Ｖｏｌ．２９　Ｎｏ．３、１９９４．０９、ｐ１３～２４ 久住肇、與島政幸、小西永二、"Ｅ－Ｏ効果を用いた実装ボードのテスト技術"、ＳＭＨ会誌、１２巻　（１９９６）　３号、ｐ．２８－３２
　光学結晶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ｒｅｆｆは、光学結晶の複屈折の温度依存性により変化する。さらに、一次電気光学定数ｒｅｆｆは、光学結晶材料の熱膨張係数により、結晶の電気光学作用長が伸縮するなど、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算され、被測定電界以外の要因でセンサ出力が変動し、その変動分が本来の測定出力に加算され、測定安定度が低下する。
　光学結晶の自然複屈折は温度変動により変化することが知られている。例えば、光源の波長が温度によって変化すると、λ／４波長板による位相のずれ量が変化する。光学結晶には、電気光学定数の面内分布があり、周囲温度変化により結晶内を通過する光ビーム位置がずれるため、電界強度に対する感度が変化することが電界強度に対する感度の変動要因ともなる。使用するλ／４波長板や偏波保持ファイバ等のセンサ内に光を導光する部品の温度依存性のために、電気光学結晶に入る光が円偏光から楕円偏光と変化するので検出感度が下がることが電界強度に対する感度の変動要因ともなる。さらに、偏光ビームスプリッタにも温度依存性があるため、分離されたＰ波成分とＳ波成分との比が変化する。
　これらの変動要因があるため、非特許文献２に記載の技術のように、偏光ビームスプリッタで分岐し差動光学系を構成して光源強度の時間的変動をキャンセルしても、センサ全体の温度依存要因をキャンセルし、高安定度な電界測定を行うことは容易ではない。
　本発明の一態様は、電気光学効果を利用した電界センサにおいて、周囲温度等が変化した場合においても測定安定度を損なうことなく電界強度を測定できる電界センサを提供する。
　本発明の一態様に係る電界センサ（１００，１００Ａ，１００Ａ’，１００Ｃ，１００Ｄ）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（１）と、前記光源から出射される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（５，５Ｄ）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印加部（基準電源１１、電界制御部１５、基準電界源１６）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部（１０２１）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部（１０２２，１０２２Ａ）と、を備える。
　上記の構成により、電界センサは、信号レベルが既知の基準信号に基づく電界を電気光学結晶に印加し、一次電気光学定数ｒｅｆｆの変化を第２分離部で基準信号のみを検波することで、一次電気光学定数ｒｅｆｆの変化分をモニタすることができる。電界センサは、このように検出した基準信号の信号レベルに基づいて測定信号の信号レベルを補正することで、電気光学効果を利用した電界センサにおいて、周囲温度等が変化した場合においても測定安定度を損なうことなく電界強度を測定できる。
　本発明の一態様に係る電界センサにおいて、前記分離補正部は、前記電気信号から前記測定信号を分離する第１分離部（濾過器１０）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（ロックインアンプ１２）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（利得制御部１３、可変利得増幅器１４）と、を備えるようにしてもよい。
　上記の構成により、電界センサは、電気光学結晶に印加される電界強度に誘起される位相変化量を得ることができる。上記の構成により、その位相変化を常時監視する分離補正部によって、位相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ことができる。
　本発明の一態様に係る電界センサにおいて、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印加部（測定用電源２１、測定用電界制御部２２）、をさらに備え、前記分離補正部は、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（ロックインアンプ１２ａ）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（ロックインアンプ１２ｂ）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（利得制御部１３、可変利得増幅器１４）と、を備えるようにしてもよい。
　上記の構成により、電界センサは、被対象物が発する電界に参照信号に基づく電界を印加することで測定信号に参照信号を重畳し、第１分離部が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ようにした。これにより、電界センサは、周囲に測定対象の電界以外に、例えば電源からの容量結合性のノイズや電磁誘導などによるノイズがある場合、上記の構成により、これらのノイズ成分を除去することができる。この結果、電界センサは、測定する電界強度が小さくＳＮ比が悪い場合であっても精度良く電界強度を測定できる。
　本発明の一態様に係る電界センサにおいて、前記被対象物が太陽電池（２０１）であり、前記光源（太陽電池照射用光源２４）は、前記太陽電池に光を照射し、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ようにしてもよい。
　上記の構成により、電界センサは、太陽電池に光が照射されたことによって発生する電界を測定することができる。これにより、上記の構成により、基準信号を用いて、周囲温度が変化しても、電界センサの電界感度が補正できるので、安定度の高い測定が可能となる。
　本発明の一態様に係る電界センサにおいて、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（３０３１）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（３０３３）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（３０３４）と、前記第１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（３０３２）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部に接続される第２光導波路（３０３５）と、を備えるようにしてもよい。
　上記の構成により、電界センサは、光導波路型の電界センサにおいても、基準信号に基づく電界を加えることで、温度変化に対する位相変化をモニタすることができる。上記の構成により、その位相変化を常時監視する分離補正部によって、位相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ことができる。
　本発明の一態様に係る電界センサにおいて、前記電気光学結晶（５Ｄ）の第１面に配置された透明電極（ＩＴＯ電極５Ｄ１）と、前記電気光学結晶の前記第１面と対向する第２面に配置されたミラー（５Ｄ２）とをさらに備え、前記光源から出射される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が前記ミラーによって反射され、反射され光を前記透明電極から出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、光線が透明電極を通してミラーに反射して戻ってくる光の位相変化を取得することで電界強度を測定する。上記の構成により、電界センサは、透明電極と結晶下面とにかかる電界に対し位相変化が発生する場合であっても、基準に基づく電界を加えることで、温度変化に対する位相変化をモニタすることができる。上記の構成により、その位相変化を常時監視する分離補正部によって、位相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ことができる。
　本発明の一態様に係る電界センサにおいて、前記所定の偏光状態は、円偏光であるようにしてもよい。
　上記の構成により、電界センサは、円偏光を用いることで、電界の極性を判定することができる。
　本発明の一態様に係る電界センサにおいて、前記基準信号の周波数は、前記測定信号に影響を及ぼさない周波数帯であるようにしてもよい。
　上記の構成により、電界センサは、基準信号強度が測定信号に影響を及ぼさないようにしたので、測定安定度の高い電界センサを提供することができる。
　本発明の一態様に係る電界センサにおいて、前記受光部は、前記電気光学結晶から出射される円偏光の光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタにより分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏波の電気信号の差動成分を増幅して、増幅した電気信号を前記分離補正部に出力する差動増幅部と、を備えるようにしてもよい。
　上記の構成により、電界センサは、このように検出した基準信号の信号レベルに基づいて測定信号の信号レベルを補正することで、電気光学効果を利用した電界センサにおいて、周囲温度等が変化した場合においても測定安定度を損なうことなく電界強度を測定できる。
　本発明の一態様に係る電界センサにおいて、前記分離補正部は、前記差動増幅部が出力する電気信号中の前記基準信号に基づく電界の信号成分を除去する濾過器と、前記基準信号を用いて、前記差動増幅部が出力する電気信号中の前記基準信号に基づく電界の信号成分を抽出するアンプと、前記アンプが出力する前記基準信号に基づく電界の信号成分に応じて、増幅率を制御する制御信号を生成する利得制御部と、前記利得制御部が出力する前記制御信号に応じて、前記濾過器が出力する前記基準信号に基づく電界の信号成分が除去された電気信号の増幅率を可変して出力する可変利得増幅器と、を備えるようにしてもよい。
　上記の構成により、電界センサは、このように検出した基準信号の信号レベルに基づいて測定信号の信号レベルを補正することで、電気光学効果を利用した電界センサにおいて、周囲温度等が変化した場合においても測定安定度を損なうことなく電界強度を測定できる。
　本発明の一態様に係る電界センサにおいて、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印加部、をさらに備え、前記受光部は、前記電気光学結晶から出射される円偏光の光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタにより分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏波の電気信号の差動成分を増幅して、増幅した電気信号を前記分離補正部に出力する差動増幅部と、を備えるようにしてもよい。
　上記の構成により、電界センサは、周囲に測定対象の電界以外に、例えば電源からの容量結合性のノイズや電磁誘導などによるノイズがある場合、上記の構成により、これらのノイズ成分を除去することができる。この結果、電界センサは、測定する電界強度が小さくＳＮ比が悪い場合であっても精度良く電界強度を測定できる。
　本発明の一態様に係る電界センサにおいて、前記分離補正部は、前記測定信号を用いて、前記差動増幅部が出力する電気信号中の前記測定信号に基づく電界の信号成分を抽出する第１アンプと、前記基準信号を用いて、前記差動増幅部が出力する電気信号中の前記基準信号に基づく電界の信号成分を抽出する第２アンプと、前記第２アンプが出力する前記基準信号に基づく電界の信号成分に応じて、増幅率を制御する制御信号を生成する利得制御部と、前記利得制御部が出力する前記制御信号に応じて、前記第１アンプが出力する前記測定信号に基づく電界の信号成分の電気信号の増幅率を可変して出力する可変利得増幅器と、を備えるようにしてもよい。
　上記の構成により、電界センサは、周囲に測定対象の電界以外に、例えば電源からの容量結合性のノイズや電磁誘導などによるノイズがある場合、上記の構成により、これらのノイズ成分を除去することができる。この結果、電界センサは、測定する電界強度が小さくＳＮ比が悪い場合であっても精度良く電界強度を測定できる。
　本発明の一態様に係る電界センサにおいて、前記分離補正部は、前記光源が出射した光が前記透明電極を通して前記ミラーに反射して戻ってくる光の位相変化を取得することで前記被対象物が発する電界を測定するようにしてもよい。
　上記の構成により、電界センサは、透明電極と結晶下面とにかかる電界に対し位相変化が発生する場合であっても、基準に基づく電界を加えることで、温度変化に対する位相変化をモニタすることができる。
　本発明の一態様に係る電界センサにおいて、前記受光部は、前記電気光学結晶から出射される円偏光の光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタにより分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏波の電気信号の差動成分を増幅して、増幅した電気信号を前記分離補正部に出力する差動増幅部と、を備えるようにしてもよい。
　上記の構成により、その位相変化を常時監視する分離補正部によって、位相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ことができる。
　本発明の一態様に係る電界センサにおいて、前記分離補正部は、前記差動増幅部が出力する電気信号中の前記基準信号に基づく電界の信号成分を除去する濾過器と、前記基準信号を用いて、前記差動増幅部が出力する電気信号中の前記基準信号に基づく電界の信号成分を抽出するアンプと、前記アンプが出力する前記基準信号に基づく電界の信号成分に応じて、増幅率を制御する制御信号を生成する利得制御部と、前記利得制御部が出力する前記制御信号に応じて、前記濾過器が出力する前記基準信号に基づく電界の信号成分が除去された電気信号の増幅率を可変して出力する可変利得増幅器と、を備えるようにしてもよい。
　上記の構成により、その位相変化を常時監視する分離補正部によって、位相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ことができる。
　本発明の一態様によれば、電気光学効果を利用した電界センサにおいて、周囲温度等が変化した場合においても測定安定度を損なうことなく電界強度を測定できる。
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。 第１実施形態に係る電界センサの効果を説明するための図である。 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２実施形態に係る電界センサの効果を説明するための図である。 第２実施形態の電界センサ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。 第１実施形態の電界センサを導波路型電界センサに適用した場合の構成例を示す図である。 縦型電界センサに本実施形態の電界センサを適用した構成例を示す図である。 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。 電気光学結晶の出力の後に検光子（偏光子）の代わりに偏光ビームスプリッタを配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。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、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、受光部）、レンズ７ａ（受光手段、受光部）、レンズ７ｂ（受光手段、受光部）、受光器８ａ（受光手段、受光部）、受光器８ｂ（受光手段、受光部）、差動増幅部９（受光手段、受光部）、濾過器１０（第１分離部）、基準電源１１（基準電界手段、基準電界印加部）、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、基準電界印加部）、および基準電界源１６（基準電界手段、基準電界印加部）を備える。
　電気光学結晶５への入力側の構成要素１０１は、光源１、レンズ２、偏光子３、およびλ／４波長板４である。
　電気光学結晶５の出力側の構成要素１０２（分離補正手段、分離補正部）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。
　電気光学結晶５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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　次に、電界センサ１００と各構成要素の動作について説明する。
　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。
　光源１は、例えばＬＤ（レーザーダイオード）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。
　偏光子３は、レンズ２が出射した光線を直線光に偏光する。
　λ／４波長板４は、偏光子３が出射した光線を円偏光に偏光して出射する。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。
　電気光学結晶５には、λ／４波長板４が出射した光線が入射され、基準電界源１６によって基準電界Ｅ（ｆｒｅｆ）が印加さる電気光学結晶５には、基準電界Ｅ（ｆｒｅｆ）が印加される面と同じ面で、測定用電界源２３による測定用電界Ｅ（ｍｅａｓ）を受ける。電気光学結晶５は、基準電界Ｅ（ｆｒｅｆ）と測定用電界Ｅ（ｍｅａｓ）に応じた複屈折の変化によって偏光状態が変化した円偏光の光線Ｐ（ｍｅａｓ＋ｆｒｅｆ）を出射する。電気光学結晶５は、例えばＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｂｉ１２ＳｉＯ２０（ＢＳＯ）、Ｂｉ１２ＧｅＯ２０（ＢＧＯ）、ＡＤＰ、ＫＤＰ、水晶等である。
　偏光ビームスプリッタ６は、電気光学結晶５が出射した円偏光の光線をＰ偏光ＰＨ（ｍｅａｓ＋ｆｒｅｆ）とＳ偏光ＰＳ（ｍｅａｓ＋ｆｒｅｆ）に分離する。
　レンズ７ａ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Ｐ偏光の光線を受光器８ａに集光する。
　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８ｂに集光する。
　受光器８ａ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ＶＨ（ｍｅａｓ＋ｆｒｅｆ）として差動増幅部９に出力する。
　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。
　差動増幅部９は、Ｐ偏光成分とＳ偏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Ｖ（ｍｅａｓ＋ｆｒｅｆ）を濾過器１０の入力端とロックインアンプ１２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。
　基準電源１１は、基準電界信号成分作成用の基準信号ｆｒｅｆを発生させ、発生させた基準信号をロックインアンプ１２と電界制御部１５とに出力する。
　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。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。
　利得制御部１３は、ロックインアンプ１２が出力する基準電界信号成分に応じて増幅率を制御する制御信号を生成し、生成した制御信号を可変利得増幅器１４に出力する。例えば、既知の基準電界信号の大きさが下がった（感度が下がった）場合、利得制御部１３は、可変利得増幅器１４のゲインを上げる制御信号を可変利得増幅器１４に出力する。このように、利得制御部１３はＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｇａｉｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ；自動利得制御）としての機能を有している。
　可変利得増幅器１４は、利得制御部１３が出力する制御信号に応じて、濾過器１０が出力する信号の増幅率を可変して出力する。
　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。
　基準電界源１６は、電気光学結晶５の電気光学定数の変化をモニタするための基準電界源であり、電界制御部１５が出力する駆動信号によって駆動され、電気光学結晶５に基準電界Ｅ（ｆｒｅｆ）を与える。このように、電気光学結晶５に基準電界Ｅ（ｆｒｅｆ）を与えることは、基準信号ｆｒｅｆで変調をかけていることになる。
　図１に示した構成では、可変利得増幅器を用いて基準信号の変動分に合わせ、利得を調整して測定安定度の向上をハード的に行なっているが、測定信号成分と基準信号成分の出力をそれぞれＡ／Ｄ変換し数値にした後、ソフト的に演算を行い処理してもよい。
　次に、電界センサ１００による効果を説明する。
　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ｒｅｆｆ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。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。
　このため、本実施形態では、既知の電界を発生する基準電界信号Ｅ（ｆｒｅｆ）を電気光学結晶に印加し、一次電気光学定数ｒｅｆｆの変化を後段のロックインアンプ１２で基準信号成分Ｖ（ｆｒｅｆ）のみを検波することで、一次電気光学定数ｒｅｆｆの変化分をモニタすることができる。
　基準信号成分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に示すように、基準信号成分Ｖ（ｆｒｅｆ）の周波数と測定周波数帯は、基準信号強度が測定信号に影響を及ぼさないように分離する必要がある。このため、本実施形態では、濾過器１０を用いて、基準信号強度が測定信号に影響を及ぼさないように分離している。
　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。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。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。
　以上の構成により、本実施形態では、電気光学結晶５に基準電界を印加し、印加した基準電界を抽出し、測定する信号の感度を利得制御部１３によってＡＧＣを行うことで、電界センサ１００の各構成要素の温度変動等を補正している。このように、本実施形態では、電界の大きさが既知の基準電界を、測定中に電気光学結晶５に印加している。従来技術では、構成要素それぞれに温度依存性があるため、真の測定値が変化していない場合であっても、温度によって測定値が変化してしまう場合があった。これに対して、本実施形態では、温度によって大きさが変化せず、既知の基準電界の大きさを基準として、この基準電界との差分をとることで、温度依存性の影響を補正する。
　これにより、本実施形態では、被測定電界信号Ｅ（ｍｅａｓ）と一次電気光学定数ｒｅｆｆの変化分を監視するための基準電界信号Ｅ（ｆｒｅｆ）が同じ電気光学結晶に印加され、かつ、電気光学結晶の位相変化をプローブする光線も同一である。そして、本実施形態では、偏光ビームスプリッタ６で水平偏光成分信号と垂直偏光成分信号それぞれに被測定電界信号成分ｆｍと基準電界信号ｆｒｅｆが重畳する。これにより本実施形態によれば、２個の受光器（８ａ、８ｂ）の感度差や偏光ビームスプリッタ６の偏光分離比の変化も、後段の差動増幅部９と演算器（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）で除去することが可能である。
　さらに本実施形態では、基準信号をロックインアンプ１２で抽出し利得制御部１３で必要な利得に相当する信号を生成している。このように、本実施形態では、可変利得増幅器１４の利得を、電気光学定数ｒｅｆｆの変動を補正する利得に能動的に調整することで、温度等の変動に対しても高安定な電界測定を実現することができる。
＜第２実施形態＞
　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、基準電界印加部）、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、基準電界印加部）、基準電界源１６（基準電界手段、基準電界印加部）、測定用電源２１（測定電界手段、測定電界印加部）、および測定用電界制御部２２（測定電界手段、測定電界印加部）を備える。
　電気光学結晶５への入力側の構成要素１０１は、光源１、レンズ２、偏光子３、およびλ／４波長板４である。
　電気光学結晶５の出力側の構成要素１０２Ａ（分離補正手段、分離補正部）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。
　電気光学結晶５の出力側の構成要素１０２は、受光手段１０２１と分離補正手段１０２２Ａを備える。
　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（第１アンプ）、ロックインアンプ１２ｂ（第２アンプ）、利得制御部１３、および可変利得増幅器１４を備える。
　電界センサ１００Ａの光学的な構成要素の配置は、電界センサ１００と同様である。
　次に、電界センサ１００Ａの電気的な構成要素の接続関係を説明する。
　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１２ａは、第２入力端が測定用電源２１の一端と測定用電界制御部２２の入力端とに接続され、出力端が可変利得増幅器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。
　次に、電界センサ１００と各構成要素の動作について説明する。図１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。
　電界センサ１００Ａは、被対象物が発する電界の強度を測定する。図３においては、測定用電界源２３が被測定対象である。
　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。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。
　差動増幅部９は、Ｐ偏光成分とＳ偏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Ｖ（ｆｍ＋ｆｒｅｆ）をロックインアンプ１２ａとロックインアンプ１２ｂに出力する。
　ロックインアンプ１２ａは、測定用電源２１が出力する測定信号を用いて、差動増幅部９が出力する電気信号の中から測定用電界信号成分Ｖ（ｆｍ）を抽出する。
　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。
　可変利得増幅器１４を用いて基準信号の変動分に合わせ、利得を調整して測定安定度の向上をハード的に行なっているが、測定信号成分と基準信号成分の出力をそれぞれＡ／Ｄ変換し数値にした後、ソフト的に演算を行い処理してもよい。
　周囲に測定対象の電界以外に、例えば電源からの容量結合性のノイズや電磁誘導などによるノイズがある場合、これらのノイズ成分を除去するため、本実施形態では、測定電界に参照信号Ｅ（ｆｍ）を重畳する。そして、本実施形態においても、電気光学結晶５の出力側の構成要素１０２Ａで測定信号成分のみを検出する。本実施形態においても、ロックインアンプ１２ｂが検出した基準信号の大きさに基づいて、測定信号のレベルを利得制御部１３と可変利得増幅器１４によって補正する。
　図４は、本実施形態に係る電界センサ１００Ａの効果を説明するための図である。図４において、横軸は周波数であり、縦軸は電界センサ１００Ａのセンサゲインである。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１００Ａ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。符号ｇ１０４は、測定用の参照周波数を示している。図４に示すように、基準信号の周波数ｆｒｅｆは、測定用の参照周波数と異なっている。
　これにより、本実施形態の電界センサ１００Ａは、第１実施形態の電界センサ１００と同様の効果を得ることができる。さらに本実施形態によれば、電源からの容量結合性のノイズや電磁誘導などによるノイズがある場合、これらのノイズ成分を除去することができる。このため、本実施形態によれば、第１実施形態に対して、よりＳＮ比（信号対雑音比）を向上させることができる。
＜第１実施例＞
　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、測定電界印加部）、測定用電源２１（測定電界手段、測定電界印加部）、および太陽電池照射用光源２４（測定電界手段、測定電界印加部）を備える。
　太陽電池２０１は、被測定対象である。
　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。
　電界センサ１００Ａ’の接続について、電界センサ１００Ａと異なる接続を説明する。
　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。
　次に、電界センサ１００Ａ’の動作について、電界センサ１００Ａと異なる動作を説明する。
　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。
　太陽電池照射用光源２４は、太陽電池２０１を発電させるための光源である。太陽電池照射用光源２４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、測定用参照信号ｆｍで変調された光線Ｐ（ｆｍ）を太陽電池２０１に照射する。
　太陽電池２０１には、周波数ｆｍの測定用参照信号によって変調された発電用の光が照射される。太陽電池２０１は、照射された光によって、電界Ｅ（ｆｍ）を発生する。
　電界センサ１００Ａ’は、太陽電池２０１によって発生した電界Ｅ（ｆｍ）を電気光学結晶５に与える。そして、電気光学結晶５には、周波数ｆｒｅｆの基準信号によって変調された基準電界Ｅ（ｆｒｅｆ）が印加されている。
　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。
　本実施例でも、第２実施形態と同様に、可変利得増幅器１４（図３）の利得を電気光学定数ｒｅｆｆの変動を補正する利得に能動的に調整することで、電界センサ１００Ａ’の基準電源１１によって、周囲温度が変化しても電界センサ１００Ａ’の電界感度を補正できるので、温度等の変動に対しても高安定な電界測定を実現することができる。これにより、本実施例によれば、安定度の高い測定が可能となる。
＜第２実施例＞
　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。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、非特許文献３参照。
　図６は、第１実施形態の電界センサ１００を導波路型電界センサに適用した場合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、光源３０１、光ファイバ３０２、電気光学結晶３０３、基準電源３０５、光ファイバ３０６、受光器３０７、および分離補正手段３０８を含んで構成される。
　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。
　光源３０１には、光ファイバ３０２に一端が接続されている。
　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。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。
　第１光導波路３０３１は、Ｙ字型に形成されていて、１つの入力端と２つの出力端（第１の出力端と第２の出力端）を備える。第１光導波路３０３１は、第１の出力端が電極３０３２の入力端に接続され、第２の出力端が電極３０３３の入力端に接続されている。
　電極３０３２は、外部との接続部が接地され、出力端が第２光導波路３０３５の第１の入力端に接続されている。
　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。
　電極３０３４は、外部との接続部が基準電源３０５の一端に接続され、出力端が第２光導波路３０３５の第２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。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。
　光源３０１から光ファイバ３０２に入射される光線は、直線偏光の光線である。
　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。
　電気光学結晶３０３から光ファイバ３０６に出射される構成も直線偏光である。
　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。
　電界センサ１００Ｃは、被対象物が発する電界の強度を測定する。図６においては、測定用電界源３０４が被測定対象である。
　分離補正手段３０８は、受光器３０７が出力する電気信号から測定信号と基準信号を検出する。分離補正手段３０８は、検出した基準信号の信号レベルに基づいて、測定信号の信号レベルを補正する。分離補正手段３０８は、例えば、図１と同様に濾過器１０（第１分離部）、ロックインアンプ１２（第２分離部）、利得制御部１３、および可変利得増幅器１４に構成されていてもよい。または、分離補正手段３０８は、ＣＰＵ（中央演算装置）であってもよく、測定信号成分と基準信号成分の出力をそれぞれＡ／Ｄ変換し数値にした後、ソフト的に演算を行い処理してもよい。
　図６に示すように、第２実施例では、図１のバラック型の電気光学結晶を光導波路型の電界センサにしたものである。光源３０１が光源１（図１）に相当し、測定用電界源３０４が測定用電界源２３に相当し、基準電源３０５が基準電源１１に相当する。
　図６に示した構成において、電極３０３２を通る信号成分は、電界の影響を受けない。一方、電極３０３３と電極３０３４を通る信号成分は、被測定電界Ｅ（ｍｅａｓ）の変化によって位相が変化する。第２光導波路３０３５によって、電極３０３２を通る信号成分と、電極３０３３と電極３０３４を通る信号成分とが混合される。このような信号を受光器３０７が受光し、受光した信号から基準信号に基づいて、位相変化を求める。この構成においても、求めた位相差に基づいて、電界センサ１００（図１）と同様に抽出された信号のゲインを利得制御部１３（図１）によって制御することで、温度変動の影響を補正することができる。電界センサ１００Ｃは、受光器３０７が受光した信号を電気信号に変換し、変換された電気信号から濾過器１０（図１）によって測定信号成分Ｖ（ｍｅａｓ）を抽出する。そして、電界センサ１００Ｃは、ロックインアンプ１２（図１）によって基準信号Ｖ（ｆｒｅｆ）を検出し、検出された基準信号Ｖ（ｆｒｅｆ）によって利得制御部１３（図１）によって可変利得増幅器１４（図１）を制御する。
　図６のように構成した電界センサにおいても、電気光学結晶３０３の位相変化に対する温度依存性がある。このような温度依存性に対して、図６に示した第２実施例では、温度変化に対する位相変化をモニタするために、基準電界を印加する構成要素（基準電源３０５、電極３０３４）を設けた。そして、第２実施例においても、受光器３０７によって温度変化に対する位相変化をモニタして、変動分に応じて測定信号の強度を不図示の演算装置が補正することで、周囲温度等が変化しても測定安定度の高い電界測定が可能になる。
＜第３実施例＞
　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。縦型電界センサの構成例と動作例については、例えば非特許文献４参照。
　図７は、縦型電界センサに本実施形態の電界センサを適用した構成例を示す図である。
図７の例は、第１実施形態の電界センサを縦型電界センサに適用した例である。第２実施形態の電界センサを縦型電界センサすることももちろん可能である。
　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、基準電界印加部）、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、基準電界印加部）、および基準電界源１６（基準電界手段、基準電界印加部）を備える。
　電気光学結晶５Ｄへの入力側の構成要素１０１Ｄは、光源１、ビームスプリッタ４０１、およびλ／４波長板４０２である。
　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、分離補正部）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。
　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。
　電気光学結晶５Ｄは、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）電極５Ｄ１が接地されている。ＩＴＯ電極５Ｄ１は透明電極である。電気光学結晶５Ｄは、ＩＴＯ電極５Ｄ１が配置された第１面と対向する第２面にミラー５Ｄ２が設けられている。電気光学結晶５は、基準電界Ｅ（ｆｒｅｆ）と測定用電界Ｅ（ｍｅａｓ）に応じた複屈折の変化によって偏光状態が変化した円偏光の光線Ｐ（ｍｅａｓ＋ｆｒｅｆ）を出射する。電気光学結晶５Ｄは、例えばＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｂｉ１２ＳｉＯ２０（ＢＳＯ）、Ｂｉ１２ＧｅＯ２０（ＢＧＯ）、ＡＤＰ、ＫＤＰ、水晶等である。
　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。
　電界センサ１００Ｄの構成要素の配置について、電界センサ１００と異なる配置を説明する。
　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。
　電界センサ１００Ｄは、被対象物が発する電界の強度を測定する。図７においては、測定用電界源２３が被測定対象である。
　ビームスプリッタ４０１は、光源１が出射した光線を２つに分割し、一方の光線を偏光ビームスプリッタ６の出射し、他方の光線をλ／４波長板４０２に出射する。ビームスプリッタ４０１には、λ／４波長板４０２に出射した光線が電気光学結晶５Ｄのミラー５Ｄ２によって反射し、λ／４波長板４０２を透過した光線が入射する。このため、ビームスプリッタ４０１が偏光ビームスプリッタ６へ出射する光線には、光源１を分割した光線に加えて、光源１の光線がλ／４波長板４０２を透過し電気光学結晶５Ｄを透過しミラー５Ｄ２によって反射し、λ／４波長板４０２を透過した光線も含まれている。
　λ／４波長板４０２は、ビームスプリッタ４０１から入射した光線の波長にλ／４の位相差を与え、電気光学結晶５Ｄを透過しミラー５Ｄ２によって反射された光線の波長にλ／４の位相差を与える。
　図７に示した構成では、ＩＴＯ電極５Ｄ１と電気光学結晶５Ｄ下面とにかかる電界（基準電界、測定用電界）に対し位相変化がおきる。電界センサ１００Ｄは、光線がＩＴＯ電極５Ｄ１を通してミラー５Ｄ２に反射して戻ってくる光の位相変化を取得することで電界強度を測定する。
　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。
　図７に示した構成は、図１に示した電界センサ１００の構成をベースにした例を説明したが、図３に示した電界センサ１００Ａの構成をベースにしてもよい。この場合は、測定用参照信号が測定用電界制御部２２（図３）を介して測定用電界源２３（図３）に供給されるようにしてもよい。そして、分離補正手段１０２２の構成は、分離補正手段１０２２Ａ（図３）と同様である。
１００，１００Ａ，１００Ａ’，１００Ｃ，１００Ｄ…電界センサ、１…光源、２…レンズ、３…偏光子、４…λ／４波長板、５，５Ｄ…電気光学結晶、６…偏光ビームスプリッタ、７ａ…レンズ、７ｂ…レンズ、８ａ…受光器、８ｂ…受光器、９…差動増幅部、１０…濾過器、１１…基準電源、１２，１２ａ，１２ｂ…ロックインアンプ、１３…利得制御部、１４…可変利得増幅器、１５…電界制御部、１６…基準電界源、２１…測定用電源、２２…測定用電界制御部、２３…測定用電界源、２４…太陽電池照射用光源、３０１…光源、３０２…光ファイバ、３０３…電気光学結晶、３０４…測定用電界源、３０５…基準電源、３０６…光ファイバ、３０７…受光器、１０１，１０１Ｄ…電気光学結晶への入力側の構成要素、１０２，１０２Ａ…電気光学結晶の出力側の構成要素、４０１…ビームスプリッタ、４０２…λ／４波長板、３０３１…第１光導波路、３０３２…電極３０３２、３０３３…電極、３０３４…電極、３０３５…第２光導波路

Claims (15)

  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、
    　前記光源から出射される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印加部と、
    　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部と、
    　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部と、
    　を備える電界センサ。
  2. 　前記分離補正部は、
    　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。
  3. 　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印加部、をさらに備え、
    　前記分離補正部は、
    　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。
  4. 　前記被対象物が太陽電池であり、
    　前記光源は、前記太陽電池に光を照射し、
    　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。
  5. 　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、
    　　前記第１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部に接続される第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。
  6. 　前記電気光学結晶の第１面に配置された透明電極と、
    　前記電気光学結晶の前記第１面と対向する第２面に配置されたミラーと、をさらに備え、
    　前記光源から出射される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が前記ミラーによって反射され、反射され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。
  7. 　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。
  8. 　前記基準信号の周波数は、前記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。
  9. 　前記受光部は、
    　　前記電気光学結晶から出射される円偏光の光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光ビームスプリッタと、
    　　前記偏光ビームスプリッタにより分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏波の電気信号の差動成分を増幅して、増幅した電気信号を前記分離補正部に出力する差動増幅部と、を備える、請求項１に記載の電界センサ。
  10. 　前記分離補正部は、
    　　前記差動増幅部が出力する電気信号中の前記基準信号に基づく電界の信号成分を除去する濾過器と、
    　　前記基準信号を用いて、前記差動増幅部が出力する電気信号中の前記基準信号に基づく電界の信号成分を抽出するアンプと、
    　　前記アンプが出力する前記基準信号に基づく電界の信号成分に応じて、増幅率を制御する制御信号を生成する利得制御部と、
    　　前記利得制御部が出力する前記制御信号に応じて、前記濾過器が出力する前記基準信号に基づく電界の信号成分が除去された電気信号の増幅率を可変して出力する可変利得増幅器と、を備える請求項９に記載の電界センサ。
  11. 　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印加部、をさらに備え、
    　前記受光部は、
    　　前記電気光学結晶から出射される円偏光の光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光ビームスプリッタと、
    　　前記偏光ビームスプリッタにより分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏波の電気信号の差動成分を増幅して、増幅した電気信号を前記分離補正部に出力する差動増幅部と、を備える、請求項１に記載の電界センサ。
  12. 　前記分離補正部は、
    　　前記測定信号を用いて、前記差動増幅部が出力する電気信号中の前記測定信号に基づく電界の信号成分を抽出する第１アンプと、
    　　前記基準信号を用いて、前記差動増幅部が出力する電気信号中の前記基準信号に基づく電界の信号成分を抽出する第２アンプと、
    　　前記第２アンプが出力する前記基準信号に基づく電界の信号成分に応じて、増幅率を制御する制御信号を生成する利得制御部と、
    　　前記利得制御部が出力する前記制御信号に応じて、前記第１アンプが出力する前記測定信号に基づく電界の信号成分の電気信号の増幅率を可変して出力する可変利得増幅器と、を備える請求項１１に記載の電界センサ。
  13. 　前記分離補正部は、前記光源が出射した光が前記透明電極を通して前記ミラーに反射して戻ってくる光の位相変化を取得することで前記被対象物が発する電界を測定する、請求項６に記載の電界センサ。
  14. 　前記受光部は、
    　　前記電気光学結晶から出射される円偏光の光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する偏光ビームスプリッタと、
    　　前記偏光ビームスプリッタにより分離された前記Ｐ偏光と前記Ｓ偏波の電気信号の差動成分を増幅して、増幅した電気信号を前記分離補正部に出力する差動増幅部と、を備える、請求項１３に記載の電界センサ。
  15. 　前記分離補正部は、
    　　前記差動増幅部が出力する電気信号中の前記基準信号に基づく電界の信号成分を除去する濾過器と、
    　　前記基準信号を用いて、前記差動増幅部が出力する電気信号中の前記基準信号に基づく電界の信号成分を抽出するアンプと、
    　　前記アンプが出力する前記基準信号に基づく電界の信号成分に応じて、増幅率を制御する制御信号を生成する利得制御部と、
    　　前記利得制御部が出力する前記制御信号に応じて、前記濾過器が出力する前記基準信号に基づく電界の信号成分が除去された電気信号の増幅率を可変して出力する可変利得増幅器と、を備える請求項１４に記載の電界センサ。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112285443A (zh) * 2020-12-31 2021-01-29 中国电力科学研究院有限公司 设置有自校准装置的电场测量设备及自校准方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0344564A (ja) * 1989-07-12 1991-02-26 Ngk Insulators Ltd 光電界測定方法及び装置
US5113131A (en) * 1990-02-16 1992-05-12 Southern California Edison Company Voltage measuring device having electro-optic sensor and compensator
JP2002122622A (ja) 2000-10-13 2002-04-26 Tokin Corp 光電界センサ装置
WO2005015247A1 (ja) * 2003-07-28 2005-02-17 Nippon Telegraph And Telephone Corporation 電界センサおよびその調整方法
JP2007101384A (ja) 2005-10-05 2007-04-19 Kuresuto:Kk 直流対応光学式電圧・電界センサー及び絶縁増幅器
WO2014188685A1 (ja) * 2013-05-22 2014-11-27 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電界測定装置
JP2015036671A (ja) * 2013-08-16 2015-02-23 横河電機株式会社 光起電力測定システム
JP2018180875A (ja) 2017-04-12 2018-11-15 富士通株式会社 判定装置、判定方法および判定プログラム

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0743397B2 (ja) * 1988-11-24 1995-05-15 株式会社日立製作所 光学式直流変成器
JPH07181211A (ja) * 1993-12-24 1995-07-21 Ricoh Co Ltd 表面電位計測装置
US5963034A (en) * 1996-09-19 1999-10-05 Ramar Corporation Electro-optic electromagnetic field sensor system with optical bias adjustment
JPH116849A (ja) * 1997-06-17 1999-01-12 Tokin Corp 電界センサヘッドおよびこれを用いた電界センサ装置
JPH11316245A (ja) * 1998-05-01 1999-11-16 Ando Electric Co Ltd 電気光学サンプリングオシロスコープ
JP2001013172A (ja) * 1999-06-28 2001-01-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光電圧センサおよび光電流センサ

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0344564A (ja) * 1989-07-12 1991-02-26 Ngk Insulators Ltd 光電界測定方法及び装置
US5113131A (en) * 1990-02-16 1992-05-12 Southern California Edison Company Voltage measuring device having electro-optic sensor and compensator
JP2002122622A (ja) 2000-10-13 2002-04-26 Tokin Corp 光電界センサ装置
WO2005015247A1 (ja) * 2003-07-28 2005-02-17 Nippon Telegraph And Telephone Corporation 電界センサおよびその調整方法
JP2007101384A (ja) 2005-10-05 2007-04-19 Kuresuto:Kk 直流対応光学式電圧・電界センサー及び絶縁増幅器
WO2014188685A1 (ja) * 2013-05-22 2014-11-27 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電界測定装置
JP2015036671A (ja) * 2013-08-16 2015-02-23 横河電機株式会社 光起電力測定システム
JP2018180875A (ja) 2017-04-12 2018-11-15 富士通株式会社 判定装置、判定方法および判定プログラム

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HAJIME KUZUMIMASAYUKI YOSHIMAEIJI KONISHI: "Technology for Testing Printed Wiring Boards Using E-O Effect", SMH JOURNAL, vol. 12, no. 3, 1996, pages 28 - 32
HIROSHI ITOTADASHI ICHIKAWA: "Development of Electric Field Meter Using Ti:LiNb03 Integrated Optics", R&D REVIEW OF TOYOTA CENTRAL R&D LABS, R&D REVIEW EDITORIAL COMMITTEE, vol. 29, no. 3, September 1994 (1994-09-01), pages 13 - 24
See also references of EP3859356A4
TOKIO KIHARA: "Measurements of Voltage by Using an Electro-Optic Crystal Sensor", 1987, FUKUI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, pages: 37 - 45
XIAOJUN ZENGHAIQING CHEN: "Electro-optical measurement of highly intense electric field with high frequency", OPTICAL SENSING, IMAGING AND MANIPULATION FOR BIOLOGICAL AND BIOMEDICAL APPLICATIONS HELD IN TAIPEI, 26 July 2000 (2000-07-26), pages 298 - 307

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112285443A (zh) * 2020-12-31 2021-01-29 中国电力科学研究院有限公司 设置有自校准装置的电场测量设备及自校准方法
CN112285443B (zh) * 2020-12-31 2021-04-13 中国电力科学研究院有限公司 设置有自校准装置的电场测量设备及自校准方法

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