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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-01-14
(45)【発行日】2025-01-22
(54)【発明の名称】電界センサ
(51)【国際特許分類】
G01R 29/12 20060101AFI20250115BHJP
G01R 29/08 20060101ALI20250115BHJP
G01R 35/00 20060101ALI20250115BHJP
【ＦＩ】
G01R29/12 F
G01R29/12 Z
G01R29/08 F
G01R35/00 K
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2018180875
(22)【出願日】2018-09-26
(65)【公開番号】P2020051871
(43)【公開日】2020-04-02
【審査請求日】2021-06-08
【審判番号】
【審判請求日】2023-09-01
(73)【特許権者】
【識別番号】000006507
【氏名又は名称】横河電機株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】502340996
【氏名又は名称】学校法人法政大学
(74)【代理人】
【識別番号】100106909
【弁理士】
【氏名又は名称】棚井 澄雄
(74)【代理人】
【識別番号】100167553
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 久典
(74)【代理人】
【識別番号】100181124
【弁理士】
【氏名又は名称】沖田 壮男
(72)【発明者】
【氏名】松本 憲典
(72)【発明者】
【氏名】田中 宏明
(72)【発明者】
【氏名】勝山 純
(72)【発明者】
【氏名】品川 満
【合議体】
【審判長】岡田 吉美
【審判官】中塚 直樹
【審判官】貝沼 憲司
(56)【参考文献】
【文献】特開平２－１４３１７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平７－１８１２１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－６８４９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
G01R 29/12
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
被対象物が発する電界を、電気光学効果を利用して測定する電界センサであって、光源と、
前記光源が出射した光に基づく所定の偏光状態の光が入射され、前記被対象物が発する電界を受ける電気光学結晶と、
信号レベルが既知の基準信号に基づく基準電界を前記電気光学結晶に印加する基準電界手段と、
前記電気光学結晶から出射される光を受光し、受光した光を電気信号に変換する受光手段と、
前記電気信号から前記被対象物が発する電界に基づく測定信号成分と前記基準電界に基づく基準信号成分とを分離し、分離した前記基準信号成分の信号レベルに基づいて前記測定信号成分の信号レベルを補正する分離補正手段と、
参照信号に基づいて前記被対象物が発する電界を変調する測定電界手段と、
を備え、
前記分離補正手段は、
前記電気信号から前記参照信号で変調された成分を前記測定信号成分として分離する第１分離部と、
前記電気信号から前記基準信号成分を分離する第２分離部と、
分離された前記基準信号成分の信号レベルに基づいて、前記測定信号成分の信号レベルを補正する補正部と、を備え、
前記被対象物が太陽電池であり、
前記測定電界手段は、前記参照信号に基づいて変調された光を前記太陽電池に照射するための照射用光源を備え、
前記電気光学結晶は、前記太陽電池が前記照射用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、
電界センサ。
【請求項2】
前記所定の偏光状態は、円偏光である、請求項１に記載の電界センサ。
【請求項3】
前記基準信号の周波数は、前記被対象物が発する電界の周波数範囲外の周波数、又は前記被対象物が発する電界の周波数とは異なる周波数である、請求項１又は請求項２に記載の電界センサ。
【請求項4】
前記基準電界手段は、前記被対象物が発する電界を、前記電気光学結晶が受けている間に、前記基準電界を前記電気光学結晶に印加する、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電界センサに関する。
【背景技術】
【0002】
電界を測定する電界センサとしては、センサエレメントが一般的なダイポールアンテナのような金属製のものが一般的である。
これに対して、電気光学効果を用いた電界測定は、センサエレメントが金属製ではないため測定対象の電界を乱さずに測ることができ、さらに高空間分解の測定が可能である。このため、電気光学効果を用いた電界測定は、色々な用途で使われ始めている。なお、電気光学効果とは、電気光学結晶に電界が印加されると、電界強度に比例して電気光学結晶を透過する光の屈折率が変化する効果である。また、屈折率の変化は、光学結晶を通過する光波の位相変化を与える。電気光学効果を用いた電界測定では、位相の変化を測定することで、電気光学結晶に印加されている電界を測定することができる（例えば、特許文献１、２参照）。
これに対して、電気光学効果を用いた電界測定は、センサエレメントが金属製ではないため測定対象の電界を乱さずに測ることができ、さらに高空間分解の測定が可能である。このため、電気光学効果を用いた電界測定は、色々な用途で使われ始めている。なお、電気光学効果とは、電気光学結晶に電界が印加されると、電界強度に比例して電気光学結晶を透過する光の屈折率が変化する効果である。また、屈折率の変化は、光学結晶を通過する光波の位相変化を与える。電気光学効果を用いた電界測定では、位相の変化を測定することで、電気光学結晶に印加されている電界を測定することができる（例えば、特許文献１、２参照）。
【0003】
ここで、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。
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。
【0004】
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。なお、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）。
【0005】
なお、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。
【0006】
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。また、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）。
【0007】
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。
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。
【0008】
【数1】
【0009】
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。
この時の光位相変化Δφは、次式（２）のように表される。
【0010】
【数2】
【0011】
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。
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。
【0012】
【数3】
【0013】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0014】
【文献】特開２００２－１２２６２２号公報
【文献】特開２００７－１０１３８４号公報
【非特許文献】
【0015】
【文献】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
【文献】Xiaojun Zeng,Haiqing 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, Taiwan on 26-27 July 2000,p298-307
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
しかしながら、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。
【0017】
また、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。また、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。また、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。
【0018】
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困難である。
【0019】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、電気光学効果を利用した電界センサにおいて、周囲温度等の変化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ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0020】
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る電界センサ（１００，１００Ａ，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、前記光源が出射した光に基づく所定の偏光状態の光が入射され、前記被対象物が発する電界を受ける電気光学結晶（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手段（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手段（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手段（１０２２，１０２２Ａ）と、を備える。
【0021】
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、周囲温度等の変化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。
【0022】
また、本発明の一態様に係る電界センサにおいて、前記分離補正手段は、前記電気信号から前記測定信号を分離する第１分離部（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。
【0023】
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手段によって、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。
【0024】
また、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手段（測定用電源２１、測定用電界制御部２２）、をさらに備え、前記分離補正手段は、前記電気信号から前記参照信号が重畳された前記測定信号を分離する第１分離部（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。
【0025】
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。
【0026】
また、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、前記測定電界手段は、前記太陽電池に光を照射するための光源（太陽電池照射用光源２４）を備え、前記電気光学結晶は、前記太陽電池が前記光源による光の照射によって発生した電界を、前記被対象物が発する電界として受けるようにしてもよい。
【0027】
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。
【0028】
また、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手段に接続される第２光導波路（３０３５）と、を備えるようにしてもよい。
【0029】
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手段によって、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。
【0030】
また、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）は、透明電極（ＩＴＯ電極５Ｄ１）と、前記透明電極と対向する面にミラー（５Ｄ２）とを備え、前記光源が出射した光に基づく所定の偏光状態の光が前記透明電極から入射され、前記透明電極から入射した光を前記ミラーによって反射し、反射した光を前記透明電極から出射するようにしてもよい。
【0031】
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手段によって、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。
【0032】
また、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。
【0033】
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。
【0034】
また、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、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。
【0035】
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。
【発明の効果】
【0036】
本発明によれば、電気光学効果を利用した電界センサにおいて、周囲温度等の変化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。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】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。
【図2】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。
【図3】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。
【図4】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。
【図5】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。
【図6】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。
【図7】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8】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9】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。
【発明を実施するための形態】
【0038】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
【0039】
＜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）、レンズ７ａ（受光手段）、レンズ７ｂ（受光手段）、受光器８ａ（受光手段）、受光器８ｂ（受光手段）、差動増幅部９（受光手段）、濾過器１０（第１分離部）、基準電源１１（基準電界手段）、ロックインアンプ１２（第２分離部）、利得制御部１３、可変利得増幅器１４、電界制御部１５（基準電界手段）、および基準電界源１６（基準電界手段）を備える。
図１は、本実施形態に係る電界センサ１００の構成例を示す図である。
図１に示すように、電界センサ１００は、光源１、レンズ２、偏光子３、λ／４波長板４、電気光学結晶５、偏光ビームスプリッタ６（受光手段）、レンズ７ａ（受光手段）、レンズ７ｂ（受光手段）、受光器８ａ（受光手段）、受光器８ｂ（受光手段）、差動増幅部９（受光手段）、濾過器１０（第１分離部）、基準電源１１（基準電界手段）、ロックインアンプ１２（第２分離部）、利得制御部１３、可変利得増幅器１４、電界制御部１５（基準電界手段）、および基準電界源１６（基準電界手段）を備える。
【0040】
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）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（分離補正手段）は、偏光ビームスプリッタ６、レンズ７ａ、レンズ７ｂ、受光器８ａ、受光器８ｂ、差動増幅部９、濾過器１０、ロックインアンプ１２、利得制御部１３（補正部）、および可変利得増幅器１４（補正部）である。
【0041】
また、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。
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。
【0042】
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。
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。
【0043】
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。
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。
【0044】
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。
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。
【0045】
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。
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。
【0046】
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、λ／４波長板であり、偏光子３が出射した光線を円偏光に偏光して出射する。なお、本実施形態では、電界の原点付近の感度を増加の目的や電界の極性を判定する目的で、電気光学結晶５の前にλ／４波長板４を入れて偏光している。ただし、感度増加や電界極性を判定する必要がない場合は、必ずしもλ／４波長板４を実装してなくてもよい。
λ／４波長板４は、λ／４波長板であり、偏光子３が出射した光線を円偏光に偏光して出射する。なお、本実施形態では、電界の原点付近の感度を増加の目的や電界の極性を判定する目的で、電気光学結晶５の前にλ／４波長板４を入れて偏光している。ただし、感度増加や電界極性を判定する必要がない場合は、必ずしもλ／４波長板４を実装してなくてもよい。
【0047】
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。
【0048】
偏光ビームスプリッタ６は、偏光ビームスプリッタであり、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。
【0049】
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８ａに集光する。
【0050】
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。
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。
【0051】
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。
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。
【0052】
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。なお、基準電界信号成分の抽出には、必ずしもロックインアンプ１２ではなくても同期検波方式のアンプでもよい。
ロックインアンプ１２は、基準電源１１が出力する基準信号を用いて、差動増幅部９が出力する電気信号の中から基準電界信号成分Ｖ（ｆｒｅｆ）を抽出する。なお、基準電界信号成分の抽出には、必ずしもロックインアンプ１２ではなくても同期検波方式のアンプでもよい。
【0053】
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。
【0054】
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。
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。
【0055】
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。なお、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。
【0056】
なお、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。
【0057】
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ｒ３１は、光学結晶の複屈折の温度依存性により変化する。
更に、光学結晶材料の熱膨張係数により電気光学結晶５の光学作用長が変わる。また、応力により結晶内の偏波状態が変化することによる位相変化が加わるので、その位相変化を常時監視する機構を盛り込み、変化を補正することにより測定安定度の高い電界センサを提供する必要がある。
電界センサ１００は、センサ内に実装している電気光学結晶５に印加される電界強度に誘起される位相変化量を光学的手段で得ている。電気光学結晶５の電界に対する位相変化量の大きさ、すなわち感度に相当する一次電気光学定数ｒ３１は、光学結晶の複屈折の温度依存性により変化する。
更に、光学結晶材料の熱膨張係数により電気光学結晶５の光学作用長が変わる。また、応力により結晶内の偏波状態が変化することによる位相変化が加わるので、その位相変化を常時監視する機構を盛り込み、変化を補正することにより測定安定度の高い電界センサを提供する必要がある。
【0058】
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。
ここで、Ｖ（ｆｒｅｆ）の信号は光源から差動増幅器の入力まで共通なので、変動分に応じて、演算部（濾過器１０、ロックインアンプ１２、利得制御部１３、可変利得増幅器１４）で測定信号の感度を補正すれば、周囲温度等により一次電気光学定数ｒｅｆｆが変化しても測定安定度の高い電界測定が可能となる。
ここで、Ｖ（ｆｒｅｆ）の信号は光源から差動増幅器の入力まで共通なので、変動分に応じて、演算部（濾過器１０、ロックインアンプ１２、利得制御部１３、可変利得増幅器１４）で測定信号の感度を補正すれば、周囲温度等により一次電気光学定数ｒｅｆｆが変化しても測定安定度の高い電界測定が可能となる。
【0059】
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。また、符号ｇ１０１は基準信号の周波数ｆｒｅｆを示し、符号ｇ１０２は電界センサ１００の周波数特性を示し、符号ｇ１０３は測定周波数特性を示している。周波数ｆｒｅｆは、例えば１０Ｈｚであり、測定周波数は例えば１００Ｈｚである。なお、基準信号成分Ｖ（ｆｒｅｆ）の周波数は、測定周波数帯に影響を及ぼさない周波数であればよく、図２に示したように測定周波数帯より低い周波数であってもよく、高い周波数であってもよい。
図２は、本実施形態に係る電界センサ１００の効果を説明するための図である。図２において、横軸は周波数であり、縦軸は電界センサ１００のセンサゲインである。また、符号ｇ１０１は基準信号の周波数ｆｒｅｆを示し、符号ｇ１０２は電界センサ１００の周波数特性を示し、符号ｇ１０３は測定周波数特性を示している。周波数ｆｒｅｆは、例えば１０Ｈｚであり、測定周波数は例えば１００Ｈｚである。なお、基準信号成分Ｖ（ｆｒｅｆ）の周波数は、測定周波数帯に影響を及ぼさない周波数であればよく、図２に示したように測定周波数帯より低い周波数であってもよく、高い周波数であってもよい。
【0060】
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。
【0061】
これにより、本実施形態では、被測定電界信号Ｅ（ｆｍｅａｓ）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。
【0062】
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。
【0063】
＜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。
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。
【0064】
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）、ロックインアンプ１２ａ（第１分離部）、ロックインアンプ１２ｂ（第２分離部）、利得制御部１３、可変利得増幅器１４、電界制御部１５（基準電界手段）、基準電界源１６（基準電界手段）、測定用電源２１（測定電界手段）、および測定用電界制御部２２（測定電界手段）を備える。
図３に示すように、電界センサ１００Ａは、光源１、レンズ２、偏光子３、λ／４波長板４、電気光学結晶５、偏光ビームスプリッタ６、レンズ７ａ、レンズ７ｂ、受光器８ａ、受光器８ｂ、差動増幅部９、基準電源１１（基準電界手段）、ロックインアンプ１２ａ（第１分離部）、ロックインアンプ１２ｂ（第２分離部）、利得制御部１３、可変利得増幅器１４、電界制御部１５（基準電界手段）、基準電界源１６（基準電界手段）、測定用電源２１（測定電界手段）、および測定用電界制御部２２（測定電界手段）を備える。
【0065】
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）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１０２Ａ（分離補正手段）は、偏光ビームスプリッタ６、レンズ７ａ、レンズ７ｂ、受光器８ａ、受光器８ｂ、差動増幅部９、ロックインアンプ１２ａ、ロックインアンプ１２ｂ、利得制御部１３、および可変利得増幅器１４である。
【0066】
また、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、ロックインアンプ１２ｂ、利得制御部１３、および可変利得増幅器１４を備える。
受光手段１０２１は、偏光ビームスプリッタ６、レンズ７ａ、レンズ７ｂ、受光器８ａ、受光器８ｂ、および差動増幅部９を備える。
分離補正手段１０２２Ａは、ロックインアンプ１２ａ、ロックインアンプ１２ｂ、利得制御部１３、および可変利得増幅器１４を備える。
【0067】
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。
【0068】
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。
受光器８ａの出力端は、差動増幅部９の第１入力端子に接続されている。受光器８ｂの出力端は、差動増幅部９の第２入力端子に接続されている。差動増幅部９の出力端は、ロックインアンプ１２ａの第１入力端とロックインアンプ１２ｂの第１入力端に接続されている。ロックインアンプ１２ｂは、第２入力端が基準電源１１の一端と電界制御部１５の入力端とに接続され、出力端が利得制御部１３の入力端に接続されている。基準電源１１は、他端が接地されている。利得制御部１３の出力端は、可変利得増幅器１４の制御端に接続されている。可変利得増幅器１４の出力端は、電界センサ１００Ａの出力部に接続されている。電界制御部１５は、他端が基準電界源１６に接続されている。電気光学結晶５は、第１の面側に基準電界源１６と測定用電界源２３が設けられており、第１の面と対向する第２の面側が接地されている。測定用電源２１は、他端が接地されている。測定用電界制御部２２は、他端が測定用電界源２３に接続されている。
【0069】
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。なお、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。
【0070】
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。
【0071】
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。なお、このように、電気光学結晶５に基準電界測定用電界Ｅ（ｆｍ）を与えることは、測定用電界に周波数ｆｍで変調をかけていることになる。
測定用電界制御部２２は、測定用電源２１が出力する測定用参照信号を電界強度に駆動するドライバであり、駆動信号を測定用電界源２３に出力する。
測定用電界源２３は、測定用電界制御部２２が出力する駆動信号によって駆動され、電気光学結晶５に測定用電界Ｅ（ｆｍ）を与える。なお、このように、電気光学結晶５に基準電界測定用電界Ｅ（ｆｍ）を与えることは、測定用電界に周波数ｆｍで変調をかけていることになる。
【0072】
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。
【0073】
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。
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。
【0074】
なお、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。
【0075】
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。また、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。
【0076】
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２において、横軸は周波数であり、縦軸は電界センサ１００のセンサゲインである。また、符号ｇ１０１は基準信号の周波数ｆｒｅｆを示し、符号ｇ１０２は電界センサ１００の周波数特性を示し、符号ｇ１０３は測定周波数特性を示している。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。
【0077】
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。
【0078】
＜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）、測定用電源２１（測定電界手段）、および太陽電池照射用光源２４（測定電界手段）を備える。
第２実施形態の電界センサ１００Ａを太陽電池の発生電界分布の測定に応用する例を説明する。
図５は、第２実施形態の電界センサ１００Ａを太陽電池の発生電界分布の測定に適用した場合の構成例を示す図である。
図５に示すように、電界センサ１００Ａは、電気光学結晶５への入力側の構成要素１０１（図３）、電気光学結晶５の出力側の構成要素１０２Ａ（図３）、基準電源１１、電界制御部１５、基準電界源１６、測定用電界制御部２２（測定電界手段）、測定用電源２１（測定電界手段）、および太陽電池照射用光源２４（測定電界手段）を備える。
【0079】
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’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。
【0080】
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。
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。
【0081】
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。
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。
【0082】
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。
【0083】
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）が発生する。
【0084】
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。
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。
【0085】
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。
【0086】
＜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。なお、導波路型電界センサの構成例と動作例については、例えば参考文献１参照。
第１実施形態の電界センサ１００をベースに導波路型電界センサに応用する例を説明する。なお、導波路型電界センサの構成例と動作例については、例えば参考文献１参照。
【0087】
参考文献１；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
【0088】
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。
【0089】
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。
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。
【0090】
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。なお、光ファイバ３０２は、フォトカプラを介して電気光学結晶３０３の第１光導波路３０３１に接続されている。
光ファイバ３０２の他端は、電気光学結晶３０３の第１光導波路３０３１の入力端に接続されている。なお、光ファイバ３０２は、フォトカプラを介して電気光学結晶３０３の第１光導波路３０３１に接続されている。
【0091】
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。
【0092】
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。
【0093】
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。なお、光ファイバ３０６は、電気光学結晶３０３の第２光導波路３０３５に接続されている。
第２光導波路３０３５は、Ｙ字型に形成されていて、２つの入力端（第１の出力端と第２の出力端）と１つの出力端を備える。第２光導波路３０３５は、出力端が光ファイバ３０６の入力端に接続されている。
光ファイバ３０６の他端は、受光器３０７に接続されている。なお、光ファイバ３０６は、電気光学結晶３０３の第２光導波路３０３５に接続されている。
【0094】
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。
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。
【0095】
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。
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。
【0096】
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。
【0097】
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。
【0098】
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。
【0099】
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。なお、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。
【0100】
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。
【0101】
＜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。なお、縦型電界センサの構成例と動作例については、例えば参考文献２参照。
次に、縦型電界センサに本実施形態の電界センサを適用する例を説明する。なお、縦型電界センサの構成例と動作例については、例えば参考文献２参照。
【0102】
参考文献２；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
【0103】
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。なお、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）、ロックインアンプ１２（第２分離部）、利得制御部１３、可変利得増幅器１４、電界制御部１５（基準電界手段）、および基準電界源１６（基準電界手段）を備える。
図７に示すように、電界センサ１００Ｄは、光源１、ビームスプリッタ４０１、λ／４波長板４０２、電気光学結晶５Ｄ、偏光ビームスプリッタ６、レンズ７ａ、レンズ７ｂ、受光器８ａ、受光器８ｂ、差動増幅部９、濾過器１０（第１分離部）、基準電源１１（基準電界手段）、ロックインアンプ１２（第２分離部）、利得制御部１３、可変利得増幅器１４、電界制御部１５（基準電界手段）、および基準電界源１６（基準電界手段）を備える。
【0104】
電気光学結晶５Ｄへの入力側の構成要素１０１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）は、偏光ビームスプリッタ６、レンズ７ａ、レンズ７ｂ、受光器８ａ、受光器８ｂ、差動増幅部９、濾過器１０、ロックインアンプ１２、利得制御部１３、および可変利得増幅器１４である。
また、電気光学結晶５Ｄの出力側の構成要素１０２は、受光手段１０２１と分離補正手段１０２２を備える。
電気光学結晶５Ｄからの出力側の構成要素１０２（分離補正手段）は、偏光ビームスプリッタ６、レンズ７ａ、レンズ７ｂ、受光器８ａ、受光器８ｂ、差動増幅部９、濾過器１０、ロックインアンプ１２、利得制御部１３、および可変利得増幅器１４である。
また、電気光学結晶５Ｄの出力側の構成要素１０２は、受光手段１０２１と分離補正手段１０２２を備える。
【0105】
また、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。また、電気光学結晶５Ｄは、ＩＴＯ電極５Ｄ１の対向する面にミラー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。
【0106】
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。
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。
【0107】
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。
【0108】
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。また、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。
【0109】
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。
【0110】
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。
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。
【0111】
なお、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。
【符号の説明】
【0112】
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
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】