JP2023012760A - 電界センサ - Google Patents

Abstract

【課題】電界の方向によらず、精度の高い電界測定が可能となる電界センサを提供する。
【解決手段】電界センサは、第１波長を含む第１の光を出射する第１光源と、第１波長とは異なる第２波長を含む第２の光を出射する第２光源と、被測定電界が印加されるとともに、第１の光および第２の光が互いに異なる第１方向および第２方向からそれぞれ入射される電気光学結晶と、電気光学結晶を介した第１の光および第２の光の位相変化量を検出する検出部と、検出部で検出された第１の光の位相変化量から第１方向における被測定電界の電界強度を求め、前記検出部で検出された前記第２の光の位相変化量から前記第２方向における前記被測定電界の電界強度を求め、前記第１方向の電界強度と前記第２方向の電界強度に基づいて前記被測定電界の電界強度を得る信号処理部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電界センサに関する。

従来、電気光学効果を用いた電界センサが用いられている。電気光学効果とは、電気光学結晶に電界が印加されると、電界強度に応じて電気光学結晶の屈折率が変化する効果である。屈折率の変化は、電気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センサは、プローブ光を電気光学結晶に入射させて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（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００－３３８１４０号公報

電界センサでは、電界の方向によって感度が変化するため、測定位置によっては、精度の高い測定が難しくなることがある。そのため、測定位置に対する電界の方向を特定するために、電界センサの位置を変えて複数回の測定を行う、または、異なる位置に設置した複数の電界センサを用いて測定を行うことが必要となる場合があった。

本発明の一態様は、電界の方向によらず、精度の高い電界測定が可能となる電界センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様は、電気光学効果を利用して被測定電界を測定する電界センサであって、第１波長を含む第１の光を出射する第１光源と、前記第１波長とは異なる第２波長を含む第２の光を出射する第２光源と、前記被測定電界が印加されるとともに、前記第１の光および前記第２の光が互いに異なる第１方向および第２方向からそれぞれ入射される電気光学結晶と、前記電気光学結晶を介した前記第１の光および前記第２の光の位相変化量を検出する検出部と、前記検出部で検出された前記第１の光の位相変化量から前記第１方向における前記被測定電界の電界強度を求め、前記検出部で検出された前記第２の光の位相変化量から前記第２方向における前記被測定電界の電界強度を求め、前記第１方向の電界強度と前記第２方向の電界強度に基づいて前記被測定電界の電界強度を得る信号処理部と、を備える電界センサを提供する。

前記電気光学結晶には、前記電気光学結晶に入射した前記第１の光を反射する第１反射膜と、前記電気光学結晶に入射した前記第２の光を反射する第２反射膜と、が設けられていてもよい。

前記第１方向および前記第２方向は、互いに直交する方向に設定されていてもよい。

前記検出部は、前記電気光学結晶を介した前記第１の光を、偏光状態が異なる２つの光に分離する第１偏光分離部と、前記第１偏光分離部によって分離された一方の光を受光して第１受光信号を出力する第１受光素子と、前記第１偏光分離部によって分離された他方の光を受光して第３受光信号を出力する第３受光素子と、前記第１受光信号と前記第３受光信号との差分を求める第１演算器と、前記電気光学結晶を介した前記第２の光を、偏光状態が異なる２つの光に分離する第２偏光分離部と、前記第２偏光分離部によって分離された一方の光を受光して第２受光信号を出力する第２受光素子と、前記第２偏光分離部によって分離された他方の光を受光して第４受光信号を出力する第４受光素子と、前記第２受光信号と前記第４受光信号との差分を求める第２演算器と、を備えていてもよい。

本発明の一態様に係る電界センサにおいて、前記第１偏光分離部および前記第２偏光分離部によって分離された偏光状態が同じ一方の光を合波する第１合波器と、前記第１合波器で合波された光を波長分離して前記第１受光素子および前記第２受光素子に入射させる第１波長分離素子と、前記第１偏光分離部および前記第２偏光分離部によって分離された偏光状態が同じ他方の光を合波する第２合波器と、前記第２合波器で合波された光を波長分離して前記第３受光素子および前記第４受光素子に入射させる第２波長分離素子と、を備えていてもよい。

本発明の一態様に係る電界センサは、前記第１方向における前記被測定電界を第１周波数で変調する第１変調器と、前記第２方向における前記被測定電界を第２周波数で変調する第２変調器と、を更に備え、前記検出部は、前記電気光学結晶を介した前記第１の光を、偏光状態が異なる２つの光に分離する第１偏光分離部と、前記電気光学結晶を介した前記第２の光を、偏光状態が異なる２つの光に分離する第２偏光分離部と、前記第１偏光分離部および前記第２偏光分離部によって分離された偏光状態が同じ一方の光を合波する第１合波器と、前記第１偏光分離部および前記第２偏光分離部によって分離された偏光状態が同じ他方の光を合波する第２合波器と、前記第１合波器によって合波された光を受光して第１受光信号を出力する第１受光素子と、前記第２合波器によって合波された光を受光して第２受光信号を出力する第２受光素子と、前記第１周波数を用いて前記第１受光信号をロックイン検出して第１信号を得るとともに、前記第２周波数を用いて前記第１受光信号をロックイン検出して第２信号を得る第１ロックインアンプと、前記第１周波数を用いて前記第２受光信号をロックイン検出して第３信号を得るとともに、前記第２周波数を用いて前記第２受光信号をロックイン検出して第４信号を得る第２ロックインアンプと、を備え、前記信号処理部は、前記第１の光の位相変化量としての前記第１信号と前記第３信号との差分から前記第１方向における前記被測定電界の電界強度を求め、前記第２の光の位相変化量としての前記第２信号と前記第４信号との差分から前記第２方向における前記被測定電界の電界強度を求める構成としてよい。

本発明の一態様によれば、電界の方向によらず、精度の高い電界測定が可能となる電界センサを提供することができる。

第１実施形態に係る電界センサの構成例を示す図である。 第１実施形態に係る電界センサの構成例のブロック図である。 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構成例のブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による電界センサについて詳細に説明する。以下では、まず本発明の実施形態の概要について説明し、続いて本発明の実施形態の詳細について説明する。

〔概要〕
本発明の実施形態は、電界の方向によらず、精度の高い電界測定を可能とするものである。具体的には、ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference：電磁気妨害）測定などの電界測定を行う場合に、電界センサの向きを変えて測定したり、複数の電界センサを用いて測定したりすることなく、電界の方向によらず、精度の高い電界測定を可能とするものである。

上述した特許文献１には、電気光学効果（ＥＯ効果：Electro-Optic effect) を利用した電界センサの一例が開示されている。この電界センサは、被測定電界が印加される電気光学結晶を介した光の位相変化量を検出することで、電気光学結晶に印加される被測定電界を測定するものである。このような電界センサは、広帯域性、低擾乱性、高速性といった特徴を有している。

従来、アンテナの性能評価や機器からの電磁ノイズの測定には、センサエレメントに金属製のものが使われる事が一般的であったが、上記の電界センサは、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る。また、上記の電界センサは、高空間分解の測定が可能である事から極近傍の電界源の特定が可能となる。

しかしながら、従来の電界センサは、電気光学結晶を伝播するプローブ光の進行方向の電界に対しては感度が高いが、プローブ光の進行方向に対して垂直な方向の電界に対しては殆ど無い。このため、従来の電界センサを用いてＥＭＩ測定などの電界測定を行うには、電界センサの向きを変えて測定したり、複数の電界センサを用いて測定したりする必要があった。

本発明の実施形態は、被測定電界が印加される電気光学結晶に対し、波長が異なる２つの光（第１波長を含む第１の光、第２波長を含む第２の光）を互いに異なる第１方向および第２方向からそれぞれ入射させている。そして、電気光学結晶を介した第１および第２の光の位相変化量をそれぞれ検出し、各々の位相変化量から第１方向における被測定電界の電界強度及び第２方向における被測定電界の電界強度をそれぞれ求めるようにしている。これにより、電界センサの向きを変えて測定したり、複数の電界センサを用いて測定したりすることなく、電界の方向によらず、精度の高い電界測定が可能である。

＜第１実施形態＞
［電界センサ］
図１は、第１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２は、電界センサ１００の構成例のブロック図である。
図１における左右方向をＸ方向という。図１における右方向は＋Ｘ方向である。左方向は－Ｘ方向である。図１における上下方向をＹ方向という。図１における上方向は＋Ｙ方向である。下方向は－Ｙ方向である。Ｘ方向とＹ方向とは直交する。

図１に示すように、電界センサ１００は、第１レーザ光源１（第１光源）と、第２レーザ光源２（第２光源）と、電気光学結晶３と、第１反射膜４（第１反射部）と、第２反射膜５（第２反射部）と、検出部６と、ミラー７と、第１増幅器５１（図２参照）と、第２増幅器５２（図２参照）と、信号処理部５３（図２参照）と、を備えている。

検出部６は、第１偏光分離部１１と、第２偏光分離部１２と、第１ダイクロイックミラー１３（第１合波器）と、第２ダイクロイックミラー１４（第２合波器）と、第５ミラー１５と、第６ミラー１６と、第１波長分離素子１７と、第２波長分離素子１８と、第１受光素子１９と、第２受光素子２０と、第３受光素子２１と、第４受光素子２２と、を備えている。
波長分離素子１７，１８としては、ＷＤＭフィルタ、ダイクロイックミラーなどが使用できる。

第１偏光分離部１１は、第１λ／２波長板３１と、第１λ／４波長板３２と、第１偏光分離素子３３と、第１ミラー３４と、第２λ／２波長板３５と、第１ファラデー素子３６と、偏光分離素子３７と、第２ミラー３８と、を備えている。

第２偏光分離部１２は、第３λ／２波長板４１と、第２λ／４波長板４２と、第２偏光分離素子４３と、第３ミラー４４と、第４λ／２波長板４５と、第２ファラデー素子４６と、偏光分離素子４７と、第４ミラー４８と、を備えている。

第１λ／２波長板３１および第３λ／２波長板４１は、例えば、電気光学結晶３に入射される光の偏光面を調整する。第１λ／４波長板３２および第２λ／４波長板４２は、例えば、レーザ光源１，２からの直線偏光の光を楕円偏光に変換する。第１λ／４波長板３２および第２λ／４波長板４２は、例えば、受光素子１９～２２に入射される光の強度を均等化する。

第１λ／２波長板３１と、第１偏光分離素子３３と、第１ファラデー素子３６と、偏光分離素子３７とによって構成されるユニットは、電気光学結晶３に向かう第１の光Ｌ１を通過させ、かつ電気光学結晶３からの反射光を分離できるため、光アイソレータとして機能する。第３λ／２波長板４１と、第２偏光分離素子４３と、第２ファラデー素子４６と、偏光分離素子４７とによって構成されるユニットは、電気光学結晶３に向かう第２の光Ｌ２を通過させ、かつ電気光学結晶３からの反射光を分離できるため、光アイソレータとして機能する。

電気光学結晶３は、第１面３ａと、第１面３ａに隣接する第２面３ｂと、第２面３ｂに隣接する第３面３ｃと、第３面３ｃに隣接する第４面３ｄとを備える。

第１面３ａと第３面３ｃとは向かい合う。第１面３ａおよび第３面３ｃは、Ｘ方向に対して直交する面である。第１面３ａは、第１レーザ光源１からの第１の光Ｌ１が入射する入射面である。第２面３ｂと第４面３ｄとは向かい合う。第２面３ｂおよび第４面３ｄは、Ｙ方向に対して直交する面である。第２面３ｂは、第２レーザ光源２からの第２の光Ｌ２が入射する入射面である。

第１レーザ光源１および第２レーザ光源２は、例えば、レーザダイオードである。第１レーザ光源１の光（第１の光Ｌ１）は、波長λ_１（第１波長）がピーク値となるスペクトルを有する。第２レーザ光源２の光（第２の光Ｌ２）は、波長λ_１と異なる波長λ_２（第２波長）がピーク値となるスペクトルを有する。

第１レーザ光源１は、電気光学結晶３の第１面３ａに第１の光Ｌ１を入射させることができる。第２レーザ光源２は、ミラー７を介して電気光学結晶３の第２面３ｂに第２の光Ｌ２を入射させることができる。
第１反射膜４は、電気光学結晶３の第３面３ｃに設けられている。第２反射膜５は、電気光学結晶３の第４面３ｄに設けられている。

第１偏光分離部１１と、第２偏光分離部１２と、第１ダイクロイックミラー１３と、第２ダイクロイックミラー１４と、第５ミラー１５と、第６ミラー１６とは、分離部８を構成する。

図２に示すように、第１受光素子１９の出力端は、第１増幅器５１（第１演算器）の第１入力端に接続されている。第２受光素子２０の出力端は、第２増幅器５２（第２演算器）の第１入力端に接続されている。第１増幅器５１の出力端は、信号処理部５３に接続される。第３受光素子２１の出力端は、第１増幅器５１の第２入力端に接続されている。第４受光素子２２の出力端は、第２増幅器５２の第２入力端に接続されている。第２増幅器５２の出力端は、信号処理部５３に接続される。

［電界測定方法］
次に、電界センサ１００を用いて電界を測定する方法について説明する。

（電気光学結晶への光の入射）
図１に示すように、第１レーザ光源１は、波長λ_１（第１波長）がピーク値となる第１の光Ｌ１を出射する。第２レーザ光源２は、波長λ_２（第２波長）がピーク値となる第２の光Ｌ２を出射する。

第１レーザ光源１から出射された第１の光Ｌ１は、－Ｘ方向に向かって第１偏光分離部１１を通過し、第１面３ａから電気光学結晶３に入射する。第１の光Ｌ１は、Ｘ方向（第１方向）から電気光学結晶３に入射する。
第１の光Ｌ１は、電気光学結晶３を－Ｘ方向に通過し、第３面３ｃに達して第１反射膜４で反射する。反射光は＋Ｘ方向に進み、第１面３ａから出射する。第１面３ａから出射した光は、第１偏光分離部１１に向かう。

第２レーザ光源２から出射された第２の光Ｌ２は、－Ｘ方向に向かって第２偏光分離部１２を通過し、ミラー７で方向が変えられて＋Ｙ方向に向かう。第２の光Ｌ２は、第２面３ｂから電気光学結晶３に入射する。

第２の光Ｌ２は、Ｙ方向（第２方向）から電気光学結晶３に入射される。そのため、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２とは、互いに異なる方向から電気光学結晶３に入射される。第１の光Ｌ１の入射方向であるＸ方向（第１方向）と、第２の光Ｌ２の入射方向であるＹ方向（第２方向）とは、互いに直交する方向である。

第２の光Ｌ２は、電気光学結晶３を＋Ｙ方向に通過し、第４面３ｄに達して第２反射膜５で反射する。反射光は－Ｙ方向に進み、第２面３ｂから出射する。第２面３ｂから出射した光は、ミラー７で方向が変えられて＋Ｘ方向に進み、第２偏光分離部１２に向かう。

電気光学結晶３は、印加される電界の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。そのため、電気光学結晶３に入射した光は、電界の強度に応じて偏光して出射する。

（位相変化量の検出）
電気光学結晶３の第１面３ａから出射した光線は、第１偏光分離部１１において、第１λ／２波長板３１および第１λ／４波長板３２を通過し、第１偏光分離素子３３に入射する。第１偏光分離素子３３は、光線を偏光状態が異なる２つの光（詳しくは、Ｓ波とＰ波）に分離する。

Ｓ波の光線（分離された一方の光）は、第１ミラー３４、第１ダイクロイックミラー１３を経て、第１波長分離素子１７に入射する。
Ｐ波の光線（分離された他方の光）は、第２λ／２波長板３５および第１ファラデー素子３６を通過し、偏光分離素子３７に入射する。偏光分離素子３７を出射したＰ波の光線は、第２ミラー３８、第２ダイクロイックミラー１４を経て、第２波長分離素子１８に入射する。

電気光学結晶３の第２面３ｂから出射した光線は、第２偏光分離部１２において、第３λ／２波長板４１および第２λ／４波長板４２を通過し、第２偏光分離素子４３に入射する。第２偏光分離素子４３は、光線を偏光状態が異なる２つの光（詳しくは、Ｓ波とＰ波）に分離する。

Ｓ波の光線（分離された一方の光）は、第３ミラー４４、第５ミラー１５を経て、第１ダイクロイックミラー１３に達する。
第１ダイクロイックミラー１３は、第１偏光分離素子３３で分離したＳ波の光と、第２偏光分離素子４３で分離したＳ波の光とを合波して第１波長分離素子１７に入射させる。

Ｐ波の光線（分離された他方の光）は、および第２ファラデー素子４６を通過し、偏光分離素子４７に入射する。偏光分離素子４７を出射したＰ波の光線は、第４ミラー４８、第６ミラー１６を経て、第２ダイクロイックミラー１４に達する。
第２ダイクロイックミラー１４は、偏光分離素子３７で分離したＰ波の光と、偏光分離素子４７で分離したＰ波の光とを合波して第２波長分離素子１８に入射させる。

第１波長分離素子１７は、Ｓ波の光線を、第１レーザ光源１の波長域の光（波長λ_１の光）と、第２レーザ光源２の波長域の光（波長λ_２の光）とに分離する。第１波長分離素子１７で得られた波長λ_１の光は、第１受光素子１９に入射する。波長λ_２の光は、第２受光素子２０に入射する。

第２波長分離素子１８は、Ｐ波の光線を、波長λ_１の光と、波長λ_２の光とに分離する。第２波長分離素子１８で得られた波長λ_１の光は、第３受光素子２１に入射する。波長λ_２の光は、第４受光素子２２に入射する。

図２に示すように、第１受光素子１９は、第１波長分離素子１７から入射した波長λ_１の光（Ｓ波）を電気信号に変換し、変換したＳ波成分の電気信号（第１受光信号）を第１増幅器５１の第１入力端に出力する。第２受光素子２０は、第１波長分離素子１７から入射した波長λ_２の光（Ｓ波）を電気信号に変換し、変換したＳ波成分の電気信号（第２受光信号）を第２増幅器５２の第１入力端に出力する。

第３受光素子２１は、第２波長分離素子１８から入射した波長λ_１の光（Ｐ波）を電気信号に変換し、変換したＰ波成分の電気信号（第３受光信号）を第１増幅器５１の第２入力端に出力する。第４受光素子２２は、第２波長分離素子１８から入射した波長λ_２の光（Ｐ波）を電気信号に変換し、変換したＳ波成分の電気信号（第４受光信号）を第１増幅器５１の第２入力端に出力する。

第１増幅器５１は、波長λ_１の光のＳ波成分とＰ波成分の電気信号を増幅して信号処理部５３に出力する。第１増幅器５１は、第１受光信号と第３受光信号との差分を求める。第１増幅器５１は、第１受光信号と第３受光信号に基づいて、波長λ_１の光の位相変化量を検出できる。波長λ_１の光の位相変化量は、例えば、Ｓ波とＰ波の振幅差などから検出できる。

第２増幅器５２は、波長λ_２の光のＳ波成分とＰ波成分の電気信号を増幅して信号処理部５３に出力する。第２増幅器５２は、第２受光信号と第４受光信号との差分を求める。第２増幅器５２は、第２受光信号と第４受光信号に基づいて、波長λ_２の光の位相変化量を検出できる。波長λ_２の光の位相変化量は、例えば、Ｓ波とＰ波の振幅差などから検出できる。

図１に示すように、電気光学結晶３に、Ｘ方向に沿う電界Ｅ１が印加されると、電界強度に応じて電気光学結晶３の屈折率は変化する。これにより、電気光学結晶３を伝搬する光の偏光状態は変化する。この偏光状態の変化は、第１の光Ｌ１（波長λ_１）に由来するＳ波成分の信号とＰ波成分の信号との出力差に反映される。そのため、信号処理部５３において、第１増幅器５１からのＳ波成分の信号とＰ波成分の信号との出力差に基づいて、波長λ_１の光の位相変化量を検出できる。この位相変化量から、電気光学結晶３に印加されるＸ方向の電界強度を測定することができる。

電気光学結晶３に、Ｙ方向に沿う電界Ｅ２が印加され、電気光学結晶３を伝搬する光の偏光状態が変化すると、この偏光状態の変化は、第２の光Ｌ２（波長λ_２）に由来するＳ波成分の信号とＰ波成分の信号との出力差に反映される。そのため、信号処理部５３において、第２増幅器５２からのＳ波成分の信号とＰ波成分の信号との出力差に基づいて、波長λ_２の光の位相変化量を検出できる。この位相変化量から、電気光学結晶３に印加されるＹ方向の電界強度を測定することができる。信号処理部５３においては、Ｘ方向の電界強度とＹ方向の電界強度とに基づいて、ベクトル合成によって、電気光学結晶３に印加される電界（被測定電界）の強度を得ることができる。

［実施形態の電界センサが奏する効果］
電界センサ１００では、第１の光Ｌ１（波長λ_１）と第２の光Ｌ２（波長λ_２）とを異なる方向から電気光学結晶３に入射させ、出射光から波長λ_１，λ_２のそれぞれについてＳ波とＰ波の出力信号を取得する。そのため、Ｓ波成分の信号とＰ波成分の信号との出力差に基づいて、２つの方向（Ｘ方向とＹ方向）の電界強度を測定することができる。よって、電界の方向に依存しない（すなわち、指向性がない）電界強度の測定が可能である。

電界センサ１００では、互いに直交する２つ方向（Ｘ方向とＹ方向）の電界強度を測定することができる。そのため、Ｘ方向の電界強度とＹ方向の電界強度とに基づいて、ベクトル合成によって電界（被測定電界）の強度を精度よく測定できる。また、電界の方向を特定することもできる。

電界センサ１００では、偏光分離部１１，１２を用いて、電気光学結晶３から出射された光をＳ波とＰ波とに分離するため、Ｓ波とＰ波の光を容易に取得できる。

電界センサ１００では、レーザ光源１，２からの２つの光Ｌ１，Ｌ２を、共通の電気光学結晶３に入射させるため、複数の電気光学結晶を用いる場合に比べ、装置構成を簡略にできる。よって、電界センサ１００の小型化を図ることができる。

電界センサ１００は、第１反射膜４および第２反射膜５を用いるため、電気光学結晶３に対する入射光の向きと出射光の向きとを反対とすることができる。そのため、電気光学結晶３に対して入射側にあるレーザ光源１，２と、出射側にある検出部６とを離間せずに配置することができる。よって、電界センサ１００の小型化を図ることができる。

電界センサ１００では、偏光分離部１１，１２において、波長λ_１、λ_２の光をそれぞれＰ波とＳ波に分離し、受光素子１９～２２で得た受光信号の差分に基づいて波長λ_１、λ_２の光の位相変化量を検出できる。そのため、位相変化量を精度よく測定できる。

電界センサ１００は、第１ダイクロイックミラー１３と、第２ダイクロイックミラー１４とを備える。ダイクロイックミラー１３，１４は、２つの光を合波するため、偏光分離部１１，１２から波長分離素子１７，１８への光の伝送経路となる光ファイバの数を少なくできる。したがって、光ファイバによる擾乱性の低減が可能である。光ファイバを少なくできるため、操作性を高めることもできる。

２つの波長λ_１，λ_２の光を合波した後、合波した光を波長分別したとき、合波前の光の強度、光位相等の情報を取得することは可能である。そのため、２つの方向の電界強度の信号をそれぞれの波長に紐づけた合波光は、波長分別を行うことで電界強度の信号として分離が可能である。

電界センサ１００では、偏光分離部１１，１２で分離した光を合波した後、波長ごとに分離してそれぞれ受光素子に入射させるが、偏光分離部１１，１２から受光素子１９～２２に至る構成はこれに限定されない。例えば、第１偏光分離素子３３で分離した光（波長λ_１、Ｓ波）を直接、第１受光素子１９に入射させてもよい。第２偏光分離素子４３で分離した光（波長λ_２、Ｓ波）を直接、第２受光素子２０に入射させてもよい。偏光分離素子３７で得た光（波長λ_１、Ｐ波）を直接、第３受光素子２１に入射させてもよい。偏光分離素子４７で得た光（波長λ_２、Ｐ波）を直接、第４受光素子２２に入射させてもよい。

＜第２実施形態＞
［電界センサ］
図３は、第２実施形態に係る電界センサ２００の構成例を示す図である。図４は、電界センサ２００の構成例のブロック図である。第１実施形態との共通構成については、同じ符号を付して説明を省略する。

図３に示すように、電界センサ２００は、第１レーザ光源１（第１光源）と、第２レーザ光源２（第２光源）と、電気光学結晶３と、第１反射膜４と、第２反射膜５と、検出部２０６と、ミラー７と、第１ロックインアンプ２２１（図４参照）と、第２ロックインアンプ２２２（図４参照）と、第１変調器２２３（図４参照）と、第２変調器２２４（図４参照）と、信号処理部２５３（図４参照）と、を備えている。

検出部２０６は、第１偏光分離部１１と、第２偏光分離部１２と、第１ダイクロイックミラー１３と、第２ダイクロイックミラー１４と、第５ミラー１５と、第６ミラー１６と、第１受光素子２１９と、第２受光素子２２０と、を備えている。

電界センサ２００は、次に示す点で図１および図２に示す電界センサ１００と異なる。電界センサ２００は、波長分離素子１７，１８を備えていない。電界センサ２００は、受光素子１９～２２に代えて、第１受光素子２１９および第２受光素子２２０を備える。電界センサ２００は、第１ロックインアンプ２２１および第２ロックインアンプ２２２を備える（図４参照）。

信号処理部２５３は、第１増幅器（第１演算器）および第２増幅器（第２演算器）（図２の増幅器５１，５２を参照）の機能を備える。

図４に示すように、第１受光素子２１９の出力端は、第１ロックインアンプ２２１に接続されている。第２受光素子２２０の出力端は、第２ロックインアンプ２２２に接続されている。第１ロックインアンプ２２１および第２ロックインアンプ２２２の出力端は、信号処理部２５３に接続される。

第１変調器２２３は、第１ロックインアンプ２２１に接続されている。第１変調器２２３は、Ｘ方向（第１方向）の電界Ｅ１（被測定電界）（図３参照）を第１周波数ｆ_λ１で変調する。
第２変調器２２４は、第２ロックインアンプ２２２に接続されている。第２変調器２２４は、Ｙ方向（第２方向）の電界Ｅ２（被測定電界）（図３参照）を第２周波数ｆ_λ２で変調する。

［電界測定方法］
次に、電界センサ２００を用いて電界を測定する方法について説明する。

（電気光学結晶への光の入射）
図１に示す電界センサ１００と同様に、第１レーザ光源１から出射された第１の光Ｌ１は、Ｘ方向（第１方向）から電気光学結晶３に入射し、第１反射膜４で反射する。反射光は第１面３ａから出射する。
第２レーザ光源２から出射された第２の光Ｌ２は、Ｙ方向（第２方向）から電気光学結晶３に入射し、第２反射膜５で反射する。反射光は第２面３ｂから出射する。

（位相変化量の検出）
電気光学結晶３の第１面３ａから出射した光線は、第１λ／２波長板３１および第１λ／４波長板３２を経て、第１偏光分離素子３３に入射する。第１偏光分離素子３３は、光線を偏光状態が異なる２つの光（詳しくは、Ｓ波とＰ波）に分離する。

Ｓ波の光線（分離された一方の光）は、第１ミラー３４、第１ダイクロイックミラー１３を経て、第１受光素子２１９に入射する。
Ｐ波の光線（分離された他方の光）は、第２λ／２波長板３５および第１ファラデー素子３６を通過し、偏光分離素子３７に入射する。偏光分離素子３７を出射したＰ波の光線は、第２ミラー３８、第２ダイクロイックミラー１４を経て、第２受光素子２２０に入射する。

電気光学結晶３の第２面３ｂから出射した光線は、第３λ／２波長板４１および第２λ／４波長板４２を経て、第２偏光分離素子４３に入射する。第２偏光分離素子４３は、光線を偏光状態が異なる２つの光（詳しくは、Ｓ波とＰ波）に分離する。

Ｓ波の光線（分離された一方の光）は、第３ミラー４４、第５ミラー１５を経て、第１ダイクロイックミラー１３に達する。
第１ダイクロイックミラー１３は、第１偏光分離素子３３で分離したＳ波の光と、第２偏光分離素子４３で分離したＳ波の光とを合波して第１受光素子２１９に入射させる。

Ｐ波の光線（分離された他方の光）は、第４λ／２波長板４５および第２ファラデー素子４６を通過し、偏光分離素子４７に入射する。偏光分離素子４７を出射したＰ波の光線は、第４ミラー４８、第６ミラー１６を経て、第２ダイクロイックミラー１４に達する。
第２ダイクロイックミラー１４は、偏光分離素子３７で分離したＰ波の光と、偏光分離素子４７で分離したＰ波の光とを合波して第２受光素子２２０に入射させる。

図４に示すように、第１受光素子２１９は、第１ダイクロイックミラー１３から入射した、波長λ_１の光（Ｓ波）および波長λ_２の光（Ｓ波）を電気信号に変換し、変換したＳ波成分の電気信号（第１受光信号）を第１ロックインアンプ２２１に出力する。
第２受光素子２２０は、第２ダイクロイックミラー１４から入射した、波長λ_１の光（Ｐ波）および波長λ_２の光（Ｐ波）を電気信号に変換し、変換したＰ波成分の電気信号（第２受光信号）を第２ロックインアンプ２２２に出力する。

第１ロックインアンプ２２１は、第１周波数ｆ_λ１を用いて前記第１受光信号をロックイン検出して第１信号を得る。第１ロックインアンプ２２１は、第２周波数ｆ_λ２を用いて前記第１受光信号をロックイン検出して第２信号を得る。

第２ロックインアンプ２２２は、第１周波数ｆ_λ１を用いて前記２受光信号をロックイン検出して第３信号を得る。第２ロックインアンプ２２２は、第２周波数ｆ_λ２を用いて前記第２受光信号をロックイン検出して第４信号を得る。

信号処理部２５３は、前記第１受光信号と第３受光信号との差分を求める。信号処理部２５３は、前記第１受光信号と前記第３受光信号との差分に基づいて、波長λ_１の光の位相変化量を検出できる。信号処理部２５３は、位相変化量から、電界Ｅ１の強度を測定することができる。

信号処理部２５３は、前記第２受光信号と第４受光信号との差分を求める。信号処理部２５３は、前記第２受光信号と前記第４受光信号との差分に基づいて、波長λ_２の光の位相変化量を検出できる。信号処理部２５３は、位相変化量から、電界Ｅ２の強度を測定することができる。

［実施形態の電界センサが奏する効果］
電界センサ２００では、第１の光Ｌ１（波長λ_１）と第２の光Ｌ２（波長λ_２）とを異なる方向から電気光学結晶３に入射させ、出射光から波長λ_１，λ_２のそれぞれについてＳ波とＰ波の出力信号を取得する。そのため、Ｓ波成分の信号とＰ波成分の信号との出力差に基づいて、２つの方向（Ｘ方向とＹ方向）の電界強度を測定することができる。よって、電界の方向に依存しない（すなわち、指向性がない）電界強度の測定が可能である。

電界センサ２００では、互いに直交する２つ方向（Ｘ方向とＹ方向）の電界強度を測定することができる。そのため、ベクトル合成によって電界の強度を精度よく測定できる。また、電界の方向を特定することもできる。

電界センサ２００では、ロックインアンプ２２１，２２２を用いて、電気光学結晶３から出射された光をＳ波とＰ波とに分離するため、Ｓ波とＰ波の光を容易に取得できる。

電界センサ２００では、第１実施形態の電界センサ１００（図１参照）に比べ、波長分離素子１７，１８は不要となる。また、受光素子の数を少なくできる。そのため、装置構成を簡略にできる。よって、電界センサ２００の小型化を図ることができる。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形および置換を加えることができる。
例えば、図４に示す電界センサ２００は、第１増幅器（第１演算器）および第２増幅器（第２演算器）（図２の第１増幅器５１および第２増幅器５２を参照）を備えていてもよい。第１増幅器は、第１ロックインアンプ２２１と信号処理部２５３との間に設けられる。第２増幅器は、第２ロックインアンプ２２２と信号処理部２５３との間に設けられる。第１増幅器は、第１ロックインアンプ２２１から得た波長λ_１のＳ波成分の信号と、第２ロックインアンプ２２２から得た波長λ_１のＰ波成分の信号との差分を求めることができる。第２増幅器は、第１ロックインアンプ２２１から得た波長λ_２のＳ波成分の信号と、第２ロックインアンプ２２２から得た波長λ_２のＰ波成分の信号との差分を求めることができる。

１…第１レーザ光源（第１光源）、２…第２レーザ光源（第２光源）、３…電気光学結晶、４…第１反射膜、５…第２反射膜、６，２０６…検出部、１１…第１偏光分離部、１２…第２偏光分離部、１３…第１ダイクロイックミラー（第１合波器）、１４…第２ダイクロイックミラー（第２合波器）、１７…第１波長分離素子、１８…第２波長分離素子、１９…第１受光素子、２０…第２受光素子、２１…第３受光素子、２２…第４受光素子、３３…第１偏光分離素子、４３…第２偏光分離素子、５１…第１増幅器（第１演算器）、５２…第２増幅器（第２演算器）、５３，２５３…信号処理部、１００，２００…電界センサ、２１９…第１受光素子、２２０…第２受光素子、２２１…第１ロックインアンプ、２２２…第２ロックインアンプ、２２３…第１変調器、２２４…第２変調器。

Claims (6)

1. 電気光学効果を利用して被測定電界を測定する電界センサであって、
   第１波長を含む第１の光を出射する第１光源と、
   前記第１波長とは異なる第２波長を含む第２の光を出射する第２光源と、
   前記被測定電界が印加されるとともに、前記第１の光および前記第２の光が互いに異なる第１方向および第２方向からそれぞれ入射される電気光学結晶と、
   前記電気光学結晶を介した前記第１の光および前記第２の光の位相変化量を検出する検出部と、
   前記検出部で検出された前記第１の光の位相変化量から前記第１方向における前記被測定電界の電界強度を求め、前記検出部で検出された前記第２の光の位相変化量から前記第２方向における前記被測定電界の電界強度を求め、前記第１方向の電界強度と前記第２方向の電界強度に基づいて前記被測定電界の電界強度を得る信号処理部と、
   を備える電界センサ。
2. 前記電気光学結晶には、
   前記電気光学結晶に入射した前記第１の光を反射する第１反射膜と、
   前記電気光学結晶に入射した前記第２の光を反射する第２反射膜と、
   が設けられている、請求項１記載の電界センサ。
3. 前記第１方向および前記第２方向は、互いに直交する方向である、請求項１または２記載の電界センサ。
4. 前記検出部は、
   前記電気光学結晶を介した前記第１の光を、偏光状態が異なる２つの光に分離する第１偏光分離部と、
   前記第１偏光分離部によって分離された一方の光を受光して第１受光信号を出力する第１受光素子と、
   前記第１偏光分離部によって分離された他方の光を受光して第３受光信号を出力する第３受光素子と、
   前記第１受光信号と前記第３受光信号との差分を求める第１演算器と、
   前記電気光学結晶を介した前記第２の光を、偏光状態が異なる２つの光に分離する第２偏光分離部と、
   前記第２偏光分離部によって分離された一方の光を受光して第２受光信号を出力する第２受光素子と、
   前記第２偏光分離部によって分離された他方の光を受光して第４受光信号を出力する第４受光素子と、
   前記第２受光信号と前記第４受光信号との差分を求める第２演算器と、
   を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の電界センサ。
5. 前記第１偏光分離部および前記第２偏光分離部によって分離された偏光状態が同じ一方の光を合波する第１合波器と、
   前記第１合波器で合波された光を波長分離して前記第１受光素子および前記第２受光素子に入射させる第１波長分離素子と、
   前記第１偏光分離部および前記第２偏光分離部によって分離された偏光状態が同じ他方の光を合波する第２合波器と、
   前記第２合波器で合波された光を波長分離して前記第３受光素子および前記第４受光素子に入射させる第２波長分離素子と、
   を備える請求項４記載の電界センサ。
6. 前記第１方向における前記被測定電界を第１周波数で変調する第１変調器と、
   前記第２方向における前記被測定電界を第２周波数で変調する第２変調器と、を更に備え、
   前記検出部は、
   前記電気光学結晶を介した前記第１の光を、偏光状態が異なる２つの光に分離する第１偏光分離部と、
   前記電気光学結晶を介した前記第２の光を、偏光状態が異なる２つの光に分離する第２偏光分離部と、
   前記第１偏光分離部および前記第２偏光分離部によって分離された偏光状態が同じ一方の光を合波する第１合波器と、
   前記第１偏光分離部および前記第２偏光分離部によって分離された偏光状態が同じ他方の光を合波する第２合波器と、
   前記第１合波器によって合波された光を受光して第１受光信号を出力する第１受光素子と、
   前記第２合波器によって合波された光を受光して第２受光信号を出力する第２受光素子と、
   前記第１周波数を用いて前記第１受光信号をロックイン検出して第１信号を得るとともに、前記第２周波数を用いて前記第１受光信号をロックイン検出して第２信号を得る第１ロックインアンプと、
   前記第１周波数を用いて前記第２受光信号をロックイン検出して第３信号を得るとともに、前記第２周波数を用いて前記第２受光信号をロックイン検出して第４信号を得る第２ロックインアンプと、
   を備え、
   前記信号処理部は、前記第１の光の位相変化量としての前記第１信号と前記第３信号との差分から前記第１方向における前記被測定電界の電界強度を求め、前記第２の光の位相変化量としての前記第２信号と前記第４信号との差分から前記第２方向における前記被測定電界の電界強度を求める、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の電界センサ。

Images