JP3418577B2 - 電気光学プローブ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定信号によっ
て発生する電界を電気光学結晶に結合させ、この電気光
学結晶に光を入射し、入射光の偏光状態により、被測定
信号の波形を観測する電気光学プローブに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】被測定信号によって発生する電界を電気
光学結晶に結合させ、この電気光学結晶にレーザ光を入
射し、レーザ光の偏光状態により被測定信号の波形を観
測することができる。ここでレーザ光をパルス状にし、
被測定信号をサンプリングすると非常に高い時間分解能
で測定することができる。この現象を利用した電気光学
プローブを用いたのが電気光学サンプリングオシロスコ
ープである。

【０００３】この電気光学サンプリング（Electro Opt
ic Sampling）オシロスコープ（以下「ＥＯＳオシロス
コープ」と略記する）は、電気式プローブを用いた従来
のサンプリングオシロスコープと比較して、 １）信号を測定する際に、グランド線を必要としないた
め、測定が容易 ２）電気光学プローブの先端にある金属ピンが回路系か
ら絶縁されているので高入力インピーダンスを実現で
き、その結果被測定点の状態をほとんど乱すことがない ３）光パルスを利用することからＧＨｚオーダーまでの
広帯域測定が可能 といった特徴があり注目を集めている。

【０００４】ＥＯＳオシロスコープによる信号測定を行
う際に用いられる従来の電気光学プローブ１の構成を図
７により説明する。図７に示す電気光学プローブ１にお
いては、プローブ本体２の先端に、絶縁体からなるプロ
ーブヘッド３が設けられており、この中心に金属ピン３
ａが嵌め込まれている。また、プローブヘッド３には、
電気光学素子４が固定されている。この電気光学素子４
は、金属ピン３ａ側の端面に反射膜４ａが設けられ、金
属ピン３ａに接する構成となっている。また、符号５
は、1/2波長板であり、符号６は、1/4波長板である。符
号７，８は、偏光ビームスプリッタである。符号９は、
1/2波長板であり、符号１０は、ファラデー素子であ
る。符号１２は、コリメートレンズであり、符号１３
は、レーザダイオードである。符号１４及び１５は、集
光レンズであり、符号１６及び１７は、フォトダイオー
ドである。

【０００５】また、２つの偏光ビームスプリッタ７，
８、1/2波長板９、及びファラデー素子１０は、レーザ
ダイオード１３が出射した光を通過させ、反射膜４ａに
よって反射された光を分離するためのアイソレータ１９
である。

【０００６】次に、図７を参照して、レーザダイオード
１３から発せられたレーザ光の光路について説明する。
図７において、レーザ光の光路を符号Ａで表す。先ず、
レーザダイオード１３から出射したレーザ光はコリメー
トレンズ１２により平行光に変換され、偏光ビームスプ
リッタ８、ファラデー素子１０、1/2波長板９及び偏光
ビームスプリッタ７を直進し、さらに、1/4波長板６と1
/2波長板５を通って電気光学素子４に入射する。入射し
た光は、金属ピン３ａ側の電気光学素子４の端面に形成
された反射膜４ａにより反射する。

【０００７】反射したレーザ光は、再び1/2波長板５と1
/4波長板６を通り、レーザ光の一部は、偏光ビームスプ
リッタ７により反射され、集光レンズ１４によって集光
されて、フォトダイオード１６へ入射する。一方、偏光
ビームスプリッタ７を透過したレーザ光は、偏光ビーム
スプリッタ８で反射され、集光レンズ１５によって集光
されて、フォトダイオード１７へ入射する。なお、1/2
波長板５と1/4波長板６はフォトダイオード１６とフォ
トダイオード１７とへ入射するレーザ光の強度が同一に
なるように、その光軸に関する回転角が調整される。

【０００８】次に、図７に示した電気光学プローブを用
いて、被測定信号を測定する動作について説明する。金
属ピン３ａを、測定点に接触させると、金属ピン３ａに
加わる電圧によって、電気光学素子４では、その電界が
電気光学素子４へ伝搬し、ポッケルス効果により複屈折
率が変化する現象が起きる。これにより、レーザダイオ
ード１３から発せられたレーザ光が電気光学素子４へ入
射して、そのレーザ光が電気光学素子４を伝搬するとき
に光の偏光状態が変化する。そして、この偏光状態が変
化したレーザ光は、反射膜４ａによって反射され、フォ
トダイオード１６，１７へ集光されて入射し、電気信号
に変換される。

【０００９】測定点の電圧の変化にともなって、電気光
学素子４によって偏光状態の変化がフォトダイオード１
６とフォトダイオード１７の出力差として生じることと
なり、この出力差を検出することによって、金属ピン３
ａに加わる電気信号を測定することができる。なお、以
上説明した電気光学プローブ１において、フォトダイオ
ード１６，１７から得られた電気信号は、電気光学サン
プリングオシロスコープに入力されて、処理されるが、
これに代えて、フォトダイオード１６，１７に、専用コ
ントローラを介してリアルタイム型オシロスコープ等の
従来からある測定器を接続し、信号測定を行うこともで
きる。これにより、電気光学プローブ１を使用して広帯
域測定を簡単に行うことができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、電気光
学プローブ１を用いた信号測定においては、金属ピン３
ａを測定点に接触させることが必要であるため、測定の
繰り返しにより金属ピン３ａが摩耗し、プローブヘッド
３の交換が必要となる場合があった。このような場合、
プローブヘッド３に固定された電気光学素子４が高価で
あることから、コストが嵩むこととなっていた。

【００１１】さらに、一般に、測定対象の信号の特性等
によって最適な金属ピンの種類が変化するのに対し、上
述の電気光学プローブ１においては、金属ピン３ａがプ
ローブヘッド３に固定されているために、被測定信号の
特性等に合わせて、最適な金属ピン３ａを選択しようと
しても、対応が困難であった。

【００１２】このような事情に鑑み、本発明において
は、金属ピンを容易に交換できるような電気光学プロー
ブを提供することを課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明においては以下の手段を採用した。請求項１記
載の電気光学プローブは、プローブ本体の内部における
該プローブ本体の基端部側と先端部側との間に光路が形
成され、前記光路の前記プローブ本体の基端部側の一端
には、レーザーダイオードが配置され、前記光路の前記
プローブ本体の先端部側の他端には、電気光学素子が前
記プローブ本体の先端部を構成するプローブヘッドに保
持された状態で配置され、該プローブヘッドには、金属
ピンが、その基端が前記電気光学素子に接続するととも
に、その先端が該プローブヘッドから突出する状態で設
けられ、前記レーザダイオードから発せられるレーザ光
を、前記光路を通じて前記電気光学素子に入射し、この
入射光を前記電気光学素子に設けられた反射膜によって
反射し、さらに、この反射光を分離してフォトダイオー
ドにより電気信号に変換する構成となっており、前記プ
ローブヘッドは、前記電気光学素子を保持するヘッド本
体と、該ヘッド本体に着脱自在に設けられて、前記金属
ピンを保持する先端部材とを備えた構成とされているこ
とを特徴としている。

【００１４】このような構成とされるために、この電気
光学プローブにおいては、先端部材を交換することによ
って、金属ピンの交換を容易に行うことができる。

【００１５】請求項２記載の電気光学プローブは、請求
項１記載の電気光学プローブであって、前記ヘッド本体
と前記先端部材とのいずれか一方には、同他方に向けて
突出する雄ネジ部が設けられ、同他方には、前記雄ネジ
部と嵌合する雌ネジ部が形成され、これら雄ネジ部およ
び雌ネジ部が着脱可能とされていることを特徴としてい
る。

【００１６】請求項３記載の電気光学プローブは、請求
項１記載の電気光学プローブであって、前記先端部材に
は、ビス孔が設けられ、該先端部材は、前記ビス孔に配
設されたビスによって、前記ヘッド本体に対して固定さ
れることを特徴としている。

【００１７】請求項４記載の電気光学プローブは、請求
項１から３のいずれかに記載の電気光学プローブであっ
て、前記電気光学素子と前記金属ピンの基端とは、これ
ら電気光学素子および金属ピン間の接触による衝撃を緩
和する緩衝板を介して互いに接続されていることを特徴
としている。

【００１８】このような構成とされるために、この電気
光学プローブにおいては、先端部材をプローブ本体に着
脱する際に、金属ピンとの接触により電気光学素子にダ
メージが与えられることを防ぐことができる。

【００１９】請求項５記載の電気光学プローブは、請求
項１から４のいずれかに記載の電気光学プローブであっ
て、前記フォトダイオードおよび前記レーザダイオード
は、電気光学サンプリングオシロスコープに接続され、
前記レーザダイオードは、前記レーザー光を前記電気光
学サンプリングオシロスコープからの制御信号に基づい
てパルス光として発することを特徴としている。

【００２０】請求項６記載の電気光学プローブは、請求
項１から４のいずれかに記載の電気光学プローブであっ
て、前記レーザーダイオードは、前記レーザ光として連
続光を発することを特徴としている。

【００２１】このように、請求項６に係る電気光学プロ
ーブにおいては、レーザーダイオードから連続光を発す
るようにすることにより、フォトダイオードから連続的
な出力を得ることができ、したがって、フォトダイオー
ドを専用コントローラを介してリアルタイム型オシロス
コープなどの従来からある汎用測定器に接続して測定を
行うことも可能となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に基づいて説明する。図１および図２は、本発明の一
実施の形態を示す電気光学プローブ２１の立断面図およ
び平面図である。この電気光学プローブ２１は、プロー
ブ本体２２の内部に、光路２３が形成された概略構成と
なっている。

【００２３】プローブ本体２２は、その先端部２２ａが
プローブヘッド２４として形成されており、また、その
基端部２２ｂには、レーザダイオード２５が収納された
構成となっている。レーザダイオード２５は、光路２３
におけるプローブ本体２２の基端部２２ｂ側の一端２３
ａに位置し、図示略のＥＯＳオシロスコープに対して接
続されている。

【００２４】一方、光路２３におけるプローブ本体２２
の先端部２２ａ側の他端２３ｂには、電気光学素子２６
が配置されている。電気光学素子２６は、プローブヘッ
ド２４によって保持されており、また、電気光学素子２
６のプローブ本体２２の先端部２２ａ側の端面２６ａに
は、反射膜２８が形成された構成となっている。

【００２５】また、プローブヘッド２４は、電気光学素
子２６を固定するヘッド本体３０と、ヘッド本体３０の
さらに先端に設けられた先端部材３１とを備えた構成と
なっている。図中に示すように、ヘッド本体３０には、
先端部材３１側に向かって突出する雄ネジ部３０ａが設
けられており、一方、先端部材３１には、雄ネジ部３０
ａと嵌合可能な雌ネジ部３１ａが設けられている。これ
ら雄ネジ部３０ａおよび雌ネジ部３１ａにより、先端部
材３１は、ヘッド本体３０に対して着脱自在な構成とな
っている。

【００２６】また、先端部材３１には金属ピン３２が固
定されている。金属ピン３２は、その基端３２ａが、電
気光学素子２６に対して接続されており、また、その先
端３２ｂが、先端部材３１から突出する構成となってい
る。

【００２７】一方、光路２３上には、図中、右方から順
に、コリメートレンズ３３、偏光ビームスプリッタ３
４、ファラデー素子３５、偏光ビームスプリッタ３７、
1/4波長板３８が配列されている。また、光路２３の側
方の偏光ビームスプリッタ３４，３７に対応する位置に
は、フォトダイオード４１，４２が設けられている。こ
れらフォトダイオード４１，４２は、前記ＥＯＳオシロ
スコープに接続されており、入射光を電気信号に変換し
て、ＥＯＳオシロスコープに送信できるようになってい
る。

【００２８】また、偏光ビームスプリッタ３４，３７
は、光路２３を通る光の一部を分離してフォトダイオー
ド４１，４２側に反射するアイソレータとして機能する
ものとされている。

【００２９】電気光学プローブ２１を信号測定に用いる
場合には、金属ピン３２の先端３２ｂを測定点に接触さ
せた状態で、ＥＯＳオシロスコープを起動させる。これ
により、ＥＯＳオシロスコープから発せられた制御信号
に基づき、レーザダイオード２５から、レーザ光が出射
され、このレーザ光がコリメートレンズ３３によって平
行光に変換され、光路２３を直進し、電気光学素子２６
に到達する。

【００３０】電気光学素子２６に到達したレーザ光は、
反射膜２８に入射されるとともに、反射されて、光路２
３をレーザダイオード２５側に進行することとなる。こ
のとき、電気光学素子２６は、金属ピン３２を介して伝
搬された測定点の電界の変化により複屈折率が変化した
状態となっているために、レーザ光は、電気光学素子２
６を伝搬する際に偏光状態が変化することとなり、偏光
状態が変化した状態で、偏光ビームスプリッタ３４，３
７によって分離され、フォトダイオード４１，４２へ集
光されて入射し、電気信号に変換される。これにより、
レーザ光の偏光状態の変化をフォトダイオード４１，４
２の出力差として検出し、測定点の電気信号を測定する
ことができる。

【００３１】このような信号測定を繰り返し行った場
合、金属ピン３２が、その先端３２ｂ側から摩耗してい
くこととなり、したがって、金属ピン３２の交換が必要
となるが、このような場合、電気光学プローブ２１にお
いては、先端部材３１がヘッド本体３０に対して着脱自
在な構成となっているために、金属ピン３２を先端部材
３１ごと交換するようにすれば、容易に金属ピン３２の
交換を行うことができる。これにより、従来と異なり、
金属ピン３２を交換するにあたって、プローブヘッド２
４全体を交換する必要が無くなり、その結果、高価な電
気光学素子２６の交換が不要となるため、コスト的に有
利となる。

【００３２】さらに、この電気光学プローブ２１におい
ては、先端部材３１を、測定対象の信号の特性等に合わ
せて、最適な金属ピン３２が装着されたものに容易に交
換できることから、従来に比較して、測定精度の向上を
図ることができる。

【００３３】以上は、本発明の実施の形態の一例である
が、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでな
く、その趣旨を逸脱しない範囲内で、形状・構造等の変
更が可能である。

【００３４】例えば、図３に示すように、電気光学素子
２６と金属ピン３２の基端３２ａとの間に緩衝板４４を
設け、これにより、先端部材３１の着脱時に、金属ピン
３２と電気光学素子２６との間に発生する衝撃を緩和す
るようにしてもよい。この場合には、電気光学素子２６
に損傷が発生する危険が少なくなり、電気光学プローブ
２１の耐久性を向上させることができる。

【００３５】また、先端部材３１をヘッド本体３０に固
定するための手段は、必ずしも上記実施の形態に限定さ
れず、例えば、先端部材３１側に雄ネジ部を、ヘッド本
体３０側に雌ネジ部を設けるようにしてもよい。また、
図４に示すように、先端部材３１にビス孔４５を設ける
とともに、このビス孔４５にビス４６を配設し、これに
より、先端部材３１をヘッド本体３０に固定するように
してもよい。もちろん、この場合にも、図５に示すよう
に、電気光学素子２６と金属ピン３２の基端３２ａとの
間に緩衝板４４を設けるようにしても構わない。

【００３６】また、これらとは別に、図６に示すよう
に、金属ピン３２を基端部３２ｃおよび先端部３２ｄに
分割しておくとともに、基端部３２を電気光学素子２６
に固定し、先端部３２ｄを先端部材３１に固定しておく
こととし、先端部材３１をヘッド本体３０に嵌合させる
際に、これら基端部３２ｃおよび先端部３２ｄを一体化
するようにしてもよい。

【００３７】このようにすることにより、金属ピン３２
の基端３２ａと電気光学素子２６との位置関係を一定に
することができ、精度の高い測定を実現することができ
る。また、この場合、基端部３２ｃと先端部３２ｄの間
に、銀ペーストを配置するようにすれば、これらを良好
に一体化することができる。

【００３８】また、上記実施の形態において、レーザダ
イオード２５から連続光を発するようにすれば、リアル
タイム型オシロスコープ、サンプリングオシロスコー
プ、スペアナ等の従来からある汎用測定器による信号測
定も可能となる。この場合、フォトダイオード４１，４
２に、ＥＯＳオシロスコープに代えて、専用コントロー
ラを介して、リアルタイム型オシロスコープ、サンプリ
ングオシロスコープ、スペクトルアナライザ等を接続す
るようにすればよい。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る電
気光学プローブは、金属ピンを保持する先端部材をヘッ
ド本体から着脱自在となるように形成したために、金属
ピンの交換が必要となった場合には、これを先端部材ご
と容易に交換することができる。これにより、従来と異
なり、金属ピンを交換するにあたって、プローブヘッド
全体を交換する必要が無くなり、その結果、高価な電気
光学素子の交換が不要となるため、コスト的に有利とな
る。

【００４０】また、この場合、請求項２のように、先端
部材とヘッド本体とのいずれか一方に雄ネジ部を、他方
に雌ネジ部を設けるようにすれば、先端部材とヘッド本
体とを容易に着脱自在とすることができ、請求項１の発
明を良好に実現することができる。さらに、請求項３の
ように、先端部材にビス孔を設け、このビス孔に配設し
たビスによって先端部材をヘッド本体に固定するように
しても、請求項２と同様の効果を得ることができる。

【００４１】さらに、請求項４のように、電気光学素子
と金属ピンとの間に緩衝板を設けるようにすれば、先端
部材の着脱時に電気光学素子に衝撃が加わることが防が
れ、その結果、耐久性の向上を図ることができる。

【００４２】また、以上の発明において、請求項５のよ
うに、フォトダイオードおよびレーザダイオードを、電
気光学サンプリングオシロスコープに接続し、レーザダ
イオードからレーザー光を電気光学サンプリングオシロ
スコープからの制御信号に基づいてパルス光として発す
るようにすれば、電気光学サンプリングオシロスコープ
による広帯域における高精度な信号測定が可能となる。

【００４３】また、請求項６のように、レーザーダイオ
ードから連続光を発するようにすることにより、フォト
ダイオードから連続的な出力を得ることができ、したが
って、フォトダイオードを専用コントローラを介してリ
アルタイムオシロスコープなどの従来からある汎用測定
器に接続して測定を行うことも可能となり、汎用性が高
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態を模式的に示す電気光
学プローブの立断面図である。

【図２】 同、平面図である。

【図３】 図１に示した電気光学プローブにおける金属
ピンと電気光学素子との間に緩衝板を配置した場合の例
を示すプローブヘッドの立断面図である。

【図４】 先端部材とヘッド本体とを図１に示したもの
とは別の手段により固定した際の状態を示すプローブヘ
ッドの立断面図である。

【図５】 図４に示したプローブヘッドにおいて、金属
ピンと電気光学素子との間に緩衝板を配置した場合の例
を示す立断面図である。

【図６】 図４に示したプローブヘッドにおいて、金属
ピンを基端部と先端部とに分割した場合の例を示す立断
面図である。

【図７】 本発明の従来の技術を模式的に示す電気光学
プローブの概略構成図である。

【符号の説明】

２１ 電気光学プローブ ２２ プローブ本体 ２２ａ 先端部 ２２ｂ 基端部 ２３ 光路 ２３ａ 一端 ２３ｂ 他端 ２４ プローブヘッド ２５ レーザダイオード ２６ 電気光学素子 ２８ 反射膜 ３０ ヘッド本体 ３０ａ 雄ネジ部 ３１ 先端部材 ３１ａ 雌ネジ部 ３２ 金属ピン ３２ａ 基端 ３２ｂ 先端

フロントページの続き (72)発明者 八木 敏之 東京都大田区蒲田４丁目19番７号 安藤 電気株式会社内 (72)発明者 品川 満 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 永妻 忠夫 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 山田 順三 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平10−268003（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−262117（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−90371（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−265606（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−242152（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−267407（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−44665（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−98329（ＪＰ，Ａ) 米国特許5105148（ＵＳ，Ａ) 国際公開89／09413（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 13/40 G01R 1/06 G01R 15/24 G01R 19/00 G01R 31/302

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プローブ本体の内部における該プローブ
   本体の基端部側と先端部側との間に光路が形成され、 前記光路の前記プローブ本体の基端部側の一端には、レ
   ーザーダイオードが配置され、 前記光路の前記プローブ本体の先端部側の他端には、電
   気光学素子が前記プローブ本体の先端部を構成するプロ
   ーブヘッドに保持された状態で配置され、 該プローブヘッドには、金属ピンが、その基端が前記電
   気光学素子に接続するとともに、その先端が該プローブ
   ヘッドから突出する状態で設けられ、 前記レーザダイオードから発せられるレーザ光を、前記
   光路を通じて前記電気光学素子に入射し、この入射光を
   前記電気光学素子に設けられた反射膜によって反射し、
   さらに、この反射光を分離してフォトダイオードにより
   電気信号に変換する構成となっており、 前記プローブヘッドは、前記電気光学素子を保持するヘ
   ッド本体と、該ヘッド本体に着脱自在に設けられて、前
   記金属ピンを保持する先端部材とを備えた構成とされて
   いることを特徴とする電気光学プローブ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電気光学プローブであっ
   て、 前記ヘッド本体と前記先端部材とのいずれか一方には、
   同他方に向けて突出する雄ネジ部が設けられ、同他方に
   は、前記雄ネジ部と嵌合する雌ネジ部が形成され、これ
   ら雄ネジ部および雌ネジ部が着脱可能とされていること
   を特徴とする電気光学プローブ。
3. 【請求項３】 請求項１記載の電気光学プローブであっ
   て、 前記先端部材には、ビス孔が設けられ、 該先端部材は、前記ビス孔に配設されたビスによって、
   前記ヘッド本体に対して固定されることを特徴とする電
   気光学プローブ。
4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれかに記載の電気
   光学プローブであって、 前記電気光学素子と前記金属ピンの基端とは、これら電
   気光学素子および金属ピン間の接触による衝撃を緩和す
   る緩衝板を介して互いに接続されていることを特徴とす
   る電気光学プローブ。
5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれかに記載の電気
   光学プローブであって、 前記フォトダイオードおよび前記レーザダイオードは、
   電気光学サンプリングオシロスコープに接続され、 前記レーザダイオードは、前記レーザー光を前記電気光
   学サンプリングオシロスコープからの制御信号に基づい
   てパルス光として発することを特徴とする電気光学プロ
   ーブ。
6. 【請求項６】 請求項１から４のいずれかに記載の電気
   光学プローブであって、 前記レーザーダイオードは、前記レーザ光として連続光
   を発することを特徴とする電気光学プローブ。