(57)【要約】【課題】  電気光学結晶の自然複屈折率による感度低下の補償が可能な電界センサとその調整方法を提供する。【解決手段】  電界センサは、光源１と、被測定信号に基づく電界が印加され、その電界に応じて複屈折率が変化し、その複屈折率に応じて、前記光源１から入射される光の偏光状態を変化させて出射する電気光学結晶７と、前記被測定信号に基づく電界を前記電気光学結晶７に印加するための一対の電極１１，１３と、当該電気光学結晶７から出射された光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、当該各偏光成分の強度の差分に応じた交流信号を得るためのＰＢＳ９，ＰＤ１７，１９，差動増幅器２１と、前記電気光学結晶７が有する自然複屈折性による、前記電界が印加されていないときにおける、前記光源１から入射される光の偏光状態の変化を相殺するための１／４波長板６及び１／２波長板８と、を備える。【選択図】  図７
2008180734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源（１）と、
被測定信号に基づく電界が印加され、その電界に応じて複屈折率が変化し、その複屈折率に応じて、前記光源（１）から入射される光の偏光状態を変化させて出射する電気光学結晶（７）と、
前記被測定信号に基づく電界を前記電気光学結晶（７）に印加するための一対の電極（１１，１３）と、
当該電気光学結晶（７）から出射された光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、当該各偏光成分の強度の差分に応じた交流信号を得る検出部（９，１７，１９，２１）と、
前記電気光学結晶（７）が有する自然複屈折性による、前記電界が印加されていないときにおける、前記光源（１）から入射される光の偏光状態の変化を相殺する補償手段（（６，８），（２７，３１，２９，２３，２５），（２７，３１，２９，３３），（４３，４４，４５，４７，４９，２９，２３，２５），（４３，４４，４５，４７，４９，２９，３３））と、
を備えたことを特徴とする電界センサ。
【請求項２】
前記電気光学結晶（７）に入射される光は任意の偏光であり、
前記補償手段は、
電気的主軸が前記電気光学結晶（７）から出射した楕円偏光の主軸と一致し、その楕円偏光を直線偏光に変換する１／４波長板（６）と、
前記電界が印加されていないときの、前記１／４波長板（６）からの直線偏光の偏波面が前記電気光学結晶（７）の電気的主軸に対して有する角度を４５°−φoとしたときに、電気的主軸が前記電気光学結晶（７）の電気的主軸に対して有する角度が、ｎ・４５°−φo／２（ただし、ｎは整数）であることでもって、前記１／４波長板（６）から出射する直線偏光の偏波面の角度を調整する１／２波長板（８）と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の電界センサ。
【請求項３】
前記電気光学結晶（７）に入射される光は、偏波面が前記電気光学結晶（７）の電気的主軸に対して有する角度が４５°である直線偏光であり、
前記補償手段は、
電気的主軸が前記電気光学結晶（７）の電気的主軸に対して有する角度は４５°であり、前記電気光学結晶（７）から出射する楕円偏光を直線偏光に変換する１／４波長板（６）と、
前記電界が印加されていないときの、前記電気光学結晶（７）から出射した楕円偏光に含まれる位相差をφoとしたときに、電気的主軸が前記電気光学結晶（７）の電気的主軸に対して有する角度が、ｎ・４５°−φo／２（ただし、ｎは整数）であることでもって、前記１／４波長板（６）から出射する直線偏光の偏波面の角度を調整する１／２波長板（８）と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の電界センサ。
【請求項４】
前記電気光学結晶（７）に入射される光は円偏光であり、
前記補償手段は、
電気的主軸が前記電気光学結晶（７）の電気的主軸に対して有する角度は４５°であり、前記電気光学結晶（７）から出射する楕円偏光を直線偏光に変換する１／４波長板（６）と、
前記電界が印加されていないときの、前記電気光学結晶（７）から出射した楕円偏光に含まれる位相差をφoとしたときに、電気的主軸が前記電気光学結晶（７）の電気的主軸に対して有する角度が、ｎ・４５°−φo／２（ただし、ｎは整数）であることでもって、前記１／４波長板（６）から出射する直線偏光の偏波面の角度を調整する１／２波長板（８）と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の電界センサ。
【請求項５】
前記φoは、φo＝（２π／λ）（ｎo−ｎe）Ｌに基づいて決定されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の電界センサ。
ここで、ｎoは、前記電気光学結晶の常光に対する屈折率、
ｎeは、前記電気光学結晶の異常光に対する屈折率、
λは、光の真空中における波長、
Ｌは、前記電気光学結晶の光の方向における長さ。
【請求項６】
前記補償手段は、
制御信号（２９）に基づいた電界を前記電気光学結晶に印加する一対の制御電極（２３，２５）と、
前記検出部（９，１７，１９，２１）により得られた前記交流信号に基づき、前記被測定信号に基づく電界が印加されていないときにおける、前記光源（１）から入射される光の偏光状態の変化を相殺するような前記制御信号（２９）を生成する制御信号生成手段（（２７，３１），（４３，４４，４５，４７，４９））と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の電界センサ。
【請求項７】
前記補償手段は、
制御信号（２９）を前記被測定信号に加算する加算器（３３）と、
前記検出部（９，１７，１９，２１）により得られた前記交流信号に基づき、前記被測定信号に基づく電界が印加されていないときにおける、前記光源（１）から入射される光の偏光状態の変化を相殺するような前記制御信号（２９）を生成する制御信号生成手段（（２７，３１），（４３，４４，４５，４７，４９））と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の電界センサ。
【請求項８】
前記制御信号生成手段は、
前記Ｐ偏光成分に基づく電気信号および前記Ｓ偏光成分に基づく電気信号をそれぞれ入力する第１バッファアンプおよび第２バッファアンプ（４３，４４）と、
前記第１バッファアンプおよび第２バッファアンプ（４３，４４）の出力をそれぞれ入力する第１ローパスフィルタおよび第２ローパスフィルタ（４５，４７）と、
前記第１ローパスフィルタおよび第２ローパスフィルタ（４５，４７）の出力を入力し、それらの出力の差分を積分する積分器（４９）と、
を含むことを特徴とする請求項６または７に記載の電界センサ。
【請求項９】
光源（１）と；被測定信号に基づく電界が印加され、その電界に応じて複屈折率が変化し、その複屈折率に応じて、入射される任意の偏光の偏光状態を変化させて出射する電気光学結晶（７）と；前記被測定信号に基づく電界を前記電気光学結晶（７）に印加するための一対の電極（１１，１３）と；当該電気光学結晶（７）から出射された光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、当該各偏光成分の強度の差分に応じた交流信号を得る検出部（９，１７，１９，２１）と；を備えた電界センサの調整方法であって、
前記電気光学結晶（７）から出射した楕円偏光を直線偏光に変換する１／４波長板（６）を、その電気的主軸が前記楕円偏光の電気的主軸と一致するように設け、
前記１／４波長板（６）から出射する直線偏光の偏波面の角度を調整する１／２波長板（８）を、前記電界が印加されていないときの、前記１／４波長板（６）からの直線偏光の偏波面が前記電気光学結晶（７）の電気的主軸に対して有する角度を４５°−φoとしたときに、電気的主軸が前記電気光学結晶（７）の電気的主軸に対して有する角度が、ｎ・４５°−φo／２（ただし、ｎは整数）となるように設けることを特徴とする電界センサの調整方法。
【請求項１０】
光源（１）と；被測定信号に基づく電界が印加され、その電界に応じて複屈折率が変化し、その複屈折率に応じて、偏波面が電気光学結晶（７）その電気的主軸に対して有する角度が４５°である直線偏光の偏光状態を変化させて出射する電気光学結晶（７）と；前記被測定信号に基づく電界を前記電気光学結晶（７）に印加するための一対の電極（１１，１３）と；当該電気光学結晶（７）から出射された光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、当該各偏光成分の強度の差分に応じた交流信号を得る検出部（９，１７，１９，２１）と；を備えた電界センサの調整方法であって、
前記電気光学結晶（７）から出射する楕円偏光を直線偏光に変換する１／４波長板（６）を、電気的主軸が前記電気光学結晶（７）の電気的主軸に対して４５°の角度となるように設け、
前記１／４波長板（６）から出射する直線偏光の偏波面の角度を調整する１／２波長板（８）を、前記電界が印加されていないときの、前記電気光学結晶（７）から出射した楕円偏光に含まれる位相差をφoとしたときに、電気的主軸が前記電気光学結晶（７）の電気的主軸に対して有する角度が、ｎ・４５°−φo／２（ただし、ｎは整数）となるように設けることを特徴とする電界センサの調整方法。
【請求項１１】
光源（１）と；被測定信号に基づく電界が印加され、その電界に応じて複屈折率が変化し、その複屈折率に応じて、入射される円偏光の偏光状態を変化させて出射する電気光学結晶（７）と；前記被測定信号に基づく電界を前記電気光学結晶（７）に印加するための一対の電極（１１，１３）と；当該電気光学結晶（７）から出射された光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、当該各偏光成分の強度の差分に応じた交流信号を得る検出部（９，１７，１９，２１）と；を備えた電界センサの調整方法であって、
前記電気光学結晶（７）から出射する楕円偏光を直線偏光に変換する１／４波長板（６）を、電気的主軸が前記電気光学結晶（７）の電気的主軸に対して４５°の角度となるように設け、
前記１／４波長板（６）から出射する直線偏光の偏波面の角度を調整する１／２波長板（８）を、前記電界が印加されていないときの、前記電気光学結晶（７）から出射した楕円偏光に含まれる位相差をφoとしたときに、電気的主軸が前記電気光学結晶（７）の電気的主軸に対して有する角度が、ｎ・４５°−φo／２（ただし、ｎは整数）となるように設けることを特徴とする電界センサの調整方法。
【請求項１２】
前記φoは、φo＝（２π／λ）（ｎo−ｎe）Ｌに基づいて決定されることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載の電界センサの調整方法。
ここで、ｎoは、前記電気光学結晶の常光に対する屈折率、
ｎeは、前記電気光学結晶の異常光に対する屈折率、
λは、光の真空中における波長、
Ｌは、前記電気光学結晶の光の方向における長さ。
【請求項１３】
前記φoは、測定により決定されることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載の電界センサの調整方法。
【請求項１４】
光源（１）と；被測定信号に基づく電界が印加され、その電界に応じて複屈折率が変化し、その複屈折率に応じて、前記光源（１）から入射される光の偏光状態を変化させて出射する電気光学結晶（７）と；前記被測定信号に基づく電界を前記電気光学結晶（７）に印加するための一対の電極（１１，１３）と；当該電気光学結晶（７）から出射された光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、当該各偏光成分の強度の差分に応じた交流信号を得る検出部（９，１７，１９，２１）と；制御信号（２９）に基づいた電界を前記電気光学結晶（７）に印加する一対の制御電極（２３，２５）と；前記制御信号（２９）を生成する制御信号生成手段（３１）と；を備えた電界センサの調整方法であって、
前記検出部（９，１７，１９，２１）により得られた前記交流信号を表示し、
表示された前記交流信号に基づき、前記被測定信号に基づく電界が印加されていないときにおける、前記光源（１）から入射される光の偏光状態の変化を相殺するような前記制御信号（２９）を生成するように前記制御信号生成手段（３１）を調整することを特徴とする電界センサの調整方法。
【請求項１５】
光源（１）と；被測定信号に基づく電界が印加され、その電界に応じて複屈折率が変化し、その複屈折率に応じて、前記光源（１）から入射される光の偏光状態を変化させて出射する電気光学結晶（７）と；前記被測定信号に基づく電界を前記電気光学結晶（７）に印加するための一対の電極（１１，１３）と；当該電気光学結晶（７）から出射された光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、当該各偏光成分の強度の差分に応じた交流信号を得る検出部（９，１７，１９，２１）と；制御信号（２９）を前記被測定信号に加算する加算器（３３）と；前記制御信号（２９）を生成する制御信号生成手段（３１）と；を備えた電界センサの調整方法であって、
前記検出部（９，１７，１９，２１）により得られた前記交流信号を表示し、
表示された前記交流信号に基づき、前記被測定信号に基づく電界が印加されていないときにおける、前記光源（１）から入射される光の偏光状態の変化を相殺するような前記制御信号（２９）を生成するように前記制御信号生成手段（３１）を調整することを特徴とする電界センサの調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象の電界が印加される電気光学（Electro Optic）結晶（以下、“ＥＯ結晶”とする）にレーザ光を照射し、これを検出することにより印加された電界の電界強度を測定する電界センサと、かかる電界センサの調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＥＯ効果を利用した電界センサにおいては、交流の電界が印加されているＥＯ結晶に光ビームを入射させ、ＥＯ結晶から出射された光を偏光ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter：以下、ＰＢＳという）によりＳ偏光とＰ偏光とに分離し、２つの光検出器（Photo Detector：以下、ＰＤという）によってそれぞれの偏光を独立に検出する。そして、各偏光の強度の差を差動アンプで検出する。
【０００３】
ＰＢＳに入射する直前の光ビームの偏光状態としては、円偏光であることが望ましい。円偏光のときの主なメリットを以下に列挙する。
【０００４】
（１）光ビームの強度変調度が最大となり、高感度の検出に寄与する。また、差動信号検出によってＰＤの出力信号の振幅を２倍に増幅することができる。
【０００５】
（２）差動信号検出によって光ビームの強度雑音を低減できるので、高感度の検出に寄与する。
【０００６】
（３）差動信号検出によって信号の直流成分を相殺できるので、信号処理回路の負担軽減に寄与する。
【０００７】
図１は、従来の電界センサの動作説明図である。
【０００８】
光源１から出射した光ビーム３は１／４波長板（Quarter Wave Plate：以下、ＱＷＰという）５とＥＯ結晶７を透過後、ＰＢＳ９に入射する。光ビーム３の偏光状態は、ＰＢＳ９に入射する直前において円偏光になるように、ＱＷＰ５によって調整されている。ＥＯ結晶７には、信号電極１１およびグラウンド電極１３を介して、交流の被測定信号１５に応じた交流電界が印加される。光ビーム３は電界に応じてＥＯ結晶７内にて偏光変調を受ける。偏光変調光はＰＢＳ９でＳおよびＰ偏光成分に分離される。このとき、各偏光成分は強度変調光に変換されている。強度変調されたＳおよびＰ偏光成分は互いに逆相に変化する。したがって、ＰＤ１７および１９で受光し、差動アンプ２１を用いて差動信号検出することによって、より高感度な出力信号２２を得ることが可能となる。
【０００９】
図２は、ＰＢＳ９に入射する光ビームの偏光状態とそれに対応する電気信号の関係を示す図である。
【００１０】
図２（ａ）に示すように、ＰＢＳ９に入射する光ビームの偏光状態が円偏光に保たれているならば、ＰＢＳ９で分離されるＳおよびＰ偏光成分の強度は等しい。
【００１１】
図２（ｂ）に示すように、ＰＢＳ９に入射する光ビームの偏光状態が円偏光に保たれているならば、ＰＤ１７および１９が出力する電気信号は、０．５Ｖｍａｘ（Ｖｍａｘは全光量に対応するＰＤの出力電圧）を基準値として被測定信号(この場合は正弦波)に対応した信号となり、互いに逆相に変化する。ここで、それぞれの信号の最大振幅をＡとおく。
【００１２】
図２（ｃ）に示すように、ＰＢＳ９に入射する光ビームの偏光状態が円偏光に保たれているならば、差動アンプ２１の出力信号の最大振幅は２Ａとなり、直流成分は相殺される。またこの時には、ＰＤ１７および１９の出力信号に含まれている光強度雑音も大幅に低減される。
【００１３】
なお、上記技術は、例えば、特許文献１、特許文献２に開示されている。
【特許文献１】特開２００３−９８２０５号公報
【特許文献２】特開２００１−３２４５２５号公報
【特許文献３】特開２０００−１７１４８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、電界センサにあっては、図２（ｄ）に示すように、ＰＢＳ９に入射する光ビームが円偏光に保たれておらず楕円偏光になっているならば、ＰＢＳ９で分離されるＳおよびＰ偏光成分の強度にアンバランスが生じる。これは、主に温度変化によるものである。
【００１５】
図２（ｅ）に示すように、ＰＢＳ９に入射する光ビームが楕円偏光になっているならば、ＰＤ１７および１９の出力電気信号の直流成分にアンバランスが生じる(Ｖｓ≠ＶｐかつＶｓ＋Ｖｐ＝Ｖｍａｘ)。また、図２（ｂ）の状態に比べて信号振幅ｒＡが小さくなる(ｒＡ，０≦ｒ＜１)。
【００１６】
図２（ｆ）に示すように、ＰＢＳ９に入射する光ビームが楕円偏光になっているならば、差動アンプ２１の出力電気信号には直流成分(Ｖｐ−Ｖｓ)が残る。振幅は２ｒＡとなり、図２（ｃ）の状態に比べて小さくなる。またこの時には、ＰＤ１７および１９の出力信号に含まれている光強度雑音を十分に低減することができない。
【００１７】
なお、光ビームがＰＢＳ９に入射する直前の偏光状態を常に円偏光に保つことは、温度変化のある場合には困難である。
【００１８】
以上のように、電界センサにおいては光ビームが楕円偏光に変化してしまうので、以下のデメリットが生じる。
【００１９】
（１）光ビームの強度変調度が低下するのでセンサとしての感度が低下する。
【００２０】
（２）ＳおよびＰ偏光成分の平均強度にアンバランスが生じ、差動信号検出によってレーザ強度雑音を十分に低減することが不可能であり、センサとしての感度が低下する。
【００２１】
（３）差動信号検出によって信号の直流成分を十分に低減できない。
【００２２】
次に、上記のような電界センサにおける、好ましくない反射光について説明する。
【００２３】
図３は、図１と同様の電界センサの構成を示す図であり、特に、偏光状態に基づく反射光に着目した図である。なお、図３においては、電極１１，１３は省略している。
【００２４】
電界センサ１０１において、レーザ光源１からＰ偏光１０８が照射され、このＰ偏光１０８はＱＷＰ５により円偏光１０９に変換される。
【００２５】
円偏光１０９は、ＥＯ結晶７により偏光変調され、偏光変調された光は、ＰＢＳ９によりＰ偏光（成分）１１０とＳ偏光（成分）１１１とに分離され、Ｐ偏光１１０はＰＤ１９により受信され、電気信号に変換され、一方、Ｓ偏光１１１はＰＤ１７により受信され、電気信号に変換される。これらの電気信号は、図１に示した差動アンプ２２等により差動増幅され、これに基づいて電界が測定される。
【００２６】
なお、以降の説明においては、適宜、上記のＥＯ結晶７、ＰＢＳ９、ＰＤ１７および１９を反射要素１０７と総称する。また、この反射要素１０７の詳細については後述する。
【００２７】
図４は、上記の電界センサ１０１における解決すべき課題について説明するための図である。
【００２８】
上述したように、電界センサ１０１においては、ＥＯ結晶７に円偏光が入射される。しかし、入射された光がＥＯ結晶７を含む反射要素の各構成機器において反射され、それが反射戻り光１１２となり、これがＱＷＰ５によりＳ偏光１１３に変換され、この反射戻り光（Ｓ偏光）１１３がレーザ光源１に逆入射されると、電界センサ１０１の測定精度に影響を及ぼす場合がある。
【００２９】
また、反射光は、ＥＯ結晶端面はもとより、ＰＤの受光面でも発生しやすい。このＰＤの受光面での反射光もレーザ光源１に逆入射されると、電界センサ１０１の測定精度に影響を及ぼす場合がある。
【００３０】
一方、上記のような電界センサは、図５に示すような、人体を伝わる電気信号を検出するものや、図６に示すような、被測定デバイス（Device Under Test:以下、ＤＵＴと称す）中の電気信号を検出するものに応用されている（特許文献３参照）。
【００３１】
図５に示すように、受信用電極ＲＰは、人体１００の被測定点に接触している。信号源Ｓｉｎから送信用電極ＳＰと人体１００を介して、受信用電極ＲＰに電気信号が入力されると、受信用電極ＲＰにリード線で接続された、電界センサ内の信号電極１１は、被測定点と同電位になる。
【００３２】
また、図６に示すように、金属針ＭＮは、ＤＵＴ２０１の被測定点に接触している。信号源ＳｉｎからＤＵＴ２０１を介して、金属針ＭＮに電気信号が入力されると、金属針ＭＮにリード線ＬＤで接続された、電界センサ内の信号電極１１は、被測定点と同電位になる。
【００３３】
これ以降の動作は、図５と図６の場合で同一であり、先ず、信号電極１１と大地グランド間に電界が発生する。この時の電気力線は、図５や図６に示すように、その一部がＥＯ結晶７中を通過するので、ＥＯ結晶７内に電界が発生する。
【００３４】
ＥＯ結晶７内に電界が発生すると、その電界に応じてＥＯ結晶７において複屈折率の変化が生じる。光源１から直接またはＱＷＰ５を介して、複屈折率が変化したＥＯ結晶７に円偏光を入射させると、ＥＯ結晶７からは楕円偏光が出力される。楕円偏光は、２つのミラー１４ａ、１４ｂによって反射した後、ＰＢＳ９に入射し、このＰＢＳ９で２つの直線偏光（ＳおよびＰ偏光）に分離される。このＳおよびＰ偏光は２つのＰＤ１７、１９によって検出され、それぞれの強度に比例した電気信号が差動アンプ２１に入力する。この差動アンプ２１の出力電気信号は、ＥＯ結晶７内の電界振幅に比例するので、差動アンプ２１の出力電気信号を測定することにより、ＥＯ結晶７内の電界振幅を検出することが可能となる。また、ＥＯ結晶７内の電界振幅は、人体１００やＤＵＴ２０１の被測定点の電位に比例しているので、この差動アンプ２１の出力電気信号を検出することにより、被測定点の電位を検出することができる。
【００３５】
しかしながら、図５や図６に示したように、従来の電界センサにおいては、信号電極１１から発生した電気力線のごく一部のみがＥＯ結晶７内を通過するので、ＥＯ結晶７内の電界振幅が小さい。したがって、光源１からの光ビームの偏光状態を十分に変調できず、そのため、電界センサとして高い感度が得られない。
【００３６】
そこで本発明は、上記の従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電気光学結晶の自然複屈折率による感度低下の補償が可能な電界センサとその調整方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
上記目的を達成するため、第１の態様に係る発明は、光源と、被測定信号に基づく電界が印加され、その電界に応じて複屈折率が変化し、その複屈折率に応じて、前記光源から入射される光の偏光状態を変化させて出射する電気光学結晶と、前記被測定信号に基づく電界を前記電気光学結晶に印加するための一対の電極と、当該電気光学結晶から出射された光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、当該各偏光成分の強度の差分に応じた交流信号を得る検出部と、前記電気光学結晶が有する自然複屈折性による、前記電界が印加されていないときにおける、前記光源から入射される光の偏光状態の変化を相殺する補償手段と、を備えた電界センサを要旨とする。
【００３８】
第２の態様に係る発明は、第１の態様に係る発明において、前記電気光学結晶に入射される光は任意の偏光であり、前記補償手段は、電気的主軸が前記電気光学結晶から出射した楕円偏光の主軸と一致し、その楕円偏光を直線偏光に変換する１／４波長板と、前記電界が印加されていないときの、前記１／４波長板からの直線偏光の偏波面が前記電気光学結晶の電気的主軸に対して有する角度を４５°−φoとしたときに、電気的主軸が前記電気光学結晶の電気的主軸に対して有する角度が、ｎ・４５°−φo／２（ただし、ｎは整数）であることでもって、前記１／４波長板から出射する直線偏光の偏波面の角度を調整する１／２波長板と、を含むことを要旨とする。
【００３９】
第３の態様に係る発明は、第１の態様に係る発明において、前記電気光学結晶に入射される光は、偏波面が前記電気光学結晶の電気的主軸に対して有する角度が４５°である直線偏光であり、前記補償手段は、電気的主軸が前記電気光学結晶の電気的主軸に対して有する角度は４５°であり、前記電気光学結晶から出射する楕円偏光を直線偏光に変換する１／４波長板と、前記電界が印加されていないときの、前記電気光学結晶から出射した楕円偏光に含まれる位相差をφoとしたときに、電気的主軸が前記電気光学結晶の電気的主軸に対して有する角度が、ｎ・４５°−φo／２（ただし、ｎは整数）であることでもって、前記１／４波長板から出射する直線偏光の偏波面の角度を調整する１／２波長板と、を含むことを要旨とする。
【００４０】
第４の態様に係る発明は、第１の態様に係る発明において、前記電気光学結晶に入射される光は円偏光であり、前記補償手段は、電気的主軸が前記電気光学結晶の電気的主軸に対して有する角度は４５°であり、前記電気光学結晶から出射する楕円偏光を直線偏光に変換する１／４波長板と、前記電界が印加されていないときの、前記電気光学結晶から出射した楕円偏光に含まれる位相差をφoとしたときに、電気的主軸が前記電気光学結晶の電気的主軸に対して有する角度が、ｎ・４５°−φo／２（ただし、ｎは整数）であることでもって、前記１／４波長板から出射する直線偏光の偏波面の角度を調整する１／２波長板と、を含むことを要旨とする。
【００４１】
第５の態様に係る発明は、第２乃至第４のいずれかの態様に係る発明において、前記φoは、φo＝（２π／λ）（ｎo−ｎe）Ｌに基づいて決定されることを要旨とする。
【００４２】
ここで、ｎoは、前記電気光学結晶の常光に対する屈折率、
ｎeは、前記電気光学結晶の異常光に対する屈折率、
λは、光の真空中における波長、
Ｌは、前記電気光学結晶の光の方向における長さ。
【００４３】
第６の態様に係る発明は、第１の態様に係る発明において、前記補償手段は、制御信号に基づいた電界を前記電気光学結晶に印加する一対の制御電極と、前記検出部により得られた前記交流信号に基づき、前記被測定信号に基づく電界が印加されていないときにおける、前記光源から入射される光の偏光状態の変化を相殺するような前記制御信号を生成する制御信号生成手段と、を含むことを要旨とする。
【００４４】
第７の態様に係る発明は、第１の態様に係る発明において、前記補償手段は、制御信号を前記被測定信号に加算する加算器と、前記検出部により得られた前記交流信号に基づき、前記被測定信号に基づく電界が印加されていないときにおける、前記光源から入射される光の偏光状態の変化を相殺するような前記制御信号を生成する制御信号生成手段と、を含むことを要旨とする。
【００４５】
第８の態様に係る発明は、第６または第７の態様に係る発明において、前記制御信号生成手段は、前記Ｐ偏光成分に基づく電気信号および前記Ｓ偏光成分に基づく電気信号をそれぞれ入力する第１バッファアンプおよび第２バッファアンプと、前記第１バッファアンプおよび第２バッファアンプの出力をそれぞれ入力する第１ローパスフィルタおよび第２ローパスフィルタと、前記第１ローパスフィルタおよび第２ローパスフィルタの出力を入力し、それらの出力の差分を積分する積分器と、を含むことを要旨とする。
【００４６】
また、上記目的を達成するため、第９の態様に係る発明は、光源と；被測定信号に基づく電界が印加され、その電界に応じて複屈折率が変化し、その複屈折率に応じて、入射される任意の偏光の偏光状態を変化させて出射する電気光学結晶と；前記被測定信号に基づく電界を前記電気光学結晶に印加するための一対の電極と；当該電気光学結晶から出射された光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、当該各偏光成分の強度の差分に応じた交流信号を得る検出部と；を備えた電界センサの調整方法であって、前記電気光学結晶から出射した楕円偏光を直線偏光に変換する１／４波長板を、その電気的主軸が前記楕円偏光の電気的主軸と一致するように設け、前記１／４波長板から出射する直線偏光の偏波面の角度を調整する１／２波長板を、前記電界が印加されていないときの、前記１／４波長板からの直線偏光の偏波面が前記電気光学結晶の電気的主軸に対して有する角度を４５°−φoとしたときに、電気的主軸が前記電気光学結晶の電気的主軸に対して有する角度が、ｎ・４５°−φo／２（ただし、ｎは整数）となるように設けることを要旨とする。
【００４７】
また、上記目的を達成するため、第１０の態様に係る発明は、光源と；被測定信号に基づく電界が印加され、その電界に応じて複屈折率が変化し、その複屈折率に応じて、偏波面が電気光学結晶の電気的主軸に対して有する角度が４５°である直線偏光の偏光状態を変化させて出射する電気光学結晶と；前記被測定信号に基づく電界を前記電気光学結晶に印加するための一対の電極と；当該電気光学結晶から出射された光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、当該各偏光成分の強度の差分に応じた交流信号を得る検出部と；を備えた電界センサの調整方法であって、前記電気光学結晶から出射する楕円偏光を直線偏光に変換する１／４波長板を、電気的主軸が前記電気光学結晶の電気的主軸に対して４５°の角度となるように設け、前記１／４波長板から出射する直線偏光の偏波面の角度を調整する１／２波長板を、前記電界が印加されていないときの、前記電気光学結晶から出射した楕円偏光に含まれる位相差をφoとしたときに、電気的主軸が前記電気光学結晶の電気的主軸に対して有する角度が、ｎ・４５°−φo／２（ただし、ｎは整数）となるように設けることを要旨とする。
【００４８】
また、上記目的を達成するため、第１１の態様に係る発明は、光源と；被測定信号に基づく電界が印加され、その電界に応じて複屈折率が変化し、その複屈折率に応じて、入射される円偏光の偏光状態を変化させて出射する電気光学結晶と；前記被測定信号に基づく電界を前記電気光学結晶に印加するための一対の電極と；当該電気光学結晶から出射された光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、当該各偏光成分の強度の差分に応じた交流信号を得る検出部と；を備えた電界センサの調整方法であって、前記電気光学結晶から出射する楕円偏光を直線偏光に変換する１／４波長板を、電気的主軸が前記電気光学結晶の電気的主軸に対して４５°の角度となるように設け、前記１／４波長板から出射する直線偏光の偏波面の角度を調整する１／２波長板を、前記電界が印加されていないときの、前記電気光学結晶から出射した楕円偏光に含まれる位相差をφoとしたときに、電気的主軸が前記電気光学結晶の電気的主軸に対して有する角度が、ｎ・４５°−φo／２（ただし、ｎは整数）となるように設けることを要旨とする。
【００４９】
第１２の態様に係る発明は、第９乃至第１１のいずれかの態様に係る発明において、前記φoは、φo＝（２π／λ）（ｎo−ｎe）Ｌに基づいて決定されることを要旨とする。
【００５０】
ここで、ｎoは、前記電気光学結晶の常光に対する屈折率、
ｎeは、前記電気光学結晶の異常光に対する屈折率、
λは、光の真空中における波長、
Ｌは、前記電気光学結晶の光の方向における長さ。
【００５１】
第１３の態様に係る発明は、第９乃至第１１のいずれかの態様に係る発明において、前記φoは、測定により決定されることを要旨とする。
【００５２】
また、上記目的を達成するため、第１４の態様に係る発明は、光源と；被測定信号に基づく電界が印加され、その電界に応じて複屈折率が変化し、その複屈折率に応じて、前記光源から入射される光の偏光状態を変化させて出射する電気光学結晶と；前記被測定信号に基づく電界を前記電気光学結晶に印加するための一対の電極と；当該電気光学結晶から出射された光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、当該各偏光成分の強度の差分に応じた交流信号を得る検出部と；制御信号に基づいた電界を前記電気光学結晶に印加する一対の制御電極と；前記制御信号を生成する制御信号生成手段と；を備えた電界センサの調整方法であって、前記検出部により得られた前記交流信号を表示し、表示された前記交流信号に基づき、前記被測定信号に基づく電界が印加されていないときにおける、前記光源から入射される光の偏光状態の変化を相殺するような前記制御信号を生成するように前記制御信号生成手段を調整することを要旨とする。
【００５３】
また、上記目的を達成するため、第１５の態様に係る発明は、光源と；被測定信号に基づく電界が印加され、その電界に応じて複屈折率が変化し、その複屈折率に応じて、前記光源から入射される光の偏光状態を変化させて出射する電気光学結晶と；前記被測定信号に基づく電界を前記電気光学結晶に印加するための一対の電極と；当該電気光学結晶から出射された光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、当該各偏光成分の強度の差分に応じた交流信号を得る検出部と；制御信号を前記被測定信号に加算する加算器と；前記制御信号を生成する制御信号生成手段と；を備えた電界センサの調整方法であって、前記検出部により得られた前記交流信号を表示し、表示された前記交流信号に基づき、前記被測定信号に基づく電界が印加されていないときにおける、前記光源から入射される光の偏光状態の変化を相殺するような前記制御信号を生成するように前記制御信号生成手段を調整することを要旨とする。
【発明の効果】
【００５４】
本発明の電界センサによれば、電気光学結晶の自然複屈折率による感度低下を補償することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００５６】
先ず、電気光学結晶の自然複屈折率による感度低下の補償が可能な電界センサとその調整方法に係る実施の形態を第１乃至第８の実施の形態として説明する。なお、ここでは、光の進行方向をｚ軸、鉛直上向きをｙ軸、水平方向をｘ軸と定義する。
【００５７】
＜第１の実施の形態＞
図７は、本発明の第１の実施の形態に係る電界センサの構成を示す図である。
【００５８】
第１の実施の形態に係る電界センサは、電界の結合で複屈折率が変化する電気光学（Electro Optic）結晶（以下、“ＥＯ結晶”とする）７と、該ＥＯ結晶７に電界を結合させるために当該ＥＯ結晶７を挟んで設けられた一対の電極１１，１３と、ＥＯ結晶７に光を入射させる光源１と、ＥＯ結晶７から出射する楕円偏光を直線偏光にする１／４波長板（Quarter Wave Plate：以下、ＱＷＰという）６と、当該直線偏光の位相を調整する１／２波長板（Half Wave Plate：以下、ＨＷＰという）８と、該ＨＷＰ８から出射する直線偏光をＰ偏光成分とＳ偏光偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter：以下、ＰＢＳと称す）９と、当該各偏光成分を電気信号に変換する２つの光検出器（Photo Detector：以下、ＰＤと称す）１７，１９と、該各光検出器で得られた各電気信号の差分を増幅する差動アンプ（増幅器）２１と、を備える。
【００５９】
第１の実施の形態に係る電界センサでは、光源１から出射した直線偏光がＥＯ結晶７に入射する。このとき、Ａ点における直線偏光の偏波面はＥＯ結晶７の電気的主軸に対して４５°をなすように設定されている。
【００６０】
ＥＯ結晶７は自然複屈折性を有しており、ＥＯ結晶７に電界が印加されない場合において、Ｂ点における光は楕円偏光になっている。ＱＷＰ６の電気的主軸は、ＥＯ結晶７の電気的主軸に対して４５°をなすように設定されている。Ｂ点における楕円偏光は、このように設定されたＱＷＰ６を透過することによって、直線偏光に変換される。
【００６１】
したがってＣ点における光は直線偏光になっているが、一般にその偏波面とＥＯ結晶７の電気的主軸がなす角度は、Ａ点におけるその角度とは異なる。Ｃ点における直線偏光は、適当な角度に配置されたＨＷＰ８によって、ＰＢＳ９に対するＰ偏光成分とＳ偏光成分を１：１の割合で含むような直線偏光に変換される。ここで、Ｐ偏光とはＰＢＳ９を透過する直線偏光であり、Ｓ偏光とはＰＢＳ９で反射する直線偏光である。ＰＢＳ９の配置の仕方は任意であるが、ＰおよびＳ偏光を水平面（ｘ−ｚ面）内に分離するようにＰＢＳ９を配置するのが普通であるので、本実施の形態においてもそのような配置を採用したものとして説明を続ける。
【００６２】
Ｐ偏光の偏波面はｘ−ｚ平面に一致し、Ｓ偏光の偏波面はｙ−ｚ平面に一致している。したがってＤ点における直線偏光の偏波面は、ｘ−ｚ平面と４５°の角度をなしている。
【００６３】
Ｄ点における直線偏光に含まれるＰおよびＳ成分の比は１：１であるので、ＰＤ１９およびＰＤ１７で検出される光量は等しい。ＰＤ１９および１７は受光強度に比例したレベルの電気信号を出力するので、差動アンプ２１が出力する電気信号のレベルはゼロである。ＥＯ結晶７に電界が印加された場合には、Ｄ点における直線偏光の偏波面がｘ−ｚ平面となす角度が４５°からδだけずれる。δはＥＯ結晶７中の電界振幅Ａに比例する。したがって電界が印加されるとＰＤ１７および１９が検出する光量にアンバランスが生じ、差動アンプ２１は電界Ａに比例したレベルの電気信号を出力する。したがって、差動アンプ２１の出力電気信号を検出することにより、ＥＯ結晶７に印加されている電界を検出することが可能になる。ＥＯ結晶７中の電界は、ＥＯ結晶７に付随した電極間の電位差に比例するので、差動アンプ２１の出力電気信号を検出することは、電極間電位差を検出することと等価である。
【００６４】
図８は、本発明の第１の実施の形態に係る電界センサの偏光状態を示す図である。ここでは、光はｚ軸の正方向(紙面の裏から表)に向かって進むように記載している。また、ＥＯ結晶７の電気的主軸の１つであるｓｌｏｗ軸とｆａｓｔ軸をそれぞれｘ軸（水平方向）とｙ軸（鉛直方向）に一致させている。
【００６５】
図８（ａ）は、Ａ点における光の偏光状態を表したものであり、直線偏光の偏波面はｘ軸（ＥＯ結晶７のｓｌｏｗ軸）に対して４５°の角度をなしている。
【００６６】
図８（ｂ）は、Ｂ点における光の偏光状態を表したものであり、ＥＯ結晶７の複屈折性により楕円偏光となっている。またこの楕円の主軸はｘ軸に対して４５°の角度をなしている。
【００６７】
図８（ｃ）は、Ｃ点における光の偏光状態とＱＷＰ６の電気的主軸の関係を表したものである。ｓおよびｆ軸は、それぞれＱＷＰ６のｓｌｏｗおよびｆａｓｔ軸を表しており、ｓ軸はｘ軸に対して４５°の角度をなしている。点Ｂにおける楕円偏光は、直線偏光に変換される。ＥＯ結晶７の自然複屈折性によって光の独立な偏光成分間に生じた位相変化量（ＥＯ結晶７から出射する楕円偏光に含まれる位相差）をφoとすると、その直線偏光の偏波面がｘ軸となす角度は、４５°−φoである。
【００６８】
図８（ｄ）は、Ｄ点における光の偏光状態とＨＷＰ８の電気的主軸の関係を表したものである。ｓおよびｆ軸は、それぞれＨＷＰ８のｓｌｏｗおよびｆａｓｔ軸を表している。点線は、Ｃ点における光の偏光状態を表している。ＨＷＰ８のｓｌｏｗ軸（ｓ軸）がｘ軸となす角度を、次式のように設定すると、直線偏光の偏波面とｘ軸のなす角度を４５°に補正できる。このとき、Ｄ点の直線偏光の偏波面とｙ軸（ＥＯ結晶７のｆａｓｔ軸）のなす角度も同時に４５°に補正できるのは勿論である。
【００６９】
４５°−φo／２
また、φoの値は、次式もしくは測定によって決定することが可能である。
【００７０】
φo＝（２π／λ）（ｎo−ｎe）Ｌ
ここでλは結晶に入射する光の（真空中における）波長、Ｌはｚ方向に関する結晶の長さ、ｎoとｎeはそれぞれ常光と異常光に対するＥＯ結晶７の屈折率である。
【００７１】
かかる補正によって、Ｄ点においては、ＳおよびＰ偏光成分の強度が等しくなっているために、差動アンプ２１の出力電気信号のレベルはゼロとなる。
【００７２】
図８（ｅ）は、ＥＯ結晶７に被測定電界Ａ（ｔ）が印加された場合におけるＤ点の偏光状態の変化を表したものである。例として、Ａ（ｔ）＝Ａoｓｉｎωｔという変化をする交流電界が印加された場合を説明する。この場合、ＥＯ結晶７内で光の独立な偏光成分間に生じる位相差φ（ｔ）は、φ（ｔ）＝φo＋δoｓｉｎωｔという形で表される。したがってＤ点では、直線偏光の偏波面とｘ軸がなす角度θ（ｔ）は４５°±δoの間を角周波数ωで振動することになる。数式で表すと、θ（ｔ）＝４５°＋δoｓｉｎωｔである。
【００７３】
＜第２の実施の形態＞
図９は、本発明の第２の実施の形態に係る電界センサの構成を示す図である。
【００７４】
第１の実施の形態の電界センサとの違いは、光源１とＥＯ結晶７の間にＱＷＰ５が挿入されていることである。
【００７５】
光源１を出射した直線偏光は、このＱＷＰ５によって円偏光に変換される。したがって、ＥＯ結晶７には円偏光が入射する。第１の実施の形態のように直線偏光をＥＯ結晶７に入射させる場合、ＥＯ結晶７内で効率よく偏光変調を行うためには、偏波面を電気的主軸に対して４５°に設定する必要がある。それに対して円偏光を用いた場合には、偏波面と電気的主軸とに角度の設定を行う必要が無くなるので、本発明の電界センサを製造する際の工程が簡素化される。
【００７６】
図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る電界センサの偏光状態を示す図である。なお、図１０（ａ）〜（ｅ）は、図８（ａ）〜（ｅ）に順番どおりに対応する。
【００７７】
ここでは、右回り円偏光を結晶に入射した場合について示している。第２の実施の形態に係る電界センサの偏光状態は、図８におけるφoをφo＋９０°に置き換えた場合と同じになる。
【００７８】
すなわち、ＨＷＰ８のｓｌｏｗ軸（ｓ軸）がｘ軸となす角度を、次式のように設定すると、直線偏光の偏波面とｘ軸のなす角度を４５°に補正できる。
【００７９】
−φo／２
また図示しないが、左回り円偏光を入射した場合には、φoをφo−９０°に置き換えた場合と同じになる。
【００８０】
さて、これまで説明したＨＷＰ８の角度調整に鑑みると、ＱＷＰ６からの直線偏光の偏波面がｙ軸（ＥＯ結晶７のｆａｓｔ軸）に対して有する角度を４５°−φoとした場合であっても、Ｄ点の偏波面とＥＯ結晶７の電気的主軸とのなす角度を４５°に補正できる。また、ＨＷＰ８のｓ軸（またはｆ軸）がｘ軸（またはｙ軸）に対して有する角度を、ｎ・４５°−φo／２（ただし、ｎは整数）とした場合であっても、Ｄ点の偏波面とＥＯ結晶７の電気的主軸とのなす角度を４５°に補正できる。
【００８１】
図１１は、第１および第２の実施の形態の電界センサの波形図である。
【００８２】
図１１（ａ）は、被測定電界の波形Ａ（ｔ）＝Ａoｓｉｎωｔ、図１１（ｂ）は、被測定電界および該電界による複屈折率の変化に起因して光の独立な偏光成分間に生じる位相差δ（ｔ）＝δoｓｉｎωｔを表す。当然のことながら、Ａ（ｔ）とδ（ｔ）の波形は同じである。図１１（ｃ）は、図７や図９のＤ点における直線偏光の偏波面の、ｘ軸に対する角度θ（ｔ）＝４５°＋δoｓｉｎωｔを表す。この偏波面はθ（ｔ）＝４５°のときを中心として正弦波状に振動する。図１１（ｄ）および図１１（ｅ）は、それぞれＰＤ１９および１７の出力電気信号の波形（Ｖ1（ｔ）およびＶ2（ｔ））を表している。ＰＤ１９、ＰＤ１７の出力電気信号のレベルは当該ＰＤに入射する光強度に比例すること、さらにＰＤ１９およびＰＤ１７にはそれぞれＰおよびＳ偏光が入射することを考慮すると、以下の関係が成立する。ただし、最後の式変形ではδo＜＜９０°という条件を用いた。被測定電界に起因する位相変化は一般に極めて小さいので、この条件は十分実用的である。
【００８３】
Ｖ1（ｔ）∝ｃｏｓ２θ（ｔ）＝０．５｛１−ｓｉｎ２（δoｓｉｎωｔ）｝≒０．５−δoｓｉｎωｔ
Ｖ2（ｔ）∝ｓｉｎ２θ（ｔ）＝０．５｛１＋ｓｉｎ２（δoｓｉｎωｔ）｝≒０．５＋δoｓｉｎωｔ
したがってＶ1（ｔ）およびＶ2（ｔ）は、それぞれ図１１（ｄ）および図１１（ｅ）に示した通り、同一の直流成分を有し、互いに逆相で変動する。図１１（ｆ）は差動アンプ２１の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）＝Ｖ2（ｔ）−Ｖ1（ｔ）∝２δoｓｉｎωｔの波形を示している。差動演算を行うことにより、直流成分を除去し、さらに振幅を２倍に増幅することができる。Ｖdiff（ｔ）の波形は被測定電界Ａ（ｔ）の波形と同じであるので、Ｖdiff（ｔ）を検出することにより、Ａ（ｔ）に関する情報を抽出することが可能になる。
【００８４】
＜第３の実施の形態＞
図１２は、第３の実施の形態における電界センサの構成図である。
【００８５】
第３の実施の形態の電界センサでは、第１および第２の実施の形態と同様、交流の電界が印加されているＥＯ結晶に光ビームを入射させ、ＥＯ結晶から出射された光をＰＢＳによりＳ偏光とＰ偏光とに分離し、各偏光の強度の差分を差動アンプで検出する構成をとる。
【００８６】
即ち、図１２にあっては、光源１から出射した光ビーム３はＱＷＰ５とＥＯ結晶７を透過後、ＰＢＳ９に入射する。ＰＢＳ９に入射する直前の光ビームの偏光状態は、所定の周囲温度において円偏光になるように、ＱＷＰ５によって調整されている。ＥＯ結晶７には、信号電極１１およびグラウンド電極１３を介して被測定信号１５（例えば、数ｋＨｚから数百ＭＨｚの交流）に応じた電界が印加される。光ビーム３は、電界に応じてＥＯ結晶７内にて偏光変調される。偏光変調光はＰＢＳ９でＳおよびＰ偏光成分に分離される。このとき、各偏光成分は強度変調光に変換されている。強度変調されたＳおよびＰ偏光成分は互いに逆相に変化する。ＰＤ１７および１９はＳおよびＰ偏光成分を受光し、出力を差動アンプ２１によって差動演算することによって、出力信号２２が得られる。
【００８７】
次に、かかる構成を有する電界センサが、例えば、前述の所定の周囲温度とは異なる周囲温度の環境に置かれた場合や、ＱＷＰ５だけでは偏光調整がしきれずに、さらなる調整が必要な場合の調整方法について説明する。具体的には、この調整方法は、電界センサの実験や、電界センサを用いた製品の出荷段階での特性の合わせ込みなどで実施される。
【００８８】
さて、第３の実施の形態における電界センサのＥＯ結晶７には、調整のための信号が与えられる制御電極２３と、制御グラウンド電極２５が設けられている。
【００８９】
図１３は、第３の実施の形態における電極の配置図である。
【００９０】
図１３（ａ）や図１３（ｂ）に示すように、信号電極１１とグラウンド電極１３とをＥＯ結晶７を挟むようにして設け、同じように、制御電極２３と制御グラウンド電極２５とをＥＯ結晶７を挟むようにして設ければ、ＥＯ結晶７に均一に電界が印加されるので好ましい。なお、図１３（ｃ）に示すように、各電極をＥＯ結晶７の片側に設ければ、ＥＯ結晶７が薄い場合に電極を実装しやすくなる。また、図１３（ｄ）のように、グラウンド電極を分割してもよい。また、図１３（ｅ）のようにグラウンド電極１３と制御グラウンド電極２５とを共通にすれば電界センサを簡素に構成にできる。
【００９１】
図１２に戻り、説明する。
【００９２】
この電界センサの調整には、出力信号２２を、例えば図２（ｆ）に示すように表示する表示器２７と、制御電極２３に制御信号（直流電圧）３１を与える可変直流電源３１とが用いられる。
【００９３】
例えば、調整者は、表示器２７に表示された出力信号２２の直流成分が無くなるように、可変直流電源３１の電圧（制御信号２９の電圧）を調整する（変更する）。制御信号２９が制御電極２３に与えられると、ＥＯ結晶７内には、被測定信号１５による分の電界だけでなく、制御信号２９による分の電界が印加され、後者の電界により光ビームの偏光状態を円偏光に補正することができる。また、光強度雑音を十分に低減することができる。
【００９４】
＜第４の実施の形態＞
図１４は、第４の実施の形態における電界センサの構成図である。
【００９５】
以下、第３の実施の形態の調整方法との差異を説明し、同一の事項については説明を省略する。
【００９６】
第４の実施の形態の電界センサは、ＥＯ結晶７に制御電極２３と制御グラウンド電極２５が設けられておらず、電極としては、信号電極１１とグラウンド電極１３だけが設けられている。また、第４の実施の形態の電界センサは、被測定信号１５の信号経路に加算器３３を有し、加算後の被測定信号１５Ａが信号電極１１に与えられる。
【００９７】
図１５は、加算器３３の回路図である。
【００９８】
加算器３３は、コンデンサ３３１とコイル３３２とを直列接続して構成され、コイル３３２に接続されていない方の、コンデンサ３３１の端子に被測定信号１５が与えられ、コンデンサ３３１に接続されていない方の、コイル３３２の端子に制御信号２９が与えられ、コンデンサ３３１とコイル３３２との接続点の信号を被測定信号１５ＡとしてＥＯ結晶７に与えられる。コンデンサ３３１は高周信号である被測定信号１５を通過させるが低周波信号である制御信号２９を遮断する。一方、コイル３３２は低周波信号である制御信号２９を通過させるが高周波信号である被測定信号１５を遮断する。したがって、被測定信号１５に対し制御信号２９を加算することができる。なお、加算器３３は、ディジタル回路により構成してもよい。
【００９９】
この電界センサの調整にも表示器２７と可変直流電源３１とが用いられる。
【０１００】
例えば、調整者は、表示器２７に表示された出力信号２２の直流成分が無くなるように、可変直流電源３１の電圧（制御信号２９の電圧）を調整する（変更する）。制御信号２９が加算器３３に与えられると、ＥＯ結晶７内には、被測定信号１５による分の電界だけでなく、制御信号２９による分の電界が印加され、後者の電界により光ビームの偏光状態を円偏光に補正することができる。また、光強度雑音を十分に低減することができる。
【０１０１】
＜第５の実施の形態＞
図１６（ａ）は、第５の実施の形態における電界センサの構成図である。
【０１０２】
第５の実施の形態における電界センサは電波測定に用いられるので、反射型光学系を有する。以下、第３の実施の形態の電界センサとの差異を説明し、同一の構成については説明を省略する。
【０１０３】
第５の実施の形態における電界センサは、ＥＯ結晶７に設けられた電極に与えられる被測定信号１５を測定するのでなく、空間を伝播してＥＯ結晶７に直接入射する被測定電波や、図１６（ｂ）に示すような測定対象の電気回路から発生する電界を測定するものであるので、信号電極１１とグラウンド電極１３を備えていない。
【０１０４】
また、この電界センサにあっては、ＰＢＳ９に代えて、光源１からＥＯ結晶７の方に、順にＰＢＳ９１および９２が設けられている。ＱＷＰ５は、ＰＢＳ９２とＥＯ結晶７の間に設けられ、ＰＢＳ９１とＰＢＳ９２との間にＨＷＰ３７とファラデー回転子３９とが設けられている。そして、ＥＯ結晶７の光ビーム入射面と反対側の面には誘電体鏡７１が設けられ、この誘電体鏡７１の面に被測定電波１６が入射される。
【０１０５】
かかる構成を有する第５の実施の形態の電界センサでは、光源１からの光ビーム３は、ＰＢＳ９１、ＨＷＰ３７、ファラデー回転子３９、ＰＢＳ９２およびＱＷＰ５を通り抜けてからＥＯ結晶７に入射する。そして誘電体鏡７１に反射しＥＯ結晶７を出射してから再びＱＷＰ５を通過した後に、ＰＢＳ９２に入射する。ＰＢＳ９２は光ビーム３をＳおよびＰ偏光成分に分離し、Ｓ偏光成分はＰＤ１７に入射する。一方、ＰＢＳ９２を透過したＰ偏光成分は、ファラデー回転子３９とＨＷＰ３７によってＳ偏光に変換された後、ＰＢＳ９１に入射する。ＰＢＳ９１はＳ偏光をＰＤ１９に入射させる。
【０１０６】
図１７は、第５の実施の形態における電極の配置図である。
【０１０７】
図１７（ａ）に示すように、制御電極２３と制御グラウンド電極２５とをＥＯ結晶７を挟むようにして設けてもよいし、図１７（ｂ）に示すように、各電極をＥＯ結晶７の片側に設けてもよい。また、図１７（ｃ）に示すように制御グラウンド電極２５を分割してもよい。このように、第５の実施の形態にあっては、被測定信号が与えられる電極が不要なので簡素な構成になる。
【０１０８】
この電界センサの調整にも表示器２７と可変直流電源３１とが用いられる。
【０１０９】
例えば、調整者は、表示器２７に表示された出力信号２２の直流成分が無くなるように、可変直流電源３１の電圧（制御信号２９の電圧）を調整する（変更する）。制御信号２９が加算器３３に与えられると、ＥＯ結晶７内には、被測定信号１５による分の電界だけでなく、制御信号２９による分の電界が印加され、後者の電界により光ビームの偏光状態を円偏光に補正することができる。また、光強度雑音を十分に低減することができる。
【０１１０】
＜第６の実施の形態＞
図１８は、第６の実施の形態における電界センサの構成図である。
【０１１１】
第６の実施の形態の電界センサでは、第１および第２の実施の形態と同様、交流の電界が印加されているＥＯ結晶に光ビームを入射させ、ＥＯ結晶から出射された光をＰＢＳによりＳ偏光とＰ偏光とに分離し、各偏光の強度の差分を差動アンプで検出する構成をとる。
【０１１２】
即ち、図１８にあっては、光源１から出射した光ビーム３はＱＷＰ５とＥＯ結晶７を透過後、ＰＢＳ９に入射する。ＰＢＳ９に入射する直前の光ビームの偏光状態は、所定の周囲温度において円偏光になるように、ＱＷＰ５によって調整されている。ＥＯ結晶７には、信号電極１１およびグラウンド電極１３を介して被測定信号１５（例えば、数ｋＨｚから数百ＭＨｚの交流）に応じた電界が印加される。光ビーム３は、電界に応じてＥＯ結晶７内にて偏光変調される。偏光変調光はＰＢＳ９でＳおよびＰ偏光成分に分離される。このとき、各偏光成分は強度変調光に変換されている。強度変調されたＳおよびＰ偏光成分は互いに逆相に変化する。ＰＤ１７および１９はＳおよびＰ偏光成分を受光し、出力を差動アンプ２１が差動信号検出することによって、出力信号２２が得られる。
【０１１３】
さらに第６の実施の形態では、出力信号に含まれる直流成分に応じた電圧を有する制御信号を生成し、ＥＯ結晶に設けられた制御電極に当該制御信号が与えられる。なお、図１８では、制御信号は、差動アンプ２１の入力信号から生成しているが、差動アンプ２１の出力信号２２から生成することも可能である。
【０１１４】
図１８に示すように、電界センサは、ＰＤ１７に接続されたバッファアンプ４３と、ＰＤ１９に接続されたバッファアンプ４４と、バッファアンプ４３の出力に接続されたローパスフィルタ（以下、ＬＰＦという）４５と、バッファアンプ４４の出力に接続されたＬＰＦ４７と、ＬＰＦ４５および４７からの出力の差分をとり、それを積分する積分器４９を備える。また、ＥＯ結晶７には、制御信号付与手段たる制御電極２３および制御グラウンド電極２５が設けられている。積分器４９の出力電圧は、制御電極２３と制御グラウンド電極２５の間に印加される。なお、ＬＰＦ４５および４７によって環境温度の変化に起因する極めて低い周波数成分(直流成分)の信号のみが積分器に入力される。したがって温度変化によるドリフトのみが低減される。一方、被測定信号１５に起因する高周波成分の信号は、ＬＰＦ４５および４７で遮断されるので、積分器４９に入力されることは無い。そして積分器４９は、当該低周波成分のみからなる２つの信号の差分を積分し、制御信号２９として出力する。差動アンプ２１へは、ＰＤ１７およびＰＤ１９から、低周波成分と高周波成分の両方を含んだ信号が与えられる。
【０１１５】
図１９（ａ）は、積分器４９（スイッチトキャパシタ積分器）の回路図であり、図１９（ｂ）は、積分器４９を駆動するドライブ信号の波形図である。
【０１１６】
スイッチトキャパシタ積分器とした場合の積分器４９は、連動する２つの開閉器からなりその一方の開閉器の一端がＬＰＦ４５に接続され、他方の開閉器の一端がＬＰＦ４７に接続されたスイッチ４９１と、このスイッチ４９１の一方の開閉器の他端と他方の開閉器の他端の間に接続されたコンデンサ４９２と、連動する２つの開閉器からなりその開閉器の一端と他方の開閉器の一端が前記コンデンサ４９２に接続されたスイッチ４９３と、差動アンプであって、スイッチ４９３の一方の開閉器の他端がマイナス入力端子に他方の開閉器の他端がプラス入力端子に接続され、このプラス入力端子が電圧Ｖｂでバイアスされた差動アンプ４９５と、この差動アンプ４９５のマイナス入力端子と出力端子との間に接続されたコンデンサ４９４と、差動アンプ４９５の出力端子と制御電極２９に接続されたバッファアンプ４９６とから構成されている。なお、（コンデンサ４９２の容量）＜＜（コンデンサ４９４の容量）である。また、差動アンプ４９５が正負電源タイプの場合は、そのプラス入力端子を接地して、すなわちバイアスをかけずに使用してもよい。
【０１１７】
スイッチ４９１に与えられるドライブ信号Ｄ１とスイッチ４９３に与えられるドライブ信号Ｄ２は、スイッチ４９１とスイッチ４９３とが同時に閉じることがないように、また交互に閉じるように印加されるので、コンデンサ４９２が充電された後にその電荷がコンデンサ４９４に転送される。そのため、差動アンプ４９５は、ＬＰＦ４５とＬＰＦ４７の出力差の積分値に比例した大きさの電圧を出力し、これがバッファアンプ４９６を通過後、制御信号２９として制御電極２３に与えられる。すなわち、制御信号２９は、出力信号２２の直流成分に応じた電圧を有する信号になり、制御電極２３に与えられる。
【０１１８】
なお、第６の実施の形態における電極の配置は、図１３を参照して説明した第３の実施の形態における電極の配置と同様である。
【０１１９】
かかる構成を有する第６の実施の形態の電界センサでは、積分器４９（制御信号生成手段）が出力信号２２に含まれる直流成分に応じた電圧を有する制御信号２９を生成する。この制御信号２９が制御電極２３に与えられると、ＥＯ結晶７内には、被測定信号１５による分の電界だけでなく、制御信号２９による分の電界が印加され、後者の電界により光ビームの偏光状態を円偏光に補正することができる。また、光強度雑音を十分に低減することができる。
【０１２０】
＜第７の実施の形態＞
図２０は、第７の実施の形態における電界センサの構成図である。
【０１２１】
以下、第６の実施の形態の電界センサとの差異を説明し、同一の構成については説明を省略する。
【０１２２】
第７の実施の形態の電界センサは、ＥＯ結晶７に制御電極２３と制御グラウンド電極２５が設けられておらず、電極としては、信号電極１１とグラウンド電極１３だけが設けられている。また、第７の実施の形態の電界センサは、被測定信号１５に対し制御信号２９を加算する加算器３３を有し、加算後の被測定信号１５Ａが信号電極１１に与えられる。なお、加算器３３は制御信号付与手段に相当する。
【０１２３】
なお、第７の実施形態における加算器３３の構成は、図１５を参照して説明した第４の実施の形態における加算器３３の構成と同様である。
【０１２４】
かかる構成を有する第７の実施の形態の電界センサでは、積分器４９（制御信号生成手段）が出力信号２２に含まれる直流成分に応じた電圧を有する制御信号２９を生成する。この制御信号２９が加算器３３に与えられると、ＥＯ結晶７内には、被測定信号１５による分の電界だけでなく、制御信号２９による分の電界が印加され、後者の電界により光ビームの偏光状態を円偏光に補正することができる。また、光強度雑音を十分に低減することができる。
【０１２５】
＜第８の実施の形態＞
図２１（ａ）は、第８の実施の形態における電界センサの構成図である。
【０１２６】
第８の実施の形態における電界センサは電波測定に用いられるので、反射型光学系を有する。以下、第６の実施の形態の電界センサとの差異を説明し、同一の構成については説明を省略する。
【０１２７】
第８の実施の形態における電界センサは、ＥＯ結晶７に設けられた電極に与えられる被測定信号１５を測定するのでなく、空間を伝播してＥＯ結晶７に直接入射する被測定電波や、図２１（ｂ）に示すような測定対象の電気回路などから発生する電界を測定するものであるので、信号電極１１とグラウンド電極１３を備えていない。
【０１２８】
また、この電界センサにあっては、ＰＢＳ９に代えて、光源１からＥＯ結晶７の方に、順にＰＢＳ９１および９２が設けられている。ＱＷＰ５は、ＰＢＳ９２とＥＯ結晶７の間に設けられ、ＰＢＳ９１とＰＢＳ９２との間にＨＷＰ３７とファラデー回転子３９とが設けられている。そして、ＥＯ結晶７の光ビーム入射面と反対側の面には誘電体鏡７１が設けられ、この誘電体鏡７１の面に被測定電波１６が入射される。
【０１２９】
かかる構成を有する第３の実施の形態の電界センサでは、光源１からの光ビーム３は、ＰＢＳ９１、ＨＷＰ３７、ファラデー回転子３９、ＰＢＳ９２およびＱＷＰ５を通り抜けてからＥＯ結晶７に入射する。そして誘電体鏡７１で反射しＥＯ結晶７を出射してから、ＱＷＰ５によって適当な偏光状態に調整されＰＢＳ９２に入射する。ＰＢＳ９２は光ビーム３をＳおよびＰ偏光成分に分離し、Ｓ偏光成分はＰＤ１７に入射する。一方、ＰＢＳ９２を透過したＰ偏光成分は、ファラデー回転子３９とＨＷＰ３７でＳ偏光に変換された後に、ＰＢＳ９１に入射する。ＰＢＳ９１は、そのＳ偏光成分をＰＤ１９に入射させる。
【０１３０】
なお、第８の実施の形態における電極の配置は、図１７を参照して説明した第５の実施の形態における電極の配置と同様である。
【０１３１】
かかる構成を有する第８の実施の形態の電界センサにあっては、第６の実施の形態と同様に、積分器４９により、出力信号２２に含まれる直流成分に応じた電圧を有する制御信号２９が生成され、この制御信号２９が制御電極２３に与えられると、ＥＯ結晶７内には、被測定信号１５による分の電界だけでなく、制御信号２９による分の電界が印加され、ＰＢＳ９２に入射する光の偏光状態が適切に調整され、ＰＤ１７およびＰＤ１９に入射する光強度を等しくすることができる。また、光強度雑音を十分に低減することができる。
【０１３２】
次に、反射戻り光がレーザ光源に入射することを防止可能な電界センサに係る実施の形態を第９乃至第１４の実施の形態として説明する。
【０１３３】
＜第９の実施の形態＞
図２２は、第９の実施の形態における電界センサの構成図である。
【０１３４】
電界センサ１０１ａは、レーザ光源１、ＱＷＰ５、ＥＯ結晶７、ＰＢＳ９、ＰＤ１７、ＰＤ１９、レーザ光源１とＱＷＰ５との間に設けられた第２のＰＢＳ５１を有する。なお、検知されるべき電界が存在する際に、これに起因してＥＯ結晶７に電圧を印加する電極の記載は省略している。
【０１３５】
なお、以降の説明においては、適宜、上記のＥＯ結晶７、ＰＢＳ９、ＰＤ１７および１９を反射要素１０７と総称する。
【０１３６】
電界センサ１０１ａにより電界を測定するにあたっては、レーザ光源１からＰ偏光１０８が照射され、このＰ偏光１０８はＱＷＰ５により円偏光１０９に変換される。
【０１３７】
円偏光１０９は、ＥＯ結晶７により偏光変調され、ＰＢＳ９によりＰ偏光（成分）１１０とＳ偏光（成分）１１１とに分離され、Ｐ偏光１１０はＰＤ１９により受信され、電気信号に変換され、一方、Ｓ偏光１１１はＰＤ１７により受信され、電気信号に変換される。これらの電気信号は、図示しない差動アンプ等により差動増幅され、これに基づいて電界が測定される。
【０１３８】
図２３は、図２２の電界センサ１０１ａの基本原理を説明するための図である。なお、本図においては、反射要素１０７を鏡に見立てている。
【０１３９】
反射要素１０７において発生した反射戻り光（円偏光）１１２は、ＱＷＰ５によりＳ偏光１１３に変換され、ＰＢＳ５１により偏光分離される。
【０１４０】
上記のように、反射戻り光（Ｓ偏光）１１３をＰＢＳ５１により偏光分離することにより、この反射戻り光１１３がレーザ光源１に入射することを防止できる。
【０１４１】
なお、本実施の形態においては、電界センサ１０１ａが、反射戻り光（Ｓ偏光）を偏光分離する手段（偏光分離手段）としてＰＢＳ５１を備える場合を示したが、これに限定されず、グラントムソンプリズムやウォラストンプリズムといった２つの独立な直線偏光を空間的に分離する素子や、偏光板のように特定の直線偏光のみが透過する素子を有する構成とすることもできる。
【０１４２】
＜第１０の実施の形態＞
図２４は、第１０の実施の形態における電界センサの構成図である。
【０１４３】
電界センサ１０１ｂは、レーザ光源１、ＱＷＰ５、ＥＯ結晶７、ＰＢＳ９、ＰＤ１７、ＰＤ１９、第２のＰＢＳ５１を有する。
【０１４４】
この電界センサ１０１ｂと図２２の電界センサ１０１ａとの差異は、レーザ光源１の位置を変更した点にある。
【０１４５】
電界センサ１０１ｂにより電界を測定するにあたっては、レーザ光源１からＳ偏光１１５が照射され、このＳ偏光１１５は、ＰＢＳ５１によりＱＷＰ５に入射され、このＱＷＰ５により円偏光１０９に変換される。
【０１４６】
円偏光１０９は、ＥＯ結晶７により偏光変調され、ＰＢＳ９によりＰ偏光（成分）１１０とＳ偏光（成分）１１１とに分離され、Ｐ偏光１１０はＰＤ１９により受信され、電気信号に変換され、一方、Ｓ偏光１１１はＰＤ１７により受信され、電気信号に変換される。これらの電気信号は、図示しない差動増幅器等により差動増幅され、これに基づいて電界が測定される。
【０１４７】
なお、以降の説明においては、適宜、上記のＥＯ結晶７、ＰＢＳ９、ＰＤ１７および１９を反射要素１０７と総称する。
【０１４８】
図２５は、図２４の電界センサ１０１ｂの基本原理を説明するための図である。なお、本図においては、反射要素１０７を鏡に見立てている。
【０１４９】
反射要素１０７において発生した反射戻り光（円偏光）１１７は、ＱＷＰ５によりＰ偏光１１６に変換され、ＰＢＳ５１により偏光分離される。
【０１５０】
上記のように、レーザ光源から発せられるレーザ光は１１５のようなＳ偏光でもよく、反射戻り光（Ｐ偏光）１１６をＰＢＳ５１により偏光分離することにより、この反射戻り光１１６がレーザ光源１に入射することを防止できる。
【０１５１】
なお、本実施の形態においては、電界センサ１０１ｂが、反射戻り光（Ｐ偏光）を偏光分離する手段（偏光分離手段）としてＰＢＳ５１を備える場合を示したが、これに限定されず、グラントムソンプリズムやウォラストンプリズムといった２つの独立な直線偏光を空間的に分離する素子を有する構成とすることもできる。
【０１５２】
＜第１１の実施の形態＞
図２６は、第１１の実施の形態における電界センサの構成図である。
【０１５３】
電界センサ１０１ｃは、レーザ光源１、ＱＷＰ５、ＥＯ結晶７、ＰＢＳ９、ＰＤ１７、ＰＤ１９、第２のＰＢＳ５１、ＨＷＰ５３を有する。
【０１５４】
この電界センサ１０１ｃと図２４の電界センサ１０１ｂとの差異は、レーザ光源１とＰＢＳ５１との間にＨＷＰ５３を設けた点にある。
【０１５５】
電界センサ１０１ｃにより電界を測定するにあたっては、レーザ光源１からＰ偏光１０８が照射され、このＰ偏光１０８は、ＨＷＰ５３によりＳ偏光１１５に変換され、ＰＢＳ５１によりＱＷＰ５に入射され、このＱＷＰ５により円偏光１０９に変換される。
【０１５６】
円偏光１０９は、ＥＯ結晶７により偏光変調され、ＰＢＳ９によりＰ偏光（成分）１１０とＳ偏光（成分）１１１とに分離され、Ｐ偏光１１０はＰＤ１９により受信され、電気信号に変換され、一方、Ｓ偏光１１１はＰＤ１７により受信され、電気信号に変換される。これらの電気信号は、図示しない差動アンプ等により差動増幅され、これに基づいて電界が測定される。
【０１５７】
なお、以降の説明においては、適宜、上記のＥＯ結晶７、ＰＢＳ９、ＰＤ１７および１９を反射要素１０７と総称する。
【０１５８】
図２７は、図２６の電界センサ１０１ｃの基本原理を説明するための図である。なお、本図においては、反射要素１０７を鏡に見立てている。
【０１５９】
反射要素１０７において発生した反射戻り光（円偏光）１１７は、ＱＷＰ５によりＰ偏光１１６に変換され、ＰＢＳ５１により偏光分離される。
【０１６０】
上記のように、レーザ光源１から発せられたＰ偏光１０８をＳ偏光１１５に変換し、その後にＥＯ結晶７に入射させてもよく、反射戻り光（Ｐ偏光）１１６をＰＢＳ５１により偏光分離することにより、この反射戻り光１１６がレーザ光源１に入射することを防止できる。
【０１６１】
なお、本実施の形態においては、電界センサ１０１ｃが、反射戻り光（Ｐ偏光）を偏光分離する手段（偏光分離手段）としてＰＢＳ５１を備える場合を示したが、これに限定されず、グラントムソンプリズムやウォラストンプリズムといった２つの独立な直線偏光を空間的に分離する素子を有する構成とすることもできる。
【０１６２】
＜第１２の実施の形態＞
図２８は、第１２の実施の形態における電界センサの構成図である。
【０１６３】
電界センサ１０１ｄは、レーザ光源１、ＱＷＰ５、ＥＯ結晶７、ＰＢＳ９、ＰＤ１７、ＰＤ１９、第２のＰＢＳ５１、プリズム５５を有する。
【０１６４】
この電界センサ１０１ｄは、図２２の電界センサ１０１ａにプリズム５５を設けたものである。
【０１６５】
電界センサ１０１ｄにより電界を測定するにあたっては、レーザ光源１からＰ偏光１０８が照射され、このＰ偏光１０８はプリズム５５において進行方向が変更されることによりＱＷＰ５に入射され、このＱＷＰ５により円偏光１０９に変換される。
【０１６６】
円偏光１０９は、ＥＯ結晶７により偏光変調され、ＰＢＳ９によりＰ偏光（成分）１１０とＳ偏光（成分）１１１とに分離され、Ｐ偏光１１０はＰＤ１９により受信され、電気信号に変換され、一方、Ｓ偏光１１はＰＤ１７により受信され、電気信号に変換される。これらの電気信号は、図示しない差動アンプ等により差動増幅され、これに基づいて電界が測定される。
【０１６７】
なお、以降の説明においては、適宜、上記のＥＯ結晶７、ＰＢＳ９、ＰＤ１７および１９を反射要素１０７と総称する。
【０１６８】
図２９は、図２８の電界センサ１０１ｄの基本原理を説明するための図である。なお、本図においては、反射要素１０７を鏡に見立てている。
【０１６９】
反射要素１０７において発生した反射戻り光（円偏光）１１７は、ＱＷＰ５によりＳ偏光１２０に変換され、プリズム５５により進行方向が変換されるとともにＰＢＳ５１に入射され、このＰＢＳ５１により偏光分離される。
【０１７０】
上記のように、Ｐ偏光１０８の進行方向を変更し、その後にＱＷＰ５に入射させ、反射戻り光（Ｓ偏光）１２０の進行方向を変更し、その後にＰＢＳ５１に入射させる構成とすることにより、レーザ光源を配置するにあたっての自由度が拡大し、また、ＰＢＳ５１により反射戻り光１２０を偏光分離することにより、この反射戻り光１２０がレーザ光源１に入射することを防止できる。
【０１７１】
なお、本実施の形態においては、電界センサ１０１ｄが、反射戻り光（Ｓ偏光）を偏光分離する手段（偏光分離手段）としてＰＢＳ５１を備える場合を示したが、これに限定されず、グラントムソンプリズムやウォラストンプリズムといった２つの独立な直線偏光を空間的に分離する素子や、偏光板のように特定の直線偏光のみが透過する素子を有する構成とすることもできる。
【０１７２】
＜第１３の実施の形態＞
図３０は、第１３の実施の形態における電界センサの構成図である。
【０１７３】
電界センサ１０１ｅは、レーザ光源１、ＱＷＰ５、ＥＯ結晶７、ＰＢＳ９、ＰＤ１７、ＰＤ１９、第２のＰＢＳ５１、プリズム５５を有する。
【０１７４】
この電界センサ１０１ｅと図２８の電界センサ１０１ｄとの差異は、プリズム５５の位置を変更し、レーザ光源１に隣接配置した点にある。
【０１７５】
電界センサ１０１ｅにより電界を測定するにあたっては、レーザ光源１からＰ偏光１０８が照射され、このＰ偏光１０８はプリズム５５において進行方向が変更されることによりＱＷＰ５に入射され、このＱＷＰ５により円偏光１０９に変換される。
【０１７６】
円偏光１０９は、ＥＯ結晶７により偏光変調され、ＰＢＳ９によりＰ偏光（成分）１１０とＳ偏光（成分）１１１とに分離され、Ｐ偏光１１０はＰＤ１９により受信され、電気信号に変換され、一方、Ｓ偏光１１１はＰＤ１７により受信され、電気信号に変換される。これらの電気信号は、図示しない差動増幅器等により差動増幅され、これに基づいて電界が測定される。
【０１７７】
なお、以降の説明においては、適宜、上記のＥＯ結晶７、ＰＢＳ９、ＰＤ１７および１９を反射要素１０７と総称する。
【０１７８】
図３１は、図３０の電界センサ１０１ｅの基本原理を説明するための図である。なお、本図においては、反射要素１０７を鏡に見立てている。
【０１７９】
反射要素１０７において発生した反射戻り光（円偏光）１１７は、ＱＷＰ５によりＳ偏光１２０に変換されるとともにＰＢＳ５１に入射され、このＰＢＳ５１により偏光分離される。
【０１８０】
上記のように、Ｐ偏光１０８の進行方向を変更し、その後にＱＷＰ５に入射させる構成とすることにより、レーザ光源を配置するにあたっての自由度が拡大し、また、ＰＢＳ５１により反射戻り光１２０を偏光分離することにより、この反射戻り光１２０がレーザ光源１に入射することを防止できる。
【０１８１】
なお、本実施の形態においては、電界センサ１０１ｅが、反射戻り光（Ｓ偏光）を偏光分離する手段（偏光分離手段）としてＰＢＳ５１を備える場合を示したが、これに限定されず、グラントムソンプリズムやウォラストンプリズムといった２つの独立な直線偏光を空間的に分離する素子や、偏光板のように特定の直線偏光のみが透過する素子を有する構成とすることもできる。
【０１８２】
＜第１４の実施の形態＞
上述した第９乃至第１３の実施の形態においては、ＥＯ結晶の入射面での反射光を主として問題にしたが、この第１４の実施の形態は、さらに、ＰＤの受光面での反射光を問題としており、ＰＤの受光面での反射光もレーザ光源側に戻らないような工夫がなされている。
【０１８３】
図３２は、第１４の実施の形態における電界センサの構成図である。
【０１８４】
ここでは、第９の実施の形態における電界センサとの差異を説明し、同一の構成については説明を省略する。
【０１８５】
第１４の実施の形態における電界センサ１０１ｆは、特に、ＰＢＳ９とＰＤ１７との間にＱＷＰ５７を備え、ＰＢＳ９とＰＤ１９との間にＱＷＰ５９を備えている。
【０１８６】
かかる構成を有する電界センサ１０１ｆにおいて、ＥＯ結晶７からの円偏光１０９のうち、Ｐ偏光１１０はＰＢＳ９を透過し、Ｓ偏光１１１はＰＢＳ９で反射する。
【０１８７】
ＰＢＳ９を透過したＰ偏光１１０はＱＷＰ５９により円偏光１０９に変換され、その一部はＰＤ１９の受光面で反射する。しかし、その反射した円偏光１０９は再びＱＷＰ５９を透過することによりＳ偏光１２０に変換され、ＰＢＳ９で反射される。すなわち、ＰＤ１９の受光面での反射光が光源１に戻る不都合を防止できる。
【０１８８】
一方、ＰＢＳ９で反射したＳ偏光１１１はＱＷＰ５７により円偏光１０９に変換され、その一部はＰＤ１７の受光面で反射する。しかし、その反射した円偏光１０９は再びＱＷＰ５７を透過することによりＰ偏光１１６に変換され、ＰＢＳ９を透過する。すなわち、ＰＤ１７の受光面での反射光が光源１に戻る不都合を防止できる。
【０１８９】
次に、電気光学結晶内の電界振幅を高めることによって高い感度が得られる電界センサに係る実施の形態を第１５の実施の形態として説明する。
【０１９０】
＜第１５の実施の形態＞
図３３は、本発明の電界センサを人体の電気信号検出に用いた構成例を示す図であり、図３４は、本発明の電界センサをＤＵＴの電圧測定に用いた構成例を示す図である。本実施の形態の電界センサの構成要素のうち、図５や図６に示した電界センサの構成要素と同一のものには同一符号を付与することで要素説明を省略する。また、本実施の形態の電界センサは、ＥＯ結晶７内の電界を検出するときに、図５や図６を参照して説明したように動作するので動作説明を省略する。
【０１９１】
図３３や図３４の電界センサでは、ＥＯ結晶７の第１の電極である信号電極１１を設けた面の対向面に第２の電極である対向電極１２が設けられている。さらに、電界センサの感度を高めるための補助電極６１がリード線ＬＤで対向電極１２に接続されている。
【０１９２】
なお、第２の電極は、信号電極１１を設けた面と同一の面に設けても良いし（導波路構造を有するＥＯ変調素子でいうスロット電極構造）、その隣の面に設けてもよい。
【０１９３】
補助電極６１は、電界センサ内の全ての部品および回路（差動アンプ２１や光源１を駆動する回路等）ならびに電界センサの筐体から絶縁されている。また、対向電極１２と補助電極６１の間は、信号電極１１と対向電極１２の間よりも離れているが、この理由については後述する。
【０１９４】
図３３や図３４の電界センサでは、信号電極１１と対向電極１２でコンデンサＣ１が形成され、さらに補助電極６１と大地グランドでコンデンサＣ２が形成されるので、電気力線は、それぞれのコンデンサの電極間に集中することとなり、ＥＯ結晶７内の電界振幅を大きくすることができ、これにより、電界センサの感度を高めることができる。
【０１９５】
また、信号電極１１と大地グランド間の電位差をφ、コンデンサＣ１の静電容量をＣ１、コンデンサＣ２の静電容量をＣ２、コンデンサＣ１の電極間電位差をφ１、コンデンサＣ２の電極間電位差をφ２とすると次の２式が成り立つ。
【０１９６】
φ１＝φ・Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）
φ２＝φ・Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ２）
したがって、ＥＯ結晶７内の電界振幅は、コンデンサＣ１の電極間電位差φ１に比例するので、ＥＯ結晶７内の電界振幅を大きくするには、静電容量Ｃ２＞Ｃ１（好ましくはＣ２＞＞Ｃ１）となるように設計すればよい。
【０１９７】
なお、ＥＯ結晶７は、通常は、ごく小さいものなので、対向電極１２と補助電極６１を設けるだけでも感度が向上するが、静電容量Ｃ２をさらに大きくしてさらに感度を上げるには、例えば、補助電極６１の表面積を大きくすればよい。また、補助電極６１の形状を、例えば、棒状（紐状を含む）、平板状、球状（半球状を含む）などとすれば、製造上の支障なく、その表面積を大きくすることができる。
【０１９８】
また、静電容量Ｃ２を大きくするには、図３５に示すように、補助電極６１を、信号電極１１や対向電極１２の近くに設けるよりは、図３６に示すように、信号電極１１や対向電極１２から遠ざけ、好ましくは、補助電極６１を大地グランドに近づければよい。なお、補助電極６１が電界センサから離れると、電界センサが取り扱いにくいので、例えば、当該電極同士を伸縮可能な部材で接続して、対向電極１２と補助電極６１との間の距離を可変にするのが好ましい。さらには、携帯電話のアンテナのように、補助電極６１を筐体に収納できるようにしてもよい。
【０１９９】
また、補助電極６１が、信号電極１１や対向電極１２の近くにあるときには、電界を検出する感度が低くなるので、対向電極１２と補助電極６１とが離れたときに限って動作するように、例えば、補助電極６１が対向電極１２の近くにあるときには、光源１や光検出器１７、１９および差動アンプ２１への電力供給を遮断し、対向電極１２と補助電極６１とが所定の距離以上離れたときには電力供給がなされるようなスイッチ機構を設けることが好ましい。
【０２００】
具体的には、例えば、図３５および３６に示すように、補助電極６１をレールに沿って移動可能なように構成するとともにそのレール上にスイッチ６３を設け、補助電極６１が対向電極１２から離れる方向に移動してスイッチ６３上を通過したときにスイッチ６３をオンにして電力供給を行い、一方、補助電極６１が対向電極１２に近づく方向に移動してスイッチ６３上を通過したときにスイッチ６３をオフにして電力供給を遮断するような機構を設けることができる。また、補助電極６１を対向電極１２から所定の距離以上離れた位置Ａと対向電極１２のごく近くの位置Ｂのいずれかに固定可能とするとともに、位置Ａにスイッチを設け、位置Ａに補助電極６１が固定されたときにスイッチをオンにして電力供給を行い、一方、補助電極６１が位置Ｂに固定されたときには位置Ａのスイッチをオフにして電力供給を遮断するような機構を設けることができる。
【０２０１】
このような機構を設けることにより、常に高い感度で検出することが可能な電界センサを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２０２】
本発明の電界センサによれば、電気光学結晶の自然複屈折率による感度低下を補償することができる。
【０２０３】
本発明は、円偏光状態にある反射光をＰ偏光またはＳ偏光に変換し、これを偏光ビームスプリッタ等で除去する。したがって、反射光がレーザ光源に入射することを防止可能な電界センサを提供することが可能となる。
【０２０４】
本発明の電界センサによれば、電気光学結晶に設けた第２の電極と、該第２の電極に電気的に接続され、且つ、第２の電極と十分な距離離すことができる補助電極と、を備えたことで、電気光学結晶内の電界振幅が高まり、よって電界センサの感度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０２０５】
【図１】図１は、従来の電界センサの構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、ＰＢＳに入射する光ビームの偏光状態とそれに対応する電気信号の関係を示す図である。
【図３】図３は、従来の電界センサの構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、図３の電界センサにおける課題を説明するための図である。
【図５】図５は、従来の電界センサを人体の電気信号検出に用いた構成例を示す図である。
【図６】図６は、従来の電界センサをＤＵＴの電圧測定に用いた構成例を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第１の実施の形態に係る電界センサの構成を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第１の実施の形態に係る電界センサの偏光状態を示す図である。
【図９】図９は、本発明の第２の実施の形態に係る電界センサの構成を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る電界センサの偏光状態を示す図である。
【図１１】図１１は、第１または第２の実施の形態の電界センサのＥＯ結晶が自然複屈折率を有する場合の波形図である。
【図１２】図１２は、第３の実施の形態における電界センサの構成図である。
【図１３】図１３は、第３の実施の形態における電極の配置図である。
【図１４】図１４は、第４の実施の形態における電界センサの構成図である。
【図１５】図１５は、加算器の回路図である。
【図１６】図１６は、第５の実施の形態における電界センサの構成図である。
【図１７】図１７は、第５の実施の形態における電極の配置図である。
【図１８】図１８は、第６の実施の形態における電界センサの構成図である。
【図１９】図１９は、積分器（スイッチトキャパシタ積分器）の回路図とドライブ信号の波形図である。
【図２０】図２０は、第７の実施の形態における電界センサの構成図である。
【図２１】図２１は、第８の実施の形態における電界センサの構成図である。
【図２２】図２２は、第９の実施の形態における電界センサの構成図である。
【図２３】図２３は、図２２の電界センサの基本原理を説明するための図である。
【図２４】図２４は、第１０の実施の形態における電界センサの構成図である。
【図２５】図２５は、図２４の電界センサの基本原理を説明するための図である。
【図２６】図２６は、第１１の実施の形態における電界センサの構成図である。
【図２７】図２７は、図２６の電界センサの基本原理を説明するための図である。
【図２８】図２８は、第１２の実施の形態における電界センサの構成図である。
【図２９】図２９は、図２８の電界センサの基本原理を説明するための図である。
【図３０】図３０は、第１３の実施の形態における電界センサの構成図である。
【図３１】図３１は、図３０の電界センサの基本原理を説明するための図である。
【図３２】図３２は、第１４の実施の形態における電界センサの構成図である。
【図３３】図３３は、本発明の電界センサを人体の電気信号検出に用いた構成例を示す図である。
【図３４】図３４は、本発明の電界センサをＤＵＴの電圧測定に用いた構成例を示す図である。
【図３５】図３５は、補助電極を、信号電極や対向電極の近くに設けた状態を示す図である。
【図３６】図３６は、補助電極を、信号電極や対向電極から遠ざけた状態を示す図である。
【符号の説明】
【０２０６】
１  光源
５，６  １／４波長板
７  ＥＯ結晶
８，３７，５３，５７，５９  １／２波長板
９，５１，９１  偏光ビームスプリッタ
１１  信号電極
１２  対向電極
１３  グラウンド電極
１７，１９  光検出器
２１  差動増幅器
２３  制御電極
２５  制御グラウンド電極
２７  表示器
３１  可変直流電源
３３  加算器
３９  ファラデー回転子
７１  誘電体鏡
４３，４４  バッファアンプ
４５，４７  ＬＰＦ
４９  積分器
５５  プリズム
６１  補助電極
６３  スイッチ
１０１，１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄ，１０１ｅ，１０１ｆ  電界センサ
１０７  反射要素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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