(57)【要約】【課題】検体から放射される近傍電磁界の分布を高速に取得できる電磁界高速撮像装置を提供する。【解決手段】照明装置１１から照射された光を、プローブ１２の電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂに照射すると、検体αから放射される周波数ｆRFの電磁界によりプローブ１２の複屈折特性が局所的に変化することで照明光に局所的な偏光状態を生ぜしめ、更に偏光状態を強度変化に変換した検出光をプローブ１２が出力し、プローブ１２の出力光を撮像装置１３のイメージセンサ１３ｂの撮像面に結像させて光電変換し、イメージセンサ１３ｂより画素毎に取り出した画素信号を用いて検体αの発する近傍電磁界の二次元像を画像処理装置１４で生成し、画像表示装置１５で可視表示する。【選択図】図１
2008020305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明装置と、
前記照明装置によって照明された被測定物の発生する電磁界によって光学的特性の変化する物質を具備したプローブと、
電磁界によって変化した物質の光学的変化状態を２次限的にかつ実時間で測定するための撮像装置と、
撮像装置の出力から所望の成分を抽出し表示する機能を有する処理装置と、
を有することを特徴とする電磁界高速撮像装置。
【請求項２】
前記照明装置の光源には、レーザ光源を用いることを特徴とする請求項１に記載の電磁界高速撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検体から放射される電界・磁界の分布情報を高速に取得し、二次元像として可視化する電磁界高速撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近来は、電子機器の高度化、小型化、および高速化に伴い、プリント基板回路の細密化が進むと同時に、対象となる電気信号の高速化、広帯域化も著しい。たとえば、１ＧＨｚを超える非常に高い周波数で動作する集積回路や携帯機器などが開発されているが、このような高周波で駆動する回路技術の問題として、回路間の電磁干渉による設計の難しさが顕著になっている。このような高周波回路の駆動時に発生する電磁界の分布を把握することで、問題点を回避する再設計等を効率良く行うことができるので、様々な近傍電磁界測定装置が提案されている。
【０００３】
このような近傍電磁界測定装置として、測定用電磁界プローブを近傍電磁界中に置くことで、プローブに発生した検知電流をケーブルで取り出すものがある。しかし、検体に近づけたプローブとそれに接続するケーブルを流れる検知電流が、検体の近傍電磁界に影響を与えるために、高精度の計測を行うには適していない。
【０００４】
そこで、光ファイバの先端に磁気光学結晶を取り付けて磁気光学プローブとし、検体からの電磁界中に配置した磁気光学プローブ先端の磁気光学結晶へ光ファイバで光を伝搬させ、この近傍電磁界の影響を受ける磁気光学結晶に照射されて変調された反射光をスペクトラムアナライザで分析することにより、磁気光学プローブの先端位置における電磁界を測定する光ファイバ端磁気光学プローブシステムが提案されている（例えば、非特許文献１を参照）。
【０００５】
【非特許文献１】土屋昌弘・山崎悦史・若菜伸一・岸眞人，「光ファイバ端磁気光学（ＦＥＭＯ）プローブによる微小領域マイクロ波帯磁界分布測定」，日本応用磁気学会，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．３，２００２，ｐ．１２８−１３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１に記載された発明では、検体から放射される近傍電磁界の分布を一括して計測できないため、測定系もしくは試料位置を制御することによって、プローブの測定点を順次ずらし、検体の電磁界放射面を走査し、電磁界分布計測を行わなければならなかった。そのため、分布像を得るためには、数十秒から数時間といった非常に長い計測時間が必要となってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、検体から放射される近傍電磁界の分布を高速に取得できる電磁界高速撮像装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、照明装置と、前記照明装置によって照明された被測定物の発生する電磁界によって光学的特性の変化する物質を具備したプローブと、電磁界によって変化した物質の光学的変化状態を２次限的にかつ実時間で測定するための撮像装置と、撮像装置の出力から所望の成分を抽出し表示する機能を有する処理装置と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、前記請求項１に記載の電磁界高速撮像装置において、前記照明装置の光源には、レーザ光源を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、照明装置と、前記照明装置によって照明された被測定物の発せいする電磁界によって光学的特性の変化する物質を具備したプローブと、電磁界によって変化した物質の光学的変化状態を２次限的にかつ実時間で測定するための撮像装置と、  撮像装置の出力から所望の成分を抽出し表示する機能を有する処理装置と、を有するので、非常に短時間で電磁界分布像を得ることができる。
【００１１】
また、請求項２に係る電磁界高速撮像装置によれば、前記照明装置の光源には、レーザ光源を用いるので、単色性・指向性・偏光性に優れたレーザ光による低雑音の電磁界分布検出が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、添付図面に基づいて、本発明に係る電磁界高速撮像装置に最適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、電磁界高速撮像装置１０の概略構成図である。この電磁界高速撮像装置１０は、照明装置１１と、測定対象である検体αから放射される電界又は磁界により複屈折特性が局所的に変化することで、照明装置１１から照射された光に局所的な偏光状態を生ぜしめ、更に偏光状態を強度変化に変換した検出光を出力するプローブ１２と、該プローブ１２の出力光を複数の画素を有するイメージセンサの撮像面に結像させて光電変換する撮像装置１３と、撮像装置１３のイメージセンサ１３ｂより画素毎に取り出した画素信号を用いて検体αの発する近傍電磁界の二次元像を生成する画像処理装置１４と、画像処理装置１４より出力される二次元像を可視表示する画像表示装置１５と、画像処理装置１４で生成した二次元像を記憶保存しておく記録装置１６と、を備える。
【００１４】
照明装置１１からの照明光を受けるプローブ１２は、検体αから放射される動作周波数ｆＲＦの電磁界の影響を受けるべく前記検体のα近傍に配置した電気光学素子（ＥＯ結晶）又は磁気光学素子（ＭＯ結晶）１２ｂと前記電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂに入射する照明光を電磁界検出のために最適な波面を生成する波面整合光学系１２ａ、前記電気光学素子又は磁気光学素子１２ｂからの出力光から電磁界の影響を受けた成分を抽出するための検波光学系１２ｃ、およびそれらを支持し光学条件等を調整する機構部から構成する。
【００１５】
プローブ１２の具備する電気光学素子または磁気光学素子１２ｂは、検体αの発する電界もしくは磁界（近傍電磁界）によって複屈折特性が変化するため、結果として透過または反射する光束に対して電磁界分布に応じた偏光分布を与える。また、電気光学素子および磁気光学素子の時間応答は極めて高速であり、検体αの発する近傍電磁界の周波数ｆＲＦに追従する高い周波数応答性を有し、偏光の分布は検体αの近傍電磁界の動作周波数ｆＲＦにも応答することから、照明装置１１からプローブ１２に照射された照明光は動作周波数ｆＲＦの近傍電磁界で変調された後に出力する。
【００１６】
上述したプローブ１２から取得した電界又は磁界の局所的強度分布を有する検出光を受ける撮像装置１３は、検出光を結像させるための結像光学系１３ａと、結像光学系１３ａによる結像位置に撮像面が配置されるイメージセンサ１３ｂと、からなる。
【００１７】
イメージセンサ１３ｂは、撮像面上に複数（実用的には、１００×１００ピクセル程度以上）の光電検出器を備えて画素信号を発生すもので、撮像面に投影されたプローブ１２近傍の検体の発する電界又は磁界の分布に対応した光の強度分布を光電変換するものである。
【００１８】
測定装置１４ｂは、濾波手段１４ａにて画素信号の所定の成分を抽出し、二次元画像を生成する。前記所定の成分とは所定の帯域周波数帯域内成分であっても、その他ウエイブレット処理などデジタル信号処理された成分であってもよく、限定はしない。また濾波手段１４ａは前記処理を行うためアナログ式回路であっても、デジタル信号処理であってもよく、処理手法は特に限定されるものではない。
【００１９】
なお、測定装置１４ｂから画像情報を受ける画像表示装置１５は、画素毎に時々刻々と変化する電磁界の位相情報や振幅情報を色相・濃度の変化として表示し、検体αより放射される近傍電磁界の変化を動画像として見ることができる。また、測定装置１４ｂからの画像情報を随時記録する記録装置１６には、記録した画像あるいは動作の再生機能を持たせ、画像表示装置１５に表示させるようにしても良い。
【００２０】
図２に示す電磁界高速撮像装置２０の装置構成図は、波面整合光学系、検波光学系、結像光学系の詳細構造の一構成例を示すものである。
【００２１】
図２においてプローブ１２は、波面整合光学系として作用するファイバ端２１ｃ、コリメータレンズ２２ａ、１／４波長板２２ｂ、１／２波長板２２ｃ、偏光ビームスプリッタ２２ｄ、１／４波長板２２ｅ、１／２波長板２２ｆ、誘電体ミラー２２ｇと、電気光学結晶（ＥＯ結晶）２３と、検波光学系として作用する偏光ビームスプリッタ２２ｄ、１／４波長板２２ｅ、１／２波長板２２ｆにて構成する。結像レンズ２２は結像光学系として作用する。イメージセンサ１３ｂ、および、画像処理装置１４の濾波手段１４ａ、測定装置１４ｂは計測処理装置２４に含まれている。本構成例では、偏光ビームスプリッタ２２ｄ、１／４波長板２２ｅ、１／２波長板２２ｆは図面において光が右に進む場合は波面整合光学系、左に進む場合は検波光学系の構成要素として複数の作用を行っている。
【００２２】
図３は図２における光学系の波面整合光学系と検波光学系の作用を説明する模式図である。３１ａ、３１ｂ、３１ｃは波面整合光によって偏波面を順次整合してゆく過程を示す。３２ｃ、３２ｂ、３２ａは検波光学系によって波面中の偏向状態が光りの強度に変換されてゆく過程を示す。３３ａ、３４ｂは偏光ビームスプリッタ２２ｄを光軸上で電界に対して相対的に回転させることによってその出力の変化する様子を示したものである。３４ａ、３４ｂは前記偏光ビームスプリッタ２２ｄ出力の時間変化例を示す。
【００２３】
レーザ光源２１ａから発したレーザ光は光ファイバ２１ｂを介してファイバ端２１ｃより照射される。このファイバ端２１ｃより拡散放射された照明光は、拡大光学系たるコリメータレンズ２２ａにより口径の大きな平行光束となり、１／４波長板２２ｂおよび１／２波長板２２ｃよりなる波面整合光学系を経て円偏光となり、偏光ビームスプリッタ２２ｄを直進し、１／４波長板２２ｅおよび１／２波長板２２ｆを経た後、反射板２２ｇにて光軸が曲げられ、電気光学結晶（ＥＯ−Ｃｒｙｓｔａｌ）を板状に形成した電気光学素子２３の光照射面へ垂直に入射する。すなわち、本構成例においては、１／４波長板２２ｂ，１／２波長板２２ｃ，偏光ビームスプリッタ２２ｄ，１／４波長板２２ｅ，１／２波長板２２ｆが波面整合光学系として機能する。
【００２４】
一方、電気光学素子２３の光照射面に照射された照明光は、動作周波数ｆＲＦで動作する検体α発する電界により局所的な偏光状態の変調を受け、照射時の光路を遡行する。但し、検出光は照明光と異なり、検光子たる偏光ビームスプリッタ２２ｄで偏光状態の変調が強度変調に変換されて図面上方へ反射誘導され、結像レンズ２２ｈにより計測処理装置２４が備えるイメージセンサの撮像面に結像する。
【００２５】
また、本構成例の計測処理装置２４は、撮像装置のイメージセンサや画像処理装置の機能を一体に有するもので、前述した諸演算処理により求めた電界分布画像を画像表示装置２５へ出力する。なお、画像表示装置２５は、観察用カメラ２６からの映像を切り替えて表示できるようにしてあり、検体αと電気光学素子２３とが適切な配置になっているか、簡易に確認できる。
【００２６】
上述した電磁界高速撮像装置２０により得た電界分布画像の一例を図４に示す。（ａ）は検体αから放射される電界強度分布を示す二次元画像で、（ｂ）は位相分布を示した二次元画像である。
【００２７】
４図（ａ）、（ｂ）に示した例は、あらかじめ周波数ｆＬＯで振幅変調した照明光を用い、プローブにて電磁界周波数ｆＲＦにて再度変調した出力光から、２度にわたる変調の結果両周波数の積によって生じた両周波数の和および差成分の周波数のうち差成分を中間周波として用い、中間周波の振幅と位相を測定し濃淡プロットして作成したものである。
【００２８】
次に、上述した電磁界高速撮像装置１０，２０において、より好適な電磁界分布像を取得するための要素技術について説明する。
【００２９】
イメージセンサの各画素において検出される。一般にイメージセンサは飽和光強度を超えると画像取得が不可能となる。そのため、光強度を飽和強度以下に保ちつつ、光強度の積を高くすることにより、検出感度を向上させることができる。具体的には、反射光が偏光ビームスプリッタ２２ｅに入射する直前において、上述の二種の周波数成分を有する変調光の偏光状態が互いに直交することを利用し、１／４波長板２２ｅおよび１／２波長板２２ｆの調整により、両者の比を最適化する。更に、光源からの照明光の強度を調整し、イメージセンサによって検出される光強度を飽和光強度以下の最適な強度とすることにより、同センサを利用した場合の最大感度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】電磁界高速撮像装置の概略機能ブロック図である。
【図２】電磁界高速撮像装置の装置構成図である。
【図３】プローブにおける波面整合光学系、電気光学素子の反射光から強度変化に変えるための検波光学系の偏波面変遷図である。
【図４】（ａ）は検体から放射される電界強度分布を示す二次元像である。（ｂ）は検体から放射される電界の位相分布を示す二次元像である。
【符号の説明】
【００３１】
１０    電磁界高速撮像装置
１１    照明装置
１２    プローブ
１３    撮像装置
１３ｂ  イメージセンサ
１４    画像処理装置
α      検体
【図１】
2008020305.tif 000003
【図２】
2008020305.tif 000004
【図３】
2008020305.tif 000005
【図４】
2008020305.tif 000006