(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から周波数ｆLOで振幅変調された光をプローブ１２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、照明光の変調周波数ｆLOと検体αから放射される電磁界の周波数ｆRFとの差周波成分Δｆ（｜ｆLO−ｆRF｜）を含む検出光における局所的偏光状態を光の局所的強度に変換して撮像装置１３のイメージセンサ１３ｃで撮像し、イメージセンサ１３ｃより画素毎に取り出した画素信号を画像処理装置１４で演算処理して、検体αから放射される近傍電磁界分布の二次元像を生成し、画像表示装置１５にて表示する。【選択図】図１
2008020304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数ｆLOで振幅変調された光を出力可能な照明装置と、
測定対象である検体から発せられる周波数ｆRFの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、前記照明装置から照射された光に局所的な偏光状態を生ぜしめ、周波数ｆRFの近傍電磁界で照明装置からの照明光を更に変調して周波数混合し、照明装置から照射された光の変調周波数ｆLOと検体から放射される電界又は磁界の周波数ｆRFとの差周波成分Δｆ（｜ｆLO−ｆRF｜）を含む検出光を発生可能な電気光学素子または磁気光学素子を備えたプローブと、
前記プローブからの検出光における局所的偏光状態を光の局所的強度に変換し、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る光電変換する撮像装置と、
前記撮像装置のイメージセンサより画素毎に取り出した画素信号に含まれる差周波成分Δｆを用いて検体から放射される近傍電磁界の分布情報を解析し、二次元像を生成する画像処理装置と、
を備え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。
【請求項３】
検体の動作周波数ｆRFと照明装置の周波数ｆLOと処理装置の参照周波数ΔｆＲは同一の発信器信号より供給するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁界高速撮像装置。
【請求項４】
前記画像処理装置は、
前記撮像装置のイメージセンサより画素毎に出力される画素信号から、差周波成分Δｆを含む帯域を通過させる濾波手段と、
前記濾波手段より出力された濾波出力信号の解析を行う測定装置と、
を備え、
前記測定装置は、前記照明装置の変調信号源より供給された参照信号に基づいて参照正弦波と参照余弦波を生成し、前記濾波出力信号と参照正弦波とを積算した正弦成分積算信号と、前記濾波出力信号と参照余弦波とを積算した余弦成分積算信号とを各々演算し、正弦成分積算信号と余弦成分積算信号との二乗和を算出することで振幅情報を、前記正弦成分積算信号と余弦成分積算信号との比を算出することで位相情報を、各々求めるようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の電磁界高速撮像装置。
【請求項５】
前記測定装置が生成する参照正弦波および参照余弦波は、矩形波で代用した疑似参照正弦波と疑似参照余弦波であることを特徴とする請求項４に記載の電磁界高速撮像装置。
【請求項６】
前記撮像装置は、前記プローブの実像をイメージセンサの撮像面に結像させる結像光学系を備え、該結像光学系のイメージセンサ側における無限遠焦点位置の開口中央部に微細な光吸収体を配したことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の電磁界高速撮像装置。
【請求項７】
イメージセンサの飽和光強度に対して、高い光出力が可能な照明光源と、検光子と、偏光状態制御素子を備え、偏光状態制御素子の調整を行うことにより、検光子へ入射する直前における偏光状態を制御し、検光子を透過した検出光に含まれる成分のうち、検出光の前記プローブにおいて発生した変調光成分とその他の成分の強度比を調整できるようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか１項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、周波数ｆLOで振幅変調された光を出力可能な照明装置と、測定対象である検体から発せられる周波数ｆRFの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、前記照明装置から照射された光に局所的な偏光状態を生ぜしめ、周波数ｆRFの近傍電磁界で照明装置からの照明光を更に変調して周波数混合し、照明装置から照射された光の変調周波数ｆLOと検体から放射される電界又は磁界の周波数ｆRFとの差周波成分Δｆ（｜ｆLO−ｆRF｜）を含む検出光を発生可能な電気光学素子または磁気光学素子を備えたプローブと、前記プローブからの検出光における局所的偏光状態を光の局所的強度に変換し、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る光電変換する撮像装置と、前記撮像装置のイメージセンサより画素毎に取り出した画素信号に含まれる差周波成分Δｆを用いて検体から放射される近傍電磁界の分布情報を解析し、二次元像を生成する画像処理装置と、を備え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。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、前記請求項１又は請求項２に記載の電磁界高速撮像装置において、検体の動作周波数ｆRFと照明装置の周波数ｆLOと処理装置の参照周波数ΔｆＲは同一の発信器信号より供給するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に係る発明は、前記請求項２〜請求項３の何れか１項に記載の電磁界高速撮像装置において、前記画像処理装置は、前記撮像装置のイメージセンサより画素毎に出力される画素信号から、差周波成分Δｆを含む帯域を通過させる濾波手段と、前記濾波手段より出力された濾波出力信号の解析を行う測定装置と、を備え、前記測定装置は、前記照明装置の変調信号源より供給された参照信号に基づいて参照正弦波と参照余弦波を生成し、前記濾波出力信号と参照正弦波とを積算した正弦成分積算信号と、前記濾波出力信号と参照余弦波とを積算した余弦成分積算信号とを各々演算し、正弦成分積算信号と余弦成分積算信号との二乗和を算出することで振幅情報を、前記正弦成分積算信号と余弦成分積算信号との比を算出することで位相情報を、各々求めるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５に係る発明は、前記請求項４に記載の電磁界高速撮像装置において、前記測定装置が生成する参照正弦波および参照余弦波は、矩形波で代用した疑似参照正弦波と疑似参照余弦波であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６に係る発明は、前記請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の電磁界高速撮像装置において、前記撮像装置は、前記プローブの実像をイメージセンサの撮像面に結像させる結像光学系を備え、該結像光学系のイメージセンサ側における無限遠焦点位置の開口中央部に微細な光吸収体を配したことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項７に係る発明は、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の電磁界高速撮像装置において、イメージセンサの飽和光強度に対して、高い光出力が可能な照明光源と、検光子と、偏光状態制御素子を備え、偏光状態制御素子の調整を行うことにより、検光子へ入射する直前における偏光状態を制御し、検光子を透過した検出光に含まれる成分のうち、検出光の前記プローブにおいて発生した変調光成分とその他の成分の強度比を調整できるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に係る発明によれば、測定対象である検体の発する周波数ｆRFの電磁界中に配したプローブによって、照明装置から照射された光の変調周波数ｆLOと検体から発する電磁界の周波数ｆRFとの差周波成分Δｆ（｜ｆLO−ｆRF｜）を含む検出光を取得できるので、周波数ｆRFの挙動が周波数変換された差周波成分Δｆに着目した二次元像を撮像装置のイメージセンサで撮像し、イメージセンサから画素毎に取り出した画素信号に基づいて画像処理装置が電磁界の分布情報を生成することが可能となり、極めて短時間で近傍電磁界の分布画像を取得することができる。
【００１６】
しかも、変調周波数ｆLOを適宜に選定することにより検体から発せられる電磁界の周波数ｆRFよりも低い中間周波である差周波成分Δｆを得ることができ、差周波成分Δｆを取り扱う撮像装置および画像処理装置には、検体の周波数ｆRFに追随できる高速動作が要求されないので、装置構成の低廉化を期せるという利点もある。
【００１７】
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。
【００１８】
請求項３に係る発明は、検体の動作周波数ｆRFと照明装置の周波数ｆLOと処理装置の参照周波数ΔｆＲは同一の発信器信号より供給するようにしたので、周波数の相対的な揺らぎである位相雑音を無くすることができる。
【００１９】
また、請求項４に係る電磁界高速撮像装置によれば、前記画像処理装置は、前記撮像装置のイメージセンサより画素毎に出力される画素信号から、差周波成分Δｆを通過させる濾波手段と、前記濾波手段より出力された濾波出力信号の解析を行う測定装置と、を備え、前記測定装置は、前記照明装置の変調信号源より供給された参照信号ΔｆＲに基づいて参照正弦波と参照余弦波を生成し、前記濾波出力信号と参照正弦波とを積算した正弦成分積算信号と、前記濾波出力信号と参照余弦波とを積算した余弦成分積算信号とを各々演算し、正弦成分積算信号と余弦成分積算信号との二乗和を算出することで振幅情報を、前記正弦成分積算信号と余弦成分積算信号との比を算出することで位相情報を、各々求めることができる。
【００２０】
また、請求項５に係る電磁界高速撮像装置によれば、前記測定装置が生成する参照正弦波および参照余弦波は、矩形波で代用した疑似参照正弦波と疑似参照余弦波であるから、正弦成分積算信号と余弦成分積算信号の演算処理を高速に行わせることができる。
【００２１】
また、請求項６に係る電磁界高速撮像装置によれば、前記撮像装置は、前記プローブの実像をイメージセンサの撮像面に結像させる結像光学系を備え、該結像光学系のイメージセンサ側における無限遠焦点位置の開口中央部に微細な光吸収体を配したので、プローブ出力光のうち、光軸に平行な成分を吸収し、イメージセンサの撮像面に入射するノイズを低減できる。
【００２２】
また、請求項７に係る電磁界光速撮像装置によれば、イメージセンサの飽和光強度に対して、高い光出力が可能な照明光源と、検光子と、偏光状態制御素子を備え、偏光状態制御素子の調整を行うことにより、検光子へ入射する直前における偏光状態を制御し、検光子を透過した検出光に含まれる成分のうち、検出光の前記プローブにおいて発生した変調光成分とその他の成分の強度比を調整できるようにしたので、照明光源の光強度に応じてイメージセンサの受光強度を調整することにより、検出光の光強度をイメージセンサの飽和光強度以下に保ちつつ、差周波成分Δｆでの変調深度を最大化することにより、測定感度を最適化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【００２４】
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、周波数ｆLOで振幅変調された光を出力する照明装置１１と、測定対象である検体αから放射される周波数ｆRFの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、周波数ｆRFで照明装置１１からの照明光を更に混合させ、照明装置１１から照射された光の変調周波数ｆLOと検体αから放射される電磁界の周波数ｆRFとの差周波成分Δｆ（｜ｆLO−ｆRF｜）を含む検出光を発生可能なプローブ１２と、プローブ１２からの検出光における局所的偏光状態を光の局所的強度に変換し、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のイメージセンサより画素毎に取り出した画素信号に含まれる差周波成分Δｆ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。
【００２５】
本実施形態に示す照明装置１１は、光源１１ａと、光源１１ａからの光を変調するための変調器１１ｂと、変調器１１ｂを制御する周波数ｆLOの変調信号を発生するための変調信号源１１ｃと、変調器１１ｂの出力光の波面をプローブ１２の光照射面に整合させるための波面整合光学系１１ｄと、を備える。なお、光源１１ａとしては、単色性・指向性・偏光性に優れたレーザ光を出力できるレーザ光源を用いることが望ましい。また、レーザ光源に印加する電流値などを制御することにより、レーザ光自体を直接変調する構成とすれば、光源１１ａから変調光を得ることができるので、変調器１１ｂを別途設ける必要がない。
【００２６】
照明装置１１の波面整合光学系１１ｄ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又は磁気光学素子にて構成する。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に比して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出力する。
【００２７】
このように、周波数ｆLOで予め変調されている照明装置１１からの照明光はプローブ１２に照射されると、検体αから放射される電磁界の影響下に置かれたプローブ１２により、周波数ｆRFの近傍電磁界で更に変調が加えられる。すなわち、プローブ１２はヘテロダイン無線受信機における混合器、照明装置１１は同局部発振器、近傍電磁界は同受信信号とみなせば、プローブ１２の出力光は同混合器出力、すなわち中間周波信号とみなすことが出来る。
【００２８】
図２はプローブ１２からの検出光に重畳する振幅変調周波数の関係を示す（横軸は周波数、縦軸は検出光に重畳する変調周波数成分）。プローブ１２からの検出光には、周波数ｆRFおよびｆLOの成分に加えて、前記両周波数成分の積によって和成周波分（ｆLO＋ｆRF）と差周波成分Δｆ（｜ｆLO−ｆRF｜）が生じる。
【００２９】
なお、本実施形態で示す電磁界高速撮像装置１０においては、検体αが動作する動作周波数ｆRFの信号を照明装置１１の変調信号源１１ｃを元に生成し、これを検体αに供給するものとしてある。斯く構成すれば、動作周波数ｆRFに応じて、中間周波数Δｆが得られる周波数ｆLOの光変調用信号を変調信号源１１ｃで生成できるので、既存の機器で取り扱いが容易な４００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ或いは１０ＭＨｚ〜１２ＭＨｚの中間周波数Δｆが得られるような周波数ｆLOの光変調用信号を自動的に変調器１１ｂへ供給させることも可能である。また、検体αから動作周波数ｆRFの動作信号の供給を変調信号源１１ｃが受けるように構成した場合（図１において、破線で示す）、この動作周波数ｆRFに所望の中間周波数Δｆを加減算した周波数ｆLOの光変調用信号を変調器１１ｂへ供給しても良い。
【００３０】
検体αが集積度の高いＩＣチップや複数のＩＣを有する回路基板等であった場合、部分的に異なる周波数で動作することもある。このように動作周波数ｆRFが複数ある検体αに対しては、着目する動作周波数ｆRFに応じた周波数ｆLOで変調した照明光をプローブ１２へ照射し、着目する差周波成分Δｆのみから電磁界分布解析を行うようにしても良い。
【００３１】
また、本実施形態の電磁界高速撮像装置１０においては、複数の周波数で動作する電磁界の挙動を同時に観察することも可能である。検体αの複数の動作周波数ｆRFn（ｎ＝１，２，…）に対応した複数の周波数ｆLOn（ｎ＝１，２，…）によって同時に照明光を変調し、複数の中間周波数Δｆn（ｎ＝１，２，．．）を抽出して処理すれば、複数の動作周波数ｆRFnにおける近傍電磁界の挙動を観察することができる。
【００３２】
上述したプローブ１２から取得した検出光（中間周波成分Δｆを含む）を受ける撮像装置１３は、プローブ１２からの検出光における局所的偏光状態を光の局所的強度に変換して取り出す検波光学系１３ａと、検波光学系１３ａを介して入力された検出光を結像させるための結像光学系１３ｂと、結像光学系１３ｂによる結像位置に撮像面が配置されるイメージセンサ１３ｃと、からなる。
【００３３】
イメージセンサ１３ｃ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上の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。イメージセンサ１３ｃの撮像面に投影された電磁界分布像は、プローブ１２の作用によって中間差周波Δｆに周波数変換された画像となる。
【００３４】
測定装置１４ｂは、変調信号源１１ｃから供給される周波数ΔｆＲの参照信号を用いて濾波手段１４ａからの画素信号の加工処理を行い、中間周波数ΔｆＲにおける振幅と位相差を測定する。ΔｆＲはΔｆに等しい値を持つ。一般に、独立した発振器は互いに周波数の揺らぎがあり、この揺らぎは位相雑音として知られている。電磁界高速撮像装置１０においては、中間周波数Δｆの近傍にこの位相雑音が発生する。しかし、本実施形態に係る電磁界高速撮像装置１０のように、検体αの動作周波数ｆRFと照明装置１１の周波数ｆLOと画像処理装置１４の参照周波数ΔｆＲを、変調信号源１１ｃから供給すれば、周波数の相対的な揺らぎである位相雑音を無くすることができる。
【００３５】
測定装置１４ｂの具体的構成例を図３に示した。画素毎の出力である画素信号中の中間周波数Δｆ成分は、帯域通過フィルタ１４１を選択的に通過し、次にＡ／Ｄ変換手段１４２によってディジタル値に変換され、正弦成分積算手段１４３ａと余弦成分積算手段１４３ｂに各々供給される。正弦成分積算手段１４３ａは、変調信号源１１ｃより供給された参照信号に基づき生成した参照正弦波（周波数ΔｆＲの正弦波）と前記Ａ／Ｄ変換器１４２出力の積を累積加算して正弦成分積算信号を出力し、余弦成分積算手段１４３ｂは、変調信号源１１ｃより供給された参照信号に基づき生成した参照余弦波（周波数ΔｆＲの余弦波）を前記Ａ／Ｄ変換器１４２出力の積を累積加算して余弦成分積算信号を出力する。
【００３６】
なお、参照正弦波、参照余弦波は１ビットデータとすると正弦成分積算手段１４３ａおよび余弦成分積算手段１４３ｂにおける演算を高速に行うことができる。１ビットの正弦・余弦波は振幅プラスマイナス１である。正弦・余弦波の振幅データを多値のビット数とすると誤差すなわち雑音成分の少ない結果が得られる反面演算時間を消費して応答性を損なう。希望する性能に応じて任意の選択が可能である。
【００３７】
上記のようにして、正弦成分積算手段１４３ａから出力される正弦成分積算信号と余弦成分積算手段１４３ｂから出力される余弦成分積算信号は、第１演算手段１４４および第２演算手段１４５へ各々供給される。第１演算手段１４４は正弦成分積算信号と余弦成分積算信号の二乗和を算出し振幅情報を生成する。同様に第２演算手段１４５は正弦成分積算信号と余弦成分積算信号との比を算出して位相情報を生成する。このようにして、画素毎に得られる振幅情報と位相情報を、色相や濃度に対応付けることで、電磁界分布を示す二次元画像が得られる。
【００３８】
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。
【００３９】
図４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。
【００４０】
図４において、ファイバ端２１ｄ、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は波面整合光学系として作用する。電気光学結晶（ＥＯ結晶）２３はプローブとして作用する。偏光ビームスプリッタ２２ｄ、１／４波長板２２ｅ、１／２波長板２２ｆは検波光学系として作用する。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１３ｃ、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。
【００４１】
図５は、図４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。５１ａ、５１ｂ、５１ｃ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。５２ｃ、５２ｂ、５２ａ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。５３ａ、５４ｂ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物である。５４ａ、５４ｂ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。
【００４２】
図４において、レーザ光源２１ａから発したレーザ光は光ファイバにて、高周波発振器２１ｃからの発信周波数ｆLOにて制御された光変調器２１ｂへ導入され、振幅変調された照明光がファイバ端２１ｄより拡散放射され、コリメータレンズ２２ａにより平行光束となる。更に、前記レーザ光は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を保持機構部により所定位置に配置したプローブ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。
【００４３】
一方、プローブ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が発する電界により局所的な偏光状態の変調を受け、前述したように中間周波数Δｆを含む検出光として反射し、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。
【００４４】
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。
【００４５】
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６に示す。（ａ）は検体αから放射される電界強度分布を示した二次元画像で、（ｂ）は位相分布を示した二次元画像である。そして、電磁界高速撮像装置２０においては、中間周波数Δｆをイメージセンサの応答周波数よりも低く設定しておくことにより、検体αの動作周波数ｆRFが数ＧＨｚと高い周波数であっても、その挙動が転写された中間周波数Δｆはイメージセンサの応答する周波数帯に設定できる。
【００４６】
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。
【００４７】
イメージセンサ１３ｃの各画素において検出される差周波成分Δｆの強度（振幅の自乗）は、照明光と同じ変調周波数の成分と周波数ｆRFの電磁界による変調により発生した成分の光強度の積に比例する。一方、検出光の光強度は、これらの和となる。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１３ｃ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、イメージセンサ１３ｃの最大感度で画像を得ることができる。
【００４８】
図７に示す光学系配置図のように、検体αに近接して配置したプローブ３１からイメージセンサ３２に至る光軸に、波面整合光学系３３、偏光子と検光子を兼ねるビームスプリッタ３４、結像光学系３５を配した場合、プローブ３１側から結像光学系３５に入射した光軸に平行な平行光がイメージセンサ３２側で集光する点、すなわち、結像光学系３５のイメージセンサ３２側における無限遠焦点位置の開口中央部に、微細な光吸収体３６を配しておけば、プローブ３１からの反射光のうち、光軸に平行な成分３７を光吸収体３６により吸収し、イメージセンサ３２の撮像面に入射するノイズを低減できる。光吸収体３６は微小であるため、イメージセンサ３２に結像するプローブ３１からの光線３８を吸収する量は僅かであるから、イメージセンサ３２の出力への影響も少なくてＳ／Ｎ比の増加をもたらす。
【００４９】
また、図８に示す光学系配置図のように、検体αに近接して配置したプローブ４１からイメージセンサ４２に至る光軸に、波面整合光学系４３、偏光子と検光子を兼ねるビームスプリッタ４４、結像光学系４５を配した場合、プローブ４１側から結像光学系４５に入射した光軸に平行な平行光がイメージセンサ４２側で集光する位置、すなわち、結像光学系４６から無限遠焦点位置にイメージセンサ４２を配置すると共に、結像光学系４５の他方の無限遠焦点位置にプローブ４１を配置しておけば、プローブ４１の反射光のフーリエ変換像がイメージセンサ４２に結像する。前記フーリエ変換像はプローブ面の電磁界分布のフーリエ変換像すなわち遠方電磁界像である。本構成を用いれば検体αの発する電磁界の遠方電磁界像を直接取得できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【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】プローブからの検出光における周波数分布特性図である。
【図３】画像処理装置の機能ブロック図である。
【図４】電磁界高速撮像装置の装置構成図である。
【図５】図４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。
【図６】（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。
【図７】光吸収体を設けた電磁界高速撮像装置における光学系配置図である。
【図８】遠方電磁界像を取得可能な電磁界高速撮像装置における光学系配置図である。
【符号の説明】
【００５１】
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
１３ｃ  イメージセンサ
１４    画像処理装置
α      検体
【図１】
2008020304.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008020304.tif 000005
【図４】
2008020304.tif 000006
【図５】
2008020304.tif 000007
【図６】
2008020304.tif 000008
【図７】
2008020304.tif 000009
【図８】
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