(57)【要約】【課題】空間に放射された電磁波を高い空間分解能でかつ短時間に計測する装置を提供する。【解決手段】光線を出射する光源と、電界に応じて光学的特性が変化する電気光学結晶と、光線の電気光学結晶への入射位置を変更する入射位置変更手段と、電気光学結晶に入射され、電界に応じた偏光変調を受けた光線が含む２つの独立な偏光成分を分離する偏光分離手段と、この偏光分離手段により分離された光の強度を電気信号に変換する光検出手段と、電気信号を処理し電界分布を出力する出力手段とを備えることを特徴とする。【選択図】　　　　図１
2004028636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線を出射する光源と、
電界に応じて光学的特性が変化する電気光学結晶と、
前記光線の前記電気光学結晶への入射位置を変更する入射位置変更手段と、
前記電気光学結晶に入射され、電界に応じた偏光変調を受けた光線に含まれる２つの独立な偏光成分を分離する偏光分離手段と、
この偏光分離手段により分離された偏光成分の強度変化を電気信号に変換する光検出手段と、
前記電気信号を処理し電界分布を出力する出力手段と、
を備えることを特徴とする電界分布測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電界分布測定装置において、
前記入射位置変更手段は、前記光源から出射された前記光線の進行方向を変更する可動鏡と、
この進行方向の変化した光線の進行方向を、前記電気光学結晶の入射端面に垂直になるように補正するレンズと、
を備えることを特徴とする電界分布測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電界分布測定装置において、
前記偏光分離手段は、前記偏光変調を受けた光線に含まれる２つの独立な偏光成分を分離し、
前記光検出手段は、前記偏光分離手段により分離された偏光成分の強度変化を電気信号に変換し、これらの電気信号の差動信号を出力することを特徴とする電界分布測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電界分布測定装置において、
前記入射位置変更手段は、前記光源からの前記光線の進行方向を変更する可動鏡と、
この進行方向の変化した光線の第１の偏光成分を分岐する偏光ビームスプリッタと、
この偏光ビームスプリッタにより分岐された第１の偏光成分を有する光線を、前記電気光学結晶の入射端面に垂直になるように補正するレンズと
を備え、
前記偏光ビームスプリッタは、前記電気光学結晶に入射され、電界に応じた変更変調を受けた前記第１の偏光成分を有する光線の偏光変化を分離することを特徴とする電界分布測定装置。
【請求項５】
請求項１に記載の電界分布測定装置において、
前記入射位置変更手段は、前記光源からの前記光線の進行方向を変更する可動鏡と、
この進行方向の変化した光線を反射するビームスプリッタと、
このビームスプリッタにより反射された光線を、前記電気光学結晶の入射端面に垂直になるように補正するレンズと、
を備え、
前記偏光分離手段は、前記偏光変調を受け、ビームスプリッタを透過した光線を２つの独立な偏光成分毎に分離し、
前記光検出手段は、前記偏光分離手段により分離された偏光成分の強度変化を電気信号に変換し、これらの電気信号の差動信号を出力することを特徴とする電界分布測定装置。
【請求項６】
請求項１に記載の電界分布測定装置において、
前記入射位置変更手段は、前記光源からの前記光線の進行方向を変更する可動鏡と、
この進行方向の変化した光線を、所定の光軸に平行な方向に補正するレンズと、
この補正された光線を反射する固定鏡と、
を備えることを特徴とする電界分布測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電界分布測定装置において、
前記偏光分離手段は、前記偏光変調を受けた光線を２つの独立な偏光成分に分離し、
前記光検出手段は、前記偏光分離手段により分離された偏光成分の強度変化を電気信号に変換し、これらの電気信号の差動信号を出力することを特徴とする電界分布測定装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の電界分布測定装置において、
前記光源と前記入射位置変更手段との間または前記電気光学結晶と前記偏光分離手段との間に、第１、第２の偏光成分間の位相差を補償する位相補償手段を備えることを特徴とする電界分布測定装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の電界分布測定装置において、
前記光検出手段に入射する光線のビームスポットの大きさを調節するレンズを備えたことを特徴とする電界分布測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界の空間分布を検出・測定する電界分布測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、携帯電話などの普及に伴い、通信の主流が有線から無線に変わりつつある。無線通信を実現するには電磁波を空間に放射するためのアンテナが必要である。また無線通信に使用される電磁波の周波数は上昇する傾向にあるが、高周波部品の実装は容易でなく、実際に製作したアンテナなどの部品の特性がシミュレーションと異なることがしばしばある。
さらに、電子回路の高周波化が進むと、予期せぬ不要な電磁波が、その回路から放射されやすくなる。そのため、この不要な電磁波による電子機器の誤動作や人体への悪影響が懸念され、近年では電磁環境問題として取り上げられている。
【０００３】
このような状況の中で、実際にアンテナや高周波部品から放射される電磁波の空間分布を高い分解能で計測する手段が必要とされている。そしてこれらの需要に応える技術として、電気光学効果や磁気光学効果を用いたセンサが報告されている。前者は電磁波の電界を計測するものであり、後者は磁界を計測するものである。特に前者は後者に比べて高い周波数の電磁波に対しても応答するので、有望な技術と考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のアンテナや高周波部品から放射される電磁波の空間分布を高い分解能で計測する手段には、次のような問題があった。
例えば、電気光学効果や磁気光学効果を用いたセンサの両者とも空間の一点における電磁界を計測するセンサであるため、物体から放射される電磁界の空間分布を計測するためには測定すべき物体（アンテナや高周波部品）を２次元的にまたは３次元的に走査する必要があった。
【０００５】
例えば、図１１に示すような従来の電界分布測定装置においては、光源９から出射した光線は、第１の偏光分離素子５を透過し、ＥＯ結晶１に入射する。この光線の入射位置はＥＯ結晶の一点であり、変化させることはできない。このＥＯ結晶１に入射した光線はＥＯ結晶１を透過した後、ＥＯ結晶１の光線の入射する入射端面に対向する面に配置された固定鏡２で反射され、結晶内で被測定電磁波によって偏光変調を受けた後に、入射端面より出射する。この偏光変調を受けた光線は、ＥＯ結晶１に入射した時と同じ経路を逆行し、第１の偏光分離素子５を通過する。第１の偏光分離素子５では、光線がＥＯ結晶１中で受けた偏光変調の度合いに応じて、光線の一部が反射されて第１の光検出器６に入射する。
【０００６】
第１の光検出器６では入射した光線の強度に比例した電気信号を出力する。第１の光検出器６から出力された電気信号は、電気信号測定器７に入力され、スペクトラムアナライザ（ＳＡ）やロックインアンプ（ＬＩＡ）などにより処理される。
【０００７】
このような電界分布測定システムは、例えば文献１　（Ｋ．Ｙａｎｇ，ｅｔ　ａｌ．，”Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ　Ｍａｐｐｉｎｇ　ａｎｄ　Ｆｉｎｉｔｅ−Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ　Ｐａｔｔｅｒｎ　ｏｆ　ａＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　Ｐａｔｃｈ　Ａｎｔｅｎｎａ，”ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，　Ｖｏｌ．　４８，　Ｎｏ．　２，　Ｆｅｂ．２０００，　ｐｐ．　２８８−２９４）などに記載されている。
このようなシステムでは、物体の走査に機械的なステージが利用されることが多いが、機械的なものでは高速走査を実現するのは困難で、測定にかかる時間も数十分程度は必要であり、実用的とは言えなかった。
【０００８】
そのため、高周波部品やアンテナから放射される電磁波の空間分布を、高い分解能でかつ短時間に計測する手段が必要とされている。
そこで、本発明は、前述した従来技術の問題点や課題を解決するためになされたものであり、その目的は、空間に放射された電磁波を高い空間分解能でかつ短時間に計測する装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明にかかる電界分布測定装置は、光線を出射する光源と、電界に応じて光学的特性が変化する電気光学結晶と、光線の電気光学結晶への入射位置を変更する入射位置変更手段と、電気光学結晶に入射され、電界に応じた偏光変調を受けた光線に含まれる２つの独立な偏光成分を分離する偏光分離手段と、この偏光分離手段により分離された偏光成分の強度変化を電気信号に変換する光検出手段と、電気信号を処理し電界分布を出力する出力手段とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、入射位置変更手段を備えたことにより、光線の進行方向を変化させ、ＥＯ結晶への入射位置を変更させることができる。
【００１０】
さらに、入射位置変更手段は、光源から出射された光線の進行方向を変更する可動鏡と、この進行方向の変化した光線の進行方向を、電気光学結晶の入射端面に垂直になるように補正するレンズとを備えることを特徴とする。
本発明によれば、可動鏡により、光源から出射した光線の進行方向を変化させることができ、異なる進行方向に反射した光線をレンズで電気光学（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ：ＥＯ）結晶に対して垂直に入射させることができる。光線を走査させる可動鏡は、機械的なステージに比べて桁違いの高速動作が可能であるため、測定時間の大幅な短縮が望める。可動鏡は、例えば、制御部により、予め決められた傾きに高速に変化させられる。
【００１１】
さらに、偏光分離手段は、偏光変調を受けた光線に含まれる２つの独立な偏光成分を分離し、光検出手段は、偏光分離手段により分離された偏光成分の強度変化を電気信号に変換し、これらの電気信号の差動信号を出力することを特徴とする。
本発明によれば、２倍の振幅を有する電気信号を得ることができ、また雑音を低減することができる。偏光分離手段として、光線の経路に第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）、ファラデー回転素子（ＦＲ）、１／２波長板、第２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ２）、位相補償器が配置される。例えば、分離される所定の偏光成分は互いに直交する。
【００１２】
さらに、入射位置変更手段は、光源からの光線の進行方向を変更する可動鏡と、この進行方向の変化した光線の第１の偏光成分を分岐する偏光ビームスプリッタと、この偏光ビームスプリッタにより分岐された第１の偏光成分を有する光線を、電気光学結晶の入射端面に垂直になるように補正するレンズとを備え、偏光ビームスプリッタは、電気光学結晶に入射され、電界に応じた変更変調を受けた第１の偏光成分を有する光線の偏光変化を分離することを特徴とする。
本発明によれば、偏光ビームスプリッタにより、分岐された第１の偏光成分のみをＥＯ結晶に入射させることができ、ＥＯ結晶に入射したために生じた第１の偏光成分以外の成分を分離することができる。言い換えれば、偏光ビームスプリッタが偏光分離手段を兼ねることができる。
【００１３】
さらに、入射位置変更手段は、光源からの光線の進行方向を変更する可動鏡と、この進行方向の変化した光線を反射するビームスプリッタと、このビームスプリッタにより反射された光線を、電気光学結晶の入射端面に垂直になるように補正するレンズとを備え、偏光分離手段は、偏光変調を受け、ビームスプリッタを透過した光線に含まれる偏光成分を分離し、光検出手段は、偏光分離手段により分離された偏光成分の強度変化を電気信号に変換し、これらの電気信号の差動信号を出力することを特徴とする。
本発明によれば、ビームスプリッタに反射され、ＥＯ結晶から出射した光線のうち透過した光線のみを偏光分離手段に入射させることができる。また、２倍の振幅を有する電気信号を得ることができ、また雑音を低減することができる。
【００１４】
さらに、入射位置変更手段は、光源からの光線の進行方向を変更する可動鏡と、この進行方向の変化した光線の方向を、所定の光軸に平行な方向に補正するレンズと、この補正された光線を反射する固定鏡とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、光線と被測定電磁波の進行方向を一致させてから両者をＥＯ結晶に入射し、ＥＯ結晶を透過した光線の偏光変化を検出することができる。
【００１５】
さらに、偏光分離手段は、偏光変調を受けた光線に生じた２つの独立な偏光成分を分離し、光検出手段は、偏光分離手段により分離された偏光成分の強度変化を電気信号に変換し、これらの電気信号の差動信号を出力することを特徴とする。
本発明によれば、光線と被測定電磁波の進行方向を一致させてから両者をＥＯ結晶に入射し、ＥＯ結晶を透過した光線の偏光変化を検出することができる。また、２倍の振幅を有する電気信号を得ることができ、また雑音を低減することができる。
【００１６】
さらに、光源と入射位置変更手段との間または電気光学結晶と偏光分離手段との間に、第１、第２の偏光成分の光線間の位相差を補償する位相補償手段を備えることを特徴とする
本発明によれば、被測定電界に比例し、かつ振幅の大きい電気信号を得ることができる。
【００１７】
さらに、光検出手段に入射する光線のビームスポットの大きさを調節するレンズを備えたことを特徴とする
本発明によれば、偏光ビームスプリッタからの光線を光検出器の受光面に留めることができる。ここで、レンズは光検出器（ＰＤ）と偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）との間に配置される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１９】
図１に実施の形態１にかかる電界分布測定装置の構成を示す。
実施の形態１にかかる電界分布測定装置は、光源９と、電気光学（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ：ＥＯ）結晶１と、入射位置変更部と、偏光分離部と、光検出部と、出力部とを備える。
【００２０】
光源９は、例えばレーザ光源からなりレーザ光線を出射し、電磁波源１０から発生している電界を検出するために用いられる。この光源９から出射される光線は、連続波（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｗａｖｅ：ＣＷ）およびパルスのどちらを用いてもよい。後述する光検出部に備えられた第１の光検出器（Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ：ＰＤ）６の応答速度が被測定電磁波の周波数に十分追随できるなら、ＣＷ光を用いるのが一般的である。それに対して被測定電磁波の周波数が極めて高く、第１の光検出器６がその周波数に追随できない場合には、短パルス光を用いる。後者に関する詳細は、例えば文献２（Ｋ．　Ｊ．　Ｗｅｉｎｇａｒｔｅｎ，　ｅｔ　ａｌ．，　”Ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓａｍｐｌｉｎｇ　ｏｆ　ＧａＡｓ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，　”ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　Ｖｏｌ．２４，　Ｎｏ．２，　Ｆｅｂ．　１９８８，　ｐｐ．１９８−２２０．）や文献３（Ａ．Ｓａｓａｋｉ　ｅｔ　ａｌ．，”Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−Ｗａｖｅ　Ｉｍａｇｉｎｇ　Ｕｓｉｎｇ　ａｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ａｓ　ａ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｍｉｘｅｒ，”ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｅｌｅｃｔｅｄ　Ｔｏｐｉｃｓ　ｉｎ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．６，Ｎｏ５，Ｓｅｐｔ，／Ｏｃｔ．２０００，ｐｐ．７３５−７４０．）に記載されている。
【００２１】
ＥＯ結晶１は、結晶内に進入した電界に応じて光学的特性が変化する。実施の形態１ではＥＯ結晶１において、光線の入射端面に対向する端面に固定鏡２が配置され、この固定鏡２によりＥＯ結晶１に入射した光線が反射され、入射方向に戻されるようになっている。この固定鏡２は、例えば蒸着法などの成膜装置により形成される。入射端面と固定鏡は平行に作製される。
【００２２】
入射位置変更部は、第１のレンズ３と可動鏡４とから構成され、光源９から出射され、ＥＯ結晶１に入射される光線の進行方向を変更する。光源９から出射された光線は、この光線の光路に配置された可動鏡４で反射される。可動鏡４により反射された光線は第１のレンズ３によりＥＯ結晶１の入射端面に対して垂直に入射するように補正される。このように光線の進行方向が補正されることにより、入射端面から入射し、固定鏡により反射され、入射端面から出射するまでに光線が進行する光学的距離を等しくできる。
ここで、第１のレンズ３は、可動鏡４の傾きによらずレーザ光線をＥＯ結晶１の入射端面に対して垂直に入射するように補正する機能を有するレンズである。
【００２３】
可動鏡４を設け、この可動鏡４の傾きを変化できるようにしたことによりＥＯ結晶１への光線の入射位置を変更できるため、ＥＯ結晶１の任意の点（領域）に光線を入射させることができ、可動鏡４によりこの光線をＥＯ結晶上を走査させることによりＥＯ結晶内に広く分布した被測定電界の空間分布を検出することができる。例えば、可動鏡４を、図示しない表示部により、予め決められた１または複数の傾きに変更するようにしてもよい。また、使用者が、この傾きを変更するようにしてもよい。
【００２４】
偏光分離部は、第１の偏光分離素子５、例えば偏光ビームスプリッタから構成され、光源９から出射した光線がＥＯ結晶１中で受けた偏光変調の度合いに応じて、偏光変調を受けたレーザ光線の一部を反射する。言い換えれば、光源９から出射された光線のうち一方の偏光成分は透過し、透過する偏光成分に直交する他方の偏光成分は光路を直角方向に変更する。ここで、光源９から出射された光線のうち一方の偏光成分と他方の偏光成分は、偏光面が９０°異なる。
【００２５】
光検出部は、第１の光検出器６から構成され、偏光分離素子５から入射された光線を、この光線の強度に比例した電気信号に変換する。
出力部は、電気信号測定器７、例えばスペクトラムアナライザ（ＳＡ）やロックインアンプ（ＬＩＡ）から構成され、光検出器６から入力される電気信号の処理を行う。例えば、入力された電気信号を増幅し、雑音を除去して出力する。
【００２６】
次に、実施の形態１にかかる電界分布測定装置の動作について説明する。
光源９から出射した光線、例えばレーザ光線は、第１の偏光分離素子５を透過した後に可動鏡４により反射される。例えば、第１の偏光分離素子５を透過できるのは、第１の偏光成分のみである。また、光線の経路は、可動鏡４の角度を変化させることにより、変化させることができる。
可動鏡４により反射された光線は、第１のレンズ３を透過した後、ＥＯ結晶１に入射する。第１のレンズ３は、可動鏡４の傾きによらず光線がＥＯ結晶１の入射端面に対して垂直に入射するように補正する。
自由空間中には、電磁波源１０、例えばアンテナや高周波部品から電磁波が放射されている。ＥＯ結晶１内に被測定電磁波の電界が存在すると、一次の電気光学効果であるポッケルス効果により結晶の複屈折率が変化する。複屈折率の変化した状態のＥＯ光学結晶に対してレーザ光線を入射すると、入射したレーザ光の偏光状態が変化する。
【００２７】
ＥＯ結晶１に入射した光線はＥＯ結晶１を透過した後、ＥＯ結晶１の入射端面に対向する面に配置された固定鏡２により反射され、再びＥＯ結晶１に入射する。固定鏡２は光線を反射するが、電磁波源１０から放射されている被測定電磁波を透過する。
被測定電磁波は固定鏡２を透過した後、ＥＯ結晶１内に入射し、固定鏡２で反射された光線と同方向にＥＯ結晶１内を伝播する。この時に、光線は被測定電磁波の電界に応じて偏光変調を受ける。偏光変調を受けた光線は、ＥＯ結晶１に入射した時と同じ経路を逆行する。すなわち第１のレンズ３を透過した後に可動鏡４で反射され、第１の偏光分離素子５に入射する。
【００２８】
第１の偏光分離素子５では、光線がＥＯ結晶１中で受けた偏光変調の度合いに応じて、光線の一部が反射されて第１の光検出器６に入射する。
例えば、第１の偏光分離素子５に入射した光線に含まれる第１の偏光成分は直進し、第２の偏光成分は進行方向を９０°変更され、第１の光検出器６に入射する。言い換えれば、第１の光検出器６に入射する光線は、ＥＯ結晶により偏光変調を受けたために生じた偏光成分である。
第１の光検出器６では入射した光線の強度に比例した電気信号を出力する。
第１の光検出器６から出力された電気信号は、電気信号測定器７に入力され、スペクトラムアナライザ（ＳＡ）やロックインアンプ（ＬＩＡ）などにより処理される。
【００２９】
ＥＯ結晶１内に入射した被測定電磁波の電界分布を測定する場合には、可動鏡４の傾きを変えることによって光線をＥＯ結晶１上で走査しながら、電気信号測定器７によって処理された計測結果値をサンプルする。サンプルされたデータはコンピュータ８に送信され、電界分布として処理され、ディスプレイ上には電界分布が表示される。
【００３０】
次に、実施の形態２にかかる電界分布測定装置について説明する。
実施の形態２にかかる電界分布測定装置は、図２に示すように、実施の形態１において説明した電界分布測定装置の第１の偏光分離素子５と可動鏡４との間に位相補償器１１を配置したものである。
位相補償器１１としては、例えば１／４波長板（ＱＷＰ）と１／２波長板（ＨＷＰ）をそれぞれ１枚用いる。これら２種類の波長板を第１の偏光分離素子５と可動鏡４との間に挿入し、かつそれぞれの角度を適当に調整する。第１の偏光分離素子５に入射する光に含まれる第１の偏光成分および第２の偏光成分間の位相差Γ、一般に、
Γ＝Γ０＋αＥ　（１）
と表される。ここでΓ０はＥＯ結晶の種類や厚さに依存する定数、Ｅは外部から結晶に対して印加された電界、αは結晶の種類などに依存する比例定数である。
【００３１】
ここで、例えばＰ偏光成分のみを検出し、Ｐ偏光成分の強度Ｐ（Γ）を検出する場合を考えると、
Ｐ（Γ）＝０．５（１−ｃｏｓΓ）＝０．５［１−ｃｏｓ（Γ０＋αＥ）］（２）と表される。
この関係式から、Ｐ（Γ）とΓとの関係は図３に示される通りとなる。外部印加電圧がマイクロ波などの電磁波に起因するものであり、Ｅ＝Ｅ０ｃｏｓωｍｗｔと表され、Γ０＝π／２とすると、
Ｐ（Γ）＝０．５［１＋ｓｉｎ（αＥ０ｃｏｓωｍｗｔ）］≒０．５（１＋αＥ０ｃｏｓωｍｗｔ）（３）
となり、フィルタなどで交流成分のみを取り出すと、
Ｐ（Γ）≒０．５αＥ０ｃｏｓωｍｗｔ（４）
となり、マイクロ波電界に比例した信号を得ることができる。
【００３２】
しかし、一般には、Γ０≠π／２であるので式（４）を得ることができない。そこで、光の経路に位相補償器１１を挿入することにより、光の２つの偏光成分間に位相差Γｅｘｔを加えることにより、式（２）は、Ｐ（Γ）＝０．５［１−ｃｏｓ（Γ０＋Γｅｘｔ＋αＥ）］と表され、Γ０＋Γｅｘｔ＝π／２を満たすようなΓｅｘｔを得ることができるため、マイクロ波電界に比例した信号を得ることができる。
したがって、位相補償器１１を光線の経路に配置し、適当に調整することによって、偏光変化を受けた光線の偏光変化量を、被測定電界の振幅に比例されることができ、かつ振幅の大きい電気信号を得ることができる。
【００３３】
次に、実施の形態３にかかる電界分布測定装置について説明する。
実施の形態３にかかる電界分布測定装置は、図４に示すように、偏光分離部に第１の偏光分離素子５と第２の偏光分離素子１２と位相補償器１１とファラデー回転素子（ＦＲ）１５、１／２波長板（ＨＷＰ）１４とを備え、光検出部において、電気信号に変換された偏光成分の差動信号を検出する差動増幅器を備えた電界分布測定装置である。
【００３４】
ＥＯ結晶１中で光線が偏光変調を受けると、光線の２つの独立な偏光成分、例えばＳ偏光成分およびＰ偏光成分の強度が逆相で変化する。言い換えれば、偏光変調を受けることによって、Ｓ偏光成分が増加した瞬間にはＰ偏光成分は減少し、Ｓ偏光成分が減少した瞬間にはＰ偏光成分は増加する。
実施の形態３では、光線の２つの独立な偏光成分、例えばＳ偏光成分およびＰ偏光成分の強度が逆相で変化する性質を利用して、Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分を独立に検出し、電気信号に変換した後に差動増幅器１６に入力し、その出力を電気信号測定器７に入力する。
Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分の強度は逆相で変化するので、差動信号検出によって２倍の振幅を有する電気信号を得ることができる。
また、光線の強度雑音は２つの偏光成分間で同相に変化するので、差動信号検出によって雑音を低減することができる。
【００３５】
次に、実施の形態３にかかる電界分布測定装置の動作について説明する。
ここで、第１の偏光分離素子５および第２の偏光分離素子１２は、第１の偏光成分のみを透過させ、この第１の偏光成分と偏光面が９０°異なる第２の偏光成分の進行方向を９０°変更させる性質を有する。
【００３６】
光源９から出射した光線、例えばレーザ光線を第１の偏光分離素子５に入射すると、第１の偏光成分のみが透過する。この第１の偏光成分がファラデー回転素子１５を通過すると、その偏光面が４５回転する。その後、第１の偏光成分は１／２波長板１４を通過することによって、偏光面はさらに−４５°回転する。この結果、１／２波長板１４を通過した光線は第１の偏光成分のままである。この第１の偏光成分は、第２の偏光分離素子１２を透過し、可動鏡４により反射される。
【００３７】
可動鏡４により反射された光線は、第１のレンズ３を透過した後、被測定電界によって複屈折率の変化した状態のＥＯ結晶１に入射する。ＥＯ結晶１に入射した光線はＥＯ結晶１を透過した後、ＥＯ結晶１の入射端面に対向する面に配置された固定鏡２により反射され、再びＥＯ結晶１に入射する。
被測定電磁波は固定鏡２を透過した後、ＥＯ結晶１内に入射し、ＥＯ結晶１内を、固定鏡２で反射された光線と同方向に伝播する。この時に反射された光線は、被測定電磁波の電界に応じて偏光変調を受け、ＥＯ結晶１に入射した時と同じ経路を逆行する。すなわち、第１のレンズ３を透過した後に可動鏡４で反射され、位相補償器１１を経て、第２の偏光分離素子１２に入射する。
【００３８】
第２の偏光分離素子１２では、光線がＥＯ結晶中で受けた偏光変調の度合いに応じて、光線の一部が反射されて第２の光検出器１３に入射する。
例えば、第２の偏光分離素子１２に入射した光線の第１の偏光成分は透過し、第２の偏光成分は進行方向を９０°変更され、第２の光検出器１３に入射する。
第２の偏光分離素子１２を透過した光線の第１の偏光成分は、１／２波長板１４を透過することで偏光方向が４５°回転し、かつファラデー回転素子１５を透過することで、偏光方向がさらに４５°回転する。この結果、光線の偏光状態は第２の偏光成分となる。この第２の偏光成分は、第１の偏光分離素子５により、進行方向を９０°変更され、第１の光検出器６に入射する。
【００３９】
第１の光検出器６および第２の光検出器１３では、それぞれ入射した光線の強度に比例した電気信号を出力する。
第１の光検出器６および第２の光検出器１３からそれぞれ出力された逆相の同一信号の電気信号は、差動増幅器１６に入力され、これらの電気信号の差動信号が出力される。
出力された差動信号は、電気信号測定器７に入力され、スペクトラムアナライザ（ＳＡ）やロックインアンプ（ＬＩＡ）などにより処理される。
【００４０】
ＥＯ結晶１内に入射した被測定電磁波の電界分布を測定する場合には、実施の形態１と同様に、可動鏡４の傾きを変化させることによって光線をＥＯ結晶１上で走査しながら、電気信号測定器７によって処理された計測結果値をサンプルする。サンプルされたデータはコンピュータ８ヘ送信され、電界分布として処理され、ディスプレイ上には電界分布が表示される。
【００４１】
次に、実施の形態４にかかる電界分布測定装置について説明する。
実施の形態４にかかる電界分布測定装置は、図５に示すように、実施の形態３で説明した電界分布測定装置において、第１の偏光分離素子５と第１の光検出器６との間に第２のレンズ１７が、第２の偏光分離素子１２と第２の光検出器１３との間に第３のレンズ１８が、配置されたものである。
【００４２】
ＥＯ結晶１内に入射した被測定電磁波の電界分布を測定するために、可動鏡４の傾きを変化させて光線をＥＯ結晶上で走査させる場合に、偏光変調を受けた光線は、ＥＯ結晶１に入射した時と同じ経路を逆行するが、実際に入射経路と反射経路とを完全に一致させるのは困難である。したがって、可動鏡４の傾きによって、反射光線経路が入射光線経路と若干異なる。このような場合、偏光分離素子５で反射した光線が、第１の光検出器６および第２の光検出器１３の受光面を外れる可能性がある。
【００４３】
そこで、実施の形態４においては、第１の偏光分離素子５と第１の光検出器６との間に適当な第２のレンズ１７を、また第２の偏光分離素子１２と第２の光検出器６との間に適当な第３のレンズ１８を配置する。
そうすることにより、レンズの焦点位置付近において、ビームスポットの経路の変動を小さくすることができ、さらに、ビームスポットの径を調節し、小さくすることもできる。したがって、第１の光検出器６および第２の光検出器１３の受光面をレンズ１７、１８の焦点位置付近に配置することによってビームの変動を抑制し、ビームスポットを受光面内に留めることができる。
【００４４】
次に、実施の形態５にかかる電界分布測定装置について説明する。
実施の形態５にかかる電界分布測定装置を、図６を参照して説明する。
第３の偏光分離素子１９は、例えば偏光ビームスプリッタから構成され、入射した光線の偏光変調の度合いに応じて、偏光変調を受けた光線の一部を反射する。
【００４５】
光源９から出射した光線は可動鏡４で反射され、第３の偏光分離素子１９に照射される。第３の偏光分離素子１９に照射された光線は、第３の偏光分離素子１９により反射され、第１のレンズ３を透過後、ＥＯ結晶１に対して垂直に入射する。
ＥＯ結晶１に入射した光線は、ＥＯ結晶１を透過した後に固定鏡２で反射される。この反射された光線は再びＥＯ結晶１に入射し、被測定電磁波によって偏光変調を受ける。
【００４６】
偏光変調を受けた光線は、再び第１のレンズ３を透過して第３の偏光分離素子１９に入射する。ここで入射した光線の大部分は第３の偏光分離素子１９により反射されるが、光線はＥＯ結晶中で偏光変調を受けているために第３の偏光分離素子１９を透過する成分が生じる。
したがって、第３の偏光分離素子１９を透過した光線は第１の光検出器６に入射する。
第１の光検出器６では入射した光線の強度に比例した電気信号を出力する。
第１の光検出器６から出力された電気信号は、電気信号測定器７に入力され、スペクトラムアナライザ（ＳＡ）やロックインアンプ（ＬＩＡ）などにより処理される。
【００４７】
ＥＯ結晶１内に入射した被測定電磁波の電界分布を測定する場合には、実施の形態１と同様に、可動鏡４の傾きを変えることによって光線をＥＯ結晶１上で走査しながら、電気信号測定器７によって処理された計測結果値をサンプルする。サンプルされたデータはコンピュータ８ヘ送信され、電界分布として処理され、ディスプレイ上には電界分布が表示される。
【００４８】
可動鏡４と第１のレンズ３との間に第３の偏光分離素子１９（偏光ビームスプリッタ）を配置することにより、分岐された第１の偏光成分のみをＥＯ結晶に入射させることができ、ＥＯ結晶に入射したために生じた第１の偏光成分以外の成分を検出することができる。言い換えれば、偏光ビームスプリッタが偏光分離手段を兼ねることができる。
【００４９】
次に、実施の形態６にかかる電界分布測定装置について説明する。
実施の形態６にかかる電界分布測定装置は、図７に示すように、基本的には実施の形態３および実施の形態５を組み合わせたものであり、実施の形態５の電界分布測定装置において、第３の偏光分離素子１９をビームスプリッタ２０に置き換えたものである。ビームスプリッタ２０は、ハーフミラーでもよい。
【００５０】
次に、実施の形態６にかかる電界分布測定装置の動作について説明する。
光源９から出射した光線は、位相補償器１１を透過し、可動鏡４に照射され、反射される。可動鏡４より反射された光線はビームスプリッタ２０により、その光線の一部が分岐され、第１のレンズ３を介してＥＯ結晶１に照射される。固定鏡２で反射した光線は再び第１のレンズ３を透過し、その光線の一部はビームスプリッタ２０で反射するが、残りはビームスプリッタ２０を透過する。
【００５１】
この透過した光線は、第１の偏光分離素子５で２つの独立な直線偏光成分（Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分）に分離され、それらは第１の光検出素子６および第２の光検出素子１３で独立に検出され、入射した光線の強度に比例した電気信号に変換され、出力される。
第１の光検出器６および第２の光検出器１３からそれぞれ出力された逆相の同一信号の電気信号は、差動増幅器１６に入力され、これらの電気信号の差動信号が出力される。
出力された差動信号は、電気信号測定器７に入力され、スペクトラムアナライザ（ＳＡ）やロックインアンプ（ＬＩＡ）などにより処理される。
ＥＯ結晶１内に入射した被測定電磁波の電界分布を測定する場合には、実施の形態１と同様に、可動鏡４の傾きを変えることによって光線をＥＯ結晶１上で走査しながら、電気信号測定器７によって処理された計測結果値をサンプルする。サンプルされたデータはコンピュータ８に送信され、電界分布として処理され、ディスプレイ上には電界分布が表示される。
【００５２】
実施の形態３において述べたように、差動信号を検出することによって、被測定電界に応じた信号の振幅を高め、さらに雑音を低減することができる。
また、位相補償器１１を備えたことにより、２つの光検出器（ＰＤ）に入射する光量のバランスを調整することができる。
【００５３】
次に、実施の形態７にかかる電界分布測定装置について説明する。
実施の形態７にかかる電界分布測定装置は、図８に示すように、基本的な動作原理は前述した実施の形態と同様であるが、ＥＯ結晶１に入射する光線と被測定電磁波の進行方向が同じであることを特徴としている。
そうすることにより、ＥＯ結晶１の入射端面に対向する面に固定鏡２を形成する必要がないため、作製が容易となる。
また、１／２波長板１４やファラデー回転素子１５などの光学素子を備える必要がなく、これらの光学素子による入射光線の劣化を軽減することができる。
【００５４】
次に、実施の形態７にかかる電界分布測定装置の動作について説明する。
光源９により出射した光線は、可動鏡４により反射し、光線は第１のレンズ３を透過後、固定鏡２に入射する。
また、被測定電磁波は、固定鏡２における光線の入射端面と対向する面から固定鏡２に入射する。この固定鏡２は光線を反射し、かつ被測定電磁波を透過するという性質を有するものである。
したがって、固定鏡２により反射した光線と被測定電磁波はＥＯ結晶１に向かって共に同じ方向に伝播する。
【００５５】
ＥＯ結晶１に入射した光線は、ＥＯ結晶１中で被測定電磁波の振幅に応じて偏光変調を受ける。ＥＯ結晶１中で、被測定電磁波の振幅に応じて偏光変調を受けた光線は、第４のレンズ２１によって第１の偏光分離素子５に集光される。
偏光変調によって生じた偏光成分は、第１の偏光分離素子５により反射され、さらに第２のレンズ１８で集光された後に第１の光検出器６に入射する。第１の光検出器６では、入射した光線の強度に比例した電気信号に変換され、出力される。
第１の光検出器６から出力された電気信号は、電気信号測定器７に入力され、スペクトラムアナライザ（ＳＡ）やロックインアンプ（ＬＩＡ）などにより処理される。
【００５６】
ＥＯ結晶１内に入射した被測定電磁波の電界分布を測定する場合には、実施の形態１と同様に、可動鏡４の傾きを変えることによって光線をＥＯ結晶１上で走査しながら、電気信号測定器７によって処理された計測結果値をサンプルする。サンプルされたデータはコンピュータ８に送信され、電界分布として処理され、ディスプレイ上には電界分布が表示される。
【００５７】
次に、実施の形態８にかかる電界分布測定装置について説明する。
実施の形態８にかかる電界分布測定装置は、図９に示すように、実施の形態７において、光線の経路上に位相補償器１１を配置した電界分布測定装置である。
位相補償器１１によって光線の偏光状態を適当に調整することにより、被測定電界に比例しがつ振幅の大きい電気信号を得ることができる。
位相補償器１１としては、例えば１／４波長板（ＱＷＰ）を用い、レーザから出射した直線偏光の光線を円偏光に変換する。
【００５８】
次に、実施の形態９にかかる電界分布測定装置について説明する。
実施の形態９にかかる電界分布測定装置は、図１０に示すように、実施の形態３と同様に、逆相で変化する光線の独立な偏光成分（Ｓ偏光成分およびＰ偏光成分）を第１の偏光分離素子５で分離してから、２つの光検出器すなわち第１の光検出器６および第２の光検出器１３により、独立に検出し、差動信号検出を行う電界分布測定装置である。
実施の形態３と同様に、差動信号を検出することによって２倍の振幅を有する電気信号を得ることができ、かつレーザ強度雑音を低減することができる。
また、実施の形態９においては、第１の偏光分離素子５と第１の光検出器との間に第２のレンズ１７を、また第１の偏光分離素子５と第２の光検出器との間に第３のレンズ１８を配置したことにより、ＥＯ結晶１内に入射した被測定電磁波の電界分布を測定するために、可動鏡４の傾きを変化させて光線をＥＯ結晶上で走査させる場合に生じる光線経路の変動の影響を低減することができる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の電界分布測定装置によれば、光源から出射した光線を、高速にその傾きを変化させることができる可動鏡に入射し、この可動鏡によって異なる進行方向に反射した光線をレンズでＥＯ結晶に対して垂直に入射させ、ＥＯ結晶中で被測定電界の値に応じた偏光変化を光線に生じさせ、結晶から出射した光線の偏光変化を検出することによってＥＯ結晶内に進入した被測定電界を検出することができる。
【００６０】
可動鏡の傾きを変化させることによってＥＯ結晶の任意の点に光線を入射させることができるので、光線を可動鏡により、ＥＯ結晶上を走査させることによって結晶内に広く分布した被測定電界の空間分布を検出することができる。
可動鏡は機械的なステージに比べて桁違いに高速な動作ができるため、短時間での被測定電界分布測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電界分布測定装置の構成を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２にかかる電界分布測定装置の構成を示す構成図である。
【図３】偏光成分と位相差との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態３にかかる電界分布測定装置の構成を示す構成図である。
【図５】本発明の実施の形態４にかかる電界分布測定装置の構成を示す構成図である。
【図６】本発明の実施の形態５にかかる電界分布測定装置の構成を示す構成図である。
【図７】本発明の実施の形態６にかかる電界分布測定装置の構成を示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態７にかかる電界分布測定装置の構成を示す構成図である。
【図９】本発明の実施の形態８にかかる電界分布測定装置の構成を示す構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態９にかかる電界分布測定装置の構成を示す構成図である。
【図１１】従来の電界分布測定装置の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１…ＥＯ結晶、２…固定鏡、３…第１のレンズ、４…可動鏡、５…第１の偏光分離素子、６…第１の光検出器、７…電気信号測定器、８…コンピュータ、９…光源、１０…電磁波源、１１…位相補償器、１２…第２の偏光分離素子、１３…第２の光検出器、１４…１／２波長板、１５…ファラデー回転素子、１６…差動増幅器、１７…第２のレンズ、１８…第３のレンズ、１９…第３の偏光分離素子、２０…ビームスプリッタ、２１…第４のレンズ。
【図１】
2004028636.tif 000003
【図２】
2004028636.tif 000004
【図３】
2004028636.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004028636.tif 000007
【図６】
2004028636.tif 000008
【図７】
2004028636.tif 000009
【図８】
2004028636.tif 000010
【図９】
2004028636.tif 000011
【図１０】
2004028636.tif 000012
【図１１】
2004028636.tif 000013