変調光解析装置とその変調光解析装置を用いた電界あるいは磁界測定プローブ装置
【課題】伝送路での位相差変動を抽出する変調光解析装置と、それを用いて、プローブ部の揺動の影響を差し引ける電界磁界測定用光学プローブとを実現する。
【解決手段】解析対象の楕円偏光を入射し、これを第１、２の偏光に分岐し、第１の偏光を入射し、第１の偏光分岐手段でその搬送波と側帯波にπ／４で交叉する偏光成分に分離し、第１、２の光電変換手段で強度を測定する。第２の偏光を１／４波長板に通した後、搬送波と側帯波に対してπ／４で交叉する偏光成分に分離し、この強度を第３、４の光電変換手段で測定し、第１から第４の光電変換手段の出力を入力して、入射光の搬送波と側帯波の強度や位相を算出する。解析する周波数は信号発生器の周波数で指定する。信号処理回路は、第１、２（第３、４）の光電変換手段の各々の出力間の差の第１（第２）の差信号について強度の比から、解析対象の入射光の搬送波と側帯波の位相差を算出する。
【解決手段】解析対象の楕円偏光を入射し、これを第１、２の偏光に分岐し、第１の偏光を入射し、第１の偏光分岐手段でその搬送波と側帯波にπ／４で交叉する偏光成分に分離し、第１、２の光電変換手段で強度を測定する。第２の偏光を１／４波長板に通した後、搬送波と側帯波に対してπ／４で交叉する偏光成分に分離し、この強度を第３、４の光電変換手段で測定し、第１から第４の光電変換手段の出力を入力して、入射光の搬送波と側帯波の強度や位相を算出する。解析する周波数は信号発生器の周波数で指定する。信号処理回路は、第１、２（第３、４）の光電変換手段の各々の出力間の差の第１（第２）の差信号について強度の比から、解析対象の入射光の搬送波と側帯波の位相差を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、直交する偏光成分が各々搬送波と側帯波で変調された信号の解析技術に関する。特に伝送路において上記偏光成分間に位相差が生じる場合、上記位相差を解析してその伝送路の影響を除去することで、上記搬送波及び側帯波の振幅及び位相を正しく測定する変調光解析装置に関するものである。さらにこの発明は、上記変調光解析装置を適用し電気光学効果または磁気光学効果を利用した電界や磁界の測定装置であって、伝送路から発生する誤差を補正して、より正しい測定値を得る電界あるいは磁界検出プローブ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
偏光を変調して得られる搬送波とそれに直交する側帯波を含む光を伝送する系において、その伝送路では、直交する方位の屈折率の変動が生じることはよく知られている。例えば、偏波面保存光ファイバー（以下ＰＭＦと省略する）の遅軸と速軸に信号を伝搬するとき、ＰＭＦの曲げや揺動によって遅軸、速軸それぞれの屈折率が変動し、それぞれを伝搬する光の位相が相対的に変動する。より具体的には、例えば、電気光学効果を用いて電界あるいは磁界を測定する装置において、測定器のプローブ部と信号解析機能を有する変調光解析装置間を、固定されず設置位置が絶えず変化するＰＭＦで接続したときこの問題は顕著で、測定値が数パーセント変動することが報告されている。また大気中の光の伝播においても、空気の流れで各地点の密度が変わることによって、屈折率が変動することは知られている。
【０００３】
本発明は、電界あるいは磁界検出プローブ装置に関するものであるが、測定しようとする領域の電界、表面電位、あるいは磁界を殆ど乱すことなく測定しようとする際に用いる測定装置の１つとして、ＥＯ（電気光学）効果やＭＯ（磁気光学）効果を用いた測定装置は、既によく知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１（米国特許第３６０５０１３号明細書）には、ファラデイ効果を示す光ファイバーを用いた電流測定システムが開示されている。また、特許文献２（米国特許第４００２９７５号明細書）には、電場あるいは磁場の強度に従って偏光方向の変わる光学結晶を用いた電圧測定が開示されている。
【０００５】
また、特許文献３（特開２００５−２９２０６８号公報）には、ＰＭＦなどの伝送路によって生ずる偏波間の位相変動を電気的に検出し機械的な手段によって調整する技術が開示されている。交流電界や交流磁界などの物理量が印加されている電気光学結晶、磁気光学結晶、圧光学（光弾性）結晶などの光学結晶に光を入射させ、光学結晶から出射された光を検出することにより交流電界、交流磁界、音圧などに相当する信号を得る計測システムが開示されている。これは、光学結晶の変位による感度の低下を抑制することを目的にするもので、光源からの光源出力直線偏光を光学結晶に伝送し、光学結晶を介して光源出力直線偏光を被測定物理量により偏光変調してサーキュレータにより偏光調整器に伝送し、偏光調整器によって偏光変調光を任意偏光に変換し、任意偏光を偏光分離手段により直交する分離直線偏光に分離し、分離した直線偏光をそれぞれ光検出器により電気信号に変換し、電気信号を差動増幅器により差動信号として出力し、差動信号をロックインアンプにより被測定物理量の振幅信号と位相信号として出力し、光検出器の光電流とロックインアンプからの振幅信号を制御信号処理部に入力し、制御信号処理部により光電流が等しくかつ振幅信号が最大となるように偏光調整器を制御して任意偏光を調節するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第３６０５０１３号明細書
【特許文献２】米国特許第４００２９７５号明細書
【特許文献３】特開２００５−２９２０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
偏光成分として変調された信号が伝送されるとき、伝送路の屈性率楕円体が変化する場合がある。この場合は、直交する偏波面の偏光成分間に位相差が発生することが知られている。この位相差の変動よって、伝送されたデータにエラーが生ずるという不具合がある。この問題は、特に、偏波面保持光ファイバーの速軸と遅軸を伝搬する光間に位相差が発生する問題として知られている。
【０００８】
そこで、本発明の変調光解析装置では、偏光を受光する側の光学的な演算と光電変換手段の出力を電気的に演算とを行うことで、偏光を変調して送出する系に何ら制約をつけずに、伝送路での位相差の変動による測定値の変動を抽出する。
【０００９】
また、本発明の電界あるいは磁界検出プローブ装置は、上記の変調光解析装置を活用して、電気光学効果または磁気光学効果を利用した電界または磁界センサーを構成する。これは、大きさ、重量ともに片手で把持できる程度のプローブ部が光検出系と光ファイバーで結ばれたもので、プローブ部の揺動にたいして、測定値が変動しないようにした電界磁界測定用光学プローブを実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の変調光解析装置は、
搬送波とそれに直交する偏波面をもつ側帯波とを含む楕円偏光を解析対象の入射光とし、
上記入射光を第１、第２の偏光に分岐するための第１の光分岐手段と、
第１の偏光を入射光とし、その搬送波および側帯波の各々の偏波面に対して±π／４ラジアンのいずれかの方位で交叉し、２つの互いに直交する偏光成分に分離するための第１の偏光分岐手段と、
上記の互いに直交する２つの偏光成分の其々の強度を測定するための第１、第２の光電変換手段と、
第２の偏光に適用してその偏光成分間に位相差を与える１／４波長板と、
前記１／４波長板を出た第２の偏光を入射光とし、その搬送波および側帯波偏波面に対して±π／４ラジアンのいずれかの方位で交叉し、互いに直交する２つの偏光成分に分離するための第２の偏光分岐手段と、
第２の偏光変更分離手段で分離され互いに直交する２つの上記偏光成分の其々の強度を測定するための第３、第４の光電変換手段と、
第１、第２、第３、第４の光電変換手段の全ての出力を入力して、前記入射光の搬送波または側帯波のそれぞれの強度、または、その位相の一部またはすべてを算出する信号処理回路と、
解析対象の上記入射光を解析する周波数を指定するための第１の参照信号を発生する第１の信号発生器と、を具備し、
前記信号処理回路は、第１、第２の光電変換手段の各々の出力間の差である第１の差信号の指定された上記周波数における強度と、第３、第４の光電変換手段の出力間の差である第２の差信号の指定された上記周波数における強度との第１の比から、解析対象の上記入射光の搬送波と側帯波の位相差を算出することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の変調光解析装置における信号処理装置は、上記の特徴に加えて、
第1の差信号と、第1の参照信号の周波数成分のπ／２または−π／２ラジアンに相当する移相を施した第２の差信号、との和信号を生成し、更に前記和信号と前記第１の参照信号との積を前記参照信号の整数周期にわたり積算して得られる第１の積算値と、上記和信号と、第１の参照信号をπ／２または−π／２ラジアン移相した信号との積を上記周期にわたり積算して得られる第２の積算値とを求め、
第１の積算値の平方値と第２の積算値の平方値との和から解析対象の上記搬送波の強度と上記側帯波の強度の積を求め、
上記信号処理回路は、第１の比と、第１の積算値と第２の積算値との比とから、第１の参照信号と解析対象の上記入射光の側帯波に含まれ第１の参照信号と同じ周波数の信号との位相差を算出することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記の変調光解析装置を用いた電界あるいは磁界検出プローブ装置であって、
直線偏光を出力する光源と、
電界あるいは磁界によって屈折率の変化する電気または磁気光学結晶と、
請求項１記載の変調光解析装置と、
前記直線偏光を前記電気または磁気光学結晶へ導くとともに前記電気または磁気光学結晶を透過あるいは反射した出力を上記変調光解析装置へ導くための偏波面保存光ファイバーを含む光路と、
を具備し、
上記電気または磁気光学結晶に印加された電界あるいは磁界の周波数、強度、参照信号と搬送波の相対位相の少なくとも１つを測定する機能を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の電界あるいは磁界検出プローブ装置は、上記の構成に加えて、
上記光源からの直線偏光を変調する手段と、
第２の参照信号を発生する第２の信号発生器と、
を具備し、
上記直線偏光は第２の信号参照によって変調されて上記電気または磁気光学結晶への入射光であり、
上記電気または磁気光学結晶は、上記入射光に含まれる前記第２の参照信号による変調成分と、被測定電界または磁界との周波数混合を行ってその出力光に第１の周波数に相当する中間周波数成分を発生し、変調光解析装置は第１の周波数成分に対して解析処理を行う光ヘテロダイン法を用いることを特徴とする。
【００１４】
また、上記の構成に加えて、
上記光路は、
第２の光分岐手段と、
双方向性光路とを備え、
第２の光分岐手段は、上記光源から入射する上記直線偏光を上記双方向性光路を介して上記電気または磁気光学結晶に送り、前記電気または磁気光学結晶からのからの戻り光を上記双方向性光路を介して上記偏光解析装置に出射するものであって、上記双方向性光路は偏波面保持光ファイバーを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、光路の偏波面ごとの屈折率変動によって生ずる信号の変動を受動的に補償し受信信号の安定化を行うことができる。また、上記の変調光解析装置を用いた電界あるいは磁界測定プローブ装置では、測定端子と変調光解析装置をＰＭＦを用いて光を伝送した場合に発生するＰＭＦの揺動などによる測定の劣化を保障することができる。更にヘテロダイン法を用いた上記の電界あるいは磁界測定プローブ装置においては、変更解析装置は信号の検出と処理を行う機能を一定の周波数に限定することができ、測定の安定化に更に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の偏光解析装置２０の構成例を示すブロック図である。入射光は互いに直交する偏波面において、その一方は搬送波で、他方は側帯波で変調された偏光であって（図４（ｃ）参照）、第１の光分岐手段５に入射して略等しい第１、第２の偏光に分岐される。第１の偏光は第１の偏光分岐手段７によって前記入射光の側帯波または搬送波の偏波面に対して±π／４ラジアンのいずれかの方位を有して互いに直交する２つの偏光、即ち第３、第４の偏光に分離される。第３の偏光は第１の光電変換手段９、第４の偏光は第２の光電変換手段１０によって光電変換されて信号処理回路１４に入力される。第１の光分岐手段５の他方の出力である第２の偏光は、λ／４板６を介して第２の偏光分岐手段８によって±π／４ラジアンのいずれかの方位を有して互いに直交する２つの偏光、即ち第５、第６の偏光に分岐される。第５の偏光は第３の光電変換手段１１によって、第６の偏向は第４の光電変換手段１２によって光電変換されて、信号処理回路１４に入力される。図中１３は第１の信号発生手段であって、信号処理回路１４に、解析しようとする周波数の第１の参照信号を供給する。
【図２】本発明の電気または磁気光学プローブ装置の第１の実施例の構成を示すブロック図である。偏光を出力する光源１の発する偏光は、第２の光分岐手段２を介して偏波面保存光ファイバー（ＰＭＦ）を含む光路３に入射し、電気または磁気光学結晶４の照射へ導くとともに、前記電気または磁気光学結晶４を透過あるいは反射した出力を偏光解析装置２０へ導く。偏光解析装置２０はその入射光から電気または磁気光学結晶に印加された電界あるいは磁界の周波数、強度、参照信号と搬送波の相対位相を解析して測定する。第２の光分岐手段２と偏光解析装置の間２０には、その入射光の偏光の方位を調整するための手段、例えばλ／２板が具備されていると好ましい。
【図３】本発明の電気あるは磁気光学プローブ装置の第２の実施例を示すブロック図である。第１の実施例に対して、偏光を変調するための変調装置１６と、その信号を供給する第２の信号発手段１５を加えた構成である。
【図４】本発明の偏光解析装置における、偏光の状態を示す図である。（Ａ）は光源１の偏光を示した図で、図面上で上下方向(以下Ｙ軸と記す）の直線偏光である。（Ｂ）は電気或いは磁気光学結晶４を出た直後の偏光を示している。電気または磁気光学結晶４において電界あるいは磁界によって変調されて、図面上水平方向（以下Ｘ軸と記す）の偏光成分に側帯波が発生していることを示す。搬送波はＹ軸成分である。（Ｃ）は電気または磁気光学結晶４を出射した光が、伝送路によってＸ軸、Ｙ軸成分間に位相差φを生じたときの偏光を示す。（Ｄ）は第１の偏光分岐手段７によって分離された第３の偏光、（Ｅ）は同様に第１の偏光分岐手段７によって分離された第４の偏光２５を示す図であって、Ｘ軸とπ／４の角度で交差する（Ｄ）ｕ−ｕ’と（Ｅ）ｖ−ｖ’成分の偏光を示す図である。
【図５】本発明の偏光解析装置における、偏光の状態を示す図であり、（Ｆ）は、λ／４板６を通過した後の第２の偏光２３の偏波面を示す電界ベクトル図、（Ｇ）は第２の偏光分離手段８出力の第５の偏光の座標軸をπ／４ラジアン傾けた場合の電界ベクトル図、(Ｈ)は第２の偏光分離手段８出力の第４の偏光である。
【図６】図３の実施例における、第１の信号発生手段１３からの第１の参照信号３３、第２の信号発生手段１５からの第２の参照信号３０、および被測定信号となる被測定物の発する電界あるいは磁界３１の周波数の関係を示す模式図である。第２の参照信号３０で変調された偏光は電気または磁気光学結晶４に入射し被測定物の発する電界あるいは磁界３１によって更に変調される。その結果被測定物の発する電界あるいは磁界３１は周波数変換されて中間周波数信号３２を生ずる。偏光解析装置２０は中間周波数信号３２中の第１の参照信号３３に等しい周波数成分を解析する。このことは被測定物の発する電界あるいは磁界３１を解析することと等価である。第１の参照信号３３の周波数と第２の参照信号３０の周波数の和である測定する周波数が実際に解析される電界あるいは磁界の周波数位置である。被測定周波数は第１の参照信号３３の周波数と第２の参照信号３０の周波数の差であってもよい。
【図７】図１に示した変更解析装置２０の光学部分の実施例を示す図である。入射光２８は第１の光分岐手段５によって第１の偏光２２、第２の偏光２３に分岐し、第１の偏光２２は第１の偏光分岐手段７に入射し、互いに偏光面が直交する第３の偏光２４と第４の偏光２５に分離して、第１の光電変換手段９と第２の光電変換手段１０に入射する。第２の偏光２３は反射鏡２１によって曲げられてλ／４板６によって偏光面成分間に位相差を加えられた後、第２の偏光分離手段８に入射して互いに直交する第５の偏光２６と第６の偏光２７に分離し、第３の光電変換手段１１と第４の光電検出手段１２に入射する。４つの光電変換手段の出力は信号処理回路に入力し解析が行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【実施例１】
【００１８】
図１に本発明の実施例である偏光解析装置２０のブロック図を示す。入射光は、互いに直交する偏波面において、その一方は搬送波で、他方は側帯波で変調された偏光であって、第１の光分岐手段５に入射して略等しい第１、第２の偏光２２、２３に２分岐される。第１の偏光２２は第１の偏光分岐手段７によって前記入射光の側帯波または搬送波の偏波面に対して±π／４ラジアンのいずれかの方位を有して互いに直交する２つの偏光、つまり第３、第４の偏光２４、２５に分離される。第３の偏光２４は第１の光電変換手段９、第４の偏光２５は第２の光電変換手段１０によって光電変換されて信号処理回路１４に入力される。第１の光分岐手段５の他方の出力である第２の偏光２３は、λ／４板６を介して第２の偏光分岐手段８によって第５、第６の偏光２６、２７に分岐され、それぞれ第３の光電変換手段１１、第４光電変換手段１２によって光電変換されて信号処理回路１４に入力される。第１の信号発生手段１３は、信号処理回路１４に解析しようとする周波数の第１の参照信号を供給する。
【００１９】
信号処理回路１４は、第１の光電変換手段９と第２の光電変換手段１０出力間の差から第１の差信号の指定された上記周波数における強度と、第３の光電変換手段１１と第４光電変換手段１２の出力間の差である第２の差信号の指定された上記周波数における強度を判定し、更に第１の差信号の上記強度と第２の差信号の上記強度との第１の比から、解析対象の上記入射光の搬送波と側帯波の位相差を算出する。
さらに、第1の差信号と、第1の参照信号の周波数成分のπ／２または−π／２ラジアンに相当する移相を施した第２の差信号、との和信号を生成し、更に前記和信号と前記第１の参照信号との積を前記参照信号の整数周期にわたり積算して得られる第１の積算値と、上記和信号と、第１の参照信号をπ／２または−π／２ラジアン移相した信号との積を上記周期にわたり積算して得られる第２の積算値とを求め、
第１の積算値の平方値と第２の積算値の平方値との和から解析対象の上記搬送波の強度と上記側帯波の強度の積を求め、
上記信号処理回路１４は、第１の比と、第１の積算値と第２の積算値との比とから、第１の参照信号と解析対象の上記入射光の側帯波に含まれ第１の参照信号と同じ周波数の信号との位相差を算出する。信号処理回路１４の処理は、アナログ演算回路で行うことも、光電変換手段入力を数値化してデジタル信号処理で行う事も可能である。
【００２０】
図４は本発明の信号処理過程を示す。図４（Ａ）は光源１から発する偏光を示すもので、図４（Ｂ）は例えば電気または磁気光学結晶４に印加された電界あるいは磁界によって変調された結果生じた側帯波と搬送波の偏波面を示す。これを行列で記載すると、図４(Ｂ)は次の数１の様になる。
【００２１】
【数１】
【００２２】
この光が、伝送路の歪等によって、相対的に位相差が加えられて偏光解析装置２０に入力する。このときの偏波面の様子を図４（Ｃ）で示す。ここでは搬送波にφの位相差として記述すると、次の数２となる。
【００２３】
【数２】
ここで、ｉは虚数単位である。
【００２４】
図４（Ｄ）は第１の偏光分岐手段７出力の第３の偏光である。
ｕ−ｕ’方向の偏光成分の電界は以下の式に示す。
【００２５】
【数３】
【００２６】
図４（Ｅ）は第２の偏光分離手段８出力の第４の偏光である。
ｖ−ｖ’方向の偏光成分の電界は、次の数４になる。
【００２７】
【数４】
【００２８】
図５（Ｆ）は、λ／４板６を通過した後の第２偏光の偏波面を示す電界ベクトル図であり、以下のように表わせる。
【００２９】
【数５】
【００３０】
図５（Ｇ）は第２の偏光分離手段８出力の第５の偏光である。
ｕ−ｕ’方向の偏光成分の電界は、次のようになる。
【００３１】
【数６】
【００３２】
図５（Ｈ）は第２の偏光分離手段８出力の第４の偏光である。
ｖ−ｖ’方向の偏光成分の電界は、次のようになる。
【００３３】
【数７】
【００３４】
偏光３、４、５、６の電界を表わす数３、数４、数６、数７から、指数関数にオイラーの公式を適用した後、共役複素数を乗じて光の強度、すなわち上記第１から第４の光電変換手段９から１２の出力を計算すると以下のようになる。
【００３５】
第１の光電変換手段の出力；
【数８】
【００３６】
第２の光電変換手段の出力；
【数９】
【００３７】
第３の光電変換手段の出力；
【数１０】
【００３８】
第４の光電変換手段の出力；
【数１１】
【００３９】
第１の差信号は、第１の光電変換手段の出力から第２の光電変換手段の出力を差し引くことで得られる。従って、数８から数９を引くと、次を得る。
【００４０】
【数１２】
【００４１】
第２の差信号は、第３の光電変換手段の出力から第４の光電変換手段の出力を差し引くことで得られる。従って、数１０から数１１をひくと、次を得る。
【００４２】
【数１３】
【００４３】
搬送波と側帯波の位相差φは、数１２と数１３の比から以下のように求める事が出来る。
【００４４】
【数１４】
【００４５】
さらに、数１２の結果をπ／２または−π／２ラジアン移相して数１３と加算することにより、次式を得る。
【００４６】
【数１５】
【００４７】
この結果に参照信号として、sin(θ±δ)あるいはcos(θ±δ)を乗じて、参照信号周期（２π）の整数（ｎ）倍の時間にわたり積分すると、次のようになる。但し積分時間にわたりφが一定と見なせるようにするため、積分時間はφの変化時間よりも十分短いものとする。また、δについては、解析対象の上記入射光の側帯波に含まれ第１の参照信号３３と同じ周波数の信号の位相、つまり測定時の信号（sin(θ)）の位相と、上記第１の参照信号３３の位相、つまり計算処理時の信号（sin(θ＋δ)）の位相の違いを反映するものである。
【００４８】
【数１６】
【００４９】
【数１７】
【００５０】
【数１８】
となるので、積abを求めることができる。
【００５１】
結局、数７から得られる位相差φと上記の積ａｂを数１３または数１４に適用して、sin(θ)、つまり、測定対象となる電磁界の強度に比例する位相θを得ることができる。また、基準となる電磁界強度との比較から、測定した電磁界強度に換算する。このように、偏波保持光ファイバーの曲げの等で引き起こされる位相の揺らぎを、光学系の調整を行うことなく、電気信号を演算することで補正することができ、上記の揺らぎに影響されない安定な測定を実現することができる。
【００５２】
ここで、４分の１波長板６としては、１６分の１波長程度の製造誤差があっても用いることができる。また、信号処理回路１４としては、アナログ演算器でも構成することができるが、入力信号をデジタル信号に変換してデジタル処理するデジタル演算器であることが、安定動作の点で望ましい。
【実施例２】
【００５３】
図２は、本発明の偏光の偏光解析装置２０を用い、電界あるいは磁界測定用プローブ装置の実施例を示すブロック図である。電界あるいは磁界は、被測定物１９の発する電界あるいは磁界中に設置された電気または磁気光学結晶４における電気または磁気カー効果等によって屈折率が変化する現象を応用して、屈折率の変化量から電界あるいは磁界の大きさを測定するものである。
【００５４】
偏光を出力する光源１の発する偏光は、第２の光分岐手段２を介して偏波面保存光ファイバーを含む光路３に入射し、電気または磁気光学結晶４の照射へ導かれる。また、前記電気または磁気光学結晶４を透過あるいは反射した出力は、偏光解析装置２０へ導かれる。偏光解析装置２０はその入射光から電気または磁気光学結晶４に印加された電界あるいは磁界の参照信号と同じ周波数成分の強度、参照信号と搬送波の相対位相を解析して測定する。第２の光分岐手段２と偏光解析装置２０の間には、その入射光の偏光の方位を調整するための手段、例えばλ／２板が具備されていると好ましい。
【実施例３】
【００５５】
図３は光ヘテロダイン法を用いた電気または磁気プローブ装置２０の実施例を示すブロック図である。光源１から出た偏光は変調装置１６によって第２の信号発生手段１５からの第２の参照信号で変調されて第２の光分岐手段２と光路３を介して電気または磁気光学結晶４に入射する。入射した偏光は被測定物１９の発する電界あるいは磁界の影響によって入射光を変調されて、再度光路３を遡行して第２の光分岐手段２によって偏光解析装置２０に入射して偏光の解析を受ける。偏光解析装置２０は偏光の解析結果から電気または磁気光学結晶４に影響を及ぼした電界あるいは磁界の信号成分で第１の信号発生手段１３からの第１の参照信号と同じ周波数成分の強度と、前記第２の参照信号と電界あるいは磁界の前記周波数成分との位相差を測定する。第２の参照信号を発する第２の信号発生器１５はヘテロダイン検出法のために本実施例において加えられたものである。
【００５６】
図６に、上記第１の信号発生手段１３からの第１の参照信号３３、第２の信号発生手段１５からの第２の参照信号３０、および被測定信号となる被測定物の発する電界あるいは磁界３１の周波数の関係を示す。第２の参照信号３０で変調された偏光は電気または磁気光学結晶４に入射し被測定物の発する電界あるいは磁界３１によって変調される。その結果被測定物の発する電界あるいは磁界３１は周波数変換されて中間周波数信号３２を生ずる。偏光解析装置２０は中間周波数信号３２中の第１の参照信号３３に等しい周波数成分を解析する。このことは被測定物の発する電界あるいは磁界３１を解析することと等価である。第１の参照信号３３の周波数と第２の参照信号３０の周波数の和である測定する周波数が実際に解析される電界あるいは磁界の周波数位置である。
【００５７】
本実施例においては第１参照信号の周波数は例えば１ＭＨｚ程度の比較的低い周波数に設定し、第２の参照信号の周波数を被測定物の動作周波数に近傍に設定することが望ましい。このことによって本発明の偏光解析装置は概ね第１の参照信号の周波数に応答すればよいので、処理速度は遅い物で良く、更に第１の参照信号を周波数を固定することによって特定の周波数に応答することで十分であるので狭帯域で高性能のフィルタを導入することができる。
【実施例４】
【００５８】
図７は図１に示した変更解析装置２０の光学部分の実施例である。入射光２８は第１の光分岐手段５によって第１の偏光２２、第２の偏光２３に分岐され、第１の偏光２２は第１の偏光分岐手段７に入射し、互いに偏光面が直交する第３の偏光２４と第４の偏光２５に分岐されて、第１の光電変換手段９と第２の光電変換手段１０に入射する。第２の偏光は反射鏡２１によって曲げられてλ／４板６によって偏光面成分間に位相差を加えられた後、第２の偏光分岐手段８に入射して互いに偏光面が直交する第５の偏光２６と第６の偏光２７に分岐され、第３の光電変換手段１１と第４の光電検出手段１２に入射する。上記第１から第４の４つの光電変換手段の出力は信号処理回路１４に入力し解析が行われる。第１の光分岐手段５としては、単なる半透鏡でもよいが、本実施例ではキューブビームスプリッターを用いている。第１および第２の偏光分離手段は、偏光分離版、ローション・プリズム、ウオラトムソン・プリズム、サバール板、グランレーザ・プリズム、偏光分離板、偏光ビームスプリッタなどが使用可能である。本実施例ではサバール板を用いた図である。第１から第４の光電変換手段は、例えば光電管、光電子増倍管、フォトダイオード、フォトトランジスタ、アバランシェフォトダイオード等を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の偏光解析装置は光の伝送路における媒質の複屈折率の変化を解析して相殺する機能を有するので、媒質の複屈折率の変動を測定することもできる。従ってレーザレーダにおける解析法などにも応用できる。
【符号の説明】
【００６０】
１ 光源
２ 第２の光分岐手段
３ 光路または双方向性光路
４ 電気または磁気光学結晶
５ 第１の光分岐手段
６ λ／４板
７ 第１の偏光分岐手段
８ 第２の偏向分岐手段
９ 第１の光電変換手段
１０ 第２の光電変換手段
１１ 第３の光電変換手段
１２ 第４の光電変換手段
１３ 第１の信号発生手段
１４ 信号処理回路
１５ 第２の信号発生手段
１６ 変調装置
１９ 被測定物
２０ 偏光解析装置
２１ 反射鏡
２２ 第１の偏光
２３ 第２の偏光
２４ 第３の偏光
２５ 第４の偏光
２６ 第５の偏光
２７ 第６の偏光
２８ 入射光
３０ 第２の参照信号
３１ 電界あるいは磁界
３２ 中間周波数信号
３３ 第１の参照信号
【技術分野】
【０００１】
この発明は、直交する偏光成分が各々搬送波と側帯波で変調された信号の解析技術に関する。特に伝送路において上記偏光成分間に位相差が生じる場合、上記位相差を解析してその伝送路の影響を除去することで、上記搬送波及び側帯波の振幅及び位相を正しく測定する変調光解析装置に関するものである。さらにこの発明は、上記変調光解析装置を適用し電気光学効果または磁気光学効果を利用した電界や磁界の測定装置であって、伝送路から発生する誤差を補正して、より正しい測定値を得る電界あるいは磁界検出プローブ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
偏光を変調して得られる搬送波とそれに直交する側帯波を含む光を伝送する系において、その伝送路では、直交する方位の屈折率の変動が生じることはよく知られている。例えば、偏波面保存光ファイバー（以下ＰＭＦと省略する）の遅軸と速軸に信号を伝搬するとき、ＰＭＦの曲げや揺動によって遅軸、速軸それぞれの屈折率が変動し、それぞれを伝搬する光の位相が相対的に変動する。より具体的には、例えば、電気光学効果を用いて電界あるいは磁界を測定する装置において、測定器のプローブ部と信号解析機能を有する変調光解析装置間を、固定されず設置位置が絶えず変化するＰＭＦで接続したときこの問題は顕著で、測定値が数パーセント変動することが報告されている。また大気中の光の伝播においても、空気の流れで各地点の密度が変わることによって、屈折率が変動することは知られている。
【０００３】
本発明は、電界あるいは磁界検出プローブ装置に関するものであるが、測定しようとする領域の電界、表面電位、あるいは磁界を殆ど乱すことなく測定しようとする際に用いる測定装置の１つとして、ＥＯ（電気光学）効果やＭＯ（磁気光学）効果を用いた測定装置は、既によく知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１（米国特許第３６０５０１３号明細書）には、ファラデイ効果を示す光ファイバーを用いた電流測定システムが開示されている。また、特許文献２（米国特許第４００２９７５号明細書）には、電場あるいは磁場の強度に従って偏光方向の変わる光学結晶を用いた電圧測定が開示されている。
【０００５】
また、特許文献３（特開２００５−２９２０６８号公報）には、ＰＭＦなどの伝送路によって生ずる偏波間の位相変動を電気的に検出し機械的な手段によって調整する技術が開示されている。交流電界や交流磁界などの物理量が印加されている電気光学結晶、磁気光学結晶、圧光学（光弾性）結晶などの光学結晶に光を入射させ、光学結晶から出射された光を検出することにより交流電界、交流磁界、音圧などに相当する信号を得る計測システムが開示されている。これは、光学結晶の変位による感度の低下を抑制することを目的にするもので、光源からの光源出力直線偏光を光学結晶に伝送し、光学結晶を介して光源出力直線偏光を被測定物理量により偏光変調してサーキュレータにより偏光調整器に伝送し、偏光調整器によって偏光変調光を任意偏光に変換し、任意偏光を偏光分離手段により直交する分離直線偏光に分離し、分離した直線偏光をそれぞれ光検出器により電気信号に変換し、電気信号を差動増幅器により差動信号として出力し、差動信号をロックインアンプにより被測定物理量の振幅信号と位相信号として出力し、光検出器の光電流とロックインアンプからの振幅信号を制御信号処理部に入力し、制御信号処理部により光電流が等しくかつ振幅信号が最大となるように偏光調整器を制御して任意偏光を調節するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第３６０５０１３号明細書
【特許文献２】米国特許第４００２９７５号明細書
【特許文献３】特開２００５−２９２０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
偏光成分として変調された信号が伝送されるとき、伝送路の屈性率楕円体が変化する場合がある。この場合は、直交する偏波面の偏光成分間に位相差が発生することが知られている。この位相差の変動よって、伝送されたデータにエラーが生ずるという不具合がある。この問題は、特に、偏波面保持光ファイバーの速軸と遅軸を伝搬する光間に位相差が発生する問題として知られている。
【０００８】
そこで、本発明の変調光解析装置では、偏光を受光する側の光学的な演算と光電変換手段の出力を電気的に演算とを行うことで、偏光を変調して送出する系に何ら制約をつけずに、伝送路での位相差の変動による測定値の変動を抽出する。
【０００９】
また、本発明の電界あるいは磁界検出プローブ装置は、上記の変調光解析装置を活用して、電気光学効果または磁気光学効果を利用した電界または磁界センサーを構成する。これは、大きさ、重量ともに片手で把持できる程度のプローブ部が光検出系と光ファイバーで結ばれたもので、プローブ部の揺動にたいして、測定値が変動しないようにした電界磁界測定用光学プローブを実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の変調光解析装置は、
搬送波とそれに直交する偏波面をもつ側帯波とを含む楕円偏光を解析対象の入射光とし、
上記入射光を第１、第２の偏光に分岐するための第１の光分岐手段と、
第１の偏光を入射光とし、その搬送波および側帯波の各々の偏波面に対して±π／４ラジアンのいずれかの方位で交叉し、２つの互いに直交する偏光成分に分離するための第１の偏光分岐手段と、
上記の互いに直交する２つの偏光成分の其々の強度を測定するための第１、第２の光電変換手段と、
第２の偏光に適用してその偏光成分間に位相差を与える１／４波長板と、
前記１／４波長板を出た第２の偏光を入射光とし、その搬送波および側帯波偏波面に対して±π／４ラジアンのいずれかの方位で交叉し、互いに直交する２つの偏光成分に分離するための第２の偏光分岐手段と、
第２の偏光変更分離手段で分離され互いに直交する２つの上記偏光成分の其々の強度を測定するための第３、第４の光電変換手段と、
第１、第２、第３、第４の光電変換手段の全ての出力を入力して、前記入射光の搬送波または側帯波のそれぞれの強度、または、その位相の一部またはすべてを算出する信号処理回路と、
解析対象の上記入射光を解析する周波数を指定するための第１の参照信号を発生する第１の信号発生器と、を具備し、
前記信号処理回路は、第１、第２の光電変換手段の各々の出力間の差である第１の差信号の指定された上記周波数における強度と、第３、第４の光電変換手段の出力間の差である第２の差信号の指定された上記周波数における強度との第１の比から、解析対象の上記入射光の搬送波と側帯波の位相差を算出することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の変調光解析装置における信号処理装置は、上記の特徴に加えて、
第1の差信号と、第1の参照信号の周波数成分のπ／２または−π／２ラジアンに相当する移相を施した第２の差信号、との和信号を生成し、更に前記和信号と前記第１の参照信号との積を前記参照信号の整数周期にわたり積算して得られる第１の積算値と、上記和信号と、第１の参照信号をπ／２または−π／２ラジアン移相した信号との積を上記周期にわたり積算して得られる第２の積算値とを求め、
第１の積算値の平方値と第２の積算値の平方値との和から解析対象の上記搬送波の強度と上記側帯波の強度の積を求め、
上記信号処理回路は、第１の比と、第１の積算値と第２の積算値との比とから、第１の参照信号と解析対象の上記入射光の側帯波に含まれ第１の参照信号と同じ周波数の信号との位相差を算出することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記の変調光解析装置を用いた電界あるいは磁界検出プローブ装置であって、
直線偏光を出力する光源と、
電界あるいは磁界によって屈折率の変化する電気または磁気光学結晶と、
請求項１記載の変調光解析装置と、
前記直線偏光を前記電気または磁気光学結晶へ導くとともに前記電気または磁気光学結晶を透過あるいは反射した出力を上記変調光解析装置へ導くための偏波面保存光ファイバーを含む光路と、
を具備し、
上記電気または磁気光学結晶に印加された電界あるいは磁界の周波数、強度、参照信号と搬送波の相対位相の少なくとも１つを測定する機能を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の電界あるいは磁界検出プローブ装置は、上記の構成に加えて、
上記光源からの直線偏光を変調する手段と、
第２の参照信号を発生する第２の信号発生器と、
を具備し、
上記直線偏光は第２の信号参照によって変調されて上記電気または磁気光学結晶への入射光であり、
上記電気または磁気光学結晶は、上記入射光に含まれる前記第２の参照信号による変調成分と、被測定電界または磁界との周波数混合を行ってその出力光に第１の周波数に相当する中間周波数成分を発生し、変調光解析装置は第１の周波数成分に対して解析処理を行う光ヘテロダイン法を用いることを特徴とする。
【００１４】
また、上記の構成に加えて、
上記光路は、
第２の光分岐手段と、
双方向性光路とを備え、
第２の光分岐手段は、上記光源から入射する上記直線偏光を上記双方向性光路を介して上記電気または磁気光学結晶に送り、前記電気または磁気光学結晶からのからの戻り光を上記双方向性光路を介して上記偏光解析装置に出射するものであって、上記双方向性光路は偏波面保持光ファイバーを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、光路の偏波面ごとの屈折率変動によって生ずる信号の変動を受動的に補償し受信信号の安定化を行うことができる。また、上記の変調光解析装置を用いた電界あるいは磁界測定プローブ装置では、測定端子と変調光解析装置をＰＭＦを用いて光を伝送した場合に発生するＰＭＦの揺動などによる測定の劣化を保障することができる。更にヘテロダイン法を用いた上記の電界あるいは磁界測定プローブ装置においては、変更解析装置は信号の検出と処理を行う機能を一定の周波数に限定することができ、測定の安定化に更に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の偏光解析装置２０の構成例を示すブロック図である。入射光は互いに直交する偏波面において、その一方は搬送波で、他方は側帯波で変調された偏光であって（図４（ｃ）参照）、第１の光分岐手段５に入射して略等しい第１、第２の偏光に分岐される。第１の偏光は第１の偏光分岐手段７によって前記入射光の側帯波または搬送波の偏波面に対して±π／４ラジアンのいずれかの方位を有して互いに直交する２つの偏光、即ち第３、第４の偏光に分離される。第３の偏光は第１の光電変換手段９、第４の偏光は第２の光電変換手段１０によって光電変換されて信号処理回路１４に入力される。第１の光分岐手段５の他方の出力である第２の偏光は、λ／４板６を介して第２の偏光分岐手段８によって±π／４ラジアンのいずれかの方位を有して互いに直交する２つの偏光、即ち第５、第６の偏光に分岐される。第５の偏光は第３の光電変換手段１１によって、第６の偏向は第４の光電変換手段１２によって光電変換されて、信号処理回路１４に入力される。図中１３は第１の信号発生手段であって、信号処理回路１４に、解析しようとする周波数の第１の参照信号を供給する。
【図２】本発明の電気または磁気光学プローブ装置の第１の実施例の構成を示すブロック図である。偏光を出力する光源１の発する偏光は、第２の光分岐手段２を介して偏波面保存光ファイバー（ＰＭＦ）を含む光路３に入射し、電気または磁気光学結晶４の照射へ導くとともに、前記電気または磁気光学結晶４を透過あるいは反射した出力を偏光解析装置２０へ導く。偏光解析装置２０はその入射光から電気または磁気光学結晶に印加された電界あるいは磁界の周波数、強度、参照信号と搬送波の相対位相を解析して測定する。第２の光分岐手段２と偏光解析装置の間２０には、その入射光の偏光の方位を調整するための手段、例えばλ／２板が具備されていると好ましい。
【図３】本発明の電気あるは磁気光学プローブ装置の第２の実施例を示すブロック図である。第１の実施例に対して、偏光を変調するための変調装置１６と、その信号を供給する第２の信号発手段１５を加えた構成である。
【図４】本発明の偏光解析装置における、偏光の状態を示す図である。（Ａ）は光源１の偏光を示した図で、図面上で上下方向(以下Ｙ軸と記す）の直線偏光である。（Ｂ）は電気或いは磁気光学結晶４を出た直後の偏光を示している。電気または磁気光学結晶４において電界あるいは磁界によって変調されて、図面上水平方向（以下Ｘ軸と記す）の偏光成分に側帯波が発生していることを示す。搬送波はＹ軸成分である。（Ｃ）は電気または磁気光学結晶４を出射した光が、伝送路によってＸ軸、Ｙ軸成分間に位相差φを生じたときの偏光を示す。（Ｄ）は第１の偏光分岐手段７によって分離された第３の偏光、（Ｅ）は同様に第１の偏光分岐手段７によって分離された第４の偏光２５を示す図であって、Ｘ軸とπ／４の角度で交差する（Ｄ）ｕ−ｕ’と（Ｅ）ｖ−ｖ’成分の偏光を示す図である。
【図５】本発明の偏光解析装置における、偏光の状態を示す図であり、（Ｆ）は、λ／４板６を通過した後の第２の偏光２３の偏波面を示す電界ベクトル図、（Ｇ）は第２の偏光分離手段８出力の第５の偏光の座標軸をπ／４ラジアン傾けた場合の電界ベクトル図、(Ｈ)は第２の偏光分離手段８出力の第４の偏光である。
【図６】図３の実施例における、第１の信号発生手段１３からの第１の参照信号３３、第２の信号発生手段１５からの第２の参照信号３０、および被測定信号となる被測定物の発する電界あるいは磁界３１の周波数の関係を示す模式図である。第２の参照信号３０で変調された偏光は電気または磁気光学結晶４に入射し被測定物の発する電界あるいは磁界３１によって更に変調される。その結果被測定物の発する電界あるいは磁界３１は周波数変換されて中間周波数信号３２を生ずる。偏光解析装置２０は中間周波数信号３２中の第１の参照信号３３に等しい周波数成分を解析する。このことは被測定物の発する電界あるいは磁界３１を解析することと等価である。第１の参照信号３３の周波数と第２の参照信号３０の周波数の和である測定する周波数が実際に解析される電界あるいは磁界の周波数位置である。被測定周波数は第１の参照信号３３の周波数と第２の参照信号３０の周波数の差であってもよい。
【図７】図１に示した変更解析装置２０の光学部分の実施例を示す図である。入射光２８は第１の光分岐手段５によって第１の偏光２２、第２の偏光２３に分岐し、第１の偏光２２は第１の偏光分岐手段７に入射し、互いに偏光面が直交する第３の偏光２４と第４の偏光２５に分離して、第１の光電変換手段９と第２の光電変換手段１０に入射する。第２の偏光２３は反射鏡２１によって曲げられてλ／４板６によって偏光面成分間に位相差を加えられた後、第２の偏光分離手段８に入射して互いに直交する第５の偏光２６と第６の偏光２７に分離し、第３の光電変換手段１１と第４の光電検出手段１２に入射する。４つの光電変換手段の出力は信号処理回路に入力し解析が行われる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【実施例１】
【００１８】
図１に本発明の実施例である偏光解析装置２０のブロック図を示す。入射光は、互いに直交する偏波面において、その一方は搬送波で、他方は側帯波で変調された偏光であって、第１の光分岐手段５に入射して略等しい第１、第２の偏光２２、２３に２分岐される。第１の偏光２２は第１の偏光分岐手段７によって前記入射光の側帯波または搬送波の偏波面に対して±π／４ラジアンのいずれかの方位を有して互いに直交する２つの偏光、つまり第３、第４の偏光２４、２５に分離される。第３の偏光２４は第１の光電変換手段９、第４の偏光２５は第２の光電変換手段１０によって光電変換されて信号処理回路１４に入力される。第１の光分岐手段５の他方の出力である第２の偏光２３は、λ／４板６を介して第２の偏光分岐手段８によって第５、第６の偏光２６、２７に分岐され、それぞれ第３の光電変換手段１１、第４光電変換手段１２によって光電変換されて信号処理回路１４に入力される。第１の信号発生手段１３は、信号処理回路１４に解析しようとする周波数の第１の参照信号を供給する。
【００１９】
信号処理回路１４は、第１の光電変換手段９と第２の光電変換手段１０出力間の差から第１の差信号の指定された上記周波数における強度と、第３の光電変換手段１１と第４光電変換手段１２の出力間の差である第２の差信号の指定された上記周波数における強度を判定し、更に第１の差信号の上記強度と第２の差信号の上記強度との第１の比から、解析対象の上記入射光の搬送波と側帯波の位相差を算出する。
さらに、第1の差信号と、第1の参照信号の周波数成分のπ／２または−π／２ラジアンに相当する移相を施した第２の差信号、との和信号を生成し、更に前記和信号と前記第１の参照信号との積を前記参照信号の整数周期にわたり積算して得られる第１の積算値と、上記和信号と、第１の参照信号をπ／２または−π／２ラジアン移相した信号との積を上記周期にわたり積算して得られる第２の積算値とを求め、
第１の積算値の平方値と第２の積算値の平方値との和から解析対象の上記搬送波の強度と上記側帯波の強度の積を求め、
上記信号処理回路１４は、第１の比と、第１の積算値と第２の積算値との比とから、第１の参照信号と解析対象の上記入射光の側帯波に含まれ第１の参照信号と同じ周波数の信号との位相差を算出する。信号処理回路１４の処理は、アナログ演算回路で行うことも、光電変換手段入力を数値化してデジタル信号処理で行う事も可能である。
【００２０】
図４は本発明の信号処理過程を示す。図４（Ａ）は光源１から発する偏光を示すもので、図４（Ｂ）は例えば電気または磁気光学結晶４に印加された電界あるいは磁界によって変調された結果生じた側帯波と搬送波の偏波面を示す。これを行列で記載すると、図４(Ｂ)は次の数１の様になる。
【００２１】
【数１】
【００２２】
この光が、伝送路の歪等によって、相対的に位相差が加えられて偏光解析装置２０に入力する。このときの偏波面の様子を図４（Ｃ）で示す。ここでは搬送波にφの位相差として記述すると、次の数２となる。
【００２３】
【数２】
ここで、ｉは虚数単位である。
【００２４】
図４（Ｄ）は第１の偏光分岐手段７出力の第３の偏光である。
ｕ−ｕ’方向の偏光成分の電界は以下の式に示す。
【００２５】
【数３】
【００２６】
図４（Ｅ）は第２の偏光分離手段８出力の第４の偏光である。
ｖ−ｖ’方向の偏光成分の電界は、次の数４になる。
【００２７】
【数４】
【００２８】
図５（Ｆ）は、λ／４板６を通過した後の第２偏光の偏波面を示す電界ベクトル図であり、以下のように表わせる。
【００２９】
【数５】
【００３０】
図５（Ｇ）は第２の偏光分離手段８出力の第５の偏光である。
ｕ−ｕ’方向の偏光成分の電界は、次のようになる。
【００３１】
【数６】
【００３２】
図５（Ｈ）は第２の偏光分離手段８出力の第４の偏光である。
ｖ−ｖ’方向の偏光成分の電界は、次のようになる。
【００３３】
【数７】
【００３４】
偏光３、４、５、６の電界を表わす数３、数４、数６、数７から、指数関数にオイラーの公式を適用した後、共役複素数を乗じて光の強度、すなわち上記第１から第４の光電変換手段９から１２の出力を計算すると以下のようになる。
【００３５】
第１の光電変換手段の出力；
【数８】
【００３６】
第２の光電変換手段の出力；
【数９】
【００３７】
第３の光電変換手段の出力；
【数１０】
【００３８】
第４の光電変換手段の出力；
【数１１】
【００３９】
第１の差信号は、第１の光電変換手段の出力から第２の光電変換手段の出力を差し引くことで得られる。従って、数８から数９を引くと、次を得る。
【００４０】
【数１２】
【００４１】
第２の差信号は、第３の光電変換手段の出力から第４の光電変換手段の出力を差し引くことで得られる。従って、数１０から数１１をひくと、次を得る。
【００４２】
【数１３】
【００４３】
搬送波と側帯波の位相差φは、数１２と数１３の比から以下のように求める事が出来る。
【００４４】
【数１４】
【００４５】
さらに、数１２の結果をπ／２または−π／２ラジアン移相して数１３と加算することにより、次式を得る。
【００４６】
【数１５】
【００４７】
この結果に参照信号として、sin(θ±δ)あるいはcos(θ±δ)を乗じて、参照信号周期（２π）の整数（ｎ）倍の時間にわたり積分すると、次のようになる。但し積分時間にわたりφが一定と見なせるようにするため、積分時間はφの変化時間よりも十分短いものとする。また、δについては、解析対象の上記入射光の側帯波に含まれ第１の参照信号３３と同じ周波数の信号の位相、つまり測定時の信号（sin(θ)）の位相と、上記第１の参照信号３３の位相、つまり計算処理時の信号（sin(θ＋δ)）の位相の違いを反映するものである。
【００４８】
【数１６】
【００４９】
【数１７】
【００５０】
【数１８】
となるので、積abを求めることができる。
【００５１】
結局、数７から得られる位相差φと上記の積ａｂを数１３または数１４に適用して、sin(θ)、つまり、測定対象となる電磁界の強度に比例する位相θを得ることができる。また、基準となる電磁界強度との比較から、測定した電磁界強度に換算する。このように、偏波保持光ファイバーの曲げの等で引き起こされる位相の揺らぎを、光学系の調整を行うことなく、電気信号を演算することで補正することができ、上記の揺らぎに影響されない安定な測定を実現することができる。
【００５２】
ここで、４分の１波長板６としては、１６分の１波長程度の製造誤差があっても用いることができる。また、信号処理回路１４としては、アナログ演算器でも構成することができるが、入力信号をデジタル信号に変換してデジタル処理するデジタル演算器であることが、安定動作の点で望ましい。
【実施例２】
【００５３】
図２は、本発明の偏光の偏光解析装置２０を用い、電界あるいは磁界測定用プローブ装置の実施例を示すブロック図である。電界あるいは磁界は、被測定物１９の発する電界あるいは磁界中に設置された電気または磁気光学結晶４における電気または磁気カー効果等によって屈折率が変化する現象を応用して、屈折率の変化量から電界あるいは磁界の大きさを測定するものである。
【００５４】
偏光を出力する光源１の発する偏光は、第２の光分岐手段２を介して偏波面保存光ファイバーを含む光路３に入射し、電気または磁気光学結晶４の照射へ導かれる。また、前記電気または磁気光学結晶４を透過あるいは反射した出力は、偏光解析装置２０へ導かれる。偏光解析装置２０はその入射光から電気または磁気光学結晶４に印加された電界あるいは磁界の参照信号と同じ周波数成分の強度、参照信号と搬送波の相対位相を解析して測定する。第２の光分岐手段２と偏光解析装置２０の間には、その入射光の偏光の方位を調整するための手段、例えばλ／２板が具備されていると好ましい。
【実施例３】
【００５５】
図３は光ヘテロダイン法を用いた電気または磁気プローブ装置２０の実施例を示すブロック図である。光源１から出た偏光は変調装置１６によって第２の信号発生手段１５からの第２の参照信号で変調されて第２の光分岐手段２と光路３を介して電気または磁気光学結晶４に入射する。入射した偏光は被測定物１９の発する電界あるいは磁界の影響によって入射光を変調されて、再度光路３を遡行して第２の光分岐手段２によって偏光解析装置２０に入射して偏光の解析を受ける。偏光解析装置２０は偏光の解析結果から電気または磁気光学結晶４に影響を及ぼした電界あるいは磁界の信号成分で第１の信号発生手段１３からの第１の参照信号と同じ周波数成分の強度と、前記第２の参照信号と電界あるいは磁界の前記周波数成分との位相差を測定する。第２の参照信号を発する第２の信号発生器１５はヘテロダイン検出法のために本実施例において加えられたものである。
【００５６】
図６に、上記第１の信号発生手段１３からの第１の参照信号３３、第２の信号発生手段１５からの第２の参照信号３０、および被測定信号となる被測定物の発する電界あるいは磁界３１の周波数の関係を示す。第２の参照信号３０で変調された偏光は電気または磁気光学結晶４に入射し被測定物の発する電界あるいは磁界３１によって変調される。その結果被測定物の発する電界あるいは磁界３１は周波数変換されて中間周波数信号３２を生ずる。偏光解析装置２０は中間周波数信号３２中の第１の参照信号３３に等しい周波数成分を解析する。このことは被測定物の発する電界あるいは磁界３１を解析することと等価である。第１の参照信号３３の周波数と第２の参照信号３０の周波数の和である測定する周波数が実際に解析される電界あるいは磁界の周波数位置である。
【００５７】
本実施例においては第１参照信号の周波数は例えば１ＭＨｚ程度の比較的低い周波数に設定し、第２の参照信号の周波数を被測定物の動作周波数に近傍に設定することが望ましい。このことによって本発明の偏光解析装置は概ね第１の参照信号の周波数に応答すればよいので、処理速度は遅い物で良く、更に第１の参照信号を周波数を固定することによって特定の周波数に応答することで十分であるので狭帯域で高性能のフィルタを導入することができる。
【実施例４】
【００５８】
図７は図１に示した変更解析装置２０の光学部分の実施例である。入射光２８は第１の光分岐手段５によって第１の偏光２２、第２の偏光２３に分岐され、第１の偏光２２は第１の偏光分岐手段７に入射し、互いに偏光面が直交する第３の偏光２４と第４の偏光２５に分岐されて、第１の光電変換手段９と第２の光電変換手段１０に入射する。第２の偏光は反射鏡２１によって曲げられてλ／４板６によって偏光面成分間に位相差を加えられた後、第２の偏光分岐手段８に入射して互いに偏光面が直交する第５の偏光２６と第６の偏光２７に分岐され、第３の光電変換手段１１と第４の光電検出手段１２に入射する。上記第１から第４の４つの光電変換手段の出力は信号処理回路１４に入力し解析が行われる。第１の光分岐手段５としては、単なる半透鏡でもよいが、本実施例ではキューブビームスプリッターを用いている。第１および第２の偏光分離手段は、偏光分離版、ローション・プリズム、ウオラトムソン・プリズム、サバール板、グランレーザ・プリズム、偏光分離板、偏光ビームスプリッタなどが使用可能である。本実施例ではサバール板を用いた図である。第１から第４の光電変換手段は、例えば光電管、光電子増倍管、フォトダイオード、フォトトランジスタ、アバランシェフォトダイオード等を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の偏光解析装置は光の伝送路における媒質の複屈折率の変化を解析して相殺する機能を有するので、媒質の複屈折率の変動を測定することもできる。従ってレーザレーダにおける解析法などにも応用できる。
【符号の説明】
【００６０】
１ 光源
２ 第２の光分岐手段
３ 光路または双方向性光路
４ 電気または磁気光学結晶
５ 第１の光分岐手段
６ λ／４板
７ 第１の偏光分岐手段
８ 第２の偏向分岐手段
９ 第１の光電変換手段
１０ 第２の光電変換手段
１１ 第３の光電変換手段
１２ 第４の光電変換手段
１３ 第１の信号発生手段
１４ 信号処理回路
１５ 第２の信号発生手段
１６ 変調装置
１９ 被測定物
２０ 偏光解析装置
２１ 反射鏡
２２ 第１の偏光
２３ 第２の偏光
２４ 第３の偏光
２５ 第４の偏光
２６ 第５の偏光
２７ 第６の偏光
２８ 入射光
３０ 第２の参照信号
３１ 電界あるいは磁界
３２ 中間周波数信号
３３ 第１の参照信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
搬送波とそれに直交する偏波面をもつ側帯波とを含む楕円偏光を解析対象の入射光とし、
上記入射光を第１、第２の偏光に分岐するための第１の光分岐手段と、
第１の偏光を入射光とし、その搬送波および側帯波の各々の偏波面に対して±π／４ラジアンのいずれかの方位で交叉し、２つの互いに直交する偏光成分に分離するための第１の偏光分岐手段と、
上記の互いに直交する２つの偏光成分の其々の強度を測定するための第１、第２の光電変換手段と、
第２の偏光に適用してその偏光成分間に位相差を与える１／４波長板と、
前記１／４波長板を出た第２の偏光を入射光とし、その搬送波および側帯波偏波面に対して±π／４ラジアンのいずれかの方位で交叉し、互いに直交する２つの偏光成分に分離するための第２の偏光分岐手段と、
第２の偏光変更分離手段で分離され互いに直交する２つの上記偏光成分の其々の強度を測定するための第３、第４の光電変換手段と、
第１、第２、第３、第４の光電変換手段の全ての出力を入力して、前記入射光の搬送波または側帯波のそれぞれの強度、または、その位相の一部またはすべてを算出する信号処理回路と、
解析対象の上記入射光を解析する周波数を指定するための第１の参照信号を発生する第１の信号発生器と、を具備し、
前記信号処理回路は、第１、第２の光電変換手段の各々の出力間の差である第１の差信号の指定された上記周波数における強度と、第３、第４の光電変換手段の出力間の差である第２の差信号の指定された上記周波数における強度との第１の比から、解析対象の上記入射光の搬送波と側帯波の位相差を算出するものであることを特徴とする変調光解析装置。
【請求項２】
第1の差信号と、第1の参照信号の周波数成分のπ／２または−π／２ラジアンに相当する移相を施した第２の差信号、との和信号を生成し、更に前記和信号と前記第１の参照信号との積を前記参照信号の整数周期にわたり積算して得られる第１の積算値と、上記和信号と、第１の参照信号をπ／２または−π／２ラジアン移相した信号との積を上記周期にわたり積算して得られる第２の積算値とを求め、
第１の積算値の平方値と第２の積算値の平方値との和から解析対象の上記搬送波の強度と上記側帯波の強度の積を求め、
上記信号処理回路は、第１の比と、第１の積算値と第２の積算値との比とから、第１の参照信号と解析対象の上記入射光の側帯波に含まれ第１の参照信号と同じ周波数の信号との位相差を算出するものであることを特徴とする請求項１に記載の変調光解析装置。
【請求項３】
直線偏光を出力する光源と、
電界あるいは磁界によって屈折率の変化する電気あるいは磁気光学結晶と、
請求項１記載の変調光解析装置と、
前記直線偏光を前記電気あるいは磁気光学結晶へ導くとともに前記電気あるいは磁気光学結晶を透過あるいは反射した出力を上記変調光解析装置へ導くための偏波面保存光ファイバーを含む光路と、
を具備し、
上記電気あるいは磁気光学結晶に印加された電界あるいは磁界の周波数、強度、参照信号と搬送波の相対位相の少なくとも１つを測定する機能を有することを特徴とする電界あるいは磁界検出プローブ装置。
【請求項４】
請求項３に記載の構成に加えて、
上記光源からの直線偏光を変調する手段と、
第２の参照信号を発生する第１の信号発生器と、
を具備し、
上記直線偏光は第２の信号参照によって変調されて上記電気あるいは磁気光学結晶への入射光であり、
上記電気あるいは磁気光学結晶は、上記入射光に含まれる前記第２の参照信号による変調成分と、被測定電界または磁界との周波数混合を行ってその出力光に第１の周波数に相当する中間周波数成分を発生し、変調光解析装置は第１の周波数成分に対して解析処理を行う光ヘテロダイン法を用いることを特徴とする請求項３に記載の電界あるいは磁界検出プローブ装置。
【請求項５】
上記光路は、
第２の光分岐手段と、
双方向性光路を備え、
第２の光分岐手段は、上記光源から入射する上記直線偏光を上記双方向性光路を介して上記電気あるいは磁気光学結晶に送り、前記電気あるいは磁気光学結晶からのからの戻り光を上記双方向性光路を介して上記偏光解析装置に出射するものであって、
上記双方向性光路は偏波面保持光ファイバーを含むことを特徴とする請求項３あるいは請求項４に記載の電界あるいは磁界検出プローブ装置。
【請求項１】
搬送波とそれに直交する偏波面をもつ側帯波とを含む楕円偏光を解析対象の入射光とし、
上記入射光を第１、第２の偏光に分岐するための第１の光分岐手段と、
第１の偏光を入射光とし、その搬送波および側帯波の各々の偏波面に対して±π／４ラジアンのいずれかの方位で交叉し、２つの互いに直交する偏光成分に分離するための第１の偏光分岐手段と、
上記の互いに直交する２つの偏光成分の其々の強度を測定するための第１、第２の光電変換手段と、
第２の偏光に適用してその偏光成分間に位相差を与える１／４波長板と、
前記１／４波長板を出た第２の偏光を入射光とし、その搬送波および側帯波偏波面に対して±π／４ラジアンのいずれかの方位で交叉し、互いに直交する２つの偏光成分に分離するための第２の偏光分岐手段と、
第２の偏光変更分離手段で分離され互いに直交する２つの上記偏光成分の其々の強度を測定するための第３、第４の光電変換手段と、
第１、第２、第３、第４の光電変換手段の全ての出力を入力して、前記入射光の搬送波または側帯波のそれぞれの強度、または、その位相の一部またはすべてを算出する信号処理回路と、
解析対象の上記入射光を解析する周波数を指定するための第１の参照信号を発生する第１の信号発生器と、を具備し、
前記信号処理回路は、第１、第２の光電変換手段の各々の出力間の差である第１の差信号の指定された上記周波数における強度と、第３、第４の光電変換手段の出力間の差である第２の差信号の指定された上記周波数における強度との第１の比から、解析対象の上記入射光の搬送波と側帯波の位相差を算出するものであることを特徴とする変調光解析装置。
【請求項２】
第1の差信号と、第1の参照信号の周波数成分のπ／２または−π／２ラジアンに相当する移相を施した第２の差信号、との和信号を生成し、更に前記和信号と前記第１の参照信号との積を前記参照信号の整数周期にわたり積算して得られる第１の積算値と、上記和信号と、第１の参照信号をπ／２または−π／２ラジアン移相した信号との積を上記周期にわたり積算して得られる第２の積算値とを求め、
第１の積算値の平方値と第２の積算値の平方値との和から解析対象の上記搬送波の強度と上記側帯波の強度の積を求め、
上記信号処理回路は、第１の比と、第１の積算値と第２の積算値との比とから、第１の参照信号と解析対象の上記入射光の側帯波に含まれ第１の参照信号と同じ周波数の信号との位相差を算出するものであることを特徴とする請求項１に記載の変調光解析装置。
【請求項３】
直線偏光を出力する光源と、
電界あるいは磁界によって屈折率の変化する電気あるいは磁気光学結晶と、
請求項１記載の変調光解析装置と、
前記直線偏光を前記電気あるいは磁気光学結晶へ導くとともに前記電気あるいは磁気光学結晶を透過あるいは反射した出力を上記変調光解析装置へ導くための偏波面保存光ファイバーを含む光路と、
を具備し、
上記電気あるいは磁気光学結晶に印加された電界あるいは磁界の周波数、強度、参照信号と搬送波の相対位相の少なくとも１つを測定する機能を有することを特徴とする電界あるいは磁界検出プローブ装置。
【請求項４】
請求項３に記載の構成に加えて、
上記光源からの直線偏光を変調する手段と、
第２の参照信号を発生する第１の信号発生器と、
を具備し、
上記直線偏光は第２の信号参照によって変調されて上記電気あるいは磁気光学結晶への入射光であり、
上記電気あるいは磁気光学結晶は、上記入射光に含まれる前記第２の参照信号による変調成分と、被測定電界または磁界との周波数混合を行ってその出力光に第１の周波数に相当する中間周波数成分を発生し、変調光解析装置は第１の周波数成分に対して解析処理を行う光ヘテロダイン法を用いることを特徴とする請求項３に記載の電界あるいは磁界検出プローブ装置。
【請求項５】
上記光路は、
第２の光分岐手段と、
双方向性光路を備え、
第２の光分岐手段は、上記光源から入射する上記直線偏光を上記双方向性光路を介して上記電気あるいは磁気光学結晶に送り、前記電気あるいは磁気光学結晶からのからの戻り光を上記双方向性光路を介して上記偏光解析装置に出射するものであって、
上記双方向性光路は偏波面保持光ファイバーを含むことを特徴とする請求項３あるいは請求項４に記載の電界あるいは磁界検出プローブ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１０３２００（Ｐ２０１２−１０３２００Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５３９１９（Ｐ２０１０−２５３９１９）
【出願日】平成２２年１１月１２日（２０１０．１１．１２）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１２日（２０１０．１１．１２）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]