JPH01121765A - 電圧検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光変調器を用いてピコ秒オーダの時間分解能
で電圧を検出する電圧検出装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、光変調器を用いて電圧を検出する装置が知られて
いる。

第４図は米国特許第４，４４６．４２５号に開示されて
いるこの種の従来の電圧検出装置の概略構成図である。

第４図の電圧検出装置では、パルス光源５０から１２０
フ工ムト秒程度の短光パルスを繰返し出力し、この短光
パルスをチョッパ５１．可変遅延器５２を介し被測定物
５３１例えば光電スイッチに入力させる一方、光変調器
４０に入射させている。光変調器４０は、偏光子５５．
電気光学結晶５４、位相補償器５６．検光子５７で構成
され、入射した短光パルスが被測定物５３からの電圧に
より変調される現象を利用し、電圧波形を光強度の形で
取出すようになっている。より詳しくは短光パルスに同
期して被測定物５３から出力される検出されるべき電圧
を光変調器４０の電気光学結晶５４に加える一方、電気
光学結晶５４にはパルス光源５０からの短光パルスのう
ち偏光子５５によって抽出された所定の偏光成分のもの
を入射させる。電気光学結晶５４には、電圧の印加で屈
折率が変化するＬｉＮｂ０　　、ＬｉＴａＯ３などの電
気光学材料が用いられている。電気光学材料の上記性質
によって、電気光学結晶５４に入射した短光パルスは、
被測定物５３からの電圧により偏光状態が変化し変調さ
れて出射光として出射し、位相補償器５６を介して検光
子５７に入射する。

検光子５７では、位相補償器５６からの出射光から直交
する２つの偏光成分を抽出し、それぞれ変調された光強
度信号を光変調器４０からの出力として光検出器５８．
５９に入射させるようになっている。光検出器５８．５
９では、各偏光成分の光強度を検出し、差動増幅器６０
で光検出器５８゜５９からの出力信号を差動増幅し、ロ
ックインアンプ６１．平均器６２を介し検出結果をデイ
スプレィ６３に表示するようになっている。

なお、可変遅延器５２は、被測定物５３からの電圧発生
タイミングを徐々に遅延させて電圧波形のサンプリング
点を定めるためのものである。またロックインアンプ６
１は、チョッパ５１に同期したタイミングで差動増幅器
６０からの出力を取出しノイズ成分を取除き、平均器６
２はロックインアンプ６１の出力を平均化するようにな
っている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のように従来の電圧検出装置では、パルス光源５０
と、応答速度の遅い光検出器５８．５９との組合わせに
より被測定物５３からの電圧を検出していた。しかしな
がら、パルス光源５０は安定性が悪く、短光パルスの光
量が変動し易いので、被測定物５３からの電圧を信頼性
良く検出するには限度があるという問題があった。また
超短光パルスを発生するパルス光源５０は、複雑で大型
であるため装置全体を小型化するには適さないという問
題があった。

本発明は、超高速パルスの電圧を信頼性良くかつ感度良
く検出することの可能な、小型化に適した電圧検出装置
を提供することを目的している。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、直流光源と、検出されるべき電圧により前記
直流光源からのＣＷ光を変調し、変調されたＣＷ光から
互いに異なる偏光成分を抽出して複数の光強度信号とし
て出力する光変調手段と、複数の光強度信号の各々を所
定のサンプリングタイミングでサンプリング抽出する複
数のサンプリング型高速光検出手段と、複数のサンプリ
ング型高速光検出手段からの出力信号の差をとり出力結
果として出力する差動手段とを備えていることを特徴と
する電圧検出装置によって、上記従来技術の問題点を改
善するものである。

〔作用〕

本発明では、光源として小型化に適しかつ光量変動の少
ない直流光源を用い、直流光源から出力されるＣＷ光を
光変調手段に入射させる。光変調手段では検出されるべ
き電圧によりＣＷ光を変調し、変調されたＣＷ光から互
いに異なる偏光成分を抽出し複数の光強度信号として出
力し、各々の光強度信号を対応したサンプリング型高速
光検出手段に入力させる。この際、変調されたＣＷ光か
ら互いに直交する偏光成分を抽出し２つの光強度信号と
して出力する場合には、一方の光強度信号が電圧により
増加すると他方の光強度信号は減少する。各サンプリン
グ型高速光検出手段では各光強度信号を所定のサンプリ
ングタイミングでサンプリング抽出し、差動手段に入力
させる。差動手段においては、サンプリング抽出された
各光強度信号の差を求め出力結果として出力するが、上
述のように電圧による各光強度信号の変化の方向は互い
に逆になっているので、出力結果は、１つの光強度信号
の変化分を倍にしたものとなり電圧を感度良く検出でき
る。一方、光強度信号のうち電圧によっては変動しない
ものを取、除くことができるため、直流光源からのＣＷ
光の光量の変動の影響を受けにくくすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る電圧検出装置の一実施例の構成図
である。

本実施例の電圧検出装置では、光源としてＨｅ−Ｎｅレ
ーザ、半導体レーザ、レーザダイオード励起固体レーザ
、あるいは第２高調波発生素子などの直流光源ｌを用い
、直流光源ｌからのＣＷ光を光変調器３０に入射させて
いる。光変調器３０に入射したＣＷ光は、偏光子３１に
より所定の偏光成分が抽出され、電気光学結晶３２に加
わる被測定ｅ１５３からの電圧により偏光状態が変化し
、出射光として位相補償器３３を介し検光子３４に入射
するようになっている。なお被測定物５３からの電圧は
、発振回路２０からのトリガ信号ＴＲに同期して繰返し
発生する。この電圧は、超高速パルスであるため反射を
防ぐように、電気光学結晶３２上の電極は抵抗Ｚ。で終
端整合されている。

また位相補償器３３は、電気光学結晶３２の自然複屈折
などを補正するために設けられている。

検光子３４では、出射光から互いに直交する偏光成分を
抽出し、これらを各々２つの光強度信号１１、Ｉ２とし
て出力し、サンプリング型高速光検出器２．３に入力さ
せる。この２つの光強度信号１．Ｉ２は、電圧の印加で
一方の光強度信号１１が増加すると、他方の光強度信号
■２は減少するような関係になっている。

第２図はサンプリング型高速光検出器の構成図である。

第２図を参照すると、サンプリング型高速光検出器２．
３は、検光子３４からの出射光を集光するレンズ１０と
、出射光をその強度に対応した電子に変換する光電面１
１と、加速電極１２と、加速された電子を矢印Ｆの方向
に掃引する崗向器１３と、開口１４の設けられた開口部
材１５と、掃引された電子のうち開口１４を通過したも
のが入射する電子増倍部１６とを備えている。なおサン
プリング型高速光検出器２．３として例えばサンプリン
グ型光オッシロスコープ、シンクロスキャンフォトメー
タなどが用いられる。

このようなサンプリング型高速光検出器２，３では、偏
向器１３に加わる偏向電圧のタイミングをタイミング回
路４からのトリガ信号’ｒ’　Ｒ１によって徐々にずら
すことにより、光電面１１に繰返し入射する光強度信号
の一部を、開口１４から順次に抽出しサンプリングする
ようになっている。

なおタイミング回路４は、発振回路２０からのトリガ信
号ＴＲで駆動されても良いし、あるいは被測定物５３か
ら繰返し出力される電圧によって駆動されても良い、こ
の切換えはスイッチ９によって行なわれる。またサンプ
リング型高速光検出器２．３の電子増倍部１６は、開口
１４を通過した電子を直接増倍するダイノード群でも良
いし、あるいは開口１４を通過した電子の入射で発光す
る螢光面と、螢光面からの発光を電子に再び変換し増倍
する光電子増信管とを組合せたものでも良い。

このようにサンプリング型高速光検出器２，３を用いる
場合には、超高速の電圧変化を検出するのに光源として
パルス光源を用いずとも良く、光量が変動しにくくかつ
小型化に適した直流光源１を用いることができる。また
、サンプリング型高速光検出器２．３のうちの１つだけ
を使って検光子３４からの２つの光強度信号のうちの一
方だけを検出することにより被測定物５３からの電圧を
検出することも可能であるが、この場合には、電圧に対
応した光強度信号の微弱な変化分だけを効率良くすなわ
ち感度良ぐ検出するのが難かしく、さらには直流光源１
の僅かな光量変動にも影響を受は易い、従って、本実施
例では、微弱な変化分を効率良く検出するなめ、検光子
５７からの２つの光強度信号Ｉ　　、Ｉ　　を各々に対
応したサンプリング型高速光検出器２．３でサンプリン
グ抽出した後、差動増幅器５においてこれらの差を増幅
し出力結果として出力するようになっている。

さらに差動増幅器５からの出力結果は、絶対値演算回路
６に送られて直流光源ｌから出力されるＣＷ光の光量の
多少による影響あるいは光量の変動による影響を補正す
るようになっている。すなわちＣＷ光は、偏光子３１．
可変遅延器７を介し光検出器８に送られそこでＣＷ光の
光量が検出される。絶対値演算回路６では、光検出器８
で検出されたＣＷ光の光量に基づいて差動増幅器５から
の出力結果を補正するようになっている。出力装置２１
は、例えばデイスプレィからなり出力結果を所定の型式
で出力するものである。

このような構成の電圧検出装置の動作を第３図（ａ）乃
至（ｆ）のタイムチャートに基づいて説明する。

発振回路２０より出力された第３図（ａ）に示すような
トリガ信号ＴＲを被測定物５３に入力すると、被測定物
５３からは第３図（ｂ）に示すような電圧が出力され光
変調器３０の電気光学結晶３２に加わる。一方、偏光子
３１で所定の偏光成分が抽出された直流光源１からのＣ
Ｗ光は、電気光学結晶３２に加わった電圧により偏光状
態が変化し、出射光として位相補償器３３を介し検光子
３４に加わる。検光子３４では、出射光から互いに直交
する偏光成分を抽出しそれぞれ第３図（ｃ）　、　（ｄ
）に示すような光強度信号Ｉ　　、Ｉ　　として出力す
る。

この際、２つの光強度信号１　　、Ｉ　　は、Ｉ　　＝
Ｉ　　＋Δ１１ １２”ＩＯ２＋ΔＩ　２−・−（１） となる、ここでＩ　　、Ｉ　　は被測定物５３からの電
圧が光変調器３０に加わっていないときの光強度信号Ｉ
　　、Ｉ　　であり、ΔＩ　、ΔＩ２は電圧が加わった
ときの変化分である。なお検光子３４において互いに直
交した偏光成分を抽出し、これらを各々光強度信号１　
　、Ｉ　　としているので、ΔＩ　とΔＩ２とは、第３
図（Ｃ）　、　（ｄ）に示すように、 Δ■　＝−ΔＩ２　　　　　　　　　・・・・・・（２
）の関係にある。

光強度信号Ｉ　　、Ｉ　　はそれぞれサンプリング型高
遠光検出器２，３に同時に入射する。なお同時に入射さ
せるために検光子３４とサンプリング型高速光検出器２
．３との間の光路長をそれぞれ同じに設定する。サンプ
リング型高速光検出器２゜３に入射した光強度信号Ｉ、
Ｉ、、は、サンプリングタイミングを徐々にずらされな
がらサンプリング抽出される。すなわちサンプリング型
高速光検出器２．３の各々には、タイミング回路４から
第３図（＋３）に示ずようなトリガ信号ＴＲＩが同時に
入力し、このトリガ信号ＴＲＩに同期して同一タイミン
グでサンプリング抽出が行なわれる。サンプリング抽出
された結果の出力信号Ｅ　ｉ　、　Ｅ　２を第３図（ｃ
）　、　（ｄ）に斜線部分として示す、第３図（ａ）乃
至（０）かられかるようにトリガ信号ＴＲとトリガ信号
ＴＲＩとの時間間隔は、 ｔｏ＋１＝ｔｏ＋Δｔ（Δｔは一定）　・・・・・・（
３）の関係で、Δｔづつずれるので、出力信号Ｅ１゜Ｅ
２は、光強度信号１１．Ｉ２の異なった部分を順次にサ
ンプリング抽出したものとなる（第３図（ｃ）　、　（
ｄ）参照）。

この出力信号Ｅ１．Ｅ２が差動増幅器５に入力すると、
差動増幅器５からは、第３図（ｆ）に示すように出力信
号Ｅ　１．　Ｅ　２の差を増幅した出力結果Ｅ。が出力
される。ところで、出力信号Ｅ１゜Ｅ　の大きさは、光
強度信号Ｉ　　、Ｉ　　の大きさに比例するので、出力
結果Ｅ。は、光強度信号■１．■２の差に比例したもの
となる。光強度信号Ｉ、Ｉ２の差をとると、（１）式、
（２）式から１　−１　　＝　（ＩＯ，−１０２）　＋
２Δ１１・・・・・・（４） となる、被測定物５３からの電圧が加わっていない状態
での光強度信号Ｉ　　、Ｉ　　が互いに同じ大きさにな
るよう位相補償器３３が調節されているとすると、（４
）式から １ｌ−Ｉ２＝２Δ１１　　　　　　　　・・・・・・（
５）となるので、出力結果Ｅ。は、被測定物５３からの
電圧が加わったときの光強度信号Ｉ　　、Ｉ　　の変化
分ΔＩ　、ΔＩ２だけを反映したものとなる。

これにより、検光子３４から１つの偏光成分だけが抽出
され、１つの光強度信号を１つのサンプリング型高速光
検出器に入力した場合に比べて、検出されるべき電圧に
対応した変化分を２倍の感度で検出でき、さらには検出
されるべき電圧を何ら反映していない光強度信号Ｉ　　
、Ｉ　　の影響を取除くことができる。

また本実施例では、直流光源１を用いているので、パル
ス光源を用いる場合に比べて小型化に適し、さらに光量
の変動が少なく、変化分Δ■１゜ΔＩ２を安定した状態
で取出すことができるので、電圧を信頼性良く検出でき
る。

このようにして超高速パルスの電圧を検出できるが、差
動増幅器５からの出力結果Ｅ。は、直流光源１からのＣ
Ｗ光の光量を多く設定したり、あるいは少なく設定した
りすることにより変化するので相対的な測定しかできな
い、また直流光源１からのＣＷ光の光量の多少の変動に
よって出力結果Ｅ。は変動する。ＣＷ光の光量の多少、
あるいは変動に影響されない絶対的な検出結果を自動的
に得るため、本実施例ではさらに絶対値演算回路６を設
けている。ＣＷ光の光量は、偏光子３１゜可変遅延器７
を介して光検出器８で検出される。

この際、偏光子３１から光検出器８までの光路−長が偏
光子３１からサンプリング型高速光検出器２゜３までの
光路長と同じになるよう可変遅延器７を調節する。光検
出器８で検出されるＣＷ光の光量結果Ｅ３は、絶対値演
算回路６に入力し、この光量結果Ｅ３に基づいて差動増
幅器５からの出力結果Ｅ。を補正し、これによりＣＷ光
の光量の多少、変動による影響を受けない極めて安定し
て信頼性の高い絶対的な検出結果を得ることができる。

このようにして検出された電圧検出装置は、出力装置２
１１例えばデイスプレィに表示される。

なお、さらに高精度の検出を希望するならば、絶対値演
算回路６の後段にロックインアンプ（図示せず）を設け
、所定の周波数成分のみを増幅し、ノイズを除去するよ
うにしても良い。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば、直流光源とサ
ンプリング型高速光検出手段との組合せを用いているの
で、光量変動を少なくし信頼性のある検出結果を得るこ
とができるとともに装置全体を小型にすることができる
一方、超高速パルスの電圧をサンプリング検出できる。

また変調されたＣＷ光から互いに異なる偏光成分を抽出
して光強度信号とし、これら複数の光強度信号をサンプ
リング抽出した後、差を求め出力結果として出力するの
で、電圧を感度良く検出できるとともに、直流光源から
のＣＷ光の光量変動の影響を少なくすることができる。

なお、上記出力結果を直流光源からのＣＷ光の光量によ
って補正すれば、直流光源からの光量の多少、変動によ
らない絶対的な検出結果を得ることができるので、極め
て信頼性の高くかつ安定した検出を行なうことができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電圧検出装置の一実施例の構成図
、第２図はサンプリング型高速光検出器の構成図、第３
図（ａ）乃至（ｆ）はそれぞれトリガ信号ＴＲ，被測定
物からの電圧、光強度信号１１゜光強度信号Ｉ　　トリ
ガ信号ＴＲＩ、出力結果２・ Ｅｏのタイムチャート、第４図は従来の電圧検出装置の
構成図である。 １・・・直流光源、 ２．３サンプリング型高速光検出器、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）直流光源と、検出されるべき電圧により前記直流光
   源からのＣＷ光を変調し、変調されたＣＷ光から互いに
   異なる偏光成分を抽出して複数の光強度信号として出力
   する光変調手段と、複数の光強度信号の各々を所定のサ
   ンプリングタイミングでサンプリング抽出する複数のサ
   ンプリング型高速光検出手段と、複数のサンプリング型
   高速光検出手段からの出力信号の差をとり出力結果とし
   て出力する差動手段とを備えていることを特徴とする電
   圧検出装置。 ２）前記出力結果は、前記直流光源からのＣＷ光の光量
   によつて補正されるようになっていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の電圧検出装置。 ３）前記光変調手段は、電圧が加わっていない状態での
   前記複数の光強度信号の大きさが互いに同じになるよう
   調節されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の電圧検出装置。 ４）前記サンプリング型高速光検出手段は、サンプリン
   グ型光オッシロスコープまたはシンクロスキャンフォト
   メータであることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の電圧検出装置。