JPH06230052A - 光方式の電界測定装置 - Google Patents

光方式の電界測定装置

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JPH06230052A
JPH06230052A JP5034443A JP3444393A JPH06230052A JP H06230052 A JPH06230052 A JP H06230052A JP 5034443 A JP5034443 A JP 5034443A JP 3444393 A JP3444393 A JP 3444393A JP H06230052 A JPH06230052 A JP H06230052A
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Sakae Watanabe
辺 栄 渡
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Abstract

(57)【要約】 [目的] 電界を光学的に測定するものにおいて、光源
を一定温度に保つことのよって出力光の波長を一定波長
に維持して良好な検出特性を得る。 [構成] 測定すべき電界を印加した電気光学結晶7に
光源2からの光線を透過させて受光素子12で受光し透
過光の電気光学効果による光学的な変化から上記電界を
測定するものにおいて、上記光源2と上記受光素子12
の発熱側とを熱的に結合させて受光素子12側の熱を光
源2側へ移送するサーモ・モジュール21を具備するこ
と、および上記光源2を一定温度に保つように上記サー
モ・モジュール21による熱の移送量を制御する温度制
御部23を具備することを特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電気光学結晶を用いて電
界を測定する光方式の電界測定装置に係わり、特に検出
特性の向上に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に物質に電界を加えると、その光学
的性質が変化する。このような現象は広く電気光学効果
と呼ばれ、たとえばポッケルス効果、カー効果等がよく
知られている。このような電気光学効果は、物質にたと
えば電界Eを印加したときの物質の屈折率nとして次式
で与えられる。 n=n0+an+bn2+・・・ ただしn0:電界印加前の屈折率 E:印加電界 ここで、電界Eの1次の係数aをポッケルス係数、2次
の係数bをカー係数という。
【0003】このような電気光学効果が顕著で、電界強
度の測定等に用いられる物質(以下電気光学結晶と称
す)としてはニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタ
ル酸リチウム(LiTaO3)、水晶、BSO(Bi12Si
O20)、BGO(Bi12GeO20)等の結晶が知られてい
る。これらの結晶は結晶軸に対して所定の角度に切断し
て直方体に整形して用いるようにしている。そして、こ
のような電気光学結晶の屈折率が電界の1次の項に比例
するポッケルス効果を利用し、光の送受に光ファイバを
用いて電界、電圧等を測定する装置が研究されている。
【0004】すなわち、電気光学結晶に電界を印加する
と、当該結晶の屈折率が変化し、それによって結晶を透
過する光線の速度が変化する。一方、電気光学結晶を透
過する2つの偏光成分は、電気光学結晶に印加された電
界強度に応じてそれぞれ異なる位相変調を受ける。した
がって、このような電界の測定を行う装置では、たとえ
ば単色光の光源からの光を偏光板で直線偏光した後にλ
/4波長板を透過させて円偏光とし、この光線を上記電
気光学結晶に入射する。そして電気光学結晶を透過した
光線は、いわゆる楕円偏光となり、その長軸の方向は電
気光学結晶に印加した電界強度および電気光学結晶中の
光路の長さに応じて変化する。そして電気光学結晶から
出射した光線を検光子を透過させると検光子の角度に対
応する方向成分の光のみが通過するので光出力の強度は
上記電界強度に応じた変化を生じ、この光強度の変化は
電界強度の大きさに対応することになる。
【0005】このような原理に基づいて、電界を測定す
る装置として本発明の出願人により特願昭63−316
726号「光方式直流電界測定装置」が出願されてい
る。このような電界測定装置では、たとえば計測部にレ
ーザ・ダイオード等の単色の光源を用意して、この光源
からの光線を光ファイバを用いて検出部の電気光学結晶
へ導くようにしている。そして電気光学結晶を透過した
光線を、再び光ファイバを用いて計測部へ導いて受光素
子により光学的な変化を検出するようにしている。
【0006】しかして、このような装置によって電界を
測定すれば、電気光学結晶および光ファイバは絶縁体で
構成されるために電気的な絶縁を容易に行え、信号の伝
送を光で行うので高電界中にあっても電磁誘導や外来雑
音の影響を受けることがなく、無火花、防爆性で耐薬品
性も良好な利点を得られる。したがってこのような電界
測定装置は、強電の分野における高電圧の電力設備の保
全、コンビナートの石油備蓄基地における帯電電荷の測
定等の安全性を重視する分野で独自の用途が期待されて
いる。
【0007】図5は従来の電界測定装置の原理的な構成
を示すブロック図で、たとえば光源駆動部1によって単
色光の光源2を駆動し、光源2で発生した光線を光ファ
イバ3に導く。光ファイバ3で導いた光はレンズ4、偏
光子5、波長板6を介して、たとえば水晶からなる電気
光学結晶7へ入射する。この電気光学結晶7の両側面の
電極8には測定すべき電界Eを印加し、また電気光学結
晶7の出射光を検光子9およびレンズ10を介して光フ
ァイバ11により受光素子12へ導く。受光素子12の
検出信号は電界測定部13に入力して電界の測定値を
得、この測定値を表示部14で表示し、必要に応じて記
録する。そして、たとえば図6に示すような透過光の変
調特性を得、電界強度に応じて得た透過光の光学的な変
化、たとえば光強度の変化から上記電界Eの値を測定す
るようにしている。
【0008】しかして、このような電界測定装置では測
定すべき電界を印加する電気光学結晶等を含む検出部
と、この検出部で生じた光学的な変化から電界強度を測
定する電界測定部との間は光学的に結合させるだけでよ
い。したがって、たとえば電気の絶縁体である光ファイ
バを用いて検出部と電界測定部とを結合させることによ
り、電気的に高い絶縁性を維持した状態で信号の送受を
行うことができる。したがって検出部と電界測定部との
間を電気的に十分な絶縁を得られる長さの光ファイバを
介して結合することにより、高電圧の測定も安全に行う
ことができる。
【0009】ところで、このような電界測定装置に用い
る光源としては、要求される種々の特性を満たす、たと
えばレーザ・ダイオードや発光ダイオード等の半導体素
子が用いられる。しかしながら、このような光源は発光
させた際に供給したエネルギの損失分は熱となり発熱量
と放熱量の平衡するまで温度は上昇し、かつ光出力の波
長は光源の温度に応じて変化する。図7はこの種の発光
ダイオードのケースの温度と25℃の発光波長λに対す
るピーク発光波長の偏差の一例を示すグラフである。こ
のグラフから明らかなように、25℃における波長85
0nmを基準とした場合、±35度の温度変化によって
発光波長λは±10nm変化し、この変化の割合は当該
発光波長の±1.2%にも相当する。
【0010】ところでこのような装置において、電気光
学結晶の電気光学効果は半波長電圧Vπとして表すこと
ができる。この半波長電圧Vπは図6において光強度を
0から1まで変化させるために必要な電圧であって、こ
の電圧が低い結晶は感度は良好であるが測定可能な最高
電圧は低めに制限され、逆に半波長電圧Vπが高い結晶
の場合は感度は低いが高い電圧まで良好な直線性で測定
することができる。
【0011】この半波長電圧Vπは結晶の種類、結晶軸
に対する電圧の印加方向、結晶軸に対する光線の透過方
向に応じて変化するが、たとえば電気光学結晶として水
晶を用いて結晶のY軸方向に電界を印加し、Z軸方向に
光線を透過させるように配置した場合は、次式で与えら
れる。 Vπ=λ/2no3r11・(d/L) ただし:λは透過光線の波長 noは常光線屈折率 r11はポッケルス定数 dは電圧または電界の印加方向の結晶の厚み Lは光線の透過方向の結晶の長さ この式からも明らかなように、半波長電圧Vπの値は光
線の波長λに比例するため光源の出力光の波長λの変化
はそのまま測定値の誤差となる。
【0012】またこのように光源の出力光の波長が変化
すると、波長に依存する光学系は設計通りの性能を発揮
することができなくなる問題もある。たとえば受光素子
としてフォトダイオードを用いた場合、この種のダイオ
ードはたとえば図8に示すような波長感度特性を有し、
入力光の波長λに応じて受光感度は変化する。このため
光源の出力光の波長λは、フォトダイオードの受光感度
の最も良好な領域となるような設計がなされるが、光源
の温度変化によって出力光の波長λが変化すればフォト
ダイオードの検出感度は低下してしまう。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたもので、電界、電圧等を光学的に測定す
るものにおいて、光源を一定温度に保つことのよって出
力光の波長を一定波長に維持して良好な検出特性を得る
ことができる光方式の電界測定装置を提供することを目
的とするものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は、測定すべき電
界を印加した電気光学結晶に光源からの光線を透過させ
て受光素子で受光し透過光の電気光学効果による光学的
な変化から上記電界を測定するものにおいて、上記光源
と上記受光素子の発熱側とを熱的に結合させて受光素子
側の熱を光源側へ移送するサーモ・モジュールを具備す
ること、および上記光源を一定温度に保つように上記サ
ーモモジュールによる熱の移送量を制御する温度制御部
を具備することを特徴とするものである。
【0015】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図1に示す電界測
定装置の概略構成図を参照して詳細に説明する。なお図
5と同一の部材には同一符号を付与してその説明を省略
する。図1において21は制御電流に応じて熱を移送す
るサーモ・モジュールである。図2はサーモ・モジュー
ル21の周辺の構造の一例を示す裁断正面図で、サーモ
・モジュール21によって光源2と受光素子12とを熱
的に結合させて、受光素子12から光源2へ熱の移送を
行うようにしている。そして光源2に温度センサ22を
取り付け、このセンサ22の検出信号を温度制御部23
へ与えて光源2を一定温度に維持するように熱の移送量
を制御するようにしている。なお上記サーモ・モジュー
ル21等は容器24に収納し、光源2および受光素子1
2には、光コネクタ25を介して光ファイバを接続する
ようにしている。なお図2において26は受光素子12
の前置増幅器である。
【0016】上記サーモ・モジュール21は、たとえば
図3に示すような熱電半導体を利用したペルチェ素子の
ヒートポンプである。すなわち、P型素子21aおよび
N型素子21bからなる2種類の熱電半導体を電極金属
21cに接合してπ型直列回路を構成する。そして、こ
のπ型直列回路のP、N対のN型素子21bからP型素
子21aの方向へ電源21dから電流を流すと、ペルチ
ェ効果によってπ型の上部で吸熱、下部で発熱を生じ、
吸熱側から発熱側へ熱の移送を行うものである。しかし
て、ペルチェ素子の吸熱側を受光素子12、放熱側を光
源2に取り付けて受光素子12から光源2へ熱を移送す
ることによって受光素子12および前置増幅器26側を
冷却し、光源2側を加熱し、かつサーモ・モジュール2
1による熱の移送量を温度制御部23によって制御し、
光源2の温度を一定温度に保つようにしている。
【0017】このような構成であれば、電気光学結晶7
に電界Eを印加すると該電気光学結晶7を透過する光線
は印加した電界Eの大きさに応じて光学的変化を生じ
る。したがって透過光の光学的変化の大きさを受光素子
12で電気信号に変換して電界測定部13で測定するこ
とによって印加した電界Eの値を測定することができ
る。そして、光源2と受光素子12とをサーモ・モジュ
ール21によって熱的に結合させて受光素子12側の熱
を光源2側へ移送し、受光素子12を冷却するとともに
光源2を加熱するようにしている。そして温度制御部2
3によってサーモ・モジュール21による熱の移送量を
制御して光源2の温度を一定温度に保つようにしてい
る。したがって、光源2は一定の温度に加熱されるので
出力光の波長λを一定波長に維持することができ、光学
系は設計通りに最高の性能を発揮することができる。
【0018】一方、受光素子としてフォトダイオードを
用いた場合、フォトダイオードの周囲温度と暗電流との
関係は、たとえば図4に示すようになる。すなわち温度
の上昇とともに暗電流は増加して微弱な信号を検出でき
なくなるのでできるだけ低温度にすることが望ましい。
しかして上記実施例では、受光素子12側は冷却される
ために低温度になり、それによってS/N比を高めるこ
とができ、良好な検出感度を得ることができる。
【0019】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば簡
単な構成で光源の光出力の波長を一定の波長に保つこと
ができ、かつ受光素子は高いS/N比を維持できるので
電気光学結晶を透過する光線に対する光学的変化を高感
度に検出することができ、それによって電界、電圧等の
電界を高感度かつ正確に測定することができる光方式の
電界測定装置を提供することができる。
【0020】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図2】図1に示す実施例のサーモ・モジュールの周辺
の裁断正面図である。
【図3】図1に示す実施例のサーモ・モジュールの動作
を説明する図である。
【図4】受光素子の温度と暗電流の関係を示グラフであ
る。
【図5】従来の電界測定装置の一例を示すブロック図で
ある。
【図6】図5に示す電界測定装置の印加電圧と透過光強
度の関係を示すグラフである。
【図7】発光ダイオードのケース温度とピーク発光波長
λの偏差を示すグラフである。
【図8】受光素子の波長λと受光感度との関係を示すグ
ラフである。
【符号の説明】
2 光源 7 電気光学結晶 12 受光素子 21 サーモ・モジュール 23 温度制御部

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】測定すべき電界を印加した電気光学結晶に
    光源からの光線を透過させて受光素子で受光し透過光の
    電気光学効果による光学的な変化から上記電界を測定す
    るものにおいて、 上記光源と上記受光素子の発熱側とを熱的に結合させて
    受光素子側の熱を光源側へ移送するサーモ・モジュール
    を具備することを特徴とする光方式の電界測定装置。
  2. 【請求項2】上記光源の温度を一定温度に保つように上
    記サーモモジュールによる熱の移送量を制御する温度制
    御部を具備することを特徴とする請求項1の光方式の電
    界測定装置。
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