專利名稱：電場傳感器及其調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電場傳感器和調(diào)節(jié)該電場傳感器的方法，該電場傳感器向加上被測量電場的光電(Electro Optic)晶體(下面稱為“EO晶體”)照射激光并通過檢測該激光測量施加的電場的電場強度。
背景技術(shù)：
利用EO效應(yīng)的電場傳感器使光束入射到施加了交流電場的EO晶體上，使得偏振分光器(Polarizing Beam Splitter，下面稱為“PBS”)將從EO晶體發(fā)射的光分離成S偏振光與P偏振光，并使得兩個光檢測器(Photo Detector，下面稱為PD)獨立地檢測各個偏振光。差動放大器檢測各偏振光的強度之差。
該光束入射到PBS之前，期望該光束是圓偏振光。以下列舉圓偏振光時的主要優(yōu)點。
(1)光束的強度調(diào)制度最大，有助于高靈敏度檢測差動信號?；诓顒有盘柕臋z測，可將PD的輸出信號的振幅放大到2倍。
(2)基于差動信號的檢測，可降低光束的強度噪聲，這有助于差動信號的高靈敏度檢測。
(3)基于差動信號的檢測，可以補償該信號的直流分量，這有助于減小信號處理電路的負載。
圖1是常規(guī)電場傳感器的動作說明圖。
從光源1發(fā)射的光束3透過1/4波長板(Quarter Wave Plate，下面稱為QWP)5與EO晶體7之后，入射到PBS9。QWP 5調(diào)節(jié)光束3的偏振狀態(tài)，以在該光束入射到PBS9之前該偏振光變?yōu)閳A偏振光。對應(yīng)于交流的被測定信號15的交流電場經(jīng)信號電極11和接地電極13加到EO晶體7。根據(jù)該電場，光束3在EO晶體7內(nèi)以偏振方式進行調(diào)制。該調(diào)制光被PBS9分離成S和P偏振光分量。此時，每個偏振光分量變換成強度調(diào)制光。強度調(diào)制的S和P偏振光分量彼此反相變化并且PD17和19接收該輸出光。差動放大器21檢測差動信號，從而可得到更高靈敏度的輸出信號22。
圖2(a)至2(f)是表示入射到PBS9的光束的偏振狀態(tài)和與其對應(yīng)的電信號之間的關(guān)系圖。
如在圖2(a)中所示的，當(dāng)入射到PBS9的光束的偏振狀態(tài)保持為圓偏振光時，由PBS9分離該光束得到的S和P偏振光分量的強度是相等的。
如圖2(b)所示，當(dāng)入射到PBS9的光束的偏振狀態(tài)保持為圓偏振光時，使用0.5Vmax(Vmax為對應(yīng)于全光量的PD的輸出電壓)為基準(zhǔn)值，PD17和19輸出的電信號變?yōu)閷?yīng)于被測定信號(此時為正弦波)的信號。這些信號彼此反相變化。每個信號的最大振幅設(shè)為A。
如圖2(c)所示，當(dāng)入射到PBS9的光束的偏振狀態(tài)保持為圓偏振光時，則差動放大器21的輸出信號的最大振幅變?yōu)?A，并且抵消直流分量。在這種情況下，大地降低包含在PD17和19的輸出信號中的光強度噪聲。
上述技術(shù)例如在日本專利申請公開2003-98205號公報和2001-324525中公開了。
但是，如圖2(d)所示，當(dāng)入射到PBS9的光束未保持圓偏振光而是橢圓偏振光，則在由PBS9分離該光束得到的S和P偏振光分量的強度中產(chǎn)生失衡。這主要是由于溫度變化引起的。
如圖2(e)所示，當(dāng)入射到PBS9的光束是橢圓偏振光，則在PD17和19的輸出電信號的直流分量中產(chǎn)生失衡(Vs≠Vp，并且，Vs+Vp＝Vmax)。與圖2(b)的狀態(tài)相比，信號振幅rA變小(rA，0≤r＜1)。
如圖2(f)所示，當(dāng)入射到PBS9的光束是橢圓偏振光時，則差動放大器21的輸出電信號中保留直流分量(Vp-Vs)。振幅變?yōu)?rA，比圖2(c)所示的振幅小。在這種情況下，不能充分地降低包含于PD17和19的輸出信號中包含的光強度噪聲。
當(dāng)存在溫度變化時，在光束入射到PBS9之前難以始終保持偏振狀態(tài)為圓偏振光。
如上所述，因為電場傳感器中該光束變化成橢圓偏振光，所以產(chǎn)生以下缺點。
(1)因為光束的強度調(diào)制度下降，所以作為傳感器的靈敏度下降。
(2)在S和P偏振光分量的平均強度中產(chǎn)生失衡。不能通過檢測差動信號來充分地降低激光強度噪聲。因此，作為該傳感器的靈敏度下降。
(3)不能通過檢測差動信號充分地降低信號的直流分量。
下面說明上述電場傳感器中的不希望的反射光。
圖3是表示與圖1類似的電場傳感器構(gòu)成的圖，尤其是著眼于基于偏振狀態(tài)的反射光的圖。圖3中，省略了電極11、13。
在電場傳感器101中，從激光光源1發(fā)出P偏振光108，該P偏振光108由QWP5變換成圓偏振光109。
EO晶體7以偏振方式調(diào)制該圓偏振光109，PBS 9分離偏振調(diào)制的光成為P偏振光(分量)110與S偏振光(分量)111。PD19接收P偏振光110，并變換成電信號。另一方面，PD17接收S偏振光111，并變換成電言號。圖1所示的差動放大器22等差動放大這些電信號。根據(jù)差動放大的結(jié)果測量電場。
在以下的說明中，將上述EO晶體7、PBS9、PD17和19統(tǒng)稱為反射部件107。為了方便起見，后面描述該反射部件107的細節(jié)。
圖4是說明上述電場傳感器101中應(yīng)解決的課題用的圖。
如上所述，在電場傳感器101中圓偏振光入射到EO晶體7。構(gòu)成該反射部件、包含EO晶體7的各設(shè)備反射入射的光。該反射光變?yōu)榉瓷浞祷毓?12，該反射返回光由QWP5變換成S偏振光113。當(dāng)該反射返回光(S偏振光)113反向入射到激光光源1時，這可能影響電場傳感器101的測量精度。
反射光可在PD的光接收表面上容易地產(chǎn)生，而不是在提到的EO晶體端面產(chǎn)生。當(dāng)在該PD的光接收表面上的反射光也反向入射到激光光源1，這也可能影響電場傳感器101的測量精度。
上述電場傳感器也加在如圖5所示的通過人體傳送的電信號的電極和圖6所示的被測量器件(Device Under Test，下面稱為DUT)中的電信號的電極(參照日本專利申請公開2000-171488號)。
如圖5所示，接收電極RP接觸人體100的被測量點。當(dāng)從信號源Sin經(jīng)發(fā)送用電極SP和人體100向接收電極RP輸入電信號時，利用導(dǎo)線連接接收電極RP的電場傳感器內(nèi)的信號電極11具有與被測量點相同的電位。
如圖6所示，金屬針MN接觸DUT201的被測量點。當(dāng)從信號源Sin經(jīng)DUT201向金屬針MN輸入電信號時，利用導(dǎo)線LD連接金屬針MN的電場傳感器內(nèi)的信號電極11具有與被測量點相同的電位。
之后的動作與在圖5和圖6的情況下相同，首先，在信號電極11與地之間產(chǎn)生電場。此時的電力線的一部分通過EO晶體7，所以在EO晶體7內(nèi)產(chǎn)生電場，如圖5和圖6所示。
當(dāng)在EO晶體7內(nèi)產(chǎn)生電場時，根據(jù)該電場，在EO晶體7中產(chǎn)生雙折射率的變化。當(dāng)從光源1直接地或經(jīng)過QWP5向雙折射率變化的EO晶體7入射圓偏振光時，從EO晶體7輸出橢圓偏振光。橢圓偏振光從兩個反射鏡14a、14b反射，并且該反射光入射到PBS9。該PBS9分離該光成為兩個線性偏振光(S和P偏振光)。兩個PD17、19檢測該S和P偏振光。與該偏振光各自的強度成正比的電信號輸入到差動放大器21。從該差動放大器21輸出的電信號與EO晶體7內(nèi)的電場幅度成正比。因此，通過測量差動放大器21的輸出電信號可檢測EO晶體7內(nèi)的電場幅度。EO晶體7內(nèi)的電場幅度與人體100或DUT201的被測量點的電位成正比。因此，通過檢測該差動放大器21的輸出電信號可檢測被測量點的電位。
但是，如圖5和圖6所示的，根據(jù)常規(guī)的電場傳感器，從信號電極11產(chǎn)生的電力線僅少部分通過EO晶體7。因此，EO晶體7內(nèi)的電場幅度小。因此，不能充分地調(diào)制來自光源1的光束的偏振狀態(tài)。結(jié)果，不能得到電場傳感器的高靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明鑒于上述問題已經(jīng)實現(xiàn)了。本發(fā)明的目的在于提供一種可補償由于自然雙折射率引起的光電晶體的靈敏度降低的電場傳感器和調(diào)節(jié)該電場傳感器的方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種可防止反射返回光入射到激光光源的電場傳感器。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種通過提高光電晶體內(nèi)的電場幅度可得到高靈敏度的電場傳感器。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)的發(fā)明的第一方案，提供一種電場傳感器，包括光源；光電晶體，基于被測量信號在該光電晶體射上施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率使從所述光源入射的光的偏振狀態(tài)變化并且發(fā)射該光；檢測器，根據(jù)從所述光電晶體發(fā)射的光的所述偏振狀態(tài)變化檢測電信號；第一電極，接近所述光電晶體設(shè)置并基于所述被測量信號向所述光電晶體施加電場；第二電極，接近所述光電晶體設(shè)置，從而與所述第一電極構(gòu)成對；和輔助電極，電連接到所述第二電極上并與地形成電容。
根據(jù)本發(fā)明的第二方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第一方案的電場傳感器，其中所述輔助電極的表面積比所述第一電極和所述第二電極的表面積大。
根據(jù)本發(fā)明的第三方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第二方案的電場傳感器，其中所述輔助電極的形狀為棒狀、板狀和球狀之一。
根據(jù)本發(fā)明的第四方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第一方案的電場傳感器，其中所述輔助電極與所述第二電極的距離比所述第一電極與所述第二電極之間的距離長。
根據(jù)本發(fā)明的第五方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第一方案的電場傳感器，該電場傳感器還包括距離變更裝置，通過移動所述輔助電極改變所述輔助電極與所述第二電極之間的距離。
根據(jù)本發(fā)明的第六方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第五方案的電場傳感器，該電場傳感器還包括控制裝置，當(dāng)所述距離變更裝置使所述輔助電極離開所述第二電極一個預(yù)定距離或以上時，控制所述檢測器動作。
根據(jù)本發(fā)明的第七方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第一方案的電場傳感器，其中所述輔助電極是與構(gòu)成所述檢測器的電路和驅(qū)動所述光源的電路絕緣的。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第八方案，提供一種電場傳感器，包括分別將P偏振光和S偏振光變換成圓偏振光的1/4波長板；光電晶體，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率變化來自所述1/4波長板的所述圓偏振光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光；檢測器，根據(jù)從所述光電晶體發(fā)射的光的所述偏振狀態(tài)變化檢測電信號；和反射光分離裝置，位于所述1/4波長板的前段，將入射的P偏振光或S偏振光引導(dǎo)到所述1/4波長板，并通過所述1/4波長板將從所述光電晶體返回的圓偏振光變換得到的S偏振光或P偏振光引導(dǎo)到與所述入射的P偏振光或S偏振光的入射方向不同的方向上。
根據(jù)本發(fā)明的第九方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第八方案的電場傳感器，其中所述反射光分離裝置是偏振光板、偏振分光器、格蘭-湯姆森棱鏡或渥拉斯頓棱鏡的任一個。
根據(jù)本發(fā)明的第十方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第九方案的電場傳感器，其中所述反射光分離裝置是透過P偏振光并反射S偏振光的偏振分光器。
根據(jù)本發(fā)明的第十一方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第八方案的電場傳感器，還包括光源，位于所述反射光分離裝置的前段并發(fā)射P偏振光和S偏振光之一。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第十二方案，提供一種電場傳感器，包括光電晶體，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化并根據(jù)該雙折射率變化入射的光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光；偏振分光器，透過從所述光電晶體發(fā)射的、具有變化的偏振狀態(tài)的光的P偏振光分量與S偏振光分量之一并反射另一個偏振光分量，由此將具有變化的偏振狀態(tài)的光分離成P偏振光分量與S偏振光分量；將所述P偏振光分量變換成圓偏振光的第一1/4波長板；將所述S偏振光分量變換成圓偏振光的第二1/4波長板；第一光檢測器，將由所述第一1/4波長板變換成圓偏振光的所述P偏振光分量變換成電信號；和第二光檢測器，將由所述第二1/4波長板變換成圓偏振光的所述S偏振光分量變換成電信號。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第十三方案，提供一種電場傳感器，包括光源；光電晶體，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率變化從所述光源入射的光的偏振狀態(tài)變化和發(fā)射該光；基于所述被測量信號向所述光電晶體施加電場的一對電極；檢測器，將從該光電晶體發(fā)射的光分離成P偏振光分量與S偏振光分量，并得到相應(yīng)于各偏振光分量的強度之差的交流信號；和補償裝置，用于抵消由所述光電晶體具有的自然雙折射性引起的、在未施加所述電場時從所述光源入射的光的偏振狀態(tài)的變化。
根據(jù)本發(fā)明的第十四方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第十三方案的電場傳感器，其中入射到所述光電晶體的光是任選的偏振光，所述補償裝置包含1/4波長板，其電氣主軸與從所述光電晶體發(fā)射的橢圓偏振光的主軸一致，并且將該橢圓偏振光變換成線性偏振光；和半波長板，用于調(diào)節(jié)從所述1/4波長板發(fā)射的線性偏振光的偏振波面的角度，這是基于以下事實當(dāng)未施加所述電場、來自所述1/4波長板的線性偏振光的偏振波面與所述光電晶體的電氣主軸之間形成的角度是45°-φo時，半波長板的電氣主軸與所述光電晶體的電氣主軸之間成的角度是n·45°-φo/2(其中n為整數(shù))。
根據(jù)本發(fā)明的第十五方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第十三方案的電場傳感器，其中入射到所述光電晶體的光是其偏振波面與所述光電晶體的電氣主軸形成角度45°的線性偏振光，所述補償裝置包含1/4波長板，其電氣主軸與所述光電晶體的電氣主軸形成角度45°，并將從所述光電晶體發(fā)射的橢圓偏振光變換成線性偏振光；和半波長板，用于調(diào)節(jié)從所述1/4波長板發(fā)射的線性偏振光的偏振波面的角度，這是基于以下事實當(dāng)未施加所述電場、從所述光電晶體發(fā)射的橢圓偏振光中包含的相位差為φo時，半波長板的電氣主軸與所述光電晶體的電氣主軸形成角度為n·45°-φo/2其中n為整數(shù))。
根據(jù)本發(fā)明的第十六方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第十三方案的電場傳感器，其中入射到所述光電晶體的光是圓偏振光，所述補償裝置包含1/4波長板，其電氣主軸與所述光電晶體的電氣主軸形成角度45°，并將從所述光電晶體發(fā)射的橢圓偏振光變換成線性偏振光；和半波長板，用于調(diào)節(jié)從所述1/4波長板發(fā)射的線性偏振光的偏振波面的角度，這是基于以下事實當(dāng)未施加所述電場、從所述光電晶體發(fā)射的橢圓偏振光中包含的相位差為φo時，電氣主軸與所述光電晶體的電氣主軸形成角度n·45°-φo/2(其中n為整數(shù))。
根據(jù)本發(fā)明的第十七方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第十四至十六方案的任一個方案的電場傳感器，其中根據(jù)φo＝2π/λ)(no-ne)L確定φo。
其中，no是所述光電晶體對正常光的折射率，ne是所述光電晶體對異常光的折射率，λ是光在真空中的波長，L是所述光電晶體在光方向上的長度。
根據(jù)本發(fā)明的第十八方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第十三方案的電場傳感器，其中所述補償裝置包含一對控制電極，基于控制信號向所述光電晶體施加電場；和控制信號生成裝置，根據(jù)由所述檢測器得到的所述交流信號生成所述控制信號，所述控制信號抵消在基于被測量信號未施加電場時從所述光源入射的光的偏振狀態(tài)的變化。
根據(jù)本發(fā)明的第十九方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第十三方案的電場傳感器，其中所述補償裝置包含加法器，將控制信號加到所述被測量信號上；和控制信號生成裝置，根據(jù)由所述檢測器得到的所述交流信號生成所述控制信號，所述控制信號抵消在基于所述被測量信號未施加電場時從所述光源入射的光的偏振狀態(tài)的變化。
根據(jù)本發(fā)明的第二十方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第十八或十九方案的電場傳感器，其中所述控制信號生成裝置包含第一緩沖放大器和第二緩沖放大器，分別輸入基于所述P偏振光分量的電信號和基于所述S偏振光分量的電信號；第一低通濾波器和第二低通濾波器，分別輸入所述第一緩沖放大器和第二緩沖放大器的輸出；和積分器，分別輸入所述第一低通濾波器和第二低通濾波器的輸出并且積分這些輸出之間的差。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，根據(jù)本發(fā)明的第二十一方案，提供一種調(diào)節(jié)電場傳感器的方法，該電場傳感器包括光源；光電晶體，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率變化入射的任意偏振光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光；基于所述被測量信號向所述光電晶體施加電場的一對電極；和檢測器，將從該光電晶體發(fā)射的光分離成P偏振光分量與S偏振光分量，并得到相應(yīng)于各偏振光分量的強度之間的差的交流信號，該方法包括提供將從所述光電晶體發(fā)射的橢圓偏振光變換成線性偏振光的1/4波長板，使其電氣主軸與所述橢圓偏振光的電氣主軸一致，和提供調(diào)節(jié)從所述1/4波長板發(fā)射的線性偏振光的偏振波面角度的半波長板，當(dāng)未施加所述電場來自所述1/4波長板的線性偏振光的偏振波面與所述光電晶體的電氣主軸之間形成的角度是45°-φo時，半波長板的電氣主軸與所述光電晶體的電氣主軸之間形成的角度變成n·45°-φo/2(其中n為整數(shù))。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第二十二方案，提供一種調(diào)節(jié)電場傳感器的方法，該電場傳感器包括光源；光電晶體，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并變化線性偏振光的偏振狀態(tài)，該線性偏振光的偏振波面根據(jù)該雙折射率與所述光電晶體的電氣主軸形成角度45°和發(fā)射該光；基于所述被測量信號向所述光電晶體施加電場的一對電極；和檢測器，將從該光電晶體發(fā)射的光分離成P偏振光分量與S偏振光分量，并得到相應(yīng)于各偏振光分量的強度之間的差的交流信號，該方法包括提供將從所述光電晶體發(fā)射的橢圓偏振光變換成線性偏振光的1/4波長板，使其電氣主軸與所述光電晶體的電氣主軸形成45°角；和提供調(diào)節(jié)從所述1/4波長板發(fā)射的線性偏振光的偏振波面角度的半波長板，當(dāng)未施加所述電場從所述光電晶體發(fā)射的橢圓偏振光中包含的相位差為φo時，半波長板的電氣主軸與所述光電晶體的電氣主軸之間形成的角度變?yōu)閚·45°-φo/2(其中n為整數(shù))。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)發(fā)明的第二十三方案，提供一種調(diào)節(jié)電場傳感器的方法，該電場傳感器包括光源；光電晶體，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率變化入射的圓偏振光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光；基于所述被測量信號向所述光電晶體施加電場的一對電極；和檢測器，將從該光電晶體發(fā)射的光分離成P偏振光分量與S偏振光分量，并得到相應(yīng)于各偏振光分量的強度之間的差的交流信號，該方法包括提供將從所述光電晶體發(fā)射的橢圓偏振光變換成線性偏振光的1/4波長板，使1/4波長板的電氣主軸與所述光電晶體的電氣主軸形成45°角；和提供調(diào)節(jié)從所述1/4波長板發(fā)射的線性偏振光的偏振波面角度的半波長板，因此，當(dāng)未施加所述電場從所述光電晶體發(fā)射的橢圓偏振光中包含的相位差為φo時，半波長板的電氣主軸與所述光電晶體的電氣主軸之間形成的角度變成n·45°-φo/2(其中n為整數(shù))。
根據(jù)發(fā)明的第二十四方案提供根據(jù)本發(fā)明的第二十一至二十三方案的任一個方案的一種調(diào)節(jié)電場傳感器的方法，其中基于φo＝(2π/λ)(no-ne)L確定φo。
其中，no是所述光電晶體對正常光的折射率，ne是所述光電晶體對異常光的折射率，λ是光在真空中的波長，L是所述光電晶體在光方向上的長度。
根據(jù)發(fā)明的第二十五方案，提供根據(jù)本發(fā)明的第二十一至二十三方案的任一個方案的一種調(diào)節(jié)電場傳感器的方法，其中φo是通過測量確定的。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)發(fā)明的第二十六方案，提供一種調(diào)節(jié)電場傳感器的方法，該電場傳感器包括光源；光電晶體，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率變化從所述光源入射的光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光；基于所述被測量信號向所述光電晶體施加電場的一對電極；檢測器，將從該光電晶體發(fā)射的光分離成P偏振光分量與S偏振光分量，并得到相應(yīng)于各偏振光分量的強度之間的差的交流信號；向所述光電晶體施加基于控制信號的電場的一對控制電極；和生成所述控制信號的控制信號生成裝置，該方法包括顯示由所述檢測器得到的所述交流信號，和基于顯示的交流信號調(diào)節(jié)所述控制信號生成裝置，以生成抵消未施加基于所述被測量信號的電場時從所述光源入射的光的偏振狀態(tài)的變化的所述控制信號。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)發(fā)明的第二十七方案，提供一種調(diào)節(jié)電場傳感器的方法，該電場傳感器包括光源；光電晶體，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率變化從所述光源入射的光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光；基于所述被測量信號向所述光電晶體施加電場的一對電極；檢測器，將從該光電晶體發(fā)射的光分離成P偏振光分量與S偏振光分量，并得到相應(yīng)于各偏振光分量的強度之間的差的交流信號；將控制信號加到所述被測量信號上的加法器；和生成所述控制信號的控制信號生成裝置，該方法包括顯示由所述檢測器得到的所述交流信號；和根據(jù)顯示的所述交流信號調(diào)節(jié)所述控制信號生成裝置，以生成所述控制信號，所述控制信號抵消在未施加基于所述被測量信號的電場時從所述光源入射的光的偏振狀態(tài)的變化。


圖1是表示常規(guī)的電場傳感器的結(jié)構(gòu)方框圖。
圖2(a)至2(f)是表示入射到PBS的光束的偏振狀態(tài)與對應(yīng)于該偏振狀態(tài)的電信號之間的關(guān)系圖。
圖3是表示常規(guī)電場傳感器的結(jié)構(gòu)方框圖。
圖4是說明圖3所示的的電場傳感器的問題的圖。
圖5是表示使用常規(guī)電場傳感器的結(jié)構(gòu)檢測人體的電信號的示例的圖。
圖6是表示將常規(guī)電場傳感器用于DUT電壓測量中的構(gòu)成例子的圖。
圖7是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖8(a)至8(e)是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電場傳感器的偏振狀態(tài)的圖。
圖9是表示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖10(a)至10(e)是表示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電場傳感器的偏振狀態(tài)的圖。
圖11(a)至11(f)是根據(jù)第一或第二實施例在電場傳感器的EO晶體具有自然雙折射率時的電場傳感器的波形圖。
圖12是表示根據(jù)本發(fā)明第三實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖13(a)至13(e)是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的電極布局圖。
圖14是表示根據(jù)本發(fā)明第四實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖15是加法器的電路圖。
圖16(a)至16(b)是表示根據(jù)本發(fā)明第五實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖17(a)至17(c)是根據(jù)第五實施例的電極布局圖。
圖18是表示根據(jù)本發(fā)明第六實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖19(a)至19(b)分別是積分器(開關(guān)電容積分器)的電路圖與驅(qū)動信號的波形圖。
圖20是表示根據(jù)本發(fā)明第七實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖21(a)至21(b)是表示根據(jù)本發(fā)明第八實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖22是表示根據(jù)本發(fā)明第九實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖23是說明圖22所示的電場傳感器的基本原理的圖。
圖24是表示根據(jù)本發(fā)明第十實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖25是說明圖24所示的電場傳感器的基本原理的圖。
圖26是表示根據(jù)本發(fā)明第十一實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖27是說明圖26所示的電場傳感器的基本原理的圖。
圖28是表示根據(jù)本發(fā)明第十二實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖29是說明圖28所示的電場傳感器的基本原理的圖。
圖30是表示根據(jù)本發(fā)明第十三實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖31是說明圖30所示的電場傳感器的基本原理的圖。
圖32是表示根據(jù)本發(fā)明第十四實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
圖33是表示根據(jù)本發(fā)明的電場傳感器構(gòu)成例子的圖，該電場傳感器用于檢測人體的電信號。
圖34是表示根據(jù)本發(fā)明的電場傳感器構(gòu)成例子的圖，該電場傳感器用于測量DUT的電壓。
圖35是表示將輔助電極設(shè)置在信號電極和相對電極附近的狀態(tài)的圖。
圖36是表示輔助電極遠離信號電極和相對電極放置的狀態(tài)的圖。
具體實施例方式
下面參照附圖詳細說明根據(jù)本發(fā)明的示例實施例。
在本發(fā)明的第一至第八實施例中說明可補償光由于自然雙折射率引起電晶體的靈敏度降低的電場傳感器和調(diào)節(jié)該電場傳感器的方法。光的前進方向定義為z軸，垂直向上方向定義為y軸，而水平方向定義為x軸。
圖7是表示本發(fā)明第一實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
根據(jù)第一實施例的電場傳感器包括由于電場耦合引起雙折射率變化的光電(Electro Optic)晶體(下面稱為“EO晶體”)7；提供用于夾持該EO晶體7來耦合電場與該EO晶體7的一對電極11和13；使光入射到EO晶體7的光源1；將從EO晶體7發(fā)射的橢圓偏振光變?yōu)榫€性偏振光的1/4波長板(下面稱為QWP)6；調(diào)節(jié)該線性偏振光的相位的半波長板(下面稱為HWP)8；將從該HWP8發(fā)射的線性偏振光分離成P偏振光分量與S偏振光分量的偏振分光器(下面稱為PBS)9；將各偏振光分量變換成電信號的兩個光檢測器(下面稱為PD)17和19；和放大由各光檢測器得到的各電信號之差的差動放大器21。
在根據(jù)第一實施例的電場傳感器中，從光源1發(fā)射的線性偏振光入射到EO晶體7。此時，設(shè)定在A點的線性偏振光的偏振波面與EO晶體7的電氣主軸成45°角。
EO晶體7具有自然雙折射性。在電場未加在EO晶體7時，在B點的光變?yōu)闄E圓偏振光。設(shè)定QWP6的電氣主軸與EO晶體7的電氣主軸成45°角。在B點的橢圓偏振光通過具有上述設(shè)定的QWP6時，該橢圓偏振光被變換成線性偏振光。
因此，在C點的光變?yōu)榫€性偏振光。但是通常由該線性偏振光的偏振波面與EO晶體7的電氣主軸形成的角度與在A點的相應(yīng)角度不同。以適當(dāng)角度放置的HWP8變換C點的線性偏振光為包括以1∶1的比例相對PBS9的P偏振光分量與S偏振光分量的線性偏振光。該P偏振光是通過PBS9的線性偏振光，而該S偏振光是從PBS9反射的線性偏振光。雖然PBS9可以任選地放置，但通常配置PBS9使P和S偏振光在水平面(x-z表面)內(nèi)分離。所以本實施例中采用這種通常的布局，而且隨后的說明是基于這個假設(shè)。
P偏振光的偏振波面與x-z水平面一致，而S偏振光的偏振波面與y-z水平面一致。因此，在D點的線性偏振光的偏振波面與x-z水平面形成45°角。
因為在D點的線性偏振光中包含1∶1比率的P分量和S分量，所以PD19和PD17檢測相等的光量。由于PD19和PD17分別輸出與接收的光強度成正比電平的電信號，所以差動放大器21輸出的電信號的電平為0。在電場加在EO晶體7時，在D點的線性偏振光的偏振波面與x-z水平面之間形成的角度與45°相差δ。δ與EO晶體7中的電場幅度A成正比。因此，當(dāng)施加電場時，由PD17和由PD19檢測的光量之間產(chǎn)生失衡，差動放大器21輸出與電場A成正比的電平的電信號。因此，通過檢測差動放大器21輸出的電信號可檢測施加于EO晶體7的電場。EO晶體7中的電場與固定在EO晶體7的電極之間的電位差成正比。所以檢測差動放大器21輸出的電信號與檢測電極之間的電位差是等效的。
圖8(a)至8(e)是表示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電場傳感器的偏振狀態(tài)的圖。在這些圖中，光向z軸的正方向(從紙面的背面向前方向)前進。使作為EO晶體7的電氣主軸之一的慢(slow)軸和快(fast)軸分別與x軸(水平方向)和y軸(垂直方向)一致。
圖8(a)表示在A點的光的偏振狀態(tài)。線性偏振光的偏振波面與x軸(EO晶體7的慢軸)形成45°角。
圖8(b)表示在B點的光的偏振狀態(tài)。由于EO晶體7的雙折射性該光變?yōu)闄E圓偏振光。這個橢圓的主軸與x軸成45°角。
圖8(c)表示在C點的光的偏振狀態(tài)與QWP6的電氣主軸之間的關(guān)系。S軸和f軸分別表示QWP6的慢軸和快軸。s軸與x軸形成45°角。在點B的橢圓偏振光被變換成線性偏振光。當(dāng)將由于EO晶體7的自然雙折射率在光的獨立偏振光分量之間產(chǎn)生的相位差(從EO晶體7發(fā)射的橢圓偏振光中包含的相位差)表示為ΦO，則該線性偏振光的偏振波面與x軸之間形成的角度的45°-ΦO。
圖8(d)表示在D點的光的偏振狀態(tài)與HWP8的電氣主軸之間的關(guān)系。s軸和f軸分別表示HWP8的慢軸和快軸。虛線表示C點的光的偏振狀態(tài)。當(dāng)HWP8的慢軸(s軸)與x軸之間形成的角度設(shè)定如下時，線性偏振光的偏振波面與x軸之間形成的角度可校正為45°。顯然，在D點的線性偏振光的偏振波面與y軸(EO晶體7的快軸)之間形成的角度也可校正為45°45°-ΦO/2從下式或通過測量可確定ΦO的值ΦO＝(2π/λ)(no-ne)L這里，λ表示入射到晶體的光的波長(在真空中)，L表示z方向的晶體的長度，no和ne分別表示EO晶體7對于正常光與異常光的折射率。
通過如此校正，D點處的S和P偏振光分量的強度變?yōu)橄嗟龋顒臃糯笃?1輸出的電信號的電平變?yōu)?。
圖8(e)表示向EO晶體7施加被測量電場A(t)時在D點光的偏振狀態(tài)的變化。作為實例說明施加具有A(t)＝Aosinωt變化的交流電場的情況。此時，EO晶體7內(nèi)在光的獨立偏振光分量之間產(chǎn)生的相位差Φ(t)表示為Φ(t)＝Φo+δosinωt。因此，在D點，線性偏振光的偏振波面與x軸之間形成的角度θ(t)在45°±δo之間以角頻率ω振動。這個關(guān)系表示為θ(t)＝45°+δosinωt。
圖9是表示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電場傳感器與根據(jù)第一實施例的電場傳感器的差別在于在光源1與EO晶體7之間插入QWP5。
該QWP5將光源1發(fā)射的線性偏振光變換成圓偏振光。因此，圓偏振光入射到EO晶體7。類似于第一實施例，當(dāng)線性偏振光入射到EO晶體7時，為了在EO晶體7內(nèi)以偏振方式有效地進行調(diào)制，需要設(shè)定線性偏振光的偏振波面與EO晶體7的電氣主軸形成45°角。另一方面，在使用圓偏振光時，不必設(shè)定偏振波面與電氣主軸之間的角度。所以可簡化制造根據(jù)本發(fā)明的電場傳感器的工序。
圖10(a)至10(e)是表示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電場傳感器的偏振狀態(tài)的圖。圖10(a)至10(e)按順序與圖8(a)至8(e)對應(yīng)。
圖10(a)至10(e)表示向晶體入射順時針圓偏振光的狀態(tài)。根據(jù)第二實施例的電場傳感器的偏振狀態(tài)以ΦO+90°替換圖8(a)至8(e)中的ΦO來表示。
換句話說，當(dāng)設(shè)定HWP8的慢軸(s軸)與x軸之間形成的角度如下時，可將線性偏振光的偏振波面與x軸之間形成的角度校正為45°-ΦO/2雖未表示，但在反時針圓偏振光入射到該晶體時，電場傳感器的偏振狀態(tài)以ΦO-90°代替ΦO來表示。
從此前說明的HWP8的角度調(diào)節(jié)觀點，則即在來自QWP6的線性偏振光的偏振波面和y軸(EO晶體7的快軸)之間形成的角度為45°-ΦO，在D點的線性偏振光的偏振波面與EO晶體7的電氣主軸之間形成的角度可校正為45°。另外，即便在將HWP8的s軸(或f軸)和x軸(或y軸)之間形成的角度是n·45°-φo/2(其中n為整數(shù))，在D點的線性偏振光的偏振波面與EO晶體7的電氣主軸之間形成的角度可校正為45°。
圖11(a)至圖11(f)是根據(jù)第一和第二實施例的電場傳感器的波形圖。
圖11(a)表示被測量電場的波形A(t)＝Aosinωt，圖11(b)表示相位差δ(t)δ＝osinωt和由該電場引起的雙折射率的變化，該相位差是在基于測試電場的光的獨立偏振光分量之間產(chǎn)生的。當(dāng)然，A(t)與δ(t)的波形相同。圖11(c)表示圖7或圖9中在D點的線性偏振光的偏振波面和x軸之間形成的角度θ(t)＝45°+δosinωt。該偏振波面圍繞θ(t)＝45°按正弦波形振動。圖11(d)和圖11(e)分別表示PD19和17輸出的電信號的波形(V1(t)和V2(t))。當(dāng)考慮PD 19、PD 17輸出的電信號的電平與入射到該PD的光強度成正比以及P偏振光和S偏振光分別入射到PD19和PD17，建立以下關(guān)系。但是，在該表示式的最后變形中，使用條件δo＜＜90°。被測量電場引起的相位變化一般極小，所以該條件是充分實用的。
V1(t)∝cos2θ(t)＝0.5{1-sin2(δosinωt)}0.5-δosinωtV2(t)∝cos2θ(t)＝0.5{1+sin2(δosinωt)}0.5+δosinωt因此，V1(t)和V2(t)分別具有相同的直流分量，如圖11(d)和圖11(e)所示，彼此反相變化。圖11(f)表示差動放大器21輸出的電信號Vdiff(t)＝V2(t)-V1(t)∝2δosinωt的波形。通過進行差動運算，可去除直流分量和將振幅加倍。Vdiff(t)的波形是與被測量電場A(t)的波形相同，所以可通過檢測Vdiff(t)可提取關(guān)于A(t)的信息。
圖12是根據(jù)第三實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
與第一和第二實施例一樣，配置根據(jù)第三實施例的電場傳感器，使光束入射到施加交流電場的EO晶體上，PBS將從EO晶體發(fā)射的光分離成S偏振光與P偏振光，并且差動放大器檢測各偏振光的強度之差。
特別是在圖12中，在從光源1發(fā)射的光束3透過QWP5和EO晶體7并且入射到PBS9。QWP5調(diào)節(jié)入射到PBS9之前的光束的偏振狀態(tài)，使得該光束在規(guī)定的周圍溫度下變?yōu)閳A偏振光。經(jīng)信號電極11和接地電極13向EO晶體7施加對應(yīng)于被測量信號15(例如數(shù)kHz至數(shù)百MHz的交流)的電場。根據(jù)該電場在EO晶體7中以偏振方式調(diào)制光束3。PBS9分離該調(diào)制光為S偏振光分量和P偏振光分量。此時，將各偏振光分量變換成強度調(diào)制光。該強度調(diào)制的S偏振光分量和P偏振光分量彼此反相變化。PD17和19分別接收S和P偏振光分量，半由差動放大器21差動運算兩個PD的輸出，由此得到輸出信號22。
下面說明具有這種結(jié)構(gòu)的電場傳感器放置在與所規(guī)定的周圍溫度不同的周圍溫度的環(huán)境下時或當(dāng)QWP5本身不能調(diào)節(jié)該偏振和需要進一步調(diào)節(jié)時的調(diào)節(jié)偏振的方法。具體而言，該調(diào)節(jié)方法通過電場傳感器的實驗或使用電場傳感器的產(chǎn)品在出廠階段的特性匹配來實施。
根據(jù)第三實施例的電場傳感器的EO晶體7提供用于調(diào)節(jié)的信號的控制電極23與控制接地電極25。
圖13(a)至13(e)是根據(jù)第三實施例的電極布局圖。
如圖13(a)和圖13(b)所示的，當(dāng)設(shè)置信號電極11與接地電極13夾持EO晶體7時和設(shè)置控制電極23與控制接地電極25夾持EO晶體7時，最好向EO晶體7施加均勻電場。如圖13(c)所示的，當(dāng)在EO晶體7的一側(cè)設(shè)置各電極時，在EO晶體7薄的情況下，可容易地安裝電極。如圖13(d)所示的，可分開接地電極。如圖13(e)所示的，當(dāng)接地電極13與控制接地電極25是公用時，該電場傳感器可具有簡單的結(jié)構(gòu)。
返回圖12來進行說明。
為了調(diào)節(jié)該電場傳感器，使用顯示器27和可變直流電源31。如圖2(f)所示的，例如顯示器27顯示輸出信號22。可變直流電源31向控制電極23提供控制信號(直流電壓)31。
例如，操作者調(diào)節(jié)(變化)可變直流電源31的電壓(控制信號29的電壓)，以消除顯示于顯示器27中的輸出信號22的直流分量。當(dāng)將控制信號29提供給控制電極23時，不僅給EO晶體7施加被測量信號15的電場，還施加控制信號29的電場?；诳刂菩盘?9的電場，光束的偏振狀態(tài)可校正為圓偏振光。另外，可充分降低光強度噪聲。
圖14是表示根據(jù)第四實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
下面主要說明根據(jù)本實施例的調(diào)節(jié)方法與根據(jù)第三實施例的調(diào)節(jié)方法之間的差別。省略相同事項的說明。
根據(jù)第四實施例的電場傳感器在EO晶體7中沒有控制電極23與控制接地電極25。僅設(shè)置信號電極11和接地電極13來作為電極。根據(jù)第四實施例的電場傳感器在被測量信號15的信號路徑中具有加法器33。相加后的被測量信號15A提供給信號電極11。
圖15是加法器33的電路圖。
加法器33通過串聯(lián)連接電容331和線圈332構(gòu)成。被測量信號15提供給未連接到線圈332的電容331的端子?？刂菩盘?9提供給未連接到電容331的線圈332的端子。在電容331與線圈332的連接點的信號作為被測量信號15A提供給EO晶體7。電容331通過作為高頻信號的被測量信號15，但中斷作為低頻信號的控制信號29。另一方面，線圈332通過作為低頻信號的控制信號29，但中斷作為高頻信號的被測量信號15。因此，控制信號29可加在被測量信號15。加法器33可使用數(shù)字電路構(gòu)成。
顯示器27和可變直流電源31也可用于調(diào)節(jié)該電場傳感器。
例如，操作者調(diào)節(jié)(變化)可變直流電源31的電壓(控制信號29的電壓)，以消除顯示于顯示器27中的輸出信號22的直流分量。當(dāng)向加法器33提供控制信號29時，不僅向EO晶體7內(nèi)施加被測量信號15的電場，而施加控制信號29的電場?；诳刂菩盘?9的電場，光束的偏振狀態(tài)可校正為圓偏振光。另外，可充分降低光強度噪聲。
圖16(a)是根據(jù)本發(fā)明第五實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
根據(jù)第五實施例的電場傳感器用于測量電波，因此具有反射光學(xué)系統(tǒng)。下面主要說明根據(jù)本實施例的電場傳感器與根據(jù)第三實施例的電場傳感器的差別，省略了相同構(gòu)成的說明。
根據(jù)第五實施例的電場傳感器不測量提供給設(shè)置在EO晶體7中的電極的被測量信號15，而測量在空間傳播后直接入射到EO晶體7的電波或從圖16(b)所示的測量電路產(chǎn)生的電場。所以該電場傳感器沒有信號電極11和接地電極13。
該電場傳感器在從光源1向EO晶體7的路由中以這個順序設(shè)置PBS91和92代替PBS9。QWP5設(shè)置在PBS92與EO晶體7之間。在PBS91與PBS92之間設(shè)置HWP37和法拉第轉(zhuǎn)子39。在EO晶體7的表面與光束的入射面相反側(cè)設(shè)置電介質(zhì)鏡71。被測量電波16入射到該電介質(zhì)鏡71的表面。
在具有上述結(jié)構(gòu)的根據(jù)第五實施例的電場傳感器中，來自光源1的光束3通過PBS91、HWP37、法拉第轉(zhuǎn)子39、PBS92和QWP5，并入射到EO晶體7。光束3從電介質(zhì)鏡71反射，從EO晶體7發(fā)射，再通過QWP5，入射到PBS92。PBS92將該光束分離成S偏振光分量和P偏振光分量。S偏振光分量入射到PD17。另一方面，法拉第轉(zhuǎn)子39和HWP37變換透過PBS92的P偏振光分量為S偏振光。該S偏振光入射到PBS91。PBS91使S偏振光入射到PD19。
圖17(a)至17(c)是根據(jù)第五實施例的電極布局圖。
如圖17(a)所示，可設(shè)置控制電極23與控制接地電極25夾持EO晶體7。如圖17(b)所示，可在EO晶體7的一側(cè)設(shè)置各電極。另外，如圖17(c)所示，可分開控制接地電極25。如上說明的，根據(jù)第五實施例，由于不需要提供被測量信號的電極，所以該電場傳感器可具有簡單的結(jié)構(gòu)。
還使用顯示器27和可變直流電源31調(diào)節(jié)這個電場傳感器。
例如，操作者調(diào)節(jié)(變化)可變直流電源31的電壓(控制信號29的電壓)，以消除顯示于顯示器27中的輸出信號22的直流分量。當(dāng)向加法器33提供控制信號29，不僅向EO晶體7內(nèi)施加被測量信號15的電場，還施加控制信號29的電場?；诳刂菩盘?9的電場，光束的偏振光狀態(tài)可校正為圓偏振光。另外，可充分降低光強度噪聲。
圖18是表示根據(jù)第六實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
與第一和第二實施例一樣，配置根據(jù)第六實施例的電場傳感器使光束入射到施加交流電場的EO晶體，PBS將從EO晶體發(fā)射的光分離成S偏振光和P偏振光，而差動放大器檢測各偏振光的強度之差。
具體地說，在圖18中，從光源1發(fā)射的光束3透過QWP5和EO晶體7并入射到PBS9。QWP5調(diào)節(jié)入射到PBS9之前的光束的偏振狀態(tài)，該光束在預(yù)定的周圍溫度下變?yōu)閳A偏振光。經(jīng)信號電極11和接地電極13向EO晶體7施加對應(yīng)于被測量信號15(例如數(shù)kHz至數(shù)百MHz的交流)的電場。根據(jù)該電場，在EO晶體7內(nèi)以偏振方式調(diào)制光束3。PBS9分離該調(diào)制光為S偏振光分量和P偏振光分量。此時，各偏振光分量變換成強度調(diào)制光。強度調(diào)制的S和P偏振光分量彼此反相變化。PD17和19接收S和P偏振光分量，和差動放大器21差動從兩個PD的輸出，由此得到輸出信號22。
根據(jù)第六實施例，該電場傳感器生成具有對應(yīng)于包含在該輸出信號中的直流分量的電壓的控制信號，向設(shè)置在EO晶體中的控制電極提供該控制信號。在圖18中，雖然控制信號由差動放大器21的輸入信號生成，該控制信號也可由差動放大器21的輸出信號22生成。
如圖18所示，電場傳感器包括連接到到PD17的緩沖放大器43；連接到PD19的緩沖放大器44；連接到緩沖放大器43的輸出的低通濾波器(下面稱為LPF)45；連接到緩沖放大器44的輸出的LPF47；以及取來自LPF45和47的輸出之間的差并其積分的積分器49。EO晶體7包括作為控制信號提供裝置的控制電極23和控制接地電極25。將積分器49的輸出電壓施加在控制電極23和控制接地電極25之間。LPF45和47分別只輸入將基于環(huán)境溫度變化的極低的頻率分量(直流分量)的信號給該積分器。因此，僅僅由于溫度變化引起的漂移降低了。另一方面，由于LPF45和47分別中斷基于被測量信號15的高頻分量的信號，所以這個高頻分量的信號不輸入積分器49。積分器49積分僅具有該低頻分量的兩個信號之間的差，并輸出作為控制信號29的積分結(jié)果。PD17和PD19向差動放大器21提供包含低頻分量與高頻分量二者的信號。
圖19(a)是積分器49(開關(guān)電容積分器)的電路圖，圖19(b)是驅(qū)動積分器49的驅(qū)動信號的波形圖。
作為開關(guān)電容積分器時的積分器49包括開關(guān)491，由成對的兩個開關(guān)構(gòu)成，一個開關(guān)的一端連接到LPF45，另一個開關(guān)的一端連接到LPF47；電容492，連接在開關(guān)491的所述一個開關(guān)的另一端與另一開關(guān)的另一端之間；開關(guān)493，由成對的兩個開關(guān)構(gòu)成，一個開關(guān)的一端與另一開關(guān)的一端分別連接到所述電容492；差動放大器495，開關(guān)493的一個開關(guān)的另一端連接到它的負輸入端，開關(guān)493的另一開關(guān)的另一端連接到它的正輸入端，該正輸入端以電壓Vb偏置；電容494，連接到該差動放大器495的負輸入端與輸出端之間；和緩沖放大器496，連接到差動放大器495的輸出端與控制電極29之間。注意，(電容492的容量)＜＜(電容494的容量)。在差動放大器495為正和負電源類型時，通過正輸入端接地而不加偏壓可使用這個差動放大器。
驅(qū)動信號D1提供給開關(guān)491和驅(qū)動信號D2提供給開關(guān)492，使得開關(guān)491和開關(guān)493交替閉合，而不是同時閉合。所以在電容492充電之后，其電荷傳輸給電容494。因此，差動放大器495輸出大小與LPF45和LPF47的輸出信號之差的積分值與正比的電壓信號。該電壓信號通過緩沖放大器496并作為控制信號29提供給控制電極23。換句話說，控制信號29具有對應(yīng)于輸出信號22的直流分量的電壓，并提供給控制電極23。
根據(jù)第六實施例的電極布局與參照圖13(a)至13(e)說明的根據(jù)第三實施例中的電極布局一樣。
在具有上述結(jié)構(gòu)的根據(jù)第六實施例的電場傳感器中，積分器49(控制信號生成裝置)生成具有對應(yīng)于包含在輸出信號22中的直流分量的電壓的控制信號29。當(dāng)向控制電極23提供該控制信號29時，不僅向EO晶體7施加被測量信號15的電場，還施加控制信號29的電場?；诳刂菩盘?9的電場，光束的偏振狀態(tài)可校正為圓偏振光。另外，可充分降低光強度噪聲。
圖20是根據(jù)第七實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
下面主要說明根據(jù)本實施例的電場傳感器與根據(jù)第六實施例的電場傳感器之間的差別，并省略了相同構(gòu)成的說明。
根據(jù)第七實施例的電場傳感器在EO晶體7中沒有控制電極23和控制接地電極25，僅提供信號電極11與接地電極13作為電極。根據(jù)第七實施例的電場傳感器具有加法器33，它將控制信號29加在測量信號15。在相加后該加法器提供被測量信號15A給信號電極11。加法器33相當(dāng)于控制信號提供裝置。
根據(jù)第七實施例中的加法器33的構(gòu)成類似于參照圖15說明的根據(jù)第四實施例的加法器33的構(gòu)成。
在具有上述結(jié)構(gòu)的根據(jù)第七實施例的電場傳感器中，積分器49(控制信號生成裝置)生成具有對應(yīng)于包含在輸出信號22中的直流分量的電壓的控制信號29。當(dāng)向加法器33提供該控制信號29時，不僅向EO晶體7施加被測量信號15的電場，還施加控制信號29的電場?；诳刂菩盘?9的電場，光束的偏振狀態(tài)可校正為圓偏振光。另外，可充分降低光強度噪聲。
圖21(a)是根據(jù)第八實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
根據(jù)第八實施例的電場傳感器用于測量電波，所以具有反射光學(xué)系統(tǒng)。下面主要說明根據(jù)本實施例的電場傳感器與根據(jù)第六實施例的電場傳感器之間的差別，省略了相同結(jié)構(gòu)的說明。
根據(jù)第八實施例的電場傳感器不測量提供給設(shè)置在EO晶體7中的電極的被測量信號15，而測量在空間傳播后直接入射到EO晶體7的被測量電波或從測量的電路產(chǎn)生的電場，如圖21(b)所示的。所以該電場傳感器沒有信號電極11和接地電極13。
該電場傳感器具有在從光源1到EO晶體7的路由的順序設(shè)置的PBS91和92，代替PBS9。QWP5設(shè)置在PBS92與EO晶體7之間。在PBS91與PBS92之間設(shè)置HWP37和法拉第轉(zhuǎn)子39。在EO晶體7的表面、與光束的入射面的反設(shè)置電介質(zhì)鏡71。被測量電波16入射到該電介質(zhì)鏡71的表面。
在具有上述結(jié)構(gòu)的根據(jù)第三實施例的電場傳感器中，來自光源1的光束3通過PBS91、HWP37、法拉第轉(zhuǎn)子39、PBS92和QWP5，并入射到EO晶體7。光束3從電介質(zhì)鏡71反射、從EO晶體7發(fā)射，被QWP5調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)钠窆鉅顟B(tài)并入射到PBS92。PBS92將光束3分離成S偏振光分量和P偏振光分量。S偏振光分量入射到PD17。另一方面，法拉第轉(zhuǎn)子39和HWP37變換透過PBS92的P偏振光分量為S偏振光。S偏振光入射到PBS91。PBS91使S偏振光入射到PD19。
根據(jù)第八實施例中的電極布局類似于參照圖17(a)至17(c)說明的根據(jù)第五實施例中的電極布局。
在具有上述結(jié)構(gòu)的根據(jù)第八實施例的電場傳感器中，以類似于根據(jù)第六實施例的方式，積分器49生成具有對應(yīng)于包含在輸出信號22中的直流分量的電壓的控制信號29。當(dāng)向控制電極23提供該控制信號29時，不僅向EO晶體7施加被測量信號15的電場，還施加控制信號29的電場，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)入射到PBS92的光的偏振光狀態(tài)，可使入射到PD17和PD19的光強度相等。另外，可充分降低光強度噪聲。
下面說明根據(jù)第九至第十四實施例的可防止反射返回光入射到激光光源的電場傳感器。
圖22是根據(jù)第九實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
電場傳感器101a具有激光光源1、QWP5、EP晶體7、PBS9、PD17、PD19和設(shè)置在激光光源1與QWP5之間的第二PBS51。這里未敘述基于檢測的電場的存在向EO晶體7施加電壓的電極。
在下面的說明中，為了說明方便起見，EO晶體7、PBS9、PD17和19統(tǒng)稱為反射部件107。
在由電場傳感器101a測量電場時，激光光源1發(fā)出P偏振光108。QWP5將該P偏振光108變換成圓偏振光109。
EO晶體7以偏振方式調(diào)制圓偏振光109，和PBS9分離該調(diào)制的光為P偏振光(分量)110和S偏振光(分量)111。PD19接收P偏振光110，并變換該光為電信號。另一方面，PD17接收S偏振光111并變換該光為電信號。(差動放大器等未示出)差動放大這些電信號。根據(jù)差動放大的結(jié)果測量電場。
圖23是說明圖22所示的電場傳感器101a的基本原理的圖。在圖中，將反射部件107當(dāng)作鏡子。
QWP5將反射部件107產(chǎn)生的反射返回光(圓偏振光)112變換成S偏振光113。PBS51以偏振的方式分離S偏振光113。
如上所述，PBS51以偏振的方式分離反射返回光(圓偏振光)113，從而防止該反射返回光113入射到激光光源1。
在本實施例中，雖然電場傳感器101a具有PBS51作為以偏振方式分離反射返回光(S偏振光)的裝置(偏振分離裝置)，但電場傳感器101a也具有其它結(jié)構(gòu)。例如，電場傳感器101a可具有類似格蘭-湯姆森棱鏡或渥拉斯頓棱鏡等在空間上分離兩個獨立線性偏振光的部件、或僅透過特定線性偏振光的類似偏振光板那樣部件。
圖24是根據(jù)第十實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
電場傳感器101b具有激光光源1、QWP5、EP晶體7、PBS9、PD17、PD19和第二PBS51。
電場傳感器101b與圖22所示的電場傳感器101a的差別在于改變激光光源1的位置。
在由電場傳感器101b測量電場時，激光光源1發(fā)出S偏振光115。PBS51將該S偏振光115入射到QWP5，該QWP5變換該S偏振光115為圓偏振光109。
EO晶體7以偏振方式調(diào)制圓偏振光109，PBS9分離該調(diào)制的光為P偏振光(分量)110和S偏振光(分量)111。PD19接收P偏振光110，并變換該光為電信號。另一方面，由PD17接收S偏振光111，并變換該光為電信號。差動放大器等(未示出)差動放大這些電信號。基于差動放大的結(jié)果來測量電場。
在后面的說明中，為了方便起見，上述EO晶體7、PBS9、PD17和19統(tǒng)稱為反射部件107。
圖25是說明圖24所示的電場傳感器101b的基本原理的圖。在該圖中，將反射部件107當(dāng)作鏡子。
反射部件107產(chǎn)生的反射返回光(圓偏振光)117由QWP5變換成P偏振光116。PBS51以偏振方式分離P偏振光116。
如上所述，從激光光源發(fā)出的激光也可是S偏振光115。PBS51以偏振方式分離反射返回光(P偏振光)116，從而防止該反射返回光116入射到激光光源1。
在本實施例中，雖然電場傳感器101b將PBS51作為以偏振方式分離反射返回光(P偏振光)的裝置(偏振光分離裝置)，但是電場傳感器101b也可具有其它的結(jié)構(gòu)。例如，電場傳感器101b可具有類似格蘭湯姆森棱鏡或渥拉斯頓棱鏡等在空間上分離兩個獨立線性偏振光的部件。
圖26是根據(jù)第十一實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
電場傳感器101c具有激光光源1、QWP5、EP晶體7、PBS9、PD17、PD19、第二PBS51和HWP53。
該電場傳感器101c與圖24所示的電場傳感器101b的差別在于在激光光源1與PBS51之間設(shè)置HWP53。
在電場傳感器101c測量電場時，激光光源1發(fā)出P偏振光108。HWP53將該P偏振光108變換成S偏振光115。PBS51入射S偏振光115到QWP5，該QWP5變換S偏振光115成圓偏振光109。
EO晶體7以偏振方式調(diào)制圓偏振光109，PBS9分離該調(diào)制光為P偏振光(分量)110與S偏振光(分量)111。PD19接收P偏振光110并變換該光為電信號。另一方面，PD17接收S偏振光111并變換該光為電信號。差動放大器等(未示出)差動放大這些電信號?；诓顒臃糯蟮慕Y(jié)果來測量電場。
在以后的說明中，為了方便起見，EO晶體7、PBS9、PD17和19統(tǒng)稱為反射部件107。
圖27是說明圖26所示的電場傳感器101c的基本原理的圖。在圖中，反射部件107當(dāng)作鏡子。
反射部件107產(chǎn)生的反射返回光(圓偏振光)117由QWP5變換成P偏振光116。PBS51以偏振方式分離P偏振光116。
如上所述，從激光光源1發(fā)出的P偏振光108可變換成S偏振光115，之后S偏振光115入射到EO晶體7。而且PBS51以偏振方式分離反射返回光(P偏振光)116，從而防止該反射返回光116入射到激光光源1。
在本實施例中，雖然電場傳感器101c具有PBS51作為以偏振方式分離反射返回光(P偏振光)的裝置(偏振分離裝置)，電場傳感器101c可具有其它結(jié)構(gòu)。例如，電場傳感器101c可具有類似格蘭-湯姆森棱鏡或渥拉斯頓棱鏡等在空間上分離兩個獨立線性偏振光的部件。
圖28是根據(jù)第十二實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
電場傳感器101d具有激光光源1、QWP5、EP晶體7、PBS9、PD17、PD19、第二PBS51和棱鏡55。
該電場傳感器101d具有在圖22所示的電場傳感器101a中的棱鏡55。
在電場傳感器101d測量電場時，激光光源1發(fā)出P偏振光108。棱鏡55改變該P偏振光108的前進方向，從而入射該光到QWP5。該QWP5變換P偏振光108為圓偏振光109。
EO晶體7以偏振方式調(diào)制圓偏振光109，PBS9分離該調(diào)制光為P偏振光(分量)110和S偏振光(分量)111。PD19接收P偏振光110，并變換該光為電信號。另一方面，PD17接收S偏振光111并變換該光為電信號。差動放大器等(未示出)差動放大這些電信號?；诓顒臃糯蟮慕Y(jié)果來測量電場。
在以后的說明中，為了方便起見，EO晶體7、PBS9、PD17和19統(tǒng)稱為反射部件107。
圖29是說明圖28所示的電場傳感器101d的基本原理的圖。在圖中，將反射部件107當(dāng)作鏡子。
反射部件107產(chǎn)生的反射返回光(圓偏振光)117由QWP5變換成S偏振光120。棱鏡55變換S偏振光120的前進方向，從而入射該光到PBS51。該PBS51以偏振方式分離S偏振光120。
如上所述，改變P偏振光108的前進方向，之后該光入射到QWP5。然后，改變反射返回光(S偏振光)120的前進方向，之后該光入射到PBS51。利用這種安排，增加了放置激光光源的自由度。另外，PBS51以偏振方式分離反射返回光120，從而防止該反射返回光120入射到激光光源1。
在本實施例中，雖然電場傳感器101d包括PBS51作為以偏振方式分離反射返回光(S偏振光)的裝置(偏振分離裝置)，但是電場傳感器101d可具有其它結(jié)構(gòu)。例如，電場傳感器101d可具有類似格蘭-湯姆森棱鏡或渥拉斯頓棱鏡等在空間上分離兩個獨立線性偏振光的部件、或類似偏振光板那樣僅透過特定線性偏振光的部件。
圖30是根據(jù)第十三實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
電場傳感器101e具有激光光源1、QWP5、EP晶體7、PBS9、PD17、PD19、第二PBS51和棱鏡55。
該電場傳感器101e與圖28所示的電場傳感器101d的差別在于改變棱鏡55的位置，并鄰近激光光源1放置。
在電場傳感器101e測量電場時，激光光源1發(fā)出P偏振光108。棱鏡55改變該P偏振光108的前進方向，從而入射該光到QWP5。該QWP5變換P偏振光108為圓偏振光109。
EO晶體7以偏振方式調(diào)制圓偏振光109，PBS9分離該調(diào)制光為P偏振光(分量)110和S偏振光(分量)111。PD19接收P偏振光110，并變換該光為電信號。另一方面，PD17接收S偏振光111并變換該光為電信號。差動放大器等(未示出)差動放大這些電信號?；诓顒臃糯蟮慕Y(jié)果來測量電場。
在以后的說明中，為了方便起見，EO晶體7、PBS9、PD17和19統(tǒng)稱為反射部件107。
圖31是說明圖30所示的電場傳感器101e的基本原理的圖。在圖中，將反射部件107當(dāng)作鏡子。
反射部件107產(chǎn)生的反射返回光(圓偏振光)117由QWP5變換成S偏振光120，并入射S偏振光120到PBS51。PBS51以偏振方式分離S偏振光120。
如上所述，改變P偏振光108的前進方向，之后該光入射到QWP5。利用這個安排，增加了放置激光光源的自由度。另外，PBS51以偏振方式分離反射返回光120，從而防止該反射返回光120入射到激光光源1。
在本實施例中，雖然電場傳感器101e包括PBS51作為以偏振方式分離反射返回光(S偏振光)的裝置(偏振分離裝置)，但電場傳感器101e可具有其它結(jié)構(gòu)。例如，電場傳感器101e可具有類似格蘭-湯姆森棱鏡或渥拉斯頓棱鏡等在空間上分離兩個獨立線性偏振光的部件或類似偏振光板那樣僅透過特定線性偏振光的部件。
在第九至第十三實施例中，主要敘述在EO晶體的入射面上的反射光。在第十四實施例中，敘述在PD的光接收表面上的反射光。設(shè)計電場傳感器使得PD的光接收表面反射的光不返回激光光源。
圖32是根據(jù)第十四實施例的電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
下面說明根據(jù)本實施例的電場傳感器和根據(jù)第九實施例的電場傳感器的差別，省略了相同結(jié)構(gòu)的說明。
根據(jù)第十四實施例的電場傳感器101f具有在PBS9與PD17之間的QWP57，并具有在PBS9與PD19之間的QWP59。
在具有上述結(jié)構(gòu)的電場傳感器101f中，來自EO晶體7的圓偏振光109中，P偏振光110透過PBS9，S偏振光從PBS9反射。
QWP59變換透過PBS9的P偏振光110為圓偏振光109。圓偏振光109的一部分從PD19的光接收表面反射。但是，該反射的圓偏振光109再次透過QWP59，并被變換為S偏振光120。S偏振光120從PBS9反射。換句話說，可防止從PD19的光接收表面反射的光返回的光源1。
另一方面，PBS9反射的S偏振光111由QWP57變換為圓偏振光109。圓偏振光109的一部分從PD17的光接收表面反射。但是，該反射的圓偏振光109再次透過QWP57，并變換為P偏振光116。P偏振光116透過PBS9。換句話說，可防止從PD17的光接收表面反射的光返回到光源1。
下面說明根據(jù)第十五實施例的電場傳感器，通過增加光電晶體內(nèi)的電場幅度可得到高的靈敏度。
圖33是表示根據(jù)本發(fā)明的電場傳感器結(jié)構(gòu)的例子的圖，該電場傳感器用于檢測人體的電信號。圖34是表示根據(jù)本發(fā)明的電場傳感器結(jié)構(gòu)的例子的圖，用于測量DUT的電壓。根據(jù)本實施例的電場傳感器的構(gòu)成部件與圖5或圖6所示的電場傳感器的構(gòu)成部件相同的部件以相同的標(biāo)記表示并省略了這些部件的說明。在檢測EO晶體7內(nèi)的電場時，根據(jù)本實施例的電場傳感器以與參照圖5和圖6說明的相同的方式工作，所以省略該工作的說明。
根據(jù)圖33或圖34中所示的電場傳感器，在EO晶體7的表面設(shè)置作為第二電極的相對電極12，在相對面中設(shè)置作為第一電極的信號電極11。利用導(dǎo)線LD將用于提高電場傳感器靈敏度的輔助電極61連接到相對電極12。
第二電極可設(shè)置在與設(shè)置信號電極11的相同表面中(在具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的EO調(diào)制部件中的槽電極結(jié)構(gòu))，或可設(shè)置在與信號電極11的表面相鄰的表面中。
輔助電極61與電場傳感器內(nèi)的所有部件和所有電路(驅(qū)動差動放大器21和光源1的電路等)絕緣以及電場傳感器的殼體絕緣。相對電極12和輔助電極61彼此以比信號電極11和相對電極12之間距離更大的距離分開。對于不同距離的理由在后面敘述。
根據(jù)圖33或圖34中所示的電場傳感器，信號電極11和相對電極12形成電容器C1，而輔助電極61和地形成電容器C2。所以電力線集中于各電容的電極之間。因此，可增大EO晶體7內(nèi)的電場幅度，由此提高電場傳感器的靈敏度。
當(dāng)Φ表示信號電極11與地之間的電位差，C1表示電容器C1的靜電容量，C2表示電容器C2的靜電容量，Φ1表示電容器C1的電極之間的電位差，Φ2表示電容器C2的電極之間的電位差時，則下面兩式成立Φ1＝Φ·C2/(C1+C2)Φ2＝Φ·C1/(C1+C2)EO晶體7內(nèi)的電場幅度與電容C1的電極之間電位差Φ1成正比。因此，為了增大EO晶體7內(nèi)的電場幅度，設(shè)計該電場傳感器滿足靜電容量C2＞C1(最好是C2＞＞C1)的關(guān)系。
由于EO晶體7通常很小，所以僅設(shè)置相對電極12和輔助電極61可提高靈敏度。為了通過進一步增大靜電容量C2進而進一步提高靈敏度，例如增大輔助電極61的前表面積。當(dāng)輔助電極61具有棒狀(包含帶狀)、平板狀或球狀(包含半球狀)時，可增大該前表面積，而不影響輔助電極的制造。
為了增大靜電容量C2，如圖36所示的，設(shè)置輔助電極61遠離信號電極11和相對電極12，而不是如圖35所示靠近信號電極11和相對電極12設(shè)置輔助電極61。更好是設(shè)置輔助電極61接近地。當(dāng)設(shè)置輔助電極61遠離電場傳感器時，變得難以處理電場傳感器。因此，最好該電極與可伸縮部件互相連接，從而設(shè)定相對電極12與輔助電極61之間的可變距離?？商娲兀o助電極61可容納在殼體中，類似便攜電話機的天線那樣。
當(dāng)輔助電極61接近信號電極11和相對電極12時，檢測電場的靈敏度變低了。因此最好設(shè)置開關(guān)機構(gòu)，使得只在以離開相對電極12一個距離設(shè)置輔助電極61時，輔助電極61才工作。例如當(dāng)輔助電極61接近相對電極12時，中斷向光源1、光檢測器17、19和差動放大器21的供電。當(dāng)相對電極12和輔助電極61彼此分開預(yù)定的距離或更大時，提供電源給光源1、光檢測器17、19和差動放大器21。
具體而言，可提供以下機構(gòu)。如圖35和36所示，設(shè)置輔助電極61可沿軌道移動。在該軌道上設(shè)置開關(guān)63。當(dāng)輔助電極61沿離開相對電極12的方向移動并通過開關(guān)63時，接通開關(guān)63來供電。另一方面，當(dāng)輔助電極61沿接近相對電極12的方向移動并通過開關(guān)63時，斷開開關(guān)63來中斷供電?？商娲兀部商峁┮韵碌臋C構(gòu)。輔助電極61可固定在離開相對電極12預(yù)定的距離或更大的位置A或者非常接近相對電極12的位置B。同時，在位置A設(shè)置開關(guān)。當(dāng)將輔助電極61固定在位置A時，接通開關(guān)來供電。另一方面，當(dāng)將輔助電極61固定在位置B時，斷開在位置A的開關(guān)來中斷供電。
通過設(shè)置上述機構(gòu)，可實現(xiàn)始終以高的靈敏度檢測的電場傳感器。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性根據(jù)本發(fā)明的電場傳感器，可補償光電晶體的自然雙折射率引起的靈敏度降低。
根據(jù)本發(fā)明，將圓偏振光狀態(tài)的反射光變換為P偏振光或S偏振光。偏振分光器等去除這個偏振光。因此，可提供一種可防止反射光入射到激光光源的電場傳感器。
根據(jù)本發(fā)明的電場傳感器，提供設(shè)置在光電晶體中的第二電極和電連接至該第二電極并且與第二電極以足夠的距離分開的輔助電極。因此，光電晶體內(nèi)的電場幅度增加了，由此可提高電場傳感器的靈敏度。
權(quán)利要求
1.一種電場傳感器，其特征在于包括光源(1)；光電晶體(7)，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率變化從所述光源(1)入射的光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光；檢測器(9，17，19，21)，根據(jù)從所述光電晶體(7)發(fā)射的光的所述偏振狀態(tài)的變化檢測電信號；第一電極(11)，接近所述光電晶體(7)設(shè)置，并基于所述被測量信號向所述光電晶體(7)施加電場；第二電極(12)，接近所述光電晶體(7)設(shè)置，從而與所述第一電極(11)形成一對；和輔助電極(61)，電連接到所述第二電極(12)并與地之間形成電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場傳感器，其特征在于所述輔助電極(61)的表面積比所述第一電極(11)和所述第二電極(12)的每個表面積更大。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電場傳感器，其特征在于所述輔助電極(61)的形狀為棒狀、板狀、球狀的任一種形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場傳感器，其特征在于所述輔助電極(61)與所述第二電極(12)之間的距離比所述第一電極(11)與所述第二電極(12)之間的距離更大。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場傳感器，其特征在于還包括距離改變裝置，通過移動所述輔助電極(61)來改變所述輔助電極(61)與所述第二電極(12)之間的距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電場傳感器，其特征在于還包括控制裝置(63)，當(dāng)所述距離改變裝置將所述輔助電極(61)與所述第二電極(12)分開預(yù)定距離或更大時，控制所述檢測器(9，17，19，21)工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場傳感器，其特征在于所述輔助電極(61)與構(gòu)成所述檢測器(9，17，19，21)的電路和驅(qū)動所述光源(1)的電路絕緣。
8.一種電場傳感器，其特征在于包括將P偏振光和S偏振光分別變換成圓偏振光的1/4波長板(5)；光電晶體(7)，基于被測量信號對它施加電場，其中根據(jù)該電場變化雙折射率，并根據(jù)該雙折射率變化來自所述1/4波長板(5)的所述圓偏振光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光；檢測器(9.17.19)，根據(jù)從所述光電晶體(7)發(fā)射的光的偏振狀態(tài)的變化檢測電信號；和反射光分離裝置(51)，位于所述1/4波長板(5)的前段，將入射的P偏振光或S偏振光引導(dǎo)到所述1/4波長板(5)，并將從所述光電晶體(7)返回的圓偏振光由所述1/4波長板(5)變換得到的S偏振光或P偏振光引導(dǎo)到與所述入射的P偏振光或S偏振光的入射方向不同的方向上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電場傳感器，其特征在于所述反射光分離裝置(51)是偏振光板、偏振分光器、格蘭-湯姆森棱鏡或渥拉斯頓棱鏡的任一個。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電場傳感器，其特征在于所述反射光分離裝置(51)是透過P偏振光并反射S偏振光的偏振分光器。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電場傳感器，其特征在于還包括光源(8)，位于所述反射光分離裝置(51)的前段并發(fā)射P偏振光和S偏振光之一。
12.一種電場傳感器，其特征在于包括光電晶體(7)，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率變化入射的光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光；偏振分光器(9)，透過從所述光電晶體(7)發(fā)射的、具有變化的偏振狀態(tài)的光的P偏振光分量與S偏振光分量之一并反射另一個偏振光分量，由此將具有所述變化的偏振狀態(tài)的所述光分離成P偏振光分量與S偏振光分量；將所述P偏振光分量變換成圓偏振光的第一1/4波長板(59)；將所述S偏振光分量變換成圓偏振光的第二1/4波長板(57)；第一光檢測器(19)，將由所述第一1/4波長板(59)變換成圓偏振光的所述P偏振光分量變換為電信號；和第二光檢測器(17)，將由所述第二1/4波長板(57)變換成圓偏振光的所述S偏振光分量變換為電信號。
13.一種電場傳感器，其特征在于包括光源(1)；光電晶體(7)，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率變化從所述光源(1)入射的光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光；基于所述被測量信號向所述光電晶體(7)施加電場的一對電極(11，13)；檢測器(9，17，19，21)，將從該光電晶體(7)發(fā)射的光分離成P偏振光分量與S偏振光分量，并得到相應(yīng)于各偏振光分量的強度之間的差的交流信號；和補償裝置((6，8)、(27，31，29，23，25)、(27，31，29，33)、(43，44，45，47，49，29，23，25)、(43，44，45，47，49，29，33))，用于抵消所述光電晶體(7)具有的自然雙折射率引起的、在未施加所述電場時從所述光源(1)入射的光的偏振狀態(tài)的變化。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電場傳感器，其特征在于入射到所述光電晶體(7)的光是任意的偏振光，和所述補償裝置包含1/4波長板(6)，其電氣主軸與從所述光電晶體(7)發(fā)射的橢圓偏振光的主軸一致，并將該橢圓偏振光變換成線性偏振光；和半波長板(8)，基于以下事實調(diào)節(jié)從所述1/4波長板(6)發(fā)射的線性偏振光的偏振表面的角度在未施加所述電場時來自所述1/4波長板(6)的線性偏振光的偏振波面與所述光電晶體(7)的電氣主軸之間形成的角度為45°-φo時，所述半波長板(8)的電氣主軸和所述光電晶體(7)的電氣主軸之間形成的角度為n·45°-φo/2(其中n為整數(shù))。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電場傳感器，其特征在于入射該光到所述光電晶體(7)的光是偏振波面與所述光電晶體(7)的電氣主軸形成角度45°的線性偏振光，和所述補償裝置包含1/4波長板(6)，其電氣主軸與所述光電晶體(7)的電氣主軸形成角度45°，并將從所述光電晶體(7)發(fā)射的橢圓偏振光變換成線性偏振光；和半波長板(8)，基于以下事實調(diào)節(jié)從所述1/4波長板(6)發(fā)射的線性偏振光的偏振波面的角度當(dāng)未施加所述電場時從所述光電晶體(7)發(fā)射的橢圓偏振光中包含的相位差為φo時，所述半波長板(8)的電氣主軸和所述光電晶體(7)的電氣主軸之間形成的角度為n·45°-φo/2(其中n為整數(shù))。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電場傳感器，其特征在于入射該光到所述光電晶體(7)的光是圓偏振光，和所述補償裝置包含1/4波長板(6)，其電氣主軸與所述光電晶體(7)的電氣主軸形成角度45°，并將從所述光電晶體(7)發(fā)射的橢圓偏振光變換成線性偏振光；和半波長板(8)，基于以下事實調(diào)節(jié)從所述1/4波長板(6)發(fā)射的線性偏振光的偏振波面的角度當(dāng)未施加所述電場時從所述光電晶體(7)發(fā)射的橢圓偏振光中包含的相位差為φo時，所述半波長板(8)的電氣主軸與所述光電晶體(7)的電氣主軸之間形成的角度為n·45°-φo/2(其中n為整數(shù))。
17.根據(jù)權(quán)利要求14-16之一所述的電場傳感器，其特征在于根據(jù)φo＝(2π/λ)(no-ne)L確定所述φo，其中，no是所述光電晶體對正常光的折射率，ne是所述光電晶體對異常光的折射率，λ是光在真空中的波長，L是所述光電晶體在光方向上的長度。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電場傳感器，其特征在于所述補償裝置包含一對控制電極(23，25)，基于控制信號(29)向所述光電晶體施加電場；和控制信號生成裝置((27，31)、(43，44，45，47，49))，根據(jù)由所述檢測器(9，17，19，21)得到的所述交流信號生成所述控制信號(29)，它抵消在未施加基于所述被測量信號的電場時從所述光源(1)入射的光的偏振狀態(tài)的變化。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電場傳感器，其特征在于所述補償裝置包含加法器(33)，將控制信號(29)加到所述被測量信號上；和控制信號生成裝置((27，31)、(43，44，45，47，49))，根據(jù)由所述檢測器(9，17，19，21)得到的所述交流信號生成所述控制信號(29)，它抵消在未施加基于所述被測量信號的電場時從所述光源(1)入射的光的偏振狀態(tài)的變化。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19所述的電場傳感器，其特征在于所述控制信號生成裝置包含第一緩沖放大器和第二緩沖放大器(43，44)，分別輸入基于所述P偏振光分量的電信號和基于所述S偏振光分量的電信號；第一低通濾波器和第二低通濾波器(45，47)，分別輸入所述第一緩沖放大器和所述第二緩沖放大器(43，44)的輸出；和積分器(49)，分別輸入所述第一低通濾波器和第二低通濾波器(45，47)的輸出，并積分這些輸出之間的差。
21.一種調(diào)節(jié)電場傳感器的方法，該電場傳感器包括光源(1)；光電晶體(7)，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率變化入射的任意偏振光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光；基于所述被測量信號向所述光電晶體(7)施加電場的一對電極(11，13)；和檢測器(9，17，19，21)，將從該光電晶體(7)發(fā)射的光分離成P偏振光分量與S偏振光分量，并得到相應(yīng)于各偏振光分量的強度之間的差的交流信號，其特征在于該方法包括設(shè)置將從所述光電晶體(7)發(fā)射的橢圓偏振光變換成線性偏振光的1/4波長板(6)，使所述1/4波長板(6)的電氣主軸與所述橢圓偏振光的電氣主軸一致，和設(shè)置調(diào)節(jié)從所述1/4波長板(6)發(fā)射的線性偏振光的偏振波面角度的半波長板(8)，當(dāng)未施加所述電場時來自所述1/4波長板(6)的線性偏振光的偏振波面與所述光電晶體(7)的電氣主軸之間形成的角度為45°-φo時，所述半波長板(8)的電氣主軸與所述光電晶體(7)的電氣主軸之間形成的角度為n·45°-φo/2(其中n為整數(shù))。
22.一種調(diào)節(jié)電場傳感器的方法，該電場傳感器包括光源(1)；光電晶體(7)，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率變化線性偏振光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光，該線性偏振光的偏振波面與所述光電晶體(7)的電氣主軸形成角度45°；基于所述被測量信號向所述光電晶體(7)施加電場的一對電極(11，13)；和檢測器(9，17，19，21)，它將從該光電晶體(7)發(fā)射的光分離成P偏振光分量與S偏振光分量，并得到相應(yīng)于各偏振光分量的強度之間的差的交流信號，其特征在于該方法包括設(shè)置將從所述光電晶體(7)發(fā)射的橢圓偏振光變換成線性偏振光的1/4波長板(6)，使所述1/4波長板(6)的電氣主軸與所述光電晶體(7)的電氣主軸形成45°角；和設(shè)置調(diào)節(jié)從所述1/4波長板(6)發(fā)射的線性偏振光的偏振波面角度的半波長板(8)，當(dāng)未施加所述電場時從所述光電晶體(7)發(fā)射的橢圓偏振光中包含的相位差為φo時，所述半波長板(8)的電氣主軸與所述光電晶體(7)的電氣主軸之間形成的角度變?yōu)閚·45°-φo/2(其中n為整數(shù))。
23.一種調(diào)節(jié)電場傳感器的方法，該電場傳感器包括光源(1)；光電晶體(7)，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率變化入射的圓偏振光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光；基于所述被測量信號向所述光電晶體(7)施加電場的一對電極(11，13)；和檢測器(9，17，19，21)，將從該光電晶體(7)發(fā)射的光分離成P偏振光分量與S偏振光分量，并得到相應(yīng)于各偏振光分量的強度之間的差的交流信號，其特征在于該方法包括設(shè)置將所述光電晶體(7)發(fā)射的橢圓偏振光變換成線性偏振光的1/4波長板(6)，使所述1/4波長板(6)的電氣主軸與所述光電晶體(7)的電氣主軸形成45°角，和設(shè)置調(diào)節(jié)從所述1/4波長板(6)發(fā)射的線性偏振光的偏振波面角度的半波長板(8)，當(dāng)未施加所述電場時從所述光電晶體(7)發(fā)射的橢圓偏振光中包含的相位差為φo時，所述半波長板(8)的電氣主軸與所述光電晶體(7)的電氣主軸之間形成的角度變?yōu)閚·45°-φo/2(其中n為整數(shù))。
24.根據(jù)權(quán)利要求21至23之一所述的調(diào)節(jié)電場傳感器的方法，其特征在于根據(jù)φo＝(2π/λ)(no-ne)L確定所述φo，其中，no是所述光電晶體對正常光的折射率，ne是所述光電晶體對異常光的折射率，λ是光在真空中的波長，L是所述光電晶體在光方向上的長度。
25.根據(jù)權(quán)利要求21至23之一所述的調(diào)節(jié)電場傳感器的方法，其特征在于通過測量確定φo。
26.一種調(diào)節(jié)電場傳感器的方法，該電場傳感器包括光源(1)；光電晶體(7)，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率變化從所述光源(1)入射的光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光；基于所述被測量信號向所述光電晶體(7)施加電場的一對電極(11，13)；檢測器(9，17，19，21)，將從該光電晶體(7)發(fā)射的光分離成P偏振光分量與S偏振光分量，并得到相應(yīng)于各偏振光分量的強度之間的差的交流信號；向所述光電晶體(7)施加基于控制信號(29)的電場的一對控制電極(23，25)；和生成所述控制信號(29)的控制信號生成裝置(31)，其特征在于個方法包括顯示由所述檢測器(9，17，19，21)得到的所述交流信號；和根據(jù)顯示的所述交流信號調(diào)節(jié)所述控制信號生成裝置(31)，以生成抵消在未施加基于所述被測量信號的電場時從所述光源(1)入射的光的偏振狀態(tài)變化的所述控制信號(29)。
27.一種調(diào)節(jié)電場傳感器的方法，該電場傳感器包括光源(1)；光電晶體(7)，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率變化從所述光源(1)入射的光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光；基于所述被測量信號向所述光電晶體(7)施加電場的一對電極(11，13)；檢測器(9，17，19，21)，將從該光電晶體(7)發(fā)射的光分離成P偏振光分量與S偏振光分量，并得到相應(yīng)于各偏振光分量的強度之間的差的交流信號；將控制信號(29)加到所述被測量信號的加法器(33)；和生成所述控制信號(29)的控制信號生成裝置(31)，其特征在于該方法包括顯示由所述檢測器(9，17，19，21)得到的所述交流信號；和根據(jù)顯示的所述交流信號調(diào)節(jié)所述控制信號生成裝置(31)，以生成抵消在未施加基于所述被測量信號的電場時從所述光源(1)入射的光的偏振狀態(tài)變化的所述控制信號(29)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電場傳感器，包括光源(1)；光電晶體(7)，基于被測量信號對它施加電場，其中雙折射率根據(jù)該電場變化，并根據(jù)該雙折射率變化從光源入射的光的偏振狀態(tài)和發(fā)射該光；和檢測器(9，17，19，21)，根據(jù)從光電晶體發(fā)射的光的偏振狀態(tài)的變化檢測電信號。另外，該電場傳感器包括基于被測量信號向光電晶體(7)施加電場的信號電極(11)；與該信號電極(11)形成一對的相對電極(12)；和電連接到該相對電極(12)并與地形成電容的輔助電極(61)。
文檔編號G01R29/12GK1701236SQ20048000088
公開日2005年11月23日 申請日期2004年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月28日
發(fā)明者佐佐木愛一郎, 品川滿, 柴田信太郎, 美濃谷直志, 藤浦和夫, 笹浦正弘, 豐田誠治 申請人:日本電信電話株式會社