2019年2月26日に更新しました。 Updated on 26 February, 2019.
No numerical simulations are included.(Right-click the images for their video replay)


Waves in CRLH transmission lines: backward (left), forward (center) and skipping (right) waves


Left: 14.6GHz wave on arrayed antenna, center: 100GHz waves in slab WG, right: gap-reflection of packet.


Top view video for 100GHz waves reflecting at a Cu foil surface



電界映像化技術と電界計測技術に関するお問い合わせは以下宛にお願いします。知的財産や技術移転に関するご相談も承ります。
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Concept of LEI camera 電磁界は、特に高周波のそれは、人間の目には見えない不可視情報です。これを瞬時に映像化し目視可能とするもの、それがここで紹介する電界カメラです。
 「従来は見えなかったものが実時間で映像化される」という技術革新は、一般に、新しい分野の開拓に通ずることが多いようです。電界カメラ技術もその例にもれないものと期待されます。
 電界カメラでは、電界により結晶板の屈折率が高速に変化する電気光学効果を利用しています(Fig. 1参照)。これによって高速性や広帯域性がもたらされます。加えて、CMOSイメージセンサの超並列性も兼ね備えています。これによって、映像化の瞬時性がもたらされます。超高速光技術の超並列化に成功した点が電界カメラ開発の鍵となりました。
 結果として、情報通信用途の重要な周波数資源であるマイクロ波帯(〜30GHz)やミリ波帯(30GHz〜)、それらの回路の内部動作を反映する近傍電界が電界カメラにより即座に映像化されます(Fig. 2およびFig. 3参照)。
 さらに、その変動の様子も動画によりリアルタイム表示されるため、回路内部の動作状態を直観的に解析する手段として、あるいは模索的に回路を改良する際の点検手段として、さらには、電波の伝搬状態をモニタする手段として、活用が期待されています(Fig. 4参照)。
 電界カメラは情報通信研究機構により独自開発された新技術で、2007年に誕生しました。

Electromagnetic fields, especially those at high frequencies, had been invisible for eyes of human beings. Those have become, however, visible since the birth of Live electro-optic imaging camera, so called LEI Camera.

In-plane usage of the Pockels effect is a key issue here, in which local optical indices of a crystal plate are modified by applied electrical fields and these patterns are identical. See the principle drawn in Figs. 1.

On the basis of LEI Camera, you observe instantaneously near-field images of high frequency circuits ranging not only in the microwave bands ( <30GHz) but also in the millimeter-wave bands ( >30GHz). This high frequency nature stands on the fact that the index modification is done within picoseconds. Circuit functions and dynamics in those wave-bands, which are indispensable for the info-communication societies nowadays and in the future, are thus viewed. See Figs. 2 and Figs. 3.

Since their variations are also indicated as real-time movies, the apparatus is expected to offer some attractive utilities in the circuit industries. Intuitive analyses of functions inside circuits and prompt confirmation of design improvements are their examples (Figs. 4).

This new technology was originated by NICT in 2007.





Principles of LEI camera

 
電界カメラは瞬時の静止画撮像および瞬時の動画撮影の機能を有する接写型カメラです。超高速な電気光学計測と超並列性を有するCMOSイメージセンサという二つの技術が融合され、高周波電界映像を映し出す機能を実現しています。
  1. 電気光学効果:エバネッセント電界により高速屈折率変化 (a図)
  2. 光周波数変換:RF信号を光LO信号により光IF信号に変換 (b図)
  3. 高速CMOSイメージセンサ:10,000画素表示を実現 (b図)
The LEI-camera in the present style is a camera of lens-less close up type with instantaneous acquisition of still and movie pictures. It is based on two technologies, which are the electro-optic measurement and the CMOS image sensor. The former is famous for its ultrafast nature and the latter is extremely powerful for its ultra-parallel features.
  1. Electro-optic effect (Pockels effect): local optical indices of an EO plate are modified almost instantaneously by the presence of local evanescent electrical fields of a circuit. See Fig. 1 (a).
  2. Photonic frequency down conversion: an RF frequency of the circuit is down-converted to an IF frequency via the electro-optic effect with an incident laser beam being modulated by an LO frequency. See Fig. 1 (b).
  3. High speed CMOS image sensor: it provides photo-detections of optical signals at the IF frequency with 10,000 pixels. See Fig. 1 (b).





電界カメラ写真(a)と操作概要(b-d)
A picture of the latest LEI-camera prototype (a) and an observation procedure (b-d).

LEI camera prototype
(a) NICT研究員の手作りによる試作機の外観写真が示されています。A4紙大の設置面積まで小型化が進みました。上面にある赤色部分が観察窓です。The hand-made prototype is shown, which is the latest version. The area of the base is as small as an A4 paper. The red square on the top is the observation window.

(b) Place the circuit (c) on the LEI window. (d) Just see it!
(b) 回路を、(c)観察窓に当てて、(d)見る。このような簡易操作により瞬時に映像が観察できます。 A circuit in a hand is placed on the viewing window (b and c). Then, just see it (d).





6.7GHzパッチアンテナの光学像と電界カメラ像 
An optical image of a patch antenna and its LEI image.

(右クリックから再生 Right-click and play)

パッチアンテナに給電された信号が放射される様子を観察した結果です。光学像に重畳された電界カメラ映像がアンテナ動作の把握を容易にします。 An optical image with a LEI movie for 6.7 GHz signal.
(撮影者:笹川 The movie was taken by Dr. Sasagawa.)





SMAレセプタクル裏のMSL上5GHz信号伝搬映像LEI
Observation of 5GHz signal wave propagation on an MSL from an SMA receptacle.


(a) 光学像および不要スタブ除去 An optical image. An unintentionally made stab accompanies the receptacle pin. Removal of the stab was found effective to improve the signal propagation.

除去前 before removal (右クリックから再生 Right-click and play)

除去後 after removal (右クリックから再生 Right-click and play)

(b)電界カメラ映像(5GHz) LEI images at 5GHz.
不要スタブの除去により信号がフィルタ回路に向けて伝搬するようになりました。また、信号がマイクロストリップ線路に湧き出す様子が見られます。The removal of the stab has led to the efficient propagation of the signal to the subsequent filter circuit. Note that it is visible that the signal is springing out from the SMA pin to the microstrip line. (撮影者:菅野 The movie was taken by Kanno)






 ここでは、高周波電界映像の撮像例を紹介します。右のボタンをクリックして下さい。Here, you see some representative LEI movies. Click the butten on the right.

 より高度な撮像結果は論文などで発表しておりますので、そちらを参照ください。また、本ページトップの動画もご参照ください。If you are interested in more sophysitcated LEI movies, please see our publshed papers. Also, the movies on the top of this page are some of the latest.



ライブラリー更新情報&映像ショートカット Library update information and shortcuts to movies.

注意:ライブラリにある動画は数値シミュレーション映像ではありません。実験的に撮像された映像です。
Note: The movies in the library are "not" results of numerical simulations. Those are experimental.













  1. F. Pockels, Lehrbuch der Kristalloptik, Leipzig: Teubner, 1906.
  2. I. P. Kaminow and R. H. Turner, “Electrooptic light modulators,” Proceedings of the IEEE, Vol. 54, No. 10, pp. 1374-1390, 1966.
  3. J. A. Valdmanis, G. Mourou, and C. W. Gabel, “Picosecond electro-optic sampling system,” Appl. Phys. Lett. Vol. 41, No. 3, pp. 211-212, 1982.
  4. J. A. Valdmanis and G. Mourou, “Subpicosecond electrooptic sampling: principles and applications,” IEEE J. of Quantum Electron., Vol. QE-22, pp. 69-78, 1986.
  5. K. Yang, G. David, J. -G. Took, I. Papapolymerou, L. P. B. Katehi, and J. F. Whitaker, “Electrooptic mapping and finite-element modeling of the near-filed pattern of a microstrip patch antenna,” IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., vol. 48, pp. 288-293, 2000.
  6. T. Ohara, M. Abe, S. Wakana, M. Kishi, and M. Tsuchiya, 1st Japan-Korea Joint Workshop on Microwave Photonics, Osaka, 2000, W2-8, pp. 66-70.
  7. T. Ohara, M. Abe, S. Wakana, M. Kishi, and M. Tsuchiya, “Two-dimensional field mapping of microstrip lines with a band pass filter or a photonic bandgap structure by fiber-optic EO spectrum analyses system,” Technical Digest of Int. Topical Meeting on Microwave Photonics 2000, Oxford, 2000, WE2.17 pp. 210-213.
  8. E. Yamazaki, S. Wakana, H. Park, M. Kishi, and M. Tsuchiya, “High-frequency magneto-optic probe based on BiRIG rotation magnetization,” IEICE Trans. Electron., vol. E86-C, no. 7, pp. 1338-1344, 2003.
  9. M. Iwanami, S. Hoshino, M. Kishi, and M. Tsuchiya, “Magnetic near-field distribution measurements over finite meander circuit patterns by fiber-optic magneto-optic probe,” 2003 IEEE Int. Symp. on Electromagnetic Compatibility, Istanbul, 2003, pp. 347-352.











弊機構小金井本部では電界カメラ実機見学会を開催しています(随時)。


2012.3.16第86回テレコム技術情報セミナー



下の左側写真クリックによりCEATEC JAPAN2009動態展示のTech-On!記事が現れます(Japanese only)
IAGBF 2009CEATEC JAPAN 2009