ライトチョッパとロックインアンプの使い方

質問

私は大学の研究で、光電効果の原理からレーザーを用いて光電子電流の測定を行う予定です。
そこで質問なのですが、過去の先輩の論文を読んだところ、測定の際、400nmのレーザーをチョッピング周波数200Ｈｚでライトチョッパに通すと書いてあったのですが、なぜ200Ｈｚなのでしょうか？また、レーザーを通す際にライトチョッパを通す理由は何ですか？ライトチョッパを通さずに金属板にレーザーを直接照射させてはダメなのでしょうか？

また、光電子電流波形は位相‐180度から180度を横軸の値として取っていましたが、なぜ横軸が位相になるのでしょうか？
ロックインアンプと関係しているのでしょうか？
知らないことばかりで申し訳ないのですが、教えてください。
文献等で調べてみたのですがさっぱりわかりません。
どなたか教えてください。よろしくお願いします。

回答No.4

dahho

一般的に光の実験でチョッパを使う理由は、信号が小さくてノイズが大きい、S/N比が小さいときです。
チョッパ無しだと、ノイズまみれで非常に汚い結果になると思います。

ノイズが多いときに一番簡単な方法は平均することですが、これは周波数0Hzでロックインアンプを使っているのと同じことです。
ノイズは1/fとかの周波数依存性があるので、周波数fが高いほどノイズが少なくなります。
なので0Hzより200Hzのほうがノイズが少なく測定できます。
しかし、チョッピング周波数を高くしすぎて、検出器（測定系）の応答速度を超えてしまうと、信号が弱くなってしまいますので、ほどほどの周波数にする必要があります。

もし応答速度が5msならその逆数の200Hz程度のときに、S/N比が最も良くなると予想できます。
もっとも、計測器のレンジとかその他の技術的な理由で200Hzにしている可能性も考えられますけど。

回答No.3

tance

補足を受けて、再度tanceです。

ロックインアンプを使いたいために信号を交流にする、というのは多分逆でしょう。もし、単に交流であれば良いだけなら、メカニカルチョッパなんか使わずに得られた信号（直流を含む）を電気的にチョッピングすれば済みます。この方がはるかに高速にチョッピングできますが、おそらく、電気的チョッピングではもともとの目的には叶わないだろうと思います。

ストーリーは多分こうです。
●信号が小さい。
●アンプのドリフトが無視できない。
●だから光の段階でチョッピングする。
●光でチョッピングすればアンプが高精度に行える。
●アンプしたあと、元の信号に戻す必要がある。
●そこでもS/Nを良くするためにロックインアンプを使おう。（S/Nがどうでも良ければ単にAC-DC変換（検波）で済む）
●ロックインアンプを使ったので参照信号の位相調整が必要。

回路全体の目的が不明なので、上記は一般的なストーリーです。

回答No.2

中村 拓男（@tknakamuri）

ロックインアンプで同期検波するわけでしょう？

だとすれば、チョッパがなぜ必要かは自明です。

まず、ロックインアンプとは何なのかを学習してみてください。
そうすればこんな頓珍漢な質問はせずにすみます。

お礼

ありがとうございました。

回答No.1

tance

どんな状態の光を測るのか解りませんが、メカニカルチョッパを使うということは相当暗いのでしょう。
光電子増倍管（フォトマル）なのか半導体ダイオードなのかも解りませんが、光のセンサからの信号が非常に小さい場合、アンプの入力オフセット電圧やそのドリフトが無視できず、出力を見ていても光電流なのかアンプの誤差なのかの区別がつきません。
そこで、光自体をメカニカルにチョッピングすれば、いわゆる「点いたり消えたり」という信号になるので、光の強さはその振幅という交流信号として扱えます。交流ならオフセット誤差は小さくできます。

200Hzという周波数は必要な信号帯域（光の変化をどのくらいの時間分解能で測りたいか）から決まっていると思います。メカですからあまり高速動作は好ましくなく、羽を回したり、音叉のようなものでブレードを往復させたりするので、数100Hzというのは上限に近いと思います。

横軸が位相なのは、おそらく、チョッパ（シャッタ）の開閉と同期して信号を取り出すため（つまりロックインアンプ）チョッピング信号の位相が重要だからだと思います。チョッパの開閉を検知するセンサがあると思いますが、それの位置と実際の光信号の位置が同じではないと思われますので、何らかの位相調整をしないと、同期検波の効率が悪くなります。そのためチョッピング信号（参照信号）の位相を変えて、効率の良いところ、または極性の都合の良いところを探したのだろうと思います。

仮定だらけなので、確固たる答えにはなっていませんが、当たらずとも遠からずではないかと思います。

補足

詳しい回答をして頂きどうもありがとうございます。光源は半導体レーザーで波長は405nmです。
ライトチョッパに関してですが、ロックインアンプは交流信号を入力させる必要があるためにチョッピングをし人工的に周期的な信号、つまり交流信号に変えるという解釈でよろしいでしょうか？

横軸が位相についてですが、素人にもわかるように説明するにはどうしたらよいでしょうか・・・？
面接を控えていて困っています。
回答の方よろしくお願い致します。