JPH0830720B2 - 電圧検出装置 - Google Patents

電圧検出装置

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JPH0830720B2
JPH0830720B2 JP62163540A JP16354087A JPH0830720B2 JP H0830720 B2 JPH0830720 B2 JP H0830720B2 JP 62163540 A JP62163540 A JP 62163540A JP 16354087 A JP16354087 A JP 16354087A JP H0830720 B2 JPH0830720 B2 JP H0830720B2
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    • G01R15/241—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption
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    • G01R31/302—Contactless testing
    • G01R31/308—Contactless testing using non-ionising electromagnetic radiation, e.g. optical radiation

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被測定物、例えば電気回路等の所定部分の
電圧を検出するための電圧検出装置に関し、特に被測定
物の所定部分の電圧によって光の偏光状態が変化するこ
とを利用して電圧を検出する型式の電圧検出装置に関す
る。
〔従来の技術〕
従来、電気回路などの被測定物の所定部分の電圧を検
出するのに、種々の電圧検出装置が用いられる。この種
の電圧検出装置としては被測定物の所定部分にプローブ
を接触させて、その部分の電圧を検出する型式のもの、
あるいはプローブを接触させずに所定部分に電子ビーム
を入射させることにより所定部分の電圧を検出する型式
のものなどが知られている。
ところで、当業者間には、構造が複雑でかつ小型の集
積回路のような被測定物の微細な部分の高速に変化する
電圧を、微細な部分の状態に影響を与えず精度良く検出
したいという強い要望がある。
しかしながら、プローブを被測定物の所定部分に接触
させる型式の電圧検出装置では、集積回路等の微細部分
にプローブを直接接触させることが容易でなく、またプ
ローブを接触させることができたとしても、その電圧情
報だけに基づき集積回路の動作を適確に解析するのは困
難であった。さらにプローブを接触させることにより集
積回路内の動作状態が変化するという問題があった。
また電子ビームを用いる型式の電圧検出装置では、プ
ローブを被測定物に接触させずに電圧を検出することが
できるものの、測定されるべき部分が真空中に置かれか
つ露出されているものに限られ、また電子ビームにより
測定されるべき部分を損傷するという問題があった。
さらに従来の電圧検出装置では、検出器の動作速度が
高速の電圧変化に追従できず、集積回路等の高速に変化
する電圧を精度良く検出することができないという問題
があった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
このような問題点を解決するために、本願の出願人に
よる「電圧検出装置」の名称の昭和62年５月30日付の特
許出願に記載されているような被測定物の所定部分の電
圧によって光ビームの偏光状態が変化することを利用し
て電圧を検出する型式の電圧検出装置が開発された。
第７図は、光ビームの偏光状態が被測定物の所定部分
の電圧によって変化することを利用して被測定物の電圧
を検出する型式の電圧検出装置の構成図である。
第７図において電圧検出装置50は、光プローブ52と、
例えばレーザダイオードによる直流光源53と、直流光源
53から出力される光ビームを集光レンズ60を介して光プ
ローブ52に案内する光ファイバ51と、光プローブ52から
の参照光をコリメータ90を介して光電変換素子55に案内
する光ファイバ92と、光プローブ52からの出射光をコリ
メータ91を介して光電変換素子58に案内する光ファイバ
93と、光電変換素子55,58からの光電変換された電気信
号を比較する比較回路61とから構成されている。
光プローブ52には、電気光学材料62、例えば光学的一
軸性結晶のタンタル酸リチウム（LiTaO3）が収容されて
おり、電気光学材料62の先端部63は、截頭円錐形状に加
工されている。光プローブ52の外周部には、導電性電極
64が設けられ、また先端部63には金属薄膜あるいは誘電
体多層膜の反射鏡65が被着されている。
光プローブ52内にはさらに、コリメータ94と、集光レ
ンズ95,96と、コリメータ94からの光ビームから所定の
偏光成分をもつ光ビームだけを抽出する偏光子54と、偏
光子54からの所定の偏光成分をもつ光ビームを参照光と
入射光とに分割する一方、電気光学材料62からの出射光
を検光子57に入射させるビームスプリッタ56とが設けら
れている。なお参照光、出射光は、それぞれ集光レンズ
95,96を介して光ファイバ92,93に出力されるようになっ
ている。
このような構成の電圧検出装置50では、検出に際し
て、光プローブ52の外周部に設けられた導電性電極64を
例えば接地電位に保持しておく。次いで、光プローブ52
の先端部63を被測定物、例えば集積回路（図示せず）に
接近させる。これにより、光プローブ52の電気光学材料
62の先端部63の屈折率が変化する。より詳しくは、光学
的一軸性結晶などにおいて、常光の屈折率と異常光の屈
折率との差が変化する。
光源53から出力された光ビームは、集光レンズ60,光
ファイバ51を介して光プローブ52のコリメータ94に入射
し、さらに偏光子54により所定の偏光成分の強度Ｉの光
ビームとなって、ビームスプリッタ56を介して光プロー
ブ52の電気光学材料62に入射する。なおビームスプリッ
タ56により分割された参照光、入射光の強度はそれぞれ
I/2となる。電気光学材料62の先端部63の屈折率は上述
のように被測定物の電圧により変化するので、電気光学
材料62に入射した入射光は先端部63のところでその偏光
状態が屈折率変化に依存して変化し反射鏡65に達し、反
射鏡65で反射され、電気光学材料62から出射光として再
びビームスプリッタ56に向かう。電気光学材料62の先端
部63の長さをｌとすると、入射光の偏光状態は電圧によ
る常光と異常光との屈折率差および長さ2lに比例して変
化する。ビームスプリッタ56に戻された出射光は、検光
子57に入射する。なお検光子57に入射する出射光の強度
は、ビームスプリッタ56によりI/4となっている。検光
子57が例えば偏光子54の偏光成分と直交する偏光成分の
光ビームだけを通過させるように構成されているとする
と、偏光状態が変化して検光子57に入射する強度I/4の
出射光は、検光子57により、強度が（I/4）sin2〔（π/
2）・V/V0〕となって光電変換素子58に加わることにな
る。ここでＶは被測定物の電圧、V0は半波長電圧であ
る。
比較回路61では、光電変換素子55において光電変換さ
れた参照光の強度I/2と、光電変換素子58において光電
変換された出射光の強度（I/4）・sin2〔（π/2）V/
V0〕とが比較される。
出射光の強度（I/4）・sin2〔（π/2）V/V0〕は、電
圧変化に伴なう電気光学材料62の先端部63の屈折率の変
化によって変わるので、これに基づいて被測定物、例え
ば集積回路の所定部分の電圧を検出することができる。
このように第７図に示す電圧検出装置50では、光プロ
ーブ52の先端部63を被測定物に接近させることで変化す
る電気光学材料62の先端部63の屈折率の変化に基づき、
被測定物の所定部分の電圧を検出するようにしているの
で、特に接触させることが困難で、また接触させること
により被測定電圧に影響を与えるような集積回路の微細
部分などの電圧を、光プローブ52を接触させることなく
検出することができる。
しかしながら、第７図に示す電圧検出装置50では、被
測定物の１箇所の部分の電圧しか検出することができ
ず、このため被測定物の複数箇所の部分の電圧を同時に
検出して、一次元的あるいは二次元的な電圧情報を得る
ことができないという問題があった。
本発明は、被測定物の複数箇所の部分の電圧を同時に
検出して被測定物の一次元的あるいは二次元的な電圧情
報を得ることの可能な電圧検出装置を提供することを目
的としている。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、被測定物の所定部分の電圧によって屈折率
が変化する電気光学材料を用いた型式の電圧検出装置に
おいて、所定の偏光成分をもつ光ビームが平行光として
入射する電気光学材料と、電気光学材料からの出射光か
ら所定の偏光成分をもつ出射光のみを取出してそれぞれ
ライン状または平面状の配列で並列的に光電検出器に入
射させる案内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しよう
とするものである。
〔作用〕
本発明では、被測定物の複数箇所の電圧を同時に検出
するために、電気光学材料に所定の偏光成分をもつ光ビ
ームを平行光として入射させる。電気光学材料は被測定
物の対応した箇所の電圧とスペーサの接地電位との電位
差により屈折率が変化し、これにより平行光の偏光状態
はそれぞれ変化する。このようにして偏光状態の変化し
た光ビームすなわち平行光は、複数の電気光学材料から
それぞれ出射光として反射され、さらに出射光のうちで
所定の偏光成分をもつ出射光のみが取出されて、ライン
状または平面状の配列で並列的に光電検出器、例えばス
トリークカメラに加えられる。ストリークカメラではラ
イン状の配列で並列的に加えられた各出射光の強度の時
間的変化を空間的画像に変換する。これによって、被測
定物の複数箇所の電圧を同時に検出することができる。
〔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第１の実施例の
構成図である。
第１図の電圧検出装置１は、被測定物の一次元的な部
分すなわちライン状部分の電圧を同時に検出するように
なっている。すなわち、電圧検出装置１は、光ビームを
出力する光源２と、光源２からの光ビームを平行光にす
るビームエキスパンダ19と、ビームエキスパンダ19から
の平行光をライン状に集光させるシリンドリカルレンズ
３と、電気光学材料が一次元的に配列された光プローブ
４と、シリンドリカルレンズ３からのライン状の平行光
を光プローブ４に入射光として向かわせるとともに光プ
ローブ４からのライン状の出射光を分割してシリンドリ
カルレンズ５に向かわせる偏光ビームスプリッタ６と、
シリンドリカルレンズ５からの出射光が入射するストリ
ークカメラ８とを備えている。
光プローブ４内の一次元的に配列された電気光学材料
9-1乃至9-nは導電性金属からなるスペーサ10-1乃至10-n
によって互いに隔てられている。
これらのスペーサ10-1乃至10-nは一体のものであり、
使用に際して同じ電位、例えば接地電位が加えられる。
電気光学材料9-1乃至9-nの先端部にはスペーサ10-1乃至
10-nが設けられておらず、各先端部は、被測定物のライ
ン状部分の各電圧とスペーサ10-1乃至10-nの電位との電
位差により屈折率が変化するようになっている。
なお電気光学材料9-1乃至9-nをスペーサ10-1乃至10-n
によって分離し互いに隔てるのでなく、第２図に示すよ
うに、光プローブ４′の先端に１つの電気光学材料９′
を設ける構成にしても良い。以下では、適宜上第１図に
示すように電気光学材料9-1乃至9-nが分離されているも
のとして説明する。
またストリークカメラ８は、第１図および第４図に示
すように、シリンドリカルレンズ５からの出射光が入射
するスリット16と、スリット16からの出射光がレンズ７
を介してライン状に入射する光電面11と、光電面11によ
り光電変換されたライン状の電子ビームを横方向に偏向
する一対の偏向電極12と、偏向された電子ビームを増倍
するマイクロチャンネルプレート13と、マイクロチャン
ネルプレート13からの電子ビームが入射する螢光面14と
を備えている。このストリークカメラ８では偏向電極12
に例えば所定の鋸歯状波電圧を加えることにより、光電
面11に時系列で入射するライン状の各出射光の強度を螢
光面14上で空間的な光強度分布にすなわち横方向の座標
に沿った空間的画像15-1乃至15-nに変換するようになっ
ている。なお、第１図および第４図では、マイクロチャ
ンネルプレート13と螢光面14とが分離されて示されてい
るが、これらは通常互いに接合したものとなっている。
またレンズ７は円筒形状に示されているが、通常は円筒
形のものとはなっていない。また、上述の例ではスリッ
ト16にシリンドリカルレンズ５からの出射光を直接入射
させているが、第３図に示すように、偏光ビームスプリ
ッタ６からのライン状の出射光のそれぞれに対応させて
集光レンズ17-1乃至17-nを設け、これらの集光レンズ17
-1乃至17-nでライン状の出射光を集光させ、光ファイバ
アレイ18-1乃至18-nを介してスリット16に入射させても
良い。
このような構成の電圧検出装置１では、光源２から出
力される光ビームをビームエキスパンダ19によって平行
光に変換し、この平行光をシリンドリカルレンズ3,偏光
ビームスプリッタ６を介して、光プローブ４にライン状
の入射光として入射する。この際、ライン状の入射光
は、偏光ビームスプリッタ６により所定の偏光成分をも
つものとなっている。光プローブ４に入射したライン状
の入射光は、光プローブ４内の各電気光学材料9-1乃至9
-n内を進み、スペーサ10-1乃至10-nの設けられていない
先端部に入射する。これらの先端部は、その直下の被測
定物の部分の電圧に対応した屈折率変化が生じているの
で、各電気光学材料9-1乃至9-nの先端部に入射した入射
光はそれぞれの偏光状態が各先端部の屈折率変化に応じ
て変化する。偏光状態が変化したそれぞれの入射光は、
反射され出射光として再び偏光ビームスプリッタ６に戻
り偏光ビームスプリッタ６で分割され所定の偏光状態の
出射光だけが抽出されてシリンドリカルレンズ5,スリッ
ト16,レンズ７を介して、ストリークカメラ８の光電面1
1にライン状に並列的に入射する。あるいは前述のよう
に、出射光の各々に対応させて集光レンズ17-1乃至17-n
を設け、これらの集光レンズ17-1乃至17-nで集光された
出射光を光ファイバアレイ18-1乃至18-nを介してスリッ
ト16に入射させても良い。
光電面11に入射したライン状の出射光は、光電面11で
光電変換されてライン状の電子ビームとなって偏向電極
12に進み、偏向電極12で横方向に走査されてマイクロチ
ャンネルプレート13を介して螢光面14上でそれぞれ横方
向の空間的画像に変換される。第４図からわかるよう
に、光プローブ４の電気光学材料9-1,9-2,9-3,……,9-n
からの出射光はそれぞれ、螢光面14上で空間的画像15-
1,15-2,15-3,……,15-nに変換されることになる。
このようにして被測定物のライン状部分の電圧の時間
的変化を空間的画像に変換した形で同時に検出すること
ができる。
第５図は本発明に係る電圧検出装置の第２の実施例の
構成図である。
第５図の電圧検出装置20は、被測定物の二次元的な部
分の電圧を同時に検出するようになっている。すなわち
電圧検出装置20は、二次元的な光ビームを出力する光源
21と、光源21からの二次元的な光ビームを平行光に変換
するビームエキスパンダ35と、電気光学材料が二次元的
に配列されている光プローブ23と、ビームエキスパンダ
35からの二次元的な平行光を光プローブ23に入射光とし
て向かわせるとともに、光プローブ23からの二次元的な
出射光を分割して複数の集光レンズ24-1乃至24-mに向か
わせる偏光ビームスプリッタ22と、集光レンズ24-1乃至
24-mからの出射光が入射するストリークカメラ27とを備
えている。
光源21は、例えば二次元的に配列された複数のレーザ
ダイオードからなっている。また光プローブ23内の二次
元的（ｎ×ｍ）に配列された電気光学材料28-11乃至28-
mnは、格子状に配置された導電性金属からなるスペーサ
29によって互いに隔てられている。使用に際して、スペ
ーサ29は例えば接地電位に保持されている。電気光学材
料28-11乃至28-mnの先端部にはスペーサ29が設けられて
おらず、各先端部は被測定物の二次元的な部分の各電圧
とスペーサ29の電位との電位差により屈折率が変化する
ようになっている。なお第２図に示したと同様に、電気
光学材料28-11乃至28-mnをスペーサ29によって分離せ
ず、１つの電気光学材料にしても良い。
また集光レンズ24-1は、電気光学材料28-11乃至28-1n
からの出射光をノード30-11乃至30-1nに集光し、集光レ
ンズ24-mは、電気光学材料28-m1乃至28-mnからの出射光
をノード30-m1乃至30-mnに集光するように構成されてい
る。各ノード30-11乃至30-1n,30-21乃至30-2n,……,30-
m1乃至30-mnに集光された出射光はそれぞれ光ファイバ3
2-11乃至32-1n,32-21乃至32-2n,……,32-m1乃至32-mnに
よってスリット25の位置31-11乃至31-1n,31-21乃至31-2
n,……31-m1乃至31-mnに案内されるようになっている。
ストリークカメラ27は、第１図のストリークカメラ８と
全く同様な構成となっている。
このような構成の電圧検出装置20では第１図の電圧検
出装置１と同様に、電気光学材料28-11乃至28-mnからの
出射光がストリークカメラのスリット25にライン状にか
つ並列的に入射しストリークカメラ27の螢光面34上で空
間的画像33-11乃至33-mnとして再生される（第６図参
照）。これにより、被測定物の二次元的な部分の電圧の
時間的変化を空間的画像に変換した形で同時に検出する
ことができる。
なお第１図および第５図では光プローブ4,20に電気光
学材料、スペーサだけが配置されているが、シリンドリ
カルレンズ3,5,集光レンズ24-1乃至24-m,偏光ビームス
プリッタ6,22をも光プローブ4,20内に配置しても良い。
また上述の実施例では、ストリークカメラを用いた場
合について説明したが、本発明はこれに限定されるもの
でなく、例えば光ファイバアレイ18-1乃至18-nをそれぞ
れアバランシェフォトダイオードやpinフォトダイオー
ドなどの高速応答検出器に導いても良い。また直流光と
高速応答検出器との組合せに限らず、例えば短パルス光
とCCDカメラあるいは複数のフォトダイオードとを組合
せて、サンプリングを行なうことにより被測定物の所定
部分の電圧を検出するようにしても良い。
さらに上述の実施例において光プローブ4,20は、この
内壁に入射する光ビームの散乱を防止するため黒塗りさ
れているのが良い。
〔発明の効果〕
以上に説明したように、本発明によれば、電気光学材
料に所定の偏光成分をもつ平行光を入射させ、電気光学
材料からの出射光から所定の偏光成分をもつ出射光のみ
を取出して、それぞれライン状あるいは平面状の配列で
並列的に光電検出器に入射させているので、光電検出器
において被測定物の複数箇所の部分の電圧を同時に検出
することができて、被測定物の一次元的あるいは二次元
的な電圧情報を容易に得ることができる。
【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第１の実施例の構
成図、第２図は光プローブの変形例を示す図、第３図は
ストリークカメラへの出射光の案内手段として集光レン
ズと光ファイバとを用いた状態を示す図、第４図はスト
リークカメラの概略斜視図、第５図は本発明に係る電圧
検出装置の第２の実施例の構成図、第６図は第５図に示
すストリークカメラの螢光面上の空間的画像を示す図、
第７図は従来の電圧検出装置の構成図である。 1,20……電圧検出装置、2,21……光源、4,23……光プロ
ーブ、6,22……偏光ビームスプリッタ、8,27……ストリ
ークカメラ、9-1乃至9-n,28-11乃至28-mn……電気光学
材料、10-1乃至10-n,29……スペーサ

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】被測定物の所定部分の電圧によって屈折率
    が変化する電気光学材料を用いた型式の電圧検出装置に
    おいて、所定の偏光成分をもつ光ビームが入射するライ
    ン状の電気光学材料と、ライン状の電気光学材料からの
    出射光から所定の偏光成分をもつ出射光のみを取出し
    て、光電検出器に入射させる案内手段とを備えているこ
    とを特徴とする電圧検出装置。
  2. 【請求項２】前記光ビームは、直流光であり、前記光電
    検出器は、高速応答検出器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。
  3. 【請求項３】前記高速応答検出器は、ストリークカメラ
    であることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の
    電圧検出装置。
  4. 【請求項４】前記高速応答検出器は、複数のアバランシ
    ェフォトダイオードからなることを特徴とする特許請求
    の範囲第２項に記載の電圧検出装置。
  5. 【請求項５】前記高速応答検出器は、複数のpinフォト
    ダイオードからなることを特徴とする特許請求の範囲第
    ２項に記載の電圧検出装置。
  6. 【請求項６】前記光ビームは、パルス光であり、前記光
    電検出器はCCDカメラあるいは複数のフォトダイオード
    からなっており、サンプリングを行なうことにより被測
    定物の所定部分の電圧を検出す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。
  7. 【請求項７】被測定物の所定部分の電圧によって屈折率
    が変化する電気光学材料を用いた型式の電圧検出装置に
    おいて、所定の偏光成分をもちかつ二次元的拡がりをも
    つ光ビームが入射する二次元的に配列された複数の電気
    光学材料と、前記二次元的に配列された複数の電気光学
    材料からの各出射光から所定の偏光成分をもつ出射光の
    みを取出して、光電検出器に入射させる案内手段とを備
    えていることを特徴とする電圧検出装置。
  8. 【請求項８】前記光ビームは、直流光であり、前記光電
    検出器は、高速応答検出器であることを特徴とする特許
    請求の範囲第７項に記載の電圧検出装置。
  9. 【請求項９】前記高速応答検出器は、ストリークカメラ
    であることを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の
    電圧検出装置。
  10. 【請求項１０】前記高速応答検出器は、複数のアバラン
    シェフォトダイオードからなることを特徴とする特許請
    求の範囲第８項に記載の電圧検出装置。
  11. 【請求項１１】前記高速応答検出器は、複数のpinフォ
    トダイオードからなることを特徴とする特許請求の範囲
    第８項に記載の電圧検出装置。
  12. 【請求項１２】前記光ビームは、パルス光であり、前記
    光電検出器はCCDカメラあるいは複数のフォトダイオー
    ドからなっており、サンプリングを行なうことにより被
    測定物の所定部分の電圧を検出す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７項に記載の電圧検出
    装置。
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