DE3877827T2

DE3877827T2 - Spannungsdetektor.

Info

Publication number: DE3877827T2
Application number: DE8888108542T
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Aoshima; Yutaka Tsuchiya
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1987-05-30
Filing date: 1988-05-27
Publication date: 1993-05-19
Anticipated expiration: 2008-05-28
Also published as: JPH0695109B2; US4920310A; JPS63300971A; DE3877827D1; EP0293788A1; EP0293788B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungsdetektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Ein solcher Spannungsdetektor ist aus den Patentzusammenfassungen aus Japan, Band 6, Nr. 41(P106, 919), 13. März 1982 bekannt.
Mit einem solchen Spannungsdetektor ist die in einem ausgewählten Bereich eines zu messenden Objekts wie einer elektrischen Schaltung auftretende Spannung erfaßbar. Dieser Typ von Spannungsdetektor erfaßt eine Spannung durch Verwendung der Änderung in der Lichtpolarisierung, die entsprechend zu einer in einem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts auftretenden Spannung auftritt.
Verschiedene Spannungsdetektoren sind verwendet worden, um die in einem ausgewählten Bereich eines zu messenden Objekts, wie einer elektrischen Schaltung, auftretende Spannung zu erfassen. Bekannte Spannungsdetektoren sind grob in zwei Klassen einteilbar. In einer Klasse wird die Tastsonde in Kontakt mit einem ausgewählten Bereich eines zu messenden Objekts gebracht und die in diesem Bereich auftretende Spannung wird erfaßt. Bei der anderen Klasse ist die Tastsonde nicht in Kontakt mit dem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts und statt dessen wird ein Elektronenstrahl in diesen Bereich eingespeist und auf diese Weise die auftretende Spannung erfaßt. Die Spannung in Bereichen mit feinen Leitungen auf diesen Objekten wie integrierten Schaltungen, die klein und von komplizierter Struktur sind, ändern sich schnell und es besteht ein starkes Bedürfnis in diesem Fachbereich, solch schnell ändernde Spannungen mit hoher Genauigkeit ohne Beeinflußung der Bereiche mit feinen Leitungen zu erfassen. Allerdings wird dieses Bedürfnis von den bekannten Spannungsdetektoren nicht vollständig befriedigt. Mit Einrichtungen des Typs, der die Spannung durch in Kontaktbringen eines ausgewählten Bereichs des zu messenden Objekts mit der Tastsonde mißt, ist es schwierig, einen direkten Kontakt zwischen Tastkopf und Bereich mit feinen Leitungen des interessierenden Objekts, wie einer integrierten Schaltung, zu erreichen. Selbst wenn dies erfolgreich durchgeführt wird, war es schwierig den Betrieb der integrierten Schaltung nur aufgrund der durch den Tastkopf aufgenommenen Spannungsinformation korrekt zu analysieren. Ein weiteres Problem ist, daß der Kontakt durch den Tastkopf eine Veränderung im Betrieb der integrierten Schaltung hervorrufen kann. Spannungsdetektoren des Typs, der einen Elektronenstrahl verwendet, haben den Vorteil, daß sie Spannung erfassen können, ohne den Tastkopf in Kontakt mit dem zu messenden Objekt zu bringen. Allerdings muß der mit solchen Spannungsdetektoren zu messende Bereich im Vakuum angeordnet sein und dessen Oberfläche ist dem Vakuum ausgesetzt. Zusätzlich ist die zu messende Fläche durch die Elektronenstrahlen beschädigbar.
Die bekannten Spannungsdetektoren haben den gemeinsamen Nachteil, daß sie nicht schnell genug arbeiten können, um schnellen Änderungen in der Spannung zu folgen und folglich eine genaue Erfassung von Spannungen, die sich wie in integrierten Schaltungen schnell ändern, nicht möglich ist.
In Anbetracht dieser Schwierigkeit ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. 280498/1986, veröffentlicht am 04. Juni 1988 nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung vorgeschlagen worden, daß eine Spannung durch Verwendung der Polarisation eines Lichtstrahls erfaßbar ist, die sich abhängig von der in dem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts auftretenden Spannung ändert.
Ein Spannungsdetektor, der dieses Prinzip anwendet, ist schematisch in Figur 5 dargestellt. Der im allgemeinen durch 50 bezeichnete Detektor umfaßt die folgenden Bauteile: einen optischen Tastkopf 52, der mit einer optischen Faser 51 verbunden ist; eine Lichtquelle 53 in Form einer Laserdiode; einen Polarisator 54, der den von der Lichtquelle 53 ausgegebenen Lichtstrahl empfängt und nur den Teil durchläßt, der eine vorbestimmte Positionskomponente aufweist; einen Strahlteiler 56, der den vom Polarisator 54 ausgehenden Lichtstrahl in zwei Komponenten aufteilt, von denen eine in den optischen Tastkopf 52 eingespeist wird, während die andere in einen photoelektrischen Wandler 55 eingespeist wird; einen Strahlteiler 59, der das vom Strahlteiler 56 ausgehenden Eingangslicht zu dem optischen Tastkopf 52 umlenkt, während das Eingangslicht vom Tastkopf 52 in einen Analysator 57 und einen photoelektrischen Wandler 58 eingespeist wird; einen Kollimator 60, der zwischen dem Strahlteiler 59 und der optischen Faser 51 angeordnet ist; und einer Vergleichsschaltung 61 zum Vergleich der von den photoelektrischen Wandlern 55 und 58 erzeugten elektrischen Signale.
Der elektrische Tastkopf 52 ist mit einem elektrooptischen Material 62 gefüllt. Dies ist ein optisch einachsiger Kristall beispielsweise aus Lithiumtantalat (LiTaO&sub3;). Die Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62 ist mit einer kegelstumpfförmigen Form ausgebildet. Der optische Tastkopf 52 ist von einer leitfähigen Elektrode 64 umgeben und weist auf seiner Spitze 63 eine Beschichtung mit einem dünnen,metallischen Film 65 auf.
Eine Spannungserfassung mit dem in Figur 5 dargestellten System beginnt mit der Verbindung der leitfähigen Elektrode 64 auf dem Umfang des optischen Tastkopfes 52 mit einem vorbestimmtes Potential, beispielsweise Erdpotential. Dann wird die Spitze 63 des Tastkopf 52 nahe an das zu messende Objekt, wie eine integrierte Schaltung (nicht dargestellt), herangebracht. Auf diese Weise nimmt der dünnemetallische Film 65, der auf der Spitze 63 aufgetragen ist, ein bestimmtes Potential in Abhängigkeit einer in den zu messenden Objekt auftretenden Spannung an. Die Differenz zwischen dem Potential des dünnen, metallischen Films 65 und dem Erdpotential, an dein die leitfähige Elektrode 64 angeschlossen ist, verursacht eine Änderung des Brechnungsindex der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62. Genauer ausgedrückt, wird die Differenz zwischen den Brechungsindizes für den gewöhnlichen Strahl und den außergewöhnlichen Strahl in einer Ebene senkrecht zur Lichtfortpflanzungsrichtung in dem optisch einachsigen Kristall geändert.
Der von der Lichtquelle 53 ausgegebene Lichtstrahl wird durch den Polarisator 54 polarisiert und eine vorbestimmte Polarisationskomponente mit Intensität I wird in das elektrooptische Material 62 im optischen Tastkopf 52 über Strahlteiler 56, 59, Kollimator 60 und optische Faser 51 eingespeist. Durch Aufteilen durch den Strahlteiler 56 erzeugtes Referenzlicht weist eine Intensität von I/2 auf und das in das elektrooptische Material 62 nach Aufteilen mit den Strahlteilern 56 und 59 eingespeiste Licht weist eine Intensität von I/4 auf. Wie schon gesagt, ändert sich der Brechungsindex der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62 mit dem Potential des dünnen, metallischen Films 65, so daß das in das elektrooptische Material 62 eingespeiste Eingangslicht einer Änderung seines Polarisationszustands an der Spitze 63 unterworfen ist in Abhängigkeit zur Änderung des Brechungsindex des letzteren. Das Licht wird vom dünnen, metallischen Film 65 reflektiert und durchläuft nochmals das elektrooptische Material 62, aus dem es austritt dem die optische Faser 51 durchläuft. Wenn die Länge der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62 gleich l ist, wird sich der Polarisationszustand des in das Material eingespeisten Eingangslichts proportional zur Differenz zwischen den Brechungsindizes für gewöhnlichen Strahl und außergewöhnlichen Strahl und zur Länge 21 ändern. Das in die optische Faser 51 zurückgekehrte Ausgangslicht tritt durch den Kollimator 60 und Strahlteiler 59 und fällt auf den Analysator 57. Die Intensität des in den Analysator 57 eintretenden Ausgangslicht ist auf 1/8 als Ergebnis einer Aufteilung mit dem Strahlteiler 59 verkleinert worden. Ist der Analysator 57 in einer solchen Weise ausgebildet, daß er nur einen Ausgangslichtstrahl mit einer Polarisationskomponente senkrecht zu der durch den Polarisator 54 ausgeblendeten durchläßt, ist die Intensität des Ausgangslicht, das dem Analysator 57 nach einer Änderung des Polarisationszustands zugeführt wird, von I/8 auf (I/8)sin² [(π/2)V/V&sub0;] im Analysator 57 geändert, bevor es weiter zum photoelektrischen Wandler 58 geführt wird. In der die Intensität des vom Analysator 57 austretenden Ausgangslichts ausdrückenden Formel ist V die in einem ausgewälten Bereich des zu messenden Objekts auftretende Spannung und V&sub0; ist eine Halbwellen- Spannung.
In der Vergleichsschaltung 61 wird die Intensität des vom photoelektrischen Wandler 55 erzeugten Referenzlichts, oder I/2, mit der von dem anderen photoelektrischen Wandler 58 erzeugten Ausgangslichts oder (I/8)sin² [(π/2)V/V&sub0;] verglichen.
Die Intensität des Ausgangslichts, oder (I/8)sin² [(π/2)V/V&sub0;], variiert mit der Änderung des Brechungsindex der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62, die als Ergebnis der Änderung dem Potential des auf der Spitze 63 der optischen Tastsonde 52 aufgetragene dünnen, metallischen Schicht 65 auftritt. Deshalb kann diese Intensität als Grundlage zum Erfassen des Potentials der dünnen, metallischen Schicht 65 oder der in dem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts, beispielsweise einer integrierten Schaltung, auftretenden Spannung verwendet werden.
Wie oben beschrieben, wird bei Verwendung des Spannungsdetektors 50 aus Figur 5 die Spitze 63 der optischen Tastsonde 52 in engen Kontakt mit dem zu messenden Objekt gebracht und die resultierende Änderung im Brechungsindex der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62 wird als Basis zum Erfassen der in dem ausgewählten Bereich des interessierenden Objekts auftretenden Spannung verwendet. Deshalb kann die in Bereichen mit feinen Linien eines kleinen und komplizierten Objekts, wie einer integrierten Schaltung, auftretende Spannung, wobei die Bereiche durch eine Tastsonde schwierig zu kontaktieren oder wobei diese nicht kontaktiert werden können, ohne die zu messende Spannung zu beeinflußen, durch den Detektor 50 effektiv erfaßt werden, ohne den optischen Tastkopf 52 in Kontakt mit solchen Abschnitten mit feinen Leitungen zu bringen.
Allerdings treten bei den Spannungsdetektor 50 eigene Probleme auf. Zuerst ändert sich der Polarisationszustand eines vom Polarisator 54 ausgegebenen Lichtstrahl beim Durchtritt durch die optische Faser und daher enthält das in das elektrooptische Material 62 eingespeiste Eingangslicht eine Polarisationskomponente zusätzlich zur linear polarisierten Komponente, die vom Polarisator 54 ausgeblendet wurde. Zweitens ist der Polarisationszustand des vom elektrooptischen Materials 62 austretenden Ausgangslichts, nachdem es vom dünnen, metallischen Film 65 reflektiert wurde, auch verzerrt, da es durch die optische Faser 51 hindurchtritt und das in den Analysator 57 eintretende Ausgangslicht eine Polarisationskomponente enthält, die für Spannungserfassungszwecke unerwünscht ist.
Aus den obigen Gründen ist es schwierig, in dem Analysator 57 und dem photoelektrischen Wandler 58 die Polarisationskomponenten auszublenden, die allein von der Veränderung im Polarisationszustand abhängig ist, die in dem elektrooptischen Material 52 in der optischen Tastsonde 52 aufgetreten ist. Diese Schwierigkeit hat die durch das in Figur 5 dargestellte System erreichbare Erfassungsgenauigkeit vermindert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Spannungsdetektor bereitzustellen, der die in einen zu messenen Objekt auftretende Spannung mit einer hohen Genauigkeit bestimmt.
Beim erfindungsgemäßen Spannungsdetektor wird ein von der Lichtquelle ausgegebener Lichtstrahl in die Aufteil- und Ausblendeinrichtung über eine Führungseinrichtung eingespeist. Die Aufteil- und Ausblendeinrichtung blendet selektiv einen Lichtstrahl mit vorbestimmter Polarisationskomponente von dem von der Führungseinrichtung ausgegebenen Lichtstrahl aus. Dadurch wird der Lichtstrahl in ein Referenzlicht und ein in das elektrooptische Material einzuspeisendes Eingangslicht aufgeteilt. Das Eingangslicht mit vorbestimmter Polarisationskomponente, das durch die Aufteil- und Ausblendeinrichtung ausgeblendet wurde, wird direkt in das elektrooptische Material ohne Führen durch eine Führungseinrichtung wie eine optische Faser eingespeist. Daher ist der Polarisationszustand des in das elektrooptische Material eingespeisten Lichts im wesentlichen dergleiche wie des von der Aufteil- und Ausblendeinrichtung ausgeblendeten Lichts. Das in das elektrooptische Material eingespeiste Licht pflanzt sich durch das Material fort, dessen Brechungsindex sich abhängig zu der in einem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts auftretenden Spannung geändert hat. Danach wird das Licht von der Spitze des elektrooptischen Materials reflektiert, pflanzt sich entlang eines Umkehrpfades fort und tritt aus dem Material aus. Der Polarisationszustand des von dem elektrooptischen Material austretenden Ausgangslicht hat sich als Ergebnis der Änderung des Brechungsindex des Materials geändert. Das von dem elektrooptischen Material austretende Ausgangslicht tritt direkt in die Aufteil- und Ausblendeinrichtung ohne Passieren eines Führungseinrichtung wie einer optischen Faser ein, so daß der Polarisationszustand des die Aufteil- und Ausblendeinrichtung eintretenden Ausgangslichts im wesentlichen dergleiche ist wie der des gerade vom elektrooptischen Material ausgebene Lichts ist.
Als Ergebnis ist die Differenz zwischen dem Polarisationszustand des von der Aufteil- und Ausblendeinrichtung in das elektrooptische Material eingespeisten Lichts und der Polarisationszustand des von dem elektrooptischen Material austretenden Ausgangslichts, welches in die Aufteil- und Ausblendeinrichtung eintritt, nahezu exakt korrespondierend zur Größe der Änderung im Polarisationszustand, die in dem elektrooptischen Material stattgefunden hat. Diese Größe der Änderung im Polarisationszustand kennzeichnet die Amplitude der in einem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts auftretenden Spannung, so daß man diese Spannung erfassen kann, indem Ausgangslicht mit einer vorbestimmten Polarisationskomponente durch die Aufteil- und Ausblendeinrichtung extrahiert wird, dann die Intensität des extrahierten Lichts wie auch die des Referenzlichts bestimmt wird, und schließlich die bestimmten Intensitäten der beiden Arten Licht in eine Erfassungseinrichtung eingespeist werden. Falls erwünscht kann eine Laserdiode als Lichtquelle verwendet werden, die einen Lichtstrahl mit einer kleinen Pulsbreite erzeugt. Ebenfalls kann ein photoelektrischer Wandler als Erfassungseinrichtung verwendet werden. Dadurch sind schnelle Änderungen in der auf dem zu messenden Objekt auftretenden Spannung mit extrem kurzen Zeitintervallen abtastbar. Schnelle Änderungen in der auf dem interessierenden Objekt auftretenden Spannung können mit einer sehr hohen Zeitauflösung durch Verwendung eines CW(Continours Wave, ungedämpfte Welle )-Lichtquelle und eines Detektors mit hoher Ansprechgeschwindigkeit, wie einer Streifenkamera, gemessen werden. Beide Verfahren sind verwendbar zur genauen Erfassung von schnellen Änderungen der Spannung.
Im folgenden werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der in der Zeichnung beigefügten Figuren näher erläutert und beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 ein Diagramm zur Darstellung der Zusammensetzung eines Spannungsdetektors einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 ein schematisches Diagramm einer Streifenkamera;
Figur 3 ein Diagramm zur Darstellung einer Abwandlung des in Figur 1 dargestellten Spannungsdetektors;
Figur 4 ein Diagramm zur Darstellung einer weiteren Abwandlung des in Figur 1 dargestellten Spannungsdetektors; und
Figur 5 ein Diagramm zur Zusammensetzung eines Spannungsdetektors, der in der japanischen Patentanmeldung Nr. 280498/1986 vorgeschlagen worden ist.
In Figur 1 ist ein Diagramm zur Darstellung der Zusammensetzung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannungsdetektors dargestellt.
Der Spannungsdetektor wird in Figur 1 allgemein mit 1 bezeichnet und weist zusätzlich die folgenden Bauelemente im optischen Tastkopf 2 auf: einen Kollimator 3; Kondensoren 4 und 5; einen Polarisator 6, der selektiv einen Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Polarisationskomponente von dem vom Kollimator 3 ausgegebenen Lichtstrahl extrahiert; einen Strahlteiler 7, der den vom Polarisator 6 kommenden polarisierten Lichtstrahl in zwei Komponenten aufteilt, von denen eine als Eingangslicht auf ein elektrooptisches Material 62 gerichtet ist und der andere als Referenzlicht auf den Kondensor 4 gerichtet ist; einen Strahlteiler 8, der das vom elektrooptischen Material austretende Ausgangslicht aufteilt; und einen Analysator 9, der selektiv von dem abgeteilten Ausgangslicht eine vorbestimmte Polarisationskomponente extrahiert und diese in einen Kondensor 5 einspeist.
Ein von einer Lichtquelle 53 ausgebener Lichtstrahl tritt durch ein Kondensor 10 und eine optische Faser 13 hindurch und wird den Kollimator 3 in dem optischen Tastkopf 2 parallel gerichtet, bevor er zum Polarisator 6 geführt wird. Das Referenzlicht vom Kondensor 4 im Tastkopf 2 und das Ausgangslicht vom Kondensor 5 pflanzen sich die optische Fasern 14 und 15 entsprechend fort und werden auf einen Schlitz 41 ener Streifenkamera 11 gemäß Figur 2 projiziert.
Der Aufbau der Streifenkamera 11 ist in Figur 2 dargestellt und umfaßt die folgenden Teile: einen Schlitz 41, auf den das Referenzlicht und das Ausgangslicht projiziert werden, die durch die optischen Fasern 14 und 15 herangeführt werden; einen Kondensor 42, in den das durch den Schlitz 41 hindurchgetretene Referenzlicht und Ausgangslicht eingespeist wird; einen photoelektrischen Schirm 43, auf den das durch die Linse 42 gebündelte Referenzlicht und Ausgangslicht projiziert werden; Ablenkelektroden 44, die den von dem photoelektrischen Schirm 43 emitierten Elektronenstrahl horizontal ablenken; eine Mikrokanalplatte 45, die die im abgelenkten Strahl enthaltenen Elektronen vervielfacht; und einen Phosphorschirm 46 auf dem der Elektronenstrahl von der Mikrokanalplatte 45 auftrifft. In Figur 2 ist die Mikrokanalplatte 45 getrennt vom Phosphorschirm 46 dargestellt. Allerdings sind diese beiden in verwendeten Systemen gewöhnlich in einer einzigen Einheit gekoppelt. Der Kondensor 42 ist zylindrisch dargestellt, wobei dies in der Praxis nicht im allgemeinen so ist. Die Ablenkungselektroden 44 in der Streifenkamera 11 werden mit einer Sägezahn- Spannung von einem Verstärker 12 synchron mit einem Triggersignal TR versorgt, so daß das Referenzlicht und Ausgangslicht, die auf dem photoelektrischen Schirm 43 mit einer Zeitbasis auftreffen, horizontal über den Phosphorschirm 46 zeitabgelenkt werden. Als Ergebnis kann die Änderung in der in einem ausgewählten Bereich eines zu messenden Objekts auftretenden Spannung als eindimensionale Verteilung von Lichtintensität FG auf dem Phosphorschirm 46 erfaßt werden, wobei die horizontale Richtung oder Zeitablenkrichtung als Zeitbasis dient. Die Streifenkamera 11 kann von einem beliebigen bekannten Typ wie einer Synchronabtast-Streifenkamera, einer Sreifenkamera mit einer Abtaststreifenröhre, eine Doppelzeitabtast-Streifenkamera oder eine Synchronabtast-Streifenkamera mit einer synchronen Austasteinheit sein. Diese Streifenkameras weisen den Vorteil auf, daß selbst Spannungen wie eine Einzelpulsspannung, die sich nicht periodisch ändert, mit hoher Genauigkeit erfaßt werden kann.
Bei einem Spannungsdetektors 1 mit dem oben beschriebenen Aufbau tritt ein von einer CW- Lichtquelle 53, wie einer Laserdiode, ausgebener Lichtstrahl durch den Kondensor 10 und die optische Faser 13 hindurch und fällt dann in den Kollimator 3 in dem optischen Tastkopf 2 ein. Der Lichtstrahl pflanzt sich weiter fort, um durch den Polarisator 6 hindurchzutreten, der einen Lichtstrahl der Intensität I extrahiert, der nur aus einer vorbestimmten Polarisationskomponente gebildet ist und der extrahierte Lichtstrahl wird in den Strahlteiler 7 eingegeben. Bei dem Strahlteiler 56 nach Figur 5 wird der in den Strahlteiler 7 eintretende Lichtstrahl in zwei Komponenten aufgeteilt, von denen einer als Referenzlicht zum Kondensor 4 geführt wird und der andere als Eingangslicht zum Strahlteiler 8 geführt wird. Das resultierende Referenzlicht weist eine Intensität von I/2 auf.
Das durch die Linse 4 gesammelte Referenzlicht pflanzt sich entlang der optischen Faser 14 fort und wird in die Streifenkamera 11 eingespeist. Das durch den Strahlteiler 8 hindurchtretende Eingangslicht wird in das elektrooptische Material 62 eingespeist.
In der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform tritt der von Polarisator 6 kommende Lichtstrahl durch die Strahlteiler 7 und 8 und wird von dort direkt in das elektrooptische Material 62 ohne Passieren einer Führungseinrichtung wie einer optischen Faser eingespeist. Deshalb behält das Eingangslicht, sowie es in das elektrooptische Material 62 eingespeist wird, den Polarisationszustand des vom Polarisator 6 austretenden Lichts bei.
Wie schon vorstehend beschrieben ändert sich der Polarisationszustand des in das elektrooptische Material 62 eingespeisten Eingangslicht an der Spitze 63 aufgrund der Potentialdifferenz zwischen der dünnen-metallischen Schicht 65 und der leitenden Elektrode 64. Nach Erreichen der dünnen, metallischen Schicht 65 wird das Licht reflektiert und erfährt eine weitere Änderung in seinem Polarisationszustand, bevor es aus dem elektrooptischen Material 62 austritt und sich zurück zum Strahlteiler 8 fortpflanzt. Der Strahlteiler 8 teilt das Ausgangslicht in zwei Komponenten auf, von denen eine zum Analysator 9 gerichtet ist. Da das vom Strahlteiler 8 ausgehende Ausgangslicht direkt dem Analysator 9 ohne Führung durch eine Führungseinrichtung wie einer optische Faser zugeführt wird, behält das auf dem Analysator 9 auftreffende Ausgangslicht den Polarisationszustand bei, wie er vom elektrooptischen Material 62 erzeugt wurde. Der Analysator 9 extrahiert selektiv eine vorbestimmte Polarisationskomponente vom Ausgangslicht, das aus dem elektrooptischen Material 62 nach einer Änderung in seinem Polarisationszustand austritt. Das extrahierte Licht tritt den Kondensor 5 und die optische Faser 15 hindurch und wird von dort in die Streifenkamera 11 eingespeist. Wenn der Analysator 9 in seiner solchen Weise gebildet ist, daß er nur einen Lichtstrahl durchläßt, der eine Polarisationskomponente senkrecht zu der mit dem Polarisator 6 extrahierten aufweist, wird daher das von dem Analysator 9 aufgenommene Ausgangslicht eine Intensität von ( I/8)sin² [(π/2)V/VO] haben.
Wie aus der obigen Erläuterung entnehmbar ist, wird die optische Faser 13 in der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform zu dem Zweck verwendet, die Intensität des Lichtstrahls von der Lichtquelle 53 zum Polarisator 6 zu übertragen, und die optischen Faser 14 und 15 zu dem Zweck, die Intensitäten des Referenzlichts und reflektierten Lichts entsprechend zur Streifenkamera 11 zu übertragen. Mit anderen Worten sind die optischen Fasern 13, 14 und 15 nicht dazu vorgesehen, um Information über den Lichtpolarisationszustand zu übertragen. Daher ist mit der Streifenkamera 11 ein sicheres Erfassen der Spannung möglich, die sich aus der Änderung im Polarisationszustand, die in dem elektrooptischen Material 62 auftritt, ergibt. Insbesondere wird das Eingangslicht vom Polarisator 6 in das elektrooptische Material 62 ohne jegliche Änderung in seinem Polarisationszustand eingespeist und das vom elektrooptischen Material 62 austretende Ausgangslicht wird ebenfalls dem Analysator 9 ohne jegliche Änderung seines Polarisationszustands zugeführt. Dies ermöglicht die Extraktion einer Polarisationskomponente, die nur von der Veränderung im Polarisationszustand abhängig ist, die im elektrooptischen Material 62 auftritt, wodurch eine genaue Erfassung der in dem zu messenden Objekt auftretenden Spannung gegeben ist.
In dem in Figur 1 dargestellten Spannungsdetektor werden zwei Strahlteiler 7 und 8 verwendet, um entsprechend das Referenzlicht und das Ausgangslicht zu extrahieren. Daher ist das auf den Analysator 9 auftreffende Ausgangslicht schwach und seine Intensität ist nur ungefähr ein Viertel der Intensität des Referenzlichts. Dies ist ein einschränkender Faktor bei dem Ziel zum Erreichen einer Spannungserfassung mit einer noch größeren Genauigkeit gewesen.
Um dieses Ziel zu erreichen, kann der in Figur 1 dargestellte Spannungsdetektor wie in Figur 3 abgewandelt werden. Der im allgemeinen durch 20 in Figur 3 gekennzeichnete Spannungsdetektor enthält einen einzelnen Strahlteiler 22 in einem optischen Tastkopf 21. Dieser Strahlteiler 22 hat zwei Eigenschaften: zuerst empfängt er einen Lichtstrahl vom Polarisator 6 mit einer vorbestimmten Polarisationskomponente und teilt diesen in Referenzlicht und in das elektrooptische Material 62 einzuspeisendes Eingangslicht auf; zweites ermöglicht er, das vom elektrooptischen Material 62 austretende Ausgangslicht dem Analysator 9 zuzuführen. Wenn ein Lichtstrahl mit Intensität I und mit einer vorbestimmten Polarisationskomponente, die von dem Polarisator 6 erzeugt wird, in den Strahlteiler 22 im Spannungsdetektor 20 nach Figur 3 eingeführt wird, teilt der Strahlteiler 22 den Lichtstrahl in zwei Komponenten auf, von denen eine als Referenzlicht zum Kollimator 4 gerichtet wird und die andere als Eingangslicht in das elektrooptische Material 62 eingespeist wird. Sowohl das Referenzlicht als auch das Eingangslicht weisen eine Intensität von I/2 auf. Das in das elektrooptische Material 62 eingespeiste Licht erfährt eine Änderung in seinem Polarisationszustand, wenn es durch das Material 62 hin und her läuft. Darauf tritt es aus dem Material 62 aus und kehrt zurück zum Strahlteiler 22, wo es in zwei Komponenten aufgeteilt wird, von denen eine dem Analysator 9 zugeführt wird. Das dem Analysator 9 zugeführte Ausgangslicht hat eine Intensität I/4, was der halben Intensität des Referenzlichts entspricht. Deshalb ist die Intensität des Ausgangslicht, das in dem in Figur 3 dargestellten Spannungsdetektor erzeugt wird, um einen Faktor 2 gegenüber der in dem Detektor 1 nach Figur 1 erhaltenen Intensität vergrößert. Der in Figur 3 dargestellte Spannungsdetektor 20 hat den weiteren Vorteil, daß der optische Tastkopf 21 einfach aufgebaut ist und geringe Größe aufweist, da nur ein einzelner Strahlteiler 22 verwendet wird, was zu einer Verbesserung in der Genauigkeit des verwendeten optischen Systems beiträgt.
Figur 4 zeigt eine weitere Modifikation des in Figur 1 dargestellten Spannungsdetektors. In Figur 4 ist der Spannungsdetektor im allgemeinen mit 30 gekennzeichnet und enthält einen einzelnen, polarisierenden Strahlteiler 33 in einem optischen Tastkopf 32. Dieser polarisierender Strahlteiler 33 dient nicht nur als Strahlteiler, sondern weist zusätzlich die Fähigkeiten des Polarisators 6 und Analysators 9 aus Figur 3 auf.
Wenn ein Lichtstrahl in den polarisierenden Strahlteiler 33 im Spannungsdetektor 30 mit der oben beschriebenen Konstruktion einfällt, teilt der Strahlteiler 33 den Strahl in zwei Komponenten auf, von denen eine Referenzlicht mit einer vorbestimmten Polarisationskomponente und die andere ein Lichtstrahl mit einer Polarisationskomponente senkrecht zu der des Referenzlichts ist, welcher in das elektrooptische Material 62 eingespeist wird. Das von dem elektrooptischen Material 62 ausgegebene Ausgangslicht, nachdem es eine Änderung im Polarisationszustand erfahren hat, wird auch in den Strahlteiler 33 eingegeben, der selektiv einen Lichtstrahl mit der gleichen Polarisationskomponente wie der des Referenzlichts extrahiert. Das so abgeteilte Ausgangslicht ist dem Kondensor 5 zuführbar.
Der in Figur 4 dargestellte Spannungsdetektor 30 weist im polarisierenden Strahlteiler 33 sowohl die Fähigkeiten des Polarisators 6 als auch Analysators 9 auf, die in dem in Figur 3 dargestellten Detektor verwendet werden. Die führt zum zusätzlichen Vorteil einer weiteren Reduzierung der Anzahl der Bauteile im Tastkopf im Vergleich zu dem in Figur 3 dargestellten System.
Falls die in einem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts auftretende Spannung niedrig ist, ist die Veränderung, die im Polarisationszustand hervorgerufen wird, gering und jegliche Fehlausrichtung zwischen Polarisator 6 und Analysator 9 beeinflußt erheblich die Erfassungsgenauigkeit. Allerdings sind bei dem in Figur 4 dargestellten Erfassungssystem Polarisator 6 und Analysator 9 als eine Einheit im polarisierenden Strahlteiler 33 integriert und daher ist es nicht möglich, das Fehlausrichtungen zwischen Polarisator 6 und Analysator 9 auftreten oder das einer von beiden einen unerwünschten Ausschlag erfährt. Daher ermöglicht das in Figur 4 dargestellte System nicht nur, daß eine hohe Spannung mit hoher Genauigkeit erfaßt wird, sondern ebenso eine sehr niedrige Spannung ist erfaßbar.
Die in den Figuren 1, 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen betreffen den Fall, in dem schnelle Änderungen in der in dem zu messenden Objekt auftretenden Spannung mit einer äußerst hohen Zeitauflösung erfaßt werden, indem eine CW- Lichtquelle als Lichtquelle 53 und eine Streifenkamera 11 als Detektor verwendet werden. Alternativ kann, wie im Fall des in Figur 5 dargestellten Systems, eine Laserdiode, die einen Lichtstrahl mit einer sehr kleinen Pulsbreite erzeugt, als Lichtquelle 53 und ein photoelektrischer Wandler als Detektor verwendet werden, um die schnellen Änderungen in der Spannung in äußerst geringen Zeitintervallen abzutasten.
Bei dem vorherigen Ausführungsformen ist angenommen, daß die mit dem Analysator 9 extrahierte Polarisationskomponente senkrecht zu der des durch den Polarisator 6 extrahierten Komponente ist. Es sei allerdings darauf hingewiesen, daß diese beiden Polarisationskomponenten parallel zueinander sein können und in diesem Fall das durch den Analsysator 9 aufgenommene Ausgangslicht eine Intensität von (I/8)cos² [(π/2)V/V&sub0;] haben wird. Falls erwünscht können die beiden Polarisationskomponenten eine solche räumliche Beziehung aufweisen, daß sie zueinander unter einem erwünschten Winkel geneigt sind. Bei praktischen Anwendungen ist es empfehlenswert, daß jeder der optischen Tastköpfe 2, 21 und 32 auf seiner inneren Oberfläche mit einer schwarzen Beschichtung versehen ist, um ein Streuen des einfallenden Lichtstrahls zu vermeiden.
Wie in auf den vorstehenden Seiten beschrieben, ist der erfindungsgemäße Spannungsdetektor so gebildet, daß von der Aufteil- und Extrahiereinrichtung kommendes Eingangslicht direkt in das elektrooptische Material ohne Hindurchtreten durch irgendeine Führungseinrichtung eingespeist wird. Weiterhin wird das vom elektrooptischen Material austretende Ausgangslicht in die gleiche Aufteil- und Extrahiereinrichtung eingeführt, ohne das es durch eine Führungseinrichtung hindurchtritt. Deshalb kann eine Polarisationskomponente extrahiert werden, die nur von der Änderung des im elektrooptischen Material auftretenden Polarisationszustands abhängig ist, wodurch die Genauigkeit der Spannungserfassung verbessert wird.

Claims

1. Ein Spannungsdetektor (1) zum Erfassen einer in einem ausgewählten Bereich eines zu messenden Objekts auftretenden Spannung weist auf:

eine Lichtquelle (53) zum Emitieren eines Lichtstrahls,

eine erste Führungseinrichtung (13) zum Führen des Lichtstrahls von der Lichtquelle (53),

einen Spannungsabtastteil mit einem elektrooptischen Material (62), dessen Brechungsindex sich in Abhängigkeit zu der in dem außen gewählten Bereich des Objekts auftretenden Spannung ändert, und

einer Erfassungseinrichtung (11) zur Bestimmung der in dem ausgewählten Bereich des Objekts auftretenden Spannung aufgrund der Intensität eines Ausgangslichtstrahls, der mit einer vorbestimmten Polarisationskomponente von dem elektrooptischen Material (62) extrahierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

eine Aufteil- und Extrahiereinrichtung (7, 8) vorgesehen ist, die einen Lichtstrahl mit einer ersten vorbestimmten Polarisationskomponente von dem von der Führungseinrichtung (13) geführten Lichtstrahl extrahiert, den Lichtstrahl mit der ersten vorbestimmten Polarisationskomponente in einen Referenzlichtstrahl und einen Eingangslichtstrahl aufteilt, welcher in das elektrooptische Material (62) einspeisbar ist, und die den Ausgangslichtstrahl mit einer zweiten vorbestimmten Polarisationskomponente, der von dem elektrooptischen Material (62) austritt, aufteilt, und daß eine zweite Führungseinrichtung (14, 15) vorgesehen ist, die den Referenzlichtstrahl und den Ausgangslichtstrahl mit der zweiten vorbestimmten Polarisationskomponente zu der Erfassungseinrichtung (11) führt, wobei diese die in dem ausgewählten Bereich des Objekts auftretende Spannung auch aufgrund der Intensität des Referenzlichtstrahls bestimmt.

2. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Führungseinrichtung (13) und die zweite Führungseinrichtung (14, 15) optische Fasern sind.

3. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsabtastteil und die Aufteil- und Extrahiereinrichtung (7, 8) direkt miteinander zur Bildung eines optischen Tastkopfes verbunden sind.

4. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteil- und Extrahiereinrichtung (7, 8) umfaßt:

einen Polarisator (6) zum Extrahieren des Lichtstrahls mit der ersten vorbestimmten Polarisationskomponente von dem durch die erste Führungseinrichtung (13) geführten Lichtstrahl,

einen ersten Strahlteiler (7) zum Aufteilen des Lichtstrahls mit der ersten vorbestimmten Polarisationskomponente in den Referenzlichtstrahl und den Eingangslichtstrahl;

einen zweiten Strahlteiler (8) zum Aufteilen des von dem elektrooptischen Material (62) austretenden Ausgangslichtstrahls; und

einen Analysator (9) zum Extrahieren des Ausgangslichtstrahls mit der zweiten vorbestimmten Polarisationskomponente von einem der aufgeteilten Ausgangslichtstrahlen.

5. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteil- und Extrahiereinrichtung (7, 8) umfaßt:

einen Polarisator (6) zum Extrahieren des Lichtstrahls mit der ersten vorbestimmten Polarisationskomponente von dem durch die erste Führungseinrichtung (13) geführten Lichtstrahl;

einen Strahlteiler (7) zum Aufteilen des Lichtstrahls mit der ersten vorbestimmten Polarisationskomponente in den Referenzlichtstrahl und den Eingangslichtstrahl und auch zum Aufteilen des vom elektrooptischen Material (62) austretenden Ausgangslichtstrahls; und

einen Analysator (9) zum Ausblenden des Ausgangslichtstrahls mit der zweiten vorbestimmten Polarisationskomponente von einem der aufgeteilten Ausgangslichtstrahlen.

6. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteil- und Extrahiereinrichtung (7, 8) einen polarisierenden Strahlteiler aufweist.

7. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (53) eine gepulste Lichtquelle ist; und die Erfassungseinrichtung (11) einen ersten photoelektrischen Wandler aufweist, welcher die Intensität des durch eine optische Faser (14) geführten Referenzlichtstrahls erfaßt, und weiterhin einen zweiten photoelektrischen Wandler aufweist, welcher den Ausgangslichtstrahl mit der zweiten vorbestimmten Polarisationskomponente, der durch eine andere optische Faser (15) geführt wird, erfaßt.

8. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (53) eine ungedämpfte (Continours Wave)-Lichtquelle ist; und die Erfassungseinrichtung (11) einen Detektor mit schnellen Ansprechverhalten zum Erfassen der Intensitäten von Referenzlichtstrahl und Ausgangslichtstrahl mit der zweiter vorbestimmter Polarisationskomponente aufweist, welche durch entsprechende optische Fasern (14, 15) geführt sind.

9. Spannungsdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (11) mit schnellen Ansprechverhalten eine Streifenkamera ist.