DE3884489T2 - Spannungsdetektor. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungserfassungseinrichtung zum Erfassen der Spannung, die sich in einem ausgewählten Bereich eines Gegenstandes entwickelt, der gemessen werden soll, wie eine elektrische Schaltung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Spannungserfassungseinrichtung von der Art, die die Spannung erfaßt, indem sie die Änderung eines Brechungsindexes verwendet, die in Übereinstimmung mit der Spannung auftritt, die sich in einem ausgewählten Bereich eines Gegenstandes entwickelt, der gemessen werden soll.
• Verschiedene Spannungserfassungseinrichtungen sind verwendet worden, um die Spannung, die sich in einem ausgewählten Bereich von Gegenständen entwickelt, zu erfassen, die gemessen werden soll, wie elektrische Schaltungen. Herkömmliche Spannungserfassungseinrichtungen werden grob in zwei Arten unterteilt: Bei einer Art wird die Sonde in Berührung mit einem ausgewählten Bereich eines Gegenstandes, der gemessen werden soll, gebracht und die Spannung, die sich in diesem Bereich entwickelt, wird erfaßt; und bei der anderen Art berührt die Sonde den ausgewählten Bereich eines Gegenstandes, der gemessen werden soll, nicht und statt dessen wird ein Elektronenstrahl in diesen Bereich gebracht und die sich in ihm entwickelnde Spannung wird erfaßt.
• Die Spannung ändert sich schnell in feinlinigen Abschnitten des Gegenstandes, wie integrierten Schaltkreisen, die klein sind und eine komplizierte Struktur aufweisen, und es besteht eine starke Nachfrage auf dem Gebiet des Erfassens solcher sich schnell ändernden Spannung mit hoher Genauigkeit ohne den Zustand der feinlinigen Abschnitte zu beeinflussen. Jedoch ist dieser Bedarf nicht vollkommen von den Spannungserfassungseinrichtungen nach dem Stand der Technik erfüllt worden. Bei Einrichtungen von der Art, die die Spannung erfassen, indem die Sonde mit einem ausgewählten Bereich eines Gegenstandes, der gemessen werden soll, in Berührung gebracht wird, ist es schwierig, eine unmittelbare Berührung zwischen der Sonde und einem feinlinigen Abschnitt des Gegenstandes, der interessiert, zu erreichen, wie eine integrierte Schaltung. Selbst wenn dies erfolgreich gemacht wird, war es schwierig, die Arbeitsweise der integrierten Schaltung nur auf der Grundlage der Spannungsinformation, die mit der Sonde aufgenommen worden ist, richtig zu analysieren. Eine weitere vorliegende Schwierigkeit ist, daß die Berührung mit der Sonde eine Änderung der Arbeitsweise der integrierten Schaltung erwirken kann. Spannungserfassungseinrichtungen der Art, die einen Elektronenstrahl verwenden, besitzen den Vorteil, daß sie einer Spannungserfassung fähig sind, ohne die Sonde in Berührung mit einem zu messenden Gegenstand zu bringen. Jedoch muß der mit solchen Spannungserfassungseinrichtungen zu messende Bereich im Vakuum angeordnet werden und seine Oberfläche muß diesem ausgesetzt werden. Zusätzlich kann der zu messende Bereich leicht durch den Elektronenstrahl zerstört werden.
• Die Spannungserfassungseinrichtungen nach dem Stand der Technik besitzen eine gemeinsame Schwierigkeit, nämlich, daß sie nicht schnell genug arbeiten können, um schnellen Änderungen der Spannung zu folgen, und daher versagen, eine genaue Erfassung von Spannungen zu erreichen, die sich schnell ändern, wie in integrierten Schaltungen.
• Im Hinblick darauf, diese Schwierigkeiten zu lösen, ist von den zwei gegenwärtigen Erfindern darauf hingewiesen worden, siehe EP-A-293 788 (japanische Patentanmeldung Nr. 137317/1987, eingereicht am 30. Mai 1987), daß eine Spannung erfaßt werden kann, indem die Polarisation eines Lichtstrahls verwendet wird, der sich mit der Spannung ändert, die sich in einem ausgewählten Bereich eines Gegenstandes, der gemessen werden soll, entwickelt.
• Eine Spannungserfassungseinrichtung, die nach diesem Prinzip arbeitet, ist in Fig. 6 schematisch gezeigt. Die allgemein mit 50 bezeichnete Erfassungseinrichtung ist aus den folgenden Bauteilen gebildet: einer optischen Sonde 52; einer Lichtquelle 53 mit fortlaufender Welle, typischerweise in der Form einer Laserdiode; einer optischen Faser 51, um einen Lichtstrahl von der Lichtquelle 53 mit fortlaufender Welle über eine Kondensatorlinse 60 in eine optische Sonde 52 zu führen; einer optischen Faser 92, um Bezugslicht von der optischen Probe 52 über einen Kollimator 90 in einen photoelektrischen Umwandler 55 zu führen; einer optischen Faser 93, um das Ausgangslicht von der optischen Probe 52 durch einen Kollimator 91 in eine photoelektrischen Umwandler 58 zu führen; und einer Komparatorschaltung 61, um die elektrischen Signale von den photoelektrischen Umwandlern 55 und 58 zu vergleichen.
• Die optische Sonde 52 ist mit einem elektro-optischen Material 62 ausgerüstet, wie ein optisch, einachsiger Kristall aus Lithiumtantalat (LiTaO&sub3;). Die Spitze 63 des elektro-optischen Materials 62 ist zu einer kegelstumpfförmigen Form gearbeitet. Die optische Sonde 52 ist von einer leitenden Elektrode 64 umgeben und weist an ihrer Spitze 63 eine Beschichtung mit einem reflektierenden Spiegel 65 in der Form einer dünnen Metallschicht oder einer mehrfach geschichteten, dielektrischen Schicht auf.
• Die optische Sonde 52 enthält ferner die folgenden Bauteile: einen Kollimator 94; Kondensatorlinsen 95 und 96; einen Polarisator 54 zum Selektieren und Gewinnen eines Lichtstrahls mit einer vorbestimmten, Polarisationskomponente aus dem Lichtstrahl, der durch den Kollimator 94 hindurch geht; und einen Strahlteiler 56, der den von dem Polarisator 54 gewonnenen Lichtstrahl in Bezugslicht und Eingangslicht teilt, das in das elektro-optische Material 62 gebracht wird und das dem Ausgangslicht, das aus dem elektro-optischen Material 62 austritt, ermöglicht, in einen Analysator 57 gerichtet zu werden. Das Bezugslicht geht durch die Kondensatorlinse 95 und wird dann in die optische Faser 92 gebracht, wohingegen das Ausgangslicht, das aus dem elektro- optischen Material 62 auStritt, durch die Kondensatorlinse 96 verläuft und dann in die optische Faser 93 gebracht wird.
• Eine Spannungserfassung mit dem in Fig. 6 gezeigten System beginnt mit dem Verbinden der leitenden Elektrode 64 auf dem Umfang der optischen Sonde 52 mit einem vorbestimmten Potential, sagen wir Massepotential. Dann wird die Spitze 63 der Sonde 52 nahe zu dem Gegenstand, der gemessen werden soll, wie eine integrierte Schaltung (nicht gezeigt), gebracht, woraufhin eine Änderung in dem Brechungsindex zur Spitze 63 des elektro-optischen Materials 62 in der Sonde 52 auftritt. Genauer gesagt ändert sich der Unterschied zwischen dem Brechungsindex für einen normalen Strahl und einem anormalen Strahl in einer Ebene senkrecht zu der Lichtfortpflanzungsrichtung in dem optisch einachsigen Kristall.
• Der Lichtstrahl, der von der Lichtquelle 53 ausgeht, gelangt durch die Kondensatorlinse 60 und wird durch die optische Faser 51 geführt, um in den Kollimator 94 in der optischen Sonde 52 gelenkt zu werden. Der Lichtstrahl wird durch den Polarisator 54 polarisiert und ein vorbestimmt polarisiertes Licht mit einer Intensität I wird in das elektro-optische Material 62 der optischen Sonde 52 durch den Strahlteiler 56 gebracht. Das Bezugslicht und das Eingangslicht, die durch den Durchgang durch den Strahlteiler 56 erzeugt werden, erhalten jeweils eine Intensität von I/2. Wie bereits erwähnt wurde, ändert sich der Brechungsindex der Spitze 63 des elektro-optischen Materials 62 mit der Spannung an dem zu messendem Gegenstand, so daß das Eingangslicht, das in das elektro-optische Material 62 gebracht worden ist, eine Änderung bei seinem Poliarisationszustand an der Spitze 63 in Übereinstimmung mit der Änderung bei dem Brechungsindex der letzteren erfährt. Das Eingangslicht wird dann von dem reflektierenden Spiegel 65 reflektiert und macht einen Rückwärtsweg durch das elektro-optische Material 62, aus dem austritt und zu dem Strahlteiler 56 zurückläuft. Wenn die Länge der Spitze 63 des elektro-optischen Materials 62 mit l bezeichnet wird, ändert sich der Zustand der Polarisation des Eingangslichts, das in das Material gebracht worden ist, proportional zu dem Unterschied zwischen dem Brechungsindex für den normalen Strahl und den anormalen Strahl so wie zu der Länge 2l. Das in den Strahlteiler 56 zurückgeschickte Ausgangslicht wird dann in dem Analysator 57 gerichtet. Die Intensität des Ausgangslichtes, das in dem Analysator 57 eintritt, wurde als Ergebnis der Teilung mit dem Strahlteiler 56 auf I/4 verringert. Wenn der Analysator 57 derart ausgelegt ist, daß er nur einen Lichtstrahl überträgt, der eine polarisierte Komponente senkrecht zu der, die durch den Polarisator 54 gewonnen worden ist, aufweist, hat sich die Intensität des Ausgangslichtes, das in den Analysator 57 eingebracht worden ist, nachdem es eine Änderung bei seinem Polarisationszustand erfahren hat, von I/4 zu (I/4)sin²[(π/2)V/V&sub0;] in dem Analysator 57, bevor es weiter in den photoelektrischen Umwandler 58 eingebracht wird. In der Formel, die die Intensität des Ausgangslichtes ausdrückt, das von dem Analysator 57 austritt, ist V die Spannung, die sich in dem zu messenden Gegenstand entwickelt, und V&sub0; ist eine Halbwellenspannung.
• In der Komparatorschaltung 61 wird die Intensität des Bezugslichtes, das von dem photoelektrischen Umwandler 55 erzeugt wird, oder I/2, mit der Intensität des Ausgangslichtes verglichen, das von dem anderen photoelektrischen Umwandler 58 erzeugt wird, oder (I/4)sin²[(π/2)V/V&sub0;].
• Die Intensität des Ausgangslichtes oder (I/4)sin²[(π/2)V/V&sub0;], ändert sich mit der Änderung des Brechungsindex der Spitze 63 des elektro-optischen Materials 62, die als ein Ergebnis der Änderung bei der Spannung auftritt. Deshalb kann diese Intensität als eine Grundlage zum Erfassen der Spannung verwendet werden, die sich in einem ausgewählten Bereich des zu messenden Gegenstandes, sagen wir einer integrierten Spaltung entwickelt.
• Wie vorstehend beschrieben worden ist, wird beim Verwenden der Spannungserfassungeinrichtung 50, die in Fig. 6 gezeigt ist, die Spitze 63 der optischen Sonde 52 nahe zu dem zu messenden Gegenstand gebracht und die sich bei dem Brechungsindex der Spitze 63 des elektro-optischen Materials 62 ergebenede Änderung wird als eine Grundlage zum Erfassen der Spannung verwendet, die sich in einem ausgewählten Bereich des zu messenden Gegenstandes entwickelt. Deshalb kann die Spannung, die sich in feinlinigen Abschnitten eines kleinen und komplizierten Gegenstandes, wie einer integrierten Schaltung, entwickelt, die schwierig mit einer Sonde zu berühren sind oder die durch dieselbe nicht berührt werden können, ohne die zu messende der Spannung zu beeinflussen, wirksam von der Erfassungseinrichtung 50 erfaßt werden, ohne die optische Sonde 52 in Berührung mit solchen feinlinigen Abschnitten zu bringen.
• Wie oben beschrieben worden ist, wird mit der in Fig. 6 gezeigten Spannungserfassungseinrichtung 50 die sich in den ausgewählten Bereich des Gegenstandes entwickelende Spannung gemessen, indem die Änderung bei der Polarisierung des Lichtstrahls in dem elektro-optischen Material 62 verwendet wird. Deshalb ist es für den Polarisator 54 wesentlich, nur den Lichtstrahl, der die vorbestimmte, lineare Polarisationskomponente aufweist, von dem Lichtstrahl zu gewinnen, der von der Lichtquelle 53 ausgesendet wird, und für den Analysator 57, die vorbestimmte lineare Polarisationskomponente von dem Ausgangslichtstrahl von dem elektro-optischen Material 62 zu gewinne. Demgemäß ist der Wirkungsgrad der Lichtstrahlverwendung bei der vorstehenden Spannungserfassungseinrichtung nicht ausreichend.
• Aus der Druckschrift H Beha, New concepts in Vlsi Contactless Diagnostics ist ein System zum Messen dynamischer Flächenladungs-Dichteänderungen bei integrierten Siliciumeinrichtungen auf der Grundlage einer Polarisationsänderung bekannt. Hierfür geht der Ausgang eines Lasers durch einen Faraday-Isolator, verläuft dann durch einen polarisierenden Strahlteiler und ein doppelbrechendes Prisma, das den Eintrittsstrahl in zwei vertikalpolarisierte Strahlen aufteilt. Diese zwei Strahlen werden auf der Rückseite eines feingeschliffenen Silicium-Wafers fokussiert, ein Strahl läuft durch die aktive Einrichtung, in der die Ladungsdichte elektrisch moduliert wird. Der zweite Strahl läuft zu einem Bezugspunkt, wo keine Ladung moduliert wird. Beide Strahlen werden an dem vorderen Oberflächenmetall reflektiert. Das Prisma rekombiniert die reflektierten Strahlen, die erneut durch den polarisierenden (bzw. analysierenden) Strahlteiler, eine Erfassungslinse und ein Erfassungssystem hindurchgehen. Die Richtung der Polarsisation des rekombinierten Strahls hängt von der Ladungsdichteänderung an dem Prüfpunkt ab.
• Demgemäß ist es eine Zielsetzung der Erfindung eine Spannungserfassungseinrichtung bereitzustellen, die einfach in der Anordnung des optischen Systems ist und einen hohen Wirkungsgrad bei der Lichtstrahlenverwendung aufweist, und die mit großer Genauigkeit eine Spannung erfassen kann, die sich in einem ausgewählten Bereich eines sich in Messung befindenden Gegenstandes entwickelt.
• Die vorstehende Zielsetzung und andere Zielsetzungen der Erfindung wurden durch Bereitstellen einer Spannungserfassungseinrichtung erreicht, die ein elektro-optisches Material verwendet, dessen Brechungsindex durch die Spannung geändert wird, die sich in den ausgewählten Bereich des sich in einer Messung befindenden Gegenstandes entwickelt, die jene gemäß der Erfindung umfaßt: eine Lichtquelle, zum Aussenden eines Lichtstrahls; eine Längenänderungseinrichtung für den optischen Weg, die aus einem elektor-optischen Material gemacht ist, um die effektive, optische Weglänge des Lichtstrahls entsprechend einem Brechungsindex des elektro-optischen Materials zu ändern; eine Aufspalteinrichtung, um den Lichtstrahl von der Lichtquelle in einen Lichtstrahl aufzuspalten, der entlang eines optischen Bezugsweges läuft, der sich bis zu der Längenänderungseinrichtung für den optischen Weg erstreckt, und zu bewirken, daß ein von dem optischen Bezugsweg reflektierter Lichtstrahl und ein von der Längenänderungseinrichtung für den optischen Weg reflektierter Lichtstrahl miteinander interferieren, um einen Ausgangsinterferenzlichtstrahl zu liefern.
• Bei der Spannungserfassungseinrichtung der Erfindung wird der Lichtstrahl von der Lichtquelle auf die Aufteileinrichtung angewendet, wo er in den Lichtstrahl, der sich längs des optischen Bezugsweges fortpflanzt, und den Lichtstrahl geteilt wird, der sich längs des optischen Weges fortbewegt, der bis zu der Längenänderungseinrichtung für den optischen Weg ausgedehnt ist, die aus dem elektro-optischen Material gemacht ist. Die Rückkehrlichtstrahlen von dem optischen Bezugsweg und der optischen Weglängen-Änderungseinrichtung werden auf die Aufteileinrichtung angewendet, wo sie veranlaßt werden, miteinander zu interferieren, um den Ausgangslichtstrahl zu liefern. In diesem Fall wird die effektive, optische Weglänge des Lichtstrahls, der von der optischen Weglängen-Änderungseinrichtung reflektiert wird, geändert, weil der Brechungsindex der optischen Weglängen-Änderungseinrichtung durch die Spannung geändert wird, die sich in dem ausgewählten Bereich des Gegenstandes entwickelt. Wenn die effektive Länge des optischen Bezugsweges konstant ist, dann ändert sich die Intensität des Ausgangslichtstrahls mit der Spannung. Deshalb kann die Spannung, die an dem vorbestimmten Teil des Gegenstandes bereitgestellt wird, gemessen werden, indem die Intensität des Ausgangsinterferenzlichtstrahls mit der Erfassungseinrichtung erfaßt wird.
• Die Eigenart, der Grundgedanke und die Nützlichkeit der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlicher, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen oder Buchstaben bezeichnet sind.
• In den beigefügten Zeichnungen:
• Fig. 1 ist ein Erläuterungsdiagramm, das die Anordnung der ersten Ausführungsform einer Spannungserfassungseinrichtung gemäß dieser Erfindung zeigt.
• Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit der Ausgangslichtintensität von einer Spannung, zur Beschreibung der Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Spannungserfassungseinrichtung angibt;
• Fig. 3 ist ein Erläuterungsdiagramm, das die Anordnung der zweiten Ausführungsform der Spannungserfassungseinrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
• Fig. 4 ist ein Erläuterungsdiagramm, das die Anordnung eines Teils einer Spannungserfassungseinrichtung gemäß der Erfindung zeigt, die eine Schlieren-Kamera als ihre Erfassungseinrichtung verwendet;
• Fig. 5 ist ein Erläuterungsdiagramm, das die Ausgestaltung einer Schlieren-Kamera zeigt;
• Fig. 6 ist ein Erläuterungsdiagramm, das die Ausgestaltung einer Spannungserfassungseinrichtung zeigt, die in der japanischen Patentanmeldung Nr. 137317/1987 vorgeschlagen worden ist.
• Bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
• Die erste Ausführungsform einer Spannungserfassungseinrichtung der Erfindung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt: eine optische Sonde 10, ein elektro-optisches Material 12, das an der Bodenwand der optischen Sonde 10 gebildet ist, eine elektrischleitende Elektrode 13 auf einer Umfangsseitenwand des elektro-optischen Materials 12, und ein Reflexionsspiegel 14 ist auf der Endseite des elektro-optischen Materials 12 gebildet. Der Reflexionsspiegel 14 ist aus einem Metall oder einer mehrfach geschichteten, dielektrischen Schicht gemacht.
• Ein Strahlteiler 16 ist innerhalb der optischen Sonde 10 vorgesehen. Der Strahlteiler 16 teilt einen Lichtstrahl von einer Lichtquelle 53 in einen Lichtstrahl, der zu einem Reflexionsspiegel 11 fortschreitet, und einen Lichtstrahl, der zu dem elektro-optischen Material 12 geht, und bewirkt, daß ein von dem elektro-optischen Material 12 reflektierter Lichtstrahl mit einem von dem Reflexionsspiegel 11 reflektierten Lichtstrahl interferiert und gibt nach dem Aufteilen den sich ergebenden Lichtstrahl aus. Der Ausgangslichtstrahl von dem Strahlteiler 16 wird durch eine Kondensatorlinse 17 und eine optische Faser 18 an eine Erfassungseinrichtung 19 gegeben.
• Genauer gesagt wird bei der Spannungserfassungseinrichtung, die derart aufgebaut ist, der von der Lichtquelle 53 ausgesandte Lichtstrahl durch eine Kondensatorlinse 20, eine optische Faser 21 und einen Kollimator 22 auf den Strahlteiler 16 angewandt, wo er in den Lichtstrahl, der zu dem Reflexionsspiegel 11 geht, und den Lichtstrahl aufgeteilt wird, der zu dem elektro-optischen Material 12 geht. Der von dem Reflexionsspiegel 11 reflektierte Lichtstrahl und der von dem Relexionsspiegel 14 reflektierte Lichtstrahl werden, nachdem sie durch das elektro-optische Material 12 hindurchgegangen sind, zu dem Strahlteiler 16 zurückgeführt, wo sie veranlaßt werden, miteinander zu interferieren, um den Ausgangslichtstrahl zu schaffen, der durch die Kondensatorlinse 17 und die optische Faser 18 auf die Erfassungseinrichtung 19 gegeben wird.
• Der Brechungsindex des elektro-optischen Materials 12 wird durch eine Spannung, die sich in einem ausgewählten Bereich eines sich in Prüfung befindenden Gegenstandes entwickelt, geändert, mit dem Ergebnis, daß die effektive, optische Weglänge in dem elektro-optischen Material 12 geändert wird. Wenn die Dicke des elektro-optischen Materials 12 in der Lichtausbreitungsrichtung durch l angegeben wird, und der Brechungsindex des elektro-optischen Materials 12, an den keine Spannung angelegt wird, durch n&sub0; angegeben wird, dann ist die effektive "hin und zurück" optische Weglänge 2ln0. Wenn der Brechungsindex des elektro-optischen Materials 12, an das eine Spannung angelegt wird, mit n angegeben wird, dann ist die effektive "hin und zurück" optische Weglänge 2ln. Deshalb ist der Unterschied zwischen der effektiven "hin und zurück", optischen Weglänge, die vorgesehen ist, wenn keine Spannung an das elektro-optische Material 12 angelegt wird und der, die vorgesehen ist, wenn die Spannung an das elektro-optische Material 12 angelegt wird (nachfolgend als "ein optischer Weglängenunterschied" bezeichnet, wenn anwendbar):
• 2l n - n&sub0; (1)
• Wie oben beschrieben wurde, wird die effektive optische Weglänge des Lichtrahls in dem elektro-optischen Material 12 durch die Spannung beeinflußt, die an letzteres 12 angelegt wird. Deshalb wird die Lichtintensität I des Ausgangslichtstrahls, der durch die Interferenz des Lichtstrahls, der von dem elektro-optischen Material 12 reflektiert wird, und dem von dem Reflexionsspiegel 11 reflektierten Lichtstrahl vorgesehen wird, durch die an das elektro-optische Material 12 angelegte Spannung verändert, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Das heißt, die Ausgangslichtintensität I ist:
• I α cos² [ (π/2) (V/V&sub0;) + Φ ] (2)
• worin V&sub0; eine Halbwellenspannung ist; V die Spannung ist, die gemessen werden soll, und Φ ein Phasenunterschied ist, der vorgesehen ist, wenn keine Spannung an das elektro-optische Material angelegt wird, nämlich ein Anfangsphasenunterschied, der durch die folgende Gleichung (3) dargestellt wird:
• Φ = 2πc ΔL/λ (3)
• worin c die Lichtgeschwindigkeit ist; ΔL ein relativer, optischer Wegunterschied ist und λ eine Wellenlänge ist. Der relative, optische Wegunterschied ΔL ist:
• ΦL = 2 L - ( L' + n&sub0; l )
• worin L ein optischer Abstand zwischen dem Strahlteiler 16 und dem Reflexionsspiegel 11 ist, und L' ein optischer Abstand zwischen dem Strahlteiler 16 und dem elektro-optischen Material 12 ist.
• Der Anfangsphasenunterschied Φ kann durch einen Mechanismus gesteuert werden, in dem ein Mikrometer vorgesehen ist, um den Reflexionsspiegel 11 zu bewegen, und dadurch den optischen Abstand L zwischen dem Reflexionsspiegel 11 und dem Strahlteiler 16 zu ändern.
• Somit wird die Lichtintensität des Lichtstrahls der durch die Kondensatorlinse 17 hindurchgeht, auf diese Weise erfaßt, so daß die Spannung, die sich in dem ausgewählten Bereich des sich in Prüfung befindenden Gegenstandes erfaßt wird.
• Bei der oben beschriebenen Spannungserfassungseinrichtung kann das folgende Verfahren verwendet werden: ein weiterer Strahlteiler (nicht gezeigt) zum Gewinnen eines Bezugslichtstrahls von dem Lichtstrahl, der von der Lichtquelle 53 ausgesendet wird, ist zwischen dem Kollimator 22 und dem Strahlteiler 16 vorgesehen, und die Intensität des Bezugslichtstrahls von dem Strahlteiler wird mit derjenigen des Ausgangslichtstrahls von der optischen Faser 18 durch eine Komparatorschaltung (nicht gezeigt) verglichen, so daß die Intensität des Ausgangslichtstrahls daran gehindert wird, von Schwankungen in der Intensität des Lichtstrahls beeinflußt zu werden, der von der Lichtquelle 53 ausgesendet wird, so daß die Spannung genauer erfaßt werden kann.
• Wie es vorstehend beschrieben wurde, wird bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung die Spannung, die sich in dem ausgewählten Bereich des sich in Prüfung bestehenden Gegenstandes entwickelt, gemessen, in dem die Tatsache verwendet wird, daß die Spannung die effektive, optische Weglänge des Lichtstrahls in dem elektro-optischen Material beeinflußt, wodurch die Lichtintensität des Ausgangslichtstrahls geändert wird, der von der Kondensatorlinse 17 ausgegeben wird und einer optischen Interferenz ausgesetzt worden war.
• Somit ist bei der oben beschriebenen Spannungserfassungseinrichtung, obgleich der Strahlteiler 16 verwendet wird, der Wirkungsgrad der Lichtstrahlverwendung stark erhöht, da die vorbestimmte, lineare Polarisationskomponente nicht von dem Lichtstrahl gewonnen wird. Da ferner die Erfassungseinrichtung 19 nur die Lichtintensität erfaßt, kann der Lichtstrahl, der der optischen Interferenz ausgesetzt worden war, zu der Erfassungseinrichtung 19 nur mittels einer optischen Faser 18 geführt werden. Somit kann die Spannungserfassungseinrichtung der Erfindung Spannungen mit hoher Genauigkeit erfassen, wobei sie eine bemerkenswert einfache Konstruktion aufweist.
• Die zweite Ausführungsform der Spannungserfassungseinrichtung gemäß der Erfindung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt eine optische Sonde 23, die enthält: das erste elektro-optische Material 25, dessen Brechungsindex erhöht wird, wenn eine Spannung angelegt wird; das zweite elektro-optische Material 26, dessen Brechungsindex verringert wird, wenn eine Spannung angelegt wird, wobei das erste und das zweite, elektro-optische Material 25 bzw. 26 innerhalb der optischen Sonde 23 vorgesehen sind; einen Reflexionsspiegel 27, der aus einem Metall oder einer mehrfach geschichteten, dielektrischen Schichten gemacht ist und an der Außenoberfläche des ersten und des zweiten elektro-optischen Materials 25 und 26 angeordnet ist; und einen Strahlteiler 28, der innerhalb der optischen Sonde 23 angeordnet ist. Der Strahlteiler 28 wirkt derart, daß er einen einfallenden Lichtstrahl in einen Lichtstrahl, der zu dem ersten, elektro-optischen Material 25 geht, und einen Lichtstrahl aufteilt, der zu dem zweiten elektro-optischen Material 26 geht, und bewirkt, daß der Rückkehrlichtstrahl von dem ersten, elektro-optischen Material 25 und der Rückkehrlichtstrahl von dem zweiten, elektro-optischen Material 26 miteinander interferieren und nach dem Aufteilen den sich ergebenden Ausgangslichtstrahl ausgibt. Der Lichtstrahl, der von dem Strahlteiler zu dem zweiten elektro-optischen Material 26 geht, wird durch einen Reflexionsspiegel 24 auf das zweite, elektro-optische Material 26 angewendet.
• Bei der derart konstruierten Spannungserfassungseinrichtung, kann ähnlich wie in dem Fall der ersten Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Spannungserfassungseinrichtung die Spannung, die sich in einem ausgewählten Bereich des sich in Messung befindenden Gegenstandes entwickelt, erfaßt werden, indem die Tatsache verwendet wird, daß, wenn der Rückkehrlichtstrahl von dem ersten, elektro-optischen Material 25 und der Rückkehrlichtstrahl von dem zweiten, elektro-optischen Material 26 miteinander interferieren, die Lichtintensität des sich ergebenden Ausgangslichtstrahls durch die Spannung beeinflußt wird, die an das erste und zweite, elektro-optische Material 25 und 26 angelegt wird.
• Bei der zweiten Ausführungsform der Spannungserfassungseinrichtung gemäß der Erfindung haben die verwendeten elektro-optischen Materialien 25 und 26 eine entgegengesetzte Brechnungsindex-Änderung zueinander, wenn eine Spannung angelegt wird. Deshalb ist die Änderung der Lichtintensität, die als ein Ergebnis der optischen Interferenz hervorgerufen wird, größer als die bei der ersten Ausführungsform der Spannungserfassungseinrichtung; d. h. die zweite Ausführungsform hat eine höhere Empfindlichkeit als die erste Ausführungsform.
• Bei der esten und zweiten Ausführungsform der Spannungserfassungseinrichtung breiten sich Teile der reflektierten Lichtstrahlen, die zu dem Strahlteiler (16 oder 18) zurückgekehrt sind, zu der Lichtquelle 53 aus, um nachteilig die Stabilität letzterer 53 zu beeinflussen. Diese Schwierigkeit kann durch das folgende Verfahren ausgeschlossen werden: ein optischer Isolator (nicht gezeigt) wird zwischen dem Kollimator 22 und dem Strahlteiler 16 (oder 28) so angeordnet, daß kein Lichtstrahl zu dem Kollimator 22 oder der Lichtquelle 53 von dem Strahlteiler 16 (oder 28) zurückgeführt wird. Ferner können Antireflexionsschichten auf den Lichteintrittsoberflächen der elektro-optischen Materialien 12, 25 und 26 und auf den Oberflächen der Strahlteiler 16 und 28 aufgeschichtet werden.
• Bei der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform der Spannungserfassungseinrichtung können die elektro-optischen Materialien 12, 25 und 26 entweder ein einachsiger Kristall oder ein isotroper Kristall sein.
• Die erste und die zweite Ausführungsform der Spannungserfassungseinrichtung wurden unter der Annahme beschrieben, daß, wenn die zwei Rückkehrlichtstrahlen nach der Reflexion veranlaßt werden, miteinander in dem Strahlteiler 16 oder 28 zu interferieren, die Ausbreitungsrichtungen der zwei Rückkehrlichtstrahlen bei dem Interferenzvorgang vollständig miteinander zusammenfallen. Wenn andererseits die Ausbreitungsrichtungen der zwei Rückkehrlichtstrahlen etwas gegeneinander verschoben sind, zeigt der als Ergebnis der optischen Interferenz geschaffene Ausgangslichtstrahl räumliche Interferenzstreifen. Wenn der relative, optische Wegunterschied der zwei Rückkehrlichtstrahlen durch die an das elektro-optische Material 12 oder die elektro-optischen Materialien 25 und 26 angelegte Spannung geändert wird, bewegen sich die Interferenzstreifen so, daß das dunkle und helle Interferenzmuster in Bezug auf die Helligkeit umgekehrt wird. Somit kann in dem Fall, bei dem die Ausbreitungsrichtungen der zwei Rückkehrlichtstrahlen etwas gegeneinander verschoben sind, ähnlich wie in dem Fall, bei dem die Ausbreitungsrichtungen der zwei Rückkehrlichtstrahlen vollständig miteinander zusammenfallen, die Spannung, die sich in dem ausgewählten Bereich des sich in Prüfung befindenden Gegenstandes entwickelt, gemessen werden, indem die Bewegung der Interferenzstreifen erfaßt wird, d. h., die Helligkeitsänderung des dunklen und hellen Interferenzmusters.
• Mit der Spannungserfassungseinrichtung der Erfindung kann, indem eine Lichtquelle mit fortlaufender Welle, wie die Lichtquelle 53, und eine schnell ansprechende Erfassungseinrichtung, wie eine Schlieren-Kamera, als die Erfassungseinrichtung 19 verwendet werden und eine Spannungsänderung hoher Geschwindigkeit des sich in Prüfung befindenden Gegenstandes mit hoher Zeitauflösung gemessen wird, die Spannungsänderung hoher Geschwindigkeit mit hoher Genauigkeit erfaßt werden.
• Fig. 4 zeigt die Anordnung eines Teils einer Spannungserfassungseinrichtung gemäß der Erfindung, die eine Schlieren- Kamera 33 verwendet. Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, wird der Ausgangslichtstrahl AUS, der als Ergebnis der Interferenz der zwei reflektierten Lichtstrahlen in dem Strahlteiler 16 (oder 28) in der optischen Sonde 10 (oder (23) geschaffen wird, durch ein optisches Ausdehnungssystem 30, wie eine Strahlausdehnungseinrichtung, ausgedehnt, so daß parallele Lichtstrahlen zum Einfallen auf eine Lichtaufnahmeoberfläche 31 gebracht werden, die an der Seitenwand der optischen Sonde 10 (oder 23) vorgesehen ist, und durch ein optisches Faserbündel 32 auf eine Schlieren-Kamera 33 gebracht wird.
• Die Schlieren-Kamera 33 umfaßt, wie es in Fig. 5 gezeigt ist: einen Spalt 34, in dem Enden der optischen Fasern des Bündels 32 in eine Linie angeordnet sind; eine Linse 35, auf die die Lichtstrahlen, die durch die derart angeordneten, optischen Fasern 32 hindurchgegangen sind, durch den Spalt 34 angewendet werden; eine Photokathode 36, auf die die durch die Linse 35 fokussierten Lichtstrahlen in einer Linie angewendet werden, so daß Elektronstrahlen geschaffen werden, die in einer Linie angeordnet sind; und ein Leuchtstoffschirm 39 auf den die Ausgangselektronenstrahlen der Mikrokanalplatte 38 angewendet werden. In Fig. 5 sind die Mikrokanalplatte 38 und der Leuchtstoffschirm 39 der Bequemlichtkeit halber bei der Beschreibung getrennt gezeigt; jedoch sind sie in der Praxis verbunden, wobei sie eine Einheit bilden. Ferner ist die Linse 35 zylindrisch gezeigt; jedoch ist sie im allgemeinen nicht zylindrisch.
• Mit der Spannungserfassungseinrichtung, die die Schlieren- Kamera aufweist, kann die Beobachtung bei Ausbreitungsrichtungen der Lichtstrahlen beim Interferenzvorgang gemacht werden, die miteinander ähnlich wie bei dem obenbeschriebenen Fall zusammenfallen, oder sie kann in der folgenden Weise durchgeführt werden: die Ausbreitungsrichtungen der Lichtstrahlen werden etwas gegeneinander verschoben, und die Interferenzstreifen werden mit dem optischen Ausdehnungssystem 30 ausgedehnt, und ein linearer Teil der sich ergebenden, ausgedehnten Interferenzstreifen wird mit dem Spalt 34 der Schlieren-Kamera zur Beobachtung gewonnen.
• Es ist ziemlich schwierig, die Lichtausbreitungsrichtungen miteinander mit hoher Genauigkeit zusammenfallend aufrecht zu halten. Wenn jedoch die Interferenzstreifen als ein Schlieren-Bild FG mit der Schlieren-Kamera beobachtet werden, wird die Beobachtung, selbst wenn die Lichtausbreitungsrichtungen etwas voneinander verschoben sind, die Beobachtung nicht nachteilig dadurch beeinflußt; d. h., die Beobachtung kann mit hoher Genauigkeit erreicht werden, wobei sie von Meßfehlern frei ist, die sonst durch die Lageabweichung des optischen Systems aufgrund beispielsweise einer Schwingung hervorgerufen werden können.
• Bei der vorbeschriebenen Ausführungsform wird die Schlieren- Kamera 33 verwendet. Jedoch kann dieselbe Wirkung durch das folgende Verfahren erhalten werden: eine Pulslichtquelle, wie eine Laserdiode, die Lichtpulse mit äußerst kurzer Pulsbreite synchron zu der sich in Messung befindenden Spannung aussendet, kann als die Lichtquelle 53 verwendet werden, und ein photoelektrischer Umwandler kann als die Erfassungseinrichtung verwendet werden, so daß die Hochgeschwindigkeitsspannungsänderung des Gegenstandes mit einer äußerst kurzen Periode abgetastet wird. Die von der Laserdiode ausgesandte Lichtpulsbreite reicht von einigen psec bis 100 psec. Wenn ein zyklisch-pulsmodulierter Farblaser verwendet wird, kann der Lichtpuls mit der Weite von ungefähr 0,1 psec verwendet werden.
• Es wird bevorzugt, die innere Oberfläche der optischen Sonde 10 oder 23 mit Ausnahme der Teile schwarz anzumalen, durch die die Lichtstrahlen hindurchgehen, um die Lichtstreuung zu verhindern.
• Wie es oben beschrieben wurde, wird bei der Spannungserfassungseinrichtung der Erfindung der Lichtstrahl von der Lichtquelle in den Lichtstrahl, der sich längs des Bezugslichtweges ausbreitet, und den Lichtstrahl aufgeteilt, der sich längs des Lichtweges ausbreitet, der sich bis zu der optischen Weglängen-Änderungseinrichtung erstreckt, und die Rückkehrlichtstrahlen von diesen optischen Wegen werden nach Reflexion veranlaßt, miteinander zu interferieren, um den Ausgangslichtstrahl bereitzustellen, der auf die Erfassungseinrichtung zum Erfassen seiner Intensität gegeben wird. Deshalb wird der Verwendungswirkungsgrad des Lichtstrahls, der von der Lichtquelle ausgesendet wird, erhöht und das optische System kann vereinfacht werden; insbesondere kann die Einrichtung zum Leiten des Ausgangslichtstrahls zu der Erfassungseinrichtung eine optische Faser sein. Somit kann die Spannung in dem ausgewählten Bereich, des sich in Prüfung befindenden Gegenstandes mit hoher Genauigkeit durch die Erfassungseinrichtung erfaßt werden.

Claims (10)

1. Ein Spannungsdetektor zur Detektion einer Spannungsänderung in einem ausgewählten Bereich eines zu messenden Objektes, der umfaßt:

eine Lichtquelle (53), zum Emittieren eines Lichtstrahls,

einen ersten optischen Weg, der eine erste Reflexionseinrichtung (14, 27) einschließt und ein erstes elektrooptisches Material (12, 25) um die Spannungsänderung in dem Objekt als Änderung des Brechungsindexes davon zu messen,

einen zweiten optischen Weg, der eine zweite Reflexionseinrichtung (11, 25) einschließt,

eine nicht polarisierende Aufspalteinrichtung (16, 28), um den von der Lichtquelle eingestrahlten Lichtstrahl in einen ersten Lichtstrahl aufzuspalten, der entlang des ersten optischen Weges läuft, und in einen zweiten Lichtstrahl, der entlang des zweiten optischen Weges läuft, wobei bewirkt wird, daß der zurückkehrende erste und zweite Strahl, die jeweils von der ersten und zweiten Reflexionseinrichtung (14, 27) reflektiert wurden, miteinander interferieren, und ein Ausgangsinterferenzlichtstrahl entnommen wird, und

eine Detektionseinrichtung (19), zum Detektieren der Spannungsänderung in dem ausgewählten Bereich des Objektes auf der Basis einer Intensitätsänderung, die durch die Änderung des Brechungsindexes und des erhaltenen Ausgangsinterferenzlichtstrahls bewirkt wird.

2. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, wobei die zweite Reflexionseinrichtung (11) in eine, zu dem zweiten optischen Weg parallele, Richtung beweglich ist.

3. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, wobei der zweite optische Weg weiter ein zweites elektrooptisches Material (26) einschließt, um die Spannung in dem Objekt als Änderung des Brechungsindexes davon zu messen, und wobei die Änderungen der Brechungsindizies des ersten (25) und zweiten (26) optischen Materials einander entgegengesetzt sind.

4. Spannungsdetektor nach Anspruch 3, wobei der zweite optische Weg weiter einen Reflexionsspiegel (24) einschließt, der zwischen der Aufspalteinrichtung und dem zweiten elektrooptischen Material angeordnet ist.

5. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, wobei die Laufrichtungen des zurückkehrenden ersten und zweiten Lichtstrahls bei der Interferenzoperation in der Aufspaltvorrichtung (28, 16) leicht voneinander verschoben werden, wobei die Aufspalteinrichtung den Ausgangslichtstrahl entnimmt, der räumliche Interferenzstreifen aufweist, und wobei die Detektionseinrichtung (19) eine Helligkeitsänderung eines dunkel und hell Interferenzmusters detektiert.

6. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (53) eine kontinuierliche (CW) Lichtquelle ist, und

die Detektionseinrichtung (19) ein schnell ansprechender Detektor ist, wobei der Spannungsdetektor weiter umfaßt:

ein aufweitendes optisches System (30), um den Ausgangslichtstrahl in parallele Lichtstrahlen aufzuweiten, und

eine Führungseinrichtung (32) um die parallelen Lichtstrahlen in den schnell ansprechenden Detektor einzuführen.

7. Spannungsdetektor nach Anspruch 6, wobei der schnell ansprechende Detektor (19) eine Lichtstreifenkamera (Streakkamera) (33) ist.

8. Spannungsdetektor nach Anspruch 6, wobei die Führungseinrichtung (32) ein optisches Faserbündel ist, und

die aufgeweiteten Ausgangslichtstrahlen einer Fotokathode (36) einer Lichtstreifenkamera (Streakkamera) (33) durch das optische Faserbündel (32) und einen Schlitz (34), in welchem Enden des optischen Faserbündels in Reihe angeordnet sind, zugeführt werden.

9. Spannungsdetektor nach Anspruch 6, wobei die Laufrichtungen des zurückkehrenden ersten und zweiten Lichtstrahls bei der Interferenzoperation in der Aufspaltvorrichtung (16, 28) leicht voneinander verschoben werden, wobei die Aufspalteinrichtung (16, 28) den Ausgangslichtstrahl entnimmt, der räumliche Interferenzstreifen aufweist, und die Lichtstreifenkamera (Streakkamera) eine Helligkeitsänderung eines dunkel und hell Interferenzmusters detektiert.

10. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, wobei eine Lichtquelle (53) eine Pulslichtquelle ist, um einen gepulsten Lichtstrahl mit extrem kurzer Pulsbreite synchron zu der Spannung in dem Objekt zu emittieren, und

die Detektionseinrichtung (19) ein fotoelektrischer Wandler ist.