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Diese Erfindung betrifft eine Spannungserfassungeinrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Eine Spannungserfassungseinrichtung zum Erfassen der
Spannung eines Ultrahochgeschwindigkeits-Photodetektors, eines
Halbleiterschalters oder einer
Hochgeschwindigkeits-Elektronikeinrichtung mit einer Zeitauflösung von Subpicosekunden
ist aus dem Stand der Technik gut bekannt.
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In Fig. 6(a) ist eine perspektivische Ansicht einer
Spannungserfassungseinrichtung der oben beschriebenen Art
gezeigt, die geoffenbart wurde von Janis A. Valdmanis et al,
"IEEE Journal of Quantum Electronics, "Vo. QE-19, Nr. 4 S.
664-667 (veröffentlicht im April 1983). In Fig. 6(b) und
Fig. 6(c) sind Draufsichten und eine Vorderansicht der in
Fig. 6(a) gezeigten Spannungserfassungseinrichtung gezeigt.
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Bei der Spannungserfassungseinrichtung, wie sie Fig. 6(a)
gezeigt ist, wird ein elektro-optisches Material 50 aus
Lithiumtantalat (LiTaO&sub3;) senkrecht zu der C-Achse
geschnitten, ein Aluminium-Streifenleiter 52 ist auf einer
Oberfläche 51 des elektro-optischen Materials 50 vorgesehen, der
senkrecht zu der C-Achse ist, und ein vorbestimmter Teil
eines sich in Prüfung befindenden Gegenstandes ist mit dem
Streifenleiter 52 verbunden.
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Wenn der sich in Prüfung befindende Gegenstand 53
beispielsweise ein Ultrahochgeschwindigkeits-Photodetektor ist, wobei
ein vorbestimmter Teil des Photodetektors mit dem
Streifenleiter 52 verbunden ist, bewegt sich ein Spannungsimpuls VP,
der eine Impulsbreite in der Größenordnung von zehn
Picosekunden hat, der von dem Photodetektor 53 ausgegeben wird,
längs des Streifenleiters 52 mit einer Geschwindigkeit V&sub0;
wie es in Fig. 6(c) gezeigt ist. Als ein Ergebnis wird ein
elektrisches Feld E an den Teil des elektro-optischen
Materials 50 gelegt, der unmittelbar unter dem Streifenleiter 52
ist, längs dessen sich der Spannungsimpuls VP bewegt. Der
Brechungsindex dieses Teils des Materials 50 wird als ein
Ergebnis des elektrischen Feldes geändert. Demgemäß ist,
wobei auf die Fig. 6(b) Bezug genommen wird, wenn eine linear
polarisierter Lichtstrahl PB auf einer Seite 54 des
elektrooptischen Materials 50 derart angewendet wird, daß er einen
Winkel θ mit der Längsachse A-A des Streifenleiters 52
bildet, die Geschwindigkeitskomponente V cos θ des Lichtstrahls
PB längs der Achse A-A gleich der Geschwindigkeit V&sub0; des
Spannungsimpulses VP. Somit geht der Lichtstrahl PB durch
das elektro-optische Material 50 hindurch, wobei er der
Brechungsindexänderung folgt, die durch den Spannungsimpuls
VP bewirkt wird. Die Polarisation des Lichtstrahls ändert
sich durch den wohl bekannten Pockels-Effekt, wenn jener
durch das Material 50 hindurch geht. Der Lichtstrahl wird
ebenso wie ein hindurchgegangener Lichtstrahl von der
gegenüberliegenden Seite 55 des elektro-optischen Materials 50
ausgegeben. Wenn die Änderung der Polarisation des
übertragenen Lichtstrahls erfaßt werden kann, dann kann der Wert
des Spannungsimpulses VP, der sich längs des Streifens 52
bewegt, ohne Beeinflussung des in Prüfung befindenden
Gegenstandes erreicht werden.
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Bei der in Fig. 6(a) gezeigten Spannungserfassungeinrichtung
wird der Lichtstrahl PB auf das elektro-optische Material 50
derart angewendet, daß seine Geschwindigkeitskomponente
längs der Längsachse des Streifenleiters 52 gleich der
Geschwindigkeit V&sub0; des Spannungsimpulses VP ist; das heißt,
der Lichtstrahl PB und der Spannungsimpuls dürfen
miteinander wechselwirken, so daß die Spannung aus der Änderung der
Polarisation des Lichtstrahls PB erfaßt wird. Bei der oben
beschriebenen Spannungserfassungseinrichtung kann der
Lichtstrahl PB in das elektro-optische Material 50 durch eine
Seite 54 hindurch eintreten und aus der gegenüberliegenden
Seite 55 austreten. Deshalb wechselwirken der optische
Strahl PB und der Spannungsimpuls miteinander während der
Zeitdauer T, die die Zeit darstellt, die der Lichtstrahl PB
beim Durchqueren des Streifenleiters 52 benötigt. Diese
Beziehung wird durch die folgende Formel gegeben:
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T = W/(V sin θ) ---- (1)
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worin W die Weite des Streifenleiters 52 ist und V die
Geschwindigkeit des Lichtstrahls PB in dem elektro-optischen
Material 50 ist.
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Wenn der Spannungsimpuls VP in der Größenordnung von
mehreren Kilovolt (kV) ist, ändert sich die Polarisation des
Lichtstrahls PH in dem Maße, daß sie erfaßt werden kann,
selbst wenn die Zeitdauer T kurz ist. Wenn jedoch der
Spannungsimpuls VP kleiner als mehrere Kilovolt ist, dann ist es
notwendig, die Zeitdauer T zu erhöhen, um die Polarisation
des Lichtstrahls PH zu erfassen. Da die Zeitdauer T von der
Weite W des Streifenleiters 52 abhängt, wie es aus der
obigen Gleichung (1) offensichtlich ist, ist die Möglichkeit,
die in den Figuren 6(a) und 6(b) gezeigte
Spannungserfassungseinrichtung auszulegen, um die Zeitdauer T zu erhöhen
und die Polarisation des Lichtstrahls PH zu ändern, wie es
verlangt wird, auf die praktische Weite W des
Streifenleiters 52 beschränkt.
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Demgemäß ist es eine Zielsetzung der Erfindung, eine
Spannungserfassungseinrichtung zu schaffen, die die Polarisation
eines Lichtstrahls in einem elektro-optischen Material in
dem Maße ändern kann, daß sie erfaßt werden kann, um den
Spannungswert des Spannungsimpulses mit hoher Genauigkeit zu
erfassen.
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Auch die Druckschrift WO-A-830 2829 offenbart eine
Meßvorrichtung, bei der Abtastimpulse von einem optischen
Impulsgenerator durch eine Pockels-Zelle hindurch als
polarisiertes
Licht zu einem doppelbrechenden Ausgleichskristall,
einer Linse, einer Ausgleichseinrichtung übertragen werden und
schließlich in einem Differenzausgang übersetzt werden, der
dem Amplitudenunterschied zwischen der übertragenen und der
zurückgewiesenen Komponente des polarisierten Lichts in
einem Analysator entspricht. Die mit den optischen
Abtastimpulsen synchronen Signale werden erzeugt, sich um die Zelle
herum in einer Richtung quer zu der Übertragung der
optischen Abtastimpulse mit einer veränderbaren
Verzögerungsbeziehung dazu fortzupflanzen.
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Das elektrische Feld von der Signalquelle pflanzt sich längs
der Länge der Zelle auf einer
Ausgleichsstreifenübertragungsleitung fort, die von einer Streifenelektrode und einer
Massestreifenelektrode gebildet ist.
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Die vorstehenden und anderen Zielsetzungen werden durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
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Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung kann der
Streifenleiter und/oder Elektrode aus einem transparenten,
leitenden Material gemacht werden, so daß ein linear
polarisierter Lichtstrahl in das elektro-optische Material
eintreten und als ein reflektierter Lichtstrahl oder
hindurchgegangener Lichtstrahl aus dem elektro-optischen Material
austreten kann.
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Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung ist das
elektro-optische Material so geschnitten, daß die Änderung
der Polarisation des Lichtstrahls maximal gemacht wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung kann die Spannung bei dem
vorbestimmten Teil des sich in Prüfung befindenden
Gegenstandes als eine fortschreitende Welle längs des
Streifenleiters fortlaufen, der auf der oberen Oberfläche des
elektro-optischen Materials gebildet ist. Wenn die Spannung
in dieser Weise fortschreitet, wird der Brechungsindex des
Teils des elektro-optischen Materials, der unmittelbar unter
der Streifenleitung ist, geändert. Gleichzeitig wird ein
linear polarisierter Lichtstrahl auf die untere Oberfläche
des elektro-optischen Materials durch die Elektrode hindurch
angewendet, die aus transparenten, leitendem Material
gemacht ist, so daß er sich in dem elektro-optischen Material
synchron zu dem Fortschreiten der Spannung fortbewegt; das
heißt der Geschwindigkeit der Änderung des Brechungsindex.
Die Polarisation des Lichtstrahls ändert sich mit dem
Brechungsindex. Der Lichtstrahl, der von der Streifenleitung
reflektiert wird, die beispielsweise aus Metall gemacht ist,
kann als ein reflektierter Lichtstrahl aus dem
elektro-optischen Material durch die transparente Elektrode hindurch
austreten. Somit wird die Polarisation des Lichtstrahls
geändert, während sich der Lichtstrahl von der unteren
Oberfläche des elektro-optischen Materials zu der
Streifenleitung fortpflanzt und während der Zeitdauer, die von der
Zeit, zu der der Lichtstrahl von der Streifenleitung
reflektiert wird, bis dann verstreicht, wenn der Lichtstrahl aus
der unteren Oberfläche des elektro-optischen Materials
austritt. Um die Änderung der Polarisation zu erhöhen, kann ein
Teil der Elektrode aus reflektierendem, leitendem Material
gemacht werden, so daß der Lichtstrahl mehrere Male in dem
elektro-optischen Material reflektiert wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird das elektro-optische
Material so geschnitten, daß die Änderung der Polarisation des
Lichtstrahls durch die Spannung bei dem vorbestimmten Teil
des sich in Prüfung befindenden Gegenstandes maximiert wird;
genauer gesagt, sind dessen obere und untere Oberfläche
senkrecht zu der Achse, die 55º mit der C-Achse des
Kristalls bildet. Dies wirkt, daß die Änderung der Polarisation
des Lichtstrahls maximal wird.
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Fig. 1 ist eine Querschnittsdarstellung, die einen
Abschnitt einer Spannungserfassungseinrichtung gemäß
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine zweite
Ausführungsform von der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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Fig. 3 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine dritte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine vierte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 5(a) stellt ein Verfahren zum Schneiden eines elektro-
optischen Materials dar, bei dem die obere
Oberfläche und die untere Oberfläche senkrecht zu der
C-Achse sind.
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Fig. 5(b) stellt ein Verfahren zum Schneiden eines elektro-
optischen Materials dar, bei dem die Änderung der
Polarisation eines Lichtstrahls darin maximiert
ist;
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Fig. 6(a) stellt eine herkömmliche
Spannungserfassungeinrichtung dar;
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Fig. 6(b) stellt einen Lichtstrahl dar, der durch die
Einrichtung der Fig. 6(a) hindurchläuft; und
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Fig. 6(c) stellt einen Spannungsimpuls dar, der sich über
die Einrichtung der Fig. 6(a) fortbewegt.
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Fig.1 ist eine Schnittansicht, die eine erste bevorzugte
Ausführungsform einer Spannungserfassungseinrichtung gemäß
der vorliegenden Erfindung darstellt. In der
Spannungserfassungseinrichtung der Fig. 1 ist eine Streifenleitung 3 aus
Aluminium oder Gold auf der oberen Oberfläche 2 eines
elektro-optischen Materials 1 aus Lithiumtantalat (LiTaO&sub3;)
oder Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) vorgesehen, und eine
transparente Elektrode 5 ist auf der Bodenoberfläche 4 des elektro-
optischen Materials 1 gebildet. Die transparente Elektrode 5
wird beispielsweise auf Massepotentiai gehalten.
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In der Spannungserfassungseinrichtung der Fig. 1 ist wie bei
der oben beschriebenen, in Fig. 6(a) gezeigten,
herkömmlichen Spannungserfassungseinrichtung ein vorbestimmter Teil
eines sich in Prüfung befindenden Gegenstandes,
beispielsweise ein Photodetektor, mit der Streifenleitung 3
verbunden, und ein Spannungsimpuls VP kann sich als eine
fortschreitende Welle längs der Streifenleitung 3 mit einer
Geschwindigkeit V&sub0; bewegen. Als ein Ergebnis wird auf den Teil
des elektro-optischen Materials 50, der sich unmittelbar
unter der Streifenleitung 52 befindet, ein elektrisches Feld E
angewendet, und der Brechungsindex dieses Teils wird
geändert. Das heißt, die Brechungsindexänderung bewegt sich mit
der Geschwindigkeit V&sub0; der Bewegung des Spannungsimpulses VP
folgend fort.
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Bei der Spannungserfassungseinrichtungg der Fig. 1 wird
anders als bei der herkömmlichen
Spannungserfassungseinrichtung, bei der der Lichtstrahl PH an der Seite des elektro-
optischen Materials 1 angewendet wird, der Lichtstrahl PB1
durch die transparente Elektrode 5 hindurch und den Boden
des elektro-optischen Materials 1 zu dem Teil des elektro-
optischen Materials 1 unmittelbar unter der Streifenleitung
3 angewendet. Bei diesem Vorgang wird der Einfallswinkel Ψ
so ausgewählt, daß die Geschwindigkeitskomponente V cos Ψ
des Lichtstrahls in dem elektro-optischen Materials 1
entlang der Längsachse des Streifenleiters 3 genommen, gleich
der Geschwindigkeit V&sub0; des Spannungsimpulses VP ist. Deshalb
erreicht der Lichtstrahl PB1, der auf dem Boden 4 des
elektro-optischen Materials 1 einfällt, die obere Oberfläche
2, während er durch die Brechungsindexänderung des elektro-
optischen Materials 1 beeinflußt wird, und wird dann von dem
Streifenleiter 3 durch die Bodenoberfläche 4 und die
transparente Elektrode 4 hindurchreflektiert. Während der
Lichtstrahl PB1 von der Bodenobef läche 4 des elektro-optischen
Materials 1 zu der oberen Oberfläche 2 fortschreitet und
während der Zeitdauer, die von dem Zeitpunkt verstreicht, zu
dem der Lichtstrahl durch den Streifenleiter 3 reflektiert
wird, bis der Lichtstrahl aus der Bodenoberfläche 4 des
elektro-optischen Materials 1 auftritt, ändert sich die
Polarisation des Lichtstrahls PB1 mit dem Brechungsindex. Die
Zeitdauter T&sub1;, während der sich die Polarisation des
Lichtstrahls PB1 ändert, ist:
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T&sub1; = 2H/ (V sind Ψ ) ---- (2)
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Wenn die Weite W des Streifenleiters in Gleichung (1) gleich
der Dicke H des elektro-optischen Materials in Gleichung (2)
ist und der Winkel Θ in Gleichung (1) gleich Ψ ist, ist die
Polarisationsänderung der Spannungserfassungseinrichtung der
Fig. 1 zweimal größer als diejenige in der herkönlichen
Spannungserfassungseinrichtung der Fig. 6. In diesem Fall
ändert sich, selbst wenn der Spannungspegel des
Spannungsimpulses VP nicht hoch ist, die Polarisation des Lichtstrahls
PB1 in dem Maße, daß sie erfaßt werden kann, und deshalb
kann der Spannungspegel des Spannungsimpulses mit hoher
Genauigkeit erfaßt werden.
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Die Figuren 2, 3 und 4 sind Darstellungen, die Abänderungen
der Spannungserfassungseinrichtung der Fig.1 zeigen. In den
Figuren 2 bis 4 sind Teile, die funktional jenen
entsprechen, die unter Bezugnahme auf die Fig. 1 beschrieben worden
sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder Bezugszahlen
bezeichnet.
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In einer Spannungserfassungseinrichtung der Fig. 2 sind
transparente Elektroden 6 auf einem Tel der Bodenoberfläche
4 des elektro-optischen Materials 1, auf den ein linear
polarisierter Lichtstrahl PB2 angewendet wird, bzw. auf
einem Teil der Bodenoberfläche gebildet, von dem der
reflektierte Lichtstrahl austritt; und ein reflektierender Spiegel
7, beispielsweise aus Metall, ist auf dem übrigen Teil
gebildet,
der verwendet wird, um den Lichtstrahl PB2 in das
elektro-optische Material 1 n-mal zu reflektieren.
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In der derart ausgestalteten Spannungserfassungseinrichtung
wird der Strahl PB2, der in das elektro-optische Material 1
durch eine der transparenten Elektroden 6 hindurch eintritt,
n-mal zwischen dem Streifenleiter 3 und dem reflektierenden
Spiegel 7 reflektiert, und kann dann als ein reflektierter
Lichtstrahl aus der anderen transparenten Elektrode 6
austreten. Bei diesem Vorgang ist die Zeitdauer T&sub2;, während der
sich die Polarisation des Lichtstrahls PB2 ändert:
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T&sub2; = (n+1) H/ (V sin Ψ< )9 ---- (3)
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Das heißt, die Polarisationsänderung bei dem reflektierten
Lichtstrahl kann erhöht werden, und deshalb kann selbst,
wenn der Spannungspegel des Spannungsimpulses VP klein ist,
der Spannungspegel mit hoher Genauigkeit erfaßt werden.
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In der Spannungserfassungseinrichtung, die in Fig. 3 gezeigt
ist, ist ein transparenter Streifenleiter 8 auf der oberen
Oberfläche des elektro-optischen Materials 1 gebildet, und
ein reflektierender Spiegel 9, beispielsweise aus Metall,
ist auf der Bodenoberfläche 4 des elektro-optischen
Materials 1 gebildet. In der derart ausgestalteten
Spannungserfassungseinrichtung kann im Gegensatz zu der
Spannungserfassungseinrichtung in der Fig. 1 ein linear polarisierter
Lichtstrahl PB3 in das elektro-optische Material 1 durch den
transparenten Streifenleiter 8 hindurch und die obere
Oberfläche 2 eintreten, und wird durch den reflektierenden
Spiegel 9 reflektiert, so daß er als ein reflektierter
Lichtstrahl aus dem Streifenleiter 8 austritt. Wenn es erwünscht
ist, den Lichtstrahl PB3 mehrere Male in dem
elektro-optischen Material 1 zu reflektieren, wie in dem Fall der Fig.
2, kann der Streifenleiter 8 so abgeändert werden, daß seine
beiden Endabschnitte aus einem transparenten Leiter und der
restliche Bereich aus einem metallischen Leiter, wie
Aluminium, gebildet wird.
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In der Spannungserfassungeinrichtung der Fig. 4 ist ein
transparenter Streifenleiter 8 auf der oberen Oberfläche 2
des elektro-optischen Materials 1 gebildet, und eine
transparente Elektrode 5 ist auf der Bodenoberfläche 4 des
elektro-optischen Materials 1 gebildet. In der derart
ausgebildeten Spannungserfassungseinrichtung kann ein linear
polarisierter Lichtstrahl PB4 in das elektro-optische
Material 1 durch den transparenten Streifenleiter 8 hindurch
eintreten und als ein übertragener Lichtstrahl aus der
transparenten Elektrode 5 austreten.
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Die Verwendung des transparenten Leitermaterials ermöglicht,
daß der Lichtstrahl in das elektro-optische Material mit
einem erwünschten Einfallsmuster eintreten kann, so daß der
Freiheitsgrad beim Ausdehnen des Einfallswinkels des
Lichtstrahls stark erhöht wird.
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In Fig. 5(a) ist ein herkömmliches Verfahren zum Schneiden
des elektro-optischen Materials gezeigt. Bei der
herkömmlichen, in Fig. 6(a) gezeigten Spannungserfassungseinrichtung
ist das elektro-optische Material 50 so geschnitten, daß
seine obere Oberfläche 51 und die untere Oberfläche
senkrecht zu der C-Achse sind. Es hat sich herausgestellt, daß
das in der oben beschriebenen Weise geschnittene, elektro-
optische Material 50 große elektro-optische Konstanten
aufweist; wenn jedoch die Spannung eines Impulses aus der
Änderung der Polarisation eines Lichtstrahls erfaßt wird, der
auf das elektro-optische Material durch die Seite 54
hindurch angewendet wird, ist der in Fig. 5(a) gezeigte Schnitt
nicht optimal; das heißt, die Halbwellenspannung erscheint
höher.
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In Fig. 5(b) ist ein Diagramm für ein Verfahren zum
Schneiden eines elektro-optischen Materials gezeigt, das die
Polarisationsänderung
eines Lichtstrahls darin maximiert. Wie es
in Fig. 5(b) gezeigt ist, ist das elektro-optische Material
aus Lithiumtantalat (LitTaO&sub3;) oder Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) so
geschnitten, daß seine obere Oberfläche 2 und die untere
Oberfläche 4 senkrecht zu der diagonalen Linie B-B des
Kristalls sind, die einen Winkel von 55º mit der C-Achse
bildet. Wenn auf diese Weise geschnittenes, elektro-optisches
Material 1 verwendet wird, wie es in Figur 2, 3 oder 4
gezeigt ist, ist die Polarisationsänderung größer als wenn das
elektro-optische Material geschnitten wäre, wie es oben
unter Bezugnahme auf die in Fig. 5(a) gezeigt ist, das heißt,
wo die obere Oberfläche 51 und die untere Oberfläche
senkrecht zu der C-Achse sind. Zusätzlich ist die
Halbwellenspannung in dem Material, das wie es in Fig. 5(b) gezeigt
ist, geschnitten ist, ungefähr ein Drittel von der in dem
Material, das wie in Fig. 5(a) gezeigt, geschnitten ist.
Somit kann die Spannung, die durch den vorbestimmten Teil des
sich in Prüfung befindenden Gegenstandes erzeugt wird, mit
höherer Genauigkeit und mit höherer Empfindlichkeit erfaßt
werden.
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In den Ausführungsforinen der in den Figuren 1 bis 5
dargestellten Erfindung können die Teile der Einrichtung, die
nicht von dem Einfall, der Reflexion und der Übertragung des
Lichtstrahls betroffen sind, zum Verhindern von
Lichtstreuung schwarz angemalt werden.
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Aus obigen Beschreibung ist es offensichtlich, daß gemäß dem
ersten Grundgedanken der Erfindung der Streifenleiter
und/oder die Elektrode aus einem transparenten, leitenden
Material gemacht sind. Wenn deshalb ein Lichtstrahl in das
elektro-optische Material durch seine obere Oberfläche oder
seine untere Oberfläche hindurch eintreten kann, kann die
Änderung der Polarisation des Lichtstrahls in dem elektro-
optischen Material erhöht werden kann, und deshalb kann die
Spannung des vorbestimmten Teils des sich in Prüfung
befindenden Gegenstandes mit hoher Genauigkeit erfaßt werden.
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Ferner ist gemäß dem zweiten Grundgedanken der Erfindung das
elektro-optische Material so geschnitten, daß die Änderung
der Polarisation des Lichtstrahls durch die von dem
vorbestimmten Teil des sich in Prüfung befindenden Gegenstandes
erzeugte Spannung maximiert wird, und deshalb kann die
Spannung mit höherer Empfindlichkeit erfaßt werden.
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Für den Durchschnittsfachmann sollte es offensichtlich sein,
daß verschiedene Abänderungen an dem Gegenstand der
vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von ihrem
Bereich abzuweichen. Es ist somit beabsichtigt, daß die
Erfindung Abänderungen und Variationen der Erfindung
überdeckt, vorausgesetzt sie kommen in den Bereich der
beigefügten Ansprüche und ihrer gesetzlich zugeordneten Äquivalente.