DE3887006T2

DE3887006T2 - Spannungsdetektor.

Info

Publication number: DE3887006T2
Application number: DE88109229T
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Aoshima; Takuya Nakamura; Hironori Takahashi; Yutaka Tsuchiya
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1987-06-10
Filing date: 1988-06-09
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2008-06-10
Also published as: EP0294815A3; DE3887006D1; US4982152A; JPH0695112B2; JPS63308570A; EP0294815A2; EP0294815B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine Spannungsdetektoreinrichtung, wie eine elektrische Schaltung, zum Erfassen der Spannung eines vorbestimmten Teils eines sich in Messeung befindenden Gegenstandes, und insbesondere eine Spannungsdetektoreinrichtung, die nach dem Grundsatz arbeitet, daß der Brechungsindex eines elektro-optischen Materials von der Spannung eines vorbestimmten Teils eines sich in Messung befindenden Gegenstandes abhängt.

2. Beschreibung des in Beziehung stehenden Standes der Technik

Eine Vielzahl von Spannungsdetektoreinrichtungen, die elektrische Schaltkreise umfassen, ist verwendet worden, um die Spannung eines vorbestimmten Teils eines Gegenstandes zu erfassen. Ein Beispiel einer Spannungsdetektoreinrichtung verwendet eine Sonde, die mit dem vorbestimmten Teil des Gegenstandes in Berührung gebracht wird, um die Spannung in dem Teil des Gegenstandes zu erfassen. Bei einem anderen Beispiel einer Spannungsdetektoreinrichtung wird eine Sonde von dem vorbestimmten Teil des Gegenstandes entfernt gehalten, und ein Elektronenstrahl wird auf den vorbestimmten Teil des Gegenstandes angewendet, um die Spannung zu erfassen.
Auf dem Gebiet der Spannungsdetektoreinrichtungen gibt es einen großen Bedarf nach einem Verfahren zum Erfassen der Spannung eines sehr kleinen Teils eines Gegenstandes, wie ein kleiner integrierter Schaltkreis, mit hoher Genauigkeit und ohne die Bedingungen des sehr kleinen Teils zu beeinflussen. Eine Spannungsdetektoreinrichtung dieser Art mit einer Sonde die mit einem vorbestimmten Teil eines Gegenstandes in Messung in Brührung gebracht wird, hat viele Nachteile. Es ist schwierig, die Sonde in Berührung mit einem sehr kleinen Teil eines integrierten Schaltkreises zu bringen. Selbst wenn es möglich wäre, die Sonde in Berührung mit einem Teil des integrierten Schaltkreises zu bringen, ist es schwierig, die Arbeitsweise der integrierten Schaltung richtig auf der Grundlage nur der Spannungswerte zu analysieren. Ferner werden die Arbeitsbedingungen der integrierten Schaltung geändert, indem die Sonde mit der integrierten Schaltung in Berührung gebracht wird.
Die Spannungsdetektoreinrichtung der Art, die einen Elektronenstrahl verwendet, während eine Sonde von einem Gegenstand, der sich in Messung befindet, fortgehalten wird, um eine Spannung zu erfassen, weist auch viele Schwierigkeiten auf. Der Teil, der gemessen werden soll, mußt einem Vakuum ausgesetzt werden und kann von dem Elektronenstrahl zerstört werden. Bei den herkömmlichen Spannungsdetektoreinrichtungen kann die Arbeitsgeschwindigkeit des Detektors der Hochgeschwindigkeitsänderung der Spannung nicht nachfolgen. Deshalb besitzen herkömmliche Spannungsdetektoreinrichtungen den Nachteil, daß Spannungen, die sich schnell ändern, in integrierten Schaltungen beispielsweise, nicht genau erfaßt werden können.
Um die vorgenannten Schwierigkeiten zu lösen ist eine Spannungsdetektoreinrichtung, die nach dem Grundsatz arbeitet, daß sich die Polarisation eines Lichtstrahls durch die Spannung eines vorbestimmten Teils eines Gegenstandes in Messung ändert, in der unveröffentlichten, japanischen Patentanmeldung Nr. 137317/87 geoffenbart worden, die in Japan am 30. Mai 1987 hinterlegt worden ist (=EP-A-293 788). Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Anordnung der vorhergehend geoffenbarten Spannungsdetektoreinrichtung des Anmelders zeigt.
Wie es in Fig. 7 gezeigt ist, umfaßt die Spannungsdetektoreinrichtung eine optische Sonde 52, eine Lichtquelle 53, die beispielsweise eine Laserdiode enthält, eine optische Faser 51 zum Führen eines Lichtstrahls von der Lichtquelle 53 durch eine Kondensatorlinse 60 zu der optischen Probe 52, und eine optische Faser 92, um einen Bezugslichtstrahl von der optischen Sonde 52 durch einen Kollimator 90 zu einem photoelektrischen Umwandlungselement 55 zu lenken. Die Einrichtung umfaßt ferner eine optische Faser 93, um einen austretenden Lichtstrahl von der optischen Sonde 52 durch einen Kollimator 91 auf ein photoelektrisches Umwandlungselement 58 anzuwenden, und eine Vergleichsschaltung 61, in der der die elektrischen Ausgangssignale der photoelektrischen Umwandlungseleinente 55 und 58 einem Vergleich unterzogen werden.
Das elektro-optische Material 62, wie ein optisch-einachsiger Kristall aus Lithiuintantalat (LiTaO&sub3;), ist in der optischen Sonde 52 eingeschlossen. Der Endabschnitt 63 der optischen Sonde 52 ist in der Form eines kreisförmigen Kegelstumpfes. Eine leitende Elektrode 64 ist auf der zylindrischen Wand der optischen Sonde 52 gebildet. Ein reflektierender Spiegel 65, der aus einer Metallschicht oder einer dielektrischen Mehrfachschicht gemacht ist, ist auf der Endseite des Endabschnittes 63 der optischen Sonde 52 vorgesehen.
Innerhalb der optischen Probe 52 sind ein Kollimator 94, Kondensatorlinsen 95 und 96, ein Polarisator 54, um nur einen Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Polarisationskomponente aus einem von dem Kollimator 94 ausgegebenen Lichtstrahl zu gewinnen, und ein Strahlteiler 56 vorgesehen, um den Lichtstrahl mit der vorbestiinmten Polarisationskomponente, der durch den Polarisator 54 geliefert wird, in den Bezugslichtstrahl und einen einfallenden Lichtstrahl aufzuteilen und einen aus dem elektro-optischen Material 62 austretenden Lichtstrahl auf einen Analysator 57 anzuwenden. Der Bezugslichtstrahl und der austretende Lichtstrahl werden durch die Kondensatorlinsen 95 und 96 auf die optische Faser 92 bzw. 93 angewendet.
Bei einer wie oben beschriebenen Spannungsdetektoreinrichtung 50 liegt die leitende Elektrode 64, die auf der zylindrischen Wand der optischen Sonde 52 gebildet ist, auf Masse. Der Endabschnitt 63 der optischen Sonde 52 wird nahe bei einem sich in Messung befindenden Gegenstand, wie einer integrierten Spannungsdetektoreinrichtung (nicht gezeigt), eingesetzt. Als ein Ergebnis wird der Brechungsindex des Endabschnittes 63 des elektro-optischen Materials 62 in der optischen Sonde 52 verändert. Genauer gesagt wird in einem optisch-einachsigen Kristall der Unterschied zwischen dem Brechungsindex eines gewöhnlichen Lichtstrahls und demjenigen eines außergewöhnlichen Lichtstrahls in der Ebene senkrecht zu der Fortpflanzungsrichtung verändert.
Der Ausgangslichtstrahl der Lichtquelle 53 wird durch die Kondensatorlinse 60, die optische Faser 51 und den Kollimator 94 in der optischen Sonde 52 auf den Polarisator 54 angewendet. Der Polarisator 54 gibt einen Lichtstrahl aus der die vorbestimmte Polarisationskomponente der Intensität I hat. Der Ausgangslichtstrahl des Polarisators 54 wird durch den Strahlteiler 56 auf das elektro-optische Material 62 in der optischen Sonde 52 angewendet. Der Bezugslichtstrahl und der einfallende Lichtstrahl, die durch den Strahlteiler 56 gebildet sind, haben die Intensität 1/2. Wie es oben beschrieben worden ist, wird der Brechungsindex des elektro-optischen Materials 62 durch die Spannung eines Gegenstandes in Messung geändert. Deshalb wird bei dem einfallenden Lichtstrahl, der auf das elektro-optische Material 62 angewendet wird, die Polarisation an dem Endabschnitt 63 in Abhändigkeit von der Änderung des Brechungsindex geändert und dann durch den reflektierenden Spiegel 65 reflektiert. Das reflektierte Licht wird als der von dem elektro-optische Material 62 austretenden Lichtstrahl auf den Strahlteiler 56 angewendet. Die Polarisation des einfallenden Lichtstrahls wird proportional zu dem Unterschied der Brechungsindizes zwischen einem gewöhnlichen Lichtstrahl und einem außergewöhnlichem Lichtstrahl verändert, der der Spannung zugeordnet wird, und proportional zu einem Wert 21 worin 1 die Länge des Endabschnittes 63 des elektro-optische Material ist.
Der austretende Lichtstrahl wird auf den Analysator 57 durch den Strahlteiler 56 angewendet. Die Intensität des austretenden Lichtstrahls, der auf den Analysator 57 angewendet wird, wird auf I/4 durch den Strahlteiler 56 verringert. Wenn der Analysator 57 so ausgelegt ist, daß er nur einen Lichtstrahl überträgt, der eine Polarisationskomponente senkrecht zu der Polarisationskomponente des Polarisators 54 hat, dann ändert der Analysator die Intensität I/4 des austretenden Lichtstrahls, der auf ihn angewendet wird, zu (I/4)sin²((π/2) V/Vo), worin V die Spannung des Gegenstandes in Messung und Vo die Halbwellenlängen-Spannung ist. Der austretende Lichtstrahl wird danr auf das photoelektrische Umwandlungselement 58 angewendet.
In der Vergleichsschaltung 61 wird die Intensität I/2 des Bezugslichtstrahls, der der photoelektrischen Umwandlung durch das photoelektrische Umwandlungselement 55 unterzogen worden ist, mit der Intensität (I/4)sin²((π/2) V/Vo) des austretenden Lichtstrahls verglichen, der der photoelektrischen Umwandlung durch das photoelektrische Umwandlungselement 58 ausgesetzt worden war.
Die Intensität (I/4)sin²((π/2) V/Vo) des austretenden Lichtstrahls hängt von der Änderung des Brechungsindex des Endbereiches 63 des elektro-optische Materials 62 ab, was aufgrund einer Änderung der Spannung erfolgt. Deshalb kann die Spannung bei einem vorbestimmten Teil eines Gegenstandes in Messung, wie einer integrierten Spannungsdetektoreinrichtung, aus der Intensität erfaßt werden.
Wie oben beschrieben wurde, ist die Spannungsdetektoreinrichtung der Fig. 7 so ausgelegt, daß die Spannung eines vorbestimmten Teils eines Gegenstandes in Messung aus der Änderung des Brechungsindex des Endabschnittes 62 des elektro-optischen Materials 62 erfaßt wird, die bewirkt wird, wenn sich der Endabschnitt 63 der optischen Sonde 52 dem Gegenstand nähert. Deshalb kann mit der Einrichtung der Fig. 7 die Spannung eines sehr kleinen Teils einer integrierten Schaltung, die mit einer Sonde schwer zu berühren ist, mit der optischen Sonde 52 erfaßt werden, die von dem sehr kleinen Teil entfernt gehalten wird. Ferner kann die Spannung eines sehr kleinen Teils einer integrierten Schaltung, die beeinflußt wird, wenn die integrierte Schaltung mit einer Sonde berührt wird, mit der optischen Sonde 52 erfaßt werden, die von dem sehr kleinen Teil entfernt gehalten wird. Ferner kann eine Pulslichtquelle, wie eine Laserdiode, die einen optischen Puls ausgibt, der eine äußerst kurze Pulsbreite hat, verwendet werden, die schnellen Spannungsänderungen des Gegenstandes in bemerkenswert kurzen Zeitintervallen abzutasten. Alternativ können eine Gleichstromlichtquelle und ein Detektor mit Hochgeschwindigkeitsansprechvermögen, wie eine Schlierenkamera, verwendet werden, um die schnellen Spannungsänderungen des Gegenstandes mit hoher Auflösung zu messen. Somit können die schnellen Spannungsänderungen mit hoher Genauigkeit erfaßt werden, wobei die Einrichtung der Fig. 7 verwendet wird.
Die Spannungsdetektoreinrichtung 50 der Fig. 7 ist jedoch mit vielen Schwierigkeiten verbunden. Die Einrichtung der Fig. 7 erfaßt die Spannung eines vorbestimmten Teils eines Gegenstandes in Messung aus der Änderung der Polarisation des Lichtstrahls in dem elektro-optischen Material 62. Deshalb ist es notwendig, nur den Lichtstrahl, der die vorbestimmte Polarisationskomponente hat, aus dem Ausgangslichtstrahl der Lichtquelle 53 mit Hilfe des Polarisators 54 zu gewinnen. Es ist ferner notwendig, die vorbestimmte, lineare Polarisationskomponente aus dem aus dem elektro-optischen Material 62 austretenden Lichtstrahl mit Hilfe des Analysators 57 zu gewinnen. Demgemäß hat die Einrichtung eine geringe Lichtausnutzung. Ferner enthält die Einrichtung den Strahlteiler 56. Deshalb ist die Intensität des austretenden Lichtstrahls, der auf den Analysator 57 angewendet wird, geringer als diejenige des Lichtstrahls, der von der Lichtquelle 53 ausgegeben wird. Als ein Ergebnis ist die Spannungserfassung von begrenzter Genauigkeit und Wirkungsgrad. Zusätzlich weist die Einrichtung eine relativ große Anzahl an optischen Bauteilen einschließlich des Polarisators 54, des Analysators 57 und des Strahlteilers 56 auf. Deshalb ist die Genauigkeit des optischen Systems begrenzt. Zusätzlich kann durch Erfassen der Spannung eines vorbestimmten Teils eines Gegenstandes in Messung aus der Änderung der Polarisation nur der absolute Wert der Spannung erfaßt werden. Es ist unmöglich, die Polarität der Spannung zu bestimmen, das heißt, es ist unmöglich, zu bestimmen, ob die Spannung positiv oder negativ ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, eine Spannungsdetektoreinrichtung zu schaffen, bei der die Notwendigkeit, vorbestimmte Polarisationskomponenten aus den Lichtstrahlen zu gewinnen, ausgeschlossen ist.
Eine andere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, eine Spannungsdetektoreinrichtung zu schaffen, die eine hohe Lichtausnützung hat.
Eine weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, eine Spannungsdetektoreinrichtung zu schaffen, die wirksam Licht entlang der Lichtwege lenkt.
Eine weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, eine Spannungsdetektoreinrichtung zu schaffen, bei der Strahlteiler und verbundene Ungenauigkeiten und Unwirksamkeiten fortgelassen sind.
Eine weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, eine Spannungsdetektoreinrichtung zu schaffen, die ein einfaches optisches System verwendet.
Eine weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, eine Spannungsdetektoreinrichtung zu schaffen, die die Polarität sowie die Größe der zu erfassenden Spannung erfaßt.
Eine noch weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, eine Spannungsdetektoreinrichtung zu schaffen, die direkt mit hoher Genauigkeit die Spannung sowie die Polarität der Spannung eines vorbestimmten Teils eines Gegenstandes in Messung unter Verwendung eines einfachen optischen Systems erfassen kann.
Die vorgenannten Zielsetzungen der Erfindung wurden durch die Spannungsdetektoreinrichtung gemäß der Erfindung erreicht, die umfaßt eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls, eine Einrichtung zur Änderung des optischen Weges, die aus dem elektro-optischen Material hergestellt ist und bewirkt, daß sich der Lichtstrahl von der Lichtquelle entlang des optischen Weges, einem Brechungsindex des elektro-optischen Materials entsprechend, fortpflanzt, eine Lichtmengenentnahmeeinrichtung, die an einer bestimmten Stelle auf der Ausgangsseite der Einrichtung zur Änderung des optischen Weges vorgesehen ist, um die Lichtmenge des Lichtstrahls an der bestimmten Stelle zu entnehmen, und eine Detektoreinrichtung zur Erfassung einer Spannung an der bestimmten Stelle des zu messenden Gegenstandes entsprechend der Lichtmenge, die von der Lichmengengewinnungseinrichtung entnommen worden ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Art, auf die die obigen und anderen Zielsetzungen erreicht werden, wird vollständig offensichtlich aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung, wenn diese mit den Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
Fig. 1 ein Diagramm ist, das die Anordnung der ersten Ausführungsform einer Spannungsdetektoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 2 ein Diagramm ist, das die Anordnung der zweiten Ausführungsform einer Spannungsdetektoreinrichtung gemäß der Erfindung zeigt, die eine negative Spannung sowie eine positive Spannung erfassen kann.
Fig. 3 ein Diagramm ist, das die Abänderung der Spannungsdetektoreinrichtung zeigt, die in Fig. 2 gezeigt ist.
Fig. 4 ein Diagramm ist, das die Spannungserfassungseinrichtung der Fig. 2 zeigt, die mit einer Schlierenkamera ausgerüstet ist.
Fig. 5 ein Diagramm ist, das die Anordnung einer Schlierenkamera zeigt.
Fig. 6 ein Diagramm ist, das die Spannungsdetektoreinrichtung der Fig. 3 zeigt, die mit einer Schlierenkamera ausgerüstet ist.
Fig. 7 ein Diagramm ist, das die Anordnung einer Spannungsdetektoreinrichtung zeigt, die kürzlich von den Anmeldern geof fenbart worden ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN IM EINZELNEN

Bei der Spannungsdetektoreinrichtung der Erfindung wird der Lichtstrahl, der von der Lichtquelle ausgegeben wird, auf eine Einrichtung zur Änderung des optischen Weges, wie ein dreieckförmiges Prisma, aus elektro-optischen Material angewendet. Der auf die Einrichtung zur Änderung des optischen Weges angewendete Lichtstrahl läuft entlang des optischen Weges, der durch den Brechungsindex der Einrichtung zur Änderung des optischen Weges bestimmt ist, und tritt als ein durchgelassener Lichtstrahl oder ein reflektierter Lichtstrahl aus der Einrichtung zur Änderung des optischen Weges aus. Der Brechungsindex der Einrichtung zur Änderung des optischen Weges hängt von der Spannung des vorbestimmten Teils des Gegenstandes in Messung ab, und demgemäß hängt der optische Weg des durchgelassenen Lichtstrahls oder des reflektierten Lichtsstrahls auch von der Spannung des vorbestimmten Teils des Gegenstandes in Messung ab.
Da der Lichtstrahl von der Lichtquelle eine räumliche Intensitätsverteilung hat, hat der durchgelassene Lichtstrahl oder der ref lektierte Lichtstrahl, die aus der Einrichtung zur Änderung des optischen Weges austreten, auch eine räumliche Intensitätsverteilung. Eine Lichtmengengewinnungseinrichtung, wie ein Schlitz oder eine Blende, ist an einer vorbestimmten Position auf der Ausgangsseite der Einrichtung zur Änderung des optischen Weges vorgesehen. Die Lichtmenge des durchgelassenen Lichtstrahls oder des reflektierten Lichtstrahls, der durch den Schlitz oder die Blende hindurchgeht, wird mit der Bewegung der räumlichen Intensitätsverteilung geändert, die durch die Änderung des optischen Weges des hindurchgegangenen Lichtstrahls oder des reflektierten Lichtstrahls hervorgerufen wird. Die Änderung bei der Lichtmenge wird durch die Erfassungseinrichtung, wie ein photoelektrisches Umwandlungselement erfaßt und die Spannung des vorbestimmten Teils des Gegenstandes wird von dem Ausgang des photoelektrischen Umwandlungselementes erfaßt.
Fig. 1 ist ein Diagramm, das die Anordnung der ersten Ausführungsform einer Spannungsdetektoreinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Spannungsdetektoreinrichtung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt ein dreieckförmiges Prisma 1, das beispielsweise aus einem optisch-einachsigen Lithiumtantalat-Kristall (LiTaO&sub3;) hergestellt ist. Die Spannungsdetektoreinrichtung ist von einer Einrichtung verschieden, die die Spannung gemäß der Änderung der Polarisation eines Lichtstrahls mißt.
Beim Betrieb wird das Ende 2 des Prismas 1 nahe an einen Gegenstand in Messung gebracht, so daß der Brechungsindex des Prismas 1 durch die Spannung eines vorbestimmten Teils des Gegenstandes geändert wird. Ein einfallender Lichtstrahl IB wird auf das Prisma 1 durch einen Kollimator 4 von einer Lichtquelle 53, wie ein Laser, angewendet. Der derart angewendete, einfallende Lichtstrahl läuft entlang des optischen Weges in dem Prisma 1, der durch den Brechungsindex des Prismas 1 bestimmt ist, und tritt als hindurchgegangener Lichtstrahl aus dem Prisma aus. Der hindurchgegangene Lichtstrahl wird, nachdem er unter einem vorbestimmten Winkel von einem Spiegel 5 reflektiert worden ist, durch einen Schlitz 6 auf einen Detektor, beispielsweise ein photoelektrisches Umwandlungselement 7 angewendet.
Wenn keine Spannung an das Prisma 1 angelegt wird, läuft der einfallende Lichtstrahl IB, der auf das Prisma 1 angewendet wird, entlang eines optischen Weges T1 in dem Prisma 1 und tritt aus dem Prisma aus ein hindurchgegangener Lichtstrahl TB1 aus. Wenn andererseits die Spannung, beispielsweise eine positive Spannung, eines vorbestimmten Teils eines Gegenstandes auf das Prisma 1 angewendet wird, wird der Brechungsindex des dreieckförmigen Prismas 1 aus elektro-optischen Material geändert. Infolgedessen bewegt sich der einfallende Lichtstrahl IB, der von der Lichtquelle 53 ausgegeben wird, entlang eines optischen Weges T2 in dem Prisma fort und tritt aus dem Prisma als ein Lichtstrahl TB2 aus.
Da der von der Lichtquelle 53 einfallende Lichtstrahl IB eine räumliche Intensitätsverteilung hat, erreichen die durchgelassenen Lichtstrahlen TB1 und TB2 den Schlitz 6 mit räumlichen Intensitätsverteilungen. Wenn der Schlitz 6 in den optischen Weg des hindurchgegangenen Lichtstrahls TB2, der sich entlang des optischen Weges T2 in dem dreieckförmigen Prisma 1 fortbewegt hat, angeordnet wird, dann kann der hindurchgegangene Lichtstrahl TB1, der sich entlang des optischen Weges T1 in dem dreieckförmigen Prisma 1 fortbewegt hat, kaum durch den Schlitz 6 hindurchgehen. Genauer gesagt geht nur eine kleine Lichtmenge Co von der räumlichen Intensitätsverteilung des Lichtstrahls TBl durch den Schlitz 6 hindurch, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Der hindurchgegangene Lichtstrahl TB2, der sich entlang des optischen Weges T2 in dem dreieckförmigen Prisma 1 fortbewegt hat, geht im wesentlichen durch den Schlitz hindurch. Genauer gesagt geht der größte Teil der optischen Intensitätsverteilung des hindurchgegangenen Lichtstrahls TB2 durch den Schlitz 6 hindurch. Mit anderen Worten geht die große Lichtmenge C&sub1;, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, durch den Schlitz 6 hindurch.
Wenn sich die Spannung eines vorbestimmten Teils des Gegenstandes in Messung beispielsweise aufgrund eines Pulses in der positiven Richtung ändert, wenn die Spannung anfangs null ist, ist die Lichtmenge, die durch den Schlitz 6 hindurchgeht, äußerst klein, das heißt auf C&sub0;. Wenn die positive Spannung auf das dreieckförmige Prisma 1 angewendet wird, wird die Lichtmenge, die durch den Schlitz 6 hindurchgeht, nach und nach erhöht, das heißt auf C&sub1;. Wenn die Spannung erneut null erreicht, wird die Lichtmenge, die durch den Schlitz 6 hindurchgeht, erneut verringert, das heißt C&sub0;. Die Lichtmenge, die durch den Schlitz 6 hindurchgeht und sich mit der Zeit ändert, wird in ein elektrisches Signal durch das photo-elektrische Umwandlungselement 7 umgewandelt, so daß die Wellenform der Spannung des vorbestimmten Teils des Gegenstandes beobachtet werden kann.
Bei der Ausführungsform der Spannungsdetektoreinrichtung, die oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1 beschrieben worden ist, ist ein Schlitz 6 für die Erfassung der positiven Spannungen vorgesehen. Jedoch wird manchmal verlangt, negative Spannungen zu erfassen. Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Anordnung einer zweiten Ausführungsform der Spannungsdetektoreinrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt, die negative Spannungen sowie positive Spannungen erfassen kann. Bei der Spannungsdetektoreinrichtung der Fig. 2 ist ein Schlitz 6-1 in dem optischen Weg des hindurchgegangenen Lichtstrahls TB2 vorgesehen, der aus dem dreieckförmigen Prisma 1 austritt, wenn eine positive Spannung angewendet wird. Der Schlitz 6-1 ist ähnlich dem Schlitz der Einrichtung in Fig. 1. Ein photo-elektrisches Umwandlungselement 7- 1 erfaßt die Lichtmenge, die durch den Schlitz 6-1 hindurchgeht, um die positiven Spannungen zu erfassen. Ein Schlitz 6-2 und ein photo-elektrisches Umwandlungslement 7-2 sind zum Erfassen von negativen Spannungen vorgesehen. Wenn eine negative Spannung auf das dreieckförmige Prisma 1 angewendet wird, bewegt sich der Lichtstrahl IB von der Lichtquelle 53 entlang eines optischen Weges T3 in das dreieckförmige Prisma 1 und tritt als ein hindurchgegangener Lichtstrahl TB3 aus dem Prisma aus. Ein Schlitz 6-2 ist in dem optischen Weg des hindurchgegangenen Lichtstrahls TB3 so vorgesehen, daß in einer ähnlichen Weise zu der Erfassung einer positiven Spannung, das photo-elektrische Umwandlungselement 7-2 Lichtmengen C&sub2; und C&sub3; erfaßt, die durch den Schlitz 6-2 hindurchgehen, um die negative Spannung zu erfassen.
Fig. 3 zeigt eine Abänderung der Spannungsdetektoreinrichtung, die in Fig. 2 gezeigt ist. In der Einrichtung der Fig. 3 wird der einfallende Lichtstrahl IB von der Lichtquelle 53 über einen Spiegel 8 auf ein elektro-optisches Material 9 eines optischen Kristalls angewendet, der einen reflektierenden Spiegel 10 hat, der aus einer Metallschicht oder einer dielektrischen Mehrfachschicht gemacht ist. Der einfallende Lichtstrahl tritt als ein austretender Lichtstrahl aus dem elektro-optischen Material 9 aus. Der austretende Lichtstrahl wird durch einen Schlitz auf ein photo-elektrisches Umwandlungselement angewendet.
Wenn keine Spannung an das elektro-optische Material 9 angelegt wird, bewegt sich der einfallende Lichtstrahl IB entlang des optischen Weges S1 in dem elektro-optischen Material 9 fort, und tritt als ein austretender Lichtstrahl RB 1 aus dem Material aus. Wenn eine positive Spannung des Gegenstandes in Messung auf das elektro-optische Material 9 angewendet wird, wird der Brechungsindex des Materials geändert und der einfallende Lichtstrahl IB bewegt sich entlang eines optischen Weges S2 in dem elektro-optische Material 9 fort und tritt als ein austretender Lichtstrahl RB2 aus. Wie in dem Fall der Spannungsdetektoreinrichtung, die in Fig. 2 gezeigt ist, wird der Schlitz 6-1 in dem optischen Weg des austretenden Lichtstrahls TB2 angeordnet. Wenn deshalb die Spannung des vorbestimmten Teils des Gegenstandes null ist, geht nur ein kleiner Teil (D&sub0;) der Lichtmenge des austretenden Lichtstrahls RBI durch den Schlitz 6-1 hindurch; und wenn die Spannung des vorbestimmten Teils des Gegenstandes einen positiven Wert hat, geht die Lichtmenge D1 des austretenden Lichtstrahls RB2 durch den Schlitz 6-1 durch. Deshalb kann durch Umwandeln der Lichtmengen, die durch den Schlitz 6-1 hindurchgehen, in elektrische Signale mit dem photo-elektrischen Umwandlungselement 7-1 die positive Spannung des vorbestimmten Teils des Gegenstandes erfaßt werden.
Wenn andererseits eine negative Spannung auf das elektrooptische Material 9 angewendet wird, läuft der einfallende Lichtstrahl IB1 entlang eines optischen Weges S3 in dem Material 9 fort und tritt als ein austretender Lichtstrahl RB3 aus. Der Schlitz 6-2 ist in dem optischen Weg des austretenden Lichtstrahls RB3 angeordnet. In einer ähnlichen Weise wie bei der Erfassung einer positiven Spannung wird die negative Spannung aus den Lichtmengen D2 und D3 erfaßt.
Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Anordnung der Spannungsdetektoreinrichtung wie in Fig. 2 zeigt und die mit einer Schlierenkamera gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist. Die Bauteile in Fig. 4, die funktionsmäßig den Bauteilen entsprechen, die unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 beschrieben worden sind, werden mit den gleichen Bezugszeichen oder Bezugszahlen bezeichnet.
Bei der Spannungsdetektoreinrichtung, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, werden optische Fasen 12-1 und 12-2 statt der Schlitze 6-1 bzw. 6-2 der Spannungsdetektoreinrichtung in Fig. 2 verwendet. Die übertragenen Lichtstrahlen werden durch die optischen Fasern 12-1 und 12-2 auf eine Schlierenkamera 13 angewendet.
Die Schlierenkamera 13 umfaßt, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, einen Schlitz 14, in dem die optischen Fasern 12-1 und 12-2 nebeneinander angeordnet sind; eine Linse 15, auf die die übertragenen Lichtstrahlen, die aus den optischen Fasern 12- 1 und 12-2 austreten, durch den Schlitz 14 hindruch angewendet werden; eine photo-elektrische Oberfläche 16, auf der die übertragenen Lichtstrahlen durch die Linse 15 fokussiert werden; ein Paar von Ablenkelektroden 17 zum seitlichen Ablenken der Elektronenstrahlen, die durch die photo-elektrische Umwandlung durch die photo-elektrische Oberfläche 16 gebildet worden sind; eine Mikrokanalplatte 18 zur Vervielfachung der abgelenkten Elektronenstrahlen; und eine Leuchtstoffoberfläche 19, auf die die Elektronenstrahlen von der Mikrokanalplatte 18 angewendet werden. In Fig. 5 sind die Mikrokanalplatte 18 und die Leuchtstoffoberfläche 19 von einander getrennt gezeigt; jedoch können sie in der Praxis miteinander verbunden sein. Ferner ist in Fig. 5 die Linse 15 als zylindrisch dargestellt; jedoch muß sie in der Praxis nicht zylindrisch sein. In der Schlierenkamera 13 wird eine Sägezahnspannung an die Ablenkelektroden 17 in einer Zeitaufteilungsart angewendet, um die Leuchtstoffoberfläche 19 horizontal mit den Photoelektronenstrahlen zu überstreichen, die gemäß den Signallichtstrahlen gebildet werden, die auf die photo-elektrische Oberfläche 16 angewendet werden. Als ein Ergebnis kann die Änderung der Spannung des vorbestimmten Teils des Gegenstandes als eine eindimensionale, optische Intensitätsverteilung auf der Leuchtstoffoberfläche 19 erfaßt werden.
Die Spannung des vorbestimmten Teils des Gegenstandes in Messung kann beispielweise aufgrund eines Pulse in der positiven Richtung verändert werden. Wenn die Spannung null ist, läuft der Lichtstrahl von der Lichtquelle entlang eines optischen Weges T1 in dem dreieckförmigen Prisma 1 fort und tritt als ein hindurchgegangener Lichtstrahl TB1 aus. Deshalb ist die Lichtmenge E&sub0; von dem hindurchgegangenen Lichtstrahl TB1, die durch die optische Faser 12-1 in die Schlierenkamera eingeführt wird, sehr klein. Wenn eine positive Spannung auf das dreieckförmige Prisma 1 angewendet wird, läuft der Lichtstrahl, der auf das Prisma 1 angewendet wird, entlang eines optischen Weges T2 in dem Prisma 1 und tritt als ein hindurchgegangener Lichtstrahl TB2 aus. Deshalb ist die Lichtmenge E1 de hindurchgegangenen Lichtstrahls TB2 und die durch die optische Faser 12-1 auf die Schlierenkamera angewendet worden ist, groß. Wenn die Spannung erneut null wird, wird die Lichtmenge von dem hindurchgegangenen Lichtstrahl, die durch die optische Faser 12-1 in die Kamera eingeführt worden ist, verringert. Somit wird eine eindimensionale, optische Intensitätsverteilung FG1, die mit dem Spannungspuls korreliert ist, auf der Leuchtstoffoberfläche 19 der Schlierenkamera 13 erfaßt.
Wenn andererseits die Spannung des vorbestimmten Teils des Gegenstandes geändert wird, beispielsweise aufgrund eines Pulses in der negativen Richtung, wird die Lichtmenge von dem hindurchgegangenen Lichtstrahl, die durch die optische Faser 12-2 in die Schlierenkamera 13 eingeführt worden ist, so verändert, daß eine eindimensionale, optische Intensitätsverteilung FG2, die mit dem Spannungspuls korreliert ist, auf der Leuchtstoffoberfläche 19 der Schlierenkamera 13 erfaßt wird.
Somit kann mit der Spannungsdetektoreinrichtung der Fig. 4 eine eindimensionale, optische Intensitätsverteilung, die einer Spannungsänderung entspricht, auf der Leuchtstoffoberfläche 19 der Schlierenkamera 13 erhalten werden, indem die optischen Fasern 12-1 und 12-2 und die Schlierenkamera 13 verwendet werden.
Fig. 6 zeigt eine Abänderung der Spannungsdetektoreinrichtung der Fig. 4. Bei der Einrichtung der Fig. 6 wird statt eines dreieckförmigen Prismas 1, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, ein elektro-optische Material 9 mit einem reflektierenden Spiegel 10 verwendet, das im wesentlichen das gleiche wie der in Fig. 3 ist. Bei der Abänderung werden die austretenden Lichtstrahlen von dem elektro-optischen Material 9 durch die optischen Fasern 12-1 und 12-2 auf die Schlierenkamera 13 so angewendet, daß, wie in dem Fall der Spannungsdetektoreinrichtung in Fig. 4, eine eindimensionale, optische Intensitätsverteilung, die der Spannungsänderung des vorbestimmten Teils des Gegenstandes in Messung entspricht, auf der Leuchtstoffoberfläche der Schlierenkamera 13 erhalten wird.
Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung basiert die Erfassung der Spannung nicht auf der Polarisationsänderung eines Lichtstrahls. Das heißt, die Ausführungsformen verwenden die Grundsätze, daß ein Lichtstrahl eine ordentliche Intensitätsverteilung hat und daß der optische Weg eines Lichtstrahls in einem elektro-optischen Material mit dem Brechungsindex des elektro-optischen Materials verändert wird, um aus den Lichtmengen, die durch die Schlitze oder die optischen Fasern, die an vorbestimmten Positionen angeordnet sind, die Spannung eines vorbestimmten Teils eines Gegenstandes in Messung zu erfassen.
Somit ist es bei der Erfindung unnötig, aus dem Lichtstrahlenausgang von der Lichtquelle nur den Lichtstrahl zu gewinnen, der eine vorbestimmte Polarisationskomponente aufweist. Deshalb wird der Lichtstrahl von der Lichtquelle auf die optischen Fasern ohne Verringerung der Lichtintensität angewendet. Ferner wird die Spannung mit den photo-elektrischem Umwandlungselementen oder mit der Schlierenkamera genau erfaßt.
Bei den Ausführungsformen der Erfindung ist es unnötig, den Polarisator, den Analysator und den Strahlteiler zu verwenden, die bei anderen Spannungsdetektoreinrichtungen angetroffen werden. Das heißt, die Spannungsdetektoreinrichtung der Erfindung ist einfach in der Konstruktion, wobei sie ein dreieckförmiges Prisma aus elektro-optischen Material oder elektro-optischen Material, wie das Material 9 und einen Schlitz oder eine optische Faser umfaßt. Deshalb wird bei der Einrichtung der vorliegenden Erfindung das optische System mit hoher Genauigkeit aufrechterhalten, und die Spannung des Gegenstandes kann stets mit hoher Genauigkeit erfaßt werden. Ferner macht es die Verwendung von zwei Schlitzen oder zwei optischen Fasern möglich, nicht nur die Größe der Spannung sondern auch ihre Polarität zu erfassen.
Bei jeder der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das optische System innerhalb einer optischen Sonde vorgesehen werden. In diesem Fall sollte die Innenwand der optischen Sonde mit Ausnahme des Teils, wo ein Lichtstrahl hindurchgeht, schwarz angemalt sein, um Lichtstreuen zu verhindern.
Wenn sich die Spannung eines Gegenstandes in Messung periodisch ändert, kann eine Pulslichtquelle so verwendet werden, daß die Spannung, wie es in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, durch Abtasten gemessen wird. Wenn es notwendig ist, die asynchrone Spannung eines Gegenstandes mit hoher Auflösung zu messen, sollte ein Detektor mit Hochgeschwindigkeitsansprechbarkeit, wie eine Schlierenkamera, wie es in den Fig. 4 bis 6 gezeigt ist, verwendet werden.
In der Spannungsdetektoreinrichtung der vorliegenden Erfindung läuft der Lichtstrahl von der Lichtquelle entlang des optischen Weges entsprechend dem Brechungsindex der Einrichtung zur Änderung des optischen Weges vorwärts. Die Lichtmenge an einer vorbestimmten Stelle auf der Austrittseite der Einrichtung zur Änderung des optischen Weges wird durch die Lichtmengengewinnungseinrichtung gewonnen, und die Spannung eines vorbestimmten Teils eines Gegenstandes in Messung wird aus der erfaßten Lichtmenge erfaßt. Deshalb erfaßt die Spannungsdetektoreinrichtung, die einfach in Konstruktion ist, die Spannung. Da ferner der Lichtstrahl von der Lichtquelle auf die Lichtmengengewinnungseinrichtung angewendet wird, wobei seine Intensität unverändert ist, wird die Spannung mit hoher Genauigkeit erfaßt.

Claims

1. Spannungsdetektorvorrichtung, die ein elektrooptisches Material verwendet, dessen Brechungsindex sich durch eine Spannung an einen bestimmten Teil eines zu messenden Objektes ändert, und die folgendes umfaßt:

eine Lichtquelle (53) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (IB);

eine Einrichtung zur Änderung des optischen Weges (l;9) die aus dem elektro-optischen Naterial gefertigt ist und verursacht, daß sich der Lichtstrahl (IB) von der Lichtquelle (53) entlang eines optischen Weges, einem Brechungsindex des elektro-optischen Materials entsprechend, fortpflanzt;

eine Lichtmengenentnahmeeinrichtung (6, 6-1, 6-2; 12-1, 12-2), die an einer bestimmten Stelle auf der Ausgangsseite der Einrichtung zur Änderung des optischen Weges (1) vorgesehen ist, um die Lichtmenge des Lichtstrahls an der bestimmten Stelle zu entnehmen; und

eine Detektionseinrichtung (7, 7-1, 7-2; 13) zur Detektion einer Spannung an der bestimmten Stelle des zu messenden Objektes, entsprechend der Lichtmenge, die von der Lichtmengenextraktionseinrichtung (6) entnommen worden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Änderung des optischen Weges (1; 9) ein Prisma aus elektro-optischem Material umfaßt, und der Lichtstrahl (IB) aus der Lichtquelle (53) als ein transmittierter Lichtstrahl hervorgeht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zur Anderung des optischen Weges (1; 9) ein elektrooptisches Material mit einem Reflexionsspiegel (5, 10) umfaßt, und der Lichtstrahl (IB) aus der Lichtquelle (53) als ein reflektierter Lichtstrahl von dem elektrooptischen Material hervorgeht.

4. Vorrchtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtmengenentnahmeeinrichtung (6) einen Schlitz oder eine Apertur umfaßt, und die Detektionseinrichtung (7) ein fotoelektrisches Wandelelement umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtmengenentnahmeeinrichtung (6) zwei Aperturen (6-1, 6-2) umfaßt, und die Detektionseinrichtung (7) zwei fotoelektrische Wandelelemente (7-1, 7-2) umfaßt, die zu den zwei Schlitzen oder Aperturen passen,

und wobei eine (6-1) der zwei Aperturen (6-1, 6-2) in dem optischen Weg eines Lichtstrahls vorgesehen ist, der aus der Einrichtung zur Änderung des optischen Weges (1) hervorgeht, wenn eine positive Spannung an die Einrichtung zur Änderung des optischen Weges angelegt wird, und

die andere (6-2) der zwei Aperturen (6-1, 6-2) n dem optischen Weg eines Lichtstrahls vorgesehen ist, der aus der Einrichtung zur Änderung des optischen Weges hervorgeht, wenn eine negative Spannung an die Einrichtung zur Änderung des optischen Weges angelegt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtmengenentnahmeeinrichtung (6) eine optische Faser (12-1) umfaßt, und die Detektionseinrichtung (7) einen optischen Detektor (13) mit sehr schnellem Ansprechverhalten aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtmengenentnahmeeinrichtung (6) zwei optische Fasern (12-1, 12-2) umfaßt,

wobei eine (12-1) der zwei optischen Fasern (12-1, 12-2) auf dem optischen Weg eines Lichtstrahls vorgesehen ist, der aus der Einrichtung zur Änderung des optischen Weges hervortritt, wenn eine positive Spannung an die Einrichtung zur Änderung des optischen Weges angelegt wird, und

die andere (12-2) der zwei optischen Fasern (12-1, 12-2) auf dem optischen Weg eines Lichtstrahls vorgesehen ist, der aus der Einrichtung zur Änderung des optischen Weges hervortritt, wenn eine negative Spannung an die Einrichtung zur Änderung des optischen Weges angelegt wird.

g. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der optische Detektor (13) mit sehr schnellem Ansprechverhalten, eine Zeilenkamera (Streak Kamera) ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (53) eine gepulste Lichtquelle ist, und die Spannung des Objektes durch Abtasten gemessen wird.