DE3887008T2

DE3887008T2 - Spannungsdetektor.

Info

Publication number: DE3887008T2
Application number: DE88109230T
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Aoshima; Takuya Nakamura; 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: US4973900A; JP2537364B2; JPS63308573A; DE3887008D1; EP0294816A2; EP0294816A3; EP0294816B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungsdetektor zuin Nachweis der Spannung eines vorbestiininten Teiles eines zu messenden Gegenstandes wie beispielsweise ein elektrischer Schaltkreis und insbesondere auf einen Spannungsdetektor, welcher mit der Tatsache arbeitet, daß der Brechungsindex eines elektrooptischen Materiales von der Spannung eines vorbestiinmten Teiles eines zu messenden Gegenstandes abhängt.
Eine Anzahl von Spannungsdetektoren sind verwendet worden, uin die Spannung eines vorbestimmten Teiles eines Gegenstandes, wie beispielsweise ein elektrischer Schaltkreis, nachzuweisen. Bei einem Beispiel eines Spannungsdetektors von diesem Typ wird eine Probe in Kontakt mit einem vorbestimmten Teil des Objektes gebracht, um die Spannung von diesem nachzuweisen. Bei einem anderen Beispiel wird die Probe von dem vorbestimmten Teil des Gegenstandes weggehalten und ein Elektronenstrahl wird auf das vorbestimmte Teil angewendet um die Spannung davon nachzuweisen.
Es besteht ein großes Bedürfnis nach einem Verfahren zum Nachweisen der Spannung von einem Teil oder vor allein eines kleinen Gegenstandes, wie beispielsweise ein kleiner integrierter Schaltkreis, mit hoher Genauigkeit aber ohne die Bedingungen des kleinen Gegenstandes zu beeinflussen. Ein Spannungsdetektor, welcher einen Kontaktsensor verwendet, ist für diesen Zweck wegen einiger Gründe nachteilig. Zum einen ist es ziemlich schwierig, den Sensor in Kontakt mit einem Teil eines kleinen Gegenstandes, wie beispielsweise einen integrierten Schaltkreis oder dergleichen, zu bringen. Selbst wenn es möglich ist, dies zu machen, so ist es weiterhin schwierig, den Betrieb des integrierten Schaltkreises lediglich von den Spannungsdaten, welche auf diese Weise erhalten werden, korrekt zu analysieren. Weiterhin würden sich die Betriebsbedingungen des integrierten Schaltkreises bei Kontakt mit dem Sensor ändern.
Der Spannungsdetektor, welcher einen Elektronenstrahl verwendet, kann eine Spannung nachweisen, wenn der Sensor von einem messenden Gegenstand weggehalten wird, aber auch hier treten einige Probleme auf. Beispielsweise muß das zu messende Teil in einem Vakuum sein und das Teil kann auch durch den Elektronenstrahl beschädigt werden.
Weiterhin ist es bei den bisherigen Spannungsdetektoren der Betriebsgeschwindigkeit des Detektors nicht möglich, einer Spannung zu folgen, welche sich schnell ändert. Deshalb sind bisherige Spannungsdetektoren weiterhin nachteilig bei einer Spannung, welche sich schnell ändert, beispielsweise in integrierten Schaltkreisen.
Um die vorstehend beschriebenen Probleme zu verhindern, ist ein Spannungsdetektor, welcher auf der Tatsache arbeitet, daß die Polarisation eines Lichtstrahles durch die Spannung eines vorbestimmten Teiles eines zu messenden Gegenstandes geändert wird, in der unveröffentlichten japanischen Patentanmeldung 137317/87 beschrieben, welche am 30. Mai 1987 (EP-A-293 788) von dem vorliegenden Anmelder eingereicht wurde. Fig. 8 stellt ein Diagramm dar, welches die Anordnung dieses Spannungsdetektors zeigt.
Wie in Fig. 8 dargestellt, enthält der Spannungsdetektor 50 einen optischen Sensor 52, eine kontinuierliche (CW)-Lichtquelle 53 (beispielsweise mit einer Laserdiode), eine optische Faser 51 zum Führen eines Lichtstrahles von der Lichtquelle 53 durch eine Kondensorlinse 60 zu dem optischen Sensor 52, eine optische Faser 92 zum Führen eines Referenzlichtstrahles von dem optischen Sensor 52 durch einen Kollimator 90 zu einem photoelektrischen Umwandlerelement 55, eine optische Faser 93 zum Aufbringen eines austretenden Lichtstrahles auf dem optischen Sensor 52 durch einen Kollimator 91 an ein photoelektrisches Umwandlerelement 58, und einen Vergleichsschaltkreis 61, in welchem das elektrische Ausgangssignal der photoelektrischen Umwandlerelemente 55 und 58 verglichen werden.
Ein elektrooptisches Material 62, wie beispielsweise ein optisch einachsiger Kristall aus Lithiumtantalat (LiTaO&sub3;), ist in dem optischen Sensor 52 eingeschlossen. Das Endteil 63 des optischen Sensors 52 hat die Form eines kreisförmigen abgeschnittenen Kegels. Eine leitende Elektrode 64 ist an der zylindrischen Wand des optischen Sensors 52 ausgebildet. Ein reflektierender Spiegel 65 aus einem Metallfilm oder einein dielektrischen mehrschichtigen Film ist an der Endfläche des Endteiles 63 des optischen Sensors 52 vorgesehen.
In dem optischen Sensor 52 sind ein Kollimator 94, Kondensorlinsen 95 und 96, ein Polarisator 54 zum Herausfiltern nur eines Lichtstrahles, welcher eine vorbestimmte Polarisationskomponente hat, aus einem Lichtstrahl, welcher von dem Kollimator 94 ausgegeben wird, und ein Strahlaufspalter 56 vorgesehen. Der Strahlaufspalter 56 spaltet den Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Polarisationskomponente, welche von dem Polarisator 54 festgelegt wird, in einen Referenzlichtstrahl und einen einfallenden Lichtstrahl, und führt einen austretenden Lichtstrahl aus dem elektrooptischen Material 62 zu einem Analysator 57. Der Referenzlichtstrahl und der austretende Lichtstrahl werden an die optischen Fasern 92 und 93 durch die entsprechenden Kondensorlinsen 95 und 96 angelegt.
Bei Ausführung des Spannungsnachweises mit dem so aufgebauten Spannungsdetektor ist die leitende Elektrode 64, welche auf der zylindrischen Wand des optischen Sensors 52 ausgebildet ist, normalerweise geerdet. Unter diesen Bedingungen ist der Kopf 63 des optischen Sensors 52 nahe an einen zu messenden Gegenstand gebracht, wie beispielsweise eine Fläche eines integrierten Schaltkreises (nicht gezeigt). Als Ergebnis wird sich der Brechungsindex des Kopfes 63 des elektrooptischen Materiales 62 in dem optischen Sensor 52 ändern. Insbesondere wird sich in einem optischen einachsigen Kristall die Differenz zwischen dem Brechungsindex eines ordentlichen Strahles und demjenigen eines außerordentlichen Strahles in einer Ebene senkrecht zu der optischen Achse ändern.
Der ausgegebene Lichtstrahl von der Lichtquelle 53 wird durch die Kondensorlinse 60, die optische Faser 51 und den Kolliinator 94 zu dem Polarisator 54 geführt, welche für einen Lichtstrahl sorgt, welcher die vorbestimmte Polarisationskomponente hat und eine Intensität gleich I hat. Der ausgegebene Lichtstrahl von dem Polarisation 54 wird durch den Strahlaufspalter 56 zu dem elektrooptischen Material 62 in dem optischen Sensor 52 geführt. Der Referenzlichtstrahl und der einfallende Lichtstrahl, welche von dem Strahlaufspalter 56 aufgespalten sind, haben die Intensität I/2. Wie vorstehend beschrieben wird sich der Brechungsindex des elektrooptischen Materiales 62 durch die Spannung des zu messenden Gegenstandes ändern. Deshalb wird sich die Polarisation des einfallenden Lichtstrahles, welcher an dem elektrooptischen Material 62 angelegt ist, an dem Kopf 63 ändern, und zwar in Abhängigkeit von der Änderung des Brechungsindexes, und wird dann durch den reflektierenden Spiegel 65 reflektriert, so daß er, wie der austretende Lichtstrahl aus dem elektrooptischen Material 62, an den Strahlaufspalter 56 angelegt wird. Die Polarisation des einfallenden Lichtstrahles wird sich im Verhältnis zu der Differenz im Brechungsindex zwischen dem ordentlichen Strahl und dem außerordentlichen Strahl ändern und zwar wegen des Anliegens einer Spannung und wegen eines Wertes 2 l, wobei l die Länge des Kopfes 63 des elektrooptischen Materiales 62 ist.
Der austretende Lichtstrahl wird über den Strahlaufspalter 56 zu dem Analysator 57 geführt. Die Intensität des austretenden Lichtstrahles, welche an den Analysator 57 angelegt ist, wird auf I/4 durch den Strahlaufspalter 56 reduziert. Wenn der Analysator 57 so ausgelegt ist, daß er nur einen Lichtstrahl mit einer Polarisationskomponente senkrecht zu der Polarisationskomponente des Polarisators 54 durchläßt, dann wird sich die Intensität I/4 des austretenden Lichtstrahles, welche an den Analysator 57 angelegt ist, auf (I/4)sin²((π/2) V/V&sub0;) durch den Analysator 57 ändern, bevor er dem photoelektrischen Umwandlerelement 58 zugeführt wird, wobei V die Spannung des zu messenden Gegenstandes ist und V&sub0; die Spannung von halber Wellenlänge ist.
In dem Vergleichsschaltkreis 61 wird die Intensität 1/2 des Referenzlichtstrahles, welche der photoelektrischen Umwandlung durch das photoelektrische Umwandlerelement 55 unterworfen ist, verglichen mit der Intensität (I/4)sin²((π/2) -V/V&sub0;) des austretenden Lichtstrahles, welcher der vor der elektrischen Umwandlung durch das photoelektrische Umwandlerelement 58 unterworfen ist.
Die Intensität (I/4)sin²((π/2) V/V&sub0;) des ausgetretenen Lichtstrahles hängt von der Änderung im Brechungsindex des Kopfes 63 des elektrooptischen Materiales 62 ab und zwar wegen der Änderung der Spannung. Deshalb kann die Spannung eines vorbestimmten Teiles eines zu messenden Gegenstandes, wie beispielsweise eine Fläche eines integrierten Schaltkreises, durch die Lichtintensität nachgewiesen werden.
Wie vorstehend beschrieben ist der Spannungsdetektor 50 gemäß Fig. 8 so ausgelegt, daß die Spannung eines vorbestimmten Teiles eines zu messenden Gegenstandes auf der Änderung im Brechungsindex des Endteiles 63 des elektrooptischen Materiales 62 nachgewiesen wird, welche auftritt, sobald das Endteil 63 des optischen Sensors 52 sich dem Gegenstand nähert. Deshalb kann mit dem Detektor die Spannung eines kleinen Teiles eines integrierten Schaltkreises, welcher für den Sensor schwierig zu kontaktieren ist, oder welcher in seiner Spannung beeinflußt wird, wenn er durch den Sensor berührt wird, nachgewiesen werden, wenn der optische Sensor 52 einen kleinen Abstand von der zu messenden Fläche weggehalten wird. Weiterhin kann eine Pulslichtquelle, wie eine Laserdiode, verwendet werden, welche einen optischen Puls mit einer extrem kurzen Pulsweite ausgibt, um so schnelle Spannungsänderungen eines Gegenstandes zu prüfen, welche in beträchtlichen kurzen Zeitintervallen geschehen. Eine kontinuierliche Lichtquelle und ein Hochgeschwindigkeitsnachweisdetektor, wie eine Strichkamera, kann verwendet werden, um so die schnelle Geschwindigkeitsänderung des Gegenstandes mit hoher Zeitauflösung zu messen. In diesem Fall kann die schnelle Spannungsänderung mit hoher Genauigkeit nachgewiesen werden.
Jedoch weist der Spannungsdetektor 50 gemäß Fig. 8 einige Schwierigkeiten auf. Der Detektor weist die Spannung eines vorbestimmten Teiles eines zu messenden Objektes aus der Änderung in der Polarisation des Lichtstrahles in dem elektrooptischen Material 62 nach. Deshalb ist es notwendig, nur den Lichtstrahl mit der vorbestimmten Polarisationskomponente von dem ausgegebenen Lichtstrahl der Lichtquelle 53 mit Hilfe des Polarisators 54 durchzulassen und die vorbestimmte lineare Polarisationskomponente von dem austretenden Lichtstrahl aus dem elektrooptischen Material 62 mit Hilfe des Analysators 57 durchzulassen. Folglich ist eine niedrige Ausnutzung des Detektors nachteilig. Weiterhin verwendet der Detektor den Strahlabspalter 56, was bedingt, daß die Intensität des austretenden Lichtstahles, welche dem Analysator 57 zugeführt wird, niedriger ist als diejenige des Lichtstrahles, welcher von der Lichtquelle 53 aus gesendet wird. Folglich ist die Spannungsnachweisgenauigkeit des Detektors unnötigerweise begrenzt. Weiterhin erfordert der Detektor eine große Anzahl von Komponenten, wie beispielsweise den Polarisator 54, den Analysator 57 und den Strahlaufspalter 56, was die Verbesserung in der Genauigkeit des optischen Systems begrenzt.
Falls anstelle des photoelektrischen Umwandlerelementes eine Strichkamera als Detektor verwendet wird, wird die Änderung der Spannung des vorbestimniten Teiles des zu messenden Objektes in Form einer eindimensionalen optischen Intensitätsverteilung auf dem Phosphorschirm der Strichkamera nachgewiesen. Um die Wellenform der Spannung zu erhalten, ist es notwendig, die eindimensionale optische Intensitätsverteilung auf dem Phosphorschirm der Strichkamera zu analysieren. Zusätzlich wird bei dem Verfahren zum Nachlaß der Spannung eines vorbestimmten Teiles eines zu messenden Gegenstandes aus der Änderung der Polarisation nur der absolute Wert der Spannung nachgewiesen und es ist unmöglich, die Polarisation der Spannung nachzuweisen. Mit anderen Worten es ist unmöglich zu bestimmen, ob die Spannung positiv oder negativ ist.
Folglich besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Spannungsdetektor zu schaffen, welcher direkt die Wellenform einer Spannung, insbesondere eine Pulsspannung, in einem vorbestimmten Teil eines zu messenden Gegenstandes mit einem einfachen optischen System nachweisen kann. Weiterhin soll ein Spannungsdetektor geschaffen werden, welcher die Änderung pro Zeit der Spannung an einem vorbestimmten Teil eines zu messenden Gegenstandes anzeigt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Spannungsdetektor zum Nachweisen und Messen einer Spannung an einem vorbestimmten Teil eines zu messenden Gegenstandes vorgesehen, mit einer Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahles, einem Strahlerweiterer zum Umwandeln des Lichtstrahles in eine Vielzahl von parallelen Lichtstrahlen, Mittel zum Verändern von optischen Wegen, welche nahe an dem vorbestimmten Teil des Gegenstandes angeordnet sind, wobei die Mittel zum Verändern von optischen Wegen aus einem elektrooptischen Material mit einem Brechungsindex sind, welcher sich in der Gegenwart von Spannung verändert, und wobei es die Mittel zum Verändern von optischen Wegen es den von dem Strahlerweiterer aus gesandten parallelen Lichtstrahlen ermöglichen, entlang eines optischen Weges sich auszubreiten, entsprechend dem Brechungsindex von bestimmten Teilen des elektrooptischen Materiales, und weiterhin mit Mitteln zum Nachweis der parallelen Lichtstrahlen nach Austritt derselben aus den Mitteln zum Verändern von optischen Wegen und zum Anzeigen einer Vielzahl von Bildern als Antwort auf die nachgewiesenen parallelen Lichtstrahlen, wobei jedes der Bilder die Spannung pro Zeit an entsprechenden Teilen des vorbestimmten Teiles des Gegenstandes anzeigt, und weiterhin mit Führungsmitteln zum Übermitteln der parallelen Lichtstrahlen von den Mitteln zum Ändern von optischen Wegen zu den Nachweismitteln.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei stellen dar:
Fig. 1 ein Diagramm, welches die Anordnung eines ersten Beispieles eines Spannungsdetektors zeigt,
Fig. 2 ein Diagramm zur Beschreibung des optischen Weges eines Dispersionsprismas in dem Detektor nach Fig. 1,
Fig. 3 ein Diagramm, welches die Anordnung einer Strichkamera zeigt, welche in dem Detektor nach Fig. 1 verwendet ist,
Fig. 4 ein Diagramm, welches die Anordnung des Spannungsdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 5 ein Diagramm, welches die Anordnung eines zweidimensionalen Detektors zeigt, nämlich eine Strichkamera, welche in dem Detektor nach Fig. 4 verwendet ist,
Fig. 6 ein Diagramm, welches ein zweites Beispiel eines Spannungsdetektors zeigt,
Fig. 7 ein Diagramm, welches die Anordnung eines Teiles einer Änderung des Spannungsdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, und
Fig. 8 ein Diagramm, welches die Anordnung eines bisherigen Spannungsdetektors zeigt.
Der Spannungsdetektor gemäß der Erfindung weist eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahles, Mittel zum Ändern eines optischen Weges aus einem elektrooptischen Material, welches bewirkt, daß der von der Lichtquelle ausgesandte Lichtstrahl entlang eines optischen Weges entsprechend dem Brechungsindex des elektrooptischen Materiales sich ausbreitet und Führungsmittel, um einen Lichtstrahl von dem Mittel zur Änderung des optischen Weges zu Nachweismitteln zu führen, auf.
In dem Spannungsdetektor gemäß der Erfindung wird der von der Lichtquelle ausgesandte Lichtstrahl auf die Mittel zur Änderung des optischen Weges, wie beispielsweise ein Dispersionsprisma, angewendet. Der den Mitteln zur Änderung des optischen Weges zugeführte Lichtstrahl breitet sich entlang des optischen Weges aus, welcher durch den Brechungsindex der Mittel zur Änderung des optischen Weges definiert ist, und tritt als ein durchgegangener Lichtstrahl oder ein reflektierter Lichtstrahl aus. Der Brechungsindex der Mittel zur Änderung des optischen Weges ändert sich mit der Spannung, welche an ein vorbestimmtes Teil eines Gegenstandes angelegt ist, und folglich wird der optische Weg des durchgegangenen Lichtstrahles oder des reflektierten Lichtstrahles geändert. An der Austrittsseite der Mittel zur Änderung des optischen Weges sind Führungsmittel, wie beispielsweise eine Vielzahl von optischen Fasern, für die optischen Wege vorgesehen, so daß die Nachweismittel, wie beispielsweise eine Strichkamera, die durchgegangenen Lichtstrahlen, welche über die optischen Wege der Strichkamera zugeführt wurden, in einem parallelen Modus nachweisen. Deshalb kann die Spannung, welche an dem vorbestimmten Teil des Gegenstandes angelegt ist, als eine Spannungswellenform mit dem Spannungsdetektor nachgewiesen werden. Weiterhin kann bei diesem Betrieb die positive oder negative Polarität der Spannung nachgewiesen werden.
Fig. 1 stellt ein Diagramm dar, welches die Anordnung eines Teiles eines Beispieles eines Spannungsdetektors zeigt. Der Spannungsdetektor gemäß Fig. 1 weist Mittel zum Ändern eines optischen Weges, wie beispielsweise ein Dispersionsprisma 1 aus elektrooptischem Material, beispielsweise optisch einachsiges kristallines Lithiumtantalat (LiTaO&sub3;), auf. Bei Betrieb wird das Ende 2 des Prismas 1 nahe an einen zu messenden Gegenstand gesetzt, so daß der Brechungsindex des Prismas 1 durch die Spannung des vorbestimmten Teiles des Gegenstandes geändert wird.
Ein einfallender Lichtstrahl, welcher von einer Lichtquelle 53 ausgesandt wird, die ein kontinuierlicher (CW)-Laser, wie beispielweise ein He-Ne-Laser oder ein Halbleiter-Laser ist, wird durch einen Kollimator 4 geführt und wird mittels eines Spiegels 20 zu dem Dispersionsprisma 1 gelenkt. Der einfallende Lichtstrahl schreitet entlang eines optischen Weges, welcher durch den Brechungsindex des Dispersionsprismas 1 bestimmt wird, fort und tritt als ein durchgegangener Lichtstrahl aus dem Dispersionsprisma 1 aus. In diesem Zusammenhang wird angenommen, daß, wie in Fig. 2 gezeigt, der Raum durch welchen der einfallende Lichtstrahl geht bevor er in das Dispersionsprisma 1 eintritt, einen Brechungsindex n&sub1; hat, das Dispersionsprisma 1 einen Brechungsindex n&sub2; hat und der einfallende Lichtstrahl einen Winkel θ mit der normalen zu der Einfallsfläche des Dispersionsprismas bei Einfall bildet. In diesem Fall tritt der durchgegangene Lichtstrahl aus dem Dispersionsprisma ein unter einem Winkel φ aus, welche durch die folgende Gleichung (1) definiert wird:
sin φ = sinα [n² - sin²θ] - cosα . sin θ----(1)
wobei α der Scheitelwinkel des Dispersionsprismas 1 und n das Brechungsindexverhältnis, d. h. (n&sub2;/n&sub1;) ist. Falls der Scheitelwinkel α 60º ist, dann ist
sin φ = (1/2) [3(n² - sin²θ)]- sin θ------- (2).
Da der Brechungsindex des Dispersionsprismas 1 mit der Spannung ansteigt, steigt der Austrittswinkel φ ebenfalls an.
Der durchgegangene Lichtstrahl welcher aus dem Dispersionsprisma 1 austritt, wird durch einen Reflektorspiegel 5 reflektiert, so daß er über eine der optischen Fasern 6-1 bis 6-n, welche regelmäßig angeordnet sind, einem Detektor, nämlich einer Strickkamera 7, zugeführt wird.
Die Strichkamera 7, wie in Fig. 3 dargestellt, weist einen Schlitz 8 zur Aufnahme der Enden der optischen Fasern 6-1 bis 6-n auf, eine Photokathode 10, auf welche die durchgegangenen Lichtstrahlen mittels einer linearen Linse 9 fokusiert werden, ein Paar Ablenkelektroden 11 zum horizontalen Ablenken der Elektronenstrahlen, welche in einer Linie angeordnet sind und welche durch photoelektrische Umwandlung mittels der Photokathode 10 entstanden sind, eine Mikrokanalplatte 12, um die Elektronenstrahlen der Vervielfachung zuzuführen und einen Phosphorschirm 13, auf welchem die Elektronenstrahlen von der Mikrokanalplatte 12 gebracht werden, auf. In Fig. 3 sind die Mikrokanalplatte 12 und der Phosphorschirm 13 getrennt voneinander gezeigt. In Praxis jedoch sind sie zusammen verbunden. Weiterhin braucht die Linse 9, welche in Fig. 3 zylindrisch gezeigt ist, nicht zylindrisch zu sein.
In der so aufgebauten Strichkamera kann eine Sägezahnspannung an die Ablenkelektroden angelegt werden, was dazu führt, daß die durchgetretenen Lichtstrahlen, welche in einer Linie angeordnet sind und welche in einer Zeitfolge auf die Photokathode 10 auftreffen, den Phosphorschirm 13 horizontal überstreichen. Mit der horizontalen Richtung (oder der Ablenkrichtung) als Zeitachse und mit der vertikalen Richtung als Spannungsachse kann deshalb die Änderung der Spannung des vorbestimmten Teiles des zu messenden Gegenstandes als eine Spannungswellenform auf dem Phosphorschirm 13 beobachtet werden.
Wenn keine Spannung an das Dispersionsprisma angelegt ist, dann gehen die einfallenden Lichtstrahlen auf das Dispersionsprisma 1 entlang eines optischen Weges T1 (Fig. 1) in dem Prisma 1 und treten als durchgegangene Lichtstrahlen aus. Der durchgegangene Lichtstrahl wird durch den Spiegel 5 abgelenkt und wird über die optische Faser 6-m auf die Photokathode 10 der Strichkamera 7 gebracht, so daß der Elektronenstrahl von der Photokathode 10 auf einer Linie Lm auf dem Phosphorschirm 13 der Strichkamera 7 aufgebracht wird.
Wenn die Spannung des vorbestimmten Teiles des Gegenstandes, beispielsweise eine positive Spannung an das Dispersionsprisma 1 eingelegt wird, dann wird der Brechungsindex des Dispersionsprismas 1 aus elektrooptischem Material durch die Spannung geändert. Folglich geht der Lichtstrahl aus der Lichtquelle 53 entlang eines optischen Weges T2 (Fig. 1) in dem Prisma 1 und tritt als ein durchgegangener Lichtstrahl aus. Der durchgegangene Lichtstrahl wird durch den Spiegel 5 abgelenkt, so daß er über die optische Faser 6-n auf die Strichkamera 7 gebracht wird. Folglich wird der Elektronenstrahl auf eine Linie Ln auf dem Phosphorschirm 13 der Strichkamera 7 gebracht.
Wenn eine negative Spannung an das Dispersionsprisma 1 angelegt ist, dann geht der Lichtstrahl aus der Quelle 53 entlang eines optischen Weges T3 in dem Prisma 1 und tritt als ein durchgegangener Lichtstrahl aus. Der durchgegangene Lichtstrahl wird durch den Spiegel 5 abgelenkt, so daß er über die optische Faser 6-1 auf die Strichkamera 7 gebracht wird. Folglich wird der Elektronenstrahl auf einer Linie L1 auf dem Phosphorschirm 13 der Strichkamera 7 gebracht.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, wird die Spannung in dem Fall, in dem ein positiver Spannungsimpuls an ein vorbestimmtes Teil eines zu messenden Gegenstandes angelegt ist, zuerst Null und der Lichtstrahl wird über die optische Faser 6-m übertragen und wird auf die Linie Lm auf dem Phosphorschirm 13 gebracht. Wenn die Spannung positiv wird, so wird der Elektronenstrahl, welcher aus dem Lichtstrahl resultiert und über die optische Faser 6-n übertragen wird, auf die Linie Ln auf den Phosphorschirm 13 gebracht. Wenn die Spannung wieder Null wird, so wird der Elektronenstrahl, welcher von dem durchgegangenen Lichtstrahl über die optische Faser 6-m resultiert, auf die Linie Lm auf den Phosphorschirm 13 gebracht. Das Strichbild SP1 ist die Wellenform, welche auftritt, wenn ein positiver Spannungsimpuls an die vorbestimmte Fläche des zu messenden Gegenstandes angelegt wird, und wenn die Ablenkrichtung durch die Ablenkelektrode, nämlich die horizontale Richtung auf dem Phosphorschirm 13, die Zeitachse und die vertikale Richtung auf dem Phosphorschirm 13 die Spannungsachse ist.
Wenn ein negativer Spannungspuls an das vorbestimmte Teil des zu messenden Gegenstandes angelegt wird, dann wird der Elektronenstrahl auf die Linien Lm, L1 und Ln auf dem Phosphorschirm 13 in dieser Reihenfolge gebracht, wobei als Ergebnis ein Strichbild SP2 auf dem Phosphorschirm 13 angezeigt wird, welches eine andere Polarität als das oben beschriebene Strichbild SP1 hat. Auf diese Weise wird die Wellenform des negativen Spannungspulses nachgewiesen.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, kann der Spannungsdetektor nicht nur die Wellenform einer Spannung, sondern auch die Polariät derselben nachweisen, da der Brechungsindex des Dispersionsprismas 1 durch eine Spannung geändert wird, die an einem vorbestimmten Teil eines zu messenden Gegenstandes angelegt ist, um so den optischen Weg des durchgegangenen Lichtstrahles zu ändern.
Weiterhin ist es bei dem Spannungsdetektor nicht notwendig, lediglich einen Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Polarisationskomponente, z. B. einen linear polarisierten Lichtstrahl, zu betrachten. Deshalb ist bei dem Spannungsdetektor die Ausnutzung des Lichtes so groß, daß der durchgegangene Lichtstrahl bezüglich der Intensität in etwa gleich dem Lichtstrahl ist, welcher von der Lichtquelle 53 aus gesandt wird, und der durchgegangene Lichtstrahl kann auf diesem hohen Level auf die Strichkamera 7 gebracht werden. Weiterhin ist die Anzahl von Komponenten in dem optischen System reduziert. Weiterhin kann die Spannungsnachweisgenauigkeit und Sensibilität und der Wellenformkontrast, wenn eine Spannung in Form einer Spannungswellenform nachgewiesen wird, erheblich verbessert werden.
Figuren 4 und 5 sind Diagramme, welche die Anordnung des Spannungsdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dem Spannungsdetektor gemäß Figuren 4 und 5 wird ein Lichtstrahl, welcher von einer Lichtquelle 53 ausgesandt wird, in parallele Lichtstrahlen mittels eines Strahlerweiterers 25 umgewandelt, welche über einen Spiegel 26 auf ein Dispersionsprisma 27 gebracht werden. Die parallelen Lichtstrahlen BM1, ... BMk, ... und BMl, die auf das Dispersionsprisma 27 gebracht sind, treten von diesem entlang optischer Wege aus, welche durch die Brechungsindizes des Dispersionsprismas 27 definiert sind, welche den Spannungen von entsprechenden eindimensionalen Teilen eines zu messenden Objektes entsprechen, welche entlang der Achse F angeordnet sind. Insbesondere wird wegen der Brechungsindexänderung des Dispersionsprismas 27 der Lichtstrahl BM1 auf eine der Knoten 33-11, ..., 33-1m, ... und 33-1n gebracht. Der Lichtstrahl BMk wird auf einen der Knoten 33-k1, ..., 33-km, ... und 33-kn gebracht. Und der Lichtstrahl BM1 wird auf einen der Knoten 33-11 ..., 33-lm, ... und 33-ln gebracht.
In dem Spannungsdetektor ist die Strichkamera 30 ein zweidimensionaler Detektor, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Strichkamera hat einen Schlitz 31, welcher eine Vielzahl von Schlitzteilen 31-1, ..., 31-k, ... und 31-l aufweist. Die Lichtstrahlen BM1, welche auf einen der Knoten 33-11, ..., 33-1m, ... und 33-1n gebracht ist, wird über eine optische Faser auf den Schlitzteil 31-1 gebracht. Der Lichtstrahl BMk, welcher auf einen der Knoten 33-k1, ..., 33- km und 33-kn gebracht ist, wird über eine optische Faser auf das Schlitzteil 31-k gebracht. Der Schlitzteil BMl, welcher auf eine der Knoten 33-11, 33-lm, ... und 33-ln gebracht ist, wird über eine optische Faser auf das Schlitzteil 31-l gebracht. Die Strichkamera 30 weist weiterhin eine fluoreszierende Oberfläche 32 auf mit einer Vielzahl von Oberflächenteilen 32-1, ..., 32-k, ... und 32-l entsprechend der Schlitzteile 31-1, ..., 31-k, ... und 31-l auf.
Wenn sich bei dem so aufgebauten Spannungsdetektor die Spannung des zu messenden Gegenstandes entlang der Achse F ändert, so werden die Brechungsindizes der Teile des Dispersionsprismas 27, welche den Positionen des Gegenstandes entsprechen, geändert. Die Lichtstrahlen BM1, ..., BMk, ... und BMl treten aus dem Prisma mit geänderten optischen Wegen aus. Diese Lichtstrahlen werden mit der Strichkamera 30 beobachtet, welcher ein zweidimensionaler Detektor ist. In diesem Fall wird die zeitliche Änderung des optischen Weges des Lichtstrahles BM1 als ein Strichbild FG1 auf dem Teil 32-1 der fluoreszierenden Oberfläche 32 beobachtet. Die zeitliche Änderung des optischen Weges des Lichtstrahles BMk wird als ein Strichbild FGk auf dem Teil 32-k der fluoreszierenden Oberfläche 32 beobachtet. Und die zeitliche Änderung des optischen Weges des Lichtstrahles BMl wird als ein Strichbild FGl auf dem Teil 31-l auf der fluoreszierenden Oberfläche 32 beobachtet. Deshalb können die Spannungen der eindimensionalen Teile des Gegenstandes gleichzeitig beobachtet werden.
Fig. 6 stellt ein Diagramm dar, welches eine Anordnung eines zweiten Beispieles des Spannungsdetektors zeigt. Der Spannungsdetektor gemaß Fig. 6, ähnlich wie der Detektor gemäß Fig. 1, weist eine Lichtquelle 53 (kontinuierlicher (CW)-Laser), eine Vielzahl von optischen Fasern 6-1 bis 6-n und eine Strichkamera 7 auf. Jedoch unterscheidet sich der Detektor gemäß Fig. 6 von demjenigen gemäß Fig. 1 indem der von der Lichtquelle 53 ausgesandte Lichtstrahl über einen Spiegel 20 auf ein optisch einaxial kristallines elektrooptisches Material 21 mit einem reflektierenden Spiegel 22 aus einem Metallfilm oder einem dielektrischen mehrschichtigen Film gebracht wird. Der aufgebrachte Lichtstrahl wird über den Spiegel 22 reflektiert, so daß er als austretender Lichtstrahl aus dem elektrooptischen Material 21 auf eine der optischen Fasern 6-1 bis 6-n gebracht wird.
Wenn bei dem so aufgebauten Spannungsdetektor keine Spannung an dem elektrooptischen Material 21 angelegt ist, so geht der von der Lichtquelle 53 ausgesandte Lichtstrahl entlang eines optischen Weges 51 in dem elektrooptischen Material 21 und tritt als ein reflektierter Lichtstrahl aus dem Material 21 aus. Der reflektierte Lichtstrahl wird dann zu der optischen Faser 6-m gebracht. Wenn eine positive (oder negative) Spannung an dem elektrooptischen Material 21 angelegt ist, so geht der von der Lichtquelle 53 ausgesandte Lichtstrahl entlang eines optischen Weges 53 (oder 52) in dem elektrooptischen Material 21 und tritt als ein reflektierter Lichtstrahl aus. Der reflektierte Lichtstrahl wird zu der optischen Faser 6-1 (oder 6-n) gebracht. Wenn die Spannung, welche an dem elektrooptischen Material 21 angelegt ist, sich ändert, so bedeutet das, daß der optische Weg des Lichtstrahles in dem elektrooptischen Material 21 geändert wird und die optische Faser zur Übertragung des Lichtstrahles zu der Strichkamera wird ebenfalls geändert.
Somit kann, wie im Fall des Spannungsdetektors gemäß Fig. 1, der Spannungsdetektor gemäß Fig. 6 nicht nur die Wellenform, sondern auch die Polarität eines Spannungspulses oder dergleichen, welcher an ein vorbestimmtes Teil eines zu messenden Gegenstandes angelegt ist, nachweisen. Der Detektor benötigt keinen Polarisator, Analysator und Strahlaufspalter und hat deshalb bedeutend weniger Komponenten als der bisherige Spannungsdetektor. Deshalb ist die Ausnutzung des Lichtes bei diesem Detektor groß. Folglich kann die Spannungsnachweisgenauigkeit und Sensitivität erheblich verbessert werden.
Fig. 7 stellt ein Diagramm dar, welches eine Änderung des Spannungsdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dem Detektor gemäß Fig. 7 wird ein von einer Lichtquelle 53 ausgegebener Lichtstrahl in parallele Lichtstrahlen mittels eines Strahlerweiterers 25 umgewandelt und die parallelen Lichtstrahlen werden über einen Spiegel 26 auf ein optisch einachsiges kristallines elektrooptisches Material 29, mit einem reflektierenden Spiegel 28 aus einem Metallfilm oder einem dielektrischen mehrschichtigen Film, gebracht. Die parallelen Strahlen BM1 bis BMl, welche zu dem elektrooptischen Material 29 gebracht sind, treten aus diesem Material 29 aus und gehen entlang optischer Wege, welche durch die Brechungsindizes des elektrooptischen Materiales 29 definiert sind, welche den Spannungen von eindimensionalen Teilen eines zu messenden Gegenstandes entsprechen, und sind entlang der Achse F angeordnet. Deshalb wird wegen der Änderung des Brechungsindexes des elektrooptischen Materiales der Lichtstrahl BM1 auf einen der Knoten 28-11 bis 38-1n gebracht, und der Lichtstrahl BMl wird auf einen der Knoten 38-11 bis 38-ln gebracht.
In dem so aufgebauten Spannungsdetektor wird eine Strichkamera, wie in Fig. 5 gezeigt, als ein zweidimensionaler Detektor verwendet, so daß die Spannungsänderungen, welche den optischen Wegen der Lichtstrahlen BM1 bis BMl entsprechen, als Strichbilder FG1 bis FGl entsprechend beobachtet werden. Somit kann, wie im Fall des Spannungsdetektors gemäß Figuren 4 und 5, der Spannungsdetektor gemäß Fig. 7 die Spannungen von eindimensionalen Teilen eines zu messenden Gegenstandes zur gleichen Zeit nachweisen.
In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Dispersionsprismen 1 und 27 und die elektrooptischen Materialen 21 und 29 aus einem optisch einachsigen Kristall hergestellt. Sie können jedoch auch aus einem isotropen Kristall hergestellt werden, da die Polarisationsänderung des Lichtstrahles in den Detektoren nicht-verwendet wird.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die austretenden Lichtstrahlen über die optischen Fasern auf die Strichkamera gebracht. Sie können jedoch auch direkt auf die Schlitze 8 der Strichkamera 7 ohne Verwendung der optischen Fasern gebracht werden. Die Erfindung ist für den Fall beschrieben worden, daß der Endteil des elektrooptischen Materiales von dem zu messenden Gegenstand weggehalten wurde. Jedoch kann er auch in Kontakt mit dem Gegenstand gebracht werden.
Wie vorstehend beschrieben, geht bei dem erfindungsgemäßen Spannungsdetektor das von der Lichtquelle ausgesandte Licht entlang dem optischen Weg, welcher durch den Brechungsindex der Mittel zur Änderung des optischen Weges definiert ist, und tritt aus diesem als ein austretender Lichtstrahl aus. Der ausgetretene Lichtstrahl wird mittels der Nachweismittel nachgewiesen. Deshalb kann der erfindungsgemäße Detektor direkt die Polarität sowie die Wellenform eines Spannungspulses oder dergleichen nachweisen, welcher an ein vorbestimmtes Teil eines zu messenden Gegenstandes angelegt ist. Zusätzlich ist die Anzahl der Komponenten in dem optischen System reduziert und der ausgetretene Lichtstrahl kann mit dem Lichtstrahl aus der Lichtquelle nachgewiesen werden, welche im wesentlichen bezüglich der Intensität unverändert sind. Deshalb kann der erfindungsgemäße Spannungsdetektor eine Spannung mit hoher Genauigkeit und mit hoher Sensitivität nachweisen, welche an ein vorbestimmtes Teil eines zu messenden Gegenstandes angelegt ist.

Claims

1. Spannungsdetektor zum Nachweisen und Messen einer Spannung an einem vorbestimmten Teil eines zu messenden Gegenstandes mit einer Lichtquelle (53) zum Aussenden eines Lichtstrahles, einem Strahlerweiterer (25) zum Umwandeln des Lichtstrahles in eine Vielzahl von parallelen Lichtstrahlen, Mittel (27, 29) zum Verändern von optischen Wegen, welche nahe an dem vorbestimmten Teil des Gegenstandes angeordnet sind, wobei die Mittel (27, 29) zum Verändern von optischen Wegen aus einem elektrooptischen Material mit einem Brechungsindex sind, welcher sich in der Gegenwart von Spannung verändert, und wobei es die Mittel (27, 29) zum Verändern von optischen Wegen den von dem Strahlerweiterer (25) ausgesandten parallelen Lichtstrahlen ermöglichen, sich entlang eines optischen Weges entsprechend dem Brechungsindex von bestimmten Teilen des elektrooptischen Materiales auszubreiten und weiterhin mit Mitteln (30) zum Nachweis der parallelen Lichtstrahlen nach Austritt derselben aus den Mitteln (27, 29) zum Verändern von optischen Wegen und zum Anzeigen einer Vielzahl von Bildern als Antwort auf die nachgewiesenen parallelen Lichtstrahlen, wobei jedes der Bilder die Spannung pro Zeit an entsprechenden Teilen des vorbestimmten Teiles des Gegenstandes anzeigt, und weiterhin mit Führungsmitteln zum Übermitteln der parallelen Lichtstrahlen von den Mitteln (27, 29) zum Ändern von optischen Wegen zu den Nachweismitteln (30).

2. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (27, 29) zum Ändern von optischen Wegen eine Eintrittsoberfläche zur Aufnahme der parallelen Lichtstrahlen und eine Austrittsoberfläche aufweisen, wobei die Mittel (27, 29) zum Ändern von optischen Wegen einen Lichtstrahl, welcher auf die Eintrittsoberfläche fällt, dazu veranlassen, entlang eines optischen Weges entsprechend dem Brechungsindex von entsprechenden Teilen des elektrooptischen Materiales durchzutreten und als ein durchgegangener Lichtstrahl auf der Austrittsoberfläche auszutreten.

3. Spannungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (27) zum Verändern von optischen Wegen ein Dispersionsprisma aufweisen.

4. Spannungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrooptische Material einen optisch einachsigen Kristall aus Lithiumtantalat aufweist.

5. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsmittel eine Vielzahl von optischen Fasern aufweisen, wobei jede der optischen Fasern die durchgetretenen parallelen Lichtstrahlen für einen verschiedenen Bereich des Brechungsindexes von entsprechenden Teilen des elektrooptischen Materiales aufnehmen.

6. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (30) zum Nachweisen und Anzeigen eine Strichkamera aufweisen, wobei die Strichkamera einen Phosphorschirm (13, 32) zum Anzeigen einer Spannungswellenform aufweist, wobei die Spannungswellenform die Änderung pro Zeit der Spannung an einem vorbestimmten Teil des Gegenstandes anzeigt.

7. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (27, 29) zum Ändern von optischen Wegen eine Eintrittsoberfläche zur Aufnahme der parallelen Lichtstrahlen, eine Reflexionsoberfläche und eine Austrittsoberfläche aufweisen, wobei die Mittel (27, 29) zum Ändern von optischen Wegen einen Lichtstrahl, welcher auf die Eintrittsoberfläche fällt, dazu veranlassen, entlang eines optischen Weges entsprechend dem Brechungsindex von entsprechenden Teilen des elektrooptischen Materiales durchzutreten, mittels der Reflexionsoberfläche reflektiert zu werden und als ein durchgetretener Lichtstrahl von der Austrittsoberfläche auszutreten.

8. Spannungsdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrooptische Material einen optisch einachsigen Kristall aus Lithiumtantalat aufweist.

9. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (30) zum Nachweisen und zum Anzeigen Strichkameramittel zum Anzeigen einer Vielzahl von Spannungswellenformen aufweisen, wobei jede der Spannungswellenformen die Änderung pro Zeit der Spannung an den entsprechenden Teilen des vorbestimmten Teiles des Gegenstandes anzeigt.