JP2675419B2 - 高感度電圧検出装置 - Google Patents
高感度電圧検出装置Info
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- JP2675419B2 JP2675419B2 JP2015319A JP1531990A JP2675419B2 JP 2675419 B2 JP2675419 B2 JP 2675419B2 JP 2015319 A JP2015319 A JP 2015319A JP 1531990 A JP1531990 A JP 1531990A JP 2675419 B2 JP2675419 B2 JP 2675419B2
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、被測定物の所定部分の電圧によつて生じた
電界により屈折率が変化する電気光学材料を用いて、電
気−光変換により前記電圧を検出する電圧検出装置に係
り、特に、時間分解能が高く、検出感度の高い電圧検出
装置に関するものである。
電界により屈折率が変化する電気光学材料を用いて、電
気−光変換により前記電圧を検出する電圧検出装置に係
り、特に、時間分解能が高く、検出感度の高い電圧検出
装置に関するものである。
MODFET等の超高速トランジスタや、超格子型光検出
器、高速集積回路等のピコ秒オーダで作動する高速装置
上の所定部分の電界（電気力線）を、ピコ秒オーダの時
間分解能とマイクロボルトオーダの感度により非接触で
高速測定する技術として、ポツケルス効果を利用し、被
測定物の所定部分の電界によつて屈折率が変化する電気
光学材料、例えばLiTaO3結晶を用いて、電気−光変換に
より前記電界を検出する電界検出装置が開発されてい
る。即ち、前記電気光学材料を偏光方向が互いに直交す
る偏光子と検光子の間に配置することにより、電界の変
化を光ビームの透過光量の変化として検出することがで
きる。 このポツケルス効果を利用した電界検出装置には、例
えば板状の電気光学材料に電極を設けて被側定物の電極
と接続する電極型と、電気光学材料をプローブ状とし
て、任意の被測定部分に外部から容易に接近できるよう
にしたプローブ型とがある。前者は、例えば、米国特許
第4603293号、米国特許第4618819号、ヨーロツパ特許出
願公開第197196号、IEEE Journal of Quantum Electron
ics.vol.QE−22.No.1.Jan.1986 PP69〜78に開示されて
いる。 一方、後者のプローブ型は、例えば、CLEO′87 PP352
〜353、LLE Revlew.Vol.32.July−Sep.1987 PP158〜163
に開示されている。後者において、被測定部分に接近さ
せる光プローブとしては、CLEO′87 PP352〜353に、第1
5図に示す如く、シリカサポート12の先端に、裁頭４面
ピラミツド形状からなるチツプ状のLiTaO3結晶14を取付
け、更にその底面に、検出用の光ビーム18を反射するた
めの誘電体多層膜による全反射ミラー16が蒸着された光
プローブ10が開示されている。例えば集積回路である被
測定物20には、複数の電極22が二次元的に配置されてい
るので、その電極22の間の回路表面上には電気力線で示
される電界が存在する。従つて、前記光プローブ10の先
端を被測定物20に接近させれば、LiTaO3結晶14の屈折率
が変化するので、これによつて光ビーム18は変調され
る。従つて、偏光子と検光子を用いて透過光量の変化に
変換することによつて、被測定物20の電極22間に生じる
電界を検出することができる。 又、光プローブ10の他の例としては、LLEReview.Vol.
32.July−Sep.1987PP158〜163に、第16図に示す如く、L
iTaO3結晶30の内面で光ビーム18を３回全反射してビー
ム方向を変えることにより、結晶底面の反射膜を不要と
したのが開示されている。この光プローブ10において
は、LiTaO3結晶30の底面近傍で、Ｚ軸と平行の電界によ
り該LiTaO3結晶30の屈折率が変調される。 一方、前記光ビームをレーザダイオード（LD）からの
出力光とするとき、その出力光は励起電流や温度が変化
すると、その発光波長や光強度が変化する。又、縦モー
ドの競合や、モードホツピングによつても光強度が変化
する。このような光強度の変動を低減する方法として
は、レーザダイオード光の一部をフオトダイオード（P
D）等の受光素子で受光し、検出した光強度レベルと予
め設定したレベルとの誤差信号を求めて、これをレーザ
ダイオードを駆動する励起電流源にフイードバツクする
方法が知られている。このような技術は、既に、コンパ
クトデイスク（CD）プレーヤの光ピツクアツプ等に使用
されている。 しかしながら、従来の光強度変動の低減方法は、全
て、連続光（連続発振（CW）光又は直流（DC）光）を発
生するレーザダイオードに適用されており、パルス光を
発生するときの該パルス光の光強度のノイズについては
未だ議論されておらず、パルス光強度を安定化する試み
もなかつた。 一方、例えば、非常に短い光パルスをサンプリングゲ
ートとして用い、電気光学効果を利用して電気信号を非
接触で計測する電気光学（Ｅ−Ｏ）サンプリング（IEEE
Journal of Quantum Electronics,Vol.QE−22,No.1,Ja
n.1986のPP69−78参照）、非常に短い光パルスを使つて
レーザ励起螢光を測定する螢光寿命測定（Rev.Sci.Inst
rum.59（４）,April 1988のPP663−665参照）、光電検
出器、光集積回路（OE IC）等の応答特性評価、光電子
増倍管を用いた時間相関光子計数法等の分野では、パル
ス光のパルス幅が時間分解能を決定するため、短パルス
光が必要である。時間分解能の観点からは、パルス幅が
ピコ秒〜フエムト秒のパルス光を発生する色素レーザが
有利であるが、装置が大型になる。このため、簡便、簡
単、安価、小型なレーザダイオードをパルス光源として
用いることが考えられる。 現在、レーザダイオードを用いて発生可能な短パルス
光のパルス幅は、200〜２ピコ秒程度である。又、波長
はレーザダイオードの種類によつて変わり、通常670nm
〜1.5μｍ程度である。又、レーザダイオードのパルス
光の第２高調波を発生させれば、340nm程度までのパル
ス光が得られる。このような光パルスの繰返し周波数
は、目的によつても異なるが、一般に0.1〜200MHzであ
る。又、技術的にはGHz領域の超高繰返しパルス光や、
数百Hz程度のパルス光も発生可能である。
器、高速集積回路等のピコ秒オーダで作動する高速装置
上の所定部分の電界（電気力線）を、ピコ秒オーダの時
間分解能とマイクロボルトオーダの感度により非接触で
高速測定する技術として、ポツケルス効果を利用し、被
測定物の所定部分の電界によつて屈折率が変化する電気
光学材料、例えばLiTaO3結晶を用いて、電気−光変換に
より前記電界を検出する電界検出装置が開発されてい
る。即ち、前記電気光学材料を偏光方向が互いに直交す
る偏光子と検光子の間に配置することにより、電界の変
化を光ビームの透過光量の変化として検出することがで
きる。 このポツケルス効果を利用した電界検出装置には、例
えば板状の電気光学材料に電極を設けて被側定物の電極
と接続する電極型と、電気光学材料をプローブ状とし
て、任意の被測定部分に外部から容易に接近できるよう
にしたプローブ型とがある。前者は、例えば、米国特許
第4603293号、米国特許第4618819号、ヨーロツパ特許出
願公開第197196号、IEEE Journal of Quantum Electron
ics.vol.QE−22.No.1.Jan.1986 PP69〜78に開示されて
いる。 一方、後者のプローブ型は、例えば、CLEO′87 PP352
〜353、LLE Revlew.Vol.32.July−Sep.1987 PP158〜163
に開示されている。後者において、被測定部分に接近さ
せる光プローブとしては、CLEO′87 PP352〜353に、第1
5図に示す如く、シリカサポート12の先端に、裁頭４面
ピラミツド形状からなるチツプ状のLiTaO3結晶14を取付
け、更にその底面に、検出用の光ビーム18を反射するた
めの誘電体多層膜による全反射ミラー16が蒸着された光
プローブ10が開示されている。例えば集積回路である被
測定物20には、複数の電極22が二次元的に配置されてい
るので、その電極22の間の回路表面上には電気力線で示
される電界が存在する。従つて、前記光プローブ10の先
端を被測定物20に接近させれば、LiTaO3結晶14の屈折率
が変化するので、これによつて光ビーム18は変調され
る。従つて、偏光子と検光子を用いて透過光量の変化に
変換することによつて、被測定物20の電極22間に生じる
電界を検出することができる。 又、光プローブ10の他の例としては、LLEReview.Vol.
32.July−Sep.1987PP158〜163に、第16図に示す如く、L
iTaO3結晶30の内面で光ビーム18を３回全反射してビー
ム方向を変えることにより、結晶底面の反射膜を不要と
したのが開示されている。この光プローブ10において
は、LiTaO3結晶30の底面近傍で、Ｚ軸と平行の電界によ
り該LiTaO3結晶30の屈折率が変調される。 一方、前記光ビームをレーザダイオード（LD）からの
出力光とするとき、その出力光は励起電流や温度が変化
すると、その発光波長や光強度が変化する。又、縦モー
ドの競合や、モードホツピングによつても光強度が変化
する。このような光強度の変動を低減する方法として
は、レーザダイオード光の一部をフオトダイオード（P
D）等の受光素子で受光し、検出した光強度レベルと予
め設定したレベルとの誤差信号を求めて、これをレーザ
ダイオードを駆動する励起電流源にフイードバツクする
方法が知られている。このような技術は、既に、コンパ
クトデイスク（CD）プレーヤの光ピツクアツプ等に使用
されている。 しかしながら、従来の光強度変動の低減方法は、全
て、連続光（連続発振（CW）光又は直流（DC）光）を発
生するレーザダイオードに適用されており、パルス光を
発生するときの該パルス光の光強度のノイズについては
未だ議論されておらず、パルス光強度を安定化する試み
もなかつた。 一方、例えば、非常に短い光パルスをサンプリングゲ
ートとして用い、電気光学効果を利用して電気信号を非
接触で計測する電気光学（Ｅ−Ｏ）サンプリング（IEEE
Journal of Quantum Electronics,Vol.QE−22,No.1,Ja
n.1986のPP69−78参照）、非常に短い光パルスを使つて
レーザ励起螢光を測定する螢光寿命測定（Rev.Sci.Inst
rum.59（４）,April 1988のPP663−665参照）、光電検
出器、光集積回路（OE IC）等の応答特性評価、光電子
増倍管を用いた時間相関光子計数法等の分野では、パル
ス光のパルス幅が時間分解能を決定するため、短パルス
光が必要である。時間分解能の観点からは、パルス幅が
ピコ秒〜フエムト秒のパルス光を発生する色素レーザが
有利であるが、装置が大型になる。このため、簡便、簡
単、安価、小型なレーザダイオードをパルス光源として
用いることが考えられる。 現在、レーザダイオードを用いて発生可能な短パルス
光のパルス幅は、200〜２ピコ秒程度である。又、波長
はレーザダイオードの種類によつて変わり、通常670nm
〜1.5μｍ程度である。又、レーザダイオードのパルス
光の第２高調波を発生させれば、340nm程度までのパル
ス光が得られる。このような光パルスの繰返し周波数
は、目的によつても異なるが、一般に0.1〜200MHzであ
る。又、技術的にはGHz領域の超高繰返しパルス光や、
数百Hz程度のパルス光も発生可能である。
ところで、上記のような電気光学材料であるLiTaO3結
晶は、その比誘電率εｒが40と空気のεｒ＝１より大き
いため、この結晶を被測定物に接近させると、被測定物
20の電極22によつて生じる電界Ｅが変化し、Ｅ＝D/εｒ
・ε０（Ｄは電束密度）に従つて弱くなるという問題点
を有していた。但し、ε０は、真空の誘電率8.854×10
-12F/mである。 即ち、結晶がない場合に、横型変調器において、例え
ば第17図に示す如くであつた被測定物20上の電界が、Li
TaO3結晶32がある場合には、第18図に示す如く、被測定
物20上の電界が、その等電位線が結晶32を避けるように
変化する。そのため、結晶32中に生じる電界は、結晶が
ない場合に比べて小さくなる。即ち、結晶32に電圧が印
加され難くなるため、このような電気光学材料からなる
光プローブでは、効率良く被測定物の電圧を検出するこ
とができず、検出感度を向上させることが難しいという
問題点を有していた。又、縦型変調器の場合も、第19図
に示されるように、等電位線が結晶32を避けるように変
化した。 パルス光源について、発明者等の実験によると、上記
のような高繰返し高パルスを計測に利用する場合、光パ
ルスの強度揺ぎが測定可能範囲の下限を制限することが
判明した。説明を簡単にするため、第20図に示すような
装置で、試料40のパルス光に対する透過率を測定する場
合を例にとつて説明する。この第20図の装置において、
光パルスはレーザダイオード（LD）パルス光源42に内蔵
されたレーザダイオード42A（第21図参照）で発生し、
該パルスの繰返し周波数は発振器44で制御される（例え
ば繰返し周波数100MHz、パルス幅50ピコ秒、波長830n
m）。該LDパルス光源42は、例えば第21図に示す如く構
成されており、LD42Aにバイアス電流を流しておき、こ
れに、例えばステツプリカバリダイオードを用いた電気
パルス発生器42B（例えば、ヒユーレツト パツカード
社の33002A型コムゼネレータ（登録商標））から負のパ
ルスを加えて、LD42Aを駆動するようにしている。 前記レーザダイオード（LD）42Aで発生したパルス光
は、発振器45によつて駆動されているチヨツパ46（例え
ばチヨツピング周波数1kHz）を介して、試料40に入射
し、その一部が吸収されて出力光となる。出力光はレン
ズ48で集光され、例えばフオトダイオード（PD）からな
る光検出器50で受光される。この光検出器50の出力信号
は、低ノイズアンプ52で増幅され、ロツクインアンプ54
で同期検出される。該ロツクインアンプ54の参照信号
は、前記発振器45で発生されるチヨツパ信号とされてい
る。ここで、光検出器50や低ノイズアンプ52で発生する
ノイズは、透過光自体のノイズより充分に小さくしてお
く。 前記ロツクインアンプ54の出力は、例えば出力計56に
出力され、透過率が表示される。 なお、第20図の装置では、測定ノイズを低減して測定
精度を向上するために、チヨツパ46とロツクインアンプ
54を使用して同期検出しているが、簡便な測定では、こ
れらは不要であり、光検出器50の出力を増幅して直接読
出してもよい。又、低ノイズアンプ52を省略して、ロツ
クインアンプ54に入力してもよい。 このような装置において、試料40のパルス光に対する
透過率が入射パルス光に対して非線形であるような場合
には、入射パルス光の光強度が充分小さいところまで測
定する必要が生じる。このとき、パルス発振LDのパルス
光のノイズが問題となり、測定下限を制限する。 第22図は、発明者等が実験によつて求めたLDパルス光
のノイズ特性の一例を示したものである。横軸は周波
数、縦軸は光電流のノイズの実効値（rms）をデシベル
（dB）表示で示したものである。縦軸のOdB点は、光パ
ルスに含まれる光子数の平方根で決まるシヨツトノイズ
レベル（理論限界）である。従つて、この第22図は、シ
ヨツトノイズレベルで規格化したLDパルス光のノイズレ
ベルを示している。従来方式によるノイズを、第22図に
実線Ａと×印で示すが、LDをパルス発振させたときのノ
イズが、シヨツトノイズより10倍（20dB）以上大きく、
従つて、これをシヨツトノイズ域まで低減できる可能性
があることがわかる。 第22図のデータは、第23図に示す如く、被測定LD42A
を、第22図に示したような構成の駆動回路58で駆動した
時のノイズを、光検出器50、低ノイズアンプ52、ロツク
インアンプ54、周波数掃引を行うための発振器（OSC）5
3、ノイズ検出回路55、デイスプレイ56からなるノイズ
成分測定装置を用いて測定することによつて得たもので
ある。 本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされた
もので、検出感度の高い電圧検出装置を提供することを
課題とする。
晶は、その比誘電率εｒが40と空気のεｒ＝１より大き
いため、この結晶を被測定物に接近させると、被測定物
20の電極22によつて生じる電界Ｅが変化し、Ｅ＝D/εｒ
・ε０（Ｄは電束密度）に従つて弱くなるという問題点
を有していた。但し、ε０は、真空の誘電率8.854×10
-12F/mである。 即ち、結晶がない場合に、横型変調器において、例え
ば第17図に示す如くであつた被測定物20上の電界が、Li
TaO3結晶32がある場合には、第18図に示す如く、被測定
物20上の電界が、その等電位線が結晶32を避けるように
変化する。そのため、結晶32中に生じる電界は、結晶が
ない場合に比べて小さくなる。即ち、結晶32に電圧が印
加され難くなるため、このような電気光学材料からなる
光プローブでは、効率良く被測定物の電圧を検出するこ
とができず、検出感度を向上させることが難しいという
問題点を有していた。又、縦型変調器の場合も、第19図
に示されるように、等電位線が結晶32を避けるように変
化した。 パルス光源について、発明者等の実験によると、上記
のような高繰返し高パルスを計測に利用する場合、光パ
ルスの強度揺ぎが測定可能範囲の下限を制限することが
判明した。説明を簡単にするため、第20図に示すような
装置で、試料40のパルス光に対する透過率を測定する場
合を例にとつて説明する。この第20図の装置において、
光パルスはレーザダイオード（LD）パルス光源42に内蔵
されたレーザダイオード42A（第21図参照）で発生し、
該パルスの繰返し周波数は発振器44で制御される（例え
ば繰返し周波数100MHz、パルス幅50ピコ秒、波長830n
m）。該LDパルス光源42は、例えば第21図に示す如く構
成されており、LD42Aにバイアス電流を流しておき、こ
れに、例えばステツプリカバリダイオードを用いた電気
パルス発生器42B（例えば、ヒユーレツト パツカード
社の33002A型コムゼネレータ（登録商標））から負のパ
ルスを加えて、LD42Aを駆動するようにしている。 前記レーザダイオード（LD）42Aで発生したパルス光
は、発振器45によつて駆動されているチヨツパ46（例え
ばチヨツピング周波数1kHz）を介して、試料40に入射
し、その一部が吸収されて出力光となる。出力光はレン
ズ48で集光され、例えばフオトダイオード（PD）からな
る光検出器50で受光される。この光検出器50の出力信号
は、低ノイズアンプ52で増幅され、ロツクインアンプ54
で同期検出される。該ロツクインアンプ54の参照信号
は、前記発振器45で発生されるチヨツパ信号とされてい
る。ここで、光検出器50や低ノイズアンプ52で発生する
ノイズは、透過光自体のノイズより充分に小さくしてお
く。 前記ロツクインアンプ54の出力は、例えば出力計56に
出力され、透過率が表示される。 なお、第20図の装置では、測定ノイズを低減して測定
精度を向上するために、チヨツパ46とロツクインアンプ
54を使用して同期検出しているが、簡便な測定では、こ
れらは不要であり、光検出器50の出力を増幅して直接読
出してもよい。又、低ノイズアンプ52を省略して、ロツ
クインアンプ54に入力してもよい。 このような装置において、試料40のパルス光に対する
透過率が入射パルス光に対して非線形であるような場合
には、入射パルス光の光強度が充分小さいところまで測
定する必要が生じる。このとき、パルス発振LDのパルス
光のノイズが問題となり、測定下限を制限する。 第22図は、発明者等が実験によつて求めたLDパルス光
のノイズ特性の一例を示したものである。横軸は周波
数、縦軸は光電流のノイズの実効値（rms）をデシベル
（dB）表示で示したものである。縦軸のOdB点は、光パ
ルスに含まれる光子数の平方根で決まるシヨツトノイズ
レベル（理論限界）である。従つて、この第22図は、シ
ヨツトノイズレベルで規格化したLDパルス光のノイズレ
ベルを示している。従来方式によるノイズを、第22図に
実線Ａと×印で示すが、LDをパルス発振させたときのノ
イズが、シヨツトノイズより10倍（20dB）以上大きく、
従つて、これをシヨツトノイズ域まで低減できる可能性
があることがわかる。 第22図のデータは、第23図に示す如く、被測定LD42A
を、第22図に示したような構成の駆動回路58で駆動した
時のノイズを、光検出器50、低ノイズアンプ52、ロツク
インアンプ54、周波数掃引を行うための発振器（OSC）5
3、ノイズ検出回路55、デイスプレイ56からなるノイズ
成分測定装置を用いて測定することによつて得たもので
ある。 本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされた
もので、検出感度の高い電圧検出装置を提供することを
課題とする。
本発明は、被測定物の所定部分の電圧によつて生じた
電界により屈折率が変化する電気光学材料を備え、この
電気光学材料を前記被測定物の所定部分に接近させて、
電気−変換により前記電圧を検出する電圧検出装置にお
いて、前記電気光学材料を組込んでなり、前記被測定物
の一部に選択的に接近可能な光プローブからなる検出部
を設けると共に、被測定部分と該被測定部分に臨む前記
検出部との間に、比誘電率が25より大きい媒質を配置し
たことにより、前記課題を達成するものである。 又、本発明は、前記媒質を非導電性とすることによ
り、前記課題を達成するものである。 又、本発明は、前記媒質を軟質の固体とすることによ
り、前記課題を達成したものである。 又、本発明は、前記媒質を流体とすることにより、前
記課題を達成したものである。 又、本発明は、前記媒質を、軟質の膜状固体及びこれ
に内包された流体とすることにより、前記課題を達成し
たものである。 又、本発明は、前記電気光学材料と被測定物間に、流
体の媒質を供給する媒質供給手段を備えたことにより、
前記課題を達成したものである。 又、本発明は、前記電気光学材料への入射光源をパル
ス光源とし、サンプリング検出することにより、前記課
題を達成したものである。 又、本発明は、前記電気光学材料からの出射光の光検
出器を、高速光検出器とすることにより、前記課題を達
成したものである。 又、本発明は、前記高速光検出器を、ストリークカメ
ラ技術を応用した高速光検出器とすることにより、前記
課題を達成したものである。 又、本発明は、前記パルス光源を、繰返しパルス光を
発生するレーザダイオードと、これを駆動する電気パル
ス発生器と、前記レーザダイオードにバイアス電流を流
す電流源と、前記レーザダイオードの発光の一部を検出
する光検出器とを備えて構成し、該光検出器の出力信号
に応じて、前記パルス光の光強度が一定になるように、
前記電流源のバイアス電流を変調制御するようにして、
前記課題を達成したものである。 又、同様なパルス光源を、前記光検出器の出力信号に
応じて、前記パルス光の光強度が一定となるように、前
記電気パルス発生器で発生するパルス信号の振幅を変調
制御するように構成して、同じく前記課題を達成したも
のである。 又、同様なパルス光源を、前記光検出器の出力信号に
応じて、前記パルス光の光強度が一定となるように、所
定周波数以下の帯域では、前記電流源のバイアス電流を
変調制御し、所定周波数以上の帯域では、前記電気パル
ス発生器で発生するパルス信号の振幅を変調制御するよ
うにして、同じく前記課題を達成したものである。 又、前記電気パルス発生器に、ステツプリカバリダイ
オードに用いたものである。 又、前記光検出器を、レーザダイオードと１組にして
同一パツケージ内に組込んだものである。 又、光を検出して制御するフイードバツク系の時定数
を、パルス光の繰返し周期より長くしたものである。 又、前記フイードバツク系の周波数特性にピークを持
たせて特定周波数域のノイズを低減し、計測系に使用す
るロツクインアンプの参照信号の周波数が、前記特定周
波数域内の周波数となるようにしたものである。
電界により屈折率が変化する電気光学材料を備え、この
電気光学材料を前記被測定物の所定部分に接近させて、
電気−変換により前記電圧を検出する電圧検出装置にお
いて、前記電気光学材料を組込んでなり、前記被測定物
の一部に選択的に接近可能な光プローブからなる検出部
を設けると共に、被測定部分と該被測定部分に臨む前記
検出部との間に、比誘電率が25より大きい媒質を配置し
たことにより、前記課題を達成するものである。 又、本発明は、前記媒質を非導電性とすることによ
り、前記課題を達成するものである。 又、本発明は、前記媒質を軟質の固体とすることによ
り、前記課題を達成したものである。 又、本発明は、前記媒質を流体とすることにより、前
記課題を達成したものである。 又、本発明は、前記媒質を、軟質の膜状固体及びこれ
に内包された流体とすることにより、前記課題を達成し
たものである。 又、本発明は、前記電気光学材料と被測定物間に、流
体の媒質を供給する媒質供給手段を備えたことにより、
前記課題を達成したものである。 又、本発明は、前記電気光学材料への入射光源をパル
ス光源とし、サンプリング検出することにより、前記課
題を達成したものである。 又、本発明は、前記電気光学材料からの出射光の光検
出器を、高速光検出器とすることにより、前記課題を達
成したものである。 又、本発明は、前記高速光検出器を、ストリークカメ
ラ技術を応用した高速光検出器とすることにより、前記
課題を達成したものである。 又、本発明は、前記パルス光源を、繰返しパルス光を
発生するレーザダイオードと、これを駆動する電気パル
ス発生器と、前記レーザダイオードにバイアス電流を流
す電流源と、前記レーザダイオードの発光の一部を検出
する光検出器とを備えて構成し、該光検出器の出力信号
に応じて、前記パルス光の光強度が一定になるように、
前記電流源のバイアス電流を変調制御するようにして、
前記課題を達成したものである。 又、同様なパルス光源を、前記光検出器の出力信号に
応じて、前記パルス光の光強度が一定となるように、前
記電気パルス発生器で発生するパルス信号の振幅を変調
制御するように構成して、同じく前記課題を達成したも
のである。 又、同様なパルス光源を、前記光検出器の出力信号に
応じて、前記パルス光の光強度が一定となるように、所
定周波数以下の帯域では、前記電流源のバイアス電流を
変調制御し、所定周波数以上の帯域では、前記電気パル
ス発生器で発生するパルス信号の振幅を変調制御するよ
うにして、同じく前記課題を達成したものである。 又、前記電気パルス発生器に、ステツプリカバリダイ
オードに用いたものである。 又、前記光検出器を、レーザダイオードと１組にして
同一パツケージ内に組込んだものである。 又、光を検出して制御するフイードバツク系の時定数
を、パルス光の繰返し周期より長くしたものである。 又、前記フイードバツク系の周波数特性にピークを持
たせて特定周波数域のノイズを低減し、計測系に使用す
るロツクインアンプの参照信号の周波数が、前記特定周
波数域内の周波数となるようにしたものである。
本発明は、電圧の検出感度が従来低かつたのは、電気
光学材料の、結晶の誘電率が高いこと自体が原因ではな
く、該結晶と被測定物との間にある空気の誘電率と上記
結晶の誘電率との差が大き過ぎることに起因するとの知
見に基づくものであり、上記結晶、即ち検出部と被測定
物との間に比誘電率が25より高い媒質を介在させること
により、電圧の検出感度を向上させたものである。又本
発明は、上記のように検出部と被測定物の間に比誘電率
の高い物質を介在させて、電圧検出感度を向上させると
共に光源に、低ノイズパルス光源を用いて、更に測定精
度の向上、測定可能下限の低減を図つている。
光学材料の、結晶の誘電率が高いこと自体が原因ではな
く、該結晶と被測定物との間にある空気の誘電率と上記
結晶の誘電率との差が大き過ぎることに起因するとの知
見に基づくものであり、上記結晶、即ち検出部と被測定
物との間に比誘電率が25より高い媒質を介在させること
により、電圧の検出感度を向上させたものである。又本
発明は、上記のように検出部と被測定物の間に比誘電率
の高い物質を介在させて、電圧検出感度を向上させると
共に光源に、低ノイズパルス光源を用いて、更に測定精
度の向上、測定可能下限の低減を図つている。
【実施例】 以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明
する。 まず、水平方向の電界を検出するための、光の進行方
向と電界の方向（等電位線に垂直な方向）が垂直な横型
変調器を用いる第１実施例の場合について説明する。 この実施例は、第１図に示す如く、LiTaO3結晶（電気
光学材料）からなる光プローブ（検出部）10と集積回路
（被測定物）20との間に空気より大きな誘電率をもつ媒
質３を介在させたものである。 このため、光プローブ10と、光プローブ10と集積回路
20の隙間との誘電率の差を小さくすることにより、媒質
34を介在させない第18図に示す場合のように等電位線が
光プローブ10を避けることを防止できるので、光プロー
ブ10中に生じる電界を強くすることができ、検出感度を
向上させることが可能となる。 次に、第２図に示される、垂直方向の電界を検出する
ための光の進行方向と電界の方向が平行な縦型変調器を
用いる第２実施例の場合について説明する。 光プローブ10と被測定物20との間に高誘電率媒質34を
介在させることにより、前述した横型変調器の場合と同
様に、媒質34を介在させない第19図に示す場合のように
等電位線が結晶32を避けることを防止でき、それ故に検
出感度を向上させることが可能となる。 次に、第３図に示される補助電極を備えた光プローブ
10を使用する第３実施例の場合を説明する。 この実施例では、サポート12と結晶32との間に透明補
助電極36が設けられ、該補助電極36を例えばアースに接
続する場合でも、光プローブ10と被測定物20との間に光
誘電率媒質34を介在させると、媒質34を介在させない第
４図に示す場合に比べ結晶32中に生じる電界を強くする
ことができ、検出感度を向上させることが可能となる。
その理由を、第３図及び第４図を参照しながら、以下に
詳述する。 被測定物20において、電位V0（volt）の電極22と、光
プローブ10の結晶（表面電位がＶ（volt）とアースされ
ている補助電極とで平行平板コンデンサーが構成してい
るとすると、結晶32にかかる電圧Ｖは次式で与えられ
る。式中、d1は光プローブ10における結晶32の厚さ、d2
は電極22から光プローブ10までの高さ、ε１は結晶の比
誘電率、ε２は媒質34の比誘電率をそれぞれ示してい
る。 Ｖ＝V0［（ε2/d2） ／｛（ε1/d1）＋１（ε2/d2）｝］ 今、光プローブとしてLiTaO3（ε１＝40）結晶を用
い、光誘電率媒質として純水（ε２＝80）を用いる場合
で、結晶の厚さd1＝50μｍ、光プローブの高さd2＝10μ
ｍ、被測定電極の電位V0＝10voltとする場合について計
算してみると、第４図に示す場合はε２＝１であるの
で、結晶への印加電圧はＶ＝1.1voltであるが、純水を
高誘電率媒質として用いた第３図に示す場合は、Ｖ＝9.
1voltと、８倍以上大きな電界が結晶に印加され、それ
だけ検出感度を向上させることができることが理解され
る。 本発明において適用可能な高誘電率媒質34としては、
誘電率が空気より大きい物質であれば、固体、液体又は
気体の何れのものも使用可能である。又非導電性が望ま
しいが導電性であつてもよい。 固体の媒質としては軟らかいものが好ましく、例えば
シリコン、ゴムεｒ＝３やゲル状物等の容易に弾性変形
を起こすもの等を好適に利用できる。 又、軟かい膜状の樹脂等からなるカプセル中に、純
水、エタノール、グリセリン等を封入したものであつて
もよい。 液体の媒質としては、例えば、純水（比誘電率： ε
ｒ＝80）、エタノール（εｒ＝25）、グリセリンεｒ＝
42.5）等、種々のものを利用できる。 上記の場合、固体媒質34Aあるいはカプセル34Bを、第
５図又は第６図に示されるように、光プローブ10の先端
に取付けて使用することも可能であり、測定箇所を変更
する場合には光プローブ10と共に移動させることがで
き、更に、被測定物20に接触しても該被測定物20や光プ
ローブ10を破壊することが防止される。又、接触の都度
媒質を消費することがない。 又、媒質が液体又は気体の場合は、光プローブ10の高
さを一定にしたまま被測定物20上を走査し、測定箇所を
変更することにより回路上の任意の位置の電圧を測定す
ることができる。その際、検出感度が高いので、光プロ
ーブ10と被測定物（回路）との間隔を十分に大きくする
ことができ、それ故にプローブが被測定物20に接触して
これを破壊することがない。 本発明においては、上述した高誘電率媒質34を、測定
前に予め所定位置に供給しておいて、又、後述する本発
明の電圧検出装置を用いて測定時に適宜供給してもよ
い。 第７図は、以上詳述した光プローブ（検出部）10を用
い、本発明方法に従つて被測定物20である集積回路につ
いて電圧を検出する態様を示す概略斜視図である。 検出部が光プローブ10からなる場合は、その大きさは
被測定物20の電極22と同程度であることが好ましい。こ
の光プローブ10の底面には全反射ミラー16が形成されて
おり、該光プローブ10と被測定物20との間には高誘電率
媒質34が介在されている。ここで媒質34が気体又は液体
の場合は、光プローブ10を支持構造に取付けられた流体
媒質供給装置10Aから流体媒質を光プローブ10と被測定
物20の間に測定の都度供給するとよい。 検出部としてこのような光プローブ10を採用する場合
は、板状結晶を用いる場合に比べ、必要な部分だけにし
か媒質34がないので、集積回路（被測定物）20の動作に
対する影響が少ないという利点がある。 次に、第８図を参照して、光プローブが電気光学効果
を利用した変調器として採用された第６実施例の電圧検
出装置について詳細に説明する。 この電圧検出装置58は、電気−光学（Ｅ−Ｏ）サンプ
リング測定法を利用したもので、第８図に示す如く、光
源として、低ノイズパルス光源60からの超短パルス光
（例えば繰返しレート100MHzの70フエムト秒パルス）を
使用し、検出器として通常の一対のホトダイオード（例
えばPINホトダイオード）62、64を使用している。 光変調器は、第１図、第２図、第３図、第５図、第６
図又は第７図に示したような電気光学材料からなる光プ
ローブ（板状結晶を含む）66と、一対の偏光子68、検光
子70、及び光バイアスを与えるための光学素子、例えば
ソレイユ・バビネ補償板72から構成されている。 被測定物20は、例えば光検出器（図示省略）を内蔵し
ており、この光検出器は、前記低ノイズパルス光源60か
ら出射され、ハーフミラー73を透過した後、遅延量を変
えて走査するための光デイレイ74を通つたトリガ用の光
ビーム75によつて励起されて、前記被測定物20を駆動す
る。このように、被測定物20は、前記低ノイズパルス光
源60と同期して動作状態となる。なお、被測定物20に光
検出器を内蔵することなく、トリガ用光ビーム75で被測
定物20のゲートと共通電極間のギヤツプを照射すること
により、前記ゲートを瞬間的にアースにスイツチしても
よい。 一方、前記低ノイズパルス光源60から出射され、ハー
フミラー53で反射された後、光プローブ66における電気
光学材料の光軸に対して45゜の偏光方向に設定された偏
光子68を通つたプローブ用の光ビーム67は、光プローブ
66に集束される。 光プローブ66で電界により変調を受けたプローブ光
は、ハーフミラー71で反射された後、ソレイユ・バビネ
補償板72で、線形の応答と最大の電圧感度を得るべく、
バイアス量が1/4波長になるよう調整され、検光子70に
入射される。該検光子70からの出力光は、一対のホトダ
イオード62、64によつて検出され、検出信号が、差動増
幅器76A、ロツクインアンプ76B、必要に応じてS/Nを向
上するための信号平均化回路76C及び前記光デイレイ74
を制御する遅延量制御回路76Dを含むサンプリング検出
装置76によつて処理され、例えば横軸を光デイレイ74の
遅延量（即ち光路差）、縦軸を検出信号とした出力波形
が、表示装置（例えばCRT）77に表示される。このと
き、光デイレイ74とサンプリング検出装置76は同期して
作動する。これによつて、未知の電気信号の時間−電圧
表示が可能となる。 なお、信号平均化回路76Cは省略することもできる。 第９図に前記低ノイズパルス光源60の基本構成の一例
を示す。この低ノイズパルス光源60は、レーザダイオー
ド（LD）78と、電気パルス発生器80と、光検出器82と、
電流変調回路84とから構成されている。 まず、レーザダイオード（LD）78にバイアス電流を流
しておき、更に、電気パルス発生器80からコンデンサC1
を介して短パルス電気信号を印加して、LD78をパルス発
振させる。LD光の一部を分岐したもの、又は、LD78の他
端から出る光を、フオトダイオード（PD）等の光検出器
82で検出する。該光検出器82の出力は、LD光の強度に比
例しているので、これを増幅し、この信号により電流変
調回路84でLD78のバイアス電流を変調して、LD光の強度
が一定となるように制御する。この場合、フイードバツ
ク系の時定数は、LDパルス光の繰返し周期より充分長く
しておく。このようにすれば、LDパルス光の光強度が一
定になるように自動制御され、そのときのLD光のノイズ
も、前出第22図に破線Ｂと△印で示す如く低減される。 なお、第９図に示す基本構成では、光検出器82の出力
信号に応じて、電流変調回路84によりLD78に流すバイア
ス電流を変調制御するようにしていたが、LDパルス光の
光強度を一定とする構成はこれに限定されず、前記電気
パルス発生器80で発生するパルス信号の振幅を変調制御
してもよい。更に、両者を組合わせて、例えば所定周波
数以下の帯域では、前記電流変調回路84のバイアス電流
を変調制御し、所定周波数以上の帯域では、前記電気パ
ルス発生器80で発生するパルス信号の振幅を変調制御す
る構成としてもよい。 前記のような構成で、高繰返しパルス光の光強度を安
定化し、且つ、その光強度ノイズを減少させることがで
きる。従つて、このようなLDによる光パルスを、Ｅ−Ｏ
サンプリングに用いることにより測定精度の向上、測定
可能下限の低減等が実現され、その効果は大である。 次に、第10図を参照して、例えばストリークカメラの
技術を応用した高速光検出器を用いた、本発明の第７実
施例に係る電圧検出装置86について詳細に説明する。 この電圧検出装置86において、光変調器は前記第１の
装置と同様のものであるが、光源としては、例えばHe−
Neレーザ90のような連続（CW）レーザ光源を用い、検出
器として、例えばストリークカメラ技術を応用した高速
光検出器92を用いている。 又、前記高速光検出器92としては、例えば、出願人が
特願昭63−116732で提案したものを用いることもでき
る。 他の構成及び作用は、前記電圧測定装置58と同様であ
るので説明は省略する。 上記装置においては、光デイレイ、サンプリング検出
装置、ホトダイオード等が不要であるため、構成が簡略
である。 次に、第11図を参照して、レーザダイオードと電気的
なデイレイを用いた、本発明の第８実施例に係る電圧検
出装置94について詳細に説明する。 この電圧検出装置94においても、光変調器は前記電圧
検出装置58と同様のものであるが、光源としては、電圧
検出装置58における低ノイズパルス光源60が用いられて
いる。この低ノイズパルス光源60は、駆動回路96からの
信号に基づくトリガ信号により、被測定物20の駆動と同
期してパルス駆動される。駆動回路96と低ノイズパルス
光源60の間に電気デイレイ78が設けられており、両者の
タイミング、即ち、走査タイミングを順次ずらすことが
できる。 出力光は、ホトダイオード62、64のような光検出器で
検出され、前記電圧検出装置58と同様のサンプリング検
出装置76で処理された後、表示装置77に出力波形として
表示される。このとき、電気デイレイ94とサンプリング
検出装置76は同期して作動する。 他の点については、前記電圧検出装置58と同様である
ので詳細な説明は省略する。 次に、第12図〜第14図を参照して、上記低ノイズパル
ス光源の他の構成例について説明する。 第２の例の低ノイズパルス光源60Aは、第12図に示す
如く、LD78の発光の一部を検出するための、逆バイアス
で使用されるピンフオトダイオード（PIN−PD）83と、
該PIN−PD83で受光して得た光電流信号を反転増幅し、
出力信号の直流レベルを変更する第１のアンプ86、及
び、該第１のアンプ86の出力を反転して増幅する反転型
の電流増幅器として動作する第２のアンプ88からなる電
流変調回路84と、から主に構成されている。 前記第１のアンプ86のフイードバツクループには、コ
ンデンサC2が入れられており、第１のアンプ86の時定数
が、パルス光の繰返し周期より長くなるようにされてい
る。 又、前記第２のアンプ88のフイードバツクループ中に
は、ダイオードＤが設けられ、バイアス電流の最小値を
零として、逆向きのバイアス電流が流れないようにして
いる。 他の点に関しては、第９図の基本構成と同じであるの
で、詳細な説明は省略する。 この実施例において、例えばLD78のパルス光強度が大
きくなると、PIN−PD43の光電流が増加し、ａ点の電位
が上がる。すると、第１のアンプ86の出力電圧が下が
り、その結果、第２のアンプ88の出力電流（図の矢印の
方向を正とする）、即ち、バイアス電流が減少する。従
つて、LD78の出力光の強度が減少し、一定に制御され
る。 次に、第13図に示される低ノイズパルス光源60Bは、
前記アンプ86、88が、個々のトランジスタやコンデン
サ、抵抗等で構成されている。又、LD78とPIN−PD83の
１組を同一のパツケージ89内に収納して、小型化を図つ
ている。 次に、第14図に示される更に他の、低ノイズパルス光
源60Cについて説明する。 この構成例では、電流源85からLD78に流す直流（DC）
バイアス電流を一定とし、一方、光検出器82で受光した
信号をアンプ87で増幅して、振幅制御可能な電気パルス
発生器80からLD87に印加するパルス電圧の振幅を変調す
るようにしている。 即ち、LDパルス光の強度が強い場合には、パルス電圧
の振幅を減少させるように制御する。このようにすれ
ば、LDパルス光の強度が一定となり、ノイズも減少す
る。 なお、前記第12図〜第14図の例では、それぞれDCバイ
アス電流とパルス電圧の振幅のいずれか一方を変調する
ようにしていたが、これらを両方同時に行つてもよい。
この例の場合、２つの変調方式の変調帯域を分けると効
果的である。例えば、DC〜1kHzの周波数をDCバイアス電
流で制御し、1kHz以上の周波数をパルス電圧の振幅で制
御することができる。
する。 まず、水平方向の電界を検出するための、光の進行方
向と電界の方向（等電位線に垂直な方向）が垂直な横型
変調器を用いる第１実施例の場合について説明する。 この実施例は、第１図に示す如く、LiTaO3結晶（電気
光学材料）からなる光プローブ（検出部）10と集積回路
（被測定物）20との間に空気より大きな誘電率をもつ媒
質３を介在させたものである。 このため、光プローブ10と、光プローブ10と集積回路
20の隙間との誘電率の差を小さくすることにより、媒質
34を介在させない第18図に示す場合のように等電位線が
光プローブ10を避けることを防止できるので、光プロー
ブ10中に生じる電界を強くすることができ、検出感度を
向上させることが可能となる。 次に、第２図に示される、垂直方向の電界を検出する
ための光の進行方向と電界の方向が平行な縦型変調器を
用いる第２実施例の場合について説明する。 光プローブ10と被測定物20との間に高誘電率媒質34を
介在させることにより、前述した横型変調器の場合と同
様に、媒質34を介在させない第19図に示す場合のように
等電位線が結晶32を避けることを防止でき、それ故に検
出感度を向上させることが可能となる。 次に、第３図に示される補助電極を備えた光プローブ
10を使用する第３実施例の場合を説明する。 この実施例では、サポート12と結晶32との間に透明補
助電極36が設けられ、該補助電極36を例えばアースに接
続する場合でも、光プローブ10と被測定物20との間に光
誘電率媒質34を介在させると、媒質34を介在させない第
４図に示す場合に比べ結晶32中に生じる電界を強くする
ことができ、検出感度を向上させることが可能となる。
その理由を、第３図及び第４図を参照しながら、以下に
詳述する。 被測定物20において、電位V0（volt）の電極22と、光
プローブ10の結晶（表面電位がＶ（volt）とアースされ
ている補助電極とで平行平板コンデンサーが構成してい
るとすると、結晶32にかかる電圧Ｖは次式で与えられ
る。式中、d1は光プローブ10における結晶32の厚さ、d2
は電極22から光プローブ10までの高さ、ε１は結晶の比
誘電率、ε２は媒質34の比誘電率をそれぞれ示してい
る。 Ｖ＝V0［（ε2/d2） ／｛（ε1/d1）＋１（ε2/d2）｝］ 今、光プローブとしてLiTaO3（ε１＝40）結晶を用
い、光誘電率媒質として純水（ε２＝80）を用いる場合
で、結晶の厚さd1＝50μｍ、光プローブの高さd2＝10μ
ｍ、被測定電極の電位V0＝10voltとする場合について計
算してみると、第４図に示す場合はε２＝１であるの
で、結晶への印加電圧はＶ＝1.1voltであるが、純水を
高誘電率媒質として用いた第３図に示す場合は、Ｖ＝9.
1voltと、８倍以上大きな電界が結晶に印加され、それ
だけ検出感度を向上させることができることが理解され
る。 本発明において適用可能な高誘電率媒質34としては、
誘電率が空気より大きい物質であれば、固体、液体又は
気体の何れのものも使用可能である。又非導電性が望ま
しいが導電性であつてもよい。 固体の媒質としては軟らかいものが好ましく、例えば
シリコン、ゴムεｒ＝３やゲル状物等の容易に弾性変形
を起こすもの等を好適に利用できる。 又、軟かい膜状の樹脂等からなるカプセル中に、純
水、エタノール、グリセリン等を封入したものであつて
もよい。 液体の媒質としては、例えば、純水（比誘電率： ε
ｒ＝80）、エタノール（εｒ＝25）、グリセリンεｒ＝
42.5）等、種々のものを利用できる。 上記の場合、固体媒質34Aあるいはカプセル34Bを、第
５図又は第６図に示されるように、光プローブ10の先端
に取付けて使用することも可能であり、測定箇所を変更
する場合には光プローブ10と共に移動させることがで
き、更に、被測定物20に接触しても該被測定物20や光プ
ローブ10を破壊することが防止される。又、接触の都度
媒質を消費することがない。 又、媒質が液体又は気体の場合は、光プローブ10の高
さを一定にしたまま被測定物20上を走査し、測定箇所を
変更することにより回路上の任意の位置の電圧を測定す
ることができる。その際、検出感度が高いので、光プロ
ーブ10と被測定物（回路）との間隔を十分に大きくする
ことができ、それ故にプローブが被測定物20に接触して
これを破壊することがない。 本発明においては、上述した高誘電率媒質34を、測定
前に予め所定位置に供給しておいて、又、後述する本発
明の電圧検出装置を用いて測定時に適宜供給してもよ
い。 第７図は、以上詳述した光プローブ（検出部）10を用
い、本発明方法に従つて被測定物20である集積回路につ
いて電圧を検出する態様を示す概略斜視図である。 検出部が光プローブ10からなる場合は、その大きさは
被測定物20の電極22と同程度であることが好ましい。こ
の光プローブ10の底面には全反射ミラー16が形成されて
おり、該光プローブ10と被測定物20との間には高誘電率
媒質34が介在されている。ここで媒質34が気体又は液体
の場合は、光プローブ10を支持構造に取付けられた流体
媒質供給装置10Aから流体媒質を光プローブ10と被測定
物20の間に測定の都度供給するとよい。 検出部としてこのような光プローブ10を採用する場合
は、板状結晶を用いる場合に比べ、必要な部分だけにし
か媒質34がないので、集積回路（被測定物）20の動作に
対する影響が少ないという利点がある。 次に、第８図を参照して、光プローブが電気光学効果
を利用した変調器として採用された第６実施例の電圧検
出装置について詳細に説明する。 この電圧検出装置58は、電気−光学（Ｅ−Ｏ）サンプ
リング測定法を利用したもので、第８図に示す如く、光
源として、低ノイズパルス光源60からの超短パルス光
（例えば繰返しレート100MHzの70フエムト秒パルス）を
使用し、検出器として通常の一対のホトダイオード（例
えばPINホトダイオード）62、64を使用している。 光変調器は、第１図、第２図、第３図、第５図、第６
図又は第７図に示したような電気光学材料からなる光プ
ローブ（板状結晶を含む）66と、一対の偏光子68、検光
子70、及び光バイアスを与えるための光学素子、例えば
ソレイユ・バビネ補償板72から構成されている。 被測定物20は、例えば光検出器（図示省略）を内蔵し
ており、この光検出器は、前記低ノイズパルス光源60か
ら出射され、ハーフミラー73を透過した後、遅延量を変
えて走査するための光デイレイ74を通つたトリガ用の光
ビーム75によつて励起されて、前記被測定物20を駆動す
る。このように、被測定物20は、前記低ノイズパルス光
源60と同期して動作状態となる。なお、被測定物20に光
検出器を内蔵することなく、トリガ用光ビーム75で被測
定物20のゲートと共通電極間のギヤツプを照射すること
により、前記ゲートを瞬間的にアースにスイツチしても
よい。 一方、前記低ノイズパルス光源60から出射され、ハー
フミラー53で反射された後、光プローブ66における電気
光学材料の光軸に対して45゜の偏光方向に設定された偏
光子68を通つたプローブ用の光ビーム67は、光プローブ
66に集束される。 光プローブ66で電界により変調を受けたプローブ光
は、ハーフミラー71で反射された後、ソレイユ・バビネ
補償板72で、線形の応答と最大の電圧感度を得るべく、
バイアス量が1/4波長になるよう調整され、検光子70に
入射される。該検光子70からの出力光は、一対のホトダ
イオード62、64によつて検出され、検出信号が、差動増
幅器76A、ロツクインアンプ76B、必要に応じてS/Nを向
上するための信号平均化回路76C及び前記光デイレイ74
を制御する遅延量制御回路76Dを含むサンプリング検出
装置76によつて処理され、例えば横軸を光デイレイ74の
遅延量（即ち光路差）、縦軸を検出信号とした出力波形
が、表示装置（例えばCRT）77に表示される。このと
き、光デイレイ74とサンプリング検出装置76は同期して
作動する。これによつて、未知の電気信号の時間−電圧
表示が可能となる。 なお、信号平均化回路76Cは省略することもできる。 第９図に前記低ノイズパルス光源60の基本構成の一例
を示す。この低ノイズパルス光源60は、レーザダイオー
ド（LD）78と、電気パルス発生器80と、光検出器82と、
電流変調回路84とから構成されている。 まず、レーザダイオード（LD）78にバイアス電流を流
しておき、更に、電気パルス発生器80からコンデンサC1
を介して短パルス電気信号を印加して、LD78をパルス発
振させる。LD光の一部を分岐したもの、又は、LD78の他
端から出る光を、フオトダイオード（PD）等の光検出器
82で検出する。該光検出器82の出力は、LD光の強度に比
例しているので、これを増幅し、この信号により電流変
調回路84でLD78のバイアス電流を変調して、LD光の強度
が一定となるように制御する。この場合、フイードバツ
ク系の時定数は、LDパルス光の繰返し周期より充分長く
しておく。このようにすれば、LDパルス光の光強度が一
定になるように自動制御され、そのときのLD光のノイズ
も、前出第22図に破線Ｂと△印で示す如く低減される。 なお、第９図に示す基本構成では、光検出器82の出力
信号に応じて、電流変調回路84によりLD78に流すバイア
ス電流を変調制御するようにしていたが、LDパルス光の
光強度を一定とする構成はこれに限定されず、前記電気
パルス発生器80で発生するパルス信号の振幅を変調制御
してもよい。更に、両者を組合わせて、例えば所定周波
数以下の帯域では、前記電流変調回路84のバイアス電流
を変調制御し、所定周波数以上の帯域では、前記電気パ
ルス発生器80で発生するパルス信号の振幅を変調制御す
る構成としてもよい。 前記のような構成で、高繰返しパルス光の光強度を安
定化し、且つ、その光強度ノイズを減少させることがで
きる。従つて、このようなLDによる光パルスを、Ｅ−Ｏ
サンプリングに用いることにより測定精度の向上、測定
可能下限の低減等が実現され、その効果は大である。 次に、第10図を参照して、例えばストリークカメラの
技術を応用した高速光検出器を用いた、本発明の第７実
施例に係る電圧検出装置86について詳細に説明する。 この電圧検出装置86において、光変調器は前記第１の
装置と同様のものであるが、光源としては、例えばHe−
Neレーザ90のような連続（CW）レーザ光源を用い、検出
器として、例えばストリークカメラ技術を応用した高速
光検出器92を用いている。 又、前記高速光検出器92としては、例えば、出願人が
特願昭63−116732で提案したものを用いることもでき
る。 他の構成及び作用は、前記電圧測定装置58と同様であ
るので説明は省略する。 上記装置においては、光デイレイ、サンプリング検出
装置、ホトダイオード等が不要であるため、構成が簡略
である。 次に、第11図を参照して、レーザダイオードと電気的
なデイレイを用いた、本発明の第８実施例に係る電圧検
出装置94について詳細に説明する。 この電圧検出装置94においても、光変調器は前記電圧
検出装置58と同様のものであるが、光源としては、電圧
検出装置58における低ノイズパルス光源60が用いられて
いる。この低ノイズパルス光源60は、駆動回路96からの
信号に基づくトリガ信号により、被測定物20の駆動と同
期してパルス駆動される。駆動回路96と低ノイズパルス
光源60の間に電気デイレイ78が設けられており、両者の
タイミング、即ち、走査タイミングを順次ずらすことが
できる。 出力光は、ホトダイオード62、64のような光検出器で
検出され、前記電圧検出装置58と同様のサンプリング検
出装置76で処理された後、表示装置77に出力波形として
表示される。このとき、電気デイレイ94とサンプリング
検出装置76は同期して作動する。 他の点については、前記電圧検出装置58と同様である
ので詳細な説明は省略する。 次に、第12図〜第14図を参照して、上記低ノイズパル
ス光源の他の構成例について説明する。 第２の例の低ノイズパルス光源60Aは、第12図に示す
如く、LD78の発光の一部を検出するための、逆バイアス
で使用されるピンフオトダイオード（PIN−PD）83と、
該PIN−PD83で受光して得た光電流信号を反転増幅し、
出力信号の直流レベルを変更する第１のアンプ86、及
び、該第１のアンプ86の出力を反転して増幅する反転型
の電流増幅器として動作する第２のアンプ88からなる電
流変調回路84と、から主に構成されている。 前記第１のアンプ86のフイードバツクループには、コ
ンデンサC2が入れられており、第１のアンプ86の時定数
が、パルス光の繰返し周期より長くなるようにされてい
る。 又、前記第２のアンプ88のフイードバツクループ中に
は、ダイオードＤが設けられ、バイアス電流の最小値を
零として、逆向きのバイアス電流が流れないようにして
いる。 他の点に関しては、第９図の基本構成と同じであるの
で、詳細な説明は省略する。 この実施例において、例えばLD78のパルス光強度が大
きくなると、PIN−PD43の光電流が増加し、ａ点の電位
が上がる。すると、第１のアンプ86の出力電圧が下が
り、その結果、第２のアンプ88の出力電流（図の矢印の
方向を正とする）、即ち、バイアス電流が減少する。従
つて、LD78の出力光の強度が減少し、一定に制御され
る。 次に、第13図に示される低ノイズパルス光源60Bは、
前記アンプ86、88が、個々のトランジスタやコンデン
サ、抵抗等で構成されている。又、LD78とPIN−PD83の
１組を同一のパツケージ89内に収納して、小型化を図つ
ている。 次に、第14図に示される更に他の、低ノイズパルス光
源60Cについて説明する。 この構成例では、電流源85からLD78に流す直流（DC）
バイアス電流を一定とし、一方、光検出器82で受光した
信号をアンプ87で増幅して、振幅制御可能な電気パルス
発生器80からLD87に印加するパルス電圧の振幅を変調す
るようにしている。 即ち、LDパルス光の強度が強い場合には、パルス電圧
の振幅を減少させるように制御する。このようにすれ
ば、LDパルス光の強度が一定となり、ノイズも減少す
る。 なお、前記第12図〜第14図の例では、それぞれDCバイ
アス電流とパルス電圧の振幅のいずれか一方を変調する
ようにしていたが、これらを両方同時に行つてもよい。
この例の場合、２つの変調方式の変調帯域を分けると効
果的である。例えば、DC〜1kHzの周波数をDCバイアス電
流で制御し、1kHz以上の周波数をパルス電圧の振幅で制
御することができる。
以上説明した通り、本発明によれば、電気光学効果を
利用する電圧検出装置を用いて電圧を検出する際に、電
界を検出するためのプローブ等に用いられる電気光学材
料、例えばLiTaO3結晶と被測定物との間に高誘電率媒質
を介在させるので、被測定物によつて生じる電界を効率
良く検出することができる。従つて、検出できる最小感
度を向上させることができる。又、光プローブと被測定
物の間隔を広げることができ、光プローブを誤つて被測
定物に接触させ、双方を破損する等の事故を防止するこ
とができる等の優れた効果を有する。更に、高誘電率媒
質として、液体又は気体を用いることができるので、光
プローブを被測定デバイス上を走査する場合でも被測定
物へは何ら影響を及ぼさない。 更に、上記のような光プローブに入射する光ビームの
光源を、低ノイズパルス光源としているので、高繰返し
パルス光を光強度を安定化させ、且つ、その光強度ノイ
ズを減少させ、上記光プローブとの組合せにより更に電
圧の測定精度の向上、測定可能下限の低減を図ることが
できるという優れた効果を有する。
利用する電圧検出装置を用いて電圧を検出する際に、電
界を検出するためのプローブ等に用いられる電気光学材
料、例えばLiTaO3結晶と被測定物との間に高誘電率媒質
を介在させるので、被測定物によつて生じる電界を効率
良く検出することができる。従つて、検出できる最小感
度を向上させることができる。又、光プローブと被測定
物の間隔を広げることができ、光プローブを誤つて被測
定物に接触させ、双方を破損する等の事故を防止するこ
とができる等の優れた効果を有する。更に、高誘電率媒
質として、液体又は気体を用いることができるので、光
プローブを被測定デバイス上を走査する場合でも被測定
物へは何ら影響を及ぼさない。 更に、上記のような光プローブに入射する光ビームの
光源を、低ノイズパルス光源としているので、高繰返し
パルス光を光強度を安定化させ、且つ、その光強度ノイ
ズを減少させ、上記光プローブとの組合せにより更に電
圧の測定精度の向上、測定可能下限の低減を図ることが
できるという優れた効果を有する。
第１図は本発明の第１実施例を示す断面図、第２図は本
発明の第２実施例を示す断面図、第３図は本発明の第３
実施例を示す断面図、第４図は第３実施例に対応する従
来例を示す断面図、第５図及び第６図は本発明の第４及
び第５実施例を示す断面図、第７図は本発明装置による
電圧検出の状態を示す斜視図、第８図は第６実施例に係
る電圧検出装置の構成を示すブロツク図、第９図は、同
実施例における低ノイズパルス光源を示すブロツク図、
第10図は第７実施例に係る電圧検出装置の構成を示すブ
ロツク図、第11図は第８実施例に係る電圧検出装置の構
成を示すブロツク線図、第12図〜第14図は電圧検出装置
における低ノイズパルス光源の第２〜第４の構成例を示
す回路図、第15図は光プローブの従来例を示す断面図、
第16図は光プローブの他の従来例を示す斜視図、第17図
乃至第19図は、電気光学材料の有無による電界の変化を
比較して示す線図、第20図は、従来技術の問題点を説明
するための、透過率測定装置の一例の構成を示すブロツ
ク線図、第21図は、第20図の装置で用いられているLDパ
ルス光源の構成の例を示すブロツク線図、第22図は、従
来例及び本発明の実施例におけるLDパルス光のノイズレ
ベルの周波数特性を比較して示す線図、第23図は、第22
図のデータを得るために用いたノイズ成分測定装置の一
例を示すブロツク線図である。 10、66……光プローブ、 10A……媒質供給手段、 20……被測定物、 22……電極、 32……LiTaO3結晶、 34……高誘電率媒質、 34A……固体媒質、 34B……カプセル、 36……補助電極、 60、60A、60B、60C……低ノイズパルス光源、 62、64……ホトダイオード、 67……プローブ用光ビーム、 68……偏光子、 70……検光子、 72……ソレイユ・バビネ補償板、 74……光デイレイ、 75……トリガ用光ビーム、 76……サンプリング検出装置、 77……表示装置、 90……He−Neレーザ、 92……高速光検出器、 78……レーザダイオード、 80……電気パルス発生器、 82……光検出器、 83……ピンフオトダイオード（PIN−PD）、 84……電流変調回路、 86、87、88……アンプ、 89……パツケージ、 85……電流源、 96……駆動回路、 98……電気デイレイ。
発明の第２実施例を示す断面図、第３図は本発明の第３
実施例を示す断面図、第４図は第３実施例に対応する従
来例を示す断面図、第５図及び第６図は本発明の第４及
び第５実施例を示す断面図、第７図は本発明装置による
電圧検出の状態を示す斜視図、第８図は第６実施例に係
る電圧検出装置の構成を示すブロツク図、第９図は、同
実施例における低ノイズパルス光源を示すブロツク図、
第10図は第７実施例に係る電圧検出装置の構成を示すブ
ロツク図、第11図は第８実施例に係る電圧検出装置の構
成を示すブロツク線図、第12図〜第14図は電圧検出装置
における低ノイズパルス光源の第２〜第４の構成例を示
す回路図、第15図は光プローブの従来例を示す断面図、
第16図は光プローブの他の従来例を示す斜視図、第17図
乃至第19図は、電気光学材料の有無による電界の変化を
比較して示す線図、第20図は、従来技術の問題点を説明
するための、透過率測定装置の一例の構成を示すブロツ
ク線図、第21図は、第20図の装置で用いられているLDパ
ルス光源の構成の例を示すブロツク線図、第22図は、従
来例及び本発明の実施例におけるLDパルス光のノイズレ
ベルの周波数特性を比較して示す線図、第23図は、第22
図のデータを得るために用いたノイズ成分測定装置の一
例を示すブロツク線図である。 10、66……光プローブ、 10A……媒質供給手段、 20……被測定物、 22……電極、 32……LiTaO3結晶、 34……高誘電率媒質、 34A……固体媒質、 34B……カプセル、 36……補助電極、 60、60A、60B、60C……低ノイズパルス光源、 62、64……ホトダイオード、 67……プローブ用光ビーム、 68……偏光子、 70……検光子、 72……ソレイユ・バビネ補償板、 74……光デイレイ、 75……トリガ用光ビーム、 76……サンプリング検出装置、 77……表示装置、 90……He−Neレーザ、 92……高速光検出器、 78……レーザダイオード、 80……電気パルス発生器、 82……光検出器、 83……ピンフオトダイオード（PIN−PD）、 84……電流変調回路、 86、87、88……アンプ、 89……パツケージ、 85……電流源、 96……駆動回路、 98……電気デイレイ。
フロントページの続き (72)発明者 中村 卓也 静岡県浜松市市野町1126番地の１ 浜松 ホトニクス株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−12852（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−113764（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−160070（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−121764（ＪＰ，Ａ)
Claims (16)
- 【請求項１】被測定物の所定部分の電圧によつて生じた
電界により屈折率が変化する電気光学材料を備え、この
電気光学材料を前記被測定物の所定部分に接近させて、
電気−光変換により前記電圧を検出する電圧検出装置に
おいて、前記電気光学材料を組込んでなり、前記被測定
物の一部に選択的に接近可能な光プローブからなる検出
部を設けると共に、被測定部分と該被測定部分に臨む前
記検出部との間に、比誘電率が25より大きい媒質を配置
したことを特徴とする高感度電圧検出装置。 - 【請求項２】請求項１において、前記媒質は非導電性で
あることを特徴とする高感度電圧検出装置。 - 【請求項３】請求項１又は２において、前記媒質は軟質
の固体であることを特徴とする高感度電圧検出装置。 - 【請求項４】請求項１又は２において、前記媒質は流体
であることを特徴とする高感度電圧検出装置。 - 【請求項５】請求項１又は２において、前記媒質は、軟
質の膜状固体及びこれに内包された流体であることを特
徴とする高感度電圧検出装置。 - 【請求項６】請求項４において、前記電気光学材料と被
測定物間に、流体の媒質を供給する媒質供給手段を備え
たことを特徴とする高感度電圧検出装置。 - 【請求項７】請求項１乃至６のうちのいずれかにおい
て、前記電気光学材料への入射光源はパルス光源であ
り、サンプリング検出することを特徴とする高時間分解
能の高感度電圧検出装置。 - 【請求項８】請求項１乃至６のうちのいずれかにおい
て、前記電気光学材料からの出射光の光検出器が、高速
光検出器であることを特徴とする高時間分解能の高感度
電圧検出装置。 - 【請求項９】請求項８において、前記高速光検出器が、
ストリークカメラ技術を応用した高速光検出器であるこ
とを特徴とする高感度電圧検出装置。 - 【請求項１０】請求項７において、前記パルス光源は、
繰返しパルス光を発生するレーザダイオードと、これを
駆動する電気パルス発生器と、前記レーザダイオードに
バイアス電流を流す電流源と、前記レーザダイオードの
発光の一部を検出する光検出器とを備え、該光検出器の
出力信号に応じて、前記パルス光の光強度が一定になる
ように、前記電流源のバイアス電流を変調制御するよう
にされた低ノイズパルス光源であることを特徴とする高
感度電圧検出装置。 - 【請求項１１】請求項７において、前記パルス光源は、
繰返しパルス光を発生するレーザダイオードと、これを
駆動する電気パルス発生器と、前記レーザダイオードに
バイアス電流を流す電流源と、前記レーザダイオードの
発光の一部を検出する光検出器とを備え、該光検出器の
出力信号に応じて、前記パルス光の光強度が一定となる
ように、前記電気パルス発生器で発生するパルス信号の
振幅を変調制御するようにされた低ノイズパルス光源で
あることを特徴とする高感度電圧検出装置。 - 【請求項１２】請求項７において、前記パルス光源は、
繰返しパルス光を発生するレーザダイオードと、これを
駆動する電気パルス発生器と、前記レーザダイオードに
バイアス電流を流す電流源と、前記レーザダイオードの
発光の一部を検出する光検出器とを備え、該光検出器の
出力信号に応じて、前記パルス光の光強度が一定となる
ように、所定周波数以下の帯域では、前記電流源のバイ
アス電流を変調制御し、所定周波数以上の帯域では、前
記電気パルス発生器で発生するパルス信号の振幅を変調
制御すようにされた低ノイズパルス光源であることを特
徴とする高感度電圧検出装置。 - 【請求項１３】請求項10乃至12のいずれか１項におい
て、前記低ノイズパルス光源における前記電気パルス発
生器が、ステツプリカバリダイオードを用いたものであ
ることを特徴とする高感度電圧検出装置。 - 【請求項１４】請求項10乃至12のいずれか１項におい
て、前記低ノイズパルス光源における前記光検出器が、
レーザダイオード１組にして同一パツケージ内に組込ま
れたものであることを特徴とする高感度電圧検出装置。 - 【請求項１５】請求項10乃至12のいずれか１項におい
て、光を検出して制御するフイードバツク系の時定数
を、パルス光の繰返し周期より長くしたことを特徴とす
る高感度電圧検出装置。 - 【請求項１６】請求項15において、前記フイードバツク
系の周波数特性にピークを持たせて特定周波数域のノイ
ズを低減し、計測系に使用するロツクインアンプの参照
信号の周波数が、前記特定周波数域内の周波数となるよ
うにしたことを特徴とする、高感度電圧検出装置。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1-92153 | 1989-04-12 | ||
| JP9215389 | 1989-04-12 | ||
| JP20110489 | 1989-08-02 | ||
| JP1-201104 | 1989-08-02 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03156379A JPH03156379A (ja) | 1991-07-04 |
| JP2675419B2 true JP2675419B2 (ja) | 1997-11-12 |
Family
ID=26433625
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015319A Expired - Fee Related JP2675419B2 (ja) | 1989-04-12 | 1990-01-25 | 高感度電圧検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2675419B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06265574A (ja) * | 1993-03-15 | 1994-09-22 | Hamamatsu Photonics Kk | Ｅ−ｏプローブ |
| JPH0763803A (ja) * | 1993-08-30 | 1995-03-10 | Stanley Electric Co Ltd | 非接触型表面電位計 |
| CA2907558C (en) * | 2013-03-19 | 2018-05-01 | Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems Corporation | Surface potential distribution measuring device |
| JP6642154B2 (ja) | 2016-03-17 | 2020-02-05 | 富士通株式会社 | 光送信器および光信号を送信する方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0212852A (ja) * | 1988-06-30 | 1990-01-17 | Toshiba Corp | 集積回路診断装置 |
-
1990
- 1990-01-25 JP JP2015319A patent/JP2675419B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03156379A (ja) | 1991-07-04 |
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