JPH0298671A - 電圧測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電気光学効果を有する電気光学材料が設けら
れた光プローブを用いて被測定物の電圧を測定する電圧
測定装置に関する。

〔従来の技術〕

電気光学効果を有するＬｉＴａＯ２などの電気光学Ｎ料
が設けられた光プローブを用いて集積回路等の被測定物
の所定部分の電圧を測定する電圧測定装置が従来知られ
ている（例えば１９８４年５月１日発行の米１１特許第
４，４４６，４２５号、１９８６年１月発行の文献ｒ　
Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　Ｊ、ＱｕａｎｔｕｎＥｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓ　Ｖａｔ、　ＱＥ−２２Ｎｏ、１６９乃至７８頁
」、１９８７年発行の文献　ｒｃＬＥｏ’　８７　　第
３５２乃至３５３頁　著者Ｊ、　Ａ、　　Ｖａｌｄｌａ
ｎｉｓＪ、１９８７年発行の文献　ｒＬＬＢ　　Ｒｅｖ
ｉｅｗ　　７月〜９月号　第１５８乃至１６３頁ｊなど
）。

第１０図、第１１図は上記文献に開示されている電圧測
定の原理図であって、第１０図、第１１図の各光プロー
ブ５０．６０には、結晶の２軸が底端面５１．６１と平
行となるように切出された電気光学材料５２．６２が用
いられている。

なお第１０図においては、電気光学材料５２の底端面５
１にはさらに誘電体多層膜による全反射ミラー５３が設
けられている。

被測定物７０は、測定されるべき電圧を発生ずるＳ　ｆ
ｉｉ　７１の曲にこの電極７１からの電気力線を終端さ
せるための電極（例えばアース電極）７２を有する構造
のものであって、この被測定物７０の電極７１の電圧を
測定するために、各光プローブ５０．６０を第１０図、
第１１図に示すような位置でかつ各電気光学材料５２．
６２のＺ軸が電＃１７１．７２を結ぶ線と平行になるよ
うに配置して、被測定ｅ１７０の表面に対して水平方向
の電界（電気力線）強度を検出するようにしている。す
なわち水平方向の電界強度に応じて電気光学材料５２．
６２の屈折率が変化するので、第１０図では光ビーム１
１を光プローブ５０の中心軸線ＢＢに沿って入射させ全
反射ミラー５３で反射さぜ、また第１１図では光ビーム
１１を光プローブ６０の内面で３回全反射させて、それ
ぞれ光プローブ５０．６０からの出射する光ビームＲ１
の偏光状態の変化を抽出することによって水平方向の電
界強度を検出し、これによって＠　［ｉ　７１の電圧を
測定している。

（発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、上記のような光プローブ５０６０を用い
る電圧測定装置では、原理的に、被測定物７０の２つの
電極７１．７２の間の電界強度を測定できるのみであり
、被測定物７ｏの電極７１の絶対電圧を測定することが
できないという問題があった。

本発明は、被測定物の所定部分の絶対電位を測定するこ
との可能な電圧測定装置を堤供することを目的としてい
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するなめに、本発明の電圧測定装置は、
電気光学効果を有する電気光学材料が配置されている光
プローブと、光プローブの電気光学材料に入射させるた
めの光ビームを出力する光源と、電気光学材料から出射
した光ビームの偏光状態を検出する光検出手段と、可変
電圧を出力する電圧印加手段とを備え、絶対電位を測定
するために前記光プローブには前記電圧印加手段がらの
可変電圧が印加される補助電極が設けられていることを
特徴としたものである。

上記補助電極は、透明なものであって光プローブの先端
と相対して電気光学材料の面に設けられても良いし、光
プローブの側面に電気光学材料の上端面に接近して設け
られても良い、さらに上記光源をパルス光源にし上記光
検出手段をフォトダイオードなどの光検出器にしてこれ
らを組合わせて用いても良いし、光源を直流光源または
パルス光源にし光検出手段をストリークカメラなどの高
速光応答検出器にしてこれらを組合わせて用いても良い
、また上記電圧印加手段は、可変電圧を発生する電源と
、可変電圧を検知する電圧計とから構成される装置 〔作用〕 上記のように構成された電圧測定装置では、光プローブ
を被測定物の電圧測定部分の上方に接近させて位置決め
する。このように位置決めすると、電気光学材料の上端
面にまたは光プローブの側面に設けられた補助電極への
印加電圧が“０“のときには、被測定物の電圧測定部分
からの電気力線の大部分は、光プローブの中心軸線とほ
ぼ平行に電気光学材料を通って補助電極に向かうので、
電気光学材料内には、電圧測定部分の電圧に比例した屈
折率変化が生じる。この屈折率変化によって光源から出
力され電気光学材料に入射した光ビームはその偏光状態
が変化して電気光学材料から出射し、光検出手段におい
てこの偏光状態の変化を検出することができる。なお、
光源をパルス光源にし光検出手段を高速フォトダイオー
ドなどの光検出器にしてこれらを組合わせて用いた場合
には、電圧測定部分の電圧を電気光学材料への光ビーム
でサンプリングすることによって偏光状態の変化を高時
間分解検出できる。また光源を直流光源またはパルス光
源にし光検出手段をストリークカメラなどの高速光応答
検出器にしてこれらを組合わせて用いた場合には、光ビ
ームの強度をｌＩｌ測することによって偏光状態の変化
を高時間分解検出できる０次いで電圧印加手段からの印
加電圧を徐々に増加させると、被測定物の電圧測定部分
の電圧との電位差が減少するので、電気光学材料の屈折
率変化は小さくなり、光と・−ムの偏光状態の変化は徐
々になくなる。光検出手段において偏光状態の変化が検
出できなくなったときには、電圧印加手段からの印加電
圧が電圧測定部分の電圧と同じになったものとみなされ
、このときの印加電圧を電圧計で検知することによって
電圧測定部分の絶対電圧を測定することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る電圧測定装置の第１の実施例の構
成図である。この実施例の電圧測定装置においては、光
プローブ１内に電気光学効果を有するり、’ｌ”　　Ｏ
、Ｌ、Ｎ、０３などの電気光学＋８３ 材料２が設けられている。電気光学材料２は、その上端
面２ａ、底端面２ｂがＺ軸から５５°傾いた方位と垂直
となるように切出され、上端面２ａ。

底端面２ｂが光プローブｌの中心軸線Ａ−Ａと垂直にな
るように配置されている。電気光学材料２の底端面２ｂ
には誘電体多／１１ｇ１などによる全反射ミラー４が設
けられ、電気光学材料２の上端面２ａには補助な極５が
設けられている。補助電極５は透明なものであって、こ
の補助電極５には光プローブ１の側面に設けられた外部
ｔ４ｆｌｂを介して電圧印加装Ｗ７からの電圧Ｖ８が印
加されるようになっている。電圧印加装置７は、電圧Ｖ
ｓを可変に発生する電＃８と、電圧Ｖ３を検知する電圧
計９とから構成されている。さらに電圧測定装置は、光
プロー１１の電気光学材料２に入射させるための光ビー
ムＩ。を出力する光源４１と電気光学材ｔ４２から出射
した光ビームＲ８の面光状態変化を検出する光検出手段
４２とを存する装置１０を備えている。

このような構成の電圧測定装置によって集ｍ回路などの
被測定物の電圧を測定する際の操作を説明する。

第２図（ａ）　、　（ｂ）は被測定物７０が、測定され
るべき電圧を発生ずる電極７１の他にこの電極７１から
の電気力線を終端させるための電極（例えばアース電極
）７２を存する補遺のものである場合に、この被測定物
７０の電ｔ；７１の電圧Ｖａを測定する仕方を説明する
ための図である。被測定物７０／）電極７１の電圧Ｖ。

を測定するに際して、先づ光プローブ１の先端を電ｆｌ
！７１の上方に電極７１に接近して位置させる。このと
きに光プローブ１の先端が電極７１に接触しても良い９
次いで、電圧印加装置７からの電圧Ｖｓを′０”に初期
設定し光１０−プ１の補助型′ｌ１ｆ１５を接地電位に
する。第２図（ａ）にはこのときの状態が示されており
、電極７１の電圧Ｖ。による電気力線の大部分は、電気
光学材料２内を光プローブ１の中心軸線Ａ−Ａとほぼ平
行に通り補助電極５に向かう。

これにより、電気光学材料２内には電界強度■。

に比例した屈折率変化が生じる。光源４１からの光ビー
ムＩｏは、光プローブ１の中心軸線Ａ−Ａに沿って透明
な補助電極５を透過し電気光学材料２に入射して、電気
光学材料２内でその偏光状態が上記屈折率変化に応じて
変化しすなわち変調されて光ビームＲ６となって電気光
学材料２から出射する。電気光学材料２から出射した光
ビームＲｏは、補助な極５を透過し光検出手段４２にお
いてその偏光状態の変化すなわち変調結果が検出される
。

次いで、電圧印加装置！、７からの電圧Ｖ８を“０”か
ら徐々に増加すると、被測定物７０の電極７１の電圧■
　と電圧Ｖ　との電位差“Ｖ　ｏ　　Ｖ　ｓＳ が徐々に小さくなるので、第２図（ｂ）に示すように電
極７１からの電気力線は池の電極７２に向かうようにな
り、電気光学材料２内の電界強度は小さくなる。これに
より電気光学材料２の屈折率変化も小さくなって光ビー
ムＲ８の偏光状態の変化も小さくなる。このようにして
電圧Ｖｓを徐々に増加し、光検出手段４２で光ビームＲ
８の偏光状態の変化を検出できなくなったときには、電
圧印加装置７からの電圧Ｖｓが電極７１の電圧■。と同
じになったことを意味するので、このときの電圧Ｖ３を
電圧計９で検知することによって電極７１の絶対電圧■
。を測定することができる。

なお、電気光学材料２は、上端面２ａ、底端面２ｂがＺ
軸から５５°傾いた方位と爪面となるように切出されて
いるので、光プローブ１の中心軸線Ａ−Ａに沿って入射
する光ビーム■。の偏光状態変化を最大にすることがで
きて１蒲光状態変化の検出感度を高めることができて、
これにより絶対電圧Ｖ。を精度良く検出できる。

第２図ｆａ）　、　（ＩＴ）では、被測定物７０が電極
７１からの電気力線を終端させるための電極７２を有す
る構造となっているが、この実施例の電圧測定装置では
電極７２に相当する電極が設けられていない被測定物に
対しても所定部分の絶対重圧を測定できる６第３図（ａ
）　、　（ｂ）は被測定物８０が測定されるべき電圧を
発生する電極８１だけを有しているｌ１ｌＩ造のもので
ある場合に、この電極８１の電圧Ｖ。を測定する仕方を
説明するための図である。この場合にも第２図（ａ）　
、　ｆｂ）で説明したと同様に、先づ光プローブ１の先
端を電極８１の上方に電極８１に接近して位置させ、電
圧■８を“０″に初期設定する。第３図（ａ）にはこの
ときの状態が示されており、電極８１の電圧Ｖｏによる
電気力線は、電気光学材料２を通って補助電極５に向か
い電気光学材料２内には電界強度■。に比例した屈折率
変化が生じ、これに応じて光ビームＲ６の偏光状丁フが
変化する。電圧Ｖ。

を゛Ｏ”から増加すると、第３図（ｂ）に示すように電
気光学材料２内の電気力線強疫すなわち電界強度は小さ
くなり、電圧■ｓが電圧Ｖ。となったときに光ビームＲ
６の偏光状態の変化を検出できなくなるので、このとき
の電圧■３を検知することによって電極８１の絶対電圧
■。を測定できる。

第４図は本発明に係る電圧測定装置の第２の実施例の構
成図であって、第１図と対応した箇所には同様の符号を
付している。この電圧測定装置においては、補助電極１
２が光プローブ１１の側面に電気光学材′＃１２の上端
面２ａに接近して設けられており、この補助電極１２に
は電圧印加装置７からの電圧Ｖｓが直接印加されるよう
になっている。補助電極１２は光１０−プ１１内に存存
しないので、これを透明のものとせずども良い、また補
助電極１２は、電気光学材料２の周囲を収り囲んでも良
いし、その一部分のみに設けられても良い。

補助室′！ｆ！１２を上記のように設けた場合にも、第
２図（ａ）　、　（ｂ）　、第３図（ａ）　、　（ｂ）
に示しタト同棟に光プローブ１１の先端を被測定物７０
゜８０のｔｆｉ７１．８１の上方に接近して位置させ、
補助電極１２に加わる電圧Ｖｓを“０”から徐々に増加
させて光ビームＲ６の偏光状態の変化がなくなったとき
の電圧Ｖｓを検知することによって電［７１，８１の絶
対電圧Ｖ。を測定することができる。

上述の第１および第２の実施例に用いられる装置１０は
、具体的には例えば第５図、第６図または第７図のよう
な構成となっている。

第５１Ｎの装置では、被測定物７０．８０がこれに内蔵
された光検出器（図示せず）によって駆動され電圧測定
が行なわれる場合に適用され、ＣＰＭレーザなどのパル
ス光源２０からの超短パルス光をハーフミラ−２１□光
遅延器２２を介して被測定物７０．８０に入射させて被
測定物７０８０を超短パルス光に同期させて駆動すると
ともに、パルス光＃、２０からの超短パルス光を偏光子
２３、ハーフミラ−２４を介して光プローブ１１１に光
ビームＩ。として入射させている。また光プローブ１．
１１から出射した光ビームＲｏをハーフミラ−２４，ソ
レイユ・バビネ補償板２５を介して検光子２６に入射さ
せ検光子２６で所定の１＝光成分を抽出しこの偏光成分
の強度をフォトダイオードなどの通常の光検出器２７で
検出した結果を増幅器゛（図示せず）等で増幅して出力
する系からなるサンプリング検出装置２９で表示してい
る。すなわち、サンプリング検出装置２９では、被測定
物７０．８０の電極７１　＋’　８１の測定したい電圧
ｖｏが光プローブｌ、１１への光ビーム■ｏの入射と同
じタイミングで生起するよう光遅延器２２を調整し、そ
の状態で光検出器２７からの検出結果をサンプリングし
増幅器の出力として表示している。このようにして偏光
状態の変化を高時間分解検出し、被測定物の電圧波形を
高時間分解測定表示することができる。

被測定物７０．８０の電［！７１．．８１における例え
ば電圧波形の測定したい１点の絶対電圧値Ｖｏを測定す
る場合には、光遅延器２２を調整して、測定点に固定し
、サンプリング検出する。増幅器の出力は、光プローブ
Ｉ、１１から出射した光ビームＲ８の偏光状態の変化の
度合を表示しているので、オペレータは、増幅器の出力
を監視しながら電圧印加装置７からの電圧■８を徐々に
増加させ、増幅器の出力が零になった時、その電圧Ｖ、
を検知することにより、電圧波形の測定したい点の絶対
電圧値Ｖ。を知ることができる。

上の例では、電圧波形のある一点の絶対電圧値しか知る
ことができなかったが、光遅延器２２を連続して動作さ
せて、サンブリング点を次々と移動させながら、上記と
同様に、電圧印加装置からの電圧Ｖ８を徐々に増加させ
ると、電圧波形の等電圧点の絶対電圧Ｖ。を順次検知す
ることができる。

なお光遅延器２２から被測定物７０．８０に向かう光を
所定周波数でチョップするとともに前記増幅器をロック
インアンプとして前記所定周波数成分の信号だけを狭帯
域で増幅するロックイン検出を行なうなどの工夫により
ＳｌＮ比を向上させることができる。

また第６図の装置は、第５図と同様の原理で作動するが
、被測定物７０．８０が光検出器を内蔵しておらず、光
パルスではなく電気パルスによって駆動される場合に適
用される。すなわちこの装置では、駆動回路３０から出
力される電気パルスによって被測定物７０．８０を駆動
するとともに、この電気パルスを電気遅延器３１で遅延
してレーザダイオード３２を駆動し、レーザダイオード
３２から光パルスを出力させるようにし、サンプリング
検出装置２９によって電気遅延器３１を調整することに
よって第５図の装置と同様にして偏光状態の変化を検出
することができる。

さらに第７図の装置は、Ｈｏ−Ｎｏレーザなどの直流光
源３３からの直流レーザ光を偏光子３４゜ハーフミラ−
３５を介して光プローブ１１１に光ビーム■。とじて入
射させ、光プローブ１゜１１から出射した光ビームＲｏ
をハーフミラ−３５、ソレイユ・バビネ補償板３６を介
して検光子３７に入射させ、検光子３７で所定の偏光成
分を抽出しこの偏光成分の強度の時間変化をストリーク
カメラなどの高速光応答検出器３８で検出し高時間分解
測定するようにしている。

第８図は第７図の装置を用いて光ビームＲＯの偏光状態
の変化を検出する様子を示しており、第８図では電気光
学材料２のバイアス点として零付近が使用されている。

すなわち電圧印加装置７がらの電圧■８が“０”のとき
には、被測定物７０゜８０の電４１７１，８］のパルス
電圧は符号Ｐ１で示すようにバイアス点“０″を基準に
して電気光学材料２に加わり、高速光応答検出器３８で
は符号Ｑ１で示すような波形かｒ６１潤される。電圧Ｖ
ｓを“０”から増加させ電圧Ｖｓがパルス電圧の最大電
圧値ＶＱと同じになったときにはパルス電圧は符号Ｐ　
で示すようにバイアス点“ｖ８″を基準にして電気光学
材料２に加わり、高速光応答検出器３８では符号Ｑ　で
示すような波形Ｑ２が観測される。波形Ｑ２はそのピー
クだけが零となっており、このような波形Ｑ２か“観測
されたときの電圧Ｖｓを検知することによって、パルス
電圧の最大電圧値すなわち絶対電圧Ｖ。を知ることがで
きる。なお、第７図の装置では、補助電極５゜１２に逆
の極性の電圧Ｖｓすなわち電気光学材料２内での電界強
度を増加させる極性の電圧Ｖ８を電圧印加装置７から加
えるようにしても、絶対電圧Ｖ。を観測できる。すなわ
ち、この場合には、符号Ｐ　　、Ｑ　　で示すように、
電圧■８印加時の波形の基準部分の強度が電圧■３を印
加していない時の波形Ｑ１のピーク強度と同じになるよ
うに電圧■８を調整する。このときの電圧Ｖｓを検知す
ることによって絶対電圧■。を測定できる。また第７図
の装置においては直流光源３３のかわりにパルス光源を
用いても良い。

上述した各実施例では、第１図乃至第４図に示したよう
に、光プローブ１，１１の中心軸線Ａ−Ａに沿って光ビ
ームＩｏを入射させ光ビームＲ８を出射させるようにし
ているので、電気光学材料２の底端部２ｂに全反射ミラ
ー４を設けたが、第１１図に示したと同様に入射した光
ビームエ。を光プローブ１，１１内で３口金反射させて
出射させるようにすれば、全反射ミラー４を設けずとら
良い、また光プローブ１．１１に入射する光ビーム■。

は、空間分解能を良くするために集光されていても良い
し、空間分解能が要求されない場合にも集光されていな
くとも良い。

また、上述した各実施例において、光プローブ１１１の
内面あるいは装置１０の各光学素子（偏光子２３，３４
、検光子２６．３７、ソレイユ・バビネ補償板２５．３
６など）等には光ビームの不要な反射、散乱を防止する
ために無反射コーティングが施されているのが良い、こ
の結果、光プローブ１．１１．装置１０で構成される光
変調器の消光比を向上させることができ光バイアスを下
げて大きな変調度を得ることができる。また多重反射を
防止できるので、異なった偏光状態の光を低下させて精
度の良い測定ができる。

さらに、上述の各実施例において光プローブ１゜１１は
、第９図に示すように回転自在のホルダ４０に着脱自在
に取付られていても良く、このようなホルダ４０に配置
した場合には、ホルダ４０に複数の光プローブを配置し
ホルダ４０を回転させることによって、光７０−ブを容
易に交換できる。

また光プローブ１．１１の内壁を黒色塗料で塗布して散
乱光を防止するようにしても良い。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば、光プローブの
補助電極への印加電圧を変化させながら電気光学材料か
らの光ビームの偏光状態の変化を光検出手段によって検
出するようにしているので、光ビームの偏光状態の変化
が検出されなくなったときの補助電圧への印加電圧を検
知することによって被測定物の所定部分の絶対電圧を測
定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電圧測定装置の第１の実施例の構
成図、第２図（ａ）　、　（ｂ）は被測定物が測定され
るべき電圧を発生する電極の他にこの電極からの電気力
線を終端させる電極を有する補遺のものである場合にこ
の被測定物の電極の電圧を第１図の電圧測定装置によっ
て測定する仕方を説明するための図、第３図（ａ）　、
　（ｂ）は被測定物が測定されるべき電圧を発生する電
極だけを有している構造のものである場合にこの電極の
電圧を第１図の電圧測定装置によって測定する仕方を説
明するための図、第４図は本発明に隔る電圧測定装置の
第２の実施例の構成図、第５図乃至第７図は光源および
光検出手段の具体例を示す図、第８図は第７図の光源お
よび光検出手段において光ビームの偏光状態の変化を検
出する様子を示す図、第９図は回転自在のホルダに着脱
自在に取付けられた光プローブを示す図、第１０図、第
１１図は従来の電圧測定の原理図である。 １．１１・・・光プローブ、２・・・電気光学材料、２
ａ・・・電気光学材料の上端面、 ２ｂ・・・電気光学材料の底端面、 ４・・・全反射ミラー、５．１２・・・補助電極、６・
・・外部￥ｈＦｉ、７・・・電圧印加装置、８・・・電
源、９・・・電圧計、４１・・・光源、４２・・・光検
出手段特許出願人　　　浜松ホトニクス株式会社代理人
　　弁理士　　植　　本　　雅　　油筒 図 に ：△ ７← 第 図 第 図 １ｏ　、　Ｒ。 第９図 一手続苔１１正書（自発）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）電気光学効果を有する電気光学材料が配置されてい
   る光プローブと、光プローブの電気光学材料に入射させ
   るための光ビームを出力する光源と、電気光学材料から
   出射した光ビームの偏光状態を検出する光検出手段と、
   可変電圧を出力する電圧印加手段とを備え、絶対電位を
   測定するために前記光プローブには前記電圧印加手段か
   らの可変電圧が印加される補助電極が設けられているこ
   とを特徴とする電圧測定装置。 ２）前記補助電極は、透明なものであって、光プローブ
   の先端と相対した電気光学材料の面に設けられているこ
   とを特徴とする請求項１記載の電圧測定装置。 ３）前記補助電極は、光プローブの側面に電気光学材料
   の上端面に接近して設けられていることを特徴とする請
   求項１記載の電圧測定装置。 ４）前記光源は、パルス光を出力するパルス光源であり
   、前記光検出手段は電気光学材料から出射した光ビーム
   の偏光状態の変化をサンプリング検出するようになって
   いることを特徴とする請求項１記載の電圧測定装置。 ５）前記光源は、直流光を出力する直流光源またはパル
   ス光を出力するパルス光源であり、前記光検出手段は電
   気光学材料から出射した光ビームの偏光状態の変化を検
   出する高速光応答検出器であることを特徴とする請求項
   １記載の電圧測定装置。 ６）前記電圧印加手段は、可変電圧を発生する電源と、
   可変電圧を検知する電圧計とから構成されていることを
   特徴とする請求項１記載の電圧測定装置。