JPH0660912B2 - 電圧検出装置 - Google Patents

電圧検出装置

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JPH0660912B2
JPH0660912B2 JP62223583A JP22358387A JPH0660912B2 JP H0660912 B2 JPH0660912 B2 JP H0660912B2 JP 62223583 A JP62223583 A JP 62223583A JP 22358387 A JP22358387 A JP 22358387A JP H0660912 B2 JPH0660912 B2 JP H0660912B2
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    • G01R1/02General constructional details
    • G01R1/06Measuring leads; Measuring probes
    • G01R1/067Measuring probes
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    • G01R1/071Non contact-making probes containing electro-optic elements

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被測定物、例えば電気回路等の所定部分の電
圧を検出するための電圧検出装置に関し、特に被測定物
の所定部分の電圧によって電気光学材料の屈折率が変化
することを利用して電圧を検出する型式の電圧検出装置
に関する。
〔従来の技術〕
従来、電気回路などの被測定物の所定部分の電圧を検出
するのに、種々の電圧検出装置が用いられる。この種の
電圧検出装置としては被測定物の所定部分にプローブを
接触させて、その部分の電圧を検出する型式のもの、あ
るいはプローブを接触させずに所定部分に電子ビームを
入射させることにより所定部分の電圧を検出する型式の
ものなどが知られている。
ところが、当業者間には、構造が複雑でかつ小型の集積
回路のような被測定物の微細な部分の高速に変化する電
圧を、微細な部分の状態に影響を与えず精度良く検出し
たいという強い要望がある。
しかしながら、プローブを被測定物の所定部分に接触さ
せる型式の電圧検出装置では、集積回路等の微細部分に
プローブを直接接触させることが容易でなく、またプロ
ーブを接触させることができたとしても、その電圧情報
だけに基づき集積回路の動作を的確に解析するのは困難
であった。さらにプローブを接触させることにより集積
回路内の動作状態が変化するという問題があった。
また電子ビームを用いる型式の電圧検出装置では、プロ
ーブを被測定物に接触させずに電圧を検出することがで
きるものの、測定されるべき部分が真空中に置かれかつ
露出されているものに限られ、また電子ビームにより測
定されるべき部分を損傷するという問題があった。
さらに従来の電圧検出装置では、検出器の動作速度が高
速の電圧変化に追従できず、集積回路等の高速に変化す
る電圧を精度良く検出することができないという問題が
あった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
このような問題点を解決するために、本願の出願人によ
って昭和62年5月30日に「電圧検出装置」の名称で
出願された特許出願に記載されているような被測定物の
所定部分の電圧によって光ビームの偏光状態が変化する
ことを利用して電圧を検出する型式の電圧検出装置が開
発された。
第7図は、光ビームの偏光状態が被測定物の所定部分の
電圧によって変化することを利用して被測定物の電圧を
検出する型式の電圧検出装置の構成図である。
第7図において電圧検出装置50は、光プローブ52
と、例えばレーザダイオードによる直流光源53と、直
流光源53から出力される光ビームを集光レンズ60を
介して光プローブ52に案内する光ファイバ51と、光
プローブ52からの参照光をコリメータ90を介して光
電変換素子55に案内する光ファイバ92と、光プロー
ブ52からの出射光をコリメータ91を介して光電変換
素子58に案内する光ファイバ93と、光電変換素子5
5,58からの光電変換された電気信号を比較する比較
回路61とから構成されている。
光プローブ52には、電気光学材料62、例えば光学的
一軸性結晶のタンタル酸リチウム(LiTaO)が収
容されており、電気光学材料62の先端部63は、截頭
円錐形状に加工されている。光プローブ52の外周部に
は、導電性電極64が設けられ、また先端部63には金
属薄膜あるいは誘電体多層膜の反射鏡65が被着されて
いる。
光プローブ52内にはさらに、コリメータ94と、集光
レンズ95,96と、コリメータ94からの光ビームか
ら所定の偏光成分をもつ光ビームだけを抽出する偏光子
54と、偏光子54からの所定の偏光成分をもつ光ビー
ムを参照光と入射光とに分割する一方、電気光学材料6
2からの出射光を検光子57に入射させるビームスプリ
ッタ56とが設けられている。なお参照光、出射光は、
それぞれ集光レンズ95,96を介して光ファイバ9
2,93に出力されるようになっている。
このような構成の電圧検出装置50では、検出に際し
て、光プローブ52の外周部に設けられた導電性電極6
4を例えば接地電位に保持しておく。次いで、光プロー
ブ52の先端部63を被測定物、例えば集積回路(図示
せず)に接近させる。これにより、光プローブ52の電
気光学材料62の先端部63の屈折率が変化する。より
詳しくは、光学的一軸性結晶などにおいて、光軸と垂直
な平面内における常光の屈折率と異常光の屈折率との差
が変化する。
光源53から出力された光ビームは、集光レンズ60,
光ファイバ51を介して光プローブ52のコリメータ9
4に入射し、さらに偏光子54により所定の偏光成分の
強度Iの光ビームとなって、ビームスプリッタ56を介
して光プローブ52の電気光学材料62に入射する。な
おビームスプリッタ56により分割された参照光、入射
光の強度はそれぞれI/2となる。電気光学材料62の
先端部63の屈折率は上述のように被測定物の電圧によ
り変化するので、電気光学材料62に入射した入射光は
先端部63のところでその偏光状態が屈折率変化に依存
して変化し反射鏡65に達し、反射鏡65で反射され、
電気光学材料62から出射光として再びビームスプリッ
タ56に向かう。電気光学材料62の先端部63の長さ
をl とすると、入射光の偏光状態は電圧による常光と異
常光との屈折率差および長さ2l に比例して変化する。
ビームスプリッタ56に戻された出射光は、検光子57
に入射する。なお検光子57に入射する出射光の強度
は、ビームスプリッタ56によりI/4となっている。
検光子57が例えば偏光子54の偏光成分と直交する偏
光成分の光ビームだけを通過させるように構成されてい
るとすると、偏光状態が変化して検光子57に入射する
強度I/4の出射光は、検光子57により、強度が(I
/4)sin 〔(π/2)・V/V〕となって光電変
換素子58に加わることになる。ここでVは被測定物の
電圧、Vは半波長電圧である。
比較回路61では、光電変換素子55において光電変換
された参照光の強度I/2と、光電変換素子58におい
て光電変換された出射光の強度(I/4)sin 〔(π
/2)・V/V〕とが比較される。
出射光の強度(I/4)・sin 〔(π/2)・V/V
〕は、電圧変化に伴なう電気光学材料62の先端部6
3の屈折率の変化によって変わるので、これに基づいて
被測定物、例えば集積回路の所定部分の電圧を検出する
ことができる。
このように第7図に示す電圧検出装置50では、光プロ
ーブ52の先端部63を被測定物に接近させることで変
化する電気光学材料62の先端部63の屈折率の変化に
基づき、被測定物の所定部分の電圧を検出するようにし
ているので、特に接触させることが困難で、また接触さ
せることにより被測定電圧に影響を与えるような集積回
路の微細部分などの電圧を、光プローブ52を接触させ
ることなく検出することができる。また光源としてパル
ス幅の非常に短かい光パルスを出力するレーザダイオー
ドなどのパルス光源を用いて、被測定物の高速な電圧変
化を非常に短かい時間幅でサンプリングするかあるいは
光源に直流光源を用い検出器にストリークカメラなどの
高速応答検出器を用いて被測定物の高速な電圧変化を高
い時間分解能で測定することにより、高速な電圧変化を
も精度良く検出することが可能とある。
しかしながら第7図の電圧検出装置50では、電気光学
材料62内における光ビームの偏光状態の変化を利用し
て被測定物の所定部分の電圧を測定するために、光源5
3からの光ビームから偏光子54により所定の偏光成分
をもつ光ビームだけを抽出し、さらに電気光学材料62
からの出射光から検光子57により所定の直線偏光成分
を抽出する必要があったので、光ビームの利用率が悪い
という問題がある。さらに、ビームスプリッタ56を必
要としていたので検光子57に入射する出射光の強度は
光源53から出力される光ビームの強度に比べて著しく
弱くなり、検出器において電圧を精度良く検出するには
限界があった。また偏光子54,検光子57,ビームス
プリッタ56を用いているので光学系の部材数が多くな
り、光学的の精度を著しく向上させるには限界があると
いう問題があった。
また、第7図の電圧検出装置では、検出器に光電変換素
子のかわりにストリークカメラを用いる場合に、ストリ
ークカメラの螢光面には被測定物の所定部分の電圧変化
が一次元の光強度分布として検出されるので、電圧の波
形を求めるにはさらに一次元の光強度分布に所定の変換
処理を施さねばならないという問題があった。さらに
は、偏光状態の変化によって被測定物の所定部分の電圧
を検出する仕方では、電圧の絶対値だけが検出されるの
で、電圧の極性すなわち電圧が正のものであるのか負の
ものであるかを判別することができないという問題があ
った。
本発明は、簡単な光学系で被測定物の所定部分の電圧、
特に被測定物の所定部分を通過する電圧波形を精度良く
直接検出することの可能な電圧検出装置を提供すること
を目的としている。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、パルス光を出力するパルス光源と、パルス光
を徐々に遅延させる遅延手段と、電気光学材料で形成さ
れかつ遅延手段からのパルス光を所定の屈折率に対応し
た光路で出力させる光路変換手段と、出力されたパルス
光を検出する検出手段とを備え、前記被測定物の所定部
分の電圧をサンプリング測定するようになっていること
を特徴とする電圧検出装置によって、上記従来技術の問
題点を改善しようとするものである。
〔作用〕
本発明では、パルス光源からのパルス光を遅延手段によ
って徐々に遅延させ、電気光学材料で形成された光路変
換手段、例えば分散プリズムに入射させる。光路変換手
段に入射したパルス光は、光路変換手段の屈折率によっ
て所定の光路で透過光あるいは反射光として出力され
る。ところで光路変換手段の屈折率は、被測定物の所定
部分の電圧によって変化するので、これにより光路変換
手段から出力される透過光あるいは反射光の光路も変わ
る。この光路の変化を検出手段、例えばリニアイメージ
センサにより検出することで被測定物の所定部分を通る
電圧波形の一部をサンプリング測定することができる。
パルス光を遅延手段で徐々に遅延させて同様のサンプリ
ング測定を繰返すことにより、電圧波形を時系列的に検
出することができる。なお検出された結果の電圧波形は
電圧の極性(正また負)が判別しうるものとなってい
る。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
弟1図は、本発明に係る電圧検出装置の第1の実施例の
部分概略構成図である。
第1図の電圧検出装置では、電気光学材料、例えば光学
的一軸性結晶のタンタル酸リチウム(LiTaO)か
らなる分散プリズム1が用いられている。使用に際し分
散プリズム1の先端2を被測定物(図示せず)に接近さ
せることで被測定物の所定部分の電圧により分散プリズ
ム1の屈折率を変化させるようになっている。
分散プリズム1には、パルス光源2からコリメータ4,
遅延手段7,ミラー20を介してパルス光が入射し、分
散プリズム1に入射したパルス光は、分散プリズム1の
屈折率に基づく光路で分散プリズム1内を進行し、分散
プリズム1から透過光として出力される。すなわち第2
図に示すように、分散プリズム1に入射する前に通過す
る空間の屈折率をn,分散プリズム1の屈折率をn
とし、入射光が分散プリズム1の入射面の法線方向に対
して角度θで入射すると、分散プリズム1からは、 の関係に従って透過光が角度ψをなして出射する。な
お、αは分散プリズム1の頂角、nは比屈折率(n
)である。例えば頂角αが60゜のときには、 である。電圧が加わって分散プリズム1の屈折率が大き
くなると、出射角ψは大きくなる。
分散プリズム1からの透過光は、ミラー5により所定角
度反射されて、一次元配列のリニアイメージセンサ9に
入射するようになっている。
上述のような構成の電圧検出装置では、パルス光源2か
らのパルス光は、コリメータ4,遅延手段7,ミラー2
0を介して分散プリズム1に入射する。
分散プリズム1に電圧の印加されていない状態では、分
散プリズム1に入射したパルス光は、光路T1で分散プ
リズム1内を進行し、分散プリズム1から透過光として
出力され、さらにミラー5で反射されて、一次元配列の
リニアイメージセンサ9の素子9−mに達する。
一方、被測定物の所定部分の電圧、例えば正の電圧が分
散プリズム1に加わると、電気光学材料からなる分散プ
リズム1の屈折率が変化し、パルス光源2から出力され
るパルス光は光路T2で分散プリズム1内を進行し分散
プリズム1から透過光として出力され、さらにミラー5
で反射されてリニアイメージセンサ9の素子9−nに入
射する。
また負の電圧が分散プリズム1に加わると、パルス光源
2から出力されるパルス光は光路T3で分散プリズム1
内を進行し分散プリズム1から透過光として出力され、
さらにミラー5で反射されてリニアイメージセンサ9の
素子9−1入射する。
ところで、本実施例では、被測定物の所定部分の電圧パ
ルスは繰返し周期のものであり、パルス光源2からのパ
ルス光は、電圧パルスの繰返し周期に同期したものとな
っている。従って遅延手段7によってパルス光を徐々に
遅延させることによりリニアイメージセンサ9において
被測定物の所定部分の電圧パルスをサンプリングにより
測定することができる。第3図はサンプリング測定の仕
方を示すタイムチャートである。すなわち第3図(a) に
示すように電圧パルスが繰返して生起するとき、第3図
(b) に示すようにパルス光をΔtづつタイミングがずれ
るように遅延させる。これによりパルス光P1,P2,
P3の入射で電圧パルス部分W1,W2,W3がそれぞ
れリニアイメージセンサ9により時系列的に測定され
る。なお電圧パルス部分W1,W2は正であり、電圧パ
ルス部分W3は負であるが、本実施例によれば前述した
ようにパルス光P1,P2,P3の光路の変化として正
負の電圧のいずれをも測定することができる。
このように、第1の実施例では被測定物の所定部分の電
圧によって分散プリズム1の屈折率が変化し、これに基
づく透過光の光路の変化を利用して被測定物の所定部分
を通過する電圧波形を正負の極性を判別可能に検出する
ことができる。
さらに、偏光子、検光子によって所定の偏光成分の光ビ
ームすなわち直線偏光の光ビームだけを取出す必要がな
く、さらにはビームスプリッタを必要としないので光の
利用率を著しく高めパルス光源2からのパルス光の強度
とほぼ同じ強度の透過光を検出器としてのリニアイメー
ジセンサ9に入射させることができると同時に、光学系
の部材数を少なくすることができて、電圧の検出精度お
よび検出感度を向上させることができる。
第4図は第1図に示す電圧検出装置の変形例の構成図で
ある。
第4図の電圧検出装置では、パルス光源2からのパルス
光をビームエキスパンダ25により平行光にして遅延手
段8,ミラー26を介し分散プリズム27に入射させ
る。分散プリズム27に入射した平行光BM1,……,
BMk,……,BMlは、被測定物の軸線F方向の一次
元位置の各電圧による分散プリズム27の屈折率変化に
基づく光路で分散プリズム27から出射し、CCDカメ
ラやビジコンカメラなどの二次元検出器10に入射す
る。
光ビームBM1は、分散プリズム27の屈折率変化によ
り二次元検出器10の素子33−11,33−1m,…
…,33−1nのいずれかに入射し、光ビームBMk
は、素子33−k1,……,33−km,……,33−
knのいずれかに入射し、光ビームBMlは、素子33
−l1,……,33−lm,……,33−lnのいずれ
かに入射するようになっている。
このような構成の電圧検出装置では、被測定物の軸線F
方向の電圧変化に伴ない被測定物の各位置に対応した分
散プリズム27の部分の屈折率が変化し、これにより各
パルス光BM1,……,BMk,……,BMlはその光
路が変換され出射される。ところで各パルス光BM1,
……,BMk,……,BMlの光路変化は、二次元検出
器10に入射する際には、被測定物の一次元的な電圧パ
ルス波形の一部をサンプリングしたものとなっている。
従って、各パルス光BM1,……,BMk,……,BM
lを遅延手段8によって徐々に遅延させることにより、
二次元検出器10では、被測定物の繰返し変化する一次
元的な電圧パルス波形を時系列的にサンプリングするこ
とができる。
このようにして被測定物の一次元的な各位置の電圧を同
時に検出することができる。
第5図は、本発明に係る電圧検出装置の第2の実施例の
構成図である。
第5図の電圧検出装置では、第1図に示す電圧検出装置
と同様に、パルス光源2と、遅延手段7と、一次元検出
器としてのリニアイメージセンサ9とを備えているが、
パルス光源2からのパルス光は、遅延手段7,ミラー2
0を介して、金属薄膜あるいは誘電体多層膜の反射鏡2
2の形成された光学的一軸性結晶の電気光学材料21に
入射し、反射鏡22で反射し電気光学材料21から出射
光として出力されてリニアイメージセンサ9に加わるよ
うになっている。
このような構成の電圧検出装置では、電気光学材料21
に電圧が印加されていない状態では、パルス光源2から
のパルス光は電気光学材料21内を光路S1で進み、反
射光としてリニアイメージセンサ9の素子9−mに入射
する。また電気光学材料21に正(または負)の電圧が
印加されると、パルス光源2からのパルス光は電気光学
材料21内を光路S3(またはS2)で進み、反射光と
して素子9−1(または9−n)に入射する。このよう
に、電気光学材料21に加わる電圧によって電気光学材
料21内における光ビームの光路は異なり、電気光学材
料21から反射光は、その光路に見合った素子に入射す
ることになる。
これにより、第1図の電圧検出装置と同様に、リニアイ
メージセンサ9で、被測定物の所定部分を通過する電圧
パルスなどの電圧波形を正負の極性を判別可能に時系列
的にサンプリング測定することができる。また、偏光
子、検光子、ビームスプリッタを用いておらずさらに光
学系の部材数を少なくすることができるので、光の利用
率を著しく高め、電圧の検出精度、検出感度を著しく向
上させることができる。
第6図は第5図に示す電圧検出装置の変形例の部分構成
図である。
第6図の電圧検出装置では、パルス光源2からのパルス
光をビームエキスパンダ25により平行光にし遅延手段
8,ミラー26を介して、金属薄膜あるいは誘電体多層
膜の反射鏡28の形成された光学的一軸性結晶の電気光
学材料29に入射させるようになっている。電気光学材
料29に入射した平行光BM1乃至BMlは、被測定物
の軸線F方向の一次元位置の各電圧による電気光学材料
29の屈折率変化に基づく光路で電気光学材料29から
出射する。すなわち、光ビームBM1は、電気光学材料
29の屈折率変化によりCCDカメラ、ビジコンカメラ
などの二次元検出器12の素子38−11乃至38−1
nのいずれかに入射し、光ビームBMlは、素子38−
l1乃至38−lnのいずれかに入射するようになって
いる。
このような構成の電圧検出装置では、パルス光としての
平行光を遅延手段8によって徐々に遅延させることで、
被測定物の所定部分の電圧パルス波形を光ビームBM1
乃至BMlの光路変化としてサンプリング測定し、二次
元検出器12において時系列的に検出することができ
る。このようにして第4図に示す電圧検出装置と同様に
して、被測定物の一次元的な各位置の電圧を同時に検出
することができる。
なお、上述の実施例では、分散プリズム1,27,電気
光学材料21,29を光学的一軸性結晶からなるものと
して説明したが、これらの実施例では光ビームの偏光状
態の変化を何ら利用するものではないので、分散プリズ
ム1,27,電気光学材料21,29は光学的一軸性結
晶に限らず、例えば等方性結晶であっても良い。
また、上述の実施例では、電気光学材料の先端を被測定
物に接触させないとして説明したが、これを被測定物に
接触させても良い。
〔発明の効果〕
以上に説明したように、本発明によれば、パルス光源か
らのパルス光を徐々に遅延させながら、屈折率に対応し
た光路で光路変換手段から出射させ、各光路からの各出
射光を検出手段でサンプリング検出するようにしている
ので、検出手段において被測定物の所定部分を通過する
電圧パルスなどの電圧波形を正負の極性をも判別可能に
直接検出することができて、さらに光学系の部材数を少
なくすることができるとともに光源からの光ビームの強
度を何ら半減させることなく出射光を検出できるので、
被測定物の所定部分の電圧を精度良くかつ感度良く検出
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検出装置の第1の実施例の構
成図、第2図は分散プリズムの光路を説明するための
図、第3図(a) ,(b) はそれぞれ電圧パルス、パルス光
のタイムチャート、第4図は第1図の電圧検出装置の変
形列の部分構成図、第5図は本発明に係る電圧検出装置
の第2の実施例の構成図、第6図は第5図の電圧検出装
置の変形例の部分構成図、第7図は従来の電圧検出装置
の構成図である。 1,27……分散プリズム、2……パルス光源、 7,8……遅延手段、9……リニアイメージセンサ、 10,12……二次元検出器、 21,29……電気光学材料、 T1乃至T3,S1乃至S3……光路

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被測定物の所定部分の電圧によって屈折率
    が変化する電気光学材料を用いた型式の電圧検出装置に
    おいて、パルス光を出力するパルス光源と、パルス光を
    徐々に遅延させる遅延手段と、電気光学材料で形成され
    かつ遅延手段からのパルス光を屈折率に対応した光路で
    出力させる光路変換手段と、光路変換手段からのパルス
    光を検出する検出手段とを備え、前記被測定物の所定部
    分の電圧をサンプリング測定するようになっていること
    を特徴とする電圧検出装置。
  2. 【請求項2】前記光路変換手段は、これに入射する光ビ
    ームを屈折率に対応した光路で透過光として出力させる
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の電圧検
    出装置。
  3. 【請求項3】前記光路変換手段は、これに入射する光ビ
    ームを屈折率に対応した光路で反射光として出力させる
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の電圧検
    出装置。
  4. 【請求項4】前記検出手段は、一次元のリニアイメージ
    センサであることを特徴とする特許請求の範囲第1項に
    記載の電圧検出装置。
  5. 【請求項5】前記パルス光は、平行光となって前記光路
    変換手段に加わり、前記検出手段は、二次元の検出器で
    あって、被測定物の一次元的位置の電圧をサンプリング
    測定するようになっていることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項に記載の電圧検出装置。
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