JPH0695111B2 - 電圧検出装置 - Google Patents

電圧検出装置

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JPH0695111B2
JPH0695111B2 JP62142063A JP14206387A JPH0695111B2 JP H0695111 B2 JPH0695111 B2 JP H0695111B2 JP 62142063 A JP62142063 A JP 62142063A JP 14206387 A JP14206387 A JP 14206387A JP H0695111 B2 JPH0695111 B2 JP H0695111B2
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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。
ところで、等業者間には、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適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、発明者等による昭
和62年5月30日付の特許出願特願昭62−137317号(特開
昭63−300971号)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5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5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55,58からの光電変換された電気信号
を比較する比較回路16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(LiTaO3)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ち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62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9
5,96を介して光ファイバ92,93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64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94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に入射する入射光の強度
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)sin2〔(π/
2)・V/V0〕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、V0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)・sin2〔(π/2)V/V0
とが比較される。
出射光の強度(I/4)・sin2〔(π/2)V/V0〕は、電圧
変化に伴う電気光学材料26の先端部63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5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
することが可能となる。
ところで、第5図に示す従来の電圧検出装置50では、光
源53からの光ビームBMを、第6図に示すような集光レン
ズ70(第5図には図示せず)により集光させて電気光学
材料62に入射させるようになっていた。
しかしながら、第6図に示すような集光レンズ70を設け
ることによって、光学系の部材数が多くなり、光学系の
調整が煩雑となって、信頼性に欠けるという問題があっ
た。
本発明は、被測定物の所定部分の電圧を簡単な光学系で
信頼性良く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、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、電気光学材料が、これに入射する光ビームの光路
を変更する光路変更機能を有する構造になっており、さ
らに、電気光学材料に加わる電圧によって光ビームの光
路が変更されて電気光学材料から出射する光ビームの強
度が変化することを利用し、光ビームの強度変化に基づ
いて電圧を検出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す
るものである。
〔作用〕
本発明では、光ビームの偏光状態の変化を利用して被測
定物の所定の部分の電圧を検出するのではなく、出射光
の強度変化すなわち光量変化に基づいて電圧を検出する
ものであるので、集光レンズのみならず検光子などをも
何ら用いる必要がなく、光学系を極めて簡単なものにす
ることができる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第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、光プローブ1内に設けられ
た電気光学材料2の光ビームBMの入射する面3をレンズ
状に加工している。例えば電気光学材料2に入射した光
ビームBMが金属薄膜あるいは誘電体多層膜の反射鏡65の
位置で焦点が合うように面3を加工する。
このような構成では、電気光学材料2の面3に入射する
光ビームBMは電気光学材料2自体によって集光されて反
射鏡65に達し、反射鏡65で反射されて電気光学材料2の
面3から出力される。このように光ビームBMは、電気光
学材料2自体によって集光されるので、第6図に示すよ
うなレンズ70を設ける必要がなく、光学系の部材数を少
なくすることができて信頼性を向上させることができ
る。
第2図(a)は本発明に係る電圧検出装置の第2の実施
例の部分概略構成図である。
第2図(a)の電圧検出装置では、光プローブ4内の電
気光学材料5にイオンを拡散させて、電気光学材料5自
体を分布屈折率レンズとしている。分布屈折率レンズと
された電気光学材料5の屈折率分布は、電気光学材料5
の横断面位置に対して第2図(b)のようになってい
る。
このような構成の電圧検出装置では、光源からの光ビー
ムBMは光ファイバ(図示せず)を介して光プローブ4内
の電気光学材料5に入射する。電気光学材料5に入射し
た光ビームBMは分布屈折率レンズとしての電気光学材料
5により光路I0で反射鏡65に達する。電気光学材料5に
電圧が加わっていないときには、電気光学材料5に入射
した光ビームBMは、反射鏡65に垂直に入射し、そこで反
射されて再び同じ光路で電気光学材料5から出力され
る。これにより、検出される出射光の強度は、入射光の
強度とほぼ同じになる。これに対して被測定物の所定部
分の電圧が電気光学材料5に加わると、電気光学材料5
の屈折率が変化するので、第2図(a)に破線で示すよ
うに光路Iで反射鏡65に達する。このときには、光ビー
ムBMは反射鏡65に垂直には入射しないので、反射鏡65か
らの出射光は、光路Iとは異なる光路I′で電気光学材
料65から出力される。これにより、検出される出射光の
強度は入射光の強度に比べて弱くなり、このような出射
光の強度分布を調べることで被測定物の所定部分の電圧
を検出することができる。
この第2の実施例では、光ビームBM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検出するものでは
なく、出射光の強度変化すなわち光量変化に基づいて電
圧を検出するものであるので、第6図に示す集光レンズ
70の他に第5図の検光子57などを何ら用いる必要がな
く、光学系を極めて簡単なものにすることができる。
第3図は本発明の第3の実施例を示すものである。
第3図において光ビームBMは、ビームスプリッタ6(ま
たはハーフミラー)を介して分布屈折率レンズとしての
電気光学材料7に入射するようになっている。第3図の
電気光学材料7は、第4図(a)乃至(c)に示すよう
な一方向性(すなわちx軸線方向)の屈折率分布を有し
ている。従って、電気光学材料7に入射した光ビームBM
は、反射鏡65の位置で符号A−Aで示すようにライン状
に集光される。ライン状に集光された光ビームBMは、反
射鏡65で反射され出射光として、ビームスプリッタ6,検
光子8,シリンドリカルレンズ9を介してストリークカメ
ラ10の光電面11上に符号B−Bで示すようにライン状に
集光される。すなわち電気光学材料7内で符号A−Aで
示すようにライン状に集光された光ビームは、ストリー
クカメラ10の光電面11上で符号B−B上で示すようにラ
イン状に投影されることになる。光電面11上に投影され
た光ビームのラインB−Bは、ストリークカメラ10の掃
引方向と垂直となるようにしているので、これにより、
反射鏡65の下方に位置する被測定物の一次元方向の電圧
変化をストリークカメラ10により瞬時に測定することが
できる。
なお、上述の実施例において、光ビームBMを反射鏡65に
集光させているものの、光ビームBMの一部は光プローブ
1,4の内壁に入射し、そこで散乱光として反射される場
合がある。このような散乱光は、電圧検出精度を低下さ
せるので取除かれるのが望ましい。このために、光プロ
ーブ1,4の内壁を例えば黒塗りして内壁に入射した光ビ
ームBMを吸収させて、散乱光の発生を防止するのが良
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
に接触させない場合について説明したが、電気光学材料
の先端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、光ビームの偏
光状態の変化を利用して被測定物の所定の部分の電圧を
検出するのではなく、出射光の強度変化すなわち光量変
化に基づいて電圧を検出するようになっているので、集
光レンズのみならず検光子などをも別途設ける必要がな
く、極めて簡単な構成で被測定物の所定部分の電圧を精
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の実施例の部
分概略構成図、第2図(a)は本発明に係る電圧検出装
置の第2の実施例の部分概略構成図、第2図(b)は第
2図(a)に示す電圧検出装置の電気光学材料の屈折率
分布を示す図、第3図は本発明に係る電圧検出装置の第
3の実施例の構成図、第4図は第3図の電気光学材料の
屈折率分布を示す図であり、第4図(a)乃至(c)は
それぞれx軸線、y軸線、z軸線方向の屈折率分布を示
す図、第5図は従来の電圧検出装置の構成図、第6図は
従来の電圧検出装置の部分概略図である。 1,4……光プローブ、2,5……電気光学材料、3……面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−168167(JP,A) 特開 昭60−253878(JP,A) 特表 昭59−500186(JP,A)

Claims (1)

    【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電圧検出装置におい
    て、前記電気光学材料は、前記電圧による屈折率変化に
    よって該電気光学材料に入射する光ビームの集光位置を
    変えるレンズ機能を有し、前記電気光学材料に加わる電
    圧によって前記光ビームの集光位置が変わり前記電気光
    学材料から出射する光ビームの強度が変化することを利
    用して、電圧を検出することを特徴とする電圧検出装
    置。
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