JPH0777563A - 電圧検出装置 - Google Patents

電圧検出装置

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JPH0777563A
JPH0777563A JP5247570A JP24757093A JPH0777563A JP H0777563 A JPH0777563 A JP H0777563A JP 5247570 A JP5247570 A JP 5247570A JP 24757093 A JP24757093 A JP 24757093A JP H0777563 A JPH0777563 A JP H0777563A
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light
electro
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optical member
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JP5247570A
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Noboru Hasegawa
昇 長谷川
Kenji Ueda
健司 植田
Teruyuki Tamaki
輝幸 玉木
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電子回路内部の個々の素子の動作特性及び特
定領域の電圧分布を1つの装置で容易に測定することが
可能な電圧検出装置を提供する。 【構成】 電子回路近傍に設置された電気光学材料にビ
ーム光を入射して回路内部の電圧変化を反映したビーム
の変調を検出する電圧測定装置において、電気光学材料
として液晶を用いることにより同一の装置で測定対象に
於ける特定領域の電圧分布及びその時間変化と、特定領
域(電極)の電気信号の測定とを行うことが可能となる
ことから、その作業性が改善される。その際に、液晶分
子の微小な自発分極の変化を捕らえることにより、実用
に耐える高周波数帯域での電気信号を測定できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子計測技術分野に於
て、電子回路内部の電気信号を非接触で測定する装置に
係り、特に測定対象の所定領域の電圧によって光の偏光
状態が変化することを利用して電気信号を検出する形式
の電圧検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、高密度、高集積電子回路の開発が
進むにつれ、電子回路内部の素子数と外部端子数が著し
く増大している。このような電子回路を外部から評価す
ることは困難であるため、電子回路内部の個々の素子を
直接測定することが必要となっている。そのための手法
として、電子ビームを用いる方法と、電気光学効果を利
用した電気光学サンプリングによる方法(例えば、J.A.V
aldmanis and G.Mourou,"Subpicosecond electrooptic
sampling:Principles and applications",IEEE J.Quant
um Electron.,vol.QE-22,no.1,pp.69-78,Jan.1986.参
照)とが用いられている。
【0003】前者の方法は、電子ビームを電子回路内部
の電極に照射し、そこから放出された2次電子のエネル
ギーから電極の電圧を測定する手法である。この手法で
は、電子ビームを走査させることにより回路内部の2次
元的な電圧分布を測定することができるが、電子ビーム
を直接電極に照射するために電極が破損し、或いは汚染
される恐れがあり、更に測定対象を真空中に設置しなけ
ればならない等の問題があった。
【0004】後者の方法は、電子回路の電極から外部に
発生する電界中に電気光学材料を挿入し、電界により電
気光学材料(結晶、有機薄膜、液晶等がある)内の複屈
折を変化させ(ポッケルス効果)、その複屈折変化量を
電気信号に同期したパルスレーザ光により検出する方法
である。従って、原理的に非接触であるので測定対象に
擾乱を与えず、しかも大気中で測定を行うことができ
る。この方法により、測定対象の特定電極の高速な電気
信号測定及び電子回路内部の特定領域の電圧分布測定が
可能であるが、それぞれ異なった電気光学材料及び光学
系を用いる必要があり、測定対象の特定電極の高速な電
気信号測定及び特定領域の電圧分布測定を同時に、また
は連続して行うことが困難であった。
【0005】即ち、特定電極の高速な電気信号測定で
は、偏光方向の一様な単色光源からビームスプリッタな
どを介して測定対象の測定領域に近接して配置された電
気光学材料に光を照射し、その反射光の偏光方向の変化
を検出するが、電気光学材料として一般にLiNbO3やZnSe
等応答速度の速い結晶を用いる。これは電子ビームを用
いた方法より高速な電気信号が測定できるという特徴が
あるが、電気光学結晶の複屈折の変化量が微少であるた
めに回路内部の1点での電気信号を検出するだけでも数
秒という積算時間が必要であり、特定領域の電圧分布を
測定するには時間的に困難である。
【0006】また、電子回路内部の特定領域の2次元的
な電圧分布測定は、実際に電子回路の不良解析・評価に
応用する際には不可欠な技術であると考えられている
が、これには電気光学効果の大きい液晶等を用い、イン
コヒーレントな光学系を使用することが必要である。こ
の手法では、数ボルト程度の電圧分布であればCCDカ
メラ等の検出器で容易に測定できるという特徴がある
が、通常、液晶のスイッチング速度は遅く、最近の電子
回路が動作する数〜数十メガヘルツ以上の高周波領域で
の電気信号の測定は不可能であると考えられていた。
【0007】そこで、それぞれの特性を持った2種類以
上の電気光学材料を併用することも考えられるが、測定
対象に電気光学材料を1μm程度に近接して配置する必
要があるため配置方法や材料の切り換え方法等が厄介で
あり現実的ではない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記したよ
うな課題を解決し、電子回路内部の個々の素子の動作特
性及び特定領域の電圧分布を1つの装置で容易に測定す
ることが可能な電圧検出装置を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の関わる電子回路
内部の電圧検出装置は、電気光学材料として外部電圧の
変化に対して高速に応答する分極成分を発生するような
液晶を測定対象を覆うように設置し、その材料にインコ
ヒーレントな連続光を照射し照射光内部の空間情報を検
出することにより、回路内部の電圧分布を並列的に測定
する。あるいは、上記と同様に液晶を設置し、レーザ顕
微鏡のような2次元的な走査手段を用いて電圧分布を測
定することができる。さらに同時に、測定対象の高速な
電気信号に追随する液晶の非常に微小な分極変位に基づ
く偏光変化を検出することにより、液晶の応答速度を超
える高周波領域の信号を測定する。その際、液晶の印加
電圧に対する非線形性を較正するために任意のDC電圧
を印加できる電極を施せば正確な電気波形を感度良く測
定できる。
【0010】
【作用】現在知られている非線形性を持つ材料の中で
も、液晶は非常に大きな電気光学効果を有することが知
られている。これは液晶分子には反転対象中心がなく永
久双極子モーメントが存在するためであると考えられて
いる。通常液晶の応答時間τは、 τ=η/PE …(1) (η:液晶の粘性係数、P:自発分極の大きさ、E:印
加した外部電圧)のように表される。液晶の中でも特に
長軸に垂直な成分による自発分極が出現し、それらが外
部電場に応答して動くものは強誘電性液晶(FLC)と
呼ばれ、印加電圧に対し比較的高速に応答するという特
徴を持っている。強誘電性液晶は他の種類の液晶に比べ
て粘性係数は大差ないが、自発分極と電界との直接相互
作用PEが大きいため応答時間が短くなる。しかし、比
較的高速応答する強誘電性液晶でもその応答時間はせい
ぜい数〜数十マイクロ秒程度であり、1MHz以上の周
波数領域で動作する電子回路の電気的特性評価に応用す
ることはできないと考えられていた。本発明者らはこの
応答速度に比べて1〜2桁以上高速な(数十MHz以
上)外部電界に追随する微小な複屈折変化が液晶分子に
存在することを見いだし、これを用いて高速動作する電
子回路内部の電気信号を測定するようにした。
【0011】本発明の実現は以下の要領で行われる。図
1に示すように、動作中のトランジスタやダイオード等
が集積化された測定対象としての電子回路5上に電気光
学部材としての液晶2を近接して配置する。このとき、
電子回路5の内部電極の電圧変化に依存して液晶2の電
界強度が変化するため、その複屈折等の光学的特性が変
化する。すなわち、偏光方向の一様な光ビーム6を入射
し、偏光観察することにより電子回路内部の電気信号を
測定することができる。
【0012】ここで、外部電界に追随する微小な複屈折
変化を測定可能な液晶としては、強誘電性液晶を用い、
その厚さが数μm以下、液晶分子の配向がモノドメイン
となっていることが条件となる。
【0013】実際には、液晶を電子回路5上に近接して
配置する構成として、直接電子回路5に液晶を垂らし透
明電極で挟み込む方法がある。このとき、検出するべき
光は回路内部の電極からの反射光を利用すれば良く、非
常に簡単は配置方法で測定を行うことができるが、電子
回路5に対して非接触で測定を行うためには使用する光
の波長に対する反射機構を備えていることが望ましい。
更に、高感度な測定には測定対象である電極の電圧に応
じて液晶にかかる電界強度を設定できる機構(ITO等
の透明電極が考えられる)が必要となる。これらの機能
を有する電気光学部材をプローブヘッド4とする。本測
定に用いるプローブヘッド4は、液晶厚をスペーサで調
節(ミクロン〜サブミクロン程度)できるようにして透
明電極1と反射膜3とで挟み込んだ構造をしている。こ
の反射膜3を施すことで入射光は電子回路5へ到達しな
くなるため、電極の実視野による電圧分布コントラスト
像の劣化を防ぐことができる。また、このプローブヘッ
ド4の上部の透明電極1には可変電源8により0〜数十
V程度までのDC電圧を印加できるようになっており、
電源電圧を調節して液晶の感度が高くなる範囲で測定す
ることを可能としている。このようなプローブヘッド4
を作製する際には、電子回路5内部の電極と透明電極1
間に一種のコンデンサが形成されることに注意する必要
がある。即ち、液晶や反射膜の誘電率及び厚さ、或いは
透明電極の大きさ等で容量が変化するため、応答速度が
電気的に制限される恐れがある。従って、液晶の応答速
度を十分活用して測定するためには、液晶の種類に応じ
たプローブヘッドの最適設計を行うことが必要となる。
【0014】このようなプローブヘッド4或いは前述の
電子回路と基盤で直接液晶を挟み込んだ構造の電気光学
部材を電子回路上に近接して配置すれば、回路の電圧変
化によって液晶にかかる電圧が変化し、それに応じて電
気光学部材の自発分極が変化する。この自発分極にはマ
イクロ秒以下で応答する微小な変位変化が存在するの
で、これを検出することにより1MHz以上の高速な電
気信号でも測定することができる。従って、測定対象の
特定電極の高速な電気信号測定及び特定領域の電圧分布
測定を1つの電気光学部材を用いて1つの装置で行うこ
とができる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例について図を参照しな
がら説明する。
【0016】図2は本発明に基づく第1の実施例を示
し、電気光学材料として液晶を用いた電圧検出装置の構
成図である。駆動回路7に接続された測定対象としての
電子回路5は、駆動回路27にて駆動されるX−Yステ
ージ26上に載置されている。また、電子回路5の測定
領域上には、透明電極1と反射板3との間に液晶2を挟
み込んだ構造のプローブヘッド4が配置されている。こ
のプローブヘッド4の液晶2は可変電源8により所望の
電圧を印加可能となっている。
【0017】また、プローブヘッド4には、図中破線A
で囲んだ特定電極の高速な電気信号を測定するための光
検出系の単色光源19と、破線Bで囲んだ特定領域の電
圧分布を測定するための光検出系のインコヒーレント光
源9とから対物レンズ13を介して光が照射されるよう
になっている。
【0018】破線Aで囲んだ特定電極の高速な電気信号
を測定するための光検出系は、単色光源19から、偏光
子20、偏光ビームスプリッタ21、λ/8板22、後
記するビームスプリッタ11、12及び対物レンズ13
を介してプローブヘッド4に光を照射し、その反射光が
ビームスプリッタ12、11、λ/8板22、偏光ビー
ムスプリッタ21及び結像光学系23を介して光電検出
器24に受光され、光電変換されてウェーブメモリ25
に波形信号として出力されるようになっている。
【0019】また、破線Bで囲んだ特定領域の電圧分布
を測定するための光検出系は、インコヒーレント光源9
から、偏光子10、ビームスプリッタ11、12及び対
物レンズ13を介してプローブヘッド4に光を照射し、
その反射光がビームスプリッタ12検光子14及び結像
光学系15を介して2次元光検出器16に受光され、光
電変換されて画像処理装置17にて画像処理されて画像
表示装置18に特定領域の電圧分布が表示されるように
なっている。
【0020】ここで、高速な電気信号を測定するための
光検出系に於ける単色光源19はHe−Neレーザやレ
ーザダイオード等が一般的であるが、高パワーの白色光
源と色フィルタとを組み合わせて用いることも可能であ
る。また、偏光方向の一様でない単色光源19を用いた
場合には偏光子20を挿入することで偏光方向をそろえ
ることができる。本構成における光検出系は、偏光ビー
ムスプリッタ21や波長板等の偏光制御を行うための光
学系及び、光電検出器24とウェーブメモリ25とから
なる。光電検出器としてはフォトダイオードが代表的で
あるが、光電子増倍管やストリークカメラ等でも実現で
きる。
【0021】一方、電圧分布を測定するための光検出系
に於けるインコヒーレント光源9にはタングステンラン
プや水銀ランプ等を用いる。また、プローブヘッド4下
面の反射膜3に設計波長を透過する色フィルタを用いれ
ば、測定対象の実視野像と電圧分布像とを独立に得るこ
とができ、より望ましい構成となる。更に、2次元光検
出器16にはCCDカメラやフォトダイオードアレイ等
を用いることができる。
【0022】従来法では高速信号測定あるいは電圧分布
測定について異なる電気光学材料を用いる必要があった
が、測定対象の電気信号変化に対して高速応答する液晶
4の微小な分極成分を検出することにより同一の装置で
両者の測定を行うことが可能になった。
【0023】以下に、測定の詳細な説明をする。はじめ
に電圧分布の測定について説明する。水銀ランプのよう
な空間的にインコヒーレントな光源9から出射された可
視光域の単色光は、偏光子10を通り偏光方向の一様な
光になる。この光は電子回路5の近傍に設置されたプロ
ーブヘッド4に入射する。このプローブヘッド4は前述
のように液晶2(本実施例では強誘電性液晶のスメクテ
ィックC*相を用いた)を挟み込んだ構造をしており、
その上面には透明電極1、下面には単色光源19の波長
に対する反射膜3が設けられている。従って、プローブ
ヘッド4に入射された光源9からの光は反射膜3で反射
される。プローブヘッド4中の液晶2は電圧が印加され
たとき、その部分の光学的性質が変化し材料中を伝播す
る光に位相変調を与える。よって、プローブヘッド4に
入射された光は電子回路5の電圧分布を反映した偏光方
向の変化を伴って出射することになる。この光は、ビー
ムスプリッタ12を介して検光子14を通るが、そのと
きに偏光方向が変化した部分のみ透過する。この透過光
は結像光学系15を通って2次元光検出器16の受光面
に結像され、2次元像として検出される。このようにし
て検出された分布像は画像処理装置17で減算、積算等
の処理が行われ、画像表示装置18に出力される。以上
のようにして空間的にインコヒーレントな光源9を用い
て、電子回路5内部の光照射されている領域の電圧分布
を2次元コントラスト像として測定することができる。
尚、画像表示装置18への表示方法として、測定電圧の
ある閾値に対する大小関係のみの表示や電圧幅を設けた
等電圧分布表示等が考えられる。
【0024】次に、電子回路内部の特定電極の電気信号
波形の測定について説明する。単色光源19から出射さ
れた光は偏光子20を通り、直線偏光のビームとなって
λ/8板22に入射される。その後、ビームスプリッタ
11、12を介して対物レンズ13を通ったビームはプ
ローブヘッド4の測定すべき電極の真上部分に入射し、
下部に施してある反射膜3で反射され、再びビームスプ
リッタ11、12を介してλ/8板22を通り偏光ビー
ムスプリッタ21に至る。この偏光ビームスプリッタ2
1では光ビームは円偏光となっており、入射時の偏光方
向に対して垂直成分が結像光学系23の方へ反射され
る。この反射光の光量はプローブヘッド4にかかってい
る電界強度に依存するため、電子回路の電極に印加され
ている電圧を反映している。この光を時間に対する変化
として光電検出器24で検出し、ウェーブメモリ25で
1000回積算して記録することにより電子回路の電気
信号を測定することができる。10ミクロン幅の電極に
17MHzの電気信号を印加した時の測定結果を図3
(a)、図3(b)に示す。この測定に用いられた液晶
の応答速度は約50μs(200kHz)であったが、
それより2桁も高速な電気信号を測定可能なことがわか
る。
【0025】図4は本発明に基づく第2の実施例を示
し、電気光学材料として液晶を用いた電圧検出装置の図
2と同様な構成図であり、第1の実施例と同様な部分に
は同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【0026】本実施例では、図2に於て高速信号測定と
電圧分布測定とで別々設けた光学系及び光源を1つにま
とめている。即ち、第1の実施例と同様なプローブヘッ
ド4には、単色光源19から、コリメートレンズ28、
偏光子20、ビームスプリッタ29及び対物レンズ13
を介して光が照射されるようになっている。また、プロ
ーブヘッド4にて反射した光は、対物レンズ13、ビー
ムスプリッタ29、検光子30及び結像光学系23を介
して光電検出器24に受光され、光電変換されて信号を
ウェーブメモリ25側(図中の矢印)あるいは画像処
理装置17側(図中の矢印)へ電気的に切り換えて出
力することができるようになっている。
【0027】単色光源19から出射した光はコリメート
された後、偏光子20、ビームスプリッタ29及び対物
レンズ13を通り、電子回路と透明電極付きのガラス基
板の間に挟まれた液晶に入射する。その光は回路内部の
電極あるいは基盤で反射されてビームスプリッタ29で
一部反射され、検光子30、結像光学系23を通り光電
検出器24で検出される。また、X−Yステージ26は
コンピュータ31によって制御され、指定した領域内を
所定のタイミングで移動する。この状態でX−Yステー
ジ26の各位置に対する信号強度を測定し、2次元画像
として表示することにより定常的な電圧分布を得ること
ができる。ここで、X−Yステージの代わりにガルバノ
ミラーを用いてビームを走査しても同様の電圧分布測定
が可能である。
【0028】特定電極の電気信号の測定では、測定した
い電極にビームが照射されるようにしてX−Yステージ
26を固定し、前述の方法と同様な測定を行う。光電検
出器24で検出された光はウェーブメモリ25で積算さ
れ表示される。また、このシステムを用いて電子回路内
部の配線形状を観察するときには、検光子30を光路か
ら取り除きX−Yステージ26を走査すれば良い。この
ようにすれば、落射照明装置等の必要がないシンプルな
光学系で電圧分布及び、電気信号の測定を行うことがで
きる。
【0029】図5は本発明に基づく第3の実施例を示
し、電気光学材料として液晶を用いた電圧検出装置の図
4と同様な構成図であり、第2の実施例と同様な部分に
は同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【0030】本実施例では、パルス光源32を用いて電
子回路内部の電圧分布の時間的変化をも測定可能として
いる。実際には、パルス光源32にはコントローラ33
が接続され、このコントローラ33には遅延回路34を
介して駆動回路7が接続されている。光源32には繰り
返し周波数が可変なレーザダイオードのようなパルス光
源を用い、前述と同様にX−Yステージ26を走査しな
がら光変調量を検出するようになっている。尚、本実施
例でもガルバノミラーを用いた光走査を行っても良い。
その際、電子回路5の駆動回路7からのクロック周波数
をモニタし、これと同期を取りながらX−Yステージ2
6の走査、パルス光源32の発振を制御する。このよう
にすれば、遅延回路34でずらした時間領域の電圧分布
を測定することができる。また、時間幅は光源32のパ
ルス幅で決定されるので、これを変えることにより時分
割幅(Δt)を自由に選ぶこともできる。
【0031】即ち、本実施例では1つの光学系で特定電
極の電気信号変化と、電圧分布及びそのの時間的変化を
測定することができ、図中、の矢印方向への切り替
えを電気的に行うことによって選択することができるよ
うになっている。
【0032】以上述べたように、電気光学材料を用いた
電子回路評価技術として、1つの装置で電気光学材料を
偏光することなく回路内部の電圧分布、その時間変化及
び電気信号の測定を行うことができる。このとき、電気
光学材料に強誘電性液晶を用い、液晶分子の微小な変位
変化を検出することによって液晶の応答速度を上回る高
速な電気信号を測定することができた。
【0033】
【発明の効果】本発明は上記の通り、電子回路近傍に設
置された電気光学材料にビーム光を入射して回路内部の
電圧変化を反映したビームの変調を検出する電圧測定装
置において、電気光学材料として液晶を用いることによ
り同一の装置で測定対象に於ける特定領域の電圧分布及
びその時間変化と、特定領域(電極)の電気信号の測定
とを行うことが可能となることから、その作業性が改善
される。その際に、液晶分子の微小な自発分極の変化を
捕らえることにより、実用に耐える高周波数帯域での電
気信号を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に関わる電子回路測定装置に用いるプロ
ーブヘッドの構造を示す斜視図である。
【図2】本発明に関わる第1の実施例に於ける電子回路
内部の電圧分布及び電圧の検出装置の構成を示すブロッ
ク図である。
【図3】第1の実施例に於ける電圧検出装置を用いて行
った電子回路内部の電気信号波形の一測定例を示す図で
ある。
【図4】本発明に関わる第2の実施例に於ける図2と同
様なブロック図である。
【図5】本発明に関わる第3の実施例に於ける図4と同
様なブロック図である。
【符号の説明】
1 透明電極 2 液晶 3 入射光の波長に対する反射膜 4 液晶を用いたプローブヘッド 5 測定対象としての電子回路 6 偏光方向の一様な光 7 電子回路の駆動回路 8 可変電源 9 インコヒーレント光源 10、20 偏光子 11、12、29 ビームスプリッタ 13 対物レンズ 14、30 検光子 15、23 結像光学系 16 2次元光検出器 17 画像処理装置 18 画像表示装置 19 単色光源 21 偏光ビームスプリッタ 22 λ/8板 24 光電検出器 25 ウェーブメモリ(信号表示装置) 26 X−Yステージ 27 X−Yステージの駆動回路 28 コリメートレンズ 31 コンピュータ 32 パルス光源 33 パルス光源のコントローラ 34 遅延回路 A 特定電極の高速な電気信号を測定するための光検出
系 B 特定領域の電圧分布を測定するための光検出系

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 偏光方向の一様な単色の第1の光源
    と、 偏光方向の一様な非干渉性の第2の光源と、 測定対象の測定領域に近接して配置され、被測定対象の
    電界に応じて前記各光源からの光の複屈折量が変化する
    液晶を有する電気光学部材と、 前記電気光学部材の液晶を通過した前記第1の光源から
    の光の偏光方向の変化を検出する第1の光検出系と、 前記電気光学部材の液晶を通過した前記第2の光源から
    の光を2次元的に検出する第2の光検出系とを有し、 前記第1の光源、前記電気光学部材及び前記第1の光検
    出系をもって特定領域の高速な電気信号を測定し、前記
    第2の光源、前記電気光学部材及び前記第2の光検出系
    をもって特定領域の電圧分布を測定することを特徴とす
    る電圧検出装置。
  2. 【請求項2】 偏光方向の一様な単色の光源と、 測定対象の測定領域に近接して配置され、前記測定対象
    の電界に応じて前記光源からの光の複屈折量が変化する
    液晶を有する電気光学部材と、 前記電気光学部材の液晶を通過した前記光源からの光を
    検出する光検出系と、 前記光源及び光検出系を、前記電気光学部材及び測定対
    象の測定領域に対して相対的に走査させる走査手段とを
    有し、 前記光源、前記電気光学部材及び前記光検出系をもって
    特定領域の高速な電気信号を測定し、前記光源及び光検
    出系を、前記電気光学部材及び測定対象の測定領域に対
    して前記走査手段をもって相対的に走査させることによ
    り特定領域の電圧分布を測定することを特徴とする電圧
    検出装置。
  3. 【請求項3】 前記光源がパルス光源からなり、 前記測定対象の電気信号と同期をとるための同期回路
    と、 前記電気信号と前記パルス光源の駆動時間との間に遅延
    を与える遅延回路とを更に備えることを特徴とする請求
    項2に記載の電圧検出装置。
  4. 【請求項4】 前記電気光学部材が、前記液晶を通過
    した前記光源からの光を反射する反射手段を更に備える
    ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記
    載の電圧検出装置。
  5. 【請求項5】 前記電気光学部材の前記液晶に印加さ
    れる電圧を制御する手段を更に備えることを特徴とする
    請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の電圧検出装
    置。
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