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JP2571385B2 - 電圧検出装置 - Google Patents

電圧検出装置

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JP2571385B2
JP2571385B2 JP62137055A JP13705587A JP2571385B2 JP 2571385 B2 JP2571385 B2 JP 2571385B2 JP 62137055 A JP62137055 A JP 62137055A JP 13705587 A JP13705587 A JP 13705587A JP 2571385 B2 JP2571385 B2 JP 2571385B2
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JP
Japan
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optic material
voltage
light
optical
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JP62137055A
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紳一郎 青島
裕 土屋
宏典 高橋
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Hamamatsu Photonics KK
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Hamamatsu Photonics KK
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Publication date
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Priority to EP88108711A priority patent/EP0293841B1/en
Priority to US07/200,502 priority patent/US4866372A/en
Priority to DE8888108715T priority patent/DE3873422T2/de
Priority to DE8888108711T priority patent/DE3877628T2/de
Priority to EP19880108715 priority patent/EP0293842B1/en
Publication of JPS63300969A publication Critical patent/JPS63300969A/ja
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
    • G01R1/02—General constructional details
    • G01R1/06—Measuring leads; Measuring probes
    • G01R1/067—Measuring probes
    • G01R1/07—Non contact-making probes
    • G01R1/071—Non contact-making probes containing electro-optic elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/241—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption
    • G01R15/242—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption based on the Pockels effect, i.e. linear electro-optic effect

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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光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、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６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６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（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。光のプローブ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
95,96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）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
圧変化に伴なう電気光学材料62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６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なる。
ところで、第６図の電圧検出装置50の光プローブ52内
の電気光学材料62は、自然複屈折を有するものが多い。
例えば、光学的一軸性結晶のタンタル酸リチウム（LiTa
O3）では、常光の屈折率n0と異常光の屈折率neとの差に
比例した自然複屈折による位相差が生ずる。この自然複
屈折による位相差は、光学的一軸性結晶に電圧が印加さ
れていない場合でも生じ、この位相差により偏光状態が
変化することになる。従って、電圧を印加したときの屈
折率変化による偏光状態の変化だけを抽出し、被測定物
の電圧を精度良く抽出しようとする際、自然複屈折によ
る位相差を相殺する手段を設ける必要がある。
また被測定物の所定部分の電圧を感度良く検出するた
めに検光子57からの出射光から直流成分を取除く必要が
ある。
より詳しくは、所定部分の被測定電圧が直流電圧に重
畳した高速に変化する電圧である場合に、高速に変化す
る電圧成分のみを検出したいので、直流電圧に依存する
偏光状態の変化を取除く必要がある。
すなわち検光子57が偏光子54と直交して配置されてい
る場合の電圧Ｖに対する出射光の光強度Ｉの変化を示す
第７図において、動作点P1のところでは、出射光の強度
変化ΔI1が電圧変化ΔV1に対して線形となるように設定
されるが、この場合には出射光の光強度Ｉには直流成分
IDCが含まれるために、検出器において出射光の強度変
化ΔI1だけを感度良く検出することができない。従っ
て、動作点P2で示すように出射光の強度変化ΔI2が電圧
変化ΔV2に対しては線形ではないが、出射光の光強度Ｉ
に直流成分IDCが含まれないように検光子57からの出射
光強度を変換する必要がある。
これらの目的のため、第８図に示すような構造の電圧
検出装置70が発明者等により提案された。
第８図の電圧検出装置70の光プローブ17内には、第６
図に示す光プローブ52と比べて、ビームスプリッタ56と
電気光学材料62との間にさらに位相補償器16が設けられ
ている。
このような構成の電圧検出装置70では、ビームスプリ
ッタ56と、電気光学材料62との間に位相補償器16が設け
られているので、この位相補償器16を調節することによ
って、電気光学材料62から出力される出射光の偏光状態
の変化を電気光学材料62に印加される電圧によるものの
みにすることができる。すなわち、被測定物の所定部分
の電圧を検出するに際し、電気光学材料62に電圧を印加
していない状態で、例えば電気光学材料62から出力され
る出射光の偏光状態が入射光の偏光成分と直交する向き
となり、検光子57から出力される出射光の強度が最小の
ものとなるよう、位相補償器16を調節することで、電気
光学材料62の自然複屈折による位相差に基づく出射光の
偏光状態の変化を相殺することができる。
このような位相補償器16としては、機械的に調節する
ものとしてソレイユ補償器を用いても良いし、あるいは
光ビームの径が小さいときにはバビネ補償器を用いても
良い。ソレイユ補償器には光プローブ17の外部から調節
可能な摺動型式の調節機構が設けられており、被測定物
の所定部分の電圧検出を開始するに先立ち、電気光学材
料62に電圧が印加されていない状態にして調節機構を例
えば手動で調節することにより、自然複屈折による位相
差の影響を取除くようにしていた。
また位相補償器16が電圧により調節する型式のもので
ある場合には、位相補償器16に所定の電圧を加え、動作
点を第７図に動作点P2として示すものとなるよう手動で
調節することにより、検光子57からの出射光強度から直
流成分IDCを取除くことができる。
しかしながら、電気光学材料62の自然複屈折による位
相差は、温度依存性があり、光プローブ17すなわち電気
光学材料62の用いられる環境の温度の変化により、変化
する。また第７図の動作点P2における出射光強度も温度
の変化により変動し、特に動作点P2のところでは出射光
強度の変化は非線形なものであるため、温度変化による
出射光強度の変動は電圧検出精度に大きく影響する。従
って、第８図の電圧検出装置70において、電圧検出開始
時に位相補償器16を所定の調節値に手動で調節したとし
ても、その後の温度変化によって電圧検出開始時に設定
された調節値は適当なものでなくなり、正確な検出結果
を電圧検出の全期間にわたって得ることができないとい
う問題があった。
本発明は、温度変化などに追従し、温度変化などによ
る影響を取除き、被測定物の所定部分の電圧を常に精度
良くかつ感度良く検出することの可能な簡単な構造の電
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を
改良するものである。
第１の発明は、被測定物の所定部分の電圧の影響を受
ける第１の電気光学材料と、該第１の電気光学材料の自
然複屈折による光の位相差を補償するように配置されて
いる第２の電気光学材料とを備え、前記第２の電気光学
材料は、前記第１の電気光学材料と同じ材料で形成され
かつ前記第１の電気光学材料と光の進行方向に同じ長さ
をもち第１の電気光学材料の光学軸に沿って整列されて
おり、接地電位に保持されていることを特徴としてい
る。
また、第２の発明は、被測定物の所定部分の電圧の影
響を受ける第１の電気光学材料と、該第１の電気光学材
料の自然複屈折による光の位相差を補償するために設け
られている第２の電気光学材料と、前記第２の電気光学
材料と前記第１の電気光学材料との間に設けられている
光の偏光成分を90゜回転させる手段と、を備え、前記第
２の電気光学材料は、前記第１の電気光学材料と同じ材
料で形成されかつ前記第１の電気光学材料と光の進行方
向に同じ長さをもちその光学軸が前記第１の電気光学材
料の光学軸と平行となるように配置されており、さら
に、接地電位に保持されていることを特徴としている。
また、第３の発明は、被測定物の所定部分の電圧の影
響を受ける第１の電気光学材料と、該第１の電気光学材
料の自然複屈折による光の位相差を補償するように配置
されている第２の電気光学材料と、前記第１の電気光学
材料と前記第２の電気光学材料との間に設けられた第１
の透明電極と、前記第２の電気光学材料の前記第１の透
明電極が設けられている側とは反対の側に設けられた第
２の透明電極とを備えており、前記第１の透明電極は接
地電位に保持されていることを特徴としている。
また、第４の発明は、被測定物の所定部分の電圧の影
響を受ける第１の電気光学材料と、該第１の電気光学材
料の自然複屈折による光の位相差を補償するために設け
られている第２の電気光学材料と、前記第２の電気光学
材料と前記第１の電気光学材料との間に設けられている
光の偏光成分を90゜回転させる手段と、前記第１の電気
光学材料と前記第２の電気光学材料との間に設けられて
いる第１の透明電極と、前記第２の電気光学材料の前記
第１の透明電極が設けられている側とは反対の側に設け
られている第２の透明電極とを備えており、前記第２の
電気光学材料は、その光学軸が前記第１の電気光学材料
の光学軸と平行となるように配置され、前記第１の透明
電極は接地電位に保持されていることを特徴とするもの
である。
〔作用〕
本発明では、被測定物、例えば集積回路の所定部分の
電圧の影響を受ける第１の電気光学材料の他に、第１の
電気光学材料の自然複屈折による位相差を補償するよう
に配置された第２の電気光学材料が設けられている。第
１の電気光学材料と第２の電気光学材料とを同じ材料で
かつ光の進行方向に同じ長さに形成し、これらの光学軸
が互いに直交するように配置する。このような構成で
は、例えば第２の電気光学材料に所定の偏光成分をもつ
入射光が入射すると、第２の電気光学材料内では、自然
複屈折による位相差によってその偏光状態が変化する。
次いでこの入射光が第１の電気光学材料に入射すると、
第１の電気光学材料内では、自然複屈折による位相差に
よってその偏光状態が第２の電気光学材料とは反対の向
きに変化し、さらに被測定物の所定部分の電圧によりそ
の偏光状態は変化する。これにより、自然複屈折による
位相差に基づく偏光状態の変化は相殺され、偏光状態は
被測定物の所定部分の電圧だけによって変化する。
また第１の電気光学材料と第２の電気光学材料との間
に第１の透明電極を設け、この第１の透明電極を例えば
接地電位に保持し、第２の電気光学材料の第１の透明電
極が設けられている側とは反対の側に第２の透明電極を
設け、この第２の透明電極に例えば所定の可変電圧を加
える。このような構成では、第２の電気光学材料は、第
１の電気光学材料における自然複屈折による位相差の影
響を常に補償すると同時に、第２の透明電極に電圧を印
加することにより、第１の電気光学材料の出射光から直
流成分を取除き、さらには温度変化に追従して第２の透
明電極の電圧を可変にすることにより、直流成分の取除
かれた出射光の偏光状態が温度変化によって変動しない
よう常に補償している。特に、第１乃至第４の発明で
は、第２の電気光学材料，第１の透明電極が接地電位に
保持されていることによって、補償用の第２の電気光学
材料内には電界が存在せず、従って、第２の電気光学材
料は、被測定物の電圧の影響を受けずに位相差のみを補
償することができ、被測定物の電圧を精度良く測定でき
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
の構成図である。第１図において第６図、第８図と同様
の箇所には同じ符号を付して説明を省略する。
第１図の電圧検出装置１では、光プローブ２内に第６
図、第８図に示す光プローブ52,17と同様、コリメータ9
4,集光レンズ95,96と、偏光子54と、ビームスプリッタ5
6と、検光子57とが実装されている。さらに電圧検出装
置１の光プローブ２内には、第６図、第８図に示す光プ
ローブ52,17内の電気光学材料62のかわりに、２つの電
気光学材料21,22が配置されている。電気光学材料21,22
は、全く同じ材料（光学的一軸性結晶）で形成されてお
り、また光軸方向の長さが互いに等しくなっているが、
電気光学材料21の光学軸と電気光学材料22の光学軸とが
互いに直交するように配置されている。
電気光学材料21の外周部と電気光学材料22の外周部の
一部とには、導電性電極23が設けられており、電気光学
材料22の先端部には金属薄膜あるいは誘電体多層膜の反
射鏡24が被着されている。また、導電性電極23は接地電
位に保持されている。これにより、電気光学材料21内に
は電界が存在していないので、電気光学材料21の屈折率
は、被測定物の所定部分の電圧によっては変化しないよ
うになっている。従って、電気光学材料21内を進む光ビ
ームの偏光状態は、電気光学材料21の自然複屈折による
位相差によってのみ変化する。
一方、電気光学材料22は、被測定物の所定部分の電圧
により反射鏡24に誘導される電位と、導電性電極23の接
地電位との電位差により屈折率が変化するようになって
いる。従って電気光学材料22内を進む光ビームの偏光状
態は、被測定物の所定部分の電圧によって変化するとと
もに、自然複屈折による位相差によって変化する。
なお、電気光学材料21の光学軸と電気光学材料22の光
学軸とは、前述のように互いに直交しているので、電気
光学材料21における光ビームの偏光状態の自然複屈折に
基づく変化と電気光学材料22における光ビームの偏光状
態の自然複屈折に基づく変化とは、互いに反対の向きに
なる。
このような構成の電圧検出装置１では、偏光子54から
出力される所定の偏光成分の光ビームは、ビームスプリ
ッタ56を介して電気光学材料21に入射光として入射す
る。電気光学材料21に入射した入射光は、その偏光状態
が電気光学材料21の自然複屈折による位相差により変化
して電気光学材料21から電気光学材料22に入射する。と
ころで電気光学材料21と電気光学材料22との光軸方向の
長さは、前述のように互いに等しいので、電気光学材料
22に入射した入射光はその偏光状態が電気光学材料22の
自然複屈折による位相差により電気光学材料21内とは反
対の方向に変化するとともに、反射鏡24の電位に基づく
屈折率の変化により偏光状態が変化する。従って、入射
光が反射鏡24に達した時点で、入射光の偏光状態は、被
測定物の所定部分の電圧に基づく電気光学材料22の屈折
率変化に対応して変化しており、自然複屈折による位相
差の影響は取除かれる。
また入射光が反射鏡24で反射され出射光として電気光
学材料22,電気光学材料21を戻るときにも、全く同様に
して、自然複屈折による位相差に基づく偏光状態の変化
は相殺され、出射光の偏光状態は、被測定物の電圧に基
づく電気光学材料22の屈折率変化に対応してさらに変化
する。従って、検光子57に入射する出射光の偏光状態
は、ビームスプリッタ56で分割される入射光の偏光状態
から変化しており、この変化には電気光学材料の自然複
屈折による位相差による効果は何ら含まれていない。
このように、第１の実施例では、被測定物の所定部分
の電圧の影響を受ける電気光学材料22の他に、これと全
く同じ材料で形成された光の進行方向に同じ長さの電気
光学材料21をその光学軸が電気光学材料22の光学軸と直
交するように配置し、さらに電気光学材料21内に電界が
存在しないようにすることで、これら電気光学材料21,2
2の自然複屈折による位相差に基づく光ビームの偏光状
態の変化を互いに相殺することができて、検光子570に
入射する出射光の偏光状態を電気光学材料22に加わる電
圧だけに依存した量だけ入射光の偏光状態に対し変化さ
せることができる。
これにより、第８図に示す電圧検出装置70のように電
圧検出開始時に位相補償器16を調節するという煩雑な操
作を何ら必要とせず、また環境の温度が変化した場合で
も電気光学材料21と電気光学材料22との自然複屈折によ
る位相差は全く同じ変化をするので、自然複屈折による
位相差に基づく偏光状態の変化を常に相殺することがで
きる。
第２図は、第１図の電圧検出装置１の変形例を示して
いる。
第２図の電圧検出装置30では、光プローブ31内に、２
つの電気光学材料22,32とλ/2板34とが配置されてい
る。電気光学材料32は、第１図の電圧検出装置１におけ
る電気光学材料21と同様の材料（光学的一軸性結晶）で
形成されており、また光軸方向の長さが互いに等しくな
っているが、電気光学材料32は電気光学材料22に対して
光学軸が互いに平行となるよう配置されている。λ/2板
34は、電気光学材料32と電気光学材料22との間に設けら
れており、電気光学材料32からの入射光の偏光状態を位
相差πだけ変化させて電気光学材料22に入射させる一
方、電気光学材料22からの出射光の偏光状態を位相差π
だけ変化させて電気光学材料32に入射させるようになっ
ている。すなわち、第２図の電圧検出装置30では、電気
光学材料32と電気光学材料22の光学軸を互いに直交させ
るかわりに、λ/2板34が設けたものである。
なお、電気光学材料32,λ/2板34の外周部と電気光学
材料22の外周部の一部とには、導電性電極35が設けられ
ている。第１図の電圧検出装置１と同様に、導電性電極
35は接地電位に保持され、電気光学材料32内には電界が
存在していない。
このような構成の電圧検出装置30では、電気光学材料
32に入射した入射光は、その偏光状態が電気光学材料32
の自然複屈折による位相差により変化して電気光学材料
32からλ/2板34に入射し、λ/2板34で偏光状態が位相差
πだけ変化して電気光学材料22に入射する。λ/2板34で
偏光状態を位相差πだけ変化させて電気光学材料22に入
射させるので、電気光学材料22に入射した入射光はその
偏光状態が電気光学材料22の自然複屈折による位相差に
より電気光学材料32内とは反対の方向に変化し、さらに
被測定物の電圧に基づく屈折率の変化により偏光状態が
変化する。従って、入射光が反射鏡24に達した時点で、
入射光の偏光状態は、被測定物の電圧に基づく電気光学
材料22の屈折率変化に対応して変化しており、自然複屈
折による位相差の影響は取除かれる。
また入射光が反射鏡24で反射され出射光として電気光
学材料22,電気光学材料32を戻るときにも、全く同様に
して、自然複屈折による位相差に基づく偏光状態の変化
は相殺され、出射光の偏光状態は被測定物の電圧に基づ
く電気光学材料22の屈折率変化に対応してさらに変化す
る。従って、検光子57に入射する出射光の偏光状態は、
入射光の偏光状態に対して変化しており、この偏光状態
の変化には電気光学材料の自然複屈折による位相差によ
る効果は何ら含まれていない。
このように、第２図の電圧検出装置30では、光学軸が
同じ方向に配置された電気光学材料32,22の間に、偏光
状態を位相差πだけ変化させるλ／板34を設けているの
で第１図の電圧検出装置１と同様、電気光学材料32,22
の自然複屈折による位相差に基づく光ビームの偏光状態
の変化を互いに相殺することができて、検光子57に入射
する出射光の偏光状態を電気光学材料22に加わる電圧だ
けに依存して参照光の偏光状態に対し変化させることが
できる。
これにより、何らの操作をも必要とすることなく、ま
た環境の温度が変化した場合でも複屈折による位相差の
影響を常に相殺することができて、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。
第３図は、本発明に係る電圧検出装置の第２の実施例
の部分構成図である。
第３図の電圧検出装置37では、光プローブ38内に、第
１図の電圧検出装置１と同様にして光の進行方向の長さ
が互いに等しく光学軸を直交させた配置の２つの電気光
学材料21,22が設けられており、さらに２つの電気光学
材料21,22の間には透明電極40が設けられ、電気光学材
料21の透明電極40が設けられている側とは反対の側には
透明電極41が設けられている。
透明電極40,41は、電気光学材料21,22への入射光、お
よび電気光学材料22,21からの出射光を透過させるよう
になっており、使用に際し、透明電極40は接地電位に保
持され、透明電極41には可変電圧VBが加わるようになっ
ている。すなわち、電気光学材料22は被測定物の電圧と
透明電極40の接地電位との電位差により、屈折率が変化
し、電気光学材料21は透明電極41に加わる可変電圧VBと
透明電極40の接地電位との電位差により屈折率が変化す
るようになっている。なお、透明電極40は、反射鏡24と
平行に配置されており、被測定物から反射鏡24を介して
の電気力線が電気光学材料22内で電気光学材料22の中心
軸線と平行となるようにしている。これにより、電気光
学材料22内の全ての位置で屈折率変化を均一なものとし
ている。同様にして、透明電極41も透明電極40と平行に
配置されているので、電気光学材料21内での電気力線は
電気光学材料21の中心軸線と平行になり、これにより、
電気光学材料21内の全ての位置で屈折率変化を均一なも
のとしている。
このような構成の電圧検出装置37では、第１図の電圧
検出装置１と同様に電気光学材料21の長さを電気光学材
料22の長さと同じにし、また電気光学材料22と電気光学
材料21との光学軸を互いに直交させているので、環境温
度が変化しても自然複屈折による位相差を常に相殺する
ことができる。また、透明電極41に所定の電圧VBを加
え、電気光学材料21に所定の屈折率変化を生じさせてお
くことにより、動作点を第７図に示す動作点P1から動作
点P2に移行させ、電気光学材料22からの出射光から直流
成分を取除くことができる。さらに温度が変化するとそ
れに伴なって動作点P2における出射光強度が変動する
が、温度変化に追従し電圧VBを自動的に変化させて、動
作点P2を少しずらすことにより、環境温度の変化による
出射光強度の変動を補償している。すなわち、電圧VBを
温度変化に伴ない自動的に変化させ電気光学材料21の屈
折率を変化させることにより、出射光強度が温度により
変動しないようにしている。
このように第２の実施例によれば、電気光学材料21は
自然複屈折による位相差を常に相殺することができると
同時に、透明電極41に可変電圧VBを印加することによ
り、出射光強度から直流成分が取除かれるよう動作点を
設定し、さらに直流成分の取除かれた出射光強度が温度
変化によって変動しないよう常に補償することができ
る。
第４図は第３図の電圧検出装置37のより具体的な実施
例の全体構成図である。
第４図において、比較回路61からの電気信号出力は、
動作点設定回路71に加わるようになっている。動作点設
定回路71では、温度変化によって比較回路61からの電気
信号出力で変化すると、その変化を検出し、バイアス電
圧発生回路72においてその変化を打消すような電圧を透
明電極41に印加する。また、出射光強度に直流成分が重
畳している場合、動作点を設定し直すために、バイアス
電圧発生回路72において直流成分を除去するような電圧
を透明電極41に印加する。このような帰還制御によっ
て、直流成分の取除かれかつ温度変化により変動しない
出射光強度を得ることができる。
第５図は第３図、第４図に示す電圧検出装置37の変形
例である。
この変形例では、第３図、第４図の截頭円錐形状の電
気光学材料22のかわりに、電気光学材料21と同じ円筒形
状の電気光学材料44が用いられ、電気光学材料44の先端
には金属薄膜あるいは誘電体多層膜の反射鏡45が形成さ
れている。このような構成では、入射光は、全て反射鏡
45により反射されるので、出射光強度を入射光強度とほ
ぼ同じ強度にすることができる。なお、第５図に示すよ
うに入射光と出射光との光路を異なるものとし、ビーム
スプリッタを用いずとも出射光を取出せるようにしても
良い。
なお、第３図乃至第５図において第１図と同様に２つ
の電気光学材料をこれらの光学軸が互いに直交するよう
に配置したが、第２図のようにλ/2板をさらに介在させ
て２の電気光学材料の光学軸を互いに平行に配置しても
良い。
また上述した実施例において光プローブ2,31,38,43は
これらの内壁に入射する光ビームの散乱を防止するため
黒塗りされているのが良い。
〔発明の効果〕
以上に説明したように、本発明によれば、被測定物の
所定部分の電圧の影響を受ける第１の電気光学材料の他
に自然複屈折による位相差補償用の第２の電気光学材料
を設けているので、位相差を補償するのに何らの操作を
も必要とすることなく、また環境の温度が変化した場合
でも常に位相差を補償して被測定物の電圧を精度良く測
定することができる。さらに、第１の電気光学材料と第
２の電気光学材料との間に第１の透明電極を設け、第２
の電気光学材料の第１の透明電極が設けられている側と
は反対側に第２の透明電極を設け、第２の透明電極に例
えば可変電圧を印加することで、出射光強度から直流成
分を取除き、さらに直流成分の取除かれた出射光強度が
温度変化によって変動しないよう補償し、被測定物の電
圧を高精度かつ高感度に検出することができる。特に、
第１乃至第４の発明では、第２の電気光学材料，第１の
透明電極が接地電位に保持されていることによって、補
償用の第２の電気光学材料内には電界が存在せず、従っ
て、第２の電気光学材料は、被測定物の電圧の影響を受
けずに位相差のみを補償することができ、被測定物の電
圧を精度良く測定できる。
【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図は第１図の電圧検出装置の変形例の部分構
成図、第３図は本発明に係る電圧検出装置の第２の実施
例の部分構成図、第４図は第３図の電圧検出装置のより
具体的な実施例の全体構成図、第５図は第３図および第
４図の電圧検出装置の変形例の部分構成図、第６図は従
来の電圧検出装置の構成図、第７図は出射光強度の電圧
依存性を説明するための図、第８図は位相補償板を用い
た電圧検出装置の構成図である。 1,30,37,42……電圧検出装置、 2,31,38,43……光プローブ、 21,22,32,44……電気光学材料、 34……λ/2板、40,41……透明電極、 P1,P2……動作点
───────────────────────────────────────────────────── 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58−137768（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−196862（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−120974（ＪＰ，Ｕ)

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】被測定物の所定部分の電圧の影響を受ける
    第１の電気光学材料と、該第１の電気光学材料の自然複
    屈折による光の位相差を補償するように配置されている
    第２の電気光学材料とを備え、前記第２の電気光学材料
    は、前記第１の電気光学材料と同じ材料で形成されかつ
    前記第１の電気光学材料と光の進行方向に同じ長さをも
    ち第１の電気光学材料の光学軸に沿って整列されてお
    り、接地電位に保持されていることを特徴とする電圧検
    出装置。
  2. 【請求項２】前記第２の電気光学材料は、その光学軸が
    前記第１の電気光学材料の光学軸と直交するように配置
    され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。
  3. 【請求項３】被測定物の所定部分の電圧の影響を受ける
    第１の電気光学材料と、該第１の電気光学材料の自然複
    屈折による光の位相差を補償するために設けられている
    第２の電気光学材料と、前記第２の電気光学材料と前記
    第１の電気光学材料との間に設けられている光の偏光成
    分を90゜回転させる手段とを備え、前記第２の電気光学
    材料は、前記第１の電気光学材料と同じ材料で形成され
    かつ前記第１の電気光学材料と光の進行方向に同じ長さ
    をもちその光学軸が前記第１の電気光学材料の光学軸と
    平行となるように配置されており、さらに、接地電位に
    保持されていることを特徴とする電圧検出装置。
  4. 【請求項４】被測定物の所定部分の電圧の影響を受ける
    第１の電気光学材料と、該第１の電気光学材料の自然複
    屈折による光の位相差を補償するように配置されている
    第２の電気光学材料と、前記第１の電気光学材料と前記
    第２の電気光学材料との間に設けられた第１の透明電極
    と、前記第２の電気光学材料の前記第１の透明電極が設
    けられている側とは反対の側に設けられた第２の透明電
    極とを備えており、前記第１の透明電極は接地電位に保
    持されていることを特徴とする電圧検出装置。
  5. 【請求項５】前記第２の透明電極には、第１の電気光学
    材料からの出射光から直流成分を取除いた出射光が前記
    第２の電気光学材料から出力されるよう電圧が印加され
    ることを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の電圧
    検出装置。
  6. 【請求項６】前記第２の透明電極には、第１の電気光学
    材料からの出射光から直流成分を取除きかつ温度変化に
    よる第１の電気光学材料からの出射光の偏光状態の変化
    を補償した反射光が前記第２の電気光学材料から出力さ
    れるよう可変電圧が印加されることを特徴とする特許請
    求の範囲第４項に記載の電圧検出装置。
  7. 【請求項７】被測定物の所定部分の電圧の影響を受ける
    第１の電気光学材料と、該第１の電気光学材料の自然複
    屈折による光の位相差を補償するために設けられている
    第２の電気光学材料と、前記第２の電気光学材料と前記
    第１の電気光学材料との間に設けられている光の偏光成
    分を90゜回転させる手段と、前記第１の電気光学材料と
    前記第２の電気光学材料との間に設けられている第１の
    透明電極と、前記第２の電気光学材料の前記第１の透明
    電極が設けられている側とは反対の側に設けられている
    第２の透明電極とを備えており、前記第２の電気光学材
    料は、その光学軸が前記第１の電気光学材料の光学軸と
    平行となるように配置され、前記第１の透明電極は接地
    電位に保持されていることを特徴とする電圧検出装置。
  8. 【請求項８】前記第２の透明電極には、第１の電気光学
    材料からの出射光から直流成分を取除いた出射光が前記
    第２の電気光学材料から出力されるよう電圧が印加され
    ることを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載の電圧
    検出装置。
  9. 【請求項９】前記第２の透明電極には、第１の電気光学
    材料からの出射光から直流成分を取除きかつ温度変化に
    よる第１の電気光学材料からの出射光の偏光状態の変化
    を補償した反射光が前記第２の電気光学材料から出力さ
    れるよう可変電圧が印加されることを特徴とする特許請
    求の範囲第７項に記載の電圧検出装置。
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