JPH03154875A - 電気光学結晶を用いた電位センサ及び電位測定方法 - Google Patents
電気光学結晶を用いた電位センサ及び電位測定方法Info
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- JPH03154875A JPH03154875A JP1294367A JP29436789A JPH03154875A JP H03154875 A JPH03154875 A JP H03154875A JP 1294367 A JP1294367 A JP 1294367A JP 29436789 A JP29436789 A JP 29436789A JP H03154875 A JPH03154875 A JP H03154875A
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- Japan
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- potential
- sensor
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- resistance
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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- 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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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
- Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
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。
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〕
本発明は電界に応じて電気光学結晶の光学異方性が変化
することを利用して被測定体の電位を求めるようにした
電気光学結晶を用いた電位測定装置及び電位測定方法に
関するものである。
することを利用して被測定体の電位を求めるようにした
電気光学結晶を用いた電位測定装置及び電位測定方法に
関するものである。
第5図に示すように電気光学結晶1に透明電極2を貼り
つけて接地し、被測定体3に近づけると、恢測定体が所
定の表面電位をもっているとすれば、被測定体からの電
気力線は電気光学結晶を通して電極2に終端するので、
電気光学結晶1には所定の電界が加わり、そのため光学
異方性が変化する。
つけて接地し、被測定体3に近づけると、恢測定体が所
定の表面電位をもっているとすれば、被測定体からの電
気力線は電気光学結晶を通して電極2に終端するので、
電気光学結晶1には所定の電界が加わり、そのため光学
異方性が変化する。
光学異方性の変化は電界の大きさに比例するので、例え
ば、偏光4を照射すると、その反射光または透過光の偏
光状態が変化する。いま、レタデーシaンの変化をΔφ
、屈折率をn、電気光学定数をγ、電界強度をE、光路
長を2、波長をλとしたとき、 λ で表わされる。
ば、偏光4を照射すると、その反射光または透過光の偏
光状態が変化する。いま、レタデーシaンの変化をΔφ
、屈折率をn、電気光学定数をγ、電界強度をE、光路
長を2、波長をλとしたとき、 λ で表わされる。
今、電気光学結晶、空隙、被測定体の厚み、誘電率をそ
れぞれ(d3.ε1)、(d2.2g)、(dl、ε、
)、被測定体の電位をVsとすると、ε3
ε を 被測定体が電気光学結晶に接しくdZ=O)、かつ被測
定体が金属的な場合(ai =O)には、Vs=Ed、
となる、 ・(3)すなわち、(
1)式のElはVsに対応し、反射型の場合にはff1
=2d、、透過型の場合には!−d1となり、Δφを求
めることにより被測定体の表面電位Vsを求めることが
できる。
れぞれ(d3.ε1)、(d2.2g)、(dl、ε、
)、被測定体の電位をVsとすると、ε3
ε を 被測定体が電気光学結晶に接しくdZ=O)、かつ被測
定体が金属的な場合(ai =O)には、Vs=Ed、
となる、 ・(3)すなわち、(
1)式のElはVsに対応し、反射型の場合にはff1
=2d、、透過型の場合には!−d1となり、Δφを求
めることにより被測定体の表面電位Vsを求めることが
できる。
このような光学電位センサは、従来、第6図に示すよう
に、ガラス支持体6上に透明電極(ITO)2をスパッ
タ法等により形成し、その上に接着剤7でLiNb0s
lを張りつけて必要な厚さに研磨し、その後薄膜技術に
より誘電体反射膜8を形成して作製していた。このよう
に、従来の光学電位センサは構造が複雑であるとともに
、接着工程や研摩工程があるために製作工程が複雑で加
工性が悪く、接着や研磨により厚みむらが生じて面精度
も低く、その結果測定精度も低下するという問題がある
。さらに、LiNbO5は3方向に全て異なる光学的性
質を存しているために、結晶のZ軸を光の入射方向に対
して正確に55°傾かせるのが難しく、さらにLiNb
O3が光劣化するという問題があった。
に、ガラス支持体6上に透明電極(ITO)2をスパッ
タ法等により形成し、その上に接着剤7でLiNb0s
lを張りつけて必要な厚さに研磨し、その後薄膜技術に
より誘電体反射膜8を形成して作製していた。このよう
に、従来の光学電位センサは構造が複雑であるとともに
、接着工程や研摩工程があるために製作工程が複雑で加
工性が悪く、接着や研磨により厚みむらが生じて面精度
も低く、その結果測定精度も低下するという問題がある
。さらに、LiNbO5は3方向に全て異なる光学的性
質を存しているために、結晶のZ軸を光の入射方向に対
して正確に55°傾かせるのが難しく、さらにLiNb
O3が光劣化するという問題があった。
本発明は上記課題を解決するためのもので、製作工程が
容易であるとともに、電気光学結晶の光劣化が生ぜず、
高精度で電位検出を行うことができる電気光学結晶を用
いた電位測定装置及び電位測定方法を提供することを目
的とする。
容易であるとともに、電気光学結晶の光劣化が生ぜず、
高精度で電位検出を行うことができる電気光学結晶を用
いた電位測定装置及び電位測定方法を提供することを目
的とする。
第1図は本発明のセンサの構成を示す図である。
図中、lOはセンサ本体、11は低抵抗化合物半導体、
12は高抵抗化合物半導体、13は誘電体反射膜である
。
12は高抵抗化合物半導体、13は誘電体反射膜である
。
本発明は化合物半導体が電界中に置かれると光学的に複
屈折性を生じること、光劣化がほとんどないこと、低抵
抗化合物半導体が導体として機能することに着目したも
ので、低抵抗化合物半導体ウェハ上に高抵抗化合物半導
体12をエピタキシャル成長させ、この上に誘電体反射
膜13を形成してモノシリツクのセンサを構成する。
屈折性を生じること、光劣化がほとんどないこと、低抵
抗化合物半導体が導体として機能することに着目したも
ので、低抵抗化合物半導体ウェハ上に高抵抗化合物半導
体12をエピタキシャル成長させ、この上に誘電体反射
膜13を形成してモノシリツクのセンサを構成する。
低抵抗化合物半導体11としてはプローブ光が吸収され
ずに透過する必要があるのでバンドギャップが大きいこ
と、エピタキシャル成長させる高抵抗化合物半導体に格
子定数、熱膨張係数が近いことが望ましく、また、電極
を兼ねるので10+1Ω口以下の抵抗率であることが望
ましい。
ずに透過する必要があるのでバンドギャップが大きいこ
と、エピタキシャル成長させる高抵抗化合物半導体に格
子定数、熱膨張係数が近いことが望ましく、また、電極
を兼ねるので10+1Ω口以下の抵抗率であることが望
ましい。
高抵抗化合物半導体11としては、例えば上記化合物半
導体のノンドープのものや、GaAsにCrをドープし
たり、CdTeに02をドープしたような深い準位を有
するドーパントをドープして高抵抗にしたものを用いれ
ばよい、そして(1)式から分かるように使用するプロ
ーブ光の波長が短いほどレタデーションの変化が大きく
、信号出力を大きくできるので、短波長光が使用できる
ようにバンドギャップが大きいこと、また電気光学定数
が大きいものが望ましく、電界を大きくかけたいので1
0’Ω1以上の抵抗値を有することが望ましい。
導体のノンドープのものや、GaAsにCrをドープし
たり、CdTeに02をドープしたような深い準位を有
するドーパントをドープして高抵抗にしたものを用いれ
ばよい、そして(1)式から分かるように使用するプロ
ーブ光の波長が短いほどレタデーションの変化が大きく
、信号出力を大きくできるので、短波長光が使用できる
ようにバンドギャップが大きいこと、また電気光学定数
が大きいものが望ましく、電界を大きくかけたいので1
0’Ω1以上の抵抗値を有することが望ましい。
使用する化合物半導体としては、GaAs、GaP5G
aN%InAs、InSb等のm−v族化合物またはこ
れらの混晶、ZnS、Zn5e、Cd S 、、Cd
S e SCd T e s Z n T e等の■−
■族化合物またはこれらの混晶を使用し、■−v族化合
物の場合、例えばP型GaAsではZn、Mg、Mn、
Beをドープすることにより、N型GaPではS、5e
STe、S I、Ge、Snをドープすることにより低
抵抗化合物半導体とし、■−■族化合物の場合には、例
えばZnS、Zn5eにLi、Nをドープすることによ
りP型、ClをドープすることによりN型の低抵抗化合
物半導体とする。またC u G a S t 、 C
u A j! S e t等のI −1[[−Vl、族
化合物またはこれらの混晶、Zn5iPz 、ZnGe
Px 、Cd51Pz等のn −Vl−V、族化合物ま
たはこれらの混晶を使用してもよい。
aN%InAs、InSb等のm−v族化合物またはこ
れらの混晶、ZnS、Zn5e、Cd S 、、Cd
S e SCd T e s Z n T e等の■−
■族化合物またはこれらの混晶を使用し、■−v族化合
物の場合、例えばP型GaAsではZn、Mg、Mn、
Beをドープすることにより、N型GaPではS、5e
STe、S I、Ge、Snをドープすることにより低
抵抗化合物半導体とし、■−■族化合物の場合には、例
えばZnS、Zn5eにLi、Nをドープすることによ
りP型、ClをドープすることによりN型の低抵抗化合
物半導体とする。またC u G a S t 、 C
u A j! S e t等のI −1[[−Vl、族
化合物またはこれらの混晶、Zn5iPz 、ZnGe
Px 、Cd51Pz等のn −Vl−V、族化合物ま
たはこれらの混晶を使用してもよい。
また、低抵抗化合物半導体と高抵抗化合物半導体とはホ
モ構造でもヘテロ構造でもよく、低抵抗化合物半導体と
高抵抗化合物半導体の役割が異なるので、それぞれに適
したものを使用すると、般的にはへテロ構造となる。
モ構造でもヘテロ構造でもよく、低抵抗化合物半導体と
高抵抗化合物半導体の役割が異なるので、それぞれに適
したものを使用すると、般的にはへテロ構造となる。
このような構成とすることにより、低抵抗化合物半導体
として適当な濃度の不純物をドープした半導体ウェハを
使用すれば面精度は極めて良く、また高抵抗化合物半導
体はこの上にエピタキシャル成長させるので、結晶軸は
ウェハの状態で決定され、これをあらかじめ所定方向の
ものを選択しておけばエピタキシャル成長した層の結晶
軸は最適な値に自動的に設定される。なお、上記説明で
は反射光を利用して電位測定する例について説明したが
、透過光を利用しても同様に測定でき、その場合は当然
誘電反射膜は不要であり、また被測定物も測定光を透過
する必要がある。
として適当な濃度の不純物をドープした半導体ウェハを
使用すれば面精度は極めて良く、また高抵抗化合物半導
体はこの上にエピタキシャル成長させるので、結晶軸は
ウェハの状態で決定され、これをあらかじめ所定方向の
ものを選択しておけばエピタキシャル成長した層の結晶
軸は最適な値に自動的に設定される。なお、上記説明で
は反射光を利用して電位測定する例について説明したが
、透過光を利用しても同様に測定でき、その場合は当然
誘電反射膜は不要であり、また被測定物も測定光を透過
する必要がある。
第2図は本発明のセンサを用いた電位測定装置の一実施
例の構成を示す図である。
例の構成を示す図である。
レーザダイオード20からの直線偏光を集光レンズ21
でコリメートし、ハーフミラ−22、対物レンズ23を
通して本発明のセンサ10に照射する。センサ10は対
向して近接配置された被測定物体24の電位に応じて光
学異方性が変化し、その結果、反射光は所定の光学軸方
向の成分がレターデーションを起こして楕円偏光となる
。楕円偏入はハーフミラ−22を介して、例えば1/2
波長板25を通してセンサlOでレタデーシコンを受け
た成分とこれに直交方向の成分とを混合し、偏光ビーム
スプリッタ26で二分してそれぞれレンズ27.28で
集光して受光素子29.30で検出し、検出出力を差動
増幅器31で増幅することにより、光源の光量変動があ
った場合でも、その変動分が除去されて信号成分のみ検
出することができる。このとき差動増幅器31の出力は
5in(Δφ+α) に比例する。ここで、Δφは(1)式で与えられるもの
であり、αは位相因子である。出力の電位に対する線形
性の最も良好なのはΔφ=−αの近傍である=従って、
光路上の、例えば集光レンズ21とハーフミラ−22の
間に適当な位相補償板を置き、αを動かすことにより線
形性を必要とする電位範囲を決めることができる。l/
4波長板を用いた場合、理想的な光学系ではα=0とな
り、電位がOの近傍で線形性が最も良くなる。
でコリメートし、ハーフミラ−22、対物レンズ23を
通して本発明のセンサ10に照射する。センサ10は対
向して近接配置された被測定物体24の電位に応じて光
学異方性が変化し、その結果、反射光は所定の光学軸方
向の成分がレターデーションを起こして楕円偏光となる
。楕円偏入はハーフミラ−22を介して、例えば1/2
波長板25を通してセンサlOでレタデーシコンを受け
た成分とこれに直交方向の成分とを混合し、偏光ビーム
スプリッタ26で二分してそれぞれレンズ27.28で
集光して受光素子29.30で検出し、検出出力を差動
増幅器31で増幅することにより、光源の光量変動があ
った場合でも、その変動分が除去されて信号成分のみ検
出することができる。このとき差動増幅器31の出力は
5in(Δφ+α) に比例する。ここで、Δφは(1)式で与えられるもの
であり、αは位相因子である。出力の電位に対する線形
性の最も良好なのはΔφ=−αの近傍である=従って、
光路上の、例えば集光レンズ21とハーフミラ−22の
間に適当な位相補償板を置き、αを動かすことにより線
形性を必要とする電位範囲を決めることができる。l/
4波長板を用いた場合、理想的な光学系ではα=0とな
り、電位がOの近傍で線形性が最も良くなる。
また、レーザダイオードの出射光が楕円形をしており、
ビームスポットを円形にしたい場合にはビーム整形用の
プリズムを、例えば集光レンズ21とハーフミラ−22
の間の光路に挿入すればよい。
ビームスポットを円形にしたい場合にはビーム整形用の
プリズムを、例えば集光レンズ21とハーフミラ−22
の間の光路に挿入すればよい。
第3図は本発明のセンサを用いた電位測定装置の他の実
施例の構成を示す図である。
施例の構成を示す図である。
本実施例においては、偏光子31を介して特定方向に偏
光した光をセンサに照射し、反射楕円偏光を検光子32
を通して検出することにより、センサにより生じた偏光
角の変化分を検出して被測定体の電位を測定している。
光した光をセンサに照射し、反射楕円偏光を検光子32
を通して検出することにより、センサにより生じた偏光
角の変化分を検出して被測定体の電位を測定している。
この場合の電位測定装置の出力は、
sin”(Δφ+α)
に比例し、第1図の装置に比して感度が低い。
第2図、第3図に示す装置においては、被測定物上の1
ケ所の電位が測定でき、被測定物体の表面全体の測定を
連続して行う場合は光学系と被測定物体とを相対的に運
動させて表面全体を走査する必要がある。この場合、セ
ンサ部の電気光学結晶は光学系に対して相対的に静止し
ていてもよいし5、被測定物体に対して相対的に静止し
ていてもよい。
ケ所の電位が測定でき、被測定物体の表面全体の測定を
連続して行う場合は光学系と被測定物体とを相対的に運
動させて表面全体を走査する必要がある。この場合、セ
ンサ部の電気光学結晶は光学系に対して相対的に静止し
ていてもよいし5、被測定物体に対して相対的に静止し
ていてもよい。
なお、解像度は電気光学結晶が薄いほど高(なり、対物
レンズのN、A(開口数)を最適化する必要があり、一
方、感度は電気光学結晶が厚いほど高くなり、解像度と
は両立しない。
レンズのN、A(開口数)を最適化する必要があり、一
方、感度は電気光学結晶が厚いほど高くなり、解像度と
は両立しない。
また、測定に当たっては電気光学結晶と被測定物との間
のギャップを決めておく必要があり、そのためにはサー
ボm構を用いてギャップコントロ−ルを行うようにすれ
ばよい、このギ中ツフ゛コントロールは、被測定物と電
気光学結晶の一方または両方を動かして行うことができ
、電気光学結晶も動かす場合には分割したフォトダイオ
ードで電気光学結晶からの反射光を受光し、各フォトダ
イオードの受光量の差が小さくなるようにサーボ機構に
フィードバックをかけて電気光学結晶へのフォーカシン
グを行うようにすることが必要である。
のギャップを決めておく必要があり、そのためにはサー
ボm構を用いてギャップコントロ−ルを行うようにすれ
ばよい、このギ中ツフ゛コントロールは、被測定物と電
気光学結晶の一方または両方を動かして行うことができ
、電気光学結晶も動かす場合には分割したフォトダイオ
ードで電気光学結晶からの反射光を受光し、各フォトダ
イオードの受光量の差が小さくなるようにサーボ機構に
フィードバックをかけて電気光学結晶へのフォーカシン
グを行うようにすることが必要である。
以下、実施例を説明する。
〔実施例−1〕
300μmの厚みのGaPからなる低抵抗化合物半導体
基板(100)上に高抵抗ZnTeをMOCVD法によ
り20μm厚にエピタキシャル成長させ、第4図に示す
ように導体40に電源Vより100vを印加したとき、
第2図の測定装置で検出したところ入射光強度に対して
1%の出力変化が得られ、また、用いる光の波長に応じ
て数%〜数10%の出力変化が得られた。
基板(100)上に高抵抗ZnTeをMOCVD法によ
り20μm厚にエピタキシャル成長させ、第4図に示す
ように導体40に電源Vより100vを印加したとき、
第2図の測定装置で検出したところ入射光強度に対して
1%の出力変化が得られ、また、用いる光の波長に応じ
て数%〜数10%の出力変化が得られた。
〔実施例−2〕
低抵抗CaP(100)基板上にMOCVD法により高
抵抗Cu G a S tを10am厚にエピタキシャ
ル成長させ、その上にSin、とCaF。
抵抗Cu G a S tを10am厚にエピタキシャ
ル成長させ、その上にSin、とCaF。
の多層誘電体反射膜を電子線加熱蒸着により作製した。
以上のように本発明によれば、化合物半導体の複屈折性
を利用し、不純物をドープすることにより低抵抗とした
半導体上に高抵抗化合物半導体をエピタキシャル成長さ
せるようにしたので、加工性がよく、しかも面精度は極
めて高く、光劣化の少、ないセンサを構成することが可
能となる。
を利用し、不純物をドープすることにより低抵抗とした
半導体上に高抵抗化合物半導体をエピタキシャル成長さ
せるようにしたので、加工性がよく、しかも面精度は極
めて高く、光劣化の少、ないセンサを構成することが可
能となる。
第1図は本発明の電位センサの構成を示す図、第2図、
第3図は本発明のセンサを使用した測定装置の構成を示
す図、第4図は電位センサの電位検出例を説明するため
の図、第5図は光学電位センサの説明図、第6図は従来
の電位センサの構成を示す図である。 10・・・センサ、11・・・低抵抗化合物半導体、1
2・・・高抵抗化合物半導体、13・・・誘電体反射膜
。 出 願 人
第3図は本発明のセンサを使用した測定装置の構成を示
す図、第4図は電位センサの電位検出例を説明するため
の図、第5図は光学電位センサの説明図、第6図は従来
の電位センサの構成を示す図である。 10・・・センサ、11・・・低抵抗化合物半導体、1
2・・・高抵抗化合物半導体、13・・・誘電体反射膜
。 出 願 人
Claims (4)
- (1)低抵抗化合物半導体基板上にエピタキシャル成長
により、高抵抗化合物半導体層を形成したことを特徴と
する電気光学結晶を用いた電位センサ。 - (2)低抵抗化合物半導体及び高抵抗化合物半導体は、
バンドギャップを大きくしたことを特徴とする請求項1
記載の電気光学結晶を用いた電位センサ。 - (3)高抵抗化合物半導体層上に誘電体反射膜を形成し
たことを特徴とする請求項1または2記載の電気光学結
晶を用いた電位センサ。 - (4)請求項1〜3のち何れか1項記載のセンサを被測
定体に近接して対向配置するとともに低抵抗化合物半導
体基板を接地し、直線偏光、楕円偏光、あるいは円偏光
を照射して偏光状態の変化から被測定体の電位を測定す
ることを特徴とする電位測定方法。
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1294367A JPH03154875A (ja) | 1989-11-13 | 1989-11-13 | 電気光学結晶を用いた電位センサ及び電位測定方法 |
DE69017431T DE69017431T2 (de) | 1989-11-13 | 1990-11-13 | Spannungsfühler mit elektrooptischem kristall sowie verfahren zur spannungsmessung. |
EP90916382A EP0454860B1 (en) | 1989-11-13 | 1990-11-13 | Potential sensor using electro-optical crystal and method of measuring potential |
PCT/JP1990/001466 WO1991007666A1 (en) | 1989-11-13 | 1990-11-13 | Potential sensor using electro-optical crystal and method of measuring potential |
US08/094,907 US5434698A (en) | 1989-11-13 | 1993-07-20 | Potential sensor employing electrooptic crystal and potential measuring method |
US08/404,345 US5550370A (en) | 1989-11-13 | 1995-03-15 | Potential sensor employing electrooptic crystal and potential measuring method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1294367A JPH03154875A (ja) | 1989-11-13 | 1989-11-13 | 電気光学結晶を用いた電位センサ及び電位測定方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03154875A true JPH03154875A (ja) | 1991-07-02 |
Family
ID=17806795
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1294367A Pending JPH03154875A (ja) | 1989-11-13 | 1989-11-13 | 電気光学結晶を用いた電位センサ及び電位測定方法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0454860B1 (ja) |
JP (1) | JPH03154875A (ja) |
DE (1) | DE69017431T2 (ja) |
WO (1) | WO1991007666A1 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5903296A (en) * | 1993-04-26 | 1999-05-11 | Dai Nippon Printing Co., Ltd. | Photoelectric sensor, information recording system and information recording and reproducing method |
JP2004238268A (ja) * | 2003-02-07 | 2004-08-26 | Nikko Materials Co Ltd | 電気光学素子用CdTe系化合物半導体単結晶 |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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