DE3850918T2 - Spannungsdetektor. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungsdetektor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
• Im besonderen betrifft die vorliegende Erfindung einen Spannungsdetektor des Typs, der die Spannung durch Ausnutzen der Änderung in der Lichtpolarisierung, die in Übereinstimmung mit der in einem ausgewählten Bereich eines zu messenden Objekts entstehenden Spannung auftritt, ermittelt.
• Es wurden verschiedenartige Spannungsdetektoren verwendet, um die in einem ausgewählten Bereich von zu messenden Objekten, zum Beispiel elektrischen Schaltungen, entstehende Spannung zu ermitteln. Herkömmliche Spannungsdetektoren werden grob in zwei Arten unterteilt: bei einer Art wird eine Berührung des Meßfühlers mit einem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts hergestellt und die in diesem Bereich entstehende Spannung gemessen. Bei der anderen Art berührt der Meßfühler einen ausgewählten Bereich eines zu messenden Objekts nicht, und statt dessen wird ein Elektronenstrahl auf diesen Bereich gerichtet und die dort entstehende Spannung ermittelt.
• In feinlinigen Abschnitten von Objekten, wie bei integrierten Schaltungen, die klein und in der Struktur kompliziert sind, ändert sich die Spannung schnell und es besteht ein starker Bedarf in der Technik, solch eine schnell veränderliche Spannung mit hoher Genauigkeit zu ermitteln, ohne die feinlinigen Abschnitte zu beeinflussen. Diese Anforderung wurde jedoch von den herkömmlichen Spannungsdetektoren nicht voll erfüllt. Bei Detektoren der Art, die Spannung durch Herstellen einer Berührung des Meßfühlers mit einem ausgewählten Bereich eines zu messenden Objekts ermittelt, ist es schwierig, einen direkten Kontakt zwischen dem Meßfühler und einem feinlinigen Abschnitt des interessierenden Objekts, zum Beispiel einer integrierten Schaltung, herzustellen. Selbst wenn dies erfolgreich gelingt, war es schwierig, die Funktion der integrierten Schaltung allein auf der Basis der von dem Meßfühler abgenommenen Spannungsinformation zu analysieren. Ein weiteres Problem besteht darin, daß eine Berührung durch den Meßfühler eine Veränderung der Funktion der integrierten Schaltung zur Folge haben kann.
• Das Dukument Patent Abstracts of Japan, Vol. 7, Nr. 253 (10.11.83), beschreibt einen optischen Spannungsfeldsensor, bei dem ein Lichtstrahl ein optisches Filter, eine Mikrolinse, einen polarisierenden Strahlteiler, ein Pockels-Element mit transparenten Elektroden und eine λ/4-Platte durchläuft und durch ein Prisma reflektiert wird und wieder auf das Pockels-Element auftrifft und über eine zweite λ/4- Platte wieder durch den polarisierenden Strahlteiler und eine weitere Mikrolinse läuft und schließlich durch einen Photodetektor photoelektrisch umgewandelt wird, um die angelegte Spannung zu messen. Das Licht durchläuft das Pockels-Element vorwärts und rückwärts, um die natürliche Doppelbrechung zu eliminieren.
• Spannungsdetektoren der Art, die einen Elektronenstrahl verwenden, haben den Vorteil, daß sie in der Lage sind, Spannung zu ermitteln, ohne den Meßfühler mit einem zu messenden Objekt in Berührung zu bringen. Der mit solchen Spannungsdetektoren zu messende Bereich muß jedoch in ein Vakuum eingebracht und seine Oberfläche dort freigelegt werden. Außerdem ist der zu messende Bereich für Beschädigung durch die Elektronenstrahlen empfänglich.
• Die herkömmlichen Spannungsdetektoren haben ein gemeinsames Problem darin, schnellen Spannungsänderungen nicht schnell genug folgen zu können und folglich nicht in der Lage sind, eine genaue Ermittlung von Spannungen, die sich, wie bei integrierten Schaltungen, schnell ändern, zu erzielen.
• Um dieses Problem zu lösen, wurde von den vorliegenden Erfindern (Japanische Patentanmeldung Nr. 137317/1987, eingereicht am 30. Mai 1987) vorgeschlagen, Spannung durch Ausnutzen der Polarisierung eines Lichtstrahls, die sich mit der in einem ausgewählten Bereich eines zu messenden Objekts entstehenden Spannung ändert, zu ermitteln.
• Ein nach diesem Prinzip arbeitender Spannungsdetektor ist in Fig. 8 schematisch dargestellt. Der allgemein mit 50 bezeichnete Detektor besteht aus den folgenden Komponenten: einem optischen Meßfühler 52, einer CW- (Dauerstrich) Lichtquelle 53, typischerweise in Form einer Laserdiode, einer optischen Faser 51 zum Führen eines Lichtstrahls von der CW-Lichtquelle 53 durch eine Kondensorlinse 60 in den optischen Meßfühler 52, einer optischen Faser 92 zum Führen von Referenzlicht von dem optischen Meßfühler 52 durch einen Kollimator 90 in einen photoelektrischen Wandler 55, einer optischen Faser 93 zum Führen von Ausgangslicht von dem optischen Meßfühler 52 durch einen Kollimator 91 in einen photoelektrischen Wandler 58 und einer Komparatorschaltung 61 zum Vergleichen der elektrischen Signale von den photoelektrischen Wandlern 55 und 58.
• Der optische Meßfühler 52 ist mit einem elektrooptischen Material 62, z. B. einem optisch einachsigen Kristall aus Lithiumtantalat (LiTaOs), gefüllt. Die Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62 ist zu einer stumpfkegeligen Form gearbeitet. Der optische Meßfühler 52 ist mit einer leitfähigen Elektrode 64 umgeben und hat an seiner Spitze 63 eine Beschichtung aus einem reflektierenden Spiegel 65 in Form einer dünnen Metallschicht oder einer mehrlagigen dielektrischen Schicht.
• Der Meßfühler 52 enthält ferner die folgenden Komponenten: einen Kollimator 94, Kondensorlinsen 95 und 96, einen Polarisator 54 zum selektiven Extrahieren eines Lichtstrahls mit einem vorbestimmten Polarisierungsanteil aus dem durch den Kollimator 94 fließenden Lichtstrahl und einen Strahlteiler 56, der den extrahierten Lichtstrahl aus dem Polarisator 54 in Referenzlicht und in das elektrooptische Material 62 zu strahlendes Eingangslicht teilt, und der es dem aus dem elektrooptischen Material 62 heraustretenden Ausgangslicht erlaubt, in einen Analysator 57 gerichtet zu werden. Das Referenzlicht wird durch die Kondensorlinse 95 geführt und von da in die optische Faser 92 eingeführt, wogegen das aus dem elektrooptischen Material 62 heraustretende Ausgangslicht durch die Kondensorlinse 96 geführt und von da in die optische Faser 93 eingeleitet wird.
• Bei dem in Fig. 8 gezeigten System beginnt die Spannungsermittlung mit dem Verbinden der leitfähigen Elektrode 64 am Umfang des Meßfühlers 52 mit einem vorbestimmten Potential wie zum Beispiel Masse. Dann wird die Spitze 63 des Meßfühlers 52 nahe an das zu messende Objekt, z. B. eine integrierte Schaltung (nicht gezeigt), heranbracht, worauf eine Veränderung im Brechungsindex der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62 im Meßfühler 52 eintritt. Genauer gesagt, die Differenz zwischen den Brechungsindizes für einen gewöhnlichen Strahl und einen außergewöhnlichen Strahl in einer senkrechten Ebene zur Flußrichtung des Lichts wird sich in dem optisch einachsigen Kristall ändern.
• Der aus der Lichtquelle 53 austretende Lichtstrahl fließt durch die Kondensorlinse 60 und wird durch die optische Faser 51 geführt, um in den Kollimator 94 in dem Meßfühler 52 gerichtet zu werden. Der Lichtstrahl wird von dem Polarisator 54 polarisiert, und ein vorbestimmter polarisierter Anteil mit der Intensität I wird durch den Strahlteiler 56 in das elektrooptische Material 62 in dem Meßfühler 52 eingeführt. Das Referenzlicht und das Eingangslicht, die durch Durchgang durch den Strahlteiler 56 erzeugt werden, haben jeweils eine Intensität von I/2. Wie bereits erwähnt, ändert sich der Brechungsindex der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62 mit der Spannung an dem gemessenen Objekt, so daß das in das elektrooptische Material 62 geleitete Licht an der Spitze 63 eine Änderung im Zustand seiner Polarisierung im Übereinstimmung mit der Änderung im Brechungsindex der Letzteren erfährt. Das Eingangslicht wird dann von dem reflektierenden Spiegel 65 reflektiert und macht einen Rücklauf durch das elektrooptische Material 62, aus dem es austritt, und läuft zurück zu dem Strahlteiler 56. Wird die Länge der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62 als l bezeichnet, wird sich der Polarisierungszustand des in dieses Material geleiteten Eingangslichts proportional zu der Differenz zwischen den Brechungsindizes für einen gewöhnlichen und einen außergewöhnlichen Strahl wie auch zu der Länge 22 ändern. Das in den Strahlteiler 56 zurückgesandte Ausgangslicht wird von dort in den Analysator 57 gerichtet. Die Intensität des in den Analysator 57 eintretenden Lichts wurde als Folge der Teilung mit dem Strahlteiler 56 auf I/4 vermindert. Wenn der Analysator 57 so aufgebaut ist, daß nur ein Lichtstrahl mit einem polarisierten Anteil senkrecht zu dem durch den Polarisator 54 extrahierten übertragen wird, wird die Intensität des Ausgangslichts, das nach Erfahren einer Änderung im Zustand seiner Polarisierung in den Analysator 57 geführt wird, in dem Analysator 57 von I/4 auf (I/4)sin²[(π/2)V/Vo] verändert, bevor es weiter in den photoelektrischen Wandler 58 geführt wird. In der Formel, die die Intensität des aus dem Analysator 57 austretenden Lichts ausdrückt, ist V die in dem zu messenden Objekt vorhandene Spannung, und Vo ist eine Halbwellenspannung.
• In der Komparatorschaltung 61 wird die Stärke des von dem photoelektrischen Wandler 55 erzeugten Referenzlichtes, oder I/2, mit der Stärke des von dem anderen photoelektrischen Wandler 58 erzeugten Ausgangslichtes, oder (I/4)sin²[(π/2)V/Vo], verglichen.
• Die Intensität des Ausgangslichts, oder (I/4)sin²[π/2)V/Vo], wird sich mit der Änderung im Brechungsindex der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62, die als Folge einer Spannungsänderung auftritt, ändern. Daher kann diese Intensität als Basis zum Ermitteln der in einem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts, z. B. einer integrierten Schaltung, vorhandenen Spannung verwendet werden.
• Wie oben beschrieben, wird bei Verwendung des Spannungsdetektors von Fig. 8 die Spitze 63 des optischen Meßfühlers 52 nahe an das zu messende Objekt herangebracht, und die resultierende Veränderung im Brechungsindex der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62 wird als Basis zur Ermittlung der in einem ausgewählten Bereich des interessierenden Objekts vorhandenen Spannung verwendet. Daher kann die in feinlinigen Teilen eines kleinen und komplizierten Objekts, z. B. einer integrierten Schaltung, die mit einem Meßfühler schwierig zu kontaktieren sind oder mit demselben nicht kontaktiert werden können, ohne die gemessene Spannung zu beeinflussen, vorhandene Spannung von dem Detektor 50 wirksam ermittelt werden, ohne den optischen Meßfühler 52 mit solchen feinlinigen Teilen in Berührung zu bringen.
• Bei dem in Fig. 8 gezeigten Spannungsdetektor 50 läuft in dem elektrooptischen Material 62 das Eingangslicht auf dem gleichen Weg wie das Ausgangslicht, so daß ein Teil des Ausgangslichtes durch den Strahlteiler 56 in Richtung auf den Kollimator 94 fließt und zur Spannungsermittlung nicht wirksam verwendet wird. Als Folge davon ist die Intensität des in den Analysator 57 eingeleiteten Ausgangslichtes etwa eine Hälfte der Intensität des in die Kondensorlinse 95 oder den photoelektrischen Wandler 55 eingeleiteten Referenzlichtes und ist nicht hoch genug, um eine genaue Ermittlung der in einem ausgewählten Bereich des gemessenen Objekts entstehenden Spannung zu erlauben. Ferner kehrt ein Teil des Ausgangslichtes, das durch den Strahlteiler 56 in Richtung auf den Kollimator 94 fließt, zu der Lichtquelle 53 zurück, um ihre Funktion potentiell zu instabilisieren. Ein weiteres Problem bei dem in Fig. 8 gezeigten Spannungsdetektor resultiert aus der Tatsache, daß die Länge l der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62 in bestimmten Grenzen gehalten werden muß, um den Detektor von nachteiligen Einwirkungen umgebender Störspannungen zu trennen. Mit anderen Worten, wenn die in einem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts vorhandene Spannung klein ist, wird sich der Zustand der Polarisation eines Lichtstrahls nur wenig ändern, und die interessierende Spannung kann nicht mit hoher Empfindlichkeit ermittelt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spannungsdetektor zur Verfügung zu stellen, der imstande ist, die in einem ausgewählten Bereich eines zu messenden Objektes entstehende Spannung genau und empfindlich zu ermitteln.
• Die vorliegende Erfindung ist auf eine Verbesserung eines Spannungsdetektors einer Art gerichtet, die ein elektrooptisches Material verwendet, dessen Brechungsindex sich mit der in einem ausgewählten Beeines zu messenden Objekts entstehenden Spannung ändert.
• Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben dargelegte Aufgabe durch die Merkmale in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 erfüllt.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die optische Einrichtung mit einer reflektierenden Einrichtung kombiniert, die mehrfache Lichtreflexionen in dem elektrooptischen Material bewirkt. Das Ausgangslicht wird nicht nur in einer Stärke abgenommen, die im wesentlichen der des Eingangslichtes entspricht, sondern es werden auch mehrfache Lichtreflexionen in dem elektrooptischen Material hervorgerufen. Der in dem elektrooptischen Material durch die Lichtstrahlen durchlaufene optische Weg wird daher ausreichend erweitert, um eine große Änderung in dem Zustand der Polarisation des Ausgangslichtes wegen der Änderung im Brechungsindex des elektrooptischen Materials zu bewirken. Dies ermöglicht die empfindliche Ermittlung einer niedrigen Spannung, die sich in einem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts entwickelt.
• Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ausführlicher sichtbar werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 ist eine Zeichnung, die den Aufbau eines Spannungsdetektors gemäß einer Ausführung des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung zeigt;
• Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Spannungsdetektors von Fig. 1;
• Fig. 3(a) ist eine Zeichnung, die schematisch einen Teil des Aufbaus eines Spannungsdetektors zeigt, der mit einer Viertelwellenlängen- (λ/4) platte ausgestattet ist;
• Fig. 3(b) ist eine Zeichnung, die schematisch einen Teil des Aufbaus eines Spannungsdetektors zeigt, der mit λ/8-Platte ausgestattet ist;
• Fig. 4 ist ist eine Zeichnung, die einen Teil des Aufbaus eines Spannungsdetektors gemäß einer Ausführung des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung zeigt;
• Fig. 5 zeigt eine Abwandlung des Spannungsdetektors von Fig. 4;
• Fig. 6 ist eine Zeichnung, die einen modifizierten optischen Meßfühler mit einer über dem elektrooptischen Material angeordneten Sammellinse zeigt;
• Fig. 7 ist eine Zeichnung, die einen weiteren modifizierten optischen Meßfühler zeigt, bei dem eine optische Einrichtung in der Form eines dreikantigen Prismas über dem elektrooptischen Material angeordnet ist, und
• Fig. 8 ist eine Zeichnung, die den Aufbau eines Spannungsdetektors zeigt, der in der Japanischen Patentanmeldung Nr. 137317/1987 vorgeschlagen worden ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Nachstehend werden verschiedene Ausführungen der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
• Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Spannungsdetektors gemäß einer Ausführung des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung.
• Der in Fig. 1 allgemein mit 1 bezeichnete Spannungsdetektor umfaßt einen optischen Meßfühler 2, der ein elektrooptisches Material 3 akkomodiert, in dem als eine optische Einrichtung eine Sammellinse 4 teilweise vergraben ist. Der optische Meßfühler 2 nimmt auch die folgenden Komponenten auf: einen Kollimator 5, die Kondensorlinsen 6 und 7; einen Polarisator 8, der einen Lichtstrahl mit einer vorbestimmten polarisierten Komponente aus dem Lichtstrahl, der aus der Kollimator 5 hervorgeht, selektiv extrahiert; einen Strahlteiler 9, der den polarisierten Lichtstrahl aus dem Polarisator 8 in zwei Komponenten zerlegt, von denen eine als Eingangslicht in Richtung auf die Sammellinse 4 und die andere als Referenzlicht in Richtung auf einen Spiegel 11 und eine Kondensorlinse 6 gerichtet wird, und einen Analysator 10, durch den ein vorbestimmter polarisierter Anteil aus dem Ausgangslicht, das von der Sammellinse 4 abgestrahlt worden ist, um in das elektrooptische Material 3 einzutreten, und das von einem reflektierenden Spiegel 65 in der Form einer dünnen Metallschicht oder einer mehrlagigen dielektrischen Schicht reflektiert worden ist, extrahiert und in die Kondensorlinse 7 geleitet wird. Die Sammellinse 4, die zum Teil in dem elektrooptischen Material 3 vergraben ist, ist so ausgelegt, daß Lichtstrahlen, die sie durchlaufen, in einem Punkt auf dem reflektierenden Spiegel 65 konvergieren.
• Ein aus einer Lichtquelle 53 hervortretender Lichtstrahl wird durch eine Kondensorlinse 30 gebündelt und durch einen Lichtleiter 12 in den Kollimator 5 in dem optischen Meßfühler 2 geworfen. Die Kondensorlinsen 6 und 7 in dem Meßfühler 2 sind mit den Kollimatoren 31 bzw. 32 über die Lichtleiter 13 und 14 verbunden. Das durch die Kollimatoren 31 und 32 parallel gerichtete Referenzlicht und das Ausgangslicht werden in die photoelektrischen Wandler 33 bzw. 34 geleitet. Von den Photowandlern 33 und 34 ausgegebene elektrische Signale werden in einer Vergleichsschaltung 37 verglichen, um die in einem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts vorhandene Spannung zu ermitteln.
• Bei den Spannungsdetektor 1 mit dem oben beschriebenen Aufbau durchläuft ein aus der CW- (Dauerstrich) Lichtquelle 53, typischerweise eine Laserdiode, austretender Lichtstrahl die Kondensorlinse 30, den Lichtleiter 12, den Kollimator 5 und den Polarisator 8, um in den Strahlteiler 9 als ein Lichtstrahl mit der Stärke I mit einem vorbestimmten Polarisationsanteil einzutreten. Wie bei dem in Fig. 8 gezeigten Strahlteiler 56 wird der in den Strahlteiler 9 eintretende Lichtstrahl in zwei Anteile zerlegt, von denen einer als Referenzlicht in Richtung auf den Spiegel 11 und die Kondensorlinse 6 geführt wird und der andere als Eingangslicht in Richtung auf die Sammellinse 4 gerichtet wird. Das resultierende Referenzlicht und das Eingangslicht besitzen jeweils eine Intensität von I/2.
• Das Referenzlicht von dem Strahlteiler 9 läuft durch den Lichtleiter 13 und den Kollimator 31, um in den photoelektrischen Wandler 33 geworfen zu werden, während das Eingangslicht von dem Strahlteiler 9 die Sammellinse 4 durchläuft, die einen Brennpunkt auf dem reflektierenden Spiegel 65 besitzt, und von dort in das elektrooptische Material 3 geworfen wird und dieses durchläuft, bis es den reflektierenden Spiegel 65 erreicht. Das Eingangslicht wird dann von dem Spiegel 65 reflektiert und läuft als Ausgangslicht zu der Sammellinse 4 zurück. Wie aus Fig. 1 deutlich wird, hat die Sammellinse 4 eine solche konvergierende Wirkung, daß das Eingangslicht auf einem anderen Weg als das Ausgangslicht läuft, wodurch das Ausgangslicht, ohne einen Strahlteiler zu durchlaufen, von der Sammellinse 4 direkt in den Analysator 10 geworfen werden kann. Bei Abwesenheit irgendeines weiteren Strahlteilers auf dem Weg zwischen dem Strahlteiler 9 und dem Analysator 10 besitzt das in den Analysator 10 eintretende Ausgangslicht eine Intensität von I/2, was dem Wert der Intensität des Referenzlichtes entspricht.
• Das in den Analysator 10 eintretende Ausgangslicht hat in dem elektrooptischen Material 3 gemäß der auf das Material 3 ausgeübten Spannung eine Änderung im Zustand seiner Polarisation erfahren. Wenn der Analysator 10 so konstruiert ist, daß der polarisierte Anteil, den er extrahiert, senkrecht zu dem von dem Polarisator 8 extrahierten polarisierten Anteil ist, sollte daher das von dem Analysator 10 aufgenommene Ausgangslicht eine Intensität von (I/2)sin²[π/2)V/Vo] aufweisen. Die Intensität des Referenzlichtes, I/2, und die des Ausgangslichtes, (I/2)sin²[π/2)V/Vo], werden in den photoelektrischen Wandlern 33 bzw. 34 in elektrische Signale umgewandelt und in der Vergleichsschaltung 37 miteinander verglichen, um die in einem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts vorhandene Spannung zu ermitteln.
• Wie oben mit Verweis auf Fig. 1 beschrieben, wird bei dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung das Ausgangslicht von dem elektrooptischen Material 3 keiner Teilungswirkung eines Strahlteilers unterzogen, so daß das gesamte Ausgangslicht wirksam benutzt wird, um sicherzustellen, daß es im wesentlichen die gleiche Intensität haben wird wie das Referenzlicht. Außerdem wird das Ausgangslicht nicht zu der Lichtquelle 53 zurückkehren und eine stabile Funktion des Letzteren ist gewährleistet. Wegen dieser Merkmale kann die Spannung an dem gemessenen Objekt in der Vergleichsschaltung 37 mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
• Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des in Fig. 1 gezeigten Spannungsdetektors. Der in Fig. 2 allgemein mit 15 bezeichnete Spannungsdetektor unterscheidet sich von dem Spannungsdetektor in Fig. 1 dadurch, daß der optische Meßfühler 16 einen polarisierenden Strahlteiler 17 anstelle des Analysators 10 verwendet. Dieser polarisierende Strahlteiler 17 zerlegt das Ausgangslicht von der Sammellinse 4 in zwei Lichtstrahlen mit polarisierten Anteilen, die senkrecht zueinander sind. Einer der Lichtstrahlen wird durch die Kondensorlinse 7, den Lichtleiter 14 und den Kollimator 32 geführt, um in den photoelektrischen Wandler 34 geworfen zu werden, und der andere Lichtstrahl wird durch einen Pfad geführt, des aus dem Spiegel 18, der Kondensorlinse 19, dem Lichtleiter 48 und dem Kollimator 35 besteht, und wird von dort in den photoelektrischen Wandler 36 geworfen.
• Der Vorteil der Verwendung des polarisierenden Strahlteilers 17 anstelle des Analysators 10 ist, daß auch der polarisierte Anteil, der durch den Analysator 10 blockiert worden ist, als wirksame Ausgangslichtinformation benutzt werden kann, wodurch die Vergleichsschaltung 38 in die Lage versetzt wird, eine genauere Ermittlung der in einem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts vorhandenen Spannung vorzunehmen.
• Der in Fig. 2 gezeigte Spannungsdetektor 15 kann wie in Fig. 3(a) gezeigt abgewandelt werden, indem eine Viertelwellenlängen- (λ/4) Platte 20 zwischen dem Strahlteiler 9 und der Sammellinse 4 oder, wie in Fig. 3(b) gezeigt, eine λ/8-Platte 21 zwischen den Strahlteilern 9 und 17 und der Sammellinse 4 angeordnet wird. Wenn gewünscht, kann die λ/4-Platte 20 zwischen der Sammellinse 4 und dem polarisierenden Strahlteiler 17 anstelle des Strahlteilers 9 angeordnet werden.
• Wenn die λ/4-Platte 20 wie in Fig. 3(a) angeordnet ist, wird das linear polarisierte Eingangslicht von dem Strahlteiler 9 durch die Einrichtung der λ/4-Platte 20 in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt und von dort über die Sammellinse 4 in das elektrooptische Material 3 geleitet. Bei Abwesenheit einer an das elektrooptische Material 3 angelegten Spannung bleibt das Eingangslicht zirkular polarisiert, wenn es einem Umlauf durch das Material 3 vornimmt, und tritt danach als Ausgangslicht aus, das in den polarisierenden Strahlteiler 17 geworfen wird. Wenn die λ/8-Platte 21 wie in Fig. 3(b) gezeigt angeordnet ist, durchläuft das aus dem Strahlteiler 9 austretende linear polarisierte Eingangslicht die Platte 21, um durch die Sammellinse 4 hindurch in das elektrooptische Material 3 geworfen zu werden, und das Licht tritt nach einem Umlauf durch das Material 3 als Ausgangslicht aus, das die Sammellinse 4 und die Platte 21 durchläuft, um in den polarisierenden Strahlteiler 17 geworfen zu werden. Bei Abwesenheit einer an das elektrooptische Material 3 angelegten Spannung befindet sich das Ausgangslicht, das im Begriff ist, in den polarisierenden Strahlteiler 17 geworfen zu werden, in einem zirkular polarisierten Zustand. Die in die optischen Wege des Eingangs- und Ausgangslichtes eingefügte λ/8-Platte 21 führt daher die gleiche Funktion aus wie die in Fig. 3(a) gezeigte λ/4-Platte 20.
• Wie oben beschrieben, sind die in Fig. 3(a) und 3(b) gezeigten Ausführungen so konstruiert, daß zirkular polarisiertes Licht in den polarisierenden Strahlteiler 17 geworfen wird, wenn an das elektrooptische Material 3 keine Spannung angelegt wird. Bei Abwesenheit einer an das elektrooptische Material 3 angelegten Spannung besitzen die aus dem polarisierenden Strahlteiler 17 austretenden zwei geteilten Lichtstrahlen die gleiche Intensität, und das von dem photoelektrischen Wandler 34 erzeugte elektrische Ausgangssignal wird gleich dem, das von dem photoelektrischen Wandler 36 erzeugt wird. Als Folge wird die Differenz zwischen den elektrischen Signalen von den photoelektrischen Wandlern 34 und 36, wenn in der Vergleichsschaltung 38 verglichen, null, was der Ermittlung des Zustandes entspricht, bei dem keine Spannung an das elektrooptische Material 3 angelegt wird. Mit anderen Worten, die Notwendigkeit, an der Vergleichsschaltung 38 einen Nullabgleich vorzunehmen, wird beseitigt. Der weitere Vorteil der Differenzbildung zwischen den Signalen von den zwei photoelektrischen Wandlern 34 und 36 ist, daß die Ermittlungsempfindlichkeit verdoppelt werden kann, um die Genauigkeit der von der Vergleichsschaltung 38 ausgeführten mathematischen Operationen zu verbessern.
• Fig. 4 zeigt einen Teil des Aufbaus des Spannungsdetektors gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Der in Fig. 4 allgemein mit 22 bezeichnete Spannungsdetektor umfaßt einen optischen Meßfühler 23, gepackt mit einem elektrooptischen Material 24, in dem eine Sammellinse 25 teilweise vergraben ist. Die Mitte der Sammellinse 25 befindet sich in einem Abstand L&sub1; von dem reflektierenden Spiegel 65. Das elektrooptische Material 24 enthält einen Spiegel 26, der sich in einem Abstand L&sub2; von dem reflektierenden Spiegel 65 befindet. Die Sammellinse 25 unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Sammellinse 4 dadurch, daß sie eine Brennweite von (L&sub1; + L&sub2;) besitzt, so daß Lichtstrahlen, die aus dieser Linse austreten, in einem Punkt auf dem Spiegel 26 konvergieren.
• Bei dem Spannungsdetektor 22 mit dem oben beschriebenen Aufbau durchläuft das in die Sammellinse 25 geworfene Eingangslicht das elektrooptische Material 24, bis es den reflektierenden Spiegel 65 erreicht, von dem es reflektiert und auf den Spiegel 26 projiziert wird, der wiederum das Licht reflektiert. Das reflektierte Licht läuft dann weiter zu dem reflektierenden Spiegel 65, von dem es reflektiert wird, und läuft als Ausgangslicht durch das elektrooptische Material 24 zurück in Richtung auf die Sammellinse 25. Wie oben beschrieben, läuft das in das elektrooptische Material 24 geworfene Eingangslicht durch seinen Spitzenteil (der Bereich, der tatsächlich mit einer Spannung versorgt wird) über einen optischen Weg, der zweimal so lang ist wie der in der Ausführung von Fig. 1, und dies bringt eine zweimal so große Änderung in den Zustand der Polarisation des Lichtstrahls ein, der das elektrooptische Material 24 durchläuft.
• Als Folge kann die in einem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts entstehende Spannung mit etwa der doppelten Empfindlichkeit ermittelt werden, die mit dem in Fig. 1 gezeigten System erreicht werden kann, und selbst eine niedrige Spannung, die in einem ausgewählten Bereich des interessierenden Objekts entsteht, kann mit höherer Empfindlichkeit ermittelt werden, die wenigstens das Zweifache des mit der vorangehenden Ausführung erzielten Wertes beträgt.
• Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführung wird das Eingangslicht nur einmal durch den Spiegel 26 reflektiert. Wenn das Eingangslicht n-mal von dem Spiegel 26 reflektiert wird, kann eine Empfindlichkeit erhalten werden, die etwa (n + 1) mal größer ist als die, die mit dem in Fig. 1 gezeigten System erzielt wird.
• Fig. 5 zeigt eine Abwandlung des in Fig. 4 gezeigten Spannungsdetektors. Bei dieser modifizierten Version wird ein Strahlteiler 28 anstelle des Spiegels 26 benutzt, und ein Teil des von dem reflektierenden Spiegel 65 reflektierten Lichtstrahles wird durch diesen Strahlteiler 28 übertragen, und das übertragene Licht wird durch einen Strahlteiler 29 in zwei Komponenten zerlegt, wobei eine von einem Spiegel 39 reflektiert und durch eine Kondensorlinse 42 geführt wird, um in einen zugehörigen photoelektrischen Wandler (nicht gezeigt) geworfen zu werden, und die andere durch eine Kondensorlinse 41 geführt wird, um in einen zugehörigen photoelektrischen Wandler (nicht gezeigt) geworfen zu werden. Die elektrischen Signale von den zwei photoelektrischen Wandlern werden der Vergleichsschaltung 38 zugeführt. Genauer gesagt, die Vergleichsschaltung 38 wird nicht nur mit den elektrischen Ausgangssignalen von den photoelektrischen Wandlern, die auf der Änderung im Zustand der Polarisierung des übertragenen Lichtes in den Strahlteiler 29 beruhen, sondern auch mit den elektrischen Ausgangssignalen von den photoelektrischen Wandlern 34 und 36 gespeist, die auf dem polarisierten Anteil des Ausgangslichtes in den Strahlteiler 17 beruhen, das einer zweimal so großen Änderung im Zustand der Polarisation unterworfen war wie das übertragene Licht in den Strahlteiler 29. Auf diese Weise wird die Vergleichsschaltung 38 mit einem erhöhten Betrag der Information gespeist, die zum Ermitteln der in einem ausgewählten Bereich des gemessenen Objekts entstehenden Spannung benötigt wird, und als Ergebnis kann die Genauigkeit der Spannungsermittlung, nämlich die Genauigkeit des in der Vergleichsschaltung 38 ausgeführten Vergleichs, verbessert werden.
• Bei den optischen Meßfühlern 2, 16 und 23, die in den in Fig. 1 bis 5 gezeigten Ausführungen verwendet werden, sind die Sammellinsen 4 und 25 teilweise in den elektrooptischen Materialien 3 bzw. 24 vergraben. Eine Alternative zu dieser Anordnung wird in Fig. 6 gezeigt, wo sich eine Sammellinse 80 in einem optischen Meßfühler 79 über einem elektrooptischen Material 81 befindet, dessen oberes Ende so gearbeitet ist, daß Eingangslicht von der Sammellinse 80 senkrecht in das elektrooptische Material 81 geworfen werden wird, während Ausgangslicht ebenfalls senkrecht aus dem Material abstrahlen wird.
• Bei den vorangehenden Ausführungen werden die Sammellinsen 4, 25 und 80 als optische Einrichtungen benutzt, die dem Eingangslicht erlauben, auf einem anderen Weg als das Ausgangslicht zu laufen. Wenn gewünscht, können diese Sammellinsen durch ein dreikantiges Prisma 83 ersetzt werden, das, wie in Fig. 7 gezeigt, über einem elektrooptischen Material 82 gelegen ist.
• Die vorangehenden Ausführungen, z. B. die in Fig. 1, gehen davon aus, daß der mit dem Analysator 10 extrahierte polarisierte Anteil zu dem mit den Polarisator 8 extrahierten Anteil senkrecht ist. Es sollte jedoch beachtet werden, daß diese polarisierten Anteile zueinander parallel sein können, und daß in diesem Fall das von dem Analysator 10 aufgenommene Ausgangslicht eine Intensität haben wird, die proportional zu cos²[π/2)V/Vo] ist. Wenn gewünscht, können die zwei polarisierten Anteile eine derartige räumliche Beziehung haben, daß sie unter einem gewünschten Winkel zueinander geneigt sind.
• Um eine genauere Ermittlung schneller Änderungen in der Spannung mit einer hohen Zeitauflösung durchzuführen, kann ein schnell ansprechender Detektor, z. B. eine Streifenkamera, verwendet werden. In diesem Fall wird das Referenzlicht nicht immer verwendet.
• Obwohl die vorangehenden Ausführungen den Fall annehmen, wo die CW- Lichtquelle als die Lichtquelle 53 benutzt wird, können schnelle Änderungen in der Spannung in dem Objekt ermittelt werden, indem eine Lichtquelle, wie z. B. eine Laserdiode, die Lichtimpulse mit sehr kurzer Impulsbreite abstrahlt, als Lichtquelle 53 benutzt und eine abtastende Messung durchgeführt wird.
• Die Vorteile des Spannungsdetektors der vorliegenden Erfindung können wie folgt zusammengefaßt werden: gemäß ihren ersten Aspekt wird die optische Einrichtung in einer solchen Weise zur Verfügung gestellt, daß das in das elektrooptische Material geworfene Eingangslicht auf einem anderen Weg laufen wird als das aus dem elektrooptischen Material austretende Ausgangslicht, und dies es dem Ausgangslicht ermöglicht, mit der im wesentlichen gleichen Intensität wie das Eingangslicht aufgenommen zu werden, wodurch das gesamte Ausgangslicht vollständig benutzt werden kann, um eine genaue Ermittlung der in einem ausgewählten Bereich des zu messenden Objekts entstehenden Spannung sicherzustellen; ferner wird kein Teil des Ausgangslichtes zu der Lichtquelle zurückkehren, so daß eine stabile Funktion der Letzteren gewährleistet wird; gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung können das Eingangslicht und das Ausgangslicht nicht nur auf verschiedenen Wegen laufen, sondern sie werden auch mehr als einmal reflektiert, um den Betrag der Änderung zu erhöhen, die in dem Zustand der Polarisation des Ausgangslichtes auftritt, und dies erlaubt es, daß die in einem ausgewählten Bereich des interessierenden Objekts entstehende Spannung mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit ermittelt wird, auch wenn sie einen niedrigen Pegel aufweist.

Claims (12)

1. Spannungsdetektor (1) zur Detektieren einer Spannung, der umfaßt:

eine Lichtquelle (53) zum Emittieren eines Lichtstrahls, einen Spannungsfühlteil (2), der eine Reflexionseinrichtung (65) zum Reflektieren eines Eingangslichtstrahls und ein elektrooptisches Material (3), dessen Brechungsindex sich entsprechend der zu messenden Spannung ändert einschließt, eine Aufspalt- und Entnahmeeinrichtung (9) zur Entnahme eines Lichtstrahls mit einer ersten bestimmten polarisierten Komponente von einem Lichtstrahl, der von der Lichtquelle (53) eingeleitet worden ist und in das elektrooptische Material (3) als der Eingangsstrahl geführt worden ist, und zur Entnahme eines Ausgangslichtstrahls mit einer zweiten bestimmten polarisierten Komponente von einem Ausgangslichtstrahl, der aus dem elektrooptischen Material (3) tritt, nachdem er von der Reflexionseinrichtung (65) reflektiert worden ist, und zur Detektion des Ausgangslichtstrahls mit Hilfe eines Analysators (10, 17); dadurch gekennzeichnet, daß

die Aufspalt- und Entnahmeeinrichtung (9) zusätzlich zu dem Eingangsstrahl einen Referenzlichtstrahl entnimmt, wobei der Lichtstrahl der in den Analysator (10, 17) tritt die gleiche Intensität (J/2) wie der Referenzlichtstrahl aufweist;

und eine optische Einrichtung (4), die eine konvergierende Eigenschaft aufweist, zwischen dem Spannungsfühlteil und der Aufspalt- und Entnahmeeinrichtung angeordnet ist, und daß

eine Detektionseinrichtung (33, 34, 37) verwendet wird, um einen intensitätsabfall des Ausgangslichtstrahls, infolge des Unterschiedes der Polarisation im Vergleich zum Eingangslichtstrahl, zu detektieren und zu vergleichen.

2. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, wobei die Aufspalt- und Entnahmeeinrichtung (9) zudem den Lichtstrahl mit der ersten bestimmten polarisierten Komponente in einen Referenzlichtstrahl und den Eingangslichtstrahl, der in das elektrooptische Material (3) geleitet wird, aufspaltet; und

die Detektionseinrichtung (33, 34, 37) die Spannung auf der Basis der Intensität des Referenzlichtstrahls und der Intensität des Ausgangslichtstrahls mit der zweiten bestimmten polarisierten Komponente bestimmt.

3. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, wobei die optische Einrichtung eine konvexe Linse (4) ist.

4. Spannungsdetektor nach Anspruch 3, wobei die konvexe Linse zum Teil in dem elektrooptischen Material (3) eingebettet ist.

5. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, wobei die optische Einrichtung ein dreiseitiges Prisma (83) ist.

6. Spannungsdetektor nach Anspruch 2, wobei die Aufspalt- und Entnahmeeinrichtung einschließt:

einen ersten Strahlenteiler (9) zum Aufspalten des Lichtstrahls mit der ersten bestimmten polarisierten Komponente in den Referenzlichtstrahl und den Eingangslichtstrahl, der in das elektrooptische Material durch die optische Einrichtung (4, 83) geleitet wird; und

einen Analysator, der als polarisierender Strahlenteiler (17) ausgebildet ist, zum Aufspalten des Ausgangslichtstrahls aus der optischen Einrichtung in den Ausgangslichtstrahl mit der zweiten bestimmten polarisierten Komponente und einen Ausgangslichtstrahl mit einer dritten bestimmten polarisierten Komponente, welche senkrecht zu der zweiten bestimmten polarisierten Komponente steht; und wobei

die Detektoreinrichtung die Spannung dadurch bestimmt, daß sie zudem den Ausgangslichtstrahl mit der dritten bestimmten polarisierten Komponente verwendet.

7. Spannungsdetektor nach Anspruch 6, der weiter ein λ/4- Plättchen (20) umfaßt, das zwischen dem ersten Strahlenteiler (9) und der optischen Einrichtung (4) angebracht ist, um die lineare Polarisation des Eingangslichtstrahls in eine zirkulare Polarisation zu wandeln.

8. Spannungsdetektor nach Anspruch 6, der weiter ein λ/4- Plättchen (20), das zwischen der optischen Einrichtung (4) und dem polarisierenden Strahlenteiler (17) angebracht ist, um die lineare Polarisation des Ausgangslichtstrahls in eine zirkulare Polarisation zu wandeln.

9. Spannungsdetektor (15) nach Anspruch 6, der weiter ein λ/8-Plättchen (21) zwischen dem ersten Strahlenteiler (9) und der optischen Einrichtung (4) und zwischen der optischen Einrichtung (4) und dem polarisierenden Strahlenteiler (17) umfaßt.

10. Spannungsdetektor (22) nach Anspruch 1, der weiter eine zweite Reflexionseinrichtung (26) umfaßt, die zwischen der ersten Reflexionseinrichtung (65) und der optischen Einrichtung (25) in dem elektrooptischen Material (27) angebracht ist, um einen Lichtstrahl mehrmals zwischen der ersten und zweiten Reflexionseinrichtung zu reflektieren.

11. Spannungsdetektor nach Anspruch 10, wobei die zweite Reflexionseinrichtung (26) ein Spiegel ist.

12. Spannungsdetektor nach Anspruch 10, wobei die zweite Reflexionseinrichtung (28) ein zweiter Strahlenteiler ist, der einen Lichtstrahl, der von der ersten Reflexionseinrichtung (65) reflektiert worden ist, in einen Lichtstrahl spaltet, der zu der ersten Reflexionseinrichtung (65) läuft und einen Lichtstrahl, der aus dem elektrooptischen Material (24) zu der Aufspalt- und Entnahmeeinrichtung läuft; und

wobei die Detektoreinrichtung die Spannung bestimmt, indem sie weiter den Lichtstrahl, der nach dem Aufspalten aus dem zweiten Strahlenteiler läuft, verwendet.