JPH0385459A - 電圧検出装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔目次〕 概要 産業上の利用分野 従来の技術 発明が解決しようとする課題 課題を解決するための手段 作用 実施例 発明の効果 〔概要〕 本発明は、電圧検出装置、特に、電気光学効果を利用し
て電圧を検出する装置に関し、装置の小型化及び検出感
度を向上させることができる電圧検出装置を提供するこ
とを目的とし、電圧が印加される被検出体と、該被検出
体に関連され、被検出体の印加電圧により屈折率が変化
する電気光学結晶体と、を含み、電気光学結晶体に光を
入射させ、該電気光学結晶体からの反射光に基づいて、
被検出体の印加電圧を検出する電圧検出装置であって、
前記電気光学結晶体に入射されるべき２つの入射光であ
って、該結晶体に誘起される２つの異方軸に平行な偏光
面を有し周波数の異なる２つの入射光を発生する光発生
器と、電気光学結晶体からの２つの反射光を受光し、両
反射光の周波数差分の周波数を有する信号の位相と検出
位相として発生する受光器と、前記２つの入射光の周波
数差分の周波数を有する信号の位相を参照位相として発
生する参照位相発生器と、前記受光器からの検出位相を
参照位相発生器からの参照位相と比較し、両位相の位相
差を発生する位相比較器と、及び、該位相比較器からの
位相差に基づいて、被、検出体の印加電圧を演算する演
算器と、を含むように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、電圧検出装置、特に、電気光学効果を利用し
て電圧を検出する装置に関するものである。

ＬＳＩ等の半導体素子を製造、利用する際に、素子内外
の電圧信号波形を正確に測定することが必要である。し
かしながら、近年の素子の高速化に伴い、従来のＬＳＩ
テスタ等を用いた電気的な測定方式では、正確な測定が
困難である。そこで、半導体素子基板結晶の電気光学効
果を用いる光学式の電圧信号波形測定方式が提案され、
この方式によれば、高速信号の電圧波形を計測すること
ができる（例えば、Ｊ、Ａ、Ｖａｌａｍｘｎｉｓ　ｇｎ
ｄ　Ｇ、Ｍｏｕｒｏｕ”５ｕｂｐｉｃｏｓｅｅｏｎ＋］
　ｅｌｅｃｌ＋ｏｎｉｃｇ　ｓａｍｐｌｉｎｇ：ｐｒｉ
ｎｃｉ−ｐｌｅｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　
　ＩＥＥＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＱＵＡＮ−ＴＵＭ
　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ３，ＹＯＬ、　ＱＥ−２２，ｐ
ｐ、　Ｓ９−７８等）。

上記の光学式の電圧信号波形測定方式においては、大出
力のパルスレーザ光を光源とし強度の高い光を用いるこ
とにより、微弱な信号電圧の変化を測定できるようにし
、検出感度を向上させるサンプリング方式であるため、
装置が大型化するという問題がある。また、他の測定方
式として、検出用結晶体の上に被検出体であるＬＳＩを
載置し、電圧信号波形を測定する方式が知られている（
特開昭６４−２８５６６号公報参照）。このような方式
においても、装置の小型化の達成、及び、低出力の小型
レーザを用いた場合の検出感度の向上が課題になってい
る。

そのため、電気光学効果を利用した電圧検出装置におい
て、装置を小型化するとともに、検出感度を向上させる
ことが望まれている。

〔従来の技術〕

従来の電気光学効果を利用した電圧検出装置においては
、電気信号を光学的に検出するための変換器として、電
気光学結晶体が用いられている。

通常の場合、この電気光学結晶体には、数１００〜数１
０００ボルトの電圧が印加されるようになっており、こ
れは、ＬＳＩ内外で用いられる数ポルＰの電圧振幅とは
大きな違いである。このため、測定光の偏光面の変化と
して得られる測定結果光は、その振幅が小さい。そこで
、強度の高い測定光を用い、測定結果光の光量を増加さ
せ、これにより、検出感度を向上させている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の電気光学効果を利用した電圧検出装置におい
ては１０強度の高い測定光を用いて検出感度を向上させ
ており、このように測定光の強度を高めるため、装置が
大型化するという問題があった。

本発明の目的は、装置の小型化及び検出感度を向上させ
ることができる電圧検出装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

第１発明は、電圧が印加される被検出体と、及び、該被
検出体に関連され、被検出体の印加電圧により屈折率が
変化する電気光学結晶体と、を含み、電気光学結晶体に
光を入射させ、該電気光学結晶体からの反射光に基づい
て、被検出体の印加電圧を検出する電圧検出装置であっ
て、前記電気光学結晶体に入射されるべき２つの入射光
であって、該結晶体に誘起される２つの異方軸に平行な
偏光面を有し周波数の異なる２つの入射光を発生する光
発生器と、電気光学結晶体からの２つの反射光を受光し
、両反射光の周波数差分の周波数を有する信号の位相と
検出位相として発生する受光器と、前記２つの入射光の
周波数差分の周波数を有する信号の位相を参照位相とし
て発生する参照位相発生器と、前記受光器からの検出位
相を参照位相発生器からの参照位相と比較し、両位相の
位相差を発生する位相比較器と、及び、該位相比較器か
らの位相差に基づいて、被検出体の印加電圧を演算する
演算器と、を含むことを特徴とする。

第２発明は、電圧が印加される被検出体と、及び、該被
検出体に関連され、被検出体の印加電圧により屈折率が
変化する電気光学結晶体と、を含み、電気光学結晶体に
光を入射させ、該電気光学結晶体からの反射光に基づい
て、被検出体の印加電圧を検出する電圧検出装置であっ
て、前記電気光学結晶体に入射されるべき２つの入射光
であって、該結晶体に誘起される２つの異方軸に平行な
偏光面を有し周波数の異なる２つの入射光を発生する光
発生器と、電気光学結晶体からの２つの反射光を受光し
、両反射光の周波数差分を検出周波数として発生する受
光器と、前記２つの入射光の周波数差分を基準周波数と
して発生する基準周波数発生器と、前記受光器からの検
出周波数を基準周波数発生器からの基準周波数と比較し
、同周波数の周波数差を発生する比較器と、該比較器か
らの周波数差を電圧に変換する周波数−電圧変換器と、
及び、該変換器からの変換信号を積分し、被検出体の印
加電圧を求める積分器と、を含むことを特徴とする。

〔作用〕

まず、ｔＪＸ１発明においては、比較的低い強度の光で
あっても検出感度を向上させることができるように、測
定の対象を光強度の変化から光位相の変化に変更してお
り、以下、その原理を説明する。

電圧の印加により、電気光学結晶体には、２つの複屈折
性異方軸が誘起されるようになっており、該結晶体に誘
起される２つの複屈折性異方軸に平行な偏光面を有し周
波数の異なる２つの光を、電気光学結晶体に入射させる
。結晶体への印加電圧の変化により、結晶体の屈折率が
変化するので、結晶体を通過して反射させられる光は、
偏光面ごとにそれぞれ独立に位相変調される。この位相
変調された光をヘテロゲイン検波することにより、位相
変化が求められ、該位相変化により、結晶体の印加電圧
を高感度で検出する。

以下、第１発明の作用について詳述する。

電気光学結晶体に誘起される２つの異方軸に平行な偏光
面を有し周波数の異なる２つの入射光を、結晶体に入射
させ、該結晶体からの２つの反射光から、両度射光の周
波数差分の周波数を有する信号の位相を検出位相として
得る。また、２つの入射光の周波数差分の周波数を有す
る信号の位相を参照位相として得る。そして、前記検出
位相を参照位相と比較し、両位相の位相差を求め、該位
相差に基づいて、被検出体の印加電圧を求める。

次に、第２発明においては、比較的低い強度の光（例え
ばＨｅ−Ｎｅレーザ光）であっても検出感度を向上させ
ることができるように、測定の対象を光強度の変化から
周波数の変化に変更しており、以下、その原理を説明す
る。

電圧の印加により、電気光学結晶体（例えばＫＤＰ　：
燐酸２水素カリウムの縦型変調器）には、２つの複屈折
性異方軸が誘起されるようになっており、該異方軸方位
の屈折率は、結晶体への印加電圧に応じて、変化する。

この変化は、次式（１）％式％ ここで、ｖ（ｔ）は、結晶体への印加電圧を示す。そし
て、結晶体の光路長の時間変化は、結晶の厚さｌとΔｎ
との積を時間で微分することにより求められる。すなわ
ち、 ＝±Ｖ　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・　
（２）この式（２）は、等価的に反射面、の位置が時間
によって変化していることを示し、従って、ドツプラー
変位が発生する。そして、周波数変位量Δｆ′は、次式
（３）で示される。

このようにして求められた周波数変位量を電圧に変換し
て積分すると、結晶体の印加電圧（波形）が得られる。

第２発明の原理について、更に詳述する。

電気光学結晶体に誘起される２つの複屈折性異方軸に平
行な偏光面を有し周波数の異なる２つの光を、結晶体に
入射させると、結晶体への印加電圧の変化により、結晶
体の屈折率が変化するので、結晶体を通過して反射させ
られる光は、偏光面ごとにそれぞれ独立に周波数変化（
周波数変調）される。この周波数変調された光をヘテロ
ゲイン検波することにより、反射光をビート周波数の変
化として検出し、該検出されたビート周波数の変化を積
分することにより、結晶体の印加電圧を高感度で検出す
る。

以下、第２発明の作用について詳述する。

電気光学結晶体に誘起される２つの異方軸に平行な偏光
面を有し周波数の異なる２つの入射光を、結晶体に入射
させ、該結晶体からの２つの反射光（これはドツプラー
変位の影響を受けている）から、両反射光の周波数差分
を検出周波数として得る。また、２つの入射光（これは
ドツプラー変位の影響を受けていない）の周波数差分を
基準周波数として得る。そして、前記検出周波数を基準
周波数と比較し、両周波数の周波数差を求め、該周波数
差と電圧に変換し、該電圧を積分することにより、被検
出体の印加電圧を求める。

なお、第２発明において、結晶体への印加電圧の変化が
数１０ＭＨｚのように高速である場合には、比較器（例
えば周波数ミキサ）までは応答可能であるが、周波数−
電圧変換器及び積分器では、応答が容易ではなく、計測
に好適な周波数領域が生ずる場合がある。このような場
合には、結晶体に入射されるべき入射光をパルス化し、
ストロボ方式で電圧計測を行うことができる。

〔実施例〕

以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する
。

第１図には、本発明の第１実施例による電圧検出装置の
回路が示されている。

第１図において、符号工０は、ＬＳＩを示し、該ＬＳＩ
ｌ０には、端子１０ａを介して、ＬＳＩドライバ１２か
ら電圧が印加される。ＬＳＩｌ０には、電気光学結晶体
１４が近接配置され、第２図に示されるように、結晶体
１４において、入射側面１４ａには、透明導電膜がコー
ティングされてアース電位に保持され、また、反射側面
１４ｂには、前記ＬＳＩの端子１０ａに対応して、測定
光を反射するための金属膜１６がスポット状に測定点と
して形成されている。そして、ＬＳｌｌｏの印加電圧が
結晶体１４のスポット状金属膜１６に作用すると、結晶
体１４の内部に電界が発生し、該電界により結晶体１４
の屈折率が変化する。第３図に示されるように、結晶体
１４内に２つの測定光を入射させると、上述した結晶体
１４の屈折率の変化により、結晶体１４内を往復する２
つの測定光の位相が変化する。そして、変化を受けた２
つの測定光の位相を変化を受けていない２つの測定光の
位相と比較することにより位相差を求めると、該位相差
により、ＬＳｌｌｏの印加電圧が求められる。以下、第
１図の電圧検出装置について更に詳述する。

符号１８．２０は、制御回路２２により制御されるレー
ザドライバを示し、該レーザドライバ１８．２０により
レーザ発生器２４．２６からレーザ光２８．３０が発生
させられる。ここで、レーザ光２８．３０は、結晶体１
４に誘起される２つの異方軸に平行な偏光面を有し、そ
の周波数は、それぞれｆ　　Ｓｆ　　である。レーザ光
２８．３０２ は、偏光ビームスプリッタ３２によって１本のビームに
合成された後、ビームスプリッタ３４で２分割され、一
方のビームは、入射光として、Ｘ−Ｙ偏向機構３６を介
して、結晶体１４のスポット状金属膜（測定点）１６に
位置決め入射させられる。結晶体１４からの反射光は、
Ｘ−Ｙ偏向機構３６及びビームスプリッタ３４を介して
、検光子３８を通り、受光器４０で受光される。ここで
、前述したようにＬＳＩｌ０の印加電圧により結晶体１
４の内部の電界が変化して結晶体１４の屈折率が変化す
るので、受光器４０からの信号は、結晶体１４からの２
つの反射光の周波数差分の周波数を有する信号の位相（
検出位相）を示す。

また、前記ビームスプリッタ３４で２分割された他方の
ビームは、検光子４２を通って受光器４４で受光される
。この受光器４４からの信号は、２つの入射光の周波数
差分の周波数を有する信号の位相（参照位相）を示す。

そして、前記両受光器４０，４４からの検出位相、参照
位相は、位相比較器４６に供給され、比較される。ここ
で、参照位相がΔφ（＝φ１φ２＝一定）で示され、検
出位相がΔφ十Δφ′（Δ４＝φ　−φ２＝一定、Δφ
’　ｏｅｎ’、　−ｙｌ　’、、ｎ　′ｘＳｎｌ　はそ
れぞれレーザ光２８．３０による屈折率）で示されると
、位相比較器４６からの信号は、検出位相と参照位相と
の位相差Δφ′を示し、これは、演算器４８に供給され
る（第４図参照）。そして、演算器４８は、位相比較器
４６からの位相差Δφ′を示す信号に基づいて、前記Ｌ
ＳＩｌ０の印加電圧を演算することができる。

次に、第５図には、本発明の第２実施例による電圧検出
装置の回路が示されている。なお、第５図において、Ｌ
ＳＩ５０、ＬＳＩドライバ５２、及び、電気光学結晶体
５４は、前記第１．２図のものと同様の構成である。

符号５６は、制御回路５８により制御されるレーザドラ
イバであり、該レーザドライバ５６には、基準周波数発
生器６０から周波数ｆ　　、ｆ　　が供２ 給され、レーザドライバ５６により、２周波レーザ光発
生器６２から、レーザ光６４が発生させられる。ここで
、レーザ光６４は、結晶体５４に誘起される２つの異方
軸に平行な偏光面を有し、周波数ｆ　　Ｓ　ｆ２を有す
る。このレーザ光６４は、ル −ザ光パルス化機構６６でパルス化され、ビームスプリ
ッタ６８を通り、Ｘ−Ｙ偏向機構７０を介して、結晶体
５４のスポット状金属膜（測定点）に供給される。結晶
体５４からの反射光は、Ｘ−Ｙ偏向機構７０及びビーム
スプリッタ６８を介して、検光子７２を通り、受光器７
４で受光される。

ここで、ＬＳＩ５０の印加電圧により結晶体５４の内部
の電界が変化して結晶体１４の屈折率が変化するので、
結晶体５４の光路長が変化し、これにより、結晶体５４
の反射面の位置は、ＬＳＩ５０の印加電圧により変化す
る。それゆえ、結晶体５４からの反射光は、ＬＳＩ５０
の印加電圧に応じてドツプラー変位の影響を受けるので
、受光器７４からの信号は、２つの反射光の周波数差分
を検出周波数として有し、これは、周波数ミキサ７６に
供給される。

周波数ミキサ７６には、前記基準周波数発生器６０から
周波数ｆ、ｆ２の周波数差分（これはドツプラー変位の
影響を受けていない）が基準周波数として供給されてお
り、該周波数ミキサ７６は、受光器７４からの検出周波
数を基準周波数発生器６０からの基準周波数Δｆ（＝ｆ
　　−ｆ２＝一定）と比較する。ここで、受光器７４か
らの検出周波数は、Δｆ＋Δｆ’　　（Δｆ＝ｆ　　−
ｆ２＝■ 一定、Δｆ　’　ｃｃｎ　’　　　ｎ　’　、ｎ　’ｘ
　、ｎ　’　はレーザＩＴ　　　　　　　　　　　　　
Ｊ 光による屈折率）で示される。

周波数ミキサ７６からの周波数差Δｆ′を示す信号は、
ｆ−Ｖ変換器７８を通って周波数−電圧変換された後、
積分器８０に供給され、積分される。そして、積分器８
０は、周波数差Δｆ′が変換された電圧に基づいて、前
記ＬＳＩ５０の印加電圧を求める。

なお、第６図には、第５図の電圧検出装置の各段階にお
ける電圧波形が示されており、ｆ−Ｖ変換器７８からの
出力電圧を積分した電圧は、ＬＳＩ５０の印加電圧に対
応することが理解される。

なお、実施例の１において２周波レーザ光発生器、実施
例の２において２つのレーザ発生器を用いることによっ
て上記の発明と同様の作用が得られることはいうまでも
ない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、光強度の変化で
はなく、位相差の変化あるいは周波数差の変化に基づい
て被検出体の印加電圧を求めているので、比較的強度の
低い光であっても高い精度で電圧を検出することができ
、従って、装置の小型化及び検出感度を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例による電圧検出装置の回
路図、 第２図は、ＬＳＩと電気光学結晶体との関係を示す外観
斜視図、 第３図は、電気光学結晶体の複屈折性異方軸と入射偏光
との関係を示す説明図、 第４図は、検出信号及び参照信号の信号波形図、第５図
は、本発明の第２実施例による電圧検出装置の回路図、 第６図は、第５図の装置の各段階における電圧波形図で
ある。 １０・・・ＬＳ１ １２・・・ＬＳＩドライバ １４・・・電気光学結晶体 １８．２０・・・レーザドライバ ２２・・・制御回路 ２４．２６・・・レーザ光発生器 ２８．３０・・・レーザ光 ３２・・・偏光ビームスプリッタ ３４・・・ビームスプリッタ ３６・・・ｘ−Ｙ偏向機構 ３８・・・検光子 ４０・・・受光器 ４２・・・検光子 ４４・・・受光器 ４６・・・位相比較器 ４８・・・演算器 ５０・・・ＬＳＩ ５２・・・ＬＳＩドライバ ５４・・・電気光学結晶体 ５６・・・レーザドライバ ５８・・・制御回路 ６０・・・基準周波数発生器 ６２・・・２周波レーザ光発生器 ６４・・・レーザ光 ６６・・・レーザ光パルス化機構 ６８・・・ビームスプリッタ ７０・・・Ｘ−Ｙ偏向機構 ７２・・・検光子 ７４・・・受光器 ７６・・・周波数ミキサ ７８・・・ｆ−Ｖ変換器 ８０・・・積分器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電圧が印加される被検出体（１０）と、該被検出体
   （１０）に関連され、被検出体（１０）の印加電圧によ
   り屈折率が変化する電気光学結晶体（１４）と、を含み
   、電気光学結晶体（１４）に光を入射させ、該電気光学
   結晶体（１４）からの反射光に基づいて、被検出体（１
   ０）の印加電圧を検出する電圧検出装置であって、 前記電気光学結晶体（１４）に入射されるべき２つの入
   射光であって、該結晶体（１４）に誘起される２つの異
   方軸に平行な偏光面を有し周波数の異なる２つの入射光
   を発生する光発生器（２４、２６）と、 電気光学結晶体（１４）からの２つの反射光を受光し、
   両反射光の周波数差分の周波数を有する信号の位相と検
   出位相として発生する受光器（４０）と、 前記２つの入射光の周波数差分の周波数を有する信号の
   位相を参照位相として発生する参照位相発生器（４４）
   と、 前記受光器（４０）からの検出位相を参照位相発生器（
   ４４）からの参照位相と比較し、両位相の位相差を発生
   する位相比較器（４６）と、及び、該位相比較器（４６
   ）からの位相差に基づいて、被検出体（１０）の印加電
   圧を演算する演算器（４８）と、 を含むことを特徴とする電圧検出装置。 ２、請求項１の装置において、前記光発生器（２４、２
   ６）は、２つの半導体レーザ発生器（２４、２６）を備
   え、それらの発振周波数が安定であり、及び、それらの
   周波数差分が一定であるように、温度、注入電流が制御
   される電圧検出装置。 ３、請求項１の装置において、前記光発生器（２４、２
   ６）は、２周波直交偏光モードで発振している電圧検出
   装置。 ４、電圧が印加される被検出体（５０）と、該被検出体
   （５０）に関連され、被検出体（５０）の印加電圧によ
   り屈折率が変化する電気光学結晶体（５４）と、を含み
   、電気光学結晶体（５４）に光を入射させ、該電気光学
   結晶体（５４）からの反射光に基づいて、被検出体（５
   ０）の印加電圧を検出する電圧検出装置であって、 前記電気光学結晶体（５４）に入射されるべき２つの入
   射光であって、該結晶体（５４）に誘起される２つの異
   方軸に平行な偏光面を有し周波数の異なる２つの入射光
   を発生する光発生器（６２）と、 電気光学結晶体（５４）からの２つの反射光を受光し、
   両反射光の周波数差分を検出周波数として発生する受光
   器（７４）と、 前記２つの入射光の周波数差分を基準周波数として発生
   する基準周波数発生器（６０）と、前記受光器（７４）
   からの検出周波数を基準周波数発生器（６０）からの基
   準周波数と比較し、両周波数の周波数差を発生する比較
   器（７６）と、該比較器（７６）からの周波数差を電圧
   に変換する周波数−電圧変換器（７８）と、及び、該変
   換器（７８）からの変換信号を積分し、被検出体（５０
   ）の印加電圧を求める積分器（８０）と、 を含むことを特徴とする電圧検出装置。 ５、請求項４の装置において、前記光発生器（６２）は
   、ゼーマン効果を用い、２周波発振を行うＨｅ−Ｎｅレ
   ーザ光発生器（６２）を備え、それらの周波数差が一定
   であるように、印加磁界強度、放電電流が制御される電
   圧検出装置。 ６、請求項４の装置において、前記基準周波数発生器（
   ６０）は、他の発振装置からの周波数に基づいて、基準
   周波数を発生する電圧検出装置。