DE3851654T2 - Spannungsdetektor. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungsdetektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Verschiedene Spannungsdetektoren wurden bisher verwendet, um die Spannungsentwicklung in einem ausgewählten Bereich eines zu messenden Objektes, beispielsweise eines elektrischen Stomkreises, zu detektieren. Herkömmliche Spannungsdetektoren werden grob in zwei Bauarten unterteilt: bei einer Bauart wird die Sonde in Kontakt mit dem ausgewählten Bereich eines Meßobjektes gebracht und die Spannungsentwicklung in dem Bereich detektiert; bei der anderen Bauart steht die Sonde nicht in Kontakt mit dem ausgewählten Bereich eines Meßobjektes aber dafür wird ein Elektronenstrahl in diesen Bereich geleitet, und die Spannungsentwicklung darin wird so detektiert.
• Die Spannung ändert sich schnell in Feinbahnbereichen von Objekten, wie etwa ICs, die klein und in ihrer Struktur kompliziert sind, und so gibt es einen großen Bedarf, solche schnell wechselnden Spannungen mit hoher Genauigkeit zu messen, ohne die Bedingungen in den Feinbahnbereichen zu beeinflussen. Diese Aufgabe konnte jedoch nicht vollständig durch die herkömmlichen Spannungsdetektoren gelöst werden. Bei Detektoren der Bauart, die die Spannung dadurch messen, daß sie die Sonde mit einem ausgewählten Bereich eines Meßobjektes in Kontakt bringen, ist es schwierig, direkten Kontakt zwischen der Sonde und einem Feinbahnbereich des beteiligten Objektes, wie etwa einem IC, zu erhalten. Selbst wenn dies gelingt, ist es schwierig, die Funktion des ICs allein auf der Grundlage der Spannungsinformation, die mit der Sonde aufgenommen wurde, korrekt zu analysieren. Ein weiteres Problem, das auftritt, ist, daß der Kontakt mit der Sonde eine Änderung der Funktion des ICs hervorruft. Spannungsdetektoren der Bauart, die einen Elektronenstrahl anwenden, weisen den Vorteil auf, daß sie die Spannung detektieren können, ohne die Sonde in Kontakt mit einem Meßobjekt zu bringen. Allerdings muß der Bereich, der mit solchen Spannungsdetektoren gemessen werden soll, im Vakuum plaziert werden und seine Oberfläche muß dem ausgesetzt werden. Zudem kann der zu messende Bereich leicht durch den Elektronenstrahl zerstört werden.
• Die herkömmlichen Spannungsdetektoren haben das gemeinsame Problem, daß sie nicht schnell genug arbeiten können, um schnellen Spannungsänderungen zu folgen und so keine präzise Messung von sich schnell ändernden Spannungen, wie dies in ICs erfolgt, erhalten können.
• Um diese Probleme zu lösen, wurde von zwei der vorliegenden Erfindern (japanische Patentanmeldung Nr. 137317/1987, eingereicht 30. Mai 1987 = EP-A-293788) vorgeschlagen, daß die Spannung detektiert wird, indem die Polarisation eines Lichtstrahls, die sich mit der Spannungsentwicklung in einem ausgewählten Bereich eines Meßobjektes ändert, verwendet wird.
• Ein Spannungsdetektor, der nach diesem Prinzip funktioniert, ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Der Detektor ist insgesamt mit 50 bezeichnet und ist aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt: eine optische Sonde 52; eine CW- (kontinuierliche Welle)-Lichtquelle 53, typischerweise in Form einer Laserdiode; eine optische Faser 51, zum Leiten eines Lichtstrahls von der CW-Lichtquelle 53 in eine optische Sonde 52 durch eine Sammellinse 60; eine optische Faser 92 zum Leiten eines Referenzlichtes aus der optischen Sonde 52 in einen photoelektrischen Wandler 55 durch einen Kollimator 90; eine optische Faser 93 zum Leiten von Ausgangslicht von der optischen Sonde 52 in einen photoelektrischen Wandler 58 durch einen Kollimator 91; und eine Komparatorschaltung 61 zum Vergleichen des elektrischen Signals von den photoelektrischen Wandlern 55 und 58.
• Die optische Sonde 52 ist mit einem elektrooptischen Material 62 ausgestattet, wie etwa einem optisch-einaxialen Kristall von Lithiumtantalat (LiTaO&sub3;). Die Spitze 63 des elektrooptischen Materials ist kegelstumpfförmig ausgebildet. Die optische Sonde 52 ist mit einer leitfähigen Elektrode 64 umgeben und hat an seiner Spitze 63 als reflektierenden Spiegel 65 eine Beschichtung in Form eines dünnen metallischen Films oder eines dielektrischen Mehrlagenfilms.
• Die optische Sonde 52 schließt weiter die folgenden Komponenten ein: einen Kollimator 94; Sammellinsen 95 und 96; einen Polarisator 54, um selektiv einen Lichtstrahl mit einer bestimmten polarisierten Komponente aus dem Lichtstrahl, der durch den Kollimator 54 hindurchgeht zu extrahieren; und einen Strahlenteiler 56, der den aus dem Polarisator 54 extrahierten Lichtstrahl in ein Referenzlicht und ein Eingangslicht, das in das elektrooptische Material 62 geleitet werden soll, aufspaltet und der das Ausgangslicht, das aus dem elektrooptischen Material 62 austritt, dazu bringen kann, in den Analysator 57 gerichtet zu werden. Das Referenzlicht wird durch die Sammellinse 95 geleitet und dann in die optische Faser 92 geführt, wobei das Ausgangslicht, das aus dem elektrooptischen Material 62 tritt, die Sammellinse 96 durchläuft und dann in die optische Faser 93 geleitet wird.
• Die Spannungsdetektion, mit dem System, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, beginnt mit dem Anlegen der leitfähigen Elektrode 64 auf der Außenseite der optischen Sonde 52 an ein bestimmtes Potential, so z.B. Masse. Dann wird die Spitze 63 der Sonde in die Nähe des Meßobjektes, etwa einem IC (nicht dargestellt) gebracht, wonach eine Änderung des Brechungsindex der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62 in der Sonde 52 erfolgt. Genauer gesagt ändert sich der Unterschied zwischen den Brechungsindizes für einen ordentlichen Strahl und einen außerordentlichen Strahl in einer Ebene senkrecht zur Richtung des Strahlenganges in dem optisch einaxialen Kristall.
• Der Lichtstrahl, der aus der Lichtquelle 53 tritt, passiert die Sammellinse 60 und wird durch die optische Faser 51 geleitet und auf den Kollimator 94 in der optischen Sonde 52 gerichtet. Der Lichtstrahl wird durch den Polarisator 54 polarisiert und ein bestimmtes polarisiertes Licht, das eine Intensität I aufweist, wird in das elektrooptische Material 62 in der optischen Sonde 52 durch den Strahlenteiler 56 geleitet. Sowohl das Referenzlicht, als auch das Eingangslicht, die beide beim Passieren durch den Strahlenteiler 56 erzeugt werden, weisen eine Intensität von I/2 auf. Wie bereits erwähnt, ändert sich der Brechungsindex der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62 entsprechend der Spannung auf dem zu messenden Objekt, so daß das Eingangslicht, das in das elektrooptische Material 62 eingeleitet wird, eine Änderung seines Polarisationszustandes an der Spitze 63 entsprechend der Änderung des Brechungsindex des elektrooptischen Materials erfahren wird. Das Eingangslicht wird dann von dem reflektierenden Spiegel 65 reflektiert und geht zurück durch das elektrooptische Material 62, aus welchem es austritt und zurück zu dem Strahlenteiler 56 läuft. Wenn die Länge der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62 mit 1 bezeichnet wird, ändert sich der Polarisationszustand des Eingangslichtes, das in das Material eingeleitet wurde, proportional zu der Brechungsindexdifferenz zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl und auch entsprechend der Länge 21. Das Ausgangslicht, das zurück in den Strahlenteiler 56 geschickt wird, wird dann in den Analysator 57 gerichtet. Die Intensität des Ausgangslichtes, das in den Analysator 57 eintritt, hat auf I/4 abgenommen und zwar infolge der Teilung an dem Strahlenteiler 56. Wenn der Analysator 57 so gestaltet ist, daß er nur Licht durchläßt, das eine polarisierte Komponente aufweist, die senkrecht zu der ist, die von dem Polarisator 54 extrahiert wurde, ändert sich die Intensität des Ausgangslichtes, das in den Analysator 57 geleitet wurde, nachdem es eine Änderung in seinem Polarisationszustand erfahren hat, von I/4 in (I/4)sin² [(π/2)V/V&sub0;] in dem Analysator 57, bevor es weiter in den photoelektrischen Wandler 58 geleitet wird. In der Formel, die die Intensität des Ausgangslichtes, das aus dem Analysator 57 tritt, ausdrückt, ist V die Spannungsentwicklung in dem Meßobjekt und V&sub0; ist eine Halbwellenspannung.
• In der Komparatorschaltung 61 wird die Intensität des Referenzlichtes, das von dem photoelektrischen Wandler 55 bzw. I/2 mit der Intensität des Ausgangslichtes bzw. (I/4)sin² [(π/2)V/V&sub0;] verglichen, das von dem anderen photoelektrischen Wandler 58 erzeugt wird.
• Die Intensität des Ausgangslichtes bzw. (I/4)sin²[(π/2)V/V&sub0;] ändert sich entsprechend der Änderung des Brechungsindex der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62, die infolge der Spannungsänderung auftritt. So kann diese Intensität als Grundlage zur Detektion der Spannungsentwicklung in einem ausgewählten Bereich des Meßobjektes, z.B. einem IC, verwendet werden.
• Wie zuvor beschrieben wird bei der Verwendung des Spannungsdetektors 50 wie in Fig. 3 gezeigt, die Spitze 63 der optischen Sonde 52 nahe an das Meßobjekt gebracht und die resultierenden Änderungen des Brechungsindex der Spitze 63 des elektrooptischen Materials 62 werden als Basis für die Detektion der Spannungsentwicklung in einem ausgewählten Bereich des betreffenden Objektes verwendet. Aus diesem Grund können auch Spannungsentwicklungen in Feinbahnbereichen eines schmalen und komplizierten Objektes, wie etwa einem IC, die schwierig mit einer Sonde verbunden werden können oder die nicht mit derselben verbunden werden können, ohne daß die Meßspannung beeinflußt wird, effektiv mit Hilfe des Detektors 50 detektiert werden, ohne dabei die optische Sonde 52 in Kontakt mit solchen Feinbahnbereichen zu bringen. Wenn erforderlich, kann auch eine gepulste Lichtquelle, wie etwa eine Laserdiode, die Lichtpulse einer sehr kurzen Pulsbreite erzeugt, als Lichtquelle verwendet werden, um sicher zu stellen, daß schnelle Spannungsänderungen auf dem Meßobjekt in extrem kurzen Zeitintervallen erfaßt werden können. Schnelle Spannungsänderungen auf dem betreffenden Objekt können mit einer sehr hohen Zeitauflösung gemessen werden, indem eine CW-Lichtquelle und ein Detektor mit schnellem Ansprechverhalten, wie etwa eine Lichtstreifenkamera (streak camera) verwendet werden. Jede der Methoden kann schnelle Spannungsänderungen präzise detektieren.
• Wenn eine CW(kontinuierliche Welle)-Lichtquelle so wie etwa ein CW-Laser als Lichtquelle 53 zusammen mit einer Lichtstreifenkamera als Photodetektor verwendet wird, kann ein Triggersignal, das an die Treiberschaltung der Ablenkelektroden in der Lichtstreifenkamera angelegt werden soll, nicht von dem CW-Laser erzeugt werden, und die Spannungsentwicklung in einem ausgewählten Bereich eines Meßobjektes kann nicht synchron zu dem Triggersignal detektiert werden.
• Dokument GB-A-2167544 beschreibt einen Spannungsdetektor, wobei ein Lichtstrahl aus einer Lichtquelle in zwei Teile mit Hilfe eines Strahlenteilers aufgespalten wird, wobei ein Teil in einen Photodetektor geleitet wird und der andere über eine optische Faser in eine Stablinse und über einen Polarisator in ein elektrooptisches Material geleitet wird. Der Strahl wird dann mit einer Vorphase mit Hilfe eines rechtwinkligen Prismas versehen und gleichzeitig um 180º gedreht, so daß der Strahl in Rückwärtsrichtung zu dem elektrooptischen Material, dein Polarisator, der Stablinse und der optischen Faser fortschreiten kann und schließlich einen Photodetektor über einen Strahlenteiler erreicht. Jede Spannungsänderung, die an das elektrooptische Material angelegt wird, wird als Änderung der Strahlintensität, die am Photodetektor ankommt, aufgezeichnet.
• Dokument JEEE J of Quantum Electronics, Band QE-20, Nr. 12; 12,84 beschreibt eine pulsförmige Messung, wobei der gepulste Laserstrahl, der gemessen wird, in zwei Strahlen aufgeteilt wird, wobei ein Strahlenteiler verwendet wird und in eine PIN-Photodiode gerichtet wird, um ein Triggersignal für die Lichtstreifenkamera zu erzeugen. Ein Lichtpfad, der der maximalen Triggerverzögerung der Lichtstreifenkamera entspricht, wird für den zu messenden Lichtstrahl bereitgestellt. Der Zeitpunkt des Triggerns wird mit Hilfe einer elektronischen Verzögerungseinheit angepaßt.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Spannungsdetektor bereitzustellen, der es ermöglicht, eine Lichtstreifenkamera als Photodetektor in Kombination mit einem CW-Laser als CW-Lichtquelle zu verwenden, wobei ein stabiles elektrisches Triggersignal an die Lichtstreifenkamera angelegt wird, während die Spannungsentwicklung in einem ausgewählten Bereich eines Meßobjektes detektiert wird.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
• Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme der begleitenden Zeichnung noch deutlicher.
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Spannungsdetektors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
• Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer Lichtstreifenkamera zeigt; und
• Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Spannungsdetektors zeigt, wie er in der japanischen Patentanmeldung Nr. 137371/1987 vorgeschlagen wird.
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Spannungsdetektors entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau einer Lichtstreifenkamera zeigt.
• Der Spannungsdetektor, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die folgenden Komponenten: eine CW-Lichtquelle 53 in Form eines CW-Lasers; einen polarisierenden Strahlenteiler 1, der einen Lichtstrahl BM von der Lichtquelle 53 in zwei Strahlen aufteilt, wobei der eine eine bestimmte polarisierte Komponente aufweist und als ein Eingangsstrahl IN extrahiert wird, um in Richtung einer Linse 2 gerichtet zu werden und einen weiteren, der eine polarisierte Komponente, senkrecht zu der des Eingangsstrahls IN aufweist und als der erste Referenzstrahl REF1 zu einer Verzögerungseinrichtung 6 geleitet wird; die Linse 2, durch welche der Eingangslichtstrahl IN, der durch Teilen mit Hilfe des Teilers 1 erzeugt worden ist, in ein elektrooptisches Material 4 in einer optischen Sonde 3 geleitet wird, und die einem Ausgangslichtstrahl OUT, der von der Spitze des elektrooptischen Materials 4 reflektiert worden ist, erlaubt, aus dem elektrooptischen Material auszutreten und dann auf einem Weg, der sich von dem Weg des Eingangslichtstrahls unterscheidet, zu laufen; und einen polarisierenden Strahlenteiler 5, der den Ausgangslichtstrahl OUT von der Linse 2 in zwei Lichtstrahle teilt und selektiv einen Lichtstrahl extrahiert, der eine bestimmte polarisierte Komponente aufweist und als ein Signalstrahl SG in eine Lichtstreifenkamera geleitet wird.
• Die andere Komponente des Lichtstrahls, die senkrecht bezüglich dem Signallicht SG polarisiert ist, wird als zweiter Referenzstrahl REF2 in einen photoelektrischen Wandler 8 geleitet. Der zweite Referenzstrahl REF2 wird photoelektrisch in dem Wandler 8 gewandelt und dann an einen Differentialverstärker 10 angelegt. Der erste Referenzstrahl REF1 wird eine bestimmte Zeit in der Verzögerungseinrichtung 6 verzögert und dann an einen photoelektrischen Wandler 9 geleitet, wo er in ein elektrisches Signal gewandelt wird, um im Differetialverstärker 10 weiterverarbeitet zu werden.
• In dem Differentialverstärker 10, wird das elektrische Signal von dem photoelektrischen Wandler 8 mit dem elektrischen Signal von dem photoelektrischen Wandler 9 verglichen und die Differenz wird als ein elektrisches Triggersignal TR an die Lichtstreifenkamera 7 geliefert.
• Wie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist, ist die Lichtstreifenkamera 1 aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt: ein Schlitz 11, auf welchen der Signalstrahl SG von dem polarisierenden Strahlenteiler 5 projiziert wird; eine Linse 12, in welche der Signalstrahl SG durch den Schlitz 11 geleitet wird, ein Photokathode 13, auf welche der Signalstrahl SG, der mit Hilfe der Linse 12 fokussiert worden ist, projiziert wird; Ablenkelektroden 14, die den Elektronenstrahl, der von der Photokathode 13 durch photoelektrische Wandlung hergestellt worden ist, quer ablenken; eine Mikrokanalplatte (microchannel plate) 15, die die Intensität des abgelenkten Elektronenstrahls verstärkt; ein Leuchtbildschirm 16, auf welchen der Elektronenstrahl von der Mikrokanalplatte 15 auftrifft. In Fig. 2 ist die Mikrokanalplatte 15 so dargestellt, daß sie von dem Leuchtbildschirm 16 getrennt ist, aber in der momentanen Anwendung sind sie für gewöhnlich miteinander verbunden. Die Linse 12 ist in Fig. 2 zylindrisch dargestellt, aber dies ist für gewöhnlich in der Praxis nicht der Fall. Wenn bei dieser Lichtstreifenkamera 7 eine Sägezahnspannung synchron zu dem elektrischen Triggersignal TR an die Ablenkelektroden 14 angelegt wird, kann der Signalstrahl SG, der sequentiell entsprechend einer Zeitbasis auf die Photokathode 13 trifft, quer auf den Leuchtbildschirm 16 abgelenkt werden. Dadurch kann die Änderung der Spannungsentwicklung in einem ausgewählten Bereich des zu messenden Objektes als ein eindimensionales Profil der Lichtintensität FG auf dem Leuchtbildschirm 16 detektiert werden, wobei die Zeitachse quer dazu oder in Ablenkrichtung gewählt wird.
• Bei dem Spannungsdetektor, der den zuvor beschriebenen Aufbau aufweist, geht der Lichtstrahl BM, der von der CW-Lichtquelle 53 herkommt, durch den polarisierenden Strahlenteiler 1, der den Strahl BM in den Eingangsstrahl IN mit einer bestimmten polarisierten Komponente, der zur Linse 2 läuft, spaltet und weiter in einen ersten Referenzstrahl REF1, der die Verzögerungseinrichtung 6 ansteuert und eine polarisierte Komponente aufweist, die senkrecht zu der des Strahls IN ist.
• Die Linse 2 ermöglicht dem Eingangsstrahl IN mit der bestimmten polarisierten Komponente, in das elektrooptische Material 4 der elektrischen Sonde 3 eingeleitet zu werden. Wenn die Spannungsentwicklung in dem zu messenden Objekt nicht auf das elektrooptische Material 4 einwirkt, erfährt das elektrooptische Material auch keine Änderung in seinem Brechungsindex, so daß der Eingangsstrahl IN, der in dieses Material geleitet wird, auf seinem geschlossenen Weg keine Änderung in seinem Polarisationszustand erfährt und als Ausgangsstrahl OUT aus dem Material 4 tritt, worauf er die Linse 2 passiert und dann in den polarisierten Strahlenteiler 5 geleitet wird. Wenn der erste Referenzstrahl REF1 die gleiche Lichtintensität aufweist wie der Eingangsstrahl IN, der in das elektrooptische Material 4 geleitet wird, so ist der polarisierende Strahlenteiler 5 so gestaltet, daß er die polarisierte Komponente, die der des Strahls IN entspricht, reflektiert, und so den zweiten Referenzlichtstrahl REF2 erzeugt, so daß der ganze Ausgangsstrahl, der aus dem elektrooptischen Material 4 heraustritt, an dem Strahlenteiler 5 reflektiert wird, um als zweiter Referenzstrahl REF2 verwendet zu werden. Folglich ist die Intensität von REF2 im wesentlichen gleich zu der von REF1, dem ersten Referenzstrahl, der durch das Aufspalten an dem Strahlenteiler 1 erzeugt wurde.
• Wenn eine Spannung an das elektrooptische Material 4 angelegt wird, erfährt es eine Änderung in seinem Brechungsindex und der Polarisationszustand des Eingangslichtstrahls IN, der in das Material 4 geleitet wird, ändert sich ebenfalls entsprechend der Spannungshöhe. Der so beeinflußte Lichtstrahl tritt als der Ausgangslichtstrahl OUT aus dem elektrooptischen Material 4 aus und wird in den polarisierenden Strahlenteiler 5 geleitet. Der Ausgangsstrahl OUT wird dann in zwei Strahlen gespalten, wobei einer der Signalstrahl SG ist, der eine Intensität von sin²[(π/2)V/V&sub0;] aufweist, und der andere der zweite Referenzstrahl REF2 ist, der eine Intensität von cos²[(π/2)V/V&sub0;] aufweist. Wenn, wie in diesem Fall, der Signalstrahl SG in eine Lichtstreifenkamera 7 geführt wird, wobei eine Sägezahnspannung an die Ablenkelektroden 14 der Lichtstreifenkamera 7 angelegt wird, kann eine zeitabhängige Änderung der Intensität des Ausgangsstrahls OUT auf dem Leuchtbildschirm 16 der Lichtstreifenkamera 7 beobachtet werden. So ist die Intensität des Lichts auf dem Leuchtbildschirm 16 "Null", wenn keine Spannung auf das elektrooptische Material 4 wirkt, und Licht einer bestimmten Intensität wird dann von dem Schirm emittiert, wenn eine Spannung an das Material 4 angelegt wird.
• Um zu ermöglichen, daß die Spannungsentwicklung in einem ausgewählten Bereich eines zu messenden Objektes in stabiler Weise mit der Lichtstreifenkamera 7 zu jeder Zeit seines Betriebes zu messen ist, muß ein elektrisches Triggersignal TR so erzeugt werden, daß die zeitliche Erzeugung einer Sägezahnspannung, die an die Ablenkelektroden 14 in der Lichtstreifenkamera 7 angelegt werden soll, synchron zu dem Signalstrahl SG erfolgt.
• In dem diskutierten Ausführungsbeispiel ist der zweite Referenzstrahl REF2 einer der beiden Lichtstrahlen, die durch Aufspalten an dem Teiler 5 erhalten werden, und wird verwendet, um das elektrische Triggersignal TR herzustellen. Wenn das elektrooptische Material 4 mit einer Spannungsentwicklung in einem bestimmmten Bereich des Meßobjektes beaufschlagt wird, erfolgt eine Änderung der zu detektierenden Lichtintensität des Signalstrahls SG, der der andere der zwei Lichtstrahlen ist, die durch Teilen an dem Teiler 5 erhalten wurden. Zur selben Zeit erfolgt auch eine Intensitätsänderung in dem zweiten Referenzlichtstrahl REF2. Wenn die Intensitätsänderung von REF2 in ein elektrisches Signal durch den photoelektrischen Wandler 8 gewandelt wird und nachfolgend als ein elektrisches Triggersignal TR an die Ablenkelektroden 14 angelegt wird, kann eine Intensitätsänderung des Signalstrahls SG erwartungsgemäß zuverlässig mit Hilfe der Lichtstreifenkamera 7 detektiert werden. In der Praxis schwankt jedoch die Intensität des Lichtstrahls, der aus der CW-Lichtquelle 53 kommt, wegen ihrer Eigencharakteristik oft. In so einem Fall ändert sich die Intensität des Ausgangsstrahls OUT infolge der Intensitätsschwankung des Lichtstrahls aus der CW-Lichtquelle 53 selbst wenn keine Spannung an das elektrooptische Material 4 angelegt wird, und die resultierende Ausgabe eines elektrischen Triggersignals TR' führt zu einer fehlerhaften Operation der Lichtstreifenkamera 7. Um das Auftreten dieses Problems zu vermeiden, weist das diskutierte Ausführungsbeispiel noch folgende zusätzliche Merkmale auf: der erste Referenzstrahl REF1, der durch Aufspalten an dem polarisierenden Strahlenteiler 1 erhalten wird, wird für eine bestimmte Zeitdauer mit Hilfe der Verzögerungseinrichtung 6 verzögert, bevor er in den photoelektrischen Wandler 9 geleitet wird, wo er in ein elektrisches Signal gewandelt wird; dieses elektrische Signal wird in dem Differentialverstärker 10 mit dem, das von dem photoelektrischen Wandler 8 kommt, verglichen, und die Differenz wird als ein Triggersignal TR an die Lichtstreifenkamera 7 weitergeleitet. Die Zeitdauer, um welche das Weiterleiten des ersten Referenzlichtstrahls REF1 zum photoelektrischen Wandler 9 mit Hilfe der Verzögerungseinrichtung 6 verzögert wird, entspricht der Zeit, die erforderlich ist, um den Eingangsstrahl IN, der von dem Strahlenteiler 1 kommt, in das elektrooptische Material 4 zu leiten, an dessen Spitze zu reflektieren, zurück durch das Material 4 zu laufen, durch den Strahlenteiler 5 durchzutreten und schließlich in den photoelektrischen Wandler 8 eingeleitet zu werden.
• Es ergeben sich die folgenden Vorteile aus den Konstruktionsmerkmalen, die zuvor beschrieben wurden: Selbst wenn die Intensität des Lichtstrahls, der von der CW-Lichtquelle 53 ausgegeben wird, schwankt, wird die Intensität des zweiten Referenzstrahls REF2, die an den photoelektrischen Wandler 8 weitergeleitet wird, sich proportional zur Intensität des ersten Referenzlichtstrahls 1, der zu dem photoelektrischen Wandler 9 geleitet wird, ändern, so daß in dem Differentialverstärker 10 die durch die Intensitätsschwankung des Lichtstrahls BM aus der CW-Lichtquelle 53 bedingte elektrische Signalkomponente von dem elektrischen Signal, das von dem elektrischen Wandler 8 kommt, eliminiert wird. So kann verhindert werden, daß der Verstärker 10 ein elektrisches Triggersignal TR ausgibt.
• Wenn die Spannungsänderung in einem ausgewählten Bereich des Meßobjektes an das elektrooptische Material 4 angelegt wird, ändert sich die Intensität des zweiten Referenzstrahls REF2, die an den photoelektrischen Wandler 8 geliefert wird, aber die Intensität des ersten Referenzlichtstrahls REF1, die dem photoelektrischen Wandler zugeführt wird, ändert sich nicht mit der angelegten Spannung, so daß die Differenz zwischen den zwei Intensitäten in dem Differentialverstärker so entnommen werden kann, daß das elektrische Triggersignal TR nur dann an die Lichtstreifenkamera 7 angelegt wird, wenn die Spannungsentwicklung in einem ausgewählten Bereich des betreffenden Objekts auf das elektrooptische Material 4 wirkt. Dies ist der Mechanismus, mit welchem die Intensitätsänderung des Signallichtstrahls 5G immer in einer stabilen Weise detektiert werden kann.
• Um sicherzustellen, daß dem Differentialverstärker 10 zwei elektrische Signale der selben Intensität zugeführt werden, wenn die Spannungsentwicklung in dem betreffenden Objekt nicht an das elektrooptische Material 4 angelegt wird, kann ein variabler Vorverstärker zwischen dem photoelektrischen Wandler 9 und dem Differentialverstärker 10 oder aber auch zwischen 9 und 10 und zwischen dem anderen photoelektrischen Wandler 8 und dem Differentialverstärker 10 eingefügt werden. Dies erzeugt in effektiver Weise ein noch besser zeitlich geregeltes elektrisches Triggersignal TR.
• Um sicherzustellen, daß der Signalstrahl SG synchron zu der Ablenkung der Lichtstreifenkamera infolge eines elektrischen Triggersignals TR detektiert wird, muß der Signalstrahl SG durch einige Führungseinrichtungen, z.B. durch eine optische Faser einer bestimmten Länge, geleitet werden.
• In dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel sind eine innere Oberfläche eines lichtteilenden und -entnehmenden Teils der optischen Sonde 3 und eine äußere Oberfläche des elektrooptischen Materials vorzugsweise mit einer schwarzen Beschichtung versehen, die es ermöglicht, das Streuen eines Lichtstrahls von der inneren Oberfläche zu verhindern.
• Die vorhergehenden Ausführungsbeispiele setzen auch voraus, daß die Spitze des elektrooptischen Materials in die Nähe des Meßobjektes gebracht wird, jedoch nicht so nahe, daß ein Kontakt mit diesem Objekt entsteht. Wenn es jedoch erwünscht ist, kann die Spitze des elektrooptischen Materials auch in Kontakt mit dem betreffenden Objekt während der Spannungsdetektion gehalten werden.

Claims (8)

1. Spannungsdetektor zur Detektion einer Spannungsentwicklung in einem ausgewählten Bereich eines Meßobjekts, der umfaßt:

eine Lichtquelle (53), zum Emittieren eines Lichtstrahles einer kontinuierlichen Welle (CW), einen Spannungsfühlteil (3), der eine Reflektionseinrichtung (65), zur Reflektion eines Eingangslichtstrahles (BM) und ein elektrooptisches Material (4) einschließt, wobei sich der Brechungsindex des elektrooptischen Materials entsprechend der Spannungsentwicklung in dem ausgewählten Bereich des Objekts ändert; gekennzeichnet durch eine Aufspalt- und Entnahmeeinrichtung (1,5) zum Aufspalten des CW-Lichtstrahles in einen ersten Referenzlichtstrahl (REF1) mit einer ersten bestimmten polarisierten Komponente und einen Eingangslichtstrahl mit einer zweiten bestimmten polarisierten Komponente, und zum Aufspalten eines Ausgangslichtstrahles, der nach der Reflektion an der Reflektionseinrichtung aus dem elektrooptischen Material austritt, in einen zweiten Referenzlichtstrahl (REF2) mit einer dritten bestimmten polarisierten Komponente und einen Signallichtstrahl (SG) mit einer vierten bestimmten polarisierten Komponente;

eine Triggererzeugungseinrichtung zum Empfang des ersten (REF1) und zweiten (REF2) Referenzlichtstrahles und zum Vergleichen der Intensitäten des ersten (REF1) und zweiten (REF2) Lichtstrahles und zum Ausgeben eines Triggersignals (TR), basierend auf der Intensitätsdifferenz zwischen dem ersten (REF1) und zweiten (REF2) Referenzlichtstrahl; und

ein Detektor mit schnellem Ansprechverhalten (7), der durch das Triggersignal (TR) getriggert wird, zum Empfang des Signallichtstrahles (SG) von der Aufspalt - und Entnahmeeinrichtung (1,5) und zum Bestimmen der Spannungsentwicklung in dem ausgewählten Bereich des Objekts auf der Basis der Intensität des Signallichtstrahles (SG).

2. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, wobei die Aufspalt - und Entnahmeeinrichtung (1,5) umfaßt:

einen ersten polarisierenden Strahlenteiler (1) zum Aufspalten des CW-Lichtstrahles in den ersten Referenzlichtstrahl (REF1) und den Eingangslichtstrahl (IN); und

einen zweiten polarisierenden Strahlenteiler (5), zum Aufspalten des Ausgangslichtstrahles in den zweiten Referenzlichtstrahl (REF2) und den Signallichtstrahl (SG).

3. Spannungsdetektor nach Anspruch 2, wobei die polarisierte Komponente des ersten Referenzlichtstrahles (REF1) und die zweite bestimmte polarisierte Komponente senkrecht zueinander stehen, und die dritte bestimmte polarisierte Komponente und die vierte bestimmte polarisierte Komponente senkrecht zueinander stehen.

4. Spannungsdetektor nach Anspruch 3, wobei die zweite bestimmte polarisierte Komponente und die dritte bestimmte polarisierte Komponente im wesentlichen gleichgerichtet sind, wenn die Spannung nicht an das elektrooptische Material (4) angelegt wird.

5. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, wobei der Detektor mit schnellem Ansprechverhalten eine Lichtstreifenkamera (Streak-Kamera) (7) ist.

6. Spannungsdetektor nach Anspruch 5, wobei die Triggererzeugungseinrichtung umfaßt:

einen ersten photoelektrischen Wandler (9) zum Wandeln des empfangenen ersten Referenzlichtstrahles (REF1) in ein erstes elektrisches Signal; und

einen zweiten photoelektrischen Wandler (8) zum Wandeln des empfangenen zweiten Referenzlichtstrahles (REF2) in ein zweites elektrisches Signal; und

einen Differentialverstärker (10) zum Empfang des ersten und zweiten elektrischen Signals und zur Erzeugung des Triggersignals (TR)auf der Basis der Differenz zwischen dem empfangenen ersten und zweiten elektrischen Signal.

7. Spannungsdetektor nach Anspruch 6, der weiter eine Verzögerungseinrichtung (6) umfaßt, die zwischen der Aufspalt- und Entnahmeeinrichtung (1,5) und dem ersten photoelektrischen Wandler (9) angebracht ist, zum Verzögern des ersten Referenzlichtstrahles (REF1), so daß der erste und zweite Referenzlichtstrahl im wesentlichen zur selben Zeit in den jeweiligen photoelektrischen Wandler (8,9) eintreten.

8. Spannungsdetektor nach Anspruch 1, der weiter eine Linseneinrichtung (2) mit einer konvergierenden Eigenschaft umfaßt, die zwischen dem Spannungsfühlteil und der Aufspalt- und Entnahmeeinrichtung angebracht ist.