DE10132237A1

DE10132237A1 - Elektro-optischer Tastkopf und magneto-optischer Tastkopf

Info

Publication number: DE10132237A1
Application number: DE10132237A
Authority: DE
Inventors: Akishige Ito; Yoshiki Yanagisawa; Jun Kikuchi; Nobukazu Banjo; Sanjay Gupta; Mitsuru Shinagawa; Tadao Nagatsuma; Hakaru Kyuragi
Original assignee: Ando Electric Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Ando Electric Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-07-05
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2002-05-29
Also published as: GB2369432A; JP2002022775A; US20020008533A1; US6624644B2; GB0116390D0

Abstract

Die elektro-optische Abtastvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Laserdiode (9), die einen Laserstrahl in Abhängigkeit eines Kontrollsignals emittiert, welches von der Basiseinheit eines Meßinstrumentes (19) ausgegeben wird, eine elektro-optisches Element (2), welches an einer seiner Endflächen mit einer reflektierenden Schicht (2a) versehen ist, eine Teilungseinrichtung (14), welche zwischen der Laserdiode und dem elektro-optischen Element angeordnet ist und für den von der Laserdiode emittierten Laserstrahl durchlässig ist und einen von der reflektierenden Schicht reflektierten Strahl teilt, zwei Photodioden (12; 13), die den von der Teilungseinrichtung reflektierten Strahl umwandeln, und ein Glasplättchen (1b), welches das elektro-optische Element schützt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektro-optische Abtasteinrichtung unter Verwendung eines elektro-optischen Ele mentes sowie eine magneto-optische Abtasteinrichtung unter Ver wendung eines magneto-optischen Elementes.

Es ist möglich, die Wellenform eines gemessenen Signals zu bestimmen, indem man ein von dem gemessenen Signal erzeugtes elektrisches Feld auf einen elektro-optischen Kristall wirken läßt, einen Laserstrahl auf den elektro-optischen Kristall ein strahlt, und die Wellenform des gemessenen Signals durch den Zu stand der Polarisation des Laserstrahls bestimmt. In dem Fall, daß der Laserstrahl aus einer Folge von Lichtimpulsen besteht, wird das gemessene Signal abgetastet, so daß die Beobachtung der Wellenform mit einer sehr hohen Zeitauflösung erfolgen kann. Ein elektro-optischer Tastkopf verwendet eine elektro-optische Ab tasteinrichtung, die nach diesem Prinzip funktioniert.

Ein elektro-optisches Abtastoszilloskop (im Folgenden mit EOS- Oszilloskop bezeichnet) weist im Vergleich zu herkömmlichen Ab tastoszilloskopen mit elektrischen Tastköpfen, die folgenden be merkenswerten Eigenschaften auf:

1. Die Messung des Signals ist vereinfacht, da während der Messung keine Masseverbindung notwendig ist.
2. Da der Metallstift der Spitze der elektro-optischen Abtast einrichtung von der Schaltung galvanisch getrennt ist, kann eine hohe Eingangsimpedanz erreicht werden, so daß der Meß punkt nicht wesentlich gestört wird.
3. Da gepulstes Licht verwendet wird, kann die Messung über einen weiten Frequenzbereich erfolgen, der bis in den Giga hertz-Bereich reicht (die Verwendung von kontinuierlichem Licht ist jedoch ebenfalls möglich).

Der Aufbau einer konventionellen elektro-optischen Abtastein richtung für die Signalmessung mit einem EOS-Oszilloskop wird mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben. In Fig. 2 kennzeichnet Bezugs zeichen 1 eine Tastkopfspitze bestehend aus einem isolierenden Material, in deren Zentrum ein Metallstift 1a angeordnet ist. Bezugszeichen 2 kennzeichnet ein elektro-optisches Element 2, wobei eine reflektierende Schicht 2a auf die Endfläche des elek tro-optischen Elementes 2 aufgebracht ist, so daß die reflektie rende Schicht 2a in Richtung des Metallstiftes 1a zeigt und die sen kontaktiert. Die Bezugszeichen 3 und 8 kennzeichnen Kollima torlinsen, das Bezugszeichen 4 kennzeichnet ein λ/4-Plättchen und die Bezugszeichen 5 und 7 kennzeichnen polarisierende Strahlteiler. Bezugszeichen 6 kennzeichnet ein Faradayelement, welches die Polarisationsebene des eingestrahlten Lichtes um ei nen Winkel von 45° dreht. Bezugszeichen 9 kennzeichnet eine La serdiode, die abhängig von einem Kontrollsignal, welches von ei ner Pulsgeneratoreinrichtung (nicht gezeigt) der Basiseinheit ei nes EOS-Oszilloskopes 19 ausgegeben wird, einen Laserstrahl emittiert. Die Bezugszeichen 10 und 11 kennzeichnen Kollimator linsen, die Bezugszeichen 12 und 13 kennzeichnen Fotodioden, die ein elektrisches Signal an die Basiseinheit des EOS-Oszilloskops 19 ausgeben, welches dem eingehenden Laserstrahl entspricht. Be zugszeichen 14 kennzeichnet eine Teilungseinrichtung bestehend aus dem λ/4-Plättchen 4, den polarisierenden Strahlteilern 5, 7 und dem Faradayelement 6; Bezugszeichen 15 kennzeichnet den Grundkörper der Abtasteinrichtung, der aus einem isolierenden Material besteht.

Im Folgenden wird der Strahlengang des Laserstrahls, der von der Laserdiode 9 emittiert wird, unter Bezugnahme auf Fig. 2 be schrieben. In Fig. 2 kennzeichnet das Bezugszeichen A den Strah lengang des Laserstrahls.

Der von der Laserdiode 9 emittierte Laserstrahl wird durch die Kollimatorlinse 8 in einen parallelen Lichtstrahl konvertiert und durchstrahlt geradlinig den Strahlteiler 7, das Faraday- Element 6 sowie den Strahlteiler 5. Der Laserstrahl tritt wei terhin durch das λ/4-Plättchen 4, wird von der Kollimatorlinse 3 gesammelt und tritt in das elektro-optische Element 2 ein. Die ser Laserstrahl wird von der reflektierenden Schicht 2a, die auf der in Richtung des Metallstiftes 1a weisenden Endfläche des elektro-optischen Elementes 2 aufgebracht ist, reflektiert.

Der reflektierte Laserstrahl wird durch die Kollimatorlinse 3 wieder in einen parallelen Lichtstrahl konvertiert und tritt durch das λ/4-Plättchen 4. Ein Teil dieses Laserstrahls wird durch den polarisierenden Strahlteiler 5 reflektiert und trifft auf die Fotodiode 12. Der durch den Strahlteiler 5 transmittier te Laserstrahl wird durch den Strahlteiler 7 reflektiert und trifft auf die Fotodiode 13. Die Intensitäten der Laserstrahlen, welche auf die Fotodiode 12 bzw. auf die Fotodiode 13 treffen, werden durch das λ/4-Plättchen 4 auf das gleiche Niveau einge stellt.

Im Folgenden wird der Vorgang der Bestimmung des gemessenen Si gnals durch die elektro-optische Abtasteinrichtung gemäß Fig. 2 beschrieben.

Wenn der Metallstift 1a den Meßpunkt kontaktiert, werden Verän derungen des elektrischen Feldes in der Umgebung des Metallstif tes 1a, die durch die am Metallstift 1a anliegende Spannung ent stehen, an das elektro-optische Element 2 weitergeleitet, wo durch die Brechungsindices des doppelbrechenden elektro optischen Elementes 2 aufgrund des Pockels-Effektes variiert werden. Dadurch wird die Polarisation des Laserstrahls beim Ein treten und Durchstrahlen des Laserstrahls durch das elektro- optische Element 2 verändert. Der Laserstrahl wird mit einer veränderten Polarisation durch die reflektierende Schicht 2a re flektiert, trifft auf die Fotodioden 12, 13, und wird in ein elektrisches Signal Umgewandelt.

Genauer gesagt, wird die Veränderung der Polarisation des Laser strahls in Abhängigkeit von der Veränderung der Spannung am Meß punkt durch das elektro-optische Element 2 in einen Unterschied der Ausgangssignale der Fotodioden 12, 13 konvertiert, wodurch das elektrische Signal, das am Metallstift 1a anliegt, durch die Bestimmung dieses Unterschiedes gemessen werden kann.

Die elektrischen Signale der Fotodioden 12, 13 der oben be schriebenen elektro-optischen Abtasteinrichtung werden in das EOS-Oszilloskop eingegeben und dort weiterverarbeitet. Das ge messene Signal kann darüber hinaus ebenfalls beobachtet werden, indem ein konventionelles Meßinstrument, wie z. B. ein Echtzei toszilloskop, mit den Fotodioden 12, 13 über eine eigene Steuer einheit verbunden wird. Wie bereits oben beschrieben, kann die Messung von elektrischen Signalen unter Verwendung der elektro optischen Abtasteinrichtung über einen weiten Frequenzbereich erfolgen.

Da jedoch, wie oben beschrieben, in einer konventionellen elek tro-optischen Abtasteinrichtung der Metallstift 1a den Meßpunkt kontaktiert, kann ein elektrisches Feld nicht ohne die Beein flussung des elektrischen Feldes gemessen werden. In diesem Punkt besteht somit die Möglichkeit, konventionelle elektro optische Abtasteinrichtungen zu verbessern.

Die vorliegende Erfindung berücksichtigt die oben stehenden Um stände, so daß es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine elektro-optische Abtasteinrichtung zur Verfügung zu stel len, die ein elektrisches Feld messen kann, ohne es zu beein flussen, sowie durch eine Veränderung der elekaro-optischen Ab tasteinrichtung eine magneto-optische Abtasteinrichtung zur Ver fügung zu stellen, die ein Magnetfeld messen kann, ohne dieses zu beeinflussen.

Zur Lösung dieser Aufgaben besteht eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einer elektro-optischen Abtastein richtung aus: einer Laserdiode, die abhängig von einem Kontroll signal der Basiseinrichtung eines Meßinstrumentes einen Laser strahl emittiert, einem elektro-optischen Element, welches an einer Endfläche mit einer reflektierenden Schicht versehen ist, einer Teilungseinrichtung, die zwischen der Laserdiode und dem elektro-optischen Element angeordnet ist und welche für den von der Laserdiode emittierten Laserstrahl durchlässig ist und einen von der reflektierenden Schicht reflektierten Strahl teilt, zwei Fotodioden, die den von dem Strahlteiler reflektierten Strahl in ein elektrisches Signal umwandeln, sowie einer schwach dielek trische Substanz, welche zum Schutz des elektro-optischen Ele mentes verwendet wird.

Die schwach dielektrische Substanz dieser elektro-optischen Ab tasteinrichtung kann beispielsweise Glas hergestellt sein. Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einer elektro-optischen Abtasteinrichtung besteht aus: einer Laserdio de, die abhängig von einem Kontrollsignal der Basiseinrichtung eines Meßinstrumentes einen Laserstrahl emittiert, einem elek tro-optischen Element, welches an einer Endfläche mit einer re flektierenden Schicht versehen ist, einer Teilungseinrichtung, die zwischen der Laserdiode und dem elektro-optischen Element angeordnet ist und welche für den von der Laserdiode emittierten Laserstrahl durchlässig ist und einen von der reflektierenden Schicht reflektierten Strahl teilt, sowie zwei Fotodioden, die den von dem Strahlteiler reflektierten Strahl in ein elektri sches Signal umwandeln, wobei das elektro-optische Element so angeordnet ist, daß es an der Außenseite der Abtasteinrichtung offenliegt.

Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt au ßerdem eine magneto-optische Abtasteinrichtung, bestehend aus:
einer Laserdiode, die abhängig von einem Kontrollsignal der Ba siseinrichtung eines Meßinstrumentes einen Laserstrahl emit tiert, einem magneto-optischen Element, welches an einer Endflä che mit einer reflektierenden Schicht versehen ist, einer Tei lungseinrichtung, die zwischen der Laserdiode und dem magneto- optischen Element angeordnet ist und welche für den von der La serdiode emittierten Laserstrahl durchlässig ist und einen von der reflektierenden Schicht reflektierten Strahl teilt, zwei Fo todioden, die den von dem Strahlteiler reflektierten Strahl in ein elektrisches Signal umwandeln, sowie einer schwach dielek trische Substanz, welche zum Schutz des magneto-optischen Ele mentes verwendet wird.

Die schwach dielektrische Substanz dieser magneto-optischen Ab tasteinrichtung kann beispielsweise Glas hergestellt sein.

Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt au ßerdem eine magneto-optische Abtasteinrichtung, bestehend aus:
einer Laserdiode, die abhängig von einem Kontrollsignal der Ba siseinrichtung eines Meßinstrumentes einen Laserstrahl emit tiert, einem magneto-optischen Element, welches an einer Endflä che mit einer reflektierenden Schicht versehen ist, einer Tei lungseinrichtung, die zwischen der Laserdiode und dem magneto- optischen Element angeordnet ist und welche für den von der La serdiode emittierten Laserstrahl durchlässig ist und einen von der reflektierenden Schicht reflektierten Strahl teilt, sowie zwei Fotodioden, die den von dem Strahlteiler reflektierten Strahl in ein elektrisches Signal umwandeln, wobei das magneto- optische Element so angeordnet ist, daß es an der Außenseite der Abtasteinrichtung offenliegt.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der elektro-optischen Abtasteinrichtung der vorliegenden Er findung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform ei ner konventionellen elektro-optischen Abtasteinrichtung.

Eine bevorzugte Ausführungsform der elektro-optischen Abtastein richtung der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden unter Be zugnahme auf Fig. 1 beschrieben.

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm der bevorzugten Ausfüh rungsform der elektro-optischen Abtasteinrichtung. In Fig. 1 kennzeichnet Bezugszeichen 1 eine Tastkopfspitze bestehend aus einem isolierenden Material, in deren Zentrum eine Glasplättchen 1b eingesetzt ist, so daß das Glasplättchen zur Außenseite der Abtasteinrichtung weist. Bezugszeichen 2 kennzeichnet ein elek tro-optisches Element, welches z. B. aus CdTe besteht. Das elek tro-optische Element 2 ist an der Tastkopfspitze 1 befestigt, so daß es die Glasplatte 1b berührt oder nicht berührt. Die Endflä che des elektro-optischen Elementes 2 ist mit einer reflektie renden Schicht 2a versehen, die in Richtung der Glasplatte 1b weist. Wird das elektrische Feld in Längsrichtung (parallel zum Laserstrahl) gemessen, kann als elektro-optisches Element 2 z. B. CdTe oder BSO verwendet werden. Andere elektro-optische Elemente zum Messen des elektrischen Feldes in orthogonaler Richtung kön nen jedoch ebenfalls verwendet werden. Die Bezugszeichen 3 und 8 kennzeichnen Kollimatorlinsen, das Bezugszeichen 4 kennzeichnet ein λ/4-Plättchen und die Bezugszeichen 5 und 7 kennzeichnen po larisierende Strahlteiler. Bezugszeichen 6 kennzeichnet ein Fa radayelement, welches die Polarisationsebene des eingestrahlten Lichtes um einen Winkel von 45° dreht. Bezugszeichen 9 kenn zeichnet eine Laserdiode, die abhängig von einem Kontrollsignal, welches von einer Pulsgeneratoreinrichtung (nicht gezeigt) der Basiseinheit eines EOS-Oszilloskopes 19 ausgegeben wird, einen Laserstrahl emittiert. Die Bezugszeichen 10 und 11 kennzeichnen Kollimatorlinsen, die Bezugszeichen 12 und 13 kennzeichnen Foto dioden, die ein elektrisches Signal an die Basiseinheit des EOS- Oszilloskops 19 ausgeben, welches dem eingehenden Laserstrahl entspricht. Bezugszeichen 14 kennzeichnet eine Teilungseinrich tung bestehend aus dem λ/4-Plättchen 4, den polarisierenden Strahlteilern 5, 7 und dem Faradayelement 6; Bezugszeichen 15 kennzeichnet den Grundkörper der Abtasteinrichtung, der aus ei nem isolierenden Material besteht.

Die elektro-optische Abtasteinrichtung der Ausführungsform gemäß Fig. 1 unterscheidet sich von konventionellen elektro-optischen Abtasteinrichtungen in dem Punkt, daß das Glasplättchen 1b im Bereich der Spitze des elektro-optischen Elementes 2 angebracht ist. Die Dicke des Glasplättchens 1b entlang der Achse der Ab tastvorrichtung beträgt z. B. etwa 100 µm. Darüber hinaus besteht das Glasplättchen 1b aus einem Material, das schwach dielek trisch ist, so daß Wirkungen auf magnetische Felder in der Umge bung der Abtasteinrichtung reduziert werden. Ansonsten ent spricht der Strahlengang A des von der Laserdiode 9 emittierten Laserstrahls in dieser Ausführungsform der elekaro-optischen Ab tasteinrichtung dem der konventionellen elektro-optischen Ab tasteinrichtung gemäß Fig. 2.

Im Folgenden wird der Vorgang der Bestimmung des gemessenen Si gnals unter Verwendung dieser elektro-optischen Abtasteinrich tung beschrieben.

Wird das Glasplättchen 1b, welches als Detektionselement dient, an einer zu messenden Stelle plaziert, so wird das elektrische Feld an dieser Stelle durch das Glasplättchen 1b hindurch direkt an das elektro-optische Element 2 übertragen, wodurch die Bre chungsindices des doppelbrechenden elektro-optischen Elementes 2 aufgrund des Pockels-Effektes variiert werden. Dadurch wird die Polarisation des von der Laserdioden emittierten Laserstrahls, welcher in das elektro-optische Element 2 eintritt, beim Durch strahlen des elektro-optischen Elementes 2 verändert. Der Laser strahl wird, nach der Änderung seine Polarisation, durch die re flektierende Schicht 2a reflektiert, trifft auf die Fotodioden 12, 13, und wird in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Durch diese elektro-optische Abtasteinrichtung wird eine Ände rung der Polarisation des Laserstrahls in Abhängigkeit einer Än derung des elektrischen Feldes am Meßpunkt durch das elektro- optische Element 2 in ein unterschiedliches Ausgangssignal der Fotodioden 12, 13 konvertiert. Das elektrische Feld an der räum lichen Position des Glasplättchens 1b kann so, durch die Auf zeichnung dieses Unterschiedes, direkt gemessen werden. Somit kann das elektrische Feld durch ein Kontaktieren des elektro- optischen Elementes 2 direkt gemessen werden. Zusätzlich kann durch eine Unterbrechung des Kontaktes die elektrische Feldver teilung direkt gemessen werden. Eine Folge hiervon ist, daß das elektrische Feld eines speziellen Objektes mit der elektro- optischen Abtasteinrichtung ebenfalls gemessen werden kann, ohne das elektro-optische Element 2 mit dem Objekt zu kontaktieren. Eine Beschädigung des elektro-optischen Elementes 2 kann darüber hinaus verhindert werden, da das elektro-optische Element 2 durch das Glasplättchen 1b geschützt ist.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, das elektro-optische Element 2 der beschriebenen Ausführungsform durch ein magneto-optisches Element, wie z. B. einen magnetischen, monokristallinen Granat zu ersetzen, um eine magneto-optische Abtasteinrichtung zur Verfü gung zu stellen. Mit dieser magneto-optischen Abtasteinrichtung kann das magnetische Feld und dessen Verteilung direkt, entweder durch ein Kontaktieren des magneto-optischen Elements oder durch die Unterbrechung des Kontakts des magneto-optischen Elementes direkt gemessen werden. Eine Folge hiervon ist, daß das magneti sche Feld eines speziellen Objekts mit der magneto-optischen Ab tasteinrichtung ebenfalls gemessen werden kann, ohne das magne to-optische Element mit dem Objekt zu kontaktieren.

Darüber hinaus können die elektro-optischen oder magneto- optischen Elemente an der Außenfläche der Abtasteinrichtung ohne das Glasplättchen 1b offenliegen: Für diesen Fall kann das elek trische oder magnetische Feld im Raum ebenfalls direkt gemessen werden, ohne das elektrische oder magnetische Feld zu beeinflus sen.

Claims

1. Elektro-optische Abtastvorrichtung, bestehend aus
einer Laserdiode (9), die abhängig von einem Kontrollsignal der Basiseinheit eines Meßinstruments (19) einen Laser strahl emittiert,
einem elektro-optischen Element (2), welches an einer sei ner Endflächen mit einer reflektierenden Schicht (2a) ver sehen ist,
einer Teilungseinrichtung (14), die zwischen der Laserdiode und dem elektro-optischen Element angeordnet ist, und wel che für den von der Laserdiode emittierten Laserstrahl durchlässig ist und einen von der reflektierenden Schicht reflektierten Strahl teilt,
zwei Photodioden (12; 13), die den von der Teilungseinrich tung reflektierten Strahl in ein elektrisches Signal umwan deln und
einem schwach dielektrischen Material (1b), zum Schutz des elektro-optischen Elements.

2. Elektro-optische Abtastvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das schwach dielektrische Material aus Glas hergestellt ist.

3. Elektro-optische Abtastvorrichtung bestehend aus
einer Laserdiode (9), die abhängig von einem Kontrollsignal der Basiseinheit eines Meßinstruments (19) einen Laser strahl emittiert,
einem elektro-optischen Element (2), welches an einer sei ner Endflächen mit einer reflektierenden Schicht (2a) ver sehen ist,
einer Teilungseinrichtung (14), die zwischen der Laserdiode und dem elektro-optischen Element angeordnet ist, und wel che für den von der Laserdiode emittierten Laserstrahl durchlässig ist und einen von der reflektierenden Schicht reflektierten Strahl teilt,
zwei Photodioden (12; 13), die den von der Teilungseinrich tung reflektierten Strahl in ein elektrisches Signal umwan deln,
wobei das elektro-optische Element an der Außenseite der elektro-optischen Abtastvorrichtung offenliegt.

4. Magneto-optische Abtastvorrichtung, bestehend aus
einer Laserdiode (9), die abhängig von einem Kontrollsignal der Basiseinheit eines Meßinstruments (19) einen Laser strahl emittiert,
einem magneto-optischen Element, welches an einer seiner Endflächen mit einer reflektierenden Schicht versehen ist,
einer Teilungseinrichtung (14), die zwischen der Laserdiode und dem elektro-optischen Element angeordnet ist, und wel che für den von der Laserdiode emittierten Laserstrahl durchlässig ist und einen von der reflektierenden Schicht reflektierten Strahl teilt,
zwei Photodioden (12; 13), die den von der Teilungseinrich tung reflektierten Strahl in ein elektrisches Signal umwan deln und
einem schwach dielektrischen Material (1b), zum Schutz des magneto-optischen Elements.

5. Magneto-optische Abtastvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei das schwach dielektrische Material aus Glas hergestellt ist.

6. Magneto-optische Abtastvorrichtung bestehend aus
einer Laserdiode (9), die abhängig von einem Kontrollsignal der Basiseinheit eines Meßinstruments (19) einen Laser strahl emittiert,
einem magneto-optischen Element, welches an einer seiner Endflächen mit einer reflektierenden Schicht versehen ist,
einer Teilungseinrichtung (14), die zwischen der Laserdiode und dem elektro-optischen Element angeordnet ist, und wel che für den von der Laserdiode emittierten Laserstrahl durchlässig ist und einen von der reflektierenden Schicht reflektierten Strahl teilt,
zwei Photodioden (12; 13), die den von der Teilungseinrich tung reflektierten Strahl in ein elektrisches Signal umwan deln,
wobei das magneto-optische Element an der Außenseite der magneto-optischen Abtastvorrichtung offenliegt.