(57)【要約】【課題】  戻り光の一部が発光部に入射することを防止して正確な変位測定を可能としつつ、小型化が可能な変位測定装置を提供する。【解決手段】  半導体基板１に凹部２が設けられ、この凹部２内に発光部３と受光部４、受光部５とが設けられている。発光部３は面発光レーザからなり、受光部４、受光部５は２分割フォトダイオードからなる。半導体基板１の上方側には、光を透過するガラス部材６が配置され、このガラス部材６のうち、発光部３の発光面３ａから出射する光ビームの中心部分が照射される位置には、反射部７が形成されている。反射部７によって反射された光は、モニタ部８によって受光され、発光強度のモニタ用として利用される。発光部３の発光面３ａから出射した光は、その中心部分が反射部７によって反射されているため、円環状の光ビームとなってガラス部材６を透過しマイクロミラー１０で反射される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部から出射された光が外部反射手段で反射され、その戻り光が受光部で受光されて外部反射手段の変位を測定する変位測定装置において、前記外部反射手段に到達する際の光ビームが円環状であることを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
前記発光部は面発光レーザまたは発光面に略垂直に光を出射する発光素子チップからなり、前記発光部と外部反射手段との間に設けられたガラス部材の一部に設けられた反射部によって、前記発光部から出射された光ビームの中心部分が反射されることによって、前記外部反射手段に到達する際の光ビームが円環状となっていることを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
【請求項３】
前記受光部が複数設けられ、それぞれの受光部は２分割フォトダイオードからなり、前記２分割フォトダイオードにおける受光レベルに基づいて外部反射手段の変位が測定されることを特徴とする請求項１または２記載の変位測定装置。
【請求項４】
前記発光部と前記受光部とが半導体基板上またはセラミック基板上に載置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の変位測定装置。
【請求項５】
前記発光部と前記受光部とが半導体基板上にモノリシックに集積化されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を利用した変位測定装置に関し、特に小型化が可能な変位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光学系変位測定装置としては、光ファイバを介して光源からの光を外部の物体に照射するものや、マイケルソン干渉計の原理を利用したものがある。光ファイバを用いるものは小型化が難しく、また、マイケルソン干渉計によるものは、干渉を利用して変位測定するものであるため、光ビームを絞って平行光線にする必要があり、そのための別途の手段が必要となるため、構造が複雑となりやすい。
本発明者は、これらの問題点を解決すべく、小型化が可能な変位測定装置を発明し、その内容が特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２８１７２４号公報
【０００４】
この変位測定装置は、半導体基板上に発光ダイオードとフォトダイオードと光導波路とを形成して、発光ダイオードから出射された光ビームを変位測定装置の外部の物体に反射させ、その反射光を光ビームとして光導波路に入射させ、フォトダイオードによって受光するものである。
【０００５】
この変位測定装置は、小型で且つ軽量であり、慣性が小さく、振動の影響も受けにくく、個別部品の組み立て、調整の工程を削除すると共に、量産を可能にして、且つ光源に発光ダイオードも利用することができ、また、光源から出射した光ビームの広がる性質を直接利用した測定で、低コスト化、高信頼性化を実現することができるという優れた性能を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、近年のマイクロマシーンの進歩に見られるように、変位測定装置についても小型化の要請は強く、光導波路を用いると、更なる小型化の要求には十分に応えることができない。
また、発光部から発せられた光の戻り光の一部が発光部に入射すると、発光部の発光特性に悪影響を及ぼし、正確な変位測定装置ができなくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、戻り光の一部が発光部に入射することを防止して正確な変位測定を可能としつつ、小型化が可能な変位測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するために、本発明は、発光部から出射された光が外部反射手段で反射され、その戻り光が受光部で受光されて外部反射手段の変位を測定する変位測定装置において、前記外部反射手段に到達する際の光ビームが円環状であることを特徴とする変位測定装置である。
【０００９】
前記外部反射手段に到達する際の光ビームが円環状であることによって、発光部から発せられた光の戻り光の一部が発光部に入射することがなくなり、発光部の発光特性が安定して正確な変位測定装置が可能となる。ここで、光ビームが円環状であるとは、光ビームの中心領域以外の周辺部にのみ光ビームが存在している状態のことをいう。
【００１０】
外部反射手段に到達する際の光ビームを円環状とすることは、発光部が面発光レーザまたは発光面に略垂直に光を出射する発光素子チップからなり、前記発光部と外部反射手段との間に設けられたガラス部材の一部に設けられた反射部によって、前記発光部から出射された光ビームの中心部分が反射されるようにすることによって可能である。
【００１１】
本発明においては、前記受光部が複数設けられ、それぞれの受光部は２分割フォトダイオードからなり、前記２分割フォトダイオードにおける受光レベルに基づいて外部反射手段の変位が測定されることを特徴とする。
外部反射手段の変位、すなわち回転や平行移動によって、外部反射手段によって反射された後の光ビームの形状が変化するため、２分割フォトダイオードにおける受光レベルを検知することにより、簡便で正確な変位測定を行うことができる。
【００１２】
本発明においては、前記発光部と前記受光部とが半導体基板上またはセラミック基板上に載置されていることを特徴とする。これにより、小型の変位測定装置とすることができる。
【００１３】
本発明においては、前記発光部と前記受光部とが半導体基板上にモノリシックに集積化されていることを特徴とする。
ここで、発光部と受光部とが半導体基板上にモノリシックに集積化されているとは、発光部と受光部とが１枚の半導体基板上に形成されていることを意味する。
これにより、発光部、受光部を個別にアセンブリする必要がなく、フォトリソグラフィの精度で一体形成できるため、製造過程における加工精度が向上し、製造過程の簡略化が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、戻り光の一部が発光部に入射することを防止して正確な変位測定を可能としつつ、小型化が可能な変位測定装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明の変位測定装置をその実施形態に基づいて説明する。
図１に、本発明の第１実施形態に係る変位測定装置の構成を示す。
図１において、半導体基板１に凹部２が設けられ、この凹部２内に発光部３と受光部４、受光部５とが設けられている。発光部３は面発光レーザからなり、受光部４、受光部５はフォトダイオードからなる。フォトダイオードとして２分割フォトダイオードを用いることができる。
【００１６】
半導体基板１の上方側には、光を透過するガラス部材６が配置され、このガラス部材６のうち、発光部３の発光面３ａから出射する光ビームの中心部分が照射される位置には、反射部７が形成されている。反射部７によって反射された光は、モニタ部８によって受光され、発光強度のモニタ用として利用される。モニタ部８は、フォトダイオードによって形成することができる。
【００１７】
発光部３の発光面３ａから出射した光は、その中心部分が反射部７によって反射されているため、円環状の光ビームとなってガラス部材６を透過する。また、発光部３の発光面３ａと、ガラス部材６の下面６ａとの間隔は、ガラス部材６が有する焦点距離と同一にならないようにしている。発光部３の発光面３ａと、ガラス部材６の下面６ａとの間隔を、ガラス部材６が有する焦点距離より短くすると、図１に示すように、光ビームはガラス部材６中を進行するに従ってビーム径が広がり、凸部９によって適度に曲げられて、円環状の光ビームとして外部反射手段の一例であるマイクロミラー１０に到達し反射される。その後、光ビームはガラス部材６を透過し、ガラス部材６のうち、受光部４、受光部５と対向する位置に設けられた凸部１１、凸部１２によって集光されて、受光部４、受光部５のそれぞれの受光面に受光される。
【００１８】
なお、発光部３の発光面３ａと、ガラス部材６の下面６ａとの間隔を、ガラス部材６が有する焦点距離より長くすると、円環状の光ビームは一旦交叉した後、円環状の光ビームとしてマイクロミラー１０に到達し反射される。この場合にも、光ビームはその後、ガラス部材６を透過し、ガラス部材６のうち、受光部４、受光部５と対向する位置に設けられた凸部１１、凸部１２によって集光されて、受光部４、受光部５のそれぞれの受光面に受光される。
【００１９】
図２は、受光部と発光部の配置の一例を示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその正面図、（ｃ）はその側面図である。
この例では、半導体基板１上の発光部３の両側に受光部４と受光部５とが配置され、この２つの受光部４と受光部５とを結ぶ線に対して垂直な方向にモニタ部８が配置されている。半導体基板１の寸法Ａは７５０μｍ、寸法Ｂは７９０μｍ、発光部３の発光面３ａの中心と受光部５の受光面の中心との距離Ｃは２５０μｍ、発光部３の発光面３ａの中心とモニタ部８の受光面の中心との距離Ｄは２００μｍ、受光部５の受光面の中心と受光部５の端部との距離Ｅは９０μｍである。なお、このような配置は一例であって、発光部３から出射された光のうち、反射部７によって反射された光がモニタ部８に受光されるように、モニタ部８が配置されていればよい。モニタ部８には、反射部７からの反射された光以外の光がモニタ部８に入らないように、モニタ部８の上部に円環ビーム（マイクロミラー１０によって反射された光）を遮光する遮光膜１５を形成しておく。また、発光部３から出射された光のうち、図１に示すマイクロミラー１０によって反射された光が受光部４と受光部５とに受光されるように、受光部４と受光部５が配置されていればよい。
【００２０】
図２に示す例では、ガラス部材６にはレンズ形成していないが、レンズとしての機能を持たせるか否かは、選択の問題である。レンズとしての機能を持たせると、変位測定についての測定精度は向上するが測定可能範囲が狭まり、逆に、レンズとしての機能を持たせないと、変位測定についての測定精度は低下するが測定可能範囲は広がる。従って、用途に応じてレンズ形成の有無を考慮すればよい。
【００２１】
図３に、マイクロミラーの変位と、２つのフォトダイオードＰＤＡとＰＤＢの出力Ａ、Ｂから得られる、（Ａ＋Ｂ）出力との関係を示す。
図３に示す場合には、マイクロミラーまでの距離と信号出力（Ａ＋Ｂ）との関係において、マイクロミラーまでの距離が１５００μｍ付近で信号出力（Ａ＋Ｂ）はピーク値を有するが、ピーク値を有する距離よりもマイクロミラーまでの距離が小さい直線関係部分（マイクロミラーまでの距離が０から約１３５０μｍまでの距離の部分）では勾配が急峻で精度が良い（分解能が高い）。一方、ピーク値を有する距離よりもマイクロミラーまでの距離が大きい直線関係部分（マイクロミラーまでの距離が１７００μｍから約３０００μｍまでの距離の部分）では勾配が相対的に緩やかであるが直線部分が長い、すなわち、測定範囲が広いという特徴がある。
【００２２】
図４に、マイクロミラーの回転角と、２つのフォトダイオードＰＤＡとＰＤＢの出力Ａ、Ｂから得られる、（Ｂ−Ａ）／（Ａ＋Ｂ）出力の関係を示す。マイクロミラーの回転角と、（Ｂ−Ａ）／（Ａ＋Ｂ）との関係はＳ字曲線を描く。高精度のマイクロミラー回転角の測定が必要な場合は直線部分が、測定範囲になる。しかし、マイクロミラーを共振させて共振周波数の測定を行いたい場合のように、高精度の回転角の測定が不必要な場合には、必ずしも直線部分でなくても差し支えない。２つのフォトダイオードの出力の差分（Ｂ−Ａ）信号を（Ａ＋Ｂ）で割ることにより、例えばマイクロミラーがｚ方向に変位したり、光源出力が低下したりしても、これらに基づく変化を相殺できるために、外乱の影響の少ない測定が可能となる。
【００２３】
そのため、図５に示すようなｘ回転軸とｙ回転軸とを有する２つのマイクロミラー１０からなる２軸同時回転ミラーにおいても、個々の回転軸を他軸回転とは無関係に測定できる。この場合の光源と、フォトダイオードとの位置関係を図６に示す。図６において、発光部３の両側に２つのｘ軸回転ミラー回転角検出用フォトダイオード１６が形成され、これと直交するように、ｙ軸回転ミラー回転角検出用フォトダイオード１７が形成されている。その他、モニタ部８が形成されている。
【００２４】
ｘ軸回りのミラー回転の測定は、ｘ軸回転ミラー回転角検出用フォトダイオード１６によって行うが、ｘ軸回転ミラー回転角検出用フォトダイオード１６の信号は、ｙ軸回りにマイクロミラーが回転することによっても変化をする。このために、単に差分（Ｂ−Ａ）を取るだけでは、ｙ軸回りの回転の影響を受けてしまう。この場合、差分（Ｂ−Ａ）を両者の信号の総和である（Ａ＋Ｂ）で割って、（Ｂ−Ａ）／（Ａ＋Ｂ）と正規化することにより、ｘ軸回転ミラー回転角検出用フォトダイオード１６出力の、ｙ軸回りの回転による影響を取り除くことができる。
【００２５】
図７は、受光部と発光部をモノリシックに集積化したものを示しており、発光部３、受光部４、受光部５、モニタ部８が１枚の半導体基板１上に形成されている。発光部３、受光部４、受光部５、モニタ部８のそれぞれの境界には、絶縁分離溝２０が形成されている。この例においては、半導体基板１の寸法Ｆは３５０μｍであり、寸法Ｇは４００μｍである。
【００２６】
図８に、本発明の第２実施形態に係る変位測定装置の構成を示す。
図８において、半導体基板１に凹部２が設けられ、この凹部２内に発光部３と受光部４、受光部５とが設けられている。発光部３はフォトニック結晶光源からなり、受光部４、受光部５はフォトダイオードからなる。フォトダイオードとして２分割フォトダイオードを用いることができる。
【００２７】
フォトニック結晶光源から出射される光は、元来円環状の光ビームであるため、この実施形態では、第１実施形態のように反射部７を設けることなく、円環状の光ビームがガラス部材６を透過し、マイクロミラー１０で反射されて、受光部４、受光部５のそれぞれの受光面に受光される。この実施形態においても、発光部３の発光面３ａと、ガラス部材６の下面６ａとの間隔は、フォトニック結晶光源から出射する光ビームの焦点距離と同一にならないようにして、ガラス部材６中を進行するに従って、光ビームが広がるようにしている。
【００２８】
図９、図１０を用いて、変位測定の方法について説明する。
図９は、マイクロミラー１０の回転に対する受光レベルの変化を示す。図９（ａ）に示すように、発光部３から出射された円環状の光ビームは、ガラス部材６を透過した後マイクロミラー１０によって反射されるが、マイクロミラー１０の回転に伴って反射後の光ビームの形状が変化する。この光ビームの形状の変化によって、受光部４、受光部５の２分割フォトダイオードのそれぞれの受光面での受光レベルが変化する。
【００２９】
図９（ｂ）に、マイクロミラー１０の回転角度に対する受光レベルの変化を示す。受光部４の第１の受光面４ａの受光レベルをＡ１、受光部４の第２の受光面４ｂの受光レベルをＡ２、受光部５の第１の受光面５ａの受光レベルをＢ１、受光部５の第２の受光面５ｂの受光レベルをＢ２としたときに、これらを演算した、（Ａ２−Ａ１＋Ｂ２−Ｂ１）／（Ａ２＋Ａ１＋Ｂ２＋Ｂ１）をマイクロミラー１０の回転角度θに対してプロットしている。マイクロミラー１０の回転角度θが大きくなるに従って演算値が大きくなり、マイクロミラー１０が反対方向に回転したときにも、その回転角θの絶対値が大きくなるに従って演算値の絶対値が大きくなる。従って、この演算値を検知することによって、マイクロミラー１０の回転角度を測定することができる。
【００３０】
図１０は、マイクロミラー１０の平行移動に対する受光レベルの変化を示す。図１０（ａ）に示すように、発光部３から出射された円環状の光ビームは、ガラス部材６を透過した後マイクロミラー１０によって反射されるが、マイクロミラー１０の平行移動に伴って反射後の光ビームの形状が変化する。この光ビームの形状の変化によって、受光部４、受光部５の２分割フォトダイオードのそれぞれの受光面での受光レベルが変化する。
【００３１】
図１０（ｂ）に、マイクロミラー１０の平行移動距離に対する受光レベルの変化を示す。受光部４の第１の受光面４ａの受光レベルをＡ１、受光部４の第２の受光面４ｂの受光レベルをＡ２、受光部５の第１の受光面５ａの受光レベルをＢ１、受光部５の第２の受光面５ｂの受光レベルをＢ２としたときに、これらを演算した、Ａ１＋Ａ２＋Ｂ１＋Ｂ２をマイクロミラー１０の平行移動距離Ｚに対してプロットしている。この演算値は、マイクロミラー１０の平行移動距離Ｚが所定の値をとるときに、ピーク値を持つパターンとなっている。
【００３２】
また、図１０（ｃ）には、他の演算値である、Ａ１−Ａ２＋Ｂ２−Ｂ１をマイクロミラー１０の平行移動距離Ｚに対してプロットしている。この演算値は、マイクロミラー１０の平行移動距離Ｚが大きくなるに従って演算値が大きくなり、マイクロミラー１０が反対方向に移動したときにも、その平行移動距離Ｚの絶対値が大きくなるに従って演算値の絶対値が大きくなる。従って、これらの演算値を検知することによって、マイクロミラー１０の平行移動距離を測定することができる。
【００３３】
図１１に、上述した変位測定装置をマイクロ共焦点顕微鏡用の走査用光源に適用した例を示す。光源２５から出射された光は、回折格子レンズ３０を透過し、Ｘ軸回転ミラー３１によって反射された後、Ｙ軸回転ミラー３２によって反射され、回折格子レンズ３３を透過し、Ｚ方向変位ミラー３４によって反射されて、サンプル面において結像する。
Ｘ軸回転ミラー３１、Ｙ軸回転ミラー３２、Ｚ方向変位ミラー３４の回転または変位は、面発光レーザと分割フォトダイオードを有する変位センサ３５によって検知される。
この場合、Ｘ軸回転ミラー３１は共振させるために、共振周波数の測定が重要になる。また、Ｚ変位マイクロミラーの変位測定が、サンプル表面に光を結像させるために重要な役割を果たす。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、戻り光の一部が発光部に入射することを防止して正確な変位測定を可能としつつ、小型化が可能な変位測定装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る変位測定装置の構成を示す図である。
【図２】受光部と発光部の配置の一例を示す図である。
【図３】マイクロミラーの変位と、２つのフォトダイオードＰＤＡとＰＤＢの出力Ａ、Ｂから得られる、（Ａ＋Ｂ）信号との関係を示す図である。
【図４】マイクロミラーの回転角と、２つのフォトダイオードＰＤＡとＰＤＢの出力Ａ、Ｂから得られる、（Ｂ−Ａ）／（Ａ＋Ｂ）信号との関係を示す図である。
【図５】２軸同時回転ミラーの構成を示す図である。
【図６】２軸同時回転ミラーを用いるときの、光源と、フォトダイオードとの位置関係を示す図である。
【図７】受光部と発光部をモノリシックに集積化したものを示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る変位測定装置の構成を示す図である。
【図９】マイクロミラーの回転に対する受光レベルの変化を示す図である。
【図１０】マイクロミラーの平行移動に対する受光レベルの変化を示す図である。
【図１１】変位測定装置をマイクロ共焦点顕微鏡に適用した例を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  半導体基板
２  凹部
３  発光部
３ａ  発光面
４  受光部
４ａ  第１の受光面
４ｂ  第２の受光面
５  受光部
５ａ  第１の受光面
５ｂ  第２の受光面
６  ガラス部材
６ａ  下面
７  反射部
８  モニタ部
９  凸部
１０  マイクロミラー
１１  凸部
１２  凸部
１５  遮光膜
１６  ｘ軸回転ミラー回転角検出用フォトダイオード
１７  ｙ軸回転ミラー回転角検出用フォトダイオード
２０  絶縁分離溝
２５  光源
３０  回折格子レンズ
３１  Ｘ軸回転ミラー
３２  Ｙ軸回転ミラー
３３  回折格子レンズ
３４  Ｚ方向変位ミラー
３５  変位センサ
【図１】
2006329673.tif 000003
【図２】
2006329673.tif 000004
【図３】
2006329673.tif 000005
【図４】
2006329673.tif 000006
【図５】
2006329673.tif 000007
【図６】
2006329673.tif 000008
【図７】
2006329673.tif 000009
【図８】
2006329673.tif 000010
【図９】
2006329673.tif 000011
【図１０】
2006329673.tif 000012
【図１１】
2006329673.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成18年9月26日(2006.9.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部から出射された光が外部反射手段で反射され、その戻り光が受光部で受光されて外部反射手段の変位を測定する変位測定装置において、前記発光部は面発光レーザまたは発光面に略垂直に光を出射する発光素子チップからなり、前記発光部と外部反射手段との間に設けられたガラス部材の一部に設けられた反射部によって、前記発光部から出射された光ビームの中心部分が反射されることによって、前記外部反射手段に到達する際の光ビームが円環状となっており、前記発光部と前記受光部とが半導体基板上またはセラミック基板上に載置されていることを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
発光部から出射された光が外部反射手段で反射され、その戻り光が受光部で受光されて外部反射手段の変位を測定する変位測定装置において、前記発光部は面発光レーザまたは発光面に略垂直に光を出射する発光素子チップからなり、前記発光部と外部反射手段との間に設けられたガラス部材の一部に設けられた反射部によって、前記発光部から出射された光ビームの中心部分が反射されることによって、前記外部反射手段に到達する際の光ビームが円環状となっており、前記発光部と前記受光部とが半導体基板上にモノリシックに集積化されていることを特徴とする変位測定装置。
【請求項３】
前記受光部が複数設けられ、それぞれの受光部は２分割フォトダイオードからなり、前記２分割フォトダイオードにおける受光レベルに基づいて外部反射手段の変位が測定されることを特徴とする請求項１または２記載の変位測定装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
また、図１０（ｃ）には、他の演算値である、Ａ１−Ａ２＋Ｂ２−Ｂ１をマイクロミラー１０の回転角θに対してプロットしている。この演算値は、マイクロミラー１０の回転角θが大きくなるに従って演算値が大きくなり、マイクロミラー１０が反対方向に回転したときにも、その回転角θの絶対値が大きくなるに従って演算値の絶対値が大きくなる。従って、これらの演算値を検知することによって、マイクロミラー１０の回転角θを測定することができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2006329673.tif 000014