CN1460174A - 光发射接收复合单元和使用它的位移检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明是光发射接收复合单元(1)，通过将光源(3)、用于将返向单元的回射光分为多个光束的光分路部(4)、根据回射光的偏振状态增减透光量的偏振部(5)以及包含用于探测经过偏振部(5)的光的多个光探测部(6－1至6－4)的光接收部(6)进行封装，形成了一体化结构。作为在该单元(1)外部的外部光学系统ET，配置了包含反射型衍射光栅RG的被检测部；使从单元(1)出射的光向反射型衍射光栅RG反射的反射构件(R1a、R1b)；接受由反射型衍射光栅RG产生的衍射光、改变其偏振状态的偏振构件(WP1a、WP1b)；以及用于反射通过各偏振构件的光、使其沿反方向返回的反射构件(R2a、R2b)，构成了光栅干涉型位移检测装置。

Description

光发射接收复合单元和使用它的位移检测装置

技术领域

本发明涉及用半导体激光作为光源，并用偏振光得到信号的光学单元，进而涉及利用衍射光的干涉对位移进行检测的所谓光栅干涉型位移检测装置。

背景技术

以往，在半导体制造等领域中使用的位移检测装置中，已知有例如具有标有刻度的固体标尺和用电学方法检测该固体标尺在直线移动方向的位移量的检测装置的所谓的线性编码器。其中，作为可进行高精度、高分辨率检测用的装置，可以举出利用衍射光的干涉对位移进行检测的装置，譬如，全息照相编码器等。

作为现有的位移检测装置101的一个例子，有具备如图1所示结构的装置。该检测装置101利用了由衍射光栅得到的衍射光的干涉。

如果大别对该结构进行分解，则该结构由光照射部102、光路控制和被检测部103、光接收部104这3个部分构成，在各部的结构中，有如下所述的要素。

即，光照射部102包括半导体激光器(LS)、会聚透镜(L1)和偏振光束分裂器(BS1)。

另外，光路控制和被检测部103包括反射镜(R1a、R1b)，反射型衍射光栅(RG)，会聚透镜(L2a、L2b)，λ/4波长片(WP1a、WP1b)和反射镜(R2a、R2b)。

光接收部104包括半透镜(HM)，偏振光束分裂器(BS2、BS3)，λ/4波长片(WP2)，光探测器(PD1～4)。

从作为构成光照射部102的光源的半导体激光器LS射出的光，被会聚透镜L1会聚，成为会聚光后，又被偏振光束分裂器BS1偏振分离，成为2个光束LFa、LFb，其中一束借助于反射镜R1a其光路被偏转后，到达反射型衍射光栅RG，另一束借助于反射镜R1b其光路被偏转，到达反射型衍射光栅RG。这里，所谓的偏振分离意味着将入射光束分离为P偏振分量和S偏振分量。

在附设于被检测部(线性标尺等)的反射型衍射光栅RG处，其级数被设定为相同符号(正负相同)的产生至少高于1级的高级数衍射的各光束分别经会聚透镜L2a、L2b后，被在与衍射角对应的角度位置配置的λ/4波长片WP1a、WP1b将各自的偏振方向旋转90度，而后被反射镜R2a、R2b反射，沿着与来路相同的光路在反方向上返回，到达偏振光束分裂器BS1。

到达偏振光束分裂器BS1的光由于各光束呈其偏振方向相对原来的方向旋转90度的状态，所以向与来路中的入射方向不同的方向出射，射向半透镜HM。然后，到达半透镜HM的光束分成2路，分路后的光束中的一路到达偏振光束分裂器BS3，另一路光束通过λ/4波长片WP2后到达偏振光束分裂器BS2。

另外，关于偏振光束分裂器BS3的装配姿态，按如下方式配置：以该光轴为中心，对到达的光束的偏振方向，取约为45度的角度绕光轴旋转。

被偏振光束分裂器BS2进行了偏振分离的光束分别到达光探测器PD1、PD2，光强被转换为电学量。另外，被偏振光束分裂器BS3进行了偏振分离的光束分别到达光探测器PD3、PD3，光强被转换为电学量。

本例的工作原理如下。

首先，被偏振光束分裂器BS1分离的、具有不同的偏振方向或偏振状态的2光束LFa、LFb，通过被反射型衍射光栅RG反射衍射，形成有相同符号的衍射光，同时借助于λ/4波长片WP1a、WP1b和反射镜R2a、R2b，形成其偏振方向相对于来路旋转了大致90度的光束，返回偏振光束分裂器BS1进行混合。

这时，由于被混合的2个光束是来自具有同一偏振分量的光源LS的被分为2束的光，所以两束光即使有不同的偏振方向，也会发生干涉。

现在，当沿光栅的排列方向，例如图1中的箭头A的方向相对于另一光学系统移动反射型衍射光栅RG时，在偏振光束分裂器BS1处被混合的光相互干涉。因此，由于对每一个偏振方向的光，在与衍射级数相应的间距上强度发生变化，所以通过将由该干涉产生的强度变化分离为多个偏振分量，形成相位相互不同的光的强度分布，能够用光探测器PD1～4进行检测。亦即，通过检测该光强分布，能够以对衍射光栅的线条间距乘以衍射级数的倒数和衍射频度的倒数的1/2而得到的分辨率来检测反射型衍射光栅RG的移动量。进而，由于用光探测器PD1～4测得的强度变化呈极为接近正弦波的形状，所以利用将测得的波形进行内插分割的方法，可以得到更高的分辨率。

在这种利用衍射光的干涉的位移检测装置中，例如用全息照相等方法制作反射型衍射光栅，再通过对得到的正弦波信号进行分割，可以实现nm(纳米)级的分辨率

关于现有的位移检测装置，由于在其制造工序中必须一边对独立制作的发光部件、光接收部件或光学部件进行调整，一边进行装配，所以存在如下的问题。

首先，在装置被装配时，由于针对各部件的加工精度或特性的分散性必须进行精密的调整，因而不得已进行复杂的工序，从而难以降低价格；由于各部件的调整、紧固和固定需要大的空间，所以难以使装置的形状小型化。还有，由于对精密调整后的正式固定必须使用粘结剂，所以粘结状态易受周围环境变化等的影响，存在发生因环境变化、时间变化而引起的调整部偏离的危险。

发明的公开

本发明的目的在于提供能够消除上述那样的现有位移检测装置所存在的问题的新型光发射接收复合单元和使用该单元的位移检测装置。

本发明的另一目的在于提供低价格、适合于小型和轻型化的、可靠性高的光发射接收复合单元和使用该单元的位移检测装置。

本发明的光发射接收复合单元借助于将光源；用于将从该光源发出的光中的、通过外部光学系统返回单元的回射光分为多个光束的光分路部；根据该回射光的偏振状态增减透光量的偏振部；以及包含用于探测经过偏振部的光的多个光探测部的光接收部汇总封装在同一构件内，形成一体化结构。

本发明的位移检测装置包括：以这样的一体化结构构成的光发射接收复合单元；对该单元为外部光学系统的、包含衍射光栅的被检测部；接受从光发射接收复合单元出射后、由衍射光栅产生的衍射光、改变其偏振状态的偏振构件；以及用于使通过偏振构件的光进行反射、并使其沿反方向的朝向衍射光栅的方向返回的反射构件。

本发明的光发射接收复合单元和位移检测装置，由于将光源、对于向单元返回的回射光分路的光分路部、偏振部和光接收部进行了封装，制成了一体化结构，所以各部的位置调整变得简单，可以提高适合于低价格和小型、轻型化的可靠性。

本发明的除此以外的其他目的，以及由本发明可得到的具体益处，从下面进行说明的实施例的说明中，大概能够更加明白。

附图的简单说明

图1是示出现有位移检测装置的结构例的图。

图2是示出使用本发明的光发射接收复合单元的位移检测装置的结构例的图。

图3是示出本发明的光发射接收复合单元的结构例的图。

图4是用于说明光发射接收复合单元的光源和光接收部的配置的平面图。

实施本发明的优选形态

下面参照附图对本发明的光发射接收复合单元和使用该单元的位移检测装置进行说明。

图2是示出使用本发明的光发射接收复合单元(或发送和接收光的单元)的位移检测装置的结构例的图，是应用于光栅干涉型位移检测装置的图。

由与上述图1所示的位移检测装置在结构上进行比较可知，光学系统的结构部件的大部分被收在光发射接收复合单元1内，在该单元内进行了偏振分离后射出外部的2个光束LFa、LFb分别到达构成外部光学系统ET的第1反射构件(反射镜R1a、R1b)，光路发生变更。另外，这些反射构件是为了使从光发射接收复合单元1出射的光朝向反射型衍射光栅RG，例如衍射效率高的全息照相光栅(体积型相位全息照相等)并反射所必须的构件。

到达在线性标尺等被检测部使用的反射型衍射光栅RG的各光束，在近距离内射入该光栅。这是为了减小光栅内的光程差，使原信号的波长难以产生误差。这里，在以1级以上的级数衍射后，分别经会聚透镜L2a、L2b到达偏振构件和第2反射构件。这里，对偏振构件使用了λ/4波长片WP1a、WP1b，对第2反射构件使用了反射镜R2a、R2b。即，光束LFa被反射型衍射光栅RG衍射后，经λ/4波长片WP1a到达反射镜R2a，另外，光束LFb被反射型衍射光栅RG衍射后，经λ/4波长片WP1b到达反射镜R2b。该λ/4波长片WP1a、WP1b具有接受由反射型衍射光栅RG产生的衍射光，改变其偏振状态的作用，它们如上述那样地将偏振方向旋转90度。反射镜R2a、R2b具有对改变了偏振状态的光进行反射，使其沿反方向返回的作用，被反射的各光束，分别反方向地沿着来路到达光发射接收复合单元1。即，成为返向单元1的回射光。

图3和图4是示出光发射接收复合单元1的结构例的图，图3示出了内部结构的主要部件，图4示出了从光源和光接收部的光轴方向观察的平面图。

光发射接收复合单元1包括光源3、光分路部4、偏振部5、光接收部6，并将它们纳入一个收容构件，进行了一体化。

构成光发射接收复合单元1的光源3在应用于位移检测装置时，用作测定用光源或发光部，构成光源的发光元件固定在具有对该元件发出的光进行反射的反射面7a的半导体基板7上。这里，作为发光元件使用了半导体激光器3a。如图3所示，反射面7a具有使从半导体激光器3a发出的光向沿光源3的设定光轴的方向，即图3中的上下方向偏转的光路变更装置的功能，起着使激光向图的上方升起的作用。

光接收部6被收入收容构件2中，用于探测经过偏振部5的光的多个光探测部或者光探测元件6_1至6_4在半导体基板6a上形成。还有，图中虽未明示，但半导体激光器3a或半导体基板6a、7例如借助于引线键合等与用于从收容构件2通向外部的布线用电极构件电连接。

对配置并固定半导体基板6a、7的收容构件2，设置了用于覆盖其开口、将其封住的盖构件8，借此，光源3和光接收部6等被封装了起来。还有，在盖构件8上，例如使用透明的塑料材料形成了多个透镜部8a、8_1至8_4。总之，透镜部8a是配置在光源3的光轴上的会聚透镜，使从光源3发出的光(经后面将述及的偏振分离膜)射出到单元的外部。另外，透镜部8_1至8_4为使来自图2所示的外部光学系统ET的回射光会聚或发散而设置，它们与上述光探测部6_1至6_4的每一个对应地(附带号“_X”(X＝1～4)相同者彼此对应)配置在各探测部的光轴上。

偏振构件5_1至5_4配置、固定在盖构件8的内表面，即光接收部6一侧的面上，它们构成偏振部5。就是说，各偏振构件对透镜部8_1至8_4的每一个进行了设置，其数目与光探测部6_1至6_4的数目相同，构成了以透镜部8-X、偏振构件5-X、光探测部6-X为一组的光接受系统，其中，“X＝1～4”之间可变的整数。然后，为了对在光分路部4分岔了的回射光的偏振分量进行分离，对构成偏振部5的各偏振构件进行了使它们的偏振特性或偏振方向(或偏振角)各不相同的设定。

复合棱镜9安装固定在盖构件8的上表面，它们具有包含偏振分离膜9a和将回射光束分岔了的多个光分路膜9_1、9_2、9_3，全反射膜9e的结构。即偏振分离膜9a、光分路膜9_1至9_3和全反射膜9e是构成上述光分路部4的构件，偏振分离膜9a在与上述透镜8a对应的位置，配置在光源3的光轴上，另外，光分路膜9_1、9_2、9_3分别在与透镜部8_1、8_2、8_3对应的位置，配置在光探测部6_1、6_2、6_3的每一个的光轴上。全反射面9e在与透镜部8_4对应的位置，配置在光探测部6_4的光轴上。

这样，形成了在光分路部4和光接收部6之间配置了透镜部8a、8_1至8_4和偏振部5的结构。

在光分路膜9_2的背后(全反射面9e一侧)设置了λ/4波长片10(相当于上述的WP2)，回射光中的通过该波长片的光到达光分路膜9_3、全反射膜9e。

另外，在本例中，对于通过外部光学系统ET返回单元1的回射光，借助于光分路部4将回射光分成了4路，但是分路数并不限于此，只要至少分岔成2路以上都是可以的。还有，偏振构件5_1至5_4的位置，只要是在光分路膜9_1、9_2、9_3、全反射面9e与光探测部6_1至6_4之间，任何位置都可以。

图4示出了在光发射接收复合单元1中去除盖构件8和复合棱镜9的状态，示出安装了半导体激光器3a、反射面7a的半导体基板7与构成光接收部6的半导体基板6a的位置关系。

对光发射接收复合单元1，当从其光源3和光接收部6的光轴方向观察时，直线“LN1”表示含有作为发光元件的半导体激光器3a的发光方向的直线(发光轴)。光源的光轴是与纸面正交的方向。另外，直线“LN2”表示通过在半导体基板6a上形成的光探测部6_1至6_4(在图4中用由虚线画的4边形表示)的各中心，即通过作为受光中心的各探测部的光轴与受光面的交点的直线，它在半导体基板6a的长边方向延伸。

角“θ”表示直线LN1与LN2所成的角度，为45度(或约45度)的角度。

然后，本结构的工作如下。

首先，从构成光源3的半导体激光器3a沿直线LN1发出的光被半导体基板7的反射面7a反射，光路发生改变。该反射光被在盖构件8上设置的会聚透镜8a变为会聚光，到达复合棱镜9的偏振分离膜9a。

被偏振分离膜9a偏振分离的光束LFa、LFb被图2所示的外部光学系统ET的反射型衍射光栅RG衍射，同时如前所述，各自的偏振方向旋转约90度，成为回射光，分别射入复合棱镜9，再次返回到偏振分离膜9a。对复合棱镜9，光束LFb从图3中的上方射入，光束LFa从图3中的左侧射入。

这里，各回射光束由于相对于从光源3入射后被分离了的光的偏振状态分别有90度的相位差，所以它们在偏振分离膜9a上混合后向光分路膜9_1、9_2、9_3和全反射面9e射去。这时，光分路膜9_1、9_2、9_3各自的反射率分别被设定为1/4、1/3、1/2，据此，能够使在被分路或全反射后分别射向各光探测部6_1至6_4的光的光量大致相同。另外，设置在复合棱镜9上的λ/4波长片10具有通过将线偏振光变为圆偏振光，从而赋予相位信息的作用。

被各光分路膜9_1至9_3和全反射面9e分岔了的光束在借助于盖构件8上的会聚透镜8_1至8_4分别成为会聚光束后，被各偏振构件5_1至5_4形成相互不同的偏振分量，到达与它们对应的光探测部6_1至6_4。

在本实施例中，由于分路部数为4，所以偏振构件5_1至5_4各自的偏振方向例如被设定为0度、45度、90度、135度(间隔45度)。

由于入射至各光探测部6_1至6_4的各光束将由高级数的衍射光干涉引起的反射型衍射光栅RG的移动量的信息作为接受的光量变化包含在其中，所以通过对用各光探测部将被接收的光强转变为电信号的检测信号适当地进行已知的运算处理，能够得到该衍射光栅RG的移动量。

另外，一般说来，构成光源3的半导体激光器3a从其结构上看，出射光是与基板的安装半导体激光器3a的安装面平行的线偏振光。因此，对半导体激光器3a与配置在复合棱镜9上的偏振分离膜9a的位置关系，当采取半导体激光器3a的发光轴(或照射轴)与通过光接收部6的各光探测部的中心的直线相平行的配置时，即图4中的直线LN1与直线LN2有平行的关系时，存在偏振分离膜9a不能以适当的光量进行光束分离的可能性。

为避免这种不良状况的配置有图4中说明的位置关系，如已说明过的那样，形成将安装半导体激光器3a的半导体基板7的姿态在收容构件2的安装面内旋转约45度的角度θ的配置。

根据这种配置，由于来自半导体激光器3a的、被反射面7a偏转(向光源3的光轴方向升起)的出射光，以相应于半导体基板7的安装角度的大致45度的偏转角度到达偏振分离膜9a，分离成了光量大致相同的P偏振分量和S偏振分量，因而能够防止光束不均匀等的分离。

另外，通过在形成光探测部6_1至6_4的半导体基板6a上除光接受用电路之外，还一体化地形成检测信号的放大电路(电流电压转换放大电路等)、检测信号的运算电路等，可以得到集成化的优点，例如，由称为S/N比的提高导致的检测精度的提高、装置整体的小型化、低成本等。

另外，上述结构只不过是示出本发明的一个例子，譬如，半导体基板6a、7被配置并固定在收容构件2的内表面，但是，只要根据本发明的宗旨能够获得同样的功能，本发明并不限于这种结构，另外，还可以列举出对在盖构件8上一体化地形成的会聚透镜8a、8_1至8_4等代之以使用其功能相同的光学部件的结构等的各种实施形态。

上述本发明的光发射接收复合单元1和使用它的位移检测装置能够消除上述的现有位移检测装置所存在的问题。现有的位移检测装置由于如图1所示，呈在从光源LS向偏振光束分裂器BS1的光路以及从该光束分裂器到光探测器PD1～PD4的光路上配置了各自独立的光学部件的结构，所以，例如必须将各部件固定在光学基座等基底部上，另外，各部件的位置关系的调整也很麻烦，但本发明不存在这些不良情况。

在本发明中，在将光学部件(光学元件等)封装在半导体封装结构内一体化形成时，可以将用于分离出回射光束的偏振分量的偏振元件配置在光路中，将发光元件(光源)和光接收元件(光接收部)进行平面配置，同时通过使一体化形成的光学部件移动，或者改变其姿态进行调整后加以固定，能够使制造容易。能够容易地利用已有的技术实现如下的操作：将半导体元件在例如硅晶片上或具有定位的基准部的、耦合的半导体封装部件中精密地配置固定；固定后对电子部件(发光元件、光接收元件等)通电使其工作，然后将光学部件配置在规定的位置，检测从发光元件到达光接收元件的光束状态和光量后对该光学部件的位置进行微调，在此基础上加以固定。例如，这些可以在光盘用的探头装置(光学拾取器等)的光学系统等中实现。因此，调整和组装工序能够利用半导体制造设备进行。

这样，通过一体化地在半导体封装结构内形成部件，调整变得极为容易，同时对其形状、重量可求得小型化、轻型化，总之，可以保证在半导体制造中能得到有实际效果的高可靠性。

另外，由于对构成偏振部的偏振构件(或偏振元件)采取了对回射光束以相互不同的偏振方向进行分离的配置，所以无需考虑例如由偏振分离膜产生的分离比例不平衡等不良情况。

产业上利用的可能

本发明借助于将光源、对于向单元返回的回射光进行分路的光分路部、偏振部、光接收部进行封装，形成一体化结构，使位置的精密调整变得容易，还有，由于无需采用大的部件配置空间，所以适合于小型化。另外，由于通过将各部封入同一个收容构件内使得难以受环境变化、时间变化的影响，所以能够防止调整偏离的发生，能够提高单元的可靠性。

另外，本发明借助于使从光源发出的光出射到单元之外，同时将用于使回射光会聚或发散的透镜部设置在同一封装内，能够提高集成度和可靠性。

还有，本发明通过将偏振部配置在光分路部和光接收部之间，能够实现密集化结构，能够容易地对回射光的偏振分量进行分离。

进而还有，本发明能够将构成偏振部的各偏振构件和构成光接收部的各光探测部分别对应地分成组，形成多个光接收系统，同时还能够对各偏振部、光接收部分别采取平面配置。

进而还有，本发明能够以大致均等的光量进行分为P偏振分量和S偏振分量的光分离。

Claims (10)

1.一种光发射接收复合单元，其特征在于：

包括：

光源；

用于将从上述光源发出的光中的、通过外部光学系统返回单元的光分为多个光束的光分路部；

根据上述回射光的偏振状态增减透光量的偏振部；以及

包含用于探测经过上述偏振部的光的多个光探测部的光接收部，

将上述光源、上述光分路部、偏振部和光接收部配置在同一构件内，形成一体化。

2.如权利要求1所述的光发射接收复合单元，其特征在于：

设置了用于使从上述光源发出的光出射到该光发射接收复合单元的外部，同时使回射光会聚或发散的透镜部。

3.如权利要求1所述的光发射接收复合单元，其特征在于：

在上述光分路部和上述光接收部之间配置了偏振部。

4.如权利要求3所述的光发射接收复合单元，其特征在于：

使构成上述偏振部的偏振构件的数目与上述光探测部的数目相同，使各偏振构件的偏振特性或偏振角各不相同。

5.如权利要求1所述的光发射接收复合单元，其特征在于：

上述光源包括上述发光元件和将从上述发光元件发出的光在沿上述光源的设定光轴的方向进行光路变更的光路变更装置，

当从上述光源和上述光接收部的光轴方向观察时，包含上述发光元件的发光方向的直线和通过构成上述光接收部的各光探测部的中心的直线以形成所规定的角度的方式配置。

6.一种位移检测装置，其特征在于，设置了：

包括光源；

用于将从上述光源发出的光中的、通过外部光学系统返回单元的光分为多个光束的光分路部；

根据上述回射光的偏振状态增减透光量的偏振构件；以及

包含用于探测经过上述偏振部的光的多个光探测部的光接收部，并将上述光源、上述光分路部、偏振部和光接收部配置在同一构件内，形成一体化的光发射接收复合单元；

包含衍射光栅的被检测部；

用于接受从上述光发射接收复合单元出射后、由上述衍射光栅产生的衍射光，并改变其偏振状态的偏振构件；以及

用于使通过上述偏振构件的光反射，并沿反方向返回的反射构件。

7.如权利要求6所述的位移检测装置，其特征在于：

将用于使从上述光源发出的光出射到光发射接收复合单元的外部，同时使回射光会聚或发散的透镜部设置在光发射接收复合单元内。

8.如权利要求6所述的位移检测装置，其特征在于：：

在上述光发射接收复合单元内的上述光分路部与上述光接收部之间配置了偏振部。

9.如权利要求8所述的位移检测装置，其特征在于：：

使构成上述光发射接收复合单元内的上述偏振部的上述偏振构件的数目与上述光发射接收复合单元内的光探测部的数目相同，使各偏振构件的偏振特性或偏振角各不相同。

10.如权利要求6所述的位移检测装置，其特征在于：：

上述光发射接收复合单元内的光源包括上述发光元件和将从该发光元件发出的光在沿光源的设定光轴的方向进行光路变更的光路变更装置。

当从其光源和光接收部的光轴方向观察上述光发射接收复合单元时，包含上述发光元件的发光方向的直线和通过构成上述光接收部的各光探测部的中心的直线以形成所规定的角度的方式配置。

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