JP3919796B2 - 変位測定装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (3)
- 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モニタ部によって受光される方向に反射されて、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。
- 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モニタ部によって受光される方向に反射されて、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。
- 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。
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