JP4153064B2 - 光検出素子及び追尾センサ装置 - Google Patents
光検出素子及び追尾センサ装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトダイオードを利用した光検出素子と追尾センサ装置とに関するものであり、特に測定対象から発せられる光（以下対象光という）を探索して追尾する追尾センサ装置と、その追尾センサ装置において追尾センサとして利用されうる光検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信の大容量化、高速化のニーズに伴い、衛星間光通信の研究が盛んに行われている。中でも、１．５５μｍ波長帯を利用した光通信は、地上における使用実績があり、地上と宇宙とで使用する光学部品を共通化できるというメリットがあるため、特に注目されている。
【０００３】
上記衛星間光通信のような移動体間通信を行う場合は、通信相手の位置を認識し、通信を行っている時間中は通信相手の位置を正確に追尾することが必要となる。そのため、通信相手の位置を探索して追尾する追尾センサは、通信相手の位置を探索するときは、空間的に広い範囲の対象光を検出する必要があり、通信相手の位置を探索した後に通信相手を追尾するときは、狭い範囲で正確且つ高速に対象光を検出する機能が要求される。
【０００４】
上記のような相反する要求の双方を満たすために、特開平６−２１４０１０号公報に記載されたような構成を有する追尾センサが広く用いられている。すなわち、応答速度は比較的遅いが広い視野角を有するＣＣＤセンサから成る粗追尾センサと視野は狭いが高速応答が可能な４象限検出器とを備えた追尾センサである。このセンサは、通信相手から受光した光をミラーモジュールにより分割した後、これらの光をそれぞれの光軸上に配置されたＣＣＤセンサ及び４象限検出器に導入し、通信相手位置の探索時はＣＣＤセンサを用いて広範囲を探索し、通信相手位置を探索した後、通信相手を追尾するときは４象限検出器によって正確且つ高速に相手を追尾するという機能を有する。
【０００５】
上記のような追尾センサによって、広範囲から通信相手を探索し、探索後は通信相手を正確かつ高速に追尾することが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、追尾センサを上記に記載したように精追尾センサ及び粗追尾センサから構成し、受光した対象光を光学系によって双方のセンサに導入する光追尾センサには、以下に示すような問題点があった。
【０００７】
第１に、精追尾センサ、粗追尾センサを別々に備えるため、装置が大型化し、製造コストが増加してしまう。
【０００８】
第２に、受光した光を光学系によって分割して精追尾センサ、粗追尾センサに導入しているので、光学系の調整が困難であり、また精追尾センサと粗追尾センサとの光軸ずれが測定誤差の大きな要因になってしまう。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決し、小型で、製造コストを安く押さえられると共に、精追尾センサと粗追尾センサとの光軸ずれによる誤差のない光追尾センサを構成することができる光検出素子と、その光検出素子を用いた追尾センサ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の光検出素子は、第１の主面の中央部に、４つのフォトダイオードを配列してなる４分割フォトダイオードが形成されていると共に、第１の主面上であって４分割フォトダイオードの周囲に、格子状に複数のフォトダイオードを配列してなる２次元フォトダイオードアレイが形成されている半導体基板と、半導体基板と外部とを電気的に接続する配線基板とを備え、少なくとも４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードは、それぞれバンプ接続によって配線基板に接続されていることを特徴としている。
【００１１】
光検出素子を上記構成とすることにより、精追尾センサと粗追尾センサを同一素子上に形成することが可能となり、追尾センサの小型化が実現するとともに、精追尾センサと粗追尾センサとの光軸ずれが無くなる。また、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードが、それぞれバンプ接続によって配線基板に接続されていることにより、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードと配線基板とを電気的に接続するためのワイヤが不要となり、このワイヤによって４分割フォトダイオードまたは２次元フォトダイオードアレイの受光面積が制限されることがなくなる。
【００１２】
本発明の光検出素子は、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードにバンプがそれぞれ形成されていることを特徴としてもよい。
【００１３】
本発明の光検出素子は、２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードが、それぞれバンプ接続によって配線基板に接続されていることを特徴としてもよい。上記構成にすることにより、フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードと配線基板とを電気的に接続するためのワイヤが不要となり、このワイヤによって４分割フォトダイオードまたはフォトダイオードアレイの受光面積が制限されることがなくなる。
【００１４】
本発明の光検出素子は、配線基板が、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードから出力された信号を増幅するプリアンプを有する信号処理回路を備えていることを特徴としてもよい。
【００１５】
上記構成にすることによって、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードから出力された信号を増幅して外部に出力することができる。
【００１６】
本発明の光検出素子は、配線基板が、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードから出力された信号を選択的に外部に取り出すための信号選択手段を有する信号処理回路を備えていることを特徴としてもよい。
【００１７】
上記構成にすることにより、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードから出力された信号を選択的に外部に出力することができる。
【００１８】
本発明の光検出素子は、配線基板が、２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードから出力された信号を増幅するプリアンプを有する信号処理回路を備えていることを特徴としてもよい。上記構成にすることによって、２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードから出力された信号を増幅して外部に出力することができる。
【００１９】
本発明の光検出素子は、前記配線基板が、２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードから出力された信号を選択的に外部に取り出すための信号選択手段を有する信号処理回路を備えていることを特徴としてもよい。上記構成にすることにより、２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードから出力された信号を選択的に外部に出力することができる。
【００２０】
本発明の光検出素子は、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードの受光面の大きさが、２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードの受光面の大きさよりも大きいことを特徴としてもよい。上記構成にすることによって、ビームスポットが大きい対象光についても、４分割フォトダイオードによって適切な精追尾が実現できる。
【００２１】
また、本発明に係る追尾センサ装置は、測定対象から発せられる光である対象光を探索して追尾する追尾センサ装置であって、上記本発明に係る光検出素子と、光検出素子を制御して上記追尾を実行する制御手段と、を備え、制御手段は、４分割フォトダイオードと２次元フォトダイオードアレイとを共に利用して対象光を追尾する粗追尾モードを実行した後に、４分割フォトダイオードを利用して対象光を追尾する精追尾モードを実行し、制御手段は、粗追尾モードでは、４分割フォトダイオードと２次元フォトダイオードアレイとから信号を読み出し、精追尾モードでは、４分割フォトダイオードから信号を選択的に読み出す、ことを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る追尾センサ装置では、制御手段は、粗追尾モードでは、４分割フォトダイオード及び２次元フォトダイオードアレイをそれぞれ構成する各フォトダイオードのうち予め指定していたフォトダイオードからの信号をランダムに読み出すことを特徴としても良い。
【００２３】
また、本発明は、測定対象から発せらる光である対象光を探索して追尾する追尾センサであって、上記本発明に係る光検出素子と、光検出素子からの信号の読み出しを制御すると共に、光検出素子の姿勢を調整する制御手段と、を備え、制御手段は、光検出素子が有する４分割フォトダイオード及び２次元フォトダイオードアレイをそれぞれ構成するフォトダイオードからの信号の読み出しを行い、前記対象光が前記４分割フォトダイオードに入射されるように前記光検出素子の姿勢を調整した後、前記４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードからの信号を選択的に読み出し、前記４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードからの信号が等しくなるように前記光検出素子の姿勢を調整する、ことを特徴とする追尾センサ装置に係るものとすることもできる。この追尾センサ装置では、上記制御手段は、光検出素子の姿勢を調整する姿勢調整装置と、光検出素子からの信号の読み出しを制御すると共に、姿勢調整装置を制御して光検出素子の姿勢を調整する制御装置と、を有し、上記制御装置は、光検出素子が有する４分割フォトダイオード及び２次元フォトダイオードアレイをそれぞれ構成するフォトダイオードからの信号の読み出しを行い、姿勢調整装置を制御して対象光が４分割フォトダイオードに入射されるように光検出素子の姿勢を調整し、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードからの信号を選択的に読み出し、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードからの信号が等しくなるように姿勢調整装置を制御して光検出素子の姿勢を調整する、ことを特徴とすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態に係る光検出素子を図面を用いて説明する。まず本実施形態に係る光検出素子の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る光検出素子の斜視図、図２は本実施形態に係る光検出素子を構成する半導体基板をデバイス生成面から見た平面図、図３は本実施形態に係る光検出素子の平面図、図４は本実施形態に係る光検出素子を構成する半導体基板にバンプを形成した様子を模式的に表した図、図５は本発明の実施形態に係る光検出素子を構成する半導体基板と配線基板とを接続する様子を表した図、図６は本実施形態に係る光検出素子を構成する半導体基板と配線基板とを接続するバンプ接続部の拡大図である。
【００２５】
光検出素子１０は、図１に示すように、デバイス生成面（第１の主面）１２ａに４分割フォトダイオード１４及びフォトダイオードアレイ１６が形成されている半導体基板１２と、半導体基板１２と外部とを電気的に接続する配線基板１８とから主に構成され、半導体基板１２はデバイス生成面１２ａが配線基板１８に対向するように、バンプ２０によって配線基板１８に電気的かつ機械的に接続されている。
【００２６】
半導体基板１２は、ＧａＡｓを基材としており、図２に示すように、そのデバイス生成面１２ａの中央部には、４つのフォトダイオードを配列してなる４分割フォトダイオード１４が形成されている。また、４分割フォトダイオード１４の周囲には、２４０（１６×１６−１６）個のフォトダイオードを配列してなるフォトダイオードアレイ１６が形成されている。ここで、フォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオードの受光面積（以下画素の大きさという）はそれぞれ等しくなっている。また、４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオードの画素の大きさはそれぞれ等しくなっており、かつ、フォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオードの画素の大きさの４倍の大きさとなっている。
【００２７】
配線基板１８は、Ｓｉを基材としており、図３に示すような構成となっている。すなわち、配線基板１８上であって、半導体基板１２が固定される部分の下方には、半導体基板１２上に形成された４分割フォトダイオード１４及びフォトダイオードアレイ１６を配線基板１８に形成されたプリント配線２１と電気的に接続するためのボンディングパッド２２（図示せず）が形成され、電気的接続を容易ならしめている。また、配線基板１８上には、４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオードから出力された信号及びフォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオードから出力された信号をそれぞれ増幅するプリアンプと、４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオードから出力された信号を選択的に外部に取り出し、また、フォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオード１６から出力された信号を選択的に外部に取り出すための信号選択回路を有する信号処理回路２４が形成されている。この信号処理回路２４の入力端は、プリント配線２１を介してボンディングパッド２２と電気的に接続されている。さらに、配線基板１８上には引出電極パッド２６が形成されており、この引出電極パッド２６と信号処理回路２４の出力端とはプリント配線２１を介して電気的に接続されている。従って、引出電極パッド２６を介して、信号処理回路２４から出力された信号を外部から読み出すことが可能となる。
【００２８】
半導体基板１２のデバイス生成面１２ａに形成された４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオード及びフォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオードは、バンプ接続によって配線基板１８上のボンディングパッド２２と接続されている。具体的には、図４に示すように、４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオード及びフォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオードのそれぞれにバンプ２０が形成された後、図５に示すように各バンプ２０のそれぞれが、配線基板１８上に設けられた、対応するボンディングパッド２２に接続される。従って、半導体基板１２のデバイス生成面１２ａと配線基板１８が対向する状態で電気的かつ機械的に固定される。その結果、本実施形態に係る光検出素子は、半導体基板１２の裏面１２ｂに入射した対象光を検出する裏面照射型光検出素子として作用することになる。
【００２９】
図６はバンプ接続部の拡大図である。半導体基板１２のデバイス生成面１２ａには、４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオード及びフォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオードが形成されている位置に対応して、金またはアルミニウムなどからなるボンディングパット２３が設けられている。さらに、このボンディングパッド２３と配線基板１８上に設けられたボンディングパット２２とは、金または半田などからなるバンプ２０を介して電気的、かつ、機械的に接続されている。機械的接続強度を高めるために、半導体基板１２と配線基板１８との間隙に樹脂を流し込んで固定してもよい。
【００３０】
続いて、本実施形態に係る光検出素子の作用について説明する。本実施形態に係る光検出素子を光追尾センサとして用いる場合は、図７に示すように、光検出素子１０をパッケージ２００に組み込み、光検出素子１０から出力された信号に基づいて、光検出素子１０の受光面、すなわち半導体基板１２の裏面１２ｂを対象光の方向に動かす姿勢制御回路２０２を有する外部制御装置２０４を接続して用いることになる。パッケージ２００には対物レンズ２０１が固定されており、実際上無限遠からの平行光とみなされる対象光を、光検出素子１０に集光して入射させるようになっている。
【００３１】
外部制御装置２０４の電源が投入されると、配線基板１８上に形成された信号処理回路２４内の信号選択回路によって、４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオード、及び、フォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオードを含む、全てのフォトダイオード（以下画素という）が順次選択され、一旦全ての画素から信号が読み出され、かつ、増幅される。ここで、信号の選択は、コンピュータなどで使用されているＲＡＭのデコーダ回路などと同様に、外部制御装置２０４内のＣＰＵ２０６によって指定された画素からの信号をランダムに選択することも可能となっている。
【００３２】
読み出され、かつ、増幅された信号は、信号処理回路２４から外部制御装置２０４に伝送され、外部制御装置２０４に設けられたメモリ２０８内の、あらかじめ定められたアドレスにそれぞれ格納される。格納が終わると、外部制御装置２０４は入力待ちの状態となる。その後は、所定の時間間隔（例えば１ｍｓｅｃ）毎に、全ての画素から信号が読み出され、かつ、増幅され、その信号は上記メモリ２０８内に格納される。この状態では、全ての画素に入射する光信号を検出できるため、対象光を広範囲に検出できる。
【００３３】
この状態において、いずれかの画素（複数でもよい）に光が入射すると、外部制御装置２０４は当該画素からの信号に基づいて入射位置を特定する。外部制御装置２０４内の姿勢制御回路２０２は、上記入射位置に基づき、当該対象光が光検出素子１２の中央部、すなわち４分割フォトダイオード１４の位置に入射するように、駆動装置２１０に駆動指示を送り、駆動装置２１０は、対象光に対するパッケージ２００の相対的な姿勢を調整する。この動作は、従来の粗追尾センサの機能に相当する。
【００３４】
対象光が、光検出素子１２の中央部に形成された４分割フォトダイオード１４の位置に入射するように、パッケージ２００の姿勢が調整された後は、信号処理回路２４に形成された信号選択回路は、４分割フォトダイオード１４を構成する４つのフォトダイオードのみを選択し、これらの画素からの信号のみを読み出す。この状態では、外部制御装置２０４内の姿勢制御回路２０２は、対象光が４分割フォトダイオード１４の中心位置に入射するように、換言すれば、４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオードから信号が等しくなるように、逐次駆動装置２１０に指示を与え、駆動装置２１０が、パッケージの相対的な姿勢を調整することにより、対象光の入射方向の追尾を行う。この動作は、従来の精追尾センサの機能に相当する。この場合、信号を読み出す画素数が４つとなることから、読み出しの時間は、全ての画素から信号を読み出す場合と比較して、４／２５２＝１／６３となる。従って、極めて高速に信号を読み出すことができ、追尾対象を追尾するために十分な速度を得ることができる。
【００３５】
続いて、本実施形態に係る光検出素子の効果について説明する。まず第１に、本実施形態に係る光検出素子１０は、精追尾センサとしての４分割フォトダイオード１４と粗追尾センサとしてのフォトダイオードアレイ１６とを同一の半導体基板１２上に形成しているため、精追尾センサと粗追尾センサを別体として構成する従来の光検出素子と比較して、光検出素子自体を小型化できるとともに、光検出素子を用いる追尾センサを小型化することが可能となる。
【００３６】
第２に、本実施形態に係る光検出素子１０は、精追尾センサとしての４分割フォトダイオード１４と粗追尾センサとしてのフォトダイオードアレイ１６とを同一の半導体基板１２上に形成しているため、精追尾センサと粗追尾センサを別体として構成する従来の光検出素子と比較して、製造コストを小さく押さえることが可能となる。
【００３７】
第３に、本実施形態に係る光検出素子１０は、精追尾センサとしての４分割フォトダイオード１４と粗追尾センサとしてのフォトダイオードアレイ１６とを同一の半導体基板１２上に形成しているため、精追尾センサと粗追尾センサを別体として構成し、受光した対象光を光学系によって双方のセンサに導入する従来の光検出素子と異なり、精追尾センサの光軸と粗追尾センサの光軸とを合わせる必要が無くなり、精追尾から粗追尾へ、または粗追尾から精追尾への切換が容易になる。
【００３８】
第４に、本実施形態に係る光検出素子１０は、精追尾センサとしての４分割フォトダイオード１４と粗追尾センサとしてのフォトダイオードアレイ１６とを同一の半導体基板１２上に形成しているため、精追尾センサと粗追尾センサを別体として構成し、受光した対象光を光学系によって双方のセンサに分割して導入する従来の光検出素子と異なり、精追尾センサと粗追尾センサの双方に入射する対象光の強度を弱めることが無いため、精追尾センサと粗追尾センサとを同時に動作させることも可能となる。
【００３９】
第５に、本実施形態に係る光検出素子１０は、半導体基板１２のデバイス生成面１２ａと配線基板１８とをバンプ接続によって接続し、裏面照射型光検出素子として作用させるため、ワイヤボンディングによる電気的接続を確保する必要が無くなる。従って、従来一体化を困難としていた、ワイヤによる開口面積の制限が除去され、一体化が実現するとともに、効率のよい光検出素子が構成できる。
【００４０】
第６に、本実施形態に係る光検出素子１０は、半導体基板１２のデバイス生成面１２ａと配線基板１８とをバンプ接続によって接続し、裏面照射型光検出素子として作用させるため、ワイヤボンディングによる電気的接続を確保する必要が無くなる。従って、ワイヤの配置等に制限されることなく４分割フォトダイオード１４、各フォトダイオードアレイ１６及び光検出素子１０全体のサイズ等を自由に設計変更することが可能となる。
【００４１】
第７に、本実施形態に係る光検出素子１０は、４分割フォトダイオード１４及びフォトダイオードアレイ１６を配線基板１８とを独立した半導体基板１２に形成し、この半導体基板１２を配線基板１８とをバンプ接続によって接続しているため、配線基板１８を形成する材料と異なる材料を用いて半導体基板１２を形成することが可能となる。従って配線基板１８を形成する材料としては安価な汎用材料を用いたとしても、半導体基板１２を形成する材料を適宜選択することにより、対象光の波長に合わせた適切な光検出素子を形成することが可能となる。
【００４２】
本実施形態に係る光検出素子１０において、半導体基板１２のデバイス生成面１２ａに形成された４分割フォトダイオード１４の各画素は、フォトダイオードアレイ１６の各画素の大きさの４倍の大きさを有していたが、これは図８に示すように、フォトダイオードアレイ１６の各画素の大きさと同じであってもよい。ここで、４分割フォトダイオード１４の各画素の大きさは、対象光のスポットサイズを考慮して、対象光のスポットサイズよりも大きくすることが、精度向上のために好適である。
【００４３】
また、本実施形態に係る光検出素子１０において、フォトダイオードアレイ１６は、中央部の４分割フォトダイオード１４が形成されている部分を除き、１６×１６の格子状に配列されていたが、これは必要な精度、対象光の特徴などを考慮して、３２×３２、６４×６４などのＮ×Ｎ（Ｎは任意の整数）の格子状の配列としてもよい。また、１６×３２、１２８×５６などのＮ×Ｍ（Ｎ、Ｍはそれぞれ任意の整数）の格子状の配列とすることも可能である。
【００４４】
さらに、本実施形態に係る光検出素子１０は、図９に示すように、配線基板１８上に４分割フォトダイオード１４用の引出電極パッド２８を設け、バンプ２０及びプリント配線２１を介して４分割フォトダイオード１４の各画素と電気的に接続した構成としてもよい。このような構成にすることで、４分割フォトダイオード１４の各画素からの信号を、フォトダイオードアレイ１６の各画素からの信号と独立して読み出すことが可能となり、精追尾センサと粗追尾センサを同時、かつ、極めて高速に動作させることができる。
【００４５】
また、本実施形態に係る光検出素子１０は、半導体基板としてＧａＡｓを用いていたが、対象光の波長等を考慮して、Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＨｇＣｄＴｅなどの他の材料を用いて形成することも可能である。
【００４６】
また、本実施形態に係る光検出素子１０において、配線基板１８上に設けられた信号処理回路２４は、信号選択回路を有し、各画素からの信号をランダムに読み出すことが可能であったが、信号処理回路２４は、プリアンプは有するが信号選択回路は有しない構成になっていてもよい。この場合は、プリアンプによって増幅された各画素からの信号を、外部制御装置に取り込んでから、外部制御装置内で信号選択を行い、所望の画素のデータを得ればよい。
【００４７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る光検出素子を図面を用いて説明する。図１０は、本実施形態に係る光検出素子の斜視図、図１１は、本実施形態に係る光検出素子の平面図である。本実施形態に係る光検出素子４０が第１の実施形態に係る光検出素子１０と構成上異なる点は、配線基板４２上に、プリアンプ、信号選択回路等を備えた信号処理回路を持たないことである。
【００４８】
従って、配線基板４２は図１１のようになる。すなわち、配線基板４２は信号処理回路を有さず、４分割フォトダイオード１４を構成するフォトダイオード及びフォトダイオードアレイ１６を構成するフォトダイオードの数と同数の引出電極パッド２６を有しており、各フォトダイオードは、バンプ２０及びプリント配線２１を介して上記引出電極パッド２６と電気的に接続されている。
【００４９】
本実施形態に係る光検出素子４０を、第１の実施形態に係る光検出素子１０と同様の機能を持って使用するには、例えば、図１２（斜視図）及び図１３（平面図）に示すように、第１の実施形態に係る光検出素子１０の配線基板１８上に設けられた信号処理回路２４と同様の機能を有する外部信号処理基板１００を使用すればよい。この構成にすれば、配線基板４２上に設けられた各引出電極パッド２６と信号処理基板１００上に設けられた各入力用パッド１０２とをワイヤ１０４を介して電気的に接続し、各画素からの信号を信号処理回路１０６によって増幅し、信号の選択を行なった後、出力用パッド１０８から外部制御装置に読み出されることになる。
【００５０】
本実施形態に係る光検出素子４０も、第１の実施形態に係る光検出素子１０と同様の作用及び効果が期待できる。
【００５１】
本実施形態に係る光検出素子４０において、配線基板４２上に形成された引出電極パッド２６は、図１１に示すように配線基板４２の１辺に沿って形成されていたが、これは、図１４に示すように、配線基板４２の４辺に分割して形成されていてもよい。このように形成することで、パッケージに格納するときの配線の自由度を増すことが可能となる。
【００５２】
さらに、本実施形態の光検出素子４０は、図１５に示すように、配線基板４２上に４分割フォトダイオード用引出電極パッド２８を設け、バンプ２０及びプリント配線２１を介して４分割フォトダイオード１４の各画素と電気的に接続した構成としてもよいことは、第１の実施形態に係る光検出素子１０と同様である。
【００５３】
また、本実施形態に係る光検出素子４０の配線基板４２は、信号処理回路を形成しないため、セラミック基板、ガラス基板などの絶縁性基板が任意に選択可能である。
【００５４】
また、フォトダイオードアレイ１６の各画素の大きさに対する４分割フォトダイオード１４の各画素の大きさを自由に設定しうること、フォトダイオードアレイ１６の配列を自由に設定しうること、半導体基板としてＳｉなどの他の材料を用いることができることなどは、第１の実施形態に係る光検出素子１０と同様である。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の光検出素子は、中央部に４分割フォトダイオードを設け、その周囲にフォトダイオードアレイを設けた半導体基板と配線基板とをバンプ接続によって接続した構成となっている。半導体基板と配線基板とをバンプ接続によって接続することにより、従来一体化を困難としていた、ワイヤによる開口面積の制限が除去され、一体化が実現するとともに、効率のよい光検出素子が構成できる。
【００５６】
また、精追尾センサとしての４分割フォトダイオードと粗追尾センサとしてのフォトダイオードアレイが同一基板上に形成されている本発明の光検出素子を用いることにより、光軸ずれによる誤差のない、安価でコンパクトな追尾センサの実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の半導体基板をデバイス生成面から見た平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の平面図である。
【図４】本実施形態に係る光検出素子を構成する半導体基板にバンプを形成した様子を模式的に表した図である。
【図５】本発明の実施形態に係る光検出素子を構成する半導体基板と配線基板とを接続する様子を表した図である。
【図６】バンプ接続部の拡大図である。
【図７】本実施形態に係る光検出素子を追尾センサとして用いる場合のシステム構成図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子に用いる半導体基板の変形例の平面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の変形例の平面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子の斜視図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子の平面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子に、外部信号処理基板を接続した様子を表す斜視図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子に、外部信号処理基板を接続した様子を表す平面図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子の変形例の平面図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子の変形例の平面図である。
【符号の説明】
１０、４０…光検出素子、１２…半導体基板、１４…４分割フォトダイオード、１６…フォトダイオードアレイ、１８、４２…配線基板、２０…バンプ、２１…プリント配線、２２、２３…ボンディングパッド、２４…信号処理回路、２６、２８…引出電極パッド、１００…外部信号処理基板、１０２…入力用パッド、１０４…ワイヤ、１０６…信号処理回路、１０８…出力用パッド、２００…パッケージ、２０１…対物レンズ、２０２…姿勢制御回路、２０４…外部制御装置、２０６…ＣＰＵ、２０８…メモリ、２１０…駆動装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトダイオードを利用した光検出素子と追尾センサ装置とに関するものであり、特に測定対象から発せられる光（以下対象光という）を探索して追尾する追尾センサ装置と、その追尾センサ装置において追尾センサとして利用されうる光検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信の大容量化、高速化のニーズに伴い、衛星間光通信の研究が盛んに行われている。中でも、１．５５μｍ波長帯を利用した光通信は、地上における使用実績があり、地上と宇宙とで使用する光学部品を共通化できるというメリットがあるため、特に注目されている。
【０００３】
上記衛星間光通信のような移動体間通信を行う場合は、通信相手の位置を認識し、通信を行っている時間中は通信相手の位置を正確に追尾することが必要となる。そのため、通信相手の位置を探索して追尾する追尾センサは、通信相手の位置を探索するときは、空間的に広い範囲の対象光を検出する必要があり、通信相手の位置を探索した後に通信相手を追尾するときは、狭い範囲で正確且つ高速に対象光を検出する機能が要求される。
【０００４】
上記のような相反する要求の双方を満たすために、特開平６−２１４０１０号公報に記載されたような構成を有する追尾センサが広く用いられている。すなわち、応答速度は比較的遅いが広い視野角を有するＣＣＤセンサから成る粗追尾センサと視野は狭いが高速応答が可能な４象限検出器とを備えた追尾センサである。このセンサは、通信相手から受光した光をミラーモジュールにより分割した後、これらの光をそれぞれの光軸上に配置されたＣＣＤセンサ及び４象限検出器に導入し、通信相手位置の探索時はＣＣＤセンサを用いて広範囲を探索し、通信相手位置を探索した後、通信相手を追尾するときは４象限検出器によって正確且つ高速に相手を追尾するという機能を有する。
【０００５】
上記のような追尾センサによって、広範囲から通信相手を探索し、探索後は通信相手を正確かつ高速に追尾することが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、追尾センサを上記に記載したように精追尾センサ及び粗追尾センサから構成し、受光した対象光を光学系によって双方のセンサに導入する光追尾センサには、以下に示すような問題点があった。
【０００７】
第１に、精追尾センサ、粗追尾センサを別々に備えるため、装置が大型化し、製造コストが増加してしまう。
【０００８】
第２に、受光した光を光学系によって分割して精追尾センサ、粗追尾センサに導入しているので、光学系の調整が困難であり、また精追尾センサと粗追尾センサとの光軸ずれが測定誤差の大きな要因になってしまう。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決し、小型で、製造コストを安く押さえられると共に、精追尾センサと粗追尾センサとの光軸ずれによる誤差のない光追尾センサを構成することができる光検出素子と、その光検出素子を用いた追尾センサ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の光検出素子は、第１の主面の中央部に、４つのフォトダイオードを配列してなる４分割フォトダイオードが形成されていると共に、第１の主面上であって４分割フォトダイオードの周囲に、格子状に複数のフォトダイオードを配列してなる２次元フォトダイオードアレイが形成されている半導体基板と、半導体基板と外部とを電気的に接続する配線基板とを備え、少なくとも４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードは、それぞれバンプ接続によって配線基板に接続されていることを特徴としている。
【００１１】
光検出素子を上記構成とすることにより、精追尾センサと粗追尾センサを同一素子上に形成することが可能となり、追尾センサの小型化が実現するとともに、精追尾センサと粗追尾センサとの光軸ずれが無くなる。また、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードが、それぞれバンプ接続によって配線基板に接続されていることにより、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードと配線基板とを電気的に接続するためのワイヤが不要となり、このワイヤによって４分割フォトダイオードまたは２次元フォトダイオードアレイの受光面積が制限されることがなくなる。
【００１２】
本発明の光検出素子は、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードにバンプがそれぞれ形成されていることを特徴としてもよい。
【００１３】
本発明の光検出素子は、２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードが、それぞれバンプ接続によって配線基板に接続されていることを特徴としてもよい。上記構成にすることにより、フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードと配線基板とを電気的に接続するためのワイヤが不要となり、このワイヤによって４分割フォトダイオードまたはフォトダイオードアレイの受光面積が制限されることがなくなる。
【００１４】
本発明の光検出素子は、配線基板が、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードから出力された信号を増幅するプリアンプを有する信号処理回路を備えていることを特徴としてもよい。
【００１５】
上記構成にすることによって、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードから出力された信号を増幅して外部に出力することができる。
【００１６】
本発明の光検出素子は、配線基板が、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードから出力された信号を選択的に外部に取り出すための信号選択手段を有する信号処理回路を備えていることを特徴としてもよい。
【００１７】
上記構成にすることにより、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードから出力された信号を選択的に外部に出力することができる。
【００１８】
本発明の光検出素子は、配線基板が、２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードから出力された信号を増幅するプリアンプを有する信号処理回路を備えていることを特徴としてもよい。上記構成にすることによって、２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードから出力された信号を増幅して外部に出力することができる。
【００１９】
本発明の光検出素子は、前記配線基板が、２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードから出力された信号を選択的に外部に取り出すための信号選択手段を有する信号処理回路を備えていることを特徴としてもよい。上記構成にすることにより、２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードから出力された信号を選択的に外部に出力することができる。
【００２０】
本発明の光検出素子は、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードの受光面の大きさが、２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードの受光面の大きさよりも大きいことを特徴としてもよい。上記構成にすることによって、ビームスポットが大きい対象光についても、４分割フォトダイオードによって適切な精追尾が実現できる。
【００２１】
また、本発明に係る追尾センサ装置は、測定対象から発せられる光である対象光を探索して追尾する追尾センサ装置であって、上記本発明に係る光検出素子と、光検出素子を制御して上記追尾を実行する制御手段と、を備え、制御手段は、４分割フォトダイオードと２次元フォトダイオードアレイとを共に利用して対象光を追尾する粗追尾モードを実行した後に、４分割フォトダイオードを利用して対象光を追尾する精追尾モードを実行し、制御手段は、粗追尾モードでは、４分割フォトダイオードと２次元フォトダイオードアレイとから信号を読み出し、精追尾モードでは、４分割フォトダイオードから信号を選択的に読み出す、ことを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る追尾センサ装置では、制御手段は、粗追尾モードでは、４分割フォトダイオード及び２次元フォトダイオードアレイをそれぞれ構成する各フォトダイオードのうち予め指定していたフォトダイオードからの信号をランダムに読み出すことを特徴としても良い。
【００２３】
また、本発明は、測定対象から発せらる光である対象光を探索して追尾する追尾センサであって、上記本発明に係る光検出素子と、光検出素子からの信号の読み出しを制御すると共に、光検出素子の姿勢を調整する制御手段と、を備え、制御手段は、光検出素子が有する４分割フォトダイオード及び２次元フォトダイオードアレイをそれぞれ構成するフォトダイオードからの信号の読み出しを行い、前記対象光が前記４分割フォトダイオードに入射されるように前記光検出素子の姿勢を調整した後、前記４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードからの信号を選択的に読み出し、前記４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードからの信号が等しくなるように前記光検出素子の姿勢を調整する、ことを特徴とする追尾センサ装置に係るものとすることもできる。この追尾センサ装置では、上記制御手段は、光検出素子の姿勢を調整する姿勢調整装置と、光検出素子からの信号の読み出しを制御すると共に、姿勢調整装置を制御して光検出素子の姿勢を調整する制御装置と、を有し、上記制御装置は、光検出素子が有する４分割フォトダイオード及び２次元フォトダイオードアレイをそれぞれ構成するフォトダイオードからの信号の読み出しを行い、姿勢調整装置を制御して対象光が４分割フォトダイオードに入射されるように光検出素子の姿勢を調整し、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードからの信号を選択的に読み出し、４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードからの信号が等しくなるように姿勢調整装置を制御して光検出素子の姿勢を調整する、ことを特徴とすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態に係る光検出素子を図面を用いて説明する。まず本実施形態に係る光検出素子の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る光検出素子の斜視図、図２は本実施形態に係る光検出素子を構成する半導体基板をデバイス生成面から見た平面図、図３は本実施形態に係る光検出素子の平面図、図４は本実施形態に係る光検出素子を構成する半導体基板にバンプを形成した様子を模式的に表した図、図５は本発明の実施形態に係る光検出素子を構成する半導体基板と配線基板とを接続する様子を表した図、図６は本実施形態に係る光検出素子を構成する半導体基板と配線基板とを接続するバンプ接続部の拡大図である。
【００２５】
光検出素子１０は、図１に示すように、デバイス生成面（第１の主面）１２ａに４分割フォトダイオード１４及びフォトダイオードアレイ１６が形成されている半導体基板１２と、半導体基板１２と外部とを電気的に接続する配線基板１８とから主に構成され、半導体基板１２はデバイス生成面１２ａが配線基板１８に対向するように、バンプ２０によって配線基板１８に電気的かつ機械的に接続されている。
【００２６】
半導体基板１２は、ＧａＡｓを基材としており、図２に示すように、そのデバイス生成面１２ａの中央部には、４つのフォトダイオードを配列してなる４分割フォトダイオード１４が形成されている。また、４分割フォトダイオード１４の周囲には、２４０（１６×１６−１６）個のフォトダイオードを配列してなるフォトダイオードアレイ１６が形成されている。ここで、フォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオードの受光面積（以下画素の大きさという）はそれぞれ等しくなっている。また、４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオードの画素の大きさはそれぞれ等しくなっており、かつ、フォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオードの画素の大きさの４倍の大きさとなっている。
【００２７】
配線基板１８は、Ｓｉを基材としており、図３に示すような構成となっている。すなわち、配線基板１８上であって、半導体基板１２が固定される部分の下方には、半導体基板１２上に形成された４分割フォトダイオード１４及びフォトダイオードアレイ１６を配線基板１８に形成されたプリント配線２１と電気的に接続するためのボンディングパッド２２（図示せず）が形成され、電気的接続を容易ならしめている。また、配線基板１８上には、４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオードから出力された信号及びフォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオードから出力された信号をそれぞれ増幅するプリアンプと、４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオードから出力された信号を選択的に外部に取り出し、また、フォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオード１６から出力された信号を選択的に外部に取り出すための信号選択回路を有する信号処理回路２４が形成されている。この信号処理回路２４の入力端は、プリント配線２１を介してボンディングパッド２２と電気的に接続されている。さらに、配線基板１８上には引出電極パッド２６が形成されており、この引出電極パッド２６と信号処理回路２４の出力端とはプリント配線２１を介して電気的に接続されている。従って、引出電極パッド２６を介して、信号処理回路２４から出力された信号を外部から読み出すことが可能となる。
【００２８】
半導体基板１２のデバイス生成面１２ａに形成された４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオード及びフォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオードは、バンプ接続によって配線基板１８上のボンディングパッド２２と接続されている。具体的には、図４に示すように、４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオード及びフォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオードのそれぞれにバンプ２０が形成された後、図５に示すように各バンプ２０のそれぞれが、配線基板１８上に設けられた、対応するボンディングパッド２２に接続される。従って、半導体基板１２のデバイス生成面１２ａと配線基板１８が対向する状態で電気的かつ機械的に固定される。その結果、本実施形態に係る光検出素子は、半導体基板１２の裏面１２ｂに入射した対象光を検出する裏面照射型光検出素子として作用することになる。
【００２９】
図６はバンプ接続部の拡大図である。半導体基板１２のデバイス生成面１２ａには、４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオード及びフォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオードが形成されている位置に対応して、金またはアルミニウムなどからなるボンディングパット２３が設けられている。さらに、このボンディングパッド２３と配線基板１８上に設けられたボンディングパット２２とは、金または半田などからなるバンプ２０を介して電気的、かつ、機械的に接続されている。機械的接続強度を高めるために、半導体基板１２と配線基板１８との間隙に樹脂を流し込んで固定してもよい。
【００３０】
続いて、本実施形態に係る光検出素子の作用について説明する。本実施形態に係る光検出素子を光追尾センサとして用いる場合は、図７に示すように、光検出素子１０をパッケージ２００に組み込み、光検出素子１０から出力された信号に基づいて、光検出素子１０の受光面、すなわち半導体基板１２の裏面１２ｂを対象光の方向に動かす姿勢制御回路２０２を有する外部制御装置２０４を接続して用いることになる。パッケージ２００には対物レンズ２０１が固定されており、実際上無限遠からの平行光とみなされる対象光を、光検出素子１０に集光して入射させるようになっている。
【００３１】
外部制御装置２０４の電源が投入されると、配線基板１８上に形成された信号処理回路２４内の信号選択回路によって、４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオード、及び、フォトダイオードアレイ１６を構成する各フォトダイオードを含む、全てのフォトダイオード（以下画素という）が順次選択され、一旦全ての画素から信号が読み出され、かつ、増幅される。ここで、信号の選択は、コンピュータなどで使用されているＲＡＭのデコーダ回路などと同様に、外部制御装置２０４内のＣＰＵ２０６によって指定された画素からの信号をランダムに選択することも可能となっている。
【００３２】
読み出され、かつ、増幅された信号は、信号処理回路２４から外部制御装置２０４に伝送され、外部制御装置２０４に設けられたメモリ２０８内の、あらかじめ定められたアドレスにそれぞれ格納される。格納が終わると、外部制御装置２０４は入力待ちの状態となる。その後は、所定の時間間隔（例えば１ｍｓｅｃ）毎に、全ての画素から信号が読み出され、かつ、増幅され、その信号は上記メモリ２０８内に格納される。この状態では、全ての画素に入射する光信号を検出できるため、対象光を広範囲に検出できる。
【００３３】
この状態において、いずれかの画素（複数でもよい）に光が入射すると、外部制御装置２０４は当該画素からの信号に基づいて入射位置を特定する。外部制御装置２０４内の姿勢制御回路２０２は、上記入射位置に基づき、当該対象光が光検出素子１２の中央部、すなわち４分割フォトダイオード１４の位置に入射するように、駆動装置２１０に駆動指示を送り、駆動装置２１０は、対象光に対するパッケージ２００の相対的な姿勢を調整する。この動作は、従来の粗追尾センサの機能に相当する。
【００３４】
対象光が、光検出素子１２の中央部に形成された４分割フォトダイオード１４の位置に入射するように、パッケージ２００の姿勢が調整された後は、信号処理回路２４に形成された信号選択回路は、４分割フォトダイオード１４を構成する４つのフォトダイオードのみを選択し、これらの画素からの信号のみを読み出す。この状態では、外部制御装置２０４内の姿勢制御回路２０２は、対象光が４分割フォトダイオード１４の中心位置に入射するように、換言すれば、４分割フォトダイオード１４を構成する各フォトダイオードから信号が等しくなるように、逐次駆動装置２１０に指示を与え、駆動装置２１０が、パッケージの相対的な姿勢を調整することにより、対象光の入射方向の追尾を行う。この動作は、従来の精追尾センサの機能に相当する。この場合、信号を読み出す画素数が４つとなることから、読み出しの時間は、全ての画素から信号を読み出す場合と比較して、４／２５２＝１／６３となる。従って、極めて高速に信号を読み出すことができ、追尾対象を追尾するために十分な速度を得ることができる。
【００３５】
続いて、本実施形態に係る光検出素子の効果について説明する。まず第１に、本実施形態に係る光検出素子１０は、精追尾センサとしての４分割フォトダイオード１４と粗追尾センサとしてのフォトダイオードアレイ１６とを同一の半導体基板１２上に形成しているため、精追尾センサと粗追尾センサを別体として構成する従来の光検出素子と比較して、光検出素子自体を小型化できるとともに、光検出素子を用いる追尾センサを小型化することが可能となる。
【００３６】
第２に、本実施形態に係る光検出素子１０は、精追尾センサとしての４分割フォトダイオード１４と粗追尾センサとしてのフォトダイオードアレイ１６とを同一の半導体基板１２上に形成しているため、精追尾センサと粗追尾センサを別体として構成する従来の光検出素子と比較して、製造コストを小さく押さえることが可能となる。
【００３７】
第３に、本実施形態に係る光検出素子１０は、精追尾センサとしての４分割フォトダイオード１４と粗追尾センサとしてのフォトダイオードアレイ１６とを同一の半導体基板１２上に形成しているため、精追尾センサと粗追尾センサを別体として構成し、受光した対象光を光学系によって双方のセンサに導入する従来の光検出素子と異なり、精追尾センサの光軸と粗追尾センサの光軸とを合わせる必要が無くなり、精追尾から粗追尾へ、または粗追尾から精追尾への切換が容易になる。
【００３８】
第４に、本実施形態に係る光検出素子１０は、精追尾センサとしての４分割フォトダイオード１４と粗追尾センサとしてのフォトダイオードアレイ１６とを同一の半導体基板１２上に形成しているため、精追尾センサと粗追尾センサを別体として構成し、受光した対象光を光学系によって双方のセンサに分割して導入する従来の光検出素子と異なり、精追尾センサと粗追尾センサの双方に入射する対象光の強度を弱めることが無いため、精追尾センサと粗追尾センサとを同時に動作させることも可能となる。
【００３９】
第５に、本実施形態に係る光検出素子１０は、半導体基板１２のデバイス生成面１２ａと配線基板１８とをバンプ接続によって接続し、裏面照射型光検出素子として作用させるため、ワイヤボンディングによる電気的接続を確保する必要が無くなる。従って、従来一体化を困難としていた、ワイヤによる開口面積の制限が除去され、一体化が実現するとともに、効率のよい光検出素子が構成できる。
【００４０】
第６に、本実施形態に係る光検出素子１０は、半導体基板１２のデバイス生成面１２ａと配線基板１８とをバンプ接続によって接続し、裏面照射型光検出素子として作用させるため、ワイヤボンディングによる電気的接続を確保する必要が無くなる。従って、ワイヤの配置等に制限されることなく４分割フォトダイオード１４、各フォトダイオードアレイ１６及び光検出素子１０全体のサイズ等を自由に設計変更することが可能となる。
【００４１】
第７に、本実施形態に係る光検出素子１０は、４分割フォトダイオード１４及びフォトダイオードアレイ１６を配線基板１８とを独立した半導体基板１２に形成し、この半導体基板１２を配線基板１８とをバンプ接続によって接続しているため、配線基板１８を形成する材料と異なる材料を用いて半導体基板１２を形成することが可能となる。従って配線基板１８を形成する材料としては安価な汎用材料を用いたとしても、半導体基板１２を形成する材料を適宜選択することにより、対象光の波長に合わせた適切な光検出素子を形成することが可能となる。
【００４２】
本実施形態に係る光検出素子１０において、半導体基板１２のデバイス生成面１２ａに形成された４分割フォトダイオード１４の各画素は、フォトダイオードアレイ１６の各画素の大きさの４倍の大きさを有していたが、これは図８に示すように、フォトダイオードアレイ１６の各画素の大きさと同じであってもよい。ここで、４分割フォトダイオード１４の各画素の大きさは、対象光のスポットサイズを考慮して、対象光のスポットサイズよりも大きくすることが、精度向上のために好適である。
【００４３】
また、本実施形態に係る光検出素子１０において、フォトダイオードアレイ１６は、中央部の４分割フォトダイオード１４が形成されている部分を除き、１６×１６の格子状に配列されていたが、これは必要な精度、対象光の特徴などを考慮して、３２×３２、６４×６４などのＮ×Ｎ（Ｎは任意の整数）の格子状の配列としてもよい。また、１６×３２、１２８×５６などのＮ×Ｍ（Ｎ、Ｍはそれぞれ任意の整数）の格子状の配列とすることも可能である。
【００４４】
さらに、本実施形態に係る光検出素子１０は、図９に示すように、配線基板１８上に４分割フォトダイオード１４用の引出電極パッド２８を設け、バンプ２０及びプリント配線２１を介して４分割フォトダイオード１４の各画素と電気的に接続した構成としてもよい。このような構成にすることで、４分割フォトダイオード１４の各画素からの信号を、フォトダイオードアレイ１６の各画素からの信号と独立して読み出すことが可能となり、精追尾センサと粗追尾センサを同時、かつ、極めて高速に動作させることができる。
【００４５】
また、本実施形態に係る光検出素子１０は、半導体基板としてＧａＡｓを用いていたが、対象光の波長等を考慮して、Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＨｇＣｄＴｅなどの他の材料を用いて形成することも可能である。
【００４６】
また、本実施形態に係る光検出素子１０において、配線基板１８上に設けられた信号処理回路２４は、信号選択回路を有し、各画素からの信号をランダムに読み出すことが可能であったが、信号処理回路２４は、プリアンプは有するが信号選択回路は有しない構成になっていてもよい。この場合は、プリアンプによって増幅された各画素からの信号を、外部制御装置に取り込んでから、外部制御装置内で信号選択を行い、所望の画素のデータを得ればよい。
【００４７】
次に、本発明の第２の実施形態に係る光検出素子を図面を用いて説明する。図１０は、本実施形態に係る光検出素子の斜視図、図１１は、本実施形態に係る光検出素子の平面図である。本実施形態に係る光検出素子４０が第１の実施形態に係る光検出素子１０と構成上異なる点は、配線基板４２上に、プリアンプ、信号選択回路等を備えた信号処理回路を持たないことである。
【００４８】
従って、配線基板４２は図１１のようになる。すなわち、配線基板４２は信号処理回路を有さず、４分割フォトダイオード１４を構成するフォトダイオード及びフォトダイオードアレイ１６を構成するフォトダイオードの数と同数の引出電極パッド２６を有しており、各フォトダイオードは、バンプ２０及びプリント配線２１を介して上記引出電極パッド２６と電気的に接続されている。
【００４９】
本実施形態に係る光検出素子４０を、第１の実施形態に係る光検出素子１０と同様の機能を持って使用するには、例えば、図１２（斜視図）及び図１３（平面図）に示すように、第１の実施形態に係る光検出素子１０の配線基板１８上に設けられた信号処理回路２４と同様の機能を有する外部信号処理基板１００を使用すればよい。この構成にすれば、配線基板４２上に設けられた各引出電極パッド２６と信号処理基板１００上に設けられた各入力用パッド１０２とをワイヤ１０４を介して電気的に接続し、各画素からの信号を信号処理回路１０６によって増幅し、信号の選択を行なった後、出力用パッド１０８から外部制御装置に読み出されることになる。
【００５０】
本実施形態に係る光検出素子４０も、第１の実施形態に係る光検出素子１０と同様の作用及び効果が期待できる。
【００５１】
本実施形態に係る光検出素子４０において、配線基板４２上に形成された引出電極パッド２６は、図１１に示すように配線基板４２の１辺に沿って形成されていたが、これは、図１４に示すように、配線基板４２の４辺に分割して形成されていてもよい。このように形成することで、パッケージに格納するときの配線の自由度を増すことが可能となる。
【００５２】
さらに、本実施形態の光検出素子４０は、図１５に示すように、配線基板４２上に４分割フォトダイオード用引出電極パッド２８を設け、バンプ２０及びプリント配線２１を介して４分割フォトダイオード１４の各画素と電気的に接続した構成としてもよいことは、第１の実施形態に係る光検出素子１０と同様である。
【００５３】
また、本実施形態に係る光検出素子４０の配線基板４２は、信号処理回路を形成しないため、セラミック基板、ガラス基板などの絶縁性基板が任意に選択可能である。
【００５４】
また、フォトダイオードアレイ１６の各画素の大きさに対する４分割フォトダイオード１４の各画素の大きさを自由に設定しうること、フォトダイオードアレイ１６の配列を自由に設定しうること、半導体基板としてＳｉなどの他の材料を用いることができることなどは、第１の実施形態に係る光検出素子１０と同様である。
【００５５】
【発明の効果】
本発明の光検出素子は、中央部に４分割フォトダイオードを設け、その周囲にフォトダイオードアレイを設けた半導体基板と配線基板とをバンプ接続によって接続した構成となっている。半導体基板と配線基板とをバンプ接続によって接続することにより、従来一体化を困難としていた、ワイヤによる開口面積の制限が除去され、一体化が実現するとともに、効率のよい光検出素子が構成できる。
【００５６】
また、精追尾センサとしての４分割フォトダイオードと粗追尾センサとしてのフォトダイオードアレイが同一基板上に形成されている本発明の光検出素子を用いることにより、光軸ずれによる誤差のない、安価でコンパクトな追尾センサの実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の半導体基板をデバイス生成面から見た平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の平面図である。
【図４】本実施形態に係る光検出素子を構成する半導体基板にバンプを形成した様子を模式的に表した図である。
【図５】本発明の実施形態に係る光検出素子を構成する半導体基板と配線基板とを接続する様子を表した図である。
【図６】バンプ接続部の拡大図である。
【図７】本実施形態に係る光検出素子を追尾センサとして用いる場合のシステム構成図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子に用いる半導体基板の変形例の平面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る光検出素子の変形例の平面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子の斜視図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子の平面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子に、外部信号処理基板を接続した様子を表す斜視図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子に、外部信号処理基板を接続した様子を表す平面図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子の変形例の平面図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係る光検出素子の変形例の平面図である。
【符号の説明】
１０、４０…光検出素子、１２…半導体基板、１４…４分割フォトダイオード、１６…フォトダイオードアレイ、１８、４２…配線基板、２０…バンプ、２１…プリント配線、２２、２３…ボンディングパッド、２４…信号処理回路、２６、２８…引出電極パッド、１００…外部信号処理基板、１０２…入力用パッド、１０４…ワイヤ、１０６…信号処理回路、１０８…出力用パッド、２００…パッケージ、２０１…対物レンズ、２０２…姿勢制御回路、２０４…外部制御装置、２０６…ＣＰＵ、２０８…メモリ、２１０…駆動装置
Claims (12)
- 第１の主面の中央部に、４つのフォトダイオードを配列してなる４分割フォトダイオードが形成されていると共に、前記第１の主面上であって前記４分割フォトダイオードの周囲に、複数のフォトダイオードを格子状に配列してなる２次元フォトダイオードアレイが形成されている半導体基板と、
前記半導体基板と外部とを電気的に接続する配線基板と、
を備え、
前記４分割フォトダイオード及び前記２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードは、前記半導体基板の前記第１の主面と対向する面から入射した光を検出し、
少なくとも前記４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードは、それぞれバンプ接続によって前記配線基板に接続されている、
ことを特徴とする光検出素子。 - 前記４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードにバンプがそれぞれ形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の光検出素子。 - 前記２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードは、それぞれバンプ接続によって前記配線基板に接続されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光検出素子。 - 前記配線基板は、
前記４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードから出力された信号を増幅するプリアンプを有する信号処理回路を備えている、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出素子。 - 前記配線基板は、
前記４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードから出力された信号を選択的に外部に取り出すための信号選択手段を有する信号処理回路を備えている、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光検出素子。 - 前記配線基板は、
前記２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードから出力された信号を増幅するプリアンプを有する信号処理回路を備えている、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光検出素子。 - 前記配線基板は、
前記２次元フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードから出力された信号を選択的に外部に取り出すための信号選択手段を有する信号処理回路を備えている、
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光検出素子。 - 前記４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードの受光面の大きさが、前記フォトダイオードアレイを構成する各フォトダイオードの受光面の大きさよりも大きい、
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光検出素子。 - 測定対象から発せられる光である対象光を探索して追尾する追尾センサ装置であって、
請求項１〜８の何れか１項に記載の光検出素子と、
前記光検出素子を制御して前記追尾を実行する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記４分割フォトダイオードと前記２次元フォトダイオードアレイとを共に利用して前記対象光を追尾する粗追尾モードを実行した後に、前記４分割フォトダイオードを利用して前記対象光を追尾する精追尾モードを実行し、
前記制御手段は、前記粗追尾モードでは、前記４分割フォトダイオードと前記２次元フォトダイオードアレイとから信号を読み出し、前記精追尾モードでは、前記４分割フォトダイオードから信号を選択的に読み出す、
ことを特徴とする追尾センサ装置。 - 前記制御手段は、前記粗追尾モードでは、前記４分割フォトダイオード及び前記２次元フォトダイオードアレイをそれぞれ構成する各フォトダイオードのうち予め指定していたフォトダイオードからの信号をランダムに読み出す、
ことを特徴とする請求項９記載の追尾センサ装置。 - 測定対象から発せらる光である対象光を探索して追尾する追尾センサであって、
請求項１〜８の何れか１項に記載の光検出素子と、
前記光検出素子からの信号の読み出しを制御すると共に、前記光検出素子の姿勢を調整する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記光検出素子が有する前記４分割フォトダイオード及び前記２次元フォトダイオードアレイをそれぞれ構成するフォトダイオードからの信号の読み出しを行い、前記対象光が前記４分割フォトダイオードに入射されるように前記光検出素子の姿勢を調整した後、前記４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードからの信号を選択的に読み出し、前記４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードからの信号が等しくなるように前記光検出素子の姿勢を調整する、
ことを特徴とする追尾センサ装置。 - 前記制御手段は、
前記光検出素子の姿勢を調整する姿勢調整装置と、
前記光検出素子からの信号の読み出しを制御すると共に、前記姿勢調整装置を制御して前記光検出素子の姿勢を調整する制御装置と、
を有し、
前記制御装置は、
前記光検出素子が有する前記４分割フォトダイオード及び前記２次元フォトダイオードアレイをそれぞれ構成するフォトダイオードからの信号の読み出しを行い、前記姿勢調整装置を調整して前記対象光が前記４分割フォトダイオードに入射されるように前記光検出素子の姿勢を調整し、前記４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードからの信号を選択的に読み出し、前記４分割フォトダイオードを構成する各フォトダイオードからの信号が等しくなるように前記姿勢調整装置を制御して前記光検出素子の姿勢を調整する、
ことを特徴とする請求項１１に記載の追尾センサ装置。
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