JP5206944B2 - Optical module and medical optical measurement system using the same - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザ素子と受光素子をパッケージに含む光学モジュールに関し、特に、人体の血液の血流等を光学的に計測するための光学モジュールに関する。   The present invention relates to an optical module including a semiconductor laser element and a light receiving element in a package, and more particularly to an optical module for optically measuring blood flow of a human body.

光計測や光通信等の技術分野において、面発光型半導体レーザ(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser:以下VCSELと呼ぶ)の光源への関心が高まっている。VCSELは、しきい値電流が低く消費電力が小さい、円形の光スポットが容易に得られる、といった端面発光型半導体レーザにはない優れた特長を有する。これらの特長を生かし、VCSELは、光通信や光計測等の技術分野の光源として期待されている(特許文献1)。   In the technical fields such as optical measurement and optical communication, interest in a light source of a surface-emitting semiconductor laser (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser: hereinafter referred to as VCSEL) is increasing. The VCSEL has excellent features not found in edge emitting semiconductor lasers, such as low threshold current and low power consumption, and a circular light spot can be easily obtained. Taking advantage of these features, VCSELs are expected as light sources in technical fields such as optical communication and optical measurement (Patent Document 1).

特許文献2は、同一基板上に発光素子と受光素子を集積化し、発光素子と受光素子との間に遮光板を備えた血流計を開示している。特許文献3は、同一基板表面の凹部に発光素子と受光素子を配置し、基板上面に遮光膜が形成されたカバー基板を配置した血流センサ部に関する技術を開示している。   Patent Document 2 discloses a blood flow meter in which a light emitting element and a light receiving element are integrated on the same substrate, and a light shielding plate is provided between the light emitting element and the light receiving element. Patent Document 3 discloses a technique related to a blood flow sensor unit in which a light emitting element and a light receiving element are arranged in a concave portion on the same substrate surface, and a cover substrate having a light shielding film formed on the upper surface of the substrate is arranged.

特開平5−164553JP-A-5-164553 特開2002−330936JP 2002-330936 A 特開2004−229920JP2004-229920A

本発明は、遮光板や基板に凹部を形成する場合と比べ、低コストで製造することができ、かつ光計測を高精度に行うことができる光学モジュールおよびそれを用いた医療用光計測システムを提供することを目的とする。   The present invention provides an optical module that can be manufactured at a low cost and can perform optical measurement with high accuracy, and a medical optical measurement system using the optical module, as compared with the case where a concave portion is formed on a light shielding plate or a substrate. The purpose is to provide.

本発明に係る光学モジュールは、レーザ光を出射する面発光型半導体レーザ素子と、面発光型半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の反射光を受光する受光素子と、前記面発光型半導体レーザ素子および前記受光素子とを支持する支持部材と、前記支持部材に取り付けられ、前記支持部材上に前記面発光型半導体レーザ素子と前記受光素子を収容する内部空間を形成する封止部材とを有し、前記封止部材には、レーザ光を外部へ出射するための出射窓と、外部からレーザ光の反射光を入射する入射窓が形成され、前記内部空間には、前記面発光型半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が前記内部空間で反射したときに発生する内部反射光の前記受光素子への受光を抑制する受光抑制部材が設けられている。   An optical module according to the present invention includes a surface emitting semiconductor laser element that emits laser light, a light receiving element that receives reflected light of the laser light emitted from the surface emitting semiconductor laser element, and the surface emitting semiconductor laser element. And a supporting member that supports the light receiving element, and a sealing member that is attached to the supporting member and that forms an internal space for housing the surface emitting semiconductor laser element and the light receiving element on the supporting member. The sealing member is formed with an emission window for emitting laser light to the outside and an incident window for receiving reflected light of the laser light from the outside, and the surface emitting semiconductor laser element is formed in the internal space A light reception suppressing member is provided that suppresses light reception to the light receiving element of internally reflected light generated when the laser light emitted from the laser beam is reflected by the internal space.

好ましくは、前記受光抑制部材は、前記面発光型半導体レーザ素子と前記受光素子との間に形成された遮光壁を含む。好ましくは、前記遮光壁は、前記面発光型半導体レーザ素子を形成する基板上あるいは前記受光素子を形成する基板上に一体に形成される。あるいは、前記壁は、前記支持部材上に形成される。   Preferably, the light reception suppressing member includes a light shielding wall formed between the surface emitting semiconductor laser element and the light receiving element. Preferably, the light shielding wall is integrally formed on a substrate on which the surface emitting semiconductor laser element is formed or on a substrate on which the light receiving element is formed. Alternatively, the wall is formed on the support member.

好ましくは、前記面発光型半導体レーザ素子は、基板上にレーザ光を出射するためのメサを含み、前記壁は、前記メサに近接し、かつメサを構成する半導体層と同一の半導体層を含む。好ましくは、前記受光抑制部材は、前記出射窓の内部空間内部に形成された反射防止膜を含む。好ましくは、前記出射窓には光学レンズが取り付けられ、前記反射防止膜は内部空間に露出した前記光学レンズを被覆する。好ましくは、前記入射窓には、特定の波長以外の波長の光を除去する光学フィルターが取り付けられている。前記出射窓には、ピンホールが形成されたフィルターが取り付けられても良い。   Preferably, the surface-emitting type semiconductor laser element includes a mesa for emitting laser light on a substrate, and the wall includes a semiconductor layer adjacent to the mesa and the same semiconductor layer as that constituting the mesa. . Preferably, the light reception suppressing member includes an antireflection film formed in the internal space of the exit window. Preferably, an optical lens is attached to the exit window, and the antireflection film covers the optical lens exposed to the internal space. Preferably, an optical filter for removing light having a wavelength other than a specific wavelength is attached to the incident window. A filter having a pinhole may be attached to the exit window.

好ましくは前記封止部材は、前記出射窓および前記入射窓が形成されたマスクと、前記支持部材上に固定された円筒状のキャップを含み、前記キャップの一面には、レーザ光を外部へ透過しかつ外部からの反射光を透過する開口が形成され、前記マスクは前記開口を覆うように前記一面上に取り付けられる。   Preferably, the sealing member includes a mask in which the exit window and the entrance window are formed, and a cylindrical cap fixed on the support member, and one surface of the cap transmits laser light to the outside. In addition, an opening through which reflected light from the outside is transmitted is formed, and the mask is mounted on the one surface so as to cover the opening.

本発明に係る光学モジュールは、レーザ光を出射する面発光型半導体レーザ素子と、前記面発光型半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の反射光を受光する受光素子と、前記面発光型半導体レーザ素子および前記受光素子とを支持する支持部材と、前記支持部材に取り付けられ、前記支持部材上に前記面発光型半導体レーザ素子と前記受光素子を収容する内部空間を形成する封止部材とを有し、前記封止部材には、レーザ光を外部へ出射するための出射窓と、外部からレーザ光の反射光を入射する入射窓が形成され、前記受光素子の受光面は、前記面発光型半導体レーザ素子側が高くなるように傾斜している。   An optical module according to the present invention includes a surface emitting semiconductor laser element that emits laser light, a light receiving element that receives reflected light of the laser light emitted from the surface emitting semiconductor laser element, and the surface emitting semiconductor laser. A support member that supports the element and the light receiving element, and a sealing member that is attached to the support member and that forms an internal space for accommodating the surface emitting semiconductor laser element and the light receiving element on the support member. The sealing member is formed with an emission window for emitting laser light to the outside and an incident window for receiving reflected light of the laser light from the outside, and the light receiving surface of the light receiving element is the surface emitting type The semiconductor laser element side is inclined so as to be higher.

好ましくは支持部材は、前記受光素子の受光面を傾斜させるためのマウント部材を含む。受光面は、支持部材の面に対して例えば30度以上の角度を成している。好ましくは、前記面発光型半導体レーザ素子は、シングルモードのレーザ光を出射する。また、前記面発光型半導体レーザ素子は、複数の発光部がアレイ状に配置されたレーザアレイを含むことができる。さらに面発光型半導体レーザ素子は、波長が780nmから850nmのレーザ光を出射する。   Preferably, the support member includes a mount member for inclining the light receiving surface of the light receiving element. The light receiving surface forms an angle of, for example, 30 degrees or more with respect to the surface of the support member. Preferably, the surface emitting semiconductor laser element emits a single mode laser beam. The surface emitting semiconductor laser element may include a laser array in which a plurality of light emitting units are arranged in an array. Further, the surface emitting semiconductor laser element emits laser light having a wavelength of 780 nm to 850 nm.

本発明に係る医療用光計測システムは、上記の特徴を有する光学モジュールと、前記受光素子からの受光信号に基づき血液の血流を測定する測定手段と、前記測定手段により測定された結果を出力する出力手段とを有する。   The medical optical measurement system according to the present invention outputs an optical module having the above-described features, a measurement unit that measures blood flow based on a light reception signal from the light receiving element, and a result measured by the measurement unit. Output means.

本発明によれば、内部空間内に面発光型半導体レーザ素子の内部反射光の受光を抑制する受光抑制部材を設けたことにより、受光素子への不要な内部反射光の受光が抑制され、受光素子へのノイズが削減され、受光信号のS/N比を向上させることができる。その結果、より高精度の光計測を行うことができる。さらに、受光抑制部材を設けることや受光素子の受光面を傾斜させることは、従来の既存の光学モジュールへの工数を大幅に増加するものではなく、しかも高度の実装技術を必要としないため、低コストで光学モジュールを製造することが可能となる。   According to the present invention, by providing the light reception suppressing member for suppressing the reception of the internally reflected light of the surface emitting semiconductor laser element in the internal space, the reception of unnecessary internal reflected light to the light receiving element is suppressed, Noise to the element is reduced, and the S / N ratio of the received light signal can be improved. As a result, more accurate optical measurement can be performed. Furthermore, the provision of a light reception suppressing member and the inclination of the light receiving surface of the light receiving element do not significantly increase the number of steps for the existing optical module and do not require advanced mounting technology. An optical module can be manufactured at low cost.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態に係る光学モジュールは、生体組織にレーザ光を照射し、その反射光を受光し、血流を計測するための医療用光学モジュールを例に説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. The optical module according to the present embodiment will be described by taking a medical optical module for irradiating a living tissue with laser light, receiving the reflected light, and measuring blood flow as an example.

図1(a)は、本発明の第1の実施例に係る医療用光学モジュールの平面図、図1(b)は、図1(a)のX−X線断面図である。医療用光学モジュール10は、金属製の円盤状のステム12と、ステム12の上面に取り付けられたサブマウント14と、サブマウント14上に搭載されたVCSEL16と、レーザ光を受光する受光素子18と、ステム12に固定された円筒状のキャップ20と、ステム12の底面側に取り付けられた導電性金属からなる複数のリード端子22とを含んでいる。   FIG. 1A is a plan view of a medical optical module according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. The medical optical module 10 includes a metal disc-shaped stem 12, a submount 14 attached to the upper surface of the stem 12, a VCSEL 16 mounted on the submount 14, and a light receiving element 18 that receives laser light. A cylindrical cap 20 fixed to the stem 12 and a plurality of lead terminals 22 made of a conductive metal attached to the bottom surface side of the stem 12 are included.

ステム12には、複数のリード端子22を挿入するための貫通孔(図示省略)が形成されている。各貫通孔の内壁はガラスが被膜されており、リード端子22は、これによりステム12と電気的に絶縁されている。リード端子22の一端は、内部空間へ延在し、そこで、VCSEL16および受光素子18の電極とボンディングワイヤ等の接続手段を用いて電気的に接続される。   The stem 12 is formed with a through hole (not shown) for inserting a plurality of lead terminals 22. The inner wall of each through hole is coated with glass, and the lead terminal 22 is thereby electrically insulated from the stem 12. One end of the lead terminal 22 extends into the internal space where it is electrically connected to the electrodes of the VCSEL 16 and the light receiving element 18 using connection means such as a bonding wire.

キャップ20の上面には、VCSEL16からのレーザ光を外部生体組織に出射するための円形状の出射窓20aと、外部生体組織によって散乱、反射された反射光を入射するための円形状の入射窓20bとが形成されている。   On the upper surface of the cap 20, a circular emission window 20a for emitting laser light from the VCSEL 16 to the external biological tissue and a circular incident window for receiving reflected light scattered and reflected by the external biological tissue. 20b.

出射窓20aには、ボールレンズ24が嵌め込まれている。ボールレンズ24の光軸はVCSEL16の発光点と一致し、VCSEL16から出射された拡がり角θのレーザ光がボールレンズ24によって集光されるようになっている。本例では、ボールレンズを用いるが、これ以外の平凸レンズやその他の光学部材を用いることも可能である。また、出射窓20aを平板ガラスで封止し、ボールレンズをキャップの外側に配置するようにしてもよい。   A ball lens 24 is fitted into the exit window 20a. The optical axis of the ball lens 24 coincides with the light emitting point of the VCSEL 16, and the laser light having the divergence angle θ emitted from the VCSEL 16 is condensed by the ball lens 24. In this example, a ball lens is used, but other plano-convex lenses and other optical members may be used. Alternatively, the exit window 20a may be sealed with flat glass, and the ball lens may be disposed outside the cap.

入射窓20bには、好ましくは、外部生体組織で反射された光から特定波長の光を取り除くための光学フィルタ26が取り付けられている。不要な波長の光を除去することで例えば血流の計測処理における精度を改善することができる。但し、必ずしも光学フィルタによって波長を除去する必要がない場合には、平板ガラスやその他光学レンズを入射窓20bに取り付けるようにしてもよい。   An optical filter 26 is preferably attached to the incident window 20b for removing light of a specific wavelength from the light reflected by the external biological tissue. By removing light having an unnecessary wavelength, for example, accuracy in blood flow measurement processing can be improved. However, when it is not always necessary to remove the wavelength by the optical filter, a flat glass or other optical lens may be attached to the incident window 20b.

キャップ20、ボールレンズ24および光学フィルター26は、好ましくは気密封止された内部空間をステム12上に形成し、内部空間内に配置されたVCSEL16および受光素子18を外部環境から保護する。例えば、医療用光学モジュール10は、人体の血流を計測するとき、キャップ20の表面が皮膚に直接接触されるが、皮膚から発生した汗などの水分が内部に浸入することが防止される。   The cap 20, the ball lens 24, and the optical filter 26 preferably form an airtightly sealed internal space on the stem 12, and protect the VCSEL 16 and the light receiving element 18 disposed in the internal space from the external environment. For example, when the medical optical module 10 measures the blood flow of a human body, the surface of the cap 20 is in direct contact with the skin, but moisture such as sweat generated from the skin is prevented from entering the inside.

図2は、図1に示すVCSELの構成を示す断面図である。本実施例は、1つの発光スポットが形成されたシングルスポットのVCSELを例示するが、これは一例であり、複数の発光スポットが形成されたマルチスポットのVCSELであってもよい。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the VCSEL shown in FIG. The present embodiment illustrates a single spot VCSEL in which one light emitting spot is formed, but this is an example, and a multi spot VCSEL in which a plurality of light emitting spots are formed may be used.

VCSEL18は、図2に示すように、n型のGaAs基板100の裏面にn側電極102を形成し、さらに基板100上に、n型のGaAsバッファ層104、Al組成の異なるAlGaAs層を交互に重ねたn型の下部DBR(Distributed Bragg Reflector:分布ブラッグ型反射鏡)106、活性領域108、周縁に酸化領域を含むp型のAlAsからなる電流狭窄層110、Al組成の異なるAlGaAs層を交互に重ねたp型の上部DBR112、p型のGaAsコンタクト層114を積層している。基板上には、積層された半導体層をエッチングすることにより円筒状のポスト(またはメサ)Pが形成されている。   As shown in FIG. 2, the VCSEL 18 has an n-side electrode 102 formed on the back surface of an n-type GaAs substrate 100, and n-type GaAs buffer layers 104 and AlGaAs layers having different Al compositions are alternately formed on the substrate 100. Stacked n-type lower DBR (Distributed Bragg Reflector) 106, active region 108, current confinement layer 110 made of p-type AlAs including an oxidized region on the periphery, and AlGaAs layers having different Al compositions are alternately arranged. A stacked p-type upper DBR 112 and a p-type GaAs contact layer 114 are stacked. A cylindrical post (or mesa) P is formed on the substrate by etching the stacked semiconductor layers.

ポストPの底部、側部および頂部の一部を覆うように基板全体にSiON、SiOx等の層間絶縁膜116が形成されている。ポストPの頂部の層間絶縁膜116には、コンタクト層114を露出する円形状のコンタクトホール116aが形成されている。ポストPの頂部には、導電性材料からなるp側電極118が形成され、p側電極118は、コンタクトホール116aを介してコンタクト層114にオーミック接続されている。p側電極118の中央には、レーザ光を出射するための円形状の出射窓が形成されている。出射窓は、コンタクト層114を露出するものであってもよいが、出射窓は、誘電体膜により保護されていてもよい。   An interlayer insulating film 116 such as SiON or SiOx is formed on the entire substrate so as to cover a part of the bottom, side and top of the post P. In the interlayer insulating film 116 on the top of the post P, a circular contact hole 116a exposing the contact layer 114 is formed. A p-side electrode 118 made of a conductive material is formed on the top of the post P, and the p-side electrode 118 is ohmically connected to the contact layer 114 through a contact hole 116a. A circular emission window for emitting laser light is formed at the center of the p-side electrode 118. The exit window may expose the contact layer 114, but the exit window may be protected by a dielectric film.

下部DBR106と上部DBR112は、共振器構造を形成し、これらの間には、活性領域108および電流搾取層110が介在される。電流搾取層110は、ポストPの側面からAlAsを選択的に酸化させた酸化領域と当該酸化領域によって包囲された円形状の導電性領域を含み、導電性領域内に電流および光の閉じ込めを行う。導電性領域の中心は、p側電極118の出射窓の中心に一致する。p側電極118とn側電極102に順方向駆動電流を注入することで、ポストPの出射窓から、例えば850nmのレーザ光が基板と垂直方向に出射される。出射されたレーザー光は、ボールレンズ24に集光される。   The lower DBR 106 and the upper DBR 112 form a resonator structure, and the active region 108 and the current extraction layer 110 are interposed therebetween. The current exploitation layer 110 includes an oxidized region in which AlAs is selectively oxidized from the side surface of the post P and a circular conductive region surrounded by the oxidized region, and confines current and light in the conductive region. . The center of the conductive region coincides with the center of the emission window of the p-side electrode 118. By injecting a forward drive current into the p-side electrode 118 and the n-side electrode 102, a laser beam of, for example, 850 nm is emitted from the emission window of the post P in a direction perpendicular to the substrate. The emitted laser light is collected on the ball lens 24.

ステム12の平坦な表面上には、サブマウント14が接着剤等によって固定されている。サブマウント14は、ステム12に接着される平坦な底面と、底面と対向する表面を含み、好ましくは、熱伝導性が高く放熱性に優れた絶縁性のセラミック基板(例えば窒化アルミニウム)から構成される。サブマウント14の表面には、Ti/Pt/Au等の薄膜パターンが形成され、この上にVCSEL16が実装される。   A submount 14 is fixed on the flat surface of the stem 12 with an adhesive or the like. The submount 14 includes a flat bottom surface bonded to the stem 12 and a surface opposite to the bottom surface, and is preferably made of an insulating ceramic substrate (for example, aluminum nitride) having high thermal conductivity and excellent heat dissipation. The A thin film pattern such as Ti / Pt / Au is formed on the surface of the submount 14, and the VCSEL 16 is mounted thereon.

さらにアブマウント14の表面には、VCSEL16と隣接して受光素子用マウント14aが固定されている。受光素子用マウント14aは、サブマウント14の表面に固定される底面と、VCSEL16側から離れる方向に向かって下降するように傾斜する平坦な表面とを有し、断面形状が三角形となっている。受光素子用マント14aの表面に受光素子18が導電性接着剤等によって固定され、受光素子18の受光面は、ステム12の平坦な表面あるいはサブマウント14の平坦な表面と一定の角度を成すように傾斜している。好ましくは、受光面がステム12の平坦な表面と成す角度は30度以上である。なお、受光素子用マウント14aは、サブマウント14と必ずしも別体である必要はなく、サブマウントと一体形成されていてもよい。さらに受光素子用マウント14aは、受光素子18の受光面を傾斜させることができれば、その形状は問わない。例えば、受光素子用マウント14aは、表面が傾斜した台形状であってもよいし、表面が凹凸を含む形状であってもよい。   Further, a light receiving element mount 14 a is fixed on the surface of the ab mount 14 adjacent to the VCSEL 16. The light receiving element mount 14a has a bottom surface fixed to the surface of the submount 14 and a flat surface inclined so as to descend in a direction away from the VCSEL 16 side, and has a triangular cross-sectional shape. The light receiving element 18 is fixed to the surface of the light receiving element cloak 14a with a conductive adhesive or the like, and the light receiving surface of the light receiving element 18 forms a certain angle with the flat surface of the stem 12 or the flat surface of the submount 14. It is inclined to. Preferably, the angle formed by the light receiving surface and the flat surface of the stem 12 is 30 degrees or more. The light receiving element mount 14a is not necessarily separate from the submount 14, and may be integrally formed with the submount. Further, the shape of the light receiving element mount 14a is not limited as long as the light receiving surface of the light receiving element 18 can be inclined. For example, the light receiving element mount 14a may have a trapezoidal shape with an inclined surface or a shape with irregularities on the surface.

次に、医療用光学モジュールの動作を説明する。リード端子22を介してVCSEL16に順方向の駆動電流が印加されると、VCSEL16からレーザ光が出射され、このレーザ光は、ボールレンズ24を介して出射光Lとして外部生体組織を照射する。出射光Lは、外部生体組織の血球等で散乱または反射され、その外部反射光Lは、光学フィルター26を介して受光素子18に受光される。受光素子18で受光された光は、電気信号に変換され、リード端子22から出力される。 Next, the operation of the medical optical module will be described. When a forward drive current is applied to the VCSEL 16 via the lead terminal 22, laser light is emitted from the VCSEL 16, and this laser light irradiates the external living tissue as emitted light L via the ball lens 24. The emitted light L is scattered or reflected by blood cells or the like of the external biological tissue, and the external reflected light LR is received by the light receiving element 18 through the optical filter 26. The light received by the light receiving element 18 is converted into an electrical signal and output from the lead terminal 22.

VCSEL16から出射されたレーザ光の大部分は、ボールレンズ24に入射されるが、その一部がボールレンズ24またはキャップ20の内壁面で反射され、キャップ20内に不所望の内部反射光Lが生じる。受光素子16の受光面は、VCSEL16またはボールレンズ24から離れる方向に向けて低くなるように傾斜しているため、ボールレンズ24による内部反射光Lが受光面へ入射されるのが効果的に抑制される。この結果、受光素子18は、入射窓20bを透過した外部反射光Lを専ら受光し、ノイズとなり得る内部反射光Lの受光が排除され、受光信号のS/N比が向上し、光計測精度を向上させることができる。 Most of the laser light emitted from the VCSEL 16 is incident on the ball lens 24, but a part of the laser light is reflected by the ball lens 24 or the inner wall surface of the cap 20, and undesired internally reflected light L N in the cap 20. Occurs. Since the light receiving surface of the light receiving element 16 is inclined so as to become lower in the direction away from the VCSEL 16 or the ball lens 24, it is effective that the internally reflected light LN from the ball lens 24 is incident on the light receiving surface. It is suppressed. As a result, the light receiving element 18, the external reflected light L R that has passed through the entrance window 20b exclusively received, reception of internally reflected light L N which can be a noise is eliminated to improve the S / N ratio of the received light signal, the light Measurement accuracy can be improved.

また、外部生体組織の血流速度を計測する場合、外部反射光Lは、ドップラーシフトによりその波長をシフトされるが、想定される波長以外の波長の光を光学フィルター24でカットし、ノイズとなり得る不要な外部反射光が受光素子18へ受光されるのを防止し、受光信号のS/N比を向上させることができる。 Further, when measuring the blood flow velocity of the external living tissue, the wavelength of the external reflected light LR is shifted by Doppler shift, but light having a wavelength other than the assumed wavelength is cut by the optical filter 24, and noise is generated. It is possible to prevent unnecessary external reflected light from being received by the light receiving element 18 and improve the S / N ratio of the received light signal.

また、VCSELからのレーザ光をシングルモードとすることで、S/N比を向上させ、高精度の光計測を行うことができる。また、マルチスポットのVCSELアレイを光源に用いた場合には、レーザ光の高出力を図ることができる。さらに、780〜850nmのレーザ光を用いれば、レーザ光は皮膚の透過率が高く、水の吸収が低いため、光学モジュールは外部生体組織の血流測定に好適である。   In addition, by setting the laser light from the VCSEL to a single mode, the S / N ratio can be improved and high-precision optical measurement can be performed. Further, when a multi-spot VCSEL array is used as a light source, high output of laser light can be achieved. Furthermore, when laser light having a wavelength of 780 to 850 nm is used, the optical module is suitable for blood flow measurement of an external living tissue because the laser light has high skin transmittance and low water absorption.

次に、本発明の第2の実施例に係る医療用光学モジュールを図3に示す。第2の実施例に係る医療用光学モジュール10Aは、受光素子の受光面を傾斜する代わりに、内部反射光が受光素子に受光されるのを防止するための遮光手段を用いる。   Next, FIG. 3 shows a medical optical module according to the second embodiment of the present invention. The medical optical module 10A according to the second embodiment uses a light shielding unit for preventing the internally reflected light from being received by the light receiving element, instead of inclining the light receiving surface of the light receiving element.

図3(a)に示す光学モジュール10Aは、VCSEL16に遮光部30を形成する。図2に示すように、VCSELは、GaAs基板上に複数の半導体層を積層し、これをエッチングすることにより発光部となるポストPを形成している。第2の実施例では、図2(b)に示すように、ポストPと隣接してポストPと同様の半導体層を有する遮光部P1を形成する。これにより、VCSELのポストPと受光素子18との間に遮光部P1を介在させ、ボールレンズ24等によって発生された内部反射光Lが受光素子18へ受光されることを防止する。また、遮光部P1上に、絶縁膜や導電性膜等からなる延長部P2を積層し、遮光部P1をより高くするようにしてもよい。遮光部P1をモノリシックに集積化することで小型化が可能となり、かつ高度な実装を要しない利点がある。 The optical module 10 </ b> A illustrated in FIG. 3A forms the light shielding unit 30 in the VCSEL 16. As shown in FIG. 2, in the VCSEL, a plurality of semiconductor layers are stacked on a GaAs substrate and etched to form a post P serving as a light emitting portion. In the second embodiment, as shown in FIG. 2B, a light shielding portion P1 having a semiconductor layer similar to the post P adjacent to the post P is formed. Thus, the light shielding portion P1 is interposed between the post P of the VCSEL and the light receiving element 18 to prevent the internally reflected light LN generated by the ball lens 24 or the like from being received by the light receiving element 18. Further, an extension part P2 made of an insulating film, a conductive film or the like may be laminated on the light shielding part P1, so that the light shielding part P1 is made higher. By integrating the light shielding part P1 monolithically, it is possible to reduce the size, and there is an advantage that advanced mounting is not required.

図3(b)に示す光学モジュール10Aは、受光素子18に遮光部18aがモノリシックに形成されている。受光素子18は、例えばシリコン基板を用いて形成されるが、シリコン基板上に絶縁層や導電性膜等を積層することで、VCSEL16と受光面との間に一定の高さを有する遮光部18aを形成する。   In the optical module 10 </ b> A shown in FIG. 3B, the light shielding element 18 a is formed monolithically on the light receiving element 18. The light receiving element 18 is formed using, for example, a silicon substrate, and a light shielding portion 18a having a certain height between the VCSEL 16 and the light receiving surface by laminating an insulating layer, a conductive film, or the like on the silicon substrate. Form.

図3(c)に示す光学モジュール10Aは、VCSEL16と受光素子18とに間に遮光部材30を形成する。遮光部材30は、好ましくは内部反射光Lを吸収する光吸収膜が表面に形成されている。遮光部材30は、サブマウント14上に接着剤等により固定することができる。また、遮光部材30は、サブマウント14に一体成形されたものであってもよい。 In the optical module 10 </ b> A shown in FIG. 3C, a light shielding member 30 is formed between the VCSEL 16 and the light receiving element 18. The light shielding member 30 is preferably formed with a light absorption film on the surface for absorbing the internally reflected light LN . The light shielding member 30 can be fixed on the submount 14 with an adhesive or the like. Further, the light shielding member 30 may be integrally formed with the submount 14.

図3(d)に示す光学モジュール10Aは、キャップ20の上部から下方に延在する遮光部材32を有する。遮光部材32は、VCSEL16と受光素子18との間に位置する。遮光部材32は、好ましくは内部反射光Lを吸収するような光吸収膜が表面に被覆されている。遮光部材32は、キャップ20に接着剤等により固定することができる。また、遮光部材32は、キャップ20に一体成形されたものであってもよい。 The optical module 10 </ b> A illustrated in FIG. 3D includes a light shielding member 32 that extends downward from the top of the cap 20. The light shielding member 32 is located between the VCSEL 16 and the light receiving element 18. The light shielding member 32 is preferably coated on the surface with a light absorbing film that absorbs the internally reflected light LN . The light shielding member 32 can be fixed to the cap 20 with an adhesive or the like. The light shielding member 32 may be integrally formed with the cap 20.

次に、本発明の第3の実施例に係る医療用光学モジュールを図4に示す。第3の実施例に係る医療用光学モジュール10Bは、VCSEL16からのレーザ光の内部反射光Lの発生を抑制するため、キャップ内に露出するボールレンズ24およびキャップ20の裏面の一部に反射防止膜40を形成する。これにより、ボールレンズ24で反射されるレーザ光が低減され、受光素子18へ受光される内部反射光Lが減少し、受光信号のS/N比の低減を抑制することができる。なお、出射窓20aにボールレンズ以外の光学部材が取り付けられた場合にも、その表面に反射防止膜が形成される。 Next, FIG. 4 shows a medical optical module according to a third embodiment of the present invention. Medical optical module 10B according to the third embodiment, in order to suppress the generation of internal reflection light L N of the laser beam from the VCSEL 16, reflecting a part of the back surface of the ball lens 24 and the cap 20 is exposed in the cap The prevention film 40 is formed. Thereby, the laser beam reflected by the ball lens 24 is reduced, the internal reflection light LN received by the light receiving element 18 is reduced, and the reduction of the S / N ratio of the received light signal can be suppressed. Even when an optical member other than a ball lens is attached to the exit window 20a, an antireflection film is formed on the surface thereof.

次に、本発明の第4の実施例に係る医療用光学モジュールを図5に示す。第4の実施例に係る医療用光学モジュール10Cは、外部生体組織からの外部反射光Lを効果的に集光するための光学レンズ42をキャップ20の入射窓20bの表面に取り付けている。さらに、キャップ20の入射窓20bの裏面にスリット部材44が取り付けられている。スリット部材44には、ほぼ中央にピンホール44aが形成されており、ピンホール44aは、光学レンズ42により集光された外部反射光Lを透過する。スリット44aは、その口径に応じて、光学フィルタと同じように、特定波長の散乱光のみを透過させることができる。これにより、外部反射光Lを測定する際に、受光信号の損失を抑え、S/N比の向上を図っている。 Next, a medical optical module according to a fourth embodiment of the present invention is shown in FIG. Medical optical module 10C according to the fourth embodiment is fitted with an optical lens 42 for effectively condensing the external reflected light L R from an external biological tissue on the surface of the entrance window 20b of the cap 20. Further, a slit member 44 is attached to the back surface of the incident window 20 b of the cap 20. The slit member 44 is substantially central to the pinhole 44a is formed, pinholes 44a passes through the external reflected light L R condensed by the optical lens 42. The slit 44a can transmit only scattered light having a specific wavelength, like the optical filter, according to the aperture. Thus, when measuring the external reflected light L R, suppressing the loss of the light receiving signal, thereby improving the S / N ratio.

次に、本発明の第5の実施例に係る医療用光学モジュールについて説明する。図6は、第5の実施例に係る医療用光学モジュール10Dの断面図、図7(a)はキャップの平面図、図7(b)はマスクの平面図である。   Next, a medical optical module according to the fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view of a medical optical module 10D according to a fifth embodiment, FIG. 7A is a plan view of a cap, and FIG. 7B is a plan view of a mask.

図7(a)に示すように、キャップ20の中央には、円形状の1つの開口20cが形成されている。この開口20cは、VCSEL16および受光素子18の少なくともレーザ光の出射領域および受光領域を露出させるに十分な大きさである。
開口20cには、好ましくは円形状の平板ガラス50がはめ込まれ、これにより内部空間を気密封止している。キャップ20の表面を覆うようにマスク52が接着剤等より固定される。マスク52は、例えば金属またはシール材などから構成される薄板状の円形部材であり、その口径は、キャップ20の口径とほぼ等しい。マスク52には、VCSEL16のレーザ光を出射する位置に円形状の出射窓52aが形成され、受光素子18に対応する位置に円形状の入射窓52bが形成されている。好ましくは、入射窓52bには、特定の波長を選択的に透過する光学空間フィルター54が嵌め込まれている。さらに、VCSEL16から出射されたレーザ光の内部反射光Lの発生を抑制するため、キャップ20の裏面に反射防止膜56を取り付けるようにしてもよい。さらに好ましくは、マスク52の表面は、光計測にとって不要な迷光、例えばレーザ光以外の光、を吸収するような色(例えば、黒)をコーティングする。
As shown in FIG. 7A, a circular opening 20c is formed in the center of the cap 20. As shown in FIG. The opening 20c is large enough to expose at least the laser light emitting region and the light receiving region of the VCSEL 16 and the light receiving element 18.
A circular flat glass 50 is preferably fitted into the opening 20c, thereby hermetically sealing the internal space. A mask 52 is fixed with an adhesive or the like so as to cover the surface of the cap 20. The mask 52 is a thin plate-like circular member made of, for example, metal or a sealing material, and the diameter of the mask 52 is substantially equal to the diameter of the cap 20. In the mask 52, a circular emission window 52 a is formed at a position where the laser light of the VCSEL 16 is emitted, and a circular incident window 52 b is formed at a position corresponding to the light receiving element 18. Preferably, an optical spatial filter 54 that selectively transmits a specific wavelength is fitted into the incident window 52b. Further, an antireflection film 56 may be attached to the back surface of the cap 20 in order to suppress the generation of the internally reflected light LN of the laser light emitted from the VCSEL 16. More preferably, the surface of the mask 52 is coated with a color (for example, black) that absorbs stray light unnecessary for optical measurement, for example, light other than laser light.

このようなマスク52を用意することで、キャップの製造が容易になり、光学モジュールの製造コストを低減することができる。さらに、マスク52取り付けることで、外部からの迷光が入射窓52bで阻止され、ノイズとなり得るような不所望な光が光学モジュール内に進入することが抑制され、受光素子18の感度を改善することができる。   By preparing such a mask 52, the cap can be easily manufactured, and the manufacturing cost of the optical module can be reduced. Furthermore, by attaching the mask 52, stray light from the outside is blocked by the incident window 52 b, and unwanted light that can become noise is prevented from entering the optical module, thereby improving the sensitivity of the light receiving element 18. Can do.

また、VCSEL16から出射されたレーザ光を収束させたい場合には、図6(b)に示すように、マスク52の出射窓52aに凸レンズまたは球面レンズ58を取り付けるようにしてもよい。なお、マスク52は、キャップ20の表面に接着剤以外の手段を用いて固定してもよい。例えば、マスク52をキャップ20に機械的な嵌合等の手段を用いて固定するようにしてもよい。   Further, when it is desired to converge the laser light emitted from the VCSEL 16, a convex lens or a spherical lens 58 may be attached to the emission window 52a of the mask 52 as shown in FIG. Note that the mask 52 may be fixed to the surface of the cap 20 using means other than an adhesive. For example, the mask 52 may be fixed to the cap 20 by means such as mechanical fitting.

第1ないし第5の実施例に説明したように種々の光学モジュールを説明したが、光学モジュールは、第1ないし第5の特徴をそれぞれ組み合わせる構成であってもよい。例えば、光学モジュールは、受光素子の受光面を傾斜させるとともに、VCSELと受光素子との間に遮光手段を設けるものであっても良い。   Although various optical modules have been described as described in the first to fifth embodiments, the optical modules may be configured to combine the first to fifth features. For example, the optical module may be one in which the light receiving surface of the light receiving element is inclined and a light shielding unit is provided between the VCSEL and the light receiving element.

さらに、第1ないし第5の実施例で用いたキャンパッケージの構成は、例えば図8に示すように、凹部が形成されたステム12と、この凹部を覆うような平板状のキャップ20との組合せであってもよい。外部リード端子は、必ずしもピン形状である必要はなく、バンプまたは電極ランドのような形状であってもよい。さらに、光学モジュールのパッケージは、セラミックパッケージや樹脂封止パッケージであってもよい。   Further, the configuration of the can package used in the first to fifth embodiments is a combination of a stem 12 having a recess and a flat cap 20 covering the recess, as shown in FIG. 8, for example. It may be. The external lead terminal does not necessarily have a pin shape, and may have a shape such as a bump or an electrode land. Furthermore, the package of the optical module may be a ceramic package or a resin sealed package.

次に、本実施例に係る光学モジュールを用いた医療用光計測システムの構成例を図9に示す。同図に示す医療用光計測システムは、好ましくは人体の血流を計測し、その結果を出力する。図9(a)に示す医療用光計測システム200は、VCSEL16と受光素子18を含む光学モジュール10と、光学モジュール20のリード端子22を介してVCSEL16への駆動電流を供給する駆動回路210と、受光素子18によって光電変換された受光信号を処理する信号処理回路220と、制御部230と、表示部240とを有する。   Next, FIG. 9 shows a configuration example of a medical optical measurement system using the optical module according to the present embodiment. The medical optical measurement system shown in the figure preferably measures the blood flow of the human body and outputs the result. The medical optical measurement system 200 shown in FIG. 9A includes an optical module 10 including the VCSEL 16 and the light receiving element 18, a drive circuit 210 that supplies a drive current to the VCSEL 16 via the lead terminal 22 of the optical module 20, and A signal processing circuit 220 that processes a light reception signal photoelectrically converted by the light receiving element 18, a control unit 230, and a display unit 240 are included.

信号処理回路220は、受光素子18からの受光信号を増幅する増幅回路、増幅された信号をディジタル信号に変換するA/D変換回路、変換されたディジタル信号に基づきVCSEL16が出射したレーザ光の波長シフト量を算出する回路、算出された波長から血流速度を算出する回路等を含む。制御部230は、算出された血流速度を表示部240に表示させる。   The signal processing circuit 220 includes an amplification circuit that amplifies a light reception signal from the light receiving element 18, an A / D conversion circuit that converts the amplified signal into a digital signal, and a wavelength of laser light emitted from the VCSEL 16 based on the converted digital signal. A circuit for calculating the shift amount, a circuit for calculating the blood flow velocity from the calculated wavelength, and the like are included. The control unit 230 causes the display unit 240 to display the calculated blood flow velocity.

図9(b)に示す医療用光計測システムは、光学モジュール10Eが、VCSEL16と集積回路装置300とを搭載する。集積回路装置300は、例えばシリコン基板上に駆動回路210、信号処理回路220を含んでいる。制御部230は、光学モジュール10Eのリード端子を介して得られた信号に基づき血流速度を表示部240に表示させる。   In the medical optical measurement system illustrated in FIG. 9B, the optical module 10 </ b> E includes the VCSEL 16 and the integrated circuit device 300. The integrated circuit device 300 includes a drive circuit 210 and a signal processing circuit 220 on a silicon substrate, for example. The control unit 230 displays the blood flow velocity on the display unit 240 based on the signal obtained via the lead terminal of the optical module 10E.

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Deformation / change is possible.

本発明に係る光学モジュールは、血流測定計や血中酸素濃度測定計等の医療機器分野、その他の光計測分野において利用することができる。   The optical module according to the present invention can be used in the field of medical devices such as a blood flow meter and a blood oxygen concentration meter, and in other optical measurement fields.

図1(a)は、本発明の第1の実施例に係る医療用光学モジュールの平面図、図1(b)はそのX−X線断面図である。FIG. 1A is a plan view of a medical optical module according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a sectional view taken along line XX. 図2(a)は、図1に示すVCSELの構成例を示す概略断面図、図2(b)は、第2の実施例で用いられるVCSELの構成を示す断面図である。2A is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the VCSEL shown in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view showing a configuration of the VCSEL used in the second embodiment. 本発明の第2の実施例に係る医療用光学モジュールの断面図である。It is sectional drawing of the medical optical module which concerns on the 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例に係る医療用光学モジュールの断面図である。It is sectional drawing of the medical optical module which concerns on the 3rd Example of this invention. 本発明の第4の実施例に係る医療用光学モジュールの断面図である。It is sectional drawing of the medical optical module which concerns on the 4th Example of this invention. 本発明の第5の実施例に係る医療用光学モジュールの断面図である。It is sectional drawing of the medical optical module which concerns on the 5th Example of this invention. 図7(a)はキャップの平面図、図7(b)は金属マスクの平面図である。FIG. 7A is a plan view of the cap, and FIG. 7B is a plan view of the metal mask. パッケージの他の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structural example of a package. 本発明の実施例に係る光学モジュールを用いた血流計測システムの構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the blood-flow measurement system using the optical module which concerns on the Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10:医療用光学モジュール 12:ステム
14:サブマウント 14a:受光素子用マウント
16、16a:VCSEL 18:受光素子
20キャップ 20a:出射窓
20b:入射窓 22:リード端子
24:ボールレンズ 26:光学フィルター
30,32:遮光部材 40:反射防止膜
42:光学レンズ 44:スリット部材
50:平板ガラス 52:マスク
52a:出射窓 52b:入射窓
54:空間光学フィルター 56:反射防止膜
58:球面レンズ
10: medical optical module 12: stem 14: submount 14a: light receiving element mount 16, 16a: VCSEL 18: light receiving element 20 cap 20a: exit window 20b: entrance window 22: lead terminal 24: ball lens 26: optical filter 30, 32: light shielding member 40: antireflection film 42: optical lens 44: slit member 50: flat glass 52: mask 52a: exit window 52b: entrance window 54: spatial optical filter 56: antireflection film 58: spherical lens

Claims (12)

レーザ光を出射する面発光型半導体レーザ素子と、
面発光型半導体レーザ素子から出射されたレーザ光の反射光を受光する受光素子と、
前記面発光型半導体レーザ素子および前記受光素子とを支持する支持部材と、
前記支持部材に取り付けられ、前記支持部材上に前記面発光型半導体レーザ素子と前記受光素子を収容する内部空間を形成する封止部材とを有し、
前記封止部材には、レーザ光を外部へ出射するための出射窓と、外部からレーザ光の反射光を入射する入射窓が形成され、
前記内部空間には、前記面発光型半導体レーザ素子から出射されたレーザ光が前記内部空間で反射したときに発生する内部反射光の前記受光素子への受光を抑制する受光抑制部材が設けられ、
前記受光抑制部材は、前記面発光型半導体レーザ素子と前記受光素子との間に形成された遮光壁を含み、前記遮光壁は、前記面発光型半導体レーザ素子を形成する基板上に一体形成され、前記面発光型半導体レーザ素子は、基板と垂直方向にレーザ光を出射するためのメサと、当該メサと前記受光素子との間に前記遮光壁とを含み、前記遮光壁は、前記メサを構成する半導体層と同一の半導体層を含む、光学モジュール。
A surface emitting semiconductor laser element that emits laser light;
A light receiving element for receiving reflected light of the laser light emitted from the surface emitting semiconductor laser element;
A support member for supporting the surface emitting semiconductor laser element and the light receiving element;
A sealing member that is attached to the support member and that forms an internal space for accommodating the surface-emitting type semiconductor laser element and the light receiving element on the support member;
The sealing member is formed with an emission window for emitting laser light to the outside and an incident window for receiving reflected light of the laser light from the outside,
The internal space is provided with a light reception suppression member that suppresses light reception to the light receiving element of internally reflected light generated when the laser light emitted from the surface emitting semiconductor laser element is reflected by the internal space,
The light reception suppressing member includes a light shielding wall formed between the surface emitting semiconductor laser element and the light receiving element, and the light shielding wall is integrally formed on a substrate on which the surface emitting semiconductor laser element is formed. The surface emitting semiconductor laser element includes a mesa for emitting laser light in a direction perpendicular to the substrate, and the light shielding wall between the mesa and the light receiving element, and the light shielding wall includes the mesa. An optical module including the same semiconductor layer as a semiconductor layer to be formed .
前記遮光壁は、前記メサの高さよりも遮光壁の高さを延長する延長部を含む、請求項1に記載の光学モジュール。The optical module according to claim 1, wherein the light shielding wall includes an extension that extends a height of the light shielding wall from a height of the mesa. 前記延長部は、絶縁膜または導電性膜を含む、請求項2に記載の光学モジュール。The optical module according to claim 2, wherein the extension includes an insulating film or a conductive film. 前記受光抑制部材はさらに、前記出射窓の前記内部空間内に形成された反射防止膜を含む、請求項1に記載の光学モジュール。 The optical module according to claim 1, wherein the light reception suppressing member further includes an antireflection film formed in the internal space of the exit window. 前記出射窓には、光学レンズが取り付けられ、前記反射防止膜は、少なくとも前記内部空間に露出する前記光学レンズを被覆する、請求項に記載の光学モジュール。 Wherein the exit window, an optical lens is mounted, the antireflection film, covering the optical lens exposed to at least the internal space, the optical module according to claim 1. 前記入射窓には、特定の波長以外の波長の光を除去する光学フィルターが取り付けられる、請求項1に記載の光学モジュール。 The optical module according to claim 1, wherein an optical filter that removes light having a wavelength other than a specific wavelength is attached to the incident window. 前記出射窓には、ピンホールが形成されたスリット部材が取り付けられる、請求項1に記載の光学モジュール。 The optical module according to claim 1, wherein a slit member having a pinhole is attached to the exit window. 前記封止部材は、前記出射窓および前記入射窓が形成されたマスクと、前記支持部材上に固定された円筒状のキャップを含み、前記キャップの一面には、レーザ光を外部へ透過しかつ外部からの反射光を透過する開口が形成され、前記マスクは前記開口を覆うように前記一面上に取り付けられる、請求項1に記載の光学モジュール。 The sealing member includes a mask in which the exit window and the entrance window are formed, and a cylindrical cap fixed on the support member. One surface of the cap transmits laser light to the outside, and The optical module according to claim 1, wherein an opening that transmits light reflected from the outside is formed, and the mask is attached on the one surface so as to cover the opening. 前記受光素子の受光面は、前記面発光型半導体レーザ素子側が高くなるように傾斜している、請求項1に記載の光学モジュール。 2. The optical module according to claim 1 , wherein a light receiving surface of the light receiving element is inclined so that the surface emitting semiconductor laser element side becomes higher. 前記支持部材は、前記受光素子の受光面を傾斜させるためのマウント部材を含む、請求項に記載の光学モジュール。 The optical module according to claim 1 , wherein the support member includes a mount member for inclining a light receiving surface of the light receiving element. 前記マスクの表面には、レーザ光以外の光を吸収可能な色が付着されている、請求項に記載の光学モジュール。 The optical module according to claim 8 , wherein a color capable of absorbing light other than laser light is attached to a surface of the mask. 請求項1から11のうちいずれか1つに記載の光学モジュールと、
前記受光素子からの受光信号に基づき血液の血流を測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された結果を出力する出力手段と、
を有する医療用光計測システム。
An optical module according to any one of claims 1 to 11 ,
Measuring means for measuring blood flow based on a light receiving signal from the light receiving element;
Output means for outputting the result measured by the measuring means;
Medical optical measurement system.
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