JPS61259579A - 発光素子の加減算比較形チツプズレ量測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （１）技□術分野 この発明は、発光素子のチップズレ量測定方法に関する
。

ここで発光素子というのは、半導体であって、ｐｎ接合
部に通電することによって発光するものを言う・。発光
ダイオードとレーザダイオードがある。

発光ダイオ−ニドＬＥＤも、レーザダイオードＬＤもチ
ップ面に直角な方向に光を出す面発光型と、端面と直角
な方向に光を出す端面発光型とがある。

ＬＤは端面発光型が多い。ＬＥＤは面発光型が多い。

本発明は、この内、面発光型の発光素子のチップズレ測
定に関する。

チップズレというのは、半導体チップの発光中心と発光
素子チップを収容すべきパンケージの面の中心との偏芯
量のことである。

パングー　ジの中心０と、チップ発光中心Ｑ、！：ば、
一致している事が望寸しい。

発光素子（ＬＥＤ、　ＬＤ　）は光データリンク、光通
信網の光源として用いられることがある。

この場合、光源としての発光素子のチップ中心は、光フ
ァイバのコアの中心と対向していなければならない。

発光装置側の光コネクタには、スリーブを介し、発光素
子パッケージが収容されている。

光ファイバの端にはプラグが固着される。プラグは光コ
ネクタの中に弾性的に支持される。両方の光コネクタに
着脱自在である。調芯は、プラ久光コネクタ、発光素子
パッケージ、スリーブ、光コネクタなどによってなされ
る。こうして、発光素子のパッケージの中心が、光ファ
イバの端面のコア部に対向するようにしている。

光ファイバの開口角θＣは、コア、クラッドの屈折率に
よって決まるが、屈折率差は小さいので、この値は小さ
い事が多い。θＣが小さいので、チップの発光中心が、
光フアイバコアの軸線から、すこしでも離れると、光フ
ァイバに入る入射光量は著しく減少してしまう。

入射光量はできるたけ多い方がよいので、チップの発光
中心Ｑが、パッケージの中心Ｏに合致するよう厳しく管
理されなければならない。

本発明は、パンケージに発光素子チップを固定した後、
パッケージの中心Ｏと、チップの中心Ｑの偏芯量ＯＱを
定量的に測定する方法に関する。

（イ）従来技術とその問題点 チップズレ（偏芯量）は、従来、拡大鏡を使って、肉眼
で直接、偏りを観察していた。つまり目視法によってい
た。

第３図は拡大鏡でチップズレを観察している状態を示す
説明図である。

拡大鏡（＠微鏡）の全体視野５０を一定にしておき、拡
大鏡に対し一定の位置にパッケージを固定する。拡大鏡
の視野の中心Ｒと、パッケージの中心Ｏは常に合致する
ようにする。

拡大鏡のレンズに、円形の規格枠５１を予め書込んであ
る。規格枠５１の中心に直交座標５２を書込んでおくの
も良い。

パッケージを拡大鏡の視野の中に、固定する。

パッケージに固着されたチップ５３が見える。

チップ５３が、パッケージ中心０［あるのが最も良い。

そうでなくても、規格枠５１の中にあれば合格とする。

外にあれば不合格である。

ところが、チップが一部、規格枠５１に重なっている場
合は、合否の判断が難しい。

このような場合、チップの大部分が規格枠の中にあれば
合格とし、大部分が規格枠の外にあれば不合格としてい
る。

目視法によるチップズレ検査は簡単である。能率もよい
。

しかしながら、次の欠点がある。

（１）　　人間の感覚によっているので不確実である。

特に、規格枠ギリギリの場合の、合否判断には、不確実
性が残る。

（２）偏芯量を数量化できない。数量化しないと、統計
を作ったりできないし、品質管理を厳密に行う事もでき
ない。

（３）１日に１人の検査者がチップズレの検査を行って
いるが、肉眼で観察するので疲労が著しい。

（４）正確迅速に検査するには、熟練が要求される。

（５）　　目視検査は、チップ面をみており、発光中心
をみるという本来の目的からズレている。

（り）　　目　　　　的 人間の感覚によらず、定量的に、つまり連続量としてチ
ップズレを測定できるチップズレ測定方法を与える事が
本発明の目的である。

（に）構　成 本発明に於ては、発光素子チップに通電して、これを発
光させる。レンズ系によって、この光を４分割ホトダイ
オードに入射させ、発光中心の正規の位置からのズレ量
を検出する。

ホトダイオードは、光量の検出に最も広く用いられる。

発光素子の発光波長に合った感度の高いホトダイオード
を選ぶのがよい。

ここでは、４分割のホトダイオードを使う。これは、９
０°の中心角をなすよう、４つの互に独立々扇形のホト
ダイオードが円板状に配置されたものである。

パッケージの中心Ｏに、チップの発光中心Ｑが合致した
時、発光素子チップに通電する事によって発生する光が
、レンズ系によって、４分割ホトダイオードの中心Ｒに
像Ｗを結ぶようにする。

チップの発光中心（簡単のためチップ中心Ｑということ
もある）が、パッケージの中心０からズレると、発光素
子チップの像Ｗが、ホトダイオードの中心Ｈの中心から
ずれる。ズレの方向と量は比例する。つまり ＱＱ、　＝　ｋ　ＲＷ　　　　　　　　　　（１）と書
くことができる。ｋは光学系の構造によって決まる定数
である。

像Ｗが、中心Ｒからズレると４つのホトダイオード（Ａ
、　Ｂ、　Ｃ，Ｄ）の光電流が一致しなくなる。光電流
の最も大きいホトダイオードに最も多量の光が当ってい
るわけである。

Ａ、　Ｂ、　Ｃ，Ｄの光電流を比較するだけで、光の像
ＷのＲからのズレが分る。これを定量的に表現するため
に、Ｘ方向のズレと、Ｘ方向のズレとを求める。

さらに、光量の絶対値が変動すると、正確に、ズレＲＷ
が検出されない。そこで光量の全体を安定化するだめの
補正回路も設ける。

第１図は本発明のチップズレ測定方法の概略構成図であ
る。

発光素子１は、パッケージ１９の中に千ツブ２０を固着
したものである。パッケージ１９の下部には、ピン２１
．２２がある。これに通電してチップ面に直角方向に発
光させる。発光素子１は、面発光型であれば、発光ダイ
オードでもレーザダイオードでもよい。発光波長も任意
である。

チャック２は、２つ割りの相対変位可能な板材よりなり
、発光素子１を光学スコープのレンズに対し、光軸が常
に垂直となる様正規の位置に固定するものである。パッ
ケージ側面を押えるために中央にチャック穴３がある。

チャック穴３は、半円型（２つ合わせて円型穴）三角穴
（２つあわせて正方形穴）など任意である。

光学スコープ４はレンズ系を組合わせたものである。発
光素子チップからの光を、後方の４分割ホトダイオード
５の面上に収束させるものである。

４分割ホトダイオード５は、第２図に示すように、中心
角が９０°の扇形の、４つの独立なホトダイオードＡ、
　ＢｌＣ，Ｄ　よりなっている。ホトダイオードの中心
Ｒ１発光素子のパッケージの中心Ｏが、光学スコープ４
の光軸上に存在するように位置を調整する。

ホトダイオードに光が入射すると、光電流ＩＡ。

ＩＢ、　ＩＣ，ＩＤを生ずる。光像Ｗが、中心Ｈに一致
している場合、４つの光電流は全て等しい。

ところが、ホトダイオード面上の光の像Ｗが、中心Ｒか
らずれると、４つの光電流の値がアンバランスになる。

第２図の４分割ホトダイオードに於て、Ｘ軸、ｙ軸を図
のように定義する。Ａ、　Ｂ、　Ｃ，Ｄを、第１．２．
３．４象限にくるようにする。この選び方は任意である
が、混乱を避けるだめ、このようにする。

Ａ、　Ｂ、　Ｃ，Ｄの感度は等しくなるようにしである
ので、光の像Ｗが第１象限に寄っていればＩＡが最も大
きくなる。第２象限に寄っていればＩＢが最も大きくな
る。

ホトダイオードＡ、　Ｂ、　Ｃ，Ｄの内、最も光電流の
大きいものに光の像Ｗが寄っていることになる。

しかし、ＩＡ〜よりの、最も大きいものがどれか？とい
う事が分っただけでは、光像Ｗの定量的なズレが分らな
い。Ｘ方向のズレ、Ｘ方向のズレが分った方が良い。

光電流は、次段の増幅器６で増幅されて電圧ＶＡ、　Ｖ
Ｂ、　ＶＣ，ＶＤ　トナル。

そこで、Ｘ方向のズレΔｘ１Ｙ方向のズレｌｙを次のよ
うにして評価することにする。

Δｘ＝　ＶＡ　＋ＶＤ　−ＶＣ−ＶＢ　　　　　（２）
Δｙ　＝　Ｖ　Ａ　十Ｖ　Ｂ　−Ｖ　Ｃ−Ｖ　Ｄ　　　
　　（３）これば、しかしながら、全光量が減少した時
に、Δｘ１Δｙが小さくなり、増大した時に大きくなる
という欠点を持つ。光の像Ｗが動かなくても、Δｘ、Δ
ｙが変動する。これを避けるために、全光量でノーマラ
イズする必要がある。すなわちＸ　＝　ＶＡ　＋ＶＢ　
＋ＶＣ＋ＶＤ　　　　　（４）として、全光量に対応す
る基準電圧Σを求めて、これで（２）、（３）を割れば
よい。こうすると、光の像Ｗが動かなければ光量の変動
があっても、Δｘ、Δｙは変らない。

しかし、第１図の例では、利得調整回路７を通って、ｖ
Ａ、　、ＶＤの総和を求める相同ｌ＠１１に入れ、（４
）式のΣを求める。これを比較回路１２に入力し、予め
定められた全光量Σ０と比較する。

比較回路１２は、Σと葛とを比較１〜、その差（Σ−Σ
。）を出力し、（可変）利ｆ！）調整回路７の利得Ｇを
変更する。こうして、Σ−Σ。と々るようにする。

全光計Σが一定でΣ−Σ。あれば、（２）、（３）式に
よって定義されるΔｘ１Δｙば、ｘ、Ｘ方向の光の像Ｗ
の幾何学的なズレに対応する。

Σ０の与え方は任意である。比較回路１２の一方の入力
に、Σ。に比例する電圧を発生すればよいのである。抵
抗と可変抵抗との組合せによって簡単に構成できる。

ここでは、光量設定入力端子ＡＤｉから、設定器１５に
Σ０を入力し、サンプルホールド１６　ＶＣ記憶させる
。ラッチ信号端子ＡＤＬからラッチ信号を入れ、この値
を保持させる。Σ。を変更する時は、ＡＤｉから異なる
値を入れ、ランチ信号を新しく入力すればよい。

ここでは、増幅器の利得を変更してΣ−Σ。としている
。しかし、これに代えて、発光素子の駆動電流を変更し
、実際の光量を増減してもよい。これは、第１図に於て
破線ｑで示している。

演算回路９ば、（２）、（３）式を計算する回路である
。

ｘ方向ズレΔＸとｙ方向ズレΔｙが分る。ズレの絶対値
は、これらの２乗の平方根によって求められる。

Δ　＝　Δｘ２　＋　Δｙ２（５） 補正回路１０は、光量によってズレの量とΔｘ、Δｙ、
Δとが喰い遣うことがあるので、これを補正するもので
ある。

（３）　　作　　　用 本発明は、全光量をなんらかの手段で一定に保ち、（２
）、（３）式によって定義されるΔｘ、Δｙを求めこれ
によって、パッケージの中心０に関するチップ中心Ｑの
ズレを評価スル。

ただし、Δｘ１Δｙがチップズレに対応する、というた
めには、いくつかの条件が満たされなければならない。

順に説明する。

まず、発光素子の光量の経時変化である。第４図は発光
素子の時間的な相対光度の変化を示すグラフである。

これで分るように、駆動電流を一定にしても、発光素子
の発光強度は、時間的に減少１−てゆくのがふつうであ
る。

そこで、例えば、順方向電圧印加後１．２　ｓｅｃ後の
光量を真の光量と定義する。測定は、この瞬間の光量を
検出する事によって行う。

次に補正回路１０の役割について説明する。

第５図は、チップのＸ方向のズレをパラメータとし、Ｘ
軸に光量、ｙ軸にΔＸをとったグラフである。ΔＸは、
ズレが正の時、光量とともに増加する。ズレの量が一定
であるのに、Δｘｌｌ′ｉ光量とともに変化するのであ
る。

最も良いのは、第６図に示すように、光量に拘わらず、
ズレの量が一定（パラメータ）であれば出力ΔＸが一定
となることである。しかし光量の差によってΔＸは定義
されているから、こういうことはあり得ない。第７図は
、第６図と同じ関係をズレ量とΔＸをＸＮ”ｙ軸にとっ
て表現したものである。第７図も実際の関係を現わして
いない。

Δｘｎ、（２）式に示すように、ＡＳＤの出力とＢ、Ｃ
のホトダイオードの出力の差である。全光量（基準電圧
）Σ０の増減は、４つのホトダイオードＡ１Ｂ、　Ｃ，
Ｄの出力に等しい割合の増減をもたらす、というのが理
想的である。もしもそうであれば、第５図に於て、全光
量Σ。とΔＸの関係を示す曲線群は、その延長線上に放
て原点０を通るはずである。

しかしながら、そうではない。全光量Σ。の変動は、Ａ
、　Ｂ、　Ｃ，Ｄの入射光の強度を一様に増減させるも
のではないようである。

全光量Σ。を増減した場合、４つのホトダイオードに入
る光量も、同じたけ増減するはずである。

光量の増減に対して、ホトダイオードの電流出力が完全
に比例すれば。第５図のグラフは、延長上に於て原点を
通る。

しかし、ホトダイオードは完全にリニアな入出力特性を
持っていない。このだめ入力光量に対し、出力電流が比
例しない部分がある。このため第５図の曲線群の延長は
原点を通らない。これらの延長ばΣ。〈０の領域で横軸
に交わるようにみえる。

しかしながら、これは差支えの々いことである。

第５図にみるように、全光量Σ。が４００μＷ〜１２０
０μＷの間の広い範囲に於て、差出力ΔＸはΣ。にリニ
ヤである。この範囲で光出力の差を測定する限り、Σ。

とΔＸとを一対一に対応づける事は常に可能である。

こうして、全光量Σ。によるΔＸ１Δｙの変動が明らか
になった。チップズレ量ＱＯが一定であっても、Σ０が
変化すると、Δｘ、Δｙが変動する。

もつとも良いのばΣ。を一定に保つことである。

第１図に示す回路ではΣ。を一定に作つようになってい
る。

たとえΣ。が一定でなくても、Σ。の値がわがれば、Δ
ｘ、Δｙの値を較正することができる。

次に、問題となるチップズレＱＯと、差出力Δｘ１Δｙ
との関係について考察する。簡単のため、ＱＯのＸ成分
をＱＸ％Ｙ成分をＱｙと書く。ＱｘとΔＸとは、Σ０が
一定であるとしても、完全にリニアではない。しかし、
リニアとみなせる領域もある。

Ｑｘ−ΔＸの関係は、全光量Σ０をパラメータとして変
化する。

第８図は、チップズレ量Ｑｘと、ｘ方向のホトダイオー
ドの差出力ΔＸの関係を示すグラフである。曲線群のパ
ラメータは全光量Σ。である。単位はμＷである。

Ｑｘ−ΔＸの関係がΣ０によらないというなら、第７図
のように（第６図の条件と同じ）なるが、これはありえ
ない。ΔＸはΣ０に比例するはずであるから、Σ０をパ
ラメータとする曲線群になる。

これらは直線ではない。Δｘ、Ｑｘが小さい間では、原
点を通る直線状であるが、ΔＸが大きくなると、出力Δ
Ｘが飽和してくる。つまり傾きが減少してくる。この現
象は第５図に放て出力ΔＸの曲線の延長が原点を通らな
い、という事と等価ではない。

第・５図は全光量Σ０を増加させた時に現われる非線型
現象であって、受光素子の特性による。

第８図は全光量Σ０が一定である時に、チップズレ量Ｑ
ｘが増大しても、差出力ΔＸが大きくならないような飽
和現象がある、という事である。

これは、光ビームの拡りが狭いからである。チップズレ
Ｑｘがビーム径より大きくなれば、差出力ΔＸはもはや
増えない。（ＶＢ−１−ＶＣ）が０になっているからで
ある。

このように、第５図、第８図に示すような２つの非線型
現象があって、チップズレ量Ｑｘと、出力差ΔＸとの関
係は複雑である。

しかし、経験的に ｆ（ΔＸ＋　Ｑｘ＋Σｏ　）　−ｏ　　　　　　　（ｅ
）となるような、函数関係を求める事ができる。補正回
路１０は、理想的には、この関係からＱｘを求めるもの
である。

しかし、実際に（６）の函数関係が分らない場合もある
。この場合は、より簡単な補正で済ませることにする。

この近似的な補正は、差出力Δｘ、Δｙが全光量Σ０に
比例する、という線型仮定を置くものである。

第５図、第８図に現われた非線型を無視する。こうする
と、ＱｘとΔＸの関係を決定する補正係数Ｓというもの
を考える事ができる。

Ｑｘ−８Δｘ（７） である。そしてＳは全光量Σ。のみの函数である、とす
るのである。これは、第９図に示すような、反比例の函
数となる。横軸は全光量Σ。である。補正係数ＳはΣ０
が小さければ大きくなる。Σ。が大きければ小さく々る
。光量が１０００μＷの時にＳ＝１としている。

最も簡ｑ１には、補正回路１０は、（７）式の関係によ
って、Δｘ、Δｙから、ズレＱｘ、Ｑｙｋ出力するもの
である。ＳがΣ。のみの関数であるとすれば、このデー
タばΣ。のｉ及定回路から得られる。

こうして、全光量Σ。の値をどのように設定しても、ズ
レの絶対値Ｑ　ｘ１’　Ｑ　ｙを求めることができるの
である。

Ｑノ）効　果 （１）　　チップ中心Ｑとパッケージ中心Ｏのズレを目
視観察によらず自動的に検出できる。

（２）人間の目によるものは、不正確であるし、定量的
に表現できないが、定量性が要求されることも多い。こ
のような目的に適している。

（３）　　目視観察の場合、作業者の疲労が蓄積するが
、本発明では、作業者の負担が軽減される。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の発光素子のチップズレ量測定方法の構
成図。 第２図は４分割ホトダイオードの拡大正面図。 第３図は従来の拡大鏡を使う目視観察によるチップズレ
検出の説明図。 第４図は、発光素子の発光強度の時間的変化を示すグラ
フ。 第５図はチップズレをパラメータとし、全光量Σ。と差
出力ΔＸの関係を示すグラフ。 第６図はチップズレＱｘと差出力ΔＸの関係が全光量Σ
。によら々いとする架空の関係を示すグラフ。 第７図はズレＱｘと差出力ΔＸが光量によらずリニアで
あるとする架空の関係を例示するグラフ。 第８図は全光量Σ０をパラメータとし、チップズレＱｘ
と差出力ΔＸの実際の関係を示すグラフ。 第９図は差出力ΔＸとチップズレＱｘの関係を決定する
補正係数Ｓの全光量Σ。に対する関係を示すグラフ。 １　・　発光素子 ２　、　　・　　チ　　ャ　　ッ　　り３　　チャック
穴 ４−　　光学スコープ ５　　−４分割ホトダイオード ６　　・　　増　　幅　　器 ７　・・　利得調整回路 ９　・−演算回路 １０・−補正回路 １１　　　　和　　回　　路 １２・・比較回路 発　　明　　者　　　　　上　　原　　健一部磯　　賀
　　−良 特許出願人　　住友電気工業株式会社 −早戟獣咥

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光素子１をチャック２で固定し、チップ２０に
   通電して発光させ、発光中心Ｑの像を、光学スコープ４
   によつて、４つの扇形のホトダイオードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ
   よりなる４分割ホトダイオード５の上に結像させ、チッ
   プの発光中心Ｑがパッケージ１９の中心Ｏからズレてい
   ない時に像の中心Ｗがホトダイオード５の中心Ｒに合致
   するよう調整し、ホトダイオードＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの出力
   ＶＡ、ＶＢ、ＶＣ、ＶＤの内隣接したものの部分和（Ｖ
   Ａ＋ＶＤ）、（ＶＢ＋ＶＣ）、（ＶＡ＋ＶＢ）、（ＶＣ
   ＋ＶＤ）を求め、その差と和Δｘ＝（ＶＡ＋ＶＤ）−（
   ＶＢ＋ＶＣ） Δｙ＝（ＶＡ＋ＶＢ）−（ＶＣ＋ＶＤ） Σ＝（ＶＡ＋ＶＢ＋ＶＣ＋ＶＤ） を計算し、Σ、Δｘ、Δｙによつてチップの発光中心Ｑ
   とパッケージの中心Ｏのズレの量Ｑｘ、Ｑｙを測定する
   事を特徴とする発光素子の加減算比較形チップズレ量測
   定方法。
2. （２）比較回路１２及び利得調整回路７を用いて全光量
   Σを一定値Σ＿０に保持し、Σ＿０に対応する補正係数
   Ｓを予め定めておき、チップズレ量Ｑｘ、Ｑｙを、補正
   係数Ｓと差出力Δｘ、Δｙの積として求めることにした
   特許請求の範囲第（１）項記載の発光素子の加減算比較
   形チップズレ量測定方法。