JPH0192604A - 光位置検出装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、入射された光ビーム（光入力）の位置を検
出するための光電変換体による光位置検出装置（Ｐ　Ｓ
　Ｄ：　Ｐｏ５ｉｔｉｏｎ　５ｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅ
ｔｅｃｔｏｒ）に関するものである。

［従来の技術］ 第４図は例えば精密機械Ｖｏ１．５１．Ｎｏ、　４．１
９８５．ｐ。

７３０〜７３７「位置測定におけるＰＳＤの応用」倉沢
−男著に示された従来の光位置検出装置を示す側面図で
ある。

この従来の光位置検出装置では、平板状シリコン基板に
おいて、第４図に示すように、光入力を受けるＰ型半導
体（光電変換体）から成る第１抵抗層１１と、この第１
抵抗層１１に空乏層１３を介して接続されたＮ型半導体
（光電変換体）から成る第２抵抗層１２とがそなえられ
ており、第１抵抗層１１は全面一様な抵抗値を有するよ
うに形成されている。

そして、第１抵抗層１１に入射される光ビームの１次元
位置およびその光エネルギーを検出すべく、第１抵抗層
１１の両端に電極１４．１５がそれぞれ取り付けられて
いる。

また、第２抵抗層１２の中央には、バイアス電極１６が
接続されている。

このような光位置検出装置において、第４図に矢印ａで
示すように、第１抵抗層１１に光ビームが入射した場合
に、その１次元位置や光エネルギーは次のようにして得
られる。ただし、座標系としては、電極１４．１５との
中点を原点とし、この原点に対する入射位置の座標を又
とし、また第４図中の右方向を正方向とする。

矢印ａのように光ビームが第１抵抗層１１に入射すると
、入射位置には光エネルギーに比例した電子−正孔が発
生する。発生した正孔は、第１抵抗層１１を流れ、同第
１抵抗層１］の両端における電極１４．．１５からそれ
ぞれ電流値１１０＋Ｉ２＋１として検出される。

また、発生した電子は、空乏層１３から第２抵抗層１２
を流れ、バイアス電極１６より取り出される。

このとき、正孔即ち光電流は、第１抵抗層１１の均一な
抵抗により、入射位置から電極１４゜１５までの距離に
反比例配分される。従って、第１抵抗層１１の全長を２
Ｌとすると、 Ｉｘ。／（Ｌ　　ｘ）＝　Ｉ２ｏ／（Ｌ　＋　ｘ）＝　
ｋ　・・・（１）が得られる。ここで、ｋは、光エネル
ギーに依存する量であり、入射位置Ｘには依存しない。

そこで、測定される電流値ｌ１ｔｚＩｚｏに対して、（
■１ｏ−Ｉ２ｏ）／（工□。十ｌ２ｏ）を求めると、（
１）式より、Ｄｉ。−Ｉ２０）／（Ｉ□。＋■２０）ｋ
・（Ｌ十ｘ）−ｋ・（Ｌ−ｘ） ｋ・（Ｌ＋ｘ）＋ｋ（Ｌ−ｘ） ＝　２　ｋ−ｘ／（２ｋ−Ｌ）＝　ｘ／　Ｌ　　・・・
（２）となり、入射位置Ｘが、光エネルギーに関係なく
、ｘ　＝　Ｌ（Ｉｔａ−、Ｉｚｏ）／（Ｉ□ｏ＋　Ｉ、
。）　　・・・’（３）として、検出される。

また、（■、。＋■２ｏ）は２に−Ｌであるから、入射
位置Ｘに関係なく、光エネルギーに依存した量ｋが、 ｋ＝（Ｉ、。＋１２゜）／（２Ｌ）　　　・・・（４）
として、検出される。

以上のように、第１抵抗層１１に入射する光ビームの１
次元位置又と光エネルギーに依存する量にとが、光位置
検出装置により測定された電流値１１０＋ｌ２ｆｌから
（３）、　（４）式に基づいて求められる。

一方、上述した光電変換体による光位置検出装置の他に
、光位置を検出する装置としては、撮像装置（撮像管、
ＣＣＤカメラ等の固体撮像素子）を用いるものや、フォ
トダイオードなどを用いるものがある。

撮像装置を用いるものでは、同撮像装置で光ビームの画
像をとり、それをアナログ／ディジタル変換して得られ
るディジタル画像から、第５図に示す信号処理回路によ
り、光ビームの位置を検出するものである。

光ビームの位置を検出する信号処理回路は、第５図に示
すように、動作指令信号を出力するタイミングパルス発
生器２０と、撮像装置１９からの画像のスキャン信号を
受けて同信号が所定のしき゛い値を超えたことを検出す
るコンパレータ２１と、スキャン開始時点からコンパレ
ータ２１の検出信号出力時点までの間に亘ってパルスを
発生するパルス発生器２２と、同パルス発生器２２から
出力されたパルス数を計数してそのカウント値を光ビー
ムの位置として検出・出力するカウンタ２３とから構成
されている。従って、光ビーム位置を検出する際には、
第６図に示すように、まず、タイミングパルス発生器２
０が動作指令信号を出力すると、撮像装置１９がスキャ
ンを開始すると同時にパルス発生器２２がパルスを出力
し始める。そして、コンパレータ２１が、撮像装置１９
からのスキャン信号中に所定のしきい値を超える光信号
Ｐの位置を検出すると、その時点でパルス発生器２２の
動作は停止する。この間、パルス発生器２２からのパル
ス数がカウンタ２３により計数されていて、そのカウン
ト値が光ビームの位置として得られる。

さらに、フォトダイオードなどを用いるものでは、図示
しないが、フォトダイオード、フォトトランジスタなど
を複数個−列に並べ、どのフォトダイオード等に光ビー
ムが入射したかを検出することにより、光ビームの位置
を検出している。　　、［発明が解決しようとする問題
点］ しかしながら、第４図に示した従来の光位置検出装置は
、ドーピングにより作成する表面の抵抗層１１の抵抗値
制御が難しく高価なものになるという問題点がある。

また、第５，６図に示した撮像装置１９を用いた検出装
置では、前述した特別の信号処理回路（第５図）が必要
であり、装置が大型化するばか極めて高価になるという
問題点があった。

さらに、フォトダイオードなどを用いる装置では、解像
度が悪く大型になるなどの問題点があり、高い精度が要
求されるような場合には使用できない。

この発明は」二記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、光ビームの位置の情報を、速い応答性で精
度良く検出できるようにするとともに、低価格でコンパ
クトな光位置検出装置を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ このため、本発明の光位置検出装置は、光入力を受ける
光電変換体（フォトダイオード）の光入力側表面を、同
光電変換体の端部からの距離に応じ同距離位置において
同距離に比例した幅だけ露出させうる遮光マスクによっ
て蔽ったことを特徴としている。

［作　　　用］ 上述の本発明の光位置検出装置では、遮光マスクにより
蔽われた光電変換体からの電流値により、光強度によっ
て重み付けされた光位置の平均値（重心位置）が検出さ
れ、この検出電流値に基づき実際の光位置が検出される
。

［発明の実施例］ 第１〜３図は本発明の一実施例としての光位置検出装置
を示すもので、第１図（ａ）はその遮光マスクの形状を
示す平面図、第１図（ｂ）はその側面図、第２図は遮光
マスクにより蔽われた光電変換体により得られる検出電
流値と光電変換体上の位置との関係を示すグラフ、第３
図は入射する光ビームの強度分布の一例を示すグラフで
ある。

本実施例の装置は、光ビームの１次元の平均位置（重心
位置）およびその強度を検出するためのもので、第１図
（ａ）、（ｂ）に示すように、透光性を有する光電変換
体としての２組のフォトダイオードＩＡ、ＩＢがそなえ
られており、光入力を受けるとその強度に応じ光電変換
による所定の電流（Ｉ、、　Ｉ工）をそれぞれ出力する
。

そして、本実施例では、フォトダイオードＩＢの光入力
側表面は、第１図（ｂ）に示す形状をもつ＝７− 遮光マスク２によって蔽われている。

つまり、遮光マスク２による遮光部とフォトダイオード
ＩＢの受光部との境界線は、フォトダイオードＩＢの左
下隅を原点として右方向にＸ軸。

上方向にｙ軸をとった場合、ｙ＝（ｗ／Ｌ）・Ｘなる１
次直線となり、フォトダイオードＩＢは、遮光マスク２
により、位置Ｘにおいて同Ｘに比例した幅（Ｗ／Ｌ）・
Ｘだけ露出されるようになっている。

上述のように遮光マスク２により上面を蔽われたフォト
ダイオードＩＢ上に、フォトダイオードＩＡが、透光性
のある接着層（図示せず）等を介して積み重ねられてい
る。

本発明の一実施例としての光位置検出装置は上述のごと
く構成されているので、光ビームの総強度Ｉｔおよび平
均位置Ｘは次のようにして得られる。

今、第３図に示すようなガウス分布形の強度分布ρ（Ｘ
）をもった光ビームが、第１図（ｂ）に矢印Ａで示すよ
うに入射したとする。ここで、」−記ガウス分布の平均
位置をマ、分散をσ２、最大光強度をＩ　ｍａｘ、総強
度（第３図に斜線で示す部分の面積）をＩｔとする。

このとき、まず、受光面が一切蔽われていないフォトダ
イオードＩＡにより検出される電流値工。は、 Ｉ　ｏ　”　Ｋ　ｏ　’　７ρ（ｘ）ｄｘ＝Ｋｏ・Ｉｔ
　　”（５）となり、この電流値工。から光ビームの総
強度Ｉｔに関する量が得られる。

また、遮光マスク２に蔽われたフォトダイオードＩＢに
より検出される電流値■□は、光ビームの入力位置Ｘに
応じて第２図に示すような関係があり、 １１＝に、°ａ°ｆ　ｘ°ρ（ｘ）ｄｘ　　　　”（６
）となって、光ビームの強度によって重み付けされた座
標Ｘの平均値が、電流値工、により検出されることにな
る。

ここで、Ｋｎ、　Ｋ、はそれぞれフ第１・ダイオードＬ
Ａ、ＩＢの光電変換効率、ａは所定の定数でＷ／Ｌに比
例する値をもつものである。

従って、（５）　、　（６）より、 が得られる。ここで、 であるから、結局、（７）　、　（８）より、Ｉ□／Ｉ
ｏ＝（Ｋ□・ａ／Ｋｏ）・ｙ　　・・・（９）となり、
この１１／Ｉｏによって、フォトダイオードＩＢの端部
と光ビームの位置との距離Ｘの平均値マに比例する電流
値が検出される。

このように、本実施例の装置によれば、遮光マスク２よ
り蔽われたフォトダイオードＩＢからの電流値工、と、
フォトダイオードＩＡからの電流値Ｉ。とを得ることで
、（９）式に基づき光ビームの平均位置（重心位置）Ｘ
および総強度が極めて容易かつ安価に検出される。また
、その検出値は、速い応答性で得られるほか、遮光マス
ク２を設けるだけでよく、装置を極めてコンパクトに構
成できる。

なお、第１図（ａ）、（ｂ）に示すような装置を、複数
個幅方向に平面状に配置すれば、各装置からの検出値に
基づいて光ビームあるいは光スポットの２次元位置を容
易に検出することもできる。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の光位置検出装置によれば
、光電変換体の光入力側表面を所定形状の遮光マスクで
蔽うという極めて簡素な構成で、入射する光の位置が、
極めて容易かつ安価に、しかも速い応答性で精度良く得
られるようになるほか、装置自体もコンパクトに構成で
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明の一実施例としての光位置検出装置
を示すもので、第１図（ａ）はその遮光マスクの形状を
示す平面図、第１図（ｂ）はその側面図、第２図は遮光
マスクにより蔽われた光電変換体により得られる検出電
流値と光重変換体上の位置との関係を示すグラフ、第３
図は入射する光ビームの強度分布の一例を示すグラフで
あり、第４図は従来の光位置検出装置を示す側面図、第
５゜６図は撮像装置を用いた従来の光位置検出装置を示
すもので、第５図はそのブロック図、第６図はそのタイ
ミングチャートである。 図において、ＩＡ、ＩＢ・・・光電変換体としてのフォ
トダイオード、２・−・遮光マスク。 特許出願人　株式会社　神戸製鋼所

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光入力を受ける光電変換体をそなえ、同光電変換体の光
   入力側表面が、同光電変換体の端部からの距離に応じ同
   距離位置において同距離に比例した幅だけ露出させうる
   遮光マスクによつて蔽われていることを特徴とする光位
   置検出装置。