JPH0342503A - 光入射位置検出装置 - 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〕 本発明は光の入射した位置を検出する光入射位置検出装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、光の入射位置を所定方向で検出するための半導体
素子として、半導体装置検出器が実用化されている。こ
れは、高抵抗シリコン基ｔ！１Ｅ（ｉ層）の表面側にｐ
型批抗層（ｐ層）を形成すると共に、裏面にｎ層を形成
し、ｐ型紙抗層の両端には光電流を取り出すための−χ
・１の信号取出電極を形成し、またｎ層には逆バイアス
を印加するため共通電極を形成したものである。光の入
射位置で生成された光電流は、入射位置から一対の信号
取出電極までの距離に逆比例した形で抵抗分割され、出
力される。そして、ｉすられた２つの光電流の比によっ
て、光の入射位置を所定方向（一対の信号取出用電極を
結ぶ直線方向）で求めることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような半導体装置検出器において、高抵抗シリコン
褪板上のｐ型抵抗層は一般にはＩＯＫΩｃｍ以上の抵抗
１直に形成される。そのために、ｐ型逝抗層の形成に際
しては低濃度によるイオン注入技術が要求されるため、
均一なｐ層を形成しにくい問題点があった。また、均一
な不純物濃度のイオン注入が可能になっても、高抵抗シ
リコン基板における不純物濃度の不均一性によって、均
一な電気抵抗値を持つｐ型抵抗層は得られず、リニアリ
ティ特性への影響が大きいという問題点があった。また
、ｐ型抵抗層による光電流の分割方式では電気的及び温
度的ドリフトが大きいため、位置検出において高分解能
特性はｊｑられても、安定した再現性が得られない問題
点があった。

そこで本発明は、検出可能な計測範囲を高精度化するこ
とのできる光入射位置検出装置を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る光入り・１位置検出装置は、受光面の所定
方向での光の人財位置に応じた第１の信号を出力すると
ノ（に、上記所定方向で複数に分割された受光面の各領
域での光の人力・す位置に応じた第２の信号を出力する
位置検出器と、第１の信号に所定の演算を施して複数に
分割された領域のいずれに光が人１・ｌシているかを算
出する第１の演算手段と、この第１の演算手段の出力に
より特定される領域からの第２の信号にもとづき、当該
領域内での光の入射位置を算出する第２の演算手段とを
備えることを特徴とする。

〔作用〕

本発明によれば、人ＪＩＪ光の受光面における入射位置
の概略を第１の信号にもとづいて第１の演算手段で算出
し、分割された受光面の各領域における第１１密な入射
位置を第２の信号にもとづいて第２の演算手段により算
出できる。

〔実施例〕

実施例の具体的な説明に先立ち、本発明の構成要素（位
置検出器）として適用可能な分割型半導体装置検出器を
説明する。

第２図は本発明の実施例に用いられる分割型半導体装置
検出器の構造を示し、同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）
はＡ−Ａ線断面図、同図（ｃ）は底面図である。同図（
ａ）の上面図において、高抵抗シリコン基板３の表面に
は、ｎ個の分離層１、−１．によってｎ＋１個の楔状に
分割された受光部Ｓ　−８が形成され、これが第２の受
ｔ　　　ｎｉｌ 光面をなしている。各受光部Ｓ　−８の両端ｉ　　　ｎ
＋１ には生成された光電流を取り出すための電極（信号取出
用電極）Ｔ　〜Ｔ　　が形成され、各分離Ｓｔ　　　　
　Ｓｎ＋１ 層！１〜Ｉ、の両端にはそれぞれで捕獲されたキャリア
（光電流）を流し出すための電極（キャリア流出用電極
）Ｔｉｔ〜Ｔ、ｎが形成され、各電極ＴＳｌ’＝　ＴＳ
ｎ＋１’　　ＴＩｌ’＝　Ｔｉｎにはリードワイヤｔｓ
１１　−１　　がボンデングされている。

〜ｔＳｎ＋ｌ’　　　ｉｔ　　　Ｉｎ 同図（ａ）の位置検出器において、光束密度の均一なス
リット光７が、図示の如く受光部Ｓ２とＳ　の位置に照
射されている時、各受光部Ｓ２゜Ｓ　のｊｌ（（対面積
の比串に応じた光電流ΔＩ　Ａ　−ΔＩ　か電１ｉＴ　
　　Ｔ　　から取り出される。また、口Ｓ２°Ｓ３ このスリット光７が受光部Ｓ　　、Ｓ２の領域に移動す
ると、同様にして電極Ｔ　　、Ｔ　　から光電流８１　
　８２ ΔＩ　、ΔＩｎが取り出され、従ってΔＩＡ。

Δｌ　の演算値から逆に受光部Ｓ　、Ｓ２におけＢ　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　する照
射スリット光７の中心位置を求めることができる。

第１図（ｂ）の左側の断面図において、高抵抗シリコン
基板（１層）３の表側にはｐ型の受光部Ｓ、、Ｓ　　、
Ｓ　　、・・・、Ｓ　　が形成されている。

２　　　　　３　　　　　　　　　ｎｉ１受光部Ｓ　　
、Ｓ　　、Ｓ　　、・・・、Ｓ　　の間隙に形１　　２
　　３　　　　　ｎ＋１ 或された分離層１　　、Ｉ　　、Ｉ　　、・・・、■　
は、１　　２　　３　　　　　ｎ 各受光部Ｓ　−８間のクロストークを除去すｌ　　　ｎ
＋す るためのものである。従って、受光部８１〜Ｓ　　のｐ
層に対して分離層１１〜Ｉ、はｐ　層ｉ１ にすることが望ましい。受光部（ｐ層）Ｓｌ〜Ｓ　　及
び分離層（ｐ　層）１１〜Ｉｎの上には、ｎ＋１ 絶縁膜２が形成され、さらにその上に表面保護膜１が塗
布形成されている。

第１図（ｂ）の右側の断面図に示される通り、高抵抗シ
リコン基板３にはｐ型のオーミックコンタクト領域Ｓ　
　・・・、Ｓ　　、Ｓ　　　及びＩ。１．・・・ｏｆ’
　　　　ｏｎ　　　ｏｎ＋１ １ｏｎ−１”　ｏｎが形成されている。そして、ここに
ＳＬ’　　　　　Ｓｎ　　　Ｓｎ＋１及びｔ１１リード
ワイヤｔ　　・・・、１　．１ ・・”　Ｉｎ−１”　ｉｎかボンディングされる電極Ｔ
Ｓｔ’Ｔ　　、Ｔ　　　及びＴ、Ｔ、Ｔ　　が形成され
Ｓｎ　　　Ｓｎ＋１　　　１１　　　ｔｎ−１’　　Ｉ
ｎている。

第１図（ｃ）の底曲図に示される通り、高抵抗シリコン
延板３には別の受光面（第１の受光面）としてｎ型抵抗
層６が形成され、この両端にはｎ型不純物をイオン注入
したオーミックコンタクト領域（図示せず）が形成され
、これを介して、一対の逆バイアス印加電極Ｔ　　、　
Ｔ　２が形成されでいる。

次に、上記の分割型半・、ダ体位置検出器の作用を説ｎ
月する。

表側（第２の受光面側）の受光部８１〜Ｓｎ＋１にスリ
ット光７がｌｌｒ、ｔ　ｊｌ、Ｊされていると、逆バイ
アス印加用のＫｓ　Ｗ　Ｔ　　及びＴ２からスリット光
７の照η・１ｍ域に向って信号電流■　及びＩｎが流れ
込む。

第１の受光面としてのｎ型抵抗層６の抵抗値を数Ｋ　Ｑ
　ｃｍ以上に設定すると、従来の半導体装置検出器にお
けるｐ型抵抗層と同様、電流分割の現象が現イ〕れる。

逆バイアス印加゛１−シ極Ｔ　及びＴ２から流れ造む信
号７じ流Ｉ　及びＩｓの演算として、１　　＋Ｉ　ｎ　
ｈ”１’：’；　１．ニ一定ノｌｌ：’７＋：　Ｉｉ　
（１）　式（１）Ｋ算Ｋから、また、ＩＡ＋Ｉ、が変化
する旧には（２）式の演算値によって、逆バイアス印加
用電極ＴｔまたはＴ２からスリット光７の照射領域が中
心までの距離を求めることかできる。すなわち、！い＋
ｌ１３−一定一演算値−Ｉ　Ａ’−Ｉ　Ｂ・・　（１） ■Ａ＋ＩＢ≠一定−演算値一（ＩＡ−ＩＢ）／（ＩＡ十
■Ｂ） ・・　（２） となる。

上記（１）式または（２）式から求まるｊ！α９・１位
置の絶対Ｔ＋’ｉ度は、逆バイアス電極間隔の１／１０
０〜１　／　２０　Ｏｆｆｆ度である。しかし、表側の
受光部Ｓ　〜Ｓ　　の数を（ｎ＋１）＜１０１のｉ　　
　ｎｉｌ 条件範囲にすれば、第１の受光面におけるＩＡ。

Ｉｎの演算値によって、スリット光が第２の受光面の受
光部Ｓ　−８のどの位置に照斗ｔされてＩ　　　　　　
ｎｉｌ いるのかを確実に知ることができる。そして、照射位置
の一対の受光部（第１図において８２゜Ｓ　）より得ら
れる光電流Δ■　、ΔＩｎの演算Ａ 値ΔＩ　−ΔｌＢまたは（ΔＩＡ−ΔＩＢ）／（ΔＩ　
十ΔＩＢ）によって、各受光部領域内におけるスリット
光の照射位置を検出することかできる。

次に、第２図の位置検出器を用いた本発明の実施例を説
門する。

第１図は前述の分割型等半導体装置検出器を応用して光
入射位置検出装置を構成したときの、信号処理回路の一
例を示す回路図である。同図に示す同略図の場合には、
分割型半導体装置検出器における各電極のみか図示され
、他の部分は省略されである。図示の通り、逆バイアス
印加用電極Ｔ　　、　Ｔ　２はプルアップ抵抗を介して
Ｖｃｃ（＋側■ 電源）に接続されている。半導体レーザＬＤは同図中の
右上のｐｎｐトランジスタＴ　ｒ　２で電流制御され、
ｎｐｎトランジスタＴ　ｒ　ａによってパルス点燈され
られる。この発光光束の一部を分割型半導体装置検出器
の受光部に入射させると、この照射領域において光電変
換されて光電流Ｉ。が発生ずる。発ノーした光電流！。

に対して、所定の条件を満す信号電流■　及びＩＢがゾ
ルアップ抵抗を介して逆バイアス印加電ＴｈＴ　　及び
Ｔ２に流れ込む。２つのプルアップ抵抗を流れる信号電
流■　及びＩ１３によって発生する電圧降下成分は、コ
ンデンサを介してオペアンプＵ　及びＵ１７に送６ られる。この場合、直流成分はコンデンサによりカット
され交流成分のみが（ｔｇ達されることになる。

信号電流Ｉ　及びＩ８に対応した電圧信号はオペアンプ
Ｕ１０及びＵ１７で増幅された後、オペアンプＵ１８及
びＵ１９に送られ、加算及び減算が実行される。オペア
ンプＵ　及びＵ１９から出力される信８ 号成分ｔ−（１＋１Ｂ）ｌ及び（−（ＩＡ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　Ａ■Ｂ））は、信
号成分払取回路Ｕ２（ｌにおいて半導体レーザＬＤがパ
ルス点燈する直前の電圧レベルとパルス点Ｊｇｌ　ＩＩ
！ｔの電圧レベルがサンプリングされ、２つの電圧レベ
ルの差分を取ることによって信号成分のみが抜き取られ
、直流再生される。抜き取られた２つの１３３成分はア
ナログ割算器Ｕ２１に送られ、信号演算値（ＩＡ−ＩＢ
）／（ＩＡ十ＩＢ）が得られる。信号成分抜取回路Ｕ２
ｏで直流再生されたｔ−（１＋Ｉｒ３））の信号電圧値
はオペアンプＵ　に送られ、ボリュームＶＲ３によって
設３ 定された参照電圧値との差分がとられる。この差分は抵
抗を介してｐｎｐ　トランジスタＴ　ｒ　２のベースに
送られ、半導体レーザＬＤのＡ　Ｐ　Ｃ（Ａｕｔ。

Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）が実行される。これによ
り、パルス点燈であっても信号成分（１＋ｌＢ）の振へ 幅値を一定に保つことができる。

アナログ割算２’Ａ　Ｕ　２１の演算出力はＡ／Ｄコン
バータＵ２２によりディジタル信号に変換され、ラッチ
回路Ｕ２３でラッチされた後、位置データ情報の上（立
ビットＤＨ，すなわちｌ　＋ｌ、　Ｎ　＋２．・・・ρ
＋ｍのｍビットとして出力されると共に、上位ビットの
ｌ）＋１はスイッチング部１００に送られる。ここで、
スイッチ部１００はスイッチＳＷｌ〜ＳＷ４とインバー
タ、で溝底される。

分割型半導体装置検出器８において、電極ＴＩｔ〜Ｔ、
は全で接地され、電極Ｔ　　−Ｔ　　　にはｌｔｉＭＩ
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｓｌ
　　　　　ｓｎ＋１流−電圧変換抵抗Ｒ−Ｒが接続され
る。さＩ　　　ｎｉｌ らに、奇数番口の電極ＴＴＴ　　　・・・ｓｌ’　　ｓ
３’　　Ｓ５・ Ｔ　にはスイッチｓｗ、ｓｗ４が接続され、偶ｓｎ　　
　　　　　　　　　　　　　　　１数番１１の電極ＴＴ
−Ｔ　　　にはスイッチ５２１ｓ４　　　ｓｎ＋１ ｓｗ、ｓｗ３が接続されている。また、スイッチｓｗ、
ｓｗ、、には上位ビットＤＨのｐ＋１がそのまま制御入
力として与えられ、スイッチｓｗ、ｓｗ４には上記のｆ
ｉ＋１がインバータで反転されてｌｉｌ！御人力として
与えられている。

位置データ↑−Ｉ報の上位ビット（ＤＨ）は、照射され
る受光部の位置に対応させることができる。

すなわち、位置データ情報の上位ビット（Ｄ　Ｈ）のｇ
＋１がＨＩＧＨのときには、奇数番目の領域すなわち受
光部Ｓ　とＳ　ＳＳ　とＳ　１Ｓ　と３４５６ Ｓ７・・・に光が人η＝ｊ　しており、ｇ＋１がＬＯＷ
のときには偶数番口の領域すなわち受光部Ｓ　と８２、
■ Ｓ　とＳ　１Ｓ５とＳ６・・・に光が天井↑している。

４ そこで、このｇ＋１がＨＩＧＨのとき（奇数番のとき）
、スイッチｓｗ、ｓｗ２がＯＮとなりｓｗ、ｓｗ４がＯ
ＦＦとなるようにする。逆に、位置データ情報の上位ビ
ットのＮ＋１がＬＯＷのとき（偶数番のとき）、スイッ
チＳ　Ｗ　ｔ　、　　Ｓ　Ｗ　２がＯＦＦとなりｓｗ、
ｓｗ４がＯＮとなるようにする。

従って、光束が受光部Ｓ、Ｓ３に入射されていると、上
位ビット（ＤＢ）は２進表示で“０００．．００１”と
なり、ｇ＋１がＨＩＧＨなのでスイッチＳＷ　とｓｗ２
のみをＯＮさせ、他のスイッチｓｗ、ｓｗ４をＯＦＦさ
せる。そして、受光部Ｓ２及びＳ３で得られた光電流Δ
ＩＡ及びΔＩ８はコンデンサを介してオペアンプＵ２５
及びＵ２Ｂで増幅され、オペアンプＵ２７及びυ２８で
減Ｗ（Δｌ　−Δｌ　ｎ　）及び加算（Δｌ＾＋ΔＩＢ
）＾ が実行される。ｆ＝号威分抜取回路Ｕ２９では信号成分
のみ抜き取られ、直流１１ｊ生後にアナログ割算器Ｕ３
ｏで信号演算（ΔＩ、−Δ夏Ｂ）／（ΔＩ、＋Δｌｌ３
）が丈４テされ、Ａ／ＤコンバータＵ３１でディジタル
信号に交換後、ラッチ回路Ｕ３２でラッチされて位置デ
ータ情報の下位ビット（ＤＬ）として、すなわち１．２
．３．・・・、ρのｇビットとして出力される。よって
、全ての位置データ情報は（ＤＨ）＋　（ＤＬ）−１，
２，３，・・・、ｐ、　ｇ＋１、・・・、ｐ＋ｍとなる
。

なお、第１図の実施例では信号取出電極をＴｓ□。

Ｔ　　・・・、Ｔ　とＴＴ　　　・・・、Ｔ　　の組で
ｓ３’　　　　　　　　Ｓｎ　　　　　ｓ２’　　　　
ｓ４’　　　　　　　　ｓｎ＋１それぞれ共通接続して
いるが、各電極ごとに分離しておいた場合には第３図の
ようになる。

図示の通り、アナログ割算器Ｕ２、の演算出力はＡ／Ｄ
コンバータＵ２２によりディジタル信号に変換され、ラ
ッチ回路Ｕ２３でラッチされた後、位置データ情報の上
位ビット（ＤＩ）として出力されると共に、デマルチプ
レクサＵ２４に送られる。分割型半導体装置検出器８に
おいて、電極Ｔ１□〜Ｔ　は全て接地され、電極Ｔ　　
−Ｔ　　　には電流Ｉｎ　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　ｓｌ　　　　　ｓｎ＋１−電圧変換
抵抗Ｒ−Ｒが接続される。さらｌ　　　ｎｉｌ に、電極Ｔ　にはスイッチ５ＷＡｌが接続され、電ｌ 極Ｔ　　−Ｔ　　にはスイッチ５ＷＡ２〜ＳＷＡ□とス
イｓ２　　　　　ｓｎ ッチｓｗ　　−ｓｗ　　　とが接続され、電極Ｔｓｎ＋
ＩＢＩ　　　　　　Ｂｎ（ ゛にはスイッチＳＷＢ、が接続されている。

位置データ情報の上位ビット（Ｄ　Ｈ）は、照射される
受光部位置に対応させることができる。従っで、光束が
受光部Ｓ、Ｓ３に入射されていると、上位ビット（Ｄ　
、Ｈ）は２進表示で“０００００１“となり、デマルチ
プレクサＵ２４によってスイッチＳＷ　とＳ　Ｗ　ｎ　
２のみをＯＮさせ、２ 他の全てのスイッチｓｗ　　、　　ｓｗ　　−ｓｗＡｏ
。

Ａｔ　　　　　　　Ａ３ ５ｗ、ｓｗ　　〜Ｓ　Ｗ　Ｂ、をＯＦＦさせることかで
ＢＩ　　　　　　Ｂ３ きる。

この第３図の例によれば、スイッチＳＷの数が多くなり
、またデマルチプレクサＵ２４を設けることも必要にな
るが、スポット光の入射している領域のみの信号が出力
されるので、精度が向上することになる。これに対し、
第１図の実施例によれば、スイッチＳＷの数を少なくで
きること、デマルチプレクサを詭けることが不要になる
等の格別の利点がある。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り本発明によれば、入射光の入
射位置のＩＩＥ略を第１の信号にもとづいて第１の演算
手段で検出し、情密な入射位置を第２の信号にもとづい
て第２の演算手段で検出できるので、検出可能な計ＡＰ
ｊ範囲を高精度化できる先人ｑ＝を位置検出装置を提供
することをかできる。このため、従来の半導体装置検出
器では不可能であった高ネ１１度化（ｉｔ　Ｄ範囲が絶
対位置精度の１００００倍）が、比較的安価な電子部品
による構成で可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る光入射位置検出装置の回
路図、第２図は実施列に適用される分割型’ｌ’−ｉ９
体位置検出器の＋Ａ’ｉ成を示す図、第３凶は本発明に
関連する他の例を示す回路図である。 １・・・表面保護膜、２・・・絶縁膜、３・・・高抵抗
シリコン長板、６・・・ｎ型抵拭層、８・・・分割型半
導体装置検出器、ｓ、５ｓ−ｓ　　　・・・受光部、Ａ
Ｉ３°　ｌ　　　ｎ１１ １　−１　　・・・分離層、Ｔ　　−Ｔ　　　・・・信
号取出用Ｉ　　　ｎ　　　　　　　８１　　　Ｓｎ＋１
電極、Ｔ１１〜ＴＩｎ・・・キャリア流出用電極、Ｔ　
１．Ｔ　２・・・逆バイアス印加用電極。 手 続 補 正 書

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 受光面の所定方向での光の入射位置に応じた第１の信号
   を出力すると共に、前記所定方向で複数に分割された前
   記受光面の各領域での光の入射位置に応じた第２の信号
   を出力する位置検出器と、前記第１の信号に所定の演算
   を施して前記複数に分割された領域のいずれに光が入射
   しているかを算出する第１の演算手段と、 この第１の演算手段の出力により特定される前記領域か
   らの前記第２の信号にもとづき、当該領域内での前記光
   の入射位置を算出する第２の演算手段とを備えることを
   特徴とする光入射位置検出装置。