光検出装置
【課題】入射光の入射位置及び入射方向を同時に検出することができるようにした光検出装置を提供する。
【解決手段】第一の平面内にマトリックス状に配置した複数個の光検出素子から成る第一の光センサアレイ１１と、第一の平面の光入射側と反対側にて所定間隔ｄで平行に隔置した第二の平面内にマトリックス状に配置した複数個の光検出素子から成る第二のセンサアレイ１２と、スポット状の入射光による第一及び第二の光センサアレイ１１、１２からの検出信号に基づいて、当該入射光の第一及び第二の光センサアレイ１１、１２上における入射位置Ｐ１，Ｐ２を演算すると共に、演算した入射位置間の偏位量ΔＰから当該入射光の入射角度θを演算して、当該入射光の入射位置及び入射方向を決定する信号処理部１４と、を含むように、光検出装置１０を構成する。
【解決手段】第一の平面内にマトリックス状に配置した複数個の光検出素子から成る第一の光センサアレイ１１と、第一の平面の光入射側と反対側にて所定間隔ｄで平行に隔置した第二の平面内にマトリックス状に配置した複数個の光検出素子から成る第二のセンサアレイ１２と、スポット状の入射光による第一及び第二の光センサアレイ１１、１２からの検出信号に基づいて、当該入射光の第一及び第二の光センサアレイ１１、１２上における入射位置Ｐ１，Ｐ２を演算すると共に、演算した入射位置間の偏位量ΔＰから当該入射光の入射角度θを演算して、当該入射光の入射位置及び入射方向を決定する信号処理部１４と、を含むように、光検出装置１０を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光の入射位置及び入射方向を検出する光検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光位置センサとしては、例えば、非特許文献１に記載されている位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）、非特許文献２に記載されている電荷結合素子（ＣＣＤ）、非特許文献３に記載されている相補型ＭＯＳ（以下、ＣＭＯＳと呼ぶ。）等の画像センサを利用したセンサが知られている。
これらの光位置センサは、いずれも二次元平面である受光面に入射した光の入射位置を、マトリックス状に配置された光検出素子により検出するように構成されている。
これにより、光位置センサからの検出信号に基づいて、各光検出素子の強度分布から光入射位置に対応する光検出素子を演算して、この光検出素子の位置を入射位置として決定することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】高橋 克、来海 暁、安藤 繁、「時間相関型ＰＳＤの提案と試作」、電気学会研究会資料、ＳＳＡ、センサシステム応用研究会、1999(1)、pp.31-36、1999-11-11
【非特許文献２】寺西 信一、「ＣＣＤとそのイメ-ジセンサへの応用(情報を担う静電荷)」、静電気学会誌、16(4)、pp.274-281、1992-07
【非特許文献３】川人 祥二、「ＣＭＯＳイメージセンサの最近の動向」、電気学会論文誌、Ｅ、センサ・マイクロマシン準部門誌、123(10)、pp.387-391、2003-10-01
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような光位置センサでは、入射光の入射位置を検出することはできるが、入射光の入射方向、即ち入射角度を高精度で検出することはできなかった。
また、入射光の入射位置及び入射角度を同時に高精度で検出することができる光検出装置は今まで存在しなかった。
【０００５】
このため、このような光位置センサを利用したレーザ光式距離計測器である、所謂レーザレンジファインダにおいては、非接触且つ高精度で物体形状を測定することができ、工業用部品の三次元形状検査やリバースエンジニアリングにおける三次元ＣＡＤデータの取得等、産業分野で広く利用されている。しかしながら、レーザレンジファインダでは、入射光の入射位置を高精度で検出することができなかった。
【０００６】
物体形状を測定するレーザレンジファインダの測定対象としては、拡散物体と鏡面物体がある。拡散物体とは、物体に対して照射した光がその表面で乱反射し全方向に拡散するような物体である。鏡面物体とは、物体に対して照射した光がその表面で正反射方向のみに集中して反射するような物体のことである。
しかしながら、従来のレーザレンジファインダにおいては角度を測定する場合には、その測定対象が拡散物体に限定されてしまっていた。この場合には、物体に対して照射した光がその表面で乱反射し全方向に拡散するので高精度の角度測定はできなかった。
さらに、従来のレーザレンジファインダにおいては金属等の光沢のある鏡面物体への適用は原理的に困難であった。これは、入射光を検出する光位置センサが入射光の入射位置のみを検出し、入射角度を検出できないことに起因する。即ち、拡散物体の場合には、拡散物体表面で反射した拡散反射光は、レーザレンジファインダのレンズ中心を通る軌跡として計算できるのに対して、鏡面物体表面で反射した鏡面反射光は、レンズ中心を通るとは限らない。
ここで、入射光に関して、光の入射位置及び入射角度を同時に高精度で検出することができると、鏡面物体表面で反射した鏡面反射光でも、レンズ中心を通らず、レンズの屈折作用により光位置センサに入射する光について、入射位置及び入射角度が分かるので、鏡面反射光の軌跡を正確に計算できることになる。従って、鏡面物体であっても、物体の表面反射特性を計測したり、表面粗さの推定あるいは三次元形状の計測、さらには表面傷の検査を行なうことが可能になる。
【０００７】
これに対して、例えば光位置センサの前側にピンホールを配置して、入射光の光路を拘束し、光位置センサにおける入射位置と既知のピンホールの位置に基づいて、入射光の入射角度を検出する方法がある。
しかしながら、この方法においては、ピンホールにより入射光が制限されてしまうため、光位置センサにおける受光光量が著しく低下してしまう。従って、光位置センサにおける検出精度が著しく低下してしまう。
【０００８】
本発明は、以上の点に鑑み、入射光の入射位置及び入射方向を同時に検出することができるようにした光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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の光検出装置は、第一の平面内にマトリックス状に配置された複数個の光検出素子から成る第一の光センサアレイと、第一の平面の光入射側と反対側にて所定間隔で平行に隔置された第二の平面内にマトリックス状に配置された複数個の光検出素子から成る第二のセンサアレイと、スポット状の入射光による第一及び第二の光センサアレイからの検出信号に基づいて、当該入射光の第一及び第二の光センサアレイ上における入射位置を演算すると共に、演算した入射位置間の偏位量から当該入射光の入射角度を演算して、当該入射光の入射位置及び入射方向を決定する信号処理部と、を含んでいることを特徴とする。
上記構成によれば、スポット状の光が入射すると、入射光は、第一の光センサアレイに入射し、第一の光センサアレイ上の光検出素子で受光されると共に、第一の光センサアレイを通過した光が、同様に第二の光センサアレイに入射し、第二の光センサアレイ上の光検出素子で受光される。これにより、第一及び第二の光センサアレイから信号処理部に検出信号が出力される。信号処理部は、第一及び第二の光センサアレイからの検出信号に基づいて、個々の光検出素子の検出信号の強度を比較することによって、入射光の入射位置を演算する。さらに、信号処理部は、第一及び第二の光センサアレイにおける演算した入射位置に基づいて、その偏位量及び第一及び第二の光センサアレイ間の所定間隔から、入射光の入射角度を演算する。これにより、信号処理部は、スポット状の入射光に関する入射位置及び入射方向を決定する。
【００１０】
本発明による光検出装置は、好ましくは、第一の光センサアレイにおける各光検出素子が、光透過性材料から成る第一の基板上に形成されており、第二の光センサアレイにおける各光検出素子が、第一の基板と平行に配置された光透過性材料から成る基板上に形成されている。この構成によれば、二段構成の光センサアレイにより、従来の光センサアレイを利用して容易に且つ低コストで光検出装置を構成することができる。
【００１１】
本発明による光検出装置は、好ましくは、第一の光センサアレイにおける各光検出素子が、光透過性材料から成る平行平板状の基板の上面に形成されており、第二の光センサアレイにおける各光検出素子が、基板の下面に形成されている。この構成によれば、二段構成の光センサアレイにより、従来の光センサアレイを利用して容易に且つ低コストで光検出装置を構成することができる。
【００１２】
本発明による光検出装置は、好ましくは、信号処理部が、スポット状の入射光による第一及び第二の光センサアレイからの検出信号に基づいて、各光検出素子の検出信号の強度分布から、当該入射光の入射位置を演算する。この構成によれば、検出すべきスポット光が第一及び第二の光センサアレイにおける複数個の光検出素子に入射したとしても、各光検出素子の検出信号の強度を比較することによって、入射位置を高精度で決定することができる。
【００１３】
本発明による光検出装置は、好ましくは、第一及び第二の光センサアレイにおける各光検出素子が、入射光に基づいて可視光を発生させる材料層を入射面に備えている。
本発明による光検出装置は、好ましくは、材料層が、入射光に基づいて可視光を発生させる蛍光体層である。
上記構成によれば、検出すべきスポット光が可視光でなくても、また各光検出素子の検出可能周波数帯域になくても、入射光が材料層に入射して可視光を発生させるので、この可視光が各光検出素子に受光され、検出され得る。従って、入射光が可視光でない例えばＸ線または紫外光あるいは赤外光等であっても、入射光の入射位置及び入射角度が正確に検出される。
【００１４】
本発明による光検出装置は、好ましくは、第一の光センサアレイが、光入射側に光吸収層を備えている。この構成によれば、入射光が第一の光センサアレイに入射する前に、光吸収層を通過し、一部が光吸収層に吸収されることにより、入射光の光強度が調整されるので、各光検出素子には検出に最適な光強度の入射光が入射することになる。従って、各光検出素子による入射光の検出が正確に且つ確実に行なわれる。
【００１５】
本発明による光検出装置は、好ましくは、第一及び第二の光センサアレイが、冷却装置を備えている。この構成によれば、第一及び第二の光センサアレイが冷却装置により冷却されるので、各光検出素子の検出信号における熱雑音が低減されることになり、入射光の入射位置及び入射角度がより正確に検出される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、入射光の入射位置及び入射方向を同時に検出することができるようにした光検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による光検出装置の第一の実施形態における要部の構成を示す概略斜視図である。
【図２】図１の光検出装置を示す拡大断面図である。
【図３】図１の光検出装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図４】図１の光検出装置における光センサアレイに設けられた光検出素子の構成例を示し、（Ａ）は横型の構成例及び（Ｂ）は縦型の構成例である。
【図５】図１の光検出装置におけるスポット状の入射光の強度分布の一例を示すグラフである。
【図６】図１の光検出装置における光センサアレイにドットマトリックス状に設けられた光検出素子のピッチと入射角度分解能との関係を示すグラフである。
【図７】本発明による光検出装置の第二の実施形態の要部を示す図２と同様の拡大断面図である。
【図８】本発明による光検出装置の第三の実施形態の要部を示す図２と同様の拡大断面図である。
【図９】本発明による光検出装置の第四の実施形態の要部を示す図２と同様の拡大断面図である。
【図１０】本発明による光検出装置の第五の実施形態の要部を示す図２と同様の拡大断面図である。
【図１１】本発明による光検出装置の第六の実施形態の要部を示す図２と同様の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１から図３は、本発明による光検出装置１０の第一の実施形態の構成を示している。図１は本発明による光検出装置１０の第一の実施形態における要部の構成を示す概略斜視図、図２は図１の光検出装置１０を示す拡大断面図、図３は図１の光検出装置１０の電気的構成を示すブロック図である。
図１から図３において、光検出装置１０は、第一の光センサアレイ１１と、第二の光センサアレイ１２と、駆動制御部１３と、信号処理部１４と、から構成されている。
【００１９】
第一の光センサアレイ１１は、公知の構成であって、第一の平面内にてそれぞれＸ方向及びＹ方向に並んでマトリックス状に配置された複数個、図示の場合、５×５個の光検出素子１１ａから構成されている。
また、第二の光センサアレイ１２は、同様に公知の構成であって、第一の平面の光入射側と反対側にて所定間隔で平行に隔置された第二の平面内に、同様にマトリックス状に配置された複数個、図示の場合、５×５個の光検出素子１２ａから構成されている。
【００２０】
この場合、第一の光センサアレイ１１は、平行平板状の基板１５の上面に形成されており、また第二の光センサアレイ１２は、この基板１５の下面に形成されている。
ここで、基板１５は、光透過率９０〜７０％程度で屈折率が既知である光透過性材料、例えばＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４等から構成されており、前述した所定間隔ｄに対応する厚さを有している。
【００２１】
そして、基板１５の上面及び下面には、それぞれ第一の光センサアレイ１１及び第二の光センサアレイ１２がそれぞれ半導体プロセスの微細化技術を利用して、高精度で形成される。第一の光センサアレイ１１及び第二の光センサアレイ１２は、例えばガラス基板上に薄膜フォトダイオードとして形成することができる。第一の光センサアレイ１１及び第二の光センサアレイ１２は、半導体基板上に形成されたものを使用し、ガラス基板１５に接着剤等で張り合わせてもよい。
【００２２】
即ち、第一の光センサアレイ１１及び第二の光センサアレイ１２の各光検出素子１１ａ，１２ａは、それぞれ素子ピッチｐで図１のＸ方向及びＹ方向にマトリックス状に並んで、且つ基板１５を挟んで対応する光検出素子１１ａ及び１２ａが互いに垂直に（Ｚ方向に）整合するように位置合わせして配置されている。
これにより、基板１５の上下両面にそれぞれ形成された第一及び第二の光センサアレイ１１，１２は、互いに所定間隔ｄで平行に配置されることになる。
【００２３】
また、各光検出素子１１ａ，１２ａとしては、好ましくは光吸収タイプのｐｎ接合やｐｉｎ接合からなる半導体素子、所謂フォトダイオードまたはバイポーラ型やＭＯＳ型のフォトトランジスタが使用される。半導体素子の材料は、Ｓｉ、ＧｅやＧａＡｓのような化合物半導体や化合物半導体の混晶を用いることができ、使用する光や受光する放射線の波長に応じて選定すればよい。
【００２４】
各光検出素子１１ａ，１２ａの構成例について説明する。
図４は、図１の光検出装置１０における光センサアレイに設けられた光検出素子の構成例を示し、（Ａ）は横型の構成例及び（Ｂ）は縦型の構成例である。
図４（Ａ）に示すように、各光検出素子１１ａ，１２ａは、例えばｎ層の側壁にｐ＋層が形成された横型のｐｎ接合半導体として形成することができる。
さらに、図４（Ｂ）に示すように、ｎ層の上面にｐ＋層が形成された縦型のｐｎ接合半導体として構成してもよい。上記した駆動制御部１３及び信号処理部１４は、個別の集積回路や光センサアレイの周辺回路として形成したものを使用することができる。周辺回路は、ダイオード、ＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＣＭＯＳＦＥＴからなる集積回路で形成することができる。つまり、本発明による光検出装置１０の駆動制御部１３及び信号処理部１４は、フォトダイードマトリクスを有している所謂ＣＭＯＳ型のイメージセンサの製造方法と同様にして作製できる。この場合、駆動制御部１３及び信号処理部１４は、本発明による光検出装置１０の周辺回路として形成することができる。
【００２５】
ここで、光検出装置１０に対して斜め上方から例えば半導体レーザ等のスポット状の光Ｌが入射したとき、図１に示すように、入射光Ｌは、第一の光センサアレイ１１に入射すると共に、その一部Ｌ１が第一の光センサアレイ１１を透過し、基板１５を通って第二の光センサアレイ１２に入射する。このとき、入射光Ｌは、第一の光センサアレイ１１上で入射位置Ｐ１に入射し、また入射光Ｌ１は、第二の光センサアレイ１２上で入射位置Ｐ２に入射する。
【００２６】
駆動制御部１３は、公知の構成であって、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２をそれぞれ駆動することにより、各光検出素子１１ａ，１２ａを順次に動作させ、入射光による検出信号を取り出す。これにより、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２の各光検出素子１１ａ，１２ａの検出信号が後述する信号処理部１４に出力される。
【００２７】
信号処理部１４は、駆動制御部１３を介して入力される第一及び第二の光センサアレイ１１，１２の各光検出素子１１ａ，１２ａの検出信号に基づいて、入射光の入射位置及び入射角度を設定する。
【００２８】
図５は、図１の光検出装置１０におけるスポット状の入射光の強度分布の一例を示すグラフである。図５に示すように、スポット状の入射光Ｌに関して、例えば第一の光センサアレイ１１上における強度分布は、所謂ガウス分布として得られる。従って、信号処理部１４は、互いに隣接する複数個の光検出素子１１ａの検出信号に基づいて、各光検出素子１１ａにおける入射光Ｌの強度分布から、第一の光センサアレイ１１上における入射位置Ｐ１を補間計算により演算することができる。
【００２９】
同様にして、入射光Ｌ１についても、第二の光センサアレイ１２上における入射光Ｌ１の強度分布に基づいて、第二の光センサアレイ１２上における入射位置Ｐ２を補間計算により演算することができる。これにより、光センサアレイ１１，１２の各光検出素子１１ａ，１２ａのピッチより小さな分解能で、入射位置Ｐ１，Ｐ２を設定することが可能である。
【００３０】
さらに、信号処理部１４は、これら二つの入射位置Ｐ１，Ｐ２の間の偏位量、即ちＸＹ方向の距離ΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ２）を演算し、この距離ΔＰと第一及び第二の光センサアレイ１１，１２間の距離ｄから、下記（１）式により入射光Ｌの入射角度θを演算する。
θ＝ａｒｃｔａｎ（ΔＰ／ｄ） （１）
【００３１】
ここで、入射光Ｌの強度分布の半値幅をｗ／２とし、光センサアレイ１１，１２における光検出素子１１ａ，１２ａのピッチをｐとすると、入射光Ｌに対する光検出素子１１ａ，１２ａのピッチｐは、好ましくは下記（２）式及び（３）式となるように設定される。
ｗ／ｐ＞３．５ （２）
ａｒｃｔａｎ（０．１ｐ／ｄ）＜０．５度 （３）
【００３２】
図６は、図１の光検出装置１０における光センサアレイにドットマトリックス状に設けられた光検出素子のピッチと入射角度分解能との関係を示すグラフである。図６に示すように、上記式（１）〜（３）式で演算された入射角度θは、距離ｄ＝１ｍｍとすると、各光検出素子１１ａ，１２ａのピッチｐに対して、図６に示すような角度分解能が得られる。従って、ピッチｐを０．０２０ｍｍとすると、入射角度θに関して、０．１０度の分解能が得られることになる。
【００３３】
本発明の第一の実施形態による光検出装置１０は、以上のように構成されており、次のように動作する。
即ち、駆動制御部１３により第一及び第二の光センサアレイ１１及び１２が動作している状態で、スポット状の入射光Ｌが図１に示すように入射すると、入射光Ｌは、第一の光センサアレイ１１に入射して、その光検出素子１１ａに受光されると共に、その一部Ｌ１が第一の光センサアレイ１１を透過し、さらに基板１５を通って、第二の光センサアレイ１２に入射し、その光検出素子１２ａにより受光される。
このとき、入射光Ｌは、第一の光センサアレイ１１上で入射位置Ｐ１に入射し、また入射光Ｌ１は、第二の光センサアレイ１２上で入射位置Ｐ２に入射する。そして、第一及び第二の光センサアレイ１１及び１２における各光検出素子１１ａ，１２ａは、それぞれ入射光Ｌ，Ｌ１の強度に対応する検出信号を出力し、駆動制御部１３を介して信号処理部１４に出力する。
【００３４】
これにより、信号処理部１４は、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２における各光検出素子１１ａ，１２ａの検出信号に基づいて、各光検出素子１１ａ，１２ａにおける入射光Ｌ，Ｌ１の強度分布から、入射位置Ｐ１及びＰ２を補間計算により演算する。
さらに、信号処理部１４は、演算した入射位置Ｐ１，Ｐ２の間の偏位量、即ちＸＹ方向の距離ΔＰを演算し、さらに入射光Ｌの入射角度θを演算する。これにより、入射光Ｌに関して、その入射位置Ｐ１及び入射角度θが得られることになる。
【００３５】
図７は、本発明による光検出装置２０の第二の実施形態の構成を示している。図７において、光検出装置２０は、図１から図３に示した光検出装置１０とほぼ同じ構成であり、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
光検出装置２０は、図１から図３に示した光検出装置１０とは、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２における各光検出素子１１ａ，１２ａが、それぞれその上側の入射面に、蛍光体層２１，２２を備えている点でのみ異なる構成になっている。
【００３６】
これらの蛍光体層２１，２２は、それぞれ光検出素子１１ａ，１２ａで検出できない波長帯域の光、例えばＸ線，紫外線，赤外線，放射線等の不可視光が入射したとき、励起されて可視光を発生させるような蛍光体が混入された光透過性樹脂材料等から構成されている。
【００３７】
このような構成の光検出装置２０によれば、図１から図３に示した光検出装置１０と同様に作用すると共に、光検出素子１１ａ，１２ａの検出可能な波長帯域にかかわらず、入射光Ｌが可視光でなくても、入射光Ｌの入射位置及び入射角度を検出することができる。
【００３８】
図８は、本発明による光検出装置３０の第三の実施形態の構成を示している。図８において、光検出装置３０は、図１から図３に示した光検出装置１０とほぼ同じ構成であり、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
光検出装置３０は、図１から図３に示した光検出装置１０とは、第一の光センサアレイ１１の上側に、光吸収層３１を備えている点でのみ異なる構成になっている。
【００３９】
この光吸収層３１は、入射光Ｌに対して光吸収特性を備える光吸収材料から構成されており、入射光Ｌの一部を吸収することにより、入射光Ｌの透過率を制御して、第一の光センサアレイ１１に入射する入射光Ｌの強度を調整することができる。
【００４０】
このような構成の光検出装置３０によれば、図１から図３に示した光検出装置１０と同様に作用すると共に、光吸収層３１によって、第一の光センサアレイ１１及び第二の光センサアレイ１２に入射する入射光Ｌ及びＬ１の強度が低減される。
従って、入射光Ｌの強度が光検出素子１１ａ，１２ａの検出可能な強度範囲を超えているような場合でも、光検出素子１１ａ，１２ａに最適な強度の入射光Ｌ，Ｌ１が入射することになり、入射光の入射位置及び入射角度を適正に決定することができる。
【００４１】
図９は、本発明による光検出装置４０の第四の実施形態の構成を示している。図９において、光検出装置４０は、図１から図３に示した光検出装置１０とほぼ同じ構成であり、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。光検出装置４０は、図１から図３に示した光検出装置１０とは、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２の両側に、冷却装置４１が配置されている点でのみ異なる構成になっている。冷却装置４１としては、ペルチェ素子等を用いることができる。
【００４２】
冷却装置４１は、それ自体公知の構成であって、その冷却作用によって、隣接する第一及び第二の光センサアレイ１１，１２を冷却することができる。
【００４３】
このような構成の光検出装置４０によれば、図１から図３に示した光検出装置１０と同様に作用すると共に、使用に伴って発生する熱そして入射光Ｌによる第一及び第二の光センサアレイ１１，１２の温度上昇が抑制され、温度上昇に伴う熱雑音の発生が抑制される。従って、入射光Ｌの入射位置及び入射角度をより正確に決定することができる。
【００４４】
図１０は、本発明による光検出装置５０の第五の実施形態の構成を示している。図１０において、光検出装置５０は、図１から図３に示した光検出装置１０とほぼ同じ構成であり、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
光検出装置５０は、図１から図３に示した光検出装置１０とは、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２が、それぞれ個別の基板５１，５２上に形成されている点でのみ異なる構成になっている。
【００４５】
基板５１，５２は、光検出装置１０における基板１５と同様の光透過性材料から構成されているが、一般的な光センサアレイの基板と同様の厚さを有している。即ち、基板５１，５２を含む第一及び第二の光センサアレイ１１，１２は、互いに同じ構成である。
そして、基板５１，５２は、図示の場合には、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２が互いに所定間隔ｄとなるように、また個々の光検出素子１１ａ，１２ａがＺ方向に整合するように、図示しない支持部材によって互いに平行に支持されている。
【００４６】
このような構成の光検出装置５０によれば、図１から図３に示した光検出装置１０と同様に作用すると共に、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２として、従来からある光センサアレイを利用することにより、光検出装置５０を低コストで容易に構成することができる。ただし、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２の各光検出素子１１ａ，１２ａをＺ方向に正確に整合させて組み立てる必要がある。
【００４７】
図１１は、本発明による光検出装置６０の第六の実施形態の構成を示している。図１１において、光検出装置６０は、図１から図３に示した光検出装置１０とほぼ同じ構成であり、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
光検出装置６０は、図１から図３に示した光検出装置１０とは、第一及び第二のセンサアレイ１１，１２及び基板１５の代わりに、所謂ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハを利用した光センサデバイス６１を備えている点でのみ異なる構成になっている。
【００４８】
光センサデバイス６１は、例えばｎ型のＳｉ（１００）基板６２の表面にマトリックス状に並んだ複数個のｐ＋層６３を形成することにより、第二の光センサアレイ１１を構成すると共に、基板６２の上方に、基板１５と同様の構成の透明基板６４を形成した後、この透明基板６４の表面に、マトリックス状に並んだ複数個の光検出素子１１ａを形成することにより、構成されている。
ここで、透明基板６４は、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２がＺ方向に所定間隔ｄを有するような厚さに選定されている。透明基板としては、例えば無アルカリガラスやシリカガラスを用いることができる。
【００４９】
このような構成の光検出装置６０によれば、図１から図３に示した光検出装置１０と同様に作用すると共に、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２として、一体化され且つ半導体プロセスにより一つの半導体デバイスとして構成されているので、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２において、対応する光検出素子１１ａ，１２ａが互いにＺ方向に高精度で整合して配置され得ることになる。
【００５０】
次に、本発明の光検出装置１０の製造方法について説明する。
先ず光検出装置１０の光センサアレイ１１，１２の製造方法について説明する。
最初に、Ｓｉ等の半導体からなるｎ又はｎ＋基板１５上にｎ層又はｎ層とｉ層とをエピタキシャル成長で形成する。エピタキシャル成長した基板１５にＳｉＯ２からなる酸化膜を形成する。
次に、酸化膜のｐ層を形成する領域だけを、マスク工程と酸化膜のエッチングにより窓開けを行うと共に、ｐ層となる不純物の拡散やイオン注入を行い、酸化膜の形成した窓部を介してｐ層を形成する。そして、基板１５のｎ層及びｐ層に電極を蒸着法により形成する。
【００５１】
次に、周辺回路となる駆動制御部１３及び信号処理部１４の製造方法について説明する。
ｎ＋基板１５上に形成したｎ層又はｉ層にｎ型ＭＯＳＦＥＴを形成するｐウェルを拡散等の工程により形成する。ｐウェルには、ｎ型ＭＯＳＦＥＴを形成する。ｎ層には、ｐ型ＭＯＳＦＥＴを形成する。このようにして、駆動制御部１３及び信号処理部１４をＣＭＯＳ工程により形成することができる。
上記した光センサアレイ１１，１２の電極形成等の工程は、ＣＭＯＳ工程と共通に行うことができるので、同時に実施してもよい。
最後に、基板１５の表面側に保護膜（パッシベーション膜）を形成する。
【００５２】
上記の各材料の堆積には、スパッタ法やＣＶＤ法、ＭＢＥ法、レーザアブレーション法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。所定の形状の電極や配線を形成するためのマスク工程には、光露光やＥＢ露光などを用いることができる。
【００５３】
以上述べたように、本発明によれば、入射光の入射位置及び入射方向を同時に検出することができるようにした、極めて優れた光検出装置１０，２０，３０，４０，５０，６０が提供される。
【００５４】
本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施することができる。例えば、上述した実施形態において、光検出素子１１ａ，１２ａとして、光吸収タイプのｐｎ接合半導体素子またはＭＯＳ型のフォトトランジスタが使用されているが、これに限らず、検出すべき入射光に対して感度を有するものであれば、他の種類の光検出素子、例えばＴＦＴ型フォトトランジスタ等を使用することもできる。
【符号の説明】
【００５５】
１０，２０，３０，４０，５０，６０：光検出装置
１１：第一の光センサアレイ
１１ａ，１２ａ：光検出素子
１１ｂ，１２ｂ：蛍光体層
１２：第二の光センサアレイ
１３：駆動制御部
１４：信号処理部
１５：基板
２１，２２：蛍光体層
３１：光吸収層
４１：冷却装置
５１，５２：基板
６１：光センサデバイス
６２：基板
６３：ｐ＋層
６４：透明基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光の入射位置及び入射方向を検出する光検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光位置センサとしては、例えば、非特許文献１に記載されている位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）、非特許文献２に記載されている電荷結合素子（ＣＣＤ）、非特許文献３に記載されている相補型ＭＯＳ（以下、ＣＭＯＳと呼ぶ。）等の画像センサを利用したセンサが知られている。
これらの光位置センサは、いずれも二次元平面である受光面に入射した光の入射位置を、マトリックス状に配置された光検出素子により検出するように構成されている。
これにより、光位置センサからの検出信号に基づいて、各光検出素子の強度分布から光入射位置に対応する光検出素子を演算して、この光検出素子の位置を入射位置として決定することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】高橋 克、来海 暁、安藤 繁、「時間相関型ＰＳＤの提案と試作」、電気学会研究会資料、ＳＳＡ、センサシステム応用研究会、1999(1)、pp.31-36、1999-11-11
【非特許文献２】寺西 信一、「ＣＣＤとそのイメ-ジセンサへの応用(情報を担う静電荷)」、静電気学会誌、16(4)、pp.274-281、1992-07
【非特許文献３】川人 祥二、「ＣＭＯＳイメージセンサの最近の動向」、電気学会論文誌、Ｅ、センサ・マイクロマシン準部門誌、123(10)、pp.387-391、2003-10-01
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような光位置センサでは、入射光の入射位置を検出することはできるが、入射光の入射方向、即ち入射角度を高精度で検出することはできなかった。
また、入射光の入射位置及び入射角度を同時に高精度で検出することができる光検出装置は今まで存在しなかった。
【０００５】
このため、このような光位置センサを利用したレーザ光式距離計測器である、所謂レーザレンジファインダにおいては、非接触且つ高精度で物体形状を測定することができ、工業用部品の三次元形状検査やリバースエンジニアリングにおける三次元ＣＡＤデータの取得等、産業分野で広く利用されている。しかしながら、レーザレンジファインダでは、入射光の入射位置を高精度で検出することができなかった。
【０００６】
物体形状を測定するレーザレンジファインダの測定対象としては、拡散物体と鏡面物体がある。拡散物体とは、物体に対して照射した光がその表面で乱反射し全方向に拡散するような物体である。鏡面物体とは、物体に対して照射した光がその表面で正反射方向のみに集中して反射するような物体のことである。
しかしながら、従来のレーザレンジファインダにおいては角度を測定する場合には、その測定対象が拡散物体に限定されてしまっていた。この場合には、物体に対して照射した光がその表面で乱反射し全方向に拡散するので高精度の角度測定はできなかった。
さらに、従来のレーザレンジファインダにおいては金属等の光沢のある鏡面物体への適用は原理的に困難であった。これは、入射光を検出する光位置センサが入射光の入射位置のみを検出し、入射角度を検出できないことに起因する。即ち、拡散物体の場合には、拡散物体表面で反射した拡散反射光は、レーザレンジファインダのレンズ中心を通る軌跡として計算できるのに対して、鏡面物体表面で反射した鏡面反射光は、レンズ中心を通るとは限らない。
ここで、入射光に関して、光の入射位置及び入射角度を同時に高精度で検出することができると、鏡面物体表面で反射した鏡面反射光でも、レンズ中心を通らず、レンズの屈折作用により光位置センサに入射する光について、入射位置及び入射角度が分かるので、鏡面反射光の軌跡を正確に計算できることになる。従って、鏡面物体であっても、物体の表面反射特性を計測したり、表面粗さの推定あるいは三次元形状の計測、さらには表面傷の検査を行なうことが可能になる。
【０００７】
これに対して、例えば光位置センサの前側にピンホールを配置して、入射光の光路を拘束し、光位置センサにおける入射位置と既知のピンホールの位置に基づいて、入射光の入射角度を検出する方法がある。
しかしながら、この方法においては、ピンホールにより入射光が制限されてしまうため、光位置センサにおける受光光量が著しく低下してしまう。従って、光位置センサにおける検出精度が著しく低下してしまう。
【０００８】
本発明は、以上の点に鑑み、入射光の入射位置及び入射方向を同時に検出することができるようにした光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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の光検出装置は、第一の平面内にマトリックス状に配置された複数個の光検出素子から成る第一の光センサアレイと、第一の平面の光入射側と反対側にて所定間隔で平行に隔置された第二の平面内にマトリックス状に配置された複数個の光検出素子から成る第二のセンサアレイと、スポット状の入射光による第一及び第二の光センサアレイからの検出信号に基づいて、当該入射光の第一及び第二の光センサアレイ上における入射位置を演算すると共に、演算した入射位置間の偏位量から当該入射光の入射角度を演算して、当該入射光の入射位置及び入射方向を決定する信号処理部と、を含んでいることを特徴とする。
上記構成によれば、スポット状の光が入射すると、入射光は、第一の光センサアレイに入射し、第一の光センサアレイ上の光検出素子で受光されると共に、第一の光センサアレイを通過した光が、同様に第二の光センサアレイに入射し、第二の光センサアレイ上の光検出素子で受光される。これにより、第一及び第二の光センサアレイから信号処理部に検出信号が出力される。信号処理部は、第一及び第二の光センサアレイからの検出信号に基づいて、個々の光検出素子の検出信号の強度を比較することによって、入射光の入射位置を演算する。さらに、信号処理部は、第一及び第二の光センサアレイにおける演算した入射位置に基づいて、その偏位量及び第一及び第二の光センサアレイ間の所定間隔から、入射光の入射角度を演算する。これにより、信号処理部は、スポット状の入射光に関する入射位置及び入射方向を決定する。
【００１０】
本発明による光検出装置は、好ましくは、第一の光センサアレイにおける各光検出素子が、光透過性材料から成る第一の基板上に形成されており、第二の光センサアレイにおける各光検出素子が、第一の基板と平行に配置された光透過性材料から成る基板上に形成されている。この構成によれば、二段構成の光センサアレイにより、従来の光センサアレイを利用して容易に且つ低コストで光検出装置を構成することができる。
【００１１】
本発明による光検出装置は、好ましくは、第一の光センサアレイにおける各光検出素子が、光透過性材料から成る平行平板状の基板の上面に形成されており、第二の光センサアレイにおける各光検出素子が、基板の下面に形成されている。この構成によれば、二段構成の光センサアレイにより、従来の光センサアレイを利用して容易に且つ低コストで光検出装置を構成することができる。
【００１２】
本発明による光検出装置は、好ましくは、信号処理部が、スポット状の入射光による第一及び第二の光センサアレイからの検出信号に基づいて、各光検出素子の検出信号の強度分布から、当該入射光の入射位置を演算する。この構成によれば、検出すべきスポット光が第一及び第二の光センサアレイにおける複数個の光検出素子に入射したとしても、各光検出素子の検出信号の強度を比較することによって、入射位置を高精度で決定することができる。
【００１３】
本発明による光検出装置は、好ましくは、第一及び第二の光センサアレイにおける各光検出素子が、入射光に基づいて可視光を発生させる材料層を入射面に備えている。
本発明による光検出装置は、好ましくは、材料層が、入射光に基づいて可視光を発生させる蛍光体層である。
上記構成によれば、検出すべきスポット光が可視光でなくても、また各光検出素子の検出可能周波数帯域になくても、入射光が材料層に入射して可視光を発生させるので、この可視光が各光検出素子に受光され、検出され得る。従って、入射光が可視光でない例えばＸ線または紫外光あるいは赤外光等であっても、入射光の入射位置及び入射角度が正確に検出される。
【００１４】
本発明による光検出装置は、好ましくは、第一の光センサアレイが、光入射側に光吸収層を備えている。この構成によれば、入射光が第一の光センサアレイに入射する前に、光吸収層を通過し、一部が光吸収層に吸収されることにより、入射光の光強度が調整されるので、各光検出素子には検出に最適な光強度の入射光が入射することになる。従って、各光検出素子による入射光の検出が正確に且つ確実に行なわれる。
【００１５】
本発明による光検出装置は、好ましくは、第一及び第二の光センサアレイが、冷却装置を備えている。この構成によれば、第一及び第二の光センサアレイが冷却装置により冷却されるので、各光検出素子の検出信号における熱雑音が低減されることになり、入射光の入射位置及び入射角度がより正確に検出される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、入射光の入射位置及び入射方向を同時に検出することができるようにした光検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による光検出装置の第一の実施形態における要部の構成を示す概略斜視図である。
【図２】図１の光検出装置を示す拡大断面図である。
【図３】図１の光検出装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図４】図１の光検出装置における光センサアレイに設けられた光検出素子の構成例を示し、（Ａ）は横型の構成例及び（Ｂ）は縦型の構成例である。
【図５】図１の光検出装置におけるスポット状の入射光の強度分布の一例を示すグラフである。
【図６】図１の光検出装置における光センサアレイにドットマトリックス状に設けられた光検出素子のピッチと入射角度分解能との関係を示すグラフである。
【図７】本発明による光検出装置の第二の実施形態の要部を示す図２と同様の拡大断面図である。
【図８】本発明による光検出装置の第三の実施形態の要部を示す図２と同様の拡大断面図である。
【図９】本発明による光検出装置の第四の実施形態の要部を示す図２と同様の拡大断面図である。
【図１０】本発明による光検出装置の第五の実施形態の要部を示す図２と同様の拡大断面図である。
【図１１】本発明による光検出装置の第六の実施形態の要部を示す図２と同様の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１から図３は、本発明による光検出装置１０の第一の実施形態の構成を示している。図１は本発明による光検出装置１０の第一の実施形態における要部の構成を示す概略斜視図、図２は図１の光検出装置１０を示す拡大断面図、図３は図１の光検出装置１０の電気的構成を示すブロック図である。
図１から図３において、光検出装置１０は、第一の光センサアレイ１１と、第二の光センサアレイ１２と、駆動制御部１３と、信号処理部１４と、から構成されている。
【００１９】
第一の光センサアレイ１１は、公知の構成であって、第一の平面内にてそれぞれＸ方向及びＹ方向に並んでマトリックス状に配置された複数個、図示の場合、５×５個の光検出素子１１ａから構成されている。
また、第二の光センサアレイ１２は、同様に公知の構成であって、第一の平面の光入射側と反対側にて所定間隔で平行に隔置された第二の平面内に、同様にマトリックス状に配置された複数個、図示の場合、５×５個の光検出素子１２ａから構成されている。
【００２０】
この場合、第一の光センサアレイ１１は、平行平板状の基板１５の上面に形成されており、また第二の光センサアレイ１２は、この基板１５の下面に形成されている。
ここで、基板１５は、光透過率９０〜７０％程度で屈折率が既知である光透過性材料、例えばＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４等から構成されており、前述した所定間隔ｄに対応する厚さを有している。
【００２１】
そして、基板１５の上面及び下面には、それぞれ第一の光センサアレイ１１及び第二の光センサアレイ１２がそれぞれ半導体プロセスの微細化技術を利用して、高精度で形成される。第一の光センサアレイ１１及び第二の光センサアレイ１２は、例えばガラス基板上に薄膜フォトダイオードとして形成することができる。第一の光センサアレイ１１及び第二の光センサアレイ１２は、半導体基板上に形成されたものを使用し、ガラス基板１５に接着剤等で張り合わせてもよい。
【００２２】
即ち、第一の光センサアレイ１１及び第二の光センサアレイ１２の各光検出素子１１ａ，１２ａは、それぞれ素子ピッチｐで図１のＸ方向及びＹ方向にマトリックス状に並んで、且つ基板１５を挟んで対応する光検出素子１１ａ及び１２ａが互いに垂直に（Ｚ方向に）整合するように位置合わせして配置されている。
これにより、基板１５の上下両面にそれぞれ形成された第一及び第二の光センサアレイ１１，１２は、互いに所定間隔ｄで平行に配置されることになる。
【００２３】
また、各光検出素子１１ａ，１２ａとしては、好ましくは光吸収タイプのｐｎ接合やｐｉｎ接合からなる半導体素子、所謂フォトダイオードまたはバイポーラ型やＭＯＳ型のフォトトランジスタが使用される。半導体素子の材料は、Ｓｉ、ＧｅやＧａＡｓのような化合物半導体や化合物半導体の混晶を用いることができ、使用する光や受光する放射線の波長に応じて選定すればよい。
【００２４】
各光検出素子１１ａ，１２ａの構成例について説明する。
図４は、図１の光検出装置１０における光センサアレイに設けられた光検出素子の構成例を示し、（Ａ）は横型の構成例及び（Ｂ）は縦型の構成例である。
図４（Ａ）に示すように、各光検出素子１１ａ，１２ａは、例えばｎ層の側壁にｐ＋層が形成された横型のｐｎ接合半導体として形成することができる。
さらに、図４（Ｂ）に示すように、ｎ層の上面にｐ＋層が形成された縦型のｐｎ接合半導体として構成してもよい。上記した駆動制御部１３及び信号処理部１４は、個別の集積回路や光センサアレイの周辺回路として形成したものを使用することができる。周辺回路は、ダイオード、ＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＣＭＯＳＦＥＴからなる集積回路で形成することができる。つまり、本発明による光検出装置１０の駆動制御部１３及び信号処理部１４は、フォトダイードマトリクスを有している所謂ＣＭＯＳ型のイメージセンサの製造方法と同様にして作製できる。この場合、駆動制御部１３及び信号処理部１４は、本発明による光検出装置１０の周辺回路として形成することができる。
【００２５】
ここで、光検出装置１０に対して斜め上方から例えば半導体レーザ等のスポット状の光Ｌが入射したとき、図１に示すように、入射光Ｌは、第一の光センサアレイ１１に入射すると共に、その一部Ｌ１が第一の光センサアレイ１１を透過し、基板１５を通って第二の光センサアレイ１２に入射する。このとき、入射光Ｌは、第一の光センサアレイ１１上で入射位置Ｐ１に入射し、また入射光Ｌ１は、第二の光センサアレイ１２上で入射位置Ｐ２に入射する。
【００２６】
駆動制御部１３は、公知の構成であって、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２をそれぞれ駆動することにより、各光検出素子１１ａ，１２ａを順次に動作させ、入射光による検出信号を取り出す。これにより、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２の各光検出素子１１ａ，１２ａの検出信号が後述する信号処理部１４に出力される。
【００２７】
信号処理部１４は、駆動制御部１３を介して入力される第一及び第二の光センサアレイ１１，１２の各光検出素子１１ａ，１２ａの検出信号に基づいて、入射光の入射位置及び入射角度を設定する。
【００２８】
図５は、図１の光検出装置１０におけるスポット状の入射光の強度分布の一例を示すグラフである。図５に示すように、スポット状の入射光Ｌに関して、例えば第一の光センサアレイ１１上における強度分布は、所謂ガウス分布として得られる。従って、信号処理部１４は、互いに隣接する複数個の光検出素子１１ａの検出信号に基づいて、各光検出素子１１ａにおける入射光Ｌの強度分布から、第一の光センサアレイ１１上における入射位置Ｐ１を補間計算により演算することができる。
【００２９】
同様にして、入射光Ｌ１についても、第二の光センサアレイ１２上における入射光Ｌ１の強度分布に基づいて、第二の光センサアレイ１２上における入射位置Ｐ２を補間計算により演算することができる。これにより、光センサアレイ１１，１２の各光検出素子１１ａ，１２ａのピッチより小さな分解能で、入射位置Ｐ１，Ｐ２を設定することが可能である。
【００３０】
さらに、信号処理部１４は、これら二つの入射位置Ｐ１，Ｐ２の間の偏位量、即ちＸＹ方向の距離ΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ２）を演算し、この距離ΔＰと第一及び第二の光センサアレイ１１，１２間の距離ｄから、下記（１）式により入射光Ｌの入射角度θを演算する。
θ＝ａｒｃｔａｎ（ΔＰ／ｄ） （１）
【００３１】
ここで、入射光Ｌの強度分布の半値幅をｗ／２とし、光センサアレイ１１，１２における光検出素子１１ａ，１２ａのピッチをｐとすると、入射光Ｌに対する光検出素子１１ａ，１２ａのピッチｐは、好ましくは下記（２）式及び（３）式となるように設定される。
ｗ／ｐ＞３．５ （２）
ａｒｃｔａｎ（０．１ｐ／ｄ）＜０．５度 （３）
【００３２】
図６は、図１の光検出装置１０における光センサアレイにドットマトリックス状に設けられた光検出素子のピッチと入射角度分解能との関係を示すグラフである。図６に示すように、上記式（１）〜（３）式で演算された入射角度θは、距離ｄ＝１ｍｍとすると、各光検出素子１１ａ，１２ａのピッチｐに対して、図６に示すような角度分解能が得られる。従って、ピッチｐを０．０２０ｍｍとすると、入射角度θに関して、０．１０度の分解能が得られることになる。
【００３３】
本発明の第一の実施形態による光検出装置１０は、以上のように構成されており、次のように動作する。
即ち、駆動制御部１３により第一及び第二の光センサアレイ１１及び１２が動作している状態で、スポット状の入射光Ｌが図１に示すように入射すると、入射光Ｌは、第一の光センサアレイ１１に入射して、その光検出素子１１ａに受光されると共に、その一部Ｌ１が第一の光センサアレイ１１を透過し、さらに基板１５を通って、第二の光センサアレイ１２に入射し、その光検出素子１２ａにより受光される。
このとき、入射光Ｌは、第一の光センサアレイ１１上で入射位置Ｐ１に入射し、また入射光Ｌ１は、第二の光センサアレイ１２上で入射位置Ｐ２に入射する。そして、第一及び第二の光センサアレイ１１及び１２における各光検出素子１１ａ，１２ａは、それぞれ入射光Ｌ，Ｌ１の強度に対応する検出信号を出力し、駆動制御部１３を介して信号処理部１４に出力する。
【００３４】
これにより、信号処理部１４は、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２における各光検出素子１１ａ，１２ａの検出信号に基づいて、各光検出素子１１ａ，１２ａにおける入射光Ｌ，Ｌ１の強度分布から、入射位置Ｐ１及びＰ２を補間計算により演算する。
さらに、信号処理部１４は、演算した入射位置Ｐ１，Ｐ２の間の偏位量、即ちＸＹ方向の距離ΔＰを演算し、さらに入射光Ｌの入射角度θを演算する。これにより、入射光Ｌに関して、その入射位置Ｐ１及び入射角度θが得られることになる。
【００３５】
図７は、本発明による光検出装置２０の第二の実施形態の構成を示している。図７において、光検出装置２０は、図１から図３に示した光検出装置１０とほぼ同じ構成であり、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
光検出装置２０は、図１から図３に示した光検出装置１０とは、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２における各光検出素子１１ａ，１２ａが、それぞれその上側の入射面に、蛍光体層２１，２２を備えている点でのみ異なる構成になっている。
【００３６】
これらの蛍光体層２１，２２は、それぞれ光検出素子１１ａ，１２ａで検出できない波長帯域の光、例えばＸ線，紫外線，赤外線，放射線等の不可視光が入射したとき、励起されて可視光を発生させるような蛍光体が混入された光透過性樹脂材料等から構成されている。
【００３７】
このような構成の光検出装置２０によれば、図１から図３に示した光検出装置１０と同様に作用すると共に、光検出素子１１ａ，１２ａの検出可能な波長帯域にかかわらず、入射光Ｌが可視光でなくても、入射光Ｌの入射位置及び入射角度を検出することができる。
【００３８】
図８は、本発明による光検出装置３０の第三の実施形態の構成を示している。図８において、光検出装置３０は、図１から図３に示した光検出装置１０とほぼ同じ構成であり、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
光検出装置３０は、図１から図３に示した光検出装置１０とは、第一の光センサアレイ１１の上側に、光吸収層３１を備えている点でのみ異なる構成になっている。
【００３９】
この光吸収層３１は、入射光Ｌに対して光吸収特性を備える光吸収材料から構成されており、入射光Ｌの一部を吸収することにより、入射光Ｌの透過率を制御して、第一の光センサアレイ１１に入射する入射光Ｌの強度を調整することができる。
【００４０】
このような構成の光検出装置３０によれば、図１から図３に示した光検出装置１０と同様に作用すると共に、光吸収層３１によって、第一の光センサアレイ１１及び第二の光センサアレイ１２に入射する入射光Ｌ及びＬ１の強度が低減される。
従って、入射光Ｌの強度が光検出素子１１ａ，１２ａの検出可能な強度範囲を超えているような場合でも、光検出素子１１ａ，１２ａに最適な強度の入射光Ｌ，Ｌ１が入射することになり、入射光の入射位置及び入射角度を適正に決定することができる。
【００４１】
図９は、本発明による光検出装置４０の第四の実施形態の構成を示している。図９において、光検出装置４０は、図１から図３に示した光検出装置１０とほぼ同じ構成であり、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。光検出装置４０は、図１から図３に示した光検出装置１０とは、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２の両側に、冷却装置４１が配置されている点でのみ異なる構成になっている。冷却装置４１としては、ペルチェ素子等を用いることができる。
【００４２】
冷却装置４１は、それ自体公知の構成であって、その冷却作用によって、隣接する第一及び第二の光センサアレイ１１，１２を冷却することができる。
【００４３】
このような構成の光検出装置４０によれば、図１から図３に示した光検出装置１０と同様に作用すると共に、使用に伴って発生する熱そして入射光Ｌによる第一及び第二の光センサアレイ１１，１２の温度上昇が抑制され、温度上昇に伴う熱雑音の発生が抑制される。従って、入射光Ｌの入射位置及び入射角度をより正確に決定することができる。
【００４４】
図１０は、本発明による光検出装置５０の第五の実施形態の構成を示している。図１０において、光検出装置５０は、図１から図３に示した光検出装置１０とほぼ同じ構成であり、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
光検出装置５０は、図１から図３に示した光検出装置１０とは、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２が、それぞれ個別の基板５１，５２上に形成されている点でのみ異なる構成になっている。
【００４５】
基板５１，５２は、光検出装置１０における基板１５と同様の光透過性材料から構成されているが、一般的な光センサアレイの基板と同様の厚さを有している。即ち、基板５１，５２を含む第一及び第二の光センサアレイ１１，１２は、互いに同じ構成である。
そして、基板５１，５２は、図示の場合には、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２が互いに所定間隔ｄとなるように、また個々の光検出素子１１ａ，１２ａがＺ方向に整合するように、図示しない支持部材によって互いに平行に支持されている。
【００４６】
このような構成の光検出装置５０によれば、図１から図３に示した光検出装置１０と同様に作用すると共に、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２として、従来からある光センサアレイを利用することにより、光検出装置５０を低コストで容易に構成することができる。ただし、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２の各光検出素子１１ａ，１２ａをＺ方向に正確に整合させて組み立てる必要がある。
【００４７】
図１１は、本発明による光検出装置６０の第六の実施形態の構成を示している。図１１において、光検出装置６０は、図１から図３に示した光検出装置１０とほぼ同じ構成であり、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。
光検出装置６０は、図１から図３に示した光検出装置１０とは、第一及び第二のセンサアレイ１１，１２及び基板１５の代わりに、所謂ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハを利用した光センサデバイス６１を備えている点でのみ異なる構成になっている。
【００４８】
光センサデバイス６１は、例えばｎ型のＳｉ（１００）基板６２の表面にマトリックス状に並んだ複数個のｐ＋層６３を形成することにより、第二の光センサアレイ１１を構成すると共に、基板６２の上方に、基板１５と同様の構成の透明基板６４を形成した後、この透明基板６４の表面に、マトリックス状に並んだ複数個の光検出素子１１ａを形成することにより、構成されている。
ここで、透明基板６４は、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２がＺ方向に所定間隔ｄを有するような厚さに選定されている。透明基板としては、例えば無アルカリガラスやシリカガラスを用いることができる。
【００４９】
このような構成の光検出装置６０によれば、図１から図３に示した光検出装置１０と同様に作用すると共に、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２として、一体化され且つ半導体プロセスにより一つの半導体デバイスとして構成されているので、第一及び第二の光センサアレイ１１，１２において、対応する光検出素子１１ａ，１２ａが互いにＺ方向に高精度で整合して配置され得ることになる。
【００５０】
次に、本発明の光検出装置１０の製造方法について説明する。
先ず光検出装置１０の光センサアレイ１１，１２の製造方法について説明する。
最初に、Ｓｉ等の半導体からなるｎ又はｎ＋基板１５上にｎ層又はｎ層とｉ層とをエピタキシャル成長で形成する。エピタキシャル成長した基板１５にＳｉＯ２からなる酸化膜を形成する。
次に、酸化膜のｐ層を形成する領域だけを、マスク工程と酸化膜のエッチングにより窓開けを行うと共に、ｐ層となる不純物の拡散やイオン注入を行い、酸化膜の形成した窓部を介してｐ層を形成する。そして、基板１５のｎ層及びｐ層に電極を蒸着法により形成する。
【００５１】
次に、周辺回路となる駆動制御部１３及び信号処理部１４の製造方法について説明する。
ｎ＋基板１５上に形成したｎ層又はｉ層にｎ型ＭＯＳＦＥＴを形成するｐウェルを拡散等の工程により形成する。ｐウェルには、ｎ型ＭＯＳＦＥＴを形成する。ｎ層には、ｐ型ＭＯＳＦＥＴを形成する。このようにして、駆動制御部１３及び信号処理部１４をＣＭＯＳ工程により形成することができる。
上記した光センサアレイ１１，１２の電極形成等の工程は、ＣＭＯＳ工程と共通に行うことができるので、同時に実施してもよい。
最後に、基板１５の表面側に保護膜（パッシベーション膜）を形成する。
【００５２】
上記の各材料の堆積には、スパッタ法やＣＶＤ法、ＭＢＥ法、レーザアブレーション法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。所定の形状の電極や配線を形成するためのマスク工程には、光露光やＥＢ露光などを用いることができる。
【００５３】
以上述べたように、本発明によれば、入射光の入射位置及び入射方向を同時に検出することができるようにした、極めて優れた光検出装置１０，２０，３０，４０，５０，６０が提供される。
【００５４】
本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施することができる。例えば、上述した実施形態において、光検出素子１１ａ，１２ａとして、光吸収タイプのｐｎ接合半導体素子またはＭＯＳ型のフォトトランジスタが使用されているが、これに限らず、検出すべき入射光に対して感度を有するものであれば、他の種類の光検出素子、例えばＴＦＴ型フォトトランジスタ等を使用することもできる。
【符号の説明】
【００５５】
１０，２０，３０，４０，５０，６０：光検出装置
１１：第一の光センサアレイ
１１ａ，１２ａ：光検出素子
１１ｂ，１２ｂ：蛍光体層
１２：第二の光センサアレイ
１３：駆動制御部
１４：信号処理部
１５：基板
２１，２２：蛍光体層
３１：光吸収層
４１：冷却装置
５１，５２：基板
６１：光センサデバイス
６２：基板
６３：ｐ＋層
６４：透明基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の平面内にマトリックス状に配置された複数個の光検出素子から成る第一の光センサアレイと、
前記第一の平面の光入射側と反対側にて所定間隔で平行に隔置された第二の平面内にマトリックス状に配置された複数個の光検出素子から成る第二のセンサアレイと、
スポット状の入射光による前記第一及び第二の光センサアレイからの検出信号に基づいて、当該入射光の第一及び第二の光センサアレイ上における入射位置を演算すると共に、演算した入射位置間の偏位量から当該入射光の入射角度を演算して、当該入射光の入射位置及び入射方向を決定する信号処理部と、
を含んでいることを特徴とする、光検出装置。
【請求項２】
前記第一の光センサアレイにおける各光検出素子が、光透過性材料から成る第一の基板上に形成されており、前記第二の光センサアレイにおける各光検出素子が、前記第一の基板と平行に配置された光透過性材料から成る基板上に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記第一の光センサアレイにおける各光検出素子が、光透過性材料から成る平行平板状の基板の上面に形成されており、前記第二の光センサアレイにおける各光検出素子が、前記基板の下面に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記信号処理部が、スポット状の入射光による前記第一及び第二の光センサアレイからの検出信号に基づいて、各光検出素子の検出信号の強度分布から、当該入射光の入射位置を演算することを特徴とする、請求項１から３の何れかに記載の光検出装置。
【請求項５】
前記第一及び第二の光センサアレイにおける各光検出素子が、入射光に基づいて可視光を発生させる材料層を入射面に備えていることを特徴とする、請求項１から４の何れかに記載の光検出装置。
【請求項６】
前記材料層が、入射光に基づいて可視光を発生させる蛍光体層であることを特徴とする、請求項５に記載の光検出装置。
【請求項７】
前記第一の光センサアレイが、光入射側に光吸収層を備えていることを特徴とする、請求項１から６の何れかに記載の光検出装置。
【請求項８】
前記第一及び第二の光センサアレイが、冷却装置を備えていることを特徴とする、請求項１から７の何れかに記載の光検出装置。
【請求項１】
第一の平面内にマトリックス状に配置された複数個の光検出素子から成る第一の光センサアレイと、
前記第一の平面の光入射側と反対側にて所定間隔で平行に隔置された第二の平面内にマトリックス状に配置された複数個の光検出素子から成る第二のセンサアレイと、
スポット状の入射光による前記第一及び第二の光センサアレイからの検出信号に基づいて、当該入射光の第一及び第二の光センサアレイ上における入射位置を演算すると共に、演算した入射位置間の偏位量から当該入射光の入射角度を演算して、当該入射光の入射位置及び入射方向を決定する信号処理部と、
を含んでいることを特徴とする、光検出装置。
【請求項２】
前記第一の光センサアレイにおける各光検出素子が、光透過性材料から成る第一の基板上に形成されており、前記第二の光センサアレイにおける各光検出素子が、前記第一の基板と平行に配置された光透過性材料から成る基板上に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記第一の光センサアレイにおける各光検出素子が、光透過性材料から成る平行平板状の基板の上面に形成されており、前記第二の光センサアレイにおける各光検出素子が、前記基板の下面に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記信号処理部が、スポット状の入射光による前記第一及び第二の光センサアレイからの検出信号に基づいて、各光検出素子の検出信号の強度分布から、当該入射光の入射位置を演算することを特徴とする、請求項１から３の何れかに記載の光検出装置。
【請求項５】
前記第一及び第二の光センサアレイにおける各光検出素子が、入射光に基づいて可視光を発生させる材料層を入射面に備えていることを特徴とする、請求項１から４の何れかに記載の光検出装置。
【請求項６】
前記材料層が、入射光に基づいて可視光を発生させる蛍光体層であることを特徴とする、請求項５に記載の光検出装置。
【請求項７】
前記第一の光センサアレイが、光入射側に光吸収層を備えていることを特徴とする、請求項１から６の何れかに記載の光検出装置。
【請求項８】
前記第一及び第二の光センサアレイが、冷却装置を備えていることを特徴とする、請求項１から７の何れかに記載の光検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−４７６５８（Ｐ２０１３−４７６５８Ａ）
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８６６２８（Ｐ２０１１−１８６６２８）
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【出願人】（５９５１１５５９２）学校法人鶴学園 (39)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【出願人】（５９５１１５５９２）学校法人鶴学園 (39)
【Ｆターム（参考）】
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