CN113410752A - 激光元件阵列、发光及光学装置、测量及信息处理装置 - Google Patents

激光元件阵列、发光及光学装置、测量及信息处理装置 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种激光元件阵列、发光及光学装置、测量及信息处理装置。面发光激光元件阵列呈二维状地排列有多个面发光激光元件群，所述多个面发光激光元件群分别包含多个面发光激光元件，且能够彼此独立驱动，所述面发光激光元件阵列中，在排列有所述多个面发光激光元件群的排列区域中，沿着第一方向配置的面发光激光元件群的数量比沿着与所述第一方向正交的第二方向配置的面发光激光元件群的数量多，由所述多个面发光激光元件群所照射的照射区域的形状为将所述第一方向作为长边的形状，比起所述照射区域的纵横比，排列有所述多个面发光激光元件群的所述排列区域的纵横比更接近1：1。

Description

激光元件阵列、发光及光学装置、测量及信息处理装置
技术领域
本公开涉及一种激光元件阵列、发光及光学装置、测量及信息处理装置。
背景技术
日本专利特开平01-238962号公报中，记载了一种发光元件阵列(array)，其构成为，将能从外部通过光来控制阈值电压或阈值电流的多个发光元件呈一维、二维或三维排列，使从各发光元件产生的光的至少一部分入射至各发光元件附近的其他发光元件，并将从外部施加电压或电流的时钟线(clock line)连接于各发光元件。
日本专利特开2001-308385号公报中，记载了一种自扫描型发光装置，其构成pnpnpn六层半导体结构的发光元件，在两端的p型第一层与n型第六层、以及中央的p型第三层及n型第四层设置电极，使pn层负责发光二极管功能，使pnpn四层负责晶闸管(thyristor)功能。
日本专利特开2009-286048号公报中，记载了一种自扫描型的光源头(head)，其包括：基板；面发光型半导体激光器，呈阵列状地配设在基板上；以及作为开关元件的晶闸管，排列在基板上，使所述面发光型半导体激光器的发光选择性地开启/关闭。
发明内容
在基于依据光的飞行时间的所谓飞行时间(Time of Flight，ToF)法来进行被测量物的三维形状的测量时，有时从多个面发光激光元件群对被测量物照射光。
本公开的目的在于，在将从呈二维状排列且能够彼此独立驱动的多个面发光激光元件群出射的光经由圆形的光学元件而照射至沿第一方向具有长边的形状的照射区域的结构中，与将多个面发光激光元件群配置成跟照射区域相似的形状的情况相比，有效利用圆形的光学元件的尺寸。
根据本公开的第一方案，提供一种面发光激光元件阵列，呈二维状地排列有多个面发光激光元件群，所述多个面发光激光元件群分别包含多个面发光激光元件，且能够彼此独立驱动，所述面发光激光元件阵列中，在排列有所述多个面发光激光元件群的排列区域中，沿着第一方向配置的面发光激光元件群的数量比沿着与所述第一方向正交的第二方向配置的面发光激光元件群的数量多，由所述多个面发光激光元件群所照射的照射区域的形状为将所述第一方向作为长边的形状，比起所述照射区域的纵横比，排列有所述多个面发光激光元件群的所述排列区域的纵横比更接近1：1。
根据本公开的第二方案，所述排列区域的所述第一方向的长度为所述排列区域的所述第二方向的长度的0.8倍以上且1.2倍以下。
根据本公开的第三方案，所述排列区域的所述第一方向的长度为所述排列区域的所述第二方向的长度的0.9倍以上且1.1倍以下。
根据本公开的第四方案，所述排列区域的所述第一方向的长度为所述排列区域的所述第二方向的长度的0.95倍以上且1.05倍以下。
根据本公开的第五方案，就各个所述面发光激光元件群中的所述多个面发光激光元件而言，沿着所述第二方向配置的数量比沿着所述第一方向配置的数量多。
根据本公开的第六方案，所述多个面发光激光元件群形成在共同的半导体基板上。
根据本公开的第七方案，所述多个面发光激光元件群的各个面发光激光元件群中的所述多个面发光激光元件彼此并联连接。
根据本公开的第八方案，具有独立地驱动所述多个面发光激光元件群的各个面发光激光元件群的驱动部。
根据本公开的第九方案，所述驱动部使所述多个面发光激光元件群的各个面发光激光元件群依序发光。
根据本公开的第十方案，提供一种发光装置，包括：所述面发光激光元件阵列；以及圆形的光学元件，具有包含所述面发光激光元件阵列中所含的多个面发光激光元件群的大小，且设在所述多个面发光激光元件群的出射路径上。
根据本公开的第十一方案，所述光学元件是使从所述多个面发光激光元件群出射的光的扩展角变窄的透镜。
根据本公开的第十二方案，所述发光装置包括扩散构件，所述扩散构件使从所述多个面发光激光元件群出射且透过了所述光学元件的光扩散而出射。
根据本公开的第十三方案，所述发光装置包括衍射构件，所述衍射构件使从所述多个面发光激光元件群出射且透过了所述光学元件的光衍射而出射。
根据本公开的第十四方案，提供一种光学装置，包括：所述发光装置；以及受光部，接收从所述发光装置所包括的多个面发光激光元件群出射且由被测量物予以反射的反射光。
根据本公开的第十五方案，提供一种测量装置，包括：所述光学装置；以及三维形状确定部，基于从自所述光学装置所包括的多个面发光激光元件群出射直至被所述光学装置所包括的受光部接收为止的时间，来测量三维形状，从而确定被测量物的三维形状。
根据本公开的第十六方案，提供一种信息处理装置，包括：所述测量装置；以及认证处理部，基于所述测量装置所包括的三维形状确定部中的确定结果，进行与自身装置的使用相关的认证处理。
(效果)
根据所述第一方案，与将多个面发光激光元件群配置成跟照射区域相似的形状的情况相比，能够有效地利用圆形的光学元件的尺寸。
根据所述第二方案，与排列区域的第一方向的长度小于第二方向的长度的0.8倍或超过1.2倍的情况相比，能够有效地利用圆形的光学元件的尺寸。
根据所述第三方案，与排列区域的第一方向的长度小于第二方向的长度的0.9倍或超过1.1倍的情况相比，能够更有效地利用圆形的光学元件的尺寸。
根据所述第四方案，与排列区域的第一方向的长度小于第二方向的长度的0.95倍或超过1.05倍的情况相比，能够进一步有效地利用圆形的光学元件的尺寸。
根据所述第五方案，与各个面发光激光元件群中的多个面发光激光元件沿着第二方向配置的数量比沿着第一方向配置的数量少的情况相比，能将面发光激光元件排列成能够有效地利用圆形的光学元件的尺寸。
根据所述第六方案，与多个面发光激光元件群未形成在共同的半导体基板上的情况相比，能够使发光装置小型化。
根据所述第七方案，与面发光激光元件群中的多个面发光激光元件未彼此并联连接的情况相比，可抑制发光特性受损的情况。
根据所述第八方案，与不具有独立地驱动面发光激光元件群的驱动部的情况相比，面发光激光元件群的驱动变得容易。
根据所述第九方案，与不使面发光激光元件群依序发光的情况相比，面发光激光元件群的点亮控制变得容易。
根据所述第十方案，与不包括圆形的光学元件的情况相比，照射至照射区域的光的控制变得容易。
根据所述第十一方案，与光学元件并非透镜的情况相比，发光装置的构成变得容易。
根据所述第十二方案，与不包括扩散构件的情况相比，可获得宽广的照射区域。
根据所述第十三方案，与不包括衍射构件的情况相比，可获得宽广的照射区域。
根据所述第十四方案，可提供能够进行三维测量的光学装置。
根据所述第十五方案，可提供能够测量三维形状的测量装置。
根据所述第十六方案，可提供搭载有基于三维形状的认证处理的信息处理装置。
附图说明
图1是表示信息处理装置的一例的图。
图2是说明信息处理装置的结构的框图。
图3是说明通过发光装置来朝向被测量物照射光的状态的图。
图4的(a)及图4的(b)是说明发光装置的图。图4的(a)是发光装置的平面图，图4的(b)是图4的(a)的IVB-IVB线上的发光装置的剖面图。
图5的(a)及图5的(b)是表示适用第一实施方式的发光装置的排列区域、与用于比较的未适用第一实施方式的发光装置的排列区域的图。图5的(a)是适用第一实施方式的发光装置的排列区域，图5的(b)是未适用第一实施方式的发光装置的排列区域。
图6是适用第一实施方式的发光装置中的垂直腔面发射激光器(Vertical CavitySurface Emitting Laser，VCSEL)阵列的等效电路的一例。
图7是表示适用第一实施方式的VCSEL阵列的平面布局的一例的图。
图8是表示VCSEL阵列的剖面结构的图。
图9的(a)至图9的(c)是进一步说明设定晶闸管与VCSEL的层叠结构的图。图9的(a)是设定晶闸管与VCSEL的层叠结构中的示意性的能带(energy band)图，图9的(b)是隧穿结层在反偏压状态下的能带图，图9的(c)表示隧穿结层的电流电压特性。
图10是表示对VCSEL阵列中的VCSEL群的发光/非发光进行控制的时间图的一例的图。
图11是对适用第一实施方式的VCSEL阵列中的VCSEL群的排列进行说明的图。
图12是对用于比较的未适用第一实施方式的VCSEL阵列中的VCSEL群的排列进行说明的图。
图13是对适用第二实施方式的VCSEL阵列中的VCSEL群的排列进行说明的图。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本公开的实施方式。
对于对被测量物的三维形状进行测量的测量装置，有基于依据光的飞行时间的所谓飞行时间(Time of Flight，ToF)法来测量三维形状的装置。ToF法中，对从自测量装置所包括的发光装置出射光的时机，直至所照射的光由被测量物予以反射而被测量装置所包括的三维传感器(以下记作3D传感器)接收的时机为止的时间进行测量，根据所测量的三维形状来确定被测量物的三维形状。另外，将测量三维形状的对象记作被测量物。有时将三维形状记作三维像。而且，有时将记作三维形状的操作记作三维测量、3D测量或3D感知。
此种测量装置是搭载在移动信息处理装置等中，被利用于想要访问的用户的面部认证等。以往，在移动信息处理装置等中，使用通过密码、指纹、虹膜等来认证用户的方法。近年来，正寻求安全性更高的认证方法。因此，正逐渐在移动信息处理装置中搭载测量三维形状的测量装置。即，获取进行访问的用户的面部的三维形状，识别是否被允许访问，仅在认证为是被允许访问的用户的情况下，才允许自身装置(移动信息处理装置)的使用。
此处，设信息处理装置是作为一例的移动信息处理终端来进行说明，且设通过识别被捕捉为三维形状的面部形状来认证用户而进行说明。另外，信息处理装置可适用于移动信息处理终端以外的个人计算机(Personal Computer，PC)等信息处理装置。
本实施方式中说明的结构、功能、方法等也可适用于将面部以外作为被测量物，根据所测量的三维形状来识别被测量物的情况。而且，此种测量装置也适用于扩展现实(Augmented Reality，AR)等持续测量被测量物的三维形状的情况。而且，不论直至被测量物为止的距离。
[第一实施方式]
(信息处理装置1)
图1是表示信息处理装置1的一例的图。如前所述，作为一例，信息处理装置1为移动信息处理终端。
信息处理装置1包括用户接口部(以下记作UI部)2与测量三维形状的光学装置3。UI部2例如是将对用户显示信息的显示设备、与通过用户的操作来输入对信息处理的指示的输入设备一体化而构成。显示设备例如为液晶显示器或有机电致发光(Electroluminescence，EL)显示器，输入设备例如为触控面板(touch panel)。
光学装置3包括发光装置4与三维传感器(以下记作3D传感器)5。发光装置4朝向被测量物、此处的示例中为面部照射光。3D传感器5获取发光装置4照射并被面部反射而返回的光。此处，设基于依据光的飞行时间的所谓的ToF法来测量三维形状。并且，根据三维形状来确定面部的三维形状。如上所述，也可将面部以外作为被测量物，来测量三维形状。3D传感器5是受光部的一例。
信息处理装置1构成为包含中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等的计算机。另外，ROM包含非易失性的可重写的存储器，例如快闪存储器(flash memory)。并且，通过将储存在ROM中的程序或常数在RAM中展开，并由CPU来执行程序，从而信息处理装置1运行，以执行各种信息处理。
图2是说明信息处理装置1的结构的框图。
信息处理装置1包括所述光学装置3、测量控制部8及系统控制部9。测量控制部8控制光学装置3。并且，测量控制部8包含三维形状确定部8A。系统控制部9将信息处理装置1整体作为系统来进行控制。并且，系统控制部9包含认证处理部9A。并且，在系统控制部9，连接有UI部2、扬声器9B、二维摄像机(图2中记作2D摄像机)9C等。
测量控制部8所包括的三维形状确定部8A根据来自被测量物的反射光来测量三维形状，从而确定被测量物的三维形状。系统控制部9所包括的认证处理部9A根据由三维形状确定部8A所确定的三维形状来识别是否被允许访问，对被允许访问的用户进行认证。
图2中，测量装置6包括光学装置3与测量控制部8。
(发光装置4)
图3是说明通过发光装置4来朝向被测量物照射光的状态的图。此处，发光装置4表示了从与出射光的侧为相反侧(将其记作背侧)观察的状态。发光装置4与照射区域40是以相向的方式而配置，但在图3中，沿纸面的上下方向错开地表示了发光装置4与照射区域40。另外，所谓照射区域40，是指发光装置4所出射的光的方向的一定距离上的、与光的方向正交的面，且是发光装置4所出射的光朝向被测量物而照射的区域。此处，将纸面的左方向设为x方向，将纸面的上方向设为y方向，将纸面的背侧方向设为z方向。
照射区域40的x方向为长度Sx，y方向为长度Sy。并且，x方向的长度Sx比y方向的长度Sy大(Sx＞Sy)。即，照射区域40是将x方向作为长边方向的形状。
如后所述，发光装置4是由包含多个面发光激光元件的面发光激光元件群在排列区域100中呈二维状排列而构成。排列区域100的x方向为长度Lx，y方向为长度Ly。并且，x方向的长度Lx与y方向的长度Ly之比即排列区域100的纵横比被设定为接近1：1。另外，x方向的长度Lx只要是y方向的长度Ly的0.8倍以上且1.2倍以下即可。而且，x方向的长度Lx为y方向的长度Ly的0.9倍以上且1.1倍以下更佳。并且，x方向的长度Lx为y方向的长度Ly的0.95倍以上且1.05倍以下进而更佳。
如以上所说明的那样，发光装置4中的排列有面发光激光元件群的排列区域100的形状被设定为，与照射区域40的形状不相似而不同。另外，x方向是第一方向的一例，y方向是与第一方向正交的第二方向的一例。
图4的(a)及图4的(b)是说明发光装置4的图。图4的(a)是发光装置4的平面图，图4的(b)是图4的(a)的IVB-IVB线上的发光装置4的剖面图。图4的(a)中，与图3不同，发光装置4表示了从出射光的一侧(将其记作表侧)观察的状态。因而，纸面的右方向为x方向，纸面的上方向为y方向，纸面的表方向为z方向。所谓平面图，是指从+z方向侧观察发光装置4的图。而且，在图4的(b)中，纸面的右方向为x方向，纸面的上方向为y方向，纸面的背方向为z方向。
如图4的(b)所示，发光装置4从下侧(-y方向侧)起包括面发光激光元件阵列10、聚光透镜60与扩散构件30。
面发光激光元件阵列10包括多个面发光激光元件。此处，作为一例，面发光激光元件为垂直腔面发射激光器VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)。以下，设发光元件为垂直腔面发射激光器VCSEL来进行说明。并且，将垂直腔面发射激光器VCSEL记作VCSEL。因而，将面发光激光元件阵列10记作VCSEL阵列10。图4的(b)中，示意性地对光标注斜线而示。
如图4的(a)所示，由多个面发光激光元件(VCSEL)构成面发光激光元件群。另外，将面发光激光元件群记作VCSEL群。排列有VCSEL群的区域为排列区域100。此处，如图4的(a)所示，构成包含七个VCSEL的八个VCSEL群。另外，在区分各VCSEL群的情况下，记作VCSEL群#1～VCSEL群#8。VCSEL群被排列成，在x方向上排列四个，在y方向上排列两个。即，在排列区域100中排列的VCSEL群的x方向的数量比y方向的数量多。
并且，各VCSEL群中的七个VCSEL在x方向上排列有两个，在y方向上排列有四个。在各VCSEL群中，在纸面的右上侧未设VCSEL。这是为了设置p型欧姆电极(参照后述的图8)。另外，也可使设置p型欧姆电极的位置错开地设置VCSEL。因而，设为在x方向上配置有两个，在y方向上配置有四个。即，在各VCSEL群中，VCSEL的y方向的数量比x方向的数量多。
此处，在将各VCSEL群的VCSEL记作VCSELij(i、j≧1)的情况下，“i”为VCSEL群的编号，“j”为VCSEL群内的VCSEL的编号。此处，VCSEL群#1包括VCSEL11～VCSEL17。如图4的(a)的VCSEL群#1所示，在各VCSEL群中，j为1～3的VCSELij与j为4～8的VCSELij沿-y方向排列。并且，j为1～3的VCSELij与j为4～8的VCSELij沿-x方向并列排列。此时，VCSELi1与VCSELi5、VCSELi2与VCSELi6、VCSELi3与VCSELi7被排列成沿x方向排列。
本说明书中，“～”表示通过编号而分别区分的多个构成元件，包含以“～”的前后记载的元件及其中间编号的元件。例如，VCSEL11～VCSEL17包含从VCSEL11沿着编号顺序直至VCSEL17为止。
如图4的(b)所示，聚光透镜60被设在各VCSEL所出射的光的路径(有时记作出射路径)上，使各VCSEL所出射的光的扩展角缩窄而入射至扩散构件30。扩散构件30被设计成，在有平行光入射的情况下，具有预先规定的功能。VCSEL出射具有根据结构而定的扩展角的光。因而，即便使VCSEL所出射的光直接入射至扩散构件30，扩散构件30也不会发挥所设计的功能。因而，通过聚光透镜60来使VCSEL所出射的光的扩展角缩窄而入射至扩散构件30。另外，所谓扩展角，是指VCSEL所出射的光的半峰全宽(Full Width at Half Maximum，FWHM)。聚光透镜60为光学元件的一例。
聚光透镜60例如是-y方向侧为平坦的平凸透镜，x方向为长度Cx，y方向为长度Cy。此处设为x方向的长度Cx与y方向的长度Cy相同的圆形(Cx＝Cy)。另外，所谓圆形，例如包含x方向的长度Cx为y方向的长度Cy的0.95倍且1.05倍的椭圆形的情况。椭圆的长轴并不限于为x方向或y方向的情况。聚光透镜60为透镜的一例，并不限于平凸透镜。
扩散构件30例如包括在两面为平行且平坦的玻璃基材的背面(-z方向)侧形成有用于使光扩散的凹凸的树脂层。扩散构件30被设在经由聚光透镜60而出射的各VCSEL的出射路径上，使入射的光的扩展角扩展而将光出射至照射区域40。即，扩散构件30通过形成于树脂层的凹凸来使光折射或散射，使入射的光扩展而出射至照射区域40。扩散构件30的x方向为长度Dx，y方向为长度Dy。
另外，也可取代扩散构件30而为衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)等衍射构件，所述衍射光学元件使光朝与入射的光的方向不同的方向变化而出射。
图4的(b)中省略了图示，但VCSEL阵列10设在未图示的电路基板上，通过设在电路基板上的未图示的保持构件，从VCSEL阵列10隔开预先规定的距离来保持聚光透镜60及扩散构件30。
如图4的(a)所示，VCSEL的排列区域100被设定为纵横比接近1：1。并且，以包含排列区域100的方式而设有聚光透镜60。借此，将有效地使用圆形的聚光透镜60的面积(有时记作尺寸)。如上所述，在各VCSEL群中，将VCSEL配置成y方向的数量比x方向的数量多，且将VCSEL群配置成x方向的数量比y方向的数量多。由此，排列区域100的纵横比接近1：1。
图5的(a)及图5的(b)是表示适用第一实施方式的发光装置4的排列区域100、与用于比较的未适用第一实施方式的发光装置4′的排列区域100′的图。图5的(a)是适用第一实施方式的发光装置4的排列区域100，图5的(b)是未适用第一实施方式的发光装置4′的排列区域100′。图5的(a)及图5的(b)与图3同样，沿纸面的上下方向错开地表示了发光装置4、发光装置4′与照射区域40。进而，在发光装置4、发光装置4′中，分开表示了扩散构件30。另外，设发光装置4、发光装置4′均包括八个VCSEL群(VCSEL群#1～VCSEL群#8)。
在适用第一实施方式的发光装置4与未适用第一实施方式的发光装置4′中，照射区域40相同。即，照射区域40是x方向的长度Sx比y方向的长度Sy大的、将x方向作为长边的形状。
图5的(a)所示的、适用第一实施方式的发光装置4中，排列区域100的纵横比(长度Lx：长度Ly)被设成接近1：1。即，照射区域40与排列区域100并非相似形。此时，VCSEL群#1的排列区域110的形状与由VCSEL群#1所照射的照射区域41的形状并非相似形。
另一方面，图5的(b)所示的、未适用第一实施方式的发光装置4′中，排列区域100′是与照射区域40设为相似形。即，在排列区域100′的x方向为长度Lx′，y方向为长度Ly′的情况下，将比例系数设为k，排列区域100′的x方向的长度Lx′为Sx/k，排列区域100′的y方向的长度Ly′为Sy/k。此时，VCSEL群#1的排列区域110′的形状与由VCSEL群#1所照射的照射区域41的形状为相似形。于是，如图5的(b)所示，圆形的聚光透镜60′的上下方向的部分未被利用。因此，若设排列区域100′的面积与排列区域100的面积相同，则将使用比适用第一实施方式的发光装置4的聚光透镜60大的聚光透镜60′。
如以上所说明的那样，适用第一实施方式的发光装置4与未适用第一实施方式的发光装置4′相比，有效地利用了聚光透镜60的面积。
(VCSEL阵列10的等效电路)
图6是适用第一实施方式的发光装置4中的VCSEL阵列10的等效电路的一例。此处，一并表示了对VCSEL阵列10的动作进行控制的控制部50。纸面的左方向为y方向。另外，控制部50被设在图2中的测量控制部8。
VCSEL阵列10包括多个VCSEL。作为一例，与图4的(a)同样地，由七个VCSEL构成一个VCSEL群。图6中，表示了四个VCSEL群(VCSEL群#1～VCSEL群#4)。
并且，VCSEL阵列10针对每个VCSEL群而包括设定晶闸管S。VCSEL群与设定晶闸管S为串联连接。并且，对于设定晶闸管S，也标注VCSEL群的编号即“i”。即，VCSEL群#1所包括的设定晶闸管S为设定晶闸管S1。
VCSEL阵列10还包括多个传送晶闸管T、多个耦合二极管D、多个电源线电阻Rg、启动二极管(start diode)SD以及限流电阻R1、R2。此处，在分别区分多个传送晶闸管T的情况下，如传送晶闸管T1、T2、T3、…那样，标注VCSEL群的编号即“i”来区分。耦合二极管D、电源线电阻Rg也同样。如后所述，例如，传送晶闸管T1是以与VCSEL群#1对应的方式而设。
图6表示了i与1～4对应的部分。VCSEL阵列10中的“i”也可为预先规定的数量。例如可为128个、512个、1024个等。传送晶闸管T的数量只要与VCSEL群的数量相同即可。另外，传送晶闸管T的数量既可超过VCSEL群的数量，也可少于VCSEL群的数量。
传送晶闸管T是依照传送晶闸管T1、T2、T3、…的顺序而沿-y方向排列。耦合二极管D是依照耦合二极管D1、D2、D3、…的顺序而沿-y方向排列。另外，耦合二极管D1是设在传送晶闸管T1与传送晶闸管T2之间。其他耦合二极管D也同样。而且，电源线电阻Rg也是依照电源线电阻Rg1、Rg2、Rg3、…的顺序而沿-y方向排列。
VCSEL、耦合二极管D是具备阳极与阴极的双端子元件。设定晶闸管S、传送晶闸管T是具备阳极、阴极、栅极的三端子元件。另外，将传送晶闸管T的栅极设为栅极Gt，将设定晶闸管S的栅极设为栅极Gs。另外，在分别区分的情况下，与前述同样地标注“i”。
此处，将包含VCSEL的部分设为发光部12，将包含设定晶闸管S、传送晶闸管T、耦合二极管D、启动二极管SD、电源线电阻Rg、限流电阻R1、R2的部分设为驱动部11。
接下来，对各元件(VCSEL、设定晶闸管S、传送晶闸管T等)的连接关系进行说明。
如前所述，VCSELij与设定晶闸管Si是串联连接。即，设定晶闸管Si的阳极连接于基准电位Vsub(接地电位(GND)等)，阴极并联连接于VCSELij的阳极。
VCSELij的阴极共同连接于供给将VCSELij控制为发光/非发光状态的点亮信号φI的点亮信号线76。
基准电位Vsub如后所述，是经由背面电极90(参照后述的图7、图8)而供给，所述背面电极90设在构成VCSEL阵列10的基板80的背面。
传送晶闸管T的阳极连接于基准电位Vsub。奇数号的传送晶闸管T1、T3的阴极连接于传送信号线72。传送信号线72经由限流电阻R1而连接于φ1端子。
偶数号的传送晶闸管T2、T4、…的阴极连接于传送信号线73。传送信号线73经由限流电阻R2而连接于φ2端子。
耦合二极管D彼此串联连接。即，一个耦合二极管D的阴极连接于在-y方向上邻接的耦合二极管D的阳极。启动二极管SD的阳极连接于传送信号线73，阴极连接于耦合二极管D1的阳极。
并且，启动二极管SD的阴极与耦合二极管D1的阳极连接于传送晶闸管T1的栅极Gt1。耦合二极管D1的阴极与耦合二极管D2的阳极连接于传送晶闸管T2的栅极Gt2。其他耦合二极管D也同样。
传送晶闸管T的栅极Gt经由电源线电阻Rg而连接于电源线71。电源线71连接于Vgk端子。
并且，传送晶闸管Ti的栅极Gti连接于设定晶闸管Si的栅极Gsi。
对控制部50的结构进行说明。
控制部50生成点亮信号φI等信号并供给至VCSEL阵列10。VCSEL阵列10根据所供给的信号来进行动作。控制部50包含电子电路。例如，控制部50也可以是为了控制VCSEL阵列10的运行而构成的集成电路(Integrated Circuit，IC)。
控制部50包括传送信号生成部51、点亮信号生成部52、电源电位生成部53及基准电位生成部54。
传送信号生成部51生成传送信号φ1、φ2，将传送信号φ1供给至VCSEL阵列10的φ1端子，将传送信号φ2供给至VCSEL阵列10的φ2端子。
点亮信号生成部52生成点亮信号φI，并经由限流电阻RI而供给至VCSEL阵列10的φI端子。另外，限流电阻RI也可设在VCSEL阵列10内。而且，VCSEL阵列10的动作不需要限流电阻RI的情况下，也可不设限流电阻RI。
电源电位生成部53生成电源电位Vgk，并供给至VCSEL阵列10的Vgk端子。基准电位生成部54生成基准电位Vsub，并供给至VCSEL阵列10的Vsub端子。作为一例，电源电位Vgk为-3.3V。如前所述，作为一例，基准电位Vsub为接地电位(GND)。
对于传送信号生成部51所生成的传送信号φ1、φ2与点亮信号生成部52所生成的点亮信号φI将后述。
图6所示的VCSEL阵列10中，七个VCSELij(j＝1～7)作为VCSEL群，经由设定晶闸管Si而连接至一个传送晶闸管Ti。
如后所述，通过传送晶闸管Ti成为导通状态，从而将连接于传送晶闸管Ti的设定晶闸管Si设定为可转变为导通状态。因而，由于将VCSEL设定为可发光的状态，因此记作设定晶闸管S。而且，当设定晶闸管Si变为导通状态时，VCSELij发光。另外，传送晶闸管Ti受到驱动，以按照“i”的顺序来传送导通状态。即，在传送晶闸管Ti中，导通状态依序传播。由此，传送晶闸管Ti使VCSEL群依序点亮。
此处，由多个VCSEL构成一个VCSEL群。并且，在每个传送晶闸管T，连接有VCSEL群，VCSEL群中所含的多个VCSEL并行地发光。
另外，图6所示的示例中，各VCSEL群包括相同数量(此处为七个)的VCSEL，但VCSEL群间的VCSEL的数量也可不同。
VCSEL以低次的单横模(单模(single mode))来振荡为佳。在单模下，从VCSEL的发光点(后述的图8的光出射口310)出射的光(出射光)的强度轮廓为单峰性(强度波峰为一个的特性)。另一方面，在以包含高次的多横模(多模(multi mode))来振荡的VCSEL中，强度轮廓容易变形，例如变成多峰等。而且，在单模下，与多模相比，从发光点出射的光(出射光)的扩展角小。
并且，发光点的面积越小，VCSEL越容易以单横模(单模)来振荡。因此，单模的VCSEL的光输出小。若想要增大光输出而加大发光点的面积，则容易转变为多模。因此，将多个VCSEL设为VCSEL群，使VCSEL群中所含的多个VCSEL并行地发光，借此来增大光输出。
(VCSEL阵列10的平面布局)
图7是表示适用第一实施方式的VCSEL阵列10的平面布局的一例的图。在图7中，纸面的上方向为x方向，左方向为y方向。
VCSEL阵列10包含可出射激光的半导体材料。例如，VCSEL阵列10包含GaAs系化合物半导体。并且，如后述的剖面图(参照后述的图8)所示，VCSEL阵列10是通过在p型的GaAs的基板80上，将层叠有多个GaAs系的化合物半导体层的半导体层层叠体分离为多个岛状而构成。另外，呈岛状残留的区域被记作岛部(island)。将半导体层层叠体蚀刻(etching)成岛状而将元件分离的操作被记作台面蚀刻(mesa etching)。此处，通过图7所示的岛部301～岛部306来说明VCSEL阵列10的平面布局。另外，岛部301、岛部302、岛部303对针对每个VCSEL群而设。因而，在针对每个VCSEL群来区分岛部301、岛部302、岛部303的情况下，有时与前述同样地标注“i”而记作岛部301-i、岛部302-i、岛部303-i。另外，图7中，表示了i为1～8的部分。而且，与前述同样地将VCSEL群中的VCSEL的数量记作“j”。此处，j为1～7。这样，VCSEL阵列10构成在共同的半导体基板上。因而，发光装置4得以小型化。
在岛部301-i，设有VCSELij、设定晶闸管Si。另外，如后述的图8所示，VCSELij与设定晶闸管Si经层叠。另外，图7中，将VCSELij与设定晶闸管Si记作VCSELij/Si。例如，在“i”为1的情况下，记作VCSEL1j/S1。i为1～4的岛部301-i与i为5～8的岛部301-i沿-x方向并列地排列。并且，i为1～4的岛部301-i与i为5～8的岛部301-i沿-y方向并列地排列。
另外，岛部301-i中，如图4的(a)中的VCSEL群#1所示，排列有七个VCSEL。另外，未标注符号。
在岛部302-i设有传送晶闸管Ti及耦合二极管Di。岛部302-i是以沿-y方向排列的方式而设。
在岛部303-i，设有电源线电阻Rgi。岛部303-i是以沿-y方向排列的方式而设。
在岛部304，设有启动二极管SD。在岛部305，设有电流限制电阻R1，在岛部306，设有电流限制电阻R2。
(VCSEL阵列10的剖面结构)
接下来，在说明这些岛部301～岛部306的连接关系之前，说明岛部301、岛部302的剖面结构。
图8是表示VCSEL阵列10的剖面结构的图。另外，图8是图7中的VIII-VIII线上的VCSEL阵列10的剖面图。即，图8所示的剖面图是在纸面上，从左侧横切耦合二极管D1、传送晶闸管T1、VCSEL11/S1、VCSEL12/S1的剖面。即，表示了岛部301-1与岛部302-1的部分。
首先，对设有设定晶闸管S与VCSEL的岛部301-1进行说明。此处，设定晶闸管S与VCSEL是层叠地构成(VCSEL11/S1、VCSEL12/S1)。如图8所示，在p型的GaAs的基板80上，层叠有构成设定晶闸管S1的p型的阳极层(以下记作p阳极层，以下同样)81、n型的栅极层(n栅极层)82、p型的栅极层(p栅极层)83、n型的阴极层(n阴极层)84。即，设定晶闸管S1是将p阳极层81作为阳极，n栅极层82作为n栅极，p栅极层83作为p栅极，n阴极层84作为阴极而构成。
接下来，在n阴极层84上层叠有隧穿结层85。
并且，在隧穿结层85上，层叠有构成VCSEL11、VCSEL12的p型的阳极层(p阳极层)86、发光层87、n型的阴极层(n阴极层)88。即，VCSEL是将p阳极层86作为阳极，发光层87作为发光层，n阴极层88作为阴极而构成。
设定晶闸管S1与VCSEL11、VCSEL12经由隧穿结层85而串联连接。对于隧穿结层85将后述。
在VCSEL11及VCSEL12的部分，通过蚀刻而去除了n阴极层88、发光层87、p阳极层86，以使VCSEL周围的隧穿结层85露出。此处，VCSEL的剖面形状呈圆形。即，VCSEL的部分形成为圆柱状。因而，将VCSEL的部分记作柱部(post)311(参照图7)。
构成设定晶闸管S的p阳极层81、n栅极层82、p栅极层83、n阴极层84、隧穿结层85在属于VCSEL群#1的VCSEL(VCSEL11～VCSEL17)间连续。
而且，在岛部301-1，进而在去除了隧穿结层85与n阴极层84而使p栅极层83露出的部分，设有p欧姆电极331以作为设定晶闸管S1的栅极Gs1，所述p欧姆电极331包含容易与p栅极层83等p型半导体层形成欧姆接触的金属材料。
在VCSEL的n阴极层88上，设有n欧姆电极321，所述n欧姆电极321包含易与n阴极层88等n型半导体层形成欧姆接触的金属材料。另外，n欧姆电极321以围绕光出射口310的方式而设为圆形(参照图7)。
柱部311的p阳极层86包含电流狭窄层86b。此处，作为一例，p阳极层86包含下侧p阳极层86a、电流狭窄层86b、上侧p阳极层86c这三层。电流狭窄层86b是指如下所述的层，即，其包含如AlAs那样Al的组合比高的材料，通过氧化，Al变成Al2O3，由此，电阻变高，从而形成电流难以流动的部分(图8中的涂黑部分)。
柱部311是呈圆柱状设置，因此当从露出的p阳极层86的侧面进行电流狭窄层86b的氧化时，从圆形剖面的周边部朝向中心部推进氧化。并且，通过不使中心部氧化，从而VCSEL的剖面的中心部成为电流易流动的电流通过区域86d，周边部成为电流难以流动的电流阻止区域86e。另外，VCSEL在通过发光层87的电流通过区域86d而限制了电流路径的部分产生发光。与此电流通过区域86d对应的VCSEL的表面区域为发光点，且是光出射口310。
设置电流狭窄层86b是为了使VCSEL以低次的单横模(单模)来振荡。即，通过将形成VCSEL的柱部311的剖面形状设为圆形并从周边部开始氧化，从而将光出射口310的剖面形状设为圆形，并且减小面积。
而且，VCSEL的周边部因台面蚀刻引起的缺陷多，易引起非发光再耦合。因此，通过设置电流阻止区域86e，非发光再耦合所消耗的电力得到抑制。因而，实现低功耗化及光导出效率的提高。另外，所谓光导出效率，是指每单位电力能够导出的光量。
接下来，对设有传送晶闸管T1与耦合二极管D1的岛部302-1进行说明。传送晶闸管T1与设定晶闸管S同样，包含p阳极层81、n栅极层82、p栅极层83、n阴极层84。即，传送晶闸管T1是将p阳极层81作为阳极，n栅极层82作为n栅极，p栅极层83作为p栅极，n阴极层84作为阴极而构成。此处，在p栅极层83上设有栅极电极(后述的p欧姆电极332)。
耦合二极管D1包含p栅极层83、n阴极层84。即，耦合二极管D1将p栅极层83构成为阳极，将n阴极层84构成为阴极。
在岛部302-1中，设定晶闸管S与VCSEL经层叠的部分的n阴极层88、发光层87、p阳极层86及隧穿结层85被去除。并且，在传送晶闸管T1的部分与耦合二极管D1的部分，n阴极层84被去除，以使n阴极层84残留为柱部312与柱部313。
在柱部312的n阴极层84上，设有n欧姆电极322作为传送晶闸管T1的阴极电极。同样，在柱部313的n阴极层84上，设有n欧姆电极323作为耦合二极管D1的阴极电极。
设在p栅极层83上的p欧姆电极332作为传送晶闸管T1的栅极Gt1及耦合二极管D1的阳极电极发挥功能。
并且，以覆盖表面的方式而设有层间绝缘层91。在层间绝缘层91上，经由通孔而设有将设于岛部301-1的p欧姆电极331(栅极Gs1)与设于岛部302-1的p欧姆电极332(栅极Gt1)予以连接的配线75-1、及将设于岛部301-2的p欧姆电极(栅极Gs2)与设于岛部302-2的p欧姆电极(栅极Gt1)予以连接的配线75-2。而且，在层间绝缘层91上，设有连接于n欧姆电极322的传送信号线72。并且，在层间绝缘层91上，设有传送信号线73。进而，在层间绝缘层91上，经由通孔而设有连接于n欧姆电极323的配线74-2。
进而，以覆盖表面的方式而设有层间绝缘层92。并且，在层间绝缘层92上，经由设于层间绝缘层92及层间绝缘层91的通孔而设有与设于岛部301-1的n欧姆电极321连接的点亮信号线76。即，配线75(配线75-1、配线75-2)与点亮信号线76成为经由层间绝缘层92的多层配线结构。
另外，在层间绝缘层91、层间绝缘层92相对于VCSEL的出射光而透射性差的情况下，也可取代光出射口310上的层间绝缘层91、层间绝缘层92，而设置相对于VCSEL的出射光而透射性优异的光出射层。
岛部301、岛部302、岛部303、岛部304、岛部305、岛部306是借由将周围的半导体层层叠体通过蚀刻而去除至基板80为止，从而彼此分离。另外，既可蚀刻至到达p阳极层81为止，也可蚀刻至到达p阳极层81的厚度方向的一部分为止。
返回图7，对其他的岛部303、岛部304、岛部305、岛部306进行说明。在岛部303，构成有电源线电阻Rg1。岛部303-1中，半导体层层叠体中的n阴极层88、发光层87、p阳极层86、隧穿结层85、n阴极层84被去除，而使p栅极层83露出。在露出的p栅极层83上设有一对p欧姆电极。并且，p欧姆电极间的p栅极层83被用作电阻。
在岛部304设有启动二极管SD。岛部304中，半导体层层叠体中的n阴极层88、发光层87、p阳极层86、隧穿结层85被去除。并且，n阴极层84除了所残留的柱部314以外，使p栅极层83露出。启动二极管SD中，构成柱部314的n阴极层84为阴极，p栅极层83为阳极。并且，设在柱部314的n阴极层84上的n欧姆电极为阴极电极，设在所露出的p栅极层83上的p欧姆电极为阳极电极。
在岛部305设有限流电阻R1，在岛部306设有限流电阻R2。岛部305、306为与岛部303同样的结构，将设在所露出的p栅极层83上的一对p欧姆电极间的p栅极层83分别设为限流电阻R1、R2。
对岛部301～306及岛部间的连接关系进行说明。
如前所述，设于岛部301-1的柱部311的VCSEL的阴极即n阴极层88经由n欧姆电极321而并联连接于点亮信号线76。其他岛部301也同样。
设于岛部302-1的柱部312的传送晶闸管T1的阴极即n阴极层88经由n欧姆电极322而连接于传送信号线72。另外，设于岛部302-3(位于-y方向侧的第三个的岛部302)的传送晶闸管T3也同样。即，奇数号i的传送晶闸管Ti的阴极(n阴极层88)连接于传送信号线72。
另一方面，设于岛部302-2(位于-y方向侧的第二个的岛部302)的传送晶闸管T2的阴极(n阴极层88)连接于传送信号线73。即，偶数号i的传送晶闸管Ti的阴极(n阴极层88)连接于传送信号线73。
并且，岛部301-1的栅极Gs1即p欧姆电极331与岛部301-2的栅极Gt1即p欧姆电极332利用配线75-1而连接。设在岛部302-1的柱部313的耦合二极管D1的阴极(n阴极层88)经由n欧姆电极323(参照图8)而连接于配线74-2。配线74-2连接于邻接的岛部302-2的p欧姆电极(无符号)及岛部303-2的电源线电阻Rg2的p欧姆电极(无符号)。
设于岛部302-1的p欧姆电极333(与栅极Gt1的p欧姆电极332同样地设在p栅极层83上)、设于岛部303-1的电源线电阻Rg1的其中一个p欧姆电极、与设于岛部304的启动二极管SD的阴极电极即n欧姆电极通过配线74-1而连接。
而且，岛部303-1的电源线电阻Rg1的另一个p欧姆电极连接于电源线71。电源线71连接于Vgk端子。其他的岛部303也同样。
传送信号线72连接于岛部305的限流电阻R1的其中一个p欧姆电极(无符号)。限流电阻R1的另一个p欧姆电极(无符号)连接于φ1端子。传送信号线73连接于岛部303的启动二极管SD的p欧姆电极，并且连接于岛部306的限流电阻R2的其中一个p欧姆电极(无符号)。岛部306的限流电阻R2的另一个p欧姆电极(无符号)连接于φ2端子。
以上，以岛部301-1、岛部302-1、岛部303-1为例进行了说明，但其他的岛部301、岛部302、岛部303也同样。因此，图7中，例如，像配线74-1(74)等那样标注，其他的配线74也同样。
＜晶闸管＞
接下来，对设定晶闸管S、传送晶闸管T的动作进行说明。将设定晶闸管S与传送晶闸管T统称为晶闸管。
晶闸管是将p阳极层81、n栅极层82、p栅极层83、n阴极层84予以层叠而构成。
如前所述，晶闸管是具有阳极、阴极、栅极这三端子的半导体元件，例如是将基于GaAs、GaAlAs、AlAs等的p型半导体层(p阳极层81、p栅极层83)、n型半导体层(n栅极层82、n阴极层84)予以层叠而构成。即，晶闸管呈pnpn结构。此处，作为一例，将包含p型半导体层与n型半导体层的pn结的顺向电位(扩散电位)Vd设为1.5V。
作为一例，将p阳极层81的基准电位Vsub作为高电平(high level)的电位(以下记作“H”)而设为0V，将供给至Vgk端子(参照图6)的电源电位Vgk作为低电平(low level)的电位(以下记作“L”)而设为-3.3V。因而，有时记作“H(0V)”、“L(-3.3V)”。如图6所示，Vgk端子经由电源线电阻Rg1而连接于栅极(在晶闸管Th为传送晶闸管T1的情况下，为栅极Gt1)。
阳极与阴极之间无电流流动的断开状态的晶闸管在有比阈值电压低的电位(绝对值大的负电位)施加至阴极时，转变为导通状态(接通(turn on))。此处，晶闸管的阈值电压是从栅极的电位减去pn结的顺向电位Vd(1.5V)所得的值。
当变为导通状态时，晶闸管的栅极成为接近阳极电位的电位。此处，阳极为0V，因此栅极成为0V。而且，导通状态的晶闸管的阴极为与从阳极电位减去pn结的顺向电位Vd(1.5V)所得的电位接近的电位(将绝对值记作保持电压)。此处，阳极为0V，因此导通状态的晶闸管的阴极为接近-1.5V的电位(绝对值大于1.5V的负电位)。此处，设保持电压为1.5V。
导通状态的晶闸管在对阴极持续施加有比维持导通状态所需的电位低的电位(绝对值大的负电位)，而供给有可维持导通状态的电流(维持电流)时，维持导通状态。
另一方面，导通状态的晶闸管在阴极成为比维持导通状态所需的电位(所述接近-1.5V的电位)高的电位(绝对值小的负电位、0V或正电位)时，转变为断开状态(关断(turnoff))。
＜隧穿结层85＞
接下来，如图8所示，岛部301中的设定晶闸管S与VCSEL经由隧穿结层85而层叠。由此，设定晶闸管S与VCSEL串联连接。
图9的(a)至图9的(c)是进一步说明设定晶闸管S与VCSEL的层叠结构的图。图9的(a)是设定晶闸管S与VCSEL的层叠结构的示意性的能带图，图9的(b)是隧穿结层85在反向偏压状态下的能带图，图9的(c)表示隧穿结层85的电流电压特性。
以在图7、图8所示的施加至n欧姆电极321的点亮信号φI与背面电极90的基准电位Vsub 之间，设定晶闸管S与VCSEL各自成为正向偏压的方式，来施加电压。于是，如图9的(a)的能带图所示，构成隧穿结层85的n++层85a与p++层85b之间成为反向偏压。
隧穿结层85是高浓度地添加有n型杂质的n++层85a与高浓度地添加有p型杂质的p++层85b的结。因此，当耗尽区域的宽度窄而成为正向偏压时，电子从n++层85a侧的传导带(导带(conduction band))隧穿至p++层85b侧的价电子带(价带(valence band))。此时，表现出负电阻特性(参照图9的(c)的正向偏压侧(+V))。
另一方面，如图9的(b)所示，当隧穿结层85成为反向偏压(-V)时，p++层85b侧的价电子带(价带)的电位Ev处于n++层85a侧的传导带(导带)的电位Ec之上。并且，电子从p++层85b的价电子带(价带)隧穿至n++层85a侧的传导带(导带)。并且，反向偏压电压(-V)越大，则电子的隧穿越容易。即，如图9的(c)的反向偏压侧(-V)所示，反向偏压越大，则电流越容易在隧穿结层85(隧穿结)流动。
因而，如图9的(a)所示，当以设定晶闸管S与VCSEL各自成为正向偏压的方式来施加电压，从而设定晶闸管S接通而转变为导通状态时，即使隧穿结层85为反向偏压，电流仍会从设定晶闸管S流向VCSEL。
另外，也可取代隧穿结层85，而使用III-V族化合物层，所述III-V族化合物层具有金属导电性，且外延成长于III-V族的化合物半导体层。作为金属导电性III-V族化合物层的材料的一例而说明的InNAs例如在InN的组合比x为约0.1～约0.8的范围内，带隙能量为负。而且，InNSb例如在InN的组合比x为约0.2～约0.75的范围内，带隙能量为负。带隙能量为负意味着不具备带隙。因而将呈现出与金属同样的导电特性(传导特性)。即，所谓金属导电特性(导电性)，是指与金属同样地，只要电位存在梯度，便会有电流流动。
并且，GaAs、InP等III-V族化合物(半导体)的晶格常数处于
Figure DEST_PATH_GDA0002898060110000141
的范围内。并且，所述晶格常数接近Si的晶格常数即约
Figure DEST_PATH_GDA0002898060110000142
Ge的晶格常数即约
Figure DEST_PATH_GDA0002898060110000145
与此相对，同样地，作为III-V族化合物的InN的晶格常数在闪锌矿结构中为约
Figure DEST_PATH_GDA0002898060110000146
InAs的晶格常数为约
Figure DEST_PATH_GDA0002898060110000143
因而，作为InN与InAs的化合物的InNAs的晶格常数可成为与GaAs等的
Figure DEST_PATH_GDA0002898060110000144
接近的值。
而且，作为III-V族化合物的InSb的晶格常数为约
Figure DEST_PATH_GDA0002898060110000147
因而，由于InN的晶格常数为约
Figure DEST_PATH_GDA00028980601100001410
因此作为InSb与InN的化合物的InNSb的晶格常数可成为与GaAs等的
Figure DEST_PATH_GDA0002898060110000148
Figure DEST_PATH_GDA0002898060110000149
接近的值。
即，InNAs及InNSb可相对于GaAs等III-V族化合物(半导体)的层而整体地(monolithic)外延成长。而且，在InNAs或InNSb的层上，可通过外延成长而使GaAs等III-V族化合物(半导体)的层整体地层叠。
因而，若取代隧穿结层85而经由金属导电性III-V族化合物层，来将设定晶闸管S与VCSEL以串联连接的方式予以层叠，便可抑制设定晶闸管S的n阴极层84与VCSEL的p阳极层86成为反向偏压的现象。
＜经层叠的设定晶闸管S与VCSEL的动作＞
接下来，对经层叠的设定晶闸管S与VCSEL的动作进行说明。
此处，VCSEL将上升电压设为1.5V。即，只要对VCSEL的阳极与阴极之间施加有1.5V以上的电压，VCSEL便会发光。
设点亮信号φI为0V(“H(0V)”)或-3.3V(“L(-3.3V)”)。0V是将VCSEL设为断开状态的电位，-3.3V是将VCSEL由断开状态设为导通状态的电位。
在使VCSEL由断开状态转变为导通状态的情况下，点亮信号φI被设定为“L(-3.3V)”。此时，当对设定晶闸管S的栅极Gs施加-1.5V时，设定晶闸管S的阈值成为从栅极Gs的电位(-1.5V)减去pn结的顺向电位Vd(1.5V)所得的-3V。此时，由于点亮信号φI为-3.3V，因此设定晶闸管S接通而从断开状态转变为导通状态，并且VCSEL也从断开状态转变为导通状态。即，VCSEL进行激光振荡而发光。于是，对导通状态的设定晶闸管S施加的电压(保持电压Vr)为1.5V，因此对激光二极管LD施加1.8V。另外，VCSEL的上升电压为1.5V，因此VCSEL持续发光。
另一方面，若将点亮信号φI设为0V，则设定晶闸管S与VCSEL的串联连接的两端成为0V，设定晶闸管S从导通状态转变为断开状态(关断)，并且VCSEL变得不发光。
对于VCSEL阵列10的动作，将在后文详述。
(半导体层层叠体的结构)
如前所述，半导体层层叠体是将基板80、p阳极层81、n栅极层82、p栅极层83、n阴极层84、隧穿结层85、p阳极层86、发光层87、n阴极层88予以层叠而构成。
如上所述，对于基板80，是以p型的GaAs为例来进行说明，但也可为n型的GaAs、未添加杂质的本质(intrinsic)(i)的GaAs。而且，也可为包含InP、GaN、InAs、其他III-V族、II-VI材料的半导体基板、蓝宝石(sapphire)、Si、Ge等。在变更基板的情况下，在基板上整体地层叠的材料是使用与基板的晶格常数大致匹配(包含变形结构、变形缓和层、变质成长)的材料。作为一例，在InAs基板上使用InAs、InAsSb、GaInAsSb等，在InP基板上使用InP、InGaAsP等，在GaN基板上或蓝宝石基板上使用GaN、AlGaN、InGaN，在Si基板上使用Si、SiGe、GaP等。但是，在基板80为电绝缘性的情况下，必须另行设置供给基准电位Vsub的配线。而且，在将除基板80以外的半导体层层叠体粘贴至其他支撑基板，在其他支撑基板上设置半导体层层叠体的情况下，支撑基板与晶格常数不需要匹配。
p阳极层81例如是杂质浓度1×1018/cm3的p型的Al0.9GaAs。Al成分也可在0～1的范围内变更。
n栅极层82例如是杂质浓度1×1017/cm3的n型的Al0.9GaAs。Al成分也可在0～1的范围内变更。
p栅极层83例如是杂质浓度1×1017/cm3的p型的Al0.9GaAs。Al成分也可在0～1的范围内变更。
n阴极层84例如是杂质浓度1×1018/cm3的n型的Al0.9GaAs。Al成分也可在0～1的范围内变更。
隧穿结层85包含高浓度地添加有n型杂质的n++层85a与高浓度地添加有n型杂质的p++层85b的结(参照图9的(a))。n++层85a及p++层85b例如是杂质浓度为1×1020/cm3的高浓度。另外，通常的结的杂质浓度为1017/cm3～1018/cm3。n++层85a与p++层85b的组合(以下记作n++层85a/p++层85b)例如为n++GaInP/p++GaAs、n++GaInP/p++AlGaAs、n++GaAs/p++GaAs、n++AlGaAs/p++AlGaAs、n++InGaAs/p++InGaAs、n++GaInAsP/p++GaInAsP、n++GaAsSb/p++GaAsSb。另外，也可将组合相互变更。
p阳极层86是将下侧p阳极层86a、电流狭窄层86b、上侧p阳极层86c依序层叠而构成。下侧p阳极层86a、上侧p阳极层86c例如是杂质浓度5×1017/cm3的p型的Al0.9GaAs。Al成分也可在0～1的范围内变更。
电流狭窄层86b例如是AlAs或Al的杂质浓度高的p型的AlGaAs。只要通过Al被氧化而形成Al2O3，从而电阻变高而形成电流阻止区域86e即可。另外，也可通过向GaAs、AlGaAs等半导体层中注入氢离子(H+)，而形成电流阻止区域86e(H+离子注入)。
发光层87是将阱(well)层与障壁(barrier)层交替层叠而成的量子阱结构。阱层例如为GaAs、AlGaAs、InGaAs、GaAsP、AlGaInP、GaInAsP、GaInP等，障壁层为AlGaAs、GaAs、GaInP、GaInAsP等。另外，发光层87也可为量子线(quantum wire)或量子盒(量子点)。
n阴极层88例如是杂质浓度5×1017/cm3的n型的Al0.9GaAs。Al成分也可在0～1的范围内变更。
这些半导体层例如是通过金属有机气相沉积法(Metal Organic Chemical VaporDeposition，MOCVD)、分子束外延法(Molecular Beam Epitaxy，MBE)等而层叠，形成半导体层层叠体。
另外，也可取代所述AlGaAs系的材料，而包含GaInP等。而且，也可使用GaN基板、InP系基板来构成。而且，包含p阳极层86、发光层87、n阴极层88的VCSEL与包含p阳极层81、n栅极层82、p栅极层83、n阴极层84的设定晶闸管S、传送晶闸管T也可分别由晶格常数不同的材料所制作。能够通过变质成长、或者使设定晶闸管S及传送晶闸管T与VCSEL分别成长并相互粘贴而实现。此时，隧穿结层85只要与任一者的晶格常数大致匹配即可。
VCSEL阵列10可通过公知的光刻法(photolithography)、蚀刻等技术来制造，因此对于制造方法省略说明。
(VCSEL阵列10的动作)
图10是表示对VCSEL阵列10中的VCSEL群的发光/非发光进行控制的时间图的一例的图。此处，以图6、图7中说明的各VCSEL群包括七个VCSEL的情况为例来进行说明。图10中，设时间按照字母顺序(a、b、c、…)经过。图10所示的时间图中，表示了对VCSEL群#1～VCSEL群#4进行控制的部分。并且，将使VCSEL群#1～VCSEL群#4依序发光的期间设为期间U-1～期间U-4。此处，如后所述，期间U-1～期间U-4的各期间的长度是设为不同，但也可设为相同。
参照图6来说明图10的时间图。
在时刻a，对图6所示的控制部50供给电源。于是，基准电位Vsub被设定为“H(0V)”，电源电位Vgk被设定为“L(-3.3V)”。
接下来，对各信号(传送信号φ1、φ2、点亮信号φI)的波形进行说明。另外，期间U-1～期间U-8基本上相同，因此以期间U-1为中心来进行说明。另外，在未区分期间U-1～期间U-4的情况下，记作期间U。
传送信号φ1是成为“H(0V)”或“L(-3.3V)”的信号。传送信号φ1在时刻a为“H(0V)”，在时刻b转变为“L(-3.3V)”。并且，在时刻i，恢复为“H(0V)”。并且，在时刻m，再次转变为“L(-3.3V)”。传送信号φ2也是成为“H(0V)”或“L(-3.3V)”的信号。传送信号φ2在时刻a为“H(0V)”，在时刻h转变为“L(-3.3V)”。并且，在时刻n，恢复为“H(0V)”。
在时刻b以后，传送信号φ1、φ2彼此夹着成为“L(-3.3V)”的期间(例如时刻h至时刻i的期间)，而交替地调换“H(0V)”与“L(-3.3V)”。因此，将从传送信号φ1由“H(0V)”转变为“L(-3.3V)”的时刻b直至传送信号φ2由“H(0V)”转变为“L(-3.3V)”的时刻h为止设为期间U-1，相反地，将从传送信号φ2由“H(0V)”转变为“L(-3.3V)”的时刻h直至传送信号φ1由“H(0V)”转变为“L(-3.3V)”的时刻m为止设为期间U-2。期间U-3、U-4也同样。
点亮信号φI是成为“H(0V)”或“L(-3.3V)”的信号。并且，点亮信号φI在各期间U，在传送信号φ1、φ2的其中一者为“H(0V)”而另一者为“L(-3.3V)”的期间例如期间U-1中的时刻c直至时刻g为止、或者期间U-2中的时刻j直至时刻l为止，反复“H(0V)”与“L(-3.3V)”。并且，在除此以外的期间为“H(0V)”。
接下来，参照图6来说明图10的时间图。另外，图10中，以实线表示了VCSEL发光的期间。
在时刻a，对图1所示的控制部50供给电源，基准电位Vsub被设定为“H(0V)”，电源电位Vgk被设定为“L(-3.3V)”。于是，传送信号φ1、φ2被设定为“H(0V)”。启动二极管SD的阴极经由电源线电阻Rg1而成为电源电位Vgk(“L(-3.3V)”)，阳极经由限流电阻R2而成为传送信号φ2“H(0V)”。因而，启动二极管SD成为正向偏压，传送晶闸管T1的栅极Gt1成为-1.5V。由此，传送晶闸管T1的阈值电压成为-3V。
在时刻b，传送信号φ1由“H(0V)”转变为“L(-3.3V)”。此时，由于阈值电压为-3V，因此传送晶闸管T1接通而由断开状态转变为导通状态。于是，栅极Gt1变为0V。由此，连接于栅极Gt1的设定晶闸管S1的栅极Gs1成为0V。于是，设定晶闸管S1的阈值电压成为-1.5V。在时刻b，点亮信号φI为“H(0V)”。即，对于设定晶闸管S1与VCSEL11～VCSEL17的串联连接施加有0V。因此，设定晶闸管S1为断开状态，VCSEL11～VCSEL17不发光。
在时刻c，当点亮信号φI由“H(0V)”转变为“L(-3.3V)”时，阈值电压为-1.5V的设定晶闸管S1接通而由断开状态转变为导通状态。于是，如前所述，VCSEL11～VCSEL17中有电流流经而发光。此时，设定晶闸管S1的阴极-阳极间成为1.5V，VCSEL11～VCSEL17的阴极-阳极间成为1.8V。因而，VCSEL11～VCSEL17的发光得以维持。即，在时刻c，属于VCSEL群#1的VCSEL11～VCSEL17并行地发光。
在时刻d，当点亮信号φI由“L(-3.3V)”转变为“H(0V)”时，设定晶闸管S1与VCSEL11～VCSEL17的串联连接的两端变为0V，设定晶闸管S1关断而由导通状态转变为断开状态，并且VCSEL11～VCSEL17变为不点亮。即，在时刻d，属于VCSEL群#1的VCSEL11～VCSEL17并行地变得不发光。然而，设定晶闸管S1的阈值电压被维持为-3V。
因而，在时刻e，当点亮信号φI由“H(0V)”转变为“L(-3.3V)”时，阈值电压为-3V的设定晶闸管S1再次接通而由断开状态转变为导通状态，VCSEL11～VCSEL17发光。
在时刻f，当点亮信号φI由“L(-3.3V)”转变为“H(0V)”时，设定晶闸管S1再次关断而由导通状态转变为断开状态，VCSEL11～VCSEL17变为不点亮。
即，在从传送信号φ1由“H(0V)”转变为“L(-3.3V)”的时刻b直至传送信号φ2由“H(0V)”转变为“L(-3.3V)”的时刻h为止的期间U-1，重复下述动作，即，使点亮信号φI由“H(0V)”转变为“L(-3.3V)”，接下来由“L(-3.3V)”转变为“H(0V)”，由此，属于VCSEL群#1的VCSEL11～VCSEL17并行地，呈脉冲状地(间歇地)发光。另外，在期间U-1，发出四次脉冲光。
同样地，在从时刻h直至时刻m为止的期间U-2，使属于VCSEL群#2的VCSEL21～VCSEL27并行地发出三次脉冲光。而且，在从时刻m直至时刻o为止的期间U-3，使属于VCSEL群#3的VCSEL31～VCSEL34并行地发出三次脉冲光。另外，期间U-3内的每脉冲的发光时间设定得比期间U-1、U-2长。进而，在从时刻o直至时刻r为止的期间U-4，使属于VCSEL群#4的VCSEL41～VCSEL44并行地发出五次脉冲光。另外，期间U-4内的每脉冲的发光时间设定得比期间U-1、U-2短。
以上，在期间U发出多个脉冲光，但也可为单发。而且，在期间U，只要将点亮信号φI维持为“H(0V)”，则设定晶闸管S与VCSEL的串联连接的两端便保持0V。因而，VCSEL群不发光。即，在预定的期间U，也可将VCSEL群维持为不发光。
如以上所说明的那样，通过使用驱动部11，从而通过自扫描来依序进行点亮控制。并且，通过使属于VCSEL群的多个VCSEL并行地发光，从而与加大发光点的尺寸而加大光输出的情况相比，发光的均匀性受损，或者发光轮廓变形，或者VCSEL的发光特性受损例如扩展角变大等的现象得到抑制。
(VCSEL群的排列)
图11是对适用第一实施方式的VCSEL阵列10中的VCSEL群的排列进行说明的图。图11中，VCSEL阵列10如图4的(a)及图4的(b)、图7所示，作为一例，设包括八个VCSEL群来进行说明。另外，图11是在图7中，导出岛部302中的传送晶闸管T的栅极Gt与岛部301中的设定晶闸管S的栅极Gs的连接关系而图示。
如图11所示，岛部301-1～岛部301-4及岛部301-5～岛部301-8分别沿-x方向排列。并且，岛部301-1～岛部301-4的排列与岛部301-5～岛部301-8的排列沿-y方向并列排列。借此，连接栅极Gt1～栅极Gt8与栅极Gs1～栅极Gs8的配线75(配线75-1～配线75-8)不会彼此交叉或者不会彼此靠近地设置。
图11所示的排列中，当传送晶闸管T的导通状态依序沿-y方向传送时，VCSEL群沿-x方向依序被控制点亮。即，VCSEL群从VCSEL群#1直至VCSEL群#4为止沿-x方向依序被控制点亮后，从VCSEL群#5直至VCSEL群#8为止沿-x方向依序被控制点亮。即，点亮控制是沿与传送晶闸管T的导通状态传送的方向(-y方向)正交的方向(-x方向)而进行。
图12是对用于比较的、未适用第一实施方式的VCSEL阵列10′中的VCSEL群的排列进行说明的图。图12所示的VCSEL阵列10′中，也导出了岛部302中的传送晶闸管T的栅极Gt与岛部301中的设定晶闸管S的栅极Gs的连接关系而图示。
如图12所示，岛部301-1～岛部301-2、岛部301-3～岛部301-4、岛部301-5～岛部301-6以及岛部301-7～岛部301-8分别沿-y方向排列。并且，岛部301-1～岛部301-2的排列、岛部301-3～岛部301-4的排列、岛部301-5～岛部301-6的排列以及岛部301-7～岛部301-8的排列沿-x方向并列地排列。这样，当使传送晶闸管T的导通状态依序沿-y方向传送时，在排列区域100中，VCSEL群也沿-y方向依序被控制点亮。即，在VCSEL群#1与VCSEL群#2沿-y方向依序被控制点亮后，VCSEL群#3与VCSEL群#4沿-y方向依序被控制点亮。VCSEL群#5～VCSEL群#8也同样。即，点亮控制是沿与传送晶闸管T的导通状态传送的方向(-y方向)平行的方向(-y方向)而进行。
然而，VCSEL阵列10′中，连接栅极Gt2与栅极Gs2的配线75-2、与连接栅极Gt3与栅极Gs3的配线75-3相交叉(α所示的部位)。而且，连接栅极Gt2与栅极Gs2的配线75-2、连接栅极Gt4与栅极Gs4的配线75-4、与连接栅极Gt5与栅极Gs5的配线75-5相靠近(β所示的部位)。并且，连接栅极Gt5与栅极Gs5的配线75-5、与连接栅极Gt6与栅极Gs6的配线75-6相靠近(γ所示的部位)。进而，连接栅极Gt7与栅极Gs7的配线75-7、与连接栅极Gt8与栅极Gs8的配线75-8相靠近(δ所示的部位)。
图12所示的排列中，点亮控制是沿与传送晶闸管T的导通状态传送的方向(-y方向)平行的方向(-y方向)而进行，但连接岛部302中的传送晶闸管T的栅极Gt与岛部301中的设定晶闸管S的栅极Gs的配线75彼此交叉或靠近，因此难以设置配线75。
如以上所说明的那样，只要如图11所示的适用第一实施方式的VCSEL阵列10那样，沿与传送晶闸管T的导通状态传送的方向正交的方向进行VCSEL群的点亮控制，连接岛部302中的传送晶闸管T的栅极Gt与岛部301中的设定晶闸管S的栅极Gs的配线75便不会交叉或靠近地设置。
另外，图11中，VCSEL群沿-x方向受到点亮控制，但也可以沿+x方向进行点亮控制的方式来配置VCSEL群及配线75。
[第二实施方式]
适用第一实施方式的VCSEL阵列10中，VCSEL群的点亮控制是沿与传送晶闸管T的导通状态传送的方向正交的方向而进行。另外，VCSEL阵列10中，VCSEL群的点亮控制是沿与传送晶闸管T的导通状态传送的方向正交的其中一方向进行。在适用第二实施方式的VCSEL阵列20中，VCSEL群的点亮控制是以在与传送晶闸管T的导通状态传送的方向正交的方向上交替地往复的方式而进行。其他结构与第一实施方式同样，因此省略说明，对不同的部分即VCSEL阵列20中的VCSEL群的排列进行说明。另外，对于具有相同功能的构件标注有相同的符号。
(VCSEL群的排列)
图13是对适用第二实施方式的VCSEL阵列20中的VCSEL群的排列进行说明图。图13中，VCSEL阵列20如第一实施方式中的图4的(a)及图4的(b)、图7所示，设为包括八个VCSEL群来进行说明。另外，图13中，也导出岛部302中的传送晶闸管T的栅极Gt与岛部301中的设定晶闸管S的栅极Gs的连接关系而图示。
如图13所示，岛部301-1～岛部301-4沿-x方向排列，岛部301-5～岛部301-8沿+x方向排列。并且，岛部301-5～岛部301-8是使图11所示的第一实施方式中的岛部301-5～岛部301-8在y方向上反转的平面结构。这样，连接栅极Gt1～栅极Gt8与栅极Gs1～栅极Gs8的配线75(配线75-1～配线75-8)也不会彼此交叉或彼此靠近地设置。
当使传送晶闸管T的导通状态依序沿-y方向传送时，在排列区域100中，VCSEL群#1～VCSEL群#4沿-x方向依序被控制点亮。接下来，VCSEL群#5～VCSEL群#8沿+x方向依序被控制点亮。即，第二实施方式中的VCSEL阵列20中，VCSEL群的点亮控制是在与传送晶闸管T的导通状态传送的方向正交的方向上交替(-x方向与+x方向)地进行。并且，连接岛部302中的传送晶闸管T的栅极Gt与岛部301中的设定晶闸管S的栅极Gs的配线不会交叉或靠近地设置。
第一实施方式及第二实施方式中，VCSEL阵列10、VCSEL阵列20采用了在基板80侧的设定晶闸管S上层叠VCSEL的结构。VCSEL阵列10、VCSEL阵列20也可采用在基板80侧的VCSEL上层叠设定晶闸管S的结构。
而且，VCSEL是控制为发光状态与非发光状态，但也可预先设为微小光量的发光状态，当设定晶闸管S由断开状态转变为导通状态时，进行控制以使光量增加。而且，也可在依序点亮的VCSEL群间进行控制，以使发光状态重复。
第一实施方式及第二实施方式中，通过包括依序传送导通状态的传送晶闸管T的驱动部11的自扫描来进行VCSEL群的点亮控制。借此，VCSEL群的点亮控制变得容易。然而，驱动部11只要能够独立地对VCSEL群进行点亮控制即可。而且，VCSEL群不需要依序驱动。并且，驱动部11也可取代传送晶闸管T等，而包含针对每个VCSEL群而设的晶体管。

Claims (16)

1.一种面发光激光元件阵列，呈二维状地排列有多个面发光激光元件群，所述多个面发光激光元件群分别包含多个面发光激光元件，且能够彼此独立驱动，所述面发光激光元件阵列中，
在排列有所述多个面发光激光元件群的排列区域中，沿着第一方向配置的面发光激光元件群的数量比沿着与所述第一方向正交的第二方向配置的面发光激光元件群的数量多，
由所述多个面发光激光元件群所照射的照射区域的形状为将所述第一方向作为长边的形状，
比起所述照射区域的纵横比，排列有所述多个面发光激光元件群的所述排列区域的纵横比更接近1：1。
2.根据权利要求1所述的面发光激光元件阵列，其中
所述排列区域的所述第一方向的长度为所述排列区域的所述第二方向的长度的0.8倍以上且1.2倍以下。
3.根据权利要求1所述的面发光激光元件阵列，其中
所述排列区域的所述第一方向的长度为所述排列区域的所述第二方向的长度的0.9倍以上且1.1倍以下。
4.根据权利要求1所述的面发光激光元件阵列，其中
所述排列区域的所述第一方向的长度为所述排列区域的所述第二方向的长度的0.95倍以上且1.05倍以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的面发光激光元件阵列，其中
就各个所述面发光激光元件群中的所述多个面发光激光元件而言，沿着所述第二方向配置的数量比沿着所述第一方向配置的数量多。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的面发光激光元件阵列，其中
所述多个面发光激光元件群形成在共同的半导体基板上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的面发光激光元件阵列，其中
所述多个面发光激光元件群的各个面发光激光元件群中的所述多个面发光激光元件彼此并联连接。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的面发光激光元件阵列，其中
具有独立地驱动所述多个面发光激光元件群的各个面发光激光元件群的驱动部。
9.根据权利要求8所述的面发光激光元件阵列，其中
所述驱动部使所述多个面发光激光元件群的各个面发光激光元件群依序发光。
10.一种发光装置，包括：
权利要求1至9中任一项所述的面发光激光元件阵列；以及
圆形的光学元件，具有包含所述面发光激光元件阵列中所含的多个面发光激光元件群的大小，且设在所述多个面发光激光元件群的出射路径上。
11.根据权利要求10所述的发光装置，其中
所述光学元件是使从所述多个面发光激光元件群出射的光的扩展角变窄的透镜。
12.根据权利要求10或11所述的发光装置，包括：
扩散构件，使从所述多个面发光激光元件群出射且透过了所述光学元件的光扩散而出射。
13.根据权利要求10或11所述的发光装置，包括：
衍射构件，使从所述多个面发光激光元件群出射且透过了所述光学元件的光衍射而出射。
14.一种光学装置，包括：
权利要求10至13中任一项所述的发光装置；以及
受光部，接收从所述发光装置所包括的多个面发光激光元件群出射且由被测量物予以反射的反射光。
15.一种测量装置，包括：
权利要求14所述的光学装置；以及
三维形状确定部，基于从自所述光学装置所包括的多个面发光激光元件群出射直至被所述光学装置所包括的受光部接收为止的时间，来测量三维形状，从而确定被测量物的三维形状。
16.一种信息处理装置，包括：
权利要求15所述的测量装置；以及
认证处理部，基于所述测量装置所包括的三维形状确定部中的确定结果，进行与自身装置的使用相关的认证处理。
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