JP2015034789A - 光線射出方向算出装置および光線射出方向算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光線指向制御部から射出された光線の実際の射出方向を正確に求めること。【解決手段】光線射出方向算出装置１は、光検出装置２０と、演算装置３０とを備える。光検出装置２０は、試料表面に形成された光線指向制御部１１，１２からなり、垂直基準に対し−θ方向に光線を射出するユニットＡと、試料表面に形成された光線指向制御部１１，１２からなり、垂直基準に対し＋θ方向に光線を射出するユニットＢとが、互いに最接近する方向に光線を射出するように所定間隔を空けて配置された評価用試料１０Ａと、ユニットＡとユニットＢとが、互いに最も離れる方向に光線を射出するように所定間隔を空けて配置された評価用試料１０Ｂとのそれぞれについて、ユニットＡ，Ｂから射出された光線の傾き角を測定する。演算装置３０は、光検出装置２０の測定値から４つのユニットＡ，Ｂからそれぞれ射出された光線の実際の傾き角を求める。【選択図】図１

Description

本発明は、評価用試料に用いられ、光線の形成と方向制御を行う光線指向制御部から出射された光線の実際の射出方向を算出するための光線射出方向算出装置および光線射出方向算出方法に関する。

近年、発光素子単体で光線の形成と方向制御を可能とする簡易な素子構造が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の発光素子は、素子表面に設けた複数の柱状部（光線指向制御部）によって、光線を成形するとともに光線の射出方向を制御している。
図９に示すように、特許文献１に記載の発光素子１１０は、ｎ型半導体層１１３と発光層１１４とｐ型半導体層１１５とが積層され、ｐ型半導体層１１５の上に２つの柱状部１１１と１つの柱状部１１２とが形成されている。この発光素子１１０は、柱状部１１２の高さが、柱状部１１１の高さと異なるように形成されており、さらに、柱状部１１２の高さが柱状部１１１の高さよりも低くなるように形成されている。

このような構成を備える発光素子１１０は、発光層１１４によって、ｎ型半導体層１１３とｐ型半導体層１１５とから注入される電子および正孔の再結合によって生成されるエネルギーを光として放出する。そして、発光素子１１０は、ｐ型半導体層１１５および柱状部１１１，１１２内を伝搬して柱頭の射出面から放射された光が相互に干渉することで、光線を形成する。このとき、高さの低い柱状部１１２内を伝搬する光が、高さの高い柱状部１１１内を伝搬する光よりも柱頭の射出面に早く到達するので、空気中を早く進む。そのため、発光素子１１０は、高さの異なる柱状部１１１，１１２の間に位相差を設けることができ、当該位相差に応じた方向に光線を放射する。具体的には、図９に示すように、発光素子１１０は、柱状部１１１，１１２により、素子表面の中心Ｏを通る法線Ｍに対し柱状部１１２側に傾斜した光線を射出する。

特開２０１３−４４９００号公報

図９に示したような、従来の発光素子１１０の柱状部１１１，１１２により形成される光線の射出方向（指向性）は、柱状部１１１，１１２の形状や寸法、配置等によって変化する。そのため、このような発光素子１１０を例えばＩＰ（Integral Photography）立体ディスプレイの画素等に適用するためには柱状部１１１，１１２の形状や寸法、配置等の精密な制御が必要となる。そして、発光素子１１０の柱状部１１１，１１２の設計の妥当性や形状の正確性を確認するためには、柱状部１１１，１１２からの光線の射出方向を測定することが不可欠である。つまり、発光素子１１０の柱状部１１１，１１２からの光線の実際の射出方向が、設計時に意図した光線の射出方向と合致しているか否かを評価することで、発光素子１１０の柱状部１１１，１１２の設計の妥当性や形状の正確性を確認することが必要である。

例えば、従来、図９に示すように、光検出装置１２０により発光素子１１０の柱状部１１１，１１２から射出される光線の傾き角を測定していた。図１０を参照して詳しく説明する。なお、以下では、柱状部１１１と柱状部１１２とを合わせて「ユニットＣ」と呼称する場合もある。図１０ではユニットＣを簡略化して示している。

図１０（ａ）に示すように、光検出装置１２０は、発光素子１１０の上方に配置されている。光検出装置１２０は、発光素子１１０の素子表面の中心から所定距離Ｒだけ真上に離間した位置を天頂部とする半球体を仮定し、この半球体の円周上でユニットＣから射出された光線の傾き角として垂直基準に対する正負の角度を±θで測定する。光検出装置１２０は、天頂部を通る垂直断面で半球体を二分したときの円周上を図示しない駆動機構により移動されて光線を検出し、光線を検出したときの自身の位置から光線の傾き角を測定する。

ここで、光検出装置１２０は、光検出装置１２０の中心と、半球体の天頂部とが同軸上となる位置が０度（原点）となっている。
したがって、ユニットＣの射出面の中心がこの軸上を通るように、発光素子１１０が配置されていれば、光検出装置１２０は、発光素子１１０のユニットＣから射出された光線の垂直基準に対する傾き角を正確に測定することが可能となる。ユニットＣの射出面の中心とは、柱状部１１１，１１２の射出面１１１ａ，１１２ａをユニットＣの最表面（ここでは柱状部の射出面１１１ａ）に位置させたときの重心位置である。なお、ここでは、素子表面の中心ＯとユニットＣの射出面の中心は同軸上にある。

例えば図１０（ｂ）に示したように、発光素子１１０が、前記した条件を満たす位置に正しく配置されている場合、光検出装置１２０によって、発光素子１１０のユニットＣからの光線の傾き角θ（＝０度）を正確に測定することが可能である。

しかし、発光素子１１０のユニットＣの射出面の中心と、光検出装置１２０の原点との位置関係を正確に知ることは困難であるため、発光素子１１０のユニットＣの射出面の中心と、光検出装置１２０の原点との位置を同軸上に揃えることは困難である。
そのため、例えば図１０（ｃ）に示したように、発光素子１１０が正しい位置（基準の測定位置）から距離ΔＸ分ずれた位置に配置される場合も考えられる。この場合、発光素子１１０が法線方向（０度方向）に光線を射出していたとしても、光検出装置１２０により、基準の測定位置から距離ΔＸ分ずれた位置で光線が検出されることとなる。

そのため、光検出装置１２０により測定された測定値には、ユニットＣから実際に射出される光線の傾き角に加え、基準の測定位置と実際の測定位置とのずれに応じた傾き角が含まれることになる。つまり、測定値をＳとすると、Ｓ＝θ＋ΔＸ／Ｒとなる。θはユニットＣからの光線の実際の射出角であり、ΔＸ／Ｒは基準の測定位置と実際の測定位置とのずれに応じた傾き角を表す。ＲはユニットＣの射出面の中心から光検出装置１２０の中心までの距離（図１０（ａ）では左にずらして示している）である。

また、例えば図１０（ｄ）に示したように、発光素子１１０が地表面に対し傾いて配置されている場合、この傾きがそのまま測定値に反映されてしまう。つまり、仮に発光素子１１０が法線方向に光線を射出していたとしても、光検出装置１２０により、測定位置において、発光素子１１０の傾き角θ´が誤った傾き角として測定されることになる。

このように発光素子１１０が所定の測定位置に正しく配置されていないと、光検出装置１２０により測定される光線の傾き角と発光素子１１０のユニットＣから射出される光線の実際の傾き角とに乖離が生じてしまう。そのため、光検出装置１２０により測定された光線の傾き角により、ユニットＣを構成する柱状部１１１，１１２の設計の妥当性および形状の正確性の評価を正確に行うことができない。
その一方で、正しい測定位置からの発光素子１１０の位置ずれ量や傾き量を予め把握することは困難である。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、正しい測定位置からの位置ずれ量や傾き量によらず、光線指向制御部から射出された光線の実際の射出方向を正確に求めることが可能な、光線射出方向算出装置および光線射出方向算出方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の光線射出方向算出装置は、垂直基準からの傾き角が等しい２つのユニットを備え、２つのユニットが、当該２つのユニットの中心を結ぶ軸線上において、互いに向かい合う方向に光を出すように所定間隔を空けて基板上に配置された一の評価用試料と、２つのユニットが軸線上において、互いに反対方向に光を出すように所定間隔を空けて基板上に配置された他の評価用試料とのそれぞれについて、２つのユニットからそれぞれ射出された光線の実際の傾き角を算出する光線射出方向算出装置であって、光検出装置と、演算装置とを備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、光線射出方向算出装置は、光検出装置により、２つのユニットの上方に半球体があるものと仮定し、この半球体を２つのユニットの中心を結ぶ軸線上に垂直断面が位置するように二分したときの半円周上で、２つのユニットからそれぞれ射出された光線の前記傾き角として、天頂部を０度とし正負を考慮して角度をそれぞれ測定する。

また、光線射出方向算出装置は、演算装置により、光検出装置で測定された一の評価用試料の２つのユニットについての光線の傾き角の測定値の差と、他の評価用試料の２つのユニットについての光線の傾き角の測定値の差との和を４で割ることで、４つのユニットからそれぞれ射出された光線の実際の傾き角を算出する。

一の評価用試料と他の評価用試料は、２つのユニットの配置が異なるのみで、他は同様の構成となっている。つまり、一の評価用試料の試料表面の２つのユニットの位置を入れ替えると他の評価用試料となるという関係である。この一の評価用試料の２つのユニットからそれぞれ射出された光線の傾き角の測定値の差を求めることで、２つの測定値にそれぞれ同じだけ含まれるユニットの傾き量を互いに打ち消すことができる。同様に、他の評価用試料の２つのユニットからそれぞれ射出された光線の傾き角の測定値の差を求めることで、２つの測定値にそれぞれ同じだけ含まれるユニットの傾き量を互いに打ち消すことができる。

また、一の評価用試料は、２つのユニットが互いに向かい合う方向に光を出すように配置され、他の評価用試料は、２つのユニットが互いに反対方向に光を出すように配置されている。一の評価用試料と他の評価用試料における２つのユニット間の間隔は、加工精度の範囲で互いに等しくすることができる。そのため、一の評価用試料と他の評価用試料のそれぞれについて、２つのユニットから光検出装置の原点までの距離の差をそれぞれ求めると、絶対値が等しく符号が逆になる。つまり、２つの評価用試料のいずれか一方が正の値となり、もう一方が負の値となる。
よって、一の評価用試料の２つのユニットからそれぞれ射出された光線の傾き角の測定値の差と他の評価用試料の２つのユニットからそれぞれ射出された光線の傾き角の測定値の差の和を求めることで、４つの測定値にそれぞれ含まれる光検出装置の原点からの２つのユニットの位置ずれ量を互いに打ち消し合うことができる。

そして、一の評価用試料の２つのユニットからそれぞれ射出された光線の傾き角の測定値の差と他の評価用試料の２つのユニットからそれぞれ射出された光線の傾き角の測定値の差の和を測定値の総数である４で割ることで、４つのユニットからそれぞれ射出された光線の実際の傾き角を求めることができる。

本発明は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
本発明によれば、光線指向制御部から射出される光線の実際の射出方向（傾き角）を正確に求めることができる。これにより、光線指向制御部の設計の妥当性や形状の正確性等の正確な評価を行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係る光線射出方向算出装置と、一の評価用試料とを模式的に示す構成図である。 他の評価用試料を模式的に示す斜視図である。 （ａ）は、一の評価用試料のユニットＡ，Ｂ付近の平面図であり、（ｂ）は、他の評価用試料のユニットＡ，Ｂ付近の平面図である。 （ａ）は、図１における一の評価用試料のユニットＡ付近の平面図、（ｂ）は、（ａ）の一部のＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）は、図１における一の評価用試料のユニットＢ付近の平面図、（ｄ）は、（ｃ）の一部のＸ−Ｘ線断面図である。 （ａ）は、本実施形態に係る評価用試料の試料表面におけるユニットＡ，Ｂの配置を示すとともに、ユニットＡ，Ｂから射出された光線を試料表面に射影した様子を示す図、（ｂ）は、（ａ）におけるユニットＡ，Ｂの側面図、（ｃ）は、比較例のユニットＡ，Ｂの配置を示すとともに、ユニットＡ，Ｂから射出された光線を試料表面に射影した様子を示す図である。 光検出装置の原点および光検出装置によりユニットＡ，Ｂからそれぞれ射出された光線を測定するときの軌道を説明するための図である。 （ａ）は、一の評価用試料のユニットＡとユニットＢからそれぞれ射出された光線の傾き角の差を求める様子を説明するための図、（ｂ）は、他の評価用試料のユニットＡとユニットＢからそれぞれ射出された光線の傾き角の差を求める様子を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る光線射出方向算出装置により、光線指向制御部からの光線の実際の傾き角を求める方法を示すフローチャートである。 従来の発光素子の光線指向制御部からの光線の傾き角を測定する様子を模式的に示す斜視図である。 従来の発光素子の光線指向制御部からの光線の傾き角を測定する様子を模式的に示すとともに、光線の傾き角が正しく測定される場合と、誤って測定される場合とを説明するための図である。

以下、本発明の実施形態に係る光線射出方向算出装置について、図面を参照しながら説明する。なお、各図面が示す部材の寸法や位置関係等は、説明の便宜上誇張していることがある。さらに、以下の説明において、同一の名称および符号については原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。

図１に示すように、光線射出方向算出装置１は、光検出装置２０と、演算装置３０とを備えている。ここでは、光線射出方向算出装置１は、評価用試料１０Ａ（一の評価用試料）と、評価用試料１０Ｂ（他の評価用試料：図２参照）からの光線射出方向を算出する。ここでは、光線射出方向算出装置１の構成の説明に先立ち、評価用試料１０Ａ，１０Ｂについて説明する。

図１，２に示すように、評価用試料１０Ａ，１０Ｂは、電圧を印加することで自発光する半導体素子であり、ｎ型半導体層１３と、発光層１４と、ｐ型半導体層１５と、が積層された構造（基板）を有しており、ｐ型半導体層１５上の所定の位置に、複数の光線指向制御部１１，１２により構成されるユニットＡと、複数の光線指向制御部１１，１２により構成されるユニットＢとが所定間隔を空けて並設されて構成されている。

評価用試料１０Ａ，１０Ｂは、例えばＬＥＤのように概ね平坦な表面を有する固体発光素子が挙げられる。なお、図１，２では図示を省略しているが、発光層１４を発光させるための電極は、例えば一般的なＬＥＤ素子と同様に形成されている。

図１，２に示す発光層１４は、ｎ型半導体層１３とｐ型半導体層１５とから注入される電子および正孔の再結合によって生成されるエネルギーを光として放出する層である。ｎ型半導体層１３は、発光層１４に対して電子を注入する層である。ｐ型半導体層１５は、発光層１４に対して正孔を注入する層である。図１，２に示すｎ型半導体層１３と、発光層１４と、ｐ型半導体層１５は、図９に示した従来の発光素子１１０におけるｎ型半導体層１１３と、発光層１１４と、ｐ型半導体層１１５と同様の構成となっている。図１，２に示すように、ｐ型半導体層１５上には、ユニットＡ，Ｂが形成されている。

次に、図３（ａ），（ｂ）を参照して、評価用試料１０Ａ，１０ＢにおけるユニットＡ，Ｂの配置について説明する。なお、図３では、ユニットＡ，Ｂを簡略化して示している。以下の図面においても同様に、ユニットＡ，Ｂを適宜簡略化して示すものとする。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、評価用試料１０Ａと評価用試料１０Ｂとは、試料表面（ｐ型半導体層１５の表面）におけるユニットＡ，Ｂの配置が入れ替わっている。つまり、図３（ａ）に示すように、評価用試料１０Ａは、試料表面を、試料表面の中心Ｏを通り、かつ、ユニットＡ，Ｂの中心Ｏ_Ａ，Ｏ_Ｂを結ぶ軸線Ｌ_ＡＢに垂直な線で二分したときに、ユニットＡが左側の領域に配置され、ユニットＢが右側の領域に配置されている。
一方、図３（ｂ）に示すように、評価用試料１０Ｂは、試料表面を、試料表面の中心Ｏを通り、かつ、ユニットＡ，Ｂの中心Ｏ_Ａ，Ｏ_Ｂを結ぶ軸線Ｌ_ＡＢに垂直な線で二分したときに、ユニットＡが右側の領域に配置され、ユニットＢが左側の領域に配置されている。
図３（ａ），（ｂ）に示した評価用試料１０Ａと評価用試料１０ＢのユニットＡ，Ｂの中心Ｏ_Ａ，Ｏ_Ｂ間の間隔Ｐは等しい。

なお、図３（ａ），（ｂ）では、ユニットＡから射出される光線を、試料表面に射影した射影線Ｌ_Ａで表し、ユニットＢから射出される光線を、試料表面に射影した射影線Ｌ_Ｂで表した。また、ユニットＡ，Ｂ間を結ぶ軸線を軸線Ｌ_ＡＢで表した。

評価用試料１０Ａと評価用試料１０Ｂとは、試料表面におけるユニットＡ，Ｂの配置が異なるがその他の構成は全て共通するため、以下では、評価用試料１０Ａ，１０Ｂの構成について、評価用試料１０Ａを例にとって説明する。

次に、ユニットＡ，Ｂの構成例について図４を参照して説明する。
図４に示すように、ユニットＡ，Ｂは、複数の光線指向制御部１１，１２によりそれぞれ構成されている。
ユニットＡ，Ｂともに、それぞれ同じ高さを有する３本の光線指向制御部１１と、光線指向制御部１１とは高さが異なり、かつ、それぞれ同じ高さを有する３本の光線指向制御部１２とがｐ型半導体層１５上に環状に配置されて構成される。ただし、光線指向制御部１１，１２の配置が、ユニットＡとユニットＢとでは左右反対になっている。

続いて、ユニットＡ，Ｂを構成する光線指向制御部１１，１２の構成について図４を参照して説明する。なお、光線指向制御部１１，１２自体の構成（材料、形状、寸法や設置間隔）は、ユニットＡ，Ｂ間で共通するため、ここではユニットの区別を適宜省略して説明する。

光線指向制御部１１，１２は、光線を形成するとともに、当該光線の方向を制御するものである。
光線指向制御部１１，１２は、図４（ａ），（ｃ）に示すように、隣接して配置される３本の光線指向制御部１２の高さが、隣接して配置されるその他の３本の光線指向制御部１１の高さと異なるように形成され、ここでは光線指向制御部１２の高さが光線指向制御部１１の高さよりも低くなるように形成されている。

このように３本の光線指向制御部１２と他の３本の他の光線指向制御部１１とを異なる高さとすることで、当該高さの差に応じて光線の射出方向を制御することができる。詳しくは後記する。なお、光線指向制御部１１，１２の高さが全て同じ場合（高さの差がない場合）は、光線指向制御部１１，１２によって形成される光線は、ユニットＡ，Ｂの表面と垂直な方向に放射される。

光線指向制御部１１，１２は、図４（ａ），（ｃ）に示すように、平面視でそれぞれ円形状に形成され、ｐ型半導体層１５上にそれぞれ同じ断面積で形成されている。光線指向制御部１１，１２は、それぞれの直径が等しくなるように形成されており、具体的には自由空間（空気中）における光の波長λ_０程度に設定されている。光線指向制御部１１，１２は、それぞれの柱の中心軸が同じ円周上（円Ｓ_Ａまたは円Ｓ_Ｂ上）に等間隔で位置するように、環状に配置されている。
ここでは、光線指向制御部１１，１２は、隣り合う柱との間隔が略０となるように配置されているので、円Ｓ_Ａ，Ｓ_Ｂの直径はそれぞれ２λ_０となる。

以下では、図４（ａ）に示したユニットＡを構成する光線指向制御部１１，１２の中心軸をそれぞれ通る円Ｓ_Ａの中心をユニットＡの中心Ｏ_Ａとして説明する。同様に、図４（ｃ）に示したユニットＢを構成する光線指向制御部１１，１２の中心軸をそれぞれ通る円Ｓ_Ｂの中心をユニットＢの中心Ｏ_Ｂとして説明する。ユニットＡの中心Ｏ_Ａは、ユニットＡの射出面の中心のことである。ユニットＢの中心Ｏ_Ｂは、ユニットＢの射出面の中心のことである。ユニットＡ，Ｂの射出面の中心とは、光線指向制御部１１，１２の射出面１１ａ，１２ａをユニットＡ，Ｂの最表面（ここでは光線指向制御部１１の射出面１１ａ）に位置させたときの重心位置である。以下では、単にユニットＡ，Ｂの中心Ｏ_Ａ，Ｏ_Ｂとして説明する。

このような光線指向制御部１１，１２は、例えばＧａＮ等の半導体材料やＳｉＯ_２等の透明誘電体材料等で構成することができる。ここでは、光線指向制御部１１，１２は、半導体材料によりｐ型半導体層１５と一体的に形成されている。

光線指向制御部１１の高さと光線指向制御部１２の高さは、それぞれ光線指向制御部１１，１２の内部を伝播する光の波長程度、あるいはその数倍の高さに設定される。ここで、図４（ｂ）,（ｄ）に示すように、光線指向制御部１１の高さを「Ｈ」とし、光線指向制御部１１と光線指向制御部１２との高さの差を「ｄ」とする。光線指向制御部１１の高さＨに対する高さの差ｄの割合（＝ｄ／Ｈ）を変化させることで、光線指向制御部１１，１２からの光線の射出方向を制御することができる。具体的には、光線指向制御部１１の高さＨに対する光線指向制御部１２の高さの差ｄの割合を大きくすると、ユニットＡ，Ｂの表面と垂直な方向に対する光線の成す角が増加する。
光線指向制御部１１，１２による光線の方向制御の詳細については、図９に示した従来の発光素子１１０の柱状部１１１，１１２による光線の方向制御と同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

光線指向制御部１１，１２は、発光層１４により発生した光の導波路として機能する。ここで、例えばＬＥＤは、一般的に１０〜５０μｍ程度の可干渉長を持っているため、前記したような微小な空間において異なる経路長を経た光は、干渉効果による空間分布を形成する。従って、光線指向制御部１１，１２の内部を伝播した光は、光線指向制御部１１，１２の最上面である射出面１１ａ，１２ａ（図４（ｂ）,（ｄ）参照）から試料表面と垂直な方向、すなわち図１における上方向に放射された後、光の干渉効果によって干渉する。そして、ユニットＡにより、試料表面と垂直な方向に１本の光線が生成される。また、ユニットＢにより、試料表面と垂直な方向に１本の光線が生成される。なお、ここでの試料表面とは、具体的には図１に示すｐ型半導体層１５の上面のことを意味している。また、ここでの光線とは拡がりのある光を指すものとする。

ユニットＡは、図４（ａ）に示すように、３本の光線指向制御部１１が中心Ｏ_Ａに対し右側に配置され、３本の光線指向制御部１２が中心Ｏ_Ａに対し左側に配置されている。ユニットＡは、光線指向制御部１１，１２がこのように配置されることで、図１に示すように、法線Ｍ（垂直基準）に対し−θ方向に光線を射出する。

一方、ユニットＢは、図４（ｃ）に示すように、３本の光線指向制御部１１が中心Ｏ_Ｂに対し左側に配置され、３本の光線指向制御部１２が中心Ｏ_Ｂに対し右側に配置されている。ユニットＢは、光線指向制御部１１，１２がこのように配置されることで、図１に示すように、法線Ｍに対しθ方向に光線を射出する。

つまり、ユニットＡを、中心Ｏ_Ａを軸心として１８０度水平方向に回転させると、ユニットＢとなる。一方、ユニットＢを、中心Ｏ_Ｂを軸心として１８０度水平方向に回転させると、ユニットＡとなる。
仮にユニットＡ，Ｂの光線指向制御部１１，１２の配置が一致している場合、垂直基準に対する傾き角が等しい方向に光線を射出する。ただし、本実施形態では、ユニットＡとユニットＢは、光線指向制御部１１，１２の配置が対称となっているので、対称となる方向に光線を射出する。

図３（ａ）を参照して前記したように、評価用試料１０Ａは、試料表面を、中心Ｏを通る線で二分したときに、ユニットＡが左側の領域に配置され、ユニットＢが右側の領域に配置されているので、ユニットＡとユニットＢとが、軸線Ｌ_ＡＢ上において、最も離れる方向（反対方向・逆方向）に光を射出する。一方、図３（ｂ）を参照して前記したように、評価用試料１０Ｂは、試料表面を、中心Ｏを通る線で二分したときに、ユニットＡが右側の領域に配置され、ユニットＢが左側の領域に配置されているので、ユニットＡとユニットＢとが、軸線Ｌ_ＡＢ上において最も接近する方向（向かい合う方向）に光を射出する。

次に、図５を参照して、本実施形態の評価用試料１０Ａを例にとって、試料表面におけるユニットＡおよびユニットＢの配置について、比較例との対比により説明する。
図５（ａ）に示す本実施形態の評価用試料１０ＡのユニットＡ，Ｂからそれぞれ射出された光線の射影線Ｌ_Ａ，Ｌ_Ｂの矢印の向きと、図５（ｂ）に示す本実施形態の評価用試料１０ＡのユニットＡ，Ｂからそれぞれ射出された光線の射出方向は対応している。また、図５（ａ）に示す本実施形態の評価用試料１０ＡのユニットＡ，Ｂからそれぞれ射出された光線の射影線Ｌ_Ａ，Ｌ_Ｂの長さと、図５（ｂ）に示す本実施形態の評価用試料１０ＡのユニットＡ，Ｂからそれぞれ射出された光線の傾き角は対応している。なお、図５（ａ），（ｂ）に示した射影線Ｌは、光検出装置２０の垂直断面を試料表面に射影した射影線である。

図５（ａ）に示すように、本実施形態のユニットＡ，Ｂは、ユニットＡ，Ｂの中心Ｏ_Ａ，Ｏ_Ｂ間を結ぶ軸線Ｌ_ＡＢと射影線Ｌとが重なるように試料表面に配置されることが必要である。つまり、ユニットＡは、射影線Ｌ上に中心Ｏ_Ａが位置するように配置され、ユニットＢは、軸線Ｌ_ＡＢ上に中心Ｏ_Ｂが位置するように配置されることが必要である。
また、本実施形態のユニットＡは、ユニットＡから射出された光線の射影線Ｌ_Ａが軸線Ｌ_ＡＢと重なるように試料表面に配置されることが必要である。さらに、本実施形態のユニットＢは、ユニットＢから射出された光線の射影線Ｌ_Ｂが軸線Ｌ_ＡＢと重なるように試料表面に配置されることが必要である。本実施形態の評価用試料１０Ａは、ユニットＡとユニットＢがこのように配置されているので、ユニットＡとユニットＢとにより、光検出装置２０の所定の軌道上に光線を射出することができる。

一方、図５（ｃ）に示す比較例では、ユニットＡは、ユニットＡから射出された光線の射影線Ｌ_Ａが軸線Ｌ_ＡＢと重なるように試料表面に配置されておらず、ユニットＢは、ユニットＢから射出された光線の射影線Ｌ_Ｂが軸線Ｌ_ＡＢと重なるように試料表面に配置されていない。この比較例の配置の場合、ユニットＡとユニットＢとにより、光検出装置２０の所定の軌道上に光線を射出することができない。したがって、比較例の配置では、ユニットＡおよびユニットＢから射出された光線を光検出装置２０により検出することができないため、好ましくない。

図１に戻り、光検出装置２０は、評価用試料１０Ａおよび評価用試料１０Ｂ（図２参照）のユニットＡ，Ｂの射出面（ユニットＡ，Ｂの最表面、つまり、最も高い光線指向制御部の表面）から射出された光線の傾き角を測定する。
光検出装置２０は、例えば図６（ａ）に示すように、評価用試料１０ＡのユニットＡ，Ｂの上方に半球体があるものと仮定する。この半球体の垂直断面の射影線Ｌ（図４（ａ）参照）がユニットＡ，Ｂの中心Ｏ_Ａ，Ｏ_Ｂ間を結んだ軸線Ｌ_ＡＢ（図４（ａ）参照）と重なるように二分したときの半円周Ｃ上で、ユニットＡ，Ｂからそれぞれ射出された光線の傾き角として光検出装置２０の原点を通る法線Ｍに対する正負の角度（天頂角）を±θで測定する。図６（ｂ）に示すように、評価用試料１０Ｂについても同様に、ユニットＡ，Ｂからそれぞれ射出された光線の傾き角を測定する。

光検出装置２０は、ここではアームを介して移動機構（いずれも図示せず）に接続されており、前記した半円周Ｃ上を移動し、光線を入射したときの自身の位置（０度の位置からの距離と方向）から、光線の傾き角を測定するようになっている。この半円周ＣがユニットＡ，Ｂからの光線を検出するときの光検出装置２０の軌道である。ここで、光検出装置２０は、半球体の天頂部、つまり、半円周Ｃ上における頂部を原点（０度）とする。また、ここでは、光検出装置２０の原点と射影線Ｌとの距離（原点から射影線Ｌまで下ろした線の長さ）をＲとしている。このような光検出装置２０は、評価用試料１０Ａ，１０ＢのユニットＡ，Ｂのそれぞれについて指向特性の角度分布を測定する。

光検出装置２０の原点は、２つのユニットＡ，Ｂの中心を結ぶ線上Ｌ_ＡＢ上にあればよく、２つのユニットＡ，Ｂの間にあってもよいし、２つのユニットＡ，Ｂの外側にあってもよい。なお、ここでは、光検出装置２０の原点と２つのユニットＡ，Ｂの中心Ｏ_Ａ，Ｏ_Ｂとの正確な位置関係（距離）は不明であるものとする。

図１に戻り、演算装置３０は、光検出装置２０により測定された評価用試料１０Ａまたは評価用試料１０Ｂ（図２参照）のユニットＡ，Ｂの射出面からそれぞれ射出された光線の傾き角の測定値から、ユニットＡ，Ｂの射出面から射出された光線の実際の傾き角の値を求める。以下、図７を参照して詳しく説明する。なお、図７（ａ），（ｂ）では、光検出装置２０の原点とユニットＡ，Ｂの中心Ｏ_Ａ，Ｏ_Ｂとの距離を誇張して示している。

まず、演算装置３０は、光検出装置２０により測定された、図７（ａ）に示す評価用試料１０ＡのユニットＡから射出された光線の傾き角の測定値とユニットＢから射出された光線の傾き角の測定値との差Ｄ_１を次の式（１）により求める。また、演算装置３０は、光検出装置２０により測定された、図７（ｂ）に示す評価用試料１０ＢのユニットＡから射出された光線の傾き角の測定値とユニットＢから射出された光線の傾き角の測定値との差Ｄ_２を次の式（２）により求める。
Ｄ_１＝（θ＋ΔＸ_Ｂ１／Ｒ）−（−θ＋ΔＸ_Ａ１／Ｒ）
＝２θ＋（ΔＸ_Ｂ１−ΔＸ_Ａ１）／Ｒ
…式（１）
Ｄ_２＝（θ＋ΔＸ_Ｂ２／Ｒ）−（−θ＋ΔＸ_Ａ２／Ｒ）
＝２θ＋（ΔＸ_Ｂ２−ΔＸ_Ａ２）／Ｒ
…式（２）

前記式（１）、（２）の１行目の第１項は、それぞれ、ユニットＢについての測定値（光線の実際の天頂角＋ユニットＢの中心と光検出装置２０の原点との位置ずれ量に応じた角度）である。前記式（１）、（２）の１行目の第２項は、それぞれ、ユニットＡについての測定値（光線の実際の天頂角＋ユニットＡの中心と光検出装置２０の原点との位置ずれ量に応じた角度）である。

前記式（１）,（２）において、Ｒは、光検出装置２０の原点からユニットＡ，Ｂの中心Ｏ_Ａ，Ｏ_Ｂ間を結ぶ軸線Ｌ_ＡＢまでの距離である。ここでは、Ｒは、ΔＸ_Ａ,ΔＸ_Ｂに対して十分大きいものとする。例えば、ΔＸ_Ａ,ΔＸ_Ｂが数ｎｍであるのに対し、Ｒは数十ｃｍ〜数ｍというような関係にある。

なお、評価用試料１０ＡのユニットＡ，Ｂはそれぞれ同一の試料表面（ｐ型半導体層１５の表面）に形成されている。そのため、仮に評価用試料１０Ａが傾いて配置されている場合、ユニットＡ，Ｂの傾きは等しくなる。この傾きは、光検出装置２０による測定値に同じように含まれることとなる。よって、評価用試料１０ＡのユニットＡ，Ｂの傾きは、前記式（１）により差Ｄ_１を求める段階で打ち消されることとなる。これと同様に、評価用試料１０ＢのユニットＡ，Ｂの傾きは等しく、光検出装置２０による測定値に同じように含まれるため、前記式（２）により差Ｄ_２を求める段階で打ち消されることとなる。このため、前記式（１）、（２）において、傾きの効果を最初から顕わには記載していない。

また、式（１）の１行目の距離ΔＸ_Ａ１と距離ΔＸ_Ｂ１のそれぞれの値は、ここではわかっていない。一方、式（１）の１行目を整理すると式（１）の２行目のように表すことができる。式（１）の２行目の距離ΔＸ_Ｂ１−ΔＸ_Ａ１は、図８に示すように、評価用試料１０ＡのユニットＡ，Ｂの中心Ｏ_Ａ，Ｏ_Ｂ間の距離を表し、この値は予めわかっている。

これと同様に、式（２）の１行目の距離ΔＸ_Ａ２と距離ΔＸ_Ｂ２のそれぞれの値は不明である。一方、式（２）の１行目を整理すると式（２）の２行目のように表すことができる。式（２）の２行目の距離ΔＸ_Ｂ２−ΔＸ_Ａ２は、図８に示すように、評価用試料１０ＢのユニットＡ，Ｂの中心Ｏ_Ａ，Ｏ_Ｂ間の距離を表し、この値は予めわかっている。

ここで、式（１）における距離ΔＸ_Ｂ１−ΔＸ_Ａ１と、式（２）における距離ΔＸ_Ｂ２−ΔＸ_Ａ２は、評価用試料１０Ａ，１０Ｂの設計時において同じ値に設定することができるので、評価用試料１０Ａ，１０Ｂの作製時の加工精度により等しいと考えてよい。
評価用試料１０Ａと評価用試料１０Ｂとは、ユニットＡ，Ｂの位置を入れ替えた関係にあるため、式（１）における距離ΔＸ_Ｂ１−ΔＸ_Ａ１と、式（２）における距離ΔＸ_Ｂ２−ΔＸ_Ａ２とは、絶対値において等しく符号が逆になることがわかる。

したがって、次の式（３）の１行目の式に示す関係が成り立つ。つまり、差Ｄ_１と差Ｄ_２とを加算すると、式（１）における２行目の第２項と式（２）における２行目の第２項とが、互いに打ち消し合うため、４θが残ることになる。そして、演算装置３０は、式（３）の２行目の式に示すように、ユニットＡ，Ｂにより射出された光線の実際の天頂角θとして、式（１）により求められた差Ｄ_１と、式（２）により求められた差Ｄ_２との和を測定値の総数である４で割ることでθの値を求める。
Ｄ_１＋Ｄ_２＝４θ
θ＝（Ｄ_１＋Ｄ_２）÷４
…式（３）

このようにして得られたθの値は、ユニットＡ，Ｂの位置ずれ量や傾き量の影響を受けない、ユニットＡ，Ｂを構成する光線指向制御部１１，１２の構造のみによって得られる光線の実際の傾き角であるといえる。

光線射出方向算出装置１は、このようにして、光検出装置２０により評価用試料１０Ａ，１０ＢのユニットＡ，Ｂから射出された光線の傾き角を測定し、演算装置３０により、この測定値に含まれる位置ずれ量および傾き量を消去することで、評価用試料１０Ａ，１０ＢのユニットＡ，Ｂからそれぞれ射出された光線の実際の傾き角を正確に求めることができる。

そして、光線射出方向算出装置１により求めた傾き角θの値が、ユニットＡ，Ｂを構成する光線指向制御部１１，１２の設計時の目標値である傾き角θの値と合致しているか否かにより、光線指向制御部１１，１２の設計の妥当性および光線指向制御部１１，１２の光線指向制御部の形状の正確性を確認することができる。

次に、光線射出方向算出装置１により、光線指向制御部１１，１２の構造のみによって得られる光線の傾き角θの値を求める方法について、図８および適宜図１〜７を参照して説明する。
図８に示すように、光線射出方向算出装置１は、光検出装置２０によって、評価用試料１０Ａ，１０Ｂのそれぞれについて、ユニットＡ，Ｂからそれぞれ射出された光線の天頂角を測定する（ステップＳ１：測定ステップ）。光線射出方向算出装置１は、光検出装置２０によって、測定値を演算装置３０に出力する。

また、光線射出方向算出装置１は、演算装置３０によって、光検出装置２０から測定値を入力する。そして、光線射出方向算出装置１は、演算装置３０によって、評価用試料１０ＡのユニットＡから射出された光線の傾き角の測定値とユニットＢから射出された光線の傾き角の測定値との差Ｄ_１と、評価用試料１０ＢのユニットＡから射出された光線の傾き角の測定値とユニットＢから射出された光線の傾き角の測定値との差Ｄ_２とに基づき、ユニットＡ，Ｂから射出された光線の実際の天頂角θの値を求める（ステップＳ２：算出ステップ）。

以上説明した本実施形態に係る光線射出方向算出装置および光線射出方向算出方法によれば、光検出装置によって測定されたユニットＡ，Ｂから射出された光線の天頂角の測定値に含まれる位置ずれ量や傾き量をキャンセルすることができる。そのため、ユニットＡ，Ｂを構成する光線指向制御部の構造のみにより得られる光線の天頂角の値を正確に求めることができる。このように、本実施形態によれば、ユニットＡ，Ｂの中心Ｏ_Ａ，Ｏ_Ｂと光検出装置の原点との位置関係（位置ずれ量）やユニットＡ，Ｂの傾き量が不明であっても、ユニットＡ，Ｂから射出される光線の実際の天頂角の値を求めることができる。

なお、前記した実施形態では、光検出装置２０を１台で構成し、図示しない駆動機構により所定の軌道上を移動可能としたが、これに限られるものではない。例えば、複数の光検出装置２０を所定の軌道上にアレイ状に配置してもよい。これによれば、複数の光検出装置２０のうち、光線を入射した光検出装置２０の位置に応じて、光線の傾き角（天頂角）を測定することができる。複数の光検出装置２０のそれぞれの位置は、所定の軌道Ｃの天頂部を０度の位置としたときの、０度の位置からの距離と方向により特定される。

また、前記した実施形態では、評価用試料として電圧を印加することで自発光する半導体素子である評価用試料１０Ａ，１０Ｂを用いたが、これに限られるものではない。ユニットＡ，ＢとこのユニットＡ，Ｂに光を照射する光源とが別に構成されていてもよい。例えば、表面にユニットＡ，Ｂを配置した透明基板を評価用試料とし、この評価用試料の下方に光源を配置して、この光源で発生させた光を、透明基板からユニットＡ，Ｂに入射させてもよい。

この場合、光源からユニットＡ，Ｂに照射される光の干渉性や、光の伝搬距離を適切に調整することで、光源から評価用試料のユニットＡ，Ｂに照射される光の照射パターンを、評価用試料１０Ａ，１０Ｂの発光層１４からユニットＡ，Ｂに照射される光の照射パターンと等しくすることが望ましい。このようにすると、評価用試料のユニットＡ，Ｂの光線指向制御部１１，１２により合成される光線を、実際の発光素子における光線指向制御部により合成される光線と同等とすることができる。そのため、評価用試料のユニットＡ，Ｂの光線指向制御部１１，１２の設計の妥当性や形状の正確性を評価することで、発光素子の光線指向制御部として適した構造を簡単に見つけだすことができる。

また、前記した実施形態では、ユニットＡ，Ｂを３本の光線指向制御部１１と３本の光線指向制御部１２とにより構成したが、光線指向制御部の数はこれに限られない。例えば、ユニットＡ，Ｂを、総数が３〜６本の光線指向制御部１１，１２により構成してもよい。この場合、光線指向制御部１２の本数を、光線指向制御部１１，１２の総数の半数以下とする。

１ 光線射出方向算出装置
１０Ａ，１０Ｂ 評価用試料
１１ 光線指向制御部
１１ａ 射出面
１２ 光線指向制御部
１２ａ 射出面
１３ ｎ型半導体層
１４ 発光層
１５ ｐ型半導体層
２０ 光検出装置
３０ 演算装置

Claims (2)

1. 垂直基準からの傾き角が等しい方向に光線を射出する２つのユニットを備え、前記２つのユニットが、当該２つのユニットの中心を結ぶ軸線上において、互いに向かい合う方向に光線を射出するように所定間隔を空けて基板上に配置された一の評価用試料と、前記２つのユニットが前記軸線上において、互いに反対方向に光線を射出するように前記所定間隔を空けて基板上に配置された他の評価用試料とのそれぞれについて、前記２つのユニットからそれぞれ射出された光線の実際の傾き角を算出する光線射出方向算出装置であって、
   前記２つのユニットの上方に半球体があるものと仮定し、この半球体を前記軸線上に垂直断面が位置するように二分したときの半円周上で、前記２つのユニットからそれぞれ射出された光線の前記傾き角として、前記半球体の天頂部を０度とし正負を考慮して角度をそれぞれ測定する光検出装置と、
   前記一の評価用試料の前記２つのユニットについてそれぞれ測定された光線の傾き角の測定値同士の差を求めるとともに、前記他の評価用試料の前記２つのユニットについてそれぞれ測定された光線の傾き角の測定値同士の差を求め、２つの差の和を４で割ることで、４つの前記ユニットからそれぞれ射出された光線の実際の傾き角を算出する演算装置と、を備える光線射出方向算出装置。
2. 請求項１に記載の光線射出方向算出装置により、前記一の評価用試料と前記他の評価用試料のそれぞれについて前記２つのユニットからそれぞれ射出された光線の実際の傾き角を算出する光線射出方向算出方法であって、
   前記光検出装置により、前記２つのユニットの上方に半球体があるものと仮定し、この半球体を前記軸線上に垂直断面が位置するように二分したときの半円周上で、前記２つのユニットからそれぞれ射出された光線の前記傾き角として、前記半球体の天頂部を０度とし正負を考慮して角度をそれぞれ測定する測定ステップと、
   前記演算装置により、前記一の評価用試料の前記２つのユニットについてそれぞれ測定された光線の傾き角の測定値同士の差を求めるとともに、前記他の評価用試料の前記２つのユニットについてそれぞれ測定された光線の傾き角の測定値同士の差を求め、２つの差の和を４で割ることで、４つの前記ユニットからそれぞれ射出された光線の実際の傾き角を算出する演算ステップと、を含むことを特徴とする光線射出方向算出方法。

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