JP2016146417A - Semiconductor light emission device, distance measurement device using the same and method for operating distance measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主に車両等に搭載され、レーザ光を用いて対象物体までの距離を計測する距離計測装置に用いられる半導体発光装置及びそれを用いた距離計測装置並びに距離計測装置の駆動方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device that is mainly mounted on a vehicle or the like and is used in a distance measuring device that measures a distance to a target object using a laser beam, a distance measuring device using the same, and a driving method of the distance measuring device .
近年、自動車等の安全走行のため、前方車両や障害物との距離を計測するセンサーが、多くの車両に搭載されている。距離を計測するセンサーとしては、画像を用いた方式(ステレオカメラなど)、ミリ波を使った方式、レーザ光を使った方式等が用いられているが、比較的低コストで解像度が高いレーザ光を使った方式が注目されている。レーザ光を使った方式では、パルス駆動で出射した光が対象物で反射して戻ってくる時間を計測し、その時間から対象物までの距離を算出している。 2. Description of the Related Art In recent years, many vehicles are equipped with sensors that measure the distance from vehicles ahead and obstacles for safe driving of automobiles and the like. Sensors that measure distance include image-based methods (such as stereo cameras), millimeter-wave methods, and laser-based methods, but laser light that has relatively low cost and high resolution. The method using is attracting attention. In the method using laser light, the time for which the light emitted by pulse driving is reflected and returned by the object is measured, and the distance from the time to the object is calculated.
従来のレーザ光を使った距離計測装置は、回転鏡等を用いてレーザ光を走査することにより、広い範囲にレーザ光を照射して距離計測を行っていた。一方、強いレーザ光が歩行者等の眼に入ると網膜を損傷する可能性があり、人への照射に対する安全対策も必要となっている。特許文献1には、レーザ光を走査する方式において、低速走行時には人の眼に対して悪影響の少ない長波長のレーザ光を用いる一方、高速走行時には水への吸収が少なく遠距離まで届く短波長のレーザ光を用いた距離計測装置が開示されている。
Conventional distance measuring devices using laser light perform distance measurement by irradiating laser light over a wide range by scanning the laser light using a rotary mirror or the like. On the other hand, if strong laser light enters the eyes of a pedestrian or the like, the retina may be damaged, and safety measures against human irradiation are also required. In
しかしながら、レーザ光を走査する方式では、レーザ光を走査するための可動部を必要とするため、信頼性の向上や小型化の点で課題があった。 However, the method of scanning with laser light has a problem in terms of improving reliability and downsizing because a movable part for scanning with laser light is required.
近年、レーザ光を走査することなく、広い範囲に光を照射できる高出力のレーザ光源として、垂直面発光型レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:VCSEL)を多数2次元配列した面発光レーザアレイが注目されている。しかしながら、垂直面発光型レーザの放射角は、放射面に垂直な方向を中心として20°前後と狭い。そのため、例えば、図34に示すように、基板301、n側DBR(Distributed Bragg Reflector:分布ブラッグ反射ミラー)302、活性層303、p側DBR304からなる面発光レーザアレイ305の前に拡散板310を設けて、その拡散板310によりレーザ光を散乱させて、レーザ光の放射方向を広げる必要があった。この場合、遠距離の対象物との距離を計測中に、突然近くに人などが現れると、レーザ光による人への悪影響を避けるため、面発光レーザアレイ305全体のレーザ光の強度を下げていた。そのため、レーザ光の強度を再び上げるまでの間、遠距離にレーザ光が届かなくなり、遠距離の対象物までの距離計測ができないという問題が生じる。
2. Description of the Related Art In recent years, a surface emitting laser array in which a number of vertical surface emitting lasers (VCSELs) are two-dimensionally arrayed as a high-power laser light source capable of irradiating light over a wide range without scanning with laser light has attracted attention. Has been. However, the emission angle of the vertical surface emitting laser is as narrow as about 20 ° with the direction perpendicular to the emission surface as the center. Therefore, for example, as shown in FIG. 34, a
本開示は、安全性を確保しつつ、遠距離の対象物への距離計測能力を低下させない距離計測装置用の半導体発光装置及びそれを用いた距離計測装置並びに距離計測装置の駆動方法を提供する。 The present disclosure provides a semiconductor light emitting device for a distance measuring device, a distance measuring device using the same, and a driving method of the distance measuring device that does not reduce the ability to measure the distance to an object at a long distance while ensuring safety. .
本開示に係る半導体発光装置は、第1の方向に沿って配置された複数の半導体発光素子を有する半導体発光素子アレイと、半導体発光素子の光出射面側に設けられ、半導体発光素子からの出射光を偏向させる光偏向部と、を備え、複数の半導体発光素子からの出射光は、第1の方向において互いに異なる偏向角を有しており、半導体発光素子は、それぞれの偏向角を有する出射光毎に発光するように駆動できることを特徴とする。 A semiconductor light emitting device according to the present disclosure is provided on a light emitting surface side of a semiconductor light emitting element array having a plurality of semiconductor light emitting elements arranged along a first direction and from the semiconductor light emitting element. A light deflector for deflecting the emitted light, and the light emitted from the plurality of semiconductor light emitting elements has different deflection angles in the first direction, and the semiconductor light emitting elements have the respective deflection angles. It can be driven to emit light for each incident light.
本開示に係る半導体発光装置によれば、半導体発光素子アレイの中心に対して広がるように偏向させた各半導体発光素子からの出射光に対して、それぞれの偏向角を有する出射光毎にその強度等を変更できるため、半導体発光装置の近くに侵入した人に対しては、その人の方向に向かう光の強度を弱くする一方、人の近くを通らない光の強度は強い状態のまま維持し、遠距離の対象物への距離計測を続けることができる。これにより、人への安全性を確保しつつ、遠距離の対象物への距離計測能力を維持することができる。 According to the semiconductor light emitting device according to the present disclosure, the intensity of the emitted light from each semiconductor light emitting element deflected so as to spread with respect to the center of the semiconductor light emitting element array for each emitted light having a respective deflection angle. For people who have entered the vicinity of the semiconductor light-emitting device, the intensity of light toward the person is weakened while the intensity of light that does not pass near the person remains strong. The distance measurement to a long-distance object can be continued. Thereby, the distance measurement capability to a long-distance target object can be maintained, ensuring the safety | security to a person.
また、本開示に係る距離計測装置は、第1の方向に沿って配置された複数の半導体発光素子を有する半導体発光素子アレイと、半導体発光素子の光出射面側に設けられ、半導体発光素子からの出射光を偏向させる光偏向部と、を有し、複数の半導体発光素子からの出射光は、第1の方向において互いに異なる偏向角を有しており、半導体発光素子は、それぞれの偏向角を有する出射光毎に発光するように駆動できる、半導体発光装置と、半導体発光素子を駆動する駆動部と、半導体発光装置からの出射光を受光する受光部と、半導体発光装置からの出射光の出射時刻と受光時刻との差から距離を計算する演算部とを備えている。そして、偏向角の大きい出射光から偏向角の小さい出射光の順に出射光を出射していく場合に、先に出射した出射光による計測距離に基づいて、次に出射する出射光の強度を決めることを特徴とする。 In addition, a distance measurement device according to the present disclosure is provided on a light emitting surface side of a semiconductor light emitting element array having a plurality of semiconductor light emitting elements arranged along a first direction. A light deflecting unit that deflects the emitted light, and the emitted light from the plurality of semiconductor light emitting elements has different deflection angles in the first direction, and the semiconductor light emitting elements have respective deflection angles. A semiconductor light emitting device, a drive unit for driving the semiconductor light emitting element, a light receiving unit for receiving light emitted from the semiconductor light emitting device, and a light emitting unit for emitting light from the semiconductor light emitting device. An arithmetic unit that calculates the distance from the difference between the emission time and the light reception time is provided. Then, when the outgoing light is emitted in the order of the outgoing light having the larger deflection angle and the outgoing light having the smaller deflection angle, the intensity of the outgoing light to be emitted next is determined based on the measurement distance of the outgoing light emitted first. It is characterized by that.
本開示に係る距離計測装置によれば、偏向角の大きい出射光は、計測エリアの端から侵入する人等の侵入対象物を一番初めに照射するため、侵入対象物への距離が近い場合、その後に出射される光を即座に低減することができる。一方、侵入対象物への照射がなくなった後は、その後に出射される光の強度を強く保つことができる。これにより、人への安全性を確保しつつ、遠距離の対象物への距離計測能力を維持することができる。 According to the distance measuring device according to the present disclosure, the outgoing light having a large deflection angle irradiates the intruding target such as a person entering from the end of the measurement area first, and therefore the distance to the intruding target is short. Then, the light emitted thereafter can be immediately reduced. On the other hand, after the irradiation of the intruding target is stopped, the intensity of the light emitted thereafter can be kept strong. Thereby, the distance measurement capability to a long-distance target object can be maintained, ensuring the safety | security to a person.
また、本開示に係る距離計測装置の駆動方法は、第1の方向に沿って配置された複数の半導体発光素子を有する半導体発光素子アレイと、半導体発光素子の光出射面側に設けられ、半導体発光素子からの出射光を偏向させる光偏向部と、を有し、複数の半導体発光素子からの出射光は、第1の方向において互いに異なる偏向角を有しており、半導体発光素子は、それぞれの偏向角を有する出射光毎に発光するように駆動できる、半導体発光装置と、半導体発光素子を駆動する駆動部と、半導体発光装置からの出射光を受光する受光部と、半導体発光装置からの出射光の出射時刻と受光時刻との差から距離を計算する演算部とを備えた距離計測装置の駆動方法において、偏向角の大きい出射光から偏向角の小さい出射光の順に出射光を出射していく場合に、先に出射した出射光による計測距離に基づいて、次に出射する出射光の強度を決めることを特徴とする。 The distance measuring device driving method according to the present disclosure includes a semiconductor light emitting element array having a plurality of semiconductor light emitting elements arranged along a first direction, a semiconductor light emitting element provided on a light emitting surface side of the semiconductor light emitting element, A light deflecting unit that deflects light emitted from the light emitting element, and light emitted from the plurality of semiconductor light emitting elements has different deflection angles in the first direction. A semiconductor light emitting device, a drive unit for driving the semiconductor light emitting element, a light receiving unit for receiving the emitted light from the semiconductor light emitting device, and a light emitting unit from the semiconductor light emitting device. In a driving method of a distance measuring device including a calculation unit that calculates a distance from a difference between an emission time and a light reception time of emitted light, the emitted light is emitted in the order of emitted light with a large deflection angle and emitted light with a small deflection angle. The When Ku, based on the distance measured by the outgoing light emitted previously, then characterized to determine the intensity of the outgoing light emitted.
本開示に係る距離計測装置の駆動方法によれば、偏向角の大きい出射光は、計測エリアの端から侵入する人等の侵入対象物を一番初めに照射するため、侵入対象物への距離が近い場合、その後に出射される光を即座に低減することができる。一方、侵入対象物への照射がなくなった後は、その後に出射される光の強度を強く保つことができる。これにより、人への安全性を確保しつつ、遠距離の対象物への距離計測能力を維持することができる。 According to the driving method of the distance measuring device according to the present disclosure, the emitted light having a large deflection angle irradiates the intruding target such as a person entering from the end of the measurement area first, and therefore the distance to the intruding target. Is close, the light emitted thereafter can be immediately reduced. On the other hand, after the irradiation of the intruding target is stopped, the intensity of the light emitted thereafter can be kept strong. Thereby, the distance measurement capability to a long-distance target object can be maintained, ensuring the safety | security to a person.
本開示に係る半導体発光装置及びそれを用いた距離計測装置並びに距離計測装置の駆動方法により、光を使った距離計測において、人への安全性を確保しつつ、遠距離の対象物への距離計測能力を維持することができる。 In the distance measurement using light by the semiconductor light emitting device according to the present disclosure, the distance measuring device using the semiconductor light emitting device, and the driving method of the distance measuring device, the distance to the object at a long distance is ensured while ensuring safety to the person. The measurement ability can be maintained.
以下に、本開示の各実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本開示は以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. Note that the present disclosure is not limited to the following embodiment.
(第1の実施形態)
(半導体発光装置の構成)
図1は、第1の実施形態に係る半導体発光装置の斜視模式図である。また、図2は、図1のA−A線における断面模式図であり、図3は、図1のB−B線における断面模式図である。
(First embodiment)
(Configuration of semiconductor light emitting device)
FIG. 1 is a schematic perspective view of the semiconductor light emitting device according to the first embodiment. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along line BB in FIG.
図1、図2、図3に示すように、GaAsからなる基板1上に、n型Alx1Ga1-x1As層とn型Alx2Ga1-x2As層(x1≠x2)とを積層したn側DBR(Distributed Bragg Reflector:分布ブラッグ反射ミラー)2が形成されている。n側DBR2上には、各垂直面発光型レーザ(以後、VCSELと記載する。)10に対応した複数の活性層3が、平面状に整列して配置されている。複数の活性層3は、図中のY方向に一列に並んで配置されて、1つの列を構成している。この活性層3の列を、Y方向と垂直なX方向において等間隔で配置している。本実施形態では、1つの列は、3個の活性層3で構成され、この列がX方向に沿って7列配置されている。7列の内、X方向における中心に位置する列をC列と呼び、C列の右側の列をC列側から順にR1列、R2列、R3列、C列の左側の列をC列側から順にL1列、L2列、L3列と呼ぶ。なお、各列の活性層3の数、列の個数は、用途に応じて適宜設定することができる。
As shown in FIGS. 1, 2, and 3, an n-type Al x1 Ga 1-x1 As layer and an n-type Al x2 Ga 1-x2 As layer (x1 ≠ x2) are laminated on a
各活性層3は、InGaAs層を井戸層、GaAsP層を障壁層として積層した量子井戸構造をしており、InGaAs層のIn組成は発振波長が約940nmとなるように調整されている。図3に示すように、各活性層3の上には、p型Aly1Ga1-y1As層とp型Aly2Ga1-y2As層(y1≠y2)とを積層したp側DBR4が形成されている。p側DBR4の上には、GaAsからなるp型コンタクト層5が形成されている。なお、活性層3、p側DBR4、p型コンタクト層5は、略円筒型に形成されている。
Each
活性層3、p側DBR4、p型コンタクト層5の側面には、絶縁膜6が形成されており、p型コンタクト層5の上面は、絶縁膜6から露出している。また、活性層3から露出したn側DBR2の上面上にも、絶縁膜6が形成されている。絶縁膜6の材料としては、熱伝導率の高いAlNが用いられる。これにより、各VCSEL10の活性層3等からの発熱が、基板1上で素早く拡散して、各VCSEL10の温度の上昇が抑制されるため、各VCSEL10の発光特性を安定化させることができる。絶縁膜6の材料としては、AlN以外にダイヤモンドやSiC等の高熱伝導性の材料を用いることもできる。なお、活性層3に隣接して、AlGaAsまたはAlAsを酸化して得られる酸化電流狭窄層を設けてもよい。これにより、活性層3への注入電流が中心付近に狭窄され低閾値化を行うことができる。
An insulating
図3に示すように、p型コンタクト層5の上面及び絶縁膜6の上面には、透明電極からなるp側電極7が形成されている。p側電極7は、p型コンタクト層5と電気的に接続し、活性層3に電力を供給する。p側電極7は、列毎に分離されている。また、図2に示すように、同一列内の各VCSEL10に対応するp型コンタクト層5は、共通のp側電極7で電気的に接続されている。これにより、同一列に属するVCSEL10を同時に発光させることができ、異なる列に属するVCSEL10はそれぞれ個別に発光させることができる。例えば、本実施形態のR1列内の3個のVCSEL10は同時に発光し、R2列等の他の列のVCSEL10とは異なるタイミングで発光させることができる。ここで、各列に3個ずつVCSEL10が配置されているので、1個のVCSEL10に比べて約3倍の強度の光を出射することができる。なお、各列に属するVCSEL10の数を増加させることにより、各列の光強度を増加させることができる。
As shown in FIG. 3, a p-
本実施形態では、p側電極7として透明電極を用いることにより、活性層3からの発光を、p側電極7を通して外部に取り出すことができるため、p型コンタクト層5の上面全体を使って電気的接触を行うことができる。p側電極7の材料としては、ITO(Indium Tin Oxide)を用いているが、ITO以外にZnOやグラフェン等を用いることもできる。なお、p側電極7として透明電極を用いる代わりに、金属電極を用い、p型コンタクト層5の上面上の金属電極に開口部を設けて、活性層3からの光を外部へ取り出す構造としてもよい。
In the present embodiment, by using a transparent electrode as the p-
各活性層3からの発光は、その上下に配置されたn側DBR2及びp側DBR4により反射されてレーザ発振し、p側DBR4側からレーザ光として出射される。
Light emitted from each
p側電極7及びp側電極7から露出した絶縁膜6の上には、表面保護膜8が形成されている。表面保護膜8には、p側電極7上の一部の領域に開口部11が形成されている(図2参照)。開口部11は、各列に対応するp側電極7毎に設けられ、活性層3上の領域以外の領域に形成されている。表面保護膜8の材料としては、SiO2を用いているが、SiO2の他にSi3N4、AlN、ダイヤモンド、SiC等を用いることができる。ここで、表面保護膜8として、熱伝導率の高い材料を用いることにより、上述の絶縁膜6と同様に、各VCSEL10の温度の上昇が抑制されるため、各VCSEL10の発光特性を安定化させることができる。また、開口部11内のp側電極7上には、パッド電極12が形成されている。パッド電極12としては、Ti膜とAu膜の積層膜等が用いられる。なお、本実施形態では、各列のp側電極7上の開口部11は、それぞれ1個ずつVCSEL10の片側に配置されているが、VCSEL10の両側に1個ずつ(合計2個)配置してもよい。これにより、各VCSEL10へ電力供給するための配線抵抗を低減させることができる。
A surface
基板1の下面(n側DBR2が形成されていない側の面)には、n側共通電極13が形成されている。n側共通電極13としては、Au膜とGe膜とNi膜の積層膜等が用いられる。n側共通電極13と各パッド電極12間に電流を流すことにより、各パッド電極12に対応した列のVCSEL10を発光させることができる。
An n-side
なお、略円筒型に分離された活性層3、p側DBR4およびp型コンタクト層5と、それらに対応する基板1、n側DBR2、絶縁膜6、p側電極7およびn側共通電極13の部分により、VCSEL10が構成され、VCSEL10を配列することによりVCSELアレイ15が構成される。
The
図3に示すように、各VCSEL10に対応した表面保護膜8上には、光偏向部9が形成されている。光偏向部9は、各VCSEL10から出射したレーザ光を所定の方向に偏向させるものである。光偏向部9としては、本実施形態のようにラメラー格子型位相変化を用いたものだけでなく、それ以外の様々な構成を用いることができる。これらの光偏向部9の詳細な構成については、後述する。
As shown in FIG. 3, an
光偏向部9の形状は、同一列内では同じであり、列毎に異なる。各列の偏向角が、光出射面に垂直な方向(Z方向)を0°とした場合、R1列、R2列、R3列の順に約+15°、約+30°、約+45°となり、L1列、L2列、L3列の順に約−15°、約−30°、約−45°となるように、各列の光偏向部9の形状が設定される。ここで、Z方向からXの正の方向へ傾く方向をプラスの角度、Z方向からXの負の方向へ傾く方向をマイナスの角度とした(図3参照)。なお、C列に対応する表面保護膜8上には、光偏向部9が形成されていないため、C列のVCSEL10からの光は偏向せず、Z方向(偏向角が0°)に出射される。
The shape of the
また、本出願において、偏向角が大きいとは、上記のプラス、マイナスの角度とは関係なく、光出射面に垂直な方向(Z方向)に対しての偏向角の絶対値が大きい場合を意味する。 In the present application, the large deflection angle means that the absolute value of the deflection angle with respect to the direction perpendicular to the light exit surface (Z direction) is large irrespective of the above plus and minus angles. To do.
ここで、本実施形態では、L3列からR3列の順に従って、偏向角が−45°、−30°、−15°、0°、+15°、+30°、+45°となるように配置したが、これは一例にすぎず、任意の配置、例えば、L3列からR3列の順に従って、−45°、+45°、−30°、+30°、−15°、+15°、0°となるように配置してもよい。 Here, in the present embodiment, the deflection angles are arranged to be −45 °, −30 °, −15 °, 0 °, + 15 °, + 30 °, and + 45 ° in the order from the L3 row to the R3 row. This is only an example, and in an arbitrary arrangement, for example, in the order of L3 row to R3 row, −45 °, + 45 °, −30 °, + 30 °, −15 °, + 15 °, 0 ° You may arrange.
各列のVCSEL10からの光は、それぞれ±10°程度の広がり角を有するため、本実施形態の半導体発光装置19は、約−50°〜約+50°までの範囲に対して、レーザ光を放射することができる。
Since the light from the
以上のように、本実施形態の半導体発光装置19では、各偏向角を有する出射光に対応した列のVCSEL10を個別に駆動することができる。これにより、それぞれの偏向角を有する出射光毎に光強度を変えて発光させることができる。
As described above, in the semiconductor
また、本実施形態の半導体発光装置19は、n側共通電極13を半田等の導電性接着層を介してヒートシンク等に実装することができる。例えば、レーザ光の出射角度を変えるために、角度の異なる面を複数有するヒートシンク等を用いて、各面に各VCSELをそれぞれ実装してく場合に比べて、容易に半導体発光装置19を実装することができるため、製造コストを低減することができる。
なお、VCSEL10の間に段差が生じるため、VCSEL10の間に平坦化膜(例えばBCBなど)を形成した後、電極等を形成してもよい。
In the semiconductor
Note that since a step is generated between the
(距離計測装置の構成)
図4は、第1の実施形態に係る距離計測装置の構成を示す模式図である。図4に示すように、半導体発光装置19の各列に対応するp側電極7には、それぞれ独立した駆動回路20が接続されている。すべての駆動回路20は、距離計測装置を制御する制御回路21に接続されており、制御回路21からの指令に従い、レーザ光31を各方向の測定範囲に出射する。出射された光は対象物で反射され、その反射光32は、TOF(Time of Flight)センサー22によって受光される。TOFセンサー22は、制御回路21からの受光タイミング信号23で決まる一定時間のみ受光する二次元イメージセンサーである。TOFセンサー22で得られた信号は距離画像演算回路25に送られる。ここで制御回路21からの基準タイミング信号24からの遅延時間から、距離画像として演算され、表示ディスプレイ26に表示され、人間(運転手など)が測定対象物を認識する。
(Configuration of distance measuring device)
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a configuration of the distance measuring apparatus according to the first embodiment. As shown in FIG. 4,
本距離計測装置は、例えば、以下のように駆動される。 The distance measuring device is driven as follows, for example.
測定範囲に何も感知されない場合(反射光32が得られない場合)、遠方まで測定するため、制御回路21は半導体発光装置19を高出力状態で駆動する。そのとき、人が左から飛び出してきた場合、左方向のレーザ光を弱めても認識されるので、距離画像演算回路25からの信号27に基づき、制御回路21は、一番左端の列(L3列)に対応する駆動回路20を通じて、L3列からのレーザ光を弱める。これにより、飛び出してきた人に照射されるレーザ光が弱まり、人の眼に対するレーザ光による損傷を避けることができる。
When nothing is detected in the measurement range (when the reflected light 32 cannot be obtained), the
一方、L2列〜R3列のレーザ光の出力は変わらないので遠方の計測感度は変わらず、遠方の対象物までの距離計測を継続することができる。人が距離計測装置のさらに正面側に近づいてくれば、L2列、L1列、・・・の順にレーザ光を弱めていく。これらの作業は、運転者の判断に頼ることなく、CPU等を使用した電気制御で行なわれるため、非常に高速に処理され、安全上の問題は低減される。 On the other hand, since the laser beam outputs of the L2 to R3 columns do not change, the distance measurement sensitivity does not change, and distance measurement to a distant object can be continued. When a person approaches the front side of the distance measuring device, the laser light is weakened in the order of the L2 row, the L1 row,. Since these operations are performed by electric control using a CPU or the like without depending on the judgment of the driver, they are processed at a very high speed, and safety problems are reduced.
また、半導体発光装置の端の列から順に(L3列、L2列、L1列の順、又は、R3列、R2列、R1列の順に)パルス発光をしていく場合、L3列の発光によって人の侵入を検知したら、L2列の光の強度を予め下げて、L2列の照射範囲に人が侵入した場合の人の眼に対するレーザ光による損傷を低減するようにしてもよい。 Further, in the case of emitting pulses sequentially from the end row of the semiconductor light emitting device (in the order of L3 column, L2 column, L1 column, or in the order of R3 column, R2 column, R1 column), If an intrusion is detected, the intensity of the light in the L2 row may be lowered in advance to reduce damage to the human eye caused by the laser light when a person enters the irradiation range of the L2 row.
また、上記では、VCSELアレイ15の中心の列から端の列に向かって、偏向角が順に外側に大きくなるように、光偏向部9が配置された場合について説明したが、光偏向部9の配置に関係なく、偏向角の大きい出射光から偏向角の小さい出射光の順に発光するようにVCSEL10を駆動していくことにより、同様な効果を得ることができる。
In the above description, the case where the
なお、運転者が特定方向の距離画像をより明確にしたい場合には、制御回路21に接続された操作レバー28を操作することにより、特定方向(すなわち特定列のVCSEL10)のレーザ光を強めるようにしてもよい。
When the driver wants to make the distance image in the specific direction clearer, the laser light in the specific direction (that is, the
(光偏向部の構成)
<原理>
まず、光偏向部9の動作原理について、以下に述べる。
(Configuration of light deflection unit)
<Principle>
First, the operation principle of the
一般の回折理論によれば、発光面において、一次元x方向に近視野像g(x)を有する光において、角度θにおける遠視野強度I(θ)は、
I(θ)=∫g(x)exp[−i×2πsinθ×(x/λ)]dx …(1)
で与えられる。ここで、iは虚数単位、λは光の波長である。また、式(1)における積分範囲は−∞から+∞である。この遠視野強度と同じ分布をもち、角度θcだけ回転させた方向に偏向する光の遠視野強度I(θ)は、
I(θ)=∫g(x)exp{−i×[2πsin(θ-θc)×(x/λ)]}}dx
…(2)
である。
ここで、
sin(θ-θc)= [sin(θ-θc)−sinθ]+sinθ
= −2sin(θc/2)cos(θ-θc/2)+sinθ …(3)
と変形できるから、式(2)は
I(θ)=
∫g(x)exp{i×2π[sin(θc/2)cos(θ−θc/2)]×(x/λ)}
×exp[−i×2πsinθ×(x/λ)]dx …(4)
となる。ここで、I(θ)がθ=θc付近に集まっているとすると、θ−θc/2≒θc/2となり、
sin(θc/2)cos(θ−θc/2)≒2sin(θc/2)cos(θc/2)
=sinθc …(5)
となるので、式(4)は
I(θ)=
∫g(x)exp[i×2πsinθc×(x/λ)]
×exp[−i×2πsinθ×(x/λ)]dx …(6)
となる。
According to the general diffraction theory, in the light having the near-field image g (x) in the one-dimensional x direction on the light emitting surface, the far-field intensity I (θ) at the angle θ is
I (θ) = ∫g (x) exp [−i × 2πsin θ × (x / λ)] dx (1)
Given in. Here, i is an imaginary unit, and λ is the wavelength of light. Further, the integration range in the equation (1) is from −∞ to + ∞. The far field intensity I (θ) of light having the same distribution as this far field intensity and deflected in the direction rotated by the angle θ c is
I (θ) = ∫g (x) exp {−i × [2πsin (θ−θ c ) × (x / λ)]}} dx
... (2)
It is.
here,
sin (θ−θ c ) = [sin (θ−θ c ) −sin θ] + sin θ
= −2sin (θ c / 2) cos (θ−θ c / 2) + sin θ (3)
Equation (2) is
I (θ) =
∫g (x) exp {i × 2π [sin (θ c / 2) cos (θ−θ c / 2)] × (x / λ)}
× exp [−i × 2πsin θ × (x / λ)] dx (4)
It becomes. Here, if I (θ) is gathered in the vicinity of θ = θ c , θ−θ c / 2≈θ c / 2, and
sin (θ c / 2) cos (θ−θ c / 2) ≈2 sin (θ c / 2) cos (θ c / 2)
= Sin θ c (5)
Therefore, equation (4) becomes
I (θ) =
∫g (x) exp [i × 2πsin θ c × (x / λ)]
× exp [−i × 2πsin θ × (x / λ)] dx (6)
It becomes.
即ち、波長λで規格化した座標X=x/λに対し、位相傾きα=2πsinθcを有する位相変化(言い換えれば、座標xに対して、位相傾きβ=2πsinθc/λを有する位相変化)を、入射光の近視野像g(x)に与えれば、その遠視野像は元の遠視野像を角度θcだけ回転させた方向に偏向させたものとなる。 That is, a phase change having a phase gradient α = 2π sin θ c with respect to a coordinate X = x / λ normalized by the wavelength λ (in other words, a phase change having a phase gradient β = 2π sin θ c / λ with respect to the coordinate x). Is given to the near-field image g (x) of incident light, the far-field image is deflected in a direction rotated by the angle θ c of the original far-field image.
図5A及び図5Bに、具体的な計算例を示す。図5Aに示すように、VCSEL10内で共振し外部へ出射される光(波長λ=0.94μm。電界はガウス分布とし、g(x)=exp[−(x/2)2]とする(xの単位はμm)。)に対し、位相変化Φ(x)=βxで与えられる直線状位相変化を与える。その傾きβとして、0、0.5π、1π、1.5π、2πrad/μmを与えたときの光出射角度と放射強度の関係を図5Bに示す。
5A and 5B show specific calculation examples. As shown in FIG. 5A, light resonates in the
β=0rad/μmからβ=1.5πrad/μmまでにおける光の強度分布は、0より大きな角度においてピーク強度を持ち、ほぼ単峰性の分布が得られており、良好な偏向特性が得られている。しかし、β=2πrad/μmまで大きくなると単峰性が崩れる。これは、ひとつのβに対して放射方向はθ1=θとθ2=π−θの2つの値を取り得るが、θが大きくなるとθ2の成分が角度−90°〜+90°に現れるためである。傾き0、0.5π、1π、1.5π、2πrad/μmに対するピーク強度を与える角度は、0°、13°、27°、44°、67°であり、β=2πsinθc/λから逆算して得られるθc=0°、13.6°、28.0°、44.8°、70.1°にほぼ一致する。即ち、0.5πrad/μm当たり約15度偏向することがわかる。
The light intensity distribution from β = 0 rad / μm to β = 1.5π rad / μm has a peak intensity at an angle larger than 0, and an almost unimodal distribution is obtained, and good deflection characteristics are obtained. ing. However, the unimodality is lost when β = 2πrad / μm is increased. This is because the radiation direction can take two values, θ1 = θ and θ2 = π−θ, for one β, but as θ increases, the component of θ2 appears at an angle of −90 ° to + 90 °. . The angles giving the peak intensities for the
従って、図6に示すように、VCSEL10の出射面に位相変調領域を設け、そこで直線状位相変化Φ(x)=βx(β=2πsinθc/λ)を与えれば、θc方向に光を偏向することが可能となる。この位相変調領域が、本願の光偏向部9に相当する。
Accordingly, as shown in FIG. 6, the phase modulation region is provided on the exit surface of the
以下では、より具体的な光偏向部9の構成について、説明する。
Hereinafter, a more specific configuration of the
<ラメラー格子型位相変化による光偏向部>
図7は、本実施形態の右側3列(R1列、R2列、R3列)の光偏向部を示す断面模式図である。各VCSEL10の直径は12μmである。各VCSEL10の近視野像は、ほぼガウス分布(1/eとなる距離は中心から2μm)である。R1列、R2列、R3列のVCSEL10の光出射面上には、ラメラー格子型位相変化を有する光偏向部101、102、103がそれぞれ形成されている。ラメラー格子型位相変化は、光偏向部の中心から±3μmの範囲に形成されており、スリット状である。
<Optical deflection unit by lamellar grating type phase change>
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the light deflection units in the right three columns (R1, R2, and R3) of the present embodiment. Each
まず、ラメラー格子による位相変化による光偏向の原理について述べる。 First, the principle of optical deflection by phase change by a lamellar grating will be described.
図8Aに、ラメラー格子型位相変化を説明する図を示す。ラメラー格子型位相変化とは、位相変化を二値で与えるものである。図8Aに示すように、所望の直線状位相変化を幅wの間隔で区切り、そのj番目の分割区間の平均位相をΦjとすれば、その区間のうち、幅uj=(Φj/Φm)wの範囲を位相Φm、幅w−ujの範囲を位相ゼロとすることにより、二値化近似できる。ここでΦmはラメラー格子が与える最大位相であり、各区間で共通である。また、位相Φ+2πk(kは整数、ここでは「切り下げ次数」と呼ぶ)は位相Φと等価であるから、直線状位相変化を2πkごとに切り下げることが可能である。なお、Φm=2πkとすることで、各分割区間では連続的な位相変化が得られる。 FIG. 8A is a diagram illustrating a lamellar grating type phase change. The lamellar grating type phase change is a phase change given in binary. As shown in FIG. 8A, if a desired linear phase change is divided by an interval of width w and the average phase of the j-th divided section is Φ j , the width u j = (Φ j / By making the range of Φ m ) w the phase Φ m and the range of the width w−u j being the phase zero, binarization approximation can be performed. Here, Φ m is the maximum phase given by the lamellar grating and is common in each section. Further, since the phase Φ + 2πk (k is an integer, here referred to as a “round-down order”) is equivalent to the phase Φ, the linear phase change can be rounded down every 2πk. By setting Φ m = 2πk, a continuous phase change can be obtained in each divided section.
図8Bは、β=0.5πrad/μmとなるラメラー格子型位相変化を、入射光分布とともに示したものである。Φm=2π(k=1)としている。1区間は、w=0.5μmであり、1区間ごとに、その区間の平均位相が0.25πずつ大きくなる。即ち、Φj=0、0.25π、0.5π、0.75π、1π、1.25π、1.5π、1.75πradの各区間に対して、それぞれuj=0、0.0625、0.125、0.1875、0.25、0.3125、0.375、0.4375μmの範囲をΦmとしている。Φj=2πは、Φj=0と同じ位相なので、切り下げてΦj=0としている。このラメラー格子により光が感じる実効的な位相変化も図8Bに示している。実効的な位相変化の傾きは、微小な凹凸があるものの、平均的にβ=0.5πrad/μmになっている。このラメラー格子による光出射角度と強度分布の関係を図8Cに示す。約13°の方向に単峰性の放射が出ており、所望の特性が得られている。 FIG. 8B shows a lamellar grating type phase change with β = 0.5π rad / μm together with the incident light distribution. Φ m = 2π (k = 1). In one section, w = 0.5 μm, and for each section, the average phase of the section increases by 0.25π. That is, for each section of Φ j = 0, 0.25π, 0.5π, 0.75π, 1π, 1.25π, 1.5π, 1.75π rad, u j = 0, 0.0625, 0, respectively. The range of .125, 0.1875, 0.25, 0.3125, 0.375, 0.4375 μm is Φ m . Φ j = 2π, since the same phase of the Φ j = 0, is the devaluation and Φ j = 0. FIG. 8B also shows an effective phase change that light senses with this lamellar grating. The effective phase change gradient is β = 0.5π rad / μm on average although there are minute irregularities. FIG. 8C shows the relationship between the light emission angle by this lamellar grating and the intensity distribution. Unimodal radiation is emitted in the direction of about 13 °, and desired characteristics are obtained.
一方、図9Aは、β=1πrad/μmとなるラメラー格子型位相変化を、入射光分布とともに示したものである。Φm=2π(k=1)としている。なお、このラメラー格子により光が感じる実効的な位相変化も図8Bに示している。また、このラメラー格子による光出射角度と強度分布の関係を図9Bに示す。図9Bに示すように、28°付近の強度ピークの他に、0°、−30°付近に不要な強度ピークが存在している。図9Aに示すように、位相変化の傾きβが大きくなると、位相変化が位相2πjから位相2π(j+1)に変化する境界部分において、実効的な位相変化が負の傾きを有する。出射光はx方向に分布を持つため、光の一部がこの境界部分を透過する。そのため、この境界部分を透過する光は、位相2πjや位相2π(j+1)とは異なる方向に偏向してしまうことになる。この境界部分の影響は、ラメラー格子の位置を左右にシフトさせてもほとんど変わらない。この不要方向の強度ピークは、所望でない方向への光の放射となり、安全性などに不具合が生じる。 On the other hand, FIG. 9A shows a lamellar grating type phase change with β = 1π rad / μm, together with an incident light distribution. Φ m = 2π (k = 1). In addition, the effective phase change which light senses with this lamellar grating is also shown in FIG. 8B. FIG. 9B shows the relationship between the light emission angle and the intensity distribution by the lamellar grating. As shown in FIG. 9B, in addition to the intensity peak near 28 °, unnecessary intensity peaks exist near 0 ° and −30 °. As shown in FIG. 9A, when the phase change slope β increases, the effective phase change has a negative slope at the boundary where the phase change changes from the phase 2πj to the phase 2π (j + 1). Since the emitted light has a distribution in the x direction, a part of the light passes through this boundary portion. For this reason, the light transmitted through this boundary portion is deflected in a direction different from the phase 2πj and the phase 2π (j + 1). The influence of this boundary portion hardly changes even if the position of the lamellar lattice is shifted left and right. The intensity peak in the unnecessary direction becomes radiation of light in an undesired direction, causing a problem in safety and the like.
このため、本実施形態におけるラメラー格子は、上述の境界部分に光が透過しないように、切り下げ次数kを大きくして、境界部分間の間隔を大きくした。具体的には、切り下げ次数kを3とした。図10に、k=3(6πごとに切り下げ)、Φm=6πとした場合のβ=1πrad/μmとなるラメラー格子型位相変化及び実効的な位相変化を、入射光分布とともに示す。図10に示すように、実効的な位相変化の間隔が広がり、光が境界部分の影響を受けにくくなる。 For this reason, in the lamellar grating in the present embodiment, the cut-off order k is increased so that the light does not pass through the above-described boundary portions, and the interval between the boundary portions is increased. Specifically, the devaluation order k is set to 3. FIG. 10 shows a lamellar lattice type phase change and an effective phase change with β = 1π rad / μm when k = 3 (rounded down every 6π) and Φ m = 6π, together with the incident light distribution. As shown in FIG. 10, the effective phase change interval is widened, and the light is less susceptible to the influence of the boundary portion.
具体的には、図7のR1列、R2列、R3列のラメラー格子内の各位相矩形の幅は、実効的な直線状位相変化の傾きが、それぞれβ=0.5π、1π、1.5πrad/μmとなるようにした。この光偏向部101、102、103は、TiO2から構成されており、その厚みtは、t=(Φm/2π)×(λ/n)=1170nmに設定される(nは、TiO2の屈折率。波長λ=940nmにおける屈折率nは、2.42)。R1列、R2列、R3列から放射される光は、それぞれβ=0.5π、1π、1.5πrad/μmに対応した偏向角θ1、θ2、θ3を有する。
Specifically, the width of each phase rectangle in the lamellar gratings in the R1, R2, and R3 columns in FIG. 7 is such that the slope of the effective linear phase change is β = 0.5π, 1π,. It was set to 5πrad / μm. The
図11A、図11B、図11Cに、R1列、R2列、R3列からの光に対する光出射角度と強度分布の関係をそれぞれ示す。図11A、図11B、図11Cに示すように、所望の角度にピーク強度を持つほぼ単峰性の分布が得られている。なお、β=1.5πrad/μmでは、半値幅が少し広がっているが、不要方向の強度ピークは、ほとんど見られない。 FIG. 11A, FIG. 11B, and FIG. 11C show the relationship between the light emission angle and the intensity distribution for the light from the R1, R2, and R3 columns, respectively. As shown in FIGS. 11A, 11B, and 11C, a substantially unimodal distribution having a peak intensity at a desired angle is obtained. Note that at β = 1.5π rad / μm, the half-value width is slightly widened, but an intensity peak in an unnecessary direction is hardly seen.
以上のように、光偏向部の中心から±3μmの範囲のみに直線状位相変化を与えているにもかかわらず、良好な放射特性を得ることができた。 As described above, good radiation characteristics could be obtained despite the linear phase change only in the range of ± 3 μm from the center of the light deflection section.
次に、本実施形態の光偏向部101、102、103の作製方法について、図12A〜図12Eを用いて説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、R1列、R2列、R3列のVCSEL10及びVCSEL10間の表面全体にフォトレジスト104を形成し、VCSEL10の光出射面上のフォトレジスト104のみを除去して、開口105を形成する(図12A参照)。次に、図12Bに示すように、スパッタ装置を用いて、TiO2層106をVCSEL10の光出射面上及びフォトレジスト104上に形成する。その後、リフトオフ法により、フォトレジスト104上のTiO2層166を除去することにより、VCSEL10の光出射面上のみにTiO2層106を残す(図12C参照)。続いて、フォトレジスト107をVCSEL10及びVCSEL10間の表面全体に再度形成した後、フォトリソグラフィにより、格子形状の開口108、109、110を形成する(図12D参照)。最後に、ICP(Inductive Coupled Plasma)エッチング装置を用いて、開口108、109、110から露出したTiO2膜をエッチングした後、フォトレジスト107を除去することにより、光偏向部101、102、103を形成する(図12E参照)。
First, the
本実施形態に係るラメラー格子型位相変化による光偏向部101、102、103は、多数の層を積層する必要がなく、1層をフォトリソグラフィ等により微細加工することのみで形成できるため、製造工程を簡略化できる。
The
上記の実施形態において、光偏向部101、102、103としてラメラー格子を用いたが、光に位相変化を与えるものであれば、他の構成を用いてもよい。光偏向部101、102、103の他の構成例を変形例として以下に示す。
In the above-described embodiment, a lamellar grating is used as the
(第1変形例)
<傾斜面位相変化による光偏向部>
図13は、第1実施形態の第1変形例における右側3列(R1列、R2列、R3列)の光偏向部を示す断面模式図である。各VCSEL10の直径は10μmである。R1列、R2列、R3列のVCSEL10の光出射面上には、傾斜面位相変化による光偏向部111、112、113が形成されている。光偏向部の材料は、TiO2である。光偏向部111、112、113の表面は傾斜しており、その厚さが一定方向に向かって直線状に変化している。
(First modification)
<Optical deflector by tilted phase change>
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing the light deflection units in the right three rows (R1, R2, and R3 rows) in the first modification of the first embodiment. Each
R1列、R2列、R3列の光偏向部111、112、113の最大厚さをdm、最小厚さをそれぞれd1、d2、d3とすると、各列の光偏向部111、112、113の位相変化の傾きは、β=2π[(dm−dj)/wd]/(λ/n)となる(jは、1,2,3のいずれか。wdは光偏向部の全体の幅。)。dm=2.91μmとし、R1列、R2列、R3列の光偏向部111、112、113の位相変化の傾きがβ≒0.5π、1π、1.5πrad/μmとなるように、d1、d2、d3を設定すると、それぞれd1=1.94、d2=0.97、d3=0μmとなる。この直線状位相変化により、VCSEL10からの放射光はβ=2πsinθc/λを逆算して求められるθ1、θ2、θ3方向に偏向される。
Assuming that the maximum thicknesses of the
図14A、図14B、図14Cに、R1列、R2列、R3列からの光に対する光出射角度と強度分布の関係をそれぞれ示す。図14A、図14B、図14Cに示すように、R1列、R2列、R3列からの放射光は、それぞれθ1=13°、θ2=27°、θ3=44°なる方向に偏向されている。図14A、図14B、図14Cにおける光強度分布の半値全角(FWHM)は、それぞれ、10.5°、11°、14°(光偏向部がない場合は10°)となっており、偏向角が大きいほど、遠視野は広がるようになる。 FIGS. 14A, 14B, and 14C show the relationship between the light emission angle and the intensity distribution for the light from the R1, R2, and R3 columns, respectively. As shown in FIGS. 14A, 14B, and 14C, the emitted light from the R1, R2, and R3 rows is deflected in directions of θ1 = 13 °, θ2 = 27 °, and θ3 = 44 °, respectively. The full width at half maximum (FWHM) of the light intensity distribution in FIGS. 14A, 14B, and 14C is 10.5 °, 11 °, and 14 ° (10 ° when there is no light deflector), respectively. The larger the is, the wider the far field.
次に、本変形例の光偏向部111、112、113の作製方法について、図15A〜図15Fを用いて説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、R1列、R2列、R3列のVCSEL10及びVCSEL10間の表面全体にフォトレジスト117を形成し、VCSEL10の光出射面上のフォトレジスト117のみを除去して、開口118を形成する(図15A参照)。次に、図15Bに示すように、スパッタ装置を用いて、TiO2層119をVCSEL10の光出射面上及びフォトレジスト117上に形成する。その後、リフトオフ法により、フォトレジスト117上のTiO2層119を除去することにより、VCSEL10の光出射面上のみにTiO2層119を残す(図15C参照)。続いて、図15Dに示すように、レジスト121およびNi膜122をVCSEL10及びVCSEL10間の表面全体に形成し、フォトリソグラフィによって、所定の列(R1列)のTiO2層119上に開口123を形成する。次に、ICPエッチング装置を用い、Ni膜をマスクにして、斜め方向からエッチング用プラズマ124を照射し、開口123によって露出したTiO2層119の上面が傾斜するようにエッチングする(図15E参照)。ICPエッチング装置によるエッチングは直進性が高く、TiO2層119の上面に傾斜面を形成することができる。このエッチング角により、TiO2層119の傾斜角、すなわち、直線状位相変化の傾きを決めることができる。次に、リフトオフ法を用いて、レジスト121とNi膜122を除去することにより、R1列VCSEL用の光偏向部111を形成する(図15F参照)。この工程を、他の列のVCSEL10についても行うことにより、全てのVCSEL10上の光偏向部を形成することができる。
First, a
(第2変形例)
<階段状位相変化による光偏向部>
図16は、本実施形態の第2変形例における右側3列(R1列、R2列、R3列)の光偏向部を示す断面模式図である。各VCSEL10の直径は12μmである。R1列、R2列、R3列のVCSEL10の光出射面の上には、階段型位相変化による光偏向部131、132、133がそれぞれ形成されている。
(Second modification)
<Optical deflection part by stepped phase change>
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing the light deflection units in the right three rows (R1, R2, and R3 rows) in the second modification of the present embodiment. Each
階段型位相変化とは、図17に示すように、光偏向部131、132、133の膜厚を階段状に変化させていき、直線状位相変化を近似する。各階段の幅をwj(jは、1,2,3のいずれか。)、一段当たりの位相変化をΦsとすると、直線状に近似した時の平均的な傾きは、β=Φs/wjとなる。Φsを一定にして、wjを変えることにより、位相変化βを任意に設定することができる。
As shown in FIG. 17, the step-type phase change approximates a linear phase change by changing the film thickness of the
図16に示すように、本変形例では、R1列、R2列、R3列は、共に7層のTiO2層から構成されており、各層の厚みtは、一層当たりの位相変化をΦsが、0.75πとなるように、t=(Φs/2π)×(λ/n)=146nmに設定されている(nはTiO2の屈折率)。光偏向部131、132、133のトータルの膜厚は、1022nmである。R1列、R2列、R3列の光偏向部131、132、133の階段の幅を、それぞれw1=1.5μm、w2=0.75μm、w3=0.5μmとすることにより、実効的な直線状位相変化の傾きは、それぞれβ=0.5π、1π、1.5πrad/μmとなる。
As shown in FIG. 16, in the present modification, the R1, R2, and R3 rows are each composed of seven TiO 2 layers, and the thickness t of each layer is the phase change per layer as Φ s. T = (Φ s / 2π) × (λ / n) = 146 nm (n is the refractive index of TiO 2 ). The total film thickness of the
図18A、図18B、図18Cには、それぞれR1列、R2列、R3列からの光に対する光出射角度と強度分布の関係を示している。R1列、R2列、R3列の偏向角度は、それぞれθ1=13°、θ2=27°、θ3=42°であり、ほぼ理論予想の方向に放射されている。 18A, 18B, and 18C show the relationship between the light emission angle and the intensity distribution for the light from the R1, R2, and R3 columns, respectively. The deflection angles of the R1 row, the R2 row, and the R3 row are θ1 = 13 °, θ2 = 27 °, and θ3 = 42 °, respectively.
なお、階段型位相変化による光偏向部131、132、133では、放射方向が光出射面に対して垂直に近いほど(放射角度がゼロに近いほど)、階段の幅wjを大きくする必要がある。階段の幅wjが波長より長い場合には、階段の平坦部を通過する光は「階段状位相変化」を感受しにくくなる。このため、図18Aに示すように、β=0.5πrad/μmの場合、階段の幅は1.5μmであり、波長に対して大きいため、平坦部の影響で、−23°、58°付近にサブピークが発生している。
Note that, in the
また、図18Cに示すように、−10〜+20°において小さな副ピークが現れている。これは、TiO2層が合計7層しかなく、その7層の階段領域外は平坦であることに起因している。図19は、(最も層数制限の影響を受けやすい)R3列の光偏向部において、TiO2層の合計層数を変えた場合の主ピークに対する副ピークの強度の変化を示す。図19に示すように、合計層数が4層程度と少ないと、副ピーク強度が強くなり、不要な放射光を発生させてしまう。このため、副ピークを主ピークの1/10以下にするには、7層以上積むことが望ましい。
Further, as shown in FIG. 18C, a small sub-peak appears at −10 to + 20 °. This is due to the fact that there are only seven TiO 2 layers in total and the outside of the stepped region of the seven layers is flat. FIG. 19 shows the change in the intensity of the sub-peak with respect to the main peak when the total number of TiO 2 layers is changed in the R3 column optical deflection section (which is most susceptible to the layer number limitation). As shown in FIG. 19, when the total number of layers is as small as about 4, the sub-peak intensity becomes strong and unnecessary radiation is generated. For this reason, in order to make a
次に、本変形例の光偏向部131、132、133の作製方法について、図20A〜図20Fを用いて説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、図20Aに示すように、R1列、R2列、R3列のVCSEL10及びVCSEL10間の表面全体にフォトレジスト134を形成し、フォトリソグラフィを用いて、VCSEL10の光出射面上に開口135を形成する。この時、R1列、R2列、R3列の開口幅をZ1(1)、Z2(1)、Z3(1)とする。ここで、Z1(1)>Z2(1)>Z3(1)とする。次に、スパッタ装置を用いてTiO2層136をVCSEL10の光出射面上及びフォトレジスト134上に146nmの厚さで形成する(図20B参照)。その後、リフトオフ法により、レジスト134上のTiO2層136を除去することにより、VCSEL10の光出射面上のみに、各列毎に幅の異なるTiO2層136を残す(図20C参照)。このTiO2層136が光偏向部の第1層目のTiO2層136となる。更に、VCSEL10及びVCSEL10間の表面全体にフォトレジスト138を再度形成し、各VCSEL10の光出射面上に形成されたTiO2層136の上に、開口部139を形成する。この時、R1列、R2列、R3列の開口幅をZ1(2)、Z2(2)、Z3(2)とする。ここで、Z1(1)−Z1(2)=1.5μm、Z2(1)−Z2(2)=0.75μm、Z3(1)−Z3(2)=0.5μmに設定する。次に、スパッタ装置で146nmの厚さのTiO2層140をVCSEL10の光出射面上及びフォトレジスト138上に形成した後(図20E参照)、リフトオフ法でレジスト138上のTiO2層140を除去することにより、光偏向部の第2層目のTiO2層140を、各列のVCSEL10の光出射面上に形成する(図20F参照)。同様の工程を繰り返し、第3層目から第7層目までのTiO2層を形成する。この際、R1列、R2列、R3列の開口幅は、1つ前の層の開口幅に対して、それぞれ1.5μm、0.75μm、0.5μmだけ小さく形成する。これにより、R1列、R2列、R3列の平均的位相変化の傾きはβ=0.5π、1π、1.5πrad/μmとなる。
First, as shown in FIG. 20A, a
本変形例に係る階段型位相変化による光偏向部131、132、133は、ラメラー格子型に比べて、サブミクロンの微細加工をする必要がないため、高価な加工装置を使う必要がなく、製造コストを低減することができる。
The
(第3変形例)
<階段状位相変化による光偏向部>
図21は、第1実施形態の第3変形例における右側3列(R1列、R2列、R3列)の光偏向部を示す断面模式図である。各VCSEL10の直径は14μmであり、うち12μmが発光部として用いられ、のこり2μm(周囲1μm、図示していない)がp側電極とのコンタクトに用いられる。なお、本変形例では、表面保護膜8上に光偏向部が形成されておらず、R1列、R2列、R3列のVCSEL10表面のGaAsコンタクト層154、155、156の上に連続して階段型位相変化(Φs=0.75π)を有する光偏向部151、152、153がそれぞれ形成されている。R1列、R2列、R3列とも、光偏向部はAlGaAs層(Al:15%)157が4層、GaAs層158が3層交互に積層するように構成されており、その厚みtは各層の位相Φsに対し、t=(Φs/2π)×(λ/n)に設定されている(nは屈折率)。具体的には、940nmにおけるAlGaAs、GaAsの屈折率が、3.46、3.55であるので、各厚みはそれぞれ102nm、99nmである。光偏向部151、152、153のトータルの膜厚は、705nmである。クエン酸等の選択エッチング液を用いて、階段状にエッチングを行なう。階段の幅は、R1列、R2列、R3列が、それぞれ1.5μm、0.75μm、0.5μmである。
(Third Modification)
<Optical deflection part by stepped phase change>
FIG. 21 is a schematic cross-sectional view showing the light deflection units in the right three rows (R1, R2, and R3 rows) in the third modification of the first embodiment. Each
本変形例におけるR1列、R2列、R3列の放射特性は、上述の第2変形例とほぼ同じである。 The radiation characteristics of the R1, R2, and R3 rows in this modification are substantially the same as those in the second modification described above.
次に、本変形例の光偏向部151、152、153の作製方法について、図22A〜図22Fを用いて説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、図22Aに示すように、VCSEL用積層膜上に形成されたコンタクト層160上に、AlGaAs層(Al:15%)157を4層とGaAs層158を3層交互に積層した結晶成長層161を形成する。次に、各VCSEL10を分離するようにエッチングした後(図22B参照)、R1列、R2列、R3列のVCSEL10及びVCSEL10間の表面全体にフォトレジスト162を塗布し、フォトリソグラフィにより開口163を形成する(図22C参照)。この時、R1列、R2列、R3列の開口幅をZ1(1)、Z2(1)、Z3(1)とする。ここで、Z1(1)>Z2(1)>Z3(1)とする。次に、クエン酸系エッチャントを用い、露出しているAlGaAs層157を選択的にエッチングする(図22D参照)。これにより、第7層目の層が形成される。さらに、フォトレジスト162を除去した後、別のフォトレジスト164をVCSEL10及びVCSEL10間の表面全体に再度形成し、フォトリソグラフィにより開口165を形成する(図22E参照)。この時、R1列、R2列、R3列の開口幅をZ1(2)、Z2(2)、Z3(2)とする。ここで、Z1(1)−Z1(2)=1.5μm、Z2(1)−Z2(2)=0.75μm、Z3(1)−Z3(2)=0.5μmに設定する。次に、アンモニア/過酸化水素系エッチャントを用い、露出しているGaAs層158を選択的にエッチングする(図22F参照)。これにより、第6層目の層が形成される。同様の工程を繰り返し、第5層目から第1層目までを順次形成する。この際、R1列、R2列、R3列の開口幅は、1つ前の層の開口幅に対して、それぞれ1.5μm、0.75μm、0.5μmだけ小さく形成する。これにより、R1列、R2列、R3列の平均的位相変化の傾きはβ=0.5π、1π、1.5πrad/μmとなる。
First, as shown in FIG. 22A, a crystal growth layer in which four AlGaAs layers (Al: 15%) 157 and three
本変形例に係る階段型位相変化による光偏向部151、152、153は、表面保護膜8を介さずに光を出射できるため、VCSEL10と表面保護膜8との界面での反射によるロスを少なくすることができる。
Since the
(第4変形例)
<位相バイアス付加ラメラー格子型位相変化による光偏向部>
図23は、第1実施形態の第4変形例における右側3列(R1列、R2列、R3列)の光偏向部を示す断面模式図である。各VCSEL10の直径は12μmである。R1列、R2列、R3列のVCSEL10の光出射面の上には、位相バイアス付加ラメラー格子型位相変化を有する光偏向部181、182、183がそれぞれ形成されている。
(Fourth modification)
<Optical deflection unit with phase bias added lamellar grating type phase change>
FIG. 23 is a schematic cross-sectional view showing the light deflection units in the right three rows (R1, R2, and R3 rows) in the fourth modification example of the first embodiment. Each
位相バイアス付加ラメラー格子型位相変化とは、上述のラメラー格子型位相変化と階段型位相変化とを組み合わせ、図24Aに示すように、ラメラー格子型位相変化に対し、ある間隔(ここではグループと呼ぶ)で、一定の位相値Φpを与えるものである。これにより、上述のラメラー格子型位相変化において課題となっていた負の傾きを有する実効的な位相変化の発生を抑えることができる。ラメラー格子型位相変化の場合、2π毎の位相変化を等価と考え、切り下げていたが、位相バイアス付加ラメラー格子型位相変化では2π毎に切り下げることなく、2πの位相バイアスとして印加していく。即ち、ラメラー格子型位相変化において、2πの位相変化毎に、2πの位相変化を持つ厚さの層を追加し、連続的に位相変化できるようにしている。この結果、実効的な位相変化に負の傾きは現れず、所定方向以外の方向へ偏向する光の放射が抑制される。 The phase bias-added lamellar grating type phase change is a combination of the lamellar grating type phase change and the step type phase change described above. As shown in FIG. ) Gives a constant phase value Φ p . Thereby, generation | occurrence | production of the effective phase change which has the negative inclination which was a subject in the above-mentioned lamellar lattice type phase change can be suppressed. In the case of the lamellar grating type phase change, the phase change every 2π is considered to be equivalent and rounded down. However, the phase bias added lamellar grid type phase change is applied as a phase bias of 2π without being rounded down every 2π. That is, in the lamellar grating type phase change, a layer having a thickness having a phase change of 2π is added for every phase change of 2π so that the phase can be changed continuously. As a result, a negative gradient does not appear in the effective phase change, and the emission of light deflected in a direction other than the predetermined direction is suppressed.
位相バイアス付加ラメラー格子型位相変化による光偏向部181、182、183の設計について、以下に示す。図24Bに示すように、所望の平均的位相変化をsπ(rad/μm)、ラメラー格子部分の二値化間隔をw(μm)、その二値化間隔wをN個集めて1グループとし、位相バイアスΦp=γπ(rad)を与えるとすると、平均的位相変化が、グループの界面で連続であるためには、
sπ=γπ/(wN) …(7)
なる関係が必要である。ここで、後述のように、γは光出射面に成膜した位相バイアスΦpを与える層の膜厚で決まることが多いから、隣り合うVCSEL10間では一定である場合が多い。従って、隣り合うVCSEL10間でsを変える(即ち放射方向を変える)には、wとNを変えるだけで、放射方向を制御できる。なお、位相バイアスΦpは2πの整数倍である必要はない。例えば、Φp=1.8π(γ=1.8)に対して、(s,w,N)=(0.5,0.4,9)、(0.9,0.4,5)、(1.5,0.4,3)なる3方向の組合せが考えられる。
The design of the optical deflecting
sπ = γπ / (wN) (7)
Is necessary. Here, as will be described later, γ is often determined by the film thickness of the layer that provides the phase bias Φ p formed on the light emitting surface, and is often constant between
本変形例では、R1列、R2列、R3列の光偏向部181、182、183を、位相バイアスΦp=1.8π(γ=1.8)とし、それぞれ(s,w,N)=(0.5,0.4,9)、(0.9,0.4,5)、(1.5,0.4,3)となるように形成した。具体的には、各光偏向部181、182、183は、4層のTiO2層から形成されており、各層の厚みは351nmであり、各光偏向部181、182、183のトータルの厚みは1404nmとする。また、R1列、R2列、R3列の各層には、上記で決まるwとNに対応したラメラー型格子を形成する。例えば、R1列の場合、二値化間隔w=0.4μmを9個並べ、端の二値化間隔wから順に、位相が0からΦpに連続的に変化するように、各二値化間隔w内でのΦpの位相を与える凸部分の幅を変化させていく。
In this modification, the
図25A、図25B、図25Cには、それぞれR1列、R2列、R3列からの光に対する光出射角度と強度分布の関係を示している。R1列、R2列、R3列の偏向角度は、それぞれθ1=13°、θ2=25°、θ3=44°であり、ほぼ単峰性の良好な偏向特性が得られている。 FIG. 25A, FIG. 25B, and FIG. 25C show the relationship between the light emission angle and the intensity distribution for the light from the R1, R2, and R3 columns, respectively. The deflection angles of the R1, R2, and R3 rows are θ1 = 13 °, θ2 = 25 °, and θ3 = 44 °, respectively, and good unimodal deflection characteristics are obtained.
図26には、主ピーク及び副ピークの強度、放射角の層数依存性を示している。ここで、位相バイアスΦpは1.8πとし、位相変化の傾きが1.5πrad/μmである。図26に示すように、位相バイアスΦpを与える層が4層以上で、副ピーク強度はほぼゼロとなり、所定方向以外への不要な光放射が抑制されている。また、主ピークの偏向角も十分に必要な角度が得られていることがわかる。 FIG. 26 shows the layer number dependence of the intensity and radiation angle of the main peak and sub peak. Here, the phase bias Φ p is 1.8π, and the gradient of the phase change is 1.5π rad / μm. As shown in FIG. 26, the number of layers to which the phase bias Φ p is applied is four or more, the sub-peak intensity is almost zero, and unnecessary light emission in directions other than the predetermined direction is suppressed. It can also be seen that the main peak has a sufficiently large deflection angle.
本変形例に係る光偏向部181、182、183の作製方法は、上述の階段型位相変化とラメラー型位相変化の光偏向部の作製方法を組み合わせることにより、実現することができる。
The manufacturing method of the optical deflecting
本変形例に係る光偏向部181、182、183では、ラメラー型位相変化の場合のような負の直線状位相傾きが発生しないので、不要方向への光放射を抑制することができる。また、階段型位相変化の光偏向部に比べ平坦部が少ないため、小さい放射角度での不要方向への光放射についても抑制することができる。
In the
(第2の実施形態)
(半導体発光装置の構成)
図27は、第2の実施形態に係る半導体発光装置の図1のB−B線に相当する位置における断面模式図である。本実施形態において、第1の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Second Embodiment)
(Configuration of semiconductor light emitting device)
FIG. 27 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor light emitting device according to the second embodiment at a position corresponding to the line BB in FIG. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
本実施形態では、半導体発光装置41の両端の列であるL3′列とR3′列を、発光素子ではなく、受光素子として使用する。L3′列とR3′列の受光素子14の素子構造は、他の列のVCSEL10の素子構造と同一である。また、L3′列の光偏向部9とL2列の光偏向部9、R3′列の光偏向部9とR2列の光偏向部9は、それぞれ同一の構成である。その他の構成については、第1の実施形態と同様である。
In the present embodiment, the L3 ′ row and the R3 ′ row, which are both ends of the semiconductor
上述のように、両端のL3′列とR3′列の受光素子14を、その隣に配置されたL2列とR2列のVCSEL10と同じ構成とすることにより、L2列とR2列のVCSEL10から出射した光の波長に対して、L3′列とR3′列の受光素子14のDBR共振ミラーが共振し、感度が向上する。これにより、L2列とR2列のVCSEL10から出射した光の反射光に対するS/N比が向上する。また、両端のL3′列とR3′列の光偏向部9と、その隣に配置されたL2列とR2列の光偏向部9とをそれぞれ同一の構成とすることにより、L2列とR2列からの出射光の出射角と同一の角度からの反射光に対しての感度が向上する。
As described above, the
以上のように、本実施形態の半導体発光装置41は、両端の列に、そのすぐ内側の列のVCSEL10から出射した光に対して選択的に高い感度で検知することができる受光素子14を備えている。
As described above, the semiconductor
また、本実施形態では受光素子14を両端に配置したが、これは必須なことではなく、任意の位置に配置してもよい。
In the present embodiment, the
なお、上述の構成では、両端の列の受光素子14に、VCSEL10と同様の構成を用いたが、VCSEL10とは異なり、受光素子14として最適な素子構造を有する受光素子14を用いてもよい。
In the above-described configuration, the same configuration as that of the
(距離計測装置の構成)
図28は、第2の実施形態に係る距離計測装置の構成を示す模式図である。図28に示すように、半導体発光装置41の両端のL3′列、R3′列の受光素子14は、それぞれ受光回路42に接続されている。一方、半導体発光装置41のL2列、L1列、C列、R1列、R2列のVCSEL10は、それぞれ独立した駆動回路20により駆動され、これらの駆動回路20はすべて制御回路21に接続されている。L3′列の受光回路42、R3′列の受光回路42からは、それぞれ隣のL2列の駆動回路20、R2列の駆動回路20に対して制御信号47、48が伝達され、制御回路21に対してもそれぞれ近接者予告信号49、50が伝達される。その他の構成については、第1の実施形態と同様である。
(Configuration of distance measuring device)
FIG. 28 is a schematic diagram illustrating a configuration of a distance measuring apparatus according to the second embodiment. As shown in FIG. 28, the
半導体発光装置41からの出射光43は、対象物で反射され反射光44になり、TOFセンサー22で受光される。TOFセンサー22で得られた信号は、距離画像演算回路25に送られ、処理されて表示ディスプレイ26に表示される。一方、半導体発光装置41の両端に位置するL3′列、R3′列の受光素子14には、それぞれ主にL2列、R2列のVCSEL10の出射方向からの反射光45、46が受光される。
The outgoing light 43 from the semiconductor
対象物が近いほど、反射光の強度は強くなるため、L3′列の受光回路42あるいはR3′列の受光回路42が、L3′列あるいはR3′列の受光素子14から、ある閾値以上の強度の受光信号を得ると、「近接者が端に存在している」(または「近接者が端から入ってきた」)と判断する。そして、L3′列の受光回路42あるいはR3′列の受光回路42は、制御信号47、48をそれぞれL2列のVCSEL10の駆動回路20、R2列のVCSEL10の駆動回路20に直接送り、L2列、R2列のVCSEL10の出射光強度を弱める。これにより、半導体発光装置41の最も外側のVCSEL10の光出力のみを素早く低減させることができる。
The closer the object is, the stronger the intensity of the reflected light. Therefore, the
また、L3′列の受光回路42あるいはR3′列の受光回路42が、ある閾値以上の強度の受光信号を得た場合、制御信号47、48と共に、制御回路21に対して近接者予告信号49、50が送られる。これにより、制御回路21は、近接者の存在をすばやく知ることができるため、例えば、L1列あるいはR1列のVCSEL10の光強度を下げるように、L1列のVCSEL10の駆動回路20、R1列のVCSEL10の駆動回路20に対して制御信号を伝達させることもできる。
When the
以上のように、本実施形態の距離計測装置では、TOFセンサー22及び距離画像演算回路25を経ることなく、検知領域の端から侵入する近接者を素早く検知して、近接者へ向かうレーザ光の強度を下げることができる。例えば、距離計測画像の解像度を上げようとすると、距離画像演算時間が長くなり、第1の実施形態の距離計測装置では、近接者侵入に対するレスポンスが悪くなる。これに対し、本実施形態の距離計測装置では、距離計測画像の解像度を上げた状態でも、受光素子から直接制御信号が出されるため、素早く近接者侵入に対応することができる。これにより、距離計測装置からのレーザ光に対する人への安全性をさらに向上させることができる。
As described above, in the distance measuring device according to the present embodiment, without passing through the
(第3の実施形態)
(半導体発光装置の構成)
図29は、第3の実施形態に係る半導体発光装置の図1のB−B線に相当する位置における断面模式図である。本実施形態において、第1の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Third embodiment)
(Configuration of semiconductor light emitting device)
FIG. 29 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor light emitting device according to the third embodiment at a position corresponding to the line BB in FIG. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
本実施形態では、半導体発光装置51の端からの2列であるL3″列及びL2″列並びにR2″列及びR3″列の活性層17の材料をInGaNAsとした点で第2の実施形態と異なる。InGaNAsを活性層17に用いた場合、発光波長(受光波長)は、約1400nmとなる。一般に、波長が1400nmから2600nmまでの光は、眼に照射されても、角膜で吸収されて網膜まで到達しない。そのため、この波長域の光は、人への照射に対して安全である。L2″列及びR2″列のVCSEL10から出射された光は、対象物に反射してL3″列及びR3″列の受光素子14で受光される。その他の構成については、第2の実施形態と同様である。
This embodiment is different from the second embodiment in that the material of the
上述のように、本実施形態の半導体発光装置51では、最も外側に位置する2列を、近接者を主に検知するために、人の眼に対して安全な波長を用いたVCSEL10と受光素子14としている。これにより、たとえ最も外側のVCSEL10からの出射光が人の眼に照射されたとしても、人の眼を損傷することがない。
As described above, in the semiconductor
なお、本実施形態では、最も外側に位置する2列を、近接者を主に検知するVCSEL10と受光素子14としたが、その配置に限らず、任意の位置に配置することができる。その際、約1400nmの発光波長(受光波長)を有するVCSEL10と受光素子14は、最も大きな偏向角を有する光偏向部9の下に配置されることが好ましい。これにより、計測エリアの端から侵入する人等の侵入対象物に対して一番初めに照射される光を、人の眼に対して安全な波長の光とすることができる。
In the present embodiment, the two rows located on the outermost side are the
(距離計測装置の構成)
図30は、第3の実施形態に係る距離計測装置の構成を示す模式図である。図30に示すように、半導体発光装置51の両端のL3″列、R3″列の受光素子14は、それぞれL3″列の受光回路52、R3″列の受光回路52に接続されている。一方、半導体発光装置51のL2″列、L1列、C列、R1列、R2″列は、それぞれ独立した駆動回路20により駆動され、これらの駆動回路はすべて制御回路21に接続されている。L3″列の受光回路52、R3″列の受光回路52からは、それぞれ隣のL2″列の駆動回路20、R2″列の駆動回路20に対して制御信号59、60が伝達され、制御回路21に対してもそれぞれ近接者予告信号49、50が伝達される。その他の構成については、第2の実施形態と同様である。
(Configuration of distance measuring device)
FIG. 30 is a schematic diagram illustrating a configuration of a distance measuring device according to the third embodiment. As shown in FIG. 30, the
半導体発光装置51のL1列、C列、L2列のVCSEL10から出射された光53は、対象物で反射され、反射光54がTOFセンサー22で受光される。TOFセンサー22で得られた信号は、距離画像演算回路25に送られ、処理されて表示ディスプレイ26に表示される。
The light 53 emitted from the
一方、半導体発光装置51の端から2列目のL2″列、R2″列のVCSEL10から出射された波長約1400nmの光は、対象物で反射し、それぞれL3″列、R3″列の受光素子14によって受光される。ちなみに、TOFセンサー22は、波長約1400nmの光に対しては、感度がほとんどないため、L2″列、R2″列のVCSEL10からの光によって距離は計測されない。
On the other hand, light having a wavelength of about 1400 nm emitted from the second L2 ″ and R2 ″ rows of
対象物が近いほど、反射光の強度は強くなるため、L3″列の受光回路52あるいはR3″列の受光回路52が、L3″列あるいはR3″列の受光素子から、ある閾値以上の強度の受光信号を得ると、「近接者が端に存在している」(または「近接者が端から入ってきた」)と判断する。そして、L3″列の受光回路52あるいはR3″列の受光回路52は、制御信号59、60をそれぞれL2″列のVCSEL10の駆動回路20、R2″列のVCSEL10の駆動回路20に直接送り、L2″列、R2″列のVCSEL10の出射光強度を弱める。これにより、半導体発光装置51の最も外側のVCSEL10の光出力のみを素早く低減させることができる。
The closer the object is, the stronger the intensity of the reflected light. Therefore, the
また、L3″列の受光回路52あるいはR3″列の受光回路52が、ある閾値以上の強度の受光信号を得た場合、制御信号59、60と共に、制御回路21に対して近接者予告信号49、50が送られる。これにより、制御回路21は、近接者の存在をすばやく知ることができるため、例えば、L1列あるいはR1列のVCSEL10の光強度を下げるように、それぞれの駆動回路20に対して制御信号を伝達させることもできる。
Further, when the
以上のように、本実施形態の距離計測装置では、第2の実施形態と同様に、TOFセンサー22及び距離画像演算回路25を経ることなく、検知領域の端から侵入する近接者を素早く検知して、近接者へ向かうレーザ光の強度を下げることができる。さらに、一番先に人に照射される光を、人の眼に安全な波長としているため、距離計測装置の安全性をさらに向上させることができる。
As described above, in the distance measuring device according to the present embodiment, as in the second embodiment, a proximity person entering from the end of the detection region can be quickly detected without going through the
(第4の実施形態)
(半導体発光装置の構成)
図31は、第4の実施形態に係る半導体発光装置の図1のB−B線に相当する位置における断面模式図である。本実施形態において、第1の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Fourth embodiment)
(Configuration of semiconductor light emitting device)
FIG. 31 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor light emitting device according to the fourth embodiment at a position corresponding to the line BB in FIG. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
本実施形態では、第1の実施形態と異なり、各VCSEL10からの出射光は、基板1側から外に取り出される。ここで、基板1は、各VCSEL10の発光波長に対して透明である。各VCSEL10の構成は、第1の実施形態と同様に、n側DBR2とp側DBR4との間に活性層3が配置されている。p側DBR4と活性層3は、配列状に分離され、複数のVCSEL10が形成されている。活性層3から露出したn側DBR2の表面と、p側DBR4及び活性層3の側面は、絶縁膜6で覆われており、各VCSEL10のp側DBR4は、p型コンタクト層5を介して、各列毎に共通のp側電極7に接続している。ここで、p側電極7は、AuZnからなり、ダイヤモンドからなるヒートシンク201上に形成された電極202と接続されている。電極202は、列毎に分かれており、任意の電極202に電力を供給することにより、各列のVCSEL10を個別に駆動することができる。
In the present embodiment, unlike the first embodiment, the emitted light from each
基板1の上面(光出射面)には、n側共通電極203が形成されており、各VCSEL10の上方の光出射領域では、n側共通電極203が開口している。それらの開口部に光偏向部9が形成されている。各光偏向部9の構成は、第1の実施形態と同様である。なお、光偏向部9としては、第1の実施形態のように、ラメラー格子型位相変化、傾斜面位相変化、階段状位相変化、位相バイアス付加ラメラー格子型位相変化等のいずれの構成のものを用いてもよい。その他の構成については、第1の実施形態と同様である。
An n-side
なお、基板1、n側DBR2、活性層3、p側DBR4、p型コンタクト層5、絶縁膜6、p側電極7、n側共通電極203により、VCSELアレイ16が構成される。
The
本実施形態に係る半導体発光装置61では、各VCSEL10からの発熱を、基板1を介さずに直接ヒートシンク201へ逃がすことができる。これにより、各VCSEL10の温度の上昇が抑制されるため、各VCSEL10の発光特性を安定化させることができる。
In the semiconductor
なお、本実施形態の半導体発光装置61として、第2あるいは第3の実施形態で示したような、一部を受光素子とする構成としてもよい。
Note that the semiconductor
また、本実施形態の半導体発光装置61を用いた距離計測装置の構成としては、上述の第1の実施形態〜第3の実施形態の構成を用いることができる。
Moreover, as a structure of the distance measuring device using the semiconductor light-emitting
(第5の実施形態)
(半導体発光装置の構成)
図32A及び図32Bは、第5の実施形態に係る半導体発光装置の図1のB−B線に相当する位置における断面模式図である。本実施形態において、第1の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Fifth embodiment)
(Configuration of semiconductor light emitting device)
32A and 32B are schematic cross-sectional views of the semiconductor light emitting device according to the fifth embodiment at positions corresponding to the line BB in FIG. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
本実施形態では、図32Aのように、下面に光偏向部9が形成された透明基板401と、第1の実施形態と同様な表面保護膜8が形成されたVCSELアレイ15を準備する。そして、図32Bに示すように、表面保護膜8が形成されたVCSELアレイ15上に、光偏向部9が形成された透明基板401を貼り合わせている。各光偏向部9は、対応するVCSEL10上に位置するように、透明基板401に形成されている。その他の構成については、第1の実施形態と同様である。
In the present embodiment, as shown in FIG. 32A, a
本実施形態に係る半導体発光装置71では、複数に分離されたVCSEL10上に光偏向部9を形成する必要がないため、光偏向部9の加工精度を向上させることができる。
In the semiconductor
なお、透明基板401として、高熱伝導性のSiC基板等を用いることにより、各VCSEL10の温度の上昇が抑制されるため、各VCSEL10の発光特性を安定化させることができる。
In addition, since the raise of the temperature of each VCSEL10 is suppressed by using a highly heat conductive SiC substrate etc. as the
また、光偏向部9としては、第1の実施形態のように、ラメラー格子型位相変化、傾斜面位相変化、階段状位相変化、位相バイアス付加ラメラー格子型位相変化等のいずれの構成のものを用いてもよい。
Further, as in the first embodiment, the
なお、本実施形態の半導体発光装置71として、第2あるいは第3の実施形態で示したような、一部を受光素子とする構成としてもよい。
Note that the semiconductor
また、本実施形態の半導体発光装置71を用いた距離計測装置の構成としては、上述の第1の実施形態〜第3の実施形態の構成を用いることができる。
Moreover, as a structure of the distance measuring device using the semiconductor light-emitting
(第6の実施形態)
(半導体発光装置の構成)
図33A及び図33Bは、第6の実施形態に係る半導体発光装置の図1のB−B線に相当する位置における断面模式図である。本実施形態において、第1の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Sixth embodiment)
(Configuration of semiconductor light emitting device)
33A and 33B are schematic cross-sectional views of the semiconductor light emitting device according to the sixth embodiment at a position corresponding to the line BB in FIG. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
本実施形態では、図33Aのように、下面に光偏向部9が形成された透明基板401と、第4の実施形態と同様な基板1側から光を出射する構成のVCSELアレイ16を準備する。そして、図33Bに示すように、VCSELアレイ16上に、光偏向部9が形成された透明基板401を貼り合わせている。各光偏向部9は、対応するVCSEL10上に位置するように、透明基板401に形成されている。その他の構成については、第4の実施形態と同様である。
In the present embodiment, as shown in FIG. 33A, a
本実施形態に係る半導体発光装置81では、第5の実施形態と同様に、複数に分離されたVCSEL10上に光偏向部9を形成する必要がないため、光偏向部9の加工精度を向上させることができる。
In the semiconductor
また、第4の実施形態と同様に、各VCSEL10からの発熱を、基板1を介さずに直接ヒートシンク201へ逃がすことができため、各VCSEL10の温度の上昇が抑制され、各VCSEL10の発光特性を安定化させることができる。
Further, similarly to the fourth embodiment, the heat generated from each
なお、光偏向部9としては、第1の実施形態のように、ラメラー格子型位相変化、傾斜面位相変化、階段状位相変化、位相バイアス付加ラメラー格子型位相変化等のいずれの構成のものを用いてもよい。
The
また、本実施形態の半導体発光装置81として、第2あるいは第3の実施形態で示したような、一部を受光素子14とする構成としてもよい。
Further, the semiconductor
さらに、本実施形態の半導体発光装置81を用いた距離計測装置の構成としては、上述の第1の実施形態〜第3の実施形態の構成を用いることができる。
Furthermore, as the configuration of the distance measuring device using the semiconductor
本開示に係る半導体発光装置及びそれを用いた距離計測装置並びに距離計測装置の制御方法は、人への安全性を確保しつつ、遠距離の対象物への距離計測能力を維持することができるため、車載用のセンサーとして有用である。 The semiconductor light emitting device, the distance measuring device using the semiconductor light emitting device, and the distance measuring device control method according to the present disclosure can maintain the ability to measure the distance to an object at a long distance while ensuring safety to a person. Therefore, it is useful as a vehicle-mounted sensor.
1 基板
2 n側DBR
3 活性層
4 p側DBR
5 p型コンタクト層
6 絶縁膜
7 p側電極
8 表面保護膜
9 光偏向部
10 VCSEL
11 開口部
12 パッド電極
13 n側共通電極
14 受光素子
15 VCSELアレイ
16 VCSELアレイ
17 活性層
19 半導体発光装置
20 駆動回路
21 制御回路
22 TOFセンサー
23 受光タイミング信号
24 基準タイミング信号
25 距離画像演算回路
26 表示ディスプレイ
27 距離画像演算回路からの信号
28 操作レバー
31 レーザ光
32 反射光
41 半導体発光装置
42 受光回路
43 出射光
44 反射光
45 反射光
46 反射光
47 制御信号
48 制御信号
49 近接者予告信号
50 近接者予告信号
51 半導体発光装置
52 受光回路
53 出射光
54 反射光
55 反射光
56 出射光
57 出射光
58 反射光
59 制御信号
60 制御信号
61 半導体発光装置
71 半導体発光装置
81 半導体発光装置
101、102、103 光偏向部(ラメラー格子型位相変化)
111、112、113 光偏向部(傾斜面位相変化)
131、132、133 光偏向部(階段状位相変化)
151、152、153 光偏向部(階段状位相変化)
181、182、183 光偏向部(位相バイアス付加ラメラー格子型位相変化)
201 ヒートシンク
202 電極
203 n側共通電極
310 拡散板
401 透明基板
1 substrate 2 n-side DBR
3 Active layer 4 p-side DBR
5 p-
DESCRIPTION OF
111, 112, 113 Light deflection part (inclined plane phase change)
131, 132, 133 Light deflector (stepwise phase change)
151, 152, 153 Light deflector (stepwise phase change)
181, 182, 183 Optical deflection unit (phase bias added lamellar grating type phase change)
201
Claims (16)
前記半導体発光素子の光出射面側に設けられ、前記半導体発光素子からの出射光を偏向させる光偏向部と、を備え、
複数の前記半導体発光素子からの前記出射光は、前記第1の方向において互いに異なる偏向角を有しており、
前記半導体発光素子は、それぞれの前記偏向角を有する前記出射光毎に発光するように駆動できる、半導体発光装置。 A semiconductor light emitting element array having a plurality of semiconductor light emitting elements arranged along a first direction;
A light deflector provided on the light emitting surface side of the semiconductor light emitting element and deflecting the light emitted from the semiconductor light emitting element,
The emitted lights from the plurality of semiconductor light emitting elements have different deflection angles in the first direction,
The semiconductor light emitting device, wherein the semiconductor light emitting element can be driven to emit light for each of the emitted lights having the respective deflection angles.
前記第2の方向に沿って配列された複数の前記半導体発光素子は、同じ偏向角を有する出射光を発光し、共通の電極により駆動される、請求項1または2に記載の半導体発光装置。 The semiconductor light emitting element array includes a plurality of semiconductor light emitting elements arranged along a second direction intersecting with the first direction, starting from each of the semiconductor light emitting elements arranged along a first direction. In addition,
3. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the plurality of semiconductor light emitting elements arranged along the second direction emit emitted light having the same deflection angle and are driven by a common electrode.
Φ(x)=[2πsin(θc)/λ)]x
λ:光の波長 θc:光出射面法線方向からの偏向角
(θc方向を光出射面に投射した軸をx軸とする) 6. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the light deflection unit gives a phase change Φ (x) represented by the following expression to the light from the semiconductor light emitting element.
Φ (x) = [2πsin (θ c ) / λ)] x
λ: wavelength of light θ c : deflection angle from the normal direction of the light exit surface (the axis projected on the light exit surface in the θ c direction is the x axis)
前記光偏向部は、前記基板の前記半導体発光素子を形成した面とは、反対側の面に形成され、
前記半導体発光素子の光は前記基板を透過して出射される、請求項1〜10のいずれか1項に記載の半導体発光装置。 The semiconductor light emitting element is formed on a substrate,
The light deflection unit is formed on the surface of the substrate opposite to the surface on which the semiconductor light emitting element is formed,
The semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein light from the semiconductor light-emitting element is emitted through the substrate.
前記半導体発光素子の光出射面側に設けられ、前記半導体発光素子からの出射光を偏向させる光偏向部と、を有し、複数の前記半導体発光素子からの前記出射光は、前記第1の方向において互いに異なる偏向角を有しており、前記半導体発光素子は、それぞれの前記偏向角を有する前記出射光毎に発光するように駆動できる、半導体発光装置と、
前記半導体発光素子を駆動する駆動部と、
前記半導体発光装置からの前記出射光を受光する受光部と、
前記半導体発光装置からの前記出射光の出射時刻と前記受光部での受光時刻との差から距離を計算する演算部とを備え、
前記偏向角の大きい前記出射光から前記偏向角の小さい前記出射光の順に前記出射光を出射していく場合に、先に出射した前記出射光による計測距離に基づいて、次に出射する前記出射光の強度を決める、距離計測装置。 A semiconductor light emitting element array having a plurality of semiconductor light emitting elements arranged along a first direction;
A light deflection unit provided on the light emitting surface side of the semiconductor light emitting element and deflecting the light emitted from the semiconductor light emitting element, and the emitted light from the plurality of semiconductor light emitting elements is the first light A semiconductor light emitting device having different deflection angles in directions, and the semiconductor light emitting element can be driven to emit light for each of the emitted lights having the respective deflection angles;
A driving unit for driving the semiconductor light emitting element;
A light receiving portion for receiving the emitted light from the semiconductor light emitting device;
A calculation unit that calculates a distance from a difference between an emission time of the emitted light from the semiconductor light emitting device and a light reception time at the light receiving unit;
When the outgoing light is emitted in the order of the outgoing light having the smaller deflection angle from the outgoing light having the larger deflection angle, the outgoing light to be emitted next is based on the measurement distance of the outgoing light previously emitted. A distance measuring device that determines the intensity of light.
前記半導体発光素子の光出射面側に設けられ、前記半導体発光素子からの出射光を偏向させる光偏向部と、を有し、複数の前記半導体発光素子からの前記出射光は、前記第1の方向において互いに異なる偏向角を有しており、前記半導体発光素子は、それぞれの前記偏向角を有する前記出射光毎に発光するように駆動できる、半導体発光装置と、
前記半導体発光素子を駆動する駆動部と、
前記半導体発光装置からの前記出射光を受光する受光部と、
前記半導体発光装置からの前記出射光の出射時刻と前記受光部での受光時刻との差から距離を計算する演算部とを備えた距離計測装置の駆動方法であって、
前記偏向角の大きい前記出射光から前記偏向角の小さい前記出射光の順に前記出射光を出射していく場合に、先に出射した前記出射光による計測距離に基づいて、次に出射する前記出射光の強度を決める、距離計測装置の駆動方法。 A semiconductor light emitting element array having a plurality of semiconductor light emitting elements arranged along a first direction;
A light deflection unit provided on the light emitting surface side of the semiconductor light emitting element and deflecting the light emitted from the semiconductor light emitting element, and the emitted light from the plurality of semiconductor light emitting elements is the first light A semiconductor light emitting device having different deflection angles in directions, and the semiconductor light emitting element can be driven to emit light for each of the emitted lights having the respective deflection angles;
A driving unit for driving the semiconductor light emitting element;
A light receiving portion for receiving the emitted light from the semiconductor light emitting device;
A driving method of a distance measuring device comprising an arithmetic unit that calculates a distance from a difference between an emission time of the emitted light from the semiconductor light emitting device and a light reception time at the light receiving unit,
When the outgoing light is emitted in the order of the outgoing light having the smaller deflection angle from the outgoing light having the larger deflection angle, the outgoing light to be emitted next is based on the measurement distance of the outgoing light previously emitted. A method of driving a distance measuring device that determines the intensity of the incident light.
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