JP2020035879A - 発光装置、光計測装置、画像形成装置及び発光デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光素子を二次元状に並列点灯させられる発光装置などを提供する。
請求項2に記載の発明は、複数の前記設定素子の各々には、前記第1の駆動素子と前記第2の駆動素子と前記発光素子との組が複数接続されていること特徴とする請求項1に記載の発光装置である。
請求項3に記載の発明は、前記組における前記第1の駆動素子と前記第2の駆動素子と前記発光素子とは直列接続され、オフ状態からオン状態に移行した当該第1の駆動素子と当該第2の駆動素子とを介して当該発光素子を発光又は発光強度を増加させる電流が流れるように設けられていることを特徴とする請求項1に記載の発光装置である。
請求項4に記載の発明は、直列接続された前記第1の駆動素子、前記第2の駆動素子及び前記発光素子の組の各々に共通に設けられた点灯電極を備え、前記発光素子に発光又は発光強度を増加させる電流は、前記点灯電極から供給されることを特徴とする請求項3に記載の発光装置である。
請求項5に記載の発明は、前記第1の駆動素子、前記第2の駆動素子及び前記発光素子は、積層されることで直列接続されていることを特徴とする請求項3に記載の発光装置である。
請求項6に記載の発明は、基準電位を供給する基準電極と、前記発光素子を発光又は発光強度を増加させる電流を供給する点灯電極とを備え、前記第1の駆動素子、前記第2の駆動素子及び前記発光素子は、当該第1の駆動素子、当該第2の駆動素子及び当該発光素子の順に積層され、当該発光素子側に前記基準電極が接続され、当該第1の駆動素子側に前記点灯電極が接続されることを特徴する請求項5に記載の発光装置である。
請求項7に記載の発明は、二次元状に配置された複数の前記発光素子が並行してオン状態を維持するように制御する制御部を備えることを特徴とする請求項1に記載の発光装置である。
請求項8に記載の発明は、前記制御部は、二次元状に配置された複数の前記発光素子のうち、点灯対象の発光素子が順次点灯するように制御するとともに、順次点灯が完了した後、順次点灯した複数の発光素子が並行してオン状態を維持するように制御することを特徴とする請求項7に記載の発光装置である。
請求項9に記載の発明は、前記制御部は、第1の期間において、複数の前記第1の転送素子の内のオン状態である第1の転送素子に接続された複数の発光素子のうち、点灯対象の発光素子を複数の前記第2の転送素子により順次点灯するよう制御し、前記第1の期間に続く第2の期間において、複数の前記第1の転送素子の内の次にオン状態になった第1の転送素子に接続された複数の発光素子のうち、点灯対象の発光素子を複数の前記第2の転送素子により順次点灯するよう制御し、前記第2の期間に続く第3の期間において、前記第1の期間及び当該第2の期間において点灯させた複数の発光素子が並行してオン状態を維持するよう制御する請求項7に記載の発光装置である。
請求項10に記載の発明は、前記制御部は、前記第1の期間よりも前記第3の期間の方が長くなるように制御する請求項9に記載の発光装置である。
請求項11に記載の発明は、前記第1の駆動素子は第1のゲート端子を有するサイリスタであり、前記第2の駆動素子は第2のゲート端子を有するサイリスタであり、前記第1の駆動素子は前記第1のゲート端子を介して前記第1の転送素子と接続され、前記第2の駆動素子は前記第2のゲート端子を介して前記設定素子と接続されている請求項1乃至10いずれか1項に記載の発光装置である。
請求項12に記載の発明は、請求項1に記載の発光装置と、前記発光装置から光が照射された対象物から、反射光を受光する受光部と、前記受光部が受光した光に関する情報を処理して、前記発光装置から前記対象物までの距離、又は当該対象物の形状を計測する処理部と、を備える光計測装置である。
請求項13に記載の発明は、請求項1に記載の発光装置と、画像信号の入力を受け付け、前記発光装置から出射される光によって二次元画像が形成されるように、当該画像信号に基づき当該発光装置を駆動する駆動制御部と、を備える画像形成装置である。
請求項14に記載の発明は、第1のゲートを備える第1のサイリスタと、第2のゲートを備える第2のサイリスタと、発光素子とを備え、前記第1のサイリスタ、前記第2のサイリスタ及び前記発光素子が積層されて直列接続されている発光デバイスである。
請求項15に記載の発明は、前記第1のサイリスタ、前記第2のサイリスタ及び前記発光素子が積層された積層体に予め定められた電圧が印加され、当該第1のサイリスタの前記第1のゲート及び当該第2のサイリスタの前記第2のゲートの各々に入力される制御信号により、当該第1のサイリスタ及び当該第2のサイリスタがオフ状態からオン状態に移行することで、当該発光素子が発光又は発光強度を増加させる請求項14に記載の発光デバイスである。
請求項16に記載の発明は、前記積層体において、前記第1のサイリスタと前記第2のサイリスタとは接続されるように積層されている請求項15に記載の発光デバイスである。
請求項3に記載の発明によれば、直列接続しない場合に比べ、発光素子の点灯制御が要になる。
請求項4に記載の発明によれば、点灯電極を共通に備えない場合に比べ、配線の増加が抑制される。
請求項5に記載の発明によれば、積層されていない場合に比べ、発光装置が小型になる。
請求項6に記載の発明によれば、発光素子側に基準電極が設けられていない場合に比べ、動作が安定する。
請求項7に記載の発明によれば、発光素子を二次元状に並列点灯させられる。
請求項8、9に記載の発明によれば、順次点灯が完了した後、順次点灯した複数の発光素子が並行してオン状態を維持しない場合と比較し、複数の発光素子間において発光順に依存する発光量の差が低減する。
請求項10に記載の発明によれば、第1の期間よりも第3の期間の方が短い場合に比べ、複数の発光素子間において発光順に依存する発光量の差が低減する。
請求項11に記載の発明によれば、駆動素子がサイリスタで構成される。
請求項12に記載の発明によれば、発光素子を二次元状に並列点灯させた光計測装置が得られる。
請求項13に記載の発明によれば、発光素子を二次元状に並列点灯させた画像形成装置が得られる。
請求項14に記載の発明によれば、積層されていない場合に比べ、発光デバイスが小型化される。
請求項15に記載の発明によれば、第1のゲート及び第2のゲートに入力される制御信号により制御しない場合に比べ、発光制御が容易になる。
請求項16に記載の発明によれば、間に発光素子を挟む場合に比べ、サイリスタが動作しやすい。
図1は、発光装置10の等価回路図である。図1では、以下に説明するダイオード、サイリスタ、抵抗などを、一般的に用いられる記号で示す。他の図面でも同様である。また、図1において、例えば接地電位(GND)である基準電位(以下では、基準電位Vsubと表記する。)は、“▽”で示す。なお、サイリスタとは、アノード、カソード、及び少なくとも1つのゲートを有し、アノードとカソードとの間に電圧が印加されている状態で一定以上の電圧がゲートに印加されることによりオン状態となり、又は、一定以上の電圧がゲートに印加されている状態でアノードとカソードとの間に電圧が印加されることによりオン状態となり、保持電流以上の電流がアノードとカソード間に流れている間はオン状態を維持する素子である。
発光部100は、発光素子部101と水平方向転送部102と垂直方向転送部103とを備える。なお、水平方向転送部102を、h方向転送部102と表記し、垂直方向転送部103を、v方向転送部103と表記する。水平方向及び垂直方向については、後述する。
発光素子部101は、発光素子の一例としてレーザ光を出射するレーザダイオードLDを備える。なお、レーザダイオードLDは、例えば垂直共振器面発光レーザVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)である。発光部100は、後述するように自己走査型発光素子アレイ(SLED:Self-Scanning Light Emitting Device)として構成されている。
転送サイリスタTh、結合ダイオードDh、接続ダイオードDa、抵抗Rhは、h方向に配列されているので、一桁の数字が付される。なお、個々の数字を付す代わりに「i」を付す場合がある。
設定サイリスタSは、v方向に設定サイリスタS1、S2、S3、S4の順で配列されている。
接続ダイオードDb、接続抵抗Rc及び抵抗Rvも、同様にv方向に配列されている。
転送サイリスタTv、結合ダイオードDv、設定サイリスタS、接続ダイオードDb、接続抵抗Rc及び抵抗Rvは、v方向に配列されているので、一桁の数字が付される。なお、個々の数字を付す代わりに「j」を付す場合がある。
転送サイリスタTh、Tv、設定サイリスタS及び駆動サイリスタU、Bは、アノード、カソード、ゲートを備える3端子素子である。
ここで、転送サイリスタThは、第1の転送素子の一例であり、転送サイリスタTvは、第2の転送素子の一例である。駆動サイリスタUは、第1の駆動素子の一例及び第1のサイリスタの一例であり、駆動サイリスタBは、第2の駆動素子の一例及び第2のサイリスタの一例である。設定サイリスタSは、設定素子の一例である。
前述したように、レーザダイオードLDjiと駆動サイリスタBjiと駆動サイリスタUjiとは直列接続された組を構成する。すなわち、レーザダイオードLDjiのアノードは、基準電位Vsubに接続され、カソードは、駆動サイリスタBjiのアノードに接続されている。駆動サイリスタBjiのカソードは、駆動サイリスタUijのアノードに接続されている。そして、駆動サイリスタUijのカソードは、レーザダイオードLDijに発光のための電流を供給する点灯信号Vonが供給される点灯信号線54に接続されている。
スタートダイオードDhsは、アノードが転送信号φh2の供給される転送信号線53に接続され、カソードが結合ダイオードDh1のアノードに接続されている。
スタートダイオードDvsは、アノードが転送信号φv2の供給される転送信号線63に接続され、カソードが結合ダイオードDv1のアノードに接続されている。
制御部110は、h方向転送信号生成部120と、v方向転送信号生成部130と、設定信号生成部140と、点灯信号生成部150と、基準電位生成部160と、h方向電源電位生成部170と、v方向電源電位生成部180とを備える。制御部110は、電子回路で構成されている。例えば、制御部110は、集積回路(IC)として構成されていてもよい。
設定信号生成部140は、設定信号φsを生成し、発光部100の設定信号線64に供給する。
これらの制限抵抗は、発光部100に設けられてもよく、制御部110に設けられてもよい。また、これらの制限抵抗は、発光部100と制御部110との間に設けられてもよい。
h方向電源電位生成部170は、h方向電源電位Vgk1を生成し、発光部100の電源線51に供給する。v方向電源電位生成部180は、v方向電源電位Vgk2を生成し、発光部100の電源線61に供給する。
発光部100は、供給された信号及び電位によって動作する。
発光部100は、レーザ光を出射しうる半導体材料で構成される。例えば、発光部100は、GaAs系の化合物半導体で構成されている。ここでは、後述する発光部100の断面図(後述する図3(a)、(b)、図5(a)、(b)参照)に示すように、p型のGaAsで構成された基板80上に、GaAs系の化合物半導体層が複数積層された半導体層積層体にて構成されている。そして、基板80は、基板80の裏面に形成された裏面電極99を介して供給される基準電位Vsubに設定されている。まず、平面レイアウトを説明する。なお、裏面電極99は、基準電極の一例である。
発光部100は、前述した半導体層積層体がメサエッチングにより素子間分離された複数のアイランドで構成されている。ここでは、図2に示すアイランド301〜308により、発光部100の平面レイアウトを説明する。
アイランド301と同様なアイランドに、iが2〜4でjが2〜4のレーザダイオードLDjiと駆動サイリスタBjiと駆動サイリスタUjiとの組が構成されている。
なお、駆動サイリスタU11と駆動サイリスタB11とレーザダイオードLD11とは、積層によらないで、直列接続されていてもよい。
アイランド304には、スタートダイオードDhsが設けられている。
アイランド308には、スタートダイオードDvsが設けられている。
なお、図2においては、後述する配線とアイランドとの接続点に設けられるスルーホールを〇で示している。
図3は、駆動サイリスタU/駆動サイリスタB/レーザダイオードLDの断面図である。図3(a)は、図2におけるIIIA−IIIA線での断面図、図3(b)は、図2におけるIIIB−IIIB線での断面図である。つまり、図3(a)においては、U/B/LD11、U/B/LD12、U/B/LD13及びU/B/LD14が記載されている。図3(b)には、U/B/LD11、U/B/LD21、U/B/LD31及びU/B/LD41が記載されている。
そして、レーザダイオードLD11と駆動サイリスタB11とが、トンネル接合層84を介して積層され、駆動サイリスタB11と駆動サイリスタU11とが、トンネル接合層90を介して積層されている。
また、図3(a)のU/B/LD11に示すように、hゲート信号線55は、駆動サイリスタUのpゲート層94上に設けられたpオーミック電極352に接続されている。つまり、アイランド301の積層半導体層の一部において、厚さ方向にnカソード層95を除去して、pゲート層94の表面を露出させ、露出したpゲート層94にpオーミック電極352を設けて、hゲート信号線55を接続している。ここで、pゲート層94上に設けられたpオーミック電極352を、駆動サイリスタU11のゲート端子又はゲートと表記することがある。なお、pゲート層94を駆動サイリスタU11のゲートと表記することがある。pオーミック電極352又はpゲート層94が第1のゲートの一例である。
同様に、アイランド301は、周辺部の他の一部において、厚さ方向にnカソード層95、pゲート層94、nゲート層93、電圧低減層92、pアノード層91、トンネル接合層90、nカソード層89が除去されて、pゲート層88が露出している。露出したpゲート層88上にp型の半導体層に対してオーミック接触しやすいpオーミック電極351が設けられている。そして、pオーミック電極351にvゲート信号線65が接続されている。
なお、pオーミック電極351、352及びnオーミック電極331は、光出射口γを取り囲むように構成されている。そして、光の出射が妨げられないように、hゲート信号線55、vゲート信号線65及び点灯信号線54は、光出射口γを覆わないに設けられている。
アイランド302は、v方向に結合ダイオードDh1、転送サイリスタTh1及び接続ダイオードDa1を備える。
そして、アイランド302は、アイランド301におけるレーザダイオードLD11を構成するpアノード層81、発光層82、nカソード層83と、駆動サイリスタB11を構成するpアノード層85、電圧低減層86、nゲート層87、pゲート層88、nカソード層89と、nカソード層83とpアノード層85との間に設けられたトンネル接合層84とを備える。つまり、アイランド302は、アイランド301が備えた駆動サイリスタUを構成するpアノード層91、電圧低減層92、nゲート層93、pゲート層94、nカソード層95、及び、nカソード層89とpアノード層91との間に設けられたトンネル接合層90を備えない。
つまり、半導体層積層体において、トンネル接合層90、pアノード層91、電圧低減層92、nゲート層93、pゲート層94及びnカソード層95が除去されている。
そして、アイランド302の周囲には、基板80が露出している。
なお、カソード端子となるnオーミック電極333、ゲート端子となるpオーミック電極353が設けられない場合がある。よって、転送サイリスタThにおいて、nカソード層89をカソード、pゲート層88をゲート、pアノード層85をアノードと表記することがある。後述する転送サイリスタTv及び設定サイリスタSにおいても同様である。
なお、カソード端子となるnオーミック電極334及びアノード端子となるpオーミック電極353が設けられない場合がある。よって、結合ダイオードDhにおいて、nカソード層89をカソード、pゲート層88をアノードと表記することがある。後述する結合ダイオードDv及び接続ダイオードDa、Dbにおいても同様である。
アイランド305は、h方向に接続ダイオードDb1、転送サイリスタTv1及び結合ダイオードDv1を備える。アイランド305の構成は、アイランド302と同様であるので詳細な説明を省略する。なお、抵抗Rv1が設けられるアイランド307及びスタートダイオードDvsが設けられるアイランド308も同様であるので説明を省略する。
なお、他のアイランドも同様である。
次に、サイリスタ(転送サイリスタTh、Tv、設定サイリスタS及び駆動サイリスタU、B)の基本的な動作を説明する。図5(a)に示したように、アイランド302における転送サイリスタTh1のpアノード層85は、基板80に接続されて基準電位Vsubに設定されている。よって、以下では、転送サイリスタTh1をサイリスタの一例として説明する。
図5(a)に示すように、転送サイリスタTh1は、pアノード層85、電圧低減層86、nゲート層87、pゲート層88、nカソード層89が積層されて構成されている。そして、pアノード層85は、基準電位Vsubが供給されている。
一方、図6(b)に示す電圧低減層86を備えるサイリスタでは、pアノード層85とnゲート層87との間に電圧低減層86を備える。
一例として、pアノード層85の基準電位Vsubをハイレベルの電位(以下では「H」と表記する。)として0V、制御部110におけるh方向電源電位生成部170が供給するh方向電源電位Vgk1をローレベルの電位(以下では「L」と表記する。)として−3.3Vとして説明する。なお、「H(0V)」、「L(−3.3V)」と表記することがある。図1に示したように、h方向電源電位Vgk1が供給される電源線51は、抵抗Rh1を介して、転送サイリスタTh1のゲートに接続されている。
オン状態になると、サイリスタのゲートは、アノードの電位に近い電位になる。ここでは、アノードは0Vであるので、ゲートは、0Vになるとする。また、オン状態のサイリスタのカソードは、アノードの電位からpn接合の順方向電位Vd(1.5V)を引いた電位に近い電位(絶対値を保持電圧と表記する。)となる。ここでは、アノードは0Vであるので、オン状態のサイリスタのカソードは、−1.5Vに近い電位(絶対値が1.5Vより大きい負の電位)となる(図6(c)のVh′)。ここでは、保持電圧は、1.5Vであるとする。
一方、オン状態のサイリスタは、カソードがオン状態を維持するために必要な電位(上記の−1.5Vに近い電位)より高い電位(絶対値が小さい負の電位、0V又は正の電位)になると、オフ状態に移行(ターンオフ)する。
サイリスタにおける立ち上がり電圧(図6(c)におけるVr)は、サイリスタを構成する半導体層積層体におけるもっとも小さいバンドギャップのエネルギ(バンドギャップエネルギ)によって決まる。なお、サイリスタにおける立ち上がり電圧Vrとは、図6(c)に示すように、サイリスタのオン状態における電流を、電圧軸に外挿した際の電圧である。
GaAsの格子定数は、約5.65Åである。AlAsの格子定数は、約5.66Åである。よって、この格子定数に近い材料は、GaAs基板に対してエピタキシャル成長しうる。例えば、GaAsとAlAsとの化合物であるAlGaAsやGeは、GaAs基板に対してエピタキシャル成長しうる。
また、InPの格子定数は、約5.87Åである。この格子定数に近い材料は、InP基板に対してエピタキシャル成長しうる。
また、GaNの格子定数は、成長面によって異なるが、a面が3.19Å、c面が5.17Åである。この格子定数に近い材料はGaN基板に対してエピタキシャル成長しうる。
例えば、GaAsのバンドギャップエネルギは、約1.43eVである。よって、電圧低減層86を用いない場合のサイリスタの立ち上がり電圧(図6(c)に示すVr′)は、約1.43Vとなる。しかし、網点で示す範囲の材料を、サイリスタを構成する層とするか、又は、含むことで、サイリスタの立ち上がり電圧(図6(c)に示すVr)は、0V超且つ1.43V未満としうる(0V<Vr<1.43V)。
これにより、サイリスタがオン状態にある時の、電力消費が低減される。
前述したように、レーザダイオードLDなどの発光素子の発光特性は、半導体層に含まれる欠陥の影響を受けやすい。一方、サイリスタ(転送サイリスタTh、Tv、設定サイリスタS、駆動サイリスタB、U)は、ターンオンして、レーザダイオードLDに電流が供給できればよい。よって、電圧低減層86を含むサイリスタを発光層として用いるのではなく、電圧低減のために用いるのであれば、サイリスタを構成する半導体層に欠陥が含まれてもよい。
次に、図3(a)、(b)に示した、駆動サイリスタU/駆動サイリスタB/レーザダイオードLDの構造を説明する。図3(a)に示したように、レーザダイオードLDと駆動サイリスタBとは、トンネル接合層84を介して積層されて、直列接続されている。また、駆動サイリスタBと駆動サイリスタUとは、トンネル接合層90を介して積層されて、直列接続されている。
図8は、レーザダイオードLDと下側の駆動サイリスタBとの積層構造をさらに説明する図である。図8(a)は、レーザダイオードLDと駆動サイリスタBとの積層構造における模式的なエネルギーバンド図、図8(b)は、トンネル接合層84の逆バイアス状態におけるエネルギーバンド図、図8(c)は、トンネル接合層84の電流電圧特性を示す。なお、電圧低減層86の記載を省略する。
これに対して、同様にIII−V族化合物であるInNの格子定数は、閃亜鉛鉱構造において約5.0Å、InAsの格子定数は、約6.06Åである。よって、InNとInAsとの化合物であるInNAsの格子定数は、GaAsなどの5.6Å〜5.9Åに近い値になりうる。
また、III−V族化合物であるInSbの格子定数は、約6.48Åである。よって、InNの格子定数の約5.0Åであるので、InSbとInNとの化合物であるInNSbの格子定数は、GaAsなど5.6Å〜5.9Åに近い値になりうる。
半導体層積層体は、前述したように、基板80上に、pアノード層81、発光層82、nカソード層83、トンネル接合層84、pアノード層85、電圧低減層86、nゲート層87、pゲート層88、nカソード層89、トンネル接合層90、pアノード層91、電圧低減層92、nゲート層93、pゲート層94及びnカソード層95が積層されて構成されている。
電流狭窄層は、例えばAlAs又はAlの不純物濃度が高いp型のAlGaAsである。Alが酸化されてAl2O3が形成されることにより、電気抵抗が高くなって、電流阻止領域βが形成されるものであればよい。なお、GaAs、AlGaAsなどの半導体層に水素イオン(H+)を打ち込むことで、電流阻止領域βを形成してもよい(H+イオン打ち込み)。
電圧低減層86については、前述した。
nゲート層87は、例えば不純物濃度1×1017/cm3のn型のAl0.9GaAsである。Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。
pゲート層88は、例えば不純物濃度1×1017/cm3のp型のAl0.9GaAsである。Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。
nカソード層89は、例えば不純物濃度1×1018/cm3のn型のAl0.9GaAsである。Al組成は、0〜1の範囲で変更してもよい。
pアノード層91、電圧低減層92、nゲート層93、pゲート層94、nカソード層95は、pアノード層85、電圧低減層86、nゲート層87、pゲート層88、nカソード層89と同様であってよい。
例えば、GaN基板上において、pアノード層81、発光層82、nカソード層83で構成されるレーザダイオードLDをGaN基板と略同じ格子定数の材料を用いて成長し、その後、レーザダイオードLD上に、メタモルフィック成長にて、格子定数をInNに近づけるための層(メタモルフィック層)を形成する。そして、トンネル接合層84と、pアノード層85、電圧低減層86、nゲート層87、pゲート層88、nカソード層89で構成される駆動サイリスタBと、トンネル接合層90と、pアノード層91、電圧低減層92、nゲート層93、pゲート層94、nカソード層95で構成される駆動サイリスタUとを、InNの格子定数に近づけた材料(エネルギーバンドギャップがGaNよりも小さい材料)を用いてメタモルフィック層上に成長する。これにより、例えば、トンネル接合の品質や性能が改善し、またサイリスタのオン時の駆動電圧(保持電圧)が低減される。
図9は、発光装置10において、レーザダイオードLDの点灯/非点灯を制御する例を示す図である。ここでは、図1、図2などで説明したレーザダイオードLDが4×4で配列された場合を一例として説明する。図9において、点灯(発光)させるレーザダイオードLDを「〇」、非点灯(消灯)させるレーザダイオードLDを「×」で示している。なお、点灯させるレーザダイオードLDを点灯対象のレーザダイオードLDと表記する。ここでは、レーザダイオードLD11、LD12、LD14、LD21、LD23、LD32、LD34、LD41、LD42、LD44を点灯(発光)させ、レーザダイオードLD13、LD22、LD24、LD31、LD33、LD43を非点灯(消灯)させるとする。
図10は、発光装置10を駆動するためのタイミングチャートである。発光装置10は、4×4のレーザダイオードLDを備え、図9で示した点灯/非点灯の状態に制御される。図10において、アルファベット順(a、b、c、…)に時間が経過するとする。なお、電位に変化が発生するタイミングについては、適時符号を付して説明する。
図10に示すタイミングチャートには、レーザダイオードLDを点灯又は非点灯に設定する設定期間P(1)〜P(4)と、点灯に設定された点灯対象のレーザダイオードLDを並列に点灯状態に維持する点灯維持期間Pcとが設けられている。
ここでは、設定期間P(1)を第1の期間の一例とすると、設定期間P(2)〜P(4)のいずれが第2の期間の一例である。また、点灯維持期間Pcが第3の期間の一例である。図10では、設定期間P(1)が、点灯維持期間Pcより、長く表記されているが、点灯維持期間Pcが設定期間P(1)より、長く設定されるのがよい。第1の期間の一例である設定期間P(1)が第3の期間の一例である点灯維持期間Pcより長い場合に比べ、複数のレーザダイオードLD間において発光順に依存する発光量の差が低減する。
ここで、基準電位Vsubは「H(0V)」、h方向電源電位Vgk1、v方向電源電位Vgk2は「L(−3.3V)」とする。
時刻aにおいて、図1に示す制御部110に電源が供給される。すると、基準電位Vsubが「H(0V)」、h方向電源電位Vgk1、v方向電源電位Vgk2が「L(−3.3V)」に設定される。
次に、各信号(転送信号φh1、φh2、φv1、φv2、設定信号φs及び点灯信号Von)の波形を説明する。
転送信号φh1は、時刻aにおいて「H(0V)」であって、時刻aと時刻bとの間の時刻a1において「L(−3.3V)」に移行する。そして、時刻fと時刻gとの間の時刻f2において、「H(0V)」に戻る。さらに、時刻kと時刻lとの間の時刻k1において、再び「L(−3.3V)」に移行する。転送信号φh1は、時刻aから時刻kまでの設定期間P(1)、P(2)の波形を、時刻kから時刻uまでにおいて繰り返す信号である。
転送信号φv1は、時刻aにおいて「H(0V)」であって、時刻aと時刻bとの間の時刻a2において「L(−3.3V)」に移行する。なお、時刻a2は、前述した時刻a1より後の時刻である。そして、時刻bと時刻cとの間の時刻b3において、「H(0V)」に移行する。さらに、時刻cと時刻dとの間の時刻c2において、「L(−3.3V)」に移行する。そして、時刻dと時刻eとの間の時刻d2で「H(0V)」に移行する。さらに、時刻fでは、「H(0V)」が維持される。
転送信号φv1は、時刻aから時刻fまでの設定期間P(1)の波形を、設定期間P(2)〜P(4)において繰り返す信号である。
転送信号φv1は、時刻aから時刻fまでの設定期間P(1)の波形を、設定期間P(2)〜P(4)において繰り返す信号である。
設定信号φsは、時刻aにおいて「H(0V)」であって、時刻bにおいて「L′(−3V)」に移行する。そして、時刻bと時刻cとの間の時刻b1において、「H(0V)」に移行する。なお、時刻b1は、前述の時刻b2より前の時刻である。
また、図9に示すように、レーザダイオードLD21を点灯させるとしているので、時刻cにおいて、設定信号φsを「H(0V)」から「L′(−3V)」に移行させる。そして、時刻cと時刻dとの間の時刻c1において、「H(0V)」に移行させている。なお、時刻c1は、前述の時刻c2より前の時刻である。
そして、レーザダイオードLD31を消灯のままとしているので、時刻dと時刻eの間においては、設定信号φsを「H(0V)」に維持している。
設定期間P(2)は、レーザダイオードLD12、LD22、LD32、LD42を点灯又は非点灯に設定する期間、設定期間P(3)は、レーザダイオードLD13、LD23、LD33、LD43を点灯又は非点灯に設定する期間、設定期間P(4)は、レーザダイオードLD14、LD24、LD34、LD44を点灯又は非点灯に設定する期間である。
そして、点灯維持期間Pcにおいて、点灯に設定されたレーザダイオードLDを並行して点灯を維持する。
そして、設定信号φsの「L′(−3V)」である期間により、点灯対象のレーザダイオードLDを選択する。
(1)時刻a1
図11は、時刻a1での動作を説明する図である。図11(a)は、時刻a1の直前の状態、図11(b)は、時刻a1の直後の状態である。ここでは、駆動サイリスタB11/駆動サイリスタU11/レーザダイオードLD11に関連する部分の等価回路を示す。また、時刻a1の直前とは、時刻a1において、転送信号φh1が「H(0V)」から「L(−3.3V)」に移行する前の状態であって、転送信号φh1が「H(0V)」である状態である。一方、時刻a1の直後とは、転送信号φh1が「L(−3.3V)」となった状態である。
時刻aにおいて、制御部110により、h方向電源電位Vgk1、v方向電源電位Vgk2が、「L(−3.3V)」に設定される。なお、基準電位Vsubは、「H(0V)」である。これにより、発光部100の電源線51、電源線61が、「L(−3.3V)」になる(図1参照)。
そして、転送信号φh1、φh2、φv1、φv2、設定信号φsは、「H(0V)」に設定される。点灯信号Vonは、「H(0V)」から「L(−3.3V)」に移行する。すると、発光部100の転送信号線52、53、62、63及び設定信号線64が、「H(0V)」になる。そして、発光部100の点灯信号線54が、「L(−3.3V)」になる。
なお、v方向転送部103においても、同様であるので、説明を省略する。
時刻a1において、転送信号φh1が「H(0V)」から「L(−3.3V)」に移行すると、転送信号φh1が供給される転送信号線52が「L(−3.3V)」になる。これにより、しきい電圧が−3Vであった転送サイリスタTh1がターンオンして、オン状態に移行する。すると、転送サイリスタTh1は、ゲートが0Vになる。接続ダイオードDa1を介して、駆動サイリスタU11は、ゲートが−1.5Vになる。駆動サイリスタU11のカソードは、「L(−3.3V)」の点灯信号Vonが供給される点灯信号線54に接続されている。ゲートは、pゲート層88であり、カソードは、nカソード層89であるので、ゲート−カソード間に1.8Vの順バイアスが印加される。順方向電位Vdは−1.5Vであるので、ゲート−カソード間に電流が流れる状態になる。なお、接続ダイオードDa1のカソードに接続された他の駆動サイリスタU21、U31、U41においても、ゲート−カソード間に電流が流れる状態になる。図11(b)では、ゲート−カソードをG−Kと表記し、電流が流れた状態を(G−K間電流)と表記する。
図12は、時刻a2及び時刻bでの動作を説明する図である。図12(a)は、時刻a2の直後の状態、図12(b)は、時刻bの直後の状態である。時刻a2の直後とは、時刻a2において転送信号φv1が「H(0V)」から「L(−3.3V)」に移行した後であって、転送信号φv1が「L(−3.3V)」の状態である。また、時刻b1の直後とは、時刻b1において設定信号φsが「H(0V)」から「L′(−3V)」に移行した後であって、設定信号φsが「L′(−3V)」である状態である。
時刻a2において、転送信号φv1が「H(0V)」から「L(−3.3V)」に移行すると、転送信号φv1が供給される転送信号線62が「L(−3.3V)」に移行する。すると、しきい電圧が−3Vであった転送サイリスタTv1がターンオンして、オン状態に移行する。これにより、転送サイリスタTv1は、ゲートが0Vになる。すると、接続ダイオードDb1を介して、設定サイリスタS1は、ゲートが−1.5Vになって、しきい電圧が−3Vになる。また、接続抵抗Rc1を介して、駆動サイリスタB11は、ゲートが−1.5Vになる。これにより、駆動サイリスタB11のカソード(駆動サイリスタU11のアノード)は、−3Vになる。このため、駆動サイリスタU11のアノード−カソード間に印加される電位は絶対値において0.3Vであって、駆動サイリスタU11をオン状態にする電位である0.8Vより小さい。駆動サイリスタU11はオフ状態にある。
時刻bにおいて、設定信号φsが「H(0V)」から「L′(−3V)」に移行すると、しきい電圧が−3Vであった設定サイリスタS1がターンオンして、オン状態に移行する。すると、設定サイリスタS1は、ゲートが0Vになる。すると、接続抵抗Rc1を介して、駆動サイリスタB11は、ゲートが0Vになる。これにより、駆動サイリスタB11のカソード(駆動サイリスタU11のアノード)は、−1.5Vになる。これにより、駆動サイリスタU11のカソード−アノード間に印加される電位は−1.8Vになって、駆動サイリスタU11は、ターンオンしてオン状態になる。
ここで、駆動サイリスタUをターンオンさせるためにゲートに供給される電位(ここでは、一例として−1.5V)及び駆動サイリスタBをターンオンさせるためにゲートに供給される電位(ここでは、一例として−0.8V)は、駆動サイリスタB、Uの各ゲートに入力される制御信号の一例である。
図13は、時刻b1及び時刻b2での動作を説明する図である。図13(a)は、時刻b1の直後の状態、図13(b)は、時刻b2の直後の状態である。時刻b1の直後とは、時刻b1において設定信号φsが「L′(−3V)」から「H(0V)」に移行した後であって、設定信号φsが「H(0V)」の状態である。また、時刻b2の直後とは、時刻b2において転送信号φv2が「H(0V)」から「L(−3.3V)」に移行した後であって、転送信号φv2が「L(−3.3V)」である状態である。
時刻b1において、設定信号φsが「L′(−3V)」から「H(0V)」に移行する。すると、設定信号φsが供給される設定信号線64が「H(0V)」となる。設定サイリスタS1のカソードは設定信号線64に接続されているので、設定サイリスタS1は、アノードとカソードとが共に「H(0V)」になって、ターンオフしてオフ状態になる。
このとき、点灯信号Vonは「L(−3.3V)」を維持しているので、駆動サイリスタB11、U11はオン状態を維持する。よって、駆動サイリスタU11、駆動サイリスタB11及びレーザダイオードLD11に電流が流れて、レーザダイオードLD11は点灯を維持する。
時刻b2において、転送信号φv2が「H(0V)」から「L(−3.3V)」に移行すると、転送信号φv2が供給される転送信号線63が「L(−3.3V)」になる。すると、しきい電圧が−3Vになっていた転送サイリスタTv2は、ターンオンしてオン状態になる。すると、転送サイリスタTv2はゲートが0Vになって、駆動サイリスタB21のゲートが−1.5Vになる。このとき、駆動サイリスタU21のゲート−カソード間には、電流が流れている。しかし、駆動サイリスタU21のアノード(駆動サイリスタB21のカソード)は−3Vであるので、駆動サイリスタU21は、ターンオンしない。
このときも、点灯信号Vonは「L(−3.3V)」を維持しているので、駆動サイリスタB11、U11は、オン状態を維持する。よって、駆動サイリスタU11、駆動サイリスタB11及びレーザダイオードLD11に電流が流れて、レーザダイオードLD11は、点灯を維持する。
時刻cにおいて、設定信号φsを「H(0V)」から「L′(−3V)」に移行させると、設定信号φsが供給される設定信号線64が「L′(−3V)」になる。すると、しきい電圧が−3Vの設定サイリスタS2は、ターンオンしてオン状態になる。これにより、前述したように、駆動サイリスタU21、B21がターンオンしてオン状態になり、レーザダイオードLD21、駆動サイリスタB21及び駆動サイリスタU21に電流が流れて、レーザダイオードLD21が点灯する。
なお、設定サイリスタS1は、しきい電圧が−3.2Vであるので、ターンオンしない。
図14は、時刻f1での動作を説明する図である。つまり、図14は、時刻f1の直後の状態を示す。なお、時刻f1の直後とは、転送信号φh2が「H(0V)」から「L(−3.3V)」に移行した直後であって、転送信号φh2が「L(−3.3V)」の状態である。図10に示すように、この状態では、レーザダイオードLD11、LD21、LD41が点灯に、レーザダイオードLD31が非点灯に設定されている。図14では、点灯のレーザダイオードLD11の部分と非点灯のレーザダイオードLD13の部分とに加え、これらか点灯又は非点灯に設定されるレーザダイオードLD12、LD32に関連する部分を示す。
ここでは、レーザダイオードLD12、LD32を例として説明した。レーザダイオードLD22、42は、レーザダイオードLD12と同様である。
図15は、時刻iでの動作を説明する図である。つまり、図15は、時刻iの直後の状態を示す。なお、時刻iの直後とは、転送信号φv2が「L(−3.3V)」から「H(0V)」に移行し、設定信号φsが「H(0V)」から「L′(−3V)」に移行した直後であって、転送信号φv2が「H(0V)」及び設定信号φsが「L′(−3V)」である状態である。
よって、時刻h1において、設定サイリスタS2、S3は、ゲートが−1.5Vになって、しきい電圧が−3Vになっている。なお、他の設定サイリスタS1、S4のしきい電圧は、−3Vより低い状態になっている。
そして、時刻iにおいて、設定信号φsが「H(0V)」から「L′(−3V)」に移行すると、設定信号φsが供給される設定信号線64が「L′(−3V)」になる。これにより、しきい電圧が−3Vの設定サイリスタS3がターンオンする。すると、時刻bで説明したように、駆動サイリスタU32、B32がターンオンして、レーザダイオードLD32が点灯する。
なお、非点灯のレーザダイオードLD31を駆動する駆動サイリスタU31は、ゲートが−2.5Vであるので、ゲート−カソード間の電位差が0.8Vであるため、順方向電位Vd(1.5V)より小さい。よって、ゲート−カソード間には、電流が流れない。したがって、駆動サイリスタU31、D31は、ターンオンしない。
なお、ターンオンしてオン状態になった駆動サイリスタB及び駆動サイリスタUは、点灯信号Vonが「L(−3.3V)」である限り、オン状態を維持する。つまり、オン状態になった駆動サイリスタB及び駆動サイリスタUで駆動されるレーザダイオードLDは、並行して点灯状態を維持する。
h方向転送部102では、時刻aにおいて、転送サイリスタTh1のしきい電圧がスタートダイオードDhsにより、−3Vになっている。よって、時刻a1において、転送信号φh1が「H(0V)」から「L(−3.3V)」に移行すると、転送サイリスタTh1がターンオンしてオン状態になる。すると、転送サイリスタTh1のゲートが0Vになるため、結合ダイオードDh1を介して接続された転送サイリスタTh2は、ゲートが−1.5Vになり、しきい電圧が−3Vになる。すると、時刻f1において、転送信号φh2が「H(0V)」から「L(−3.3V)」に移行すると、しきい電圧が−3Vの転送サイリスタTh2がターンオンしてオン状態になる。すると、時刻a1と同様にして、転送サイリスタTh3は、しきい電圧が−3Vになる。
設定期間P(1)で説明すると、時刻a2から時刻b3までの期間において、転送サイリスタTv1がオン状態、時刻b2から時刻c3までの期間において、転送サイリスタTv2がオン状態、時刻c2から時刻d2までの期間において、転送サイリスタTv3がオン状態、時刻d1から時刻e2までの期間において、転送サイリスタTv4がオン状態である。
設定期間P(2)〜P(4)は、設定期間P(1)と同様である。
つまり、転送サイリスタTh及び転送サイリスタTvをオン状態にすることで、点灯又は非点灯に設定するレーザダイオードLDが選択される。
なお、発光素子部101のレーザダイオードLDの数は、各行、各列において、同じでなくともよい。つまり、設定サイリスタSに接続されるレーザダイオードLDの数は、同じでなくともよく、1個であってもよい。そして、レーザダイオードLDの数に合わせて、図10に示すタイミングチャートを調整すればよい。
また、レーザダイオードLDを点灯又は非点灯に設定する設定期間P(1)〜P(4)の後に点灯維持期間Pcを設ける代わりに、レーザダイオードLDを点灯又は非点灯に設定する設定期間P(1)〜P(4)を複数回繰り返すことで、階調点灯をおこなってもよい。すなわち、例えば、256階調を表現したい場合、設定期間P(1)〜P(4)を255回繰り返すように設定し、表現したい階調に対応した繰り返し回数のタイミングで各々のレーザダイオードLDがオンするように制御してもよい。
またその他、半導体材料や駆動電圧に合わせて、回路の適正な位置に抵抗やダイオードを付加したり、抵抗をダイオードに変更したりすることで、動作を安定化させてもよい。例えば、接続抵抗Rcは接続ダイオードであってもよい。
また、半導体材料や駆動電圧に合わせて、回路の適正な位置に抵抗やダイオードを付加したり、抵抗をダイオードに変更したりするなどにより、動作を安定化させてもよい。例えば、接続抵抗Rcは接続ダイオードであってもよい。
また、レーザダイオードLDを基板80側に設けたが、基板80側から、駆動サイリスタU、駆動サイリスタB、そしてレーザダイオードLDを積層するようにしてもよい。
さらに、駆動サイリスタUと駆動サイリスタBとの間に、レーザダイオードLDを設けてもよい。なお、駆動サイリスタUと駆動サイリスタBとを直接接続すると、駆動サイリスタU及び駆動サイリスタBが動作しやすい。
そして、レーザダイオードLDの代わりに、発光ダイオードLEDであってもよい。
なお、h方向電源電位Vgk1とv方向電源電位Vgk2は同じ電位「L(−3.3V)」に設定しており、同じ電位で使用が可能である場合は、h方向電源電位生成部170とv方向電源電位生成部180とを、ひとつにまとめてもよい。
また、転送サイリスタTh、Tv間は、結合ダイオードDh、Dvで接続しているが、結合ダイオードの代わりに結合トランジスタで接続してもよい。
上記した発光装置10は、光計測に用いうる。
図16は、発光装置10を用いた光計測装置1を説明する図である。
光計測装置1は、上記した発光装置10と、光を受光する受光部11と、データを処理する処理部12とを備える。そして、光計測装置1に対向して計測対象物(対象物)13が置かれている。なお、図16において、計測対象物13は、一例として人である。そして、図16は、上方から見た図である。
光計測装置1の処理部12は、発光装置10を制御し、発光装置10から短い期間において光を出射させる。つまり、発光装置10は、パルス状に光を出射する。すると、処理部12は、発光装置10が光を出射した時刻と、受光部11が計測対象物13からの反射光を受光した時刻との時間差から、発光装置10から出射されてから、計測対象物13に反射して、受光部11に到達するまでの光路長を算出する。発光装置10及び受光部11の位置やこれらの間隔は予め定められている。よって、処理部12は、発光装置10、受光部11からの距離又は基準とする点(以下では、基準点と表記する。)から、計測対象物13までの距離を計測する。なお、基準点とは、発光装置10及び受光部11から予め定められた位置に設けられた点(ポイント)である。
この方法を、計測対象物13上の複数の点(ポイント)に対して行えば、計測対象物13の三次元的な形状が計測される。前述したように、発光装置10からの出射光は、二次元に広がって計測対象物13に照射される。そして、計測対象物13における発光装置10との距離が短い部分からの反射光が、いち早く受光部11に入射する。上記した二次元画像を取得する撮像デバイスを用いた場合、フレーム画像には、反射光が到達した部分に輝点が記録される。一連の複数のフレーム画像において記録された輝点から、それぞれの輝点に対して、光路長が算出される。そして、発光装置10、受光部11からの距離又は基準点からの距離が算出される。つまり、計測対象物13の三次元形状が算出される。
上記した発光装置10は、画像を形成する画像形成に用いうる。
図17は、発光装置10を用いた画像形成装置2を説明する図である。
画像形成装置2は、上記した発光装置10と、駆動制御部14と、光を受光するスクリーン15と、を備える。
発光装置10は、前述したように、二次元状に配置されたレーザダイオードLDを点灯又は非点灯に設定する。そして、点灯維持期間Pcにおいて、レーザダイオードLDを並行して点灯させる。つまり、二次元の静止画像(二次元画像)が得られる。よって、画像信号が入力を受け付け、二次元画像が形成されるように、画像信号に基づき発光装置10を駆動する駆動制御部14により、点灯維持期間Pcをフレームとして、順次書き換えることにより、二次元画像の動画像が得られる。これらの二次元状の静止画像や動画像が、スクリーン15に投影される。
Claims (16)
- 順にオン状態になる複数の第1の転送素子と、
順にオン状態になる複数の第2の転送素子と、
複数の前記第1の転送素子の各々に接続され、当該第1の転送素子がオン状態になることにより、オン状態への移行が可能な状態になる複数の第1の駆動素子と、
複数の前記第2の転送素子の各々に接続され、当該第2の転送素子がオン状態になることにより、オン状態への移行が可能な状態になる複数の設定素子と、
複数の前記設定素子の各々に接続され、当該設定素子がオン状態になることにより、オン状態への移行が可能な状態になる複数の第2の駆動素子と、
複数の前記第1の駆動素子の各々と、複数の前記第2の駆動素子の各々とに接続され、当該第1の駆動素子及び当該第2の駆動素子がオン状態になることにより、発光又は発光強度が増加する複数の発光素子と、を備え、
複数の前記設定素子の少なくとも1つに、前記第1の駆動素子と前記第2の駆動素子と前記発光素子との組が複数接続されるとともに、複数の当該発光素子が二次元状に配置された発光装置。 - 複数の前記設定素子の各々には、前記第1の駆動素子と前記第2の駆動素子と前記発光素子との組が複数接続されていること特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 前記組における前記第1の駆動素子と前記第2の駆動素子と前記発光素子とは直列接続され、オフ状態からオン状態に移行した当該第1の駆動素子と当該第2の駆動素子とを介して当該発光素子を発光又は発光強度を増加させる電流が流れるように設けられていることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 直列接続された前記第1の駆動素子、前記第2の駆動素子及び前記発光素子の組の各々に共通に設けられた点灯電極を備え、
前記発光素子に発光又は発光強度を増加させる電流は、前記点灯電極から供給されることを特徴とする請求項3に記載の発光装置。 - 前記第1の駆動素子、前記第2の駆動素子及び前記発光素子は、積層されることで直列接続されていることを特徴とする請求項3に記載の発光装置。
- 基準電位を供給する基準電極と、前記発光素子を発光又は発光強度を増加させる電流を供給する点灯電極とを備え、
前記第1の駆動素子、前記第2の駆動素子及び前記発光素子は、当該第1の駆動素子、当該第2の駆動素子及び当該発光素子の順に積層され、当該発光素子側に前記基準電極が接続され、当該第1の駆動素子側に前記点灯電極が接続されることを特徴する請求項5に記載の発光装置。 - 二次元状に配置された複数の前記発光素子が並行してオン状態を維持するように制御する制御部を備えることを特徴とする請求項1に記載の発光装置。
- 前記制御部は、二次元状に配置された複数の前記発光素子のうち、点灯対象の発光素子が順次点灯するように制御するとともに、順次点灯が完了した後、順次点灯した複数の発光素子が並行してオン状態を維持するように制御することを特徴とする請求項7に記載の発光装置。
- 前記制御部は、
第1の期間において、複数の前記第1の転送素子の内のオン状態である第1の転送素子に接続された複数の発光素子のうち、点灯対象の発光素子を複数の前記第2の転送素子により順次点灯するよう制御し、
前記第1の期間に続く第2の期間において、複数の前記第1の転送素子の内の次にオン状態になった第1の転送素子に接続された複数の発光素子のうち、点灯対象の発光素子を複数の前記第2の転送素子により順次点灯するよう制御し、
前記第2の期間に続く第3の期間において、前記第1の期間及び当該第2の期間において点灯させた複数の発光素子が並行してオン状態を維持するよう制御する請求項7に記載の発光装置。 - 前記制御部は、
前記第1の期間よりも前記第3の期間の方が長くなるように制御する請求項9に記載の発光装置。 - 前記第1の駆動素子は第1のゲート端子を有するサイリスタであり、
前記第2の駆動素子は第2のゲート端子を有するサイリスタであり、
前記第1の駆動素子は前記第1のゲート端子を介して前記第1の転送素子と接続され、
前記第2の駆動素子は前記第2のゲート端子を介して前記設定素子と接続されている請求項1乃至10のいずれか1項に記載の発光装置。 - 請求項1に記載の発光装置と、
前記発光装置から光が照射された対象物から、反射光を受光する受光部と、
前記受光部が受光した光に関する情報を処理して、前記発光装置から前記対象物までの距離、又は当該対象物の形状を計測する処理部と、
を備える光計測装置。 - 請求項1に記載の発光装置と、
画像信号の入力を受け付け、前記発光装置から出射される光によって二次元画像が形成されるように、当該画像信号に基づき当該発光装置を駆動する駆動制御部と、
を備える画像形成装置。 - 第1のゲートを備える第1のサイリスタと、
第2のゲートを備える第2のサイリスタと、
発光素子とを備え、
前記第1のサイリスタ、前記第2のサイリスタ及び前記発光素子が積層されて直列接続されている発光デバイス。 - 前記第1のサイリスタ、前記第2のサイリスタ及び前記発光素子が積層された積層体に予め定められた電圧が印加され、当該第1のサイリスタの前記第1のゲート及び当該第2のサイリスタの前記第2のゲートの各々に入力される制御信号により、当該第1のサイリスタ及び当該第2のサイリスタがオフ状態からオン状態に移行することで、当該発光素子が発光又は発光強度を増加させる請求項14に記載の発光デバイス。
- 前記積層体において、前記第1のサイリスタと前記第2のサイリスタとは接続されるように積層されている請求項15に記載の発光デバイス。
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