JP2020167409A - 多波長光を利用した光学装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】多波長光を利用した光学装置を提供する。【解決手段】多波長光を利用した光学装置、及びその動作方法に係り、該多波長光を利用した光学装置は、基板、並びに基板上にモノリシックに配置され、それぞれが互いに異なる変調及び波長の光を放出する複数個の発光素子を含む発光アレイを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、多波長光を利用した光学装置、及びその動作方法に係り、互いに異なる波長を有する複数個の発光素子を含む光学装置、及びその動作方法に関する。
分光器は、光学分野において重要な光学機器のうち一つである。従来の分光器は、多様な光学素子を含んでおり、体積が大きくて重かった。最近では、スマートフォン、ウェアラブルデバイスのような関連アプリケーションの小型化により、分光器の小型化が要求されている。
そのような分光器は、独立した装置によっても具現されるが、他の装置の一構成要素にもなる。特に、携帯電話のようなモバイル装置に搭載される分光器に対する研究が進められている。
本発明が解決しようとする課題は、対象体の物性特性を獲得する光学装置、及びその動作方法を提供することである。
本発明が解決しようとする課題は、また、波長が異なる複数個の発光素子を利用し、対象体に係わる情報を獲得する光学装置、及びその動作方法を提供することである。
一側面（ａｓｐｅｃｔ）による多波長を利用した光学装置は、基板と、前記基板上にモノリシックに配置され、それぞれが互いに異なる波長の光を放出する複数個の発光素子を含む発光アレイと、前記波長が互いに異なる光が、互いに異なるように変調されて同時に放出されるように、前記発光アレイを制御する制御部と、を含む。
そして、前記制御部は、前記複数個の発光素子に印加される駆動信号の波形を異なるように変調することにより、波形が互いに異なる光が放出される。
また、前記駆動信号の波形は、前記駆動信号の周波数、振幅、位相のうち少なくとも一つが変調されても決定される。
そして、前記駆動信号の波形は、正弦波、矩形波、三角波、パルス波のうち少なくとも一つを含んでもよい。
また、前記発光アレイのうち隣接するように配置された発光素子から放出された光の波形相関度は、隣接しないように配置された発光素子から放出された光の波形相関度よりも大きくなる。
そして、前記発光アレイのうち隣接するように配置された発光素子から放出された光の波形相関度は、隣接しないように配置された発光素子から放出された光の波形相関度よりも小さい。
また、前記複数個の発光素子は、二次元にも配列される。
そして、前記発光アレイのうち第１方向に順次に配列された発光素子は、波長が順次に変わる。
また、前記複数個の発光素子それぞれは、１５ｎｍ未満の波長帯域を有する光を放出することができる。
そして、前記発光アレイのうち隣接するように配列された発光素子の中心波長間の間隔は、０．５ｎｍ以上３０ｎｍ以下でもある。
また、前記複数個の発光素子のうち少なくとも一つは、レーザまたはＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）でもある。
そして、前記複数個の発光素子のうち少なくとも一つは、前記基板上に配置され、光を発生させる活性層と、前記活性層で生じた光のうち特定波長の光を外部に放出させる波長決定層と、を含んでもよい。
また、前記特定波長は、前記波長決定層の厚み及び誘電率のうち少なくとも一つによっても決定される。
そして、前記活性層は、前記波長決定層内にも配置される。
また、前記波長決定層は、グレーティングパターン構造を含んでもよい。
そして、前記波長決定層は、前記基板の長手方向に複数層の誘電体層が離隔配置されてもよい。
また、前記複数層の誘電体層のピッチは、前記基板の長手方向に連続的に変わる。
そして、前記複数層の誘電体層は、第１ピッチに配列された誘電体層、及び前記第１ピッチと異なる第２ピッチに配列された誘電体層を含んでもよい。
また、前記発光アレイは、前記基板上に配置され、光を放出する活性層と、前記活性層上に配置され、前記活性層から入射された光を互いに異なる波長に変換させる複数個の波長変換層と、を含んでもよい。
そして、前記活性層上に配置され、前記複数個の波長変換層を分離させる隔壁をさらに含んでもよい。
また、前記発光アレイから放出された光のうち、対象体により、散乱、透過または反射した光を検出する光検出器と、前記光検出器の検出結果を利用し、前記対象体に係わる情報を獲得するプロセッサと、をさらに含んでもよい。
そして、前記光検出器は、イメージセンサを含んでもよい。
また、前記プロセッサは、前記発光アレイから放出された光の波長別に、前記光検出器の検出結果を分類し、分類された波長別検出結果を利用し、対象体に係わる情報を獲得することができる。
一方、一実施形態による、複数個の発光素子を含む光学装置の動作方法は、前記複数個の発光素子から、波長及び変調が互いに異なる複数個の光を放出する段階と、前記複数個の光のうち、対象体により、反射または透過された光を検出する段階と、前記検出された結果を、前記変調を基に、波長別に分類する段階と、前記分類された検出結果を利用し、対象体に係わる情報を獲得する段階と、を含む。
そして、前記複数個の光それぞれは、１５ｎｍ未満の波長帯域を有することができる。
また、前記複数個の光の中心波長間の間隔は、０．５ｎｍ以上３０ｎｍ以下でもある。
本発明による光学装置は、帯域幅が狭く、中心波長が互いに異なる複数個の光を放出するために、光を波長別に分離するハードウェア的構成要素が必要ではない。そのために、光学装置の小型化が可能である。波形を基に、特定波長の光を検出することができ、多様な波形変調により、さらに正確に対象体に係わる情報を獲得することができる。
一実施形態による、多波長光を利用した光学装置を概略的に図示した図面である。 本発明の一実施形態による発光素子の例を図示した図面である。 一実施形態による、有効誘電率別に互いに異なる波長の光を放出する発光アレイの例を図示した図面である。 一実施形態による、波長決定層の厚みにより、互いに異なる波長の光を放出する発光アレイの例を図示した図面である。 一実施形態による、互いに異なる波長変換層を含む発光アレイの例を図示した図面である。 一実施形態による、パターン構造を含む発光アレイの例を図示した図面である。 一実施形態による、不連続なパターン構造を有する発光アレイの例を図示した図面である。 一実施形態による、誘電体層のピッチ別の放出波長を示す図面である。 発光素子から放出された光が変調される例について説明する参照図面である。 一実施形態による、光検出器が波長別に検出された光の強度を示した図面である。 一実施形態による、複数個のサブ検出器を含む光検出器を図示した図面である。 一実施形態による、光学装置の動作方法について説明する参照図面である。
以下、本実施形態による、多波長光を利用した光学装置、及びその動作方法について、添付図面を参照し、詳細に説明する。添付図面に図示された層や領域の幅及び厚みは、明細書の明確性及び説明の便宜性のために若干誇張されてもいる。詳細な説明全体にわたり、同一参照番号は、同一構成要素を示す。
本明細書で使用される「構成される」または「含む」というような用語は、明細書上に記載されたさまざまな構成要素、またはさまざまな段階を必ずしもいずれも含むものであると解釈されるものではなく、そのうち一部構成要素または一部段階は、含まれず、または、さらなる構成要素または段階をさらに含んでもよいと解釈されなければならない。
以下において、「上部」や「上」と記載されたところは、接触し、まさに上下左右にあるものだけではなく、非接触で、上下左右にあるものも含んでもよい。以下、添付された図面を参照しながら、ただ例示のための実施形態によって詳細に説明する。
第１、第２のような用語は、多様な構成要素についての説明に使用されるが、該構成要素は、用語によって限定されるものではない。該用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみに使用される。
また、明細書に記載された「…部」、「モジュール」のような用語は、少なくとも１つの機能や動作を処理する単位を意味し、それは、ハードウェアまたはソフトウェアによっても具現され、ハードウェアとソフトウェアとの結合によっても具現される。
図１は、一実施形態による、多波長光を利用した光学装置を概略的に図示した図面である。図１に図示されているように、一実施形態による光学装置１００は、波長が異なる複数個の光を対象体１０に放出する光送信端１２０、対象体１０から反射、散乱または透過された光を受信し、対象体１０に係わる情報を獲得する光受信端１４０、及び光送信端１２０と光受信端１４０とを制御する制御部１６０を含んでもよい。
光送信端１２０は、基板１２１、及び基板１２１上にモノリシックに配置され、それぞれが互いに異なる波長の光を放出する複数個の発光素子２００を含む発光アレイ１２２を含んでもよい。
基板１２１は、発光素子２００を成長させるための基板にもなる。基板１２１は、一般的な半導体工程で使用される多様な材質を含んでもよい。例えば、基板１２１としては、シリコン基板またはサファイア基板が使用されてもよい。しかし、それらは、ただ例示的なものであり、それら以外にも、基板１２１は、他の多様な材質が使用されもする。
発光アレイ１２２は、それぞれが互いに異なる波長の光を放出する複数個の発光素子２００を含んでもよい。前述の発光素子２００それぞれは、基板１２１上にモノリシックにも配置される。すなわち、発光素子２００は、半導体工程により、基板１２１上に積層またはパターニングされて形成されることにより、基板１２１と一体型にも形成される。複数個の発光素子２００は、基板１２１上に、空間的に離隔配置もされ、一部層は、互いに連結されるようにも配置される。
発光素子２００それぞれは、波長帯域幅が狭い光を放出することができ、発光素子２００の中心波長間の間隔は、波長帯域幅よりも広く。そのために、発光アレイ１２２から放出された光は、不連続な光、例えば、櫛（ｃｏｍｂ）タイプの光でもある。例えば、発光素子２００それぞれは、約１５ｎｍ未満の帯域幅を有する光を放出することができ、中心波長間の間隔は、約０．５ｎｍ以上３０ｎｍ以下でもある。
発光素子２００それぞれは、レーザまたはＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）でもあるが、特定の例示に限定されるものではない。発光素子２００は、垂直キャビティ（Ｃ）表面光放出レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ：ｖｅｒｔｉｃａｌ−ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）、分布帰還型レーザダイオード（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌａｓｅｒ）、レーザダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）、ＬＥＤ、共振ＬＥＤなどでもある。
または、発光素子２００は、互いに異なる波長の光を提供することができる波長可変レーザ（ｔｕｎａｂｌｅ ｌａｓｅｒ）を含んでもよい。該波長可変レーザは、狭い帯域幅と広い波長チューニング範囲とを有することができる。それにより、１つの波長可変レーザで波長が互いに異なる多くの数の光を出力することができる。該波長可変レーザは、電気的信号により、互いに異なる波長の光を出力することができ、波長のチューニングは、連続的でもあってもよく、不連続的であってもよい。または、発光素子２００それぞれは、帯域幅が狭いＬＥＤでもある。
複数個の発光素子２００は、図１に図示されているように、一次元または二次元にも配列される。複数個の発光素子２００は、ｍ×ｎ（ここで、ｍ、ｎは、２以上の自然数である）形態に行列にも配列される。複数個の発光素子２００は、一方向に順次に波長が変わるようにも配列される。しかし、それに限定されるものではない。
図２は、本発明の一実施形態による発光素子２００ａの例を図示した図面である。図２に図示されているように、発光素子２００は、光を発生させる活性層２１０、活性層２１０を挟んで離隔配置され、共振キャビティＣを形成する第１反射層２２０及び第２反射層２３０、並びに第１反射層２２０及び第２反射層２３０それぞれに配置される第１電極２４０及び第２電極２５０を含んでもよい。発光素子２００ａは、活性層２１０で発生した光のうち共振キャビティＣで共振する波長の光を放出することができる。
活性層２１０は、第１電極２４０及び第２電極２５０に印加される駆動信号（すなわち、電気的信号）によって光を発生させる。活性層２１０は、電子と正孔とを結合させて光を発生させる量子ウェルの構造を含んでもよい。活性層２１０は、ＩＩＩ族とＶ族物質とからなるＩＩＩ／Ｖ化合物半導体からもなる。活性層２１０は、多数の量子ウェルと量子ウェルとの間の障壁層によって構成されるＲＰＧ（ｒｅｓｏｎａｎｔ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｇａｉｎ）構造を含んでもよい。
量子ウェル層と障壁層とが互いに交互しながら、複層構造に配置されている。ここで、該量子ウェル層としては、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＳｂ（ここで、０．０＜ｘ＜１．０、０．０＜ｙ＜１．０）のような半導体材料を使用することができる。前述のｘとｙとの値は、それぞれの量子ウェル層について個別的にも選択される。量子ウェル層の代わりに、Ｉｎ（Ｇａ）（Ｎ）Ａｓの量子点（ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ）を使用することもできる。
第１反射層２２０及び第２反射層２３０は、活性層２１０で発生した光を共振キャビティＣに反射させ、光を共振キャビティＣで共振させる。第１反射層２２０及び第２反射層２３０は、共振波長で高い反射率を有するように設計された分散ブラッグ反射層（ＤＢＲ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）構造でもある。第１反射層２２０及び第２反射層２３０の反射度は、５０％ほどと互いに同じようでもある。第１反射層２２０及び第２反射層２３０は、例えば、互いに異なる複数の層が、所定の順序により、周期的に連続して配列されることによってなる多重帯域分散ブラッグ反射層（ｍｕｌｔｉ−ｂａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）としても構成される。さらに具体的には、第１反射層２２０及び第２反射層２３０それぞれは、高屈折率層（ｈｉｇｈ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｌａｙｅｒ）と低屈折率層（ｌｏｗ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｌａｙｅｒ）とを所定の順序で配して構成される。ここで、高屈折率層（Ｈ）は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなり、良好には、ＧａＡｓ（すなわち、ｘ＝０）からなる。一方、低屈折率層（Ｌ）は、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）からなり、良好には、ＡｌＡｓ（すなわち、ｙ＝１）からなる。
第１電極２４０は、ｎ型にドーピングされた半導体層でもあり、第２電極２５０は、ｐ型にドーピングされた半導体層でもある。第１電極２４０及び第２電極２５０に駆動信号が印加されることにより、活性層２１０が励起されて光が発生する。発生した光は、第１反射層２２０及び第２反射層２３０の間で反射を反復しながら、活性層２１０を往復し、増幅された光のうち共振キャビティＣで共振された光は、外部にも放出される。
共振キャビティＣの残り空間には、活性層２１０で発光する光に対して、透明な物質で充填され、共振キャビティＣの有効誘電率を決定するが、波長決定層２６０と言うことができる。活性層２１０、第１反射層２２０及び第２反射層２３０の物質は、比較的広い波長の光を発光したり反射させたりすることができる物質によっても形成される。一方、発光素子２００は、共振キャビティＣの共振条件により、波長帯域が狭い特定波長の光が増幅されても放出される。発光素子２００から放出される光は、共振キャビティＣの共振波長によって決定され、共振波長は、共振長によって決定され、該共振長は、共振キャビティＣの幅ｗ、及び共振キャビティＣの有効誘電率などによっても決定される。そして、共振キャビティＣの幅は、波長決定層２６０の厚みによって決定され、共振キャビティＣ内の有効誘電率は、波長決定層の屈折率によって変わる。従って、波長決定層２６０の屈折率及び厚みのうち少なくとも一つを変更させることにより、共振キャビティＣ内での光路が変更され、共振波長を変更させることができる。
図３は、一実施形態による、有効誘電率別に互いに異なる波長の光を放出する発光アレイ１２２の例を図示した図面である。図３に図示されているように、発光素子２００は、共振キャビティＣの有効誘電率が異ならせるようにすることができる。例えば、各発光素子２００の波長決定層２６０ａ，２６０ｂ，２６０ｃは、互いに異なる物質によっても充填される。そのために、各発光素子２００から放出される光の波長が異なる。
図４は、一実施形態による、キャビティＣ長さによって互いに異なる波長の光を放出する発光アレイ１２２の例を図示した図面である。図４に図示されているように、各発光素子２００の波長決定層２６０ｄ，２６０ｅ，２６０ｆの厚みを異ならせることにより、共振波長を異ならせるようにすることができる。例えば、第１方向（Ｘ）に行くほど波長決定層２６０ｄ，２６０ｅ，２６０ｆの厚みが厚くなるように、発光素子を配することができる。それにより、各発光素子２００は、前述の第１方向（Ｘ）に行くほど波長が大きい光を放出することができる。
図５は、一実施形態による、互いに異なる波長変換層２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃを含む発光アレイ１２２ｃの例を図示した図面である。図５に図示されているように、第２電極２５０上に、波長変換層２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃがさらに配置される。前述の波長変換層２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃそれぞれは、活性層２１０で共振された光の波長の大きさを互いに異なるように変換させることができる。各発光素子は、互いに異なる波長の光を放出するように、波長変換層２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃの物質を異ならせることができる。前述の波長変換層２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃは、活性層２１０で放出された光によって励起され、所定波長の光を放出する所定サイズの量子点（ＱＤ：ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ）及び蛍光層２９２（図６）などを含んでもよい。該量子点は、コア部とシェル部を有するコア・シェル（ｃｏｒｅ−ｓｈｅｌｌ）構造を有することができ、またシェルがない粒子構造を有することもできる。該量子点は、例えば、ＩＩ−ＶＩ族系半導体、ＩＩＩ−Ｖ族系半導体、ＩＶ−ＶＩ族系半導体、ＩＶ族系半導体及びグラフェン量子点のうち少なくとも一つを含んでもよい。具体的な例として、量子点はＣｄ、Ｓｅ、Ｚｎ、Ｓ及びＩｎＰのうち少なくとも一つを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。
複数個の発光素子は、波長変換層２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃによって区分され、活性層２１０、第１反射層２２０、第２反射層２３０、第１電極２４０及び波長決定層２６０を共有することができる。キャビティＣ、活性層２１０、第１反射層２２０、第２反射層２３０、第１電極２４０及び波長決定層２６０を共有するために、発光アレイ１２２の製造が容易になる。また、発光アレイ１２２ｃは、発光素子それぞれを区分する隔壁２８０をさらに含んでもよい。隔壁２８０は、波長変換層２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃの間にも配置され、メッシュ構造でもある。隔壁２８０は、上部領域から下部領域に行くほど幅が狭くなるテーパ状形状でもある。前述のテーパ状形状の隔壁２８０は、発光素子２００らから放出される光の不連続性を高め、ノイズを減らすことができる。前記隔壁２８０は、ブラックマトリックス物質、レジン及びポリマーのうち少なくとも一つを含んでもよい。第２電極２５０ａも発光素子単位で分離されている。
図５においては、波長変換層２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃの物質によって放出される光の波長が変換されるとしたが、それに限定されるものではない。パターン構造によっても放出される光の波長が変わる。
図６は、一実施形態による、パターン構造を含む発光アレイ１２２ｄの例を図示した図面である。図６に図示されているように、発光アレイ１２２ｄは、基板１２１、基板１２１上に配置される波長決定層２９０、及び波長決定層２９０上に配置される活性層２１０を含んでもよい。基板１２１は、例えば、クォーツ（ｑｕａｒｔｚ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）及びサファイア（Ａｌ２Ｏ３）のうち少なくとも一つを含んでもよい。
波長決定層２９０は、グレーティングパターン構造でもある。前述の波長決定層２６０は、基板上に離隔配置された誘電体層２９１を含んでもよい。そして、誘電体層２９１間に蛍光層２９２が充填される。そのために、誘電体層２９１と蛍光層２９２は、基板の長手方向（Ｘ）方向に交互にも配列される。誘電体層２９１のピッチＰは、基板の長手方向に連続的に変わるようにも誘電体層２９１が配列される。
誘電体層２９１は、例えば、窒化物または酸化物を含んでもよい。前記窒化物は、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）または窒化ガリウム（ＧａＮ）を含んでもよい。前記酸化物は、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）及び酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）のうち少なくともいずれか一つを含んでもよい。
蛍光層２９２は、例えば、量子点、セラミックス素材蛍光物質及び有機染料のうち少なくともいずれか一つを含んでもよい。前記量子点は、例えば、半導体ナノ粒子であり、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、セレン化カドミウム／硫化亜鉛（ＣｄＳｅ／ＺｎＳ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）及び硫化カドミウム（ＣｄＳ）のうち少なくともいずれか一つを含んでもよい。前記セラミックス素材蛍光物質は、例えば、セリウム（Ｃｅ）がドーピングされたヤグ（ＹＡＧ）を含んでもよい。前記有機染料は、例えば、ローダミン（ｒｈｏｄａｍｉｎｅ）またはフルオレセイン（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ）を含んでもよい。図６においては、誘電体層２９１間に蛍光層２９２が充填されるとしたが、それに限定されるものではない。蛍光物質ではない他の物質、例えば、活性層２１０の物質によっても充填される。
活性層２１０は、電極対（図示せず）に印加される駆動信号（すなわち、電気的信号）によって光を発生させる。活性層２１０は、電子と正孔とを結合させて光を発生させる量子ウェルの構造を含んでもよい。活性層２１０は、ＩＩＩ族とＶ族物質とからなるＩＩＩ／Ｖ化合物半導体からもなる。活性層２１０は、多数の量子ウェルと量子ウェルとの間の障壁層で構成されるＲＰＧ構造を含んでもよい。
前述の量子ウェル層と障壁層とが互いに交互しながら、複層構造に配置されている。ここで、該量子ウェル層としてはＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＳｂ（ここで、０．０＜ｘ＜１．０、０．０＜ｙ＜１．０）のような半導体材料を使用することができる。前記ｘとｙとの値は、それぞれの量子ウェル層について個別的にも選択される。該量子ウェル層の代わりに、Ｉｎ（Ｇａ）（Ｎ）Ａｓの量子点を使用することもできる。
活性層２１０で発生した光のうち、波長決定層２９０の共振条件と一致する光が、外部に放出される。発光アレイ１２２ｄから放出される光は、波長決定層２９０の共振波長によって決定され、該共振波長は、波長決定層２９０の厚み、波長決定層２９０有効誘電率、例えば、各物質（蛍光層２９２及び誘電体層２９１）の屈折率、誘電体層２９１のピッチなどによっても決定される。図６においては、誘電体層２９１のピッチＰは、基板の長手方向に連続的に変わるようにも配列される。そのために、発光アレイ１２２ｄは、基板１２１の長手方向（Ｘ）に、中心波長が連続的に変わる光を放出することができる。
図７は、一実施形態による、不連続なパターン構造を有する発光アレイ１２２ｅの例を図示した図面である。図７に図示されているように、発光アレイ１２２ｅは、不連続なパターン構造の波長決定層２９０を含んでもよい。例えば、波長決定層２９０は、第１ピッチＰ１で離隔配置される誘電体層を含む第１波長決定層２９０ａ、第１ピッチＰ１と異なる第２ピッチＰ２で離隔配置された誘電体層を含む第２波長決定層２９０ｂ、並びに第１ピッチＰ１及び第２ピッチＰ２と異なる第３ピッチＰ３で離隔配置された誘電体層を含む第３波長決定層２９０ｃを含んでもよい。そのために、第１波長決定層２９０ａ、第２波長決定層２９０ｂ及び第３波長決定層２９０ｃは、互いに異なる波長の光を外部に放出することができる。図６及び図７においては、ピッチによって放出される波長が異なるとしたが、それに限定されるものではない。波長決定層２９０の厚みまたは有効誘電率によっても、放出される光の波長が調節される。
図８は、一実施形態による、誘電体層２９１のピッチ別の放出波長を示す図面である。図８に図示されているように、ピッチＰの大きさにより、放出される光の中心波長が異なるということを確認することができる。そして、ピッチＰが大きくなるほど、放出される光の中心波長が大きくなるということを確認することができる。
再び図１について説明すれば、制御部１６０は、発光素子２００それぞれに、駆動信号（例えば、電気的信号）を印加し、発光素子２００から光が放出されるようにする。制御部１６０は、発光素子２００からの光放出時、互いに異なるように変調された光が放出されるように、発光素子２００を制御することができる。例えば、制御部１６０は、発光素子２００それぞれに印加される駆動信号の波形が異なるように変調することにより、発光素子２００それぞれから放出される光を変調させることができる。そのために、発光素子２００それぞれは、互いに異なる波形の光を放出することができる。例えば、駆動信号の波形は、正弦波、矩形波、三角波、パルス波、のこぎり波のうち少なくとも一つを含んでもよい。そして、制御部１６０は、駆動信号の周波数、振幅、位相などを変調させ、放出される光を変調することができる。制御部１６０は、波形が同一であるとしても、周期が異なる駆動信号で光を変調することもできる。
図９は、発光素子２００から放出された光が変調される例について説明する参照図面である。図９の（ａ）は、光信号であり、図９の（ｂ）は、駆動信号に適用された変調信号であり、大きさを変調する変調信号である。図９の（ｂ）の変調信号を含む駆動信号が発光素子に印加されれば、図９の（ｃ）に図示された変調された光信号が出力される。そのために、制御部１６０は、各発光素子２００に互いに異なるように変調された駆動信号を印加することにより、発光アレイ１２２から、波長別に互いに異なるように変調された光が出力されるようにする。
制御部１６０は、一方向に配列された発光素子２００は、波形位が順次に変わる波形の光を放出するように、発光素子２００を制御することができる。そのために、前記発光アレイ１２２において隣接するように配置された発光素子２００から放出された光の波形相関度は、隣接しないように配置された発光素子２００から放出された光の波形相関度よりも大きくなる。しかし、それに限定されるものではない。制御部１６０は、隣接するように配置された発光素子２００から放出された光の波形相関度が、隣接しないように配置された発光素子２００から放出された光の波形相関度より小さいように駆動信号を発光アレイ１２２に印加することができる。ここで、該波形相関度は、波形間の類似性を示す値であり、波形相関度が大きいほど波形が類似しているということを意味する。
制御部１６０は、発光アレイ１２２に含まれた発光素子２００が同時に光を放出するように制御することができる。しかし、それに限定されるものではない。制御部１６０は、発光素子２００が一つずつ順次に光を放出するように制御することができる。または、一部発光素子２００は、同時に光を放出し、残り発光素子２００は、他の時間に光を順次に放出するように、制御部１６０は、発光アレイ１２２を制御することができる。または、対象体１０により、発光アレイ１２２に含まれた全ての発光素子２００が光を放出するように、あるいは一部発光素子２００だけが光を放出するように、発光アレイ１２２が制御されもする。
制御部１６０は、発光アレイ１２２の光を出力する時駆動信号を変調信号で変調することにより、放出される光を変調するとしたが、それに限定されるものではない。光送信端１２０は、別途の光変調器（図示せず）をさらに含み、制御部１６０は、光変調器を制御することにより、放出される光を変調することもできる。
光受信端１４０は、対象体１０から入射された光を検出する光検出器１４１、及び光検出器１４１で検出された結果を利用し、対象体１０に係わる情報を獲得するプロセッサ１４２を含んでもよい。
光検出器１４１は、対象体１０から入射された光を検出することができる。前述の光は、対象体１０を透過した光でもあり、対象体１０によって散乱または反射された光でもある。光検出器１４１は、二次元に配列されたピクセルを含んでもよい。各ピクセルは、入射された光を受光し、電気的信号に変換することができ、フォトダイオードのようなフォト検出器、及び各フォト検出器を活性化させるための１以上のトランジスタを含んでもよい。光検出器１４１は、イメージセンサでもある。例えば、光検出器１４１は、ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）及びＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）のうち少なくとも一つを含んでもよい。
プロセッサ１４２は、フーリエ変換（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を利用して検出された光の強度を、変調信号別に分類することができる。該変調信号は、発光アレイから放出される波長に対応するが、プロセッサ１４２は、変調信号別に分類された検出結果、すなわち、波長別に検出結果を利用し、対象体１０に係わる情報を獲得することができる。対象体１０に係わる情報は、物性情報でもある。ここで、対象体１０は、ヒト、動物でもある。しかし、それらに限定されるものではない。対象体１０は、対象体１０に含まれた一部でもあり、水質管理または土壌管理のための環境試料、食物などでもある。
図１０は、一実施形態による光検出器１４１が、波長別に検出された光の強度を示した図面である。発光アレイ１２２において、同一強度を有した波長別光が放出されるとしても、光検出器１４１においては、図１０に図示されているような波長別光の強度が検出される。対象体１０は、波長別に光を吸収する特性が異なるためである。そのために、波長別に検出された光の強度から、対象体１０に係わる情報を獲得することができる。
プロセッサ１４２がフーリエ変換（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を利用して検出された光の強度を変調信号別に分類することができるとしたが、それに限定されるものではない。光検出器１４１は、発光アレイの駆動信号と対応する駆動信号によっても駆動される。
光検出器１４１は、一次元または二次元に配列されたサブ検出器３００を含んでもよい。図１１は、一実施形態による、複数個のサブ検出器３００を含む光検出器１４１ａを図示した図面である。サブ検出器３００それぞれは、１以上のピクセルを含んでもよい。サブ検出器３００の個数は、発光素子２００の個数と同一でもある。しかし、それに限定されるものではない。サブ検出器３００の個数は、発光素子２００の個数よりも多くなる。
各サブ検出器３００は、特定波形を有する光を検出することができる。例えば、第１サブ検出器３００ａは、第１波形を有する第１光を検出し、第２サブ検出器３００ｂは、第２波形を有する第２光を検出し、第３サブ検出器３００ｃは、第３波形を有する第３光を検出することができる。前述のように、サブ検出器３００それぞれが検出する光の波形は、サブ検出器３００それぞれに印加される駆動信号によっても決定される。
制御部１６０は、光検出器１４１が光を検出するように、光検出器１４１を制御させることができる。制御部１６０は、サブ検出器３００単位で、光検出器１４１を駆動させることができるが、発光アレイ１２２を駆動させる駆動信号と対応する駆動信号で光検出器１４１を駆動させることができる。例えば、光駆動部が第１発光素子２００を、第１波形を有する第１駆動信号で駆動させれば、制御部１６０は、第１発光素子２００に対応する第１サブ検出器３００を、第１駆動信号に対応する第２駆動信号で駆動させることができる。第１駆動信号と第２駆動信号は、同一であるか、あるいは類似度が高く、カップリングが可能な信号でもある。第１サブ検出器３００の第２駆動信号は、第１駆動信号によって発生した光とカップリングされ、光を検出することができる。そのために、各サブ検出器３００は、駆動信号の波形別光を検出することができる。前述のように、カップリングによって特定波長の光を検出することにより、外光、または他の波長の光によるノイズ除去が容易である。特定波長の光を検出する帯域フィルタは、製造過程に固定される一方、光検出器１４１に印加される駆動信号は、制御部１６０によって調節が容易であり、サブ検出器３００別に駆動信号の波形変更も可能である。同一波長の光を、さらに多様なサブ検出器３００で検出することもできる。
前述のような光学装置は、波長及び変調が異なる複数個の光を空間的に分離して放出することができる。そして、該光学装置は、変調を基に、波長別に検出結果を分離するために、特定波長を検出するためのハードウェア的フィルタがなくともよい。
図１２は、一実施形態による、光学装置の動作方法について説明する参照図面である。
光送信端１２０は、波長及び変調が互いに異なる複数個の光を放出することができる（Ｓ１２１０）。光送信端１２０は、基板１２１及び基板１２１上に、モノリシックに配置され、それぞれが互いに異なる波長の光を放出する複数個の発光素子２００を含んでもよい。発光素子２００それぞれは、レーザまたはＬＥＤでもあるが、特定の例示に限定されるものではない。
発光アレイ１２２の発光素子２００それぞれは、波長帯域幅が狭い光を放出することができ、発光素子２００の中心波長間の間隔は、波長帯域幅よりも広くなる。そのために、発光アレイ１２２から放出された光は、不連続な光、例えば、櫛（ｃｏｍｂ）タイプの光でもある。例えば、発光素子２００それぞれは、約１５ｎｍ未満の帯域幅を有する光を放出することができ、中心波長間の間隔は、約０．５ｎｍ以上３０ｎｍ以下でもある。
一方、制御部１６０は、発光素子２００それぞれに駆動信号（例えば、電気的信号）を印加し、発光素子２００から光が放出させる。制御部１６０は、発光素子２００からの光放出時、互いに異なるように変調された光が放出されるように、発光素子２００を制御することができる。例えば、制御部１６０は、発光素子２００それぞれに印加される駆動信号の波形が異なるように変調することにより、発光素子２００それぞれから放出される光を変調させることができる。そのために、発光素子２００それぞれは、互いに異なる波形の光を放出することができる。例えば、駆動信号の波形は、正弦波、矩形波、三角波、パルス波、のこぎり波のうち少なくとも一つを含んでもよい。そして、制御部１６０は、駆動信号の周波数、振幅、位相などを変調し、放出される光を変調することができる。制御部１６０は、波形が同一であるとしても、周期が異なる駆動信号により、光を変調することもできる。
制御部１６０は、発光アレイ１２２に含まれた発光素子２００が同時に光を放出するように制御することができる。しかし、それに限定されるものではない。制御部１６０は、発光素子２００が一つずつ順次に光を放出するように制御することができる。または、一部発光素子２００は、同時に光を放出し、残り発光素子２００は、異なる時間に光を順次に放出するように、制御部１６０は、発光アレイ１２２を制御することができる。または対象体１０により、発光アレイ１２２に含まれた全ての発光素子２００が光を放出するように、または一部発光素子２００だけが光を放出するように、発光アレイ１２２が制御される。
制御部１６０は、発光アレイ１２２の光を出力するとき、駆動信号を変調信号に変調することにより、放出される光を変調するとしても、それに限定されるものではない。光送信端１２０は、別途の光変調器（図示せず）をさらに含み、制御部１６０は、光変調器を制御することにより、放出される光を変調することもできる。
光受信端１４０の光検出器１４１は、対象体１０から入射された光を検出することができる（Ｓ１２２０）。前述の光は、対象体１０を透過した光でもあり、対象体１０によって散乱または反射した光でもある。光検出器１４１は、二次元に配列されたピクセルを含んでもよい。各ピクセルは、入射された光を受光し、電気的信号に変換することができ、フォトダイオードのようなフォト検出器及び各フォト検出器を活性化させるための１以上のトランジスタを含んでもよい。光検出器１４１は、イメージセンサでもある。例えば、光検出器１４１は、ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）及びＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）のうち少なくとも一つを含んでもよい。
プロセッサ１４２は、変調を基に、波長別に検出された結果を分類することができる（Ｓ１２３０）。例えば、プロセッサ１４２は、フーリエ変換を利用して検出された光の強度を変調信号別に分類することができる。変調信号は、発光アレイから放出される波長に一対一に対応する。そのために、プロセッサ１４２は、変調信号を基に、検出結果を波長別に分類することができる。
または、光検出器１４１が変調を基に、波長別に光を検出することもできる。光検出器１４１は、一次元または二次元に配列されたサブ検出器３００を含んでもよい。各サブ検出器３００は、特定波形を有する光を検出することができる。制御部１６０は、サブ検出器３００単位で、光検出器１４１を駆動させることができるが、発光アレイ１２２を駆動させる駆動信号と対応する駆動信号で、光検出器１４１を駆動させることができる。例えば、光駆動部が第１発光素子２００を、第１波形を有する第１駆動信号で駆動させれば、制御部１６０は、第１発光素子２００に対応する第１サブ検出器３００を、第１駆動信号に対応する第２駆動信号で駆動させることができる。第１駆動信号と第２駆動信号は、等同一であるか、あるいは類似度が高く、カップリングが可能な信号でもある。第１サブ検出器３００の第２駆動信号は、第１駆動信号によって発生した光とカップリングされ、光を検出することができる。そのために、各サブ検出器３００は、駆動信号の波形別に光を検出することができる。
そして、プロセッサ１４２は、変調信号別に分類された検出結果、すなわち、波長別に検出結果を利用し、対象体１０に係わる情報を獲得することができる（Ｓ１２４０）。対象体１０に係わる情報は、物性情報でもある。ここで、対象体１０は、ヒト、動物でもある。対象体の物性特性によって光の吸収率が異なるが、波長別に検出された光の強度を利用し、対象体に係わる情報を獲得することができる。
前述の光学装置は、１つのハウジング内にも配置される。光学素子は、対象体１０を透過した光を検出する透過型でもあるが、対象体１０で反射された光を検出する反射型でもある。
多波長光を利用した光学装置は、携帯電話、スマートフォン、ノート型パソコン、タブレットＰＣ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、電子書籍端末機、デジタル放送用端末機、ＰＤＡ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｄｉｇｉｔａｌ ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ＰＭＰ（ｐｏｒｔａｂｌｅ ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｐｌａｙｅｒ）、ナビゲーション、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラ、ＩＰＴＶ（ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ）、ＤＴＶ（ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ）、ＣＥ機器（例えば、ディスプレイ装置を有する冷蔵庫、エアコンなど）などがあるが、それらに限定されるのではない。本明細書で記述される多波長光を利用した光学装置は、ユーザによって着用される装置（ｗｅａｒａｂｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）でもある。
開示された実施形態による光学装置は、帯域幅が狭く、中心波長が互いに異なる複数個の光を放出するために、光を波長別に分離するハードウェア的構成要素が必要ではない。そのために、光学装置の小型化が可能である。波形を基に、特定波長の光を検出することができ、多様な波形変調により、さらに正確に対象体に係わる情報を獲得することができる。
以上、本発明の理解に一助とするために、例示的な実施形態について説明され、添付図面に図示された。しかし、そのような実施形態は、ただ本発明の例示のためであり、それらに制限されるものではないという点が理解されなければならないのである。そして、本発明は、図示されて説明された説明に限られるものではないという点が理解されなければならないのである。それは、多様な他の変形が、本技術分野で当業者に可能であるためである。
１０ 対象体
１００ 光学装置
１２０ 光送信端
１２１ 基板
１２２ 発光アレイ
１４０ 光受信端
１４１ 光検出器
１４４ プロセッサ
１６０ 制御部
２００，２００ａ 発光素子
２１０ 活性層
２２０ 第１反射層
２３０ 第２反射層
２４０ 第１電極
２５０ 第２電極
２６０ 波長決定層

Claims (26)

  1. 基板と、
    前記基板上にモノリシックに配置され、それぞれが互いに異なる波長の光を放出する複数個の発光素子を含む発光アレイと、
    前記波長が互いに異なる光が、互いに異なるように変調されて同時に放出されるように、前記発光アレイを制御する制御部と、を含む多波長光を利用した光学装置。
  2. 前記制御部は、
    前記複数個の発光素子に印加される駆動信号の波形を異なるように変調することにより、波形が互いに異なる光が放出されるようにすることを特徴とする請求項１に記載の多波長光を利用した光学装置。
  3. 前記駆動信号の波形は、
    前記駆動信号の周波数、振幅、位相のうち少なくとも一つが変調されて決定されることを特徴とする請求項２に記載の多波長光を利用した光学装置。
  4. 前記駆動信号の波形は、
    正弦波、矩形波、三角波、パルス波のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２に記載の多波長光を利用した光学装置。
  5. 前記発光アレイのうち隣接するように配置された発光素子から放出された光の波形相関度は、隣接しないように配置された発光素子から放出された光の波形相関度より大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の多波長光を利用した光学装置。
  6. 前記発光アレイのうち隣接するように配置された発光素子から放出された光の波形相関度は、隣接しないように配置された発光素子から放出された光の波形相関度より小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の多波長光を利用した光学装置。
  7. 前記複数個の発光素子は、二次元に配列されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の多波長光を利用した光学装置。
  8. 前記発光アレイのうち第１方向に順次に配列された発光素子は、波長が順次に変わる光を放出することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の多波長光を利用した光学装置。
  9. 前記複数個の発光素子それぞれは、
    １５ｎｍ未満の波長帯域を有する光を放出することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の多波長光を利用した光学装置。
  10. 前記発光アレイのうち隣接するように配列された発光素子の中心波長間の間隔は、０．５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の多波長光を利用した光学装置。
  11. 前記複数個の発光素子のうち少なくとも一つは、
    レーザまたはＬＥＤであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載の多波長光を利用した光学装置。
  12. 前記複数個の発光素子のうち少なくとも一つは、
    前記基板上に配置され、光を発生させる活性層と、
    前記活性層で生じた光のうち特定波長の光を外部に放出させる波長決定層と、を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の多波長光を利用した光学装置。
  13. 前記特定波長は、
    前記波長決定層の厚み及び誘電率のうち少なくとも一つによって決定されることを特徴とする請求項１２に記載の多波長光を利用した光学装置。
  14. 前記活性層は、
    前記波長決定層内に配置されることを特徴とする請求項１２または１３に記載の多波長光を利用した光学装置。
  15. 前記波長決定層は、
    グレーティングパターン構造を含むことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一つに記載の多波長光を利用した光学装置。
  16. 前記波長決定層は、
    前記基板の長手方向に複数層の誘電体層が離隔配置されたことを特徴とする請求項１５に記載の多波長光を利用した光学装置。
  17. 前記複数層の誘電体層のピッチは、前記基板の長手方向に連続的に変わることを特徴とする請求項１６に記載の多波長光を利用した光学装置。
  18. 前記複数層の誘電体層は、
    第１ピッチに配列された誘電体層と、
    前記第１ピッチと異なる第２ピッチに配列された誘電体層と、を含むことを特徴とする請求項１６に記載の多波長光を利用した光学装置。
  19. 前記発光アレイは、
    前記基板上に配置され、光を放出する活性層と、
    前記活性層上に配置され、前記活性層から入射された光を互いに異なる波長に変換させる複数個の波長変換層と、を含むことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか一つに記載の多波長光を利用した光学装置。
  20. 前記活性層上に配置され、前記複数個の波長変換層を分離させる隔壁をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の多波長光を利用した光学装置。
  21. 前記発光アレイから放出された光のうち、対象体により、散乱、透過または反射した光を検出する光検出器と、
    前記光検出器の検出結果を利用し、前記対象体に係わる情報を獲得するプロセッサと、をさらに含むことを特徴とする請求項１〜２０のいずれか一つに記載の多波長光を利用した光学装置。
  22. 前記光検出器は、
    イメージセンサを含むことを特徴とする請求項２１に記載の多波長光を利用した光学装置。
  23. 前記プロセッサは、
    前記発光アレイから放出された光の波長別に、前記光検出器の検出結果を分類し、
    分類された波長別に検出結果を利用し、対象体に係わる情報を獲得することを特徴とする請求項２２に記載の多波長光を利用した光学装置。
  24. 複数個の発光素子を含む光学装置の動作方法において、
    前記複数個の発光素子から、波長及び変調が互いに異なる複数個の光を放出する段階と、
    前記複数個の光のうち、対象体により、反射または透過された光を検出する段階と、
    前記検出された結果を、前記変調を基に、波長別に分類する段階と、
    前記分類された検出結果を利用し、対象体に係わる情報を獲得する段階と、を含む方法。
  25. 前記複数個の光それぞれは、
    １５ｎｍ未満の波長帯域を有することを特徴とする請求項２４に記載の方法。
  26. 前記複数個の光の中心波長間の間隔は、０．５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２４または２５に記載の方法。
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