JP7180145B2 - 発光素子アレイ、及び光計測システム - Google Patents

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Description

本発明は、発光素子アレイ及び光計測システムに関する。
特許文献１には、マイクロ光学基板と、前記マイクロ光学基板上に取り付けられていて少なくとも１つのレーザービームをビーム軸に沿って発射するように構成されているレーザーダイ、を備えるビーム送信器と、前記マイクロ光学基板上に取り付けられていて前記モジュールによって当該受信器の捕集軸に沿って受信される光を感知するように構成されている検出器ダイ、を備える受信器と、を備え、ビーム送信器は、表面発光素子デバイスのアレイを備え、表面発光素子デバイスにより発射されるビームが、対応するマイクロレンズのアレイによって捕集され、ビームをコリメーションレンズへ向けて方向付ける光電子工学式モジュールが開示されている。
特開２０１６－２２４０５８号公報
ところで、物体までの距離や物体の形状等を複数の発光素子から構成される発光素子群から出射された光を用いて計測する場合などにおいて、出射された光が照射される照射面において予め定められた光量の均一性を満たす必要がある場合がある。この場合、発光素子ごとにレンズを設ける構成を採用し、発光素子群の中心側から端部側に向けて、発光素子の発光の中心軸と発光素子に対応するレンズの中心軸との距離を一定の度合いで大きくする方法が考えられる。しかしながら、距離を一定の度合いで大きくすると、発光素子群の端部側にいくほど照射面における単位面積当たりの光量（照度）が低下し、照射面において予め定められた光量の均一性が満たされない場合があった。
本発明は、発光素子群の中心側から端部側に向けて発光素子の発光中心軸と発光素子に対応するレンズの中心軸との距離が一定の度合いで大きくなっている構成と比較し、照射面における光量が均一な発光素子アレイなどを提供することを目的とする。
請求項１に記載の発明は、複数の発光素子を含む発光素子群と、前記発光素子の出射面側に当該発光素子ごとに対応して設けられ、当該発光素子との位置関係に基づき当該発光素子からの光を偏向する複数のレンズと、を備え、前記発光素子群における複数の前記発光素子は、第１の配列方向と第２の配列方向とに、予め定められた一定の間隔で二次元に配列され、前記発光素子ごとに対応して設けられる前記レンズの中心軸は、当該発光素子の発光中心軸から前記発光素子群における端部側にずれて設けられ、前記第１の配列方向において、前記発光素子群の中心側から端部側に向けて、前記発光素子の前記発光中心軸と当該発光素子に対応する前記レンズの前記中心軸との距離が大きくなり、かつ当該距離の変化度合いが小さくなるように、当該発光素子の当該発光中心軸と当該レンズの当該中心軸との距離を当該発光素子群の中心側から端部側に向けて１／４周期のｃｏｓ関数で変化させ、前記第２の配列方向において、前記発光素子群の中心側から端部側に向けて、前記発光素子の前記発光中心軸と当該発光素子に対応する前記レンズの前記中心軸との距離が大きくなるように、当該発光素子の当該発光中心軸と当該レンズの当該中心軸との距離を当該発光素子群の中心側から端部側に向けて線形で変化させた発光素子アレイである。
請求項２に記載の発明は、複数の発光素子を含む発光素子群と、前記発光素子の出射面側に当該発光素子ごとに対応して設けられ、当該発光素子との位置関係に基づき当該発光素子からの光を偏向する複数のレンズと、を備え、前記発光素子群における複数の前記発光素子は、第１の配列方向と第２の配列方向とに、予め定められた一定の間隔で二次元に配列され、前記発光素子ごとに対応して設けられる前記レンズの中心軸は、当該発光素子の発光中心軸から前記発光素子群における端部側にずれて設けられ、前記発光素子群の中心側から端部側に向けて、前記発光素子の発光中心軸と当該発光素子に対応する前記レンズの中心軸との距離が大きくなり、かつ当該距離の変化度合いが小さくなるように、前記第１の配列方向において、当該発光素子の当該発光中心軸と当該レンズの当該中心軸との距離を当該発光素子群の中心側から端部側に向けて１／４周期のｃｏｓ関数で変化させ、前記第２の配列方向において、当該発光素子の発光中心軸と当該レンズの中心軸との距離を当該発光素子群の中心側から端部側に向けて１／４周期のｃｏｓ関数と線形との平均値で変化させた発光素子アレイである。
請求項３に記載の発明は、複数の前記レンズは、複数の前記発光素子のそれぞれの出射面上に、当該出射面に接して設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子アレイである。
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発光素子アレイと、前記発光素子アレイから光が照射された対象物から、反射光を受光する受光素子と、前記受光素子が受光した光に関する情報を処理して、前記発光素子アレイ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システムである。
請求項１又は２に記載の発明によれば、発光素子群の中心側から端部側に向けて発光素子の発光中心軸と発光素子に対応するレンズの中心軸との距離が一定の度合いで大きくなっている構成と比較し、照射面における光量が均一になる。
請求項３に記載の発明によれば、別部材である場合に比べ、アイセーフの機構を設けることを要しない。
請求項４に記載の発明によれば、発光素子群の中心側から端部側に向けて発光素子の発光中心軸と当該発光素子に対応するレンズの中心軸との距離が一定の度合いで大きくなっている構成と比較し、光計測対象物における光量が均一になる。
光計測システムの一例を示した図である。 発光デバイスを説明する図である。 発光素子アレイの一部の拡大図である。（ａ）は、発光素子アレイの一部の上面図、（ｂ）は、発光素子アレイの一部の断面図である。 発光素子を垂直共振器面発光レーザであるとした場合の製造方法を説明する図である。（ａ）は、半導体層積層体形成工程、（ｂ）は、メサエッチング工程、（ｃ）は、酸化領域形成工程、（ｄ）は、ｐ側電極形成工程及び層間絶縁層形成工程、（ｅ）は、出射面保護層形成工程及びｎ側電極形成工程、（ｆ）は、配線層形成工程及びレンズ形成工程である。 発光素子アレイによって光が照射される照射面における光量を説明する図である。（ａ）は、発光素子アレイによって光が照射面に向けて照射される状態を説明する図、（ｂ）は、照射面における光量を説明する図である。 第１の実施の形態における、発光素子の出射する光をレンズにより偏向させる方法の一例を説明する図である。 発光素子アレイにおいて、レンズの中心軸と、発光素子の発光中心軸との距離の効果についての比較例を説明する図である。（ａ）は、レンズを備えない比較例１、（ｂ）は、レンズの中心軸と発光中心軸とのｘ方向の距離及びｙ方向の距離を中心Ｏ側から端部側に離れるにつれて線形（ｌｉｎｅａｒ）で変化させた比較例２である。 発光素子アレイにおいて、レンズの中心軸と発光素子の発光中心軸との距離の効果についての実施例を説明する図である。（ａ）は、レンズの中心軸と発光中心軸とのｘ方向の距離を中心側から端部側に離れるにつれてｃｏｓ関数で変化させ、ｙ方向の距離を中心側から端部側に離れるにつれて線形（ｌｉｎｅａｒ）で変化させた実施例１、（ｂ）は、レンズの中心軸と発光中心軸との距離のｘ方向の距離及びｙ方向の距離をともに、中心側から端部側に離れるにつれてｃｏｓ関数で変化させた実施例２、（ｃ）は、レンズの中心軸と発光中心軸とのｘ方向の距離を中心側から端部側に離れるにつれてｃｏｓ関数で変化させ、ｙ方向の距離を中心側から端部側に離れるにつれてｃｏｓ関数と線形との平均値で変化させた実施例３である。 第２の実施の形態における、発光素子の出射する光をレンズにより偏向させる方法の一例を説明する図である。（ａ）は、発光素子アレイにおける発光素子とレンズとの関係を説明する図、（ｂ）は、発光デバイスから照射面に向かう光を説明する図である。 第３の実施の形態における、発光素子１１０の出射する光をレンズにより偏向させる方法の一例を説明する図である。（ａ）は、発光素子アレイにおける発光素子とレンズとの関係を説明する図、（ｂ）は、発光デバイスから照射面に向かう光を説明する図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
なお、以下では、アルミニウムをＡｌとするなど、元素記号を用いて表記する場合がある。
［第１の実施の形態］
（光計測システム１）
図１は、光計測システム１の一例を示した図である。図１に示すように、紙面の右から左方向をｘ方向、紙面に垂直な方向をｙ方向、紙面の下から上方向をｚ方向とする。図１は、ｚｘ平面を示している。
光計測システム１は、発光デバイス１０と、受光デバイス２０と、処理部３０とを備える。そして、光計測システム１に対向して計測対象物２が配置されている。ここでは、計測対象物２は、人である。ここでは、人は、ｚｘ平面からｙ方向に直立している。
ここで、発光デバイス１０は、計測対象物２に向けて光を出射するデバイスである。発光デバイス１０は、実線で示すように発光デバイス１０を中心として、＋ｚ方向に向かう光を出射する。なお、光は、±ｘ方向及び±ｙ方向に広がりながら＋ｚ方向に向かう。つまり、発光デバイス１０は、計測対象物２の位置に設けられた仮想的な二次元平面である照射面３に向かって光を出射する。ここでは、照射面３のｚｘ平面での断面を一点鎖線で示す。
発光デバイス１０は、複数の発光素子（後述する発光素子１１０）を備える。複数の発光素子は、一例として垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）であるとして説明する。垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬは、予め定められた間隔で配置されて、発光素子アレイ（後述する発光素子アレイ１００）を構成する。以下では、発光素子アレイ１００を発光デバイス１０と同義に使用することがある。
受光デバイス２０は、光を受光し、光量に対応した電気信号を出力するデバイスである。図１では、受光デバイス２０は、破線で示すように、－ｚ方向から受光デバイス２０に向かう光を受光する。このとき、±ｘ方向及び±ｙ方向から斜めに受光デバイス２０に向かう光も受光する。
ここでは、受光デバイス２０は、一例として、受光した光を画像として撮像可能な受光素子がマトリクス状に配列された撮像デバイスであるとする。撮像デバイスでは、受光素子は、受光セルと呼ばれることがある。撮像デバイスは、予め定められた期間において各受光セルに入射した光量を電気信号として出力する。つまり、撮像デバイスによって、各受光セルに入射した光量を示す二次元画像が撮像される。なお、予め定められた期間に取得される二次元画像を、フレーム画像と表記する。このような撮像デバイスとしては、例えば、ＣＭＯＳやＣＣＤで構成された撮像デバイスがある。
発光デバイス１０からの出射光は、計測対象物２によって反射されて、受光デバイス２０で受光される。図１では、受光デバイス２０は、発光デバイス１０が配置された側に設けられている。ここでは、発光デバイス１０の光を出射する出射面と、受光デバイス２０の光を受光する受光面とは、ともに計測対象物２に対向するように配置されている。なお、受光デバイス２０の位置は、発光デバイス１０の出射光に対する反射光が受光しやすい位置に配置されればよい。受光デバイス２０は、発光デバイス１０からの出射光が受光しやすいように、発光デバイス１０に隣接して設けられてもよい。発光デバイス１０及び受光デバイス２０の位置や間隔は、予め定められているのがよい。
なお、受光デバイス２０は、撮像デバイスの代わりに、フォトダイオード（ＰＤ）であってもよい。
処理部３０は、一例として、データを入出力する入出力部を備えたコンピュータとして構成された処理手段である。つまり、処理部３０は、入出力部に加えて、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備える。そして、処理部３０は、発光デバイス１０及び受光デバイス２０と接続され、インストールされたアプリケーションソフトウエアにより、発光デバイス１０及び受光デバイス２０を制御する。また、処理部３０は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）で構成されてもよい。このように、処理部３０は、例えば、１つ又は複数の半導体部品（ＩＣ）により構成されている。
光計測システム１の動作の概要を説明する。
光計測システム１では、発光デバイス１０からの出射光が、計測対象物２に照射される。そして、受光デバイス２０により計測対象物２から反射光が受光される。処理部３０は、受光デバイス２０で受光された反射光に関する情報を受け付けて処理することで、計測対象物２までの距離や、計測対象物２の三次元形状などの計測対象物２に関する情報を算出する。
例えば、処理部３０は、発光デバイス１０を制御し、発光デバイス１０の発光素子アレイ１００から短い期間において光を出射させる。つまり、発光素子アレイ１００を構成する複数の発光素子１１０である垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬは、並行してパルス状に光を出射する。処理部３０は、発光デバイス１０が光を出射した時刻と、受光デバイス２０が計測対象物２からの反射光を受光する時刻とから時間差を計測し、計測対象物２までの光路長を算出する。発光デバイス１０及び受光デバイス２０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３０は、発光デバイス１０、受光デバイス２０からの距離又は基準点から、計測対象物２までの距離を算出する。なお、基準点とは、発光デバイス１０及び受光デバイス２０から予め定められた位置に設けられた点である。
この方法は、光の到達時間を基にした測量法であって、タイムオブフライト（ＴＯＦ：Time of Flight）法と呼ばれる。
この方法を、計測対象物２上の複数の点に対して行えば、計測対象物２の三次元形状が計測される。前述したように、発光デバイス１０からの出射光は、二次元空間に広がって計測対象物２に照射される。そして、計測対象物２における発光デバイス１０との距離の短い部分からの反射光が、いち早く受光デバイス２０に入射する。上記した２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。連続する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、発光デバイス１０、受光デバイス２０からの距離又は基準とする点からの距離が算出される。つまり、計測対象物２の３次元形状が算出される。
なお、発光デバイス１０における発光素子アレイ１００は、例えば、２ｍｍ角～３ｍｍ角である。そして、照射面３は、例えば、発光デバイス１０から１ｍ位の離れた位置における１ｍ角の面として仮想される。よって、照射面３からすると、発光素子アレイ１００は、点光源としてみなしてもよい。つまり、発光素子アレイ１００を点光源として扱うことにより、計測対象物２の各点からの反射光により、計測対象物２の三次元形状の算出が容易になっている。
このような、光計測システム１は、計測対象物２を物品とすれば、物品までの距離の算出に適用されうる。また、光計測システム１によって得られた物品の三次元形状から、物品を識別するのに適用されうる。そして、計測対象物２を人の顔とすれば、人の顔の三次元形状から、人の識別、つまり顔認証などに適用されうる。さらに、車に積載することにより、前方、後方、側方などにおける障害物の検出に適用されうる。このように、光計測システム１は、距離や三次元形状などの算出に広く用いられうるとともに、距離や三次元形状を用いた情報処理に広く適用されうる。
（発光デバイス１０）
次に発光デバイス１０を説明する。
図２は、発光デバイス１０を説明する図である。図２では、発光デバイス１０の上面図を示している。そして、図２に示すｘ方向、ｙ方向及びｚ方向は、図１と同じである。
発光デバイス１０は、発光素子アレイ１００と駆動回路２００と回路基板３００とを備える。発光素子アレイ１００及び駆動回路２００は、回路基板３００上に設けられている。なお、図示していないが図１で示した受光デバイス２０、処理部３０も回路基板３００上に設けられていてもよい。
（発光素子アレイ１００）
発光素子アレイ１００は、複数の発光素子１１０と発光素子１１０ごとに設けられた複数のレンズ１２０とを備える。図２では、一例として、ｘ方向に９個、ｙ方向に９個の８１個の発光素子１１０が、ｘ方向及びｙ方向に等間隔で配列されて、中心Ｏとする発光素子群１５０を構成している。そして、発光素子アレイ１００は、それぞれの発光素子１１０が光を出射する面（出射面）側に、レンズ１２０を備える。一例として、レンズ１２０は、同じ形状の凸レンズであるとする。この場合、後述するように、レンズ１２０は、発光素子１１０の発光素子アレイ１００における位置に基づいて設定された位置に設けられている。そして、レンズ１２０は、発光素子１１０の光を出射する出射面（後述する図３における出射面１１１）を覆うように設けられ、発光素子１１０が出射面１１１から出射する光を偏向させる。なお、図２では、発光素子１１０を示す●は、出射面１１１である。
発光素子１１０は、例えばＧａＡｓなどの基板上にＧａＡｓ系などのＩＩＩ－Ｖ属の化合物半導体で作成された垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬである。発光素子１１０は、一例として、８２０ｎｍ～９００ｎｍ帯の赤外光を、基板に対して垂直方向に出射する。そして、発光素子１１０は、複数の発光素子１１０を一つの基板上にモノリシックに集積して配列することが可能である。以下では、発光素子１１０が出射する光を、レーザ光又は光ビームと表記することがある。
なお、複数の発光素子１１０が一つの基板上にモノリシックに集積されているとしたが、個別の発光素子１１０が複数、発光素子１１０に用いられた基板とは異なる別の基板上に配列されていてもよい。
また、発光素子１１０は、垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬの代わりに、面発光ダイオードＬＥＤ（Light Emitting Diode）であってもよい。この場合も、一つの基板上に複数の面発光ダイオードＬＥＤをモノリシックに集積してもよく、個別の面発光ダイオードＬＥＤが複数、面発光ダイオードＬＥＤの基板と異なる別の基板上に配列されていてもよい。なお、発光素子１１０は、端面発光レーザ素子など、端面発光型の発光素子であってもよい。
発光素子アレイ１００の表面は、図２に示すように複数の発光素子１１０が配列されて発光素子群１５０を構成する発光素子領域１００Ａと、ボンディングワイヤ３２３が接続されるボンディングパット領域１００Ｂとに分けられる。そして、発光素子アレイ１００の表面には、後述するように複数の発光素子１１０のｐ側電極４１６を接続する配線層４１９が設けられている。なお、配線層４１９は、発光素子アレイ１００の周辺部及び発光素子１１０の光を出射する出射面（後述する図３に示す出射面１１１）を除いて、発光素子アレイ１００の表面上に設けられている。よって、ボンディングパット領域１００Ｂにも、配線層４１９が設けられている。
なお、発光素子アレイ１００における複数の発光素子１１０の数は、９×９に限らず、他の数値であってよい。例えば、合計で３００、４００などであってもよい。そして、発光素子１１０の配置のピッチは、任意に設定すればよい。発光素子１１０の配置のピッチは、例えば、４０μｍ～２００μｍなどであってよい。ここでは、発光素子１１０を、互いに直交するｘ方向とｙ方向とに配列するとしたが、必ずしも直交する二つの方向に配列しなくてもよい。二つの方向を第１の配列方向と第２の配列方向とし、第１の配列方向と第２の配列方向とが９０°以外の角度で交差してもよい。
（回路基板３００）
回路基板３００は、板状の絶縁性部材で構成された基体３１０と、基体３１０の一方の面に設けられた配線３２０とを備える。基体３１０は、例えばガラスエポキシなどで構成されている。そして、配線３２０は、基体３１０の一方の面に設けられている。配線３２０は、基準電圧、例えばＧＮＤを供給する基準配線３２１と、発光素子アレイ１００に発光のための電力を供給する電力配線３２２とを備える。そして、回路基板３００は、電力配線３２２と発光素子アレイ１００とを接続するボンディングワイヤ３２３を備える。基準配線３２１、電力配線３２２は、例えば基体３１０上に設けられた銅（Ｃｕ）箔などで構成され、ボンディングワイヤ３２３は、アルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）などの線で構成されている。
発光素子アレイ１００は、回路基板３００の基準配線３２１上に配置されている。発光素子アレイ１００の裏面は、後述するようにｎ側電極４２０（後述する図３（ｂ）参照）が設けられている。つまり、発光素子アレイ１００の裏面に設けられたｎ側電極４２０は、基準配線３２１が供給する基準電圧に設定される。
そして、ボンディングパット領域１００Ｂの配線層４１９と電力配線３２２とが、ボンディングワイヤ３２３で接続されている。ここでは、複数のボンディングワイヤ３２３を用いて、発光素子１１０の一例である垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬを複数並行して発光させる電流量を確保するようにしている。
駆動回路２００は、発光素子アレイ１００に発光のための電力を供給するドライバである。そして、駆動回路２００は、処理部３０（図１参照）に接続され、処理部３０により制御される。
（発光素子アレイ１００の構造）
図３は、発光素子アレイ１００の一部の拡大図である。図３（ａ）は、発光素子アレイ１００の一部の上面図、図３（ｂ）は、発光素子アレイ１００の一部の断面図である。これらは、図２に示した発光素子アレイ１００の右下部分に対応する。
前述したように、発光素子アレイ１００は、複数の発光素子１１０と発光素子１１０ごとに設けられたレンズ１２０とを備える。なお、レンズ１２０は、少なくとも１つの発光素子１１０ごとに設けられていればよく、例えば、複数の発光素子１１０ごとに１つのレンズ１２０が設けられた構成であってもよい。すなわち、「発光素子ごと」とは、「複数の発光素子ごと」を含むものである。ここでは、複数のレンズ１２０は、同じ形状であるとしたが、互いに異なる形状であってもよい。
図３（ａ）の上面図により、発光素子アレイ１００を説明する。
発光素子アレイ１００のそれぞれの発光素子１１０は、上面から見た場合、外形が円形に構成されている。そして、円形の中央部が出射面１１１である。発光素子アレイ１００の上面は、出射面１１１を除いて配線層４１９で覆われている。なお、発光素子１１０の外形は、円形でなくともよく、四角形や多角形であってもよい。
次に、図３（ｂ）の断面図により、発光素子アレイ１００の断面構造を説明する。
ここでは、発光素子アレイ１００の発光素子１１０は、垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬであるとして説明する。例えばＧａＡｓによるｎ型の基板４１０の一方の面（これを、表面と表記する。）上に、ｎ型の下部分布ブラッグ反射層４１１と、活性層４１２と、酸化狭窄層４１３と、ｐ型の上部分布ブラッグ反射層４１４と、ｐ型のコンタクト層４１５と、ｐ側電極４１６と、層間絶縁層４１７と、出射面保護層４１８と、配線層４１９とを備える。なお、分布ブラッグ反射層は、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）層と呼ばれることから、以下では、ｎ型の下部分布ブラッグ反射層４１１を下部ＤＢＲ層４１１と、ｐ型の上部分布ブラッグ反射層４１４を上部ＤＢＲ層４１４と表記する。
そして、発光素子アレイ１００における複数の発光素子１１０は、いわゆるメサエッチングによって分離されている。つまり、垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬである発光素子１１０は、ｎ型の基板４１０の表面に、ｎ型の下部ＤＢＲ層４１１、活性層４１２、酸化狭窄層４１３、ｐ型の上部ＤＢＲ層４１４、コンタクト層４１５が順に積層された構成を有している。そして、出射面１１１及びｐ側電極４１６を除く表面（メサエッチングの側面を含む）に層間絶縁層４１７が設けられている。上面から見た場合、出射面１１１を囲むようにｐ側電極４１６が設けられ、中央部に出射面保護層４１８が設けられている。さらに、層間絶縁層４１７上に、出射面１１１を除いて、配線層４１９が設けられている。なお、配線層４１９は、複数の発光素子１１０のｐ側電極４１６と接続されている。
また、ｎ型の基板４１０の他方の面（裏面）上に、ｎ型の基板４１０とオーミックコンタクトするｎ側電極４２０を備える。なお、この構成は、ｎ型の基板を用いた場合であって、ｐ型の基板を用いる場合には、ｐとｎとの極性が逆になり、電圧、電流の向きも逆になる。
そして、発光素子１１０の出射面１１１上には、レンズ１２０が設けられている。ここでは、レンズ１２０は、凸レンズとして示しているが、レンズ１２０は、光を偏向するものであればよい。つまり、レンズ１２０は、発光素子１１０が出射する光の方向を偏向するものをいう。よって、レンズ１２０は、後述するように、凸レンズの他、凹レンズやプリズムなどであってもよい。そして、図３（ｂ）に示すように、発光素子１１０の出射面１１１の発光中心軸１１２と、レンズ１２０の中心軸１２１との距離は、発光素子アレイ１００の発光素子群１５０における発光素子１１０の位置によって異なるように設定されている。なお、レンズ１２０の中心軸とは、レンズ１２０の光軸である。また、発光素子１１０の発光中心軸１１２とは、出射面１１１の中心から出射面１１１に垂直に立てた軸である。出射面１１１が円形である場合には、その中心、他の形状である場合には、出射面１１１を板状部材であるとした場合の重心である。
以下では、図３（ｂ）に示した各層の構成について説明する。
下部ＤＢＲ層４１１は、屈折率が互いに異なる２つの半導体層が交互に積層されて構成されている。つまり、屈折率が互いに異なる２つの半導体層は、垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬである発光素子１１０の発振波長をλ、媒質である半導体層の屈折率をｎとした場合、それぞれの膜厚が０．２５λ／ｎとなるように設定されている。このようにすることで、下部ＤＢＲ層４１１は、波長λの光を、選択的に反射する反射層、つまり誘電体ミラーとして機能する。
活性層４１２は、下部ＤＢＲ層４１１側から、下部スペーサ層４１２ａ、量子井戸活性層４１２ｂ、上部スペーサ層４１２ｃを備える（後述する図４（ａ）参照）。量子井戸活性層４１２ｂは、例えば、４層のＧａＡｓで構成される障壁層と、それぞれが障壁層の間に設けられた３層のＩｎＧａＡｓで構成された量子井戸層とで構成される。下部スペーサ層４１２ａは、量子井戸活性層４１２ｂと下部ＤＢＲ層４１１との間にあり、上部スペーサ層４１２ｃは、量子井戸活性層４１２ｂと酸化狭窄層４１３との間にある。なお、酸化狭窄層４１３は、上部ＤＢＲ層４１４の一部ととらえてよい。よって、下部スペーサ層４１２ａ及び上部スペーサ層４１２ｃは、下部ＤＢＲ層４１１と上部ＤＢＲ層４１４との間にあって、共振器の長さを調整するとともに、キャリアを閉じ込めるクラッドとして機能する。
活性層４１２上に設けられた酸化狭窄層４１３は、非酸化領域４１３ａと酸化領域４１３ｂとを備える（後述する図４（ｃ）参照）。なお、後述するように、酸化領域４１３ｂは、メサの側面から形成されるので、上面から見た場合、発光素子１１０の周辺部から形成される。そして、中央部が非酸化領域４１３ａとなる。後述するように、酸化領域４１３ｂは、電流が流れにくい領域であり、非酸化領域４１３ａは、電流が流れやすい領域である。つまり、酸化狭窄層４１３は、発光素子１１０における電流の流れる経路を狭窄する。これにより、発光素子１１０の発振が安定になる。
上部ＤＢＲ層４１４は、下部ＤＢＲ層４１１と同様に、屈折率が互いに異なる２つの半導体層が交互に積層されて構成されている。つまり、屈折率が互いに異なる２つの半導体層は、それぞれの膜厚が０．２５λ／ｎとなるように設定されている。このようにすることで、上部ＤＢＲ層４１４は、波長λの光を、選択的に反射する反射層、つまり誘電体ミラーとして機能する。そして、下部ＤＢＲ層４１１との間で共振器を構成し、波長λの光を閉じ込める。
コンタクト層４１５は、ｐ側電極４１６とオーミックコンタクトしやすくするための層である。
ｐ側電極４１６は、上面から見た場合に、メサの中心部を囲むように設けられる。ｐ側電極４１６は、ｐ型であるコンタクト層４１５とオーミックコンタクトがとりやすい金属材料で構成されている。
そして、層間絶縁層４１７は、出射面１１１及びｐ側電極４１６の形成された部分を除いて、発光素子１１０の表面（メサの側面を含む）を覆うように設けられている。層間絶縁層４１７は、例えば、シリコン窒化膜で構成されている。なお、層間絶縁層４１７は、シリコン窒化膜の他、シリコン酸化（ＳｉＯ２）膜、シリコン酸窒化（ＳｉＯＮ）膜などであってもよい。
出射面保護層４１８は、上面から見た場合に、ｐ側電極４１６で囲まれたメサの中心部の領域である出射面１１１に、活性層４１２が出射する波長λの光に対して透過率が高い材料で構成されている。出射面保護層４１８は、例えば、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜で構成されている。なお、層間絶縁層４１７と出射面保護層４１８とを同時に形成してもよい。この場合、層間絶縁層４１７と出射面保護層４１８とは、同じ材料で構成される。
そして、層間絶縁層４１７上に設けられた配線層４１９は、発光素子１１０の出射面１１１を除いて、発光素子１１０の表面を覆うように設けられている。そして、配線層４１９は、各発光素子１１０のｐ側電極４１６を並列に接続するように、発光素子アレイ１００の表面を覆うように設けられている。
そして、レンズ１２０は、配線層４１９の表面に、発光素子１１０ごとに対応して、出射面１１１上に設けられている。ここでは、レンズ１２０は、前述したように、凸レンズであるとする。そして、すべての発光素子１１０に対応するレンズ１２０の形状は、同一であるとする。そして、レンズ１２０の発光素子１１０側の面は、出射面保護層４１８に接している。つまり、レンズ１２０は、出射面保護層４１８上に設けられている。なお、レンズ１２０の周辺部が出射面１１１を超えてｐ側電極４１６上に延びていてもよい。
レンズ１２０は、基板４１０上に設けられた発光素子１１０の出射面１１１上に形成されている。よって、レンズ１２０のアレイを発光素子１１０のアレイと別に設けて、レンズ１２０のアレイと発光素子１１０のアレイとを重ねて用いる場合に比べて、発光デバイス１０が小型化になる。レンズ１２０のアレイと発光素子１１０のアレイとを重ねて用いる場合には、レンズ１２０のアレイが発光素子１１０のアレイから外れた際に、発光素子１１０からの光が広がらずに人の目に直接入射することを抑制するアイセーフの機構を設けることが必要となる。しかし、第１の実施の形態における発光素子アレイ１００では、レンズ１２０は、基板４１０上に設けられた発光素子１１０の出射面１１１上に形成されているため、アイセーフの機構を設けることを要せず、安全性が高い。
（発光素子アレイ１００の製造方法）
次に、発光素子アレイ１００の製造方法を説明する。なお、ここでは、発光素子アレイ１００は、複数の発光素子１１０が基板４１０上に集積された構成であるので、１つの発光素子１１０の製造方法を説明すれば足りる。よって、以下では、発光素子アレイ１００の製造方法を、１つの発光素子１１０で説明する。
図４は、発光素子１１０を垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬであるとした場合の製造方法を説明する図である。図４（ａ）は、半導体層積層体形成工程、図４（ｂ）は、メサエッチング工程、図４（ｃ）は、酸化領域形成工程、図４（ｄ）は、ｐ側電極形成工程及び層間絶縁層形成工程、図４（ｅ）は、出射面保護層形成工程及びｎ側電極形成工程、図４（ｆ）は、配線層形成工程及びレンズ形成工程である。
図４（ａ）に示す半導体層積層体形成工程では、ｎ型のＧａＡｓである基板４１０上に、ｎ型の下部ＤＢＲ層４１１、活性層４１２、酸化狭窄層４１３、ｐ型の上部ＤＢＲ層４１４、ｐ型のコンタクト層４１５を連続して積層して、半導体層積層体を形成する。
ｎ型の下部ＤＢＲ層４１１は、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ－３のＡｌＡｓとＧａＡｓとをそれぞれの膜厚が０．２５λ／ｎとなるように交互に３０周期積層して形成されている。なお、図４（ａ）では、図３と異なり、多層構造で示さない。
活性層４１２は、不純物をドープしていないアンドープのＡｌ０．２２Ｇａ０．７８Ａｓの下部スペーサ層４１２ａ、アンドープの量子井戸活性層４１２ｂ、アンドープのＡｌ０．２２Ｇａ０．７８Ａｓの上部スペーサ層４１２ｃを積層して形成されている。なお、量子井戸活性層４１２ｂは、膜厚８０ｎｍのＩｎＧａＡｓの量子井戸層が３層と、膜厚１５０ｎｍのＧａＡｓの障壁層が４層とで構成されている。そして、活性層４１２は、膜厚がλ／ｎに設定されている。
そして、酸化狭窄層４１３は、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ－３のＡｌＡｓである。そして、酸化狭窄層４１３は、膜厚が０．２５λ／ｎに設定されている。
上部ＤＢＲ層４１４は、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ－３のＡｌ０．９Ｇａ０．１ＡｓとＧａＡｓとをそれぞれの膜厚が０．２５λ／ｎとなるように、交互に２２周期積層して形成されている。なお、総膜厚は、約２μｍとなるように設定されている。
なお、酸化狭窄層４１３は、上部ＤＢＲ層４１４の一部としてもよい。
ｐ型のコンタクト層４１５は、キャリア濃度が１×１０１９ｃｍ－３のＧａＡｓである。ｐ型のコンタクト層４１５は、膜厚がλ／ｎに設定されている。
なお、ＭＯＣＶＤ法における原料ガスとして、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アルシンを用いた。また、不純物（ドーパント）材料として、ｐ型用にシクロペンタジニウムマグネシウム、ｎ型用にシランを用いた。基板温度を７５０℃とし、真空を破ることなく、原料ガスを順次切り替えながら、連続して各層を積層して積層半導体層を形成した。
図４（ｂ）に示すメサエッチング工程では、上記の半導体層積層体を下部ＤＢＲ層４１１の途中までエッチングしてメサ１１３を形成する。ここでは、ＡｌＡｓである酸化狭窄層４１３を露出させた。つまり、フォトリソグラフィにより発光素子１１０となる部分にフォトレジストによるエッチングマスク（レジストマスク）Ｒを形成し、四塩化炭素（ＣＣｌ４）をエッチングガスとする反応性イオンエッチングによりメサ１１３を形成した。
図４（ｃ）の酸化領域形成工程では、ＡｌＡｓである酸化狭窄層４１３を酸化して、酸化領域４１３ｂを形成する。つまり、レジストマスクＲを除去したのち、約４００℃の炉中において、水蒸気酸化を行いＡｌＡｓである酸化狭窄層４１３を、メサ１１３の側面から酸化した。酸化されたメサ１１３の周辺部が酸化領域４１３ｂとなり、酸化されなかったメサ１１３の中心部が非酸化領域４１３ａとなる。つまり、酸化領域４１３ｂでは、ＡｌＡｓが酸化されて、絶縁性のＡｌ２Ｏ３を含むようになるため、電流が流れにくくなる。一方、非酸化領域４１３ａは、電流が流れやすい領域、つまり電流注入領域として残る。
図４（ｄ）のｐ側電極形成工程及び層間絶縁層形成工程における、ｐ側電極形成工程では、メサ１１３の表面の中央部を囲むようにｐ側電極４１６を形成する。つまり、ｐ側電極４１６を形成する部分を除いて、レジストマスクを形成し、ｐ側電極４１６となる金属材料を真空蒸着などにより堆積する。そして、レジストマスクとともに、レジストマスク上の金属材料を除去する、いわゆるリフトオフ法により、ｐ側電極４１６を形成する。これにより、ｐ側電極４１６を形成する部分にｐ側電極４１６となる金属材料が残る。なお、ｐ側電極４１６には、ｐ型のＧａＡｓとオーミックコンタクトが形成されやすいＴｉ／Ａｕを用いた。
図４（ｄ）のｐ側電極形成工程及び層間絶縁層形成工程における、層間絶縁層形成工程では、ｐ側電極４１６及びｐ側電極４１６で囲まれた、出射面１１１となる領域を除いて、層間絶縁層４１７を堆積する。つまり、ｐ側電極４１６の形成と同様に、ｐ側電極４１６及びｐ側電極４１６で囲まれた出射面１１１となる領域に、レジストマスクを形成し、層間絶縁層４１７となる窒化シリコン（ＳｉＮ）を真空蒸着などにより堆積する。そして、レジストマスクとともに、レジストマスク上の窒化シリコンを除去する。これにより、発光素子アレイ１００のメサ１１３の側面を含む表面に層間絶縁層４１７が形成される。
図４（ｅ）の出射面保護層形成工程及び配線層形成工程における、出射面保護層形成工程では、ｐ側電極４１６で囲まれた領域に、出射面保護層４１８を形成する。つまり、ｐ側電極４１６で囲まれた出射面１１１となる領域を除いて、レジストマスクを形成し、出射面保護層４１８となる窒化シリコン（ＳｉＮ）を真空蒸着などにより堆積する。そして、レジストマスクとともに、レジストマスク上の窒化シリコンを除去する（リフトオフ）。これにより、ｐ側電極４１６で囲まれた領域に出射面保護層４１８が形成される。
図４（ｅ）の出射面保護層形成工程及びｎ側電極形成工程における、ｎ側電極形成工程では、基板４１０の裏面に、ｎ側電極４２０を形成する。つまり、基板４１０の裏面側に、ｎ側電極４２０となる金属材料を真空蒸着などにより堆積する。なお、ｎ側電極４２０には、ｎ型のＧａＡｓとオーミックコンタクトが形成されやすいＡｕ／Ｇｅを用いた。
図４（ｆ）の配線層形成工程及びレンズ形成工程における、配線層形成工程では、出射面１１１を除く、表面にｐ側電極４１６を接続するように配線層４１９を形成する。配線層４１９は、前述したように、出射面１１１を除くように、発光素子アレイ１００の表面を覆うように形成される。
図４（ｆ）の配線層形成工程及びレンズ形成工程における、レンズ形成工程では、出射面１１１上にフォトレジストによりレンズ１２０を形成する。つまり、出射面１１１上のレンズ１２０を形成したい部分に、フォトレジストによるレジストパタンＰ（破線で示す形状）を形成する。そして、フォトレジストの流動温度以上に加熱することにより、レジストパタンＰを粘性流動させる。すると、レジストパタンＰは、表面張力により、表面が凸形状（実線で示す形状）になりレンズ１２０が形成される。なお、レンズ１２０は、発光素子１１０からの光を透過する材料であれば、粘性流動を生じるフォトレジスト以外の材料を用いて構成してもよい。
また、レンズ１２０は、粘性流動を用いて形成する他、レンズ１２０の形状の型であるスタンプを用いて形成してもよい。例えば、レンズ１２０を構成する材料を入れた型を、発光素子１１０が形成された基板４１０に押し当てて、レンズ１２０を基板４１０上に転写したりすればよい。
次に発光素子アレイ１００におけるレンズ１２０の作用について説明する。
図５は、発光素子アレイ１００によって光が照射される照射面３における光量を説明する図である。図５（ａ）は、発光素子アレイ１００によって光が照射面３に向けて照射される状態を説明する図、図５（ｂ）は、照射面３における光量を説明する図である。ここでは、レンズ１２０がない場合を「レンズ無」、レンズ１２０がある場合を「レンズ有」としている。
前述したように、発光デバイス１０における発光素子アレイ１００は、例えば２ｍｍ角～３ｍｍ角の大きさであって、照射面３は、例えば発光デバイス１０から１ｍの距離の約１ｍ角の仮想的な領域である。よって、図５（ａ）に示すように、発光素子アレイ１００は、照射面３に比べて小さい。
また、発光素子アレイ１００における発光素子１１０は、垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬであって、レーザ光を出射する。つまり、垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬは、基板４１０に垂直方向に指向性を有する光を出射する。
このため、レンズ１２０を備えない発光素子アレイ１００では、発光素子アレイ１００に対向する照射面３の中央部３１には、垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬの指向性により強い光が照射されるが、照射面３の中央部３１から離れた端部３２には、発光素子１１０から斜め方向に向かう弱い光が照射されるに過ぎない。
つまり、光量は、図５（ｂ）に「レンズ無」と表記したように、中央部３１で大きく、端部３２に行くに従い、急激に低下する分布となる。
そこで、第１の実施の形態では、発光素子アレイ１００において、発光素子１１０ごとにレンズ１２０を設けている。つまり、レンズ１２０により、発光素子１１０である垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬが出射する光の光路を偏向して、中央部３１と端部３２との照射面における光量の変化を、レンズ１２０を有しない「レンズ無」の場合に比べて、小さくしている。つまり、図５（ｂ）に「レンズ有」として示すように、発光素子１１０である垂直共振器面発光レーザＶＣＳＥＬの出射面１１１上にレンズ１２０を設けることで、発光素子群１５０から中央部３１に照射する光量を減少させ、端部３２に照射する光量を増加させている。
なお、照射面３における光量は、中央部３１及び端部３２における変動ΔＩが小さく、端部３２の外側の領域との境界ΔＲにおいて、光量の変化が急峻であることが望ましい。
図６は、第１の実施の形態における、発光素子１１０の出射する光をレンズ１２０により偏向させる方法の一例を説明する図である。発光素子１１０の発光中心軸１１２の基板４１０の表面における位置を●で示し、レンズ１２０の中心軸１２１の基板４１０の表面における位置を〇で示す。ここでは、図２で示した発光素子群１５０における中心Ｏにおいて、ｘ方向に配列された９個の発光素子１１０（＃１～＃９）及びレンズ１２０で説明する。発光素子１１０は、中心Ｏに＃５が、中心Ｏの左側に＃１～＃４が、右側に＃６～＃９が配列されている。
ここでは、発光素子１１０、つまり●で示す発光中心軸１１２は、ｘ方向に配列ピッチＸｐで配置されているとする。これに対して、レンズ１２０の中心軸１２１である〇は、基板４１０の周辺部に行くに従い、発光素子群１５０の中心Ｏ側から発光素子群１５０の端部側にずれるように設けられている。このようにすることで、発光中心軸１１２から出射した光が、紙面の左右方向、つまり外側に広がるように偏向する。つまり、発光素子１１０にレンズ１２０を設けることにより、発光素子アレイ１００から出射した光が、図５に示した照射面３の中央部３１から端部３２に広げられる。ここで、発光中心軸１１２とレンズ１２０の中心軸１２１とのｘ方向の距離をΔＸとする。つまり、中心Ｏの＃５の発光素子１１０では、ΔＸが「０」、＃５の発光素子１１０に近い中央部では、ΔＸが小さく、＃５の発光素子１１０から離れるにつれて、ΔＸが大きくなっている。ここでは、中心Ｏから左側の発光素子１１０の＃１～＃４では、レンズ１２０の中心軸１２１が発光中心軸１１２からｘの負側にずれている。よって、＃１～＃４では、ΔＸを便宜的に負とする。一方、中心Ｏから右側の発光素子１１０である＃６～＃９では、レンズ１２０の中心軸１２１が発光中心軸１１２からｘの正側にずれている。よって、発光素子１１０の＃６～＃９では、ΔＸを便宜的に正とする。そして、隣接する発光素子１１０間における距離ΔＸの差を変化量とし、その変化量の傾きを変化度合いとする。例えば、距離ΔＸの変化量とは、ΔＸ（ｎ）－ΔＸ（ｎ＋１）（ｎは、＃１～＃８）であり、変化度合いとは、隣接するｎに間における変化量の傾きであって、例えば、ΔＸ（＃１）－ΔＸ（＃２）とΔＸ（＃２）－ΔＸ（＃３）との差である。
ここでは記載しないが、発光素子１１０、つまり発光中心軸１１２は、ｙ方向に配列ピッチＹｐで配列されているとし、発光中心軸１１２とレンズ１２０の中心軸１２１とのｙ方向の距離をΔＹとする。
次に、発光素子アレイ１００において、レンズ１２０による光を偏向させた比較例及び実施例を説明する。ここでは、発光素子アレイ１００に含まれる発光素子１１０は、ｘ方向に１２個、ｙ方向に９個を、間隔（ピッチ）２００μｍで配列した。各発光素子１１０からの光の拡がり角を１５°として、発光素子アレイ１００から１ｍ離れた照射面３における光量をシミュレーションにより求めた。なお、光量は、グレースケールで示し、白い部分ほど光量が大きいことを示す。
図７は、発光素子アレイ１００において、レンズ１２０の中心軸１２１と、発光素子１１０の発光中心軸１１２との距離の効果についての比較例を説明する図である。図７（ａ）は、レンズ１２０を備えない比較例１、図７（ｂ）は、レンズ１２０の中心軸１２１と発光中心軸１１２とのｘ方向の距離ΔＸ及びｙ方向の距離ΔＹを中心Ｏ側から端部側に離れるにつれて線形（ｌｉｎｅａｒ）で変化させた比較例２である。
図７（ａ）に示す比較例１は、レンズ１２０を備えない。この場合、照射面３の中央部に明るいスポットが見られる。この明るいスポットが、図５（ａ）、（ｂ）に示した中央部３１に対応する。つまり、照射面３上における明るい部分は、スポット状であって狭い。
図７（ｂ）に示す比較例２では、レンズ１２０の中心軸１２１と発光中心軸１１２とｘ方向の距離ΔＸ及びｙ方向の距離ΔＹを中心Ｏ側から端部側に離れるにつれて線形（ｌｉｎｅａｒ）で変化させている。なお、図７（ｂ）の右側のグラフは、横軸にｘ方向及びｙ方向に配列された発光素子１１０の番号ｎ（図６の＃１など。但し、＃を省略している。）を示し、縦軸に発光素子１１０の番号＃に対応するレンズ１２０の中心軸１２１と発光中心軸１１２との間の距離ΔＸ、ΔＹの発光素子１１０の配列ピッチＸｐ、Ｙｐに対する比（ΔＸ／Ｘｐ、ΔＹ／Ｙｐ）を示している。なお、ΔＸ／Ｘｐ、ΔＹ／Ｙｐは、発光素子１１０の配列において、発光素子群１５０の中心Ｏ側で小さく、端部側で大きくなるように設定した。
ここでは、図６と異なり、発光素子１１０のｘ方向の数を９個から１２個に変化させている。よって、中心Ｏには、発光素子１１０がない。なお、ｙ方向には、９個を配列しているが、１２個を配列したとしている。そして、１２個の発光素子１１０に対して、中心Ｏに対して左端（この場合、＃１の発光素子１１０）及び右端（この場合、＃１２の発光素子）において、レンズ１２０の中心軸１２１と発光中心軸１１２との間の距離の比ΔＸ／Ｘｐ及びΔＹ／Ｙｐが０．０２５となるようにした。つまり、レンズ１２０の中心軸１２１のｘ方向の両端（＃１の発光素子１１０のレンズ１２０と＃１２の発光素子１１０のレンズ１２０）間の距離は、発光素子１１０の発光中心軸１１２のｘ方向の両端（＃１の発光素子１１０と＃１２の発光素子１１０）間の距離の１０５％になっている。
図７（ｂ）の右側のグラフから分かるように、発光中心軸１１２とレンズ１２０の中心軸１２１とのｘ方向の距離ΔＸ及びｙ方向の距離ΔＹの変化度合い（変化量の傾き）は、一定である。例えば、ΔＸ（＃１）－ΔＸ（＃２）とΔＸ（＃２）－ΔＸ（＃３）とは、同じである。他の部分も同様である。
この場合、図７（ｂ）の左側に示すように、照射面３の中央部３１の光量が大きい領域が端部３２に向けて広がるが、端部３２から端部３２の外側に向かって光量が変化する割合が緩やかである。
図８は、発光素子アレイ１００において、レンズ１２０の中心軸１２１と発光素子１１０の発光中心軸１１２との距離の効果についての実施例を説明する図である。図８（ａ）は、レンズ１２０の中心軸１２１と発光中心軸１１２とのｘ方向の距離ΔＸを中心Ｏ側から端部側に離れるにつれてｃｏｓ関数で変化させ、ｙ方向の距離ΔＹを中心Ｏ側から端部側に離れるにつれて線形（ｌｉｎｅａｒ）で変化させた実施例１、図８（ｂ）は、レンズ１２０の中心軸１２１と発光中心軸１１２との距離のｘ方向の距離ΔＸ及びｙ方向の距離ΔＹをともに、中心Ｏ側から端部側に離れるにつれてｃｏｓ関数で変化させた実施例２、図８（ｃ）は、レンズ１２０の中心軸１２１と発光中心軸１１２とのｘ方向の距離ΔＸを中心Ｏ側から端部側に離れるにつれてｃｏｓ関数で変化させ、ｙ方向の距離ΔＹを中心Ｏ側から端部側に離れるにつれてｃｏｓ関数と線形との平均値で変化させた実施例３である。
図８（ａ）の実施例１では、レンズ１２０の中心軸１２１と発光中心軸１１２とのｘ方向の距離ΔＸを中心Ｏ側から端部側に離れるにつれてｃｏｓ関数で変化させ、ｙ方向の距離ΔＹを中心Ｏから端部側に離れるにつれて線形（ｌｉｎｅａｒ）で変化させている。
図８（ａ）の右側のグラフは、図７（ｂ）の右側のグラフと同様に作成されている。ｘ方向の距離ΔＸを中心Ｏ側から端部側に離れるにつれてｃｏｓ関数で変化させることで、発光素子群１５０の中心Ｏ側では、レンズ１２０の中心軸１２１と発光素子１１０の発光中心軸１１２との距離Δの変化量を大きくし、発光素子群１５０の端部側では、レンズ１２０の中心軸１２１と発光素子１１０の発光中心軸１１２との距離の変化量を小さくしている。例えば、図８（ａ）の右側のグラフにおいて、ΔＸ（＃６）－ΔＸ（＃５）は、ΔＸ（＃５）－ΔＸ（＃４）より大きい。また、ΔＸ（＃５）－ΔＸ（＃４）は、ΔＸ（＃４）－ΔＸ（＃３）より大きい。つまり、中心Ｏ側から左側の番号＃１～＃５の発光素子１１０では、変化量ΔＸ（ｎ＋１）－ΔＸ（ｎ）の変化度合い（変化量の傾き）は、ｎが増加するにしたがい増加する。一方、中心Ｏ側から右側の番号＃７～＃１１の発光素子１１０では、変化量ΔＸ（ｎ＋１）－ΔＸ（ｎ）の変化度合い（変化量の傾き）は、ｎが増加するにしたがい減少する。
これにより、図８（ａ）の左側の図に示すように、図７（ｂ）の左側の図に比べ、照射面３の光量が大きい領域がｘ方向において広がるとともに、ｘ方向における端部３２から端部３２の外側への光量の変化が急峻になっている（図５参照）。
これは、発光素子群１５０の中心Ｏ側において、レンズ１２０の中心軸１２１と発光素子１１０の発光中心軸１１２との距離Δの変化量を大きくして、照射面３の中央部３１に到達する光量を減少させ、発光素子群１５０の端部側において、レンズ１２０の中心軸１２１と発光素子１１０の発光中心軸１１２との距離Δの変化量を小さくして、照射面３の端部３２に到達する光量を増加させていることによる。
図８（ｂ）の実施例２では、レンズ１２０の中心軸１２１と発光中心軸１１２との距離のｘ方向の距離ΔＸ及びｙ方向の距離ΔＹをともに、中心Ｏ側から端部に離れるにつれてｃｏｓ関数で変化させている。
なお、図８（ｂ）の右側のグラフは、図７（ｂ）の右側のグラフと同様に作成されている。
これにより、図８（ｂ）の左側の図に示すように、図８（ａ）の左側の図に比べ、照射面３のｙ方向においても光量が大きい領域が広がるとともに、ｙ方向における端部３２から端部３２の外側への光量の変化が急峻になっている。これは、発光素子群１５０の中心Ｏ側において、レンズ１２０の中心軸１２１と発光素子１１０の発光中心軸１１２との距離Δの変化度合い（変化量の傾き）を大きくして、発光素子群１５０の端部側において、レンズ１２０の中心軸１２１と発光素子１１０の発光中心軸１１２との距離Δの変化度合い（変化量の傾き）を小さくしたことによる。しかし、中央部３１において、光量の低下がみられている。
図８（ｃ）の実施例３では、レンズ１２０の中心軸１２１と発光中心軸１１２とのｘ方向の距離ΔＸを中心Ｏ側から端部側に離れるにつれてｃｏｓ関数で変化させ、ｙ方向の距離ΔＹを中心Ｏ側から側に離れるにつれてｃｏｓ関数と線形との平均値で変化させている。
なお、図８（ｃ）の右側のグラフは、図７（ｂ）の右側のグラフと同様に作成されている。
これにより、図８（ｃ）の左側の図に示すように、図８（ｂ）の左側の図に比べ、照射面３の中央部３１における光量の低下が抑制され、長方形状に光量が大きい領域が得られている。また、端部３２から端部３２の外側への光量の変化が急峻になっている。これは、発光素子群１５０の中心Ｏ側において、レンズ１２０の中心軸１２１と発光素子１１０の発光中心軸１１２との距離Δの変化度合い（変化量の傾き）を大きくして、発光素子群１５０の端部側において、レンズ１２０の中心軸１２１と発光素子１１０の発光中心軸１１２との距離Δの変化度合い（変化量の傾き）を小さくしたことによる。
以上説明したように、発光素子１１０の出射面１１１にレンズ１２０を設け、発光素子群１５０の中心Ｏ側から端部側に向けて、レンズ１２０の中心軸１２１と発光素子１１０の発光中心軸１１２との距離（ΔＸ又は／及びΔＹ）が大きくなるように変化させ、且つ変化度合いを小さくすることで、照射面３において、光量の変化が少ない領域が中央部３１から端部３２に向かって広くなるとともに、照射面３の端部３２から端部３２の外側への光量の変化が急峻になる。例えば、レンズ１２０の中心軸１２１と発光素子１１０の発光中心軸１１２との距離（ΔＸ又は／及びΔＹ）を、ｃｏｓ関数などの非線形の関係で設定することで、照射面３における光量の変化が少ない領域が広くなるとともに、照射面３における端部３２から端部３２の外側への光量の変化が急峻になる。なお、ｃｏｓ関数は、一例であって、他の関数を用いてもよく、関数で記述できない関係で設定してもよい。
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、図６に示したように発光素子１１０の発光中心軸１１２に対して、レンズ１２０の中心軸１２１が発光素子群１５０の中心Ｏ側から端部側に向かうにつれて、発光素子群１５０の端部側方向にずれていた。
第２の実施の形態では、発光素子１１０の発光中心軸１１２に対して、レンズ１２０の中心軸１２１が発光素子群１５０の中心Ｏ側から端部側に向かうにつれて、発光素子群１５０の中心Ｏ側方向にずれている。
図９は、第２の実施の形態における、発光素子１１０の出射する光をレンズ１２０により偏向させる方法の一例を説明する図である。図９（ａ）は、発光素子アレイ１００における発光素子１１０とレンズ１２０との関係を説明する図、図９（ｂ）は、発光デバイス１０から照射面３に向かう光を説明する図である。図９（ａ）においても、発光素子１１０の発光中心軸１１２の基板４１０表面の位置を●で示し、レンズ１２０の中心軸１２１の基板４１０表面の位置を〇で示す。
なお、他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
図９（ａ）に示すように、●で示す発光素子１１０の発光中心軸１１２の位置は、基板４１０上に等間隔で配置されているとする。これに対して、レンズ１２０の中心軸１２１の位置を示す〇は、発光素子群１５０の中心Ｏ側から端部側に行くに従い、発光素子群１５０の内側にずれるように設けられている。このようにすることで、発光素子１１０の発光中心軸１１２から出射した光は、一旦発光素子群１５０の中心Ｏから出射した光が向かう方向に集まるように偏向する。
しかし、図９（ｂ）に示すように、光は再び広がって照射面３に照射される。
よって、第１の実施の形態と同様に、発光素子１１０の出射面１１１上にレンズ１２０を設け、発光素子群１５０の中心Ｏ側から端部側に向けて、レンズ１２０の中心軸１２１と発光素子１１０の発光中心軸１１２との距離が大きくなり、且つ距離の変化度合いが小さくなるようにすることで、照射面３において、光量の変化が少ない領域を広くできるとともに、照射面３の端部３２と端部３２の外側への光量の変化が急峻になる。
［第３の実施の形態］
第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、レンズ１２０として、凸レンズを用いた。
第３の実施の形態では、凹レンズであるレンズ１３０を用いる。
図１０は、第３の実施の形態における、発光素子１１０の出射する光をレンズ１３０により偏向させる方法の一例を説明する図である。図１０（ａ）は、発光素子アレイ１００における発光素子１１０とレンズ１３０との関係を説明する図、図１０（ｂ）は、発光デバイス１０から照射面３に向かう光を説明する図である。図１０（ａ）においても、発光素子１１０の発光中心軸１１２の基板４１０上の位置を●で示し、レンズ１３０の中心軸１３１の基板４１０上の位置を〇で示す。
他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
図１０（ａ）に示すように、発光素子１１０、つまり●で示す発光中心軸１１２は、基板４１０上に等間隔で配置されているとする。これに対して、レンズ１３０の中心軸１３１である〇は、発光素子群１５０の中心Ｏ側から端部側に行くに従い、発光素子群１５０の内側にずれるように設けられている。このようにすることで、発光素子１１０の●で示す発光中心軸１１２の位置から出射した光が、紙面の左右方向、つまり外側に広がるように偏向する。
つまり、図１０（ｂ）に示すように、発光素子群１５０から出射した光は、図６、図９の凸レンズを用いたレンズ１２０の場合と同様に、発光素子群１５０から広がって、照射面３に照射される。
よって、第１の実施の形態と同様に、発光素子１１０の出射面１１１にレンズ１３０を設け、発光素子群１５０の中心Ｏ側から端部側に向けて、レンズ１３０の中心軸１３１と発光素子１１０の発光中心軸１１２との距離が大きくなり、且つ距離の変化度合いが小さくなるようにすることで、照射面３において、光量の変化が少ない領域を広くできるとともに、照射面３の端部３２と端部３２の外側への光量の変化が急峻になる。
第１の実施の形態から第３の実施の形態における発光素子アレイ１００では、発光素子１１０の発光中心軸１１２を基板４１０上において等間隔に配置したが、レンズ１２０の中心軸１２１又はレンズ１３０の中心軸１３１が基板４１０上において等間隔に配置されてもよい。また、発光素子１１０の発光中心軸１１２と、レンズ１２０の中心軸１２１又はレンズ１３０の中心軸１３１をともに等間隔に配置しなくともよい。照射面３において光量の変化が少ない領域を広くなるように配置すればよい。そして、照射面３の端部３２と端部３２の外側との光量の変化が急峻であるとよい。
そして、発光素子１１０のｘ方向の配列とｙ方向の配列とで、距離の変化度合いが異なるようにしてもよい。このようにすることで、ｘ方向の配列方向とｙ方向の配列方向とで距離の変化度合いが同じ場合と異なる照射プロファイルが得られる。なお、ｘ方向とｙ方向とは直交していない第１の配列方向と第２の配列方向とに発光素子１１０を配列する場合においても、距離の変化度合いが異なるようにしてもよい。このようにすることで、第１の配列方向と第２の配列方向とで距離の変化度合いが同じ場合と異なる照射プロファイルが得られる。
また、第１の実施の形態から第３の実施の形態では、レンズ１２０、１３０は平面形状を円形としたが、発光素子１１０から出射される光が透過する部分のみにレンズ１２０、１３０として機能する部分が設けられていてもよい。
また、第１の実施の形態から第３の実施の形態における発光素子アレイ１００では、発光素子１１０を二次元状に配置したが、一次元状に配置してもよい。発光素子１１０の配光特性と、レンズ１２０による配向とにより、照射面３において光量の変化が少ない領域が広くなるようにしてもよい。
なお、第１の実施の形態から第２の実施の形態における発光素子アレイ１００を用いると、照射面３が均一な光量となるので、上記した光計測システム１に用いる他、均一な面状の光源が求められる用途に使用されうる。例えば、光反応材料に光反応を生じさせるためのホモナイザなどに用いられうる。
本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形を行っても構わない。
１…光計測システム、２…計測対象物、１０…発光デバイス、２０…受光デバイス、３０…処理部、１００…発光素子アレイ、１００Ａ…発光素子領域、１００Ｂ…ボンディングパット領域、１１０…発光素子、１１１…出射面、１１２…発光中心軸、１１３…メサ、１２０、１３０…レンズ、１２１、１３１…中心軸、１５０…発光素子群、２００…駆動回路、３００…回路基板、４１０…基板、４１１…下部分布ブラッグ反射層（下部ＤＢＲ層）、４１２…活性層、４１３…酸化狭窄層、４１４…上部分布ブラッグ反射層（上部ＤＢＲ層）、４１５…コンタクト層、４１６…ｐ側電極、４１７…層間絶縁層、４１８…出射面保護層、４１９…配線層、４２０…ｎ側電極

Claims (4)

  1. 複数の発光素子を含む発光素子群と、
    前記発光素子の出射面側に当該発光素子ごとに対応して設けられ、当該発光素子との位置関係に基づき当該発光素子からの光を偏向する複数のレンズと、を備え、
    前記発光素子群における複数の前記発光素子は、第１の配列方向と第２の配列方向とに、予め定められた一定の間隔で二次元に配列され、
    前記発光素子ごとに対応して設けられる前記レンズの中心軸は、当該発光素子の発光中心軸から前記発光素子群における端部側にずれて設けられ、
    前記第１の配列方向において、前記発光素子群の中心側から端部側に向けて、前記発光素子の前記発光中心軸と当該発光素子に対応する前記レンズの前記中心軸との距離が大きくなり、かつ当該距離の変化度合いが小さくなるように、当該発光素子の当該発光中心軸と当該レンズの当該中心軸との距離を当該発光素子群の中心側から端部側に向けて１／４周期のｃｏｓ関数で変化させ、
    前記第２の配列方向において、前記発光素子群の中心側から端部側に向けて、前記発光素子の前記発光中心軸と当該発光素子に対応する前記レンズの前記中心軸との距離が大きくなるように、当該発光素子の当該発光中心軸と当該レンズの当該中心軸との距離を当該発光素子群の中心側から端部側に向けて線形で変化させた発光素子アレイ。
  2. 複数の発光素子を含む発光素子群と、
    前記発光素子の出射面側に当該発光素子ごとに対応して設けられ、当該発光素子との位置関係に基づき当該発光素子からの光を偏向する複数のレンズと、を備え、
    前記発光素子群における複数の前記発光素子は、第１の配列方向と第２の配列方向とに、予め定められた一定の間隔で二次元に配列され、
    前記発光素子ごとに対応して設けられる前記レンズの中心軸は、当該発光素子の発光中心軸から前記発光素子群における端部側にずれて設けられ、
    前記発光素子群の中心側から端部側に向けて、前記発光素子の発光中心軸と当該発光素子に対応する前記レンズの中心軸との距離が大きくなり、かつ当該距離の変化度合いが小さくなるように、前記第１の配列方向において、当該発光素子の当該発光中心軸と当該レンズの当該中心軸との距離を当該発光素子群の中心側から端部側に向けて１／４周期のｃｏｓ関数で変化させ、前記第２の配列方向において、当該発光素子の発光中心軸と当該レンズの中心軸との距離を当該発光素子群の中心側から端部側に向けて１／４周期のｃｏｓ関数と線形との平均値で変化させた発光素子アレイ。
  3. 複数の前記レンズは、複数の前記発光素子のそれぞれの出射面上に、当該出射面に接して設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子アレイ。
  4. 請求項１又は２に記載の発光素子アレイと、
    前記発光素子アレイから光が照射された対象物から、反射光を受光する受光素子と、
    前記受光素子が受光した光に関する情報を処理して、前記発光素子アレイ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
    を備える光計測システム。
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