JPH08247841A

JPH08247841A - 半導体発光装置及びそれを用いた投光器，物体検出装置，画像入力装置並びに情報表示装置

Info

Publication number: JPH08247841A
Application number: JP7843295A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Takahashi; 敏幸高橋; Hiroshi Imamoto; 浩史今本; Masashi Yanagase; 雅司柳ヶ瀬; Aritame Tada; 有為多田
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1995-03-10
Filing date: 1995-03-10
Publication date: 1996-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】特別な光学系を別途用いることなく、出射さ
れる光の方向を拡散させることのできる半導体発光装置
を提供すること【構成】半導体基板１１の上に所定層を形成し、両
電極１８，２１間に電流を流すことにより、発光領域２
０より発光する。そして、レンズ２３を一体化するに際
し、発光領域（光取り出し窓１８ａ）とレンズの中心軸
をずらして構成した。そして図（Ａ）に示すように発光
領域（光取り出し窓）の配置ピッチをＹとし、レンズの
配置ピッチをＸとおくと、Ｘ＞Ｙとなるように設定す
る。これにより、レンズから出射した光は各々発散して
いく。そして、Ｘ，Ｙの差を大きくするほど、拡散する
角度（広がり）は大きくなる。よって、発光装置を移動
することなく照射可能な領域が拡大する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体発光装置に関す
るもので、より具体的には一対の半導体発光素子とレン
ズを複数対設けるとともにアレイ状に配置してなる半導
体発光装置関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の発光機能とレンズ機能とを組み合
わせた半導体発光装置としては、個々に分離・形成され
た発光素子を樹脂モールド等してパッケージした後に、
その発光面の所定位置にレンズを接合したり、発光素子
の表面にマイクロレンズを一体化した構成のものがあ
る。そして、後者のものでは、ＧａＡｓやＧａＰなどの
半導体ウエハに対して、エピタキシャル成長や不純物拡
散などの工程によりｐｎ接合を形成し、電極となる金属
を蒸着後、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程に
よって表面に所定の形状からなる電極を形成し、発光素
子が集積した状態のウエハを作製する。一方これと別工
程で、発光素子と同一ピッチでレンズが集積されたマイ
クロレンズアレイ基板を製造する。このマイクロレンズ
アレイ基板としては、半導体基板、ガラス基板あるいは
透明樹脂基板などを精密加工したり、精密加工された金
型を用いて樹脂成形したりすることにより製造される。
そして、このように別々に製造されたウエハとレンズア
レイ基板とを、ウエハ上の発光部とレンズアレイ基板上
のレンズとの光軸が一致するように位置合わせし、両者
を接合する。その後、所定位置でダイシングすることに
より、１個ごとの素子に分離し、レンズ一体型の半導体
発光素子が完成する。

【０００３】係る従来の半導体素子は面発光型の半導体
レーザ（ＬＤ）もしくは発光ダイオード（ＬＥＤ）があ
る。そしてＬＤは高出力であるがノイズや温度変化に弱
く、人体などにも危険なために応用範囲も限定され、一
方ＬＥＤでは温度変化やノイズなどには強いが、出力が
弱く、光の指向性がないためにレンズとの光結合効率が
低いというような特徴がある。また構造は全面発光型で
あり、光源は大きなものであった。このため、光学検知
装置に用いた場合には、検出距離が短く、受光感度が弱
くなる問題があった。

【０００４】そして、上記のように半導体プロセスによ
り製造すると、活性領域（発光領域）を小さくすること
ができるので、一対の微小径半導体発光素子とマイクロ
レンズでは、ビーム径を小さく絞ることができ、光の指
向性の向上並びに到達距離の拡大を図ることが可能とな
るが、半導体発光素子本体の発光出力が小さくなるため
に、マイクロレンズから取り出せる光は非常に小さなも
のとなり、実際に用いることができなかった。

【０００５】そこで、従来図８に示すように、複数の発
光部（発光領域）１を２次元的に配置したアレイ化を図
るとともに、発光領域１の上方に軸心を一致させるよう
にレンズ２を配置した半導体発光装置が開発された。レ
ンズ２は、図示の例では、ガラス基板３に屈折率分布を
もたせることにより形成しているが、精密加工によりガ
ラス基板３の表面に球面状の凸部を形成したものもあ
る。そして、係る半導体発光装置は、上記したダイシン
グ工程の際の切断位置を適宜変えることにより製造でき
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
装置では、レンズ２の中心軸と発光素子の発光部１の中
心が一致しており、出射光の方向は同図（Ｂ）に示すよ
うに、各光束４が平行で発光面５と直交方向となる。そ
して、係る発光装置は、全体でも数ｍ各程度となってい
るので、各光束４の径は非常に小さく、したがって出射
された光全体でも広がりがなくスポット的に照射するこ
とになる。よって、たとえば、イメージスキャナ，コピ
ー等の画像読取装置や、所定エリア内に存在する侵入者
や物体を検知する装置などに用いられる発光源として使
用するためには、照射面積をある程度確保する必要か
ら、出射される光は広がりがあった方がよい。しかし、
上記したように従来の装置では各光束が平行に出射され
るので、係る広がりをもたせるためには、別途特別な光
学系を設置する必要があり、装置の複雑化，大型化を招
く。

【０００７】また、係る光学系を用いずに行うには、発
光装置の出射方向を旋回させたり、発光装置自体を移動
させることにより、所定のエリア内に照射可能となる
が、係る場合には、別途駆動機構が必要となるという問
題がある。

【０００８】一方、発光装置全体の発光量は、各光束４
の光量の総計となり、大きくすることができるが、各光
束単位での発光量は何等変わらず、したがって、ある照
射ポイントでの照射量（照度）を増やすことはできなか
った。

【０００９】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、微小径の半導体発光素子でありながら、高出力が得
られ、特別な光学系を別途用いることなく、出射される
光の方向を拡散させたり、収束させたりすることがで
き、所定の領域を同時に照射したり、係る所定の領域中
の任意の部分を照射することができる半導体発光装置及
びそれを用いて構成される各種の応用製品を提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る半導体発光装置では、半導体基板
上に複数の発光部を形成するとともに、その光出射側に
前記発光部と対になるレンズを所定位置に複数設けてな
る半導体発光装置において、前記発光部の中心軸と、前
記レンズの中心軸を異ならせた。好ましくは前記複数の
発光部の配置と、前記レンズの配置が相似形になるよう
に構成することである。

【００１１】そして係る異ならせる際に、前記発光部の
配置間隔が、前記レンズの配置間隔よりも大きくした
り、或いは、逆に前記発光部の配置間隔が、前記レンズ
の配置間隔よりも小さくしたりすることができる。な
お、本発明でいう光が拡散するとは、光の進む方向が、
発光部からの出射方向に対し、発光素子の中央からはな
れていく方向に進む状態のことをいう。さらに好ましく
は、前記レンズの外側に、所定の間隔をおいてスリット
を設け、前記レンズの周辺部分を透過した出射光を遮蔽
するようにすることである。

【００１２】そして、上記いずれかに構成の半導体発光
装置を光源として、各種の応用製品を構成することがで
きる。そして、その一例を示すと、投光器（請求項
６），物体検出装置（請求項７）、画像入力装置（請求
項８）並びに情報表示装置（請求項９）などがある。

【００１３】

【作用】発光部とレンズの中心軸をずらしているので、
出射光の方向が発光部の出射方向に対し所定角度傾斜方
向になる。従って、他の光学系を用いることなしに、光
を絞ったり、広げたりすることができる。そして、最終
的に発光装置から出射される光の出射方向は、発光部を
基準にしてレンズの相対的な配置方向（ずれ方向）に向
かって傾斜し、その傾斜角度は、レンズのずれ量が大き
くなるほど大きくなる。よって、請求項３のように、レ
ンズの配置間隔のほうを大きくすると、光は拡散し、ま
た、請求項４のようにレンズの配置間隔の方を小さくす
ると、光は収束する。

【００１４】一方、レンズを通過させて平行光束にしよ
うとしても、レンズ自体の性能により正確に平行光束に
することは困難で、しかも、本発明では発光部とレンズ
の中心軸をずらす際に、請求項２のように相似形にした
り、請求項３，４のように配置間隔を異ならせると、各
発光部に対するレンズのずれ量が異なる。従って、発光
部からレンズまでの光学距離も異なるので、レンズの焦
点位置にすべての発光部を配置することは困難となる。
従って、レンズから出射された光は平行光束とはなら
ず、一定の広がりを有する。よってそのままでは、隣接
する発光部から出射された光が、重なり合い、同一場所
を複数の発光部からの光で照射する現象が生じるおそれ
がある。一方、例えば二次元空間内での物体の存在位置
を検知したり、情報表示をしたりする場合には、各発光
部から出射される光が互いに重ならないことが条件とな
るので、上記したように重なり合うおそれがあると、誤
動作の原因となる。そこで、請求項５のように所定のス
リットを設けると、レンズの周辺部分を通った光が遮蔽
され、発光装置からは出射されないので、各光の広がる
面積を制限でき、重なり合うおそれが可及的に抑制され
る（照射位置が比較的長距離であっても重ならない）。

【００１５】

【実施例】以下、本発明に係る半導体発光装置の好適な
実施例を添付図面を参照にして詳述する。図１は本発明
の第１実施例を示している。同図に示すように、ｎ−Ｇ
ａＡｓからなる半導体基板１１の上にｎ−ＡｌＧａＩｎ
Ｐからなる下クラッド層１２、ｐ−ＧａＩｎＰからなる
活性層（発光層）１３、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる第
１上クラッド層１４、ｐ−ＡｌＧａＡｓからなる第２上
クラッド層１５、ｐ−ＧａＡｓからなるキャップ層１６
を順次エピタキシャル成長させて半導体チップを形成す
る。ついで、キャップ層１７の上面の光取り出し窓を形
成しようとする領域をＡＺレジスト被膜によって覆い、
ＡＺレジスト被膜をマスクとして半導体チップにｎ型イ
オンを注入する。このとき、第２クラッド層１５にイオ
ン打ち込み領域の上端及び下端がくるようにｎ型イオン
を打ち込む。これによって、第２上クラッド層１５内に
ｎ型の反転層１７が形成される。この反転層１７は、中
央部分が開口１７ａされ、その開口１７が電流通路領域
となる。すなわち、この反転層１７により電流狭搾構造
が形成される。

【００１６】さらに、前記ＡＺレジスト被膜を除去し、
キャップ層１７上面に光取り出し窓１８ａの開口のパタ
ーンと一致するようにＡＺレジスト被膜を新たに形成
し、その上から電極金属を蒸着させ、リフトオフ法によ
って、中央に電極未形成の窓１８ａを備えたｐ型電極１
８を形成する。また、ＧａＡｓ基板１１の下面には、そ
の全面にｎ側電極１９を形成する。

【００１７】これにより、両電極１８，１９間に所定の
電圧を印加すると、ｐ型電極１８からｎ型電極１９に向
けて電流が流れ、その時反転層１７により形成された電
流狭搾構造により、開口１７ａ部分を集中して電流が流
れるので、その開口１７ａの直下にある発光領域２０内
を電流が通過し、発光領域２０が発光する。

【００１８】さらに、基板１１には多層反射膜からなる
反射層２１が形成されている。この反射層２１は、Ａｌ
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓなどからできており、例えば、発光
波長をλ、屈折率をｎとするとき、膜厚ｄがｄ＝λ／４
ｎの薄膜からなるものである。あるいは、膜厚ｄ≦λ／
４ｎの複数種類の薄膜を有する光波干渉型反射層からな
る多層膜でもよい。これにより、発光領域２０で発生し
た光を有効に前方より出射できるようになる。

【００１９】さらに、係る構成の半導体発光素子上にマ
イクロレンズをハイブリッドに集積した。すなわち、ガ
ラス基板２２に所定の屈折率分布を持たせて形成したレ
ンズ２３を、ｐ型電極１８の上に積層配置する。この屈
折型のレンズは、分布を適宜に設定することにより色収
差が小さく、光利用率が高くなる。

【００２０】ここで本発明では、発光領域２０（光取り
出し窓１８ａ）とレンズ２３の中心軸をずらして構成し
た。そして同図（Ａ）に示すように発光領域２０（光取
り出し窓１８ａ）の配置ピッチをＹとし、レンズ２３の
配置ピッチをＸとおくと、Ｘ＞Ｙとなるように設定す
る。これにより、レンズ２３から出射した光は各々発散
していく。そして、Ｘ，Ｙの差を大きくするほど、拡散
する角度（広がり）は大きくなる。よって、発光装置を
移動することなく照射可能な領域が拡大する。また、各
発光領域２０、すなわち、各発光領域２０から光を発生
させる電極１８，１９は、同時にオン／オフ制御しても
良く、或いは各組毎に独立して制御可能とすることもで
きる。

【００２１】図２は本発明の第２実施例を示している。
同図に示すように、本実施例では、上記した第１実施例
とは逆に、Ｘ＜Ｙになるようにレンズ２３と発光領域２
０（光取り出し窓１８ａ）を配置し、レンズから出射し
た光はある点Ｐで収束するように構成した。これによ
り、各発光領域２０から出射される光量は小さくても、
上記収束点Ｐにおける照度は、各光量の総和となり非常
に高くすることができる。なお、その他の構成並びに作
用効果は、上記した第１実施例と同様であるので、その
詳細な説明を省略する。

【００２２】図３は本発明の第３実施例である。本実施
例ではレンズの構成を上記した各実施例と相違してい
る。すなわち、所定の基板（ガラスや樹脂等）２４の表
面所定位置に対し、フォトリソグラフィ工程及びエッチ
ング工程を繰り返し行うことにより同図（Ｂ）に示すよ
うに、階段状に除去することにより、巨視的に見た時に
球面状になるように加工することにより形成される。こ
れにより、モノリシックな回折型のレンズ２３が形成さ
れる。さらに、この基板２４の表面のうちレンズ２３部
分を除く部分に電極２５を形成する。そして係る構成の
ものを用い上記第１，第２のいずれの実施例も構成でき
る。すなわち、本発明ではレンズと発光部の軸がズレて
いれば発光部側の構造やレンズの構造は任意のものを適
用できる。

【００２３】図４は本発明の第４実施例を示している。
各光源は有限値をもったものであるために実際には出射
光は平行光とはならずに広がってしまう（レンズ２３に
よって、ある程度広がりは抑えられる）。従って、照射
位置が離れると、こうした光は互いに干渉（隣接する出
射光の照射領域が重なる）してしまう。そして、後述す
る各応用分野の種類によっては、係る干渉を抑制する必
要がある場合がある。そこで本実施例では、レンズ２３
の外側に、所定距離をおいてスリット２５を配置してい
る。これにより、各レンズ２３から出射された光の外周
部分がカットされ、中心部分のみが通過するため、広が
る量（幅）を押さえることができる。よって各々の出射
光は独立した情報をもたせることができる。

【００２４】次に、本発明に係る半導体発光装置を利用
した応用例を説明する。まず、図５の投光器について説
明する。この投光器は本発明の半導体発光装置２７を一
方のリードフレーム２８の上にダイボンディングすると
ともに他方のリードフレーム２９にワイヤボンディング
した状態で透明エポキシ樹脂などの封止樹脂３０で所定
形状に低圧注型して封止する。封止樹脂の表面にはフレ
ネル型平板状レンズ３１が一体形成されている。そし
て、この半導体発光装置２７は上記した各実施例のもの
を使用でき、第１実施例のように、各発光部から出射さ
れる光束が拡散するように構成された場合には、広い範
囲を透孔することができ、また第２実施例のように各発
光部から出射される光束が収束するように構成された場
合には、所定のエリアを集中的に、高出力（明るくな
る）で照射することができる。

【００２５】出射した光はレンズやミラーを用いずに２
次元にある一定のエリアを照射できる。出射光をパルス
駆動させてやると各々の発光素子から出る出射光の照射
エリアは決まっているので、その出射光を受光して解析
することで、対象物の距離、位置、変位などを高速で測
定することができ、かつ小型化が可能である。

【００２６】図６は本発明に係る物体検出装置の一実施
例を示している。同図に示すように、半導体発光装置２
７として、第１実施例のように光束が拡散するタイプの
ものを用いる。さらに、半導体発光装置２７は、複数の
発光部に対して独立して電圧供給し、単独での発光の点
滅を可能とした駆動制御部３２に接続される。これによ
り、図中符合３３で示す照射領域が確保され、各発光部
から順に出射されていくことにより、照射領域３３内の
各部を順次スポット照射する。また、所定位置にフォト
ダイオード３４を設置する。

【００２７】これにより、照射領域３３内に物体３５が
存在すると、当該存在場所を照射する発光部から光が出
射されると、その出射光が物体３５で乱反射され、その
反射光の一部がフォトダイオード３４に受光される。そ
して、フォトダイオード３４に受光された時に発光した
発光部により、照射位置は特定できるので対象物の位置
や変位がわかるため２次元センサが構成される。

【００２８】また、複数の発光部を全て同時に発行させ
るように制御した場合には、照射領域３３内に物体が存
在するか否かの物体検出センサなどとして使用できる。
さらに、たとえば、フォトダイオード３４に替えて、照
射領域からの反射光を受光するＣＣＤ等のイメージセン
サを配置することができる。そして、半導体発光装置２
７は複数の発光部から同時に光を出射させるようにす
る。係る構成にすると、イメージスキャナや複写機など
の画像入力装置に適用できる。

【００２９】図７は本発明に係る情報表示装置の一実施
例を示している。同図に示すように、本実施例も、複数
の発光部を独立して制御できるようにした半導体発光装
置２７を用いる。すなわち、アレイ状に配置した発光部
２７ａの所定の一部を光らせる（図中黒塗り部分を発行
させる）ことにより、文字３６や図形３７を浮かび上が
らせることができる。

【００３０】これにより、半導体発光素子の間隔がマイ
クロレンズアレイの間隔より小さいことから、図７
（Ｂ）に示すように、半導体発光素子から出射された光
は広がって進み、同図（Ａ）に示す半導体発光装置２７
の発光部２７ａのオン／オフ制御により構成される文字
３６や図形３７をスクリーン３９に拡大投射することが
できる。そして、本発明では、レンズの配置により光の
広がる範囲を制御できるので、出射する光を広げ視認性
の範囲を広げたり、または出射する光を狭めて視認性の
距離を伸ばすことができる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る半導体発光
装置では、発光部とレンズの中心軸をずらしているの
で、他の光学系を用いることなしに、光を絞ったり、広
げたりすることができる。しかも、係るずらす量を調整
することにより、広がる角度や、収束されるまでの距離
を任意に設定できる。このように光を広げることができ
るので、比較的広い面積（領域）を、発光装置自体を移
動させることなく照射することが可能となり、駆動機構
を設けることなくイメージセンサ，複写機などの画像入
力装置や物体検知装置等の光源として使用することがで
きる。そして、このように機械的な移動がないので、光
源に対する配線が使用中に切断，断線などするおそれが
可及的に減少する。

【００３２】さらに、レンズの前方所定位置にスリット
を設けた場合には、隣接する各発光部から出射される光
が、比較的長距離に至っても互いに重なることがない。
よって、ある場所に光が照射された場合に、その光を出
射した発光部は一義的に決まるので、例えば発光部の点
灯を独立して制御するとともに順番に点灯させ、そのと
きの反射光の有無を検知する物体の存在位置を特定する
二次元センサを構成することができ、また、複数の発光
部のうちの任意の発光部のみを点灯すると、その点灯し
た発光部により形成される文字や図形等をそのまま出射
された光により表現できるので、情報表示装置として使
用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体発光装置の第１実施例を示
す図である。

【図２】本発明に係る半導体発光装置の第２実施例を示
す図である。

【図３】本発明に係る半導体発光装置の第３実施例を示
す図である。

【図４】本発明に係る半導体発光装置の第４実施例を示
す図である。

【図５】本発明に係る投光器の一実施例を示す図であ
る。

【図６】本発明に係る物体検知装置の一実施例を示す図
である。

【図７】本発明に係る情報表示装置の一実施例を示す図
である。

【図８】従来の半導体発光装置の一例を示す図である。

【符号の説明】

１１半導体基板１８ａ光取り出し窓２０発光領域（発光部）２２，２４基板２３レンズ２５スリット２７半導体発光装置３２駆動制御部３３照射領域３４フォトダイオード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｍ (72)発明者多田有為京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に複数の発光部を形成する
とともに、その光出射側に前記発光部と対になるレンズ
を所定位置に複数設けてなる半導体発光装置において、
前記発光部の中心軸と、前記レンズの中心軸を異ならせ
たことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】前記複数の発光部の配置と、前記レンズ
の配置が相似形になるように構成したことを特徴とする
請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】前記発光部の配置間隔が、前記レンズの
配置間隔よりも大きくしたことを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の半導体発光装置。
【請求項４】前記発光部の配置間隔が、前記レンズの
配置間隔よりも小さくしたことを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の半導体発光装置。
【請求項５】前記レンズの外側に、所定の間隔をおい
てスリットを設け、前記レンズの周辺部分を透過した出
射光を遮蔽するようにした請求項１〜４のいずれか１項
に記載の半導体発光装置。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の半導体
発光装置を光源として用いたことを特徴とする投光器。
【請求項７】請求項１〜５のいずれかに記載の半導体
発光装置を光源として用い、その半導体発光装置に設けられる複数の発光部に対し、
点灯を制御する制御手段と、前記発光部から出射される光の照射領域中に存在する物
体からの反射光を受光する受光手段とを備えたことを特
徴とする物体検出装置。
【請求項８】請求項１〜５のいずれかに記載の半導体
発光装置を光源として用い、その半導体発光装置に設けられる複数の発光部に対し、
点灯を制御する制御手段と、前記発光部から出射される光により照射される照射領域
中の画像を撮像するＣＣＤ等の撮像手段を備えたたこと
を特徴とする画像入力装置。
【請求項９】請求項１〜５のいずれか１項に記載の半
導体発光装置を光源として用い、その半導体発光装置に設けられる各発光部に対し、独立
して点灯を制御する制御手段を備え、前記複数の発光部のうち所定の発光部を点灯可能とした
ことを特徴とする情報表示装置。