WO2018030523A1 - 発光装置 - Google Patents

Abstract

本実施形態は、Ｓ－ｉＰＭレーザの出力光からの０次光の除去を可能にする構造を備えた発光装置に関する。当該発光装置は、半導体発光素子と、光遮蔽部材と、を備える。半導体発光素子は、活性層と、一対のクラッド層と、位相変調層と、を有する。位相変調層は、基本層と、それぞれが個別に特定位置へ配置された複数の異屈折率領域と、を有する。光遮蔽部材は、傾斜方向に沿って出力される特定の光像を通過させる一方、発光面の法泉方向に沿って出力される０次光を遮蔽する機能を有する。

Description

発光装置

　本発明は、発光装置に関するものである。

　特許文献１に記載の半導体発光素子は、活性層と、活性層を挟む一対のクラッド層と、活性層に光学的に結合した位相変調層とを備えている。位相変調層は、基本層と、基本層の屈折率とは異なる屈折率をそれぞれが有する複数の異屈折率領域とを備えている。位相変調層上に正方格子を設定した場合、異屈折率領域（主孔）それぞれは、正方格子における対応領域（正方形状を有する）の中心点（格子点）に一致するように配置されている。この異屈折率領域の周囲には、補助的な異屈折率領域（副孔）が設けられており、所定のビームパターンの光を出射することができる。

国際公開第２０１４／１３６９６２号公報

　発明者らは、従来の半導体発光素子について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、二次元状に配列された複数の発光点から出射される光の位相スペクトルおよび強度スペクトルを制御することにより任意の光像を出力する半導体発光素子が研究されている。このような半導体発光素子の構造の１つとして、半導体基板上に下部クラッド層、活性層、および上部クラッド層を設けるとともに、下部クラッド層と活性層との間、または、活性層と上部クラッド層との間に位相変調層が設けられた構造がある。位相変調層は、基本層と、基本層の屈折率とは異なる屈折率をそれぞれが有する複数の異屈折率領域とで構成され、位相変調層の厚さ方向に垂直な面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、該正方格子を構成する複数の正方領域それぞれに割り当てられた異屈折率領域の重心位置が、生成されるべき光像に応じて割り当てられた正方領域の格子点位置からずれている。このような半導体発光素子はＳ－ｉＰＭ（Static-integrable Phase Modulating）レーザと呼ばれ、半導体基板の主面に垂直な方向（法線方向）および該法線方向に対して所定の広がり角を有する方向に沿って、二次元な任意形状の光像を形成するためのビームを出力する。

　しかしながら、上述の半導体発光素子からは、所望の出力光像である信号光の他に、０次光が出力される。この０次光は、半導体基板の主面に垂直な方向（すなわち発光面に垂直な方向）に出力される光であり、Ｓ－ｉＰＭレーザにおいては通常用いられない。したがって、所望の出力光像を得る際に０次光はノイズ光となるので、光像から０次光を取り除くことが望まれる。

　本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、Ｓ－ｉＰＭレーザの出力光から０次光を取り除くことが可能な構造を備えた発光装置を提供することを目的としている。

　上述の課題を解決するために、本実施形態に係る発光装置は、一例として、半導体発光素子と、光遮蔽部材と、を備える。半導体発光素子は、発光面を有するとともに、該発光面の法線方向および該法線方向に対して所定の傾きと広がり角を有する傾斜方向に沿って任意形状の光像を出力する。光遮蔽部材は、発光面の重心位置において該発光面と直交する軸線と、その一部が交差するよう配置される。更に、半導体発光素子は、活性層と、該活性層を挟む一対のクラッド層と、活性層と一対のクラッド層の一方との間に設けられた、該活性層に光学的に結合する位相変調層と、を有する。光遮蔽部材は、出力される光像のうち傾斜方向に出力される特定の光像を通過させる一方、発光面の法線方向に出力される０次光を遮蔽するよう、配置される。位相変調層は、基本層と、該基本層の屈折率とは異なる屈折率をそれぞれ有する複数の異屈折率領域と、を有する。一方、半導体発光素子の製造方法は、基板上に下部クラッド層（一対のクラッド層の一方）を設ける第１工程と、下部クラッド層上に活性層を設ける第２工程と、活性層の上に上部クラッド層（一対のクラッド層の他方）を設ける第３工程と、第１工程と第２工程の間、または、第２工程と第３工程の間に実行される工程であって、下部クラッド層と活性層の間、または、活性層と上部クラッド層との間に位相変調層を設ける第４工程と、を備える。発光装置の製造方法は、このように製造された半導体発光素子に対して、発光面の重心位置において該発光面と直交する軸線と、その一部が交差するよう光遮蔽部材を配置することにより、所望の発光装置を得る。

　特に、本実施形態に係る発光装置および半導体発光素子の製造方法において、位相変調層は、複数の異屈折率領域それぞれが特定位置に個別に配置されるよう構成されている。具体的には、法線方向に一致するＺ軸と、複数の異屈折率領域を含む位相変調層の一方の面に一致した、互いに直交するＸ軸およびＹ軸を含むＸ－Ｙ平面と、により規定されるＸＹＺ直交座標系において、該Ｘ－Ｙ平面上に、それぞれが正方形状を有するＭ１（１以上の整数）×Ｎ１（１以上の整数）個の単位構成領域Ｒにより構成される仮想的な正方格子が設定されるとき、Ｘ軸方向の座標成分ｘ（１以上Ｍ１以下の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（１以上Ｎ１以下の整数）とで特定されるＸ－Ｙ平面上の単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において、該単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に位置する異屈折率領域の重心Ｇ１が単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の中心となる格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から離れ、かつ、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から重心Ｇ１へのベクトルが特定方向に向くよう、位相変調層が構成されている。

　本実施形態に係る発光装置および半導体発光素子の製造方法によれば、Ｓ－ｉＰＭレーザの出力から０次光を取り除くことができる。

本実施形態に係る発光装置の構成を示す斜視図である。 レーザ素子の構成を示す断面図である。 位相変調層の配置に関する変形例を示す図である。 位相変調層の平面図である。 位相変調層における異屈折率領域の位置関係を示す図である。 位相変調層の特定領域内にのみ図４の屈折率略周期構造が適用された例を示す平面図である。 レーザ素子の出力ビームパターンが結像して得られる光像と、位相変調層における回転角度分布との関係を説明するための図である。 （ａ）および（ｂ）は、光像のフーリエ変換結果から回転角度分布を求め、異屈折率領域の配置を決める際の留意点を説明する図である。 （ａ）は、位相変調層の具体的な３つの形態に共通の元パターンの画像である。（ｂ）は、（ａ）を二次元逆フーリエ変換して強度分布を抽出した画像である。（ｃ）は、（ａ）を二次元逆フーリエ変換して位相分布を抽出した画像である。 （ａ）は、図９（ｃ）に示された位相分布を実現するための位相変調層の第１構成を示す画像である。（ｂ）は、異屈折率領域全体をフーリエ変換することで得られた予想ビームパターンである。 位相変調層の第１構成におけるフィリングファクターと距離ｒ（ａ）との関係に応じた、出力ビームパターンのＳ／Ｎ比を示すグラフである。 位相変調層の第１構成における距離ｒ（ａ）とＳ／Ｎ比の関係を示すグラフである。 （ａ）は、図９（ｃ）に示された位相分布を実現するための位相変調層の第２構成を示す画像である。（ｂ）は、異屈折率領域全体をフーリエ変換することで得られた予想ビームパターンである。 位相変調層の第２構成におけるフィリングファクターと距離ｒ（ａ）との関係に応じた、出力ビームパターンのＳ／Ｎ比を示すグラフである。 位相変調層の第２構成における距離ｒ（ａ）とＳ／Ｎ比の関係を示すグラフである。 （ａ）は、図９（ｃ）に示された位相分布を実現するための位相変調層の第３構成を示す画像である。（ｂ）は、異屈折率領域全体をフーリエ変換することで得られた予想ビームパターンである。 位相変調層の第３構成におけるフィリングファクターと距離ｒ（ａ）との関係に応じた、出力ビームパターンのＳ／Ｎ比を示すグラフである。 位相変調層の第３構成における距離ｒ（ａ）とＳ／Ｎ比の関係を示すグラフである。 （ａ）～（ｃ）は、レーザ素子から出力されるビームパターン（光像）の例を示す。 回折計算に用いる条件を示す図である。 （ａ）は、回折計算に用いたターゲット画像を示す図である。（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ格子間隔ａ＝２８２ｎｍ、１４１ｎｍの場合の位相変調層における位相分布を色の濃淡で示す図である。 計算結果を示すグラフであって、或る回折像面における回折像のＺ軸側の一端とＺ軸との距離をｄ（μｍ）とし、該回折像面と発光面２ｂとの距離をｚ（μｍ）としたときの距離ｄと距離ｚとの相関を示す。 図２２に示されたグラフの元となった回折像の一部を示す図である。 図２２に示されたグラフの元となった回折像の一部を示す図である。 図２２に示されたグラフの元となった回折像の一部を示す図である。 図２２に示されたグラフの元となった回折像の一部を示す図である。 図２２に示されたグラフの元となった回折像の一部を示す図である。 距離ｄと電極サイズＬとの積（ｄ×Ｌ）と、距離ｚとの相関を示すグラフである。 発光面と光遮蔽部材との位置関係の模式図である。 第１光像部分Ｂ２のＺ軸側の端縁と、０次光Ｂ１の第１光像部分Ｂ２側の端縁との交点付近を拡大して示す図である。 ガウスビームのビームウェストにおけるビーム半径の変化を示すグラフである。 （ａ）～（ｄ）は、光遮蔽部材の配置の具体例を示す平面図である。 （ａ）～（ｄ）は、光遮蔽部材の配置の具体例を示す平面図である。 一変形例に係る位相変調層の平面図である。 （ａ）～（ｃ）は、異屈折率領域のＸ―Ｙ平面内の形状の例を示す平面図である。 （ａ）および（ｂ）は、異屈折率領域のＸ―Ｙ平面内の形状の例を示す平面図である。 第３変形例による発光装置の構成を示す図である。 球面座標（ｄ１，θ_tilt，θ_rot）からＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）への座標変換を説明するための図である。

　[本願発明の実施形態の説明]
  最初に本願発明の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。

　（１）　本実施形態に係る発光装置は、その一態様として、半導体発光素子と、光遮蔽部材と、を備える。半導体発光素子は、発光面を有するとともに、該発光面の法線方向および該法線方向に対して所定の傾きと広がり角を有する傾斜方向に沿って任意形状の光像を出力する。光遮蔽部材は、発光面の重心位置において該発光面と直交する軸線と、その一部が交差するよう配置される。更に、半導体発光素子は、活性層と、該活性層を挟む一対のクラッド層と、活性層と一対のクラッド層の一方との間に設けられた、該活性層に光学的に結合する位相変調層と、を有する。光遮蔽部材は、出力される光像のうち傾斜方向に出力される特定の光像を通過させる一方、発光面の法線方向に出力される０次光を遮蔽するよう、配置される。位相変調層は、基本層と、該基本層の屈折率とは異なる屈折率をそれぞれ有する複数の異屈折率領域と、を有する。一方、半導体発光素子の製造方法は、基板上に下部クラッド層（一対のクラッド層の一方）を設ける第１工程と、下部クラッド層上に活性層を設ける第２工程と、活性層の上に上部クラッド層（一対のクラッド層の他方）を設ける第３工程と、第１工程と第２工程の間、または、第２工程と第３工程の間に実行される工程であって、下部クラッド層と活性層の間、または、活性層と上部クラッド層との間に位相変調層を設ける第４工程と、を備える。発光装置の製造方法は、このように製造された半導体発光素子に対して、発光面の重心位置において該発光面と直交する軸線と、その一部が交差するよう光遮蔽部材を配置することにより、所望の発光装置を得る。

　特に、本実施形態に係る発光装置および半導体発光素子の製造方法において、位相変調層は、複数の異屈折率領域それぞれが特定位置に個別に配置されるよう構成されている。具体的には、第１の前提条件として、法線方向に一致するＺ軸と、複数の異屈折率領域を含む位相変調層の一方の面に一致した、互いに直交するＸ軸およびＹ軸を含むＸ－Ｙ平面と、により規定されるＸＹＺ直交座標系において、該Ｘ－Ｙ平面上に、それぞれが正方形状を有するＭ１（１以上の整数）×Ｎ１（１以上の整数）個の単位構成領域Ｒにより構成される仮想的な正方格子が設定される。このとき、Ｘ軸方向の座標成分ｘ（１以上Ｍ１以下の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（１以上Ｎ１以下の整数）とで特定されるＸ－Ｙ平面上の単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において、該単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に位置する異屈折率領域の重心Ｇ１が単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の中心となる格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から離れ、かつ、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から重心Ｇ１へのベクトルが特定方向に向くよう、位相変調層が構成されている。

　上述のような構造を有する半導体発光素子においては、活性層に光学的に結合した位相変調層が、基本層と、それぞれが基本層内に埋め込まれるとともに、該基本層の屈折率とは異なる屈折率をそれぞれが有する複数の異屈折率領域とを有する。また、仮想的な正方格子を構成する単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において、対応する異屈折率領域の重心Ｇ１が格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から離れて配置される。更に、格子点Ｏから重心Ｇ１へのベクトルの向きが単位構成領域Ｒごとに個別に設定されている。このような構成において、格子点Ｏから対応する異屈折率領域の重心Ｇ１へのベクトルの向き、すなわち該異屈折率領域の重心Ｇ１の格子点周りの角度位置に応じて、ビームの位相が変化する。このように、本実施形態によれば、異屈折率領域の重心位置を変更するのみで、異屈折率領域それぞれから出力されるビームの位相を制御することができ、全体として形成されるビームパターン（光像を形成するビーム群）を所望の形状に制御することができる。このとき、仮想的な正方格子における格子点は異屈折率領域の外部に位置していてもよく、また、該格子点が異屈折率領域の内部に位置していてもよい。

　すなわち、本実施形態に適用可能な半導体発光素子はＳ－ｉＰＭレーザであり、発光面の法線方向および該法線方向に対して所定の傾きと広がり角を有する傾斜方向に沿って任意形状の光像（例えば二次元平面上に形成されるビームパターン）を出力することができる。更に、光遮蔽部材が、発光面の重心位置において直交する軸線（上記Ｚ軸に一致）と、その一部が交差するように配置されており、傾斜方向に沿って出力された特定の光像を通過する一方、０次光を遮蔽するよう機能する。これにより、Ｓ－ｉＰＭレーザの出力から０次光を取り除くことができる。

　（２）　本実施形態の一態様として、仮想的な正方格子の格子定数（実質的に格子間隔に相当）をａとするとき、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に位置する異屈折率領域の重心Ｇ１と、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）との距離ｒは、０≦ｒ≦０．３ａを満たすのが好ましい。また、上記の発光装置において、半導体発光素子から出射されるビームパターンにより表現される元の画像（二次元逆フーリエ返還前の光像）としては、例えば、スポット、直線、十字架、線画、格子パターン、写真、縞状パターン、コンピュータグラフィクス、および文字のうち少なくとも１つを含むのが好ましい。

　（３）　本実施形態の一態様では、第１の前提条件の他、第２の前提条件として、ＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ,ｙ,ｚ）は、図３８に示されたように、動径の長さｄ１と、Ｚ軸からの傾き角θ_tiltと、Ｘ－Ｙ平面上で特定されるＸ軸からの回転角θ_rotと、で規定される球面座標（ｄ１,θ_tilt,θ_rot）に対して、以下の式（１）～式（３）で示された関係を満たしているものとする。なお、図３８は、球面座標（ｄ１，θ_tilt，θ_rot）からＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ，ｙ，ｚ）への座標変換を説明するための図であり、座標（ｘ，ｙ，ｚ）により、実空間であるＸＹＺ直交座標系において設定される所定平面上の設計上の光像が表現される。半導体発光素子から出力される光像に相当するビームパターンを角度θ_tiltおよびθ_rotで規定される方向に向かう輝点の集合とするとき、角度θ_tiltおよびθ_rotは、以下の式（４）で規定される規格化波数であってＸ軸に対応したＫｘ軸上の座標値ｋ_ｘと、以下の式（５）で規定される規格化波数であってＹ軸に対応するとともにＫｘ軸に直交するＫｙ軸上の座標値ｋ_ｙに換算されるものとする。規格化波数は、仮想的な正方格子の格子間隔に相当する波数を１．０として規格化された波数を意味する。このとき、Ｋｘ軸およびＫｙ軸により規定される波数空間において、光像に相当するビームパターンを含む特定の波数範囲が、それぞれが正方形状のＭ２（１以上の整数）×Ｎ２（１以上の整数）個の画像領域ＦＲで構成される。なお、整数Ｍ２は、整数Ｍ１と一致する必要はない。同様に、整数Ｎ２は、整数Ｎ１と一致する必要もない。また、式（４）および式（５）は、例えば、Y. Kurosaka et al.," Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure," Opt. Express 20, 21773-21783 (2012)に開示されている。

　第３の前提条件として、波数空間において、Ｋｘ軸方向の座標成分ｋ_ｘ（１以上Ｍ２以下の整数）とＫｙ軸方向の座標成分ｋ_ｙ（１以上Ｎ２以下の整数）とで特定される画像領域ＦＲ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）それぞれを、Ｘ軸方向の座標成分ｘ（１以上Ｍ１以下の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（１以上Ｎ１以下の整数）とで特定されるＸ－Ｙ平面上の単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）に二次元逆フーリエ変換することで得られる複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）が、ｊを虚数単位として、以下の式（６）で与えられる。また、この複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）は、振幅項をＡ（ｘ，ｙ）とするとともに位相項をＰ（ｘ，ｙ）とするとき、以下の式（７）により規定される。更に、第４の前提条件として、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）が、Ｘ軸およびＹ軸にそれぞれ平行であって単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の中心となる格子点Ｏ（ｘ，ｙ）において直交するｓ軸およびｔ軸で規定される。

　上記第１～第４の前提条件の下、位相変調層は、以下の第１および第２条件を満たすよう構成される。すなわち、第１条件は、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内において、複数の異屈折率領域のうち対応する何れかが、その重心Ｇ１が格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から離れた状態で配置されていることである。また、第２条件は、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から対応する異屈折率領域の重心Ｇ１までの線分長ｒ（ｘ，ｙ）がＭ１個×Ｎ１個の単位構成領域Ｒそれぞれにおいて共通の値に設定された状態で、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）と対応する異屈折率領域の重心Ｇ１とを結ぶ線分と、ｓ軸と、の成す角度φ（ｘ，ｙ）が、
           φ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×Ｐ（ｘ，ｙ）＋Ｂ
           Ｃ：比例定数であって例えば１８０°／π
           Ｂ：任意の定数であって例えば０
なる関係を満たすように、該対応する異屈折率領域が単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置されることである。

　上述のような構造を有する半導体発光素子では、位相変調層において、仮想的な正方格子を構成する各単位構成領域の中心（格子点）と、対応する異屈折率領域の重心Ｇ１との距離ｒは、位相変調層全体に亘って一定値であることが好ましい。これにより、位相変調層全体における位相分布（単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）に割り当てられた複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）における位相項Ｐ（ｘ，ｙ）の分布）が０～２π（ｒａｄ）まで等しく分布している場合、平均すると、異屈折率領域の重心は正方格子における単位構成領域Ｒの格子点に一致することとなる。したがって、上記の位相変調層における二次元分布ブラッグ回折効果は、正方格子の各格子点上に異屈折率領域が配置された場合の二次元分布ブラッグ回折効果に近づくこととなるので、定在波の形成が容易となり、発振のための閾値電流低減を期待できる。

　（４）　本実施形態の一態様として、発光面から光遮蔽部材までの距離をｚ、軸線を含む基準平面上において軸線から光遮蔽部材の最も近い端縁までの距離をＷａ、該基準面上において距離ｚの地点における０次光のビーム幅をＷ_z、基準平面上で規定される発光面の幅をＬ、基準平面上において特定の光像の軸線側の端縁と軸線との成す角をθ_PB、活性層の発光波長をλとするとき、距離ｚは、以下の式（８）で規定されるｚ_shよりも長いのが好ましい。

　また、距離Ｗａは、以下の式（９）で規定されるＷ_zの半分よりも長いのが好ましい。

　ただし、上記式（９）のＺ₀は、以下の式（１０）で規定される数値である。

これにより、光遮蔽部材は、０次光を効果的に遮蔽し得る。

　（５）　本実施形態の一態様として、光像は、軸線に対して傾斜した第１方向に出力される第１光像部分と、該軸線に関して第１方向と対称である第２方向に出力され、該軸線に関して第１光像部分と回転対称である第２光像部分とを含んでもよい。この場合、光遮蔽部材は、第２光像部分を更に遮蔽するよう配置される。このように、本態様によれば、第１光像部分が上述の特定の光像である場合に、不要な第２光像部分をも効果的に取り除くことができる。

　（６）　本実施形態の一態様として、光遮蔽部材は、光吸収材を含むのが好ましい。光遮蔽部材が０次光を反射すると、その反射光が半導体発光素子に再び入射し、半導体発光素子の内部の動作に影響を及ぼすおそれがある。光遮蔽部材が光吸収材を含むことにより、０次光を吸収することができ、０次光が半導体発光素子に再び入射することを抑制できる。

　（７）　本実施形態の一態様として、当該発光装置は、発光面をそれぞれ有する複数の半導体発光素子と、光遮蔽部材と、複数の半導体発光素子を個別に駆動する駆動回路と、を備えてもよい。なお、複数の半導体発光素子それぞれは、発光面の法線方向および該法線方向に対して所定の傾きと広がり角を有する傾斜方向に沿って任意形状の光像を出力する。光遮蔽部材は、複数の半導体発光素子それぞれの発光面の重心位置において該発光面と直交する軸線それぞれと、その一部が交差するよう配置される。更に、複数の半導体発光素子それぞれは、活性層と、該活性層を挟む一対のクラッド層と、該活性層と一対のクラッド層の一方との間に設けられた、該活性層に光学的に結合する位相変調層と、を有する。光遮蔽部材は、出力される光像のうち傾斜方向に出力される特定の光像を通過させる一方、発光面の法線方向にそれぞれ出力される０次光を遮蔽するよう、配置される。また、複数の半導体発光素子それぞれにおいて、位相変調層は、基本層と、該基本層の屈折率とは異なる屈折率をそれぞれ有する複数の異屈折率領域と、を有する。

　更に複数の半導体発光素子それぞれの位相変調層は、以下のように構成される。すなわち、複数の半導体発光素子それぞれにおいて、法線方向に一致するＺ軸と、複数の異屈折率領域を含む位相変調層の一方の面に一致した、互いに直交するＸ軸およびＹ軸を含むＸ－Ｙ平面と、により規定されるＸＹＺ直交座標系において、該Ｘ－Ｙ平面上に、それぞれが正方形状を有するＭ１（１以上の整数）×Ｎ１（１以上の整数）個の単位構成領域Ｒにより構成される仮想的な正方格子が設定される。このとき、Ｘ軸方向の座標成分ｘ（１以上Ｍ１以下の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（１以上Ｎ１以下の整数）とで特定されるＸ－Ｙ平面上の単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において、該単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に位置する異屈折率領域の重心Ｇ１が単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の中心となる格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から離れ、かつ、該格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から重心Ｇ１へのベクトルが特定方向に向くよう、位相変調層が構成される。このように、当該発光装置は、個別に駆動される複数の半導体発光素子を備え、半導体発光素子それぞれから所望の光像のみを取り出すことを可能にする。これにより、予め複数のパターンに対応した半導体発光素子を並べたモジュールについて、適宜必要な素子を駆動することによってヘッドアップディスプレイなどを好適に実現することができる。

　（８）　本実施形態の一態様として、複数の半導体発光素子それぞれは、赤色波長域の光像を出力する半導体発光素子、青色波長域の光像を出力する半導体発光素子、および緑色波長域の光像を出力する半導体発光素子の何れかを含むのが好ましい。この場合、カラーヘッドアップディスプレイなどを好適に実現することができる。

　以上、この[本願発明の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。

　［本願発明の実施形態の詳細］
  以下、本実施形態に係る発光装置の具体的な構造を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

　図１は、本発明の一実施形態に係る発光装置１Ａの構成を示す斜視図である。発光装置１Ａは、半導体発光素子としてのレーザ素子２Ａと、レーザ素子２Ａの発光面２ｂと光学的に結合された光遮蔽部材３とを備える。なお、レーザ素子２Ａの中心（発光面２ｂの重心位置）を通りレーザ素子２Ａの厚さ方向に延びる軸をＺ軸と、該Ｚ軸に直交する平面であって異屈折率領域１５ｂを含む位相変調層１５Ａの一方の面に一致した、互いに直交するＸ軸およびＹ軸を含むＸ－Ｙ平面とによりＸＹＺ直交座標系が規定される。レーザ素子２Ａは、Ｘ―Ｙ面に沿って定在波を形成し、位相制御された平面波をＺ軸方向に出力するＳ－ｉＰＭレーザであって、後述するように、発光面２ｂの法線方向（すなわちＺ軸方向）および該法線方向に対して所定の傾きと広がり角を有する傾斜方向に沿って任意形状の２次元光像を出力する。光遮蔽部材３は、レーザ素子２Ａの発光面２ｂと対向した状態で配置され、レーザ素子２Ａから出力されるビームパターンに含まれる０次光を遮蔽する。以下、レーザ素子２Ａおよび光遮蔽部材３の構成について詳細に説明する。

　図２は、レーザ素子２Ａの積層構成を示す断面図である。図１および図２に示されたように、レーザ素子２Ａは、半導体基板１０上に設けられた活性層１２と、活性層１２を挟む一対のクラッド層１１、１３と、クラッド層１３（上部クラッド層）上に設けられたコンタクト層１４と、を備える。これらの半導体基板１０および各層１１～１４は、例えばＧａＡｓ系半導体、ＩｎＰ系半導体、もしくは窒化物系半導体といった化合物半導体によって構成される。クラッド層１１（下部クラッド層）のエネルギーバンドギャップ、およびクラッド層１３のエネルギーバンドギャップは、活性層１２のエネルギーバンドギャップよりも大きい。半導体基板１０および各層１１～１４の厚さ方向（積層方向）は、Ｚ軸方向に一致する。

　レーザ素子２Ａは、活性層１２と光学的に結合された位相変調層１５Ａを更に備える。本実施形態において、位相変調層１５Ａは活性層１２とクラッド層１３との間に設けられている。なお、必要に応じて、活性層１２とクラッド層１３との間、および活性層１２とクラッド層１１との間のうち少なくとも一方に、光ガイド層が設けられてもよい。光ガイド層が活性層１２とクラッド層１３との間に設けられる場合、位相変調層１５Ａは、クラッド層１３と光ガイド層との間に設けられる。位相変調層１５Ａの厚さ方向は、Ｚ軸方向と一致する。

　図３に示されたように、位相変調層１５Ａは、クラッド層１１と活性層１２との間に設けられてもよい。さらに、光ガイド層が活性層１２とクラッド層１１との間に設けられる場合、位相変調層１５Ａは、クラッド層１１と光ガイド層との間に設けられる。

　位相変調層１５Ａは、第１屈折率媒質からなる基本層１５ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり、基本層１５ａ内に存在する複数の異屈折率領域１５ｂとにより構成されている。複数の異屈折率領域１５ｂは、略周期構造を含んでいる。位相変調層１５Ａの実効屈折率をｎとした場合、位相変調層１５Ａが選択する波長λ_０（＝ａ×ｎ、ａは格子間隔）は、活性層１２の発光波長範囲内に含まれている。位相変調層（回折格子層）１５Ａは、活性層１２の発光波長のうちの波長λ_０を選択し、選択された波長の光を外部に出力することができる。位相変調層１５Ａ内に入射したレーザ光は、位相変調層１５Ａ内において異屈折率領域１５ｂの配置に応じた所定のモードを形成し、所望のパターンを有するレーザビームとして、レーザ素子２Ａの表面（発光面２ｂ）から外部に出射される。

　レーザ素子２Ａは、コンタクト層１４上に設けられた電極１６と、半導体基板１０の裏面１０ｂ上に設けられた電極１７とを更に備える。電極１６はコンタクト層１４とオーミック接触しており、電極１７は半導体基板１０とオーミック接触している。更に、電極１７は開口１７ａを有する。コンタクト層１４上における電極１６以外の部分は、保護膜１８（図２参照）によって覆われている。なお、電極１６と接触していないコンタクト層１４は、取り除かれてもよい。半導体基板１０の裏面１０ｂのうち電極１７以外の部分（開口１７ａ内を含む）は、反射防止膜１９によって覆われている。なお、開口１７ａ以外の領域にある反射防止膜１９は取り除かれてもよい。

　電極１６と電極１７との間に駆動電流が供給されると、活性層１２内において電子と正孔の再結合が生じる（発光）。この発光に寄与する電子および正孔、並びに発生した光は、クラッド層１１およびクラッド層１３の間に効率的に閉じ込められる。

　活性層１２から出射されたレーザ光は、位相変調層１５Ａの内部に入射し、位相変調層１５Ａの内部の格子構造に応じた所定のモードを形成する。位相変調層１５Ａ内で散乱されて出射されるレーザ光は、電極１６において反射し、裏面１０ｂから開口１７ａを通って外部へ出射される。このとき、レーザ光の０次光は、主面１０ａに垂直な方向へ出射される。これに対し、レーザ光の信号光は、主面１０ａに垂直な方向（法線方向）および該法線方向に対して所定の広がり角を有する方向に沿って出射される。所望の光像（特定の光像）を形成するのは信号光であって、０次光は本実施形態では使用されない。

　一例として、半導体基板１０はＧａＡｓ基板であり、クラッド層１１、活性層１２、位相変調層１５Ａ、クラッド層１３、およびコンタクト層１４は、それぞれIII族元素のＧａ，Ａｌ，ＩｎおよびＶ族元素のＡｓからなる群に含まれる元素により構成される化合物半導体層である。具体的な例としては、クラッド層１１はＡｌＧａＡｓ層であり、活性層１２は多重量子井戸構造（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）を有し、位相変調層１５Ａの基本層１５ａはＧａＡｓであり、異屈折率領域１５ｂは空孔であり、クラッド層１３はＡｌＧａＡｓ層であり、コンタクト層１４はＧａＡｓ層である。

　ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。Ａｌ_ＸＧａ_１－ＸＡｓにおいて、相対的に原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少（増加）させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さく（大きく）なる。また、ＧａＡｓに原子半径の大きなＩｎを混入させてＩｎＧａＡｓとすると、エネルギーバンドギャップは小さくなる。すなわち、クラッド層１１，１３のＡｌ組成比は、活性層１２の障壁層（ＡｌＧａＡｓ）のＡｌ組成比よりも大きい。クラッド層１１，１３のＡｌ組成比は例えば０．２～０．４に設定され、一例では０．３である。活性層１２の障壁層のＡｌ組成比は例えば０．１～０．１５に設定され、一例では０．１である。

　また、他の例として、半導体基板１０はＩｎＰ基板であり、クラッド層１１、活性層１２、位相変調層１５Ａ、クラッド層１３、およびコンタクト層１４は、III族元素のＧａ，Ａｌ，ＩｎおよびＶ族元素のＡｓからなる群に含まれる元素のみでは構成されない化合物半導体、例えばＩｎＰ系化合物半導体からなる。具体的な例としては、クラッド層１１はＩｎＰ層であり、活性層１２は多重量子井戸構造（障壁層：ＧａＩｎＡｓＰ／井戸層：ＧａＩｎＡｓＰ）を有し、位相変調層１５Ａの基本層１５ａはＧａＩｎＡｓＰであり、異屈折率領域１５ｂは空孔であり、クラッド層１３はＩｎＰ層であり、コンタクト層１４はＧａＩｎＡｓＰ層である。

　更に他の例として、半導体基板１０はＧａＮ基板であり、クラッド層１１、活性層１２、位相変調層１５Ａ、クラッド層１３、およびコンタクト層１４は、III族元素のＧａ，Ａｌ，ＩｎおよびＶ族元素のＡｓからなる群に含まれる元素のみでは構成されない化合物半導体層であり、例えば窒化物系化合物半導体からなる。具体的な例としては、クラッド層１１はＡｌＧａＮ層であり、活性層１２は多重量子井戸構造（障壁層：ＩｎＧａＮ／井戸層：ＩｎＧａＮ）を有し、位相変調層１５Ａの基本層１５ａはＧａＮであり、異屈折率領域１５ｂは空孔であり、クラッド層１３はＡｌＧａＮ層であり、コンタクト層１４はＧａＮ層である。

　なお、クラッド層１１には半導体基板１０と同じ導電型が付与され、クラッド層１３およびコンタクト層１４には半導体基板１０とは逆の導電型が付与される。一例では、半導体基板１０およびクラッド層１１はｎ型であり、クラッド層１３およびコンタクト層１４はｐ型である。位相変調層１５Ａは、活性層１２とクラッド層１１との間に設けられる場合、半導体基板１０と同じ導電型を有する。一方、位相変調層１５Ａは、活性層１２とクラッド層１３との間に設けられる場合、半導体基板１０とは逆の導電型を有する。なお、不純物濃度は例えば１×１０^１７～１×１０^２１／ｃｍ^３である。位相変調層１５Ａおよび活性層１２は、いずれの不純物も意図的に添加されていない真性（ｉ型）であり、その不純物濃度は１×１０^１５／ｃｍ^３以下である。

　クラッド層１１の厚さは１×１０³～３×１０³（ｎｍ）であり、一例では２×１０³（ｎｍ）である。活性層１２の厚さは１０～１００（ｎｍ）であり、一例では３０（ｎｍ）である。位相変調層１５Ａの厚さは５０～２００（ｎｍ）であり、一例では１００（ｎｍ）である。クラッド層１３の厚さは１×１０³～３×１０³（ｎｍ）であり、一例では２×１０³（ｎｍ）である。コンタクト層１４の厚さは５０～５００（ｎｍ）であり、一例では２００（ｎｍ）である。

　また、上述の構造では、異屈折率領域１５ｂが空孔となっているが、異屈折率領域１５ｂは、基本層１５ａとは屈折率が異なる半導体が空孔内に埋め込まれて形成されてもよい。その場合、例えば基本層１５ａの空孔がエッチングにより形成されてもよい。有機金属気相成長法、スパッタ法またはエピタキシャル法を用いて半導体が空孔内に埋め込まれてもよい。また、基本層１５ａの空孔内に半導体を埋め込むことにより異屈折率領域１５ｂが形成された後、更に、その上に異屈折率領域１５ｂと同一の半導体が堆積されてもよい。なお、異屈折率領域１５ｂが空孔である場合、該空孔にアルゴン、窒素、水素といった不活性ガスまたは空気が封入されてもよい。

　反射防止膜１９は、例えば、シリコン窒化物（例えばＳｉＮ）、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ_２）などの誘電体単層膜、或いは誘電体多層膜からなる。誘電体多層膜には、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）などの誘電体層群から選択される２種類以上の誘電体層が積層された膜が適用可能である。例えば、波長λの光に対する光学膜厚で、λ／４の厚さの膜が積層される。また、保護膜１８は、例えばシリコン窒化物（例えばＳｉＮ）、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ_２）などの絶縁膜である。

　なお、電極形状を変形し、コンタクト層１４の表面からレーザ光を出射することもできる。すなわち、電極１７の開口１７ａが設けられず、コンタクト層１４の表面において電極１６が開口している場合、レーザビームはコンタクト層１４の表面から外部に出射される。この場合、反射防止膜は、電極１６の開口内および周辺に設けられる。

　図４は、位相変調層１５Ａの平面図である。位相変調層１５Ａは、第１屈折率媒質からなる基本層１５ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなる異屈折率領域１５ｂとを含む。ここで、位相変調層１５Ａに、Ｘ―Ｙ面内における仮想的な正方格子が設定される。正方格子の一辺はＸ軸と平行であり、他辺はＹ軸と平行である。このとき、正方格子の格子点Ｏを中心とする正方形状の単位構成領域Ｒが、Ｘ軸に沿った複数列およびＹ軸に沿った複数行にわたって二次元状に設定され得る。複数の異屈折率領域１５ｂは、各単位構成領域Ｒ内に１つずつ設けられる。異屈折率領域１５ｂの平面形状は、例えば円形状である。各単位構成領域Ｒ内において、異屈折率領域１５ｂの重心Ｇ１は、これに最も近い格子点Ｏから離れて配置される。具体的には、Ｘ－Ｙ平面は、図２および図３に示されたレーザ素子２Ａの厚さ方向（Ｚ軸）に直交する平面であって、異屈折率領域１５ｂを含む位相変調層１５Ａの一方の面に一致している。正方格子を構成する単位構成領域Ｒそれぞれは、Ｘ軸方向の座標成分ｘ（１以上の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（１以上の整数）とで特定され、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）として表される。このとき、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の中心、すなわち格子点はＯ（ｘ，ｙ）で表される。なお、格子点Ｏは、異屈折率領域１５ｂの外部に位置しても良いし、異屈折率領域１５ｂの内部に含まれていても良い。

　異屈折率領域１５ｂが円形である場合は、その直径をＤとすれば、面積Ｓ＝π（Ｄ／２）^２である。１つの単位構成領域Ｒ内に占める異屈折率領域１５ｂの面積Ｓの比率をフィリングファクタ（ＦＦ）と規定する。１つの単位構成領域Ｒの面積は、仮想的な正方格子の１つの単位格子内の面積に等しい。

　図５に示されたように、正方格子を構成する単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）は、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）において互いに直交するｓ軸およびｔ軸によって規定される。なお、ｓ軸はＸ軸に平行な軸であり、ｔ軸はＹ軸に平行な軸である。このように単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）を規定するｓ－ｔ平面において、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から重心Ｇ１に向かう方向とｓ軸との成す角度がφ（ｘ，ｙ）で与えられる。回転角度φ（ｘ，ｙ）が０°である場合、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）と重心Ｇ１とを結ぶベクトルの方向はｓ軸の正方向と一致する。また、格子点Ｏ（ｘ，ｙ）と重心Ｇ１とを結ぶベクトルの長さがｒ（ｘ，ｙ）で与えられる。一例として、ｒ（ｘ，ｙ）は全単位構成領域において（位相変調層１５Ａ全体に亘って）一定である。

　図４に示されたように、位相変調層１５Ａにおいては、異屈折率領域１５ｂの重心Ｇ１の格子点Ｏ（ｘ，ｙ）周りの回転角度φ（ｘ，ｙ）が、所望の光像に応じて単位構成領域Ｒ毎に独立して設定される。回転角度φ（ｘ，ｙ）は、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において特定の値を有するが、必ずしも特定の関数で表わされるとは限らない。すなわち、回転角度φ（ｘ，ｙ）は、所望の光像を波数空間上に変換し、この波数空間の一定の波数範囲を二次元逆フーリエ変換して得られる複素振幅の位相項から決定される。なお、所望の光像から複素振幅分布（単位構成領域Ｒそれぞれの複素振幅）を求める際には、ホログラム生成の計算時に一般的に用いられるGerchberg-Saxton（ＧＳ）法のような繰り返しアルゴリズムを適用することによって、ビームパターンの再現性が向上する。

　図６は、位相変調層の特定領域内にのみ図４の屈折率の略周期構造が適用された例を示す平面図である。図６に示す例では、正方形の内側領域ＲＩＮの内部に、目的となるビームパターンを出射するための略周期構造（例：図４の構造）が形成されている。一方、内側領域ＲＩＮを囲む外側領域ＲＯＵＴには、正方格子の格子点位置に、重心位置が一致する真円形の異屈折率領域が配置されている。例えば、外側領域ＲＯＵＴにおけるフィリングファクターＦＦは、１２％に設定される。また、内側領域ＲＩＮの内部も、外側領域ＲＯＵＴ内においても、仮想的に設定される正方格子の格子間隔は同一（＝ａ）である。この構造の場合、外側領域ＲＯＵＴ内にも光が分布することにより、内側領域ＲＩＮの周辺部において光強度が急激に変化することで生じる高周波ノイズ（いわゆる窓関数ノイズ）の発生を抑制することが出来るという利点がある。また、面内方向への光漏れを抑制することができ、閾値電流の低減が期待できる。

　図７は、レーザ素子２Ａから出力されたビームパターンに相当する光像と、位相変調層１５Ａにおける回転角度φ（ｘ，ｙ）の分布との関係を説明するための図である。具体的には、レーザ素子２Ａから出射されるビームにより光像が形成される平面（ＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ,ｙ,ｚ）で表現される設計上の光像の設置面）を波数空間上に変換して得られるＫｘ－Ｋｙ平面について考える。このＫｘ－Ｋｙ平面を規定するＫｘ軸およびＫｙ軸は、互いに直交するとともに、それぞれが、ビームの出射方向を半導体基板１０の主面１０ａの法線方向から該主面１０ａまで振った時の該法線方向に対する角度に、上記式（１）～式（５）によって対応付けられている。このＫｘ－Ｋｙ平面上において、光像に相当するビームパターンを含む特定領域が、それぞれが正方形状のＭ２（１以上の整数）×Ｎ２（１以上の整数）個の画像領域ＦＲで構成されるものとする。また、位相変調層１５Ａ上のＸ－Ｙ平面上において設定された仮想的な正方格子が、Ｍ１（１以上の整数）×Ｎ１（１以上の整数）個の単位構成領域Ｒにより構成されるものとする。なお、整数Ｍ２は、整数Ｍ１と一致する必要はない。同様に、整数Ｎ２は、整数Ｎ１と一致する必要もない。このとき、Ｋｘ軸方向の座標成分ｋ_ｘ（１以上Ｍ２以下の整数）とＫｙ軸方向の座標成分ｋ_ｙ（１以上Ｎ２以下の整数）とで特定される、Ｋｘ－Ｋｙ平面における画像領域ＦＲ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）それぞれを、Ｘ軸方向の座標成分ｘ（１以上Ｍ１以下の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（１以上Ｎ１以下の整数）とで特定される単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）に２次元逆フーリエ変換した、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）における複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）が、ｊを虚数単位として、以下の式（１１）で与えられる。

　また、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において、振幅項をＡ（ｘ，ｙ）および位相項をＰ（ｘ，ｙ）とするとき、該複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）が、以下の式（１２）により規定される。

　図７に示されたように、座標成分ｘ＝１～Ｍ１およびｙ＝１～Ｎ１の範囲において、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）における振幅項をＡ（ｘ，ｙ）の分布が、Ｘ－Ｙ平面上における強度分布に相当する。また、ｘ＝１～Ｍ１，ｙ＝１～Ｎ１の範囲において、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）における位相項をＰ（ｘ，ｙ）の分布が、Ｘ－Ｙ平面上における位相分布に相当する。単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）における回転角度φ（ｘ，ｙ）は、後述するように、Ｐ（ｘ，ｙ）から得られ、座標成分ｘ＝１～Ｍ１およびｙ＝１～Ｎ１の範囲において、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の回転角度φ（ｘ，ｙ）の分布が、Ｘ－Ｙ平面上における回転角度分布に相当する。

　なお、Ｋｘ－Ｋｙ平面上における出力ビームパターンの中心Ｑは半導体基板１０の主面１０ａに対して垂直な軸線上に位置しており、図７には、中心Ｑを原点とする４つの象限が示されている。図７では、一例として第１象限および第３象限に光像が得られる場合が示されたが、第２象限および第４象限、あるいは、全ての象限で像を得ることも可能である。本実施形態では、図７に示されたように、原点に関して点対称な光像が得られる。図７は、一例として、第３象限に文字「Ａ」が、第１象限に文字「Ａ」を１８０°回転したパターンが、それぞれ得られる場合について示されている。なお、回転対称な光像（例えば、十字、丸、二重丸など）である場合には、重なって一つの光像として観察される。

　レーザ素子２Ａから出力されたビームパターン（光像）は、スポット、直線、十字架、線画、格子パターン、写真、縞状パターン、ＣＧ（コンピュータグラフィクス）、および文字のうち少なくとも１つで表現される設計上の光像（元画像）に対応した光像となる。ここで、所望の光像を得るためには、以下の手順によって単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）における異屈折率領域１５ｂの回転角度φ（ｘ、ｙ）を決定する。

　上述のように、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内では、異屈折率領域１５ｂの重心Ｇ１が格子点Ｏ（ｘ，ｙ）からｒ（ｘ，ｙ）だけ離れた状態で配置されている。このとき、単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内には、回転角度φ（ｘ，ｙ）が、以下の関係を満たすように異屈折率領域１５ｂは配置される。
           φ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×Ｐ（ｘ，ｙ）＋Ｂ
           Ｃ：比例定数であって例えば１８０°／π
           Ｂ：任意の定数であって例えば０
なお、比例定数Ｃおよび任意の定数Ｂは、全ての単位構成領域Ｒに対して同一の値である。

　すなわち、所望の光像を得たい場合、波数空間上に射影されたＫｘ－Ｋｙ平面上に形成される光像を位相変調層１５Ａ上のＸ－Ｙ平面上の単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）に二次元逆フーリエ変換し、その複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）の位相項Ｐ（ｘ，ｙ）に対応した回転角度φ（ｘ，ｙ）を、該単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置される異屈折率領域１５ｂに与えればよい。なお、レーザビームの二次元逆フーリエ変換後の遠視野像は、単一若しくは複数のスポット形状、円環形状、直線形状、文字形状、二重円環形状、または、ラゲールガウスビーム形状などの各種の形状をとることができる。なお、ビームパターンは波数空間上における波数情報で表わされるものであるので（Ｋｘ－Ｋｙ平面上）、目標とするビームパターンが２次元的な位置情報で表わされているビットマップ画像などの場合には、一旦波数情報に変換した後に二次元逆フーリエ変換を行うとよい。

　二次元逆フーリエ変換で得られた、Ｘ－Ｙ平面上における複素振幅分布から強度分布と位相分布を得る方法としては、例えば強度分布（Ｘ－Ｙ平面上における振幅項Ａ（ｘ，ｙ）の分布）については、ＭａｔｈＷｏｒｋｓ社の数値解析ソフトウェア「ＭＡＴＬＡＢ」のａｂｓ関数を用いることにより計算することができ、位相分布（Ｘ－Ｙ平面上における位相項Ｐ（ｘ，ｙ）の分布）については、ＭＡＴＬＡＢのａｎｇｌｅ関数を用いることにより計算することができる。

　ここで、光像の二次元逆フーリエ変換の結果から回転角度分布（Ｘ－Ｙ平面上における回転角度φ（ｘ，ｙ）の分布）を求め、単位構成領域Ｒそれぞれにおける異屈折率領域１５ｂの配置を決める際に、一般的な離散二次元逆フーリエ変換または高速二次元逆フーリエ変換を用いて計算する場合の留意点を述べる。二次元逆フーリエ変換前の光像（ＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ,ｙ,ｚ）で表現される所定平面上の設計上の光像）を、図８（ａ）に示された元画像のように、Ａ１，Ａ２，Ａ３，およびＡ４といった４つの象限に分割すると、得られるビームパターンが図８（ｂ）に示されたパターンになる。つまり、図８（ｂ）のビームパターンの第一象限には、図８（ａ）の第一象限を１８０°回転したパターンと図８（ａ）の第三象限のパターンが重畳したパターンが現れる。図８（ｂ）のビームパターンの第二象限には、図８（ａ）の第二象限を１８０°回転したパターンと図８（ａ）の第四象限のパターンが重畳したパターンが現れる。図８（ｂ）のビームパターンの第三象限には、図８（ａ）の第三象限を１８０°回転したパターンと図８（ａ）の第一象限のパターンが重畳したパターンが現れる。図８（ｂ）のビームパターンの第四象限には、図８（ａ）の第四象限を１８０°回転したパターンと図８（ａ）の第二象限のパターンが重畳したパターンが現れる。

　したがって、二次元逆フーリエ変換前の光像（元の光像）として、第一象限のみに値を有するパターンを用いた場合、得られるビームパターンの第三象限には元の光像の第一象限のパターンが現れる。一方、得られるビームパターンの第一象限には元の光像の第一象限を１８０°回転したパターンが現れる。

　次に、異屈折率領域１５ｂの重心Ｇ１と、仮想的な正方格子の格子点Ｏとの好適な距離について説明する。正方格子の格子間隔をａとすると、異屈折率領域１５ｂのフィリングファクターＦＦはＳ／ａ^２として与えられる。ただし、ＳはＸ―Ｙ平面における異屈折率領域１５ｂの面積であり、例えば真円形状の場合には、真円の直径Ｄを用いてＳ＝π×（Ｄ／２）^２として与えられる。また、正方形形状の場合には、正方形の一辺の長さＬＡを用いてＳ＝ＬＡ^２として与えられる。

　以下、位相変調層１５Ａの具体的な３構成について説明する。図９（ａ）は、各構成に共通の元パターンの画像であって、７０４×７０４の画素で構成される「光」の文字である。このとき、「光」の文字は第１象限に存在しており、第２象限～第４象限にはパターンが存在しない。図９（ｂ）は図９（ａ）を２次元フーリエ変換して強度分布を抽出した画像であり、７０４×７０４の要素で構成される。図９（ｃ）は図９（ａ）を２次元フーリエ変換して位相分布を抽出した画像であり、７０４×７０４の要素で構成される。これは同時に角度分布にも対応しており、図９（ｃ）は色の濃淡によって０～２π（ｒａｄ）の位相の分布を表わしている。色が黒い部分が位相０（ｒａｄ）を表わしている。

　図１０（ａ）は、図９（ｃ）に示された位相分布を実現するための位相変調層１５Ａの第１構成を示す画像であり、基本層１５ａは黒く示され、異屈折率領域１５ｂは白く示される。なお、この第１構成では、異屈折率領域１５ｂは７０４個×７０４個存在し、異屈折率領域１５ｂの平面形状は真円であり、正方格子の格子間隔ａを２８４ｎｍである。図１０（ａ）は、異屈折率領域１５ｂの直径Ｄを１１１ｎｍ、仮想的な正方格子の格子点Ｏと異屈折率領域１５ｂの重心Ｇ１との距離ｒを８．５２ｎｍとした場合を示す。このとき、異屈折率領域１５ｂのフィリングファクターＦＦは１２％であり、距離ｒは０．０３ａとなる。図１０（ｂ）は、異屈折率領域全体をフーリエ変換することで得られた予想ビームパターンである。

　図１１は、位相変調層１５Ａの第１構成（サンプル１）におけるフィリングファクターＦＦと距離ｒ（ａ）との関係に応じた、出力ビームパターンのＳ／Ｎ比、すなわち所望のビームパターンとノイズの強度比を示すグラフである。また、図１２は、図１１の場合（第１構成のサンプル１）の距離ｒ（ａ）とＳ／Ｎ比の関係を示すグラフである。この構造の場合、少なくとも距離ｒが０．３ａ以下の場合には、Ｓ／Ｎは０．３ａを超えた場合よりも高くなり、距離ｒが０．０１ａ以上の場合には、０の場合よりもＳ／Ｎが高くなることが分かる。特に、図１２を参照すると、これらの数値範囲内にＳ／Ｎ比のピークが存在する。すなわち、Ｓ／Ｎ比の向上の観点から、距離ｒは、０＜ｒ≦０．３ａが好ましく、０．０１ａ≦ｒ≦０．３ａが更に好ましく、０．０３ａ≦ｒ≦０．２５が更に好ましい。ただし、ｒが０．０１ａより小さい場合でもＳ／Ｎ比は小さいもののビームパターンは得られる。

　図１３（ａ）は、図９（ｃ）に示された位相分布を実現するための異屈折率領域１５ｂの配置を示す画像（位相変調層１５Ａの第２構成）であり、基本層１５ａは黒く示され、異屈折率領域１５ｂは白く示される。この第２構成では、異屈折率領域１５ｂの平面形状は正方形であり、異屈折率領域１５ｂの個数、および正方格子の格子間隔ａを第１構成と同じとした。図１３（ａ）は、異屈折率領域１５ｂの一辺の長さＬを９８．４ｎｍとし、仮想的な正方格子の格子点Ｏと異屈折率領域１５ｂの重心Ｇ１との距離ｒを８．５２ｎｍとした場合を示す。このとき、異屈折率領域１５ｂのフィリングファクターＦＦは１２％であり、距離ｒは０．０３ａとなる。図１３（ｂ）は、異屈折率領域全体をフーリエ変換することで得られた予想ビームパターンである。

　図１４は、位相変調層の第２構成（サンプル２）におけるフィリングファクターＦＦと距離ｒ（ａ）との関係に応じた、出力ビームパターンのＳ／Ｎ比、すなわち所望のビームパターンとノイズの強度比を示すグラフである。また、図１５は、図１４の場合（第２構成のサンプル２）の距離ｒ（ａ）とＳ／Ｎ比の関係を示すグラフである。この構造の場合においても、少なくとも距離ｒが０．３ａ以下の場合には、Ｓ／Ｎは０．３ａを超えた場合よりも高くなり、距離ｒが０．０１ａ以上の場合には、０の場合よりもＳ／Ｎが高くなることが分かる。特に、図１５を参照すると、これらの数値範囲内にＳ／Ｎ比のピークが存在する。すなわち、Ｓ／Ｎ比の向上の観点から、距離ｒは、０＜ｒ≦０．３ａが好ましく、０．０１ａ≦ｒ≦０．３ａが更に好ましく、０．０３ａ≦ｒ≦０．２５が更に好ましい。ただし、ｒが０．０１ａより小さい場合でもＳ／Ｎ比は小さいもののビームパターンは得られる。

　図１６（ａ）は、図９（ｃ）に示された位相分布を実現するための異屈折率領域１５ｂの配置を示す画像（位相変調層１５Ａの第３構成）であり、基本層１５ａは黒く示され、異屈折率領域１５ｂは白く示される。この第３構成では、異屈折率領域１５ｂの平面形状は２つの真円を相互にずらして重ねた形状であり、一方の真円の重心を格子点Ｏと一致させた。異屈折率領域１５ｂの個数、および正方格子の格子間隔ａは第１構成と同じとした。図１０（ａ）は、２つの真円の直径を共に１１１ｎｍとし、他方の真円の重心と格子点Ｏとの距離ｒを１４．２０ｎｍとした場合を示す。このとき、異屈折率領域１５ｂのフィリングファクターＦＦは１２％であり、距離ｒは０．０５ａとなる。図１６（ｂ）は、異屈折率領域全体をフーリエ変換することで得られた予想ビームパターンである。

　図１７は、位相変調層１５Ａの第３構成（サンプル３）におけるフィリングファクターＦＦと距離ｒ（ａ）との関係に応じた、出力ビームパターンのＳ／Ｎ比、すなわち所望のビームパターンとノイズの強度比を示すグラフである。また、図１８は、図１７の場合（第３構成のサンプル３）の距離ｒ（ａ）とＳ／Ｎ比の関係を示すグラフである。この構造の場合においても、少なくとも距離ｒが０．３ａ以下の場合には、Ｓ／Ｎは０．３ａを超えた場合よりも高くなり、距離ｒが０．０１ａ以上の場合には、０の場合よりもＳ／Ｎが高くなることが分かる。特に、図１８を参照すると、これらの数値範囲内にＳ／Ｎ比のピークが存在する。すなわち、Ｓ／Ｎ比の向上の観点から、距離ｒは、０＜ｒ≦０．３ａが好ましく、０．０１ａ≦ｒ≦０．３ａが更に好ましく、０．０３ａ≦ｒ≦０．２５が更に好ましい。ただし、ｒが０．０１ａより小さい場合でもＳ／Ｎ比は小さいもののビームパターンは得られる。

　なお、図１１（サンプル１）、図１４（サンプル２）、および図１７（サンプル３）において、Ｓ／Ｎ比が０．９、０．６、０．３を超える領域は、以下の関数で与えられる。なお、図１２（サンプル１）、図１５（サンプル２）、および図１８（サンプル３）において、ＦＦ３、ＦＦ６、ＦＦ９、ＦＦ１２、ＦＦ１５、ＦＦ１８、ＦＦ２１、ＦＦ２４、ＦＦ２７，ＦＦ３０は、それぞれ、ＦＦ＝３％、ＦＦ＝６％、ＦＦ＝９％、ＦＦ＝１２％、ＦＦ＝１５％、ＦＦ＝１８％、ＦＦ＝２１％、ＦＦ＝２４％、ＦＦ＝２７％，ＦＦ＝３０％を示す。
（図１１においてＳ／Ｎが０．９以上）
ＦＦ＞０．０３、かつ、
ｒ＞０．０６、かつ、
ｒ＜－ＦＦ＋０．２３、かつ
ｒ＞－ＦＦ＋０．１３
（図１１においてＳ／Ｎが０．６以上）
ＦＦ＞０．０３、かつ、
ｒ＞０．０３、かつ、
ｒ＜－ＦＦ＋０．２５、かつ、
ｒ＞－ＦＦ＋０．１２
（図１１においてＳ／Ｎが０．３以上）
ＦＦ＞０．０３、かつ、
ｒ＞０．０２、かつ、
ｒ＜－（２／３）ＦＦ＋０．３０、かつ
ｒ＞－（２／３）ＦＦ＋０．０８３
（図１４においてＳ／Ｎが０．９以上）
ｒ＞－２ＦＦ＋０．２５、かつ、
ｒ＜－ＦＦ＋０．２５、かつ、
ｒ＞ＦＦ－０．０５
（図１４においてＳ／Ｎが０．６以上）
ＦＦ＞０．０３、かつ、
ｒ＞０．０４、かつ、
ｒ＜－（３／４）ＦＦ＋０．２３７５、かつ、
ｒ＞－ＦＦ＋０．１５
（図１４においてＳ／Ｎが０．３以上）
ＦＦ＞０．０３、かつ、
ｒ＞０．０１、かつ、
ｒ＜－（２／３）ＦＦ＋１／３、かつ
ｒ＞－（２／３）ＦＦ＋０．１０
（図１７においてＳ／Ｎが０．９以上）
ｒ＞０．０２５、かつ、
ｒ＞－（４／３）ＦＦ＋０．２０、かつ
ｒ＜－（２０／２７）ＦＦ＋０．２０
（図１７においてＳ／Ｎが０．６以上）
ＦＦ＞０．０３、かつ、
ｒ＞０．０２、かつ、
ｒ＞－（５／４）ＦＦ＋０．１６２５、かつ、
ｒ＜－（１３／１８）ＦＦ＋０．２２２
（図１７においてＳ／Ｎが０．３以上）
ＦＦ＞０．０３、かつ、
ｒ＞０．０１、かつ、
ｒ＜－（２／３）ＦＦ＋０．３０、かつ、
ｒ＞－（１０／７）ＦＦ＋１／７

　なお、上述の構造において、活性層１２および位相変調層１５Ａを含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成は様々に変更され得る。ここで、仮想的な正方格子からの摂動が０の場合のいわゆる正方格子フォトニック結晶レーザに関してはスケーリング則が成り立つ。すなわち、波長が定数α倍となった場合には、正方格子構造全体をα倍することによって同様の定在波状態を得ることが出来る。同様に、本実施形態においても、波長に応じたスケーリング則によって位相変調層１５Ａの構造を決定することが可能である。したがって、青色、緑色、赤色などの光を発光する活性層１２を用い、かつ、波長に応じたスケーリング則を適用することで、可視光を出力するレーザ素子２Ａを実現することも可能である。

　レーザ素子２Ａを製造する際、各化合物半導体層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により得られる。半導体基板１０の（００１）面上に結晶成長が行われるが、これに限られるものではない。また、ＡｌＧａＮを用いたレーザ素子２Ａの製造においては、ＡｌＧａＡｓの成長温度は５００℃～８５０℃であって、実験では５５０～７００℃が採用された。成長時におけるＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｓ原料としてはＡｓＨ₃（アルシン）、Ｎ型不純物用の原料としてＳｉ₂Ｈ₆（ジシラン）、Ｐ型不純物用の原料としてＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）が用いられる。ＧａＡｓの成長においては、ＴＭＧとアルシンが用いられるが、ＴＭＡは用いられない。ＩｎＧａＡｓは、ＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアルシンを用いて製造される。絶縁膜は、その構成物質を原料としてターゲットをスパッタすることで形成されればよい。

　すなわち、上述のレーザ素子２Ａは、まず、Ｎ型の半導体基板１０としてのＧａＡｓ基板上に、ｎ型のクラッド層１１としてのＡｌＧａＡｓ層、活性層１２としてのＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造、位相変調層１５Ａの基本層１５ａとしてのＧａＡｓ層が、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて順次、エピタキシャル成長される。次に、エピタキシャル成長後のアライメントをとるため、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法により、ＳｉＮ層が基本層１５ａ上に形成され、次に、レジストがＳｉＮ層上に形成される。更に、レジストが露光・現像され、レジストをマスクとしてＳｉＮ層がエッチングされ、ＳｉＮ層の一部残留させた状態でアライメントマークが形成される。残ったレジストは除去される。

　次に、基本層１５ａに別のレジストが塗布され、アライメントマークを基準としてレジスト上に電子ビーム描画装置で２次元微細パターンが描画される。描画後にレジストを現像することで該レジスト上に２次元微細パターンが形成される。その後、レジストをマスクとして、ドライエッチングにより２次元微細パターンが基本層１５ａ上に転写され、孔（穴）の形成後にレジストが除去される。孔の深さは、例えば１００ｎｍである。これらの孔を異屈折率領域１５ｂとするか、或いは、これらの孔の中に、異屈折率領域１５ｂとなる化合物半導体（ＡｌＧａＡｓ）を孔の深さ以上に再成長させる。孔を異屈折率領域１５ｂとする場合、孔内に空気、窒素またはアルゴン等の気体を封入してもよい。次に、クラッド層１３としてのＡｌＧａＡｓ層、コンタクト層１４としてのＧａＡｓ層が順次ＭＯＣＶＤで形成された後、電極１６，１７が蒸着法またはスパッタ法により形成される。また、必要に応じて、保護膜１８および反射防止膜１９がスパッタ等により形成される。

　なお、位相変調層１５Ａが活性層１２とクラッド層１１との間に設けられる場合には、活性層１２の形成前に、クラッド層１１上に位相変調層１５Ａが形成されればよい。また、仮想的な正方格子の格子間隔ａは、波長を等価屈折率で除算した程度であり、例えば３００ｎｍ程度に設定される。

　なお、格子間隔ａの正方格子の場合、直交座標の単位ベクトルをｘ、ｙとすると、基本並進ベクトルａ_１＝ａｘ、ａ_２＝ａｙであり、並進ベクトルａ_１、ａ_２に対する基本逆格子ベクトルｂ_１＝（２π／ａ）ｙ、ｂ_２＝（２π／ａ）ｘである。格子の中に存在する波の波数ベクトルがｋ＝ｎｂ_１＋ｍｂ_２（ｎ、ｍは任意の整数）の場合に、波数ｋはΓ点に存在する。なかでも波数ベクトルの大きさが基本逆格子ベクトルの大きさに等しい場合には、格子間隔ａが波長λに等しい共振モード（Ｘ―Ｙ平面内における定在波）が得られる。本実施形態では、このような共振モード（定在波状態）における発振が得られる。このとき、正方格子と平行な面内に電界が存在するようなＴＥモードを考えると、このように格子間隔と波長が等しい定在波状態は正方格子の対称性から４つのモードが存在する。本実施形態では、この４つの定在波状態のいずれのモードで発振した場合においても同様に所望のビームパターンが得られる。

　なお、上述の位相変調層１５Ａ内の定在波が孔形状によって散乱され、面垂直方向に得られる波面が位相変調されていることによって所望のビームパターンが得られる。このため偏光板がなくとも所望のビームパターンが得られる。このビームパターンは、一対の単峰ビーム（スポット）であるばかりでなく、上述のように、文字形状、２以上の同一形状スポット群、或いは、位相、強度分布が空間的に不均一であるベクトルビームなどとすることも可能である。

　なお、基本層１５ａの屈折率は３．０～３．５、異屈折率領域１５ｂの屈折率は１．０～３．４であることが好ましい。また、基本層１５ａの孔内の各異屈折率領域１５ｂの平均径は例えば、３８ｎｍ～７６ｎｍである。この孔の大きさが変化することによってＺ軸方向への回折強度が変化する。この回折効率は、異屈折率領域１５ｂの形状をフーリエ変換した際の一次の係数で表される光結合係数κ1に比例する。光結合係数については、例えばK. Sakai et al., “Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers With TE Polarization, IEEE J.Q. E. 46, 788-795 (2010)”に記載されている。

　続いて、図１に示された光遮蔽部材３について詳細に説明する。光遮蔽部材３は、例えばレーザ素子２Ａを収容する筐体に支持されているか、或いは筐体の一部を構成する板状の部材である。或いは、光遮蔽部材３は、レーザ素子２Ａ上に直接形成されていてもよい。光遮蔽部材３は、レーザ素子２Ａの発光面２ｂの重心位置において直交する軸線、すなわち図１に示されたＺ軸と、その一部が交差するように配置される。また、光遮蔽部材３の一方の板面はレーザ素子２Ａの発光面２ｂと対向している。より詳細には、この軸線は、発光面２ｂの中心（矩形の発光面２ｂの重心位置）すなわち開口１７ａの中心を通る。レーザ素子２Ａからは、この軸線に沿って、すなわち発光面２ｂの法線方向に沿って０次光が出力される。

　図１９（ａ）～図１９（ｃ）は、レーザ素子２Ａから出力されるビームパターン（光像）の例を示す。図１９（ａ）～図１９（ｃ）それぞれの中心が、レーザ素子２Ａの発光面２ｂに直交する軸線に対応する。これら図１９（ａ）～図１９（ｃ）に示されたように、発光面２ｂから出力される光像は、該軸線上に輝点として現れる０次光Ｂ１と、該軸線に対して傾斜した第１方向に出力される第１光像部分Ｂ２と、該軸線に関して対称である第２方向に出力され、かつ、該軸線に関して第１光像部分Ｂ２と回転対称である第２光像部分Ｂ３と、を含む。典型的には、第１光像部分Ｂ２はＸ―Ｙ平面内の第１象限に出力され、第２光像部分Ｂ３はＸ―Ｙ平面内の第３象限に出力される。

　本実施形態の光遮蔽部材３は、このような光像のうち所望の光像（例えば第１光像部分Ｂ２）を通過させるとともに、輝点として現れる０次光Ｂ１を少なくとも遮蔽するように配置される。より好適には、光遮蔽部材３は、所望の光像でない第２光像部分Ｂ３を更に遮蔽する。光遮蔽部材３は、少なくともレーザ素子２Ａ側の面に光吸収材を含むことにより、０次光および第２光像部分Ｂ３を吸収してもよい。また、光遮蔽部材３は、レーザ素子２Ａの発光波長の光さえ遮蔽すれば、他の波長の光を透過してもよい。光遮蔽部材３の構成材料としては、例えばＡｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌなどの金属薄膜が挙げられる。また、光吸収材としては、例えばシアニン色素、フタロシアニン化合物、ナフタロシアニン化合物、ニッケルジチオレン錯体、スクアリウム色素、キノン系化合物、ジインモニウム化合物、アゾ化合物、六ホウ化ランタン、セシウム酸化タングステン、ＩＴＯ、アンチモン酸化スズが挙げられる。

　ここで、Ｚ軸方向における光遮蔽部材３と発光面２ｂとの好適な距離、およびＸ－Ｙ平面内における光遮蔽部材３の好適な位置について詳細に検討する。光遮蔽部材３の好適な範囲としては、いわゆる遠視野像の範囲（フラウンホーファー回折領域）が考えられる。しかしながら、フラウンホーファー回折領域のＺ軸方向の範囲は、Ｌを開口１７ａの最大幅、λを波長とすると、ｚ＞Ｌ²／λとして与えられる（ユージンヘクト著「ヘクト光学II」２４４頁）。開口１７ａの幅Ｌを例えば４００μｍとし、波長λを９４０ｎｍとすると、ｚ＞１７０ｍｍとなる。また、幅Ｌを２００μｍとし、λを９４０ｎｍとすると、ｚ＞４２ｍｍとなる。いずれの場合も遠視野像となるのは発光面２ｂから数ｃｍ以上離れた位置であり、一辺の長さが１ｍｍ未満のレーザ素子２Ａ上のそのような離れた位置に光遮蔽部材３を配置することには困難を伴う場合がある。そこで、本発明者は、より発光面２ｂに近い位置に光遮蔽部材３を設けることを検討した。

　いわゆるフレネル回折像、フラウンホーファー回折像の計算式では近似が用いられており、それぞれ適用可能な距離の範囲が限られている。そこで、本発明者は、下記に示すように、近似を用いずに発光面２ｂからの距離ｚにおける回折像の計算を行った（以下の式（１３））。なお、回折計算に用いる条件を図２０のように設定した。すなわち、位相変調層１５Ａのうち発光が得られる部分、すなわち位相変調層１５Ａのなかで電極１６に対応する部分から発生する光がどのように回折するかについて計算した。図２０の例では、マスク１００の開口部Ｈが位相変調層１５Ａのなかで電極１６に対応する部分に対応している。以降、開口部Ｈの幅を開口サイズ（電極サイズ）と呼称する。また、回折像の計算に当たり、ホイヘンス－フレネル原理の第一レーリー・ゾンマーフェルト解（Joseph W. Goodman著「フーリエ光学」３．５節）を用いた。また、０次光を再現するため、発光面２ｂ上での複素振幅分布全体に一定値が重畳された。

なお、上記式（１３）において、Ｕ（Ｐ）は或る位置Ｐにおける複素振幅を表し、Ｐ₀は回折像が得られる観測点の位置を表し、Ｐ₁は開口部Ｈ（すなわち位相変調層１５Ａのなかで電極１６に対応する部分）の位置を表し、λは平面波の波長を表し、Σは開口部の面積を表し、ｋは波数を表し、ｒ₀₁は開口部の面上の点と回折像面上の点との距離（すなわちベクトルｒ₀₁の長さ）を表す。ここで、ベクトルｎは開口部Ｈに垂直な単位ベクトルを表す。なお、図２０中のチルダ「~」付きのＰ₀は、計算の便宜上設定された点であり、Ｐ₀とＰ₁に関して反対側の対称な位置にあり、Ｐ₀と位相が１８０°異なっている点である。

　図２１（ａ）は、上記の回折計算に用いたターゲット画像を示す図である。また、図２１（ｂ）および図２１（ｃ）は、それぞれ格子間隔ａ＝２８２ｎｍ、１４１ｎｍの場合の位相変調層１５Ａにおける位相分布を色の濃淡で示す図である。なお、ターゲット画像の要素数を２５６×２５６としたので、位相変調層１５Ａにおける位相分布の要素数も、図２１（ｂ）および図２１（ｃ）共に２５６×２５６となる。ただし、格子間隔の違いを反映して、格子間隔ａが２８２ｎｍである場合には開口サイズ（電極サイズ）が一辺７２．２μｍ、格子間隔ａが１４１ｎｍである場合には開口サイズ（電極サイズ）が一辺３６．１μｍとなる。

　図２２は、上記の計算結果を示すグラフであって、或る回折像面における回折像のＺ軸側の一端とＺ軸との距離をｄ（μｍ）とし、該回折像面と発光面２ｂとの距離をｚ（μｍ）としたときの距離ｄと距離ｚとの相関を示す。また、図２３～図２７は、このグラフの元となった回折像の一部を示す。図２３は、位相分布の要素数１２８×１２８、格子間隔ａ＝２８２ｎｍ、開口サイズ（電極サイズ）一辺３６．１μｍ、波長λ＝９４０ｎｍの場合を示す。図２４は、位相分布の要素数２５６×２５６、格子間隔ａ＝２８２ｎｍ、開口サイズ（電極サイズ）一辺７２．２μｍ、波長λ＝９４０ｎｍの場合を示す。図２５は、位相分布の要素数５１２×５１２、格子間隔ａ＝２８２ｎｍ、開口サイズ（電極サイズ）一辺１４４．４μｍ、波長λ＝９４０ｎｍの場合を示す。図２６は、位相分布の要素数３８４×３８４、格子間隔ａ＝２８２ｎｍ、開口サイズ（電極サイズ）一辺１０８．３μｍ、波長λ＝９４０ｎｍの場合を示す。図２７は、位相分布の要素数１０２４×１０２４、格子間隔ａ＝２８２ｎｍ、開口サイズ（電極サイズ）一辺２８８．８μｍ、波長λ＝９４０ｎｍの場合を示す。

　図２２を参照すると、開口サイズ（電極サイズ）Ｌにかかわらず、距離ｄと距離ｚとはおおよそ比例関係にあることがわかる。また、図２８は、距離ｄと開口サイズ（電極サイズ）Ｌとの積（ｄ×Ｌ）と、距離ｚとの相関を示すグラフである。図２８を参照すると、積（ｄ×Ｌ）と距離ｚとはおおよそ比例関係にあることがわかる。以上のことから、以下の式（１４）が成り立つ。

このことを踏まえ、Ｚ軸を含む基準平面ＲＰ（図１参照）上における発光面２ｂと光遮蔽部材３との位置関係の模式図が図２９に示されている。図２９において、レーザ素子２Ａの発光面２ｂから、発光面２ｂに垂直なＺ軸方向に沿って０次光Ｂ１が出射されており、また、発光面２ｂから、Ｚ軸方向に対して傾斜した方向（傾斜方向）に所望の第１光像部分Ｂ２が出射されている。そして、光遮蔽部材３が、０次光Ｂ１の全部を遮蔽し、第１光像部分Ｂ２の全部を通過するように配置されている。

　図３０は、第１光像部分Ｂ２のＺ軸側の端縁と、０次光Ｂ１の第１光像部分Ｂ２側の端縁との交点Ｖ付近を拡大して示す図である。ここで、図３０に示された三角形ＤＬに着目する。三角形ＤＬは直角三角形であり、辺ＤＬ１は発光面２ｂの一端２ｃからＺ軸と平行に延びる線分であり、辺ＤＬ２はＺ軸に対して垂直に交点Ｖから辺ＤＬ１まで延びる線分であり、斜辺ＤＬ３は発光面２ｂの一端２ｃと交点Ｖとを結ぶ線分である。この三角形ＤＬに着目すると、以下の式（１５）が成り立つ。

また、上記式（１５）を変形すると、以下の式（１６）が得られる。ただし、Ｗ_ｚは以下の式（１７）により与えられる。

ここで、Ｗ_zは距離ｚにおける０次光Ｂ１のビーム幅（Ｚ軸を含む基準平面ＲＰ上で規定）であり、Ｌは基準平面ＲＰ上で規定される発光面２ｂの幅（図２９参照）であり、θ_PBは該基準平面ＲＰにおける第１光像部分Ｂ２のＺ軸側の端縁とＺ軸との成す角（図３０参照）であり、λは活性層１２の発光波長である。また、上記式（１７）におけるｚ₀はレーリー領域を表し、以下の式（１８）により導かれる。

　したがって、発光面２ｂから光遮蔽部材３までの距離ｚは、上記数式（１６）で規定されるｚ_shよりも長いことが好ましい。これにより、０次光Ｂ１と第１光像部分Ｂ２とが分離した箇所（すなわち交点Ｖよりも遠方）において光遮蔽部材３を配置することができる。また、Ｚ軸から光遮蔽部材３の端縁３ｃまでの距離Ｗａ（図２９参照）が、上記の数式（１７）で規定されるビーム幅Ｗ_zの半分よりも長いことが好ましい。これにより、光遮蔽部材３の端縁３ｃを、０次光Ｂ１と第１光像部分Ｂ２との間に配置することができる。

　ここで、上記式（１７）について補足する。図３１は、ガウスビームのビームウェストにおけるビーム半径の変化を示すグラフである。本検討では、０次光Ｂ１に関してはガウスビームとみなす。ガウスビームのビーム半径Ｗ（ｚ）は以下の式（１９）によって与えられる。

ただし、Ｗ₀はビームウェスト半径である。また、ｚ₀はレーリー領域であり、以下の式（２０）によって与えられる。

ビーム半径Ｗ（ｚ）は、ｚの増加とともに徐々に大きくなり、ｚ＝ｚ₀のときに√２Ｗ₀に達し、ｚに対して単調に増加し続ける。ｚがｚ₀よりも十分に大きい場合には、上記式（１９）の第１項は無視されて、以下の式（２１）で表わされる線形な関係が得られる。なお、θ₀は遠方でのビーム角度である（図３１参照）。

ここで、上記式（２０）から以下の式（２２）で表わされる関係が得られるので、ビーム角θ₀は以下の式（２３）で表わされる。つまり、遠方でのビーム角度θ₀は波長λに比例し、ビームウェスト径Ｗ₀に反比例する。

　以上を踏まえ、０次光Ｂ１のビーム径について考える。電極１７の一辺の長さをＬとし、波長をλとすると、距離ｚが以下の式（２４）を満たす場合、ビーム半径Ｒ１は次の数式（２５）を満たす。

また、距離ｚが上記式（２４）の右辺よりも大きくなると、ビーム半径Ｒ１は次の数式（２６）を満たす。

　図３２（ａ）～図３２（ｄ）および図３３（ａ）～図３３（ｄ）は、光遮蔽部材３の配置の具体例を示す平面図である。なお、これらの図において、破線で示された範囲Ｅは、０次光Ｂ１の照射範囲を表す。照射範囲Ｅの平面形状は正方形であり、その一辺の長さはＷ_zであり、その中心はＺ軸上（Ｘ―Ｙ平面に平行なＸｓ－Ｙｓ平面の原点）に位置する。いずれの形態においても、光遮蔽部材３がＺ軸を重なるとともに、光遮蔽部材３の端縁３ｃがＺ軸から距離Ｗ_z／２だけ離れており、光遮蔽部材３は０次光Ｂ１の照射範囲Ｅを完全に含むように配置されている。

　図３２（ａ）では、光遮蔽部材３が、第３象限および第４象限を全て覆うように配置されている。このような配置は、不要な第２光像部分Ｂ３（図１９（ａ）～図１９（ｃ）を参照）が第３象限若しくは第４象限（またはその両方）に存在する場合に有効である。また、図３２（ｂ）では、光遮蔽部材３が、第１象限および第２象限を全て覆うように配置されている。このような配置は、不要な第２光像部分Ｂ３が第１象限若しくは第２象限（またはその両方）に存在する場合に有効である。また、図３２（ｃ）では、光遮蔽部材３が、第２象限および第３象限を全て覆うように配置されている。このような配置は、不要な第２光像部分Ｂ３が第２象限若しくは第３象限（またはその両方）に存在する場合に有効である。また、図３２（ｄ）では、光遮蔽部材３が、第１象限および第４象限を全て覆うように配置されている。このような配置は、不要な第２光像部分Ｂ３が第１象限若しくは第４象限（またはその両方）に存在する場合に有効である。

　また、図３３（ａ）では、光遮蔽部材３が、第１象限を全て覆うように配置されている。このような配置は、不要な第２光像部分Ｂ３が第１象限に存在する場合に有効である。また、図３３（ｂ）では、光遮蔽部材３が、第２象限を全て覆うように配置されている。このような配置は、不要な第２光像部分Ｂ３が第２象限に存在する場合に有効である。また、図３３（ｃ）では、光遮蔽部材３が、第３象限を全て覆うように配置されている。このような配置は、不要な第２光像部分Ｂ３が第３象限に存在する場合に有効である。また、図３３（ｄ）では、光遮蔽部材３が、第４象限を全て覆うように配置されている。このような配置は、不要な第２光像部分Ｂ３が第４象限に存在する場合に有効である。

　以上の構成を備える、本実施形態に係る発光装置１Ａによって得られる効果について説明する。レーザ素子２Ａにおいては、活性層１２に光学的に結合した位相変調層１５Ａが、基本層１５ａと、基本層１５ａとは屈折率が異なる複数の異屈折率領域１５ｂとを有する。仮想的な正方格子を構成する単位構成領域Ｒそれぞれにおいて、異屈折率領域１５ｂの重心Ｇ１が格子点Ｏ（単位構成領域Ｒｎｏ中心）から離れて配置され、かつ、格子点Ｏから重心Ｇ１へのベクトルの向きが異屈折率領域１５ｂごとに個別に設定されている。このような場合、格子点Ｏから重心Ｇ１へのベクトルの向き、すなわち重心Ｇ１の格子点Ｏ周りの角度位置に応じて、ビームの位相が変化する。すなわち、重心Ｇ１の位置を変更するのみで、各異屈折率領域１５ｂから出射されるビームの位相を制御することができ、全体として形成されるビームパターンを所望の形状とすることができる。

　すなわち、このレーザ素子２ＡはＳ－ｉＰＭレーザであり、発光面２ｂの法線方向および該法線方向に対して所定の傾きと広がり角を有する傾斜方向に沿って任意形状の光像を出力することができる。さらに、この発光装置１Ａにおいては、光遮蔽部材３が、発光面２ｂの重心位置において直交する軸線（すなわちＺ軸）に少なくとも重なるように設けられ、所望の光像を通過させるとともに０次光Ｂ１を遮蔽する。これにより、Ｓ－ｉＰＭレーザの出力から０次光Ｂ１を取り除くことができる。

　また、本実施形態のように、光像が第１光像部分Ｂ２と第２光像部分Ｂ３とを含む場合、光遮蔽部材３は第２光像部分Ｂ３を更に遮蔽してもよい。これにより、第１光像部分Ｂ２が所望の光像である場合に、不要な第２光像部分Ｂ３をも効果的に取り除くことができる。

　また、本実施形態のように、光遮蔽部材３は光吸収材を含んでもよい。光遮蔽部材３が０次光Ｂ１を反射すると、その反射光がレーザ素子２Ａに再び入射し、レーザ素子２Ａの内部の動作に影響を及ぼすおそれがある。光遮蔽部材３が光吸収材を含むことにより、０次光Ｂ１を吸収することができ、０次光Ｂ１がレーザ素子２Ａに再び入射することを抑制できる。

　（第１変形例）
  図３４は、上記実施形態の一変形例に係る位相変調層１５Ｂの平面図である。本変形例の位相変調層１５Ｂは、上記実施形態の位相変調層１５Ａの構成に加えて、複数の異屈折率領域１５ｃを更に有する。異屈折率領域１５ｃそれぞれは、周期構造を含んでおり、基本層１５ａの第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなる。異屈折率領域１５ｃは、異屈折率領域１５ｂにそれぞれ一対一に対応して設けられている。そして、異屈折率領域１５ｃの重心Ｇ２は、それぞれ仮想的な正方格子の格子点Ｏ（単位構成領域Ｒそれぞれの中心）と一致する。異屈折率領域１５ｃの平面形状は例えば円形である。異屈折率領域１５ｃは、異屈折率領域１５ｂと同様に、空孔であってもよく、空孔に化合物半導体が埋め込まれて構成されてもよい。例えば本変形例のような位相変調層の構成であっても、上記実施形態の効果を好適に奏することができる。

　（第２変形例）
  図３５および図３６は、異屈折率領域１５ｂのＸ―Ｙ平面内の形状の例を示す平面図である。図３５（ａ）に示された例（パターン１～５）では、異屈折率領域１５ｂのＸ―Ｙ平面内の形状は、回転対称性を有している。すなわち、それぞれの異屈折率領域のＸ―Ｙ平面内の形状は、真円（パターン１）、正方形（パターン２）、正六角形（パターン３）、正八角形（パターン４）または正１６角形（パターン５）である。図３５（ａ）の図形は、回転非対称図形と比較して、パターンが回転方向にずれても、影響が少ないため、高い精度でパターニングすることが可能である。

　図３５（ｂ）に示された例（パターン１～３）では、それぞれの異屈折率領域のＸ―Ｙ平面内の形状は、鏡像対称性（線対称）を有している。すなわち、それぞれの異屈折率領域のＸ―Ｙ平面内の形状は、長方形（パターン１）、楕円（パターン２）、２つの円または楕円の一部分が重なる形状（パターン３）である。仮想的な正方格子の格子点Ｏは、これら異屈折率領域の外部に存在している。

　図３５（ｂ）の図形は、回転非対称図形と比較して、線対称の基準となる線分位置が明確に分かるため、高い精度でパターニングすることが可能である。

　図３５（ｃ）に示に示された例（パターン１～３）では、それぞれの異屈折率領域のＸ―Ｙ平面内の形状は、台形（パターン１）、楕円の長軸に沿った一方の端部近傍の短軸方向の寸法が、他方の端部近傍の短軸方向の寸法よりも小さくなるように変形した形状（卵型：パターン２）、または、楕円の長軸に沿った一方の端部を、長軸方向に沿って突き出る尖った端部に変形した形状（涙型：パターン３）である。仮想的な正方格子の格子点Ｏは、これら異屈折率領域の外部に存在している。図３５（ｃ）の図形であっても、異屈折率領域の重心位置が、仮想的な正方格子の格子点Ｏから距離ｒだけずれることによって、ビームの位相を変えることができる。

　図３６（ａ）に示された例（パターン１～３）では、それぞれの異屈折率領域のＸ―Ｙ平面内の形状は、鏡像対称性（線対称）を有している。すなわち、それぞれの異屈折率領域のＸ―Ｙ平面内の形状は、長方形（パターン１）、楕円（パターン２）、２つの円または楕円の一部分が重なる形状（パターン３）である。仮想的な正方格子の格子点Ｏは、これら異屈折率領域の内部に存在している。

　図３６（ａ）の図形は、回転非対称図形と比較して、線対称の基準となる線分位置が明確に分かるため、高い精度でパターニングすることが可能である。また、仮想的な正方格子の格子点Ｏと異屈折率領域の重心位置との距離ｒが小さいためビームパターンのノイズの発生を小さくすることが出来る。

　図３６（ｂ）に示された例（サンプル１～４）では、それぞれの異屈折率領域のＸ―Ｙ平面内の形状は、直角二等辺三角形（パターン１）、台形（パターン２）、楕円の長軸に沿った一方の端部近傍の短軸方向の寸法が、他方の端部近傍の短軸方向の寸法よりも小さくなるように変形した形状（卵型：パターン３）、または、楕円の長軸に沿った一方の端部を、長軸方向に沿って突き出る尖った端部に変形した形状（涙型：パターン４）である。仮想的な正方格子の格子点Ｏは、これら異屈折率領域の内部に存在している。図３６（ｂ）の図形であっても、異屈折率領域の重心位置が、仮想的な正方格子の格子点Ｏから距離ｒだけずれることによって、ビームの位相を変えることができる。また、仮想的な正方格子の格子点Ｏと異屈折率領域の重心位置との距離ｒが小さいためビームパターンのノイズの発生を小さくすることが出来る。

　（第３変形例）
  図３７は、第３変形例に係る発光装置１Ｂの構成を示す図である。この発光装置１Ｂは、支持基板６と、支持基板６上に一次元または二次元状に配列された複数のレーザ素子２Ａと、複数のレーザ素子２Ａと対向して配置された光遮蔽部材３Ｂと、複数のレーザ素子２Ａを個別に駆動する駆動回路４とを備えている。各レーザ素子２Ａの構成は、上記実施形態と同様である。ただし、複数のレーザ素子２Ａそれぞれには、赤色波長域の光像を出力するレーザ素子、青色波長域の光像を出力するレーザ素子、および緑色波長域の光像を出力するレーザ素子の何れかを含む。赤色波長域の光像を出力するレーザ素子は、例えばＧａＡｓ系半導体によって構成される。青色波長域の光像を出力するレーザ素子、および緑色波長域の光像を出力するレーザ素子は、例えば窒化物系半導体によって構成される。駆動回路４は、支持基板６の裏面または内部に設けられ、各レーザ素子２Ａを個別に駆動する。駆動回路４は、制御回路７からの指示により、個々のレーザ素子２Ａに駆動電流を供給する。

　光遮蔽部材３Ｂは、複数のレーザ素子２Ａの発光面２ｂそれぞれの重心位置において直交する複数の軸線（Ｚ軸）に少なくとも重なるように設けられた板状の部材である。すなわち、本変形例では、図１に示された光遮蔽部材３が、複数のレーザ素子２Ａと同数配置され、これらの光遮蔽部材３が一体化して光遮蔽部材３Ｂを構成している。この光遮蔽部材３Ｂは、支持基板６を収容する筐体と一体化されてもよい。光遮蔽部材３Ｂは、上記実施形態の光遮蔽部材３と同様に、各レーザ素子２Ａから出射される光像のうち、第１光像部分Ｂ２を通過させるとともに、０次光Ｂ１を遮蔽する。また、光遮蔽部材３Ｂは、不要な第２光像部分Ｂ３を更に遮蔽してもよい。

　本変形例のように、個別に駆動される複数のレーザ素子２Ａ上に光遮蔽部材３Ｂを設け、各レーザ素子２Ａから所望の光像のみを取り出してもよい。この場合、予め複数のパターンに対応した半導体発光素子を並べたモジュールについて、適宜必要な素子を駆動することによってヘッドアップディスプレイなどを好適に実現することができる。また、本変形例のように、複数のレーザ素子２Ａが、赤色波長域の光像を出力するレーザ素子、青色波長域の光像を出力するレーザ素子、緑色波長域の光像を出力するレーザ素子の何れかを含むことにより、カラーヘッドアップディスプレイなどを好適に実現することができる。

　本発明による半導体発光素子は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態および実施例ではＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、および窒化物系（特にＧａＮ系）の化合物半導体からなるレーザ素子を例示したが、本発明は、これら以外の様々な半導体材料からなるレーザ素子に適用できる。

　１Ａ，１Ｂ…発光装置、２Ａ…レーザ素子、２ｂ…発光面、３…光遮蔽部材、３Ｂ…光遮蔽部材、３ｃ…端縁、４…駆動回路、６…支持基板、７…制御回路、１０…半導体基板、１１，１３…クラッド層、１２…活性層、１４…コンタクト層、１５Ａ，１５Ｂ…位相変調層、１５ａ…基本層、１５ｂ，１５ｃ…異屈折率領域、１６，１７…電極、１７ａ…開口、１８…保護膜、１９…反射防止膜、Ｂ１…０次光、Ｂ２…第１光像部分、Ｂ３…第２光像部分、Ｇ１、Ｇ２…重心、Ｏ…格子点、Ｒ…単位構成領域。

Claims (8)

1. 　発光面を有するとともに、前記発光面の法線方向および前記法線方向に対して所定の傾きと広がり角を有する傾斜方向に沿って任意形状の光像を出力する半導体発光素子と、
   　前記発光面の重心位置において前記発光面と直交する軸線と、その一部が交差するよう配置された光遮蔽部材と、
   　を備えた発光装置であって、
   　前記半導体発光素子は、活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層と、前記活性層と前記一対のクラッド層の一方との間に設けられた、前記活性層に光学的に結合する位相変調層と、を有し、
   　前記光遮蔽部材は、前記光像のうち前記傾斜方向に出力される特定の光像を通過させる一方、前記発光面の法線方向に出力される０次光を遮蔽するよう、配置され、
   　前記位相変調層は、基本層と、前記基本層の屈折率とは異なる屈折率をそれぞれ有する複数の異屈折率領域と、を有し、
   　更に前記位相変調層は、
   　前記法線方向に一致するＺ軸と、前記複数の異屈折率領域を含む前記位相変調層の一方の面に一致した、互いに直交するＸ軸およびＹ軸を含むＸ－Ｙ平面と、により規定されるＸＹＺ直交座標系において、前記Ｘ－Ｙ平面上に、それぞれが正方形状を有するＭ１（１以上の整数）×Ｎ１（１以上の整数）個の単位構成領域Ｒにより構成される仮想的な正方格子が設定されるとき、
   　Ｘ軸方向の座標成分ｘ（１以上Ｍ１以下の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（１以上Ｎ１以下の整数）とで特定される前記Ｘ－Ｙ平面上の単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において、前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に位置する異屈折率領域の重心Ｇ１が前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の中心となる格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から離れ、かつ、前記格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から前記重心Ｇ１へのベクトルが特定方向に向くよう、構成されていることを特徴とする発光装置。
2. 　前記仮想的な正方格子の格子定数をａとするとき、前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に位置する異屈折率領域の重心Ｇ１と、前記格子点Ｏ（ｘ，ｙ）との距離ｒが０≦ｒ≦０．３ａを満たすことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 　前記ＸＹＺ直交座標系における座標（ｘ,ｙ,ｚ）が、動径の長さｄ１と、前記Ｚ軸からの傾き角θ_tiltと、前記Ｘ－Ｙ平面上で特定される前記Ｘ軸からの回転角θ_rotと、で規定される球面座標（ｄ１,θ_tilt,θ_rot）に対して以下の式（１）～式（３）で示された関係を満たし、
   

   

   

   

   　前記半導体発光素子から出力される前記光像に相当するビームパターンを角度θ_tiltおよびθ_rotで規定される方向に向かう輝点の集合とするとき、前記角度θ_tiltおよびθ_rotは、以下の式（４）で規定される規格化波数であって前記Ｘ軸に対応したＫｘ軸上の座標値ｋ_ｘと、以下の式（５）で規定される規格化波数であって前記Ｙ軸に対応するとともに前記Ｋｘ軸に直交するＫｙ軸上の座標値ｋ_ｙに換算され、
   

   

   

   　前記Ｋｘ軸および前記Ｋｙ軸により規定される波数空間において、前記ビームパターンを含む特定の波数範囲が、それぞれが正方形状のＭ２（１以上の整数）×Ｎ２（１以上の整数）個の画像領域ＦＲで構成され、
   　前記波数空間において、Ｋｘ軸方向の座標成分ｋ_ｘ（１以上Ｍ２以下の整数）とＫｙ軸方向の座標成分ｋ_ｙ（１以上Ｎ２以下の整数）とで特定される画像領域ＦＲ（ｋ_ｘ，ｋ_ｙ）それぞれを、前記Ｘ－Ｙ平面上の前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）に二次元逆フーリエ変換することで得られる複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）が、ｊを虚数単位として、以下の式（６）で与えられ、
   

   

   　前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において、振幅項をＡ（ｘ，ｙ）とするとともに位相項をＰ（ｘ，ｙ）とするとき、前記複素振幅Ｆ（ｘ，ｙ）が、以下の式（７）により規定され、かつ、
   

   

   　前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）が、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸にそれぞれ平行であって前記格子点Ｏ（ｘ，ｙ）において直交するｓ軸およびｔ軸で規定されるとき、
   　前記位相変調層は、
   　前記格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から前記対応する異屈折率領域の重心Ｇ１までの線分長ｒ（ｘ，ｙ）が前記Ｍ１個×Ｎ１個の単位構成領域Ｒそれぞれにおいて共通の値に設定された状態で、前記格子点Ｏ（ｘ，ｙ）と前記対応する異屈折率領域の重心Ｇ１とを結ぶ線分と、前記ｓ軸と、の成す角度φ（ｘ，ｙ）が、
              φ（ｘ，ｙ）＝Ｃ×Ｐ（ｘ，ｙ）＋Ｂ
              Ｃ：比例定数
              Ｂ：任意定数
   なる関係を満たす前記対応する異屈折率領域が前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に配置されるよう、構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
4. 　前記発光面から前記光遮蔽部材までの距離をｚ、前記軸線を含む基準平面上において前記軸線から前記光遮蔽部材の最も近い端縁までの距離をＷａ、前記基準面上において前記距離ｚの地点における０次光のビーム幅をＷ_z、前記基準平面上で規定される前記発光面の幅をＬ、前記基準平面上において前記特定の光像の前記軸線側の端縁と前記軸線との成す角をθ_PB、前記活性層の発光波長をλとするとき、
   　前記距離ｚは、以下の式（８）で規定されるｚ_shよりも長く、
   

   

   　前記距離Ｗａは、以下の式（９）で規定されるＷ_zの半分よりも長く、
   

   

   　前記式（９）のＺ₀は、以下の式（１０）で規定される数値である、
   

   

   　ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の発光装置。
5. 　前記光像は、前記軸線に対して傾斜した第１方向に出力される第１光像部分と、前記軸線に関して前記第１方向と対称である第２方向に出力され、前記軸線に関して前記第１光像部分と回転対称である第２光像部分とを含み、
   　前記光遮蔽部材は、前記第２光像部分を更に遮蔽するよう配置されていることを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の発光装置。
6. 　前記光遮蔽部材は、光吸収材を含む、ことを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載の発光装置。
7. 　発光面をそれぞれ有する複数の半導体発光素子であって、それぞれが、前記発光面の法線方向および前記法線方向に対して所定の傾きと広がり角を有する傾斜方向に沿って任意形状の光像を出力する複数の半導体発光素子と、
   　前記複数の半導体発光素子それぞれの前記発光面の重心位置において前記発光面と直交する軸線それぞれと、その一部が交差するよう配置された光遮蔽部材と、
   　前記複数の半導体発光素子を個別に駆動する駆動回路と、
   　を備える発光装置であって、
   　前記発光面の重心位置において前記発光面と直交する軸線と、その一部が交差するよう配置された光遮蔽部材と、
   　を備えた発光装置であって、
   　前記複数の半導体発光素子それぞれは、活性層と、前記活性層を挟む一対のクラッド層と、前記活性層と前記一対のクラッド層の一方との間に設けられた、前記活性層に光学的に結合する位相変調層と、を有し、
   　前記光遮蔽部材は、前記光像のうち前記傾斜方向に出力される特定の光像を通過させる一方、前記発光面の法線方向にそれぞれ出力される０次光を遮蔽するよう、配置され、
   　前記複数の半導体発光素子それぞれにおいて、前記位相変調層は、基本層と、前記基本層の屈折率とは異なる屈折率をそれぞれ有する複数の異屈折率領域と、を有し、
   　更に前記複数の半導体発光素子それぞれにおいて、前記位相変調層は、
   　前記法線方向に一致するＺ軸と、前記複数の異屈折率領域を含む前記位相変調層の一方の面に一致した、互いに直交するＸ軸およびＹ軸を含むＸ－Ｙ平面と、により規定されるＸＹＺ直交座標系において、前記Ｘ－Ｙ平面上に、それぞれが正方形状を有するＭ１（１以上の整数）×Ｎ１（１以上の整数）個の単位構成領域Ｒにより構成される仮想的な正方格子が設定されるとき、
   　Ｘ軸方向の座標成分ｘ（１以上Ｍ１以下の整数）とＹ軸方向の座標成分ｙ（１以上Ｎ１以下の整数）とで特定される前記Ｘ－Ｙ平面上の単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）において、前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）内に位置する異屈折率領域の重心Ｇ１が前記単位構成領域Ｒ（ｘ，ｙ）の中心となる格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から離れ、かつ、前記格子点Ｏ（ｘ，ｙ）から前記重心Ｇ１へのベクトルが特定方向に向くよう、構成されていることを特徴とする発光装置。
8. 　前記複数の半導体発光素子それぞれは、赤色波長域の前記光像を出力する半導体発光素子、青色波長域の前記光像を出力する半導体発光素子、および緑色波長域の前記光像を出力する半導体発光素子の何れかを含むことを特徴とする請求項７に記載の発光装置。

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