WO2021024508A1

WO2021024508A1 - 発光装置、光学装置及び情報処理装置

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Publication number: WO2021024508A1
Application number: PCT/JP2019/048789
Authority: WO
Inventors: 健史皆見; 智志稲田; 貴史樋口; 滋年中村; 健一大野
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-02-11
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: US20220114835A1; JP2021025965A

Abstract

光源の発光素子が出射する光の拡がり角を狭めない場合に比べ、予め定められた範囲の外に拡がる裾の部分の光を抑制した発光装置などを提供する。発光装置は、発光素子を複数配列した光源と、光源の光出射経路に設けられ、光源における各発光素子からの出射光の拡がり角を狭くして出射する第１の光学部材と、第１の光学部材の光出射側に設けられ、第１の光学部材側から入射する光を拡散して照射する第２の光学部材と、を備える。

Description

発光装置、光学装置及び情報処理装置

　本発明は、発光装置、光学装置及び情報処理装置に関する。

　特許文献１には、光源と、所定の平面上において互いに隣接して配置される複数のレンズを有すると共に、光源が出射する光を拡散する拡散板と、拡散板によって拡散された光が被写体で反射した反射光を受光する撮像素子と、を備え、複数のレンズは、拡散された光における干渉縞の周期が三画素以下となるように配置された撮像装置が記載されている。

特開２０１８－５４７６９号公報

　ところで、タイムオブフライト方式の三次元形状の計測では、計測対象へ光を照射するため、光源から出射された光を拡散させて、予め定められた範囲に、予め定められた光強度分布で照射することが求められる。このとき、予め定められた範囲外にも光が強度を徐々に減衰させながら到達するが、予め定められた範囲外に到達する光は無駄になる。

　本発明の目的は、光源の発光素子が出射する光の拡がり角を狭めない場合に比べ、予め定められた範囲の外に到達する光量を抑制した発光装置などを提供する。

　本発明の第１態様に係る発光装置は、発光素子を複数配列した光源と、前記光源の光出射経路に設けられ、当該光源における各発光素子からの出射光の拡がり角を狭くして出射する第１の光学部材と、前記第１の光学部材の光出射側に設けられ、当該第１の光学部材側から入射する光を拡散して照射する第２の光学部材と、を備えることを特徴とする。
　本発明の第２態様に係る発光装置は、第１態様に係る発光装置において、前記第１の光学部材は、屈折により光の拡がり角を狭くする光学部品であることを特徴とする。
　本発明の第３態様に係る発光装置は、第２態様に係る発光装置において、前記第１の光学部材は、前記光源の発光素子上に設けられていることを特徴とする。
　本発明の第４態様に係る発光装置は、第３態様に係る発光装置において、前記第１の光学部材は、前記光源の発光素子毎に設けられているマイクロレンズであることを特徴とする。
　本発明の第５態様に係る発光装置は、第１態様に係る発光装置において、前記第１の光学部材は、前記光源の各発光素子から入射した光を平行光にして出射することを特徴とする。
　本発明の第６態様に係る発光装置は、第１態様に係る発光装置において、前記発光素子は、垂直共振型面発光レーザ素子であることを特徴とする。
　本発明の第７態様に係る発光装置は、第６態様に係る発光装置において、前記垂直共振型面発光レーザ素子は、長共振器構造であることを特徴とする。
　本発明の第８態様に係る発光装置は、第１～７のいずれかの態様に係る発光装置において、複数の前記発光素子は、電極パターンにより互いに並列に接続されるとともに、当該電極パターンは、各発光素子の出射口を除く領域を、連続したパターンで覆っていることを特徴とする。
　本発明の第９態様に係る発光装置は、第１～８のいずれかの態様に係る発光装置において、前記第２の光学部材は、前記第１の光学部材から出射する光の指向性を変えて照射させることを特徴とする。
　本発明の第１０態様に係る発光装置は、第９態様に係る発光装置において、請求項１０に記載の発明は、前記第２の光学部材には、板状の部材であって、少なくとも一方の面に光の指向性を変える構造が設けられていることを特徴とする。
　本発明の第１１態様に係る発光装置は、第１～９のいずれかの態様に係る発光装置において、前記第２の光学部材は板状の部材であって、少なくとも一方の面に複数の凹部および凸部が設けられていることを特徴とする。
　本発明の第１２態様に係る発光装置は、第１～１１のいずれかの態様に係る発光装置において、前記第２の光学部材は、タイムオブフライト方式による三次元形状の計測に用いる光を照射することを特徴とする。
　本発明の第１３態様に係る発光装置は、第１～１２のいずれかの態様に係る発光装置において、前記光源、前記第１の光学部材及び前記第２の光学部材が携帯型情報処理端末に搭載され、当該光源は前記携帯型情報処理端末の電池によって駆動されることを特徴とする。
　本発明の第１４態様に係る光源装置は、第１～１３のいずれかの態様に係る発光装置と、前記発光装置が備える光源から出射され計測対象で反射された反射光を受光する受光部と、を備え、前記受光部は、前記光源から光が出射されてから当該受光部で受光されるまでの時間に相当する信号を出力することを特徴とする。
　本発明の第１５態様に係る情報処理装置は、第１４態様に係る光学装置と、前記光学装置が備える光源から出射され計測対象で反射され、当該光学装置が備える受光部が受光した反射光に基づき、当該計測対象の三次元形状を特定する形状特定部と、を備えることを特徴とする。
　本発明の第１６態様に係る情報処理装置は、第１５態様に係る情報処理装置において、前記形状特定部での特定結果に基づき、自装置の使用に関する認証処理を行う認証処理部をさらに備えることを特徴とする。

　本発明の第１態様によれば、光源の発光素子が出射する光の拡がり角を狭めない場合に比べ、予め定められた範囲の外に照射される光量が抑制される。
　本発明の第２態様によれば、第１の光学部材が、屈折により光の拡がり角を狭くする光学部品でない場合に比べ、拡がり角の制御が容易にできる。
　本発明の第３態様によれば、第１の光学部材を、光源の発光素子上に設けない場合に比べ、発光装置が小型化できる。
　本発明の第４態様によれば、マイクロレンズが発光素子毎に設けられていない場合に比べ、光出射方向の制御が容易になる。
　本発明の第５態様によれば、第１の光学部材が光源の各発光素子から入射した光を平行光にして出射しない場合に比べ、予め定められた範囲の外に照射される光量がより抑制される。
　本発明の第６態様によれば、発光素子が垂直共振型面発光レーザ素子でない場合に比べ、面発光の光源が構成しやすい。
　本発明の第７態様によれば、垂直共振型面発光レーザ素子が長共振器構造でない場合に比べ、出射光の拡がり角がより狭くできる。
　本発明の第８態様によれば、発光素子毎に配線が設けられる場合に比べ、駆動電流が流れた場合の電圧降下が抑制される。
　本発明の第９態様によれば、第２の光学部材が、第１の光学部材から出射する光の指向性を変えない場合に比べ、第１の光学部材側から入射する光を拡散して照射することができる。
　本発明の第１０態様によれば、板状の部材である第２の光学部材の少なくとも一方の面に光の指向性を変える構造が設けられていない場合に比べ、第１の光学部材側から入射する光を拡散して照射することができる。
　本発明の第１１態様によれば、板状の部材の少なくとも一方の面に複数の凹部および凸部が設けられた第２の光学部材は容易に製造できるため、発光素子を安価に製造することができる。
　本発明の第１２態様によれば、タイムオブフライト方式による三次元形状の計測に用いる光の利用効率を高くできる。
　本発明の第１３態様によれば、光の利用効率を高くできるため、電池の消耗を抑制し、携帯型情報処理端末の駆動時間を長くすることができる。
　本発明の第１４態様によれば、発光装置によって光が出射されてから受光部によって受光されるまでの時間を計測できる光学装置が提供される。
　本発明の第１５態様によれば、三次元形状を計測できる情報処理装置が提供される。
　本発明の第１６態様によれば、三次元形状に基づく認証処理を搭載した情報処理装置が提供される。

第１の実施の形態が適用される情報処理装置の一例を示す図である。情報処理装置による三次元形状の計測について説明する図である。照射面を説明する図である。（ａ）は、照射面における照射パターンの一例を示す図、（ｂ）は、（ａ）のＡ－Ａ線での光強度分布である。情報処理装置の構成を説明するブロック図である。第１の実施の形態が適用される光学装置の平面図及び断面図の一例である。（ａ）は、平面図、（ｂ）は、（ａ）のＶＢ－ＶＢ線での断面図である。光源の平面図の一例である。光源が備える一個のλ共振器構造のマルチモードＶＣＳＥＬの断面構造を説明する図である。マルチモードＶＣＳＥＬからの出射光の拡がり角αを模式的に説明する図である。ＶＣＳＥＬ－Ａの出射光の拡がり角と照射面における裾拡がり量及び光利用効率との関係を説明する図である。第１の実施の形態が適用される発光装置における光源、拡がり角狭化部材２０の一例である凸レンズ及び拡散板の関係を模式的に説明する図である。第１の実施の形態が適用される発光装置における光源、拡がり角狭化部材の他の一例であるフライアイレンズ及び拡散板の関係を模式的に説明する図である。第２の実施の形態が適用される光学装置の平面図及び断面図の一例である。（ａ）は、平面図、（ｂ）は、（ａ）のＸＩＩＢ－ＸＩＩＢ線での断面図である。第２の実施の形態が適用される発光装置における光源、拡がり角狭化部材の一例であるマイクロレンズのアレイ及び拡散板の関係を模式的に説明する図である。光源を構成する一個の長共振器構造のシングルモードＶＣＳＥＬの断面構造を説明する図である。第２の実施の形態が適用される発光装置における光源、拡がり角狭化部材の一例であるマイクロレンズ及び拡散板の関係を模式的に説明する図である。

　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。
　情報処理装置は、その情報処理装置にアクセスしたユーザがアクセスすることが許可されているか否かを識別し、アクセスが許可されているユーザであることが認証された場合にのみ、自装置である情報処理装置の使用を許可するようになっていることが多い。これまで、パスワード、指紋、虹彩などにより、ユーザを認証する方法が用いられてきた。最近では、さらにセキュリティ性の高い認証方法が求められている。この方法として、ユーザの顔の三次元像による認証が行われるようになっている。

　ここでは、情報処理装置は、一例として携帯型情報処理端末であるとして説明し、三次元像として捉えられた顔を認識することで、ユーザを認証するとして説明する。なお、情報処理装置は、携帯型情報処理端末以外のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの情報処理装置に適用しうる。

　本実施の形態で説明する構成、機能、方法等は、顔の形状による認識以外に、物体の三次元像の取得にも適用しうる。すなわち、顔以外の物体を計測対象として、計測対象の三次元形状を計測して三次元像を取得することに適用してもよい。また、計測対象までの距離（以下では、計測距離と表記する。）は問わない。本実施の形態では、三次元像の取得の対象となる顔や顔以外の物体を、被照射物または被計測物と表記する場合がある。

［第１の実施の形態］
（情報処理装置１）
　図１は、第１の実施の形態が適用される情報処理装置１の一例を示す図である。前述したように、情報処理装置１は、一例として携帯型情報処理端末である。
　情報処理装置１は、ユーザインターフェイス部（以下では、ＵＩ部と表記する。）２と三次元像を取得する光学装置３とを備えている。ＵＩ部２は、例えばユーザに対して情報を表示する表示デバイスとユーザの操作により情報処理に対する指示が入力される入力デバイスとが一体化されて構成されている。表示デバイスは、例えば液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイであり、入力デバイスは、例えばタッチパネルである。

　光学装置３は、発光装置４と、三次元センサ（以下では、３Ｄセンサと表記する。）６とを備えている。発光装置４は、三次元像の取得のために三次元形状を計測する計測対象、ここで説明する例では顔、に向けて光を出射する。３Ｄセンサ６は、発光装置４が出射した光が顔で反射されて戻ってきた光を取得する。光学装置３は、光の飛行時間による、いわゆるタイムオブフライト（ＴＯＦ：Time of Flight）方式に基づいて、顔の三次元像を取得する。以下では、計測対象が顔である場合、顔を計測対象と表記することがある。

　情報処理装置１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含むコンピュータとして構成されている。ＲＯＭには、不揮発性の書き換え可能なメモリ、例えばフラッシュメモリを含む。ＲＯＭに蓄積されたプログラムや定数が、ＲＡＭに展開される。ＣＰＵがＲＡＭに展開されたプログラムを実行することによって、情報処理装置１が動作し、各種の情報処理が実行される。

（情報処理装置１による三次元形状の計測）
　図２は、情報処理装置１による三次元形状の計測について説明する図である。ここでの計測対象は、顔３００である。図２に図示するように、紙面の右方向をｘ方向、上方向をｚ方向とし、紙面の裏面方向をｙ方向とする。図２は、頭上方向から頭（顔）を見た図である。

　情報処理装置１の光学装置３において、発光装置４から光が顔３００に向けて出射される。そして、３Ｄセンサ６により顔３００で反射された光が受光される。つまり、光学装置３は、発光装置４から計測対象に向けて光が照射され、３Ｄセンサ６で計測対象からの反射光が受光されるように構成されている。このとき、発光装置４は、発光装置４に対向して設けられる仮想的な面である照射面３１０に向けて光を照射する。ここで、発光装置４と照射面３１０とが正対し、照射面３１０に立てた垂線３２１上に発光装置４がある。垂線３２１は後述する検知範囲Iの中心に立つ。Ａ－Ａ線は、検知範囲Ｉの中心（垂線３２１との交点）を通り照射面３１０をｘ方向に横切る線である。発光装置４とＡ－Ａ線上の任意の点とを結ぶ線を線３２２とする。角度θは、垂線３２１と線３２２との間の角度である。

　照射面３１０には、顔３００を検知して顔３００の三次元形状を計測する検知範囲Ｉと、検知範囲Ｉを取り囲む裾引き範囲ＩＩとが形成される。検知範囲Ｉは、この領域に顔３００が存在する場合に、反射光により顔３００の三次元形状を計測しうる光強度の光が照射される範囲である。一方、裾引き範囲ＩＩは、検知範囲Ｉから離れるにしたがい光強度が低下する範囲である。よって、裾引き範囲ＩＩに顔３００が存在しても、検知範囲Ｉに顔３００が存在する場合と比べ、顔３００の三次元形状は精度よく計測されない。つまり、裾引き範囲ＩＩは、顔３００の三次元形状を計測するのに適さない非検知範囲となる。検知範囲Ｉ及び裾引き範囲ＩＩは、発光装置４から光が到達する範囲である。そして、検知範囲Ｉは、三次元形状の計測のために予め定められた範囲であって、予め定められた光強度分布で光が照射される範囲である。ここで、光強度とは、光度を言う。

　図３は、照射面３１０を説明する図である。図３（ａ）は、照射面３１０における照射パターンの一例を示す図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ－Ａ線での光強度分布である。照射面３１０において光が照射された形状、つまり光が到達した部分の形状を照射パターンと表記する。図３（ｂ）における横軸は、図２に示した垂線３２１と線３２２との間の角度θであり、縦軸は、照射面３１０における光強度である。

　図３（ａ）で示す照射パターンは、ｘ方向に長手方向が向き、角が丸くなった四角形状であるとする。この照射パターンにおいて、中央部の実線で囲んだ長方形の範囲を検知範囲Ｉに設定し、検知範囲Ｉの周辺部を裾引き範囲ＩＩとしている。裾引き範囲ＩＩは、検知範囲Ｉの外側に検知範囲Ｉを取り巻くように形成されている。なお、検知範囲Ｉは、長方形状以外の形状に設定されてもよい。

　検知範囲Ｉは、予め定められた光強度分布になるように設定されている。なお、図３（ｂ）では、検知範囲Ｉは、光強度が一定であるとしているが、予め定められた許容範囲において変動した分布であってもよい。すなわち、被照射物の三次元形状を計測可能な光強度であれば、検知範囲Ｉの領域内において変動した分布であってもよい。例えば、検知範囲Ｉにおいて、中央側の方が周辺側より光強度が弱い分布であってもよく、この逆の分布であってもよい。一方、裾引き範囲ＩＩでは、検知範囲Ｉから離れにつれて、検知範囲Ｉの光強度から徐々に光強度が低下していく。ここで、裾引き範囲ＩＩにおいて、検知範囲Ｉと裾引き範囲ＩＩとの境界の角度から、光強度が最大値の１／ｅ^２になる角度までの角度差を裾拡がり量とする。裾拡がり量は、裾引き範囲ＩＩの大きさを示す。前述したように、裾引き範囲ＩＩは顔３００の三次元形状の計測に適さない領域であり、三次元形状の計測に用いる検知範囲の範囲外となる場合がある。この場合、裾引き範囲ＩＩに照射される光は無効な光となる。よって、裾引き範囲ＩＩの面積が小さいほど、つまり裾拡がり量が小さいほど、発光装置４が出射する光の利用効率（以下では、光利用効率と表記する。）が大きくなる。なお、光利用効率とは、発光装置４が出射する光量の内、検知範囲Ｉに照射される光量の割合をいう。そして、裾引き範囲ＩＩに照射される光を裾引き光と表記することがある。なお、裾拡がり量を、光強度の半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）で評価してもよい。また、裾拡がり量を、角度以外の指標、例えば発光装置４から予め定め設定された距離に置かれた照射面３１０における裾引き範囲ＩＩの幅などで評価してもよい。

　図４は、情報処理装置１の構成を説明するブロック図である。
　情報処理装置１は、上記した光学装置３と、光学装置制御部８と、システム制御部９とを備えている。光学装置３は、前述したように発光装置４と３Ｄセンサ６を備えている。光学装置制御部８は、光学装置３を制御する。そして、光学装置制御部８は、形状特定部８１を含む。システム制御部９は、情報処理装置１全体をシステムとして制御する。そして、システム制御部９は、認証処理部９１を含む。そして、システム制御部９には、ＵＩ部２、スピーカ９２、二次元カメラ（図２では、２Ｄカメラと表記する。）９３などが接続されている。なお、３Ｄセンサ６は、受光部の一例である。
　以下、順に説明する。

　光学装置３が備えている発光装置４は、光源１０と、拡がり角狭化部材２０と、拡散板３０と、光量監視用受光素子（図２では、ＰＤと表記する。）４０と、駆動部５０とを備えている。なお、発光装置４における光源１０、拡がり角狭化部材２０、拡散板３０及び光量監視用受光素子４０については、後述する。なお、拡がり角狭化部材２０は、第１の光学部材の一例、拡散板３０は、第２の光学部材の一例である。

　発光装置４における駆動部５０は、光源１０を駆動する。例えば、光源１０は、駆動部５０により、数１０ＭＨｚ～数１００ＭＨｚで繰り返す光をパルス状に出射するように駆動される。光源１０が出射する光を出射光と表記し、光源１０が出射するパルス状の光を、出射光パルスと表記する。

　３Ｄセンサ６は、格子状に配列された複数の受光領域を備えている。３Ｄセンサ６は、発光装置４の光源１０からの出射光パルスに対応して計測対象から反射されたパルス光を受光する。３Ｄセンサ６が受光する光パルスを受光パルスと表記する。そして、３Ｄセンサ６は、光源１０から光が出射されてから計測対象で反射され３Ｄセンサ６で受光されるまでの時間に相当する信号を受光領域毎にデジタル値として出力する。例えば、３Ｄセンサ６は、各受光領域が２つのゲートとそれらに対応した２つの電荷蓄積部を備えたＣＭＯＳ構造のデバイスとして構成されている。そして、２つのゲートに交互にパルスを加えることによって、各受光領域で発生した光電子を２つの電荷蓄積部の何れかに交互に転送し、出射光パルスと受光パルスとの位相差に応じた電荷を蓄積するように構成されている。そして、ＡＤコンバータを介して、受光領域毎に出射光パルスと受光パルスとの位相差に応じた電荷に対応するデジタル値を信号として出力する。
　なお、３Ｄセンサ６は、集光用のレンズを備えてもよい。

　光学装置制御部８の形状特定部８１は、３Ｄセンサ６の受光領域毎に得られるデジタル値を３Ｄセンサ６から取得する。そして、形状特定部８１は、取得したデジタル値から受光領域毎に計測対象までの距離を算出することで計測対象の三次元形状を計測する。形状特定部８１は、計測した三次元形状から、三次元像を特定する。

　システム制御部９の認証処理部９１は、形状特定部８１により特定された特定結果である計測対象の三次元像がＲＯＭなどに予め蓄積された三次元像と一致する場合に、情報処理装置１の使用に関する認証処理を行う。なお、情報処理装置１の使用に関する認証処理とは、一例として、自装置である情報処理装置１の使用を許可するか否かの処理である。計測対象が顔である場合、顔の三次元像がＲＯＭ等の記憶部材に記憶された顔の三次元像に一致すれば、情報処理装置１が提供する各種アプリケーション等を含む情報処理装置１の使用を許可する。

　上記の形状特定部８１及び認証処理部９１は、一例として、プログラムを実行するＣＰＵによって構成される。また、これらの機能は、ＡＳＩＣやＦＰＧＡ等の集積回路によって実現されてもよい。さらには、これらは、プログラム等のソフトウエアを実行するＣＰＵと集積回路との協働により実現されてもよい。
　また、図４においては、光学装置３、光学装置制御部８及びシステム制御部９をそれぞれ分けて示したが、システム制御部９が光学装置制御部８を含んでもよい。また、光学装置制御部８が光学装置３に含まれてもよい。さらに、光学装置３、光学装置制御部８及びシステム制御部９が一体に構成されてもよい。

（光学装置３の構成）
　次に、光学装置３について、詳細に説明する。
　図５は、第１の実施の形態が適用される光学装置３の平面図及び断面図の一例である。図５（ａ）は、平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＶＢ－ＶＢ線での断面図である。ここで、図５（ａ）において、紙面の横方向をｘ方向、紙面の上方向をｙ方向とし、表面方向をｚ方向とする。

　まず、図５（ａ）に示す平面図を説明する。
　光学装置３において、発光装置４と３Ｄセンサ６とは、一例として回路基板７上にｘ方向に並ぶように配置されている。回路基板７は、絶縁性材料で構成された板状の部材を基材とし、導電性材料で構成された導体パターンが設けられている。絶縁性材料は、例えばセラミック、エポキシ樹脂などであり、導電性材料は、例えば銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）などの金属又はこれらの金属を含む導電性ペーストである。回路基板７は、導体パターンが表面に設けられた単層基板であってもよく、導体パターンが複数層設けられた多層基板であってもよい。また、発光装置４と３Ｄセンサ６とは、それぞれが別の回路基板上に配置されていてもよい。

　そして、発光装置４において、光量監視用受光素子４０、光源１０及び駆動部５０は、一例として回路基板７上にｘ方向に並ぶように配置されている。そして、拡がり角狭化部材２０は、光源１０を覆うように設けられ、拡散板３０は、拡がり角狭化部材２０で覆われた光源１０及び光量監視用受光素子４０を覆うように設けられている。

　光源１０は、一例として平面視した場合の形状である平面形状が長方形である。なお、光源１０の平面形状は、長方形でなくともよい。光源１０の光出射方向（光出射側）は、ｚ方向である。なお、光源１０は、回路基板７上に直接搭載されてもよいし、酸化アルミニウムや窒化アルミ等の放熱用基材を介して、回路基板７上に搭載されてもよい。放熱用基材を介する場合、光源１０に供給する電力を大きくして、光源１０の光出力を大きくしうる。以下では、光源１０は、回路基板７上に直接搭載されているとして説明する。ここで、平面形状とは、平面視した場合の形状であり、平面視とは、図５（ａ）において、ｚ方向から見ることをいう。以下同様である。ここで、光出力とは光束をいう。

　光源１０は、垂直共振型面発光レーザ素子（Vertical Cavity Surface Emitting Laser；ＶＣＳＥＬ）を備えている。以下では、垂直共振型面発光レーザ素子をＶＣＳＥＬと表記する。後述するように、ＶＣＳＥＬは、基板上に積層された下部多層膜反射鏡と上部多層膜反射鏡との間に発光領域となる活性領域を有し、基板に垂直な方向にレーザ光を出射させる。このことから、ＶＣＳＥＬを二次元状に複数配列して、面発光の光源として構成しやすい。光源１０は、複数のＶＣＳＥＬが一つの半導体部品として一体集積されて構成されている。なお、図５（ａ）に示されたＶＣＳＥＬの数は、一例である。そして、ＶＣＳＥＬは、発光素子の一例である。

　光源１０を覆う拡がり角狭化部材２０は、光源１０が備える複数のＶＣＳＥＬがそれぞれ出射する光（以下では出射光と表記する。）を透過させる光透光性と、それぞれのＶＣＳＥＬの出射光の拡がり角を狭める機能を有する光学部材である。ＶＣＳＥＬは、出射面から光を出射する際、構造によって決まる拡がり角で光を出射する。つまり、出射光は、出射面から離れるにつれ、出射面と平行な面における照射領域が大きくなる。そこで、拡がり角狭化部材２０は、ＶＣＳＥＬの出射光の拡がり角を狭くして出射させる。よって、この光学部材を拡がり角狭化部材２０と表記する。ここで、拡がり角は、出射面と平行な面における照射領域において、光強度が最大値の１／ｅ^２となる角度範囲を言う。なお、出射光の拡がり角を光強度の半値全幅（ＦＷＨＭ）である角度範囲などで評価してもよい。

　拡散板３０は、一例として平面形状が長方形の部材である。拡散板３０は、拡散板３０に入射する光を拡散させて出射する。このとき、拡散板３０は、拡がり角狭化部材２０から拡散板３０に入射する光の指向性を変えて出射する。つまり、拡散板３０は、拡がり角狭化部材２０から出射される時（出射時）の光が拡散板３０を経ずに照射面３１０に照射された場合における光強度分布と異なる光強度分布となるように光を出射する。例えば、光源１０は、後述するようにサイズが小さいため、点光源と見なせる。拡散板３０は、光源１０から拡がり角狭化部材２０を介して入射する光による照射パターンを、図３（ａ）に示したような照射面３１０における照射パターンに変える。

　拡散板３０の大きさは、例えば、横幅及び縦幅が１ｍｍ～１０ｍｍ、厚みは０．１ｍｍ～１ｍｍとすればよい。なお、拡散板３０は、平面視した状態において、拡がり角狭化部材２０で覆われた光源１０及び光量監視用受光素子４０を覆っていればよい。また、図５（ａ）では、拡散板３０を平面視した形状が長方形である例を示したが、多角形や円形など、他の形状であってもよい。そして、以上のような大きさ及び形状であれば、携帯型情報処理端末の顔認証や、数ｍ程度までの比較的近距離の三次元形状の計測に適した拡散板３０が提供される。

　次に、図５（ｂ）に示す断面図を説明する。
　拡がり角狭化部材２０は、光源１０が備えるＶＣＳＥＬの光出射側であるｚ方向側に不図示の支持部材で保持されている。拡がり角狭化部材２０は、支持部材により、光源１０が備えるＶＣＳＥＬの出射面から予め定められた距離だけ離した位置に保持されている。
　拡散板３０は、光源１０の光出射側であるｚ方向側に側壁３３で支えられている。側壁３３は、光源１０を覆う拡がり角狭化部材２０及び光量監視用受光素子４０を囲むように設けられている。拡散板３０は、側壁３３により光源１０を覆う拡がり角狭化部材２０及び光量監視用受光素子４０から予め定められた距離に保持されている。そして、光源１０から拡がり角狭化部材２０を介して拡散板３０に入射する光は、拡散板３０から出射し、照射面３１０（図２参照）に照射される。

　側壁３３が光源１０の出射する光を吸収する部材で構成されていると、光源１０が出射する光が側壁３３を透過して外部に放射されることが抑制される。また、拡散板３０と側壁３３とで光源１０、拡がり角狭化部材２０及び光量監視用受光素子４０を封止することで、防塵、防湿等が図られる。第１の実施の形態では、拡がり角狭化部材２０を含む光源１０と光量監視用受光素子４０とを近接して配置することで、小さなサイズの側壁３３で囲いやすくなるとともに、小さなサイズの拡散板３０で済む。

　光量監視用受光素子４０は、受光した光量（以下では、受光量と表記する。）に応じた電気信号を出力するデバイスである。光量監視用受光素子４０は、例えばシリコンなどで構成されたフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）である。光量監視用受光素子４０は、光源１０から拡がり角狭化部材２０を介して出射され、拡散板３０の裏面、つまり拡散板３０の－ｚ方向側の面で反射した光が受光されるように構成されている。

　光源１０は、光量監視用受光素子４０の受光量に基づいて、予め定められた光出力を維持するように制御される。つまり、光学装置制御部８は、光量監視用受光素子４０の受光量に基づいて、駆動部５０を介して光源１０を制御する。なお、光量監視用受光素子４０の受光量が極端に低下した場合には、拡散板３０が外れたり破損したりして、拡がり角狭化部材２０を介して光源１０の出射する光が拡散板３０で拡散されずに直接外部に照射されているおそれがある。このような場合には、光学装置制御部８は、駆動部５０を介して光源１０の光出力を抑制する。例えば、光学装置制御部８は、光源１０からの光の出射を停止させる。

（光源１０の構成）
　図６は、光源１０の平面図の一例である。ここでは、回路基板７上設けられた導体パターンであるカソードパターン７１、アノードパターン７２Ａ、７２Ｂ、及び光源１０とこれらの導体パターンとを接続するボンディングワイヤ７３Ａ、７３Ｂを合わせて示す。なお、図６に示すＶＣＳＥＬの数は、一例である。

　光源１０は、前述したように複数のＶＣＳＥＬが一体集積されて構成されている。そして、光源１０の裏面には、カソード電極１１４が設けられ（後述する図７参照）、表面には、アノード電極１１８が設けられている。なお、アノード電極１１８は、複数のＶＣＳＥＬのｐ側電極１１２を接続する部分と、後述するボンディングワイヤ７３Ａが接続されるパッド部１１８Ａと、ボンディングワイヤ７３Ｂが接続されるパッド部１１８Ｂとを備えている。つまり、複数のＶＣＳＥＬは、並列接続されている。

　図６では、光源１０における複数のＶＣＳＥＬは、一例として正方形に組まれた格子の各格子点に配列されている。複数のＶＣＳＥＬは、例えば行毎にＶＣＳＥＬを配置する位置を半ピッチずらした配列など、他の配列で配置してもよい。

　回路基板７上には、導体パターンとして、カソードパターン７１、アノードパターン７２Ａ、７２Ｂが設けられている。カソードパターン７１は、光源１０の裏面に設けられたカソード電極１１４が接続されるように、光源１０より広い面積で形成されている。そして、光源１０は、裏面に設けられたカソード電極１１４が回路基板７上のカソードパターン７１に導電性接着剤にて接着されている。そして、光源１０のアノード電極１１８のパッド部１１８Ａは、ボンディングワイヤ７３Ａにて、回路基板７上のアノードパターン７２Ａと接続され、光源１０のアノード電極１１８のパッド部１１８Ｂは、ボンディングワイヤ７３Ｂにて、回路基板７上のアノードパターン７２Ｂと接続されている。

　光源１０が備えるＶＣＳＥＬの数は、例えば、１０個～１０００個である。光源１０を構成する複数のＶＣＳＥＬは、並列に接続され並列駆動される。つまり、複数のＶＣＳＥＬは、同時に光を出射する。光源１０は、例えば、０．５ｍｍ角～３ｍｍ角である。なお、より遠くの被照射物に照射する場合は、さらにＶＣＳＥＬの数を増やしてもよい。
　前述したように、光源１０は、計測対象の三次元形状を計測するための光を出射する。前述した顔の形状によるユーザの認証では、計測距離は１０ｃｍ程度から１ｍ程度である。そして、検知範囲Ｉの一辺長は、１ｍ程度である。光源１０としては、検知範囲Ｉに予め定められた光強度の光を照射することが求められることから、光源１０を構成するＶＣＳＥＬは、光出力が大きいことが求められる。一例として、ＶＣＳＥＬを５００個集積した光源１０では、ＶＣＳＥＬ一個の光出力として、４ｍＷ～８ｍＷが求められる。よって、光源１０の光出力として、２Ｗ～４Ｗが求められる。

　第１の実施の形態では、光源１０が備えるＶＣＳＥＬとして、多重横モードで発振するＶＣＳＥＬを用いる。多重横モードは、マルチモードと表記されることがある。そこで、多重横モードで発振するＶＣＳＥＬをマルチモードＶＣＳＥＬと表記する。なお、単一横モードは、シングルモードと表記されることがある。よって、単一横モードで発振するＶＣＳＥＬをシングルモードＶＣＳＥＬと表記する。マルチモードＶＣＳＥＬは、シングルモードＶＣＳＥＬに比べて、酸化アパーチャ径を大きく取れるため、光出力が大きくなる。しかし、マルチモードＶＣＳＥＬの出射光の拡がり角は、シングルモードＶＣＳＥＬに比べて大きい。後述するように、拡散板３０に入射する光の拡がり角が大きいほど、裾引き範囲ＩＩに照射される光が多くなる。つまり、マルチモードＶＣＳＥＬの出射光を直接拡散板３０に入射させると、裾引き範囲ＩＩに照射される無駄な光が多くなる。そこで、第１の実施の形態では、拡がり角狭化部材２０を設け、光源１０が備えるマルチモードＶＣＳＥＬの出射光の拡がり角を狭くして、拡散板３０に入射させる。

（λ共振器構造の多重横モードＶＣＳＥＬ（ＶＣＳＥＬ－Ａ））
　一例として、第１の実施の形態が適用される光源１０が備えるλ共振器構造のマルチモードＶＣＳＥＬを説明する。なお、後述する長共振器構造のシングルモードＶＣＳＥＬと区別するために、λ共振器構造のマルチモードＶＣＳＥＬをＶＣＳＥＬ－Ａと表記し、長共振器構造のシングルモードＶＣＳＥＬをＶＣＳＥＬ－Ｂと表記する。

　図７は、光源１０を構成する一個のλ共振器構造のマルチモードＶＣＳＥＬ（ＶＣＳＥＬ－Ａ）の断面構造を説明する図である。なお、紙面の上方向がｚ方向である。

　ＶＣＳＥＬ－Ａは、ｎ型のＧａＡｓなどの半導体基板１００上に、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｎ型の下部分布ブラック型反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）１０２と、上部スペーサ層および下部スペーサ層に挟まれた量子井戸層を含む活性領域１０６と、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部分布ブラック型反射鏡１０８とが順に積層されて構成されている。以下では、分布ブラック型反射鏡をＤＢＲと表記する。

　ｎ型の下部ＤＢＲ１０２は、Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とＧａＡｓ層とをペアとした積層体で、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｎ_ｒは媒質の屈折率）であり、これらを交互に４０周期で積層してある。ｎ型不純物であるシリコンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０^１８ｃｍ^－３である。

　活性領域１０６は、下部スペーサ層と、量子井戸活性層と、上部スペーサ層とが積層されて構成されている。例えば、下部スペーサ層は、アンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ層であり、量子井戸活性層は、アンドープのＩｎＧａＡｓ量子井戸層およびアンドープのＧａＡｓ障壁層であり、上部スペーサ層は、アンドープのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ層である。

　ｐ型の上部ＤＢＲ１０８は、ｐ型のＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層とＧａＡｓ層とをペアとした積層体で、各層の厚さはλ／４ｎ_ｒであり、これらを交互に２９周期積層してある。ｐ型不純物であるカーボンをドーピングした後のキャリア濃度は、例えば、３×１０^１８ｃｍ^－３である。好ましくは、上部ＤＢＲ１０８の最上層には、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層が形成され、上部ＤＢＲ１０８の最下層もしくはその内部に、ｐ型ＡｌＡｓの電流狭窄層１１０が形成されている。

　上部ＤＢＲ１０８から下部ＤＢＲ１０２に至るまで積層された半導体層をエッチングすることにより、半導体基板１００上に円柱状のメサＭ１が形成される。これにより、電流狭窄層１１０は、メサＭ１の側面に露出する。酸化工程により、電流狭窄層１１０には、メサＭ１の側面から酸化された酸化領域１１０Ａと酸化領域１１０Ａによって囲まれた導電領域１１０Ｂとが形成される。なお、酸化工程において、ＡｌＡｓ層はＡｌＧａＡｓ層よりも酸化速度が速く、酸化領域１１０Ａは、メサＭ１の側面から内部に向けてほぼ一定の速度で酸化されるため、導電領域１１０Ｂの平面形状は、メサＭ１の外形を反映した形状、すなわち円形状となり、その中心は、一点鎖線で示すメサＭ１の軸方向とほぼ一致する。メサＭ１は、柱状構造をなしている。なお、上部ＤＢＲ１０８から下部ＤＢＲ１０２に至る半導体層は、エピタキシャルにより積層される。よって、この半導体層をエピタキシャル層と表記することがある。

　メサＭ１の最上層には、Ｔｉ／Ａｕなどを積層した環状のｐ側電極１１２が形成される。ｐ側電極１１２は、上部ＤＢＲ１０８に設けられたコンタクト層にオーミック接触する。環状のｐ側電極１１２の内側の上部ＤＢＲ１０８の表面は、レーザ光が外部へ出射される光出射口１１２Ａとなる。つまり、ＶＣＳＥＬ－Ａでは、半導体基板１００に垂直な方向に光が出射され、メサＭ１の軸方向が光軸になる。さらに、半導体基板１００の裏面には、ｎ側電極としてカソード電極１１４が形成される。なお、ｐ側電極１１２の内側の上部ＤＢＲ１０８の表面が光出射面である。つまり、ＶＣＳＥＬ－Ａの光軸方向が、光出射方向になる。

　そして、ｐ側電極１１２のアノード電極（後述するアノード電極１１８）が接続される部分および光出射口１１２Ａを除いて、メサＭ１の表面を覆うように、絶縁層１１６が設けられる。そして、光出射口１１２Ａを除いて、アノード電極１１８がｐ側電極１１２とオーミック接触するように設けられる。なお、アノード電極１１８は、複数のＶＣＳＥＬ－Ａに共通に設けられている。つまり、光源１０を構成する複数のＶＣＳＥＬ－Ａは、それぞれのｐ側電極１１２がアノード電極１１８により並列接続されている。このように、アノード電極１１８は、各ＶＣＳＥＬ－Ａの光出射口１１２Ａを除く各ＶＣＳＥＬ－Ａ間の領域を覆う、連続した電極パターンとして設けられている。このため、ＶＣＳＥＬ－Ａ毎に個別に駆動配線を設ける場合と比べ、広い面積のパターンが形成され、駆動電流が流れた場合の電圧降下が抑制される。

（ＶＣＳＥＬ－Ａの出射光の拡がり角と光強度分布における裾拡がり量との関係）
　ここで、拡がり角狭化部材２０を用いない場合における光源１０が備えるＶＣＳＥＬ－Ａの出射光の拡がり角と前述した裾拡がり量との関係を説明する。
　図８は、マルチモードＶＣＳＥＬ（ＶＣＳＥＬ－Ａ）からの出射光の拡がり角αを模式的に説明する図である。

　拡散板３０は、例えば、両面が平行で平坦なガラス基材３１と、ガラス基材３１の一方の表面に光を拡散させるための微細な複数の凹部および凸部が形成された樹脂層３２とを備えている。そして、拡散板３０は、光源１０が備えるＶＣＳＥＬ－Ａの出射光の経路（光出射経路と表記する。）上に設けられ、ＶＣＳＥＬ－Ａの出射光を樹脂層３２の凹凸により拡散して照射する。このとき、複数の凹部および凸部の少なくとも一方は、一例として、１０μｍ以上且つ１００μｍ以下の幅を有し、１μｍ以上且つ５０μｍ以下の高さ（深さ）を有する。また、複数の凹部および凸部は周期を有するパターンであってもよいし、周期を有さないランダムなパターンであってもよい。拡散板３０では、この複数の凹部および凸部のパターンにより、光の屈折方向を制御し、光源１０から出射された光を所望の照射パターンに整形する。なお、凹部および凸部のパターンは、レンズパターンと呼ばれることがある。ここで、光源１０のＶＣＳＥＬ－Ａの出射光が拡がり角αである。拡散板３０は、各ＶＣＳＥＬ－Ａが出射する光を重畳して照射する。

　拡散板３０は、樹脂層３２に形成された複数の凹部および凸部により、例えば一辺長が０．５～３ｍｍのほぼ点光源と見なしうる光源１０が出射する光から、図３（ａ）に示したような一辺長が１ｍ程度の照射パターンが形成される。なお、拡散板３０の樹脂層３２は、ＶＣＳＥＬが出射する光を透過するため、吸収による光の利用効率の低下が抑制される。また、複数の凹部および凸部のパターンは、予め形成された型により容易に製造されるため、発光装置を安価にすることができる。

　図９は、ＶＣＳＥＬ－Ａの出射光の拡がり角αと照射面３１０における裾拡がり量及び光利用効率との関係を説明する図である。これらの関係は、シミュレーションにより求めた。
　図９に示すように、出射光の拡がり角αが小さくなるに従い、照射面３１０における裾拡がり量が小さくなり、光利用効率が向上する。これは、光源１０から出射される光の拡がり角が大きいと、拡がり角が小さい場合に比べ、様々な入射角の光が拡散板３０へ入射することになり、拡散板３０のレンズパターンによる屈折角の範囲が広がることになる。つまり、光源１０から出射される光の拡がり角が大きいほど、屈折角が様々な値を取ることになる。すると、拡散板３０から照射される光が所望の照射パターンに整形されにくくなり、照射パターンを四角形状とした場合に四角形状がぼやけてしまうことになる。すなわち、光源１０から出射される光の拡がり角が大きいほど、裾拡がり量が大きくなる。つまり、拡散板３０は、平行光が入射した場合に、最も裾拡がり量が小さくなるように構成されている。

　光出力が大きい光源１０が求められるＴＯＦ方式による三次元形状の計測においては、裾拡がり量を小さくする、つまり三次元計測に用いられない無駄な裾引き範囲ＩＩを狭くすることが光源１０の光利用率の向上に寄与する。このように、裾引き範囲ＩＩを狭くする、つまり裾拡がり量を抑制することで、光利用効率が向上し、裾拡がり量を抑制しない場合に比べて、光源１０の消費電力が低減される。

　そこで、第１の実施の形態が適用される発光装置４では、光源１０と拡散板３０との間に、光源１０が備えるＶＣＳＥＬ－Ａの出射光の拡がり角αを狭めて拡散板３０に向けて出射する拡がり角狭化部材２０を設けている。

　図１０は、第１の実施の形態が適用される発光装置４における光源１０、拡がり角狭化部材２０の一例である凸レンズ２１及び拡散板３０の関係を模式的に説明する図である。第１の実施の形態が適用される発光装置４では、拡がり角狭化部材２０は、光源１０と拡散板３０との間に保持された凸レンズ２１である。なお、図１０では、拡がり角狭化部材２０の一例である凸レンズ２１を２１（２０）と表記する。他の場合も同様とする。

　凸レンズ２１に入射した拡がり角αのＶＣＳＥＬ－Ａからの出射光は、拡がり角αより小さい拡がり角βで凸レンズ２１から出射する（β＜α）。つまり、拡がり角βの中心が拡がり角αの中心から光源１０側にずれる。なお、図１０では、凸レンズ２１から出射した光は、すべてのＶＣＳＥＬ－Ａにおいて、平行光であるように図示されている。平行光であればβは、“０”になる。凸レンズ２１から出射される光は、平行光でなくともよく、ＶＣＳＥＬ－Ａ毎に異なっていてもよい。つまり、光源１０のすべてのＶＣＳＥＬ－Ａを覆うように設けられた一個の凸レンズ２１を用いると、凸レンズ２１の中心部と周辺部との収差により拡がり角を狭める作用が異なる。よって、ＶＣＳＥＬ－Ａ毎に拡がり角βが異なることになる。ＶＣＳＥＬ－Ａ毎に拡がり角βが異なる場合であっても、凸レンズ２１により拡がり角αが拡がり角βに狭められて拡散板３０に入射する。

　上述したように、拡がり角狭化部材２０として凸レンズ２１を用いると、光源１０が備えるＶＣＳＥＬ－Ａは、あたかも拡がり角αより小さい拡がり角βで光を出射したと見なせる。よって、図９に示したように、照射面３１０における裾拡がり量が小さくなる。

　図１１は、第１の実施の形態が適用される発光装置４における光源１０、拡がり角狭化部材２０の他の一例であるフライアイレンズ２２及び拡散板３０の関係を模式的に説明する図である。ここでは、拡がり角狭化部材２０は、光源１０と拡散板３０との間に保持されたフライアイレンズ２２である。

　フライアイレンズ２２は、それぞれのＶＣＳＥＬ－Ａに対応して設けられた複数の凸レンズを備えている。フライアイレンズ２２は、ＶＣＳＥＬ－Ａから入射する光をＶＣＳＥＬ－Ａの出射光の拡がり角αより狭い拡がり角γで出射する。それぞれのＶＣＳＥＬ－Ａに対応してフライアイレンズ２２が設けられると、凸レンズ２１を用いる場合に比べ、拡がり角狭化部材２０から出射する光出射方向の制御が容易になる。

　拡がり角狭化部材２０としてフライアイレンズ２２を用いた場合であっても、光源１０が備えるＶＣＳＥＬ－Ａは、あたかも拡がり角αより小さい拡がり角γで光を出射したと見なせる。よって、図９に示したように、照射面３１０における裾拡がり量が小さくなる。なお、フライアイレンズ２２は、複数のＶＣＳＥＬ－Ａに対して一個の凸レンズが対応するように構成されてもよい。

　上記においては、拡がり角狭化部材２０の一例として、凸レンズ２１及びフライアイレンズ２２を説明した。拡がり角狭化部材２０は、これらに限らず、光源１０と拡散板３０との間に保持され、ＶＣＳＥＬ－Ａの出射光の拡がり角を狭めるものであれば適用されうる。

［第２の実施の形態］
　第１の実施の形態では、拡がり角狭化部材２０は、光源１０と拡散板３０との間に保持され、ＶＣＳＥＬ－Ａの出射光の拡がり角を狭めるものであった。第２の実施の形態が適用される発光装置４では、拡がり角狭化部材２０は、光源１０の光出射面上に設けられている。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１２（ａ）は、第２の実施の形態が適用される光学装置３の平面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＸＩＩＢ－ＸＩＩＢ線での断面図である。ここで、図１２（ａ）において、紙面の横方向をｘ方向、紙面の上方向をｙ方向とし、表面方向をｚ方向とする。

　図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、第２の実施の形態が適用される光学装置３では、発光装置４において、拡がり角狭化部材２０が光源１０上に設けられている。このことを除いて、第２の実施の形態が適用される光学装置３の構成は、図５に示した第１の実施の形態が適用される光学装置３と同じである。よって、同様の部分には同じ符号を付して説明を省略し、異なる部分を説明する。

　図１２（ｂ）に示すように、第２の実施の形態における発光装置４では、拡がり角狭化部材２０は、マイクロレンズ２３のアレイであって、光源１０が備えるＶＣＳＥＬ－Ａ上に設けられている。そして、個々のマイクロレンズ２３がそれぞれのＶＣＳＥＬ－Ａに対応して設けられている。なお、図１２（ａ）に示すように、マイクロレンズ２３を平面視したときの外縁は、円形となる。それぞれのＶＣＳＥＬ－Ａに対応してマイクロレンズ２３が設けられると、拡がり角狭化部材２０から出射する光出射方向の制御が容易になる。

　マイクロレンズ２３のアレイは、ＶＣＳＥＬ－Ａ上に設けられたフォトレジストなどを加熱により粘性流動させるなどで形成される。つまり、マイクロレンズ２３は、光源１０を製造する半導体製造プロセスにおいて形成される。なお、マイクロレンズ２３間がマイクロレンズ２３を構成する材料と同じ材料で連結されていてもよい。

　第１の実施の形態で説明した拡がり角狭化部材２０がフライアイレンズ２２の場合には、光源１０とフライアイレンズ２２が別の部材として構成されているので、光学装置３又は発光装置４を組み立てる際に、フライアイレンズ２２の各凸レンズと光源１０が備えるＶＣＳＥＬ－Ａとの位置関係を機械的に合わせることになる。また、フライアイレンズ２２が光源１０に対してずれたり、外れたりするおそれがある。
　拡がり角狭化部材２０がマイクロレンズ２３のアレイの場合には、マイクロレンズ２３のアレイが半導体製造プロセスで形成されることから、フライアイレンズ２２の場合に比べ、ＶＣＳＥＬ－Ａとマイクロレンズ２３との位置関係がより精密に設定しやすい。また、マイクロレンズ２３のアレイが光源１０から外れたり、ずれたりしにくい。さらに、光源１０上に拡がり角狭化部材２０（マイクロレンズ２３のアレイ）が形成されることで、発光装置４が小型になる。

　図１３は、第２の実施の形態が適用される発光装置４における光源１０、拡がり角狭化部材２０の一例であるマイクロレンズ２３のアレイ及び拡散板３０の関係を模式的に説明する図である。

　ＶＣＳＥＬ－Ａの出射光は、拡がり角αである。この出射光がマイクロレンズ２３に入射し、図８に示した拡がり角αより狭い拡がり角δの光となって出射する（δ＜α）。マイクロレンズ２３から出射される光は、ＶＣＳＥＬ－Ａから拡散板３０の方向に離れるに従って、光出射方向に垂直な面における照射領域が徐々に大きくなっていく、又は照射領域の大きさが一定であるとする。この拡がり角δの光が拡散板３０に入射する。

　拡がり角狭化部材２０としてマイクロレンズ２３のアレイを用いた場合であっても、光源１０が備えるＶＣＳＥＬ－Ａは、あたかも拡がり角αより小さい拡がり角δで光を出射したと見なせる。よって、図９に示したように、照射面３１０における裾拡がり量が小さくなる。なお、マイクロレンズ２３は、複数のＶＣＳＥＬ－Ａに対して一個が対応するように構成されてもよい。

　ここでは、マイクロレンズ２３から出射される光は、ＶＣＳＥＬ－Ａから拡散板３０の方向に離れるに従って、光出射方向に垂直な面における照射領域が徐々に大きくなっていく、又は照射領域の大きさが一定であるとした。マイクロレンズ２３の表面の曲率やＶＣＳＥＬ－Ａの光出射面からマイクロレンズ２３の表面までの距離などにより、マイクロレンズ２３から出射する光が、光出射方向のある点に収束するようにマイクロレンズ２３を構成することがありうる。しかし、出射する光を収束させるようにマイクロレンズ２３を構成すると、拡散板３０上における光の照射領域の径（スポット径と表記する。）が小さくなり、拡散板３０に設けられた凹凸のパターンの大きさと同程度になりうる。拡散板３０は、複数の凹部および凸部を含む広い照射領域に光を入射させないと、照射面３１０において図３（ａ）に示すような四角形状の照射パターンを形成しにくい。よって、マイクロレンズ２３は、ＶＣＳＥＬ－Ａの光出射方向に光を収束させないように構成することがよい。

　そして、拡散板３０の複数の凹部および凸部のパターンは、前述したように平行光が入射した場合に、最も裾拡がり量が小さくなるように構成されている。よって、マイクロレンズ２３から出射する光は、平行光、いわゆるコリメート光であるとよい。ここでは、平行光とは、拡がり角εが０°以上且つ５°以下である場合を言い、拡がり角εが０°以上且つ２°以下であるとなおよい。なお、このことは、第１の実施の形態における拡がり角狭化部材２０である凸レンズ２１及びフライアイレンズ２２についても同様である。

　上記においては、マイクロレンズ２３の中心、すなわち凸部の中心がＶＣＳＥＬ－Ａの光軸上にあるとしたが、マイクロレンズ２３の中心がＶＣＳＥＬ－Ａの光軸からずれた位置に設定されてもよい。これにより、マイクロレンズ２３から出射する光の向きがＶＣＳＥＬ－Ａの光軸方向からずれる。

　以上においては、光源１０が備えるＶＣＳＥＬは、λ共振器構造のマルチモードＶＣＳＥＬ（ＶＣＳＥＬ－Ａ）であるとした。これは、λ共振器構造のマルチモードＶＣＳＥＬは、λ共振器構造のシングルモードＶＣＳＥＬに比べ、酸化アパーチャ径を大きく取れることから、大きな光出力が得られるためであった。しかし、マルチモードＶＣＳＥＬは、シングルモードＶＣＳＥＬに比べ、出射光の拡がり角が大きい。そこで、光出力の大きいシングルモードＶＣＳＥＬを用いれば、マルチモードＶＣＳＥＬを用いる場合に比べ、拡がり角狭化部材２０からの出射する光の拡がり角をさらに小さくしうる。

　以下では、第２の実施の形態が適用される発光装置４の光源１０の変形例として、長共振器構造の単一横モード（シングルモード）ＶＣＳＥＬを備えた光源１０′を用いた場合を説明する。長共振器構造のＶＣＳＥＬは、共振器長が発振波長λである一般的なλ共振器構造のＶＣＳＥＬ内の活性領域と一方の多層膜反射鏡との間に、数λ～数１０λ分のスペーサ層を導入して共振器長を長くすることで高次横モードの損失を増加させ、これにより、一般的なλ共振器構造のＶＣＳＥＬの酸化アパーチャ径よりも大きい酸化アパーチャ径でシングルモード発振を可能にする。典型的なλ共振器構造のＶＣＳＥＬでは、縦モード間隔（フリースペクトルレンジと呼ばれることがある。）が大きいため、単一縦モードで安定的な動作を得ることができる。これに対し、長共振器構造のＶＣＳＥＬの場合には、共振器長が長くなることで縦モード間隔が狭くなり、共振器内に複数の縦モードである定在波が存在し、その結果、縦モード間のスイッチングが起こり易くなる。このため、長共振器構造のＶＣＳＥＬでは、縦モード間のスイッチングを抑制する層（以下で説明する図１４における光学的損失を与える層２２０）を設けている。長共振器構造のシングルモードＶＣＳＥＬは、一般的なλ共振器構造のシングルモードＶＣＳＥＬと比較し、拡がり角をさらに狭くしやすい。なお、単一横モードとは、拡がり角をパラメータとした出射光の光強度分布が単峰性、つまり光強度のピークが１つである特性を有するものを言う。ここでは、単峰性が維持される範囲において複数の横モードを含むものも単一横モードと言う。

（長共振器構造のシングルモードＶＣＳＥＬ（ＶＣＳＥＬ－Ｂ））
　図１４は、光源１０′を構成する一個の長共振器構造のシングルモードＶＣＳＥＬの断面構造を説明する図である。前述したように、長共振器構造のシングルモードＶＣＳＥＬをＶＣＳＥＬ－Ｂと表記する。なお、紙面の上方向がｚ方向である。
　ＶＣＳＥＬ－Ｂは、ｎ型のＧａＡｓの基板２００上に、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｎ型の下部ＤＢＲ２０２、下部ＤＢＲ２０２上に形成された、共振器長を延長する共振器延長領域２０４、共振器延長領域２０４上に形成されたｎ型のキャリアブロック層２０５、キャリアブロック層２０５上に形成された、上部スペーサ層及び下部スペーサ層に挟まれた量子井戸層を含む活性領域２０６、活性領域２０６上に形成されたＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に重ねたｐ型の上部ＤＢＲ２０８を積層して構成されている。なお、上部ＤＢＲ２０８の最下層もしくはその内部には、ｐ型ＡｌＡｓの電流狭窄層２１０が形成される。

　下部ＤＢＲ２０２、活性領域２０６、上部ＤＢＲ２０８、電流狭窄層２１０は、図７で示したＶＣＳＥＬ－Ａの下部ＤＢＲ１０２、活性領域１０６、上部ＤＢＲ１０８、電流狭窄層１１０と同じであるので説明を省略する。

　共振器延長領域２０４は、一連のエピタキシャル成長により形成されたモノリシックな層である。従って、共振器延長領域２０４は、ＧａＡｓ基板と格子定数が一致し、又は整合するような、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ又はＡｌＡｓから構成される。ここでは、９４０ｎｍ帯のレーザ光を出射させるため、共振器延長領域２０４は、光吸収を生じさせないＡｌＧａＡｓから構成されている。共振器延長領域２０４の膜厚は、２μｍ～５μｍ、発振波長λの５λ～２０λに設定される。このため、キャリアの移動距離が長くなる。よって、共振器延長領域２０４は、キャリア移動度が大きいｎ型であることがよく、それゆえｎ型の下部ＤＢＲ２０２と活性領域２０６との間に挿入される。このような共振器延長領域２０４は、空洞延長領域又はキャビティスペースと呼ばれることがある。

　共振器延長領域２０４と活性領域２０６との間に、例えばＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓからなるバンドギャップの大きいキャリアブロック層２０５が形成されるとよい。キャリアブロック層２０５の挿入により、活性領域２０６からのキャリアリークが防止され、発光効率が改善される。後述するように、共振器延長領域２０４には、レーザ光の発振強度を幾分減衰させるような光学的損失を与える層２２０が挿入されるので、キャリアブロック層２０５は、こうした損失を補填する役割を担う。例えば、キャリアブロック層２０５の膜厚は、λ／４ｍｎ_ｒ（但し、λは発振波長、ｍは整数、ｎ_ｒは媒質の屈折率）である。

　上部ＤＢＲ２０８から下部ＤＢＲ２０２に至るまでの積層された半導体層をエッチングすることにより、基板２００上に円柱状のメサＭ２が形成される。電流狭窄層２１０は、メサＭ２の側面に露出する。電流狭窄層２１０には、メサＭ２の側面から選択的に酸化された酸化領域２１０Ａと酸化領域２１０Ａによって囲まれた導電領域２１０Ｂが形成される。導電領域２１０Ｂが、酸化アパーチャである。導電領域２１０Ｂの基板と平行な平面形状は、メサＭ２の外形を反映した形状、すなわち円形状となり、その中心は、一点鎖線で示すメサＭ２の軸方向と一致する。長共振器構造のシングルモードＶＣＳＥＬでは、単一横モード（シングルモード）を得るための導電領域２１０Ｂの径を、通常のλ共振器構造のシングルモードＶＣＳＥＬよりも大きくしやすく、例えば、導電領域２１０Ｂの径を７μｍ～８μｍまで大きくしうる。なお、上部ＤＢＲ２０８から下部ＤＢＲ２０２に至る半導体層は、エピタキシャルにより積層される。よって、この半導体層をエピタキシャル層と表記することがある。

　メサＭ２の最上層には、Ｔｉ／Ａｕなどを積層した金属製の環状のｐ側電極２１２が形成され、ｐ側電極２１２は、上部ＤＢＲ２０８のコンタクト層にオーミック接触される。環状のｐ側電極２１２の内側は、レーザ光が外部へ出射される光出射口２１２Ａとなる。つまり、メサＭ２の軸方向が光軸になる。なお、光出射口２１２Ａを含む上部ＤＢＲ１０８の表面が出射面である。さらに、基板２００の裏面には、ｎ側電極としてカソード電極２１４が形成される。

　そして、ｐ側電極２１２と後述するアノード電極２１８とが接続される部分及び光出射口２１２Ａを除いて、メサＭ２の表面を覆うように、絶縁層２１６が設けられる。そして、光出射口２１２Ａを除いて、アノード電極２１８がｐ側電極２１２とオーミック接触するように設けられる。なお、アノード電極２１８は、複数のＶＣＳＥＬ－Ｂのそれぞれの光出射口２１２Ａを除いて設けられる。つまり、光源１０に含まれる複数のＶＣＳＥＬ－Ｂは、それぞれのｐ側電極２１２がアノード電極２１８で並列接続される。このように、アノード電極２１８は、各ＶＣＳＥＬ－Ｂの光出射口２１２Ａを除く各ＶＣＳＥＬ－Ｂ間の領域を覆う、連続した電極パターンとして設けられている。このため、ＶＣＳＥＬ－Ｂ毎に個別に駆動配線を設ける場合と比べ、広い面積の電極パターンが形成され、駆動電流が流れた場合の電圧降下が抑制される。

　長共振器構造のシングルモードＶＣＳＥＬでは、共振器長で規定される反射帯域内に複数の縦モードが存在しうるため、縦モード間のスイッチング又はポッピングを抑制する必要がある。ここでは、必要な縦モードの発振波長帯を９４０ｎｍとし、それ以外の縦モードの発振波長帯へのスイッチングを抑制するべく、共振器延長領域２０４内に不要な縦モードの定在波に対して光学的損失を与える層２２０が設けられている。つまり、光学的損失を与える層２２０は、必要な縦モードの定在波の節の位置に導入されている。光学的損失を与える層２２０は、共振器延長領域２０４を構成する半導体層と同じＡｌ組成の半導体材料から構成され、例えば、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓから構成されている。光学的損失を与える層２２０は、好ましくは、共振器延長領域２０４を構成する半導体層よりも不純物のドーピング濃度が高く、例えば、共振器延長領域２０４を構成するＡｌＧａＡｓの不純物濃度が１×１０^１７ｃｍ^－３であるとき、光学的損失を与える層２２０は、１×１０^１８ｃｍ^－３の不純物濃度を有し、他の半導体層よりも１桁程度、不純物濃度が高くなるように構成される。不純物濃度が高くなると、キャリアによる光の吸収が大きくなり、損失が与えられる。光学的損失を与える層２２０の膜厚は、必要な縦モードへの損失が大きくならないように選択され、好ましくは、定在波の節に位置する電流狭窄層２１０と同程度の膜厚（１０ｎｍ～３０ｎｍ）である。

　光学的損失を与える層２２０は、必要な縦モードの定在波に対しては節に位置するように挿入される。定在波の節では光強度が弱いので、光学的損失を与える層２２０が必要な縦モードに与える損失の影響は小さい。他方、不要な縦モードの定在波に対しては、光学的損失を与える層２２０は、節以外の腹に位置する。定在波の腹は節よりも光強度が大きくなるため、光学的損失を与える層２２０が不要な縦モードに与える損失は大きくなる。こうして、必要な縦モードへの損失を小さくしつつ、不要な縦モードへの損失を大きくすることで、選択的に不要な縦モードが共振されないようにし、縦モードホッピングが抑制される。

　光学的損失を与える層２２０は、共振器延長領域２０４の必要な縦モードの定在波の各節の位置に必ずしも設けることを要せず、単一の層であってもよい。この場合、定在波の強度は、活性領域２０６に近いほど大きくなるので、活性領域２０６から近い節の位置に光学的損失を与える層２２０を形成すればよい。また、縦モード間のスイッチング又はホッピングが許容されるのであれば、光学的損失を与える層２２０を設けなくてもよい。

　図１５は、第２の実施の形態が適用される発光装置４における光源１０′、拡がり角狭化部材２０の一例であるマイクロレンズ２３及び拡散板３０の関係を模式的に説明する図である。第２の実施の形態が適用される発光装置４では、拡がり角狭化部材２０は、光源１０′が備えるＶＣＳＥＬ－Ｂ上に設けられたマイクロレンズ２３である。

　ＶＣＳＥＬ－Ｂの出射光は、図８に示した拡がり角αより小さい拡がり角εである（ε＜α）。この出射光がマイクロレンズ２３に入射する。マイクロレンズ２３から出射される光は、ＶＣＳＥＬ－Ａから拡散板３０の方向に離れるに従って、光出射方向に垂直な断面の大きさが徐々に大きくなっていく、又は同じであるとする。このマイクロレンズ２３から出射する光は、図１３に示した拡がり角δより狭い拡がり角ζの光となり、拡散板３０に入射する（ζ＜δ）。

　拡がり角狭化部材２０としてマイクロレンズ２３のアレイを用いた場合であっても、ＶＣＳＥＬ－Ｂを備える光源１０′を用いると、ＶＣＳＥＬ－Ａを備える光源１０を用いた場合の拡がり角δに比べ、小さい拡がり角ζとなってマイクロレンズ２３から出射される。よって、光源１０′が備えるＶＣＳＥＬ－Ｂは、あたかも拡がり角εより小さい拡がり角ζで光を出射したと見なせる。よって、図９に示したように、照射面３１０における裾拡がり量が小さくなる。なお、前述したように、マイクロレンズ２３から出射される光は、平行光であるとよい。

　第１の実施の形態及び第２の実施の形態で説明したように、拡がり角狭化部材２０として凸レンズ２１、フライアイレンズ２２、マイクロレンズ２３のアレイを説明した。これらは、光学部品であることから、発光素子であるＶＣＳＥＬの出射光の拡がり角の制御が容易である。
　ここでは、拡散板３０に入射する光の拡がり角が小さいほどと照射面３１０における裾拡がり量が小さくなることから、光出力が大きい光源１０、１０′が求められるＴＯＦ方式による三次元形状の計測において、拡がり角狭化部材２０を用いて、光源１０、１０′が備えるＶＣＳＥＬの出射光の拡がり角を狭めて拡散板３０に入射させている。これにより、裾拡がり量、つまり照射面３１０において予め定められた範囲（検知範囲Ｉ）外に裾を引いて拡がる無駄な光を抑制し、光利用効率を向上させている。このようにすることで、裾拡がり量を抑制しない場合に比べて、光源の消費電力を低減させている。特に、携帯型情報処理装置など、電池で駆動される情報処理装置において長い駆動時間が得られている。

　なお、上記の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、複数のＶＣＳＥＬ（ＶＣＳＥＬ－Ａ、ＶＣＳＥＬ－Ｂ）が並列接続される例を示したが、複数のＶＣＳＥＬが直列接続される構成や、直列接続と並列接続とを組み合わせた接続形態であってもよい。

　また、上記の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、複数のＶＣＳＥＬ（ＶＣＳＥＬ－Ａ、ＶＣＳＥＬ－Ｂ）がメサ形状で構成される例を示したが、メサ形状以外の形態であってもよい。例えば、各ＶＣＳＥＬの出射口の周囲を取り囲むように複数の孔を設け、この孔を利用して電流狭窄層（電流狭窄層１１０、２１０）を酸化することで、酸化狭窄構造を有するＶＣＳＥＬを構成してもよい。

　また、上記の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、複数のＶＣＳＥＬ（ＶＣＳＥＬ－Ａ、ＶＣＳＥＬ－Ｂ）が、基板１００上のエピタキシャル層が形成された面側（表面側）から光を出射する形態を示したが、エピタキシャル層が形成されていない面側（裏面側）から光を出射する形態であってもよい。

　また、上記の第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、光の出射面側から見た場合に、光源１０、１０′と拡散板３０とが重なる位置に配置された形態を示したが、重ならない位置に配置された形態であってもよい。例えば、反射ミラー等の反射部材を介することで、拡散板３０と光源１０、１０′とが重ならない位置であっても、光を拡散できる構成であればよい。
　本願は、２０１９年８月８日付の特許願弟２０１９－１４６３８２号に基づき優先権を主張する。

Claims

　発光素子を複数配列した光源と、
　前記光源の光出射経路に設けられ、当該光源における各発光素子からの出射光の拡がり角を狭くして出射する第１の光学部材と、
　前記第１の光学部材の光出射側に設けられ、当該第１の光学部材側から入射する光を拡散して照射する第２の光学部材と、を備える発光装置。
　前記第１の光学部材は、屈折により光の拡がり角を狭くする光学部品である請求項１に記載の発光装置。
　前記第１の光学部材は、前記光源の発光素子上に設けられている請求項１または２に記載の発光装置。
　前記第１の光学部材は、前記光源の発光素子毎に設けられているマイクロレンズである請求項１～３のいずれか一項に記載の発光装置。
　前記第１の光学部材は、前記光源の各発光素子から入射した光を平行光にして出射する請求項１～４のいずれか一項に記載の発光装置。
　前記発光素子は、垂直共振型面発光レーザ素子である請求項１～４のいずれか一項に記載の発光装置。
　前記垂直共振型面発光レーザ素子は、長共振器構造である請求項６に記載の発光装置。
　複数の前記発光素子は、電極パターンにより互いに並列に接続されるとともに、当該電極パターンは、各発光素子の出射口を除く領域を、連続したパターンで覆っている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の発光装置。
　前記第２の光学部材は、前記第１の光学部材から出射する光の指向性を変えて照射させる請求項１ないし８のいずれか１項に記載の発光装置。
　前記第２の光学部材は、板状の部材であって、少なくとも一方の面に光の指向性を変える構造が設けられている請求項９に記載の発光装置。
　前記第２の光学部材は板状の部材であって、少なくとも一方の面に複数の凹部および凸部が設けられている請求項１ないし９のいずれか１項に記載の発光装置。
　前記第２の光学部材は、タイムオブフライト方式による三次元形状の計測に用いる光を照射する請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の発光装置。
　前記光源、前記第１の光学部材及び前記第２の光学部材が携帯型情報処理端末に搭載され、当該光源は前記携帯型情報処理端末の電池によって駆動される請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の発光装置。
　請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の発光装置と、
　前記発光装置が備える光源から出射され計測対象で反射された反射光を受光する受光部と、を備え、
　前記受光部は、前記光源から光が出射されてから当該受光部で受光されるまでの時間に相当する信号を出力する光学装置。
　請求項１４に記載の光学装置と、
　前記光学装置が備える光源から出射され計測対象で反射され、当該光学装置が備える受光部が受光した反射光に基づき、当該計測対象の三次元形状を特定する形状特定部と、を備える情報処理装置。
　前記形状特定部での特定結果に基づき、自装置の使用に関する認証処理を行う認証処理部、をさらに備える請求項１５に記載の情報処理装置。