JP2019075557A - 光源一体型光センシングシステム、及びそれを含む電子機器 - Google Patents

光源一体型光センシングシステム、及びそれを含む電子機器 Download PDF

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銀 京 李
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▲てい▼ 祐 金
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秉 龍 崔
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熙 善 尹
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Abstract

【課題】光源一体型光センシングシステム、及びそれを含む電子機器を提供する。【解決手段】第１光軸ＯＡ１を有するように配列された複数の発光素子２２０、及び第１光軸と平行な第２光軸ＯＡ２を有するように配列された複数の受光素子３２０を含む光センシングシステムに係り、複数の発光素子２２０と複数の受光素子３２０は、一体型に集積された構造に形成され、第１光軸ＯＡ１と第２光軸ＯＡ２は、実質的に同軸に形成されていて、受光効率を高めることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、光源一体型光センシングシステム、及びそれを含む電子機器に関する。
スマートカー、ロボットのような多様な自律駆動機器分野において、障害物を感知するためのセンサまたはスキャナとして利用されるライダー（LiDAR:light detection and ranging）システムは、一般的に、対象体に光を照射する光源と、対象体から反射された光を受信するセンサと、を含む。該光源から該対象体までの光経路、及び対象体からセンサまでの光経路には、多様な付加的な光学部品が配置され、それにより、システムがバルキー（bulky）になってしまい、光学部品を過ぎる間、光損失が発生してしまう。
特開２０１０−２１２３４７号公報
本発明が解決しようとする課題は、受光効率を高めることができる光源一体型光センシングシステムを提供することである。
本発明が解決しようとする課題は、また、光センシングシステムを含み、対象体の分析を効率的に行うことができるライダー装置を提供することである。
本発明の一類型によれば、基板と、前記基板上に位置し、第１光軸を有するように配列された複数の発光素子と、前記基板上に位置し、前記第１光軸と平行な第２光軸を有するように配列された複数の受光素子と、を含む光センシングシステムが提供される。
前記第１光軸と前記第２光軸は、実質的に同軸（coaxial）でもある。
前記複数の発光素子と前記複数の受光素子は、一体型に集積された構造にも形成されている。
前記複数の発光素子と、前記複数の受光素子との配列は、前記複数の発光素子のうち１以上の発光素子と、前記複数の受光素子のうち１以上の受光素子とからなる、複数の受発光単位素子（light receiving-emitting unit device）が反復的に配列された形態でもある。
前記受発光単位素子は、前記１以上の発光素子を、前記１以上の受光素子が取り囲む形態を有することができる。
前記受発光単位素子は、前記基板上に形成され、前記１以上の発光素子を含む発光領域と、前記１以上の発光素子の材質と同一材質を含む非発光領域と、を具備する発光物質層、及び前記非発光領域上に形成された前記１以上の受光素子を含んでもよい。
または、前記受発光単位素子は、前記基板上に形成され、前記１以上の受光素子を含む受光領域と、前記１以上の受光素子の材質と同一材質を含む非受光領域と、を具備する受光物質層、及び前記非受光領域上に形成された前記１以上の発光素子を含んでもよい。
前記光センシングシステムは、前記受発光単位素子上に位置し、前記１以上の発光素子から出射される光の出射角を調節するレンズ構造物をさらに含んでもよい。
前記レンズ構造物は、前記１以上の受光素子に向かう光の入射角を調節することができる形状を有することができる。
前記レンズ構造物は、前記複数の受発光単位素子それぞれの相対的位置によって異なる出射角を有する形状を有することができる。
前記光センシングシステムは、前記複数の受発光単位素子が配列される一面を具備し、前記一面上の位置により、前記複数の受発光単位素子それぞれの光軸方向が異なるように、前記一面形状が設定された支持構造物をさらに含んでもよい。
前記一面は、曲面、または角度が異なる複数の傾斜面を含む形状でもある。
前記複数の発光素子は、第１波長帯域の光を発光する第１発光素子と、前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を発光する第２発光素子と、を含んでもよい。
また、本発明の他の一類型によれば、対象体に向けて光を照射する複数の発光素子と、前記対象体に向けて照射された光の反射光を受光する複数の受光素子と、を含み、前記複数の発光素子は、第１光軸を有するように配列され、前記複数の受光素子は、第２光軸を有するように配列され、前記第１光軸と前記第２光軸とが平行である光センシングシステムを有して、前記光センシングシステムを制御し、前記光センシングシステムから受信された光を分析するプロセッサを有するライダー装置が提供される。
前記複数の発光素子の第１光軸と、前記複数の受光素子との第２光軸は、実質的に同軸でもある。
前記複数の発光素子と前記複数の受光素子は、一体型に集積された構造に形成されている。
前記複数の発光素子と、前記複数の受光素子との配列は、前記複数の発光素子のうち１以上の発光素子と、前記複数の受光素子のうち１以上の受光素子とからなる複数の受発光単位素子が反復的に配列された形態でもある。
前記プロセッサは、前記複数の発光素子が時間差を置いて発光されるように、前記光センシングシステムを制御することができる。
前記プロセッサは、前記複数の発光素子が同時に発光されるように、前記光センシングシステムを制御することができる。
前記複数の発光素子は、第１波長帯域の光を発光する第１発光素子と、前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を発光する第２発光素子と、を含んでもよい。
前記プロセッサは、前記第１発光素子と前記第２発光素子とが時間差を置いて発光するように、前記光センシングシステムを制御することができる。
本発明の光センシングシステムは、光源部と受光部とが一体化された構造を有し、従ってシステムを簡素化することができる。
前述の光センシングシステムは、光源部の光軸と、受光部の光軸とが実質的に同軸になるように、複数の発光素子と複数の受光素子とが配列されているので、受光効率が高い。
前述の光センシングシステムは、多様な光学装置、電子装置に採用され、例えば、ライダー装置に採用され、被写体に係わる情報を獲得することができる。
一実施形態による光センシングシステムを概略的に図示した概念図である。 図１の光センシングシステムの概略的な構成を示した平面図である。 光センシングシステムに具備される受発光単位素子の詳細な構成を示すためのＡ−Ａ’断面図である。 図３Ａの変形例である。 他の実施形態による光センシングシステムに具備される受発光単位素子を示す断面図である。 図４Ａの変形例である。 他の実施形態による光センシングシステムに具備される受発光単位素子の例を示した平面図である。 さらに他の実施形態による光センシングシステムに具備される受発光単位素子のさらに他の例を示した平面図である。 さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した平面図である。 さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した断面図である。 図８の光センシングシステムに具備された受発光単位素子の詳細な構成を示した断面図である。 図８の光センシングシステムに具備される受発光単位素子の変形された例を示す断面図である。 さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した断面図である。 さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した断面図である。 さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した断面図である。 さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した断面図である。 さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した断面図である。 さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した断面図である。 一実施形態によるライダー装置の概略的な構成を示すブロック図である。
以下、添付された図面を参照し、実施形態について詳細に説明する。説明される実施形態は、単に例示的なものに過ぎず、そのような実施形態から多様な変形が可能である。以下の図面において、同一参照符号は、同一構成要素を指し、図面上において、各構成要素の大きさは、説明の明瞭さ及び便宜のために誇張されている。
以下において、「上部」であったり「上」であったりと記載されたものは、接触して真上にあるものだけではなく、非接触で上にあるものも含まれる。
第１、第２のような用語は、多様な構成要素の説明に使用されるが、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみに使用される。そのような用語は、構成要素の物質または構造が異なるということを限定するものではない。
単数の表現は、文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」というとき、それは、特別に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいということを意味する。
また、明細書に記載された「…部」、「モジュール」というような用語は、少なくとも１つの機能や動作を処理する単位を意味し、それは、ハードウェアまたはソフトウェアによって具現されるか、あるいはハードウェアとソフトウェアとの結合によっても具現されるのである。
図１は、一実施形態による光センシングシステムを概略的に図示した概念図であり、図２は、図１の光センシングシステムの概略的な構成を示した平面図であり、図３Ａは、図２の光センシングシステムに具備される受発光単位素子（light receiving-emitting unit device）の詳細な構成を示すためのＡ−Ａ’断面図である。
光センシングシステム１０００は、光源一体型受光システムであり、対象体ＯＢＪに対する光の照射効率、及び対象体ＯＢＪから反射される光の受光効率を高めるように提案される。
光センシングシステム１０００は、複数の発光素子２２０と、複数の受光素子３２０と、を含み、複数の発光素子２２０は、第１光軸ＯＡ１を有するように配列され、複数の受光素子３２０は、第２光軸ＯＡ２を有するように配列される。
図１においては、図示の便宜上、第１光軸ＯＡ１と第２光軸ＯＡ２とを分離させて離隔させるように図示されており、第１光軸ＯＡ１と第２光軸ＯＡ２は、平行である。この平行とは、第１光軸ＯＡ１と第２光軸ＯＡ２が、実質的に互いに平行であってもよいし、実質的に同軸（coaxial）であってもよい。
第１光軸ＯＡ１と第２光軸ＯＡ２とが実質的に同軸になるように、複数の発光素子２２０と複数の受光素子３２０とを配列することは、受光効率を可能な限り高めるためであり、「実質的に同軸」という意味は、第１光軸ＯＡ１と第２光軸ＯＡ２とが完全に同一であると限定されるものではなく、受光効率が所定値以上になるように、類似しているということを意味する。該所定値は、例えば、光源部と受光部とが別途に分離されたシステム、または光源部の光軸と、受光部の光軸とが異なるシステムと、本実施形態の光センシングシステム１０００とを比較するとき、改善された受光効率を示すと見ることができる数値になることである。同様に、「実質的に平行」という意味も、第１光軸ＯＡ１と第２光軸ＯＡ２との方向が完全に平行であることに限定されるものではなく、受光効率が前記所定値以上になるように、方向が類似していることを意味する。
図２に図示されているように、複数の発光素子２２０と複数の受光素子３３０との配列は、複数の受発光単位素子５００が反復的に配列された形態を有することができる。受発光単位素子５００は、１以上の発光素子２２０と、１以上の受光素子３２０とを含む。図面においては、１つの発光素子２２０と、１つの受光素子３２０とが１つの受発光単位素子５００を構成するように図示されているが、それは例示的なものに過ぎず、それに限定されるものではない。
そのような配列において、複数の発光素子２２０の配列の中心軸である第１光軸ＯＡ１と、複数の受光素子３２０の配列の中心軸である第２光軸ＯＡ２は、図２に図示されているように、複数の受発光単位素子５００が配列された中の中心軸Ｃを間に置いて所定距離（離隔距離）離れていることがある。そのような配列の場合に、第１光軸ＯＡ１と第２光軸ＯＡ２との「実質的に同軸」の意味は、第１光軸ＯＡ１と第２光軸ＯＡ２との離隔距離が１つの受発光単位素子５００の幅より小さいことを意味する。ただし、それに限定されるものではなく、第１光軸ＯＡ１と第２光軸ＯＡ２との離隔距離が、１つの受発光単位素子５００の幅より大きい場合にも、例えば、前述の所定値の受光効率を満足する場合、「実質的に同軸」に該当すると見ることができる。従って、第１光軸ＯＡ１と第２光軸ＯＡ２との離隔距離が、受光効率を考慮して決められる所定の複数個の受発光単位素子５００の幅の和より小さい場合、「実質的に同軸」に該当すると見ることができるのである。
そのような配列の光センシングシステム１０００を具現するために、複数の発光素子２２０と複数の受光素子３２０は、一体型にも形成される。複数の発光素子２２０と、複数の受光素子３２０は、同じ基板１００上に、一体型に集積されるようにも（monolithically integrated）形成される。そのような例示的な構造について、図３Ａを参照して説明する。
図３Ａを参照すれば、光センシングシステム１０００は、基板１００、基板１００上に形成された発光物質層２００、発光物質層２００の一部領域上に形成された受光素子３２０を含む。発光物質層２００の領域は、発光領域ＥＡと非発光領域ＮＥＡとを含み、発光領域ＥＡは、図２に表示された発光素子２２０に対応する。
光センシングシステム１０００は、一体型に形成された受光・発光構造、発光素子２２０及び受光素子３２０を含む。ここで、「一体型」は、発光素子２２０、受光素子３２０が、転写や接着などの過程によって結合されるものではないことを意味する。例えば、発光素子２２０と受光素子３２０は、基板１００上に、直接一連の順次工程、例えば、蒸着、フォトリソグラフィ（photo-lithography）、エッチングなどを含む半導体工程を介して形成され、基板１００上に一体型に集積された（monolithically integrated）構造をなすことができる。
発光物質層２００は、複数層の半導体物質からもなり、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物、ＩＩ−ＶＩ族半導体化合物、ＩＶ族半導体物質を含んでもよい。発光物質層２００は、利得層（gain layer）、クラッド層（clad layer）、キャビティ（cavity）を含むレーザ構造を有することができ、例えば、ＶＣＳＥＬ（vertical cavity surface emitting laser）構造にも形成される。発光物質層２００は、基板１００上に、半導体工程を介して形成され、基板１００としては、前述の半導体物質の形成に適する半導体基板が用いられる。例えば、基板１００は、ＧａＡｓ基板、サファイア基板、ＩｎＰ基板、Ｓｉ基板、絶縁体基板などである。発光物質層２００は、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＺｎＳＳｅ、ＺｎＣＤＳｅ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ／ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＰｂＣｄＳ、量子カスケード（quantum cascade）、ＰｂＳＳｅ、ＰｂＳｎＴｅ、ＰｂＳｎＳｅ、などを含んでもよい。例えば、ＡｌＧａＮは、３５０ｎｍ〜４００ｎｍ、ＧａＩｎＮは、３７５ｎｍ〜４４０ｎｍ、ＺｎＳＳｅは、４４７ｎｍ〜４８０ｎｍ、ＺｎＣＤＳｅは、４９０ｎｍ〜５２５ｎｍ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓは、６２０ｎｍ〜６８０ｎｍ、Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ／ＧａＡｓは、６７０ｎｍ〜６８０ｎｍ、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓは、７５０ｎｍ〜９００ｎｍ、ＧａＡｓ／ＧａＡｓは、９０４ｎｍ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓは、９１５ｎｍ〜１，０５０ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰは、１，１００ｎｍ〜１，６５０ｎｍ、ＩｎＧａＡｓＳｂは、２μｍ〜５μｍ、ＰｂＣｄＳは、２．７μｍ〜４．２μｍ、量子カスケードは、３μｍ〜５０μｍ、ＰｂＳＳｅは、４．２μｍ〜８μｍ、ＰｂＳｎＴｅは、６．５μｍ〜３０μｍ、ＰｂＳｎＳｅは、８μｍ〜３０μｍの波長帯域の光を生成するために使用される。発光物質層２００は、そのような物質が、Ｐ型（positive type）、Ｉ型（intrinsic type）、Ｎ型（negative type）に具現された複数層から構成される。半導体物質の具体的な組成は、発光領域ＥＡ、すなわち、発光素子２２０で生成、出射する光Ｌ１の波長帯域を考慮して決定される。
図面において、発光物質層２００は、３層に図示されているが、それに限定されるものではなく、３層以上にも構成される。発光物質層２００は、共振構造形成のためのミラー層を含んでもよい。例えば、屈折率が互いに異なる２つの物質の対によって構成された分散ブラッグ反射器（DBR:distributed Bragg reflector）が具備され、共振キャビティ（resonant cavity）を形成することができる。また、発光物質層２００は、発振される光のモード調節やビームサイズを調節するための酸化物開口層（oxide aperture）を含んでもよい。また、電流注入のための電極構造を含んでもよい。また、電極との接触抵抗を低くするために、Ｐ型、Ｎ型のドーパントが高濃度にドーピングされたコンタクト層を含んでもよい。
発光物質層２００の領域は、発光領域ＥＡと非発光領域ＮＥＡとを含む。非発光領域ＮＥＡと発光領域ＥＡは、同一半導体物質を含む。発光領域ＥＡは、外部に光を出射することができる領域である。ただし、発光領域ＥＡ全体が光を出射する領域になるという意味に限定されるものではなく、発光領域ＥＡ内の一部領域が光を出射する領域にもなる。非発光領域ＮＥＡは、その上に、受光素子３２０が形成されるように設けられる領域であり、光を出射しない領域である。発光領域ＥＡと非発光領域ＮＥＡは、発光のための電流注入構造の有無に差がある。例えば、発光領域ＥＡには、電流注入のための電極（図示せず）が含まれ、非発光領域ＮＥＡは、そのような電極が含まれないようにも形成される。ただし、それに限定されるものではなく、例えば、発光領域ＥＡと非発光領域ＮＥＡは、同一に電極構造を含むが、外部回路との連結から、非発光領域ＮＥＡの電極には、電流注入がなされないように構成される方式も可能である。
非発光領域ＮＥＡ上に形成される受光素子３２０も、発光物質層２００上に、直接一体型にも形成される。例えば、発光物質層２００上の全面に、半導体物質からなる受光物質層を形成し、フォトリソグラフィ工程を介して、所定形状にパターニングし、受光素子３２０を形成することができる。受光素子３２０は、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物、ＩＩ−ＶＩ族半導体化合物、ＩＶ族半導体物質を含んでもよく、フォトダイオードによっても構成される。受光素子３２０は、前記半導体物質が、Ｐ型（positive type）、Ｉ型（intrinsic type）、Ｎ型（negative type）に具現された複数層にも構成される。図面には、受光素子３２０が３層に図示されているが、それは例示的なものであり、それに限定されるものではない。受光素子３２０は、半導体物質以外に、光信号を電気的信号として検出するための電極構造を含んでもよい。
前述のように、発光物質層２００の領域には、非発光領域ＮＥＡと発光領域ＥＡとが相互に反復され、非発光領域ＮＥＡ上に、受光素子３２０が形成された形態の単位構造が、一体型の受発光単位素子５００を形成する。
図３Ｂは、図３Ａの変形例である。
図４Ａは、他の実施形態による光センシングシステムに具備される受発光単位素子を示す断面図である。
光センシングシステム１０００’は、図２の光センシングシステム１０００と同一平面図を有することができ、図４Ａは、Ａ−Ａ’の断面図に対応する。
光センシングシステム１０００’は、基板１００、基板１００上に形成された受光物質層３００、受光物質層３００の一部領域上に形成された発光素子２２１を含む。受光物質層３００の領域は、受光領域ＲＡと非受光領域ＮＲＡとを含み、受光領域ＲＡは、受光素子３２１とも称される。
発光素子２２１と受光素子３２１は、基板１００上に、直接一連の順次工程を介して形成され、基板１００上に一体型に集積された（monolithically integrated）構造をなし、本実施形態の光センシングシステム１０００’に具備される受発光単位素子５０１は、受光物質層３００上に発光素子２２１が配置された点において、図３Ａの受発光単位素子５００と違いがある。
受光物質層３００は、基板１００上に、半導体工程を介しても形成される。受光物質層３００は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物、ＩＩ−ＶＩ族半導体化合物またはＩＶ族半導体物質を含んでもよく、基板１００上に、直接一体型にも形成される。受光物質層３００は、フォトダイオードを具現するようにも構成される。基板１００は、前述の半導体物質の形成に適する半導体基板にもなる。例えば、基板１００は、ＧａＡｓ基板、サファイア基板、ＩｎＰ基板、Ｓｉ基板、絶縁体基板などにもなる。図面には、受光物質層３００が３層に図示されているが、それは例示的なものであり、それに限定されるものではない。受光物質層３００は、半導体物質以外に、光信号を電気的信号として検出するための電極構造を含んでもよい。
受光物質層３００の領域は、受光領域ＲＡと非受光領域ＮＲＡとを含む。非受光領域ＮＲＡと受光領域ＲＡは、同一半導体物質を含む。受光領域ＲＡは、外部から入射された光を電気信号に変化させて出力することができる領域であり、非受光領域ＮＲＡは、その上に、発光素子２２１が形成されるように設けられ、外部から入射された光Ｌ２を電気信号として出力しない領域である。受光領域ＲＡと非受光領域ＮＲＡは、電気信号の出力のための電極構造の有無で差がある。例えば、受光領域ＲＡには、電気信号出力のための電極（図示せず）が含まれ、非受光領域ＮＲＡは、そのような電極が含まれないようにも形成される。ただし、それに限定されるものではなく、例えば、受光領域ＲＡと非受光領域ＮＲＡは、同一電極構造を含むが、外部回路との連結において、非受光領域ＮＲＡの電極は、外部回路と連結されないように構成される方式も可能である。
非受光領域ＮＲＡ上に位置した発光素子２２１の形成も、受光物質層３００上に、直接一体型にも形成される。発光素子２２１は、受光物質層３００上に、半導体工程を介しても形成される。例えば、受光物質層３００上の全面に、半導体物質からなる発光物質層を形成し、フォトリソグラフィ工程を介して所定形状にパターニングし、発光素子２２１を形成することができる。
発光素子２２１は、複数層の半導体物質を含んでもよく、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物、ＩＩ−ＶＩ族半導体化合物、ＩＶ族半導体物質を含んでもよい。発光素子２２１は、そのような物質が、Ｐ型、Ｎ型、Ｉ型に具現された複数層によっても構成される。図面において、発光素子２２１は、３層に図示されているが、それに限定されるものではなく、３層以上にも構成される。発光素子２２１は、共振構造形成のためのミラー層を含んでもよく、電流注入のための電極構造を含んでもよく、電極との接触抵抗を低くするために、Ｐ型、Ｎ型のドーパントが高濃度にドーピングされたコンタクト層を含んでもよい。発光素子２２１は、レーザ構造を有することができ、例えば、ＶＣＳＥＬ構造にも形成される。
前述のように、受光物質層３００の領域には、非受光領域ＮＲＡと受光領域ＲＡとが相互に反復され、非受光領域ＮＲＡ上に発光素子２２１が形成された形態の単位構造が、一体型の受発光単位素子５０１を形成する。
図４Ｂは、図４Ａの変形例である。
図５は、他の実施形態による光センシングシステムに具備される受発光単位素子の例を示した平面図である。
受発光単位素子５０２は、発光素子２２２と、発光素子２２２を取り囲む複数の受光素子３２２と、を含んでもよい。発光素子２２２は、円形の断面形状を有することができ、複数の受光素子３２２は、発光素子２２２を取り囲むようにも配置される。受光素子３２２は、図示されているように、発光素子２２２を取り囲み、外形がほぼ四角形である形状が複数個、例えば、８個に等分された断面形状を有することができる。ただし、それは、例示的なものであり、受光素子３２２の断面形状は、円形または楕円形が複数個に等分された形状を有することもできる。
図６は、さらに他の実施形態による光センシングシステムに具備される受発光単位素子のさらに他の例を示した平面図である。
受発光単位素子５０３は、複数の発光素子２２３と、複数の発光素子２２３を取り囲む複数の受光素子３２３と、を含む。複数の発光素子２２３は、円形断面形状を有し、中心部側に配置され、受光素子３２３は、複数の発光素子２２３を取り囲み、外形がほぼ四角形である形状が二つに等分された形状を有することができる。ただし、それは、例示的なものであり、受光素子３２３の断面形状は、円形または楕円形が二つに等分された形状を有することもできる。
図５及び図６に例示した受発光単位素子５０２，５０３の断面形状は、図３や図４の断面図で説明したように、発光物質層２００上に受光素子３２０が形成されるか、あるいは受光物質層３００上に発光素子２２１が形成された形態が採用される。
受発光単位素子５０２，５０３について例示された形状は、一実施形態による光センシングシステムにおいて、受光領域と発光領域との面積を、必要や便宜性によって自由に構成することができるということについて説明するものであり、図示されている形状に制限されるものではない。
図７は、さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した平面図である。
光センシングシステム１００１は、基板１００上に一体型に形成された、複数の発光素子２２４と複数の受光素子３２４とを含む。複数の発光素子２２４と複数の受光素子３２４は、円形の断面形状を有することができる。複数の発光素子２２４の断面は、複数の受光素子３２４の断面サイズより小さく形成され、複数の発光素子２２４は、複数の受光素子３２４が２つの方向に沿って配列された間の空間にも配置される。複数の発光素子２２４は、２方向と平行な方向に沿って配列された形態になり、互いに互い違いに配置される。そのような配列は、受光素子３２４のｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒを可能な限り高め、受光効率を高めることができる構造にもなる。
図８は、さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した断面図であり、図９は、図８の光センシングシステムに具備された受発光単位素子の詳細な構成を示した断面図である。
光センシングシステム１００２は、視野角を広げることができる支持構造物６００をさらに含み、支持構造物６００上に、複数の受発光単位素子５０４が配置される。
受発光単位素子５０４は、基板１００上に形成され、受光領域ＲＡと非受光領域ＮＲＡとを含む受光物質層３００、非受光領域ＮＲＡ上に形成された発光素子２２６を含む。受光領域ＲＡは、受光素子３２６である。一実施形態の光センシングシステム１００２に採用された受発光単位素子５０４は、単位構成を形成する受光素子３２６の個数及び配置形態においてのみ、図４で説明した受発光単位素子５０１と違いがあり、残りの構成は、実質的に同一である。受光物質層３００、受光領域ＲＡ、非受光領域ＮＲＡ、発光素子２２６の物質や構成は、図４で説明したところと実質的に同一である。非受光領域ＮＲＡの両側に、２つの受光領域ＲＡ、すなわち、２つの受光素子３２６が形成され、非受光領域ＮＲＡ上に、発光素子２２６が形成された形態の単位構造が、一体型の受発光単位素子５０４を形成する。
支持構造物６００は、複数の受発光単位素子５０４が配列される面を具備する。この面の形状は、配列される位置により、複数の受発光単位素子５０４それぞれの光軸方向が異なるようにも設定される。例えば、支持構造物６００は、平坦な下面と、角度が互いに異なる複数の傾斜面６０１，６０２，６０３を含んでもよい。各傾斜面６０１，６０２，６０３上に配置される受発光単位素子５０４は、各傾斜面６０１，６０２，６０３の角度によって互いに異なる方向に光を出射し、光センシングシステム１００２全体の視野角が広くなる。言い換えれば、光センシングシステム１００２は、広い視野角を有するように、光Ｌ１を出射することができ、広い視野角で入射する光Ｌ２を受信することができる。
図１０は、図８の光センシングシステムに具備される、変形された例の受発光単位素子を示す断面図である。
受発光単位素子５０５は、基板１００上に形成され、発光領域ＥＡと非発光領域ＮＥＡとを含む発光物質層２００、非発光領域ＮＥＡ上に形成された受光素子３２５を含む。発光領域ＥＡは、発光素子２２５である。
受発光単位素子５０５は、単位構成を形成する受光素子３２５の個数及び配置形態においてのみ、図３で説明した受発光単位素子５００と違いがあり、残り構成は、実質的に同一である。発光物質層２００、発光領域ＥＡ、非発光領域ＮＥＡ、受光素子３２５の物質や構成は、図３で説明したところと実質的に同一である。発光領域ＥＡ、すなわち発光素子２２５の両側に、非発光領域ＮＥＡが形成され、２つの非発光領域ＮＥＡ上に、受光素子３２５がそれぞれ形成された形態の単位構造が、一体型の受発光単位素子５０５を形成する。そのような受発光単位素子５０５が、図８で説明した支持構造物６００上に配列され、広い視野角を具現することができる。
図１１は、さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した断面図である。
光センシングシステム１００４は、視野角を広げることができる支持構造物６１０をさらに含んでもよい。本実施形態の光センシングシステム１００４に具備される支持構造物６１０は、受発光単位素子５０４が配置される一面６１０ａが曲面形状を有することができる。支持構造物６１０は、図示されているように、平坦なプレートが反った形状にも形成される。一面６１０ａが曲面形状を有することにより、そこに配置された受発光単位素子５０４から出射する光Ｌ１の方向は、その位置によって異なり、広い視野角で光を出射する。同様に、広い視野角で入射する光Ｌ２を受信することができる。平坦なプレートの反る程度を調節し、所望視野角が形成されるように、支持構造物６１０の曲面形状を形成することができる。
図１２は、さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した断面図である。
光センシングシステム１００５は、反復配列された複数の受発光単位素子５０４を含み、複数の受発光単位素子５０４それぞれの上に、出射角を調節するレンズ構造物７００がさらに形成されている。受発光単位素子５０４は、図９で例示した形状でもって説明するが、それに限定されるものではない。レンズ構造物７００は、受発光単位素子５０４の発光素子２２６上にも形成される。レンズ構造物７００は、所定屈折率を有する透明材質でもって、所定レンズ面形状を有するように形成され、受発光単位素子５０４から出射される光の出射角を、所望形態に調節することができる。
図１３は、さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した断面図である。
本実施形態の光センシングシステム１００６は、レンズ構造物７１０が、受発光単位素子５０４から出射される光の出射角を調節するだけではなく、受発光単位素子５０４に入射される光の入射角を調節するように形成された点において、図１２の光センシングシステム１００５と違いがある。レンズ構造物７１０は、受発光単位素子５０４一つを全体的に覆うように、すなわち、発光素子２２６と２つの受光素子３２６とを共に覆うことができる形態にも形成される。
図１４は、さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した断面図である。
本実施形態の光センシングシステム１００７は、レンズ構造物７２０の形状において、図１３の光センシングシステム１００６と違いがある。レンズ構造物７２０は、発光素子２２６からの出射角、受光素子３２６への入射角を調節することができる形態であり、このとき、レンズ面形状の中心軸が一方向に傾き、傾いた所定方向に向けて出射角、入射角を調節することができる。
図１５は、さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した断面図である。
本実施形態による光センシングシステム１００７は、レンズ構造物の形状が複数の受発光単位素子５０４それぞれの相対的位置により、異なる方向に出射角、入射角を調節する形状である点で、図１４の光センシングシステム１００７と違いがある。
相対的に中心部に位置した受発光単位素子５０４上に形成されたレンズ構造物７３１に対して、中心部から外郭部に行くほど、出射角、入射角を調節する方向は、だんだんと傾くように、レンズ構造物７３２，７３３の形状が決められる。それにより、さらに広い視野角が具現される。
図１６は、さらに他の実施形態による光センシングシステムの概略的な構成を示した断面図である。
本実施形態による光センシングシステム１００９は、レンズ構造物７４０が、基板１００下面に形成された点において、前述の他の実施形態と違いがある。
基板１００下面のレンズ構造物７４０は、いずれも同じ形状に図示されているが、それに限定されるものではない。例えば、図１４で説明したように、レンズ面形状が中心軸に対して所定方向に傾いた形状に変形され、または、図１５で説明したように、レンズ面形状の中心軸が、中心部から外郭に行くほど、だんだんと傾く形態にも変形される。
図１２ないし図１６に図示されている受発光単位素子５０４は、いずれも図９で説明した形状に図示されているが、それに限定されるものではなく、図１０で説明した受発光単位素子５０５の形状に変形され、他の類似変形も可能である。
前述の実施形態による光センシングシステムに具備される発光素子は、互いに異なる波長の光を出射する複数の発光素子を含んでもよい。例えば、第１波長帯域の光を出射する第１発光素子、第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を出射する第２発光素子を含む多波長光センシングシステムによっても具現される。互いに異なる波長帯域の光は、発光物質層をなす半導体物質の組成比を調節して形成することができる。互いに異なる波長の光が形成されるように、各受発光単位素子を複数種類に設定し、それらを相互に反復配する形態が採用される。
前述の実施形態による光センシングシステムは、多様な光学装置、電子装置にも採用される。
図１７は、一実施形態によるライダー（LiDAR:light detection and ranging）装置の概略的な構成を示すブロック図である。
ライダー装置５０００は、光センシングシステム５１００と、光センシングシステム５１００を制御し、光センシングシステム５１００から受信された光を分析するプロセッサ５３００と、を含む。
光センシングシステム５１００は、前述の実施形態による光センシングシステム１０００，１００１，１００２，１００３，１００４，１００５、１００６，１００７，１００８，１００９のうちいずれか一つ、それらの組み合わせ、あるいは変更された形態を有することができる。また、そこに具備される受発光単位素子の形態も、前述の受発光単位素子５００，５０１，５０２，５０３，５０４，５０５のうちいずれか一つ、またはそれらの組み合わせ、あるいは変更された形態にもなる。
光センシングシステム５１００は、光源一体型の光センシングシステムであり、対象体ＯＢＪに向けて光を照射する複数の発光素子と、対象体ＯＢＪに向けて照射された光の反射光を受光する複数の受光素子と、を含み、複数の発光素子は、第１光軸ＯＡ１を有するように配列され、複数の受光素子は、第２光軸ＯＡ２を有するように配列され、第１光軸ＯＡ１と第２光軸ＯＡ２とが平行であり、実質的に同軸でもある。複数の発光素子と、複数の受光素子は、一体型に集積された構造に形成されている。
光センシングシステム５１００に具備される発光素子は、対象体ＯＢＪの位置、形状の分析に使用する光を生成して出射することができる。該発光素子は、対象体ＯＢＪの位置、形状分析に適する波長帯域の光、例えば、赤外線帯域波長の光を生成することができる。光センシングシステム５１００に具備される発光素子は、互いに異なる波長帯域の光を生成する複数の発光素子を含んでもよい。例えば、第１波長帯域の光を発光する第１発光素子と、前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を発光する第２発光素子と、を含んでもよい。波長帯域の個数は、それに限定されるものではなく、多種の波長帯域の光を生成する発光素子を含んでもよい。
プロセッサ５３００は、ライダー装置５０００の全般的な動作を制御するものであり、発光制御部５３１０と光信号分析部５３４０とを含んでもよい。
発光制御部５３１０は、光センシングシステム５１００の発光素子を制御することができる。例えば、発光素子に対して、電源供給制御、オン／オフ制御、パルス波（PW:pulse wave）や連続波（CW:continuous wave）の発生制御などを行うことができる。また、複数の光センシングシステム５１００に具備された複数の発光素子が同時に発光するように（flash type）、光センシングシステム５１００を制御することができる。発光制御部５３１０は、または光センシングシステム５１００に具備された複数の発光素子が時間差を置いて発光されるように、光センシングシステム５１００を制御することができる。光センシングシステム５１００が、波長帯域が異なる複数種類の発光素子を含む場合、例えば、第１波長帯域の光を発光する第１発光素子、第２波長帯域の光を発光する第２発光素子を含む場合、発光制御部５３１０は、第１発光素子と第２発光素子とが時間差を置いて発光するように、光センシングシステム５１００を制御することができる。発光制御部５３１０は、また複数の波長帯域において、必要により、特定波長帯域の光を発光する発光素子を選択して駆動するように、光センシングシステム５１００を制御することができる。
光センシングシステム５１００は、対象体ＯＢＪから反射される光をセンシングする受光素子のアレイを含んでいるので、光センシングシステム５１００から照射された光が、対象体ＯＢＪから反射されるのを受信することができる。受信された光信号は、対象体ＯＢＪの存在いかん、位置、形状、物性などの分析にも使用される。
光信号分析部５３４０は、光センシングシステム５１００で受信した対象体ＯＢＪからの光信号を分析し、対象体ＯＢＪの存在いかん、位置、形状、物性などの分析を行うことができる。光信号分析部５３４０は、例えば、光飛行時間（time of flight）測定のための演算と、それによる対象体ＯＢＪの三次元形状判別とを行うことができる。光信号分析部５３４０は、また対象体ＯＢＪによる波長変移を検出するラマン分析法により、対象体ＯＢＪの種類、成分、濃度、物性分析を行うこともできる。
光信号分析部５３４０においては、多様な演算方法を使用することができる。例えば、直接時間測定方法は、対象体ＯＢＪにパルス光を投射し、対象体ＯＢＪによって反射されて光が戻る時間をタイマで測定して距離を求める。相関法（correlation）は、パルス光を対象体ＯＢＪに投射し、対象体ＯＢＪに反射されて戻ってくる反射光の明るさから、距離を測定する。位相遅延測定方法は、正弦波のような連続波（ＣＷ）光を対象体ＯＢＪに投射し、対象体ＯＢＪに反射されて戻ってくる反射光の位相差を感知し、距離に換算する方法である。
ライダー装置５０００は、前記演算に必要なプログラム及びその他データが保存されるメモリ５５００を含んでもよい。
光信号分析部５３４０は、演算結果を他のユニットに伝送することができる。例えば、対象体ＯＢＪの三次元形状や、動作、位置に係わる情報が必要な自律駆動機器に演算結果情報が伝送される。または、対象体ＯＢＪの物性情報、例えば、生体情報を活用する医療機器に演算結果情報が伝送される。または、結果が伝送される他のユニットは、結果を出力するディスプレイ装置やプリンタでもある。それ以外にも、スマートフォン、携帯電話、ＰＤＡ（personal digital assistant）、ラップトップ（laptop）、ＰＣ（personal computer）、及びその他モバイルまたは非モバイルのコンピュータ装置でもあるが、それらに制限されるものではない。
ライダー装置５０００は、前方物体に対する三次元情報をリアルタイムで獲得するセンサにも活用され、自律駆動機器、例えば、無人自動車、自律走行車、ロボット、ドローンなどに適用され、それ以外にも、小型歩行手段（自転車、バイク、ベビーカー、ボードなど）、人及び動物の補助手段（杖、ヘルメット、服、装身具、時計、かばんなど）、事物インターネット（IoT:internet of thing）機器、建物保安装置などにも適用される。
前述の光センシングシステム、及びそれを含むライダー装置は、図面に図示された実施形態を参照して説明されたが、それらは、例示的なものに過ぎず、当該分野で当業者であるならば、それらから多様な変形、及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解するであろう。従って、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点から考慮されなければならない。本明細書の範囲は、前述の説明ではなく、特許請求の範囲に示されており、それと同等な範囲内にある全ての差異が含まれていると解釈されなければならないのである。
本発明の、光源一体型光センシングシステム、及びそれを含む電子機器は、例えば、センサ関連の技術分野に効果的に適用可能である。
１０００，１００１，１００２，１００３，１００４，１００５，１００６，１００７，１００８，１００９，５１００ 光センシングシステム
１００ 基板
２００ 発光物質層
２２０，２２１，２２２，２２３，２２４，２２５，２２６ 発光素子
３００ 受光物質層
３２０，３２１，３２２，３２３，３２４，３２４，３２６ 受光素子
５００，５０１，５０２，５０３，５０４，５０５ 受発光単位素子
６００，６１０ 支持構造物
７００，７１０，７２０，７３１，７３２，７３３，７４０ レンズ構造物
５０００ ライダー装置

Claims (18)

  1. 基板と、
    前記基板上に位置し、第１光軸を有するように配列された複数の発光素子と、
    前記基板上に位置し、前記第１光軸と平行な第２光軸を有するように配列された複数の受光素子と、を含む光センシングシステム。
  2. 前記第１光軸と前記第２光軸は、実質的に同軸であることを特徴とする請求項１に記載の光センシングシステム。
  3. 前記複数の発光素子と前記複数の受光素子は、一体型に集積された構造に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光センシングシステム。
  4. 前記複数の発光素子と、前記複数の受光素子との配列は、
    前記複数の発光素子のうち１以上の発光素子と、前記複数の受光素子のうち１以上の受光素子とからなる複数の受発光単位素子が反復的に配列された形態であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光センシングシステム。
  5. 前記受発光単位素子は、
    前記１以上の発光素子を、前記１以上の受光素子が取り囲む形態を有することを特徴とする請求項４に記載の光センシングシステム。
  6. 前記受発光単位素子は、
    前記基板上に形成され、前記１以上の発光素子を含む発光領域と、前記１以上の発光素子の材質と同一材質を含む非発光領域と、を具備する発光物質層と、
    前記非発光領域上に形成された前記１以上の受光素子と、を含むことを特徴とする請求項４に記載の光センシングシステム。
  7. 前記受発光単位素子は、
    前記基板上に形成され、前記１以上の受光素子を含む受光領域と、前記１以上の受光素子の材質と同一材質を含む非受光領域と、を具備する受光物質層と、
    前記非受光領域上に形成された前記１以上の発光素子と、を含むことを特徴とする請求項４に記載の光センシングシステム。
  8. 前記受発光単位素子上に位置し、
    前記１以上の発光素子から出射される光の出射角を調節するレンズ構造物をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の光センシングシステム。
  9. 前記レンズ構造物は、
    前記１以上の受光素子に向かう光の入射角を調節するように形成されていることを特徴とする請求項８に記載の光センシングシステム。
  10. 前記レンズ構造物は、
    前記複数の受発光単位素子それぞれの相対的位置によって異なる出射角を有する形状に形成されたことを特徴とする請求項８に記載の光センシングシステム。
  11. 前記複数の受発光単位素子が配列される一面を具備し、前記一面上の位置により、前記複数の受発光単位素子それぞれの光軸方向が異なるように、前記一面形状が設定された支持構造物をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の光センシングシステム。
  12. 前記一面は、曲面、または角度が異なる複数の傾斜面を含む形状であることを特徴とする請求項１１に記載の光センシングシステム。
  13. 前記複数の発光素子は、
    第１波長帯域の光を発光する第１発光素子と、
    前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を発光する第２発光素子と、を含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の光センシングシステム。
  14. 請求項１〜１２のいずれか１つに記載の光センシングシステムと、
    プロセッサと、を含み、
    前記光センシングシステムの複数の発光素子は対象体に向けて光を照射し、前記光センシングシステムの複数の受光素子は前記対象体に向けて照射された光の反射光を受光し、
    前記プロセッサは前記光センシングシステムを制御し、前記光センシングシステムから受信された光を分析する、ライダー装置。
  15. 前記プロセッサは、
    前記複数の発光素子が時間差を置いて発光されるように、前記光センシングシステムを制御することを特徴とする請求項１４に記載のライダー装置。
  16. 前記プロセッサは、
    前記複数の発光素子が同時に発光されるように、前記光センシングシステムを制御することを特徴とする請求項１４に記載のライダー装置。
  17. 前記複数の発光素子は、
    第１波長帯域の光を発光する第１発光素子と、
    前記第１波長帯域と異なる第２波長帯域の光を発光する第２発光素子と、を含むことを特徴とする請求項１４に記載のライダー装置。
  18. 前記プロセッサは、
    前記第１発光素子と前記第２発光素子とが時間差を置いて発光するように、前記光センシングシステムを制御することを特徴とする請求項１７に記載のライダー装置。
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