WO2022201571A1 - 発光装置及び計測装置 - Google Patents

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大介 井口
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富士フイルムビジネスイノベーション株式会社
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    • H01S5/42Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device and a measuring device.
  • US Pat. No. 5,300,003 discloses a method for measuring depth that is insensitive to corrupted light due to internal reflections, wherein the light is emitted into the scene by a light source and the corrupted light hits a pixel but remains within the field of view of said pixel. damage by controlling a first charge storage unit of the pixel to collect charge based on light impinging on the pixel during a first period of time when light returned from an object impinges on the pixel; making light measurements; removing contributions from the damaged light from one or more measurements affected by the damaged light based on the damaged light measurements; and removing the contributions from the damaged light. determining the depth based on the one or more measurements taken.
  • Patent Document 2 describes a light-projecting unit that projects light onto an object, a light-receiving unit that receives light reflected or scattered by the object, and a scanner that scans the light projected from the light-projecting unit.
  • a scanning unit that scans an area; and a distance measuring unit that measures the time from the projection of light by the light projection unit to the light reception by the light reception unit, and measures the distance to the object, are defined as one scan from the start of scanning of one of the divided areas to the end of scanning of all the divided areas.
  • the measurement of the first segmented region It is determined whether or not the measured value can be the measurement result of the first divided region, and if it is determined that the measured value can be the measured value of the first divided region, the measured value of the first divided region is A distance measuring device is disclosed that outputs a distance to an object in the first divided area.
  • Patent Document 3 discloses a first light source that emits first light into a first light emitting space, a light receiving portion that has a plurality of pixels and receives light by each pixel, and During the light emission period in which the first light is repeatedly emitted, light including the first reflected light that the first light is reflected by the surface of the object is received by the light receiving unit, thereby a distance image acquisition unit that acquires a distance image indicating a distance to an object; The second light emitted from the second light source to the second light emitting space including at least part of the first light emitting space is reflected by the surface of the object, and the light including the second reflected light is received by the light receiving unit. a luminance value image obtaining unit that obtains a luminance value image indicating the luminance value of each pixel by receiving light; and a path detection unit.
  • a light-emitting portion that emits search light and a light-receiving portion that receives reflected light of the search light are provided, and based on the reflected light received by the light-receiving portion, an object that reflects the search light
  • the intensity of scattered light generated by the probe light passing through or reflecting by water droplets having a diameter larger than the wavelength of the probe light is the noise of the light receiving unit.
  • a region centered on the light-emitting portion whose size exceeds the level is defined as a strong scattering region, and the light-receiving portion is installed at a position outside the strong scattering region, and the scattered light converges in a specific direction.
  • a distance measuring device is disclosed, which is characterized by comprising light shielding means for blocking convergent scattered light and scattered light that is about to enter the light receiving section at an incident angle larger than the convergent scattered light.
  • the present invention provides a light-emitting device capable of setting the charging time of a capacitive element when the light-emitting element is caused to emit light by discharging electric charges charged in a capacitive element connected in parallel with the light-emitting element, and It aims at providing a measuring device.
  • a light-emitting device includes a light-emitting element, a switch element connected in series with one electrode of the light-emitting element for driving the light-emitting element, and a switch element connected in parallel with the light-emitting element to convert the charged charge into the light-emitting device.
  • a capacitive element that discharges to the element and a resistive element that is provided between the capacitive element and a power source that charges the capacitive element are provided on the same base material.
  • a light-emitting device is the light-emitting device according to the first aspect, wherein the capacitance value of the capacitive element and the resistance value of the resistance element are the minimum values of the light emission interval of the pulsed light emitted from the light-emitting element. is set according to
  • a light-emitting device is the light-emitting device according to the first aspect or the second aspect, wherein the base material is aluminum nitride.
  • a light-emitting device is the light-emitting device according to any one of the first to third aspects, wherein the substrate is an inorganic substrate, has a thickness of 100 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less, and has a thermal conductivity of 100 W/ m ⁇ K or more.
  • a light-emitting device is the light-emitting device according to the first aspect or the second aspect, wherein the substrate is an organic substrate, has a thickness of less than 100 ⁇ m, and has a thermal conductivity of 1 W/m ⁇ K or more. .
  • a light-emitting device is the light-emitting device according to any one of the first to fifth aspects, and includes a plurality of sets of the light-emitting element and the switch element.
  • a light-emitting device is the light-emitting device according to the sixth aspect, wherein signal wirings from a control unit that outputs a control signal for controlling the plurality of switch elements to the plurality of switch elements are branched into equal lengths. ing.
  • a light-emitting device is the light-emitting device according to the sixth aspect or the seventh aspect, wherein the same cathode electrode to which the cathodes of the plurality of light-emitting elements are connected is provided on the base material.
  • a measuring device includes a light emitting device according to any one of the first to eighth aspects, a light receiving element that receives reflected light of light emitted from the light emitting device to an object to be measured, a measuring unit that measures the distance to the object by time-of-flight in a direct method from the amount of light received by the light-receiving element.
  • the charging time of the capacitive element is set. can be done.
  • the emission interval of pulsed light can be adjusted.
  • heat generated by light emission of the light emitting element can be radiated.
  • the heat dissipation property of the heat generated by the light emission of the light emitting element is enhanced.
  • the size of the light-emitting device can be reduced compared to the case where the base material has a thickness of 100 ⁇ m or more.
  • the amount of emitted light can be increased compared to the case where the light emitting element and the switching element are one set.
  • the seventh aspect it is possible to suppress deviation of the light emission timing of each light emitting element compared to the case where the length of the signal wiring varies.
  • the eighth aspect it is possible to suppress the deviation of the light emission timing of each light emitting element compared to the case where the cathode electrodes are separated.
  • FIG. 4 is a plan view of the light source;
  • FIG. It is a circuit diagram of a measuring device. It is a top view of a thermal radiation base material.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 6A;
  • FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 6A;
  • FIG. 4 is a plan view of electrodes on the back side of the heat dissipation base material;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining signal wiring having a configuration including a plurality of sets of light sources and FET elements;
  • measuring devices that measure the three-dimensional shape of an object to be measured
  • ToF Time of Flight
  • the 3D sensor the three-dimensional sensor of the measuring device.
  • the three-dimensional shape is specified by measuring the time until the timing and the distance to the object to be measured.
  • An object whose three-dimensional shape is to be measured is referred to as an object to be measured.
  • the object to be measured is an example of the object to be detected.
  • distance measurement may be referred to as distance measurement
  • measurement of a three-dimensional shape may be referred to as three-dimensional measurement, 3D measurement, or 3D sensing.
  • the ToF method includes a direct method and a phase difference method (also called an indirect method).
  • the direct method is a method in which an object to be measured is irradiated with pulsed light that emits light for a very short period of time, and the time it takes for the light to return is actually measured.
  • the phase-difference method is a method in which pulsed light is periodically flashed and the time delay when a plurality of pulsed lights travel back and forth between the object to be measured is detected as a phase difference.
  • Such measuring devices are installed in portable information processing devices, etc., and are used for face authentication of users who are trying to access. 2. Description of the Related Art Conventionally, portable information processing devices and the like have used a method of authenticating a user using a password, fingerprint, iris, or the like. In recent years, there has been a demand for an authentication method with higher security. Therefore, a measuring device for measuring a three-dimensional shape is installed in a portable information processing device. In other words, it acquires a three-dimensional image of the face of the accessing user, identifies whether or not access is permitted, and only when the user is authenticated as being permitted to access, the own device ( The use of portable information processing devices) is permitted.
  • Such a measurement device is also applied to continuous measurement of the three-dimensional shape of an object to be measured, such as augmented reality (AR).
  • AR augmented reality
  • the phase difference method is mainly used for short distances up to about 5m to the object to be measured.
  • the driving frequency of the light source must be lowered in order to extend the measurement range to a long distance, resulting in a decrease in measurement accuracy. Therefore, when the distance to the object to be measured is long, the direct method is mainly used. In this embodiment, a case of measuring a three-dimensional shape by a direct method will be described.
  • a SPAD Single Photon Avalanche Diode
  • the SPAD element detects one photon, it avalanche-likely generates electrons. The generated electrons charge the capacitive element of the 3D sensor. If the rise time from the supply of the driving current for emitting light to the light emission is delayed, the response timing of the SPAD element will change depending on the amount of reflected light even if the distance to the object to be measured is the same, resulting in measurement errors. occurs. Therefore, it is necessary to speed up the rise from the supply of the drive current to the light source to the light emission.
  • SPAD Single Photon Avalanche Diode
  • FIG. 1 shows an example of relaxation oscillation waveforms.
  • the horizontal axis in FIG. 1 represents time, and the vertical axis represents optical output.
  • gain switching As shown in FIG. 1, after the drive current is supplied at t1, the operation in which the light output rises to several times the steady wave height in a short time of several tens of ps until light emission starts at t2 is called gain switching.
  • the sensitivity and accuracy of direct distance measurement are determined by the peak power and rise time of the optical output.
  • the light output response after the rising peak (t2) of light emission is unnecessary and is a waste of energy.
  • the drive current supplied to the light source should be of sufficient magnitude and pulse width for the rising of the light output in the gain switching operation. For this reason, a drive current is required to be a large current with a pulse width of several hundred ps.
  • heat dissipation is assisted by mounting the light source on a heat dissipation base material (submount) made of a high thermal conductivity material such as AlN (aluminum nitride).
  • a heat dissipation base material (submount) made of a high thermal conductivity material such as AlN (aluminum nitride).
  • the mounting of the heat-dissipating base increases the inductance of the current path, degrading the pulse characteristics.
  • the driving section usually includes a high-speed pulse input circuit, a control circuit, an output circuit, and the like, and occupies a large area. Therefore, it is difficult to mount directly on the heat dissipation base material.
  • the final stage of the output circuit normally drives a switch element such as an FET element with an open drain, but there are FET elements such as GaN (gallium nitride) as small as about 1 mm square.
  • the FET element in the final stage of the output circuit is mounted on the heat dissipation base material, and is driven by the signal generation circuit on the wiring board.
  • resonant capacitance discharge type driving is desirable.
  • a capacitor is connected in parallel with the ground reference to the series connection of the light emitting element and the FET element of the drive section, and the light emitting element is driven by the discharge current of the capacitor charged with the power supply voltage when the FET element is turned on.
  • the power supply potential side of the capacitor is connected to the power supply via a resistance element, and is recharged with a time constant determined by the capacitance value of the capacitor and the resistance value of the resistance element.
  • FIG. 2 is a block diagram explaining an example of the configuration of the measuring device 1 that measures a three-dimensional shape.
  • the measuring device 1 includes an optical device 3 and a control section 8.
  • a control unit 8 controls the optical device 3 .
  • the control unit 8 includes a three-dimensional shape specifying unit 81 that specifies the three-dimensional shape of the object to be measured.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the hardware configuration of the control unit 8.
  • the control section 8 has a controller 12 .
  • the controller 12 includes a CPU (Central Processing Unit) 12A, a ROM (Read Only Memory) 12B, a RAM (Random Access Memory) 12C, and an input/output interface (I/O) 12D.
  • a CPU 12A, a ROM 12B, a RAM 12C, and an I/O 12D are connected via a system bus 12E.
  • System bus 12E includes a control bus, an address bus, and a data bus.
  • the communication unit 14 and the storage unit 16 are connected to the I/O 12D.
  • the communication unit 14 is an interface for data communication with an external device.
  • the storage unit 16 is composed of a nonvolatile rewritable memory such as a flash ROM or the like, and stores a measurement program 16A or the like for measuring the three-dimensional shape of the object to be measured by the direct method.
  • the CPU 12A loads the measurement program 16A stored in the storage unit 16 into the RAM 12C and executes it, thereby configuring the three-dimensional shape specifying unit 81 and specifying the three-dimensional shape of the object to be measured.
  • the three-dimensional shape identification unit 81 is an example of a measurement unit.
  • the optical device 3 includes a light emitting device 4 and a 3D sensor 5.
  • the light emitting device 4 includes a wiring board 10, a heat dissipation base material 100, a light source 20, a light diffusion member 30, a driving section 50, a holding section 60, and capacitors 70A and 70B.
  • the heat dissipation base material 100 is an example of a base material.
  • the light source 20 is an example of a light emitting element.
  • the 3D sensor 5 is an example of a light receiving element.
  • Capacitors 70A and 70B are examples of capacitive elements.
  • the heat dissipation base material 100 and the driving section 50 of the light emitting device 4 are provided on the surface of the wiring board 10 .
  • the 3D sensor 5 is not provided on the surface of the wiring board 10 in FIG. 2 , it may be provided on the surface of the wiring board 10 .
  • the light source 20 , the capacitors 70A and 70B, and the holding portion 60 are provided on the surface of the heat dissipation base material 100 .
  • the light diffusing member 30 is provided on the holding portion 60 .
  • the outer shape of the heat dissipation base material 100 and the outer shape of the light diffusion member 30 are the same.
  • the surface means the front side of the paper surface of FIG. More specifically, in the wiring board 10, the side on which the heat dissipation base material 100 is provided is referred to as the front side, the front side, or the front side.
  • the light source 20 is configured as a light emitting element array in which a plurality of light emitting elements are two-dimensionally arranged (see FIG. 4 described later).
  • the light source 20 is a light emitting element array having a plurality of light emitting elements, but the light source 20 may have only one light emitting element.
  • the light emitting element is a vertical cavity surface emitting laser element VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) as an example.
  • the light emitting element is a vertical cavity surface emitting laser element VCSEL.
  • the vertical cavity surface emitting laser element VCSEL is referred to as VCSEL.
  • the light source 20 Since the light source 20 is provided on the surface of the heat dissipation base 100 , the light source 20 emits light perpendicular to the surface of the heat dissipation base 100 in a direction away from the heat dissipation base 100 . That is, the light emitting element array is a surface emitting laser element array. In addition, in the light source 20 in which a plurality of light emitting elements are arranged two-dimensionally, the surface from which light is emitted may be referred to as an emission surface.
  • the light diffusion member 30 diffuses and emits incident light.
  • the light diffusing member 30 is provided so as to cover the light source 20 and the capacitors 70A and 70B. That is, the light diffusion member 30 is provided at a predetermined distance from the light source 20 and the capacitors 70A and 70B provided on the heat dissipation base 100 by the holding portion 60 provided on the surface of the heat dissipation base 100. (see FIGS. 6B and 6C described below).
  • the light emitted from the light source 20 is diffused by the light diffusion member 30 and applied to the object to be measured. In other words, the light emitted from the light source 20 is diffused by the light diffusion member 30 and radiated over a wider range than when the light diffusion member 30 is not provided.
  • the 3D sensor 5 has a plurality of light receiving elements, for example, 640 ⁇ 480 light receiving elements, and outputs a signal corresponding to the time from the timing when the light is emitted from the light source 20 to the timing when the 3D sensor 5 receives the light.
  • each light-receiving element of the 3D sensor 5 receives a pulse-shaped reflected light from the object to be measured (hereinafter referred to as a light-receiving pulse) with respect to the light pulse emitted from the light source 20, and in the time until the light is received A corresponding charge is accumulated for each light receiving element.
  • the 3D sensor 5 is constructed as a CMOS device in which each light receiving element has two gates and corresponding charge storage portions. By alternately applying pulses to the two gates, the generated photoelectrons are transferred at high speed to either of the two charge storage units. Charges corresponding to the time difference between the emitted light pulse and the received light pulse are accumulated in the two charge accumulation units.
  • the 3D sensor 5 outputs a digital value as a signal corresponding to the time difference between the emitted light pulse and the received light pulse for each light receiving element via the AD converter. That is, the 3D sensor 5 outputs a signal corresponding to the time from the timing when the light source 20 emits the light to the timing when the 3D sensor 5 receives the light. That is, a signal corresponding to the distance to the object to be measured, that is, the three-dimensional shape of the object to be measured is obtained from the 3D sensor 5 .
  • the AD converter may be provided in the 3D sensor 5 or may be provided outside the 3D sensor 5 .
  • the measuring device 1 diffuses the light emitted by the light source 20 to irradiate the object to be measured, and the 3D sensor 5 receives the reflected light from the object to be measured. Thus, the measuring device 1 measures the three-dimensional shape of the object to be measured.
  • FIG. 4 is a plan view of the light source 20.
  • the light source 20 is configured by arranging a plurality of VCSELs in a two-dimensional array. That is, the light source 20 is configured as a light-emitting element array using VCSELs as light-emitting elements.
  • the right direction of the paper is defined as the x direction, and the upper direction of the paper is defined as the y direction.
  • the front side of the light source 20 refers to the front side of the paper, ie, the +z direction side, and the back side of the light source 20 refers to the back side of the paper, ie, the ⁇ z direction side.
  • a plan view of the light source 20 is a view of the light source 20 viewed from the surface side.
  • the side on which the epitaxial layer that functions as the light emitting layer is formed is referred to as the surface, front side, or surface side of the light source 20.
  • a VCSEL is a light-emitting device that has an active region that serves as a light-emitting region between a lower multilayer reflector and an upper multilayer reflector that are stacked on a semiconductor substrate, and that emits laser light in a direction perpendicular to the surface. be.
  • VCSELs are easier to form into a two-dimensional array than edge-emitting lasers.
  • the number of VCSELs included in the light source 20 is, for example, 100 to 1000.
  • a plurality of VCSELs are connected in parallel and driven in parallel. The above number of VCSELs is an example, and may be set according to the measurement distance and irradiation range.
  • An anode electrode 218 (see FIG. 5) common to a plurality of VCSELs is provided on the surface of the light source 20 .
  • a cathode electrode 214 (see FIG. 5) is provided on the back surface of the light source 20 . That is, multiple VCSELs are connected in parallel. By driving a plurality of VCSELs connected in parallel, light having a higher intensity is emitted than when the VCSELs are driven individually.
  • the light source 20 has a rectangular shape when viewed from the surface side (referred to as a planar shape; the same shall apply hereinafter).
  • the side surface on the -y direction side is referred to as side surface 21A
  • the side surface on the +y direction side is referred to as side surface 21B
  • the side surface on the -x direction side is referred to as side surface 22A
  • the side surface on the +x direction side is referred to as side surface 22B.
  • Side 21A and side 21B face each other.
  • the side surfaces 22A and 22B connect the side surfaces 21A and 21B and face each other.
  • the center of the planar shape of the light source 20, that is, the center in the x direction and the y direction is defined as the center Ov.
  • Low-side driving refers to a configuration in which a driving element such as a MOS transistor is positioned downstream of a current path with respect to a driving target such as a VCSEL. Conversely, a configuration in which the drive element is positioned on the upstream side is called high-side drive.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of an equivalent circuit when driving the light source 20 by low-side driving.
  • the VCSEL of light source 20, driving section 50, capacitors 70A and 70B, resistor element 72, and power supply 82 are shown.
  • the power supply 82 is provided in the control unit 8 shown in FIG.
  • a power supply 82 generates a DC voltage having a power supply potential on the + side and a reference potential on the - side.
  • a power supply potential is supplied to a power supply line 83 and a reference potential is supplied to a reference line 84 .
  • the reference potential may be a ground potential (sometimes written as GND, and written as [G] in FIG. 5).
  • the light source 20 is configured by connecting a plurality of VCSELs in parallel as described above.
  • the anode electrode 218 of the VCSEL (see FIG. 4 and denoted by [A] in FIG. 5) is connected to the power supply line 83 .
  • the drive unit 50 includes an FET element 51 and a signal generation circuit 52 that turns the FET element 51 on and off.
  • the drain of the FET element 51 (represented by [D] in FIG. 5) is connected to the cathode electrode 214 of the VCSEL (see FIG. 4, represented by [K] in FIG. 5).
  • the FET element 51 is an example of a switch element.
  • the FET element 51 for example, an FET element made of GaN (gallium nitride) is used, but the FET element is not limited to this, and may be an FET element made of other materials such as silicon.
  • GaN gallium nitride
  • the source of the FET element 51 (denoted as [S] in FIG. 5) is connected to the reference line 84.
  • a gate of the FET element 51 is connected to the signal generation circuit 52 . That is, the VCSEL and the FET element 51 of the driving section 50 are connected in series between the power line 83 and the reference line 84 .
  • the signal generating circuit 52 Under the control of the control unit 8, the signal generating circuit 52 generates an "H level" signal for turning on the FET element 51 and an "L level” signal for turning off the FET element 51.
  • the capacitors 70A and 70B have one terminal connected to the power supply line 83 and the other terminal connected to the reference line 84 .
  • the capacitor 70 is two capacitors 70A, 70B.
  • Capacitor 70 is, for example, an electrolytic capacitor or a ceramic capacitor.
  • One terminals of the capacitors 70A and 70B are connected to one terminal of the resistive element 72 .
  • the other terminal of resistance element 72 is connected to the + side of power supply 82 .
  • the capacitors 70A and 70B are connected in parallel with the light source 20 and discharge the charged charges to the light source 20.
  • a resistance element 72 is provided between the capacitors 70A, 70B and a power source 82 that charges the capacitors 70A, 70B. Note that the capacitance of the capacitors 70A and 70B is relatively small. capacity.
  • the signal generated by the signal generation circuit 52 in the driving section 50 is "L level".
  • the FET element 51 is in an off state. In other words, no current flows between the source ([S] in FIG. 5) and drain ([D] in FIG. 5) of the FET element 51 . Therefore, no current flows through the VCSEL connected in series with the FET element 51 either. That is, the VCSEL is non-emissive.
  • the capacitors 70A and 70B are connected to a power supply 82 via a resistance element 72, the other terminal of the resistance element 72 is at the power supply potential, and the other terminal connected to the reference line 84 is at the reference potential. . Therefore, the capacitors 70A and 70B are charged by current flowing (charge supplied) from the power supply 82 via the resistance element 72 .
  • the FET element 51 shifts from the OFF state to the ON state.
  • the capacitors 70A and 70B and the series-connected FET element 51 and VCSEL form a closed loop, and the charges accumulated in the capacitors 70A and 70B are supplied to the series-connected FET element 51 and VCSEL.
  • a drive current flows through the VCSEL and the VCSEL emits light.
  • This closed loop is the drive circuit that drives the light source 20 .
  • the FET element 51 shifts from the ON state to the OFF state.
  • the closed loop (driving circuit) of the capacitors 70A and 70B and the series-connected FET element 51 and VCSEL is opened, and the driving current does not flow through the VCSEL. This causes the VCSEL to stop emitting light.
  • the discharged charges are supplied from the power supply 82 to the capacitors 70A and 70B via the resistance element 72, and the capacitors 70A and 70B are charged.
  • the FET element 51 repeats ON/OFF, and the VCSEL repeats light emission and non-light emission.
  • the repetition of turning on and off of the FET element 51 is sometimes called switching.
  • the charging time (time constant) ⁇ during which the capacitors 70A and 70B are charged to the power supply potential of the power supply 82 after the FET element 51 transitions from the ON state to the OFF state is the capacitance of the parallel circuit of the capacitors 70A and 70B. It is represented by the following equation, where C is the value and R is the resistance value of the resistance element 72 .
  • the charging time ⁇ is set according to the minimum value of the pulse light emission interval. Specifically, the charging time ⁇ is set to be sufficiently shorter than the minimum value of the pulsed light emission interval. That is, the capacitance value C of the parallel circuit of the capacitors 70A and 70B and the resistance value R of the resistance element 72 are set according to the minimum value of the pulse light emission interval.
  • the charging time ⁇ is set, for example, to a time for charging up to 63.2% of the power supply voltage of the power supply 82 .
  • FIG. 6A is a plan view of the heat dissipation base material 100.
  • FIG. FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 6A.
  • FIG. 6C is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 6A.
  • the right direction on the paper surface is the +X direction
  • the left direction on the paper surface is the -X direction
  • the upward direction on the paper surface is the +Y direction
  • the downward direction on the paper surface is the -Y direction.
  • a direction orthogonal to the X direction and the Y direction (the front direction of the paper surface) is defined as the Z direction.
  • the front side (+Z direction) of the paper is referred to as the front side or front side
  • the back side ( ⁇ Z direction) of the paper is referred to as the back side or back side.
  • looking through each member from the surface side is referred to as top view.
  • the right direction on the paper surface is the +X direction
  • the back direction on the paper surface is the +Y direction
  • the upward direction on the paper surface is the +Z direction.
  • the light source 20, the FET element 51, the capacitors 70A and 70B, and the resistance element 72 are provided on the surface of the heat dissipation base 100.
  • the light diffusion member 30 is provided on the holding portion 60. As shown in FIG.
  • the heat dissipating base material 100 is provided with a wiring layer in which metal wiring such as copper (Cu) foil is formed on an insulating base material such as aluminum nitride (AlN) having a thermal conductivity of 100 W/m ⁇ K or more. It is configured.
  • the thickness is preferably at least 100 ⁇ m or more from the viewpoint of strength. Moreover, if the thickness exceeds 500 ⁇ m, it becomes difficult to use due to the inductance, so the thickness is preferably 500 ⁇ m or less. Further, it is more preferable that the effective inductance of the current loop is 200 ⁇ m or less. That is, when an inorganic substrate is used as the heat dissipation substrate 100, the thickness is preferably 100 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less, preferably 100 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less.
  • an organic base material when used as the heat dissipation base material 100, it is preferable to use a base material with high thermal conductivity, for example, a base material having a thermal conductivity of 1 to 5 W/m ⁇ K.
  • a base material with a thermal conductivity of 1 to 5 W/m ⁇ K when the thickness is about 10 ⁇ m, a base material with a thermal conductivity of 1 to 5 W/m ⁇ K can be used.
  • the light source 20 has a rectangular shape when viewed from above, and a cathode electrode 214 is provided in an enlarged area of the light source 20 .
  • a part of the cathode electrode 214 extends in the -Y direction.
  • the FET element 51 is provided on the extended cathode electrode 214, and the cathode electrode 214 and the drain [D] of the FET element 51 are connected. That is, the FET element 51 is connected in series with the same cathode electrode as the light source 20, and drives the light source 20.
  • the gate [G] of the FET element 51 is connected to the gate electrode 220 provided on the surface side of the heat dissipation base 100 .
  • the source [S] of the FET element 51 is connected to the ground electrode 222 provided on the surface side of the heat dissipation base 100 .
  • the gate electrode 220 is connected to a ground electrode 226 provided on the back side of the heat dissipation base 100 through a conductive via hole 224 penetrating the heat dissipation base 100 .
  • the ground electrode 222 is connected to a ground electrode 238 provided on the back side of the heat dissipation base 100 via a conductive via hole 230 penetrating the heat dissipation base 100 .
  • An anode electrode 218 is provided on the surface side of the heat dissipation base material 100 so as to surround three sides of the light source 20 in FIG. .
  • the right side (+X side) and the left side ( ⁇ X side) of the light source 20 are connected to the anode electrode 218 with a wire 232 by wire bonding.
  • a capacitor 70A is provided on the left side (-X side) of the light source 20.
  • One terminal of the capacitor 70A is connected to the anode electrode 218 and the other terminal is connected to the ground electrode 234.
  • the ground electrode 234 is connected to a ground electrode 238 provided on the back side of the heat dissipation base 100 through a conductive via hole 236 penetrating the heat dissipation base 100 .
  • a capacitor 70B is provided on the right side (+X side) of the light source 20 .
  • One terminal of capacitor 70B is connected to anode electrode 218 and the other terminal is connected to ground electrode 240 .
  • the ground electrode 240 is connected to a ground electrode 238 provided on the back side of the heat dissipation base 100 through a conductive via hole 242 penetrating the heat dissipation base 100 .
  • a resistive element 72 is provided above the capacitor 70B.
  • One terminal of the resistance element 72 is connected to the anode electrode 218 .
  • the other terminal is connected to the power supply electrode 244 .
  • Power supply electrode 244 is connected to power supply 82 .
  • FIG. 7 is a top view of the ground electrodes 226, 238, and 245 provided on the back side of the heat dissipation base material 100.
  • a ground electrode is provided over substantially the entire back surface of the heat dissipation base material 100 . Therefore, the drive current for causing the light source 20 to emit light flows from the anode electrode 218 on the heat dissipation substrate 100 to the cathode electrode 214, and the current path is projected onto the ground electrode 238 on the back side of the heat dissipation substrate 100. current also flows. Also, since the drain and source of the FET element 51 are directly connected on the heat dissipation substrate 100, the effective inductance of the current path is minimized.
  • a pulse with a high current value and a short pulse width can be generated at a high speed with a low power supply voltage.
  • the cathode electrode 214 connected to the light source 20 faces the ground electrode 238 on the front and back sides of the heat dissipation base material 100 with high thermal conductivity, the heat generated by the light source 20 is efficiently radiated to the ground electrode 238 side. .
  • inventions at various stages are included in the above-described embodiments, and various inventions can be extracted by combining a plurality of disclosed constituent elements. Even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements shown in the embodiments, as long as an effect is obtained, a configuration in which these several constituent elements are deleted can be extracted as an invention.
  • one light source 20 and one FET element 51 are provided.
  • the signal wiring from the control unit 8 that outputs control signals for controlling the plurality of FET elements 51 to the plurality of FET elements 51 may be branched to have the same length.
  • the distance L1 from the control unit 8 to the gate of the FET element 51A and the distance L1 from the control unit 8 to the gate of the FET element 51A to the gate of the FET element 51B are branched to have the same length.
  • the same cathode electrode 214 to which the cathodes of the light sources 20A and 20B are connected may be provided on the heat dissipation substrate 100 .

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Abstract

発光装置は、発光素子と、前記発光素子の一方の電極と直列接続され、前記発光素子を駆動するスイッチ素子と、前記発光素子と並列接続され、充電された電荷を前記発光素子に放電する容量素子と、前記容量素子と前記容量素子を充電する電源との間に設けられた抵抗素子と、を同一の基材上に備える。

Description

発光装置及び計測装置
 本発明は、発光装置及び計測装置に関する。
 特許文献1には、内面反射に起因する破損光に反応しない、深度を測定する方法であって、光を光源によって場面へ放射することと、破損光が画素に当たるが、前記画素の視野内の物体からの戻り光が前記画素に当たらない第1の期間の間に、前記画素に当たっている光に基づいて電荷を収集するように、前記画素の第1の電荷蓄積ユニットを制御することによって、破損光測定を行うことと、前記破損光測定に基づいて、前記破損光による影響を受けた1つ以上の測定から前記破損光からの寄与を除去することと、前記破損光からの前記寄与が除去された前記1つ以上の測定に基づいて、前記深度を判断することと、を含む方法が開示されている。
 特許文献2には、対象物に対して光を投光する投光部と、前記対象物で反射又は散乱された光を受光する受光部と、前記投光部から投光された光を走査領域へ走査する走査部と、前記投光部による投光から前記受光部による受光までの時間を計測し、前記対象物までの距離を測定する距離測定部と、を備え、前記走査領域を複数の分割領域に分割し、該分割した全ての分割領域のうち一つの分割領域の走査開始から全ての分割領域の走査終了までを一走査と定義すると、前記一走査の間に前記距離測定部により測定された、第1の分割領域の測定値と、前記第1の分割領域の測定値よりも前に測定された第2の分割領域の測定値とに基づいて、前記第1の分割領域の測定値が前記第1の分割領域の測定結果と出来るか否かを判定し、前記第1の分割領域の測定結果と出来ると判定された場合に、前記第1の分割領域の測定値を、前記第1の分割領域における対象物までの距離として出力することを特徴とする距離測定装置が開示されている。
 特許文献3には、第1の光を第1の発光空間に発光する第1の光源と、複数の画素を有し、光を各画素により受光する受光部と、前記第1の光源から前記第1の光が繰り返し発光される発光期間において当該第1の光が対象物の表面で反射した第1の反射光を含む光が前記受光部に受光されることで、画素毎の自装置から対象物までの距離を示す距離画像を取得する距離画像取得部と、前記第1の光源から前記第1の光が繰り返し発光されない非発光期間において前記第1の光とは光軸が異なるように第2の光源から第1の発光空間の少なくとも一部を含む第2の発光空間に発光された第2の光が対象物の表面で反射した第2の反射光を含む光が前記受光部に受光されることで、画素毎の輝度値を示す輝度値画像を取得する輝度値画像取得部と、前記距離画像と前記輝度値画像とを用い、マルチパスが発生している領域を検出するマルチパス検出部と、を備えたことを特徴とする光飛行型測距装置が開示されている。
 特許文献4には、探査光を出射する発光部と、前記探査光の反射光を受光する受光部と、を備え、前記受光部によって受光した反射光に基づいて、前記探査光を反射した対象物までの距離を測定する距離測定装置において、前記探査光が該探査光の波長より大きな径を有する水滴を透過又は該水滴で反射することで発生する散乱光の強度が、前記受光部のノイズレベルを超えた大きさとなる前記発光部を中心とした領域を強散乱領域として、前記受光部を、前記強散乱領域から外れた位置に設置すると共に、前記散乱光のうち、特定方向に収束する収束散乱光、及び該収束散乱光より大きな入射角で前記受光部に入射しようとする散乱光を遮る遮光手段を設けたことを特徴とする距離測定装置が開示されている。
日本国特開2019-219400号公報 日本国特開2019-028039号公報 日本国特開2017-15448号公報 日本国特開2007-333792号公報
 本発明は、発光素子と並列接続された容量素子に充電された電荷を発光素子に放電することで発光素子を発光させる場合に、容量素子の充電時間を設定することができることができる発光装置及び計測装置を提供することを目的とする。
 第1態様に係る発光装置は、発光素子と、前記発光素子の一方の電極と直列接続され、前記発光素子を駆動するスイッチ素子と、前記発光素子と並列接続され、充電された電荷を前記発光素子に放電する容量素子と、前記容量素子と前記容量素子を充電する電源との間に設けられた抵抗素子と、を同一の基材上に備える。
 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、前記容量素子の静電容量値及び前記抵抗素子の抵抗値が、前記発光素子から発光されるパルス光の発光間隔の最小値に合わせて設定されている。
 第3態様に係る発光装置は、第1態様又は第2態様に係る発光装置において、前記基材は、窒化アルミニウムである。
 第4態様に係る発光装置は、第1~第3態様の何れかの態様に係る発光装置において、前記基材は無機基材であり、厚みが100μm以上500μm以下で且つ熱伝導率が100W/m・K以上である。
 第5態様に係る発光装置は、第1態様又は第2態様に係る発光装置において、前記基材は有機基材であり、厚みが100μm未満で且つ熱伝導率が1W/m・K以上である。
 第6態様に係る発光装置は、第1~第5態様の何れかの態様に係る発光装置において、前記発光素子及び前記スイッチ素子の組を複数備える。
 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、複数の前記スイッチ素子を制御する制御信号を出力する制御部から複数の前記スイッチ素子までの信号配線が等しい長さに分岐されている。
 第8態様に係る発光装置は、第6態様又は第7態様に係る発光装置において、複数の前記発光素子のカソードが接続される同一のカソード電極が前記基材上に設けられている。
 第9態様に係る計測装置は、第1~第8態様の何れかの態様に係る発光装置と、前記発光装置から被計測物に対して発光された光の反射光を受光する受光素子と、前記受光素子の受光量から直接法におけるタイムオブフライトにより前記被計測物までの距離を測定する測定部と、を備える。
 第1態様及び第9態様によれば、発光素子と並列接続された容量素子に充電された電荷を発光素子に放電することで発光素子を発光させる場合に、容量素子の充電時間を設定することができる。
 第2態様によれば、パルス光の発光間隔を調整することができる。
 第3態様によれば、発光素子の発光により発生する熱を放熱することができる。
 第4態様によれば、基材の熱伝導率が100W/m・K未満の場合と比較して、発光素子の発光により発生する熱の放熱性が高まる。
 第5態様によれば、前記基材の厚さが100μm以上の場合と比較して、発光装置を小型化することができる。
 第6態様によれば、発光素子及びスイッチ素子が1組の場合と比較して、発光の光量を増加させることができる。
 第7態様によれば、信号配線の長さにばらつきがある場合と比較して、発光素子毎の発光タイミングがずれるのを抑制することができる。
 第8態様によれば、カソード電極を別々にした場合と比較して、発光素子毎の発光タイミングがずれるのを抑制することができる。
緩和振動について説明するための図である。 計測装置の構成を示す概略構成図である。 計測装置の電気系の構成を示すブロック図である。 光源の平面図である。 計測装置の回路図である。 放熱基材の平面図である。 図6AのA-A断面図である。 図6AのB-B断面図である。 放熱基材の裏面側の電極の平面図である。 光源及びFET素子の組を複数備えた構成の信号配線について説明するための図である。
 以下、図面を参照して開示の技術にかかる実施形態の一例を詳細に説明する。
 被計測物の三次元形状を計測する計測装置には、光の飛行時間による、いわゆるToF(Time of Flight)法に基づいて、三次元形状を計測する装置がある。ToF法では、計測装置の光源から光が出射されたタイミングから、照射された光が被計測物で反射して計測装置の三次元センサ(以下では、3Dセンサと表記する。)で受光されるタイミングまでの時間を計測し、被計測物までの距離を測定することで三次元形状を特定する。なお、三次元形状を計測する対象を被計測物と表記する。被計測物は、検出対象物の一例である。また、距離の測定のことを測距、三次元形状を計測することを、三次元計測、3D計測又は3Dセンシングと表記することがある。
 ToF法には、直接法及び位相差法(間接法ともいう)がある。直接法は、ごく短時間だけ発光するパルス光を被計測物に照射し、その光が帰ってくるまでの時間を実測する方法である。位相差法は、パルス光を周期的に点滅させ、複数のパルス光が被計測物との間を往復するときの時間遅れを位相差として検出する方法である。
 このような計測装置は、携帯型情報処理装置などに搭載され、アクセスしようとするユーザの顔認証などに利用されている。従来、携帯型情報処理装置などでは、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。近年、セキュリティ性がより高い認証方法が求められている。そこで、携帯型情報処理装置に三次元形状を計測する計測装置を搭載している。つまり、アクセスしたユーザの顔の三次元像を取得し、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(携帯型情報処理装置)の使用を許可することが行われている。
 このような計測装置は、拡張現実(AR:AugmentedReality)など、継続的に被計測物の三次元形状を計測する場合にも適用される。
 以下で説明する本実施の形態で説明する構成、機能、方法等は、顔認証や拡張現実だけでなく、その他の被計測物の三次元形状の計測にも適用しうる。
 被計測物までの距離が5m程度までの近距離では主に位相差法が用いられる。しかしながら、位相差法は、遠距離まで測定範囲を広げるためには光源の駆動周波数を下げなければならず、測定精度が低下してしまう。このため、被計測物までの距離が長い場合は、主に直接法が用いられる。本実施形態では、直接法により三次元形状を計測する場合について説明する。
 直接法では、3DセンサにSPAD(Single Photon Avalanche Diode)素子を用いて、このSPAD素子により光パルスの往復時間を直接計測するのが一般的である。SPAD素子は光子1個を検出すると雪崩的に電子を発生する。発生した電子は、3Dセンサの容量素子にチャージされる。光源を発光させるための駆動電流を供給してから発光するまでの立ち上がりが遅くなると、被計測物までの距離が同じでも反射光の光量によってSPAD素子が反応するタイミングが変化してしまい、測定誤差が生じる。従って、光源に駆動電流を供給してから発光までの立ち上がりを速くすることが必要となる。
 光源を電流駆動する際、光とキャリアの相互作用の位相差で光の時間応答波形に遅れと数GHzの振動が生じる。これは緩和振動と呼ばれる。図1に緩和振動の波形の一例を示した。図1の横軸は時間、縦軸は光出力を表す。図1に示すように、t1で駆動電流を供給した後、t2で発光が開始されるまで数10psの短時間で定常値の波高の数倍まで光出力が立ち上がる動作はゲインスイッチングと呼ばれる。直接法による距離測定の感度及び精度は光出力のピークパワーと立ち上がり時間で決まる。
 直接法における測距にとって、発光の立ち上がりの尖頭部分(t2)から後の光出力の応答は不要であり、エネルギーの無駄である。すなわち、光源に供給する駆動電流はゲインスイッチング動作における光出力の立ち上がりにとって十分な大きさとパルス幅であればよい。このため、駆動電流としては数100psのパルス幅の大電流とすることが求められる。
 直接法では、100klxといった強い昼光の差す屋外で10mを超える距離の測距を行うには、数10Wの赤外線パルス光が必要である。例えば10Aといった大電流で数100psのパルス幅のパルス光を生成するには、光源の駆動回路を含む電流路のインダクタンスを極小化しなければならない。同時に、高速で高精度の測距を行うには大電流のパルス光を高い頻度で発光させる必要があり、発光素子の発熱が問題となる。このため、AlN(窒化アルミニウム)等の高熱伝導率材料による放熱基材(サブマウント)に光源を搭載して放熱を補助することが行われる。しかしながら、放熱基材の搭載は上記電流路のインダクタンスを増大させるため、パルス特性を劣化させる。このように、直接法用の光源において、高速大電流の駆動及び熱特性の両立は大きな課題である。
 配線基板上の放熱基材に搭載した光源を放熱基材の外部に設けられた駆動部で駆動すると、電流路のインダクタンスが大きいため、発光の立ち上がりが遅くなってしまう。駆動部は、通常は高速パルスの入力回路、制御回路、及び出力回路等を含み、大きな面積を占める。このため、放熱基材に直接搭載することは困難である。
 出力回路の最終段は、通常はオープンドレインでFET素子等のスイッチ素子を駆動するが、GaN(窒化ガリウム)等のFET素子は単体で1mm角程度の小さなものが存在する。
 そこで、本実施形態では、出力回路の最終段のFET素子を放熱基材に搭載し、これを配線基板上の信号発生回路により駆動する構成とする。
 直接法の光源として十分短いパルスの駆動電流で光源を駆動するには、いわゆる共振容量放電型の駆動が望ましい。これは発光素子と駆動部のFET素子の直列接続に対してグランド基準で並列にコンデンサを接続し、FET素子をオンしたときに電源電圧で充電されたキャパシタの放電電流で発光素子を駆動するものであり、キャパシタと発光素子、FET素子の電流ループのインダクタンスとキャパシタの静電容量の共振条件で極めて短時間の大きな電流パルスを得られる。本実施形態では、キャパシタの電源電位側は、抵抗素子を介して電源と接続され、キャパシタの静電容量値及び抵抗素子の抵抗値で定まる時定数で再充電される構成とするが、詳細は後述する。
(計測装置1)
 図2は、三次元形状を計測する計測装置1の構成の一例を説明するブロック図である。
 計測装置1は、光学装置3と、制御部8とを備える。制御部8は、光学装置3を制御する。制御部8は、被計測物の三次元形状を特定する三次元形状特定部81を含む。
 図3は、制御部8のハードウェア構成を示すブロック図である。図3に示すように、制御部8は、コントローラ12を備える。コントローラ12は、CPU(Central Processing Unit)12A、ROM(Read Only Memory)12B、RAM(Random Access Memory)12C、及び入出力インターフェース(I/O)12Dを備える。そして、CPU12A、ROM12B、RAM12C、及びI/O12Dがシステムバス12Eを介して各々接続されている。システムバス12Eは、コントロールバス、アドレスバス、及びデータバスを含む。
 また、I/O12Dには、通信部14及び記憶部16が接続されている。
 通信部14は、外部装置とデータ通信を行うためのインターフェースである。
 記憶部16は、フラッシュROM等の不揮発性の書き換え可能なメモリ等で構成され、直接法により被計測物の三次元形状を計測する計測プログラム16A等を記憶する。CPU12Aは、記憶部16に記憶された計測プログラム16AをRAM12Cに読み込んで実行することによって、三次元形状特定部81が構成され、被計測物の三次元形状が特定される。なお、三次元形状特定部81は、測定部の一例である。
 光学装置3は、発光装置4と、3Dセンサ5とを備える。発光装置4は、配線基板10と、放熱基材100と、光源20と、光拡散部材30と、駆動部50と、保持部60と、キャパシタ70A、70Bとを備える。放熱基材100は、基材の一例である。光源20は、発光素子の一例である。3Dセンサ5は、受光素子の一例である。キャパシタ70A、70Bは、容量素子の一例である。
 発光装置4の放熱基材100及び駆動部50は、配線基板10の表面上に設けられている。なお、図2では、3Dセンサ5は、配線基板10の表面上に設けられていないが、配線基板10の表面上に設けられていてもよい。
 光源20、キャパシタ70A、70B及び保持部60は、放熱基材100の表面上に設けられている。そして、光拡散部材30は、保持部60上に設けられている。ここでは、放熱基材100の外形と光拡散部材30の外形とが同じであるとしている。ここで、表面とは、図2の紙面の表側を言う。より具体的には、配線基板10においては、放熱基材100が設けられている方を表面、表側、又は表面側と言う。
 光源20は、複数の発光素子が二次元に配置された発光素子アレイとして構成されている(後述する図4参照)。本実施形態では、光源20が複数の発光素子を備えた発光素子アレイの場合について説明するが、光源20が1個の発光素子のみを備えた構成としてもよい。発光素子は、本実施形態では一例として垂直共振器面発光レーザ素子VCSEL(Vertical Cavity Surface EmittingLaser)である。以下では、発光素子は、垂直共振器面発光レーザ素子VCSELであるとして説明する。そして、以下では、垂直共振器面発光レーザ素子VCSELをVCSELと表記する。光源20は放熱基材100の表面上に設けられているので、光源20は、放熱基材100の表面に対して垂直に、放熱基材100から離れる方向に光を出射する。つまり、発光素子アレイは、面発光レーザ素子アレイである。なお、複数の発光素子が二次元に配置された光源20における、光を出射する面を出射面と表記することがある。
 光拡散部材30には、光源20から出射された光が入射される。光拡散部材30は、入射した光を拡散して出射する。光拡散部材30は、光源20及びキャパシタ70A、70Bを覆うように設けられている。つまり、光拡散部材30は、放熱基材100の表面上に設けられた保持部60により、放熱基材100上に設けられた光源20及びキャパシタ70A、70Bから予め定められた距離を離して設けられている(後述する図6Bおよび図6C参照)。光源20が出射する光は、光拡散部材30により拡散されて被計測物に照射される。つまり、光源20が出射した光は、光拡散部材30を備えない場合に比べ、光拡散部材30により拡散されてより広い範囲に照射される。
 3Dセンサ5は、複数の受光素子、例えば640×480個の受光素子を備え、光源20から光が出射されたタイミングから3Dセンサ5で受光されるタイミングまでの時間に相当する信号を出力する。
 例えば、3Dセンサ5の各受光素子は、光源20からの出射光パルスに対する被計測物からのパルス状の反射光(以下では、受光パルスと表記する。)を受光し、受光するまでの時間に対応する電荷を受光素子毎に蓄積する。3Dセンサ5は、各受光素子が2つのゲートとそれらに対応した電荷蓄積部とを備えた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、発生した光電子を2つの電荷蓄積部の何れかに高速に転送する。2つの電荷蓄積部には、出射光パルスと受光パルスとの時間差に応じた電荷が蓄積される。そして、3Dセンサ5は、ADコンバータを介して、受光素子毎に出射光パルスと受光パルスとの時間差に応じたデジタル値を信号として出力する。すなわち、3Dセンサ5は、光源20から光が出射されたタイミングから3Dセンサ5で受光されるタイミングまでの時間に相当する信号を出力する。つまり、3Dセンサ5から、被計測物までの距離、すなわち被計測物の三次元形状に対応した信号が取得される。なお、ADコンバータは、3Dセンサ5が備えてもよく、3Dセンサ5の外部に設けられてもよい。
 以上説明したように、計測装置1は、光源20が出射した光を拡散して被計測物に照射し、被計測物からの反射光を3Dセンサ5で受光する。このようにして、計測装置1は、被計測物の三次元形状を計測する。
(光源20の構成)
 図4は、光源20の平面図である。光源20は、複数のVCSELが二次元のアレイ状に配置されて構成されている。つまり、光源20は、VCSELを発光素子とする発光素子アレイとして構成されている。紙面の右方向をx方向、紙面の上方向をy方向とする。
 x方向及びy方向と直交する方向をz方向とする。なお、光源20の表面とは、紙面の表側、つまり+z方向側の面を言い、光源20の裏面とは、紙面の裏側、つまり-z方向側の面を言う。光源20の平面図とは、光源20を表面側から見た図である。
 さらに説明すると、光源20において、発光層として機能するエピタキシャル層が形成されている方を、光源20の表面、表側、又は表面側という。
 VCSELは、半導体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、表面に対して垂直方向にレーザ光を出射させる発光素子である。VCSELは、端面出射型のレーザを用いる場合と比較し、二次元のアレイ化が容易である。光源20の備えるVCSELの数は、一例として、100個~1000個である。なお、複数のVCSELは、互いに並列に接続され、並列に駆動される。上記のVCSELの数は一例であり、計測距離や照射範囲に応じて設定されればよい。
 光源20の表面には、複数のVCSELに共通のアノード電極218(図5参照)が設けられている。光源20の裏面には、カソード電極214(図5参照)が設けられている。つまり、複数のVCSELは、並列接続されている。複数のVCSELを並列接続して駆動することで、VCSELを個別に駆動する場合と比較し、強度の強い光が出射される。
 ここでは、光源20は、表面側から見た形状(平面形状と表記する。以下同様とする。)が長方形であるとする。そして、-y方向側の側面を側面21A、+y方向側の側面を側面21B、-x方向側の側面を側面22A及び+x方向側の側面を側面22Bと表記する。側面21Aと側面21Bとが対向する。側面22Aと側面22Bとは、それぞれが側面21Aと側面21Bとをつなぐとともに、対向する。
そして、光源20の平面形状における中心、つまりx方向及びy方向の中央を、中心Ovとする。
(駆動部50及びキャパシタ70A、70B)
 光源20をより高速に駆動させたい場合は、ローサイド駆動するのがよい。ローサイド駆動とは、VCSELなどの駆動対象に対して、電流経路の下流側にMOSトランジスタ等の駆動素子を位置させた構成を言う。逆に、上流側に駆動素子を位置させた構成をハイサイド駆動と言う。
 図5は、ローサイド駆動により光源20を駆動する場合の等価回路の一例を示す図である。図5では、光源20のVCSELと、駆動部50と、キャパシタ70A、70Bと、抵抗素子72と、電源82とを示す。なお、電源82は、図2に示した制御部8に設けられている。電源82は、+側を電源電位とし、-側を基準電位とする直流電圧を発生する。電源電位は、電源線83に供給され、基準電位は、基準線84に供給される。なお、基準電位は、接地電位(GNDと表記されることがある。図5では[G]と表記する。)であってよい。
 光源20は、前述したように複数のVCSELが並列接続されて構成されている。VCSELのアノード電極218(図4参照。図5では[A]と表記する。)が電源線83に接続される。
 駆動部50は、FET素子51と、FET素子51をオンオフする信号発生回路52とを備える。FET素子51のドレイン(図5では[D]と表記する。)は、VCSELのカソード電極214(図4参照。図5では[K]と表記する。)に接続される。FET素子51は、スイッチ素子の一例である。
 FET素子51としては、例えばGaN(窒化ガリウム)のFET素子が用いられるが、これに限られるものではなく、シリコン等の他の材料のFET素子であってもよい。
 FET素子51のソース(図5では[S]と表記する。)は、基準線84に接続される。そして、FET素子51のゲートは、信号発生回路52に接続される。つまり、VCSELと駆動部50のFET素子51とは、電源線83と基準線84との間に直列接続されている。信号発生回路52は、制御部8の制御により、FET素子51をオン状態にする「Hレベル」の信号と、FET素子51をオフ状態にする「Lレベル」の信号とを発生する。
 キャパシタ70A、70Bは、一方の端子が電源線83に接続され、他方の端子が基準線84に接続されている。ここでは、キャパシタ70が複数ある場合には、複数のキャパシタ70は、並列接続される。図5では、キャパシタ70が2個のキャパシタ70A、70Bである。キャパシタ70は、例えば電解コンデンサやセラミックコンデンサなどである。
 キャパシタ70A、70Bの一方の端子は、抵抗素子72の一方の端子に接続されている。抵抗素子72の他方の端子は、電源82の+側に接続されている。
 このように、キャパシタ70A、70Bは、光源20と並列接続され、充電された電荷を光源20に放電する。また、キャパシタ70A、70Bとキャパシタ70A、70Bを充電する電源82との間に抵抗素子72が設けられている。なお、キャパシタ70A、70Bの容量は比較的小さい容量であり、例えばFET素子51がオフ状態の間に蓄積された電荷が、FET素子51がオン状態の間に63.2%放電される程度の容量である。
 次に、ローサイド駆動である光源20の駆動方法を説明する。
 まず、駆動部50における信号発生回路52の発生する信号が「Lレベル」であるとする。この場合、FET素子51は、オフ状態である。つまり、FET素子51のソース(図5の[S])-ドレイン(図5の[D])間には電流が流れない。よって、FET素子51と直列接続されたVCSELにも、電流が流れない。つまり、VCSELは非発光である。
 なお、キャパシタ70A、70Bは、抵抗素子72を介して電源82に接続されていて、抵抗素子72の他方の端子が電源電位になり、基準線84に接続された他方の端子が基準電位になる。よって、キャパシタ70A、70Bは、電源82から抵抗素子72を介して電流が流れて(電荷が供給されて)充電されている。
 次に、駆動部50における信号発生回路52の発生する信号が「Hレベル」になると、FET素子51がオフ状態からオン状態に移行する。すると、キャパシタ70A、70Bと、直列接続されたFET素子51及びVCSELとで閉ループが構成され、キャパシタ70A、70Bに蓄積されていた電荷が、直列接続されたFET素子51とVCSELとに供給される。つまり、VCSELに駆動電流が流れて、VCSELが発光する。この閉ループが、光源20を駆動する駆動回路である。
 そして、駆動部50における信号発生回路52の発生する信号が再び「Lレベル」になると、FET素子51がオン状態からオフ状態に移行する。これにより、キャパシタ70A、70Bと、直列接続されたFET素子51及びVCSELとの閉ループ(駆動回路)が開ループになり、VCSELに駆動電流が流れなくなる。これにより、VCSELは、発光を停止する。すると、放電された分の電荷が、抵抗素子72を介して電源82からキャパシタ70A、70Bに供給されてキャパシタ70A、70Bが充電される。
 以上説明したように、信号発生回路52の出力する信号が「Hレベル」と「Lレベル」とに移行する毎に、FET素子51がオンオフを繰り返し、VCSELが発光と非発光とを繰り返す。FET素子51のオンオフの繰り返しは、スイッチングと呼ばれることがある。
 なお、FET素子51がオン状態からオフ状態に移行してからキャパシタ70A、70Bが電源82の電源電位まで充電される充電時間(時定数)τは、キャパシタ70A、70Bの並列回路の静電容量値をC、抵抗素子72の抵抗値をRとして、次式で表される。
τ=RC   ・・・(1)
 なお、充電時間τは、パルス光の発光間隔の最小値に合わせて設定される。具体的には、充電時間τは、パルス光の発光間隔の最小値より十分小さくなるように設定される。すなわち、キャパシタ70A、70Bの並列回路の静電容量値C及び抵抗素子72の抵抗値Rは、パルス光の発光間隔の最小値に合わせて設定される。なお、充電時間τは、例えば電源82の電源電圧の63.2%まで充電される時間に設定される。
(放熱基材100)
 図6Aは、放熱基材100の平面図である。図6Bは、図6AのA-A断面図である。図6Cは、図6AのB-B断面図である。
 ここで、図6Aにおいて、紙面の右方向を+X方向、紙面の左方向を-X方向、紙面の上方向を+Y方向、紙面の下方向を-Y方向とする。X方向及びY方向と直交する方向(紙面の表方向)をZ方向とする。そして、以下で説明する放熱基材100について、紙面の表方向(+Z方向)を表面又は表面側と言い、紙面の裏方向(-Z方向)を裏面又は裏面側と言う。そして、以下において、表面側から、各部材を透視して見ることを上面視と言う。なお、図6Bにおいて、紙面の右方向が+X方向、紙面の裏方向が+Y方向、紙面の上方向が+Z方向になる。
 図6A~図6Cに示すように、放熱基材100の表面上に光源20、FET素子51、キャパシタ70A、70B、及び抵抗素子72が設けられている。そして、図6B、図6Cに示すように、保持部60上に光拡散部材30が設けられている。
 放熱基材100は、例えば熱伝導率が100W/m・K以上の窒化アルミニウム(AlN)等の絶縁性の基材に銅(Cu)箔などの金属による配線を形成する配線層が設けられて構成されている。放熱基材100として無機基材を用いる場合は、強度上厚みは少なくとも100μm以上であることが好ましい。また、厚みが500μmを超えるとインダクタンス上使用が難しくなるため500μm以下であることが好ましい。なお、電流ループの実効インダクタンス上は200μm以下であることが更に好ましい。すなわち、放熱基材100として無機基材を用いる場合の厚みは、100μm以上で且つ500μm以下、好ましくは、100μm以上で且つ200μm以下であることが好ましい。
 また、放熱基材100として有機基材を使用する場合は、高熱伝導率の基材を用いることが好ましく、例えば熱伝導率が1~5W/m・Kの基材を用いることが好ましい。ここで、例えば厚みが10μm程度の場合は、熱伝導率が1~5W/m・Kの基材を使用可能である。また、有機基材の場合は無機基材の場合と異なり、100μm未満の厚みの基材を用いることが好ましい。
 図6Aに示すように、上面視した場合に光源20は矩形状であり、光源20を拡大した領域にカソード電極214が設けられている。また、カソード電極214の一部は、-Y方向に延伸している。この延伸したカソード電極214上にFET素子51が設けられており、カソード電極214とFET素子51のドレイン[D]が接続されている。すなわち、FET素子51は、光源20と同一のカソード電極によって直列接続され、光源20を駆動する
 また、FET素子51のゲート[G]は、放熱基材100の表面側に設けられたゲート用電極220に接続されている。FET素子51のソース[S]は、放熱基材100の表面側に設けられたグランド電極222に接続されている。
 図6Cに示すように、ゲート用電極220は、放熱基材100を貫通する導体のビアホール224を介して放熱基材100の裏面側に設けられたグランド電極226と接続されている。また、グランド電極222は、放熱基材100を貫通する導体のビアホール230を介して放熱基材100の裏面側に設けられたグランド電極238と接続されている。
 また、放熱基材100の表面側には、光源20の図6Aにおける右側(+X側)、左側(-X側)、上側(+Y側)の三方を囲むようにアノード電極218が設けられている。光源20の右側(+X側)及び左側(-X側)は、ワイヤボンディングによってアノード電極218とワイヤ232で接続されている。
 光源20の左側(-X側)には、キャパシタ70Aが設けられている。キャパシタ70Aの一方の端子はアノード電極218と接続され、他方の端子はグランド電極234と接続されている。図6Bに示すように、グランド電極234は、放熱基材100を貫通する導体のビアホール236を介して放熱基材100の裏面側に設けられたグランド電極238と接続されている。光源20の右側(+X側)には、キャパシタ70Bが設けられている。キャパシタ70Bの一方の端子はアノード電極218と接続され、他方の端子はグランド電極240と接続されている。図6Bに示すように、グランド電極240は、放熱基材100を貫通する導体のビアホール242を介して放熱基材100の裏面側に設けられたグランド電極238と接続されている。
 図6Aに示すように、キャパシタ70Bの上側には、抵抗素子72が設けられている。抵抗素子72の一方の端子は、アノード電極218と接続されており。他方の端子は電源電極244と接続されている。電源電極244は、電源82と接続されている。
 図7は、放熱基材100の裏面側に設けられたグランド電極226、238、245を上面視した場合の図である。図7に示すように、放熱基材100の裏面側は、ほぼ全面にわたってグランド電極が設けられている。このため、光源20を発光させるための駆動電流は、放熱基材100上のアノード電極218からカソード電極214へ流れると共に、その電流路を放熱基材100の裏面側のグランド電極238に投影した経路にも電流が流れる。また、FET素子51のドレイン及びソースが放熱基材100上で直結するため、電流路の実効インダクタンスが最小化される。このため、高い電流値でパルス幅が短いパルスを低い電源電圧で高速で立ち上げることが可能となる。同時に高熱伝導率の放熱基材100の表側と裏側で光源20と接続されたカソード電極214とグランド電極238とが対向するため、光源20が発生する熱をグランド電極238側に効率よく放熱される。
 以上、実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施の形態に多様な変更又は改良を加えることができ、当該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
 また、上記実施の形態は、クレーム(請求項)にかかる発明を限定するものではなく、また実施の形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の組み合わせにより種々の発明が抽出される。実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
 例えば、本実施形態では、光源20及びFET素子51を1個ずつ設けた場合について説明したが、光源20及びFET素子51の組を複数備えた構成としてもよい。この場合、複数のFET素子51を制御する制御信号を出力する制御部8から複数のFET素子51までの信号配線が等しい長さに分岐されている構成としてもよい。例えば図8に示すように、2個の光源20A、20Bと、2個のFET素子51A、51Bを備えた構成の場合、制御部8からFET素子51Aのゲートまでの距離L1と、制御部8からFET素子51Bのゲートまでの距離L2と、が同じ距離となるように、制御部8からFET素子51A、51Bのゲートまでの信号配線が等しい長さに分岐されている構成とする。また、光源20A、20Bのカソードが接続される同一のカソード電極214が放熱基材100上に設けられた構成としてもよい。
 本願は、2021年3月22日付の日本国特願2021-047642号に基づき優先権を主張する。
 

Claims (9)

  1.  発光素子と、
     前記発光素子の一方の電極と直列接続され、前記発光素子を駆動するスイッチ素子と、
     前記発光素子と並列接続され、充電された電荷を前記発光素子に放電する容量素子と、
     前記容量素子と前記容量素子を充電する電源との間に設けられた抵抗素子と、
     を同一の基材上に備える
     発光装置。
  2.  前記容量素子の静電容量値及び前記抵抗素子の抵抗値が、前記発光素子から発光されるパルス光の発光間隔の最小値に合わせて設定されている
     請求項1記載の発光装置。
  3.  前記基材は、窒化アルミニウムである
     請求項1又は請求項2記載の発光装置。
  4.  前記基材は無機基材であり、厚みが100μm以上500μm以下で且つ熱伝導率が100W/m・K以上である
     請求項1~3の何れか1項に記載の発光装置。
  5.  前記基材は有機基材であり、厚みが100μm未満で且つ熱伝導率が1W/m・K以上である
     請求項1又は請求項2記載の発光装置。
  6.  前記発光素子及び前記スイッチ素子の組を複数備えた
     請求項1~5の何れか1項に記載の発光装置。
  7.  複数の前記スイッチ素子を制御する制御信号を出力する制御部から複数の前記スイッチ素子までの信号配線が等しい長さに分岐されている
     請求項6記載の発光装置。
  8.  複数の前記発光素子のカソードが接続される同一のカソード電極が前記基材上に設けられている
     請求項6又は請求項7記載の発光装置。
  9.  請求項1~8の何れか1項に記載の発光装置と、
     前記発光装置から被計測物に対して発光された光の反射光を受光する受光素子と、
     前記受光素子の受光量から直接法におけるタイムオブフライトにより前記被計測物までの距離を測定する測定部と、
     を備えた計測装置。
     
PCT/JP2021/027750 2021-03-22 2021-07-27 発光装置及び計測装置 WO2022201571A1 (ja)

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