JP2020092256A - 光源、光源装置、光学装置、計測装置、ロボット、電子機器、移動体、および造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックル模様の平均輝度の差を抑えることを可能にする。【解決手段】本発明の一実施の形態の光源は、１または複数の面発光レーザをそれぞれ備える複数の発光素子と、複数の発光素子と同一の基板上に形成され、複数の発光素子の出力光量をそれぞれ検出する複数の検出素子とを有する。検出素子は、複数の発光素子の出力光量をモニタするなどして検出する。例えば発光素子の活性層を導波する光をモニタすることにより出力光量の検出を行う。これにより、例えば検出素子が検出した光量に基づいて制御信号をフィードバックすることで、複数の発光素子の出力光量を制御して、スペックル模様の平均輝度の差を抑えることができる。【選択図】図３

Description

本発明は、光源、光源装置、光学装置、計測装置、ロボット、電子機器、移動体、および造形装置に関する。

レーザ光の特徴的性質である過干渉性（コヒーレンス）は、被照射面において散乱した光の回折により観察面（眼の網膜やカメラの撮像素子など）にスペックルと呼ばれる斑点模様のちらつき（ノイズ）を発生させる。スペックルは画質や測定精度などに悪影響を及ぼすため、レーザを使用する上でのデメリットと受け止められており、この課題を解決すべく研究が進められている。

スペックルを低減する一つの手法として１チップ内に複数の発光源を有する面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）を使用して複数を発光させる方法がある。複数を発光させることにより各発光源のスペックル模様を平均化（重畳）してノイズを低減する効果を得るというものである。また、被検体に光を照射する光源モジュールとして、活性層を有する積層構造体の一部である面発光型半導体レーザと、積層構造体の他の一部であり、面発光レーザ素子と光学的に接続された光検出素子とを含む構成を開示したものがある（特許文献１参照）。

しかし、平均化によりノイズ低減効果が得られるのは各発光源が形成するスペックル模様の平均輝度が同じであることが前提となる。ＶＣＳＥＬチップは、製造上のばらつき、各発光源の波長差、自己発熱による特性ドリフト、経年劣化などがあるため、同一条件で駆動しても各発光源の出力が安定せず平均輝度に差が生じてしまうという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、スペックル模様の平均輝度の差を抑えることが可能な光源、光源装置、光学装置、計測装置、ロボット、電子機器、移動体、および造形装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一実施の形態の光源は、１または複数の面発光レーザをそれぞれ備える複数の発光素子と、複数の発光素子と同一の基板上に形成され、複数の発光素子の出力光量をそれぞれ検出する複数の検出素子と、を有する。

本発明によれば、スペックル模様の平均輝度の差を抑えることが可能になるという効果を奏する。

図１は、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザの発光素子の配置とモニタ素子の配置の一例を示す図である。 図２は、発光素子とモニタ素子の構成を示すＡ−Ａ線断面図である。 図３は、発光素子とモニタ素子の構成を示すＢ−Ｂ線断面図である。 図４は、発光素子とモニタ素子の１組当たりの動作説明図である。 図５は、実際に試作して測定した結果の一例を示す図である。 図６は、図１に示した面発光型半導体レーザに遮光部材を設けた例を示す図である。 図７は、隣接する発光素子の間及び隣接するモニタ素子の間の活性層を除去するよう構成とした面発光型半導体レーザを示す図である。 図８は、隣接する発光素子の間及び隣接するモニタ素子の間の活性層を除去するよう構成とした図７に示した面発光型半導体レーザのＢ−Ｂ線断面図である。 図９は、隣接する発光素子の間及び隣接するモニタ素子の間を、それぞれ大きな間隔とした面発光型半導体レーザを示す図である。 図１０は、モニタ素子の組み合わせや配置の一例を示す図である。 図１１は、同じ撮影条件で実際に撮影したスペックル画像の一例を示す図である。 図１２は、撮影条件を変えて実際に撮影したスペックル画像の一例を示す図である。 図１３は、図１１のスペックル画像の輝度ヒストグラムについての一例を示す図である。 図１４は、図１２のスペックル画像の輝度ヒストグラムについての一例を示す図である。 図１５は、ＶＣＳＥＬチップのフィードバック制御回路のブロック構成の一例を示す図である。 図１６は、第２の実施の形態に係る光学装置（光偏向素子のミラー面が大きい場合）の構成の一例を示す図である。 図１７は、第２の実施の形態に係る光学装置（光偏向素子のミラー面が小さい場合）の構成の一例を示す図である。 図１８は、計測装置の一例を示す図である。 図１９は、光学装置による計測対象への光投影の様子の一例を示す図である。 図２０は、ＶＣＳＥＬチップの構成の一例を示す図である。 図２１は、ＶＣＳＥＬチップの構成の他の一例を示す図である。 図２２は、光学装置の光学系の一例を示す図である。 図２３は、光学装置における光の光路を示す図である。 図２４は、光学装置のＶＣＳＥＬの発光素子配列の一例を示す図である。 図２５は、光学装置の光学系の他の一例を示す図である。 図２６は、光学装置の光学系の他の一例を示す図である。 図２７は、光学装置の光学系の他の一例を示す図である。 図２８は、光学装置の光学系の他の一例を示す図である。 図２９は、光学装置の光学系の他の一例を示す図である。 図３０は、光偏向素子の一例であるＭＥＭＳミラーの構成の一例を示す図である。 図３１は、光偏向素子の一例であるポリゴンミラーの構成の一例を示す図である。 図３２は、カメラの構成の一例を示す図である。 図３３は、計測装置のブロック構成の一例を示す図である。 図３４は、位相シフト法を用いた計測の説明図である。 図３５は、光切断法を用いた計測の説明図である。 図３６は、第３の実施の形態に係るロボットの構成の一例を示す図である。 図３７は、第４の実施の形態に係るスマートフォンなどの電子デバイスの構成の一例を示す図である。 図３８は、第５の実施の形態に係る車両の構成の一例を示す図である。 図３９は、第５の実施の形態に係るその他の移動体の構成の一例を示す図である。 図４０は、第６の実施の形態に係る３Ｄプリンタの構成の一例を示す図である。

以下に添付図面を参照して、光源、光源装置、光学装置、計測装置、ロボット、電子機器、移動体、および造形装置の実施の形態を説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施の形態）
面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）において各発光源が形成するスペックルパターン（「スペックルパターン」を「スペックル模様」とも言う）の平均輝度をＳi、標準偏差をσi、スペックルコントラストをＣｓiとする。各発光源から同じパワーでレーザ照射した場合、Ｓ１＝Ｓ２＝Ｓ３＝・・・＝Ｓ０、σ１＝σ２＝σ３＝・・・＝σ０と考えることができる。ｎ枚のスペックルパターンの画像を合成した場合、合成画像（重畳画像）の輝度値はＳ１＋Ｓ２＋・・・＋Ｓｎ＝Ｓ０×ｎとなる。

ばらつきに関しては分散の加法性が成り立つため、σ２＝σ１２＋σ２２＋・・・＋σｎ２となり、σ＝√（ｎ×σ０２）＝σ０√ｎとなる。

よって、ｎ枚の合成画像のスペックルコントラストＣｓｎは、Ｃｓｎ＝σ√ｎ／（Ｓ×ｎ）＝（√ｎ／ｎ）×（σ０／Ｓ０）＝１／√ｎ×Ｃｓ０と表される。

つまり、ｎ枚のスペックルパターンの画像を合成することによりスペックルコントラストは１／√ｎに改善することが分かる。

ここで、２つの発光源（第１の発光源および第２の発光源）を使用し、２つの発光源から異なるパワーでレーザ照射した場合を考える。その場合に、例えば第１の発光源がＳ１＝Ｓ０およびσ１＝σ０で、第２の発光源がＳ２＝１０Ｓ０およびσ２＝１０σ０であったとする。この場合、初期スペックルコントラストをＣｓ０＝σ０／Ｓ０として合成画像のスペックルコントラストＣｓを計算すると、Ｃｓ＝√（σ１２＋σ２２）／（Ｓ１＋Ｓ２）＝√（１０１σ０２）／１１Ｓ０＝（√１０１／１１）Ｃｓ０≒０．９１Ｃｓ０となる。

つまり、各発光源でレーザ照射するパワーが異なると期待される１／√ｎ（この場合、ｎ＝２）ほどの低減効果は得られない。ＶＣＳＥＬチップは、製造上のばらつき、各発光源の波長差、自己発熱による特性ドリフト、経年劣化などがある。つまり、上記の結果は、各発光源の出力を安定させなければ平均輝度に差が生じ、平均化によるノイズ低減効果が期待されるほど得られないということを示している。

この結果に基づき、以下では、各発光源の出力を安定させることが可能な面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）の一実施形態について示す。ただし、各発光源を同時点灯することでスペックルパターンを合成するため、この方式の場合、各発光源が放出する光を各発光源の個別点灯によりフォトダイオードで検出してフィードバック制御するといった構成は現実的ではない。各発光源を同時点灯した場合でも対応できるようにリアルタイムでフィードバック制御する構成が必要である。ここでは実施の形態の一例して、ＶＣＳＥＬチップにおいてリアルタイムフィードバック制御が可能な構成について示す。

図１および図２は、本実施の形態に係る面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）の構成の一例を示す説明図である。図１には、ＶＣＳＥＬチップにおける発光素子の配置とモニタ素子（検出素子）の配置の一例を示している。図１に示す各発光素子ａ１〜ａ４は開口部１１５が光（ビーム）を放つ発光源に相当する。以下、発光素子ａ１〜ａ４を区別しない場合は発光素子ａと記載する。図１において、各発光素子ａは基板の厚み方向の直交面に配置されており基板に対して垂直方向に開口部１１５からビームを出射する。

モニタ素子ｂ１〜ｂ４は、対応する発光素子ａ１〜ａ４の出力光量を検出するように設けられている。以下、モニタ素子ｂ１〜ｂ４を区別しない場合はモニタ素子ｂと記載する。また、対応関係にある発光素子ａとモニタ素子ｂを、発光素子ａｘとモニタ素子ｂｘと記載する。図１に示すＶＣＳＥＬチップ１１は１つの発光素子ａｘにつき１つのモニタ素子ｂｘを有する。この構成では１つの発光素子ａｘの光出力の光量を１つのモニタ素子ｂｘにより検出する。発光素子ａｘとモニタ素子ｂｘとの間隔は何れの組（発光素子ａｘとモニタ素子ｂｘの組）においても等しく設けられている。

なお、図１に示す発光素子ａやモニタ素子ｂのそれぞれの数や、発光素子ａとモニタ素子ｂとの間隔や配置は説明のための一例であり、これに限るものではない。対応する発光素子ａｘとモニタ素子ｂｘも、１対１には限定されず、複数対１や１対複数であってもよい。発光素子ａは一次元配列に限らず２次元アレイ配列にするなどして、面積効率よくレーザビームの高密度化を図ってもよい。また、図１には発光素子ａのサイズを揃えて等間隔に配列しているが、実際に設計する際は製造プロセスのデザインルールが許容する範囲で素子サイズを大きく（あるいは小さく）したり、素子間隔を広げたり（あるいは狭めたり）するなど、複数サイズ、複数ピッチで配置することも可能である。また、各発光源の点灯制御は回路設計に応じて個別制御や群制御、一括点灯など自由に選択してよい。発光素子ａとモニタ素子ｂのレイアウトについては後に改めて説明する。

続いて、図２および図３を参照して発光素子ａとモニタ素子ｂの素子の構成について説明する。図２には、Ａ−Ａ断面（基板の厚み方向の断面）における各素子の構成を、図３には、Ｂ−Ｂ断面における各素子の構成をそれぞれ模式的に示している。発光素子ａとモニタ素子ｂは基板１１０上に共通の構成で設けられる。これらは製造プロセスにより形成したものである。図２に示す例において発光素子ａとモニタ素子ｂとは、共に基板１１０上に下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）１１１、活性層１１２、上部ＤＢＲ１１３を備えるメサ構造をとっている。

本例では、発光素子ａについては照射中心付近を電極１１４で覆わずに光取り出し窓として開口し、そこから光を出射する。つまり図１に示す開口部１１５から図２の矢印方向に光が出射する。モニタ素子ｂについては外光の進入を防ぐために上面全体を電極１１４で覆う。ただし、発光素子ａは、表面出射型には限定されず、基板側から光を出射する裏面出射型としてもよい。この場合、必ずしも開口部１１５を形成する必要はなく、発光素子ａの上面全体を電極１１４で覆うよう構成してもよい。

本例では、図２および図３に示すように、対応する発光素子ａｘとモニタ素子ｂｘの間の領域の活性層１１２を残すように、発光素子メサとモニタ素子メサが形成されている。これにより、下部ＤＢＲ層１１１と活性層１１２は、発光素子ａとモニタ素子ｂとに共通し、このうち活性層１１２が発光素子ａｘとモニタ素子ｂｘとを光学的に接続する導波部として機能し、発光素子ａからの漏れ光が活性層１１２を導波（「伝播」とも言う）する。モニタ素子ｂｘは発光素子ａｘの出力光量を、活性層１１２を導波する漏れ光の光量により検出する。発光素子ａｘの漏れ光をモニタ素子ｂｘで検出する原理について図４および図５の原理説明図を用いて詳しく説明する。

図４および図５は、発光素子ａｘの漏れ光をモニタ素子ｂｘで検出する原理について説明する図である。図４は、発光素子ａｘとモニタ素子ｂｘの１組当たりの動作説明図である。図４に示すように発光素子ａｘに順方向のバイアスを印加すると、電位差により正孔と電子とが活性層１１２に注入されキャリアの再結合により自然放出光が発生する。このままバイアスを大きくしていくと基板１１０に対して垂直方向にレーザ発振が始まり、アパーチャ開口（開口部１１５）から光が出射するという一般的なＶＣＳＥＬ発光動作が起こる。

一方、モニタ素子ｂｘにはバイアスが印加されておらず、空乏層に光が入射して電荷が発生することを利用した光センサとして機能する。よって、活性層１１２により、発光素子ａｘからの自然放出光およびレーザ発振時の一部の漏れ光ｑがモニタ素子ｂｘに導波され、モニタ素子ｂｘに発光素子ａｘの出力光量に応じた電荷が発生する。この電荷は電流計Ａで電流として検出される。検出された電流から得られる光量の情報は、駆動条件や発光特性などに依存しない純粋な光量情報である。このようにモニタ素子ｂｘを構成したことにより発光素子ａｘの出力光量を同時に検出することを可能にしたことによりリアルタイムフィードバック制御が実現できる。

図５は、実際に測定した結果の一例を示す図である。横軸が発光素子ａに印加した電流値であり、縦の第一軸（出力光量（ｍＷ））が発光素子ａの出射光から光パワーメータで取得した光情報であり、第二軸が（検出電流（Ａ））がモニタ素子ｂの出力から検出した検出電流である。

図５に示すように、この発光素子ａは約０．５ｍＡでレーザ発振が始まり、その後は印加電流の大きさに比例して出力光量が増している。ここでは３．５ｍＡまでの結果しかないが、過去の結果から出力光量が飽和する直前まで良好なリニアリティが保たれることが予想される。

一方、モニタ素子ｂから計測された検出電流のレーザ発振後の推移からは、こちらも印加電流（≒出力光量）に対して線形的に検出電流が増加していることが分かる。よって、システム負荷が大きい複雑な補正処理を施すことなく出力光量のフィードバック制御を行うことが期待できる。

以上の結果から、複数の発光素子ａｘにそれぞれ対応する複数のモニタ素子ｂｘを用いることで、各発光素子ａの出力光量のリアルタイムフィードバック制御が可能になる。

なお、図１では、対応する発光素子ａｘとモニタ素子ｂｘの間のみを光が導波するよう、発光素子ａｘとモニタ素子ｂｘの間の領域の一部の活性層１１２のみを残して導波部を形成している。これにより、発光素子ａから発光素子ａに対応しないモニタ素子ｂへ光が到達することを防ぐことができ、より高精度にフィードバック制御を行うことができる。

ここで、光を導波させる部分のみに導波部を形成しても、導波部の端部から光が漏れて迷光が発生するおそれがある。そこで、導波部の端部に遮光部材１１９を設けることで、導波部から外へ光が放出されることを防ぐことができる。図６においては、導波部の端部を電極が覆っており、遮光部材１１９としても機能する。遮光部材１１９としては、金属膜等の完全に光を遮断するものの他、屈折率差による光閉じ込めを利用してもよい。また、遮光部材１１９を設ける場所は、導波部１１８の端部全面であっても、一部であってもよい。図６は、図１の面発光型半導体レーザに遮光部材１１９を配置する一例を示している。この図６は、発光素子ａｘとモニタ素子ｂｘの対向する部分の活性層端部には遮光部材を設けず、他の部分の活性層端部には遮光部材１１９を設けるよう構成した例である。

また、図７に示すように、発光素子ａｘとモニタ素子ｂｘを組として、異なる組の間の導波部（活性層）を除去するよう構成してもよい。この図７に示す例も、Ａ−Ａ線断面図は図２と同様であり、Ｂ−Ｂ線断面図は、図８に示すようになる。本例においては、導波部（活性層）を除去した領域に金属層１２０を形成し、遮光部材としている。なお、発光素子ａｘ及びモニタ素子ｂｘの周囲は、導波部１２１となっている。

なお、発光素子ａから発光素子ａと対応しないモニタ素子ｂへの導波がフィードバック制御の問題とならない場合は、光を導波させない部分（非導波部）を形成する必要はなく、図９に示すように基板上の活性層全体を導波部１２２としてもよい。この場合、発光素子ａとモニタ素子ｂのメサを形成する際に活性層全体を残すようエッチングすればいいので、プロセスを簡略化できる。発光素子ａとモニタ素子ｂの配置の一例として、図９を示す。図９の面発光型半導体レーザでは、対応する発光素子ａとモニタ素子ｂの距離に対して対応しない発光素子ａとモニタ素子ｂとの距離が大きい。特にこのような構成においては、対応しない発光素子ａとモニタ素子ｂの間に非導波部を設けなくともフィードバック制御を行うことは可能である。

次に、モニタ素子ｂの組み合わせや配置について示す。図１には、１つの発光素子ａにつき１つのモニタ素子ｂを等しい間隔で設けた例を示した。ここでは、各種組み合わせや配置などのレイアウトの例を示す。

図１０は、モニタ素子ｂの組み合わせや配置の一例を示す図である。図１０（ａ）は、１つの発光素子ａと１つのモニタ素子ｂとを１組にした１対１配置である。図１０（ｂ）は、複数の発光素子ａと１つのモニタ素子ｂとを１組にした複数対１配置である。この例では、４つの発光素子ａと１つのモニタ素子ｂを１組にした４対１配置を示している。４つの発光素子ａと１つのモニタ素子ｂとが各活性層１１２により光学的に接続されている。このように複数の発光素子ａと１つのモニタ素子ｂとを１組にした場合、複数の発光素子ａを単位にリアルタイムフィードバック制御を行うことができる。なお、２つ以上の複数の発光素子ａと１つのモニタ素子ｂとを１対に構成したものであれば、１つのモニタ素子ｂに組み合わせる発光素子ａの数は任意であってよい。

図１０（ｃ）は、図１０（ａ）と同様に発光素子ａとモニタ素子ｂとを１組にしたものであるが、発光素子ａとモニタ素子ｂとの間隔を組ごとに異ならせた配置となっている。図４に示す測定結果から、発光素子ａの出力光量が増すほどモニタ素子ｂの検出電流が増加することが分かる。つまり、モニタ素子ｂは発光素子ａから近い位置に配置するほど検出電流が多く流れ、出力光量に対する感度を良くすることができる。

ただし、モニタ素子ｂを発光素子ａに近づけすぎると、エッチングなど製造工程上の問題が生じ、狙いの出力特性が得られない場合があるため、狙いの出力特性が得られる距離を前提にできるだけ近い位置に配置することが望ましい。配置の方法として図１０（ｃ）のように個別に間隔を変えるなどの変形を行ってもよい。なお、この他の組み合わせも考えられる。例えば、図１０（ｂ）には、複数の発光素子ａと１つのモニタ素子ｂとを１組にした複数対１配置を示しているが、１つの発光素子ａと複数のモニタ素子ｂとを１組にした１対複数配置も考えられる。このように、モニタ素子ｂの組み合わせや配置は適宜変形してもよい。

図１１および図１２は、実際に撮影したスペックル画像の一例を示す図である。各図のスペックル画像には、そのスペックルコントラスト（Ｃｓ）を示している。

図１１（ａ)と図１１（ｂ）は、同じＶＣＳＥＬチップ１１内に設けられている光源１（第１の発光素子）と光源２（第２の発光素子）とを同じ駆動条件で個別に点灯し、それぞれ同じ撮影条件で撮影したときのスペックル画像である。光源１と光源２は同じＶＣＳＥＬチップ１１内にあるものの光が照射される被照射面（スクリーン等）との幾何学的な関係が異なるため互いに相関のないスペックル模様が形成される。光源１と光源２のどちらもＣｓ≒０．６と同等の発光源であるとみなせる。完全に発達しているスペックルのＣｓが１．０であるが、実測においてはカメラのレンズ絞りや撮像素子サイズなど撮影条件による平均化やビーム特性に起因する多重化がおこりＣｓは１．０よりも低い値となることが多い。

図１１（ｃ）は、光源１と光源２とを同時に点灯して撮影したときのスペックル画像である。図１１（ａ）のスペックル画像と図１１（ｂ）のスペックル画像とが合成されたものであり、平均化の効果によりＣｓは２０％以上改善された。

図１２は、光源２はそのままで光源１のみ撮影条件を変えて撮影したスペックル画像の一例を示す図である。図１２（ａ）は、駆動条件は変えずにカメラのシャッター速度（露光時間）だけを遅くして明るい画像で撮影している。幾何学的な関係および駆動条件は変更していないため図１１（ａ）と同じスペックル模様が観察される。スペックル画像の全体の平均輝度は、図１１（ａ）に示す平均輝度の約４．６倍になっている。Ｃｓも０．６１１と図１１（ａ）の０．６１０からほとんど変わらず、全体の輝度値が増しただけとみなすことができる。

図１２（ｃ）は光源１と光源２とを同時に点灯して撮影したときのスペックル画像である。図１２（ａ）のスペックル画像と図１２（ｂ）のスペックル画像とが合成されたものであり、平均化の効果によりＣｓが１０％以上改善された。ただし、図１２（ｃ）は、輝度が違い平均化の効果は低く、図１１（ｃ）に比べると１０％以上低いスペックル低減効果しか確認されていない。

図１３および図１４は、それぞれ図１１および図１２のスペックル画像の輝度ヒストグラムについての一例を示す図である。つまり、図１３（ａ）、図１３（ｂ）、図１３（ｃ）が、図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）に対応し、図１４（ａ）、図１４（ｂ）、図１４（ｃ）が、図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）に対応する。

以上の結果から、ＶＣＳＥＬの複数光源多重による十分なスペックル改善効果を得るにはチップ面内の各発光素子が同レベル出力となるような制御が必要であることが分かる。

次に、ＶＣＳＥＬチップ１１の制御回路の構成について説明する。ここでは、「制御部」の一例として、モニタ素子ｂを用いてフィードバック制御を行うフィードバック制御回路の構成を説明する。

図１５は、ＶＣＳＥＬチップ１１のフィードバック制御回路のブロック構成の一例を示す図である。図１５に示す発光素子ａおよびモニタ素子ｂは、ペアである。つまり、１対１構成であれば１つの発光素子ａと１つのモニタ素子ｂであり、複数体１構成であれば複数の発光素子ａと１つのモニタ素子ｂである。ここでは説明のため発光素子ａとモニタ素子ｂの単位構成当たりのフィードバック制御回路を示している。

まず、全体の制御を行うコントロール部３０１からＰＣ３００から入力された初期設定に応じたＶＣＳＥＬ駆動信号が送信され、ＤＡ変換（Digital to Analog Converter）３０２、続いてＶＣＳＥＬ駆動回路３０３を経てＶＣＳＥＬ面内の発光素子ａにバイアスが印加される。発光素子ａが良品であれば、この段階でレーザ発振が起こり、散乱光の一部（漏れ光）が活性層を導波してモニタ素子ｂに入射される。

モニタ素子ｂでは入射光に応じた電荷が発生するので検出信号（電気信号）として扱うことができ、電流電圧変換回路３０４にて電圧信号へと変換したのちＡＤ変換（Analog to Digital Converter）３０５からデジタル信号としてコントロール部３０１へ入力される。コントロール部３０１は入力された検出信号を狙いの出力光量に対応した設定値（各発光素子ａにおいて同レベル出力される設定値）と比較して、設定値に近づくように再度ＶＣＳＥＬ駆動信号（制御信号）の出力を行う。

これら一連の動作をリアルタイムで行うことで検出信号が設定値に近い状態を維持することができ、発光素子ａの安定した光出力が可能となる。つまり所定の出力光量に揃えることができる。

また、リアルタイムフィードバック制御を行ってもモニタ素子ｂからの検出信号が設定した閾値より大きい又は小さい場合は、対応する発光素子ａが故障しているものとみなし、コントロール部３０１は即座にバイアス印加を停止すると共にＰＣ３００へアラーム信号を送信する。点線で囲んでＶＣＳＥＬチップ１１の領域を示しているが、発光素子ａ、モニタ素子ｂ以外の機能ブロック（フィードバック部）の一部または全てをＶＣＳＥＬチップ１１に搭載してもよい。

以上のように第１の実施の形態の面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）では、各発光素子ａの出力光量をモニタ素子ｂにより検出して各発光素子ａの出力光量を所定値に制御するという一連の動作をリアルタイムで行うことが可能になる。これにより、各発光素子ａの安定した光出力が可能となり、平均輝度の差を抑え、１／√ｎのノイズ低減効果を期待できるようになる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態において説明したＶＣＳＥＬチップ１１を用いた光学装置の一実施の形態について示す。先ず、スペックルコントラスト（Ｃｓ）が理論値の１／√ｎに改善する結果を得るためには、複数のランダムなスペックルパターンを重ね合わせることが必要である。つまり各発光素子ａが出射する光により発現するスペックルパターンが異なることが前提となる。

この問題は、例えば複数光源角度多重や複数光源波長多重を利用することにより達成することができる。複数光源角度多重は、発光素子ａごとに、想定される被照射面での光の入射角度を異ならせる方式で異なるスペックルパターンの画像を多重化させる。複数光源波長多重は、発光素子ａごとに発振波長を異ならせる方式で異なるスペックルパターンの画像を多重化させる。

複数光源角度多重を用いて光学装置を設計する場合には、理論値１／√ｎの効果が期待できる値に設定値（Ｄ１、θ１、ＬＤＷ１）を適宜設定して設計する。ここで、Ｄ１は隣接する２つの発光素子ａ間の距離である。θ１は、隣接する２つの発光素子ａの出射光が被照射面へ入射する際の光のなす角度である。ＬＤＷ１は、角度θ１で入射する光の仮想的な光源と被照射面との距離である。

図１６および図１７は、一実施の形態の光学装置の一例を示す図である。図１６および図１７は、共に、垂直方向（Ｖ）から見たときの光学装置の構成を示している。ここでは「投影手段」の一例としてライン光により投影する構成を示している。ここで、垂直方向（Ｖ）は、後述する水平方向（Ｈ）に対して直交する方向を指す。

図１６（ａ）には、光偏向素子のミラー面が大きい場合の光学装置の構成を示し、図１７（ａ）には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーのように光偏向素子のミラー面が小さい場合の光学装置の構成を示している。

図１６（ｂ）および図１７（ｂ）には、図１６（ａ）および図１７（ａ）の各光学装置のそれぞれについて、隣接する仮想的な光源（例えば光源ｍ１と光源ｍ２）から被照射面へ入射する光のなす角度θ１を表している。図１６（ｂ）においては光路を分かり易くするためＶＣＳＥＬチップ１１とミラー１３の図示を省略している。また、図１７（ｂ）においては光路を分かり易くするためＶＣＳＥＬチップ１１の図示を省略している。

図１６に示す一例の光学装置１０は、複数の発光素子ａを有するＶＣＳＥＬチップ１１と、ラインジェネレータ１２と、ミラー（光偏向素子）１３とを備える。

ラインジェネレータ１２は、ＶＣＳＥＬチップ１１上の各発光素子ａからの光をライン光に変換する光学手段の一例である。なお、図１６には（図１７も同様）、光路を分かり易くするためにラインジェネレータ１２のレンズ構成については図示を省略している。

ミラー１３のミラー面（網掛けの部分）は、図１６においては紙面手前側に向いた状態を示しているが、図１６の回転軸周りに可動する。

図１６に示すＶＣＳＥＬチップ１１上の各発光素子ａの出射光は、ラインジェネレータ１２によりライン光に変換される。ラインジェネレータ１２から出射した光はミラー１３のミラー面で反射し、被照射面に１本のライン光１４として照射される。図１６には、一例としてＶＣＳＥＬチップ１１上に隣接する２つの発光素子ａから出射される出射光の光路を示している。２つの発光素子ａのそれぞれの光路から分かるように、各発光素子ａからの照射光の一部または全てが被照射面においてライン光１４として１本（略１本）に重なり合っている。

図１６に示すように、ミラー１３の位置において、ラインジェネレータ１２を出射した光（ライン光１４）の長手方向（ミラー１３の回転軸方向）の長さよりミラー面が十分に大きい場合、ライン光１４の長手方向（ミラー１３の回転軸方向）の長さを調節する必要なく、ライン光１４はミラー面に入射できる。

図１７に示すようにミラー面が小さなミラー面（例えばＭＥＭＳミラー）の場合には、ラインジェネレータ１２を出射した光（ライン光１４）の長手方向（ミラー１３の回転軸方向）の長さを調節してミラー面に入射させる必要がある。図１７に示す例では、ラインジェネレータ１２によりライン光を一度集光してミラー面に入射させる。この場合、仮想的な光源ｍ１、ｍ２、・・・は図１７に示すような位置になる。

ミラー面の大きさは走査するライン光が入りさえすれば大きくても小さくてもよい。例えば図１７はミラー面が小さい場合の構成であるが、一度集光する構成でミラー面が大きいものを用いてもよい。また、図１７においてミラー面の挿入位置はライン光の集光点でなくとも、走査するライン光がミラー面に入ってさえいれば光軸方向にずれていてもよい。ただし、ライン光の集光点にミラー面を挿入するときが、最もミラー面を小さくすることができる。

以上のように、光学装置にＶＣＳＥＬチップ１１を使用する。これにより、１／√ｎの効果が得られる値で設計した光学装置において、各発光素子ａの出力光量をリアルタイムにフィードバック制御することが可能になる。つまり、各発光素子ａの出力光量が安定し、各発光素子ａは同レベル出力を行うことができる。従って、重ね合わせる各スペックルパターンのそれぞれの平均輝度を揃えることができ、１／√ｎの効果が期待できる。

「実施例１」
第２の実施の形態にかかる光学装置を適用した装置の実施例を示す。第２の実施の形態にかかる光学装置は観察対象の計測などに使用する計測装置に適用することができる。ここでは計測装置の一例として、観察対象（計測対象とも言う）の３次元計測装置への適用例を示す。

図１８は、計測装置の一例を示す図である。図１８に示す計測装置１は、計測情報取得ユニット２０と制御ユニット３０とを含む。

計測情報取得ユニット２０は、投影部である光学装置１０と、撮像部であるカメラ２１とを含む。光学装置１０は、ＶＣＳＥＬチップ１１と、ラインジェネレータ１２（光学系）と、光偏向素子（ミラー）１３とを有する。計測情報取得ユニット２０は、制御ユニット３０の制御部３１の制御に従い動作する。例えば、ＶＣＳＥＬチップ１１の複数の発光素子ａを光発振させ、ラインジェネレータ１２を介して出力された光を光偏向素子１３で偏向させて計測対象を走査する。制御部３１は、光走査中にＶＣＳＥＬチップ１１の各発光素子ａの出力や点灯タイミングを調節することにより、計測対象の全体にパターン光を投影する。例えば発光素子ａの点灯および消灯（オン／オフ）を制御することで、白黒のグレイコードパターンなど所望の投影パターンを計測対象に投影することができる。

カメラ２１は、光学装置１０が計測対象に投影するパターン光（投影画像）の投影中心３００が撮像領域４０の中心となるように位置および角度が固定されている。これにより、カメラ２１は、投影領域を撮像する。

カメラ２１は、レンズ２１０や撮像素子２１１を有する。撮像素子２１１には、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)のイメージセンサなどを使用する。カメラ２１に入射した光は、レンズ２１０を介して撮像素子２１１上に結像して光電変換される。撮像素子２１１で光電変換された電気信号は、画像信号へと変換され、その画像信号がカメラ２１から制御ユニット３０の演算処理部３２へと出力される。

制御ユニット３０は、光学装置１０によりパターン光を投影する制御やカメラ２１によりパターン光を撮像する制御などを行い、カメラ２１が撮像した画像信号（画像情報）に基づいて、計測対象の３次元計測等の演算処理を行う。制御部３１は、光学装置１０が投影するパターン光を別のパターン光に切り替える制御を行ってもよい。また、制御部３１は、演算処理部３２が３次元座標の算出に用いるキャリブレーション情報を出力する制御を行ってもよい。

制御ユニット３０の演算処理部３２は、入力された画像信号に基づいて３次元座標の算出を行い、３次元形状を取得する。また、演算処理部３２は、算出された３次元形状を示す３次元形状情報を制御部３１からの指示に従いＰＣ（Personal Computer）等（不図示）へ出力する。なお、図１８には、制御ユニット３０に対し１組の計測情報取得ユニット２０が取り付けられた構成を示しているが、制御ユニット３０に対し複数組の計測情報取得ユニット２０を取り付けてもよい。

（光学装置の動作説明）
図１９は、光学装置１０による計測対象への光投影の様子の一例を示す図である。図１９において、光学装置１０は、ライン光１４を計測対象１５に向けて出射する。ライン光１４は、ＶＣＳＥＬチップ１１の各発光素子ａからの複数の光が重なり合っている光で、光偏向素子（ミラー）１３のミラー面において偏向されて、図１９に破線で示すように計測対象１５に照射される。具体的には、光偏向素子１３が、図１９に示すライン光の長手方向軸周りＭの方向にミラー面を駆動してミラー面に照射される光を偏向し、各ライン光が所定のパターン光になるように制御されることにより、計測対象１５に２次元のパターン光が照射され、計測対象１５に投影画像６０が投影される。投影画像６０は、例えば計測対象１５を含む領域に投影される。

（ＶＣＳＥＬの構成）
図２０は、ＶＣＳＥＬチップ１１の構成の一例を示す図である。図２０に示すＶＣＳＥＬチップ１１は、同一基板上で発光素子ａを容易に集積可能な面発光型半導体レーザであり、１次元的に配列された複数の発光素子ａを有する。

図２０に示す各発光素子ａのピッチは、仮想的な光源ｍ１、ｍ２、・・・の間隔Ｄ１が１／√ｎの効果が期待できる設定になれば任意でよい。

なお、図２０に示す発光素子ａの配列は一例であり、発光素子ａが２次元的に配置された構成のものであってもよい。例えばより多くの素子を配置できるハニカム構造の配置であってもよいし、これに限定されず、その他の配置であってもよい。また複数の発光素子ａの開口部の形状を四角形で示しているが、例えば六角形などであってもよいし、これに限定されず、その他の形状であってもよい。また、各発光素子ａのレーザ光の波長は適宜設定してよい。例えば、可視でも不可視でもどちらでもよい。各発光素子ａにおいては発光を独立に制御可能なように構成してもよい。

図２１は、ＶＣＳＥＬチップ１１の構成の他の一例を示す図である。図２１に示すＶＣＳＥＬチップ１１は、複数の発光素子を共に発光させるレイヤーと呼ばれる発光素子群ａ１を少なくとも１つ以上有する。図２１には、発光素子群ａ１が一次元的に配列された形態のものを示しているが二次元的に配置された構成のものでもよい。

図２１に示すレイヤー２２２において、発光素子ａ２は十字型に５個配置されている。同一のレイヤー２２２内において各発光素子ａ２は同じタイミングで発光する。

図２１に示す、各レイヤー２２２のピッチＡと、各発光素子ａ２のピッチ（ピッチＢおよびピッチＣ）は、計測装置１の仕様によって適宜異なるが、仮想的な光源ｍ１、ｍ２、・・・の間隔Ｄ１が１／√ｎの効果が期待できる設定になれば任意でよい。

なお、ここでは、レイヤー２２２の発光素子ａ２として十字型に５個配置されているものを示しているが、これに限定するものではない。発光素子ａ２の数は増減させてもよいし、また、ハニカム構造のようなレイアウトでより多くの発光素子ａ２を配置してもよい。

また、発光素子ａ２の開口部についても四角形のものを示しているが、六角形など、他の形状であってもよい。各レイヤー２２２において各々独立に発光を制御してもよい。

（ラインジェネレータのレンズ構成）
図２２は、光学装置１０の光学系の一例を示す図である。図２２には、光学装置１０の光学系を水平方向（Ｈ）と垂直方向（Ｖ）とからそれぞれ作図したものを並べて示している。

図２２には、ラインジェネレータ１２のレンズ構成の一例として、４枚のシリンドリカルレンズ１２１〜１２４を用いたものを示している。シリンドリカルレンズ１２１〜１２４は、ＶＣＳＥＬチップ１１の各発光素子ａからの光をそれぞれライン光に変換する。

具体的に、水平方向（Ｈ）において、ＶＣＳＥＬチップ１１から発散する光をシリンドリカルレンズ１２１によって平行光束または略平行光束とし、シリンドリカルレンズ１２３によって短手方向のライン光幅を形成する。また、垂直方向（Ｖ）において、ＶＣＳＥＬチップ１１から発散する光をシリンドリカルレンズ１２２によって平行光束または略平行光束とし、シリンドリカルレンズ１２４によって長手方向のライン光長さを形成する。この際、ミラー（光偏向素子）１３に集光する位置に焦点を形成する。なお、１／√ｎの効果が期待できる設定で、それぞれのライン光を光偏向素子１３上に形成する。

シリンドリカルレンズ１２１〜１２４の材質は、例えばガラスやプラスチックである。なお、材質をこれに限定するものではない。他の材質であってもよい。また、シリンドリカルレンズ１２１〜１２４にＡＲコートなどの表面加工を施してもよい。

また、シリンドリカルレンズを挿入する向きはどちらでもよいが、屈折回数を考慮すると図２２に示すように凸面が向かい合うように挿入する方が望ましい。

光偏向素子１３は、ライン光の長手方向軸周りに駆動し、光偏向素子１３に入射したライン光で計測対象１５を走査する。走査中に制御部３１によりライン光の出力を変調することで、計測対象１５へ所定パターンの投影画像を投影する。

図２３は、光学装置１０における光の光路を示す図である。図２３には、光偏向素子１３としてミラー面が狭いＭＥＭＳミラーを使用した光学装置１０を示している。図２３における光学装置１０のＶＣＳＥＬチップ１１は図２４に示すように、５個の異なる波長（波長λ１、波長λ２、波長λ３、波長λ４、波長λ５）の発光素子ａを等ピッチで配置したものを１セットとし、全体で１０セット分（５種類の波長×１０セット＝５０個）の発光素子ａを一次元的に配列している。各セット内において発光素子ａの並び順は所定の波長順である。つまり、各波長の発光素子ａは、図２４において周期的な位置をとるように配置されている。また図２４において、隣接するセット間の同一波長の発光素子ａはＸμｍピッチで配置されている。セット間の同一波長の発光素子ａにより生じる各スペックルパターンは、互いに異なるスペックルパターンとなるように設定されている。すなわち、複数光源角度多重効果を得られる設定となっている。また、同一セット内の波長λ１〜λ５の発光素子ａにより生じる各スペックルパターンについても、互いに異なるスペックルパターンとなるように設定されている。こちらについては、複数光源波長多重効果を得られる設定となっている。なお、この構成は一例であり、少なくとも１部の波長を異ならせたものでもよい。

図２３に示す光路は、ＶＣＳＥＬチップ１１の波長λ１の発光素子ａからの各光から形成されるライン光がそれぞれ重なっている様子を示している。なお、波長λ２〜λ５の発光素子ａの光路は、光路をわかりやすくするために図示を省略する。図２３に示すように、ＶＣＳＥＬチップ１１の各発光素子ａからの光により、ラインジェネレータ１２がそれぞれライン光を形成する。各発光素子ａは同じ発散角で光を発し、ラインジェネレータ１２を経て、ライン光の長手方向における広がり角と短手方向におけるライン光幅とが調整される。このとき、ライン光の長手方向はミラー面で、短手方向は計測範囲で集光するように方向ごとに調整されるため、ミラー面上の各ライン光は最終的に形成されるライン光の長手方向の長さよりも、短手方向の長さのほうが長くなる。図２３には、ミラー面強度分布ＳＩＭを示している。ミラー面強度分布ＳＩＭでも、入射するライン光の様子が前述のように確認される。このようにライン光の長手方向をミラー面で集光することで、ミラー面を小さくでき、さらにライン光の長手方向の広がり角を広げることができる。また、各発光素子ａから形成される各ライン光の本数が少ないと、図２３に示すようにミラーサイズの関係は、最終的に形成されるライン光の長手方向におけるミラーの辺より、短手方向におけるミラーの辺のほうが長くなる（Ｗｍｍ＞Ｈｍｍ）。

発光素子ａからの各光から形成されるそれぞれのライン光において、少なくとも一の間隔は他の間隔と異なっていてよい。例えば、同一波長の発光素子の間隔（Ｘμｍ）と光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔（Ｙμｍ）とを異ならせる。以下に、同一波長の発光素子の間隔（Ｘμｍ）と光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔（Ｙμｍ）との関係性について説明する。

同一波長の発光素子で異なるスペックルパターンが生じる場合、すなわち、複数光源角度多重を利用したスペックルノイズの低減効果がある（「１／√ｎの効果が期待できる」とも言う）設定で光学装置１０を構成する場合、同一波長の発光素子の間隔（Ｘμｍ）と光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔（Ｙμｍ）とは、同一波長の発光素子の間隔≧光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔の関係を満たすようにする。

また、別の例として、同一波長の発光素子の間隔と光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔とは、同一波長の発光素子の間隔＜光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔の関係を満たすようにしてもよい。この場合には、光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔は３５μｍ以上とする。この値は次のように算出した。具体的に、複数光源角度多重効果（１／√ｎの効果）が生じ始める角度（一例としてθ１＝０．０４ｄｅｇ）以上になるところでは、スペックルノイズ低減効果が得られる。例えば顕微鏡を考慮に入れると、ＬＷＤ１は５０ｍｍ以上の短い値にまで設定できる。これらより光偏向素子に入射する同一波長のライン光の所定の間隔Ｙは約３４．９μｍ以上と算出され、Ｙは３５μｍ程度になる。計算式ではＹ＝２×ＬＷＤ１×ｔａｎ（θ１／２）より、Ｄ１＝２×５０×ｔａｎ（０．０２）＝３４．９０７（略３５）μｍとなる。

さらに、同一波長の発光素子の間隔＜光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔の関係を満たす場合、複数光源角度多重効果が生じ始める角度（θ＝０．０４ｄｅｇ）以上になるところでは、スペックルノイズ低減効果が得られるので、光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔に上限は設けられない。しかし、現実的にはミラーサイズやスペックルノイズ低減効果の程度を考慮すると、決まってくる。例えば、ミラーサイズが１５ｍｍで、スペックルノイズを半分は減らしたいときについて考える。このとき、光源は４個必要となり、光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔は最大でも５ｍｍ（＝１５÷（４−１））までしかとることはできない。

図２３のように、複数光源波長多重効果と複数光源角度多重効果を併用してスペックルノイズを低減すると、ＶＣＳＥＬチップ１１の異なる波長の発光素子ａ間のピッチは、Ｘμｍピッチより短くすることができるため、複数光源角度多重効果のみを用いて同じスペックルノイズ低減効果を得る場合と比較して、ＶＣＳＥＬチップ１１に配置される発光素子ａの集積密度が向上する。集積密度の向上により、光量増加やスペックルノイズの低減効果が期待できる。集積密度が向上すれば、同一のスペックルコントラストであれば、よりVCSELのチップサイズを小さくすることができ、同一の面積であれば、光量増加やスペックルノイズをさらに低減することができる。

図２５は、光学装置１０の光学系の他の一例を示す図である。図２５には、ラインジェネレータ１２のレンズ構成の一例として、球面レンズ１２６と２枚のシリンドリカルレンズ（シリンドリカルレンズ１２３、シリンドリカルレンズ１２４）とを用いたものを示している。図２２では、ＶＣＳＥＬチップ１１から発散する光を、水平方向（Ｈ）と垂直方向（Ｖ）とで別々のシリンドリカルレンズ１２１、１２２を用いて平行光束または略平行光束を作っていたが、図２５では、それを球面レンズ１２６の１枚で行う。このように、球面レンズを使用することにより、必要なレンズ数を減らすことができる。

図２６は、光学装置１０の光学系の他の一例を示す図である。図２６には、ラインジェネレータ１２のレンズ構成の一例として、シリンドリカルレンズ１２１を用いたものを示している。水平方向（Ｈ）において、ＶＣＳＥＬチップ１１から発散する光をシリンドリカルレンズ１２１によって短手方向のライン光幅に形成する。垂直方向（Ｖ）においては、ＶＣＳＥＬチップ１１から発散する光のみで、長手方向のライン光長さを形成する。この構成では、使用するレンズが１枚で済むため、必要なレンズ数を最も減らすことができる。

図２７は、光学装置１０の光学系の他の一例を示す図である。図２７には、ラインジェネレータ１２のレンズ構成の一例として、２つのシリンドリカルレンズ（シリンドリカルレンズ１２１とシリンドリカルレンズ１２３）を用いたものを示している。

水平方向（Ｈ）において、ＶＣＳＥＬチップ１１から発散する光をシリンドリカルレンズ１２１によって平行光束または略平行光束とし、シリンドリカルレンズ１２３によって短手方向のライン光幅を形成する。垂直方向（Ｖ）においては、ＶＣＳＥＬチップ１１から発散する光のみで、長手方向のライン光長さを形成する。

図２８は、光学装置１０の光学系の他の一例を示す図である。図２８は、図２２に示すレンズ構成にさらに絞り１２５を加えたものである。図２２に示すレンズ構成において光を光偏向素子１３に十分集光できない場合に、絞り１２５を挿入する。なお、絞り１２５をこれに限定するものではない。少なくとも一つの絞り１２５を任意の位置に挿入してよい。また、図２８には、水平方向（Ｈ）に対応する絞り１２５を示しているが、垂直方向（Ｖ）についても同様に挿入してよい。また、絞り１２５は、迷光を除去する目的で挿入してもよい。

図２９は、光学装置１０の光学系の他の一例を示す図である。図２９には、ＶＣＳＥＬチップ１１の各発光素子ａの発散角を制御するため、ＶＣＳＥＬチップ１１の前方（光軸方向）にマイクロレンズアレイ１２７とマイクロシリンドリカルレンズアレイ１２８とを挿入した構成のものを示している。マイクロシリンドリカルレンズアレイ１２８の後段の構成については図示を省略している。なお、各発光素子ａの発散角の制御は、マイクロレンズアレイおよび／またはマイクロシリンドリカルレンズアレイで行うことができる。つまり、各発光素子ａの発散角の制御にマイクロレンズアレイを使用してもよいし、マイクロシリンドリカルレンズアレイを使用してもよい。また、これらの両方を組み合わせてもよい。ここでは、一例として、両方を組み合わせた例について示す。

マイクロレンズアレイ１２７の各レンズは球面になっており、ＶＣＳＥＬチップ１１の各発光素子ａから発散する光を、水平方向（Ｈ）および垂直方向（Ｖ）において平行光束または略平行光束に変換する。そして、マイクロレンズアレイ１２７から出射される光束はマイクロシリンドリカルレンズアレイ１２８によって、垂直方向（Ｖ）に示す長手方向のライン光長さを形成する。このように構成することにより、ＶＣＳＥＬチップ１１の発散角が制御される。なお、図２９では水平方向に発光素子ａは１列しかないが、水平方向にも発光素子ａを並べて、ＶＣＳＥＬ上の発光素子をマトリクス状に配置してもよい。それに伴い、マイクロレンズアレイおよびマイクロシリンドリカルレンズアレイもマトリクス状に形成してもよい。

（光偏向素子）
光偏向素子１３は、レーザ光を１軸あるいは２軸方向に走査することができる可動ミラーである。可動ミラーには、例えばＭＥＭＳミラーや、ポリゴンミラーや、ガルバノミラーなどがあるが、レーザ光を１軸あるいは２軸方向に走査することができるものであれば、その他の方式を用いたものでもよい。本実施例では、ラインジェネレータ１２により形成されたライン光１４を走査範囲中の計測対象１５上に一軸走査する可動ミラーを使用する。なお、可動ミラーは、ライン光を光走査することで、２次元面状の投影パターンが形成される。

図３０は、光偏向素子１３の一例であるＭＥＭＳミラー（ＭＥＭＳミラースキャナとも言う）の構成の一例を示す図である。図３０に示すＭＥＭＳミラースキャナは、支持基板１３１に、可動部１３２と二組の蛇行状梁部１３３とを有する。

可動部１３２は反射ミラー１３２０を備えている。二組の蛇行状梁部１３３はそれぞれ一端が可動部１３２に連結され、他端が支持基板１３１により支持されている。二組の蛇行状梁部１３３はそれぞれミアンダ形状の複数の梁部からなり、共に、第１の電圧の印加により変形する第１の圧電部材１３３１と、第２の電圧の印加により変形する第２の圧電部材１３３２とを各梁部に１つおきに有する。第１の圧電部材１３３１と第２の圧電部材１３３２と隣り合う梁部ごとに独立に設けられている。二組の蛇行状梁部１３３はそれぞれ第１の圧電部材１３３１と第２の圧電部材１３３２への電圧の印加により変形し、可動部１３２の反射ミラー１３２０を回転軸周りに回転させる。

具体的には、第１の圧電部材１３３１と第２の圧電部材１３３２に逆位相となる電圧を印加し、各梁部に反りを発生させる。これにより、隣り合う梁部が異なる方向にたわみ、それが累積され、二組の蛇行状梁部１３３に連結する可動部１３２と共に反射ミラー１３２０が回転軸を中心に往復回動する。さらに、回転軸を回転中心とするミラー共振モードに合わせた駆動周波数をもつ正弦波を逆相で第１の圧電部材１３３１と第２の圧電部材１３３２とに印加することで、低電圧で非常に大きな回転角度を得ることができる。

なお、駆動波形は正弦波に限らない。例えばノコギリ波であってもよい。また、共振モードに限らず、非共振モードで駆動させてもよい。

図３１は、光偏向素子１３の一例であるポリゴンミラーの構成の一例を示す図である。図３１に示すポリゴンミラーは、図３１に示す回転軸の周りにＭ方向に等速回転運動する回転体１３Ａに複数の平面ミラー１３２０Ａを備える。ラインジェネレータ１２から平面ミラー１３２０Ａに入力するライン光は平面ミラー１３２０Ａの角度の変化により測定対象を一軸走査する。図３１に矢印で示すように、ポリゴンミラーでは水平方向（Ｙ軸と垂直な方向）の広範囲な領域に対して測定が可能となる。

さらに図３１に示す構成では、ポリゴンミラーの各ミラー面１３２０Ａにおいて回転軸に対する倒れ角を互いに異ならせている。このように各ミラー面１３２０Ａに異なる倒れ角を与えるとライン光の垂直方向の出射角が制御されるので、回転体１３Ａの回転によりミラー面１３２０Ａが変わる度に垂直方向の出力角が変化することになる。よって、各ミラー面１３２０Ａに異なる倒れ角を与えると、ポリゴンミラーに備えられた射面の数に応じて、垂直方向の走査領域を広角化することが可能になる。

（カメラ）
図３２は、カメラ２１の構成の一例を示す図である。カメラ２１は、レンズ２１０や撮像素子２１１を有する。撮像素子２１１には、例えばＣＣＤやＣＭＯＳのイメージセンサなどを使用する。カメラ２１に入射した光は、レンズ２１０を介して撮像素子２１１上に結像して光電変換される。撮像素子２１１で光電変換された電気信号は、画像信号へと変換され、その画像信号がカメラ２１から制御ユニット３０（図１８参照）の演算処理部３２（図１８参照）へと出力される。

また、レンズ２１０に入射する光の前にレーザ光源の発振波長近傍の波長のみを透過させるフィルタを設けてもよい。これにより、レンズ２１０に入射する光は、ＶＣＳＥＬチップ１１（図１８参照）の発振波長近傍以外の波長がカットされ、Ｓ／Ｎ比が向上する。

（制御部の機能ブロックの説明）
図３３は、計測装置１のブロック構成の一例を示す図である。なお、図３３において、既に説明済みの箇所については、同一の符号を付し、適宜詳細な説明を省略する。

図３３に示す演算処理部３２は、カメラ２１から出力された画像信号を解析する。演算処理部３２は、画像信号の解析結果と、キャリブレーション情報とを用いた演算処理により、３次元情報の復元処理を行い、これにより対象の３次元計測を実行する。演算処理部３２は、復元された３次元情報を制御部３１に供給する。

制御部３１は、投影制御部３１０と、パターン記憶部３１１と、光源駆動・検出部３１２と、光走査駆動・検出部３１３と、撮像制御部３１４とを含む。

光走査駆動・検出部３１３は、投影制御部３１０の制御に従い光偏向素子１３を駆動する。投影制御部３１０は、光偏向素子１３の偏向中心に照射されたライン光が測定対象を走査するように、光走査駆動・検出部３１３を制御する。撮像制御部３１４は、投影制御部３１０の制御に従いカメラ２１の撮像タイミングや露光量を制御する。

光源駆動・検出部３１２は、投影制御部３１０の制御に従いＶＣＳＥＬチップ１１の各発光素子の点灯および消灯を制御する。光源駆動・検出部３１２には、フィードバック制御回路が含まれる。なお、フィードバック制御回路の一部又は全てをＶＣＳＥＬチップ１１に搭載してもよい。

パターン記憶部３１１は、例えば、計測装置１の不揮発性の記憶媒体に記憶されている投影画像のパターン情報を読み出す。パターン情報は、投影画像（投影パターン）を形成するためのパターン情報である。パターン記憶部３１１は、投影制御部３１０からの指示に従いパターン情報を読み出して投影制御部３１０に渡す。投影制御部３１０は、パターン記憶部３１１から渡されたパターン情報に基づき光源駆動・検出部３１２を制御する。

また、投影制御部３１０は、演算処理部３２から供給された、復元された３次元情報に基づき、パターン記憶部３１１に対してパターン情報の読み出しを指示してもよいし、読み出したパターン情報に応じて演算処理部３２に対して演算方法を指示してもよい。

演算処理部３２や、投影制御部３１０や、撮像制御部３１４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）上で動作する計測プログラムにより実現する。具体的に、ＣＰＵは、ＲＯＭ（Read Only Memory）から計測プログラムを読み出して実行することにより、演算処理部３２や、投影制御部３１０や、撮像制御部３１４を実現する。なお、この実現方法は一例であり、これに限らない。例えば、演算処理部３２、投影制御部３１０、撮像制御部３１４の、一部または全てを、互いに協働して動作するハードウェア回路により構成してもよい。また、演算処理部３２や、投影制御部３１０や、撮像制御部３１４に限らず、その他のブロックも計測プログラムにより実現してもよい。

（投影パターン）
次に、計測対象を走査する投影パターンについて説明する。計測対象の形状および姿勢を３次元情報として取得する３次元計測を、計測対象に照射された光を観測することで行う幾つかの方法がある。その内の一例として（１）位相シフト法を用いた計測と、（２）光切断法を用いた計測と、の２つの例を説明する。これらの計測方法は、例えば次の非特許文献にそれぞれ開示されている。

（１）プロジェクタ・カメラシステムのレスポンス関数を用いた位相シフト法によるアクティブ・ステレオの精度向上「画像の認識・理解シンポジウム（ＭＩＲＵ２００９）」２００９年７月

（２）「光切断法による3次元画像を用いた外観検査技術」ＲＩＣＯＨ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＲＥＰＯＲＴ、Ｎｏ．３９， ２０１３、２０１４年１月２８日発行

先ず（１）の位相シフト法を用いた計測について概略的に説明する。位相シフト法では、図３４（ａ）に例示される、それぞれ位相の異なる位相シフトパターンである複数の投影パターン６０（１０）、６０（１１）、６０（１２）および６０（１３）を用いた位相解析により、３次元の形状および姿勢の復元を行う。このとき、図３４（ｂ）に例示される、それぞれ異なるグレイコードパターンである複数の投影パターン６０（２０）、６０（２１）、６０（２２）および６０（２３）を用いた空間コード化法を併用し、これら空間コード化法および位相シフト法の結果に基づき位相連結を行うことで、高精度に３次元の形状および姿勢の復元を行うことができる。

このように、（１）の位相シフト法を用いた計測では、複数の投影パターン６０（１０）〜６０（１３）、６０（２０）〜６０（２３）それぞれについて撮像を行う。

次に（２）の光切断法を用いた計測について概略的に説明する。光切断法は、ライン光源により計測対象に対して輝線を照射し、この輝線が照射された計測対象を撮像し、輝線画像を得る。例えば図３５に例示するように、光偏向素子からライン光（輝線）１４を形成する。この輝線画像に基づき、計測対象の１ライン分の３次元形状が生成される。図３５の投影パターン６０（３）に示すように、光偏向素子を用いてライン光１４の照射位置を矢印の向きに変えていき、計測対象に対して複数の輝線画像を得る。これにより、計測対象の全体の３次元形状を生成できる。このような光切断パターンを用いた光切断法は、光沢のある計測対象の計測に用いて好適である。

（実施例の効果）
本実施例では、ＶＣＳＥＬチップ１１の使用により、各発光素子ａの出力光量が安定し、各発光素子ａは同レベル出力を行うことができる。従って、特に輝度値を周期的に変化させた位相パターンを投影する３次元計測において、スペックルノイズの影響だけでなく光源の出力ムラを低減し、設計通りの位相パターンを投影することが可能になる。よって、高精度で安定した測定を行うことが可能になる。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態は、第２の実施の形態に係る計測装置１を、ロボットアーム（多関節アーム）と組み合わせて用いる例である。

図３６は、第３の実施の形態に係るロボットの構成の一例を示す図である。図３６には、多関節を有するロボットアームに計測装置１を適用した例を示している。ロボットアーム７０は、対象物をピッキングするためのハンド部７１を備え、ハンド部７１の直近に計測装置１が搭載されている。ロボットアーム７０は、それぞれ屈曲可能な複数の可動部を備え、ハンド部７１の位置および向きを、制御に従い変更する。

計測装置１は、光の投影方向がハンド部７１の向く方向に一致するように設けられ、ハンド部７１のピッキング対象１５を計測対象として計測する。

このように、第３の実施形態では、計測装置１をロボットアーム７０に搭載することで、ピッキングの対象物を近距離から計測することができ、カメラ等を用いた遠方からの計測と比較して計測精度や認識精度の向上が達成できる。例えば、工場の様々な組立てライン等におけるＦＡ(Factory Automation)分野においては、部品の検査や認識等のために、ロボットアーム７０等のロボットが利用される。ロボットに計測装置１を搭載することにより、部品の検査や認識を精度よく行うことができるようになる。

なお、この第３の実施形態では、計測装置１をロボットアーム７０に設けることとしたが、ロボットアーム７０が計測装置１の機能を備えていてもよい。すなわち、計測装置１がロボットアーム７０に、ハードウェア等の共通化できる部分は共通化して組み込まれていてもよい。

（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態について説明する。第４の実施の形態は、第２の実施の形態に係る計測装置１をスマートフォンやＰＣなどの電子機器に搭載して用いる例である。

図３７は、第４の実施の形態に係るスマートフォンなどの電子デバイスの構成の一例を示す図である。スマートフォン８０に計測装置１を適用した例を示している。スマートフォン８０には計測装置１と使用者の認証機能が搭載されている。使用者の認証機能は、例えば専用のハードウェアを設けるなどして搭載されている。この他、コンピュータ構成のＣＰＵがＲＯＭなどのプログラムを実行するなどして本機能を実現するようにしてもよい。計測装置１は、使用者８１の顔、耳や頭部の形状などを計測する。この計測結果に基づいて、使用者の認証機能は、使用者８１がスマートフォン８０に登録された者かを判定する。

このように、第４の実施の形態では、計測装置１をスマートフォン８０に搭載することで、高精度に使用者８１の顔、耳や頭部の形状などを計測することができ、認識精度の向上が達成できる。なお、本実施例では、計測装置１をスマートフォン８０に搭載しているが、ＰＣやプリンタなどの電子機器に搭載してもよい。また、機能面としても個人認証機能に限らず、顔形状のスキャナなどに用いてもよい。

なお、この第４の実施形態では、計測装置１をスマートフォン８０に設けることとしたが、スマートフォン８０が計測装置１の機能を備えていてもよい。すなわち、計測装置１がスマートフォン８０に、ハードウェア等の共通化できる部分は共通化して組み込まれていてもよい。

（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態は、第２の実施の形態に係る計測装置１を、移動体に搭載して用いる例である。

図３８は、第５の実施の形態に係る車両の構成の一例を示す図である。自動車に計測装置１を適用した例を示している。自動車車内８５には計測装置１と運転支援機能が搭載されている。運転支援機能は、例えば専用のハードウェアを設けるなどして搭載されている。この他、コンピュータ構成のＣＰＵがＲＯＭなどのプログラムを実行するなどして本機能を実現するようにしてもよい。計測装置１は、ドライバー８６の顔や姿勢などを計測する。この計測結果に基づいて、運転支援機能は、ドライバー８６の状況に応じた適切な支援を行う。

このように、第５の実施の形態では、計測装置１を自動車に搭載することで、高精度にドライバー８６の顔、姿勢などを計測することができ、車内８５のドライバー８６の状態認識精度の向上が達成できる。なお、本実施例では、計測装置１を自動車に搭載しているが、電車の車内や飛行機の操縦席（または客席）などに搭載してもよい。また、機能面としてもドライバー８６の顔、姿勢などのドライバー８６の状態認識に限らず、ドライバー８６以外の搭乗者や車内８５の様子の認識などに用いてもよい。またドライバー８６の個人認証を行い、車のドライバーとして予め登録された者かを判断するといった車のセキュリティに用いてもよい。

図３９は、第５の実施の形態に係るその他の移動体の構成の一例を示す図である。図３９には、自律型の移動体に計測装置１を適用した例を示している。移動体８７には計測装置１が搭載されており、移動体８７の周囲を計測する。この計測結果に基づいて、移動体８７は自身の移動する経路の判断および、机８８の位置などの室内８９のレイアウトを算出する。

このように、第５の実施の形態では、計測装置１を移動体８７に搭載することで、高精度に移動体８７の周辺を計測することができ、移動体８７の運転の支援が行える。なお、本実施例では、計測装置１を小型の移動体８７に搭載しているが、自動車などに搭載してもよい。また、屋内だけでなく屋外で用いてもよく、建造物などの計測に用いてもよい。

なお、この第５の実施形態では、計測装置１を自動車等の移動体８７に設けることとしたが、移動体８７が計測装置１の機能を備えていてもよい。すなわち、計測装置１が移動体８７に、ハードウェア等の共通化できる部分は共通化して組み込まれていてもよい。

（第６の実施の形態）
次に、第６の実施の形態について説明する。第６の実施の形態は、第２の実施の形態に係る計測装置１を、造形装置に搭載して用いる例である。

図４０は、第６の実施の形態に係る造形装置の構成の一例を示す図である。図４０には、造形装置の一例である３Ｄプリンタ９０のヘッド部９１に計測装置１を適用した例を示している。ヘッド部９１は形成物９２を形成するための造形液を吐出するノズル９３を有する。計測装置１は、３Ｄプリンタ９０によって形成される形成物９２の形状を、形成中に計測する。この計測結果に基づいて、３Ｄプリンタ９０の形成制御が行われる。

このように、第６の実施の形態では、計測装置１を３Ｄプリンタ９０に搭載することで、形成物９２の形状を形成中に計測することができ、高精度に形成物９２を形成できる。なお、本実施例では、計測装置１を３Ｄプリンタ９０のヘッド部９１に搭載しているが、３Ｄプリンタ９０内の他の位置に搭載してもよい。

なお、この第６の実施形態では、計測装置１を３Ｄプリンタ９０に設けることとしたが、３Ｄプリンタ９０が計測装置１の機能を備えていてもよい。すなわち、計測装置１が３Ｄプリンタ９０に、ハードウェア等の共通化できる部分は共通化して組み込まれていてもよい。

１１ ＶＣＳＥＬチップ
１１０ 基板
１１１ 下部ＤＢＲ
１１２ 活性層
１１３ 上部ＤＢＲ
３００ ＰＣ
３０１ コントロール部
３０２ ＤＡ変換
３０３ ＶＣＳＥＬ駆動回路
３０４ 電流電圧変換回路
３０５ ＡＤ変換
ａ 発光素子
ｂ モニタ素子
Ｄ１ ピッチ
ＬＷＤ１ 距離
ｍ１、ｍ２ 仮想的な光源
θ１ 角度

特開２０１７−１１７８９１号公報

Claims (16)

1. １または複数の面発光レーザをそれぞれ備える複数の発光素子と、
   前記複数の発光素子と同一の基板上に形成され、前記複数の発光素子の出力光量をそれぞれ検出する複数の検出素子と、
   を有することを特徴とする光源。
2. 前記複数の検出素子は、前記基板上に形成された導波部を介して前記複数の発光素子からの光を受光することを特徴とする請求項１に記載の光源。
3. 前記複数の発光素子と前記複数の検出素子の間に、前記導波部が除去された領域が存在することを特徴とする請求項２に記載の光源。
4. 前記複数の発光素子は、各々の前記発光素子からの光をそれぞれ受光する前記検出素子を一つずつ有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちの何れか一項に記載の光源。
5. 異なる発振波長の発光素子を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちの何れか一項に記載の光源。
6. 前記複数の発光素子において波長の等しい発光素子を複数有する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の光源。
7. 前記複数の発光素子において波長が異なる発光素子の素子間隔が波長の等しい発光素子の素子間隔より狭い
   ことを特徴とする請求項６に記載の光源。
8. 各前記波長の発光素子が同じ素子間隔で配置されている、
   ことを特徴とする請求項７に記載の光源。
9. 請求項１から請求項８のうちの何れか一項に記載の光源と、
   前記複数の検出素子からの出力が入力され、前記複数の発光素子の制御を行う制御部と、を備える光源装置。
10. 前記制御部は、
    前記検出素子が受光した光の光量を電気信号に変換し、
    前記電気信号に変換された信号に基づいて前記発光素子を所定の出力光量に制御する制御信号を前記発光素子にフィードバックする、
    ことを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
11. 請求項９又は請求項１０に記載の光源装置と、
    前記複数の発光素子からの光を被照射面に投影する投影手段と、
    を有することを特徴とする光学装置。
12. 請求項１１に記載の光学装置と、
    被照射面上のライン光を撮像する撮像手段と、
    前記撮像手段により撮像された前記ライン光の画像情報に基づき前記被照射面の対象物を計測する計測手段と、
    を備えることを特徴とする計測装置。
13. 請求項１２に記載の計測装置と、
    前記計測装置を装着した多関節アームと、
    を備えることを特徴とするロボット。
14. 請求項１２に記載の計測装置と、
    前記計測装置による使用者の計測結果に基づいて使用者の認証を行う認証部と、
    を備えることを特徴とする電子機器。
15. 請求項１２に記載の計測装置と、
    前記計測装置による計測結果に基づいて移動体の運転を支援する運転支援部と、
    を備えることを特徴とする移動体。
16. 請求項１２に記載の計測装置と、
    前記計測装置による計測結果に基づいて形成物を形成するヘッドと、
    を備えることを特徴とする造形装置。